应用案列丨波特兰水泥熟料的 X 射线粉末衍射

发布时间： 2023-12-15 11:11:13 来源：安东帕精密仪器

X 射线粉末衍射仪

本文研究在环境条件下使用 XRDynamic 500对波特兰水泥熟料进行定性和定量相分析的优势。由于混合物中存在矿物相的复杂性以及存在显著的重叠峰，对水泥材料的非晶相和结晶相的量化是非常困难的。通过使用标准测量配置，对测量样品进行 Rietveld 精修可以获得优异的结果。使用初级多层膜 Kα_1,2 单色器代替传统的 Kβ 滤光片可以进一步改善这一点。

大约 2000 年前，罗马帝国首次使用水泥以来，水泥已成为地球上最普遍的人造材料，随后对其成分研究和用途成为焦点。可以说，X 射线衍射 (XRD) 被认为是当今用于识别和量化水泥和混凝土混合物中矿物相的最重要的分析方法之一。由于材料中发现多晶矿物的成分和相互作用的复杂性，此种表征方法具有特别重要的意义。现代 XRD 仪器还可以通过将非环境附件纳入仪器配置中，对水泥水化过程中的相变和反应进行原位研究。

实验准备

通过对来自美国国家标准与技术研究所(NIST) 的标准波特兰水泥样品 (SRM 2688) 在环境条件下进行了分析。

样本制备：

测量是在经过研磨的 NIST SRM 2688 粉末（一种波特兰水泥熟料）上进行。

X 射线衍射测试:

XRD 测量在安东帕的 XRDynamic 500 自动多用途粉末 X 射线衍射仪上进行，见（图 1），其配备了具有旋转功能的样品旋转台。安东帕的分析软件 XRDanalysis PRO 用于对测量数据的所有定性和定量分析。数据是在 16° 至 90° 的 2θ 角度范围内收集的，步长为 0.01°。

图1：XRDynamic 500 自动化多用途粉末 X 射线衍射仪

实验分析

测量配置

图 2 是初级多层膜 Kα_1,2 单色器（黑色）和 Kβ 滤光片（红色）获得的衍射图的对比。

图2：Kα_1,2 单色器与Ni Kβ 滤光片数据对比

使用标准 Ni Kβ 滤光片获得的衍射数据在所有峰之间提供了很好的区分，同时拥有观察到最小峰所需的信噪比，这种实验配置已经足以研究样品所含有的重叠峰。

另一方面，较低的测量背景（特别是在低 2θ 角）和全谱较高的强度，可以清楚地显示出使用先进的初级单色器相较于 Ni Kβ 滤光片的优势。这种组合提供了更佳的信噪比和峰背比，有利于识别次要相的较弱峰，否则这些峰将不可见或难以与背景区分开。两种配置之间的峰强度差异显示，单色器对整体强度提升了 38%，可以显著提高数据质量或缩短测量时间。

定性相分析

水泥包含熟料、石膏，在这种混合物的情况下，还包含不同含量的添加剂，例如粉煤灰和高炉矿渣。对于波特兰水泥，熟料约占其成分的 95%，其形式为氧化钙、二氧化硅、氧化铝和氧化铁，这四种成分在熟料中以阿利特和贝利特（CaO/SiO₂ 化合物）、铝酸盐（CaO/Al₂O₃）和铁素体（CaO/Al₂O₃/Fe₂O₃）的形式存在，是本次研究的主要焦点。对测量数据进行定性分析，可以轻松识别波特兰熟料中发现的这四种主要化合物，如图3所示。由于 XRDynamic 500 提供的高分辨率，可以在测量的 2θ 范围内轻松区分临近峰。

图 3：波特兰水泥熟料中结晶相的鉴定

定量分析

在确定了波特兰水泥熟料中存在的四个主要相后，进行 Rietveld 精修用于计算相应的相比例。表 1 比较了从 XRD 数据的 Rietveld 精修中获得的质量分数与 NIST SRM 2688 CoA 中的值。

Phase	CoA [wt%]	Result [wt%]
Alite	66.1 ± 3.4	67.1
Belite	17.9 ± 3.7	17.0
Ferrite	11.1 ± 5.1	10.3
Aluminate	5.0 ± 2.9	5.6

根据结果，Rietveld 精修计算出的四个主要相的质量分数均处于 CoA 提供的范围内，因此即使对于水泥熟料等复杂材料也能提供出色的准确性。

非晶相的定量分析

NIST SRM 2688 不含非晶成分。对于含有不同比例粉煤灰的水泥混合物，例如 CEM II 类或其他特别的混合物，衍射图中会出现表示非晶相的特征性宽峰。对于这些情况，量化非晶相含量很重要，以便准确确定结晶相的含量。图 4 显示了在水合水泥材料中观察到的特征性非晶宽峰。如果存在，非晶相可以很容易地使用 XRDanalysis PRO 软件，与结晶相一起进行表征和定量。

图4：水合水泥样品的衍射数据显示了非晶成分在衍射图中的宽峰

对于可能含有非晶相成分但在衍射图中无法直接观察到的样品，可以对样品进行化学处理以溶解硅酸盐相，以更好地显示非晶相成分。

实验结论

结果表明，XRDynamic 500 配备了 Cu X 射线管与 Ni Kβ滤光片的布拉格-布伦塔诺几何相配合可以提供出色的分辨率和峰强度，适合用于测量波特兰水泥熟料等复杂的水泥材料。该配置可以获得识别和量化存在的结晶相和非晶相所需的数据质量。通过使用初级多层膜单色器代替标准 Ni Kβ 滤光片，可以进一步提高信噪比、峰背比以及整体强度。 XRDynamic 500 具有一流的分辨率、真空光路和自动化光学器件，是对水泥材料进行研究的理想解决方案。此外，通过使用安东帕完全集成的非环境 XRD 附件，例如 CHC plus⁺ 低温和湿度腔室或 HTK 16N/2000N 高温腔室，可以极大地拓宽研究范围和深度；可以原位研究水泥水化、凝固和解冻以及模拟窑炉高温条件下的矿物学变化。