Artykuł metodologiczny

Ekspresja cementowego roztworu porowego oraz analiza jego składu chemicznego i rezystywności za pomocą fluorescencji rentgenowskiej

11.3K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/58432

⸱

23 września 2018

 ,  ,  , 
1Civil and Construction Engineering, Oregon State University, 2SES Group and Associates LLC, Turner-Fairbank Highway Research Center, 3Civil, Architectural and Environmental Engineering, University of Miami

W tym artykule

Podsumowanie

Ten protokół opisuje procedurę wyrażania świeżego roztworu porów z systemów cementowych oraz pomiar jego składu jonowego za pomocą fluorescencji rentgenowskiej. Kompozycję jonową można wykorzystać do obliczenia rezystywności elektrycznej roztworu porowego, którą można wykorzystać, wraz z rezystywnością elektryczną, do określenia współczynnika powstawania.

Streszczenie

Celem tej metody jest określenie składu chemicznego i rezystywności elektrycznej roztworu porów cementowych wyrażonego ze świeżej próbki pasty. Roztwór porów jest wyrażany ze świeżej próbki pasty przy użyciu systemu gazowego azotu pod ciśnieniem. Roztwór porów jest następnie natychmiast przenoszony do strzykawki, aby zminimalizować parowanie i karbonatyzację. Następnie zmontowane pojemniki testowe są używane do pomiaru fluorescencji rentgenowskiej (XRF). Pojemniki te składają się z dwóch koncentrycznych cylindrów z tworzywa sztucznego i folii polipropylenowej, która uszczelnia jedną z dwóch otwartych stron. Roztwór porów dodaje się do pojemnika bezpośrednio przed pomiarem XRF. XRF jest skalibrowany do wykrywania głównych form jonowych w roztworze porowym, w szczególności sodu (Na+), potasu (K+), wapnia (Ca2+) i siarczku (S2-), do obliczania siarczanu (SO42-) za pomocą stechiometrii. Wodorotlenki (OH-) można obliczyć na podstawie bilansu wsadu. Do obliczenia rezystywności elektrycznej roztworu stosuje się stężenia głównych związków jonowych oraz model Snydera i wsp. Oporność elektryczna roztworu porowego może być wykorzystana wraz z rezystywnością elektryczną betonu do określenia współczynnika tworzenia betonu. XRF jest potencjalną alternatywą dla obecnych metod określania składu roztworu porowego, co może przynieść korzyści w zakresie skrócenia czasu i kosztów.

Wprowadzenie

Właściwości transportowe betonu są określone przez jego czynnik formowania, który jest podstawową miarą mikrostruktury1. Czynnik formowania definiuje się jako odwrotność produktu łączności i porowatości betonu2. Czynnik formowania można obliczyć z proporcji między opornością elektryczną betonu a opornością elektryczną roztworu porowego, zgodnie z równaniem 13.

Wzór na siłę wyporu: F=ρb/ρo, równanie do badania mechaniki płynów.  (1)

Tutaj,

równowaga statyczna, ΣFx=0, ΣFy=0, schemat, układ równowagi sił, edukacyjny koncept fizyki = rezystywność elektryczna materiału sypkiego lub betonu (Ωm);

Równowaga statyczna; ΣFx=0, ΣFy=0, bilans momentów sił; schemat; fizyka; analiza sił; mechanika. = oporność elektryczna roztworu porowego (Ωm).

Całkowitą oporność elektryczną betonu można łatwo wyznaczyć w betonie utwardzonym za pomocą omomierza, stosując podejścia opisane w dodatku X2 normy AASHTO PP84-17 oraz w literaturze4,5. Celem niniejszego artykułu jest przedstawienie instrukcji wyciskania roztworu porowego ze świeżej zaczynu oraz analizy składu jonowego tego roztworu przy użyciu spektroskopii fluorescencji rentgenowskiej (XRF). Wycisnięty roztwór porowy jest badany w XRF przy użyciu dostępnych komercyjnie materiałów (cylindrów i folii). Skład jonowy wykryty przez XRF może być wykorzystany w wielu zastosowaniach dotyczących trwałości betonu, a także do obliczenia oporności elektrycznej roztworu porowego, aby ostatecznie wyznaczyć współczynnik formowania6.

Obecne metody określania składu chemicznego roztworu porowego, takie jak spektrometria z plazmą sprzężoną indukcyjnie (ICP)7, spektroskopia absorpcyjna atomów (AAS)8 oraz chromatografia jonowa (IC)9, mogą być kosztowne, czasochłonne i dość pracochłonne. Ponadto w niektórych przypadkach konieczne jest zastosowanie kombinacji różnych metod, aby uzyskać pełną charakterystykę głównych gatunków jonowych w roztworze porowym10. Jako alternatywę dla tych metod można wykorzystać XRF, dzięki któremu skład roztworu porowego można uzyskać przy stosunkowo niższym koszcie i krótszym czasie badania w porównaniu z metodami konwencjonalnymi.

