8
Cement Science and Concrete Technology, Vol.68 30 要旨:長時間のメカニカルミリングにより非晶質化した白色ポルトランドセメント(WPC)のキャラクタ リゼーションを、XRD と 29 Si NMR を用いて行った。XRD による定量分析結果から、C 3 S および C 3 A は粉砕開始から 5 時間までにおいて、C 2 S は 5 時間から 10 時間に最も非晶質化しやすいことが確認され た。XRD/リートベルト法と 29 Si NMR とで、粉砕 WPC の C 3 S 定量値は大きくかい離した。カルシウム シリケート鉱物の非晶質化を考慮した補正を行い、XRD と NMR の定量値が概ね一致した。XRD と 29 Si NMR を組み合わせることで、非晶質化したカルシウムシリケート量を推量可能であることが示唆された。 粉末 X 線回折法と 29 Si NMR による 長時間粉砕した白色ポルトランドセメントのキャラクタリゼーション 粟村友貴 * 1 名和豊春 * 2 * 1 北海道大学 大学院工学院環境循環システム専攻(〒060-8628 北海道札幌市北区北 13 条西 8 丁目) * 2 北海道大学 大学院工学研究院環境循環システム部門(〒060-8628 北海道札幌市北区北 13 条西 8 丁目) キーワード:白色ポルトランドセメント、粉末 X 線回折法、核磁気共鳴分光法、非晶質化、エーライト、 ビーライト 1. はじめに 結晶に磨砕や衝撃などの繰り返しの粉砕操作を行う と、粉体の表面構造は激しくかく乱される。物質がかく 乱を受けると、その物質全体もしくは一部で相転移や非 晶質化が起き、熱力学的性質・結晶学的性質・化学的性 質などに変化が生じる。この現象は「メカノケミスト リー」と呼ばれ、無機物・有機物および金属などの広い 分野にわたって注目されている 1) 近年、セメント・コンクリート分野においても、こ の現象は注目されている。シリカフュームや高炉スラ グ微粉末などの混和材を添加し、振動ミルを用いて過 粉砕したポルトランドセメントは EMC(Energetically Modified Cement)と呼ばれ 2) 、普通ポルトランドセメン トより高い水和活性をもち 3) 、その硬化体は優れた強度 や耐久性を示す 4) ことが報告されている。 粉砕がセメントの物性に及ぼす影響としては、一般に 粒径の減少が認知されており、非晶質化に着目した研究 例は少ない。Mori ら 5) は、純合成した Ca 3 SiO 5 を遊星 型ボールミルにより粉砕し、その原子レベルの構造およ び水和特性を調査した。結果、粉砕により Ca 3 SiO 5 晶の一部が非晶質となり、特に Ca 原子近傍で格子欠陥 が生じたことを示した。さらに粉砕 Ca 3 SiO 5 は、未粉 砕のものと比べて、初期水和速度が増加したと報告して いる。 Mori ら 5) は、粉砕 Ca 3 SiO 5 の結晶構造欠陥と水和 反応速度の変化を結びつけるデータを示した。ただ し、主に天然原料を使用して製造されるセメントには、 Ca 3 SiO 5 に微量元素が固溶したエーライト(C 3 S)が含ま れ、それらの結晶構造 6) や水和特性 7) は異なる。さらに セメントは、C 3 Sの他に、ビーライト(C 2 S)やアルミネー ト(C 3 A)、フェライト(C 4 AF)およびせっこうなど、複 数の相を含み、粉砕時にはそれらの鉱物が同時に粉砕さ れる。そのため、鉱物の非晶質化がセメントの水和反応 速度に及ぼす影響を明らかにするためには、粉砕後のセ メントに含まれる各鉱物を正確に定量する技術の確立が 必要であると考える。 現在、粉末X線回折(XRD)とパターンフィッティン グ法の一種であるリートベルト法 8) を組み合わせた定量 分析が、セメント鉱物組成の算出に有効とされている。 本来、リートベルト法は結晶を対象とした分析手法であ るが、結晶構造が明確な標準物質をサンプルに既知量添 加することで、非晶質の定量が可能である 9) 。ただし、 XRD 単独では、非晶質の定性的な分析を行うことや、 非晶質が異なる2つ以上の物質に由来する場合の「内訳」 を定量的に求めることは難しい。 核磁気共鳴分光法(NMR)は、原子のおかれている局 所的な環境の違いを利用して、そのシグナルを観測する 方法であるから、対象が非晶質であっても分析が可能 である。さらに、核スピンが 1/2 である核を対象とし、 パルス法を利用した一次元 NMR 測定によって得られ たシグナルの強度(面積強度)は、帰属する核の存在比率 と比例するため、サンプルに含まれる異なる核種を定量 的に評価できる 10) このような NMR の測定原理を利用し、 29 Si NMR と 化学分析の併用により、未水和セメントに含まれるシリ ケート相(C 3 S および C 2 S)を定量する手法が提案されて

