中文
English

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施中發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，水泥生產過程還伴隨著高能耗和二氧化碳排放問題。因此研發高性能、環保型混凝土迫在眉睫，成為建筑業的重要課題。

在混凝土的組成與性能優化過程中，微觀結構的參數如孔隙率、界面結合力以及水化產物的形態、尺寸和分布狀態起著關鍵作用。深入解析混凝土的微納組織結構，可為指導高性能混凝土的設計提供理論依據。而掃描電鏡技術憑借高分辨率成像優勢，可清晰、直接地展示混凝土樣品內部的微區形貌、成分分布及相互作用，實現混凝土從微觀結構到宏觀性能的多尺度聯結，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的ZEM20臺式掃描電鏡，探討在混凝土納米尺度的相關應用。

混凝土成分與微結構

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

圖 與混凝土材料有關的粒度和比表面積標尺

圖 根據混凝土內分層理論，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。實驗發現，細骨料粒徑過大，會使骨料間的孔隙度增大，導致混凝土微觀結構更加松散，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，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

水化過程與水化產物表征

混凝土從拌合至固化，要經歷復雜的水化過程。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）納米顆粒等產物。C-S-H的形貌、分布狀態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等水化產物的微納結構，解析混凝土抗壓強度形成機理，對指導高性能混凝土的設計至關重要。

基于ZEM20臺式掃描電鏡，實驗人員可清晰獲得水化產物針片狀與薄板晶體交織分布的微觀形貌。表征結果還表明，隨著混凝土養護齡期的延長，C-S-H顆粒的數量增加，結晶性也得到增強，網絡結構更加穩定，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過標準養護，以保證水化反應的持續進行。實驗表明，不同養護齡期的混凝土在微觀結構上呈現明顯差異。如上圖所示，30天養護樣品中水化產物C-S-H生成量更高，結晶性更好，與10天樣品形成明顯對比。定量測試結果也顯示，30天樣品的抗壓強度、彈性模量和抗滲性均高于10天樣品。這進一步證實混凝土性能的變化與微區結構的演變密切相關。

ZEM20臺式掃描電鏡

本實驗充分驗證了澤攸科技自主研發的ZEM20臺式掃描電鏡在混凝土微區結構研究與性能優化中具有重要應用價值。與傳統測試手段相比，它可快速、直觀地表征混凝土的形貌、孔隙率、缺陷分布、界面結合以及水化產物變化規律，為設計和制備高性能混凝土提供了強有力的技術支持。

參考文獻：

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

2.黃維蓉,習磊,易金明,凌云.基于顯微鏡圖像分析的振動作用下混凝土孔結構研究[J].重慶交通大學學報：自然科學版,2019,38(5):39-44

3.董健苗,王留陽,曹嘉威,余浪,王慧敏.單摻與混摻纖維增強自密實輕骨料混凝土力學性能試驗研究[J].廣西科技大學學報,2020,31(1):39-44