谷浩

（馬鞍山市合美新型建材有限公司）

0 引言

礦渣粉是由高爐冶煉生鐵時(shí)經(jīng)處理的副產(chǎn)品水渣磨細(xì)而成，廣泛應(yīng)用于水泥、砂漿與混凝土中。隨著近年來(lái)礦渣粉的產(chǎn)量和利用量的不斷增加，質(zhì)量問(wèn)題在礦渣粉行業(yè)發(fā)展中越來(lái)越突出。生產(chǎn)企業(yè)保證礦渣粉品質(zhì)，首先要控制礦渣粉生產(chǎn)的細(xì)度，即礦渣粉比表面積。而在礦渣粉比表面積檢驗(yàn)過(guò)程中，如果操作出現(xiàn)問(wèn)題或出現(xiàn)某一影響因素，都將造成試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差，無(wú)法真實(shí)指導(dǎo)生產(chǎn)，導(dǎo)致能耗增加，降低公司效益，且質(zhì)量無(wú)法保證。為了提高試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)測(cè)定的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析研究，能夠發(fā)現(xiàn)在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，有部分因素會(huì)直接影響礦渣粉比表面積試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 檢測(cè)依據(jù)、原理、數(shù)學(xué)模型

1.1 檢測(cè)依據(jù)

密度測(cè)定按照GB/T 208-2014《水泥密度測(cè)定方法》進(jìn)行；比表面積測(cè)定按照GB/T 8074-2008《水泥比表面積測(cè)定方法勃氏法》進(jìn)行。

1.2 方法原理

勃氏法主要是根據(jù)一定量的空氣通過(guò)具有一定空隙率和固定厚度的水泥層時(shí)，所受阻力不同而引起流速的變化來(lái)測(cè)定水泥比表面積。在一定空隙率的水泥層中，孔隙的大小和數(shù)量是顆粒尺寸的函數(shù)，同時(shí)也決定了通過(guò)料層的氣流速度[1]。

1.3 數(shù)學(xué)模型

試樣量按式⑴計(jì)算：

m——需要的試樣量；

ρ——試樣密度；

V——試料層體積，按JC/T 956 測(cè)定；

ε——試料層空隙率。

被測(cè)試樣比表面積可按式⑵計(jì)算：

式⑵中：

S——被測(cè)試樣的比表面積；

Ss——標(biāo)準(zhǔn)樣品的比表面積；

T——被測(cè)試樣試驗(yàn)時(shí)，壓力計(jì)中液面降落測(cè)得的時(shí)間；

Ts——標(biāo)準(zhǔn)樣品試驗(yàn)時(shí)，壓力計(jì)中液面降落測(cè)得的時(shí)間；

η——被測(cè)試樣試驗(yàn)溫度下的空氣粘度；

ηs——標(biāo)準(zhǔn)樣品試驗(yàn)溫度下的空氣粘度；

ε——被測(cè)試樣試料層中的空隙率；

εs——標(biāo)準(zhǔn)樣品試料層中的空隙率；

ρ——被測(cè)試樣的密度；

ρs——標(biāo)準(zhǔn)樣品的密度。

式⑵可簡(jiǎn)化為：

式⑶中：K 為儀器標(biāo)定時(shí)相關(guān)常數(shù)。根據(jù)GB/T 8074 規(guī)定，儀器校準(zhǔn)采用GSB 14-1511 水泥細(xì)度和比表面積標(biāo)準(zhǔn)樣品，而GB/T 18046 規(guī)定校準(zhǔn)按GB/T 8074 進(jìn)行，但標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)采用GSB 08-3387 ?；郀t礦渣粉細(xì)度和比表面積標(biāo)準(zhǔn)樣品[2]。礦渣粉與水泥相比，兩者粒度范圍、顆粒分布和物料性質(zhì)差距較大，建議礦渣粉企業(yè)采用?；郀t礦渣粉細(xì)度和比表面積標(biāo)準(zhǔn)樣品[3]。

分析式⑶，下文主要從密度、溫濕度以及空隙率方面探討對(duì)礦渣粉比表面積試驗(yàn)結(jié)果的影響。

2 影響因素及分析

2.1 密度測(cè)定對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

結(jié)合式⑴和式⑶，試樣量和比表面積結(jié)果計(jì)算均需要密度數(shù)值，密度對(duì)試驗(yàn)有雙重影響，密度測(cè)定結(jié)果直接影響比表面積測(cè)定結(jié)果。當(dāng)空隙率為0.500 時(shí)，影響系數(shù)為1.50；當(dāng)空隙率為0.530 時(shí)，影響系數(shù)為1.33[4]。為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，應(yīng)嚴(yán)格按照GB/T 208-2014的要求，保證兩次測(cè)定結(jié)果差值不大于0.02g/cm3。