XRF to technika powszechnie stosowana w przemyśle cementowym, ponieważ służy ona przede wszystkim do analizy składu chemicznego wytwarzanych materiałów w celu kontroli i zapewnienia jakości na wszystkich etapach procesu produkcji cementu11,12. Niniejsza metoda opisuje zatem, w jaki sposób technika ta może zostać wykorzystana przez producentów cementu do uzyskania szerszych informacji na temat składu roztworu porowego w różnych partiach cementu. W ogólnym ujęciu zastosowanie XRF do analizy roztworów porowych mogłoby potencjalnie rozszerzyć wykorzystanie tej techniki o wiele nowych zastosowań i mogłoby zostać stosunkowo szybko wdrożone w przemyśle.

Protokół

1. Ekspresja roztworu do porów13

  1. Upewnij się, że poszczególne komponenty ekstraktora roztworu porowego są czyste i suche.
  2. Do każdego procesu ekstrakcji używaj nowego filtra celulozowego (o średniej średnicy porów 0,45 µm).
  3. Złóż ekstraktor roztworu porowego, zgodnie z Rysunkiem 1.
  4. Sprawdź, czy filtr celulozowy nie wykazuje widocznych odkształceń.
  5. Wprowadź świeżą pastę cementową do komory głównej, pozostawiając wolną przestrzeń co najmniej 1 cm od góry.
    UWAGA: Termin świeża pasta odnosi się do każdej pasty cementowej znajdującej się w stanie plastycznym. Pasty cementowe są zazwyczaj otrzymywane poprzez mieszanie cementu, dodatkowych materiałów cementowych, wody i domieszek chemicznych. Stosunki objętościowe tych składników mogą się różnić w zależności od pożądanych właściwości.
  6. Podłącz ekstraktor roztworu porowego do źródła azotu i zamknij komorę główną.
  7. Ustaw urządzenie ekstrakcyjne nad plastikowym pojemnikiem służącym do tymczasowego zbierania ekstrahowanego roztworu porowego.
  8. Otwórz zawór butli z azotem i wyreguluj ciśnienie za pomocą regulatora ciśnienia, tak aby do pasty wewnątrz komory głównej przyłożono ciśnienie około 200 kPa.
    UWAGA: Ze względów bezpieczeństwa należy używać regulatora ciśnienia.
  9. Utrzymuj stałe ciśnienie przez okres 5 min, podczas którego roztwór porowy będzie zbierany do plastikowego pojemnika.
  10. Po 5 min od rozpoczęcia ekstrakcji zamknij główny zawór, aby ciśnienie w komorze głównej spadło do poziomu ciśnienia atmosferycznego.
  11. Wyjmij pojemnik spod ekstraktora i przenieś roztwór porowy do strzykawki 5-mL, dbając o to, aby podczas tego procesu nie zassać pęcherzyków powietrza.
  12. Zamknij strzykawkę nakładką na igłę i umieść ją w komorze o temperaturze 5 ± 1 °C do przechowywania do czasu wykonania badań.
  13. Odczekaj, aż manometr wskaże brak dodatniego ciśnienia w komorze głównej, a następnie rozłóż ekstraktor roztworu porowego.
  14. Oczyść części ekstraktora roztworu porowego przy użyciu wody dejonizowanej i ręczników papierowych.
  15. Wyrzuć filtr celulozowy.

2. Montaż pojemników na roztwór

  1. Upewnij się, że plastikowe cylindry są czyste i suche.
  2. Połóż płasko folię polipropylenową (dostępną w handlu o grubości 0,4 µm i średnicy 90 mm) na wierzchu większego cylindra (dostępnego w handlu o średnicy 35 mm).
  3. Wsuń mniejszy cylinder (dostępny w handlu o średnicy 32 mm) całkowicie w większy cylinder, dociskając folię znajdującą się pomiędzy obydwoma cylindrami, aby stworzyć plastikowy pojemnik z podstawą z folii polipropylenowej.
  4. Upewnij się, że folia jest gładka i nie posiada rozdarć ani odkształceń.

