METODY OPISU MIKROSTRUKTURY KOMPOZYTÓW BUDOWLANYCH

Transkrypt

1 INśYNIERIA MATERIAŁÓW BUDOWLANYCH Rok akademicki 28/29 dr hab. inŝ. Andrzej Garbacz METODY OPISU MIKROSTRUKTURY KOMPOZYTÓW BUDOWLANYCH Politechnika Warszawska, Wydział InŜynierii Lądowej Analiza relacji mikrostruktura właściwości: analiza jakościowa - zdefiniowania zbioru elementów struktury, które w głównej mierze kształtują właściwości materiału analiza ilościowa - opis cech geometrycznych elementów mikrostruktury. Intensywny rozwój technik komputerowych, pozwalający na graficzną prezentację ogromnej ilości danych, umoŝliwił formalizację opisu elementów mikrostruktury odnośnie do analizowanych zjawisk. 1

2 Metody analizy ilościowej : stereologia ilościowa fraktografia ilościowa, elementy geometrii nieliniowej, np. teoria fraktali. Wzrost zainteresowania metodami opisu struktury materiałów ze względu na rozwój technik mikroskopowych i komputerowej analizy obrazu, pozwalający na zautomatyzowanie Ŝmudnych procedur badawczych, od etapu rejestracji obrazu struktury, poprzez jego przekształcenie do postaci umoŝliwiającej analizę, aŝ do opisu struktury w postaci rozkładu odpowiednich parametrów geometrycznych.. Mikroskopia świetlna Światło: - Odbite - przechodzące rozróŝnienie elementów struktury i określenie ich morfologii, ilości, rozmiarów i rozmieszczenie. Badania przeprowadza się przy powiększeniach z zakresu 5-2x na specjalnie przygotowanych próbkach - zgładach. Przygotowanie zgładu: -zgrubne wyrównywanie powierzchni próbki: szlifierki, intensywnie chłodzone wodą, - szlifowanie na sucho na papierach ściernych o zmniejszającej się gradacji ziarna lub na mokro na wodoodpornych papierach karborundowych ( w przypadku materiałów twardych uŝywa się past diamentowych) -polerowanie w celu usunięcia drobnych rys - obrotowe tarcze polerskie, pokryte filcem, zwilŝone wodną zawiesiną AL2O3 lub Fe2O3 oraz pasty diamentowe o bardzo IMB: dr małym hab. inŝ uziarnieniu. A.Garbacz 2

3 W mikroskopach na światło odbite dla ujawnienia struktury stosuje się szereg technik zróŝnicowanych przede wszystkim sposobem oświetlania próbek oraz biegu promieni od próbki poprzez obiektyw do okularu: obserwacje w jasnym polu: promienie świetlne odbijają się od powierzchni próbki; promienie odbite od elementów struktury prostopadłych do osi optycznej mikroskopu powracają do obiektywu - obiekt widoczny jako jasny, a promienie odbite od powierzchni nachylonych nie powracają do obiektywu obiekt ciemny, obserwacje w świetle ukośnym: obraz jest obserwowany jak w jasnym polu, natomiast ukośne oświetlenie uwidacznia róŝnice w wysokości poszczególnych elementów struktury, obserwacje w ciemnym polu: technika dająca kontrast zupełnie odwrotny do obserwacji w jasnym polu; promienie świetlne po odbiciu się od powierzchni próbki przechodzą przez specjalnie skonstruowane układów optyczne tak, Ŝe miejsca jasne stają się ciemne (elementy struktury prostopadłe do osi optycznej mikroskopu), a miejsca ciemne widoczne są jako jasne (powierzchnie nachylone IMB: dr hab. do inŝosi A.Garbacz optycznej), mikroskopia kontrastowo-fazowa: wykorzystanie, podczas obserwacji w jasnym polu, róŝnic w fazie róŝnych promieni światła odbitego i przetransformowanie ich tak aby oko ludzkie obserwowało róŝnice w intensywności promieni świetlnych, mikroskopia polaryzacyjna: wykorzystanie optycznej anizotropii wykazywanej przez wiele faz, zarówno metalicznych jak i niemetalicznych; przy zastosowaniu polaryzatorów i analizatorów niektóre elementy struktury są rozjaśnione, a inne wygaszone; ponadto wykorzystywany jest tu tzw. pleochroizm, czyli wykazywanie przez poszczególne elementy struktury róŝnej barwy w świetle splaryzowanym, mikroskopia interferencyjna róŝniczkowa G.Nomarskiego: odmiana techniki interferencyjno-polaryzacyjnej, w której obok elementów polaryzacyjnych wykorzystuje się elementy dwójłomne (pryzmat Wollastona); powstający obraz jest wynikiem nakładania się dwóch wiązek świetlnych; technika szczególnie przydatna przy badaniu próbek wykazujących relif wynikający z obecności róŝnych elementów strukturalnych. 3

