קביעת מורפולוגיה של משטח צבירה באזור המעבר הבינפנים (ITZ)

Summary

בזאת, הצעת פרוטוקול להמחשת ההשפעה של מורפולוגיה מפני השטח במיקרו מבנה המיקרוסטרוץ. התמונה SEM-BSE היו מנותח כדי לקבל מעבר הדרגתי של ITZ באמצעות עיבוד תמונה דיגיטלית ואלגוריתם האשכול K-אמצעי היה עוד יותר מועסק כדי ליצור קשר בין הדרגתי ושינוי העומק של פני השטח.

Abstract

כאן, אנו מציגים שיטה מקיפה כדי להמחיש את התפלגות אחידה של אזור המעבר בין פנים (ITZ) סביב צבירה ואת ההשפעה של מורפולוגיה משטח צבירה על היווצרות של ITZ. ראשית, דגימת בטון מודל מוכנה עם חלקיק קרמי כדורי בערך החלק המרכזי של מטריצת הבטון, הפועלת כצבירה גסה המשמשת בבטון/טיט משותפים. לאחר הריפוי עד לגיל המתוכנן, המדגם נסרק על-ידי טומוגרפיה ממוחשבת של X-ray כדי לקבוע את המיקום היחסי של החלקיק הקרמי בתוך מטריצת הבטון. שלושה מיקומים של ITZ נבחרים: מעל הצבירה, בצד הצבירה, ומתחת לצבירה. לאחר סדרת טיפולים, הדגימות נסרקות עם גלאי SEM-BSE. התמונות התוצאות עובדו עוד יותר באמצעות שיטת עיבוד תמונה דיגיטלית (DIP) כדי להשיג מאפיינים כמותיים של ITZ. מורפולוגיה של פני השטח מתאפיינת ברמת הפיקסלים המבוססת על התמונה הדיגיטלית. לאחר מכן, K-פירושו שיטת התקבצות משמש כדי להמחיש את ההשפעה של החספוס פני השטח על מערך ITZ.

Introduction

בקנה מידה מזוסקופי, חומרים מבוססי מלט ניתן לראות כמורכב שלושה שלב מורכב של משחת הבטון, צבירה, ואת אזור המעבר הפנימי (ITZ) בין אותם^1,2. ITZ הוא מטופל לעתים קרובות כחוליה חלשה מאז מוגברת מוגבר שלה יכול לשמש כערוצים עבור כניסה של מינים אגרסיביים^3,4 או לספק מסלולים קלים יותר עבור צמיחה סדק^{5,6,7,8,9,10,11}. לאחר מכן, מעניין מאוד לאפיין במדויק את תכונות ה-ITZ כדי להעריך ולנבא את ביצועי המאקרו של החומרים המבוססים על מלט.

כדי לחקור את ITZ, יש כבר מחקר מוגזם על התכונות המיקרוקונסטרוקטיבית שלה, יצירת מנגנונים, והשפעה על גורמים^12,13,14 באמצעות שיטות ניסוי ומספרי. טכניקות שונות ביחד עבור אפיון ITZ כולל: בדיקות מכניות, בדיקות תחבורה, מרקורי מבחני הכניסה (mip) בדיקות^15,16 ו ננו-כניסה¹⁷. מקובל לקבל את העובדה ש-ITZ נגרם בעיקר על-ידי אפקט הקיר, כמו גם סרט מים, מיקרו-דימום, גידול צד אחד, ו-ג'ל סיננסיס¹⁸.

עם התפתחות של שיטת עיבוד תמונה דיגיטלית (DIP) בשני העשורים האחרונים¹⁹, המאפיינים מורפולוגיים של ITZ (למשל, שבריר של נפח, עובי, והדרגתי) ניתן לכמת. מבוסס על בחינת סעיפים המטוס באמצעות סריקת אלקטרון מיקרוסקופ (SEM) עם גלאי אלקטרון מפוזר (BSE), התכונות תלת ממדיות (3D) של ITZ ניתן לגזור מן התוצאות 2D באמצעות התאוריה סטריאולוגיה²⁰. כמו טכניקת SEM-BSE, הטכניקה הננו-כניסות מבוססת גם על הבדיקה של משטחים מלוטשים, אבל זה מתמקד יותר על מודול האלסטי של השלבים הקיימים²¹. עם זאת, הן בניתוח SEM-BSE ובמבחן הננו-כניסות, עובי ITZ עשוי להיות מיותר מידי כאשר מקטע הצלב נבדק לעתים נדירות עובר דרך הכיוון הרגיל משטח צבירה²². עם זאת, צימוד זה עם פלורסנט 3d מיקרוסקופ קונפוקלית, הערכה יתר של ITZ יכול להיות מסולק ואת החומר האמיתי של המלט, ותוכן צמנט anהידרוous ניתן להשיג²³.