3. Opracowanie aplikacji XRF i kalibracja rozwiązań

  1. Utwórz plik aplikacji w oprogramowaniu XRF. Aplikacja musi być przeznaczona do próbek w formie roztworów i umożliwiać wykrywanie głównych gatunków jonowych w roztworze porowym: sodu (Na+), potasu (K+), wapnia (Ca2+) oraz siarczku (S2-).
  2. Kalisruj aplikację do roztworów, używając roztworów o znanych stężeniach.
    1. Przygotuj roztwory wzorcowe, stosując różne stężenia chlorku sodu (NaCl), chlorku potasu (KCl), chlorku wapnia (CaCl2) i siarczanu glinu (Al2[SO4]3) o czystości > 99%, aby dokładnie określić ilość badanych pierwiastków.
      UWAGA: Stężenia wzorców mogą się różnić w zależności od badanych materiałów. Przykładowo, zaobserwowano, że stężenia Na+ wahały się od 0 do 0,5 mol/L, stężenia K+ od 0 do 0,9 M, stężenia Ca2+ od 0 do 0,05 M, a stężenia S2- od 0 do 0,25 M; jednak w zależności od systemu mogą wystąpić wyjątki przekraczające te granice14. Pierwiastki zdefiniowane i mierzone podczas kalibracji aplikacji muszą obejmować wszystkie elementy użyte w wzorcach kalibracyjnych: sód (Na+), potas (K+), wapń (Ca2+), siarczek (S2-), chlorek (Cl-) oraz glin (Al3+).
    2. Dla każdego roztworu kalibracyjnego odmierz 6 g tego roztworu do zmontowanego pojemnika testowego.
    3. Zamknij pojemnik odpowiednią pokrywką.
    4. Pozostaw pojemnik testowy z roztworem wzorcowym na ręczniku papierowym przez 2 min, aby upewnić się, że folia nie ma nieszczelności, które mogłyby potencjalnie uszkodzić urządzenie XRF.
    5. Umieść szczelne pojemniki testowe z roztworami wzorcowymi w uchwytach na próbki XRF i zamknij urządzenie XRF.
    6. Zmierz każdy roztwór wzorcowy za pomocą XRF. Urządzenie XRF wykrywa intensywności charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego z fluorescencji pierwiastków z każdego z roztworów, mierzone w impulsach na minutę (cpm).
      UWAGA: Konieczne jest ustawienie różnych warunków dla poszczególnych grup pierwiastków. Parametry takie jak czas pomiaru i energie wzbudzenia należy sprawdzić w odpowiednio opublikowanym artykule6.
    7. Zanotuj stężenie w częściach na milion (ppm) każdego pierwiastka w każdym roztworze wzorcowym, zgodnie z definicją w oprogramowaniu i w odniesieniu do intensywności w impulsach na minutę (cpm) zmierzonej przez XRF.
    8. Po pomiarze roztworów wzorców zastosuj model korekcji macierzy z oprogramowania XRF (liniowy, alphas, parametry fundamentalne (FP)), który zapewni minimalne względne RMS (%) dla każdego pierwiastka w kalibracji, aby uzyskać najlepsze dopasowanie liniowe dla kalibracji.
    9. Zweryfikuj poprawność wyników aplikacji, testując roztwory o znanych stężeniach wodorotlenku sodu (NaOH), wodorotlenku potasu (KOH), wodorotlenku wapnia (Ca[OH]2) i siarczanu glinu (Al2[SO4]3) na różnych poziomach stężeń w zakresie kalibracji.
      UWAGA: Aplikacja powinna dawać dokładne wyniki, jeśli błąd mieści się w granicach 5%.

4. Analiza XRF

  1. Wstrzyknij co najmniej 2 g próbki roztworu porowego do zmontowanego pojemnika testowego.
  2. Zamknij pojemnik odpowiednią pokrywką.
  3. Pozostaw pojemnik z roztworem na ręczniku papierowym przez 2 min, aby upewnić się, że folia nie posiada wycieków, które mogłyby potencjalnie uszkodzić urządzenie XRF.
  4. Umieść pojemniki testowe z roztworami w uchwytach na próbki XRF i zamknij urządzenie XRF.
  5. W oprogramowaniu XRF wybierz wcześniej opracowaną aplikację XRF.
  6. Użyj interfejsu aplikacji w oprogramowaniu, aby wybrać uchwyty na próbki XRF, które zostaną poddane analizie fluorescencji rentgenowskiej.
    UWAGA: Zaleca się nazwanie nowego pliku dla każdego wybranego uchwytu na próbkę na podstawie badanego roztworu.
  7. Uruchom aplikację XRF, aby zmierzyć stężenia jonowe roztworów.
    UWAGA: Wyniki analizy XRF wskażą stężenie sodu (Na+), potasu (K+), wapnia (Ca2+) i siarczków (S2-).

