ความก้าวหน้าในการรับรองคุณภาพการออกแบบส่วนผสมทางเท้าคอนกรีตโดยใช้กล้องจุลทรรศน์หินและฟลูออเรสเซนต์

การพัฒนาใหม่ในด้านการรับรองคุณภาพของทางเท้าคอนกรีตสามารถให้ข้อมูลที่สำคัญเกี่ยวกับคุณภาพ ความทนทาน และความสอดคล้องกับรหัสการออกแบบไฮบริด
การก่อสร้างทางเท้าคอนกรีตอาจต้องเผชิญเหตุฉุกเฉิน และผู้รับเหมาจะต้องตรวจสอบคุณภาพและความทนทานของคอนกรีตหล่อในที่ เหตุการณ์เหล่านี้ได้แก่ การสัมผัสกับฝนในระหว่างกระบวนการเทคอนกรีต การใช้สารบ่มคอนกรีต การหดตัวของพลาสติกและชั่วโมงการแตกร้าวภายในเวลาไม่กี่ชั่วโมงหลังจากเทคอนกรีต และปัญหาการสร้างพื้นผิวและการบ่มคอนกรีต แม้ว่าจะตรงตามข้อกำหนดด้านความแข็งแรงและการทดสอบวัสดุอื่นๆ วิศวกรอาจต้องถอดและเปลี่ยนชิ้นส่วนทางเท้าเนื่องจากกังวลว่าวัสดุในที่นั้นจะตรงตามข้อกำหนดการออกแบบส่วนผสมหรือไม่
ในกรณีนี้ การตรวจหินด้วยวิธีทดสอบแบบเสริม (แต่เป็นมืออาชีพ) และวิธีการอื่นๆ สามารถให้ข้อมูลที่สำคัญเกี่ยวกับคุณภาพและความทนทานของส่วนผสมคอนกรีต และว่าส่วนผสมเหล่านั้นตรงตามข้อกำหนดการทำงานหรือไม่
รูปที่ 1 ตัวอย่างภาพถ่ายจุลทรรศน์ของคอนกรีตเพสต์ด้วยกล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนต์ที่ 0.40 w/c (มุมซ้ายบน) และ 0.60 w/c (มุมขวาบน) ภาพซ้ายล่างแสดงอุปกรณ์สำหรับวัดค่าความต้านทานของทรงกระบอกคอนกรีต ภาพขวาล่างแสดงความสัมพันธ์ระหว่างค่าความต้านทานของปริมาตรและค่า w/c Chunyu Qiao และ DRP บริษัทในเครือ Twining
กฎของอับราม: “ความแข็งแรงเชิงอัดของส่วนผสมคอนกรีตจะแปรผกผันกับอัตราส่วนน้ำต่อซีเมนต์”
ศาสตราจารย์ Duff Abrams เป็นผู้บรรยายถึงความสัมพันธ์ระหว่างอัตราส่วนน้ำต่อซีเมนต์ (w/c) และความแข็งแรงในการอัดเป็นครั้งแรกในปี 1918 [1] และได้กำหนดสิ่งที่ปัจจุบันเรียกว่ากฎของอับราม: “ความแข็งแรงในการอัดของคอนกรีต อัตราส่วนน้ำต่อซีเมนต์” นอกจากการควบคุมความแข็งแรงในการอัดแล้ว อัตราส่วนน้ำต่อซีเมนต์ (w/cm) ยังได้รับความนิยมในปัจจุบัน เนื่องจากยอมรับการทดแทนซีเมนต์พอร์ตแลนด์ด้วยวัสดุเสริมในการอัด เช่น เถ้าลอยและตะกรัน นอกจากนี้ยังเป็นพารามิเตอร์สำคัญในการทนทานของคอนกรีตอีกด้วย การศึกษามากมายแสดงให้เห็นว่าส่วนผสมคอนกรีตที่มี w/cm ต่ำกว่า ~0.45 มีความทนทานในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง เช่น พื้นที่ที่สัมผัสกับวงจรการเยือกแข็งและละลายน้ำแข็งด้วยเกลือละลายน้ำแข็ง หรือพื้นที่ที่มีซัลเฟตเข้มข้นสูงในดิน
