CN101726447A - 测量集料水分吸收率的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量集料水分吸收率的方法及其装置，于密闭容器中采用负压干燥方式对集料进行干燥，以脉冲加热装置进行加热，同时监测容器内气体压力变化，当容器内的集料表面的水分完全蒸发后，既集料表面达到表干状态时，容器内的气体压力开始稳定下降，并且不再随着脉冲加热装置的加热和停止周期而变化时停止干燥过程，此时集料表面即达到表干状态；通过V＝(W2-W1)/W1*100％计算即可准确得出集料水分吸收率。该方法及装置操作简单，测量快速准确，重复性高，可实现全自动控制。

Description

测量集料水分吸收率的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种测量物体吸收率的方法和装置，具体涉及的是一种测量集料水分吸收率的方法和装置。

背景技术

集料是建筑业中所使用的沙子，砾石，剖碎石料的统称。集料和粘合介质(水，沥青，水泥，石灰，等)组成建筑业中大量使用的复合材料-沥青混凝土和水泥混凝土。如果按体积计算，沥青混凝土中92-96％是集料，而水泥混凝土中70-80％是集料。集料也单独使用于路基和建筑物的基础。

典型的集料颗粒是由固体无机物中混合有空气空隙组成。由于集料的多孔性，集料会吸收水分。当集料潮湿时，空隙里或者完全被水占据，或者部分被水占据。

集料的含水状态有四种：

1、完全干燥，集料放在烘箱里在摄氏105度温度下干燥至其重量不再变化，既达到完全干燥状态，参见图1-A所示。完全干燥的集料会在混凝土的混合过程中吸收水分或沥青。致使混凝土中能够和水泥混合的水量，或有用的沥青含量减少。

2、空气干燥，集料颗粒中和表面有联系的空隙里，部分被水填充，参见图1-B所示。此时，集料在混凝土的混合过程中会吸收部分水分。

3、饱和表面干燥，集料里的和表面有联系的空隙完全被水填满，但是集料表面是干燥的。此时，集料既不吸收任何水分，也不贡献水分，参见图1-C所示。

4、湿集料，集料里的和表面有联系的空隙完全被水填满，而且表面还有多余水分。此时，集料在混合水泥混凝土时会贡献水分，参见图1-D所示。集料贡献的水分会使混凝土中水和水泥的比例增加。

集料的干湿程度称为集料的吸水率。在制作水泥混凝土和沥青混凝土的过程，测量集料的吸水率对于控制水泥混凝土和沥青混凝土的强度以及性能非常重要。

决定水泥混凝土强度的一个重要因素是水泥和水的配比，在混凝土混合过程中，取决于集料的吸水率，集料可能会吸收或贡献部分水分，从而影响水泥和水的比例。集料里吸收的水分还会影响集料在混凝土里的比例(因为集料重量包含了水的重量)。各项工程在设计和制造混凝土时，需要准确的知道集料的吸水率，并根据集料的吸水率调整加入混凝土的水，水泥，和集料的含量。排除集料水分吸收对混凝土强度的影响。

水泥混凝土工业，材料的吸水率(MC)用公式(1)计算

$\mathrm{MC}=\frac{W_{\mathrm{stock}}-W_{\mathrm{SSD}}}{W_{\mathrm{SSD}}}\×100\%---\left(1\right)$

其中MC＝吸水率，W_stock＝潮湿的集料的重量，W_SSD＝集料在表面干燥时的重量(SSD)。

如果吸水率是大于零的正数，那么，集料表面有多余水分，混合水泥混凝土时，需要扣除这部分水分。如果吸水率是小于零的负数，集料可吸水的空隙还没有完全被水填满，在混合水泥混凝土时，会从混凝土吸收水分。需要在混合时添加多需的水分。

制作沥青混凝土时，集料需经过预干燥过程，在和沥青混合时，已经完全干燥。集料的吸水率不再是考虑。但是在设计沥青混凝土的混合比例时，集料的吸水率是重要的参数。通过集料的吸水率可以推算出集料对沥青的吸收率，从而正确计算沥青混凝土中沥青的含量。如果沥青混凝土中沥青的含量过多，路面会出现车辙。如果沥青的含量过少，路面会出现裂缝或坑凹。

配制沥青混凝土，集料的吸水率由公式(2)计算得出：

V＝(W2-W1)/W1*100％    (2)

