Nový vývoj v oblasti zajišťování kvality betonových vozovek může poskytnout důležité informace o kvalitě, trvanlivosti a souladu s hybridními konstrukčními normami.
Při stavbě betonového povrchu se mohou vyskytnout mimořádné události a dodavatel musí ověřit kvalitu a trvanlivost betonu litého na místě. Mezi tyto události patří vystavení dešti během procesu lití, aplikace vytvrzovacích směsí, plastické smrštění a praskání během několika hodin po lití a problémy s texturováním a vytvrzováním betonu. I když jsou splněny požadavky na pevnost a další materiálové zkoušky, mohou inženýři vyžadovat odstranění a výměnu částí povrchu, protože se obávají, zda materiály použité na místě splňují specifikace návrhu směsi.
V tomto případě může petrografie a další doplňkové (ale profesionální) zkušební metody poskytnout důležité informace o kvalitě a trvanlivosti betonových směsí a o tom, zda splňují pracovní specifikace.
Obrázek 1. Příklady fluorescenčních mikroskopických snímků betonové pasty při měrném poměru 0,40 w/c (levý horní roh) a 0,60 w/c (pravý horní roh). Obrázek vlevo dole ukazuje zařízení pro měření měrného odporu betonového válce. Obrázek vpravo dole ukazuje vztah mezi objemovým měrným odporem a měrným poměrem w/c. Chunyu Qiao a DRP, společnost Twining Company
Abramův zákon: „Pevnost betonové směsi v tlaku je nepřímo úměrná jejímu vodocementovému poměru.“
Profesor Duff Abrams poprvé popsal vztah mezi vodocementovým poměrem (v/c) a pevností v tlaku v roce 1918 [1] a formuloval to, co se dnes nazývá Abramův zákon: „Pevnost betonu v tlaku je vodocementový poměr.“ Kromě regulace pevnosti v tlaku je nyní vodocementový poměr (v/cm) upřednostňován, protože umožňuje nahradit portlandský cement doplňkovými cementovými materiály, jako je popílek a struska. Je také klíčovým parametrem trvanlivosti betonu. Mnoho studií ukázalo, že betonové směsi s vodocementovým poměrem nižším než ~0,45 jsou odolné v agresivním prostředí, jako jsou oblasti vystavené cyklům mrazu a tání s rozmrazovacími solemi nebo oblasti s vysokou koncentrací síranů v půdě.
Kapilární póry jsou nedílnou součástí cementové kaše. Tvoří je prostor mezi produkty hydratace cementu a nehydratovanými částicemi cementu, které byly kdysi naplněny vodou. [2] Kapilární póry jsou mnohem jemnější než strhávané nebo zachycené póry a neměly by se s nimi zaměňovat. Když jsou kapilární póry propojeny, tekutina z vnějšího prostředí může migrovat pastou. Tento jev se nazývá penetrace a musí být minimalizován, aby byla zajištěna trvanlivost. Mikrostruktura trvanlivé betonové směsi spočívá v tom, že póry jsou spíše segmentované než propojené. K tomu dochází, když je součinitel vody/cm menší než ~0,45.
Přestože je notoricky obtížné přesně měřit součinitel vody/cm ztvrdlého betonu, spolehlivá metoda může poskytnout důležitý nástroj pro zajištění kvality při zkoumání ztvrdlého betonu litého na místě. Fluorescenční mikroskopie nabízí řešení. Takto to funguje.
Fluorescenční mikroskopie je technika, která využívá epoxidovou pryskyřici a fluorescenční barviva k osvětlení detailů materiálů. Nejčastěji se používá v lékařských vědách a má také důležité uplatnění v materiálové vědě. Systematické používání této metody v betonu začalo před téměř 40 lety v Dánsku [3]; v severských zemích byla standardizována v roce 1991 pro odhad vodního součinitele (w/c) ztvrdlého betonu a aktualizována v roce 1999 [4].
Pro měření w/cm materiálů na bázi cementu (tj. betonu, malty a spárovací hmoty) se používá fluorescenční epoxid k výrobě tenkého profilu nebo betonového bloku o tloušťce přibližně 25 mikronů nebo 1/1000 palce (obrázek 2). Proces zahrnuje: Betonové jádro nebo válec se nařeže na ploché betonové bloky (nazývané polotovary) o ploše přibližně 25 x 50 mm (1 x 2 palce). Polotovar se nalepí na podložní sklíčko, umístí se do vakuové komory a ve vakuu se zavádí epoxidová pryskyřice. S rostoucím w/cm se zvyšuje propojení a počet pórů, takže do pasty proniká více epoxidu. Vločky zkoumáme pod mikroskopem pomocí sady speciálních filtrů k excitaci fluorescenčních barviv v epoxidové pryskyřici a filtrování přebytečných signálů. Na těchto snímcích černé oblasti představují částice kameniva a nehydratované částice cementu. Pórovitost obou je v podstatě 0 %. Jasně zelený kruh představuje pórovitost (ne pórovitost) a pórovitost je v podstatě 100 %. Jednou z těchto vlastností je skvrnitá zelená „hmota“ ve formě pasty (obrázek 2). S rostoucím poměrem vody a vody k cm a kapilární pórovitostí betonu se jedinečná zelená barva pasty stává stále jasnější (viz obrázek 3).
