张虎元,张秋霞,李 敏
(1. 兰州大学 西部灾害与环境力学教育部重点实验室,兰州 730000;2. 兰州大学 土木工程与力学学院,兰州 730000)
遗址是遗存的历史上人类文化活动场所,遗存主体为土质者称为土遗址。土遗址具有科学性、历史性、艺术性、不可再生性,一旦破坏,就成为永久性损失[1]。土遗址疏松、脆弱,受自然环境影响很大,保护难度很大。经历千百年的风化、风蚀及雨蚀,土遗址表面出现剥离、开裂、坍塌等病害,这些病害与遗址土含水率密切相关。
土遗址一般位于较为偏远的地区,用传统的烘干法测定含水率,需要将试样搬运至实验室,此过程中会引起水分散发,因此,遗址土含水率最好在现场快速测定。岩土工程中测定土含水率的方法很多,常用的有:烘箱烘干法、酒精燃烧法、砂土炒干法。经典方法为烘箱烘干法,此方法技术成熟,测定结果准确度高。依据国家土工试验标准[2],烘箱烘干法 105~110 ℃采用恒温烘干土样,要求砂类土烘干时间不得少于 6 h,黏性土烘干时间不得少于8 h。此法适用于粗细土、细粒土、有机质土和冻土,是目前测定土含水率的标准方法,由于烘箱体积和重量都较大,且测定时间较长,不能满足现场测试快速便捷的要求。
微波干燥技术起源于20世纪40年代,随着技术条件的进步,已经广泛应用于轻工业、食品工业、农业和农产品加工等领域中。相对于烘箱,微波炉具有体积小,重量轻,搬运方便的特点。1970年代初,国外开始研究用微波炉法测定土的含水率。微波炉法测定土含水率于 1987年正式列入美国ASTMD试验标准[3],1988年被应用于现场施工工程[4-5]。我国于 20世纪70~80年代对此方法进行了初步研究,但到目前为止,还未建立标准规范。
本文选取了 15种土样,测定土样界限含水率和易溶盐含量的基础后,分别用烘箱法和微波炉法测定土的含水率,对两种方法所得结果进行对比,分析微波炉法测定遗址土含水率的适用性和可靠性。
试验设备有 Galanz微波炉(型号 P70D20TLD4),输出功率为700 W,微波频率为2450 MHz、外形尺寸为262 mm×452 mm×365 mm。GZX-9240数显鼓风干燥箱,试验时将烘箱温度设置为105 ℃。FG-Ⅲ型光电式液塑限联合测定仪,包括带标尺的圆锥仪、电磁装置、显示屏、控制开关和试样杯,圆锥质量为76 g,圆锥角度30°,试样杯内径为40 mm,高度为30 mm。天平量程为420 g,最小分度值为0.001 g,其他包括筛(孔径0.5、2 mm)、瓷碗、铝盒、量筒、玻璃棒等。
试验用土取自15个地点,11个来自不同的土遗址,另外,追加4个试样(兰州黄土和新疆盐渍土)进行对比,土样的具体特征见表1。
表1 土样的基本性质Table1 Basic properties of soils used
①将15种土样放入烘箱105℃条件下烘干,过0.5 mm及2 mm筛,放入密封袋中备用。
②依据国家土工试验标准[2],对过 0.5 mm筛的土样,利用光电式液塑限联合测定仪测定土的界限含水率。
③根据步骤②所得的液塑限值,选取含水率5%、10%、15%、20%、25%、30%、40%、50%计算所需的水量,利用带小型喷嘴的洒壶人工喷洒蒸馏水,人工配置土样,装入密封袋中,在保湿器中放置24 h直至水分分散均匀,备用。
④烘箱法试验:依据国家土工试验标准[2],取配置土样15~20 g,放入铝盒内,盖上盒盖,称盒加湿土的质量,精确至0.001 g。打开盒盖,将盛样盒置于烘箱内,在105 ℃恒温条件下烘至恒量。将烘干的盛样盒取出,盖上盒盖,放入干燥器中冷却直至恒温,称盒加干土重量,精确至0.001 g。
⑤微波炉法试验:根据美国规范[3],另取配置土样80~110 g放入瓷碗中,称量瓷碗加湿土样的质量。接通微波炉电源,将装有湿土的瓷碗放入微波炉内,启动微波炉,烘烤3 min后取出瓷碗,立刻称取质量。借助短玻璃棒搅拌烘干土(不损失任何土);然后放回微波炉继续加热1 min,重复4~6次,直至恒量,停止烘干试验。记录每次烘干后瓷碗加试样的质量,精确至0.001 g。
塑限和液限是决定土的含水状态的重要参数,对含水率测定的方法选择及测试精度有一定影响。本文对土样的液塑限进行测定,测定结果列于表1。
根据土样在塑性图中的位置(见图1)及土样的塑性指数,参照土的分类标准[6-7],将试验土样分为3组(见表1):低塑性土(包括L1~L7),属于低液限粉土ML;中塑性土(包括M1~M6),属于低液限黏土CL及低液限粉土ML;高塑性土(包
图1 所选土样在塑性图中的位置Fig.1 Position of soils in plasticity chart
