《Journal of Building Engineering》：Microstructural Decoding of Low-Carbon Cementitious Systems: Global, Phase and Particle-Level Insights Using BSE-EDS Imaging
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多尺度BSE-EDS分析框架实现水泥基材料时空演化机制解析与低碳胶凝材料设计支撑
李立辉|吴金鑫|毛立轩|陈瑞星|丁帅|徐伟
云南省教育厅智能基础设施运维技术创新团队，昆明理工大学土木工程与力学学院，中国昆明650500
摘要：
背散射电子成像结合能量色散X射线光谱（BSE-EDS）被广泛用于水泥基材料的微观结构表征；然而，大多数现有研究仅限于定性解释或整体平均量化，难以解析相级化学成分和颗粒尺度演变。本研究提出了一种多尺度BSE-EDS分析框架，以实现复杂水泥基系统的空间和化学定量分析。通过将BSE得到的孔隙和树脂掩模与共注册的EDS映射进行引导过滤，获得了高保真的元素分布，同时保留了微观结构边界。随后利用Phase-Glue分析框架对增强后的EDS数据进行自动聚类，实现了相级表征，从而在传统灰度分割方法失效的化学异质区域中准确识别相。除了相级分析外，还通过基于图像的颗粒跟踪技术捕捉了颗粒尺度演变，可视化水化过程中的相重新分布、颗粒继承和颗粒间相互作用。这种分层分析范式将BSE-EDS图像分析从描述性表征提升到与机制相关的解释，为混合材料及粉煤灰-矿渣-水泥系统提供了可应用的微观结构分析方法，并支持基于测量的低碳粘合剂设计。
引言
水泥基材料的微观结构演变和相组成对其宏观性能和长期耐久性至关重要[1]、[2]、[3]、[4]。作为多孔复合材料，其物理性能通常通过孔结构特征来解释，这些特征与渗透性和力学性能密切相关[5]、[6]、[7]。然而，仅凭孔结构特征不足以完全揭示水化驱动的性能复杂性[8]、[9]。从测量角度来看，水化产物的时间和空间演变及其局部化学成分和形态变化给可靠的微观结构量化带来了挑战[10]。尽管水泥-粉煤灰-矿渣（C-S-FGBS）二元及多元系统的水化机制和相演变路径已得到广泛研究，但目前的研究结果主要基于多种互补技术的关联解释。相重叠和成分梯度使得使用传统表征方法提取相级信息变得复杂[11]、[12]、[13]。因此，建立材料成分、微观结构特征与性能相关属性之间的可重复和尺度一致的关系，需要能够直接关联相化学成分、空间拓扑和颗粒继承的测量策略。
具有足够空间分辨率和成分保真的相演变可靠测量仍是水泥基材料微观结构表征的关键瓶颈。目前的水泥基材料表征方法主要依赖于离散分析技术来研究特定材料特性。例如，热重分析（TGA）常用于量化结合水、氢氧化钙（CH）和方解石（Cc）的含量[11]、[14]，但其实际应用受到水化物（如C-S-H、AFm和AFt相）重叠的热分解范围的限制，从而影响相分离的准确性[12]。同样，X射线衍射（XRD）结合Rietveld精修可对结晶相进行定量分析，但在未经校准的情况下难以区分多种非晶相[13]、[15]。即使对于部分或未知晶体结构（PONKCS）的材料，虽然是一种强大且理论上稳健的非晶相量化方法，但需要仔细的校准、参考图谱构建和参数控制，这在多组分混合系统中会增加操作复杂性[16]。扫描电子显微镜（SEM）技术也存在固有局限性。背散射电子（BSE）成像在孔结构分析中提供了良好的空间分辨率（约0.2 μm/像素[17]），但其灰度对比度难以区分平均原子数相近的相（如石英和低钙水化物[18]）。能量色散X射线光谱（EDS）映射具有化学分辨能力，但由于样品与特征X射线之间的相互作用深度较大（约1.5 μm），导致相边界识别存在模糊性[19]。来自不同技术的表征结果通常需要通过经验关联和专家知识进行整合，而这可能无法完全反映水泥基材料的时间空间演变。尽管这些碎片化的分析方法能提供有关材料性能的宝贵见解，但它们未能捕捉反应过程中多模态特征的复杂相互作用和协同演变。
