颗粒粒径

颗粒粒径（共7篇）

颗粒粒径 篇1

烟为火始,烟雾作为火灾探测的基础参量,是火灾探测研究的基础内容。烟雾的物理特性主要取决于其颗粒的粒径分布、平均粒径、形状、组分和质量分数等参数,具有不同物理特性参数的烟雾对于入射光的散射和衰减特性也不相同。 烟雾颗粒的粒径大小及质量分数分布是离子感烟探测器、光电感烟探测器的基础参数,因此,对烟雾颗粒的粒径及质量分数分布进行研究,对于火灾烟雾探测具有重要意义。

目前,对于粒径分布和质量分数的测量主要是通过微分迁移率分析仪(DMA)和浓缩颗粒计数器(CPC)等仪器实现的,由于仪器的测量方式无法对不同高度的烟气颗粒特性进行对比,因此无法对烟颗粒的变化发展进行比较。而且由于这些仪器都需要进行抽气采样,输运过程影响了烟颗粒的凝并,所得到的实验结果的真实性和可靠性都值得商榷。通过扫描电镜测试研究烟雾颗粒图像特征,是一种最基本也是最实际的测量方法,准确性较高,常被用来作为对其他测量方法的一种校验甚至标定。而对于烟雾颗粒粒径分布的研究是基于大样本的统计结果的分析。因此,如何准确、迅速地计算出大量粒子的粒径是目前亟待解决的问题,笔者介绍了一种算法来解决这个难点。

1 计算机图像处理的实现原理

根据对烟雾颗粒粒径的定义,目前主要以马丁直径法、费来特直径法和投影面积直径法对烟雾颗粒的粒径进行计算。考虑到马丁直径法和费来特直径法的随机因素比较大,需要大量的样品,否则准确性不高,因此考虑采用投影面积直径法。而投影面积直径法的一大难点是投影面积的计算,运用图像处理法可以较好地解决这个问题。

具体实现方法为:使用铜网采集火灾烟气中的烟雾颗粒,通过扫描电镜得到烟雾颗粒的放大图片。图1为扫描电镜拍摄到的放大5 000倍的烟雾颗粒图片。

对所采集的图像进行分析,可以得到颗粒的形状信息,包括以下三个步骤:移除背景;分割出单个颗粒;对单个颗粒形状进行分析,获取形状参数。

1.1 移除图像背景

移除图像背景是要将图像进行二值化处理,将所拍摄图像中的颗粒与背景用不同的颜色来标记。所拍摄的大多图像中,由于颗粒与背景颜色(灰度)差异较大,二值化采用简单的固定阈值方法,实验阈值的选取可由式(1)得到。

T=0.5×Imax+0.5×Imin (1)

式中:Imax和Imin为图像中灰度最大和最小值。

灰度大于T的像素认为是颗粒,小于T的像素为背景。使用以上阈值对图像进行二值化,在大多数情况下可以将颗粒与背景区分开来。

1.2 分割出单个颗粒

分割出单个颗粒就是要将二值化之后的图像分割为一系列较小的图像,使得每幅小图像中仅包含一个颗粒。该问题可转化为从一个图中找出其各个连通子图的问题,可以用图的遍历算法来解决,具体步骤如下:

(1)从图像的一个固定的起点进行搜索,找到第一个颜色为1(颗粒的颜色为1,背景的颜色为0)且没有被标记的点,然后做步骤(2)中的循环;

(2)标记该颜色为1的像素,将其加入集合V中,然后找出与集合V中所有点相邻且颜色为1的点,将其做标记后加入V中。重复该过程直到V不再增大为止,此时集合V中的点即包含了一个颗粒中的所有点,由这些点可以构造只包含一个颗粒的子图像;

(3)回到步骤(1)直到图像中所有颜色为1的点均被标记。

步骤(2)中相邻的判断并未采用传统的四邻域与八邻域的方法。设中心点坐标为(x,y),四邻域法中与(x,y)相邻的点的集合为{(x-1,y),(x+1,y),(x,y-1),(x,y+1)},八邻域法中与(x,y)相邻的坐标为{(x-1,y-1),(x-1,y),(x-1,y+1),(x,y+1),(x+1,y+1),(x+1,y),(x+1,y-1),(x,y+1)}。如图2中a、b两图所示,灰色为与点P相邻的点。

笔者所采用的是图2c的方法,即认为以点P为中心的7×7的方块范围内的点都与点P相邻,使得在步骤(2)中搜索时可以跨过2个像素的间隙,保证颗粒形状的完整性。

为显示分割的效果,可以在原始图像中将属于不同颗粒的图像标记为不同的颜色。

1.3 对单个颗粒的形状进行分析

对颗粒形状进行分析,采用的方法是使用一定的等效法则,用规则的几何形状对颗粒形状进行近似处理,使用的形状包括圆形、矩形和椭圆。

(1)圆近似。

即找到一个圆,使得其面积与颗粒的面积相等。颗粒的面积为颗粒中像素的数量,假设圆面积与颗粒面积相等,则可由颗粒面积求得圆的半径。使用圆近似的计算结果如图3所示。

(2)矩形近似。

矩形近似即要找到一个颗粒的外接矩形,使得该矩形的长与颗粒中任意两点距离的最大值相等,宽为与长度方向垂直距离的最大值。记颗粒中距离最大的两个点位P1、P2,向量(P1,P2)的距离即为矩形的长,设向量u为与向量(P1,P2)垂直方向上的单位向量,矩形的宽度w的定义见式(2)。

w=max{abs((x,y)×u)|x,y为颗粒中的点} (2)

式中:abs表示取绝对值。矩形近似的计算结果如图4所示。

(3)椭圆近似。

椭圆近似是要找到椭圆,使得椭圆的面积与颗粒的面积相等,椭圆长轴与短轴的比值与近似矩形的长、宽比值相等。椭圆近似结合了前面两种方法的优点,既能真实地反映粒子的面积也能反映粒子的形貌特征。使用椭圆近似的计算结果见图5所示。

2 几种近似方法的粒径分布比较

几种近似方法得到的其中一组实验的粒径分布图,见图6～图9所示。

需要说明的是,对于程序得出的数据有一个筛选标准,根据经验数据,火灾中烟雾颗粒的粒径一般不会超过2 μm,因此结果中超过2 μm的数据被认为是实验误差或某些偶然因素造成的,对于这样的数据进行了排除。此外,根据矩形模拟算出来的结果中会得到该矩形粒子的长宽比,笔者排除了长、宽比大于4的粒子。长、宽比大于4的粒子其形貌特征非常不规则,用圆形近似算出来的等效几何直径的粒子与实际粒子的光散射等物理特性之间有较大差异。例如,相同面积的两个烟颗粒,一个是圆形,一个是细长形,两者的光散射特性会有很大的差别,但是根据定义算出来的几何直径却是相等的。因此,这样的几何直径具有很大的误差,所以将这类数据也予以排除。

