混凝土用砂含水率快速测定仪设计与应用

2022-03-28朱恩芹曹现强梁启峰丁宁

商品混凝土 2022年3期

朱恩芹，曹现强，梁启峰，丁宁

（日照市城镇化建设服务中心，山东日照 276826）

0 引言

在混凝土配合比的试验设计及生产过程中，为保证混凝土各组成材料比例的一致性，应随时根据砂子含水率数值的变化，及时对用砂量及用水量进行调整。由于混凝土用砂子的日益短缺，各混凝土生产企业库存量大多严重不足，生产过程中会出现随进随用现象。即便是同一砂源的砂子，如果不是同一批进场，其含水率也会存在差别，如不分批次按相同配合比进行生产，会对混凝土生产质量带来隐患。

传统检测砂含水率多采用烘干法（炒干法），准确性高，但检测时间长，不能满足混凝土生产及时调整用砂量及用水量的需要。近年来，砂的含水率检测技术也被广泛开发和研究，目前报道的常见检测方法主要有电阻法、电容法、中子法、红外法、微波法等，但在实际使用过程中除了检测时间相对较长外，大都因为受砂本身材质等因素影响了检测的准确性，还由于以上方法对试验环境、设备仪器、操作计算过程等的严格规定，对其检测结果的可靠性也会受到较大影响。本设计完成的混凝土砂含水率快速测定仪，是根据砂子与水比重的不同，利用相同重量不同含水量的砂子所占的体积差别来判定砂子的含水率，其操作方法简单便捷，试验结果快速准确，能够实现混凝土用砂含水率快速准确检测的目的。

1 设计原理

1.1 堆积状态下砂含水率与体积关系

在自然状态下堆积的砂子，其体积会随着含水率的变化而变化，一般情况下，砂的含水率 2% 时，体积会膨胀 10% 左右，当含水率在达到 6% 时，体积会膨胀15%。一般砂子含水率在 5%～7% 时，体积膨胀最大，随着含水率的持续增加，体积会逐渐减小，含水率达到17%～20%时，砂处于潮湿状态并完全被水浸泡，其内部孔隙水已饱和，且表面也有水分，这时湿砂的体积相当于绝干状态下砂的体积。这种现象主要是由水的表面张力所引起的，当砂在干燥状态时，其颗粒是相互堆积一起的，吸水后会在砂的颗粒表面形成水的薄膜层，该薄膜层的水在表面张力作用下，使砂颗粒被分散从而使体积变大，随着砂中水分的继续增加，薄膜层逐渐变厚，当形成水滴时薄膜层消失，因不存在表面张力作用，这时砂的颗粒重新堆积靠拢，砂的体积随之变小，当砂子被完全浸泡后，其体积与绝干状态下的体积基本相同。

1.2 绝对状态下砂含水率与体积（V总）关系

绝对状态下的体积（V总）是指砂子中纯砂体积（V砂）与纯水体积（V水）的和。由于砂子与水的比重为固定值，假设砂子的总质量一定的情况下，可以推导砂含水率与体积（V总）的关系，公式如下：

