Сверхвысокоэффективный бетон – преимущества и области применения

от

Сверхвысокоэффективный бетон- UHPC — это усовершенствованный цементирующий материал с высокой прочностью и превосходной долговечностью. Он потенциально может стать практичным решением для повышения устойчивости зданий и других компонентов инфраструктуры. За последние два десятилетия UHPC вызывает все больший интерес во многих странах, поскольку его применение варьируется от строительных компонентов, мостов, архитектурных элементов, ремонта и реабилитации, вертикальных компонентов, таких как башни ветряных мельниц и инженерных сетей, до применения в нефтегазовой промышленности, морских сооружениях, гидротехнических сооружениях и материалах для перекрытий.

UHPC — это относительно новое поколение цементирующих материалов с очень высокой прочностью, пластичностью и долговечностью. UHPC, усиленный волокном, можно рассматривать как комбинацию трех бетонных технологий: самоуплотняющегося бетона (SCC), армированного волокном бетона (FRC) и высокоэффективного бетона (HPC). Французские промежуточные рекомендации (AFGC 2002) определяют UHPC как бетон с характерной прочностью на сжатие не менее 150 МПа с использованием армирования стальными волокнами для обеспечения пластичности при растяжении. UHPC с прочностью на сжатие 130 МПа – 150 МПа, усиленные либо сталью, либо другими волокнами, считаются высокопрочными UHPC. Обычно термин UHPC используется для описания армированной волокнами суперпластифицированной газокремнеземисто-цементной смеси с очень низким соотношением воды к цементу (мас. / С), характеризующейся наличием очень мелкого кварцевого песка диаметром от 0,15 до0,60 мм вместо обычного заполнителя.

Существует несколько типов UHPC, которые были разработаны в разных странах и разными производителями, такими как Ceracem®, BSI®, компактные армированные композиты (CRC), многослойный цементный композит (MSCC) и химически активный порошковый бетон (RPC). В Малайзии UHPC начал свое промышленное внедрение в качестве экологически чистого строительного материала в конце 2010 года под названием Dura®.

Прочность на сжатие UHPC в 10 раз выше, чем у традиционного бетона. Прочность на сжатие — это способность материала противостоять изгибу под нагрузкой (или при сжатии). Обычный бетон, используемый в мостах, имеет прочность на сжатие от 3 000 до 5 000 фунтов на квадратный дюйм. UHPC имеет прочность на сжатие от 18 000 до 35 000 фунтов на квадратный дюйм. Другим показателем прочности является предел прочности при растяжении. Именно таким прочным становится материал при растягивании. В то время как традиционный бетон имеет предел прочности при растяжении 400-700 фунтов на квадратный дюйм, UHPC имеет предел прочности при растяжении около 1400 фунтов на квадратный дюйм. Сверхвысокоэффективный бетон (UHPC) — это цементирующий композит, характеризующийся высокой прочностью на сжатие, обычно превышающей 120 МПа, удельной долговечностью, пластичностью при растяжении и ударной вязкостью.

В базовом составе UHPC заполнитель является наполнителем, а связующее вступает в реакцию с водой с образованием матрицы, обладающей цементирующей способностью и смазывающим эффектом. В дополнение к смазыванию частиц заполнителя и обеспечению надлежащей обрабатываемости, матрица должна полностью затвердевать, чтобы обеспечить технические свойства затвердевшего бетона. Учитывая высокие требования к прочности и долговечности UHPC, плотность упаковки частиц должна быть увеличена. Для обеспечения достаточной прочности UHPC в составе матрицы часто используются пары кремнезема и ультратонкий порошок кремнезема для увеличения плотности упаковки системы частиц, тем самым повышая прочность матрицы. В дополнение к дополнительным цементирующим материалам добавляется загуститель, а также соответствующее количество суперпластификатора для обеспечения надлежащей текучести и вязкости готовой матрицы. Волокна смешиваются для повышения прочности матрицы на растяжение и откол. Поскольку UHPC обладает многими преимуществами, его применение расширяется с момента начала исследований и разработок.

Принципы производства UHPC

За последние годы замечательных достижений в области бетона многие исследователи довели UHPC до уровня, на котором они готовы к применению. Прочность на сжатие для разработанного UHPC может достигать 200 МПа. Основная идея производства бетона с очень высокой прочностью и плотной микроструктурой была выдвинута еще в 1980-х годах. Однако практический прорыв произошел после разработки эффективного SP, который позволил производить легкотекучий бетон с высокой долей оптимально упакованных ультрадисперсных частиц для минимизации пористости композита при использовании чрезвычайно низкой плотности.

Несколько исследователей определили основной принцип проектирования UHPC, который можно резюмировать следующим образом:

  1. Минимизация пористости композита за счет оптимизации гранулированной смеси за счет широкого распределения порошкообразных материалов по классам крупности и снижения W / B.
  2. Улучшение микроструктуры путем последующей термообработки для ускорения пуццолановой реакции SF и повышения механических свойств.
  3. Улучшение однородности за счет устранения крупного заполнителя, что приводит к снижению механических воздействий неоднородности.
  4. Повышение пластичности за счет добавления соответствующей объемной доли мелких стальных волокон.

Применение первых четырех принципов позволяет получить бетон с очень высокой прочностью на сжатие, а добавление стальных волокон помогает улучшить как прочность на растяжение, так и пластичность бетона

Свойства UHPC

По сравнению с обычным бетоном сверхвысокоэффективный бетон (UHPC) обладает превосходной прочностью и лучшей ударопрочностью. При высоких температурах микроструктура и механические свойства UHPC могут серьезно ухудшиться. Таким образом, мы сначала исследовали свойства UHPC с расчетной 28-дневной прочностью на сжатие 120 МПа или выше в фазе свежей смеси и измерили его механические свойства при затвердевании через семь дней. Тестовые переменные включали: тип цементирующего материала и соотношение компонентов в смеси (кремнеземная зола, ультратонкий кремниевый порошок), тип волокна (стальное волокно, полипропиленовое волокно) и содержание волокна. Его свойства включают –

  • Сверхвысокоэффективный бетон (UHPC) — это современный композитный материал с чрезвычайно хорошими механическими характеристиками.
  • UHPC более однороден, чем NSC, благодаря оптимальной плотности набивки и ограниченному использованию крупных заполнителей. Разница в размере и прочности между матрицей и мелкими заполнителями настолько мала, что при внешнем воздействии
  • UHPC обладает пластичными свойствами материала, и его характеристики при растяжении могут быть значительно улучшены
  • Наноматериал в составе UHPC ускоряет гидратацию цемента, уплотняет микроструктуру, повышает прочность и, таким образом, способствует его долговечности
  • HPC-матрица обладает очень низкой проницаемостью
  • Прочность на сжатие UHPC в 10 раз выше, чем у традиционного бетона. Прочность на сжатие — это способность материала противостоять изгибу под нагрузкой (или при сжатии)
  • Плотность уплотнения UHPC оптимизирована
  • При испытаниях UHPC показал чрезвычайно низкую миграцию хлоридов, проницаемость менее чем на 10% превышает проницаемость обычного бетона
  • UHPC демонстрирует превосходную стойкость к истиранию, почти в два раза превосходя обычный бетон
  • UHPC обладает свойствами, аналогичными твердым породам
  • UHPC обычно изготавливается из высокопрочных стальных волокон, мелкого песка, цемента, золы-уноса, большого количества SF и небольшого количества воды (соотношение вт / см менее 0,20).

Материалы UHPC

Материалы, входящие в состав UHPC, делятся на трехкомпонентные премиксы: порошки, суперпластификатор и органические волокна. Ингредиенты:

  • Портландцемент
  • Пары кремнезема
  • Кварцевая мука
  • Мелкий кварцевый песок
  • Высокодиапазонный редуктор воды
  • Вода
  • Стальные или органические волокна

Некоторые производители создали предварительно замешанные продукты UHPC с простым добавлением воды, что делает продукцию UHPC более доступной. Американское общество по испытаниям и материалам установило стандартную практику ASTM C1856 / 1856M по изготовлению и испытанию образцов сверхвысокоэффективного бетона, основанную на современных методах испытаний ASTM с модификациями, делающими ее пригодной для применения в UHPC.

Применение UHPC

Рынок сверхвысокоэффективного бетона широко распространен в жилых высотных зданиях благодаря различным предлагаемым преимуществам, которые включают долговечность, высокую прочность и защиту от экстремальных погодных условий. Рост рынка сверхвысокоэффективного бетона (UHPC) в значительной степени связан с ростом сферы применения в строительной отрасли для жилых помещений. Области его применения включают-

  • Предварительно напряженные балки
  • Сборные вафельные панели для настилов мостов
  • Заливка в полевых условиях для сборных элементов мостов (заполнение швов)
  • Сборные железобетонные сваи
  • Сейсмическая модернизация мостов
  • Тонкие клееные перекрытия настилов мостов
  • Применение в области безопасности и смягчения последствий взрыва

Заключение

Производство цемента является третьим по величине источником выбросов CO2 после автомобилей и угольных электростанций. UHPC представляет собой захватывающий потенциал для существенного снижения воздействия производства цемента на окружающую среду в строительстве за счет замены 4 дюймов традиционного сборного бетона на 5/8 дюйма UHPC, в то же время обеспечивая соответствующее снижение веса стали и других конструкционных материалов, необходимых для фундамента, сердцевины и оболочки здания. Сверхвысокоэффективный бетон (UHPC) — это материал, который привлекает внимание в строительной отрасли благодаря высокой механической прочности и долговечности, что приводит к созданию конструкций с низкими требованиями к техническому обслуживанию. Ожидается, что строительная отрасль поднимет производство бетона на новые высоты, что, в свою очередь, поможет строительному рынку достичь больших доходов и объемов в ближайшем будущем, что значительно повысит спрос на UHPC. Ожидается, что такие факторы, как увеличение числа новых жилых единиц и огромные инвестиции в сектор инфраструктуры, будут стимулировать рынок UHPC. Кроме того, растущий спрос в Китае, Японии, Малайзии, Южной Корее и других странах из-за огромного роста возможностей строительства в этих странах также привел к росту рынка UHPC.