1. Tradicinė gamyba
Šiuolaikinis betonas prasideda nuo skirtingų dydžių smėlio ir žvyro, kurie, esant vandeniui, sumaišomi su puikia rišamąja medžiaga portlandcementis, kuris sujungia visus užpildus, kad susidarytų į akmenį panaši medžiaga. Portlandcementį 1824 m. išrado Džozefas Asputinas; jis gaminamas kaitinant ir sumalant mineralus kalkakmenį ir molį bei įdedant nedidelį kiekį gipso. Vėliau jį 1840-aisiais pasiūlė jo sūnus Williamas Asputinas. Įprastas betonas, pagamintas iš portlandcemenčio ir užpildų, paprastai laikomas pirmosios kartos betonu.
Tačiau šis betono tipas yra susijęs su tempiamojo stiprio ir plastiškumo stoka, dėl ko sugenda sijos ir plokščių konstrukcijos. Todėl atsirado antrosios kartos betonas, kur plieno armatūra buvo laikoma šių problemų sprendimu. Joseph Monier ir Francois Coignet buvo pirmieji betono armavimo pradininkai XIX amžiaus antroje pusėje. Jie suteikė daug patentų, kad sustiprintų įvairių tipų struktūras. Nuo to laiko plieno ir betono derinys buvo pagrindinė statybinė medžiaga XIX ir XX a. Betono gniuždymo stiprio padidėjimas per XX a. Gniuždymo stipris pirmoje šio amžiaus pusėje svyravo nuo 20 iki 40 MPa.
Po{0}}amžiaus vidurio iškilo iššūkis padidinti stiprumą, kad būtų galima atlaikyti didesnes pažangesnių konstrukcijų apkrovas. Per šiuos dešimtmečius gniuždymo stipris viršijo 40 MPa. Tai pasiekiama kruopščiai parenkant užpildus, nes silpni užpildai gali būti nepakankamai tvirti, kad galėtų nešti didelius krovinius, ir sumažinus vandens ir rišamosios medžiagos santykį. Šis santykis yra atvirkščiai proporcingas stipriui gniuždant. Vandens kiekį mažinančių priedų išradimas sumažina vandens kiekį, todėl inžinieriai gali padidinti stiprumą nepažeidžiant darbingumo.
2. Naujos kartos modernus betonas
(1) Principai ir apibrėžimai
Nepaisant ankstesnių patobulinimų, vis dar reikia:
a) didesnio stiprumo betonas;
b) neleiskite chloro jonams ir kitoms kenksmingoms medžiagoms prasiskverbti į betono tirpalą, nes tai gali sukelti geležies strypų koroziją ir prastą betono patvarumą;
c) Alternatyvios medžiagos, galinčios pakeisti portlandcementį, siekiant sumažinti anglies monoksido 2 išmetimą į atmosferą cemento gamybos metu.
Todėl Ultra High Performance Concrete arba UHPC buvo sukurta kaip nauja betono technologija, galinti atitikti reikiamus standartus. Jis buvo sukurtas remiantis supratimu, kad norint pasiekti reikiamą našumą, vien sumažinti vandens ir cemento santykį nepakanka. Be to, smulkioms ir itin smulkioms dalelėms reikalingi optimizuoti užpildai; turi būti atidžiai kontroliuojamas šių dalelių dydžio pasiskirstymas, taip pat forma ir tekstūros kokybė.
UHPC ir tradicinio betono užpildų sistemų skirtumai. UHPC matricos tankis yra dar didesnis. Tam reikia pašalinti stambius agregatus ir paskirstyti itin smulkias daleles mikrostruktūros lygiu, kad būtų užpildytos tuštumos tarp didesnių dalelių. UHPC užpildų sistemų patobulinimai tikrai padidins UHPC betono stiprumą, padidins ilgaamžiškumą ir bendrą našumą.
Tiesą sakant, UHPC yra nauja betono forma, kuri yra nauja kompozicinė statybinė medžiaga. Didelis jo stiprumas gniuždant ir plastiškumas pasiekiami optimizuojant smulkių ir itin smulkių dalelių pakuotę ir pridedant plieno pluošto. Visų pirma, šis optimizavimas tolygiai paskirstys visas daleles mikroskopiniu mastu, kad erdvė būtų apsupta didesnių dalelių. Taigi gaunama tanki matrica su mažu pralaidumu, kad betonas būtų su puikiomis savybėmis.
