پیشرفت در تضمین کیفیت طراحی مخلوط روسازی بتنی با استفاده از پتروگرافی و میکروسکوپ فلورسانس

پیشرفت های جدید در تضمین کیفیت روسازی های بتنی می تواند اطلاعات مهمی در مورد کیفیت، دوام و انطباق با کدهای طراحی ترکیبی ارائه دهد.
ساخت روسازی بتنی می تواند شرایط اضطراری را مشاهده کند و پیمانکار باید کیفیت و دوام بتن ریخته شده در محل را بررسی کند.این رویدادها شامل قرار گرفتن در معرض باران در طول فرآیند ریختن، پس از استفاده از ترکیبات پخت، انقباض و ترک خوردن پلاستیک در چند ساعت پس از ریختن، و مسائل مربوط به بافت و پخت بتن است.حتی اگر الزامات مقاومت و سایر آزمایش‌های مواد برآورده شود، مهندسان ممکن است نیاز به حذف و جایگزینی قطعات روسازی داشته باشند زیرا نگران هستند که آیا مصالح در محل با مشخصات طراحی مخلوط مطابقت دارند یا خیر.
در این مورد، پتروگرافی و سایر روش‌های آزمایش تکمیلی (اما حرفه‌ای) می‌توانند اطلاعات مهمی در مورد کیفیت و دوام مخلوط‌های بتن و اینکه آیا آنها با مشخصات کاری مطابقت دارند ارائه می‌دهند.
شکل 1. نمونه هایی از میکروسکوپ فلورسانس خمیر بتن در 0.40 w/c (گوشه سمت چپ بالا) و 0.60 w/c (گوشه سمت راست بالا).شکل پایین سمت چپ دستگاه اندازه گیری مقاومت یک استوانه بتنی را نشان می دهد.شکل پایین سمت راست رابطه بین مقاومت حجمی و w/c را نشان می دهد.Chunyu Qiao و DRP، یک شرکت Twining
قانون آبرام: مقاومت فشاری مخلوط بتن با نسبت آب به سیمان آن نسبت معکوس دارد.
پروفسور داف آبرامز برای اولین بار رابطه بین نسبت آب به سیمان (w/c) و مقاومت فشاری را در سال 1918 توضیح داد [1] و آنچه را که اکنون قانون آبرام نامیده می شود فرموله کرد: «مقاومت فشاری بتن نسبت آب به سیمان».علاوه بر کنترل مقاومت فشاری، نسبت سیمان آب (w/cm) در حال حاضر مورد علاقه است زیرا جایگزینی سیمان پرتلند با مواد سیمانی تکمیلی مانند خاکستر بادی و سرباره را تشخیص می دهد.همچنین یکی از پارامترهای کلیدی دوام بتن است.بسیاری از مطالعات نشان داده‌اند که مخلوط‌های بتن با w/cm کمتر از 0.45 در محیط‌های تهاجمی مانند مناطقی که در معرض چرخه‌های انجماد و ذوب با نمک‌های یخ‌گیر هستند یا مناطقی که غلظت بالایی از سولفات در خاک وجود دارد، بادوام هستند.
منافذ مویرگی جزء ذاتی دوغاب سیمان هستند.آنها از فضای بین محصولات هیدراتاسیون سیمان و ذرات سیمان هیدراته نشده تشکیل شده اند که زمانی با آب پر شده اند.[2] منافذ مویرگی بسیار ریزتر از منافذ حبس شده یا به دام افتاده هستند و نباید با آنها اشتباه گرفته شود.هنگامی که منافذ مویرگی به هم متصل می شوند، مایع از محیط خارجی می تواند از طریق خمیر مهاجرت کند.این پدیده نفوذ نامیده می شود و برای اطمینان از دوام باید به حداقل برسد.ریزساختار مخلوط بتن بادوام به این صورت است که منافذ به جای اتصال قطعه قطعه می شوند.این زمانی اتفاق می افتد که w/cm کمتر از ~0.45 باشد.
اگرچه اندازه گیری دقیق وزن در سانتی متر بتن سخت شده بسیار دشوار است، اما یک روش قابل اعتماد می تواند ابزار تضمین کیفیت مهمی برای بررسی بتن سخت شده در محل تهیه کند.میکروسکوپ فلورسانس یک راه حل ارائه می دهد.اینجوری کار میکند.
میکروسکوپ فلورسانس تکنیکی است که از رزین اپوکسی و رنگ های فلورسنت برای روشن کردن جزئیات مواد استفاده می کند.بیشتر در علوم پزشکی استفاده می شود و همچنین کاربردهای مهمی در علم مواد دارد.کاربرد سیستماتیک این روش در بتن تقریباً 40 سال پیش در دانمارک آغاز شد [3].در کشورهای شمال اروپا در سال 1991 برای تخمین وزن بتن سخت شده استاندارد شد و در سال 1999 به روز شد [4].
برای اندازه گیری وزن بر سانتی متر مواد پایه سیمانی (یعنی بتن، ملات و دوغاب)، از اپوکسی فلورسنت برای ساخت یک مقطع نازک یا بلوک بتنی با ضخامت تقریباً 25 میکرون یا 1/1000 اینچ استفاده می شود (شکل 2).این فرآیند شامل هسته یا استوانه بتنی به بلوک های بتنی مسطح (به نام بلانک) با مساحت تقریبی 25×50 میلی متر (1×2 اینچ) می شود.قسمت خالی به یک اسلاید شیشه ای چسبانده می شود، در یک محفظه خلاء قرار می گیرد و رزین اپوکسی تحت خلاء وارد می شود.با افزایش وزن بر سانتی متر، اتصال و تعداد منافذ افزایش می یابد، بنابراین اپوکسی بیشتری به خمیر نفوذ می کند.ما تکه ها را زیر میکروسکوپ بررسی می کنیم و با استفاده از مجموعه ای از فیلترهای مخصوص رنگ های فلورسنت در رزین اپوکسی را تحریک می کنیم و سیگنال های اضافی را فیلتر می کنیم.در این تصاویر، مناطق سیاه نشان دهنده ذرات سنگدانه و ذرات سیمان هیدراته نشده است.تخلخل این دو اساساً 0٪ است.دایره سبز روشن تخلخل است (نه تخلخل) و تخلخل اساساً 100٪ است.یکی از این ویژگی ها "ماده" سبز خالدار یک خمیر است (شکل 2).با افزایش وزن بر سانتی متر و تخلخل مویرگی بتن، رنگ سبز منحصر به فرد خمیر روشن تر و روشن تر می شود (شکل 3 را ببینید).
شکل 2. میکروگراف فلورسانس از ورقه ها که ذرات تجمع یافته، حفره های (v) و خمیر را نشان می دهد.عرض میدان افقی ~ 1.5 میلی متر است.Chunyu Qiao و DRP، یک شرکت Twining
شکل 3. میکروگراف های فلورسانس از تکه ها نشان می دهد که با افزایش w/cm، خمیر سبز به تدریج روشن تر می شود.این مخلوط ها هوادهی شده و حاوی خاکستر بادی هستند.Chunyu Qiao و DRP، یک شرکت Twining
تجزیه و تحلیل تصویر شامل استخراج داده های کمی از تصاویر است.در بسیاری از زمینه های علمی مختلف از میکروسکوپ سنجش از دور استفاده می شود.هر پیکسل در یک تصویر دیجیتال اساساً به یک نقطه داده تبدیل می شود.این روش به ما امکان می دهد اعداد را به سطوح مختلف روشنایی سبز که در این تصاویر مشاهده می شود، متصل کنیم.در طول 20 سال گذشته یا بیشتر، با انقلاب در قدرت محاسبات رومیزی و کسب تصویر دیجیتال، تجزیه و تحلیل تصویر اکنون به ابزاری عملی تبدیل شده است که بسیاری از میکروسکوپ‌ها (از جمله سنگ‌شناسان بتن) می‌توانند از آن استفاده کنند.ما اغلب از آنالیز تصویر برای اندازه گیری تخلخل مویرگی دوغاب استفاده می کنیم.با گذشت زمان، ما دریافتیم که یک همبستگی آماری سیستماتیک قوی بین w/cm و تخلخل مویرگی وجود دارد، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است (شکل 4 و شکل 5).
شکل 4. نمونه ای از داده های به دست آمده از میکروگراف های فلورسانس مقاطع نازک.این نمودار تعداد پیکسل ها را در یک سطح خاکستری معین در یک فوتومیکروگراف نشان می دهد.سه قله مربوط به سنگدانه ها (منحنی نارنجی)، خمیری (منطقه خاکستری) و فضای خالی (قله پر نشده در سمت راست منتهی الیه سمت راست) هستند.منحنی خمیر به فرد اجازه می دهد تا متوسط ​​اندازه منافذ و انحراف استاندارد آن را محاسبه کند.Chunyu Qiao و DRP، Twining Company شکل 5. این نمودار مجموعه ای از اندازه گیری های مویرگی متوسط ​​w/cm و فواصل اطمینان 95% در مخلوط متشکل از سیمان خالص، سیمان خاکستر بادی و چسب طبیعی پوزولان را خلاصه می کند.Chunyu Qiao و DRP، یک شرکت Twining
در تجزیه و تحلیل نهایی، سه آزمایش مستقل برای اثبات مطابقت بتن در محل با مشخصات طراحی مخلوط مورد نیاز است.تا آنجا که ممکن است، نمونه‌های اصلی را از محل‌هایی که همه معیارهای پذیرش را دارند، و همچنین نمونه‌هایی از محل‌های مرتبط به دست آورید.هسته از طرح پذیرفته شده می تواند به عنوان یک نمونه کنترل استفاده شود و می توانید از آن به عنوان معیاری برای ارزیابی انطباق طرح مربوطه استفاده کنید.
در تجربه ما، زمانی که مهندسان دارای سوابق، داده‌های به‌دست‌آمده از این آزمایش‌ها را مشاهده می‌کنند، معمولاً در صورت رعایت سایر ویژگی‌های مهندسی کلیدی (مانند مقاومت فشاری) جایگذاری را می‌پذیرند.با ارائه اندازه‌گیری‌های کمی w/cm و ضریب تشکیل، می‌توانیم از آزمایش‌های مشخص‌شده برای بسیاری از مشاغل فراتر برویم تا ثابت کنیم که مخلوط مورد نظر دارای خواصی است که به دوام خوب تبدیل می‌شود.
دیوید روتشتاین، Ph.D., PG, FACI، لیتوگراف ارشد DRP، A Twining Company است.او بیش از 25 سال تجربه نفت شناس حرفه ای دارد و شخصا بیش از 10000 نمونه از بیش از 2000 پروژه در سراسر جهان را بازرسی کرده است.دکتر Chunyu Qiao، دانشمند ارشد DRP، یک شرکت Twining، زمین شناس و دانشمند مواد با بیش از ده سال تجربه در زمینه سیمان کردن مواد و محصولات سنگ طبیعی و فرآوری شده است.تخصص او شامل استفاده از تجزیه و تحلیل تصویر و میکروسکوپ فلورسانس برای مطالعه دوام بتن، با تاکید ویژه بر آسیب های ناشی از نمک های یخ زدایی، واکنش های قلیایی-سیلیکون، و حمله شیمیایی در تصفیه خانه های فاضلاب است.