浅谈红外线快速干燥箱测定土壤含水率的应用_穆娜.pdf

科 技 创 新科 技 创 新收稿日期：2022-04-24作者简介：穆娜，汉族，河北省水利规划设计研究院有限公司，高级工程师。浅谈红外线快速干燥箱测定土壤含水率的应用浅谈红外线快速干燥箱测定土壤含水率的应用摘要为了快速测定土壤含水率，提高试验效率，根据土工试验的基本原理，选取不同含水率的 10组砂性土、10组壤土、10组黏性土，分别采用红外线快速干燥箱与电热干燥箱对土的含水率进行试验，并对试验结果进行比对分析和相关性分析。结果表明，快速法与标准法的检测结果几乎完全一致，相对误差在标准范围内，且存在显著性相关关系，可以在一定程度上相互印证替代。关键词含水率；红外线快速烘干法；冷却穆娜土壤含水率是与密度、液塑限同等重要的基本物理性质指标之一，它反映土的干湿状态，是粉土湿度分类的依据。含水率的变化可引起土的力学性质的变化，通过含水率可以计算出土的干密度、孔隙比、饱和度等指标，它是控制土工建筑，路基施工质量的重要依据，在工程地质中有着重要作用。1.含水率计算方法与最大允许平行差值范围1.1含水率计算方法土壤含水率是土样在 105110温度下烘到恒量时所失去的水质量和达恒量后干土质量的比值，以百分数表示。按公式=（m0md-1）100 计算含水率，式中：含水率（%），计算至 0.1%；m0湿土质量（g）;md干土质量（g）。1.2含水率试验最大允许平行差值为了避免排除干扰因素，得出准确数值，在进行含水率试验时常取两个称量盒进行平行试验，并计算平均值，不同含水率的误差范围见表 1。表 1不同含水率的误差范围表含水率 10104040最大允许平行误值0.51.02.0在此次对比试验中，可将此标准作为判定快速法与标准法相对误差的依据。2.烘干方法原理2.1标准烘干原理烘箱内的空气被加热后，鼓风机同步循环，在箱内与被烘物品进行均匀的热量交换，水分随之排出，从而达到干燥的目的。2.2红外线干燥原理与烘干法不同，红外线干燥是利用辐射传热，其产生的电磁波，以光的速度直线传播到达土样，当红外线的发射频率与土样中分子运动的频率相匹配时，引起土样中分子强烈振动，摩擦生热排出水分从而干燥。在红外线干燥中，由于土样表面的水分不断蒸发吸热，表面温度降低，而内部温度高，热扩散的方向是由内向外的。同时，由于土样内存在水分梯度而引起水分移动，水分由内部向外部进行湿扩散。湿扩散与热扩散都是由内向外，从而内扩散加速，进而缩短了干燥的时间。3.温度标准标 准 规 定 试 验 温 度 为 105 110，如果温度过高土样矿物内部的结合水易析出，且土壤中的有机质易碳化逸出；如果温度过低，则不利于土中自由水的排出，烘干时间会更长，所以试验过程中应对试验温度进行监测。4.对比试验条件与方法4.1仪器一是 WS70 型红外线快速干燥箱，额定电压 220V，额定功率 50Hz，消耗功率：550W（灯泡 275W2只）。二是标准烘箱：型号 101-3AB，额定电压 220V，加热功率 4kW。三是电子天平，型号QUTNTIX2102-1CN，分度值 0.01g。四是容器：不锈钢质称量盒。五是玻璃温度计，量程为 0300。4.2方法试验样本 30 组，取不同含水率的砂类土、壤土、粘性土各 10 组，砂类土每个土样取土质量在 50g100g 之间,细粒土每个土样取土质量在 20g30g之间。标准烘箱烘干法（文中简称标准法）严格按标准测试土样含水率，烘箱图 1砂性土相关关系图图 2壤土相关关系图图 3黏性土相关关系图46科 技 创 新科 技 创 新温度设定为 107.5，烘干时间为 10h,然后将土样取出，放入干燥器内冷却，至室温后称重并计算。红外线快速干燥箱烘干法（文中简称快速法）在烘干时每隔 30min（粘性土初次取出时间为1h）将土样取出，放入干燥器内冷却，至室温后称重并计算，然后再继续烘干。5.试验结果分析过程按设定方法对 30组土样进行含水率试验，期间对快速法实时温度监测，箱内温度始终保持在 106左右，满足标准规定的温度要求。