Применение настольного сканирующего электронного микроскопа ZEM20 в исследованиях микроструктуры и свойств бетонных материалов
Дата публикации:
2024-01-24
Бетон, являясь самым широко используемым строительным материалом в мире, повсеместно применяется в таких важных гражданских сооружениях и объектах, как мосты, плотины и высотные здания, играя в них ключевую роль. Однако обычный бетон обладает недостатками — низкой прочностью на сжатие и высокой хрупкостью. Кроме того, процесс производства цемента сопровождается значительными энергозатратами и выбросами углекислого газа. Поэтому разработка высокопроизводительного, экологически чистого бетона становится крайне актуальной и превращается в одну из важнейших задач строительной отрасли.
Бетон, являясь самым широко используемым строительным материалом в мире, повсеместно применяется в таких важных гражданских сооружениях и объектах, как мосты, плотины и высотные здания, играя в них ключевую роль. Однако обычный бетон обладает недостатками — низкой прочностью на сжатие и высокой хрупкостью. Кроме того, процесс производства цемента сопровождается значительными энергозатратами и выбросами углекислого газа. Поэтому разработка высокопроизводительного, экологически чистого бетона становится крайне актуальной и превращается в одну из важнейших задач строительной отрасли.
В процессе оптимизации состава и свойств бетона ключевую роль играют такие параметры микроструктуры, как пористость, прочность межфазного сцепления, а также форма, размеры и распределение продуктов гидратации. Глубокий анализ микроскопической и наноструктуры бетона позволяет обеспечить теоретическую основу для проектирования высокопроизводительных бетонов. При этом метод сканирующей электронной микроскопии, благодаря своему преимуществу в виде высокого разрешения изображений, способен наглядно и непосредственно демонстрировать морфологию микрозон, распределение компонентов и взаимодействия внутри образцов бетона, обеспечивая многомасштабную связь между микроструктурой и макросвойствами материала и являясь мощным инструментом исследований бетонных материалов. В данной статье на основе разработанного компанией Zeyou Technology стационарного сканирующего электронного микроскопа ZEM20 будут рассмотрены соответствующие приложения на наноуровне в области бетона.
Состав и микроструктура бетона
Бетон, будучи композитным материалом, состоит из цемента, воды, заполнителей и добавок. При взаимодействии цемента с водой протекает гидратационная реакция, в результате которой образуются такие продукты, как гель кальциевого силиката (C‑S‑H), которые связывают и удерживают заполнители; далее, при высыхании и твердении, формируется монолитный конструкционный элемент. Полный ход этой гидратационной реакции и её конечные продукты определяют механические свойства бетона и срок его службы.
Рис. Шкала крупности зерен и удельной поверхности, связанные с бетонными материалами
Рис. Иллюстрация процесса после укладки и формирования бетона в соответствии с теорией внутреннего слоения бетона.
Заполнители являются важной составной частью бетона, их масса составляет примерно 60–80% от общей массы бетона, а их физические свойства непосредственно влияют на его эксплуатационные характеристики. Заполнители подразделяются на крупные и мелкие: мелкие заполнители имеют размер частиц в диапазоне 0,15–5 мм — к ним относятся природный песок и отсев; крупные заполнители характеризуются размером частиц от 5 до 150 мм — это гравий, щебень и др. Как показано на рисунке, настольный сканирующий электронный микроскоп ZEM20 позволяет чётко визуализировать компоненты заполнителей различного размера, их величину и распределение в образце бетона. Экспериментальные данные свидетельствуют, что слишком крупные частицы мелких заполнителей увеличивают пористость между зёрнами, что приводит к более рыхлой микроструктуре бетона и повышает риск его водопроницаемости.
На рисунке слева — заполнитель, справа — зола уноса.
Помимо природных заполнителей, инженерно‑технические специалисты вводят в бетон такие модифицирующие добавки, как волокна и зола уноса. Добавление оптимального количества золы уноса позволяет существенно улучшить технологические свойства бетона. С одной стороны, её введение увеличивает объём свежеуложенного бетона, эффективно заполняя пустоты между заполнителями; с другой — «шариковый эффект» частиц золы уноса снижает внутреннее трение в бетонной смеси, повышая её подвижность и совместимость.
