蔡文舉

水泥比表面積是水泥生產(chǎn)企業(yè)質(zhì)量控制的主要指標(biāo)之一[1]。隨著水泥生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，控制和檢測(cè)水泥質(zhì)量的方法也越來越多，例如激光粒度分析儀檢測(cè)水泥顆粒級(jí)配等。目前，大多數(shù)機(jī)構(gòu)采用勃氏比表面積儀測(cè)定比表面積，但在實(shí)際操作中，比表面積測(cè)試數(shù)據(jù)誤差大、甚至不準(zhǔn)確的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，這不利于水泥企業(yè)連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。本文詳細(xì)探討了影響比表面積的主要因素，如密度、空隙率等，通過加強(qiáng)對(duì)比表面積的認(rèn)識(shí)，期望對(duì)比表面積儀的誤差控制和準(zhǔn)確測(cè)量有所幫助。

1 比表面積儀測(cè)試中的影響因素

眾所周知，比表面積的計(jì)算公式為：

在式（1）中，必須獲得式中的5個(gè)參數(shù)，才能得到所測(cè)試物料的比表面積。其中，K為儀器常數(shù)，可以通過比表面積標(biāo)準(zhǔn)粉校正反推得到，是一個(gè)固定值。如一種螢石標(biāo)準(zhǔn)粉，參數(shù)為SS=353.7m2/kg，ρS=3.04g/cm3，εS=0.5，根據(jù)當(dāng)時(shí)室溫下空氣粘度ηS和標(biāo)準(zhǔn)粉液面降落時(shí)間TS，可得到該比表面積儀的K值。ρ為樣品密度，此密度為真密度，排除物料孔隙所占體積的密度，在水泥樣品中，可以用李氏密度瓶測(cè)得。ε為試料層空隙率，可以根據(jù)樣品的粗細(xì)程度選擇不同的空隙率，如0.50，0.48等。η為空氣粘度，溫度不同，相應(yīng)地空氣粘度也會(huì)不同。t為比表面積儀液面下降的時(shí)間。本文重點(diǎn)討論對(duì)比表面積影響較大的兩個(gè)因素：密度ρ和空隙率ε。

2 密度、空隙率和空氣粘度對(duì)比表面積儀測(cè)試準(zhǔn)確性的影響

2.1 密度

密度對(duì)比表面積的影響很大。由于熟料質(zhì)量、混合材的添加品種和比例不同，水泥品種不同，水泥密度隨之差別也很大。密度一般用李氏密度瓶測(cè)試，在測(cè)試時(shí)要保證讀數(shù)準(zhǔn)確，將李氏密度瓶放入恒溫水槽內(nèi)至少恒溫半個(gè)小時(shí)以上。計(jì)算公式為m=ρv（1-ε），m為水泥質(zhì)量，v為試料層體積，此值為定值。密度的大小關(guān)系到試樣的質(zhì)量。

粉煤灰作為一種特殊的混合材，其比表面積和細(xì)度對(duì)活性的發(fā)揮至關(guān)重要。但是由于粉煤灰受到了形成條件的影響，其形貌、顆粒組成和級(jí)配不同，在粉磨過程中空隙率變化較大，因而比表面積較難測(cè)量準(zhǔn)確。比如進(jìn)行粉煤灰粉磨實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，其比表面積隨著粉磨時(shí)間變化，密度在變化，空隙率也在變化。我們選擇了以下幾個(gè)粉磨時(shí)間段進(jìn)行密度的測(cè)試，結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，粉煤灰的密度變化很大。隨著粉磨時(shí)間的增加比表面積也在增加，粉煤灰在磨細(xì)的同時(shí)，密度也逐漸增大。而且在測(cè)定比表面積時(shí)，對(duì)粉煤灰試樣空隙率的選擇也很重要。常常遇到的情況就是，如果選擇的空隙率不當(dāng)，比表面積儀試料筒壓不下去，造成比表面積測(cè)量出現(xiàn)偏差。

2.2 空隙率

在一般水泥生產(chǎn)中，根據(jù)公式m=ρv（1-ε）計(jì)算試樣質(zhì)量，選擇的空隙率大多為0.50、0.48和0.52?？障堵士梢愿鶕?jù)物料的粗細(xì)和試料筒的壓實(shí)程度調(diào)整進(jìn)行，如果試料筒壓不下去，就選擇較大的空隙率，減少稱量試樣質(zhì)量；如果試料筒不能填滿壓實(shí)，就選擇較小的空隙率，稱量的質(zhì)量變大。在最終計(jì)算比表面積時(shí)，用進(jìn)行修正?？障堵市?，稱重物料較多，液面降落時(shí)間延長，較小；空隙率大，稱重物料較少，液面降落時(shí)間縮短，但卻稍大。由此達(dá)到一種相互平衡。

2.3 空氣粘度

一般，比表面積儀所處環(huán)境溫度波動(dòng)不大時(shí)，因空氣溫度造成的粘度系數(shù)變化對(duì)比表面積的影響也不大[2]。我們知道，粘度系數(shù)隨著溫度的升高而減小，見表2。

如表2所示，我們將兩個(gè)溫度懸殊最大的8℃和34℃的空氣粘度，分別與20℃的空氣粘度相比，修正系數(shù)百分?jǐn)?shù)都約為2%，這對(duì)水泥比表面積的影響很小，基本可以忽略。所以，只要在室溫穩(wěn)定的環(huán)境下，測(cè)試環(huán)境溫度對(duì)比表面積的影響不大。

