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SkyScan 3D-XRM 应用 |水泥基材料微观结构表征

来源：时间：2022-10-24 16:06:42 浏览：3216次

水泥基材料是指以水泥为主要凝胶材料的多相复合材料，包括水泥石、水泥净浆以及各种混凝土。水泥基复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学性能、渗透性及耐久性与硬化水泥浆体的微观结构密切相关。因此，对微观结构的合理表征可以有助于更好地理解水泥基材料性能。

01

1. 三维X射线显微镜（3D-XRM）表征水泥基材料的微观结构的优势

三维X射线显微镜（3D-XRM）利用X射线对材料进行成像表征，是一种将实验技术和数学分析结合以获取材料三维微观结构的无损、可视化表征技术。其技术的突出优势在于：

a. 无需复杂的制样过程，试样可在原始状态下进行检测，不需进行干燥或真空脱水处理

b. 无损检测

c. 可进行原位连续观察

d. 可提供三维空间图像

02

1. 3D-XRM在水泥基材料研究中的应用

a. 水泥水化过程的微结构

b. 侵蚀性介质传输过程的微结构

c. 骨料掺量以及形貌对微结构影响

d. 水泥基材料缺陷以及内部裂缝演变

2. 3D-XRM在水泥基材料研究中的应用实例

混凝土压缩疲劳试验中的裂纹和孔隙演化

（1）材料和仪器型号：

样品尺寸：40×40×40 mm³

仪器型号：SkyScan 1173 micro-CT

（2）研究内容：

使用SkyScan 1173 micro-CT从细观力学角度实时观测混凝土在周期性压缩加载疲劳测试中微观裂纹和孔隙演化。

a. 通过考虑混凝土的细观结构（骨料、水泥基质、孔隙），在压缩疲劳试验中不同循环次数荷载下，破裂混凝土样品的高分辨率的完整3D损伤图：

b. 随着疲劳损伤的增加，对裂缝和孔隙的体积以及裂缝宽度的变化进行定量估计（基于3D损伤图）。

03

水泥净浆微观结构及水化程度

（1）材料和仪器型号：

样品尺寸：直径5 mm，高度10mm 的圆柱体。

仪器型号：Skyscan 1172 micro-CT

（2）研究内容：

进行了0.3 和0.5 两种水灰比的水泥净浆从1 d 到40 d 龄期的CT 扫描试验和TGA 试验，并基于试验结果进行了三维重构和水化程度分析；

a. 可以直观反映未水化颗粒、孔隙、水化产物的形态演化；

b. 基于CT 扫描结果采用图像法计算了净浆水化程度，计算结果与常用的TGA 结果可比性好，7 d 至40 d 龄期测得的水化度最大相对误差仅为7.6%；

c. CT 为监测和模拟水泥基材料微观结构的变化提供了一个有力的工具。

参考文献：

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,

ISSN 0013-7944.

Sidiq A , Gravina R J , Setunge S , et al. Microstructural analysis of healing efficiency in highly durable concrete[J]. Construction and Building Materials, 2019, 215(AUG.10):969-983.

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.

吴泽弘，魏亚．基于CT 扫描技术的水泥净浆微观结构及水化程度[J/OL]．复合材料学报.

孙国文, 张丽娟. CT技术用于水泥基材料微观结构表征的国内外研究进展 [J]. 混凝土, 2015, 000(012):8-12.

来源：束蕴仪器

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