比较分析发现,对于用圆形和长方形等效的直径,两者的趋势基本一致,只是长方形的等效直径一般比圆形的等效直径大,图8反映了两者的比例。图9是粒子的椭圆近似的长短轴比例,反映了粒子的形貌特征。综合考虑决定根据几何直径的定义采用圆形等效,同时根据上述说明通过矩形等效对粒子进行筛选。这样不仅能够在一定程度上反映粒子的投影面积,而且对于粒子的形貌特征有一定的反映,对于考虑光散射效应来说应该是最佳方法。

3 结 论

笔者提供了一种通过计算机图像处理实现大量烟雾颗粒粒径计算的方法,并对几种不同近似方法进行了比较,同时通过对实验数据进行处理证明该方法能快速有效实时地计算烟雾颗粒粒径,是扫描电子迁移粒径谱仪等仪器测量烟雾粒径的有效补充,也可以作为其测量结果的标定,为研究烟雾颗粒凝并等现象提供了强有力的实验数据支持。

摘要：介绍了一种基于扫描电镜采集烟雾粒子图像,通过计算机图像处理计算出烟雾粒径的方法。该方法能够准确、实时地测量烟雾粒径,是扫描电子迁移粒径谱仪等仪器测量烟雾粒径的有效补充,也可以作为其测量结果的标定。

关键词：烟雾颗粒,粒径,图像处理

参考文献

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[4]马绥华,张永明.火灾烟雾颗粒粒谱动态分布[J].中国科学技术大学学报.2006,42(1):44-48.

颗粒粒径 篇2

爱尔兰海岸夏季空气颗粒物水溶性离子粒径分布研究

研究了爱尔兰西海岸国际海洋大气研究站夏季(8月12～22日)大西洋气团颗粒物中水溶性无机离子的含量与其粒径关系.海盐成分(Cl-、SO42-、Na+、Ca2+、Mg2+、K+)含量在粗颗粒物中随粒径呈双峰分布(0.8～30 μm),但Ca2+和K+受陆域源影响,在亚微米颗粒区间出现另一分布峰(0.1～0.8 μm).二次颗粒物成分在所有颗粒物中均有检出;NO3-呈广域宽带分布,其中大部分出现在海盐主峰区(0.8～8 μm,存在Dp 1.4 μm和Dp 4.4 μm两种模态);nss-SO42-(非海盐硫酸根)和NH4+呈相关三峰分布(Dp 0.44 μm、Dp 1.4 μm和Dp 4.4 μm),CH3SO3-也呈相似三峰分布(Dp 0.44 μm、Dp 1.4 μm和Dp 8 μm),三者在亚微米颗粒区间同位出现主峰.二次颗粒物成分Dp 1.4 μm模态在海岸空气颗粒物研究文献中尚少见报道.讨论了亚微米区间二次颗粒物盐类的化学形态.TSP中nss-SO42-、NO3-、NH4+和CH3SO3-的日均浓度分别为0.279、0.171、0.158和0.041 μg/m3.

作 者：黄卓尔 Roy M Harrison 殷建新 HUANG Zhuo-er Roy M Harrison YIN Jian-xin  作者单位：黄卓尔,HUANG Zhuo-er(广州市环境监测中心站,广东,广州,510030)

Roy M Harrison,殷建新,Roy M Harrison,YIN Jian-xin(Division of Environmental Health and Risk Management, University of Birmingham, Birmingham B15 2TT, UK)

刊 名：海洋环境科学  ISTIC PKU英文刊名：MARINE ENVIRONMENTAL SCIENCE 年，卷(期)：2005 24(4) 分类号：X51 P402 关键词：海岸空气   颗粒物   可溶性离子   粒径分布  

颗粒粒径 篇3

机动车排放到大气环境中的微粒按粒径尺寸分为三种分布区域:微粒碳核尺寸为0.005~0.05μm,称为核模式,占质量分数5%~20%,微粒数密度超过90%的微粒分布于该模式;大部分微粒直径为0.05~1μm,称为累积模式,碳化物凝聚和吸附过程主要在该区域完成;大于10μm的微粒称为粗粒子模式,占排放微粒质量的5%~20%。大量的研究结果表明[1,2]:柴油机排放微粒尺寸大部分小于0.1μm,数量浓度约为107~108个/cm3,属于纳米或超细微粒。

国外对发动机排气颗粒数量浓度的研究表明,排气颗粒的数量浓度受测试条件、燃料、工况等多种因素的影响很大,与气体的变化特征有显著的差异。而国内在发动机超细颗粒物排放的研究还较少,因此有必要进行深入研究。对于车间或封闭厂房里使用的工程车辆的颗粒排放对工作人员的影响更大。本研究以北京市售0#柴油作为燃料,用发动机台架提供的各种工况对样气进行两级稀释,利用ELPI对颗粒物排放进行采样测量分析,获取各工况下数量浓度分布、粒径大小分布、面积浓度分布情况。结果表明:非道路车用柴油机排放颗粒形态主要集中在累积模式。

1 试验设备与方法

试验台架结构如图1所示。试验样机为新昌柴油机厂生产的A498BPG非道路车用柴油机,参数如表1所示。

测功器是德国生产的SCHENCK HT350电力测功器,颗粒分析器是芬兰DEKATI公司生产的静电低压撞击器(ELPI)。ELPI主要由串级撞击器、线管级电晕和多通道静电计3部分组成。采样流量为10L/min,带过滤级的串级撞击器测量粒径范围7nm~10μm[3]。串级撞击器的收集原理如图2所示。

用ELPI测量颗粒物不同于滤纸法的直接称重,进入串级撞击器前的气溶胶首先进入一个荷电区,在荷电区内颗粒根据各自的空气动力学粒径均匀带电。因而当颗粒在串级撞击器中被收集后会释放出微弱的电流,这个电流值被对应通道的具有极高灵敏度的静电计测得。对这些实时测得的电流值用各级对颗粒的捕集效率进行校正后,就可得到对应通道中一定粒径范围内颗粒物的实时数量浓度。

由于颗粒物包括多孔结构的干炭烟和实体结构的可溶性有机物(SOF),在不同工况下,密度是不同的。由于测量的为空气动力学粒径[4],以当量水球直径作为测量粒子的当量直径,因此假定颗粒的密度为1.0g/cm3,这个值介于干炭烟与SOF的密度之间[5]。

根据GB 17691—2005标准[6]对压燃式发动机汽车排气污染物测量方法的要求,设计了一旁流式采样管,采样管和排气管的连接用皮管密封。图3为双稀释取样系统示意图,总稀释比为64∶1。

