Xrd Cement ו- Concrete: אסטינג קריסטל ומוצרים של ייבוש

מבוא ל X-Ray Diffraction in Cement and Concrete Research

דיפרקציה רנטגן (XRD) הפכה לטכניקה אבן הפינה באופי של חומרים מלטיים.על ידי רתום האינטראקציה של צילומי רנטגן עם הצמיגים של שלבים מוצקים, XRD מספק חלון ישיר לתוך הרכב המקטורולוגי של ניקוי דבקים מלט, עברי hydrated, והבנת הבטון קשיח.

ה- XRD הפיזי של Cement Analysis

כאשר קרן רנטגן מונוכרומטית מכה דגימה מלט אבקה, זה מטבול על ידי מטוסים אטומיים הורה בתוך שלבים גבישיים.תבנית ההיקף וכתוצאה מכך - חלקת של אינטנסיביות מול 2 ⁇ (זווית diffraction) - מכיל שיאים במיקומים האופייניים לכל שלב גבישי.

• (ב) ⁇ :0) ⁇ (C3S)FLT:1 ; השלב העיקרי של הלינקר אחראי על כוח מוקדם.
• (ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
• (ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
• (ב) ⁇ :0) ,4 ⁇ (C4AF) 1 (C4AF) , משפיע על קינטיקה צבעונית וhydration.
• (ב) [15] ויקרא י"ד): "התיכון" (ב"ג) הוא מוצר הייבוש העיקרי.
• (ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ 3Horiph1:0) ,(C6A ⁇ 3Horiph1) – צורות במהלך הייבוש המוקדם ובהתקפה סולפטת.

שימוש בחוק של Bragg הידוע (FLT:0ign λ = 2d Sin ⁇ FLT:1), ה- Interplanar ספאcings (ראה:2dph:2dph3-spacctions) מחושבים ומתאימים נגד מסדי נתונים של התייחסות כגון המרכז הבינלאומי לנתוני דיפרציה (DD) PDF-2 או PDF-4 / ® Software, כגון פרוטוקול זיהוי מהיר (R) או ניתוח אוטומטי (RLC) או פרוטוקולים) .

מדוע XRD הוא בלתי צפוי למדע Cement ו- Concrete

XRD מציע מספר תכונות שהופכות אותו חיוני הן למחקר והן לשליטה איכותית:

• (FLT:0) ניתוח לא-הרסני: FLT:1 הדגימה ניתן לשחזר לאחר מדידה, המאפשר בדיקות עוקבות (למשל, SEM, TGA) באותו חומר.
• (FLT:0) זיהוי ספציפי שלPhase:FLT:1ir רק שלבים גבישיים לייצר שיאים חדים; תוכן אמורפי מופיע כמשט רחב.הבחנה זו היא קריטית לכמת קושרים חד-מיושבים מול מוצרי hydration.
• (ב) ⁇ :0) יכולת ניהולית: FLT:1, עם סטנדרטים פנימיים מתאימים או שיטת Rietveld, XRD יכול להניב שפעי שלב מוחלטים (במשקל אחוזים) עם דיוק טוב.
• (FLT:0) ניטור קינטי: 1 בניסויים ב- situ XRD - שם מאפה מלט נמדד בטמפרטורה מבוקרת ולחות לאורך זמן - מאפשר התבוננות ישירה של תגובות היממה כפי שהם מתרחשים.

יכולות אלה מאפשרות למהנדסים לייעל פורמולה מלט (למשל, התאמת הגורם clinker או הוספת חומרים מלטיים משלימים כגון זבוב אפר, slag, או אבן גיר), בעיות בפתרון בעיות ביצועים שדה (למשל, עיכוב היווצרות ettringite או תגובה אלקאלי-סיליקה), ואמת מודלים של התייבשות.

אובססיביות ל-Cementitious Materials

מה המשמעות של Crystallinity ב- Concrete?

