顆粒尺寸與形狀對沙子存水性的影響

中國船舶重工集團第七一五研究所 溫家寶

1.引言

礦石貨物在運輸過程中液化的問題已經成為一個非常普遍的問題，并且它對所有貨船都有非常巨大的影響。早在2010-2011年的15個月中，就有4艘貨船（包括“建富星號”、“南遠鉆石好”及“宏偉號”）沉沒，66人因此喪生。這些船只都是在運輸過程中礦石貨物發生液化，致使載貨船舶失去穩定性并最終沉沒(Pappadakis,N.2012)。

眾所周知，全球海運運輸量正逐年增加，而礦石貨物在其中扮演了一個非常重要的角色。例如在印度尼西亞、菲律賓和新喀里多尼亞，2011年鎳礦石的海運運輸量就達到了4500萬噸，而在巴西和澳大利亞，鐵礦石的海上貿易運輸量則達到了12億噸之多(Spencer,C.and Tilsley,D.2011)。如此巨量的礦石貨運量，絕大多數都是通過船舶運輸，雖然這種運輸方式相較于其他方式在成本上節省很多，但是卻不可避免的會面對一個問題：運輸過程中的貨物液化(Roberts,S.E.et al 2013)。

當散裝固體貨物含水量達到或超過適運水分限量（TML）時，一定的晃動或振動就極易導致貨物呈現出液體一般的狀態，這個過程就稱之為貨物液化，而含水量與振動則是貨物液化的兩大發生條件。許多出口的礦石貨物的開采、儲存與裝運過程完全露天操作，這使得貨物含水量很容易達到液化要求，而船舶運輸過程中船舶的晃動則達成了液化的第二條要求，因此貨物液化問題必須慎重考慮(Grant,K.,Jonas,M.2010)。

2.目的

本文的主要目的包括：

a.對液化過程取得更好的理解

b.對不同材料的粒子的尺寸與形狀進行觀察與比較

c.尋找粒子尺寸與形狀對液化的影響

d.發現其他對液化有重要影響的因素

3.文獻綜述

3.1 什么是貨物液化？

大多數有液化傾向的貨物是礦石貨物并且其包含許多直徑小于6.35mm的微小粒子，而礦石貨物的開采與儲存過程導致了它會含有一定水分，而貨物粒子之間的空隙則被水與空氣填滿。在固體狀態時，由于貨物粒子之間的直接接觸，貨物具有剪切強度(Carraro,J.A.H.et al 2009)。粒子之間由充分的空間來容納內部水分與一定比例的空氣。在船舶運輸過程中，由于船舶的振動與搖晃，貨物粒子間的空間被壓縮從而使得空氣被排除。粒子間的水分也會收到壓力，但是由于水分難以被壓縮，最終，由于壓縮而導致的水壓會使得粒子分離，使其失去直接的接觸從而引起剪切強度的降低，從而使得貨物呈現液態狀態，而這一過程就是貨物液化(Grant,K.and Jonas,M.2010)。

圖1 貨物液化過程示意

3.2 現有法規與方法

目前國際上應用最廣泛的法規是國際海運固體散裝貨物規則（IMSBC）準則，它目的在于組織管理所有與散裝貨物相關的問題并提高固體散裝貨物的儲存與運輸過程的標準性與安全性。有液化傾向的貨物被列在準則當中并按照液化趨勢大小等因素分為A、B、C三類。準則明確要求了托運人需要提供給船主的及時信息，至少包括貨物的適運水分限量（TML）和裝運時貨物的實際含水量。但是IMSBC準則仍存在一定問題，例如并非全部的有液化傾向的貨物都被列入了準則當中，并且這份準則并不具有法律約束力，因此導致一些托運人并未如實提供貨物信息。

