多种类固态物料含水率检测方法综述

杨旭杰 吴斯鹏 杨建萍 胡伟才

摘 要：土壤、砂石、水泥、石灰、粉煤灰等固态物料的含水量是影响水运工程的设计、施工、监理、验收、养护、维修等各个环节的重要参数之一。准确地测定物料的含水量，对整个水运工程建设具有重要的经济意义和应用价值。当前含水率检测方法众多，本文对当前固态物料如土壤、砂石、粉煤灰等的含水率检测方法进行了较系统的归纳总结，将所有的测量方法分为直接测量法和间接测量法。同时，对间接测量法中的微波法的国内外研究近况进行了分析，提出了应该进一步加强对固态物料的水分间接测量的研究，使得含水率监测装置逐渐向小型化、高精度、无损耗发展。

关键词：含水率;检测方法;综述;微波法

中图分类号：S152.7;TM937  文献标识码：A

固态物料如细粒土（粉质土、黏质土、有机质土）、特殊土（黄土、膨胀土、红黏土、盐渍土、冻土）、砂（天然砂、机制砂）、砾石、水泥、石灰、粉煤灰等是公路水运工程中常见的、普通的材料，其含水率的大小会对整个工程产生影响。

目前测量含水率的主要方法分为直接法和间接法两种。本文对其每一种检测方法及其特点进行详细的介绍，得到最优的含水率的检测方法——微波空间波法，从国内外对微波空间波法的研究近况得到研究微波透-反射含水率检测装置的可行性，为含水率检测技术的进一步发展指明方向。

1 直接测量法

（1）烘干法。标准烘干法是将有机质含量少于5%，质量在15g～30g的样本土放入105℃～110℃的电热烘箱中进行加热到恒值时，所失去的水分和达到恒重后的干土质量比值，采用百分数表示。其中砂性土不少于6h，黏性土不少于8h[1]。采用公式：

ω=m湿-m干m干×100%

式中：m湿为湿土的质量，m干为干土的质量。

（2）蒸馏法。蒸馏法是一种较为常用化学检测法，将需要测量的物质粉末和蒸馏水混合在一起，然后进行加热，烧瓶中的水分将会蒸发逐渐消失，用这种方法检测到的物质含水率的结果会稍微高于干燥法，同时测量的误差也会较大。

（3）酒精燃烧法。酒精燃烧法是对固态物料含水率检测的一种简单快捷的常用方法，测试原理的是将少量的酒精加入到需要检测的固态物料中，然后将固态物料点燃，由于有酒精的存在，会瞬间燃烧，如此重复多次，既可以通过计算固态物料燃烧前后的重量变化，该方法的计算可参考烘干法，最后便可以得到含水率的结果。

（4）碳化钙法。碳化钙法分为碳化钙气压法和碳化钙化学反应失重法。碳化钙气压法是通过化学反应去除水分，然后水的质量可以通过生成气体的压力反推计算得到。反应式为：

CaC2+2H2O→Ca（OH）2+C2H2↑

在被测物料的取样质量相等时，气压值和含水率的值成正比。

除此之外，还有使用微波炉法、现场模拟法、水涨法、浮称法、体积法等直接测量方法进行固态物料的含水率检测，上述方法在砂石、粉煤灰的检测中使用得较多。

2 间接测量法

（1）射线法。①中子法。中子法早在20实际50年代就用于固态物料的含水率的测定，中子法测定含水率是中子源应用的一个重要方面[2]。在放射性元素衰变期间，它的原子核将连续发射快速种子。快中子和水中的氢核发生碰撞，然后变成慢中子，慢中子在放射源的周围做不规则运动，形成球形慢中子云，固态物料的含水率可以通过慢中子云的密度进行进一步分析得到。中字法仪器结构框图如图1所示。②γ射线透射法。当使用γ射线透射法测试土壤的水分时，探头的读数分为两个部分，一是γ射线将被测物质穿透之后所测得的强度，二为其自然参数Ie。Ie为自然辐射强度，γ射线透射法在一定时间测量固态物料某体积水分含量的公式如下[4]：

θ1=Δθ+θ0=1μLlnI0-IeI1-Ie+θ0

式中，I0、I1分别为γ射线将被测物质穿透前后的强度;μ为质量吸收系数;L为吸收的厚度;θ0、θ1、Δθ分别表示初始时刻和某一测量时刻的固态物料的水分含量以及体积含水率在一段时间内的变化值。

