CN114324056A - 一种微波炉在测试土壤含水率中的应用以及土壤含水率的检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及土壤含水率测试技术领域，具体涉及一种微波炉在测试土壤含水率中的应用以及土壤含水率的检测方法。采用微波炉烘烤待测土样，然后计算所述待测土样的含水率，利用现有的普通家用电器微波炉烘干土壤，代替规范中标准土工试验中的烘箱，微波炉大大减少了烘干的时间，显著提高了作业效率，可作为一种提高土的含水率检测试验效率的方法进行推广。该土壤含水率的检测方法，包括如下步骤：待测土样采样，备用；称取至少一组待测土样，每组待测土样的重量均为50‑500g，记录其初始重量；对各组待测土样采用微波炉烘干，记录其烘干后的重量；计算各组待测土样的含水率，其检测方法操作简单、适于快速检测。
Description
技术领域
本发明涉及土壤含水率测试技术领域，具体涉及一种微波炉在测试土壤含水率中的应用以及土壤含水率的检测方法。
背景技术
地基土的含水率过高时，地基的承载力低，不能压实，后期沉降大，对上部建筑物的稳定性、安全性有严重的影响。
含水率是土的基本物理指标之一。现行测定的黄土含水率方法一般采用烘箱烘干土样，适用于粗细土、细粒土、有机质土和冻土，是测定土含水率的标准方法。烘干时间对不同土质要求不同。依据《土工试验方法标准GB/T 50123-2019》中第5项含水率试验的相关规定，烘箱在105～110℃恒温下，砂类土烘干时间不得少于6h，黏性土不得少于8h。由于烘箱体积和重量都较大，且测定时间较长，检测试验效率低。
微波炉是一台普通的家用电器，广泛应用于家庭的食品加热。相对于烘箱，微波炉具有体积小、重量轻、搬运方便的特点，但是目前微波炉烘干法未建立标准规范，具体使用方法、应用条件和相关注意事项没有统一标准。
目前，测定土的含水率的方法主要有烘干法、酒精燃烧法、比重计法、碳酸钙气压法等。室内土的含水率检测主要采用烘箱烘干法，这种方法需要的烘干时间比较长，检测效率较低。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种微波炉在测试土壤含水率中的应用，利用现有的普通家用电器微波炉烘干土壤，代替规范中标准土工试验中的烘箱，微波炉大大减少了烘干的时间，显著提高了作业效率，可作为一种提高土的含水率检测试验效率的方法进行推广。
本发明的另一目的在于提供一种土壤含水率的检测方法，该检测方法操作简单，控制方便，检测效率高，可用于快速检测；相比烘箱烘干土壤的方法，采用微波炉烘干土壤的方法具有更高效、更便捷的优势。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种微波炉在测试土壤含水率中的应用，采用微波炉烘烤待测土样，然后计算所述待测土样的含水率。
优选的，所述微波炉为光波微波炉，输出功率为700-1000W。
优选的，所述待测土样的含水率的计算公式为：ω＝(m0/ms-1)×100％，式中：ω为含水率，单位为％；m0为待测土样的初始重量，单位为g；ms为待测土样经微波炉烘烤后的重量，单位为g；计算精确至0.1％。
优选的，所述待测土样取自II类土，且有机物含量低于5wt％。
本发明的另一目的通过下述技术方案实现：
一种土壤含水率的检测方法，包括如下步骤：
(S1)、待测土样采样，备用；
(S2)、称取至少一组待测土样，每组待测土样的重量均为50-500g，记录其初始重量；
(S3)、对各组待测土样采用微波炉烘干，记录其烘干后的重量；
(S4)、计算各组待测土样的含水率。
优选的，所述微波炉为光波微波炉，输出功率为700-1000W。
优选的，所述待测土样的含水率的计算公式为：ω＝(m0/ms-1)×100％，式中：ω为含水率，单位为％；m0为待测土样的初始重量，单位为g；ms为待测土样经微波炉烘烤后的重量，单位为g；计算精确至0.1％。
优选的，每组待测土样的重量均为50-200g，所述微波炉的烘干时间为30-120min。
采用上述技术方案，待测土样的重量越重，烘干时间越长，以便于避免烘干时间过长导致有机物挥发而造成含水率偏差较大；进一步地，所述微波炉烘干15min后，应当每隔8-12min记录一次待测土样的重量数据，若相邻两组数据结果相同，则结束烘干，记为待测土样经微波炉烘烤后的重量。
优选的，所述待测土样取自II类土，且有机物含量低于5wt％。
本发明的有益效果在于：本发明的微波炉在测试土壤含水率中的应用，利用现有的普通家用电器微波炉烘干土壤，代替规范中标准土工试验中的烘箱，微波炉大大减少了烘干的时间，显著提高了作业效率，可作为一种提高土的含水率检测试验效率的方法进行推广。
