初始條件對(duì)砂含水率測試精度的影響

胡建偉，謝永江，翁智財(cái)，劉子科，王月華，何 龍

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081;3.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

混凝土在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于受到原材料質(zhì)量、計(jì)量誤差、環(huán)境條件、骨料含水率等因素的影響，常常會(huì)出現(xiàn)超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的質(zhì)量波動(dòng)，迫使生產(chǎn)人員對(duì)混凝土生產(chǎn)配合比進(jìn)行人為干預(yù)[1]。其中，砂的含水率測定已經(jīng)成為混凝土用水量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它直接影響混凝土拌和物的穩(wěn)定性[2-3]。砂含水率高時(shí)，為了滿足混凝土拌和物的穩(wěn)定性要求，水膠比、膠砂比、砂率等混凝土配合比參數(shù)均需要實(shí)時(shí)調(diào)整。然而，目前砂含水率測試主要采用人工取樣烘干法。該方法存在測試時(shí)間長、取樣代表性差、測試結(jié)果滯后等問題，難以滿足現(xiàn)場混凝土配合比參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整的要求，無法實(shí)現(xiàn)混凝土拌和物穩(wěn)定性的有效控制[4]。為了滿足含水率實(shí)時(shí)測試的需求，眾多研究人員[5-10]開展了含水率測定儀的試驗(yàn)與開發(fā)研究，目前主要采用電阻法、電容法、紅外法、微波法等方法測試含水率。電阻法利用濕砂中水分的電導(dǎo)性來測量含水率，雖然測量儀器價(jià)格相對(duì)較低，但是易受環(huán)境溫度及水分中鹽離子濃度的影響，導(dǎo)致測量結(jié)果精度不高；電容法則是利用電容測量含水率，原理簡單，儀器價(jià)格低，但由于電容受溫度影響較大，而且水分中的鹽離子也會(huì)對(duì)其造成影響，故測量精度也不高；紅外法雖然可以實(shí)現(xiàn)非接觸式在線測量，但易受物料顏色影響，測量結(jié)果很難反映物料內(nèi)部真實(shí)含水率，且儀器造價(jià)高，維護(hù)困難；微波法測量含水率既可以接觸式測量，也可以非接觸式在線測量，且微波穿透力強(qiáng)，增加濾波及溫度補(bǔ)償電路后，受環(huán)境因素的影響明顯減小，且儀器造價(jià)比紅外法低。然而，微波法測量含水率也存在一些問題。比如測量儀器的零漂和定標(biāo)問題，微波法測試精度在一定程度上受物料性質(zhì)、取樣位置、安裝參數(shù)等因素的影響;現(xiàn)場測試過程中砂顆粒形貌、顆粒級(jí)配、含泥量、砂料厚度、砂料流速等因素的波動(dòng)也會(huì)對(duì)測量精度造成一定的影響。

本文研究含水率測定儀傳感器不同安裝角度、砂含泥量、砂細(xì)度模數(shù)、砂堆積狀態(tài)等參數(shù)對(duì)微波法含水率測定儀測試精度的影響，以期進(jìn)一步提升微波法含水率測定儀的測試精度，更精確地控制混凝土用水量，保證混凝土拌和物的穩(wěn)定性。

1 室內(nèi)試驗(yàn)

1.1 原材料

采用河北省石家莊市靈壽縣生產(chǎn)的分級(jí)砂。共有4種細(xì)度，分別為10～20目，20～40目，40～70目和70～140目，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)經(jīng)過水洗處理后烘干備用。根據(jù)GB/T 14684—2011《建筑用砂》[11]和實(shí)際用砂要求，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，并將細(xì)度模數(shù)為2.6的分級(jí)砂作為基準(zhǔn)用砂。采用北京地區(qū)試驗(yàn)田用土，選取0～10 cm表層土并在試驗(yàn)室烘干后過0.075 mm篩備用。

1.2 工況

在松散堆積和緊密堆積2種堆積狀態(tài)下對(duì)9種試樣進(jìn)行測試精度的試驗(yàn)研究。傳感器安裝角度分別為10°，20°，30°，40°，50°，60°，70°，80°和90°；含泥量分別為0.5%，1.0%，1.5%，2.0%，2.5%，3.0%和3.5%；細(xì)度模數(shù)分別為2.2，2.4，2.6，2.8，3.0和3.2；砂含水率分別為1.1%，2.4%，4.8%，6.5%，8.1%，10.2%，12.3%，14.5%和16.4%。

1.3 試驗(yàn)方法

不同含泥量、細(xì)度模數(shù)和堆積狀態(tài)的砂樣制備后首先按照GB/T 14684—2011中烘干法測試砂的含水率。然后選用微波法含水率測定儀測試砂的含水率。將2種測試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以校準(zhǔn)微波法含水率測定儀的測試精度。