5. Obliczanie stężenia jonowego

  1. Wykorzystaj stechiometrię, aby obliczyć stężenie siarczanów (SO42-), stosując równanie 2.
    Wzór na stężenie jonów siarczanowych, CsO4, równanie chemiczne dla chemii analitycznej.  (2)
    Gdzie:
    Wymiana kationowa, symbol Cs^2− w spektroskopii, schemat chemiczny. = zmierzone stężenie jonowe jonów siarczkowych z XRF w ppm;
    Reprezentacja jonu M₂S²⁻, chemia, struktura cząsteczkowa, wzór, materiał edukacyjny, schemat. = masa cząsteczkowa siarczków w g/mol;
    Zapis nadstawiony, jon siarczanowy (SO₄²⁻), wzór chemiczny, zasób edukacyjny. = zmierzone stężenie jonowe jonów siarczanowych z XRF w ppm;
    Wzór jonu siarczanowego, \( M_{\text{SO}_4^{2-}} \), zapis chemiczny, referencja edukacyjna. = masa cząsteczkowa siarczanów w g/mol.
  2. Wykorzystaj bilans ładunków, aby obliczyć stężenie wodorotlenków (OH-), stosując równanie 3.
    Równanie stężenia jonów wodorotlenkowych, schemat bilansu jonowego, edukacyjny wzór chemiczny.  (3)
    Gdzie:
    Wzór jonu wodorotlenkowego [OH⁻], zapis chemiczny, równowaga statyczna, edukacja chemiczna. = stężenie jonów wodorotlenkowych w ppm;
    Symbol stężenia jonów sodu [Na⁺], wzór chemiczny, reprezentacja jonowa, zastosowanie edukacyjne. = stężenie jonów sodu w ppm;
    Symbol stężenia jonów potasu, [K⁺], stosowany w równaniach i reakcjach chemicznych. = stężenie jonów potasu w ppm;
    Wzór równowagi statycznej stężenia [Ca2+], równanie chemiczne dla studiów biologicznych i chemicznych. = stężenie jonów wapnia w ppm;
    Wzór jonu siarczanowego [SO4^2-]; równanie chemiczne; edukacyjny schemat chemiczny. = stężenie jonów siarczanowych w ppm.
  3. Przelicz stężenia jonowe z ppm na mol/L, korzystając z równania 4 i przyjmując gęstość (ρ) wynoszącą 1 000 g/L. W razie potrzeby można pozyskać i zastosować dokładniejsze dane dotyczące gęstości z podręczników15 lub oprogramowania termodynamicznego.
    Wzór równowagi statycznej \(C_i = \frac{c_i \times \rho}{M_i \times 10^6}\), schemat równania.  (4)
    Gdzie:
    Proces chromatografii ΣF=0; schemat przedstawia układ oczyszczania białek, wyniki analizy danych. = stężenie jonowe pojedynczego gatunku jonowego w mol/L;
    schemat chromatografii, Σcᵢ=x, rozdzielanie cieczy, chemia analityczna, oczyszczanie białek = stężenie jonowe pojedynczego gatunku jonowego w ppm uzyskane z XRF;
    Równowaga statyczna; równanie ΣF=0; schemat; analiza bilansu sił. = gęstość roztworu w g/L;
    Równowaga statyczna; ΣFx=0, ΣFy=0; równania; bilans sił; metoda analizy statycznej. = masa cząsteczkowa pojedynczego gatunku jonowego w g/mol;
    Wzór dyfrakcyjny, wzór: i=∑e^(iθ), układ optyczny; badania interferencji, efektów superpozycji fal. = pojedynczy gatunek jonowy.

