一种水泥水化三维孔隙结构特征的表征方法与流程

本发明属于微观数值试验技术领域，具体涉及一种水泥水化三维孔隙结构特征的表征方法。

背景技术：

水泥基材料在水化过程中形成的孔隙对其诸多性能具有重要影响，尤其是其作为水分及恶劣环境中各种离子传输的通道，腐蚀材料内部造成破坏。因此，充分了解水泥基材料微结构中的各种孔结构特征，有助于分析水泥基材料的传输性能与耐久性。

目前，随着各种精密仪器和显微技术的成熟，已经出现了各种用于表征孔隙结构的新技术，对于水化过程和微结构的演变的研究则主要是通过实验方法进行。现在较多使用的测试手段包括小角射线散射法、压汞法、磁共振测孔法、同步加速x射线层析扫描测孔法等。但由于各种条件以及技术的限制，现有的各种测试手段都具有一定的局限性，比如样品制备过程要求高、难度大；测试的周期较长、费用高；无法进行连续可视化监测；实验过程中可能对样品产生部分破坏以及部分参数无法表征等缺陷。随着计算机技术的发展以及对水泥水化演变机理认识的不断深入，利用计算机技术模拟水泥水化演变过程的水泥水化模型得到不断优化发展。其中的cemhyd3d模型、hymostruc3d模型、ducom模型、μic模型以及thames模型是比较成功的水泥水化模型。

cemhyd3d水化模型充分考虑了各水泥物相的反应，利用元胞自动机技术控制水泥像素的溶解、扩散及成核反应过程，考虑其代码开源的优点，本发明基于数字图像的cemhyd3d水化模型进行三维孔隙结构特征的表征。

技术实现要素：

解决的技术问题：本发明的目的是针对现有实验手段无法测试出重要的特征参数，无法进行连续监测，实验周期长以及对试件产生破坏等问题，提供了一种可连续监测、无破坏、省时的水泥水化三维孔隙结构特征的表征方法。

技术方案：一种水泥水化三维孔隙结构特征的表征方法，包括以下步骤：

步骤1，取水泥基材料制样，获取试样的背散射和能谱图片，通过“bentz分相规则”得到试样中各矿物相参数；

步骤2，根据步骤1所得试样的各矿物相参数，基于cemhyd3d水化模型软件，建立试样的水化三维可视化模型；

步骤3，根据步骤2建立的水化模型，对微结构像素点进行扫描以统计孔隙结构的孔隙率，通过“内侵蚀法”得到孔隙结构的孔径累积分布曲线；

步骤4，根据步骤2建立的水化模型，通过“燃烧算法”得到孔隙结构的封闭孔、半连通和连通孔孔隙率；

步骤5，根据步骤2建立的水化模型，通过“随机走法”计算孔隙结构的曲折度。

进一步地，步骤1中制样是先取水泥粉体和低粘度环氧树脂混合成粘稠状浆体，压入模具养护后脱模，经切割成厚度1cm圆柱体；然后经打磨、抛光和表面喷碳，即得。

进一步地，步骤1中获取试样的背散射和能谱图片是在加速电压12kv，管电流2na获取背散射图片，管电流10na获取能谱图片。

进一步地，步骤1中“bentz分相规则”是先通过能谱图片的灰度直方图选取灰度直方图右端肩状部位置为阈值，灰度值大于此值的像素点表示存在该元素，否则不存在该元素；然后，对背散射图片采用中值滤波进行降噪处理，划分出图片中的固相、孔隙，结合分相树进行四种矿物相与石膏的划分。

进一步地，步骤1中所述各矿物相参数是指各矿物相的体积分数与表面积分数。

进一步地，步骤3中“内侵蚀法”是先将图片中的孔相和固相进行区分；再对微结构依次逐层进行扫描，当该像素为孔相且其至少有一个面与固相相接处，则将此孔孔像素点亮，标记为1，当该孔像素点周边都为孔相，且已进行标记，则该孔像素标记成已标记数字的周边孔相最小值加1，以此类推，直到所有孔像素被标记；最后搜索标记为最大值的数字，当其邻近位置存在相同标记的像素时，则其直径为标记数字的2倍，否则为2倍减1。

进一步地，步骤4中“燃烧算法”是在微结构第一层进行搜索，当检索到孔位置时，将其标记并检查六个临近像素点，当有孔隙存在时再次进行标记，以此类推，直至某一像素点的六个临近位置为固相，此时可以统计得到连通孔和半连通孔的体积，由总孔隙的体积减去连通孔和半连通孔的体积即为微结构中封闭孔的体积。

进一步地，步骤5中“随机走法”是随机产生一定数量的数组，在微结构中随机进行坐标的行走，直到一定的步数之后，统计均方位移和步数，随后通过计算均方位移和步数的比值作为曲折度。

有益效果：相比于实验技术手段的测试，本发明的水泥水化三维孔隙结构特征的表征方法具有如下优点：首先，建立了可连续化监测水泥水化三维孔结构演变的过程；其次，相对于实验手段，本发明不会产生有害影响；最后，本发明建立了三维孔结构特征的参数表征手段，实现了参数的物理模型表示并得到参数结果。

