Материалы на основе цемента - это инженерные материалы, которые применяются * и используются в самых больших количествах, и их среда использования сложна и разнообразна. Во время фактического обслуживания материал на основе цемента ухудшается под действием сухих и влажных циклов, изменений температуры, механических нагрузок и других факторов, влияющих на безопасность конструкции. Раствор является широко используемым ремонтным материалом, качество сцепления между ремонтным раствором и исходной базой имеет решающее значение для стабильности и долговечности системы ремонта, влияющие факторы включают состав раствора, предварительную обработку матрицы и так далее.

Команда профессора Чжан Пэна из Школы гражданского строительства Циндаоского технологического университета изучила влияние первоначального водного состояния старого раствора на микроструктуру комплекса, состоящего из старого и нового раствора, путем сочетания рентгеновского КТ и метода давления ртути (Mercury Intrusion Porosimetry, MIP). На основе трехмерных реконструированных изображений высокоточного рентгеновского КТ - оборудования (серии nanoVoxel - 3000) были проанализированы микроструктура старых и новых интерфейсов раствора и пространственное распределение внутренних пористостей и микротрещин после затвердевания раствора. Результаты MIP были использованы для анализа типа пористости в исправленном растворе и механизма ее образования. На основе визуализации нейтронного пропускания были проведены визуальные испытания на всасывание воды в комплекс, получены кривые распределения содержания воды с течением времени, проанализированы характеристики всасывания воды в комплекс и его связь с микроструктурой.

Трёхсторонняя прецизионная нано - Voxel - 3000 микроскопическая КТ

Изменив начальное содержание воды в старом растворе, были разработаны два комплекса. Первоначальные условия содержания воды до контакта старого образца раствора с новым раствором для восстановления смеси устанавливаются следующим образом:

а) Сухая матрица - Старый образец раствора высыхает при температуре 105°C в течение 24 часов и охлаждается при комнатной температуре.

b) Насыщенная матрица - старый раствор погружается в воду в течение 5 часов, измеренное содержание воды составляет 20,4%.

Рисунок 1 Схема образцов старого и нового растворного комплекса

Рентгеновская КТ и MIP - тесты были объединены, чтобы показать микроструктуру исследуемого комплекса. Во - первых, рентгеновское КТ - сканирование образцов проводилось с использованием наноVoxel - 3502E, произведенного китайской компанией Tianjin Sanying Precision Instruments Co., Ltd. Исходные данные были разделены на пустоты с помощью двузначности изображения, как показано на рисунке 3, и был проанализирован размер пустоты после разделения вокруг интерфейса (высота ±2,2 мм).

Поскольку рентгеновское КТ - тестирование не смогло обнаружить пористость, меньшую по размеру, микроструктура восстановительного раствора была подвергнута совместному анализу с помощью испытания MIP, в ходе которого образцы D06 - R и S06 - R были взяты из D06 и S06, соответственно, для удаления влаги путем сушки до испытания MIP. Наконец, с помощью испытательной платформы для получения изображений на нейтронах были проведены визуальные исследования процесса поглощения воды старым и новым комплексами раствора.

Рисунок 2 Восстановление трехмерных изображений образцов на основе данных рентгеновской КТ и извлечение из них интересующих областей для анализа

Рисунок 3 Извлечение пористости и фрагментации трещин в зоне интереса

Внутренняя микроструктура обоих образцов, как показано на рисунке 4, характеризуется значительным усадочным растрескиванием D06 и более плотной микроструктурой S06, что позволяет рассчитать долю площади зазора (пористости и микротрещины) размером более 44,2 мкм в различных разрезах (длина х ширина) в зоне интереса (ROI). На рисунке 5 доля площади каждого среза определяется по высоте. Результаты показали, что доля площади большого зазора старого раствора в обоих образцах составляла около 0,03. Доля площади большого зазора в новом растворе S06 сосредоточена примерно на 0,03, в то время как в новом растворе D06 доля площади большого зазора составляет 0,06, что примерно в два раза больше, чем в новом растворе образца S06.

