1. Tradicionalna pridelava
Sodobni beton se začne s peskom in gramozom različnih velikosti, ki se v prisotnosti vode pomeša z odličnim vezivom portlandskim cementom, ki poveže vse agregate v kamnu podoben material. Portlandski cement je leta 1824 izumil Joseph Asputin; nastane s segrevanjem in mletjem mineralov apnenca in gline ter dodajanjem majhne količine sadre. Kasneje ga je predlagal njegov sin William Asputin v 1840-ih. Navadni beton, izdelan iz portlandskega cementa in agregatov, na splošno velja za prvo generacijo betona.
Vendar pa je ta vrsta betona povezana s pomanjkanjem natezne trdnosti in duktilnosti, kar ima za posledico odpoved nosilcev in plošč. To je torej vodilo do nastanka betona druge generacije, kjer je jeklena armatura veljala za rešitev teh težav. Joseph Monier in Francois Coignet sta bila prva pionirja armiranja betona v drugi polovici 19. stoletja. Podelili so številne patente za krepitev različnih vrst konstrukcij. Od takrat naprej je bila kombinacija jekla in betona primarni gradbeni material v 19. in 20. stoletju. Povečanje tlačne trdnosti betona v 20. stoletju. Tlačne trdnosti so v prvi polovici tega stoletja znašale od 20 do 40MPa.
Po sredini-20. stoletja se je pojavil izziv, kako povečati moč za prenašanje večjih obremenitev naprednejših struktur. V teh desetletjih je tlačna trdnost presegla 40 MPa. To dosežemo s skrbno izbiro agregatov, saj šibki agregati morda niso dovolj močni, da prenesejo velike obremenitve, in z zmanjšanjem razmerja med vodo in vezivom. To razmerje je obratno sorazmerno s tlačno trdnostjo. Izum dodatkov za zmanjševanje vode zmanjša vsebnost vode, kar inženirjem omogoča povečanje trdnosti brez vpliva na uporabnost.
2. Nova generacija sodobnega betona
(1) Načela in opredelitve
Kljub prejšnjim izboljšavam še vedno obstaja potreba po:
(a) Beton z večjo trdnostjo;
(b) preprečite, da bi kloridni ioni in druge škodljive snovi prodrli v betonsko raztopino, kar lahko povzroči korozijo železnih palic in slabo obstojnost betona;
(c) Alternativni materiali, ki lahko nadomestijo portlandski cement za zmanjšanje emisij ogljikovega monoksida 2 v ozračje med proizvodnjo cementa.
Zato je bil Ultra High Performance Concrete ali UHPC razvit kot nova betonska tehnologija, ki lahko izpolnjuje zahtevane standarde. Razvit je bil na podlagi razumevanja, da samo zmanjšanje vodocementnega razmerja ne zadostuje za doseganje zahtevane učinkovitosti. Poleg tega so potrebna optimizirana polnila za fine in ultrafine delce; porazdelitev velikosti ter obliko in kakovost teksture teh delcev je treba skrbno nadzorovati.
Razlike v polnilnih sistemih med UHPC in tradicionalnim betonom. Gostota matrike UHPC je še bolj povečana. To zahteva odstranitev grobih agregatov in porazdelitev ultrafinih delcev na mikrostrukturni ravni, da se zapolnijo praznine med večjimi delci. Izboljšave polnilnih sistemov UHPC bodo zagotovo povečale trdnost betona UHPC, izboljšale vzdržljivost in splošno učinkovitost.
Pravzaprav je UHPC nova oblika betona, ki je nov kompozitni gradbeni material. Njegova visoka tlačna trdnost in duktilnost sta doseženi z optimizacijo pakiranja finih in ultra finih delcev ter dodajanjem jeklenih vlaken. Zlasti bo ta optimizacija enakomerno porazdelila vse delce na mikroskopskem merilu, da bo prostor obkrožen z večjimi delci. Tako je dosežena gosta matrica z nizko prepustnostjo, ki zagotavlja beton z odličnimi lastnostmi.