W1是待测集料在完全干燥时的重量，W2是待测集料内部最大限度的吸收了水分但是表面干燥时(表干状态)的重量。

另外，设计沥青混凝土，制作沥青混凝土，和检测沥青混凝土在路面铺设的质量时，都必须知道集料的空隙率和比重。而测量集料吸水率是测量集料的空隙率和比重的首要过程。

获得集料的表干状态是测量集料吸水率的重要步骤。而如何感知材料的表干状态又是取得材料表干状态的前提。在道路，桥梁，和房屋建筑行业中，国际上现行的测量细集料吸水率的方法基于美国现行测试标准ASTM C-128(American Society of Testing Materialstesting standard C128)和AASHTOT-84(American Association ofState Highway Transportation Officials testing standard T84)，采用锥体蹋陷测试来感知集料的表干状态。此方法是先把碎石集料放到烘箱中在摄氏105度温度时，干燥24小时，然后把集料在水中浸泡24小时，让待测集料充分吸收水分。再把浸泡后的待测集料放在风扇下吹干表面水分，以获得材料的表干状态。为了判断待测集料是否达到了表干状态，在吹干一段时间后，把碎石待测集料放入规定尺寸的锥体容器中，拍实25次。然后把锥体拿开，此时测量碎石的蹋陷高度。用蹋陷高度来决定碎石是否达到饱和表干状态(SSD)。如果没有蹋陷，表明集料还没有达到表干状态，把待测集料放在风扇下继续吹干一段时间后，再进行锥体蹋陷测试。如果有轻微蹋陷(通行的判断标准是，蹋陷后锥体顶部的面积近似等于美元5分硬币的直径)，则表明集料已达到表干状态。如果蹋陷过多，则表明集料过分干燥，需要把集料再在水中浸泡24小时后，再从新测试表干状态。

上述测量方法非常依赖于操作者个人的行为，重复性差，方法费时费力。其缺点一是蹋陷测试误差大；二是获得表干状态的过程(风扇吹干)和表干状态的测量(蹋陷测试)是两个分离的过程，这样使取得表干状态的过程很难控制；三是从热力学角度来看，用风扇吹干的方法来获得表干状态的过程是无序，很难控制。很多因素都会影响到水分的蒸发，包括空气的温度和湿度、气压、环境中空气移动的速度、水的温度、还有水和空气的接触面积等等。把待测集料放在风扇下吹干，空气的湿度和温度、气压、空气的移动、待测集料表面的水和空气的接触面积等都处在无控状态，直接影响表干状态的取得和结果的一致性。另外，该方法不适用于有角度和粗糙表面的集料，因为当集料有粗糙表面或角度时，蹋陷不容易实现。

对于粗石集料，现行的国际上通用的测量方法基于美国现行测试标准AASHTO T-85，ASTM C-127。该方法要求操作者使用干布轻拍粗石表面，吸干其表面的水分来达到表面干燥状态。该方法同样非常依赖于操作者个人的行为，重复性差，方法费时费力。

由于在取得和测量待测集料的表干状态过程中存在的极大的不确定性，使用者很容易在集料表面不够干或是在表面过干的情况下测量集料内部的水分，极大的影响了集料吸水率的测量的精确度。自1935年以来，研究人员一直致力于对上述集料吸水率的测量方法进行改进研究：如二十世纪七十年代，美国Arizona洲交通部制作了一种利用热力学原理，通过两个温度传感器的温度信号来感知容器中集料的表干状态的装置；而美国专利US6568249则将该装置用金属制作了圆柱容器并把容器放成水平，容器内壁镀有涂料，使得集料能够在容器里更好的转动，并在容器的出口加上了湿度传感器用以提高装置的重复性；US7401501及US6486475则公开了一种用来测量集料体密度(BulkSpecific Gravity，Gsb)和吸水率的装置，该装置由两个部分组成，一部分是AVM单元，另一部分是SSDetect装置。集料先放在AVM内测得表观密度(Apparent Specific Gravity)和薄膜系数(FilmCoefficient)，薄膜系数输入SSDetect装置来探测集料的表干状态，SSDetect装置由喷水泵，红外激光源，红外探测器，和带有盖的振动容器组成，测量时，放入500克干燥集料到振动容器内，在容器振动的同时，喷水泵给集料喷水，水分通过毛细作用吸入集料，红外激光源和红外探测器利用由AVM输入的薄膜系数来决定集料的表干状态。当装置感知集料达到表干状态时，装置自动停止。但上述装置存在或重复性不好；或集料干燥不均匀、容易损失细集料、出口过滤器容易堵塞，或基于经验的方法通过薄膜系数来决定表干状态、受集料成分影响大，并且不能用来测量大颗粒的集料等各种缺陷，仍然无法取代ASTM和AASHTO的使用方法。发展出一种新的能够精确，快速，和高重复性的测量材料的吸水率的方法和装置是本领域亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量精确快速、重复性高的测量集料水分吸收率的方法。

