इंटरफेशियल ट्रांजिशन जोन (ITZ) में कुल सतह आकृति विज्ञान का निर्धारण
Summary
इसके द्वारा, हमने ITZ माइक्रोस्ट्रक्चर पर कुल सतह आकृति विज्ञान के प्रभाव को समझाने के लिए एक प्रोटोकॉल का प्रस्ताव किया। एसईएम-बीएसई छवि को डिजिटल छवि प्रसंस्करण के माध्यम से ITZ की पोरोसिटी ढाल प्राप्त करने के लिए मात्रात्मक रूप से विश्लेषण किया गया था और एक कश्मीर का मतलब है क्लस्टरिंग एल्गोरिदम को पोरोसिटी ढाल और सतह खुरदरापन के बीच संबंध स्थापित करने के लिए आगे नियोजित किया गया था ।
Abstract
यहां, हम ITZ के गठन पर कुल और समग्र सतह आकृति विज्ञान के प्रभाव के आसपास इंटरफेशियल ट्रांजिशन जोन (ITZ) के असमान वितरण को समझाने के लिए एक व्यापक विधि प्रस्तुत करते हैं। सबसे पहले, एक मॉडल कंक्रीट नमूना सीमेंट मैट्रिक्स के लगभग मध्य भाग में एक गोलाकार सिरेमिक कण के साथ तैयार किया जाता है, जो आम कंक्रीट/मोर्टार में उपयोग किए जाने वाले मोटे कुल के रूप में कार्य करता है। डिजाइन की गई उम्र तक इलाज करने के बाद, नमूना सीमेंट मैट्रिक्स के अंदर सिरेमिक कण के सापेक्ष स्थान का निर्धारण करने के लिए एक्स-रे गणना टोमोग्राफी द्वारा स्कैन किया जाता है। ITZ के तीन स्थानों को चुना जाता है: कुल के ऊपर, कुल के किनारे पर, और कुल से नीचे। कई उपचारों के बाद, नमूनों को एसईएम-बीएसई डिटेक्टर से स्कैन किया जाता है। परिणामी छवियों को आगे एक डिजिटल छवि प्रसंस्करण विधि (DIP) का उपयोग कर के लिए ITZ की मात्रात्मक विशेषताओं को प्राप्त करने के लिए संसाधित किया गया । डिजिटल छवि के आधार पर सतह आकृति विज्ञान पिक्सेल स्तर पर विशेषता है। इसके बाद, कश्मीर कामतलब है क्लस्टरिंग विधि का उपयोग ITZ गठन पर सतह खुरदरापन के प्रभाव को समझाने के लिए किया जाता है।
Introduction
मेसोस्कोपिक पैमाने पर, सीमेंट आधारित सामग्रियों को तीन चरण के समग्र के रूप में माना जा सकता है जिसमें सीमेंट पेस्ट, कुल और इंटरफेशियल ट्रांजिशन जोन (ITZ) शामिलहैं। इसके लिए अक्सर एक कमजोर कड़ी माना जाता है क्योंकि इसकी बढ़ी हुई porosity आक्रामक प्रजातियों3,4 के प्रवेश के लिए चैनल ों के रूप में कार्य कर सकती है या क्रैक ग्रोथ5,6, 7,8,9,10,11के लिए आसान रास्ते प्रदान कर सकती है । इसके बाद, सीमेंट आधारित सामग्रियों के मैक्रो प्रदर्शन का मूल्यांकन और भविष्यवाणी करने के लिए ITZ के गुणों को ठीक से चित्रित करना बहुत रुचि है।
ITZ की जांच करने के लिए, इसकी सूक्ष्म संरचनात्मक विशेषताओं पर अत्यधिक शोध किया गया है, तंत्र बनाने, और कारकों को प्रभावित12,13,14 दोनों प्रयोगात्मक और संख्यात्मक तरीकों का उपयोग कर । विभिन्न तकनीकों को ITZ लक्षण वर्णन के लिए जोड़ा गया है जिसमें शामिल हैं: यांत्रिक परीक्षण, परिवहन परीक्षण, पारा घुसपैठ पोरोसिमेट्री (एमआईपी)15,16 और नैनो-इंडेंटेशन17का परीक्षण करता है। यह व्यापक रूप से स्वीकार किया जाता है कि ITZ मुख्य रूप से दीवार प्रभाव के कारण होता है, साथ ही पानी फिल्म, माइक्रो रक्तस्राव, एक तरफ विकास, और जेल सिनेरेसिस18।
