Nowe osiągnięcia w zakresie kontroli jakości nawierzchni betonowych mogą dostarczyć istotnych informacji na temat jakości, trwałości i zgodności z normami projektowania hybrydowego.
Podczas budowy nawierzchni betonowej mogą wystąpić sytuacje awaryjne, a wykonawca musi zweryfikować jakość i trwałość betonu odlewanego na miejscu. Do zdarzeń tych należą narażenie na deszcz podczas procesu wylewania, po aplikacji związków utwardzających, skurcz plastyczny i pękanie w ciągu kilku godzin po wylaniu oraz problemy z teksturowaniem i utwardzaniem betonu. Nawet jeśli wymagania wytrzymałościowe i inne testy materiałowe zostaną spełnione, inżynierowie mogą wymagać usunięcia i wymiany części nawierzchni, ponieważ martwią się, czy materiały in-situ spełniają specyfikacje projektu mieszanki.
W tym przypadku petrografia i inne uzupełniające (ale profesjonalne) metody badawcze mogą dostarczyć istotnych informacji na temat jakości i trwałości mieszanek betonowych oraz tego, czy spełniają one wymagania techniczne.
Rysunek 1. Przykłady mikroskopowych zdjęć fluorescencyjnych pasty betonowej przy 0,40 w/c (lewy górny róg) i 0,60 w/c (prawy górny róg). Lewy dolny rysunek przedstawia urządzenie do pomiaru rezystywności cylindra 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 stosunkiem wody do cementu (w/c) a wytrzymałością na ściskanie w 1918 r. [1] i sformułował to, co obecnie nazywa się prawem Abrama: „Wytrzymałość betonu na ściskanie Stosunek wody do cementu”. Oprócz kontrolowania wytrzymałości na ściskanie, obecnie preferowany jest stosunek wody do cementu (w/cm), ponieważ uznaje 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 z przestrzeni między produktami hydratacji cementu a nieuwodnionymi cząstkami cementu, które kiedyś były wypełnione wodą. [2] Pory kapilarne są znacznie drobniejsze niż pory uwięzione lub pory wciągnięte i nie należy ich z nimi mylić. Gdy pory kapilarne są połączone, płyn z otoczenia zewnętrznego może migrować przez zaprawę. 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 dokładne zmierzenie w/cm stwardniałego betonu jest niezwykle trudne, niezawodna metoda może stanowić ważne narzędzie do 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 najczęściej stosowana w naukach medycznych, a także ma ważne zastosowania w nauce o materiałach. Systematyczne stosowanie tej metody w betonie rozpoczęło się prawie 40 lat temu w Danii [3]; została ona ujednolicona w krajach nordyckich w 1991 r. w celu oszacowania w/c stwardniałego betonu i zaktualizowana w 1999 r. [4].
Aby zmierzyć w/cm materiałów na bazie cementu (tj. betonu, zaprawy i spoin), stosuje się fluorescencyjną żywicę epoksydową do wykonania cienkiej sekcji lub bloku betonowego o grubości około 25 mikronów lub 1/1000 cala (rysunek 2). Proces obejmuje Rdzeń betonowy lub cylinder jest cięty na płaskie bloki betonowe (zwane półfabrykatami) o powierzchni około 25 x 50 mm (1 x 2 cale). Półfabrykat jest przyklejany do szkiełka, umieszczany w komorze próżniowej, a żywica epoksydowa jest wprowadzana pod próżnią. Wraz ze wzrostem w/cm zwiększa się łączność i liczba porów, więc więcej epoksydu wniknie do pasty. Badamy płatki pod mikroskopem, używając zestawu specjalnych filtrów, aby wzbudzić barwniki fluorescencyjne w żywicy epoksydowej i odfiltrować nadmiar 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). W miarę wzrostu porowatości w/cm i kapilarnej betonu, unikalny zielony kolor pasty staje się coraz jaśniejszy (patrz rysunek 3).
Rysunek 2. Mikrofotografia fluorescencyjna płatków pokazująca zagregowane cząstki, pustki (v) i pastę. Szerokość pola poziomego wynosi ~ 1,5 mm. Chunyu Qiao i DRP, Twining Company
Rysunek 3. Mikrofotografie fluorescencyjne płatków pokazują, że wraz ze wzrostem w/cm zielona pasta stopniowo staje się jaśniejsza. Te mieszanki są napowietrzane i zawierają popiół lotny. Chunyu Qiao i DRP, Twining Company
Analiza obrazu polega na wyodrębnianiu danych ilościowych z obrazów. Jest stosowana w wielu różnych dziedzinach naukowych, od mikroskopu teledetekcyjnego. Każdy piksel w obrazie cyfrowym staje się zasadniczo punktem danych. Ta metoda pozwala nam przypisywać liczby do różnych poziomów jasności zieleni widocznych na tych obrazach. W ciągu ostatnich 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 używamy analizy 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 mikroskopów fluorescencyjnych cienkich przekrojów. Ten wykres przedstawia liczbę pikseli na danym poziomie szarości na pojedynczym mikrofotograficznym zdjęciu. Trzy szczyty odpowiadają agregatom (pomarańczowa krzywa), paście (szary obszar) i pustce (niewypełniony szczyt 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 w mieszance składającej się z czystego cementu, cementu z popiołu lotnego i naturalnego spoiwa pucolanowego. Chunyu Qiao i DRP, Twining Company
W ostatecznej analizie wymagane są trzy niezależne testy, aby udowodnić, że beton na miejscu jest zgodny ze specyfikacją projektu mieszanki. W miarę możliwości należy uzyskać próbki rdzeni z miejsc, które spełniają wszystkie kryteria akceptacji, a także próbki z powiązanych miejsc. Rdzeń z zaakceptowanego układu można wykorzystać jako próbkę kontrolną i można go wykorzystać jako punkt odniesienia do oceny zgodności odpowiedniego układu.
Z naszego doświadczenia wynika, że gdy inżynierowie z dokumentacją widzą dane uzyskane z tych testów, zazwyczaj akceptują umieszczenie, jeśli spełnione są inne kluczowe cechy inżynieryjne (takie jak wytrzymałość na ściskanie). Dostarczając ilościowe pomiary w/cm i współczynnika formowania, możemy wyjść poza testy określone dla wielu zadań, aby udowodnić, że dana mieszanka ma właściwości, które przełożą się na dobrą trwałość.
David Rothstein, Ph.D., PG, FACI jest głównym litografem DRP, A Twining Company. Ma 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 DRP, A Twining Company, jest geologiem i naukowcem zajmującym się materiałami z ponad dziesięcioletnim doświadczeniem w materiałach cementowych oraz naturalnych i przetworzonych produktach skalnych. Jego wiedza specjalistyczna obejmuje wykorzystanie analizy obrazu i mikroskopii fluorescencyjnej do badania trwałości betonu, ze szczególnym uwzględnieniem uszkodzeń spowodowanych przez sole odladzające, reakcje alkaliczno-krzemowe i ataki chemiczne w oczyszczalniach ścieków.
Czas publikacji: 07-09-2021