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1、苇 3 2 卷 第 4期 2 0 0】年 4 月 是长 江、a n 出 e Riv e r Vo 1 3 2，N o 4 A D 2 0 0 1 文章编号：1 0 0 1 4 t 7 9(2 0 0 1】0 4 0 0 1 4 0 2 超细水泥基灌浆材料细度测试方法探讨 管 学 茂 胡 曙 光 马 善 才 (1 武援理工大学，湖北 武汉 4 3 0 0 7 0；2 长江三蛱总公司，瑚北 宜 昌 4 3 o o o o)摘要：根据三峡工程帷幕灌装对水泥细度检测的要求，研究了一种新型粒度仪(激光粒度投)的剐试原理，并将 其与光连沉降法进行对比分析：激光枉度杖 自动化程度高，揉作简单。仪器性能参数、
2、颗粒浓度、背景参数等 均可 自动监剥。理论分析和实测结果表明，用激光粒度杖测试的结果与分散介质的密度、粘度等参款无关，受 外界影响 的因素 少，复演性好，测试速度快，结果 准确，是测 试超 细水泥 细度 的理想 方法。关键词：激光 粒度 设；超 细水泥；细度检测；帷幕罐 浆；三峡 水利桓纽 中 图分类号：T V 4 2 1 3 文献标识码：A 1 慨 述 近年来随着超细水泥生 产技 术的发 展、性能 研究的 深八和 灌浆、修补技术的进步，超细水泥基材料在岩土固结防渗、混凝 土裂缝修补等方面的应用越来越广泛，在水利水电、土建、市政 工程、交通能源、地下 工程、矿 井建 设等许 多领域 中得到普遍
3、应 用，举世瞩目的三峡工程帷幕灌浆也采用超细水泥材料。超细 水泥与普通水泥相比，最大区别在于粒子粒径显著小于普通水 泥，能够渗透到微细裂隙。目前把超细水泥细分为细水泥和超 细水 泥两类 I l：粒子最大粒 径在 3 3 以下，平 均粒径 6 1 0 m 为细水泥；最大粒 径 1 2 下，平均 粒径 36,u rn称超 细水 泥，本文将其 统一 称为超细 水泥。决定水 泥基材料 可灌性 的首 要 因素是其粒径大小及分 布，水 泥细度 常用筛析 法测定粒 度和 透气 法测定 比表 面积 比表面积楹 0 定法(G B 8 0 48 7)的适 用性 指出该方法 不用于测定多孔材料及超细粉状物料”，并且
4、研究 表明，比表面相同的超细水泥其粒经分布相差很大。目前使 用较普遍的水泥细度测试方法是沉降法，激光法是近年开始应 用于水泥粒子粒径测量 的一 种新方 法，本文 着重分 析了激 光粒 度仪的设计原理，并与光透沉降法进行了对比分析。另外根据 三蛱工程 的要求对葛洲坝水泥厂生产 的超细水泥进行 了浸 l 试分 析。2 粒度测试仪的基本原理分析 2 1 激光粒度分析仪 激光粒度分析仪是根据 F r a u n l ff e r 衍射原理设计的，如图 1 所示，由氦氖激 光器发 出单 色光，经 滤波 和扩 束后获 得平行 光 束，当该平行光照射到样品池中的颗粒群时便会产生光的衍射 现象，衍射光的强度分
5、布与测量区中被照射的颗粒直径和颗粒 数有关，在样品的后面放置一个由多个同心半圆环组成的多元 光电探浸 l 器 将照射到每个环面上的衍射光能量转换成电信号 收稿 日期：2 O 一1 01 1 作者简介：管学茂 男，武汉理工夫学副教授，博士生。输出，用于测量衍射光强及其空间分布，通过计算机算出被测颗 粒的粒径分 布。当测 区有一直 径为 D的颗 粒时，按 皿h。衍射原理，光 电探测器上的光强分布为：样 品趄 接受莒铺光电探渊器 图 1蠢 光垃 厦 仪原 理 围)：，0 熊 (1 式 中J】为一阶B e s s e l 函数；，为会聚透镜的焦距；为激光波长；，n 为射光强；s为环形探测器的径向半径；
