Петрография бетонов

РЕФЕРАТ. Бетону — самому широко используемому строительному материалу — нет равных в мире из-за его универсальности и рентабельности в современном строительстве. Тем не менее многочисленные факторы могут привести в ходе строительства к таким проблемам, как недостаточная прочность, образование трещин в ранний период, дефекты поверхности бетонных конструкций, преждевременное разрушение в агрессивной среде и постепенное разрушение от воздействий типа щелоче-кремнеземных реакций (ЩКР). Более 50 лет петрография бетонов служит в качестве эффективного инструмента для выявления и устранения проблем с эксплуатационными характеристиками бетона в Северной Америке, Европе и за их пределами. В этой статье рассмотрены некоторые из основных принципов и особенностей петрографии бетонов.

Ключевые слова: бетон, петрография, стереомикроскоп, петрографический микроскоп, растровый электронный микроскоп.

Keywords: concrete, petrography, the stereomicroscope, the petrographic microscope, the scanning electron microscope.

Что такое петрография?

Взгляд с точки зрения геологии. Пет­рография является базовой дисциплиной при подготовке геологов, суть которой заключается в систематическом описании и документировании различных компонентов горных пород (по-гречески πέτρος — камень, γράφω — пишу; по-латински petra — камень, graphice — рисование, черчение). Геологи давно поняли, что при помощи идентификации минералов в горной породе и систематического описания структуры или текстуры (или распределения этих компонентов в породе) они могут понять процессы, которые влияют на ее формирование.

Использование микроскопов в исследовании микроструктуры горных пород позволяет изучать процессы, лежащие в основе эволюции окружающих нас ланд­шафтов.

Взгляд с точки зрения истории. Специалисты по петрографии бетонов применяют эти же базовые принципы для понимания свойств бетона и других материалов на основе цемента. История петрографии бетонов продолжается более 100 лет. Многие считают диссертацию Ле Шателье «Экс­периментальные исследования состава гидравлических растворов» (1887 год) основополагающим трактатом по петрографии бетонов [1]. Несмотря на то, что в первой половине XX века была выполнена значительная работа (см., например, [2]), большая ее часть фокусировалась на исследовании состава цементов, цементного камня и заполнителей. Хотя подробный обзор выходит за рамки этой статьи, все же отметим, что применение петрографических методов для понимания эксплуатационных характеристик бетона началось главным образом в 1950—1960-х годах XX века. Основной вклад был сделан сотрудниками Бюро мелиорации США [3, 4], Инженерного корпуса вооруженных сил США [5—7], Portland Cement Association (США) [8, 9] и Dansk Beton (Дания) [10]. Среди работ, выполненных позднее, отметим руководство [11, 12], монографию «О петрографической экспертизе» [13] и учебник [14] в переиздании [15].

Чтобы проанализировать развитие петрографических методов применительно к выявлению и устранению проблем с экс­плуатационными характеристиками бетона в Северной Америке, необходимо рассмотреть развитие стандартных методов, предложенных Американским обществом испытаний и материалов (American Society for Testing and Materials, ASTM). Эти стандарты представляют собой результат соглашения между всеми представителями отрасли — от производителей (таких как производители цемента и товарного бетона) до потребителей (например, подрядчиков). Первоначально методы петрографии использовались для описания и оценки заполнителей в стандартах ASTM C294 [16] и ASTM C295 [17], которые впервые были опубликованы соответственно в 1952 и 1954 годах. В 1960 году разработан стандарт ASTM C457 [18] для определения воздухововлечения в бетонной смеси. Хотя петрография бетонов упоминалась в публикациях ASTM еще в 1952 году [5], только почти через 25 лет появился первый стандарт ASTM C856 [19], посвященный использованию петрографии для исследования бетона. После этого был опубликован стандарт по использованию петрографии для исследования кладочных растворов ASTM C1324 [20], а в 2010 году — ASTM C1723 [21], регламентирующий исследования бетона с использованием сканирующей электронной микроскопии.

Инструменты для петрографии

Специалисты по петрографии бетонов имеют целый арсенал различных инструментов для исследования бетона, начиная от невооруженного глаза (визуальный анализ до сих пор является ключевым инструментом) и несколько устаревших, но все еще эффективных химических проб (см, например, [22]), до современных масс-спектрометров, мощных инструментов количественного химического анализа, и сложных минералогических методов, таких как дифракция рентгеновских лучей. Тем не менее в Северной Америке петрографы полагаются главным образом на три основных микроскопа для диагностики состояния бетона (кроме невооруженного глаза). Это стереомикроскоп, петрографический мик­роскоп и растровый электронный микроскоп, оснащенный энергодисперсионным рентгеновским спектрометром.

