气球密度仪法在现场检测压实度中的应用

梁腾龙

（中国水利水电第十四工程局有限公司非洲事业部，云南 昆明 650041）

1 体积测试原理

气球密度仪与灌砂筒检测现场压实度，都是以某种物质作为介质从而换算试验探坑体积，最后达到计算现场材料压实密度为目的。检测方法的不同在于探坑体积测量方式存在区别。

灌砂筒：利用已知密度均匀（0.3-0.6mm）的量砂从一定高度自由下落灌入到探坑内，按单位重不变的原理来测量探坑体积，再根据探坑内的材料质量计算材料密度，以达到计算现场压实度为目的。

气球密度仪： 通过气球密度仪加压装置向仪器中的储水桶中施加压力，使底部橡胶气球膨胀填充探坑，再通过体积标尺直接读取探坑体积，根据探坑内材料质量计算材料密度，以达到计算现场压实度为目的。

2 气球密度仪

从（图1）可以简单地了解该仪器的配件及说明，气球密度仪主要配件：

1）水位器，连接与仪器顶部用于调节水位和观察气泡；

2）压力表，最大量程1巴，精确0.02巴；

3）加压杆（体积标尺），一个外部刻有刻度线的中空杆，底部配有橡胶活塞和密封圈；

4）储水桶，铜制外壳，内径9.5cm内壁光滑无凸起变形；

5）基础版，基础版为中心开有圆孔，外沿呈方形的合金金属板，具有足够的硬度，不会在使用的过程中变形，基础版中心开孔直径为150mm；

6）橡胶气球，具有柔性的橡胶薄膜，防水且可自由拆卸，也可用其他乳胶材料代替。

图1 气球密度仪示意图

3 试验步骤

3.1 粗糙表面体积检测

测点利用毛刷清除松散颗粒且面积不小于基础板尺寸，用铆钉固定基础板使其接近水平面，如果达不到，应重新进行调整。将仪器固定在基础板上，按压手柄使其达到所需压力（大于或等于0.05巴）本文所用仪器拟定的基准压力为0.2巴，然后通过仪器的体积标尺上直接读取测点粗糙表面体积。

3.2 试坑中材料的重量

用铁锤和钢钎挖取探坑内的所有材料，试坑深度不大于孔口直径切不小于孔口直径的一半，试坑的形状必须是垂直向下，试坑内松散颗粒应用毛刷进行清理，收集从试坑中挖取的所有材料密封在塑料袋或称样器皿中防止水分蒸发，在挖取材料的过程中应避免材料丢失。

3.3 探坑体积测量

将气球密度仪再次固定在基础板上，扭紧固定螺栓，按压手柄向储水筒内加压，待加压至0.2bar的压力时立即停止施压，提起手柄利用体积标尺上的游标读取所测探坑的总体积。最后利用总体积减去粗糙面体积所得出的就是探坑内的体积。

注意：在第3项中描述的所有操作过程中，基础板都不得在试验的过程中发生移位（特别是在体积测量期间）。

4 对比试验

4.1 灌砂筒检测准备工作

根据粒径大小选用合适的灌砂筒，本文以150mm大型灌砂筒为例，一袋标准砂按照规范JTG E60-2008公路工程路基试验检测规程提取0.3mm-0.6mm的量砂，三次量砂的平均松方密度为1.33g/cm3；灌砂筒距筒口约15mm位置的定值筒加砂为8500g在玻璃板上标定锥体体积内基准量砂为661g灌砂筒流沙口开关关闭自由。

4.2 气球密度仪检测准备工作

安装水位器，用生胶带缠裹防止漏气漏水；倒置气球密度仪向储水筒内注水，安装底部橡胶气球确保密封不透水；转正仪器打开水位器顶部封盖，将配套直径为150mm的钢制圆形钢片垫入基础板圆环内，然后将仪器安装在基础板上扭紧基础板螺丝；体积标尺归零，轻轻敲打基础板和储水桶外壁，使多余气泡通过水温器排出，过程中继续向设备内注水，直至观察无气泡排出后拧紧水位器封盖；擦干仪器外部水分，垂直旋转设备观察是否有水溢出，无水溢出则表明准备工作完毕。

