CN115980107A

CN115980107A - 一种利用xrd快速检测偏高岭土活性的方法

Info

Publication number: CN115980107A
Application number: CN202211586246.2A
Authority: CN
Inventors: 何峰; 孙悦; 谢峻林; 刘小青; 梅书霞; 杨虎; 方明; 李润国; 张超
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT; CBMI Construction Co Ltd
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT; CBMI Construction Co Ltd
Priority date: 2022-12-09
Filing date: 2022-12-09
Publication date: 2023-04-18

Abstract

本发明公开了一种利用XRD快速检测偏高岭土活性的方法，包括如下步骤：将偏高岭土样品放入X射线衍射仪中，进行XRD慢扫；将XRD衍射仪测得的数据导入XRD分析软件，寻峰、扣背底，获得寻峰数据；根据所得寻峰数据，计算衍射峰高与相应半峰宽的比值R；对R值为1000以下的所有衍射峰的面积进行求和计算，得∑S_衍射峰；最后采用上述相同检测和分析条件，计算不同偏高岭土粉末的∑S_衍射峰，根据∑S_衍射峰的数值高低，评价不同偏高岭土粉末的活性高低情况。本发明首次提出一种利用XRD快速检测和评价偏高岭土活性的方法，该方法简便、高效，可为偏高岭土活性的高效检测提供一条新思路。

Description

一种利用XRD快速检测偏高岭土活性的方法

技术领域

本发明属于无机非金属材料性质分析与评价技术领域，具体涉及一种利用XRD快速检测偏高岭土活性的方法。

背景技术

偏高岭土是高岭土在500-900℃高温下热活化而成的火山灰材料，作为一种优质的水泥替代材料，可很好地改善水泥混凝土的强度和耐久性。偏高岭土的活性主要来源于其含有的以非晶态存在的活性硅和活性铝，它们可以与氢氧化钙反应生成C-S-H和C-A-S-H等有利于提高水泥强度和耐久性的凝胶。由于不同产地高岭土的品质差异，煅烧后得到的偏高岭土活性差异较大，相应的最佳活化工艺条件也有所不同，因此，准确评价偏高岭土的活性对选择合适的高岭土活化工艺条件非常重要。

目前，偏高岭土活性的检测方法主要包括仪器分析方法和物理化学方法两类，其中，仪器分析方法包括XRD法、IR法、综合热分析法等；物理化学方法包括活性铝含量测定法、钙吸收法、碱吸收法、压缩测强法和胶砂强度法等。现有的仪器分析方法主要是简单定性分析不同煅烧工艺条件下高岭土的物相和结晶程度的变化情况，但没有给出偏高岭土活性大小的判断依据。活性铝含量测定法只考虑了活性铝含量的变化对偏高岭土活性大小的贡献，没有考虑活性硅含量的变化对活性大小的影响，测试结果不太准确。钙吸收法、碱吸收法和压缩测强法等通常只能说明偏高岭土是否具有活性，测得的量与偏高岭土的活性大小之间没有明显的对应关系，不能量化活性的大小。胶砂强度法是一种最直接反应偏高岭土活性大小的方法，也是目前公认的判断粘土矿物活性的最准确方法，但一般需要28天才能有结果，耗时长，严重影响了工业生产的效率。因此，亟需找到一种快速、简单、准确的检测方法，以指导工业生产实际。

高岭土含有高岭石、伊利石、白云母、长石、石英、黄铁矿等多种矿物，这些矿物是粘土矿物中最常见的物相。高岭土煅烧生成偏高岭土时，对偏高岭土活性有贡献的主要是铝硅酸盐矿物非晶化后生成的活性氧化铝和氧化硅。然而，由于偏高岭土所含物相种类较多、成分复杂，其中多数物相均属于铝硅酸盐矿物，所含化学元素种类和晶体结构相同或相似，XRD特征峰位置相近，采用传统的化学分析法和XRD定量分析法都无法准确得到偏高岭土中各物相的含量，因此，目前还没有一个很好的办法定量分析偏高岭土中活性铝和活性硅等物质的含量。