本发明的另一个目的是提供一种采用上述方法测量集料水分吸收率的装置。

为达上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种测量集料水分吸收率的方法，包括如下步骤：

(1)将待测集料在105℃条件下干燥24小时至无水状态，称重得到待测集料完全干燥时的重量W1；

(2)将待测集料在水中浸泡至充分吸收水分，然后将其置于一密闭容器内，使用脉冲加热装置控制温度在25-40℃，抽取容器内的气体使容器处于负压状态，实现对集料的负压干燥，同时监测容器内气体压力变化，当容器内的气体压力不再随着脉冲热源的加热和停止周期而变化并且开始稳定下降时停止干燥过程，此时集料表面即达到表干状态，取出待测集料称重得到待测集料表干状态时重量W2；

(3)通过公式V＝(W2-W1)/W1*100％计算得出集料水分吸收率。

本发明测量集料水分吸收率的装置，还可采用如下技术方案进一步实现：

一种测量集料水分吸收率的方法，包括如下步骤：

(1)将待测集料在水中浸泡至充分吸收水分，然后将其置于一密闭容器内，使用脉冲加热装置将温度控制在25-40℃，抽取容器内的气体使容器处于负压状态，实现对集料的负压干燥，同时监测容器内气体压力变化，当容器内的气体压力不再随着脉冲热源的加热和停止周期而变化并且开始稳定下降时停止干燥过程，此时集料表面即达到表干状态，取出待测集料称重得到待测集料表干状态时重量W2；

(2)称重后的待测集料继续置于密闭容器内继续进行恒温负压干燥，同时监测容器内气体压力的变化，待容器内气体压力恒定、不再变化时，集料完全干燥，取出称重得到集料完全干燥时重量W1；

(3)通过公式V＝(W2-W1)/W1*100％计算得出集料水分吸收率。

一种测量集料水分吸收率的方法，所述密闭容器为带有大气释放阀装置的负压干燥室。

一种测量集料水分吸收率的方法，采用真空泵抽取容器内气体，并在真空泵前设置冷凝器回收水分。

一种测量集料水分吸收率的方法，采用绝对压力传感器和差分压力传感器同时监控容器内气体压力，绝对压力传感器进行粗监测，差分压力传感器在压力接近材料表干状态时启动进行精细监测。

一种测量集料水分吸收率的方法，所述脉冲加热装置的加热频率低于0.03赫兹，保持样品温度小于35℃；且在进行负压干燥时，以振荡器对容器进行三维振荡搅拌，振荡频率低于5赫兹。以实现均匀干燥。

一种测量集料水分吸收率的方法，通过微处理器获取差分压力传感器、绝对压力传感器和脉冲加热装置上的温度传感器的信号，进而实现以微处理器控制冷凝器、振荡器、真空干燥室及各种阀装置的开启与闭合，控制脉冲加热装置供热频率，并判断样品表干状态的到达。

本发明还涉及一种测量集料水分吸收率的装置，用于测量集料中的水分吸收率，其包括一负压干燥室，该负压干燥室底部装设一温度传感器，其下部依次装设有一用于对负压干燥室进行脉冲加热的脉冲加热装置和一用于对负压干燥室内物品进行振荡搅拌的振荡器；

负压干燥室上设有气体入口和气体出口，气体入口通过对外连接的大气释放阀装置与外部大气相连通，气体出口经由通气管路依次与真空阀装置、冷凝器及真空泵相连接；

气体出口与真空阀装置间的通气管路上依次装设有一绝对压力传感器和一差分压力传感器，用于监测负压干燥室内的气体压力；

一微处理器，分别与负压干燥室、脉冲加热装置、振荡器、真空泵、差分压力传感器、绝对压力传感器、温度传感器及各阀装置电连接，微处理器用于获取和处理差分压力传感器、绝对压力传感器和温度传感器的信号，控制各种阀装置、冷凝器及振荡器的开启与闭合，控制脉冲加热装置供热频率，并根据压力的变化判断样品表干状态的到达。

所述绝对压力传感器通过一个三通管安装在靠近气体出口位置处的通气管路上，所述差分压力传感器并联于通气管路上，差分压力传感器靠近绝对压力传感器的一端装设一由微处理器控制其开启与闭合的差分压力计阀装置。

所述脉冲加热装置为电脉冲加热装置、油脉冲加热装置或红外线脉冲加热装置。

所述微处理器为美国微软公司生产的，型号为PIC18F452的微处理器。

本发明的工作原理如下：

密闭容器内的气体状态可以由理想气体状态方程描述：PV＝nRT(其中P：密闭容器内的气体压力；V：气体体积；n：密闭容器内的气体的分子摩尔数；R：理想气体常数：8.314472J/mol.K；T：密闭容器内气体的温度)待测集料在密闭容器内的干燥过程可分为四个阶段，起始阶段，表面水分干燥阶段，空隙水分干燥阶段(样品达到表干)，和完全干燥后系统停止。

