關(guān)于勃氏法測(cè)定試樣比表面積的若干問(wèn)題

徐芬蓮，陳景，代瑞平，楊文

(1.中建商品混凝土成都有限公司，四川 成都 610000；2.中建商品混凝土有限公司，湖北 武漢430074）

0 引言

勃氏法是根據(jù)一定量的空氣通過(guò)具有一定空隙率和固定厚度的試料層時(shí)，所受阻力不同而引起流速的變化來(lái)測(cè)定粉料（包括水泥及適合采用勃氏法測(cè)定、比表面積在2000～6000cm2/g范圍的其他各種粉料，不適用于測(cè)定多孔材料及超細(xì)粉狀物料）的比表面積。在一定空隙率的試料層中，空隙的大小和數(shù)量是顆粒尺寸的函數(shù)，同時(shí)也決定了通過(guò)料層的氣流速度[1]。

勃氏法的操作方法簡(jiǎn)單易行、工作量小、測(cè)試結(jié)果快，已經(jīng)在科研探索中、水泥廠與礦粉廠等企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量控制中及預(yù)拌混凝土攪拌站的原材料檢測(cè)、控制中得到廣泛應(yīng)用。但是，諸多的檢測(cè)者對(duì)勃氏法的理解不夠透徹，使得檢測(cè)結(jié)果存在著不同程度的偏差。

本文根據(jù)操作實(shí)踐的體會(huì)以及對(duì)標(biāo)準(zhǔn)JC/T956《勃氏透氣儀》與GB/T8074《水泥比表面積測(cè)定方法（勃氏法）》的解讀，并查閱了有關(guān)文獻(xiàn)，特對(duì)檢測(cè)者在勃氏法試驗(yàn)過(guò)程中易出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了分析，對(duì)檢測(cè)過(guò)程中操作的注意事項(xiàng)等方面提出一些看法與建議。

1 造成檢測(cè)結(jié)果偏差的原因及相關(guān)問(wèn)題分析

1.1 勃氏透氣儀的種類差異

勃氏透氣儀分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種，均應(yīng)符合JC/T956-2005《勃氏透氣儀》的要求。

圖1 U型壓力計(jì)示意圖

勃氏透氣儀的U型壓力計(jì)如圖1所示（圖中單位為mm），在其連接透氣筒的一臂上刻有環(huán)行線。從下往上，第一條線為水位線，第二條線為計(jì)時(shí)終止線，第三條刻度線為計(jì)時(shí)開(kāi)始線，手動(dòng)的勃氏透氣儀U型壓力計(jì)一般與圖1一致，為三條刻度線。自動(dòng)勃氏透氣儀一般也與圖1一致，有部分自動(dòng)勃氏透氣儀有四條刻度線，其他三條線的功能一致，計(jì)時(shí)開(kāi)始線之上的一條刻度線是儀器廠家產(chǎn)品質(zhì)量控制的標(biāo)識(shí)線，對(duì)檢測(cè)無(wú)實(shí)質(zhì)作用。

在同等的條件下，手動(dòng)勃氏透氣儀測(cè)定的結(jié)果主要受檢測(cè)者計(jì)時(shí)起止的影響；自動(dòng)勃氏透氣儀測(cè)定的結(jié)果受電磁泵的運(yùn)轉(zhuǎn)情況、負(fù)壓的變化速率（影響液面下降的速率）、光電管對(duì)外部光線亮度的感應(yīng)情況等因素的影響，即受儀器本身的影響較大，不同的廠家所生產(chǎn)的儀器在自動(dòng)控制負(fù)壓、自動(dòng)計(jì)時(shí)方面的差異較大。因此，當(dāng)同一試樣用手動(dòng)勃氏透氣儀測(cè)定的結(jié)果與自動(dòng)勃氏透氣儀測(cè)定的結(jié)果有爭(zhēng)議時(shí)，以手動(dòng)勃氏透氣儀測(cè)定的結(jié)果為準(zhǔn)[1]。

