コンクリート舗装の品質保証における新たな開発により、品質、耐久性、ハイブリッド設計基準への準拠に関する重要な情報が得られます。
コンクリート舗装の施工では緊急事態が発生する可能性があり、請負業者は現場打ちコンクリートの品質と耐久性を確認する必要があります。これらの事象には、注入プロセス中の雨への曝露、硬化剤の塗布後、注入後数時間以内のプラスチックの収縮と亀裂、コンクリートのテクスチャリングと硬化の問題が含まれます。強度要件やその他の材料試験が満たされていても、現場の材料が配合設計仕様を満たしているかどうかを懸念するエンジニアは、舗装部品の取り外しや交換が必要になる場合があります。
この場合、岩石学やその他の補完的な（しかし専門的な）試験方法は、コンクリート混合物の品質と耐久性、およびそれらが作業仕様を満たしているかどうかに関する重要な情報を提供できます。
図 1. 0.40 w/c (左上隅) および 0.60 w/c (右上隅) のコンクリートペーストの蛍光顕微鏡写真の例。左下図はコンクリート円柱の比抵抗を測定する装置です。右下の図は体積固有抵抗とw/cの関係を示しています。 Chunyu Qiao と DRP、Twining Company
エイブラムの法則: 「コンクリート混合物の圧縮強度は、水セメント比に反比例する。」
ダフ・エイブラムス教授は、1918 年に初めて水セメント比 (w/c) と圧縮強度の関係を説明し [1]、現在エイブラムの法則と呼ばれている「コンクリートの水/セメント比の圧縮強度」を定式化しました。圧縮強度の制御に加えて、現在は水セメント比 (w/cm) が好まれています。これは、ポルトランドセメントをフライアッシュやスラグなどの補助セメント材料で置き換えることができるためです。これはコンクリートの耐久性の重要なパラメータでもあります。多くの研究では、w/cm が約 0.45 未満のコンクリート混合物は、凍結防止塩による凍結融解サイクルにさらされる地域や土壌中に高濃度の硫酸塩が存在する地域など、過酷な環境でも耐久性があることが示されています。
毛細管細孔はセメント スラリーに固有の部分です。それらは、セメント水和生成物と、かつては水で満たされていた未水和セメント粒子との間の空間から構成されます。 [2] 毛細管細孔は、同伴または閉じ込められた細孔よりもはるかに細かいため、毛細管細孔と混同すべきではありません。毛細管の細孔がつながっていると、外部環境からの流体がペースト中を移動する可能性があります。この現象は浸透と呼ばれ、耐久性を確保するには最小限に抑える必要があります。耐久性のあるコンクリート混合物の微細構造は、細孔がつながっているのではなく、セグメント化されているということです。これは、w/cm が ~0.45 未満の場合に発生します。
硬化コンクリートの w/cm を正確に測定することが難しいことはよく知られていますが、信頼性の高い方法は、硬化した現場打ちコンクリートを調査するための重要な品質保証ツールとなります。蛍光顕微鏡が解決策を提供します。これが仕組みです。
蛍光顕微鏡検査は、エポキシ樹脂と蛍光染料を使用して材料の細部を照らす技術です。医学で最も一般的に使用されており、材料科学でも重要な用途があります。この方法のコンクリートへの体系的な適用は、約 40 年前にデンマークで始まりました [3]。これは、硬化コンクリートの重量を推定するために 1991 年に北欧諸国で標準化され、1999 年に更新されました [4]。
セメントベースの材料 (コンクリート、モルタル、グラウトなど) の w/cm を測定するには、蛍光エポキシを使用して、厚さ約 25 ミクロンまたは 1/1000 インチの薄片またはコンクリート ブロックを作成します (図 2)。プロセスには次のものが含まれます。 コンクリートコアまたはシリンダーを、約 25 x 50 mm (1 x 2 インチ) の面積を持つ平らなコンクリートブロック (ブランクと呼ばれる) に切断します。ブランクをスライドガラスに接着し、真空チャンバーに置き、真空下でエポキシ樹脂を導入します。 w/cm が増加すると、接続性と細孔の数が増加するため、より多くのエポキシがペーストに浸透します。エポキシ樹脂内の蛍光色素を励起し、過剰な信号を除去する特殊なフィルターのセットを使用して、顕微鏡でフレークを検査します。これらの画像では、黒い領域は骨材粒子と未水和セメント粒子を表します。両者の気孔率は基本的に 0% です。明るい緑色の円は気孔率 (気孔率ではありません) で、気孔率は基本的に 100% です。その特徴の 1 つである緑色のまだらの「物質」はペーストです (図 2)。コンクリートの w/cm と毛細管気孔率が増加するにつれて、ペーストの独特の緑色はますます明るくなります (図 3 を参照)。
