1、<p><b>　　中文3890字</b></p><p>　　出處：Cement and Concrete Research 29 (1999) 805–812</p><p>　　硬化水泥漿體紅外光譜和顯微結構的分析</p><p>　　摘要 硬化水泥產生相變是由于其暴露于外界從而受到動態(tài)負載和靜電動態(tài)負荷作用。我們以20

2、年的住宅樓作為研究樣本，采用掃描電子顯微鏡分析和紅外頻譜技術對硬化水泥漿體在不同負荷下的成鍵特征和微觀結構進行研究。掃描電鏡照片表明，微觀結構有一個具體的形態(tài)差異。紅外光譜的分析，為我們了解初期和后期的相變特征提供了信息。這促成了水合物石灰反應及硬化水泥漿體相互之間建立微觀模型。隨著我們對水泥漿體（HCP）硬化的了解和認知逐漸增多，水泥漿體的硬化被廣泛以圖解的形式被接受，再加上先進設備和軟件的一起分析幫助，更多的HCP微觀結構的準確模型

3、得到發(fā)展。然而，大多數(shù)的這些實驗結果只是獲得了實驗室規(guī)模的測試，并沒有多少進行了實際的應用。</p><p>　　在香港大學教育資助委員會的支持下，結構動力學研究中心香港城市大學已開始這項研究。幾年前，研究旨在了解該HCP組織在臺風影響下的演變及相變。通過紅外（IR）的頻譜分析對HCP的初期和后期進行了研究。這是值得研究的。因為成鍵特征的改變可能有助于HCP的機械性能的變化，進而影響混凝土結構的剩余使用壽命。&l

4、t;/p><p>　　本文介紹了采用掃描電鏡法（SEM）和紅外光譜分析來研究長期受臺風影響而處于動態(tài)中建筑物的混凝土微觀結構和相變。此外，對于以紅外光譜和掃描電鏡分析結果來描述HCP的微觀結構有重要意義。</p><p>　　1。實驗過程 此HCP樣品是采自于有20年了的26層高雙塔住宅樓的鋼筋混凝土。兩個方環(huán)型分區(qū)塔的連接通過一個共享的電梯大堂。天空中有兩個方形塔樓開口在中心。此混凝

5、土除了受正常負荷，在夏季臺風季節(jié)也經歷了嚴重的結構動態(tài)負荷。由于此建筑結構是剪力墻式的類型，在臺風季節(jié)的降雨量通常在這方面高。</p><p>　　圖。1。示意圖中的具體的過渡地帶。一，合計2，中Ca（OH）2，3C-S-H，4鈣礬石[1,13]。</p><p>　　混凝土樣品收集到的位置標有A，B和C，如圖2所示。 選擇他們的差異反映在臺風下的動態(tài)負載壓力。據估計，最大應力是A然后是

6、C最后是B。從三樓和第二十五樓鉆墻取得直徑為150毫米的圓柱形混凝土芯。取心過程是緩慢的，以防止過熱引起水量的變化。在樣本收集過程中，注意避免碳化作用。通過認真準備排除碳化的影響。薄板從內部被切斷，需要與混凝土表面保持超過70毫米的距離。被打碎的薄鋼板彎曲，斷裂面鍍金用來掃描電鏡檢查。利用日本JEOL的JSM- 820能量色散分析儀進行掃描電鏡成分分析。樣品的具體組成如表1。分別在15千電子伏的二次電子模式加速電壓下和和5-9毫米工作距

7、離下，對混凝土的樣品形態(tài)進行檢查</p><p>　　紅外光譜使用紅外20 SX的紅外分光光度計（Perkin Elmer公司）。紅外譜分析的結果被用來解釋在SEM觀察到的微。紅外和掃描電鏡分析，成為微觀結構模型建筑的基礎。</p><p><b>　　圖2</b></p><p><b>　　圖3</b></p&g

8、t;<p><b>　　圖4</b></p><p>　　2。結果與討論2.1。掃描電鏡分析 圖 3（a），3（b）和3（c）顯示的是三層凝結物的SEM形貌，而圖 3（d）顯示的是二十五樓的凝結物。第二十五層混凝土地板施加的靜電和動態(tài)應力要低。通過比較圖第3（a- c）和圖3（d）項，顯著的形態(tài)差異可以觀察到。針形晶體幾乎完全消失在圖第3（a- C）上，這是由于三樓的