6、z=x D S (a y)。探 涣 l 器由数个圆环状的光敏二极管构成，各环互相绝缘，由此可以 得到光电探测器上的第 环的光能量，即对式(1)积分得到：=I”。，(S)2 x S d S (2)Js 将(1)代A(2)式并利用 B e s s e l 函数递拄公式得：e ：o J g)+J ()一露(+)一-，(+)j(3)式中 厶 为零 阶 B e s s e l函 数；J I为 一 阶 B e s s e l函数；=n D S (a f)。当攫 0 量区内有 个大小相同的颗粒，且这些颗粒无规则分 布，则只要 N足够大，个颗粒产生的总衍射光将是单个颗粒衍 射光的 倍，一般颗粒群总是由许多大小
7、不同的颗粒组成，假 定直径为 D 的粒子有 个，其重量 百分 比为，则颗粒群在光 电探测器第 环上的总衍射能量为：=321。o一,()+-，f(札)一 (+-)一 (+-)(4)式中 P为颗 粒密度；置=毋，(n。在式(4)中，能量 可以通过测量得到，所求的是重量粒度 维普资讯 http:/ 黄4期 管学茂等：超细 堤基 灌浆材料细度测试方击探 讨 1 5 分布 地，直 接对方 程组 求解很 困难，实 际求 解时采 用逆 向求解 方法 即先给出初始的 值 利用式(4)计算出探测器每环上的 理论光能量分布值，再与分析仪实测值 相比较，通过控制 目标函数 F，使其值最小：F=2J(一e j (5)
8、采用不同的优化方法进行拟台，确定出颗粒 的尺寸分布：激 光衍 射法测量粒度分 布的关 键在 于如何 通 过控制 目标 函数 来求 出 目前应用较 多的是 函数 限制解法，即在测量颗粒群 的尺 寸分 布之前 使其 符台某 种函数分 布，对(4)式 进行求 解，该 法对颗 粒群的尺寸分布规律已知的情况下，具有较高的测量速度和较 好的测量精度，对于颗粒 群分布规律 未知 时，一般采用无约束函 数限制的自由分布解法。以上过程均由计算机自动完成。2 2 光透沉降粒度仪 光透沉降粒度分布测定仪是根据 S t o k e s 和 L a mb e r b e e r 定 理，利用光透过液体的混浊度变化来检测
9、出液体中粒子浓度及 粒度分布：液体中粒子的沉降服从 S t o k e s 定律：D：L(6)o一o o g 是经 过时间 f 颗 粒运动 的距离 D为颗粒直径，p是颗粒密度，为介质密度，为介质粘度系数=根据 L a m b e r b e e r 定理，光束透过混浊 的悬 浮液入 射光的 强度 衰减为；r ij o =J q D a jv(D)d D (7)是透过 分散介质的光强度，是透过悬 浮液 的光强 度，q是 与 颗粒的消光系数、形状因子和仪器常数等有关 的一个 因子，l(D)d D是在光通路上存在的直径为DD+d D的颗粒数，将 测试数据代人公式(6)、(7)即可计算出粒子的粒径分布
10、。3 影响测试结果的因素分析 3 1分散介质 由式(4)知激光粒度仪细度测试与分散介质的参数无关=但式(6)表明光透沉降法与分散介质的密度、粘度等参数有关，分散介质 的密度和粘度应适 宜，以适 应被测 物料 的密度及沉 降 时间 并且只有颗粒在分散介质中的运动处于层流状态时式(6)才成立。3 2颗粒浓度 水泥颗粒在分散介质 中的浓度对仪器的测试精度均有影 响，激光粒度仪有 自动检测浓度装置，一般要求光强度衰减 5 一们；光透沉降法要 求光 透量的衰减在 4 0 一6 0 之 间。对于沉降 法，颗粒 在分散介质 中的浓 度还影 响颗粒 的沉降 速度。受周 围颗粒影 响时，颗粒沉 降速度()比起单
