水泥石微結(jié)構(gòu)電子顯微鏡虛擬仿真觀測實驗教學(xué)研究

張洪智 葛智 許振浩 肖一冰 凌一峰 林鵬

摘? 要：水泥混凝土材料微結(jié)構(gòu)與宏觀性能的關(guān)聯(lián)是土木工程材料課程教學(xué)的重點和難點。當(dāng)前，材料微結(jié)構(gòu)觀測實驗存在設(shè)備昂貴、線下教學(xué)資源有限、樣品制備難等問題，難以面向本科教學(xué)開展線下實驗教學(xué)，導(dǎo)致學(xué)生對材料微結(jié)構(gòu)及微結(jié)構(gòu)-宏觀性能關(guān)系理解不深入?；诖?，開發(fā)電子顯微鏡虛擬仿真微觀結(jié)構(gòu)實驗平臺，設(shè)計鞏固理論知識與訓(xùn)練實踐能力相結(jié)合的虛擬觀測實驗項目，通過材料宏觀性能與微觀結(jié)構(gòu)的對比，幫助學(xué)生更加深入理解水泥基材料的特性，建立知識體系，提高本科人才培養(yǎng)質(zhì)量和實踐創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：實驗教學(xué)；虛擬仿真；微觀結(jié)構(gòu)觀測；水泥混凝土；知識體系

中圖分類號：G640? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）11-0048-06

Abstract： The correlation between microstructure and macroscopic properties of cement and concrete materials is the focus and difficulty of teaching Civil Engineering Materials courses. Currently， the observation experiment of material microstructure has problems such as expensive equipment， limited offline teaching resources， difficult sample preparation， etc. It is difficult to carry out offline experimental teaching for undergraduate teaching， which leads to students' lack of in-depth understanding of the microstructure of materials and the relationship between the microstructure and macroscopic properties. Based on this， we develop electron microscope virtual simulation microstructure experimental platform， design consolidation of theoretical knowledge and training of practical ability of the virtual observation of the experimental projects. Through the comparison of the macro performance of the material and the microstructure， wehelp students more in-depth understanding of the characteristics of the cementitious materials， the establishment of the knowledge system， to improve the quality of undergraduate personnel training and practical innovation ability.

Keywords： experimental teaching; virtual simulation; microstructure observation; cement concrete; knowledge system

土木工程材料是土木工程專業(yè)學(xué)生的專業(yè)必修課程，其詳細(xì)介紹了主要工程所需材料的基本物理性能、技術(shù)指標(biāo)及相應(yīng)的實驗方法等[1-2]。作為用量最大的建筑材料，水泥混凝土是課程講授的重點。授課過程中重要知識點較為抽象，多為化學(xué)公式，難理解，傳統(tǒng)的講授模式不利于學(xué)生對于知識點的掌握。

通過觀測水泥材料微結(jié)構(gòu)的變化，結(jié)合課本上的化學(xué)公式以及宏觀性能，建立微結(jié)構(gòu)與宏觀性能的聯(lián)系，能夠有效解決上述問題。然而，水泥材料微結(jié)構(gòu)觀測所需的精密設(shè)備貴重、數(shù)量較少且操作人數(shù)受限，難以承擔(dān)學(xué)生基數(shù)較大的教學(xué)任務(wù)[3-6]。雖然清華大學(xué)、浙江大學(xué)及廈門大學(xué)等高校聯(lián)合自主研發(fā)大型試驗儀器網(wǎng)絡(luò)共享平臺提高了設(shè)備利用率并對學(xué)生教學(xué)方式的改革提供示范作用[7-8]，但仍難從根本上解決上述問題。西南石油大學(xué)[9]通過3D模型及Flash動畫模擬掃描電鏡運動及觀測過程，有效提高了掃描電鏡實驗課質(zhì)量，解決學(xué)生動手操作時間少、實驗要求高等問題。

本文針對土木工程材料課程教學(xué)現(xiàn)狀，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)搭建掃描電鏡實驗仿真操作系統(tǒng)，使學(xué)生可以自主設(shè)計實驗方案并選擇樣品在虛擬界面上進行實驗，觀測樣品的微觀結(jié)構(gòu)及組成。結(jié)合宏觀力學(xué)性能實驗，建立材料組成-結(jié)構(gòu)-性能相關(guān)聯(lián)的知識框架體系，幫助學(xué)生理解課程難點。

