纳米压痕技术应用于水泥基材料的研究进展

水泥基复合材料作为一种重要的土木工程材料,在国民经济建设中起着举足轻重的作用。目前人们对于其力学性能的研究主要集中于抗压、抗折等宏观力学性能,相比之下,对其微观力学性能的研究较少。鉴于材料的宏观力学性能很大程度上依赖于其微观结构及微观力学性能,因此,从微观层面去探究水泥基材料的性能机理已成为目前研究的热点之一。随着材料微观测试技术的发展,目前纳米压痕技术已成为最先进的定量表征水泥基材料微观力学性能的测试手段。然而水泥基材料是一种非均质材料,其水化产物含有多种成分,导致人们在物相划分和定量分析时常常受到经验性的束缚,因此水泥基材料的性能远未达到人们预期的要求。通过极大似然或最小二乘法对压痕数据进行解卷积处理,可实现实验结果定量化,大大地改变了之前人为划分物相引起的不准确性的状况,使得研究问题的方法提升到一个新的高度。纳米压痕技术不仅可以测试水泥熟料成分(硅酸三钙(C 3S)、硅酸二钙(C 2S)、铝酸三钙(C 3A)等)的弹性模量和硬度,还可测试水泥基材料水化产物(不同密度的水化硅酸钙凝胶(C-S-H)、氢氧化钙(CH)等)的微观力学性能及水化产物未填充的孔隙。通过改变实验加载制度,尤其是持荷的停留时间,能够在很短的时间内测得微观蠕变模量并且可以定量预测水泥基材料的宏观徐变性能;将其与其他微观测试手段(SEM、EDS等)联用来揭示水泥基材料紧密混合相的微观力学性质,能够区分出具有强烈重叠微观力学性质的化学相,这使得纳米压痕技术成为更精确的物相分析方法;通过观测界面过渡区微观结构的变化情况,可以为界面过渡区强度理论提供一定的理论补充和技术支持。本文主要介绍了纳米压痕技术的基本原理和样品制备,并从纳米压痕技术研究水泥基材料水化产物分相及微观力学特性、蠕变性能以及界面特性三个方面阐述了其在水泥基材料中的研究现状和相关成果,对目前研究中存在的问题进行了分析,并展望了其在水泥基材料研究中的发展趋势,以期为它更广泛深入地检测和研究水泥基材料微观性能提供参考。