起始阶段是一个等温过程，密闭容器内的压力变化可用下列公式描述：P1V1＝P2V2＝常数。其中，P1：系统开始时，密闭容器内的压力；V1：密闭容器的体积；P2：起始阶段密闭容器内的瞬时压力；V2：密闭容器的体积加上真空泵抽速和起始后的时间的乘积。

当密闭容器内的压力达到待测集料表面水分的饱和蒸气压时，起始阶段结束，表面水分干燥阶段开始。

表面水分干燥开始后，待测集料表面水分蒸发的水蒸气被真空泵抽出密闭容器。密闭容器内的压力是真空泵抽速，密闭容器体积、密闭容器脉冲加热装置的温度、加热频率，和待测集料表面水分的量的动态平衡的结果。例如表面水分干燥时，使密闭容器内的压力维持在30毫米汞柱(4000Pa)左右。真空泵额定抽速每分钟220毫升，密闭容器内气体的温度设计为300K，水的摩尔数是18，利用理想气体状态方程可以计算出，待测集料的蒸发应维持在每分钟6克。假定80％的加热效率，水每蒸发一克需要2260焦尔能量，则密闭容器脉冲热源的功率应为300瓦。如果想要维持密闭容器内的压力为其它值，可以对参数值做相应调整。通过设计这些参数，可以把密闭容器内的压力维持在想要的值，使得样品在设定的负压状态下进行表面水分干燥。

在表面水分干燥时，待测集料表面的水分会先于空隙里的水分得到干燥。这是由两个原因造成的。

一是样品表面的水分依靠水分子之间的粘附力(cohesion)连接，而在空隙里的水分除了有水分子之间的粘附力(cohesion)以外，还有水分子与空隙壁之间的粘附力(adhesion)所维持。水分在空隙里的压力可由拉普拉斯(Laplace)定律描述：

Pc＝2бcosθ/τ

其中Pc：毛细压力(Capillary Pressure)；б：水的表面张力(surface tension)；θ：水在空隙里的新月型界面和空隙壁之间的夹角；τ：空隙半径。

由于毛细压力所产生的毛细作用，水分停留在空隙内。水和空气的表面张力是72毫牛顿/米(mN/m)。细集料内部空隙的半径在纳米至几百纳米量级。水分在空隙里的毛细压力远远大于大气压力。密闭容器内的真空环境对空隙里的水分的影响很小。实际的空隙并非完全的圆柱体，而是一个不规则的形状和体积。但是，水分在空隙里的毛细压力仍然是一个很大的值，干燥空隙里的水分需要更大的能量。

待测集料表面的水分会先干燥的另一个原因是水的热传导率较低(0.6W/m.k-1)，而热容量(4.18J.cm-3.K-1)和潜热(Latent Heat)较高。在表面水分干燥以前，密闭容器底部热脉冲源所提供的热能量大部分被表面水分所吸收。表面水分相对于空隙里的水分会有更高的温度。而水的饱和蒸气压和水分的温度成指数正比关系(exp(-latentheat/RT))。表面水分相对于空隙里的水分具有更大的饱和蒸气压。水分蒸发的速率取决于饱和蒸气压和环境压力的差。待测集料表面的水分的干燥速率远大于空隙里的水分。在样品达到表干状态前，空隙内部的水分很少蒸发。

为保证空隙内部的水分的温度低于待测集料表面水分的温度，在干燥过程的起始阶段，热脉冲源不供热。由于水分的蒸发消耗大量的热量，待测集料的温度快速冷却，导致空隙内部的水分和表面水分的温度都降低。在待测集料的温度冷却后，再使用热脉冲源提供热能，此时提供的热能大部分被表面水分吸收，从而维持空隙内部的水分在较低的温度。

干燥系统的热力学设计使得密闭容器内的气压随时间的变化能够反映待测集料表面水分的蒸发状态。当待测集料的水分蒸发量大时，负压密闭容器内的气压上升，反之，当材料样品的水分蒸发量小时，则气压下降。因此通过测量密闭容器内的气压变化可以得知材料样品的水分蒸发状况。

当样品取得表干状态前，待测集料表面的水分蒸发量达到最大。密闭容器内的气压随时间的变化也达到最大。当样品取得表干状态后，蒸发量迅速减少，密闭容器内的气压下降。在密闭容器内的气压下降时中断干燥过程，待测集料就达到了表干状态。