図 2. 凝集した粒子、空隙 (v)、およびペーストを示すフレークの蛍光顕微鏡写真。水平フィールド幅は約 1.5 mm です。 Chunyu Qiao と DRP、Twining Company
図 3. フレークの蛍光顕微鏡写真は、w/cm が増加するにつれて、緑色のペーストが徐々に明るくなることを示しています。これらの混合物には空気が含まれており、飛灰が含まれています。 Chunyu Qiao と DRP、Twining Company
画像分析には、画像から定量的なデータを抽出することが含まれます。リモートセンシング顕微鏡をはじめ、さまざまな科学分野で使用されています。デジタル画像内の各ピクセルは、基本的にデータ ポイントになります。この方法を使用すると、これらの画像に見られるさまざまな緑色の明るさのレベルに数字を付けることができます。過去 20 年ほどにわたって、デスクトップのコンピューティング能力とデジタル画像取得の革命により、画像分析は多くの顕微鏡学者 (具体的な岩石学者を含む) が使用できる実用的なツールになりました。スラリーの毛細管空隙率を測定するために画像解析をよく使用します。時間の経過とともに、次の図 (図 4 および図 5) に示すように、w/cm と毛細管空隙率の間に強い系統的な統計的相関関係があることがわかりました。
図 4. 薄切片の蛍光顕微鏡写真から得られたデータの例。このグラフは、1 枚の顕微鏡写真内の特定のグレー レベルでのピクセル数をプロットします。 3 つのピークは、凝集体 (オレンジ色の曲線)、ペースト (灰色の領域)、および空隙 (右端の塗りつぶされていないピーク) に対応します。ペーストの曲線から、平均細孔サイズとその標準偏差を計算できます。 Chunyu Qiao および DRP、Twining Company 図 5. このグラフは、純粋なセメント、フライアッシュ セメント、および天然ポゾラン結合剤で構成される混合物における一連の w/cm 平均毛細管測定値と 95% 信頼区間をまとめたものです。 Chunyu Qiao と DRP、Twining Company
最終的な分析では、現場のコンクリートが配合設計仕様に準拠していることを証明するために 3 つの独立した試験が必要です。可能な限り、すべての受け入れ基準を満たすプレースメントからコア サンプルを入手し、関連するプレースメントからもサンプルを取得します。承認されたレイアウトのコアはコントロール サンプルとして使用でき、関連するレイアウトの準拠性を評価するためのベンチマークとして使用できます。
私たちの経験では、記録を持つエンジニアがこれらのテストから得られたデータを見た場合、通常、他の重要なエンジニアリング特性 (圧縮強度など) が満たされていれば配置を受け入れます。 w/cm と形成係数の定量的な測定値を提供することで、多くの作業に指定されたテストを超えて、問題の混合物が良好な耐久性につながる特性を備えていることを証明できます。
David Rothstein、Ph.D.、PG、FACI は、Twining Company である DRP の主任リソグラファーです。彼は 25 年以上のプロの岩石学者の経験があり、世界中の 2,000 以上のプロジェクトから 10,000 以上のサンプルを個人的に検査しました。 Twining Company である DRP の主任科学者である Chunyu Qiao 博士は、セメント材料および天然および加工岩石製品において 10 年以上の経験を持つ地質学者および材料科学者です。彼の専門知識には、画像分析と蛍光顕微鏡を使用してコンクリートの耐久性を研究することが含まれており、特に除氷塩、アルカリとシリコンの反応、下水処理施設での化学的攻撃によって引き起こされる損傷に重点を置いています。
投稿時間: 2021 年 9 月 7 日