第一篇：外文翻譯(中文)硬化水泥漿體紅外光譜和顯微結(jié)構(gòu)的分析

硬化水泥漿體紅外光譜和顯微結(jié)構(gòu)的分析

摘要

硬化水泥產(chǎn)生相變是由于其暴露于外界從而受到動態(tài)負(fù)載和靜電動態(tài)負(fù)荷作用。我們以20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(shù)對硬化水泥漿體在不同負(fù)荷下的成鍵特征和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。掃描電鏡照片表明，微觀結(jié)構(gòu)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(yīng)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(rèn)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(jìn)設(shè)備和軟件的一起分析幫助，更多的HCP微觀結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確模型得到發(fā)展。然而，大多數(shù)的這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果只是獲得了實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的測試，并沒有多少進(jìn)行了實(shí)際的應(yīng)用。

在香港大學(xué)教育資助委員會的支持下，結(jié)構(gòu)動力學(xué)研究中心香港城市大學(xué)已開始這項(xiàng)研究。幾年前，研究旨在了解該HCP組織在臺風(fēng)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(jìn)行了研究。這是值得研究的。因?yàn)槌涉I特征的改變可能有助于HCP的機(jī)械性能的變化，進(jìn)而影響混凝土結(jié)構(gòu)的剩余使用壽命。

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(fēng)影響而處于動態(tài)中建筑物的混凝土微觀結(jié)構(gòu)和相變。此外，對于以紅外光譜和掃描電鏡分析結(jié)果來描述HCP的微觀結(jié)構(gòu)有重要意義。

1。實(shí)驗(yàn)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。此混凝土除了受正常負(fù)荷，在夏季臺風(fēng)季節(jié)也經(jīng)歷了嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)動態(tài)負(fù)荷。由于此建筑結(jié)構(gòu)是剪力墻式的類型，在臺風(fēng)季節(jié)的降雨量通常在這方面高。

圖。1。示意圖中的具體的過渡地帶。一，合計(jì)2，中Ca（OH）2，3C-S-H，4鈣礬石[1,13]。

混凝土樣品收集到的位置標(biāo)有A，B和C，如圖2所示。選擇他們的差異反映在臺風(fēng)下的動態(tài)負(fù)載壓力。據(jù)估計(jì)，最大應(yīng)力是A然后是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(rèn)真準(zhǔn)備排除碳化的影響。薄板從內(nèi)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(jìn)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毫米工作距離下，對混凝土的樣品形態(tài)進(jìn)行檢查

紅外光譜使用紅外20 SX的紅外分光光度計(jì)（Perkin Elmer公司）。紅外譜分析的結(jié)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(jié)構(gòu)模型建筑的基礎(chǔ)。

圖2

圖3

圖4

2。結(jié)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(jié)物的SEM形貌，而圖 3（d）顯示的是二十五樓的凝結(jié)物。第二十五層混凝土地板施加的靜電和動態(tài)應(yīng)力要低。通過比較圖第3（a-c）和圖3（d）項(xiàng)，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，這是由于三樓的混凝土受高應(yīng)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(yīng)力的不同。施加應(yīng)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(diào)查還這表明，針狀晶體體積分?jǐn)?shù)隨著時間增加而減少。它可作為在此HCP相變的標(biāo)志，膠凝材料的亞穩(wěn)相在合適的條件轉(zhuǎn)化為更穩(wěn)定的階段。2.2。紅外光譜分析 2.2.1。水在混凝土中分析

圖4給出了經(jīng)過20年的混凝土樣品相應(yīng)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(qiáng)大的變形振動。圖 4（A至C）的樣品是從第三層不同的帶點(diǎn)才來的。圖（a）施加的壓力最高，圖（c）最低。

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(yīng)力越小，紅外吸收越高。區(qū)別可以歸結(jié)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(jié)晶水，化學(xué)結(jié)合水，和地表吸收的水分）將會轉(zhuǎn)變并與其他物質(zhì)反應(yīng)。

總之，在不同的相變應(yīng)力下，水發(fā)生了結(jié)晶轉(zhuǎn)變和相位變化。根據(jù)不同變化和的轉(zhuǎn)化率征收。這種轉(zhuǎn)變主要受初期和后期的變化影響。靜電和荷載成為這種轉(zhuǎn)化的條件之一。

2.2.2。氫鍵的分析（氫鍵）

氫鍵之間可能會在分子與其他原子或更高電間或分子內(nèi)形成氫原子。一個氫原子結(jié)構(gòu)是非常獨(dú)特的，因?yàn)橹挥幸粋€電子軌道圍繞原子核。當(dāng)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(qiáng)大的H-鍵的元素具有較高的負(fù)電。H型鍵長相對較長，與摩爾150-500千焦共價(jià)鍵比較，他是個具有20-40千焦耳摩爾的弱電子。不過，他是遠(yuǎn)強(qiáng)于分子之間的范德華吸引力。

紅外特征峰的H-鍵位于650厘米。從圖5中，我們發(fā)現(xiàn)，氫鍵在混凝土負(fù)荷了20年的時間里受到了影響。負(fù)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(fù)載強(qiáng)加給HCP上而被破壞。破損H-鍵導(dǎo)致自由氫質(zhì)子擴(kuò)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(yīng)。隨后，微晶相變和熱力學(xué)平衡中的凝膠體狀結(jié)構(gòu)將被加強(qiáng)。