पिछले दो दशकों में डिजिटल छवि प्रसंस्करण विधि (DIP) के विकास केसाथ,ITZ की रूपात्मक विशेषताओं (जैसे, मात्रा अंश, मोटाई, और porosity ढाल) मात्रात्मक निर्धारित किया जा सकता है । बैकस्कैटर्ड इलेक्ट्रॉन डिटेक्टर (बीएसई) के साथ स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (एसईएम) का उपयोग करके विमान वर्गों की जांच के आधार पर, ITZ की त्रिआयामी (3डी) विशेषताएं स्टेरेलोलॉजी थ्योरी20के माध्यम से 2डी परिणामों से प्राप्त की जा सकती हैं। एसईएम-बीएसई तकनीक की तरह नैनो इंडेंटेशन तकनीक भी पॉलिश सतहों की जांच पर आधारित है, लेकिन यह मौजूदा चरणों21के लोचदार मॉड्यूलस पर अधिक केंद्रित है । हालांकि, एसईएम-बीएसई विश्लेषण और नैनो-इंडेंटेशन परीक्षण दोनों में, ITZ मोटाई को अधिक आंका जा सकता है क्योंकि जांच किए गए क्रॉस सेक्शन शायद ही कभी एक समग्र सतह22से सामान्य दिशा से गुजरते हैं। हालांकि, फ्लोरोसेंट 3 डी कॉन्फोकल माइक्रोस्कोपी के साथ इसे युग्मित करते हुए, ITZ के अति अनुमान को समाप्त किया जा सकता है और एक वास्तविक ITZ पोरोसिटी और निर्जल सीमेंट सामग्री23प्राप्त की जा सकती है।
कारकों को प्रभावित करने के पिछले अध्ययन मुख्य रूप से सीमेंट पेस्ट पर केंद्रित थे, जो कुल और इसकी सतह बनावट24,25,26की भूमिका की अनदेखी करते थे। चूंकि कुल के आकार और रूपात्मक गुणों को एसईएम या एक्स-रे गणना टोमोग्राफी (एक्स-सीटी)27,28से प्राप्त डिजिटल स्लाइस के मात्रात्मक विश्लेषण के आधार पर बड़े पैमाने पर वर्णित किया गया है। हालांकि, ITZ क्षेत्र के गठन पर कुल सतह बनावट के प्रभाव पर ध्यान केंद्रित कोई शोध नहीं किया गया है ।
इसके द्वारा, हम एसईएम-बीएसई छवियों के मात्रात्मक विश्लेषण और कश्मीर-साधन क्लस्टरिंग एल्गोरिदम के आधार पर ITZ माइक्रोस्ट्रक्चर गठन पर समग्र सतह आकृति विज्ञान के प्रभाव की जांच करने के लिए एक प्रोटोकॉल पेश करते हैं। एक मॉडल कंक्रीट नमूना गोलाकार सिरेमिक कण मोटे कुल के रूप में कार्य के साथ तैयार किया गया था । एक्स-सीटी का उपयोग नमूना आधा करने से पहले अपारदर्शी सीमेंट मैट्रिक्स में कण के सापेक्ष स्थान को मोटे तौर पर निर्धारित करने के लिए किया गया था। एसईएम-बीएसई छवियों को प्राप्त करने के लिए प्रसंस्करण के बाद, एकल कुल के आसपास ITZ का असमान वितरण देखा गया । इसके अलावा, पिक्सेल स्तर पर समग्र सतह बनावट का वर्णन करने वाली एक सूचकांक सतह खुरदरापन (एसआर) को परिभाषित किया गया था। कश्मीर का मतलब है क्लस्टरिंग एल्गोरिथ्म, मूल रूप से सिग्नल प्रोसेसिंग के क्षेत्र में इस्तेमाल किया और अब व्यापक रूप से छवि क्लस्टरिंग29,30के लिए इस्तेमाल किया, सतह खुरदरापन (एसआर) और porosity ढाल (SL) के बीच एक संबंध स्थापित करने के लिए पेश किया गया था ।
Protocol
Representative Results
Discussion
एक्स-सीटी तकनीक को मोटे तौर पर सिरेमिक कण के ज्यामितीय केंद्र को निर्धारित करने के लिए लागू किया गया था ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि विश्लेषणित सतह कण की भूमध्य रेखा के माध्यम से है। इस प्रकार, 2डी कल…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
लेखक कृतज्ञता से चीन के राष्ट्रीय प्रमुख अनुसंधान एवं विकास कार्यक्रम (2017YFB0309904), चीन के राष्ट्रीय प्राकृतिक विज्ञान फाउंडेशन (अनुदान नग 51508090 और 51808188), 973 कार्यक्रम (2015CB655100), राज्य कुंजी प्रयोगशाला से वित्तीय सहायता स्वीकार करते हैं उच्च प्रदर्शन सिविल इंजीनियरिंग सामग्री (2016CEM005)। इसके अलावा, अनुसंधान परियोजना के वित्तपोषण के लिए जियांग्सू रिसर्च इंस्टीट्यूट ऑफ बिल्डिंग साइंस कंपनी, लिमिटेड और उच्च प्रदर्शन वाले सिविल इंजीनियरिंग सामग्री की राज्य प्रमुख प्रयोगशाला की बहुत सराहना करते हैं।
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).
