2.1 碘离子作为迁移的表征离子验证
本研究采用实验的方法研究氯离子和碘离子在水泥基材料中的迁移同步性.试验中,阴极槽为相同浓度的氯化钠或碘化钠溶液,迁移一段时间后,用自动电位滴定仪测得两种离子的浓度分布.样品中氯离子和碘离子的浓度分布见图2,从图2可见,两种离子在样品内的分布规律相似,同一深度氯离子总体比碘离子浓度高3.1%,且基本所有结果均在95%置信区间内,可以看出两种离子浓度分布在整体变化上趋于相同,氯离子与碘离子具有相似的传输特性.刘军等[19]也研究发现碘离子具有与氯离子相似的传输规律.所以,可采用碘离子代替氯离子,利用XCT测试水泥基材料的离子迁移能力.
图2 样品中氯离子和碘离子的浓度分布
Fig.2 Comparison of concentration distribution of chloride and iodine ion in samples
2.2 XCT数据分析
XCT数据处理过程[22]为:首先,对原始XCT投影图像进行重构得到三维图像,对射束硬化效应进行校正后,沿高度方向计算水泥样品的平均灰度值; 然后,利用不含离子部分进行直方图评估,对CT值进行归一化处理; 最后,利用外部标定曲线对离子浓度进行标定,定量化离子浓度分布.
2.2.1 射束硬化校正
首先对原始切片进行重构获得三维图像.在纵向截面图中,碘离子的X射线衰减系数高于水泥的,所以含有碘离子的部分图像更亮.由于射束硬化效应会在图像边缘存在伪影,如图3(a)在样品底部边缘相较中间部分更亮,即存在环状伪影.根据KRUMM等[22-23]的图像修正理论,使用Sobel滤波器进行图像分割以区分不同材料,对每层扫描图像分别进行校正,然后对图像进行重构,可以得到射束硬化校正后的图像.图3(b)为射束硬化校正后的XCT图像,可以看出,矫正后图像在横向分布较均匀,且能够清楚看出离子的迁移界线.而且由于碘离子浓度的差异,XCT图的灰度值沿试样高度方向自下往上逐渐递减,图像灰度的变化代表离子含量的变化.然而要想准确获得样品内部离子浓度分布,还需要进一步的分析.
图3 射束硬化校正前后XCT图像
Fig.3 Section of XCT image before and after beam hardening correction
2.2.2 CT值归一化
在重构数据中,CT值与有效衰减系数成线性关系,与样品中不同的材料对应,图像灰度的变化意味着样品材料的变化.然而,由于X射线源能量在不同的测量中不同,即使在相同的测试参数下,CT值与材料衰减系数的对应关系也不是固定的.为了比较不同XCT试验的结果,CT值需要进行归一化.HONG等[24]提出的CT值归一化方法是在射束硬化矫正后,计算每个切片的平均CT值,获得整个样品的平均CT值曲线,然后选择不含碘离子部分的CT值作为参考.因为该部分CT值理论上是不变的,并且与t0时的CT值相同. 将参考值与t0时的CT值调整一致,曲线其他部分的CT值也会归为统一尺度.图4给出了XCT数据归一化前后的纵向截面对比结果.由图4可见,经过图像处理后,顶部不含碘离子部分的图像亮度一致.基于平均灰度值法,图5展示了应用XCT技术可视化追踪离子迁移深度的变化过程.
图4 不同时间CT值归一化前后XCT数据的纵向截面
Fig.4 Radial cross section of XCT data after beam hardening correction at different times and before CT value normalization
图5 试样中离子迁移深度的二维变化
Fig.5 The 2D evolution process of iron migration in cement paste
2.2.3 CT值标定
灰度值归一化后,计算每个切片的平均CT值.图6为不同迁移时间下的平均CT值分布.CT值的减少与碘离子浓度的减少有关.因此可以根据CT值的变化计算出样品中离子浓度的变化.
图6 样品平均CT值曲线
Fig.6 The average CT number profiles
然而,要最终得到离子浓度曲线,还需进一步标定.由于在XCT测试中使用了碘化钠作为示踪剂,CT值与碘离子的浓度呈线性关系,X射线束穿透样品的衰减可用Beer-Lambert定律[22]表示:
I=I0e-μx(1)
其中,I0和I分别是X射线束衰减前后的强度; x是射线穿过材料的距离; μ是样品的线性衰减系数.在获得已知碘化钠浓度的校准样品XCT图像后,对图像进行射束硬化校正和归一化,计算平均灰度值.图7建立了CT值与离子浓度间的线性关系. 将CT值转换为浓度数据,得到如图8的离子浓度分布.离子浓度随样品深度的增加而降低,由拐点可以确定迁移的深度.
图7 离子浓度与平均CT值的相关性
Fig.7 Correlation between ion concentration and average CT number profiles
图8 利用CT值增量标定的离子浓度分布曲线
Fig.8 Ion concentration distribution curve calibrated by incremental CT value
2.3 验证XCT测得的迁移前缘高度
除了从图5可以直观看出离子迁移深度外,利用图8离子浓度曲线的拐点也可以确定迁移深度,而且更为精确.为了验证XCT测量的迁移高度,将参考样品劈开喷洒显色剂,得到离子迁移深度如图9.由图9可知,迁移深度与时间的平方根有良好的线性关系.
图9 参考样和XCT试样的迁移深度与时间平方根的关系
Fig.9 Height of migration front versus the square root of time for the reference specimens and the XCT test specimen
2.4 验证XCT测得的离子浓度
为了验证XCT测试测得的离子浓度梯度,用滴定法测定碘化物的含量.迁移6 h后滴定和XCT测得的结果如图 10.由图 10可见,可以看出两种方法的测试结果具有较好的相似性.
图 10 XCT测试与电位滴定对比
Fig.10 Comparison between XCT test and potentiometric titration
