Новые разработки в области обеспечения качества бетонных покрытий могут предоставить важную информацию о качестве, долговечности и соответствии нормам гибридного проектирования.
При строительстве бетонного покрытия могут возникнуть чрезвычайные ситуации, и подрядчику необходимо проверить качество и долговечность монолитного бетона. Эти события включают воздействие дождя во время процесса заливки, пост-нанесение отверждающих составов, пластическую усадку и растрескивание в течение нескольких часов после заливки, а также проблемы с текстурированием и отверждением бетона. Даже если требования к прочности и другие испытания материалов соблюдены, инженеры могут потребовать снятия и замены частей дорожного покрытия, поскольку они обеспокоены тем, соответствуют ли материалы, используемые на месте, спецификациям конструкции смеси.
В этом случае петрография и другие дополнительные (но профессиональные) методы испытаний могут предоставить важную информацию о качестве и долговечности бетонных смесей и о том, соответствуют ли они рабочим характеристикам.
Рисунок 1. Примеры микрофотографий бетонного теста, полученных с помощью флуоресцентного микроскопа, при 0,40 мас./ц (верхний левый угол) и 0,60 мас./ц (верхний правый угол). На левом нижнем рисунке показано устройство для измерения удельного сопротивления бетонного цилиндра. На нижнем правом рисунке показана взаимосвязь между объемным сопротивлением и водоц. Чуньюй Цяо и DRP, компания Twining
Закон Абрама: «Прочность бетонной смеси на сжатие обратно пропорциональна ее водоцементному соотношению».
Профессор Дафф Абрамс впервые описал взаимосвязь между водоцементным соотношением (в/ц) и прочностью на сжатие в 1918 году [1] и сформулировал то, что сейчас называется законом Абрама: «Соотношение воды и цемента в бетоне». В дополнение к контролю прочности на сжатие теперь предпочтение отдается водоцементному соотношению (в/см), поскольку оно допускает замену портландцемента дополнительными вяжущими материалами, такими как летучая зола и шлак. Это также ключевой параметр долговечности бетона. Многие исследования показали, что бетонные смеси с массой веса менее ~0,45 прочны в агрессивных средах, например, в районах, подверженных циклам замораживания-оттаивания с противогололедными солями, или в районах с высокой концентрацией сульфатов в почве.
Капиллярные поры являются неотъемлемой частью цементного раствора. Они состоят из пространства между продуктами гидратации цемента и негидратированными частицами цемента, которые когда-то были заполнены водой. [2] Капиллярные поры намного тоньше, чем увлеченные или захваченные поры, и их не следует путать с ними. Когда капиллярные поры соединены, жидкость из внешней среды может мигрировать через пасту. Это явление называется проникновением, и его необходимо свести к минимуму для обеспечения долговечности. Микроструктура прочной бетонной смеси такова, что поры сегментированы, а не соединены между собой. Это происходит, когда Вт/см меньше ~0,45.
Хотя точно измерить вес/см затвердевшего бетона крайне сложно, надежный метод может стать важным инструментом обеспечения качества при исследовании затвердевшего монолитного бетона. Флуоресцентная микроскопия дает решение. Вот как это работает.
Флуоресцентная микроскопия — это метод, в котором для освещения деталей материалов используются эпоксидная смола и флуоресцентные красители. Он чаще всего используется в медицинских науках, а также имеет важные применения в материаловедении. Систематическое применение этого метода в бетоне началось почти 40 лет назад в Дании [3]; он был стандартизирован в странах Северной Европы в 1991 году для оценки водосодержания затвердевшего бетона и обновлен в 1999 году [4].
Для измерения удельного веса материалов на основе цемента (например, бетона, строительного раствора и затирки) флуоресцентная эпоксидная смола используется для изготовления тонкого сечения или бетонного блока толщиной примерно 25 микрон или 1/1000 дюйма (рис. 2). Процесс включает в себя: бетонное ядро или цилиндр разрезается на плоские бетонные блоки (называемые заготовками) площадью примерно 25 х 50 мм (1 х 2 дюйма). Заготовка приклеивается к предметному стеклу, помещается в вакуумную камеру и под вакуумом вводится эпоксидная смола. По мере увеличения толщины слоя связность и количество пор будут увеличиваться, поэтому в пасту будет проникать больше эпоксидной смолы. Мы рассматриваем хлопья под микроскопом, используя набор специальных фильтров для возбуждения флуоресцентных красителей в эпоксидной смоле и фильтрации лишних сигналов. На этих изображениях черные области представляют собой совокупные частицы и негидратированные частицы цемента. Пористость обоих составляет в основном 0%. Ярко-зеленый кружок — это пористость (не пористость), а пористость в основном равна 100%. Одна из таких особенностей. Крапчатая зеленая «субстанция» представляет собой пасту (рис. 2). По мере увеличения удельной массы бетона и капиллярной пористости уникальный зеленый цвет пасты становится все ярче и ярче (см. Рисунок 3).
