Wyznaczanie morfologii powierzchni kruszywa w międzyfazowej strefie przejściowej (ITZ)

Summary

Niniejszym zaproponowaliśmy protokół ilustrujący wpływ morfologii powierzchni agregatu na mikrostrukturę ITZ. Obraz SEM-BSE poddano analizie ilościowej w celu uzyskania gradientu porowatości ITZ za pomocą cyfrowego przetwarzania obrazu, a następnie zastosowano algorytm grupowania K-średnich w celu ustalenia związku między gradientem porowatości a chropowatością powierzchni.

Abstract

Tutaj prezentujemy kompleksową metodę ilustrującą nierównomierny rozkład międzyfazowej strefy przejściowej (ITZ) wokół agregatu oraz wpływ morfologii powierzchni agregatu na powstawanie ITZ. Najpierw przygotowuje się modelową próbkę betonu z kulistą cząstką ceramiczną umieszczoną mniej więcej w środkowej części matrycy cementowej, działającą jak grube kruszywo stosowane w zwykłym/zaprawie. Po utwardzeniu do zaprojektowanego wieku, próbka jest skanowana za pomocą rentgenowskiej tomografii komputerowej w celu określenia względnego położenia cząstki ceramicznej wewnątrz matrycy cementowej. Wybiera się trzy lokalizacje ITZ: powyżej agregatu, po stronie agregatu i poniżej agregatu. Po serii zabiegów próbki są skanowane za pomocą detektora SEM-BSE. Uzyskane w ten sposób obrazy poddano dalszej obróbce przy użyciu metody cyfrowego przetwarzania obrazu (DIP) w celu uzyskania ilościowej charakterystyki ITZ. Morfologia powierzchni jest charakteryzowana na poziomie pikseli na podstawie obrazu cyfrowego. Następnie stosuje się metodę grupowania K-średnich w celu zilustrowania wpływu chropowatości powierzchni na tworzenie ITZ.

Introduction

W skali mezoskopowej, materiały na bazie cementu mogą być uważane za trójfazowy kompozyt składający się z pasty cementowej, kruszywa i międzyfazowej strefy przejściowej (ITZ) między nimi^1,2. ITZ jest często traktowany jako słabe ogniwo, ponieważ jego zwiększona porowatość może działać jako kanały dla wnikania agresywnych gatunków^3,4 lub zapewnić łatwiejsze ścieżki rozwoju pęknięć5^,6,7,8^,9,10,11. W związku z tym bardzo interesujące jest precyzyjne scharakteryzowanie właściwości ITZ w celu oceny i przewidywania makrowydajności materiałów na bazie cementu.

Aby zbadać ITZ, przeprowadzono nadmierne badania nad jego cechami mikrostrukturalnymi, mechanizmami formowania i czynnikami wpływającymi^12,13,14 zarówno metodą eksperymentalną, jak i numeryczną. Do charakterystyki ITZ połączono różne techniki, w tym: testy mechaniczne, testy transportowe, testy porozymetrii intruzji rtęci (MIP)^15,16 i nano-indentation¹⁷. Powszechnie przyjmuje się, że ITZ jest spowodowany głównie efektem ściany, a także filmem wodnym, mikrokrwawieniem, jednostronnym wzrostem i synerezą żelu¹⁸.

Wraz z rozwojem metody cyfrowego przetwarzania obrazu (DIP) w ciągu ostatnich dwóch dekad¹⁹, cechy morfologiczne ITZ (np. ułamek objętościowy, grubość i gradient porowatości) mogą być ilościowo określone. Na podstawie badania płaskich przekrojów za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) z detektorem elektronów wstecznie rozproszonych (BSE), trójwymiarowe (3D) cechy ITZ można wyprowadzić z wyników 2D za pomocą teorii stereologii²⁰. Podobnie jak technika SEM-BSE, technika nano-wgłębień również opiera się na badaniu wypolerowanych powierzchni, ale bardziej skupia się na module sprężystości istniejących faz²¹. Jednak zarówno w analizie SEM-BSE, jak i w teście nano-indentacji, grubość ITZ może być przeszacowana, ponieważ badany przekrój rzadko przechodzi w kierunku normalnym od powierzchni agregatu²². Jednak łącząc to z fluorescencyjną mikroskopią konfokalną 3D, przeszacowanie ITZ może zostać wyeliminowane i można uzyskać rzeczywistą porowatość ITZ i zawartość cementu bezwodnego²³.

