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Cem.Concr.Compos.：冻融循环作用下砂浆的X射线CT研究
题目
题目：Using X-ray computed tomography to investigate mortar subjected to freeze-thaw cycles
冻融循环作用下砂浆的X射线CT研究
关键字
关键字：冻融循环；显微裂纹；孔隙填充；X射线计算机断层技术；微X射线荧光
来源
出版年份：2020
来源：Cement and Concrete Composites
课题组：俄克拉荷马州立大学土木与环境工程系Ghazal Sokhansefat课题组
研究背景
当混凝土达到临界饱和度（DOS）并经历冻融循环时，就会发生冻害开裂，总饱和度大于临界饱和度的样品即使在一次冻融循环中也会导致微裂纹。在过去几十年中，人们花了大量的精力去了解冻融破坏机制，但仍有几个问题没有得到解答，其中包括：孔隙中冰是如何形成的，空气夹带和孔隙尺寸分布如何影响冻融损伤，不同的参数如样品DOS、吸水率和冻结速率如何影响冻融损伤，以及微裂纹是如何在胶凝材料中引发和扩展的。正因为如此，直接观察冻融循环前后的微观结构可以为解决这些问题提供见解。为了研究胶凝材料的微裂纹引发和扩散，已经研发了多种技术手段。
其中，X射线计算机断层扫描（X-CT）是一种强有力的非损伤测量技术，可以用来研究材料的三维微观结构。其被广泛应用于医学科学研究、生物学和遗传学等，而这种方法也被用来研究建筑材料，例如水泥水化、骨料空间分布、传输性质、裂纹扩展与空隙分布等。此外，这种断层扫描可以用于定性和定量分析。
研究出发点
已有相关学者使用X-CT技术来研究混凝土或砂浆在冻融损伤中的微观结构变化。虽然已经探索出一些重要的发现，但这些研究并没有研究过冷冻前后试样中的微观裂纹演化。
研究内容
本研究利用X射线计算机显微断层扫描技术（X-CT）研究了临界饱和度（DOS）和空隙系统对硅酸盐水泥砂浆在冻融循环作用下裂纹扩展的影响。在冷冻前后的三维成像可以定量测量新裂纹形成和空隙填充的位置与体积，并观察到冻融循环前出现的裂纹扩展，并且新裂纹从浆体-骨料界面开始。
图1典型的XCT数据集、重建图像的二维截面与相应的灰度直方图
图2砂浆组分的分割过程，包括空隙、裂缝、空隙内形成的材料、骨料和浆体
图3 所有样本的分割结果
图4 在冻融测试之前与之后的饱和样品(DOS≤100%)的空隙、裂缝和填充空隙的三维渲染图
图5 用SEM在空隙中形成的材料的形貌
主要结论
本文采用X-CT对不同的空气体积和DOS条件下的砂浆试样进行了测试，研究了单次冻融循环对砂浆微观结构的影响。这项工作能够观察到裂纹分布和体积的变化，以及发生的显著的空隙填充。尽管所有样品的DOS值都大于85%，但DOS值为100%的非空气夹带饱和样品是唯一观察到损伤的样品。然而，有可能形成的裂缝低于所用方法的分辨率，因此不会被检测到。裂缝和空洞填充的结论如下。
（1）裂纹的萌生和扩展主要发生在试样的冻结面以外和970μm范围内。
（2）与冻融循环前相比，单次冻融循环使骨料中的裂缝体积增加4.5倍，浆体中的裂缝体积增加13倍。
（3）在远离冰冻表面的700μm范围内观察到空隙填充。
（4）μXRF和SEM数据表明，在空隙中形成的材料的Ca含量>75%,并含有微量的Si和Al。
（5）在一次冻融循环后，大于70%的体积小于20μm的空隙被填满。
（6）经过一次冻融循环后，样品中的空隙没有被填满，损伤严重。
本期编者简介
翻译：
罗盛禹 硕士生 深圳大学
审核：
刘建伟 硕士生 深圳大学
排版：
唐 杰 硕士生 深圳大学
本期学术指导
何 闯 博士后 深圳大学
龙武剑 教 授 深圳大学
文献链接：
https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2020.103520
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