التقدم في ضمان جودة تصميم خلطات الرصف الخرسانية باستخدام تقنية البتروغرافيا والمجهر الفلوري

يمكن أن توفر التطورات الجديدة في ضمان جودة الأرصفة الخرسانية معلومات مهمة حول الجودة والمتانة والامتثال لقواعد التصميم الهجين.
قد يشهد بناء الرصف الخرساني حالات طارئة، ويتعين على المقاول التحقق من جودة ومتانة الخرسانة المصبوبة في الموقع. تشمل هذه الحالات التعرض للمطر أثناء عملية الصب، ومركبات المعالجة بعد الصب، والانكماش اللدن والتشقق خلال ساعات قليلة بعد الصب، بالإضافة إلى مشاكل في ملمس الخرسانة وتصلبها. حتى في حال استيفاء متطلبات القوة واختبارات المواد الأخرى، قد يطلب المهندسون إزالة واستبدال أجزاء الرصف لقلقهم بشأن مطابقة المواد المصبوبة في الموقع لمواصفات تصميم الخلطة.
في هذه الحالة، يمكن أن توفر تقنية البتروغرافيا وغيرها من طرق الاختبار التكميلية (ولكن الاحترافية) معلومات مهمة حول جودة ومتانة خلطات الخرسانة وما إذا كانت تلبي مواصفات العمل.
الشكل 1. أمثلة على صور مجهرية فلورية لعجينة خرسانية عند 0.40 واط/أكسيد (الزاوية العلوية اليسرى) و0.60 واط/أكسيد (الزاوية العلوية اليمنى). يوضح الشكل السفلي الأيسر جهاز قياس المقاومة النوعية لأسطوانة خرسانية. يوضح الشكل السفلي الأيمن العلاقة بين المقاومة الحجمية ونسبة الماء/أكسيد. شركة تشونيو تشياو وشركة DRP، التابعة لشركة توينينج.
قانون أبرام: "قوة الضغط لخليط الخرسانة تتناسب عكسياً مع نسبة الماء إلى الأسمنت."
وصف البروفيسور داف أبرامز لأول مرة العلاقة بين نسبة الماء إلى الأسمنت (w/c) ومقاومة الضغط في عام 1918 [1]، وصاغ ما يسمى الآن بقانون أبرام: "مقاومة ضغط الخرسانة نسبة الماء إلى الأسمنت". بالإضافة إلى التحكم في مقاومة الضغط، فإن نسبة الماء إلى الأسمنت (w/cm) مفضلة الآن لأنها تعترف باستبدال الأسمنت البورتلاندي بمواد الأسمنت التكميلية مثل الرماد المتطاير والخبث. كما أنها معلمة رئيسية لمتانة الخرسانة. أظهرت العديد من الدراسات أن مخاليط الخرسانة التي تقل نسبة w/cm عن ~0.45 تكون متينة في البيئات القاسية، مثل المناطق المعرضة لدورات التجمد والذوبان مع أملاح إزالة الجليد أو المناطق التي يوجد بها تركيز عالٍ من الكبريتات في التربة.
المسام الشعرية جزءٌ لا يتجزأ من عجينة الأسمنت. تتكون من الفراغ بين نواتج ترطيب الأسمنت وجزيئات الأسمنت غير المرطبة التي كانت مملوءة بالماء سابقًا. [2] المسام الشعرية أدق بكثير من المسام المحصورة أو المحاصرة، ويجب عدم الخلط بينها وبينها. عندما تترابط المسام الشعرية، يمكن أن تنتقل السوائل من البيئة الخارجية عبر العجينة. تُسمى هذه الظاهرة بالاختراق، ويجب تقليلها إلى أدنى حد لضمان المتانة. تتميز البنية الدقيقة لخليط الخرسانة المتين بأن المسام مجزأة وليست متصلة. يحدث هذا عندما تكون نسبة الوزن/السم² أقل من ~0.45.
على الرغم من صعوبة قياس وزن/سم مكعب الخرسانة المتصلدة بدقة، إلا أن وجود طريقة موثوقة يُمكِن أن يُوفر أداةً مهمةً لضمان الجودة عند فحص الخرسانة المتصلدة المصبوبة في الموقع. ويُقدم المجهر الفلوري حلاً لهذه المشكلة. وإليك كيفية عمله.
المجهر الفلوري هو تقنية تستخدم راتنج الإيبوكسي والأصباغ الفلورية لتوضيح تفاصيل المواد. يُستخدم هذا المجهر بشكل شائع في العلوم الطبية، وله تطبيقات مهمة في علم المواد. بدأ التطبيق المنهجي لهذه الطريقة في الخرسانة منذ ما يقرب من 40 عامًا في الدنمارك [3]؛ وتم توحيده في دول الشمال الأوروبي عام 1991 لتقدير نسبة الماء إلى الأسمنت للخرسانة المتصلبة، وحُدِّث عام 1999 [4].
