Analysis of VDZ 100 (CEM I), 200 (CEM II) and 300 (CEM III) SRMs using ARL X’TRA Companion X-ray Diffractometer

Význam tématu

Analýza cementů pomocí rentgenové difrakce (XRD) je klíčová pro kontrolu jakosti v cementářském průmyslu, vývoj materiálů a porovnatelnost výsledků mezi laboratořemi. Standardní referenční materiály (SRM) umožňují validaci přístrojů a metod a zajišťují, že kvantitativní určení fázového složení – včetně krystalických a amorfních složek – je reprodukovatelné a přesné. Rychlá a spolehlivá XRD analýza umožňuje včasné zjištění odchylek ve složení cementu, což vede k lepší kontrole výrobního procesu a výsledným mechanickým vlastnostem betonu.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem aplikovaného poznámkového článku bylo ukázat schopnosti přístroje Thermo Scientific ARL X’TRA Companion X-ray Diffractometer při kvantitativní analýze tří VDZ SRM reprezentujících hlavní typy cementů: VDZ 100 (CEM I), VDZ 200 (CEM II) a VDZ 300 (CEM III). Studie se zaměřila na přesnost (porovnání s certifikovanými hodnotami) a opakovatelnost měření (11 opakovaných běhů) při různých dobách sběru dat (5, 10, 20 minut) a na schopnost kvantifikovat amorfní složky pomocí metody PONKCS.

Použitá metodika a instrumentace

Popis experimentu:

• Vzrorky: VDZ 100, VDZ 200, VDZ 300 (cementní SRM).
• Příprava: ruční lisování do vzorkových kelímků, měření v odrazném režimu se vzorkem v rotaci.
• Rentgenové záření: Cu Kα (λ = 1.541874 Å).
• Doby měření: 5, 10 a 20 minut; pro opakovatelnost 11 po sobě jdoucích běhů u VDZ 100.
• Analytika: kvantitativní Rietveldova refinements provedená pomocí softwaru Profex.
• Amorfní obsah: určován metodou PONKCS (partial or no known crystal structure).

Použitá instrumentace:

• Thermo Scientific ARL X’TRA Companion X-ray Diffractometer – konfigurace s Cu Kα zářením, rotačním držákem vzorku a provozními parametry optimalizovanými pro cementářské materiály.

Hlavní výsledky a diskuse

Opakovatelnost a přesnost:

• U VDZ 100 byly získané průměrné hodnoty fázového složení v dobré shodě s certifikovanými hodnotami; typická reprodukovatelnost (ESD) se pohybovala řádově kolem 0.1–1 wt % v závislosti na fázi a délce měření.
• Dokonce i při nejkratší době měření 5 minut byly splněny průmyslové požadavky na přesnost a opakovatelnost (např. odpovídající kritériím podobným ASTM pro cementy), přičemž delší doby měření vedly k lepší ESD (nižší rozptyl výsledků).
• U VDZ 200 a VDZ 300 byla ověřena přesnost pro kvantifikaci krystalických i amorfních (škvárovitých) komponent; výsledky byly v rámci očekávaných odchylek certifikovaných hodnot.

Konkrétní trendy v datech:

• VDZ 100 (CEM I) vykazoval nejvyšší podíl hlavního hydraulického minerálu C3S (~cca 59 wt% celkem), přičemž polymorfní rozlišení C3S M1/M3 bylo možné a opakovatelné.
• VDZ 200 (CEM II) měl výrazný podíl C3S (~cca 38 wt%) a přibližně 20 wt% amorfní přísady (slag), což ukazuje schopnost metody současně kvantifikovat krystalické fáze i amorfní složky.
• VDZ 300 (CEM III) byl charakterizován vysokým podílem slagu (~cca 70 wt%) a nižším obsahem C3S (~cca 17 wt%), přičemž měření potvrdila stabilní identifikaci a kvantifikaci i při komplexním složení.

Metodické poznámky:

• PONKCS se ukázala jako spolehlivý přístup pro odhad amorfního podílu (např. škvára) v komplexních směsích cementu, pokud jsou referenční modely a kalibrace adekvátní.
• Rietveldova metoda v Profexu umožnila rozlišení nejen hlavních fází, ale i menších komponent jako gips, bassanit, anhydrit, karbonáty a další doplňkové mineralogie.

Přínosy a praktické využití metody

Hlavní praktické přínosy provedené analýzy:

• Rychlá kontrola kvality: možnost spolehlivého stanovení fázového složení cementu již za 5–10 minut usnadňuje běžnou výrobní kontrolu.
• Komplexní kvantifikace: metoda pokrývá krystalické i amorfní komponenty a rozlišuje polymorfy významné pro hydratační chování cementu.
• Standardizace a porovnatelnost: použití SRM umožňuje kalibraci a benchmarking přístrojů napříč laboratořemi, zlepšuje konzistenci výsledků a podporuje dodržení průmyslových norem.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekávané směry rozvoje a aplikací v oblasti XRD analýzy cementů:

• Integrace s automatizovanými pracovním postupy pro kontinuální nebo vysokopropustné QC měření v cementárnách.
• Použití algoritmů strojového učení pro zrychlené rozpoznání fází, korekci systémových chyb a predikci vlastností materiálu z fázového složení.
• Vylepšené modely pro amorfní kvantifikaci a rozvoj srovnatelných PONKCS referencí pro širší spekt r cementárenských přísad.
• Kombinace XRD s jinými technikami (např. FTIR, SEM-EDS, termická analýza) pro komplexnější obraz materiálových vlastností a reakční kinetiky během hydratace.

Závěr

Studie demonstruje, že ARL X’TRA Companion XRD s metodikou Rietveld + PONKCS poskytuje rychlá, přesná a reprodukovatelná kvantitativní data pro široké spektrum cementů (CEM I–III, aplikovatelná i na CEM IV–V). I krátké doby měření (5 min) mohou splnit průmyslové požadavky na preciznost; delší doby zlepšují opakovatelnost. Tato kombinace přístroje a analytických postupů je vhodná pro rutinní QC i výzkumné účely v cementářství.

Reference

1. N. Döbelin, R. Kleeberg, Journal of Applied Crystallography, 2015, 48, 1573–1580.
2. N.V.Y. Scarlett, I.C. Madsen, Powder Diffraction, 2006, 21(4), 278–284.