Characterization of White Portland Cement Grinded for a Long Time by Using X-ray Powder Diffraction and 29si Nmr Spectroscopy

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粉末 X 線回折法と 29Si NMR による長時間粉砕した白色ポルトランドセメントのキャラクタリゼーション

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  • Cement Science and Concrete Technology, Vol.68

    30

    WPCXRD 29Si NMR XRD C3S C3A

    5 C2S 5 10

    XRD/ 29Si NMR WPC C3S

    XRD NMR XRD 29Si

    NMR

    X 29Si NMR

    *1 *2

    *1060-8628 13 8 *2060-8628 13 8

    X

    1.

    1

    EMCEnergetically

    Modified Cement2

    3

    4

    Mori 5 Ca3SiO5

    Ca3SiO5

    Ca

    Ca3SiO5

    Mori 5 Ca3SiO5

    Ca3SiO5 C3S

    67

    C3S C2S

    C3AC4AF

    X XRD

    8

    9

    XRD

    2

    NMR

    1/2

    NMR

    10

    NMR 29Si NMR

    C3S C2S

  • Cement Science and Concrete Technology, Vol.68

    31

    10, 11

    XRD 29Si NMR

    5100

    WPC

    XRD 29Si NMR

    2.2. 1

    WPC 3.05g/cm3 3,380cm2/g

    80cc2cm

    5 WPC 6.0g 4

    300rpm 05102030

    250rpm 100

    6

    WPC0WPC5WPC10WPC20

    WPC30WPC100 Table 1

    105 1,000

    LOITable 2WPC0XRD/

    2. 2

    1XRD/

    XRD -Al2O3

    10.0wt

    CuK 40kV-40mA

    2 570 0.02

    6.5/min 0.5

    24mm

    3

    Siroquant V.3.0

    SIETRONICS C3S

    C2SC3ACaCO3

    CHCaSO40.5H2O

    CaSO42H2OSiO2

    C3SC2S3

    1

    A 1 100 1

    Awt

    Swt

    SRwt

    229Si NMR

    29Si NMR Bruker MSL 4009.4T

    29Si Q8M8SiCH338Si8O2012.4ppm7mm

    WPC 29Si

    T1 5 60

    10, 12 79.486MHz

    3.125MHz 4kHz90

    5s MASMagic Angle Spinning

    512

    29Si NMR Win-Nuts

    Acorn NMR 20Hz

    WPC 29Si NMR C3S

    C2S

    Rawal 10

    T1

    C3S 2

    100100S

    SSR

    Table 1Grinding condition and Loss of ignitionLOIName Speedrpm Timehr LOIwt

    WPC0 0 3.11

    WPC5 300 5 4.92

    WPC10 300 10 6.47

    WPC20 300 20 7.67

    WPC30 300 30 9.15

    WPC100 250 100 10.52

    Table 2Chemical composition and mineral composition of WPC

    Chemical compositionwt Mineral compositionwt1

    SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 Na2O K2O TiO2 C3S C2S C3A Por2 Cal3 Gyp4 Bas5

    21.1 5.2 0.4 69.3 0.4 2.9 0.3 0.3 0.3 9.1 34.3 5.4 3.4 1.0 2.1 3.4111.3 wt amorphous phase was determined by internal standard method for ungrinded WPC2PorPortlandite, 3CalCalcite, 4GypGypsum and 5BasBassanite

  • Cement Science and Concrete Technology, Vol.68

    32

    C3S C2S

    29Si Rawal

    10C3S

    2 69.172.8ppmC2S 70.8ppm3

    /

    /

    C2S

    C3S

    Rawal 1069ppm 73ppm C3S

    6577ppm

    3.3. 1XRD Fig. 1 WPC0WPC5WPC10WPC20WPC30

    WPC100 XRD 570 2

    Mori 5

    Fig. 2 WPC0WPC10WPC30 XRD

    a1020 2b2638 2Fig. 2

    a10 30 WPC

    C3SC2S C3A

    Fig. 2b Fig. 2b 226.6

    WPC0

    WPC5WPC10WPC20WPC30

    WPC100XRD

    3. 2XRD/aC3S C2S

    bC3A Fig. 3

    XRD/

    100wt

    XRD/

    WPC0 11.3wtTable 2

    Fig. 3aWPC0 3. 3 29Si NMR

    C-S-H Si Q1

    78ppm Q283ppm

    WPC0

    1314Fig. 1XRD profiles from 5 to 70 2 deg.

