多種類固態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、粉煤灰等固態物料的含水量是影響水運工程的設計、施工、監理、驗收、養護、維修等各個環節的重要參數之一。準確地測定物料的含水量，對整個水運工程建設具有重要的經濟意義和應用價值。當前含水率檢測方法眾多，本文對當前固態物料如土壤、砂石、粉煤灰等的含水率檢測方法進行了較系統的歸納總結，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外研究近況進行了分析，提出了應該進一步加強對固態物料的水分間接測量的研究，使得含水率監測裝置逐漸向小型化、高精度、無損耗發展。

關鍵詞：含水率;檢測方法;綜述;微波法

中圖分類號：S152.7;TM937??文獻標識碼：A

固態物料如細粒土（粉質土、黏質土、有機質土）、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的介紹，得到最優的含水率的檢測方法——微波空間波法，從國內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，為含水率檢測技術的進一步發展指明方向。

1?直接測量法

（1）烘干法。標準烘干法是將有機質含量少于5%，質量在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量比值，采用百分數表示。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濕為濕土的質量，m干為干土的質量。

（2）蒸餾法。蒸餾法是一種較為常用化學檢測法，將需要測量的物質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逐漸消失，用這種方法檢測到的物質含水率的結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物料中，然后將固態物料點燃，由于有酒精的存在，會瞬間燃燒，如此重復多次，既可以通過計算固態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果。

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

CaC2+2H2O→Ca（OH）2+C2H2↑

在被測物料的取樣質量相等時，氣壓值和含水率的值成正比。

除此之外，還有使用微波爐法、現場模擬法、水漲法、浮稱法、體積法等直接測量方法進行固態物料的含水率檢測，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年代就用于固態物料的含水率的測定，中子法測定含水率是中子源應用的一個重要方面[2]。在放射性元素衰變期間，它的原子核將連續發射快速種子。快中子和水中的氫核發生碰撞，然后變成慢中子，慢中子在放射源的周圍做不規則運動，形成球形慢中子云，固態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。中字法儀器結構框圖如圖1所示。②γ射線透射法。當使用γ射線透射法測試土壤的水分時，探頭的讀數分為兩個部分，一是γ射線將被測物質穿透之后所測得的強度，二為其自然參數Ie。Ie為自然輻射強度，γ射線透射法在一定時間測量固態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射線將被測物質穿透前后的強度;μ為質量吸收系數;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物料的水分含量以及體積含水率在一段時間內的變化值。

圖1?中字法儀器結構框圖

（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監測某一土層內的固態物料水分情況，而固態物料水的電磁測量又是基于固態物料的介電特性，所以兩者具有一定的函數關系，固態物料的含水率可以通過測量傳導速度求得。②頻域法。頻域法即頻域反射法，是根據固態物料表現介電常數隨被測物料含水率變化而變化的原理測量固態物料含水率。基于頻域反射法（FDR）的固態物料含水率檢測儀器一般在幾十到幾百兆赫茲范圍內工作，可以將介電常數的變化用電壓或其形式表現。③駐波率法。駐波率法根據介電物理學中的理論選取合適的信號源頻率是固態物料介電常數的虛部分量忽略不計，利用電磁學理論、復變函數理論等可構造出駐波率相關參數與固態物料含水量的數學模型，進而可以獲得固態物料的含水率。

（3）近紅外光譜法。近紅外光是指波長介于可見區與中紅外區之間的電磁波，其波長范圍約為780～2500nm，波數范圍約為12500～4000cm-1。根據固態物料水分的近紅外吸收光譜便可進行物質含水量的檢測。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。一般應用于大范圍的土壤含水率檢測中，在監視飛機上使用衛星或微波傳感器遠程拍攝地面區域，分析雷達圖像，隨后可以建立信號監測模型，可以實現對土壤濕度、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體組成，它是一個相對密閉腔，具有分布參數的諧振器。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定、品質因數高等優異的性能，利用諧振腔的電磁特性，被測固態物料的某些非電量參數被轉化為諧振腔電參數，然后可以進行測量得到結果，同時測量結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，在通過被測物內部時會對物質的水分產生極化作用，而所產生的極化作用的強弱則與被測物本身的物理特性正相關——該性質即為介電常數。對于水而言，其介電常數遠大于其他物質，因此在一般情況下，含水率會對所作用的微波信號會產生一定的幅值衰減和相位變化，后期通過實驗結果，可以建立微波幅值衰減和相位變化與被測物內部含水率的函數關系方程，從而可以實現檢測目的。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比一般物體的介電常數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生了細小的變化，也會讓被檢測物料的介電特性產生幅度明顯的變化。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。由檢測前后的相位因子，衰減因子與物料水分之間復雜的非線性函數關系方程，根據擬合完成的曲線進行對比分析，便能得到被測物內部的含水率情況。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

在水運工程的建設過程中，固態物料的含水率對整個過程有著非常重要的影響，使用微波技術進行含水率的檢測，能夠實現連續無損測量，可靠性高，有廣闊的應用前景。本文對含水率的檢測方法進行了研究，主要結論如下：（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越的性能，此方法不受環境的影響，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在當前獲得了廣泛的應用，但是微波檢測設備大多都比較笨重，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合，能夠實現含水率的高精度、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測模型，尤其是國內這方面研究較少，所以對微波空間法還需展開進一步完善。

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