Как определить удельную поверхность цемента

ГЛАВА 6. ТЕХНОЛОГИЯ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА

Влияние дисперсности портландцемента на его свойства. Многие свойства портландцемента, в том числе активность, скорость твердения, определяются не только химическим и минеральным составом клинкера, формой и размерами кристаллов алита, белита и др., наличием тех или иных добавок, но и в большой степени тонкостью помола продукта, его гранулометрическим составом и формой частичек порошка.

Цементный порошок в основном состоит из зерен размером от 5—10 до 30—40 мкм. Тонкость помола портландцемента характеризуют обычно остатками на ситах с размером ячеек в свету 0,2, 0,08, а иногда и 0,06 мм, а также удельной поверхностью порошка, определяемой на приборах конструкции В. В. Товарова, ПСХ, Р. Блейна, Ф. Ли и Р. Нерса и др. На этих приборах при точно установленных условиях определяют воздухопроницаемость порошка, а затем по показателям проницаемости и пористости рассчитывают удельную поверхность (с использованием зависимости Козени — Кармана).

В настоящее время обычные портландцемента измельчают до остатка на сите № 008 5—8 % (по массе), цементы же быстротвердеющие — до остатка 2— 4 % и меньше. При этом удельная поверхность соответственно достигает 2500—3000 и 3500—4500 см2/г и более.

С увеличением тонкости помола цемента повышается его прочность и скорость твердения, но лишь до показателей удельной поверхности 7000—8000 см2/г. С этого предела наблюдается обычно ухудшение прочностных показателей затвердевшего цемента. Морозостойкость же его часто начинает ухудшаться и при более низких показателях удельной поверхности (4000— 5000 см2/г).

Разные фракции цементного порошка по-разному влияют на прочность цемента при твердении, а также на скорость твердения. В связи с этим ряд исследователей рекомендует характеризовать цементы не только по удельной поверхности порошка, но и по зерновому составу.

Однако некоторые исследователи считают, что чрезмерное измельчение продукта не всегда целесообразно, так как частички 1—3 и даже 5 мкм быстро гидратиру-ются влагой воздуха уже при кратковременном хранении цементов на складах, что значительно снижает активность материала. Некоторые предполагают, что эти высокодисперсные частички при затвореиии цемента водой гидратируются так быстро, что не участвуют в последующем его твердении.

Однако, говоря о влиянии тонких фракций на активность цементов, следует внимательно учитывать как минеральный состав, так и размеры, структуру кристаллов алита, белита и других компонентов клинкера.

Представление о зерновом составе современных портландцементов, а также о влиянии разных фракций на прочность и интенсивность твердения можно составить по данным опытов, которые Р. Я. Цернес, Л. Н. Шорох и А. В. Бугайчук провели на Здолбуновском цементно-шиферном комбинате. Они изучили до 80 партий цементов, полученных помолом в шаровой мельнице, работавшей в замкнутом цикле с двумя сепараторами. Клинкеры характеризовались следующим средним составом, %: C3S 57, C2S 20, С3А 7, C4AF 14; /(# = 0,9. При помоле получались продукты с удельной поверхностью 2000— 6200 см2/г- На основании опытов исследователи рекомендуют для получения цемента той или иной марки измельчать клинкер в порошок, зерновой состав и удельная поверхность которого приведены в табл. 12. Как видно, на показатели активности цементов (прочность в 28-суточ-ном возрасте) влияют фракции порошка с размером частиц до 20 мкм. Более же крупные частицы (до 30— 50 мкм) влияют на прочность в более отдаленные сроки твердения. Авторы исследования полагают, что фракция 0—5 мкм оказывает решающее влияние ча рост прочности цемента в первые сутки твердения, фракция 5—10 мкм влияет в основном на прочность в 3- и 7-су-точном возрасте, а фракция 10—20 мкм определяет прочность в возрасте 1 мес и более. В частности, измельчая один и тот же клинкер до содержания в порошке 45, 50, 65 и 80 % фракции 0—20 мкм, можно получать цементы марок соответственно 600, 700, 700 ОБТЦ (особо быстротвердеющий) и 800 (при испытании трамбованных образцов). Для получения цементов тех или иных марок исследователи рекомендуют и соответствующие схемы помола клинкеров в шаровых мельницах в замкнутом цикле с центробежными сепараторами.

Многочисленные исследования показывают, что характеристики дисперсности цемента по остаткам на ситах (даже на сите с размером ячейки 0,04 мм) и по удельной поверхности не дают надлежащего представления о содержании различных фракций в порошке и поэтому не позволяют исчерпывающе оценить результаты помола и свойства получаемого цемента.

Для определения содержания различных фракций в цементном порошке используют методы воздушной сепарации, а также седиментациоиный и микроскопический анализы.

Зерновой состав цемента представляют часто в виде кривых в системе координат, где по оси абсцисс наносят логарифмы диаметров зерен, исчисленных- в мкм (обычно от 0 до 200 мкм), а на ординате откладывается суммарное содержание в порошке частиц диаметром от принятого до минимального (в % по массе). Для оценки гранулометрического состава портландцементяого порошка применяют также кривые распределения по массе частиц по фракциям. В этом случае по оси абсцисс наносят значения диаметров зерен в мкм (или их логарифмы, а по оси ординат — процентное содержание (по массе) в цементе частиц той или иной отдельной фракции, лежащей между любыми двумя диаметрами, различающимися лишь очень немного (2—4 мкм). На 30 показаны кривые зернового состава портландцемента заводского .помола с удельной поверхностью 3200 и 4500 см2/г.

