一种计算水泥基材料中粉煤灰水化程度的方法

1.本发明涉及混凝土材料技术领域，尤其涉及一种计算水泥基材料中粉煤灰水化程度的方法。


背景技术：

2.粉煤灰作为一种矿物掺合料，在水泥基材料中的应用越来越广泛。众所周知，粉煤灰在水泥基材料中主要起到三方面作用：微集料效应、形态效应和火山灰效应。其中，粉煤灰的火山灰效应是指粉煤灰中的活性物质与水泥的水化产物——氢氧化钙发生二次水化反应，生成水化硅酸钙凝胶或水化硅酸铝钙凝胶，填充孔隙，有利于水泥基材料后期强度发展并改善耐久性。因此，确定粉煤灰的水化程度，对评价其反应活性以及火山灰效应对体系结构形成的贡献等具有重要意义。
3.目前，测定水泥基材料中粉煤灰水化程度的方法主要有选择性溶剂溶解法和背散射电子图像分析法。选择性溶剂溶解法的基本原理是：在水泥基材料中，水泥与粉煤灰的水化产物以及未水化水泥颗粒会溶解于特定某种酸(例如盐酸)，而未水化粉煤灰颗粒不会溶解于这种酸，因此，可以利用这种酸将水泥及水化产物和未水化粉煤灰颗粒分离开来，得到未水化粉煤灰颗粒的质量分数，根据配合比中粉煤灰的初始质量分数，进而得到粉煤灰的水化反应程度；然而，选择性溶剂溶解法在测试粉煤灰水化程度的过程中由于选择的酸性溶液实际上并不能使水化产物和未水化水泥颗粒完全溶解，导致测试结果并不准确。背散射电子图像分析法主要利用灰度阈值和粉煤灰颗粒的球形形态特征对水泥基材料的背散射图像进行粉煤灰颗粒分割，获得未水化粉煤灰颗粒的面积分数和体积分数，根据粉煤灰的初始体积分数得到其水化反应程度；但这一过程费时费力，更主要的是无法识别内部中空的粉煤灰颗粒或者非规则形状的粉煤灰颗粒，最终依旧无法准确测试粉煤灰水化程度。


