淺談無水乙醇替代無水煤油測定水泥密度試驗(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)場工作對學(xué)生動(dòng)手能力要求很高，現(xiàn)場施工中動(dòng)手能力的起源，就來自于這些基礎(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，為接下來的試驗(yàn)做好準(zhǔn)備。水泥密度試驗(yàn)經(jīng)過多年的反復(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，無需革新，但在試驗(yàn)溶劑上，出現(xiàn)了諸多問題，亟待改進(jìn)。

1 替代溶劑的思考

1.1 傳統(tǒng)溶劑無水煤油的弊端

無水煤油是水泥密度試驗(yàn)使用的傳統(tǒng)溶劑，作為傳統(tǒng)使用的無機(jī)溶劑，無水煤油有著作為傳統(tǒng)有機(jī)溶劑的優(yōu)勢，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。

但同比來說，無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，無水煤油造價(jià)同比來說不低，每一次試驗(yàn)用量不少，不利于推廣開來讓學(xué)生大量試驗(yàn)，反復(fù)試驗(yàn)來練手。雖然無水煤油可回收反復(fù)利用，但一般高校實(shí)驗(yàn)室不具備回收無水煤油的條件和技術(shù)，只能將使用過的無水煤油倒掉，無法循環(huán)使用，造成大量浪費(fèi)。并且無水煤油不溶于水，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，無水煤油作為無機(jī)溶劑來說，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，沒有合適的溶劑，就無法進(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。

一般來說，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)的水硬性無機(jī)膠凝材料，反應(yīng)之后成分改變，無法測得水泥密度，所以水這種無機(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)，根本無法使用。同時(shí)這些無機(jī)溶劑安全隱患比無水煤油更大，所以暫不考慮無機(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，且毒性比無水煤油更強(qiáng)，又不溶于水，無法稀釋，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)溶劑的一般問題存在，但相對來說，無水乙醇更為合理適用。綜合考慮，初步選擇無水乙醇作為替代溶劑。

2 對比試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

將待測水泥放入研缽破碎、磨細(xì)，取出后通過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。取出密封良好的無水煤油與無水乙醇各500mL備用。

取出天平一臺，李氏瓶兩個(gè)，分別標(biāo)記為無水煤油用與無水乙醇用，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，一份以無水煤油為溶劑，記為m1，一份以無水乙醇為溶劑，記為ma。

取出兩個(gè)李氏瓶，開始試驗(yàn)。打開無水煤油與無水乙醇密封，分別在兩個(gè)李氏瓶中注入無水煤油與無水乙醇至李氏瓶刻度0～1mL之間，放在恒溫水槽中30min至恒溫，記錄無水煤油李氏瓶刻度為V1，無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，并以李氏瓶中無水煤油和無水乙醇將粘附在李氏瓶瓶頸的水泥洗入無水煤油或無水乙醇中，再置于恒溫水槽中，靜置 30mim，準(zhǔn)確記錄液面刻度，其中無水煤油為V2，無水乙醇為Vb。而后用天平分別稱取小鐵盒中剩余水泥質(zhì)量，未加入無水煤油的為m2，未加入無水乙醇的為mb。

2.3 注意事項(xiàng)

（1）注入無水煤油或無水乙醇時(shí)，不應(yīng)使用玻璃棒等引導(dǎo)儀器，避免無水煤油或無水乙醇粘附在引導(dǎo)儀器上產(chǎn)生誤差。注入時(shí)應(yīng)緩緩注入，避免無水煤油或無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，加入一點(diǎn)溶劑上升幅度都會(huì)很大，一旦加入時(shí)超過0～1mL之外，整個(gè)試驗(yàn)將立即停止重來。

（2）加入水泥時(shí)，應(yīng)使用勺子及漏斗緩緩加入，速度過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。漏斗不宜插入過淺，過淺會(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，取得無水煤油中水泥密度平均值為 3.08g/cm3，無水乙醇中水泥密度平均值為3.10g/cm3。

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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,在無水煤油中測得水泥密度平均值為3.08g/cm3，在無水乙醇中測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

在無水乙醇中測得水泥密度比在無水煤油中測得的水泥密度數(shù)值略大，經(jīng)過三次反復(fù)試驗(yàn)，均是如此。由于試驗(yàn)條件相同，試驗(yàn)過程無操作問題產(chǎn)生的誤差，考慮到無水乙醇沸點(diǎn)比無水煤油低，揮發(fā)性比無水煤油更強(qiáng)，同等條件下，相同的體積的無水乙醇揮發(fā)比無水煤油更快，造成無水乙醇體積略微減小，使無水乙醇中水泥密度略高于無水煤油中水泥密度，產(chǎn)生誤差。

3 試驗(yàn)總結(jié)

通過三次反復(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)，對比試驗(yàn)誤差也很小，考慮為無水乙醇揮發(fā)性高于無水煤油所致，需要進(jìn)一步進(jìn)行其他對比實(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，無水乙醇替代無水煤油進(jìn)行試驗(yàn)確有可行性。

4 可行性分析

通過試驗(yàn)可以看出，無水乙醇代替無水煤油進(jìn)行水泥密度試驗(yàn)在一定條件下是可行的。在對比試驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)，無水乙醇替代無水煤油，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，無水乙醇是否能取代無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)校簡單的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，無水乙醇替代無水煤油還是可行的。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)也對后續(xù)試驗(yàn)無太大影響，故而在經(jīng)濟(jì)、適用、合理、安全等綜合情況考慮下，使用無水乙醇替代無水煤油是確實(shí)可行的。

5 總結(jié)

利用無水乙醇替代無水煤油，可以讓實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作更加合理，利用無水乙醇廉價(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水煤油作為對比實(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)，在使用無水乙醇替代無水煤油作為水泥密度試驗(yàn)溶劑之后，對于無水乙醇存在的安全問題同樣要引起重視。無水乙醇雖然在安全性上優(yōu)于無水煤油，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。無水乙醇應(yīng)密封完好儲存在陰涼通風(fēng)的庫房中，避免陽光直射，遠(yuǎn)離火種火源甚至熱源，庫房溫度不超過30℃。同時(shí)注意密封封存，避免揮發(fā)造成損失及帶來安全隱患。備好消防滅火等工具。學(xué)生試驗(yàn)使用無水乙醇用量不大，盡量少量儲藏多次購買以滿足學(xué)生試驗(yàn)使用，避免大量儲藏帶來安全隱患。