图1 中字法仪器结构框图

（2）介电法。介电法主要有时域反射法（TDR）、频域法（FD）、驻波率法（SWR）等。①时域反射法。时域反射法（Time-domain reflectometry，TDR）的基本原理是利用定点微波测量技术监测某一土层内的固态物料水分情况，而固态物料水的电磁测量又是基于固态物料的介电特性，所以两者具有一定的函数关系，固态物料的含水率可以通过测量传导速度求得。②频域法。频域法即频域反射法，是根据固态物料表现介电常数随被测物料含水率变化而变化的原理测量固态物料含水率。基于频域反射法（FDR）的固态物料含水率检测仪器一般在几十到几百兆赫兹范围内工作，可以将介电常数的变化用电压或其形式表现。③驻波率法。驻波率法根据介电物理学中的理论选取合适的信号源频率是固态物料介电常数的虚部分量忽略不计，利用电磁学理论、复变函数理论等可构造出驻波率相关参数与固态物料含水量的数学模型，进而可以获得固态物料的含水率。

（3）近红外光谱法。近红外光是指波长介于可见区与中红外区之间的电磁波，其波长范围约为780～2500nm，波数范围约为12500～4000cm-1。根据固态物料水分的近红外吸收光谱便可进行物质含水量的检测。照射近红外波段中的水分吸收波长的光，固态物料中若是含有的水分较多，波長被吸收的能量越多，反射回来的光能就越少。通过检测从被测材料反射的光能的量，便可以计算出物质含水量的多少。

（4）微波法。①微波遙感法。遥感法是一种大面积、非接触式的土壤水分测量方法。一般应用于大范围的土壤含水率检测中，在监视飞机上使用卫星或微波传感器远程拍摄地面区域，分析雷达图像，随后可以建立信号监测模型，可以实现对土壤湿度、温度等多种信息的测量。②谐振腔法。微波谐振腔是通过金属导体组成，它是一个相对密闭腔，具有分布参数的谐振器。在微波谐振腔中，电磁波只能来回震荡，不具有向前传播的能力，从而可以形成电磁驻波。谐振腔具有通过金属外壳接地物理性能稳定、品质因数高等优异的性能，利用谐振腔的电磁特性，被测固态物料的某些非电量参数被转化为谐振腔电参数，然后可以进行测量得到结果，同时测量结果具有很高的精度和分辨率。③微波空间波法。微波空间波法同时拥有反射式和透射式两种检测方法。微波透射法是利用微波信号具有穿透性的特征，在通过被测物内部时会对物质的水分产生极化作用，而所产生的极化作用的强弱则与被测物本身的物理特性正相关——该性质即为介电常数。对于水而言，其介电常数远大于其他物质，因此在一般情况下，含水率会对所作用的微波信号会产生一定的幅值衰减和相位变化，后期通过实验结果，可以建立微波幅值衰减和相位变化与被测物内部含水率的函数关系方程，从而可以实现检测目的。其工作原理简图如图2所示。

图2 微波透射法检测含水率

微波反射法如前述中所言，是基于水的介电常数比一般物体的介电常数大很多的前提下进行检测的。室温下，物料中水分含量即便发生了细小的变化，也会让被检测物料的介电特性产生幅度明显的变化。在微波反射法测量中，反射后的相位因子和衰减因子是主要的测量参数。由检测前后的相位因子，衰减因子与物料水分之间复杂的非线性函数关系方程，根据拟合完成的曲线进行对比分析，便能得到被测物内部的含水率情况。微波反射法检测原理示意图如图3所示。

图3 微波反射法检测含水率

3 总论及展望

在水运工程的建设过程中，固态物料的含水率对整个过程有着非常重要的影响，使用微波技术进行含水率的检测，能够实现连续无损测量，可靠性高，有广阔的应用前景。本文对含水率的检测方法进行了研究，主要结论如下：（1）目前含水率检测方式众多，使用一种快捷、精度高的方法对提升整个水运工程的工作效率具有重要的意义。（2）微波法在所有的检测方法中显示出其优越的性能，此方法不受环境的影响，测量精度高，非接触式测量可减少磨损，可长时间工作，尤其是微波透射技术在当前获得了广泛的应用，但是微波检测设备大多都比较笨重，所以对微波法进行进一步的研究以获得更便携的微波设备具有十分有益的科研价值。（3）微波自由空间波法将微波透射和反射相结合，能够实现含水率的高精度、实时在线测量，避免了在使用微波法时由于被测物料的体积对检测结果造成影响。目前微波空间法的研究大多是单频条件下建立含水率预测模型，尤其是国内这方面研究较少，所以对微波空间法还需展开进一步完善。

参考文献：

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