Выражение цементная поры решения и анализ его химического состава и сопротивлению, с использованием рентгеновской флуоресценции

Этот протокол описывает процедуру выразить свежие поры решение от цементная систем и измерение его ионного состава с использованием рентгеновской флуоресценции. Ионный состав может использоваться для вычисления поры решение электросопротивления, который может использоваться вместе с конкретным электросопротивления, чтобы определить фактор формирования.

Цель этого метода необходимо определить химический состав и электросопротивления решения цементная поры выразил от образца свежей пасты. Поры решение выражается из образца свежей пасты, с использованием системы газ под давлением азота. Поры решение немедленно переводятся в шприц для сведения к минимуму испарение и карбонизации. После этого собранный тестирования контейнеры используются для измерения рентгеновской флуоресценции (XRF). Эти контейнеры состоят из двух концентрических цилиндров пластиковые и полипропиленовой пленки, который запечатывает одной из двух открытых сторон. Поры решение добавляется в контейнер непосредственно перед измерением РФА. РФА откалиброван для выявления основных видов ионных в поры решения, в частности, натрий (Na⁺), калий (K⁺), кальция (Ca^{2 +}) и сульфид (S^{2 -}), чтобы вычислить сульфат (т₄^{2 -}) с помощью стехиометрия. Гидроксиды (OH^–) можно рассчитать баланс заряда. Чтобы вычислить электросопротивления решения, используются концентрации основных видов ионных и модели Снайдер и др . Удельное электрическое сопротивление поры решения может использоваться, наряду с удельное электрическое сопротивление бетона, для определения фактора формирования бетона. РФА является потенциальной альтернативой текущие методы для определения состава поры решения, которое может обеспечить преимущества с точки зрения сокращения времени и расходов.

Свойства транспортного бетона определяется его формирования фактор, который является мерой основных микроструктуры¹. Фактор формирования определяется как обратное продукта между подключения и пористости бетона². Фактор формирования можно рассчитать коэффициент электросопротивления бетонов и электрического сопротивления поры решения, представленные в уравнение 1³.

(1)

Здесь,

= Удельное электрическое сопротивление навалом или бетона (Ωm);

= Удельное поры решения (Ωm).

Основная, что удельное сопротивление бетона может быть легко определено на затвердевшего бетона с помощью измерителя сопротивления, следующие подходы, изложенным в добавлении РР84-17 AASHTO X2 и другие литература^4,5. Цель этой статьи — предоставить инструкции для выражения поры раствор из свежей пасты и анализ ионного состава решение, с использованием рентгеновской флуоресценции (XRF) спектроскопии. Выраженная поры решения испытывается в РФА, использование коммерчески доступных материалов (цилиндры и фильм). Ионный состав обнаруживаемых РФА может использоваться для нескольких приложений прочность бетона и может также использоваться для вычисления электросопротивления поры решения, в конечном итоге определить фактор формирования⁶.

Текущие методы определения химического состава поры решения, такие как индуктивно связанной плазмы (ICP)⁷, атомной абсорбционной спектроскопии (ААС)⁸и ионной хроматографии (IC)⁹, может быть дорогостоящим, требует много времени и довольно кропотливая. Кроме того в некоторых случаях, для того чтобы получить полную характеристику основных ионных видов в поры решение¹⁰должен использоваться сочетание различных методов. РФА может использоваться как альтернатива для этих методов, где состав поровой решения могут быть получены в сравнительно ниже стоимости и короче время тестирования по сравнению с обычными методами.

XRF-это техника широко используется в цементной промышленности, как он в основном используется для анализа химического состава готовых материалов для контроля качества и контроля качества на протяжении всего процесса^{11,12 для производства цемента} . Таким образом этот метод будет описывать, как этот метод может использоваться для включения производителей цемента использовать этот инструмент предоставить дополнительную информацию о составе поры раствор цемента различных пакетов. В целом с помощью РФА для поровых растворах потенциально может расширить использование этой техники для нескольких приложений и могут быть реализованы в отрасли относительно быстро.