1.2 對(duì)水位線的認(rèn)識(shí)偏差

JC/T956-2005《勃氏透氣儀》中4.8條明確規(guī)定：“U形壓力計(jì)內(nèi)裝水至第一條刻度線”，但諸多的檢測(cè)人員往往會(huì)忽略這點(diǎn)，認(rèn)為水位的高低沒(méi)有影響，只要計(jì)時(shí)的終止刻度對(duì)了即可，其實(shí)并非如此。不管勃氏透氣儀為手動(dòng)還是自動(dòng)，液面的位置應(yīng)該以水位線為準(zhǔn)，即水的凹面與水位線相切，不在這個(gè)刻度時(shí)，要及時(shí)調(diào)整。當(dāng)水位高于正常高度時(shí)，氣壓計(jì)產(chǎn)生的壓差減少，氣體流速慢，通過(guò)試樣層的時(shí)間增加，測(cè)得的比表面積偏大；反之則偏小[2]。

通常，U形壓力計(jì)內(nèi)的水位應(yīng)保持在水位線上，由于水分的蒸發(fā)，水位線會(huì)下降，因此，在儀器使用的過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)具體情況，及時(shí)地向U型壓力計(jì)中補(bǔ)充水，保持同一水位，否則試驗(yàn)結(jié)果將不準(zhǔn)確。表1為同一儀器、同一環(huán)境、同一檢測(cè)人員在不同水位時(shí)測(cè)得的同一樣品（某廠家P.O42.5級(jí)水泥樣品，密度ρ=3.06g/cm3）的比表面積（試驗(yàn)溫度與校準(zhǔn)溫度之差≤3℃）。

表1 不同水位線測(cè)得的同一水泥樣品比表面積對(duì)比情況

表1的試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了水位對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響較大，高于正常水位時(shí)，檢測(cè)結(jié)果偏高，反之偏小。因此，U形壓力計(jì)內(nèi)的水位應(yīng)保持在正常水位線上，即最下面一條環(huán)形刻度線上。

檢測(cè)人員應(yīng)結(jié)合JC/T956-2005《勃氏透氣儀》與GB/T8074-2008《水泥比表面積測(cè)定方法（勃氏法）》兩部標(biāo)準(zhǔn)，才可全面地了解勃氏法測(cè)定比表面積的全過(guò)程與細(xì)節(jié)。

1.3 對(duì)儀器校準(zhǔn)（標(biāo)定）的認(rèn)識(shí)偏差

新購(gòu)置的儀器必須校準(zhǔn)后方可使用，啟用后根據(jù)GB/T8074-2008 《水泥比表面積測(cè)定方法（勃氏法）》 6.3條規(guī)定[1]“至少每年校準(zhǔn)一次，儀器設(shè)備使用頻繁的則應(yīng)半年校準(zhǔn)一次，儀器維修后也要重新標(biāo)定”。但標(biāo)準(zhǔn)中并未明確規(guī)定“使用頻繁”的頻次到底是多少，因此建議用于產(chǎn)品質(zhì)量控制的水泥廠與礦粉廠以一個(gè)季度到半年為周期校準(zhǔn)儀器，一般檢測(cè)單位以半年到一年為周期校準(zhǔn)儀器。

勃氏透氣儀的校準(zhǔn)分為兩大部分，一是勃氏儀圓筒試料層體積的標(biāo)定，二是勃氏儀標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的標(biāo)定[3]。諸多檢測(cè)者對(duì)勃氏儀的校準(zhǔn)認(rèn)識(shí)存在偏差，即使發(fā)現(xiàn)U形壓力計(jì)內(nèi)的水位低于正常位置，也不補(bǔ)充水分，認(rèn)為調(diào)整了水位就要重新標(biāo)定勃氏儀圓筒試料層體積和勃氏儀標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，實(shí)則未然，調(diào)整水位到正常位置，與原來(lái)標(biāo)定時(shí)的水位保持同一位置，并不影響勃氏儀圓筒試料層體積和勃氏儀標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，無(wú)需重新標(biāo)定。