Poprzednie badania czynników wpływających koncentrowały się głównie na zaczynie cementowym, ignorując rolę kruszywa i teksturę jego powierzchni^24,25,26. Ponieważ kształt i właściwości morfologiczne agregatu zostały obszernie opisane na podstawie analizy ilościowej cyfrowych wycinków uzyskanych z SEM lub rentgenowskiej tomografii komputerowej (X-CT)^27,28. Nie przeprowadzono jednak badań skupiających się na wpływie tekstury powierzchni kruszywa na powstawanie regionu ITZ.

Niniejszym przedstawiamy protokół do badania wpływu morfologii powierzchni agregatu na tworzenie mikrostruktury ITZ w oparciu o analizę ilościową obrazów SEM-BSE i algorytm grupowania K-średnich. Przygotowano modelową próbkę betonu z kulistymi cząstkami ceramicznymi pełniącymi rolę gruboziarnistego kruszywa. Metodę X-CT wykorzystano do przybliżonego określenia względnego położenia cząstki w nieprzezroczystej matrycy cementowej przed zmniejszeniem próbki o połowę. Po przetworzeniu do uzyskanych obrazów SEM-BSE zaobserwowano nierównomierny rozkład ITZ wokół pojedynczego agregatu. Zdefiniowano również indeks chropowatości powierzchni (SR) opisujący zagregowaną chropowatość powierzchni na poziomie pikseli. Algorytm grupowania K-średnich, pierwotnie używany w obszarze przetwarzania sygnałów, a obecnie szeroko stosowany do grupowania obrazów^29,30, został wprowadzony w celu ustalenia związku między chropowatością powierzchni (SR) a gradientem porowatości (SL).

Protocol

1. Przygotowanie modelu betonu z pojedynczą cząstką ceramiczną

1. Przygotowanie formy
   1. Użyj szczotki do czyszczenia formy (25 mm x 25 mm x 25 mm) i upewnij się, że wewnętrzne powierzchnie formy są wolne od zanieczyszczeń.
   2. Użyj innego pędzla, aby równomiernie nałożyć olej napędowy na wewnętrzne powierzchnie formy, aby ułatwić usuwanie formy.
      UWAGA: Tutaj nie użyliśmy zwykłej formy do przygotowania zaprawy lub betonu. Ponieważ cząstka ceramiczna ma średnicę około 15 mm, do przygotowania próbki używa się sześciennej formy z tworzywa sztucznego o długości około 30 mm. Upewnij się, że rozmiar plastikowej formy jest większy niż cząstki ceramiczne.
2. Formowanie betonu modelowego
   1. Zważ 1 000 g cementu i 350 g wody za pomocą wagi elektronicznej (projektowany stosunek masy wody do cementu wynosi 0,35).
   2. Wytrzyj 5-litrowy garnek do mieszania mokrym ręcznikiem, aby go zwilżyć. Kolejno dodawaj 350 g wody i 1 000 g cementu do garnka miksującego. Umieść garnek miksujący na mikserze i podnieś go do pozycji mieszania.
   3. Mieszaj z prędkością 65 obr./min przez 90 s i pozostaw mieszaninę na 30 s. W tym okresie zeskrob pastę z wewnętrznej ścianki garnka. Następnie mieszaj z prędkością 130 obr./min przez kolejne 60 sekund.
   4. Wyjmij garnek z miksera i włóż cząstkę ceramiczną do pasty, ręcznie mieszając ją dokładnie z pastą cementową.
   5. Wypełnij formę do połowy dobrze wymieszaną świeżą pastą cementową.
   6. Umieść cząstkę ceramiczną na górnej powierzchni pasty cementowej i wypełnij resztę formy pastą cementową. Zetrzyj nadmiar pasty cementowej za pomocą skrobaczki i wibruj formę na stole wibracyjnym przez 1 minutę przy 50 ± 3 Hz.
   7. Uszczelnij powierzchnię formy folią spożywczą, aby zapobiec parowaniu wilgoci.
3. Utwardzania
   1. Próbkę utwardzić w pomieszczeniu do utwardzania przez 24 godziny (20 ± 1 °C i wilgotności względnej 95% ± 5%).
   2. Wyjmij próbkę z formy i dalej utwardzaj próbkę przez 28 dni w tych samych warunkach środowiskowych.