9、混凝土受高應力集中。圖3（A至C）也顯示一漸變的形態(tài)，可能是由于所受應力的不同。施加應力較高時將有較少的針形晶體。從EDAX分析，可以發(fā)現(xiàn)，這些晶體主要是由多種硅酸鹽類化合物組成。這使我們相信，這些晶體是HCP。目前的調查還這表明，針狀晶體體積分數(shù)隨著時間增加而減少。它可作為在此HCP相變的標志，膠凝材料的亞穩(wěn)相在合適的條件轉化為更穩(wěn)定的階段。</p><p>　　2.2。紅外光譜分析2.2.1。水在混凝土中分

10、析 圖4給出了經過20年的混凝土樣品相應的紅外光譜。在圖 4（a），4（b）和4（c）中， 伸縮振動的特征峰位于3440厘米處。這些特征峰相互分散和重疊;這代表了- OH的強大的變形振動。圖 4（A至C）的樣品是從第三層不同的帶點才來的。圖（a）施加的壓力最高，圖（c）最低。</p><p>　　在圖4（a），4（b）和4（c）中-OH鍵特征峰有一個紅外吸收的梯度變化。 施加動應力越小，紅外吸收越高。區(qū)

11、別可以歸結為在混凝土材料中變異水分含量和水的- OH鍵的位置。在不同的條件下，水（包括結晶水，化學結合水，和地表吸收的水分）將會轉變并與其他物質反應。</p><p>　　總之，在不同的相變應力下，水發(fā)生了結晶轉變和相位變化。根據不同變化和的轉化率征收。這種轉變主要受初期和后期的變化影響。靜電和荷載成為這種轉化的條件之一。</p><p>　　2.2.2。氫鍵的分析（氫鍵） 氫鍵之

12、間可能會在分子與其他原子或更高電間或分子內形成氫原子。一個氫原子結構是非常獨特的，因為只有一個電子軌道圍繞原子核。當氫原子與其他有較高的電荷的元素形成化合物，氫原子的電子會被該原子占用，氫原子核變成暴露（或發(fā)現(xiàn)），形成強大的H -鍵的元素具有較高的負電。H型鍵長相對較長，與摩爾150-500千焦共價鍵比較，他是個具有20-40千焦耳摩爾的弱電子。不過，他是遠強于分子之間的范德華吸引力。</p><p>　　紅外特

13、征峰的H-鍵位于650厘米。從圖5中，我們發(fā)現(xiàn)，氫鍵在混凝土負荷了20年的時間里受到了影響。負載較高時，H-鍵數(shù)量在減少。這意味著，許多氫鍵因動態(tài)負載強加給HCP上而被破壞。破損H-鍵導致自由氫質子擴散活動的增加。增加氫離子濃度可能會增加Ca（OH）2和水分子反應。隨后，微晶相變和熱力學平衡中的凝膠體狀結構將被加強。</p><p>　　根據能量守恒原理，顯然，通過阻尼現(xiàn)象做功所產生的能量被結構材料所吸收，從而促

14、進其化學反應和相變。如果阻尼現(xiàn)象導致的溫度上升不考慮，則阻尼產生的能量全部用來相變和化學反應了。目前，雖然這些能量師父被用來分配促進化學反應和相變還未知，然而，這并不會削弱結論成立。</p><p>　　2.2.3。碳氧單鍵和碳氧雙鍵分析 利用紅外光譜記錄對前期的碳氧鍵相變特征進行了研究。碳氧雙鍵的震動峰在1760厘米。在應力條件下碳氧雙鍵行為與- OH鍵相似。在重應力下混凝土中的碳氧雙鍵的紅外吸光度是最

15、低的。這意味著在在混凝土材料中，碳氧雙鍵隨著動應力的增加而減少。從下面的反應式可以看出。 </p><p>　　CaCO3 + H2O«CO2 + Ca(OH)2（1）</p><p>　　這是一個可逆吸熱反應。靜態(tài)和動態(tài)加載可以促進這樣的反應。換句話說，對混凝土材料做功或者吸熱都會促進這個吸熱反應。顯然，混凝土材料的在動態(tài)加載的能量消耗（或振動運動）還應促進了混凝土材料的阻尼能

16、力。部分機械能（動能與彈性應變能）轉化為化學能，然后能量被存儲在物質內部。材料的載荷大小和微觀應力與此反應發(fā)生有著密切的關系。</p><p>　　C-O鍵的特征峰在1036厘米為拉伸狀態(tài)，1010厘米為豎立狀態(tài)。分別通過比較圖5的C- O相關峰?？梢缘贸鼋Y論：相同系統(tǒng)的紅外吸收率下，C-O鍵與C=O相似。</p><p>　　人們注意到在圖 5中碳化現(xiàn)象，峰間的梯度變化很明顯;。這是奇怪