Obrázek 2. Fluorescenční mikrofotografie vloček zobrazující agregované částice, dutiny (v) a pastu. Šířka horizontálního pole je ~ 1,5 mm. Chunyu Qiao a DRP, společnost Twining
Obrázek 3. Fluorescenční mikrofotografie vloček ukazují, že s rostoucím poměrem vody a vody (w/cm) se zelená pasta postupně stává světlejší. Tyto směsi jsou provzdušněné a obsahují popílek. Chunyu Qiao a DRP, společnost Twining Company
Analýza obrazu zahrnuje extrakci kvantitativních dat ze snímků. Používá se v mnoha různých vědeckých oborech, od dálkového průzkumu Země až po mikroskop. Každý pixel v digitálním obrazu se v podstatě stává datovým bodem. Tato metoda nám umožňuje přiřadit čísla k různým úrovním jasu zelené barvy, které jsou na těchto snímcích vidět. Během posledních zhruba 20 let, s revolucí ve výkonu stolních počítačů a digitálním snímáním obrazu, se analýza obrazu stala praktickým nástrojem, který může používat mnoho mikroskopistů (včetně petrologů zabývajících se betonem). Analýzu obrazu často používáme k měření kapilární pórovitosti suspenze. Postupem času jsme zjistili, že existuje silná systematická statistická korelace mezi w/cm a kapilární pórovitostí, jak je znázorněno na následujícím obrázku (obrázek 4 a obrázek 5).
Obrázek 4. Příklad dat získaných z fluorescenčních mikrofotografií tenkých řezů. Tento graf znázorňuje počet pixelů v dané úrovni šedi na jedné mikrofotografii. Tři píky odpovídají agregátům (oranžová křivka), pastě (šedá oblast) a dutině (nevyplněný pík vpravo). Křivka pasty umožňuje vypočítat průměrnou velikost pórů a její směrodatnou odchylku. Chunyu Qiao a DRP, Twining Company Obrázek 5. Tento graf shrnuje řadu průměrných kapilárních měření w/cm a 95% intervaly spolehlivosti ve směsi složené z čistého cementu, popílkového cementu a přírodního pucolánového pojiva. Chunyu Qiao a DRP, společnost Twining Company
V konečné analýze jsou nutné tři nezávislé zkoušky, aby se prokázalo, že beton na staveništi splňuje specifikaci návrhu směsi. Pokud je to možné, odeberte vzorky z míst, která splňují všechna kritéria přijetí, a také vzorky ze souvisejících míst. Vzorek z přijatého uspořádání lze použít jako kontrolní vzorek a můžete ho použít jako referenční hodnotu pro vyhodnocení shody příslušného uspořádání.
Z našich zkušeností vyplývá, že když inženýři s výsledky testů vidí data získaná z těchto zkoušek, obvykle schválí umístění, pokud jsou splněny další klíčové technické charakteristiky (jako je pevnost v tlaku). Poskytnutím kvantitativních měření součinitele tvarování (w/cm) můžeme jít nad rámec zkoušek specifikovaných pro mnoho projektů a prokázat, že daná směs má vlastnosti, které se promítnou do dobré trvanlivosti.
David Rothstein, Ph.D., PG, FACI je hlavním litografem společnosti DRP, společnosti Twining Company. Má více než 25 let profesionálních petrologických zkušeností a osobně prohlédl více než 10 000 vzorků z více než 2 000 projektů po celém světě. Dr. Chunyu Qiao, hlavní vědecký pracovník společnosti DRP, společnosti Twining Company, je geolog a materiálový vědec s více než desetiletými zkušenostmi v oblasti cementování materiálů a přírodních a zpracovaných horninových produktů. Jeho odbornost zahrnuje použití obrazové analýzy a fluorescenční mikroskopie ke studiu trvanlivosti betonu se zvláštním důrazem na poškození způsobené rozmrazovacími solemi, alkalicko-křemíkovými reakcemi a chemickým napadením v čistírnách odpadních vod.
Čas zveřejnění: 7. září 2021