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 возникать аварийные ситуации, и подрядчику необходимо проверить качество и долговечность монолитного бетона. К таким факторам относятся воздействие дождя во время заливки, нанесение отвердителей после заливки, пластическая усадка и образование трещин в течение нескольких часов после заливки, а также проблемы с текстурой и твердением бетона. Даже если требования к прочности и другие испытания материалов соблюдены, инженеры могут потребовать демонтажа и замены частей покрытия, поскольку они обеспокоены тем, соответствуют ли материалы, уложенные на месте, спецификациям состава смеси.
В этом случае петрография и другие дополнительные (но профессиональные) методы испытаний могут предоставить важную информацию о качестве и долговечности бетонных смесей, а также о том, соответствуют ли они рабочим спецификациям.
Рисунок 1. Примеры микрофотографий, полученных с помощью флуоресцентного микроскопа, бетонного теста с водоцементной плотностью 0,40 (левый верхний угол) и 0,60 (правый верхний угол). На нижнем левом рисунке показан прибор для измерения удельного сопротивления бетонного цилиндра. На нижнем правом рисунке показана зависимость между объёмным удельным сопротивлением и водоцементной плотностью. Chunyu Qiao и DRP, компания Twining.
Закон Абрама: «Прочность бетонной смеси на сжатие обратно пропорциональна ее водоцементному соотношению».
Профессор Дафф Абрамс впервые описал зависимость между водоцементным отношением (в/ц) и прочностью на сжатие в 1918 году [1] и сформулировал то, что сейчас называется законом Абрама: «Прочность бетона на сжатие Водоцементное отношение». Помимо контроля прочности на сжатие, водоцементное отношение (в/ц) в настоящее время является предпочтительным, поскольку оно учитывает замену портландцемента дополнительными вяжущими материалами, такими как летучая зола и шлак. Это также ключевой параметр долговечности бетона. Многочисленные исследования показали, что бетонные смеси с в/ц ниже ~0,45 долговечны в агрессивных средах, таких как районы, подверженные циклам замораживания-оттаивания с противогололедными солями или районы с высокой концентрацией сульфатов в почве.
Капиллярные поры являются неотъемлемой частью цементного раствора. Они представляют собой пространство между продуктами гидратации цемента и негидратированными частицами цемента, ранее заполненными водой. [2] Капиллярные поры гораздо мельче, чем захваченные или уловленные поры, и их не следует путать. Когда капиллярные поры соединены, жидкость из внешней среды может мигрировать через цементный раствор. Это явление называется проникновением и должно быть минимизировано для обеспечения долговечности. Микроструктура прочной бетонной смеси такова, что поры сегментированы, а не соединены. Это происходит, когда отношение воды к сжатию менее ~0,45.
Хотя точное измерение водо- и водонепроницаемости затвердевшего бетона, как известно, представляет собой сложную задачу, надежный метод может стать важным инструментом контроля качества при исследовании затвердевшего монолитного бетона. Флуоресцентная микроскопия предлагает решение. Вот как это работает.
Флуоресцентная микроскопия — это метод, использующий эпоксидную смолу и флуоресцентные красители для получения изображений деталей материалов. Он наиболее широко применяется в медицине, а также имеет важные приложения в материаловедении. Систематическое применение этого метода в исследовании бетона началось почти 40 лет назад в Дании [3]; в странах Северной Европы он был стандартизирован в 1991 году для оценки водоцементного отношения затвердевшего бетона и обновлен в 1999 году [4].
Чтобы измерить w/cm материалов на основе цемента (т. е. бетона, раствора и затирки), флуоресцентная эпоксидная смола используется для изготовления тонкой секции или бетонного блока толщиной приблизительно 25 микрон или 1/1000 дюйма (рисунок 2). Процесс включает в себя: бетонное ядро или цилиндр разрезается на плоские бетонные блоки (называемые заготовками) площадью приблизительно 25 x 50 мм (1 x 2 дюйма). Заготовка приклеивается к предметному стеклу, помещается в вакуумную камеру, и эпоксидная смола вводится под вакуумом. По мере увеличения w/cm увеличиваются связанность и количество пор, поэтому больше эпоксидной смолы проникнет в пасту. Мы изучаем чешуйки под микроскопом, используя набор специальных фильтров для возбуждения флуоресцентных красителей в эпоксидной смоле и отфильтровывания лишних сигналов. На этих изображениях черные области представляют собой частицы заполнителя и негидратированные частицы цемента. Пористость обоих в основном составляет 0%. Ярко-зелёный круг – это пористость (а не пористость), которая практически равна 100%. Одна из таких особенностей: крапинчатое зелёное «вещество» – это паста (рисунок 2). По мере увеличения водоцементного отношения и капиллярной пористости бетона, уникальный зелёный цвет пасты становится всё ярче (см. рисунок 3).
