ความก้าวหน้าในการประกันคุณภาพการออกแบบส่วนผสมทางเท้าคอนกรีตโดยใช้กล้องจุลทรรศน์หินและกล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนซ์

การพัฒนาใหม่ๆ ในการรับรองคุณภาพของทางเท้าคอนกรีตสามารถให้ข้อมูลที่สำคัญเกี่ยวกับคุณภาพ ความทนทาน และการปฏิบัติตามรหัสการออกแบบไฮบริด
การก่อสร้างทางเท้าคอนกรีตสามารถรับมือกับเหตุฉุกเฉินได้ และผู้รับเหมาจำเป็นต้องตรวจสอบคุณภาพและความทนทานของคอนกรีตหล่อในที่ เหตุการณ์เหล่านี้รวมถึงการสัมผัสกับฝนระหว่างการเทคอนกรีต การบ่มคอนกรีตหลังการใช้สารบ่มคอนกรีต การหดตัวและรอยแตกร้าวที่เกิดขึ้นภายในเวลาไม่กี่ชั่วโมงหลังการเทคอนกรีต รวมถึงปัญหาพื้นผิวคอนกรีตและการบ่มคอนกรีต แม้ว่าจะสามารถบรรลุข้อกำหนดด้านความแข็งแรงและการทดสอบวัสดุอื่นๆ วิศวกรอาจจำเป็นต้องถอดและเปลี่ยนชิ้นส่วนทางเท้า เนื่องจากกังวลว่าวัสดุในที่นั้นตรงตามข้อกำหนดการออกแบบส่วนผสมหรือไม่
ในกรณีนี้ การพิมพ์หินและวิธีการทดสอบเสริมอื่นๆ (แต่เป็นมืออาชีพ) สามารถให้ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับคุณภาพและความทนทานของส่วนผสมคอนกรีต และว่าเป็นไปตามข้อกำหนดการทำงานหรือไม่
รูปที่ 1 ตัวอย่างภาพจุลทรรศน์ของคอนกรีตเพสต์ด้วยกล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนซ์ที่ 0.40 w/c (มุมซ้ายบน) และ 0.60 w/c (มุมขวาบน) ภาพซ้ายล่างแสดงอุปกรณ์สำหรับวัดค่าความต้านทานของทรงกระบอกคอนกรีต ภาพขวาล่างแสดงความสัมพันธ์ระหว่างค่าความต้านทานของปริมาตรและ w/c Chunyu Qiao และ DRP บริษัทในเครือ Twining
กฎของอับราม: “ความแข็งแรงอัดของส่วนผสมคอนกรีตจะแปรผกผันกับอัตราส่วนน้ำต่อซีเมนต์”
ศาสตราจารย์ดัฟฟ์ อับรามส์ ได้อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างอัตราส่วนน้ำต่อซีเมนต์ (w/c) และกำลังอัดเป็นครั้งแรกในปี พ.ศ. 2461 [1] และได้กำหนดสิ่งที่ปัจจุบันเรียกว่ากฎของอับรามส์: “กำลังอัดของคอนกรีต อัตราส่วนน้ำต่อซีเมนต์” นอกจากการควบคุมกำลังอัดแล้ว อัตราส่วนน้ำต่อซีเมนต์ (w/cm) ยังเป็นที่นิยมในปัจจุบัน เนื่องจากยอมรับการทดแทนปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ด้วยวัสดุประสานเสริม เช่น เถ้าลอยและตะกรัน นอกจากนี้ยังเป็นพารามิเตอร์สำคัญในการวัดความทนทานของคอนกรีต การศึกษาหลายชิ้นแสดงให้เห็นว่าส่วนผสมคอนกรีตที่มี w/cm ต่ำกว่า ~0.45 มีความทนทานในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง เช่น พื้นที่ที่สัมผัสกับวงจรการเยือกแข็ง-ละลายน้ำแข็งที่มีเกลือละลายน้ำแข็ง หรือพื้นที่ที่มีความเข้มข้นของซัลเฟตในดินสูง
รูพรุนแบบแคปิลลารีเป็นส่วนประกอบสำคัญของสารละลายซีเมนต์ ประกอบด้วยช่องว่างระหว่างผลิตภัณฑ์ไฮเดรชั่นของซีเมนต์และอนุภาคซีเมนต์ที่ยังไม่เติมน้ำซึ่งครั้งหนึ่งเคยเต็มไปด้วยน้ำ [2] รูพรุนแบบแคปิลลารีมีความละเอียดกว่ารูพรุนแบบมีตะกอนหรือแบบกักเก็บมาก และไม่ควรสับสนกับรูพรุนแบบแคปิลลารี เมื่อรูพรุนแบบแคปิลลารีเชื่อมต่อกัน ของเหลวจากสภาพแวดล้อมภายนอกสามารถไหลผ่านเพสต์ได้ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการแทรกซึม และต้องลดให้เหลือน้อยที่สุดเพื่อให้มั่นใจถึงความทนทาน โครงสร้างจุลภาคของส่วนผสมคอนกรีตที่ทนทานคือรูพรุนแบบแบ่งส่วนแทนที่จะเชื่อมต่อกัน ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อ w/cm น้อยกว่า ~0.45
