建筑材料的微观结构分析

分析介绍

对材料的微观形貌、物相组成，相变，微区、相界面、表面化学成分分布，结晶偏析，晶体、玻璃体结构，分子结构，元素在材料中的化学状态（价态、配位数）、空间分布，电子能态及离子周围的化学环境和键合情况等等的观测、分析。各种建筑材料具有不同的微观结构，从而决定了他们的物理、化学及机械性能。建筑材料微观结构分析的方法有以下各种（见表）。

主要用电子光学显微镜观察。

电子显微术　也称电子显微镜（简称电镜）分析方法，是一种应用电镜对物体的微观结构进行观测的技术，所采用的电镜主要有以下几种：

① 电子显微镜。一种以高速运动的电子束作为“光源”或激发源，对物体的微观结构进行放大分析观测的电子光学仪器，可分为透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)、扫描透射电镜 （STEM）、反射电镜（REM）、点投影电镜(PPEM)及场发射电镜(FEEM)等，其中以透射电镜和扫描电镜应用为最广泛。近十几年来，还发展了分析透射电镜、 分析扫描电镜以及附有俄歇电子能谱仪（AES）、扫描俄歇电镜(SAM)、X射线光电子谱 (XPS)及紫外光电子谱(UPS)等功能的表面微观分析电镜,广泛用于材料的微区形貌、化学组成、化学价态和电子能态的研究。

② 透射电镜。由电子枪发射的高速电子束透过试样，经电磁透镜成像放大，在终端荧光屏、电视荧光屏或电子摄影底片上获得试样的显微图像。

透射电镜的电子放大率可从数百倍连续改变到 100万倍以上，其点分辨率已近1埃，晶格分辨率可达1埃以内，能直接观察到一些特殊样品中单个重原子和薄晶体中的原子排列图像。

一般透射电镜的电子枪加速电压为50～150千伏。超高压电镜的加速电压可达500千伏至3兆伏，其电子束穿透力强，对试样辐照损失小，可配备环境试样室，用以直接观察材料在自然环境中的化学反应及相变过程。

透射电镜已向多功能方向发展，兼有透射扫描、选区电子衍射、高分辨率电子衍射、 X射线能量色散谱仪、电子能量损失谱仪等功能，可在观察试样微观形貌的同时进行微区化学成分、物相、晶体结构、元素化学价态、电子能态的综合分析。

③ 扫描电镜。 由电子束在试样表面逐行逐点扫描，与试样相互作用产生二次电子、背散射电子、X射线、吸收电子和透射电子等信息，由探测器接收并放大后在电视荧光屏上获得试样表面显微结构图像。通过接收不同的被激发出的信息，可分别获得试样的二次电子图像、背散射电子图像和吸收电子图像等。

扫描电镜的二次电子图像分辨率已达30埃左右，电子放大率可以从20倍连续改变到30万倍以上。配备X射线晶体谱仪(wdx)及X射线能量色散谱仪(EDX)附件后,可在试件中0.5×0.5微米、深度约1微米区域内,只用1～2分钟同时对多个化学元素作定量分析。从Be到U 均可分析,灵敏度达10%,并可作元素微区线、面扫描分析,确定试样中元素的分布状况。配备二次离子质谱仪(SIMS)附件，可分析试样微区范围内各种元素。配备高温、低温、拉伸、弯曲、疲劳及压痕等试验装置后，可观察试样在不同温度和受力状态下的微观结构变化，为材料的强度与断裂理论研究和应用研究提供大量新的信息。仪器采用1.33×(10～10)帕超高真空技术，减少试样的污染，配备微型电子计算机控制操作及处理数据，提高了仪器的自动化程度和图像质量。配备电影摄影机或电视录像机，可连续记录试样微观结构的变化情况。

扫描俄歇电子显微术(SAM)　由扫描电镜分析技术和俄歇电子能谱分析技术结合而成的微观结构分析技术。俄歇电子的能量和试样表面激发原子的原子序数及化学价态等有关。当直径为几十至几百埃的电子束在试样表面扫描时，通过筒镜型能量分析器接收从试样原子发射出来的俄歇电子，可得到试样表面形貌及表面结构图像。新型扫描俄歇电子显微镜，可观察试样表面深度为10埃以内的元素分布图像,分辨率达500埃。适用于除氢、氮以外的各种元素,用于原子序数为3～10的轻元素。在钢铁、有色金属、玻璃、陶瓷等材料的表面物理、表面化学研究工作中得到应用。

光学显微术　应用光学显微镜观测材料微观形貌、物相的技术。新型光学显微镜由光源系统、载物台、物镜系统、目镜或投影屏幕及摄影系统等组成。通过变换物镜和目镜可使仪器放大率由几十倍调到2000倍，点分辨率可达0.3微米左右。

