專利名稱：用中子技術(shù)測量含氫薄層材料厚度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于應(yīng)用中子技術(shù)測量材料的厚度的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種中子表面散射法測量含氫薄層材料如噴射混凝土護(hù)層、混凝土路面、瀝清混凝土路面、聚乙烯板等厚度的方法。
混凝土和瀝青混凝土是高等級公路和高速公路很好的面層材料，在大規(guī)模快速機(jī)械化筑路施工中路面面層厚度的測量與控制十分重要。噴射混凝土是一項(xiàng)混凝土施工新技術(shù)，它能降低工程造價(jià)和縮短工期，技術(shù)上成熟，因此廣泛地用于地下洞室和涵管噴護(hù)。在噴射混凝土施工中噴護(hù)厚度是施工質(zhì)量檢驗(yàn)的重要指標(biāo)。然而迄今為止，尚無有效方法和技術(shù)能很好地解決現(xiàn)場施工中混凝土、瀝青混凝土路面面層和噴射混凝土噴護(hù)層厚度的無損快速檢測問題。
目前對上述工程所采用的測量手段和方法有以下幾種第一種方法插筋法或稱作測釘法，即在等噴工作面上打好網(wǎng)格，在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上預(yù)先插入一定長度的鋼筋(Φ6～Φ10)并做好長度刻度標(biāo)記，然后再進(jìn)行噴射混凝土施工，在噴后查看測針?biāo)裆疃纫源_定噴射砼層厚。這種方法十分麻煩，工作量大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力而且噴射施工時(shí)由于噴射泥石流有強(qiáng)大沖擊力，常常將許多測釘沖掉或擊彎，造成無法量測情況。第二種方法為鉆孔法即在噴射混凝土完全固結(jié)以后采用人工鑿孔和鉆孔方法檢查，這種方法測量周期長而且會造成噴護(hù)層的破壞。第三種方法憑經(jīng)驗(yàn)判斷即由噴射手憑借自己經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，這種方法在噴護(hù)面不平整，塌落度大的情況下會有較大誤差。因此以上三種方法都不能解決現(xiàn)場施工中噴射混凝土層厚的無損快速檢測問題。
若采用γ射線法測厚，對于上述工程，由于面層下墊層的材料的密度往往相似，γ射線很難分辨，因而無法測量。
若采用超聲波法進(jìn)行測厚，由于超聲波速度很快，對于那些0～25cm的薄層材料，也是很難分辨的，因而也無法測量。
采用中子技術(shù)進(jìn)行測量，在其它領(lǐng)域尚有應(yīng)用，如美國專利4565926公開了一種測量物體中熱中子吸收物質(zhì)含量和分布的方法與儀器，可測物體內(nèi)中子吸收材料的多少與分布，如原子能反應(yīng)堆的熱管中含鋰或硼材料的多少與分布，采用的是中子透射法，其測量裝置十分復(fù)雜，僅適合于室內(nèi)測量。又如美國專利4243886公開了一種測量物體中子慢化或吸收特性的儀器與方法，可進(jìn)行砼路面面層和砼預(yù)制板含水量的測量，其采用的方法仍屬于熱中子透射法，測量裝置較為復(fù)雜，除了需在中子源與熱中子探測器之間增加由鐵或鎢鋼材料構(gòu)成的非彈性吸收體外，還需在被測物體的另一側(cè)放置由聚乙烯材料構(gòu)成的中子慢化體，因此它無法實(shí)現(xiàn)像噴射砼噴護(hù)層這樣僅有一面可觸度的材料的測量，而且其只限于解決材料含水量的測量問題，而不能解決材料厚度的測量問題。
本發(fā)明的目的就是要提供一種利用中子技術(shù)快速無損測量含氫薄層材料厚度的方法，特別是測量如混凝土路面面層、瀝青混凝土路面、噴射混凝土護(hù)層這種只有一個(gè)可測面的材料的厚度的方法。
本發(fā)明構(gòu)思是這樣的，當(dāng)中子源發(fā)射出來的快中子與被測材料中所含物質(zhì)相互作用時(shí)即通過與材料所含元素的原子核相碰撞而逐漸損失其能量，最終成為熱中子，此過程稱作中子慢化或減速過程。而在所有元素中氫原子核對快中子慢化或減速能力最強(qiáng)。因而被測材料中含氫量(或含水量)多少主要決定了其對快中子慢化或減速程度大小。當(dāng)被測材料滿足以下條件時(shí)①被測材料為含氫或含水材料;