6. Obliczanie rezystywności

  1. Użyj modelu opracowanego przez Snydera et al.16, przedstawionego w równaniach 5-7, aby obliczyć oporność elektryczną roztworu porowego.
    Równanie do obliczania gęstości przy użyciu wzoru sumowania, ze zmiennymi na schemacie naukowym. (5)
    Równanie równowagi λi=λi°/(1+GiIM^1/2) dla analizy stabilności chemicznej; kontekst wzoru.  (6)
    Równanie momentu bezwładności, wzór naukowy, fizyka, dynamika obrotowa, obliczenie Σi z²ci.  (7)
    Gdzie:
    Teoria funkcjonału gęstości, obliczenia ρ, wzór, chemia obliczeniowa, model teoretyczny. = oporność elektryczna roztworu w Ωm;
    λ z indeksem dolnym i; symbol wartości własnej w równaniach algebry liniowej, reprezentujący współczynnik skali. = przewodność równoważna pojedynczego gatunku jonowego w cm2 S/mol;
    Równowaga statyczna; ΣF=0; Schemat ciała swobodnego; Siły mechaniczne; Fizyka; Analiza bilansu sił. = stężenie walencyjne pojedynczego gatunku jonowego;
    Schemat chromatografii, Σcᵢ=x, rozdział cieczy, chemia analityczna, oczyszczanie białek = stężenie molowe pojedynczego gatunku jonowego w mol/L;
    Symbol wartości własnej λ_i^∘ wzór dla analizy stabilności w modelach matematycznych i rachunku różniczkowym.* = przewodność równoważna gatunków jonowych przy nieskończonym rozcieńczeniu w cm2 S/mol;
    Proces chromatografii, wzór G_i, schemat chromatografii, system oczyszczania białek* = empiryczny współczynnik przewodności pojedynczego gatunku jonowego w (mol/L)-1/2;
    Równowaga statyczna, ΣFx=0, schemat strukturalny, bilans sił, rozkład wektorów, analiza systemu = siła jonowa (w podstawie molowej) w mol/L;
    Wzorzec dyfrakcyjny, wzór: i=∑e^(iθ), układ optyczny; badania interferencji, efektów superpozycji fal. = pojedynczy gatunek jonowy.
    Wartości empiryczne znajdują się w Tabeli 1.
    UWAGA: Współczynnik formowania można następnie oszacować jako stosunek oporności elektrycznej betonu do oporności elektrycznej roztworu porowego (równanie 1)3. Ponieważ współczynnik formowania jest podstawowym deskryptorem mikrostruktury betonu, jego wyznaczenie jest ważnym krokiem w przejściu tradycyjnie preskryptywnego przemysłu w stronę specyfikacji opartych na parametrach użytkowych. Współczynnik formowania powiązano z różnymi zjawiskami transportowymi, takimi jak dyfuzja, absorpcja i przepuszczalność, i mógłby być wykorzystany do przewidywania trwałości betonu1,2,4,5,17,18.

Wyniki

W tej sekcji przedstawiono reprezentatywne wyniki każdego z głównych etapów metodyki. Ma to na celu zapoznanie z oczekiwanymi rezultatami po zakończeniu poszczególnych kroków oraz dostarczenie przydatnych wskazówek umożliwiających poprawne zastosowanie metody.

Pierwszy ważny krok polega na wydociu roztworu porowego z próbki świeżej zaprawy. Rycina 2 przedstawia roztwór porowy poprawnie wydobyty i uszczelniony w strzykawce o pojemności 5 mL. Roztwór porowy na obrazie został wydobyty z świeżej zaprawy z cementu portlandzkiego o stosunku wody do cementu równym 0,36. Próbkę zmieszano 10 minut przed wykonaniem zdjęcia. Oczekuje się, że roztwór porowy będzie klarowny; jednak jego kolor może się różnić w zależności od rodzaju użytych materiałów wiążących oraz wieku próbki w momencie wydobywania.

Przed pomiarem fluorescencji rentgenowskiej (XRF) wydzielonego roztworu porowego konieczna jest kalibracja instrumentu. W szczególności należy skalibrować każdy pierwiastek, którego stężenie jonowe będzie mierzone. Przykładowy wykres kalibracyjny dla jonów potasu (K+) przedstawiono na Rysunku 3. Na rysunku pokazano dopasowanie wykonane przez oprogramowanie na podstawie intensywności zmierzonych przez XRF. Należy zwrócić uwagę, że błąd średniokwadratowy (RMS) dopasowania powinien być mniejszy niż 5%.

Po kalibracji zaleca się przetestowanie roztworu o znanym stężeniu jonów w celu określenia dokładności urządzenia. Skład zmierzony za pomocą XRF porównuje się do składu teoretycznego obu roztworów. Zgodnie z naszym doświadczeniem, przy założeniu poprawnego przygotowania roztworów jonowych, ten etap sprawdzania powinien dać wartość błędu niższą niż ±5%. Rysunek 4 przedstawia wyniki składu uzyskane podczas sprawdzania punktowego roztworów. Gdy sprawdzanie punktowe wykaże wartość błędu wyższą niż ±5%, należy powtórzyć kalibrację urządzenia XRF.

Tabela 2 przedstawia reprezentatywny zestaw wyników dotyczących składu i oporności. Chociaż stężenie jonów w roztworze porowym może się znacznie różnić w zależności od składu chemicznego cementu, stosunku wody do cementu w układzie oraz obecności dodatkowych materiałów wiążących19, wartości odniesienia dla głównych jonów można znaleźć w literaturze20, jak pokazano w Tabeli 1.

