2024年5月13日发(作者：郦晓莉)
第
35
卷第
5
期
科技通报
Vol.35
No.5
2019
年
5
月
BULLETIN
OF
SCIENCE
AND
TECHNOLOGY
May
2019
基于原子力显微镜
PeakForce
QNM
模式下的水泥
基材料微区力学性能研究
罗晓雷
，
施韬
*
*
，
顾元
(浙江工业大学建筑工程学院
，
杭州
310023)
摘要:基于原子力显微镜中峰值力纳米尺度力学性能定量表征模式,对水泥净浆和砂浆等材料在微区的力学性
能进行了分析测试研究,研究结果显示:
PF-QNM
对于表征水泥基材料微纳结构下的力学性能具有良好的效果
。
它
对测试的环境要求不高
，
在测试的时候对材料的表面没有损伤
，
可以很容易的获取高分辨率图像并进行统计分析
，
测试的结果来源于面扫描而获得的大量数据
，
结果的可靠性大大增强
。
上述这些情况都优于纳米压痕的测试方
法
。
唯一比较困难的方面是该测试对于试样表面的平整度要求较高
，
但是纳米压痕技术也有同样的问题
。
PF-
QNM
模式也优于
AFM
—
般的成像模式
。
在
AFM
普通的接触模式或轻敲模式下
，
只能获得材料表面的形貌信息
，
但是PF-QNM
不仅能够获得形貌信息
，
还可以同时获取杨氏模量
、
粘附力
、
变形
、
能量耗散等信息
，
研究效率显然优
于前者
。
验结果显示
,PF-QNM
不仅可以测试水泥浆体的力学性能
，
也能够对材料的界面区域进行研究
，
包括界面
区域力学性能的变化
、
界面区域的范围等
。
在测试的过程中,需注意的是测试范围大小的设定
。
测试范围如太小
，
则不具有代表性,测试范围太大
，
则测试结果缺乏稳定性
。
建议的测试范围是
10~30
“
m
。
关键词
：
PeakForce
；
QNM
；
原子力显微镜
；
水泥;砂浆
；杨氏模量
；
界面
；
微纳结构
中图分类号:
TU502
汀
B33
文献标识码
：
A
文章编号
：
1001-7119(2019)05-0159-08
D01
：
10.
13774/.2O19.
05.
031
Research
on
Local
Mechanical
Properties
of
Cement-based
Materials
Based
on
PeakForce
QNM
Mode
Luo
Xiaolei
,
Shi
Tao
*
,
Gu
Yuan
(
College
of
Civil
Engineering
and
Architecture
,
Zhejiang
University
of
Technology
,
Hangzhou
310023
,
China)
Abstract
:
In
this
paper
,
the
cement
paste
and
the
mortar
were
tested
using
the
PF-QNM
technique
and
the
following
conclusions
are
:
The
PF-QNM
technique
is
very
powerful
to
characterize
the
mechanical
properties
of
micro-
and
nanostructures
in
the
cement-based
materials.
It
doesn't
have
strict
requirements
for
test
environment
and
it
does
not
damage
the
surface
of
the
material.
High-resolution
images
can
be
obtained
very
easily
,
and
they
can
be
analyzed
statistically.
The
only
difficult
aspect
is
that
the
PF-QNM
technique
has
a
high
requirement
for
the
surface
flatness
of
the
specimen
,
but
nanoindentation
also
has
the
same
problem.
PF-QNM
methodology
is
also
better
than
the
conventional
AFM
imaging
method.
The
conventional
contacting or
tapping
mode
of
AFM
can
only
give
information
about
the
surface
morphology
of
the
material
,
while
with
PF
・
QNM,
Young's
modulus
,
adhesion
force
,
deformation
and
energy
diffusion
收稿日期
:2018-06-20
基金项目
：国家自然科学基金面上项目
(51778582
；
51879235)
;
国家重点研发计划项目
(
2017YFC0804809)
作者简介:罗晓雷
(
1999-),
男，
江西吉安人
，
本科生
，
主要从事新型建筑材料研究
。
*
通信作者:施韬
(
1979-
)
，
男，
浙江杭州人
，
博士
，
副教授
，
博导
，
主要从事纳米改性水泥基材料研究
。
160
科技通报
第
35
卷
can
be
obtained
,
in
addition
to
topography
information.
The
test
results
show
that
PF-QNM
analysis
can
test
not
only
the
mechanical
properties
of
the
cement
paste
,
but
also
investigate
the
interfacial
regions
in
the
cement-based
material
,
including
the
variation
in
the
mechanical
properties
of
interface
regions
and
the
extension
of
the
interfacial
regions.
During
the
test
,
care
must
be
taken
to
choose
the
size
of
test
area
；
indeed
,
a
test
area
too
small
is
not
representative
but
too
large
leads
to
lack
of
stability.
The
recommended
side
is
a
square
with
a
length
of
in
the
range
10-30
(
jim.
Keywords
:
PeakForce
；
QNM
；
AFM
；
cement
；
mortar
；
young
'
s
modulus
;
interface
；
micro-
and
nanostructure
现代水泥混凝土科学一般认为
，
水泥基材料的
力显微镜
（
AFM
）
成像模式
，
称之为峰值力纳米尺度
许多宏观属性如力学性能
、
变形性能及耐久性能等
，
都与材料在微纳尺度下的性能密切相关
［
1
-
2
）
0
众所
力学性能定量表征模式
（PeakForce
quantitative
nanoscale
mechanical
characterization
,
PF-QNM
）
［
171
0
该模式在获取材料表面高分辨率形貌图像的同时
，
周知的是
，
水泥基材料是一个多相
、
多尺度
、
复杂的
混合体系
，
深入的了解水泥基材料在微纳结构下的
各种性能对于从本质上提高和改善水泥混凝土材料
具有极其重要的意义
。
但是
，
长期以来
，
由于受到测
还可以对测试区域的纳米尺度力学性能进行定量表
征,从而获得材料的表面粘附力
、
弹性模量
、
变形和
能量耗散等信息
。
该方法延续了原子力显微镜的许
多优点
,
如只需要在普通环境下就可以进行测试
，
扫
试技术和试验手段的制约
，
研究人员对于水泥基材
料微纳结构下的属性特别是力学性能的了解极为
有限
。
描速度快,很容易获取纳米尺度的高分辨率图像等
，
而且
，
在测试过程中探针和样品的表面都没有损伤
，
近年来
,
随着现代检测技术的快速发展
,
材料微
纳结构的力学性能越来越得到重视
，
相关的领域也
可以进行多次原位测定
。
该方法虽然问世不久
，
但
是已经在微观结构和性能测试中展现出较大的优
势
［
17-201
o
本文即采用
PF-QNM
的表征方法,对水泥
不断有所突破
，
比较突出的是纳米压痕
（
nanoindentation
）
技术
。
早在
20
世纪初期
，
传统的
压痕技术就已出现⑶
。
到上世纪七八十年代
，
压痕
净浆和砂浆试样的微结构力学性能进行定量分析测
试研究
。
方法的相关技术参数就已经可以达到纳米尺度
（
荷
载达到
nN,
位移达到
0.
