外文翻譯(中文)利用ir，sem和維爾卡技術(shù)檢測硅酸鹽水泥的早期水化及其制備過程

1、<p><b>　　中文5500字</b></p><p>　　出處：Cement and Concrete Research 39 (2009) 433–439</p><p>　　利用IR，SEM和維爾卡技術(shù)檢測硅酸鹽水泥的早期水化及其制備過程</p><p>　　Rikard Ylmen,Ulf Jaglid,Britt-Mar

2、ie Steenari,Itai Panas</p><p>　?。o機化學和生物化學系，查默斯科技大學，哥德堡，瑞典，S–41296）</p><p>　　摘要：紅外漫反射的DR-紅外光譜是用來監(jiān)測石灰石硅酸鹽水泥的化學漿料的轉(zhuǎn)換。.通常冷凍干燥過程用于瞬間停止水化過程從而獲得充足的使用時間分辨率。硫酸鹽快速重新結(jié)晶能在15秒內(nèi)觀察到，而且3060分鐘后看到結(jié)晶是完全結(jié)束，聚合硅的光譜特

3、征開始出現(xiàn)。在爭加強度的1500-1700的水灣模式區(qū)域協(xié)同而得的一個950-1100的峰是水化C-S-H凝膠形成的標志。同時，隨著C-S-H凝膠鮮明特征的發(fā)展，在800-970處有一個下降的特征，反映了硅酸三鈣的溶解。由維卡技術(shù)所設(shè)定的時間是180-240分鐘。利用維卡、DR-FTIR、SEM綜合使用來檢測可得出以下結(jié)論試樣的制備是由C-S-H凝膠內(nèi)部小顆粒結(jié)合形成。</p><p>　　關(guān)鍵詞：水化,硅酸鈣水

4、合物,光譜,水泥漿體，波特蘭水泥</p><p><b>　　簡介</b></p><p>　　現(xiàn)今，波特蘭水泥是混凝土施工中廣泛使用的粘合劑。C3S（阿利特）和C2S（貝利特）對于波特蘭水泥的強度增加是必不可少的。這兩種鈣硅酸鹽形成階段800℃以上，其中C3S可以通過調(diào)節(jié)溫度和增加燒石灰的數(shù)量來優(yōu)先產(chǎn)生，有助于短期內(nèi)強度的增加，而C2S則表現(xiàn)于長時間強度的增加。在商

5、業(yè)波蘭特水泥中C3S/C2S比例增加，可以達到降低凝結(jié)時間和早期強度，近年來對物質(zhì)轉(zhuǎn)化的環(huán)境方面的關(guān)注越來越多，已經(jīng)影響對波蘭特水泥轉(zhuǎn)變的可能性研究以達到在建造業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求這是通過使用添加和改變水泥組成而得到。許多不同的實驗技術(shù)已被用來研究物質(zhì)轉(zhuǎn)化的影響如波蘭特水泥溶解和轉(zhuǎn)化成C-S-H凝膠，維卡測量通常被用來確定設(shè)定時間。在后期的水化過程中，超聲波水泥分析儀可用于確定砂漿彈性模量中的變化[1,2]。熱量測定法是用來監(jiān)測水化過程中

6、的放熱量，而X射線衍射[8-13]，核磁共振[14-16]和傅里葉變換紅外光譜，紅外光譜用于獲取化學信息。形態(tài)學信息可通過掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡獲得[11,12,15,17]。</p><p>　　分光鏡分辨的方法常用來研究水泥水化化學分析。在波特蘭水泥水化研究主要通過紅外光譜的檢測手段。利用紅外光譜的一個原子，分子或原子團大分子的紅外光吸收大量的不同波長的原子構(gòu)成的分子或集團，以及幾何結(jié)構(gòu)和其周圍的環(huán)境

7、。因此，可以用來研究這兩個結(jié)晶和非晶樣品。該樣品是照射不同波長的紅外光的一個跨度。這個樣品將吸收一些光波，光波能反映出樣品的化學組成。該示例樣品的化學成分吸收一些光的波長是其特征。要查看樣品吸收哪些波長的光，非抽樣測量每個波長的能量。IR輻射只能滲透樣品中的一個波長，紅外輻射只能穿透約1個波長進入樣品（10mm-1000cm-1），非常適用于研究表面的過程。</p><p>　　在以往的研究中紅外光譜常被用于研究

