激光粒度測試技術(shù)在道路材料中的應(yīng)用研究

文章從重要性、主要優(yōu)點(diǎn)、發(fā)展情況及趨勢等方面闡述了激光粒度測試技術(shù)的背景與意義，詳細(xì)介紹了激光粒度儀的基本工作原理、理論分析及工作模式，研究了激光粒度儀在水泥材料和乳化瀝青中的使用情況，并對(duì)激光粒度測試技術(shù)應(yīng)用作出了總結(jié)與展望。

激光粒度測試技術(shù)；水泥材料；瀝青材料；應(yīng)用情況

U416.03A120343

作者簡介：

張亞芳（1993—），工程師，主要從事高速公路養(yǎng)護(hù)工作。

0" 引言

伴隨著科技的發(fā)展，傳統(tǒng)的粒度測量方法因存在各種弊端逐漸被新型測量方法所取代。由于激光粒度測試技術(shù)具有測試速度快、測量范圍廣、精度高等優(yōu)勢，已成為新一代粒度測量方式。同時(shí)，隨著道路工程對(duì)質(zhì)量把控力度的提高，激光粒度儀已經(jīng)被用于道路材料中，主要用于材料分析、性能預(yù)測與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文主要講述了激光粒度測試技術(shù)的發(fā)展過程與重要意義，闡明了激光粒度儀的基本工作原理、理論分析及工作模式，并介紹了激光粒度儀在水泥以及乳化瀝青材料中的應(yīng)用。最后，對(duì)激光粒度測試技術(shù)作出了總結(jié)與展望。

1" 背景與意義

1.1" 重要性

物料性能與顆粒的粒度和形狀關(guān)系緊密，許多領(lǐng)域?qū)︻w粒的粒度與粒形有著嚴(yán)格要求，包括食品、醫(yī)藥、化工、電池等行業(yè)。但是，各個(gè)研究與應(yīng)用領(lǐng)域存在形狀各異且種類繁多的顆粒，因此許多行業(yè)采用特定的測量方法來進(jìn)行顆粒的測試，以此滿足其特殊要求。

1.2" 主要優(yōu)點(diǎn)

激光散射/衍射法的主要優(yōu)點(diǎn)有［1］：

（1）激光光源能量集中、強(qiáng)度高，且光束細(xì)，這樣不僅可以縮小顆粒樣品區(qū)，還能夠減少環(huán)境因素對(duì)測試的干擾。

（2）散射光強(qiáng)度信號(hào)在采集與處理過程中，所需時(shí)間短、檢測效率高，并可達(dá)到無損式非接觸采樣測量的目的。

（3）亞微米至毫微米級(jí)的粒度測量范圍，易于操作，重復(fù)性強(qiáng)。

2" 發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，國外的激光測量理論以及激光粒度儀的優(yōu)化取得了很多成果。在測量的實(shí)時(shí)監(jiān)測、取樣的連續(xù)性、儀器的抗干擾以及數(shù)據(jù)輸出多樣性方面的進(jìn)展非常迅速。隨著國內(nèi)粉體工業(yè)的發(fā)展，以及粉體工業(yè)在激光粒度測量技術(shù)支持下創(chuàng)造了巨大效益的情況下，我國在在線粒度測量與監(jiān)測、分散和取樣設(shè)備的設(shè)計(jì)與研發(fā)、檢測準(zhǔn)度、安全性以及穩(wěn)定性等方面投入大量精力，同時(shí)也取得了許多成果。

3" 工作原理

3.1" 基本原理

當(dāng)光線遇到被測顆粒發(fā)生散射時(shí)，較小粒徑的顆粒具有較大的散射光偏離量，而較大粒徑的散射光則表現(xiàn)相反。如圖1所示，散射光的分布范圍隨著顆粒粒徑的變小而逐漸增大，在探測器中心的光能分布峰值隨之往外移動(dòng)［2］。根據(jù)光能分布與顆粒粒徑的對(duì)應(yīng)關(guān)系，最終能夠反向推算出被測樣品的粒徑情況。