本发明的土壤含水率的检测方法，该检测方法操作简单，控制方便，检测效率高，可用于快速检测；相比烘箱烘干土壤的方法，采用微波炉烘干土壤的方法具有更高效、更便捷的优势。
附图说明
图1是本发明性能对比I中的3号与4号试样含水率随时间变化图；
图2是本发明性能对比I中的5号与6号试样含水率随时间变化图；
图3是本发明性能对比II中的3号与4号试样含水率随时间变化图；
图4是本发明性能对比II中的5号与6号试样含水率随时间变化图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例及附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
在本申请一种典型的实施方式中，提供了一种微波炉在测试土壤含水率中的应用，采用微波炉烘烤待测土样，然后计算所述待测土样的含水率。
在一个实施例中，所述微波炉为光波微波炉，输出功率为700-1000W，优选为750-900W，更优选为800-900W。
在一个实施例中，所述待测土样的含水率的计算公式为：ω＝(m0/ms-1)×100％，式中：ω为含水率，单位为％；m0为待测土样的初始重量，单位为g；ms为待测土样经微波炉烘烤后的重量，单位为g；计算精确至0.1％。
在一个实施例中，所述待测土样取自II类土，且有机物含量低于5wt％。
在本申请另一种典型的实施方式中，提供了一种土壤含水率的检测方法，包括如下步骤：
(S1)、待测土样采样，备用；
(S2)、称取至少一组待测土样，每组待测土样的重量均为50-500g，记录其初始重量；
(S3)、对各组待测土样采用微波炉烘干，记录其烘干后的重量；
(S4)、计算各组待测土样的含水率。
在一个实施例中，所述微波炉为光波微波炉，输出功率为700-1000W。
在一个实施例中，所述待测土样的含水率的计算公式为：ω＝(m0/ms-1)×100％，式中：ω为含水率，单位为％；m0为待测土样的初始重量，单位为g；ms为待测土样经微波炉烘烤后的重量，单位为g；计算精确至0.1％。
在一个实施例中，每组待测土样的重量均为50-200g，所述微波炉的烘干时间为30-120min，优选地，所述微波炉烘干15min后，应当每隔8-12min记录一次待测土样的重量数据，若相邻两组数据结果相同，则结束烘干，记为待测土样经微波炉烘烤后的重量。
在一个实施例中，所述待测土样取自II类土，且有机物含量低于5wt％。
性能对比I
试样制作：取1000g粘性土(干试样土，坚实系数为0.6-0.8，密度为1100-1600kg/m3，有机物含量低于5wt％)，加水350ml，在20±2℃、相对湿度60±5％的环境下进行充分均匀拌合后，分成6组试样，每组试样取重量为135g，编号1、2、3、4、5、6。
将上述编号的试样分别放入称量盒内，盖好盒盖，称量湿土质量，再揭开盒盖，将两组试验放入烘箱中，设置温度为105℃，先烘8个小时，测定其含水率，后面按照每0.5个小时测定一次；将其余四组试样分别放入两个(格兰仕微波炉，电源电压为220V/50Hz，输入功率为1400W，输出功率为900W)相同型号的微波炉中，调到光波档位，对其进行光波烘干，其中两组12分钟记录一次，另外两组4分钟记录一次。
测试过程：
将1号与2号试样在烘箱达到105℃后，开始计时，分别在统计第8、8.5、9···、n、(n+0.5)个小时的重量，直至相邻两组数据结果相同。计算其含水率，计算结果如下表所示：
| 时间(h) | 1号试样含水率(％) | 2号试样含水率(％) |
| 8 | 32.3 | 31.7 |
| 8.5 | 32.5 | 32 |
| 9 | 32.5 | 32 |
由上表可知，1号和2号的含水率分别为32.5％、32.0％，平均含水率为32.3％。
将3号与4号试样放入微波炉中，微波炉调制为光波频率，输入功率为1400W，输出功率为900W，每隔12分钟记录一次试验数据，直至相邻两组数据结果相同。计算其含水率，并绘制采用微波炉测定含水率随时间变化图(如图1所示)，计算结果如下表所示：
| 时间(min) | 3号试样含水率(％) | 4号试样含水率(％) |
| 12 | 4.3 | 3.6 |
| 24 | 8.8 | 8.9 |
| 36 | 13.7 | 18 |
| 48 | 20.6 | 25.2 |
| 60 | 26.1 | 29.3 |
| 72 | 29.6 | 32.3 |
| 84 | 31.1 | 32.6 |
| 96 | 31.2 | 32.7 |
由上表可知，3号和4号的含水率分别为31.2％、32.7％，平均含水率为32.0％。由图1可知，含水率的变化率随着时间变化，逐渐变缓，最后稳定。
