淺談無(wú)水乙醇替代無(wú)水煤油測(cè)定水泥密度試驗(yàn)

王俊燁

（內(nèi)江師范學(xué)院， 四川 內(nèi)江 641100）

0 前言

建筑材料試驗(yàn)是土木工程學(xué)生必修課之一，著重于理論知識(shí)之外，鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力與動(dòng)手能力，土木工程的施工現(xiàn)場(chǎng)工作對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力要求很高，現(xiàn)場(chǎng)施工中動(dòng)手能力的起源，就來(lái)自于這些基礎(chǔ)試驗(yàn)，從不斷的試驗(yàn)中鍛煉自己，正是接軌施工的最佳方法。

水泥密度試驗(yàn)是建筑材料基本性質(zhì)試驗(yàn)之一，也是建筑材料試驗(yàn)入門試驗(yàn)，簡(jiǎn)單方便，易于入手，從建筑材料最基本，最重要的組成部分水泥開始，由易入難，初步接觸了解水泥以及一些試驗(yàn)儀器，為接下來(lái)的試驗(yàn)做好準(zhǔn)備。水泥密度試驗(yàn)經(jīng)過(guò)多年的反復(fù)試驗(yàn)，在試驗(yàn)步驟，操作技藝，試驗(yàn)儀器上都已經(jīng)達(dá)到很高的地步，無(wú)需革新，但在試驗(yàn)溶劑上，出現(xiàn)了諸多問(wèn)題，亟待改進(jìn)。

1 替代溶劑的思考

1.1 傳統(tǒng)溶劑無(wú)水煤油的弊端

無(wú)水煤油是水泥密度試驗(yàn)使用的傳統(tǒng)溶劑，作為傳統(tǒng)使用的無(wú)機(jī)溶劑，無(wú)水煤油有著作為傳統(tǒng)有機(jī)溶劑的優(yōu)勢(shì)，常溫下呈液態(tài)，不與水泥反應(yīng)，容易獲取，可重復(fù)使用等。

但同比來(lái)說(shuō)，無(wú)水煤油有很多弊端存在。易燃，易爆，有毒，在使用時(shí)容易有安全隱患。其次，無(wú)水煤油造價(jià)同比來(lái)說(shuō)不低，每一次試驗(yàn)用量不少，不利于推廣開來(lái)讓學(xué)生大量試驗(yàn)，反復(fù)試驗(yàn)來(lái)練手。雖然無(wú)水煤油可回收反復(fù)利用，但一般高校實(shí)驗(yàn)室不具備回收無(wú)水煤油的條件和技術(shù)，只能將使用過(guò)的無(wú)水煤油倒掉，無(wú)法循環(huán)使用，造成大量浪費(fèi)。并且無(wú)水煤油不溶于水，難以用水稀釋，直接倒掉會(huì)造成一定的安全隱患，容易造成誤觸中毒或?yàn)橄腊踩裣碌湼⑶也唤?jīng)處理的煤油會(huì)造成一定程度的環(huán)境污染。所以，無(wú)水煤油作為無(wú)機(jī)溶劑來(lái)說(shuō)，有改革的必要。

1.2 替代溶劑方案的思考

水泥密度試驗(yàn)里，溶劑是進(jìn)行水泥密度試驗(yàn)的根本，沒(méi)有合適的溶劑，就無(wú)法進(jìn)行試驗(yàn)，故而選擇合適的溶劑尤為重要，替代溶劑，必須符合相應(yīng)的條件。

一般來(lái)說(shuō)，水作為最普遍，最廉價(jià)，最安全可靠的溶劑，一直是備受各種試驗(yàn)青睞，成為運(yùn)用最廣泛的無(wú)機(jī)溶劑。但由于水泥的特殊性，它是會(huì)與水在空氣中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的水硬性無(wú)機(jī)膠凝材料，反應(yīng)之后成分改變，無(wú)法測(cè)得水泥密度，所以水這種無(wú)機(jī)溶劑被首先排除在外。

有了水的考慮，可以看出，在溶劑的選擇上有個(gè)根本問(wèn)題，那就是選擇的溶劑不能與水泥發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，滿足這個(gè)條件之后，才能考慮溶劑的其他性能。