4 Analiza jakościowa + rejestracja obrazu (1) Mikroskopy optyczne światło przechodzące światło odbite Mikroskop optyczny fluoroscencyjny rozkład rys i porów rozkład polimerów w asfalcie Badania mikrostruktury stwardniałego zaczynu cementowego 4

5 Elektronowa mikroskopia skaningowa SEM, obraz mikrostruktury przy znacznie wyŝszych powiększeniach niŝ w przypadku mikroskopów świetlnych, a takŝe przy większej zdolności rozdzielczej (najmniejszej odległości przy której rozróŝnialne są dwa sąsiednie elementy obrazu): SEM: powiększenia z zakresu 1 3x, przy zdolności rozdzielczej kilku Angstremów. Obserwacje za pomocą SEM moŝna prowadzić zarówno na przełomach, jak i zgładach. Do tworzenia obrazu w SEM wykorzystuje się wszystkie rodzaje elektronów i promieniowania elektromagnetycznego emitowanego z próbki pod wpływem pierwotnej wiązki elektronów Najnowsza generacja SEM: -Mikroskop SEM + mikroanalizator rentgenowski - ESEM nie wymaga przygotowania próbek obserwacja w czasie rzeczywistym ZJAWISKA WYKORZYSTYWANE PRZY REJESTROWANIU OBRAZU MIKROSTRUKTURY: elektrony wtórne (SE), elektrony wstecznie rozproszone - odbite (BSE), elektrony zaabsorbowane, promieniowanie rentgenowskie, elektrony Augera, elektrony przechodzące, efekty związane z dyfrakcją i anomalną absorpcją elektronów, promieniowanie świetlne, nadfioletowe i podczerwone (katodoluminescencja), prądy i napięcia w próbkach pólprzewodników. 5

6 Analiza jakościowa + rejestracja obrazu (2) Mikroskopy skaningowe (SEM) CaCO3+CSH Środowiskowy mikroskop skaningowy (SEM) Skanowanie zawartości Si L.Czarnecki, H.Schorn SE Obraz mikrostruktury betonu Ŝywicznego Skanowanie zawartości Si BSE 6

7 14 Czarnecki / Schorn 18 Czarnecki / Schorn 7

8 4 nm 21 Czarnecki / Schorn Transmisyjne mikroskopy elektronowe TEM 8

9 Analiza i analizatory obrazu: przetwarzanie analizowanego obrazu optycznego na zbiór impulsów, korygowanie przetworzonego obrazu głównie pod względem prawidłowości oświetlenia oraz kształtu analizowanej części obrazu, wydzielenie z obrazu fragmentu, który będzie podlegał dalszej analizie (detekcja obrazu), np. na podstawie poziomu szarości, mierzenie wybranych elementów przetworzonego obrazu wg załoŝonych procedur, opracowanie wyników pomiarów obrazu przy zastosowaniu mikrokomputerów. Celem analizy obrazu NIE jest poprawianie jego jakości Obrazy są zapisywane w róŝny sposób zaleŝnie od potrzeb: obrazy czarno-białe (binarne): najprostsze, zajmujące najmniej pamięci do zapamiętania jednego punktu potrzeba 1bit pamięci, ale równocześnie bardzo waŝne; wiele przekształceń moŝe być wykonywanych tylko na obrazach binarnych, obrazy wieloodcieniowe: zapis analizowanej mikrostruktury w róŝnych stopniach szarości pojedyńczego punktu; do zapamiętania potrzebny jest 1 bajt, czyli 8 bitów, obraz kolorowy: do zapisu wykorzystywany jest standard wykorzystywany w telewizji, tj standard RGB (red-green-blue), który tworzy kolory z trzech podstawowych: czerwonego, zielonego i niebieskiego; obrazy kolorowe zajmują duŝo pamięci, gdyŝ dla zapisania jednego punktu potrzeba aŝ 24 bitów, 9

