混凝土用砂含水率快速測定儀設計與應用

朱恩芹，曹現強，梁啟峰，丁寧

（日照市城鎮化建設服務中心，山東 日照 276826）

0 引言

在混凝土配合比的試驗設計及生產過程中，為保證混凝土各組成材料比例的一致性，應隨時根據砂子含水率數值的變化，及時對用砂量及用水量進行調整。由于混凝土用砂子的日益短缺，各混凝土生產企業庫存量大多嚴重不足，生產過程中會出現隨進隨用現象。即便是同一砂源的砂子，如果不是同一批進場，其含水率也會存在差別，如不分批次按相同配合比進行生產，會對混凝土生產質量帶來隱患。

傳統檢測砂含水率多采用烘干法（炒干法），準確性高，但檢測時間長，不能滿足混凝土生產及時調整用砂量及用水量的需要。近年來，砂的含水率檢測技術也被廣泛開發和研究，目前報道的常見檢測方法主要有電阻法、電容法、中子法、紅外法、微波法等，但在實際使用過程中除了檢測時間相對較長外，大都因為受砂本身材質等因素影響了檢測的準確性，還由于以上方法對試驗環境、設備儀器、操作計算過程等的嚴格規定，對其檢測結果的可靠性也會受到較大影響。本設計完成的混凝土砂含水率快速測定儀，是根據砂子與水比重的不同，利用相同重量不同含水量的砂子所占的體積差別來判定砂子的含水率，其操作方法簡單便捷，試驗結果快速準確，能夠實現混凝土用砂含水率快速準確檢測的目的。

1 設計原理

1.1 堆積狀態下砂含水率與體積關系

在自然狀態下堆積的砂子，其體積會隨著含水率的變化而變化，一般情況下，砂的含水率 2% 時，體積會膨脹 10% 左右，當含水率在達到 6% 時，體積會膨脹15%。一般砂子含水率在 5%～7% 時，體積膨脹最大，隨著含水率的持續增加，體積會逐漸減小，含水率達到17%～20%時，砂處于潮濕狀態并完全被水浸泡，其內部孔隙水已飽和，且表面也有水分，這時濕砂的體積相當于絕干狀態下砂的體積。這種現象主要是由水的表面張力所引起的，當砂在干燥狀態時，其顆粒是相互堆積一起的，吸水后會在砂的顆粒表面形成水的薄膜層，該薄膜層的水在表面張力作用下，使砂顆粒被分散從而使體積變大，隨著砂中水分的繼續增加，薄膜層逐漸變厚，當形成水滴時薄膜層消失，因不存在表面張力作用，這時砂的顆粒重新堆積靠攏，砂的體積隨之變小，當砂子被完全浸泡后，其體積與絕干狀態下的體積基本相同。

1.2 絕對狀態下砂含水率與體積（V總）關系

絕對狀態下的體積（V總）是指砂子中純砂體積（V砂）與純水體積（V水）的和。由于砂子與水的比重為固定值，假設砂子的總質量一定的情況下，可以推導砂含水率與體積（V總）的關系，公式如下：

式中：

V總、M總——分別為砂子在絕對狀態下的體積與重量；

V砂、V水——分別為砂子中純砂、純水的體積；

M砂、M水——分別為砂子中純砂、純水的重量；

ρ砂、ρ水——分別為砂子中純砂、純水的比重；

a%——砂子含水率。

通過公式 (1)，可以看出，含水率與體積為正相關關系，體積會隨著含水率的變化而變化。當含水率為 0時，則有：

即：V總ρ水ρ砂-ρ水M總=0

以上公式也驗證了在含水率為 0 時，其體積僅為純砂的體積，同時也說明含水率為 0 時砂的絕對體積最小。

2 混凝土用砂含水率快速檢測儀設計與使用

2.1 混凝土用砂含水率快速檢測儀設計

根據以上原理，設計完成了一種混凝土用砂含水率快速檢測儀（見圖 1、圖 2）。

圖 1 檢測儀結構示意圖

圖 2 檢測儀俯視圖

該檢測儀由三大部分組成，包括：攪拌機構 1、筒體部分 2、和測量機構 3。

攪拌機構 1 安裝在筒蓋上（201），該機構包括電動機（101）、攪拌軸（102）和攪拌輪（103），筒蓋的中心位置安裝有電動機，電機軸通過聯軸器與攪拌軸連接，攪拌軸的下端與攪拌輪固定連接，攪拌軸和攪拌輪伸入在筒體（202）的內腔中。攪拌機構的作用是使砂子與水分充分混合，以排除砂中的空氣，提高檢測的精確度。