常見無(wú)機(jī)溶劑，如液氨，液態(tài)二氧化碳，硫酸等等，要么揮發(fā)性極強(qiáng)，常溫下操作將嚴(yán)重影響試驗(yàn)準(zhǔn)確性，要么為酸堿，無(wú)水狀態(tài)下呈晶體，同時(shí)依舊會(huì)與水泥發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，根本無(wú)法使用。同時(shí)這些無(wú)機(jī)溶劑安全隱患比無(wú)水煤油更大，所以暫不考慮無(wú)機(jī)溶劑，考慮使用有機(jī)溶劑進(jìn)行替代實(shí)驗(yàn)。

在有機(jī)溶劑中，常見的有機(jī)溶劑有苯，甲苯，乙醇，乙醚等等，考慮甲苯，乙醚等成本高昂，不易獲取，且毒性比無(wú)水煤油更強(qiáng)，又不溶于水，無(wú)法稀釋，使用后不能隨便處理，暫不考慮。綜合考慮，選擇乙醇作為替代溶劑。

乙醇俗稱酒精，是生活中常見的有機(jī)溶劑之一，容易獲取，成本低廉，并且乙醇的毒性及麻痹性遠(yuǎn)小于甲苯、乙醚，乙醇能與水以任意比互溶，易稀釋，用水處理之后，容易處理，不會(huì)造成環(huán)境污染，雖然還是有一些有機(jī)溶劑的一般問(wèn)題存在，但相對(duì)來(lái)說(shuō)，無(wú)水乙醇更為合理適用。綜合考慮，初步選擇無(wú)水乙醇作為替代溶劑。

2 對(duì)比試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

將待測(cè)水泥放入研缽破碎、磨細(xì)，取出后通過(guò)0.9mm方孔篩篩選，篩畢后放入烘干箱，調(diào)溫至100℃，烘干至恒重后放入干燥器冷卻至室溫待用。取出密封良好的無(wú)水煤油與無(wú)水乙醇各500mL備用。

取出天平一臺(tái)，李氏瓶?jī)蓚€(gè)，分別標(biāo)記為無(wú)水煤油用與無(wú)水乙醇用，漏斗兩個(gè)，小勺兩把，膠頭滴管兩個(gè)，小鐵盒兩個(gè)，分別置于兩個(gè)李氏瓶旁備用，并使實(shí)驗(yàn)儀器保持干燥。

2.2 試驗(yàn)操作

使用天平稱取干燥水泥兩份，每份 500g，置于兩個(gè)小鐵盒中，一份以無(wú)水煤油為溶劑，記為m1，一份以無(wú)水乙醇為溶劑，記為ma。

取出兩個(gè)李氏瓶，開始試驗(yàn)。打開無(wú)水煤油與無(wú)水乙醇密封，分別在兩個(gè)李氏瓶中注入無(wú)水煤油與無(wú)水乙醇至李氏瓶刻度0～1mL之間，放在恒溫水槽中30min至恒溫，記錄無(wú)水煤油李氏瓶刻度為V1，無(wú)水乙醇李氏瓶刻度為Va。放好李氏瓶，用勺子及漏斗向其中緩緩加入水泥，隨著水泥加入，李氏瓶液面上升，直到液面上升到20mL或高于20mL的刻度而止。分別輕輕搖晃旋轉(zhuǎn)兩個(gè)李氏瓶，排出其中氣泡，并以李氏瓶中無(wú)水煤油和無(wú)水乙醇將粘附在李氏瓶瓶頸的水泥洗入無(wú)水煤油或無(wú)水乙醇中，再置于恒溫水槽中，靜置 30mim，準(zhǔn)確記錄液面刻度，其中無(wú)水煤油為V2，無(wú)水乙醇為Vb。而后用天平分別稱取小鐵盒中剩余水泥質(zhì)量，未加入無(wú)水煤油的為m2，未加入無(wú)水乙醇的為mb。

2.3 注意事項(xiàng)