10 Procedury AO moŝna zgrupować w cztery najwaŝniejsze grupy: przekształcenia geometryczne: przesunięcia, obroty, odbicia; wykorzystuje się je do korekcji błędów optyki (likwidacja beczkowatości obrazu) lub jako operacje pomocnicze, przekształcenia punktowe: operacje logiczne, arytmetyczne, tablice korekcji LUT oraz binaryzacja; słuŝą do modyfikacji poszczególnych punktów niezaleŝnie od tego jakich mają sąsiadów, filtry: przekształcenia którego wynik zaleŝy nie tylko od właściwości modyfikowanego punktu, ale równieŝ od jego otoczenia, przekształcenia morfologiczne: przekształcenie, które podobnie jak filtr uwzględnia otoczenie analizowanego punktu, natomiast w przeciwieństwie do filtrów operacje morfologiczne działają tylko wtedy gdy spełniony jest pewien warunek logiczny, tzw wzorzec struktury Jednymi z najwaŝniejszych operacji punktowych jest binaryzacja i tablice korekcji. Binaryzacja przekształca obrazy wieloodcieniowe lub kolorowe na obrazy czarno-białe (binarne). Obrazy te, i zwykle tylko te, są wykorzystywane do: wykonywania podstawowych pomiarów na obrazach: liczebność elementów, pola powierzchni, długość, itp., analizowania i modyfikowania kształtu obiektów (rozdzielanie i sklejanie cząstek), definiowanie przekształceń obrazów wieloodcieniowych (które traktuje się jako zbiór tylu obrazów binarnych ile jest odcieni szarości). 1

11 . Przykład róŝnych operacji binaryzacji obrazu wieloodcieniowego (a): (b) - binaryzacja z dolnym progiem - wszystko poniŝej staje się czarne, (c) -binaryzacja z górnym progiem - wszystko powyŝej staje się czarne, (d) - binaryzacja z podwójnym ograniczeniem wprowadzenie progu górnego i dolnego tylko punkty miedzy punktami pozostają białe, (e) binaryzacja warunkowa punkt o intensywności > p1 jest zamieniany na biały, punkt < p2 jest zamieniany na czarny, ciągły obszar punktów o intensywności pomiędzy p1 i p2 zostaje zamieniony na punkty białe jeśli sąsiaduje z punktami zamienionymi na białe, w przeciwnym wypadku obszar punktów zostaje zamieniony na punkty czarne Przykład zastosowania tablic korekcji LUT do przekształcania obrazu przełomu. Obraz wyjściowy (a), ten sam obraz po b) normalizacji c) gamma modulacji d) solaryzacji oraz przebiegi odpowiadających im funkcji korekcyjnych 11

12 przekształcenia morfologiczne: erozję: przekształcenie usuwające odizolowane punkty, małe cząstki oraz wąskie wypustki; wygładza brzegi figur i zmniejsza ich powierzchnię, w niektórych przypadkach prowadzi do podziału figury na kilku mniejszych, co jest wykorzystywane do podziału sklejonych cząstek, dylatacja: przekształcenie odwrotne do erozji; dylatacja zamyka małe otwory i wąskie zatoki, powierzchnia przekształcanej figury jest zwiększana, co czasami prowadzi do sklejania cząstek, ścienianie: przekształcenie które moŝe słuŝyć wyznaczaniu ostrej granicy między obiektem a tłem, np. brzegów figury, pogrubianie: przekształcenie odwrotne do ścieniania, wykorzystywane przy przywracaniu powierzchni obiektu po erozji, np. dylatacja bez dotykania, szkieletyzacja: przekształcenie wykorzystywane do określania niektórych parametrów, jak np. określanie orientacji cząstek wydłuŝonych, klasyfikacja cząstek na podstawie ich kształtu, rozdzielanie cząstek posklejanych. Przykłady przekształceń c) d) morfologicznych: (a) i (b) erozja (c) i (d) dylatacji kołem B o promieniu r ; e) (e) przykład szkieletyzacji (gruba linia) wybranych figur geometrycznych 12

13 Stereologia - opis mikrostryktury obiektu 3D na podstawie jego obrazu 2D powierzchnia ziarna, A maksymalny wymiar ziarna, d max d 2 minimalny wymiar ziarna, d min A a min dmin d m ax a max Ekwiwalentna powierzc hnia koła F y wskaźnik orientacji ziarna, α max i α min ekwiwalentna średnica ziarna, d 2 obwód ziarna, p średnica Fereta współczynniki kształtu q 1, i q 2. Zasada Cavalieriego- Hacquerta p F h p(c) objętość względna, V V powierzchnia względna, S V liczność względna, N V E(X) wartość średnią rozkładu parametru X, SD(X) - odchylenie standardowe rozkładu, CV(X) =SD(X)/E(X) współczynnik zmienności rozkładu. Relacja: palność tynków - mikrostruktura Tynk T-1 /2,5 mm T-2 T-3 2,5 mm Faktura powierzchni kornikowa dowolna kamyczkowa Zawartość polimerów [%],5-,7,8-1,2,8-1,2 75 o C piec czas trwania spalania płomieniowego, s względny ubytek masy, % T-1 T-2 T rodzaj tynku T-1 T-2 T-3 rodzaj tynku światło odbite światło przechodzące Analiza statystyczna (analiza wariancji) 13

