Neue Entwicklungen in der Qualitätssicherung von Betonfahrbahnen können wichtige Informationen über Qualität, Haltbarkeit und Einhaltung hybrider Designvorschriften liefern.
Beim Bau von Betondecken können Notfälle auftreten, und der Auftragnehmer muss die Qualität und Haltbarkeit des Ortbetons überprüfen.Zu diesen Ereignissen gehören die Einwirkung von Regen während des Gießvorgangs, das Nachauftragen von Aushärtungsmitteln, plastisches Schrumpfen und Rissbildung innerhalb weniger Stunden nach dem Gießen sowie Probleme bei der Texturierung und Aushärtung des Betons.Auch wenn die Festigkeitsanforderungen und andere Materialtests erfüllt sind, kann es sein, dass Ingenieure die Entfernung und den Austausch von Fahrbahnteilen verlangen, weil sie sich Sorgen darüber machen, ob die Materialien vor Ort den Spezifikationen des Mischungsdesigns entsprechen.
In diesem Fall können Petrographie und andere ergänzende (aber professionelle) Prüfmethoden wichtige Informationen über die Qualität und Haltbarkeit von Betonmischungen und darüber liefern, ob sie den Arbeitsspezifikationen entsprechen.
Abbildung 1. Beispiele für fluoreszenzmikroskopische Aufnahmen von Betonpaste bei 0,40 w/z (obere linke Ecke) und 0,60 w/z (obere rechte Ecke).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 erstmals 1918 den Zusammenhang zwischen dem Wasser-Zement-Verhältnis (w/z) und der Druckfestigkeit [1] und formulierte das, was heute Abrams Gesetz genannt wird: „Das Wasser-Zement-Verhältnis der Druckfestigkeit von Beton.“Zusätzlich zur Steuerung der Druckfestigkeit wird jetzt das Wasser-Zement-Verhältnis (w/cm) bevorzugt, da es den Ersatz von Portlandzement durch ergänzende Zementmaterialien wie Flugasche und Schlacke berücksichtigt.Es ist auch ein Schlüsselparameter für die Haltbarkeit von Beton.Viele Studien haben gezeigt, dass Betonmischungen mit w/cm von weniger als ~0,45 in aggressiven Umgebungen haltbar sind, wie z. B. in Bereichen, die Frost-Tau-Wechseln mit Tausalzen ausgesetzt sind, oder in Bereichen mit einer hohen Sulfatkonzentration im Boden.
Kapillarporen sind ein fester Bestandteil von Zementschlämmen.Sie bestehen aus dem Raum zwischen Zementhydratationsprodukten und nicht hydratisierten Zementpartikeln, die einst mit Wasser gefüllt waren.[2] Kapillarporen sind viel feiner als eingeschlossene oder eingeschlossene Poren und sollten nicht mit ihnen verwechselt werden.Wenn die Kapillarporen verbunden sind, kann Flüssigkeit aus der äußeren Umgebung durch die Paste wandern.Dieses Phänomen wird Penetration genannt 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 geschieht, wenn w/cm weniger als ~0,45 beträgt.
Obwohl es bekanntermaßen schwierig ist, den W/cm-Wert von Festbeton genau zu messen, kann eine zuverlässige Methode ein wichtiges Qualitätssicherungsinstrument für die Untersuchung von Ortbeton sein.Eine Lösung bietet die Fluoreszenzmikroskopie.So funktioniert es.
Die Fluoreszenzmikroskopie ist eine Technik, bei der Epoxidharz und fluoreszierende Farbstoffe verwendet werden, um Details von Materialien zu beleuchten.Es wird am häufigsten in den medizinischen Wissenschaften verwendet und hat auch wichtige Anwendungen in der Materialwissenschaft.Die systematische Anwendung dieser Methode in Beton begann vor fast 40 Jahren in Dänemark [3];Es wurde 1991 in den nordischen Ländern zur Schätzung des W/Z von Festbeton standardisiert und 1999 aktualisiert [4].