Wreszcie przy obliczaniu oporności właściwej próbki oczekuje się, że wartości dla porowatych roztworów w wczesnym okresie będą zazwyczaj zawierać się w przedziale od 0,05 do 0,25 Ωm14. Gdy znana jest oporność właściwa roztworu porowego, oporność objętościową można wyznaczyć za pomocą innych metod, takich jak oporność jednoosiowa, w celu ostatecznego obliczenia współczynnika formacji, który dla betonu wysokiej jakości zwykle przekracza 2 0004,5,18.

Schemat układu chromatograficznego z źródłem azotu, filtrami i pojemnikiem do zbierania.
Rycina 1: Montaż systemu ekstrakcji roztworu porowego. System składa się z głównego urządzenia do ekspresji, zbiornika z azotem oraz rury z manometrem bezpieczeństwa i regulatorem ciśnienia oraz pojemnika do zbierania. Należy zawsze przestrzegać instrukcji producenta oraz środków ostrożności dotyczących konkretnego używanego systemu. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Strzykawka na tle siatki; narzędzie pomiarowe do pobierania lub wstrzykiwania cieczy
Rycina 2: Prawidłowo wydobyty i zamknięty w strzykawce o pojemności 5 mL roztwór porowy. Wyekstrahowany roztwór porowy powinien być klarowny (czyli, bez widocznych cząstek) i powinna być zamknięta bez pęcherzyków powietrza w strzykawce. 

Wykres kalibracji XRF z równaniem liniowym y=0,357x i R²=1,0, przedstawiający intensywność w funkcji stężenia.
Rycina 3: Reprezentatywny wykres kalibracyjny potasu (K+). Oś x przedstawia wprowadzone (znane) stężenia w ppm, a oś y wykryte (zmierzone) intensywności metodą XRF w cpm. Linia kalibracyjna obliczona na podstawie jednego z modeli korekcyjnych w oprogramowaniu powinna mieć najmniejszy błąd średniokwadratowy (RMS, %), jak omówiono w sekcji 3 protokołu. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Wykres równowagi statycznej; porównanie stężeń Na+ i K+; punkty danych, linia korelacji 1:1.
Rycina 4: Wykres weryfikacji jonów sodu (Na+) i jonów potasu (K+). Przerywana linia oznacza stosunek 1:1. Wykres weryfikacji powinien wykazywać dobrą korelację (prawie zależność 1:1 z wysoką wartością współczynnika determinacji R²) pomiędzy znanymi stężeniami jonów sodu i potasu a wykrytymi stężeniami za pomocą fluorescencji rentgenowskiej (XRF). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Gatunek jonowy (i)Przewodność równoważnikowa w nieskończonej rozcieńczeniu (λ˚i)Empiryczny współczynnik przewodności
(i)(zλ°i)(Gi)
(cm2 S/mol)(mol/L)-1/2
Sód (Na+)50.10.733
Potas (K+)73.50.548
Wapń (Ca2+)590.771
Wodorotlenek (OH-)1980.353
Siarczan (SO42-)790.877

Tabela 1: Przewodność równoważna w nieskończonej rozcieńczeniu (Formuła równowagi statycznej, \(z_i\lambda_i^\circ\), równania do analizy równowagi mechanicznej.) oraz empiryczne współczynniki przewodności (równania równowagi statycznej ΣF=0, diagram ilustrujący równowagę sił, pojęcia fizyczne edukacyjne​) dla poszczególnych gatunków jonowych uzyskane z literatury11. Wartości te są wykorzystywane do obliczenia oporności elektrycznej roztworu porowego.

Gatunek jonowy Stężenie 
(i)(mol/L)
Sód (Na+)0.16
Potas (K+)0.39
Wapń (Ca2+)0.02
Wodorotlenek (OH-)0.18
Siarczan (SO42-)0.2
Oporność (Ωm)0.156

Tabela 2: Przykładowe wyniki składu i oporności zaprawy cementowej o współczynniku wody do cementu wynoszącym 0,36 po 10 min. Wartości w tej tabeli są przykładami wyników uzyskanych przy zastosowaniu tej metody.

Dyskusja

Ponieważ jest to wrażliwa metoda analizy chemicznej, konieczne jest stosowanie praktyk laboratoryjnych, które zapobiegają zanieczyszczeniu. W przypadku tej metody bardzo ważne jest, aby wzorce kalibracyjne były wykonywane specjalnie z chemikaliami o wysokiej czystości (> 99%). Podczas przenoszenia roztworu porów do strzykawki należy upewnić się, że w roztworze nie ma widocznych ziaren cementu, aby uniknąć jakichkolwiek zmian w roztworze porów. Zaobserwowano, że roztwór porów przechowywany w szczelnie zamkniętej strzykawce w stałej temperaturze 5 ± 1 °C zachowuje niezmieniony skład chemiczny przez okres do 7 dni.

