多種類固態(tài)物料含水率檢測方法綜述

楊旭杰 吳斯鵬 楊建萍 胡偉才

摘?要：土壤、砂石、水泥、石灰、粉煤灰等固態(tài)物料的含水量是影響水運工程的設(shè)計、施工、監(jiān)理、驗收、養(yǎng)護、維修等各個環(huán)節(jié)的重要參數(shù)之一。準(zhǔn)確地測定物料的含水量，對整個水運工程建設(shè)具有重要的經(jīng)濟意義和應(yīng)用價值。當(dāng)前含水率檢測方法眾多，本文對當(dāng)前固態(tài)物料如土壤、砂石、粉煤灰等的含水率檢測方法進行了較系統(tǒng)的歸納總結(jié)，將所有的測量方法分為直接測量法和間接測量法。同時，對間接測量法中的微波法的國內(nèi)外研究近況進行了分析，提出了應(yīng)該進一步加強對固態(tài)物料的水分間接測量的研究，使得含水率監(jiān)測裝置逐漸向小型化、高精度、無損耗發(fā)展。

關(guān)鍵詞：含水率;檢測方法;綜述;微波法

中圖分類號：S152.7;TM937??文獻標(biāo)識碼：A

固態(tài)物料如細(xì)粒土（粉質(zhì)土、黏質(zhì)土、有機質(zhì)土）、特殊土（黃土、膨脹土、紅黏土、鹽漬土、凍土）、砂（天然砂、機制砂）、礫石、水泥、石灰、粉煤灰等是公路水運工程中常見的、普通的材料，其含水率的大小會對整個工程產(chǎn)生影響。

目前測量含水率的主要方法分為直接法和間接法兩種。本文對其每一種檢測方法及其特點進行詳細(xì)的介紹，得到最優(yōu)的含水率的檢測方法——微波空間波法，從國內(nèi)外對微波空間波法的研究近況得到研究微波透-反射含水率檢測裝置的可行性，為含水率檢測技術(shù)的進一步發(fā)展指明方向。

1?直接測量法

（1）烘干法。標(biāo)準(zhǔn)烘干法是將有機質(zhì)含量少于5%，質(zhì)量在15g～30g的樣本土放入105℃～110℃的電熱烘箱中進行加熱到恒值時，所失去的水分和達到恒重后的干土質(zhì)量比值，采用百分?jǐn)?shù)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濕-m干m干×100%

式中：m濕為濕土的質(zhì)量，m干為干土的質(zhì)量。

（2）蒸餾法。蒸餾法是一種較為常用化學(xué)檢測法，將需要測量的物質(zhì)粉末和蒸餾水混合在一起，然后進行加熱，燒瓶中的水分將會蒸發(fā)逐漸消失，用這種方法檢測到的物質(zhì)含水率的結(jié)果會稍微高于干燥法，同時測量的誤差也會較大。

（3）酒精燃燒法。酒精燃燒法是對固態(tài)物料含水率檢測的一種簡單快捷的常用方法，測試原理的是將少量的酒精加入到需要檢測的固態(tài)物料中，然后將固態(tài)物料點燃，由于有酒精的存在，會瞬間燃燒，如此重復(fù)多次，既可以通過計算固態(tài)物料燃燒前后的重量變化，該方法的計算可參考烘干法，最后便可以得到含水率的結(jié)果。

（4）碳化鈣法。碳化鈣法分為碳化鈣氣壓法和碳化鈣化學(xué)反應(yīng)失重法。碳化鈣氣壓法是通過化學(xué)反應(yīng)去除水分，然后水的質(zhì)量可以通過生成氣體的壓力反推計算得到。反應(yīng)式為：

CaC2+2H2O→Ca（OH）2+C2H2↑

在被測物料的取樣質(zhì)量相等時，氣壓值和含水率的值成正比。

除此之外，還有使用微波爐法、現(xiàn)場模擬法、水漲法、浮稱法、體積法等直接測量方法進行固態(tài)物料的含水率檢測，上述方法在砂石、粉煤灰的檢測中使用得較多。

2?間接測量法

（1）射線法。①中子法。中子法早在20實際50年代就用于固態(tài)物料的含水率的測定，中子法測定含水率是中子源應(yīng)用的一個重要方面[2]。在放射性元素衰變期間，它的原子核將連續(xù)發(fā)射快速種子。快中子和水中的氫核發(fā)生碰撞，然后變成慢中子，慢中子在放射源的周圍做不規(guī)則運動，形成球形慢中子云，固態(tài)物料的含水率可以通過慢中子云的密度進行進一步分析得到。中字法儀器結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。②γ射線透射法。當(dāng)使用γ射線透射法測試土壤的水分時，探頭的讀數(shù)分為兩個部分，一是γ射線將被測物質(zhì)穿透之后所測得的強度，二為其自然參數(shù)Ie。Ie為自然輻射強度，γ射線透射法在一定時間測量固態(tài)物料某體積水分含量的公式如下[4]：

θ1=Δθ+θ0=1μLlnI0-IeI1-Ie+θ0

式中，I0、I1分別為γ射線將被測物質(zhì)穿透前后的強度;μ為質(zhì)量吸收系數(shù);L為吸收的厚度;θ0、θ1、Δθ分別表示初始時刻和某一測量時刻的固態(tài)物料的水分含量以及體積含水率在一段時間內(nèi)的變化值。

