水泥浆体中钙矾石形成发展的X射线衍射原位测试法

水泥浆体中钙矾石形成发展的X射线衍射原位测试法

王培铭，陈波，吴建国

（同济大学材料科学与工程学院，先进土木工程材料教育部重点实验室，上海 200092）

摘要：本文介绍了用透X射线专用薄膜，将新鲜水泥浆体密封在X射线衍射样品架上，然后对样品在不同的水化时间段直接进行X射线衍射测试的X射线衍射原位测试法。该方法是对同一样品进行多次测试，避免了因终止水化、研磨以及制样而引入的误差，可以实现对水泥水化样品的实时监测。本文通过使用E-SEM观察分析原位法测试样品和终止水化样品中钙矾石晶体的取向性，证明X射线衍射实验条件下样品测试区域的整体代表性和对比原位法和终止水化法测得的钙矾石X射线衍射特征峰积分强度的变化，验证了X射线衍射原位法研究钙矾石生成发展的可行性。

关键词：X射线衍射（XRD）；原位法；钙矾石（AFt）；可行性

Native State XRD Testing for Researching Ettringite’s Amount

in Cement Paste

Wang Peiming, Chen Bo, Wu Jianguo

(Key Laboratory of Advanced Civil Engineering Materials of Ministry of Education,

School of Materials Science and Engineering, Tongji University, Shanghai, 200092) Abstract: The native state X-ray diffraction (XRD) testing which is introduced in the paper is a way that seals fresh cement paste in XRD sample holder by X-ray penetrable film for direct XRD testing at different hydration age. This measurement makes times of tests on the same sample in native state. The sample’s hydration needs not to be stopped for testing, so it has no grinding and sample preparation effects, and initial reactions of cement can be followed. The feasibility of the native state XRD testing is attested in the paper through observing preferred orientation of AFt crystals in native state testing sample and stopped hydration sample by E-SEM, proving rationality of treating tested area as whole sample’s representative under the XRD scanning condition and comparing variation of integral intensities of AFt’s characteristic peak between native state testing sample and stopped hydration samples.

Keywords: X-ray diffraction (XRD); native state testing; ettringite (AFt); feasibility

1．引言

高硫型水化硫铝酸钙C3A·3CaSO4·32H2O简称钙矾石，缩写为AFt，是硅酸盐水泥重要的早期水化产物之一，极大地影响水泥的早期水化性质。自从1892年E．Michaeli首次提出了“水泥杆菌”概念并成功制备钙矾石以来，国内外学者对钙矾石进行了广泛的研究，近年来仍有不少报告，范围涵盖钙矾石的结构[1-2]、形成条件与机理[3-4]、特性[5]以及其在水泥基材料中的生长规律[6-7]等等。但是在对钙矾石进行研究时，几乎所有的研究对象都是终止水化样品，采用X射线衍射进行研究[8]时亦是如此。

本文介绍的X射线衍射原位法是用透X射线专用薄膜，将水泥水化样品密封在X射线衍射样品架内养护，在不同的水化时间段对样品直接进行XRD测试，实现对水泥水化样品的

实时监测。

根据在相同测试条件下，某一X射线衍射峰积分强度的变化表征该峰所属结晶相在体系

中含量变化的原理[9]，采用X射线衍射原位法对钙矾石特征峰所在角度范围进行测试，可以

实现对水泥水化过程中钙矾石形成发展的表征。

本文主要通过对比原位法和终止水化法测得的钙矾石X射线衍射特征峰积分强度的变

化来验证X射线衍射原位法研究钙矾石生成量的可行性。由于X射线衍射原位法测试的样品

未作研磨等处理，那么钙矾石晶体的取向性以及样品测试部分是否具有整体代表性是两组样

品可能存在的最大差别，也是影响衍射峰强度的关键因素。因此本实验通过观察样品中钙矾

石的形态和验证在所采用的实验条件下X射线的穿透力来证明X射线衍射原位法研究钙矾石

的可行性。

2．试验

2．1 试验原材料

水泥为海螺集团生产的P.Ⅱ52.5级硅酸盐水泥(以下简称海螺水泥)，其化学组成和主要

矿物组成分别如下表1和表2所示。水泥水化所使用的水为去离子水。

表1 水泥的化学组成

Table 1 Chemical compositions of the cement

w/ % CaO SiO2Al2O3Fe2O3SO3MgO K2O Na2O f-CaO

62.72 20.24 5.29 3.40 1.97 1.18 0.57 0.11 0.23

表2 水泥的主要矿物组成

Table 2 Mineral compositions of the cement

w/ % C3S C2S C3A C4AF CaSO4·2H20

54.47 16.91 8.27 10.34 4.24

2．2 样品制备

将水灰比为0.5的水泥浆体手工搅拌2分钟后，取出适量浆体，用厚度为2.5µm的透X射

线专用薄膜密封于玻璃样品架上，养护至指定龄期后直接放入X射线衍射仪对样品进行测

试。

终止水化样品（对比组）的制备是将水灰比为0.5的水泥浆体手工搅拌2分钟后，把样品

装入自封袋内进行密闭养护，至指定龄期后，使用无水乙醇对样品进行终止水化并研磨成粉

末进行测试。

两组样品均置于实验室内养护，环境温度保持在20±2℃，相对湿度保持在50±5％。

2．3 测试

2.3.1 E-SEM

本试验使用FEI公司生产的Quanta 200 FEG型场发射环境扫描电子显微镜对样品进行测

试。

X射线衍射原位法测试样品养护至14天后，揭开密封用的透X射线专用薄膜，将样品从

玻璃样品架中取出，在低真空模式下进行SEM测试，观察样品不同区域钙矾石的生长情况。

将在自封袋中密闭养护至相同龄期的样品使用无水乙醇进行终止水化并制成粉末样品，