בחומרים מדעיים, קריסטלנות מתייחסת לדרגה של סדר מבני ב מוצקה. Cement paste הוא מורכב של מוצרי hydration גבישיים קשיחים (למשל, Portlandite, ettringite, monosulfoaluminate) ויחס amorphous או גבישי גרוע מאוד של סידן-siline-S-H) ג'ל C-H, המהווה במידה רבה את רמת חוזק גבוהה יותר של 2DIRDVDIFFIRLD (בדרך כלל) אך ורק גבוהה יותר, אך ורק גבוהה יותר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, בעיקר, כלומר, בעיקר, C- C- C- C-H-H) הוא מעלה חלקית, הוא גבוה יותר, בעיקר, כלומר, בעיקר, הוא גבוה יותר, עלייה משמעותית, בעיקר, עלייה מוגבלת של חומר C- C- C- C- C- C-H-H) של חומר C-H-H-H) הוא גבוה יותר, בעיקרורידיתיתיתיתוליאנית משקל C-H) הוא גבוה יותר, הוא גבוה יותר, הוא גבוה יותר, הוא גבוה יותר, הוא גבוה יותר, כלומר, בעיקר, בעיקר, בעיקר, הוא גבוה יותר של חומר C- C- C- C- C-H

המונחים: XRD

שתי גישות נפוצות משמשות למדידת גבישיות מהנתונים XRD:

1. (FLT:0 מתודולוגיה סטנדרטית רלוונטית: 1FLT:1 A ידוע מסה של תקן גבישי מאוד (למשל, קורטונדום, ⁇ Al2O3) נוסף לדגימה.העוצמה של שיאים של תקן הוא בהשוואה לאלה של השלבים הקריסטליים במדגם כדי לחשב את השבר המוחלט.
2. (FLT:0Rietveld הזיכוך עם תקן פנימי או ללא (התאמה מלאה): אנדרט 1 A-powder-pattern Fittion עם גישה מתאימה כי מודלים הן פסגות קריסטל ברקג ואת הרקע amorphous.כאשר תקן פנימי משמש, התוכן המוחלט יכול להיות נקבע.

ערכי גביש אופייניים עבור רמות מלט רגיל של פורטלנד (OPC) ב-28 ימים טווח בין 30-50% גבישי (בעיקר פורטייט ו-AFm /AFt) ל 50-70% amorphous (C-S-H ו unreacted תוספת חומרים תוספתיים (SCMs) כגון זבובים או stras מכילים זכוכית משמעותית (Dams) אשר ניתן להעריך חומרים מקטעי X.

גורמים המשפיעים על Crystallinity

מספר פרמטרים משפיעים על התואר והטבע של גבישיות במערכות מלטניות:

• (ב) יחס של מים לקיום (w/crea): 1:1 w/c מקדם היווצרות של גבישים גדולים, מגובשים היטב על חשבון ג'ל C-S-H.
• (ב) טמפרטורות:0)הטמפרטורה של טמפרטורות אלוברד מאיצה את ההייבשות ויכולה לשנות את שלב הכשלות - למשל, קידום המרה של קטורט מטבולית למונוסולום.
• (FLT:0Chemical admixtures: FIRLT:1 , Retarders, מאיצים, או superplasticizers משפיעים על קצב ההנקה והצמיחה של שלבים גבישיים.
• (FLT:0)Carbonation:FLT:1 אטמוספירה CO2 מגיב עם פורטלנדיט כדי ליצור calcite (CaCO3), שינוי שלב הקריסטלי assemblage ולהגדיל את הקריסטליות הכוללת תוך צמצום ה- pH.

ניתוח מוצרים עם XRD: A Deeper Look

שלב ההנעה והחתימות של ה-XRD שלהם

הייבוש של מלט פורטלנד הוא רצף מורכב של תגובות חפיפות. XRD יכול לפקח על צריכת של שלבים clinker (C3S, C2S, C3A, C4AF) ואת הופעתה של מוצרי hydration.השלבים החשובים ביותר כוללים:

Phase	Chemical Formula	Typical XRD Peaks (2θ, Cu Kα)	Role in Concrete
Portlandite	Ca(OH)₂	18.0°, 34.1°, 47.1°	Provides alkalinity; can be detrimental if massive crystals cause weak zones.
Ettringite	C₆AŜ₃H₃₂	9.1°, 15.8°, 23.0°	Early stiffening; sulfate attack indicator.
Monosulfoaluminate (AFm)	C₄AŜH₁₂	11.7°, 20.2°, 23.5°	Late‑age phase; forms when ettringite converts in low‑sulfate environment.
Calcite	CaCO₃	29.4°, 39.4°, 48.5°	Carbonation product; may fill pores but reduces pH.
C‑S‑H (amorphous)	Variable (~C₁.₇SH₄)	Broad hump ~29–35°	Primary binding phase; poorly crystalline.

