水泥石微结构电子显微镜虚拟仿真观测实验教学研究

张洪智 葛智 许振浩 肖一冰 凌一峰 林鹏

摘  要：水泥混凝土材料微结构与宏观性能的关联是土木工程材料课程教学的重点和难点。当前，材料微结构观测实验存在设备昂贵、线下教学资源有限、样品制备难等问题，难以面向本科教学开展线下实验教学，导致学生对材料微结构及微结构-宏观性能关系理解不深入。基于此，开发电子显微镜虚拟仿真微观结构实验平台，设计巩固理论知识与训练实践能力相结合的虚拟观测实验项目，通过材料宏观性能与微观结构的对比，帮助学生更加深入理解水泥基材料的特性，建立知识体系，提高本科人才培养质量和实践创新能力。

关键词：实验教学；虚拟仿真；微观结构观测；水泥混凝土；知识体系

中图分类号：G640      文献标志码：A          文章编号：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专业学生的专业必修课程，其详细介绍了主要工程所需材料的基本物理性能、技术指标及相应的实验方法等[1-2]。作为用量最大的建筑材料，水泥混凝土是课程讲授的重点。授课过程中重要知识点较为抽象，多为化学公式，难理解，传统的讲授模式不利于学生对于知识点的掌握。

通过观测水泥材料微结构的变化，结合课本上的化学公式以及宏观性能，建立微结构与宏观性能的联系，能够有效解决上述问题。然而，水泥材料微结构观测所需的精密设备贵重、数量较少且操作人数受限，难以承担学生基数较大的教学任务[3-6]。虽然清华大学、浙江大学及厦门大学等高校联合自主研发大型试验仪器网络共享平台提高了设备利用率并对学生教学方式的改革提供示范作用[7-8]，但仍难从根本上解决上述问题。西南石油大学[9]通过3D模型及Flash动画模拟扫描电镜运动及观测过程，有效提高了扫描电镜实验课质量，解决学生动手操作时间少、实验要求高等问题。

本文针对土木工程材料课程教学现状，利用虚拟现实技术搭建扫描电镜实验仿真操作系统，使学生可以自主设计实验方案并选择样品在虚拟界面上進行实验，观测样品的微观结构及组成。结合宏观力学性能实验，建立材料组成-结构-性能相关联的知识框架体系，帮助学生理解课程难点。

一  扫描电镜（SEM）原理

扫描电镜技术是一种利用试样表面物质性能成像的微观形貌观测手段，具有放大倍数高、景深大、成像立体感强及试样制备简单等特点，是水泥基材料领域最常用的分析工具。

SEM的工作原理如图1所示，利用电子透镜将一个电子束斑缩小到纳米级尺寸，利用偏转系统使电子束在样品上做光栅扫描，通过电子束的扫描激发出次级电子和其他物理信息，经探测器收集后成为信号，调制一个同步扫描的显像管的亮度，显示出图像[10-11]。

图1  扫描电镜工作原理

二次电子来自表面5～10 nm的区域，能量较低。二次电子对试样表面状态非常敏感，因此能有效地显示试样表面的微观形貌。二次电子的分辨率较高，一般可达5～10 nm。二次电子产额随原子序数的变化不大，主要取决于试样表面形貌[11]。背反射电子是被固体样品原子反射回来的一部分入射电子，包括弹性背反射电子和非弹性背反射电子。背反射电子产生的深度范围在100 nm～1 mm之间。背反射电子束成像分辨率一般为50～200 nm[11]。用于测定X-射线特征能量的谱仪称为能量分散谱仪（EDS），简称能谱[11]。

二  扫描电镜虚拟仿真微观结构实验课程的开展

（一）  课程目标及内容体系建立

课程拟建立“学位中心”的教学体系，针对水泥水化过程产生的水化产物、矿物掺合料作用机理以及混凝土劣化過程等一系列问题，设计巩固理论知识与训练实践能力相结合的虚拟观测试验项目，通过材料宏观性能与微观结构的对比，帮助学生更加深入理解水泥基材料的特性，建立知识体系。

