Nowe osiągnięcia w zakresie kontroli jakości nawierzchni betonowych mogą dostarczyć ważnych informacji na temat jakości, trwałości i zgodności z przepisami dotyczącymi projektowania nawierzchni hybrydowych.
Podczas budowy nawierzchni betonowej mogą wystąpić sytuacje awaryjne, a wykonawca musi zweryfikować jakość i trwałość betonu lanego na miejscu. Do takich zdarzeń należą: narażenie na deszcz podczas wylewania, po aplikacji środków utwardzających, skurcz plastyczny i pękanie w ciągu kilku godzin po wylaniu, a także problemy z teksturowaniem i utwardzaniem betonu. Nawet jeśli wymagania wytrzymałościowe i inne testy materiałowe zostaną spełnione, inżynierowie mogą wymagać demontażu i wymiany elementów nawierzchni, ponieważ obawiają się, czy materiały stosowane na miejscu spełniają specyfikacje mieszanki betonowej.
W tym przypadku petrografia i inne uzupełniające (ale profesjonalne) metody badawcze mogą dostarczyć ważnych informacji na temat jakości i trwałości mieszanek betonowych oraz tego, czy spełniają one wymagania techniczne.
Rysunek 1. Przykłady mikroskopowych zdjęć fluorescencyjnych pasty betonowej o gęstości 0,40 W/C (lewy górny róg) i 0,60 W/C (prawy górny róg). Lewy dolny rysunek przedstawia urządzenie do pomiaru rezystywności walca betonowego. Prawy dolny rysunek przedstawia zależność między rezystywnością objętościową a W/C. Chunyu Qiao i DRP, spółka Twining Company
Prawo Abramsa: „Wytrzymałość na ściskanie mieszanki betonowej jest odwrotnie proporcjonalna do jej stosunku wody do cementu”.
Profesor Duff Abrams po raz pierwszy opisał związek między wskaźnikiem woda/cement (w/c) a wytrzymałością na ściskanie w 1918 roku [1] i sformułował to, co obecnie nazywa się prawem Abrama: „Wytrzymałość na ściskanie betonu Wskaźnik woda/cement”. Oprócz kontrolowania wytrzymałości na ściskanie, obecnie preferowany jest wskaźnik woda/cement (w/cm), ponieważ uwzględnia on zastąpienie cementu portlandzkiego dodatkowymi materiałami cementowymi, takimi jak popiół lotny i żużel. Jest to również kluczowy parametr trwałości betonu. Wiele badań wykazało, że mieszanki betonowe o w/cm niższym niż ~0,45 są trwałe w agresywnych środowiskach, takich jak obszary narażone na cykle zamrażania i rozmrażania z solami odladzającymi lub obszary, w których występuje wysokie stężenie siarczanów w glebie.
Pory kapilarne są nieodłączną częścią zaczynu cementowego. Składają się one z przestrzeni między produktami hydratacji cementu a nieuwodnionymi cząstkami cementu, które były kiedyś wypełnione wodą. [2] Pory kapilarne są znacznie drobniejsze niż pory uwięzione i nie należy ich z nimi mylić. Gdy pory kapilarne są połączone, płyn z otoczenia może migrować przez zaczyn. Zjawisko to nazywa się penetracją i musi być minimalizowane, aby zapewnić trwałość. Mikrostruktura trwałej mieszanki betonowej polega na tym, że pory są segmentowane, a nie połączone. Dzieje się tak, gdy w/cm jest mniejsze niż ~0,45.
Chociaż dokładny pomiar współczynnika W/cm stwardniałego betonu jest niezwykle trudny, wiarygodna metoda może stanowić ważne narzędzie kontroli jakości w badaniu stwardniałego betonu odlewanego na miejscu. Rozwiązaniem jest mikroskopia fluorescencyjna. Oto jak to działa.
Mikroskopia fluorescencyjna to technika wykorzystująca żywicę epoksydową i barwniki fluorescencyjne do oświetlania detali materiałów. Jest ona najczęściej stosowana w naukach medycznych, a także ma istotne zastosowanie w materiałoznawstwie. Systematyczne stosowanie tej metody do badania betonu rozpoczęło się prawie 40 lat temu w Danii [3]; w krajach nordyckich została ona znormalizowana w 1991 roku do szacowania współczynnika w/c stwardniałego betonu i zaktualizowana w 1999 roku [4].