表1 粉煤灰易磨性

表2 空氣粘度系數(shù)表

3 校正方法

3.1 密度影響的校正

以下探討水泥密度的誤差對(duì)水泥比表面積誤差的影響。以SBT-127型數(shù)顯勃氏透氣比表面積儀為例，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)粉校正后，比表面積儀儀器常數(shù)K為20.01，空隙率選擇0.5。我們選取第一種配比為熟料83%、石膏4.5%、粉煤灰12.5%的水泥進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，平均密度為3.06g/cm3；選取第二和第三種配比均為熟料95%、石膏5%的水泥進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別為平均密度 3.18g/cm3、比表面積 166.7m2/kg，平均密度 3.15g/cm3、比表面積 350.8m2/kg，實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果見表3、表4和表5。

按照《水泥生產(chǎn)企業(yè)質(zhì)量管理規(guī)程》2017版規(guī)定，水泥比表面積同一試驗(yàn)室允許差為±2.0%，從表3可以看出，密度的準(zhǔn)確值為3.06g/cm3時(shí)，當(dāng)密度檢測(cè)值與準(zhǔn)確值之差在±0.04g/cm3以內(nèi)時(shí)，比表面積值與準(zhǔn)確值之差在允許范圍內(nèi)。而表4和表5分別反映密度對(duì)低比表面積和高比表面積的影響。可以看出，當(dāng)密度檢測(cè)值與準(zhǔn)確值之差在±0.03g/cm3以內(nèi)甚至更低時(shí)，比表面積值與準(zhǔn)確值之差在允許范圍內(nèi)。綜上所述，可以看出密度對(duì)準(zhǔn)確測(cè)試比表面積的重要性。因此，在水泥廠質(zhì)量控制中，由于熟料質(zhì)量波動(dòng)、混合材品種的變化等，更應(yīng)該定期對(duì)生產(chǎn)的各品種水泥的密度反復(fù)驗(yàn)證，以保證比表面積檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.2 空隙率影響的校正

表3 第一種不同密度對(duì)比表面積的影響

表4 第二種不同密度對(duì)比表面積的影響

表5 第三種不同密度對(duì)比表面積的影響

目前，大多數(shù)水泥廠測(cè)試比表面積都采用電動(dòng)勃氏比表面積儀，儀表盤上有計(jì)算比表面積的各種參數(shù)，在測(cè)試時(shí)，只需將各個(gè)參數(shù)的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)輸入即可，部分水泥廠測(cè)試為半自動(dòng)輸入，有些參數(shù)不能全部輸入。一旦輸入數(shù)據(jù)不全，會(huì)導(dǎo)致比表面積儀測(cè)試出現(xiàn)錯(cuò)誤。例如，某水泥廠質(zhì)量控制處測(cè)試的比表面積值總是與真實(shí)值之間存在差距，導(dǎo)致生產(chǎn)產(chǎn)量波動(dòng)很大，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。之后工廠按照步驟仔細(xì)核對(duì)，具體過程如下：首先用標(biāo)準(zhǔn)粉校核儀器常數(shù)。公司采用空隙率0.50，標(biāo)準(zhǔn)粉密度3.14g/cm3及試樣筒體積1.887 2cm3計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)粉質(zhì)量，經(jīng)計(jì)算，標(biāo)準(zhǔn)粉質(zhì)量=3.14×（1-0.5）×1.887 2。將稱取的標(biāo)準(zhǔn)粉裝入試樣筒，輸入標(biāo)準(zhǔn)粉密度，測(cè)量后儀器顯示溫度、測(cè)試時(shí)間和比表面積值351m2/kg，與標(biāo)準(zhǔn)粉標(biāo)簽上的數(shù)值相同。然后，分析水泥比表面積，密度選擇3.10，空隙率0.515，根據(jù)上述公式計(jì)算水泥質(zhì)量=3.14×（1-0.515）×1.887 2。水泥裝入試樣筒，輸入水泥密度，但不能輸入空隙率值。此時(shí)，顯示測(cè)試時(shí)間和比表面積值336m2/kg。最后改用空隙率 0.50 計(jì)算，水泥質(zhì)量=3.14×（1-0.5）×1.887 2，儀器顯示比表面積為366m2/kg，這是水泥真實(shí)的比表面積值，二者相差30m2/kg。由此得到測(cè)試誤差如此大的原因是，空隙率改變后，稱樣量發(fā)生變化，但儀器仍按空隙率0.50計(jì)算比表面積，因此顯示錯(cuò)誤結(jié)果。不同的空隙率ε所得到的差別較大，具體與選取0.5的空隙率的比值如表6所示。

表6 不同空隙率與空隙率0.5比值表

使用空隙率0.515計(jì)算稱樣重量并測(cè)量比表面積時(shí),應(yīng)用表中系數(shù)修正儀器顯示的比表面積值，即乘以1.077 7，計(jì)算結(jié)果為362m2/kg，與用空隙率0.50稱樣、測(cè)量的表面積值366m2/kg十分接近。

4 結(jié)語

當(dāng)前，水泥工業(yè)逐漸開始從以比表面積和細(xì)度為主的控制指標(biāo)，發(fā)展到以在線激光粒度分析儀控制調(diào)整顆粒級(jí)配和比表面積。水泥質(zhì)量控制越來越嚴(yán)格，檢測(cè)手段越來越現(xiàn)代化。但是，傳統(tǒng)的比表面積測(cè)試操作方便，準(zhǔn)確度高，長時(shí)間內(nèi)仍將廣泛應(yīng)用。水泥生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)定期準(zhǔn)確測(cè)試水泥密度，用比表面積標(biāo)準(zhǔn)粉校正比表面積儀，嚴(yán)格控制水泥比表面積誤差，保證水泥性能和質(zhì)量，穩(wěn)定生產(chǎn)。