계면 전환 영역(ITZ)에서 골재 표면 형태 측정

Summary

이를 통해, 우리는 ITZ 미세 구조에 대한 골재 표면 형태학의 효과를 설명하기 위한 프로토콜을 제안했다. SEM-BSE 이미지는 디지털 이미지 처리를 통해 ITZ의 다공성 그라데이션을 얻기 위해 정량적으로 분석되었으며, K-means 클러스터링 알고리즘을 추가로 사용하여 다공성 그라데이션과 표면 거칠기 간의 관계를 확립했습니다.

Abstract

여기서, 우리는 골재 를 중심으로 계면 전이 영역(ITZ)의 고르지 않은 분포와 총체 표면 형태가 ITZ의 형성에 미치는 영향을 설명하는 포괄적인 방법을 제시한다. 첫째, 모델 콘크리트 샘플은 시멘트 매트릭스의 대략 중앙 부분에 구형 세라믹 입자로 제조되어 공통 콘크리트 /모르타르에 사용되는 거친 골재 역할을합니다. 설계 된 나이까지 경화 한 후, 샘플은 시멘트 매트릭스 내부의 세라믹 입자의 상대적 위치를 결정하기 위해 X 선 컴퓨터 단층 촬영에 의해 스캔됩니다. ITZ의 세 위치가 선택됩니다: 집계 위, 집계 측면 및 집계 아래. 일련의 치료 후, 샘플은 SEM-BSE 검출기로 스캔됩니다. 결과물 이미지는 ITZ의 정량적 특성을 얻기 위해 디지털 이미지 처리 방법(DIP)을 사용하여 추가로 처리하였다. 표면 형태는 디지털 이미지를 기반으로 픽셀 수준에서 특징지어진다. 그 후, K-는ITZ 형성에 대한 표면 거칠기의 효과를 설명하기 위해 클러스터링 방법을 사용한다.

Introduction

중피적 스케일에서, 시멘트계 물질은 시멘트 페이스트, 골재 및 그들 사이의 계면 전이 영역(ITZ)으로 구성된 3상 복합체로서 간주될 수^있다1,2. ITZ는 종종 증가 된 다공성이 공격적인 종^3,4의 유린을위한 채널역할을 할 수 있기 때문에 약한 링크로 취급되거나 균열 성장을위한 더 쉬운 경로를 제공^{5,6,7,8,9,10,11.} 이어서, 시멘트 계 재료의 거시 적 성능을 평가하고 예측하기 위해 ITZ의 특성을 정밀하게 특성화하는 것이 큰 관심사이다.

ITZ를 조사하기 위해 실험 및 수치 방법을 모두 사용하여 미세 구조 적 특징, 형성 메커니즘 및 영향을 미치는 요인^12,13,14에 대한 과도한 연구가 있었습니다. 기계적 테스트, 수송 시험, 수은 침입 항로측량(MIP) 시험^15,16 및 나노 들여쓰기^17을포함하는 다양한 기술이 ITZ 특성화에 결합되었다. ITZ는 주로 수막, 미세 출혈, 한쪽 성장 및 겔^{합성18뿐만}아니라 벽 효과에 의해 유발되는 것으로 널리 받아들여진다.

지난 2년간 디지털 이미지 처리 방법(DIP)의 개발과^함께,ITZ의 형태학적 특성(예를 들어, 부피 분수, 두께 및 다공성 구배)을 정량적으로 결정할 수 있다. 역산 전자 검출기(BSE)를 이용한 스캐닝 전자 현미경(SEM)을 이용한 평면 섹션의 검사에 기초하여, ITZ의 3차원(3D) 특징은 입체학 이론^20을통해 2D 결과로부터 도출될 수 있다. SEM-BSE 기술과 마찬가지로 나노 들여쓰기 기술은 연마 된 표면의 검사를 기반으로하지만 기존 단계^21의탄성 계수에 더 중점을 둡니다. 그러나, SEM-BSE 분석 및 나노 들여쓰기 시험 모두에서, 조사된 단면이 골재^{표면(22)으로부터}통상의 방향을 거의 통과하지 못함에 따라 ITZ 두께가 과대 평가될 수 있다. 그러나, 이를 형광 3D 공초점 현미경검사법과 결합하면, ITZ의 과대평가가 제거될 수 있고 실제 ITZ 다공성 및 무수 시멘트^{함량을 23로}얻을 수 있었다.