2.2 溫度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

溫度分為待測(cè)樣品溫度和試驗(yàn)環(huán)境溫度，GB/T 8074-2008 規(guī)定，樣品先通過(guò)0.9mm 方孔篩，再在110℃下烘干1h，并在干燥器中冷卻至室溫。

2.2.1 待測(cè)樣溫度

根據(jù)分子熱運(yùn)動(dòng)觀點(diǎn)，溫度越高，熱運(yùn)動(dòng)越劇烈，試料層顆粒之間阻力較大，空氣透過(guò)通過(guò)固定厚度試料層時(shí)間變長(zhǎng)。日常試驗(yàn)中，礦渣粉出磨取樣后應(yīng)當(dāng)?shù)仍嚇永鋮s至室溫，方可進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2.2 環(huán)境溫度

GB/T 8074 未對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度做定量規(guī)定。試驗(yàn)時(shí)溫度與校準(zhǔn)溫度之差≤3℃時(shí)，可忽略溫度因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響；試驗(yàn)時(shí)溫度與校準(zhǔn)溫度之差＞3℃時(shí)，應(yīng)考慮空氣粘度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，見(jiàn)式⑵。

式⑵可簡(jiǎn)化為：

取系數(shù)Y 數(shù)值為400，分別取標(biāo)定溫度為8℃、20℃、34℃，各個(gè)試驗(yàn)溫度計(jì)算的比表面積數(shù)值與標(biāo)定溫度比表面積數(shù)值差見(jiàn)圖1。分析可知，環(huán)境溫度對(duì)礦渣粉比表面積影響較小，手動(dòng)勃氏比表儀需查表得出數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，自動(dòng)勃氏比表儀直接顯示因溫度變化引起的結(jié)果變化。

圖1 不同溫度引起的比表面積差值

2.3 濕度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

濕度越大，空氣中水分子越多，其在試料層中受到的阻力也越大。有研究表明，空氣濕度超過(guò)50%，比表面積結(jié)果會(huì)偏高2%以上；相反，空氣濕度≤50%時(shí)，水分子減少，試料層受到阻力減小，測(cè)試時(shí)間減短，比表面積就越小，但濕度降低到50%以下后，比表面積檢測(cè)結(jié)果無(wú)明顯變化[5]。此外，濕度越大，水分子含量越高，易造成干燥的礦渣粉顆粒表面發(fā)生微弱的水化反應(yīng)。所以GB/T 8074 規(guī)定試驗(yàn)室條件相對(duì)濕度不大于50%，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制。

礦渣粉檢驗(yàn)項(xiàng)目基本參照水泥檢驗(yàn)規(guī)程，水泥的物理性能檢驗(yàn)中，只有比表面積試驗(yàn)條件是相對(duì)濕度小于50%，其它的檢驗(yàn)項(xiàng)目濕度條件正好相反，部分礦渣粉企業(yè)在工作過(guò)程中未引起注意，造成試驗(yàn)結(jié)果不夠準(zhǔn)確。

2.4 空隙率的確定對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

空隙率指試料層中顆粒間空隙的容積與試料層總的容積之比，以ε 表示。對(duì)ε 的取值，見(jiàn)表1。

表1 國(guó)際通用水泥標(biāo)準(zhǔn)ε 的取值對(duì)比[6]

國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)在測(cè)定比表面積時(shí)對(duì)搗器壓實(shí)的力度都有規(guī)定控制，例如：歐洲標(biāo)準(zhǔn)BS EN196-6 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：壓力過(guò)大或過(guò)快會(huì)改變顆粒的粒徑分布，從而改變料層的比表面積，最大的壓力應(yīng)當(dāng)是拇指舒適地在搗器上施加壓力[7]；美國(guó)ASTM C204 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：任何情況下，用于壓實(shí)料層的壓力不能超過(guò)拇指的壓力，也不能超過(guò)當(dāng)壓力移除時(shí)搗器從圓筒頂部“彈回”的拇指壓力[8]。但無(wú)論是大拇指舒適地壓在搗器上，還是不能超過(guò)拇指的力量壓實(shí)試料層，都沒(méi)有一個(gè)量化的標(biāo)準(zhǔn)。