集料达到表干状态后，空隙里的水分开始蒸发，但是由于表面张力和低热传导率的原因，空隙水分的蒸发比表面水分的蒸发缓慢。其蒸发速率小于系统取得真空的速率。密闭容器内的气压随时间缓慢下降。直至空隙里的水分完全干燥，密闭容器内的气压停止下降。此时，密闭容器内的气压达到系统的真空极限，表明待测集料完全干燥，系统停止。参见图2所示为一典型的干燥过程中密闭容器内气压随时间的变化曲线图。过程起始0至A是干燥起始阶段，A至B是表面水分干燥过程，B至C是空隙水分干燥过程，C至D阶段为待测集料完全干燥、系统达到其真空极限。如在B点停止干燥，则待测集料既达表干状态。

本发明把集料放在封闭的容器内在负压状态下干燥(也称为真空干燥)。不同于风扇吹干，把潮湿待测集料放在密闭容器内在负压状态下干燥，外部空气的温度，湿度，流动速度，和集料颗粒的接触面积等对干燥的影响都被排除在外。在负压干燥的同时不停顿的振荡容器，从而搅拌待测集料，使得待测集料的表面水分干燥均匀。同时在负压状态下材料样品的表面水分在室温下既可沸腾，沸腾加速蒸发，从而缩短了干燥时间，减少了过程的不确定性。

由于水分蒸发是耗能作用(每克水分蒸发需要2260 Joules热量)，表面水分的蒸发带走了大量的热量，致使待测集料表面水分的温度急剧下降。温度的下降会减缓待测集料表面水分的蒸发。密闭容器的底部装有加热装置，在负压干燥的同时，以热传导及热辐射的方式给密闭容器内的集料供应热能，来补偿水分蒸发消耗的热量。热能以热量脉冲的方式供应给密闭容器内的集料。热能脉冲的频率由温度传感器和微处理器控制，使材料的温度保持在室温25℃-35℃左右。负压干燥时水分蒸发所需的温度远低于在常压下蒸发时所需的温度。在室温下取得表干状态，过程更易于控制。

本发明在负压干燥的同时，使用了一个高功率低温度(不低于300瓦，不高于75摄氏度)脉冲加热装置给容器加热。脉冲加热装置的加热和停止呈周期性变化，脉冲加热的频率不高于0.03赫兹。同时，以振荡器对容器不停顿的进行三维振荡，震荡频率不高于5赫兹。当脉冲加热装置处于加热周期时，集料表面的水分温度迅速提高，水分蒸发加速，使得容器内的压力迅速提升。当脉冲加热装置处于停止加热周期时，由于水分蒸发消耗大量的热量，集料表面的水分温度迅速降低，水分蒸发停止，使得容器内的压力迅速降低。当容器内的集料表面的水分完全蒸发后，既集料表面达到表干状态时，容器内的气体压力开始稳定下降，并且不再随着脉冲加热装置的加热和停止周期而变化。即使用一个高功率低温度脉冲加热装置对容器内的集料表面的水分状态进行扰动，使用压力传感器监测集料表面的水分对脉冲加热装置所施加的扰动的响应。随着集料表面的水分的减少，集料表面的水分对脉冲加热装置所施加的扰动的响应的幅度会逐步减少。当集料表面的水分蒸发完毕，集料表面的水分对脉冲加热装置所施加的扰动的响应消失。此时集料到达表干状态。三维振荡使得脉冲加热装置对集料表面的水分的扰动更加均匀。负压干燥使得对于扰动响应的监测更加灵敏和可靠。

本发明把取得表干状态的过程和表干状态的测量合为一体。在使用负压干燥取得表干状态的同时，实时和连续的测量密闭容器内气体压力的变化来感知材料表面水分蒸发的过程，并且测定集料是否达到表干状态。密闭容器内的压力测量使用两种压力计，绝对压力计和差分压力计，共同监测。差分压力计的测量灵敏度是绝对压力计的十倍，但是，其测量量程只有绝对压力计的十分之一。因此开始时，使用绝对压力计测量干燥室内的压力，当压力接近材料表干状态时的压力时，启动差分压力计。由于其较高的灵敏度，差分压力计能够更精确的指示密闭容器内的压力变化，从而更灵敏的测量集料的表干状态。一旦集料已经达到表干状态，立即自动停止干燥过程。

本发明以微处理器连续监控密闭容器内的气压变化及其速率来得知材料样品表面的蒸发情况，从而测量材料的表干状态。并以密闭容器内的气压变化及其速率来判断待测集料的表干状态，而不是使用某一预先确定的气压值来判断待测集料的表干状态。比用蹋陷测试来判断待测集料的表干状态要精确的多。同时也使得装置不需要标定，可以适用于各种集料颗粒和不同水分状态。