经计算，对试验结果进行数据对比，得出结果见表 2。由表 2 可 知：快 速 法 在 烘 干 0.5h后与标准法测得的含水率差别较大，尤 其 是 含 水 率 较 大 的 土，差 值 最 高达-6.2%，超出标准要求；在 1h2.5h 后含水率趋于稳定且与标准法测得的含水率接近，误差在-0.8%0.1%之间，符合标准要求。由 表 3 可 知：快 速 法 在 烘 干 0.5h后与标准法测得的含水率差别较大，尤 其 是 含 水 率 较 大 的 土，差 值 最 高达-5.6%，超出标准要求；快速法在烘干 1h2.5h后含水率趋于稳定且与标准法测得的含水率接近，误差在-1.30.2之间，符合标准要求。由表 4可知：快速法在烘干 1h后与标准法测得的含水率差别较大，尤其是含水率较大的土，差值最高达-13.2%，超出标准要求；在烘干 1.5h 后与标准法测得的含水率差别稍大，差值最高达-5.3%，超出标准要求；在烘干 2h3h后含水率趋于稳定且与标准法测得的含水率接近，误差在-0.8%1.0%之间，符合标准要求。从上述 30组土样的对比中可以得表 2砂性土两种方法含水率(%)试验结果数据对比分析表编号S-1S-2S-3S-4S-5S-6S-7S-8S-9S-10土样分类与定名粉砂细砂轻砂壤土重粉质砂壤土轻粉质砂壤土粉砂重粉质砂壤土重粉质砂壤土轻粉质砂壤土重粉质砂壤土标准法10h6.77.38.19.813.115.819.123.324.430.5快速法0.5h6.06.57.59.012.614.517.620.518.225.21h6.67.38.09.713.015.919.023.023.929.31.5h6.67.38.19.713.215.919.023.224.330.32h6.67.38.19.713.215.919.023.224.430.32.5h6.67.38.19.713.215.919.023.224.430.30.5h相对误差-0.7-0.8-0.6-0.8-0.5-1.3-1.5-2.8-6.2-5.31h相对误差-0.10.0-0.1-0.1-0.10.1-0.1-0.3-0.5-0.81.5h相对误差-0.10.00.0-0.10.10.1-0.1-0.1-0.1-0.22h相对误差-0.10.00.0-0.10.10.1-0.1-0.10.0-0.22.5h相对误差-0.10.00.0-0.10.10.1-0.1-0.10.0-0.2表 3壤土两种方法含水率(%)试验结果数据对比分析表表 4粘性土两种方法含水率(%)试验结果数据对比分析表编号R-1R-2R-3R-4R-5R-6R-7R-8R-9R-10土样分类与定名轻粉质壤土重粉质壤土中粉质壤土中粉质壤土重粉质壤土轻粉质壤土轻粉质壤土重粉质壤土中粉质壤土重粉质壤土标准法10h9.612.116.418.220.321.324.628.829.431.8快速法0.5h8.710.014.616.318.319.921.523.225.526.71h9.512.016.318.120.221.024.528.929.130.51.5h9.512.016.318.120.221.024.629.029.231.72h9.512.016.518.120.321.024.629.029.231.72.5h9.512.016.518.120.321.024.629.029.231.70.5h相对误差-0.9-2.1-1.8-1.9-2.0-1.4-3.1-5.6-3.9-5.11h相对误差-0.1-0.1-0.1-0.1-0.1-0.3-0.10.1-0.5-1.31.5h相对误差-0.1-0.1-0.1-0.1-0.1-0.30.00.2-0.2-0.12h相对误差-0.1-0.10.1-0.10.0-0.30.00.2-0.2-0.12.5h相对误差-0.1-0.10.1-0.10.0-0.30