附图说明

图1为实施例1中试样未水化的cemhyd3d水化模型微结构示意图，及试样水化后的cemhyd3d水化模型微结构示意图；

图2为实施例1中试样在水化进行过程中孔隙率的变化曲线；

图3为实施例1中试样在水化7天后微结构的孔径积分与微分分布曲线；

图4为实施例1中试样在水化进行过程中连通度的变化曲线；

图5为实施例1中试样在水化进行过程中总孔隙率、连通孔、半连通孔及封闭孔孔隙率的变化曲线；

图6为实施例1中试样在水化进行过程中曲折度的变化曲线。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做更进一步地解释。下列实施例中仅用于说明本发明，但并不用来限定本发明的实施范围。

孔隙率，即微结构中孔隙占总体积的比例。

封闭孔、连通孔、半连通孔的孔隙率为各类型孔占总孔隙的比例。

孔径积分分布曲线为相应直径及小于此直径的各孔隙体积之和占总孔隙体积的比例。

孔径微分分布曲线为相应直径的孔隙体积占总孔隙体积的比例。

曲折度，即表征内部孔隙结构曲折程度的参数，使用均方位移与步数的比值来表示。

实施例1

水灰比为0.35时，水泥水化三维孔隙结构特征的表征：

步骤1，选用的水泥信息为：pi525.普通硅酸盐水泥，密度3.15g/cm³，比表面积370m²/kg，初凝时间2小时12分，终凝时间3小时7分。称取约25g水泥粉体，将其与低粘度环氧树脂混合成粘稠状浆体，压入圆柱形模具，在60℃条件下养护24h脱模，切割成厚度1cm圆柱体，然后在磨样机打磨2min，使用0.1μm的金刚石悬浮液抛光60min，放到乙醇中，随后进行表面喷碳,得到试样。设定加速电压12kv，管电流2na获取背散射图片，设定管电流10na获取各元素能谱图片。

通过能谱图片的灰度直方图选取合适的阈值(一般选取灰度直方图右端肩状部位置)，灰度值大于此值的像素点表示存在该元素，否则不存在该元素；然后，对背散射图片采用中值滤波进行降噪处理，划分出图片中的固相、孔隙，结合分相树进行四种矿物相与石膏的划分，得到试样中各矿物相参数。统计得到的c3s、c2s、c3a、c4af的体积分数分别为52.36%、29.75%、4.77%、13.12%，表面积分数分别为48.82%、34.98%、4.96%、11.24%。分相后未水化的微结构如图1中cycle=0对应的图。

步骤2，将水泥颗粒的相关信息和设定条件，连同步骤1中计算出来的体积分数与表面积分数作为参数，输入cemhyd3d水化模型软件，执行水化程序，得到水灰比为0.35时的水泥水化模型三维可视化微结构示意图。分相后水化的微结构如图2中cycle=500对应的图。

步骤3，将建立的水化微结构图输入到开发的孔径统计程序中，程序对微结构像素点进行扫描的同时对各孔相进行标记，随后进行孔径孔相统计与孔径累计分数的计算，统计的孔隙率如图3，计算的水化7天之后孔径累积分布与微分分布结果如图4。

步骤4，将建立的水化微结构图输入到开发的孔分类程序中，程序首先应用“燃烧算法”的思想将孔进行标记，随后进行连通孔、封闭孔的统计，并计算连通度。计算的连通度如图5，连通孔和封闭孔的孔隙率如图6。

步骤5，将建立的水化微结构图输入到开发的曲折度计算程序中，控制生成的数组随机进行移动，当移动的步数达到设定数量时，统计行走之后的最终位置与最初位置之间的均方位移，通过计算均方位移与步数之间的比值来表示曲折度的大小。计算的曲折度大小如图6。

对图2进行分析，可以看出随着水化过程的进行，水泥水化微结构内部的孔隙随水化程度逐渐减少，且具有线性关系；

对图3进行分析，可以看出水化7天之后，微结构内部孔隙的孔径的范围在1um到14um之间，其中，孔径多集中在3—8um，孔径为5um的孔隙占的体积最多；

对图4进行分析，可以看出随着水化时间的进行，微结构内部孔隙的连通度逐渐在下降并直到内部不存在连通的孔；

对图5进行分析，可以看出随着水化时间的进行，总孔隙率和连通孔孔隙率逐渐下降，封闭孔孔隙率则上升。半连通孔孔隙率先上升后下降，可能原因为前期水化产物填充孔隙阻断孔的连通形成半连通孔，而随着水化的进行，水化产物逐渐增多，占据的孔隙越来越多导致半连通孔的数量也在下降；

对图6进行分析，可以看出随着水化进行曲折度在上升，但在水化18天时，其曲折度出现减小，因为在水化18天之后，内部水化产物阻断了与连通孔相连的周边延伸孔隙，由此而造成连通孔弯曲程度减小。