一? 掃描電鏡（SEM）原理

掃描電鏡技術(shù)是一種利用試樣表面物質(zhì)性能成像的微觀形貌觀測手段，具有放大倍數(shù)高、景深大、成像立體感強及試樣制備簡單等特點，是水泥基材料領(lǐng)域最常用的分析工具。

SEM的工作原理如圖1所示，利用電子透鏡將一個電子束斑縮小到納米級尺寸，利用偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)使電子束在樣品上做光柵掃描，通過電子束的掃描激發(fā)出次級電子和其他物理信息，經(jīng)探測器收集后成為信號，調(diào)制一個同步掃描的顯像管的亮度，顯示出圖像[10-11]。

圖1? 掃描電鏡工作原理

二次電子來自表面5～10 nm的區(qū)域，能量較低。二次電子對試樣表面狀態(tài)非常敏感，因此能有效地顯示試樣表面的微觀形貌。二次電子的分辨率較高，一般可達5～10 nm。二次電子產(chǎn)額隨原子序數(shù)的變化不大，主要取決于試樣表面形貌[11]。背反射電子是被固體樣品原子反射回來的一部分入射電子，包括彈性背反射電子和非彈性背反射電子。背反射電子產(chǎn)生的深度范圍在100 nm～1 mm之間。背反射電子束成像分辨率一般為50～200 nm[11]。用于測定X-射線特征能量的譜儀稱為能量分散譜儀（EDS），簡稱能譜[11]。

二? 掃描電鏡虛擬仿真微觀結(jié)構(gòu)實驗課程的開展

（一）? 課程目標(biāo)及內(nèi)容體系建立

課程擬建立“學(xué)位中心”的教學(xué)體系，針對水泥水化過程產(chǎn)生的水化產(chǎn)物、礦物摻合料作用機理以及混凝土劣化過程等一系列問題，設(shè)計鞏固理論知識與訓(xùn)練實踐能力相結(jié)合的虛擬觀測試驗項目，通過材料宏觀性能與微觀結(jié)構(gòu)的對比，幫助學(xué)生更加深入理解水泥基材料的特性，建立知識體系。

（二）? 實驗平臺搭建及實驗簡介

電子顯微技術(shù)的土木工程材料微結(jié)構(gòu)觀測虛擬仿真實驗平臺的初步建設(shè)，通過高還原度的虛擬仿真技術(shù)，可以完整地呈現(xiàn)電子顯樣品制備、觀測實際環(huán)境，例如背散射圖像、二次電子圖像和能譜信息的樣品制備、測試及分析過程，即使學(xué)生無法到達現(xiàn)場，通過虛擬仿真技術(shù)的交互性特點，也可以給學(xué)生完整的實踐體驗。

用戶登錄實驗軟件后，主界面顯示三個板塊內(nèi)容，包括理論認(rèn)知、教學(xué)實操及綜合考核部分。

理論知識學(xué)習(xí)。如圖2所示，學(xué)生進入虛擬仿真實驗平臺后，點擊理論認(rèn)知板塊。該板塊主要總結(jié)概括了實驗操作所需的理論知識，主要包括掃描電鏡成像、硅酸鹽水泥的組成材料與生產(chǎn)工藝、硅酸鹽水泥的水化硬化過程、摻加硅酸鹽水泥的凝結(jié)硬化特征及硬化硅酸鹽水泥漿體的腐蝕等幾個部分。對于傳統(tǒng)的理論知識由教師進行傳授，轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生自主完成學(xué)習(xí)，通過線上考核，有效掌握實驗前的理論準(zhǔn)備工作。

實驗教學(xué)實操。如圖3和圖4所示，在實驗理論知識準(zhǔn)備工作進行完畢后，學(xué)生點擊教學(xué)實操板塊，依次進行樣品制備、顯微鏡開機、樣品放入、微觀觀測、能譜觀測及顯微鏡關(guān)機等六個實驗環(huán)節(jié)。