Рис. Сравнительный анализ прочности самосвяжущегося лёгкого бетона с различными видами волокон и их долей
Кроме того, настольный сканирующий электронный микроскоп ZEM20 позволяет точно оценить степень дисперсии волоконных материалов в матрице бетона. Экспериментальные данные свидетельствуют, что в определённом диапазоне с увеличением содержания волокон разрывная прочность при раскалывании самосвяжущегося лёгкого бетона постепенно возрастает. Однако при чрезмерно высоком содержании волокон между ними легко возникает агрегация, что приводит к неравномерности распределения и снижению удобоукладываемости самосвяжущегося бетона; кроме того, рост доли волокон увеличивает их удельную поверхность, что требует большего количества цемента для надёжного обволакивания волокон. В результате повышение содержания волокон приводит к увеличению числа слабых границ между волокнами и матрицей самосвяжущегося лёгкого бетона, что, в свою очередь, снижает разрывную прочность при раскалывании.
Рис. Волокнистые материалы в бетоне
Процесс гидратации и характеристика продуктов гидратации
Бетон, начиная с момента смешивания и до окончательного твердения, проходит сложный процесс гидратации. В ходе этого процесса из цемента, добавок и заполнителей образуются такие продукты, как наночастицы кальций‑силитового гидрата (C‑S‑H). Морфология, распределение и пористость C‑S‑H в значительной степени определяют механические свойства бетона. Поэтому точное характеристика микроструктуры и наноструктуры продуктов гидратации, включая C‑S‑H, а также выяснение механизма формирования прочности на сжатие бетона имеют ключевое значение для разработки высокопроизводительных бетонов.
На основе настольного сканирующего электронного микроскопа ZEM20 исследователи смогли чётко получить микроструктурные изображения, отражающие взаимное переплетение игольчатых и тонкопластинчатых кристаллов гидратных продуктов. Результаты анализа также показали, что по мере увеличения срока твердения бетона количество частиц C‑S‑H возрастает, их кристаллическая структура усиливается, сетчатая структура становится более устойчивой, а прочность и плотность бетона существенно повышаются. Это подтверждает научную ценность метода сканирующей электронной микроскопии для изучения процессов и механизмов гидратации бетона.
На рисунке слева — бетон через 10 дней, справа — бетон через 30 дней.
С момента укладки бетон подвергается стандартной процедуре твердения, что обеспечивает непрерывность гидратационных процессов. Экспериментальные данные свидетельствуют о выраженных различиях в микроструктуре бетона, обусловленных разным сроком твердения. Как показано на приведённом графике, в образцах, выдержанных 30 суток, объём образующихся гидратных продуктов C‑S‑H выше, а их кристаллическая структура более развита; это резко контрастирует с образцами, выдержанными 10 суток. Результаты количественного анализа также демонстрируют, что по сравнению с 10‑суточными образцами 30‑суточные обладают более высокими значениями прочности при сжатии, модуля упругости и водонепроницаемости. Это дополнительно подтверждает, что изменения свойств бетона тесно связаны с эволюцией его микроструктуры.
Настоящий эксперимент в полной мере подтвердил, что разработанный компанией «ZEPTOOLS» настольный сканирующий электронный микроскоп ZEM20 обладает высокой практической значимостью для изучения микроструктуры бетона и оптимизации его свойств. По сравнению с традиционными методами исследования он позволяет быстро и наглядно характеризовать морфологию бетона, его пористость, распределение дефектов, состояние межфазного контакта, а также динамику формирования гидратных продуктов, тем самым обеспечивая мощную техническую поддержку при проектировании и производстве высокопрочных бетонов.
Список литературы:
1. Соболев, К., и Гутьеррес, М. Ф. (2005). Как нанотехнологии могут изменить мир бетона. Бюллетень Американского керамического общества, 84(10), 14–18.
2. Хуан Вэйжун, Си Лэй, И Цзиньмин, Лин Юнь. Исследование поровой структуры бетона под воздействием вибрации на основе анализа микроскопических изображений [J]. Журнал Чунцинского университета транспорта: естественнонаучная серия, 2019, 38(5): 39–44.
3. Дун Цзяньмяо, Ван Люян, Цао Цзявэй, Юй Лан, Ван Хуэймин. Экспериментальное исследование механических свойств самосжимающегося лёгкого бетона с заполнителем из лёгкого материала, армированного однокомпонентными и смешанными волокнами [J]. Журнал Гуанси университета науки и технологий, 2020, 31(1): 39–44.
Связанные новости
Свяжитесь с нами
Телефон:15756003283
Электронная почта:support@zeptools.com
Адрес: провинция Аньхой, город Тунлинь, Электронный парк предпринимательства «Дунши», д. 15