水泥顆粒微觀分維與宏觀流動(dòng)性關(guān)系的研究

段百濤 吳成寶 · 2014-03-27 09:15 留言

摘要:將微觀分維作為表征水泥顆粒的形態(tài)參數(shù);用數(shù)字顯微系統(tǒng)測(cè)算了5種水泥顆粒樣品的微觀分維,研究了水泥微觀分維及其與粉體流動(dòng)性指數(shù)的關(guān)系,結(jié)果表明:水泥粉體微觀分維與其流動(dòng)性指數(shù)呈線性負(fù)相關(guān)。

關(guān)鍵詞:水泥;顆粒;微觀分維;流動(dòng)性

水泥粉體是由不連續(xù)的微粒構(gòu)成的,是固體的特殊形態(tài)。它具有一些特殊的物理性質(zhì),如巨大的比表面積和較小的松密度,以及凝聚性和流動(dòng)性等。在水泥的生產(chǎn)、傳輸、儲(chǔ)存、裝載及其混合過(guò)程中都涉及其流動(dòng)性。所以研究水泥的流動(dòng)性對(duì)水泥工業(yè)具有十分重要的作用。至今,有關(guān)文獻(xiàn)主要集中在水泥粉體流動(dòng)性能的評(píng)價(jià)方法及其影響因素的研究[1~4]。隨著分形理論的發(fā)展,人們將微觀分維作為表征顆粒形貌特征的另一參數(shù)[5],但至今未見(jiàn)有關(guān)其與粉體流動(dòng)性關(guān)系的報(bào)道。本文引用并改進(jìn)了測(cè)算顆粒微觀分維的公式,用數(shù)字顯微系統(tǒng)與圖像分析法測(cè)算5種水泥顆粒樣品的微觀分維;并利用卡爾指數(shù)法評(píng)價(jià)水泥粉體的流動(dòng)性,研究了水泥顆粒微觀分維與其宏觀流動(dòng)性的關(guān)系。

  1 顆粒微觀分維測(cè)算模型

Avnir等[6]根據(jù)若干礦物顆粒材料表觀比表面積實(shí)測(cè)結(jié)果,建立了基于吸附法的顆粒材料表觀比表面積A(dⅠ)與顆粒兩粒級(jí)平均半徑之間的冪函數(shù)關(guān)系:

式中:dI-表示兩粒級(jí)dI和dI+1間粒徑的平均值,k是描述形狀和尺度的常數(shù),Ds 是顆粒微觀分維,其范圍限定在2≤Ds≤3。

常規(guī)的表觀比表面積A(dI)是采用一定粒級(jí)間隔的顆粒表面積比顆粒質(zhì)量表示的,即:

式中:SI表示同一粒級(jí)中所有顆粒表面積之和,?。郑杀硎就涣<?jí)中所有顆粒體積之和。

即:

若忽略粒級(jí)間顆粒密度ρ差異,也就是認(rèn)為ρI=ρ(I=1,2,…),則(2)式轉(zhuǎn)化為:

式中:si表示第I粒級(jí)中第i個(gè)顆粒的表面積,vi表示第I粒級(jí)中第i個(gè)顆粒的體積。

采用式(5)計(jì)算顆粒表面積需要顆粒平均密度ρ,這往往不方便。筆者利用數(shù)字顯微系統(tǒng)的特點(diǎn),引入顆粒的幾何特征改進(jìn)式(5)。具體做法是:在測(cè)量顆粒粒徑的同時(shí),測(cè)定顆粒形態(tài)的其它特征數(shù)據(jù),包括“投影面積sip”、“最大投影徑dmax”和“最小投影徑dmin”等,不失一般性地假定顆粒的表面積與投影面積成正比,體積與投影面積和算術(shù)平均徑的乘積成正比,于是單個(gè)顆粒的表面積、體積可按以下公式計(jì)算[7]