המחקרים הקודמים של גורמים המשפיעים בעיקר על הדבק בטון, מתעלם מהתפקיד של צבירה ואת מרקם פני השטח שלה^24,25,26. מאז הצורה ואת המאפיינים מורפולוגית של צבירה תוארה בהרחבה על בסיס ניתוח כמותי של פרוסות דיגיטליות שהתקבלו מ-SEM או x-ray טומוגרפיה ממוחשבת (X-CT)^27,28. עם זאת, לא מחקר התמקדות בהשפעה של מרקם הקרקע צבירה על היווצרות של אזור ITZ כבר בוצעה.

בזאת, אנו מציגים פרוטוקול לחקור את ההשפעה של המבנה משטח צבירה על היווצרות מיקרו מבנה ITZ מבוסס על ניתוח כמותי של התמונות SEM-BSE ואלגוריתם האשכול K-אמצעי. דגם בטון מודל היה מוכן עם חלקיק כדורי קרמיקה מתנהג כמו צבירה גסה. X-CT שימש בערך לקבוע את המיקום היחסי של החלקיק במטריצת הבטון האטומה לפני הפחתת הדגימה. לאחר עיבוד כדי לקבל את התמונות SEM-BSE, התפלגות אחידה של ITZ סביב צבירה אחת נצפתה. כמו כן, הוגדרה חספוס של משטח האינדקס (SR) המתאר את מרקם המשטח המצטבר ברמת הפיקסל. האלגוריתם K-כלומר באשכולות, שימש במקור באזור עיבוד אותות וכעת בשימוש נרחב עבור התמונה באשכולות^29,30, הוצג להקים קשר בין חספוס פני השטח (SR) ו מעבר הדרגתי (SL).

Protocol

1. הכנת בטון דגם עם חלקיק קרמי אחד

1. הכנת עובש
   1. השתמש במברשת כדי לנקות את העובש (25 מ"מ x 25 מ"מ x 25 מ"מ) ולהבטיח כי המשטחים הפנימיים של העובש הם ללא מטומאה.
   2. השתמשו במברשת אחרת כדי להחיל בצורה אחידה שמן דיזל על המשטחים הפנימיים של העובש לשחרר בקלות עובש.
      הערה: לא השתמשו בעובש המשותף לחומר מליטה או הכנה לבטון. כמו חלקיק קרמי הוא סביב 15 מ"מ קוטר, עובש פלסטיק מעוקב סביב 30 מ"מ באורך משמש להכנה לדוגמה. ודא כי גודל עובש הפלסטיק גדול יותר מהחלקיק הקרמי.
2. מעצב את בטון המודל
   1. שוקלים 1,000 גרם מלט ו 350 g של מים עם איזון אלקטרוני (המים המיועדים לבטון יחס המוני הוא 0.35).
   2. לנגב את 5 L ערבוב סיר עם מגבת רטובה כדי להרטיב אותו. הוסף 350 גרם של מים 1,000 g של מלט לתוך הסיר ערבוב ברציפות. מניחים את סיר ערבוב על המיקסר ולהעלות אותו לתנוחת ערבוב.
   3. מערבבים ב 65 rpm עבור 90 s, ולתת לתערובת לעמוד עדיין 30 s. במהלך תקופה זו, לגרד את ההדבקה על הקיר הפנימי של הסיר. אז, לערבב ב 130 rpm עבור אחר 60 s.
   4. להסיר את הסיר מן המיקסר ולשים את החלקיקים קרמיקה לתוך הדבק, ערבוב באופן ידני עם הבטון להדביק ביסודיות.
   5. חצי למלא את העובש עם מעורבב בטון טרי מעורב.
   6. הניחו את החלקיק הקרמי על המשטח העליון של ממרח הבטון ומלאו את שאר העובש בעזרת ממרח מלט. נגב את עודפי המלט עם סכין מגרד ורטט את העובש על שולחן רוטט במשך 1 דקות ב 50 ± 3 Hz.
   7. חותם את משטח עובש עם הסרט להיאחז כדי למנוע אידוי לחות.
3. ריפוי
   1. לרפא את הדגימה בחדר ריפוי עבור 24 שעות (20 ± 1 ° צ' ו 95% ± 5% לחות יחסית).
   2. להסיר את הדגימה מן העובש ועוד לרפא את הדגימה עבור 28 ד תחת התנאים הסביבתיים אותו.

