外文翻译(中文)硬化水泥浆体红外光谱和显微结构的分析

第一篇：外文翻译(中文)硬化水泥浆体红外光谱和显微结构的分析

硬化水泥浆体红外光谱和显微结构的分析

摘要

硬化水泥产生相变是由于其暴露于外界从而受到动态负载和静电动态负荷作用。我们以20年的住宅楼作为研究样本，采用扫描电子显微镜分析和红外频谱技术对硬化水泥浆体在不同负荷下的成键特征和微观结构进行研究。扫描电镜照片表明，微观结构有一个具体的形态差异。红外光谱的分析，为我们了解初期和后期的相变特征提供了信息。这促成了水合物石灰反应及硬化水泥浆体相互之间建立微观模型。随着我们对水泥浆体（HCP）硬化的了解和认知逐渐增多，水泥浆体的硬化被广泛以图解的形式被接受，再加上先进设备和软件的一起分析帮助，更多的HCP微观结构的准确模型得到发展。然而，大多数的这些实验结果只是获得了实验室规模的测试，并没有多少进行了实际的应用。

在香港大学教育资助委员会的支持下，结构动力学研究中心香港城市大学已开始这项研究。几年前，研究旨在了解该HCP组织在台风影响下的演变及相变。通过红外（IR）的频谱分析对HCP的初期和后期进行了研究。这是值得研究的。因为成键特征的改变可能有助于HCP的机械性能的变化，进而影响混凝土结构的剩余使用寿命。

本文介绍了采用扫描电镜法（SEM）和红外光谱分析来研究长期受台风影响而处于动态中建筑物的混凝土微观结构和相变。此外，对于以红外光谱和扫描电镜分析结果来描述HCP的微观结构有重要意义。

1。实验过程

此HCP样品是采自于有20年了的26层高双塔住宅楼的钢筋混凝土。两个方环型分区塔的连接通过一个共享的电梯大堂。天空中有两个方形塔楼开口在中心。此混凝土除了受正常负荷，在夏季台风季节也经历了严重的结构动态负荷。由于此建筑结构是剪力墙式的类型，在台风季节的降雨量通常在这方面高。

图。1。示意图中的具体的过渡地带。一，合计2，中Ca（OH）2，3C-S-H，4钙矾石[1,13]。

混凝土样品收集到的位置标有A，B和C，如图2所示。选择他们的差异反映在台风下的动态负载压力。据估计，最大应力是A然后是C最后是B。从三楼和第二十五楼钻墙取得直径为150毫米的圆柱形混凝土芯。取心过程是缓慢的，以防止过热引起水量的变化。在样本收集过程中，注意避免碳化作用。通过认真准备排除碳化的影响。薄板从内部被切断，需要与混凝土表面保持超过70毫米的距离。被打碎的薄钢板弯曲，断裂面镀金用来扫描电镜检查。利用日本JEOL的JSM-820能量色散分析仪进行扫描电镜成分分析。样品的具体组成如表1。分别在15千电子伏的二次电子模式加速电压下和和5-9毫米工作距离下，对混凝土的样品形态进行检查

红外光谱使用红外20 SX的红外分光光度计（Perkin Elmer公司）。红外谱分析的结果被用来解释在SEM观察到的微。红外和扫描电镜分析，成为微观结构模型建筑的基础。

图2

图3

图4

2。结果与讨论 2.1。扫描电镜分析

图 3（a），3（b）和3（c）显示的是三层凝结物的SEM形貌，而图 3（d）显示的是二十五楼的凝结物。第二十五层混凝土地板施加的静电和动态应力要低。通过比较图第3（a-c）和图3（d）项，显着的形态差异可以观察到。针形晶体几乎完全消失在图第3（a-C）上，这是由于三楼的混凝土受高应力集中。图3（A至C）也显示一渐变的形态，可能是由于所受应力的不同。施加应力较高时将有较少的针形晶体。从EDAX分析，可以发现，这些晶体主要是由多种硅酸盐类化合物组成。这使我们相信，这些晶体是HCP。目前的调查还这表明，针状晶体体积分数随着时间增加而减少。它可作为在此HCP相变的标志，胶凝材料的亚稳相在合适的条件转化为更稳定的阶段。2.2。红外光谱分析 2.2.1。水在混凝土中分析

图4给出了经过20年的混凝土样品相应的红外光谱。在图 4（a），4（b）和4（c）中，伸缩振动的特征峰位于3440厘米处。这些特征峰相互分散和重叠;这代表了-OH的强大的变形振动。图 4（A至C）的样品是从第三层不同的带点才来的。图（a）施加的压力最高，图（c）最低。

在图4（a），4（b）和4（c）中-OH键特征峰有一个红外吸收的梯度变化。施加动应力越小，红外吸收越高。区别可以归结为在混凝土材料中变异水分含量和水的-OH键的位置。在不同的条件下，水（包括结晶水，化学结合水，和地表吸收的水分）将会转变并与其他物质反应。

总之，在不同的相变应力下，水发生了结晶转变和相位变化。根据不同变化和的转化率征收。这种转变主要受初期和后期的变化影响。静电和荷载成为这种转化的条件之一。

2.2.2。氢键的分析（氢键）

氢键之间可能会在分子与其他原子或更高电间或分子内形成氢原子。一个氢原子结构是非常独特的，因为只有一个电子轨道围绕原子核。当氢原子与其他有较高的电荷的元素形成化合物，氢原子的电子会被该原子占用，氢原子核变成暴露（或发现），形成强大的H-键的元素具有较高的负电。H型键长相对较长，与摩尔150-500千焦共价键比较，他是个具有20-40千焦耳摩尔的弱电子。不过，他是远强于分子之间的范德华吸引力。

