Novi razvojni dosežki pri zagotavljanju kakovosti betonskih vozišč lahko zagotovijo pomembne informacije o kakovosti, trajnosti in skladnosti s hibridnimi projektnimi predpisi.
Pri gradnji betonskega vozišča se lahko pojavijo izredni dogodki, izvajalec pa mora preveriti kakovost in trajnost betona, ulitega na mestu. Ti dogodki vključujejo izpostavljenost dežju med postopkom vlivanja, naknadno nanašanje utrjevalnih mas, plastično krčenje in razpokanje v nekaj urah po vlivanju ter težave s teksturiranjem in utrjevanjem betona. Tudi če so izpolnjene zahteve glede trdnosti in drugi preskusi materialov, lahko inženirji zahtevajo odstranitev in zamenjavo delov vozišča, ker jih skrbi, ali materiali na kraju samem izpolnjujejo specifikacije mešanice.
V tem primeru lahko petrografija in druge dopolnilne (vendar profesionalne) preskusne metode zagotovijo pomembne informacije o kakovosti in trajnosti betonskih mešanic ter o tem, ali izpolnjujejo delovne specifikacije.
Slika 1. Primeri fluorescenčnih mikroskopskih posnetkov betonske paste pri gostoti 0,40 w/c (zgornji levi kot) in 0,60 w/c (zgornji desni kot). Spodnja leva slika prikazuje napravo za merjenje upornosti betonskega valja. Spodnja desna slika prikazuje razmerje med volumsko upornostjo in gostoto v/c. Chunyu Qiao in DRP, podjetje Twining.
Abramov zakon: »Tlačna trdnost betonske mešanice je obratno sorazmerna z njenim vodocementnim razmerjem.«
Profesor Duff Abrams je leta 1918 [1] prvi opisal razmerje med razmerjem voda-cement (v/c) in tlačno trdnostjo ter formuliral tako imenovani Abramov zakon: »Tlačna trdnost betona je razmerje voda/cement.« Poleg nadzora tlačne trdnosti je razmerje voda-cement (v/cm) zdaj priljubljeno, saj omogoča zamenjavo portlandskega cementa z dodatnimi cementnimi materiali, kot sta pepel in žlindra. Je tudi ključni parameter trajnosti betona. Številne študije so pokazale, da so betonske mešanice z razmerjem voda/cm nižjim od ~0,45 trpežne v agresivnih okoljih, kot so območja, izpostavljena ciklom zmrzovanja in odtajevanja s solmi za odtajanje, ali območja z visoko koncentracijo sulfata v tleh.
Kapilarne pore so sestavni del cementne kaše. Sestavljene so iz prostora med produkti hidratacije cementa in nehidriranimi delci cementa, ki so bili nekoč napolnjeni z vodo. [2] Kapilarne pore so veliko finejše od ujetih ali ujetih por in jih ne smemo zamenjevati z njimi. Ko so kapilarne pore povezane, lahko tekočina iz zunanjega okolja migrira skozi pasto. Ta pojav se imenuje penetracija in ga je treba čim bolj zmanjšati, da se zagotovi trajnost. Mikrostruktura trajne betonske mešanice je takšna, da so pore segmentirane in ne povezane. To se zgodi, ko je razmerje med vodo in betonom (w/cm) manjše od ~0,45.
Čeprav je znano težko natančno izmeriti razmerje med vodo in maso (w/cm) strjenega betona, lahko zanesljiva metoda zagotovi pomembno orodje za zagotavljanje kakovosti pri preiskovanju strjenega betona, ulitega na mestu. Fluorescentna mikroskopija ponuja rešitev. Takole deluje.
Fluorescenčna mikroskopija je tehnika, ki uporablja epoksidno smolo in fluorescentna barvila za osvetlitev podrobnosti materialov. Najpogosteje se uporablja v medicinskih znanostih, pomembne aplikacije pa ima tudi v znanosti o materialih. Sistematična uporaba te metode v betonu se je začela pred skoraj 40 leti na Danskem [3]; v nordijskih državah je bila standardizirana leta 1991 za ocenjevanje vodoceličnega razmerja strjenega betona in posodobljena leta 1999 [4].