圖1?中字法儀器結(jié)構(gòu)框圖

（2）介電法。介電法主要有時域反射法（TDR）、頻域法（FD）、駐波率法（SWR）等。①時域反射法。時域反射法（Time-domain?reflectometry，TDR）的基本原理是利用定點微波測量技術(shù)監(jiān)測某一土層內(nèi)的固態(tài)物料水分情況，而固態(tài)物料水的電磁測量又是基于固態(tài)物料的介電特性，所以兩者具有一定的函數(shù)關(guān)系，固態(tài)物料的含水率可以通過測量傳導(dǎo)速度求得。②頻域法。頻域法即頻域反射法，是根據(jù)固態(tài)物料表現(xiàn)介電常數(shù)隨被測物料含水率變化而變化的原理測量固態(tài)物料含水率?；陬l域反射法（FDR）的固態(tài)物料含水率檢測儀器一般在幾十到幾百兆赫茲范圍內(nèi)工作，可以將介電常數(shù)的變化用電壓或其形式表現(xiàn)。③駐波率法。駐波率法根據(jù)介電物理學(xué)中的理論選取合適的信號源頻率是固態(tài)物料介電常數(shù)的虛部分量忽略不計，利用電磁學(xué)理論、復(fù)變函數(shù)理論等可構(gòu)造出駐波率相關(guān)參數(shù)與固態(tài)物料含水量的數(shù)學(xué)模型，進而可以獲得固態(tài)物料的含水率。

（3）近紅外光譜法。近紅外光是指波長介于可見區(qū)與中紅外區(qū)之間的電磁波，其波長范圍約為780～2500nm，波數(shù)范圍約為12500～4000cm-1。根據(jù)固態(tài)物料水分的近紅外吸收光譜便可進行物質(zhì)含水量的檢測。照射近紅外波段中的水分吸收波長的光，固態(tài)物料中若是含有的水分較多，波長被吸收的能量越多，反射回來的光能就越少。通過檢測從被測材料反射的光能的量，便可以計算出物質(zhì)含水量的多少。

（4）微波法。①微波遙感法。遙感法是一種大面積、非接觸式的土壤水分測量方法。一般應(yīng)用于大范圍的土壤含水率檢測中，在監(jiān)視飛機上使用衛(wèi)星或微波傳感器遠(yuǎn)程拍攝地面區(qū)域，分析雷達圖像，隨后可以建立信號監(jiān)測模型，可以實現(xiàn)對土壤濕度、溫度等多種信息的測量。②諧振腔法。微波諧振腔是通過金屬導(dǎo)體組成，它是一個相對密閉腔，具有分布參數(shù)的諧振器。在微波諧振腔中，電磁波只能來回震蕩，不具有向前傳播的能力，從而可以形成電磁駐波。諧振腔具有通過金屬外殼接地物理性能穩(wěn)定、品質(zhì)因數(shù)高等優(yōu)異的性能，利用諧振腔的電磁特性，被測固態(tài)物料的某些非電量參數(shù)被轉(zhuǎn)化為諧振腔電參數(shù)，然后可以進行測量得到結(jié)果，同時測量結(jié)果具有很高的精度和分辨率。③微波空間波法。微波空間波法同時擁有反射式和透射式兩種檢測方法。微波透射法是利用微波信號具有穿透性的特征，在通過被測物內(nèi)部時會對物質(zhì)的水分產(chǎn)生極化作用，而所產(chǎn)生的極化作用的強弱則與被測物本身的物理特性正相關(guān)——該性質(zhì)即為介電常數(shù)。對于水而言，其介電常數(shù)遠(yuǎn)大于其他物質(zhì)，因此在一般情況下，含水率會對所作用的微波信號會產(chǎn)生一定的幅值衰減和相位變化，后期通過實驗結(jié)果，可以建立微波幅值衰減和相位變化與被測物內(nèi)部含水率的函數(shù)關(guān)系方程，從而可以實現(xiàn)檢測目的。其工作原理簡圖如圖2所示。

圖2?微波透射法檢測含水率

微波反射法如前述中所言，是基于水的介電常數(shù)比一般物體的介電常數(shù)大很多的前提下進行檢測的。室溫下，物料中水分含量即便發(fā)生了細(xì)小的變化，也會讓被檢測物料的介電特性產(chǎn)生幅度明顯的變化。在微波反射法測量中，反射后的相位因子和衰減因子是主要的測量參數(shù)。由檢測前后的相位因子，衰減因子與物料水分之間復(fù)雜的非線性函數(shù)關(guān)系方程，根據(jù)擬合完成的曲線進行對比分析，便能得到被測物內(nèi)部的含水率情況。微波反射法檢測原理示意圖如圖3所示。

圖3?微波反射法檢測含水率

3?總論及展望

在水運工程的建設(shè)過程中，固態(tài)物料的含水率對整個過程有著非常重要的影響，使用微波技術(shù)進行含水率的檢測，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)無損測量，可靠性高，有廣闊的應(yīng)用前景。本文對含水率的檢測方法進行了研究，主要結(jié)論如下：（1）目前含水率檢測方式眾多，使用一種快捷、精度高的方法對提升整個水運工程的工作效率具有重要的意義。（2）微波法在所有的檢測方法中顯示出其優(yōu)越的性能，此方法不受環(huán)境的影響，測量精度高，非接觸式測量可減少磨損，可長時間工作，尤其是微波透射技術(shù)在當(dāng)前獲得了廣泛的應(yīng)用，但是微波檢測設(shè)備大多都比較笨重，所以對微波法進行進一步的研究以獲得更便攜的微波設(shè)備具有十分有益的科研價值。（3）微波自由空間波法將微波透射和反射相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)含水率的高精度、實時在線測量，避免了在使用微波法時由于被測物料的體積對檢測結(jié)果造成影響。目前微波空間法的研究大多是單頻條件下建立含水率預(yù)測模型，尤其是國內(nèi)這方面研究較少，所以對微波空間法還需展開進一步完善。

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