مدلسازی و مشخصه سازی مصالح زیرساخت

شناسایی سریع و تجزیه و تحلیل کمی فوق روان کننده های پلی کربوکسیلات با استفاده از طیف سنجی ATR-FTIR همراه با روش های کمومتری

خلاصه

اگرچه روش بازرسی کیفیت فوق روان کننده های پلی کربوکسیلات (PCE) بر اساس عملکرد کلان هنوز به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد، اما دارای معایب زمان بر و دقت کم است. هدف این مطالعه ایجاد یک روش جایگزین عملی برای بازرسی کیفیت PCE است. برای این کار، جمع آوری طیف، استخراج ویژگی و آنالیز خوشه ای بر روی نمونه های PCE برای نشان دادن امکان سنجی روش انجام شد. همچنین یک روش جدید محاسبه شباهت در این کار معرفی شد. نتایج نشان می دهد که نمونه جامد PCE برای جمع آوری طیف را می توان با استفاده از روش گرمایش ساده تهیه کرد. طیف های با کیفیت بالا را می توان به سرعت توسط طیف سنج مادون قرمز همراه با لوازم جانبی ATR جمع آوری کرد. در همین حال، دقت طبقه بندی و خوشه بندی بالا است، که نشان می دهد روش استخراج ویژگی مبتنی بر تحلیل مؤلفه های اصلی (PCA) مؤثر است. علاوه بر این، در مقایسه با روش های معمول محاسبه شباهت زاویه کسینوس و ضریب همبستگی، روش جدید محاسبه شباهت به نتایج طبقه بندی بهتر و توانایی تعمیم بهتر دست می یابد. این کار روشی برای تجزیه و تحلیل کمی و شناسایی سریع PCE برای سایت ساخت و ساز ارائه می دهد.

1. معرفی

به عنوان یک افزودنی مهم بتن، عامل کاهنده آب به طور گسترده در بهبود عملکرد بتن استفاده شده است. آنها می توانند مقاومت فشاری را با کاهش مقدار آب مورد نیاز بهبود بخشند [1]. لیگنوسولفونات اولین نرم کننده مورد استفاده در بتن بود که از مشتقات لیگنین در صنعت خمیر کاغذ است. سپس پلی ملامین سولفونات ها و پلی نفتالین سولفونات ها تولید و اعمال شدند. با این حال، این نرم کننده ها اثر کاهش آب محدودی دارند و ممکن است مشکلات بالقوه ای را برای فرآیند سخت شدن بتن ایجاد کنند [2]. نسل جدید فوق روان کننده پلی کربوکسیلات (PCE) است. این فوق روان کننده ها به طور گسترده در محل ساخت و ساز مورد استفاده قرار می گیرند و در زمینه دانشگاهی مورد مطالعه قرار می گیرند. به عنوان مثال چین را در نظر بگیرید، مصرف PCE در چین 7. 23 میلیون تن در سال 2017 بود که حدود 77. 6٪ از کل عوامل کاهش دهنده آب مورد استفاده در سال بود [3]. بنابراین، انتخاب دقیق و منطقی PCE یکی از دغدغه های اصلی پرسنل صنعت است.

اصالت یک معیار کیفیت بسیار مهم برای PCE است زیرا تفاوت زیادی در بین انواع مختلف محصولات PCE وجود دارد [4 ، 5]. با این حال ، تعیین اصالت برای PCE به طور سنتی یک فرآیند وقت گیر و پر زحمت است ، به طور معمول با استفاده از اثر پراکندگی ، میزان جذب و تنظیم زمان برای توصیف PCE [6 ، 7]. اگرچه این روش ها می توانند منعکس کننده ماکروپروس باشند و عملکرد مهندسی PCE را تا حدی تضمین کنند ، اما اشکالاتی دارند. از یک طرف ، روشهای مربوطه به مقدار زیادی از نمونه PCE و مهارت های عملیاتی بالا پرسنل آزمون نیاز دارند که ممکن است تأثیر بالقوه بر دقت به همراه آورد [8]. از طرف دیگر ، نتایج آزمون ماکروپورس عمدتاً منعکس کننده شاخص کنترل ساخت و ساز است ، اما نمی تواند رابطه بین ساختار مولکولی و عملکرد PCE را مشخص کند. به عنوان مثال ، PCE های مختلف با ماکروپتریک مشابه یا مشابه ممکن است عملکرد متمایز در سایت را با توجه به دوام ، قدرت و کارآیی بتن به دلیل ترکیب مولکولی PCE نشان دهند و در نتیجه بیماری های ساختار پس از استفاده طولانی مدت انجام شود [9]واد

