KEYENCE基恩士-『顯微鏡VHX-600E』應(yīng)用于提升混凝土的形貌觀測(cè)效果

• 關(guān)鍵詞： 基恩士　顯微鏡VHX-600E　應(yīng)用　混凝土　觀測(cè)效果
• 摘要：KEYENCE基恩士-『顯微鏡VHX-600E』應(yīng)用于提升混凝土的形貌觀測(cè)效果

　　尋找混凝土專家李克非教授的實(shí)驗(yàn)室破費(fèi)周折，我們一行四人在清華大學(xué)土木工程系擺設(shè)的起重機(jī)等各種大型儀器、樓層模型、混凝土實(shí)驗(yàn)材料等之間走了幾個(gè)來(lái)回，終于找到這座位于文科圖書館旁邊的兩層半小樓。
　　引子
　　李克非教授是從法國(guó)回來(lái)的，他說(shuō)話簡(jiǎn)潔、精辟，是個(gè)謙虛、溫和的儒雅學(xué)者。
　　他談到在對(duì)混凝土進(jìn)行物相研究時(shí)，要識(shí)別礦物、物質(zhì)的化學(xué)成分，追蹤化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，多使用電鏡。因?yàn)榫哂休^高的分辨率和電子成像原理，電鏡比較適合混凝土材料微觀、亞微觀表面形貌的觀察。然而，因?yàn)殡婄R設(shè)備體積很大，樣品制備復(fù)雜，且不易攜帶等特點(diǎn)，所以在土木工程中，他們多用光鏡追蹤裂縫，觀察開(kāi)裂表面的形貌，觀測(cè)材料裂縫的發(fā)展等。
　　光學(xué)顯微鏡有很多種，而基恩士顯微鏡VHX-600E因?yàn)橛幸韵绿攸c(diǎn)，進(jìn)入李教授的視野：
　　1、 所要檢測(cè)的裂縫在1um左右，此時(shí)的精度正好在VHX-600E觀察的范圍。
　　2、 VHX-600E具有高景深的特點(diǎn)，新鮮打開(kāi)的材料表面，可以用它進(jìn)行三維掃描、三維重建
　　3、VHX-600E可以對(duì)特定范圍內(nèi)表面進(jìn)行三維重建、展示，以及起伏度的測(cè)定
　　4、拍圖方便，可以追蹤材料表面幾何圖形的變化，輕松對(duì)比實(shí)驗(yàn)處理前后的圖像
　　5、放大倍數(shù)從200-5000倍，可以部分替代電鏡的功能
　　6、便攜性好，可以攜帶到工程現(xiàn)場(chǎng)觀察混凝土材料。比較容易的手持鏡頭觀察，方便對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行各種角度的觀察。
　　已取得的成果：
　　李克非教授課題組在混凝土材料最高水平期刊Cement and Concrete Research上已經(jīng)發(fā)表數(shù)篇論文，其中一篇論文《混凝土材料裂隙幾何特征與物理特征的關(guān)系》。論文談到混凝土材料是典型的多孔工程材料，在外部環(huán)境作用下自身性質(zhì)會(huì)發(fā)生演變，從而引起結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期性能的改變，即耐久性問(wèn)題。結(jié)構(gòu)的應(yīng)力在材料內(nèi)部產(chǎn)生裂隙（裂紋）進(jìn)而改變了材料原有的孔隙結(jié)構(gòu)，在實(shí)驗(yàn)中他們利用VHX-600E對(duì)材料裂隙進(jìn)行拍攝，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