4.3 同一探坑体积测试对比

在路基上选择测点，根据3.2的操作步骤先利用灌砂筒基础板，在测点上检测粗糙面的体积，然后将气球密度仪基板用铆钉固定在原位置，挖取径高比1∶1的试验探坑，挖取探坑内的所有材料，清除坑内松散材料。将气球密度仪安装在基础板上测量探坑体积，最后将灌砂筒置于探坑上测量探坑体积，两种仪器分别检测的结果数据看（表1）：

表1 仪器检测数据

通过2种设备在同一测点位置做体积对比我们可以看出2种设备的体积检测方法虽然有所不同，但最终的检测结果相同令人满意。气球密度仪的基础板厚实测为0.5cm通过计算得出基础板内的理论体积为88.4g/cm3，气球密度仪实测145g/cm3减去基础板内体积结果为56.6g/cm3结果接近于灌砂筒所测得的测点粗糙面体积54.9g/cm3。气球密度仪最小精度为10g/cm3如有精度要求可以进行估读，因为精度的需要作者在这里进行了估读。

4.4 数理统计分析

利用2种设备在相同材质的路基自然段上进行试验评定统计分析，测试点采用随机取样法，路基结构层为PST-0路基顶，设计压实度95% 材料为红土砾石料，评定采用规范JTG F80/1-2017公路工程质量检验评定标准 第一册 土建工程。

以上结果显示灌砂法检测结果评定中标准差和变异系数偏差大，数值反应现场压实度不稳定。气球密度仪法相对于灌砂法来说，结果偏差相对比较稳定，操作过程中只要施加的压力保持一致，探坑体积变化就不会太大。

5 仪器标定

气球密度仪体积标尺由30个主刻度线组成，最大测量体积3000cm3详细信息可以查看（表2）中的刻度线。如果在使用之前对体积精度产生疑问，可以按照以下步骤对仪器进行标定，举例为3000型密度仪：

1）将仪器底部固定装置打开，将内置活塞提升至顶部并将体积标尺上的游标归零，分别用1m的钢直尺和游标卡尺检测储水桶的内径和筒深，经测量筒深为4233mm，内径为95mm通过体积公式计算得出储水桶的体积为3000cm3按照体积标尺的精度又可以分为30个主要刻度线、150个次要刻度线和300个分刻度线，通过以上数据我们可以进行计算每个刻度线之间的间距（图2）：

表2 灌砂筒法检测压实度结果评定

表3 气球密度仪检测压实度结果评定

图2 示意图

每个主要刻度线间距：4233/300=14.11mm；

每个次要刻度线间距：4233/300/5=2.82mm；

每个分刻度线间距:4233/300/10=1.41mm。

2）用游标卡尺测量每个主刻度线、次刻度线和分刻度线的间距，每个刻度线的间距距离就代表相对应的体积，每1.41mm代表的就是10cm3的体积、每2.82mm代表的就是20cm3的体积、每14.11mm代表的就是100cm3的体积，以此类推。

3）如果体积标尺刻度间距出现差异且每级刻度间距保持一致的情况下可以通过修正系数来弥补，例如对分刻度进行测量实际测量刻度间距为1.21mm体积为8.58cm3通过标准体积可以计算出修正系数为1.166如果存在修正系数，在探坑体积的测量中应考虑修正系数，有必要时每年对仪器进行标定1次。

6 结语

灌砂法用的量砂在运输过程中和试验过程中的轻微震动都会造成探坑体积发生变化，每次量砂回收之后要进行多次筛分所以每天都需要进行清洗后重新标定量砂密度，以确保检测结果准确有效，过程烦琐不易操作。探坑体积误差每增加1cm3压实度湿密度变化1kg/m3压实度结果变化0.041%，试验过程避免因操作不当造成误差偏离过大影响检测结果。

气球密度仪可以快速简便的进行现场压实度检测，为现场试验验收工作节省时间。气球密度仪建议采用蒸馏水，防止有过多微气泡影响检测结果，对于继配碎石料土或针状颗粒较多的碎石层，在探坑边缘及底部用平面铁器进行敲打，避免橡胶气球破裂。仪器在使用及运输过程中应小心搬运防止重物挤压导致的体积标尺变形除此之外建议做定期保养和标定，防止数据失真，长久不使用的应保养后进行封存。