1
nm
）
［
3
-
5
］
，
并且通过荷载位
移曲线获得材料的弹性模量
［
6
'
71
o
本世纪以来
，
纳
1
试验材料及试验方法
1.1
试验材料
米压痕技术开始在水泥基材料领域得到应用
，
并且
涌现出了一大批研究成果&⑵
。
但是,不得不看到
，
对于非均质的水泥基材料而言
，
纳米压痕技术仍然
存在不少问题
，
比如纳米压痕仪器不能够在压痕的
本试验所使用的水泥为纯硅酸盐水泥
，
其
28
d
强度达到
43.6
MPa,
初凝时间
209
min,
终凝时间
390
min,
该水泥的化学组成和矿物组成如表
1
和表
过程中实时成像
，
从而导致压痕位置和预设位置有
2
所示
。
砂子采用标准石英砂
。
1.2
试样的制备
本试验中净浆试样和砂浆试样的配合比如表
3
所示
。
材料按比例混合并在搅拌机内搅拌
，
完毕后
偏差;被测试样在测试过程中表面会被破坏而基本
没法进行二次使用
。
另外
，
单点压痕所产生的影响
范围一般在
1
~3
pm
之间^⑷
，
若采用网格点阵技
术进行测试
，
选用的网格尺寸间距往往大于
10
161
,
因此压痕点相对于所处的网格而言是否
具有足够的代表性也值得怀疑。
2009
年
，
美国
Broker
公司推岀了一种新的原子
取适量装入塑封袋中密封并贴上标签
，
在
（
20±
1
）
弋
的养护箱内养护至
28
d
龄期
。
到达龄期的试样取
出后用切割机将样品切割至合适大小
，
然后对样品
进行打磨处理
，
其程序具体如下
：
首先依次使用
表
1
水泥的化学组成
Table
1
Chemical
compositions
of
Portland
cement
SiO
2
wt%
P2O5
Ag
5.05
Fe
2
O
3
CaO
61.98
MgO
1.87
S0
3
4.
80
Na
2
O
0.
66
K
2
0
TiO
2
0.
22
Mn
2
O
3
0.
05
Loss
3.
80
19.40
1.
74
0.
76
0.
13
第
5
期
罗晓雷等.基于原子力显微镜
PeakForce
QNM
模式下的水泥基材料微区力学性能研究
161
600#
、
400#
、
200#
碳化硅砂纸对样品进行粗磨
，
主要
1.3
峰值力纳米尺度力学性能定量表征测试的基
目的是使样品上下表面保持平行
，
并使样品测试表
本原理
面初步平整
。
然后在自动磨抛机上依次使用
15
、
6
、
PF-QNM
的基本原理如图
2
所示
。
使用一个探
3
、
1
Jim
的
Buehler
金刚石抛光膜对试样进行进一步
针来扫描样品的表面
，
探针由一个针尖和一个弹性
的打磨处理
，
每一个等级打磨约
5
min,
每打磨完毕
悬臂组成
。
在扫描管的
Z
方向施加一个远低于
一个等级后
，
将试样放入丙酮溶液中在超声波清洗
AFM
针尖共振频率的正弦波
（
一般为
0.
5~2
kHz
）
,
槽中清洗
3~5min
。
在打磨的过程中采用光学显微
扫描时在每一个像素点上都作出力的曲线
，
同时使
镜对打磨表面的划痕进行观测
，
以确保打磨效果
力曲线的峰值力作为成像的反馈信号
，
从而获得每
（
如图
la
所示
）
。
样品打磨完毕后
，
可以在
AFM
中
一个像素点上针尖与样品相互作用的详细信息
。
针
观测其表面的粗糙度
，
一般净浆试样控制在
200
nm
尖在一个像素点上轻敲样品的表面
，
这个过程包括
左右
，
砂浆试样控制在
800
nm
以下即可
（
如图
lb
所
进入和撤离两个阶段
（
如图
2a
所示
）
。
首先针尖开
示
）
。
始接近样品表面
（
A
点
）
，
这时受范德华力的吸引针
表
2
水泥的矿物组成
尖不断下行并接触到样品表面
（
B
点
）
，
针尖进一步
Table
2
Mineral
compositions
of
Portland
cement
wt%
C^S
C^S
C^A
C
4
AF
-
下行
，
分子间引力转变为斥力
，直至达到峰值力
（
C
55
14
10
5
点
），
这时样品和悬臂均达到变形的最大值;然后针
尖开始向上抬起
，
在抬起的过程中
，
由于再次受到范
表
3
试验用试样的质量配合比
Table
3
Compositions
of
cement
pastes
and
mortar
sample
德华力的吸引
，
针尖和样品之间产生粘附力
FadMD
Samples
Cement
pastes
Mortar
点
）
，
摆脱粘附力以后针尖回到初始位置
（
E
点
）
。
Cement
1
1
图
2b
中
，
红色曲线为进入过程,蓝色曲线为撤
Water
0.4
0.4
离过程
。
材料的杨氏模量由撤离曲线根据
Sand
-
2.
75
Derjaguin-Muller-Toropov
（
DMT
）
模型⑴
计算获得
，
根据这个模型可以由如下方程进行描述
：
(a)
Optical
microscopy
observation
(b)
AFM
observation
图
1
试样打磨后表面粗糙度的观测
Fig.
1
Observation
of
the
roughness
of
ground
sample
surface
图
2
PF-QNM
的原理示意图
[,7
'
21]
Fig.
2
Schematic
diagram
of
PF-QNM
technology
162
科技通报
第
35
卷
F
’
ts
”
=
—
E
*
*
(d
-
do)'
+
F,
uih
其中
，
几十
”
为针尖峰值力
，
E
*
为约化弹性
模量
，
R
为针尖的曲率半径
，
d
为扫描管位移
，
d
0
为
悬臂变形
，
所以
d-d
。
为样品的变形
。
材料的杨氏
模量可以由下式求得
：
*
E
=
[
1
_
记
J
_
唸
]
_
，
E,
E,,
p
其中
，
”
，
和
％
分别为试样和针尖的泊松比
，
E,
和位
”
分别为试样和针尖的弹性模量
。
根据现有的
经验
，
试样的泊松比可设置为
0.
3
。
粘附力
，
是由不同类分子间引力造成的两类物
质间的粘结作用
。
在图
2b
中,撤离曲线的最低点对
应的值与基线(水平虚线)之差即为样品的表面粘
附力
，
表示针尖从样品表面剥离所需要的作用
力⑺]
。
另外
，根据进入曲线和撤出曲线所包围的面
积
，
可以求得循环过程中的能量耗散
;
根据位移可以
求得样品的变形
。
1.4
试验参数及操作
本试验所使用的仪器为美国
Bruker
公司生产
的
Dimension
ICON
原子力显微镜
。
使用的探针为
Bruker
公司产
RTESP-525
型
，
材质为
Si,
悬臂名义
弹性模量
(
nominal
spring
constant
)
为
400
N/m,
针尖
高度
10~
15
p,m
，
曲率半径
(tip
radius)
为
8
nm
0
试验中首先使用蓝宝石标准试样对探针的偏转
系数进行校准
，
然后在系统内对针尖的曲率半径和
悬臂的弹性系数进行校准
。
所有的校准结束以后,
进入扫描成像模式
，
设置扫描分辨率为
256x256,
扫
描频率为
0.5
Hz,
然后设置扫描区域的大小
，
即可
得到针尖-样品相互力的绝对值作为反馈信号的各
种图像
。
2
结果与讨论
2.1
水泥净浆试样的
PF-QNM
成像及其力学性能
分析
2.
