I nuovi sviluppi nella garanzia della qualità delle pavimentazioni in calcestruzzo possono fornire informazioni importanti sulla qualità, sulla durabilità e sulla conformità ai codici di progettazione ibridi.
La costruzione di una pavimentazione in calcestruzzo può essere soggetta a 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 getto, l'applicazione di composti di stagionatura dopo il getto, il ritiro plastico e la formazione di crepe entro poche ore dal getto, nonché problemi di texture e stagionatura del calcestruzzo. Anche se i requisiti di resistenza e gli altri test sui materiali vengono soddisfatti, gli ingegneri potrebbero richiedere la rimozione e la sostituzione di parti della pavimentazione perché temono che i materiali in situ soddisfino le specifiche di mix design.
In questo caso, la petrografia e altri metodi di prova complementari (ma professionali) possono fornire informazioni importanti sulla qualità e sulla durabilità delle miscele di calcestruzzo e sulla loro conformità alle specifiche di lavoro.
Figura 1. Esempi di micrografie al microscopio a fluorescenza di pasta di calcestruzzo 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 calcestruzzo. La figura in basso a destra mostra la relazione tra resistività di volume e a/c. Chunyu Qiao e DRP, una società Twining.
Legge di Abramo: "La resistenza alla compressione di una miscela di calcestruzzo è inversamente proporzionale al suo rapporto acqua-cemento".
Il professor Duff Abrams descrisse per la prima volta la relazione tra rapporto acqua-cemento (a/c) e resistenza a compressione nel 1918 [1] e formulò quella che oggi è chiamata legge di Abram: "Rapporto acqua/cemento della resistenza a compressione del calcestruzzo". Oltre a controllare la resistenza a compressione, il rapporto acqua-cemento (a/cm) è ora favorito perché riconosce la sostituzione del cemento Portland con materiali cementizi supplementari come ceneri volanti e scorie. È anche un parametro chiave della durabilità del calcestruzzo. Molti studi hanno dimostrato che le miscele di calcestruzzo con a/cm inferiore a ~0,45 sono durevoli in ambienti aggressivi, come aree esposte a cicli di gelo-disgelo con sali disgelanti o aree in cui vi è un'alta concentrazione di solfati nel terreno.
I pori capillari sono una parte intrinseca della malta cementizia. Sono costituiti dallo spazio tra i prodotti di idratazione del cemento e le particelle di cemento non idratato che un tempo erano riempite d'acqua. [2] I pori capillari sono molto più fini dei pori trascinati o intrappolati e non devono essere confusi con questi. Quando i pori capillari sono collegati, il fluido dall'ambiente esterno può migrare attraverso la malta. Questo fenomeno è chiamato penetrazione e deve essere ridotto al minimo per garantire la durabilità. La microstruttura della miscela di calcestruzzo durevole è caratterizzata da pori segmentati anziché collegati. Ciò accade quando il rapporto a/cm è inferiore a ~0,45.
Sebbene sia notoriamente difficile misurare con precisione il rapporto acqua/cm del calcestruzzo indurito, un metodo affidabile può fornire un importante strumento di garanzia della qualità per l'analisi del calcestruzzo gettato in opera indurito. La microscopia a fluorescenza offre 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 comunemente utilizzata nelle scienze mediche e ha anche importanti applicazioni nella scienza dei materiali. L'applicazione sistematica di questo metodo al calcestruzzo è iniziata quasi 40 anni fa in Danimarca [3]; è stata standardizzata nei paesi nordici nel 1991 per la stima del rapporto a/c del calcestruzzo indurito ed è stata aggiornata nel 1999 [4].