Стереомикроскоп является «рабочей лошадкой» у североамериканских петро­графов; фактически ASTM C856 описывает комплексное исследование бетона с использованием только этого микроскопа и невооруженного глаза. Стереомикроскоп является микроскопом относительно малой мощности, с двумя объективами для получения трехмерных изображений. Работают с ним обычно в отраженном свете и используют прибор в петрографии бетонов. Эта работа может включать в себя исследование поверхностей без специальной подготовки; поверхностей, создаваемых в лабораториях путем преднамеренного разрушения материала; а также отшлифованных и отполированных поверхностей. Огромная польза этого микроскопа заключается в том, что он может применяться для анализа шлифованных и полированных поверхностей по всей длине бетонного керна. Таким образом, можно использовать мик­роскоп для исследования бетона по всей толщине строительного элемента. Ни один другой метод микроскопии не дает на прак­тике такую возможность. Хотя диапазон увеличений у стереомикроскопа меньше, чем у петрографического или электронного микроскопа, у современных стереомик­роскопов он составляет от ~3 до 200 раз. Этого уровня увеличения достаточно для того, чтобы разглядеть многие разрушения поверхности, характерные для заполнителей, определить большинство характерных типов трещин, увидеть и охарактеризовать воздушные полости, определить большинство вторичных отложений (рис. 1).

Рис. 1. Микрофотографии бетона в отраженном свете, полученные с помощью стереомикроскопа: а — полированная поверхность бетонного керна, на которой видны трещины и микротрещины (отмечены стрелками), образовавшиеся на ранних стадиях твердения; б — полированная поверхность измененной частицы базальта; в — освещенная под углом полированная поверхность бетонного керна с пузырьками вовлеченного воздуха (темные круги); г — пустоты с розетками эттрингита (белые отложения) в цветном бетоне

Петрографический микроскоп используется для исследования материалов в проходящем свете при увеличениях, которые варьируются от низких (50 раз) до высоких (500—1000 раз). Материалы исследуются при помощи фиксации их зерен. Небольшие зерна материала суспендируют в иммерсионных препаратах с известным показателем преломления, или тонкие срезы, являющиеся частями породы (или бетона), приклеивают на предметные стекла и шлифуют до толщины, которая позволяет свету проходить сквозь материал. Большинство монографий по минералогии для геологов предоставляют информацию по подготовке шлифов. Геологические шлифы обычно истончают до толщины примерно 30 мкм; но для бетона и других материалов на основе цемента необходимы более тонкие шлифы (толщиной 20—25 мкм), чтобы детально изучить состав цементного камня. Площадь поверхности «стандартных» шлифов имеет размеры 25 × 50 мм; площадь шлифов «большого формата» — 50 × 75 мм. Необходима осторожность, чтобы минимизировать повреждения во время подготовки шлифов и гарантировать, что трещины и микротрещины, наблюдаемые в микроскоп, — это дефекты, которые отражают состояние образца материала, а не артефакты, образовавшиеся на стадии подготовки образца. В работе [23] приводится полезная информация по подготовке образцов для петрографии бетонов. Петрографический микроскоп является особенно мощным инструментом для изучения гидратации цементных материалов и для выявления вторичных отложений на основе их оптических свойств (рис. 2).

Рис. 2. Микрофотографии шлифов, приготовленных из бетонных кернов, в проходящем свете: а — на микрофотографии, сделанной в плоско-поляризованном свете, видны детали цементного теста из трехкомпонентного цемента. Стрелками отмечены остаточные зерна портландцемента (синие), частицы золы-унос (красные) и шлака (зеленые); б — микрофотография в скрещенных николях (в кросс-поляризованном свете) показывает детали теста при высоком В/Ц. Красными стрелками отмечены крупные кристаллы гидроксида кальция, характерные для повышенных В/Ц. Тесто имеет почти изотропный вид; в — микрофотография бетона, подвергшегося сульфатной коррозии, в кросс-поляризованном свете. Зеленые стрелки указывают на микротрещины, заполненные гипсом, красные — на микротрещины, заполненные таумаситом; г — микрофотография бетона, подвергшегося ЩКР. сделанная в кросс-поляризованном свете. Зеленые стрелки указывают на микротрещины, заполненные гелем и идущие от частицы стекловидной вулканической породы в тесто

