Нові розробки в галузі забезпечення якості бетонних покриттів можуть надати важливу інформацію про якість, довговічність та відповідність гібридним нормам проектування.
Під час будівництва бетонного покриття можуть виникати надзвичайні ситуації, і підряднику необхідно перевірити якість та довговічність монолітного бетону. Ці події включають вплив дощу під час процесу заливки, нанесення сумішей для затвердіння після заливки, пластичну усадку та розтріскування протягом кількох годин після заливки, а також проблеми з текстуруванням та затвердінням бетону. Навіть якщо вимоги до міцності та інші випробування матеріалів виконані, інженери можуть вимагати видалення та заміни частин покриття, оскільки вони стурбовані тим, чи відповідають матеріали, що монтуються на місці, проектним вимогам суміші.
У цьому випадку петрографія та інші додаткові (але професійні) методи випробувань можуть надати важливу інформацію про якість та довговічність бетонних сумішей, а також про те, чи відповідають вони робочим вимогам.
Рисунок 1. Приклади флуоресцентних мікрофотографій бетонної пасти з питомою щільністю 0,40 в/ц (верхній лівий кут) та 0,60 в/ц (верхній правий кут). На нижньому лівому рисунку показано пристрій для вимірювання питомого опору бетонного циліндра. На нижньому правому рисунку показано зв'язок між об'ємним питомим опором та питомою щільністю тюнінгу. Чунью Цяо та DRP, компанія Twining.
Закон Абрама: «Міцність бетонної суміші на стиск обернено пропорційна її водоцементному співвідношенню».
Професор Дафф Абрамс вперше описав зв'язок між водоцементним співвідношенням (в/ц) та міцністю на стиск у 1918 році [1] та сформулював те, що зараз називається законом Абрама: «Міцність бетону на стиск – водоцементне співвідношення». Окрім контролю міцності на стиск, водоцементне співвідношення (в/цм) зараз є кращим, оскільки воно враховує заміну портландцементу додатковими цементуючими матеріалами, такими як зола та шлак. Воно також є ключовим параметром довговічності бетону. Багато досліджень показали, що бетонні суміші з в/цм нижче ~0,45 є довговічними в агресивних середовищах, таких як ділянки, що піддаються циклам заморожування-відтавання з солями для боротьби з льодом, або ділянки з високою концентрацією сульфатів у ґрунті.
Капілярні пори є невід'ємною частиною цементного розчину. Вони складаються з простору між продуктами гідратації цементу та негідратованими частинками цементу, які колись були заповнені водою. [2] Капілярні пори набагато тонші, ніж захоплені або заблоковані пори, і їх не слід плутати з ними. Коли капілярні пори з'єднані, рідина із зовнішнього середовища може мігрувати через пасту. Це явище називається проникненням і має бути мінімізоване для забезпечення довговічності. Мікроструктура міцної бетонної суміші полягає в тому, що пори сегментовані, а не з'єднані. Це відбувається, коли w/cm менше ~0,45.
Хоча точно виміряти вологість/см² затверділого бетону надзвичайно складно, надійний метод може стати важливим інструментом забезпечення якості дослідження затверділого монолітного бетону. Флуоресцентна мікроскопія пропонує рішення. Ось як це працює.
Флуоресцентна мікроскопія – це метод, який використовує епоксидну смолу та флуоресцентні барвники для освітлення деталей матеріалів. Він найчастіше використовується в медичних науках, а також має важливе застосування в матеріалознавстві. Систематичне застосування цього методу в бетоні розпочалося майже 40 років тому в Данії [3]; він був стандартизований у скандинавських країнах у 1991 році для оцінки водоцементного співвідношення затверділого бетону та оновлений у 1999 році [4].
Для вимірювання w/cm матеріалів на цементній основі (тобто бетону, розчину та затирки) використовується флуоресцентна епоксидна смола для виготовлення тонкого шліфа або бетонного блоку товщиною приблизно 25 мікронів або 1/1000 дюйма (Рисунок 2). Процес включає: Бетонний стрижень або циліндр розрізають на плоскі бетонні блоки (так звані заготовки) площею приблизно 25 x 50 мм (1 x 2 дюйми). Заготовка приклеюється до предметного скла, поміщається у вакуумну камеру, і епоксидна смола вводиться під вакуумом. Зі збільшенням w/cm зв'язність і кількість пор збільшуються, тому більше епоксидної смоли проникає в пасту. Ми досліджуємо пластівці під мікроскопом, використовуючи набір спеціальних фільтрів для збудження флуоресцентних барвників в епоксидній смолі та фільтрації зайвих сигналів. На цих зображеннях чорні області представляють частинки агрегату та негідратовані частинки цементу. Пористість обох показників фактично дорівнює 0%. Яскраво-зелене коло - це пористість (не пористість), а пористість фактично дорівнює 100%. Одна з цих особливостей. Плямиста зелена «речовина» являє собою пасту (рис. 2). Зі збільшенням водорозчинності (w/cm) та капілярної пористості бетону унікальний зелений колір пасти стає все яскравішим (див. рис. 3).
