鐘 波

(中國水利水電第七工程局有限公司,四川 成都 610041)

1 概 述

現(xiàn)有的細(xì)粒土含水率快速檢測方法包括酒精燃燒法與微波爐法。兩種方法各有優(yōu)劣。鑒于微波爐法影響因素較多,而常用的烘干法檢測細(xì)粒土含水率獲得的結(jié)果較準(zhǔn)確,但其耗時(shí)較長:對于黏性土不少于8 h,砂類土不少于6 h,故其不能滿足細(xì)粒土快速施工的要求;采用酒精燃燒法[1]雖然獲得結(jié)果快速,但其不經(jīng)濟(jì)環(huán)保,存在安全隱患,而且酒精燃燒溫度較高,對有機(jī)質(zhì)含量較高的細(xì)粒土的檢測結(jié)果影響較大;微波爐法[2]檢測含水率的優(yōu)點(diǎn)是檢測時(shí)間較快,但其缺點(diǎn)是影響因素較多,檢測結(jié)果準(zhǔn)確性較差。為此,筆者依托蘇丹上阿特巴拉水利樞紐黏土芯墻大壩工程,系統(tǒng)地研究了采用微波爐法檢測含水率的影響因素,完善了微波爐法并將該方法進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。

2 微波爐法與烘干法對比試驗(yàn)

鑒于微波爐法影響因素較多,其準(zhǔn)確性相對于烘干法較差,故微波爐法《Standard Test Method for Determination of Water (Moisture) Content of Soil by the Microwave Oven Heating》ASTM D4643-00[3]獲得的檢測結(jié)果只能作為指導(dǎo)性結(jié)果,如遇仲裁需以烘干法作為最終結(jié)果。此外,該規(guī)范沒有規(guī)定如何選擇最佳參數(shù)組合,如樣品個(gè)數(shù)、有機(jī)質(zhì)含量、烘烤時(shí)間等。

鑒于微波爐法確定性較差,需要根據(jù)《Standard Test Method for Calibration of Microwave Ovens》ASTM F 1317-98[4]對其進(jìn)行校正。筆者在研究時(shí)將樣品中的含水率控制在18%～36%之間,烘烤時(shí)間選擇為8 min至15 min,微波爐功率選擇為754 W,每次1個(gè)樣品,并將樣品重量控制為150 g±10 g,以烘干法檢測值為基準(zhǔn),進(jìn)行了168組對比試驗(yàn)。對比試驗(yàn)差值(絕對值)最小為0.4%,最大為4.5%,平均為2%,說明微波爐法若僅考慮含水率和烘烤時(shí)間兩個(gè)因素,則其檢測結(jié)果規(guī)律性不強(qiáng),離差較大,準(zhǔn)確度較差。為了增加微波爐法含水率檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性,必須通過正交試驗(yàn)分析微波爐法檢測含水率的主要影響因素,并最大限度地消除主要影響因素對微波爐法含水率檢測結(jié)果的影響,從而提高微波爐法含水率檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

前期檢測數(shù)據(jù)表明:微波爐法檢測結(jié)果的影響因素有微波爐功率、烘烤時(shí)間、有機(jī)質(zhì)含量、含水率大小、樣品重量、樣品個(gè)數(shù)等。為分析各種因素對含水率結(jié)果影響的大小,確定微波爐法的準(zhǔn)確參數(shù),配制了不同含水率、不同有機(jī)質(zhì)含量的試樣進(jìn)行了正交試驗(yàn)。本次研究階段的難點(diǎn)在于配制不同有機(jī)質(zhì)含量的試樣。而已取土樣有機(jī)質(zhì)含量的變化范圍為1%～6.7%,對于有機(jī)質(zhì)含量范圍為0%～0.7%的試樣,只能采用已去除有機(jī)質(zhì)(在440 ℃煅燒)[5]的土樣與有機(jī)質(zhì)含量為2%～3%的土料進(jìn)行摻配制備。

3 正交試驗(yàn)

將正交試驗(yàn)的因素選定為含水率(15%～36%)、烘烤時(shí)間(6～13 min)、樣品加瓷杯重量(50～90 g)、樣品數(shù)量(1～8個(gè))、有機(jī)質(zhì)含量(0%～6.3%)和微波爐功率(468～1 300 W)共6個(gè)因素,8個(gè)水平,選取L64(89)正交試驗(yàn)表進(jìn)行正交試驗(yàn)。

4 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

在對64組正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí),以烘干法結(jié)果為基準(zhǔn)進(jìn)行了差值分析,其差值越接近于零,說明微波爐法檢測結(jié)果越準(zhǔn)確。為了分析以上6個(gè)因素對微波爐法檢測含水率影響的主次關(guān)系和可靠程度,需要對正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析和方差分析。