②在材料中含氫物質(zhì)或水份(化合或游離態(tài))呈均勻分布;
③被測材料呈薄層狀，其厚度在一定范圍之內(nèi);
④被測材料與下面墊層材料在含氫量上有較大差異，墊層遠(yuǎn)小于被測材料;
當(dāng)把裝有中子源和熱中子探測器的探頭放在符合以上條件的材料表面(中子源與熱中子探測器一道放在被測物體同側(cè))進(jìn)行測量時(shí)，中子源發(fā)射出的快中子主要與材料中的氫原子相互作用而被慢化減速，最終形成熱中子在材料中作熱運(yùn)動，而熱中子主要集中分布在中子源的周圍。所形成的熱中子的濃度大小與探測器下一定面積內(nèi)被測材料含氫總量即慢化物質(zhì)多少相關(guān)。當(dāng)被測材料含氫量確定時(shí)，所測得的熱中子計(jì)數(shù)率就與材料厚度相關(guān)既材料厚度增加時(shí)，所測得的熱中子計(jì)數(shù)率亦隨著增大。例如，如圖5所示即為含水量為250kg/m3的混凝土材料的熱中子計(jì)數(shù)率與厚度關(guān)系曲線。其中N為熱中子計(jì)數(shù)率，D為材料的厚度。由此可見，采用一定的中子散射法測量裝置，預(yù)先確定某種材料的厚度與熱中子計(jì)數(shù)率相關(guān)曲線，則可據(jù)此工作曲線和現(xiàn)場測定出的熱中子計(jì)數(shù)率確定該材料厚度?；炷粒瑸r青混凝土路面面層，噴射混凝土噴護(hù)層和其它含氫材料如聚乙烯板材，在實(shí)際測量時(shí)，都符合前述的四個(gè)條件。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)它可快速檢測所有呈平面薄層狀含氫材料的厚度，由于采用了中子表面散射法，它特別適合測量那些只有一個(gè)可測面料料的厚度，如噴射砼噴設(shè)護(hù)層厚度、砼路面層厚度、瀝青砼路面面層厚度;由于本發(fā)明不需要鉆孔測量，不會破壞材料結(jié)構(gòu)，因而完全實(shí)現(xiàn)了無損測量;由于本發(fā)明所采用的測量裝置主機(jī)與探頭分離，因而探頭可自由放置在被測材料表面任意位置進(jìn)行測量。
本發(fā)明的具體測量步驟是1.首先在室內(nèi)制作不同含氫量的標(biāo)準(zhǔn)模塊(層狀材料)，該模塊可以用混凝土制作亦可用模擬材料即用聚乙烯薄片與鋁片所組成的復(fù)合材料制作。其含氫量由小到大，如制作含氫量為5kg、10kg的模塊模擬瀝青混凝土，制作含氫量為20kg、25kg、30kg的模塊模擬混凝土和噴射混凝土，直接用聚乙烯制作的模塊用于測量聚乙烯材料。然后用含中子源和熱中子探測器的中子探測裝置對這些標(biāo)準(zhǔn)模塊表面進(jìn)行測量，測定出每種含氫量的材料其厚度與熱中子計(jì)數(shù)率的相關(guān)曲線，即該種材料的工作曲線。
2.在現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)際測量時(shí)，或據(jù)材料原有配比或取樣分析，確定被測材料的含氫量，再據(jù)其含氫量選擇與其相應(yīng)的工作曲線(材料厚度與熱中子計(jì)數(shù)率關(guān)系曲線)。
3.將上述中子測量裝置(含中子源和熱中子探測器)置于被測量材料表面，測定出熱中子計(jì)數(shù)率。此時(shí)被測材料下面的墊層如巖石，碎石或其它，其含氫量要求應(yīng)接近零。
4.當(dāng)被測材料與室內(nèi)標(biāo)定所用的標(biāo)準(zhǔn)含氫量模塊相同和接近時(shí)，則據(jù)其測定出的熱中子計(jì)數(shù)率按其對應(yīng)的工作曲線確定其厚度。而當(dāng)被測材料含氫量介于二個(gè)標(biāo)準(zhǔn)含氫量模塊之間時(shí)，用插值法確定其厚度。
