多孔固體體積測(cè)定新方法及測(cè)試裝置設(shè)計(jì)

楊小彬, 韓心星

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京 100083)

多孔固體體積測(cè)定新方法及測(cè)試裝置設(shè)計(jì)

楊小彬, 韓心星

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京 100083)

為了快速測(cè)定類煤任意形狀多孔固體材料的體積,利用流動(dòng)性好的固體粉末來(lái)代替水進(jìn)行固體體積測(cè)量,操作簡(jiǎn)單、快捷。利用該方法對(duì)不規(guī)則煤塊的體積進(jìn)行測(cè)定,且與蠟封浸水法測(cè)得的煤塊體積進(jìn)行比較,相對(duì)誤差在±5%以內(nèi),證明了該方法測(cè)定多孔固體體積的可行性。對(duì)該方法進(jìn)行了裝置設(shè)計(jì),該裝置可測(cè)定任意形狀多孔材料體積、質(zhì)量等參數(shù)。

多孔固體； 體積測(cè)量； 測(cè)試裝置

固體材料的密度通常是知道固體材料的體積和質(zhì)量后求得,對(duì)于規(guī)則形狀的固體材料,其體積可以通過(guò)幾何尺寸的測(cè)量計(jì)算得到。但是對(duì)于不規(guī)則物體,其體積的測(cè)量相對(duì)比較麻煩。目前測(cè)量不規(guī)則固體體積的方法有:利用阿基米德定律的排水測(cè)量法[1-2]；采用理想氣體狀態(tài)方程推導(dǎo)得到固體體積的方法[3-10]；采用光學(xué)方法將表面積轉(zhuǎn)化為三維體積計(jì)算[11]。這些測(cè)量方法在測(cè)定不規(guī)則固體體積中起到至關(guān)重要的作用。然而對(duì)于一些多孔不規(guī)則介質(zhì)材料(易溶于水的材料、密度比水小的材料、吸水材料等),采用上述方法進(jìn)行體積測(cè)定具有局限性。

1 傳統(tǒng)方法測(cè)定多孔固體體積的局限性

一些多孔不規(guī)則固體如煤塊、木材、土塊、人造泡沫材料等,其內(nèi)部大都存在大量孔洞,相對(duì)外界大氣而言,有導(dǎo)通孔洞、封閉孔洞和半封閉孔洞。如果采用常用的排水方法測(cè)試該類固體體積存在以下缺點(diǎn):(1)多孔材料通常具有吸濕性,如煤塊、土塊吸濕會(huì)發(fā)生崩解；(2)采用蠟封法,熔融的蠟會(huì)滲入導(dǎo)通和半封閉孔洞中,造成測(cè)量誤差；(3)泡沫木塊等多孔材料密度比水小,測(cè)試過(guò)程中還得采用墜重法,也會(huì)引起誤差；采用理想氣體測(cè)量雖然避免了濕法測(cè)量的一些缺點(diǎn),但氣體會(huì)進(jìn)入到介質(zhì)的開放孔洞和半封閉孔洞中,會(huì)導(dǎo)致多孔固體的測(cè)量體積偏??；而采用光測(cè)方法需要相對(duì)比較昂貴的專門測(cè)試儀器,并且計(jì)算過(guò)程相對(duì)復(fù)雜。

考慮多孔介質(zhì)材料(如煤塊、木頭、人工泡沫、土塊等)其內(nèi)部復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu),以及常用測(cè)量方法的局限性。本文提出一種新方法,采用流動(dòng)性好的固體微珠(具有良好的成圓率和流動(dòng)性)代替水或者氣體進(jìn)行任意形狀多孔固體體積的測(cè)量[12-13],對(duì)該方法進(jìn)行測(cè)試檢驗(yàn),驗(yàn)證結(jié)果表明了該方法測(cè)定多孔固體體積的可行性,最后初步設(shè)計(jì)了測(cè)量任意形狀多孔固體體積的測(cè)試裝置。

2 固體微珠測(cè)量固體體積的新方法

本文測(cè)量固體體積法中利用專門制成的固體微珠,該種微珠具有以下特點(diǎn):(1)微珠成圓率高,都成球形,且粒徑分布均勻；(2)該微珠材料具有吸濕性小,抗腐蝕、耐高溫(通常200 ℃)；(3)防靜電。本方法選取直徑為100～150 μm成圓率好的二氧化硅玻璃微珠作為測(cè)試介質(zhì)(代替水介質(zhì)),該種微珠具有良好的流動(dòng)性。測(cè)試表明,該粒徑的微珠其流動(dòng)性與水的流動(dòng)性相當(dāng),在稍許晃動(dòng)的情況下,固體顆粒在量筒中很快形成一個(gè)平整的平面，如圖1所示。