2. סריקת הכנת מיקרוסקופ אלקטרוני

1. קביעת חלקיק הקרמיקה בתוך המטריצה
   1. סרוק את הדגימה עם טומוגרפיה ממוחשבת של רנטגן כדי לקבל ערימה של פרוסות³¹.
   2. בערך לבחור את הפרוסה שבה החלקיק הקרמי נראה הגדול ביותר. התאימו את גבולות החלקיק הקרמי בעיגול וקבעו את מרכז המעגל כמרכז הגיאומטרי של החלקיק הקרמי. בשל הבדלי ערך אפורים בין מטריצת מלט לבין חלקיק קרמי, גבול מחוספס של החלקיק מופיע על כל פרוסת CT (איור 1).
2. חיתוך
   1. חותכים את הדגימה העוקבת לשני חלקים דרך המרכז הגיאומטרי של החלקיק הקרמי במכונת חיתוך. איור³² הוא מפה סכמטית המציגה את כיוון החיתוך.
      הערה: החלקיק הקרמי התפצל לשני חלקים שווים, בעוד הדגימה לא נחתכה לשני חצאים שווים בדיוק. אם החלקיק הקרמי נמצא במרכז המדויק של הדגימה העוקבת, הדגימה תהיה מפוצלת לשני חצאים שווים. עם זאת, במצב אמיתי, חלקיקי קרמיקה בדרך כלל אינו במרכז המדויק של הדגימה.
3. סיום השתיה
   1. לטבול את שני החלקים לתוך אלכוהול איזופרופיל (≥ 99.5%) במשך 3 ימים בטמפרטורת החדר כדי להסיר את המים הפחות מאוגדות ולסיים את תהליך החות הפנימי. החליפו את תמיסת האלכוהול האיזופרופיל כל 24 שעות.
   2. מניחים את שני החלקים בייבוש ואקום אפילו 7 ימים כדי לייבש את המדגם בטמפרטורה של 40 ° c.
4. מיצוק את המיקרו-מבנה
   1. השתמש באצבע כדי להכפיש את המשטח הפנימי של שני צורות פלסטיק גלילי (32 מ"מ בקוטר 25 מ"מ בגובה) עם הדבק demolding. התבניות כולן בתחתית נשלף.
   2. מניחים כל פיסת מדגם לתוך כל תבנית עם פני השטח להיבדק כלפי מטה.
   3. בספל נייר, שוקלים 50 גרם של שרף אפוקסי בצמיגות נמוכה ומוסיפים עוד 5 גר' הרנייר. באופן ידני לערבב את התערובת עם מקל עץ עבור 2 דקות.
   4. הכניסו את העובש לתוך המכונה הקרה ביחד עם ספל הנייר עם התערובת.
   5. התחל את הוואקום על המכונה הקרה להרכבה ויוצקים את שרף האפוקסי לתוך העובש עד שהוא מתמזג עם כל מדגם.
   6. לשמור את העובש במכונה הרכבה קר עבור 24 שעות עד שרף אפוקסי מתקשה.
   7. הסר את החלק התחתון של כל תבנית ולסחוט את המדגם. לאחסן את המדגם בתנור ייבוש ואקום.
5. שיוף וליטוש
   1. לטחון את המדגם עם נייר SiC ואלכוהול כמו חומר סיכה על מכונת ליטוש אוטומטי במהירות של 300 rpm ברצף הבא עבור 3 דקות כל אחד: 180 חצץ, 300 חצץ, 600 חצץ, ו-1200 חצץ.
   2. הצמד את הפלנלית לפטיפון. של מכונת הליטוש האוטומטית
   3. פולנית את המדגם על הפלנלית עם הדבק יהלום 3 יקרומטר, 1 יקרומטר, ו 0.25 יקרומטר עבור 15 דקות במהירות של 150 סל ד, כל אחד.
   4. להסיר את הפסולת במנקה אולטראסאונד עם אלכוהול כמו הממס ניקוי לאחר כל שחיקה ושיוף צעד.
   5. לאחסן כל מדגם בקופסת פלסטיק בגודל דומה למדגם עם כל משטח להיבדק מול כדי למנוע לגרום כל שריטות על משטח הבדיקה.
   6. שמרו את הארגזים המכילים את הדגימות בתנור ואקום יבש³².
      הערה: תהליך הגריסה והליטוש יכול להסתיים במכונת הברקה אוטומטית וברוב 6 הדגימות יכול להיות מלוטש באותו זמן. זמן שחיקה וליטוש יש לבחור בקפידה כדי לקבל משטח חלקה מאוד עבור SEM מבלי ליצור הבדלי גובה בין הדבק מלט לבין צבירה. מדגם אופייני מוצג באיור 2³².

