水泥中石灰石含量的測定原理及操作方法

邵 芳

陜西省建筑材料工業(yè)設計研究院（710032）

水泥中石灰石含量的測定，是采用堿石棉吸收重量法測定二氧化碳含量，再根據(jù)公式計算出水泥中石灰石組分含量。

1 測定原理

二氧化碳的測定采用堿石棉吸收重量法。水泥試樣用磷酸分解，碳酸鹽分解釋放出的二氧化碳,由不含二氧化碳的氣流帶入一系列的U形管，最初是濃硫酸吸收瓶，除去其中的水分；然后是硫化氫吸收管，除去硫化氫；再次是無水高氯酸鎂（或無水氯化鈣）吸收管，再次除去水分。凈化后的二氧化碳進入二個堿石棉吸收管被定量吸收，稱量后計算試樣中二氧化碳的含量。

2 試劑

1）硫酸（H2SO4）∶密度 1.84 g/cm3或 95%～98%（質量分數(shù)）

2）磷酸（H3PO4）∶密度 1.68 g/cm3或≥85%（質量分數(shù)）

3）硫酸銅溶液∶飽和

4）硫化氫吸收劑∶將稱量過的、粒度在1～2.5 mm的干燥浮石放在一個平盤內,然后用一定體積的硫酸銅溶液浸泡，硫酸銅溶液的質量約為浮石質量的一半。把盤和料放在150℃±5℃的干燥箱內，在玻璃棒不時攪拌下，蒸發(fā)混合物至干，烘干至少5 h，將固體混合物冷卻后，立即貯存于密封瓶內。

5）二氧化碳吸收劑∶堿石棉，粒度 0.6～1.2 mm，化學純。

6）水分吸收劑∶無水高氯酸鎂 [Mg(ClO4)2]，制成粒度0.6～2 mm，貯存于密封瓶內;或者無水氯化鈣，制成粒度1～4 mm，貯存于密封瓶內。

7）鈉石灰∶粒度 2～5 mm，醫(yī)藥用或化學純。

3 儀器

二氧化碳測定裝置示意圖如圖1所示。安裝一個適宜的抽氣泵和一個玻璃轉子流量計，以保證氣體或空氣通過裝置均勻流動。

進入裝置的氣體先通過含鈉石灰或二氧化碳吸收劑的吸收塔（1）和含二氧化碳吸收劑的U形管（2），其中的二氧化碳被除去。反應瓶（4）上部與球形冷凝管（7）相連接。

氣體通過球形冷凝管（7）后，進入含硫酸的洗氣瓶（8）,然后通過含硫化氫吸收劑的U形管（9）和水分吸收劑的U形管（10），氣體中的硫化氫和水分被除去。接著通過兩個可以稱量的U形管 （11）和（12）,內各裝3/4二氧化碳吸收劑和1/4水分吸收劑。對氣體流向而言，二氧化碳吸收劑應裝在水分吸收劑之前。U形管（11）和（12）后面接一個附加的U形管（13），內裝鈉石灰或二氧化碳吸收劑，以防止空氣中的二氧化碳和水分進入U形管（12）中。

注∶如果將 U 形管（2）與反應瓶（4）直接連接，當加熱速度太快時，反應瓶（4）中的高氣壓將使溶液倒流入U形管（2）中，以至發(fā)生強烈的酸堿反應，使U形管（2）損壞。為了防止出現(xiàn)這種情況，本儀器在設計時，在U形管（2）和反應瓶（4）之間增加了緩沖瓶（3）。

由表1的數(shù)據(jù)可知，碳酸鈣質量在80 mg以內（約合二氧化碳35 mg）,碳酸鈣的回收率可達近98%。由此可以估算出∶若水泥中石灰石的含量不高于10%，測定二氧化碳含量時水泥試樣最大質量為1 g；如果水泥中石灰石含量高于10%而低于20%，水泥試料質量按比例減少,試料質量最多為0.5 g。如果二氧化碳含量測定結果小于0.5%,則稱取試料質量增加至2.00 g，重新進行測定。

表1 碳酸鈣回收率與碳酸鈣質量的關系

4 試樣中二氧化碳含量的測定

稱取約 1 g±0.05 g 試樣（m1）,精確至 0.000 1 g，置于干燥的100 mL反應瓶中,將反應瓶連接到二氧化碳測定裝置上。分液漏斗（5）的活塞處于關閉狀態(tài)，不得有磷酸滴入反應瓶中。連接U形管（9）、（10）、（11）、（12）、（13），啟動抽氣泵，控制氣體流速約為 60～100 mL/min（每秒 3～5 個氣泡）,通氣 30 min以上，以除去系統(tǒng)中的二氧化碳和水分。