為確保微波法含水率測定儀測試的準(zhǔn)確性，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際工況，自制了一套可以模擬現(xiàn)場砂料運(yùn)動(dòng)情況并能夠提供穩(wěn)定砂料流的微波法含水率測定儀配套設(shè)備，如圖1所示。

圖1 微波法含水率測定儀配套設(shè)備

微波法含水率測定儀的傳感器固定在轉(zhuǎn)盤盛料區(qū)中部上方，調(diào)整好傳感器陶瓷面板與料流方向的角度，通過變頻器控制電機(jī)將轉(zhuǎn)盤盛料區(qū)中部砂料運(yùn)行的線速度調(diào)整至與現(xiàn)場皮帶輸送物料的線速度一致，采用刮料器控制砂料層厚度與堆積狀態(tài)。模擬不同砂料運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)，確保試驗(yàn)測試指標(biāo)與現(xiàn)場實(shí)際工況基本一致。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 安裝角度

通常情況下微波法含水率測定儀的傳感器安裝在料倉壁卸料口下方或傳輸帶上方，砂料流向與傳感器成一定的夾角α，這樣可使砂料更充分流過并接觸傳感器所在的信號(hào)收發(fā)區(qū)域，提高測試的靈敏度和精確度，如圖2所示。

圖2 測試傳感器與砂料流向夾角示意

為防止砂料堵塞、斷流等情況，傳感器沿砂料流向偏轉(zhuǎn)一定角度，通過試驗(yàn)觀測找到最佳位置。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用細(xì)度模數(shù)2.6的分級(jí)砂和自來水提前制成不同含水率的待測濕砂試樣，每批砂樣取3次，每次取樣不少于500 g。首先采用烘干法測試砂樣的含水率并取其平均值作為最終含水率。然后將待測砂樣裝入自制微波法含水率測定儀配套設(shè)備的轉(zhuǎn)盤中，并且確保砂料厚度達(dá)到10 cm，調(diào)整傳感器與砂料流向之間的角度。隨后啟動(dòng)儀器，將30 s內(nèi)傳感器讀數(shù)的平均值作為單次試驗(yàn)結(jié)果，上述試驗(yàn)重復(fù)6次。

不同安裝角度下砂樣含水率測試結(jié)果見圖3?？梢?①烘干法所測該批砂樣含水率為5.21%，可視為標(biāo)準(zhǔn)含水率，包含了0.3%誤差后的含水率為 4.91%～5.51%。雖然傳感器安裝角度較小(10°，20°)和較大(70°～90°)時(shí)所測數(shù)據(jù)的平均值處在誤差允許范圍之內(nèi)，但是部分?jǐn)?shù)據(jù)已經(jīng)超出誤差允許范圍，顯然這些數(shù)據(jù)不合格，倘若將其用于指導(dǎo)混凝土拌和物生產(chǎn)，勢必造成較大質(zhì)量波動(dòng)。②安裝角度介于30°～60°時(shí)所測數(shù)據(jù)全部合格，且測量值相對(duì)集中，誤差偏小。說明這一區(qū)域的角度為傳感器適宜的安裝角度。對(duì)安裝角度 30°,40°,50°和60°所測含水率進(jìn)行方差分析發(fā)現(xiàn)，安裝角度為40°～50°時(shí)傳感器所測數(shù)據(jù)波動(dòng)幅度相對(duì)較小，由此可以確定傳感器最佳安裝角度為40°～50°。

圖3 不同安裝角度的砂樣含水率測試結(jié)果

2.2 含泥量

采用細(xì)度模數(shù)2.6的分級(jí)砂和自來水配制濕砂試樣，將砂樣均分成7份，往7份砂樣中分別加入不同量的干燥泥土，攪拌均勻，制成含泥量分別為0.5%，1.0%，1.5%，2.0%，2.5%，3.0%和3.5%的砂樣，每批砂樣取3次，每次取樣不少于500 g。首先采用烘干法測試砂樣的含水率并取其平均值，然后分別將待測砂樣裝入自制的微波法含水率測定儀配套設(shè)備的轉(zhuǎn)盤中，并且確保砂料厚度達(dá)到10 cm，調(diào)整傳感器與砂料流向之間的角度為45°。隨后啟動(dòng)儀器，將30 s內(nèi)傳感器讀數(shù)的平均值作為單次試驗(yàn)結(jié)果，上述試驗(yàn)重復(fù)6次。

