התקדמות באבטחת האיכות של תכנון תמהיל ריצוף בטון באמצעות מיקרוסקופ פטרוגרפיה ופלורסצנטי

פיתוחים חדשים באבטחת איכות של מדרכות בטון יכולים לספק מידע חשוב על איכות, עמידות ועמידה בקודי עיצוב היברידיים.
בבניית ריצוף בטון ניתן לראות מצבי חירום, והקבלן צריך לוודא את איכותו ועמידות הבטון היצוק. אירועים אלו כוללים חשיפה לגשם במהלך תהליך היציקה, לאחר יישום תרכובות אשפרה, התכווצות פלסטיק ושעות פיצוח תוך מספר שעות לאחר היציקה, ובעיות טקסטורה ואשפרה של בטון. גם אם מתקיימות דרישות החוזק ובדיקות חומרים אחרים, מהנדסים עשויים לדרוש הסרה והחלפה של חלקי מדרכה מכיוון שהם מודאגים אם החומרים במקום עומדים במפרטי עיצוב התערובת.
במקרה זה, פטרוגרפיה ושיטות בדיקה משלימות (אך מקצועיות) אחרות יכולות לספק מידע חשוב לגבי האיכות והעמידות של תערובות בטון והאם הן עומדות במפרט העבודה.
איור 1. דוגמאות של מיקרוסקופ פלואורסצנטי של משחת בטון ב-0.40 w/c (פינה השמאלית העליונה) ו-0.60 w/c (פינה ימנית עליונה). האיור השמאלי התחתונה מציג את המכשיר למדידת ההתנגדות של גליל בטון. האיור הימני התחתון מציג את הקשר בין התנגדות נפח ל-w/c. Chunyu Qiao ו-DRP, חברת Twining
חוק אברם: "חוזק הלחיצה של תערובת בטון עומד ביחס הפוך ליחס המים-צמנט שלה".
פרופסור דאף אברמס תיאר לראשונה את הקשר בין יחס מים-צמנט (w/c) לחוזק הלחיצה ב-1918 [1], וניסח את מה שנקרא כיום חוק אברם: "חוזק הלחיצה של בטון יחס מים/צמנט". בנוסף לשליטה בחוזק הלחיצה, יחס צמנט המים (w/cm) מועדף כעת מכיוון שהוא מכיר בהחלפת צמנט פורטלנד בחומרי מלט משלימים כגון אפר טוס וסיג. זהו גם פרמטר מרכזי של עמידות הבטון. מחקרים רבים הראו שתערובות בטון עם w/cm נמוך מ-0.45 ~0.45 עמידות בסביבות אגרסיביות, כגון אזורים החשופים למחזורי הקפאה-הפשרה עם מלחי הסרה או אזורים בהם יש ריכוז גבוה של סולפט באדמה.
נקבוביות נימיות הן חלק אינהרנטי מתרחית מלט. הם מורכבים מהרווח שבין מוצרי הידרציה של מלט וחלקיקי מלט לא מיובשים שפעם היו מלאים במים. [2] נקבוביות נימיות עדינות בהרבה מנקבוביות כלואות או כלואות ואין לבלבל איתן. כאשר הנקבוביות הנימים מחוברות, נוזל מהסביבה החיצונית יכול לנדוד דרך המשחה. תופעה זו נקראת חדירה ויש להמעיט בה כדי להבטיח עמידות. המיקרו-מבנה של תערובת הבטון העמידה הוא שהנקבוביות מפולחות ולא מחוברות. זה קורה כאשר w/cm הוא פחות מ~0.45.
למרות שקשה לשמצה למדוד במדויק את w/cm של בטון מוקשה, שיטה אמינה יכולה לספק כלי חשוב לאבטחת איכות לחקירת בטון יצוק במקום. מיקרוסקופ פלואורסצנטי נותן פתרון. כך זה עובד.
מיקרוסקופ פלואורסצנטי היא טכניקה המשתמשת בשרף אפוקסי ובצבעים ניאון כדי להאיר פרטים של חומרים. הוא נמצא בשימוש הנפוץ ביותר במדעי הרפואה, ויש לו גם יישומים חשובים במדעי החומרים. היישום השיטתי של שיטה זו בבטון החל לפני כמעט 40 שנה בדנמרק [3]; הוא תוקן במדינות הנורדיות ב-1991 להערכת ה-w/c של בטון מוקשה, ועודכן ב-1999 [4].
כדי למדוד את ה-w/cm של חומרים מבוססי צמנט (כלומר בטון, טיט ודיוס), אפוקסי ניאון משמש לייצור חתך דק או גוש בטון בעובי של כ-25 מיקרון או 1/1000 אינץ' (איור 2). התהליך כולל את ליבת הבטון או הצילינדר נחתכים לקוביות בטון שטוחות (הנקראות ריקים) בשטח של כ-25 על 50 מ"מ (1 על 2 אינץ'). הריק מודבק על שקופית זכוכית, מונח בתא ואקום, ושרף אפוקסי מוכנס תחת ואקום. ככל ש-w/cm גדל, הקישוריות ומספר הנקבוביות יגדלו, כך שיותר אפוקסי יחדור לתוך המשחה. אנו בוחנים את הפתיתים תחת מיקרוסקופ, באמצעות סט של מסננים מיוחדים כדי לעורר את הצבעים הפלורסנטים בשרף האפוקסי ולסנן אותות עודפים. בתמונות אלה, האזורים השחורים מייצגים חלקיקים מצטברים וחלקיקי מלט לא מוחים. הנקבוביות של השניים היא בעצם 0%. העיגול הירוק הבוהק הוא הנקבוביות (לא הנקבוביות), והנקבוביות היא בעצם 100%. אחת התכונות הללו ה"חומר" הירוק המנומר הוא משחה (איור 2). ככל שה-w/cm והנקבוביות הנימים של הבטון גדלים, הצבע הירוק הייחודי של המשחה הופך לבהיר יותר ויותר (ראה איור 3).