式中：

V总、M总——分别为砂子在绝对状态下的体积与重量；

V砂、V水——分别为砂子中纯砂、纯水的体积；

M砂、M水——分别为砂子中纯砂、纯水的重量；

ρ砂、ρ水——分别为砂子中纯砂、纯水的比重；

a%——砂子含水率。

通过公式 (1)，可以看出，含水率与体积为正相关关系，体积会随着含水率的变化而变化。当含水率为 0时，则有：

即：V总ρ水ρ砂-ρ水M总=0

以上公式也验证了在含水率为 0 时，其体积仅为纯砂的体积，同时也说明含水率为 0 时砂的绝对体积最小。

2 混凝土用砂含水率快速检测仪设计与使用

2.1 混凝土用砂含水率快速检测仪设计

根据以上原理，设计完成了一种混凝土用砂含水率快速检测仪（见图 1、图 2）。

图 1 检测仪结构示意图

图 2 检测仪俯视图

该检测仪由三大部分组成，包括：搅拌机构 1、筒体部分 2、和测量机构 3。

搅拌机构 1 安装在筒盖上（201），该机构包括电动机（101）、搅拌轴（102）和搅拌轮（103），筒盖的中心位置安装有电动机，电机轴通过联轴器与搅拌轴连接，搅拌轴的下端与搅拌轮固定连接，搅拌轴和搅拌轮伸入在筒体（202）的内腔中。搅拌机构的作用是使砂子与水分充分混合，以排除砂中的空气，提高检测的精确度。

筒体部分 2 包括筒体（202）和筒盖（201），筒盖上安装有进液管（203），其作用是向筒体内加水，进液管的上端与电磁阀连接，下端伸入到筒体的内腔的下半部分；筒盖上还安装有液位传感器（205），液位传感器伸入到筒体的内腔中，其作用为控制加水量；筒盖上还设有进料口（204），用于投放检验砂子。

测量机构 3 安装在筒体（202）的上半部分的外壁上，该机构包括导液管（301）和测量筒（302），导液管与筒体的内腔相贯通，并且其连接处安装有阀门，导液管的下端与测量筒连接。测量筒由透明材料制成，其壁上刻有均匀分布的刻度线，刻度线能够用来显示砂子的含水率。

2.2 检测仪使用操作步骤

（1）注水：将洁净的自来水通过进液管向筒体内注入水，当筒体内的水液位到达液位传感器位置时，则达到设定的注水量，电磁阀关闭，停止注水。注水量应在检测试验前确定，要根据检测砂子比重以及筒体和测量筒的容量综合考虑，一般为注水量体积加上纯砂体积（所测砂子重量通过砂比重换算得出）略高于导液管即可，此时水分溢流到测量管显示的应为砂子含水率为 0刻度（基准刻度），此刻度越底测量范围越大。

（2）投入砂子并搅拌：将称量好的砂子，经筒盖的进料口向筒体内倒入，并启动搅拌机构，不断地搅拌砂子，使其与筒体内的水充分混合，排除空气。

（3）含水率确定：静置约两分钟后，打开导液管阀门，使溢出的水经导液管流入测量筒，根据测量筒的刻度，直接读取砂子的含水率。测量筒划定的含水率刻度线，0 刻度（基准刻度）可按上述步骤（1）划定，其它刻度线应以 0 刻度为基准线，根据上述 1.2 有关公式及测量筒的容量计算确定。当砂源地发生变化造成砂的比重不同时，应重新划定含水率刻度线。

3 应用效果分析

3.1 试验用砂子各项性能指标

根据本地砂子的资源情况，本次选择两种砂进行试验，分别为东港区天然河砂及五莲县生产的机制砂。砂的性能指标见表 1。

表 1 砂子各项性能指标

3.2 配制不同含水率砂子及含水率测定结果

因受试制的检测仪筒体及测量筒容量限制，本次应用试验所配制的砂子用量（砂+水）确定为 300g。将烘干后的砂子，称量至所配制不同含水率用量，并加入该含水率用水量的水，搅拌基本均匀后，立即通过试制的含水率检测仪进行含水率测定，具体情况见表 2。

表 2 两种砂不同含水率的配制及含水率测定结果

3.3 结果分析

对以上两种砂子的测定结果进行数据分析，见表3。

由表 3 可以看出：

表 3 两种砂子测定结果数据分析表

两种砂子测量误差绝大多数为正偏差，其平均误差（X）也均为正值，这多是由于砂子没有完全被水浸泡饱和，还存有少许空气，建议浸泡时间可适当延长；极差（R）有一定的范围，说明测量的离散性有一定的变化，这多是由于操作因素造成的；从标准离差（S）及方差（S2）数据，所反映的该测量方法测试数据的离散程度较小，测试精密度较高。