测定超细硅酸盐水泥粒度分布的问题探讨

沈永麟¹，肖正琼²

（云南省建筑材料产品质量检验研究院，云南 昆明 650106）

摘  要：GB/T35161-2017《超细硅酸盐水泥》将JC/T721-2006《水泥颗粒级配测定方法 激光法》作为其特性指标D90和D50的测定方法，并将检测结果作为产品合格与否的判定依据，准确测定超细硅酸盐水泥D90和D50的数值极其重要。通过对激光法测定水泥颗粒粒度分布稳定性的分析和不同仪器之间的比对，指出了测定过程中引起水泥颗粒粒度分布发生变化的因素，在水泥颗粒粒度分布测定过程中应想办法降低这些因素的影响。

关键词：超细硅酸盐水泥；粒度分布测定；问题探讨

0 引言

超细硅酸盐水泥是由硅酸盐水泥熟料加入适量的石膏及规定的混合材，磨细制成的具有较细粒径的水硬性胶凝材料。该产品被广泛应用于混凝土地基、主体结构、桥隧和大坝等加固、修补和堵漏灌浆等方面，生产的原材料和工艺装备与通用水泥大同小异，但为了满足特定的用途，要求在累计粒度分布曲线中D90（体积占90%）的颗粒直径不大于20µm，D50（体积占50%）的颗粒直径不大于8µm，粒径的数值采用JC/T721-2006《水泥颗粒级配测定方法 激光法》进行测定。

在超细硅酸盐水泥产品标准中，将D90和D50规定为出厂检验和型式检验的项目，D90和D50不但是超细硅酸盐水泥区别于其他品种水泥的特性指标，而且是判定超细硅酸盐水泥产品合格与否的技术要求之一。超细硅酸盐水泥标准实施后，首先在产品生产过程中要进行该指标的控制检测，否则将影响最终产品的质量；其次在产品出厂检验中必须进行该指标的检测，否则将无法判定出厂的水泥是否合格，而且在产品交货验收、解决质量纠纷和产品质量监督中也必须准确测定特征粒径D90和D50的数值。

1 问题提出

回顾激光法测定水泥颗粒级配（即粒度分布）的历史，多年来一直用于探究水泥颗粒级配与水泥性能和磨机工况之间的关系。在以往的检测中，由于检测结果不涉及产品合格与否的判定，仪器准确性的要求不是强制性的，部分实验室尚未采用标准物质对使用的激光粒度仪进行校准，或者仅仅采用不具溯源性的标准物质来证明检测结果的可接受程度。超细硅酸盐水泥标准规定采用JC/T721-2006《水泥颗粒级配测定方法 激光法》对D90和D50进行测定，并用于水泥合格与否的评定，利用目前的设备仪器和量值溯源的方式，能否得到稳定、可比和准确的结果呢？

2 测定原理

激光粒度仪主要由激光器、样品池、光电探测器、信号放大及A/D转换装置、用于仪器控制和颗粒粒径大小及分布计算的计算机组成。测定水泥颗粒分布的基本原理可表述为：一个有代表性的粉体试样以适当浓度在液体或气体介质中分散（即颗粒之间相互分离，不团聚）后，通过激光束，光束将被试样颗粒散射或阻挡，产生变化了的光信号。该光信号的值与颗粒大小之间有对应关系，反映该关系的数据可事先存在与仪器配套的计算机中。该光信号被传感器接受后，转换成一组数字化的光电信号再送入计算机。计算机可根据接收到的光信号，计算出被测试样的粒度分布。以液体为介质输送并分散试样，称为湿法进样；以气体为介质输送并分散试样，称为干法进样^[1]。不同厂家生产的激光粒度仪在测定的硬件和用于统计的软件上可能会存在一定的差别。

为了使超细硅酸盐水泥的粒径达到要求的范围，目前的主要方式还是增加物料在粉磨设备中的停留时间，较长时间的粉磨，必然消耗更多的机械能。物料经粉碎后产生了新的表面能，部分机械能转变为新生表面的表面能。一般说来，粉体的表面能越高，越倾向于团聚，吸附作用也就越强^[2]。因超细硅酸盐水泥细度比较细，比表面积一般在800m²/kg以上，存在大量小于10µm的颗粒，颗粒间的团聚现象比较严重，目前大部分激光粒度仪采用干法进样测定超细粉体材料的粒度分布尚有一定的局限性，在此仅对湿法进样存在的问题进行探讨。

3 问题探讨

3.1 测定结果重复性

关于测定结果重复性在与激光法测定粉体物料粒度分布有关的不同的标准和规范中有不同的描述:

GB/T19077-2016《粒度分析 激光衍射法》规定 ：在粒度分布过程中，在短时间内、由同一操作者、在相同条件下、使用同一台仪器、对一个样本的不同等分进行特性量值的多次测量，其测量结果的一致性程度，此类重复性包含由于取样和样品分散状况造成的变化。中位粒径值D50的变异系数应不超过3%，D10和D90的变异系数应不超过5%^[3]。

JC/T721-2006《水泥颗粒级配测定方法》规定：采用一个水泥样品测量五次时，D10、D50和D90对应粒度的重复性如下：对于任意粒度分布的中位粒径值D50的变异系数应小于3%，D10和D90的变异系数应有一个不超过5% ^[1]。

