土的含水率快速测定仪的研制

韩志刚,田景波,黄景海,衣承新,唐国富

(黑龙江畅捷桥梁隧道工程有限公司，黑龙江 哈尔滨 150009)

国内微波干燥技术起源于20世纪40年代，随着科学技术的不断进步，目前广泛用于轻工业、食品工业、农业和较大型工业设备中，但在道路工程试验中，还没有利用微波技术实现土的含水率快速测定专用仪器。基于此本文利用微波炉的快速加热功能，研制含水量快速测定仪，烘干时间明显缩短。由于微波炉加热时要保持食物的湿度，腔体基本密闭，若作为烘干设备使用时，不能有效实现湿气顺利排出，影响试验效率和试验精度。

1　土的含水率快速测定仪

1.1　与烘干法原理比对

根据土的物理性质可知，土中的水份包括土颗粒之间以液态形式存在的自由水和土颗粒表面静电引力作用的结合水，其中结合水由强结合水和弱结合水组成。用烘箱烘干法测定含水量时，主要依靠电力产生的热量将土体中的自由水和部分弱结合水烘干，以便得到土体中的含水量。由于强结合水受土颗粒的表面静电引力较强，把水化离子和极性水分子牢固地吸附在颗粒表面上形成固体层。烘干法状态下的加热温度，不足以使强结合水蒸发，所以烘干法得到的含水量，实际上不包括土体中强结合水的重量。

1.2　微波烘干技术测定含水率

采用微波烘干加热时，土体中的水分子是靠微波的高频震荡引起水分子之间的相互摩擦而产生热量，使水分子蒸发，所以当采用微波加热土体时，得到的含水率，实际上包括土体中部分强结合水的重量。

用微波烘干技术测定土样含水率时，加热时间长短也是试验精度的关键，如果加热时间短，则土体中的自由水和弱结合水不能完全蒸发，得到的含水量要比标准含水量小；如果加热时间过长，则土体中的自由水、弱结合水和大部分强结合水蒸发，得到的含水率指标要比标准含水率大。另外，根据微波的使用特点可知，当采用微波加热烘干物体中的水份时，在一定时间下，烘干的效果还与一次放入炉内物体的总质量有关，即在达到相同烘干效果时，一次放入仪器的总样品质量越重，则需要的加热时间越长；反之，需要的加热时间越短。

2　土的含水率快速测定仪研制中的主要技术手段

关于“土的含水率快速测定仪”的研制通过两阶段完成。第一阶段是对传统的微波炉进行技术改进，增加进排气装置，提高排湿效率，以最小的经济投入实现验证数据的目的。第二阶段主要是开展利用微波烘干技术、多位称重技术、交互触摸屏显和数据集成管理控制系统等合为一体的全新“含水率快速测定仪”的研制工作，实现试验过程一机化、智能化。

2.1　第一阶段试验时间验证阶段

利用改进后的微波炉烘干无机土(黏性土、砂性土、碎石土、砂砾、掺灰土、水稳料等)，能够在4～6 min烘干样品(按照规程要求取样15～30 g)。同步进行相同样品烘箱烘干8 h后，干质量与微波烘干样品质量相当，多次测试平均误差小于2%，满足规范要求。普通家用微波炉和酒精燃烧法同步试验，得出数据对比结果。

2.1.1样品取样原则

取2 000 g左右细粒土放入烘箱烘干12 h后，冷却粉碎均匀备用。含水率测定前取样20 g，加入8 g水，混合均匀后作为被检土进行含水率测试。

2.1.2试验数据结果

按照设定时间间隔对检测中的样品进行称重，所读取得数据减去容器重量，计算出待测样品的重量。同一测定方法进行多次，取得数据平均值如表1所示。

表1　土的含水率不同测定法干质量数据表

2.1.3结论分析

1)增加通风排湿装置的简易含水量测定仪大约4～6 min烘干样品，家用微波炉加热烘干时间大约8～10 min，电烘箱烘干时间大约3～5 h(试验规范要求8 h)