技术实现要素：

4.为了克服现有方法对水泥基材料中粉煤灰水化程度无法准确测试的不足，本发明提出一种采用粉煤灰中特征元素对水泥基材料中未水化粉煤灰颗粒进行分离的方法，进而得到未水化粉煤灰颗粒的体积分数，根据水泥基材料配合比中粉煤灰的初始体积分数，最终计算出粉煤灰的水化程度。
5.本发明提供了一种计算水泥基材料中粉煤灰水化程度的方法，包括如下步骤：
6.(1)水泥基材料的配制：
7.以包括骨料、胶凝材料在内的原材料制备水泥基材料，胶凝材料包括粉煤灰和水泥；
8.(2)微观图像的获取：
9.在水泥基材料的浆体中取样观测，并进行特征元素的面扫描，得到元素分布图；
10.(3)粉煤灰的图像识别与分离：
11.对元素分布图进行分析，根据特征元素含量的不同分离出未水化粉煤灰，特征元
素包括钙、硅、铝、硫、氧、铁、钠和钾；
12.(4)粉煤灰水化程度α的计算：
[0013][0014]
其中，为未水化粉煤灰在浆体中的平均体积分数，由软件统计得出；
[0015]
为浆体在水泥基材料中的体积分数，由水泥基材料的配合比和原材料的密度计算得到；
[0016]
为水泥基材料中粉煤灰的初始体积分数，由配合比和原材料的密度计算得到。
[0017]
优选的，步骤(1)中，骨料包括硅砂，原材料还包括减水剂。
[0018]
优选的，步骤(2)中，水泥基材料在取样前，先经过入模养护、切割薄片、浸泡、抛光、超声清洗、喷碳处理以满足微观测试要求。
[0019]
优选的，步骤(3)中，特征元素包括硅、铝、氧、铁、钠和钾。
[0020]
优选的，步骤(3)中，对元素分布图进行处理得到特征元素之和的总分布图，对总分布图进行灰度阈值处理，分离出未水化粉煤灰。
[0021]
优选的，步骤(4)中，统计通过在1000～2000的放大倍数下，在水泥基材料的浆体中随机选取至少30个区域进行。
[0022]
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0023]
本发明利用粉煤灰的特征元素分布图对未水化粉煤灰进行图像识别，可以避免选择性溶剂溶解法和背散射电子图像分析法所带来的测试偏差，更精确的测试水泥基材料中未水化粉煤灰的含量，进而给出更为准确的粉煤灰水化程度。
附图说明
[0024]
此处的附图被并入说明书中并构成说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理，其中：
[0025]
图1是本发明所提供的实施例2的砂浆中浆体中钙、硅、铝、硫、氧、铁、钠和钾元素的分布图像；其中，图1a为钙分布图像，图1b为硅分布图像，图1c为铝分布图像，图1d为硫分布图像，图1e为铁分布图像，图1f为钾分布图像，图1g为钠分布图像，图1h为氧分布图像；
[0026]
图2是本发明所提供的实施例2的砂浆中浆体中硅、铝、氧、铁、钠和钾元素含量之和的总分布图像；
[0027]
图3是本发明所提供的实施例2的砂浆中分离出的未水化粉煤灰图像。
具体实施方式
[0028]
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。
[0029]
实施例
[0030]
1.原材料及试验方案
[0031]
1.1原材料
[0032]
本发明实施例采用的水泥基材料为大掺量粉煤灰砂浆，原材料包括胶凝材料、骨料、水和减水剂；其中，胶凝材料包括p.ii 42.5型水泥和i级粉煤灰，二者的密度分别为3.13g/cm3和2.56g/cm3。二者的化学成分和烧失量如表1所示。砂浆中的骨料采用硅制砂，最大粒径为4.75mm，细度模数为2.7，表观密度为2618kg/m3，骨料在使用前提前达到饱和面干状态。减水剂采用聚羧酸型高效减水剂，密度为1.08g/cm3，ph值为5.0，固含量为34.4％。
[0033]
表1水泥和粉煤灰的化学成分(质量分数)
[0034][0035]
1.2配合比设计
[0036]
本发明采用固定胶凝材料总量和固定骨料用量，制备不同粉煤灰掺量、不同水胶比的大掺量粉煤灰砂浆，研究不同配合比下粉煤灰的水化程度。砂浆配合比设计中，粉煤灰掺量分别为66％、75％和84％，水胶比分别为0.27、0.30和0.33，应用减水剂调整砂浆的流动度保持一致。大掺量粉煤灰砂浆的具体配合比如表2所示。
[0037]
表2大掺量粉煤灰砂浆的配合比
[0038][0039]
大掺量粉煤灰砂浆通过实验室砂浆搅拌机进行准备。粉煤灰、水泥、砂子和先进行5min的干拌，然后加入拌合水和减水剂再搅拌5min，以达到较优异的工作性。搅拌后，将新拌砂浆倒进直径为50.8mm，高度为101.6mm的圆柱形模具中。所有的试样都覆盖上一层塑料薄膜，然后放在室温环境中养护24h，之后将试样拆模并放置在养护箱(温度22
±
2℃，相对湿度98％)内进行养护至28d。
[0040]
1.3试验方法
[0041]