1.4 對(duì)試驗(yàn)結(jié)果處理的認(rèn)識(shí)偏差

比表面積的完整計(jì)算公式為：

式中 S—被測(cè)試樣的比表面積，cm2/g；

Ss—標(biāo)準(zhǔn)樣品的比表面，cm2/g；

η—被測(cè)試樣試驗(yàn)溫度下的空氣粘度，μPa·s；

ηs—標(biāo)準(zhǔn)樣品試驗(yàn)溫度下的空氣粘度，μPa·s；

T—被測(cè)樣品試驗(yàn)時(shí)，壓力計(jì)中液面降落測(cè)得的時(shí)間，s；

Ts—標(biāo)準(zhǔn)樣品試驗(yàn)時(shí)，壓力計(jì)中液面降落測(cè)得的時(shí)間，s；

ρs—標(biāo)準(zhǔn)樣品的密度，g/cm3；

ρ—被測(cè)試樣的密度，g/cm3；

ξ—被測(cè)試樣試料層的空隙率；

ξs—標(biāo)準(zhǔn)樣品試料層的空隙率。

當(dāng)試樣層的空隙率與標(biāo)準(zhǔn)樣品相同，試驗(yàn)溫度與校準(zhǔn)溫度之差≤3℃，試驗(yàn)結(jié)果按式（2）計(jì)算。

GB/T8074-1987《水泥比表面積測(cè)定方法（勃氏法）》5.2條規(guī)定“校正試驗(yàn)用的標(biāo)準(zhǔn)試樣量和被測(cè)定水泥的質(zhì)量，應(yīng)達(dá)到在制備的試料層中空隙率為0.500±0.005”[4]；GB/T8074-2008 《水泥比表面積測(cè)定方法（勃氏法）》 7.3條規(guī)定“PⅠ、PⅡ型水泥的空隙率采用0.500±0.005，其他水泥或粉料的空隙率選用0.530±0.005”。

GB/T8074-1987《水泥比表面積測(cè)定方法（勃氏法）》6.2條規(guī)定儀器校準(zhǔn)按JC/T956進(jìn)行，標(biāo)準(zhǔn)粉的空隙率ξs應(yīng)按JC/T956-2005附錄A《勃氏儀的標(biāo)定方法》中A.2.2條取0.500。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)粉的空隙率ξs取值存在一定的爭(zhēng)議，有的檢測(cè)者認(rèn)為應(yīng)該取0.530。為避免爭(zhēng)議，國(guó)家水泥質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心研制的標(biāo)準(zhǔn)樣品，其產(chǎn)品指數(shù)中明確標(biāo)識(shí)空隙率ξs取0.500，而不是0.530，這點(diǎn)需要特別注意。

在GB/T8074-2008未實(shí)施前，大多數(shù)的檢測(cè)者按式（2）計(jì)算被測(cè)樣品的比表面積，但GB/T8074-2008實(shí)施后，當(dāng)試驗(yàn)溫度與校準(zhǔn)溫度之差≤3℃，應(yīng)按以下式（3）計(jì)算被測(cè)樣品的比表面積。

根據(jù)GB/T8074-2008《水泥比表面積測(cè)定方法（勃氏法）》7.3條規(guī)定，PⅠ、PⅡ型水泥的空隙率ξ采用0.500，式（3）簡(jiǎn)化后就是式（2），而其他水泥（如：P.O42.5等）或粉料（如：磨細(xì)礦渣等）的空隙率ξ選用0.530，ξs取0.500，則式（3）可簡(jiǎn)化為：

表2 不同空隙率對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響的對(duì)比情況

對(duì)比公式（2）、（4），從表象上看，檢測(cè)同一樣品時(shí)，按式（4）計(jì)算比按式（2）計(jì)算要偏大，事實(shí)上并非如此，按公式（2）計(jì)算時(shí)，樣品的空隙率比式（4）小，液面降落的時(shí)間T要比式（4）的長(zhǎng)，兩者的計(jì)算方法是等效的，試樣本身的比表面積也不會(huì)因?yàn)闄z測(cè)方法的調(diào)整而改變。表2為相同條件下對(duì)4種不同樣品分別按不同空隙率所得檢測(cè)結(jié)果的對(duì)比情況（試驗(yàn)溫度與校準(zhǔn)溫度之差≤3℃）。

由表2可得，兩種檢測(cè)方法的結(jié)果相差不大，基本一致，式（2）與式（4）計(jì)算方法是等效的。有的檢測(cè)者，按照GB/T8074-2008將樣品的空隙率取0.530，而檢測(cè)結(jié)果還是按式（2）計(jì)算，這樣的方法是錯(cuò)誤的，也使得檢測(cè)結(jié)果偏小。

2 注意事項(xiàng)

