Kỹ thuật hạt nhân đã khẳng định vai trò là phương pháp kiểm tra không phá hủy (NDT) không thể thiếu trong lĩnh vực xây dựng hạ tầng giao thông. Ứng dụng bức xạ, bao gồm tia X, tia Gamma và Neutron, cho phép các kỹ sư đánh giá tính toàn vẹn kết cấu cầu và kiểm soát chất lượng đầm nén vật liệu đường một cách nhanh chóng, chính xác và hiệu quả.
Kỹ thuật hạt nhân trong NDT đề cập đến tập hợp các phương pháp sử dụng bức xạ ion hóa để thăm dò các khuyết tật bên trong hoặc xác định các thông số vật lý của vật liệu mà không gây tổn hại đến mẫu kiểm tra. Các phương pháp hạt nhân chính được ứng dụng trong xây dựng cầu đường bao gồm Chụp ảnh Phóng xạ (Radiographic Testing – RT) và Đo mật độ/Độ ẩm hạt nhân (Nuclear Density Gauge – NDG). Các kỹ thuật này nổi bật nhờ khả năng xuyên thấu sâu, cho phép phát hiện các khuyết tật nằm sâu bên trong cấu kiện (như nứt, rỗ khí, ngậm xỉ) và xác định các thông số vật liệu quan trọng như mật độ và độ ẩm với độ tin cậy cao. Đặc biệt, RT có ưu điểm lớn là cung cấp hình ảnh trực quan về khuyết tật bên trong các mối hàn và cấu kiện, tạo cơ sở dữ liệu vững chắc cho việc đánh giá và đưa ra quyết định sửa chữa.
Nguyên lý hoạt động của cả RT và phép đo mật độ bằng tia Gamma (phần đo mật độ của NDG) đều dựa trên sự suy giảm cường độ bức xạ khi chúng đi qua vật liệu. Hiện tượng này chủ yếu là do quá trình Hấp thụ điện-quang và Tán xạ Compton. Khi tia X hoặc tia Gamma đi qua vật liệu, cường độ của chúng bị giảm theo độ dày, mật độ và đặc tính hấp thụ của vật liệu đó. Cường độ bức xạ đến đầu thu sẽ tỷ lệ nghịch với mật độ vật liệu: vật liệu càng đặc, sự hấp thụ và tán xạ càng mạnh, cường độ tia Gamma/X-ray đo được càng thấp. Các nguồn bức xạ thường được sử dụng bao gồm đồng vị phóng xạ Iridium-192 (Ir-192) hoặc Cesium-137 (Cs-137) cho tia Gamma, hoặc máy phát tia X công nghiệp. Đối với các cấu kiện cầu lớn, dày (như dầm bê tông dự ứng lực hoặc trụ cầu), nguồn tia Gamma thường là lựa chọn kỹ thuật tối ưu vì chúng có khả năng xuyên thấu sâu hơn, có thể lên tới 450 mm bê tông, vượt trội hơn so với các thiết bị X-quang cầm tay thường chỉ hiệu quả với độ dày dưới 300 mm.
Tương tác Neutron (Đo độ ẩm)
Phương pháp xác định độ ẩm dựa trên sự suy giảm của Neutron nhanh khi chúng va chạm, chủ yếu với các hạt nhân Hydro (H) có khối lượng gần bằng Neutron. Bằng cách đo số lượng các Neutron bị làm chậm, thiết bị có thể xác định số lượng nguyên tử Hydro có trong vật liệu. Từ đó, suy ra lượng nước có mặt trong đất hoặc bê tông, với giả định nước là nguồn Hydro chính. Nguồn bức xạ Neutron thường dùng là Americium/Beryllium (AmBe). Việc kiểm soát chất lượng đầm nén trong thi công đường bộ đòi hỏi phải xác định khối lượng thể tích khô của vật liệu. Điều này được thực hiện thông qua một phương pháp tổ hợp, yêu cầu phải đo khối lượng thể tích ẩm (dùng nguồn Gamma) và độ ẩm (dùng nguồn Neutron). Do đó, việc vận hành NDG trong kiểm tra đường bộ đòi hỏi phải quản lý cùng lúc hai nguồn vật chất phóng xạ riêng biệt (ví dụ: Cs-137 và AmBe), với chu kỳ bán rã và đặc tính an toàn hoàn toàn khác nhau. Nguồn Cs-137 có chu kỳ bán rã khoảng 27 năm, trong khi nguồn AmBe có chu kỳ bán rã tới 256 năm, gần như không suy giảm trong suốt vòng đời sử dụng. Sự khác biệt này làm tăng đáng kể sự phức tạp trong quản lý an toàn và logistics.
