水泥净浆水分传输过程可视化表征与定量分析

董必钦，郭邦文，刘昱清，姚婉琼，洪舒贤，邢 锋

深圳大学土木工程学院，广东省滨海土木工程耐久性重点实验室，广东深圳518060

混凝土因具有取材便利、经济实用和强度高等优点，目前被广泛应用于桥梁、隧道和工民用建筑等领域的工程建设中. 然而，在实际工程建设中，往往因为混凝土材料的劣化导致大量工程项目未能在设计使用年限内满足工程要求，因此，混凝土的耐久性研究成为当今备受关注的重要课题. 其中，水及溶解于水中的有害离子(如Cl-、SO42-和CO32-等)在材料内部的传输是影响水泥胶凝材料耐久性的最关键因素之一[1-2]. 水泥基体中水的存在，会因温度和湿度变化而引起冻融破坏，水的运动与分布会携带着外部离子进行迁移，引起碳化和钢筋锈蚀的发展，从而劣化了材料的性能，缩短水泥基材料的使用寿命. 因此，追踪水泥基材料中水的传输过程，建立水在材料内部的运动分布信息随时间的函数关系，有助于深刻理解水泥体的劣化进程，对研究钢筋混凝土结构的耐久性具有非常重要的意义.

水分在水泥基材料中传输的主要驱动力有毛细吸收、扩散和渗透传输[3]. 毛细吸收主要指水在材料毛细吸附力作用下进行运动迁移的过程；扩散主要指水及溶于水中的离子在浓度差梯度作用下进行扩散分布的过程；渗透主要指材料在完全饱和状态下，水在外压力的作用进行渗透的过程[3]. 除了一些水工及海洋工程外，大多情况下，水泥基材料很少处于完全饱水状态，因此，在水泥基材料中，水的传输动力是以毛细吸收和扩散传输起主导作用[4]. 水作为传输媒介，外部水及腐蚀性离子在水泥基材料的毛细吸附作用下迅速侵入材料内部并在内部运动，大大加速了混凝土的劣化进程.

为了追踪水在水泥基材料内部的运动过程，研究水的迁移深度和分布随时间的变化规律，目前国内外已经研究了不同的检测方法，包括有损法和无损法[5]. 其中，切片称重法是一个简单而又广泛用于测定水泥基材料中水含量和吸水深度的常规方法. 但它属于有损法，不能实时跟踪同一样品中水分在材料内部的运动进程. 为了研究水泥基材料中水分的传输机制，追踪水分在材料内运动的动态过程，也研究应用了一些无损检测技术，比如电性法[5]、微波技术法[6]和红外光谱技术[7]等，但是这些方法是一种间接测量法，其测量精度不高，且只能在一维或二维条件下建立材料中的含水率或吸水深度与特定时间的函数关系；除此之外，中子成像技术和X射线投影法[5]虽然精度有所改进，但其不能观测材料的内部形貌特征，不能实现可视化表征水在材料内部的三维传输过程.

被广泛应用于医学和地理科学的X射线三维重构成像技术(X-ray computed tomography microscope, X-ray μCT)[8]，具有高精度和高空间分辨率的优点，是一种新的原位可视化追踪水泥基材料中水分的传输过程及其三维分布特征的无损检测手段. 基于不同角度、多个横断面X射线的扫描成像，X-ray μCT技术可以进行可视化检测非透明材料，如混凝土的内部结构特征，并以2D和3D图像的方式展现实验的结果[9]. 目前，X-ray μCT技术已经在水泥胶凝材料领域有不少应用，如微观孔隙结构表征[10-11]、钢筋锈蚀[12-13]和离子扩散[14]等，因此，可应用X-ray μCT技术研究水泥基材料的水分运输规律.

本研究提出了使用X-ray μCT技术进行原位无损可视化追踪毛细吸附作用下水在水泥净浆试样内部的传输过程，分析不同时间的吸水深度和表征其三维的吸水分布变化进程. 应用X-ray μCT技术，可以突破传统的混凝土渗透性检测手段的不足，实现对水泥胶凝材料中水分的传输机制进行三维的无损检测和评价.

1 实 验

1.1 材料与样品制备

试验的水泥净浆样品采用水灰比为0.4的普通硅酸盐水泥P.O 42.5(表1). 实验材料的混合搅拌过程应遵循标准净浆试样的制备方法. 水泥和去离子水按比例称重并混合搅拌均匀后，把新拌水泥浆倒入φ10 mm × 25 mm的圆柱形模具中，最后进行振捣使其密实. 样品成型24 h后进行拆模，再放进相对湿度≥95%、温度为(20±2)℃的养护室中进行养护28 d. 试验样品示意图如图1.