红外特征峰的H-键位于650厘米。从图5中，我们发现，氢键在混凝土负荷了20年的时间里受到了影响。负载较高时，H-键数量在减少。这意味着，许多氢键因动态负载强加给HCP上而被破坏。破损H-键导致自由氢质子扩散活动的增加。增加氢离子浓度可能会增加Ca（OH）2和水分子反应。随后，微晶相变和热力学平衡中的凝胶体状结构将被加强。

根据能量守恒原理，显然，通过阻尼现象做功所产生的能量被结构材料所吸收，从而促进其化学反应和相变。如果阻尼现象导致的温度上升不考虑，则阻尼产生的能量全部用来相变和化学反应了。目前，虽然这些能量师父被用来分配促进化学反应和相变还未知，然而，这并不会削弱结论成立。2.2.3。碳氧单键和碳氧双键分析

利用红外光谱记录对前期的碳氧键相变特征进行了研究。碳氧双键的震动峰在1760厘米。在应力条件下碳氧双键行为与-OH键相似。在重应力下混凝土中的碳氧双键的红外吸光度是最低的。这意味着在在混凝土材料中，碳氧双键随着动应力的增加而减少。从下面的反应式可以看出。CaCO3 + H2O«CO2 + Ca(OH)2（1）

这是一个可逆吸热反应。静态和动态加载可以促进这样的反应。换句话说，对混凝土材料做功或者吸热都会促进这个吸热反应。显然，混凝土材料的在动态加载的能量消耗（或振动运动）还应促进了混凝土材料的阻尼能力。部分机械能（动能与弹性应变能）转化为化学能，然后能量被存储在物质内部。材料的载荷大小和微观应力与此反应发生有着密切的关系。

C-O键的特征峰在1036厘米为拉伸状态，1010厘米为竖立状态。分别通过比较图5的C-O相关峰。可以得出结论：相同系统的红外吸收率下，C-O键与C=O相似。

人们注意到在图 5中碳化现象，峰间的梯度变化很明显。这是奇怪和矛盾的因为到顶端70mm的土芯被切除。这种碳化可能性第一被排除。此外，碳化现象不应该是由于二氧化碳的浓度不同，因为取样相同。当前还没合理解释，有待以后深究。

该反应也导致了原材料体系均衡的破坏。这将导致氢氧化钙在混凝土的形成和累积使得混凝土变得更加碱性。随着氢氧化钙逐步增加，可以使得结晶度提高和影响HCP的稳定。这种反应对混凝土的碳化率的影响还未知。进一步的调查需要澄清其意义和可能的相互关系。由于反应处理速度非常慢，可能的csh和CH共同结晶，形成了复杂的联合连锁微晶形态。我们称之为的槽口影响（RE）。

图5

2.3槽口影响

槽口影响为描述混凝土材料微观结构观察提出了一个假说。该转换机制将是很受关注而且也很复杂。在图3（b）可发现，一个微型晶体CSH吞没/入侵一大块的CH晶体。槽口影响表明，所施加的部分动态能量会消散，协助晶体转变。形态转型显示在SEM中CSH和CH微晶的凝胶类化合物组成。在CSH和CH微晶中联锁微晶结构的形成在以一个很坏满的随度进行。因此，一个强大的更好的凝聚力，可以更好地适应建立在复杂的晶体结构。这与在多重压力不变条件下的实验结果相一致。

由于槽口影响产生其他后果包括在微观的孔隙度致密化和结晶条件在HCP的降低。范德华力在CSH=CSH and CSH-CH有所增加。这种后期的增加和改善进一步提高HCP的密度和强度方面的特征条件。微结晶会降低HCP的孔隙率及并具有类似致密化的影响。然而，微结晶会同时也降低了断裂韧性，由于表面晶界增加而增加材料的脆性。

槽口影响的结果不一定是统一的和各向同性的。这将导致复合结构内部残余应力存在，它可能导致裂纹的形成和传播。微裂纹可能进一步结合，形成宏观裂纹。因此，槽口影响应该是一种对于已建成数年的混凝土建筑物裂缝形成的一种解释。虽然我们对槽口的形状形成机制和槽口现象的影响并不理解，更详细的调查是将会进行。2.4。微观结构

几项研究已经被用来进行描述混凝土材料微观结构发展，详细说明这些结构的讨论将被证实。然而，这些实验结果，大多数是从实验室规模的测试中获取，仍存在争议。大多数研究是参照假设在只有有限的变化下对水泥早期水化浆的硬化状态。在事实上，在由于台风而长期处于动态应力下的实际尺寸的建筑中，硬化胶凝材料内部结构的变化是一种持续过程。因此，根据从描绘HCP的IR和SEM分析结果得出次微观结构是可行的。

图6

图6是组织演化在过渡区模型示意图。在高施加动态负载，三个CSH结构变化会发生：（1）针形晶体的体积分数降低;（2）有板状晶体增加;（3）未水化水泥材料的部分将进一步的水化。

3。结论

取自一个存在20年建筑物的混凝土样品的SEM照片证明了在外部动态负载下HCP的形态方面的转变的存在。在更高的动态应力下，针形晶体转变为片状晶体。从前期和后期的红外光谱分析结果表明，由于应力条件，混凝土粘接将进行晶体变化和相变。红外吸收越高，动态应力越低已经被证实。这是显然，台风施加的外力促进了转化。高层建筑物中的低层建筑物的混凝土承受更多的外应力这个是很重要的，无论是在静电和动态应力中。从IR和SEM分析中得出的微观模型示意图确定为分析混凝土过渡区的显微结构演变。致谢

笔者要感谢大学教育资助香港会提供资金这个项目（批准号：904058）在香港城市大学。

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