Nuovi sviluppi nell’assicurazione della qualità delle pavimentazioni in calcestruzzo possono fornire importanti informazioni sulla qualità, la durabilità e la conformità ai codici di progettazione ibrida.
La costruzione della pavimentazione in calcestruzzo può comportare emergenze e l'appaltatore deve verificare la qualità e la durabilità del calcestruzzo gettato in opera. Questi eventi includono l'esposizione alla pioggia durante il processo di getto, la post-applicazione di composti di stagionatura, ritiro plastico e fessurazioni entro poche ore dal getto e problemi di strutturazione e stagionatura del calcestruzzo. Anche se i requisiti di resistenza e altri test sui materiali vengono soddisfatti, gli ingegneri potrebbero richiedere la rimozione e la sostituzione di parti della pavimentazione perché sono preoccupati se i materiali in situ soddisfano le specifiche di progettazione della miscela.
In questo caso, la petrografia e altri metodi di prova complementari (ma professionali) possono fornire informazioni importanti sulla qualità e la durabilità delle miscele di calcestruzzo e se soddisfano le specifiche di lavoro.
Figura 1. Esempi di micrografie al microscopio a fluorescenza di pasta di cemento a 0,40 a/c (angolo in alto a sinistra) e 0,60 a/c (angolo in alto a destra). La figura in basso a sinistra mostra il dispositivo per misurare la resistività di un cilindro di cemento. La figura in basso a destra mostra la relazione tra resistività del volume e acqua/acqua. Chunyu Qiao e DRP, una società gemellata
Legge di Abramo: “La resistenza a compressione di una miscela di calcestruzzo è inversamente proporzionale al suo rapporto acqua-cemento”.
Il professor Duff Abrams descrisse per primo la relazione tra il rapporto acqua-cemento (a/c) e la resistenza a compressione nel 1918 [1], e formulò quella che oggi è chiamata legge di Abram: “La resistenza a compressione del calcestruzzo Rapporto acqua/cemento”. Oltre a controllare la resistenza alla compressione, il rapporto acqua-cemento (w/cm) è ora favorito perché riconosce la sostituzione del cemento Portland con materiali cementanti supplementari come ceneri volanti e scorie. È anche un parametro chiave della durabilità del calcestruzzo. Molti studi hanno dimostrato che miscele di calcestruzzo con w/cm inferiore a ~0,45 sono durevoli in ambienti aggressivi, come aree esposte a cicli di gelo-disgelo con sali disgelanti o aree dove è presente un'elevata concentrazione di solfati nel terreno.
I pori capillari sono una parte intrinseca della boiacca cementizia. Sono costituiti dallo spazio tra i prodotti di idratazione del cemento e le particelle di cemento non idratato che una volta erano riempite d'acqua. [2] I pori capillari sono molto più fini dei pori trascinati o intrappolati e non devono essere confusi con essi. Quando i pori capillari sono collegati, il fluido proveniente dall'ambiente esterno può migrare attraverso la pasta. Questo fenomeno è chiamato penetrazione e deve essere ridotto al minimo per garantire la durabilità. La microstruttura della miscela di calcestruzzo durevole prevede che i pori siano segmentati anziché collegati. Ciò accade quando w/cm è inferiore a ~0,45.
Sebbene sia notoriamente difficile misurare con precisione il peso/cm di calcestruzzo indurito, un metodo affidabile può fornire un importante strumento di garanzia della qualità per indagare sul calcestruzzo indurito gettato in opera. La microscopia a fluorescenza fornisce una soluzione. Ecco come funziona.
La microscopia a fluorescenza è una tecnica che utilizza resina epossidica e coloranti fluorescenti per illuminare i dettagli dei materiali. È più comunemente usato nelle scienze mediche e ha anche importanti applicazioni nella scienza dei materiali. L'applicazione sistematica di questo metodo nel calcestruzzo è iniziata quasi 40 anni fa in Danimarca [3]; è stato standardizzato nei paesi nordici nel 1991 per la stima dell'a/c del calcestruzzo indurito ed è stato aggiornato nel 1999 [4].