试验时发动机转速为1200~2400r/min,每间隔200r/min取一转速,进行万有特性试验。

2 试验结果与分析

2.1 三种负荷下,不同转速时粒径与数量浓度的关系

发动机在特定负荷(100%、50%、0)条件下,分别取1200、1600、2000、2400r/min转速进行颗粒数和粒径分布对比分析,结果如图4所示。

从图4可知,在高负荷、中高转速(2000r/min)下颗粒的数量浓度最大,达1.5×107个/cm3。此时由于转速一定,进气量不变,燃空比较大,燃油雾化扩散不均匀度增加,燃烧不充分,容易生成大粒径颗粒。所以从结果看出,高负荷时粒径分布朝大颗粒方向发展。随着转速进一步升高,进气量也增加,燃空比下降,有利于燃油雾化混合,燃烧充分,数量浓度逐渐下降,并且颗粒大小分布趋向于小粒径成分偏多,数量浓度都在0.04~0.2μm之间出现峰值,在中等负荷时候最明显。低负荷时颗粒比较小,粒径分布在各个转速下都主要集中在0.04μm以下,此时数量浓度对中高转速不是很敏感。

2.2 三种转速下,不同负荷时粒径与数量及面积浓度的关系

发动机在三种转速(1200、1800、2400r/min)下进行负荷特性试验,分析对比了不同转速、负荷条件下,粒径与数量浓度和面积浓度的关系,结果如图5和图6所示。

从图5可看出,随着转速的升高,数量浓度整体呈上升趋势。在同一转速下,随着负荷的增大,由于进气量不变,燃空比增大,混合变差,导致燃烧不充分。粒径值从<0.04μm逐渐变化成较大的,并在0.07~0.12μm之间产生峰值。三种转速下,超小颗粒(粒径<0.04μm)数量都是0负荷时最多;粒径主要为0.07~0.2μm,这是由于低负荷时燃空比都比较小,燃油雾化混合均匀,燃烧充分。随着转速的升高,低负荷时颗粒浓度不断下降,中高负荷时颗粒浓度都是先增加后减少。高负荷时燃烧开始出现恶化,生成较大粒径的颗粒。

从图6可以看出,颗粒表面积浓度都是在高负荷时最大,这是由于高负荷时燃空比较大,油气混合不充分,燃烧不完全,产生大量大颗粒的结果。而颗粒表面积主要由粒径决定,在相同数量级的数量浓度下,大粒径颗粒对面积浓度影响很大。所以在同一个转速下,高负荷的颗粒面积浓度均最大,并随着负荷的降低面积浓度都有下降的趋势;低负荷时变化不明显,这是因为在低负荷都是超小颗粒,表面积十分小。

3 结论

(1) 非道路车用柴油机排放颗粒数量浓度,高 负荷时,最大数量浓度出现在2000r/min,达1.5×107个/cm3;高转速下,最大数量浓度出现在空负荷时,达2.9×107个/cm3;低速时,最大数量浓度出现在空负荷时,达3.5×107个/cm3。

(2) 非道路车用柴油机排放颗粒粒径分布,高负荷时主要集中在0.04~0.2μm的颗粒累积模式,低负荷时主要集中在<0.04μm的核模式;高转速时,除空负荷外,粒径主要集中在0.04~0.2μm,低转速时,粒径有所增大,除低负荷外,其他负荷粒径主要集中在0.05~0.3μm。

(3) 非道路车用柴油机排放颗粒粒径表面积浓度,高负荷时,最高达5×105μm2/cm3,低负荷时由于粒径比较小,表面积浓度一般在104μm2/cm3数量级;中等转速时面积浓度达到峰值,随着转速的升高或降低,面积浓度都有所下降。

摘要：通过非道路车用柴油机台架试验,利用静电低压撞击器(ELPI)对其排气颗粒粒径分析后发现:非道路车用柴油机排气颗粒物主要集中在粒径为0.051μm的累积模式;高负荷、中高转速下颗粒浓度最大,低负荷低转速时粒径尺寸最小;一定转速下,较低负荷时颗粒浓度及粒径都比较小,随着负荷的增加粒径增大。对于非道路车用柴油机,控制微小颗粒生成是控制颗粒物排放的主要研究方向。

关键词：内燃机,柴油机,非道路,排放,颗粒物

参考文献

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颗粒粒径 篇4

汽车已经成为我国城市不可缺少的交通运输工具。截至2006年底,我国民用汽车保有量为4985万辆[1],到2020年将增长到1.2亿辆,不可避免带来大气颗粒物污染的加重。2004年北京市可吸入颗粒物的23%由机动车尾气所致[2]。2003年上海市PM10(空气动力学直径小于等于10μm)和PM2.5(空气动力学直径小于等于2.5μm)中的分担率的27%[3]和30%[4]来自机动车尾气。

为了减少汽车尾气对大气环境的影响,人们被建议少乘私家车,多改乘坐大型客车。上海是中国的经济中心。大型客车多达87.06万辆[5]。不少企事业单位为了方便职工,都采用大型客车接送职工。绝大多数大型客车以柴油为燃料。柴油发动机运行排放出的颗粒物粒子浓度比汽油机和液化石油气(LPG)发动机的更多[6],而且主要是以细和超细颗粒物为主[7,8,9]。细(空气动力学直径(da),0.1μm≤da≤2.0μm)和超细颗粒物(da≤0.1μm)与粗颗粒物(2.5μm≤da≤10μm)相比,更容易沉积到肺叶、呼吸细支气管及肺泡,从而造成呼吸道和肺部疾病[10]。此外,有毒有害金属元素和有机污染物更易富集在细和超细颗粒物[11,12]。因此,细和超细颗粒对人体有更大的危害[13,14]。由此可知,研究大型客车尾气对大气环境颗粒物的影响是非常必要的。但目前国内有关此类研究的报道甚少。

本研究在对上海嘉定区可吸入颗粒物粒径分布进行连续在线测量时,得到了大型客车尾气对大气颗粒物粒径分布的影响特征。结合上海市大型客车的实际运行情况,初步估算上海市大型客车尾气对大气颗粒物的贡献,并进一步就如何减少大型客车尾气对大气颗粒物的影响进行了讨论。

1 试验与方法

1.1 采样点

采样点为上海市嘉定区中科院上海应用物理研究所(应物所)内离所大门100m,高12m的建筑物平台、离大门20m高1.5m处及大型客车排气口。该监测点周围500m范围内是研究机构和居民住宅,无高大建筑物和交通干道,无工业设施,并且绿化覆盖率高。所内接送职工的大型客车每天16:40~17:00停在离所大门10m处,共9辆,均为柴油车。

1.2 采样和分析

实验所用仪器为DEKATI公司研发的电称低压冲击器(ELPI),它的原理是建立在PM10(空气动力学直径小于等于10μm)荷电,惯性分级和电检测的基础之上,采集的电流信号通过计算机进行处理分析,被转化为颗粒物的粒子数浓度和质量浓度[15]。本研究在线测定了不同粒径大气颗粒物粒子浓度和质量浓度的日变化。其结果分别如图1和图3所示。所测粒子的粒径如表1所示。采样时间为2007年10月15、17日和2007年11月2日。采样时间内气象条件如表2所示。