8、水泥水化和其組成部分該樣品制備是通過混合水泥和溴化鉀然后壓制成顆粒形成的有用的傅立葉變換紅外光譜，DR -紅外光譜，作為研究水泥水化的工具也已經(jīng)被遺忘的研究使用。德爾加多等人已經(jīng)對紅外光譜和溴化鉀顆粒技術(shù)做了比較，他表明這些方法產(chǎn)生相似的能譜。溴化鉀技術(shù)與紅外光譜技術(shù)相比優(yōu)點是它提供了更好的確定規(guī)則。但是其樣品的制備需要大量的勞動量。目前的結(jié)果研究表明，在這一首選理化紅外光譜技術(shù)對于外部物理化學干擾是最小的，他的水化產(chǎn)物的研究在一個適當

9、的水泥模具中，避免與外部的化學藥品接觸，這個模具設(shè)有最低樣品使用量做成的。不同時間內(nèi)的水化樣品差熱吸收紅外光就會呈現(xiàn)。</p><p>　　在中紅外范圍內(nèi)水分顯示很強的吸收性，因此不能表現(xiàn)出水泥真正的水化過程。 水泥研究中紅外光譜的分析表明：在水泥水化過程中，水泥漿體表面太平使的漫反射系數(shù)偏低而不能被充分利用，基于上述考慮，我們可選擇DR紅外光譜的方法。</p><p>　　為了使用人為的

10、技術(shù)來研究早期水泥的水化，水泥水化過程在預設(shè)的時間立即停止是非常必要的。為了達到這項要求，我們在研究中采用了干冷技術(shù)。利用液氮使樣品處于零點以下可以確保所有的化學過程非常緩慢，事實上，早期顯微鏡工作[25-27]表明，凍結(jié)是一個比較溫和的停止水化的方法結(jié)合水像在鈣礬石中一樣可以部分消除，形態(tài)性質(zhì)可能發(fā)生變化取決于移除的水的量。</p><p>　　目前的研究目的是要證明干冷過程和DR紅外光譜程序一起用波特蘭水泥的

11、復雜的水化化學過程的效率。我們也嘗試了相關(guān)的分光鏡來標志系統(tǒng)中強度的發(fā)展，我們也才嘗試了相關(guān)的分光計的標識，這里的強度發(fā)展通過維卡技術(shù)檢測。</p><p><b>　　2實驗</b></p><p>　　波特蘭水泥過去是叫石灰石硅酸鹽水泥，在Cementa學士學位論文中叫“CEM/A-LL 42.5R”，國際上公認的39-0031自動/手動砂漿攪拌機已經(jīng)被使用。水泥

12、與去離子水混合，去離子水被倒入攪拌碗之前先加入水泥。所得到的新型干法水泥與離子水的水灰比是0.4他的重量是通過DR -紅外和維卡技術(shù)測量。小心的加入水泥然后使其先在62轉(zhuǎn)每分鐘的攪拌葉片下混合，再在142轉(zhuǎn)每分鐘的轉(zhuǎn)速下攪拌使其粘結(jié)成漿體，當水泥加入水中它的水化時間可以快速被測定。</p><p>　　2.1傅里葉紅外光譜儀</p><p>　　紅外該光譜儀所用的是一種內(nèi)部插入能產(chǎn)生漫反射

13、光譜的細管的尼科萊麥格納紅外560儀器，它的測量范圍在400-4000cm– 1之間。漫反射技術(shù)利用很廣泛，其中入射光能夠反映地面采樣到最先的鏡子上。這個鏡子能把反射射線在漫分散射線探測器收集和測量。Fuller和Griffiths對其做了更詳盡的解釋[28]。該樣本是掃描被的64倍，2.0cm-1所得到的決議數(shù)據(jù)是一個平均值。每個樣品被制備和分析3次，最后要取這3個數(shù)據(jù)的平均測量值目的是為了盡量減少誤差，對于樣品的制備。</p&