1.
1
水泥净浆试样的
PF-QNM
成像
由水泥化学可知
[2<25]
,硬化以后的水泥浆体主
要由
C-S-H
凝胶
、
氢氧化钙和未水化水泥颗粒组成
。
由于
C-S-H
凝胶是水化产物的主要部分
，
为水泥石
强度的主要来源
，
因此也是本试验中测试的主要对
象
。
在
AFM
中通过光学显微系统对试样表面的扫
描区域进行选定
。
由于未水化水泥颗粒的硬度要远
远大于
C-S-H
凝胶
，
因此在选择的过程中应尽量避
免未水化水泥颗粒存在的区域
，
以保证测试结果的
稳定
。
设定测试区域的大小为
10x10
“
m
后即可开
始扫描
。
扫描像素为
256x256,
即共有
65536
个像
素点
，
而每个像素点系统都会得到对应的相关信息
。
在
PF-QNM
的模式下共有
8
个工作通道
，
分别
为
Height
.
DMT
Modulus.
Log
DMT
Modulus.
Adhesion
N
PeakForce
Error
、
Deformation
和
Dissipation
o
其中
，
比较有价值的信息在图
3
中给
出
。
图
3a
表征样品的表面形貌
，
图
3b
为表面的
3D
形貌
，
从这两张图中一方面可以获得材料表面的高
分辨率图像
，
另一方面也可以观测到材料表面的粗
糙度为
208
nm
。
这些工作过去我们往往只是在轻
敲模式
(
Tapping
Mode)
或接触模式
(
Contact
Mode)
中来完成
。
由此
，
可以认为
PF-QNM
模式在获得大
量力学
、
变形
、
能量耗散等信息的同时
，
仍然可以得
到材料的表面形貌信息
，
因此它的工作效率应该是
优于轻敲模式或接触模式的。
图
3c
为材料的杨氏
模量分布图,杨氏模量是材料的重要属性
，
对于它的
具体分布和统计将在下文中详细展开
。
图
3
d
为材
料的粘附力分布图
,
PF-QNM
模式的出现第一次实
现了材料在纳米尺度上粘附力的测量
。
图
3e
为材
料的变形分布图
，
图
3f
为材料的能量耗散分布图
。
2.1.2
水泥净浆微区杨氏模量分析
图
4
为水泥净浆试样在
10x
10
pm
的区域范围
内进行扫描所获得的杨氏模量分布信息
。
图
4a
为
杨氏模量在
10x10
|±m
范围内的成像信息,从图中
可以看到
，虽然水泥基材料在宏观上表现为某一个
力学性能值
，
但是在微纳结构上几乎每一个像素点
或者每一帧画面都会因其物质结构的不同而有所不
同
。
图
4b
为被测试样杨氏模量数值的分布图
，
图中
一个点代表画面中一帧的平均值
，
而一帧包含
256
个具体的数值
，
在图中一共有
256
帧的数值
。
对图
中的数值进行统计后如图
4c
所示
。
在图
4c
中我们
可以看到
，
虽然水泥浆体微纳结构下杨氏模量的数
值杂乱
，
但却呈现明显的正态分布
。
通过统计分析
可知杨氏模量的平均值为
24.
10
GPa
(标准差为
3.
35),
目前大部分的文献都显示水泥硬化浆体中
C-S-H
凝胶体的杨氏模量在
20-30
GPa
〔
™]
,
因此我们认为这个测试结果基本是可靠的
。
图
5
为水泥净浆试样在
20x20
Jim
区域内的杨
氏模量分布信息
。
统计分析显示
，
数值基本呈现正
态分布
，
杨氏模量的平均值为
24.
3
GPa,
与上文的
数据非常接近
，
但是标准差为
5.
17,
数值的离散性
在增加
。
因此
，
我们可以发现随着测试区域的增大,
第
5
期
罗晓雷等.基于原子力显微镜
PeakForce
QNM
模式下的水泥基材料微区力学性能研究
163
0.0
1
Senaer
lOOon
(a)
Height(b)
3D
Topography
(c)
DMT
Modulus
7
DwMttn
WOirt
?E35keV
(d)
Adhesion
(e)
Deformation
(f)
Dissipation
图
3
水泥净浆试样峰值力轻敲模式成像图
Fig.3
The
result
of
the
peak-force
tapping
atomic
force
microscopy
of
cement
pastes
40
35
30
Modulus
80
兀
6
50
40
30
2
(edo)
sn
npow
5
2
一
20
5
l
u
n
o
u
W
Distance
(|im)
(a)
Mapping
(b)
Distribution
(c)
Statistic
图
4
10
问尺度下水泥净浆试样弹性模量分析
Fig.
4
Analysis
of
Young's
modulus
of
cement
pastes
in
10
|im
45
40
35
(
e
d
o
)
s
n
l
n
p
o
s
25
20
15
0
—
30
(a)
Mapping
(b)
Distribution
(c)
Statistic
图
5
20
屮
n
尺度下水泥净浆试样弹性模量分析
Fig.
5
Analysis
of
Young's
modulus
of
cement
pastes
in
20
pini
材料的复杂性和各向异性都在增加
，
虽然总体的平
果趋于不稳定
。
因此
，
在微区力学性能的测试中
，
对
均值仍然比较接近
，
但是数值的离散性增加,测试结
于测试范围的控制大致有如下结论:首先
，
测试的范
164
科技通报
第
35
卷
围不能太小
。
虽然原子力显微镜很容易就可以达到
因此
，
控制砂浆试样表面的粗糙度对试验的测试结
纳米尺度
，
但是过小的测试范围对于水泥基材料而
言没有意义
。
其次
，
测试的范围也不宜过大,大范围
果极为重要
。
另外
，
不论是从材料的杨氏模量
、
粘附
力和变形等各方面来看
，
砂子相和水泥相都有着极
的测试所得到的结果很不稳定
，
而且对仪器的探针
也是一个考验
。
所以建议一般情况下将测试范围控
为明显的区别
，
这为我们研究水泥基材料的界面提
供了一个很好的途径
。
制在
10-30
“
m
为宜
。
2.
2
水泥砂浆试样界面区域的
PF-QNM
成像及其
力学性能分析
2.
2.2
水泥砂浆试样界面区域的杨氏模量分析
水泥砂浆界面处的杨氏模量测试结果及分布如
图
7
所示
。
图
7a
为杨氏模量的图像分布
，
调整原始
2.
