核子湿度密度仪的使用及安全防护

核子湿度密度仪的使用及安全防护一、高速铁路路基的特点及其与普通铁路路基的区别自20世纪60年代第一条高速铁路在日本建成以来，世界范围内出现了竞相修建高速铁路的热潮，高速铁路的出现对传统铁路的设计、施工和养护维修提出了新的挑战，在许多方面变化和改变了传统的设计方法和观念。就路基工程而言，主要表现为以下三个特点：1.高速铁路路基的多层结构系统•高速铁路线路结构，已经突破了传统的轨道/道床/土路基这种结构型式，既有有碴轨道也有无碴轨道。对于有碴轨道，在道床和土路基之间，已抛弃了将道碴层直接放在土路基上的结构形式，作成了多层结构系统。例如：法国采用道碴层/碴底层（级配粒料）/基础层（级配良好的砾石）/防污层（砂/土工纤维）；日本在道床和基床之间加设了5cm厚的沥青混凝土；德国在道床与基床之间加设了路基保护层即PSS层。2.控制变形是路基设计的关键•控制变形是路基设计的关键，采用各种不同的路基结构型式的首要目的是为高速线路提供一个高平顺、均匀和稳定的轨下基础。由散体材料组成的路基是整个线路结构中最薄弱、也是最不稳定的环节，是轨道变形的主要来源。它在多次重复荷载作用下所产生的累积永久下沉（残余变形）将造成轨道的不平顺，同时其刚度对轨道面的弹性变形也起关键性的作用，因而对列车的高速走行条件有重要的影响。前言高速列车对轨道变形有严格的要求，因此，变形问题便为高速铁路设计所考虑的主要控制因素。就路基而言，过去对注重于强度设计，并以强度作为轨下系统设计的主要控制条件。而现在强度已不成为问题，一般在达到强度破坏前，可能已经出现了不能容许的过大有害变形。日本东海道新干线的设计时速为220km，由于其在设计中仅仅采取了轨道的加强措施，而忽略了路基的强化，以至从1965年开始，因为路基的严重下沉，致使路基病害不断，线路变形严重超限，不得不对线路以年均30km以上的速度大举整修，10年内中断行车200多次，列车运行平均速度也降到100~110km/h。3.列车/线路整体系统的相互匹配路基是重要组成部分变形问题的解决相当复杂，是一个世界性的难题。日欧各国虽然实现了高速，但他们都是通过采用高标准的昂贵的强化线路结构和高质量的养护维修技术来弥补这方面的不足。日本对此不惜代价，在上越和东北新干线上，高架桥延长数所占比例分别为49%和57%，路基仅占1%和6%。所以，变形问题是轨下系统设计的关键。由于普通铁路行车速度慢、运量小，因此在以往的设计中，只孤立地研究轮/轨的相互作用，并把这种相互作用狭义地理解为轮/轨接触部位的几何学、运动学、动力学的关系，而忽略了路基的影响，其中各个部分的设计也只局限于本专业范围内。对于高速铁路，轮/轨系统应该是车轮、钢轨、道床、路基整个系统各部分相互作用的整体。因为包括路基在内的轨下系统的垂向变形集中反映在轨面上，并且又直接影响着轮、轨作用的大小。因此，必须把轮/轨系统的各组成部分放到整个系统中去考察，建立适当的模型，着眼于各自的基本参数和运用状态，进行系统的最佳设计，实现轮/轨系统的合理匹配，尽可能将低轮/轨作用力，以保证列车的高速、安全运行。其中轨上各部分应尽量降低车辆轮载和簧下质量，轨下的道床、路基部分必须提供一个坚实稳定的轨道基础，以减少变形，同时有保持适当的弹性。德国著名的高速铁路专家Birmann指出：铁路路基作为承受轨道和列车荷载的基础，如果选择了合理的刚度（弹性模量），则能明显地影响轮载的分配，可以使轨面的最大支承力减少60%～70%，而且还可以改善基床动应力的分布，减弱重复荷载的动力作用，减少列车荷载对线路的不良影响。但这并不是要求路基不存在变形，因为列车不可能在一个绝对刚性的基础上作高速稳定运行，而只能依循着不平顺的走行面和刚度有变化的轨道运行。因此，由于高速铁路运行速度快、技术标准高、对路基的要求严格，控制路基变形已成为高速铁路路基的最大特点。因此，高速铁路路基与普通铁路路基的本质区别在于机床表层厚度增加，压实标准提高，同时对路基填料及路桥过渡段的刚度提出了更高的要求。