영향을 미치는 요인의 이전 연구는 주로 골재의 역할을 무시하고, 시멘트 페이스트에 초점을^{맞추고, 24,25,26.} 골재의 형태및 형태학적 특성은 SEM 또는 X선 컴퓨터 단층 촬영(X-CT)^{27,28로부터}얻어진 디지털 슬라이스의 정량적 분석에 기초하여 광범위하게 기술되었기 때문에. 그러나, ITZ 영역의 형성에 대한 골재 표면 질감의 영향에 초점을 맞춘 연구는 수행되지 않았습니다.

이에 의해, 우리는 SEM-BSE 이미지의 정량적 분석 및 K-평균 클러스터링 알고리즘에 기초하여 ITZ 미세 구조 형성에 대한 골재 표면 형태학의 효과를 조사하는 프로토콜을 제시한다. 모델 콘크리트 샘플을 거친 골재로서 작용하는 구형 세라믹 입자로 제조하였다. X-CT는 샘플을 반으로 하기 전에 불투명 시멘트 매트릭스에서 입자의 상대적 위치를 대략 결정하기 위해 사용되었다. SEM-BSE 이미지를 수득하기 위해 처리한 후, 단일 골재 를 중심으로 ITZ의 고르지 않은 분포가 관찰되었다. 또한 픽셀 수준에서 집계 표면 텍스처를 설명하는 인덱스 표면 거칠기(SR)가 정의되었습니다. K-평균 클러스터링 알고리즘은 원래 신호 처리 영역에서 사용되고 현재 이미지^{클러스터링(29,30)에}널리 사용되고 있으며, 표면 거칠기(SR)와 다공성 그라데이션(SL) 사이의 관계를 확립하기 위해 도입되었다.

Protocol

1. 단일 세라믹 입자로 모델 콘크리트 의 준비

1. 금형 준비
   1. 브러시를 사용하여 금형(25mm x 25mm x 25mm)을 청소하고 금형의 내부 표면이 불순물이 없는지 확인합니다.
   2. 다른 브러시를 사용하여 금형의 내부 표면에 디젤 오일을 균일하게 도포하여 금형 해제가 용이합니다.
      참고 : 여기, 우리는 박격포 또는 콘크리트 준비에 대한 일반적인 금형을 사용하지 않았다. 세라믹 입자의 직경은 약 15mm이기 때문에 약 30mm 길이의 입방 플라스틱 금형이 시료 준비에 사용됩니다. 플라스틱 금형의 크기가 세라믹 입자보다 큰지 확인하십시오.
2. 모델 콘크리트 성형
   1. 전자 저울로 1,000g의 시멘트와 350g의 물 (시멘트 질량 비율은 0.35).
   2. 젖은 수건으로 5L 믹싱 포트를 닦아 적십시. 350g의 물과 1,000g의 시멘트를 혼합 냄비에 순차적으로 넣습니다. 믹서에 믹싱 포트를 놓고 교반 위치로 올립니다.
   3. 90s에 대해 65 rpm에서 혼합하고 혼합물을 30 s동안 가만히 두십시오. 이 기간 동안 냄비의 내벽에 붙여 넣기를 긁어 냅니다. 그런 다음 130 rpm에서 다른 60s를 섞습니다.
   4. 믹서에서 냄비를 제거하고 세라믹 입자를 페이스트에 넣고 수동으로 시멘트 페이스트와 철저히 혼합합니다.
   5. 절반은 잘 혼합 된 신선한 시멘트 페이스트와 금형을 채웁니다.
   6. 세라믹 입자를 시멘트 페이스트의 상단 표면에 놓고 금형의 나머지 부분을 시멘트 페이스트로 채웁니다. 스크레이퍼 나이프로 여분의 시멘트 페이스트를 닦고 50 ± 3 Hz에서 1 분 동안 진동 테이블에 금형을 진동.
   7. 수분 증발을 방지하기 위해 금형 표면을 집착 필름으로 밀봉하십시오.
3. 치료
   1. 24 시간 동안 경화 실에서 시편을 경화 (20 ± 1 ° C 및 95 % ± 5 % 상대 습도).
   2. 금형에서 시편을 제거하고 동일한 환경 조건에서 28 d에 대한 시편을 추가로 경화시.

