混凝土作為當(dāng)今世界上使用量很大的建筑材料，廣泛應(yīng)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(qiáng)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(dǎo)高性能混凝土的設(shè)計(jì)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(shì)，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(shí)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(tái)式掃描電鏡，探討在混凝土納米尺度的相關(guān)應(yīng)用。

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、骨料及摻料等組成。當(dāng)水泥遇水發(fā)生水化反應(yīng)時(shí)，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(yīng)的全過程及產(chǎn)物，決定了混凝土材料的力學(xué)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(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

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(xì)之分，細(xì)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(tái)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，細(xì)骨料粒徑過大，會(huì)使骨料間的孔隙度增大，導(dǎo)致混凝土微觀結(jié)構(gòu)更加松散，增強(qiáng)混凝土的滲漏風(fēng)險(xiǎn)。

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(huì)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(huì)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(yīng)”，降低了混凝土材料內(nèi)部的摩擦，提高了混凝土的流動(dòng)性和兼容性。

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

此外，ZEM20臺(tái)式掃描電鏡還可準(zhǔn)確表征纖維材料在混凝土基體中的分散程度。實(shí)驗(yàn)表明，在一定范圍內(nèi)，隨著纖維摻量增加，自密實(shí)輕骨料混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸提高。纖維摻量過大，纖維之間容易發(fā)生團(tuán)聚，不均勻，容易使自密實(shí)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(dǎo)致需要更多的水泥對(duì)纖維進(jìn)行握裹，纖維摻量增加使得纖維與自密實(shí)輕骨料混凝土基體之間薄弱界面增多，導(dǎo)致劈裂抗拉強(qiáng)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(fù)雜的水化過程。水化過程中，水泥、摻料和骨料等原材料反應(yīng)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(xué)性能。因此，準(zhǔn)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(qiáng)度形成機(jī)理，對(duì)指導(dǎo)高性能混凝土的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

基于ZEM20臺(tái)式掃描電鏡，實(shí)驗(yàn)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(hù)齡期的延長(zhǎng)，C-S-H顆粒的數(shù)量增加，結(jié)晶性也得到增強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，混凝土強(qiáng)度與密實(shí)度均有明顯提升。這驗(yàn)證了掃描電鏡技術(shù)檢測(cè)混凝土水化過程及機(jī)理的科學(xué)價(jià)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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，以保證水化反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)表明，不同養(yǎng)護(hù)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(hù)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(duì)比。定量測(cè)試結(jié)果也顯示，30天樣品的抗壓強(qiáng)度、彈性模量和抗?jié)B性均高于10天樣品。這進(jìn)一步證實(shí)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(tái)式掃描電鏡

本實(shí)驗(yàn)充分驗(yàn)證了澤攸科技自主研發(fā)的ZEM20臺(tái)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(yīng)用價(jià)值。與傳統(tǒng)測(cè)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(jì)和制備高性能混凝土提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

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