基于微波湿度法的土料含水率快速检测试验研究

2020-10-19李小虎李洪涛

中国农村水利水电 2020年10期

杨林，李小虎，姚强，李洪涛

(1.四川大学水利水电学院，成都 610065；2.中国三峡建设管理有限公司，成都 610041)

0 引言

土料在水利、交通、市政等基础设施建设领域有十分广泛的应用[1, 2]，如在水利工程中常作为土石坝坝体填筑料。对于粒径小于20 mm的非黏性土，含水率是压实度测试中的重要参数[3]。根据《碾压土石坝施工规范》DL/T5129-2001、《土工试验方法标准》GB/T50123-1999等规范介绍的压实度检测方法，目前土石坝压实度检测普遍采用的方法是挖坑检测法[4]，在计算压实度时，需要对试坑土料的含水率进行准确快速地检测。在含水率检测中，工程中最常见的方法是烘干法，即采用电烘箱将土料完全烘干，烘干市场一般需要6～8 h，烘干前后分别测量土料质量，按下式来计算土料的含水率：

(1)

式中：w为待测土样的含水率；m为湿土样的质量；md为烘干后土样质量。

式(1)也是含水率的定义式，因此烘干法也叫定义法。烘干法的检测精度高，但是烘干土料耗时长。在实际工程检测中，含水率检测耗费大量时间，导致检测结果未出来之前无法进行下一步施工，从而耽搁大量工期。而目前尚无其他比较成熟的能快速且精准的含水率检测方法。因此，在土石坝压实度检测过程中，精准且快速的土料含水率检测方法的产生变得极为迫切。

在其他领域，不少学者利用微波传感器来测试样品的含水率，如Koedudom T等基于微波反射法发明了测量纸张含水率的检测系统[5]；Okamura基于两种微波频率的相位变换，并利用微波自由空间技术测定谷物和茶叶的含水率，取得了成功[6, 7]。但部分传感器的原理较简单，有些以单一的参数为准，且在含水率检测方法上缺乏较大的改进或创新，导致实际效果较差。在土石坝填筑领域，微波湿度法尚需进一步研究。

本文基于微波湿度法，对不同的仪器进行多个方面的比较分析，综合多个因素，完成仪器选型，分析仪器的检测原理、相应的软件功能、仪器校准的类型。对微波湿度检测方法的影响因素进行分析，提出相应的解决方法，并研制配套的含水率快速检测装置；以典型的非黏性土为例，开展校准和检测试验，采用误差分析、相关性分析、显著性分析等理论对检测结果进行分析，并对比微波湿度法和烘干法的耗时时间，论证了检测结果的有效性及测试过程的高效性，以期实现非黏性土料的含水率快速检测。

1 微波湿度法

1.1 试验材料

不同土料具有不同的介电性质，微波湿度传感器的检测结果对于不同类型的土料会有差异。本文依托新疆阿尔塔什大坝工程，大坝为砂砾石面板堆石坝，砂砾石料等非黏性土料占填筑总量近 50%，砂砾石料源全部来自叶尔羌河河滩地[8]。试验选用砂类土(非黏性土)作为探究试验的土料，砂类土取自阿尔塔什水利枢纽工程填筑料中粒径小于5 mm的土料。该砂类土由于原处环境恶劣，母岩风化严重，其中含有较多的粉砂和细砂，是砂类土的代表性土料。试验取足量的砂类土，共配制25份土料样品，其中，10份为校准样品，15份为检验样品。

1.2 仪器选型及研制

1.2.1 微波湿度传感器

目前混凝土行业内应用较多的微波湿度传感器主要由三家公司研发生产，分别为：英国Hydronix公司、德国Arnold公司、加拿大Radatro公司[9]。三家公司生产的微波湿度传感器的检测精度相差不大，性能略有差异。在满足精度要求的前提下，实现快速检测的目的，并考虑为探究型试验，综合多方面原因，最终选择英国Hydronix公司生产的Hydro-Probe最新版本的IV型微波湿度传感器，即Hydro-Probe IV型微波湿度传感器。该设备的基本规格如图1所示，其主要参数信息如表1所示。

图1 Hydro-Probe IV型微波湿度传感器规格(单位：mm)Fig.1 Specifications of hydro-probe IV microwave humidity sensor

表1 Hydro-Probe IV型微波湿度传感器参数Tab.1 Parameters of hydro-probe IV microwave humidity sensor

目前Hydro-Probe IV型微波湿度传感器全部应用于动态检测过程中，可将该方法称为动态检测法。Hydro-Probe微波湿度传感器在混凝土行业主要用于检测骨料的含水率、混凝土的泌水性等。本文根据研究目的，提出了静态检测法。这里的静态和动态是指土料和传感器面板是否有相对运动，即静态检测法是土料静止，传感器也保持固定；动态检测法是土料保持运动，传感器保持固定。