Vai trò then chốt trong kiểm soát đầm nén
Thiết bị đo mật độ hạt nhân (NDG) là công cụ NDT nhanh chóng và hiệu quả, được sử dụng để đo mật độ tại chỗ của đất nền, vật liệu cấp phối, và bê tông nhựa nóng (HMA) trong quá trình thi công và khai thác. Mục tiêu chính của việc sử dụng NDG là đảm bảo vật liệu đường đạt tiêu chuẩn độ chặt yêu cầu (ví dụ: 95% đầm nén cho nền đường hoặc 100% cho lớp móng). Đạt được độ chặt tối ưu là yếu tố cốt lõi quyết định độ bền, hiệu suất lâu dài của mặt đường, và khả năng chống chịu các vấn đề như nứt hoặc hư hỏng do nước. NDG cung cấp kết quả đo nhanh chóng, giúp tối ưu hóa quy trình đầm nén ngay lập tức và tăng hiệu suất xây dựng.
Thiết bị NDG được thiết kế để hoạt động trong hai chế độ chính, tùy thuộc vào vật liệu và độ sâu kiểm tra. Phương pháp đo mật độ vật liệu tại chỗ được đánh giá là chính xác nhất. Nguồn Gamma được hạ xuống một lỗ khoan vào vật liệu. Detector (cảm biến) trên bề mặt đếm các tia Gamma xuyên qua vật liệu. Mật độ vật liệu càng cao, số lượng tia Gamma đến detector càng ít. Phương pháp này thường hiệu quả ở độ sâu lên đến 300 mm (12 inches) và chủ yếu được ứng dụng để kiểm tra lớp đất nền và vật liệu móng đường.
Phương pháp Tán xạ Ngược (Backscatter): trong chế độ này, cả nguồn bức xạ và detector đều nằm trên bề mặt vật liệu. Tia Gamma đi vào vật liệu và tán xạ ngược trở lại detector. Phương pháp này hữu ích cho việc kiểm tra lớp bề mặt mỏng, đặc biệt là bê tông nhựa nóng (HMA), nơi việc khoan lỗ không khả thi hoặc không cần thiết. Để đảm bảo độ tin cậy và tính pháp lý của kết quả kiểm định, việc sử dụng NDG phải tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt. Các tiêu chuẩn quốc tế như ASTM và AASHTO thiết lập quy trình vận hành và hiệu chuẩn toàn cầu cho NDG. Các tiêu chuẩn quan trọng bao gồm: ASTM D6938/D6938M cho xác định mật độ và hàm lượng nước của đất; ASTM D2950/D2950M cho xác định mật độ bê tông bitum tại chỗ; ASTM C1040/C1040M cho xác định mật độ bê tông cứng và chưa cứng.
Tại Việt Nam, TCVN 9350:2012 đã chính thức hóa việc sử dụng phương pháp phóng xạ để xác định khối lượng thể tích tự nhiên, khối lượng thể tích khô, độ ẩm và độ chặt tại hiện trường của đất dính và đất rời. Tiêu chuẩn này được áp dụng cho việc kiểm tra chất lượng và nghiệm thu công tác đầm nện đất, với phạm vi hiệu quả cho lớp đất có chiều dày 30 cm. TCVN 9350:2012 công nhận cả nguyên lý đo Gamma cho khối lượng thể tích và nguyên lý đo Neutron cho độ ẩm. Tuy nhiên, có một khoảng trống tiêu chuẩn cần lưu ý: mặc dù TCVN 9350:2012 đã bao phủ ứng dụng cho đất nền, dữ liệu cho thấy Việt Nam hiện chưa có các TCVN tương đương trực tiếp cho phương pháp hạt nhân áp dụng cho vật liệu cấp cao hơn như Bê tông nhựa (tương đương ASTM D2950) hay Bê tông Cứng (tương đương ASTM C1040). Điều này thường buộc các dự án giao thông lớn phải áp dụng các tiêu chuẩn quốc tế, dẫn đến sự không đồng nhất trong quy trình kiểm soát chất lượng. Bên cạnh vai trò kiểm soát chất lượng trong quá trình thi công, NDG còn là công cụ hữu ích cho mục đích bảo trì. Việc đo mật độ định kỳ giúp đánh giá tình trạng mặt đường hiện hữu, cho phép các đơn vị quản lý xác định các khu vực bị xuống cấp cần sửa chữa hoặc bổ sung đầm nén, mở rộng vai trò của kỹ thuật hạt nhân thành công cụ đánh giá tình trạng tài sản hạ tầng (Asset Condition Assessment).