5.當(dāng)被測材料下面的墊層含氫量不為零時(shí)，則需要在室內(nèi)模擬實(shí)際情況進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，確定在該測量條件下的工作曲線，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行實(shí)際測量。
下面結(jié)合附圖給出
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1.測量混凝土面層厚度試驗(yàn)(1)試驗(yàn)條件在一個(gè)長55cm，寬43cm，高40cm的木箱底部鋪墊30cm厚度黃沙。在黃沙層上面逐層鋪澆混凝土。將20kg碎石，20kg黃砂，9kg水泥和3.1kg清水混合攪拌均勻后，逐層鋪澆在黃砂之上，每次鋪2cm，采用含中子源和熱中子探測器的中子探測裝置放在鋪平的混凝土表面進(jìn)行測量，測量時(shí)間為15秒。讀取熱中子計(jì)數(shù)率。
(2)試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)所鋪澆的混凝土厚度增加時(shí)，所測得的熱中子計(jì)數(shù)率隨之增加，厚度每增加1cm，熱中子計(jì)數(shù)率增加30-40，其變化幅度十分顯著。當(dāng)混凝土厚度在0～8cm范圍時(shí)，厚度有0.5cm的變化，熱中子計(jì)數(shù)率就有明顯變化。表1所列為試驗(yàn)有關(guān)結(jié)果。

圖1為根據(jù)表1數(shù)據(jù)作出的混凝土層厚度與熱中子計(jì)數(shù)率相關(guān)曲線。其中N為熱中子計(jì)數(shù)率(脈沖/分)，D1為砼層厚度(cm)。
表1中子散射法測量混凝土厚度試驗(yàn)結(jié)果
該項(xiàng)試驗(yàn)的結(jié)果說明了用中子散射法測量混凝土厚度是可行的。
實(shí)施例2.測量噴射混凝土護(hù)層厚度試驗(yàn)對于地下洞室和涵管工程多采用噴射混凝土進(jìn)行噴護(hù)。噴射混凝土一般都噴護(hù)在剛性巖石表面，厚度一般在0-15cm范圍。噴射混凝土與巖石雖然在密度上相近，但兩者含水量有明顯差異，巖石含水量基本為零，而噴射混凝土按常規(guī)配比，其體積含水量大約在200-200kg/m3范圍。圖2為標(biāo)定的噴射混凝土噴護(hù)層厚度與熱中子計(jì)數(shù)率相關(guān)曲線，其中N為熱中子計(jì)數(shù)率(脈沖/分)，D2為噴射砼厚度(mm)。在某過水涵洞內(nèi)進(jìn)行實(shí)測，根據(jù)用前述中子探測裝置現(xiàn)測得的熱中子計(jì)數(shù)率，即可由圖2所示工作曲線查知厚度。試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際情況基本相符合。
實(shí)施例3.測量瀝青混凝土厚度試驗(yàn)瀝青混凝土是一個(gè)常用的公路路面材料，其由碎石，粗砂和瀝青組成，因此也是一種含氫材料。其瀝青含量(重量百分比)大約在3-6%范圍。在室內(nèi)用細(xì)礫，米砂和瀝青配制瀝青混凝土，其瀝青含量約為5%，在架空的支架上放一個(gè)大小35cm×35cm帶有金屬框架，在其內(nèi)逐層鋪墊已配制好的瀝青混凝土。試驗(yàn)結(jié)果表明，所測得的熱中子計(jì)數(shù)率隨瀝青混凝土層厚度增加而增大。圖3為瀝青混凝土層厚與熱中子計(jì)數(shù)率相關(guān)曲線。其中N為熱中子計(jì)數(shù)率(脈沖/分)，D1為瀝青砼厚度(mm)。實(shí)測時(shí)，即可根據(jù)實(shí)測熱中子計(jì)數(shù)率，由此圖所示工作曲線查知瀝青混凝土路面層的厚度。
實(shí)施例4.測量聚乙烯板材厚度試驗(yàn)聚乙烯是一種含氫量很高的塑料，采用本發(fā)明也可以測量出聚乙烯薄板的厚度。室內(nèi)試驗(yàn)采用50cm×50cm大小，厚度為2mm的聚乙烯薄片，將其放在一架空的金屬板上，逐層增加其厚度，采用前述中子探測裝置測量其熱中子計(jì)數(shù)率。試驗(yàn)結(jié)果表明，所測得的熱中子計(jì)數(shù)率隨著聚乙烯板厚度增加而增大。圖4即為聚乙烯板材厚度與熱中子計(jì)數(shù)率關(guān)系曲線。其中N為熱中子計(jì)數(shù)率(脈沖/分)，D4為材料厚度(mm)。