根據(jù)能量守恒原理，顯然，通過阻尼現(xiàn)象做功所產(chǎn)生的能量被結(jié)構(gòu)材料所吸收，從而促進(jìn)其化學(xué)反應(yīng)和相變。如果阻尼現(xiàn)象導(dǎo)致的溫度上升不考慮，則阻尼產(chǎn)生的能量全部用來相變和化學(xué)反應(yīng)了。目前，雖然這些能量師父被用來分配促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)和相變還未知，然而，這并不會削弱結(jié)論成立。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(jìn)行了研究。碳氧雙鍵的震動峰在1760厘米。在應(yīng)力條件下碳氧雙鍵行為與-OH鍵相似。在重應(yīng)力下混凝土中的碳氧雙鍵的紅外吸光度是最低的。這意味著在在混凝土材料中，碳氧雙鍵隨著動應(yīng)力的增加而減少。從下面的反應(yīng)式可以看出。CaCO3 + H2O?CO2 + Ca(OH)2（1）

這是一個可逆吸熱反應(yīng)。靜態(tài)和動態(tài)加載可以促進(jìn)這樣的反應(yīng)。換句話說，對混凝土材料做功或者吸熱都會促進(jìn)這個吸熱反應(yīng)。顯然，混凝土材料的在動態(tài)加載的能量消耗（或振動運(yùn)動）還應(yīng)促進(jìn)了混凝土材料的阻尼能力。部分機(jī)械能（動能與彈性應(yīng)變能）轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，然后能量被存儲在物質(zhì)內(nèi)部。材料的載荷大小和微觀應(yīng)力與此反應(yīng)發(fā)生有著密切的關(guān)系。

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(guān)峰?？梢缘贸鼋Y(jié)論：相同系統(tǒng)的紅外吸收率下，C-O鍵與C=O相似。

人們注意到在圖 5中碳化現(xiàn)象，峰間的梯度變化很明顯。這是奇怪和矛盾的因?yàn)榈巾敹?0mm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(yīng)該是由于二氧化碳的濃度不同，因?yàn)槿酉嗤．?dāng)前還沒合理解釋，有待以后深究。

該反應(yīng)也導(dǎo)致了原材料體系均衡的破壞。這將導(dǎo)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(jié)晶度提高和影響HCP的穩(wěn)定。這種反應(yīng)對混凝土的碳化率的影響還未知。進(jìn)一步的調(diào)查需要澄清其意義和可能的相互關(guān)系。由于反應(yīng)處理速度非常慢，可能的csh和CH共同結(jié)晶，形成了復(fù)雜的聯(lián)合連鎖微晶形態(tài)。我們稱之為的槽口影響（RE）。

圖5

2.3槽口影響

槽口影響為描述混凝土材料微觀結(jié)構(gòu)觀察提出了一個假說。該轉(zhuǎn)換機(jī)制將是很受關(guān)注而且也很復(fù)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，所施加的部分動態(tài)能量會消散，協(xié)助晶體轉(zhuǎn)變。形態(tài)轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)的形成在以一個很壞滿的隨度進(jìn)行。因此，一個強(qiáng)大的更好的凝聚力，可以更好地適應(yīng)建立在復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)。這與在多重壓力不變條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。

由于槽口影響產(chǎn)生其他后果包括在微觀的孔隙度致密化和結(jié)晶條件在HCP的降低。范德華力在CSH=CSH and CSH-CH有所增加。這種后期的增加和改善進(jìn)一步提高HCP的密度和強(qiáng)度方面的特征條件。微結(jié)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(jié)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。

槽口影響的結(jié)果不一定是統(tǒng)一的和各向同性的。這將導(dǎo)致復(fù)合結(jié)構(gòu)內(nèi)部殘余應(yīng)力存在，它可能導(dǎo)致裂紋的形成和傳播。微裂紋可能進(jìn)一步結(jié)合，形成宏觀裂紋。因此，槽口影響應(yīng)該是一種對于已建成數(shù)年的混凝土建筑物裂縫形成的一種解釋。雖然我們對槽口的形狀形成機(jī)制和槽口現(xiàn)象的影響并不理解，更詳細(xì)的調(diào)查是將會進(jìn)行。2.4。微觀結(jié)構(gòu)

幾項(xiàng)研究已經(jīng)被用來進(jìn)行描述混凝土材料微觀結(jié)構(gòu)發(fā)展，詳細(xì)說明這些結(jié)構(gòu)的討論將被證實(shí)。然而，這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果，大多數(shù)是從實(shí)驗(yàn)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(shè)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(shí)上，在由于臺風(fēng)而長期處于動態(tài)應(yīng)力下的實(shí)際尺寸的建筑中，硬化膠凝材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化是一種持續(xù)過程。因此，根據(jù)從描繪HCP的IR和SEM分析結(jié)果得出次微觀結(jié)構(gòu)是可行的。

圖6

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(fù)載，三個CSH結(jié)構(gòu)變化會發(fā)生：（1）針形晶體的體積分?jǐn)?shù)降低;（2）有板狀晶體增加;（3）未水化水泥材料的部分將進(jìn)一步的水化。

3。結(jié)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(fù)載下HCP的形態(tài)方面的轉(zhuǎn)變的存在。在更高的動態(tài)應(yīng)力下，針形晶體轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑺罹w。從前期和后期的紅外光譜分析結(jié)果表明，由于應(yīng)力條件，混凝土粘接將進(jìn)行晶體變化和相變。紅外吸收越高，動態(tài)應(yīng)力越低已經(jīng)被證實(shí)。這是顯然，臺風(fēng)施加的外力促進(jìn)了轉(zhuǎn)化。高層建筑物中的低層建筑物的混凝土承受更多的外應(yīng)力這個是很重要的，無論是在靜電和動態(tài)應(yīng)力中。從IR和SEM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(jié)構(gòu)演變。致謝

筆者要感謝大學(xué)教育資助香港會提供資金這個項(xiàng)目（批準(zhǔn)號：904058）在香港城市大學(xué)。

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