تحديد المورفولوجية السطحية التجميعية في المنطقة الانتقالية بين الوجهين (ITZ)
Summary
وببموجب هذا ، اقترحنا بروتوكولا لتوضيح تاثير الشكل السطحي التجميعي علي البنية المجهرية لنظام ITZ. وقد تم تحليل الصورة بشكل كمي للحصول علي التدرج اللوني المساميه من خلال معالجه الصور الرقمية ، كما تم استخدام خوارزميه تجميع الوسائل K لأقامه علاقة بين التدرج المساميه وخشونة السطح.
Abstract
هنا ، نقدم طريقه شامله لتوضيح التوزيع غير المتساوي للمنطقة الانتقالية بين الوجهين (ITZ) حول الإجمالي وتاثير الشكل السطحي التجميعي علي تشكيل المنطقة الكترونيه (ITZ). أولا ، يتم اعداد عينه خرسانية نموذجيه مع الجسيمات الخزفية كرويه في الجزء الأوسط تقريبا من مصفوفة الاسمنت ، وتعمل كركام الخشنة المستخدمة في الخرسانة المشتركة/هاون. بعد المعالجة حتى العمر المصمم ، يتم مسح العينة بواسطة التصوير المقطعي المحوسب بالاشعه السينية لتحديد الموقع النسبي للجسيمات الخزفية داخل مصفوفة الاسمنت. يتم اختيار ثلاثه مواقع لل ITZ: فوق الإجمالي ، علي جانب التجميع ، وتحت الإجمالي. بعد سلسله من العلاجات ، يتم مسح العينات مع كاشف SEM-جنون البقر. وتمت معالجه الصور الناتجة بشكل أكبر باستخدام طريقه معالجه الصور الرقمية (DIP) للحصول علي الخصائص الكمية لل ITZ. تتميز المورفولوجية السطحية بمستوي البكسل استنادا إلى الصورة الرقمية. وبعد ذلك ، يستخدم أسلوب التجميع K-يعني لتوضيح تاثير خشونة السطح علي تشكيل ITZ.
Introduction
علي مقياس ميسوسكوبيك ، يمكن اعتبار المواد المرتكزة علي الاسمنت كمركب مكون من ثلاث مراحل يتكون من عجينه الاسمنت ، والركام ، والمنطقة الانتقالية بين الوجهين (ITZ) بينهما1،2. غالبا ما يتم التعامل مع يتز كحلقه ضعيفه منذ زيادة المساميه يمكن ان تعمل كقناات لدخول الأنواع العدوانية3,4 أو توفير مسارات أسهل لنمو الكراك5,6,7,8,9,10,11. وفي وقت لاحق ، فانه من الاهميه بمكان ان تميز بدقه خصائص ITZ لتقييم والتنبؤ الأداء الكلي للمواد القائمة علي الاسمنت.
للتحقيق في ITZ ، كان هناك الإفراط في البحوث حول ملامحه الهيكلية المجهرية ، وتشكيل أليات ، والتاثير علي العوامل12،13،14 باستخدام كل من الطرق التجريبية والعددية. وقد اقترنت تقنيات مختلفه لتوصيف ITZ بما في ذلك: الاختبارات الميكانيكية ، واختبارات النقل ، وقياس التسلل الزئبق (الاختبار)15،16 ونانو المسافة البادئة17. ومن المقبول علي نطاق واسع ان السبب الرئيسي لل ITZ هو تاثير الجدار ، فضلا عن فيلم المياه ، والنزيف الجزئي ، ونمو جانب واحد ، وهلام تساحب18.
مع تطوير طريقه معالجه الصور الرقمية (DIP) في العقدين الماضيين19، يمكن تحديد الخصائص المورفولوجية لل ITZ (علي سبيل المثال ، كسر حجم ، سمك ، والتدرج المساميه) كميا. استنادا إلى فحص الأقسام الطائرة باستخدام المجهر الكتروني المسح الضوئي (SEM) مع كاشف الكترونات المتناثرة (بورصة الجنون) ، يمكن اشتقاق الميزات ثلاثية الابعاد (3D) من ITZ من النتائج 2D عن طريق نظرية المجسمات20. مثل تقنيه SEM-جنون البقر ، تعتمد تقنيه النانو-المسافة البادئة أيضا علي فحص الأسطح المصقولة ، ولكنها تركز أكثر علي المعامل المرن للمراحل الحالية21. ومع ذلك ، في كل من تحليل SEM-جنون البقر واختبار المسافة البادئة نانو ، قد يكون المبالغة في سمك ITZ كما المقطع العرضي المدروس نادرا ما يمر من خلال الاتجاه الطبيعي من سطح الركام22. ومع ذلك ، اقتران هذا مع المجهر البؤري ثلاثي الابعاد الفلورسنت ، يمكن التخلص من المبالغة في التقدير لل ITZ ويمكن الحصول علي المساميه الحقيقية ومحتوي الاسمنت لامائية23.