Некоторые исследователи показали, что при измельчении клинкера в мельницах получаются цементы с разным числом (1—3) максимумов на кривой содержания различных фракций в измельченном материале в зависимости от вида мельницы. Результаты этих опытов свидетельствуют о значительном влиянии вида помольного агрегата и свойств клинкера на зерновой состав цемента, а следовательно, и на его свойства.

Вопрос о том, как связан зерновой состав портландцемента и, в частности, содержание в нем тех или иных фракций с его активностью, водопотребкостыо, пластичностью теста, скоростью твердения и другими свойствами, изучен пока недостаточно. Мало исследованы н возможности регулирования содержания в цементном порошке зерен тех или иных фракций, а также их формы. Можно лишь отметить, что зерновой состав порошка и форма зерен в большой степени зависят от вида мельницы, применения открытого или замкнутого цикла измельчения, формы и размера мелющих тел, а также от бронеплит в шаровых мельницах, соотношения между длиной и диаметром мельниц, степени заполнения камер мелющими телами и др. Вместе с тем влияние этих факторов при измельчении разных материалов проявляется в разной степени в зависимости от их свойств (прочности, твердости, слоистости, степени хрупкости и т.п.).

Для иллюстрации сказанного можно привести результаты опытов Б. В. Волконского, Л. Г. Судакаса, А. Ф. Краюль и др. по определению повышенной активности цементов, получаемых помолом клинкеров монадо-бластической микроструктуры. По их данным, в этом случае цементные частички получаются «щебеночной» формы с острыми углами и сильно развитой конфигурацией, благоприятствующей интенсивному взаимодействию их с водой. Такая форма частичек, образующихся при измельчении клинкера монадобластической структуры, является следствием кристаллохимических особенностей исходного клинкера. При измельчении клинкера с гломеробластической структурой получаются округленные, галькообразные частички, что при прочих.равных условиях (одинаковые химические состав и тонкость помола) обусловливает пониженную активность получаемого цемента (примерно на ЮМПа).

Размалываемость клинкера и способы ее определения. Все твердые материалы характеризуются присущим им сопротивлением измельчению, причем на разных ступенях тонкого измельчения оно может быть различным, что зависит в основном от макроструктуры и физических свойств материала.

В производстве вяжущих веществ тонкому измельчению подвергаются лишь хрупкие материалы, т. е. такие, у которых предел прочности при сжатии в четыре раза и более превосходит предел прочности при растяжении.

Разные твердые материалы в зависимости от их физических свойств при измельчении в одинаковых условиях с затратой одинакового количества энергии дают продукты, характеризующиеся различной степенью дисперсности. Следовательно, они обладают различно выраженной способностью размалываться. В настоящее время нет методов определения размалываемости материалов, позволяющих оценивать ее в абсолютных единицах применительно к различным способам измельчения. Размалываемость материалов приходится оценивать в значительной мере условно применительно к тем или иным способам помола (сухой или мокрый, в открытом или закрытом цикле) и к различным аппаратам измельчения. Так, размалываемость клинкера и других материалов можно оценивать по кварцу, размалываемость которого принята за единицу.

В производстве цемента материалы измельчают преимущественно в шаровых мельницах. В связи с этим и показатели размалываемости материалов изучались, главным образом, применительно к этим аппаратам.

При измельчении цементов в шаровых мельницах до удельной поверхности 3000—3500 см2/г ее прирост практически пропорционален затраченной работе (по закону Риттингера). Лишь при более высоких степенях, когда наступает агломерация тончайших частичек, прирост удельной поверхности сопровождается повышенным расходом энергии. В соответствии с этим предложено оценивать размалываемость материалов по отношению достигнутой степени дисперсности, устанавливаемой по удельной поверхности полученного порошка, к затраченной работе. Пападакис исчисляет удельную поверхность в см2/г, а работу —в Дж, получая таким образом показатели размалываемости в см2/Дж. Для этого он 20— 40 г материала в виде зерен размером 2,5—5 мм разрушал под давлением в цилиндре, а затем измерял удельную поверхность порошка и затраченную работу. Для разных материалов и при разных затратах работы на измельчение, исчисленной в Дж/г, Пападакис получил показатели удельной поверхности порошков, представленные в виде прямых и ломаных линий на 31. Эти данные свидетельствуют о том, что на разных ступенях измельчения некоторые материалы характеризуются разной размалываемостью, которая оценивается по значению удельной поверхности, полученной при измельчении на 1 Дж работы. Так, клинкер, измельченный до удельной поверхности 3000 см2/г, определенной по методу Ф. Ли и Р. Нерса, имел показатель размалываемости 109 см2/Дж, а при более тонком измельчении —лишь 39см2/Дж.

Размалываемость неоднородных тел зависит от природы, количественного соотношения и размера зерен, слагающих тело. Это видно и на примере одного из доменных шлаков, который, как и клинкер, характеризовался конгломератным строением.