3. רכישת תמונה ועיבוד מפוזרים

1. רכישת
   1. רסס שכבה דקה של רדיד זהב על פני השטח כדי להיבדק בסביבת ואקום עם coater אטר אוטומטי.
   2. מניחים רצועה של דבק על הצד של המדגם כדי לחבר את משטח הבדיקה ומשטח הפוך ומניחים את המדגם על ספסל הבדיקה עם משטח הבדיקה פונה כלפי מעלה.
   3. הזז את המדגם כדי למקד את העדשה באזור 1 כמסומנת באיור 2³².
   4. ואקום ה-SEM ולשנות למצב אלקטרון מפוזרים לאחור. הגדר את ההגדלה ב-1, 000x והתאם בזהירות את הבהירות והניגודיות לפני לכידת תמונות.
   5. הזז את העדשה לאורך הכיוון של גבול צבירה למיקום אחר של צבירה ולקחת תמונה נוספת. חזור על תהליך ההזזה וההדמיה לפחות 15 פעמים כך שניתן יהיה להשיג מספיק תמונות לניתוח סטטיסטי.
   6. הזז את העדשה לאזור 2 ולאזור 3 וחזור על תהליך הדימות.
      הערה: כל תמונה צריכה לכלול שלושה שלבים: המטריצה, הצבירה, ו-ITZ. מאז ITZ הוא קטע צר קיים בין שני שלבים אחרים קשה להיות מכובד, כל תמונה צריכה לכלול הן מטריצת מלט וצבירה.
2. עיבוד
   1. התייחס מראש לתמונה בהתאמה מיטבית ובמסנן חציון של 3 x 3 שלוש פעמים כדי להקטין את הרעש ולשפר את הגבולות של שלבים שונים ב-ImageJ.
   2. לכוד באופן ידני את גבול החלקיק הקרמי וגזור חלק זה מהתמונה המקורית באמצעות ImageJ.
   3. קבע בערך את ערך הסף העליון של שלבי הנקבוביות על-ידי הגדרת ערכי הסף השונים והגדלת התמונה להשוואה למקור המקורי.
   4. השג את התפלגות הסרגל האפור של החלק הנותר של התמונה. בחר שני חלקים approximatively יניאריים של עקומת ההתפלגות ממש סביב ערך הסף העליון נקבע בערך של שלבי נקבוביות. התאימו את שני החלקים האלה בעזרת עקומה ליניארית ונקודת ההצטלבות תהיה מוגדרת כערך הסף הגבוה ביותר של תמונה זו (ראה איור 3c³²).
   5. השתמש בערך זה כדי לבצע את הפילוח ולהשוות את התמונה הבינארית באמצעות תמונה בקנה מידה מקורי לקביעת ערך הסף הסופי.
   6. המרת התמונה בקנה מידה אפור לתמונה בינארית עם לבן (ערך אפור = 255) המייצג שלב נקבובית ושחור (ערך אפור = 0) המייצג שלבים אחידים.
      הערה: הקביעה המדויקת של ערך הסף נקראת שיטת נקודת הגלישה³³ מכיוון שהבהירות והניגודיות נשמרות זהה עבור תמונות שונות שהתקבלו מאותה דוגמית. לאחר שערך הסף העליון נקבע במדויק, ניתן להחיל ערך זה על תמונות אחרות שהתקבלו מאותה דוגמית.