在国际上，铁路路基的设计和施工控制的参数主要有：压实系数、相对密度、孔隙率或空气率、地基系数K30与变形模量Ev1和Ev2及动态变形模量Evd等等。其中地基系数K30与变形模量Ev1和Ev2及动态变形模量Evd的试验和所反映的问题有一定的类似。在我国和日本，地基系数K30已成为铁路路基设计和施工中的一个基本的参数。了解其与变形模量Ev1和Ev2及动态变形模量Evd的关系，正确理解各参数的意义和特点，有利于分析比较各国的路基设计标准，学习和借鉴国外的先进经验。这在当前的客运专线和无碴轨道的建设中非常重要。1930年美国工程师proctor通过试验首先提出：同一种土，在相同的压实功能下，其干容重γd随土中含水量ω的不同而发生变化。室内击实试验和现场碾压机械都获得填土的最佳含水量ωopt和与之对应的最大干容重γd，同时oto还规定了室内击实试验的仪器规格和试验规程。自此，世界各国均以此压实理论和试验方法指导施工，并且都以填料的压实系数（压实系数等于现场填料压实干容重除以室内击实试验最大干容重）控制压实标准，以判断压实土的强度和变形特性。填土容重的现场量测早些时候采用环刀法、灌砂法及注水法进行，均属对压实土面的破坏性量测方法。每种测试方法都适用于不同的填料情况。环刀法只用于不含砾石颗粒的细粒土和无机结合料改良土。注水法只适用于粒径不大于2毫米的粗粒料。确定填料最大干容重的室内击实试验，最初为标准的oto型，我国采用前苏联的“南实处标准”。随着高速、重载铁路的出现，它们对路基提出了更高的要求，从而一些大型的压实机械相继出现。因此，为便于把室内击实试验结果比较正确的应用于设计与施工，适用于大型碾压机具，在击实试验中，提高了重锤质量和落距，出现了修正的oto击实仪及重型击实试验。二、压实系数•由于传统的环刀法、灌砂法及注水法测定填土容重的方法需要测定其含水量，而测定填土含水量的烘干法从试验中得出结论需要时间很长，与现代化高效率的施工碾压机械常常发生矛盾，并且受外界因素的影响较大。为此，利用微电子技术，通过放射性元素（γ射线和中子射线）测量填土的密度、含水量的仪器自80年代产生，即核子湿度密度仪。该方法能在现场快速、准确、方便地测定填土的密度和含水量，能满足现场填土压实系数。是一种无损检测的方法，具有操作方便、明显直观、非常适合于机械化路基填土施工。图1密度坐标图2水分坐标用途被测材料（细泥土、粗泥土级配碎石、沥青混泥土小于等于6.3厘米）湿密度水分重、干密度、含水量和含水率、压湿度、孔隙率。三、核子湿度密度仪工作原理MC-3C和MC-4C型核子湿度密度仪内部装有两种放射源。铯137r源用来测量密度，镅241/铍中子源用来测量水分。中子源安在机壳底部位置不变。r源装在辐射源金属杆底部内，随测量深度而变。测量密度时，铯137r源发出r射线进入被测材料。如果材料的密度较低，大量的r射线就会穿过它，被装在仪器内的盖草—密勒计数管检测到，那么在单位时间内计到的数就较大。反之，如果材料的密度较高，高密度的材料吸收了部分r射线，起了辐射屏蔽作用，在单位时间内计到的数就较小。然后，微处理器把检测管接收数值（称为密度计数值）除以存储在仪器内的密度标准计数值，得到计数比，再把计数比送入密度计数程序可算出被测材料的密度（这种密度包含被测材料水分，又称为湿容重）。测量水分时，中子源放射的中子流进入被测材料，被测材料水分中的氢原子与高能中子相碰撞使之减速，减速后的慢中子被仪器内的氦—3探测管接收到。被测材料含水量大，在单位时间内所转化的慢中子数也多，检测管接收的慢中子数就多。反之就小。然后，微处理器把接收的慢中子数（称为水分计数值）除以水分标准计数值得到水分计数比，再把计数比送入水分计数程序可算出被测材料的水分重。测量范围密度范围是1.12～2.73克/立方厘米，美国CPN公司MC-3C、MC-4C；TROXLER公司3440；HUMBOLDT公司5001C；密度测量深度都是30厘米，水分测量深度是固定的，一般是被测材料表面的15厘米。