2 结论与讨论

2.1 大型柴油客车尾气对大气颗粒物分布的影响

图1上海嘉定区不同粒径可吸入大气颗粒物在不同时间(左为10月15日,右为10月17日)内粒子浓度分布的日变化,图中数字代表颗粒物的粒径(单位μm)。

图2上海嘉定区不同粒径可吸入大气颗粒物在不同时间(左为10月15日,右为10月17日)内质量浓度分布的日变化,图中数字代表颗粒物的粒径(单位μm)。

图1、2反映了上海嘉定区不同粒径可吸入颗粒物粒子浓度和质量浓度日变化,其中左,右分别是颗粒物在10月15日和17日的日变化。相同粒径颗粒物(左右图的横向比较)和不同粒径颗粒物在相同时间(同图纵向比较)的粒子数浓度和质量浓度不同,表明颗粒物的两浓度具有时间依存性和粒径相关性。粒子浓度(图1)显单模态结构,随粒径的减少而增加,大部分的粒子集中在0.11μm以下的颗粒物中;质量浓度(图2)显双模态分布[16],其峰值在0.40~0.65μm和6.80~9.97μm。从图1可以看出,粒径大于4.40μm的颗粒物粒子数浓度日变化不明显,而小于4.40μm的颗粒物粒子数浓度日变化显著。该粒径段内颗粒物的粒子浓度在15日相同时间内,即,16:30~17:30,同时出现峰值,而且随粒径减少而增大;在17日却没有相同的蜂群出现。相比该粒径段颗粒物的质量浓度(图2)发现,有同样的现象。为了便于比较二日间16:30~17:30内的颗粒物粒子浓度和质量浓度,对二日16:30~17:30内的颗粒物粒子浓度和质量浓度分别积分平均,得到二日该时间内的颗粒物粒子浓度和质量浓度的粒径分布(图3)。

图3中,10月15(■,□)和17日(●,○)16:30~17:30内的颗粒物平均粒子浓度(■,●)和质量浓度(□,○)粒径分布。

颗粒物粒子数浓度表现为,在第5级到第12级(9.97~6.8μm,6.8~4.4μm,4.4~2.6μm,2.50~1.60μm,1.60~1.00μm,1.00~0.65μm,0.65~0.40μm)15日不大于17日;在第4级到第1级(0.4~0.26μm,0.26~0.17μm,0.17~0.11μm,0.11~0.06μm,0.06~0.03μm)则是15大于17日,且相差的量随粒径减少而增大。颗粒物质量浓度显双模态分布,其峰值出现在第6级(0.40~0.65μm)和第8级(6.80~9.97μm),并在峰值上表现为15日大于17日。颗粒物质量浓度颗粒物粒子浓度和质量浓度的变化与气象条件[17]和污染源[18]的两者变化有关。表1显示出采样点在15日和17日的气象条件(温度,湿度和风向)相似。因此15日的16:30~17:30内大气颗粒物主要污染源是一种能同时产生多种粒径,且粒径范围主要集中在0.4μm以下的源。对污染排放源进行调查发现,应物所接送用的大型客车发动机在15日16:30~15:00一直处于运行状态,而17日同样时间内处于停止状态。柴油发动机运行排放出的颗粒物粒径范围在0.4μm[19]。由此推断15日16:30~17:30的峰值可能是由大型柴油客车尾气所致。

为了证明这一推断,用ELPI直接对一辆处于不同运行状态中(发动时和正常运行)的大型柴油客车尾气颗粒物浓度进行稀释测定。通过扣除本底,得到该大型柴油客车尾气中颗粒物的粒子浓度和质量浓度的粒径分布,如图4所示。

图4不同运行状态(启动时(●,○)和正常运行(■,□))中的大型柴油客车尾气颗粒物的粒子浓度(■,●)和质量浓度(□,○)粒径分布

由图4可以得到,大型柴油客车尾气颗粒物的粒子数浓度除了第1级(0.03~0.06μm)外均随粒径的增加而减少,99%的颗粒物都集中在第1级至第5级(0.03~0.40μm)这个范围。与10月15日的粒子浓度分布(图3)基本一样;质量浓度显双模态分布,其峰值分别在第4级至第6级(0.40~0.65μm)和第12级(6.80~9.97μm),正好与15日质量浓度分布(图3)一致。由此证明15日16:30~17:30的峰值是由大型柴油客车尾气所致。

2.2 上海市大型柴油客车排放颗粒物的估算

大型柴油客车尾气中颗粒物浓度与该客车的运行状态等有关[20]。由图四可知,大型柴油客车正常运行时所排放颗粒物的粒子数浓度和质量浓度比启动时更多。由方程(1)可估算上海市大型柴油客车排放颗粒物单位时间的质量。

其中:

M-大型柴油客车单位时间内排放颗粒物的量,毫克/分钟

N-上海市大型柴油客车的拥有量,辆

n-大型柴油客车发动机单位时间内的转数,转/分钟

Q-大型柴油客车发动机工作单位转数内的排气量,升/转

ρ-大型柴油客车正常运行时尾气中PM10颗粒物的质量浓度,毫克/立方米

大型柴油客车的Q一般在6~10升/转范围左右,n在高速最大功率运转时一般在2000转/分钟左右。本研究中大型客车的Q,n分别是8升/转和700转/分钟,对图4中大型柴油客车尾气PM10颗粒物质量浓度积分得到ρ值,ρ=5.04mg/m3。上海市大型载客柴油客车为87.06万辆[5],由此可估算出上海市大型客车每分钟可排放2.4×107mg(24kg)的PM10颗粒物。这就是说,上海市的大型客车每停1min,可少排放PM10颗粒物大致为24kg。在此,建议大型客车在需等待时,即使在红灯的时候,最好关闭发动机,以减少大气环境的污染。

3 结论

颗粒粒径 篇5

关键词：内燃机,柴油机,生物柴油,稳态工况,颗粒粒径分布

0 概述

随着世界性石油危机和环境污染的日益加剧,开展车用替代燃料的研究具有极其重大的意义。柴油机较好的燃油经济性可以很好地节约能源,但是其颗粒排放对人体健康危害影响很大[1]。目前,排放法规仅对柴油机排放颗粒物的质量进行了限制,没有关于颗粒物粒径的规定。国内外研究者对柴油机颗粒物粒径分布、毒性及影响因素进行了大量研究[2,3,4,5,6,7,8,9,10]。

本文通过建立发动机排放颗粒物稀释采样系统,用EEPS3090粒径仪对柴油机燃用不同掺混体积比的麻疯树油制生物柴油在外特性、标定转速及最大转矩转速下的排放颗粒数浓度粒径分布特性、颗粒数及几何平均直径的变化规律进行了研究。

