初始条件对砂含水率测试精度的影响

胡建伟，谢永江，翁智财，刘子科，王月华，何 龙

(1.中国铁道科学研究院 研究生部，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081;3.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081)

混凝土在实际生产过程中，由于受到原材料质量、计量误差、环境条件、骨料含水率等因素的影响，常常会出现超出标准规定的质量波动，迫使生产人员对混凝土生产配合比进行人为干预[1]。其中，砂的含水率测定已经成为混凝土用水量控制的关键环节，它直接影响混凝土拌和物的稳定性[2-3]。砂含水率高时，为了满足混凝土拌和物的稳定性要求，水胶比、胶砂比、砂率等混凝土配合比参数均需要实时调整。然而，目前砂含水率测试主要采用人工取样烘干法。该方法存在测试时间长、取样代表性差、测试结果滞后等问题，难以满足现场混凝土配合比参数实时调整的要求，无法实现混凝土拌和物稳定性的有效控制[4]。为了满足含水率实时测试的需求，众多研究人员[5-10]开展了含水率测定仪的试验与开发研究，目前主要采用电阻法、电容法、红外法、微波法等方法测试含水率。电阻法利用湿砂中水分的电导性来测量含水率，虽然测量仪器价格相对较低，但是易受环境温度及水分中盐离子浓度的影响，导致测量结果精度不高；电容法则是利用电容测量含水率，原理简单，仪器价格低，但由于电容受温度影响较大，而且水分中的盐离子也会对其造成影响，故测量精度也不高；红外法虽然可以实现非接触式在线测量，但易受物料颜色影响，测量结果很难反映物料内部真实含水率，且仪器造价高，维护困难；微波法测量含水率既可以接触式测量，也可以非接触式在线测量，且微波穿透力强，增加滤波及温度补偿电路后，受环境因素的影响明显减小，且仪器造价比红外法低。然而，微波法测量含水率也存在一些问题。比如测量仪器的零漂和定标问题，微波法测试精度在一定程度上受物料性质、取样位置、安装参数等因素的影响;现场测试过程中砂颗粒形貌、颗粒级配、含泥量、砂料厚度、砂料流速等因素的波动也会对测量精度造成一定的影响。

本文研究含水率测定仪传感器不同安装角度、砂含泥量、砂细度模数、砂堆积状态等参数对微波法含水率测定仪测试精度的影响，以期进一步提升微波法含水率测定仪的测试精度，更精确地控制混凝土用水量，保证混凝土拌和物的稳定性。

1 室内试验

1.1 原材料

采用河北省石家庄市灵寿县生产的分级砂。共有4种细度，分别为10～20目，20～40目，40～70目和70～140目，在实验室内经过水洗处理后烘干备用。根据GB/T 14684—2011《建筑用砂》[11]和实际用砂要求，按 10～20目的砂含量25%，20～40目的砂含量25%，40～70目的砂含量45%,70～140目的砂含量5%配制，并将细度模数为2.6的分级砂作为基准用砂。采用北京地区试验田用土，选取0～10 cm表层土并在试验室烘干后过0.075 mm筛备用。

1.2 工况

在松散堆积和紧密堆积2种堆积状态下对9种试样进行测试精度的试验研究。传感器安装角度分别为10°，20°，30°，40°，50°，60°，70°，80°和90°；含泥量分别为0.5%，1.0%，1.5%，2.0%，2.5%，3.0%和3.5%；细度模数分别为2.2，2.4，2.6，2.8，3.0和3.2；砂含水率分别为1.1%，2.4%，4.8%，6.5%，8.1%，10.2%，12.3%，14.5%和16.4%。

1.3 试验方法

不同含泥量、细度模数和堆积状态的砂样制备后首先按照GB/T 14684—2011中烘干法测试砂的含水率。然后选用微波法含水率测定仪测试砂的含水率。将2种测试结果进行对比，以校准微波法含水率测定仪的测试精度。

为确保微波法含水率测定仪测试的准确性，根据现场实际工况，自制了一套可以模拟现场砂料运动情况并能够提供稳定砂料流的微波法含水率测定仪配套设备，如图1所示。

图1 微波法含水率测定仪配套设备

微波法含水率测定仪的传感器固定在转盘盛料区中部上方，调整好传感器陶瓷面板与料流方向的角度，通过变频器控制电机将转盘盛料区中部砂料运行的线速度调整至与现场皮带输送物料的线速度一致，采用刮料器控制砂料层厚度与堆积状态。模拟不同砂料运行时的状态，确保试验测试指标与现场实际工况基本一致。

2 试验结果与分析

2.1 安装角度

通常情况下微波法含水率测定仪的传感器安装在料仓壁卸料口下方或传输带上方，砂料流向与传感器成一定的夹角α，这样可使砂料更充分流过并接触传感器所在的信号收发区域，提高测试的灵敏度和精确度，如图2所示。

图2 测试传感器与砂料流向夹角示意

为防止砂料堵塞、断流等情况，传感器沿砂料流向偏转一定角度，通过试验观测找到最佳位置。实验室内采用细度模数2.6的分级砂和自来水提前制成不同含水率的待测湿砂试样，每批砂样取3次，每次取样不少于500 g。首先采用烘干法测试砂样的含水率并取其平均值作为最终含水率。然后将待测砂样装入自制微波法含水率测定仪配套设备的转盘中，并且确保砂料厚度达到10 cm，调整传感器与砂料流向之间的角度。随后启动仪器，将30 s内传感器读数的平均值作为单次试验结果，上述试验重复6次。