Растровая электронная микроскопия (РЭМ) перешла из области узкоспециализированных исследовательских инструментов, доступных только в крупных университетах и частных промышленных лабораториях высокого класса, в базовые коммерческие лаборатории, которые могут исследовать широкий спектр различных материалов. В основном это было вызвано резким снижением стоимости, так как цены на вычислительные технологии упали с появлением настольного компьютера. В РЭМ используется электронный луч, чтобы получить ряд сигналов от материала, которые включают в себя электроны обратного рассеяния, вторичные электроны и рентгеновские лучи. Чтобы лучше понять метод РЭМ (начиная от теории электронной микроскопии до деталей электронной оптики и того, как связаны функции микроскопа с прак­тическими соображениями при использовании этой технологии для исследования материалов) следует обратиться к работе [24]. Если говорить коротко, изображения в обратно рассеянных электронах (их интенсивность определяется средним атомным номером фрагмента поверхности, на который падает электронный луч в данный момент) характеризуют состав материала в данной точке. Изображения во вторичных электронах отражают рельеф (топографию) поверхности; вторичные рентгеновские лучи дают информацию о количественном элементном составе участка, на который падает электронный луч. РЭМ позволяет получать изображения при значительно более высоких увеличениях и с более высоким разрешением по сравнению с оптическими микроскопами. В то время как в теории современные микроскопы РЭМ могут давать изображения с увеличением более чем в 100 000 раз, в реальности для характеристики материалов используются изображения с увеличением от 30 до примерно 5000. РЭМ позволяет распознавать и идентифицировать различные цементные материалы и вторичные отложения (рис. 3). В сочетании с современными системами энергодисперсионного анализа становится возможным выполнить химический анализ в отдельных точках микроструктуры, а также составить композиционные карты, позволяющие глубже понять состояние материалов (рис. 4).

Рис. 3. Микроснимки бетона, полученные на сканирующем электронном микроскопе: а — микроснимок полированной поверхности, выполненный в обратно-рассеянных электронах, показывает детали микроструктуры теста. А — алит, В — белит, F — зола-унос, IP — «внутренний» продукт, OP — «внешний» продукт; б — микроснимок частиц золы-уноса на углеродной ленте, выполненный во вторичных электронах; в — микроснимок поверхности излома, на котором виден кристалл соли Фриделя (выполнен во вторичных электронах); г — комбинированный микроснимок (в обратно-рассеянных и вторичных электронах) свежего излома, на снимке видны иглы эттрингита.

Рис. 4. Распределение фаз бетона, подвергнутого воздействию ЩКР и морской воды (по данным энерго-дис­персионного анализа). Цвета представляют следующие фазы: синий — брусит; темно-красный — гидротальцит; фиолетовый, пурпурный и желтый — щелоче-кремнеземный гель различных составов. Зеленые области — эпоксидная смола; розовые, светло-красные и оранжевые области — частицы заполнителя; бирюзовая матрица — цементное тесто.

Возможности петрографии в диагностике проблем бетона

Петрография используется для выявления проблем в затвердевшем бетоне, которые могут обнаружиться уже в день его заливки или же проявиться через несколько лет. Далее представлены некоторые важнейшие задачи, составляющие объект петрографических исследований.

Определение компонентов. Петро­графы могут легко идентифицировать большинство компонентов, используемых в производстве бетонной смеси, и прак­тически всегда могут установить, соответствуют ли материалы, поставляемые на место проведения работ, заказанным материалам. В их состав обычно входят вяжущие вещества (портландцемент, цементы с добавками золы и шлака), а также менее распространенные материалы (такие как микрокремнезем и некоторые природные пуццоланы). Петрографические исследования дают информацию о заполнителях в затвердевшем бетоне — об их распределении, форме и размере частиц, а также о типах горных пород и о том, подвергались ли они изменениям. Не менее важно то, что петрографы могут определить, являются ли породы, представленные в заполнителях, потенциально чувствительными к вредным воздействиям, таким как щелоче-кремнеземные реакции (ЩКР) или циклы замораживания-оттаивания. Содержание воздуха в бетоне может быть идентифицировано по воздушным полостям, образующимся в результате водоотделения и сегрегации.