1 试验测试系统及燃料特性

1.1 颗粒采样系统

本文的采样系统主要由部分流稀释取样系统和颗粒分析仪组成,主要设备包括379020型旋转盘稀释器、空气流量计和EEPS3090粒径仪,图1为颗粒物测试系统示意图。

1.2 试验用发动机

试验用发动机为电控高压共轨涡轮增压直喷发动机,其主要技术参数如表1所示。

1.3 试验用燃料

本文试验研究中使用的燃料有两种:石化柴油和麻疯树油制生物柴油。生物柴油与石化柴油以不同的体积比混合组成生物柴油混合燃料:纯石化柴油和纯生物柴油分别记为JBD0和JBD100,生物柴油体积比为5%、10%、20%、50%的混合燃料分别记为JBD5、JBD10、JBD20、JBD50。各种燃料的主要理化特性如表2所示。

1.4 试验方案

针对生物柴油不同掺混比例对排气颗粒物粒径分布的影响进行了试验。发动机工况为外特性工况,转速从1200~3200r/min,每隔400r/min取1个点,共6个工况点;标定转速3200r/min和最大转矩转速2000r/min负荷特性,负荷分别为10%、25%、50%、75%和100%。为了更加真实地模拟排气在实际环境中的稀释过程,选取稀释比为500,初级稀释温度为80℃。为了得到较为精确的结果,对每一工况点进行3组采样,每组采样1min,然后取平均值。

2 结果分析

2.1 颗粒数浓度粒径分布

图2为发动机燃用不同配比生物柴油在全负荷时颗粒粒径分布随转速的变化。由图2可知,随着生物柴油混合比例的增加,核态颗粒峰值数量先增加后减少,JBD50的峰值数量最多;JBD20和JBD100的峰值粒径基本保持不变,但峰的宽度明显变宽。核态颗粒数量增加的主要原因是生物柴油密度和黏度均比石化柴油大,在相同燃油喷射压力下燃油的雾化效果较差,未燃碳氢增多。除了在2400、2800和3200r/min JBD0和JBD5均未检测到核态颗粒峰值外,其他转速下各种燃料的颗粒粒径数浓度均呈双峰对数正态分布,核态颗粒的数量峰值比聚集态的高2个数量级,但JBD50和JBD100的2个峰值随着转速的升高逐渐接近,标定工况下两者处于同一数量级。这主要是因为转速升高缩短了燃烧持续期,大量碳烟粒子来不及氧化,从而使聚集态的颗粒数量增加。当生物柴油的掺混比例大于20%时,各转速下颗粒数量峰值均出现在核态区域,这说明加入较高比例的生物柴油可以大幅增加核态颗粒的数量。随着转速的增加,各种燃料的核态和聚集态峰值没有明显的变化规律,但各种燃料核态峰值的最大值出现在1200r/min处,聚集态峰值的最大值出现在3200r/min处。

图3为最大转矩转速2000r/min时颗粒粒径数浓度分布随负荷的变化。由图3可知,燃用生物柴油后核态颗粒的数量有所增加。生物柴油掺混比例大于20%的混合燃料在所有负荷下的颗粒都呈核态和聚集态的双峰分布,而JBD0和JBD5燃料仅在高于75%负荷工况下才出现核态颗粒峰值。聚集态颗粒的峰值粒径随生物柴油比例的增加而减小,聚集态颗粒的数量峰值随负荷增加先增加后减少,在25%负荷工况下达到最高,这与烟度测量结果一致。JBD50和JBD100燃料的核态颗粒数量峰值和聚集态颗粒数量峰值随负荷增加先接近然后逐渐远离,低负荷下两者处于同一数量级,而高负荷时核态峰值比聚集态峰值高2个数量级左右。

图4为标定转速3200r/min时颗粒数浓度粒径分布随负荷的变化。在10%~75%负荷下,JBD0、JBD5、JBD10、JBD20燃料的颗粒粒径数浓度呈双峰对数正态分布;25%~75%负荷下,JBD50和JBD100燃料的颗粒数浓度粒径分布呈仅有1个核态峰值(峰值粒径10~25nm)的单峰分布。随着负荷增大,所有燃料的核态数量峰值均先增大后减小,在50%负荷时达到最大。相同负荷下,随着生物柴油掺混比的增加,核态数量峰值升高,峰的宽度增大。JBD0、JBD5、JBD10燃料的聚集态峰值粒径随负荷变化无明显变化,都在50nm左右,同一种燃料的峰值数值数量最大,75%负荷时的聚集态峰值数量最小;相同负荷下,峰值数量随生物柴油掺混比的增加而减少。

2.2 颗粒数的影响

图5为全负荷时总颗粒数、核态颗粒数和聚集态颗粒数随转速的变化。由图5可以看出,随着生物柴油掺混比例的增加,总颗粒数和核态颗粒数均呈先上升后下降的趋势,JBD50的总颗粒数最高。生物柴油掺混比例越高,核态颗粒数在总颗粒数中所占份额越大,JBD0占68.3%,而JBD100则占96.7%。1200~2000r/min的中低转速下,各种燃料的核态颗粒数在总颗粒数中所占的比重均在90%以上,聚集态颗粒数量较低,且各种燃料之间差别不大。这是因为转速较低,燃烧持续期较长,碳烟颗粒氧化的较充分。2400~3200r/min的中高转速下,聚集态颗粒数量比低转速下大幅度增加,且转速越高聚集态颗粒的数量越多。随着生物柴油掺混比例

的增加,聚集态颗粒数量减少。这是因为生物柴油中含氧,可增加燃烧中的供氧量,而且生物柴油中基本不含芳烃。

图6为发动机燃用不同配比生物柴油在最大转矩转速2000r/min时的总颗粒数、核态颗粒数和聚

集态颗粒数随负荷的变化。各种燃料的核态颗粒数在总颗粒中所占的比重随负荷升高先减小后增加,在25%负荷时各种燃料的核态颗粒所占比重最小,相同负荷下,生物柴油掺比越高,核态颗粒数所占比例也越高。整个负荷特性下,JBD0的核态颗粒平均

占总颗粒数的62.8%,JBD100的核态颗粒占95.3%。这可能是因为生物柴油的黏度较高,密度较大,从而影响了雾化效果,使燃烧不充分,产生大量未燃碳氢。各种燃料的聚集态颗粒数随负荷升高先增加后减少,在25%负荷时达到最高,全负荷时聚集态颗粒数量比25%负荷时减少了1个数量级,这可能是因为改进喷油规律改善燃烧、合理组织燃烧以减少碳烟排放量,而且缸内温度升高有利于碳烟的氧化。相同负荷下,生物柴油比例增加,则聚集态颗粒数量减少。

