הקדמה: למה חשוב Durability חומרים רגישים

חומרים רגישים - מרגמה, גרד - הם עמוד השדרה של תשתיות מודרניות.מגשרים סכרים ועד בניינים גבוהים וריצוף, חומרים אלה חייבים לסבול עשרות שנים של עומסים מכניים, התקפות כימיות, רכיבה תרמית ולחות באגרסיביות.הכישלון של מבנה קונקרטי עקב בעיות עמידות מדי שנה בתיקון ובהחלפתו.

מאמר זה חוקר את היישום של XRD בחקירת עמידות חומרית מלטית.זה מכסה את היסודות של הטכניקה, התפקיד שלה ניטור hydration והשפלה, שיטות כמותיות מתקדמות, מחקרים מקרים מעשיים, ומגמות נוכחיות. חוקרים, מהנדסים, וחומרים מדענים ימצאו מדריך מקיף אך נגיש לשימוש XRD עבור הערכה עמידות.

יסודות רנטגן דיפרציה עבור חומרים רגישים

דיפרקציה רנטגן היא טכניקה אנליטית לא הרסנית המזההה ומדכאת שלבי גבישיים בחומר.כאשר קרן רנטגן מונוכרומטית מכה מדגם, היא מפוזרת על ידי מטוסים אטומיים בתוך הליטקטיס קריסטל. הגלים מפוזרים להפריע בזווית מסוימת בלבד, כפי שתואר על ידי חוק בראג:

⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

(ב) λ הוא λ הוא אורך הגל של אירוע X-rays, FLT:2dphFLT 3:2dveFLT 3: הוא מחסנית בין-התוכנית, ו ⁇ הוא זווית החרוטה (Digitalraction) אשר נוצרה על ידי דפוס ה- PDF (I) אשר הוא מספר עצום של טביעות אצבע, כל אחד מהם הוא סימן ל-I) אשר ניתן לזהות במהירות את כל פרקי.

בחומרים מלטיים, הכנת הדגימה הטיפוסית כוללת שחיקה את הדבק הקשיח או הבטון לאבקה בסדר (בדרך כלל < 80 μm), back-filling או אריזה לתוך בעל הדגימה, וסריקה מעל טווח 2 של 5 מעלות עד 70 מעלות או רחב יותר. diffractometers לעתים קרובות להשתמש בקרינת Kα (λ=1.54 ⁇ ) ו-Brenttexa) ו-brents.

מקור:0 (ב) ,9179RD Basic Principles and InstrumentationationationFLT:1 מספק הסבר מפורט יותר של הפיזיקה והציוד.

תפקיד XRD במחקרים על שינוי

התדרדרות של דורנס באה לידי ביטוי לעתים קרובות כטרנספורמציות מרואיינות. XRD מאפשר לחוקרים לזהות שינויים אלה מוקדם - לפעמים לפני שאובדן מכני משמעותי מתרחש.

ניטור ופיתוח מיקרו-מבנה

(ב) ב[[1924]] וב[[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] ו[[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]

  • לקבוע את מידת ההייבשות של כל שלב clinker.
  • לזהות פיגור או האצה עקב שילובים או חומרים מלטיים משלימים (SCMs).
  • נקטו את היווצרות של שלבים מטבוליים (למשל, hemicarbonate) המשפיעים על יציבות ארוכת טווח.

נתונים קוונטיים מ- XRD משולבים לעתים קרובות עם מודלים תרמודינמיים (למשל, GEMS) כדי לחזות את שלב ה-Assemblage בכל גיל או מצב סביבתי.

Detecting Degradation בשל Sulfate Attack

התקפה Sulfate מתרחשת כאשר משטחים חיצוניים (מקרקע, מי הקרקע או מי הים) או סולפטים פנימיים (מצטברים מזוהמים) מגיבים עם שלבים מלט מיובשים.הסימנים הקלאסיים להתקפה סולפט כוללים:

  • (ב) [15] ,2 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ⁇ :0) ⁇ : ⁇ ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ⁇ :0) ⁇ : 1 (ב) 1 (ה) כפליים מורכבים של סידן-סולפט-פחמיאט-פחמיאט-פחמיאט שצורות בטמפרטורות נמוכות ויכולים להרוס לחלוטין את קו ה-C-H.

