先进力学表面测试胶凝材料的力学性能

 本应用报告主要介绍麻省理工学院土木工程系(麻省理工学 院)正在开发的一些应用，安东帕为他们开发了一种新型的湿 度控制纳米压痕系统。这个组主要研究地质或天然复合材料， 例如天然存在的具有复杂的非均质结构的材料。这类材料的例 子有水泥浆(用于混凝土)和页岩(覆盖油田)。  在过去的几十年里，水泥的力学性能逐渐得到改善，但这 更多的是通过反复试验和试错，而不是深入了解微观和纳米尺 度上性质来实现的。 水泥的凝结并不像人们有时认为的那 样，是一个干燥过程; 事实上，恰恰相反。 当水泥与水混合 时，发生溶解反应，在间隙溶液中生成钙、硅酸盐和铝酸盐离 子。新产物(水合物)在达到溶解度极限并经过成核期后沉淀。 在普通水泥中，如波特兰水泥，这种溶解-扩散-沉淀的过程会 产生水合硅酸钙(C-S-H)和氢氧化钙(Portlandite)。 水化过程 中，水泥与水混合后发生凝固，凝固后无水水泥的一部分转化 为C-S-H等水合物。C-S-H是一种非化学计量化合物，普通硬 化水泥浆体Ca/Si的平均比值约为1.7。 它具有一种层状晶体 结构，类似于矿物托贝莫来石，这就是为什么这种矿物经常被 用作模型材料，因为它类似于水泥浆体的主要水化相，可以人 工生产。混凝土的多尺度多相性最终决定了其体内力学性能 (刚度、强度)和退化(损伤、断裂、失效)。如图1所示，微观结 构可以分为四个层次，从砂浆的尺度(10-2 m)到C-S-H固相 (10-10 m)，这是目前可以通过机械测试获得的最小材料长度尺 度(纳米压痕)。通过对不同长度尺度的水泥浆体力学性能的实 验研究，为微观尺度性质与宏观应用的关联提供了方法。对化 学复杂相进行原位分析的需求，使得针对大样品的传统力学 性能测试无法满足。因此，纳米压痕可以作为一种二维的成像 工具来独立地检测组分相的性质。