แม้ว่าการวัดค่า w/cm ของคอนกรีตที่แข็งตัวอย่างแม่นยำจะเป็นเรื่องที่ยากอย่างยิ่ง แต่วิธีการที่เชื่อถือได้สามารถเป็นเครื่องมือสำคัญในการประกันคุณภาพสำหรับการตรวจสอบคอนกรีตหล่อในที่ที่แข็งตัว กล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนซ์เป็นทางออก นี่คือวิธีการทำงาน
กล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนซ์เป็นเทคนิคที่ใช้เรซินอีพอกซีและสีย้อมเรืองแสงเพื่อส่องสว่างรายละเอียดของวัสดุ เทคนิคนี้นิยมใช้มากที่สุดในวิทยาศาสตร์การแพทย์ และยังมีการประยุกต์ใช้ที่สำคัญในด้านวัสดุศาสตร์ การประยุกต์ใช้วิธีนี้กับคอนกรีตอย่างเป็นระบบเริ่มต้นเมื่อเกือบ 40 ปีที่แล้วในประเทศเดนมาร์ก [3] เทคนิคนี้ได้รับการกำหนดมาตรฐานในประเทศนอร์ดิกในปี พ.ศ. 2534 เพื่อประเมินปริมาณน้ำในคอนกรีตที่แข็งตัว และได้รับการปรับปรุงในปี พ.ศ. 2542 [4]
ในการวัดค่า w/cm ของวัสดุซีเมนต์ (เช่น คอนกรีต ปูนกาว และยาแนว) จะใช้อีพอกซีเรืองแสงเพื่อทำบล็อกคอนกรีตบางที่มีความหนาประมาณ 25 ไมครอน หรือ 1/1000 นิ้ว (รูปที่ 2) กระบวนการนี้ประกอบด้วย แกนคอนกรีตหรือทรงกระบอกถูกตัดเป็นบล็อกคอนกรีตแบน (เรียกว่าบล็อกเปล่า) ที่มีพื้นที่ประมาณ 25 x 50 มม. (1 x 2 นิ้ว) บล็อกเปล่าจะถูกติดกาวเข้ากับสไลด์แก้ว วางในห้องสุญญากาศ และใส่เรซินอีพอกซีภายใต้สุญญากาศ เมื่อ w/cm เพิ่มขึ้น การเชื่อมต่อและจำนวนรูพรุนจะเพิ่มขึ้น ทำให้อีพอกซีแทรกซึมเข้าไปในเนื้อเพสต์ได้มากขึ้น เราตรวจสอบเกล็ดภายใต้กล้องจุลทรรศน์ โดยใช้ชุดตัวกรองพิเศษเพื่อกระตุ้นสีย้อมเรืองแสงในเรซินอีพอกซีและกรองสัญญาณส่วนเกินออก ในภาพเหล่านี้ พื้นที่สีดำแสดงถึงอนุภาคมวลรวมและอนุภาคซีเมนต์ที่ไม่ได้รับน้ำ ความพรุนของทั้งสองมีค่าพื้นฐาน 0% วงกลมสีเขียวสดใสคือค่าความพรุน (ไม่ใช่ค่าความพรุน) และค่าความพรุนโดยพื้นฐานแล้วคือ 100% หนึ่งในคุณสมบัติเหล่านี้คือ “สาร” สีเขียวจุดๆ คือเพสต์ (รูปที่ 2) เมื่อค่า w/cm และความพรุนแบบแคปิลลารีของคอนกรีตเพิ่มขึ้น สีเขียวเฉพาะตัวของเพสต์จะยิ่งสว่างขึ้นเรื่อยๆ (ดูรูปที่ 3)
รูปที่ 2 ภาพจุลภาคเรืองแสงของเกล็ดแสดงอนุภาครวมตัว ช่องว่าง (v) และเพสต์ ความกว้างของสนามแนวนอนประมาณ 1.5 มม. Chunyu Qiao และ DRP บริษัทในเครือ Twining
รูปที่ 3 ภาพจุลภาคเรืองแสงของเกล็ดแสดงให้เห็นว่าเมื่อ w/cm เพิ่มขึ้น สีเขียวของเพสต์จะค่อยๆ สว่างขึ้น ส่วนผสมเหล่านี้มีอากาศถ่ายเทและมีเถ้าลอยอยู่ Chunyu Qiao และ DRP บริษัทในเครือ Twining