（1）注入無(wú)水煤油或無(wú)水乙醇時(shí)，不應(yīng)使用玻璃棒等引導(dǎo)儀器，避免無(wú)水煤油或無(wú)水乙醇粘附在引導(dǎo)儀器上產(chǎn)生誤差。注入時(shí)應(yīng)緩緩注入，避免無(wú)水煤油或無(wú)水乙醇濺出造成誤差，同時(shí)避免濺到皮膚上或眼睛里造成安全問(wèn)題。同時(shí)，加入溶劑時(shí)，可用手傾倒，在李氏瓶底部時(shí)可加入稍快，臨近瓶頸時(shí)，立即停止加入，改用膠頭滴管滴定。李氏瓶瓶頸細(xì)長(zhǎng)，加入一點(diǎn)溶劑上升幅度都會(huì)很大，一旦加入時(shí)超過(guò)0～1mL之外，整個(gè)試驗(yàn)將立即停止重來(lái)。

（2）加入水泥時(shí)，應(yīng)使用勺子及漏斗緩緩加入，速度過(guò)快將造成漏斗管道堵塞，同時(shí)帶入大量空氣，造成試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差。漏斗不宜插入過(guò)淺，過(guò)淺會(huì)造成水泥大量附著在瓶頸，造成堵塞。同時(shí)，完全插入的漏斗應(yīng)隨著液面上升緩緩上抽，避免液面上升與漏斗底部接觸，帶走部分溶劑造成誤差，同時(shí)使水泥附著在漏斗底部造成堵塞，影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)。同時(shí)，加入水泥之后應(yīng)高于瓶頸高處刻度最低值多幾毫米，以免在排出空氣后液面回落，低于最低刻度時(shí)無(wú)法讀數(shù)，造成重復(fù)工作，出現(xiàn)誤差的可能性增加。

（3）搖晃李氏瓶時(shí)，應(yīng)使用瓶塞塞住瓶口，避免溶劑液體灑出瓶外造成誤差或出現(xiàn)安全事故。同時(shí)，應(yīng)充分搖晃李氏瓶，盡量將溶劑內(nèi)空氣排盡，確保試驗(yàn)準(zhǔn)確性。

（4）讀數(shù)時(shí)，應(yīng)屈蹲半身，使視線與瓶中溶劑凹液面最低處平齊，不應(yīng)俯視或仰視，使讀數(shù)出現(xiàn)偏差，造成誤差。

（5）所有試驗(yàn)儀器在使用前應(yīng)保持干燥，發(fā)現(xiàn)有水漬存在應(yīng)及時(shí)烘干，以免影響試驗(yàn)準(zhǔn)確性。

2.4 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)密度公式與試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，得出結(jié)果如下表所示：

每種溶劑重復(fù)三次，取得無(wú)水煤油中水泥密度平均值為 3.08g/cm3，無(wú)水乙醇中水泥密度平均值為3.10g/cm3。

?

?

?

2.5 數(shù)據(jù)分析

此次不同溶劑下的水泥密度試驗(yàn)，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，只有溶劑不同，根據(jù)密度公式ρ=m/v,在無(wú)水煤油中測(cè)得水泥密度平均值為3.08g/cm3，在無(wú)水乙醇中測(cè)得水泥密度平均值為3.10g/cm3，誤差均在0.02g/cm3之內(nèi)，符合實(shí)驗(yàn)要求。

2.6 誤差分析

在無(wú)水乙醇中測(cè)得水泥密度比在無(wú)水煤油中測(cè)得的水泥密度數(shù)值略大，經(jīng)過(guò)三次反復(fù)試驗(yàn)，均是如此。由于試驗(yàn)條件相同，試驗(yàn)過(guò)程無(wú)操作問(wèn)題產(chǎn)生的誤差，考慮到無(wú)水乙醇沸點(diǎn)比無(wú)水煤油低，揮發(fā)性比無(wú)水煤油更強(qiáng)，同等條件下，相同的體積的無(wú)水乙醇揮發(fā)比無(wú)水煤油更快，造成無(wú)水乙醇體積略微減小，使無(wú)水乙醇中水泥密度略高于無(wú)水煤油中水泥密度，產(chǎn)生誤差。