XRD היא השיטה הישירה ביותר לזהות שלבים אלה. סריקה אחת יכולה לחשוף את נוכחותה של ג'יפסיה (11.6 מעלות 2 ⁇ ), ettringite (9.1 ° 2 ⁇ ), ואת thaumasite (9.2 2 ⁇ , חפיפה אך ניתנת להפרדה על ידי ניתוח מלא של patterntern). ניטור קבוע של חשוף לסביבות אגרסיביות מאפשר למהנדסים להעריך את חומרת ההתקפה והתוכנית.

הערכת פחמן

פחמן הוא התגובה של פחמן דו-חמצני אטמוספירי עם שלבים אלקליין בטון, בעיקר פורטלנדיט ו- C-S-H. המוצר הראשי הוא סידן פחמן (CaCO3), אשר יכול להופיע כ calcite, aragonite, או vate. XRDifies כמות של פורטלנדיט נצרך ואת סוג של פחמן מפלט שנוצר, מ- pH למטה כדי לשנות את ה- CDC- CDC של תכונות נוספות.

יתרון חשוב של XRD על מכת פנולפילטין פשוטה הוא כי זה מבחין בין פולימורפים פחמן שונים, אשר יש שפעות שונות ואפקטים על פורוזיות. לדוגמה, aragonite נוטה להיווצר בטון ישן, דומם יותר, בעוד calcite הוא יציב יותר.

תגובה של אלקאלי-סיליקה (ASR)

ASR מתרחשת כאשר אחליקה פעילה בצרפיות מגיבה עם alkalis בפתרון גורר כדי ליצור ג'ל אלקאלי-סיליקה מרחיבה.הג'ל עצמו הוא amorphous, אבל נוכחותו ניתן להסיק מהשינוי של מינרלים מצטברים (למשל, היעלמות של שיאים quartz, הופעת של שלבים סילקויים חדשים XRD משמש כדי לאפיין את המינרליים מצטברים כדי לזהות מוצרים קונקרטיים או לזהות קריפטים יותר.

XRD (QXRD) ושיטת Rietveld

בעוד זיהוי איכותי הוא ערך, הערכות עמידות דורשות לעתים קרובות לדעת את הסכום המדויק של כל שלב. Quantitative XRD (QXRD) באמצעות שיטת Rietveld הפך תקן הזהב של חומרים מלטניים. Rietveld הזיכוך מתאים דפוס דיפרציה מחושב לדגם המדמוד, התאמת פרמטרים מבניים וגורמי בקנה מידה עבור כל שלב. זה מניב משקל ישירות, בתנאי תוכן פנימי כמו Zundn בדרך כלל).

יישומים מרכזיים של QXRD בעמידות כוללים:

  • מעקב אחר הצריכה של SCMs (למשל, זבוב אפר, ג'יגה, סיליקה פומה) לאורך זמן. SCMs הם לעתים קרובות amorphous, אבל את תגובתם ניתן להסיק מן העיוות של החלק הקריסטלי.
  • קביעת כמות של ettringite, monosulfate, ו הידרוגרנט בטמפרטורות בטון חשופים לטמפרטורות ריפוי שונות.
  • מדידה של מידת הפחמן על ידי השוואת שברירי פורטלנדיט ו calcite.
  • קביעת מלט מיובש ב בטון ישן כדי להעריך פוטנציאל כוח שנותר.

ניתוח טיפוסי של Rietveld עבור מאפה מלט מיובש עשוי לקחת 10-20 דקות לדגימה, עם דיוק עד 0.5 wt.%. עבור פרטים נוספים, ראה: FLT:0Rietveld Method Tutorial ו- Software ResourcesFLT:1.