11、 个颗 粒 自 由 沉 降 速 度()要 降 低 些，其 关 系 是：=南，式 中c 为 单位体积颗粒浓度；是与周围颗粒 配位 型式有关 的参数=3 3 分散技术 粒分散有 关的因素是分散介质、分散剂、分散方 法和悬浮液 的浓 度等：分散介质应能将样品很好的浸润，不与样品发生物理化学 反应，为加强颗粒的分散效果 可以加入一定量的高故分散剂。对于水泥一般选用无水酒精作分散介质。目前激光粒度仅和沉降法的分散方法均是采用超声波分散 技术，但前者还配有水泵和震动器 可 通过控制系统改变超声 波 的标准 以及水泵 和震 动器 的速度，因此 它有更好 的分散 效果。4 澈光粒度测试方法及实例 激光粒度仪自
12、动他程度高，操作简单，根据计算机提示依次 进行即可，一般包括 下过程：设备组成完整性 自检；光 学仪器光路调准 自检；背景测量，即测量光学仪器 分散介 质 电器噪音等因素的影响；橱整样品的浓度(根据计算机提 示进行)；测量试样，计算 粒经分 布，打印结果。根据 三峡 工程 的需要 对 葛洲=岘水泥厂 的超 细水泥样 复测 l O次，其测试结果复演性好，测试速度 快，每 个样只 需 2 3 m l n 即可完成。其 I 试结果如表 1 所示=裹 1 超 细水泥粒度分布 粒径()颇率()累计()粒径()额宰()累计()O 3 7 8 1 8 2 1 7 4 2 B 4 帅 D，9 1 0 0 4
13、3 7 8 6 8 5 1 6 9 2 2 2 0 8 6 1 7 9 2 l 3 8 2 3 9 0 8 0 鸵 9 7 粥 1 B 4 2 0 7 5 3l 7 4 5 7 2 5 0 8 5 9 8 加 3 1 6 3 7 5 2 4 9 8 3 8 7 D 9 5 9 9，仿 8 4 8 l 5 9 4 6 8 8 6 1 2 2 0 0 O l 0 0 ：=D 7 5 ，=3 5 9 ，=2 3 4 9 ，如=3 3 3 6 。5 结 语(1)激光粒度分布仪是近年来发展起来的一种超细水泥粒 子粒度分布测试方法 自动化程度高，仪器性能参数、颗粒浓度、背景参数等仪器均可 自动监测，只要根
14、据计算机的提示操作即 可。(2)激光粒度仪的基本理论计算式不包括分散介质的密 度、粘度、颗粒在分散介质中的运动状态等因素，因此测试结果 受测试条件的影响较小，准确度高，复演性好，是测定超细水泥 粒径 的理想方法。参考文献：1 水工建筑物水泥灌蒙施工技术规范(S I 2 9 4)北京：中国水利电 力 出版杜 1 9 9 4 2 王武祥，谢尧生 水泥基修补材料蚩 备技术与检测方击研究 长江 科 学院院报，1 9 9 4 (4)3 童诂嵩 颗粒粒度与比表面积测量原理 上海 上海科学技术文献 出版社 1 9 5 9 4 I t a m l d A A V g n e t fi n g i n f o r w a r d mi g h t s c a e fi n g p a t t i c l e s iz a d i s tr i t x a i f t e d u d q u e s 0 P t l c a l 脚 g 1 1 9 8 6，2 5(1 2)在颗粒测量工作中，如何将颗粒分散是很重要的问题，与颗(鳊辑：赵付湘)匀 南 岛 南 岛 南 i 失 造 福 子 孙 后 代：毽 维普资讯 http:/