2)微波烘干技术测定含水率历时明显缩短，相对于电烘箱法提效大约100倍。

2.2　第二阶段研制阶段

1)取样方法。“土的含水率快速测定仪”进行土的含水率测定试验，验证仪器的试验测定效果。同样取若干组干土样品20 g，加入8 g水，搅拌均匀。

2)试验数据结果。按照计划时间间隔测定含水率数值，获得含水率有效数据如表2所示。

表2　含水率数值有效数据

2.3　结论分析

1)使用“土的含水率快速测定仪”测定土的含水率试验时，样品在第1 min时变化不大，在第3～4 mim失水变化最快，排湿效果明显，能够看到水蒸气排出。

2)使用“土的含水率快速测定仪”测定土的含水率，测定结果的精度满足规范要求。

2.4　新仪器的应用效果总结

经过项目部实际应用情况反馈和数据分析，传统的烘干方法所需时间较长，反馈数据比较慢，严重制约施工进度，快速检验和数据准确提供是未来工程施工的趋势。

1)采用微波烘干技术检测含水率的方法简单，可以实现现场检测，就地给出含水率数据值，直接指导现场施工。

2)对于天然含水率在16%～38%范围内的黏性土(或砂性土)而言，微波干燥技术测定含水率比标准电烘箱法测定结果偏高，最大偏离误差值小于2%，满足国家标准要求。

3)样品土中盐份含量对试验效果有影响，含盐样品干燥温升快，水份蒸发速度快。对于含盐份在0.3%～0.6%土样品，采用微波干燥技术进行含水率测定时，含水率结果不稳定，但是在国家规范要求误差范围内。

4)体积小、重量轻、使用便捷，测定黏性土(或者砂性土)的含水率的速度快、准确度高、可靠性强，可以替代烘箱法进行推广使用。

3　仪器的结构体系设计

仪器主要结构包括烘干器系统、内置称重系统、集成电路板系统、交互式触摸屏和热敏转印机5大部分。其他组成部分为附属结构，如工具抽屉、逆变器和预留接口等(见图1)。

逆变器主要是为了现场试验检测方便，实现车载蓄电池作为动力源。预留相应的“接口”，为后续产品开发和升级做好准备。

称重传感器感量按照土工试验规程要求设计，对称重传感器做了防干扰措施。本仪器安装2套称重系统，可以同时放置2个样品进行平行试验测量，具体操作台(见图2)。

图1　土的含水率测定仪结构示意图

图2　土的含水率快速测定仪

交互式触摸屏实现人机智能交流，具有显示、设定、清零、湿重量、干质量、含水率、平均值、修正、打印等功能。土样放入烘干系统后，按下确认按钮，仪器自动开始运行，直至完成含水率测定结果稳定并显示在屏幕上。

显示在屏幕上的相关数据信息，可以通过热敏转印机输出纸质文件条。

4　实验测试

按照国内现行的《公路土工试验规程》相关规定，在相同工况条件下，采用烘干法，酒精燃烧法、新仪器测量法三种方式进行比对实验。

仪器依托项目驻地实验室的大量实验数据表明，新仪器测定含水率实验周期短、速度快、节能增效，实验精度满足规范规定。得出相关数据总结如表3所示。

表3　三种试验方法比较

1)采用含水率测定仪，测量结果会略高于标准烘干法数值。土体中的水分子是靠微波的高频震荡引起水分子之间的相互摩擦而产生热量，使游离水分子蒸发，得到的含水率，实际上包括土体中游离水和部分强结合水的重量。

2)采用含水率测定仪，烘干时间长短也是试验精度的关键，如果加热时间短，则土体中的游离水和结合水不能完全蒸发，得到的含水量要比标准含水量小；如果加热时间过长，则土体中的游离水、结合水大部分蒸发，得到的含水率指标会偏大。

5　结束语

本试验项目委托黑龙江省泰斯特森工程检测有限公司中心试验室针对仪器按照细粒土、天然砂和土+砂3种材料分别按照试验规程做平行对比试验，新仪器适用范围趋近于黏性土和细粒土。与烘干法测定含水率存在相对误差，但是经过对实验环节分析，该相对误差可以避免。平行验证实验方案有待重新确定，拟采用“倒推验证法”进行。

采用新仪器进行土的含水率快速测定，单次实验时间周期缩短到10 min，相对标准试验的“烘干法”试验周期提高功效50～100倍。“土的含水率快速测定仪”参照标准规范中的“烘干法”原理研制的，具有对样品进行称湿土重、烘干、称干土重、计算等等功能，设置内置多位称重系统、互动式触摸屏显系统、打印输出功能和集成控制系统等子系统，实现土工试验自动化、一机化和智能化。随着该仪器的研制成功，土工含水率实验实现自动化，公路工程中的压实度试验实现自动化指日可待。

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