為避免貨物液化的試驗方法目前主要應用的有兩種：罐裝試驗與流動臺試驗。這兩種方法都是可以檢驗貨物液化趨勢的有效方法，它們的優點是不需要很多設備，操作簡便，效率較高，但是它們的缺點也十分明顯，這兩種方法都存在很大的不確定性，操作過程極易受人為因素影響，并且結果的精確性很低，并不能完全排除貨物運輸過程中液化的可能性。另一種避免貨物液化危害的方法是特種結構貨船。這種方法通過增加散貨船貨艙縱艙壁的數量，從而增強船舶在貨物液化發生后的穩定性來減小貨物液化所帶來的危害。這種方法可以大大增加船舶的安全性，但是特種結構散貨船的造價較高，很難得到全球范圍的推廣，而且這種方法并不能夠阻止貨物液化(N.Pappadakis,2012)。

4.研究方向與方法

通過對現有的法規以及方法進行了一定研究后，本文選取了影響液化的因素這一方向進行研究。貨物液化的基本過程是至關重要的，而從微觀角度來分析液化這一問題則能夠提供一些有用的信息來減少貨物液化所帶來的危害。在使用選擇矩陣方法后，選擇了粒子尺寸與形狀對液化的影響這一具體研究內容。本文主要研究方法為試驗研究法，通過對樣本的觀察進而提出假設，再通過一些試驗對假設進行初步驗證，對結果總結分析從而得出結論。

5.顯微鏡下觀察樣本

由于多數的固態粒子狀物體都有液化的趨勢，唯一不同的就是液化的程度不同，所以本文選擇用沙子替代礦石貨物作為樣本進行觀察與試驗，我選擇了3組樣本進行試驗，分別編號為樣本1至樣本3。

首先使用低倍顯微鏡（Digital Blue QX5顯微鏡，放大倍數200X）對樣本進行了觀察，得出各樣本的初步信息。在觀察時，現將所有樣本完全烘干，這樣可以避免由于樣本內水分反光而導致的無法觀察顆粒外觀形狀。通過對樣本觀察，樣本的一些重要信息如下所示：

樣本1如圖2所示：

圖2 大小顆粒之間明顯差距（左），鋸齒狀邊緣顆粒（右）

樣本1中同時有大小兩種顆粒，并且大小顆粒之間的差距十分明顯，顆粒尺寸從0.005mm至0.385mm不等，最大相差比例為77。樣本中顆粒的形狀接近標準幾何圖形，并且有鋸齒狀的邊緣。

樣本2如圖3所示：

圖3 圓滑邊緣顆粒周圍有黑色物質（左），顆粒上的明顯閃光點

圖4 多數顆粒尺寸相近并且顆粒邊緣光滑

樣本2中有黑色泥土類的物質圍繞在較大顆粒周圍，顆粒尺寸從0.035mm至0.375不等，大多數顆粒尺寸變化范圍在0.125mm至0.225mm之間。顆粒邊緣較圓滑。

樣本3如圖4所示。

樣本3中顆粒尺寸大小十分相近，變化范圍從0.12mm至0.185mm不等，顆粒邊緣多數比較光滑，一些顆粒形狀近似橢圓形。

圖5 不同形狀組合存水能力

6.不同形狀存水能力的假設

已知在貨物運輸過程中，正是由于粒子間的水分從它們原本的位置流失出來，從而形成一種流動式的狀態并造成嚴重的后果。為了找出顆粒尺寸與形狀對液化程度的影響，本文假設顆粒將水儲存在一個類似立方體的空間里，并研究不同形狀顆粒將水儲存在這個空間當中的能力。為了達成這一目標，假設這個存水立方體是一個類似上端有開口的盒子，將不同的形狀組合放入盒子內然后將盒子傾斜90度，計算各種形狀組合的傾斜前和傾斜后的存水量，如圖5所示。