Оценка состава бетонной смеси. Методом подсчета точек, в том числе описанных в ASTM C457, можно оценить количество воздуха в затвердевшем бетоне и установить, могут ли параметры воздухововлечения обеспечить требуемое количество циклов замораживания-оттаивания. Кроме того, эти методы позволяют измерить объемное содержание цементного теста и заполнителя (рис. 5). Информация, касающаяся проектирования состава бетонной смеси, может включать в себя не только массу основных компонентов (вяжущих веществ, воды, крупных и мелких заполнителей), но также и значения их плотнос­ти. В этом случае методом подсчета точек можно вычислить их теоретические объемы в проектируемой бетонной смеси. Расчетные результаты можно сравнить с результатами, полученными методом подсчета точек, и установить степень соответствия между фактическим и заявленным составами бетонных смесей. Петрографы также могут качественно оценить водоцементное отношение, ориентируясь на количество, размеры и распределение полостей, образующихся вследствие водоотделения.

Рис. 5. Микрофотография полированной поверхности бетонного керна в отраженном свете, иллюстрирующая принцип метода подсчета точек для определения содержания теста, вовлеченного воздуха и заполнителя в затвердевшем бетоне по ASTM C457. Цветные кружки — дискретные точки, по числу которых подсчитывают содержание воздуха (красные кружки), теста (синие кружки) и заполнителя (зеленые кружки). Розовый кружок (внизу фотографии) — случай, когда точка попадает на границу между пузырьком воздуха и тестом

Оценка смешивания и уплотнения. Распределение компонентов в бетоне дает важную информацию о смешивании и уплотнении бетонной смеси. Плохо или повторно перемешанная бетонная смесь может характеризоваться наличием прожилок песка, низким значением В/Ц в растворной части, покрывающей частицы заполнителя, и образованием скоплений из воздушных пустот. Большие пустоты, раковины и пус­тое пространство вокруг частиц заполнителя могут свидетельствовать о плохом уплотнении бетона. Сегрегация заполнителей и снижение воздухововлечения могут указать на чрезмерно длительное воздействие вибрирования на бетонную смесь.

Оценка причин низкой прочности. Низкая прочность может быть результатом ошибок при дозировании и проектировании состава бетонной смеси. Например, цемент, считающийся бездобавочным, на самом деле может оказаться цементом с добавкой золы, или же при контроле качества заполнителя (в, частности, песка) оценка его влажности могла быть выполнена неверно. Примеси в заполнителях также могут ухудшить адгезию и снизить прочность. Повторное перемешивание бетона и дополнительное введение воды после первоначального дозирования могут привести к повышенному воздухововлечению и образованию скоплений воздушных пустот. Это также является распространенной причиной низкой прочности бетона, которая может быть установлена с помощью петрографии (рис. 6). Неправильное приготовление бетонных образцов и неправильный уход за ними — еще одна причина низкой прочности бетона при испытаниях, которая также может быть установлена в результате пет­рографического исследования.

Рис. 6. Микрофотографии полированных поверхностей бетонных кернов в отраженном свете, иллюстрирующие распространенные причины низкой прочности: а — на повторное перемешивание указывает низкое значение В/Ц растворной части (красные стрелки показывают на более темный раствор) на частице заполнителя; б — шарики раствора (красные стрелки) в тесте, которые содержат золу-унос, тогда как остальное тесто ее не содержит, что говорит о том, что эти шарики — из предыдущей загрузки бетонной смеси; в — скопления из пузырьков воздуха (красные стрелки) в углублении частицы заполнителя; г — вид бетона с чрезмерным содержанием воздуха (16 %)

Оценка поверхностной отделки и выдерживания бетона. Тип финишной отделки (например, с использованием мас­терка или щетки) обычно легко распознается даже невооруженным глазом, но петрография может сказать об отделочных операциях намного больше. Например, пет­рографы часто могут определить, было ли на отделку потрачено необходимое время, изучая состояние теста на самой поверхности и в тонком слое под ней. Характер микротрещин на обработанной поверхности и чуть глубже может предоставить информацию о продолжительности отделочных операций. Петрографы могут оценить качество ухода за бетоном, сравнивая степень гидратации на обработанной поверхности со степенью гидратации в более глубоких слоях. Высокая контрастность изображений, получаемых при помощи РЭМ, отлично подходит для этого (рис. 7). Измерение глубины карбонизации также дает информацию об уходе за бетоном, поскольку ненадлежащий уход сопровождается увеличением пористости и степени карбонизации. Петрографы чаще всего оценивают карбонизацию при помощи фенолфталеина, который окрашивает материалы с высоким pH (более чем 9,5) в малиновый цвет. Карбонизация приводит к уменьшению pH бетона ниже этого значения, поэтому не окрашиваемые фенолфталеином области, как правило, интерпретируются как признак карбонизации, если, конечно, поверхность не подверглась химическому воздействию другого реагента (рис. 8). Микроскопия шлифов — наиболее точный путь для определения того, подвергся ли бетон карбонизации, поскольку паста приобретает двойное лучепреломление, типичное для карбоната кальция, образующегося в результате этого процесса (см. рис. 2, в). Петрографы могут также установить присутствие некоторых составов для ухода за бетоном и могут использовать простые тесты (такие как скорость водопоглощения), чтобы установить, использовались ли в работе упрочнители или средства для ухода за бетоном.