Aby zmierzyć w/cm materiałów na bazie cementu (tj. betonu, zaprawy i spoin), stosuje się fluorescencyjną żywicę epoksydową do wykonania cienkiej sekcji lub bloczka betonowego o grubości około 25 mikronów lub 1/1000 cala (rysunek 2). Proces obejmuje: Rdzeń betonowy lub cylinder jest cięty na płaskie betonowe bloki (zwane półfabrykatami) o powierzchni około 25 x 50 mm (1 x 2 cale). Półfabrykat jest przyklejany do szklanego szkiełka, umieszczany w komorze próżniowej, a następnie wprowadzana jest żywica epoksydowa pod próżnią. Wraz ze wzrostem w/cm zwiększa się łączność i liczba porów, więc więcej żywicy epoksydowej wniknie do pasty. Badamy płatki pod mikroskopem, używając zestawu specjalnych filtrów do wzbudzenia barwników fluorescencyjnych w żywicy epoksydowej i odfiltrowania nadmiarowych sygnałów. Na tych obrazach czarne obszary reprezentują cząstki kruszywa i nieuwodnione cząstki cementu. Porowatość obu wynosi zasadniczo 0%. Jasnozielony okrąg to porowatość (nie porowatość), a porowatość wynosi zasadniczo 100%. Jedną z tych cech jest nakrapiana zielona „substancja” to pasta (rysunek 2). Wraz ze wzrostem porowatości kapilarnej i współczynnika w/cm betonu, unikalny zielony kolor pasty staje się coraz jaśniejszy (patrz rysunek 3).
Rysunek 2. Mikrofotografia fluorescencyjna płatków ukazująca zagregowane cząstki, puste przestrzenie (v) i pastę. Szerokość pola widzenia w poziomie wynosi ~1,5 mm. Chunyu Qiao i DRP, spółka Twining Company
Rysunek 3. Mikrofotografie fluorescencyjne płatków pokazują, że wraz ze wzrostem w/cm zielona pasta stopniowo staje się jaśniejsza. Mieszanki te są napowietrzane i zawierają popiół lotny. Chunyu Qiao i DRP, spółka Twining Company
Analiza obrazu polega na ekstrakcji danych ilościowych z obrazów. Jest wykorzystywana w wielu różnych dziedzinach nauki, od mikroskopów teledetekcyjnych. Każdy piksel na obrazie cyfrowym staje się w zasadzie punktem danych. Ta metoda pozwala nam przypisać liczby do różnych poziomów jasności zieleni widocznych na tych obrazach. W ciągu ostatnich około 20 lat, wraz z rewolucją w mocy obliczeniowej komputerów stacjonarnych i cyfrowym pozyskiwaniu obrazów, analiza obrazu stała się praktycznym narzędziem, z którego może korzystać wielu mikroskopistów (w tym petrologów betonu). Często wykorzystujemy analizę obrazu do pomiaru porowatości kapilarnej zawiesiny. Z czasem odkryliśmy, że istnieje silna systematyczna korelacja statystyczna między w/cm a porowatością kapilarną, jak pokazano na poniższym rysunku (rysunek 4 i rysunek 5).
Rysunek 4. Przykład danych uzyskanych z mikroskopii fluorescencyjnej cienkich skrawków. Ten wykres przedstawia liczbę pikseli na danym poziomie szarości na pojedynczym mikrofotografii. Trzy piki odpowiadają agregatom (pomarańczowa krzywa), paście (szary obszar) i pustce (niewypełniony pik po prawej stronie). Krzywa pasty pozwala obliczyć średni rozmiar porów i jego odchylenie standardowe. Chunyu Qiao i DRP, Twining Company Rysunek 5. Ten wykres podsumowuje serię średnich pomiarów kapilarnych w/cm i 95% przedziałów ufności dla mieszanki składającej się z czystego cementu, cementu z popiołu lotnego i naturalnego spoiwa pucolanowego. Chunyu Qiao i DRP, Twining Company
Ostatecznie wymagane są trzy niezależne testy, aby potwierdzić zgodność betonu na placu budowy ze specyfikacją mieszanki betonowej. W miarę możliwości należy pobrać próbki rdzeni z miejsc, które spełniają wszystkie kryteria akceptacji, a także próbki z miejsc powiązanych. Rdzeń z zaakceptowanego układu może posłużyć jako próbka kontrolna i stanowić punkt odniesienia do oceny zgodności danego układu.
Z naszego doświadczenia wynika, że inżynierowie z doświadczeniem, widząc dane uzyskane z tych testów, zazwyczaj akceptują montaż, jeśli spełnione są inne kluczowe parametry inżynieryjne (takie jak wytrzymałość na ściskanie). Dostarczając ilościowe pomiary W/cm i współczynnika formowania, możemy wyjść poza testy wymagane dla wielu prac i udowodnić, że dana mieszanka ma właściwości, które przełożą się na dobrą trwałość.
David Rothstein, Ph.D., PG, FACI, jest głównym litografem w DRP, firmie Twining Company. Posiada ponad 25 lat doświadczenia zawodowego jako petrolog i osobiście zbadał ponad 10 000 próbek z ponad 2000 projektów na całym świecie. Dr Chunyu Qiao, główny naukowiec w DRP, firmie Twining Company, jest geologiem i materiałoznawcą z ponad dziesięcioletnim doświadczeniem w zakresie materiałów cementowych oraz naturalnych i przetworzonych produktów skalnych. Jego specjalizacja obejmuje wykorzystanie analizy obrazu i mikroskopii fluorescencyjnej do badania trwałości betonu, ze szczególnym uwzględnieniem uszkodzeń spowodowanych przez sole odladzające, reakcje alkaliczno-krzemowe oraz agresję chemiczną w oczyszczalniach ścieków.
Czas publikacji: 07.09.2021