发明内容

本发明的主要目的在于针对现有偏高岭土活性检测技术的局限性，首次提出一种利用XRD快速检测偏高岭土活性的方法，该方法简单易行、成本低，人为误差小，准确度较高，可为偏高岭土活性的高效检测提供一条新思路。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种利用XRD快速检测偏高岭土活性的方法，包括如下步骤：

1)将偏高岭土样品放入X射线衍射仪中，进行XRD慢扫；

2)将XRD衍射仪测得的数据导入XRD分析软件，寻峰、扣背底，获得寻峰数据；

3)根据所得寻峰数据，计算衍射峰高与相应半峰宽的比值R；

4)对R值为1000以下的所有衍射峰面积进行求和计算，得∑S_衍射峰；

5)采用上述相同检测和分析条件，计算不同偏高岭土粉末的∑S_衍射峰，根据∑S_衍射峰的数值高低，评价不同偏高岭土粉末的活性高低情况。

上述方案中，步骤1)中所述XRD慢扫速率为0.02-0.05°/step，扫描范围5-70°。

上述方案中，步骤2)中所述XRD分析软件为Jade，右键点击“Find Peaks”按钮设置寻峰参数，将其中的Points变量设置在9-13之间；鼠标左键点击“Find Peaks”按钮进行寻峰，双击“Fit BG”按钮扣背底，点击“Report”菜单下的“Peak Search Report”子菜单，再点击“Copy”按钮，获得寻峰数据。

上述方案中，步骤3)中所述求R的计算步骤为：将寻峰数据粘贴到Excel电子表格中，则衍射峰高与相应半峰宽的比值R等于相应行中Height单元格数值与FWHM单元格数值之比。

上述方案中，步骤4)中所述求和计算步骤为：对Excel电子表格中的数据按R值递增的顺序排序，对R值小于等于1000的数据，用求和功能函数对“Area”列求和，得∑S_衍射峰。

上述方案中，所述评价过程中，∑S_衍射峰数值更高的偏高岭土粉末，其活性更高。

上述方案中，所述偏高岭土粉末以高岭土为原料，在600-900℃下进行煅烧处理得到。

上述方案中，所述偏高岭土样品通过将偏高岭土粉与水按比例混和，磨细，干燥，加入样品槽中装样得到。

上述方案中，磨细(球磨机磨细)，干燥后所得偏高岭土粉的粒径为6.5um以下。

上述方案中，所述偏高岭土粉末与去离子水混和质量比例为4～7:1。

上述方案中，所述干燥温度为100～110℃，时间为2～4h。

上述方案中，磨细，干燥后的偏高岭土粉倒入XRD衍射仪样品架中，将样品架放在振荡器上振荡，使其均匀平铺在样品架中的样品槽中，用玻璃片压平；

上述方案中，单位体积样品槽内铺设的偏高岭土粉的质量为0.5-0.6mg/mm³。

根据上述方法，可在一批不同活化工艺条件下制备的偏高岭土样品中，根据最高的∑S_衍射峰数值，快速筛选出活性最高的偏高岭土样品；并可按照∑S_衍射峰数值递增或递减的顺序，对偏高岭土的活性大小进行快速排序(偏高岭土的活性随∑S_衍射峰数值的增加而增加)。

进一步地，针对一批待检测的偏高岭土样品(对比样)，必须在相同的实验条件下采集数据，即XRD衍射仪样品架必须是同一个样品架、粉末的粒度和用量必须相同、采用的XRD衍射仪必须是同一台衍射仪、使用同一靶材，XRD管压和管电流必须相同、且XRD慢扫速率和扫描范围也必须相同。

进一步地，在用Jade软件进行数据处理过程中，必须保证寻峰变量Points设置在9-13之间，并只对衍射峰高与相应半峰宽的比值R小于等于1000的数据所对应的衍射峰面积求和。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)本发明首次提出通过调控和优化偏高岭土中可与非晶相含量建立有效联系的XRD衍射峰面积加和函数(寻峰变量Points设置在9-13之间，且比值R为1000以下条件下对应衍射峰面积的求和函数)，进而构建该函数与偏高岭土活性之间的变化联系，可充分考虑活性硅和活性铝等物质对偏高岭土活性的影响，实现偏高岭土活性的高效、快速检测；