Теория измерения удельной поверхности порошков и коэффициента газопроницаемости пористых тел на приборе ПСХ

Качество металлургических и других порошкообразных и пористых строительных и многих других материалов – минеральных и органических пигментов, гипса, извести, известняка, а также электродов, стеновых панелей, кирпича, строго регламентировано стандартами. По мере повышения требований к качеству производимых материалов становятся все более жесткими и требования к точности и надежности измерений стандартизованных параметров. Важнейшим из них является дисперсность – удельная поверхность и средний размер частиц порошков, средняя площадь сечения единичной поры прессованных и спеченных изделий и геологических образцов. Для определения дисперсности в промышленном контроле общепринят метод фильтрации вязкой субстанции (газа) через пористые тела. Фильтрационный метод включен в стандарты РФ, США (ASTM) и европейских стран (DIN, ISO) на технологические параметры цемента, железорудных, фармацевтических и многих других порошков. Теоретические основы метода, разработанные Дарси, Козени и Карманом [1-4] прошли испытания временем и остаются неизменными. Однако основанные на этом методе приборы Блейна, Фишера, Товарова, ПСХ (измеряемые всеми ими значения удельной поверхности идентичны), созданные в середине прошлого века в соответствии с уровнем аналитической техники того времени, весьма устарели и не соответствуют современным технологическим требованиям по дизайну, точности, трудоемкости, продолжительности и удобству измерений. Достижения современной электроники открыли возможность создания прибора нового поколения, необходимость в котором оправдана возросшими запросами промышленности.

Удельная поверхность и средний размер частиц порошков

В теории фильтрации измерение удельной поверхности порошков эквивалентно измерению среднего гидравлического радиуса капилляров порового пространства, образуемого слоем уплотненного порошка. Соотношение объёма пор и площади их поверхности принято равным отношению объема трубы и площади ее внутренней цилиндрической поверхности. Объем трубы диаметром d_т и длиною L равен V_т = 4 -1 ×p×d_г 2 ×L, а площадь ее внутренней поверхности s_т = p×d_т×L, гидравлический диаметр трубы d_г = 4V_т×s_т -1 . Аналогично этому гидравлический диаметр пор (d _г) пористого тела, объем пор которого составляет (V_п), а площадь их поверхности (s_п) равен:

Если V – объем пористого тела, e – значение пористости (доля объема пор в объеме пористого тела), то объем пор V_п = V×e, объем твердого вещества в пористом теле V(1-e). Объем пористого слоя , например, в виде цилиндра равен произведению площади его сечения F [см 2 ] на высоту L [см] V = F×L [см 3 ]. Пористость по определению равна:

e = (F×L – m×r -1 ) (F×L) -1 = (1- m×F -1 ×L -1 ×r -1 ),

где m [г] – масса порошка в кювете, r [г/см 3 ] – плотность его частиц, m×r -1 [см 3 ] – объем частиц в кювете.

Удельная поверхность единицы объема твердого тела порошка S_v [см 2 /см 3 ] и S [см 2 /г] – удельная поверхность единицы массы связаны между собой и с площадью суммарной поверхности пор соотношениями:

В тех же обозначениях средний гидравлический диаметр капилляров равен:

Извилистость пор в уплотненном цилиндрическом слое порошка учитывают введением коэффициента извилистости К_к (постоянная Козени), который на основании экспериментальных данных принят равным 5 относительно высоты цилиндра L. Средняя длина капилляров цилиндрического пористого слоя, через торец которого производится фильтрация газа равна X = К_к×L.

Среднее число капилляров, выходящих на торец цилиндрического слоя:

Далее рассматривают скорость течение вязкого газа Q [см 3 /с] (динамическая вязкость m – в пуазах) через длинную (по сравнению с диаметром) трубку (капилляр) под действием перепада давления – DP [Г/см 2 ]. Применительно к пористому слою вычисления приводят к общепринятой формуле для удельной поверхности порошка S [см 2 /г]:

S = 14 r -1 ×m -0,5 [e 3 (1- e ) -2 ] 0,5 [Q -1 ×DP×F×L -1 ] 0,5 = 14 r -1 ×m -0,5 ×М×(Q -1 ×DP) 0,5 (4)

В уравнении (4) величина М = [e 3 (1- e ) -2 ×F×L -1 ] 0,5 зависит только от геометрических параметров слоя порошка и его пористости. Если масса порошка во всех измерениях выбрана так, что объем частиц порошка в кювете, равный m×r -1 = const во всех измерениях, величина М зависит только от степени уплотнения порошка – высоты его слоя в цилиндрической кювете, площадь сечения которой одинакова во всех опытах. Действительно:

М = [e 3 (1- e ) -2 ×F×L -1 ] 0,5 = [(1- m×r -1 ×(F×L) -1 ) 3 (m×r -1 (F×L) -1 ) -3 ×m×r -1 ×(F×L) -1 ×F×L -1 ] 0,5 =

= [(m -1 ×r×F×L — 1) 3 ×m×r -1 ×L -2 ] 0 , 5 = (L×m×r -1 ) -1 ×[(F×L — m×r -1 ) 3 ] 0 , 5 (5)

Согласно формулы (4) для измерения удельной поверхности порошка с измеренной массой (m) в кювете площадью поперечного сечения (F) необходимо сформировать слой и измерить: его высоту – L, расход воздуха – Q, перепад давления – DR, обеспечивающий этот расход, и температуру воздуха, по которой определяют его вязкость (m).