關閉抽氣泵,關閉 U 形管（10）、（11）、（12）、（13）的磨口塞。取下U形管（11）和（12）放在平盤上，在天平室恒溫10 min，然后分別稱量。重復此操作，再通氣10 min，取下，恒溫，稱量，直至每個管子連續(xù)二次稱量結果之差不超過0.001 0 g為止,以最后一次稱量值為準。

注∶取用U形管時，應小心避免影響質量、打碎或損壞。建議進行操作時帶防護手套。

如果U形管（11）和（12）的質量變化連續(xù)超過0.001 0 g，更換 U 形管（9）和（10）。

將已稱量的U形管（11）和（12）連接到二氧化碳測定裝置上。啟動抽氣泵,控制氣體流速約為60～100 mL/min（每秒3～5個氣泡）。加入20 mL磷酸到分液漏斗（5）中，小心旋開分液漏斗活塞，使磷酸滴入反應瓶（4）中，并留少許磷酸在漏斗中起液封作用，關閉活塞。打開反應瓶下面的小電爐，調節(jié)電壓使電爐絲呈暗紅色，慢慢低溫加熱使反應瓶中的液體至沸，并加熱微沸5 min，關閉電爐，并繼續(xù)通氣25 min。

注∶切勿劇烈加熱，以防反應瓶中的液體產(chǎn)生倒流現(xiàn)象。

關閉抽氣泵,關閉 U 形管（10）、（11）、（12）、（13）的磨口塞。取下U形管（11）和（12）放在平盤上，在天平室恒溫10 min，然后分別稱量。用每根U形管增加的質量（m2和 m3）計算水泥試樣中二氧化碳的含量。

如果第二根U形管（12）的質量變化小于0.000 5 g，計算時忽略。實際上二氧化碳應全部被第一根U形管（11）吸收。如果第二根U形管（12）的質量變化連續(xù)超過0.001 0 g,應更換第一根U形管（11），并重新開始試驗。

空白試驗應與測定平行進行,除不加試料之外，采用完全相同的分析步驟，取相同量的試劑。計算時從測定結果中扣除空白試驗值（m0）。

5 測定結果的計算

式中∶DCO2—試樣中二氧化碳的質量分數(shù)，%；m2—吸收后 U 形管（11）增加的質量，g；m3—吸收后U 形管（12）增加的質量，g；m1—試料的質量，g；m0—空白試驗值，g。

如果按式（1）計算的二氧化碳含量小于0.5%，需重新試驗，稱取試樣量改為約2 g，精確至0.000 1 g；如果試樣中碳酸鹽含量較高，應按比例適當減少稱取試樣量。

水泥中石灰石組分含量（D）按下式（2）計算∶

式中∶DCO2—水泥中二氧化碳的質量分數(shù)，%；1.00—硅酸鹽水泥（P·I）中石灰石的含量,%；2.274—二氧化碳對碳酸鈣的換算因數(shù)。

試樣中二氧化碳的含量（DCO2）按下式（1）計算∶

6 水泥中石灰石組分含量測定結果的精密度和準確度

1）方法的精密度

將碳酸鈣試劑配入熟料中，配入后樣品中二氧化碳的總含量為3.10%，折合石灰石組分的含量為6.05%。由同一分析人員用本方法連續(xù)10次測定其中二氧化碳的含量，按式（2）計算石灰石組分的含量D。

表2結果表明，堿石棉吸收重量法測定水泥中石灰石含量具有較高的精密度。當水泥中石灰石含量為6%左右時，測定結果的標準偏差為0.10%，變異系數(shù)為1.7%。

2）方法的準確度

用不同產(chǎn)地的石灰石和水泥熟料配制6個含石灰石的水泥樣品,用本方法測定其中二氧化碳的含量,計算石灰石含量的測定結果。結果如表3所示。

表2 石灰石組分含量測定結果的精密度（%）

表3 水泥中石灰石組分含量的試驗結果（%）

表3結果表明，堿石棉吸收重量法測定水泥中石灰石含量結果的準確度可以滿足水泥生產(chǎn)控制的需要。