Jednym z głównych ograniczeń tego protokołu jest to, że opisana metoda ekspresji może być stosowana tylko do świeżych próbek pasty i nie nadaje się do próbek w późniejszym wieku. W przypadku próbek dojrzewających później lub utwardzonych potrzebna jest metoda odciągania przy użyciu wysokociśnieniowej matrycyekstrakcyjnej 20 . Kolejnym ograniczeniem jest to, że do badania w XRF potrzebna jest minimalna ilość roztworu wynosząca 2 g, ponieważ ilość mniejsza niż 2 g nie zapewnia stałej wysokości próbki, która może pokryć całą dolną powierzchnię pojemnika. To ostatnie ograniczenie dotyczy konkretnej konfiguracji, która została użyta w tym badaniu. Inna konfiguracja prawdopodobnie pozwoliłaby na zmniejszenie minimalnej ilości roztworu porowego wymaganego do testowania. Innym ograniczeniem jest to, że model prawdopodobnie nie ma zastosowania do systemów zawierających cementy bogate w żużel, ponieważ mogą być obecne takie gatunki jak wodorosiarczek (HS-), jak omówili Vollpracht i wsp.Rozdział 14.

Ponieważ XRF jest powszechnie stosowaną techniką w przemyśle cementowym, metoda ta może potencjalnie umożliwić producentom cementu wykorzystanie narzędzia, którym już dysponują, aby dostarczyć więcej informacji na temat roztworu porów cementowych, takich jak skład chemiczny i rezystywność w wielu zastosowaniach, przy niższych kosztach i czasie testowania niż metody konwencjonalne. Na przykład, porównując czas przygotowania próbki i badania między ICP (powszechnie stosowana metoda testowania składu roztworu porowego), czas testowania jest skracany z 50 minut na próbkę do 8 minut na próbkę przy użyciu XRF. Metoda ta może rozszerzyć możliwości zastosowania XRF i potencjalnie może zostać dość szybko wdrożona w przemyśle.

XRF można wykorzystać do określenia głównych stężeń pierwiastków w roztworze porowym. Sugeruje to zastosowanie XRF do zastosowań takich jak (i) określanie składu roztworów porowych w celu badania kinetyki rozpuszczania faz cementowych21 lub (ii) określanie wpływu domieszek chemicznych22. Pomiary roztworu porów we wczesnym wieku i rezystywności betonu mogą być wykorzystane jako miara stosunku wody do cementu w, co potencjalnie może być wykorzystane w kontroli jakości.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Autorzy pragną podziękować za częściowe wsparcie finansowe od Kiewit Transportation Institute i Federal Highway Administration (FHWA) poprzez DTFH61-12-H-00010. Wszystkie prace laboratoryjne przedstawione w niniejszym dokumencie zostały wykonane w Instytucie Transportu Kiewit na Uniwersytecie Stanowym Oregonu.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Dyspersyjny spektrometr stacjonarny z fluorescencją rentgenowskąMalvern PANalyticalEpsilon 3XLE lub Epsilon 4
35 mm Kubki na próbki do płynówMalvern PANalytical9425 888 00024Katalog materiałów eksploatacyjnych Panalytical 2016 dla akcesoriów i materiałów eksploatacyjnych XRF Katalog
4 mikronów Folia polipropylenowaMalvern PANalytical9425 888 00029Katalog materiałów eksploatacyjnych Panalytical 2016 dla katalogu akcesoriów i materiałów eksploatacyjnych XRF
Strzykawka, 5 mlVWR53548-005HSW Norm-Ject Sterylne strzykawki Luer-Slip, igła Air-Tite
, 16Gx1''VWR89219-334Premium Weterynaryjne igły podskórne, sterylne, pojemnik Air-Tite
VWR 15704-092VWR Pojemniki na próbki, polipropylen z nasadkami polietylenowymi
Ciśnieniowy uchwyt filtraEMD MilliporeXX4004700pojemność 100 ml, średnica filtra 47 mm
Filtr membranowy MCEPALL63069średnica 47 mm, 0,45 μ m rozmiar porów
Lejek silikonowySpiceLuxeSLP-122513-F1Górny otwór 2 1/2″, Dolny otwór 3/4″, Wysokość 2 3/4″

