ZEM20臺式電鏡用于研究混凝土材料微觀結(jié)構(gòu)及性能

更新時間：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)保混凝土刻不容緩，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，可以清晰、直觀地顯示混凝土試樣內(nèi)部的微觀形貌，實現(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)，分析混凝土抗壓強度的形成機理，對高性能混凝土的設(shè)計具有重要意義。

圖左為混凝土10d，右為混凝土30d

混凝土應(yīng)從澆筑開始進行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護，以確保水化反應(yīng)持續(xù)進行。試驗結(jié)果表明，不同養(yǎng)護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)護樣品中更豐富，更結(jié)晶，這與10天的養(yǎng)護樣品形成了明顯的對比。定量試驗結(jié)果還表明，30d試樣的抗壓強度、彈性模量和抗?jié)B性均高于10d試樣。進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，實驗室可以獲得一個帶有薄晶體的卸載產(chǎn)品的部分。表面結(jié)果表明，隨著混凝土維護時間的推移，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。在探測混凝土卸載過程和機制過程中，檢驗了SEM的科學(xué)價值。

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，就會形成像水合硅酸鈣（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)的整個過程和最終產(chǎn)物決定了混凝土材料的機械性能和使用壽命。

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)對混凝土土壤的效率有直接影響。成分分為粗粒和細粒，細粒在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。實驗結(jié)果表明，細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。

圖不同纖維及摻量的自密實輕骨料混凝土強度分析對比

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；混凝土的運動和相容性。

此外，ZEM20臺式掃描電子顯微鏡可以準(zhǔn)確測定混凝土基體中纖維的分散程度。實驗表明，在一定范圍內(nèi)，自密實輕骨料混凝土的劈裂抗拉強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)生團聚和不均勻，很容易降低自密實混凝土的和易性。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，降低劈裂抗拉強度。

圖混凝土中的纖維材料

基于ZEM20臺式掃描電子顯微鏡，實驗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，混凝土的強度和密實度顯著提高。這證實了電子顯微鏡技術(shù)揭示混凝土水化過程和機制的科學(xué)價值。

本實驗充分證實了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)域的獨立工作而設(shè)計的。與傳統(tǒng)的測試方法相比，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)計和生產(chǎn)提供強大的技術(shù)支持。

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