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射线断层扫描技术在水泥基材料研究中的应用赵幸焕(广东和协建设工程检测有限公司广东 东莞)收稿日期:作者简介:赵幸焕()男湖南邵东人硕士高级工程师主要从事工程检测工作摘 要:射线因其具有穿透物质的能力被广泛应用于工业和医学等领域来检测物质的内部结构 将 射线、计算机技术和图像重构技术相结合的 射线断层扫描()是一种使用 射线扫描材料内部微观结构的非破坏性成像系统 水泥基材料的性能受到其内部各组分的特性及空间分布的强烈影响然而在不破坏水泥基材料的情况下很难表征其内部的化合物 采用 射线 能够在不损坏样品的情况下研究水泥基材料内部的结构 结合国内外研究现状论述 射线 技术的基本原理总结 射线 在对水泥基材料孔隙结构、相位识别和密度、损伤和失效分析、纤维增强、时间演化等方面的应用现状基于此指出 射线 在水泥基材料研究领域的局限及未来尚待深入研究的方向关键词:射线 水泥基材料孔隙结构相位识别损伤分析中图分类号:.文献标志码:文章编号:():/(.):.().:引 言水泥基材料是十分具有代表性的多相非均质材料其性能受到各组分特征的强烈影响 因此了解组分的微观结构特征对于深入分析和开发先进的水泥基材料十分重要 为了更好地了解水泥基材料需要对混凝土微观结构特征与其物理性能之间的相关性进行适当的研究 在研究混凝土的微观结构时研究人员采用了许多技术如压汞法()、射线衍射()、扫描电子显微镜()、透射电子显微镜()、核磁共振()和 射线计算机断层扫描()等 尽管这些方法都有各自的优点但在识别微观结构方面的有效性仍然存在一定的局限 为了解决这些局限提出了 射线微计算机断层扫描技术()其能够在不损伤样品的情况下识别目标材料的形态结构 从获得的微 图像中可以在三维空间上研究试件内各个组分的空间分布如孔隙和其他固相 此外能够有效地描述其他影响材料性能的问题即元素和化合物的尺寸和形状分布并能够使用微 图像进一步量化感兴趣的参数 近年来在获取水泥基材料细观结构图像的方法中 技术以其高分辨率、无损的特点受到越来越多的关注尽管研究人员已经使用微 对混凝土化合物特征以及孔隙问题如孔径分布、孔隙率、孔隙连通性等孔隙特征进行了研究但无损 射线 的使用仍然被低估其能力尚未得到充分开发在对于材料内部结构的研究方面仍然存在着很大的潜力 射线 技术及其基本原理 射线断层扫描()是 世纪 年代开始应用于医学领域的一种三维成像技术术语 与微 经常互换使用一般来说这两种技术都使用 射线照射但 通常指的是医疗类型的设备分辨率为.左右而微 一般与不同分辨率的实验室锥束扫描仪有关其分辨率从.或更低 由于微 具有非破坏性和高分辨率目前被用于表征从纳米到中尺度的许多元件的内部结构 目前 射线成像技术的发展使得 技术能够用于各种材料应用的研究 断层扫描技术将不同角度的射线成像投影细节融合在一起生成物质内部结构的精确图 设备通常有 个 射线源、个用来放置标本的旋转转台和 个探测器组成 射线由射线源发出后经过滤光片并沿着直线穿透静置的被测样品由于 射线在传播中遇到障碍物时会与障碍物中的物相发生一系列复杂的相互作用并试图穿过障碍物透过物体的射线也会根据一定的规律发生衰减 因此用于接收透过的 射线光子信号的探测器()将接收到不同的光子信号并其转变为可测量的电脉冲信号传入计算机中 随着样品载物台在水平方向上以微小的角度不断进行旋转探测器不断得到 射线在旋转后透过样品的透射信号即可得到 射线在样品各角度入射路径下的透过率 通过计算机的矩阵计算便可以得到物体内部任意点位置处的 射线衰减情况即该点材料密度的表征指标 最后在水平方向的二维图像结果中使用不同的灰度将该高度处任意一点的密度指标表示出来即可得到表征被测样品微观结构的结果由于样品内部 射线衰减的变化检测到的光子具有能量和密度谱通过该谱生成对比度可分辨的 图像然后将收集到的不同角度的 图像进行堆叠以创建 模型进行一些与样本相关的后处理以增强 成像的分辨率 最常见的后处理是过滤(即中值)和分割用过滤可以最小化伪影从而产生具有不同分段的清晰的灰度直方图 通过直方图分割将腐蚀产物与混凝土覆盖层分离可能会产生不准确的结果除非应用适当的过滤 成像的分辨率会受到几个参数的影响包括采集图像的数量、每张图像的 射线曝光时间、体积元素的大小(空间分辨率)以及 射线管(灯丝)施加的电压和电流 施加更高的电压通常会产生具有更高穿透功率的光子从而使更多的光子通过样品 