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固體密度助力“交通大國”向“交通強國”跨越

安東帕 2021-02-26 | 閱讀：962

截至2019年底，中國公路以里程501.3萬公里，其中高速公路15萬公里，位居世界第一。正在從交通大國向交通強國邁進。

水泥和瀝青是公路建設(shè)的兩個最基本的建筑材料，在整個建設(shè)過程中起到至關(guān)重要的作用。固體密度是建筑材料的一個重要特性，可以用來控制從原料粉末到形成最終產(chǎn)品整個生產(chǎn)過程的材料質(zhì)量。水泥和瀝青等建筑材料的密度對于其生產(chǎn)及性能上起著重要作用。使用Ultrapyc 系列儀器測試骨架密度，結(jié)合Autotap測試振實密度，可以提供建筑材料的一些重要屬性參數(shù)，比如粉末純度、密度和板材孔隙率。

Ultrapyc5000

Autotap

建筑材料純度

用Ultrapyc 5000 來測試商用水泥修補劑和白云石的骨架密度。水泥修補劑的主要成分是石英（2.67 g/cm3）和白云石（2.85 g/cm3），如樣品密度和這兩者的理論密度不同，說明樣品中含有不同的雜質(zhì)。由于材料是粉末，所以選擇Ultrapyc 5000的PowderProtect模式，即從參考池投氣到樣品池，以防止粉末的揚塵，并可以設(shè)置高的目標(biāo)壓力來得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。見表1、表2，可以看到數(shù)據(jù)重復(fù)性很好。

結(jié)果表明，白云石純度在誤差范圍內(nèi)為100%。由于水泥是由多種組分混合形成，因此很難確定其純度。如果測量的骨架密度大于純石英的密度，說明雜質(zhì)是密度較高的成分，比如生石灰（CaO）。

振實密度

有些材料在制造業(yè)中用作潤滑劑?？梢酝ㄟ^密度測試評估材料的流動性，用下方的公式計算得到Hausner比值（HR）和壓縮指數(shù)（CI）：

HR=V_o/V_f

CI=100*(V_o-V_f)/V_f

其中，V₀是振動之前的初始體積，V_f是振動后不再具有壓縮性的最終體積。

用Autotap測試商用水泥修補劑的振實密度，取樣量為136.07 g。測試結(jié)果見表3，這些結(jié)果也說明水泥修補劑的流動性比較差。

瀝青密度

瀝青/柏油的密度可用于在銷售產(chǎn)品時，將體積換算為質(zhì)量。當(dāng)開發(fā)強力的新產(chǎn)品或檢測瀝青蒸餾樣品時，密度值被作為將瀝青/柏油分類的依據(jù)。以前的測試遵循ASTM D70表征，過程長且容易弄臟實驗區(qū)域。安東帕康塔的Ultrapyc系列儀器使測試過程快速、簡單、整潔。

測試溫度為25℃，樣品選取了一種商用瀝青替代品（一種瀝青填充物）。為了高效干凈的測試瀝青替代品的密度，測試過程使用了一次性鋁杯。如圖1所示。

圖1 （a）一次性鋁杯和樣品池，（b）一次性鋁杯放入樣品池，（c）裝入樣品

首先，測試空的一次性鋁杯體積。然后，將瀝青替代品裝滿鋁杯，并一同放入樣品池。按照參考池優(yōu)先模式測試，以減少蒸汽壓的影響，并且確保沒有材料污染儀器。整個測試包括，將樣品倒入鋁杯中，輸入測試參數(shù)，進行測試，準(zhǔn)備儀器進行下一次的測試（處理一次性鋁杯/樣品）。整個過程在30分鐘內(nèi)可以完成，見表4、表5。

水泥塊開孔率

板材的強度和溶解性可以通過骨架密度計算的開孔率來評估。取水泥和瀝青替代品按照包裝的方式進行準(zhǔn)備并硬化。將硬化的固塊材料在Ultrapyc 5000上測試，溫度控制在25℃。從表6、表7，可以看到數(shù)據(jù)良好的重復(fù)性。結(jié)合體積利用下面公式可以計算孔隙率結(jié)果，水泥為31.3%，瀝青替代品為37.6%。

%porosity=100*(V_B-V_S)/V_B

其中，V_B是幾何體積，V_S是骨架體積。

Ultrapyc 5000是建筑材料密度測試的最佳選擇。其高精度的測試結(jié)果和易重復(fù)測量確保整個測試過程更加便捷簡單。而且如上面所說的，對于水泥和瀝青這類建筑材料，可以進一步表征純度和孔隙率等特性。精準(zhǔn)的骨架密度測量可以使研究人員快速評估并篩選新型材料。此外，對于瀝青測試，與ASTM D70和EN 15326等傳統(tǒng)方法相比，氣體比重法更快、更清潔、更準(zhǔn)確。