耿勇

( 江蘇省建筑材料研究設計院有限公司，江蘇 南京210009)

0 引言

水泥基材料是一種典型的無機非金屬材料，也是最重要的建筑材料，其制備工藝復雜，不同制備條件對材料的性能影響很大。 隨著科學理論的發(fā)展， 人們越來越意識到無機材料微觀結構特性與其宏觀性能關系密切， 因此越來越多的現(xiàn)代測試方法被用來研究水泥基材料的微觀結構和宏觀物理化學性能之間的關系， 從而更好地了解水泥基材料內(nèi)部的結構組成和制備過程中的反應機理， 為生產(chǎn)性能優(yōu)異的水泥產(chǎn)品提供堅實的理論依據(jù)。

1 水泥基材料中常用現(xiàn)代測試方法

1.1 掃描電子顯微鏡分析

掃描電子顯微鏡分析（SEM）是通過利用高能電子束轟擊樣品表面探測發(fā)射出來的電子信號從而得到待測樣品微觀結構信息。 發(fā)射出來的電子信號主要有背散射電子和次級電子。 背散射電子能量較高， 利用背散射電子成像可得到平均原子序數(shù)和表面形貌的信息；次級電子的能量較低，只能從樣品表面發(fā)射出來， 利用次級電子成像可得到表面形貌、表面電位及磁場等信息。

SEM 用于檢測分析具有一系列優(yōu)點：首先，其分辨率高；其次，SEM 對制樣要求低，既可以直接觀察樣品的表面， 也可以在樣品臺上旋轉移動，實現(xiàn)三維立體空間觀察； 除此之外，SEM 在分析過程中可以對觀察到的微觀區(qū)域施加其他分析手段，豐富其測試內(nèi)容。

SEM 可以用于觀察水泥硬化后水化產(chǎn)物的聚集狀態(tài)和微觀形貌。 隨著技術的發(fā)展，更加先進的環(huán)境掃描電子顯微鏡分析（ESEM）可以對水泥基材料的早期水化進行原位定點連續(xù)觀察，為水泥的水化過程機理提供理論基礎。 對于復合水泥基材料，可以用SEM 觀察水泥材料與其他材料的結合情況。 如制備纖維復合水泥材料過程中，可以用SEM觀察纖維在水泥中的形貌大小和分布情況，將微觀結構和宏觀性聯(lián)系起來，以便調(diào)整制備工藝，取得性能良好的產(chǎn)品[1-3]。

1.2 熱分析

熱分析（TA）是指對樣品的熱力學參數(shù)或物理參數(shù)隨溫度變化的關系進行分析的方法。樣品在加熱的情況下，隨著溫度的不斷升高，樣品會發(fā)生分解、脫水和氧化等一系列物理化學變化，主要表現(xiàn)為樣品質量（TG）的變化和吸放熱現(xiàn)象(DSC)。

在實際科研生產(chǎn)中，熱分析所用主要儀器是綜合熱分析儀，它是在程序控制下逐步升溫，同時記錄樣品的質量變化曲線（即TG 曲線）和吸放熱峰值（即DSC 或DTA 曲線）來研究物質的特性，測試結果中的各條曲線是在同樣的測試條件下得到的，有利于精確和快速地分析結果。

水泥材料經(jīng)過煅燒工藝， 期間發(fā)生各種物理化學反應， 利用熱分析技術可了解水泥煅燒工藝的主要反應過程，從而制定更加合理的燒成制度。有文獻報道， 通過熱分析技術可得到水泥材料的TG-DSC 曲線， 確定水泥生料由石英到硅酸二鈣（C2S）再到硅酸三鈣（C3S）的轉變溫度以及水泥材料中 Ca（OH）2、游離水和 C-S-H 凝膠水的含量信息。 也有學者測試了同一水泥漿料樣品在不同的升溫速率時樣品DSC 曲線的變化， 考察不同的升溫速率對樣品反應活化能的變化， 從而制定出更加合理的燒成制度。 由此可見，熱分析對水泥材料的生產(chǎn)工藝和分析有至關重要的指導意義。

1.3 X-射線衍射

X-射線衍射（XRD）是利用晶體對X 射線的衍射效應來分析、鑒別結晶物質物相的一種方法，其原理是一束單色X 射線射入晶體中， 由于晶體材料自身是由原子或分子周期性規(guī)則排列而成，同時組成晶體的原子或分子之間的距離數(shù)量級和X射線的波長相近，因此散射的X 射線相互干涉，根據(jù)波動學干涉原理，在某些方向上干涉加強，這就是X 射線衍射的基本原理。 X 射線衍射在數(shù)學上可以用布拉格方程來描述，如式（1）所示。

