ZEM20臺(tái)式電鏡用于研究混凝土材料微觀結(jié)構(gòu)及性能

更新時(shí)間：2024-11-04

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混凝土作為當(dāng)今世界上使用最多的建筑材料，廣泛應(yīng)用于橋梁、水壩、高層建筑等重要土木工程和設(shè)施中，起著舉足輕重的作用。普通混凝土存在抗壓強(qiáng)度低、脆性大等缺陷。此外，水泥生產(chǎn)過程與高能耗和二氧化碳排放有關(guān)。因此，研究開發(fā)高性能環(huán)?；炷量滩蝗菥?，已成為建筑行業(yè)的重要課題。

在優(yōu)化混凝土成分和性能的過程中，孔隙率、界面結(jié)合力等微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)以及水化產(chǎn)物的形態(tài)、大小和分布起著關(guān)鍵作用。深入分析混凝土的微納結(jié)構(gòu)可以為指導(dǎo)高性能混凝土的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。掃描電子顯微鏡（SEM）具有高分辨率成像的優(yōu)勢(shì)，可以清晰、直觀地顯示混凝土試樣內(nèi)部的微觀形貌，實(shí)現(xiàn)混凝土微觀結(jié)構(gòu)到宏觀性能的多尺度連接，是研究混凝土材料的有力工具。本文將以澤友科技自主研發(fā)的ZEM20桌面掃描電鏡為基礎(chǔ)，探討其在混凝土納米尺度上的相關(guān)應(yīng)用。

水化過程與水化產(chǎn)物表征

混凝土從攪拌到最終凝固必須經(jīng)歷一個(gè)復(fù)雜的水化過程。在水化過程中，水泥、外加劑和骨料等原材料發(fā)生反應(yīng)，形成水化硅酸鈣(C-S-H)納米顆粒。C-S-H的形態(tài)、分布和孔隙率在很大程度上決定了混凝土的力學(xué)性能。因此，準(zhǔn)確表征C-S-H水化產(chǎn)物的微納結(jié)構(gòu)，分析混凝土抗壓強(qiáng)度的形成機(jī)理，對(duì)高性能混凝土的設(shè)計(jì)具有重要意義。

圖左為混凝土10d，右為混凝土30d

混凝土應(yīng)從澆筑開始進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，以確保水化反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行。試驗(yàn)結(jié)果表明，不同養(yǎng)護(hù)齡期混凝土的微觀結(jié)構(gòu)有明顯差異。如上圖所示，水化產(chǎn)物C-S-H在30天的養(yǎng)護(hù)樣品中更豐富，更結(jié)晶，這與10天的養(yǎng)護(hù)樣品形成了明顯的對(duì)比。定量試驗(yàn)結(jié)果還表明，30d試樣的抗壓強(qiáng)度、彈性模量和抗?jié)B性均高于10d試樣。進(jìn)一步證明了混凝土性能的變化與微區(qū)結(jié)構(gòu)的演變密切相關(guān)。

在ZEM20 (ZEM20)電子桌面掃描顯微鏡下，實(shí)驗(yàn)室可以獲得一個(gè)帶有薄晶體的卸載產(chǎn)品的部分。表面結(jié)果表明，隨著混凝土維護(hù)時(shí)間的推移，c - s - h粒子數(shù)量增加，晶體增加，網(wǎng)絡(luò)變得更加穩(wěn)定，混凝土密度和密度顯著改善。在探測(cè)混凝土卸載過程和機(jī)制過程中，檢驗(yàn)了SEM的科學(xué)價(jià)值。

混凝土成分與微結(jié)構(gòu)

混凝土作為一種復(fù)合材料，由水泥、水、骨料和添加劑等組成。當(dāng)水泥與水發(fā)生水合反應(yīng)時(shí)，就會(huì)形成像水合硅酸鈣（c-s-h）凝膠這樣的產(chǎn)品來粘結(jié)骨料，然后干燥和固化形成整體成分。這種水合反應(yīng)的整個(gè)過程和最終產(chǎn)物決定了混凝土材料的機(jī)械性能和使用壽命。

圖與混凝土材料有關(guān)的粒度和比表面積標(biāo)尺

圖根據(jù)混凝土內(nèi)分層理論，混凝土澆筑成型后展示圖

物質(zhì)是混凝土土壤的重要組成部分，約占混凝土土壤總質(zhì)量的 60-80%，其物理性質(zhì)對(duì)混凝土土壤的效率有直接影響。成分分為粗粒和細(xì)粒，細(xì)粒在0.15-5mm范圍內(nèi)，如天然砂和礫石碎片，粗料在5-150mm范圍內(nèi)，如石頭、石頭和石頭。如下圖所示，ZEM20 臺(tái)式 SEM 可以清楚地顯示混凝土土壤樣品中不同粒徑的骨料組成、粒徑和分布。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，細(xì)料的大尺寸增加了材料之間的孔隙率，降低了混凝土土的微生物結(jié)構(gòu)，增加了混凝土土流失的風(fēng)險(xiǎn)。

圖不同纖維及摻量的自密實(shí)輕骨料混凝土強(qiáng)度分析對(duì)比

圖左邊為粉煤灰，右邊為骨料

除了天然骨料之外，工程師還將纖維和粉煤灰等改性材料混合到混凝土中。添加適量的粉煤灰可以顯著改善混凝土的和易性。一方面，灰燼的加入增加了新混凝土的體積，從而有效填充骨料之間的空間，另一方面，灰燼顆粒的“球效應(yīng)"減少和改善了混凝土材料的內(nèi)摩擦；混凝土的運(yùn)動(dòng)和相容性。

此外，ZEM20臺(tái)式掃描電子顯微鏡可以準(zhǔn)確測(cè)定混凝土基體中纖維的分散程度。實(shí)驗(yàn)表明，在一定范圍內(nèi)，自密實(shí)輕骨料混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度隨著纖維含量的增加而逐漸增大。如果纖維含量太大，纖維容易發(fā)生團(tuán)聚和不均勻，很容易降低自密實(shí)混凝土的和易性。另外，纖維含量的增加增加了纖維的比表面積，因此需要更多的水泥來粘合纖維，纖維含量的增加增加了纖維與自密實(shí)輕骨料之間的疏松界面數(shù)量混凝土基體，降低劈裂抗拉強(qiáng)度。

圖混凝土中的纖維材料

基于ZEM20臺(tái)式掃描電子顯微鏡，實(shí)驗(yàn)人員可以清晰地獲得針狀顆粒和薄層狀晶體水化產(chǎn)物的微觀形貌。表征結(jié)果表明，隨著混凝土硬化齡期的增加，C-S-H顆粒數(shù)量增多，結(jié)晶度增大，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得穩(wěn)定，混凝土的強(qiáng)度和密實(shí)度顯著提高。這證實(shí)了電子顯微鏡技術(shù)揭示混凝土水化過程和機(jī)制的科學(xué)價(jià)值。

本實(shí)驗(yàn)充分證實(shí)了ZEM20在混凝土結(jié)構(gòu)研究和性能優(yōu)化方面的重要應(yīng)用，ZEM20是為婚禮科學(xué)領(lǐng)域的獨(dú)立工作而設(shè)計(jì)的。與傳統(tǒng)的測(cè)試方法相比，它可以快速直觀地展示混凝土的形狀、孔隙度、缺陷分布、界面連接和水產(chǎn)品的變化規(guī)律，為高性能混凝土的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供強(qiáng)大的技術(shù)支持。