2.
1
水泥砂浆试样界面区域的
PF-QNM
成像
图像中的数据尺度和颜色显示
，
可以更加清晰的显
示材料界面两边的情况
。
由于砂浆中骨料和浆体的
制备了水泥砂浆试样
，
并对试样中砂子和水泥
浆体的界面进行了表征和测定
。
关于界面区域的确
定,一般可先在光学显微系统下确定大致区域
，
然后
硬度相差很大
，
因此界面两边的杨氏模量差异明显
。
图
7b
为杨氏模量数据在与界面垂直方向上的数据
分布图
。
其中
0~27
pm
处为骨料区域
，
杨氏模量的
值基本稳定在
HO
GPa,
这个值与从纳米压痕试验
通过初步扫描观测图像中的高度差
，
一般如出现非
常明显的高度差则该区域即为界面区
。
测定成像结
果如图
6
所示
，
图像中左边的相为砂子
，右边的相为
中测得的数据基本一致
;33~50
*
m
处为水泥浆体
水泥浆体,扫描的范围为
50x50
|xm
。砂浆试样的表
面粗糙度达到
770
nm,
明显高于水泥净浆试样
，
这
区域
，
该区域的组成复杂
，
包含
C-S-H
凝胶
、
氢氧化
钙及未水化颗粒等
，
而上述各相的杨氏模量都不一
样,所以该区域总体的杨氏模量具有一定的波动性
，
是由于砂浆试样中砂子和水泥浆体的硬度差别较
大,所以在打磨的过程中
，
水泥相容易被磨掉而砂子
基本在
20~40
GPa
之间
；
介于两者之间的区域属于
界面区域
，
界面区域的杨氏模量值比较复杂
，离散性
也很大
，
有时候大于砂浆的平均值
，
这可能是由于界
相不容易被磨去
，
所以一般情况下砂子的表面会高
于水泥浆体的表面
，
因为这种高差往往很难避免所
以导致砂浆试样的表面粗糙度要大于水泥净浆试
样
。
值得注意的是
，
这种高差如果太大
，
会导致
面区氢氧化钙富集造成的
，
但有时候也会测到非常
小的值
，
这很有可能是由于界面的裂缝造成的
。
通
过多次的测试和观察
，
砂浆的界面大致维持在
6~12
AFM
的探针无法同时测量两个相而导致出错报警
，
(a)
Height
(b)
3D
Topography
(c)
DMT
Modulus
(d)
Adhesion
(e)
Deformation
(f)
Dissipation
图
6
水泥砂浆试样中界面的峰值力轻敲模式成像图
Fig.6
The
result
of
the
peak-force
tapping
atomic
force
microscopy
of
Interface
in
mortar
sample
第
5
期
罗晓雷等.基于原子力显微镜
PeakForce
QNM
模式下的水泥基材料微区力学性能研究
165
Distance
(pm)
(a)
Modulus
mapping
(b)
Data
distribution
图
7
水泥砂浆界面的杨氏模量分析
Fig.7
Analysis
of
Young's
modulus
of
interface
in
mortar
sample
|im
之间
。
in
concrete
-
a
review
[
J
]
.
Construction
and
Building
Materials,
2010,
24(
11)
：
2060-2071.
3
结论
[3
]
Bharat
Bhushan.
Handbook
of
micro/nano
tribology
[M].
CRC
press,
1998：
本文通过
PF-QNM
模式对水泥净浆和砂浆进
[4
]
JB
Pethicai
,
R
Hutchings,
Wi
C
Oliver.
Hardness
行了测试
，
期主要结论如下
：
measurement
at
penetration
depths
as
small
as
20
nm
[
J]
.
Philosophical
Magazine
A
,
1983
,
48
(
4
)
：
593
(
1
)
PF-QNM
对于表征水泥基材料微纳结构下
-606.
的力学性能具有良好的效果。它对测试的环境要求
[5
]
Warren
Carl
Oliver
,
George
Mathews
Pharr.
An
不高
，
在测试的时候对材料的表面没有损伤,可以很
improved
technique
for
determining
hardness
and
elastic
容易的获取高分辨率图像并进行统计分析
，
测试的
modulus
using
load
and
displacement
sensing
结果来源于面扫描而获得的大量数据
，
结果的可靠
indentation
experiments
[
J
]
.
Journal
of
materials
性大大增强
。
上述这些情况都优于纳米压痕的测试
research,
1992,
7(06)
：
1564-1583.
方法
。
唯一比较困难的方面是该测试对于试样表面
[6
]
SI
Bulychev
,
VP
Alekhin,
MH
Shorshorov
,
et
al.
的平整度要求较高
，
但是纳米压痕技术也有同样的
Determining
Young
'
s
modulus
from
the
indentor
问题
。
penetration
diagram
[
J
[
.
Ind.
Lab.
,
1975
,
41
(
9
)
：
1409-1412.
(2)
PF-QNM
模式也优于
AFM
一般的成像模
[7
]
Xiaodong
Li
,
Bharat
Bhushan.
A
review
of
式
。
在
AFM
普通的接触模式或轻敲模式下,只能获
nano
indentation
continuous
stiffness
measurement
得材料表面的形貌信息
，
但是
PF-QNM
不仅能够获
technique
and
its
applications
[
J
J
.
Materials
得形貌信息
，
还可以同时获取杨氏模量
、
粘附力
、变
characterization
,
2002
,
48(
1
)
：
11-36.
形
、
能量耗散等信息
，
研究效率显然优于前者
。
[8
]
Karine
Velez,
Sandrine
Maximilien
,
Denis
Damidot
,
et
(3)
试验结果显示
,
PF-QNM
不仅可以测试水泥
al.
Determination
by
nanoindentation
of
elastic
modulus
浆体的力学性能
，
也能够对材料的界面区域进行研
and
hardness
of
pure
constituents
of
Portland
cement
究
，
包括界面区域力学性能的变化
、
界面区域的范围
clinker
[
J
]
.
Cement
and
Concrete
Research
,
2001
,
31
等
。
在测试的过程中
，
需注意的是测试范围大小的
(4)
:
555-561.
设定
。
测试范围如太小
,
则不具有代表性
,
测试范围
[9
]
G
Constantinides
,
F-J
Ulm,
K
Van
Vliet.
On
the
use
of
nanoindentation
for
cementitious
materials
[
J
j
.
Materials
太大
，
则测试结果缺乏稳定性
。
建议的测试范围是
and
Structures,
2003
,
36(3)
:
191
-196.
10
〜
30
|xm
o
[10]
Georgios
Constantinides
,
Franz-Josef
Ulm.
The
effect
of
two
types
of
CSH
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the
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1)
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Mondal
,
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P
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166
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35
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determine
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matter
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L
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92-99.
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Trtik
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model
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pastes
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J
Chen
,
Luca
Sorelli
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A
Coupled
Nanoindentation/SEM
-
EDS
Study
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Low
Water/Cement
Ratio
Portland
Cement
Paste
:
Evidence
for
C-S-H/Ca
(
OH
)
2
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in
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J
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2009
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39
(
8
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701-715.