Рис. 7. Микроснимки полированной поверхности керна в обратно-рассеянных электронах, иллюстрирующие неправильный уход за бетоном: а — вид теста на поверхности керна; зеленой рамкой выделена область б, где зеленые и красные стрелки указывают на остаточные частицы шлака и портландцемента соответственно. Частиц шлака (в виде белых включений) гораздо больше, чем портландцемента; в — вид пасты на уровне около 38 мм ниже поверхности керна; зеленой рамкой выделена область г, красными стрелками отмечены полости с эттрингитом; г — красные и зеленые стрелки указывают на остаточные частицы шлака и портландцемента соответственно. Остаточного материала гораздо меньше, чем в области б, а количества шлака и портландцемента сопоставимы

Рис. 8. Примеры методов, используемых для обнаружения карбонизации: а — фотография свежей поверхности после распила, обработанной фенолфталеином. В области, окрашенной в сиреневый цвет, pH больше 9,5. Бесцветная область имеет более низкое значение pH, что интерпретируется как следствие карбонизации; б — микрофотография шлифа в кросс-поляризованном проходящем свете демонстрирует карбонизированное тесто. Яркий цвет теста (по сравнению с рис. 2, б) обусловлен сильным двулучепреломлением карбоната кальция, который образуется в ходе карбонизации

Диагностика трещин. Трещины бывают любых форм и размеров и могут появляться в разное время в ходе строительства и после его окончания. Они, вероятно, также являются наиболее распространенной причиной, чтобы инициировать исследования с привлечением петрографии. Трещины могут появляться до затвердевания бетонной массы из-за пластической усадки, осадки и возмущений, связанных со строительными работами, к которым могут относиться отделочные операции, перемещение опалубки или движение грунта. Раннее воздействие циклов замерзания также может вызвать растрескивание перед тем как бетон затвердеет, но это происходит относительно редко по сравнению с другими механизмами. После того как бетон затвердел, возможен ряд различных механизмов растрескивания. Растрескивание из-за усадки, вероятно, является его наиболее часто наблюдаемым типом. Растрескивание может произойти в результате усадки высыхания теста, усадки между частицами заполнителя; волосяные трещины образуют­ся на поверхностях, подверженных быстрому высыханию. Структурные трещины могут развиваться от нагрузок, которые не учитываются должным образом при проектировании сооружения, из-за ползучести или случайной перегрузки. Результатом внутренних температурных градиентов, термических сжатий на ранних стадиях и внешних сезонных колебаний температуры может быть термическое растрескивание. Наконец, растрескивание может проявляться с течением времени вследствие химического воздействия агрессивных сред, коррозии арматурной стали, ЩКР, циклов замораживания-оттаивания.

Петрографы изучают размер, распределение и ориентацию трещин (микротрещин) и их связь с частицами заполнителя, стараясь разобраться в механизме (или механизмах), ответственном за их формирование (рис. 9). Трещина вокруг частицы заполнителя зачастую свидетельствует о том, что растрескивание произошло в раннем периоде, до образования прочного сцепления между тестом и заполнителем. Трещины, которые содержат вторичные отложения, как правило, связаны с внутренним расширением, как, например, при ЩКР. Наконец, петрографы обращают внимание на наложение трещин друг на друга, чтобы разобраться, какие из них образовались раньше. Это геологический принцип, состоящий в том, что когда одна трещина пересекает другую, она является более свежей. Во многих случаях можно наблюдать, что ранние усадочные трещины прорезаны более поздними трещинами с вторичными отложениями, что указывает на образование трещин с вторичными отложениями после формирования усадочной трещины. Детальное изучение этих взаимосвязей может помочь установить последовательность событий, которые привели к текущему состоянию бетона.