4.1 極差分析

極差分析的目的在于分析各因素對含水率檢測結(jié)果的影響大小及主次關(guān)系。極差分析結(jié)果見表1。

表1 極差分析結(jié)果表

根據(jù)對表1中的極差分析結(jié)果進(jìn)行分析得知:本次正交試驗(yàn)極差值最大的是微波爐功率,其次是樣品個(gè)數(shù),再次是有機(jī)質(zhì)含量,然后是樣品加瓷杯重量,再次為烘烤時(shí)間,最小為含水率。由此可以判定微波爐快速檢測含水率的各影響因素的主次關(guān)系為:微波爐功率 >樣品個(gè)數(shù) >有機(jī)質(zhì)含量 >樣品加瓷杯重> 烘烤時(shí)間 >含水率。

本次正交試驗(yàn)有3個(gè)空列,其為本次正交試驗(yàn)誤差列,極差值最小,說明誤差控制較好。本次正交試驗(yàn)在設(shè)計(jì)時(shí)各主要因素已包含齊全,已無其他對含水率影響較大的影響因素,試驗(yàn)較成功;同時(shí)篩選出差值在±0.3%范圍內(nèi)的6組最佳組合,其最佳參數(shù)組合見表2。

表2 最佳參數(shù)組合表

在表2中的6組對應(yīng)參數(shù)組合中,其細(xì)粒土含水率檢測結(jié)果最接近烘干法值,故在現(xiàn)場檢測時(shí)通常選擇第1或第4組合。

4.2 方差分析

為確定正交試驗(yàn)中6個(gè)影響因素的主次關(guān)系置信概率,必須進(jìn)行方差分析。所取得的方差分析結(jié)果見表3。

表3 方差分析結(jié)果表

在6個(gè)影響因素中,對檢測結(jié)果影響最顯著的是微波爐功率,其次為樣品個(gè)數(shù),再次為有機(jī)質(zhì)含量,而方差和極差分析整體結(jié)果一致。微波爐功率越大,土樣中的水分蒸發(fā)越快、越徹底;若其功率過大,有機(jī)質(zhì)將影響檢測結(jié)果,準(zhǔn)確度將降低。而樣品個(gè)數(shù)將影響到試樣在微波爐加熱過程中的能量吸收,同一功率下,檢測樣品個(gè)數(shù)越少,單個(gè)樣品吸收能量越多,其受熱效果越好,水分蒸發(fā)越徹底。

5 微波爐法的應(yīng)用

在取得正交試驗(yàn)成果后,將優(yōu)化參數(shù)后的微波爐法在黏土芯墻填筑施工中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。微波爐法的優(yōu)化參數(shù)為:烘烤時(shí)間為7 min,樣品加瓷杯重量為55～60 g,2個(gè)樣品,微波爐功率為754 W的參數(shù)組合。為了驗(yàn)證優(yōu)化參數(shù)后微波爐法取得的檢測結(jié)果的可靠性,筆者抽取了30組樣品進(jìn)行了含水率對比試驗(yàn)。對比試驗(yàn)仍以烘干法為基準(zhǔn),優(yōu)化參數(shù)后的微波爐法與烘干法結(jié)果對比情況見表4。

表4 優(yōu)化參數(shù)后的微波爐法與烘干法結(jié)果對比表

通過對優(yōu)化參數(shù)后的微波爐法與烘干法結(jié)果進(jìn)行對比分析得知:微波爐法與烘干法含水率差值(絕對值)平均為0.3%,最大為0.6%,最小為0%。對比試驗(yàn)情況與正交試驗(yàn)結(jié)果吻合,說明優(yōu)化參數(shù)后的微波爐法取得的結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。

6 結(jié) 語

對于細(xì)粒土含水率的檢測,烘干法獲得的結(jié)果較為準(zhǔn)確,但因其耗時(shí)較長而不能滿足快速填筑施工的要求。微波爐法獲取結(jié)果快速,但其影響因素較多,若參數(shù)組合選擇不合適,則其準(zhǔn)確性較烘干法差。本次研究通過正交試驗(yàn)找出了使用微波爐法檢測細(xì)粒土含水率的影響因素及影響的主次關(guān)系,為微波爐法檢測含水率的參數(shù)選擇提供了有力依據(jù)。微波爐法的使用解決了烘干法耗時(shí)長,酒精燃燒法不經(jīng)濟(jì)、環(huán)保數(shù)值偏高、存在安全隱患的問題。優(yōu)化參數(shù)組合后的微波爐法在保證檢測結(jié)果準(zhǔn)確性的同時(shí)縮短了細(xì)粒土填筑施工檢測周期,提高了施工效率,所取得的經(jīng)驗(yàn)可為類似工程參考。