התקדמות באבטחת איכות של תכנון תערובת ריצוף בטון באמצעות פטרוגרפיה ומיקרוסקופ פלואורסצנטי

התפתחויות חדשות באבטחת איכות של מדרכות בטון יכולות לספק מידע חשוב לגבי איכות, עמידות ועמידה בקודי תכנון היברידיים.
בניית ריצוף בטון יכולה להיתקל במצבי חירום, והקבלן צריך לוודא את האיכות והעמידות של הבטון היצוק במקום. אירועים אלה כוללים חשיפה לגשם במהלך תהליך היציקה, לאחר יישום חומרי ריכוך, הצטמקות פלסטית וסדקים תוך מספר שעות לאחר היציקה, ובעיות במרקם ובריכוך הבטון. גם אם דרישות החוזק ובדיקות חומר אחרות מתקיימות, מהנדסים עשויים לדרוש הסרה והחלפה של חלקי ריצוף משום שהם מודאגים האם החומרים באתר עומדים במפרטי תכנון התערובת.
במקרה זה, פטרוגרפיה ושיטות בדיקה משלימות (אך מקצועיות) אחרות יכולות לספק מידע חשוב על איכותן ועמידותן של תערובות בטון והאם הן עומדות במפרטי העבודה.
איור 1. דוגמאות למיקרוסקופ פלואורסצנטי של משחת בטון ב-0.40 w/c (פינה שמאלית עליונה) ו-0.60 w/c (פינה ימנית עליונה). האיור השמאלי התחתון מציג את המכשיר למדידת ההתנגדות של גליל בטון. האיור הימני התחתון מציג את הקשר בין התנגדות נפחית ל-w/c. Chunyu Qiao ו-DRP, חברת Twining.
חוק אברם: "חוזק הדחיסה של תערובת בטון הוא ביחס הפוך ליחס המים-צמנט שלה."
פרופסור דאף אברמס תיאר לראשונה את הקשר בין יחס מים-צמנט (w/c) לבין חוזק דחיסה בשנת 1918 [1], וניסח את מה שמכונה כיום חוק אברם: "יחס מים/צמנט של בטון". בנוסף לשליטה על חוזק הדחיסה, יחס מים-צמנט (w/cm) מועדף כיום משום שהוא מכיר בהחלפת צמנט פורטלנד בחומרי צמנט משלימים כגון אפר פחם וסיגים. זהו גם פרמטר מפתח לעמידות בטון. מחקרים רבים הראו שתערובות בטון עם w/cm נמוך מ-~0.45 עמידות בסביבות אגרסיביות, כגון אזורים החשופים למחזורי הקפאה-הפשרה עם מלחי הפשרה או אזורים בהם יש ריכוז גבוה של סולפט בקרקע.
נקבוביות נימיות הן חלק בלתי נפרד מתרחיף צמנט. הן מורכבות מהמרחב שבין תוצרי הידרציה של צמנט לבין חלקיקי צמנט לא מיובשים שהיו מלאים בעבר במים. [2] נקבוביות נימיות דקות בהרבה מנקבוביות כלואות או לכודות ואין לבלבל ביניהן. כאשר הנקבוביות הנימות מחוברות, נוזל מהסביבה החיצונית יכול לנדוד דרך המשחה. תופעה זו נקראת חדירה ויש למזער אותה כדי להבטיח עמידות. המיקרו-מבנה של תערובת הבטון העמידה הוא שהנקבוביות מפולחות ולא מחוברות. זה קורה כאשר w/cm נמוך מ-~0.45.
למרות שקשה למדוד במדויק את ה-w/cm של בטון מוקשה, שיטה אמינה יכולה לספק כלי חשוב לאבטחת איכות לחקירת בטון יצוק במקום מוקשה. מיקרוסקופ פלואורסצנטי מספק פתרון. כך זה עובד.
מיקרוסקופ פלואורסצנטי היא טכניקה המשתמשת בשרף אפוקסי וצבעים פלואורסצנטיים כדי להאיר פרטים של חומרים. היא נפוצה ביותר במדעי הרפואה, ויש לה גם יישומים חשובים במדעי החומרים. היישום השיטתי של שיטה זו בבטון החל לפני כמעט 40 שנה בדנמרק [3]; היא תוקננה במדינות הנורדיות בשנת 1991 להערכת רמת ה-w/c של בטון מוקשה, ועודכנה בשנת 1999 [4].