Рис. 9. Микрофотографии полированных поверхностей в отраженном свете, демонстрирующие трещины и микротрещины, образовавшиеся в бетоне на ранних стадиях твердения: а — волосяная усадочная трещина (красные стрелки) в бетонном керне. Зеленая линия показывает ширину зоны обесцвеченного теста, которая образовалась в результате карбонизации; б — усадочная микротрещина (красные стрелки), которая обрывается на частице заполнителя; в — трещина отслаивания (красные стрелки) в бетоне с воздухововлечением, который был подвергнут финишной отделке мастерком. Желтая линия показывает толщину слоя уплотненной поверхности, типичной при отделке мастерком, а зеленая характеризует глубину трещины отслаивания; г — микротрещины (красные стрелки) вокруг частицы заполнителя

Поверхностные дефекты плит. Строительство с использованием массивных идеально плоских напольных плит для складских помещений является особым направлением, требующим высоких показателей качества и эксплуатационных свойств. Здесь очень важно правильное соединение плит, и петрография бетонов используется для выявления проблем, таких как растрескивание швов и их разрушение. Кроме того, петрография бетонов, как правило, — это лучший способ определить причину образования дефектов на поверхности (растрескивания, отслаивания, волосяных трещин, раковин, вздутий, меления, выступания частиц заполнителя, коробления). Эти дефекты обусловлены разными причинами, от продолжительности отделочных работ до неправильно выбранных материалов, и петрография зачастую может предоставить важную информацию по этим вопросам.

Идентификация факторов, влияющих на долговечность. Петрография — вероятно, наиболее широко применяемый метод для идентификации большинства факторов, которые вызывают интенсивное разрушение бетона. Петрографы могут установить причину разрушения — будь то циклы замерзания-оттаивания и воздей­ствие противогололедных препаратов, ЩКР, химическое воздействие, коррозия, отложенное образование эттрингита, воздействие морской воды и т. д. (рис. 10). Вторичные отложения часто являются ключом к пониманию этих механизмов. Например, химическое воздействие внешних сульфатсодержащих источников обычно приводит к осаждению вторичных минералов, таких как гипс, эттрингит и в некоторых случаях таумасит. Каждое из этих вторичных отложений имеет индивидуальную морфологию и кристаллическую структуру, оптические свойства и химический состав, которые можно определить с помощью петрографического микроскопа и РЭМ. Анализируя эти вторичные отложения и связь между ними и характером повреждений (например, появлением трещин и микротрещин), можно определить, ухудшает ли на самом деле данный фактор характеристики материала и вызывает ли растрескивание, которое можно наблюдать невооруженным взглядом. Это становится одной из самых важных задач петрографии бетонов и диа­гностики таких вредных воздействий, как, например, ЩКР, поскольку наличие вторичного отложения само по себе не является признаком повреждения. Например, хотя в подавляющем большинстве случаев монолитный бетон имеет некоторые признаки ЩКР, в основном это не влияет на их экс­плуатационные свойства [25]. Ключевая роль петрографа заключается в том, чтобы определить, есть или нет связи между этими механизмами и эксплуатационными качествами материала.

Рис. 10. Микрофотографии в отраженном свете полированных поверхностей кернов, на которые воздействовали различные факторы: а — ЩКР. Зеленая стрелка указывает на прозрачный гель внутри реакционноспособной кремнистой частицы, желтой стрелкой отмечен гель молочного цвета в полости, красной — белый гель в полости. Цвет гелей обычно изменяется в зависимости от состава; б — отшелушивание в результате воздействия противогололедных препаратов. Красными стрелками отмечены субгоризонтальные трещины в верхней части керна, где отслаивание было связано с неправильными заключительными операциями; в — результат действия сульфатов. Красные стрелки показывают отложения гипса в полостях и микротрещинах, зеленые — микротрещины, которые не содержат вторичных отложений, что является признаком внутреннего расширения; г — коррозия арматуры. Красные стрелки отмечают микротрещины, заполненные продуктами коррозии, зеленая стрелка — полость, заполненную продуктами коррозии. При этом арматурный стержень был покрыт эпоксидным материалом

Методами петрографии можно установить причины таких явлений, как, например, повреждения напольных покрытий, возникающие спустя годы после их изготовления. Эти повреждения образуются по следующим причинам: из-за интенсивного влагопереноса сквозь плиты, лежащие на земле; из-за воздействия ЩКР; вследствие технических просчетов или же в результате комбинации всех трех причин. Определение степени участия каждого из этих механизмов зачастую имеет решающее значение, чтобы понять причины растрескивания, отслаивания или образования вздутий уже через несколько лет после того, как проект был выполнен.