图7为发动机燃用不同配比生物柴油在标定转速3200r/min时的总颗粒数、核态颗粒数和聚集态颗粒数随负荷的变化。各种燃料的核态颗粒数量随负荷升高先增加后减少,在50%负荷时达到最大值。相同负荷下,总体上核态颗粒数量在总数量中所占比重随生物柴油掺混比例的增加而增加。整个负荷特性下,JBD0的核态颗粒平均占总颗粒数的57.5%,JBD100的核态颗粒占93.4%。与2000r/min负荷特性相比,各种燃料的总颗粒数中核态颗粒所占比重有所减少,高速下聚集态颗粒数增加对核态颗粒的生成具有抑制作用。聚集态颗粒数量随负荷增大先减少后增加,在50%~75%负荷时降到最低。相同负荷下,与核态颗粒数量的变化规律相反,生物柴油掺混比越大聚集态颗粒数量越少。

2.3 几何平均直径Dg的影响

表3为全负荷时发动机燃用不同配比生物柴油的几何平均粒径Dg随转速的变化。Dg在中低转速几乎不变,转速高于2400r/min时,Dg随转速升高而增加。1200~2000r/min相同转速下,随生物柴油掺比的增加Dg基本稳定,2400~3200r/min时,随掺混比的增加Dg逐渐变小。JBD100的Dg在整个转速范围内的变化幅度较小,在13~16nm之间。

表4和表5分别为最大转矩转速和标定转速负荷特性下的几何平均粒径Dg。整个负荷特性下对Dg取平均值发现,生物柴油比例越高Dg越小。2000r/min负荷特性下,JBD0的平均Dg为34.9nm,JBD100的平均Dg为14.1nm;3200r/min负荷特性下两种燃料的Dg分别为39.3nm和19.8nm。这说明生物柴油可以显著降低颗粒的几何平均粒径。各种燃料在标定转速负荷特性下的平均Dg均高于最大转矩转速时。这是由于高转速时燃烧持续期较短,燃烧生成的碳烟粒子氧化时间缩短,使最终排出机外的颗粒粒径较大。

3 结论

(1) 生物柴油掺混比大于20%时,所有负荷的颗粒均呈包含核态和聚集态的双峰对数正态分布。随生物柴油掺混比例的提高,核态峰的宽度变宽,峰值先增大再减小,聚集态峰值减小。标定转速、25%~75%负荷下,JBD50和JBD100的颗粒分布呈仅含核态的单峰分布。负荷增大,各种燃料的核态峰值数量先增大后减小,在50%负荷达到最大。

(2) 外特性下,随生物柴油混合比的增加,核态颗粒数先增加后减少,混合比为50%时达到最大;聚集态颗粒数随生物柴油混合比的增加而减少。最大转矩转速下,负荷升高总颗粒数增加,核态颗粒数所占比重先减少后增加,聚集态颗粒数先增加后减少。标定转速下,随负荷的升高,各种燃料的总颗粒数和核态颗粒数先增加后减少,聚集态颗粒数则先减少后增加。

(3) 外特性中高转速下,随转速的增加,Dg变大,而生物柴油混合比增加导致Dg变小。最大转矩转速和标定转速负荷特性下,生物柴油混合比增加,Dg减小,各种燃料在标定转速负荷特性的Dg大于最大转矩转速的Dg。

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颗粒粒径 篇6

1 实验

1.1 实验工艺流程

利用丙烷与氧气燃烧提供的温度场和速度场,TiCl4与氧气在高温下反应生成纳米二氧化钛。反应炉为内径0.15m(壁厚3.5mm)、高0.8m 的不锈钢圆筒。在喷嘴上方3cm处设置了观察窗及取样口。燃烧室外壁包裹一层高保温材料以减少热量损失。在炉子的顶部布置了不锈钢细丝网,用以收集产品。为了使尾气能及时排出,在排气管上接了引风机。火焰温度由垂直于火焰轴线的Pt- Rh R 型热电偶测量, 并且取其平均值作为火焰温度,热电偶设置在喷嘴上方5cm处。反应体系的压力通过炉子与底部连接的U型管压差计测量。反应过程中工业丙烷及空气的流量使用质量控制器来控制及测量。

实验原料为工业丙烷(95% C3H8),四氯化钛(99% TiCl4),空气由空气压缩机供给。纳米TiO2的制备方程式为:

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喷嘴由主体为4 根同心且互不相通的不锈钢圆管构成, 其外径分别为8,13,20,28mm。喷嘴的最内圈由干燥过的空气作为载气, 带入先驱物TiCl4; 第二圈本实验暂时不用; 第三圈通入燃料气工业丙烷; 最外圈通入氧化剂, 采用空气为氧化剂。

在实验中为了防止最外圈空气流速过大,设计喷嘴最外圈低于次外圈0.05m,以降低空气的气速,使之与丙烷发生扩散燃烧时速度不至于过大;同时次外圈的外壁上加工了螺纹,这些螺纹会对空气产生扰动,从而降低了空气的流速。

1.2 样品表征

采用透射电子显微镜(TEM)观察纳米颗粒的尺寸及微观形貌。在实验中采用TEM(TEcNAIG220)对不同工况的纳米二氧化钛进行了分析,并通过所得照片,在其上随机数出100个颗粒的尺寸,求其平均值作为该工况下的平均颗粒直径。由于一定波长的X射线照射到晶体上,将会出现衍射现象,不同晶体总是具有不同的化学组成及其内部结构,因而其X射线衍射效应也彼此有所区别。X射线衍射物相分析就是依据X射线对不同的晶相,产生不同的衍射效应来鉴定物相。借此可以对晶体的物相及结构进行分析测定。

2 结果与讨论

2.1 空气流速对粒径及晶型的影响

固定丙烷流速、载气量以及TiCl4流率,逐渐增大空气的流速,直到火焰极不稳定,不能正常燃烧。这样就得到不同空气流率条件下的产物,图1为丙烷流率0.000388mol/s,载气流率0.000374mol/s, TiCl4流率为0.06 g/min时不同空气流速的TEM照片,其中左图空气流速为0.008982mol/s,右图空气流速为0.004491mol/s。

(a)0008982mol/s;(b)0.004491mol/s (a)0008982mol/s;(b)0.004491mol/s

图2为空气流率对火焰温度以及平均颗粒尺寸的影响。从图中可以看出,随着空气流速的增加,火焰温度与平均颗粒尺寸同时降低。这是因为在其他条件不变的情况下,随着空气流速的增加,空气所带走的热量也相应的增加,使得火焰温度下降以及火焰长度的减小,颗粒在火焰中的停留时间也相应减少,而且随着温度的降低,颗粒烧结率也会降低,从而导致颗粒尺寸的减小。如图3所示,金红石型(R)衍射强度由高至低逐渐降低,即金红石型含量逐渐降低。这是因为随着空气流速的增加,火焰温度相应降低,直接影响锐钛矿型转变为更为稳定的金红石型[4]。

