1. Tradicionālā ražošana
Mūsdienu betons sākas ar dažāda izmēra smiltīm un granti, kas ūdens klātbūtnē tiek sajaukti ar lielisko saistvielu portlandcementu, kas visus pildvielas savieno kopā, veidojot akmenim līdzīgu materiālu. Portlandcementu 1824. gadā izgudroja Džozefs Asputins; to izgatavo, karsējot un samaļot minerālus kaļķakmeni un mālu un pievienojot nelielu daudzumu ģipša. Vēlāk to ierosināja viņa dēls Viljams Asputins 1840. gados. Parasts betons, kas izgatavots no portlandcementa un pildvielām, parasti tiek uzskatīts par pirmās paaudzes betonu.
Tomēr šāda veida betons ir saistīts ar stiepes izturības un elastības trūkumu, kā rezultātā siju un plātņu konstrukcijas sabojājas. Tas noveda pie otrās paaudzes betona rašanās, kur tērauda stiegrojums tika uzskatīts par šo problēmu risinājumu. Džozefs Monjē un Fransuā Koignē bija pirmie betona stiegrojuma pionieri 19. gadsimta otrajā pusē. Viņi piešķīra daudzus patentus, lai stiprinātu dažāda veida struktūras. Kopš tā laika tērauda un betona kombinācija bija galvenais būvmateriāls 19. un 20. gadsimtā. Betona spiedes stiprības palielināšanās 20. gs. Spiedes stiprība šī gadsimta pirmajā pusē bija no 20 līdz 40 MPa.
Pēc -20gadsimta vidus radās izaicinājums palielināt izturību, lai izturētu progresīvāku konstrukciju lielākas slodzes. Šajās desmitgadēs spiedes izturība pārsniedza 40 MPa. Tas tiek panākts, rūpīgi atlasot pildvielas, jo vāji pildvielas var nebūt pietiekami izturīgas, lai izturētu smagas kravas, kā arī samazinot ūdens un saistvielas attiecību. Šī attiecība ir apgriezti proporcionāla spiedes stiprībai. Ūdens daudzumu samazinošu piejaukumu izgudrojums samazina ūdens saturu, ļaujot inženieriem palielināt izturību, neietekmējot apstrādājamību.
2. Jaunās paaudzes modernais betons
(1) Principi un definīcijas
Neskatoties uz iepriekšējiem uzlabojumiem, joprojām ir nepieciešams:
a) betons ar lielāku stiprību;
b) Novērst hlorīda jonu un citu kaitīgu vielu iekļūšanu betona šķīdumā, kas var izraisīt dzelzs stieņu koroziju un sliktu betona izturību;
c) alternatīvi materiāli, kas var aizstāt portlandcementu, lai samazinātu oglekļa monoksīda 2 emisijas, kas tiek emitētas atmosfērā cementa ražošanas laikā.
Tāpēc Ultra High Performance Concrete jeb UHPC tika izstrādāta kā jauna betona tehnoloģija, kas var atbilst nepieciešamajiem standartiem. Tas tika izstrādāts, pamatojoties uz izpratni, ka ar ūdens un cementa attiecības samazināšanu vien nepietiek, lai sasniegtu nepieciešamo veiktspēju. Turklāt ir nepieciešamas optimizētas pildvielas smalkām un īpaši smalkām daļiņām; rūpīgi jākontrolē šo daļiņu lieluma sadalījums, kā arī forma un tekstūras kvalitāte.
Atšķirības pildvielu sistēmās starp UHPC un tradicionālo betonu. UHPC matricas blīvums ir vēl vairāk uzlabots. Tam nepieciešams likvidēt rupjus agregātus un sadalīt īpaši smalkas daļiņas mikrostrukturālā līmenī, lai aizpildītu tukšumus starp lielākām daļiņām. UHPC pildvielu sistēmu uzlabojumi noteikti palielinās UHPC betona izturību, uzlabojot izturību un vispārējo veiktspēju.
Faktiski UHPC ir jauns betona veids, kas ir jauns kompozītmateriāls būvmateriāls. Tā augstā spiedes izturība un elastība tiek panākta, optimizējot smalko un īpaši smalko daļiņu iepakojumu un pievienojot tērauda šķiedras. Jo īpaši šī optimizācija vienmērīgi sadalīs visas daļiņas mikroskopiskā mērogā, lai iesaiņotu vietu, ko ieskauj lielākas daļiņas. Tādējādi tiek panākta blīva matrica ar zemu caurlaidību, lai nodrošinātu betonam izcilas īpašības.
