آزمایش های تعیین دانسیته به روش هسته ای

از دهه 1970 میلادی، برای بهینه نمودن کنترل کیفیت در کلیه زمینه های علمی از جمله آسفالت، کشورهای صنعتی بر آن شدند که در مورد آزمایش غیرمخرب تحقیقاتی را صورت دهند و تحقیقات زیادی از آن زمان تا کنون در این مورد انجام گرفته است. در زمینه راهسازی و آسفالت نیز به دلیل مزیت های زیادی که آزمایش های غیرمخرب دارند از جمله عدم خرابی، هزینه کمتر، تکرار پذیری، توانایی ثبت تغییرات متغییرهای مورد نظر در یک نقطه خاص و صرف زمان کمتر، استفاده از این نوع آزمایش ها مورد توجه بسیاری از کشورهای صنعتی قرار گرفته است.

این روش ها در آسفالت شامل وسایل دقیق تغییر مکان سنج روسازی، آزمایش های اولتراسونیک، آزمایش های هسته ای و … هستند.یکی از انواع آزمایش هایی که در روسازی کاربرد فراوان دارند، آزمایش های هسته ای است که از آنها می توان در اندازه گیری دانسیته و درصد قیر مخلوط های آسفالتی استفاده کرد. برای هر کدام از مواد مورد استفاده در روسازی یعنی اندازه گیری دانسیته و درصد قیر به رو ش هسته ای، روش های خاصی وجود دارد که در چند دهه اخیر مورد تحقیق بوده اند و دستگاه هایی که ثمره این تحقیقات هستند از فناوری ویژ ه ای سود می برند.

نکته مهم در این دستگاه ها آن است که دقت مورد نیاز آزمایش های روسازی، بستگی به نوع چشم رادیواکتیو داشته و در ضمن متغییرهای هندسی دستگاه باید تطبیق کافی با آزمایش های روسازی و شرایط انجام آنها داشته باشنددانسیته سنج های هسته ای در حال حاضر به صورت گسترده به عنوان روشی برای تعیین وزن مخصوص (دانسیته) ومحتوای رطوبتی روسازی در محل مورد استفاده قرار می گیرند. سادگی در استفاده، سرعت انداز ه گیری و دقت قابل ملاحظه آن ها از برتر ی های دانسیته سنج های هسته ای محسوب می شود. نگرانی در بحث امواج رادیواکتیو در این دستگاه ها و نیز قوانین و مقررات دست و پا گیر، باعث شده تا روز به روز روش های جایگزین برای این دستگاه ها بر اساس کاربرد امواج الکترومغناطیس گسترش یابد.

دانسیته سنج های هسته ای شامل یک منبع رادیواکتیو، معمولاً از عناصر سزیم یا رادیوم، و یک آشکارساز برای انداز ه گیری اشعه گاما در داخل خاک است. گیج های هسته ای دارای دو رو ش آزمایش، یکی روش سطحی، و دیگری روش انتشار مستقیم، هستند. در روش سطحی منبع و آشکارساز هر دو روی سطح زمین قرار می گیرند، در حالی که در روش انتشار مستقیم، منبع رادیواکتیو در عمق زمین وارد شده و آشکارساز همچنان روی سطح باقی گذارده می شود.

برای اندازه گیری دانسیته خاک، منبع رادیواکتیو دستگاه، فوتو ن های اشعه گاما را در داخل خاک گسیل می دارد. هنگامی که اشعه گاما در داخل قشر خاک روسازی حرکت می کند، با از دست دادن بخشی از انرژی خود که ناشی از برخورد با الکترون های خاک است، بازتاب می کنند. بدین ترتیب آشکارساز دستگاه، فوتو ن های ساطع شده از منبع را دریافت و ثبت می کند. زمانی که دانسیته خاک افزایش یابد، تعداد فوتون هایی که به آشکارساز می رسند به علت افزایش برخوردهای رخ داده حین حرکت اشعه گاما در داخل قشر خاک کاهش می یابد. در هر دو روش سطحی و انتشار مستقیم، آشکارساز تعداد فوتون های بازتاب شده را شمارش می کند. تعداد فوتون ها با نسبت معکوس با دانسیته خاک رابطه دارد.