17、和矛盾的因為到頂端70mm的土芯被切除。這種碳化可能性第一被排除。此外，碳化現(xiàn)象不應該是由于二氧化碳的濃度不同，因為取樣相同。當前還沒合理解釋，有待以后深究。</p><p>　　該反應也導致了原材料體系均衡的破壞。這將導致氫氧化鈣在混凝土的形成和累積使得混凝土變得更加堿性。隨著氫氧化鈣逐步增加，可以使得結晶度提高和影響HCP的穩(wěn)定。這種反應對混凝土的碳化率的影響還未知。進一步的調查需要澄清其意義和可能的相互關系

18、。由于反應處理速度非常慢，可能的csh和CH共同結晶，形成了復雜的聯(lián)合連鎖微晶形態(tài)。我們稱之為的槽口影響（RE）。</p><p><b>　　圖5</b></p><p>　　2.3槽口影響 槽口影響為描述混凝土材料微觀結構觀察提出了一個假說。該轉換機制將是很受關注而且也很復雜。在圖3（b）可發(fā)現(xiàn)，一個微型晶體CSH吞沒/入侵一大塊的CH晶體。槽口影響表明，

19、所施加的部分動態(tài)能量會消散，協(xié)助晶體轉變。形態(tài)轉型顯示在SEM中CSH和CH微晶的凝膠類化合物組成。在CSH和CH微晶中聯(lián)鎖微晶結構的形成在以一個很壞滿的隨度進行。因此，一個強大的更好的凝聚力，可以更好地適應建立在復雜的晶體結構。這與在多重壓力不變條件下的實驗結果相一致。</p><p>　　由于槽口影響產生其他后果包括在微觀的孔隙度致密化和結晶條件在HCP的降低。范德華力在CSH=CSH and CSH-CH有

20、所增加。這種后期的增加和改善進一步提高HCP的密度和強度方面的特征條件。微結晶會降低HCP的孔隙率及并具有類似致密化的影響。然而，微結晶會同時也降低了斷裂韌性，由于表面晶界增加而增加材料的脆性。</p><p>　　槽口影響的結果不一定是統(tǒng)一的和各向同性的。這將導致復合結構內部殘余應力存在，它可能導致裂紋的形成和傳播。微裂紋可能進一步結合，形成宏觀裂紋。因此，槽口影響應該是一種對于已建成數(shù)年的混凝土建筑物裂縫形成

21、的一種解釋。雖然我們對槽口的形狀形成機制和槽口現(xiàn)象的影響并不理解，更詳細的調查是將會進行。</p><p>　　2.4。微觀結構 幾項研究已經被用來進行描述混凝土材料微觀結構發(fā)展，詳細說明這些結構的討論將被證實。然而，這些實驗結果，大多數(shù)是從實驗室規(guī)模的測試中獲取，仍存在爭議。大多數(shù)研究是參照假設在只有有限的變化下對水泥早期水化漿的硬化狀態(tài)。在事實上，在由于臺風而長期處于動態(tài)應力下的實際尺寸的建筑中，硬化

22、膠凝材料內部結構的變化是一種持續(xù)過程。因此，根據從描繪HCP的IR和SEM分析結果得出次微觀結構是可行的。</p><p><b>　　圖6</b></p><p>　　圖6是組織演化在過渡區(qū)模型示意圖。在高施加動態(tài)負載，三個CSH結構變化會發(fā)生：（1）針形晶體的體積分數(shù)降低;（2）有板狀晶體增加;（3）未水化水泥材料的部分將進一步的水化。</p>&l

23、t;p>　　3。結論 取自一個存在20年建筑物的混凝土樣品的SEM照片證明了在外部動態(tài)負載下HCP的形態(tài)方面的轉變的存在。在更高的動態(tài)應力下，針形晶體轉變?yōu)槠瑺罹w。從前期和后期的紅外光譜分析結果表明，由于應力條件，混凝土粘接將進行晶體變化和相變。紅外吸收越高，動態(tài)應力越低已經被證實。這是顯然，臺風施加的外力促進了轉化。高層建筑物中的低層建筑物的混凝土承受更多的外應力這個是很重要的，無論是在靜電和動態(tài)應力中。從IR和SEM

24、分析中得出的微觀模型示意圖確定為分析混凝土過渡區(qū)的顯微結構演變。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　筆者要感謝大學教育資助香港會提供資金這個項目（批準號：904058）在香港城市大學。</p><p>　　參考文獻[1] J.A. Larbi, The Cement Paste-Aggregate Interfac

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