BSE-EDS成像定量分析已成为表征水泥基材料的不可或缺工具，因为它能够同时提供亚微米级别的形态、成分和空间信息。目前，基于BSE成像灰度阈值分割的孔隙测定已成为成熟的方法[20]、[21]、[22]。EDS映射分析已沿着三个方向发展：（1）数据驱动分析。机器学习（尤其是聚类分析算法）的出现彻底改变了水泥基材料EDS映射的相量化。支持向量机（SVM）[23]、K均值聚类[24]和高斯混合模型（GMM）[25]被用于通过聚类复合EDS图像的多变量元素属性或衍生RGB属性来实现自动相分类，但仍需专家验证以建立相与聚类结果之间的物理意义关联。（2）知识引导分析。强调材料科学专长的区域分割策略继续提供关键见解[26]。Ca-Si-Al三元图[27]和最近的edxia框架[28]分别利用密度图和超像素基元素比率图为例。尽管这种分析具有更高的可解释性，但在分析新兴或复杂的水泥基系统时存在相识别标准不足的局限性[29]。（3）混合分析。Phase-Glue框架通过结合机器学习算法和领域特定知识实现了改进[10]、[30]。Phase-Glue不仅克服了纯知识引导分析的主观性限制，还解决了纯数据驱动分析的可解释性挑战。
然而，Phase-Glue在全面表征水泥基材料孔隙和相的时空演变方面的实用性尚未得到系统研究。这限制了我们解决几个关键问题的能力，包括：（1）各相在时间上的成分和形态演变，（2）水化产物相对于原始颗粒的空间重新分布，（3）哪些多模态特征最能表征相转变，（4）相混合路径的发展，以及（5）颗粒尺度异质性如何影响微观结构性能的发展。BSE-EDS成像分析为解决前三个问题提供了可行方案，即阐明水泥基材料多模态特征的时空演变模式。结合Phase-Glue多层次重建策略，BSE-EDS分析进一步实现了相组成、颗粒身份和空间拓扑之间的直接关联[31]。这使得可以定量研究水化过程中的相生长、颗粒继承以及相组合与颗粒形态之间的跨尺度耦合，而这些是通过传统基于像素或纯聚类分析难以获得的。
基于我们之前的Phase-Glue相关工作[30]，本研究将其从一个方法概念扩展为一个系统的多层次分析框架。从整体上看，系统研究了0天和14天时粉煤灰-矿渣-水泥系统中水化引起的相组成、元素分布和孔结构变化，提供了微观结构发展的时间分辨描述。在相级别，特别关注含铝水化物，因为它们在粉煤灰和矿渣中的形成受到严格调控。通过协调测量成分变化、含量变化、空间分布和形态属性，定量表征了它们的演变过程，揭示了不同火山灰反应如何调节水化物组成和连通性。在颗粒级别，利用BSE-EDS成像的固有空间分辨率对单个颗粒的演变和颗粒间相互作用进行了局部测量，从灰度、元素富集和相组成的角度进行分析。研究表明，Phase-Glue框架支持的多层次BSE-EDS分析不仅提高了相量化的准确性，还为相混合、颗粒尺度水化行为和时空微观结构演变提供了新的科学见解，从而将基于图像的分析从描述性表征提升到与机制相关的解释。本研究采用的整体工作流程如图1所示。
材料与样品制备
本研究使用符合中国标准GB8076-2008的标准水泥（C）、粉煤灰（FA）和磨细矿渣（GGBS）来制备三元水泥基样品。表1显示了通过X射线荧光（XRF）测定的原材料C、FA和GGBS的化学成分。表2列出了它们的颗粒大小分布。表3显示了通过XRD-Rietveld测定的三种原材料的矿物组成。标准水泥部分被替换为
不同水泥基系统中相的全局多模态特征
在本节中，混合原材料样品用于评估使用当前多模态分析框架的全局相可分性和空间分布。整合的BSE-EDS图像分析和Phase-Glue框架可以区分具有不同成分特征的相（例如C?S与C?S），如我们之前的工作所示[10]，但它不尝试区分来自不同原材料的化学相似相。
结论
本研究建立了一个多尺度BSE-EDS图像分析框架，用于水泥基材料的定量、多模态表征。可得出以下关键发现：
1.在全局尺度上，所提出的框架能够实现整个水化过程中孔结构、相组成和元素分布的时间分辨表征。C-S-FA表现出最显著的水化程度增强，表现为水泥团簇的消失，
CRediT作者贡献声明
李立辉：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，方法学，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。吴金鑫：撰写 – 原稿，可视化，研究，正式分析。毛立轩：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，资金获取，数据管理，概念化。陈瑞星：撰写 – 原稿，验证，研究，正式分析。丁帅：撰写 – 审稿与编辑，
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（52408294、52308258）以及福建省和厦门市自然科学基金（2024J011203、3502Z202472030）的支持。