附图说明

图1-A为集料完全干燥下的结构示意图；

图1-B为集料空气干燥下的结构示意图；

图1-C为集料饱和表面干燥下的结构示意图；

图1-D为集料处于湿集料状态结构示意图；

图2为本发明干燥过程中密闭容器内气压随时间变化的曲线图，其中0-A是干燥起始阶段，A-B是表面水分干燥过程，B-C是空隙水分干燥过程，C-D阶段为待测集料完全干燥、系统达到其真空极限阶段；

图3为本发明测量集料水分吸收率的装置结构示意图；

图4为图3中差分压力传感器工作原理示意图；

图5为差分压力计输出压力随时间变化的曲线图。

具体实施方式

以下实施例中所用装置及设备的参数为：

脉冲加热装置，深圳固素伟橡塑制品公司，300瓦；

振荡器，金坛市翔天实验仪器厂，型号HY-4振荡器；

冷凝器，秦皇岛富连京电子有限公司，型号12712；

真空泵，3/4马力(560瓦)，气体抽速每分钟220升，极限真空小于2000Pa。

真空控制阀门，功率10瓦，承受压力1MPa，黄铜或不锈钢阀体。

绝对压力传感器，MPX2100DP，美国弗里司盖半导体公司(Freescale Semiconductor，USA)制造，量程0-0.1MPa，已标定并具有温度补偿。

差分压力传感器，MPX2010DP，美国弗里司盖半导体公司(Freescale Semiconductor，USA)制造，量程0-1KPa，已标定并具有温度补偿。

微处理器采用微软公司(Microchip)的PIC18F452处理器。

通气管道内径为6毫米。

参见图3所示，为一种测量集料水分吸收率的装置，用于测量集料中的水分吸收率，其包括一负压干燥室102，该负压干燥室102底部装设一温度传感器109，负压干燥室102下部依次装设有一用于对负压干燥室102进行脉冲加热的脉冲加热装置111和一用于对负压干燥室102内物品进行振荡搅拌的振荡器110；

负压干燥室102上设有气体入口和气体出口，气体入口通过对外连接的大气释放阀装104置与外部大气相连通，气体出口经由通气管路依次与真空阀装置105、冷凝器103及真空泵101相连接。

气体出口与真空阀装置105间的通气管路上依次装设有一绝对压力传感器106和一差分压力传感器108，用于监测负压干燥室102内的气体压力；绝对压力传感器106通过一个三通管安装在靠近气体出口位置处的通气管路上，所述差分压力传感器108并联于通气管路上，差分压力传感器108靠近绝对压力传感106器的一端装设一由微处理器控制其开启与闭合的差分压力计阀装置107。

本发明装置还包括一微处理器，其分别与负压干燥室102、脉冲加热装置111、振荡器110、真空泵101、差分压力传感器108、绝对压力传感器106、温度传感器及各阀装置电连接，微处理器用于获取和处理差分压力传感器108、绝对压力传感器106和温度传感器的信号，控制各种阀装置、冷凝器103及振荡器110的开启与闭合，控制脉冲加热装置111供热频率，微处理器以压力传感器信号对时间的一阶导数(p₂-p₁)/(t₂-t₁)来处理压力传感器的信号。其中t₁、t₂表示时间，p₁为时刻t₁时的压力传感器信号值，p₂为在时刻t₂时的压力传感器信号值，从而得到压力变化的速率，并根据压力的变化判断样品表干状态的到达，自动停止装置，实现自动控制。

所述脉冲加热装置可以为电脉冲加热装置、油脉冲加热装置或红外线脉冲加热装置。

所述冷凝器采用电热冷却，不需要压缩机和冷凝剂。

以上述装置可进行对集料水分吸收率的测量。测定前设定表面水分干燥时，密闭容器内的压力维持在30毫米汞柱(4000Pa)左右。真空泵额定抽速每分钟220毫升，密闭容器内气体的温度设定为27℃，水的摩尔数是18，利用理想气体状态方程可以计算出，待测集料的蒸发应维持在每分钟6克。假定80％的加热效率，水每蒸发一克需要2260焦尔能量，则密闭容器脉冲热源的功率应为300瓦。由于本发明使用的差分压力传感器的测量范围是0-75毫米汞柱，在绝对压力传感器106的信号低于45毫米汞柱时启动差分压力传感器，差分压力传感器的测量最为精确。因此在绝对压力传感器106的信号低于45毫米汞柱时关闭压力传感器，启动差分压力传感器。

具体操作时，先把待测集料放入烘箱，温度设置摄氏105度，干燥24小时至无水状态，称重并记下重量W1为583.9克，然后放入水中在大气压力或低于大气压力(负压)下浸泡，使集料充分吸收水分。然后，从水中取出待测集料放入离心机甩干多余水分。