14、gt;<p>　　每一批需要200克干水泥。由于水泥水化研究是從15s開始 水泥漿體的混合只有15s，然而發(fā)現(xiàn)在水泥漿體中化學反映混合時間不敏感，只要水泥完全潤濕[29]。樣品制備是在直徑35mm的塑料盒內(nèi)就可以。該塑料盒的厚度為2?3mm。蓋子被放置在塑料盒上，從而使其能防止水化過程中水分蒸發(fā)。樣品在一般的實驗室環(huán)境中進行了水化的時間15s-360min之間，然后浸泡在液氮中冷凍，隨后放置干冷處過夜,第二天對其測量結(jié)果。

15、在測量之前樣品置于平面上壓平放在DR-紅外光譜儀上。為了獲得良好的重復性，當樣品被磨制和壓平時要非常小心放置在樣品杯內(nèi)，并且盡可能使樣本相同。</p><p><b>　　2.2維卡</b></p><p>　　每一批需要300克干法水泥，而且該水泥漿體要混合180秒，并且在每15秒停止一次后刮中從內(nèi)壁粘的漿體。維卡儀器的使用是E040Vicatronic自動記錄而測

16、量的完成是在一個40mm的模具內(nèi)，該模具有一個重量300g底座和一個一平方毫米圓柱針尖。</p><p>　　2.3掃描電子顯微鏡</p><p>　　由電子槍發(fā)射出來的電子束是高能電子束，他們與樣品物質(zhì)的交互作用，結(jié)果產(chǎn)生了各種信息：二次電子、背散射電子、吸收電子、X射線、俄歇電子、陰極發(fā)光和透射電子。掃描電鏡就是采用逐點成像的方法，把試樣表面不同的特征，按順序、成比例的轉(zhuǎn)換為視頻信號，

17、完成一幀圖像，從而在熒光屏上觀察到樣品表面的各種特征圖像。</p><p><b>　　3結(jié)果</b></p><p>　　本研究試圖利用DR-FTIR光譜儀建立相關(guān)的演變中的光譜特征在水泥早期水化過程中,該維卡設(shè)置所使用的時間用來測量波特蘭水泥被顯示在圖1，最初和最后一盤測定被認為分別發(fā)生在180分和240分。在第3.1節(jié)中DR-紅外吸收強度演的化整體時間已經(jīng)被提出

18、，不同頻段可能的分配見表1和3.1.2-3.1.4中的解釋。</p><p>　　3.1水化過程進行監(jiān)測</p><p>　　首次采用冷凍干燥法處理6個小時，研磨樣品，并隨后收集放出的DR-FTIR光譜，記錄下所有的干水泥和水化水泥絕對光譜在圖2中顯示。它表明了所收到的新型干法水泥連同剛已水泥混合（15s）的光譜，在水化180min和360min之后可以看出在900-1200cm-1的地區(qū)

19、水化率低。為了提高這些影響，各種不同的光譜被建造在圖中3，當涉及到新型干法水泥時不同的光譜被使用?，F(xiàn)在光譜特征可以看的很明顯，已經(jīng)在水化15s時我們更清楚觀察飽和帶的發(fā)展1100-1200cm-1，這是一個補充，更緩慢增長功能在900-1100cm-1處。由于已經(jīng)水化15s的漿體無法與實際硬化水泥漿體相連接，15s的光譜被看到在圖4和5中。圖3看出在一個平穩(wěn)的背景中整體程序被觀察到在有關(guān)光譜區(qū)。他們發(fā)現(xiàn)這一點在圖5中，500-2000c

20、m- 1的間隔的焦點和12種不同水化時間的光譜被顯示出來。</p><p>　　3.2.硫酸鹽水泥部分</p><p>　　目前，最新的硫酸鹽波特蘭水泥是石膏（硫酸鈣·2H2O的），半水石膏（硫酸鈣0.5H2O的）和硬石膏（硫酸鈣）。后者的形成是天然石膏與水泥熟料混合形成。在熱的氣氛中使得一些結(jié)晶水石膏解體。當水被添加到硫酸鹽水泥中硫酸鹽將與鋁和鐵素體發(fā)生反應階段生產(chǎn)AFt相。這

21、反過來又進一步與鋁和鐵素體相互反應形成AFm階段[30]。</p><p>　　硫酸吸收帶的特征一般是出現(xiàn)在范圍1100-1200cm-1的因硫酸根離子的振動在硫酸鹽中[19,22,31,32]。只通過紅外譜來研究而已是很難解釋的，因為許多形式的硫酸鹽引起幾個高峰期重疊，造成很大的誤差，而且還因為硫酸根離子可以被吸收在本地區(qū)，特別是當它已經(jīng)聚合[21]。因此不能深入分析在做這項工作時。干水泥所收到的紅外光譜（圖2