(FLT:0note:cioFLT:1 פסגות ניתנות לקרינת קו Kα (λ=1.5406 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ) שימוש בקרינת סינכרונכרן או בודהות שונות (Co, Mo) משמר עמדות שיא.

ב-Situ XRD עבור hydrotion Kinetics

אחת האפליקציות החזקות ביותר של XRD היא לאחר ההייבשות בזמן אמת.סרט מאפה דק ממוקם בתא מדגם טמפרטורה-לחות מבוקרת, ודפוסי דיפרקציה נאספים כל כמה דקות.

• הצריכה המהירה של C3A בתוך הדקות הראשונות (האחראית לפלאש שנקבעה אם לא הדהדה על ידי ג'יאום).
• תקופת החדירה וההיווצרות המואצת של פורטלנדיט ו-C-S-H.
• המרה של ettringite to monosulfoaluminate לאחר sulfate depletion.
• ההשפעות של מאיצים (למשל, CaCl2) או retarders (למשל, תולעים) על התפתחות שלב.

נתונים אלה הם בלתי חוקיים עבור אימות מודלים של hydration תרמודינמית (למשל, CEMHYD3D, HYMOSTRUC3D) ולפתח ניסוחים חדשים של admixture.

ניתוח טכני של מוצרי הנקה

לניתוח שלב כמותי (QPA) של מאפים מלט מיובש, השיטה Rietveld היא תקן הזהב.לאחר שחיקה את הדגימה לאבקה בסדר (גודל חלקיקים < 10 μm) ושילוב עם תקן פנימי (בדרך כלל 10-20 wt% corundum או rutile), דפוס diffraction מלא הוא מעודן.

• פורטלנד: 15-25 wt%
• אתוט: 5-10 wt%
• Monosulfoaluminate: 2-5 wt%
• C3S + C2S: 5-15 wt% (בהתאם לנסנסנס ו- w/c)
• Amorphous (C-S-H + אחרים): 40-60 אחוז

חשוב לציין כי Rietveld QPA מניחה יצירה קבועה לכל שלב.עבור שלבים כגון C-S-H, שיש להם סטויצ'ימטריה משתנה, התוכן amorphous הוא דיווח כסכום גוש.

מגבלות XRD וכיצד ניתן להתגבר על ה-

גילוי של שלב הקריסטלי והאומלל

המגבלה המשמעותית ביותר של XRD היא חוסר הרגישות שלה לחומרים amorphous.C-S-H, sCMs, ומדורגים מסוימים מייצרים רק פיזור רחב, אשר לעתים קרובות מתייחסים כרקע. כדי לכמת את השבריר amorphous, תקן פנימי הוא חובה. גם אז, הדיוק תלוי כמה טוב הרקע הוא מודל והאם חפיפות amorphous עם פסגות.

מעלים שיאים וטיפוח מועדף

באולמות מלט, שיאים משלבים שונים יכולים לחפוף (למשל, פורטלנדיט (001) ב 18.0 מעלות ו- ettringite (002) ב 17.9 מעלות לפעמים בלתי ניתן להבחין (למשל, שימוש ברזולוציה גבוהה XRD (Synchrotron או כלי מעבדה עם מונוכרמורמטורים) ותבנית זהירה עם שיטת Riveld יכול לפתור הרבה אוריינטציות מוכנות - במיוחד כמו סוללות סטנדרטיות:

• חזרה לטעון את בעל הדגימה כדי למזער אוריינטציה.
• ספיןף את הדגימה במהלך מדידה.
• כולל תיקון אוריינטציה ממרץ-דואלז המועדף על הזיקוקציה.

יצירת אמנות

חיתוך מלט מיובש אבקת קנס יכול לגרום פליטה חלקית ואת התייבשות של שלבים כמו ettringite (אשר מאבד מים לחות נמוכה) כדי לשמר את התחת האמיתי של לחות, דגימות צריך להיות מוכן תחת אווירה אינרציה (N2 או Ar) ומדד מיד או מאוחסן במיכלים חתומה. Cryo-grinding (עם חנקן) משמש לעתים לצמצום של מחרוז במהלך מילימטר.