Рисунок 2. Флуоресцентна мікрофотографія пластівців, що показує агреговані частинки, пустоти (v) та пасту. Ширина горизонтального поля становить ~ 1,5 мм. Chunyu Qiao та DRP, компанія Twining
Рисунок 3. Флуоресцентні мікрофотографії пластівців показують, що зі збільшенням w/cm зелена паста поступово стає яскравішою. Ці суміші аеровані та містять летку золу. Chunyu Qiao та DRP, компанія Twining
Аналіз зображень передбачає вилучення кількісних даних із зображень. Він використовується в багатьох різних наукових галузях, починаючи від мікроскопа дистанційного зондування. Кожен піксель цифрового зображення по суті стає точкою даних. Цей метод дозволяє нам присвоювати числа різним рівням яскравості зеленого кольору, що спостерігаються на цих зображеннях. Протягом останніх 20 років, завдяки революції в потужності настільних обчислень та отриманню цифрових зображень, аналіз зображень став практичним інструментом, який можуть використовувати багато мікроскопістів (включаючи петрологів-бетонників). Ми часто використовуємо аналіз зображень для вимірювання капілярної пористості суспензії. З часом ми виявили, що існує сильна систематична статистична кореляція між w/cm та капілярною пористістю, як показано на наступному рисунку (Рисунок 4 та Рисунок 5).
Рисунок 4. Приклад даних, отриманих з флуоресцентних мікрофотографій тонких зрізів. Цей графік відображає кількість пікселів на заданому рівні сірого на одній фотомікрофотографії. Три піки відповідають агрегатам (помаранчева крива), пасті (сіра область) та пустотам (незаповнений пік крайній праворуч). Крива пасти дозволяє розрахувати середній розмір пор та його стандартне відхилення. Чунью Цяо та DRP, Twining Company Рисунок 5. Цей графік підсумовує серію середніх капілярних вимірювань w/cm та 95% довірчі інтервали в суміші, що складається з чистого цементу, цементу з летючої золи та натурального пуцоланового в'яжучого. Чунью Цяо та DRP, Twining Company
Зрештою, для підтвердження відповідності бетону, виготовленого на місці, специфікаціям проекту суміші необхідно провести три незалежні випробування. Наскільки це можливо, отримайте кернові зразки з місць розташування, які відповідають усім критеріям прийнятності, а також зразки з пов'язаних місць розташування. Керн із прийнятого розташування можна використовувати як контрольний зразок, і ви можете використовувати його як еталон для оцінки відповідності відповідного розташування.
З нашого досвіду, коли інженери, які мають записи, бачать дані, отримані в результаті цих випробувань, вони зазвичай погоджуються на розміщення, якщо дотримано інших ключових інженерних характеристик (таких як міцність на стиск). Надаючи кількісні вимірювання w/cm та коефіцієнта пластування, ми можемо вийти за рамки випробувань, зазначених для багатьох робіт, щоб довести, що розглянута суміш має властивості, які забезпечать хорошу довговічність.
Девід Ротштейн, доктор філософії, член Ассоциації архітекторів і членів Американського інституту інженерів, є головним літографом DRP, компанії Twining. Він має понад 25 років професійного досвіду петрології та особисто оглянув понад 10 000 зразків з понад 2000 проектів по всьому світу. Доктор Чунью Цяо, головний науковий співробітник DRP, компанії Twining, є геологом і матеріалознавець з більш ніж десятирічним досвідом роботи з цементуючими матеріалами, а також продуктами з природних і оброблених гірських порід. Його досвід включає використання аналізу зображень та флуоресцентної мікроскопії для вивчення довговічності бетону, з особливим акцентом на пошкодження, спричинені солями для протиожеледних ефектів, лужно-кремнієвими реакціями та хімічним впливом на очисних спорудах стічних вод.
Час публікації: 07 вересня 2021 р.