海拔及緯度對勃氏法測定比表面積的影響

張立勃

中鐵隧道集團(tuán)工程試驗(yàn)中心（471009）

海拔及緯度對勃氏法測定比表面積的影響

張立勃

中鐵隧道集團(tuán)工程試驗(yàn)中心（471009）

從我國的地理特點(diǎn)出發(fā)，通過計(jì)算在不同海拔和緯度下蒸餾水的重力變化，來推測用勃氏法測定比表面積在我國的適用性。

緯度；海拔；重力；勃氏法；適用性

1 勃氏法在測定比表面積上的應(yīng)用

水泥是基礎(chǔ)建設(shè)必須的原材料，水泥的比表面積反映了水泥顆粒的粗細(xì)程度，是控制水泥質(zhì)量的重要參數(shù)。依據(jù)GB 175-2007，水泥的比表面積由GB/T 8074勃氏法測得。該法的測定原理，是根據(jù)一定量的空氣通過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測定水泥的比表面積。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)也決定了通過料層的氣流速度。

2 影響測定的因素

楊家敏指出，水泥的比表面積測定值受密度和空隙率影響較大，隨試樣密度的變大而增大，隨試樣空隙率的變大而減少。準(zhǔn)確測定水泥的密度和孔隙率是保證比表面積數(shù)值準(zhǔn)確的關(guān)鍵[1]。唐越通過試驗(yàn)研究，總結(jié)出料層體積、基準(zhǔn)液、制備水泥層、穿孔板的正反面是影響比表面積測定準(zhǔn)確性的重要因素[2]。徐芬蓮、陳景、代瑞平、楊文認(rèn)為，勃氏法透氣儀種類的差異、水位線的高低、操作過程與手法、試驗(yàn)的環(huán)境、試樣結(jié)果的處理方式等都影響到勃氏法的測定結(jié)果。建議相關(guān)部門對操作者進(jìn)行專業(yè)、統(tǒng)一的培訓(xùn)，提高其業(yè)務(wù)操作水平，以提高試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確度[3]。宋立力建議明確配合分析天平使用的高精度量具，確保稱量結(jié)果的精確；增加水泥試樣與標(biāo)準(zhǔn)粉密度不同但空隙率相同時(shí)的計(jì)算公式和方法[4]。魏厚剛指出，溫濕度對液面降落時(shí)間影響顯著，且是產(chǎn)生誤差的主要原因[5]。林建榮、孟令友認(rèn)為，空氣中濕度越大，測試時(shí)間越長，比表面積越大；反之，濕度下降則氣流通過粉料層時(shí)阻力減小，所用測試時(shí)間越短，比表面積越小[6]。

以上研究大多是基于試驗(yàn)操作差異和引起試料層孔隙變化因素的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,而我國幅員遼闊，區(qū)域緯度及海拔差異明顯，比表面積的測定是否會(huì)受地理位置的影響,目前還鮮有該方向的研究。筆者從我國的地理特點(diǎn)出發(fā)，分析在不同海拔和緯度下，用勃式法測定比表面積時(shí)可能存在的數(shù)值變化。

表1 各緯度海平面重力加速度

3 地理位置可能造成的影響分析

從勃式法的試驗(yàn)原理看，U形管中蒸餾水的液面高度差產(chǎn)生了空氣通過試料層的驅(qū)動(dòng)力，而該驅(qū)動(dòng)力的本質(zhì)是蒸餾水的重力。我們知道，受海拔及緯度的影響,重力加速度在地球上的分布是不同的，因此，當(dāng)在不同地理位置對同一樣品進(jìn)行比表面積測定時(shí),蒸餾水的重力變化幅度是否影響測試結(jié)果。

3.1 海拔對蒸餾水重力的影響幅度

根據(jù)萬有引力公式:

可以得出重力加速度與星體半徑的關(guān)系式：

式中:F表示重力；G為引力常量；M為星球質(zhì)量；m為物體質(zhì)量；R為星球半徑；g為重力加速度。

由該式（2）可知，重力加速度隨著海拔高度的增大而減小，不同地點(diǎn)海拔的變化幅度，決定了重力的變化幅度。

地球半徑約為6 350 km，我國的青藏高原平均海拔約為4 000 m，廣東沿海的海拔約為100 m，青藏高原和廣東沿海的海拔差約為3.9 km，據(jù)此計(jì)算在青藏高原和廣東沿海的海拔差對試驗(yàn)用蒸餾水重力的影響:

由（3）可知，從青藏高原移至廣東沿海時(shí)，蒸餾水的重力變化約為0.121%，因該變化很小，故用勃氏法測定比表面積時(shí)，蒸餾水對空氣的驅(qū)動(dòng)力變化也很小，故海拔因素對該項(xiàng)測定的影響可以忽略不計(jì)。

3.2 緯度對蒸餾水重力的影響幅度

把地球當(dāng)作旋轉(zhuǎn)橢球,根據(jù)1979年的正常重力公式，在海平面上重力加速度g隨緯度δ變化的關(guān)系為:

由式（4）可以推導(dǎo)出表1中的數(shù)據(jù)。

由表1中的數(shù)據(jù)，得到:

由（5）可知，從我國較南端的?？谑幸浦疗倍说暮魝愗悹枙r(shí)，蒸餾水的重力加速度的變化約為0.249%，由此可知重力的變化幅度很小，故用勃氏法測定比表面積時(shí)，蒸餾水對空氣的驅(qū)動(dòng)力變化也很小，緯度因素對該項(xiàng)測定的影響可以忽略不計(jì)。

4 結(jié)論

1）選取了我國境內(nèi)有代表性的地點(diǎn)，經(jīng)相關(guān)計(jì)算可知，海拔和緯度的變化，對勃氏法測定比表面積造成影響很小，可以忽略不計(jì)，因此從該角度看，用勃氏法來測定比表面積在我國區(qū)域內(nèi)是適用的。

2）存在問題：當(dāng)海拔和緯度變化時(shí)，空氣密度將發(fā)生變化，如海拔高度每升高1 000 m，空氣密度降低約10%。筆者認(rèn)為，尚無法定量計(jì)算該變化能否對勃式法的測定產(chǎn)生影響，因此拋磚引玉，供大家研究討論。

[1]楊家敏.勃氏法測水泥比表面積之影響因素分析[J].建筑界，2013,12:76～77.

[2]唐越.影響比表面積(勃氏法)測定結(jié)果的幾個(gè)重要因素[J].昆明冶金高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào).2006,01:16～18.

[3]徐芬蓮,陳景,代瑞平,楊文.關(guān)于勃氏法測定試樣比表面積的若干問題[J].商品混凝土,2010,07:66～68.

[4]宋立力.關(guān)于水泥密度測定、水泥比表面積測定方法幾個(gè)問題的探討[J].中國建材科技,2010,02:6～8.

[5]魏厚剛.關(guān)于對水泥密度、水泥比表面積兩個(gè)測定方法標(biāo)準(zhǔn)的意見[J].中國建材科技,2006,01:41～42.

[6]林建榮,孟令友.實(shí)驗(yàn)室濕度對水泥比表面積檢測結(jié)果的影響[J].新世紀(jì)水泥導(dǎo)報(bào),2012,06:75～77.