2. Przygotowanie skaningowej mikroskopii elektronowej

1. Oznaczanie cząstki ceramicznej wewnątrz matrycy
   1. Zeskanuj próbkę za pomocą rentgenowskiej tomografii komputerowej, aby uzyskać stos plastrów³¹.
   2. Z grubsza wybierz plasterek, w którym cząstka ceramiczna wydaje się być największa. Dopasuj granicę cząstki ceramicznej do okręgu i określ środek koła jako geometryczny środek cząstki ceramicznej. Ze względu na różnicę wartości szarości między matrycą cementu a cząstką ceramiczną, na każdym wycinku CT pojawia się przybliżona granica cząstki (Rysunek 1).
2. cięcie
   1. Pokrój sześcienną próbkę na dwie części przez geometryczny środek cząstki ceramicznej w maszynie do cięcia. Rysunek 1³² to schematyczna mapa pokazująca kierunek cięcia.
      UWAGA: Cząstka ceramiczna została podzielona na dwie równe części, podczas gdy próbka nie została pocięta na dwie dokładnie równe połówki. Jeśli cząstka ceramiczna znajduje się dokładnie w środku próbki sześciennej, próbka zostanie podzielona na dwie równe połowy. Jednak w rzeczywistej sytuacji cząstka ceramiczna zazwyczaj nie znajduje się dokładnie w środku próbki.
3. Zakończenie nawodnienia
   1. Zanurz obie części w alkoholu izopropylowym (≥99,5%) na 3 dni w temperaturze pokojowej, aby usunąć nieograniczoną wodę i zakończyć wewnętrzny proces hydratacji. Roztwór alkoholu izopropylowego należy wymieniać co 24 godziny.
   2. Umieścić obie części w suszarce próżniowej nawet na 7 dni, aby wysuszyć próbkę w temperaturze 40 °C.
4. Utrwalanie mikrostruktury
   1. Palcem posmaruj wewnętrzną powierzchnię dwóch cylindrycznych plastikowych form (o średnicy 31 mm i wysokości 25 mm) pastą do wyjmowania z formy. Wszystkie formy są wyjmowane od spodu.
   2. Umieść każdy kawałek próbki w każdej formie tak, aby badana powierzchnia była skierowana w dół.
   3. W papierowym kubku odważ 50 g żywicy epoksydowej o niskiej lepkości i dodaj kolejne 5 g utwardzacza. Ręcznie mieszaj mieszaninę drewnianym patyczkiem przez 2 minuty.
   4. Włóż formę do maszyny do montażu na zimno wraz z kubkiem papierowym z mieszanką.
   5. Uruchom próżnię na maszynie do montażu na zimno i wlej żywicę epoksydową do formy, aż połączy się z każdą próbką.
   6. Trzymaj formę w maszynie do montażu na zimno przez 24 godziny, aż żywica epoksydowa stwardnieje.
   7. Usuń spód każdej formy i wyciśnij próbkę. Przechowywać próbkę w piecu do suszenia próżniowego.
5. Szlifowanie i polerowanie
   1. Zmielić próbkę papierem SiC i alkoholem jako smarem na automatycznej maszynie do polerowania z prędkością 300 obr./min w następującej kolejności przez 3 minuty każda: ziarnistość 180, ziarnistość 300, ziarnistość 600 i ziarnistość 1200.
   2. Przymocuj flanelę do talerza obrotowego automatycznej maszyny do polerowania.
   3. Wypolerować próbkę na flaneli pastą diamentową o wielkości 3 μm, 1 μm i 0,25 μm przez 15 minut z prędkością 150 obr./min każda.
   4. Usuń zanieczyszczenia w myjce ultradźwiękowej z alkoholem jako rozpuszczalnikiem czyszczącym po każdym etapie szlifowania i polerowania.
   5. Przechowuj każdą próbkę w plastikowym pudełku o podobnym rozmiarze do próbki, z każdą badaną powierzchnią skierowaną do góry, aby uniknąć zadrapań na powierzchni testowej.
   6. Pudełka zawierające próbki należy przechowywać w suszarce próżniowej do suszenia w piecu³².
      UWAGA: Proces szlifowania i polerowania można wykonać na automatycznej maszynie do polerowania i jednocześnie można polerować maksymalnie 6 próbek. Czas szlifowania i polerowania powinien być starannie dobrany, aby uzyskać wyjątkowo gładką powierzchnię dla SEM bez tworzenia różnic wysokości między pastą cementową a kruszywem. Typowa próbka jest pokazana w Rysunek 2³².