UHPC ima različne definicije. Nekateri raziskovalci opredeljujejo izraz glede na njegove glavne sestavine. Na primer, Farzad et al. opredeliti UHPC kot material na osnovi cementa z izboljšano porazdelitvijo komponent delcev, razmerjem med vodo in cementnim materialom, manjšim od 0.2, in znatnim deležem tvorbe notranjih vlaken. Mishra&Singh sta definirala UHPC kot posebno vrsto betona, ki je sestavljen iz zelo drobnozrnatih reaktivnih dodatkov (tj. silicijevega dioksida in finega kremena), vlaken in superplastifikatorjev, hkrati pa ima večjo vsebnost veziva in nizko razmerje med vodo in snovjo. Aimee & Shafiq opredeljujeta izraz kot z vlakni ojačano mešanico silicijevega dioksida in cementa z zelo nizkim vodocementnim razmerjem, ki ultra reducira vodo, za katero je značilna prisotnost zelo finega kremenčevega peska s premerom 0.15 do 0.60 mm, medtem ko ni navaden agregat. Ahmad et al. (2{{20}}16) je definiral UHPC kot uporabo visoke vsebnosti cementa, silicijevega dioksida (0.1-1 um) in superplastifikatorja skupaj z zelo finim kremenčevim peskom (0.{{21). }}.60 mm), kremenčev prah (manj kot 10 um) in mešanica, proizvedena brez grobih agregatnih vlaken. Nematollahi et al. definirajo UHPC kot kompozit na osnovi cementa, sestavljen iz finih materialov z optimiziranimi krivuljami gradiranja, diskretnimi mikrojeklenimi vlakni zelo visoke trdnosti in zelo nizkim razmerjem voda-cement manj kot 0,25. Drugi raziskovalci definirajo UHPC na podlagi njegovih vrhunskih mehanskih lastnosti in lastnosti vzdržljivosti. Na primer, Aroraa et al. opredeliti UHPC kot material z večplastno mikrostrukturo, zasnovano za zelo visoko tlačno trdnost, visoko upogibno in natezno trdnost ter visoko duktilnost. Li, J. et al. definirajo izraz kot inovativen kompozitni material, ki je lahko potencialni kandidat za betonske konstrukcije, izpostavljene korozivnim okoljem.
Na podlagi zgornje definicije lahko predlagamo definicijo, ki združuje glavne komponente in vrhunske lastnosti UHPC ter osnovno tehnologijo za proizvodnjo UHPC. UHPC je torej nova generacija gradbenih materialov na osnovi cementa z zelo visoko tlačno trdnostjo, visoko duktilnostjo in trajnostjo, ki temelji na: mikrooptimizaciji finih in ultra finih agregatov (silicijev dioksid in pesek), dodatku sredstev za zmanjšanje vode uporabljajo za zmanjšanje vodocementnega razmerja, za ojačitev pa uporabljajo jeklena vlakna visoke trdnosti.
(2) Komponente z ultra visokim kontrastom
Visokotrden, duktilen in trajnosten beton UHPC je sestavljen iz drobnozrnatega peska, silicijevega dioksida, vode, dodatkov za zmanjševanje vode in jeklenih vlaken.
① Fini agregat
Drobni agregat je pomemben sestavni material za trdnost in predelovalnost UHPC. Ohranja stabilnost betona zaradi sposobnosti prenašanja večjih obremenitev. Zaradi svoje inertnosti je odporen tudi na vremenske vplive. Njegova velikost delcev je največja med UHPC matricami, in sicer od 150 μm do 600 μm. Lahko je kremenčev pesek, kremenčev pesek ali naravni pesek.
Kremenčev pesek je drag za UHPC. Kremenčev pesek pa je na voljo, vendar je potreben čas, da ga zdrobimo iz grobega agregata ali naravne kamnine. Nasprotno pa je naravni pesek mogoče preprosto in učinkovito uporabiti kot fin agregat za UHPC. Na primer, vzhodna provinca Savdske Arabije ima droben sipin pesek.
② Portlandski cement
Navadni portlandski cement je primarno vezivo in ko se zmeša z vodo, hidrira in postane trdna snov, ki veže vse agregate v UHPC betonu. Proizvaja se predvsem iz dveh osnovnih surovin; apnenec in glina. Po drobljenju in mletju se ti materiali segrevajo v peči, da se proizvede cementni klinker, ki se nadalje zmelje, da se majhne količine sadre zmeljejo v fin prah. To je približno dvakrat (600-1000 kg/m) vsebnost, ki se uporablja v običajnem betonu, s povprečnim premerom 15 μm. Zato velja za drugo največjo velikost delcev med matricami UHPC. Zaradi majhnega deleža vode bo nehidratizirani del cementa uporabljen z drugimi agregati za optimizacijo pakiranja.
③ Silicijev prah
Silicijev dioksid ali mikrosilicijev dioksid je stranski odpadni material iz dimov peči, ki proizvajajo kovinski silicij in ferosilicijeve zlitine. Povprečni premer okroglih delcev silicijevega prahu je 0,15 μm, večina delcev pa je manjša od 1 μm. Zato so najmanjši delci v matrici UHPC, 100-krat manjši od delcev cementa. Zato velja za odlično polnilo za zapolnjevanje praznin med večjimi delci v UHPC matricah. Uporaba tega ultrafinega materiala ustvari gosto matrico, ki izboljša mehanske in trajnostne lastnosti betona.
Silicijev dioksid se lahko uporablja v mešanicah UHPC v območju 150–250 kg/m3 (10-30 % mase cementa). Razmerje med tlačno trdnostjo in vsebnostjo silicijevega dioksida v betonu UHPC. Beton s trdnostjo do 81MPa je mogoče dobiti brez silicijevega dioksida. Vendar pa se s povečanjem vsebnosti silicijevega dioksida tlačna trdnost hitro poveča. Ena glavnih pomanjkljivosti tega materiala je, da zaradi izjemno finih delcev potrebuje več vode, s superplastifikatorjem pa je mogoče ohraniti enako vsebnost vode.
④ voda
Voda je pomemben material za proizvodnjo UHPC. Primerna je pitna voda, ki se običajno uporablja za navaden beton. Količina vode mora biti zadostna za dokončanje procesa hidracije in ohranjanje delovanja. Najmanjše vodocementno razmerje (w/c) za navaden beton je približno 0.4–0.5, vključno z vodo za obdelavo. Količina vode je obratno sorazmerna s tlačno trdnostjo, in sicer če voda narašča, se trdnost zmanjšuje. Odvečna voda, ki se ne porabi za hidratacijo, ustvarja praznine v betonski mešanici, kar poveča prepustnost in zmanjša trdnost betona.
V tehnologiji UHPC uporaba visokokakovostnih dodatkov za zmanjšanje vode pomaga vzdrževati predelovalnost brez odvečne vode. Zato bo razmerje w/c padlo na optimalno raven v območju 0.14–0.22. Posledica tega je povečanje tlačne trdnosti in izboljšanje vseh drugih lastnosti betona.
⑤ Sredstvo za zmanjšanje vode velikega obsega
Ker se obdelovalnost betonskih mešanic zmanjša, če jih mešamo z nizko vsebnostjo vlage, je treba betonu UHPC med postopkom mešanja dodati sredstva za zmanjševanje vode ali visoko učinkovita sredstva za zmanjševanje vode, kot so polikarboksilati, da se izboljša njegova uporabnost. Kar zadeva vpliv kemične sestave, bi moral biti v območju 0.5-2.0%, kot je Courtial itd. Vendar, kot so razkrili številni raziskovalci, je optimalna vsebnost je 1.5-2.4.
⑥ Jeklena vlakna
Beton brez ojačitve je nagnjen k zlomu, ker je po naravi krhek in razpok ni mogoče zaustaviti. Zato se jeklena vlakna uporabljajo za ojačitev matrike UHPC, da se zagotovi boljša odpornost proti nastanku razpok, pa tudi boljša natezna trdnost in odpornost proti zlomu. Za jeklena vlakna je značilna njihova oblika, dolžina, premer, prostornina, usmerjenost in trdnost.
