硬化水泥石的微观结构

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硬化水泥石的微观结构

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实验目的

• 学习测试水泥净浆试块抗压强度的方法
• 通过 SEM 方法分析掺入粉煤灰前后硬化水泥石中水化产物的分布、微观形貌、孔隙结构

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实验简介

• 制备 不同 粉煤灰 掺量的水泥净浆试块, 养护 7 天后测试其抗压强度
• 对部分试块进行 抛光 处理, 对另一部分试块直接取 断面, 通过 SEM 观察其微观形貌和 背散射电子成像
• 根据 能谱图, 元素组成 和 成分分析, 识别出硬化水泥石中包含的水化产物和未水化的水泥矿物

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样品抛光用器具

抛光用的砂纸

抛光用的绒布

抛光剂

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抛光用的仪器和成品

抛光机

抛光成品

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实验结果

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抗压强度测试结果

实验编号	粉煤灰掺量	水胶比	水泥 (g)	水 (g)	粉煤灰 (g)	抗压强度 (MPa)
1	0%	0.4	700	280	0	-
2	15%	0.4	595	280	105	37.85
3	30%	0.4	490	280	210	30.65

• 可以看出, 随着 粉煤灰 掺量的 增加, 水泥净浆试块的 抗压强度 有所 降低.
• 这可能是因为粉煤灰取代了部分水泥, 导致水泥净浆中活性组分的减少, 从而影响了早期强度的发展.

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微观结构、能谱图、元素组成及成分分析

• 硬化水泥石中包含水泥水化产物 Ca(OH)₂, CSH, AFt, 可能包含未水化的 C₂S 和 C₃S.
• 在加入粉煤灰的水泥石中应该包含不参与反应的 粉煤灰.
• 根据 能谱图, 元素组成 和 成分分析, 识别出了以下几种水化产物和未水化的水泥矿物, 并分析了它们的形态和分布特征.

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C₃S

Note:

• C3S 是三钙硅酸盐, 是水泥中最主要的活性组分, 其水化速度较快, 产生大量的 CSH 凝胶和 CH 晶体, 提供了早期强度.
• C3S 的能谱图如图所示, 可以看出其主要含有 Ca、Si 和 O 元素, 且 Ca 和 Si 的物质的量之比大约为 3:1.
• C3S 的微观形貌呈现为不规则的颗粒状, 如图所示.

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Element	Wt %	At %
C K	03.23	06.95
O K	27.17	43.92
SiK	12.12	11.16
CaK	48.70	31.43

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C₂S

Note:

• C2S 是二钙硅酸盐, 是水泥中次要的活性组分, 其水化速度较慢, 产生少量的 CSH 凝胶和 CH 晶体, 提供了后期强度.
• C2S 的能谱图如图所示, 可以看出其主要含有 Ca、Si 和 O 元素, 且 Ca 和 Si 的物质的量之比大约为 2:1.
• C2S 的微观形貌呈现为不规则的颗粒状, 如图所示.

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Element	Wt %	At %
C K	10.18	19.55
O K	28.70	41.35
Si K	14.96	12.28
CaK	43.80	25.19

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CH

Note:

• CH 是氢氧化钙, 是水泥中最常见的水化产物之一, 其水化速度较快, 产生大量的 CH 晶体, 提供了早期强度.
• CH 的能谱图如图所示, 可以看出其主要含有 Ca 和 O 元素.
• CH 的微观形貌呈现为片层状晶体, 如图所示.

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CSH

Note:

• CSH 是硅酸钙水化物, 是水泥中最重要的水化产物之一, 其水化速度较慢, 产生大量的 CSH 凝胶, 提供了后期强度和耐久性.
• CSH 的能谱图如图所示, 可以看出其主要含有 Ca、Si 和 O 元素, 且 O 元素成分极大.
• CSH 的微观形貌呈现为网络状凝胶结构, 如图所示.

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AFt

Note:

• AFt 是三硫酸钙铝酸盐水化物, 是水泥中较少见的水化产物之一, 其水化速度较快, 产生少量的 AFt 晶体, 提供了一定的早期强度.
• AFt 结构过于细小, 无法框选纯净的 AFt 进行能谱分析.
• AFt 的微观形貌呈现为针棒状晶体, 如图所示.

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粉煤灰

Note:

• 粉煤灰是一种工业废渣, 是火电厂燃烧煤炭后产生的固体粉末. 粉煤灰可以取代部分水泥作为掺合料使用, 降低水泥用量和成本, 并改善水泥石的性能和耐久性.
• 粉煤灰的能谱图如图所示, 可以看出其主要含有 Si、Al 和 O 元素, 且可能含有一定量的 C 元素.
• 粉煤灰的微观形貌呈现为球形颗粒结构, 如图所示.
• 背散图中圆形的黑色部分可能是 C.

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结论与改进

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结论

• 本实验通过 SEM 方法观察了掺入不同 粉煤灰 量的水泥净浆试块的微观结构, 识别出了水泥水化产物和未水化的水泥矿物, 并分析了它们的形态和分布特征.
• 本实验发现, 随着 粉煤灰 掺量的 增加, 水泥净浆试块的 抗压强度 有所 降低, 这可能是因为粉煤灰取代了部分水泥, 导致水泥净浆中活性组分的减少, 从而影响了早期强度的发展.
• 本实验还发现, 粉煤灰 在水泥净浆中主要以 球形颗粒 的形式存在, 不参与水化反应, 但可能对水泥石的 孔隙结构 和 耐久性 有一定的影响.

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改进

• 为了更 全面 地评价粉煤灰对水泥石性能的影响, 建议在后续实验中增加更多的掺量和养护时间, 以及更多的性能指标, 如抗渗性、抗冻性、抗碳化性等.
• 为了更有效地利用粉煤灰作为水泥掺合料, 建议在后续实验中考虑不同 来源 和不同 类型 的 粉煤灰, 以及不同 配合比 和不同 掺合方式, 以优化水泥石的配方和工艺.

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Thanks!

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