本發(fā)明的測量范圍，是隨著被測材料含氫量變化而改變的，即該材料含氫量愈小，其厚度測量范圍愈大。當(dāng)材料含氫量較少時(shí)其測厚范圍可按下式估算最大測量厚度＝28cm-.27XH式中H為該種材料的體積含氫量(kg/m3)。例如，對于瀝青混凝土，其含氫量大約為10kg/m3時(shí)，其最大測量厚度大約為25cm，對于混凝土和噴射混凝土，其含水量大約在25kg/m3上下，其最大測量厚度約為20cm左右。對于含氫量近百余公斤/米3的聚乙烯材料，試驗(yàn)結(jié)果表明，其最大測量厚度為8cm左右。
權(quán)利要求
1.一種用中子技術(shù)測量含氫薄層材料厚度的方法，其特征在于首先在室內(nèi)制作不同含氫量的標(biāo)準(zhǔn)模塊(層狀材料)，其含氫量由小到大，如制作含氫量為5kg、10kg的模塊模擬瀝青混凝土，制作含氫量為20kg、25kg、30kg的模塊模擬混凝土和噴射混凝土，直接用聚乙烯制作的模塊用于測量聚乙烯材料，然后用含中子源和熱中子探測器的中子探測裝置對這些標(biāo)準(zhǔn)模塊表面進(jìn)行測量，測定出每種含氫量的材料其厚度與熱中子計(jì)數(shù)率的相關(guān)曲線，即該種材料的工作曲線；在現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)際測量時(shí)，或據(jù)材料原有配比或取樣分析，確定被測材料的含氫量，再據(jù)其含氫量選擇與其相應(yīng)的工作曲線即材料厚度與熱中子計(jì)數(shù)率關(guān)系曲線；將上述中子測量裝置置于被測材料表面，測定出熱中子計(jì)數(shù)率，此時(shí)被測材料下面的墊層如巖石，碎石等，其含氫量要求應(yīng)接近零；當(dāng)被測材料與室內(nèi)標(biāo)定所用的標(biāo)準(zhǔn)含氫量模塊相同和接近時(shí)，則據(jù)其測定出的熱中子計(jì)數(shù)率按其對應(yīng)的工作曲線確定其厚度；當(dāng)被測材料含氫量介于二個(gè)標(biāo)準(zhǔn)含氫量模塊之間時(shí)，用插值法確定其厚度；當(dāng)被測材料下面的墊層含氫量不為零時(shí)，則首先在室內(nèi)模擬實(shí)際情況進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，確定在該測量條件下的工作曲線，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行實(shí)際測量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用中子技術(shù)測量含氫薄層材料厚度的方法，其特征在于它所說的標(biāo)準(zhǔn)模塊是用混凝土制作的，或用模擬材料即聚乙烯薄片與鋁片所組成的復(fù)合材料制作的。
全文摘要
一種用中子技術(shù)測量含氫薄層材料厚度的方法，首先在室內(nèi)制作不同含氫量的標(biāo)準(zhǔn)模塊，然后用中子散射法探測裝置對這些標(biāo)準(zhǔn)模塊表面進(jìn)行測量，測定出每種含氫量的材料其厚度與熱中子計(jì)數(shù)率的相關(guān)曲線，即該種材料的工作曲線，實(shí)測時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場測得的熱中子計(jì)數(shù)率，由根據(jù)被測材料的含氫量選擇的與其相應(yīng)的工作曲線，即可確定其厚度。它特別適合測量如混凝土或?yàn)r青混凝土路面、噴射混凝土護(hù)層這種只有一個(gè)可測面的材料的厚度。
文檔編號G01B15/02GK1075364SQ9211402
公開日1993年8月18日 申請日期1992年12月12日 優(yōu)先權(quán)日1992年12月12日
發(fā)明者曹更新, 程和森, 李樟蘇 申請人:水利部交通部能源部南京水利科學(xué)研究院