KEYENCE基恩士-『显微镜VHX-600E』应用于提升混凝土的形貌观测效果

• 关键词：基恩士　显微镜VHX-600E　应用　混凝土　观测效果
• 摘要：KEYENCE基恩士-『显微镜VHX-600E』应用于提升混凝土的形貌观测效果

　　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，而基恩士显微镜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
　　3、VHX-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系列，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-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. 陈肇元，廉惠珍，李克非，混凝土结构耐久性设计与施工指南，CCES01-2004，2005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II，135-138
　　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II，23-26
　　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），48卷9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（转载自显微镜图像网）