14 Analiza wariancji 6 udział obj. [%] 4 2 kruszywo kruszywo kruszywo T-1 T-2 T-3 kruszywo pory Udział objętościowy porów [%] r=,74 95% p.ufności ,,9,8,7 95% p.ufności r=,79, Udział objętościowy kruszywa [%] Udział objętościowy kruszywa [%] Wsp. kształtu porów [%] Charakterystyka rys w betonie Powierzchnia posadzki Powierzchnia posadzki Warstwa Surface area 12,2 wierzchnia Internal rdzeńarea 1 Warstwa wierzchnia rdzeń,15 8 Próbka 1,1 6 Próbka 2 Próbka 3, Specimen number Numer próbki M.Glinicki, A.Litorowicz, 25 Szerokość rys [mm] Gęstość rys [mm/mm 2 ] D e n s it y o f c r a c k s [m m /m m 2 ] Skumulowana długość rys [mm] 14

15 Metoda siecznych róŝa orientacji rys długość rys L [mm] - całkowita długość rys istniejących na obrazie; średnia szerokość rys W [mm] - stosunek pola powierzchni wszystkich rys do całkowitej długości rys; pole powierzchni rys A [mm2] - pole powierzchni wszystkich rys na obrazie; gęstość rys LA [mm/mm2] stosunek całkowitej długości rys do pola powierzchni analizowanego obrazu; udział powierzchniowy AA [mm2/mm2] stosunek pola powierzchni wszystkich rys do całkowitego pola powierzchni Fraktografia ilościowa opis przełomów rough profile S m X t X p X m mean line Xa - średnia arytmetyczna odchylenia od średniej profilu Xp maksymalne odchylenie od średniej linii profilu Sm średnia odległość między dwoma sąsiednimi pikami profilu odniesiona do linii średniego profilu 15

16 Szorstkość powierzchni betonu Ocena wizualna CSP1 CSP2 CSP3 Opis ilościowy CSP4 CSP5 CSP6 CSP7 CSP8 CSP9 Skala szorstkości ICRI SEM 1x Szorstkość przyczepność, MPa odporność na ścieranie (WW) przyczepność (P) C2/25 C3/35 C4/5 C5/ wskaźnik chropowatości, mm Współczynnik rozwinięcia linii profilu L' 1 ( x,) D 2 ( x,) L 2 ( x) R L = L/L O L π L' 1 x, ( 2 R l x) L = L' 1 2( x) ( x, π/2) L O R v ( x) D = L' 1 2( x,) ( x, π/2) 16

17 Współczynnik rozwinięcia powierzchni profilu Surfometria S R S = S/S O S o Profilometria Profilometry: - Mechaniczne (igłowe) - Laserowe 17

18 PROFILOMETR MECHANICZNY L.Courard, M. Niels University of Liege (1) Bez obróbki polerowanie ( próbka PW) (próbka University of Liege) (2) szlifowanie (4, 5, 6) śrutowanie (3) piaskowanie (7,8) frezowanie ręczne i mech. 18

19 Bez obróbki Polerowanie (U..Liege) szlifowanie śrutowanie Surfoscan, University of Liege PROFILOMETR OPTYCZNY Fukuzawa, Ibaraki University, 2 19

20 Fukuzawa, Ibaraki University, 2 Profilometr laserowy do badań in-situ: Przekształcenia matematyczne 2

21 Parametry struktury geometrycznej powierzchni (PN-EN ISO 4287): Profil Total ogólny profile m x linia i wartość średnia FILTRATION FILTRACJA Falistość Waviness profilu the profile Chropowatość Roughness profilu the profile Wa lp Ra Wp Wt Rp Rt X p max wysokość X m max głę łębokość X t X a X a X q S k ść piku max wysokość profilu odchylenie standardowe średnie odchylenie kwadratowe współczynnik skośności S m Średni okres Parametry struktury geometrycznej powierzchni (cd.): CR - średnia wysokość wzniesień CF - średnia wysokość profilu z pominięciem wzniesień i wgłębień CL - średnia wysokość wgłębień 21