Средний размер частиц (плотность которых – r) связан с удельной поверхностью единицы объема (S_v) и единицы массы (S) порошка соотношением:

Формула (4) предусматривает стационарный режим фильтрации воздуха. В этом режиме значения Q и DR (перепад давления и скорость течения воздуха) необходимо поддерживать установившимися и неизменными в период их измерений. Однако, как показала обширная производственная практика, надежное соблюдение этого условия весьма затруднительно. Приборы нестационарного режима, в которых измеряют фильтрацию воздуха через слой уплотненного порошка в замкнутый объем W, значительно практичнее и надежней. В этом режиме измерению подлежит только один параметр – длительность t изменения разрежения воздуха от значения р₁ до р₂. Действительно: согласно расчетам [2] гидравлическое сопротивление слоя порошка (Â – величина, обратная проницаемости) при атмосферном давлении воздуха в момент измерения P_o равна:

Если атмосферное давление P_o , объем W и величины разрежения р₁ и р₂ остаются неизменными для всех измерений, то согласно (7):

Величина М=(L×m×r -1 ) -1 ×[( F×L — m×r -1 ) 3 ] 0,5 по выражению (5) с режимом фильтрации не связана. Калибровка прибора сводится к экспериментальному определению одной величины b при его наладке. На основании (4 -8 ) удельная поверхность равна:

S = 14 r -1 ×m -0,5 [ e 3 (1- e ) -2 ] 0,5 [ b×t×F×L -1 ] 0,5 = 14 r -1 ×m -0,5 ×М×(b×t) 0,5 (9)

Величина 14b 0,5 = К – постоянная прибора, которую определяют либо по уравнению (8), либо в калибровочных опытах с прибором, работающим в стационарном режиме по соотношению (7).

В этом наиболее практичном варианте калибровки (DR×Q -1 )_к и t_к ; b = (DR×Q -1 )_к /t_к.= const для данного прибора. В результате определение удельной поверхности с измерением только времени (t) и вязкости воздуха по его температуре производится по простой формуле:

S = К×r -1 × m -0,5 ×М×t 0,5 (10)

Фильтрационному методу определения удельной поверхности, как следует из обширного опыта его использования для разных порошков, свойственны некоторые особенности, обусловленные упрощающими основаниями, принятыми при выводе основной его формулы (4). В частности, не учтены агрегируемость дисперсных порошков, неопределенность формы и внутренней пористости их частиц. Эти факторы выражаются в зависимости величины удельной поверхности от степени уплотнения слоя порошка. Поэтому с целью получения всегда сопоставимых данных измерения удельной поверхности разных порошков желательно производить в одинаковых условиях. Одним из таких определяющих условий является одинаковость во всех измерениях физического объема порошка в кювете. Это условие выполняется, если масса порошка выбрана всегда равной одинаковой доле его плотности. Как показывает опыт многолетней работы с разными порошками, такой прием при прочих одинаковых условиях обеспечивает также наименьшую погрешность измерений и максимальное удобство в их подготовке.

Не следует пользоваться методом фильтрации для порошков с резко выраженной зависимостью удельной поверхности по формулам (4 -10) от степени уплотнения. Для таких порошков разработана специальная методика измерений и расчетов [4].

Коэффициент газопроницаемости пористых тел

Коэффициент газопроницаемости по ГОСТ 11573-65(85), ISO 8841-91E выражают в квадратных микрометрах (принятое название – дарси). Измерения, выполненные в конкретных условиях, приводят к базовым значениям температуры – 0 0 С и атмосферного давления Р_о = 1,013×10 5 Па = 760 мм Hg :

y_г = 9,87×10 2 [мкм 2 ] (12)

В формуле (12): h [см] и s [см 2 ] – высота и площадь сечения исследуемого образца (керна); Q [см 3 /с] – расход воздуха, проходящего через образец; DР [Па] – перепад давления; Р_о [Па]- давление воздуха при выходе (атмосферное давление); m [Па×с], T [ 0 С] и a_v [ 0 С -1 ] – динамическая вязкость, температура и объемно-температурный коэффициент окружающего воздуха. Величина 9,87×10 2 [Па -1 ] получена из условий пересчета проницаемости к стандартному атмосферному давлению (Р_о) и размерности – [мкм 2 ] вместо – [см 2 ]: 1 см 2 = 10 8 мкм 2 , Р_о = 1,013×10 5 Па.

Следовательно: 10 8 мкм 2 /1,013×10 5 Па = 9,87×10 2 Па -1 .

Стандартизованной методикой определения коэффициента газопроницаемости предусмотрено оборудование, которое включает баллон высокого давления со сжатым газом, манометры и реометры высокого давления, а также необходимые системы защиты. Такое громоздкое оборудование соответствовало уровню измерительной техники времени создания метода. Современная электроника дает более изящные решения, обеспечивающие необходимую точность и надежность результатов измерений. Как показывают исследования конкретных пористых кернов, в подавляющем числе случаев измерения коэффициента газопроницаемости могут быть выполнены с минимальной погрешностью на приборах типа ПСХ(SP). По сравнению с ПСХ они дополнены оснасткой (кюветой) для размещения кернов и специальной программой; в них сохранена функция измерения удельной поверхности и среднего размера частиц порошков.