טכניקות: בניית תמונה שלמה

אף טכניקה אחת לא יכולה לאפיין באופן מלא מיקרו-מבנה מלטי. XRD הוא החזק ביותר בשילוב עם:

• (ב) ⁇ (הההתח): ⁇ (ההתר- ⁇ ) ו-FGA): ⁇ (Qermogravimetric Analysis) ו- Carbonates (הדה-פחמנית מעל 600°C) TGA מספקת גם כמות המים היבשים מבחינה כימית, אשר מתואמים את מידת ההידבקות.
• (FLT:0) אלקטרוניקה מיקרוסקופיה (SEM) עם אנרגיה-Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS): פיזור 1:1 חושף את המורפולוגיה והרכב האלמנטרי של שלבים. Backscattered אלקטרונים להציג porosity ו דגנים ללא hydrated clinker, בעוד EDS ממפה את ההפצה של Ca, Al, Al, P, ו-FRED2D.
• [01:0] ,[עריכת קוד מקור], [NMR]: [01] ‭ ‬9‭ ‬Si] ו-27Al NMR מספקים מידע מפורט על אורך שרשרת הסילטיקה ב-C-S-H ותיאום האלומיניום בשלבים של AFm ו- AFt.
• (FLT:0) Fourier-Transform Infrared Spectroscopy (FTIR): הצצה 1:FIR1 לרטטים מולקולריים של סיליקה, פחמן, ו-Sulfates. The Si-O מתיחה הלהקה ליד 970 ס"מ-1 נותן מידע על מבנה C-S-H.

שילוב שיטות אלה מאפשר לחוקרים לשפעי שלב חוצה-הכלל ולהבין את חלוקת השלבים 3D, לא רק נוכחותם הממוצעת.

יישומים במחקר ובתעשייה

בקרת איכות בפורטלנד Cement

צמחי Cement משתמשים באופן שגרתי XRD (לעתים קרובות עם הכנת דגימות אוטומטיות וניתוח Rietveld) כדי לפקח על הקומפוזיציה שלב clinker.טווח היעד עבור C3S, C2S, C3A, ו C4AF קשורים למפרט ביצועים. Departures מטווחים אלה יכולים להצביע על תנודות טמפרטורה ln או שגיאות פי כמות מזון גולמי. XRD גם לזהות שלבים קטנים כגון pericams (OL) או s (Ogic) או גילוח).

אופטימיזציה של Banded Cements

כאשר SCMs כגון זבוב אפר, קרקע נפוצה slag, או silica fume משמשים, XRD עוזר לקבוע את התוכן amorphous של SCM (אשר תואם עם reactivity) ואת האבולוציה של מוצרי hydration. לדוגמה, לטוס עם תוכן זכוכית גבוה (>70% amorphous) הוא יותר תגובתי ומייצר תוספת C-Hite מעקב זה Xland יכול להפחית את התוכן.

אבחון של ייצוב

ליבות שדה שסבלו מתגובה אלקאלי-סיליקה (ASR), פיגוע sulfate או הקפאה-thaw ניתן לנתח על ידי XRD כדי לזהות שלבים מחוסנים.עבור sulfate התקפה, נוכחות של ettingite מסיבי או thaumasite (CasiO3ccccccccgic XK) היא בדיקה עבור ASRiFite, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000) הוא לעתים קרובות, 000 ⁇ , 000, 000, 000, 000 ⁇ , 000 ⁇ , 000

פיתוח של Low-Carbon Cements

עם דחיפה לבניית פחמן אפס נטו, מכווצים חדשים כגון סידן sulfoaluminate (CSA) מלט, חומרים מקודמים אלקלי (geopolymers), ואבן גיר calcined מלט חימר (LC3) דורש סיווג XRD מפורט XRD. עבור LC3, XRD מחלחל את התוכן amorphous metakaolin in caled ו מסלולים של היווצרות חימרומיים ונקמיים, אשר לתרום כוח heboreminateal monoromeal.