〕
17]
Bede
Pittenger,
Natalia
Erina,
Chanm
in
Su.
Quan
titative
mechanical
property
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the
nanoscale
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PeakForce
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J
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Cement
Paste
|
J
.
•
AC1
Materials
Journal,
2015
,
112(
2)
.
2024年5月13日发(作者：郦晓莉)
第
35
卷第
5
期
科技通报
Vol.35
No.5
2019
年
5
月
BULLETIN
OF
SCIENCE
AND
TECHNOLOGY
May
2019
基于原子力显微镜
PeakForce
QNM
模式下的水泥
基材料微区力学性能研究
罗晓雷
，
施韬
*
*
，
顾元
(浙江工业大学建筑工程学院
，
杭州
310023)
摘要:基于原子力显微镜中峰值力纳米尺度力学性能定量表征模式,对水泥净浆和砂浆等材料在微区的力学性
能进行了分析测试研究,研究结果显示:
PF-QNM
对于表征水泥基材料微纳结构下的力学性能具有良好的效果
。
它
对测试的环境要求不高
，
在测试的时候对材料的表面没有损伤
，
可以很容易的获取高分辨率图像并进行统计分析
，
测试的结果来源于面扫描而获得的大量数据
，
结果的可靠性大大增强
。
上述这些情况都优于纳米压痕的测试方
法
。
唯一比较困难的方面是该测试对于试样表面的平整度要求较高
，
但是纳米压痕技术也有同样的问题
。
PF-
QNM
模式也优于
AFM
—
般的成像模式
。
在
AFM
普通的接触模式或轻敲模式下
，
只能获得材料表面的形貌信息
，
但是PF-QNM
不仅能够获得形貌信息
，
还可以同时获取杨氏模量
、
粘附力
、
变形
、
能量耗散等信息
，
研究效率显然优
于前者
。
验结果显示
,PF-QNM
不仅可以测试水泥浆体的力学性能
，
也能够对材料的界面区域进行研究
，
包括界面
区域力学性能的变化
、
界面区域的范围等
。
在测试的过程中,需注意的是测试范围大小的设定
。
测试范围如太小
，
则不具有代表性,测试范围太大
，
则测试结果缺乏稳定性
。
建议的测试范围是
10~30
“
m
。
关键词
：
PeakForce
；
QNM
；
原子力显微镜
；
水泥;砂浆
；杨氏模量
；
界面
；
微纳结构
中图分类号:
TU502
汀
B33
文献标识码
：
A
文章编号
：
1001-7119(2019)05-0159-08
D01
：
10.
13774/.2O19.
05.
031
Research
on
Local
Mechanical
Properties
of
Cement-based
Materials
Based
on
PeakForce
QNM
Mode
Luo
Xiaolei
,
Shi
Tao
*
,
Gu
Yuan
(
College
of
Civil
Engineering
and
Architecture
,
Zhejiang
University
of
Technology
,
Hangzhou
310023
,
China)
Abstract
:
In
this
paper
,
the
cement
paste
and
the
mortar
were
tested
using
the
PF-QNM
technique
and
the
following
conclusions
are
:
The
PF-QNM
technique
is
very
powerful
to
characterize
the
mechanical
properties
of
micro-
and
nanostructures
in
the
cement-based
materials.
It
doesn't
have
strict
requirements
for
test
environment
and
it
does
not
damage
the
surface
of
the
material.
High-resolution
images
can
be
obtained
very
easily
,
and
they
can
be
analyzed
statistically.
The
only
difficult
aspect
is
that
the
PF-QNM
technique
has
a
high
requirement
for
the
surface
flatness
of
the
specimen
,
but
nanoindentation
also
has
the
same
problem.
PF-QNM
methodology
is
also
better
than
the
conventional
AFM
imaging
method.
The
conventional
contacting or
tapping
mode
of
AFM
can
only
give
information
about
the
surface
morphology
of
the
material
,
while
with
PF
・
QNM,
Young's
modulus
,
adhesion
force
,
deformation
and
energy
diffusion
收稿日期
:2018-06-20
基金项目
：国家自然科学基金面上项目
(51778582
；
51879235)
;
国家重点研发计划项目
(
2017YFC0804809)
作者简介:罗晓雷
(
1999-),
男，
江西吉安人
，
本科生
，
主要从事新型建筑材料研究
。
*
通信作者:施韬
(
1979-
)
，
男，
浙江杭州人
，
博士
，
副教授
，
博导
，
主要从事纳米改性水泥基材料研究
。
160
科技通报
第
35
卷
can
be
obtained
,
in
addition
to
topography
information.
The
test
results
show
that
PF-QNM
analysis
can
test
not
only
the
mechanical
properties
of
the
cement
paste
,
but
also
investigate
the
interfacial
regions
in
the
cement-based
material
,
including
the
variation
in
the
mechanical
properties
of
interface
regions
and
the
extension
of
the
interfacial
regions.
During
the
test
,
care
must
be
taken
to
choose
the
size
of
test
area
；
indeed
,
a
test
area
too
small
is
not
representative
but
too
large
leads
to
lack
of
stability.
The
recommended
side
is
a
square
with
a
length
of
in
the
range
10-30
(
jim.
Keywords
:
PeakForce
；
QNM
；
AFM
；
cement
；
mortar
；
young
'
s
modulus
;
interface
；
micro-
and
nanostructure
现代水泥混凝土科学一般认为
，
水泥基材料的
力显微镜
（
AFM
）
成像模式
，
称之为峰值力纳米尺度
许多宏观属性如力学性能
、
变形性能及耐久性能等
，
都与材料在微纳尺度下的性能密切相关
［
1
-
2
）
0
众所
力学性能定量表征模式
（PeakForce
quantitative
nanoscale
mechanical
characterization
,
PF-QNM
）
［
171
0
该模式在获取材料表面高分辨率形貌图像的同时
，
周知的是
，
水泥基材料是一个多相
、
多尺度
、
复杂的
混合体系
，
深入的了解水泥基材料在微纳结构下的
各种性能对于从本质上提高和改善水泥混凝土材料
具有极其重要的意义
。
但是
，
长期以来
，
由于受到测
还可以对测试区域的纳米尺度力学性能进行定量表
征,从而获得材料的表面粘附力
、
弹性模量
、
变形和
能量耗散等信息
。
该方法延续了原子力显微镜的许
多优点
,
如只需要在普通环境下就可以进行测试
，
扫
试技术和试验手段的制约
，
研究人员对于水泥基材
料微纳结构下的属性特别是力学性能的了解极为
有限
。
描速度快,很容易获取纳米尺度的高分辨率图像等
，
而且
，
在测试过程中探针和样品的表面都没有损伤
，
近年来
,
随着现代检测技术的快速发展
,
材料微
纳结构的力学性能越来越得到重视
，
相关的领域也
可以进行多次原位测定
。
该方法虽然问世不久
，
但
是已经在微观结构和性能测试中展现出较大的优
势
［
17-201
o
本文即采用
PF-QNM
的表征方法,对水泥
不断有所突破
，
比较突出的是纳米压痕
（
nanoindentation
）
技术
。
早在
20
世纪初期
，
传统的
压痕技术就已出现⑶
。
到上世纪七八十年代
，
压痕
净浆和砂浆试样的微结构力学性能进行定量分析测
试研究
。
方法的相关技术参数就已经可以达到纳米尺度
（
荷
载达到
nN,
位移达到
0.