1. поры решения выражение¹³

1. Убедитесь, что отдельные компоненты решения экстрактор поры чистыми и сухими.
2. Используйте новый фильтр целлюлозы (с средней поры диаметром 0,45 мкм) для каждого выражения.
3. Соберите решение экстрактор поры, как показано на рисунке 1.
4. Проверьте, что есть нет видимых деформаций в фильтре целлюлозы.
5. Добавьте свежие цементная вставить в основной камеры, оставляя его пустым для по крайней мере 1 см от верха.
   Примечание: Термин свежая паста указывает любой цементная паста по-прежнему в состоянии пластика. Цементная наклейки обычно производится путем смешивания цемента, цементная дополнительных материалов, воды и химических добавок. Соотношения объема этих составляющих может варьироваться в зависимости от свойств желаемого.
6. Подключите экстрактор решение поры на источник азота и тюленей основной камеры.
7. Выровняйте устройство выражение с пластиковой канистры временно собирать извлечения поровой решения.
8. Открыть клапан бака азота и регулирования давления, используя регулятор давления, чтобы вставить в основной камере применяется около 200 кПа.
   Примечание: Для безопасности, должны использоваться регулятор давления.
9. Поддерживайте постоянное давление в течение 5 минут, во время которого будут собраны решения поры в пластиковой канистре.
10. После 5 минут от начала выражения закройте главный клапан, чтобы давление в основной камере опускается до атмосферного давления.
11. Удалите канистру под вытяжку и передать шприц 5 мл, убедившись, что не сосать в воздушные пузыри в процессе решения поры.
12. Печать шприц с его колпачок иглы и переместить его внутри камеры 5 ± 1 ° C храниться до времени тестирования.
13. Подождите, пока манометр показывает, что нет никакого дополнительного давления внутри основной камеры и, затем, разбирать экстрактор решения поры.
14. Очистите поры решение экстрактор частей с использованием деионизированной воды и бумажные полотенца.
15. Отменить фильтр целлюлозы.

2. Ассамблея решения контейнеров

1. Убедитесь, что пластиковые цилиндры являются чистой и сухой.
2. Место полипропиленовая пленка (коммерчески доступных толщиной 0,4 мкм, 90 мм в диаметре) плоской верхней части больших цилиндра (коммерчески доступных с диаметром 35 мм).
3. Вставьте меньше цилиндра (коммерчески доступных с диаметром 32 мм) полностью поверх больших цилиндра, толкая вниз и нажать фильм in-between обоих цилиндров для создания пластиковый контейнер с полипропиленовой пленкой базы.
4. Убедитесь, что фильм гладкая и не имеет слезы или деформации.

