Những phát triển mới trong việc đảm bảo chất lượng mặt đường bê tông có thể cung cấp thông tin quan trọng về chất lượng, độ bền và khả năng tuân thủ các quy tắc thiết kế hỗn hợp.
Việc thi công mặt đường bê tông có thể gặp phải các trường hợp khẩn cấp, và nhà thầu cần kiểm tra chất lượng và độ bền của bê tông đúc tại chỗ. Những sự cố này bao gồm việc tiếp xúc với mưa trong quá trình đổ, sau khi thi công hợp chất bảo dưỡng, hiện tượng co ngót và nứt nhựa trong vòng vài giờ sau khi đổ, cũng như các vấn đề về kết cấu và bảo dưỡng bê tông. Ngay cả khi đáp ứng các yêu cầu về cường độ và các thử nghiệm vật liệu khác, các kỹ sư vẫn có thể yêu cầu tháo dỡ và thay thế các bộ phận mặt đường vì họ lo ngại liệu vật liệu tại chỗ có đáp ứng các thông số kỹ thuật thiết kế cấp phối hay không.
Trong trường hợp này, phương pháp thử nghiệm thạch học và các phương pháp bổ sung khác (nhưng chuyên nghiệp) có thể cung cấp thông tin quan trọng về chất lượng và độ bền của hỗn hợp bê tông cũng như liệu chúng có đáp ứng các thông số kỹ thuật công việc hay không.
Hình 1. Ví dụ về ảnh chụp hiển vi huỳnh quang của hỗn hợp bê tông ở nồng độ 0,40 w/c (góc trên bên trái) và 0,60 w/c (góc trên bên phải). Hình dưới bên trái cho thấy thiết bị đo điện trở suất của một xi lanh bê tông. Hình dưới bên phải cho thấy mối quan hệ giữa điện trở suất thể tích và w/c. Chunyu Qiao và DRP, một công ty thuộc Twining
Định luật Abram: “Cường độ nén của hỗn hợp bê tông tỷ lệ nghịch với tỷ lệ nước-xi măng của nó.”
Giáo sư Duff Abrams lần đầu tiên mô tả mối quan hệ giữa tỷ lệ nước-xi măng (w/c) và cường độ nén vào năm 1918 [1] và xây dựng nên định luật Abram: “Cường độ nén của bê tông Tỷ lệ nước/xi măng”. Ngoài việc kiểm soát cường độ nén, tỷ lệ nước-xi măng (w/cm) hiện được ưa chuộng vì nó cho phép thay thế xi măng Portland bằng các vật liệu xi măng bổ sung như tro bay và xỉ. Đây cũng là một thông số quan trọng về độ bền của bê tông. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng hỗn hợp bê tông có w/cm thấp hơn ~0,45 có độ bền cao trong môi trường khắc nghiệt, chẳng hạn như các khu vực tiếp xúc với chu kỳ đóng băng-tan băng với muối phá băng hoặc các khu vực có nồng độ sunfat cao trong đất.
Lỗ mao dẫn là một phần vốn có của vữa xi măng. Chúng bao gồm khoảng không giữa các sản phẩm thủy hóa xi măng và các hạt xi măng chưa thủy hóa, vốn đã từng chứa đầy nước. [2] Lỗ mao dẫn nhỏ hơn nhiều so với lỗ mao dẫn bị cuốn theo hoặc bị giữ lại và không nên nhầm lẫn với chúng. Khi các lỗ mao dẫn được kết nối, chất lỏng từ môi trường bên ngoài có thể di chuyển qua vữa. Hiện tượng này được gọi là sự thẩm thấu và phải được giảm thiểu để đảm bảo độ bền. Cấu trúc vi mô của hỗn hợp bê tông bền là các lỗ mao dẫn được phân đoạn thay vì kết nối. Điều này xảy ra khi tỷ lệ w/cm nhỏ hơn ~0,45.
Mặc dù việc đo chính xác tỷ lệ w/cm3 bê tông đã đông cứng là rất khó khăn, nhưng một phương pháp đáng tin cậy có thể cung cấp một công cụ đảm bảo chất lượng quan trọng để nghiên cứu bê tông đúc tại chỗ đã đông cứng. Kính hiển vi huỳnh quang cung cấp một giải pháp. Đây là cách thức hoạt động của nó.
Kính hiển vi huỳnh quang là một kỹ thuật sử dụng nhựa epoxy và thuốc nhuộm huỳnh quang để chiếu sáng các chi tiết vật liệu. Nó được sử dụng phổ biến nhất trong y học, và cũng có những ứng dụng quan trọng trong khoa học vật liệu. Việc áp dụng có hệ thống phương pháp này trong bê tông bắt đầu gần 40 năm trước tại Đan Mạch [3]; phương pháp này được chuẩn hóa tại các nước Bắc Âu vào năm 1991 để ước tính tỷ lệ w/c của bê tông đã đông cứng, và được cập nhật vào năm 1999 [4].
Để đo w/cm của vật liệu gốc xi măng (tức là bê tông, vữa và vữa rót), epoxy huỳnh quang được sử dụng để tạo ra một phần mỏng hoặc khối bê tông có độ dày khoảng 25 micron hoặc 1/1000 inch (Hình 2). Quy trình bao gồm Lõi bê tông hoặc hình trụ được cắt thành các khối bê tông phẳng (gọi là phôi) có diện tích khoảng 25 x 50 mm (1 x 2 inch). Phôi được dán vào một tấm kính, đặt trong buồng chân không và nhựa epoxy được đưa vào trong điều kiện chân không. Khi w/cm tăng, khả năng kết nối và số lượng lỗ rỗng sẽ tăng lên, do đó nhiều epoxy hơn sẽ thấm vào hỗn hợp. Chúng tôi kiểm tra các vảy dưới kính hiển vi, sử dụng một bộ lọc đặc biệt để kích thích thuốc nhuộm huỳnh quang trong nhựa epoxy và lọc ra các tín hiệu dư thừa. Trong những hình ảnh này, các vùng màu đen biểu thị các hạt cốt liệu và các hạt xi măng chưa ngậm nước. Độ xốp của hai loại này về cơ bản là 0%. Vòng tròn màu xanh lá cây sáng là độ xốp (không phải độ xốp) và độ xốp về cơ bản là 100%. Một trong những đặc điểm này là "chất" màu xanh lá cây lốm đốm là hỗn hợp sệt (Hình 2). Khi tỷ lệ w/cm và độ xốp mao dẫn của bê tông tăng lên, màu xanh lá cây đặc trưng của hỗn hợp sệt ngày càng sáng hơn (xem Hình 3).
Hình 2. Ảnh chụp huỳnh quang của các mảnh vảy cho thấy các hạt kết tụ, lỗ rỗng (v) và dạng hồ. Chiều rộng trường ngang là ~ 1,5 mm. Chunyu Qiao và DRP, một công ty thuộc Twining
Hình 3. Ảnh chụp huỳnh quang của các mảnh vảy cho thấy khi tỷ lệ w/cm tăng lên, hỗn hợp màu xanh lá cây dần trở nên sáng hơn. Các hỗn hợp này được sục khí và chứa tro bay. Chunyu Qiao và DRP, một công ty của Twining
Phân tích hình ảnh bao gồm việc trích xuất dữ liệu định lượng từ hình ảnh. Phương pháp này được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học khác nhau, từ kính hiển vi cảm biến từ xa. Mỗi pixel trong ảnh kỹ thuật số về cơ bản trở thành một điểm dữ liệu. Phương pháp này cho phép chúng tôi gắn số vào các mức độ sáng xanh lục khác nhau được thấy trong những hình ảnh này. Trong khoảng 20 năm trở lại đây, với cuộc cách mạng về sức mạnh máy tính để bàn và thu thập hình ảnh kỹ thuật số, phân tích hình ảnh hiện đã trở thành một công cụ thiết thực mà nhiều nhà hiển vi học (bao gồm cả các nhà thạch học bê tông) có thể sử dụng. Chúng tôi thường sử dụng phân tích hình ảnh để đo độ xốp mao quản của bùn. Theo thời gian, chúng tôi nhận thấy có mối tương quan thống kê hệ thống mạnh mẽ giữa w/cm và độ xốp mao quản, như thể hiện trong hình sau (Hình 4 và Hình 5)).
Hình 4. Ví dụ về dữ liệu thu được từ ảnh chụp huỳnh quang của các lát mỏng. Biểu đồ này biểu diễn số lượng điểm ảnh ở một mức xám nhất định trong một ảnh chụp hiển vi đơn lẻ. Ba đỉnh tương ứng với các cốt liệu (đường cong màu cam), vữa (vùng xám) và khoảng trống (đỉnh chưa lấp đầy ở phía bên phải). Đường cong của vữa cho phép tính toán kích thước lỗ rỗng trung bình và độ lệch chuẩn của nó. Chunyu Qiao và DRP, Công ty Twining Hình 5. Biểu đồ này tóm tắt một loạt các phép đo mao quản trung bình w/cm và khoảng tin cậy 95% trong hỗn hợp gồm xi măng nguyên chất, xi măng tro bay và chất kết dính puzzolan tự nhiên. Chunyu Qiao và DRP, Công ty Twining
Trong phân tích cuối cùng, cần thực hiện ba thử nghiệm độc lập để chứng minh bê tông tại chỗ tuân thủ tiêu chuẩn thiết kế cấp phối. Cố gắng hết sức để lấy mẫu lõi từ các vị trí đáp ứng tất cả các tiêu chí chấp nhận, cũng như các mẫu từ các vị trí liên quan. Lõi từ bố cục đã được chấp nhận có thể được sử dụng làm mẫu đối chứng và bạn có thể sử dụng nó làm chuẩn mực để đánh giá sự tuân thủ của bố cục liên quan.
Theo kinh nghiệm của chúng tôi, khi các kỹ sư có hồ sơ xem dữ liệu thu được từ các thử nghiệm này, họ thường chấp nhận đặt bê tông nếu các đặc tính kỹ thuật quan trọng khác (như cường độ nén) được đáp ứng. Bằng cách cung cấp các phép đo định lượng w/cm và hệ số hình thành, chúng tôi có thể vượt ra ngoài các thử nghiệm được chỉ định cho nhiều công việc để chứng minh rằng hỗn hợp đang xem xét có các đặc tính sẽ chuyển thành độ bền tốt.
Tiến sĩ David Rothstein, PG, FACI là chuyên gia in thạch bản chính của DRP, một công ty thuộc Twining. Ông có hơn 25 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực thạch học chuyên nghiệp và đã trực tiếp kiểm tra hơn 10.000 mẫu từ hơn 2.000 dự án trên toàn thế giới. Tiến sĩ Chunyu Qiao, nhà khoa học chính của DRP, một công ty thuộc Twining, là một nhà địa chất và nhà khoa học vật liệu với hơn mười năm kinh nghiệm trong lĩnh vực vật liệu xi măng, các sản phẩm đá tự nhiên và đá đã qua xử lý. Chuyên môn của ông bao gồm việc sử dụng phân tích hình ảnh và kính hiển vi huỳnh quang để nghiên cứu độ bền của bê tông, đặc biệt chú trọng đến hư hại do muối tan băng, phản ứng kiềm-silic và sự ăn mòn hóa học trong các nhà máy xử lý nước thải.
Thời gian đăng: 07-09-2021