В ПСХ(SP) средняя величина перепада давления DР составляет менее 0,3% атмосферного давления (Р_о) и ею можно пренебречь по сравнению с Р_о в расчетах коэффициента газопроницаемости. Кроме того, в приборах с автоматической коррекцией вязкости воздуха (автоматическое приведение ее к 20 0 С) и при измерениях в лабораторных условиях при температуре окружающего воздуха, близкой к 20 0 С с достаточной степенью точности можно принять величину

(1+a_v Т) = 1 +3,67×20×10 -3 = 1,0734 всегда одинаковой. При комнатной температуре динамическая вязкость воздуха m = 1,8·10 -5 Па×с. С учетом этого коэффициент газопроницаемости равен:

y _г = 9,87×10 2 =1676 h Q(s Dp) -1 (13)

В приборах, работающих в нестационарном режиме, газопроницаемость керна Q/DР = c/t, где c – постоянная прибора по газопроницаемости, t – интервал времени, в течение которого в замкнутом объеме под керном в результате фильтрации через него воздуха происходит изменение давления в интервале установленных значений от р₁ до р₂ . В таком приборе :

y_г=1676h×Q×(sDp) -1 = 676 ×c/t × h × s -1 = Кп × t -1 × h (s ) -1 ; Кп = 1676 ×c (14)

Значение констант c и Кп определяют в параллельных измерениях газопроницаемости одного и того же образца по прибору, работающему в режиме стационарной фильтрации (значения Q и DР), и в приборе ПСХ (значение t), или по эталонному образцу с известным значением коэффициента газопроницаемости.

Коэффициент газопроницаемости керна размером 50х50 мм в единицах миллидарси по формуле (11 и 12) с учетом его геометрических размеров равен:

Расчет коэффициента газопроницаемости керна с другими значениями диаметра и высоты производится по той же формуле (14), но с другим значением константы для заданных h и s согласно формуле (14).

Для измерений и расчета коэффициента газопроницаемости можно также воспользоваться калиброванным эталоном – пневмосопротивлением, которое предназначено для калибровки прибора и отградуировано при атмосферном давлении, близком нормальному (760 мм Hg). С изменением атмосферного давления газопроницаемость патрона изменяется пропорционально газопроницаемости испытуемых образцов. Это делает возможным избежать измерений (когда это необходимо для повышения точности определений) атмосферного давления по барометру, заменив их сравнительным измерением газопроницаемости образца и калиброванного эталона в одинаковых условиях.

Коэффициент газопроницаемости эталона:

Согласно формуле (12) y_по = y_п и, следовательно Р = Р_о×t_п ×t_по -1 . Подстановкой значения Р = Р_о×t_п×t_по -1 в формулу (13) получена формула для определения газопроницаемости керна, которая исключает необходимость измерения атмосферного давления:

1. Сarman P. C. Flow of Gases throw Porous Media, London, 1956.
2. Ходаков Г.С. Основные методы дисперсионного анализа порошков. М.: Стройиздат, 1968. 198с.
3. Ходаков Г.С. Закономерности фильтрации газа через пористые тела. Докл. АН СССР. 1963. Т.148.с. 581 -584.
4. Ходаков Г.С. Метод измерения удельной поверхности высокодисперных порошков по фильтрации газа. Колл. ж. 1995. Т.57. №2. С.280 -282.

Удельная поверхность частиц металлических порошков

Под удельной поверхностью дисперсных тел понимают поверхность единицы веса или объема порошка. Величина удельной поверхности большинства металлических порошков обычно колеблется от 0,01 м2/г до нескольких десятых квадратного метра на 1 г. Удельная поверхность зависит не только от размера частиц, но и от степени развитости их поверхности, которая определяется условиями получения порошков. Удельная поверхность является весьма важной характеристикой порошков: от величины удельной поверхности зависит содержание адсорбированных газов в порошках, их коррозионная стойкость, спекаемость и ряд других характеристик.

Влияние величины частиц металлических порошков вихревого происхождения на их удельную поверхность S было изучено в работе. Эти данные показаны на рис. 45. Удельная поверхность с уменьшением размера частиц увеличивается. Для порошков железа и никеля соотношение между S и размером частиц d можно представить формулами типа S=ae

bd, где а и b — постоянные. Для порошка меди, которая является более пластичным металлом, чем Ni и Fe, эта зависимость имела несколько иной вид S = ad

b, что объясняется более правильной формой, которую приобретали частицы меди после размола.

где S — удельная поверхность, см2/г; 0 — пористость в долях единицы; А — поперечное сечение кюветы, см2; h — показания манометра, см; d — плотность жидкости манометра, г/см3; q — объемная скорость воздуха, см3/сек; n — вязкость воздуха при температуре опыта, г/см*сек; Ах — высота слоя порошка в кювете, см; ун — насыпной вес порошка, г/см3.

Более совершенным и точным методом является измерение удельной поверхности по фильтрации разреженного газа. Разрежение должно быть таково, чтобы длина свободного пробега молекул газа была больше размеров пор, т. е. чтобы соударения молекул между собой были крайне редки по сравнению с ударами о стенки пор (кнудсеновский режим). Таким образом, требуемая величина разрежения зависит от диаметра пор исследуемого пористого образца. Оценить разрежение, необходимое для достижения кнудсеновского режима, можно либо из таблиц, приведенных в книге, либо, если известно приблизительное значение S данного объекта, из неравенств

где hкн — давление, см рт. ст; а — 10в-4 см рт. ст.

Для большинства металлических порошков требуемое разрежение составляет не ниже 10в-2 мм.

Теоретически метод проницаемости при кнудсеновском режиме был подробно разработан Б.В. Дерягиным. Отечественная промышленность выпускает прибор, предложенный Б.В. Дерягиным и сотрудниками. Схема этого прибора, несколько видоизмененная нами применительно к измерениям удельной поверхности металлических порошков, показана на рис. 49. Исследуемый порошок в виде спрессованных брикетов помещают в специальной головке (рис. 49, б), которая состоит из двух половинок, скрепленных резьбовым соединением. Резиновые уплотнения обеспечивают надежную герметичность. Нижняя часть головки соединяется с прибором с помощью шлифа. Определение удельной поверхности состоит в измерениях расхода воздуха по реометру и перепада давления на образце по манометру. Величину S рассчитывают по рабочей формуле

где k — постоянная прибора.

Прибор Б.В. Дерягина можно использовать также для измерений удельной поверхности по газопроницаемости под давлением, близким к атмосферному.

где M — молекулярный вес воздуха; R — универсальная газовая постоянная; T — температура опыта, °К.

Метод нестационарной фильтрации дает хорошие совпадения результатов с данными адсорбционных измерений. Однако его недостатком является необходимость использования в случае объектов с малыми поверхностями (до 1 м2/г) относительно больших количеств порошка — порядка 300—400 г и более, что объясняется стремлением повысить чувствительность метода — увеличить величину L.

Наиболее точными методами измерения удельной поверхности считаются адсорбционные.

В основе этих методов лежит предположение, что молекулы адсорбируемого вещества на поверхности твердых тел располагаются в виде мономолекулярного слоя. Процесс адсорбции является самопроизвольным, ибо он обусловлен ненасыщенностью силовых полей в поверхностных слоях и стремлением системы перейти в более равновесное состояние, т. е, понизить поверхностную энергию путем адсорбции молекул паров, газов или жидкости.

Среди многих вариантов адсорбционных методов: адсорбция из растворов, адсорбция красителей, адсорбция паров при низких температурах, — наиболее популярен последний.

Удельная поверхность металлических порошков, как правило, составляет несколько десятых 1 м2 на 1 г. Адсорбционные измерения таких объектов должны проводиться с особой тщательностью, ибо ошибки при определении малых поверхностей могут быть значительными. На рис. 53 показана схема адсорбционной установки, разработанной в Институте физической химии АН Украины. Техника измерений состоит в следующем. Порция исследуемого порошка (—30 г), помещенная в реакторе 1, перед измерениями дегазируется в течение 1—2 час. при температуре 200—300° в вакууме 10в-4 —10в-5 мм рт. ст. После этого кран а закрывается, реактор помещается в жидкий воздух, кислород или азот, и в реактор через кран b впускается азот. Давление азота, которое фиксируется манометром 3, падает вследствие заполнения реактора и соединительных трубок, а также в результате адсорбции паров азота на поверхности частиц. Заполняя ртутью измерительные бюретки 5, добиваются повышений давления до первоначального уровня, что фиксируется зажиганием сигнальной лампочки. По делениям бюретки 5 определяется объем азота, заполнившего реактор; из этой величины вычитается объем «мертвого пространства», определяемый в холостых опытах. Разность представляет собой объем адсорбированного на порошке азота.

где р — давление пара в равновесии с адсорбированным слоем;

p0 — давление насыщенного пара при температуре адсорбции; V — количество адсорбированного пара, определяемое при измерениях; Vm — объем пара, который соответствует образованию мономолекулярного слоя (1 см3 азота, адсорбированный монослоем при температуре — 183°, занимает площадь 4,6 м2); С — константа.

При адсорбционных измерениях определяется количество адсорбированного пара на изучаемом порошке (величина V) при различных давлениях р. По этим данным графически или аналитически вычисляются величины Vm и С. Сопоставляя полученное значение Vm с 1 см3 (соответствующим S = 4,6 м2), можно вычислить искомую удельную поверхность.

Недостатком адсорбционных методов является их долговременность и относительная сложность.

Некоторые упрощенные методики адсорбционных измерений позволяют несколько уменьшить длительность измерений, но и они занимают больше времени, чем измерения удельной поверхности методами газопроницаемости.

В табл. 21 помещен перечень основных методов измерения удельной поверхности с указанием применимости и их основных достоинств и недостатков.

Как видно из табл. 21, каждый метод имеет свои достоинства и недостатки. В соответствии с особенностями методов определяются области их применения: адсорбционные методы используются только в исследовательской практике, методы газопроницаемости распространены как в исследовательской практике, так и в производственных условиях. Выбор метода измерения S зависит от характеристик исследуемого порошка, а также от преследуемых целей.

Определение удельной поверхности заполнителя тяжелого бетона

Продолжительность работы — 4 часа.

Цель и задачи работы

Приобретение практических навыков по определению удельной поверхности заполнителей тяжелого бетона. Определение удельной поверхности кварцевого песка, известнякового щебня по их гранулометрическому составу с применением номограмм.

Теоретические сведения

Удельная поверхность зернистого материала — это величина внешней суммарной поверхности единицы массы этого материала.

Удельная поверхность порошкообразных материалов, например цемента, гипса, извести и других, определяется с помощью прибора ПСХ-2.

Удельную поверхность зернистых материалов, например кварцевого песка и других, а также кускообразных (щебня, гравия) можно определить по их гранулометрическому составу (данным полных остатков на ситах) с применением специальных номограмм, разработанных на кафедре «Технология бетона и железобетона» Белорусского ордена Трудового Красного Знамени политехнического института. Номограммы приведены на рисунке.