מגמות עתידיות ב- XRD עבור מערכות Cementitious

התחום מתקדם במהירות.מגמות מתפתחות כוללות:

• (FLT:0) הפונקציה X-ray מבוססת X-ray (PDF) ניתוח: FLT:1 באמצעות צילומי רנטגן באנרגיה גבוהה (Ag aode or Synhrotron), PDF מספק מידע על הסדר הקצר והבינוני בשלבים אמורפיים כמו C-S-H, זה יכול לחשוף את nanostructures השולטים כמו זחילה וכווץ.
• (ב) ויקרא: ויקרא י"א): "בְּהִנָּבְהִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתָם" (במדבר כ"ד, כ"ד).
• (FLT:0) למידה של זיהוי שלב: אלגוריתמים למידה עמוקה מאומנים על מסדי נתונים גדולים של XRD כדי לזהות באופן אוטומטי שלבים קטנים ולהגדיר תוכן אמורפי עם קלט משתמש מינימלי.
• מכשירים XRD:0 (Portable XRD:FLT:1 Handned XRD משמשים לבדיקה שדה של מבנים קונקרטיים, המאפשר אבחון מהיר באתר של התדרדרות ללא דגימה הליבה.

טיפים מעשיים להכנת XRD ומדיעה

כדי להשיג נתונים אמינים של XRD מחומרים מלטיים, בצע את השיטות הטובות ביותר:

1. (ב) ,0) לעצור את ההידרומיות: 1FLT:1 עבור פסים, למחוץ את הדגימה ולטבול אותה ב- isopropanol או acetone למשך 2-4 שעות, ולאחר מכן יבש ב 40 מעלות צלזיוס או מתחת לוואקום.
2. <חזק>Grind לנסנס מיטבי: היעד בגודל חלקיקים של <10 מיקרומטר (<20 מיקרומטר לניתוח שגרתי) Over-grinding יכול להרעיש את פני השטח או לגרום לשינויים בשלב; להשתמש במילימטר דיסקווט או מיקרוניצר.
3. (ב) ⁇ :0) סטנדרט פנימי: ⁇ 1:1 לערבב ביסודיות עם 10-20 wt% של תקן מגובש היטב (corundum, rutile, או סיליקון) לבדוק את הטוהר וההגבישנות הסטנדרטית על ידי מדידה זה לבד.
4. (FLT:0) בעל הדגימה האחורי-פיל: FLT:1 השתמש במדגם הדגימה האחורי כדי להפחית את הכיוון המועדף. עבור שלבים חד-צדדיים מוכוונים מאוד, עומס בצד או ריסוס-דחיקת אבקה יכול לעזור.
5. (FLT:0) נתוני Collect על טווח זוויתי רחב:FLT ( 1-5-70 ° 2 ⁇ (Cu Kα) אופייני למלט; כוללים זוויות נמוכות (2-5 °) כדי ללכוד את הפסגות שלב טרף ופרקם.
6. (FLT:0)Use בגודל של שלב וספירת זמן הניב סטטיסטיקות נאותות: גודל שלב 1:1 -0.02 מעלות ספירת זמן ⁇ 2 שניות לכל שלב.עבור ניתוח כמותי, ספירת זמן ארוכה יותר ( ⁇ 10 s/step) לשפר את יחס האות-ל-אין-אין-זה, במיוחד עבור שלבים קטנים.
7. (FLT:0)Refine הנתונים באמצעות שיטת Rietveld:FLT:1 השתמש תוכנה המאפשרת הזיכוך של פרמטרים לטאיצ'ה, פרמטרים בצורת שיא (Caglioti, pseudo-Voigt function), וגורם בקנה מידה כללי.

מסקנה

דיפרקציה רנטגן מספקת חלון שאין דומה לעולם הקריסטל של מלט ו בטון.מזהה את השלבים העיקריים של clinker במפעל ייצור כדי לעקוב אחר האבולוציה העדין של מוצרי hydration בדלפק פחמן נמוך חדש, XRD נשאר כלי בסיסי עבור מדעני חומרים חומר ומהנדסים.

עבור אלה המתחילים את המסע שלהם לניתוח מלט XRD, העצה החשובה ביותר היא להשקיע זמן בהכנה דגימות ולהשתמש פרוטוקול זיכוך קפדני Rietveld.השלם הוא שלב מפורט, כמותי שיכולה להודיע ישירות עיצוב חומרי ובקרת איכות.עתיד של בטון - אור, חזק יותר, ירוק יותר - ייבנה, חלקית, על תובנות שנצברו מתבניות דיפרציה.