做高分子實(shí)驗(yàn)的老師對(duì)混凝土用高吸水樹脂形態(tài)的實(shí)驗(yàn)圖像

　　未來(lái)實(shí)驗(yàn)的拓展
　　1、混凝土材料普遍具有自愈合能力，開(kāi)裂以后，材料里面進(jìn)去水，里面的礦物再次水化，即材料的自愈合能力。某些行業(yè)非常倚重材料的自愈合能力，如采油行業(yè)，如果材料所處位置很深，材料發(fā)生開(kāi)裂后很難人工修復(fù)，需要材料發(fā)揮自愈合能力。李克非實(shí)驗(yàn)室希望能在表面材料裂開(kāi)之后，有水流過(guò)自愈合發(fā)生時(shí)，追蹤到材料形貌的演變過(guò)程?？床牧闲蚊沧兓荲HX-600E的強(qiáng)項(xiàng)。
　　2、傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)工程的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)尺寸一般都很大，一如觀察像柱子等的破壞過(guò)程，很難用到顯微鏡；現(xiàn)在的土木工程實(shí)驗(yàn)可以很做到精細(xì)，如某種為增強(qiáng)材料韌性的金屬或非金屬纖維，像頭發(fā)絲一樣細(xì)，這種材料的破壞過(guò)程是目前土木工程材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。其中很簡(jiǎn)單的應(yīng)用是將嵌入材料中的纖維快速拔出，看材料中纖維脫離基體的破壞過(guò)程，此時(shí)需要能觀察到直徑不到1um的顯微鏡運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)中，同時(shí)又要看動(dòng)態(tài)的基體破壞過(guò)程，能實(shí)現(xiàn)高速成像的VHX-600E一定會(huì)在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮出巨大作用。
問(wèn)題與建議：
　　1、某博士生觀測(cè)拋光的混凝土表面，需要把整個(gè)表面拓下來(lái)。區(qū)域較大，要保證觀測(cè)精度，目前只能用VHX-600E將表面一小塊一小塊地掃描下來(lái)，再實(shí)現(xiàn)手動(dòng)拼接，拼成全部清楚的表面。這個(gè)通過(guò)手動(dòng)可以解決，但是實(shí)驗(yàn)非常辛苦，效率不高，容易有誤差。
　　2、希望顯微鏡除了拍照功能，還能進(jìn)行圖像處理，如進(jìn)行裂縫尺寸大小的測(cè)量，能夠扣除背景，進(jìn)行某些圖像的識(shí)別和過(guò)濾過(guò)程。
　　解決方法：
　　有了基恩士新上市的超景深三維立體顯微鏡VHX-2000系列，以上兩個(gè)問(wèn)題都能迎刃而解，配備XY電動(dòng)掃描臺(tái)之后，VHX-2000可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)拼接，拼接的速度快，效率高，且誤差小。這樣，就能將實(shí)驗(yàn)人員從繁瑣的重復(fù)性勞動(dòng)中解脫出來(lái)，有更多的實(shí)驗(yàn)去從事科學(xué)研究。
　　另外，VHX-2000的圖像處理功能更加強(qiáng)大，可以進(jìn)行背景扣除，圖像識(shí)別和過(guò)濾功能，完全滿足李教授實(shí)驗(yàn)的要求。
　　VHX-2000還配備了5400 萬(wàn)像素 3CCD 手持式攝像機(jī)，能進(jìn)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觀測(cè)的理想儀器。

站在VHX-600E前的李克非教授

　　李克非教授的個(gè)人簡(jiǎn)介：
　　李克非，教授，清華大學(xué)土木工程系建筑材料研究所副所長(zhǎng)，博士生導(dǎo)師。RILEM Senior member，亞洲混凝土模式規(guī)范委員會(huì)(ICCMC) 委員。研究領(lǐng)域?yàn)榭紫恫牧衔锢砼c力學(xué)過(guò)程、材料與結(jié)構(gòu)耐久性及結(jié)構(gòu)行為評(píng)估。

　　教育背景
　　1989.9 - 1993.6 同濟(jì)大學(xué)（橋梁工程專業(yè)） 工學(xué)學(xué)士
　　1993.9 - 1996.3 同濟(jì)大學(xué)（橋梁工程專業(yè)） 工學(xué)碩士
　　1996.9 - 2000.9 同濟(jì)大學(xué)（橋梁工程專業(yè)） 工學(xué)博士
　　1999.9 - 2002.9 法國(guó)橋路工程師學(xué)院（材料與結(jié)構(gòu)專業(yè)） 科學(xué)博士

　　工作履歷
　　1998.9 - 1999.6 法國(guó)橋路中心研究院，訪問(wèn)學(xué)者 　
　　2002.10 - 2004.9 法國(guó)OXAND土木工程咨詢公司，研發(fā)工程師
　　2004.10 - 今 清華大學(xué)土木工程系，副教授，博士生導(dǎo)師（2006），教授（2012）

　　社會(huì)兼職
　　[1] RILEM Senior member，（2008-），TAC member  ( 2011-)
　　[2] IABSE member (2011-)
　　[3] 亞洲混凝土模式規(guī)范委員會(huì)(ICCMC) 委員，(2007-)
　　[4] 土木工程學(xué)會(huì)高強(qiáng)高性能混凝土學(xué)會(huì)會(huì)員，(2010-)

　　研究領(lǐng)域
　　研究生課程：工程結(jié)構(gòu)耐久性與行為評(píng)估
　　本科生課程：建筑材料
　　研究領(lǐng)域：孔隙材料物理與力學(xué)過(guò)程，材料與結(jié)構(gòu)耐久性，結(jié)構(gòu)行為評(píng)估

　　研究概況
　　[1] 大氣與凍融環(huán)境中混凝土結(jié)構(gòu)耐久性及其對(duì)策的基礎(chǔ)研究，國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目，2006.1-2009.12
　　[2] 水泥基材料開(kāi)裂界面流體傳輸與物質(zhì)交換，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，2007.1-2009.12