其中，CPN公司MC-S-24密度测量的深度是60厘米，MC-S-36测量90厘米，501DR测10米或20米，它们是分层测量密度和含水量。上述仪器符合下列标准：本仪器符合下述ASTM（美国试验与材料学会）标准D2922—用原子方法测定现场土和含骨料土的密度D3017—用原子方法测定土和含骨料土的含水率D2950—用原子方法测定现场含沥青材料的密度采用新图型式液晶显示器，测量条件及所测结果全部一次显示，使用者能一目了然，全面了解测量情况，也减少了操作者为读数靠近放射源的时间。该仪器被测材料体积较大，反映填料密湿度的实际情况。若采用仪器自录测量时，可连续记录128次的测量条件和结果，调出存储的内容方便灵活，配上打印机还可按需要打印。能按选定的测量计数时间进行测量，计数时间的选择范围大；也可按测量要求精度进行测量，缩短每个测点的测量时间。γ辐射的深度能自动检测、显示或记录。水分测量深度是固定的，一般是离采料表面15厘米深处的平均值。标准计数后，可根据显示器上的有关数据的大小来判断仪器的性能好坏和稳定性。有电子日历、计时装置、并和测量结果同时显示和记录。MC-3C和MC-4C特点：.正常测量方式(Normal)核子密度湿度仪测量方法有两种：一种是反射式测量（不打孔测量），另一种是透射式测量（打孔测量如图3）。反射式测量MC-3C、MC-4C有两档：一个是AC档（如图1），测量厚度是5.2厘米。另一个是BS档（如图2），测量厚度7.2厘米。其它型号的仪器只有一档，深度是7.1厘米左右。长沙生产的只有反射式测量没有透射式测量，测量深度是7.2厘米左右。如下图1、图2、图3所示；测量方式有三种：图1AC位置放射式测量图2BS位置放射式测量图3透射式测量薄层测量方式(Thinlayer)•本仪器具有薄层罩面的测试功能，厚度小于50毫米采用薄层测量方式。可以快速测量沥青路面罩面层的密度，首先需要知道薄层下的基层的湿密度以及罩面层的厚度，这两个参数在测量之前是先确定下来的，因为在未铺复盖层时则可用本仪器测定基层的密度，而复盖层的厚度是已知的，用BS（或AC）反射法，置于薄层罩面状态，可以测量薄层复盖面的密度。•1）按STEP+START键仪器进入测量方式选择菜单：•COUNTINGMODE计数模式•Current：NORMAL•Normal正常方式•Thinlayer薄层方式•TrenchWall沟壁方式•STEP＆ENTERchoise•按STEP键挑选，按ENTER键输入。2）用STEP将光标移至薄层方式，再按ENTER键（一个小正方形黑色闪烁光标移到Thinlayer（薄层）的第一个字母T上面按ENTER键）。薄层方式提示输入罩面层材料的厚度以及基层材料的密度：THINLAYER薄层方式Lift：25mm厚度25mm（薄层厚度）Under.2.72克/立方厘米基层的湿密度值2.72克/立方厘米EnterLiftvalue.EnterUndervalue.3)用键盘输入罩面层厚度及基层材料湿密度后分别按ENTER键,仪器处于薄层测量方式.4)仪器的受柄放在BS或AC位置按SEART键进行薄层试验,仪器进行计数时,显示屏显示“THIN”（薄层）在试验。沟壁测量方式(TrenchWall)沟槽回填土的测试,首先要按前述要求准备水平试验平面.沟槽开挖物的宽度大于等于610mm（24英寸）时，采用正常的方式测量，将本仪器放于沟糟的底部中心，以避免侧壁反射的影响。沟糟等开挖无物的宽度小于610mm（24英寸）时，就要用仪器的沟糟测试方式，并使用3英寸的标准块来校正由于沟壁所放射的中子的影响。如下图1所示。图1仪器在沟槽中放置A=B管沟的测量管沟中有开口的管道时，MC-3C的面向应如图2，但探头的定端与管道之间的距离不能小于3英寸（50mm）图2仪器在孔上放置A≥50mm测量画面说明R10001-303251235DaBSET00：30T00：30