界面过渡区（ITZ）中集料表面形貌的测定

摘要

本文提出了一种用于阐明集料表面形貌对界面过渡区（ITZ）微观结构影响的实验方案。通过数字图像处理对扫描电镜-背散射电子（SEM-BSE）图像进行定量分析，以获得ITZ的孔隙率梯度，并进一步采用K-means聚类算法建立孔隙率梯度与表面粗糙度之间的关系。

摘要

本文介绍了一种综合方法，用于揭示集料周围界面过渡区（ITZ）分布的不均匀性，以及集料表面形貌对ITZ形成的影响。首先，制备一种模型混凝土试样，在水泥基体的大致中心位置嵌入一个球形陶瓷颗粒，用作普通混凝土/砂浆中的粗集料。养护至预定龄期后，采用X射线计算机断层扫描技术对试样进行扫描，以确定陶瓷颗粒在水泥基体内的相对位置。选取ITZ的三个位置：集料上方、集料侧面和集料下方。经过一系列处理后，使用扫描电镜背散射电子（SEM-BSE）探测器对样品进行扫描。所得图像进一步通过数字图像处理方法（DIP）进行分析，以获取ITZ的定量特征。基于数字图像，在像素级别上对表面形貌进行表征。随后，采用K-均值聚类方法揭示表面粗糙度对ITZ形成的影响。

引言

在介观尺度上，水泥基材料可被视为由水泥浆体、骨料以及两者之间的界面过渡区（ITZ）组成的三相复合材料^1,2。ITZ 通常被认为是薄弱环节，因其较高的孔隙率可能成为有害物质侵入的通道^3,4，或为裂纹扩展提供更易通行的路径^{5,6,7,8,9,10,11}。因此，精确表征 ITZ 的性质，对于评估和预测水泥基材料的宏观性能具有重要意义。

为了研究界面过渡区（ITZ），已有大量研究通过实验和数值方法对其微观结构特征、形成机制及影响因素进行了探讨^12,13,<....

方案

1. 含单个陶瓷颗粒的模型混凝土制备

1. 模具准备
   1. 使用刷子清洁模具（25 mm × 25 mm × 25 mm），确保模具内表面无杂质。
   2. 使用另一把刷子将柴油均匀涂刷在模具内表面，以便于脱模。
      注意：此处我们未使用常规的砂浆或混凝土试件模具。由于陶瓷颗粒直径约为15 mm，因此采用边长约30 mm的立方体塑料模具制备试样。请确保塑料模具的尺寸大于陶瓷颗粒。
2. 模型混凝土成型
   1. 使用电子天平称取1,000 g水泥和350 g水（设计水灰质量比为0.35）。
   2. 用湿毛巾擦拭5 L搅拌锅内壁以润湿，依次加入350 g水和1,000 g水泥。将搅拌锅安装至搅拌机上，并升至搅拌位置。
   3. 以65 rpm转速搅拌90 s，静置30 s。在此期间，刮下粘附在锅壁上的浆体，然后以130 rpm转速继续搅拌60 s。
   4. 将搅拌锅从搅拌机上取下，将陶瓷颗粒放入浆体中，手动充分搅拌，使其与水泥浆混合均匀。
   5. 用充分混合的新鲜水泥浆填充模具至一半高度。
   6. 将陶瓷颗粒放置在水泥浆顶部表面，再用水泥浆填满模具剩余空间。用刮刀刮除多余浆体，并将模具置于振动台上以50 ± 3 Hz频率振动1 min。
   7. 用保鲜膜密封模具表面，防止水分蒸发。
3. 养护

结果

对骨料上方、骨料侧面以及骨料下方的界面过渡区（ITZ）孔隙率分布进行了比较，结果如图4³²所示。骨料上表面区域的ITZ孔隙率似乎小于骨料侧面或骨料上方区域，表明该处ITZ微观结构更为致密，而骨料下方的ITZ由于微泌水作用始终具有最高的孔隙率。图4³²显示，即使在同一骨料周围，孔隙分布也不均匀。

为了研究集料表面形貌的影响，分别使用直线和圆弧对人工采集的不规则边界进行拟合，如图5³²所示。蓝色线表示原始的不规则边界，而拟合曲线由红色线表示。对于所选边界，其形状更接近于一条直线。

根据定义的 SR 和 SL 参数的计算结果，将从不同相对位置到骨料表面的界面过渡区（ITZ）视为一个整体 {(SR<.......

讨论

采用X-CT技术粗略确定陶瓷颗粒的几何中心，以确保所分析的表面通过颗粒的赤道面，从而避免因二维伪影导致的界面过渡区（ITZ）厚度高估³⁸。因此，所得结果的准确性在很大程度上取决于被检表面的平整度。通常情况下，更长的研磨和抛光时间有助于获得足够光滑的测试表面。然而，由于水泥浆体与陶瓷颗粒之间的硬度不同，过长的研磨和抛光时间容易在两相之间产生高度差，在所得的背散射电子（BSE）图像上表现为100%孔隙率的间隙。为消除这一影响，应根据材料特性谨慎选择研磨和抛光策略^21,39。一旦图像上出现此类间隙，我们选择沿水泥浆体的轮廓捕捉边界，而非精确的骨料表面。

ITZ 的特性由孔隙率梯度推导得出。实际上，还可以从图像中确定水化产物和未水化熟料的体积分数。通过结合使用能量色散光谱（EDS），可以获得该区域内 Ca/Si 比值的变化情况，从而有助于确定 ITZ 的特征参数。本文中获得的 ITZ 厚度约为 70 μm，大于以往研究中报道的.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
自动溅射镀膜仪	Cressington	108 Auto/SE
自动抛光机	Buehler	Phoenix4000
刷子	Huoniu	3#
水泥	中国联合水泥集团有限公司	P.I. 42.5
水泥净浆搅拌机	无锡建工设备	NJ160
陶瓷颗粒	Haoqiang	Φ15 mm
保鲜膜	Miaojie	65300
冷镶嵌机	Buehler	Cast N' Vac 1000
导电胶带	Nissin Corporation	7311
杯	Buehler	20-8177-100
切割机	Buehler	Isomet 4000
圆柱形塑料模具	Buehler	20-8151-100
金刚石抛光膏	Buehler	00060210, 00060190, 00060170
柴油	中国石油	0#
电子天平	Setra	BL-4100F
环氧树脂	Buehler	20-3453-128
固化剂	Buehler	20-3453-032
高精度切割机	Buehler	2215
Image J	美国国立卫生研究院	1.52o
异丙醇	国药集团	M0130-241
Matlab	MathWorks	R2014a
纸张	Deli	A4
塑料盒	Beichen	3630
塑料模具	Youke	a=b=c=25mm
抛光绒布	Buehler	242150, 00242050, 00242100
脱模剂	Buehler	20-8186-30
扫描电子显微镜	FEI	Quanta 250
刮刀	金正建筑材料	CD-3
碳化硅砂纸	Buehler	P180, P320, P1200
超声波清洗机	Zhixin	DLJ
真空箱	Heheng	DZF-6020
真空干燥箱	ZK	ZK30
振动台	建仪	GZ-75
木棒	Buehler	20-8175
X射线计算机断层扫描仪	YXLON	Y.CT PRECISION S