3. Akwizycja i przetwarzanie obrazów rozproszonych wstecznie

1. nabycie
   1. Spryskaj cienką warstwę złotej folii na badaną powierzchnię w środowisku próżniowym za pomocą automatycznego napylacza
   .
   2. Umieść pasek taśmy klejącej z boku próbki, aby połączyć powierzchnię testową i przeciwległą powierzchnię, a następnie umieść próbkę na stanowisku testowym z powierzchnią testową skierowaną do góry.
   3. Przesuń próbkę, aby ustawić ostrość obiektywu na obszarze 1, jak oznaczono w Rysunek 2³².
   4. Odkurz SEM i przełącz na tryb elektronów wstecznie rozproszonych. Ustaw powiększenie na 1,000x i ostrożnie dostosuj jasność i kontrast przed zrobieniem zdjęć.
   5. Przesuń obiektyw wzdłuż kierunku granicy agregacji do innego położenia agregacji i zrób kolejne zdjęcie. Powtórz ten proces przesuwania i obrazowania co najmniej 15 razy, aby uzyskać wystarczającą ilość obrazów do analizy statystycznej.
   6. Przesuń obiektyw do regionu 2 i regionu 3 i powtórz proces obrazowania.
      UWAGA: Każdy obraz powinien zawierać trzy fazy: matrycę, agregację i ITZ. Ponieważ ITZ jest wąskim odcinkiem znajdującym się pomiędzy kolejnymi dwiema fazami i trudnym do odróżnienia, każdy obraz powinien zawierać zarówno matrycę cementu, jak i kruszywo.
2. przetwarzanie
   1. Wstępnie potraktuj obraz za pomocą najlepszego dopasowania i filtra mediany 3 x 3 trzy razy, aby zredukować szumy i uwydatnić granice różnych faz na obrazie ImageJ.
   2. Ręcznie uchwyć granicę cząstki ceramicznej i odetnij tę część od oryginalnego obrazu za pomocą ImageJ.
   3. Z grubsza określ górną wartość progową faz porów, ustawiając różne wartości progowe i segmentując obraz w celu porównania z oryginalnym.
   4. Uzyskaj rozkład w skali szarości pozostałej części obrazu. Wybierz dwie przybliżenie liniowe części krzywej rozkładu tuż wokół z grubsza wyznaczonej górnej wartości progowej faz porowych. Dopasuj te dwie części za pomocą krzywej liniowej, a punkt przecięcia zostanie ustawiony jako dokładna górna wartość progowa tego obrazu (patrz Rysunek 3c³²).
   5. Użyj tej wartości, aby przeprowadzić segmentację i porównać obraz binarny z oryginalnym obrazem w skali szarości w celu ostatecznego określenia wartości progowej.
   6. Przekonwertuj obraz w skali szarości na obraz binarny, w którym biały (wartość szarości = 255) reprezentuje fazę porów, a (wartość szarości = 0) reprezentuje fazy stałe.
      UWAGA: Dokładne określenie wartości progowej nazywa się metodą punktu przepełnienia³³, ponieważ jasność i kontrast są takie same dla różnych obrazów uzyskanych z tej samej próbki. Po dokładnym określeniu górnej wartości progowej można ją zastosować do innych obrazów uzyskanych z tej samej próbki.

