基于XCT技術(shù)對(duì)水泥基材料性能研究的進(jìn)展

【摘要】本文主要介紹了關(guān)于XCT（X射線三維重構(gòu)顯微鏡）新型檢測(cè)技術(shù)在水泥基材料方面的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀及現(xiàn)階段存在的問題和不足，為水泥基材料耐久性研究建立一種統(tǒng)一和可靠的研究和分析方法，其最終對(duì)混凝土耐久性的評(píng)估具有重大價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

【關(guān)鍵詞】XCT技術(shù)；圖像分析

1、傳統(tǒng)與新興技術(shù)在水泥基材料性能測(cè)試領(lǐng)域的應(yīng)用

在傳統(tǒng)的混凝土檢測(cè)技術(shù)當(dāng)中，大多數(shù)是有損檢測(cè)手段，在實(shí)際工程中，通過鉆孔取樣等方法，對(duì)結(jié)構(gòu)本身產(chǎn)生了一定的損害。在對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，為了達(dá)到能夠更加方便，同時(shí)不會(huì)對(duì)檢測(cè)構(gòu)件本身造成損害的目的，近些來，在現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)了很多可用的無損檢測(cè)技術(shù)， 基于力學(xué)、聲學(xué)、電阻、化學(xué)等一系列無損檢測(cè)技術(shù)，而XCT （X-射線計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)）作為新的具有前景的一種無損檢測(cè)技術(shù)，特別是在水泥基材料微觀結(jié)構(gòu)的研究，表征孔結(jié)構(gòu)特性方面，具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和潛力。

混凝土中鋼筋銹蝕的重要原因之一是碳化反應(yīng)導(dǎo)致混凝土的中性化現(xiàn)象[1-2]。其中混凝土內(nèi)部的水化產(chǎn)物氫氧化鈣和水化硅酸鈣凝膠C-S-H，在具有一定濕度的環(huán)境中與大氣中CO2反應(yīng)，生成碳酸鈣。這些碳化產(chǎn)物積累到一定量會(huì)對(duì)混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行填充，從而導(dǎo)致孔隙的微結(jié)構(gòu)和物質(zhì)組成發(fā)生改變，這些孔隙結(jié)構(gòu)和物質(zhì)的改變將對(duì)各種有害物質(zhì)的傳輸起到很大的影響作用，最終影響到鋼筋的銹蝕速率。目前對(duì)碳化后的水泥基材料物相和微觀孔結(jié)構(gòu)的研究方法比較多[3-6]，如利用壓汞法（MIP）和氮吸附法（BET）對(duì)孔隙的研究，掃描電子顯微鏡和背散射電子（SEM-BSE），傳輸—透射電鏡（TEM），核磁—磁共振（NMR），熱重分析（DTG），X射線衍射（XRD）等，這些測(cè)試方法在樣品制備和測(cè)試時(shí)會(huì)對(duì)樣品產(chǎn)生影響，在分析前通常需要干燥處理或者打磨，而在這個(gè)過程中樣品內(nèi)部的組分和微觀結(jié)構(gòu)不可避免的會(huì)發(fā)生一定的改變，這對(duì)所研究的對(duì)象結(jié)果產(chǎn)生極大的影響。而XCT在無損檢測(cè)領(lǐng)域具有突出的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，其不需要對(duì)樣品進(jìn)行干燥等預(yù)處理，可以實(shí)現(xiàn)原位測(cè)試，精準(zhǔn)度較高。而且其通過對(duì)樣品進(jìn)行透視的形式使樣品的內(nèi)部信息以圖像的形式展示出來，其對(duì)研究對(duì)象的圖像分辨率可達(dá)微米級(jí)，并且可以在間隔時(shí)間段內(nèi)對(duì)樣品變化狀態(tài)達(dá)到動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的目的，所生成的圖像信息能夠通過圖像處理軟件對(duì)樣品的物相和形貌結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維重構(gòu)以還原出樣品原本的形態(tài)，并由圖像的灰度變化分析來反應(yīng)內(nèi)部物質(zhì)組分的變化[7]。利用XCT測(cè)試方法能夠獲得樣品內(nèi)部很精細(xì)化的東西，其在研究過程中更具有直觀性。

2、 XCT的技術(shù)原理

已有許多學(xué)者對(duì)XCT的工作原理進(jìn)行了報(bào)道[8-9]，本文對(duì)其原理作簡(jiǎn)要介紹，在XCT掃描中，X射線源透過樣品材料時(shí)，由于樣品材料會(huì)對(duì)X射線束產(chǎn)生吸收作用，致使X射線強(qiáng)度產(chǎn)生衰減，而探測(cè)器檢測(cè)到的是來自非軸向不同角度的最終被吸收后的X射線信號(hào)強(qiáng)度，稱之為投影。根據(jù)Beer-Lambert定律，對(duì)于每一投影角，在探測(cè)器坐標(biāo)為（y，z）上的每一像素點(diǎn)它的信號(hào)結(jié)果強(qiáng)度，I（y，z，θ）