علاوه بر این ، ساختار مولکولی PCE را می توان به راحتی تنظیم کرد تا ویژگی های مطلوب را به منظور بهبود عملکرد بتن ، مانند سازگاری با دمای مختلف و سازگاری با انواع مختلف سیمان ها فراهم کند [10]. فقط به این دلیل که ساختار مولکولی متفاوت است ، ترکیب فیزیکی و شیمیایی PCE بی نظیر است [11]. این منحصر به فرد بودن مشابه اثر انگشت انسان است که می توان آن را اطلاعات اثر انگشت PCE نامید. علاوه بر این ، به دلیل اطلاعات اثر انگشت PCE ، شناسایی PCE در تئوری امکان پذیر است.

اخیراً ، فناوری شناسایی اثر انگشت به طور گسترده در تجزیه و تحلیل مواد استفاده شده است [12 ، 13]. چندین تکنیک برای توصیف و تعیین کیفیت نمونه آزمایش ، از جمله روشهای رنگ سنجی ، کروماتوگرافی نفوذ ژل (GPC) ، طیف هیدروژن رزونانس مغناطیسی هسته ای (NMR) و طیف سنجی جرمی کروماتوگرافی گاز استفاده شده است. اگرچه این روش ها می توانند اطلاعات منحصر به فرد اثر انگشت نمونه ها را شناسایی کنند ، اما آنها دارای مضرات عملکرد وقت گیر ، گران یا دست و پا گیر هستند. در مقایسه با روشهای معمولی ، طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه (FTIR) به دلیل شایستگی های آن از جمله تشخیص سریع ، عملکرد آسان و صرفه جویی در هزینه ، به یکی از مفیدترین وسیله تحلیلی تبدیل شده است. همراه با لوازم جانبی بازتاب کل (ATR) ، مقدار کمی از نمونه ها را می توان در مدت زمان کوتاهی و بدون آماده سازی نمونه مورد تجزیه و تحلیل قرار داد. طیف سنجی ATR-FTIR نمونه را در عمق 0. 5-5 میکرومتر از سطح عنصر بازتاب داخلی اندازه گیری می کند. نمودار شماتیک ATR-FTIR در شکل 1 نشان داده شده است ، که معمولاً از الماس استفاده می کند و اطلاعات را از لایه نمونه مجاور سطح عنصر بازتاب داخلی جمع می کند. به طور خاص ، توسعه فناوری شیمیایی مرتبط با داده های طیفی ATR-FTIR یک روش مؤثر برای تعیین خصوصیات فیزیکی و شیمیایی مواد فراهم می کند. ماهسا محمد با استفاده از طیف سنجی ATR-FTIR در ارتباط با روشهای شیمیایی برای پرداختن به رگرسیون و وظایف طبقه بندی برای تجزیه و تحلیل روغن خام بر اساس مقادیر گرانش API ، یک روش تحلیلی جدید ارائه داد. هانا Tiean طیف سنجی ATR-FTIR را برای تعیین میزان پروتئین و ترکیب ساختار ثانویه پروتئین اعمال کرد [15]. لی Zhihui برای شناسایی آسفالت درجه بندی شده ، از جفت طیف ATR-FTIR با طبقه بندی SVM استفاده کرد [16]. Xiting Sun یک روش سریع و مصلحت را برای تعیین خصوصیات آسفالت ، از جمله محتوا ، نقطه نرم و نفوذ ارائه داد [17]. کریستین شرام با استفاده از طیف سنجی ATR-FTIR ، روند پخت نمونه های پنبه آغشته و خشک را مورد مطالعه قرار داد [18].