لقياس w/cm للمواد الأسمنتية (أي الخرسانة والملاط والحشو)، يتم استخدام الإيبوكسي الفلوري لصنع مقطع رقيق أو كتلة خرسانية بسمك حوالي 25 ميكرون أو 1/1000 بوصة (الشكل 2). تتضمن العملية قطع قلب الخرسانة أو الأسطوانة إلى كتل خرسانية مسطحة (تسمى الفراغات) بمساحة تقريبية 25 × 50 مم (1 × 2 بوصة). يتم لصق الفراغ على شريحة زجاجية ووضعه في غرفة تفريغ ويتم إدخال راتنج الإيبوكسي تحت التفريغ. مع زيادة w/cm، سيزداد الاتصال وعدد المسام، لذلك سيتغلغل المزيد من الإيبوكسي في العجينة. نقوم بفحص الرقائق تحت المجهر، باستخدام مجموعة من المرشحات الخاصة لإثارة الأصباغ الفلورية في راتنج الإيبوكسي وتصفية الإشارات الزائدة. في هذه الصور، تمثل المناطق السوداء جزيئات التجميع وجزيئات الأسمنت غير المائية. مسامية الاثنين هي 0٪ بشكل أساسي. الدائرة الخضراء الزاهية تُشير إلى المسامية (وليس المسامية نفسها)، وهي ١٠٠٪ تقريبًا. إحدى هذه الخصائص هي أن "المادة" الخضراء المنقطة عبارة عن عجينة (الشكل ٢). مع ازدياد مسامية الخرسانة (w/cm) والمسامية الشعرية، يزداد اللون الأخضر المميز للعجينة سطوعًا (انظر الشكل ٣).
الشكل ٢. صورة مجهرية فلورية للرقائق تُظهر جسيمات متجمعة، وفراغات (v) ومعجونًا. عرض المجال الأفقي حوالي ١٫٥ مم. Chunyu Qiao وDRP، وهي شركة تابعة لشركة Twining.
الشكل 3. تُظهر الصور المجهرية الفلورية للرقائق أنه مع زيادة w/cm، يزداد لون المعجون الأخضر تدريجيًا. تُهوى هذه الخلطات وتحتوي على رماد متطاير. Chunyu Qiao وDRP، وهي شركة تابعة لشركة Twining.
يتضمن تحليل الصور استخراج بيانات كمية من الصور. ويُستخدم هذا التحليل في العديد من المجالات العلمية المختلفة، من خلال مجهر الاستشعار عن بُعد. يُصبح كل بكسل في الصورة الرقمية بمثابة نقطة بيانات. تتيح لنا هذه الطريقة ربط أرقام بمستويات سطوع اللون الأخضر المختلفة التي تظهر في هذه الصور. على مدار العشرين عامًا الماضية تقريبًا، ومع التطور الهائل في قوة الحوسبة المكتبية والتقاط الصور الرقمية، أصبح تحليل الصور أداة عملية يمكن للعديد من خبراء المجاهر (بما في ذلك خبراء الصخور الخرسانية) استخدامها. نستخدم تحليل الصور غالبًا لقياس مسامية الشعيرات الدموية للطين. ومع مرور الوقت، وجدنا أن هناك ارتباطًا إحصائيًا منهجيًا قويًا بين وحدة الوزن/السم ومسامية الشعيرات الدموية، كما هو موضح في الشكل التالي (الشكلان 4 و5).
الشكل 4. مثال على البيانات المُستقاة من صور المجهر الفلوري للمقاطع الرقيقة. يرسم هذا الرسم البياني عدد البكسلات عند مستوى رمادي مُحدد في صورة مجهرية ضوئية واحدة. تُمثل القمم الثلاث الكتل (المنحنى البرتقالي)، والمعجون (المنطقة الرمادية)، والفراغ (الذروة غير المملوءة في أقصى اليمين). يُتيح منحنى المعجون حساب متوسط ​​حجم المسام وانحرافه المعياري. Chunyu Qiao وDRP، شركة Twining. الشكل 5. يُلخص هذا الرسم البياني سلسلة من قياسات الشعيرات المتوسطة (w/cm) وفترات ثقة 95% في الخليط المُكوّن من الأسمنت النقي، وأسمنت الرماد المتطاير، ومادة رابطة بوزولانية طبيعية. Chunyu Qiao وDRP، شركة Twining.
في التحليل النهائي، يلزم إجراء ثلاثة اختبارات مستقلة لإثبات مطابقة الخرسانة في الموقع لمواصفات تصميم الخلطة. يُنصح، قدر الإمكان، بالحصول على عينات أساسية من مواقع الصب التي تستوفي جميع معايير القبول، بالإضافة إلى عينات من مواقع الصب ذات الصلة. يمكن استخدام عينة الصب من التصميم المقبول كعينة تحكم، ويمكن استخدامها كمعيار لتقييم مطابقة التصميم ذي الصلة.
بناءً على خبرتنا، عندما يطلع المهندسون ذوو السجلات على البيانات المُحصّلة من هذه الاختبارات، فإنهم عادةً ما يقبلون التركيب إذا استوفت خصائص هندسية رئيسية أخرى (مثل مقاومة الضغط). بتوفير قياسات كمية لـ w/cm ومعامل التكوين، يُمكننا تجاوز الاختبارات المُحددة للعديد من المشاريع لإثبات أن الخليط المعني يتمتع بخصائص تُترجم إلى متانة جيدة.
ديفيد روثستين، الحاصل على درجة الدكتوراه، ودرجة الماجستير، وزمالة الكلية الأمريكية للمهندسين، هو كبير مصممي المطبوعات الحجرية في شركة DRP، التابعة لشركة Twining. يتمتع بخبرة مهنية تزيد عن 25 عامًا في مجال علم الصخور، وقد فحص شخصيًا أكثر من 10,000 عينة من أكثر من 2,000 مشروع حول العالم. الدكتور تشونيو تشياو، كبير العلماء في شركة DRP، التابعة لشركة Twining، هو جيولوجي وعالم مواد يتمتع بخبرة تزيد عن عشر سنوات في مجال مواد الأسمنت ومنتجات الصخور الطبيعية والمعالجة. تشمل خبرته استخدام تحليل الصور والمجهر الفلوري لدراسة متانة الخرسانة، مع التركيز بشكل خاص على الأضرار الناجمة عن أملاح إزالة الجليد، وتفاعلات القلويات والسيليكون، والهجمات الكيميائية في محطات معالجة مياه الصرف الصحي.