—樣品前X射線束的強(qiáng)度；

—樣品衰減系數(shù)的角度變換；

—材料衰減系數(shù)。

衰減系數(shù)主要和樣品密度、厚度、材料的化學(xué)組成及材料的原子密度相關(guān)。在對(duì)水泥基材料試件進(jìn)行 XCT 原位測(cè)試時(shí)，X射線照射在試件上，試件通過旋轉(zhuǎn)一定的角度（一般為），得到了全方位的掃描，穿過試件的射線由于不同程度的衰減被一端的探測(cè)器接受，所接受的射線信號(hào)通過計(jì)算機(jī)以一定的算法將被測(cè)物體的三維空間影像還原出來。

3、XCT測(cè)試和研究時(shí)存在的問題

但是，XCT測(cè)試儀器是比較昂貴的設(shè)備，雖然可以對(duì)樣品進(jìn)行間隔時(shí)間段的掃描成像進(jìn)而達(dá)到動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的目的，其經(jīng)濟(jì)和成本代價(jià)也是巨大的，與一般的無損檢測(cè)不同，其無法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，只能用于實(shí)驗(yàn)室研究。另外，對(duì)測(cè)試樣品的規(guī)格要求也比較高，樣品的大小具有一定限制，XCT的成像分辨率也和樣品自身規(guī)格有關(guān)。而且外部環(huán)境對(duì)測(cè)試樣品會(huì)產(chǎn)生一定的信號(hào)噪音干擾問題，影響每次成像的質(zhì)量。 在連續(xù)周期對(duì)同一樣品進(jìn)行測(cè)試時(shí)，每次樣品所擺放的位置也無法避免的產(chǎn)生微小的角度和方位的偏差，這本身對(duì)“原位”檢測(cè)的準(zhǔn)確程度帶來了一定的困難，進(jìn)而也對(duì)后續(xù)XCT圖像的處理帶來諸多問題。然而，盡管如此，XCT具有的無法比擬的優(yōu)勢(shì)使其在水泥基材料研究中產(chǎn)生出諸多積極作用和影響。同時(shí)，國內(nèi)外一些學(xué)者也開始對(duì)XCT技術(shù)檢測(cè)存在的問題進(jìn)行改進(jìn)和研究，以提出更加完善和有效的方法，使其在水泥基材料研究中發(fā)揮更重要的作用。因此，本文也是基于這樣的背景，在樣品檢測(cè)時(shí)，對(duì)XCT測(cè)試所遇的諸多問題及XCT圖像信息處理和分析時(shí)所遇到問題加以闡述。

4、無損檢測(cè)XCT技術(shù)既有研究現(xiàn)狀

近年來，利用XCT檢測(cè)技術(shù)對(duì)混凝土內(nèi)部的物質(zhì)變化和微觀結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行研究成為一種熱門的趨勢(shì)。在土木工程中得到了較快的應(yīng)用和發(fā)展。基于水泥基材料各相密度等不同，XCT成像技術(shù)能夠?qū)λ嗷牧蟽?nèi)部的微觀缺陷進(jìn)行成像和觀察。在碳化、腐蝕、鋼筋銹蝕的過程中，材料的內(nèi)部會(huì)發(fā)生微結(jié)構(gòu)的改變，這些改變的信息可以通過XCT成像技術(shù)捕捉到，同時(shí)XCT也能夠?qū)α芽p，孔結(jié)構(gòu)分布，纖維的分布狀況進(jìn)行二維和三維成像，所得到的成像信息可以通過相關(guān)的圖像分析軟件進(jìn)行針對(duì)性的分析和相關(guān)的定量計(jì)算。借助XCT技術(shù)可以對(duì)各種特殊混凝土（鋼纖維混凝體、抗凍混凝土、引氣混凝土）在服役時(shí)的作用機(jī)理進(jìn)行相應(yīng)的分析[10]，同樣的，基于XCT成像技術(shù)這種工具手段可以對(duì)瀝青混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行數(shù)值模擬。目前一些學(xué)者利用XCT技術(shù)對(duì)水泥基材料做出了相關(guān)的研究。