3.2" 理論分析

基于Fraunhofer［3］和Mie理論［4］，借助軟件分析計(jì)算，可以獲取被測樣品的粒徑分布。Fraunhofer理論主要解釋了光衍射造成光的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，即使用平行光作為入射光時(shí)，若存在小孔或障礙物，會(huì)發(fā)生衍射以及干涉。Fraunhofer理論適用于未知光學(xué)常數(shù)的微米及以上尺寸的顆粒粒徑測量。Mie理論是Gustav mie在20世紀(jì)初提出的，其作為球形粒子電磁波散射在麥克斯韋方程下的解，可測量小顆粒粒徑，主要應(yīng)用于被測樣品尺寸不是明顯大于所用激光束光波的情況，但須知被測顆粒的光學(xué)常數(shù)（折射率和吸收系數(shù)）。

3.3" 工作模式

目前，激光粒度儀的工作模式主要有濕法、干法、濕法/干法、噴霧等。對(duì)于不同測試方法，樣品的分散可以采用氣流或是液體。氣流分散避免了樣品與水或是其他液體發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而影響測試結(jié)果，但相比于液體分散，測試過程中所需的樣品數(shù)量較多。大多數(shù)的顆粒都可以采用液體分散的方式，即使是粒徑＜10 μm的樣品也適用。

激光粒度測試技術(shù)在道路材料中的應(yīng)用研究/張亞芳

4" 應(yīng)用情況

4.1" 水泥材料

4.1.1" 力學(xué)強(qiáng)度

如圖2所示展示了水泥抗壓強(qiáng)度與均勻性系數(shù)、特征粒徑之間的關(guān)系［5］。由圖2（a）可知，水泥的抗壓強(qiáng)度在相同的比表面積下，隨著均勻性系數(shù)的提升，水泥抗壓強(qiáng)度隨之升高。水泥在相同的特征粒徑下，抗壓強(qiáng)度與均勻性系數(shù)之間的關(guān)系如圖2（b）所示。可以看到，3 d抗壓強(qiáng)度隨著均勻性系數(shù)的提高而下降。這可以解釋為，較粗顆粒與水化速率較快的較細(xì)顆粒數(shù)量變少，進(jìn)一步致使早期水化速率的下降，早期強(qiáng)度的降低。圖2（c）展示了均勻性系數(shù)不變的情況下，水泥不同齡期強(qiáng)度與特征粒徑存在反線性關(guān)系。

（a）相同比表面積下抗壓強(qiáng)度均勻性系數(shù)關(guān)系

（b）相同特征粒徑下抗壓強(qiáng)度均勻性系數(shù)關(guān)系

（c）相同均勻性系數(shù)下抗壓強(qiáng)度特征粒徑關(guān)系

4.1.2" 流動(dòng)性

通過激光衍射粒度分析儀獲得轉(zhuǎn)爐鋼渣粉的粒度分布，對(duì)由30%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）鋼渣粉配制成標(biāo)準(zhǔn)水泥的膠凝砂漿的強(qiáng)度和流動(dòng)性進(jìn)行了測試，并運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)法分析了鋼渣粉粒度分布與砂漿性能的關(guān)系，結(jié)果見表1［6］。由表1可知，砂漿流動(dòng)性與＞8 μm的鋼渣粉體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)正相關(guān)極性，表明鋼渣粉體積分?jǐn)?shù)越大，砂漿流動(dòng)性越好。此外，不同齡期砂漿的抗壓強(qiáng)度與＜8 μm的鋼渣粉體積分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)，說明鋼渣粉體積分?jǐn)?shù)的增加有利于提高砂漿的抗壓強(qiáng)度。其中，鋼渣粉體積分?jǐn)?shù)＞8 μm與不同齡期砂漿抗壓強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)，說明鋼渣粉體積分?jǐn)?shù)越大，對(duì)砂漿抗壓強(qiáng)度越不利。從以上分析可以看出，并不是鋼渣粉越細(xì)越好。