برای اندازه گیری محتوای رطوبتی خاک، گیج هسته ای از پرتوهای نوترون استفاده می کند. هنگامی که نوترون های ساطع شده از منبع دستگاه در داخل قشر خاک حرکت می کنند، در اثر برخورد با اتم های هیدروژن ذرات آب موجود، تضعیف شده و گرمایش نوترونی رخ می دهد. گرمایش نوترون زمانی رخ می دهد که سرعت نوترون ها به حد ثابتی کاهش یافته و برخوردهای مجدد باعث کاهش سرعت نمی شود. تعداد نوترون های گرمایش شده ای که توسط آشکارساز شناسایی می شوند دارای رابطه ای با تعداد اتم های هیدروژن موجود در خاک هستند.

تئوری آزمایش

در دانسیته سنج های هسته ای از اشعه گاما استفاده می شود. اشعه گاما از نوع پرتو های الکترومغناطیس و هم خانواده نور مرئی است. در این خانواده از امواج که انرژی به وسیله فوتون منتقل می شود هر چه طول موج پرتوها کوچک تر باشد انرژی بیشتری دارند. امواج الکترومغناطیس به ترتیب طول موج از کوتاه به بزرگ عبارتند از اشعه گاما، اشعه ایکس، نور مرئی و امواج رادیویی.

همان طور که مشخص است اشعه گاما دارای کوتا ه ترین طول موج و بالطبع بیشترین میزان انرژی است. این مقدار بالای انرژی باعث شده است که اشعه گاما دارای نفوذپذیری زیادی در مواد باشد و از طرف دیگر انرژی زیاد آن می تواند سبب تخریب بافت بدن موجودات زنده شود. اشعه گاما از طریق کاملاً مصنوعی مانند اشعه ایکس یا نور تولید نمی شود و راه اصلی تولید آن از طریق هسته اتم های رادیواکتیو است که تمایل به آزاد کردن میزان بالایی انرژی دارند.

موارد استفاده

آزمایش تعیین دانسیته به روش هسته ای، به عنوان یک شیوه غیر مخرب و سریع جهت تعیین دانسیته در جای مخلوط آسفالتی متراکم شده و همچنین لایه های سنگدانه ای متراکم شده، مفید است. در این آزمایش، با کالیبراسیون درست و آزمون تایید کننده نتایج، این روش جهت کنترل کیفیت و قبول تراکم آسفالت و لایه های دیگر روسازی، مفید و کارآمد است. علاوه بر این، از این روش آزمایش برای تعیین تعداد دفعات عبور غلتک و الگو دادن جهت رسیدن به دانسیته مورد نظر می توان بهره جست. طبیعت غیر مخرب این آزمایش، اجازه دفعات متعدد اندازه گیری دریک مکان بین عبورهای متوالی غلتک به منظور مشاهده تغییرات در مقدار دانسیته را فراهم می آورد.

روش انجام آزمایش

برای انداز ه گیری دانسیته خاک، منبع رادیواکتیو دستگاه فوتو ن های اشعه گاما را در داخل خاک گسیل می دارد. هنگامی که اشعه گاما در داخل قشر خاک روسازی حرکت می کند، با از دست دادن بخشی از انرژی خود که ناشی از برخورد باالکترون های خاک است، بازتاب می کنند. بدین ترتیب آشکارساز دستگاه، فوتو ن های ساطع شده از منبع را دریافت و ثبت می کند. زمانی که دانسیته خاک افزایش یابد، تعداد فوتو ن هایی که به آشکارساز می رسند به علت افزایش برخوردهای رخ داده حین حرکت اشعه گاما در داخل قشر خاک کاهش می یابد. در هر دو روش سطحی و انتشار مستقیم، آشکارساز تعداد فوتون های بازتاب شده را شمارش می کند. تعداد فوتو ن ها با نسبت معکوس با دانسیته خاک رابطه دارد.