水泥石微結構電子顯微鏡虛擬仿真觀測實驗教學研究

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構與宏觀性能的關聯是土木工程材料課程教學的重點和難點。當前，材料微結構觀測實驗存在設備昂貴、線下教學資源有限、樣品制備難等問題，難以面向本科教學開展線下實驗教學，導致學生對材料微結構及微結構-宏觀性能關系理解不深入?；诖耍_發電子顯微鏡虛擬仿真微觀結構實驗平臺，設計鞏固理論知識與訓練實踐能力相結合的虛擬觀測實驗項目，通過材料宏觀性能與微觀結構的對比，幫助學生更加深入理解水泥基材料的特性，建立知識體系，提高本科人才培養質量和實踐創新能力。

關鍵詞：實驗教學；虛擬仿真；微觀結構觀測；水泥混凝土；知識體系

中圖分類號：G640? ? ? 文獻標志碼：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學生的專業必修課程，其詳細介紹了主要工程所需材料的基本物理性能、技術指標及相應的實驗方法等[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，多為化學公式，難理解，傳統的講授模式不利于學生對于知識點的掌握。

通過觀測水泥材料微結構的變化，結合課本上的化學公式以及宏觀性能，建立微結構與宏觀性能的聯系，能夠有效解決上述問題。然而，水泥材料微結構觀測所需的精密設備貴重、數量較少且操作人數受限，難以承擔學生基數較大的教學任務[3-6]。雖然清華大學、浙江大學及廈門大學等高校聯合自主研發大型試驗儀器網絡共享平臺提高了設備利用率并對學生教學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[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量，解決學生動手操作時間少、實驗要求高等問題。

本文針對土木工程材料課程教學現狀，利用虛擬現實技術搭建掃描電鏡實驗仿真操作系統，使學生可以自主設計實驗方案并選擇樣品在虛擬界面上進行實驗，觀測樣品的微觀結構及組成。結合宏觀力學性能實驗，建立材料組成-結構-性能相關聯的知識框架體系，幫助學生理解課程難點。

一? 掃描電鏡（SEM）原理

掃描電鏡技術是一種利用試樣表面物質性能成像的微觀形貌觀測手段，具有放大倍數高、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，利用偏轉系統使電子束在樣品上做光柵掃描，通過電子束的掃描激發出次級電子和其他物理信息，經探測器收集后成為信號，調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的區域，能量較低。二次電子對試樣表面狀態非常敏感，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。二次電子產額隨原子序數的變化不大，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構實驗課程的開展

（一）? 課程目標及內容體系建立

課程擬建立“學位中心”的教學體系，針對水泥水化過程產生的水化產物、礦物摻合料作用機理以及混凝土劣化過程等一系列問題，設計鞏固理論知識與訓練實踐能力相結合的虛擬觀測試驗項目，通過材料宏觀性能與微觀結構的對比，幫助學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

電子顯微技術的土木工程材料微結構觀測虛擬仿真實驗平臺的初步建設，通過高還原度的虛擬仿真技術，可以完整地呈現電子顯樣品制備、觀測實際環境，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，即使學生無法到達現場，通過虛擬仿真技術的交互性特點，也可以給學生完整的實踐體驗。

用戶登錄實驗軟件后，主界面顯示三個板塊內容，包括理論認知、教學實操及綜合考核部分。

理論知識學習。如圖2所示，學生進入虛擬仿真實驗平臺后，點擊理論認知板塊。該板塊主要總結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工藝、硅酸鹽水泥的水化硬化過程、摻加硅酸鹽水泥的凝結硬化特征及硬化硅酸鹽水泥漿體的腐蝕等幾個部分。對于傳統的理論知識由教師進行傳授，轉變為學生自主完成學習，通過線上考核，有效掌握實驗前的理論準備工作。

實驗教學實操。如圖3和圖4所示，在實驗理論知識準備工作進行完畢后，學生點擊教學實操板塊，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機等六個實驗環節。

完成樣品準備工作后，根據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。根據提示進行樣品放入環節，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節，直至圖像清晰，點擊調整后的畫面，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，關閉掃描電鏡，完成所有觀測步驟。通過實驗操作，學生可以清晰直觀掌握水泥原材料的細觀結構的顆粒狀態，有助于提升學生對于課堂理論知識的理解。

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

綜合考核。根據前兩個板塊的學習與操作，對學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。教師直觀了解學生對相關知識點及實驗操作的掌握情況，及時進行反饋改進。

（三）? 掃描電鏡微觀結構實驗過程

1? SE模式下水泥水化產物的微觀結構形貌

水泥水化是一個復雜、非均質的多相化學反應過程。掌握水化產物微觀形貌對于理解水泥凝結硬化過程具有重要意義。常見的水泥水化產物微觀結構形貌如圖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物，是水泥基復合材料最主要的強度來源。C-S-H凝膠呈層狀結構，微觀形貌為結晶性較差的纖維狀物體，并且化學組成不固定，其形態隨鈣離子濃度、溫度、使用外加劑的種類等因素的不同發生變化。

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%，水化反應先生成鈣礬石，后轉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構形貌

當前水泥消耗量巨大，由此產生的碳排量很高，利用工業固廢部分替代傳統水泥成為一種趨勢。實驗課程讓學生對常用工業固廢礦物摻合料微觀結構形貌進行觀測，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構圖像及元素含量情況。

粉煤灰是燃煤電廠排出產生的工業廢棄物，其主要為煤燃燒后的細灰，微觀上多為實心玻璃球狀，也有少量空心球體存在，大球體內部包含小球的稱為子母球。因為粉煤灰內部含有較多的二氧化硅及氧化鋁等物質，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副產品，作為潛在水硬性材料，含有較多的CaO，對應EDS圖6（b）中Ca有較高峰，經水淬后多為非晶質玻璃體，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成像結果。

通過灰度值區分不同物相。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成像結果。礦渣呈不規則形狀，灰度值略高于未水化水泥顆粒。反應1年后，硬化水泥漿體中仍含有大量未反應的粉煤灰及礦渣，可見粉煤灰、礦渣的反應速率較慢，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、地下水及工業污水，長期與硬化水泥漿體接觸時，發生腐蝕作用，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生，硬化水泥漿體體系出現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進入體系內部，出現腐蝕。

學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物，導致結晶壓力增大，造成開裂，進而導致硬化水泥漿體強度降低。

三? 實驗課程創新成果

結合理論教學，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容，幫助學生更加深入理解課程知識?？偨Y優點主要有以下幾個方面。

（一）? 實驗內容多元化

不同學生群體對于課程學習的深度不同，虛擬仿真平臺可以提供多元實驗內容，學生可根據自身情況進行針對性學習，滿足不同學習能力、學習興趣的學生，完善本科生人才培養質量，提升本科生的實踐動手能力。

（二）? 實驗過程清晰化

傳統實驗課程存在學生人數較多，課程時間較少的情況。課堂中老師進行實驗教學時，無法滿足所有學生近距離直觀學習。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，保證學生學會如何進行實驗操作。

（三）? 課程評價科學化

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

（四）? 實驗教學智能化

基于可共享虛擬仿真實驗教學項目資源，解決土木工程材料本科教學中面臨的問題，匹配設計微結構觀測實驗教學內容與教案，與線下宏觀力學實驗和理論教學結合，搭建虛實結合的土木工程材料實驗課程內容體