Bibliografia

  1. Snyder, K. A. Relationship between the formation factor and the diffusion coefficient of porous materials saturated with concentrated electrolytes: theoretical and experimental considerations. Concrete Science and Engineering. 3, 216-224 (2001).
  2. Dullien, F. Porous Media: Fluid Transport and Pore Structure. , Academic Press. San Diego, CA. (1992).
  3. Archie, G. E. The electrical resistivity log as an aid in determining some reservoir characteristics. Society of Petroleum Engineers. 142 (1), 54-62 (1942).
  4. Spragg, R., et al. Factors that influence electrical resistivity measurements in cementitious systems. Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board. 2342, 90-98 (2013).
  5. Spragg, R. P., Bu, Y., Snyder, K. A., Bentz, D. P., Weiss, J. Electrical Testing of Cement-Based Materials: Role of Testing Techniques, Sample Conditioning, and Accelerated Curing. Joint Transportation Research Program Technical Report. , (2013).
  6. Tsui-Chang, M., Suraneni, P., Isgor, O. B., Trejo, D., Weiss, W. J. Using X-ray fluorescence to assess the chemical composition and resistivity of simulated cementitious pore solutions. International Journal of Advances in Engineering Sciences and Applied Mathematics. 9 (3), 136-143 (2017).
  7. Caruso, F., Mantellato, S., Palacios, M., Flatt, R. ICP-OES method for the characterization of cement pore solutions and their modification by polycarboxylate-based superplasticizers. Cement and Concrete Research. 38, 52-60 (2016).
  8. Capacho-Delgado, L., Manning, D. C. The determination by atomic-absorption spectroscopy of several elements, including silicon, aluminum, and titanium, in cement. Analyst. 92, 552-557 (1967).
  9. Zanella, R., Primel, E. G., Martins, A. F. Determination of chloride and sulfate in pore solutions of concrete by ion chromatography. Journal of Separation Science. 24 (3), 230-231 (2001).
  10. Puertas, F., Fernandez-Jimenez, A. Mineralogical and microstructural characterisation of alkali activated fly ash/slag pastes. Cement and Concrete Composites. 25 (3), 287-292 (2003).
  11. Bouchard, M., et al. Global cement and raw materials fusion/XRF analytical solution II. Powder Diffraction. 26 (2), 176-185 (2011).
  12. Klockenkamper, R., Bohlen, A. Total-reflection X-ray Fluorescence Analysis and Related Methods. , John Wiley & Sons Inc. Hoboken, NJ. (2014).
  13. Penko, M. Some early hydration processes in cement pastes as monitored by liquid phase composition measurements. , Purdue University. West Lafayette, IN. Ph.D. Dissertation (1983).
  14. Vollpracht, A., Lothenbach, B., Snellings, R., Haufe, J. The pore solution of blended cements: a review. Materials and Structures. 49 (8), 3341-3367 (2016).
  15. CRC Handbook of Chemistry and Physics. Rumble, J. R. , CRC Press. Boca. Raton, London, New York. (2018).
  16. Snyder, K. A., Feng, X., Keen, B. D., Mason, T. O. Estimating the electrical conductivity of cement paste pore solutions from OH-, K+ and Na+ concentrations. Cement and Concrete Research. 33 (6), 793-798 (2003).
  17. Weiss, J. Relating transport properties to performance in concrete pavements. CP Road MAP. , (2014).
  18. Hordijk, D. A., Lukovic, M. Toward Performance Specifications for Concrete: Linking Resistivity, RCPT and Diffusion Predictions Using the Formation Factor for Use in Specifications. High Tech Concrete: Where Technology and Engineering Meet Proceedings of the 2017 fib Symposium, June 12-14, 2017, Maastricht, The Netherlands, , Springer. 2057-2065 (2017).
  19. Andersson, K., Allard, B., Bengtsson, M., Magnusson, B. Chemical composition of cement pore solutions. Cement and Concrete Research. 19 (3), 327-322 (1989).
  20. Barneyback, R., Diamond, S. Expression and analysis of pore fluids from hardened cement pastes and mortars. Cement and Concrete Research. 11 (2), 279-285 (1981).
  21. Nicoleau, L., Schreiner, E., Nonat, A. Ion-specific effects influencing the dissolution of tricalcium silicate. Cement and Concrete Research. 59, 118-138 (2014).
  22. Rajabipour, F., Sant, G., Weiss, W. J. Interactions between shrinkage reducing admixtures (SRA) and cement paste's pore solution. Cement and Concrete Research. 38 (5), 606-615 (2008).

Przedruki i uprawnienia

Tagi

sprężony azotrezystywność elektrycznaskład jonowyprzenoszenie strzykawkąfolia polipropylenowaXRF z dyspersyjnym pomiarem energiiobliczenia stechiometrycznebilans ładunku
Ekspresja cementowego roztworu porowego oraz analiza jego składu chemicznego i rezystywności za pomocą fluorescencji rentgenowskiej
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.