22、，底譜），很大的的特點是出現(xiàn)在1100-1200cm–1,的地區(qū)反映主要的非晶態(tài)硫酸鹽?？焖倥c水混合后，出現(xiàn)一些尖的吸收峰在1100cm-1，1200cm-1和3320cm-1，隨著硫酸鹽結(jié)晶的溶解能非常迅速顯示出（圖2，15s譜）。這也可以被推斷通過15個不同的光譜在頻譜圖3中。在新型干法水泥水化15s后紅外光譜譜線就不同了在水化15s后，硫酸鹽發(fā)生化學反應，對應獲得硫酸鹽重結(jié)晶。顯然，硫酸鹽漿體結(jié)晶形成是在水泥水化早期過程水化過程形

23、成的，當他們進入活躍期之后。其可以取代真正的程度作為評估通過收到的15個不同的頻譜及DFT的新型干法水泥水化水泥（圖4和5）。從圖5，我們觀察硫酸吸收峰的長達30min的重大變化在水化過程中。顯然，中間階段是形成了以吸收相一</p><p><b>　　3.3掃描電鏡</b></p><p>　　水泥顆粒在不同階段的水化掃描電鏡的照片在圖8中顯示。對未水化粒子的表面是

24、裸露，而碎片躺在上面（圖8A）。經(jīng)過15s和120min的水化后（圖8B條，三）在水泥顆粒表面仍發(fā)現(xiàn)光禿禿的，但除易水化的顆粒表面外，碎片也已經(jīng)形成對于未水化的顆粒。圖8表明水泥水化240min之后。現(xiàn)在，有一個表層覆蓋水泥粒子。此表層的增長在水化480min后更快并使人肉眼能看到由針狀突起結(jié)構(gòu)（圖8E型）。</p><p><b>　　4討論</b></p><p>

25、;　　一個長期存在的問題，它涉及波特蘭水泥在各個階段中的早期硬化作用。尤其其中硫酸鹽的作用。它是以無水（硫酸鈣），半水（半水硫酸鈣），和石膏（二水硫酸鈣）的形式被添加到波特蘭水泥中，在這方面已經(jīng)有許多討論。事實上，一般的共識是，各種含有硫酸鹽的組成的解散和重新結(jié)晶的前階段是發(fā)生的非常好的[42,43]。然而，由于不穩(wěn)定的硫酸鹽的復雜性和早期水泥化學反應效應，除了其很好的保水劑的功能，實證研究發(fā)現(xiàn)，已水化形態(tài)粘貼影響都提供了一個背景離子強

26、度和成型中間階段，能夠抑制“閃光設(shè)置”。在目前的研究結(jié)果表明，硫酸鹽相關(guān)的DR-紅外吸收帶顯示在1100-1200cm-1的區(qū)間發(fā)生大的變化，但出現(xiàn)這種情況主要是在頭10min水化過程中，在此期間，試樣的急劇發(fā)展意味著結(jié)晶形成階段。而掃描電鏡下出現(xiàn)小碎片和看到的六方晶體有可能參與這些階段。經(jīng)過30min的相互作用硫酸鹽反應階段顯然已經(jīng)停止。，如早先對水泥水化的研究顯示，硫酸鹽最可能形成鈣礬石或鈣結(jié)構(gòu)物。這些硫酸是在水化過程第一分鐘中形成

27、[11,43,44]。在對C-S-H凝膠吸收部分的演變的研究中，30min光譜被選定作為參考。在何種程度上的硫酸鹽化學反應在這</p><p>　　傅里葉紅外光譜儀在水化后約1h能檢查出聚硅的合成量，如圖6, 在900-1100cm-1的區(qū)間看到的。人們高興地注意到由泰勒等人研究的綜合強度800-970cm–1區(qū)域作為與時間的函數(shù)（圖7）相關(guān)的X射線衍射定量研究C3S的水化范圍[45]，他們的結(jié)果暗示了C-S–H