איור 2. מיקרוסקופ פלואורסצנטי של פתיתים המציגים חלקיקים מצטברים, חללים (v) ומשחה. רוחב השדה האופקי הוא ~ 1.5 מ"מ. Chunyu Qiao ו-DRP, חברת Twining
איור 3. צילומי פלואורסצנציה של הפתיתים מראים שככל שה-w/cm גדל, הדבק הירוקה הופכת בהדרגה לבהירה יותר. תערובות אלו מאווררות ומכילות אפר זבוב. Chunyu Qiao ו-DRP, חברת Twining
ניתוח תמונה כולל חילוץ נתונים כמותיים מתמונות. הוא משמש בתחומים מדעיים רבים ושונים, החל ממיקרוסקופ חישה מרחוק. כל פיקסל בתמונה דיגיטלית הופך למעשה לנקודת נתונים. שיטה זו מאפשרת לנו לצרף מספרים לרמות הבהירות הירוקה השונות הנראות בתמונות אלו. במהלך 20 השנים האחרונות בערך, עם המהפכה בכוח המחשוב שולחני ורכישת תמונה דיגיטלית, ניתוח תמונה הפך כעת לכלי מעשי שמיקרוסקופים רבים (כולל פטרולוגים בטון) יכולים להשתמש בו. לעתים קרובות אנו משתמשים בניתוח תמונה כדי למדוד את הנקבוביות הנימית של התרחיץ. עם הזמן, מצאנו שיש מתאם סטטיסטי שיטתי חזק בין w/cm לבין נקבוביות הנימים, כפי שמוצג באיור הבא (איור 4 ואיור 5)).
איור 4. דוגמה לנתונים שהתקבלו מצילומי מיקרוגרמים של פלואורסצנטי של חתכים דקים. גרף זה משרטט את מספר הפיקסלים ברמת אפור נתונה בצילום מיקרוגרף בודד. שלושת הפסגות תואמות לצבירה (עקומה כתומה), להדביק (אזור אפור) ולריק (פסגה לא מלאה בקצה הימני). העקומה של הדבק מאפשרת לחשב את גודל הנקבוביות הממוצע ואת סטיית התקן שלה. Chunyu Qiao ו-DRP, Twining Company איור 5. גרף זה מסכם סדרה של מדידות נימיות ממוצעות של w/cm ורווחי סמך של 95% בתערובת המורכבת ממלט טהור, צמנט אפר זבוב ומקשר פוצולאן טבעי. Chunyu Qiao ו-DRP, חברת Twining
בסופו של דבר, נדרשות שלוש בדיקות עצמאיות כדי להוכיח שהבטון באתר תואם את מפרט עיצוב התערובת. עד כמה שניתן, השג דוגמאות ליבה ממיקומים העומדים בכל קריטריוני הקבלה וכן דוגמאות ממיקומים קשורים. הליבה מהפריסה המקובלת יכולה לשמש כמדגם בקרה, ותוכל להשתמש בה כמדד להערכת התאימות של הפריסה הרלוונטית.
מניסיוננו, כאשר מהנדסים בעלי רשומות רואים את הנתונים שהתקבלו מבדיקות אלו, הם בדרך כלל מקבלים מיקום אם מתקיימים מאפיינים הנדסיים מרכזיים אחרים (כגון חוזק לחיצה). על ידי מתן מדידות כמותיות של w/cm ומקדם היווצרות, נוכל ללכת מעבר לבדיקות שצוינו עבור עבודות רבות כדי להוכיח שלתערובת המדוברת יש תכונות שיתורגמו לעמידות טובה.
David Rothstein, Ph.D., PG, FACI הוא הליטוגרף הראשי של DRP, A Twining Company. יש לו יותר מ-25 שנות ניסיון מקצועי בפטרולוג ובדק באופן אישי יותר מ-10,000 דגימות מיותר מ-2,000 פרויקטים ברחבי העולם. ד"ר Chunyu Qiao, המדען הראשי של DRP, a Twining Company, הוא גיאולוג ומדען חומרים עם ניסיון של יותר מעשר שנים בבליטת חומרים ומוצרי סלע טבעיים ומעובדים. מומחיותו כוללת שימוש בניתוח תמונה ומיקרוסקופ פלואורסצנטי לחקר עמידות הבטון, תוך שימת דגש על הנזקים הנגרמים ממלחי הסרת הקרח, תגובות אלקלי-סיליקון והתקפה כימית במכוני טיהור שפכים.