1. Tradicionalna proizvodnja
Suvremeni beton počinje s pijeskom i šljunkom različitih veličina, koji se miješaju u prisutnosti vode s velikim vezivnim materijalom Portland cementom, koji povezuje sve agregate u materijal sličan kamenu. Portland cement je izumio Joseph Asputin 1824. godine; nastaje zagrijavanjem i mljevenjem minerala vapnenca i gline te dodatkom male količine gipsa. Kasnije ga je predložio njegov sin William Asputin 1840-ih. Obični beton, izrađen od portland cementa i agregata, općenito se smatra prvom generacijom betona.
Međutim, ova vrsta betona povezana je s nedostatkom vlačne čvrstoće i duktilnosti, što rezultira slomom grednih i pločastih konstrukcija. To je stoga dovelo do pojave betona druge generacije, gdje se čelična armatura smatrala rješenjem ovih problema. Joseph Monier i Francois Coignet bili su prvi pioniri betonske armature u drugoj polovici 19. stoljeća. Dodijelili su mnoge patente za ojačavanje različitih vrsta struktura. Od tada je kombinacija čelika i betona primarni građevinski materijal kroz 19. i 20. stoljeće. Povećanje tlačne čvrstoće betona tijekom 20. stoljeća. Tlačne čvrstoće u prvoj polovici ovog stoljeća kretale su se od 20 do 40MPa.
Nakon sredine-20. stoljeća pojavio se izazov povećati snagu za nošenje većih opterećenja naprednijih struktura. Tijekom tih desetljeća tlačna čvrstoća prelazi 40 MPa. To se postiže pažljivim odabirom agregata, budući da slabi agregati možda neće biti dovoljno čvrsti da izdrže velika opterećenja, te smanjenjem omjera vode i veziva. Taj je omjer obrnuto proporcionalan tlačnoj čvrstoći. Izum dodataka za smanjenje vode smanjuje sadržaj vode, omogućujući inženjerima da povećaju čvrstoću bez utjecaja na obradivost.
2. Nova generacija modernog betona
(1) Načela i definicije
Unatoč prethodnim poboljšanjima, još uvijek postoji potreba za:
(a) Beton veće čvrstoće;
(b) spriječiti prodiranje kloridnih iona i drugih štetnih tvari u betonsku otopinu, što može dovesti do korozije željeznih šipki i slabe trajnosti betona;
(c) Alternativni materijali koji mogu zamijeniti portland cement za smanjenje emisija ugljičnog monoksida 2 koje se emitiraju u atmosferu tijekom proizvodnje cementa.
Stoga je Ultra High Performance Concrete ili UHPC razvijen kao nova tehnologija betona koja može zadovoljiti tražene standarde. Razvijen je na temelju razumijevanja da samo smanjenje vodocementnog omjera nije dovoljno za postizanje tražene učinkovitosti. Osim toga, potrebna su optimizirana punila za fine i ultra fine čestice; raspodjela veličine kao i oblik i kvaliteta teksture ovih čestica moraju se pažljivo kontrolirati.
Razlike u sustavima punila između UHPC i tradicionalnog betona. Gustoća UHPC matrice još je više poboljšana. To zahtijeva eliminaciju grubih agregata i raspodjelu ultrafinih čestica na mikrostrukturnoj razini kako bi se ispunile praznine između većih čestica. Poboljšanja u UHPC sustavima punila sigurno će povećati čvrstoću UHPC betona, povećavajući trajnost i ukupnu učinkovitost.
Zapravo, UHPC je novi oblik betona koji je novi kompozitni građevinski materijal. Njegova visoka tlačna čvrstoća i duktilnost postižu se optimiziranjem pakiranja finih i ultra-finih čestica i dodatkom čeličnih vlakana. Konkretno, ova će optimizacija ravnomjerno raspodijeliti sve čestice na mikroskopskoj razini kako bi se zapakirao prostor okružen većim česticama. Tako se postiže gusta matrica niske propusnosti kako bi se betonu osigurala izvrsna svojstva.
UHPC ima različite definicije. Neki istraživači pojam definiraju prema njegovim glavnim sastavnicama. Na primjer, Farzad et al. definiraju UHPC kao materijal na bazi cementa s poboljšanom distribucijom komponenti čestica, omjerom vode i cementnog materijala manjim od 0.2, i značajnim udjelom unutarnjeg formiranja vlakana. Mishra&Singh definirali su UHPC kao posebnu vrstu betona koja se sastoji od vrlo sitnozrnatih reaktivnih dodataka (tj. silikatne pare i finog kvarca), vlakana i superplastifikatora, dok ima veći sadržaj veziva i nizak omjer veziva vode i masti. Aimee & Shafiq definiraju pojam kao vlaknima ojačanu, ultra-vodo-reducirajuću smjesu silicijevog dioksida i cementa s vrlo niskim vodocementnim omjerom (W/C), koju karakterizira prisutnost vrlo finog kvarcnog pijeska promjera 0.15 do 0.60 mm, dok nije običan agregat. Ahmad i sur. (2{{20}}16) je definirao UHPC kao korištenje visokog sadržaja cementa, silicij dioksida (0.1-1 um) i superplastifikatora zajedno s vrlo finim kvarcnim pijeskom (0.{{21). }}.60 mm), kvarcni prah (manje od 10 um) i mješavina proizvedena bez grubih vlakana agregata. Nematollahi i sur. definiraju UHPC kao kompozit na bazi cementa koji se sastoji od finih materijala s optimiziranim krivuljama gradiranja, diskretnih mikročeličnih vlakana vrlo visoke čvrstoće i vrlo niskog vodocementnog omjera manjeg od 0,25. Drugi istraživači definiraju UHPC na temelju njegovih vrhunskih mehaničkih svojstava i svojstava trajnosti. Na primjer, Aroraa et al. definirati UHPC kao materijal s višestrukom mikrostrukturom projektiran za vrlo visoku tlačnu čvrstoću, visoku savojnu i vlačnu čvrstoću i visoku duktilnost. Li, J. i sur. definirati pojam kao inovativni kompozitni materijal koji može biti potencijalni kandidat za betonske konstrukcije izložene korozivnom okruženju.
Na temelju gornje definicije, možemo predložiti definiciju koja kombinira glavne komponente i vrhunska svojstva UHPC-a kao i osnovnu tehnologiju iza proizvodnje UHPC-a. UHPC je stoga nova generacija građevinskih materijala na bazi cementa s vrlo visokom tlačnom čvrstoćom, visokom duktilnošću i održivošću, koja se temelji na: mikro-optimizaciji finih i ultra-finih agregata (silicijev dioksid i pijesak), dodatku sredstava za smanjenje vode koristi se za smanjenje vodocementnog omjera, a za armiranje se koriste čelična vlakna visoke čvrstoće.
(2) Komponente ultra visokog kontrasta
Visokočvrsti, duktilni i održivi UHPC beton sastoji se od sitnozrnatog pijeska, silicij dioksida, vode, dodataka za smanjenje vode i čeličnih vlakana.
① Fini agregat
Fini agregat važan je sastavni materijal za čvrstoću i mogućnost obrade UHPC-a. Održava stabilnost betona zahvaljujući sposobnosti podnošenja većih opterećenja. Zbog svoje inertnosti otporan je i na vremenske uvjete. Njegova veličina čestica je najveća među UHPC matricama, u rasponu od 150 μm do 600 μm. To može biti silikatni pijesak, kvarcni pijesak ili prirodni pijesak.
Silikatni pijesak je skup za UHPC. S druge strane, kvarcni pijesak je dostupan, ali je potrebno vrijeme da se usitni od grubog agregata ili prirodnog kamena. Nasuprot tome, prirodni pijesak može se jednostavno i učinkovito koristiti kao fini agregat za UHPC. Na primjer, istočna provincija Saudijske Arabije ima fini pijesak od dina.
② Portland cement
Obični portland cement je primarni vezivni materijal i kada se pomiješa s vodom, hidratizira i postaje krutina koja veže sve agregate u UHPC betonu. Uglavnom se proizvodi od dvije osnovne sirovine; vapnenca i gline. Nakon drobljenja i mljevenja, ti se materijali zagrijavaju u peći za proizvodnju cementnog klinkera, koji se dalje melje kako bi se male količine gipsa samele u fini prah. To je otprilike dvostruko (600-1000 kg/m) od sadržaja koji se koristi u običnom betonu, s prosječnim promjerom od 15 μm. Stoga se smatra drugom najvećom veličinom čestica među UHPC matricama. Zbog malog udjela vode, nehidratizirani dio cementa koristit će se s drugim agregatima za optimizaciju pakiranja.
③ Silikonski prah
Silicij dioksid ili mikrosilicijev dioksid otpadni je nusproizvod iz dimnih peći koje proizvode metalni silicij i legure ferosilicija. Prosječni promjer okruglih čestica silicijevog praha je 0,15 μm, a većina čestica je manja od 1 μm. Stoga su one najmanje čestice u UHPC matrici, 100 puta manje od čestica cementa. Zbog toga se smatra izvrsnim punilom za popunjavanje šupljina između većih čestica u UHPC matricama. Korištenje ovog ultrafinog materijala stvara gustu matricu koja poboljšava mehanička svojstva i svojstva trajnosti betona.
Silicij dioksid može se koristiti u UHPC smjesama u rasponu od 150-250 kg/m3 (10-30% mase cementa). Odnos između tlačne čvrstoće i sadržaja silicij dioksida u UHPC betonu. Beton s čvrstoćom od čak 81MPa može se dobiti bez silicijevog dioksida. Međutim, povećanjem sadržaja silicij dioksida, tlačna čvrstoća se brzo povećava. Jedan od glavnih nedostataka ovog materijala je što zahtijeva više vode zbog izuzetno finih čestica, ali sa superplastifikatorom se može održati isti sadržaj vode.
④ voda
Voda je važan materijal za proizvodnju UHPC-a. Pitka voda je prikladna i obično se koristi za obični beton. Količina vode mora biti dovoljna za dovršetak procesa hidratacije i održavanje operativnosti. Minimalni vodocementni omjer (w/c) za obični beton je približno 0.4–0.5, uključujući vodu za obradivost. Količina vode je obrnuto proporcionalna tlačnoj čvrstoći, tj. ako se voda povećava, čvrstoća opada. Višak vode koja se ne koristi za hidrataciju stvara šupljine u betonskoj smjesi, što povećava propusnost i smanjuje čvrstoću betona.
U UHPC tehnologiji, upotreba dodataka visokog raspona za smanjenje vode pomaže u održavanju mogućnosti obrade bez viška vode. Stoga će w/c omjer pasti na optimalnu razinu u rasponu od 0.14–0.22. Time se povećava tlačna čvrstoća i poboljšavaju sva ostala svojstva betona.
⑤ Sredstvo za smanjenje vode velikog raspona
Budući da se obradivost betonskih smjesa smanjuje kada se miješaju s niskim sadržajem vlage, UHPC betonu tijekom procesa miješanja potrebno je dodati sredstva za redukciju vode ili visokoučinkovita sredstva za redukciju vode, kako bi se poboljšala njegova obradivost. Što se tiče utjecaja kemijskog sastava, trebao bi biti u rasponu 0.5-2.0%, kao što je Courtial, itd. Međutim, kao što su otkrili mnogi istraživači, optimalan sadržaj je 1.5-2.4.
⑥ Čelična vlakna
Beton bez armature sklon je lomu jer je po prirodi krt i pukotine se ne mogu zaustaviti. Stoga se čelična vlakna koriste za pojačanje UHPC matrice kako bi se pružila bolja otpornost na stvaranje pukotina, kao i bolja vlačna čvrstoća i otpornost na lom. Čelična vlakna karakterizirana su oblikom, duljinom, promjerom, volumenom, orijentacijom i čvrstoćom.
