土的含水率快速測定儀的研制

韓志剛,田景波,黃景海,衣承新,唐國富

(黑龍江暢捷橋梁隧道工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150009)

國內微波干燥技術起源于20世紀40年代，隨著科學技術的不斷進步，目前廣泛用于輕工業(yè)、食品工業(yè)、農業(yè)和較大型工業(yè)設備中，但在道路工程試驗中，還沒有利用微波技術實現土的含水率快速測定專用儀器?；诖吮疚睦梦⒉t的快速加熱功能，研制含水量快速測定儀，烘干時間明顯縮短。由于微波爐加熱時要保持食物的濕度，腔體基本密閉，若作為烘干設備使用時，不能有效實現濕氣順利排出，影響試驗效率和試驗精度。

1　土的含水率快速測定儀

1.1　與烘干法原理比對

根據土的物理性質可知，土中的水份包括土顆粒之間以液態(tài)形式存在的自由水和土顆粒表面靜電引力作用的結合水，其中結合水由強結合水和弱結合水組成。用烘箱烘干法測定含水量時，主要依靠電力產生的熱量將土體中的自由水和部分弱結合水烘干，以便得到土體中的含水量。由于強結合水受土顆粒的表面靜電引力較強，把水化離子和極性水分子牢固地吸附在顆粒表面上形成固體層。烘干法狀態(tài)下的加熱溫度，不足以使強結合水蒸發(fā)，所以烘干法得到的含水量，實際上不包括土體中強結合水的重量。

1.2　微波烘干技術測定含水率

采用微波烘干加熱時，土體中的水分子是靠微波的高頻震蕩引起水分子之間的相互摩擦而產生熱量，使水分子蒸發(fā)，所以當采用微波加熱土體時，得到的含水率，實際上包括土體中部分強結合水的重量。

用微波烘干技術測定土樣含水率時，加熱時間長短也是試驗精度的關鍵，如果加熱時間短，則土體中的自由水和弱結合水不能完全蒸發(fā)，得到的含水量要比標準含水量小；如果加熱時間過長，則土體中的自由水、弱結合水和大部分強結合水蒸發(fā)，得到的含水率指標要比標準含水率大。另外，根據微波的使用特點可知，當采用微波加熱烘干物體中的水份時，在一定時間下，烘干的效果還與一次放入爐內物體的總質量有關，即在達到相同烘干效果時，一次放入儀器的總樣品質量越重，則需要的加熱時間越長；反之，需要的加熱時間越短。

2　土的含水率快速測定儀研制中的主要技術手段

關于“土的含水率快速測定儀”的研制通過兩階段完成。第一階段是對傳統(tǒng)的微波爐進行技術改進，增加進排氣裝置，提高排濕效率，以最小的經濟投入實現驗證數據的目的。第二階段主要是開展利用微波烘干技術、多位稱重技術、交互觸摸屏顯和數據集成管理控制系統(tǒng)等合為一體的全新“含水率快速測定儀”的研制工作，實現試驗過程一機化、智能化。

2.1　第一階段試驗時間驗證階段

利用改進后的微波爐烘干無機土(黏性土、砂性土、碎石土、砂礫、摻灰土、水穩(wěn)料等)，能夠在4～6 min烘干樣品(按照規(guī)程要求取樣15～30 g)。同步進行相同樣品烘箱烘干8 h后，干質量與微波烘干樣品質量相當，多次測試平均誤差小于2%，滿足規(guī)范要求。普通家用微波爐和酒精燃燒法同步試驗，得出數據對比結果。

2.1.1樣品取樣原則

取2 000 g左右細粒土放入烘箱烘干12 h后，冷卻粉碎均勻備用。含水率測定前取樣20 g，加入8 g水，混合均勻后作為被檢土進行含水率測試。

2.1.2試驗數據結果

按照設定時間間隔對檢測中的樣品進行稱重，所讀取得數據減去容器重量，計算出待測樣品的重量。同一測定方法進行多次，取得數據平均值如表1所示。

表1　土的含水率不同測定法干質量數據表

2.1.3結論分析

1)增加通風排濕裝置的簡易含水量測定儀大約4～6 min烘干樣品，家用微波爐加熱烘干時間大約8～10 min，電烘箱烘干時間大約3～5 h(試驗規(guī)范要求8 h)

