Analysis of natural pozzolan in cement (CEM IV)

Význam tématu

Analýza přírodních pucolanů v cementu CEM IV je klíčová pro řízení kvality, zajištění výkonu betonu a snižování uhlíkové stopy výroby cementu. Identifikace a kvantifikace krystalických i amorfních fází pomáhá ověřit podíl náhrady portlandského cementu pucolanem a sledovat konzistenci surovin a finálních cementových směsí v průmyslové výrobě.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem application note bylo demonstrovat použití stolního difraktometru Thermo Scientific ARL X’TRA Companion pro kvantifikaci celkového obsahu pucolanu v CEM IV včetně stanovení amorfní složky pomocí Rietveldovy kvantifikace s kalibrovaným vrcholem. Práce ukazuje metodiku měření, použití interní standardní příměsi (ZnO) pro určení amorfnosti a výsledky aplikované na vzorek přírodního pucolanu a směs CEM IV s přidaným pucolanem.

Použitá metodika a instrumentace

Instrumentace:

• ARL X’TRA Companion XRD System (Thermo Scientific).
• θ/θ goniometr (rádius 160 mm) v Bragg–Brentano geometrii.
• Röntgenový zdroj 600 W, volitelně Cu nebo Co; měření v práci bylo provedeno s Cu Kα (λ = 1.541874 Å).
• Radiální a axiální kolimace řešena divergence a Sollerovými štěrbinami; redukce rozptylu na vzduchu pomocí proměnného beam-knife; volitelný vnitřní chladicí okruh.
• Detektor: solid-state pixel detector (pitch 55 × 55 μm) pro rychlé akvizice.
• Softwarová podpora: automatizovaná Rietveldova kvantifikace s jedním klikem a možnost přímého exportu výsledků do LIMS.

Metodika měření:

• Vzorky: přírodní pucolan a CEM IV s přidaným pucolanem připravené v top-loading sample cups se spuštěným rotujícím vzorkem.
• Pro určení amorfního podílu byl do pucolanu přidán interní standard ZnO (~20 % hm.).
• Akvizice dat: režim reflection, doba měření 10 minut na vzorek.
• Analýza: Rietveldova refinace s využitím kalibrovaného vrcholu pro kvantifikaci amorfní frakce a současným stanovením krystalických fází včetně fází portlandského cementu a síranových produktů.

Hlavní výsledky a diskuse

Stanovení amorfní složky a složení pucolanu:

• Pro analyzovaný přírodní pucolan byl určen amorfní obsah 22.87 % hmotnostních (určeno s pomocí ZnO jako interního standardu a kalibrovaného vrcholu).
• Převládající krystalické fáze v analyzovaném pucolanu zahrnovaly živce a pyroxeny (např. augit, leucit, nepheline) a menší množství vláknitých a hlinitokřemíčitých minerálů.

Analýza CEM IV s přidaným pucolanem:

• Celkový obsah pucolanu v CEM IV byl stanoven na 40.70 % hmotnostních, přičemž do tohoto čísla je započítána i amorfní frakce pocházející z pucolanu (kvantifikováno pomocí kalibrovaného vrcholu).
• Mezi identifikovanými cementovými fázemi dominovaly fáze zodpovědné za hydraulické vlastnosti (např. C3S a jeho varianty), přítomny byly také sulforemné fáze (gypsum/bassanite/anhydrite) a další sekundární fáze jako periklas nebo portlandit v malém množství.
• Výsledky jsou ve shodě s typickým složením CEM IV cementů a ukazují použitelnost metody pro přesné oddělení a kvantifikaci amorfní a krystalické části.

Diskuse:

• Použití interního standardu (ZnO) a kalibrovaného vrcholu v Rietveldově přístupu umožnilo spolehlivé kvantifikování amorfní složky, která je kritická pro správné určení skutečného podílu pucolanu.
• Krátká doba měření (10 minut) spolu s citlivým pixelovým detektorem poskytuje rovnováhu mezi rychlostí a kvalitou dat vhodnou pro rutinní QC prostředí.
• Automatizace analýzy s přenosem výsledků do LIMS zjednodušuje integraci do průmyslových procesů a zajišťuje konzistentní reporting.

Přínosy a praktické využití metody

• Spolehlivé stanovení celkového obsahu pucolanu v CEM IV (včetně amorfní složky) umožňuje výrobci ověřit správný obsah náhrady cementu a tím optimalizovat vlastnosti cementu a betonu.
• Metoda slouží jako QC nástroj v průběhu výroby: kontrola vstupních surovin (pucolany) i finálních směsí, což napomáhá stabilitě produkce a shodě s normami.
• Snížení uhlíkové stopy: kvantifikace umožňuje přesné dávkování pucolanů, které nahrazují část portlandského slínku, čímž se snižují emise CO2 na tunu cementu.
• Rychlost a automatizace měření podporují nasazení v průmyslových laboratořích s vysokým objemem vzorků.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Další zdokonalení kvantifikace amorfních fází: kombinace XRD s dalšími technikami (např. NMR, termoanalýza) a pokročilé kalibrační postupy pro robustnější výsledky.
• Automatizace a digitalizace: širší integrace s LIMS a výrobními řídicími systémy pro on-line nebo near-line monitoring výroby cementu.
• Pokročilé datové metody: využití strojového učení pro rychlejší rozpoznání fází, detekci odchylek a predikci vlastností materiálů.
• In-situ a operando měření: sledování hydratace a reakčních změn během zrání cementu pro lepší návrh směsí a optimalizaci technologických procesů.

Závěr

Stolní difraktometr ARL X’TRA Companion prokázal vhodnost pro rutinní kvantifikaci pucolanů v CEM IV včetně robustního určení amorfní složky pomocí Rietveldovy analýzy s kalibrovaným vrcholem. Krátké doby měření, citlivý detektor a automatizované vyhodnocení činí zařízení dobře použitelným pro průmyslové QC aplikace směřující ke snižování uhlíkové stopy a zlepšení konzistence cementových směsí.

Reference

Thermo Fisher Scientific, Application note AN41509: Analysis of natural pozzolan in cement (CEM IV), ARL X’TRA Companion X-ray Diffraction System, 2024.