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SkyScan 3D-XRM 應(yīng)用 |水泥基材料微觀結(jié)構(gòu)表征
來源： 時(shí)間：2022-10-24 16:06:42 瀏覽：3469次
水泥基材料是指以水泥為主要凝膠材料的多相復(fù)合材料，包括水泥石、水泥凈漿以及各種混凝土。水泥基復(fù)合材料具有典型的多孔、多相和多尺度特征。水泥基材料的物理力學(xué)性能、滲透性及耐久性與硬化水泥漿體的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。因此，對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的合理表征可以有助于更好地理解水泥基材料性能。

01

1. 三維X射線顯微鏡（3D-XRM）表征水泥基材料的微觀結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)


三維X射線顯微鏡（3D-XRM）利用X射線對(duì)材料進(jìn)行成像表征，是一種將實(shí)驗(yàn)技術(shù)和數(shù)學(xué)分析結(jié)合以獲取材料三維微觀結(jié)構(gòu)的無損、可視化表征技術(shù)。其技術(shù)的突出優(yōu)勢(shì)在于：

a. 無需復(fù)雜的制樣過程，試樣可在原始狀態(tài)下進(jìn)行檢測(cè)，不需進(jìn)行干燥或真空脫水處理

b. 無損檢測(cè)

c. 可進(jìn)行原位連續(xù)觀察

d. 可提供三維空間圖像

02

1. 3D-XRM在水泥基材料研究中的應(yīng)用

a. 水泥水化過程的微結(jié)構(gòu)

b. 侵蝕性介質(zhì)傳輸過程的微結(jié)構(gòu)

c. 骨料摻量以及形貌對(duì)微結(jié)構(gòu)影響

d. 水泥基材料缺陷以及內(nèi)部裂縫演變


2. 3D-XRM在水泥基材料研究中的應(yīng)用實(shí)例

混凝土壓縮疲勞試驗(yàn)中的裂紋和孔隙演化


（1）材料和儀器型號(hào)：

樣品尺寸：40×40×40 mm3

儀器型號(hào)：SkyScan 1173 micro-CT


（2）研究?jī)?nèi)容：

使用SkyScan 1173 micro-CT從細(xì)觀力學(xué)角度實(shí)時(shí)觀測(cè)混凝土在周期性壓縮加載疲勞測(cè)試中微觀裂紋和孔隙演化。

a. 通過考慮混凝土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)（骨料、水泥基質(zhì)、孔隙），在壓縮疲勞試驗(yàn)中不同循環(huán)次數(shù)荷載下，破裂混凝土樣品的高分辨率的完整3D損傷圖：

b. 隨著疲勞損傷的增加，對(duì)裂縫和孔隙的體積以及裂縫寬度的變化進(jìn)行定量估計(jì)（基于3D損傷圖）。


03

水泥凈漿微觀結(jié)構(gòu)及水化程度


（1）材料和儀器型號(hào)：

樣品尺寸：直徑5 mm，高度10mm 的圓柱體。

儀器型號(hào)：Skyscan 1172 micro-CT


（2）研究?jī)?nèi)容：

進(jìn)行了0.3 和0.5 兩種水灰比的水泥凈漿從1 d 到40 d 齡期的CT 掃描試驗(yàn)和TGA 試驗(yàn)，并基于試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了三維重構(gòu)和水化程度分析；

a. 可以直觀反映未水化顆粒、孔隙、水化產(chǎn)物的形態(tài)演化；

b. 基于CT 掃描結(jié)果采用圖像法計(jì)算了凈漿水化程度，計(jì)算結(jié)果與常用的TGA 結(jié)果可比性好，7 d 至40 d 齡期測(cè)得的水化度最大相對(duì)誤差僅為7.6%；

c. CT 為監(jiān)測(cè)和模擬水泥基材料微觀結(jié)構(gòu)的變化提供了一個(gè)有力的工具。


     



參考文獻(xiàn)：

Skarzynski L , Marzec I , Tejchman J . Fracture evolution in concrete compressive fatigue experiments based on X-ray micro-CT images[J]. International Journal of Fatigue, 2019, 122(MAY):256-272. 

MARC THIELE, YURI PETRYNA, ANDREAS ROGGE. EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF DAMAGE EVOLUTION IN CONCRETE UNDER HIGH-CYCLE FATIGUE[C]// International Conference on Fracture Mechanics of Concrete & Concrete Structures. 2017.

M. Nitka, J. Tejchman, Meso-mechanical modelling of damage in concrete using discrete element method with porous ITZs of defined width around aggregates, Engineering Fracture Mechanics, Volume 231, 2020, 107029,

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Latief F D E , Mohammad I H , Rarasati A D . Digital 3D Microstructure Analysis of Concrete using X-Ray Micro Computed Tomography SkyScan 1173: A Preliminary Study[J]. 2017.

Santini, Maurizio. Fundamentals and recent advances in X-ray micro computed tomography (microCT) applied on thermal-fluid dynamics and multiphase flows[J]. Journal of Physics Conference, 2015, 655:012004.

吳澤弘，魏亞．基于CT 掃描技術(shù)的水泥凈漿微觀結(jié)構(gòu)及水化程度[J/OL]．復(fù)合材料學(xué)報(bào).

孫國(guó)文, 張麗娟. CT技術(shù)用于水泥基材料微觀結(jié)構(gòu)表征的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展 [J]. 混凝土, 2015, 000(012):8-12.


來源：束蘊(yùn)儀器

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