石灰岩中腐蚀反应和实时动态变化检测方案(工业CT)

研究石灰岩在酸性环境下反应的时间和实时动态过程 科隆大教堂，在建成时其实是银白色的!耗时6个个纪于1880年竣工。为什么德国科隆大教堂现在是一副黑漆漆的样子? 其实，这是所有大教堂和城堡都面临着的严峻问题， 总部位于电镜之乡捷克布尔诺的 TESCAN 利用其高分辨率显微CT 揭开其谜底。首先是选材。在欧洲特别是中、西欧，地处阿尔卑斯山脉附近，大理石储量丰富且优质。有多丰富呢，直到2000年以前欧洲大理石产量仍占全球80%以上，而大理石使用寿命高达上百年且极具美观。因此，大理石成为建造教堂的首选材料。 其次，科隆是欧洲重要的工业城市，也是德国最大的褐煤(煤化程度最低的矿产煤，污染远超一般的煤)生产基地。由于长期受到工业废气和酸雨污染、腐蚀，大理石表面容易被溶解和变色，严重的会出现空洞和裂缝，导致强度降低，从而损坏建筑物。大教堂从原来的"白马王子”变成了现在的“邋遢大叔”。 那建筑石材在酸性环境下，究竟是如何一步步变化的? 在比利时根特大学X射线断层扫描中心 TESCAN 的高分辨率 CoreTOM CT 成像装置 耗时4天，使用原位动态能力观察研究了石灰岩在酸性环境下反应的时间过程。在不破坏材料的情况下，详细记录了样品内外部的微观结构变化。最终用2D、3D 图像以及动画形式在微米尺度上为大家揭秘。 4D 原位 CT 实验 实验设备 Tescan CoreTOM CT System 实验设计 选择一块直径为4毫米的石灰岩岩心为本次实验样品，将岩心固定在密闭容器内，并在底部加装释放酸性环境的原位设备，以此来模拟酸性城市环境。最后将原位装置的电源和数据信号接入 CoreTOM 系统特殊的原位载物台上，该载物台搭载专用的“无电缆缠绕”接口，可匹配市面上大部分原位装置，让载物台在旋转时无后顾之忧，自由自在地旋转而不用担心电缆数据线缠绕问题。 让石灰岩岩心完全暴露在酸性环境中进行连续采集，然后对原始采集投影图像进行“实时"重建，每30分钟一次扫描，共扫描136次，扫描体素为 5um。第一次扫描得到差分图像 (t=0h) 为参考体积，一直记录到第68小时。 实验挑战 在数据处理和重建过程中，超长的采集时间和超多的扫描数量，使得数据总量甚至会超过200个G。这个问题怎么解决? 1."实时"重建技术， CoreTOM CT 系统配备了实时重建技术，实现边扫描边重建，合理运用计算机的算力并且节约时间成本。 2.“"关键节点"重建技术，在数据时间轴当中，利用差分成像，来观察时间节点。我们可以有选择的进行重建分析，选择某个时间节点前后，或者某个关键变化前后进行重建。以此来高效处理整个数据体。不遗漏任何一个变化的同时也可降低数据压力。 3.连续四天不间断采集。TESCAN 动显显微 CT 适用范围更广，性价比更高，目前，是市场上唯一一款介于传统实验室显微 CT (延时成像)和同步加速器显微 CT (可用范围有限、成本十分昂贵)之间的桥梁。 实验结果 石材的变质是一个复杂的过程，它涉及到物理、生物、化学等多种机制。首先我们选择观察样品的一个切片图，以 t=0 时的切片图为参考体积，做出随时间变化的差分图像，用更加直观的方法，展现样品的变化过程。样品内部的孔隙，不同成分的密度差，外部的形貌等等我们都可以清晰地观察测量到。不难发现随着时间的变化，石灰岩开始慢慢被腐蚀。在第68小时达到顶峰。 t=8h 随后我们在3D立体图像上，来展示整个样品的变化趋势，不同颜色代表不同时间段发生的变化。而在本次实验中主要发生了两个变化，一个是在酸性环境下方解石胶结物的溶解，另一个是石膏(CaSO4.2H2O)结晶过程，为了很好地展示两种变化的过程，我们分别对3D成像做了两种处理。而在中后期，则主要是石膏结晶过程。 样品随着时间的演化过程 小结：大理石在使用和暴露于大气条件时，与其环境之间的相互作用和干扰，比如溶解、剥落、打磨、溶解、风化或结壳等，会导致侵蚀或沉积蚀变模式，这些模式的改变是复杂和动态的。其中，石膏结痂是污染城市环境中建筑石材上的硫酸盐结壳，主要由石膏晶体组成，由于混入空气中的灰尘和颗粒物，通常被称为黑色结痂。通过实验我们能清晰的观察到这一系列动态过程。 Tescan 4D 原位 Micro CT----为原位实验而生!： 除此外，我们还使用 Tescan DynaTOM CT 设备对石膏材料进行了4D 原位加温试验，不仅可观察到外部形状变化，还能完美的记录下内部孔隙率、孔孔形状、尺寸变化等数据。 更多应用案例，请扫码登陆B站观看视频：