1. Традиционална производња
Савремени бетон почиње са песком и шљунком различитих величина, који се мешају у присуству воде са одличним везивним материјалом Портланд цементом, који повезује све агрегате заједно да формира материјал сличан камену. Портланд цемент је изумео Јосиф Аспутин 1824. године; прави се загревањем и млевењем минерала кречњака и глине и додавањем мале количине гипса. Касније га је предложио његов син Вилијам Аспутин 1840-их. Обичан бетон, направљен од портланд цемента и агрегата, генерално се сматра првом генерацијом бетона.
Међутим, ова врста бетона је повезана са недостатком затезне чврстоће и дуктилности, што доводи до квара конструкција греда и плоча. То је стога довело до појаве бетона друге генерације, где се челична арматура сматрала решењем за ове проблеме. Јосепх Мониер и Францоис Цоигнет били су први пионири бетонске арматуре у другој половини 19. века. Доделили су многе патенте за јачање различитих врста структура. Од тог времена, комбинација челика и бетона је била примарни грађевински материјал током 19. и 20. века. Повећање чврстоће бетона на притисак током 20. века. Чврстоће на притисак у првој половини овог века кретале су се од 20 до 40 МПа.
После средине{0}} века, појавио се изазов да се повећа снага да би се носила већа оптерећења напреднијих структура. Током ових деценија, тлачна чврстоћа је премашила 40 МПа. Ово се постиже пажљивим одабиром агрегата, јер слаби агрегати можда нису довољно јаки да издрже тешка оптерећења и смањењем односа воде и везивног материјала. Овај однос је обрнуто пропорционалан чврстоћи на притисак. Проналазак додатака за смањење воде смањује садржај воде, омогућавајући инжењерима да повећају снагу без утицаја на обрадивост.
2. Нова генерација савременог бетона
(1) Принципи и дефиниције
Упркос претходним побољшањима, још увек постоји потреба за:
(а) Бетон веће чврстоће;
(б) Спречити продирање хлоридних јона и других штетних материја у бетонски раствор, што може довести до корозије гвоздених шипки и слабе трајности бетона;
(ц) Алтернативни материјали који могу заменити портланд цемент да би се смањиле емисије угљен-моноксида 2 које се емитују у атмосферу током производње цемента.
Због тога је бетон ултра високих перформанси, или УХПЦ, развијен као нова технологија бетона која може испунити тражене стандарде. Развијен је на основу схватања да само смањење водоцементног односа није довољно за постизање захтеваних перформанси. Поред тога, потребна су оптимизована пунила за фине и ултрафине честице; дистрибуција величине као и облик и квалитет текстуре ових честица морају се пажљиво контролисати.
Разлике у системима пунила између УХПЦ и традиционалног бетона. Густина УХПЦ матрице је још већа. Ово захтева елиминацију крупних агрегата и расподелу ултрафиних честица на микроструктурном нивоу како би се попуниле празнине између већих честица. Побољшања у УХПЦ системима пунила ће сигурно повећати чврстоћу УХПЦ бетона, повећавајући издржљивост и укупне перформансе.
У ствари, УХПЦ је нови облик бетона који је нови композитни грађевински материјал. Његова висока тлачна чврстоћа и дуктилност се постижу оптимизацијом паковања финих и ултра-финих честица и додатком челичних влакана. Конкретно, ова оптимизација ће равномерно распоредити све честице на микроскопској скали како би спаковала простор окружен већим честицама. Тако се постиже густа матрица са ниском пропусношћу да би се бетону обезбедила одлична својства.
УХПЦ има различите дефиниције. Неки истраживачи дефинишу појам у смислу његових главних компоненти. На пример, Фарзад ет ал. дефинисати УХПЦ као материјал на бази цемента са побољшаном дистрибуцијом компоненти честица, односом воде и цементног материјала мањим од 0.2 и значајним делом унутрашњег формирања влакана. Мисхра&Сингх је дефинисао УХПЦ као посебан тип бетона који се састоји од високо фино зрнатих реактивних додатака (тј. силицијум дима и финог кварца), влакана и суперпластификатора, док има већи садржај везива и низак однос воде и везива. Аимее & Схафик дефинишу термин као влакнима ојачану, ултра-водоредуцирајућу, силицијум-цементну мешавину дима и цемента са веома ниским односом воде и цемента (В/Ц), коју карактерише присуство веома финог кварцног песка пречника од 0.15 до 0.60 мм, док није обичан агрегат. Ахмад и др. (2{{20}}}16) дефинише УХПЦ као коришћење високог садржаја цемента, силицијум дима (0.1-1 ум) и суперпластификатора заједно са веома финим кварцним песком (0.{{21 }}.60 мм), кварцни прах (мање од 10 ум) и Мешавина произведена без грубих агрегатних влакана. Нематолахи и др. дефинисати УХПЦ као композит на бази цемента који се састоји од финих материјала са оптимизованим кривуљама класирања, дискретним микрочеличним влакнима веома високе чврстоће и веома ниским односом вода-цемент мањим од 0,25. Други истраживачи дефинишу УХПЦ на основу његових врхунских механичких својстава и својстава издржљивости. На пример, Арораа ет ал. дефинисати УХПЦ као материјал са микроструктуром на више нивоа пројектован за веома високу чврстоћу на притисак, високу чврстоћу на савијање и затезање и високу дуктилност. Ли, Ј. ет ал. дефинисати појам као иновативни композитни материјал који може бити потенцијални кандидат за бетонске конструкције изложене корозивним срединама.
