澆注式巖改瀝青混凝土的組配與微觀結(jié)構(gòu)分析

內(nèi)容簡介

本書依托于交通部主要學(xué)科應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(高性能澆筑式巖改瀝青混凝土的組配與機(jī)理研究)的研究成果，針對(duì)鋼橋面鋪裝技術(shù)，提出一種高性能澆注式巖改瀝青混凝土新材料；主要對(duì)高稠度復(fù)合巖改瀝青結(jié)合料進(jìn)行設(shè)計(jì)與研發(fā)，并進(jìn)一步探索研究澆注式瀝青混凝土的組配設(shè)計(jì)和性能、巖改瀝青與瀝青膠漿微觀改性機(jī)理等，為其相關(guān)施工技術(shù)規(guī)范提供理論依據(jù)。

分析介紹

對(duì)材料的微觀形貌、物相組成，相變，微區(qū)、相界面、表面化學(xué)成分分布，結(jié)晶偏析，晶體、玻璃體結(jié)構(gòu)，分子結(jié)構(gòu)，元素在材料中的化學(xué)狀態(tài)（價(jià)態(tài)、配位數(shù)）、空間分布，電子能態(tài)及離子周圍的化學(xué)環(huán)境和鍵合情況等等的觀測、分析。各種建筑材料具有不同的微觀結(jié)構(gòu)，從而決定了他們的物理、化學(xué)及機(jī)械性能。建筑材料微觀結(jié)構(gòu)分析的方法有以下各種（見表）。

主要用電子光學(xué)顯微鏡觀察。

電子顯微術(shù)　也稱電子顯微鏡（簡稱電鏡）分析方法，是一種應(yīng)用電鏡對(duì)物體的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測的技術(shù)，所采用的電鏡主要有以下幾種：

① 電子顯微鏡。一種以高速運(yùn)動(dòng)的電子束作為“光源”或激發(fā)源，對(duì)物體的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行放大分析觀測的電子光學(xué)儀器，可分為透射電鏡(TEM)、掃描電鏡(SEM)、掃描透射電鏡 （STEM）、反射電鏡（REM）、點(diǎn)投影電鏡(PPEM)及場發(fā)射電鏡(FEEM)等，其中以透射電鏡和掃描電鏡應(yīng)用為最廣泛。近十幾年來，還發(fā)展了分析透射電鏡、 分析掃描電鏡以及附有俄歇電子能譜儀（AES）、掃描俄歇電鏡(SAM)、X射線光電子譜 (XPS)及紫外光電子譜(UPS)等功能的表面微觀分析電鏡,廣泛用于材料的微區(qū)形貌、化學(xué)組成、化學(xué)價(jià)態(tài)和電子能態(tài)的研究。

② 透射電鏡。由電子槍發(fā)射的高速電子束透過試樣，經(jīng)電磁透鏡成像放大，在終端熒光屏、電視熒光屏或電子攝影底片上獲得試樣的顯微圖像。

透射電鏡的電子放大率可從數(shù)百倍連續(xù)改變到 100萬倍以上，其點(diǎn)分辨率已近1埃，晶格分辨率可達(dá)1埃以內(nèi)，能直接觀察到一些特殊樣品中單個(gè)重原子和薄晶體中的原子排列圖像。

一般透射電鏡的電子槍加速電壓為50～150千伏。超高壓電鏡的加速電壓可達(dá)500千伏至3兆伏，其電子束穿透力強(qiáng)，對(duì)試樣輻照損失小，可配備環(huán)境試樣室，用以直接觀察材料在自然環(huán)境中的化學(xué)反應(yīng)及相變過程。

透射電鏡已向多功能方向發(fā)展，兼有透射掃描、選區(qū)電子衍射、高分辨率電子衍射、 X射線能量色散譜儀、電子能量損失譜儀等功能，可在觀察試樣微觀形貌的同時(shí)進(jìn)行微區(qū)化學(xué)成分、物相、晶體結(jié)構(gòu)、元素化學(xué)價(jià)態(tài)、電子能態(tài)的綜合分析。

③ 掃描電鏡。 由電子束在試樣表面逐行逐點(diǎn)掃描，與試樣相互作用產(chǎn)生二次電子、背散射電子、X射線、吸收電子和透射電子等信息，由探測器接收并放大后在電視熒光屏上獲得試樣表面顯微結(jié)構(gòu)圖像。通過接收不同的被激發(fā)出的信息，可分別獲得試樣的二次電子圖像、背散射電子圖像和吸收電子圖像等。

