Nya framsteg inom kvalitetssäkring av betongbeläggningar kan ge viktig information om kvalitet, hållbarhet och efterlevnad av hybriddesignkoder.
Konstruktion av betongbeläggning kan drabbas av nödsituationer, och entreprenören måste verifiera kvaliteten och hållbarheten hos platsgjuten betong. Dessa händelser inkluderar exponering för regn under gjutningsprocessen, efterapplicering av härdningsmedel, plastisk krympning och sprickbildning inom några timmar efter gjutning, samt problem med betongens textur och härdning. Även om hållfasthetskraven och andra materialtester är uppfyllda kan ingenjörer kräva borttagning och utbyte av beläggningsdelar eftersom de är oroliga för om de platsgjutna materialen uppfyller specifikationerna för blandningskonstruktionen.
I detta fall kan petrografi och andra kompletterande (men professionella) testmetoder ge viktig information om betongblandningarnas kvalitet och hållbarhet och om de uppfyller arbetsspecifikationerna.
Figur 1. Exempel på fluorescensmikroskopmikroskopbilder av betongpasta vid 0,40 w/c (övre vänstra hörnet) och 0,60 w/c (övre högra hörnet). Den nedre vänstra figuren visar anordningen för att mäta resistiviteten hos en betongcylinder. Den nedre högra figuren visar förhållandet mellan volymresistivitet och w/c. Chunyu Qiao och DRP, ett Twining-företag.
Abrams lag: ”Tryckhållfastheten hos en betongblandning är omvänt proportionell mot dess vatten-cementförhållande.”
Professor Duff Abrams beskrev först sambandet mellan vatten-cementförhållandet (v/c) och tryckhållfasthet år 1918 [1], och formulerade det som nu kallas Abrams lag: "Betongens tryckhållfasthet Vatten/cement-förhållande". Förutom att kontrollera tryckhållfastheten är vattencementförhållandet (v/cm) nu föredraget eftersom det erkänner att Portlandcement kan ersättas med kompletterande cementmaterial som flygaska och slagg. Det är också en viktig parameter för betongens hållbarhet. Många studier har visat att betongblandningar med v/cm lägre än ~0,45 är hållbara i aggressiva miljöer, såsom områden som utsätts för frys-tining-cykler med halkbekämpningssalter eller områden där det finns en hög koncentration av sulfat i jorden.
Kapillärporer är en naturlig del av cementslam. De består av utrymmet mellan cementhydratiseringsprodukter och ohydrerade cementpartiklar som en gång var fyllda med vatten. [2] Kapillärporer är mycket finare än instängda eller instängda porer och bör inte förväxlas med dem. När kapillärporerna är sammankopplade kan vätska från den yttre miljön migrera genom pastan. Detta fenomen kallas penetration och måste minimeras för att säkerställa hållbarhet. Mikrostrukturen hos den hållbara betongblandningen är att porerna är segmenterade snarare än sammankopplade. Detta händer när w/cm är mindre än ~0,45.
Även om det är notoriskt svårt att noggrant mäta w/cm hos härdad betong, kan en tillförlitlig metod vara ett viktigt kvalitetssäkringsverktyg för att undersöka härdad platsgjuten betong. Fluorescensmikroskopi ger en lösning. Så här fungerar det.
Fluorescensmikroskopi är en teknik som använder epoxiharts och fluorescerande färgämnen för att belysa detaljer i material. Den används oftast inom medicinsk vetenskap och har även viktiga tillämpningar inom materialvetenskap. Den systematiska tillämpningen av denna metod i betong började för nästan 40 år sedan i Danmark [3]; den standardiserades i Norden 1991 för att uppskatta vattenhalten i härdad betong och uppdaterades 1999 [4].
För att mäta w/cm hos cementbaserade material (dvs. betong, murbruk och injekteringsmedel) används fluorescerande epoxi för att tillverka en tunn sektion eller ett betongblock med en tjocklek på cirka 25 mikron eller 1/1000 tum (Figur 2). Processen innebär att betongkärnan eller cylindern skärs till platta betongblock (kallade ämnen) med en yta på cirka 25 x 50 mm (1 x 2 tum). Ämnet limmas på ett objektglas, placeras i en vakuumkammare och epoxiharts introduceras under vakuum. När w/cm ökar ökar anslutningen och antalet porer, så mer epoxi kommer att tränga in i pastan. Vi undersöker flingorna under ett mikroskop med hjälp av en uppsättning speciella filter för att excitera de fluorescerande färgämnena i epoxihartset och filtrera bort överskottssignaler. I dessa bilder representerar de svarta områdena aggregatpartiklar och ohydrerade cementpartiklar. Porositeten hos de två är i princip 0 %. Den ljusgröna cirkeln är porositeten (inte porositeten), och porositeten är i princip 100 %. En av dessa egenskaper. Det fläckiga gröna ”substansen” är en pasta (Figur 2). Allt eftersom betongens vikt/cm och kapillärporositet ökar, blir pastans unika gröna färg ljusare och ljusare (se Figur 3).
Figur 2. Fluorescensmikrograf av flingor som visar aggregerade partiklar, porer (v) och pasta. Den horisontella fältbredden är ~1,5 mm. Chunyu Qiao och DRP, ett Twining-företag
Figur 3. Fluorescensmikrografer av flingorna visar att när w/cm ökar blir den gröna pastan gradvis ljusare. Dessa blandningar är luftade och innehåller flygaska. Chunyu Qiao och DRP, ett Twining-företag
Bildanalys innebär att man extraherar kvantitativa data från bilder. Det används inom många olika vetenskapliga områden, från fjärranalysmikroskop. Varje pixel i en digital bild blir i huvudsak en datapunkt. Denna metod gör det möjligt för oss att koppla siffror till de olika gröna ljusstyrkenivåerna som ses i dessa bilder. Under de senaste 20 åren eller så, med revolutionen inom stationär datorkraft och digital bildtagning, har bildanalys nu blivit ett praktiskt verktyg som många mikroskopister (inklusive betongpetrologer) kan använda. Vi använder ofta bildanalys för att mäta slammets kapillärporositet. Med tiden fann vi att det finns en stark systematisk statistisk korrelation mellan w/cm och kapillärporositeten, som visas i följande figur (Figur 4 och Figur 5).
Figur 4. Exempel på data erhållna från fluorescensmikrografer av tunna sektioner. Denna graf plottar antalet pixlar vid en given grånivå i ett enda fotomikrografi. De tre topparna motsvarar aggregat (orange kurva), pasta (grått område) och tomrum (ofylld topp längst till höger). Pastans kurva gör det möjligt att beräkna den genomsnittliga porstorleken och dess standardavvikelse. Chunyu Qiao och DRP, Twining Company Figur 5. Denna graf sammanfattar en serie w/cm genomsnittliga kapillärmätningar och 95 % konfidensintervall i blandningen bestående av ren cement, flygaskkement och naturligt pozzolanbindemedel. Chunyu Qiao och DRP, ett Twining Company
I slutändan krävs tre oberoende tester för att bevisa att betongen på plats uppfyller blandningsdesignspecifikationen. Så långt det är möjligt, ta kärnprover från placeringar som uppfyller alla acceptanskriterier, samt prover från relaterade placeringar. Kärnan från den accepterade layouten kan användas som ett kontrollprov, och du kan använda den som ett riktmärke för att utvärdera överensstämmelsen hos relevant layout.
Enligt vår erfarenhet, när ingenjörer med register ser data från dessa tester, accepterar de vanligtvis placering om andra viktiga tekniska egenskaper (såsom tryckhållfasthet) är uppfyllda. Genom att tillhandahålla kvantitativa mätningar av w/cm och formationsfaktor kan vi gå utöver de tester som specificeras för många jobb för att bevisa att blandningen i fråga har egenskaper som leder till god hållbarhet.
David Rothstein, Ph.D., PG, FACI är chefslitograf för DRP, ett Twining-företag. Han har mer än 25 års professionell erfarenhet som petrolog och har personligen inspekterat mer än 10 000 prover från mer än 2 000 projekt runt om i världen. Dr. Chunyu Qiao, chefsforskare för DRP, ett Twining-företag, är geolog och materialforskare med mer än tio års erfarenhet av cementering av material och naturliga och bearbetade bergprodukter. Hans expertis inkluderar användning av bildanalys och fluorescensmikroskopi för att studera betongs hållbarhet, med särskild tonvikt på skador orsakade av halkbekämpningssalter, alkali-kiselreaktioner och kemiska angrepp i avloppsreningsverk.
Publiceringstid: 7 september 2021