提升混凝土的形貌观测效果及效率(清华大学李克非)

http://www.microimage.com.cntina(2013-06-03 11:37:10)

--中国显微图像网跟踪基恩士客户回访, 5月特辑第一篇

 

寻找混凝土专家李克非教授的实验室破费周折,我们一行四人在清华大学土木工程系摆设的起重机等各种大型仪器、楼层模型、混凝土实验材料等之间走了几个来回,终于找到这座位于文科图书馆旁边的两层半小楼。

引子

李克非教授是从法国回来的,他说话简洁、精辟,是个谦虚、温和的儒雅学者。

他谈到在对混凝土进行物相研究时,要识别矿物、物质的化学成分,追踪化学反应过程,多使用电镜。因为具有较高的分辨率和电子成像原理,电镜比较适合混凝土材料微观、亚微观表面形貌的观察。然而,因为电镜设备体积很大,样品制备复杂,且不易携带等特点,所以在土木工程中,他们多用光镜追踪裂缝,观察开裂表面的形貌,观测材料裂缝的发展等。

光学显微镜有很多种,而基恩士VHX-600E因为有以下特点,进入李教授的视野:

1、 所要检测的裂缝在1um左右,此时的精度正好在VHX-600E观察的范围。

2、 VHX-600E具有高景深的特点,新鲜打开的材料表面,可以用它进行三维扫描、三维重建

3VHX-600E可以对特定范围内表面进行三维重建、展示,以及起伏度的测定

4、拍图方便,可以追踪材料表面几何图形的变化,轻松对比实验处理前后的图像

5、放大倍数从200-5000倍,可以部分替代电镜的功能

6、便携性好,可以携带到工程现场观察混凝土材料。比较容易的手持镜头观察,方便对目标物进行各种角度的观察。

已取得的成果:

李克非教授课题组在混凝土材料最高水平期刊Cement and Concrete Research上已经发表数篇论文,其中一篇论文混凝土材料裂隙几何特征与物理特征的关系。论文谈到混凝土材料是典型的多孔工程材料,在外部环境作用下自身性质会发生演变,从而引起结构长期性能的改变,即耐久性问题。结构的应力在材料内部产生裂隙(裂纹)进而改变了材料原有的孔隙结构,在实验中他们利用VHX-600E对材料裂隙进行拍摄,并研究了裂隙的形貌特征。

基恩士VHX-600E下裂隙形貌的展示和分析

 

做高分子实验的老师对混凝土用高吸水树脂形态的实验图像

未来实验的拓展

1、混凝土材料普遍具有自愈合能力,开裂以后,材料里面进去水,里面的矿物再次水化,即材料的自愈合能力。某些行业非常倚重材料的自愈合能力,如采油行业,如果材料所处位置很深,材料发生开裂后很难人工修复,需要材料发挥自愈合能力。李克非实验室希望能在表面材料裂开之后,有水流过自愈合发生时,追踪到材料形貌的演变过程。看材料形貌变化是VHX-600E的强项。

2、传统结构工程的实验目标尺寸一般都很大,一如观察像柱子等的破坏过程,很难用到显微镜;现在的土木工程实验可以很做到精细,如某种为增强材料韧性的金属或非金属纤维,像头发丝一样细,这种材料的破坏过程是目前土木工程材料领域的研究热点之一。其中很简单的应用是将嵌入材料中的纤维快速拔出,看材料中纤维脱离基体的破坏过程,此时需要能观察到直径不到1um的显微镜运用到实验中,同时又要看动态的基体破坏过程,能实现高速成像的VHX-600E一定会在这个实验中发挥出巨大作用。

问题与建议:

1、某博士生观测抛光的混凝土表面,需要把整个表面拓下来。区域较大,要保证观测精度,目前只能用VHX-600E将表面一小块一小块地扫描下来,再实现手动拼接,拼成全部清楚的表面。这个通过手动可以解决,但是实验非常辛苦,效率不高,容易有误差。

2、希望显微镜除了拍照功能,还能进行图像处理,如进行裂缝尺寸大小的测量,能够扣除背景,进行某些图像的识别和过滤过程。

解决方法:

有了基恩士新上市的超景深三维立体显微镜VHX-2000,以上两个问题都能迎刃而解,配备XY电动扫描台之后,VHX-2000可以实现自动拼接,拼接的速度快,效率高,且误差小。这样,就能将实验人员从繁琐的重复性劳动中解脱出来,有更多的实验去从事科学研究。