Рисунок 4 Внутренняя микроструктура старых и новых образцов целлюлозного комплекса

Рисунок 5 Изменение доли площади зазора в зависимости от высоты

Рисунок 6 Цветовая маркировка пробелов по эквивалентному диаметру

Благодаря микроморфологическому анализу был сделан вывод о том, что механизм образования больших пространств в зонах интерфейса D06 и S06 различен. Для образцов D06, из - за градиента водонасыщенности, новый перемешиваемый ремонтный раствор помещается на предварительно высушенный старый раствор, вода в ремонтном растворе будет откачиваться в больших количествах, серьезное сужение трещины, создавая больший зазор; При подготовке образца S06, старый раствор предварительно насыщен водой, потеря влаги в восстановительном растворе и возможный обратный поток воды в заполненном старом растворе могут привести к накоплению влаги на границе раздела, создавая большую область разрыва вокруг интерфейса, образуя больший разрыв.

Для обозначения микроструктуры восстановительного раствора с пористостью в виде чернильной бутылки используется метод циркуляции ртути. На основе данных о кумулятивном давлении ртути рассчитывается эффективная соединительная пористость восстановительного раствора и пористость "чернильной бутылки", а эффективная соединительная пористость D06 - R (0074) очень близка к объемной доле малой пористости (0076). Из этого следует, что усадочные трещины не связаны напрямую друг с другом, а связаны через волосяные отверстия. Эффективная соединительная пористость S06 - R (0095) ниже, чем доля объема малых пористостей (0.129). Предполагается, что в S06 - R только некоторые небольшие поры хорошо связаны.

Рис. 7 Кривые распределения апертуры, полученные при первом и втором давлении ртути на новый раствор

Благодаря технологии нейтронной визуализации в режиме реального времени отслеживается поглощение воды старыми и новыми растворными комплексами, что позволяет получить динамическое распределение содержания воды, как показано на рисунке 9. Среди них содержание воды рассчитывается через отношение толщины проницаемости нейтронов к толщине образца, положение интерфейса обозначено пунктирной линией, дно - новый раствор. Установите ROI (желтый прямоугольник) шириной 5 мм на изображении, чтобы отслеживать изменения профиля водонасыщенности вдоль направления течения, определять положение смачивающего фронта на основе динамического профиля влаги на рисунке 10 и использовать линейную регрессионную функцию для согласования данных испытаний для получения коэффициента всасывания воды.

Коэффициент всасываемости нового раствора в D06 в 1,5 раза выше, чем у нового раствора в S06. Наличие большего количества трещин в новом растворе D06 повышает коэффициент всасывания воды. S06 Новое смешивание и ремонт раствора теряют меньше воды, может обеспечить нормальную гидратацию цемента, образуя более плотную пористую структуру. Поэтому новый раствор в S06 имеет низкую всасываемость воды.

Рисунок 9 Динамическое содержание воды в старом и новом растворном комплексе при всасывании воды

Рисунок 10 Определение динамической кривой водонасыщенности в процессе всасывания воды в старом и новом растворном комплексе (a) D06; (b) S06

Рисунок 11 Изменение положения смачивающего фронта при всасывании воды в старом и новом растворном комплексе (a) D06; (b) S06

С помощью рентгеновских КТ - изображений новый смесительный раствор при контакте с предварительно высушенным старым раствором извлекает много воды, что приводит к заметному усадочному растрескиванию. Когда новый раствор склеивается с насыщенным старым раствором, выделение воды из нового раствора и потенциальный возврат воды из насыщенного старого раствора могут привести к накоплению воды на границе раздела, создавая большую область разрыва вокруг интерфейса.

Инвазивная пористость в новом растворе, склеенном с предварительно высушенным старым раствором и сытым старым раствором, хотя и аналогична, характеристики распределения апертуры значительно различаются. Размер капиллярной пористости двух новых растворов близок, в то время как в новом растворе, склеенном со старым раствором, наполненным водой, больше капиллярной пористости. Таким образом, предварительное увлажнение старого раствора может замедлить потерю воды в новом смешиваемом ремонтном растворе, с которым он связан, что способствует нормальному гидратации цемента.

Гидропоглощающее свойство старых растворных матриц оказывает значительное влияние на микроструктуру и гидропоглощающие свойства старых и новых растворных комплексов. При проектировании схемы ремонта бетонных конструкций, в дополнение к учету прочности сцепления интерфейса, также следует учитывать характеристики передачи после затвердевания ремонтного раствора с точки зрения долговечности.

Рентгеновская микроКТ - томография обеспечивает трехмерную визуализацию структуры пористости и трещины внутри образца, лучше отображает микроструктуру материала на основе цемента и показывает реальную ситуацию внутри материала.