水在混凝土中的毛细自吸过程能够直观地表征混凝土传输性能. 通常，可以使用称重法和高度法表征混凝土的毛细自吸性能，利用毛细自吸模型反算混凝土的传输参数. 尽管该方法的测试过程简单，但结果只能得到混凝土的宏观吸水量，无法提供混凝土中的传输细节，特别是水的传输路径. 为了更精确地表征混凝土的吸水过程，多种先进技术开始应用在这一方面，例如电阻（导）层析成像技术[5-6]、γ射线[7]、中子射线成像技术[8-9]、核磁共振[10]、X射线断层扫描（XCT）以及X射线透射成像（TXR）技术[11-12]. 由于氢元素对中子射线的强吸收，利用中子射线成像技术可以清晰地分辨混凝土饱水和非饱水区域，计算水分分布[8]. 鉴于中子射线源的稀缺性，该方法难以推广. γ射线是高能射线，射线源非常稀有. 低场核磁共振对含水量及结合状态较敏感，因此根据水在不同孔隙尺寸中的弛豫时间不同，该方法常用于测量混凝土的孔隙结构[12-13].
近年来，XCT技术因无损性、快速性和易用性，被应用到研究水泥水化[14]和表征混凝土微观结构中[15]. 传统的XCT测量不是研究混凝土中水分迁移过程的理想方法，因为纯水对X射线的吸收较低. 对于孔隙率较低的混凝土，孔隙是否饱水对混凝土XCT图像灰度改变不显著[16]. 为了增加水对X射线的吸收效率，通常在水中溶解含高原子序数的盐，如CsCl[11, 17]和NaI[18]. Yang等[12]的研究结果显示，利用CsCl溶液作为自吸液体，能够直接追踪到水泥净浆和混凝土的自吸前锋. 无论是否使用CsCl增强显影技术，3维XCT扫描测试通常难以准确地表征混凝土的动态吸水过程. 这是因为完整的XCT扫描过程需要消耗较长的时间，水分在混凝土中的动态传输使得水分前锋的位置持续发生变化. 与XCT技术相比，TXR直接获取X射线穿透物体后的投影，可以捕获混凝土吸水过程中的即刻透视图像，弥补XCT技术在实时监测方面的缺陷.
采用TXR技术原位，可视化地追踪水分在混凝土中的传输路径. 为了实现即刻连续观测，制备了1 mm厚的2维混凝土切片. 使用质量分数为0~18%的CsCl溶液，作为混凝土切片毛细迁移的液体试剂. 采用扫描电镜（SEM）/背散射（BSE）/能谱分析（EDS）技术，观测毛细自吸后混凝土切片不同位置的形貌变化和Cs元素分布. 分析结果表明，利用CsCl显影增强技术能够可视化地表征混凝土的吸水路径，为揭示混凝土的毛细自吸动力学过程和机制提供新方法.
1. 实验简介
1.1. 材料和样品制备
使用42.5号基准水泥、中砂（40~70目）和玄武岩细石（最大粒径为10 mm），制备水灰比ww/wc为0.45的混凝土立方体试件（边长为40 mm）. 混凝土的配合比如表1所示. 表中，mc为水泥质量，mw为水质量，ms为砂质量，mcoa为粗骨料质量.
表 1 单位立方米混凝土配比
Tab.1
| ww /wc | mc /kg | mw /kg | ms /kg | mcoa /kg |
| 0.45 | 422 | 190 | 549 | 1165 |
水泥和骨料的混合物与水充分搅拌后，装入立方体塑料模具中，振捣使混凝土密实，1 d后拆模. 将试件置于标准养护室，养护温度为（20±2）°C，相对湿度大于95%. 待龄期至28 d时，取出试件，进行制样. 对立方体试件进行切割，获得边长为20 mm、厚度约为1 mm的薄片，作为混凝土毛细自吸样品. 在连续的X射线扫描下，超薄混凝土切片可以提供混凝土的二维动态吸水信息. 样品须表面平整，无切割产生的损伤裂纹. 在TXR测试之前，混凝土切片置于60°烘箱内烘干，直至达到恒定质量. 在冷却至室温后，除混凝土薄片上、下底面外，其他所有表面均涂抹一层石蜡膜，以避免试验过程中水分的蒸发，保证水分单向传输.
制备质量分数分别为0%、3%、6%、9%、12%、15%和18%的CsCl水溶液，作为自吸液体试剂. 将质量分数大于95%的CsCl粉末与水在烧杯中混合，手工搅拌1 min. 将配置好的溶液倒入装有混凝土切片的塑料皿中，开展混凝土吸水测试.