2. 주사 전자 현미경 준비

1. 매트릭스 내부의 세라믹 입자 측정
   1. X 선 컴퓨터 단층 촬영으로 표본을 스캔하여 슬라이스³¹의 스택을 얻습니다.
   2. 세라믹 파티클이 가장 큰 것으로 보이는 슬라이스를 대략선택합니다. 세라믹 입자의 경계를 원으로 맞추고 원의 중심을 세라믹 입자의 기하학적 중심으로 결정합니다. 시멘트 매트릭스와 세라믹 입자 간의 회색 값 차이로 인해 각 CT 슬라이스에 입자의 거친 경계가나타납니다(그림 1).
2. 절단
   1. 커팅 머신에서 세라믹 입자의 기하학적 중심을 통해 입방 체형 시편을 두 부분으로 자른다. 도^1(32)은 절삭 방향을 도시하는 개략적 맵이다.
      참고: 세라믹 입자는 두 개의 동일한 부분으로 분할되었으며 시편은 정확히 두 개의 반부분으로 절단되지 않았습니다. 세라믹 입자가 입방 시편의 정확한 중심에 있으면 시편은 두 개의 동일한 반쪽으로 분할됩니다. 그러나 실제 상황에서 세라믹 입자는 전형적으로 시편의 정확한 중심에 있지 않습니다.
3. 하이드레이션 종단
   1. 이소프로필 알코올에 두 부분을 담그다 (≥99.5%) 실온에서 3일 동안 무한수를 제거하고 내부 수화 공정을 종료합니다. 24시간마다 이소프로필 알코올 용액을 교체하십시오.
   2. 2개의 부품을 진공 건조에 7일 동안 배치하여 시료를 40°C의 온도에서 건조시다.
4. 미세 구조 고화
   1. 손가락을 사용하여 두 개의 원통형 플라스틱 금형(직경 31mm, 높이 25mm)의 내부 표면을 탈몰딩 페이스트와 함께 얼룩지게 합니다. 금형은 모두 바닥 분리가 가능합니다.
   2. 시료의 각 조각을 표면이 아래쪽을 향하도록 각 금형에 놓습니다.
   3. 종이 컵에 점도가 낮은 에폭시 수지 50g의 무게를 측정하고 경화제 5g을 추가합니다. 나무 막대기로 혼합물을 2 분 동안 수동으로 저어줍니다.
   4. 혼합물과 함께 종이 컵과 함께 차가운 장착 기계에 금형을 넣습니다.
   5. 차가운 장착 기계의 진공을 시작하고 각 샘플과 병합 될 때까지 에폭시 수지를 금형에 붓습니다.
   6. 에폭시 수지가 경화 될 때까지 24 시간 동안 차가운 장착 기계에 금형을 유지하십시오.
   7. 각 금형의 바닥을 제거하고 샘플을 짜냅니다. 샘플을 진공 건조 오븐에 보관합니다.
5. 연삭 및 연마
   1. 180 그릿, 300 그릿, 600 모래, 1200 모래 : 3 분 동안 각각 300 rpm의 속도로 자동 연마 기계에 윤활유로 SiC 종이와 알코올로 샘플을 분쇄.
   2. 플란넬렛을 자동 연마 기의 턴테이블에 부착합니다.
   3. 플란넬레트에 있는 샘플을 각각 150rpm의 속도로 15분 동안 3 μm, 1 μm 및 0.25 μm의 다이아몬드 페이스트를 사용하여 연마합니다.
   4. 각 분쇄 및 연마 단계 후 청소 용매로 알코올 초음파 클리너의 이물질을 제거합니다.
   5. 각 샘플을 테스트 표면에 긁히지 않도록 각 표면을 위로 향하게 검사할 샘플과 비슷한 크기의 플라스틱 상자에 보관하십시오.
   6. 샘플을 포함하는 상자를 진공 건조^{오븐(32)에}보관한다.
      참고: 분쇄 및 연마 공정은 자동 연마 기계에서 완료될 수 있으며, 최소 6개의 샘플을 동시에 연마할 수 있습니다. 시멘트 페이스트와 골재 사이의 높이 차이를 만들지 않고 SEM에 대한 매우 매끄러운 표면을 얻기 위해 분쇄 및 연마 시간을 신중하게 선택해야합니다. 전형적인 샘플은 도 2^32에도시되어 있다.

