基于無水乙醇來檢測膠凝材料密度的方法研究

林青 LIN Qing

（中鐵十七局集團第三工程有限公司，石家莊 050200）

0 引言

隨著科學技術的不斷發展，膠凝材料在建筑、工程和科學研究領域的應用越來越廣泛。膠凝材料的密度是其物理性質之一，對于質量控制和產品性能的評估具有重要意義。也是評價在2000-6000cm2/g 范圍內非多孔性粉狀材料表觀密度的前置性試驗。膠凝材料密度試驗是根據阿基米德定律，膠凝材料顆粒的體積等于它所排開的液體體積，從而算出膠凝材料單位體積的質量即為密度。膠凝材料中水泥、粉煤灰等遇水都有吸水的特性，國標中采用李氏比重瓶來檢查水泥密度，該檢測方法中明確提出試驗中，檢測使用液體的介質采用無水煤油或不與水泥發生反應的其他液體。所以我們現在密度檢測方法介質液體通常使用無水煤油，雖然無水煤油不會與膠凝材料發生反應，然而，無水煤油在試驗中也存在一些問題，如容易吸附顆粒、清理困難、廢液對環境污染和使用安全等原因，因此，尋找替代介質成為了研究的目的之一。無水乙醇作為一種常見的有機溶劑，純度達到99.5%以上也不會和膠材發生反應，具有較低的毒性和易蒸發性，因此被認為可能成為替代無水煤油介質的有力候選。

1 傳統膠凝材料密度檢測方法

傳統的水泥密度檢測方法是按GB/T 208-2014 水泥密度測定方法來實行，在GB/T 1596-2017 用于水泥和混凝土中的粉煤灰中提出粉煤灰的密度試驗也按GB/T 208來執行，在GB/T 18046-2017 用于水泥、砂漿和混凝土中的?；郀t礦渣粉提出礦渣粉的密度試驗也按GB/T 208來執行，可見用李氏比重瓶法檢測密度在膠凝材料密度檢測中有著廣泛的應用。雖然在國標中用無水煤油作為膠材密度檢測的介質，但是在使用過程中也有些弊端如：

①無水煤油在裝填過程中比較容易吸附水泥顆粒，容易粘附在李氏比重瓶瓶頸和中部的球形部位堆積不好操作，裝填試件比較長還容易造成損失。

②試驗完成后無水煤油和水泥容易掛壁不好清理，如在李氏比重瓶中填入砂來清理雖然能很好清理但是溶液造成李氏比重瓶磨損。

③試驗后的廢液排放到自然環境可能會導致土壤污染，對植物生長和土壤質量產生不利影響，排放至水體中，對水生生物和水體生態系統造成危害。燃燒處理會產生廢氣，其中包含二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物等，這些廢氣會對空氣質量產生影響。

④無水煤油是一種易燃液體，使用時需要避免與火源接觸，無水煤油對人體有一定毒性，接觸皮膚、吸入或誤食可能引起中毒，無水煤油的儲存和使用需要符合相關安全規范，避免發生事故。

2 無水乙醇的物化性質及應用

無水乙醇，化學式C2H6O，也被稱為無水酒精或無水乙醇溶液，是一種去除水分的產品。它是乙醇（酒精）的一種純度非常高的形式，其中水分含量低于1%。由于它幾乎沒有雜質，無水乙醇常被用作微生物學實驗、有機合成和藥劑研究中的溶劑。（表1）

表1 無水乙醇與無水煤油物化性能對比表

3 無水乙醇的可行性

從表2 可以看出無水乙醇在含水率、密度、穩定性方面擁有和無水煤油基本相同的性能，在黏度方面優于無水煤油能更好分散顆粒，無水乙醇本身也并不會造成污染，但是無水乙醇在使用過程中存在易燃、易揮發和對環境的潛在危害等問題。雖然無水煤油也有上述問題，但是無水乙醇比無水煤油更易揮發。無水乙醇在常溫下具有較高的蒸氣壓，因此更容易揮發。而無水煤油則相對較穩定，需要較高的溫度才能揮發。液體的揮發速率受多種因素影響，包括溫度、氣壓、表面積、環境濕度等。一般來說，無水乙醇的揮發速率較快，比水的揮發速率要快。為了避免無水乙醇揮發對試驗結果造成誤差，筆者在不同溫度下進行了李氏比重瓶在恒溫水浴中的揮發損失試驗。

表2 不同溫度下無水乙醇和無水煤油揮發損失表

通過試驗和數據分析，從表2 可以看出無水乙醇和無水煤油在不同溫度情況下質量揮發損失上都有點損失，但是不影響體積讀數，所以從揮發方面來說對試驗結果不造成影響。

4 無水乙醇和無水煤油不同介質對比試驗

本研究選用水泥和粉煤灰兩種常用的膠凝材料，使用無水乙醇替代無水煤油進行密度測量，并記錄了相應的數據，并使用傳統的無水煤油介質進行密度測量。通過比較兩種介質下的密度值，評估了無水乙醇作為膠凝材料密度檢測介質的可行性。

4.1 樣品制備

按GB/T12573 水泥取樣方法的要求取同一批進場水泥和粉煤灰，樣品統一按要求預先過0.9mm 篩孔，在110℃溫度下烘干1h 時，在干燥器中冷卻到室溫，樣品冷卻后攪拌均勻后水泥和粉煤灰平均各分成8 等份，4 份用無水乙醇4 份用無水煤油進行對比試驗。