На основу горње дефиниције, можемо предложити дефиницију која комбинује главне компоненте и супериорна својства УХПЦ као и основну технологију која стоји иза производње УХПЦ. УХПЦ је стога нова генерација грађевинских материјала на бази цемента са веома високом чврстоћом на притисак, високом дуктилношћу и одрживошћу, заснована на: микрооптимизацији финих и ултра финих агрегата (дим од силицијум диоксида и песка), додавању средстава за редукцију воде користи се за смањење водоцементног односа, а за армирање се користе челична влакна високе чврстоће.
(2) Компоненте ултра високог контраста
Високе чврстоће, дуктилни и одрживи УХПЦ бетон се састоји од ситнозрнастог песка, силицијум диоксида, воде, додатака који смањују воду и челичних влакана.
① Фини агрегат
Фини агрегат је важан компонентни материјал за чврстоћу и обрадивост УХПЦ. Одржава стабилност бетона због своје способности да носи већа оптерећења. Због своје инертности, такође је отпоран на временске услове. Његова величина честица је највећа међу УХПЦ матрицама, у распону од 150 μм до 600 μм. То може бити кремени песак, кварцни песак или природни песак.
Силикатни песак је скуп за УХПЦ. С друге стране, кварцни песак је доступан, али је потребно време да се згњечи од крупног агрегата или природне стене. Насупрот томе, природни песак се може лако и ефикасно користити као фини агрегат за УХПЦ. На пример, источна провинција Саудијске Арабије има фини песак од дина.
② Портланд цемент
Обичан портланд цемент је примарни везивни материјал и када се помеша са водом, хидрира и постаје чврста материја која везује све агрегате у УХПЦ бетону. Углавном се производи од две основне сировине; кречњака и глине. Након дробљења и млевења, ови материјали се загревају у пећи за производњу цементног клинкера, који се даље меље да би се мале количине гипса млевеле у фини прах. То је отприлике двоструко (600-1000 кг/м) садржаја који се користи у обичном бетону, са просечним пречником од 15 μм. Стога се сматра да је то друга највећа величина честица међу УХПЦ матрицама. Због малог удела воде, нехидратисани део цемента ће се користити са другим агрегатима за оптимизацију паковања.
③ Силицијум у праху
Дим силицијум диоксида или микросилицијум је отпадни нуспроизвод испарења из пећи које производе метал силицијум и легуре феросилицијума. Просечан пречник округлих честица праха силицијум диоксида је 0.15 μм, а већина честица је мања од 1 μм. Дакле, оне су најмање честице у УХПЦ матрици, 100 пута мање од честица цемента. Због тога се сматра одличним пунилом за попуњавање празнина између већих честица у УХПЦ матрицама. Употреба овог ултрафиног материјала ствара густу матрицу која побољшава механичка својства и издржљивост бетона.
Силицијум дима се може користити у УХПЦ смешама у опсегу од 150–250 кг/м3 (10-30% масе цемента). Однос између тлачне чврстоће и садржаја силицијум дима у УХПЦ бетону. Бетон са чврстоћом до 81МПа може се добити без дима силицијум диоксида. Међутим, повећањем садржаја силицијум диоксида, чврстоћа на притисак се брзо повећава. Један од главних недостатака овог материјала је што захтева више воде због својих изузетно финих честица, али са суперпластификатором може се одржати исти садржај воде.
④ вода
Вода је важан материјал за производњу УХПЦ. Вода за пиће је погодна и обично се користи за обичан бетон. Количина воде мора бити довољна за завршетак процеса хидратације и одржавање оперативности. Минимални однос вода-цемент (в/ц) за обичан бетон је приближно 0.4–0,5, укључујући воду за обрадивост. Количина воде је обрнуто пропорционална чврстоћи на притисак, односно ако се вода повећава, снага се смањује. Вишак воде која се не користи за хидратацију ствара празнине у бетонској мешавини, што повећава пропустљивост и смањује чврстоћу бетона.
У УХПЦ технологији, употреба додатака за смањење воде високог домета помаже у одржавању обрадивости без вишка воде. Због тога ће однос в/ц пасти на оптимални ниво у опсегу од 0.14–0.22. Ово доводи до повећања чврстоће на притисак и побољшава сва друга својства бетона.
⑤ Средство за редукцију воде великог опсега
Пошто је обрадивост бетонских мешавина смањена када се мешају са ниским садржајем влаге, агенси за смањење воде или високоефикасна средства за редукцију воде, као што су поликарбоксилати, треба да се додају УХПЦ бетону током процеса мешања како би се побољшала његова обрадивост. Што се тиче утицаја хемијског састава, он би требало да буде у опсегу од 0.5-2.0%, као што је Цоуртиал, итд. Међутим, како су открили многи истраживачи, оптималан садржај је 1.5-2.4.
⑥ Челична влакна
Бетон без арматуре је подложан ломовима јер је крт и пукотине се не могу зауставити. Због тога се челична влакна користе за ојачање УХПЦ матрице како би се обезбедила боља отпорност на стварање пукотина, као и боља затезна чврстоћа и отпорност на лом. Челична влакна се одликују својим обликом, дужином, пречником, запремином, оријентацијом и чврстоћом.