将5号与6号试样放入微波炉中，微波炉调制为光波频率，输入功率为1400W，输出功率为900W，每隔4分钟记录一次试验数据，直至相邻两组数据结果相同。计算其含水率，并绘制采用微波炉测定含水率随时间变化图(如图2所示)，计算结果如下表所示：
| 时间(min) | 5号试样含水率(％) | 6号试样含水率(％) |
| 4 | 0.9 | 0.5 |
| 8 | 2.6 | 1.2 |
| 12 | 4.8 | 2.2 |
| 16 | 7.1 | 3.3 |
| 20 | 9.3 | 4.1 |
| 24 | 10.6 | 4.6 |
| 28 | 12.6 | 5.8 |
| 32 | 15.3 | 7.3 |
| 36 | 17 | 9.2 |
| 40 | 18.6 | 10.9 |
| 44 | 19.9 | 12.9 |
| 48 | 21.6 | 14.5 |
| 52 | 23.6 | 16.3 |
| 56 | 25.5 | 18.2 |
| 60 | 27 | 19.6 |
| 64 | 28.6 | 21.3 |
| 68 | 29.8 | 22.7 |
| 72 | 30.1 | 25.7 |
| 76 | 30.6 | 28 |
| 80 | 31 | 29.8 |
| 84 | 31.4 | 30.5 |
| 88 | 31.8 | 30.9 |
| 92 | 32.1 | 31.2 |
| 96 | 32.1 | 31.3 |
由上表可知，5号和6号的含水率分别为32.1％、31.3％，平均含水率为31.7％。由图2可知，前期，含水率与时间几乎成正比，到一定时间，含水率变化率很快降低，直至最后变化率稳定，含水率变化率降为0。
综上所述，在烘干效率上，采用烘箱在105℃温度下烘干，试样烘干时间消耗9个小时；采用光波微波炉烘干，在烘干档位为光波、输入功率为1400W、输出功率为900W的情况下，试样最长消耗了96分钟，光波微波炉的烘干效率是烘箱的5.62倍。
在检测精度上，微波炉法(每隔12分钟)与标准土工试验结果的相对误差为0.9％，微波炉法(每隔4分钟)与标准土工试验结果的相对误差为1.7％，两组试验的相对误差均小于规范规定的最大试验误差2％；而每隔4分钟的试验效果相对误差较大，有可能是试验过程中，频繁的记录造成烘干效果略差，但小于规范规定的最大试验误差2％。
以上两点说明光波微波炉方法可行，具有更高效、更便捷的优势，可用于快速检测。后续的微波炉的试验效率可以提高数倍，可以根据效率，直接对该类土进行微波炉时间设置，测定含水率；优选地，所述微波炉烘干15min后，应当每隔8-12min记录一次待测土样的重量数据，若相邻两组数据结果相同，则结束烘干，记为待测土样经微波炉烘烤后的重量。
性能对比II
基于上述的性能对比I的经验总结，对试样以及测试过程做如下调整：
试样制作：取1000g粘性土(干试样土，坚实系数为0.6-0.8，密度为1100-1600kg/m3，有机物含量低于5wt％)，加水500ml，在20±2℃、相对湿度60±5％的环境下进行充分均匀拌合后，分成6组试样，每组试样取重量为135g，编号1、2、3、4、5、6。
将上述编号的试样分别放入称量盒内，盖好盒盖，称量湿土质量，再揭开盒盖，将两组试验放入烘箱中，设置温度为105℃，先烘9个小时，测定其含水率，后面按照每0.5个小时测定一次；将其余四组试样分别放入两个(格兰仕微波炉，电源电压为220V/50Hz，输入功率为1400W，输出功率为900W)相同型号的微波炉中，调到光波档位，对其进行光波烘干，其中两组先烘15min，后面每隔12min记录一次待测土样的重量数据，另外两组先烘15min，后面每隔8min记录一次待测土样的重量数据。
测试过程：
将1号与2号试样在烘箱达到105℃后，开始计时，分别在统计第9、9.5、10···、n、(n+0.5)个小时的重量，直至相邻两组数据结果相同。计算其含水率，计算结果如下表所示：
| 时间(h) | 1号试样含水率(％) | 2号试样含水率(％) |
| 9 | 43.5 | 44.9 |
| 9.5 | 45.1 | 46.3 |
| 10 | 46.3 | 47 |
| 10.5 | 46.8 | 47.4 |
| 11 | 47.1 | 47.4 |
| 11.5 | 47.1 | / |
由上表可知，1号和2号的含水率分别为47.1％、47.4％，平均含水率为47.3％。
将3号与4号试样放入微波炉中，微波炉调制为光波频率，输入功率为1400W，输出功率为900W，先烘15min，后面每隔12min记录一次待测土样的重量数据，直至相邻两组数据结果相同。计算其含水率，并绘制采用微波炉测定含水率随时间变化图(如图3所示)，计算结果如下表所示：
| 时间(min) | 3号试样含水率(％) | 4号试样含水率(％) |