然而释放具有高穿透力的光子有时会降低对比度并降低捕获的 图像的分辨率因为要产生高对比度需要样品阻挡足够的光子 另一方面增加电流可以促进发射更多的光子而不会显著影响光子能量从而收集更广泛的数据 收集更多的 图像可以提高生成三维重建的精度而延长每张图像的 射线曝光时间可以减少伪影提高 图像的整体分辨率 此外将体积元素的大小最小化可以捕获更加精细的细节从而提高 图像的质量 利用薄金属滤光片(如铜)也可以提高 图像的分辨率通过这种滤光片可以减少波束硬化伪影 但过度使用上述任何方法都会使 成像系统过载缩短其组件的使用寿命 扫描的质量、分辨率和采集试件取决于微 设置、射线源、探测器系统和重建算法包括采集数据的预处理和后处理 为完成 扫描的目的可以选择 射线 的设置或类型由于分辨率的限制即使使用最先进的 射线也需要仔细研究材料特性与从 射线 获得的孔隙率或孔隙微观结构之间的关系并可以使用、和 等替代工具进行比较尽管微 有分辨率限制但可以获得相对高分辨率的图像并且在不损坏样品的情况下可以在 中看到物体内部的空间特征 利用微 获得的信息可以用于进一步的研究例如成分分割和数值模拟近年来随着设备硬件可用性的进步以及用于分析和处理生成的大型数据集的软件工具的开发推动了 技术的进一步发展 随着 系统的进步和可用性的提高特别是工业 和数字图像处理 成像技术越来越受欢迎 射线 在水泥基材料中的应用.孔隙结构在混凝土的几个组成部分当中孔隙结构被认为是影响混凝土物理性能的主要问题如强度、导热性和渗透性 因此许多研究利用 射线 图像识别水泥基材料的孔隙结构对孔径分布、孔隙率、孔隙连通性等孔隙特征进行了评价 射线 最受欢迎的应用之一就是孔隙度分析是指识别材料中的孔隙空间或空隙定性地可视化这些孔隙度的空间分布并定量地分析它 定性地观察二维切片图像中的孔隙度很简单只需要基本的图像对比和从样品的一侧转到另一侧的图像 定量分析需要通过图像分割选择孔隙空间通常使用某种形式的阈值来描绘孔隙空间和材料的边缘 可以预见未来基于 射线 的水泥基材料孔隙率分析很受欢迎因为这些类型的材料固有的孔隙率和这些孔隙在其力学和运输性能中发挥着重要的作用 孔径分布与混凝土强度和混凝土运输性能之间存在重要的相关性孔隙间距是影响水泥和混凝土材料冻融循环耐久性的重要因素尽管许多研究人员使用 射线 对混凝土的孔隙率进行了研究但对于混凝土孔隙率的准确表征仍然存在一些限制主要原因是这种材料中存在的孔径范围很广以及典型的实验 射线 系统在分辨率范围方面存在一定的局限性.相位识别和密度相位识别是指识别 射线 图像中不同成分的能力当成分已知时对于这些成分的区分相对简单但需要图像分割来准确地描绘材料并分配它们 典型的 射线 不能进行化学分析材料之间的亮度差异仅基于原子质量和物理密度的组合 因此不同的两种材料即使化学成分不相同仍可能会具有相似的灰度值 然而在实践中使用高质量的扫描参数和良好的分辨率可以区分大多数材料分割过程通常受制于人为选择的阈值因此容易出错研究不同的半自动分割方法十分重要 射线 的密度测定可以基于灰度进行校准直接从扫描数据中获得物理密度测量 然而这种方法涉及到对灰度的精确校准对于每次扫描参数的变化及由于 射线 系统的 射线强度和探测器灵敏度的潜在变化通常必须进行灰度值校准在与研究对象相同的扫描中使用定义好的参考对象 该方法的主要局限性在于标准物质与被测对象之间的化学成分差异所引起的灰度差异为了克服这一限制可以使用材料和尺度规模的 射线 数据的体积测量确定平均密度.损伤和失效分析水泥基材料的结构损伤有多种形式其中最常见的损伤是裂缝 损伤也有表面退化的形式如冻融损伤、内部膨胀、碱硅酸盐反应、钢筋腐蚀随后导致开裂和剥落 射线 过去曾被用于确定混凝土损伤的原因和程度但大多局限于实验室研究而不是现场或工业调查 射线 通过计算平均 数确定损伤程度 确定混凝土内部裂缝的程度是一种有用的诊断和研究工具混凝土裂缝的自愈是一个较新的研究领域 射线 已经可以确定内部的自愈能力 裂缝在混凝土结构中很常见但裂缝通常只能从表面观察内部裂缝的强度和形式是未知的使用 射线 可以看到内部裂缝 硫酸盐侵蚀会使混凝土降解并且造成重大伤害在混凝土排污管道中很常见 等研究了硫酸盐侵蚀和干湿循环对混凝土试样损伤的影响他们使用 射线 来确定内部空洞的发展及其连通性经过研究后得到的结论之一是损伤是从标本内部开始的而不是从标本外部开始的如果不使用 射线 进行研究很难能得到这样的研究结论利用 射线 研究水泥浆体样品中的钢筋腐蚀可以识别和量化腐蚀产物并观察到腐蚀引起的开裂 等经过研究发现可视化混凝土内部钢筋腐蚀的能力可以提供独特的视角和现场腐蚀识别 他们在钢筋周围的混凝土中能够观察到腐蚀斑腐蚀坑也清晰可见 对于水泥基材料破坏的可视化是 射线 相对于其他研究方法的主要优势之一对于裂缝或退化的非破坏性观察使得研究人员对于上述这些问题的探究有独特的见解.