一种通过微观检测判断硅酸盐水泥失效的方法技术

本发明专利技术公开了一种通过微观检测判断硅酸盐水泥失效的方法，包括制作水泥检测样品；利用扫描电子显微镜对水泥检测样品观察，获取BSE图像，如果BSE图像中有大于4um的针状形貌晶体结构在水泥颗粒附近聚集，则定性表征该批水泥完全失效；如果BSE图像中有小于4um的针状形貌的晶体结构或无法观察到疑似针状晶体，对BSE图像区域进行EDS能谱分析。通过微观检测手段对水泥进行失效表征，方便、准确地表征任意时刻与环境下贮存的水泥是否失效，及时掌握水泥质量，为预测、改善水泥的使用性能及工程中的应用提供理论依据。

Method for judging Portland cement failure by microscopic detection

The invention discloses a method for judging the failure of Portland cement by microscopic detection, including the production of cement samples; observation of cement samples by scanning electron microscopy, BSE image acquisition, if the BSE image has gathered acicular crystal structure is greater than 4um in the cement particle is near, the characterization of complete failure if the batch of cement; the crystal structure of acicular morphology is less than 4um in BSE images cannot be observed or suspected of needle like crystals of BSE image region EDS spectrum analysis. The cement was characterized by micro failure detection means, conveniently and accurately characterize the environment at any time and storage of cement failure, timely grasp the quality of the cement, and provide a theoretical basis for the prediction, improve performance and engineering application of cement.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于建筑材料
，尤其涉及一种通过微观检测判断硅酸盐水泥失效的方法。
技术介绍
硅酸盐水泥是吸水性很强的粉粒状物料，按照GB175—2007《通用硅酸盐水泥》标准要求，水泥在运输与贮存时不得受潮和混入杂物，但没有明确规定水泥的保质期，最主要还是考虑到水泥贮放环境对水泥质量的明显影响。一般认为水泥贮存有效期为13个月，但在潮湿环境下存放约3个月后就易出现结块等现象，熟料矿物发生部分水化反应，影响了水泥的胶结程度，导致质量下降后失效。水泥在贮存期间发生质量变化会直接影响水泥水化后的使用性能，如抗压强度，水泥强度波动大将导致混凝土强度波动大，在实际工程中因水泥强度失效而造成的事故屡见不鲜。当水泥强度下降，且低于规范中所要求度值5MPA时，混凝土28d强度质量将无法得到保证，易酿成质量安全事故。因此，对于水泥失效的研究必须予以足够重视。掌握水泥失效原理，建立准确的水泥失效表征体系，及时预测并保证水泥质量，对充分认识水泥品质性能，掌控并提高商品混凝土使用性能有很重要的意义。实际工程中，目前主要借助表面观察法和抗压强度试验法表征水泥是否失效。表面观察法是基于唯象学的经验式观察水泥结块是否严重判断其是否失效。抗压强度试验法通过对不同龄期的水泥进行抗压试验，以水泥强度是否达到规范要求判断是否失效。但这两种方法均无法及时表征水泥失效，前者不准确，且不适用所有工况；后者有明显的滞后性。