掃描電鏡的二次電子圖像分辨率已達(dá)30埃左右，電子放大率可以從20倍連續(xù)改變到30萬倍以上。配備X射線晶體譜儀(wdx)及X射線能量色散譜儀(EDX)附件后,可在試件中0.5×0.5微米、深度約1微米區(qū)域內(nèi),只用1～2分鐘同時(shí)對(duì)多個(gè)化學(xué)元素作定量分析。從Be到U 均可分析,靈敏度達(dá)10%,并可作元素微區(qū)線、面掃描分析,確定試樣中元素的分布狀況。配備二次離子質(zhì)譜儀(SIMS)附件，可分析試樣微區(qū)范圍內(nèi)各種元素。配備高溫、低溫、拉伸、彎曲、疲勞及壓痕等試驗(yàn)裝置后，可觀察試樣在不同溫度和受力狀態(tài)下的微觀結(jié)構(gòu)變化，為材料的強(qiáng)度與斷裂理論研究和應(yīng)用研究提供大量新的信息。儀器采用1.33×(10～10)帕超高真空技術(shù)，減少試樣的污染，配備微型電子計(jì)算機(jī)控制操作及處理數(shù)據(jù)，提高了儀器的自動(dòng)化程度和圖像質(zhì)量。配備電影攝影機(jī)或電視錄像機(jī)，可連續(xù)記錄試樣微觀結(jié)構(gòu)的變化情況。

掃描俄歇電子顯微術(shù)(SAM)　由掃描電鏡分析技術(shù)和俄歇電子能譜分析技術(shù)結(jié)合而成的微觀結(jié)構(gòu)分析技術(shù)。俄歇電子的能量和試樣表面激發(fā)原子的原子序數(shù)及化學(xué)價(jià)態(tài)等有關(guān)。當(dāng)直徑為幾十至幾百埃的電子束在試樣表面掃描時(shí)，通過筒鏡型能量分析器接收從試樣原子發(fā)射出來的俄歇電子，可得到試樣表面形貌及表面結(jié)構(gòu)圖像。新型掃描俄歇電子顯微鏡，可觀察試樣表面深度為10埃以內(nèi)的元素分布圖像,分辨率達(dá)500埃。適用于除氫、氮以外的各種元素,用于原子序數(shù)為3～10的輕元素。在鋼鐵、有色金屬、玻璃、陶瓷等材料的表面物理、表面化學(xué)研究工作中得到應(yīng)用。

光學(xué)顯微術(shù)　應(yīng)用光學(xué)顯微鏡觀測材料微觀形貌、物相的技術(shù)。新型光學(xué)顯微鏡由光源系統(tǒng)、載物臺(tái)、物鏡系統(tǒng)、目鏡或投影屏幕及攝影系統(tǒng)等組成。通過變換物鏡和目鏡可使儀器放大率由幾十倍調(diào)到2000倍，點(diǎn)分辨率可達(dá)0.3微米左右。

按光線和試樣的作用方式，光學(xué)顯微鏡可分為透射式和反射式兩種。透射式顯微鏡常用于觀察粉狀材料顆粒形狀、尺寸及透明材料的缺陷，如玻璃中的結(jié)石、析晶等。反射式顯微鏡常用于不透明固體材料，如金屬、陶瓷、水泥石等的物相定性、定量分析及微觀形貌、缺陷觀察。帶起偏鏡、檢偏鏡的偏光顯微鏡，常用于建筑材料中透明礦物的物相定性、定量分析。配有攝影機(jī)或錄像機(jī)的光學(xué)顯微鏡能連續(xù)記錄試樣微觀結(jié)構(gòu)的變化情況。配有高、低溫裝置（2200～80開）及拉伸、壓縮裝置的光學(xué)顯微鏡，可觀察試樣在不同溫度和不同受力狀態(tài)下微觀結(jié)構(gòu)的變化情況。

由光學(xué)顯微鏡與掃描技術(shù)及電子計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合而成的圖像分析儀，利用試樣各相透光、返光性能的差別（即成像灰度）可進(jìn)行物相定量分析及粒度分析等。

