现代测试方法在水泥基材料测试中的应用
发布时间：2021-07-23作者：admin来源：点击：次
水泥基材料是一种典型的无机非金属材料，也是最重要的建筑材料，其制备工艺复杂，不同制备条件对材料的性能影响很大。随着科学理论的发展，人们越来越意识到无机材料微观结构特性与其宏观性能关系密切，因此越来越多的现代测试方法被用来研究水泥基材料的微观结构和宏观物理化学性能之间的关系，从而更好地了解水泥基材料内部的结构组成和制备过程中的反应机理，为生产性能优异的水泥产品提供坚实的理论依据。
1 水泥基材料中常用现代测试方法
1.1 扫描电子显微镜分析
扫描电子显微镜分析（SEM）是通过利用高能电子束轰击样品表面探测发射出来的电子信号从而得到待测样品微观结构信息。发射出来的电子信号主要有背散射电子和次级电子。背散射电子能量较高，利用背散射电子成像可得到平均原子序数和表面形貌的信息；次级电子的能量较低，只能从样品表面发射出来，利用次级电子成像可得到表面形貌、表面电位及磁场等信息。
SEM用于检测分析具有一系列优点：首先，其分辨率高；其次，SEM对制样要求低，既可以直接观察样品的表面，也可以在样品台上旋转移动，实现三维立体空间观察；除此之外，SEM在分析过程中可以对观察到的微观区域施加其他分析手段，丰富其测试内容。
SEM可以用于观察水泥硬化后水化产物的聚集状态和微观形貌。随着技术的发展，更加先进的环境扫描电子显微镜分析（ESEM）可以对水泥基材料的早期水化进行原位定点连续观察，为水泥的水化过程机理提供理论基础。对于复合水泥基材料，可以用SEM观察水泥材料与其他材料的结合情况。如制备纤维复合水泥材料过程中，可以用SEM观察纤维在水泥中的形貌大小和分布情况，将微观结构和宏观性联系起来，以便调整制备工艺，取得性能良好的产品[1,2,3]。
1.2 热分析
热分析（TA）是指对样品的热力学参数或物理参数随温度变化的关系进行分析的方法。样品在加热的情况下，随着温度的不断升高，样品会发生分解、脱水和氧化等一系列物理化学变化，主要表现为样品质量（TG）的变化和吸放热现象(DSC)。
在实际科研生产中，热分析所用主要仪器是综合热分析仪，它是在程序控制下逐步升温，同时记录样品的质量变化曲线（即TG曲线）和吸放热峰值（即DSC或DTA曲线）来研究物质的特性，测试结果中的各条曲线是在同样的测试条件下得到的，有利于精确和快速地分析结果。
水泥材料经过煅烧工艺，期间发生各种物理化学反应，利用热分析技术可了解水泥煅烧工艺的主要反应过程，从而制定更加合理的烧成制度。有文献报道，通过热分析技术可得到水泥材料的TG-DSC曲线，确定水泥生料由石英到硅酸二钙（C2S）再到硅酸三钙（C3S）的转变温度以及水泥材料中Ca(OH)2、游离水和C-S-H凝胶水的含量信息。也有学者测试了同一水泥浆料样品在不同的升温速率时样品DSC曲线的变化，考察不同的升温速率对样品反应活化能的变化，从而制定出更加合理的烧成制度。由此可见，热分析对水泥材料的生产工艺和分析有至关重要的指导意义。
1.3 X-射线衍射
X-射线衍射（XRD）是利用晶体对X射线的衍射效应来分析、鉴别结晶物质物相的一种方法，其原理是一束单色X射线射入晶体中，由于晶体材料自身是由原子或分子周期性规则排列而成，同时组成晶体的原子或分子之间的距离数量级和X射线的波长相近，因此散射的X射线相互干涉，根据波动学干涉原理，在某些方向上干涉加强，这就是X射线衍射的基本原理。X射线衍射在数学上可以用布拉格方程来描述，如式（1）所示。