4.2" 乳化瀝青材料

4.2.1" 穩(wěn)定性及性能

乳化瀝青殘留物是衡量瀝青含量的重要指標(biāo)，也是質(zhì)量控制體系的主要參數(shù)之一。乳化瀝青殘留物的主要成分是瀝青材料。瀝青含量過高時(shí)，乳化瀝青黏度過大，儲(chǔ)存穩(wěn)定性變差，且會(huì)影響施工質(zhì)量。乳化瀝青殘留物主要是通過加熱去除乳化瀝青中的水分。但是，過度加熱會(huì)導(dǎo)致瀝青和添加劑的老化效應(yīng)，從而影響測試結(jié)果［7］。目前，通過激光粒度儀檢測乳化瀝青粒徑分布情況，進(jìn)而判斷其穩(wěn)定性。乳化瀝青性能優(yōu)良的評(píng)價(jià)取值范圍為，徑值D85lt;5 μm；體積平均粒徑D（4，3）lt;3 μm，這可解決傳統(tǒng)乳化瀝青評(píng)價(jià)指標(biāo)適用性差評(píng)價(jià)性能不足等問題。Wang等［8］對(duì)條件下的粒徑變化進(jìn)行測量，評(píng)價(jià)其貯存穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性。圖3所示為試驗(yàn)結(jié)果，在45 ℃時(shí)D90粒徑明顯增大，說明液滴發(fā)生了凝聚。溫度越高，導(dǎo)致更活躍的布朗運(yùn)動(dòng)，液滴的聚集程度越明顯。為了更好地說明攪拌強(qiáng)度對(duì)乳狀液穩(wěn)定性的影響，研究了不同攪拌時(shí)間對(duì)乳化瀝青粒徑的影響，結(jié)果如下頁圖4所示。隨著攪拌時(shí)間的延長，乳化劑的粒徑逐漸增大，如果攪拌時(shí)間過長，乳化劑對(duì)油水界面的粘附能力會(huì)減弱，從而影響乳化劑的效果。

4.2.2" 瀝青含量

Hou等［9］采用了分光光度法來檢測乳化液中的瀝青含量。采用紫外-可見分光光度計(jì)和激光粒度分布分析儀測定了樣品的吸光度、粒度及分布數(shù)據(jù)。采用統(tǒng)計(jì)方法和線性回歸方法建立并驗(yàn)證了瀝青含量與吸光度之間的預(yù)測模型。通過時(shí)間消耗分析研究了該方法的簡潔性，試驗(yàn)結(jié)果見圖5。結(jié)果表明，用90#瀝青和NSQ-1乳化劑配制的乳化瀝青的預(yù)測效果最好，其次是70#NSQ-1乳化瀝青。其中，粒徑分布結(jié)果在一定程度上解釋了乳化劑對(duì)乳化瀝青吸光度的影響。

5" 結(jié)語

本文主要介紹了激光粒度測試技術(shù)的發(fā)展背景及意義，解釋了激光粒度儀的基本原理，并總結(jié)了激光粒度儀在水泥以及乳化瀝青材料中的應(yīng)用。由此得出的主要結(jié)論與展望如下：

（1）激光粒度測試技術(shù)可進(jìn)行從亞納米到微米級(jí)顆粒粒度的測量。

（2）激光粒度儀可以快速檢測水泥、乳化瀝青及一些改性材料的粒徑分布情況，為材料分析、性能預(yù)測與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了有利方法。

（3）被測顆粒分散程度是影響激光粒度測試準(zhǔn)確性的重要因素之一。

（4）隨著科研與應(yīng)用領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，激光粒度儀需從檢測精準(zhǔn)度、復(fù)雜信號(hào)處理能力及儀器智能化等方面提升其測試技術(shù)。

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［9］HOU X，LV S，CHEN Z，et al.Applications of Fourier transform infrared spectroscopy technologies on asphalt materials［J］. measurement，2018（121）：304-316.

20240414