3 試驗(yàn)總結(jié)

通過(guò)三次反復(fù)試驗(yàn)，所得數(shù)據(jù)誤差在0.02g/cm3之內(nèi)，符合誤差要求，試驗(yàn)結(jié)論真實(shí)可信。同時(shí)，對(duì)比試驗(yàn)誤差也很小，考慮為無(wú)水乙醇揮發(fā)性高于無(wú)水煤油所致，需要進(jìn)一步進(jìn)行其他對(duì)比實(shí)驗(yàn)確認(rèn)。本實(shí)驗(yàn)中所產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)誤差證明，在一定條件下，無(wú)水乙醇替代無(wú)水煤油進(jìn)行試驗(yàn)確有可行性。

4 可行性分析

通過(guò)試驗(yàn)可以看出，無(wú)水乙醇代替無(wú)水煤油進(jìn)行水泥密度試驗(yàn)在一定條件下是可行的。在對(duì)比試驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)水乙醇替代無(wú)水煤油，是有一定誤差存在的，在精度要求較高的高精度實(shí)驗(yàn)中，這種誤差是否會(huì)影響后續(xù)實(shí)驗(yàn)及是否符合某些要求，還需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)具體的誤差所在。故而在高精度或者后續(xù)要求較高的后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，無(wú)水乙醇是否能取代無(wú)水煤油成為水泥密度實(shí)驗(yàn)的溶劑，還需商榷，有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)確認(rèn)。

在學(xué)校簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，無(wú)水乙醇替代無(wú)水煤油還是可行的。水泥密度試驗(yàn)只是一個(gè)初入門的引導(dǎo)試驗(yàn)，意在引導(dǎo)學(xué)生初識(shí)試驗(yàn)課程，初步了解建筑材料實(shí)驗(yàn)中最重要的一門材料——水泥，以便在之后的試驗(yàn)中可以知道水泥的一些基本性質(zhì)，了解一些常見的實(shí)驗(yàn)儀器。建筑材料試驗(yàn)精度的要求較低，水泥密度試驗(yàn)也對(duì)后續(xù)試驗(yàn)無(wú)太大影響，故而在經(jīng)濟(jì)、適用、合理、安全等綜合情況考慮下，使用無(wú)水乙醇替代無(wú)水煤油是確實(shí)可行的。

5 總結(jié)

利用無(wú)水乙醇替代無(wú)水煤油，可以讓實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作更加合理，利用無(wú)水乙醇廉價(jià)的便利，可以大力推廣，讓學(xué)生進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)，深刻了解實(shí)驗(yàn)過(guò)程的同時(shí)讓他們操作水平大幅提高，培養(yǎng)學(xué)生吃苦耐勞，銳意進(jìn)取的精神，鍛煉他們的動(dòng)手能力，同時(shí)也可以使用一些少量無(wú)水煤油作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生了解兩種溶劑之間的不同，啟發(fā)學(xué)生的求知欲，了解不同于書本的實(shí)驗(yàn)方法，拓寬視野。

同時(shí)，在使用無(wú)水乙醇替代無(wú)水煤油作為水泥密度試驗(yàn)溶劑之后，對(duì)于無(wú)水乙醇存在的安全問(wèn)題同樣要引起重視。無(wú)水乙醇雖然在安全性上優(yōu)于無(wú)水煤油，但同樣存在有機(jī)溶劑易燃易爆的通病，妥善保存至關(guān)重要。無(wú)水乙醇應(yīng)密封完好儲(chǔ)存在陰涼通風(fēng)的庫(kù)房中，避免陽(yáng)光直射，遠(yuǎn)離火種火源甚至熱源，庫(kù)房溫度不超過(guò)30℃。同時(shí)注意密封封存，避免揮發(fā)造成損失及帶來(lái)安全隱患。備好消防滅火等工具。學(xué)生試驗(yàn)使用無(wú)水乙醇用量不大，盡量少量?jī)?chǔ)藏多次購(gòu)買以滿足學(xué)生試驗(yàn)使用，避免大量?jī)?chǔ)藏帶來(lái)安全隱患。