Исследования влажности грунтов, материалов и конструкций

Влажность — это один из основных параметров, определяющих физико-химические и механические свойства дорожно-строительных материалов и оказывающих большое влияние на прочностные и теплофизические характеристики искусственных сооружений, а следо­вательно, и на их эксплуатационные качества и долговечность. Можно выделить три группы задач контроля влажности:

· контроль влажности грунтов с ненарушенной структурой (в по­левых условиях), а также искусственных сооружений — земляных и бетонных — обычно в большом количестве точек, на различных глу­бинах. Такого рода многоточечные измерения, осуществляемые, например, с помощью «закладных» датчиков, вводимых в массу конструкции до ее изготовления, позволяют контролировать влажностный режим, динамику полей влажности грунтов, оснований и конструкций в процессе изысканий и эксплуатации; они имеют большое значение для научных исследований, связанных с массопереносом. Датчики должны давать информацию о «локальной» влажности в местах их установки, быть миниатюрными (для мини­мального искажения полей влажности и температуры) и обладать высокой механической и химической устойчивостью по отношению к воздействиям окружающей среды.

· контроль влажности сооружений (например, дорожных покры­тий), конструкций и изделий при наличии одной доступной поверх­ности с помощью поверхностных («накладных») датчиков, облада­ющих определенной зоной действия по глубине;

· контроль влажности материалов (сырья, полуфабрикатов и го­товой продукции) в производственных процессах (изготовление, хранение, транспортные операции).

Информация о влажности мате­риалов может использоваться при исследовании технологических процессов, например при сушке минеральных материалов, приготовлении асфальтобетонных и бетонных смесей и т. д.

Для перечисленных задач нашли применение методы и техниче­ские средства измерения влажности, основанные на различных фи­зических принципах.

Кондуктометрический метод основан на измерении электрического сопро­тивления материала между контактирующими с ним электродами; измерение выполняется в цепи постоянного или переменного (про­мышленной или звуковой частоты) тока. Зависимость сопротивле­ния R_x от влажности w в общем виде может быть выражена функ­цией

R_x=С / w^к

где С и к — положительные постоянные, зависящие от свойств ма­териала и условий измерения (степень уплотнения и т. д.).

Сопро­тивление R _x в значительной степени зависит и от температуры ма­териала; для устранения температурной погрешности в показания влагомера вводят поправку.

К недостаткам кондуктометрических влагомеров относятся значительные погрешности, связанные с из­менениями химического и частично гранулометрического состава материала, неравномерным распределением влаги в нем, плохим контактом электродов с материалом и рядом других факторов.

Диэлькометрический метод основан на зависимости диэлектри­ческих свойств (диэлектрической проницаемости ε и тангенса угла диэлектрических потерь tg β ) материала от его влагосодержания. При температуре +20°С чистая вода имеет ε ≈ 81 (при частотах по­рядка Мгц), в то время как почти для всех компонентов сухого ве­щества дорожно-строительных материалов ε ≤ 3—5.

Диэлькометрический влагомер состоит из конденсаторного дат­чика, заполняемого исследуемым материалом, и измерительного устройства, измеряющего полное сопротивление датчика, реже — его реактивную (емкостную) или активную составляющую. Измери­тельные схемы применяются резонансные, мостовые, дифферен­циальные, работающие чаще всего в диапазоне частот 0, 5—5 Мгц. Влагомеры этого типа применяются как для дискретных, так и не­прерывных измерений (автоматические влагомеры). Конструкция датчиков определяется главным образом свойствами материалов, для которых предназначен датчик, а также условиями работы вла­гомера. Ввиду того, что диэлектрические параметры диэлектриков зависят от их плотности, датчики для сыпучих и малосвязных ма­териалов работают с принудительным уплотнением материала меж­ду обкладками. Конденсаторные датчики имеют чаще всего плоско­параллельные или соосные цилиндрические электроды. Известны также датчики, рассчитанные на односторонний контакт с материа­лом, имеющие плоские электроды различной формы, расположен­ные в одной плоскости («датчики с параллельным полем»). Датчики этого типа контролируют поверхностный слой определенной тол­щины; дальнейшее увеличение толщины (при постоянстве плотно­сти) материала не влияет на результаты измерения.

Для измерения влажности рыхлых грунтов в условиях естественного залегания применяются датчики-зонды с электродами в виде двух металлических цилиндров (острие и корпус) одинакового диаметра, расположенных на одной оси с некоторым промежутком между ними. Датчики автоматических влагомеров могут иметь вспомогательные устройства для заполне­ния междуэлектродного пространства, уплотнения материала (если в этом есть необходимость) и его перемещения. Можно использо­вать, например, шнековый питатель, установленный перед датчи­ком или после него.

Диэлькометрические влагомеры имеют меньшие погрешности от состояния и свойств материала, чем кондуктометрические. Градуи­ровка (как и у других влагомеров, основанных на косвенных физи­ческих методах измерения) выполняется эмпирически для каждого материала в отдельности. Для этого используется набор образцов материала с различными значениями влажности, определяемыми образцовым методом, например, лабораторным методом высуши­вания.