การวิเคราะห์ภาพเกี่ยวข้องกับการดึงข้อมูลเชิงปริมาณจากภาพ ซึ่งใช้ในสาขาวิทยาศาสตร์ที่หลากหลาย ตั้งแต่กล้องจุลทรรศน์สำรวจระยะไกล แต่ละพิกเซลในภาพดิจิทัลจะกลายเป็นจุดข้อมูล วิธีการนี้ช่วยให้เราสามารถใส่ตัวเลขให้กับระดับความสว่างสีเขียวที่แตกต่างกันที่เห็นในภาพเหล่านี้ได้ ในช่วง 20 ปีที่ผ่านมา ด้วยการปฏิวัติพลังการประมวลผลบนเดสก์ท็อปและการเก็บภาพดิจิทัล การวิเคราะห์ภาพได้กลายเป็นเครื่องมือที่ใช้งานได้จริงที่นักจุลทรรศน์หลายคน (รวมถึงนักธรณีวิทยาคอนกรีต) สามารถใช้งานได้ เรามักใช้การวิเคราะห์ภาพเพื่อวัดความพรุนแบบแคปิลลารีของสารละลาย เมื่อเวลาผ่านไป เราพบว่ามีความสัมพันธ์ทางสถิติที่เป็นระบบอย่างมากระหว่าง w/cm และความพรุนแบบแคปิลลารี ดังแสดงในรูปต่อไปนี้ (รูปที่ 4 และ 5)
รูปที่ 4 ตัวอย่างข้อมูลที่ได้จากภาพถ่ายจุลภาคเรืองแสงของส่วนบาง กราฟนี้แสดงจำนวนพิกเซลที่ระดับสีเทาที่กำหนดในภาพจุลภาคเดี่ยว จุดสูงสุดทั้งสามจุดแสดงถึงมวลรวม (เส้นโค้งสีส้ม) เพสต์ (พื้นที่สีเทา) และช่องว่าง (จุดสูงสุดที่ไม่ได้เติมทางด้านขวาสุด) เส้นโค้งของเพสต์ช่วยให้สามารถคำนวณขนาดรูพรุนเฉลี่ยและค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานได้ Chunyu Qiao และ DRP บริษัท Twining รูปที่ 5 กราฟนี้สรุปชุดข้อมูลการวัดค่าแคปิลลารีเฉลี่ย w/cm และช่วงความเชื่อมั่น 95% ในส่วนผสมที่ประกอบด้วยปูนซีเมนต์บริสุทธิ์ ปูนซีเมนต์เถ้าลอย และสารยึดเกาะปอซโซลานธรรมชาติ Chunyu Qiao และ DRP บริษัท Twining
ในการวิเคราะห์ขั้นสุดท้าย จำเป็นต้องมีการทดสอบอิสระสามครั้งเพื่อพิสูจน์ว่าคอนกรีต ณ สถานที่ปฏิบัติงานเป็นไปตามข้อกำหนดการออกแบบส่วนผสม เท่าที่จะเป็นไปได้ ควรเก็บตัวอย่างแกนคอนกรีตจากตำแหน่งที่ตรงตามเกณฑ์การยอมรับทั้งหมด รวมถึงตัวอย่างจากตำแหน่งที่เกี่ยวข้อง แกนคอนกรีตจากผังที่ได้รับการยอมรับสามารถใช้เป็นตัวอย่างควบคุม และสามารถใช้เป็นเกณฑ์มาตรฐานในการประเมินความสอดคล้องของผังที่เกี่ยวข้องได้
จากประสบการณ์ของเรา เมื่อวิศวกรที่มีบันทึกข้อมูลได้เห็นข้อมูลที่ได้จากการทดสอบเหล่านี้ พวกเขามักจะยอมรับการจัดวาง หากเป็นไปตามคุณสมบัติทางวิศวกรรมที่สำคัญอื่นๆ (เช่น ความแข็งแรงอัด) การให้การวัดเชิงปริมาณด้วยค่า w/cm และค่าปัจจัยการก่อตัว ช่วยให้เราก้าวข้ามการทดสอบที่กำหนดไว้สำหรับงานหลายๆ งาน เพื่อพิสูจน์ว่าส่วนผสมที่กล่าวถึงมีคุณสมบัติที่จะนำไปสู่ความทนทานที่ดี
ดร. เดวิด รอธสไตน์ (Dr., PG, FACI) เป็นหัวหน้าช่างพิมพ์หินของ DRP บริษัทในเครือทไวนิง เขามีประสบการณ์ด้านนักธรณีวิทยามืออาชีพมากกว่า 25 ปี และได้ตรวจสอบตัวอย่างมากกว่า 10,000 ตัวอย่างจากโครงการมากกว่า 2,000 โครงการทั่วโลกด้วยตนเอง ดร. ชุนยู เฉียว หัวหน้านักวิทยาศาสตร์ของ DRP บริษัทในเครือทไวนิง เป็นนักธรณีวิทยาและนักวิทยาศาสตร์วัสดุที่มีประสบการณ์มากกว่า 10 ปีในด้านวัสดุประสานและผลิตภัณฑ์หินธรรมชาติและหินแปรรูป ความเชี่ยวชาญของเขารวมถึงการใช้การวิเคราะห์ภาพและกล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนซ์เพื่อศึกษาความทนทานของคอนกรีต โดยเน้นเป็นพิเศษที่ความเสียหายที่เกิดจากเกลือละลายน้ำแข็ง ปฏิกิริยาอัลคาไล-ซิลิคอน และการกัดกร่อนทางเคมีในโรงงานบำบัดน้ำเสีย