試驗(yàn)過(guò)程中，樣品的真實(shí)空隙率未知，選定的空隙率是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值。按照式⑴計(jì)算稱樣量，當(dāng)被測(cè)樣品選取的空隙率小于真實(shí)空隙率，稱樣量偏大，可能會(huì)出現(xiàn)搗器壓不到底的情況。對(duì)于這種情況，不能直接試驗(yàn)而應(yīng)先進(jìn)行空隙率的調(diào)整。操作人員如沒(méi)有注意到這點(diǎn)，用力將試料層壓至規(guī)定位置，會(huì)使得試料層實(shí)際空隙率降低，空氣通過(guò)固定厚度試料層時(shí)間變長(zhǎng)，比表面積測(cè)得值偏大。另一種情況，被測(cè)樣品選取的空隙率大于真實(shí)空隙率，稱樣量偏小，由于搗器限位固定，操作人員誤認(rèn)為料層已壓實(shí)，阻力減小，空氣流速加快，比表面積測(cè)得值偏小。為了減少人為因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，當(dāng)給定空隙率不能將試樣壓至規(guī)定位置或很容易壓至規(guī)定位置時(shí)，允許改變空隙率，使用2kg砝碼作為壓實(shí)力度統(tǒng)一基準(zhǔn)。

選定空隙率，不同壓實(shí)力度對(duì)結(jié)果的影響，取一次試驗(yàn)為例，見(jiàn)表2 和圖2。

表2 不同壓實(shí)力度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

圖2 選定空隙率不同壓實(shí)力度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

當(dāng)空隙率選用0.500 時(shí)，選定的空隙率小于真實(shí)空隙率，稱樣量過(guò)大，試料層隨著壓實(shí)力度的增大，實(shí)際空隙率降低，阻力增大，空氣通過(guò)試料層時(shí)間變長(zhǎng)，比表面積測(cè)得值不斷變大，壓實(shí)力度不斷增加，直至搗器的支持環(huán)與圓筒頂邊接觸，繼續(xù)增加壓實(shí)力度，由于搗器限位固定，試料層不再發(fā)生變化，比表面積測(cè)得值也不再變化，最終測(cè)得值大于實(shí)際值，見(jiàn)圖2。忽略空隙率的調(diào)整，操作人員力量不同，壓實(shí)力度的差別會(huì)使結(jié)果偏離正常值，重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果可能相差2%以上。

當(dāng)空隙率選用0.530 時(shí)，按式⑴計(jì)算稱樣量，起始?jí)簩?shí)力度為2kg砝碼重量壓力，增大壓力時(shí)，搗器支持環(huán)與圓筒頂邊已經(jīng)接觸，下落時(shí)間基本不變，比表面積測(cè)得值不再變化。

礦渣粉空隙率選用0.500 和0.530 時(shí)，忽略壓實(shí)力度，將試樣均壓到規(guī)定位置，比表面積測(cè)得值相差不大。部分礦渣粉企業(yè)使用0.500 的空隙率，但隨著礦渣粉生產(chǎn)的越來(lái)越細(xì)，在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程當(dāng)中，操作人員正常很難將試樣壓至規(guī)定位置，導(dǎo)致同一實(shí)驗(yàn)室不同的操作人員試驗(yàn)結(jié)果不盡相同，經(jīng)常出現(xiàn)二次試驗(yàn)結(jié)果相差2%以上，改用0.530 或合適的空隙率剛好解決這一問(wèn)題，試驗(yàn)結(jié)果也將更準(zhǔn)確。因此，礦渣粉空隙率選用0.530±0.005 是相對(duì)準(zhǔn)確的。

3 結(jié)束語(yǔ)

⑴與水泥不同，用于測(cè)定礦渣粉比表面積的勃氏透氣儀，儀器校準(zhǔn)建議采用GSB 08-3387 ?；郀t礦渣粉細(xì)度和比表面積標(biāo)準(zhǔn)樣品。

⑵礦渣粉密度測(cè)定不但影響稱樣量，對(duì)比表面積結(jié)果計(jì)算也有影響，應(yīng)當(dāng)保證密度兩次測(cè)定結(jié)果差值不超過(guò)0.02g/cm3。

⑶環(huán)境對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有一定影響，實(shí)驗(yàn)室相對(duì)濕度不得超過(guò)50%；環(huán)境溫度影響不大，但超過(guò)標(biāo)定溫度3℃時(shí)，空氣粘度應(yīng)考慮。

⑷礦渣粉生產(chǎn)越來(lái)越細(xì)，為了避免人為因素造成試驗(yàn)結(jié)果的偏差，空隙率選用0.530±0.005，試驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確。