ZEM20台式扫描电镜在混凝土材料微观结构及性能研究中的应用


发布时间:

2024-01-24

混凝土作为当今世界上使用量最大的建筑材料,广泛应用于桥梁、大坝、高楼等重要民用工程和设施中发挥着举足轻重的作用。但是普通混凝土存在抗压强度不高、脆性大等缺陷。此外,水泥生产过程还伴随着高能耗和二氧化碳排放问题。因此研发高性能、环保型混凝土迫在眉睫,成为建筑业的重要课题。

混凝土作为当今世界上使用量最大的建筑材料,广泛应用于桥梁、大坝、高楼等重要民用工程和设施中发挥着举足轻重的作用。但是普通混凝土存在抗压强度不高、脆性大等缺陷。此外,水泥生产过程还伴随着高能耗和二氧化碳排放问题。因此研发高性能、环保型混凝土迫在眉睫,成为建筑业的重要课题。

在混凝土的组成与性能优化过程中,微观结构的参数如孔隙率、界面结合力以及水化产物的形态、尺寸和分布状态起着关键作用。深入解析混凝土的微纳组织结构,可为指导高性能混凝土的设计提供理论依据。而扫描电镜技术凭借高分辨率成像优势,可清晰、直接地展示混凝土样品内部的微区形貌、成分分布及相互作用,实现混凝土从微观结构到宏观性能的多尺度联结,是混凝土材料研究的有力工具。本文将基于泽攸科技自主研发的ZEM20台式扫描电镜,探讨在混凝土纳米尺度的相关应用。

混凝土成分与微结构

混凝土作为一种复合材料,由水泥、水、骨料及掺料等组成。当水泥遇水发生水化反应时,生成硅酸钙水化物(C-S-H)凝胶等产物,粘结聚集骨料,继而干燥固化形成整体构件。这一水化反应的全过程及最终产物,决定了混凝土材料的力学性能与使用寿命。

图 与混凝土材料有关的粒度和比表面积标尺

图 根据混凝土内分层理论,混凝土浇筑成型后展示图

骨料是混凝土中的重要组成部分,约占混凝土总质量的60-80%,其物理特性直接影响混凝土性能。骨料有粗、细之分,细骨料粒径范围是0.15-5mm,如天然砂与石屑;粗骨料的粒径范围在5-150mm,如卵石、碎石及碎石等。如下图所示,ZEM20台式扫描电镜可以清晰展示混凝土样品中不同粒径的骨料组分、大小及分布情况。实验发现,细骨料粒径过大,会使骨料间的孔隙度增大,导致混凝土微观结构更加松散,增强混凝土的渗漏风险。

图 左边为骨料,右边为粉煤灰

除天然骨料外,工程技术人员还会在混凝土中掺入纤维和粉煤灰等改性材料。掺加适量粉煤灰,可以显著改善混凝土的工作性能。一方面,粉煤灰的加入会增加新拌混凝土的体积,从而有效填充骨料间的空隙;另一方面,粉煤灰颗粒的“滚珠效应”,降低了混凝土材料内部的摩擦,提高了混凝土的流动性和兼容性。

图 不同纤维及掺量的自密实轻骨料混凝土强度分析对比

此外,ZEM20台式扫描电镜还可精确表征纤维材料在混凝土基体中的分散程度。实验表明,在一定范围内,随着纤维掺量增加,自密实轻骨料混凝土劈裂抗拉强度逐渐提高。纤维掺量过大,纤维之间容易发生团聚,不均匀,容易使自密实混凝土和易性降低,且纤维掺量的增加增大了纤维的比表面积导致需要更多的水泥对纤维进行握裹,纤维掺量增加使得纤维与自密实轻骨料混凝土基体之间薄弱界面增多,导致劈裂抗拉强度降低。

图 混凝土中的纤维材料

水化过程与水化产物表征

混凝土从拌合至最终固化,要经历复杂的水化过程。水化过程中,水泥、掺料和骨料等原材料反应生成硅酸钙水化物(C-S-H)纳米颗粒等产物。C-S-H的形貌、分布状态和孔隙率在很大程度上决定了混凝土的力学性能。因此,准确表征C-S-H等水化产物的微纳结构,解析混凝土抗压强度形成机理,对指导高性能混凝土的设计至关重要。

基于ZEM20台式扫描电镜,实验人员可清晰获得水化产物针片状与薄板晶体交织分布的微观形貌。表征结果还表明,随着混凝土养护龄期的延长,C-S-H颗粒的数量增加,结晶性也得到增强,网络结构更加稳定,混凝土强度与密实度均有明显提升。这验证了扫描电镜技术检测混凝土水化过程及机理的科学价值。

图 左为混凝土10d,右为混凝土30d

混凝土从浇筑开始需要经过标准养护,以保证水化反应的持续进行。实验表明,不同养护龄期的混凝土在微观结构上呈现明显差异。如上图所示,30天养护样品中水化产物C-S-H生成量更高,结晶性更好,与10天样品形成明显对比。定量测试结果也显示,30天样品的抗压强度、弹性模量和抗渗性均高于10天样品。这进一步证实混凝土性能的变化与微区结构的演变密切相关。

本实验充分验证了泽攸科技自主研发的ZEM20台式扫描电镜在混凝土微区结构研究与性能优化中具有重要应用价值。与传统测试手段相比,它可快速、直观地表征混凝土的形貌、孔隙率、缺陷分布、界面结合以及水化产物变化规律,为设计和制备高性能混凝土提供了强有力的技术支持。

参考文献:

1.Sobolev, K., & Gutiérrez, M. F. (2005). How nanotechnology can change the concrete world. American Ceramic Society Bulletin, 84(10), 14-18.

2.黄维蓉,习磊,易金明,凌云.基于显微镜图像分析的振动作用下混凝土孔结构研究[J].重庆交通大学学报:自然科学版,2019,38(5):39-44

3.董健苗,王留阳,曹嘉威,余浪,王慧敏.单掺与混掺纤维增强自密实轻骨料混凝土力学性能试验研究[J].广西科技大学学报,2020,31(1):39-44