基于XCT技術(shù)對水泥基材料性能研究的進展

【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，其最終對混凝土耐久性的評估具有重大價值和現(xiàn)實意義。

【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試領(lǐng)域的應(yīng)用

在傳統(tǒng)的混凝土檢測技術(shù)當中，大多數(shù)是有損檢測手段，在實際工程中，通過鉆孔取樣等方法，對結(jié)構(gòu)本身產(chǎn)生了一定的損害。在對混凝土結(jié)構(gòu)進行檢測時，為了達到能夠更加方便，同時不會對檢測構(gòu)件本身造成損害的目的，近些來，在現(xiàn)場出現(xiàn)了很多可用的無損檢測技術(shù)， 基于力學(xué)、聲學(xué)、電阻、化學(xué)等一系列無損檢測技術(shù)，而XCT （X-射線計算機斷層掃描技術(shù)）作為新的具有前景的一種無損檢測技術(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，具有其獨特的優(yōu)勢和潛力。

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)物積累到一定量會對混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)進行填充，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，這些測試方法在樣品制備和測試時會對樣品產(chǎn)生影響，在分析前通常需要干燥處理或者打磨，而在這個過程中樣品內(nèi)部的組分和微觀結(jié)構(gòu)不可避免的會發(fā)生一定的改變，這對所研究的對象結(jié)果產(chǎn)生極大的影響。而XCT在無損檢測領(lǐng)域具有突出的優(yōu)勢和特點，其不需要對樣品進行干燥等預(yù)處理，可以實現(xiàn)原位測試，精準度較高。而且其通過對樣品進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，其對研究對象的圖像分辨率可達微米級，并且可以在間隔時間段內(nèi)對樣品變化狀態(tài)達到動態(tài)監(jiān)測的目的，所生成的圖像信息能夠通過圖像處理軟件對樣品的物相和形貌結(jié)構(gòu)進行三維重構(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測試方法能夠獲得樣品內(nèi)部很精細化的東西，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XCT的工作原理進行了報道[8-9]，本文對其原理作簡要介紹，在XCT掃描中，X射線源透過樣品材料時，由于樣品材料會對X射線束產(chǎn)生吸收作用，致使X射線強度產(chǎn)生衰減，而探測器檢測到的是來自非軸向不同角度的最終被吸收后的X射線信號強度，稱之為投影。根據(jù)Beer-Lambert定律，對于每一投影角，在探測器坐標為（y，z）上的每一像素點它的信號結(jié)果強度，I（y，z，θ）

—樣品前X射線束的強度；

—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)。在對水泥基材料試件進行 XCT 原位測試時，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器接受，所接受的射線信號通過計算機以一定的算法將被測物體的三維空間影像還原出來。

3、XCT測試和研究時存在的問題

但是，XCT測試儀器是比較昂貴的設(shè)備，雖然可以對樣品進行間隔時間段的掃描成像進而達到動態(tài)監(jiān)測的目的，其經(jīng)濟和成本代價也是巨大的，與一般的無損檢測不同，其無法進行現(xiàn)場監(jiān)測，只能用于實驗室研究。另外，對測試樣品的規(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)境對測試樣品會產(chǎn)生一定的信號噪音干擾問題，影響每次成像的質(zhì)量。 在連續(xù)周期對同一樣品進行測試時，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“原位”檢測的準確程度帶來了一定的困難，進而也對后續(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，國內(nèi)外一些學(xué)者也開始對XCT技術(shù)檢測存在的問題進行改進和研究，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，在樣品檢測時，對XCT測試所遇的諸多問題及XCT圖像信息處理和分析時所遇到問題加以闡述。

4、無損檢測XCT技術(shù)既有研究現(xiàn)狀

近年來，利用XCT檢測技術(shù)對混凝土內(nèi)部的物質(zhì)變化和微觀結(jié)構(gòu)變化進行研究成為一種熱門的趨勢。在土木工程中得到了較快的應(yīng)用和發(fā)展?；谒嗷牧细飨嗝芏鹊炔煌?，XCT成像技術(shù)能夠?qū)λ嗷牧蟽?nèi)部的微觀缺陷進行成像和觀察。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XCT也能夠?qū)α芽p，孔結(jié)構(gòu)分布，纖維的分布狀況進行二維和三維成像，所得到的成像信息可以通過相關(guān)的圖像分析軟件進行針對性的分析和相關(guān)的定量計算。借助XCT技術(shù)可以對各種特殊混凝土（鋼纖維混凝體、抗凍混凝土、引氣混凝土）在服役時的作用機理進行相應(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瀝青混凝土的力學(xué)性能進行數(shù)值模擬。目前一些學(xué)者利用XCT技術(shù)對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)來實現(xiàn)原位監(jiān)測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數(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行連續(xù)位置灰度值標定時，不夠準確，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]對混凝土試塊進行了X射線計算機斷層掃描（XCT）原位試驗，提出了基于XCT圖像的細觀有限元斷裂模型，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成像的細觀模型模擬了動態(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射線微型計算機斷層掃描技術(shù)對鋼筋通電腐蝕行為及裂縫的三維分布進行了研究，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)對混凝土相關(guān)領(lǐng)域進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，進而達到研究氯離子在孔隙當中的傳輸特性的目的。L.Korat等[17]利用XCT和壓汞法來對基于輕集料中硅灰泥漿的孔隙演變進程進行了測定和研究。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)對劣化水泥基材料的微結(jié)構(gòu)和傳輸性能進行了評估。

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)對碳化后的物質(zhì)組分和孔隙結(jié)構(gòu)變化進行了相關(guān)的研究。Keshu Wan等[20]利用XCT技術(shù)對水泥基材料中由碳化產(chǎn)生的碳酸鈣的三維空間分布進行了研究。Keshu Wan等[21]采用XCT技術(shù)手段對部分鈣溶出的水泥漿體的三維孔隙分布進行了研究。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)者對混凝土等不同研究方向進行了相關(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節(jié)上（如灰度閾值劃分等）需要進一步明確化和統(tǒng)一化，以便形成較為認可的認識和標準。

5、展望

在XCT測試水泥基材料時，需要采用一定的手段對來確保測試時試件的“原位”。在XCT圖像分析過程中對灰度閾值的劃分方法還需要進一步簡單化，以減少分析過程中的工作量。對軟件分析的通用性方面還有待進一步研究。對樣品測試時由外界環(huán)境引起的對XCT圖形灰度的干擾影響需要采取方法加以消除。另外，XCT測試設(shè)備對測試時間的分辨率需要進一步提高，以便對尺度更小，更加精細的內(nèi)部結(jié)構(gòu)加以研究。

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作者簡介：

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。