压汞仪实验指导书

压汞仪实验指导书

1. 实验目的：

混凝土是由粗骨料、细骨料、水泥水化颗粒、未水化水泥颗粒、孔隙和裂纹等

不同组分组成的水泥基复合材料，是一种多孔的、在各尺度上多相的非均质复杂体系。孔结构对混凝土的渗透性和强度等宏观性能有重要影响。压汞法（mercury intrutionporosimetry ）测孔是研究水泥基复合材料孔结构参数(如孔隙率、孔径尺寸和孔径分布)的一种广泛应用的方法，成功应用于许多关于硬化水泥浆和水泥砂浆体的研究，并取得了大量的成果，促进了混凝土材料科学的进步。本实验的目的是了解压汞仪工作原理；掌握压汞仪操作；并学会分析所测孔结构数据。

2压汞仪工作原理：

通过加压使汞进入固体中，进入固体孔中的孔体积增量所需的能量等于外力所做的功，即等于处于相同热力学条件下的汞-固界面下的表面自由能。而之所以选择水银作为试验液体，是根据固体界面行为的研究结论，当接触角大于90度时，固体不会被液体润湿。同时研究得知，水银的接触角是117度，故除非提供外加压力，否则混凝土不会被水银润湿，不会发生毛细管渗透现象。因此要把水银压入毛细孔，必须对水银施加一定的压力克服毛细孔的阻力。通过试验得到一系列压力p 和得到相对应的水银浸入体积V ，提供了孔尺寸分布计算的基本数据，采用圆柱孔模型，根据压力与电容的变化关系计算孔体积及比表面积，依据华西堡方程计算孔径分布。压汞试验得到的比较直接的结果是不同孔径范围所对应的孔隙量，进一步计算得到总孔隙率、临界孔径（临界孔径对应于汞体积屈服的末端点压力。其理论基础为，材料由不同尺寸的孔隙组成，较大的孔隙之间由较小的孔隙连通，临界孔是能将较大的孔隙连通起来的各孔的最大孔级。根据临界孔径的概念，该表征参数可反映孔隙的连通性和渗透路径的曲折性）、平均孔径、最可几孔径(即出现几率最大的孔径)及孔结构参数等。

图1 毛细孔中汞受力情况

若欲使毛细孔中的汞保持一平衡位置，必须使外界所施加的总压力P 同毛细孔中水银的表面张力产生的阻力P 1相等，根据平衡条件，可得公式;

2P 2cos s r p P r ππσθ==-22cos r p r ππσθ

=-

只有当施加的外力P ≥ Ps 时，水银才可进入毛细孔，从而得到施加压力和孔径之间的关系式，即Washburn 公式:

3实验用原材料、仪器及操作步骤和注意事项：

美国产PoreMaster-33全自动压汞仪，天平，脱脂棉，镊子，汞，液氮，硫磺，酒精

美国产PoreMaster-33全自动压汞仪主要技术指标：孔分布测定范围孔直径为950-0.0064微米；从真空到33000psia可连续或步进加压。一个高压样品分析和两个低压站。

样品形状：粉状、片状或多孔固体。本实验中采用块状，避开骨料及直接敲击部分，50℃干燥6小时。

实验步骤：

1开启气瓶，保持压力0.3左右，并开启风机。打开电脑，检查液氮及汞量是否充足。

2将试样称重，并记录。精确到0.01g。

3将样品装入样品管，并密封。

4.将样品管装入低压站，开启系统。

5低压实验结束后，将样品管取出，装入高压站。

6高压实验结束后，合并低压及高压数据，并保存数据。

7实验结束，将样品管中的废液倒出，用酒精清理样品管，备用。

8关闭电脑，风机及气瓶。

实验注意事项：

汞是化学实验室的常用物质，毒性很大，且进入体内不易排出，形成积累性中毒；室温下汞的蒸汽压为0.0012 mmHg柱。

安全使用汞的操作规定：

（1）汞不能直接露于空气中，其上应加水或其他液体覆盖；

（2）任何剩余量的汞均不能倒入下水槽中；

（3）储汞容器必须是结实的厚壁器皿，且器皿应放在瓷盘上；

（4）装汞的容器应远离热源；

（5）万一汞掉在地上、台面或水槽中，应尽可能用吸管将汞珠收集起来，再用能形成汞齐的金属片（Zn, Cu, Sn等）在汞溅处多次扫过，最后用硫磺粉覆盖；

（6）手上有伤口，切勿接触汞。肤与之接触，尤其防止溅入眼中。

4思考题

(1) 试从压汞仪的原理分析压汞仪在测水泥浆孔结构方面存在的缺陷。

（2）查阅资料，试述一下测量孔结构的实验方法及设备有哪些种？并比较其优缺点。

Report date: 11/13/2009 Merged File

QUANTACHROME CORPORATION

QUANTACHROME POREMASTER FOR WINDOWS?DATA REPORT

SAMPLE ID shangguan FILE NAME A1-标准砂.PRM SAMPLE WEIGHT 0.4200 grams BULK SAMPLE VOLUME 1.0000 cc Total pore volume intruded = 0.056482 [cc/g]

Total surface area = 1.734212 [m2/g]

Median (50% intruded) Pore Diameter = 0.725347 [um]

Mode (intruded volume) Pore Diameter = 1.000000 [um]

Sample (bulk) density = 0.42 [cc/g]

Apparent density = 0.429424 [g/cc] at 32899.9 [[PSI]]

Total porosity = 2.62 [%]

试就上述同一个试样的不同图表组成的报告进行分析。解释图表含义，并进行数据分析。

(2) 试从压汞仪的原理分析压汞仪在测水泥浆孔结构方面存在的缺陷。

由于压汞仪所依据的理论原理(washburn公式中的2个基本假定：(1)孔隙是圆柱形的；(2)所有的孔都向外延伸至试样的外表面)和实际情况中水泥体系的情形相去甚远，而且水泥体系中不可避免的混有气泡，加之，在高压状态下样品管的膨胀、样品和水银的压缩都会在压汞过程中产生额外孔隙空间，这些对压汞仪的分析结果都有极大的影响。种种原因表明用压汞仪对水泥体系的孔径分布进行分析是有很大局限性和不准确性的，此种方法尚需进一步研究改进。

（2）查阅资料，试述一下测量孔结构的实验方法及设备有哪些种？并比较其优缺点。

目前对混凝土微观结构的研究主要采用先进的显微镜等分析仪器对材料微观结构进行分析。混凝土的孔隙尺寸从几埃、几十埃至几十um大小不等，分布范围广。根据不同的研究目的，要求所测孔隙的大小、尺度范围和形状不同，方法也不同，精度和检测效率显著改善。目前常用的测孔方法主要有光学法、压汞法、等温吸附法、X-射线小角度散射等，此外还有氦流入法、气体逆扩散法等