Tổng hợp Tiêu chuẩn áp dụng cho kiểm tra chất lượng đường bằng NDG
| Lĩnh vực Ứng dụng | Thông số Đo lường | Tiêu chuẩn Quốc tế (ASTM/AASHTO) | Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) |
| Đất và Nền móng | Mật độ, Độ ẩm | ASTM D6938, AASHTO T 310 | TCVN 9350:2012 |
| Bê tông Nhựa Nóng (HMA) | Mật độ tại chỗ | ASTM D2950/D2950M | (Chưa có TCVN tương đương) |
| Bê tông (Cứng/Mềm) | Mật độ tại chỗ | ASTM C1040/C1040M | (Chưa có TCVN tương đương) |
Chụp ảnh Phóng xạ Công nghiệp (RT) là phương pháp NDT cốt lõi trong đánh giá tính toàn vẹn kết cấu cầu, cho phép các thanh tra “nhìn xuyên” qua vật liệu để phát hiện các khuyết tật ẩn bên trong. Trong xây dựng cầu, RT được sử dụng để kiểm tra cả kết cấu thép và bê tông cốt thép, đảm bảo sự an toàn và độ bền của công trình.
Chất lượng mối hàn trong kết cấu thép cầu là yếu tố quyết định độ an toàn và khả năng chịu tải của công trình. RT được đánh giá là một trong những phương pháp hiệu quả nhất để kiểm tra nội bộ mối hàn. RT có khả năng phát hiện đa dạng các khuyết tật sâu bên trong mối hàn, bao gồm rỗ khí, nứt, ngậm xỉ (inclusions), tách lớp, và các lỗi nghiêm trọng như không ngấu hoặc không thấu. Lợi thế quan trọng nhất của RT là khả năng cung cấp hình ảnh trực quan (trên phim X-quang hoặc detector kỹ thuật số) về hình dạng và vị trí của khuyết tật. Hình ảnh này là tài liệu không thể thiếu để phân loại mức độ nghiêm trọng của khuyết tật theo tiêu chuẩn kỹ thuật. Tại Mỹ, việc kiểm tra phóng xạ các mối hàn rãnh (groove welds) phải tuân thủ các tiêu chuẩn nghiêm ngặt của Bộ Giao thông Vận tải, cùng với các tiêu chuẩn quốc tế như AWS D1.1 (Thép kết cấu) và AWS D1.5 (Cầu đường).
RT là công cụ duy nhất cho phép đánh giá các thành phần bên trong của bê tông cốt thép mà không cần phá hủy. Phương pháp này đóng vai trò quan trọng trong các chương trình bảo trì và đánh giá an toàn định kỳ cho các cây cầu có tuổi thọ cao. Nó giúp xác định ăn mòn kim loại bên trong kết cấu ống và các khuyết tật ẩn sâu khác. Bằng cách phát hiện sớm ăn mòn cốt thép hoặc các khuyết tật cấu trúc bên trong, RT hỗ trợ các kỹ sư đưa ra quyết định bảo trì dự đoán, đảm bảo an toàn khai thác và kéo dài tuổi thọ của cầu. Một yếu tố cần được các chuyên gia NDT cân nhắc là sự phụ thuộc của kết quả RT vào định hướng của khuyết tật. Các mặt phẳng vết nứt song song với hướng đi của bức xạ sẽ được phát hiện dễ dàng hơn nhiều so với các vết nứt vuông góc với hướng bức xạ. Do đó, để đạt được độ tin cậy tối đa khi kiểm tra các cấu kiện phức tạp, các chuyên gia bắt buộc phải sử dụng kỹ thuật chiếu xạ đa góc (multi-angle shot) nhằm thay đổi hướng bức xạ, tối ưu hóa khả năng phát hiện các khuyết tật có định hướng khác nhau và đảm bảo tính toàn vẹn tối đa cho kết quả kiểm tra.
Các ứng dụng RT trong kiểm tra kết cấu cầu
| Đối tượng Kiểm tra | Mục đích Chính | Khuyết tật Phát hiện | Nguồn Bức xạ Đặc trưng |
| Mối hàn thép (Cầu) | Xác minh chất lượng hàn | Rỗ khí, Nứt, Ngậm xỉ, Không ngấu/thấu | Ir-192, X-ray |
| Bê tông Cốt thép | Đánh giá tính toàn vẹn nội bộ | Vị trí cốt thép, Lỗ rỗng, Vết nứt, Ăn mòn | Tia Gamma (Ir-192), X-ray |
| Đường ống/Kết cấu kim loại | Đánh giá độ dày, ăn mòn | Ăn mòn, Tách lớp | Ir-192 |
Từ khóa: kỹ thuật hạt nhân;
– CMD –