    Fig. 2XRD profiles a from 10 to 20 and b from 26 to 38 2 deg.

  • Cement Science and Concrete Technology, Vol.68

    33

    C2S 0.420.990.410.42wt/hr

    C3A 0.230.220.040.05wt/hr

    Fig. 4C3A C3S C2S

    C3A

    C3S C3A 05

    C2S

    510

    C2S C3S

    15

    3. 329Si NMR WPC0 a 29Si NMR b

    C3S C2S

    c

    Fig. 5 29Si NMR

    70.8ppm C3S Fig. 5a

    b C3S C2S

    29Si NMR

    Fig. 5

    c

    Fig. 6 WPC5WPC10WPC20WPC30

    WPC100 29Si NMR

    WPC WPC0

    3. 429Si NMR

    appmbHzc Fig. 7

    69.172.8ppm C3S-hC3S-l 2

    RIs 2Is

    Is

    X

    1015

    WPC 14

    WPC0

    C3S

    C2S C3A

    Fig. 3ab250rpm100

    60wt

    C3SC2S C3A

    XRD/

    C3SC2S C3A

    C3S C2S C3A

    Fig. 4 C3S C2S C3A

    XRD/

    C3SC2S C3A

    WPC100

    Fig. 4

    C3S 05510102020

    30 1.11.070.480.36wt/hr

    Fig. 4Rate of amorphization of C3S, C2S and C3A

    Fig. 3Weight fraction of a C3S, C2S, and amorphous phase and b C3A from XRD/Rietveld analysis

  • Cement Science and Concrete Technology, Vol.68

    34

    C3S-h C3S-l

    Fig. 2bC2S

    77.94.4Hz

    Fig. 7b

    c3. 529Si NMR 29Si NMR

    RIss

    Iss

    sC3S-hC2S C3S-l

    Fig. 7a C3S-h 69.10.36ppmC2S70.70.14ppmC3S-l 72.80.28ppm

    Fig. 5 29Si NMR spectra of anhydrous white Portland cement WPC0a observed spectrum, b 29Si signals from unhydrated C3S and C2S, and c simulated spectrum

    Fig. 7 Relation between grinding time with a chemical shift, ppm, b full width at half maximum Hz, and c relative intensity of C3S and C2S optimized in least-squares fitting to the

    29Si NMR spectra

    Fig. 6 29Si NMR spectra of WPC5, WPC10, WPC20, WPC30, and WPC100 and 29Si signals from unreacted C3S and C2S

  • Cement Science and Concrete Technology, Vol.68

    35

    XRD/ C3S 39.1wt

    C2S 34.3wtTable 1NMR

    XRD/ WPC

    Fig. 8 29Si NMR C3S C2S

    C3S

    C2S 3. 6XRD 29Si NMR Fig. 9 XRD/ 29Si NMR

    C3S C2S C2S

    XRD/ 29Si NMR

    C3S

    WPC100 XRD 20.4wt

    NMR 59.3wtC3S

    38.9wt

    XRD/

    C3S C2S

    C3S C2S C2S

    XRD NMR

    Fig. 9

    C3S

    29Si

    NMR

    WPC 2

    13

    iC3S

    38.9wtiiWPC0

    11.3wtiii C3S

    C3S

    C2S

    WPC0 29Si 29Si NMR C3S

    SiO2 3

    1012

    Taylor 16 C3S

    C2S Ca2.9Si0.95Mg0.06Al0.04 Fe0.03P0.01Na0.01O5Ca1.94Si0.9Al0.07K0.03Fe0.02Mg0.02 P0.01Na0.01O3.93 C3S