1.2. 测试方法
使用X射线扫描设备为日本NIKKON公司生产的XTH255/320 LC型X射线断层扫描系统. 为了提高混凝土各相的TXR图像分辨效果，使用100 kV的激发电压发射X射线穿透试样. 通过高灵敏度探测版（2 000×2 000像素）收集X射线信号，以获得高质量的图像. 在试验时，调整切片相对X射线探测仪的位置，以最大化试样在探测版的投影使用面积，得到最佳图像分辨率. 该研究得到的混凝土切片TXR图像分辨率约为10 μm/像素. 采用FEIQUANTA FEG650 ESEM型扫描电镜（SEM/BSE）进行微观形貌分析，配备能谱仪（EDS）进行元素分布分析，测试电压为20 keV.
在切片吸水测试期间，将混凝土切片装入塑料皿，使用塑料泡沫固定. 塑料泡沫对X射线束的穿透性能影响很小，在TXR图像中几乎呈现透明状态. 将5 mL水或CsCl溶液倒入已固定混凝土切片的塑料皿中，控制混凝土切片的浸没高度为2 mm，切片与液体接触后立刻记录吸水起始时间. 将含有液体试剂与切片的塑料皿立刻装载在X射线扫描平台上（见图1），开始TXR测试.
图 1
在吸水测试前，所有样品均进行无水TXR测试，标记为0 min吸水状态. 每个试样测试进行时，自起始时间计算每隔15 min收集一次TXR图像，连续地检测混凝土切片中的吸水高度和分布. 吸水测试完成后，立即使用硬质毛刷去除表面石蜡，在80 °C烘箱中快速干燥10 min，以减少干燥过程对CsCl溶液在混凝土中迁移的影响. 对干燥完成的样品，立刻进行扫描电镜和能谱测试. 为了增大样品的导电性，在测试前，对试样表面进行喷碳处理.
2. 结果分析
2.1. 可视化监测水分传输全过程
TXR的成像原理是当X射线穿过物体时，X射线与被穿透物质相互作用，导致射线强度发生衰减[19]. 不同衰减系数的物质在TXR图像上对应的灰度不同. 高密度或者高原子序物质（如铯和碘）的X射线衰减系数高，对X射线的吸收能力较强，在TXR图像中灰度较低（即图像颜色深或暗）. 低密度、低原子序物质（如水、空气和塑料泡沫等）的X射线衰减系数低，对X射线的吸收能力较弱，图像中的灰度较高（即图像颜色浅或亮）.
混凝土切片吸收纯水的TXR图像结果如图2所示. 基于图像中的颜色深浅（或灰度高低），可以看出混凝土中的各相能够清晰分辨，能够得到混凝土各相的二维分布（见图2（a））. 在该TXR图像中，深灰、浅灰和亮白部分分别为粗骨料、砂浆基体和孔隙. 如图2（b）、（c）所示为该试样在吸水90 min后的光学照片和TXR图像. 在吸水前、后时，混凝土切片的TXR图像基本没有变化. 当混凝土基体水接触时，水在毛细吸附力的驱使下迅速渗入混凝土内部，在混凝土内部迁移渗透. 在90 min后，水已经充满了部分混凝土的孔隙. 由于纯水的X射线衰减系数很低，对应到图像的灰度变化不明显，混凝土的TXR图像对于纯水的渗流过程不敏感，导致难以使用TXR技术追踪纯水在混凝土中渗流.
图 2
图 2 混凝土切片未吸水和吸水90 min后的图像
Fig.2 Images of concrete slice before water imbibition and after imbibition for 90 min
采用CsCl溶液作为自吸试剂进行传输测试，结果呈现出不同的特性. 如图3所示为不同CsCl质量分数（3%~18%）下混凝土切片自吸前、后的TXR图像. 经过90 min自吸后，混凝土TXR图像的下部颜色变暗，这表明CsCl溶液已经渗透进混凝土切片内部且吸收了较多的X射线，提高了X射线的衰减程度. 随着CsCl溶液质量分数的提高，TXR图像对比度更显著，吸水部分混凝土颜色更深（见图3）. 这是因为CsCl质量分数越高，X射线吸收程度越高，图像对比度的增加效果越显著. CsCl吸收剂的质量分数并非越高越好. 例如，混凝土在吸收质量分数为18%的CsCl溶液后，砂浆的TXR图像灰度与骨料相近，导致无法分辨骨料和砂浆. 一方面，质量分数过大的CsCl溶液可能产生金属伪影效应；另一方面，高质量分数的CsCl可能会改变溶液的物理性质，导致CsCl溶液传输动力学与纯水存在一定的偏差. 实验结果表明，在6%~15%的质量分数下，CsCl溶液可以提高混凝土的X射线吸收率和衰减系数，区分渗水区域及骨料.
