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處理的副產品水渣磨細而成，廣泛應用于水泥、砂漿與混凝土中。隨著近年來礦渣粉的產量和利用量的不斷增加，質量問題在礦渣粉行業發展中越來越突出。生產企業保證礦渣粉品質，首先要控制礦渣粉生產的細度，即礦渣粉比表面積。而在礦渣粉比表面積檢驗過程中，如果操作出現問題或出現某一影響因素，都將造成試驗結果產生較大的誤差，無法真實指導生產，導致能耗增加，降低公司效益，且質量無法保證。為了提高試驗結果的準確性，對測定的各個環節進行分析研究，能夠發現在實際試驗過程中，有部分因素會直接影響礦渣粉比表面積試驗結果的準確性。

1 檢測依據、原理、數學模型

1.1 檢測依據

密度測定按照GB/T 208-2014《水泥密度測定方法》進行；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》進行。

1.2 方法原理

勃氏法主要是根據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，孔隙的大小和數量是顆粒尺寸的函數，同時也決定了通過料層的氣流速度[1]。

1.3 數學模型

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——標準樣品的比表面積；

T——被測試樣試驗時，壓力計中液面降落測得的時間；

Ts——標準樣品試驗時，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——標準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——標準樣品試料層中的空隙率；

ρ——被測試樣的密度；

ρs——標準樣品的密度。

式⑵可簡化為：

式⑶中：K 為儀器標定時相關常數。根據GB/T 8074 規定，儀器校準采用GSB 14-1511 水泥細度和比表面積標準樣品，而GB/T 18046 規定校準按GB/T 8074 進行，但標準物質采用GSB 08-3387 粒化高爐礦渣粉細度和比表面積標準樣品[2]。礦渣粉與水泥相比，兩者粒度范圍、顆粒分布和物料性質差距較大，建議礦渣粉企業采用?；郀t礦渣粉細度和比表面積標準樣品[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果的影響。

2 影響因素及分析

2.1 密度測定對試驗結果的影響

結合式⑴和式⑶，試樣量和比表面積結果計算均需要密度數值，密度對試驗有雙重影響，密度測定結果直接影響比表面積測定結果。當空隙率為0.500 時，影響系數為1.50；當空隙率為0.530 時，影響系數為1.33[4]。為保證試驗結果的準確性，應嚴格按照GB/T 208-2014的要求，保證兩次測定結果差值不大于0.02g/cm3。

2.2 溫度對試驗結果的影響

溫度分為待測樣品溫度和試驗環境溫度，GB/T 8074-2008 規定，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

根據分子熱運動觀點，溫度越高，熱運動越劇烈，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當等試樣冷卻至室溫，方可進行試驗。

2.2.2 環境溫度

GB/T 8074 未對實驗室環境溫度做定量規定。試驗時溫度與校準溫度之差≤3℃時，可忽略溫度因素對實驗結果的影響；試驗時溫度與校準溫度之差＞3℃時，應考慮空氣粘度對實驗結果的影響，見式⑵。

式⑵可簡化為：

取系數Y 數值為400，分別取標定溫度為8℃、20℃、34℃，各個試驗溫度計算的比表面積數值與標定溫度比表面積數值差見圖1。分析可知，環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值進行計算，自動勃氏比表儀直接顯示因溫度變化引起的結果變化。

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生微弱的水化反應。所以GB/T 8074 規定試驗室條件相對濕度不大于50%，應當嚴格控制。

礦渣粉檢驗項目基本參照水泥檢驗規程，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，部分礦渣粉企業在工作過程中未引起注意，造成試驗結果不夠準確。

2.4 空隙率的確定對試驗結果的影響

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 國際通用水泥標準ε 的取值對比[6]

國外標準在測定比表面積時對搗器壓實的力度都有規定控制，例如：歐洲標準BS EN196-6 標準規定：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，最大的壓力應當是拇指舒適地在搗器上施加壓力[7]；美國ASTM C204 標準中規定：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準。

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驗統計值。按照式⑴計算稱樣量，當被測樣品選取的空隙率小于真實空隙率，稱樣量偏大，可能會出現搗器壓不到底的情況。對于這種情況，不能直接試驗而應先進行空隙率的調整。操作人員如沒有注意到這點，用力將試料層壓至規定位置，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果的影響，當給定空隙率不能將試樣壓至規定位置或很容易壓至規定位置時，允許改變空隙率，使用2kg砝碼作為壓實力度統一基準。

選定空隙率，不同壓實力度對結果的影響，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果的影響

圖2 選定空隙率不同壓實力度對試驗結果的影響

當空隙率選用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，直至搗器的支持環與圓筒頂邊接觸，繼續增加壓實力度，由于搗器限位固定，試料層不再發生變化，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。忽略空隙率的調整，操作人員力量不同，壓實力度的差別會使結果偏離正常值，重復性試驗結果可能相差2%以上。

當空隙率選用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，搗器支持環與圓筒頂邊已經接觸，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，將試樣均壓到規定位置，比表面積測得值相差不大。部分礦渣粉企業使用0.500 的空隙率，但隨著礦渣粉生產的越來越細，在實際試驗過程當中，操作人員正常很難將試樣壓至規定位置，導致同一實驗室不同的操作人員試驗結果不盡相同，經常出現二次試驗結果相差2%以上，改用0.530 或合適的空隙率剛好解決這一問題，試驗結果也將更準確。因此，礦渣粉空隙率選用0.530±0.005 是相對準確的。

3 結束語

⑴與水泥不同，用于測定礦渣粉比表面積的勃氏透氣儀，儀器校準建議采用GSB 08-3387 粒化高爐礦渣粉細度和比表面積標準樣品。

⑵礦渣粉密度測定不但影響稱樣量，對比表面積結果計算也有影響，應當保證密度兩次測定結果差值不超過0.02g/cm3。

⑶環境對試驗結果有一定影響，實驗室相對濕度不得超過50%；環境溫度影響不大，但超過標定溫度3℃時，空氣粘度應考慮。

⑷礦渣粉生產越來越細，為了避免人為因素造成試驗結果的偏差，空隙率選用0.530±0.005，試驗結果更加準確。