4. עיבוד נתונים

1. קביעת עובי ניץ
   1. תיחום 40 רצועות רצופות שהן 5 יקרומטר ברוחב (השתמש בקובץ strip_delineation. m כלול), לאורך הגבול השבוי בכיוון של התחלת משטח צבירה והולך לתוך הדבקה בצובר (ראה איור 3d³²).
   2. מספור את מספר הפיקסלים בעלי ערך אפור נמוך מהסף בכל רצועה ומנרמל את הערכים לפי מספר ה-voxels הכלולים בכל רצועה. כל ערך מנורמל יוצג כחלק מהגדלות של כל רצועה.
   3. חזור על תהליך הספירה והנורמליזציה עבור כל התמונות. ממוצע הפרופילים השונים של אותו מספר רצועה מתמונות שונות.
   4. ציירו את גרף ההפצה הפורמי כפונקציה של מרחק משטח צבירה. לקבוע את נקודת פיתול על עקומת שבו הופכים להיות יציבים כמו עובי של ITZ.
      הערה: מספר הרצועות והרוחב של כל רצועה עשוי להשתנות; ודא כי הרוחב הכולל של רצועות התחום כולל את כל ה-ITZ. לדברי המחקר הקודם, עובי ITZ נע בין 20-50 יקרומטר¹³. גם בדגמים מסוימים בטון מודל עם ITZ מוגדל, ערך זה אינו עולה על 70 יקרומטר^34,35.
2. אפיון החספוס בין פני השטח (SR)
   1. שמור את הגבול שנלכד באופן ידני כעקומה. התאימו את הגבול הסדיר עם קו ישר וקשת מעגל לפי Eq. (1) ו Eq. (2) מבוסס על אלגוריתם לפחות מרובע.
      1
      2
      עם (א, ב) להיות מרכז המעגל המתאים.
   2. הגדירו את הסטיות בין גבול לא סדיר מקורי לעקומה חלקה הולמת כחספוס פני השטח (SR).
   3. עבור קו ישר, חשב את SR_s על-ידי חישוב ממוצע הערך המוחלט של המרחק הניצב של המרכז של כל פיקסל בגבול לקו ההתאמה:
      3
      עם n להיות מספר הפיקסלים הכלולים בכל גבול ו (x_אני, y_i) להיות הקואורדינטות של הפיקסל ה-i על הגבול.
   4. לקשת עיגול, הגדר את SR_C as:
      4
   5. השוואת הערך של SR_{S ו-} sr_C עבור כל גבול ובדוק את הערך המינימלי כחספוס המשטח הסופי עבור עקומה זו (השתמש בקובץ surface_roughness_calculation. m הכלול).
      הערה: יש להגדיר את החספוס משטח הגבול כנגד עקומת בסיס חלקה. גם קו ישר וגם קו מעגלי שימשו מהסיבה הבאה. למרות הגבול של חלקיק קרמיקה כדורית מופיע כמו מעגל ב-2D, כמה אזורים מקומיים נראה יותר פונה לקו ישר.
3. K-פירושו קיבוץ באשכולות
   1. הגדירו אינדקס מדרון (SL) כדי לתאר את מעבר הדרגתי בתוך אזור המעבר הפנימי בהתאם ל-Eq (5).
      (5)
      כאשר φ_max הוא הערך של הגדלות ברצועה הראשונה (0 יקרומטר עד 5 יקרומטר) ו-φ_min הוא הערך של הגדלות ברצועה השישית (25 יקרומטר עד 30 יקרומטר).
   2. לשלב את SR ו-SL של כל גבול להיות התבוננות. ו עבור סך n גבולות ו-הלאה, ישנם n תצפיות להישמר כאשכול {(SR₁, SL₁), (sr₂, sl₂),..., (sr_n, sl_n)}.
   3. החלת K-משמעותו אשכול^36,37 אלגוריתם (השתמש בקובץ k_means_clustering. m כלול) לכל התצפיות לחלק אותם לתוך 2 אשכולות: מחוספס וחלק הקבוצה צבירה הקרקע, בהתאמה.
   4. ממוצע ההפצות הפורנות של ITZ באשכול מחוספס וחלק, בהתאמה. השוואת התפוצה הממוצעת בין שני אשכולות.
      הערה: בזאת, K-אמצעי התקבצות היא שיטה של קוונטיזציה וקטורית, אשר משמש במקור עיבוד אותות וכיום מוחל נרחב ניתוח אשכול בכריית נתונים. מטרת השיטה היא לחלק את התצפיות לשתי קבוצות משנה או יותר.