28、凝膠是如何的形成。事實上，峰特點在970-1100cm– 1增長伴隨硅酸三鈣的溶解過程，意味著高分子硅聚合物標志確實對應著C–S-H形成。它可以注意到的聚合硅（形成970-1100cm-1）是如何在與時間相關(guān)的水中形成的，當吸收結(jié)構(gòu)的間隔時間在1500-1700cm-1處。這進一步支持，鈣硅石水合物的C–S-H凝膠是一個重大的產(chǎn)物對早期形成的硅酸鹽水泥水化，作為C-S-H凝膠組成聚硅和鈣離子與水結(jié)合。</p><p&

29、gt;　　這一點變得有趣，用DR–FTIR嘗試轉(zhuǎn)換相關(guān)的材料和用掃描電子顯微鏡觀察到的形態(tài)出現(xiàn)變化。對于C-S-H凝膠的形成加速階段開始介于120和180min之間（圖6和7）。同時一個針狀增長的階段快速發(fā)展在水泥石中（圖8）。這一階段被歸因于阿利特水泥以往對于C-S-H凝膠的研究，只有C-S-H凝膠形成時才有氫氧化鈣的組成[25,46]。它是在圖1中被看到。該設(shè)置在180min后開始，而且是經(jīng)過240min后完成。自硫酸鹽發(fā)生可能轉(zhuǎn)換

30、過程的前30min開始，該針狀相是由于硫酸鹽被除去。然而，C-S-H凝膠的形成（參見上文加速階段）發(fā)生在通過掃描電鏡觀察到得針狀相的形成同時出現(xiàn)的工作。波特蘭水泥C–S-H凝結(jié)作為一個階段因此被識別出來的。支持這種說法認為，C-S-H凝膠是體現(xiàn)水泥漿體強度的初步發(fā)展。此外，有人建議，在不斷的C-S-H水化形成，特別是使前設(shè)置。這意味著，實際的設(shè)置是由于熟料顆粒聚結(jié)決定的，它是與C-S-H凝膠的足夠數(shù)量的形成有關(guān)，用來增加摩擦強度和距離。

31、目前的研究結(jié)果與陳和Odler[43]得出結(jié)論相聯(lián)系，在普通硅酸鹽水泥凝結(jié)主要是由于C-S-H凝膠之間形成的硫酸鹽C4AF和C3A</p><p><b>　　5結(jié)論</b></p><p>　　水泥是一種復合材料，其水化可能提供額外的復雜性。事實上，還沒有單一的方法完全包含存在的所有化學反應用以決定在參加水泥結(jié)構(gòu)的混合和前進。因此，一些配套的技術(shù)必須使用。</

32、p><p>　　在本研究中，早期的波特蘭硅酸鹽水泥制備是通過DR-紅外光譜，掃描電鏡，和維卡測量技術(shù)檢測的。這個研究的目的是以說明漫反射傅立葉變換紅外冷凍干燥結(jié)合是如何由可能增加一個關(guān)于水泥水化過程中的初期階段物質(zhì)轉(zhuǎn)化的一塊拼圖，下降到每一分鐘組分的光譜。而每一個獨特的水泥設(shè)置必須分開處理，在早期水化的物質(zhì)轉(zhuǎn)換的監(jiān)測方法已提出。</p><p><b>　　總結(jié)：</b>

33、</p><p>　　1.顯示硫酸鹽再結(jié)晶化學反應進行非常迅速的由慢變快的時間，它是在大約30min后完成;</p><p>　　2.水化后60min出現(xiàn)的970-1100cm-1廣泛吸收的駝峰是由于聚合物二氧化硅決定的。這是與彎曲振動帶有關(guān)（水開發(fā)相關(guān)1500-1700cm-1）。這意味著鈣硅酸鹽水合物的形成，C-S-H凝膠。</p><p>　　3.在掃描電鏡觀

34、察時，時間形態(tài)的變化是依賴水化過程，并且被發(fā)現(xiàn)與C-S-H凝膠形成中產(chǎn)生的DR-紅外光譜有關(guān)聯(lián)。</p><p>　　4.由于C3S的阿利特解散確定的光譜特點的增長在800-970cm-1區(qū)域，C-S-H凝膠的形成密切相關(guān)體現(xiàn)在光譜特征的增長。</p><p>　　維卡設(shè)置開始后180min和240min后完成。會出現(xiàn)這種情況后，硫酸反應以及已經(jīng)停止。然而，在解散加速C3S的形成階段的C-