22 Wymiar fraktalny: profilu L powierzchni a d c b R = S/S S R = L/L L S S L L L' Wymiar fraktalny D jako miara samopodobieństwa a i A 1i D i d i A 2i b i c i C i A i B i r Prostokąt pomiarowy a R = 2Nh/m = s 3/27 = 1,78 log N(a) = D b log a log L(r) = (1 D s )logr N całkowita liczba przecięć z profilem N liczba kwadratów L długość profilu mierzona h wysokość prostokąta pomiarowego a wymiar kwadratu z krokiem o długości r m całkowita liczba przecięć z prostokątem pomiarowym PRZYKŁADY WYKORZYSTANIA FRAKTOGRAFII W INśYNIERII MATERIAŁÓW BUDOWLANYCH 22

23 Efekt skali betonów Ŝywicznych 1x 25x 63x 16x 4x fc [MPa] f c [MPa] fc [MPa] r = RS fb [MPa] fb [MPa] r = r = r = RS RS r =.18 fb [MPa] RS R S 5 r =.19 RS 4 x Współczynnik korelacji, r statystycznie istotna wartość r 1 6 x 1x log (N) Czarnecki L., Garbacz A., Kurach J., Cem.&Conc.Comp. 21 fb fc 1 x 2 5 x 6 3 x RELACJA MIĘDZY WSPÓŁCZYNNIKAMI GEOMETRYCZNEGO OPISU PRZEŁOMÓW: R S = f (R L ) Coster i Chermant: 2 ( R L 1) RS = RL -.75 Π 2 Wright i Karlsson: ( RL 1) RS = Underwood: RS = L ( R 1) 1.27 RL -.27 Π Gokhale i Underwood: R S = 1.16 R L 1.57 RL

24 2,4 2,2 R S = 1, R L -, r =, ró w n.3 rów n.4 ró w n.6 R S 2, 1,8 1,6 1,4 w a rtoś ć R L typow a dla be tonów cem entow ych 1 w a rtoś ć R L dla be tonów c e m e ntow yc h pod obc ią Ŝe nie m 2 3 ró w n.5 1x 25x 63x 16x Parametry przełomu betonu Ŝywicznego przy róŝnych 1,2 powiększen 1, 1, 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2, 4x. R L Ocena odporności na pękanie na podstawie parametrów fraktograficznych odporność R S (R L ) na pękanie (np. Underwood, 199) 8 beton cementowy z kruszywem: 4 w/c=,6 K IIc [M P a m,5 ] bazaltowym węglanowym: G.Prokopski, K I Ic [M N /m 1,5 ] 3 w/c=,7 w/c=,8 w/c=,9 2 Z.Rawicki, R L R L 3. beton Ŝywiczny: r =.93 1 w/c p f C R S p [%] fc [MPa] r = R S f C K IIC 24

25 Beton winyloestrowy (test WST) niemodyfikowany R S = f c = 99 MPa f b = 38 MPa K IC = 2,13 MPam,5 modyfikowany dodatek silanu do Ŝywicy R S = f c = 113 MPa f b = 41 MPa K IC = 2,36 MPam,5 modyfikowany (mikrokrzemionka pokryta silanem) R S = f c = 128 MPa f b = 43 MPa K IC = 2,56 MPam,5 L.Czarnecki, B.Chmielewska, F.H. Wittmann, H. Sadouki, J. for Restauration of Buildings and Monuments, 23 Wpływ obróbki na jakość powierzchni betonu: B2 obróbka mechaniczna szlifowanie piaskowanie śrutowanie frezowanie ocena stanu powierzchni 1x mikroskop optyczny 25-5x SEM materiał naprawy warstwa sczepna naprawa podkład betonowy pull-off test 25

26 Ocena wizualna stanu powierzchni betonu: piaskowanie frezowanie SEM 25x 1x 5x Falistość profilu & parametry krzywej Abbotta: Wap [µm] 5 r= Wts vs Wtp 2 Wvs vs Wvp r =.76 Was, Wap [µm] Wtp, Wvp [µm] Was [µm] r = MMIL r= Wts, Wvs [µm] r= SRI [mm] Garbacz A., Courard L., Kostana K., Mat.Char

27 Podsumowanie: Metody analizy obrazu są przydatnym narzędziem inŝynierii materiałów budowlanych w badaniach relacji: skład - mikrostruktura - właściwości zastosowanie Nowe wyzwania: nanotechnologia w zastosowaniach budowlanych Ŝel C-S-H; Ca/Si=1 nanorurki w matrycy cementowej supermocne kleje D.Van Gemert, 23 (wykład w ramach przedmiotu InŜynieria Materiałów Budowlanych) W.Zhu, 25 (Seminarium EMR Fall Meeting Adhesion in building bonds: macro, micro- and nanoscale, Warszawa,25) 27