筒體部分 2 包括筒體（202）和筒蓋（201），筒蓋上安裝有進液管（203），其作用是向筒體內加水，進液管的上端與電磁閥連接，下端伸入到筒體的內腔的下半部分；筒蓋上還安裝有液位傳感器（205），液位傳感器伸入到筒體的內腔中，其作用為控制加水量；筒蓋上還設有進料口（204），用于投放檢驗砂子。

測量機構 3 安裝在筒體（202）的上半部分的外壁上，該機構包括導液管（301）和測量筒（302），導液管與筒體的內腔相貫通，并且其連接處安裝有閥門，導液管的下端與測量筒連接。測量筒由透明材料制成，其壁上刻有均勻分布的刻度線，刻度線能夠用來顯示砂子的含水率。

2.2 檢測儀使用操作步驟

（1）注水：將潔凈的自來水通過進液管向筒體內注入水，當筒體內的水液位到達液位傳感器位置時，則達到設定的注水量，電磁閥關閉，停止注水。注水量應在檢測試驗前確定，要根據檢測砂子比重以及筒體和測量筒的容量綜合考慮，一般為注水量體積加上純砂體積（所測砂子重量通過砂比重換算得出）略高于導液管即可，此時水分溢流到測量管顯示的應為砂子含水率為 0刻度（基準刻度），此刻度越底測量范圍越大。

（2）投入砂子并攪拌：將稱量好的砂子，經筒蓋的進料口向筒體內倒入，并啟動攪拌機構，不斷地攪拌砂子，使其與筒體內的水充分混合，排除空氣。

（3）含水率確定：靜置約兩分鐘后，打開導液管閥門，使溢出的水經導液管流入測量筒，根據測量筒的刻度，直接讀取砂子的含水率。測量筒劃定的含水率刻度線，0 刻度（基準刻度）可按上述步驟（1）劃定，其它刻度線應以 0 刻度為基準線，根據上述 1.2 有關公式及測量筒的容量計算確定。當砂源地發生變化造成砂的比重不同時，應重新劃定含水率刻度線。

3 應用效果分析

3.1 試驗用砂子各項性能指標

根據本地砂子的資源情況，本次選擇兩種砂進行試驗，分別為東港區天然河砂及五蓮縣生產的機制砂。砂的性能指標見表 1。

表 1 砂子各項性能指標

3.2 配制不同含水率砂子及含水率測定結果

因受試制的檢測儀筒體及測量筒容量限制，本次應用試驗所配制的砂子用量（砂+水）確定為 300g。將烘干后的砂子，稱量至所配制不同含水率用量，并加入該含水率用水量的水，攪拌基本均勻后，立即通過試制的含水率檢測儀進行含水率測定，具體情況見表 2。

表 2 兩種砂不同含水率的配制及含水率測定結果

3.3 結果分析

對以上兩種砂子的測定結果進行數據分析，見表3。

由表 3 可以看出：

表 3 兩種砂子測定結果數據分析表

兩種砂子測量誤差絕大多數為正偏差，其平均誤差（X）也均為正值，這多是由于砂子沒有完全被水浸泡飽和，還存有少許空氣，建議浸泡時間可適當延長；極差（R）有一定的范圍，說明測量的離散性有一定的變化，這多是由于操作因素造成的；從標準離差（S）及方差（S2）數據，所反映的該測量方法測試數據的離散程度較小，測試精密度較高。

4 結論

相比目前對混凝土用砂子的標準檢測方法，本含水率快速測定儀檢測有以下優點：

（1）該測定儀器設計結構簡單，操作方便。

（2）檢測過程簡便、快捷，僅需幾分種便可取得含水率結果。

（3）檢測結果直接讀取，不需烘干、稱量、計算等過程。

（4）檢測結果精確度較高。

（5）實用性強。使用過程中不僅能夠省時、省力、省電，同時對環境等條件要求也相對較低，非常適合中小型混凝土生產企業或工程施工現場應用。