.00.2-0.2-0.1编号N-1N-2N-3N-4N-5N-6N-7N-8N-9N-10土样分类与定名粉质黏土粉质黏土粉质黏土黏土重黏土黏土黏土黏土重黏土黏土标准法10h18.020.624.526.730.430.734.840.541.750.1快速法0.5h13.514.515.113.912.825.227.614.033.528.21h16.717.519.822.228.629.932.527.338.841.91.5h17.720.124.126.230.030.034.135.239.550.22h17.920.424.326.630.430.634.539.741.251.12.5h17.920.424.426.830.430.634.540.341.251.13h17.920.424.426.830.430.634.540.341.251.11h相对误差-1.3-3.1-4.7-4.5-1.8-0.8-2.3-13.2-2.9-8.21.5h相对误差-0.3-0.5-0.4-0.5-0.4-0.7-0.7-5.3-2.20.12h相对误差-0.1-0.2-0.2-0.10.0-0.1-0.3-0.8-0.51.02.5h相对误差-0.1-0.2-0.10.10.0-0.1-0.3-0.2-0.51.03h相对误差-0.1-0.2-0.10.10.0-0.1-0.3-0.2-0.51.047科 技 创 新科 技 创 新出，随着烘干时间的增加，快速法与标准法的结果渐趋一致。土的颗粒越粗，透水性好，水分较易逸出，所需烘干时间越短；反之，土的颗粒越细，所需烘干时间越长。试验中还发现，透水性较差的黏性土，若块体较大，会造成内部的蒸汽压力过大，易出现土块炸裂等安全问题，且烘干时间相对较长，将其碾碎或切成薄片、小块可避免此问题发生。烘干土样时，因同批次 3类土均可能存在，为求统一，节省鉴别时间，提高准确率，可把烘干时间定为 2h，此时，土的含水率趋于稳定达到恒量，且与标准法测得的含水率接近，误差在标准范围内。经实时监测，快速法的烘干温度（106）符合标准要求，整个试验过程满足土工试验的基本原理。6.试验要点为使试验结果准确可靠，同时考虑到烘干时间的长短，需对取土量进行控制，经比较，细粒土取土质量在 20g30g之间，砂类土因持水性较差，颗粒大小相差悬殊，水含量易于变化，应适当多 取 一 些，取 土 质 量 在 50g100g 之间。透水性较差的黏性土要将大的土块切成薄片或者小块后再烘干。为安全考虑，取放土样时宜佩戴防烫手套，以防烫伤。7.快速法与烘干法测定含水率的相关性分析过程为研究两种方法测定的含水率之间相关的程度，经筛选，决定采用相关系数(Correlation coefficient)进行评估。相关系数是用以反映变量之间相关关系密切程度的统计指标，一般用 r 表示，其计算公式为：式中：x快速测定含水率；y烘干法测定含水率；n样本量；x/xi两个变量的观测值/均值。r描述的是两个变量间线性相关强弱的程度，在-1 和+1 之间取值，若 r0，表明两个变量是正相关，即一个变量的值越大，另一个变量的值也会越大。可细分为 5 个等级，r0.95，存在显著性相关；r0.8，高度相关；0.5r0.8 中度相关；0.3r0.5 低度相关；r0.3 关系极弱，不相关；若 r0，表明两个变量是负相关，即一个变量的值越大另一个变量的值反而会越小。r的绝对值越大表明相关性越强，但并不存在因果关系。如果 r=0，则表明两个变量不是线性相关，有可能是其他方式的相关（比如曲线方式）。使用 EXCEL 软件用 CORREL 公式来计算快速法（取烘干时间为 2h 测定的含水率）和标准法测定的含水率之间的相关关系，得出 r 值，并绘制散点图1-图 3。由图 1-图 3可见，砂性土、壤土、黏性土用快速法烘干 2h 后测定的含水率，与标准法测定的含水率之间的相关系数 r=0.999，r0.95，因此，两种方法得出