Nowe osiągnięcia w zapewnianiu jakości nawierzchni betonowych mogą dostarczyć ważnych informacji na temat jakości, trwałości i zgodności z przepisami dotyczącymi projektowania hybrydowego.
Podczas budowy nawierzchni betonowej mogą wystąpić sytuacje awaryjne, a wykonawca musi zweryfikować jakość i trwałość betonu wylewanego na miejscu. Zdarzenia te obejmują narażenie na deszcz podczas procesu wylewania, po zastosowaniu środków utwardzających, skurcz plastyczny i pękanie w ciągu kilku godzin po wylaniu, a także problemy z teksturą i dojrzewaniem betonu. Nawet jeśli spełnione są wymagania wytrzymałościowe i inne testy materiałów, inżynierowie mogą wymagać usunięcia i wymiany części nawierzchni, ponieważ martwią się, czy materiały wykonane na miejscu spełniają specyfikacje projektowe mieszanki.
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 specyfikacje robocze.
Rysunek 1. Przykłady mikrofotografii zaczynu betonowego przy użyciu mikroskopu fluorescencyjnego przy stężeniu 0,40 w/c (lewy górny róg) i 0,60 w/c (prawy górny róg). Lewy dolny rysunek przedstawia urządzenie do pomiaru rezystywności betonowego cylindra. Dolny rysunek po prawej stronie pokazuje zależność pomiędzy opornością objętościową i w/c. Chunyu Qiao i DRP, firma bliźniacza
Prawo Abrama: „Wytrzymałość mieszanki betonowej na ściskanie jest odwrotnie proporcjonalna do jej stosunku wody do cementu”.
Profesor Duff Abrams po raz pierwszy opisał związek pomiędzy stosunkiem wodno-cementowym (w/c) a wytrzymałością na ściskanie w 1918 r. [1] i sformułował tak zwane prawo Abrama: „Wytrzymałość betonu na ściskanie. Stosunek woda/cement”. Oprócz kontrolowania wytrzymałości na ściskanie, obecnie preferowany jest stosunek cementu wodnego (w/cm), ponieważ uwzględnia on zastąpienie cementu portlandzkiego dodatkowymi materiałami cementującymi, takimi jak popiół lotny i żużel. Jest to także kluczowy parametr trwałości betonu. Wiele badań wykazało, że mieszanki betonowe o w/cm mniejszym niż ~0,45 są trwałe w agresywnych środowiskach, takich jak obszary narażone na cykle zamrażania i rozmrażania z solami odladzającymi lub obszary o wysokim stężeniu siarczanów w glebie.
Pory kapilarne są nieodłączną częścią zaczynu cementowego. Składają się z przestrzeni pomiędzy produktami hydratacji cementu a nieuwodnionymi cząstkami cementu, które kiedyś były wypełnione wodą. [2] Pory kapilarne są znacznie mniejsze niż pory porywane lub uwięzione i nie należy ich mylić z nimi. Kiedy pory kapilarne są połączone, płyn ze środowiska zewnętrznego może migrować przez pastę. Zjawisko to nazywa się penetracją i należy je minimalizować, aby zapewnić trwałość. Mikrostruktura trwałej mieszanki betonowej polega na tym, że pory są podzielone na segmenty, a nie połączone. Dzieje się tak, gdy w/cm jest mniejsze niż ~0,45.
Chociaż dokładny pomiar w/cm stwardniałego betonu jest niezwykle trudny, niezawodna metoda może stanowić ważne narzędzie zapewnienia jakości w badaniu stwardniałego betonu wylewanego na miejscu. Rozwiązaniem jest mikroskopia fluorescencyjna. Tak to działa.
Mikroskopia fluorescencyjna to technika wykorzystująca żywicę epoksydową i barwniki fluorescencyjne do oświetlania szczegółów materiałów. Jest najczęściej stosowany w naukach medycznych, ale ma również ważne zastosowania w materiałoznawstwie. Systematyczne stosowanie tej metody w betonie rozpoczęło się prawie 40 lat temu w Danii [3]; został on ujednolicony w krajach nordyckich w 1991 r. do szacowania w/c stwardniałego betonu i został zaktualizowany w 1999 r. [4].
Aby zmierzyć w/cm materiałów na bazie cementu (tj. betonu, zaprawy i fug), stosuje się fluorescencyjną żywicę epoksydową do wykonania cienkiego przekroju lub bloku betonowego o grubości około 25 mikronów lub 1/1000 cala (rysunek 2). Proces polega na tym, że betonowy rdzeń lub cylinder jest cięty na płaskie bloki betonowe (zwane półfabrykatami) o powierzchni około 25 x 50 mm (1 x 2 cale). Półfabrykat przykleja się do szkiełka, umieszcza w komorze próżniowej i pod próżnią wprowadza się żywicę epoksydową. Wraz ze wzrostem w/cm wzrasta łączność i liczba porów, więc więcej żywicy epoksydowej przeniknie do pasty. Płatki badamy pod mikroskopem, wykorzystując zestaw specjalnych filtrów, które wzbudzają barwniki fluorescencyjne zawarte w żywicy epoksydowej i odfiltrowują nadmiar sygnałów. Na tych obrazach czarne obszary reprezentują cząstki kruszywa i cząstki nieuwodnionego cementu. Porowatość tych dwóch wynosi w zasadzie 0%. Jasnozielone kółko to porowatość (nie porowatość), a porowatość wynosi w zasadzie 100%. Jedną z tych cech Nakrapiana zielona „substancja” jest pastą (Rysunek 2). W miarę wzrostu w/cm i porowatości kapilarnej betonu unikalny zielony kolor pasty staje się coraz jaśniejszy (patrz rysunek 3).