3. РФА разработки приложений и решения калибровки

1. Создайте файл приложения на РФА программного обеспечения. Приложение должно быть для решения образцов и должен быть способен обнаружить основные ионных видов в поры решение: натрий (Na⁺), калий (K⁺), кальция (Ca^{2 +}) и сульфид (S^{2 -}).
2. Калибровка применения решения с решениями известных концентрациях.
   1. Подготовить стандартные решения, точно количественно с помощью различной концентрации > 99% чистый хлорид натрия (NaCl), хлорид калия (KCl), кальция хлорид (₂CaCl) и сульфата алюминия (Al₂[₄т]₃) элемент, изучал.
      Примечание: Концентрации стандартов может варьироваться в зависимости от материалов, представляющих интерес. Например было отмечено, что концентрации Na⁺ варьируются от 0 до 0,5 моль/Л, концентрации K⁺ между 0 и 0,9 М, концентрации Ca^{2 +} между 0 и 0,05 М и концентрации S^2- между 0 и 0,25 М; Однако в зависимости от системы¹⁴могут возникнуть исключения, которые превышают эти пределы. Элементы определены и измерены в калибровке приложения должны включать все элементы, используемые в стандартах калибровки: натрий (Na⁺), калий (K⁺), кальция (Ca^{2 +}), сульфидные (S^{2 -}), кальция (Cl ^-) и алюминия (Al^{3 +}).
   2. Для каждого решения, калибровки измерения 6 g этого решения внутри собрал тестирования контейнера.
   3. Печать контейнер с соответствующими крышкой.
   4. Оставьте тестирования контейнер с стандартным решением на бумажное полотенце для 2 минут, чтобы убедиться, что фильм не утечки, которые могут потенциально повредить устройство РФА.
   5. Место ампулах тестирование контейнеров с стандартных решений внутри держатели образца РФА и закрыть РФА.
   6. Измерьте каждый стандартный раствор с помощью РФА. Интенсивность характерные флуоресцентные рентген элементов из каждого из решений, измеренная в графов в минуту (cpm), распознаются РФА.
      Примечание: Меняющиеся условия необходимы наборы для различных групп элементов. Обратитесь к ранее опубликованной статьи для параметров, таких как измерения времени и энергии возбуждения⁶.
   7. Обратите внимание на плотность в частях на миллион (ppm) каждого элемента в каждом стандартного решения, как это определено в программное обеспечение и относящиеся к интенсивности в подсчитывает в минуту (cpm), измеренное XRF.
   8. После того, как стандартные решения измеряются, используйте Коррекция модель матрицы из РФА программное обеспечение, используемое (линейная, Альфы, основные параметры (FP)), дающий минимальное относительное RMS (%) для каждого элемента в калибровке для создания лучших линейной подходят для Калибровка.
   9. Убедитесь, что приложение дает точные результаты тестирования решения известной концентрации гидроксида натрия (NaOH), гидроксид калия (KOH), гидроксид кальция (Ca [OH]₂) и сульфата алюминия (Al₂[так₄]₃ ) в различных концентрациях в пределах диапазона калибровка.
      Примечание: Приложение должно дать точные результаты, если ошибка находится в пределах 5%.

4. Рентгенофлуоресцентного анализа

1. Внедрять по крайней мере 2 g образца решения поры в контейнере собрал тестирования.
2. Печать контейнер с соответствующими крышкой.
3. Оставьте контейнер с решением на бумажное полотенце для 2 минут, чтобы убедиться, что фильм не утечки, которые могут потенциально повредить устройство РФА.
4. Место тестирования контейнеров с решениями внутри держатели образца РФА и закрыть РФА.
5. На РФА программного обеспечения выберите приложение РФА, который был ранее разработан.
6. Используйте интерфейс приложения программного обеспечения для выбора РФА держатели образцов, которые будут подвергнуты анализу рентгеновской флуоресценции.
   Примечание: Рекомендуется имя нового файла для каждого владельца выбранного образца, основанный на решение проходит испытания.
7. Запустите приложение РФА для измерения ионной концентрации растворов.
   Примечание: Результаты анализа XRF покажет концентрация натрия (Na⁺), калий (K +), кальций (Ca^{2 +}) и сульфид (S^{2 -}).

5. ионной концентрации расчет

1. Использование стехиометрии для расчета концентрации сульфата (т₄^{2 -}) с помощью уравнения 2.
   (2)
   Здесь,
   = Измеренная ионной концентрации ионов сульфид от РФА в ppm;
   = Молекулярная масса сульфида в г/моль;
   = Измеренная ионной концентрации ионов сульфат от РФА в ppm;
   = Молекулярная масса сульфата в г/моль.
2. Используйте баланс заряда для расчета концентрации гидроксиды (OH^–) с помощью уравнения 3.
   (3)
   Здесь,
   = концентрация гидроксид-ионов в ppm;
   = концентрация ионов натрия в ppm;
   = концентрация ионов калия в ppm;
   = концентрация ионов кальция в ppm;
   = концентрация ионов сульфата в ppm.
3. Преобразовать ионных концентраций ppm в моль/Л с помощью уравнения 4 и предполагая плотность (ρ) 1000 г/л При необходимости, более точную информацию плотность может получить учебники¹⁵ или термодинамических программного обеспечения и используется.
   (4)
   Здесь,
   = ионной концентрации одного ионных видов в моль/Л;
   = ионной концентрации одного ионных видов в ppm, полученные от РФА;
   = плотность раствора в г/Л;
   = Молекулярная масса одного ионных видов в г/моль;
   = моновидовые ионные.