完成樣品準(zhǔn)備工作后，根據(jù)提示移動至掃描電鏡操作臺前，打開主機，啟動觀測程序軟件以及能譜觀測分析軟件，完成掃描電鏡開機步驟。根據(jù)提示進行樣品放入環(huán)節(jié)，打開觀測程序，完成觀測前的啟動步驟。

微觀測試階段，首先閱讀掃描方式，選擇合適的觀測模式進行觀測，通過主機旋鈕多次調(diào)節(jié)，直至圖像清晰，點擊調(diào)整后的畫面，保存圖片文件。

能譜觀測階段，查看整體元素分布概況，切換頁面查看具體分析情況。完成一系列操作后，關(guān)閉掃描電鏡，完成所有觀測步驟。通過實驗操作，學(xué)生可以清晰直觀掌握水泥原材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)的顆粒狀態(tài)，有助于提升學(xué)生對于課堂理論知識的理解。

學(xué)生可以選擇多種不同樣品進行制備，對于不同樣品對應(yīng)的不同電鏡掃描圖像進行多次觀測，全面掌握材料微觀結(jié)構(gòu)，并與宏觀實驗相結(jié)合，建立材料組成-結(jié)構(gòu)-性能的知識框架體系。

綜合考核。根據(jù)前兩個板塊的學(xué)習(xí)與操作，對學(xué)生整體掌握程度進行全面考查，通過理論知識與實驗操作相結(jié)合的模式，進行虛擬實驗，真實模擬具體實驗。教師直觀了解學(xué)生對相關(guān)知識點及實驗操作的掌握情況，及時進行反饋改進。

（三）? 掃描電鏡微觀結(jié)構(gòu)實驗過程

1? SE模式下水泥水化產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)形貌

水泥水化是一個復(fù)雜、非均質(zhì)的多相化學(xué)反應(yīng)過程。掌握水化產(chǎn)物微觀形貌對于理解水泥凝結(jié)硬化過程具有重要意義。常見的水泥水化產(chǎn)物微觀結(jié)構(gòu)形貌如圖5所示。

圖5（a）為水化硅酸鈣（C-S-H）。它是硅酸鹽水泥的主要水化產(chǎn)物，是水泥基復(fù)合材料最主要的強度來源。C-S-H凝膠呈層狀結(jié)構(gòu)，微觀形貌為結(jié)晶性較差的纖維狀物體，并且化學(xué)組成不固定，其形態(tài)隨鈣離子濃度、溫度、使用外加劑的種類等因素的不同發(fā)生變化。

圖5（b）為氫氧化鈣（CH），約占硬化硅酸鹽水泥漿體體積的20%～25%，其表面積較小，強度較弱，是硬化硅酸鹽水泥漿體強度低和耐久性差的主要原因，其微觀形貌與天然羥鈣石類似，呈六方片狀。

圖5（c）為鈣礬石（AFt），占硬化硅酸鹽水泥漿體體積的15%～20%，水化反應(yīng)先生成鈣礬石，后轉(zhuǎn)化為單硫型硫鋁酸鈣，前者是針棒狀晶體，后者是六方片狀晶體，兩者強度均不高。

2? SE模式下水泥原材料及礦物摻合料微觀結(jié)構(gòu)形貌

當(dāng)前水泥消耗量巨大，由此產(chǎn)生的碳排量很高，利用工業(yè)固廢部分替代傳統(tǒng)水泥成為一種趨勢。實驗課程讓學(xué)生對常用工業(yè)固廢礦物摻合料微觀結(jié)構(gòu)形貌進行觀測，并進行EDS分析。圖6為使用掃描電鏡觀測不同樣品的典型微觀結(jié)構(gòu)圖像及元素含量情況。

粉煤灰是燃煤電廠排出產(chǎn)生的工業(yè)廢棄物，其主要為煤燃燒后的細(xì)灰，微觀上多為實心玻璃球狀，也有少量空心球體存在，大球體內(nèi)部包含小球的稱為子母球。因為粉煤灰內(nèi)部含有較多的二氧化硅及氧化鋁等物質(zhì)，EDS能譜顯示O、Si、Al元素有較高的峰。礦渣為高爐煉鐵過程中的工業(yè)副產(chǎn)品，作為潛在水硬性材料，含有較多的CaO，對應(yīng)EDS圖6（b）中Ca有較高峰，經(jīng)水淬后多為非晶質(zhì)玻璃體，同時礦渣也含有較多的二氧化硅及氧化鋁等氧化物。