2.2 丙烷流速对粒径及晶型的影响

按照同样方法,可得到不同丙烷流速条件下的产物。如图4所示,随着丙烷流速的增加,火焰温度与平均颗粒尺寸同时增大。这是由于随着丙烷流速的增加,火焰长度相应变长,这样颗粒在温度场内停留的时间增加,使得颗粒有足够的时间凝聚长大,同时凝聚速率也会升高,因此生成颗粒的粒径逐渐增大。而且由于火焰温度的升高提供了能量,促使锐钛矿型转变为更为稳定的金红石型。因此金红石型(R)衍射强度逐渐增强,金红石型含量增多。

2.3 TiCl4流速对粒径及晶型的影响

固定空气流速以及丙烷流速,并且使载气流率在较小范围内变化,逐渐增大TiCl4的流率,可得到不同TiCl4流率条件下的产物。

图5为TiCl4流速对火焰温度以及平均颗粒尺寸的影响。可以看到,随着TiCl4流率的增加,平均颗粒尺寸由16nm增加到了36nm,而火焰温度几乎没有什么变化。这是因为随着TiCl4浓度的增加,使得生成TiO2单位体积粒子数增加,表面反应速率加快,碰撞凝聚几率增加,从而使得生成TiO2粒径变大。但是由于TiCl4进料的浓度很低,因而对火焰温度和长度的影响很小,火焰温度和粒子的停留时间基本没有变化,使得生成的纳米二氧化钛晶型含量变化很小[5],如图6所示,金红石型(R)衍射强度没有明显的变化。

2.4 载气流速对粒径及晶型的影响

固定空气流速以及丙烷流速,并且使TiCl4流率在较小范围内变化,逐渐增大载气流速,可得到不同载气流率条件下的产物,图7为空气流率0.005988mol/s,丙烷流率为0.000259mol/s, TiCl4流率约为0.113(g/min)时,不同载气流速的TEM照片,其中左图载气流速为0.001497mol/s,右图载气流速为0.000374mol/s。

(a)0.001497mol/s;(b)0.000374mol/s (a)0.001497mol/s;(b)0.000374mol/s

图8为载气流率对火焰温度以及平均颗粒尺寸的影响。可以看到,随着载气流率的增加,火焰温度的变化范围并不是很大,并且与上种情况相比,平均颗粒尺寸的变化也不是很大。这是由于载气浓度相对较低,载气速率的增加对火焰温度和长度的影响很小,因而对合成晶粒的粒径影响不大。

实验中发现锐钛矿型含量有一定的增加。这是因为TiCl4周围氧气浓度的降低,可促进初级TiO2粒子中氧空穴的形成,而氧空穴的增加,又可强化锐钛矿型TiO2向金红石型TiO2的转变。因此随着载气含量的增加,TiCl4周围氧气浓度增加,抑制了初级TiO2粒子中氧空穴的形成以及锐钛矿型TiO2向金红石型TiO2的转变,使得锐钛矿型TiO2纳米颗粒的含量增加[6]。

3 结论

(1)实验中发现,火焰温度主要由丙烷与空气的进气速率决定,丙烷流速越大,火焰温度越高,从而粒径越大、金红石含量越高;空气流速越大,火焰温度越低、粒径越小、金红石含量越低。

(2)随着载气流速的升高,金红石型TiO2颗粒的含量降低,而粒径大小几乎没有什么变化;而TiCl4流速对晶型含量的影响不大,TiCl4流速越高,颗粒粒径越大。

摘要：采用火焰CVD法,在丙烷/空气扩散火焰中氧化前驱物(TiCl4)制备纳米二氧化钛颗粒。对不同进气条件下所生成TiO2纳米颗粒的粒径与晶型进行研究。在实验中共讨论了4种不同的进气条件。结果发现丙烷与空气流速决定火焰的温度;随着载气流速的升高,金红石型TiO2颗粒的含量降低,但是粒径大小几乎没有什么变化;而TiCl4流速对晶型含量的影响不大,TiCl4流速越高,颗粒粒径越大。

关键词：TiO2颗粒,颗粒尺寸,晶型

参考文献

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颗粒粒径 篇7

关键词：陶粒,最大粒径,颗粒级配,低强,泵送

0 引言

陶粒混凝土是由胶凝材料和轻骨料配制而成, 具有密度小、保温隔热、耐火性好、抗震性好、吸水率低、抗冻性好、抗渗性好、抗碱集料反应能力强及适应性能高等优点。用作轻骨料的陶粒是以粘土、泥岩、煤矸石、粉煤灰等为主要原料, 经加工厂粉碎成粒或粉磨成球, 再烧胀而成的人造骨料, 密度小于水, 为510~600 kg/m3, 它是一种具有紧硬外壳, 表面有一层隔水保气的釉层, 内部具有封闭微孔结构的多孔陶质粒状物, 具有体轻、强度高、隔音、保温、耐火、耐化学侵蚀、抗冻优良性能。陶粒表观密度小、总表面积大、易于吸水等特点决定了陶粒混凝土拌合物的流动范围比较窄, 因为流动度过大则轻骨料上浮、离析, 流动度过小则振捣困难。流动度主要决定因素为用水量, 与普通混凝土不同, 陶粒混凝土的用水量分为附加用水量和净用水量两部分, 其中附加用水量为陶粒1 h吸水量。

影响陶粒混凝土强度的因素有很多, 如陶粒强度、水灰比及砂率等, 陶粒本身的强度不高, 陶粒用量大则陶粒混凝土强度损失大, 其表观密度越小;适当增加水泥用量会提高混凝土强度;适宜的砂率也能保证陶粒混凝土的和易性、可泵性、流动性和干容重等。本文就轻骨料的最大粒径和颗粒级配对低强的泵送陶粒混凝土进行了研究和分析。

1 原材料的选用

原材料选用的原则为就近择优。

水泥:镇江鹤林水泥厂生产, 符合《通用硅酸盐水泥》 (GB 175-2007) P·O 42.5级水泥标准;粉煤灰:镇江谏壁电厂生产, 符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》 (GB/T 1596-2005) I级灰标准;外加剂:江苏博特新材料有限公司生产的JM-10 (缓凝、泵送) 混凝土高效减水剂, 减水率18.1%;普通砂为鄱阳湖中砂, 堆积密度在1 260 kg/m3, 细度模数为2.4, 含水率为3.2%, 含泥量为0.3%, 级配区属于II区;陶砂:江苏建华陶粒有限公司生产, 堆积密度在400 kg/m3, 细度模数为3.4, 1 h吸水率为12%, 含泥量为0.3%, 级配区属于Ⅰ区, 筒压强度为2.1 MPa;陶粒:江苏建华陶粒有限公司生产的轻质骨料, 碎石型陶粒的堆积密度为460 kg/m3, 筒压强度为3.0 MPa, 1 h吸水率为9%;圆型陶粒的堆积密度根据级配的不同, 范围在360~420 kg/m3之间, 筒压强度为2.5 MPa, 1 h吸水率为10%。