1
nm
）
［
3
-
5
］
，
并且通过荷载位
移曲线获得材料的弹性模量
［
6
'
71
o
本世纪以来
，
纳
1
试验材料及试验方法
1.1
试验材料
米压痕技术开始在水泥基材料领域得到应用
，
并且
涌现出了一大批研究成果&⑵
。
但是,不得不看到
，
对于非均质的水泥基材料而言
，
纳米压痕技术仍然
存在不少问题
，
比如纳米压痕仪器不能够在压痕的
本试验所使用的水泥为纯硅酸盐水泥
，
其
28
d
强度达到
43.6
MPa,
初凝时间
209
min,
终凝时间
390
min,
该水泥的化学组成和矿物组成如表
1
和表
过程中实时成像
，
从而导致压痕位置和预设位置有
2
所示
。
砂子采用标准石英砂
。
1.2
试样的制备
本试验中净浆试样和砂浆试样的配合比如表
3
所示
。
材料按比例混合并在搅拌机内搅拌
，
完毕后
偏差;被测试样在测试过程中表面会被破坏而基本
没法进行二次使用
。
另外
，
单点压痕所产生的影响
范围一般在
1
~3
pm
之间^⑷
，
若采用网格点阵技
术进行测试
，
选用的网格尺寸间距往往大于
10
161
,
因此压痕点相对于所处的网格而言是否
具有足够的代表性也值得怀疑。
2009
年
，
美国
Broker
公司推岀了一种新的原子
取适量装入塑封袋中密封并贴上标签
，
在
（
20±
1
）
弋
的养护箱内养护至
28
d
龄期
。
到达龄期的试样取
出后用切割机将样品切割至合适大小
，
然后对样品
进行打磨处理
，
其程序具体如下
：
首先依次使用
表
1
水泥的化学组成
Table
1
Chemical
compositions
of
Portland
cement
SiO
2
wt%
P2O5
Ag
5.05
Fe
2
O
3
CaO
61.98
MgO
1.87
S0
3
4.
80
Na
2
O
0.
66
K
2
0
TiO
2
0.
22
Mn
2
O
3
0.
05
Loss
3.
80
19.40
1.
74
0.
76
0.
13
第
5
期
罗晓雷等.基于原子力显微镜
PeakForce
QNM
模式下的水泥基材料微区力学性能研究
161
600#
、
400#
、
200#
碳化硅砂纸对样品进行粗磨
，
主要
1.3
峰值力纳米尺度力学性能定量表征测试的基
目的是使样品上下表面保持平行
，
并使样品测试表
本原理
面初步平整
。
然后在自动磨抛机上依次使用
15
、
6
、
PF-QNM
的基本原理如图
2
所示
。
使用一个探
3
、
1
Jim
的
Buehler
金刚石抛光膜对试样进行进一步
针来扫描样品的表面
，
探针由一个针尖和一个弹性
的打磨处理
，
每一个等级打磨约
5
min,
每打磨完毕
悬臂组成
。
在扫描管的
Z
方向施加一个远低于
一个等级后
，
将试样放入丙酮溶液中在超声波清洗
AFM
针尖共振频率的正弦波
（
一般为
0.
5~2
kHz
）
,
槽中清洗
3~5min
。
在打磨的过程中采用光学显微
扫描时在每一个像素点上都作出力的曲线
，
同时使
镜对打磨表面的划痕进行观测
，
以确保打磨效果
力曲线的峰值力作为成像的反馈信号
，
从而获得每
（
如图
la
所示
）
。
样品打磨完毕后
，
可以在
AFM
中
一个像素点上针尖与样品相互作用的详细信息
。
针
观测其表面的粗糙度
，
一般净浆试样控制在
200
nm
尖在一个像素点上轻敲样品的表面
，
这个过程包括
左右
，
砂浆试样控制在
800
nm
以下即可
（
如图
lb
所
进入和撤离两个阶段
（
如图
2a
所示
）
。
首先针尖开
示
）
。
始接近样品表面
（
A
点
）
，
这时受范德华力的吸引针
表
2
水泥的矿物组成
尖不断下行并接触到样品表面
（
B
点
）
，
针尖进一步
Table
2
Mineral
compositions
of
Portland
cement
wt%
C^S
C^S
C^A
C
4
AF
-
下行
，
分子间引力转变为斥力
，直至达到峰值力
（
C
55
14
10
5
点
），
这时样品和悬臂均达到变形的最大值;然后针
尖开始向上抬起
，
在抬起的过程中
，
由于再次受到范
表
3
试验用试样的质量配合比
Table
3
Compositions
of
cement
pastes
and
mortar
sample
德华力的吸引
，
针尖和样品之间产生粘附力
FadMD
Samples
Cement
pastes
Mortar
点
）
，
摆脱粘附力以后针尖回到初始位置
（
E
点
）
。
Cement
1
1
图
2b
中
，
红色曲线为进入过程,蓝色曲线为撤
Water
0.4
0.4
离过程
。
材料的杨氏模量由撤离曲线根据
Sand
-
2.
75
Derjaguin-Muller-Toropov
（
DMT
）
模型⑴
计算获得
，
根据这个模型可以由如下方程进行描述
：
(a)
Optical
microscopy
observation
(b)
AFM
observation
图
1
试样打磨后表面粗糙度的观测
Fig.
1
Observation
of
the
roughness
of
ground
sample
surface
图
2
PF-QNM
的原理示意图
[,7
'
21]
Fig.
2
Schematic
diagram
of
PF-QNM
technology
162
科技通报
第
35
卷
F
’
ts
”
=
—
E
*
*
(d
-
do)'
+
F,
uih
其中
，
几十
”
为针尖峰值力
，
E
*
为约化弹性
模量
，
R
为针尖的曲率半径
，
d
为扫描管位移
，
d
0
为
悬臂变形
，
所以
d-d
。
为样品的变形
。
材料的杨氏
模量可以由下式求得
：
*
E
=
[
1
_
记
J
_
唸
]
_
，
E,
E,,
p
其中
，
”
，
和
％
分别为试样和针尖的泊松比
，
E,
和位
”
分别为试样和针尖的弹性模量
。
根据现有的
经验
，
试样的泊松比可设置为
0.