Results

ההתפלגות הפורמית של אזורי ITZ מעל הצבירה, בצד הצבירה, ומתחת לצבירה מושווים ומוצגות באיור 4³². הפורמים של ITZ מעל המשטח העליון נראה קטן יותר מאשר בצד או מעל צבירה, המציין מיקרו מיקרובית צפוף, בעוד ITZ מתחת לצבור הוא תמיד הנקבובי ביותר בשל דימום מיקרו. איור 4³² מראה שאפילו סביב אותו צבירה, ההתפלגות אינה אחידה.

כדי לחקור את ההשפעה של מורפולוגיה משטח צבירה, גבול בלתי סדיר שנתפסו באופן ידני מ...

Discussion

טכניקת ה-X-CT החלה בערך לקבוע את המרכז הגיאומטרי של החלקיקים הקרמיים כדי להבטיח שמשטח הניתוח יהיה באמצעות המשווה של החלקיק. כך, הערכה יתר של עובי ITZ הנגרמת על ידי הממצאים 2D ניתן להימנע³⁸. בזאת, הדיוק של התוצאות המתקבלות תלוי מאוד בשטצות של המשטחים הנבחנים. בדרך כלל, זמן הגריסה והליטוש ארוך יותר תורם למשטח חלק מספיק לבדיקה. עם זאת, בשל קשיות משתנה בין משחת המלט וחלקיק קרמי, שחיקה ממושכת וזמן הליטוש נוטה ליצור הפרש גובה בין שני השלבים, אשר מופיע כ 100% הפער נקבוביות בתמונות bse שהתקבלו. כדי למנוע ...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
ציפוי מקרטע אוטומטי	Cressington	108 אוטומטי/SE
מכונת ליטוש אוטומטית	Buehler	Phoenix4000
מברשת	Huoniu	3#
Cement	China United Cement Corporation	P.I. 42.5
מערבל משחת מלט	Wuxi Construction and Engineering	NJ160
חלקיק קרמי	האו-צ'יאנג	ופי; סרט נצמד 15 מ"מ
	Miaojie	65300
מכונת הרכבה קרה	Buehler	Cast N' Vac 1000
סרט מוליך	Nissin Corporation	7311
Cup	Buehler	20-8177-100
מכונת חיתוך	Buehler	Isomet 4000
תבנית פלסטיק גלילית	Buehler	20-8151-100
משחת יהלומים	Buehler	00060210, 00060190, 00060170
סולר שמן	סין נפט	0 #
איזון אלקטרוני	Setra	BL-4100F
שרף אפוקסי	Buehler	20-3453-128
מקשיח	Buehler	20-3453-032
חיתוך דיוק גבוה מכונה	Buehler	2215
תמונה J	המכונים הלאומיים לבריאות	1.52o
אלכוהול איזופרופיל	סינופארם	M0130-241
Matlab	MathWorks	R2014a
נייר	מעדנייה	A4
קופסת פלסטיק	Beichen	3630
תבנית פלסטיק	Youke	a=b=c=25 מ"מ
פלנלית מלוטשת	Buehler	242150, 00242050, 00242100
סוכן שחרור	Buehler	20-8186-30
סריקת מיקרוסקופ אלקטרונים	FEI	Quanta 250
סכין גירוד	Jinzheng חומרי בניין	CD-3
נייר SiC	Buehler	P180, P320, P1200
שואב אולטרסאונד	Zhixin	DLJ
תיבת ואקום	Heheng	DZF-6020
תנור ייבוש ואקום	ZK	ZK30
שולחן רטט	Jianyi	GZ-75
מקל עץ	Buehler	20-8175
רנטגן טומוגרפיה ממוחשבת	YXLON	Y.CT PRECISION S