水泥基材料微结构分析方法

目录

英文版前言

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第1章　样品制备1

1.1　简介1

1.2　取样1

1.3　粉磨3

1.3.1　未水化胶凝材料的粉磨3

1.3.2　硬化浆体的粉磨6

1.4　干燥的胶凝材料和砂浆的混合8

1.5　未水化胶凝材料的储存和使用期限11

1.5.1　胶凝材料和砂浆的预水化和储存期限11

1.5.2　胶凝材料的实验室储存13

1.6　净浆和砂浆的拌和、浇筑及养护14

1.6.1　拌和14

1.6.2　浇筑和养护17

1.7　终止水化19

1.7.1　直接干燥法20

1.7.2　溶剂置换法23

1.7.3　样品保存25

1.7.4　注意事项26

1.8　结论27

致谢29

参考文献29

第2章　量热法33

2.1　引言33

2.2　操作注意事项36

2.2.1　等温(传导式)量热法37

2.2.2　半绝热量热法40

2.2.3　溶解量热法41

2.3　样品制备——搅拌和装样42

2.4　应用实例43

2.4.1　水化热的测定43

2.4.2　温度对水化动力学的影响46

2.4.3　水灰比对水化动力学的影响48

2.4.4　凝结时间和强度发展的关系49

2.4.5　波特兰水泥的硫酸盐优化50

2.4.6　辅助胶凝材料的反应活性52

2.4.7　水泥-外加剂的相互作用55

2.4.8　干混砂浆57

2.5　结论与展望59

致谢61

参考文献61

第3章　化学收缩法表征水泥水化的发展66

3.1　简介66

3.2　化学收缩总量和水化程度的确定68

3.3　CS的测量步骤70

3.4　试样尺寸75

3.5　误差来源76

3.6　测量的复现性80

3.7　案例研究81

3.7.1　矿物掺合料对化学收缩发展的影响81

3.7.2　温度对化学收缩发展的影响82

3.7.3　不同细度混合水泥的化学收缩预测83

3.8　化学收缩法和其他表征水化的方法的比较83

3.9　实验方法介绍85

3.9.1　重力法的实验步骤85

3.9.2　膨胀法的实验步骤86

3.9.3　报告撰写指导88

3.10　结论与展望88

致谢88

参考文献88

第4章　X射线衍射在水泥中的应用92

4.1　引言92

4.2　定性相分析93

4.3　定量相分析：Rietveld法的发展109

4.4　定量相分析中的Rietveld法111

4.4.1　内标法114

4.4.2　外标法115

4.5　数据采集116

4.6　样品制备117

4.6.1　统计效应117

4.6.2　样品装填119

4.6.3　终止水化120

4.6.4　XRD数据发表123

4.7　定量分析(Rietveld法)124

4.7.1　晶体结构模型124

4.7.2　精修策略125

4.7.3　Rietveld QPA的逆向计算128

4.7.4　XRD分析结果发表129

4.7.5　案例1：水泥131

4.7.6　案例2：已水化水泥134

4.8　结论与展望138

致谢139

参考文献140

第5章　热重分析法151

5.1　引言151

5.2　热重实验的影响因素154

5.2.1　升温速率、坩埚以及吹扫气体流量154

5.2.2　样品质量155

5.2.3　样品制备157

5.3　水泥基体系中典型固相物质的热重分析数据161

5.3.1　二水石膏162

5.3.2　羟钙石、水镁石、方解石和菱镁石162

5.3.3　C-S-H凝胶163

5.3.4　AFt相164

5.3.5　AFm相165

5.3.6　水化铝酸钙167

5.3.7　M-S-H及水滑石167

5.4　结合水、氢氧化钙及碳酸钙的定量分析168

5.4.1　结合水168

5.4.2　氢氧化钙和碳酸钙168

5.4.3　测量误差169

5.4.4　切线法和差值法定量分析170

5.5　热重分析测试中的氧化反应172

5.6　差热分析/差示扫描量热法174

5.7　热重分析指南175

5.7.1　已水化水泥的TGA实验操作过程175

5.7.2　其他考量因素177

5.8　结论与展望178

致谢178

参考文献178

第6章　高分辨固体核磁共振波谱技术183

6.1　介绍183

6.2　理论背景185

6.2.1　原子核的自旋、磁化以及核磁共振基础实验185

6.2.2　自旋-晶格弛豫和自旋-自旋弛豫189

6.2.3　化学位移和偶极/四级相互作用191

6.2.4　线形收窄和灵敏度增强技术205

6.3　核磁共振仪器和共振谱的拟合220

6.3.1　超导磁体220

6.3.2　核磁共振仪的电子系统223

6.3.3　魔角旋转探头224

6.3.4　样品的处理和制备226

6.3.5　基础魔角旋转核磁共振谱图的获得227

6.3.6　各向同性魔角旋转核磁共振光谱的模拟229

6.3.7　各向异性魔角旋转核磁共振光谱的模拟233

6.4　结论和展望234

致谢236

参考文献236

第7章　质子核磁共振弛豫法245

7.1　引言245

7.2　NMR基本原理246

7.2.1　1H核的磁特性247