4.2 液體選擇

試驗中要選擇高純度無水乙醇，純度在99.9%以上，以避免含水率過高對試驗結果造成影響。

4.3 試驗溫濕度控制

試驗環境溫度控制在20±1℃，濕度控制在50%-60%之間，由同一檢測人員使用同樣的設備進行檢測。

4.4 試驗過程步驟

①準備李氏比重瓶和無水乙醇。確保李氏比重瓶干凈無雜質，并使用足夠的無水乙醇倒入李氏比重瓶中，使其體積在0-1.0ml 刻度之間。

②將李氏比重瓶放入恒溫水浴中，并保持溫度穩定。等待半小時，使無水乙醇達到恒溫狀態。

③在恒溫水浴中，測量無水乙醇的初始體積。記錄初始體積，確保讀數準確。

④稱量足夠的膠凝材料，并將其加入李氏比重瓶中，使其完全浸沉在無水乙醇中。稱量的質量應滿足裝填到李氏比重瓶18.0-24.0ml 刻度之間，為避免裝填質量損失對試驗造成的影響，膠凝材料質量以裝填前后重量差值為裝填材料質量準確到0.01g。

⑤使用超聲波震動器排除氣泡，確保膠凝材料充分均勻地分散在無水乙醇中。

⑥將李氏比重瓶放回恒溫水浴中，并保溫一段時間，等待膠凝材料與無水乙醇達到平衡狀態。

⑦測量無水乙醇的最終體積，并記錄讀數。確保兩次讀數的恒溫水浴溫度差不大于0.2℃，以確保測量準確性。

⑧根據體積的變化計算膠凝材料的密度。使用密度的計算公式：密度=質量/體積。

通過比對試驗檢測結果可以看出，在規定的溫濕度條件下，由相同人員使用相同設備進行試驗，使用無水乙醇作為介質進行膠凝材料密度測量可以獲得與無水煤油相似的準確性和可靠性。由于考慮裝填過程中造成的膠凝材料顆粒損失，裝填膠凝材料顆粒的質量以前后重量的差值來計算最后的膠凝材料的密度，4 次檢測中最大最小值差值不大于0.02g/cm3，無水乙醇作為介質在水泥和粉煤灰密度檢測中均能提供準確的密度值。（表3、表4）

表3 20℃下水泥在無水乙醇和無水煤油密度對比試驗表

表4 20℃下粉煤灰在無水乙醇和無水煤油密度對比試驗表

5 試驗中注意事項

①無水乙醇純度：選用純度較高的無水乙醇，純度應達到99.5%以上，以確保測試結果的準確性。如無法滿足要求可以使用氫氧化鈣或氯化鈣進行脫水，然后采用化學分析濾紙過濾得到高純度的無水乙醇。由于無水乙醇具有很強的吸濕性，一旦暴露在空氣中，會迅速吸收水分而變為含水乙醇，因此，在儲存使用中要采取一定的防潮措施。

②檢測溫度：無水乙醇的密度會隨溫度的變化而變化，因此在進行密度測試時，需要控制好溫度。雖然恒溫水浴能有效的控制溫度在20±0.2℃，但是在試驗整個過程中檢測室的溫度也要控制在20±1℃以內。

③防止氣泡：在進行密度測試時，要確保排出裝填過程中帶入無水乙醇中的氣泡。可以通過邊裝填邊輕輕振動消除氣泡，也給用磁力攪拌器和超聲波震動器來消除氣泡。

④個人防護：無水乙醇蒸發到空氣中會形成有害氣體，對空氣質量造成污染。這些有害氣體可引發眼睛、喉嚨和肺部刺激，引起呼吸困難以及中樞神經系統的影響。在使用過程中佩戴口罩保持檢測環境有良好的通風。

⑤使用安全：無水乙醇與空氣中的氧氣接觸時，可能會產生易燃的乙醇蒸氣，對安全構成威脅。因此，在使用無水乙醇時，要及時密封瓶蓋，避免敞開瓶口長期蒸發在密閉空間中形成積聚，并保持通風良好的工作環境，以防止乙醇蒸氣積累到可燃濃度。試驗過程中禁止明火和吸煙。

⑥廢液處理：試驗后的廢棄液體不能亂倒污染環境，可以在液體澄清后用化學分析濾紙（如定量濾紙）或者無灰濾紙進行過濾。這些濾紙通常具有較好的過濾效果和化學穩定性，能夠有效地過濾乙醇中的固體顆粒或雜質，如過濾液體中有固體顆?？梢赃x擇較小孔徑的濾紙或者使用多層濾紙疊加進行過濾，過濾過程中避免接觸水及一些污染液體的物質，過濾后的乙醇可重復進行密度試驗。過濾后的廢棄液固體廢料要統一收集交由有資質單位統一處理。

6 結論

本研究證明了無水乙醇作為膠凝材料密度檢測介質的可行性。使用無水乙醇可以有效替代傳統的無水煤油介質，提供準確和可靠的膠凝材料密度測量結果，為膠凝材料密度檢測領域的介質替代提供了一個可行的方案。但是無水乙醇也是一種易燃易揮發的化學物質，對環境和人體也會造成一定危害，所以在使用過程中要規范操作并注意安全。作為比表面積檢測的前置性試驗參數，密度檢測對無水乙醇需求較大，與無水煤油相比，無水乙醇在檢測成本上來說也相對較低，綜上所述利用無水乙醇檢測膠凝材料密度的方法是一種簡單而有效的方法。