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ZEM20臺式電鏡用于研究混凝土材料微觀結(jié)構(gòu)及性能

來源:北京儀光科技有限公司   2024年11月04日 16:44  


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,,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,,對高性能混凝土的設(shè)計(jì)具有重要意義。



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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)。

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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。

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圖 與混凝土材料有關(guān)的粒度和比表面積標(biāo)尺

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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(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),。

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圖 不同纖維及摻量的自密實(shí)輕骨料混凝土強(qiáng)度分析對比

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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(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,。

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圖 混凝土中的纖維材料

基于ZEM20臺式掃描電子顯微鏡,,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,。



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