    C3S-h C3S-l

    mxRAx Mx 3

    mxx wt

    RAxx

    CASiO2SiO2 wt

    MSiO2SiO2 60.08g/mol

    Mxx g/mol

    xC3S C2S

    RAC3S

    RAC2S

    AC3SAC2SC3S C2S

    29Si NMR WPC0 C3SC2S

    0.470.53 34

    37.631.9wt

    CASiO2MSiO2

    AC3SAC3SAC2S

    AC2SAC3SAC2S

    Fig. 8 Relation between grinding time and weight fraction of C3S circle and C2Ssquare quantified by 29Si NMR

    Fig. 9 Comparison with weight fraction of C3S circle and C2S square quantified by XRD and by 29Si NMR

  • Cement Science and Concrete Technology, Vol.68

    36

    C2S

    C3S C2S

    69.1ppm 72.8ppm Fig. 7b

    4.XRD/ 29Si NMR

    WPC

    1

    2 C3S C2S

    3 69.1 72.8ppm

    4 XRD/ 29Si NMR C2S

    C3S

    5 29Si NMR XRD

    C3S C2S C3S

    XRD/ 29Si NMR R20.81

    1

    p. 1361971

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    10 A. Rawal et al.Molecular silicate and aluminate

    C3S C3S C2S

    4 29Si NMR C3S

    WcC3SNMRC3SWaC3SWaC2S 4

    WcC3S29Si NMR C3S

    wt

    NMRC3S29Si NMR C3S

    wt

    WaC3S C3S wt

    WaC2S C2S wt

    WaC3SXRDt,C3SXRD0,C3S

    WaC2SXRDt,C2SXRD0,C2S

    XRDt,C3SXRD WPC t C3S

    wt

    t05102030100

    XRD0,C3SXRD WPC0 C3S

    wt

    XRDt,C2SXRD WPC t C2S

    wt

    XRD0,C2SXRD WPC0 C2S

    wt

    Fig. 10 XRD C3S 4

    NMR C3S

    Fig. 10 XRD NMR C3S

    70.8ppm

    Fig. 10 Comparison with weight fraction of crystalline C3S by XRD and

    29Si NMR

  • Cement Science and Concrete Technology, Vol.68

    37

    cement clinker, Cem. Concr. Res., 9, pp. 757-763

    1979

    14 X

    68

    CD-ROM2014

    15

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    13 I. MakiMechanism of glass formation in Portland

    Tomotaka AWAMURA*1 and Toyoharu NAWA*2

    ABSTRACTLong time grinding by planetary ball mill was carried out to get white Portland cementWPCsamples including high weight fraction of amorphous phases. It was confirmed, from X-ray powder diffractionXRD/Rietveld analysis using an internal standard that major components in WPC, alite, belite and aluminateC3S, C2S and C3A in cement chemistry notation, partly changed to the amorphous state. Approximately 60wt of the sample converted to amorphous state after grinding for 100h at 250rpm. In addition, the rate of amorphization of C3S and C3A was the highest in 05h grinding, while the amorphization rate of C2S was the highest in 510h. Moreover, it is observed from 29Si MAS NMR analysis that the full width at half maximum heightFWHMof the C3S signals got broader by grinding, while FWHM of the C2S signal was almost constant. Furthermore, C3S and C2S weight fraction were calculated using molar percentages obtained after deconvolution of the 29Si NMR spectra and the total amount of SiO2 determined with X-ray fluorescence analysis. There was different correlation between amount of C3S from XRD/Rietveld analysis and that from NMR. We carried out the modification to the amount of C3S from NMR analysis using amount of amorphous C3S and amorphous C2S determined from XRD. Then the quantity of crystalline C3S from the two different methods showed positive correlation of R

    20.81. It was suggested that the 29Si signal of 70.8ppm belongs to crystalline C2S and that mechano-chemically modified calcium silicate minerals showed wide range of their in 29Si NMR spectra.

    KEY WORDSWhite Portland cement, X-ray powder diffraction, 29Si MAS NMR, Amorphization, Alite, Belite

    CHARACTERIZATION OF WHITE PORTLAND CEMENT GRINDED FOR A LONG TIME BY USING X-RAY POWDER

    DIFFRACTION AND 29Si NMR SPECTROSCOPY

    *1 HOKKAIDO UNIVERSITY, Graduate School of EngineeringNorth13-West8, Kita-ku, Sapporo-shi, Hokkaido 060-8628, Japan

    *2 HOKKAIDO UNIVERSITY, Faculty of EngineeringNorth13-West8, Kita-ku, Sapporo-shi, Hokkaido 060-8628, Japan