Розсіювання когерентного випромінювання полікристалічними структурами в процесі їх формування

6. Розроблено математичну модель опису розсіювання когерентного випромінювання цементним тістом у процесі гідратації. Показано, що динаміка флуктуацій інтенсивності спекл-поля, утвореного в результаті розсіювання когерентного випромінювання цементним тістом у процесі гідратації, містить інформацію про розчинення цементних мінералів із утворенням вільного гідроокису кальцію та кремнієвої кислоти, утворення зародків кристалів тобермориту, зрощування цих кристалів і формування цементного каменю.

ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА

1*. Angelsky O.V. The Use of Optical-Correlation Techniques for Characterizing Scattering Object and Media. / O.V.Angelsky, P.P.Maksimyak, S.Hanson.//-Bellinghan: SPIE Press, PM71.-1999.- 194p.

2*. Langbein W. Time resolved speckle analysis: A new approach to coherence and dephasing of optical excitations in solids. / W. Langbein, J.M. Hvan, R. Zimmerman. - Phys. Rev. Let. - 1999. - V.82, No5. - P.1040-1043.

3*. Горський В.Ф. Тампонажні матеріали і розчини. / В.Ф. Горський // - Чернівці: Облполіграфвидав. - 2006. - 524с.

4*. Ramachandran V.S. Handbook of Analytical Techniques in Concrete. / V.S. Ramachandran, J.J. Beaudoin //- Ottawa: National Research Council of Canada - 2001. - 1120p.

5*. Ли Ф.М. Химия цемента и бетона. / Ф.М. Ли // - М: Госстройиздат. - 1961. - 646с.

6*. Ferraris C.F. Particle size distribution by LASER diffraction spectrometry: application to cementitious powders. / C.F. Ferraris, J.W. Bullard, V. Hackley. // National Institute of Standard and Technology 100 Bureau Drive.

7*. Francon M. La granularitй laser (spekle) et ses applications en optique. / M. Francon. // - Paris-New York-Barcelone-Milan: Institut d'Optique et Universitй de Paris. - 1978.

8*. ГОСТ 310.3 - 76. Цементы. Метод определения нормальной густоты цементного теста

9*. Ishimaru A. Wave Propagation and Scattering in Random Media. / A. Ishimaru // Vol.1,2. Academic Press, New York, 1978.

1. Angelsky O.V. Feasibility of estimating the degree of coherence of waves at the near field. / O.V. Angelsky, C. Yu Zenkova, M. P. Gorsky, N.V. Gorodyns'ka. // - Appl. Opt. - 2009. - V.48. - No16. - P.1-6.

2. Горський М.П. Дослідження гідратації портландцементу методом динамічного світлорозсіяння. / М.П.Горський, А.П.Максимяк, П.П.Максимяк // - Чернівці: ЧНУ, Науковий вісник Чернівецького університету: Збірник наукових праць. - 2005 - Вип. 261: Фізика. Електроніка. - 2005. - С.112

3. Gorsky M.P. Study of dynamic light-scattering in the process of cement hydration. / M.P.Gorsky, A.P.Maksimyak, P.P.Maksimyak// - Proc. SPIE. - 2006. - V. 6254 - Р.244-247

4. Gorsky M.P. Study of speckle dynamic light-scattering in the process of cement hydration / M.P.Gorsky, A.P.Maksimyak, P.P.Maksimyak// - Proc. SPIE. - 2006. - V. 6341 - Р.63412Е1-63412Е6

5. Горский М.П. Изучение гидратации цемента методом рассеяния когерентного светового пучка. / М.П.Горский, В.Ф.Горский, П.П.Максимяк, П.В. Горский// - Оборудование и механизмы для нефтегазового комплекса. - 2006. - №5 - С.42-45.

6. Gorsky M.P. Study of speckle-field dynamics scattered by surface of concrete during congelation. / M.P. Gorsky, A.P. Maksimyak, P.P. Maksimyak. // Proc. SPIE, Vol. 6635, 66350E (2007).

7. Gorsky M.P. Optical correlation technique for cement particle size measurements. / M.P. Gorsky, P.P. Maksimyak, A.P. Maksimyak. // Optica Applicata - 2010. - Vol.40, No2. - Р.459-469.

8. Gorsky M.P. Studies of light backscattering at concrete during its hydration. / M.P. Gorsky, P.P. Maksimyak, A.P. Maksimyak // Ukr. J. Phys. Opt., 2009, Vol. 10, No 3 - Р.134-149.

9. Gorsky M.P. Photoacoustic investigations of polycrystalline structures / M.P.Gorsky, A.P.Maksimyak, P.P.Maksimyak // - Proc. SPIE - 2008. - Vol. 7008 - Р.70080Z.

10. Gorsky M.P. Photoacoustic technique application for concrete hydration diagnostics, / M.P.Gorsky, P.P.Maksimyak // - The 9th International Symposium on Measurement Technology and Intelligent Instruments - 2009 - Volume 3 - Р.3-147 - 3-151.

Горський М.П. Розсіювання когерентного випромінювання полікристалічними структурами в процесі їх формування

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук зі спеціальності 01.04.05 - „Оптика, лазерна фізика”. - Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, Чернівці, 2011.