UHPC ir dažādas definīcijas. Daži pētnieki definē terminu, ņemot vērā tā galvenās sastāvdaļas. Piemēram, Farzad et al. definējiet UHPC kā materiālu uz cementa bāzes ar uzlabotu daļiņu komponentu sadalījumu, ūdens un cementa materiāla attiecību, kas ir mazāka par 0,2, un ievērojamu iekšējo šķiedru veidošanās daļu. Mishra&Singh definēja UHPC kā īpašu betona veidu, kas sastāv no ļoti smalki graudainiem reaktīviem piemaisījumiem (ti, silīcija dioksīda dūmiem un smalkam kvarca), šķiedrām un superplastifikatoriem, vienlaikus ar lielāku saistvielu saturu un zemu ūdens un cietās vielas attiecību. Aimee & Shafiq definē šo terminu kā ar šķiedru pastiprinātu, īpaši ūdens daudzumu samazinošu silīcija dūmu un cementa maisījumu ar ļoti zemu ūdens un cementa attiecību (W/C), ko raksturo ļoti smalku kvarca smilšu klātbūtne ar diametru 0.15 līdz 0.60 mm, savukārt neparasts apkopojums. Ahmads et al. (2{{20}}16) definēja UHPC kā tādu, kurā tiek izmantots liels cementa, silīcija dioksīda dūmu (01-1 um) un superplastifikatora saturs kopā ar ļoti smalkām kvarca smiltīm (0.{21). }},60 mm), kvarca pulveris (mazāks par 10 um) un maisījums, kas ražots bez rupjām pildvielām. Nematollahi et al. definējiet UHPC kā kompozītmateriālu uz cementa bāzes, kas sastāv no smalkiem materiāliem ar optimizētām šķirošanas līknēm, ļoti augstas stiprības diskrētām mikrotērauda šķiedrām un ļoti zemu ūdens un cementa attiecību, kas ir mazāka par 0,25. Citi pētnieki definē UHPC, pamatojoties uz tā izcilajām mehāniskajām un izturības īpašībām. Piemēram, Aroraa et al. definējiet UHPC kā materiālu ar daudzveidīgu mikrostruktūru, kas izstrādāts ļoti augstai spiedes izturībai, augstai lieces un stiepes izturībai un augstai elastībai. Li, J. et al. definējiet šo terminu kā inovatīvu kompozītmateriālu, kas var būt potenciāls kandidāts betona konstrukcijām, kas pakļautas korozīvai videi.
Pamatojoties uz iepriekš minēto definīciju, mēs varam piedāvāt definīciju, kas apvieno UHPC galvenās sastāvdaļas un augstākās īpašības, kā arī UHPC ražošanas pamattehnoloģiju. Tāpēc UHPC ir jaunas paaudzes cementa bāzes būvmateriāli ar ļoti augstu spiedes stiprību, augstu elastību un ilgtspējību, pamatojoties uz: smalko un īpaši smalko pildvielu (silīcija dioksīda dūmu un smilšu) mikrooptimizāciju, ūdens samazināšanas līdzekļu pievienošanu. izmanto, lai samazinātu ūdens un cementa attiecību, un stiegrojumam izmanto augstas stiprības tērauda šķiedras.
(2) Īpaši augsta kontrasta sastāvdaļas
Augstas stiprības, elastīgs un ilgtspējīgs UHPC betons sastāv no smalkgraudainām smiltīm, silīcija dioksīda dūmiem, ūdens, ūdeni samazinošām piemaisījumiem un tērauda šķiedrām.
① Smalks pildviela
Smalki minerālie materiāli ir svarīgs UHPC izturības un apstrādājamības sastāvdaļas materiāls. Tas saglabā betona stabilitāti, pateicoties tā spējai izturēt lielākas slodzes. Pateicoties savai inercei, tas ir izturīgs arī pret atmosfēras iedarbību. Tā daļiņu izmērs ir lielākais starp UHPC matricām, sākot no 150 μm līdz 600 μm. Tās var būt silīcija smiltis, kvarca smiltis vai dabiskās smiltis.
Silīcija smiltis UHPC ir dārgas. Savukārt kvarca smiltis ir pieejamas, taču ir nepieciešams laiks, lai tās sasmalcinātu no rupjiem minerāliem vai dabīgiem iežiem. Turpretim dabiskās smiltis var viegli un efektīvi izmantot kā smalku pildvielu UHPC. Piemēram, Saūda Arābijas austrumu provincē ir smalkas kāpu smiltis.
② Portlandcements
Parastais portlandcements ir primārais saistviela, un, sajaucot ar ūdeni, tas hidratējas un kļūst par cietu vielu, kas saista visas UHPC betona pildvielas. To galvenokārt ražo no divām pamata izejvielām; kaļķakmens un māls. Pēc sasmalcināšanas un slīpēšanas šos materiālus karsē krāsnī, lai iegūtu cementa klinkeru, ko tālāk samaļ, lai nelielu ģipša daudzumu sasmalcinātu smalkā pulverī. Tas ir aptuveni divreiz (600-1000 kg/m) lielāks par saturu, ko izmanto parastajā betonā, ar vidējo diametru 15 μm. Tāpēc tas tiek uzskatīts par otro lielāko daļiņu izmēru starp UHPC matricām. Nelielā ūdens īpatsvara dēļ cementa nehidratētā daļa tiks izmantota kopā ar citiem pildvielām iepakojuma optimizēšanai.
③ Silīcija pulveris
Silīcija dioksīda dūmi vai mikrosilīcija dioksīds ir atkritumu blakusprodukts no krāsns dūmiem, kas ražo silīcija metālu un ferosilīciju sakausējumus. Silīcija dioksīda pulvera apaļo daļiņu vidējais diametrs ir 0,15 μm, un lielākā daļa daļiņu ir mazākas par 1 μm. Tāpēc tās ir mazākās daļiņas UHPC matricā, 100 reizes mazākas nekā cementa daļiņas. Tāpēc tas tiek uzskatīts par lielisku pildvielu tukšumu aizpildīšanai starp lielākām daļiņām UHPC matricās. Šī īpaši smalkā materiāla izmantošana rada blīvu matricu, kas uzlabo betona mehāniskās un izturības īpašības.
Silīcija dioksīda dūmus var izmantot UHPC maisījumos diapazonā no 150 līdz 250 kg/m3 (10-30% no cementa masas). Saistība starp spiedes stiprību un silīcija dioksīda izgarojumu saturu UHPC betonā. Betonu ar stiprību līdz 81 MPa var iegūt bez silīcija dioksīda dūmiem. Tomēr, palielinot silīcija dioksīda izgarojumu saturu, spiedes izturība strauji palielinās. Viens no šī materiāla galvenajiem trūkumiem ir tas, ka tam ir nepieciešams vairāk ūdens, pateicoties īpaši smalkajām daļiņām, bet ar superplastifikatoru var saglabāt tādu pašu ūdens saturu.
④ ūdens
Ūdens ir svarīgs materiāls UHPC ražošanā. Dzeramais ūdens ir piemērots un parasti tiek izmantots parastajam betonam. Ūdens daudzumam jābūt pietiekamam, lai pabeigtu hidratācijas procesu un saglabātu darbspēju. Minimālā ūdens un cementa attiecība (w/c) parastajam betonam ir aptuveni 0,4–0,5, ieskaitot apstrādājamības ūdeni. Ūdens daudzums ir apgriezti proporcionāls spiedes stiprībai, proti, ja ūdens palielinās, spēks samazinās. Pārmērīgs ūdens daudzums, kas netiek izmantots hidratācijai, rada tukšumus betona maisījumā, kas palielina caurlaidību un samazina betona izturību.
UHPC tehnoloģijā augsta līmeņa ūdens daudzumu samazinošu piejaukumu izmantošana palīdz uzturēt apstrādājamību bez liekā ūdens. Tāpēc w/c attiecība samazināsies līdz optimālajam līmenim diapazonā no 0,14–0,22. Tā rezultātā palielinās spiedes stiprība un uzlabojas visas pārējās betona īpašības.
⑤ Liela diapazona ūdens samazināšanas līdzeklis
Tā kā betona maisījumu apstrādājamība samazinās, ja to sajauc ar zemu mitruma saturu, tad, lai uzlabotu tā iestrādājamību, maisīšanas procesā UHPC betonam ir jāpievieno ūdens samazināšanas līdzekļi vai augstas efektivitātes ūdens samazināšanas līdzekļi, piemēram, polikarboksilāti. Runājot par ķīmiskā sastāva ietekmi, tai jābūt diapazonā 0.5-2.0%, piemēram, Courtial utt. Tomēr, kā atklājuši daudzi pētnieki, optimālais saturs ir 1.5-2.4.
⑥ Tērauda šķiedra
Betons bez armatūras ir pakļauts lūzumiem, jo tas ir trausls un plaisas nevar apturēt. Tāpēc tērauda šķiedras tiek izmantotas UHPC matricas pastiprināšanai, lai nodrošinātu labāku izturību pret plaisu veidošanos, kā arī labāku stiepes izturību un izturību pret lūzumiem. Tērauda šķiedras raksturo to forma, garums, diametrs, tilpums, orientācija un izturība.