4. Przetwarzanie danych

1. Oznaczanie grubości ITZ
   1. Wytycz dwadzieścia 20 kolejnych pasków o szerokości 5 μm (użyj dołączonego pliku strip_delineation.m), wzdłuż przechwyconej granicy w kierunku rozpoczynania od powierzchni kruszywa i przechodzenia do pasty zbiorczej (patrz Rysunek 3d³²).
   2. Policz liczbę pikseli o wartości szarości niższej niż próg w każdym pasku i znormalizuj wartości przez całkowitą liczbę wokseli zawartych w każdym pasku. Każda znormalizowana wartość będzie postrzegana jako porowatość każdego paska.
   3. Powtórz proces liczenia i normalizacji dla wszystkich obrazów. Uśrednij profile porowatości tego samego numeru paska z różnych obrazów.
   4. Narysuj wykres rozkładu porowatości w funkcji odległości od powierzchni agregatu. Określ punkt przegięcia na krzywej, w którym porowatość staje się stabilna jako grubość ITZ.
      UWAGA: Liczba pasków i szerokość każdego paska może się różnić; upewnij się, że całkowita szerokość wyznaczonych pasków obejmuje cały ITZ. Zgodnie z wcześniejszymi badaniami, grubość ITZ waha się między 20-50 μm¹³. Nawet w niektórych modelowych próbkach betonu z powiększonym ITZ wartość ta nie przekracza 70 μm^34,35.
2. Charakterystyka chropowatości powierzchni kruszywa (SR)
   1. Zapisz ręcznie przechwyconą obwiednię jako krzywą. Dopasuj nieregularną granicę zarówno do linii prostej, jak i łuku okręgu zgodnie z równaniem (1) i równaniem (2) w oparciu o algorytm najmniejszych kwadratów.
      (1)
      (2)
      gdzie (a,b) jest środkiem okręgu pasującego.
   2. Umożliwia zdefiniowanie odchyleń między pierwotną nieregularną granicą a dopasowaną krzywą gładką jako chropowatość powierzchni (SR).
   3. W przypadku linii prostej oblicz SR_s, uśredniając wartość bezwzględną prostopadłej odległości środka każdego piksela na granicy do linii dopasowania:
      (3)
      gdzie n to liczba pikseli zawartych w każdej granicy, a (x_{, i,} y_{, i}) to współrzędne i-tego piksela na granicy.
   4. W przypadku łuku kołowego zdefiniuj SR_C jako:
      (4)
   5. Porównaj wartość SR_S i SR_C dla każdej granicy i określ minimalną wartość jako końcową chropowatość powierzchni dla tej krzywej (użyj dołączonego pliku surface_roughness_calculation.m).
      UWAGA: Chropowatość powierzchni granicy powinna być zdefiniowana względem gładkiej krzywej linii bazowej. Zarówno linia prosta, jak i linia kołowa zostały użyte z następującego powodu. Chociaż granica sferycznej cząstki ceramicznej wygląda jak okrąg w 2D, niektóre lokalne obszary wydają się być bardziej atrakcyjne dla linii prostej.
3. Grupowanie K-średnich
   1. Zdefiniować indeks nachylenia (SL) w celu opisania gradientu porowatości w strefie przejścia międzyfazowego zgodnie z równaniem (5).
      (5)
      gdzie φ_max to wartość porowatości w pierwszym pasku (od 0 μm do 5 μm), a φ_min to wartość porowatości w szóstym pasku (od 25 μm do 30 μm).
   2. Połącz SR i SL każdej granicy, aby uzyskać obserwację. A dla całkowitych n granic i ITZ istnieje n obserwacji, które można zapisać jako klaster {(SR_{1,SL 1}),(SR_{2,SL 2}), ... , (SR_{n,SL n})}.
   3. Zastosuj algorytm grupowania K-średnich^36,37 (użyj dołączonego pliku k_means_clustering.m) do wszystkich obserwacji i podziel je na 2 klastry: odpowiednio grupę szorstkich i gładkich powierzchni zagregowanych.
   4. Uśrednij rozkłady porowatości ITZ odpowiednio w klastrze szorstkim i gładkim. Porównaj średni rozkład porowatości między dwoma klastrami.
      UWAGA: W tym przypadku grupowanie K-średnich jest metodą kwantyzacji wektorowej, która jest pierwotnie stosowana w przetwarzaniu sygnałów, a obecnie szeroko stosowana do analizy skupień w eksploracji danych. Celem metody jest podzielenie obserwacji na 2 lub więcej podgrup.