從圖5中通過比較1、2、3、5可以發現，當有向外凹陷的圓弧形狀時存水量更多，而當顆粒有鋸齒狀邊緣時，存水量會增加，這些存水量更多的形狀組合都有某些向外凹陷的邊緣，這些形狀特點：圓弧形、鋸齒狀邊緣以及外凹形狀總結為標準形狀。此外仍有另一個關于小型顆粒的猜想，在存水立方里的一些小型顆粒可以阻擋水向外流出，從而增加存水能力。

7.假設驗證

假設驗證共包含兩個部分：一部分是進行試驗驗證樣本存水能力；另一部分是通過電子顯微鏡觀察樣本并試圖找出總結的標準形狀對存水能力的影響大小。

7.1 存水能力試驗

為了得出各樣本的存水能力，按照如下步驟進行了試驗：

a.稱取等重量的三種樣本并分別將其放入編號的試管中；

b.向試管中加水直到樣本完全濕透；

c.測量所加水量；

d.在相同情況下加熱試管40分鐘；

e.再次向試管中加水直到樣本完全濕透并測量水量；

f.分析誤差及結果。

在向試管中加水時，當樣本表面有水層出現時即認為樣本完全濕透。在樣本完全濕透后，將樣本在70度的條件下加熱40分鐘，隨后根據測量結果得出結果如表1所示：

表1 樣本流失水量和所占百分比

試驗過程中會存在一定誤差，包括儀器誤差、人為誤差、計算誤差等，在這次試驗中，假定所有誤差都在可接受范圍內并可以忽略。

從結果中可以看出，樣本2有更強的存水能力，流失水量占比33.33%。而樣本1的流失水分達到了70.21%，意味著樣本1 的存水能力很差。存水能力從高到低依次為樣本2，樣本3和樣本1。

7.2 電子顯微鏡下樣本觀察

為了在顆粒邊緣找到假設中的標準形狀，并且試圖發現哪些因素會影響存水能力，研究使用了電子顯微鏡以便更清晰的觀察。在使用電子顯微鏡觀察樣本前，所取樣本被放在一個小圓形基架上并在外表面鍍一層金，這樣可以使樣本具有導電性并且可以讓樣本的細節更清楚。本節從觀察結果中抽取了樣本2的觀測結果進行細節分析，其他樣本觀測結果可以在附錄中找到。

圖6 多數顆粒有圓形或者橢圓形邊緣

如圖6所示，樣本2中的顆粒形狀特點多為圓形或橢圓形邊界，根據假設應具有較弱存水能力。然而試驗結果卻顯示出截然相反的結果：樣本2具有較高的存水能力。這一現象需要在更高倍數的觀測下進行進一步分析。

圖7 1000倍數下顆粒表面（左），5000倍數下顆粒表面

由圖7可以看出顆粒表面有大量不規則小型突起與凹陷，這些突起與凹陷提供了大量可以存儲水分的空間，同時由于這些空間非常狹小（1.22～4.01um），存儲在此空間的水分很難流失，因此提高了其水分存儲能力。同時，樣本2中有大量不規則顆粒（如圖8所示），在我看來，這些顆粒實際上是大量微粒組成并且在外力影響下形狀可以發生改變。由于這個特性，他們可以嵌入到其他顆粒的間隙當中，從而使得水分難以從這些空間中流失出來。

8.總結與分析

本文研究了顆粒尺寸與形狀對液化的影響并得出了一些主要結論如下：

a.顆粒的大致外形并不對存水能力有決定性影響

b.顆粒的表面結構很大程度上影響著存水能力

c.震動與壓力對存水能力的影響仍需進一步研究

9.致謝

本文在選題及研究過程中得到了郭成吉教授的悉心指導與無私幫助，同時我也非常感謝郭成吉教授在我研究過程中試驗以及使用電子顯微鏡時提供的大力支持。

附錄：

圖8 樣本2不規則顆粒（左），1000倍數下顆粒表面（右）

圖9 樣本3顆粒形狀多為多邊形（左），1000倍數下顆粒表面較為光滑（右）