Рисунок 2. Флуоресцентная микрофотография хлопьев, показывающая агрегированные частицы, пустоты (v) и пасту. Ширина поля по горизонтали ~ 1,5 мм. Чуньюй Цяо и DRP, компания Twining
Рисунок 3. Флуоресцентные микрофотографии хлопьев показывают, что по мере увеличения отношения w/cm зеленая паста постепенно становится ярче. Эти смеси аэрируются и содержат летучую золу. Чуньюй Цяо и DRP, компания Twining
Анализ изображений включает извлечение количественных данных из изображений. Он используется во многих различных научных областях, от микроскопа дистанционного зондирования. Каждый пиксель цифрового изображения по сути становится точкой данных. Этот метод позволяет нам присваивать числа различным уровням яркости зеленого, видимым на этих изображениях. За последние 20 лет или около того, с революцией в мощности настольных компьютеров и получении цифровых изображений, анализ изображений стал практическим инструментом, который могут использовать многие микроскописты (в том числе конкретные петрологи). Мы часто используем анализ изображений для измерения капиллярной пористости раствора. Со временем мы обнаружили, что существует сильная систематическая статистическая корреляция между массой/см и капиллярной пористостью, как показано на следующем рисунке (Рисунок 4 и Рисунок 5).
Рисунок 4. Пример данных, полученных из флуоресцентных микрофотографий тонких срезов. На этом графике показано количество пикселей с заданным уровнем серого на одной микрофотографии. Три пика соответствуют агрегатам (оранжевая кривая), пасте (серая область) и пустоте (незаполненный пик справа). Кривая пасты позволяет рассчитать средний размер пор и его стандартное отклонение. Чуньюй Цяо и DRP, компания Twining Рисунок 5. На этом графике суммированы серии средних капиллярных измерений (в/см) и 95% доверительные интервалы для смеси, состоящей из чистого цемента, цемента с золой-уносом и природного пуццоланового связующего. Чуньюй Цяо и DRP, компания Twining
В окончательном анализе необходимы три независимых испытания, чтобы доказать, что бетон на объекте соответствует спецификациям конструкции смеси. Насколько это возможно, получите керновые образцы из мест размещения, которые соответствуют всем критериям приемки, а также образцы из смежных мест размещения. Ядро из принятого макета можно использовать в качестве контрольного образца, а также использовать его в качестве эталона для оценки соответствия соответствующего макета.
По нашему опыту, когда инженеры, имеющие записи, видят данные, полученные в результате этих испытаний, они обычно соглашаются на размещение, если соблюдены другие ключевые инженерные характеристики (например, прочность на сжатие). Предоставляя количественные измерения удельного веса и коэффициента формования, мы можем выйти за рамки испытаний, предусмотренных для многих работ, и доказать, что рассматриваемая смесь обладает свойствами, которые обеспечивают хорошую долговечность.
Дэвид Ротштейн, доктор философии, PG, FACI, является главным литографом DRP, A Twining Company. Он имеет более чем 25-летний опыт работы профессиональным петрологом и лично проинспектировал более 10 000 проб из более чем 2 000 проектов по всему миру. Доктор Чуньью Цяо, главный научный сотрудник компании DRP, a Twining, является геологом и ученым-материаловедом с более чем десятилетним опытом работы в области цементирующих материалов, а также продуктов из природных и обработанных горных пород. Его опыт включает использование анализа изображений и флуоресцентной микроскопии для изучения долговечности бетона, уделяя особое внимание повреждениям, вызванным противогололедными солями, щелочно-кремниевыми реакциями и химическим воздействием на очистных сооружениях.
Время публикации: 07 сентября 2021 г.