不同含泥量砂樣含水率測試結(jié)果見圖4?？梢?隨著砂樣中含泥量的增加，含水率呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。微波法含水率測定儀的測試結(jié)果與烘干法基本一致，說明砂料含泥量波動(dòng)對(duì)其含水率測試精度的影響較小。雖然傳感器測得的含水率存在一定的波動(dòng)，但均未超過0.3%的誤差限值。因此，砂料的含泥量波動(dòng)不會(huì)對(duì)砂料含水率的測試精度造成不利影響。

圖4 不同含泥量砂樣含水率測試結(jié)果

2.3 細(xì)度模數(shù)

以分級(jí)砂細(xì)度模數(shù)2.6為基準(zhǔn)，在微波法含水率測定儀的校準(zhǔn)基線數(shù)據(jù)維持不變的條件下測試砂樣的含水率，考查細(xì)度模數(shù)變化對(duì)微波法含水率測定儀測試精度的影響。根據(jù)河砂級(jí)配曲線，配制細(xì)度模數(shù)分別為2.2，2.4，2.6，2.8，3.0和3.2的砂樣，加入自來水制成不同細(xì)度模數(shù)的濕砂試樣，每批砂樣取3次，每次取樣不少于500 g。

圖5 不同細(xì)度模數(shù)砂樣含水率測試結(jié)果

不同細(xì)度模數(shù)砂樣含水率測試結(jié)果見圖5?？梢?①砂樣細(xì)度模數(shù)為2.2和2.4時(shí)，微波法含水率測定儀所測結(jié)果比烘干法所測結(jié)果小，隨著砂樣細(xì)度模數(shù)的增大微波法含水率測定儀所測結(jié)果逐漸增大。②細(xì)度模數(shù)在2.6±0.2變化時(shí)，雖然微波法含水率測定儀測得的含水率存在一定的波動(dòng)，但均未超過0.3%的誤差限值。微波法含水率測定儀測得的含水率與烘干法基本一致。③細(xì)度模數(shù)為2.2，3.0和3.2時(shí)傳感器測得的含水率波動(dòng)較大，部分已超過0.3%的誤差限值，測試精度差，數(shù)據(jù)離散誤差較大。

2.4 堆積狀態(tài)

以分級(jí)砂細(xì)度模數(shù)2.6為基準(zhǔn)，在微波法含水率測定儀的校準(zhǔn)基線數(shù)據(jù)維持不變的條件下測試砂樣的含水率。

不同堆積狀態(tài)砂樣含水率測試結(jié)果見圖6?？芍?①松散堆積狀態(tài)下微波法含水率測定儀所測含水率與烘干法所測含水率基本一致。松散堆積狀態(tài)下所測含水率與緊密堆積狀態(tài)下所測含水率的差值卻隨著砂樣含水率的增加而增大。當(dāng)砂樣含水率達(dá)到16.4%時(shí)，偏差高達(dá)1.9%。②砂樣含水率大于4.8%之后，其堆積狀態(tài)對(duì)含水率的測試精度影響較大。為消除堆積狀態(tài)變化引起含水率測量波動(dòng)，建議盡可能控制砂的最大含水率，采用與現(xiàn)場堆積狀態(tài)一致的砂進(jìn)行微波法含水率測定儀的基線校準(zhǔn)。

圖6 不同堆積狀態(tài)砂樣含水率測試結(jié)果

3 結(jié)論

1)微波法含水率測定儀傳感器的安裝角度對(duì)測試精度有較大影響，安裝角度較小(10°和20°)或較大(70°～90°)均會(huì)使測試精度顯著降低。安裝角度在30°～60°時(shí)測試精度高并且誤差波動(dòng)小，安裝角度為40°～50°時(shí)測試精度最高。

2)通過測試0.5%，1.0%，1.5%，2.0%，2.5%，3.0%和3.5%共7種含泥量砂料，發(fā)現(xiàn)微波法含水率測定儀所測含水率與烘干法所測結(jié)果差異較小，說明砂料含泥量波動(dòng)對(duì)其含水率測試精度的影響較小。

3)以分級(jí)砂細(xì)度模數(shù)2.6為基準(zhǔn)，砂細(xì)度模數(shù)在2.6±0.2波動(dòng)時(shí)，微波法含水率測定儀測試精度高。其他細(xì)度模數(shù)下測試精度難以保證。

4)松散堆積狀態(tài)下所測含水率與緊密堆積狀態(tài)下所測含水率的差值隨著砂樣含水率的增加而增大。當(dāng)砂樣含水率達(dá)到16.4%時(shí)，偏差高達(dá)1.9%。在微波法含水率測定儀使用前應(yīng)選擇與現(xiàn)場堆積狀態(tài)相一致的砂進(jìn)行基線校準(zhǔn)。