不同安装角度下砂样含水率测试结果见图3。可见:①烘干法所测该批砂样含水率为5.21%，可视为标准含水率，包含了0.3%误差后的含水率为 4.91%～5.51%。虽然传感器安装角度较小(10°，20°)和较大(70°～90°)时所测数据的平均值处在误差允许范围之内，但是部分数据已经超出误差允许范围，显然这些数据不合格，倘若将其用于指导混凝土拌和物生产，势必造成较大质量波动。②安装角度介于30°～60°时所测数据全部合格，且测量值相对集中，误差偏小。说明这一区域的角度为传感器适宜的安装角度。对安装角度 30°,40°,50°和60°所测含水率进行方差分析发现，安装角度为40°～50°时传感器所测数据波动幅度相对较小，由此可以确定传感器最佳安装角度为40°～50°。

图3 不同安装角度的砂样含水率测试结果

2.2 含泥量

采用细度模数2.6的分级砂和自来水配制湿砂试样，将砂样均分成7份，往7份砂样中分别加入不同量的干燥泥土，搅拌均匀，制成含泥量分别为0.5%，1.0%，1.5%，2.0%，2.5%，3.0%和3.5%的砂样，每批砂样取3次，每次取样不少于500 g。首先采用烘干法测试砂样的含水率并取其平均值，然后分别将待测砂样装入自制的微波法含水率测定仪配套设备的转盘中，并且确保砂料厚度达到10 cm，调整传感器与砂料流向之间的角度为45°。随后启动仪器，将30 s内传感器读数的平均值作为单次试验结果，上述试验重复6次。

不同含泥量砂样含水率测试结果见图4。可见:随着砂样中含泥量的增加，含水率呈现逐渐降低的趋势。微波法含水率测定仪的测试结果与烘干法基本一致，说明砂料含泥量波动对其含水率测试精度的影响较小。虽然传感器测得的含水率存在一定的波动，但均未超过0.3%的误差限值。因此，砂料的含泥量波动不会对砂料含水率的测试精度造成不利影响。

图4 不同含泥量砂样含水率测试结果

2.3 细度模数

以分级砂细度模数2.6为基准，在微波法含水率测定仪的校准基线数据维持不变的条件下测试砂样的含水率，考查细度模数变化对微波法含水率测定仪测试精度的影响。根据河砂级配曲线，配制细度模数分别为2.2，2.4，2.6，2.8，3.0和3.2的砂样，加入自来水制成不同细度模数的湿砂试样，每批砂样取3次，每次取样不少于500 g。

图5 不同细度模数砂样含水率测试结果

不同细度模数砂样含水率测试结果见图5。可见:①砂样细度模数为2.2和2.4时，微波法含水率测定仪所测结果比烘干法所测结果小，随着砂样细度模数的增大微波法含水率测定仪所测结果逐渐增大。②细度模数在2.6±0.2变化时，虽然微波法含水率测定仪测得的含水率存在一定的波动，但均未超过0.3%的误差限值。微波法含水率测定仪测得的含水率与烘干法基本一致。③细度模数为2.2，3.0和3.2时传感器测得的含水率波动较大，部分已超过0.3%的误差限值，测试精度差，数据离散误差较大。

2.4 堆积状态

以分级砂细度模数2.6为基准，在微波法含水率测定仪的校准基线数据维持不变的条件下测试砂样的含水率。

不同堆积状态砂样含水率测试结果见图6。可知:①松散堆积状态下微波法含水率测定仪所测含水率与烘干法所测含水率基本一致。松散堆积状态下所测含水率与紧密堆积状态下所测含水率的差值却随着砂样含水率的增加而增大。当砂样含水率达到16.4%时，偏差高达1.9%。②砂样含水率大于4.8%之后，其堆积状态对含水率的测试精度影响较大。为消除堆积状态变化引起含水率测量波动，建议尽可能控制砂的最大含水率，采用与现场堆积状态一致的砂进行微波法含水率测定仪的基线校准。

图6 不同堆积状态砂样含水率测试结果

3 结论

1)微波法含水率测定仪传感器的安装角度对测试精度有较大影响，安装角度较小(10°和20°)或较大(70°～90°)均会使测试精度显著降低。安装角度在30°～60°时测试精度高并且误差波动小，安装角度为40°～50°时测试精度最高。

2)通过测试0.5%，1.0%，1.5%，2.0%，2.5%，3.0%和3.5%共7种含泥量砂料，发现微波法含水率测定仪所测含水率与烘干法所测结果差异较小，说明砂料含泥量波动对其含水率测试精度的影响较小。

3)以分级砂细度模数2.6为基准，砂细度模数在2.6±0.2波动时，微波法含水率测定仪测试精度高。其他细度模数下测试精度难以保证。

4)松散堆积状态下所测含水率与紧密堆积状态下所测含水率的差值随着砂样含水率的增加而增大。当砂样含水率达到16.4%时，偏差高达1.9%。在微波法含水率测定仪使用前应选择与现场堆积状态相一致的砂进行基线校准。