式中d 代表晶體面網(wǎng)間距，θ 為射線束與晶面的夾角，λ 為射線束的波長。

在水泥基材料中，XRD 主要用于分析材料的晶相結構，也可以定量研究晶相組成，例如在硅酸鹽水泥中摻雜粉煤灰并煅燒后，可以通過XRD 確定粉煤灰以何種晶體結構存在于水泥材料中；對水泥材料水化過程中不同時間的樣品進行XRD測定，可以判斷水泥水化后的產(chǎn)物，同時通過研究不同水化時間下水泥產(chǎn)物的組成從而深入了解水化過程的機理。

1.4 紅外光譜分析

紅外光譜分析（IR）是一種根據(jù)分子內(nèi)部原子間的相對振動和分子轉動等信息來確定物質分子結構和鑒別化合物的測試方法。 它的原理在于分子能選擇性吸收某些波長的紅外線從而引起分子中振動能級和轉動能級的躍遷。 實際測試中將分子吸收紅外光的情況用儀器記錄下來， 得到紅外光譜圖。 紅外光譜圖通常用波長（λ）或波數(shù)（σ）為橫坐標，表示吸收峰的位置，用透光率（T%）或者吸光度（A）為縱坐標，表示吸收強度。

紅外光譜分析具有掃描速度快、 分辨率和靈敏度高等一系列優(yōu)點， 且該測試手段測試的樣品范圍廣， 幾乎所有的有機物都可以利用紅外分析來確定官能團， 某些無機物的結構也可通過紅外測試。

在水泥基材料研究中，紅外光譜分析主要用于研究硅酸鹽水泥的水化過程，硅酸鹽水泥水化過程中涉及到產(chǎn)物包括C2S 和C3S 以及水化反應形成C-S-H 膠凝材料， 這三種物質的Si-O 鍵紅外光譜圖有區(qū)別，通過測試不同水化時間后水泥樣品的紅外光譜圖，可以確定水化時間。 近年來人們嘗試將有機材料添加到水泥材料中提高水泥材料的韌性，紅外光譜對于確定有機物的官能團十分有效，因此對于摻雜有機物的水泥材料，紅外光譜可以有效判斷有機物在水泥材料中的結構形式[4-5]。

1.5 核磁共振

自旋量子數(shù)不等于零的原子核能在外磁場作用下產(chǎn)生一組分裂的能級， 當用能量相當?shù)碾姶挪ㄕ丈渲糜诖艌鲋械姆肿訒r可引起分子中某種原子核的能級躍遷， 從而使原子核從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)，即產(chǎn)生核磁共振效應。

核磁共振（NMR）是一種研究水泥基材料的重要手段，它可以用來研究水泥水化過程：水泥水化過程中水的狀態(tài)變化是反應水化進程的重要指標，隨著水化反應的進行，水的狀態(tài)經(jīng)歷由自由水向化學結合水、 物理吸附水再到孔隙水的轉變，NMR 可以通過測量水分子結構中質子信號之間的差異從而確定水分子所處的狀態(tài)， 進一步了解水泥水化進程與反應時間的關系。 近年來有學者利用NMR 技術來測試水泥漿料中孔隙分布，傳統(tǒng)的孔隙分布是采用壓汞法或者氣體吸附法， 這兩種方法測試前都需要將樣品進行干燥處理， 但在干燥過程中很容易破壞水泥漿料中的微孔結構，從而使得測試結果與實際情況有所偏差， 近年來發(fā)展的核磁共振冷凍測孔法和低場核磁共振技術可以有效解決上述問題，它們的原理都是通過將水泥樣品浸滿液體， 將液體填充樣品中的所有孔隙后，測量孔隙中液體的分布進而得到孔隙的信息。NMR也可以用于元素及其相關狀態(tài)的分析。水泥基材料中包含 Si、Al、Mg 等元素， 在水泥生產(chǎn)工藝中這些元素隨著工藝過程的變化處于不同的結構狀態(tài)，通過NMR 可以確認它們在水泥基材料中所處的狀態(tài)和分子結構[6]。

2 結語

隨著科學技術的不斷進步，未來更加先進和精密的測試方法還會出現(xiàn)，各種現(xiàn)代測試方法應用在水泥基材料中可以幫助人們更好地了解材料的微觀結構與宏觀性能之間的關系，確定最佳的工藝流程，改善水泥基材料的性能。