应用案例｜扫描电镜在混凝土微观结构分析中的应用

2025-03-17 11:06:22, 纳克微束纳克微束（北京）有限公司

一

混凝土介绍

混凝土是水，骨料（细砂，石料等）和水泥等以一定比例混合密实形成的一种人造石材。其中，骨料起主要支撑作用，提高了混凝土的强度，水泥与水形成的浆体经过一系列物理作用及化学作用，可将骨料等胶结成坚固的整体，赋予混凝土一定的机械强度，但经水压、温度、化学侵蚀及复合应力等多重作用下，混凝土结构受到威胁，严重影响其耐久性及安全性。

图1 混凝土结构示意图

混凝土的强度、抗渗性、抗冻性等本质上是由其微观结构决定的，为深入了解并检测混凝土在不同环境下长期服役的变化，评估工程结构的健康状态，使用扫描电镜（SEM）作为显微分析工具，直观揭示了微米-纳米尺度的缺陷演化机制。

二

扫描电镜在混凝土中的应用

「 水泥水化产物形貌及其分布 」

水泥为一种胶凝材料，遇水后，水泥颗粒表面的矿物开始在水中溶解，发生水化反应，逐渐凝结硬化，并产生水化硅酸钙凝胶（C-S-H）、水化铝酸钙（AFt）、氢氧化钙和铝铁酸盐（AFm）等产物，反应发生由水泥颗粒表面逐渐深入到内部，凝结硬化过程如图所示：

图2 水泥凝结硬化过程示意图

a-水泥颗粒分散在水中

b-反应初期，水化产物较少，自由水含量高，水泥浆体可塑性高。

c-反应中期，水化产物增多，包覆在水泥颗粒表面，逐渐形成结晶体和凝胶体，浆体可塑性下降。

d-反应后期，水泥硬化，浆体完全失去可塑性。

下图是FE-1050T拍摄的水泥水化产物的电镜图，能清楚观测到水化产物的具体形貌、尺寸及分布状态。

图3 SEM拍摄混凝土水化产物

「 孔洞与裂纹 」

混凝土浇铸后内部存在大量自由水，自由水的含量决定了混凝土内部的压力。自由水经一段时间后会沿两种方向演变，一种是经水泥水化反应后结晶固化在混凝土内部，形成氢氧化钙晶体；另一种是蒸发到环境中，形成微米级或纳米级的孔洞通道和裂纹，影响结构的强度。下图是FE-1050T拍摄的混凝土表面的孔洞与裂纹，可为性能分析提供依据。

图4 SEM拍摄混凝土孔洞与裂纹

「 骨料-浆体界面过渡区 」

骨料在水泥混凝土中起骨架作用，骨料间的空隙是由水泥浆填充的，水泥与骨料的胶结面状态及骨料与骨料之间的间隙大小都可直接影响混凝土强度、抗压性和坚固性。界面过渡区致密则骨料与浆体的胶结力更强。同时，骨料-浆体过渡区状态一定程度上也能够反映混凝土配制的工艺。例如，过渡区有毛细孔及裂缝时，可考虑是否存在水胶比、骨料表面结构或杂质影响等问题。

参考文献：

[1] 苏达根. 土木工程材料[M]. 第3版. 北京: 高等教育出版社, 2015