　　[3] 混凝土橋梁耐久性指標(biāo)體系、檢測(cè)方法與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的研究，交通部西部科技項(xiàng)目，2006.12-2010.9
　　[4] 混凝土橋梁合理耐用結(jié)構(gòu)構(gòu)造的研究，交通部西部科技項(xiàng)目，2006.12-2010.9
　　[5] 港珠澳大橋工程耐久性設(shè)計(jì)與評(píng)估，橫向課題，2009.1-10
　　[6] 港口工程結(jié)構(gòu)全壽命周期設(shè)計(jì)理論方法研究，交通部西部科技項(xiàng)目，2008.6-2010.6
　　[7] 水泥基材料孔隙結(jié)構(gòu)與傳輸機(jī)制，973課題專題，2009.1-2013.12
　　[8] 核素在非飽和工程屏障材料中傳輸過(guò)程研究，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，2010.1-2012.12
　　[9] 跨海集群工程混凝土結(jié)構(gòu)120年使用壽命保障關(guān)鍵技術(shù)，“十一五”支撐項(xiàng)目，2010.7-2015.6

　　學(xué)術(shù)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-r?action, Revue Fran?aise de G?nie 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 M?canique 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. 陳肇元，廉惠珍，李克非，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南，CCES01-2004，2005年修訂版，2005，北京
　　7.許超，李克非，(2006) 水泥基材料裂縫對(duì)鋼筋銹蝕過(guò)程的影響，東南大學(xué)學(xué)報(bào)，36卷，增刊II，135-138
　　8.李克非，陳肇元，(2006) 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)中鋼筋保護(hù)層的規(guī)定與建議，東南大學(xué)學(xué)報(bào)，36卷，增刊II，23-26
　　9.國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50476，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范，主要編寫人，建筑工業(yè)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.曾強(qiáng)，李克非，(2008) 凍融情況下降溫速率對(duì)水泥基材料變形和損傷的影響，清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），48卷9期，1390-1394
　　13.李春秋，李克非，陳肇元 (2008) 混凝土中水分傳輸?shù)倪吔鐥l件研究，工程力學(xué)，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，韓建國(guó) (2008) 混凝土早齡拉伸徐變的試驗(yàn)與理論研究，工程力學(xué)，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，馬明軍，王曉梅(2010)，水泥基材料裂隙水流動(dòng)規(guī)律的試驗(yàn)研究，工程力學(xué)，27(11): 229-233
　　22.李春秋，李克非(2010)，干濕交替下表層混凝土中氯離子傳輸：原理、試驗(yàn)和模擬，硅酸鹽學(xué)報(bào)，38(4):581-589
　　23.李春秋，李克非，（2010），干濕交替下表層混凝土中水分傳輸：理論、試驗(yàn)和模擬，硅酸鹽學(xué)報(bào)，38(7):1151-1159
　　24 王曉梅，李克非 (2011), 水泥基材料裂隙表面離子吸附過(guò)程，硅酸鹽學(xué)報(bào)，39(1):1-6
　　25 王曉梅，李克非 (2011), 水泥基材料裂隙表面溶蝕過(guò)程，硅酸鹽學(xué)報(bào)，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

　　關(guān)于超景深三維立體顯微鏡VHX-2000
　　建立在VHX平臺(tái)上，VHX-2000整合了幾個(gè)新特點(diǎn)。增加的彩色濾色片輪可以使用戶選擇特定的波長(zhǎng)成像（紅、綠或藍(lán)）。結(jié)合了藍(lán)色濾片和KEYENCE像素漂移技術(shù)的超高分辨率模式，能夠提高圖像分辨率25%。
要改善操作性和易用性，VHX-2000可以配置電動(dòng)XY載物臺(tái)、電動(dòng)Z軸控制。用戶可以通過(guò)使用控制腳踏板調(diào)整在三個(gè)軸上的移動(dòng)，結(jié)合Double鏡頭的放大識(shí)別功能，VHX-2000可以為XY載物臺(tái)自動(dòng)提供理想的移動(dòng)速度，確保一鍵自動(dòng)對(duì)焦和校準(zhǔn)?，F(xiàn)在可以通過(guò)點(diǎn)按鈕進(jìn)行圖像拼接功能，速度更快的得到20000x20000像素圖像，擴(kuò)大了可視面積200倍。
　　自動(dòng)檢測(cè)功能簡(jiǎn)化了最難的檢測(cè)任務(wù)，幫助減少了由于不同用戶引起的波動(dòng)。這個(gè)系統(tǒng)可以儲(chǔ)存圖像/測(cè)量結(jié)果的一部分作為模板，點(diǎn)擊鼠標(biāo)就能用于將來(lái)樣本的測(cè)量。
　　更多數(shù)碼顯微鏡的應(yīng)用，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)：http://www.digitalmicroscope.cn（轉(zhuǎn)載自顯微鏡圖像網(wǎng)）