2)本发明采用的制样方法较简单、操作方便，可快速、准确地建立XRD优化后的评价指标与偏高岭土活性之间的联系，一天之内可以完成多组偏高岭土样品活性的分析测试及对比工作；

3)本发明最大限度地避免人为操作误差对实验结果的影响，评价结果更准确。

附图说明

图1为实施例1所得不同煅烧温度下制备的偏高岭土所得∑S_衍射峰与煅烧温度的相互关系；

图2为分别采用本发明实施例1所述方法和利用胶砂强度活性测试方法对偏高岭土进行活性分析的结果对比图。

图3为分别采用对比例所述方法和利用胶砂强度活性测试方法对对偏高岭土进行活性分析的结果对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下实施例中，待检测粉末的用量是550mg，采用的XRD衍射仪是德国布鲁克X射线衍射仪D8 Advance衍射仪、Cu靶，λ＝0.154178nm，XRD管压40KV、管电流40mA，XRD慢扫速率为0.02°/step，以提高样品中各衍射峰的强度，降低背景噪音对测试结果影响，扫描范围5-70°，以尽可能地找出样品中所含的各物相，并使所测得的衍射峰面积和更准确、更具有可比性。

采用的一批偏高岭土是将同一批次高岭土分别在700℃、750℃、800℃和850℃温度下煅烧2h、6h后快速冷却制备的偏高岭土样品。

实施例1

一种利用XRD快速检测偏高岭土活性的方法，针对的一批高岭土中主要成分为(wt％)：SiO₂ 64.25％，Al₂O₃ 14.58％，Fe₂O₃ 4.20％，K₂O 2.76％，CaO1.83％，MgO1.83％，TiO₂ 0.66％，Na₂O 0.21％；具体检测步骤如下：

1)用玛瑙研钵将700℃温度下煅烧制备的偏高岭土粉末与去离子水按5:1的质量比混和碾磨，过2000目筛；然后在105℃下干燥2h；

2)取550mg干燥后的偏高岭土粉末倒入XRD衍射仪样品架中，将样品架放在振荡器上振荡，使其均匀平铺，用玻璃片压平，进行XRD慢扫，慢扫速率为0.02°/step，扫描范围5-70°；

3)将XRD衍射仪测得的数据导入XRD分析软件Jade6.5，鼠标右键点击“FindPeaks”按钮，设置寻峰变量Points为13(除寻峰变量Points值外，其他参数按照XRD分析软件默认的规范参数设置；下同)，鼠标左键点击“Find Peaks”按钮进行寻峰，双击“Fit BG”按钮扣背底，点击“Report”菜单下的“Peak Search Report”子菜单，再点击“Copy”按钮，获得寻峰数据；

4)将寻峰数据导入电子表格Excel，计算衍射峰高与相应半峰宽的比值R，用求和功能函数对R小于等于1000的“Area”列进行求和计算，得∑S_衍射峰；

5)重复步骤1)-4)，计算其他煅烧温度下(依次为750℃、800℃和850℃)制备的偏高岭土粉末所得XRD谱图对应的∑S_衍射峰；

6)将不同煅烧温度下制备的∑S_衍射峰导入Origin电子表格，画图，结果见图1；根据∑S_衍射峰的数值高低，评价不同偏高岭土粉末的活性高低情况。

由图1可以看出，煅烧温度为800℃时，偏高岭土非晶相总XRD衍射峰面积最大，说明偏高岭土中活性硅和活性铝的含量最高，偏高岭土活性最大。

实施例2

一种利用XRD快速检测偏高岭土活性的方法，针对的一批高岭土中主要成分为(wt％)：SiO₂ 46.08％，Al₂O₃ 38.4％，Fe₂O₃ 0.59％，K₂O 0.13％，CaO 0.01％，MgO 0.06％，TiO₂ 0.06％，Na₂O 0.06％；具体检测步骤如下：