Равновесные методы используются главным образом для ло­кальных измерений в массе материала. Первый из них основан на оценке влажности воздуха, находящегося в гигротермическом равновесии с материалом. Для этого можно установить миниа­тюрный гигрометрический датчик для измерения влажности газов, например, в полости, выполненной заранее в теле бетонного соору­жения и т. п. Этим способом измеряют влажность поверхностного слоя материала, причем верхний предел измерений ограничен мак­симальным гигроскопическим влагосодержанием (т. е. соответст­вующим равновесной относительной влажности, равной 100%) материала. Большее распространение в дорожном строительстве получили влагомеры гидротермического равновесия, ос­нованные на контактном влагообмене датчика сорбционного типа с исследуемым материалом. В этом случае равновесие опреде­ляется равенством потенциалов массопереноса на границе соприко­сновения двух тел — датчика и материала. Обычно применяются электрические датчики, у которых выходной величиной служит оми­ческое сопротивление, реже — емкость. Сопротивление измеряют в цепи переменного тока во избежание поляризации электродов. Ха­рактеристики датчика зависят в значительной степени от материа­ла, из которого приготовлен влагочувствительный элемент.

Для измерений влажности грунтов, земляного полотна дорог и земляных оснований сооружений применяют различные датчики, например с гипсовой пластиной и проволочными электродами, а также датчики с нейлоновой или капроновой тканью, зажатой меж­ду металлическими дисковыми электродами, с угольными электро­дами в стекловолокне. Недостатком этих датчиков является сорбционный гистерезис характеристик (несовпадение характеристик, полученных при увлажнении и сушке датчика), а также недоста­точная прочность влагочувствительного элемента и влияние засо­ленности почв на электрическую проводимость датчика. Общий не­достаток, присущий всем равновесным влагомерам — значительная инерционность датчиков. У датчиков гидротермического равновесия она обусловлена не только его динамическими свойствами, но и процессом влагообмена через воздушную прослойку.

Нейтронный метод основан на замедлении быстрых нейтронов атомами водорода, содержащегося в воде. При прохождении потока нейтронов сквозь вещество вследствие упругих столкновений с атом­ными ядрами быстрые нейтроны с энергией 0, 5 Мэв и больше прев­ращаются в медленные и тепловые, рассеиваемые в окружающей среде. Количество тепловых нейтронов определяется при этом главным образом числом атомов водорода в единице объема ис­следуемого материала, т. е. его объемной влажностью.

Нейтронный метод нашел практическое применение в первую очередь для контроля влажности почв и грунтов, а в дальнейшем также в промышленности строительных материалов (в производ­стве бетона и сборного железобетона) и для контроля влажности ограждающих конструкций.

Основными элементами нейтронного влагомера являются источ­ник питания, датчик-зонд и счетчик импульсов, собранный на полупроводниковых приборах. Зонд содержит источник быстрых нейтронов (Ra+Be, Ро+Ве или Pu+Ве) и детек­тор медленных нейтронов, сцинтилляционный или чаще всего газо­разрядный счетчик (например, борный). Конструкция зондов поч­венных влагомеров рассчитана на глубинное или поверхностное из­мерение. Объем зоны действия влагомера зависит от влажности почвы и может быть приближенно определен как сфера с радиусом, равным:

R = 15 100/и_об [см],

где и_об — объемное влагосодержание, т. е. влажность, выраженная по отношению к объему сухо­го вещества в процентах.

Нейтронный метод измерения влажности практически безынер­ционен (как кондуктометрический и диэлькометрический). Этот метод позволяет измерять любые значения влажности до 100%, свободен от температурных погрешностей и имеет малые погрешно­сти от колебаний плотности и химического состава (за исключением содержания аномальных поглотителей — железа и особенно водоро­да) в твердой фазе. Основным недостатком нейтронных влагомеров, как и ряда других приборов, основанных на ядерно-физичеоких ме­тодах, является необходимость в биологической защите.

Измерения влажности на сверхвысоких частотах (СВЧ) осно­ваны на взаимодействии радиоволн (преимущественно дециметро­вого и сантиметрового диапазонов) с влагосодержащим материалом. Из известных разновидностей методов СВЧ наибольшее практи­ческое значение имеет развитый в последнее десятилетие метод из­мерения в свободном пространстве с использованием проходящей волны. Этот метод является «бесконтактным»: исследуемый мате­риал помещается между излучающей и приемной антеннами и «просвечивается» плоской волной с нормальным распространением. Выходной величиной измерительного преобразователя может слу­жить изменение амплитуды волн ∆ α или ее фазы ∆ φ. При идеали­зации соответствующей приближению геометрической оптики (в частности, без учета отражений) введение плоскопараллельного слоя толщиной L между источником и приемником СВЧ вызовет изменение указанных параметров:

где l — координата, параллельная направлению распространения волны;

Е(0) и Е(L)—напряженность поля для l=0 и l=L; α — постоянная затухания; λ – длина волны;

β — фазовая постоянная, т. е. мнимая и вещественная составляющие волнового числа γ;

γ = β +j α

Таким образом, ∆ α и ∆ φ являются функциями диэлектрических свойств ( ε и tg β ) материала, т. е. его влагосодержания.

 

⇐ Предыдущая11121314151617181920Следующая ⇒

Поделиться: