Nye udviklinger inden for kvalitetssikring af betonbelægninger kan give vigtige oplysninger om kvalitet, holdbarhed og overholdelse af hybride designkoder.
Konstruktion af betonbelægning kan opleve nødsituationer, og entreprenøren skal verificere kvaliteten og holdbarheden af den på stedet støbte beton. Disse hændelser omfatter udsættelse for regn under støbningsprocessen, efterpåføring af hærdningsmidler, plastisk krympning og revner i timerne inden for få timer efter støbning samt problemer med betontekstur og hærdning. Selv hvis styrkekravene og andre materialetests er opfyldt, kan ingeniører kræve fjernelse og udskiftning af belægningsdele, fordi de er bekymrede for, om de på stedet støbte materialer opfylder blandingsdesignspecifikationerne.
I dette tilfælde kan petrografi og andre supplerende (men professionelle) testmetoder give vigtige oplysninger om betonblandingers kvalitet og holdbarhed, og om de opfylder arbejdsspecifikationerne.
Figur 1. Eksempler på fluorescensmikroskopmikroskopbilleder af betonpasta ved 0,40 w/c (øverste venstre hjørne) og 0,60 w/c (øverste højre hjørne). Figuren nederst til venstre viser apparatet til måling af resistiviteten af en betoncylinder. Figuren nederst til højre viser forholdet mellem volumenresistivitet og w/c. Chunyu Qiao og DRP, et Twining-firma.
Abrams lov: "En betonblandings trykstyrke er omvendt proportional med dens vand-cement-forhold."
Professor Duff Abrams beskrev først forholdet mellem vand-cement-forholdet (w/c) og trykstyrke i 1918 [1] og formulerede det, der nu kaldes Abrams lov: "Betonens trykstyrke Vand/cement-forhold." Ud over at kontrollere trykstyrken foretrækkes vand-cement-forholdet (w/cm) nu, fordi det anerkender erstatningen af Portlandcement med supplerende cementmaterialer såsom flyveaske og slagge. Det er også en nøgleparameter for betonholdbarhed. Mange undersøgelser har vist, at betonblandinger med w/cm lavere end ~0,45 er holdbare i aggressive miljøer, såsom områder udsat for fryse-tø-cyklusser med afisningssalte eller områder, hvor der er en høj koncentration af sulfat i jorden.
Kapillarporer er en integreret del af cementopslæmning. De består af mellemrummet mellem cementhydratiseringsprodukter og uhydrerede cementpartikler, der engang var fyldt med vand. [2] Kapillarporer er meget finere end indkapslede eller indespærrede porer og bør ikke forveksles med dem. Når kapillarporerne er forbundet, kan væske fra det ydre miljø migrere gennem pastaen. Dette fænomen kaldes penetration og skal minimeres for at sikre holdbarhed. Mikrostrukturen af den holdbare betonblanding er, at porerne er segmenterede snarere end forbundet. Dette sker, når w/cm er mindre end ~0,45.
Selvom det er notorisk vanskeligt at måle w/cm af hærdet beton præcist, kan en pålidelig metode være et vigtigt kvalitetssikringsværktøj til undersøgelse af hærdet støbt beton på stedet. Fluorescensmikroskopi giver en løsning. Sådan fungerer det.
Fluorescensmikroskopi er en teknik, der bruger epoxyharpiks og fluorescerende farvestoffer til at belyse detaljer i materialer. Den er mest almindeligt anvendt inden for lægevidenskaben, og den har også vigtige anvendelser inden for materialevidenskab. Den systematiske anvendelse af denne metode i beton startede for næsten 40 år siden i Danmark [3]; den blev standardiseret i de nordiske lande i 1991 til estimering af w/c i hærdet beton og blev opdateret i 1999 [4].
For at måle w/cm af cementbaserede materialer (dvs. beton, mørtel og fugemasse) bruges fluorescerende epoxy til at lave en tynd sektion eller betonblok med en tykkelse på cirka 25 mikron eller 1/1000 tomme (figur 2). Processen involverer, at betonkernen eller cylinderen skæres i flade betonblokke (kaldet emner) med et areal på cirka 25 x 50 mm (1 x 2 tommer). Emnet limes på et objektglas, placeres i et vakuumkammer, og epoxyharpiks indføres under vakuum. Efterhånden som w/cm øges, vil forbindelsen og antallet af porer øges, så mere epoxy vil trænge ind i pastaen. Vi undersøger flagerne under et mikroskop ved hjælp af et sæt specielle filtre til at excitere de fluorescerende farvestoffer i epoxyharpiksen og filtrere overskydende signaler fra. På disse billeder repræsenterer de sorte områder aggregatpartikler og uhydrerede cementpartikler. Porøsiteten af de to er dybest set 0 %. Den lysegrønne cirkel er porøsiteten (ikke porøsiteten), og porøsiteten er dybest set 100 %. Et af disse træk, det plettede grønne "substans", er en pasta (Figur 2). Efterhånden som betonens w/cm og kapillærporøsitet stiger, bliver pastaens unikke grønne farve lysere og lysere (se Figur 3).
Figur 2. Fluorescensmikrografi af flager, der viser aggregerede partikler, hulrum (v) og pasta. Den vandrette feltbredde er ~ 1,5 mm. Chunyu Qiao og DRP, et Twining-firma.
Figur 3. Fluorescensmikrografer af flagerne viser, at efterhånden som w/cm stiger, bliver den grønne pasta gradvist lysere. Disse blandinger er luftede og indeholder flyveaske. Chunyu Qiao og DRP, et Twining-firma.
Billedanalyse involverer udtrækning af kvantitative data fra billeder. Det bruges inden for mange forskellige videnskabelige områder, lige fra fjernmålingsmikroskoper. Hver pixel i et digitalt billede bliver i bund og grund et datapunkt. Denne metode giver os mulighed for at knytte tal til de forskellige grønne lysstyrkeniveauer, der ses i disse billeder. I løbet af de sidste 20 år eller deromkring, med revolutionen inden for desktopcomputerkraft og digital billedoptagelse, er billedanalyse nu blevet et praktisk værktøj, som mange mikroskopister (inklusive betonpetrologer) kan bruge. Vi bruger ofte billedanalyse til at måle slammets kapillærporøsitet. Over tid fandt vi, at der er en stærk systematisk statistisk korrelation mellem w/cm og kapillærporøsiteten, som vist i den følgende figur (Figur 4 og Figur 5).
Figur 4. Eksempel på data opnået fra fluorescensmikrografer af tynde snit. Denne graf afbilder antallet af pixels ved et givet gråniveau i et enkelt fotomikrografi. De tre toppe svarer til aggregater (orange kurve), pasta (gråt område) og hulrum (ufyldt top yderst til højre). Pastaens kurve gør det muligt at beregne den gennemsnitlige porestørrelse og dens standardafvigelse. Chunyu Qiao og DRP, Twining Company Figur 5. Denne graf opsummerer en række w/cm gennemsnitlige kapillærmålinger og 95% konfidensintervaller i blandingen bestående af ren cement, flyveaskecement og naturligt pozzolanbindemiddel. Chunyu Qiao og DRP, et Twining Company
I sidste ende kræves der tre uafhængige test for at bevise, at betonen på stedet overholder blandingsdesignspecifikationen. Så vidt muligt skal der udtages kerneprøver fra placeringer, der opfylder alle acceptkriterier, samt prøver fra relaterede placeringer. Kernen fra det accepterede layout kan bruges som kontrolprøve, og du kan bruge den som benchmark til at evaluere overholdelsen af det relevante layout.
Vores erfaring er, at når ingeniører med dokumenterede resultater ser dataene fra disse test, accepterer de normalt placeringen, hvis andre vigtige tekniske egenskaber (såsom trykstyrke) er opfyldt. Ved at levere kvantitative målinger af w/cm og formationsfaktor kan vi gå ud over de tests, der er specificeret for mange job, for at bevise, at den pågældende blanding har egenskaber, der vil resultere i god holdbarhed.
David Rothstein, ph.d., PG, FACI, er cheflitograf for DRP, et Twining-selskab. Han har mere end 25 års professionel erfaring som petrolog og har personligt inspiceret mere end 10.000 prøver fra mere end 2.000 projekter over hele verden. Dr. Chunyu Qiao, chefforsker for DRP, et Twining-selskab, er geolog og materialeforsker med mere end ti års erfaring inden for cementering af materialer og naturlige og forarbejdede stenprodukter. Hans ekspertise omfatter brugen af billedanalyse og fluorescensmikroskopi til at studere betons holdbarhed med særlig vægt på skader forårsaget af afisningssalte, alkali-silicium-reaktioner og kemiske angreb i spildevandsrensningsanlæg.
Opslagstidspunkt: 7. september 2021