Значение удельной поверхности заполнителей влияет на рас­ход цемента, воды, необходимых для приготовления I м 3 бетонной смеси.

Удельная поверхность также влияет на В/Ц и свойства бетон­ной смеси (подвижность, жесткость).

Объект исследования

3.1. Материалы для исследования

В качестве объектов исследования применяются известняковый щебень и кварцевый песок, которые используются для изготовле­ния железобетонных и бетонных конструкций.

3.2. Оборудование для работы

3.2.1. Сушильный шкаф (ГОСТ 7365-55).

3.2.2. Весы циферблатные (ГОСТ 13882-68) и платформенные (ГОСТ 7365-55).

3.2.3. Сита для рассева песка по фракциям (ГОСТ 3584-73) с размерами диаметра ячеек: 5; 2,5; 1,25; 0,63; 0,315; 0,14 мм.

3.2.4. Сита для рассева щебня с размерами диаметра ячеек: 40; 20; 10,5 мм (ГОСТ 8267-75).

Порядок выполнения лабораторной работы

4.1. Производится рассев средней пробы (5 кг щебня и 2 кг кварцевого песка) на ситах с размерами диаметра ячеек, приве­денными в табл. I и 2.

4.2. Взвешивают остаток щебня или песка на каждом сите, включая и остаток материала, прошедшего черед последнее сито.

4.3. Результаты взвешивания вносят в табл. 1 и 2.

Таблица 1 — Гранулометрический состав песка

Таблица 2 — Гранулометрический состав щебня

По результатам полных остатков определяют удельную поверхность S, м 2 /кг, заполнителей тяжелого бетона (песка, щебня) с применением номограмм, приведенных на рисунке 1. Значения определенной удельной поверхности заполнителей также заносят в табл. 1 и 2.

5. Контрольные вопросы

1. Что понимается под удельной поверхностью сыпучих, зер­нистых материалов?

2. На какие свойства бетонной смеси влияет значение удель­ной поверхности заполнителей?

3. Чем отличается частный остаток заполнителя от полного?

4. Каким методом определяется удельная поверхность запол­нителей бетона (песка или щебня)?

5. Как изменится расход цемента на 1 м 3 бетонной смеси, если увеличатся удельная поверхность кварцевого песка при всех прочих равных условиях?

Лабораторная работа № 3

Изучение работы циклона

Продолжительность работы — 4 часа.

Цель работы

Практическое ознакомление с устройством и работой циклона; исследование зависимости степени очистки h циклона и его гидравлического сопротивления DР_Ц от условной скорости газового потока и коэффициента гидравлического сопротивления циклона (x_Ц и x_Ц¢).

Теоретические сведения

Очистка промышленных газовых потоков от взвешенных в них твердых частиц может осуществляться, например, путем осаждения твердых частиц под действием различных сил: тяжести, центробежных, электростатических, акустических и др.

Одним из наиболее простых и широко распространенных способов очистки газовых потоков от находящихся в них твердых частиц является центробежное разделение таких неоднородных систем. В качестве аппаратов — пылеуловителей, в которых можно осуществить этот способ, используют так называемые циклоны различных конструкций.

Процесс разделения неоднородных систем «газ — твердые частицы» под действием центробежных сил обусловливается разностью плотностей газового потока и твердых частиц, находящихся во вращательном движении. Центробежные силы, возникшие при этом, обеспечивают большую эффективность процесса по сравнению с процессом разделения, проходящим в поле только сил тяжести. Соотношение этих сил называют фактором разделения:

(1)

где G — сила тяжести, G = mg; Р_Ц — центробежная сила, отбра­сывающая твердую частицу из вращающегося газового потока к стенкам циклона.

(2)

где т — масса твердой частицы, кг; v — окружная скорость частицы (условно принимается равной скорости газового потока во входном патрубке циклона), м/с; R — радиус циклона, м.

Фактор разделения характеризует увеличение разделявшей способности в условиях действия центробежной силы:

(3)

Из уравнения (3) видно, что эффективность разделения возрастает с увеличением скорости газового потока и уменьше­нием радиуса циклона. Однако значительное увеличение скорости связано с резким возрастанием гидравлического сопротивления циклона усилением местных завихрений, срывающих уже осевшие на внутренней поверхности циклона твердые частицы, что приводит к ухудшению очистки газа. Обычно наиболее эффективными являются скорости газа на входе в циклон в интервале 20 — 25 м/с.

Работа циклона оценивается по совокупности его основных характеристик:

1. эффективности разделения (степени очистки или коэффици­ента полезного действия);

2. гидравлическому сопротивлению (достижение высокой сте­пени очистки при малом гидравлическом сопротивлении).

Степень очистка (в %) можно рассчитывать, зная начальную G_H и конечную G_К концентрации твердых частиц в газовом пото­ке, проходящем черев циклон:

(4)

где G_H — массовый расход твердых частиц на входе в циклон, кг/с; G_К — массовый расход твердых частиц на выходе из цикло­на, кг/с; G_ул — массовый расход уловленных твердых частиц, кг/с G_ул = G_Н – G_К.

Степень очистки газового потока зависит от размера и плотности твердых частиц, от плотности и вязкости газового потока, от типа циклона и его геометрических размеров и, конечно, от скорости газового потока на входе в циклон.

На рис. 1 показана принципиальная схема работы циклона конструкции НИИОГАЗа типа ЦН.