（二）  实验平台搭建及实验简介

电子显微技术的土木工程材料微结构观测虚拟仿真实验平台的初步建设，通过高还原度的虚拟仿真技术，可以完整地呈现电子显样品制备、观测实际环境，例如背散射图像、二次电子图像和能谱信息的样品制备、测试及分析过程，即使学生无法到达现场，通过虚拟仿真技术的交互性特点，也可以给学生完整的实践体验。

用户登录实验软件后，主界面显示三个板块内容，包括理论认知、教学实操及综合考核部分。

理论知识学习。如图2所示，学生进入虚拟仿真实验平台后，点击理论认知板块。该板块主要总结概括了实验操作所需的理论知识，主要包括扫描电镜成像、硅酸盐水泥的组成材料与生产工艺、硅酸盐水泥的水化硬化过程、掺加硅酸盐水泥的凝结硬化特征及硬化硅酸盐水泥浆体的腐蚀等几个部分。对于传统的理论知识由教师进行传授，转变为学生自主完成学习，通过线上考核，有效掌握实验前的理论准备工作。

实验教学实操。如图3和图4所示，在实验理论知识准备工作进行完毕后，学生点击教学实操板块，依次进行样品制备、显微镜开机、样品放入、微观观测、能谱观测及显微镜关机等六个实验环节。

完成样品准备工作后，根据提示移动至扫描电镜操作台前，打开主机，启动观测程序软件以及能谱观测分析软件，完成扫描电镜开机步骤。根据提示进行样品放入环节，打开观测程序，完成观测前的启动步骤。

微观测试阶段，首先阅读扫描方式，选择合适的观测模式进行观测，通过主机旋钮多次调节，直至图像清晰，点击调整后的画面，保存图片文件。

能谱观测阶段，查看整体元素分布概况，切换页面查看具体分析情况。完成一系列操作后，关闭扫描电镜，完成所有观测步骤。通过实验操作，学生可以清晰直观掌握水泥原材料的细观结构的颗粒状态，有助于提升学生对于课堂理论知识的理解。

学生可以选择多种不同样品进行制备，对于不同样品对应的不同电镜扫描图像进行多次观测，全面掌握材料微观结构，并与宏观实验相结合，建立材料组成-结构-性能的知识框架体系。

综合考核。根据前两个板块的学习与操作，对学生整体掌握程度进行全面考查，通过理论知识与实验操作相结合的模式，进行虚拟实验，真实模拟具体实验。教师直观了解学生对相关知识点及实验操作的掌握情况，及时进行反馈改进。

（三）  扫描电镜微观结构实验过程

1  SE模式下水泥水化产物的微观结构形貌

水泥水化是一个复杂、非均质的多相化学反应过程。掌握水化产物微观形貌对于理解水泥凝结硬化过程具有重要意义。常见的水泥水化产物微观结构形貌如图5所示。

图5（a）为水化硅酸钙（C-S-H）。它是硅酸盐水泥的主要水化产物，是水泥基复合材料最主要的强度来源。C-S-H凝胶呈层状结构，微观形貌为结晶性较差的纤维状物体，并且化学组成不固定，其形态随钙离子浓度、温度、使用外加剂的种类等因素的不同发生变化。

图5（b）为氢氧化钙（CH），约占硬化硅酸盐水泥浆体体积的20%～25%，其表面积较小，强度较弱，是硬化硅酸盐水泥浆体强度低和耐久性差的主要原因，其微观形貌与天然羟钙石类似，呈六方片状。

图5（c）为钙矾石（AFt），占硬化硅酸盐水泥浆体体积的15%～20%，水化反应先生成钙矾石，后转化为单硫型硫铝酸钙，前者是针棒状晶体，后者是六方片状晶体，两者强度均不高。