Results

Rozkład porowatości regionów ITZ powyżej agregatu, po stronie agregatu i poniżej agregatu są porównywane i pokazywane w Rysunek 4³². Porowatość ITZ powyżej górnej powierzchni wydaje się być mniejsza niż ta z boku lub nad kruszywem, co wskazuje na gęstszą mikrostrukturę ITZ, podczas gdy ITZ poniżej kruszywa jest zawsze najbardziej porowata ze względu na mikrokrwawienie. Rysunek 4³² pokazuje, że nawet wokół tego same...

Discussion

Technika X-CT została zastosowana do zgrubnego wyznaczenia geometrycznego środka cząstki ceramicznej, aby upewnić się, że analizowana powierzchnia przechodzi przez równik cząstki. W ten sposób można było uniknąć przeszacowania grubości ITZ spowodowanego przez artefakty^{2D 38}. W tym przypadku dokładność uzyskanych wyników jest w dużym stopniu uzależniona od płaskości badanych powierzchni. Ogólnie rzecz biorąc, dłuższy czas szlifowania i polerowania przyczynia się do uzyskania odpowiednio gładkiej po...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Auto Sputter Coater	Cressington	108 Auto/SE
Automatyczna maszyna do polerowania	Buehler	Phoenix4000
Szczotka	Huoniu	3#
Cement	China United Cement Corporation	PI 42.5
Mieszalnik pasty cementowej	Wuxi Construction and Engineering	NJ160
Cząstki ceramiczne	Haoqiang	& Phi; Folia
	Miaojie	65300
Maszyna do montażu na zimno	Buehler	Cast N' Vac 1000
Taśma przewodząca	Nissin Corporation	7311
Cup	Buehler	20-8177-100
Maszyna do cięcia	Buehler	Isomet 4000
Cylindryczna forma z tworzywa sztucznego	Buehler	20-8151-100
Pasta diamentowa	Buehler	00060210, 00060190, 00060170
Olej napędowy	China Petroleum	0#
Waga elektroniczna	Setra	BL-4100F
Żywica epoksydowa	Buehler	20-3453-128
Utwardzacz	Buehler	20-3453-032
Wysoka precyzja cięcia maszyna	Buehler	2215
Obraz J	National Institutes of Health	1.52o
Alkohol izopropylowy	Sinopharm	M0130-241
Matlab	MathWorks	R2014a
Papier		Deli A4
Plastikowe pudełko	Beichen	3630
Plastikowa forma	Youke	a=b=c=25mm
Flanela polerowana	Buehler	242150, 00242050, 00242100
Środek antyadhezyjny	Buehler	20-8186-30
Skaningowa mikroskopia elektronowa	FEI	Quanta 250
Nóż do skrobania	Jinzheng Materiały budowlane	CD-3
Papier SiC	Buehler	P180, P320, P1200
Myjka ultradźwiękowa	Zhixin	DLJ
Skrzynka próżniowa	Heheng	DZF-6020
Piec do suszenia próżniowego	ZK	ZK30
Stół wibracyjny	Jianyi	GZ-75
Drewniany kij	Buehler	20-8175
Rentgenowska tomografia komputerowa	YXLON	Y.CT PRECISION S