الدراسات السابقة للعوامل المؤثرة تركز أساسا علي عجينه الاسمنت ، متجاهله دور الركام ونسيج سطحه24،25،26. منذ الشكل والخصائص المورفولوجية للتجميع وقد وصفت علي نطاق واسع علي أساس التحليل الكمي من الشرائح الرقمية التي تم الحصول عليها من SEM أو الاشعه السينية المقطعية المحوسبة (س-CT)27,28. ومع ذلك ، لم يتم اجراء اي بحث يركز علي تاثير الملمس السطحي الكلي علي تشكيل منطقه ITZ.
وببموجب هذا ، نقدم بروتوكولا للتحقيق في تاثير التشكيل السطحي التجميعي علي تكوين الهيكل المجهري لنظام ITZ استنادا إلى التحليل الكمي لصور SEM-جنون البقر وخوارزميه تجميع الوسائل K. تم اعداد عينه خرسانية نموذجيه مع الجسيمات الخزفية كرويه باعتبارها الركام الخشن. واستخدمت الاشعه السينية لتحديد الموقع النسبي للجسيم في مصفوفة الاسمنت غير الشفافة قبل خفض العينة إلى النصف. وبعد معالجه الصور التي تم الحصول عليها من SEM-بورصة الجنون ، لوحظ التوزيع غير المتساوي لل ITZ حول الركام الواحد. كما تم تعريف خشونة سطح الفهرس (SR) التي تصف النسيج السطحي التجميعي عند مستوي البكسل. تم إدخال خوارزميه التجميع K-الوسائل ، المستخدمة في الأصل في مجال معالجه الإشارات والتي تستخدم الآن علي نطاق واسع لتجميع الصور29،30، لإنشاء علاقة بين خشونة السطح (SR) وتدرج المساميه (SL).
Protocol
Representative Results
Discussion
تم تطبيق تقنيه X-CT لتحديد المركز الهندسي للجسيمات الخزفية للتاكد من ان السطح الذي تم تحليله هو من خلال خط الاستواء من الجسيمات. التالي ، يمكن تجنب المبالغة في تقدير سماكه ITZ الناجمة عن التحف 2D38. هنا ، فان دقه النتائج التي تم الحصول عليها تعتمد بشكل كبير علي التسطيح من الأسطح الم?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ويعرب أصحاب البلاغ عن امتنانهم للدعم المالي الذي يقدمه البرنامج الوطني للبحث & التطوير في الصين (2017YFB0309904) ، المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (المنحة رقم 51508090 و 51808188) ، 973 برنامج (2015CB655100) ، مختبر الدولة الرئيسي مواد الهندسة المدنية عاليه الأداء (2016CEM005). أيضا ، نقدر كثيرا معهد البحوث جيانغسو للبناء العلوم المحدودة ومختبر الدولة مفتاح المواد الهندسة المدنية عاليه الأداء لتمويل المشروع البحثي.
Materials
| Auto Sputter Coater | Cressington | 108 Auto/SE | |
| Automatic polishing machine | Buehler | Phoenix4000 | |
| Brush | Huoniu | 3# | |
| Cement | China United Cement Corporation | P.I. 42.5 | |
| Cement paste mixer | Wuxi Construction and Engineering | NJ160 | |
| Ceramic particle | Haoqiang | Φ15 mm | |
| Cling film | Miaojie | 65300 | |
| Cold mounting machine | Buehler | Cast N' Vac 1000 | |
| Conductive tape | Nissin Corporation | 7311 | |
| Cup | Buehler | 20-8177-100 | |
| Cutting machine | Buehler | Isomet 4000 | |
| Cylindrical plastic mold | Buehler | 20-8151-100 | |
| Diamond paste | Buehler | 00060210, 00060190, 00060170 | |
| Diesel oil | China Petroleum | 0# | |
| Electronic balance | Setra | BL-4100F | |
| Epoxy resin | Buehler | 20-3453-128 | |
| Hardener | Buehler | 20-3453-032 | |
| High precision cutting machine | Buehler | 2215 | |
| Image J | National Institutes of Health | 1.52o | |
| Isopropyl alcohol | Sinopharm | M0130-241 | |
| Matlab | MathWorks | R2014a | |
| Paper | Deli | A4 | |
| Plastic box | Beichen | 3630 | |
| Plastic mold | Youke | a=b=c=25mm | |
| Polished flannelette | Buehler | 242150, 00242050, 00242100 | |
| Release agent | Buehler | 20-8186-30 | |
| Scanning Electron Microscopy | FEI | Quanta 250 | |
| Scrape knife | Jinzheng Building Materials | CD-3 | |
| SiC paper | Buehler | P180, P320, P1200 | |
| Ultrasonic cleaner | Zhixin | DLJ | |
| Vacuum box | Heheng | DZF-6020 | |
| Vacuum drying oven | ZK | ZK30 | |
| Vibrating table | Jianyi | GZ-75 | |
| Wooden stick | Buehler | 20-8175 | |
| X-ray Computed Tomography | YXLON | Y.CT PRECISION S |
References
- Scrivener, K. L., Crumbie, A. K., Laugesen, P. The Interfacial Transition Zone (ITZ) Between Cement Paste and Aggregate in Concrete. Interface Science. 12 (4), 411-421 (2004).