รูพรุนในเส้นเลือดฝอยเป็นส่วนประกอบโดยธรรมชาติของสารละลายซีเมนต์ ประกอบด้วยช่องว่างระหว่างผลิตภัณฑ์ไฮเดรชั่นของซีเมนต์และอนุภาคซีเมนต์ที่ไม่ได้รับไฮเดรชั่นซึ่งครั้งหนึ่งเคยเต็มไปด้วยน้ำ [2] รูพรุนในเส้นเลือดฝอยละเอียดกว่ารูพรุนที่ถูกกักหรือถูกกักไว้มาก และไม่ควรสับสนกับรูพรุนเหล่านี้ เมื่อรูพรุนในเส้นเลือดฝอยเชื่อมต่อกัน ของเหลวจากสภาพแวดล้อมภายนอกสามารถแพร่กระจายผ่านเนื้อคอนกรีตได้ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการแทรกซึม และต้องลดให้เหลือน้อยที่สุดเพื่อให้มั่นใจถึงความทนทาน โครงสร้างจุลภาคของส่วนผสมคอนกรีตที่ทนทานคือ รูพรุนจะแบ่งส่วนแทนที่จะเชื่อมต่อกัน สิ่งนี้เกิดขึ้นเมื่อ w/cm น้อยกว่า ~0.45
แม้ว่าการวัด w/cm ของคอนกรีตที่แข็งตัวจะยากต่อการวัดเป็นอย่างยิ่ง แต่เครื่องมือที่เชื่อถือได้สามารถเป็นเครื่องมือสำคัญในการรับรองคุณภาพสำหรับการตรวจสอบคอนกรีตหล่อในที่ที่แข็งตัวได้ กล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนต์เป็นวิธีแก้ปัญหา ซึ่งก็คือวิธีการทำงานนั่นเอง
กล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนต์เป็นเทคนิคที่ใช้เรซินอีพอกซีและสีย้อมเรืองแสงเพื่อให้เห็นรายละเอียดของวัสดุ เทคนิคนี้มักใช้กันมากที่สุดในวิทยาศาสตร์การแพทย์ และยังมีการประยุกต์ใช้ที่สำคัญในวิทยาศาสตร์วัสดุอีกด้วย การประยุกต์ใช้เทคนิคนี้กับคอนกรีตอย่างเป็นระบบเริ่มขึ้นเมื่อเกือบ 40 ปีที่แล้วในเดนมาร์ก [3] โดยได้รับการกำหนดมาตรฐานในประเทศนอร์ดิกในปี 1991 เพื่อประมาณปริมาณน้ำในคอนกรีตที่แข็งตัว และได้รับการปรับปรุงในปี 1999 [4]
ในการวัด w/cm ของวัสดุที่มีส่วนประกอบเป็นซีเมนต์ (เช่น คอนกรีต ปูนยาแนว และยาแนว) จะใช้อีพอกซีเรืองแสงเพื่อทำส่วนบางหรือบล็อกคอนกรีตที่มีความหนาประมาณ 25 ไมครอนหรือ 1/1000 นิ้ว (รูปที่ 2) กระบวนการนี้ประกอบด้วย แกนคอนกรีตหรือกระบอกสูบถูกตัดเป็นบล็อกคอนกรีตแบน (เรียกว่าบล็อกเปล่า) โดยมีพื้นที่ประมาณ 25 x 50 มม. (1 x 2 นิ้ว) บล็อกเปล่าจะถูกติดกาวเข้ากับสไลด์แก้ว วางไว้ในห้องสุญญากาศ จากนั้นเรซินอีพอกซีจะถูกนำเข้าสู่สุญญากาศ เมื่อ w/cm เพิ่มขึ้น การเชื่อมต่อและจำนวนรูพรุนจะเพิ่มขึ้น ดังนั้นอีพอกซีจะแทรกซึมเข้าไปในเนื้อครีมได้มากขึ้น เราตรวจสอบเกล็ดภายใต้กล้องจุลทรรศน์โดยใช้ชุดตัวกรองพิเศษเพื่อกระตุ้นสีย้อมเรืองแสงในเรซินอีพอกซีและกรองสัญญาณส่วนเกินออก ในภาพเหล่านี้ พื้นที่สีดำแสดงถึงอนุภาคมวลรวมและอนุภาคซีเมนต์ที่ไม่ได้รับความชื้น ความพรุนของทั้งสองอย่างโดยพื้นฐานแล้วคือ 0% วงกลมสีเขียวสดใสคือรูพรุน (ไม่ใช่รูพรุน) และรูพรุนนั้นโดยพื้นฐานแล้วคือ 100% หนึ่งในคุณสมบัติเหล่านี้คือ “สาร” สีเขียวจุดๆ คือเนื้อคอนกรีต (รูปที่ 2) เมื่อ w/cm และความพรุนของเส้นเลือดฝอยของคอนกรีตเพิ่มขึ้น สีเขียวเฉพาะตัวของเนื้อคอนกรีตก็จะยิ่งสว่างขึ้นเรื่อยๆ (ดูรูปที่ 3)
รูปที่ 2 ภาพจุลทรรศน์เรืองแสงของเกล็ดที่แสดงอนุภาคที่รวมกัน ช่องว่าง (v) และแป้งเปียก ความกว้างของสนามแนวนอนคือ ~ 1.5 มม. Chunyu Qiao และ DRP บริษัทในเครือ Twining
รูปที่ 3 ภาพถ่ายจุลภาคเรืองแสงของเกล็ดแสดงให้เห็นว่าเมื่อ w/cm เพิ่มขึ้น เพสต์สีเขียวจะค่อยๆ สว่างขึ้น ส่วนผสมเหล่านี้มีอากาศเข้าไปและมีเถ้าลอยอยู่ Chunyu Qiao และ DRP ซึ่งเป็นบริษัทในเครือ Twining
การวิเคราะห์ภาพเกี่ยวข้องกับการดึงข้อมูลเชิงปริมาณจากภาพ ซึ่งใช้ในสาขาวิทยาศาสตร์ต่างๆ มากมาย เช่น กล้องจุลทรรศน์แบบสำรวจระยะไกล พิกเซลแต่ละพิกเซลในภาพดิจิทัลจะกลายเป็นจุดข้อมูล วิธีนี้ช่วยให้เราสามารถระบุตัวเลขให้กับระดับความสว่างของสีเขียวต่างๆ ที่เห็นในภาพเหล่านี้ได้ ในช่วง 20 ปีที่ผ่านมา ด้วยการปฏิวัติพลังการประมวลผลเดสก์ท็อปและการรับภาพดิจิทัล การวิเคราะห์ภาพจึงกลายเป็นเครื่องมือที่ใช้งานได้จริงที่นักจุลทรรศน์หลายคน (รวมถึงนักธรณีวิทยาคอนกรีต) สามารถใช้ได้ เรามักใช้การวิเคราะห์ภาพเพื่อวัดรูพรุนของเส้นเลือดฝอยในสารละลาย เมื่อเวลาผ่านไป เราพบว่ามีความสัมพันธ์ทางสถิติอย่างเป็นระบบที่แข็งแกร่งระหว่าง w/cm และรูพรุนของเส้นเลือดฝอย ดังที่แสดงในภาพต่อไปนี้ (ภาพที่ 4 และภาพที่ 5)
รูปที่ 4 ตัวอย่างข้อมูลที่ได้จากภาพไมโครกราฟฟลูออเรสเซนต์ของส่วนบาง กราฟนี้แสดงจำนวนพิกเซลที่ระดับสีเทาที่กำหนดในภาพไมโครกราฟเดียว จุดสูงสุดทั้งสามจุดนั้นสัมพันธ์กับมวลรวม (เส้นโค้งสีส้ม) เพสต์ (พื้นที่สีเทา) และช่องว่าง (จุดสูงสุดที่ไม่มีการเติมสีทางด้านขวาสุด) เส้นโค้งของเพสต์ทำให้สามารถคำนวณขนาดรูพรุนเฉลี่ยและค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานได้ Chunyu Qiao และ DRP บริษัท Twining รูปที่ 5 กราฟนี้สรุปการวัดค่าแคปิลลารีเฉลี่ย w/cm และช่วงความเชื่อมั่น 95% ในส่วนผสมที่ประกอบด้วยซีเมนต์บริสุทธิ์ ซีเมนต์เถ้าลอย และสารยึดเกาะปอซโซลานธรรมชาติ Chunyu Qiao และ DRP บริษัท Twining
ในการวิเคราะห์ขั้นสุดท้าย จำเป็นต้องทำการทดสอบอิสระสามครั้งเพื่อพิสูจน์ว่าคอนกรีตในสถานที่นั้นเป็นไปตามข้อกำหนดการออกแบบส่วนผสม หากเป็นไปได้ ควรเก็บตัวอย่างแกนจากตำแหน่งที่ตรงตามเกณฑ์การยอมรับทั้งหมด รวมถึงตัวอย่างจากตำแหน่งที่เกี่ยวข้อง แกนจากเลย์เอาต์ที่ยอมรับสามารถใช้เป็นตัวอย่างควบคุม และสามารถใช้เป็นเกณฑ์มาตรฐานในการประเมินความสอดคล้องของเลย์เอาต์ที่เกี่ยวข้อง
จากประสบการณ์ของเรา เมื่อวิศวกรที่มีบันทึกข้อมูลเห็นข้อมูลที่ได้จากการทดสอบเหล่านี้ พวกเขามักจะยอมรับการจัดวางหากเป็นไปตามลักษณะทางวิศวกรรมที่สำคัญอื่นๆ (เช่น ความแข็งแรงของแรงอัด) การให้การวัดเชิงปริมาณของ w/cm และปัจจัยการก่อตัว ทำให้เราก้าวข้ามการทดสอบที่กำหนดไว้สำหรับงานหลายๆ งานเพื่อพิสูจน์ว่าส่วนผสมที่เป็นปัญหานั้นมีคุณสมบัติที่จะแปลงเป็นความทนทานที่ดีได้หรือไม่
เดวิด ร็อธสไตน์, Ph.D., PG, FACI เป็นหัวหน้าช่างพิมพ์หินของ DRP ซึ่งเป็นบริษัทในเครือ Twining เขามีประสบการณ์การทำงานเป็นนักธรณีวิทยาที่เชี่ยวชาญมากกว่า 25 ปี และตรวจสอบตัวอย่างมากกว่า 10,000 ตัวอย่างจากโครงการมากกว่า 2,000 โครงการทั่วโลกด้วยตนเอง ดร. ชุนหยู เกียว หัวหน้านักวิทยาศาสตร์ของ DRP ซึ่งเป็นบริษัทในเครือ Twining เป็นนักธรณีวิทยาและนักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุที่มีประสบการณ์มากกว่า 10 ปีในด้านวัสดุประสานและผลิตภัณฑ์หินธรรมชาติและหินแปรรูป ความเชี่ยวชาญของเขาได้แก่ การใช้การวิเคราะห์ภาพและกล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนต์เพื่อศึกษาความทนทานของคอนกรีต โดยเน้นเป็นพิเศษที่ความเสียหายที่เกิดจากเกลือละลายน้ำแข็ง ปฏิกิริยาอัลคาไล-ซิลิกอน และการกัดกร่อนทางเคมีในโรงบำบัดน้ำเสีย