3. 백스란산이 있는 이미지 수집 및 처리

1. 수집
   1. 자동 스퍼터 코터로 진공 환경에서 검사할 표면에 얇은 금 호일을 뿌린다.
   2. 시험 표면과 반대 표면을 연결하고 시험 표면에 샘플을 위쪽을 향하도록 테스트 벤치에 놓기 위해 샘플 측면에 접착제 테이프 스트립을 놓습니다.
   3. 그림 2^32에표시된 대로 샘플을 이동하여 영역 1에 렌즈를 초점을 맞춥니다.
   4. SEM을 진공 청소기로 청소하고 역산 전자 모드로 변경합니다. 배율을 1,000x로 설정하고 이미지를 캡처하기 전에 밝기와 대비를 신중하게 조정합니다.
   5. 집계 경계의 방향을 따라 렌즈를 골재의 다른 위치로 이동하고 다른 이미지를 찍습니다. 통계 분석을 위해 충분한 이미지를 얻을 수 있도록 이 이동 및 이미징 프로세스를 최소 15회 반복합니다.
   6. 렌즈를 영역 2 및 영역 3으로 이동하고 이미징 프로세스를 반복합니다.
      참고: 각 이미지에는 행렬, 집계 및 ITZ의 세 단계가 포함되어야 합니다. ITZ는 다른 두 단계 사이에 존재하는 좁은 단면이기 때문에 구별하기 어렵기 때문에 각 이미지에는 시멘트 매트릭스와 골재가 모두 포함되어야 합니다.
2. 처리
   1. 노이즈를 줄이고 ImageJ에서 다른 단계의 경계를 향상시키기 위해 이미지를 가장 잘 맞고 3 x 3 중앙값 필터로 세 번 미리 처리합니다.
   2. 세라믹 입자의 경계를 수동으로 캡처하고 ImageJ를 사용하여 원본 이미지에서 이 부분을 잘라냅니다.
   3. 서로 다른 임계값을 설정하고 이미지를 분할하여 원래 단계와 비교하여 공극 단계의 상한값을 대략결정합니다.
   4. 이미지의 나머지 부분의 회색 배분 분포를 가져옵니다. 기공 단계의 대략적으로 결정된 상한값 바로 주위에 분포 곡선의 근사선형 부분 두 개를 선택합니다. 선형 곡선과 교차점을 가진 이 두 부분을 이 이미지의 정확한 상점값으로 설정합니다(그림 3c³²참조).
   5. 이 값을 사용하여 세분화를 수행하고 이진 이미지를 원래 회색 축척 이미지와 비교하여 최종 임계값 을 결정합니다.
   6. 회색 눈금 이미지를 모공 위상을 나타내는 흰색(회색 값 = 255)이 있는 이진 이미지로 변환하고 솔리드 위상을 나타내는 검정(회색 값 = 0)을 나타냅니다.
      참고: 임계값의 정확한 결정은 밝기와 콘트라스트가 동일한 샘플에서 얻은 다른 이미지에 대해 동일하게 유지되기 때문에 오버플로우 포인트^{방법(33)이라고} 합니다. 상한값이 정확하게 결정되면 이 값은 동일한 샘플에서 얻은 다른 이미지에 적용될 수 있습니다.