3
。
粘附力
，
是由不同类分子间引力造成的两类物
质间的粘结作用
。
在图
2b
中,撤离曲线的最低点对
应的值与基线(水平虚线)之差即为样品的表面粘
附力
，
表示针尖从样品表面剥离所需要的作用
力⑺]
。
另外
，根据进入曲线和撤出曲线所包围的面
积
，
可以求得循环过程中的能量耗散
;
根据位移可以
求得样品的变形
。
1.4
试验参数及操作
本试验所使用的仪器为美国
Bruker
公司生产
的
Dimension
ICON
原子力显微镜
。
使用的探针为
Bruker
公司产
RTESP-525
型
，
材质为
Si,
悬臂名义
弹性模量
(
nominal
spring
constant
)
为
400
N/m,
针尖
高度
10~
15
p,m
，
曲率半径
(tip
radius)
为
8
nm
0
试验中首先使用蓝宝石标准试样对探针的偏转
系数进行校准
，
然后在系统内对针尖的曲率半径和
悬臂的弹性系数进行校准
。
所有的校准结束以后,
进入扫描成像模式
，
设置扫描分辨率为
256x256,
扫
描频率为
0.5
Hz,
然后设置扫描区域的大小
，
即可
得到针尖-样品相互力的绝对值作为反馈信号的各
种图像
。
2
结果与讨论
2.1
水泥净浆试样的
PF-QNM
成像及其力学性能
分析
2.
1.
1
水泥净浆试样的
PF-QNM
成像
由水泥化学可知
[2<25]
,硬化以后的水泥浆体主
要由
C-S-H
凝胶
、
氢氧化钙和未水化水泥颗粒组成
。
由于
C-S-H
凝胶是水化产物的主要部分
，
为水泥石
强度的主要来源
，
因此也是本试验中测试的主要对
象
。
在
AFM
中通过光学显微系统对试样表面的扫
描区域进行选定
。
由于未水化水泥颗粒的硬度要远
远大于
C-S-H
凝胶
，
因此在选择的过程中应尽量避
免未水化水泥颗粒存在的区域
，
以保证测试结果的
稳定
。
设定测试区域的大小为
10x10
“
m
后即可开
始扫描
。
扫描像素为
256x256,
即共有
65536
个像
素点
，
而每个像素点系统都会得到对应的相关信息
。
在
PF-QNM
的模式下共有
8
个工作通道
，
分别
为
Height
.
DMT
Modulus.
Log
DMT
Modulus.
Adhesion
N
PeakForce
Error
、
Deformation
和
Dissipation
o
其中
，
比较有价值的信息在图
3
中给
出
。
图
3a
表征样品的表面形貌
，
图
3b
为表面的
3D
形貌
，
从这两张图中一方面可以获得材料表面的高
分辨率图像
，
另一方面也可以观测到材料表面的粗
糙度为
208
nm
。
这些工作过去我们往往只是在轻
敲模式
(
Tapping
Mode)
或接触模式
(
Contact
Mode)
中来完成
。
由此
，
可以认为
PF-QNM
模式在获得大
量力学
、
变形
、
能量耗散等信息的同时
，
仍然可以得
到材料的表面形貌信息
，
因此它的工作效率应该是
优于轻敲模式或接触模式的。
图
3c
为材料的杨氏
模量分布图,杨氏模量是材料的重要属性
，
对于它的
具体分布和统计将在下文中详细展开
。
图
3
d
为材
料的粘附力分布图
,
PF-QNM
模式的出现第一次实
现了材料在纳米尺度上粘附力的测量
。
图
3e
为材
料的变形分布图
，
图
3f
为材料的能量耗散分布图
。
2.1.2
水泥净浆微区杨氏模量分析
图
4
为水泥净浆试样在
10x
10
pm
的区域范围
内进行扫描所获得的杨氏模量分布信息
。
图
4a
为
杨氏模量在
10x10
|±m
范围内的成像信息,从图中
可以看到
，虽然水泥基材料在宏观上表现为某一个
力学性能值
，
但是在微纳结构上几乎每一个像素点
或者每一帧画面都会因其物质结构的不同而有所不
同
。
图
4b
为被测试样杨氏模量数值的分布图
，
图中
一个点代表画面中一帧的平均值
，
而一帧包含
256
个具体的数值
，
在图中一共有
256
帧的数值
。
对图
中的数值进行统计后如图
4c
所示
。
在图
4c
中我们
可以看到
，
虽然水泥浆体微纳结构下杨氏模量的数
值杂乱
，
但却呈现明显的正态分布
。
通过统计分析
可知杨氏模量的平均值为
24.
10
GPa
(标准差为
3.
35),
目前大部分的文献都显示水泥硬化浆体中
C-S-H
凝胶体的杨氏模量在
20-30
GPa
〔
™]
,
因此我们认为这个测试结果基本是可靠的
。
图
5
为水泥净浆试样在
20x20
Jim
区域内的杨
氏模量分布信息
。
统计分析显示
，
数值基本呈现正
态分布
，
杨氏模量的平均值为
24.
3
GPa,
与上文的
数据非常接近
，
但是标准差为
5.
17,
数值的离散性
在增加
。
因此
，
我们可以发现随着测试区域的增大,
第
5
期
罗晓雷等.基于原子力显微镜
PeakForce
QNM
模式下的水泥基材料微区力学性能研究
163
0.0
1
Senaer
lOOon
(a)
Height(b)
3D
Topography
(c)
DMT
Modulus
7
DwMttn
WOirt
?E35keV
(d)
Adhesion
(e)
Deformation
(f)
Dissipation
图
3
水泥净浆试样峰值力轻敲模式成像图
Fig.3
The
result
of
the
peak-force
tapping
atomic
force
microscopy
of
cement
pastes
40
35
30
Modulus
80
兀
6
50
40
30
2
(edo)
sn
npow
5
2
一
20
5
l
u
n
o
u
W
Distance
(|im)
(a)
Mapping
(b)
Distribution
(c)
Statistic
图
4
10
问尺度下水泥净浆试样弹性模量分析
Fig.
4
Analysis
of
Young's
modulus
of
cement
pastes
in
10
|im
45
40
35
(
e
d
o
)
s
n
l
n
p
o
s
25
20
15
0
—
30
(a)
Mapping
(b)
Distribution
(c)
Statistic
图
5
20
屮
n
尺度下水泥净浆试样弹性模量分析
Fig.
5
Analysis
of
Young's
modulus
of
cement
pastes
in
20
pini
材料的复杂性和各向异性都在增加
，
虽然总体的平
果趋于不稳定
。
因此
，
在微区力学性能的测试中
，
对
均值仍然比较接近
，
但是数值的离散性增加,测试结
于测试范围的控制大致有如下结论:首先
，
测试的范
164
科技通报
第
35
卷
围不能太小
。
虽然原子力显微镜很容易就可以达到
因此
，
控制砂浆试样表面的粗糙度对试验的测试结
纳米尺度
，
但是过小的测试范围对于水泥基材料而
言没有意义
。
其次
，
测试的范围也不宜过大,大范围
果极为重要
。
另外
，
不论是从材料的杨氏模量
、
粘附
力和变形等各方面来看
，
砂子相和水泥相都有着极
的测试所得到的结果很不稳定
，
而且对仪器的探针
也是一个考验
。
所以建议一般情况下将测试范围控
为明显的区别
，
这为我们研究水泥基材料的界面提
供了一个很好的途径
。
制在
10-30
“
m
为宜
。
2.
