CN105403479A

CN105403479A - 一种测定硬化水泥浆基体结合水和自由水的方法

Info

Publication number: CN105403479A
Application number: CN201510982618.7A
Authority: CN
Inventors: 黄伟; 孙伟; 郭丽萍
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2015-12-23
Filing date: 2015-12-23
Publication date: 2016-03-16

Abstract

本发明公布了一种测定硬化水泥浆基体结合水和自由水的方法，涉及土木工程材料领域。本发明是为了解决现有方法对水泥浆基体结合水进行测试时，存在的准确性差等问题。本发明包括如下步骤：常温下将固体样品浸泡于异丙醇溶液置换出自由水，然后放置于真空干燥器去除异丙醇溶液；取样品粉磨，进行热重分析；通过给出的分析步骤和计算公式快速得出硬化水泥浆基体内部结合水和自由水的含量。本发明公式参数少且方便易得，测得结果可靠准确。

Description

一种测定硬化水泥浆基体结合水和自由水的方法

技术领域

本发明属于土木工程材料技术领域，尤其涉及一种硬化水泥浆基体内部结合水和自由水的测试方法。

背景技术

水泥混凝土是指用水泥作胶凝材料，砂、石作集料，与水按一定比例配合，经搅拌、成型、养护而得的一种土木工程材料，是当前社会用量最大、用途最广的人造材料。根据我国国土资源部发布的《2014年中国国土资源公报》显示，我国2014年水泥年产量已达24.8亿吨，其中商品混凝土更是达到15.54亿立方米，水泥和混凝土的年产量均居世界第一位。因此，有必要掌握水泥混凝土内部微结构的变化，保障其长期健康服役。

水泥混凝土的微结构演变取决于内部硬化水泥浆基体，水泥的水化是水泥熟料与水相互产生化学和物理作用的过程。硬化水泥浆体中的水可分为化学结合水和自由水两大类。化学结合水以OH^-或中性水分子形式存在，通过化学键或氢键与其他元素连接。在相同温度、湿度养护条件下，硬化水泥浆体中的化学结合水量随水化物增多而增多，随水化程度提高而增大。

目前常见的化学结合水测量方法是升温法，即通过直接升温至105℃，先去除样品中的自由水，再灼烧至1050℃，然后在此温度下将样品烧至恒重，记录样品在105-1050℃的质量损失，也就是样品的化学结合水含量。虽然该方法方便简易，但是该方法存在着重大的缺陷。在70℃的低温或真空状态下部分水泥水化产物如C-S-H凝胶，AFt和AFm会发生部分分解，释放出部分结合水，导致所测的化学结合水含量偏低；并且由于灼烧过程中，CaCO₃发生热分解释放出CO₂，会引起质量变化，导致试验误差。另外，由于常见的马弗炉不能达到1050℃，需要将脱去自由水的样品，取少量的样品研磨成粉末状，再通过热重分析仪分析测量，分析得到的结果是对脱去自由水样品进行表征，而不是初始水化状态下的样品。

发明内容：

技术问题：本发明的目的在于克服上述不足，从而提供一种准确测定硬化水泥浆基体结合水和自由水的方法。

发明内容：为解决上述技术问题，本发明提供了一种测定硬化水泥浆基体结合水和自由水的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：常温条件下，将水化至试验规定龄期的硬化水泥浆基体切成薄片，放置异丙醇溶液中密封，通过溶剂置换法，将基体内的自由水置换出来；

步骤2：24小时之内，更新一次异丙醇溶液，并保持浸泡至7天；

步骤3：将样品取出，放置于真空干燥器2天，去除残留于样品内的异丙醇液体；

步骤4：取上述处理过的样品，磨成粉末状，进行热重分析测试；

步骤5：按下式分别计算出硬化水泥浆基体内的结合水和自由水的含量：

f_{s} = \frac{\frac{100 Z}{100 - Z}}{100 + W} \cdot 100 % = \frac{\frac{Z}{1 - Z / 100}}{100 + W} \cdot 100 %

f_{f} = \frac{W - \frac{100 Z}{100 - Z}}{100 + W} \cdot 100 % = \frac{W - \frac{Z}{1 - Z / 100}}{100 + W} \cdot 100 %

式中：

f_s：硬化水泥浆基体的结合水百分量；

f_f：硬化水泥浆基体的自由水百分量；

W：初始状态下，100g的水泥含有的水量；

Z：热重分析测得的20-500℃范围内的质量损失。

优选的，步骤4中，进行热重分析测试时，测试仪器选用热重分析仪，取50mg的粉末样品置于坩埚内，调节氮气流量为30ml/min，升温速率为10℃/min，加热至950℃，分析20-500℃范围的质量损失。

有益效果：本发明利用硬化水泥浆基体内，不同状态水的去除方式不同，科学地推导出水化状态下水泥浆基体内结合水和自由水含量的公式，该公式参数数量少，方便易得，分析测得的结果可靠准确，该方法不仅限于纯的硅酸盐水泥胶凝体系，对掺有其他矿物掺和料的复合胶凝体系同样适用。