6. сопротивление расчет

1. Используйте модель, разработанная Снайдер и др. ¹⁶, выраженное в уравнения 5-7, для вычисления электросопротивления поры решения.
   (5)
   (6)
   (7)
   Здесь,
   = Удельное раствора в Ωm;
   = эквивалент проводимость ионного моновидовые см² S/моль;
   = концентрация валентности один ионных видов;
   = Молярная концентрация одного ионных видов в моль/Л;
   * = эквивалент проводимость ионного видов на бесконечные разрежения в см² S/моль;
   * = Коэффициент эмпирических теплопроводности одного ионных видов в (моль/Л)^-1/2;
   = ионной силы (молярная основе) в моль/Л;
   = моновидовые ионные.
   Эпирические значения можно найти в таблице 1.
   Примечание: Фактор формирования затем может быть оценена как коэффициент электросопротивления бетонов и электрического сопротивления поры решение (уравнение 1)³. Как фактор формирования основных дескриптор микроструктуры бетона, определение фактора формирования является важным шагом в продвижении традиционно предписывающий промышленности к результатам спецификации. Формирование фактор был связан с различных транспортных явлений, таких как распространение, освоение и проницаемость и могут быть использованы для прогнозирования конкретных услуг жизни^{1,2,4, 5 , 17 , 18}.

В этом разделе представлены представителем результатов каждый крупный шаг в методологии. Это делается для того, чтобы получить представление о то, что ожидается в конце каждого этапа и предоставляют полезные советы для обеспечения правильного применения метода.

Первый важный шаг состоит в выражении поры решения из образца свежей пасты. Рисунок 2 показывает поры решение, которое правильно извлекается и опечатаны в 5-мл шприц. Поры решение на рисунке была выражена из свежих обычный портландцемент пасту с водой к цемент отношение 0.36. Образец был смешанные 10 мин до того, как изображение было взято. Ожидается, что решение поры быть ясно; Однако цвет может варьироваться в зависимости от типа цементная материалов, которые были использованы и возраст образца в момент выражения.

Перед измерением XRF решения извлеченные поры это необходимо для калибровки инструмента. В частности каждый элемент которого ионной концентрации будет оцениваться необходимо откалибровать. Представитель калибровки участок ионов калия (K⁺) показано на рисунке 3. На рисунке показана исполнении программного обеспечения на интенсивности, измеренное XRF фитинга. Обратите внимание, что Среднее квадратическое (RMS) ошибка фитинга должна оставаться ниже 5%.

После калибровки рекомендуется проверить решение известных ионной концентрации для определения точности станка. Измерения состава ионов, с помощью РФА сравнивается с теоретической состав обоих решений. Согласно нашему опыту, предполагая правильная подготовка ионных растворов этот шаг проверки должен принести процент ошибок ниже, чем на ± 5%. Рисунок 4 показывает результаты состава для выборочную проверку решений. Когда выборочную проверку дает процент ошибок более чем на ± 5%, повторите калибровку прибора РФА.

Таблица 2 показывает репрезентативный набор результатов для состава и сопротивление. В то время как ионная концентрация раствора поры могут варьироваться в зависимости от химический состав цемента, воды и цемента соотношение системы и наличие дополнительных цементная материалов¹⁹, контрольные значения могут быть полученные от литературы²⁰ для главных ионов, как показано в таблице 1.

Наконец при расчете сопротивление образца, значения для раннего возраста поровых растворах обычно ожидается в пределах 0,05 и 0,25 Ωm¹⁴. Теперь, когда известно резистивность решения пор, массового сопротивления могут быть получены с помощью других методов, как одноосные сопротивление, с тем чтобы, в конечном счете, вычислить фактором формирования, который обычно является более 2000 для хорошего качества бетона^{4 , 5 , 18}.

Рисунок 1 : Монтаж системы извлечения поровой решение. Система состоит из основных выражение устройства, азотом танка и трубки с безопасности манометр и регулятор и контейнер для коллекции. Всегда обращайтесь к инструкции изготовителя и мер предосторожности для конкретной системы используется. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 2 : Правильно извлечены и опечатали извлечения поровой раствор в шприц 5 мл. Извлечения поровой решение должно появиться очистить (то есть, нет видимых частиц) и должны быть закрыты без воздушных пузырей в шприц.