4. 데이터 처리

1. ITZ 두께 측정
   1. 폭이 5 μm인 20개의 연속 스트립을 묘사하고(포함된 strip_delineation.m 파일을 사용하여, 골재 표면에서 시작하여 벌크 페이스트로 들어가는 방향으로 캡처된 경계를 따라).
   2. 각 스트립의 임계값보다 낮은 회색 값으로 픽셀 수를 계산하고 각 스트립에 포함된 총 복셀 수로 값을 정규화합니다. 정규화된 각 값은 각 스트립의 다공성으로 간주됩니다.
   3. 모든 이미지에 대해 계수 및 정규화 프로세스를 반복합니다. 다른 이미지에서 동일한 스트립 번호의 다공도 프로파일을 평균화합니다.
   4. 다공도 분포 그래프를 골재 표면으로부터 멀리 떨어진 거리의 함수로 그립니다. 다공성이 ITZ의 두께로 안정되는 곡선의 변곡점을 결정합니다.
      참고 : 각 스트립의 스트립 수와 너비는 다를 수 있습니다. 설명된 스트립의 전체 너비에 모든 ITZ가 포함되어 있는지 확인합니다. 이전 연구에 따르면, ITZ 두께 범위 사이 20-50 μm^13. 일부 모델 콘크리트 샘플에서 확대 된 ITZ에서도이 값은 70 μm^34,35를초과하지 않습니다.
2. 골재 표면 거칠기(SR) 특성화
   1. 수동으로 캡처한 경계를 곡선으로 저장합니다. 최소 제곱 알고리즘을 기준으로 Eq. (1) 및 Eq. (2)에 따라 직선 및 원 호를 모두 사용하여 불규칙한 경계를 맞춥니다.
      (1)
      (2)
      (a,b)이 피팅 원의 중심이 됩니다.
   2. 원래 불규칙한 경계와 매끄러운 곡선 피팅 사이의 편차를 표면 거칠기(SR)로 정의합니다.
   3. 직선의 경우 경계에서 피팅 선에 대한 각 픽셀 중심의 수직 거리의 절대 값을 평균화하여 _SR을 계산합니다.
      (3)
      n은 각 경계에 포함된 픽셀 수와 경계에있는 ith 픽셀의 좌표입니다.
   4. 원 호의 경우 SR_C를 다음과 같이 정의합니다.
      (4)
   5. 각 경계에 대한 SR_S 및 SR_C 값을 비교하고 이 곡선의 최종 곡면 거칠기로 최소값을 결정합니다(포함된 surface_roughness_calculation.m 파일 사용).
      주: 경계의 표면 거칠기는 매끄러운 기준선 곡선에 대해 정의되어야 합니다. 직선과 원선이 모두 다음과 같은 이유로 사용되었습니다. 구형 세라믹 입자의 경계가 2D에서 원처럼 보이지만 일부 로컬 영역은 직선에 더 매력적으로 보입니다.
3. K-평균 클러스터링
   1. Eq.(5)에 따른 계면 전이 영역 내의 다공성 그라데이션을 설명하기 위해 경사 지수(SL)를 정의합니다.
      (5)
      _φmax는 첫 번째 스트립(0 μm ~ 5 μm)에서 다공도값이고_φmin은 제6스트립(25 μm ~ 30 μm)의 다공도 값입니다.
   2. 각 경계의 SR과 SL을 결합하여 관찰합니다. 그리고 총 n 경계 및 ITZ의 경우, 클러스터 {(SR_1,SL 1),(SR_2,SL_2),..., (SR_n,SL_n)}로저장할 n 관측치가 존재한다.
   3. K-평균 클러스터링^36,37 알고리즘(포함된 k_means_clustering.m 파일 사용)을 모든 관측값에 적용하고 이를 대략적이고 매끄러운 집계 표면 그룹인 2개의 클러스터로 세분화합니다.
   4. 거칠고 매끄러운 클러스터에서 ITZ의 다공도 분포를 각각 평균화합니다. 두 클러스터 간의 평균 다공도 분포를 비교합니다.
      참고: 본 명세서에서, K-평균 클러스터링은 원래 신호 처리에 사용되고 현재 데이터 마이닝에서 클러스터 분석에 널리 적용되는 벡터 양자화 의 방법이다. 이 방법의 목적은 관측을 2개 이상의 하위 그룹으로 세분화하는 것입니다.

