林智 黃前龍 洪偉華 蔡燕霞

(1.浙江交投礦業(yè)有限公司，浙江 舟山 316000;2.中路高科(北京)公路工程與技術(shù)股份有限公司，北京 100088;3.公路工程的建設(shè)和養(yǎng)護(hù)新型材料技術(shù)在交通運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用研究中心，北京 100088)

石料是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中不可或缺的建筑材料。據(jù)統(tǒng)計(jì)，混凝土結(jié)構(gòu)中65%～75%的部分都采用石料，是混凝土結(jié)構(gòu)的主要組成材料，起到骨架填充作用[1]。石料質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，嚴(yán)重情況下將會(huì)縮短結(jié)構(gòu)服役壽命，甚至引發(fā)結(jié)構(gòu)性破壞。石料含水量檢測(cè)是評(píng)估石料質(zhì)量的一項(xiàng)核心工作，目前多由人工檢測(cè)。人工檢測(cè)取樣存在占用空間大、頻次低、耗時(shí)長(zhǎng)、安全隱患多等問(wèn)題，且無(wú)法為生產(chǎn)線提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，嚴(yán)重影響石料質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性。本文通過(guò)分析目前石料含水量的檢測(cè)方法和原理，提出一套適用于在線檢測(cè)含水量的微波透射原理在線檢測(cè)技術(shù)。

一、石料含水量檢測(cè)技術(shù)

石料中含水量的檢測(cè)技術(shù)包括直接檢測(cè)和間接檢測(cè)[2]。直接檢測(cè)主要通過(guò)烘干法、砂浴法、酒精燃燒法等方法進(jìn)行檢測(cè)，該法應(yīng)用范圍廣，對(duì)石料溫度、密度等要求不高，但檢測(cè)效率低，不適于大規(guī)模石料生產(chǎn)加工和應(yīng)用，難以實(shí)現(xiàn)在線反饋石料檢測(cè)信息。間接檢測(cè)是通過(guò)檢測(cè)石料的介電常數(shù)、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、光譜等介質(zhì)特性參數(shù)，通過(guò)算法模型建立石料含水量與介質(zhì)特性參數(shù)的含水關(guān)系，通過(guò)參數(shù)變量的變化確定石料含水量。

微波透射原理[3]是通過(guò)傳感器發(fā)射端發(fā)射微波到石料上，與石料相互作用后，石料中水分子在固定頻率激發(fā)下會(huì)吸收微波能量，在微波場(chǎng)發(fā)生極化損耗，產(chǎn)生極化現(xiàn)象，剩余的微波能量則透過(guò)石料后由微波傳感器接收端接收，石料的含水量檢測(cè)最終通過(guò)計(jì)算微波參數(shù)變化量實(shí)現(xiàn)。該技術(shù)可通過(guò)空間電磁波方式貫穿石料內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)，在不損壞石料結(jié)構(gòu)的情況下，快速、準(zhǔn)確的反饋石料含水量檢測(cè)信息，效率高、穩(wěn)定性好、成本相對(duì)較低和功耗較低，適于對(duì)石料含水量在線實(shí)時(shí)檢測(cè)。因此可采用基于微波透射原理在線檢測(cè)含水量技術(shù)實(shí)現(xiàn)石料含水量在線檢測(cè)。

二、應(yīng)用試驗(yàn)研究

（一）含水量在線檢測(cè)裝置

基于微波透射原理的石料含水量在線檢測(cè)裝置設(shè)置集成安裝于石料輸送皮帶上。該裝置主要包括微波傳感器、微波數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)校準(zhǔn)軟件等模塊。微波傳感器模塊包含微波發(fā)射端和微波接收端兩個(gè)傳感器，微波頻段范圍為1GHz～5GHz，功率為0.1mW～10DBM，靈敏度為0.1NW，工作溫度范圍在-20℃～60℃，由HF-傳輸線傳輸信號(hào)線纜；微波數(shù)據(jù)處理模塊是該儀器微波信號(hào)的控制和處理中心，采用帶NV功能的微波處理系統(tǒng)，通訊連接采用RS485/232方式的通訊接口，工作環(huán)境范圍在-20℃～85℃，功耗為50VA，測(cè)量精度范圍根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況控制在0.3%～1%；系統(tǒng)校準(zhǔn)軟件模塊安裝在電腦端，由6種可自由調(diào)整與變換的算法和計(jì)算模型構(gòu)成。該計(jì)算模型根據(jù)微波傳感器檢測(cè)石料的微波信號(hào)吸收率與含水量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采用烘干法檢測(cè)的含水量數(shù)據(jù)與微波傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸建模標(biāo)定得到石料含水量檢測(cè)結(jié)果，自動(dòng)分析每種算法的相關(guān)性、誤差、散點(diǎn)圖、趨勢(shì)圖等信息，得到合適的算法模型。校準(zhǔn)模型具有自適應(yīng)自學(xué)習(xí)功能，根據(jù)不同的石料規(guī)格、重量、厚度、密度、水分范圍的數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)曲線，實(shí)現(xiàn)同一校準(zhǔn)曲線適用不同工況和介質(zhì)的能力，無(wú)需頻繁更換校準(zhǔn)曲線和調(diào)整曲線偏差。