- Scrivener, K. L. Backscattered electron imaging of cementitious microstructures: understanding and quantification. Cement and Concrete Composites. 26 (8), 935-945 (2004).
- Houst, Y. F., Sadouki, H., Wittmann, F. H. Influence of aggregate concentration on the diffusion of CO2 and O2. Concrete. , 279-288 (1993).
- Halamickova, P., Detwiler, R. J., Bentz, D. P., Garboczi, E. J. Water permeability and chloride ion diffusion in portland cement mortars: Relationship to sand content and critical pore diameter. Cement & Concrete Research. 25 (4), 790-802 (1995).
- Yang, Z., et al. In-situ X-ray computed tomography characterisation of 3D fracture evolution and image-based numerical homogenisation of concrete. Cement and Concrete Composites. 75, 74-83 (2017).
- Skarżyński, &. #. 3. 2. 1. ;., Nitka, M., Tejchman, J. Modelling of concrete fracture at aggregate level using FEM and DEM based on X-ray µCT images of internal structure. Engineering Fracture Mechanics. 147, 13-35 (2015).
- Königsberger, M., Pichler, B., Hellmich, C. Micromechanics of ITZ-Aggregate Interaaction in Concrete Part II: Stength Upscaling. Journal of the American Ceramic Society. 97 (2), 543-551 (2014).
- Shahbazi, S., Rasoolan, I. Meso-scale finite element modeling of non-homogeneous three-phase concrete. Case Studies in Construction Materials. 6, 29-42 (2017).
- Akçaoğlu, T., Tokyay, M., Çelik, T. Assessing the ITZ microcracking via scanning electron microscope and its effect on the failure behavior of concrete. Cement and Concrete Research. 35 (2), 358-363 (2005).
- Chang, H., Feng, P., Lyu, K., Liu, J. A novel method for assessing C-S-H chloride adsorption in cement pastes. Construction & Building Materials. 225, 324-331 (2019).
- Wang, P., Jia, Y., Li, T., Hou, D., Zheng, Q. Molecular dynamics study on ions and water confined in the nanometer channel of Friedel’s salt: structure dynamics and interfacial interaction. Physical Chemistry Chemical Physics. 20, 27049-27058 (2018).
- Ma, H., Li, Z. A Multi-Aggregate Approach For Modeling The Interfacial Transition Zone In Concrete. ACI Materials Journal. 111 (2), (2014).
- Yun, G., et al. Characterization of ITZ in ternary blended cementitious composites: Experiment and simulation. Construction & Building Materials. 41 (2), 742-750 (2013).
- Garboczi, E. J., Bentz, D. P. In Digital simulation of the aggregate-cement paste interfacial zone in concrete. International Conference on Electric Information and Control Engineering (ICEICE), 2011. , 196-201 (2011).
- Winslow, D. N., Cohen, M. D., Bentz, D. P., Snyder, K. A., Garboczi, E. J. Percolation and pore structure in mortars and concrete. Cement & Concrete Research. 24 (1), 25-37 (1994).
- Simões, T. . Mechanical Characterization of Fiber/Paste and Aggregate/Paste Interfaces (ITZ) in Reinforced Concrete with Fibers. , (2018).
- Xiao, J., Li, W., Sun, Z., Lange, D. A., Shah, S. P. Properties of interfacial transition zones in recycled aggregate concrete tested by nanoindentation. Cement and Concrete Composites. 37, 276-292 (2013).
- Bentz, D. P., Garboczi, E. J., Stutzman, P. E. Computer Modelling of the Interfacial Transition Zone in Concrete. Interfaces in Cementitious Composites. , 107-116 (1993).
