谷浩
(馬鞍山市合美新型建材有限公司)
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(yàn)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(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差,無法真實(shí)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(yàn)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(shí)際試驗(yàn)過程中,有部分因素會直接影響礦渣粉比表面積試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。
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。
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]。
試樣量按式⑴計(jì)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(jì)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(yàn)時,壓力計(jì)中液面降落測得的時間;
Ts——標(biāo)準(zhǔn)樣品試驗(yàn)時,壓力計(jì)中液面降落測得的時間;
η——被測試樣試驗(yàn)溫度下的空氣粘度;
ηs——標(biāo)準(zhǔn)樣品試驗(yàn)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)采用粒化高爐礦渣粉細(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(yàn)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(jì)算均需要密度數(shù)值,密度對試驗(yàn)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(yàn)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。
溫度分為待測樣品溫度和試驗(yàn)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(diǎn),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(yàn)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(yàn)。
2.2.2 環(huán)境溫度
GB/T 8074 未對實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度做定量規(guī)定。試驗(yàn)時溫度與校準(zhǔn)溫度之差≤3℃時,可忽略溫度因素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響;試驗(yàn)時溫度與校準(zhǔn)溫度之差>3℃時,應(yīng)考慮空氣粘度對實(shí)驗(yàn)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(yàn)溫度計(jì)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(jì)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
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(yàn)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(yàn)項(xiàng)目基本參照水泥檢驗(yàn)規(guī)程,水泥的物理性能檢驗(yàn)中,只有比表面積試驗(yàn)條件是相對濕度小于50%,其它的檢驗(yàn)項(xiàng)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(yàn)結(jié)果不夠準(zhǔn)確。
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(shí)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(shí)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(shí)試料層,都沒有一個量化的標(biāo)準(zhǔn)。
試驗(yàn)過程中,樣品的真實(shí)空隙率未知,選定的空隙率是一個經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值。按照式⑴計(jì)算稱樣量,當(dāng)被測樣品選取的空隙率小于真實(shí)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(yàn)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(diǎn),用力將試料層壓至規(guī)定位置,會使得試料層實(shí)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(shí)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(shí),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(yàn)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(shí)力度統(tǒng)一基準(zhǔn)。
選定空隙率,不同壓實(shí)力度對結(jié)果的影響,取一次試驗(yàn)為例,見表2 和圖2。
表2 不同壓實(shí)力度對試驗(yàn)結(jié)果的影響
圖2 選定空隙率不同壓實(shí)力度對試驗(yàn)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(shí)空隙率,稱樣量過大,試料層隨著壓實(shí)力度的增大,實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)際值,見圖2。忽略空隙率的調(diào)整,操作人員力量不同,壓實(shí)力度的差別會使結(jié)果偏離正常值,重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果可能相差2%以上。
當(dāng)空隙率選用0.530 時,按式⑴計(jì)算稱樣量,起始壓實(shí)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(shí)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(shí)際試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室不同的操作人員試驗(yàn)結(jié)果不盡相同,經(jīng)常出現(xiàn)二次試驗(yàn)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(yàn)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。
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(jì)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(yàn)結(jié)果有一定影響,實(shí)驗(yàn)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(yàn)結(jié)果的偏差,空隙率選用0.530±0.005,試驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確。