（二）試驗(yàn)方案

為驗(yàn)證基于微波透射原理石料含水量在線檢測(cè)裝置的精度和準(zhǔn)確度，與傳統(tǒng)利用烘干法檢測(cè)含水量方法進(jìn)行對(duì)比分析，并計(jì)算二者檢測(cè)含水量結(jié)果的對(duì)比偏差。試驗(yàn)選取16mm～31.5mm規(guī)格的石料，在線檢測(cè)石料含水量由基于微波透射原理在線檢測(cè)含水量裝置進(jìn)行檢測(cè)，并實(shí)時(shí)傳輸、記錄檢測(cè)結(jié)果。烘干法檢測(cè)石料含水量依據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行操作，首先稱取干凈鋁盒的質(zhì)量記為m1，再稱取含水石料試樣與鋁盒的總質(zhì)量記為m2，然后將試樣與鋁盒放入溫度控制在105℃±5℃的烘箱中進(jìn)行烘干至恒重。稱取烘干冷卻后的鋁盒與試樣的總質(zhì)量記為m3，并按式（1）計(jì)算含水量。每次取樣試驗(yàn)的測(cè)定結(jié)果以兩次平行試驗(yàn)結(jié)果的平均值為準(zhǔn)[4]。

（三）結(jié)果對(duì)比分析

通過(guò)以上試驗(yàn)方案，對(duì)石料進(jìn)行10次隨機(jī)取樣試驗(yàn)，檢測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 石料含水量檢測(cè)結(jié)果

由表1可知，通過(guò)10次隨機(jī)取樣試驗(yàn)，微波在線檢測(cè)所得石料含水量與烘干法所得石料含水量對(duì)比偏差控制在±0.3%，表明利用微波透射原理在線檢測(cè)石料含水量數(shù)據(jù)與烘干法檢測(cè)數(shù)據(jù)有較高的契合度，滿足工程要求。另外，微波在線檢測(cè)石料含水量解決了傳統(tǒng)烘干法費(fèi)時(shí)費(fèi)力、易受人為因素干擾的缺點(diǎn)，可實(shí)時(shí)掌握石料加工生產(chǎn)和應(yīng)用的質(zhì)量情況，實(shí)現(xiàn)石料含水量檢測(cè)的全自動(dòng)控制，將石料含水量在線檢測(cè)結(jié)果控制在較小的波動(dòng)范圍，取得良好的使用效果。

三、結(jié)語(yǔ)

含水量檢測(cè)是石料加工生產(chǎn)和應(yīng)用過(guò)程中主要的檢測(cè)和考核指標(biāo)，基于微波透射原理的石料含水量在線檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際工程中，不僅可以實(shí)時(shí)反饋石料含水量檢測(cè)情況，提高檢測(cè)效率，保證檢測(cè)精準(zhǔn)性，利于節(jié)能降耗，還可以據(jù)此調(diào)節(jié)石料加工生產(chǎn)和應(yīng)用過(guò)程中的控制參數(shù)，改善石料質(zhì)量，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。石料含水量在線檢測(cè)技術(shù)作為提升石料管理的途經(jīng)之一，積極探索“互聯(lián)網(wǎng)+交通基礎(chǔ)設(shè)施”的發(fā)展創(chuàng)新思路和推進(jìn)智慧工程建設(shè)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目管理大數(shù)據(jù)與石料含水量在線檢測(cè)技術(shù)的深度整合，逐步達(dá)到石料管理關(guān)鍵信息的互聯(lián)共享，提升石料管理項(xiàng)目的信息化能力具有重大意義。