纤维增强纤维增强胶凝复合材料()中的纤维分布是影响纤维对复合材料增强性能的关键因素 然而由于纤维增强胶凝复合材料的不透明和纤维的随机分布对纤维在三维空间中的分布进行评价一直是一个很大的挑战 而用 技术表征纤维分布能够实现材料内部的 可视化 通过三维图像重建、图像处理和分析能够获得胶凝复合材料中纤维取向分布()和纤维间距分布()曲线并能够确定纤维取向因子和弥散系数 与传统的 截面二维图像分析方法相比 图像技术更加直观和准确特别是在纤维弥散度的评估方面 混凝土通常由各种纤维进行加固用于加固的纤维从聚合物到钢纤维从长度差异到几何形状、体积都有所不同 纤维的目的主要是提高混凝土开裂后抗拉强度 纤维增强仍然是一个在进行研究和开发的课题等研究了钢纤维在混凝土样品中的分布结果表明由于设计和混合不当纤维会下沉到混合物底部导致纤维分布不均匀在纤维含量高的样品中靠近表面的纤维会导致许多纤维沿着边缘轮廓运动 这项研究表明量化纤维取向和分布的能力对于优化混合比例和时间非常有用 射线 的一个重要用途是将材料中纤维的分布等进行可视化射线 已经成为将纤维增强混凝土中纤维内部分布可视化的一种非常方便的工具 纤维增强混凝土的内部空隙分布也非常重要因为当加入纤维时通常会出现更多的空隙预计这种可视化和分析混凝土材料内部纤维的能力将为未来创造优化的复合纤维增强混凝土材料的开发工作增加价值 随着建筑材料向轻量化和超高性能混凝土材料的发展纤维增强及其优化变得越来越重要.时间演化或延时研究 射线 的非破坏能力允许其进行延时研究允许可视化和分析样品中发生的变化这样的好处是可以直接检测到精确的变化而非依赖于大量的样本和切片 等通过高分辨率同步 研究了水泥材料的浸出过程通过对浸出水泥样品的延时 观察了浸出过程中微裂缝的形成 射线 技术的主要优点之一是对同一样品进行延时成像最简单的是对样品在破坏或损伤各个阶段进行成像以不同的时间步长扫描以监测失效和破坏的进展尽管微 扫描的准确性更高但医学 在许多研究中有更广泛的使用并且能够在更短的时间内扫描更大的样本因此对于大量样品的快速测试非常有用尽管受到分辨率的限制仍能够很容易地观察到纤维取向、大孔隙和大裂缝 微 已经广泛用于小型混凝土样品孔隙度的三维分析但在其他应用中的使用相对较少 与微 相关的硬件和软件的最新发展已经提高了从该技术中获得定量结果的质量和简便性 存在的问题及展望由于水泥基材料具有长尺度特征与其他表征技术(如、和)相比 射线 表现出分辨率限制的问题然而其通过非破坏性的方式获得三维结构与其他方法相比具有很大的优势 为了进一步深入分析和开发先进的水泥基材料准确分析其性质和特性至关重要 射线 技术可以作为一种准确、无损、可靠的方法随着相关技术的进一步发展其在水泥基材料中的应用也会更加广泛 水泥基材料具有典型的多孔、多相、多尺度特点就相的组成而言射线 所得到的是由不同灰度像素组成的二维图像相与相之间主要是依据灰度阈值来区别不同的研究者通过不同的技术给出的灰度阈值不同给定量分析水泥基材料中各组分带来困难 如何对水泥基材料中不同组分之间的灰度阈值进行统一划分是 技术今后需要解决的重要问题此外应进一步研究在灰度阈值的划分过程中直接划分灰度值还是和其他检测手段相结合 射线 研究领域缺乏标准化特别是关于不同应用类型的样本的尺寸以及相关的图像分析方法可以针对每种应用进行相应的标准化 射线 扫描的图像分析仍然限制其发展图像分析需要复杂的程序、自定义开发或在选择分割的材料阈值时受用户定义的影响 射线 是研究水泥基材料微观结构表征以及其与各种材料性能相关性的有力工具 尽管 射线 可以有效地用于材料研究但水泥基材料复杂具有多种相需要采用多种表征技术来了解其不同的特征和性能 当与其他表征方法相结合时 射线 作为现有材料性能评估和研究新型水泥基材料开发的工具具有很大的潜力:参 考 文 献:.:.王耀城杨文根李周义等.利用 技术检测水泥基材料微观结构的研究进展.材料导报():.:.:.:.:.:.:.(/).():.:.:.:.孙国文张丽娟.技术用于水泥基材料微观结构表征的国内外研究进展.混凝土():.