測(cè)定試樣的比表面積屬于精細(xì)試驗(yàn)，檢測(cè)者應(yīng)對(duì)勃氏法測(cè)定試樣比表面積的原理、試驗(yàn)過(guò)程中的每個(gè)步驟有透徹的理解與領(lǐng)悟，糾正以上的幾種認(rèn)識(shí)偏差，提高操作水平，才不會(huì)造成試驗(yàn)結(jié)果的偏差。

作者根據(jù)實(shí)踐操作，還總結(jié)出以下幾點(diǎn)注意事項(xiàng)：

（1）試驗(yàn)時(shí)穿孔板的上下面應(yīng)該與標(biāo)定圓筒試料層體積時(shí)的方向保持一致，以防由于穿孔板兩面加工精度的差異而影響圓筒試料層體積大小，從而導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果的不準(zhǔn)確。調(diào)換穿孔板時(shí)，應(yīng)重新標(biāo)準(zhǔn)定圓筒試樣層的體積以及標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。穿孔板的厚度較薄（1.0±0.1mm），材質(zhì)應(yīng)采用硬度較大的金屬，不宜采用硬度較小的材質(zhì)，以免其變形而影響試樣層體積的穩(wěn)定性。

（2）稱量時(shí)，應(yīng)用專用的稱量紙（不可反復(fù)使用）或其他光滑、不沾灰的適宜容器、工具，再利用金屬制的、表面光滑的小漏斗裝入圓筒內(nèi)，粘附在漏斗壁上的殘留樣應(yīng)用小毛刷小心刷入圓筒內(nèi)，以保證試樣層的質(zhì)量基本不損失。

（3）試樣層內(nèi)的空隙分布均勻程度對(duì)比表面積的測(cè)定有一定的影響，試樣裝入圓筒后如不加以敲擊，在自然的狀態(tài)下用搗器搗實(shí)，上下空隙分布就很不均勻，給測(cè)定帶來(lái)誤差[2]。因此，在試樣裝入圓筒后，要用硬度較小的工具（如小毛刷桿）在水平方向輕輕敲擊圓筒，使得試樣表面盡量呈水平狀態(tài)，放入濾紙后，再用搗器搗實(shí)，用掌心慢慢旋轉(zhuǎn)兩周，保持每次的力量適度。

（4）裝入試樣層底層濾紙時(shí)，應(yīng)用推桿的大端頭壓緊濾紙邊緣，防止漏料；裝入上層濾紙時(shí)，應(yīng)小心操作，防止試樣外溢到濾紙之上。

（5）當(dāng)采用手動(dòng)勃氏儀時(shí)，在用抽氣泵或洗耳球抽氣時(shí)，不可用力過(guò)猛，應(yīng)使液面緩緩上升，以防水分損失；同時(shí)，計(jì)時(shí)的起止目光都要與水位的凹面相切，減小計(jì)時(shí)誤差。

3 結(jié)束語(yǔ)

比表面積是科研探索中、水泥廠與礦粉廠等企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量控制中及預(yù)拌混凝土供應(yīng)站原材料檢測(cè)、控制中的一項(xiàng)重要指標(biāo)，檢測(cè)者只有對(duì)勃氏法測(cè)定試樣比表面積的原理、操作過(guò)程中的每個(gè)步驟、試驗(yàn)注意事項(xiàng)等方面都有充分的理解和掌握，才可以獲得準(zhǔn)確的測(cè)定結(jié)果。

勃氏透氣儀種類的差異、水位線的高低、操作的過(guò)程與手法、試驗(yàn)的環(huán)境、試樣結(jié)果的處理方式等都影響到勃氏法測(cè)定試樣比表面積的結(jié)果。建議相關(guān)部門對(duì)操作者進(jìn)行專業(yè)、統(tǒng)一的培訓(xùn)，提高其業(yè)務(wù)操作水平，以達(dá)到提高試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確度的目的。

[1]GB/T 8074-2008水泥比表面積測(cè)定方法（勃氏法）[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

[2]石 常軍.水泥質(zhì)量檢測(cè)常見(jiàn)疑難問(wèn)題與對(duì)策[M].北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社,2002.

[3]JC/T 956-2005勃氏透氣儀[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2005.

[4]GB/T 8074-1987水泥比表面積測(cè)定方法（勃氏法）[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1988.