2  SE模式下水泥原材料及矿物掺合料微观结构形貌

当前水泥消耗量巨大，由此产生的碳排量很高，利用工业固废部分替代传统水泥成为一种趋势。实验课程让学生对常用工业固废矿物掺合料微观结构形貌进行观测，并进行EDS分析。图6为使用扫描电镜观测不同样品的典型微观结构图像及元素含量情况。

粉煤灰是燃煤电厂排出产生的工业废弃物，其主要为煤燃烧后的细灰，微观上多为实心玻璃球状，也有少量空心球体存在，大球体内部包含小球的称为子母球。因为粉煤灰内部含有较多的二氧化硅及氧化铝等物质，EDS能谱显示O、Si、Al元素有较高的峰。矿渣为高炉炼铁过程中的工业副产品，作为潜在水硬性材料，含有较多的CaO，对应EDS图6（b）中Ca有较高峰，经水淬后多为非晶质玻璃体，同时矿渣也含有较多的二氧化硅及氧化铝等氧化物。

3  BSE模式下硬化水泥浆体空间微观成分分析

采用BSE模式对硬化硅酸盐水泥浆体及复掺水泥浆体进行观测。图7至图9分别为不同龄期硬化硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥的BSE成像结果。

通过灰度值区分不同物相。硬化硅酸盐水泥浆体可归为4类物相，由暗到亮依次为孔隙及裂缝、C-S-H凝胶、氢氧化钙（CH）和未水化的水泥颗粒。

图8为硬化粉煤灰水泥浆体的BSE图像。具有圆形截面的粉煤灰夹杂在硬化水泥浆体中。图9为硬化矿渣水泥浆体的BSE成像结果。矿渣呈不规则形状，灰度值略高于未水化水泥颗粒。反应1年后，硬化水泥浆体中仍含有大量未反应的粉煤灰及矿渣，可见粉煤灰、矿渣的反应速率较慢，这也是掺入粉煤灰和矿粉后，水泥早期强度降低的主要原因。

4  硫酸盐侵蚀

含硫酸盐的海水、湖水、地下水及工业污水，长期与硬化水泥浆体接触时，发生腐蚀作用，造成材料服役性能降低。腐蚀过程如下式所示

氢氧化钙的存在是造成石膏产生，硬化水泥浆体体系出现体积膨胀的主要原因。同时，硬化水泥浆体体系本身存在孔隙及缝隙，各种外界通道使得腐蚀性物质进入体系内部，出现腐蚀。

学生通过仿真平台对硫酸盐溶液中浸泡半年的硬化硅酸盐水泥进行观测，得到如图10所示结果。图10中观测到大量石膏和钙矾石，其体积大于原有水化产物，导致结晶压力增大，造成开裂，进而导致硬化水泥浆体强度降低。

三  实验课程创新成果

结合理论教学，增加基于虚拟仿真实验平台的实验课程能够有效丰富课程内容，帮助学生更加深入理解课程知识。总结优点主要有以下几个方面。

（一）  实验内容多元化

不同学生群体对于课程学习的深度不同，虚拟仿真平台可以提供多元实验内容，学生可根据自身情况进行针对性学习，满足不同学习能力、学习兴趣的学生，完善本科生人才培养质量，提升本科生的实践动手能力。

（二）  实验过程清晰化

传统实验课程存在学生人数较多，课程时间较少的情况。课堂中老师进行实验教学时，无法满足所有学生近距离直观学习。虚拟仿真平台的建立，使各个实验步骤完整清晰地展示给每一位同学，保证学生学会如何进行实验操作。

（三）  课程评价科学化

虚拟仿真实验平台通过线上综合测评，对学生的实验学习情况以及知识认知程度有一个直观、全面的评价，对学生存在的疑惑以及重点问题提出针对措施。

（四）  实验教学智能化

基于可共享虚拟仿真实验教学项目资源，解决土木工程材料本科教学中面临的问题，匹配设计微结构观测实验教学内容与教案，与线下宏觀力学实验和理论教学结合，搭建虚实结合的土木工程材料实验课程内容体