7.2.2　磁共振248

7.2.3　弛豫现象248

7.2.4　利用弛豫时间表征多孔介质孔径250

7.3　NMR设备252

7.3.1　对NMR仪器的说明252

7.3.2　磁场强度(频率)254

7.3.3　波谱仪选择255

7.3.4　安全注意事项256

7.4　NMR入门：自由感应衰减信号的获取257

7.4.1　确定合适的参照样品257

7.4.2　开启波谱仪257

7.4.3　设置样品位置258

7.4.4　波谱仪校准258

7.4.5　90°单脉冲实验(自由感应衰减实验)258

7.5　实验参数260

7.5.1　90°脉冲长度260

7.5.2　扫描次数260

7.5.3　循环延迟261

7.5.4　接收器的增益系数262

7.5.5　停留时间Dt262

7.6　水泥基材料1H-NMR实验的准备工作263

7.6.1　样品类型264

7.6.2　样品尺寸的选择265

7.6.3　测试样品的制作265

7.6.4　待测样品的养护266

7.6.5　样品的质量和氢元素含量266

7.6.6　样品的温度控制267

7.6.7　环境敏感性267

7.7　适用于水泥样品的T1和T2脉冲实验267

7.7.1　CPMG脉冲序列268

7.7.2　反转恢复脉冲序列以及饱和恢复脉冲序列271

7.7.3　 :固体信号和固体回波(正交回波)脉冲序列273

7.8　水泥样品的数据分析277

7.8.1　数据文件属性277

7.8.2　原始数据和相位调整278

7.8.3　多指数拟合278

7.9　水泥浆体样品的典型结果280

7.9.1　典型CPMG结果281

7.9.2　典型T1 IR结果283

7.9.3　典型的固体回波(正交回波)结果283

7.9.4　水化过程中不同NMR信号的演变283

7.10　几个实验问题285

7.10.1　拉普拉斯逆变换：注意事项及局限性285

7.10.2　故障排除和基准测试287

7.10.3　测量精度/准确度288

7.11　总结289

致谢290

参考文献290

第8章　电子显微镜技术295

8.1　扫描电子显微镜技术简介295

8.1.1　电子与物质的相互作用295

8.1.2　扫描电子显微镜技术的主要信号及成像方法296

8.1.3　环境扫描电子显微镜和其他无须样品预干燥处理的技术299

8.1.4　用于电镜观察的样品300

8.2　终止水化300

8.2.1　早龄期样品(少于1d)301

8.2.2　块状样品(水化24h后的样品)303

8.3　形貌研究(早龄期样品断面)303

8.4　抛光样品的背散射电子成像307

8.4.1　样品制备307

8.4.2　典型的背散射电子图像312

8.4.3　普通水泥基材料的背散射电子成像314

8.5　特征X射线和化学分析318

8.6　扫描电子显微镜技术的应用322

8.6.1　水化反应的定量分析和图像分析322

8.6.2　联合化学分析和背散射电子图像的定量分析324

8.6.3　劣化反应327

8.7　透射电子显微镜技术330

8.7.1　透射电子显微镜技术简介330

8.7.2　样品制备332

8.7.3　典型样品成像的例子335

8.7.4　化学组成339

8.7.5　用于三维重建的聚焦离子束显微切片技术344

8.8　总结346

致谢347

参考文献347

第9章　压汞法351

9.1　简介351

9.2　安全考虑352

9.2.1　背景信息352

9.2.2　潜在危害352

9.2.3　使用汞的安全条件352

9.3　测量原理353

9.3.1　MIP起源353

9.3.2　理论背景354

9.4　结果展示355

9.5　实验装置(仪器，输入参数等)356

9.5.1　实验装置356

9.5.2　仪器维护和膨胀计校准357

9.5.3　输入参数357

9.6　实 验 步 骤361

9.7　报告撰写指导362

9.8　样品制备方法的影响362

9.9　压汞法的局限性以及与其他方法的比较363

9.10　MIP实验结果示例366

9.10.1　水泥类型的影响366

9.10.2　养护条件的影响367

9.10.3　水灰比的影响368

9.10.4　龄期的影响369

9.11　总结369

9.12　展望370

参考文献370

第10章　激光衍射与气体吸附技术374

10.1　综述374

10.2　粒度分布375

10.2.1　概述375

10.2.2　制样的重要性379

10.2.3　激光衍射379

10.2.4　示例：湿法激光衍射385

10.3　气体吸附技术391

10.3.1　综述391

10.3.2　气体吸附理论393

10.3.3　等温吸附曲线的分析394

10.3.4　水泥基材料分析的实验条件397

10.3.5　实验准则401

10.4　总结与展望404

参考文献404

第11章　三元相图在水泥水化中的应用408

11.1　前言408

11.2　CaO-Al2O3-(Fe2O3-MgO-)SiO2-SO3-CO2-H2O体系中的三元相图410

11.3　CaO-Al2O3-SiO2及C3A-CaSO4-CaCO3系统相图410