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关于水泥材料比表面积的测定方法的讨论

 摘要

本文从水泥材料的特性入手,通过引入GB/T8074-2008《水泥比表面积测定方法(勃氏法)》、GB/T208-2014《水泥密度测定方法》等国家标准及JC/T956-2014《勃氏透气仪》行业标准,对水泥材料的比表面测试方法进行介绍,并对BET氮吸附法测比表面进行对比和分析,总结各自特点,为今后不同材料的比表面测定提供理论支持。

 

前言

水泥是我国建筑行业不可或缺的一种重要材料,它硬化后不但强度较高,而且还能抵抗淡水或含盐水的侵蚀,不仅关系到工程项目的施工速度和成本、标志着我国建筑行业和材料领域的交互发展里程,更关系到建筑的安全系数。所以,水泥的品质和特性受到了各行各业的广泛关注。由于水泥的比表面积是评价水泥质量的重要标准,我们只有测量出较为精确的数据,才能保证施工项目的品质。因此,下文将对比勃氏法和BET氮吸附法的原理及特点,探讨最适合水泥的比表面测试方法。

 

一、勃氏法测比表面积

勃氏法主要用于测定水泥的比表面积及比表面积在0.20.6 m2/g范围的粉状物料,但不适用于多孔材料和超细粉状物料。该方法主要根据一定量的空气通过具有一定空隙率和规定厚度的试料层时,所受到的阻力不同而引起流速的变化来测定试料的比表面积。

实验方法主要分为两部分。首先,通过李氏瓶法测得被测样品的密度,利用砝码调整透气仪试料筒中试料层的样品空隙率。

其次,将预处理过的样品,利用砝码将其压实在试料筒中,将试料筒与压力计紧密连接进行透气实验,通过压力计中蒸馏水凹液面的升降表示压力计内压力变化并记录凹液面通过第一、二条刻度线时,液面下降所用的相对时间。

结构图如下所示:


111.png

将标准样品和待测样品的上述参数分别测试后,代入下方计算公式后即得所求比表面积。

当实验温差≤3℃时,按下式计算:


112.png

 

如实验温差>3℃时,按下式计算:

113.png

式中:

s.png——被测样品的比表面积,平方厘米每克cm2/g

QQ图片20180227142932.png——标准样品的比表面积,平方厘米每克cm2/g

QQ图片20180227143129.png——被测试样品的密度,克每立方厘米(g/cm3

QQ图片20180227143350.png——被测试样品的密度,克每立方厘米(g/cm3

QQ图片20180227143434.png——被测样品实验时,压力计中液面降落测得的时间,秒(s

QQ图片20180227143504.png——标准样品实验时,压力计中液面降落测得的时间,秒(s

QQ图片20180227143538.png——被测标样的实验温度下的空气粘度,微帕·秒(μPa·s

QQ图片20180227143602.png——标准标样的实验温度下的空气粘度,微帕·秒(μPa·s

QQ图片20180227143646.png ——被测试样试料层中的空隙率

QQ图片20180227143706.png——标准样品试料层中的空隙率

 

由于勃氏法比表面仪分为自动和手动两种,由于测试参数较多,两种仪器测试所得结果出现分岐时,需以手动结果为准。

 

二、BET法测比表面

BET法适用于粉末及多孔材料(包括纳米粉末及纳米级的多孔材料)比表面积的测定,测定范围0.001 m2/g1 000 m2/g


  其实验原理主要围绕放到气体体系中的样品,其物质表面(颗粒外部和内部通孔的表面积,如下图示意)在低温下将发生物理吸附。当吸附达到平衡时,测量平衡吸附压力和吸附的气体量,根据
BET方程式求出试样单分子层吸附量,从而计算出试样的比表面积。

QQ图片20180227143737.png

用虚线表示测定的颗粒表面积

根据BET氮吸附原理测量比表面的方法分为静态容量法和动态法(气相色谱流动法)两种,由此为依据的仪器也同样分为静态和动态两种。

静态容量法测量仪器原理示意图见下图:


QQ图片20180227144035.png

1——样品

2——盛有液氮的杜瓦瓶

3——真空系统

4——压力计

5——气体量管

 

气相色谱法测量仪原理示意图见下图:

QQ图片20180227144216.png

1——样品   

2——盛有液氮的杜瓦瓶

3——热导他鉴定器

4——气体混合器

 

通过一系列相对压力P/P0和吸附气体量V的测量,由BET图或最小二乘法求出斜率A和截距B值,并导出单层容量和BET参数CC值表示了吸附剂和吸附质之间的相互作用力,但不能用作定量计算吸附热。采用氮吸附气体时,截距相对斜率而言,往往是比较小的,C>>1