为了观测砂浆试样经过养护后的微观结构，采用jeol jxa-8500f型电子扫描显微镜对试样进行测试。1cm
×
1cm大小的测试用薄片试样从养护28d的圆柱形砂浆中部切割而来。将试样干燥后浸泡在低黏度的环氧树脂中，然后用由粗及细的油基钻石粉末进行抛光，直到试样表面足够光滑。抛光过后，将试样放进无水乙醇中进行超声清洗，确保测试前试样表面的清洁。最后将试样表面进行喷碳处理。扫描电子显微镜的工作电压选为15kv，每个试样的扫描时间为60s，在砂浆中选取浆体进行观测，放大倍数为1500。与特定元素对应的特
征x射线的波长和强度可以被扫描电子显微镜中配备的波谱仪捕获并加以分析，定量分析试样表面的化学元素的组成。使用基准样品的标定曲线，与目标元素对应的x射线的强度可以被转换为质量分数。最终，可以得到试样的元素分布图，其中元素的浓度以色阶表示。在每一个选取的区域中，分析8种元素：钙、硅、铝、硫、氧、铁、钠和钾，获得这些特征元素的分布图。
[0042]
2.试验结果
[0043]
2.1特征元素分布
[0044]
电子扫面显微镜中配备的波谱仪可以用来分析浆体的化学元素分布，并且可以将其分布可视化。本发明利用波谱分析对浆体中的8种元素进行了分析：钙、硅、铝、硫、氧、铁、钠和钾。选取这8种元素主要是考虑到水泥和粉煤灰的水化产物和粉煤灰本身主要由这几种化学元素组成，分析它们的分布有助于确定粉煤灰的特征元素。图1中给出了实施例2的砂浆相同浆体内的8种元素的分布情况。图中的颜色标尺指示了每一种元素的相对浓度，颜色标尺旁边的数字对应每一种颜色测量到的x射线计数。从图1中可以看出，粉煤灰颗粒与周围水化产物中钙元素的浓度都较高，难以起到从浆体中分离未水化粉煤灰颗粒的作用。与此同时，与粉煤灰颗粒周围的浆体相比，粉煤灰颗粒中的硅、铝、氧、铁、钠和钾元素的浓度相对较高，而硫元素的含量相对较低。作为一种非匀质材料，粉煤灰颗粒之间和颗粒内部的化学元素分布并不均匀，因此，宜将元素硅、铝、氧、铁、钠和钾都作为特征元素对未水化粉煤灰颗粒进行分割。
[0045]
采用图像处理软件对实施例2的砂浆中浆体的硅、铝、氧、铁、钠和钾元素分布图进行处理，得到这一区域的硅、铝、氧、铁、钠和钾元素之和的总分布图，见图2。图2以灰度图进行显示，灰度值越大(图像越亮)的区域代表这6种元素的相对含量越高。可以看出，未水化粉煤灰颗粒与周围水化产物之间的灰度具有显著区别，进而可以利用灰度阈值处理，将未水化粉煤灰颗粒分割出来。图3显示经过灰度阈值处理后被分离出的未水化粉煤灰颗粒。
[0046]
2.2粉煤灰水化程度α
[0047]
根据图3，可利用图像处理软件计算出未水化粉煤灰颗粒在实施例2的砂浆中此浆体区域(见表3中观测区域2-3)内的面积分数为36.21％。根据体视学原理，在水泥基材料中，未水化粉煤灰颗粒在浆体中的面积分数等同于其在浆体中的体积分数根据表2中实施例2的配合比以及水泥、粉煤灰、水、砂子、减水剂的密度，可计算得包括水泥、粉煤灰、水、减水剂在内的浆体在砂浆中的体积分数为54.01％，进而得到未水化粉煤灰颗粒在砂浆中的体积分数为19.56％。
[0048][0049]
与此同时，根据表2中实施例2的配合比以及粉煤灰的密度可计算得到粉煤灰在砂浆中的初始体积分数为23.55％。最终可得粉煤灰的水化程度α为16.95％。
[0050][0051]
在1500的放大倍数下，在实施例2的砂浆中的浆体部分多次随机选取60个区域(另外2个随机区域见表3中观测区域2-1、2-2)进行微观结构观测和图像处理以满足统计合理性，最终得到由60个区域计算得出的粉煤灰水化程度的平均值和标准差。与此同理，可在
1000的放大倍数下，在实施例1的砂浆中浆体部分多次随机选取30个区域(3个随机区域见表3中观测区域1-1、1-2、1-3)并计算出实施例1的砂浆中粉煤灰的水化程度，以及在2000的放大倍数下，在实施例3的砂浆中浆体部分多次随机选取80个区域(3个随机区域见表3中观测区域3-1、3-2、3-3)并计算出实施例3的砂浆中粉煤灰的水化程度。表3中列出了实施例1～3的砂浆中粉煤灰水化程度分别在3个随机区域内的代表值和各自实施例中总体观测区域的平均值以及标准差。从表3中可以看出，3个不同实施例中计算得到的粉煤灰水化程度的标准差均小于3.5％，表明即使随机选取不同区域观测，本发明提供的测试方法所得到的数据结果都比较稳定可靠，证明本发明可以更加准确地计算水泥基材料中粉煤灰的水化程度。
[0052]
表3三组砂浆中粉煤灰的水化程度
[0053][0054]
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权利要求指出。
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应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。