从离心机取出的待测集料放入负压干燥室102内，按下启动开关，微处理器关闭大气释放阀门104，启动真空泵101，开始抽取负压干燥室102内的气体，使负压干燥室102内达到低气压(负压)状态。集料表面的水分在低气压下沸腾蒸发，开始干燥过程。从干燥室蒸发的水蒸汽经过冷凝器103，水分沉积在冷凝器里，干燥的空气被真空泵抽出装置以外。冷凝器采用电热冷却(Peltier cooling)，不需要压缩机和冷凝剂，结构紧凑，无需预冷，启动方便。

干燥时，待测集料品表面的水分每蒸发1克需要消耗540千卡的热能，大量热能的流失使得样品里尚待蒸发的水分的温度快速下降。温度的下降使得蒸发的速率降低，延缓干燥过程。为了保证干燥速度，可使用脉冲加热装置111在干燥的同时给负压干燥室102内供热。供热可以是各种方式，电加热，油加热，红外线加热等。温度传感器把测量的样品温度输入微处理器，微处理器通过测得的温度来控制加热过程，使样品保持在25-40℃的温度范围内，不至过热。

微处理器同时还可获取绝对压力传感器106的信号，绝对压力传感器106测量密闭容器内的气压变化，使得微处理器能够实时和连续的检测密闭容器内的气压变化。密闭容器内的气压变化可以感知待测集料的表干状态。为了增加气压测量的精度，在待测集料接近表干状态时，也就是绝对压力传感器106的信号达到45毫米汞柱时，微处理器控制差分压力计阀门107关上，使用差分压力传感器108测量负压干燥室102内的气压值变化。

差分压力传感器108的工作原理如图4所示，干燥开始时，差分压力计阀门107处于开启状态，差分压力传感器108的P2和P1端没有压力差，差分压力传感器108输出信号为零。在绝对压力传感器106达到预定值后，微处理器控制系统关上差分压力计阀门107。差分压力计阀门107关上后，在差分压力传感器108的P2端和差分压力计阀门107之间的管道中的气体的压力值保持在当差分压力计阀门107刚关上时的压力值。此后，系统的压力值仍然在持续变化，这样在差分压力传感器108的P1端和差分P2端就产生了一个压力差。差分压力传感器108通过测量这个压力差来更精细的测量系统的气体压力。使用差分压力传感器108，系统的气体压力的测量精度是绝对压力传感器106的十倍。在当待测集料接近表干状态时，启动差分压力传感器来测量气压的变化，保证了测量精度，可以更好的测得待测集料的表干状态。图5显示的是在取得表干状态的过程中，差分压力传感器输出压力信号的时间变化曲线。差分压力计阀门107在绝对压力传感器106指示是45毫米汞柱时关上。此时差分压力传感器108开始读取负压干燥室102内的气压。图5横轴显示的是时间，纵轴显示的是差分压力传感器输出的信号。差分压力传感器输出信号指示负压干燥室102内的气压。因为差分压力传感器读取的是P1点和P2点的压力差(参见图4)，所以，差分压力传感器108读取的值上升意味着负压干燥室102内的气压下降。

当脉冲加热装置111处于加热周期时，集料表面的水分温度迅速提高，水分蒸发加速，使得负压干燥室102内的压力迅速提升。当脉冲加热装置111处于停止加热周期时，由于水分蒸发消耗大量的热量，集料表面的水分温度迅速降低，水分蒸发减缓，使得负压干燥室102内的压力迅速降低。当负压干燥室102内的集料表面的水分完全蒸发后，既集料表面达到表干状态时，负压干燥室102内的气体压力不再随着脉冲加热装置111的加热和停止周期而变化，开始稳定下降。即当差分压力传感器108读取的数值急剧上升时，也就意味着集料密闭容器内的气压开始快速下降，说明此时干燥过程已达到图2所示B点，此时待测集料表面的水分已完全干燥，待测集料达到表干状态。此时，微处理器停止真空泵101，打开大气释放阀门104，使负压干燥室102内的气压和外部的大气压力平衡，然后打开负压干燥室102取出待测集料。将表干状态下的待测集料称重。此重量既是待测集料的表干状态重量W2 587.8克。以公式V＝(W2-W1)/W1*100％计算得出集料水分吸收率为0.67％。

也可先不对待测集料进行烘干处理，直接浸泡至水分饱和放入装置中进行干燥，测得表干状态重量W2’587.8克后，再将待测集料再放入负压干燥室102内，继续干燥至无水状态称重。然后用V＝(W2’-W1)/W1*100％计算得出集料水分吸收率为0.67％。