2)微波烘干技術測定含水率歷時明顯縮短，相對于電烘箱法提效大約100倍。

2.2　第二階段研制階段

1)取樣方法?！巴恋暮士焖贉y定儀”進行土的含水率測定試驗，驗證儀器的試驗測定效果。同樣取若干組干土樣品20 g，加入8 g水，攪拌均勻。

2)試驗數據結果。按照計劃時間間隔測定含水率數值，獲得含水率有效數據如表2所示。

表2　含水率數值有效數據

2.3　結論分析

1)使用“土的含水率快速測定儀”測定土的含水率試驗時，樣品在第1 min時變化不大，在第3～4 mim失水變化最快，排濕效果明顯，能夠看到水蒸氣排出。

2)使用“土的含水率快速測定儀”測定土的含水率，測定結果的精度滿足規(guī)范要求。

2.4　新儀器的應用效果總結

經過項目部實際應用情況反饋和數據分析，傳統(tǒng)的烘干方法所需時間較長，反饋數據比較慢，嚴重制約施工進度，快速檢驗和數據準確提供是未來工程施工的趨勢。

1)采用微波烘干技術檢測含水率的方法簡單，可以實現現場檢測，就地給出含水率數據值，直接指導現場施工。

2)對于天然含水率在16%～38%范圍內的黏性土(或砂性土)而言，微波干燥技術測定含水率比標準電烘箱法測定結果偏高，最大偏離誤差值小于2%，滿足國家標準要求。

3)樣品土中鹽份含量對試驗效果有影響，含鹽樣品干燥溫升快，水份蒸發(fā)速度快。對于含鹽份在0.3%～0.6%土樣品，采用微波干燥技術進行含水率測定時，含水率結果不穩(wěn)定，但是在國家規(guī)范要求誤差范圍內。

4)體積小、重量輕、使用便捷，測定黏性土(或者砂性土)的含水率的速度快、準確度高、可靠性強，可以替代烘箱法進行推廣使用。

3　儀器的結構體系設計

儀器主要結構包括烘干器系統(tǒng)、內置稱重系統(tǒng)、集成電路板系統(tǒng)、交互式觸摸屏和熱敏轉印機5大部分。其他組成部分為附屬結構，如工具抽屜、逆變器和預留接口等(見圖1)。

逆變器主要是為了現場試驗檢測方便，實現車載蓄電池作為動力源。預留相應的“接口”，為后續(xù)產品開發(fā)和升級做好準備。

稱重傳感器感量按照土工試驗規(guī)程要求設計，對稱重傳感器做了防干擾措施。本儀器安裝2套稱重系統(tǒng)，可以同時放置2個樣品進行平行試驗測量，具體操作臺(見圖2)。

圖1　土的含水率測定儀結構示意圖

圖2　土的含水率快速測定儀

交互式觸摸屏實現人機智能交流，具有顯示、設定、清零、濕重量、干質量、含水率、平均值、修正、打印等功能。土樣放入烘干系統(tǒng)后，按下確認按鈕，儀器自動開始運行，直至完成含水率測定結果穩(wěn)定并顯示在屏幕上。

顯示在屏幕上的相關數據信息，可以通過熱敏轉印機輸出紙質文件條。

4　實驗測試

按照國內現行的《公路土工試驗規(guī)程》相關規(guī)定，在相同工況條件下，采用烘干法，酒精燃燒法、新儀器測量法三種方式進行比對實驗。

儀器依托項目駐地實驗室的大量實驗數據表明，新儀器測定含水率實驗周期短、速度快、節(jié)能增效，實驗精度滿足規(guī)范規(guī)定。得出相關數據總結如表3所示。

表3　三種試驗方法比較

1)采用含水率測定儀，測量結果會略高于標準烘干法數值。土體中的水分子是靠微波的高頻震蕩引起水分子之間的相互摩擦而產生熱量，使游離水分子蒸發(fā)，得到的含水率，實際上包括土體中游離水和部分強結合水的重量。

2)采用含水率測定儀，烘干時間長短也是試驗精度的關鍵，如果加熱時間短，則土體中的游離水和結合水不能完全蒸發(fā)，得到的含水量要比標準含水量??；如果加熱時間過長，則土體中的游離水、結合水大部分蒸發(fā)，得到的含水率指標會偏大。

5　結束語

本試驗項目委托黑龍江省泰斯特森工程檢測有限公司中心試驗室針對儀器按照細粒土、天然砂和土+砂3種材料分別按照試驗規(guī)程做平行對比試驗，新儀器適用范圍趨近于黏性土和細粒土。與烘干法測定含水率存在相對誤差，但是經過對實驗環(huán)節(jié)分析，該相對誤差可以避免。平行驗證實驗方案有待重新確定，擬采用“倒推驗證法”進行。

采用新儀器進行土的含水率快速測定，單次實驗時間周期縮短到10 min，相對標準試驗的“烘干法”試驗周期提高功效50～100倍?！巴恋暮士焖贉y定儀”參照標準規(guī)范中的“烘干法”原理研制的，具有對樣品進行稱濕土重、烘干、稱干土重、計算等等功能，設置內置多位稱重系統(tǒng)、互動式觸摸屏顯系統(tǒng)、打印輸出功能和集成控制系統(tǒng)等子系統(tǒng)，實現土工試驗自動化、一機化和智能化。隨著該儀器的研制成功，土工含水率實驗實現自動化，公路工程中的壓實度試驗實現自動化指日可待。

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