對(duì)構(gòu)成材料的各種物相的種類和含量進(jìn)行分析測定的技術(shù)。

巖相分析法　利用材料中各相光學(xué)性質(zhì)（折射率、透光率、顏色、晶軸對(duì)稱性、消光角度等）及形狀的特點(diǎn)，通過光學(xué)顯微鏡觀察，確定各相種類、數(shù)量、尺寸及分布狀態(tài)的技術(shù)。按試樣處理方式可分為粉末油浸法、拋光薄片法、光薄片法、顯微化學(xué)法等。試樣中礦物的定量分析方法常使用直線法、計(jì)點(diǎn)法、面積法和目測法等。發(fā)展起來的超薄光薄片法，是將試樣磨拋成幾個(gè)微米厚的光薄片，提高了試樣顯微圖像的質(zhì)量和分析的準(zhǔn)確度。巖相分析法在水泥、玻璃、陶瓷等硅酸鹽材料的原料和制品物相組成的分析研究中得到廣泛應(yīng)用。

X射線物相分析法　利用單色X射線和多晶體物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的特征衍射譜進(jìn)行試樣物相定性、定量分析的方法。當(dāng)單色X射線照射到多晶體物質(zhì)上,其特征衍射譜與組成晶體的元素、晶胞內(nèi)各原子的排列及各種晶體的含量有關(guān)。通過測量特征衍射譜的分布位置和強(qiáng)度，可定性或定量分析試樣中晶體的種類和含量。常用于分析水泥、玻璃、陶瓷原料及制品，金屬材料、礦石原料的物相組成及研究水泥水化、陶瓷燒結(jié)、玻璃晶化、金屬熱處理等過程的結(jié)晶相變規(guī)律。

儀器主要由X射線管、旋轉(zhuǎn)試樣臺(tái)、衍射譜探測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成。 常用X射線管的陽極(也稱靶)有旋轉(zhuǎn)式和固定式兩種，系由銅、鈷、鎢、鉬、鐵等制成，能發(fā)出不同波長的特征X射線,用于分析不同的晶體。衍射譜探測系統(tǒng)有照相式和測角計(jì)式等。 新型X射線衍射儀附有高、低溫試樣臺(tái)或帶有高、低溫照相機(jī)，能研究1800～80開溫度下試樣的結(jié)晶相變規(guī)律。配備電子計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢索系統(tǒng)的儀器，能快速準(zhǔn)確分析試樣中各種晶體的種類及含量。細(xì)聚焦X射線結(jié)構(gòu)分析儀的X射線束，直徑細(xì)達(dá)15～20微米，可用于分析試樣微小區(qū)域中的結(jié)晶物相，如玻璃中的微小結(jié)石和陶瓷晶粒間界微小相。

電子衍射分析法　利用電子射束照射晶體試樣產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，通過探測衍射譜的分布位置和強(qiáng)度，對(duì)試樣的原子排列、晶相、微觀缺陷等進(jìn)行分析的技術(shù)，分為低能電子衍射和高能電子衍射。前者常用于試樣表層幾十埃厚度范圍的結(jié)構(gòu)分析，后者常用于多晶、單晶薄膜的結(jié)構(gòu)分析和粉末試樣的物相分析。與電鏡結(jié)合的選區(qū)電子衍射，可分析尺寸為1微米以下單晶體的結(jié)構(gòu)。

中子衍射分析法　利用中子和構(gòu)成晶體的元素的原子核相互作用產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，通過探測衍射譜的分布位置和強(qiáng)度，對(duì)試樣中晶體物相及其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的技術(shù)。適用于研究輕元素晶體特別是含氫晶體的結(jié)構(gòu)，確定其中氫原子位置。

X射線晶體結(jié)構(gòu)分析法是利用X射線與晶體相互作用產(chǎn)生衍射現(xiàn)象,探測衍射譜的分布位置和強(qiáng)度，進(jìn)行晶體微觀結(jié)構(gòu)分析的技術(shù)。主要有用于測定晶體結(jié)構(gòu)、點(diǎn)陣常數(shù)、晶粒大小，研究晶體內(nèi)應(yīng)力和點(diǎn)陣畸變的多晶體分析方法。