1.2.2 土样密实度控制装置

由于Hydro-Probe IV型微波湿度传感器通过检测谐振频率的变化实现含水率的检测，而土料密实状态对微波的透射和能量消耗有影响，从而影响微波的谐振频率。显然，土料密实状态不同时，采用微波湿度传感器检测结果有显著差异。因此，为使每次检测时土料均能达到相对密实状态，基于“手工扳手拧螺栓”的原理，研制了一种准静力螺旋式土样密实度控制装置，如图2所示。

图2 准静力螺旋式土样密实度控制装置Fig.2 Quasi-static spiral soil sample compactness control device

该装置为一种装配式结构，主要包括支架、螺栓和手轮。其基本原理为：通过手轮转动带动丝杠转动，从而产生向下的作用力，进而产生向下的位移，丝杠下部与土料盒上方覆盖的金属压板接触，丝杠向下挤压金属压板，使得金属压板挤压土料盒中的土料使其密实。当手轮在力矩作用下无法再发生转动时，即丝杠端部无法向下移动，表示土颗粒无法产生位移，土颗粒间隙已被水充满或土颗粒相互接触，即认为土样达到了相对一致的密实状态。并且，即使不同力量的操作者拧螺栓时，最终都可以将螺栓拧至螺栓头紧贴受力面的状态。

1.3 校准方法

Hydro-Probe微波湿度传感器通过检测物料的电气特性实现物料含水率的检测。每种物料都具有独特的电气特征，因此传感器必须经过校准才能输出真实的含水率。校准曲线的本质是数据拟合，依据已知的有效数据点采用合适的方法得到拟合曲线。Hydro-Probe IV型微波湿度传感器为了适用不同的土料特性，提高检测精度，有线性校准曲和二次校准曲线两种。

线性校准曲线方程的一般式如下：

y=b0x+a0-SSD

(2)

式中：SSD为土料的饱和面干含水率，同种土料的SSD一般为常数，非黏性土料的SSD不为0，不同非黏性土料的SSD一般在0.3%～0.6%，黏性土的SSD通常为0，而传感器经过校准可以抵消SSD，因此式(2)化为：

y=bx+a

(3)

二次校准曲线和线性校准曲线的操作非常相似，不同之处是在校准时选择Hydro-Com软件中的“二次”模式，获得校准数据点后，将数据输入至软件中，从而获得二次校准曲线，其一般表达式如下：

y=Intercept+B1x+B2x2

(4)

为获取较为精准的校准曲线，试验中取10份非黏性土样作为校准样品。本文针对静态检测提出微波湿度传感器确定校准曲线的步骤：

(1)安置密实度控制装置和传感器并保持相对固定，将传感器和笔记本电脑连接，打开Hydro-com软件，进入“校准曲线”界面；

(2)取足量代表性非黏性土料置于烘箱6～8 h烘干至恒重，遂取已烘干完毕的土样配制成含水率为1.5%的土样。拌和均匀后取300 g校准土样用玻璃棒辅助慢慢倒入传感器上方的亚克力测试盒中，并以压板盖住土料表层；

(3)扭动传感器上方的密实度控制装置的手轮，使丝杠产生缓慢地向下运动，至无法转动为止使土料压至相对密实状态；

(4)提升丝杠至端部在料盒顶部以上合适位置，取出压板，点击Hydro-com软件界面的“开始求平均值”选项，并计时10 s，点击“停止求平均值”选项，记录非标定值；完成后重复2～3步骤进行第2次平行测定；取平均值作为这种含水率土样的平均非标定值；

(5)重复步骤(2)～(4)做其他含水率的土样；

(6)将烘干法的含水率结果和对应的平均非标定值输入到软件中，获得校准曲线。

两次平行测定的非标定值允许的平行差值应满足表2的规定。

表2 非标定值的允许平行差值Tab.2 Allowable parallel difference of non-calibrated values

1.4 检测方法

待校准曲线确定后，根据校准曲线，通过微波湿度传感器测量的检验样品非标定值，在软件中反推得到对应样品的含水率。本文针对静态检测，提出含水率检测的试验步骤：

(1)取适量待测土料，用保鲜膜保存备用；

(2)安置传感器，并和笔记本电脑连接，现场测试如图3所示。装置与计算机连接成功后，打开Hydro-com软件，打开传感器设置对话框，选择对应待测土料的校准曲线，点击“写入传感器”将此曲线置为当前曲线，打开实时显示菜单下的多级子菜单“平均湿度”；

图3 微波湿度法现场测试图Fig.3 Field test diagram of microwave humidity method

(3)将亚克力方形料盒置于传感器感应面板上，取300 g待测土样慢慢倒入料盒中，用玻璃棒将土样表面抹平；

(4)将压板置于料盒中，丝杠端部和压板接触，转动丝杠手轮，使丝杠产生缓慢地向下运动，至无法转动为止；

(5)提升丝杠至端部在料盒顶部以上合适位置，取出压板，用保鲜膜覆盖料盒上端口，上下翻转料盒1次，重复步骤(4)，取出压板，点击软件界面的“开始求平均值”选项，并计时10 s，点击“停止求平均值”选项，点击“平均湿度”选项卡，记录含水率；

