扫描电镜在水泥水合程度计算中的应用

来源：北京欧波同光学技术有限公司更新时间：2025-04-11 17:30:15 阅读量：254

导读：赛默飞高分辨场发射扫描电镜Apreo2 SEM，搭配多种探测器，具备强大的智能化软件支撑，在低电压下成像优异，十分适合水泥材料的表征。

水泥是熟料和硫酸钙的混合物，比例约为95:5%。水泥是混凝土制造中必不可少的成分之一，是世界上使用最广泛的建筑材料。熟料的矿物成分包括硅酸三钙（C₃S：Ca₃SiO₅）、硅酸二钙（C₂S：Ca₂SiO₄）、铝酸三钙（C₃A：Ca₃Al₂O₆）和铁铝酸四钙（C₄AF：Ca₄Al₂O₁₀Fe2）。在水化过程中，水泥与水发生反应，形成不同的水合物。钙矾石是由硫酸钙、铝酸三钙和水的反应形成的。硅酸盐的反应导致氢氧化钙（CH）和水化硅酸钙（C-S-H）的形成。C-S-H是水合水泥浆的主要水合物，对混凝土的强度和耐久性等宏观属性有显著贡献。

水化过程中形成的水合物量取决于水合水化程度，水合程度被定义为水合水泥量与初始无水水泥量的比值。有几种实验方法可以确定水泥的水合程度，例如：扫描电子显微镜（SEM-BSE）、X射线衍射（XRD）、热重分析（TGA）、等温量热法测量水合热量、核磁共振（NMR）等。

SEM作为一种重要的图像分析技术，常被用于观测水化后水泥表面的相分布，同时，这项技术也被用于检查水泥材料的微观结构。在SEM-BSE图像中，被散射系数随着每个相的平均原子序数而单调增加，因此可对分析区域中的每个晶体相进行区分和量化。

然而，在水泥基材料中，许多水化产物（C-S-H、Ettringite等）的被散射系数过于相似，使用常规样品舱室内探测器难以在图片上单独区分，给研究带来了诸多不便。

SEM-BSE图像分析已被广泛用于水化后泥浆体的物相量化、砂浆相间带的物相分布研究，以及估算水泥基体中矿物添加物的反应分数。与其他方法相比，SEM具有独特优势，如下表对比。

Joelle Kleib等人利用扫描电镜和数据处理软件，量化了水合相随着水化时间变化的情况。具体步骤如下：步骤1:获取水泥样品的SEM-BSE图像；步骤2:使用Matlab软件获取样品SEM-BSE图像的直方图。步骤3:使用Origin pro软件对直方图进行相位量化。

该方法首先需要设置阈值，从灰度(0～255)的图像中分割不同相，在文献中，存在许多确定该阈值的方法，该阈值对于提高定量精度非常重要，例如它对应于孔隙峰曲线切线与水化相峰(HP)的交点有重要影响。Joelle Kleib等人将研究中水泥浆体的孔隙分割阈值设定在50左右，设置阈值水平后，采用Origin Pro 8.5软件反卷积法进行相位定量。从图像分析得到的相数量对应于这些相在水泥浆体中的体积分数，水泥的水化程度根据下式估算:

当水泥浆体的初始体积分数为38.83%时，对几张SEM图像进行了分析，下表显示了水泥水化程度随水化时间的结果。

扫描电镜作为材料显微分析的重要手段，在水泥材料检验检测中发挥着不可替代的作用。对于类似水泥等导电性较差的材料，往往需要使用低电压进行观察，从而避免荷电对成像造成干扰。赛默飞Apreo 2场发射扫描电镜具有业内最强的低电压超高分辨性能，搭配双引擎模式，分辨率可达到0.8nm（1kV），可以呈现材料最表面的真实形貌衬度，同时兼具高质量成像和多功能分析性能于一体，是科研和生产质控必不可少的理想分析平台。同时搭载的镜筒内T1探测器，在低电压下成像优异，十分适合水泥材料的表征，轻松观察水泥水化后生成的各种水合物，观察水泥制品中的裂缝、孔隙等缺陷，评估其质量；不仅如此，还可以利用AI人工智能算法自动计算水化相，判断水合程度，如下图所示，结果显示，该水泥水合程度为70%左右。

赛默飞Apreo2场发射扫描电镜

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