按光线和试样的作用方式，光学显微镜可分为透射式和反射式两种。透射式显微镜常用于观察粉状材料颗粒形状、尺寸及透明材料的缺陷，如玻璃中的结石、析晶等。反射式显微镜常用于不透明固体材料，如金属、陶瓷、水泥石等的物相定性、定量分析及微观形貌、缺陷观察。带起偏镜、检偏镜的偏光显微镜，常用于建筑材料中透明矿物的物相定性、定量分析。配有摄影机或录像机的光学显微镜能连续记录试样微观结构的变化情况。配有高、低温装置（2200～80开）及拉伸、压缩装置的光学显微镜，可观察试样在不同温度和不同受力状态下微观结构的变化情况。

由光学显微镜与扫描技术及电子计算机技术结合而成的图像分析仪，利用试样各相透光、返光性能的差别（即成像灰度）可进行物相定量分析及粒度分析等。

对构成材料的各种物相的种类和含量进行分析测定的技术。

岩相分析法　利用材料中各相光学性质（折射率、透光率、颜色、晶轴对称性、消光角度等）及形状的特点，通过光学显微镜观察，确定各相种类、数量、尺寸及分布状态的技术。按试样处理方式可分为粉末油浸法、抛光薄片法、光薄片法、显微化学法等。试样中矿物的定量分析方法常使用直线法、计点法、面积法和目测法等。发展起来的超薄光薄片法，是将试样磨抛成几个微米厚的光薄片，提高了试样显微图像的质量和分析的准确度。岩相分析法在水泥、玻璃、陶瓷等硅酸盐材料的原料和制品物相组成的分析研究中得到广泛应用。

X射线物相分析法　利用单色X射线和多晶体物质相互作用产生的特征衍射谱进行试样物相定性、定量分析的方法。当单色X射线照射到多晶体物质上,其特征衍射谱与组成晶体的元素、晶胞内各原子的排列及各种晶体的含量有关。通过测量特征衍射谱的分布位置和强度，可定性或定量分析试样中晶体的种类和含量。常用于分析水泥、玻璃、陶瓷原料及制品，金属材料、矿石原料的物相组成及研究水泥水化、陶瓷烧结、玻璃晶化、金属热处理等过程的结晶相变规律。

仪器主要由X射线管、旋转试样台、衍射谱探测系统和数据处理系统等组成。 常用X射线管的阳极(也称靶)有旋转式和固定式两种，系由铜、钴、钨、钼、铁等制成，能发出不同波长的特征X射线,用于分析不同的晶体。衍射谱探测系统有照相式和测角计式等。 新型X射线衍射仪附有高、低温试样台或带有高、低温照相机，能研究1800～80开温度下试样的结晶相变规律。配备电子计算机自动检索系统的仪器，能快速准确分析试样中各种晶体的种类及含量。细聚焦X射线结构分析仪的X射线束，直径细达15～20微米，可用于分析试样微小区域中的结晶物相，如玻璃中的微小结石和陶瓷晶粒间界微小相。

电子衍射分析法　利用电子射束照射晶体试样产生衍射现象，通过探测衍射谱的分布位置和强度，对试样的原子排列、晶相、微观缺陷等进行分析的技术，分为低能电子衍射和高能电子衍射。前者常用于试样表层几十埃厚度范围的结构分析，后者常用于多晶、单晶薄膜的结构分析和粉末试样的物相分析。与电镜结合的选区电子衍射，可分析尺寸为1微米以下单晶体的结构。

中子衍射分析法　利用中子和构成晶体的元素的原子核相互作用产生衍射现象，通过探测衍射谱的分布位置和强度，对试样中晶体物相及其结构进行分析的技术。适用于研究轻元素晶体特别是含氢晶体的结构，确定其中氢原子位置。

X射线晶体结构分析法是利用X射线与晶体相互作用产生衍射现象,探测衍射谱的分布位置和强度，进行晶体微观结构分析的技术。主要有用于测定晶体结构、点阵常数、晶粒大小，研究晶体内应力和点阵畸变的多晶体分析方法。

主要有以下几种：

俄歇电子能谱法(AES) 可根据测量试样受激后发射出来的俄歇电子的固有能谱，对试样表面原子的价态、结合状态进行研究，并通过测量因化学结合状态，即价电子变化引起原子内壳层能级变化而出现的俄歇电子能谱的能量和峰的形状发生的化学位移（也称化学效应），进行表面原子的状态分析。

电子探针法(EPMA)　当直径约为0.1～1微米的电子束轰击试样表面时,原子受激而产生特征X射线谱。通过探测X射线谱的精细结构,如谱的波长、形状、相对强度比的变化及产生的体线等，从而确定试样中元素的化学状态和结构状态。

光电子能谱法　用一定能量的 X射线或光激发固体表面或气体分子,通过探测激发出的光电子的能量,确定试样表层原子的种类、内部电子的各种能级，获得电子束缚能、原子的结合状态和电荷分布等电子状态的信息。试样的分析深度一般为5～20埃。

以特征X射线为激发源的X射线光电子能谱法 (XPS)也称化学分析电子能谱法(ESCA)，可通过测定内壳层电子能级谱的化学位移，确定原子结合状态和电子分布状态。能分析试样表面氢以外元素的化学组成及价态，研究所有电子能级的能量。

以真空紫外线为激发源的紫外光电子能谱法 (UPS)，能研究试样表面价电子能带的精细结构及其随反应、配位和吸附而产生的变化。

包括以下几种：

核磁共振波谱法　利用在磁场作用下定向排列的磁性原子核在量子化能态之间的射频诱生跃迁获得的核磁共振波谱，确定出特定的原子核的种类、数量、位置、排列状态，进而描绘出分子内原子团或原子排列顺序的分析方法，是通过观测核子共振频率偏移，即化学位移和自旋－自旋耦合常数与结构之间的关系进行试样结构分析。

电子自旋共振波谱法　也称电子顺磁共振波谱法，是利用微波辐射对具有不成对自旋的电子诱生磁能之间的跃迁，通过静电场使磁能分裂，以获得原子分子中的未耦电子及电荷分布、化学键等信息。已成功地应用于具有未耦电子的顺磁性物质的结构研究，如具有奇数个电子的原子，内电子壳层未被充满的过渡族元素的离子、具有奇数个电子的分子以及固体缺陷中的F中心、V中心等。

红外光谱法　利用试样分子和红外辐射作用吸收其特定波长形成的光谱，确定分子内官能团和原子的总体结构的分析方法。

热分析方法　利用试样在加热或冷却过程中产生的吸热、放热、增重、减重、膨胀、收缩、软化、变形以及电导率随温度变化的规律，研究物质的物理化学变化规律的方法。 常将各种热分析法获得的信息与X射线物相分析、电镜形貌分析和成分分析的结果综合对比，以确定材料的微观结构变化规律。

差热分析法(DTA) 将待测试样和一种热惰性参比物质放在同一个加热器中，按一定程序改变温度，当达到某一温度试样结构发生变化引起释放或吸收能量，从而使其自身温度与参比物质之间产生相应的差别，达到了解试样结构发生变化的温度范围、对应该结构变化的吸热或放热过程以及结构变化的定量关系。通过测量整个温度区间热谱的各种吸热、放热特征的数目、形状和位置，即可对试样的结构变化进行描述。

差示扫描量热法(DSC) 将待测试样和热惰性参比物质放在严格控制程序的温度中，当试样结构发生变化时，向试样容器或参比物质容器加热或减热而使其两者保持相同温度，通过测量输入、取出的热量及转变时的温度范围，可以获得试样结构变化的定量关系。

热重分析法(TGA) 试样在温度改变过程中产生结构变化而引起重量改变,通过温度-重量关系曲线获得材料的化学反应热力学、动力学、反应机理、中间产物及最终产物数据的分析方法。可用于研究建筑材料加热制备过程中的脱水、分解、化学反应等规律。

热机械分析法(TMA)　通过测量试样在温度变化过程中的膨胀、收缩、软化、延伸变形规律，定量描述材料结构变化的分析方法。

电热分析法(ETA) 通过测量试样在温度变化过程中电导率等电气性能的变化规律，研究材料结构的分析方法。广泛用于聚合物结构研究、表面气体吸附、水分和增塑剂含量及聚合物系统中痕量杂质的研究。

测定多孔材料孔径大小、孔隙体积及其孔径分布的技术。常用的孔结构测定方法有水银压入法、气体吸附法和显微镜观测法等。①水银压入法，可测定试样中直径为 50埃至750微米的孔径分布。常用的水银测孔仪有高压和低压两种，可根据试样孔径分布情况选用。压力为 300兆帕的高压测孔仪适于测50埃至11微米的孔。压力为0.15兆帕的低压测孔仪适于测11～750微米的孔。②气体吸附法，适于测定直径小于600埃的孔。③利用光学显微镜和电子显微镜，可直接观察孔隙的形状和分布状况。2100433B

前言

第1章绪论

第2章基于微观结构的软土孔隙率定量研究

第3章基于微观结构的软土平均接触面积率定量研究

第4章平均接触面积率与宏观孔隙率之间的关系研究

第5章基于平均接触面积率的渗流分析

第6章基于接触面积的固结理论

第7章基于接触面积的土压力理论

第8章基于接触面积的土坡稳定理论

第9章基于平均接触面积率的土抗剪强度理论

参考文献 2100433B

本书首先介绍了软黏土的微观结构试验测试方法，提出软黏土的接触面概念和测试方法。其次，介绍了基于微观结构的软土孔隙率定量方法和软土平均接触面积率定量方法，建立平均接触面积率与宏观孔隙率之间的关系。然后，介绍了基于平均接触面积率的软土渗流分析、饱和软土固结理论、土压力理论和土坡稳定理论。最后，介绍了基于平均接触面积率的抗剪强度理论。

本书内容切中国际研究热点，学术思想新颖，逻辑性强，结构体系好，对土力学理论注入了新鲜活力。

内容简介

本书依托于交通部主要学科应用基础研究项目(高性能浇筑式岩改沥青混凝土的组配与机理研究)的研究成果，针对钢桥面铺装技术，提出一种高性能浇注式岩改沥青混凝土新材料；主要对高稠度复合岩改沥青结合料进行设计与研发，并进一步探索研究浇注式沥青混凝土的组配设计和性能、岩改沥青与沥青胶浆微观改性机理等，为其相关施工技术规范提供理论依据。