另外,VHX-2000的图像处理功能更加强大,可以进行背景扣除,图像识别和过滤功能,完全满足李教授实验的要求。

VHX-2000还配备了5400 万像素 3CCD 手持式摄像机,能进行快速的景深合成,是高分辨率和超大景深兼而有之大景深观测的理想仪器。

站在VHX-600E前的李克非教授

 

李克非教授的个人简介:

李克非,教授,清华大学土木工程系建筑材料研究所副所长,博士生导师。RILEM Senior member,亚洲混凝土模式规范委员会(ICCMC) 委员。研究领域为孔隙材料物理与力学过程、材料与结构耐久性及结构行为评估。

 

教育背景

1989.9 - 1993.6 同济大学(桥梁工程专业) 工学学士

1993.9 - 1996.3 同济大学(桥梁工程专业) 工学硕士

1996.9 - 2000.9 同济大学(桥梁工程专业) 工学博士

1999.9 - 2002.9 法国桥路工程师学院(材料与结构专业) 科学博士

 

工作履历

1998.9 - 1999.6 法国桥路中心研究院,访问学者  

2002.10 - 2004.9 法国OXAND土木工程咨询公司,研发工程师

2004.10 - 今 清华大学土木工程系,副教授,博士生导师(2006),教授(2012

 

社会兼职

[1] RILEM Senior member,(2008-),TAC member  ( 2011-)

[2] IABSE member (2011-)

[3] 亚洲混凝土模式规范委员会(ICCMC) 委员,(2007-)

[4] 土木工程学会高强高性能混凝土学会会员,(2010-)

 

研究领域

研究生课程:工程结构耐久性与行为评估

本科生课程:建筑材料

研究领域:孔隙材料物理与力学过程,材料与结构耐久性,结构行为评估

 

研究概况

[1] 大气与冻融环境中混凝土结构耐久性及其对策的基础研究,国家自然科学基金重点项目,2006.1-2009.12

[2] 水泥基材料开裂界面流体传输与物质交换,国家自然科学基金项目,2007.1-2009.12

 

[3] 混凝土桥梁耐久性指标体系、检测方法与评价标准的研究,交通部西部科技项目,2006.12-2010.9

[4] 混凝土桥梁合理耐用结构构造的研究,交通部西部科技项目,2006.12-2010.9

[5] 港珠澳大桥工程耐久性设计与评估,横向课题,2009.1-10

[6] 港口工程结构全寿命周期设计理论方法研究,交通部西部科技项目,2008.6-2010.6

[7] 水泥基材料孔隙结构与传输机制,973课题专题,2009.1-2013.12

[8] 核素在非饱和工程屏障材料中传输过程研究,国家自然科学基金项目,2010.1-2012.12

[9] 跨海集群工程混凝土结构120年使用寿命保障关键技术,“十一五”支撑项目,2010.7-2015.6

 

学术成果

 1.Ulm, F.J., Coussy, O., Li, K.F., Larive, C. (2000). Thermo-chemo-Mechanics of ASR-expansion in concrete structures, J. Engrg. Mech., ASCE, 126(3):233-242.

2.Li, K.F., Coussy, O. (2002). Concrete ASR degradation: from material modeling to structure assessment, Concrete Science and Engineering, 4, 35-46.

3.Li, K.F., Coussy, O. (2002). Evaluation structurelle des ouvrages atteints par l'acali-réaction, Revue Fran?aise de Génie Civil (French Journal of Civil Engineering)}, 6(5):835-851 (in french).

4. Li, K.F., Capra, B. (2003). Contribution of the modelling to the appraisal of infrastructures affected by alkali silice reaction, Revue de Mécanique et Industrie (Journal of Mechanics and Industry), 4(5):491-496 (in french).

5. Li, K.F., Coussy, O. (2004). Numerical assessment and prediction method for the chemico-mechanical deterioration of ASR-affected structures, Canadian Journal of Civil Engineering, 31: 432-439.