关于硅酸盐水泥失效机理方面的国内外研究报道还很少，有学者提出是水泥失效机理是因为熟料中的K2O与石膏在有水分的条件下生成针状的钾石膏，随时间推移，一方面水泥颗粒中生成膨胀性的针状结晶增多，降低了水泥颗粒之间的流动性能；另一方面熟料矿物减少，胶结材料流失，最终导致水泥的胶结程度受影响，水泥强度大幅下降从而失效。也有学者提出熟料矿物中的C3A可以与氢氧化钙(CH)、水泥中的石膏、游离水反应生成针状或柱状的钙矾石，影响了水泥的胶结程度，导致水泥失效。以上研究集中在水泥失效机理探索，但是仍在定性层面，尚未有定量检测方法表征水泥失效。而根据唯象学的表面观察法和基于宏观的抗压试验法忽略了失效的本质机理。近年来，微观分析已成为材料性能研究和失效机理分析的重要技术手段，对于一些宏观力学或数值模拟手段无法找出规律更难以阐明原因的问题，微观分析更加凸显出重要意义。硅酸盐水泥失效是由于水泥内部微观结构受环境影响与水分发生一系列物理化学反应后结晶破坏，胶结材料胶结性下降从而强度下降后失效。结晶破坏的宏观体现就是水泥结块，但工程应用中仅凭表面观察或抗压试验并不能准确及时的掌握水泥质量。例如，有些袋装水泥无法根据表面观察判断是否结块，但实际已发生强度下降等质量问题，而进行抗压试验的滞后性会影响后续制成混凝土的质量。所以亟待需要提供一种可以观察硅酸盐水泥颗粒表面微观结构，准确表征硅酸盐水泥失效的分析方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种通过微观检测判断硅酸盐水泥失效的方法，解决现有技术中尚无通过观察硅酸盐水泥颗粒表面微观结构来准确表征硅酸盐水泥失效的技术问题。为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一种通过微观检测判断硅酸盐水泥失效的方法，包括如下步骤：步骤一、制作水泥检测样品：1.1)、取一定量的水泥粉末和环氧树脂胶，并将二者均匀混合，然后压入模具中，在60℃下干燥养护20-40h，形成水泥试块。要模拟水泥颗粒刚放入水中但瞬时未发生水化反应的初始状态，就要找到替代水的合适材料。环氧树脂胶与水有相近似的粘度，可以提供与水泥颗粒悬浮在水中一样的环境，并可保证水泥颗粒不与环氧树脂胶发生化学反应。将环氧树脂胶与水泥粉末搅拌混合成近似干的粘性胶体，可以得到水泥颗粒在水泥浆体中的实际分布情况。低粘度的环氧树脂胶的相对分子质量不高，高温环境下会固化，固化后强度提升，粘结性好，稳定性好，可储存1年以上，并且体积收缩率低。1.2)、将水泥试块切割成厚度为6-9mm的薄片，并对薄片的切割表面进行打磨、抛光；然后对薄片进行镀导电膜处理，制得水泥检测样品。经过打磨、抛光处理，薄片获取光滑平行的上、下表面，水泥颗粒轮廓清晰可见，有效减少了切割时留下的锯痕产生的划痕，避免样品表面物理损伤。由于干的水泥样品近似绝缘体，而扫描电子显微镜是根据电子束的衍射和反射来反应材料的物相，因此要求待检测试样必须是导电的，所以在水泥检测样品的表面喷金，保证样品的导电性。步骤二、利用扫描电子显微镜在20KV加速电压、2nA探针电流的条件下，对水泥检测样品在500倍放大倍数下进行观察，获取281umx293um区域内的BSE图像，对BSE图像中微观结构形貌进行判别：3.1)、如果在BSE图像中观察到水泥颗粒附近有长度大于4um的针状形貌的微观晶体结构聚集，则定性判断为该批水泥完全失效，即该批水泥的28d龄期的抗压强度低于规范要求的强度值超过5MA。硅酸盐水泥在贮存期间中会吸收水分，发生两种反应导致水泥熟料矿物减少，抗压强度下降，开始失效。反应生成的晶体降低了颗粒的流动性能，水泥逐渐失去胶结性能，最终抗压强度下降到一定程度，完全失效。一种反应是水泥熟料矿物中的K2O与粉磨时掺入的石膏在有水分的条件下发生如下反应，生成针状微观结构的水化钾钙复硫酸盐，也称为钾石膏：K2SO4+CaSO4+H2O→K2Ca(SO4)2·H2O生成钾石膏的过程仅需空气中少量的水分，一旦形成后会在水泥颗粒之间产生一种强烈的结合力，从而大大加剧水泥的结块现象。另一种反应是由于C3A具有很高的早期活性，且与水分反应的速率较快，可以与氢氧化钙(CH)、水泥中的石膏、游离水反应生成针状或柱状的钙矾石。C3A在石膏、氢氧化钙同时存在的条件下，发生如下反应：3CAO·Al2O3+CA(OH)2+12H2O＝4CAO·Al2O3·13H2O水化生成的六方片状晶体C4AH13，会接着与石膏反应，反应方程式如下：4CAO·Al2O3·13H2O+3(CASO4·2H2O)+14H2O＝3CAO·Al2O3·3CASO4·32H2O+CA(OH)2)钾石膏和钙矾石晶体均具有柱状或针状结构，一旦上述两种反应开始，会在水泥颗粒中生成大量膨胀性的针状结晶，水泥熟料中活性矿物组分减少，胶结性能下降，导致水泥强度大幅下降从而失效。