图 3
图 3 混凝土切片毛细吸收质量分数为3%、6%、9%、12%、15%和18%的CsCl溶液前、后的TXR图像对比
Fig.3 Typical TXR images of concrete slices imbibing CsCl solutions at mass fraction of 3%，6%，9%，12%，15% and 18%
利用TXR技术，连续追踪了混凝土切片吸收质量分数为15%的CsCl溶液的全过程. 如图4（a）所示为混凝土切片吸收CsCl溶液每隔30 min的TXR图像，可以看出混凝土的吸水前锋和面积分布. 基于切片图像局部灰度的改变，可以观察到液体在混凝土中的自吸路径. 为了便于说明，选取混凝土切片局部区域，以阐述传输路径的表征和识别过程. 如图4（b）所示，2个骨料之间的浅色区域自下而上逐渐变暗，直到150 min后骨料之间的浅色被暗色完全覆盖，表明CsCl溶液逐渐侵入骨料之间的砂浆基体. 骨料边缘颜色比其他区域暗得多，说明该区域的X射线衰减程度比其他区域大得多. 这是因为混凝土骨料周边存在多孔的过渡区，能够吸收更多的CsCl溶液.
图 4
图 4 混凝土薄片自吸过程的TXR动态图像（每隔30 min取样）和局部区域的对比图像
Fig.4 Dynamic TXR images of concrete slice（images acquired every 30 min），and those of local area at different imbibition time
图 5
图 5 混凝土薄片自吸前锋动态侵入过程（CsCl质量分数为15%）
Fig.5 Dynamic imbibition fronts of typical concrete slice imbibing CsCl solution at mass fraction of 15%
综上所述，利用TXR技术能够视觉化地追踪和观测混凝土中液体的动态自吸过程和路径，在一定程度上揭示混凝土中各相（如骨料和界面过渡区）在水分迁移过程中的作用，表征材料的局部渗透性能.
2.2. SEM/BSE/EDS结果分析
对混凝土切片自吸质量分数为15%的CsCl溶液后的试件进行SEM/BSE/EDS测试，分析CsCl溶液浸入对混凝土局部位形貌和元素分布的影响. BSE测试的位置见图6（a）、（b）中TXR图像的标注（1、2和3）. 图中，1处为2个骨料之间溶液完全浸入的区域，2处为迁移前锋未到达的砂浆基体，3处为溶液迁移前锋边界，E为能量. 对于CsCl溶液未浸入的区域，粗骨料与水泥基体的BSE图像灰度基本一致，但由于粗骨料中含有一些电子散射能力较强的矿物，显示出大量亮色点. 由于石英的电子散射能力较弱，细骨料显示为深灰色（见图6（e））. 对于CsCl溶液完全浸入的区域，水泥浆体更亮，粗、细骨料更暗（见图6（c）），这是因为浆体中吸附的Cs元素能够增大浆体的电子散射系数. 对于溶液迁移前锋边界区域，背散射图像中的浆体灰度呈梯度变化，表明了Cs的质量分数梯度变化（见图6（g））.
图 6
图 6 混凝土切片的SEM/BSE/EDS测试结果（吸收时间为165 min，CsCl质量分数为15%）
Fig.6 SEM-BSE/EDS results of atypical concrete slice（imbibition time of 165 min and CsCl mass fraction of 15%）
图 7
图 7 混凝土切片EDS线扫结果：从未吸收区域到吸收区域（吸收时间为165 min，CsCl质量分数为15%）
Fig.7 EDS line scan from un-penetrated area to penetrated area in concrete slice after imbibition test（t=165 min and CsCl mass fraction of 15%）
综上所述，BSE/EDS结果与TXR图像观察结果基本一致，表明TXR能够有效地确定混凝土自吸前锋和路径. 利用CsCl溶液作为自吸液体，不仅可以提高TXR检测的信号强度，而且为BSE和EDS技术检测液体在混凝土中的迁移过程提供了新的可能性.
3. 结 论
（1）铯元素的X射线衰减系数极高，在水中添加CsCl可以显著增强TXR图像的对比度，有助于视觉化地监测混凝土中水的自吸渗流前峰和路径. CsCl溶液可以作为显影剂的适宜质量分数为6%~15%.
（2）CsCl侵入水泥基体中会增强电子散射能力，提高BSE图像的对比度，有助于区分骨料和水泥浆体以及侵入与未侵入区域. BSE/EDS测试的结果与TXR图像结果保持一致，表明BSE/EDS和TXR均能够有效地确定混凝土自吸前锋和路径.
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