3? BSE模式下硬化水泥漿體空間微觀成分分析

采用BSE模式對硬化硅酸鹽水泥漿體及復(fù)摻水泥漿體進行觀測。圖7至圖9分別為不同齡期硬化硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥的BSE成像結(jié)果。

通過灰度值區(qū)分不同物相。硬化硅酸鹽水泥漿體可歸為4類物相，由暗到亮依次為孔隙及裂縫、C-S-H凝膠、氫氧化鈣（CH）和未水化的水泥顆粒。

圖8為硬化粉煤灰水泥漿體的BSE圖像。具有圓形截面的粉煤灰夾雜在硬化水泥漿體中。圖9為硬化礦渣水泥漿體的BSE成像結(jié)果。礦渣呈不規(guī)則形狀，灰度值略高于未水化水泥顆粒。反應(yīng)1年后，硬化水泥漿體中仍含有大量未反應(yīng)的粉煤灰及礦渣，可見粉煤灰、礦渣的反應(yīng)速率較慢，這也是摻入粉煤灰和礦粉后，水泥早期強度降低的主要原因。

4? 硫酸鹽侵蝕

含硫酸鹽的海水、湖水、地下水及工業(yè)污水，長期與硬化水泥漿體接觸時，發(fā)生腐蝕作用，造成材料服役性能降低。腐蝕過程如下式所示

氫氧化鈣的存在是造成石膏產(chǎn)生，硬化水泥漿體體系出現(xiàn)體積膨脹的主要原因。同時，硬化水泥漿體體系本身存在孔隙及縫隙，各種外界通道使得腐蝕性物質(zhì)進入體系內(nèi)部，出現(xiàn)腐蝕。

學(xué)生通過仿真平臺對硫酸鹽溶液中浸泡半年的硬化硅酸鹽水泥進行觀測，得到如圖10所示結(jié)果。圖10中觀測到大量石膏和鈣礬石，其體積大于原有水化產(chǎn)物，導(dǎo)致結(jié)晶壓力增大，造成開裂，進而導(dǎo)致硬化水泥漿體強度降低。

三? 實驗課程創(chuàng)新成果

結(jié)合理論教學(xué)，增加基于虛擬仿真實驗平臺的實驗課程能夠有效豐富課程內(nèi)容，幫助學(xué)生更加深入理解課程知識?？偨Y(jié)優(yōu)點主要有以下幾個方面。

（一）? 實驗內(nèi)容多元化

不同學(xué)生群體對于課程學(xué)習(xí)的深度不同，虛擬仿真平臺可以提供多元實驗內(nèi)容，學(xué)生可根據(jù)自身情況進行針對性學(xué)習(xí)，滿足不同學(xué)習(xí)能力、學(xué)習(xí)興趣的學(xué)生，完善本科生人才培養(yǎng)質(zhì)量，提升本科生的實踐動手能力。

（二）? 實驗過程清晰化

傳統(tǒng)實驗課程存在學(xué)生人數(shù)較多，課程時間較少的情況。課堂中老師進行實驗教學(xué)時，無法滿足所有學(xué)生近距離直觀學(xué)習(xí)。虛擬仿真平臺的建立，使各個實驗步驟完整清晰地展示給每一位同學(xué)，保證學(xué)生學(xué)會如何進行實驗操作。

（三）? 課程評價科學(xué)化

虛擬仿真實驗平臺通過線上綜合測評，對學(xué)生的實驗學(xué)習(xí)情況以及知識認(rèn)知程度有一個直觀、全面的評價，對學(xué)生存在的疑惑以及重點問題提出針對措施。

（四）? 實驗教學(xué)智能化

基于可共享虛擬仿真實驗教學(xué)項目資源，解決土木工程材料本科教學(xué)中面臨的問題，匹配設(shè)計微結(jié)構(gòu)觀測實驗教學(xué)內(nèi)容與教案，與線下宏觀力學(xué)實驗和理論教學(xué)結(jié)合，搭建虛實結(jié)合的土木工程材料實驗課程內(nèi)容體