根据土含水率的计算式(1)进行处理,得出两种方法测定的含水率:
式中:w为土含水率(%);mw为土中水的质量(g);ms为干土质量(g)。
定义w1为烘箱法测定含水率,w2为微波炉法测定含水率,w1与w2的关系按 w2=aw1+b进行线性回归分析(见表2)。图2~5中,拟合直线表示烘箱法与微波炉法测定结果的关系,45°理想直线表示两种方法所得结果完全一致,即w2=w1。图2为低塑性土样 L1~L7的试验结果,可见两条直线相距极小且基本平行,拟合直线的相关系数为0.996,线性关系为w2= 0.999w1+0.774,可见微波炉法测定结果与烘箱法测定结果相差小,且两种方法间绝对差值最大值为 0.774%,满足土工试验标准[2]误差小于2%的要求。
表2 两种方法测定的含水率相关关系Table2 Correlation of moisture contents measured by two test methods
图2 两种方法测定ML土样含水率关系图Fig.2 Relationships of moisture content of ML soils measured by two methods
图3为中塑性土样M1~M6的试验结果。与图2相似,图3中两条直线相接近,微波炉法与烘箱法的测定结果线性相关;w2= 0.977w1+1.318,相关系数为0.996,可见对于中塑性土,微波炉法的测定结果接近于烘箱法所得结果。两种方法间绝对差值最大值为 1.318%,满足土工试验标准[2]误差小于2%的要求。图 4为高塑性土样 H1、H2的试验结果。由图可见,两种方法测定结果线性相关:w2=0.993w1+1.817,相关系数为0.992。两种方法间绝对差值最大值为1.817%,满足土工试验标准[2]误差小于2%的要求。比较图2~4发现,随着土的塑性指数增大,即从低塑性向中、高塑性变化,微波炉法与烘箱法测定含水率的最大差值从+0.774%增大到+1.817%。
图3 两种方法测定ML-CL土样含水率关系图Fig.3 Relationships of moisture contents of ML-CL soils measured by two methods
图4 两种方法测定MH土样含水率关系图Fig.4 Relationships of moisture contents of MH soils measured by two methods
表2列出两种测定含水率的拟合参数,参数a表示拟合直线的斜率,反映拟合直线与理想直线之间的平行关系;参数b表示两种方法测定结果偏差最大值。由表可见,拟合直线与理想直线均接近平行,即a值均接近理想直线的斜率1.0,但随着土的塑性的增大,两条直线间的距离逐渐变大,相对应的b值变大,即两种方法之间的绝对差值变大。其原因是,随着塑性的增强,土样中所含黏粒及亲水性矿物的含量增多,土样结合水膜厚度增大,相应的薄膜水(强结合水和弱结合水)就增加[11]。土中的强结合水只有加热到120~230 ℃时才能脱去[12]。在烘箱法试验中,强结合水不能被蒸发,而微波炉法测定中,2450 MHz的微波会使土样中的水分子与微波同时以每秒24.5亿次的频率振荡,造成分子之间相互摩擦,产生大量的热[13],随着温度的不断升高,强结合水被气化蒸发。由此可见,随着土样塑性的增强,土颗粒水膜持有的水量增加,当使用微波炉法加热时,土样中被蒸发的水量相应增加,即微波炉法较烘箱法测得的含水率的绝对偏差也随之增大。
将微波炉法与烘箱法平行测定的103个数据结果进行统计分析发现,两种方法获得的103个数据样本绝对差值服从正态分布N(0.96,0.64),与理想情况(烘箱法)相比,微波炉法试验结果的偏差是0.96%。因此,尽管随着土样塑性的增强,微波炉法与烘箱法之间的绝对差值变大,但绝对差值为1.92%,小于规范规定的最大试验误差2%。
试验使用的 15种土样中包含了 4种含盐土(L1、L2、L5、M5),它们属于干旱区盐渍土,每种土的具体含盐量见表3。
表3 盐渍土的天然含盐量Table3 Natural salt contents of saline soils
图5 两种方法测定不同盐渍土含水率关系图Fig.5 Relationships of moisture contents of saline soils measured by two methods