Per misurare il rapporto a/cm di materiali a base di cemento (ad esempio calcestruzzo, malta e stuccatura), si utilizza resina epossidica fluorescente per realizzare una sezione sottile o un blocco di calcestruzzo con uno spessore di circa 25 micron o 1/1000 di pollice (Figura 2). Il processo prevede che il nucleo o il cilindro di calcestruzzo venga tagliato in blocchi di calcestruzzo piatti (chiamati grezzi) con un'area di circa 25 x 50 mm (1 x 2 pollici). Il grezzo viene incollato su un vetrino, posto in una camera a vuoto e la resina epossidica viene introdotta sotto vuoto. All'aumentare del rapporto a/cm, la connettività e il numero di pori aumenteranno, quindi una maggiore quantità di 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 di aggregato e particelle di cemento non idratato. La porosità delle due è praticamente pari allo 0%. Il cerchio verde brillante rappresenta la porosità (non la porosità effettiva), e la porosità è praticamente del 100%. Una di queste caratteristiche è la "sostanza" verde punteggiata, una pasta (Figura 2). All'aumentare del rapporto acqua/cm e della porosità capillare del calcestruzzo, il caratteristico colore verde della pasta diventa sempre più brillante (vedi Figura 3).
Figura 2. Micrografia a fluorescenza di scaglie che mostra particelle aggregate, vuoti (v) e pasta. La larghezza del campo orizzontale è di circa 1,5 mm. Chunyu Qiao e DRP, una società Twining.
Figura 3. Le micrografie a fluorescenza dei fiocchi mostrano che all'aumentare del rapporto acqua/cm, la pasta verde diventa gradualmente più chiara. Queste miscele sono aerate e contengono ceneri volanti. Chunyu Qiao e DRP, una società Twining.
L'analisi delle immagini prevede l'estrazione di dati quantitativi dalle immagini. Viene utilizzata in molti campi scientifici diversi, a partire dal microscopio a telerilevamento. Ogni pixel di un'immagine digitale diventa essenzialmente un punto dati. Questo metodo ci permette di associare numeri ai diversi livelli di luminosità del verde osservati in queste immagini. Negli ultimi 20 anni circa, con la rivoluzione nella potenza di calcolo dei computer desktop e nell'acquisizione di immagini digitali, l'analisi delle immagini è diventata uno strumento pratico che molti microscopisti (inclusi i petrolologi del calcestruzzo) possono utilizzare. Utilizziamo spesso l'analisi delle immagini per misurare la porosità capillare della sospensione. Nel tempo, abbiamo scoperto che esiste una forte correlazione statistica sistematica tra a/cm e 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 riporta 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 non riempito all'estrema destra). La curva della pasta consente di calcolare la dimensione media dei pori e la relativa deviazione standard. Chunyu Qiao e DRP, Twining Company Figura 5. Questo grafico riassume una serie di misurazioni capillari medie a/cm e intervalli di confidenza al 95% nella miscela composta da cemento puro, cemento a base di ceneri volanti e legante pozzolanico naturale. Chunyu Qiao e DRP, Twining Company
In ultima analisi, sono necessarie tre prove indipendenti per dimostrare che il calcestruzzo in cantiere sia conforme alle specifiche di mix design. Per quanto possibile, è consigliabile prelevare campioni di carotaggio da getti che soddisfano tutti i criteri di accettazione, nonché campioni da getti correlati. Il carotaggio del getto approvato può essere utilizzato come campione di controllo e come parametro di riferimento per valutare la conformità del getto in questione.
Nella nostra esperienza, quando gli ingegneri con documentazione esaminano i dati ottenuti da questi test, di solito accettano il posizionamento se vengono soddisfatte altre caratteristiche ingegneristiche chiave (come la resistenza a compressione). Fornendo misurazioni quantitative di a/cm e fattore di formazione, possiamo andare oltre i test specificati per molti progetti per dimostrare che la miscela in questione possiede proprietà che si traducono in una buona durabilità.
David Rothstein, Ph.D., PG, FACI è il capo litografo di DRP, una società del gruppo Twining. Ha oltre 25 anni di esperienza come petrolografo professionista e ha ispezionato personalmente oltre 10.000 campioni provenienti da oltre 2.000 progetti in tutto il mondo. Il Dott. Chunyu Qiao, capo scienziato di DRP, una società del gruppo Twining, è un geologo e scienziato dei materiali con oltre dieci anni di esperienza nei materiali cementizi e nei prodotti rocciosi naturali e lavorati. La sua competenza include l'uso dell'analisi delle immagini e della microscopia a fluorescenza per studiare la durabilità del calcestruzzo, con particolare attenzione ai danni causati da sali antighiaccio, reazioni alcali-silicio e attacchi chimici negli impianti di trattamento delle acque reflue.
Data di pubblicazione: 07/09/2021