(6)将料盒从传感器面板取出，保证面板干燥洁净，重复步骤(3)～(5)进行第2次平行测定，取两次平均值，允许的平行差值应满足表3的规定。

表3 含水率测定的允许平行差值 %

2 结果及分析

2.1 校准曲线

对10份校验样品的含水率-非标定值进行线性拟合和二次拟合，如图4所示，得到砂类土的线性拟合校准曲线和二次拟合校准曲线。

2.2 含水率检测

15份检验样品含水率测量试验中的一些主要数据如表4所示。表中mw为土样中水的质量，g；md为干土质量，g；Wi为两次烘干法平行测定试验结果，%；w为两次烘干法检测的平均值，%；y1i和y2i分别为线性拟合和二次拟合校准曲线的平行测定结果，%；y1和y2分别为线性拟合和二次拟合校准曲线两次检测的平均值，%；|y1-2|和|y2-w|分别为线性拟合和二次拟合校准曲线的检测结果和烘干法的绝对误差，%。

图4 砂类土线性拟合和二次拟合校准曲线图Fig.4 Calibration curve of linear fitting and quadratic fitting for sandy soil

表4 砂类土两种校准曲线的检测结果与烘干法结果Tab.4 Test results of sand soil

2.3 精度分析

对样品进行微波湿度法检测以后，随即对同一批次的样品进行烘干法(定义法)，分析中，以烘干法作为土样的真实含水率。

(5)

式中：si为检测值与真实值的偏差；n为检测的试样个数。

线性拟合和二次拟合校准曲线检测结果的均方偏差平方和分别为0.2802、0.2525，均小于0.5，整体检测精度高。另一方面也能说明，二次拟合校准曲线的检测精度整体高于线性拟合校准曲线。

如图5所示，可以看出，两种校准曲线检测结果的绝对误差分布具有相近的变化趋势，最大绝对误差小于0.7%。综合以上分析，两种校准曲线的检测结果较接近。所以实际中针对这种土料，两种校准曲线均可以采用。

2.3.2 微波湿度法和烘干法结果对比

以烘干法的检测结果为横坐标，微波湿度法的结果为纵坐标，绘制两种检测结果数据的散点图，并进行拟合，获得拟合曲线。如图6所示，两条相关曲线均呈现较好的线性关系。且线性拟合相关曲线的相关系数R、斜率n分别为0.997 8、0.996 4；二次拟合相关曲线的b、b分别为0.998 3、0.993 1，两条相关曲线的b均大于0.99，均位于区间[0.98,1.02]内，所以线性拟线和二次拟合校准曲线的检测结果和烘干法的结果相关性很高，检测结果很接近。

图5 两种校准曲线检测结果的绝对误差分布Fig.5 Absolute error distribution of detection results of two calibration curves

图6 两种校准曲线检测结果的相关曲线Fig.6 Correlation curves of detection results of two calibration curves

2.3.3 检测结果的显著性分析

利用概率论与数理统计的相关理论[10]，以微波湿度法和烘干法结果的相关曲线为基础，采用F检验法对两种方法的相关性进行深入分析。相关曲线方程的显著性检验等价于如下问题：

H0：b=0 ↔H1：b≠0

同理，容易证明二次拟合校准曲线的检测结果和烘干法的检测结果显著相关，从而认为采用微波湿度法检测非黏性土料的含水率是可靠的。

2.4 耗时分析

采用微波湿度法来进行含水率检测主要包含：

(1)取样及制样；

(2)拟定对应土料校准曲线；

(3)微波湿度传感器含水率检测；

(4)出具检测报告等；

其中步骤(2)、(3)的具体做法见1.3及1.4章节；步骤(1)、(4)为工程中实际检测时共有的步骤。因此，采用微波湿度法与烘干法(定义法)主要耗时差异体现在含水率测定方法上，具体耗时对比如表5及表6。

表5 烘干法步骤及耗时Tab.5 Drying process steps and time consumption

可以看出，微波湿度法操作性较强，即使一个操作人员也能轻易完成。另一方面，烘干法(定义法)中，土料烘干过程根据规范必须烘干6～8 h，占据了绝大部分时间，这也是烘干法最大的弱点所在。而微波湿度法主要耗时在于校准曲线的拟定，该步需要对10份样品逐一测试并在软件中输入数据来绘制校准曲线，每一份样品的测试大约需要2～4 min。值得一提的是，对于同一种土料，校准曲线只需要绘制一次，即前次的校准曲线定好后，在下一次测试时，就不再需要额外进行这一步骤，从而采用微波湿度法可以节省大量时间。在实际工程使用时，若提前完成仪器校准工作，则仅需20 min左右即可完成取样-测试-出具报告等的整个流程，检测时间较短、速度较快，可以满足含水率快速检测的要求。