其中:k0為Caucy系數(shù),根據(jù)Caucy定理[7],一般情況下其值為4,但是由于放在平面上的顆??偸翘幱诜€(wěn)定的位置上,顆粒的投影并非完全隨機(jī),所以Caucy系數(shù)的實(shí)測(cè)值大約為3.1~3.4。k1為與顆粒形態(tài)相關(guān)的常數(shù)。

將式(6)、(7)代入式(5)有:

直線,設(shè)直線的斜率為d,則:

Ds=3+d(12)

式(11)中的sip源于投影直徑和投影面積等顆粒幾何特征,因而Ds包含了更豐富的顆粒形貌要素,具有明晰的物理意義。

 2 試驗(yàn)材料及方法

  2.1 試驗(yàn)原材料

本試驗(yàn)選用5種水泥試樣,分別用1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)表示;按多次四分法[8]取得有代表性的水泥顆粒樣品。

 2.2 試驗(yàn)方法

  2.2.1 載玻片制作與圖像采集

將載玻片在1%~2%濃度的鹽酸中浸泡,除去表面雜物后用蒸餾水洗凈晾干備用。將水泥顆粒分散到載玻片上[9],在透射偏光顯微鏡上放大200倍(10×20),且每個(gè)載玻片取5個(gè)不同部位用數(shù)碼相機(jī)拍攝水泥顆粒圖像;導(dǎo)入計(jì)算機(jī)中保存。

  2.2.2 圖像和數(shù)據(jù)處理

用圖像分析軟件IPP(全稱為:Image-pro Plus)將上述圖像銳化、設(shè)置灰度閾值等操作后[10],測(cè)算顆粒的“投影面積sip”、“最小投影徑dmin”、“最大投影徑dmax”,統(tǒng)計(jì)后導(dǎo)出數(shù)據(jù)到Excel、origin7.5中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

  2.2.3 水泥流動(dòng)性能的測(cè)試——卡爾指數(shù)評(píng)價(jià)法

卡爾指數(shù)法[11,12]是一套比較全面表征粉體流動(dòng)性的方法,對(duì)粉體的休止角、壓縮率、平板角、凝集度共4項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定,將測(cè)定結(jié)果換算成表示高低程度的點(diǎn)數(shù)然后采用點(diǎn)加法得出總點(diǎn)數(shù)作為流動(dòng)性指數(shù)Fw,以綜合評(píng)估粉體流動(dòng)性,其指數(shù)如表1所示。流動(dòng)性指數(shù)Fw可以表示為:

Fw=Cp指數(shù)+θr指數(shù)+θs指數(shù)+Ch指數(shù)(16)

式中:Cp表示壓縮率,θr表示休止角,θs表示平板角,Ch表示凝聚度,各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)算方法已相當(dāng)成熟,不再贅述,可參看相關(guān)文獻(xiàn)[11,12,13]。為保證數(shù)據(jù)的正確性,取同一試樣4次試驗(yàn)結(jié)果的平均值作為最后結(jié)果。

表1 粉體流動(dòng)性指數(shù)評(píng)價(jià)表[12]

注:流動(dòng)性較大的粉體利用均勻度來(lái)計(jì)算噴流性指數(shù);流動(dòng)性較小的粉體則利用凝集度來(lái)計(jì)算流動(dòng)性指數(shù)。水泥即屬于后者。

[Page]

3 結(jié)果與分析

3.1 圖像與數(shù)據(jù)處理結(jié)果

以3號(hào)水泥顆粒樣品為例,圖像處理和數(shù)據(jù)處理結(jié)果見(jiàn)圖1~圖3。其余4種樣品的處理過(guò)程與此同


圖1 3號(hào)水泥顆粒樣品的顯微圖像

  