Results

집계 위의 ITZ 영역의 다공성 분포, 골재의 측면 및 골재 이하의 다공성 분포는 도 4^32에나타내고 비교된다. 상부 표면 위의 ITZ의 다공성은 상부 표면 또는 골재 위보다 작게 나타나며, 조밀한 ITZ 미세 구조를 나타내는 반면, 골재 아래의 ITZ는 항상 미세 출혈로 인해 가장 다공성이다. 도^4(32)는 동일한 골재 를 중심으로 분포가 고르지 않은 것을 나타낸다.

골재 표면 형태에 대한 효과를 조사하기 위해 수동으로 캡처한 불규칙한 경계에는 그림 5^32와같이 각각 직선과 원 호가 장착됩니다. 파란색 선은 원래 불규칙한 경계이고 피팅 곡선은 빨간색 선으로 표시됩니다. 선택한 경계의 경우 직선...

Discussion

X-CT 기술은 분석된 표면이 입자의 적도를 통과하도록 세라믹 입자의 기하학적 중심을 대략적으로 결정하기 위해 적용되었습니다. 따라서, 2D 아티팩트에 의한 ITZ 두께의 과대 평가를 피할 수 있었다^38. 본 명세서에서, 얻어진 결과의 정확도는 조사된 표면의 평탄도에 크게 의존한다. 일반적으로 연삭 및 연마 시간이 길어지면 테스트를 위해 적절하게 매끄러운 표면에 기여합니다. 그러나, 시멘트 페이스트와 세라믹 입자 사이의 다양한 경도로 인해, 장기간 연삭 및 연마 시간은 얻어진 BSE 이미지에 100% 다공성 갭으로 나타나는 두 단계 사이의 높이 차이를 만드는 경향이있다. 이 효과를 없애기 위해 분쇄 및 연마 전략은 재료^(21,39)의특성에 따라 신중하게 선택해야합니다. 이미지에 이러한 간격이 존재하면, 우리는 시멘트 페이스트의 윤곽을 따라 경계를 캡처하기로 결정오히려 정확한 골재 표...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
자동 스퍼터 코터	Cressington	108 자동 / SE
자동 연마 기계	Buehler	Phoenix4000
브러시	Huoniu	3 #
시멘트	중국 연합 시멘트 공사	PI 42.5
시멘트 페이스트 믹서	무석 건설 및 엔지니어링	NJ160
세라믹 입자	하오창	&파이; 15mm
집착 필름	Miaojie	65300
콜드 마운팅 머신	Buehler	Cast N' Vac 1000
전도성 테이프	Nissin Corporation	7311
컵	Buehler	20-8177-100
절단기	Buehler	Isomet 4000
원통형 플라스틱 금형	Buehler	20-8151-100
다이아몬드 페이스트	Buehler	00060210, 00060190, 00060170
디젤유	China Petroleum	0#
Electronic balance	Setra	BL-4100F
에폭시 수지	Buehler	20-3453-128
경화제	Buehler	20-3453-032
고정밀 절단 기계	Buehler	2215
Image J	National Institutes of Health	1.52o
이소프로필 알코올	Sinopharm	M0130-241
Matlab	MathWorks	R2014a
Paper	Deli	A4
플라스틱 상자	Beichen	3630
플라스틱 금형	Youke	a=b=C = 25mm
광택 플란넬	Buehler	242150, 00242050, 00242100
이형제	Buehler	20-8186-30
주사 전자 현미경	FEI	Quanta 250
긁는 칼	Jinzheng 건축 자재	CD-3
SiC 종이	Buehler	P180, P320, P1200
초음파 세척기	Zhixin	DLJ
진공 상자	Heheng	DZF-6020
진공 건조 오븐	ZK	ZK30
진동 테이블	Jianyi	GZ-75
나무 막대기	Buehler	20-8175
X 선 컴퓨터 단층 촬영	YXLON	Y.CT PRECISION S