1. Παραδοσιακή παραγωγή
Το σύγχρονο σκυρόδεμα ξεκινά με άμμο και χαλίκια διαφορετικών μεγεθών, τα οποία αναμιγνύονται παρουσία νερού με το εξαιρετικό συνδετικό υλικό τσιμέντο Πόρτλαντ, το οποίο ενώνει όλα τα αδρανή μαζί για να σχηματίσει ένα υλικό που μοιάζει με πέτρα. Το τσιμέντο Portland εφευρέθηκε από τον Joseph Asputin το 1824. γίνεται με θέρμανση και άλεση των ορυκτών ασβεστόλιθο και άργιλο και με προσθήκη μικρής ποσότητας γύψου. Αργότερα, προτάθηκε από τον γιο του William Asputin τη δεκαετία του 1840. Το συνηθισμένο σκυρόδεμα, κατασκευασμένο από τσιμέντο Πόρτλαντ και αδρανή, θεωρείται γενικά η πρώτη γενιά σκυροδέματος.
Ωστόσο, αυτός ο τύπος σκυροδέματος συνδέεται με έλλειψη αντοχής σε εφελκυσμό και ολκιμότητας, με αποτέλεσμα την αστοχία των κατασκευών δοκών και πλακών. Αυτό οδήγησε λοιπόν στην εμφάνιση σκυροδέματος δεύτερης γενιάς, όπου ο χαλύβδινος οπλισμός θεωρήθηκε η λύση σε αυτά τα προβλήματα. Ο Joseph Monier και ο Francois Coignet ήταν οι πρώτοι πρωτοπόροι του οπλισμού σκυροδέματος στο δεύτερο μισό του 19ου αιώνα. Χάρισαν πολλά διπλώματα ευρεσιτεχνίας για την ενίσχυση διαφορετικών τύπων κατασκευών. Από εκείνη την εποχή, ο συνδυασμός χάλυβα και σκυροδέματος ήταν το κύριο δομικό υλικό κατά τον 19ο και τον 20ο αιώνα. Αυξήσεις στη θλιπτική αντοχή του σκυροδέματος κατά τον 20ο αιώνα. Οι αντοχές σε θλίψη στο πρώτο μισό αυτού του αιώνα κυμαίνονταν από 20 έως 40 MPa.
Μετά τα μέσα-20ου αιώνα, προέκυψε μια πρόκληση να αυξηθεί η αντοχή για να μεταφέρει τα μεγαλύτερα φορτία πιο προηγμένων κατασκευών. Κατά τη διάρκεια αυτών των δεκαετιών, η αντοχή σε θλίψη ξεπέρασε τα 40 MPa. Αυτό επιτυγχάνεται με προσεκτική επιλογή αδρανών, καθώς τα αδύναμα αδρανή μπορεί να μην είναι αρκετά ισχυρά για να μεταφέρουν βαριά φορτία και με τη μείωση της αναλογίας νερού προς συνδετικό υλικό. Αυτή η αναλογία είναι αντιστρόφως ανάλογη της αντοχής σε θλίψη. Η εφεύρεση των προσμείξεων που μειώνουν το νερό μειώνει την περιεκτικότητα σε νερό, επιτρέποντας στους μηχανικούς να αυξάνουν την αντοχή χωρίς να επηρεάζουν την εργασιμότητα.
2. Νέα γενιά σύγχρονου σκυροδέματος
(1) Αρχές και ορισμοί
Παρά τις προηγούμενες βελτιώσεις, εξακολουθεί να υπάρχει ανάγκη για:
(α) Σκυρόδεμα με μεγαλύτερη αντοχή.
(β) Αποτρέψτε τη διείσδυση ιόντων χλωρίου και άλλων επιβλαβών ουσιών στο διάλυμα σκυροδέματος, που μπορεί να οδηγήσει σε διάβρωση των ράβδων σιδήρου και σε κακή αντοχή του σκυροδέματος.
(γ) Εναλλακτικά υλικά που μπορούν να αντικαταστήσουν το τσιμέντο Portland για τη μείωση των εκπομπών μονοξειδίου του άνθρακα 2 που εκπέμπονται στην ατμόσφαιρα κατά την παραγωγή τσιμέντου.
Ως εκ τούτου, το Ultra High Performance Concrete ή UHPC αναπτύχθηκε ως μια νέα τεχνολογία σκυροδέματος που μπορεί να πληροί τα απαιτούμενα πρότυπα. Αναπτύχθηκε με βάση την κατανόηση ότι η μείωση της αναλογίας νερού-τσιμέντου από μόνη της δεν αρκεί για την επίτευξη της απαιτούμενης απόδοσης. Επιπλέον, απαιτούνται βελτιστοποιημένα πληρωτικά για λεπτά και εξαιρετικά λεπτά σωματίδια. η κατανομή μεγέθους καθώς και η ποιότητα του σχήματος και της υφής αυτών των σωματιδίων πρέπει να ελέγχονται προσεκτικά.
Διαφορές στα συστήματα πλήρωσης μεταξύ UHPC και παραδοσιακού σκυροδέματος. Η πυκνότητα της μήτρας UHPC είναι ακόμη πιο βελτιωμένη. Αυτό απαιτεί την εξάλειψη των χονδροειδών αδρανών και την κατανομή των εξαιρετικά λεπτών σωματιδίων σε μικροδομικό επίπεδο για την πλήρωση των κενών μεταξύ μεγαλύτερων σωματιδίων. Οι βελτιώσεις στα συστήματα πλήρωσης UHPC σίγουρα θα αυξήσουν την αντοχή του σκυροδέματος UHPC, ενισχύοντας την ανθεκτικότητα και τη συνολική απόδοση.
Στην πραγματικότητα, το UHPC είναι μια νέα μορφή σκυροδέματος που είναι ένα νέο σύνθετο δομικό υλικό. Η υψηλή αντοχή σε θλίψη και η ολκιμότητα του επιτυγχάνονται με τη βελτιστοποίηση της συσκευασίας λεπτών και εξαιρετικά λεπτών σωματιδίων και την προσθήκη χαλύβδινων ινών. Συγκεκριμένα, αυτή η βελτιστοποίηση θα κατανείμει ομοιόμορφα όλα τα σωματίδια σε μικροσκοπική κλίμακα για να γεμίσει το χώρο που περιβάλλεται από μεγαλύτερα σωματίδια. Έτσι, επιτυγχάνεται μια πυκνή μήτρα με χαμηλή διαπερατότητα για να παρέχει στο σκυρόδεμα εξαιρετικές ιδιότητες.
Το UHPC έχει διαφορετικούς ορισμούς. Ορισμένοι ερευνητές ορίζουν τον όρο με βάση τα κύρια συστατικά του. Για παράδειγμα, οι Farzad et al. ορίστε το UHPC ως υλικό με βάση το τσιμέντο με βελτιωμένη κατανομή συστατικών σωματιδίων, αναλογία νερού προς τσιμεντοειδές υλικό μικρότερη από 0.2 και σημαντικό τμήμα του εσωτερικού σχηματισμού ινών. Η Mishra&Singh όρισε το UHPC ως έναν ειδικό τύπο σκυροδέματος που αποτελείται από εξαιρετικά λεπτόκοκκα αντιδραστικά πρόσμικτα (π.χ. καπνός πυριτίας και λεπτός χαλαζίας), ίνες και υπερρευστοποιητές, ενώ έχει περισσότερη περιεκτικότητα σε συνδετικό υλικό και χαμηλή αναλογία συνδετικού νερού προς ind. Οι Aimee & Shafiq ορίζουν τον όρο ως ένα ενισχυμένο με ίνες, εξαιρετικά υδατοαπωθητικό, μίγμα καπνού πυριτίου-τσιμέντου με πολύ χαμηλή αναλογία νερού-τσιμέντου (W/C), που χαρακτηρίζεται από την παρουσία πολύ λεπτής χαλαζιακής άμμου με διάμετρο 0.15 έως 0.6{0 mm, ενώ Όχι συνηθισμένο σύνολο. Ahmad et al. (2{{20}}16) όρισε το UHPC ως τη χρήση υψηλής περιεκτικότητας σε τσιμέντο, καπνό πυριτίας (0.{19}} um) και υπερρευστοποιητή μαζί με πολύ λεπτή χαλαζιακή άμμο (0.{21{21). }}.60 mm), σκόνη χαλαζία (λιγότερο από 10 um) και Μίγμα που παράγεται χωρίς χονδροειδείς ίνες αδρανούς. Nematollahi et al. ορίστε το UHPC ως ένα σύνθετο υλικό με βάση το τσιμέντο που αποτελείται από λεπτά υλικά με βελτιστοποιημένες καμπύλες διαβάθμισης, πολύ υψηλής αντοχής διακριτές ίνες μικροχάλυβα και πολύ χαμηλή αναλογία νερού-τσιμέντου μικρότερη από 0,25. Άλλοι ερευνητές ορίζουν το UHPC με βάση τις ανώτερες μηχανικές και ανθεκτικές του ιδιότητες. Για παράδειγμα, οι Aroraa et al. ορίστε το UHPC ως ένα υλικό με μικροδομή πολλαπλής κλίμακας σχεδιασμένο για πολύ υψηλή αντοχή σε θλίψη, υψηλή αντοχή σε κάμψη και εφελκυσμό και υψηλή ολκιμότητα. Li, J. et αϊ. ορίστε τον όρο ως ένα καινοτόμο σύνθετο υλικό που μπορεί να είναι πιθανός υποψήφιος για κατασκευές από σκυρόδεμα που εκτίθενται σε διαβρωτικά περιβάλλοντα.
Με βάση τον παραπάνω ορισμό, μπορούμε να προτείνουμε έναν ορισμό που συνδυάζει τα κύρια συστατικά και τις ανώτερες ιδιότητες του UHPC καθώς και τη βασική τεχνολογία πίσω από την παραγωγή UHPC. Το UHPC είναι επομένως μια νέα γενιά δομικών υλικών με βάση το τσιμέντο με πολύ υψηλή αντοχή σε θλίψη, υψηλή ολκιμότητα και βιωσιμότητα, βασισμένη σε: μικροβελτιστοποίηση λεπτών και εξαιρετικά λεπτών αδρανών (ατμός πυριτίας και άμμος), την προσθήκη παραγόντων μείωσης νερού χρησιμοποιείται για τη μείωση της αναλογίας νερού-τσιμέντου και ίνες χάλυβα υψηλής αντοχής χρησιμοποιούνται για ενίσχυση.
(2) Στοιχεία εξαιρετικά υψηλής αντίθεσης
Το υψηλής αντοχής, όλκιμο και βιώσιμο σκυρόδεμα UHPC αποτελείται από λεπτόκοκκη άμμο, καπνό πυριτίας, νερό, πρόσμικτα που μειώνουν το νερό και ίνες χάλυβα.
① Λεπτό αδρανή
Τα λεπτά αδρανή είναι ένα σημαντικό συστατικό υλικό για την αντοχή και τη δυνατότητα επεξεργασίας του UHPC. Διατηρεί τη σταθερότητα του σκυροδέματος λόγω της ικανότητάς του να μεταφέρει μεγαλύτερα φορτία. Λόγω της αδρανότητάς του, αντέχει και στις καιρικές συνθήκες. Το μέγεθος των σωματιδίων του είναι το μεγαλύτερο μεταξύ των μητρών UHPC, που κυμαίνεται από 150 μm έως 600 μm. Μπορεί να είναι πυριτική άμμος, χαλαζιακή άμμος ή φυσική άμμος.
Η πυριτική άμμος είναι ακριβή για το UHPC. Η χαλαζιακή άμμος, από την άλλη πλευρά, είναι διαθέσιμη, αλλά χρειάζεται χρόνος για να συνθλιβεί από χονδρόκοκκο αδρανή ή φυσικό βράχο. Αντίθετα, η φυσική άμμος μπορεί εύκολα και αποτελεσματικά να χρησιμοποιηθεί ως λεπτόκοκκο αδρανή για UHPC. Για παράδειγμα, η ανατολική επαρχία της Σαουδικής Αραβίας έχει ψιλή άμμο.
② Τσιμέντο Πόρτλαντ
Το συνηθισμένο τσιμέντο Portland είναι το κύριο συνδετικό υλικό και όταν αναμιγνύεται με νερό, ενυδατώνεται και γίνεται στερεό που δεσμεύει όλα τα αδρανή στο σκυρόδεμα UHPC. Παράγεται κυρίως από δύο βασικές πρώτες ύλες. ασβεστόλιθος και άργιλος. Μετά τη σύνθλιψη και το άλεσμα, αυτά τα υλικά θερμαίνονται σε έναν κλίβανο για να παραχθεί κλίνκερ τσιμέντου, το οποίο αλέθεται περαιτέρω για να αλέσει μικρές ποσότητες γύψου σε λεπτή σκόνη. Είναι περίπου το διπλάσιο (600-1000 kg/m) της περιεκτικότητας που χρησιμοποιείται στο συνηθισμένο σκυρόδεμα, με μέση διάμετρο 15 μm. Ως εκ τούτου, θεωρείται ότι είναι το δεύτερο μεγαλύτερο μέγεθος σωματιδίων μεταξύ των πινάκων UHPC. Λόγω της μικρής αναλογίας νερού, το μη ενυδατωμένο τμήμα του τσιμέντου θα χρησιμοποιηθεί με άλλα αδρανή για τη βελτιστοποίηση της συσκευασίας.
③ Πυρίτιο σε σκόνη
Ο καπνός πυριτίας ή μικροπυρίτιο είναι ένα απόβλητο υποπροϊόν υλικό από αναθυμιάσεις κλιβάνων που παράγουν μέταλλο πυριτίου και κράματα σιδηροπυριτίου. Η μέση διάμετρος των στρογγυλών σωματιδίων της σκόνης πυριτίου είναι 0,15 μm και τα περισσότερα σωματίδια είναι μικρότερα από 1 μm. Επομένως, είναι τα μικρότερα σωματίδια στη μήτρα UHPC, 100 φορές μικρότερα από τα σωματίδια τσιμέντου. Αυτός είναι ο λόγος που θεωρείται εξαιρετικό υλικό πλήρωσης για την πλήρωση των κενών μεταξύ μεγαλύτερων σωματιδίων σε πίνακες UHPC. Η χρήση αυτού του εξαιρετικά λεπτού υλικού δημιουργεί μια πυκνή μήτρα που ενισχύει τις μηχανικές ιδιότητες και τις ιδιότητες αντοχής του σκυροδέματος.
Ο καπνός πυριτίας μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μείγματα UHPC στην περιοχή από 150–250 kg/m3 (10-30% της μάζας του τσιμέντου). Σχέση μεταξύ αντοχής σε θλίψη και περιεκτικότητας σε πυριτικό ατμό στο σκυρόδεμα UHPC. Σκυρόδεμα με αντοχή έως και 81 MPa μπορεί να ληφθεί χωρίς καπνούς πυριτίας. Ωστόσο, αυξάνοντας την περιεκτικότητα σε καπνούς πυριτίου, η αντοχή σε θλίψη αυξάνεται γρήγορα. Ένα από τα κύρια μειονεκτήματα αυτού του υλικού είναι ότι απαιτεί περισσότερο νερό λόγω των εξαιρετικά λεπτών σωματιδίων του, αλλά με έναν υπερρευστοποιητή μπορεί να διατηρηθεί η ίδια περιεκτικότητα σε νερό.
④ νερό
Το νερό είναι ένα σημαντικό υλικό για την κατασκευή UHPC. Το πόσιμο νερό είναι κατάλληλο και χρησιμοποιείται συνήθως για συνηθισμένο σκυρόδεμα. Η ποσότητα του νερού πρέπει να είναι επαρκής για να ολοκληρωθεί η διαδικασία ενυδάτωσης και να διατηρηθεί η λειτουργικότητα. Η ελάχιστη αναλογία νερού-τσιμέντου (w/c) για το συνηθισμένο σκυρόδεμα είναι περίπου 0.4–0.5, συμπεριλαμβανομένου του νερού εργασιμότητας. Η ποσότητα του νερού είναι αντιστρόφως ανάλογη με τη θλιπτική αντοχή, δηλαδή αν αυξηθεί το νερό, η αντοχή μειώνεται. Η περίσσεια νερού που δεν χρησιμοποιείται για ενυδάτωση δημιουργεί κενά στο μείγμα του σκυροδέματος, γεγονός που αυξάνει τη διαπερατότητα και μειώνει την αντοχή του σκυροδέματος.
Στην τεχνολογία UHPC, η χρήση πρόσμικτων υψηλής εμβέλειας που μειώνουν το νερό συμβάλλει στη διατήρηση της δυνατότητας επεξεργασίας χωρίς περίσσεια νερού. Επομένως, η αναλογία w/c θα πέσει στο βέλτιστο επίπεδο στην περιοχή 0.14–0.22. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της θλιπτικής αντοχής και ενισχύει όλες τις άλλες ιδιότητες του σκυροδέματος.
⑤ Μεγάλης εμβέλειας παράγοντας μείωσης του νερού
Δεδομένου ότι η εργασιμότητα των μιγμάτων σκυροδέματος μειώνεται όταν αναμειγνύονται με χαμηλή περιεκτικότητα σε υγρασία, πρέπει να προστεθούν στο σκυρόδεμα UHPC μέσα μείωσης του νερού ή υψηλής απόδοσης παράγοντες μείωσης του νερού, όπως πολυκαρβοξυλικά, κατά τη διαδικασία ανάμειξης για να βελτιωθεί η εργασιμότητα του. Όσον αφορά την επιρροή της χημικής σύνθεσης, θα πρέπει να είναι στο εύρος των 0.5-2.0%, όπως Courtial κ.λπ. Ωστόσο, όπως αποκαλύφθηκε από πολλούς ερευνητές, το βέλτιστο περιεχόμενο. είναι 1.5-2.4.
⑥ Ίνες χάλυβα
Το σκυρόδεμα χωρίς οπλισμό είναι επιρρεπές σε θραύση επειδή είναι εύθραυστο στη φύση και οι ρωγμές δεν μπορούν να σταματήσουν. Ως εκ τούτου, οι ίνες χάλυβα χρησιμοποιούνται για την ενίσχυση της μήτρας UHPC για να παρέχουν καλύτερη αντίσταση στη δημιουργία ρωγμών, καθώς και καλύτερη αντοχή σε εφελκυσμό και αντοχή σε θραύση. Οι ίνες χάλυβα χαρακτηρίζονται από το σχήμα, το μήκος, τη διάμετρο, τον όγκο, τον προσανατολισμό και την αντοχή τους.