主要有以下幾種：

俄歇電子能譜法(AES) 可根據(jù)測量試樣受激后發(fā)射出來的俄歇電子的固有能譜，對(duì)試樣表面原子的價(jià)態(tài)、結(jié)合狀態(tài)進(jìn)行研究，并通過測量因化學(xué)結(jié)合狀態(tài)，即價(jià)電子變化引起原子內(nèi)殼層能級(jí)變化而出現(xiàn)的俄歇電子能譜的能量和峰的形狀發(fā)生的化學(xué)位移（也稱化學(xué)效應(yīng)），進(jìn)行表面原子的狀態(tài)分析。

電子探針法(EPMA)　當(dāng)直徑約為0.1～1微米的電子束轟擊試樣表面時(shí),原子受激而產(chǎn)生特征X射線譜。通過探測X射線譜的精細(xì)結(jié)構(gòu),如譜的波長、形狀、相對(duì)強(qiáng)度比的變化及產(chǎn)生的體線等，從而確定試樣中元素的化學(xué)狀態(tài)和結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

光電子能譜法　用一定能量的 X射線或光激發(fā)固體表面或氣體分子,通過探測激發(fā)出的光電子的能量,確定試樣表層原子的種類、內(nèi)部電子的各種能級(jí)，獲得電子束縛能、原子的結(jié)合狀態(tài)和電荷分布等電子狀態(tài)的信息。試樣的分析深度一般為5～20埃。

以特征X射線為激發(fā)源的X射線光電子能譜法 (XPS)也稱化學(xué)分析電子能譜法(ESCA)，可通過測定內(nèi)殼層電子能級(jí)譜的化學(xué)位移，確定原子結(jié)合狀態(tài)和電子分布狀態(tài)。能分析試樣表面氫以外元素的化學(xué)組成及價(jià)態(tài)，研究所有電子能級(jí)的能量。

以真空紫外線為激發(fā)源的紫外光電子能譜法 (UPS)，能研究試樣表面價(jià)電子能帶的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其隨反應(yīng)、配位和吸附而產(chǎn)生的變化。

包括以下幾種：

核磁共振波譜法　利用在磁場作用下定向排列的磁性原子核在量子化能態(tài)之間的射頻誘生躍遷獲得的核磁共振波譜，確定出特定的原子核的種類、數(shù)量、位置、排列狀態(tài)，進(jìn)而描繪出分子內(nèi)原子團(tuán)或原子排列順序的分析方法，是通過觀測核子共振頻率偏移，即化學(xué)位移和自旋－自旋耦合常數(shù)與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系進(jìn)行試樣結(jié)構(gòu)分析。

電子自旋共振波譜法　也稱電子順磁共振波譜法，是利用微波輻射對(duì)具有不成對(duì)自旋的電子誘生磁能之間的躍遷，通過靜電場使磁能分裂，以獲得原子分子中的未耦電子及電荷分布、化學(xué)鍵等信息。已成功地應(yīng)用于具有未耦電子的順磁性物質(zhì)的結(jié)構(gòu)研究，如具有奇數(shù)個(gè)電子的原子，內(nèi)電子殼層未被充滿的過渡族元素的離子、具有奇數(shù)個(gè)電子的分子以及固體缺陷中的F中心、V中心等。

紅外光譜法　利用試樣分子和紅外輻射作用吸收其特定波長形成的光譜，確定分子內(nèi)官能團(tuán)和原子的總體結(jié)構(gòu)的分析方法。

熱分析方法　利用試樣在加熱或冷卻過程中產(chǎn)生的吸熱、放熱、增重、減重、膨脹、收縮、軟化、變形以及電導(dǎo)率隨溫度變化的規(guī)律，研究物質(zhì)的物理化學(xué)變化規(guī)律的方法。 常將各種熱分析法獲得的信息與X射線物相分析、電鏡形貌分析和成分分析的結(jié)果綜合對(duì)比，以確定材料的微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。

差熱分析法(DTA) 將待測試樣和一種熱惰性參比物質(zhì)放在同一個(gè)加熱器中，按一定程序改變溫度，當(dāng)達(dá)到某一溫度試樣結(jié)構(gòu)發(fā)生變化引起釋放或吸收能量，從而使其自身溫度與參比物質(zhì)之間產(chǎn)生相應(yīng)的差別，達(dá)到了解試樣結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的溫度范圍、對(duì)應(yīng)該結(jié)構(gòu)變化的吸熱或放熱過程以及結(jié)構(gòu)變化的定量關(guān)系。通過測量整個(gè)溫度區(qū)間熱譜的各種吸熱、放熱特征的數(shù)目、形狀和位置，即可對(duì)試樣的結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行描述。