כדי למדוד את משקל/ס"מ של חומרים מבוססי צמנט (למשל בטון, טיט ודייסה), אפוקסי פלואורסצנטי משמש לייצור חתך דק או גוש בטון בעובי של כ-25 מיקרון או 1/1000 אינץ' (איור 2). התהליך כרוך בחיתוך ליבת הבטון או הגליל לגושי בטון שטוחים (הנקראים ריקים) בשטח של כ-25 x 50 מ"מ (1 x 2 אינץ'). הריקים מודבקים לשקופית זכוכית, מונחים בתא ואקום, ושרף אפוקסי מוכנס תחת ואקום. ככל שמשקל/ס"מ עולה, 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 הפלואורסצנטיים בשרף האפוקסי ולסנן אותות עודפים. בתמונות אלה, האזורים השחורים מייצגים חלקיקי צמנט וחלקיקי צמנט לא מיובשים. הנקבוביות של השניים היא בעצם 0%. העיגול הירוק הבהיר הוא הנקבוביות (לא הנקבוביות), והנקבוביות היא בעצם 100%. אחת התכונות הללו, ה"חומר" הירוק המנוקד הוא משחה (איור 2). ככל שהמשקל/ס"מ והנקבוביות הקפילרית של הבטון עולים, הצבע הירוק הייחודי של המשחה הופך בהיר יותר ויותר (ראה איור 3).
איור 2. מיקרוסקופ פלואורסצנטי של פתיתים המציג חלקיקים מצטברים, חללים (v) ועיסה. רוחב השדה האופקי הוא ~1.5 מ"מ. Chunyu Qiao ו-DRP, חברת Twining
איור 3. מיקרוגרפים פלואורסצנטיים של הפתיתים מראים שככל ש-w/cm עולה, המשחה הירוקה הופכת בהדרגה לבהירה יותר. תערובות אלו מאווררות ומכילות אפר פחם. צ'וניו צ'יאו ו-DRP, חברת טווינינג
ניתוח תמונות כרוך בחילוץ 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 הירוקות השונות הנראות בתמונות אלו. במהלך 20 השנים האחרונות בערך, עם המהפכה בכוח המחשוב השולחני ורכישת תמונות דיגיטליות, ניתוח תמונות הפך כיום לכלי מעשי שמיקרוסקופים רבים (כולל פטרולוגים של בטון) יכולים להשתמש בו. לעתים קרובות אנו משתמשים בניתוח תמונות כדי למדוד את נקבוביות הקפילרית של התרחיף. עם הזמן, מצאנו כי קיים מתאם סטטיסטי שיטתי חזק בין w/cm לבין נקבוביות הקפילרית, כפי שמוצג באיור הבא (איור 4 ואיור 5)).
איור 4. דוגמה לנתונים שהתקבלו ממיקרוסקופים פלואורסצנטיים של חתכים דקים. גרף זה משרטט את מספר הפיקסלים ברמה אפורה נתונה בפוטומיקרוגרף יחיד. שלושת הפסגות מתאימות לאגרגטים (עקומה כתומה), משחה (אזור אפור) וחלול (שיא לא ממולא בקצה הימני). עקומת המשחה מאפשרת לחשב את גודל הנקבוביות הממוצע ואת סטיית התקן שלה. Chunyu Qiao and DRP, חברת Twining איור 5. גרף זה מסכם סדרה של מדידות נימות ממוצעות של w/cm ורווחי סמך של 95% בתערובת המורכבת מצמנט טהור, צמנט אפר פחם וקלסר פוצולאן טבעי. Chunyu Qiao and DRP, חברת Twining
בסופו של דבר, נדרשות שלוש בדיקות בלתי תלויות כדי להוכיח שהבטון באתר עומד במפרט תכנון התערובת. ככל האפשר, יש להשיג דגימות ליבה ממיקומים העומדים בכל קריטריוני הקבלה, וכן דגימות ממיקומים קשורים. ניתן להשתמש בליבה מהמתווה המקובל כדגימת בקרה, וניתן להשתמש בה כמדד להערכת עמידת המתווה הרלוונטי.
מניסיוננו, כאשר מהנדסים בעלי תיעוד רואים את הנתונים שהתקבלו מבדיקות אלו, הם בדרך כלל מקבלים את ההתקנה אם מתקיימים מאפיינים הנדסיים מרכזיים אחרים (כגון חוזק דחיסה). על ידי מתן מדידות כמותיות של משקל/ס"מ ומקדם היווצרות, אנו יכולים ללכת מעבר לבדיקות שצוינו עבור עבודות רבות כדי להוכיח שלתערובת המדוברת יש תכונות שיתורגמו לעמידות טובה.
דיוויד רוטשטיין, Ph.D., PG, FACI, הוא הליתוגרף הראשי של DRP, חברת Twining. יש לו יותר מ-25 שנות ניסיון מקצועי כפטרולוג והוא בדק באופן אישי יותר מ-10,000 דגימות מיותר מ-2,000 פרויקטים ברחבי העולם. ד"ר צ'וניו צ'יאו, המדען הראשי של DRP, חברת Twining, הוא גיאולוג ומדען חומרים עם יותר מעשר שנות ניסיון ביצירת חומרי צמנט ומוצרי סלע טבעיים ומעובדים. מומחיותו כוללת שימוש בניתוח תמונות ובמיקרוסקופ פלואורסצנטי לחקר עמידות הבטון, בדגש מיוחד על הנזק הנגרם על ידי מלחי הפשרת קרח, תגובות אלקליות-סיליקון ותקיפה כימית במתקני טיהור שפכים.