1. Traditsiooniline tootmine
Kaasaegne betoon saab alguse erineva suurusega liivast ja kruusast, mis segatakse vee juuresolekul suurepärase sideainega portlandtsemendiga, mis seob kõik täitematerjalid kokku, moodustades kivitaolise materjali. Portlandtsemendi leiutas 1824. aastal Joseph Asputin; see on valmistatud mineraalide lubjakivi ja savi kuumutamisel ja jahvatamisel ning väikese koguse kipsi lisamisel. Hiljem pakkus selle välja tema poeg William Asputin 1840. aastatel. Portlandtsemendist ja täitematerjalidest valmistatud tavalist betooni peetakse üldiselt betooni esimeseks põlvkonnaks.
Seda tüüpi betooni seostatakse aga tõmbetugevuse ja plastilisuse puudumisega, mille tulemuseks on tala- ja plaatkonstruktsioonide rike. See viis seega teise põlvkonna betooni tekkeni, kus terasarmatuuri peeti nende probleemide lahenduseks. Joseph Monier ja Francois Coignet olid 19. sajandi teisel poolel betooniarmatuuri esimesed pioneerid. Nad andsid palju patente erinevat tüüpi struktuuride tugevdamiseks. Sellest ajast alates oli terase ja betooni kombinatsioon kogu 19. ja 20. sajandil peamine ehitusmaterjal. Betooni survetugevuse tõus 20. sajandi jooksul. Survetugevus jäi selle sajandi esimesel poolel vahemikku 20–40 MPa.
Pärast-20sajandi keskpaika tekkis väljakutse suurendada tugevust, et taluda arenenumate struktuuride suuremaid koormusi. Nende aastakümnete jooksul ületas survetugevus 40 MPa. See saavutatakse täitematerjalide hoolika valikuga, kuna nõrgad täitematerjalid ei pruugi olla piisavalt tugevad, et kanda suuri koormusi, ning vee ja sideaine vahekorra vähendamisega. See suhe on pöördvõrdeline survetugevusega. Veesisaldust vähendavate lisandite leiutamine vähendab veesisaldust, võimaldades inseneridel suurendada tugevust ilma töödeldavust mõjutamata.
2. Uue põlvkonna kaasaegne betoon
(1) Põhimõtted ja mõisted
Vaatamata varasematele täiustustele on endiselt vaja:
a) suurema tugevusega betoon;
(b) vältida kloriidioonide ja muude kahjulike ainete tungimist betoonilahusesse, mis võib põhjustada raudvarraste korrosiooni ja betooni halva vastupidavuse;
c) Alternatiivsed materjalid, mis võivad asendada portlandtsementi, et vähendada tsemendi tootmisel atmosfääri paisatud süsinikmonooksiidi 2 heitkoguseid.
Seetõttu töötati Ultra High Performance Concrete ehk UHPC välja uue betoonitehnoloogiana, mis suudab vastata nõutavatele standarditele. Selle väljatöötamisel lähtuti arusaamast, et ainult vee-tsemendi suhte vähendamisest ei piisa nõutud jõudluse saavutamiseks. Lisaks on peen- ja ülipeente osakeste jaoks vaja optimeeritud täiteaineid; nende osakeste suurusjaotust ning kuju ja tekstuuri kvaliteeti tuleb hoolikalt kontrollida.
UHPC ja traditsioonilise betooni täitesüsteemide erinevused. UHPC maatriksi tihedus on veelgi suurem. See nõuab jämedate agregaatide kõrvaldamist ja ülipeente osakeste jaotamist mikrostruktuuri tasemel, et täita tühimikud suuremate osakeste vahel. UHPC-täitesüsteemide täiustused suurendavad kindlasti UHPC-betooni tugevust, suurendades vastupidavust ja üldist jõudlust.
Tegelikult on UHPC betooni uus vorm, mis on uus komposiit ehitusmaterjal. Selle kõrge survetugevus ja elastsus saavutatakse peen- ja ülipeente osakeste pakendamise optimeerimise ning teraskiudude lisamisega. Eelkõige jaotab see optimeerimine kõik osakesed ühtlaselt mikroskoopilisel skaalal, et pakkida suuremate osakestega ümbritsetud ruum. Seega saavutatakse väikese läbilaskvusega tihe maatriks, mis tagab suurepäraste omadustega betooni.
UHPC-l on erinevad määratlused. Mõned teadlased määratlevad seda mõistet selle põhikomponentide järgi. Näiteks Farzad et al. defineerige UHPC kui tsemendipõhist materjali, millel on täiustatud osakeste komponentide jaotus, vee ja tsemendimaterjali suhe on väiksem kui 0,2 ja oluline osa sisemisest kiududest. Mishra&Singh määratles UHPC kui eritüüpi betooni, mis koosneb väga peeneteralistest reaktiivsetest lisanditest (st ränidioksiidi aurudest ja peenest kvartsist), kiududest ja superplastifikaatoritest, millel on suurem sideainesisaldus ja madal vee ja sisemise sideaine suhe. Aimee & Shafiq defineerivad seda terminit kui kiududega tugevdatud, ultravett vähendavat ränidioksiidi suitsu-tsemendi segu, millel on väga madal vee-tsemendi suhe (W/C), mida iseloomustab väga peene kvartsliiva olemasolu läbimõõduga 0,15 kuni 0,60 mm, samas kui mitte tavaline koondmaterjal. Ahmad et al. (2{{20}}16) defineeris UHPC kui suure tsemendi, ränidioksiidi auru (01-1 um) ja superplastifikaatori sisaldusega koos väga peene kvartsliiva (0.{21) }},60 mm), kvartspulber (alla 10 um) ja segu, mis on toodetud ilma jämedate täitematerjalideta. Nematollahi et al. defineerige UHPC kui tsemendipõhist komposiiti, mis koosneb peentest materjalidest, millel on optimeeritud liigituskõverad, väga tugevad diskreetsed mikroteraskiud ja väga madal vee-tsemendi suhe alla 0,25. Teised teadlased määratlevad UHPC selle suurepäraste mehaaniliste ja vastupidavusomaduste põhjal. Näiteks Aroraa et al. defineerige UHPC kui mitmemõõtmelise mikrostruktuuriga materjali, mis on loodud väga suure survetugevuse, suure painde- ja tõmbetugevuse ning kõrge elastsuse jaoks. Li, J. et al. defineerige seda terminit kui uuenduslikku komposiitmaterjali, mis võib olla potentsiaalne kandidaat betoonkonstruktsioonide jaoks, mis puutuvad kokku söövitava keskkonnaga.
Ülaltoodud määratluse põhjal saame välja pakkuda määratluse, mis ühendab UHPC põhikomponendid ja parimad omadused ning UHPC tootmise põhitehnoloogia. UHPC on seega uue põlvkonna tsemendipõhised ehitusmaterjalid, millel on väga kõrge survetugevus, kõrge elastsus ja jätkusuutlikkus, mis põhineb: peen- ja ülipeente täitematerjalide (ränidioksiid ja liiv) mikrooptimeerimisel, vett vähendavate ainete lisamisel. kasutatakse vee-tsemendi suhte vähendamiseks ja tugevdamiseks kasutatakse ülitugevaid teraskiude.
(2) Ülikõrge kontrastsusega komponendid
Kõrge tugevusega, plastiline ja jätkusuutlik UHPC betoon koosneb peeneteralisest liivast, ränidioksiidi aurudest, veest, vett vähendavatest lisanditest ja teraskiududest.
① Peen täitematerjal
Peen täitematerjal on UHPC tugevuse ja töödeldavuse jaoks oluline komponentmaterjal. See säilitab betooni stabiilsuse tänu oma võimele kanda suuremaid koormusi. Tänu oma inertsusele peab see vastu ka ilmastikumõjudele. Selle osakeste suurus on UHPC maatriksite seas suurim, ulatudes 150 μm kuni 600 μm. See võib olla ränidioksiidi liiv, kvartsliiv või looduslik liiv.
Räniliiv on UHPC jaoks kallis. Kvartsliiv seevastu on saadaval, kuid selle purustamine jämedast täitematerjalist või looduslikust kivist võtab aega. Seevastu looduslikku liiva saab hõlpsasti ja tõhusalt kasutada UHPC peene täitematerjalina. Näiteks Saudi Araabia idaprovintsis on peen luiteliiv.
② Portlandtsement
Tavaline portlandtsement on esmane sidumismaterjal ja veega segatuna hüdraatub ja muutub tahkeks aineks, mis seob kõik UHPC-betooni täitematerjalid. Seda toodetakse peamiselt kahest põhitoorainest; lubjakivi ja savi. Pärast purustamist ja jahvatamist kuumutatakse neid materjale ahjus, et saada tsemendiklinker, mida jahvatatakse edasi, et jahvatada väike kogus kipsi peeneks pulbriks. See on ligikaudu kaks korda suurem (600-1000 kg/m) kui tavalises betoonis, mille keskmine läbimõõt on 15 μm. Seetõttu peetakse seda UHPC maatriksite seas suuruselt teiseks osakeste suuruseks. Vee väikese osakaalu tõttu kasutatakse tsemendi hüdraatimata osa pakendi optimeerimiseks koos teiste täitematerjalidega.
③ Ränipulber
Ränidioksiid või mikroränidioksiid on ränimetalli ja ferrosiliitsiumi sulamite tootmisel tekkiv ahjusuitsu kõrvalsaadus. Ränipulbri ümarate osakeste keskmine läbimõõt on 0,15 μm ja enamik osakesi on alla 1 μm. Seetõttu on need UHPC maatriksi väikseimad osakesed, 100 korda väiksemad kui tsemendiosakesed. Seetõttu peetakse seda suurepäraseks täiteaineks suuremate osakeste vaheliste tühimike täitmiseks UHPC-maatriksites. Selle ülipeene materjali kasutamine loob tiheda maatriksi, mis parandab betooni mehaanilisi ja vastupidavusomadusi.
Ränidioksiidi auru saab kasutada UHPC segudes vahemikus 150–250 kg/m3 (10-30% tsemendi massist). Survetugevuse ja ränidioksiidi suitsusisalduse seos UHPC betoonis. Betooni tugevusega kuni 81 MPa on võimalik saada ilma ränidioksiidi auruta. Suurendades aga ränidioksiidi auru sisaldust, suureneb survetugevus kiiresti. Selle materjali üks peamisi miinuseid on see, et ta vajab oma ülipeente osakeste tõttu rohkem vett, kuid superplastifikaatoriga saab hoida sama veesisaldust.
④ vesi
Vesi on UHPC tootmisel oluline materjal. Joogivesi sobib ja seda kasutatakse tavaliselt tavalise betooni jaoks. Vee kogus peab olema piisav hüdratatsiooniprotsessi lõpuleviimiseks ja töövõime säilitamiseks. Tavalise betooni minimaalne vee-tsemendi suhe (w/c) on ligikaudu 0,4–0,5, kaasa arvatud töödeldav vesi. Vee hulk on pöördvõrdeline survetugevusega ehk kui vesi suureneb, siis tugevus väheneb. Liigne vesi, mida hüdratatsiooniks ei kasutata, tekitab betoonisegusse tühimikud, mis suurendab läbilaskvust ja vähendab betooni tugevust.
UHPC-tehnoloogias aitab kõrgetasemeliste vett vähendavate lisandite kasutamine säilitada töödeldavust ilma liigse veeta. Seetõttu langeb w/c suhe optimaalsele tasemele vahemikus 0,14–0,22. Selle tulemusena suureneb survetugevus ja paranevad kõik muud betooni omadused.
⑤ Laiaulatuslik vett redutseeriv aine
Kuna betoonisegude töödeldavus väheneb segamisel madala niiskusesisaldusega, tuleb UHPC-betooni töödeldavuse parandamiseks segamisprotsessi käigus lisada vett vähendavaid aineid või kõrge efektiivsusega vett vähendavaid aineid, näiteks polükarboksülaate. Mis puudutab keemilise koostise mõju, siis see peaks jääma vahemikku 0.5-2.0%, näiteks Courtial jne. Kuid nagu paljud uurijad on näidanud, on optimaalne sisu on 1.{7}}.4.
⑥ Teraskiud
Armatuurita betoon on murdumisohtlik, kuna see on oma olemuselt rabe ja pragusid ei saa peatada. Seetõttu kasutatakse UHPC-maatriksi tugevdamiseks teraskiude, et tagada parem vastupidavus pragude tekkele, samuti parem tõmbetugevus ja purunemiskindlus. Teraskiudu iseloomustavad nende kuju, pikkus, läbimõõt, maht, orientatsioon ja tugevus.