| 15 | 14.8 | 15.2 |
| 27 | 21.2 | 21.5 |
| 39 | 28.5 | 29.1 |
| 51 | 35.9 | 36.7 |
| 63 | 41.6 | 43.5 |
| 75 | 44.1 | 46.7 |
| 87 | 46.5 | 47.5 |
| 99 | 47.2 | 47.5 |
| 111 | 47.2 | / |
由上表可知，3号和4号的含水率分别为47.2％、47.5％，平均含水率为47.4％。由图3可知，含水率的变化率随着时间变化，逐渐变缓，最后稳定。
将5号与6号试样放入微波炉中，微波炉调制为光波频率，输入功率为1400W，输出功率为900W，先烘15min，后面每隔8min记录一次待测土样的重量数据，直至相邻两组数据结果相同。计算其含水率，并绘制采用微波炉测定含水率随时间变化图(如图4所示)，计算结果如下表所示：
| 时间(min) | 5号试样含水率(％) | 6号试样含水率(％) |
| 15 | 15.3 | 14.6 |
| 23 | 18.5 | 18 |
| 31 | 23.2 | 22.6 |
| 39 | 27.4 | 26.9 |
| 47 | 31.9 | 31.6 |
| 55 | 36.6 | 36 |
| 63 | 41.8 | 40.2 |
| 71 | 44.5 | 43.3 |
| 79 | 45.7 | 44.5 |
| 87 | 46.1 | 45.3 |
| 95 | 46.8 | 46.8 |
| 103 | 46.8 | 47 |
| 111 | / | 47 |
由上表可知，5号和6号的含水率分别为46.8％、47％，平均含水率为46.9％。由图4可知，前期，含水率与时间几乎成正比，到一定时间，含水率变化率很快降低，直至最后变化率稳定，含水率变化率降为0。
综上所述，在烘干效率上，采用烘箱在105℃温度下烘干，试样烘干时间最长消耗11.5h；采用光波微波炉烘干，在烘干档位为光波、输入功率为1400W、输出功率为900W的情况下，试样最长消耗111min，光波微波炉的烘干效率是烘箱的6.22倍。
在检测精度上，微波炉法(先烘15分钟再每次烘12分钟)与标准土工试验结果的相对误差为0.2％，微波炉法(先烘15分钟再每次烘8分钟)与标准土工试验结果的相对误差为0.7％，两组试验的相对误差均小于规范规定的最大试验误差2％。
上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本发明构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种微波炉在测试土壤含水率中的应用，其特征在于：采用微波炉烘烤待测土样，然后计算所述待测土样的含水率。
2.根据权利要求1所述的一种微波炉在测试土壤含水率中的应用，其特征在于：所述微波炉为光波微波炉，输出功率为700-1000W。
3.根据权利要求1所述的一种微波炉在测试土壤含水率中的应用，其特征在于：所述待测土样的含水率的计算公式为：ω＝(m0/ms-1)×100％，式中：ω为含水率，单位为％；m0为待测土样的初始重量，单位为g；ms为待测土样经微波炉烘烤后的重量，单位为g；计算精确至0.1％。
4.根据权利要求1所述的一种微波炉在测试土壤含水率中的应用，其特征在于：所述待测土样取自II类土，且有机物含量低于5wt％。
5.一种土壤含水率的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
(S1)、待测土样采样，备用；
(S2)、称取至少一组待测土样，每组待测土样的重量均为50-500g，记录其初始重量；
(S3)、对各组待测土样采用微波炉烘干，记录其烘干后的重量；
(S4)、计算各组待测土样的含水率。
6.根据权利要求5所述的一种土壤含水率的检测方法，其特征在于：所述微波炉为光波微波炉，输出功率为700-1000W。
7.根据权利要求5所述的一种土壤含水率的检测方法，其特征在于：所述待测土样的含水率的计算公式为：ω＝(m0/ms-1)×100％，式中：ω为含水率，单位为％；m0为待测土样的初始重量，单位为g；ms为待测土样经微波炉烘烤后的重量，单位为g；计算精确至0.1％。
8.根据权利要求5所述的一种土壤含水率的检测方法，其特征在于：每组待测土样的重量均为50-200g。
9.根据权利要求8所述的一种土壤含水率的检测方法，其特征在于：所述微波炉的烘干时间为30-120min。
10.根据权利要求5所述的一种土壤含水率的检测方法，其特征在于：所述待测土样取自II类土，且有机物含量低于5wt％。
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