מחקרים בנושא: XRD in Real-World Durability Investigations

Sulfate Attack on a Bridge Foundation

בגשר בחוף פלורידה, יסודות פיאר בטון החלו לפצח לאחר 15 שנים של שירות. Cores הוצאו וניתחו על ידי XRD. הדפוסים הראו שיאי ג'יפסום בולטים והפחתה בפורטלנדיט בהשוואה לצליל קונקרטי מאותו מבנה.ניתוח כמותי נוסף גילה כי 10 מ"מ חיצוני של הליבה הכיל 12 ירכיים, בעוד החלק הפנימי (50 מ"מ) אפשר רק 20% של שירות זה.

פחמן של חניה

מוסך חניה בן 30 הציג ספיעה וחלודה כתמים על עמודות. XRD של דגימות אבקה שנלקחו במעמקים גוברים הראו כי פורטייט נעלם בתוך 20 מ"מ הראשונים והוחל על ידי calcite ו aragonite.העומק הקדמי של פחמן, שנקבע על ידי XRD, תואמים היטב עם corrosion פוטנציאל הקרנה.המחקר הגיע ל porosicity גבוהה יותר, acceration נדרש ראיות כדי להצדיק את XRD.

טכניקות משלימה: אינטגרציה XRD עם שיטות אחרות

XRD הוא החזק ביותר כאשר משתמשים יחד עם כלים אנליטיים אחרים.שילובים נפוצים כוללים:

  • (FLT:0) Thermogravimetric Analysis (TGA): ראטמפול 1: מודד אובדן המוני מפירוק של hydrates (למשל, פורטניט ב -450 °C, פחמן ב -600-800 ° C). TGAifies amorphous ו- גבישי hydrates, בעוד XRD מזהה את השלבים הקריסטליים.
  • (ב) עם EDS:Fillo 1:0) מספק הדמיה של מורפולוגיה ומיפוי אלמנטרי. XRD אומר לך מה הם קיימים; SEM מראה היכן הם וכיצד הם מחולקים.
  • (ב) ויקרא י"א): "ה'" (ב"ד): "ה'" (ב)"ב"ה' (ב"ב)" (ב"ב)"ב)"ב"ה' (ב"ב)"ב"ה', ו"ה'"ה'"ב'"ב')" (בראשית כ"ד).
  • (FLT:0) Fourier-Transform Infrared Spectroscopy (FTIR): ph:1 רגיש לרטטים מולקולריים, שימושי לזיהוי מוצרי פחמן ואורגניים.

להערכת עמידות מקיפה, ניתן למצוא גישה תלת-ממדית (XRD + TGA + SEM/EDS) לעיתים קרובות מומלץ.דוגמה של זרימת העבודה המשולבת הזו בFLT:0ACI Durability Testing Guidelines (ראה: FLT:1).

יתרונות ומגבלות של XRD במחקרים על Cement Durability

יתרונות

  • (ב) יש צורך בדגימות קטנות (לא-הרסניות): 1FLT:1, דגימות קטנות אבקה קטנות; ניתן להשתמש בדגימות המקוריות לבדיקות אחרות.
  • (ב) רגישות גבוהה לשלבים גבישיים: FIRLT:1 יכול לזהות שלבים הקיימים בכמויות נמוכות כמו 0.5 wt.%.
  • (ב) ,0) זיהוי קלפי: סריקה מלאה לוקח 10-30 דקות, עם התאמה של שלב אוטומטי.
  • (ב) ⁇ :0) יכולת ניהולית: 1FLT:1 עם סטנדרטים פנימיים או זיכוך ריק, שפעי שלב מוחלט מתקבלים.
  • (ב-) מחקרים: (ב-Situ XRD) יכולים לעקוב אחר תגובות בזמן אמת (למשל, התייבשות מוקדמת, קינטיקה של פחמן).