当然，也可以不采用微处理器进行全程控制，而采用人工或其他的监控方式记录压力及温度的变化，根据压力变化状况手动关闭或开启各装置。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限定。凡本领域的技术人员利用本发明的技术方案对上述实施例做出的任何等同的变动、修饰或演变等，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种测量集料水分吸收率的方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)将待测集料在105℃条件下干燥24小时至无水状态，称重得到待测集料完全干燥时的重量W1；

(2)将待测集料在水中浸泡至充分吸收水分，然后将其置于一密闭容器内，使用脉冲加热装置控制温度在25-40℃，抽取容器内的气体使容器处于负压状态，实现对集料的负压干燥，同时监测容器内气体压力变化，当容器内的气体压力不再随着脉冲热源的加热和停止周期而变化并且开始稳定下降时停止干燥过程，此时集料表面即达到表干状态，取出待测集料称重得到待测集料表干状态时重量W2；

(3)通过公式V＝(W2-W1)/W1*100％计算得出集料水分吸收率。

2.一种测量集料水分吸收率的方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)将待测集料在水中浸泡至充分吸收水分，然后将其置于一密闭容器内，使用脉冲加热装置将温度控制在25-40℃，抽取容器内的气体使容器处于负压状态，实现对集料的负压干燥，同时监测容器内气体压力变化，当容器内的气体压力不再随着脉冲热源的加热和停止周期而变化并且开始稳定下降时停止干燥过程，此时集料表面即达到表干状态，取出待测集料称重得到待测集料表干状态时重量W2；

(2)称重后的待测集料继续置于密闭容器内继续进行恒温负压干燥，同时监测容器内气体压力的变化，待容器内气体压力恒定、不再变化时，集料完全干燥，取出称重得到集料完全干燥时重量W1；

(3)通过公式V＝(W2-W1)/W1*100％计算得出集料水分吸收率。

3.根据权利要求1或2所述的测量集料水分吸收率的方法，其特征在于：

所述密闭容器为带有大气释放阀装置的负压干燥室。

4.根据权利要求1或2所述的测量集料水分吸收率的方法，其特征在于：

采用真空泵抽取容器内气体，并在真空泵前设置冷凝器回收水分。

5.根据权利要求1或2所述的测量集料水分吸收率的方法，其特征在于：

采用绝对压力传感器和差分压力传感器监控容器内气体压力，绝对压力传感器进行粗监测，在压力接近材料表干状态时启动差分压力传感器进行精细监测。

6.根据权利要求1或2所述的测量集料水分吸收率的方法，其特征在于：

所述脉冲加热装置的加热频率低于0.03赫兹，保持样品温度小于35℃；且在进行负压干燥时，以振荡器对容器进行三维振荡搅拌，振荡频率低于5赫兹。

7.根据权利要求1或2所述的测量集料水分吸收率的方法，其特征在于：

通过微处理器获取差分压力传感器、绝对压力传感器和脉冲加热装置上的温度传感器的信号，进而实现以微处理器控制冷凝器、振荡器、真空干燥室及各种阀装置的开启与闭合，控制脉冲加热装置供热频率，并判断样品表干状态的到达。

8.一种测量集料水分吸收率的装置，用于以上述方法测量集料的水分吸收率，其特征在于：

包括一负压干燥室，该负压干燥室底部装设一温度传感器，其下部依次装设有一用于对负压干燥室进行脉冲加热的脉冲加热装置和一用于对负压干燥室内物品进行振荡搅拌的振荡器；

负压干燥室上设有气体入口和气体出口，气体入口通过对外连接的大气释放阀装置与外部大气相连通，气体出口经由通气管路依次与真空阀装置、冷凝器及真空泵相连接；

气体出口与真空阀装置间的通气管路上依次装设有一绝对压力传感器和一差分压力传感器，用于监测负压干燥室内的气体压力；

一微处理器，分别与负压干燥室、脉冲加热装置、振荡器、真空泵、差分压力传感器、绝对压力传感器、温度传感器及各阀装置电连接，用于获取和处理差分压力传感器、绝对压力传感器和温度传感器的信号，控制各种阀装置、冷凝器及振荡器的开启与闭合，控制脉冲加热装置供热频率，并根据压力的变化判断样品表干状态的到达。

9.根据权利要求8所述的测量集料水分吸收率的装置，其特征在于：

所述绝对压力传感器通过一个三通管安装在靠近气体出口位置处的通气管路上，所述差分压力传感器并联于通气管路上，差分压力传感器靠近绝对压力传感器的一端装设一由微处理器控制其开启与闭合的差分压力计阀装置。

10.根据权利要求8或9所述的测量集料水分吸收率的装置，其特征在于：

所述脉冲加热装置为电脉冲加热装置、油脉冲加热装置或红外线脉冲加热装置。

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