Рисунок 3 : Представитель калибровки участок калия (K⁺). Оси x показывает условно (известных) концентрации в ppm, а ось y показывает обнаруженных (измеренная) интенсивности с РФА в cpm. Калибровка линии, рассчитывается от одной из моделей коррекции программного обеспечения должны иметь наименьший RMS (%), как описано в разделе 3 протокола. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 4 : Ионов натрия (Na⁺) и ионов калия (K⁺) участок проверки. Пунктирная линия представляет собой соотношение 1:1. Участок контроля должны показать хорошее соотношение (почти отношения 1:1 с высокой значение R-квадрат) между известной концентрации ионов натрия и калия и обнаруженных концентраций, с помощью РФА. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Таблица 1: Эквивалент проводимости в бесконечные разрежения () и проводимости эмпирические коэффициенты () для каждого вида ионных, полученные из литературы¹¹. Эти значения используются для расчета электрического сопротивления поры решения.

Таблица 2: представитель результаты по составу и сопротивление цемента пастой с водой к цемент соотношение 0,36 в 10 мин Значения в этой таблице являются примерами результатов, полученных с помощью этого метода.

Так как это метод чувствительных химического анализа, крайне важно иметь лабораторной практики, препятствующие загрязнению. Для этого метода важно, что стандарты калибровки специально выполняются с высокой чистоты химических веществ (> 99%). При передаче поры раствор в шприц, убедитесь, что нет видимых цемента зерна присутствуют в решение, чтобы избежать любых изменений в решении поры. При хранении в запечатанных шприцов при постоянной температуре 5 ± 1 ° C, решение пор наблюдается сохранить без изменения химического состава на срок до 7 дней.

Одним из основных ограничений этого протокола, что метод выражения изложил может использоваться только для образцов свежая паста и не подходит для более поздних лет образцов. Для позднем возрасте или закаленной образцы необходим способ выражения с использованием высокого давления извлечения умирают²⁰ . Еще одним ограничением является, что минимальное количество 2 g решения необходимо проверить в XRF с сумма меньше, чем 2 g не имеет высоту постоянной выборки, которые может охватить весь нижней лицом контейнера. Это Последнее ограничение применяется к определенной настройки, который был использован в этом исследовании. Различные настройки, вероятно, позволит сократить в минимальное количество поровой решения, необходимые для тестирования. Еще одним ограничением является, что модель вряд ли применимо к системам, содержащих шлак богатые цементов после видов, таких как сернистого (HS^–), могут присутствовать как обсужено Vollpracht et al. ¹⁴.

Так как РФА – часто используемый способ в цементной промышленности, этот метод может потенциально позволяют производителям цемента использовать инструмент уже имеющиеся в их распоряжении предоставить дополнительную информацию о решении цементная поры, как химический состав и Удельное сопротивление, для многочисленных приложений и одновременно снизить расходы и тестирования чем традиционные методы. Например, когда сравнение подготовки проб и тестирования время между МСП (часто используемые тестирования метод поры решение композиции), время тестирования уменьшается с 50 мин на сэмпл до 8 мин на сэмпл с помощью РФА. Этот метод может расширять приложения для РФА и потенциально могут быть довольно быстро реализованы в отрасли.

РФА может использоваться для определения основной Элементаль концентрации в растворе поры. Это предполагает использование РФА для приложений, таких как (i) определения состава поровых растворах для изучения кинетики растворения цементная фазы²¹ или (ii) определение воздействия химических добавок²². Раннего возраста поры раствора и бетона сопротивление измерения может использоваться как мера соотношение воды и цемента бетона, которые потенциально могут быть использованы в контроле качества.

Авторы не имеют ничего сообщать.

Авторы хотели бы признать частичной финансовой поддержке Института транспорта Kiewit и Федеральной дорожной администрацией (ФДА) через DTFH61-12-H-00010. Все лабораторные работы, представленные здесь была выполнена в Институте транспорта Kiewit в университете штата Орегон.