固體微珠測(cè)量固體體積的方法與排水法測(cè)體積原理相同,只是此處排開的是固體微珠的體積。具體測(cè)試如下:(1)用量杯或量筒量取一定體積的固體微珠，體積為V1；(2)將所要測(cè)試的多孔介質(zhì)材料試件在天平上稱量,得到多孔介質(zhì)材料試件的質(zhì)量m；(3)將測(cè)試試件放入固體微珠中,適當(dāng)晃動(dòng)量杯或量筒,目測(cè)微珠表面水平，記下讀數(shù)V2；(4)通過(guò)兩次體積作差得到試件體積為(V2-V1),得到多孔介質(zhì)材料的視密度為m/(V2-V1)。該方法操作簡(jiǎn)單,計(jì)算簡(jiǎn)便,在工程上具有較好的應(yīng)用前景。

圖1 固體微珠示意圖

3 測(cè)試結(jié)果檢驗(yàn)

為了驗(yàn)證固體微珠測(cè)任意形狀多孔材料體積的可行性,選取了某礦不同煤層的煤樣進(jìn)行了體積及密度測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 固體微珠法與蠟封排水法測(cè)量煤樣的體積及密度對(duì)比

采用傳統(tǒng)的蠟封排水法測(cè)與煤類似的固體多孔材料的體積及密度,首先需要測(cè)量試樣的質(zhì)量,用一個(gè)細(xì)絲拴住試樣放入熔融的石蠟中進(jìn)行封裹,冷卻后稱量裹蠟后試樣的質(zhì)量,通過(guò)石蠟的密度得到裹蠟部分的體積,然后采用排水法測(cè)量裹蠟試樣的體積,間接得到煤試樣的體積,進(jìn)而求得煤的密度。而采用固體微珠法測(cè)試煤試樣的體積及密度相對(duì)排水法而言更加簡(jiǎn)單快捷。與排水法測(cè)試結(jié)果相比相對(duì)誤差在±5%之內(nèi),對(duì)于工程材料密度測(cè)試而言，該精度是可以接受的。

4 測(cè)試裝置設(shè)計(jì)

基于固體微珠測(cè)固體體積方法,本文設(shè)計(jì)了一種多孔材料(任意固體)體積及密度測(cè)試裝置,如圖2所示,多孔材料體積測(cè)試示意圖見圖3。

圖2 多孔材料參數(shù)測(cè)試裝置示意圖

圖3 多孔材料體積測(cè)試詳圖

測(cè)試時(shí),開啟上瓶塞(或開啟下瓶塞),在容器瓶中裝固體微珠,并封閉下瓶塞,啟動(dòng)振動(dòng)模塊,讀取固體微珠的體積V1,通過(guò)重力傳感器測(cè)出容器瓶和固體微珠的總質(zhì)量m1；將容器瓶2取下,封閉上瓶塞并開啟下瓶塞,放入規(guī)格約為2 cm見方的不規(guī)則多孔固體試件，并封閉下瓶塞,放入瓶架,啟動(dòng)振動(dòng)模塊,讀取固體試件和固體微珠的總體積V2,以及容器瓶、固體微珠、固體試件的總質(zhì)量m2,推算出多孔固體試件的體積為(V2-V1),固體試件的視密度為(m2-m1)/(V2-V1)。裝置內(nèi)有6個(gè)容器瓶,可以對(duì)6組多孔固體試樣同時(shí)進(jìn)行體積及質(zhì)量測(cè)量,大大提高了工作效率。

5 結(jié)論

考慮到現(xiàn)有的排水法、理想氣體法等對(duì)任意形狀多孔介質(zhì)材料體積及密度測(cè)試存在的弊端,本文提出采用固體微珠代替水、氣介質(zhì)來(lái)進(jìn)行多孔材料體積測(cè)試的方法。利用該方法測(cè)定煤塊體積,并與裹蠟排水法相比較,測(cè)試結(jié)果表明該方法方便、快捷,且測(cè)試誤差在可接受的范圍之內(nèi)。最后初步設(shè)計(jì)了測(cè)量任意形狀多孔固體體積的測(cè)試裝置。

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New method for determination of porous solid volume and design of test device

Yang Xiaobin, Han Xinxing

(School of Resources and Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China)

In order to rapidly determine the volume of the porous solid materials in the arbitrary shape such as coal, it is easy and quick to use the solid powder with the good fluidity instead of water to measure the solid volume. The volume of irregular coal is measured by using this method, and as compared with the coal volume measured by the wax sealing water method, the relative error is within ±5%, which proves that this method for the determination of porous solid volume is feasible. The test device is designed for this method, and the device can determine the volume, mass and other parameters of porous materials in any shape.

porous solid; measurement of volume; test device

2017-06-28

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50904071,51274207)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2010QZ01)

楊小彬(1976—)，男,重慶,博士,副教授,主要從事煤礦安全工程、煤礦動(dòng)力災(zāi)害、數(shù)值仿真模擬研究.

E-mail：yangxiaobin02@126.com

10.16791/j.cnki.sjg.2017.12.018

O4-33

B

1002-4956(2017)12-0074-03