Zur Messung des w/cm von zementbasierten Materialien (z. B. Beton, Mörtel und Fugenmörtel) wird fluoreszierendes Epoxidharz verwendet, um einen dünnen Abschnitt oder Betonblock mit einer Dicke von etwa 25 Mikrometern oder 1/1000 Zoll herzustellen (Abbildung 2).Bei diesem Verfahren wird der Betonkern oder -zylinder in flache Betonblöcke (Rohlinge genannt) mit einer Fläche von etwa 25 x 50 mm (1 x 2 Zoll) geschnitten.Der Rohling wird auf einen Objektträger aus Glas geklebt, in eine Vakuumkammer gelegt und unter Vakuum Epoxidharz eingebracht.Mit zunehmendem W/cm nehmen die Konnektivität und die Anzahl der Poren zu, sodass mehr Epoxidharz in die Paste eindringt.Wir untersuchen die Flocken unter dem Mikroskop und nutzen dabei eine Reihe spezieller Filter, um die Fluoreszenzfarbstoffe im Epoxidharz anzuregen und überschüssige Signale herauszufiltern.In diesen Bildern stellen die schwarzen Bereiche Zuschlagstoffpartikel und nicht hydratisierte Zementpartikel dar.Die Porosität der beiden beträgt grundsätzlich 0 %.Der hellgrüne Kreis stellt die Porosität dar (nicht die Porosität), und die Porosität beträgt im Grunde 100 %.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 ~ 1,5 mm.Chunyu Qiao und DRP, ein Twining-Unternehmen
Abbildung 3. Fluoreszenzmikroskopische Aufnahmen der Flocken zeigen, dass die grüne Paste mit zunehmendem W/cm 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.Es wird in vielen verschiedenen wissenschaftlichen Bereichen eingesetzt, vom Fernerkundungsmikroskop.Jedes Pixel in einem digitalen Bild wird im Wesentlichen zu einem Datenpunkt.Mit dieser Methode können wir den verschiedenen grünen Helligkeitsstufen, die in diesen Bildern zu sehen sind, Zahlen zuordnen.Im Laufe der letzten etwa 20 Jahre ist die Bildanalyse mit der Revolution der Desktop-Rechnerleistung und der digitalen Bilderfassung zu einem praktischen Werkzeug geworden, das viele Mikroskopiker (einschließlich Betonpetrologen) nutzen können.Wir verwenden häufig eine Bildanalyse, um die Kapillarporosität der Aufschlämmung 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 Fluoreszenzmikroskopaufnahmen von Dünnschnitten.Dieses Diagramm zeigt die Anzahl der Pixel bei einer bestimmten Graustufe in einer einzelnen Mikrofotografie.Die drei Peaks entsprechen Aggregaten (orangefarbene Kurve), Paste (grauer Bereich) und Hohlraum (ungefüllter Peak ganz rechts).Anhand der Kurve der Paste lässt sich die durchschnittliche Porengröße und deren Standardabweichung berechnen.Chunyu Qiao und DRP, Twining Company Abbildung 5. Dieses Diagramm fasst eine Reihe von durchschnittlichen W/cm-Kapillarmessungen und 95 %-Konfidenzintervallen in der Mischung aus reinem Zement, Flugaschezement und natürlichem Puzzolanbindemittel zusammen.Chunyu Qiao und DRP, ein Twining-Unternehmen
Letztendlich sind drei unabhängige Tests erforderlich, um nachzuweisen, dass der Beton vor Ort den Vorgaben für die Mischungsauslegung entspricht.Erhalten Sie möglichst Kernproben aus Praktika, die alle Akzeptanzkriterien erfüllen, sowie Proben aus verwandten Praktika.Der Kern des akzeptierten Layouts kann als Kontrollprobe verwendet werden und Sie können ihn als Benchmark für die Bewertung der Konformität des relevanten Layouts verwenden.
Unserer Erfahrung nach akzeptieren Ingenieure mit Aufzeichnungen, die die aus diesen Tests gewonnenen Daten sehen, in der Regel eine Platzierung, wenn andere wichtige technische Merkmale (z. B. Druckfestigkeit) erfüllt sind.Durch die Bereitstellung quantitativer Messungen von W/cm und Formationsfaktor können wir über die für viele Aufgaben vorgeschriebenen Tests hinausgehen und nachweisen, dass die betreffende Mischung Eigenschaften aufweist, die sich in einer guten Haltbarkeit niederschlagen.
David Rothstein, Ph.D., PG, FACI ist der Cheflithograf von DRP, A Twining Company.Er verfügt über mehr als 25 Jahre Berufserfahrung als Petrologe und hat persönlich mehr als 10.000 Proben aus mehr als 2.000 Projekten auf der ganzen Welt untersucht.Dr. Chunyu Qiao, der leitende Wissenschaftler von DRP, einem Twining-Unternehmen, ist Geologe und Materialwissenschaftler mit mehr als zehn Jahren Erfahrung in der Zementierung von Materialien sowie natürlichen und verarbeiteten Gesteinsprodukten.Zu seinen Fachkenntnissen gehört der Einsatz von Bildanalyse und Fluoreszenzmikroskopie zur Untersuchung der Haltbarkeit von Beton, mit besonderem Schwerpunkt auf Schäden durch Tausalze, Alkali-Silizium-Reaktionen und chemische Angriffe in Kläranlagen.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 07.09.2021