Per misurare il peso/cm di materiali a base di cemento (ad esempio calcestruzzo, malta e malta), viene utilizzata una resina epossidica fluorescente per realizzare una sezione sottile o un blocco di cemento con uno spessore di circa 25 micron o 1/1000 di pollice (Figura 2). Il processo prevede che il nucleo o cilindro di cemento venga tagliato in blocchi di cemento piatti (chiamati grezzi) con un'area di circa 25 x 50 mm (1 x 2 pollici). Il pezzo grezzo viene incollato su un vetrino, posto in una camera a vuoto, e la resina epossidica viene introdotta sotto vuoto. All’aumentare di w/cm, la connettività e il numero di pori aumenteranno, quindi più resina epossidica penetrerà nella pasta. Esaminiamo le scaglie al microscopio, utilizzando una serie di filtri speciali per eccitare i coloranti fluorescenti nella resina epossidica e filtrare i segnali in eccesso. In queste immagini, le aree nere rappresentano particelle aggregate e particelle di cemento non idratato. La porosità dei due è sostanzialmente dello 0%. Il cerchio verde brillante rappresenta la porosità (non la porosità) e la porosità è sostanzialmente al 100%. Una di queste caratteristiche La “sostanza” verde maculata è una pasta (Figura 2). All'aumentare del peso/cm e della porosità capillare del calcestruzzo, il colore verde unico della pasta diventa sempre più brillante (vedere Figura 3).
Figura 2. Micrografia a fluorescenza delle scaglie che mostrano particelle aggregate, vuoti (v) e pasta. La larghezza del campo orizzontale è ~ 1,5 mm. Chunyu Qiao e DRP, una società gemellata
Figura 3. Le micrografie a fluorescenza delle scaglie mostrano che all'aumentare del w/cm, la pasta verde diventa gradualmente più brillante. Queste miscele sono aerate e contengono ceneri volanti. Chunyu Qiao e DRP, una società gemellata
L'analisi delle immagini comporta l'estrazione di dati quantitativi dalle immagini. Viene utilizzato in molti campi scientifici diversi, dal microscopio a telerilevamento. Ogni pixel in un'immagine digitale diventa essenzialmente un punto dati. Questo metodo ci consente di associare numeri ai diversi livelli di luminosità del verde visti in queste immagini. Negli ultimi 20 anni circa, con la rivoluzione nella potenza dei computer desktop e nell’acquisizione di immagini digitali, l’analisi delle immagini è ora diventata uno strumento pratico che molti microscopisti (compresi i petrologi concreti) possono utilizzare. Utilizziamo spesso l'analisi delle immagini per misurare la porosità capillare del liquame. Nel corso del tempo, abbiamo scoperto che esiste una forte correlazione statistica sistematica tra w/cm e la porosità capillare, come mostrato nella figura seguente (Figura 4 e Figura 5).
Figura 4. Esempio di dati ottenuti da micrografie a fluorescenza di sezioni sottili. Questo grafico traccia il numero di pixel a un dato livello di grigio in una singola microfotografia. I tre picchi corrispondono agli aggregati (curva arancione), alla pasta (area grigia) e al vuoto (picco vuoto all'estrema destra). La curva della pasta consente di calcolare la dimensione media dei pori e la sua deviazione standard. Chunyu Qiao e DRP, Twining Company Figura 5. Questo grafico riassume una serie di misurazioni capillari medie in peso/cm e intervalli di confidenza al 95% nella miscela composta da cemento puro, cemento di ceneri volanti e legante pozzolanico naturale. Chunyu Qiao e DRP, una società gemellata
In ultima analisi, sono necessari tre test indipendenti per dimostrare che il calcestruzzo in cantiere è conforme alle specifiche del mix design. Per quanto possibile, ottenere campioni principali da posizionamenti che soddisfano tutti i criteri di accettazione, nonché campioni da posizionamenti correlati. Il nucleo del layout accettato può essere utilizzato come campione di controllo e come punto di riferimento per valutare la conformità del layout pertinente.
Nella nostra esperienza, quando gli ingegneri con precedenti vedono i dati ottenuti da questi test, di solito accettano il posizionamento se vengono soddisfatte altre caratteristiche ingegneristiche chiave (come la resistenza alla compressione). Fornendo misurazioni quantitative di w/cm e fattore di formazione, possiamo andare oltre i test specificati per molti lavori per dimostrare che la miscela in questione ha proprietà che si traducono in una buona durabilità.
David Rothstein, Ph.D., PG, FACI è il litografo capo di DRP, A Twining Company. Ha più di 25 anni di esperienza come petrolologo professionista e ha ispezionato personalmente più di 10.000 campioni provenienti da più di 2.000 progetti in tutto il mondo. Il dottor Chunyu Qiao, capo scienziato di DRP, una Twining Company, è un geologo e scienziato dei materiali con più di dieci anni di esperienza nella cementazione di materiali e prodotti rocciosi naturali e lavorati. La sua esperienza comprende l'uso dell'analisi delle immagini e della microscopia a fluorescenza per studiare la durabilità del calcestruzzo, con particolare attenzione ai danni causati dai sali antighiaccio, dalle reazioni alcalino-silicio e dagli attacchi chimici negli impianti di trattamento delle acque reflue.
Orario di pubblicazione: 07-settembre-2021