Neue Entwicklungen in der Qualitätssicherung von Betonfahrbahnbelägen können wichtige Informationen über Qualität, Haltbarkeit und Einhaltung von Hybrid-Design-Codes liefern.
Beim Bau von Betonfahrbahnen kann es zu Notfällen kommen, und der Auftragnehmer muss die Qualität und Haltbarkeit des Ortbetons überprüfen. Zu diesen Ereignissen gehören Regeneinwirkung während des Gießvorgangs, nachträgliches Auftragen von Aushärtungsmitteln, plastisches Schwinden und Rissbildung innerhalb weniger Stunden nach dem Gießen sowie Probleme mit der Betontextur und -aushärtung. Selbst wenn die Festigkeitsanforderungen und andere Materialprüfungen erfüllt sind, können Ingenieure den Ausbau und Austausch von Fahrbahnteilen verlangen, weil sie befürchten, dass die vor Ort verwendeten Materialien den Spezifikationen der Mischungszusammensetzung entsprechen.
In diesem Fall können die Petrographie und andere ergänzende (aber professionelle) Prüfmethoden wichtige Informationen über die Qualität und Haltbarkeit von Betonmischungen liefern und darüber, ob sie den Arbeitsspezifikationen entsprechen.
Abbildung 1. Beispiele für Fluoreszenzmikroskopaufnahmen von Betonpaste bei 0,40 w/z (oben links) und 0,60 w/z (oben rechts). Die Abbildung unten links zeigt das Gerät zur Messung des spezifischen Widerstands eines Betonzylinders. Die Abbildung unten rechts zeigt die Beziehung zwischen Volumenwiderstand und w/z. Chunyu Qiao und DRP, ein Twining-Unternehmen
Abrams Gesetz: „Die Druckfestigkeit einer Betonmischung ist umgekehrt proportional zu ihrem Wasser-Zement-Verhältnis.“
Professor Duff Abrams beschrieb 1918 erstmals die Beziehung zwischen dem Wasser-Zement-Wert (w/z) und der Druckfestigkeit [1] und formulierte das heute als Abramsches Gesetz bekannte „Wasser-Zement-Wert“ für die Druckfestigkeit von Beton. Neben der Kontrolle der Druckfestigkeit wird der Wasser-Zement-Wert (w/cm) heute bevorzugt, da er den Ersatz von Portlandzement durch zusätzliche Bindemittel wie Flugasche und Schlacke ermöglicht. Er ist außerdem ein wichtiger Parameter für die Dauerhaftigkeit von Beton. Zahlreiche Studien haben gezeigt, dass Betonmischungen mit einem w/cm-Wert von weniger als ~0,45 in aggressiven Umgebungen haltbar sind, wie z. B. in Gebieten, die Frost-Tau-Zyklen mit Tausalzen ausgesetzt sind, oder in Gebieten mit hoher Sulfatkonzentration im Boden.
Kapillarporen sind ein fester Bestandteil von Zementschlämmen. Sie bestehen aus dem Raum zwischen Zementhydratationsprodukten und unhydratisierten Zementpartikeln, die einst mit Wasser gefüllt waren. [2] Kapillarporen sind deutlich feiner als eingeschlossene oder eingeschlossene Poren und sollten nicht mit diesen verwechselt werden. Sind die Kapillarporen verbunden, kann Flüssigkeit aus der Umgebung durch die Paste wandern. Dieses Phänomen wird als Penetration bezeichnet und muss minimiert werden, um die Haltbarkeit zu gewährleisten. Die Mikrostruktur der dauerhaften Betonmischung besteht darin, dass die Poren segmentiert und nicht verbunden sind. Dies ist der Fall, wenn der w/cm-Wert unter ~0,45 liegt.
Obwohl es bekanntermaßen schwierig ist, den W/cm-Wert von erhärtetem Beton genau zu messen, kann eine zuverlässige Methode ein wichtiges Instrument zur Qualitätssicherung bei der Untersuchung von erhärtetem Ortbeton darstellen. Die Fluoreszenzmikroskopie bietet eine Lösung. So funktioniert sie.
Die Fluoreszenzmikroskopie ist eine Technik, bei der Epoxidharz und fluoreszierende Farbstoffe verwendet werden, um Materialdetails zu beleuchten. Sie wird vor allem in der Medizin eingesetzt und hat auch wichtige Anwendungen in der Materialwissenschaft. Die systematische Anwendung dieser Methode in Beton begann vor fast 40 Jahren in Dänemark [3]; sie wurde 1991 in den nordischen Ländern zur Bestimmung des w/z-Wertes von gehärtetem Beton standardisiert und 1999 aktualisiert [4].
Zur Messung des Gewichts pro cm³ von zementbasierten Materialien (z. B. Beton, Mörtel und Fugenmörtel) wird mit fluoreszierendem Epoxidharz ein dünner Abschnitt bzw. Betonblock mit einer Dicke von etwa 25 Mikrometern (1/1000 Zoll) hergestellt (Abbildung 2). Der Betonkern oder -zylinder wird in flache Betonblöcke (sogenannte Rohlinge) mit einer Fläche von etwa 25 x 50 mm (1 x 2 Zoll) geschnitten. Der Rohling wird auf einen Objektträger geklebt, in eine Vakuumkammer gelegt und unter Vakuum mit Epoxidharz gefüllt. Mit zunehmendem Gewicht pro cm³ nehmen die Konnektivität und die Anzahl der Poren zu, sodass mehr Epoxidharz in die Paste eindringt. Wir untersuchen die Flocken unter dem Mikroskop und verwenden spezielle Filter, um die Fluoreszenzfarbstoffe im Epoxidharz anzuregen und überschüssige Signale herauszufiltern. In diesen Bildern stellen die schwarzen Bereiche Zuschlagstoffpartikel und unhydratisierte Zementpartikel dar. Die Porosität beider Partikel beträgt grundsätzlich 0 %. Der hellgrüne Kreis stellt die Porosität (nicht die Porosität) dar, die grundsätzlich 100 % beträgt. Eines dieser Merkmale: Die gesprenkelte grüne „Substanz“ ist eine Paste (Abbildung 2). Mit zunehmendem w/cm und zunehmender Kapillarporosität des Betons wird die einzigartige grüne Farbe der Paste immer heller (siehe Abbildung 3).
Abbildung 2. Fluoreszenzmikroskopische Aufnahme von Flocken mit aggregierten Partikeln, Hohlräumen (v) und Paste. Die horizontale Feldbreite beträgt ca. 1,5 mm. Chunyu Qiao und DRP, ein Twining-Unternehmen
Abbildung 3. Fluoreszenzmikroskopische Aufnahmen der Flocken zeigen, dass die grüne Paste mit zunehmendem Gewicht/cm² allmählich heller wird. Diese Mischungen sind belüftet und enthalten Flugasche. Chunyu Qiao und DRP, ein Twining-Unternehmen
Bei der Bildanalyse werden quantitative Daten aus Bildern extrahiert. Sie wird in vielen wissenschaftlichen Bereichen eingesetzt, von der Fernerkundung bis zum Mikroskop. Jeder Pixel in einem digitalen Bild wird im Wesentlichen zu einem Datenpunkt. Mit dieser Methode können wir den verschiedenen Grünhelligkeitsstufen, die in diesen Bildern zu sehen sind, Zahlen zuordnen. In den letzten 20 Jahren hat sich die Bildanalyse mit der Revolution der Desktop-Computerleistung und der digitalen Bilderfassung zu einem praktischen Werkzeug entwickelt, das viele Mikroskopiker (einschließlich Betonpetrologen) verwenden können. Wir verwenden die Bildanalyse häufig, um die Kapillarporosität von Schlämmen zu messen. Im Laufe der Zeit haben wir festgestellt, dass eine starke systematische statistische Korrelation zwischen w/cm und der Kapillarporosität besteht, wie in der folgenden Abbildung (Abbildung 4 und Abbildung 5) dargestellt.
Abbildung 4. Beispiel für Daten aus Fluoreszenzmikroskopiebildern von Dünnschliffen. Diese Grafik zeigt die Anzahl der Pixel bei einem bestimmten Grauwert in einer einzelnen Mikrofotografie. Die drei Peaks entsprechen Zuschlagstoffen (orangefarbene Kurve), Paste (grauer Bereich) und Hohlräumen (ungefüllter Peak ganz rechts). Aus der Kurve der Paste lassen sich die durchschnittliche Porengröße und ihre Standardabweichung berechnen. Chunyu Qiao und DRP, Twining Company. Abbildung 5. Diese Grafik fasst eine Reihe von durchschnittlichen Kapillarmessungen (w/cm) und 95%-Konfidenzintervallen für die Mischung aus reinem Zement, Flugaschezement und natürlichem Puzzolanbinder zusammen. Chunyu Qiao und DRP, Twining Company
Letztendlich sind drei unabhängige Prüfungen erforderlich, um die Übereinstimmung des Ortbetons mit der Rezepturspezifikation nachzuweisen. Entnehmen Sie nach Möglichkeit Bohrkernproben von Stellen, die alle Abnahmekriterien erfüllen, sowie Proben von verwandten Stellen. Der Bohrkern aus der akzeptierten Anordnung kann als Kontrollprobe verwendet werden und dient als Maßstab für die Bewertung der Konformität der entsprechenden Anordnung.
Unserer Erfahrung nach akzeptieren Ingenieure, die die Daten dieser Tests einsehen, die Verlegung in der Regel, sofern andere wichtige technische Eigenschaften (wie die Druckfestigkeit) erfüllt sind. Durch quantitative Messungen von w/cm und Formationsfaktor können wir über die für viele Aufträge vorgeschriebenen Tests hinausgehen und nachweisen, dass die betreffende Mischung Eigenschaften aufweist, die eine gute Haltbarkeit gewährleisten.
David Rothstein, Ph.D., PG, FACI, ist Cheflithograph bei DRP, einem Unternehmen der Twining Group. Er verfügt über mehr als 25 Jahre Berufserfahrung als Petrologe und hat persönlich über 10.000 Proben aus über 2.000 Projekten weltweit untersucht. Dr. Chunyu Qiao, Chefwissenschaftler bei DRP, einem Unternehmen der Twining Group, ist Geologe und Materialwissenschaftler mit mehr als zehn Jahren Erfahrung in Zementmaterialien sowie natürlichen und verarbeiteten Gesteinsprodukten. Zu seinen Fachgebieten gehört die Anwendung von Bildanalyse und Fluoreszenzmikroskopie zur Untersuchung der Haltbarkeit von Beton, insbesondere der durch Tausalze, Alkali-Silizium-Reaktionen und chemische Angriffe in Kläranlagen verursachten Schäden.
Beitragszeit: 07.09.2021