Ограничения в петрографии

Петрография бетонов имеет свои ограничения. Хотя петрографы могут идентифицировать компоненты, присутствующие в образце бетона, они не могут определить, к какому типу в соответствии с ASTM C150 принадлежит портландцемент — I, II или V. Ситуация будет только усложняться, поскольку производство бетонов движется в сторону использования смешанных цементов (ASTM C595) и рецептур цемента с заданными эксплуатационными характеристиками (ASTM C1157). Петрография не может определить расход цемента, золы-уноса, других цементозамещающих материалов или воды, которые были использованы для приготовления смеси. Петро­графы могут увидеть действие химических добавок (таких как вовлеченный в бетонную смесь воздух), но они не могут идентифицировать конкретные добавки или определить их дозировку. Петрографы не могут определить, кто добавлял воду в повторно перемешанную смесь и почему произошла потеря воздуха при транспортировке от завода к месту работ.

Определение В/Ц — одно из наиболее распространенных заданий, получаемых петрографами. Тем не менее, ASTM C856 не признает других методов, кроме предоставления точных и воспроизводимых количественных определений этого фундаментального параметра. В некоторых час­тях Европы для определения В/Ц используется флуоресцент­ная микроскопия [26], но ASTM не приняло этот стандарт. Взамен петрографы США используют множество различных критериев и методов в попытке оценить, а не определить В/Ц. Некоторые из наиболее часто используемых критериев включают в себя следующие:

1) цвет, твердость (стойкость к царапанию), плотность и пористость пасты;

2) текстура и блеск пасты на поверхнос­тях с трещинами и изломами, будь то изломы, проходящие сквозь заполнители или вокруг них;

3) размер, избыток и распределение гид­роксида кальция в пасте;

4) степень гидратации цементных материалов;

5) скорость абсорбции капель воды;

6) глубина карбонизации;

7) микротвердость пасты;

8) интенсивность цвета пропитанных красителями паст (включая флуоресцент­ную микроскопию).

Почти все эти методы подразумевают сравнение бетона с неизвестным В/Ц с эталонным материалом, подготовленным в данной лаборатории. Это не вполне корректно, поскольку материалы, используемые для создания эталона, могут отличаться от тех, которые представлены в неизвестном бетоне.

Хотя выбор адекватного метода определения В/Ц в затвердевшем бетоне продолжает интересовать ASTM, методы, описанные выше, все-таки находят свое применение. Несмотря на то, что определить В/Ц с высокой точностью не представляется возможным, многие из этих методов могут помочь установить, совпадают или различаются В/Ц у образцов бетона, взятых из разных точек. Это обусловлено тем, что при прочих равных условиях с увеличением содержания воды цементная паста, как правило, становится легче, мягче, характеризуется меньшей плотностью и большей поглощающей способностью; при этом гид­ратация происходит полнее, гидроксид кальция образуется в виде более крупных кристаллов, увеличивается глубина карбонизации. Определяя относительные различия в В/Ц, петрографы могут предоставить важную информацию для диагностики состояния бетона.

Выводы

Петрография может предоставить важную информацию в отношении состава и эксплуатационных качеств бетона и многих других строительных материалов на основе цемента. Тем не менее важно понимать, что петрография сама по себе не может установить причину (причины) проблем или средства их решения. В большинстве случаев петрографы не посещают сам объект и имеют в своем распоряжении лишь небольшое количество бетонных кернов, чтобы дать оценку действиям, касающимся огромных объемов бетона. Петрографам требуется персонал, знакомый с местом проведения работ, в идеале — независимый аккредитованный исследователь, профессиональный инженер, — чтобы лучше соотнести результаты микроскопических исследований с макроскопическими данными. Нужная информация может быть получена путем обследования и фотографирования места работ; путем изучения проектных спецификаций и информации по проектированию бетонной смеси, полученной из рабочих журналов и путевых листов доставки бетонной смеси; а также из анализа результатов других испытаний, которые были проведены во время или после строительства (например, проч­ность при сжатии и плотность бетона).

