پیشرفت در تضمین کیفیت طرح اختلاط روسازی بتنی با استفاده از سنگ‌نگاری و میکروسکوپ فلورسانس

پیشرفت‌های جدید در تضمین کیفیت روسازی‌های بتنی می‌تواند اطلاعات مهمی در مورد کیفیت، دوام و انطباق با کدهای طراحی ترکیبی ارائه دهد.
ساخت روسازی بتنی می‌تواند با شرایط اضطراری مواجه شود و پیمانکار باید کیفیت و دوام بتن درجاریز شده را تأیید کند. این رویدادها شامل قرار گرفتن در معرض باران در طول فرآیند ریختن، پس از استفاده از ترکیبات عمل‌آوری، انقباض پلاستیک و ترک خوردگی چند ساعت پس از ریختن بتن و مشکلات بافت و عمل‌آوری بتن می‌شود. حتی اگر الزامات مقاومت و سایر آزمایش‌های مصالح رعایت شود، مهندسان ممکن است نیاز به حذف و جایگزینی قطعات روسازی داشته باشند زیرا نگران این هستند که آیا مصالح درجا مشخصات طرح اختلاط را برآورده می‌کنند یا خیر.
در این مورد، پتروگرافی و سایر روش‌های آزمایش مکمل (اما حرفه‌ای) می‌توانند اطلاعات مهمی در مورد کیفیت و دوام مخلوط‌های بتنی و اینکه آیا آنها مشخصات کار را برآورده می‌کنند یا خیر، ارائه دهند.
شکل 1. نمونه‌هایی از تصاویر میکروسکوپ فلورسانس از خمیر بتن در غلظت 0.40 w/c (گوشه بالا سمت چپ) و 0.60 w/c (گوشه بالا سمت راست). شکل پایین سمت چپ دستگاه اندازه‌گیری مقاومت ویژه یک استوانه بتنی را نشان می‌دهد. شکل پایین سمت راست رابطه بین مقاومت ویژه حجمی و w/c را نشان می‌دهد. چونیو کیائو و DRP، یک شرکت توئینینگ
قانون آبرام: «مقاومت فشاری یک مخلوط بتن با نسبت آب به سیمان آن رابطه معکوس دارد.»
پروفسور داف آبرامز برای اولین بار در سال 1918 [1] رابطه بین نسبت آب به سیمان (w/c) و مقاومت فشاری را شرح داد و آنچه را که اکنون قانون آبرام نامیده می‌شود، فرموله کرد: "مقاومت فشاری بتن نسبت آب به سیمان". علاوه بر کنترل مقاومت فشاری، نسبت آب به سیمان (w/cm) اکنون مورد توجه قرار گرفته است زیرا جایگزینی سیمان پرتلند با مواد سیمانی مکمل مانند خاکستر بادی و سرباره را تشخیص می‌دهد. همچنین این یک پارامتر کلیدی برای دوام بتن است. بسیاری از مطالعات نشان داده‌اند که مخلوط‌های بتنی با w/cm کمتر از ~0.45 در محیط‌های تهاجمی، مانند مناطقی که در معرض چرخه‌های انجماد-ذوب با نمک‌های ضد یخ قرار دارند یا مناطقی که غلظت بالایی از سولفات در خاک وجود دارد، بادوام هستند.
منافذ مویینه بخش ذاتی دوغاب سیمان هستند. آنها از فضای بین محصولات هیدراتاسیون سیمان و ذرات سیمان هیدراته نشده که زمانی با آب پر شده بودند، تشکیل شده‌اند. [2] منافذ مویینه بسیار ریزتر از منافذ محبوس شده یا حفر شده هستند و نباید با آنها اشتباه گرفته شوند. هنگامی که منافذ مویینه به هم متصل می‌شوند، سیال از محیط خارجی می‌تواند از طریق خمیر سیمان عبور کند. این پدیده نفوذ نامیده می‌شود و برای اطمینان از دوام باید به حداقل برسد. ریزساختار مخلوط بتن بادوام به این صورت است که منافذ به جای اتصال، قطعه قطعه هستند. این اتفاق زمانی می‌افتد که نسبت w/cm2 کمتر از ~0.45 باشد.
اگرچه اندازه‌گیری دقیق w/cm بتن سخت‌شده بسیار دشوار است، اما یک روش قابل اعتماد می‌تواند ابزار مهمی برای تضمین کیفیت جهت بررسی بتن سخت‌شده‌ی درجاریز ارائه دهد. میکروسکوپ فلورسانس راه‌حلی ارائه می‌دهد. این روش کار می‌کند.
میکروسکوپ فلورسانس تکنیکی است که از رزین اپوکسی و رنگ‌های فلورسنت برای روشن کردن جزئیات مواد استفاده می‌کند. این روش بیشتر در علوم پزشکی مورد استفاده قرار می‌گیرد و همچنین کاربردهای مهمی در علم مواد دارد. کاربرد سیستماتیک این روش در بتن تقریباً 40 سال پیش در دانمارک آغاز شد [3]؛ این روش در کشورهای اسکاندیناوی در سال 1991 برای تخمین نسبت آب به سیمان (w/c) بتن سخت شده استاندارد شد و در سال 1999 به‌روزرسانی شد [4].
برای اندازه‌گیری w/cm مصالح پایه سیمانی (یعنی بتن، ملات و دوغاب)، از اپوکسی فلورسنت برای ساخت یک مقطع نازک یا بلوک بتنی با ضخامت تقریبی 25 میکرون یا 1/1000 اینچ استفاده می‌شود (شکل 2). این فرآیند شامل این است که هسته یا استوانه بتنی به بلوک‌های بتنی مسطح (به نام بلوک‌های خالی) با مساحت تقریبی 25 در 50 میلی‌متر (1 در 2 اینچ) برش داده می‌شود. بلوک خالی به یک اسلاید شیشه‌ای چسبانده می‌شود، در یک محفظه خلاء قرار می‌گیرد و رزین اپوکسی تحت خلاء وارد می‌شود. با افزایش w/cm، اتصال و تعداد منافذ افزایش می‌یابد، بنابراین اپوکسی بیشتری به داخل خمیر نفوذ می‌کند. ما پوسته‌ها را زیر میکروسکوپ بررسی می‌کنیم و از مجموعه‌ای از فیلترهای ویژه برای تحریک رنگ‌های فلورسنت در رزین اپوکسی و فیلتر کردن سیگنال‌های اضافی استفاده می‌کنیم. در این تصاویر، نواحی سیاه نشان دهنده ذرات سنگدانه و ذرات سیمان هیدراته نشده هستند. تخلخل این دو اساساً 0٪ است. دایره سبز روشن تخلخل (نه تخلخل) است و تخلخل اساساً 100٪ است. یکی از این ویژگی‌ها، «ماده» سبز خالدار، خمیر سیمان است (شکل ۲). با افزایش نسبت آب به سانتی‌متر مکعب و تخلخل مویینگی بتن، رنگ سبز منحصر به فرد خمیر سیمان روشن‌تر و روشن‌تر می‌شود (شکل ۳ را ببینید).
شکل 2. تصویر میکروسکوپی فلورسانس از پوسته‌ها که ذرات تجمع یافته، حفره‌ها (v) و خمیر را نشان می‌دهد. عرض میدان افقی حدود 1.5 میلی‌متر است. چونیو کیائو و DRP، یک شرکت توئینینگ
شکل ۳. تصاویر میکروسکوپی فلورسانس از پولک‌ها نشان می‌دهد که با افزایش w/cm3، خمیر سبز به تدریج روشن‌تر می‌شود. این مخلوط‌ها هوادهی شده و حاوی خاکستر بادی هستند. چونیو کیائو و DRP، یک شرکت توئینینگ
تحلیل تصویر شامل استخراج داده‌های کمی از تصاویر است. این روش در بسیاری از زمینه‌های علمی مختلف، از میکروسکوپ سنجش از دور گرفته تا ...، استفاده می‌شود. هر پیکسل در یک تصویر دیجیتال اساساً به یک نقطه داده تبدیل می‌شود. این روش به ما امکان می‌دهد اعداد را به سطوح مختلف روشنایی سبز مشاهده شده در این تصاویر متصل کنیم. در طول 20 سال گذشته یا بیشتر، با انقلاب در قدرت محاسبات رومیزی و اخذ تصویر دیجیتال، تحلیل تصویر اکنون به ابزاری کاربردی تبدیل شده است که بسیاری از میکروسکوپیست‌ها (از جمله سنگ‌شناسان بتن) می‌توانند از آن استفاده کنند. ما اغلب از تحلیل تصویر برای اندازه‌گیری تخلخل مویینگی دوغاب استفاده می‌کنیم. با گذشت زمان، دریافتیم که یک همبستگی آماری سیستماتیک قوی بین w/cm2 و تخلخل مویینگی وجود دارد، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است (شکل 4 و شکل 5).
شکل ۴. نمونه‌ای از داده‌های به‌دست‌آمده از میکروگراف‌های فلورسانس مقاطع نازک. این نمودار تعداد پیکسل‌ها را در یک سطح خاکستری مشخص در یک فتومیکروگراف واحد رسم می‌کند. سه پیک مربوط به سنگدانه‌ها (منحنی نارنجی)، خمیر سیمان (ناحیه خاکستری) و فضای خالی (پیک پرنشده در منتهی‌الیه سمت راست) است. منحنی خمیر سیمان امکان محاسبه میانگین اندازه منافذ و انحراف معیار آن را فراهم می‌کند. چونیو کیائو و DRP، شرکت توئینینگ شکل ۵. این نمودار مجموعه‌ای از اندازه‌گیری‌های میانگین مویینگی w/cm و فواصل اطمینان ۹۵٪ را در مخلوط متشکل از سیمان خالص، سیمان خاکستر بادی و چسب پوزولان طبیعی خلاصه می‌کند. چونیو کیائو و DRP، شرکت توئینینگ
در تحلیل نهایی، سه آزمایش مستقل برای اثبات مطابقت بتن در محل با مشخصات طرح اختلاط مورد نیاز است. تا حد امکان، نمونه‌های مغزه‌گیری از محل‌هایی که تمام معیارهای پذیرش را برآورده می‌کنند، و همچنین نمونه‌هایی از محل‌های مغزه‌گیری مرتبط تهیه کنید. مغزه حاصل از طرح پذیرفته شده می‌تواند به عنوان نمونه کنترل استفاده شود و شما می‌توانید از آن به عنوان معیاری برای ارزیابی انطباق طرح مربوطه استفاده کنید.
طبق تجربه ما، وقتی مهندسان دارای سوابق، داده‌های به‌دست‌آمده از این آزمایش‌ها را می‌بینند، معمولاً در صورت برآورده شدن سایر ویژگی‌های کلیدی مهندسی (مانند مقاومت فشاری) محل قرارگیری را می‌پذیرند. با ارائه اندازه‌گیری‌های کمی w/cm و ضریب تشکیل، می‌توانیم فراتر از آزمایش‌های مشخص‌شده برای بسیاری از کارها عمل کنیم تا ثابت کنیم که مخلوط مورد نظر دارای خواصی است که به دوام خوب منجر می‌شود.
دیوید روتشتاین، دارای مدرک دکترا، دارای گواهینامه PG، FACI، لیتوگراف ارشد شرکت DRP، متعلق به شرکت Twining است. او بیش از 25 سال سابقه کار حرفه‌ای در زمینه سنگ‌شناسی دارد و شخصاً بیش از 10،000 نمونه از بیش از 2000 پروژه در سراسر جهان را بررسی کرده است. دکتر چونیو کیائو، دانشمند ارشد DRP، متعلق به شرکت Twining، زمین‌شناس و دانشمند مواد با بیش از ده سال سابقه در زمینه سیمان‌سازی مواد و محصولات سنگی طبیعی و فرآوری شده است. تخصص او شامل استفاده از آنالیز تصویر و میکروسکوپ فلورسانس برای مطالعه دوام بتن، با تأکید ویژه بر آسیب‌های ناشی از نمک‌های یخ‌زدا، واکنش‌های قلیایی-سیلیکون و حمله شیمیایی در تصفیه‌خانه‌های فاضلاب است.