差示掃描量熱法(DSC) 將待測試樣和熱惰性參比物質(zhì)放在嚴(yán)格控制程序的溫度中，當(dāng)試樣結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，向試樣容器或參比物質(zhì)容器加熱或減熱而使其兩者保持相同溫度，通過測量輸入、取出的熱量及轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度范圍，可以獲得試樣結(jié)構(gòu)變化的定量關(guān)系。

熱重分析法(TGA) 試樣在溫度改變過程中產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變化而引起重量改變,通過溫度-重量關(guān)系曲線獲得材料的化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、反應(yīng)機(jī)理、中間產(chǎn)物及最終產(chǎn)物數(shù)據(jù)的分析方法?？捎糜谘芯拷ㄖ牧霞訜嶂苽溥^程中的脫水、分解、化學(xué)反應(yīng)等規(guī)律。

熱機(jī)械分析法(TMA)　通過測量試樣在溫度變化過程中的膨脹、收縮、軟化、延伸變形規(guī)律，定量描述材料結(jié)構(gòu)變化的分析方法。

電熱分析法(ETA) 通過測量試樣在溫度變化過程中電導(dǎo)率等電氣性能的變化規(guī)律，研究材料結(jié)構(gòu)的分析方法。廣泛用于聚合物結(jié)構(gòu)研究、表面氣體吸附、水分和增塑劑含量及聚合物系統(tǒng)中痕量雜質(zhì)的研究。

測定多孔材料孔徑大小、孔隙體積及其孔徑分布的技術(shù)。常用的孔結(jié)構(gòu)測定方法有水銀壓入法、氣體吸附法和顯微鏡觀測法等。①水銀壓入法，可測定試樣中直徑為 50埃至750微米的孔徑分布。常用的水銀測孔儀有高壓和低壓兩種，可根據(jù)試樣孔徑分布情況選用。壓力為 300兆帕的高壓測孔儀適于測50埃至11微米的孔。壓力為0.15兆帕的低壓測孔儀適于測11～750微米的孔。②氣體吸附法，適于測定直徑小于600埃的孔。③利用光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡，可直接觀察孔隙的形狀和分布狀況。2100433B

設(shè)備條件一定和冶煉鋼種確定時(shí)，澆注工藝是十分重要的。澆注工藝中最重要的兩個(gè)工藝參數(shù)就是澆注溫度與澆注速度。它決定鋼錠的表面質(zhì)量，如冒口的收縮、氣體逸出與夾雜物的上浮、鋼的偏 析、疏松、縮孔等質(zhì)量問題。對(duì)于澆注溫度的確定，一般采用如下公式：

T_澆注=T_{溶點(diǎn)} T_過熱

式中T_澆注——鋼種的液相線溫度;T_{溶點(diǎn)}——包括根據(jù)鋼種決定的澆注最小過熱量。因澆注方法和錠型等因素，要求增減的溫度以及整個(gè)澆注過程中鋼液的溫度下降值;T_過熱——開澆時(shí)鋼液溫度。

一些高合金模具鋼的澆注，一般都采用低溫快注的原則，以減少鋼中的偏析和疏松，出鋼溫度控制在高于鋼的熔點(diǎn)80℃～100℃，根據(jù)鋼種、錠型和鋼包的大小而定。澆注速度是與澆注溫度密不可分的，通常用 “高溫慢注”與“低溫快注”，必須根據(jù)注溫調(diào)節(jié)注速。如注速過快，相當(dāng)于提高了澆注溫度，因?yàn)橥粫r(shí)間內(nèi)帶入鋼錠模內(nèi)的熱量增加，整個(gè)鋼錠的凝固 時(shí)間延長，成分偏析嚴(yán)重，夾雜物增加，氣體也不易排出，還可能出現(xiàn)翻皮缺陷。另外，在模具鋼的澆注過程中，一定要注意補(bǔ)縮。至于補(bǔ)縮的時(shí)間與錠型、鋼種等有關(guān)系。