Rysunek 2. Mikrofotografia fluorescencyjna płatków przedstawiająca zagregowane cząstki, puste przestrzenie (v) i pastę. Szerokość pola poziomego wynosi ~ 1,5 mm. Chunyu Qiao i DRP, firma bliźniacza
Rycina 3. Mikrografie fluorescencyjne płatków pokazują, że wraz ze wzrostem w/cm zielona pasta stopniowo staje się jaśniejsza. Mieszanki te są napowietrzone i zawierają popiół lotny. Chunyu Qiao i DRP, firma bliźniacza
Analiza obrazu polega na wyodrębnianiu danych ilościowych z obrazów. Jest stosowany w wielu różnych dziedzinach nauki, począwszy od mikroskopu teledetekcyjnego. Każdy piksel na obrazie cyfrowym staje się zasadniczo punktem danych. Ta metoda pozwala nam przypisać liczby do różnych poziomów jasności zieleni widocznych na tych obrazach. W ciągu ostatnich 20 lat, wraz z rewolucją w mocy obliczeniowej komputerów stacjonarnych i pozyskiwaniu obrazów cyfrowych, analiza obrazu stała się praktycznym narzędziem, z którego może korzystać wielu mikroskopistów (w tym petrologów betonu). Często wykorzystujemy analizę obrazu do pomiaru porowatości kapilarnej szlamu. Z biegiem czasu odkryliśmy, że istnieje silna, systematyczna korelacja statystyczna pomiędzy w/cm a porowatością kapilarną, jak pokazano na poniższym rysunku (rysunek 4 i rysunek 5).
Rysunek 4. Przykład danych uzyskanych z mikrofotografii fluorescencyjnej cienkich skrawków. Ten wykres przedstawia liczbę pikseli przy danym poziomie szarości na pojedynczej fotomikrografii. Trzy piki odpowiadają agregatom (krzywa pomarańczowa), pastie (szary obszar) i pustce (niewypełniony szczyt po prawej stronie). Krzywa pasty pozwala obliczyć średnią wielkość porów i jej odchylenie standardowe. Chunyu Qiao i DRP, Twining Company Rysunek 5. Wykres ten podsumowuje serię średnich pomiarów kapilarnych w/cm i 95% przedziałów ufności w mieszance składającej się z czystego cementu, cementu na popiół lotny i naturalnego spoiwa pucolanowego. Chunyu Qiao i DRP, firma bliźniacza
W ostatecznej analizie wymagane są trzy niezależne testy, aby wykazać, że beton na budowie jest zgodny ze specyfikacją projektową mieszanki. W miarę możliwości należy uzyskać próbki podstawowe z placówek spełniających wszystkie kryteria akceptacji, a także próbki z placówek powiązanych. Rdzeń zaakceptowanego układu można wykorzystać jako próbkę kontrolną i można go wykorzystać jako punkt odniesienia do oceny zgodności odpowiedniego układu.
Z naszego doświadczenia wynika, że inżynierowie dysponujący dokumentacją zapoznający się z danymi uzyskanymi z tych testów zazwyczaj akceptują umieszczenie obiektu, jeśli spełnione są inne kluczowe parametry techniczne (takie jak wytrzymałość na ściskanie). Dostarczając pomiary ilościowe w/cm i współczynnika formacji, możemy wyjść poza badania określone dla wielu zleceń i wykazać, że dana mieszanka posiada właściwości, które przełożą się na dobrą trwałość.
Doktor David Rothstein, PG, FACI jest głównym litografem DRP, A Twining Company. Ma ponad 25-letnie doświadczenie w zawodzie petrologa i osobiście sprawdził ponad 10 000 próbek z ponad 2000 projektów na całym świecie. Dr Chunyu Qiao, główny naukowiec DRP, spółki Twining Company, jest geologiem i naukowcem zajmującym się materiałami z ponad dziesięcioletnim doświadczeniem w zakresie materiałów cementowych oraz naturalnych i przetworzonych produktów skalnych. Jego specjalistyczna wiedza obejmuje wykorzystanie analizy obrazu i mikroskopii fluorescencyjnej do badania trwałości betonu, ze szczególnym uwzględnieniem uszkodzeń spowodowanych solami odladzającymi, reakcjami alkaliczno-krzemowymi oraz atakiem chemicznym w oczyszczalniach ścieków.
Czas publikacji: 07 września 2021 r