材料现代分析方法在混凝土中的应用

2014-01-28谢凌龙高俊杰长安大学材料科学与工程学院陕西西安710064

中国建材科技 2014年4期

谢凌龙高俊杰陈军（长安大学材料科学与工程学院，陕西西安 710064）

一、绪论

水泥混凝土路面具有较好的路面整体性和施工工艺相对简单等主要特点，其正广泛应用于国道、省道等高级路面，但随着应用的增多也出现了不少问题，路面裂缝就是其中之一。随着量子力学、电磁学、新算法和图像处理技术的出现，现代材料测试方法得以使研究者们从宏观到微观，乃至原子分子等多层次了解材料的组织与结构。从而得以指导研究者们发现材料组织结构与性能间的关系。材料的微观结构决定着宏观性能，道路混凝土也不例外。常见的混凝土裂缝修补方法有：混凝土置换法、表面封闭、堵漏法（化学灌浆法、嵌缝法）、碱性复原电化学法、仿生愈合法[1]。本文从水泥混凝土裂缝修补材料出发，简要介绍测试技术发展及应用。

二、材料现代分析方法的概述

材料现代分析方法是通过利用传感器直接检测携带材料物理性能或物理化学性能的测量信号或信号与材料交互前后变化实现的。因而，利用不同的测量信号去检测材料的成分组织与结构便形成了不同的测试方法。

利用电磁辐射或运动粒子的波动性与物质相互作用的测试放大业已成为现代分析方法最重要的一部分。这类方法包括四大类，即：光谱、衍射、电子能谱、电子显微四大类。除此之外，通过利用材料物理性能或电化学方法建立的色谱分析、电化学分析、热分析以及质谱分析也成为了现代分析手段的重要组成部分。

尽管分析方法的基本原理千差万别，各自都有其所对应的专用仪器设备，而其检测步骤却不尽相同。各种分析过程大体上都包括发射信号。检测信号、处理信号和读出信号等步骤[2]。

三、试验方法、原理

3.1 粉末X—射线衍射分析(XRD)

当X射线投晶体物质时，晶体中的电子产生受迫振动从而发生相干散射，原子散射波是原子内所有电子散射波的干涉，各原子散射波相互干涉，在某些方向上一致加强，即形成了晶体的衍射波。

X射线衍射，主要应用于晶态物质及非晶态物质的静态区域的分析。借助X射线穿透晶态区域后产生的衍射条纹中的衍射角、晶面族间的晶面间距、衍射花样数目与相对强度，可对物质的晶体结构进行反演得出结晶物质的种类和相对含量的信息。譬如可借助该技术分析水泥水化后CH、Aft、p一C2S、CaCO3的含量。

3.2 扫描电子显微镜(SEM)

扫描电子显微镜以电子代替可见光，利用电子与样品交互后产生的带有样品信息的二次电子、俄歇电子、特征x射线和连续谱X射线、背散射电子、透射电子，经数据处理还原信息后，还原样品表面的各种物理化学性质，譬如：表面形貌，化学组分，晶体结构以及内部存在的电场及磁场分布。通过合理选用电信号，可得到最佳的成像效果。譬如，背散射电子电子信号强度随原子序数的变化二次电子大得多，所以背散射电子有较好的成分衬度，可用于成分分析。[3]

3.3 热分析法

常用的热分析有差热分析（DTA）、差示扫描量热法（DSC）和热重分析（TG）。

差热分析（DTA）是程序控温条件下，测量在升温，降温或恒温过程中样品和参比物之间的温度差。当物质在升温降温过程中发出（吸收）热量的同时，也伴随着质量的改变。其改变的强度及不同质量损失所对应的温度与材料的组成与结构息息相关。因而，可利用升降温过程中材料的质量变化特征对不同的物质加以区分于鉴定。

通过对水泥石进行热重分析，即可对水泥或其他胶凝材料的水化进程与产物进行定性或定量分析。亦可借助其对熟料煅烧中所存在的干燥失水、化学分解、相变组成与机理进行分析。亦可借助其对高硫酸盐环境下的混凝土腐蚀进行分析。[4]

3.4 测孔方法

3.4.1 压汞法

由于大多数固体物质与汞不润湿，汞-集料界面的界面能较大，二者间的接触角大于9度。当汞与毛细孔相互接触时，因为汞巨大的表面张力使其保持原来的形状而不渗入孔道产生显著的毛细现象。只有当在一定的外加压力下，汞才能进入孔道内部，压力越大，汞所能进入的孔喉尺寸越小。通过实验拟合进入孔道的水银体积与所加外界压力之间的关系，即可计算孔洞的直径和体积分布情况。

3.4.2 光学法

光学法是指利用官学显微镜观测孔洞，并拍摄图像。由于显微镜的分辨率可以在一定范围内改变，利用所拍摄的图像和其对应的分辨率即可分析亚微观孔结构。此法由于取样范围小，放大倍数有限，辨认困难而多用于大孔的分析。

3.4.3 吸附法

吸附法可用于测定孔结构的比表面积和孔尺寸分布，其原理是把烘干脱水处理后的样品置于液氮温度下，并调节不同的试验压力以分别测出对氮气的吸附量，根据孔对氮气的吸附量随着升压和降压的变化，用吸附量对吸附压力作图，并绘出吸附和脱附等温线。[5]