式中d代表晶体面网间距，θ为射线束与晶面的夹角，λ为射线束的波长。
在水泥基材料中，XRD主要用于分析材料的晶相结构，也可以定量研究晶相组成，例如在硅酸盐水泥中掺杂粉煤灰并煅烧后，可以通过XRD确定粉煤灰以何种晶体结构存在于水泥材料中；对水泥材料水化过程中不同时间的样品进行XRD测定，可以判断水泥水化后的产物，同时通过研究不同水化时间下水泥产物的组成从而深入了解水化过程的机理。
1.4 红外光谱分析
红外光谱分析（IR）是一种根据分子内部原子间的相对振动和分子转动等信息来确定物质分子结构和鉴别化合物的测试方法。它的原理在于分子能选择性吸收某些波长的红外线从而引起分子中振动能级和转动能级的跃迁。实际测试中将分子吸收红外光的情况用仪器记录下来，得到红外光谱图。红外光谱图通常用波长（λ）或波数（σ）为横坐标，表示吸收峰的位置，用透光率（T%）或者吸光度（A）为纵坐标，表示吸收强度。
红外光谱分析具有扫描速度快、分辨率和灵敏度高等一系列优点，且该测试手段测试的样品范围广，几乎所有的有机物都可以利用红外分析来确定官能团，某些无机物的结构也可通过红外测试。
在水泥基材料研究中，红外光谱分析主要用于研究硅酸盐水泥的水化过程，硅酸盐水泥水化过程中涉及到产物包括C2S和C3S以及水化反应形成C-S-H胶凝材料，这三种物质的Si-O键红外光谱图有区别，通过测试不同水化时间后水泥样品的红外光谱图，可以确定水化时间。近年来人们尝试将有机材料添加到水泥材料中提高水泥材料的韧性，红外光谱对于确定有机物的官能团十分有效，因此对于掺杂有机物的水泥材料，红外光谱可以有效判断有机物在水泥材料中的结构形式[4,5]。
1.5 核磁共振
自旋量子数不等于零的原子核能在外磁场作用下产生一组分裂的能级，当用能量相当的电磁波照射置于磁场中的分子时可引起分子中某种原子核的能级跃迁，从而使原子核从低能态跃迁到高能态，即产生核磁共振效应。
核磁共振（NMR）是一种研究水泥基材料的重要手段，它可以用来研究水泥水化过程：水泥水化过程中水的状态变化是反应水化进程的重要指标，随着水化反应的进行，水的状态经历由自由水向化学结合水、物理吸附水再到孔隙水的转变，NMR可以通过测量水分子结构中质子信号之间的差异从而确定水分子所处的状态，进一步了解水泥水化进程与反应时间的关系。近年来有学者利用NMR技术来测试水泥浆料中孔隙分布，传统的孔隙分布是采用压汞法或者气体吸附法，这两种方法测试前都需要将样品进行干燥处理，但在干燥过程中很容易破坏水泥浆料中的微孔结构，从而使得测试结果与实际情况有所偏差，近年来发展的核磁共振冷冻测孔法和低场核磁共振技术可以有效解决上述问题，它们的原理都是通过将水泥样品浸满液体，将液体填充样品中的所有孔隙后，测量孔隙中液体的分布进而得到孔隙的信息。NMR也可以用于元素及其相关状态的分析。水泥基材料中包含Si、Al、Mg等元素，在水泥生产工艺中这些元素随着工艺过程的变化处于不同的结构状态，通过NMR可以确认它们在水泥基材料中所处的状态和分子结构[6]。
2 结语
随着科学技术的不断进步，未来更加先进和精密的测试方法还会出现，各种现代测试方法应用在水泥基材料中可以帮助人们更好地了解材料的微观结构与宏观性能之间的关系，确定最佳的工艺流程，改善水泥基材料的性能。