圖2 經(jīng)IPP處理的顯微圖像


  圖3 數(shù)據(jù)擬合曲線

從圖3可以看出:增加而下降,兩者的關(guān)系大致上呈線性函數(shù)關(guān)系,與模型構(gòu)建的要求相符合。根據(jù)最小二乘法原理,對(duì)圖中數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合,5種水泥顆粒樣品的擬合結(jié)果如表2。表2數(shù)據(jù)顯示:根據(jù)本文中引用并改進(jìn)的測(cè)算顆粒微觀分維的計(jì)算公式,在測(cè)算水泥顆粒微觀分維時(shí)其線性相關(guān)系數(shù)均大于0.95,說(shuō)明該改進(jìn)的公式在測(cè)算水泥顆粒微觀分維時(shí)是可靠的,具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

表2 5種水泥顆粒樣品的微觀分維

3.2 水泥粉體微觀分維與其流動(dòng)性能的關(guān)系

與其他粉體一樣,水泥粉體在受到重力作用失去平衡時(shí),宏觀上粉體層被破壞,微觀上顆粒之間發(fā)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng),水泥顆粒之間連續(xù)穩(wěn)定地相對(duì)位移構(gòu)成粉體層整體運(yùn)動(dòng)稱之為流動(dòng)。本文利用卡爾指數(shù)法測(cè)算了5種水泥試樣的流動(dòng)性指數(shù),如表3。

表3 水泥樣品粉體流動(dòng)性指數(shù)


為直觀顯示水泥顆粒微觀分維與水泥宏觀流動(dòng)性能的關(guān)系,以水泥顆粒微觀分維為橫坐標(biāo),以水泥宏觀流動(dòng)性指數(shù)為縱坐標(biāo)作圖,如圖4。根據(jù)最小二乘法原理擬合數(shù)據(jù)點(diǎn),擬合方程為:y=74.689 8-11.791 8x(r=-0.848 4, 數(shù)據(jù)組數(shù)n=5)。

  圖4 水泥顆粒樣品微觀分維與水泥粉體宏觀流動(dòng)性指數(shù)擬合曲線

由擬合方程可知,水泥粉體宏觀流動(dòng)性指數(shù)與水泥顆粒微觀分維呈一定的負(fù)相關(guān)性。這是因?yàn)轭w粒微觀分維是顆粒微觀形貌不規(guī)則程度的表征,微觀分維越大,顆粒表面的精細(xì)結(jié)構(gòu)越多,就越不規(guī)則,顆粒越粗糙[14,15];當(dāng)粉體受到重力剪切作用時(shí),顆粒在接觸面上產(chǎn)生滑動(dòng),表面越粗糙,剪切過(guò)程的擠壓作用越強(qiáng),滑動(dòng)摩擦就越大,就不容易產(chǎn)生粉體層整體流動(dòng),粉體流動(dòng)性越弱;再者,顆粒的精細(xì)結(jié)構(gòu)越多,顆粒之間的咬合作用增強(qiáng),對(duì)粉體的流動(dòng)亦有阻礙作用。但同時(shí)發(fā)現(xiàn),這種相關(guān)性并非十分良好,這可能是因?yàn)榭栔笖?shù)法的經(jīng)驗(yàn)性造成的。

 4 結(jié)論

1)根據(jù)本文引用并改進(jìn)的測(cè)算顆粒微觀分維的計(jì)算公式,在測(cè)算水泥顆粒微觀分維時(shí)其線性相關(guān)系均大于0.95,說(shuō)明該改進(jìn)的公式在測(cè)算水泥顆粒微觀分維時(shí)是可靠的,具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2)微觀分維可作為表征水泥粉體顆粒形貌的一個(gè)參數(shù)。

3)水泥宏觀流動(dòng)性指數(shù)與水泥顆粒微觀分維呈負(fù)相關(guān)性,但相關(guān)性不強(qiáng),可能是由卡爾指數(shù)法的經(jīng)驗(yàn)性造成的,隨著粉體流動(dòng)性指數(shù)評(píng)價(jià)方法的進(jìn)一步改進(jìn)和完善,將取得更精確的試驗(yàn)結(jié)果。

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