礦渣粉比表面積測定的影響因素

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。隨著近年來礦渣粉的產(chǎn)量和利用量的不斷增加，質(zhì)量問題在礦渣粉行業(yè)發(fā)展中越來越突出。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過程中，如果操作出現(xiàn)問題或出現(xiàn)某一影響因素，都將造成試驗結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差，無法真實指導(dǎo)生產(chǎn)，導(dǎo)致能耗增加，降低公司效益，且質(zhì)量無法保證。為了提高試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，對測定的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行分析研究，能夠發(fā)現(xiàn)在實際試驗過程中，有部分因素會直接影響礦渣粉比表面積試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 檢測依據(jù)、原理、數(shù)學(xué)模型

1.1 檢測依據(jù)

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

1.2 方法原理

勃氏法主要是根據(jù)一定量的空氣通過具有一定空隙率和固定厚度的水泥層時，所受阻力不同而引起流速的變化來測定水泥比表面積。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)，同時也決定了通過料層的氣流速度[1]。

1.3 數(shù)學(xué)模型

試樣量按式⑴計算：

m——需要的試樣量；

ρ——試樣密度；

V——試料層體積，按JC/T 956 測定；

ε——試料層空隙率。

被測試樣比表面積可按式⑵計算：

式⑵中：

S——被測試樣的比表面積；

Ss——標(biāo)準(zhǔn)樣品的比表面積；

T——被測試樣試驗時，壓力計中液面降落測得的時間；

Ts——標(biāo)準(zhǔn)樣品試驗時，壓力計中液面降落測得的時間；

η——被測試樣試驗溫度下的空氣粘度；

ηs——標(biāo)準(zhǔn)樣品試驗溫度下的空氣粘度；

ε——被測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——被測試樣的密度；

ρs——標(biāo)準(zhǔn)樣品的密度。

式⑵可簡化為：

式⑶中：K 為儀器標(biāo)定時相關(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礦渣粉比表面積試驗結(jié)果的影響。

2 影響因素及分析

2.1 密度測定對試驗結(jié)果的影響

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

2.2 溫度對試驗結(jié)果的影響

溫度分為待測樣品溫度和試驗環(huán)境溫度，GB/T 8074-2008 規(guī)定，樣品先通過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 待測樣溫度

根據(jù)分子熱運(yùn)動觀點，溫度越高，熱運(yùn)動越劇烈，試料層顆粒之間阻力較大，空氣透過通過固定厚度試料層時間變長。日常試驗中，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。

2.2.2 環(huán)境溫度

GB/T 8074 未對實驗室環(huán)境溫度做定量規(guī)定。試驗時溫度與校準(zhǔn)溫度之差≤3℃時，可忽略溫度因素對實驗結(jié)果的影響；試驗時溫度與校準(zhǔn)溫度之差＞3℃時，應(yīng)考慮空氣粘度對實驗結(jié)果的影響，見式⑵。

式⑵可簡化為：

取系數(shù)Y 數(shù)值為400，分別取標(biāo)定溫度為8℃、20℃、34℃，各個試驗溫度計算的比表面積數(shù)值與標(biāo)定溫度比表面積數(shù)值差見圖1。分析可知，環(huán)境溫度對礦渣粉比表面積影響較小，手動勃氏比表儀需查表得出數(shù)值進(jìn)行計算，自動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 濕度對試驗結(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50%，比表面積結(jié)果會偏高2%以上；相反，空氣濕度≤50%時，水分子減少，試料層受到阻力減小，測試時間減短，比表面積就越小，但濕度降低到50%以下后，比表面積檢測結(jié)果無明顯變化[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)定試驗室條件相對濕度不大于50%，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制。

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

2.4 空隙率的確定對試驗結(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ε 的取值，見表1。

表1 國際通用水泥標(biāo)準(zhǔn)ε 的取值對比[6]

國外標(biāo)準(zhǔn)在測定比表面積時對搗器壓實的力度都有規(guī)定控制，例如：歐洲標(biāo)準(zhǔn)BS EN196-6 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：壓力過大或過快會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ASTM C204 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：任何情況下，用于壓實料層的壓力不能超過拇指的壓力，也不能超過當(dāng)壓力移除時搗器從圓筒頂部“彈回”的拇指壓力[8]。但無論是大拇指舒適地壓在搗器上，還是不能超過拇指的力量壓實試料層，都沒有一個量化的標(biāo)準(zhǔn)。

試驗過程中，樣品的真實空隙率未知，選定的空隙率是一個經(jīng)驗統(tǒng)計值。按照式⑴計算稱樣量，當(dāng)被測樣品選取的空隙率小于真實空隙率，稱樣量偏大，可能會出現(xiàn)搗器壓不到底的情況。對于這種情況，不能直接試驗而應(yīng)先進(jìn)行空隙率的調(diào)整。操作人員如沒有注意到這點，用力將試料層壓至規(guī)定位置，會使得試料層實際空隙率降低，空氣通過固定厚度試料層時間變長，比表面積測得值偏大。另一種情況，被測樣品選取的空隙率大于真實空隙率，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，阻力減小，空氣流速加快，比表面積測得值偏小。為了減少人為因素對試驗結(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，允許改變空隙率，使用2kg砝碼作為壓實力度統(tǒng)一基準(zhǔn)。

選定空隙率，不同壓實力度對結(jié)果的影響，取一次試驗為例，見表2 和圖2。

表2 不同壓實力度對試驗結(jié)果的影響

圖2 選定空隙率不同壓實力度對試驗結(jié)果的影響

當(dāng)空隙率選用0.500 時，選定的空隙率小于真實空隙率，稱樣量過大，試料層隨著壓實力度的增大，實際空隙率降低，阻力增大，空氣通過試料層時間變長，比表面積測得值不斷變大，壓實力度不斷增加，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，比表面積測得值也不再變化，最終測得值大于實際值，見圖2。忽略空隙率的調(diào)整，操作人員力量不同，壓實力度的差別會使結(jié)果偏離正常值，重復(fù)性試驗結(jié)果可能相差2%以上。

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

礦渣粉空隙率選用0.500 和0.530 時，忽略壓實力度，將試樣均壓到規(guī)定位置，比表面積測得值相差不大。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)的越來越細(xì)，在實際試驗過程當(dāng)中，操作人員正常很難將試樣壓至規(guī)定位置，導(dǎo)致同一實驗室不同的操作人員試驗結(jié)果不盡相同，經(jīng)常出現(xiàn)二次試驗結(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題，試驗結(jié)果也將更準(zhǔn)確。因此，礦渣粉空隙率選用0.530±0.005 是相對準(zhǔn)確的。

3 結(jié)束語

⑴與水泥不同，用于測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礦渣粉密度測定不但影響稱樣量，對比表面積結(jié)果計算也有影響，應(yīng)當(dāng)保證密度兩次測定結(jié)果差值不超過0.02g/cm3。

⑶環(huán)境對試驗結(jié)果有一定影響，實驗室相對濕度不得超過50%；環(huán)境溫度影響不大，但超過標(biāo)定溫度3℃時，空氣粘度應(yīng)考慮。

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