Циклон состоит из цилиндроконического корпуса 1; входного патрубка 2 прямоугольного сечения, встроенного по касательной к окружности цилиндрической части корпуса; выхлопной трубы 3, расположенной по оси циклона. Нижний торец конической части корпуса циклона входит в бункер 4, предназначенный для сбора уловленных твердых частиц, выпускное отверстие которого прикрыто клапаном пылевого затвора 5, связанного с рычагом 6. Для непрерывного отвода уловленных твердых частиц служит шнековый транспортер 7.

Рис. 1 — Принципиальная схема действия циклона:

1 — корпус циклона; 2 — входной патрубок; 3 — выхлопная труба; 4 — бункер-сборник; 5 — кла­пан пылевого затвора; 6 — рычаг клапана; 7 — шнековый транспортер.

Запыленный воздух входит в циклон через тангенциально встроенный патрубок 2 и, приобретая вращательное движение, опускается спиралеобразно вниз вдоль внутренней поверхности стенок цилиндрической и конической частей корпуса аппарата. Вращаясь вначале в кольцевом пространстве, образованном цилиндрической частью корпуса циклона и выхлопной трубой, а затем в зоне, расположенной ниже торца выхлопной трубы, газовый поток образует внешний вращающийся вихрь. При этом развиваются центробежные силы, под воздействием которых твердые частицы, находящиеся в газовом потоке и обладающие значительно большей плотностью, чем газ, отбрасываются к стенкам корпуса циклона. Движение твердых частиц по внутренней поверхности циклона к бункеру 4 обусловлено не только влиянием силы тяжести, но и воздействием силы давления газового потока, направленного вниз. Достигнув нижнего торца конической части корпуса циклона, твердые частицы поступают в бункер 4.

В конической части корпуса циклона газовый поток начинает менять направление и перемещается вверх к выхлопной трубе, образуя внутренний вращающийся вихрь. Освобожденный от основной массы твердых частиц воздушный поток попадает в выхлопную трубу 3 и, поднимаясь по ней винтообразно вверх, удаляется из циклона.

Оптимальное значение скорости газа на входе в аппарат, обеспечивающей высокую степень очистки, определяется в каждом отдельном случае с учетом свойств разделяемых неоднородных систем (например, фракционного состава твердой фазы, слипаемости твердых частиц, допустимого уноса твердых частиц и др.), условий работы циклона и его гидравлического сопротивления.

Общее гидравлическое сопротивление циклона, установленного, как показано на схеме (рис. 1), можно представить как сумму потерь давления на преодоление сопротивления трения и местных сопротивлений, а именно: потеря давления при входе в циклон; потери давления на преодоление сопротивления трения в корпусе циклона; потери давления при переходе газового потока из внешней зоны циклона большого диаметра во внутреннюю зону (в выходную трубу) с поворотом на 180°; потери на преодоление сопротивления трения в выхлопной трубе.

Примечание: В бункере 4 создается несколько большее разрежение, чем на выходе из выхлопной трубы циклона, в связи с чем при наличии даже незначительных подсосов (в случае нарушения герметичнос­ти) струя воздуха, захватывая твердые частицы, выносит их из циклона, что резко снижает степень очистки газового потока.

Выражая общее гидравлическое сопротивление через динамический напор во входном патрубке и заменяя сумму частных коэффициентов гидравлических сопротивлений общим коэффициентом гидравлического сопротивления циклона, получим:

(5)

где r — плотность газовой среды в рабочих условиях, кг/м 3 ;

v_вх — скорость газа во входном патрубке, м/с.

Скорость газа во входном патрубке:

(6)

где f_вх — площадь поперечного сечения входного патрубка, м 2 ;

V — расход газа, м 3 /c.

Секундный расход газа рассчитывается по формуле:

(7)

где V — расход воздуха, поступающего в циклон, м 3 /c;

a — поправочный коэффициент (0,9 — 0,95);

d — размер диаметра отверстия дроссельной заслонки (принимается равным 1/3 внутреннего диаметра трубопровода),

g — ускорение свободного падения, 9,81 м/с 2 ;

h — показание дифманометра, мм вод. ст.

При расчете значения общего гидравлического сопротивления циклона чаще его определяют как функцию условной скорости газа v_Ц, отнесенной к площади свободного поперечного сечения ци­линдрической части корпуса циклона:

(8)

Условная скорость газа в циклоне v_Ц, обеспечивающая высокую степень очистки, лежит в пределах 3 — 3,5 м/с, рассчитывается по уравнению

(9)

где D_Ц — диаметр циклона, м.

Значения коэффициентов x_Ц и x_Ц ¢ зависят от конструктивных особенностей циклонов. Например, для некоторых стандартных цик­лонов, разработанных головным предприятием НИИОГАЗа, они имеют следующие значения:

Тип циклона: ЦН-15 1 ЦН-11 НЦ-24

x_Ц ¢ 105 280 60

Примечание: Цифры 15, 11 и 24 указывают, под каким углом к горизонтали располагается входной патрубок.

Как было отмечено выше, степень улавливания при всех про­чих одинаковых условиях зависит от скорости газового потока, а следовательно, и от соотношения DР/r. Наилучшие условия очистки запыленного газа обеспечиваются, как показывают данные по эксплуатации циклонов, при значениях DР/r в интервале 500 — 750 м 2 /с 2 . Выше этих значений будет перерасход энергии при практически постоянной степени очистки h; ниже этих значений степень очистки циклона будет заметно снижаться.