Za merjenje razmerja w/cm materialov na osnovi cementa (tj. betona, malte in fugirnih mas) se uporablja fluorescentni epoksid za izdelavo tankega prereza ali betonskega bloka debeline približno 25 mikronov ali 1/1000 palca (slika 2). Postopek vključuje naslednje: betonsko jedro ali valj se razreže na ploščate betonske bloke (imenovane slepi kosi) s površino približno 25 x 50 mm (1 x 2 palca). Slepi kos se prilepi na stekleno stekelce, postavi v vakuumsko komoro in vanj se pod vakuumom vnese epoksidna smola. Ko se razmerje w/cm povečuje, se povečuje povezljivost in število por, zato bo v pasto prodrlo več epoksidne smole. Kosmiče pregledamo pod mikroskopom z uporabo posebnih filtrov za vzbujanje fluorescentnih barvil v epoksidni smoli in filtriranje odvečnih signalov. Na teh slikah črna območja predstavljajo agregatne delce in nehidrirane cementne delce. Poroznost obeh je v bistvu 0 %. Svetlo zelen krog predstavlja poroznost (ne poroznost), poroznost pa je v bistvu 100 %. Ena od teh značilnosti je pikasta zelena »snov«, ki je pasta (slika 2). Z naraščanjem razmerja v/cm in kapilarne poroznosti betona postaja edinstvena zelena barva paste vse svetlejša (glej sliko 3).
Slika 2. Fluorescenčna mikrografija kosmičev, ki prikazuje agregirane delce, praznine (v) in pasto. Širina horizontalnega polja je ~ 1,5 mm. Chunyu Qiao in DRP, podjetje Twining.
Slika 3. Fluorescenčne mikrografije kosmičev kažejo, da se zelena pasta z naraščanjem razmerja w/cm postopoma svetleje obarva. Te mešanice so prezračene in vsebujejo pepel. Chunyu Qiao in DRP, podjetje Twining.
Analiza slik vključuje pridobivanje kvantitativnih podatkov iz slik. Uporablja se na številnih različnih znanstvenih področjih, od daljinskega zaznavanja do mikroskopa. Vsaka slikovna pika na digitalni sliki v bistvu postane podatkovna točka. Ta metoda nam omogoča, da različnim stopnjam zelene svetlosti, ki jih vidimo na teh slikah, pripišemo številke. V zadnjih približno 20 letih, z revolucijo v moči namiznih računalnikov in digitalnem zajemanju slik, je analiza slik postala praktično orodje, ki ga lahko uporabljajo številni mikroskopisti (vključno s petrologi, ki se ukvarjajo z betonom). Analizo slik pogosto uporabljamo za merjenje kapilarne poroznosti suspenzije. Sčasoma smo ugotovili, da obstaja močna sistematična statistična korelacija med w/cm in kapilarno poroznostjo, kot je prikazano na naslednji sliki (slika 4 in slika 5).
Slika 4. Primer podatkov, pridobljenih s fluorescentnimi mikrografijami tankih rezov. Ta graf prikazuje število slikovnih pik pri dani ravni sive na eni sami fotomikrografiji. Trije vrhovi ustrezajo agregatom (oranžna krivulja), pasti (sivo območje) in praznini (nezapolnjen vrh na skrajni desni). Krivulja paste omogoča izračun povprečne velikosti por in njenega standardnega odklona. Chunyu Qiao in DRP, podjetje Twining. Slika 5. Ta graf povzema vrsto povprečnih kapilarnih meritev w/cm in 95-odstotne intervale zaupanja v mešanici, sestavljeni iz čistega cementa, cementa iz letečega pepela in naravnega pucolanskega veziva. Chunyu Qiao in DRP, podjetje Twining.
V končni analizi so potrebni trije neodvisni preskusi, da se dokaže, da beton na gradbišču ustreza specifikacijam mešanice. Kolikor je mogoče, pridobite vzorce jeder iz lokacij, ki izpolnjujejo vsa merila sprejemljivosti, kot tudi vzorce iz sorodnih lokacij. Jedro iz sprejete postavitve se lahko uporabi kot kontrolni vzorec, vi pa ga lahko uporabite kot merilo za oceno skladnosti ustrezne postavitve.
Po naših izkušnjah inženirji z evidencami običajno sprejmejo vgradnjo, če so izpolnjene tudi druge ključne inženirske značilnosti (kot je tlačna trdnost). Z zagotavljanjem kvantitativnih meritev razmerja med vodo in maso (w/cm) in faktorja oblikovanja lahko presežemo preskuse, določene za številna dela, in dokažemo, da ima zadevna mešanica lastnosti, ki se bodo odrazile v dobri trajnosti.
David Rothstein, dr., PG, FACI, je glavni litograf podjetja DRP, podjetja Twining. Ima več kot 25 let profesionalnih petroloških izkušenj in je osebno pregledal več kot 10.000 vzorcev iz več kot 2000 projektov po vsem svetu. Dr. Chunyu Qiao, glavni znanstvenik podjetja DRP, podjetja Twining, je geolog in znanstvenik za materiale z več kot desetimi leti izkušenj na področju cementiranja materialov ter naravnih in predelanih kamnin. Njegovo strokovno znanje vključuje uporabo analize slik in fluorescenčne mikroskopije za preučevanje trajnosti betona, s posebnim poudarkom na škodi, ki jo povzročajo soli za odtajanje, alkalno-silicijeve reakcije in kemični napadi v čistilnih napravah.
Čas objave: 7. september 2021