Рисунок 2. Флуоресцентная микрофотография хлопьев, показывающая агрегированные частицы, пустоты (v) и пасту. Ширина горизонтального поля составляет около 1,5 мм. Chunyu Qiao и DRP, компания Twining.
Рисунок 3. Флуоресцентные микрофотографии чешуек показывают, что с увеличением соотношения вода/см зелёная паста постепенно становится ярче. Эти смеси аэрированы и содержат летучую золу. Chunyu Qiao и DRP, компания Twining.
Анализ изображений включает в себя извлечение количественных данных из изображений. Он используется во многих различных научных областях, от дистанционного зондирования микроскопом. Каждый пиксель на цифровом изображении по сути становится точкой данных. Этот метод позволяет нам присваивать числа различным уровням яркости зеленого цвета, наблюдаемым на этих изображениях. Примерно за последние 20 лет, с революцией в производительности настольных компьютеров и получении цифровых изображений, анализ изображений стал практическим инструментом, который могут использовать многие микроскописты (включая петрологов бетона). Мы часто используем анализ изображений для измерения капиллярной пористости суспензии. Со временем мы обнаружили, что существует сильная систематическая статистическая корреляция между w/cm и капиллярной пористостью, как показано на следующем рисунке (Рисунок 4 и Рисунок 5) ).
Рисунок 4. Пример данных, полученных с помощью флуоресцентных микрофотографий тонких срезов. Этот график отображает количество пикселей при заданном уровне серого на одной микрофотографии. Три пика соответствуют заполнителям (оранжевая кривая), пасте (серая область) и пустотам (незаполненный пик справа). Кривая пасты позволяет рассчитать средний размер пор и его стандартное отклонение. Chunyu Qiao и DRP, компания Twining. Рисунок 5. Этот график суммирует ряд измерений среднего капиллярного давления (в/см) и 95% доверительные интервалы для смеси, состоящей из чистого цемента, цемента на основе летучей золы и вяжущего природного пуццолана. Chunyu Qiao и DRP, компания Twining.
В конечном итоге, для подтверждения соответствия бетона, уложенного на объекте, спецификации на состав смеси требуется проведение трёх независимых испытаний. По возможности, необходимо получить образцы кернов из участков укладки, соответствующих всем критериям приёмки, а также образцы из смежных участков. Керн из уложенного бетона можно использовать в качестве контрольного образца и использовать его в качестве эталона для оценки соответствия выбранного варианта укладки.
По нашему опыту, когда инженеры, имеющие документацию, видят данные, полученные в ходе этих испытаний, они обычно принимают решение о заливке при условии соответствия другим ключевым инженерным характеристикам (например, прочности на сжатие). Предоставляя количественные измерения водо- и водоотталкивающего коэффициента (В/Ц) и коэффициента пластичности, мы можем выйти за рамки испытаний, предусмотренных для многих проектов, и доказать, что рассматриваемая смесь обладает свойствами, обеспечивающими высокую долговечность.
Дэвид Ротштейн, доктор философии, профессиональный петролог, член Американской ассоциации инженеров-геологов (FACI), главный литограф компании DRP, входящей в группу Twining. Он обладает более чем 25-летним опытом работы в качестве петролога и лично проинспектировал более 10 000 образцов из более чем 2000 проектов по всему миру. Доктор Чуньюй Цяо, главный научный сотрудник компании DRP, входящей в группу Twining, – геолог и материаловед с более чем десятилетним опытом работы с вяжущими материалами, а также изделиями из природных и переработанных горных пород. Его экспертные знания включают в себя использование анализа изображений и флуоресцентной микроскопии для изучения долговечности бетона, уделяя особое внимание повреждениям, вызванным противогололедными солями, реакциями щелочей с кремнием и химическим воздействием на очистных сооружениях.
Время публикации: 07.09.2021