UHPC apibrėžimai skiriasi. Kai kurie tyrinėtojai apibrėžia terminą pagal jo pagrindinius komponentus. Pavyzdžiui, Farzad ir kt. apibrėžkite UHPC kaip cemento pagrindo medžiagą, kurios dalelių komponentų pasiskirstymas yra geresnis, vandens ir cementinės medžiagos santykis yra mažesnis nei 0,2 ir didelė vidinio pluošto susidarymo dalis. Mishra&Singh apibrėžė UHPC kaip specialų betono tipą, susidedantį iš labai smulkių reaktyvių priemaišų (ty silicio dioksido dūmų ir smulkaus kvarco), pluoštų ir superplastifikatorių, tuo pačiu turint daugiau rišiklio ir mažą vandens ir rišamosios medžiagos santykį. Aimee & Shafiq apibrėžia šį terminą kaip pluoštu sustiprintą, ypač vandens kiekį mažinantį, silicio dūmų ir cemento mišinį su labai mažu vandens ir cemento santykiu (W/C), kuriam būdingas labai smulkus kvarcinis smėlis, kurio skersmuo 0.15–0.60 mm, o ne įprastas suvestinis. Ahmadas ir kt. (2{{20}}16) UHPC apibrėžė kaip naudojant daug cemento, silicio dioksido dūmų (01-1 um) ir superplastifikatoriaus kartu su labai smulkiu kvarciniu smėliu (0.{21). }},60 mm), kvarco milteliai (mažiau nei 10 um) ir mišinys, pagamintas be stambaus užpildo pluošto. Nematollahi ir kt. UHPC apibrėžia kaip cemento pagrindo kompozitą, sudarytą iš smulkių medžiagų su optimizuotomis klasifikavimo kreivėmis, labai stipriu atskiru mikroplieno pluoštu ir labai mažu vandens ir cemento santykiu, mažesniu nei 0,25. Kiti tyrinėtojai UHPC apibrėžia remdamiesi puikiomis mechaninėmis ir ilgaamžiškumo savybėmis. Pavyzdžiui, Aroraa ir kt. apibrėžkite UHPC kaip daugialypės mikrostruktūros medžiagą, sukurtą taip, kad būtų labai didelis gniuždymo stiprumas, didelis lenkimo ir tempimo stiprumas bei didelis plastiškumas. Li, J. ir kt. apibrėžia šį terminą kaip novatorišką kompozicinę medžiagą, kuri gali būti potenciali kandidatė betoninėms konstrukcijoms, veikiamoms korozinės aplinkos.
Remdamiesi pirmiau pateiktu apibrėžimu, galime pasiūlyti apibrėžimą, kuriame apjungiami pagrindiniai UHPC komponentai ir aukščiausios savybės, taip pat pagrindinė UHPC gamybos technologija. Todėl UHPC yra naujos kartos cementinės statybinės medžiagos, pasižyminčios labai dideliu gniuždymo stipriu, dideliu lankstumu ir tvarumu, pagrįstos: smulkių ir itin smulkių užpildų (silicio dioksido dūmų ir smėlio) mikrooptimizavimu, vandens kiekį mažinančių medžiagų pridėjimu. naudojami vandens ir cemento santykiui sumažinti, o stiprinti naudojami didelio stiprumo plieno pluoštai.
(2) Itin didelio kontrasto komponentai
Didelio stiprumo, kalus ir tvarus UHPC betonas sudarytas iš smulkiagrūdžio smėlio, silicio dioksido dūmų, vandens, vandens kiekį mažinančių priedų ir plieno pluoštų.
① Smulkus užpildas
Smulkus užpildas yra svarbi UHPC stiprumo ir apdirbamumo sudedamoji medžiaga. Jis išlaiko betono stabilumą, nes gali atlaikyti didesnes apkrovas. Dėl savo inertiškumo jis taip pat atsparus oro sąlygoms. Jo dalelių dydis yra didžiausias tarp UHPC matricų, svyruoja nuo 150 μm iki 600 μm. Tai gali būti silicio smėlis, kvarcinis smėlis arba natūralus smėlis.
Silicio smėlis UHPC yra brangus. Kita vertus, kvarcinio smėlio yra, tačiau jį susmulkinti iš stambaus užpildo ar natūralios uolienos reikia laiko. Priešingai, natūralus smėlis gali būti lengvai ir efektyviai naudojamas kaip smulkus UHPC užpildas. Pavyzdžiui, rytinėje Saudo Arabijos provincijoje yra smulkaus kopų smėlio.
② Portlandcementis
Paprastas portlandcementis yra pagrindinė rišamoji medžiaga, o sumaišytas su vandeniu jis hidratuojasi ir tampa kieta medžiaga, surišančia visus UHPC betono užpildus. Jis daugiausia gaminamas iš dviejų pagrindinių žaliavų; kalkakmenis ir molis. Susmulkinus ir sumalus šios medžiagos kaitinamos krosnyje, kad susidarytų cementinis klinkeris, kuris toliau sumalamas, kad nedidelis gipso kiekis susmulkintų į smulkius miltelius. Jis yra maždaug du kartus (600-1000 kg/m) didesnis nei įprastame betone, kurio vidutinis skersmuo yra 15 μm. Todėl jis laikomas antruoju pagal dydį dalelių dydžiu tarp UHPC matricų. Dėl nedidelės vandens dalies nehidratuota cemento dalis bus naudojama kartu su kitais užpildais pakavimo optimizavimui.
③ Silicio milteliai
Silicio dioksido dūmai arba mikrosilicio dioksidas yra krosnių dūmų, gaminančių silicio metalą ir ferosilicio lydinius, atliekos. Vidutinis apvalių silicio dioksido miltelių dalelių skersmuo yra 0,15 μm, o daugumos dalelių dydis yra mažesnis nei 1 μm. Todėl jos yra mažiausios UHPC matricos dalelės, 100 kartų mažesnės už cemento daleles. Štai kodėl jis laikomas puikiu užpildu užpildant tuštumas tarp didesnių dalelių UHPC matricose. Naudojant šią itin smulkią medžiagą susidaro tanki matrica, kuri pagerina betono mechanines ir ilgaamžiškumo savybes.
Silicio dioksido dūmai gali būti naudojami UHPC mišiniuose 150–250 kg/m3 (10-30 % cemento masės). Ryšys tarp stiprio gniuždant ir silicio dioksido dūmų kiekio UHPC betone. Betoną, kurio stiprumas siekia 81 MPa, galima gauti be silicio dioksido dūmų. Tačiau padidinus silicio dioksido dūmų kiekį, stipris gniuždant sparčiai didėja. Vienas pagrindinių šios medžiagos trūkumų yra tai, kad jai reikia daugiau vandens dėl itin smulkių dalelių, tačiau naudojant superplastifikatorių galima išlaikyti tą patį vandens kiekį.
④ vandens
Vanduo yra svarbi medžiaga gaminant UHPC. Geriamasis vanduo yra tinkamas ir paprastai naudojamas įprastam betonui. Vandens kiekis turi būti pakankamas hidratacijos procesui užbaigti ir darbui palaikyti. Minimalus vandens ir cemento santykis (m/c) įprastam betonui yra maždaug 0,4–0,5, įskaitant apdirbamąjį vandenį. Vandens kiekis yra atvirkščiai proporcingas gniuždymo stipriui, ty jei vanduo didėja, stiprumas mažėja. Vandens perteklius, nenaudojamas hidratacijai, sukuria betono mišinio tuštumus, todėl padidėja pralaidumas ir sumažėja betono stiprumas.
Taikant UHPC technologiją, didelio diapazono vandens kiekį mažinančių priedų naudojimas padeda išlaikyti apdirbamumą be vandens pertekliaus. Todėl w/c santykis sumažės iki optimalaus lygio 0.14–0.22 diapazone. Dėl to padidėja gniuždymo stipris ir pagerėja visos kitos betono savybės.
⑤ Didelio diapazono vandens mažinimo agentas
Kadangi betono mišinių apdirbamumas sumažėja maišant su mažu drėgmės kiekiu, maišymo metu į UHPC betoną reikia dėti vandens kiekį mažinančių medžiagų arba didelio efektyvumo vandens kiekį mažinančių medžiagų, tokių kaip polikarboksilatai, kad būtų pagerintas jo darbingumas. Kalbant apie cheminės sudėties įtaką, tai turėtų būti 0.5-2.0%, pvz., Courtial ir kt. Tačiau, kaip atskleidė daugelis tyrinėtojų, optimalus turinys yra 1.{7}}.4.
⑥ Plieno pluoštas
Betonas be armatūros yra linkęs lūžti, nes yra trapus, o įtrūkimų negalima sustabdyti. Todėl plieniniai pluoštai naudojami UHPC matricai sustiprinti, kad būtų užtikrintas didesnis atsparumas įtrūkimų susidarymui, taip pat didesnis atsparumas tempimui ir atsparumas lūžiams. Plieno pluoštams būdinga jų forma, ilgis, skersmuo, tūris, orientacija ir stiprumas.