3)将XRD衍射仪测得的数据导入XRD分析软件Jade6.5，鼠标右键点击“FindPeaks”按钮，设置寻峰变量Points为9，鼠标左键点击“Find Peaks”按钮进行寻峰，双击“Fit BG”按钮扣背底，点击“Report”菜单下的“Peak Search Report”子菜单，再点击“Copy”按钮，获得寻峰数据；

6)将不同煅烧温度下制备的偏高岭土中∑S_衍射峰导入Origin电子表格，画图，根据∑S_衍射峰的数值高低，评价不同偏高岭土粉末的活性高低情况。

为进一步验证本发明的检测效果，采用传统的胶砂强度法测试上述样品的活性，具体步骤包括：

胶凝材料组成为90wt％的普硅水泥以及10wt％的偏高岭土(实施例1所述偏高岭土)，胶材总量和标准砂以1:3的质量比混合，砂浆水胶质量比0.5，带模养护1天拆模，然后放入养护室进行标准养护28天。胶砂抗压强度参照《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》GB/T17671-1999进行。

将胶砂强度法得到的28天抗压强度值，以及本发明所得XRD衍射峰面积，导入Origin电子表格，用Stack模式画图，如图2所示。可以看出，本发明不同煅烧温度下偏高岭土总XRD衍射峰面积的变化规律与胶砂强度的变化规律基本相同，强度越大的非晶相总XRD衍射峰面积越大，说明偏高岭土中活性硅和活性铝的含量越高，偏高岭土的活性越大；表明采用本发明所述方法能够较准确地反应偏高岭土活性的大小。

此外，进一步将实施例2中的偏高岭土样品进行胶砂强度法测试，并与实施例2所述检测结果进行对比，可得到与实施例1相同规律的结果。

上述结果表明，采用本发明所述方法可以准确反映偏高岭土的活性大小，解决了现有技术存在的耗时长或准确性不高的难题。

对比例

一种利用XRD快速检测偏高岭土活性的方法，具体步骤与实施例1大致相同，不同之处分别在于：将寻峰变量Points设置为15，或将R值设置为1100；两种检测方法对应检测结果与传统胶砂强度法测试结果的效果对比图分别见图3。

上述结果表明，当设置的寻峰变量Points或R值不满足本发明对应要求时，上述两种情况均会导致检测效果与胶砂强度法检测规律的较大差异，进而显著影响偏高岭土活性的准确判断，无法构建“XRD”检测手段与偏高岭土活性之间的有效联系。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种利用XRD快速检测偏高岭土活性的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将偏高岭土样品放入X射线衍射仪中，进行XRD慢扫；

3)根据所得寻峰数据，计算衍射峰高与相应半峰宽的比值R；

4)对R值为1000以下的所有衍射峰面积进行求和计算，得衍射峰面积∑S_衍射峰；

5)采用上述相同检测和分析条件，计算不同偏高岭土粉末的衍射峰面积∑S_衍射峰，根据∑S_衍射峰的数值高低，评价不同偏高岭土粉末的活性高低情况。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中所述XRD慢扫速率为0.02-0.05°/step，扫描范围5-70°。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)中所述寻峰步骤中，寻峰参数中的Points变量设置为9-13。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述评价过程中，∑S_衍射峰数值高的偏高岭土粉末，其活性更高。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述偏高岭土粉末以高岭土为原料，在600-900℃下进行煅烧处理得到。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述偏高岭土样品通过将偏高岭土粉与水按比例混和，磨细，干燥，加入样品槽中装样得到。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，磨细，干燥后将偏高岭土粉的粒径为6.5um以下。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，装样步骤包括：将磨细，干燥后的偏高岭土粉倒入XRD衍射仪样品架中，将样品架放在振荡器上振荡，使其均匀平铺在样品架中的样品槽中，用玻璃片压平。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，单位体积样品槽内铺设的偏高岭土粉的质量为0.5-0.6mg/mm³。