图1 试验样品示意图Fig.1 Schematic presentation of test specimen

w(Al2O3)w(Fe2O3)w(CaO)w(MgO)w(C3S)w(C2S)w(C3A)w(C4AF)6.053.4263.221.2165.355.0610.2310.40

1.2 毛细吸水试验

在28 d养护龄期结束后，将试样取出并放在温度50 ℃的烘箱中烘干至恒重. 等冷却恢复至室温后，除了与水接触的底面外，样品的侧面以及另一底面全部用环氧树脂进行密封，以保证试样的毛细吸水过程沿指定的底面方向进行一维传输. 毛细吸水试验按照ASTM C 1585-04[14]标准进行，如图2. 试样准备就绪后放入平底玻璃容器中，底部用海绵支撑，向容器中注入碘化钠溶液，并控制液面高出样品的底面(4±1) mm. 每次毛细吸水的时间为30 min，时间达到后立即取出试样，固定于X-ray μCT系统的试验旋转台上，并开始成像测试.

图2 毛细吸水试验的示意图Fig.2 Schematic presentation of water uptake test

1.3 X-ray μCT成像测试

本实验中水泥净浆样品的三维成像测试仪器采用美国Xradia公司生产的MicroXCT-400. X-ray μCT系统主要由微焦X射线发射器、可360°旋转的样品平台、三维CCD相机和1 024个图像探测器及其图像处理单元组成，其工作原理如图3. 为了获取更好的图像数据，X-ray μCT测试的参数分别设定为：X射线源发射电压为70 kV,电流为110 μA；光学镜片放大倍数为0.4倍；样品的3D重构图像矩阵为1 024×1 024×1 000体元，其中，1 000代表成像切面数量，每个切面体元为1 024×1 024；本实验测试实际获得的体元尺寸为19.614 5 μm. X-ray μCT系统对样品进行扫描成像的时间大概是30 min. 采集CT图像数据后，应用三维分析软件对图像进行三维处理，并对实验结果作进一步的量化分析.

图3 X-ray μCT系统成像工作原理图Fig.3 Schematic illustration of X-ray μCT system

2 结果与讨论

2.1 CT图像分析

当接触水泥试样的表面时，水在毛细吸附的驱动力下从试样表面迅速侵入材料内部的孔隙，并在其内部进行运动. 根据XCT系统的测试原理，X射线对样品中吸水区域与干燥区域的强度衰减不同，从而形成不同的灰度图像. 然而，由于水泥基材料具有高密度、复杂的孔隙结构和多相的性质，相比于干燥的水泥净浆，X射线对样品的含水部分区域产生较低衰减，因此纯水在水泥净浆中的吸水深度无法清晰测定[16-17]. 此外，应用CT技术研究石油工程的孔隙表征和渗流机理[18]、医学上采用CT技术诊断患者病理时，碘化钠常作为CT图像增强剂. 这启发了应该用碘化钠替代纯水作为图像增强剂进行XCT系统的测试，通过该技术追踪和研究水泥基材料水分的传输过程和传输机制. 经过多次的实验测试，发现当碘化钠溶液的质量分数为10%时，XCT系统测试所采集的灰度图像对比较为明显. 因此，本测试采用质量分数为10%的碘化钠溶液作为CT图像的增强溶液.

XCT成像原理是基于X射线与物质的相互作用原理，当X射线穿越物体时，由于产生光电效应、康普顿效应及电子对效应等作用过程，X射线(即入射光子)将被物质吸收，使得射线强度发生衰减[10]. 不同吸收系数的物质在CT图像中对应于不同CT值(或灰度值)的图像. 高密度或高原子序数的物质，如碘离子，对X射线的吸收较强，在图像中对应的CT值较高，灰度值较高(即图像颜色较浅). 低密度、低相对分子质量或低原子序数的物质，如水和空气等，对于X射线吸收较弱，在图像中对应的CT值较低，灰度值较低(即图像颜色较深).

基于X-ray μCT系统扫描和碘化钠作为图像增强剂而获得水泥净浆试样的二维切片图像数据，经过三维分析软件的渲染后，图4展现了在第1个毛细吸水时间点(t1=30 min)试样的3D图和不同方向及深度的横截面图. 由图4所示的CT成像结果可知，当水泥基体的表面与水接触时，水在毛细吸附力的驱使下迅速渗入材料内部，并在材料内部迁移渗透. 在图4(b)的纵向渲染图中可以清晰辨别试样的水分上升前峰，其中，较亮的区域表示已吸水的部分，因为试样中含碘区域对X射线的吸收较大而引起试样吸水区域的灰度值较大；较暗的区域表示未吸水的干燥部分.