2 试验配合比设计

陶粒混凝土的配合比设计主要应满足抗压强度、密度和坍落度的要求, 以节约胶凝材料为原则, 必要时还需要符合混凝土性能 (如弹性模量、导热系数和线性收缩率) 的特殊要求, 考虑《轻集料混凝土技术规程》 (JGJ 51-2002) 标准中水泥强度等级和用量、砂率、水灰比为重要的设计参数。

轻骨料混凝土配合比设计有绝对体积法和松散体积法, 轻骨料混凝土分为砂轻混凝土、次轻混凝土和全轻混凝土3种。本项目主要采用砂轻陶粒混凝土松散体积计算, 是指普通砂或部分陶砂作细骨料配制而成的轻骨料混凝土。

根据《轻集料混凝土技术规程》 (JGJ 51-2002) 标准, 陶粒混凝土的试配按fcu, e≥fcu, k+1.645σ确定, 本实验设计的是LC20轻骨料混凝土, σ取5.0;根据陶粒混凝土强度等级和陶粒的密度等级, 适合水泥用量, 标准中提及关于水泥的标准, 为P·O 32.5级水泥, 本研究采用P·O 42.5级水泥是基于对低强陶粒混凝土总容重的考虑;试验对象为低强泵送陶粒混凝土, 因此扩展度控制在400~550 mm, 坍落度在150~200 mm, 净用水量控制在220~230 kg/m3;选取松散体积砂率后, 确定粗细骨料的总体积。

陶粒混凝土拌合物易分层、离析, 本实验基于大量的试配及检验, 综合分析LC20陶粒混凝土拌合物的分层度、坍落度、扩展度、流动性后确定陶砂的替代率为9%, 砂率为43%, 碎石型陶粒的掺量为10%, 粉煤灰替代率为15%, 总水灰比为0.52, 具体配合比如表1所示。

试验所用圆型陶粒满足《轻集料及其试验方法第1部分:轻集料》 (GB/T 17431.1-2010) 和《轻集料及其试验方法第2部分:轻集料试验方法》 (GB/T17431.1-2010) 对粗细混合轻集料的要求, 2.36 mm筛上累计筛余为58%~62%, 筛除2.36 mm以下颗粒后, 2.36 mm筛上的颗粒级配满足公称粒径5~10 mm的颗粒级配的要求, 其最大粒径和其作为粗骨料制作的混凝土编号如表2所示。

3 LC20陶粒混凝土性能分析

按照《普通混凝土拌和物性能试验方法》 (GB/T 50080-2002) 、《普通混凝土力学性能试验方法》 (GB/T 50081-2002) 和《轻骨料混凝土技术规程》 (JGJ 51-2002) 的要求进行陶粒混凝土拌合物性能检验和试块力学性能检验。

3.1 陶粒最大粒径对陶粒混凝土工作性能的影响

由于陶粒密度小, 很容易上浮, 使得上层拌合物中陶粒较多, 而下层拌合物中陶粒含量相对较少。本实验参考丁建彤、丁庆军等提出的分层度的概念, 即用振捣后上下层拌合物中陶粒质量的差异来表示陶粒在振捣过程中的运动情况, 分层度越低, 表示拌合物的匀质性越好, 说明拌合物的抗分层、抗离析性能越好。试验时采用的分层度试验设备为高度100 mm×3的钢模, 将混凝土拌合物装入后振捣, 分别取出上、下层拌合物, 先装入3 L的圆柱体钢筒内测出质量, 从而求出拌合物的湿表观密度, 然后再装入筛孔尺寸为4.75 mm的钢筛, 用水冲刷干净, 挑出拌合物中的陶粒, 烘干后分别测量上、下层拌合物中陶粒的质量。

式中:ρu、ρl分别为上、下层拌合物湿表观密度, kg/m3。

粗集料质量分层度=2× (gu-gl) / (gu+gl) ×100%式中:gu、gl分别为上、下层拌合物内粒径大于5 mm烘干后的陶粒质量, kg。

从图1、图2中可以看出, 随着陶粒最大粒径的增大, 陶粒混凝土坍落度减小、扩展度减小、分层度则呈增大的趋势, 而且陶粒混凝土拌合物的和易性也随之变化, 陶粒最大粒径不小于10 mm且不大于20 mm时比较好。分析原因为:陶粒最大粒径小于10 mm时, 陶粒小, 胶凝材料对其的包裹力相对较大, 使得拌合物的分层度相对较小, 且此时小粒径的陶粒所占比重大, 使拌合物相对比较均匀, 但陶粒粒径小则骨料总体比表面积变大, 消耗的胶凝材料变多;陶粒最大粒径大于10 mm时, 随着其最大粒径的增大, 分层度逐渐变大, 主要是小密度的陶粒外层光滑的釉层所致, 在陶粒太大时会出现包裹性差的情况;在陶粒最大粒径为10 mm时拌合物分层度出现最低值, 因为此时小粒径的陶粒比重相对较大, 与中等粒径的陶粒混合, 颗粒级配方面满足分层度降低的条件, 但是此时的分层度与陶粒最大粒径为16 mm和20 mm时分层度相差不足1%, 在整体考虑时可相对忽视此差异。

3.2 陶粒最大粒径对陶粒混凝土力学性能的影响

从图3、图4可以看出, 随着陶粒最大粒径的增大, 陶粒混凝土28 d强度呈先增大后降低的趋势, 在最大粒径16 mm时的强度最高。造成这种结果的原因为:陶粒粒径越大, 其内部缺陷的几率就高, 陶粒粒径越小, 则骨料整体比表面积就大, 空隙率就大, 用于包裹和润湿其的胶凝材料就要多, 要达到良好的流动度就要消耗更多的胶凝材料, 这就在用水量上有高要求。但是因为陶粒比水轻上浮, 陶粒与水泥砂浆很容易分离造成堵管, 所以要应尽量减少混凝土的用水量, 尽量选用合理的混凝土坍落度。另外, 对颗粒级配优劣的评价主要有3种通用的理论: (1) 最大密度理论, 即孔隙率最小、密度最大; (2) 表面积理论, 其认为骨料表面积越小, 用来包裹其表面的水泥浆用量越少; (3) 粒子干涉理论, 即上一级骨料的间距恰好等于下一级骨料的粒径, 下一级骨料填充期间却不会干涉上一级。通过对实验结果的分析, 我们可以认为在最大粒径16 mm时的颗粒级配相对较优, 此时的陶粒混凝土孔隙率最低, 作为骨料的陶粒对包裹其的胶凝材料需求量在合适的范围内, 不同粒径的陶粒相互填充而干涉最少。

4 结论

综上所述, 陶粒最大粒径和颗粒级配对低强泵送陶粒混凝土的影响是比较大的。就本实验所研究的LC20泵送陶粒混凝土而言, 选用的圆型陶粒的最大粒径为16 mm时, 可以很好地解决强度与密度、强度与扩展度之间的关系, 其拌合物和易性最好, 施工性能最好, 强度满足fcu, e≥fcu, k+1.645δ。

参考文献

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