Для дослідження процесів формування полікристалічними структур вперше запропоновано й апробовано метод заснований на реєстрації флуктуацій інтенсивності розсіяного випромінювання. Метод дозволяє надійно діагностувати утворення вільного вапна у процесі гідратації цементу, утворення кристалів тобермориту, внаслідок зв'язування вільного вапна з кремнеземом, зрощування кристалів тобермориту й утворення цементного каменю.

Запропоновано й апробовано кореляційно-оптичний метод визначення функції розподілу частинок за розмірами (ФРР) порошків при будь-якому показнику їх заломлення. На основі досліджень інтегрального коефіцієнта дифузного відбивання монохроматичного випромінювання сухим цементним порошком, цементним тістом і каменем та фотоакустичних досліджень визначено основні динамічні параметри процесів гідратації, тужавіння і тверднення цементу. Результати математичного моделювання спекл-поля випромінювання, розсіяного цементним тістом і каменем, узгоджуються з експериментальними даними.

Ключові слова: спекл-поле, цемент, гідратація, функція розподілу частинок за розмірами, світлорозсіювання, інтегральний коефіцієнт дифузного відбивання, фотоакустичні дослідження.

SUMMARY

Gorsky M.P. Coherent radiation scattering by polycrystalline structures during formation process

The Candidate of Science in Physics and Mathematics Dissertation. Speciality: 01.04.05 - Optics and Laser Physics. - Chernivtsi National University named by Yuriy Fed'kovich. - Chernivtsi, 2011.

To analyze the processes of coherent radiation scattering by polycrystalline structures during formation process, the method of photoelectrical registration of the speckle field intensity fluctuations has been proposed. For identification of main stages of the cement hydration, grip and hardening stored data are processed by discrete Fourier transform and time derivative square calculation. Such data processing allows identifying lime formation, silica and lime binding, formation of tobermorite crystals and cement stone hardening. Optical correlation technique for determining the powder particles size distribution is proposed. By photoacoustic and integral diffusive reflective coefficient measurements, the main dynamic parameters of cement hydration, grip and hardening processes are investigated. The results of speckle field studying are confirmed by computer simulation.

Keywords: speckle field, cement, hydration, particle size distribution, light-scattering, integral diffusive reflective coefficient, photoacoustic measurements.

АННОТАЦИЯ

Горский М.П. Рассеяние когерентного излучения поликристаллическими структурами в процессе их формирования

Диссертация на соискание научной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.05 - „Оптика, лазерная физика”. - Черновицкий национальный университет имени Юрия Федьковича, Черновцы, 2011.

Для анализа процессов рассеяния когерентного излучения поли-кристаллическими структурами в процессе формирования предложен и апробирован метод основанный на регистрации флуктуаций интенсивности поля рассеянного излучения. Для идентификации основных стадий гидратации, схватывания и твердения минеральных связующих, в частности цемента, накопленные в памяти компьютера данные обрабатываются методами преобразования Фурье и вычисления квадрата производной по времени. Такая обработка позволяет уверенно диагностировать образование свободной извести в процессе гидратации цемента, образование кристаллов тоберморита, вследствие связывания свободной извести с кремнеземом, сращивания кристаллов тоберморита и образования цементного камня. Впервые предложен и апробирован корреляционно-оптический метод определения функции распределения частиц порошков по размерам (ФРР) при любом показателе преломления, основанный на измерении поперечной корреляционной функции изображения цементных частиц. Показано, что ФРР цемента с удовлетворительной точностью апроксимируется распределением Релея. Разработанная методика определения ФРР для частичек порошка цемента апробирована на цементе марки М500. Путем исследования интегрального коэффициента диффузного отражения монохроматического излучения от цементного теста в процессе гидратации определены основные характеристики динамики процессов гидратации, схватывания и твердения цемента. Для моделирования процесса гидратации применена теория переноса. Показано, что процесс изменения относительного показателя преломления и размеров частичек хорошо описывается логистическими функциями, по которым можно определить постоянные скорости роста кристаллов в цементном тесте. Разработана методика фотоакустических исследований, основанная на измерении параметров отклика пьезокерамического датчика на непрерывное освещение когерентным излучением. Фотоакустическими исследованиями определено время образования новых частичек цемента с радиусом, большим, чем критический. На основе полученных экспериментальных данных разработана модель рассеяния когерентного излучения частичками цемента в процессе гидратации. Частички цемента в модели представлялись эквивалентными сферами. Расчеты проводились на основе принципа Гюйгенса - Френеля как суперпозиция вторичных сферичных волн от первого слоя частиц. При этом учитывались только лучи, которые прошли внутрь частицы и отразились от ее внутренней поверхности. Изменение состояния поляризации рассеянного назад излучения происходило за счет двулучепреломления частиц цемента. Геометрические пути лучей и их интенсивности рассчитывались аналитически. Разница фаз между ортогональными компонентами и соотношения их амплитуд учтены с помощью разработанной статистической модели, в основу которой положено предположение о равновероятном распределении ориентации главных оптических осей частиц. Динамика рассчитанных флуктуаций интенсивности при данном подходе коррелирует с флуктуациями интенсивности при учете многократного рассеяния, учет которого связан со значительными математическими сложностями. Результаты математического моделирования спекл-поля рассеянного излучения коррелируют с экспериментальными данными.

Ключевые слова: спекл-поле, цемент, гидратация, функция распределения частиц порошков по размерам, светорассеяние, интегральный коэффициент диффузного отражения, фотоакустические измерения.