图5为微波炉法与烘箱法测定的含盐土的含水率结果。由图可以看出,对于含盐土,两种方法得到的结果十分接近,线性关系为:w2=1.018w1+0.472,相关系数为 0.996。此外,单独对每种土的试验结果进行线性拟合,拟合结果见表 4。表中显示,4种盐渍土微波炉法与烘箱法之间的试验结果绝对差值最大值为 0.805%,最小值为 0.046%,不同含盐量的土,两种方法所得试验结果尽管有一定的差值,但均低于1%,满足土工试验标准[2]误差小于2%的要求。
表4 两种方法测定盐渍土的含水率相关关系Table4 Correlation of moisture contents of saline soils measured by two test methods
理论上讲,含盐土的含盐量越大,土样电导率越大,同等微波炉加热条件下,相对应的土的温度越高,水分蒸发速度就越快[14-15]。随着水分的蒸发,盐分被析出以固体形式存在于土中。盐渍土中的盐分熔点均在700 ℃以上,本试验中使用中高档火力,其控制温度低于300 ℃[16],被析出的盐分不会被升华而损失。因此,含盐量越高,水分的蒸发速度会加快,但不会影响最终的含水率测定结果。
为了评价微波炉法测定含水率试验的再现性,本文选择了3种不同液限的土样(表1中的土样L1、L7、H1)进行平行试验,分析平行试验之间的相对误差。将土样放入烘箱中 105℃烘干,然后人工配置成3种不同的含水率,即5%、15%和 30%,将配置成的每种试样分成平行的2份,每份又分为平行的5组,其中一份用于烘箱法,另一份用于微波炉法。
微波炉法所测9组平行试验中,其平行差值均值为 0.65%,每组试验差值最大为1.61%;而烘箱法所得的平行差值均值为 0.44%,每组试验差值最大为0.84%,见图6~8。图中同组平行试验所测结果,以最大、最小及平均值示出。
从图 6~8可见,微波炉法测定土含水率的平行度略低于烘箱法,这可能是因为微波炉加热时无法控制试样内部的温度引起的。但从前述的绝对差判断,微波炉法测定结果能满足土工试验标准[2]误差小于 2%的要求,且具有体积小、重量轻、测定时间快速等特点,在现场测量中更具有优势。
图6 土样L1平行试验结果Fig.6 Comparison of parallel test results for soil L1
图7 土样L7平行试验结果Fig.7 Comparison of parallel test results for soil L7
图8 土样H1平行试验结果Fig.8 Comparison of parallel test results for soil H1
南京大报恩寺地宫发现后,出土了很多极其珍贵的文物。由于受雨水和地下水的影响,开挖后地宫内出现积水情况,地宫壁表面局部出现坍塌、开裂、剥离等病害。为了快速确定地宫土样的含水率,制定应急保护对策,现场使用微波炉法测定了不同层位土样的含水率,测定结果见图9。从图中可见,当埋深小于2 m的范围内,随埋深增大,土样含水率从23.11%降低到20.67%;当埋深超过2 m之后,土样含水率随埋深增大持续升高。这说明,埋深2 m范围之内地层的含水率主要受大气降水的控制,埋深2 m之下主要受局部地下水毛细上升的控制。该结果为快速制定地宫的保护方案奠定了基础。
图9 微波炉法测定地宫土样含水率Fig.9 Moisture contents of the underground palace soils measured by microwave drying method
本次使用微波炉法测定遗址土含水率,其测定结果均符合规范误差不大于 2%的要求。我国土遗址大多处于偏远地带,若使用烘箱法测定,在土样搬运回实验室的过程中,难免会造成土样水分的散失,且测定时间较长。相反,在遗址保护现场使用微波炉法测定遗址土的含水率,不仅能够满足精度要求,而且具有快速、方便的技术优势。
(1)对于液限在16.21%~38.73%范围的土样而言,微波炉法测定的含水率比标准烘箱法测定的结果系统偏高,最大离差值为1.817%,满足试验误差小于2%的国标要求。
(2)土中含盐量越多,微波炉加热时土的增温越快,水分蒸发也越快。对含盐0.341%~0.579%的土样,含盐量变化影响微波炉法测定的最终含水率结果。
(3)对于西北偏远地区典型土遗址,微波炉测定土的含水率尽管会受到土的界限含水率及含盐量的干扰,但误差值都在规范规定的试验误差范围之内。
(4)微波炉体积小、重量轻、使用便捷,测定遗址土的含水率准确、可靠,可以替代烘箱推广使用。
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