图4 水泥净浆试样吸水30 min后的重构形态图 Fig.4 The reconstructed morphology images of water uptake in cement sample for the first 30 min

2.2 可视化分析水分传输过程

当水泥试样的表面与水接触时，水分在毛细吸附力的作用下通过孔隙通道迅速渗入材料内部并迁移. 应用X-ray μCT技术的无损可视化追踪法，不同时间的水分在水泥基材料内部的2D和3D传输过程分别如图5和图6. 从图5可以明显看出，随着吸水时间的增长，水泥试样中水分在毛细管吸附力的驱动下吸水高度不断增大，即水分前峰在不断向前推进[19]. 同时，由不同时间的二维传输过程发现，越接近吸水面(试样底部)，试样的饱水区域即较明亮部分越多，说明水分在上升的同时，吸水量也在增加，说明水分在毛细吸附作用下迅速经过孔隙通道进入材料后，随着时间的增长，也发生了扩散，并达到饱和状态. 此外，由图5和图6还可以看出，水泥基体的毛细吸水过程是一个前期速度较快，而后期渐趋迟缓的过程.

为了进一步验证X-ray μCT测试量化分析的结果，本实验将不同吸水时间的同批3个试样沿其轴线方向切开，在相同条件下直观测量试样的实际毛细吸水深度(h实测)， 如图7和表2. 其中，t6=180 min的毛细吸水深度是本试验测试样品沿中轴线劈开后的实际测量值，该吸水深度大约为16.5 mm. 通过对比劈开试样的测量结果证明，X-ray μCT的量化分析结果是有效的. 由此可见，采用碘化钠溶液替代纯水作为CT图像增强剂，XCT技术应用于可视化追踪水泥基材料中水分的传输过程是一种新的有效的无损检测方法.

图5 不同时间试样中毛细吸水深度变化2D图Fig.5 The 2D evolution of water uptake at different times in the center of the cement sample

图6 不同时间试样中毛细吸水深度变化3D图Fig.6 The 3D evolution of water transport at different times in cement paste

图7 不同时间沿中轴线切开的试样图Fig.7 The testing specimens along cut-off axis at different times

吸水时间 /min吸水深度 /mm试样1试样2试样30000306.96.66.4609.89.79.89011.411.211.612013.213.013.115014.414.614.618017.216.816.4

图8 水分上升高度与吸水时间平方根的关系Fig.8 Height of water front versus the square root of exposed time

将表2中实际测量的不同时间的吸水深度值与采用X-ray μCT技术的测量值(hCT)进行拟合，如图8. 从图8可见，两者均具有很好的线性关系，即因毛细孔吸附作用而引起水分在材料中的吸水深度h与吸水时间平方根符合线性关系[18]，其表达式为

h(t)=kt1/2

(1)

其中，h(t)为水分的毛细吸水高度(单位：mm)；t为吸水时间；k是拟合曲线的斜率，即毛细吸收系数(单位：mm/s1/2). 毛细吸收系数k与流体性质、材料的微孔结构和水饱和度等参数有关，是评估材料耐久性的重要参数[20]. 由此可见，应用X-ray μCT技术不仅可以定性表征水泥基体中水的二维和三维传输过程和形貌特征，还能定量计算不同吸水时间的吸水深度，同时还能研究毛细吸收系数k对水分传输的影响.

3 结 论

本研究应用具有高精度和高空间分辨率的X-ray μCT技术进行可视化追踪水泥基材料中水的传输过程，表征其三维分布过程. 由实验结果可知：

1)X-ray μCT技术可实现原位无损可视化追踪水泥基材料内部水的传输全过程，为可视化研究水泥基材料中水分或离子的传输机制提供了一种新的方法.

2)使用碘化钠作为CT图像增强剂，X-ray μCT技术可以表征水泥基材料中水因毛细吸附作用而引起吸水高度随时间增长的2D和3D传输过程和形貌特征，突破了传统无损检测技术的局限性.

3)因水泥基材料的毛细吸附作用引起的吸水高度h与t1/2具有线性关系，符合Lucas-Washburn方程.

4)应用X-ray μCT技术不仅可以定量计算不同吸水时间的吸水深度，还能研究毛细吸收系数对水分传输的影响.

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51538007，51478270，51378239)

作者简介：董必钦(1975—)，男，深圳大学教授．研究方向：水泥基材料．E-mail：incise@email.szu.edu.cn

引文：董必钦，郭邦文，刘昱清，等．水泥净浆水分传输过程可视化表征与定量分析[J]. 深圳大学学报理工版，2018，35(3)：285-291.

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