混凝土作為當今世界上使用量很大的建筑材料，廣泛應用于橋梁、大壩、高樓等重要民用工程和設(shè)施中發(fā)揮著舉足輕重的作用。但是普通混凝土存在抗壓強度不高、脆性大等缺陷。此外，水泥生產(chǎn)過程還伴隨著高能耗和二氧化碳排放問題。因此研發(fā)高性能、環(huán)保型混凝土迫在眉睫，成為建筑業(yè)的重要課題。

在混凝土的組成與性能優(yōu)化過程中，微觀結(jié)構(gòu)的參數(shù)如孔隙率、界面結(jié)合力以及水化產(chǎn)物的形態(tài)、尺寸和分布狀態(tài)起著關(guān)鍵作用。深入解析混凝土的微納組織結(jié)構(gòu)，可為指導高性能混凝土的設(shè)計提供理論依據(jù)。而掃描電鏡技術(shù)憑借高分辨率成像優(yōu)勢，可清晰、直接地展示混凝土樣品內(nèi)部的微區(qū)形貌、成分分布及相互作用，實現(xiàn)混凝土從微觀結(jié)構(gòu)到宏觀性能的多尺度聯(lián)結(jié)，是混凝土材料研究的有力工具。本文將基于澤攸科技自主研發(fā)的ZEM20臺式掃描電鏡，探討在混凝土納米尺度的相關(guān)應用。

混凝土成分與微結(jié)構(gòu)

混凝土作為一種復合材料，由水泥、水、骨料及摻料等組成。當水泥遇水發(fā)生水化反應時，生成硅酸鈣水化物（C-S-H）凝膠等產(chǎn)物，粘結(jié)聚集骨料，繼而干燥固化形成整體構(gòu)件。這一水化反應的全過程及產(chǎn)物，決定了混凝土材料的力學性能與使用壽命。

圖 與混凝土材料有關(guān)的粒度和比表面積標尺

圖 根據(jù)混凝土內(nèi)分層理論，混凝土澆筑成型后展示圖

骨料是混凝土中的重要組成部分，約占混凝土總質(zhì)量的60-80%，其物理特性直接影響混凝土性能。骨料有粗、細之分，細骨料粒徑范圍是0.15-5mm，如天然砂與石屑；粗骨料的粒徑范圍在5-150mm，如卵石、碎石及碎石等。如下圖所示，ZEM20臺式掃描電鏡可以清晰展示混凝土樣品中不同粒徑的骨料組分、大小及分布情況。實驗發(fā)現(xiàn)，細骨料粒徑過大，會使骨料間的孔隙度增大，導致混凝土微觀結(jié)構(gòu)更加松散，增強混凝土的滲漏風險。

圖 左邊為骨料，右邊為粉煤灰

除天然骨料外，工程技術(shù)人員還會在混凝土中摻入纖維和粉煤灰等改性材料。摻加適量粉煤灰，可以改善混凝土的工作性能。一方面，粉煤灰的加入會增加新拌混凝土的體積，從而有效填充骨料間的空隙；另一方面，粉煤灰顆粒的“滾珠效應”，降低了混凝土材料內(nèi)部的摩擦，提高了混凝土的流動性和兼容性。

圖 不同纖維及摻量的自密實輕骨料混凝土強度分析對比

此外，ZEM20臺式掃描電鏡還可準確表征纖維材料在混凝土基體中的分散程度。實驗表明，在一定范圍內(nèi)，隨著纖維摻量增加，自密實輕骨料混凝土劈裂抗拉強度逐漸提高。纖維摻量過大，纖維之間容易發(fā)生團聚，不均勻，容易使自密實混凝土和易性降低，且纖維摻量的增加增大了纖維的比表面積導致需要更多的水泥對纖維進行握裹，纖維摻量增加使得纖維與自密實輕骨料混凝土基體之間薄弱界面增多，導致劈裂抗拉強度降低。

圖 混凝土中的纖維材料

水化過程與水化產(chǎn)物表征

混凝土從拌合至固化，要經(jīng)歷復雜的水化過程。水化過程中，水泥、摻料和骨料等原材料反應生成硅酸鈣水化物（C-S-H）納米顆粒等產(chǎn)物。C-S-H的形貌、分布狀態(tài)和孔隙率在很大程度上決定了混凝土的力學性能。因此，準確表征C-S-H等水化產(chǎn)物的微納結(jié)構(gòu)，解析混凝土抗壓強度形成機理，對指導高性能混凝土的設(shè)計至關(guān)重要。

基于ZEM20臺式掃描電鏡，實驗人員可清晰獲得水化產(chǎn)物針片狀與薄板晶體交織分布的微觀形貌。表征結(jié)果還表明，隨著混凝土養(yǎng)護齡期的延長，C-S-H顆粒的數(shù)量增加，結(jié)晶性也得到增強，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，混凝土強度與密實度均有明顯提升。這驗證了掃描電鏡技術(shù)檢測混凝土水化過程及機理的科學價值。

圖 左為混凝土10d，右為混凝土30d

混凝土從澆筑開始需要經(jīng)過標準養(yǎng)護，以保證水化反應的持續(xù)進行。實驗表明，不同養(yǎng)護齡期的混凝土在微觀結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)明顯差異。如上圖所示，30天養(yǎng)護樣品中水化產(chǎn)物C-S-H生成量更高，結(jié)晶性更好，與10天樣品形成明顯對比。定量測試結(jié)果也顯示，30天樣品的抗壓強度、彈性模量和抗?jié)B性均高于10天樣品。這進一步證實混凝土性能的變化與微區(qū)結(jié)構(gòu)的演變密切相關(guān)。

ZEM20臺式掃描電鏡

本實驗充分驗證了澤攸科技自主研發(fā)的ZEM20臺式掃描電鏡在混凝土微區(qū)結(jié)構(gòu)研究與性能優(yōu)化中具有重要應用價值。與傳統(tǒng)測試手段相比，它可快速、直觀地表征混凝土的形貌、孔隙率、缺陷分布、界面結(jié)合以及水化產(chǎn)物變化規(guī)律，為設(shè)計和制備高性能混凝土提供了強有力的技術(shù)支持。

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