הגבלות

  • (ב) תוכן:0 (ה) [ה]מב"ה, לא ניתן לזהות שלבים אחורניים (למשל, C-H, silica fume, זבוב כוס אפרים) בתבנית מעניקה הערכה, אך מדויק של קוונטיזציה דורש תקן פנימי או הפיכה עם TGA/NMR.
  • (FLT:0) הכנת ⁇ : 1FLT) יכול לגרום לזיכרון מכני או אוריינטציה המועדפת, במיוחד עבור שלבים platy כמו Portlandite. שיטות זהירות (למשל, שחיקה עדינה זהירה, עומס אחורי) להקל על זה.
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) No Crystallite size Information:FLT:1iging נותן גודל קריסטל ומיקרו-אימון, אבל תמצית ערכים אמינים דורשת ניתוח פרופיל קו מתוחכמת (למשל, ויליאםסון-ההול).
  • (FLT:0) ציוד ומומחיות: בנגלדש:1 ; Benchtop diffractometers עולה 100k- 300k $, וניתוח Rietveld דורש הכשרה.

למרות מגבלות אלה, XRD נשאר הטכניקה העיקרית לניתוח שלב במחקר עמידות מלט, ושיפורים בגלאים ותוכנה ממשיכים להרחיב את טווח ההגעה שלה.

כיוונים עתידיים: Advanced XRD for Cementitious Materials

שם הסרטון: Operando XRD

מעבדה בתאים XRD השולטים בטמפרטורה, לחות ואווירת גז מאפשרת ניטור בזמן אמת של תגובות כמו פחמן, sulfate התקפה, ו hydration. התפתחויות האחרונות כוללות תאים שיכולים לדמות מחזורי קפוא או חשיפה לפתרונות ionic אגרסיביים. נתונים אלה מספקים פרמטרים קינטיים חיוניים עבור מודלים עמידים.

סינכרון XRD

קרינה סינכרון מציעה הזמנות של חומר נפץ גבוה יותר וצינורות אנרגיה.זה מאפשר:

  • איסוף נתונים מהיר מאוד (שניים) כדי ללכוד ביניים transient.
  • ניתוח מפוכח באמצעות מיקרו-בים למיפוי שלב הפצה על פני סעיף קונקרטי.
  • נתונים ברזולוציה גבוהה כדי להפריד את שיאי החפיפה מתערובת מורכבת כמו מלטים ממזגים.

דוגמאות כוללות את השימוש של סינכרן XRD כדי ללמוד את הניקוי המוקדם של C-S-H ולכמת את התגובה של זבוב אפר במהלך 24 השעות הראשונות.

למידה ממוחשבת לשלב Identification

מסדי נתונים גדולים של תבניות דיפרקציה משמשים להכשיר רשתות עצביות שיכולות לזהות באופן אוטומטי שלבים בתערובת מורכבת.כלים כאלה להפחית את הצורך בניתוח מומחה ידני ויכולים לדגל שלבים בלתי צפויים בדגימות עמידות.

מסקנה

X-ray diffraction היא טכניקה אבן הפינה לחקור את עמידותם של חומרים מלטיים.היכולת שלו לזהות ולכמת שלבים גבישיים - ממוצרים היממה כמו פורטייט ו- ettringite לסימון ההשפלה כגון gypsum ו-thaumasite - מספק נתונים חיוניים להבנת מנגנונים מתחדשים. בשילוב עם שיטות משלימות כמו TGA, SEM, NMR, מאפשר הערכה של XD של שירות הוליסטית ו-ה.

ככל שגילי תשתיות ודרישות קיימות גדלים, תפקידם של XRD רק ירחיב.בניסויי החלפת, מקורות הסינכרון והמכשירים של למידת מכונה מבטיחים לספק תובנות עמוקות יותר והחלטות מהירות יותר.על ידי שליטה ביישום XRD, מהנדסים עמידים וחוקרים יכולים לפתח חומרים טובים יותר, לחזות מצבי כישלונות, ולהרחיב את החיים של הסביבה הבנויה.

לקריאה נוספת על יישום טכניקות אנליטיות מתקדמות בעמידות קונקרטית, להתייעץ עם (FLT:0) "האפיון מתקדם של חומרים רגישים"FLT:1 ו-FLT:2 "הקדמה ל-concrete Durability"ראה ספר לימוד.