- Kai, L., Wei, S., Changwen, M., Honglei, C., Yue, G. Quantitative characterization of pore morphology in hardened cement paste via SEM-BSE image analysis. Construction & Building Materials. 202, 589-602 (2019).
- Ondracek, G., Underwood, E. Quantitative stereology. Journal of Nuclear Materials. 42 (2), 237-237 (1972).
- Xu, J., Wang, B., Zuo, J. Modification effects of nanosilica on the interfacial transition zone in concrete: A multiscale approach. Cement and Concrete Composite. 81, 1-10 (2017).
- Zhu, Z., Chen, H. . Overestimation of ITZ thickness around regular polygon and ellipse aggregate. , 205-218 (2017).
- Head, M. K., Wong, H. S., Buenfeld, N. R. Characterising aggregate surface geometry in thin-sections of mortar and concrete. Cement and Concrete Research. 38 (10), 1227-1231 (2008).
- Gao, Y., De Schutter, G., Ye, G., Tan, Z., Wu, K. The ITZ microstructure, thickness and porosity in blended cementitious composite: Effects of curing age, water to binder ratio and aggregate content. Composites Part B: Engineering. 60, 1-13 (2014).
- Erdem, S., Dawson, A. R., Thom, N. H. Influence of the micro- and nanoscale local mechanical properties of the interfacial transition zone on impact behavior of concrete made with different aggregates. Cement and Concrete Research. 42 (2), 447-458 (2012).
- Elsharief, A., Cohen, M. D., Olek, J. Influence of aggregate size, water cement ratio and age on the microstructure of the interfacial transition zone. Cement & Concrete Research. 33 (11), 1837-1849 (2003).
- Pan, T., Tutumluer, E. Quantification of Coarse Aggregate Surface Texture Using Image Analysis. Journal of Testing & Evaluation. 35 (2), 177-186 (2006).
- Erdogan, S. T., et al. Three-dimensional shape analysis of coarse aggregates: New techniques for and preliminary results on several different coarse aggregates and reference rocks. Cement & Concrete Research. 36 (9), 1619-1627 (2006).
- Santos, B. O., Valença, J., Fowler, D. W., Saleh, H. A. Livings patterns on concrete surfaces with biological stains using hyperspectral images processing. Structural Control and Health Monitoring. , (2019).
- Santos, B. O., Valença, J., Júlio, E. In Classification of biological colonization on concrete surfaces using false colour HSV images, including near-infrared information. Optical Sensing and Detection V, International Society for Optics and Photonics. , 106800 (2018).
- Stock, S. R. Recent advances in X-ray microtomography applied to materials. International Materials Reviews. 53 (3), 129-181 (2013).
- Lyu, K., Garboczi, E. J., She, W., Miao, C. The effect of rough vs. smooth aggregate surfaces on the characteristics of the interfacial transition zone. Cement and Concrete Composites. 99, 49-61 (2019).
- Wong, H. S., Head, M. K., Buenfeld, N. R. Pore segmentation of cement-based materials from backscattered electron images. Cement & Concrete Research. 36 (6), 1083-1090 (2006).
- Liao, K. -. Y., Chang, P. -. K., Peng, Y. -. N., Yang, C. -. C. A study on characteristics of interfacial transition zone in concrete. Cement and Concrete Research. 34 (6), 977-989 (2004).
- Barnes, B. D., Diamond, S., Dolch, W. L. The contact zone between portland cement paste and glass “aggregate” surfaces. Cement & Concrete Research. 8 (2), 233-243 (1978).
- Hamerly, G., Elkan, C. Alternatives to the k-means algorithm that find better clusterings. Proceedings of the eleventh international conference on Information and knowledge management, ACM. , 600-607 (2002).
- Celebi, M. E., Kingravi, H. A., Vela, P. A. . A comparative study of efficient initialization methods for the k-means clustering algorithm. , 200-210 (2013).
- Lu, Y., et al. Three-dimensional mortars using real-shaped sand particles and uniform thickness interfacial transition zones: Artifacts seen in 2D slices. Cement and Concrete Research. , (2018).
- Gao, Y., De Schutter, G., Ye, G., Huang, H., Tan, Z., Wu, K. Porosity characterization of ITZ in cementitious composites: Concentric expansion and overflow criterion. Construction and Building Materials. 38, 1051-1057 (2013).
- Celebi, M. E., Kingravi, H. A., Vela, P. A. A comparative study of efficient initialization methods for the k-means clustering algorithm. Expert Systems with Applications. 40 (1), 200-210 (2013).