Отбор проб остается главной проблемой при использовании петрографии в диагнос­тике бетонных конструкций. Наилучшим предполагается отбор проб из бетона с хорошими эксплуатационными характеристиками и сравнение их с пробами бетона с плохими эксплуатационными характеристиками (характеристики определяются какими-либо критериями, имеющими отношение к ситуации — от прочности до числа трещин или присутствия поверхностных дефектов). Предоставление петрографу возможности выполнить сравнительные анализы, как правило, позволяет в итоге лучше всего понять проблему и найти пути для ее решения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Le Chatelier H. Experimental researches on constitution of hydraulic mortars (translation of 1887 Ph.D. dissertation by J.L. Mack). N. Y.: McGraw-Hill, 1905.

2. Jana D. Concrete petrography: Past, present and future // 10th Euroseminar in Microscopy Applied to Building Materials, 2005.

3. Mielenz R.C. Petrography applied to Portland-cement concrete / Eds. T. Fluhr and R.F. Leggert // Rev. in Engineering Geology. 1962. Vol. 1. P. 1—38.

4. Mielenz R.C. Diagnosing concrete failures // Stanton Walker Lecture Series on the Materials Science. University of Maryland, USA, 1964. P. 5—47.

5. Mather K. Applications of light microscopy in concrete research // Symp. on Light Microscopy, ASTM STP 143.1952. P. 51—70.

6. Mather B. Cracking of concrete in the Tuscaloosa Lock // Proc. Highway Res. Board. 1956. Vol. 31. P. 218—233.

7. Mather K. Petrographic examination of hardened concrete // Symp. on Significance of Tests and Properties of Concrete and Concrete-Making Materials, ASTM 169A. 1966. P. 125—143.

8. Brown L.S. Petrography of cement and concrete // J. of the PCA Res. and Develop. Lab. 1959. Vol. 1, N 3. P. 23—34.

9. Erlin B. Methods used in petrographic studies of concrete // Analytical Techniques for Hydraulic Cements and Concrete, ASTM STP 395.1965. P. 3—17.

10.  Idorn G.M. Durability of concrete structures in Denmark — a study of field behaviour and microscopic features. Copenhagen: Technical University of Denmark, 1967. 208 p.

11. Walker H.N. Petrographic methods of examining hardened concrete: a petrographic manual. Virginia Transportation Research Council, USA. 1992. 286 p.

12. Walker H.N., Lane D.S., Stutzman P.E. Petrographic methods of examining hardened concrete: a petrographic manual (Revised 2004). Virginia Transportation Research Council,  2006. 333 p.

13. Ray J.A. Things petrographic examination can and cannot do with concrete // Proc. 5th Intern. Conf. on Cement Microscopy. 1983. P. 66—85.

14. St. John D.A., Poole A.W., Sims I. Concrete petrography — a handbook of investigative techniques. L.: Arnold, 1998.

15. Poole A.W., Sims I. Concrete petrography — a handbook of investigative techniques / 2nd Edition. Boca Raton: CRC Press, 2015. 794 p.

16. ASTM C294. Standard descriptive nomenclature for constituents of concrete aggregates. Annual Book of ASTM Standards. 2012. Vol. 4.02.

17. ASTM C295. Standard guide for petrographic examination of aggregates for concrete. Annual Book of ASTM Standards. 2010. Vol. 4.02.

18. ASTM C457. Standard test method for microscopical determination of parameters of the air-void system in hardened concrete. Annual Book of ASTM Standards. 2014. Vol. 4.02.

19. ASTM C856. Standard practice for petrographic examination of hardened concrete. Annual Book of ASTM Standards. 2014. Vol. 4.02.

20. ASTM C1324. Standard test method for examination and analysis of hardened masonry mortar. Annual Book of ASTM Standards. 2014. Vol. 4.05.

21. ASTM C1723 Standard guide for examination of hardened concrete using scanning electron microscopy. Annual Book of ASTM Standards. 2010. Vol. 4.02.

22. Feigl R., Anger V. Spot tests in inorganic analysis / 6th Edition. Amsterdam: Elsevier Publishing Company, 1972. 669 p.

23. Detwiler R.J., Powers L.J., Jakobsen U.H., Ahmed W.U. et al. Preparing specimens for microscopy // Concrete Intern. 2001. Vol. 23, N 11. P. 50—58.

24. Goldstein J., Newbury D.E., Joy D.C., Lyman C.E. et al. Scanning electron microscopy and X-Ray microanalysis  / 3rd Edition, New York: Springer Verlag, 2007. 690 p.

25. Idorn G.M. Concrete progress: from antiquity to third millennium. L.: Thomas Telford Publishing, 1997. 359 p.

26. NT Build 361. Concrete, hardened—water-cement ratio, Nordtest Method. 1999. Edition 2.