 JJF1211-2008《激光粒度分析仪校准规范》规定：对同一粒度标准物质的质量（体积）中位直径D50重复测量时，仪器测量的相对标准偏差不大于3%^[4]。       

稳定的检测结果是获得准确可靠检测结果的基础，多次测定结果越接近，说明所用激光粒度仪在规定的测定方法下得到的检测结果重复性越好。为了验证不同激光粒度仪测定结果的重复性，选择三台不同的激光粒度仪对同一水泥样品分别进行了五次测定，测定结果如表1所示：

表1                           重复性和再现性试验结果                    

从表1的统计结果可知：1#和2#仪器的重复性满足JC/T721-2006《水泥颗粒级配测定方法 激光法》要求，2#仪器同时满足 JJF1211-2008《激光粒度分析仪校准规范》重复性的规定。仪器的重复性与样品分散、仪器性能和人员的操作稳定性等因素有关，新启用和使用一段时间后的仪器，有必要按标准和规范要求进行重复性试验，若重复性试验达不到要求，应及时查找原因，否则将影响检测结果的稳定性。

3.2 测量结果的再现性

在粒度分布过程中，对一个样本的不同等分、使用相同方法的类似仪器、由不同操作人员制备和执行对某一特征量值的多次测量结果间的一致性程度^[3]。由于样品均匀性、样品的分散方式、测试人员和仪器之间存在的差异，再现性的变异系数将大于重复性的变异系数。

从表1的试验结果也证实了用不同激光粒度仪，由不同操作者对同一样品进行多次测量，结果的再现性较差，如：1#、2#和3#仪器D50平均值的极差为9.14µm，D90平均值的极差为33.73µm。

可见，仪器的重复性达到要求，并不代表不同仪器之间的测定结果有很好的再现性，1#和2#仪器的重复性满足JC/T721-2006《水泥颗粒级配测定方法 激光法》要求，但D50平均值的差为5.13µm，D90平均值的差为17.40µm，不同仪器测定结果的再现性有待提高，否则无法满足超细硅酸盐水泥产品粒径合格判定的需要。

3.3 测定结果的准确性

JC/T721-2006《水泥颗粒级配测定方法》规定：采用颗粒级配标准样品进行校准检验，最少校准粒径点为：2µm、8µm、16µm、32µm和45µm，在上述五个粒径点上对应颗粒百分含量的测量值与标准值的绝对误差应小于3%^[1]。目前用于激光粒度仪校准的标准物质一般是单一粒径的玻璃微珠，或者是单一粒径的乳胶微粒，要找到粒径符合JC/T721-2006《水泥颗粒级配测定方法 激光法》规定，与2µm、8µm、16µm、32µm和45µm对应的标准物质，或者找到具有连续粒径分布且包含上述五种粒径标准值的标准物质比较困难。

JJF1211-2008《激光粒度分析仪校准规范》规定：激光粒度仪对粒度标准物质D50进行测量时，仪器测量值与粒度标准物质的标准值间的相对误差不大于表2中的技术指标。

      表2              仪器测量与标准物质相对误差技术指标 ^[4]          

为了验证激光粒度仪的准确性，分别用四个粒径不同的GBW（E）乳胶微粒粒度有证标准物质在2#激光粒度仪上进行测定，结果见表3所示：

表3                          仪器准确性试验结果

从表3的试验数据可知：2#激光粒度仪的准确性达到JJF1211-2008《激光粒度分析仪校准规范》的规定，测定结果与标准物质仍存在一定的误差，且测定结果整体偏低。若用1#和3#激光粒度仪对上述标准物质进行测定，从数据变化的趋势分析，两台仪器得到的测定结果与标准物质存在的负误差会更大。目前只有部分实验室用有证标准物质对激光粒度仪进行准确性校准，要提高检测结果的准确性，必须定期采用有证标准物质对仪器进行校准，若误差超过可接受的限度，就应该从样品分散、仪器参数设定、人员操作等方面查找原因，降低测定的误差，提高测定结果的准确性。否则，不同实验室对同一样品进行测定时，给出的D90和D50值差别较大，将出现对同一产品判定结论不一致的情况。

4结束语

水泥颗粒分布测定所用激光粒度测定仪结构和工作原理较复杂，影响测定结果重复性、再现性和准确性的因素较多，涉及仪器的性能、样品的颗粒形状和分散情况、样品测定时的浓度、测定时间的长短以及测定参数设置等环节。建议在测定方法标准中增加方法再现性要求，各实验室应根据不同仪器的特点，制定详细的操作规程，保持正确稳定的操作方式，定期采用有证标准物质对仪器进行校准，加强实验室间的比对，提高测定的稳定性和准确性，将超细硅酸盐水泥颗粒粒径分布的D90和D50测定误差控制在相关方可接受的范围内。在此，对提供仪器重复性和再现性试验数据的单位和个人表示感谢！

参考文献：

[1]JC/T721 水泥颗粒级配测定方法 激光法[S].北京:中国建材工业出版社，2006：1+3+4.

[2]郑水林.粉体表面改性[M].北京:中国建材工业出版社,2003（8）:7-8.

[3]GB/T19077 粒度分析 激光衍射法[S].北京:中国标准出版社，2016：3.

[4]JJF1211 激光粒度分析仪校准规范[S].北京:中国计量出版社，2008：1-2.

作者简介：

    沈永麟（出生年1967-），男，汉族，云南会泽人，本科学历,高级工程师，研究方向：从事建材检测技术与质量管理工作。