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1. 研究目的与意义（文献综述）
水在混凝土力学性能的各个阶段都发挥着重要作用。在施工配合比阶段，砂石的含水量会极大影响着混凝土强度的产生，在一定条件下，水的含量增加，混凝土强度就降低，水的缺少也会不利于混凝土发育时水化过程，严重影响后期强度的提高。所以严格控制用水量是控制预拌混凝土质量的关键。然而混凝土骨料就地取材、露天生产、易受环境影响的特点以及目前骨料含水率通常采用取样烘干后检测含水率的办法，存在取样不均、试验时间长、结果滞后的问题，难以保证混凝土实际用水量、骨料用量与设计用量相吻合，也未能实现动态监控和调整，不利于实现混凝土质量的严格受控。因此，实现预拌混凝土含水率在线检测显得尤为重要。
目前国际上通用的骨料含水率在线检测方法主要有电阻法、中子法、电容法、红外线法和微波法。
（1）电阻法是利用被测物料的电阻会其含水率的变化而变化，通过测量样本物料的电导率便可间接反映出物料的含水率，但样本的测量电阻值较大，易受温度、样本密实度等因素影响，所得到的测量信号很弱，测量精度不高，故应用率不高。
2. 研究的基本内容与方案
2.1 基本内容及研究目标
①研究含水混凝土骨料介电特性，设计骨料介电常数检测方法以及微波透射检测装置；②对骨料的不同含水率的样品，进行介电常数测定，采用烘干法确定骨料真实含水率；
③通过实验数据分析确定含水骨料介电系数-含水率的数学模型，同时对模型进行校验；
2.2 技术方案
水是极性分子, 在微波电场中 ,水分子受到场的 作用而发生取向极化 :一方面 ,不断从电场中得到能 量而转换为水分子的势能并存贮起来, 储存能量用ε′度量;另一方面, 由于水分子具有惰性 ,取向极化运动相对于外电场的变化存在一个时间上的滞后 , 称为弛豫, 弛豫的宏观效果使水分子产生损耗 ,这种损耗意味着水分子又不断地释放能量, 释放能量用ε″度量. 前者表现为对微波信号的相移 ,后者表现为对微波信号的衰减, 这一特性可表示为： 。
I．骨料介电特性参数测定方法
实验将采用微波透射法，在骨料含水率为0-10%、温度10-30℃的条件下，将高频发射和接收天线置于样品盒两侧，使天线到样品盒表面距离约为一个波长（减少信号反射），通过高频电路设计，使用频谱仪和示波器测量透过骨料微波信号的衰减与相移，从而得出骨料的ε′与ε″。电路设计图如下 ：
该电路通过微波信号源发射高频信号，信号通过隔离器，阻止信号反射，提高信号有效发射功率。之后通过功分器，从端口1、2输出两个相同的信号V1与V2，V1作为参考信号，V2连接到IQ混频器，IQ混频器将基带信号VB与载波信号V2混合，将混合信号VC送入发射天线，发射天线发射电磁波穿透骨料，并由接收天线接收穿透后的信号。
| V2 = AcoswCt | （1） |
| VB = BcoswBt | （2） |
VC = cos[(wB wC)t] （3）
其中：wC = 2πfC（fC为高频信号），wB = 2πfB (fB为基带波源的低频信号)。
透过骨料的微波由于经过传输中损耗，通过放大器放大后，高频信号VRF,in被送入IQ解调器中，用频谱仪和示波器将解调出的VQ、VI与VB对比，得到相应的衰减与相移。LO端与RF端信号分别为VLO与 VRF,in，表达式如下：
| , = ′ cos[( ) ] | （4） |
| = cost | （5） |
经过IQ解调器的解调出的VQ与VI信号互为正交低频信号，如式6与式7所示， 其中VQ与LO信号同相，VI信号与LO信号正交。微波信号在穿透细骨料时会产生相移，设相位与VB信号的相位差为。
| = cos(t ) | （6） |
| = sin( ) | （7） |
式中VRF为信号的峰值，信号的衰减与相移是微波辐射低含水率与高含水率骨料时信号强度与相角的差值，示波器可以测量由IQ解调器调制后的基带信号电压与相角，频谱仪则用来分析电路中各单元的信号频率，测量损耗并校准信号等。
由示波器测出信号衰减的电压值，由式8、9计算得出：
| A = ,() ,0() | （8） |
| PRF= | （9） |
其中A为微波穿透骨料的信号衰减值，PRF,h代表骨料高含水率时的信号强度，PRF,0 代表干骨料时的信号强度，R代表高频电路的输入电阻。
相移的测量是确定骨料含水率的关键，实验中要使骨料的厚度小于微波的波长，由于微波的波长较短，穿透力较差，样品太厚会导致微波信号发生反射从而影响实验结果。此外，由S.Trabelsi提出的解决相位模糊的办法，通过衰减和相移的计算结果和物质介电常数比较，确定n值（正整数），对相移结果进行一定的相位补偿，如式10所示：
| Δ = S – 0 – 2πn | （10） |
介电常数ε′与介电损耗ε″可由式11与式12来计算。
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| （11） |
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| （12） |
其中c为光速，d为骨料厚度，f为微波信号频率。
II．含水率测试
骨料含水率由标准烘箱干燥法测量，以骨料的干基百分比来定义，如式13所示,骨料的密度等于骨料与水的质量之和与其体积的比值，如式14所示。
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| （13） |
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| （14） |
和 分别代表了水与骨料的质量， 代表了潮湿细骨料的总体积。温度通常由温度计、热电偶或热敏电阻设备测量，实验中通过定容法，测量不同含水率下细骨料的质量，从而计算其密度。
III．介电特性与含水率关系实验探究
S.Trabelsi提出的一种无损检测中与密度无关的函数ψ，揭示了不同温度、密度下介电特性与含水率的关系，如式15、16所示。
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| （15） |
| ψ = aM bT c | （16） |
式15中，af可由测量得到的ε′/ρ与ε″/ρ线性拟合，根据拟合曲线斜率确定；式16中，M为含水率、T为温度；a、b、c为拟合常数。
实验中，在不同温度下（10-30℃）配制0-10%含水率的细骨料（砂子），分为11组（每组含水率差值1%），根据Ⅰ、Ⅱ所述分别测试出ε′、ε″、ρ，确定af 值，进而求得ψ。在ψ已知的情况下，将ψ、M、T进行拟合得出a、b、c的值，从而反解出ψ，可从公式（17）获得水分校准公式：
| M（%）= | （17） |
为了分析微波法实际应用的准确性，取相同样品通过微波法与标准烘干法进行同步检测并对比分析。微波法的均方根误差 RMSE可由式18计算得到，由此检验微波法的准确性。
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| （18） |
式中 为微波法预测值， 为标准烘干法实际值，m为样品数量。
3. 研究计划与安排
第1－3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告。
第4－5周：设计骨料介电常数检测方法和微波检测装置。
第6－8周：对不同含水率骨料介电常数测试。
4. 参考文献（12篇以上）
[1] 于丽波,董浩.骨料含水状态对混凝土配合比设计的影响[j].工程建设与设计,2017(01):156-15.
[2] 楼梁伟,朱长华,何龙,等.骨料含水率在线检测系统开发与应用[j].铁道建筑,2016(01):92-95.
[3] 刘侃,李碧雄.介电常数常用测量方法综述[j].科技经济导刊,2019,27(14):56-57.
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