附图说明

图1是结合水和固体含量在干燥状态下与水化状态下之间的联系；

图2是实施例样品的热重分析结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明提供的测定硬化水泥浆基体结合水和自由水的方法，该方法包括以下步骤：

f_{s} = \frac{\frac{100 Z}{100 - Z}}{100 + W} \cdot 100 % = \frac{\frac{Z}{1 - Z / 100}}{100 + W} \cdot 100 %

f_{f} = \frac{W - \frac{100 Z}{100 - Z}}{100 + W} \cdot 100 % = \frac{W - \frac{Z}{1 - Z / 100}}{100 + W} \cdot 100 %

式中：

f_s：硬化水泥浆基体的结合水百分量；

f_f：硬化水泥浆基体的自由水百分量；

W：初始状态下，100g的水泥含有的水量；

Z：热重分析测得的20-500℃范围内的质量损失。

步骤4中，进行热重分析测试时，测试仪器选用热重分析仪，取50mg的粉末样品置于坩埚内，调节氮气流量为30ml/min，升温速率为10℃/min，加热至950℃，分析20-500℃范围的质量损失。

测定原理：

结合图1，可以推导出结合水和固体含量在干燥状态下与水化状态下之间的关系式，如下：

Z = \frac{100}{X + Y} \cdot W s

100 - Z = \frac{100}{X + Y} \cdot 100

进而推导得到：

W s = \frac{100 Z}{100 - Z} = \frac{Z}{1 - Z / 100}

因此水化状态下，结合水和自由水的百分含量计算式分别为：

f_{s} = \frac{W s}{100 + W} \cdot 100 % = \frac{\frac{100 Z}{100 - Z}}{100 + W} \cdot 100 % = \frac{\frac{Z}{1 - Z / 100}}{100 + W} \cdot 100 %

f_{f} = \frac{W - W s}{100 + W} \cdot 100 % = \frac{W - \frac{100 Z}{100 - Z}}{100 + W} \cdot 100 % = \frac{W - \frac{Z}{1 - Z / 100}}{100 + W} \cdot 100 %

式中：

f_s：硬化水泥浆基体的结合水百分量；

f_f：硬化水泥浆基体的自由水百分量；

W：初始状态下，100g的水泥含有的水量；

Ws：水化状态下，结合水的含量；

X：水化状态下，水化产物的含量；

Y：水化状态下，未水化水泥的含量；

Z：热重分析测得的20-500℃范围内的质量损失。

下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。

实施例：

取某硬化水泥浆基体切成厚度为3mm的薄片，该样品初始状态下含有54.9g水泥，12.8g硅灰，32.3g石灰石粉和13.4g水，水化龄期为28d。将该薄片放置于异丙醇溶液密封，24小时之内更新一次溶液，7天后将样品放置于真空干燥器内2天。取少量样品磨成粉末状，进行热重分析测试。

热重分析结果如图2所示，图中第一个吸热峰(20-400℃)为水化硅酸钙C-S-H凝胶、钙矾石AFt和AFm脱水反应，第二个吸热峰(400-500℃)为氢氧化钙Ca(OH)₂脱水分解，第三个吸热峰(500-800℃)为碳酸钙CaCO₃脱碳反应。其中第一个和第二个吸热峰均为水泥水化产物的失水吸热反应，该部分失去的水为化学结合水。第三个放热峰为原材料石灰石粉分解的吸热反应，故不考虑此部分质量损失。

由图中可分析得到，结合水质量占干燥状态下水泥浆基体质量的8.2％，因此水化状态下，结合水和自由水的含量分别为

f_{s} = \frac{\frac{Z}{1 - Z / 100}}{100 + W} \cdot 100 % = \frac{\frac{8.2}{1 - 8.2 %}}{100 + 13.4} \cdot 100 % = 7.88 %

f_{f} = \frac{W - \frac{Z}{1 - Z / 100}}{100 + W} \cdot 100 % = \frac{13.4 - \frac{8.2}{1 - 8.2 %}}{100 + 13.4} \cdot 100 % = 3.94 %

由于结合水质量损失仅限于20-500℃，因此本发明结合水的测量方法不仅限于热重分析仪器，也可以用常规的马弗炉升温至500℃测量样品质量的损失。

另外，利用本发明的测量原理，通过热重分析的结果可以测量水化状态下，水化产物氢氧化钙或原材料石灰石粉的含量。

Claims

1.一种测定硬化水泥浆基体结合水和自由水的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

f_{s} = \frac{\frac{100 Z}{100 - Z}}{100 + W} \cdot 100 % = \frac{\frac{Z}{1 - Z / 100}}{100 + W} \cdot 100 %

f_{f} = \frac{W - \frac{100 Z}{100 - Z}}{100 + W} \cdot 100 % = \frac{W - \frac{Z}{1 - Z / 100}}{100 + W} \cdot 100 %

式中：

f_s：硬化水泥浆基体的结合水百分量；

f_f：硬化水泥浆基体的自由水百分量；

W：初始状态下，100g的水泥含有的水量；

Z：热重分析测得的20-500℃范围内的质量损失。

2.根据权利要求1所述的测定硬化水泥浆基体结合水和自由水的方法，其特征在于，步骤4中，进行热重分析测试时，测试仪器选用热重分析仪，取50mg的粉末样品置于坩埚内，调节氮气流量为30ml/min，升温速率为10℃/min，加热至950℃，分析20-500℃范围的质量损失。