為了了解水泥性能及其長期影響，測量值如水化程度、燒失量（LOI）、材料成分（例如，石灰石中的碳酸鈣）以及對水泥熱分解動力學參數的評估都是重要因素。EDXRF（能量色散X射線熒光）作為水泥行業中質量控制測試的一種手段，是一種成熟且強大的原材料和成品分析技術。WD-XRF（波長色散X射線熒光）和XRD（X射線衍射）也被使用過，但像所有分析技術一樣，它們有一些局限性。熱分析已被用作XRF和XRD的輔助技術，以便理解上述所有參數。

什么是熱分析?

熱分析法是一組監控樣品屬性隨時間或溫度的變化，同時對特定大氣中的樣品溫度進行編程的方法。通過研究溫度和/或時間對水泥的影響，可以測量主要參數。

這些儀器通常由檢測單元（例如帶有熱電偶和/或天平的熔爐）、控制熔爐溫度的溫度控制單元， 以及記錄傳感器信號和樣品溫度以對其進行分析的數據記錄單元組成。

雖然熱分析包括各種各樣的技術，但主要的熱分析技術是差示掃描量熱法（DSC）、熱重分析法（TG）或同步熱分析法（STA）、熱機械分析法（TMA）和動態熱機械分析法（DMA）。由于用于水泥分析的主要技術是DSC和TG，因此本文將重點討論這兩種技術。

闡述DSC和TG

DSC是一種技術，其中樣品單元（由樣品和參照材料組成）的溫度在特定的程序中變化。測量樣品和參照材料之間的溫差，并將其作為溫度的一個函數。圖1顯示了通用的熱流DSC爐的簡化表示示例。

通過測量熱流，該技術允許測量放熱和吸熱反應，例如蒸發（其可用于量化水泥2中存在的二水和半水石膏等材料）。

圖一：DSC爐

TG是一種隨時間或溫度變化監控樣品，同時對特定大氣中的樣品溫度進行編程的方法。其用于檢測蒸發、分解、氧化和其他引起質量變化的溫度變化的影響。

STA（TG/DTA或TG/DSC）類似于TG，但其也包括單臺儀器內的差熱分析。這是水泥分析中常用的技術，因其可提供TG和DTA/DSC結果，并且能夠達到高溫（>1000 ?C）。圖3顯示了STA水平雙天平桿的簡化示例圖。

圖二：STA爐  R=參照物和S=樣品

TG或STA也能連接至外部檢測器（如傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）、質譜分析儀（MS）或氣相色譜質譜聯用儀（GCMS）），用于鑒定在實驗期間逸出的氣體。

DSC和STA在實踐中的應用

第1步：安裝和校準

DSC和STA非常易于使用，無需制備很多樣品。一旦將其安裝在無振動區域，只需要吹掃氣體（氮氣和/或干燥空氣）和打開電源即可操作系統。

需要定期檢查DSC和STA的校準情況，以確保其在規格范圍內。如需要，通常可由用戶執行重新校準。

第2步：制備和分析樣品

樣品可以是干粉或糊狀固化水泥，具有已知的準確重量。之后將其放入通常由鋁或陶瓷制成的坩堝中，再放入樣品架中。坩堝可以采用敞口、半密封或密封的類型（取決于所用的方法）。?根據分析類型和所需信息，樣品重量可在10mg至100mg之間。還添加了一件參照物，其由一個與樣品所用坩堝類型相同的空坩堝組成。

當樣品就位時，溫度程序就開始執行分析。溫度程序可采用等溫模式，或采用以恒定速率升溫模式（具體取決于所要執行的方法）。

圖三：將樣品放入DSC爐中

根據所購買的系統，可以手動或借助自動進樣器（最多可容納50件樣品）插入樣品。

第3步：解讀結果

為了幫助掌握有關解讀結果的方式，將使用TG、DTA和DSC結果。

圖四和圖五顯示了有關使用不同類型水泥所獲得的TG和DTA結果。獲得這些結果的依據是ASTM C1872-18。

圖四顯示了干燥1和水合3的NBS：SRM633以及JCM-211M2的TG（頂部三條曲線）和DTG（導數熱重法）（底部三條曲線）結果。在此情況下，x軸代表樣品溫度，而y軸（左）為失重百分比（%wt），y軸（右）為失重百分比的導數。

每次失重皆因水泥材料中的不同成分所致，可在表1中找到相關情況。可在Collier 1撰寫的論文中找到完整的失重清單。

在1和2的失重曲線中可以觀察到不同樣品之間的差異。這說明了成分比例的差異。在1和3的失重曲線中也可以觀察到游離水和羥基團數量的增加，并可對其進行量化。

圖四：1NBS（SRM633）、2JCM-211M、3NBS水合物的TG（%）和DTG結果

表1：水泥樣品分析期間的失重

圖五顯示了每件水泥樣品的DTA曲線。在每件樣品中，都會出現一個吸熱峰，并顯示出失重和峰值的大小之間存在著某種關系。由于可以在一些儀器上校準DTA信號以量化熱流，因此也可以使用這些結果來量化成分。將在下文的DSC結果中介紹更多關于此類測量的詳情。

圖五：1 NBS（SRM633）、2 JCM-211M、3 NBS水合物的DTA結果

DSC也是測試可能影響水泥性能的特定材料的一項重要技術。石膏是硅酸鹽水泥的重要成分之一，了解其在混合各種材料前后的性能非常重要。研磨工藝中釋放的能量可能會導致石膏部分脫水成為半水合物，這可能會影響水泥3的沉降速率以及長期性能。由于XRD和XRF都不能提供此類信息，因此DSC在水泥的表征方面能發揮重要作用。

圖六顯示了石膏的DSC結果。兩個峰值（157 ?C和202 ?C）表示石膏的脫水過程（如圖8所示）。

圖六：脫水石膏的DSC結果

圖七：石膏的干燥方程式

通過結合這兩個峰值，我們可以知曉該方程式的化學計量是否符合預期，以及研磨是否已影響最終產品。

熱分析，尤其是DSC和TG/STA，是EDXRF、WDXRF和XRD用于水泥分析的基本輔助技術。它們能提供有價值的信息，如水化、燒失量（LOI）、材料成分和對水泥熱分解動力學參數的評估，而其他技術不具備這些優點。它們還易于使用，借助自動進樣器，從樣品導入至導出結果的整個分析過程都能實現自動化。