 

比表面积SW可通过单层容量和每个分子在一个完整的单层上所占有的平均面积求出:

QQ图片20180227144415.gif

QQ图片20180227144510.png——单层吸附体积,立方厘米(cm3

QQ图片20180227144538.png ——1摩尔吸附质的体积(标准态)22.414,立方厘米(cm3

QQ图片20180227144605.png——吸附质分子横断面积,平方厘米(cm2

 

通常认为氮气是最适宜的吸附气体。对于低比表面积的样品,采用氮气测量时,仪器的灵敏度不够,此时可采用较重分子或蒸气压比氮气低的吸附气体,例如氢气。用不同吸附气体测量所得结果,由于不同分子横断面积、不同的可及孔和不同的测量温度,彼此会有偏离。为了实现测量结果的重复性,重新取样进行多次测量,并报出标准偏差的平均值。

采用氮吸附气体时,其分子横断面积在77K 温度下为0.162 nm2,则可按下式求出固态物质的比表面积。

QQ图片20180227144643.gif

三、对比分析

通过上文的方法介绍,我们可以看出这两种比表面测试方法各自均有优势。

从仪器的表现来分析,我们可以得到以下对比表

 

表现指标

勃氏透气仪

BET比表面分析仪

测试范围

水泥、0.2-0.6 m2/g

0.001 m2/g1 000 m2/g

测试项目

比表面积

比表面积、孔径分析

测试时间

根据操作人员熟练程度决定

40min左右

准备项目

称量样品、校准仪器、测试标样、测试读秒,计算

称量质量

实验难度

流程较复杂,易受外界影响

全自动实验,无难度

实验影响及

结果精度

重复性

需要手动测量计算的参数多,受操作人员的操作手法和熟练程度影响非常大,精度和准确度对比BET法较差,结果重复性一般

只需核对质量,全程软件自动控制,隔绝人工误差,结果精度大、准确度高,重复性好

必备耗材

煤油、标准样品、滤纸、穿孔板

实验气体

仪器维护

3-6个月校正一次

一年校正一次

仪器价格

几百至几千元不等,但需加购李氏瓶和恒温水浴装置

根据需求,几万至十几万元不等


通过上表,我们可以清晰的对比出两种方法的优缺点。

勃氏法测比表面积需要手动测量及计算的参数众多,而且在测量比表面积的过程中,水泥密度的测量非常关键,密度决定了测定出的水泥的重量是否有偏差,将影响到试验中水泥的的空隙率,从而影响比表面积的测定结果。运用李氏瓶测密度需要严格控制恒温水浴温度、实验时间和读数时间,以保证在煤油挥发、质量出现偏差前,尽量的减少读数的误差。在测量水泥比表面积时,实验室条件需要的要求也需要尽可能的控制,要求试验室的湿度不能超过50%。实验过程中要保证压力计中液面应在合适的高度,当液面高度过高时,气体流速变慢,比表面积会偏大;当液面高度过低,气体流速变快,测量的数值则会偏小。

BET法测比表面时,只需注意准确称量和复核样品质量,将数值填写到软件中,系统就可以进行计算。实验过程全部通过电脑控制,不仅操作简单、易于上手,还能最大程度的保证实验的精确度,避免了操作误差。对于水泥工艺改进和来料检测等项目而言,部门要进行大量实验,需要高效与准确度兼备,BET法测比表面积的优势就不言而喻了。

 

 

本文部分内容节选自国家标准,详见:

GB/T 8074-2008 《水泥比表面积测定方法 勃氏法》

GB/T 208-2014 《水泥密度测定方法》

JC/T 956-2014 《勃氏透气仪》

GB/T 19587-2004 《气体吸附BET法测定固态物质比表面积》

比表面及孔径分析仪

JW-BK100

JW-BK100
 0.0001(m2/g)--至无上限(比表面积)
2nm-500nm(介孔及大孔分析)
0.35nm-2nm( 微孔常规分析)
孔体积0.0001cm3/g-至无上限 

比表面及孔径分析仪

JW-BK300

JW-BK300

 0.0001(m2/g)--至无上限(比表面积)
2nm-500nm(介孔及大孔分析)
0.35nm-2nm( 微孔常规分析)
孔体积0.0001cm3/g-至无上限

 

 

AMI-300系列化学吸附仪
TPR/TPD/TPO/TPS
催化剂评价
活性位点分析
脉冲滴定

比表面及孔径分析仪

JW-BK400

JW-BK400

 0.0005(m2/g)--至无上限(比表面积)
2nm-500nm(介孔及大孔分析)
孔体积0.0001cm3/g-至无上限

 

 

400-600-5039