A Visegrádi Csoport (V4) – Dél-Korea Közös Kutatási Program (RADCON) keretében az ELKH Energiatudományi Kutatóközpont (EK), a szöuli Yonsei Egyetem és a varsói Lengyel Tudományos Akadémia Alapvető Technológiák Kutatóintézetének munkatársai a röntgen- és a neutrontomográfia (CT) egymást kiegészítő jellegét kihasználva sikeresen rekonstruálták betonminták mikroszerkezetét és ennek hatását a terhelés során fellépő feszültséggócokra. A kutatás eredményeit összefoglaló tanulmány a Cement and Concrete Research című nemzetközi folyóiratban jelent meg.
Noha önmagában sem a röntgen-, sem a neutrontomogram nem alkalmas a beton mikrostruktúrájának teljes leírására, a két sugárzásfajta által feltárt, egymást kiegészítő információk összevonásával, valamint fejlett képszegmentálási, zajcsökkentési és képregisztrációs technikák alkalmazásával a pórusok, illetve az aggregátum- és cementpasztafázisok sikeresen szétválaszthatók, még akkor is, ha az aggregátum többféle ásványból áll. Ezt követően a voxelizált szerkezet végeselem-számítások bemeneteként használható, és belőle levezethető a mikrostruktúrát is figyelembe vevő feszültségtérkép.
A teherhordó szerkezeti anyagokat, például fémeket vagy betonokat úgy méretezik, hogy teljes élettartamuk alatt ellenálljanak adott mértékű és irányú erőknek. A tervezést általában az anyagon belüli kis térfogatelemek tulajdonságait egyedileg figyelembe vevő úgynevezett végeselem-számítások támasztják alá. Ahol az anyag homogenitása feltételezhető, vagyis a repedéseket, zárványokat, pórusokat kivéve – különösképpen fémek esetében – ez az általában bevett számítási eljárás a terhelés alatti viselkedés előrejelzésére.
A beton azonban egy összetett, többkomponensű keverék, melyben valószínűleg a mikrostruktúra a legfontosabb jellemző az anyag viselkedésének megértéséhez. A beton mikrostruktúráját a jelen lévő különböző fázisok összetétele, mérete, alakja és térbeli elrendeződésének összessége alkotja. A fázisok összetettsége miatt a mikrostruktúra leírása nem könnyű, ezért a kutatók különböző kísérleti és numerikus megközelítéseket dolgoztak ki a mikroszintű jellemzők számszerűsítésére.
A legmodernebb térfogati képalkotó technikák, a röntgen- és neutron-komputertomográfia (CT) lehetővé teszik a beton mikroszerkezetének háromdimenziós kísérleti meghatározását. Mivel a röntgengyengülési együtthatók főként az anyag rendszámától és lokális anyagsűrűségétől függenek, ezért a betonban lévő pórusok nagy kontrasztot adnak, így pontosan azonosíthatók. A neutronsugárzás ‒ komplementer jellegéből fakadóan ‒ meglehetősen érzékenyen mutatja meg a röntgensugarakkal nem látható, hidrogéntartalmú komponenseket.
A kutatás célja az volt, hogy a beton mikrostruktúráját többkomponensű aggregátumok esetén is rekonstruálják, és azt végeselem-számításokban alkalmazzák. Ennek érdekében a kutatók kihasználták a röntgen- és neutron-CT-képek fent részletezett komplementaritását, valamint a fejlett képszegmentálási, zajcsökkentési és képregisztrációs technikák lehetőségeit. A finomszemcsés aggregátumok kvarchomokból, míg a durvaszemcsés aggregátumok akár több ásványt is tartalmazó gabbró kőzettörmelékekből állnak. Ezért különböző neutron- és röntgengyengítési együttható párokat mérhetünk az aggregátumszemcsékben, sőt a gabbró kőzettörmelékek belsejében is, ami lehetővé teszi az elkülönítésüket.
Az alakalapú képregisztráció során a röntgen- és neutron-CT-szeleteket geometriailag összeillesztették, aminek köszönhetően a beton-mikrostruktúra sikeresen rekonstruálhatóvá vált, legalábbis a képek térbeli felbontásánál nagyobb alkotókat tekintve. Az egyes CT-képek szürkeskála-intenzitása alapján három fázist ‒ pórusokat, aggregátumokat és kötőanyagot ‒ különítettek el. A beton rekonstruált mikrostruktúráját a térfogatfrakciók összehasonlításával ellenőrizték, ahol a durvaszemcsés aggregátum számolt térfogatfrakciója jól megegyezett a bemérési receptúrával. A rekonstruált mikrostruktúra hatását a beton feszültségmezőire végül végeselem-szimulációval jellemezték.
A tanulmány arra a következtetésre jutott, hogy a fejlett képalkotó technikák jól alkalmazhatók a beton 3D-mikrostruktúrájának pontos ábrázolására, és végső soron hozzájárulhatnak reálisabb belső feszültségszámítási eredmények eléréséhez, még olyan összetett anyag esetében is, mint a beton.