2
水泥砂浆试样界面区域的
PF-QNM
成像及其
力学性能分析
2.
2.2
水泥砂浆试样界面区域的杨氏模量分析
水泥砂浆界面处的杨氏模量测试结果及分布如
图
7
所示
。
图
7a
为杨氏模量的图像分布
，
调整原始
2.
2.
1
水泥砂浆试样界面区域的
PF-QNM
成像
图像中的数据尺度和颜色显示
，
可以更加清晰的显
示材料界面两边的情况
。
由于砂浆中骨料和浆体的
制备了水泥砂浆试样
，
并对试样中砂子和水泥
浆体的界面进行了表征和测定
。
关于界面区域的确
定,一般可先在光学显微系统下确定大致区域
，
然后
硬度相差很大
，
因此界面两边的杨氏模量差异明显
。
图
7b
为杨氏模量数据在与界面垂直方向上的数据
分布图
。
其中
0~27
pm
处为骨料区域
，
杨氏模量的
值基本稳定在
HO
GPa,
这个值与从纳米压痕试验
通过初步扫描观测图像中的高度差
，
一般如出现非
常明显的高度差则该区域即为界面区
。
测定成像结
果如图
6
所示
，
图像中左边的相为砂子
，右边的相为
中测得的数据基本一致
;33~50
*
m
处为水泥浆体
水泥浆体,扫描的范围为
50x50
|xm
。砂浆试样的表
面粗糙度达到
770
nm,
明显高于水泥净浆试样
，
这
区域
，
该区域的组成复杂
，
包含
C-S-H
凝胶
、
氢氧化
钙及未水化颗粒等
，
而上述各相的杨氏模量都不一
样,所以该区域总体的杨氏模量具有一定的波动性
，
是由于砂浆试样中砂子和水泥浆体的硬度差别较
大,所以在打磨的过程中
，
水泥相容易被磨掉而砂子
基本在
20~40
GPa
之间
；
介于两者之间的区域属于
界面区域
，
界面区域的杨氏模量值比较复杂
，离散性
也很大
，
有时候大于砂浆的平均值
，
这可能是由于界
相不容易被磨去
，
所以一般情况下砂子的表面会高
于水泥浆体的表面
，
因为这种高差往往很难避免所
以导致砂浆试样的表面粗糙度要大于水泥净浆试
样
。
值得注意的是
，
这种高差如果太大
，
会导致
面区氢氧化钙富集造成的
，
但有时候也会测到非常
小的值
，
这很有可能是由于界面的裂缝造成的
。
通
过多次的测试和观察
，
砂浆的界面大致维持在
6~12
AFM
的探针无法同时测量两个相而导致出错报警
，
(a)
Height
(b)
3D
Topography
(c)
DMT
Modulus
(d)
Adhesion
(e)
Deformation
(f)
Dissipation
图
6
水泥砂浆试样中界面的峰值力轻敲模式成像图
Fig.6
The
result
of
the
peak-force
tapping
atomic
force
microscopy
of
Interface
in
mortar
sample
第
5
期
罗晓雷等.基于原子力显微镜
PeakForce
QNM
模式下的水泥基材料微区力学性能研究
165
Distance
(pm)
(a)
Modulus
mapping
(b)
Data
distribution
图
7
水泥砂浆界面的杨氏模量分析
Fig.7
Analysis
of
Young's
modulus
of
interface
in
mortar
sample
|im
之间
。
in
concrete
-
a
review
[
J
]
.
Construction
and
Building
Materials,
2010,
24(
11)
：
2060-2071.
3
结论
[3
]
Bharat
Bhushan.
Handbook
of
micro/nano
tribology
[M].
CRC
press,
1998：
本文通过
PF-QNM
模式对水泥净浆和砂浆进
[4
]
JB
Pethicai
,
R
Hutchings,
Wi
C
Oliver.
Hardness
行了测试
，
期主要结论如下
：
measurement
at
penetration
depths
as
small
as
20
nm
[
J]
.
Philosophical
Magazine
A
,
1983
,
48
(
4
)
：
593
(
1
)
PF-QNM
对于表征水泥基材料微纳结构下
-606.
的力学性能具有良好的效果。它对测试的环境要求
[5
]
Warren
Carl
Oliver
,
George
Mathews
Pharr.
An
不高
，
在测试的时候对材料的表面没有损伤,可以很
improved
technique
for
determining
hardness
and
elastic
容易的获取高分辨率图像并进行统计分析
，
测试的
modulus
using
load
and
displacement
sensing
结果来源于面扫描而获得的大量数据
，
结果的可靠
indentation
experiments
[
J
]
.
Journal
of
materials
性大大增强
。
上述这些情况都优于纳米压痕的测试
research,
1992,
7(06)
：
1564-1583.
方法
。
唯一比较困难的方面是该测试对于试样表面
[6
]
SI
Bulychev
,
VP
Alekhin,
MH
Shorshorov
,
et
al.
的平整度要求较高
，
但是纳米压痕技术也有同样的
Determining
Young
'
s
modulus
from
the
indentor
问题
。
penetration
diagram
[
J
[
.
Ind.
Lab.
,
1975
,
41
(
9
)
：
1409-1412.
(2)
PF-QNM
模式也优于
AFM
一般的成像模
[7
]
Xiaodong
Li
,
Bharat
Bhushan.
A
review
of
式
。
在
AFM
普通的接触模式或轻敲模式下,只能获
nano
indentation
continuous
stiffness
measurement
得材料表面的形貌信息
，
但是
PF-QNM
不仅能够获
technique
and
its
applications
[
J
J
.
Materials
得形貌信息
，
还可以同时获取杨氏模量
、
粘附力
、变
characterization
,
2002
,
48(
1
)
：
11-36.
形
、
能量耗散等信息
，
研究效率显然优于前者
。
[8
]
Karine
Velez,
Sandrine
Maximilien
,
Denis
Damidot
,
et
(3)
试验结果显示
,
PF-QNM
不仅可以测试水泥
al.
Determination
by
nanoindentation
of
elastic
modulus
浆体的力学性能
，
也能够对材料的界面区域进行研
and
hardness
of
pure
constituents
of
Portland
cement
究
，
包括界面区域力学性能的变化
、
界面区域的范围
clinker
[
J
]
.
Cement
and
Concrete
Research
,
2001
,
31
等
。
在测试的过程中
，
需注意的是测试范围大小的
(4)
:
555-561.
设定
。
测试范围如太小
,
则不具有代表性
,
测试范围
[9
]
G
Constantinides
,
F-J
Ulm,
K
Van
Vliet.
On
the
use
of
nanoindentation
for
cementitious
materials
[
J
j
.
Materials
太大
，
则测试结果缺乏稳定性
。
建议的测试范围是
and
Structures,
2003
,
36(3)
:
191
-196.
10
〜
30
|xm
o
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,
Franz-Josef
Ulm.
The
effect
of
two
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of
CSH
on
the
elasticity
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