3.2)、如果在BSE图像中观察到水泥颗粒附近有长度小于4um的针状形貌的微观晶体结构的，或无法观察到BSE图像中存在针状形貌的微观晶体结构，则在20KV加速电压、10nA探针电流的条件下，对BSE图像中具有较完整水泥颗粒和孔隙分布的区域进行X射线能谱分析，获取该区域内AL、K元素及AL、K对应氧化物的含量，对水泥失效程度进行定量判断。3.2.1)、如果Al、K元素氧化物含量总和超过5％，则可定量判断该批水泥开始失效；如果Al、K元素氧化物含量总和超过10％，则可定量判断该批水泥已经彻底失效。由于反应初期水分少，水化反应速率很慢，开始失效的水泥中钙矾石或钾石膏的含量生成物较少，在BSE扫描时不易发现。因此，仅通过BSE图像观察分析很难准确表征水泥失效，反应初期即使BSE图像未观察到针状结构，但反应一旦开始，熟料矿物组分活性降低，水泥胶结性能下降，水泥抗压强度下降，影响水泥正常使用，导致水泥失效。反应初期的钙矾石或本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通过微观检测判断硅酸盐水泥失效的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、制作水泥检测样品：1.1)、取一定量的水泥粉末和环氧树脂胶，并将二者均匀混合，然后压入模具中，在60℃下干燥养护20‑40h，形成水泥试块；1.2)、将水泥试块切割成厚度为6‑9mm的薄片，并对薄片的切割表面进行打磨、抛光，然后对薄片进行镀导电膜处理，制得水泥微观检测样品；步骤二、在20KV加速电压、2nA探针电流的条件下，利用扫描电子显微镜对水泥检测样品在500倍放大倍数下进行观察，获取281x293um区域内的BSE图像，对BSE图像中水泥颗粒形态进行判别：3.1)、如果在BSE图像中观察到水泥颗粒附近有长度大于4um的针状形貌的微观晶体结构聚集，则定性判断为该批水泥完全失效；3.2)、如果在BSE图像中观察到水泥颗粒附近有长度小于4um的针状形貌的微观晶体结构聚集，或无法观察到BSE图像中存在针状形貌的微观晶体结构，则在20KV加速电压、10nA探针电流的条件下，对BSE图像中具有完整水泥颗粒和孔隙分布的区域进行X射线能谱分析，获取该区域内AL、K元素及AL、K对应氧化物的含量，对水泥失效程度进行定量判断；3.2.1)、如果AL、K元素氧化物含量总和超过5％，则可定量判断该批水泥开始失效；如果AL、K元素氧化物含量总和超过10％，则可定量判断该批水泥已经完全失效；3.2.2)如果AL、K元素氧化物含量总和未超过5％，则该批水泥未失效。...

【技术特征摘要】
1.一种通过微观检测判断硅酸盐水泥失效的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、制作水泥检测样品：1.1)、取一定量的水泥粉末和环氧树脂胶，并将二者均匀混合，然后压入模具中，在60℃下干燥养护20-40h，形成水泥试块；1.2)、将水泥试块切割成厚度为6-9mm的薄片，并对薄片的切割表面进行打磨、抛光，然后对薄片进行镀导电膜处理，制得水泥微观检测样品；步骤二、在20KV加速电压、2nA探针电流的条件下，利用扫描电子显微镜对水泥检测样品在500倍放大倍数下进行观察，获取281x293um区域内的BSE图像，对BSE图像中水泥颗粒形态进行判别：3.1)、如果在BSE图像中观察到水泥颗粒附近有长度大于4um的针状形貌的微观晶体结构聚集，则定性判断为该批水泥完全失效；3.2)、如果在BSE图像中观察到水泥颗粒附近有长度小于4um的针状形貌的微观晶体结构聚集，或无法观察到BSE图像中存在针状形貌的微观晶体结构，则在20KV加速电压、10nA探针电流的条件下，对BSE图像中具有完整水泥颗粒和孔隙分布的区域进行X射线能谱分析，获取该区域内AL、K元素及AL、K对应氧化物的含量，对水泥失效程度进行定量判断；3.2.1)、如果AL、K元素氧化物含量总和超过5％，则可定量判断该批水泥开始失效；如果AL、K元素氧化物含量总和超过10％，则可定量判断该批...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴胜兴，孙克纬，赵海涛，娄保东，张风臣，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32