6. 陈肇元,廉惠珍,李克非,混凝土结构耐久性设计与施工指南,CCES01-20042005年修订版,2005,北京

7.许超,李克非,(2006) 水泥基材料裂缝对钢筋锈蚀过程的影响,东南大学学报,36卷,增刊II135-138

8.李克非,陈肇元,(2006) 混凝土结构耐久性设计中钢筋保护层的规定与建议,东南大学学报,36卷,增刊II23-26

9.国家标准GB/T 50476,混凝土结构耐久性设计规范,主要编写人,建筑工业出版社,2009

10. Li, C.Q., Li, K.F., Chen, Z.Y. (2008) Numerical Analysis of Moisture Influential Depth of Concrete under Drying-Wetting Cycles, Tsinghua Science and Technology, 13(5)(2008): 696-701

11. Li,K.F., Chen, Z.Y. and Lian, H.Z. (2008). Concepts and requirements of durability design for concrete structures: An extensive review of CCES01, Materials and Structures, 41(4)(2008):717-731

12.曾强,李克非,(2008) 冻融情况下降温速率对水泥基材料变形和损伤的影响,清华大学学报(自然科学版),489期,1390-1394

13.李春秋,李克非,陈肇元 (2008) 混凝土中水分传输的边界条件研究,工程力学,26(8)(2009):74-81

14.Li C.Q., Li K.F., Chen Z.Y. (2008) Numerical Analysis of Moisture Influential Depth in Concrete and Its Application in Durability Design, Tsinghua Science and Technology, 13(s1)(2008): 7-12

15.巨玉文,李克非,韩建国 (2008) 混凝土早龄拉伸徐变的试验与理论研究,工程力学,26(9)(2009):43-49

16.Li K.F., Ju Y.W., Han J.G., Zhou C.S. (2009) Early-age stress analysis of a concrete diaphragm wall through tensile creep modeling, Materials and Structures, 42(7):923-935

17.Li K.F., Zeng Q. (2009) Influence of freezing rate on cryo-damage of cementitious material, Journal of Zhejiang University- Science A, 10(1):17-21

18. Li K.F., Li C.Q., Chen Z.Y. (2009) Influential depth of moisture transport in concrete subject to drying-wetting cycles, Cement and Concrete Composites, 31: 693-698

19. Zeng Q., Li K.F., Fen-chong T., Dangla P.(2010), Surface fractal analysis of pore structure of high-volume fly-ash cement pastes, Applied Surface Science, 257(3):762-768

20. Zhou C.S., Li, K.F.(2010), Numerical and statistical analysis of permeability of concrete as a random heterogeneous composites, Computers and Concrete, 7(5):469-482

21. 李克非,马明军,王晓梅(2010),水泥基材料裂隙水流动规律的试验研究,工程力学,27(11): 229-233

22.李春秋,李克非(2010),干湿交替下表层混凝土中氯离子传输:原理、试验和模拟,硅酸盐学报,38(4):581-589

23.李春秋,李克非,(2010),干湿交替下表层混凝土中水分传输:理论、试验和模拟,硅酸盐学报,38(7):1151-1159

24 王晓梅,李克非 (2011), 水泥基材料裂隙表面离子吸附过程,硅酸盐学报,39(1):1-6

25 王晓梅,李克非 (2011), 水泥基材料裂隙表面溶蚀过程,硅酸盐学报,39(3):525-530

26 Zhou C.S, Li K.F., Pang X.Y. (2011), Effect of crack density and connectivity on the permeability of microcracked solids, Mechanics of Materials, 43:969-978

27 Li K.F., Ma M.J., Wang X.M. (2011), Experimental study of water flow behaviour in narrow fractures of cementitious materials, Cement & Concrete Composites, 33(10):1009-1013.

28 Zeng, Q.; Fen-Chong T., Dangla P., Li, K.F.(2011), A study of freezing behavior of cementitious materials by poromechanical approach, International Journal of Solids and Structures, 48(22-23):3267-3273

 

关于超景深三维立体显微镜VHX-2000

建立在VHX平台上,VHX-2000整合了几个新特点。增加的彩色滤色片轮可以使用户选择特定的波长成像(红、绿或蓝)。结合了蓝色滤片和KEYENCE像素漂移技术的超高分辨率模式,能够提高图像分辨率25%

要改善操作性和易用性,VHX-2000可以配置电动XY载物台、电动Z轴控制。用户可以通过使用控制脚踏板调整在三个轴上的移动,结合Double镜头的放大识别功能,VHX-2000可以为XY载物台自动提供理想的移动速度,确保一键自动对焦和校准。现在可以通过点按钮进行图像拼接功能,速度更快的得到20000x20000像素图像,扩大了可视面积200倍。

自动检测功能简化了最难的检测任务,帮助减少了由于不同用户引起的波动。这个系统可以储存图像/测量结果的一部分作为模板,点击鼠标就能用于将来样本的测量。

更多数码显微镜的应用,请访问:http://www.digitalmicroscope.cn

更多相关搜索: