材料現代分析方法在混凝土中的應用

謝凌龍 高俊杰 陳 軍（長安大學材料科學與工程學院，陜西 西安 710064）

一、緒論

水泥混凝土路面具有較好的路面整體性和施工工藝相對簡單等主要特點，其正廣泛應用于國道、省道等高級路面，但隨著應用的增多也出現了不少問題，路面裂縫就是其中之一。隨著量子力學、電磁學、新算法和圖像處理技術的出現，現代材料測試方法得以使研究者們從宏觀到微觀，乃至原子分子等多層次了解材料的組織與結構。從而得以指導研究者們發現材料組織結構與性能間的關系。材料的微觀結構決定著宏觀性能，道路混凝土也不例外。常見的混凝土裂縫修補方法有：混凝土置換法、表面封閉、堵漏法（化學灌漿法、嵌縫法）、堿性復原電化學法、仿生愈合法[1]。本文從水泥混凝土裂縫修補材料出發，簡要介紹測試技術發展及應用。

二、材料現代分析方法的概述

材料現代分析方法是通過利用傳感器直接檢測攜帶材料物理性能或物理化學性能的測量信號或信號與材料交互前后變化實現的。因而，利用不同的測量信號去檢測材料的成分組織與結構便形成了不同的測試方法。

利用電磁輻射或運動粒子的波動性與物質相互作用的測試放大業已成為現代分析方法最重要的一部分。這類方法包括四大類，即：光譜、衍射、電子能譜、電子顯微四大類。除此之外，通過利用材料物理性能或電化學方法建立的色譜分析、電化學分析、熱分析以及質譜分析也成為了現代分析手段的重要組成部分。

盡管分析方法的基本原理千差萬別，各自都有其所對應的專用儀器設備，而其檢測步驟卻不盡相同。各種分析過程大體上都包括發射信號。檢測信號、處理信號和讀出信號等步驟[2]。

三、試驗方法、原理

3.1 粉末X—射線衍射分析(XRD)

當X射線投晶體物質時，晶體中的電子產生受迫振動從而發生相干散射，原子散射波是原子內所有電子散射波的干涉，各原子散射波相互干涉，在某些方向上一致加強，即形成了晶體的衍射波。

X射線衍射，主要應用于晶態物質及非晶態物質的靜態區域的分析。借助X射線穿透晶態區域后產生的衍射條紋中的衍射角、晶面族間的晶面間距、衍射花樣數目與相對強度，可對物質的晶體結構進行反演得出結晶物質的種類和相對含量的信息。譬如可借助該技術分析水泥水化后CH、Aft、p一C2S、CaCO3的含量。

3.2 掃描電子顯微鏡(SEM)

掃描電子顯微鏡以電子代替可見光，利用電子與樣品交互后產生的帶有樣品信息的二次電子、俄歇電子、特征x射線和連續譜X射線、背散射電子、透射電子，經數據處理還原信息后，還原樣品表面的各種物理化學性質，譬如：表面形貌，化學組分，晶體結構以及內部存在的電場及磁場分布。通過合理選用電信號，可得到最佳的成像效果。譬如，背散射電子電子信號強度隨原子序數的變化二次電子大得多，所以背散射電子有較好的成分襯度，可用于成分分析。[3]

3.3 熱分析法

常用的熱分析有差熱分析（DTA）、差示掃描量熱法（DSC）和熱重分析（TG）。

差熱分析（DTA）是程序控溫條件下，測量在升溫，降溫或恒溫過程中樣品和參比物之間的溫度差。當物質在升溫降溫過程中發出（吸收）熱量的同時，也伴隨著質量的改變。其改變的強度及不同質量損失所對應的溫度與材料的組成與結構息息相關。因而，可利用升降溫過程中材料的質量變化特征對不同的物質加以區分于鑒定。

通過對水泥石進行熱重分析，即可對水泥或其他膠凝材料的水化進程與產物進行定性或定量分析。亦可借助其對熟料煅燒中所存在的干燥失水、化學分解、相變組成與機理進行分析。亦可借助其對高硫酸鹽環境下的混凝土腐蝕進行分析。[4]

3.4 測孔方法

3.4.1 壓汞法

由于大多數固體物質與汞不潤濕，汞-集料界面的界面能較大，二者間的接觸角大于9度。當汞 與毛細孔相互接觸時，因為汞巨大的表面張力使其保持原來的形狀而不滲入孔道產生顯著的毛細現象。只有當在一定的外加壓力下，汞才能進入孔道內部，壓力越大，汞所能進入的孔喉尺寸越小。通過實驗擬合進入孔道的水銀體積與所加外界壓力之間的關系，即可計算孔洞的直徑和體積分布情況。

3.4.2 光學法

光學法是指利用官學顯微鏡觀測孔洞，并拍攝圖像。由于顯微鏡的分辨率可以在一定范圍內改變，利用所拍攝的圖像和其對應的分辨率即可分析亞微觀孔結構。此法由于取樣范圍小，放大倍數有限，辨認困難而多用于大孔的分析。

3.4.3 吸附法

吸附法可用于測定孔結構的比表面積和孔尺寸分布，其原理是把烘干脫水處理后的樣品置于液氮溫度下，并調節不同的試驗壓力以分別測出對氮氣的吸附量，根據孔對氮氣的吸附量隨著升壓和降壓的變化，用吸附量對吸附壓力作圖，并繪出吸附和脫附等溫線。[5]

四、結語

社會在進步，材料科學不斷發展，材料分析與測試技術必然要與時俱進來滿足材料科學發展的要求。材料現代分析技術是多領域交叉性學科?，F代材料科學的發展已經并將繼續在很大的程度上推進人們對材料性能和成分結構與微觀組織結構之間關系的理解。因此掌握一定分析技術對于深入研究或工程應用都有重要的意義。

[1]鞠麗艷， 張雄. 混凝土裂縫防治的兩種新方法[J].施工技術 ， 2002， 7： 28.

[2]羅福午 建筑結構缺陷事故的分析及防治[M]. 清華大學出版社， 1996.

[3]申愛琴， 蔣慶華. 瀝青混合料低溫抗裂性能評價及影響因素 [J]. 長安大學學報 ： 自然科學版 ， 2004， 24(5)： 1-6.

[4]左演生. 陳文哲[J]. 梁偉. 材料現代分析方法，2000， 68.

[5]張中. 測試技術的新進展及其在水泥混凝土材料研究中的應用[J]. 中國建材科技， 1995， 12.