韓建德等[11]通過采用XCT技術(shù)來實(shí)現(xiàn)原位監(jiān)測(cè)加速碳化的水泥漿體內(nèi)部物相和微結(jié)構(gòu)變化的目的，發(fā)現(xiàn)了碳化導(dǎo)致微裂縫的產(chǎn)生，以及利用體積和表面積分?jǐn)?shù)來表征碳化程度。但是沒有找出碳化深度，且利用單張縱向切面圖來進(jìn)行連續(xù)位置灰度值標(biāo)定時(shí)，不夠準(zhǔn)確，該切面并不能完整的表征試件具體每一位置的物相和孔結(jié)構(gòu)變化。任文淵等[12]對(duì)混凝土試塊進(jìn)行了X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（XCT）原位試驗(yàn)，提出了基于XCT圖像的細(xì)觀有限元斷裂模型，通過預(yù)先嵌入黏結(jié)裂縫單元到有限元網(wǎng)格中，成功地模擬了混凝土單軸受拉試驗(yàn)中復(fù)雜多裂縫的開展過程。Yujie Huang等[13]使用基于XCT成像的細(xì)觀模型模擬了動(dòng)態(tài)荷載下混凝土的損害和斷裂發(fā)展過程。Jie Yuan等[14]使用XCT技術(shù)探究了在硫酸鹽侵蝕和干濕循環(huán)耦合作用下混凝土的失效過程。孫紅芳等[15]利用X射線微型計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)對(duì)鋼筋通電腐蝕行為及裂縫的三維分布進(jìn)行了研究，從微米尺度重構(gòu)出試件中鋼筋腐蝕產(chǎn)物和凈漿裂縫的三維分布，探究了鋼筋腐蝕產(chǎn)物和凈漿裂縫之間分布及體積數(shù)量上的關(guān)系。上述利用XCT技術(shù)對(duì)混凝土相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行的研究涉及到力學(xué)性能數(shù)值模擬和鋼筋銹蝕等，近些年在借助于XCT成像技術(shù)在混凝土和水泥漿體孔結(jié)構(gòu)的傳輸方面研究也有一定的成果。

S.Lu等[16]利用XCT成像技術(shù)研究了混凝土中的孔隙結(jié)構(gòu)連通性及其滲透性，進(jìn)而達(dá)到研究氯離子在孔隙當(dāng)中的傳輸特性的目的。L.Korat等[17]利用XCT和壓汞法來對(duì)基于輕集料中硅灰泥漿的孔隙演變進(jìn)程進(jìn)行了測(cè)定和研究。MBA Promentilla等[18]利用XCT技術(shù)表征了硬化水泥漿體三維孔結(jié)構(gòu)特征包括孔隙率，曲折度，連通性。MBA Promentilla等[19]使用XCT成像技術(shù)對(duì)劣化水泥基材料的微結(jié)構(gòu)和傳輸性能進(jìn)行了評(píng)估。

而在水泥基材料碳化方面的研究，不同的學(xué)者也通過XCT成像技術(shù)對(duì)碳化后的物質(zhì)組分和孔隙結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行了相關(guān)的研究。Keshu Wan等[20]利用XCT技術(shù)對(duì)水泥基材料中由碳化產(chǎn)生的碳酸鈣的三維空間分布進(jìn)行了研究。Keshu Wan等[21]采用XCT技術(shù)手段對(duì)部分鈣溶出的水泥漿體的三維孔隙分布進(jìn)行了研究。上述在水泥基材料碳化研究方面取得了較大的進(jìn)展，但在表征碳化程度和碳化深度方面以及在XCT掃描圖像分析具體過程方面，卻鮮有報(bào)道和研究。

因此，上述諸多研究中可以看出，雖然基于XCT技術(shù)，一些學(xué)者對(duì)混凝土等不同研究方向進(jìn)行了相關(guān)研究，但是，在一些方面還存在許多不足和欠缺，特別是在一些研究過程和XCT圖像處理和分析的細(xì)節(jié)上（如灰度閾值劃分等）需要進(jìn)一步明確化和統(tǒng)一化，以便形成較為認(rèn)可的認(rèn)識(shí)和標(biāo)準(zhǔn)。

5、展望

在XCT測(cè)試水泥基材料時(shí)，需要采用一定的手段對(duì)來確保測(cè)試時(shí)試件的“原位”。在XCT圖像分析過程中對(duì)灰度閾值的劃分方法還需要進(jìn)一步簡(jiǎn)單化，以減少分析過程中的工作量。對(duì)軟件分析的通用性方面還有待進(jìn)一步研究。對(duì)樣品測(cè)試時(shí)由外界環(huán)境引起的對(duì)XCT圖形灰度的干擾影響需要采取方法加以消除。另外，XCT測(cè)試設(shè)備對(duì)測(cè)試時(shí)間的分辨率需要進(jìn)一步提高，以便對(duì)尺度更小，更加精細(xì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)加以研究。

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作者簡(jiǎn)介：

王少華， 1990.04.15，男，漢族.河南省平頂山市魯山縣，碩士研究生，深圳大學(xué)土木工程學(xué)院，濱海環(huán)境下水泥基材料的耐久性問題。