Betonipäällysteiden laadunvarmistuksen uudet kehitysaskeleet voivat tarjota tärkeää tietoa laadusta, kestävyydestä ja hybridisuunnittelukoodien noudattamisesta.
Betonipäällysteen rakentamisessa voi esiintyä hätätilanteita, ja urakoitsijan on varmistettava paikallavaletun betonin laatu ja kestävyys. Näitä tilanteita ovat altistuminen sateelle valun aikana, jälkihoitoaineiden levittäminen, plastinen kutistuminen ja halkeilu muutaman tunnin sisällä valusta sekä betonin rakenne- ja kovettumisongelmat. Vaikka lujuusvaatimukset ja muut materiaalitestit täyttyisivät, insinöörit saattavat vaatia päällysteosien poistamista ja vaihtamista, koska he ovat huolissaan siitä, täyttävätkö paikallavaletut materiaalit seossuunnittelun vaatimukset.
Tässä tapauksessa petrografia ja muut täydentävät (mutta ammattimaiset) testausmenetelmät voivat antaa tärkeää tietoa betoniseosten laadusta ja kestävyydestä sekä siitä, täyttävätkö ne työspesifikaatiot.
Kuva 1. Esimerkkejä betonipastan fluoresenssimikroskooppikuvista pitoisuuksilla 0,40 w/c (vasen yläkulma) ja 0,60 w/c (oikea yläkulma). Vasemmassa alakulmassa on laite betonisylinterin resistiivisyyden mittaamiseksi. Oikeassa alakulmassa on tilavuusresistiivisyyden ja w/c-suhteen välinen suhde. Chunyu Qiao ja DRP, Twining Company
Abramin laki: "Betoniseoksen puristuslujuus on kääntäen verrannollinen sen vesi-sementtisuhteeseen."
Professori Duff Abrams kuvasi ensimmäisen kerran vesisementtisuhteen (w/c) ja puristuslujuuden välisen suhteen vuonna 1918 [1] ja muotoili nykyisen Abramin lain: "Betonin puristuslujuus vesisementtisuhde". Puristuslujuuden säätelyn lisäksi vesisementtisuhdetta (w/cm) suositaan nykyään, koska se tunnistaa portlandsementin korvaamisen täydentävillä sementointimateriaaleilla, kuten lentotuhkalla ja kuonalla. Se on myös betonin kestävyyden keskeinen parametri. Monet tutkimukset ovat osoittaneet, että betoniseokset, joiden w/cm on alle ~0,45, ovat kestäviä aggressiivisissa ympäristöissä, kuten alueilla, jotka altistuvat jäätymissuoloille pakkas-sulatusjaksoille, tai alueilla, joilla maaperässä on korkea sulfaattipitoisuus.
Kapillaarihuokoset ovat olennainen osa sementtilietettä. Ne koostuvat sementin hydrataatiotuotteiden ja hydratoimattomien sementtihiukkasten välisestä tilasta, jotka olivat aikoinaan täynnä vettä. [2] Kapillaarihuokoset ovat paljon hienompia kuin sisään juuttuneet tai loukkuun jääneet huokoset, eikä niitä pidä sekoittaa niihin. Kun kapillaarihuokoset ovat yhteydessä toisiinsa, ulkoisesta ympäristöstä tulevaa nestettä voi kulkeutua massan läpi. Tätä ilmiötä kutsutaan tunkeutumiseksi, ja se on minimoitava kestävyyden varmistamiseksi. Kestävän betoniseoksen mikrorakenteelle on ominaista, että huokoset ovat segmentoituneita eivätkä yhdistyneitä. Tämä tapahtuu, kun w/cm on alle ~0,45.
Vaikka kovettuneen betonin w/cm-suhteen tarkka mittaaminen on tunnetusti vaikeaa, luotettava menetelmä voi tarjota tärkeän laadunvarmistustyökalun kovettuneen paikallavaletun betonin tutkimiseen. Fluoresenssimikroskopia tarjoaa ratkaisun. Näin se toimii.
Fluoresenssimikroskopia on tekniikka, jossa käytetään epoksihartsia ja fluoresoivia väriaineita materiaalien yksityiskohtien valaisemiseen. Sitä käytetään yleisimmin lääketieteessä, ja sillä on tärkeitä sovelluksia myös materiaalitieteessä. Menetelmän systemaattinen soveltaminen betoniin alkoi lähes 40 vuotta sitten Tanskassa [3]; se standardoitiin Pohjoismaissa vuonna 1991 kovettuneen betonin vesiseinäsuhteen arvioimiseksi, ja sitä päivitettiin vuonna 1999 [4].
Sementtipohjaisten materiaalien (eli betonin, laastin ja injektointilaastin w/cm-suhteen mittaamiseksi fluoresoivaa epoksia käytetään ohuen, noin 25 mikronin tai 1/1000 tuuman paksuisen betonilohkon valmistukseen (kuva 2). Prosessissa betoniydin tai -sylinteri leikataan tasaisiksi betonilohkoiksi (joita kutsutaan aihioiksi), joiden pinta-ala on noin 25 x 50 mm (1 x 2 tuumaa). Aihio liimataan lasilevylle, asetetaan tyhjiökammioon ja epoksihartsia syötetään tyhjiössä. W/cm-suhteen kasvaessa huokosten yhteenkuuluvuus ja määrä kasvavat, joten enemmän epoksia tunkeutuu tahnaan. Tutkimme hiutaleita mikroskoopilla käyttämällä erityisiä suodattimia epoksihartsin fluoresoivien väriaineiden virittämiseksi ja ylimääräisten signaalien suodattamiseksi. Näissä kuvissa mustat alueet edustavat kiviaineshiukkasia ja hydratoimattomia sementtihiukkasia. Näiden kahden huokoisuus on käytännössä 0 %. Kirkkaanvihreä ympyrä on huokoisuus (ei huokoisuus), ja huokoisuus on käytännössä 100 %. Yksi näistä ominaisuuksista on vihreä täpläinen "aine" on tahna (kuva 2). Betonin w/cm-luvun ja kapillaarihuokoisuuden kasvaessa pastan ainutlaatuinen vihreä väri kirkastuu jatkuvasti (katso kuva 3).
Kuva 2. Hiutaleiden fluoresenssimikroskooppikuva, jossa näkyy aggregoituneita hiukkasia, tyhjiä tiloja (v) ja tahnaa. Vaakasuuntainen kentän leveys on ~ 1,5 mm. Chunyu Qiao ja DRP, Twining Company.
Kuva 3. Hiutaleiden fluoresenssimikroskooppikuvat osoittavat, että w/cm-suhteen kasvaessa vihreä tahna kirkastuu vähitellen. Nämä seokset ovat ilmastettuja ja sisältävät lentotuhkaa. Chunyu Qiao ja DRP, Twining Company.
Kuva-analyysissä kuvista poimitaan kvantitatiivista dataa. Sitä käytetään monilla eri tieteenaloilla, aina kaukokartoitusmikroskoopista lähtien. Jokainen digitaalisen kuvan pikseli muuttuu olennaisesti datapisteeksi. Tämän menetelmän avulla voimme liittää numeroita näissä kuvissa näkyviin eri vihreiden kirkkaustasoihin. Viimeisten noin 20 vuoden aikana, pöytätietokoneiden tehon ja digitaalisen kuvantamisen vallankumouksen myötä, kuva-analyysistä on tullut käytännöllinen työkalu, jota monet mikroskopian asiantuntijat (mukaan lukien betonipetrologit) voivat käyttää. Käytämme kuva-analyysiä usein lietteen kapillaarihuokoisuuden mittaamiseen. Ajan myötä havaitsimme, että w/cm ja kapillaarihuokoisuuden välillä on vahva systemaattinen tilastollinen korrelaatio, kuten seuraavassa kuvassa (kuva 4 ja kuva 5) on esitetty.
Kuva 4. Esimerkki ohuiden leikkeiden fluoresenssimikroskooppikuvista saaduista tiedoista. Tämä kaavio kuvaa pikselien lukumäärän tietyllä harmaasävyllä yhdessä mikroskooppivalokuvassa. Kolme piikkiä vastaavat aggregaatteja (oranssi käyrä), pastaa (harmaa alue) ja tyhjiä kohtia (täyttämätön piikki oikeassa reunassa). Pastan käyrän avulla voidaan laskea keskimääräinen huokoskoko ja sen keskihajonta. Chunyu Qiao ja DRP, Twining Company Kuva 5. Tämä kaavio esittää yhteenvedon sarjasta w/cm keskimääräisiä kapillaarimittauksia ja 95 %:n luottamusvälejä seoksessa, joka koostuu puhtaasta sementistä, lentotuhkasementistä ja luonnollisesta pozzolaanisideaineesta. Chunyu Qiao ja DRP, Twining Company
Lopullisessa analyysissä vaaditaan kolme riippumatonta testiä sen osoittamiseksi, että työmaalla oleva betoni täyttää seossuunnittelun vaatimukset. Hanki mahdollisuuksien mukaan ydinnäytteitä sellaisista asetteluista, jotka täyttävät kaikki hyväksymiskriteerit, sekä näytteitä asiaankuuluvista asetteluista. Hyväksytyn asettelun ydinnäytettä voidaan käyttää kontrollinäytteenä, ja sitä voidaan käyttää vertailukohtana arvioitaessa kyseisen asettelun vaatimustenmukaisuutta.
Kokemuksemme mukaan insinöörit, joilla on tietoa näistä testeistä, yleensä hyväksyvät asennuksen, jos muut keskeiset tekniset ominaisuudet (kuten puristuslujuus) täyttyvät. Antamalla kvantitatiivisia w/cm2-mittauksia ja muodostumiskerrointa voimme ylittää monissa töissä vaaditut testit ja todistaa, että kyseisellä seoksella on ominaisuuksia, jotka johtavat hyvään kestävyyteen.
David Rothstein, Ph.D., PG, FACI, on DRP:n, A Twining Companyn, päälitografi. Hänellä on yli 25 vuoden ammattimainen kokemus petrologina, ja hän on henkilökohtaisesti tarkastanut yli 10 000 näytettä yli 2 000 projektista ympäri maailmaa. DRP:n, a Twining Companyn, päätutkija, tohtori Chunyu Qiao on geologi ja materiaalitieteilijä, jolla on yli kymmenen vuoden kokemus sementointimateriaaleista sekä luonnon- ja prosessoiduista kivituotteista. Hänen asiantuntemukseensa kuuluu kuva-analyysin ja fluoresenssimikroskopian käyttö betonin kestävyyden tutkimiseen, erityisesti jäänpoistosuolojen, alkali-pii-reaktioiden ja kemiallisen hyökkäyksen aiheuttamissa vaurioissa jätevedenpuhdistamoissa.
Julkaisun aika: 07.09.2021