1. Tradiční výroba
Moderní beton začíná pískem a štěrkem různých velikostí, které se v přítomnosti vody mísí se skvělým pojivem portlandského cementu, který spojuje všechna plniva dohromady a vytváří materiál podobný kameni. Portlandský cement vynalezl Joseph Asputin v roce 1824; vyrábí se zahřátím a rozemletím minerálů vápenec a jíl a přidáním malého množství sádry. Později to navrhl jeho syn William Asputin ve 40. letech 19. století. Obyčejný beton, vyrobený z portlandského cementu a kameniva, je obecně považován za první generaci betonu.
Tento typ betonu je však spojen s nedostatkem pevnosti v tahu a tažnosti, což má za následek selhání trámových a deskových konstrukcí. To proto vedlo ke vzniku betonu druhé generace, kde byla ocelová výztuž považována za řešení těchto problémů. Joseph Monier a Francois Coignet byli prvními průkopníky betonářské výztuže ve druhé polovině 19. století. Udělili mnoho patentů na posílení různých typů struktur. Od té doby byla kombinace oceli a betonu hlavním stavebním materiálem po celé 19. a 20. století. Nárůst pevnosti betonu v tlaku v průběhu 20. století. Pevnost v tlaku se v první polovině tohoto století pohybovala od 20 do 40 MPa.
Po polovině-20století vyvstala výzva zvýšit pevnost, aby unesla větší zatížení pokročilejších konstrukcí. Během těchto desetiletí pevnost v tlaku přesáhla 40 MPa. Toho je dosaženo pečlivým výběrem kameniva, protože slabé kamenivo nemusí být dostatečně pevné, aby uneslo velké zatížení, a snížením poměru vody k pojivovému materiálu. Tento poměr je nepřímo úměrný pevnosti v tlaku. Vynález přísad snižujících vodu snižuje obsah vody, což umožňuje inženýrům zvýšit pevnost bez ovlivnění zpracovatelnosti.
2. Nová generace moderního betonu
(1) Principy a definice
Navzdory předchozím vylepšením je stále potřeba:
(a) Beton s vyšší pevností;
(b) Zabránit pronikání chloridových iontů a jiných škodlivých látek do betonového roztoku, což může vést ke korozi železných tyčí a špatné trvanlivosti betonu;
(c) Alternativní materiály, které mohou nahradit portlandský cement, aby se snížily emise oxidu uhelnatého 2 emitované do atmosféry během výroby cementu.
Proto byl vyvinut Ultra High Performance Concrete neboli UHPC jako nová technologie betonu, která může splňovat požadované normy. Byl vyvinut na základě pochopení, že samotné snížení poměru voda-cement nestačí k dosažení požadovaného výkonu. Kromě toho jsou pro jemné a ultrajemné částice vyžadována optimalizovaná plniva; distribuce velikosti, jakož i tvar a kvalita textury těchto částic musí být pečlivě kontrolovány.
Rozdíly v systémech výplní mezi UHPC a tradičním betonem. Hustota matrice UHPC je ještě více zvýšena. To vyžaduje eliminaci hrubých agregátů a distribuci ultrajemných částic na mikrostrukturální úrovni pro vyplnění dutin mezi většími částicemi. Vylepšení UHPC výplňových systémů jistě zvýší pevnost UHPC betonu, zvýší trvanlivost a celkový výkon.
Ve skutečnosti je UHPC novou formou betonu, který je novým kompozitním stavebním materiálem. Jeho vysoké pevnosti v tlaku a tažnosti je dosaženo optimalizací balení jemných a ultrajemných částic a přidáním ocelových vláken. Zejména tato optimalizace rovnoměrně rozmístí všechny částice v mikroskopickém měřítku, aby zaplnila prostor obklopený většími částicemi. Tak je dosaženo hutné matrice s nízkou propustností pro poskytnutí betonu s vynikajícími vlastnostmi.
UHPC má různé definice. Někteří badatelé definují termín z hlediska jeho hlavních složek. Například Farzad a kol. definují UHPC jako materiál na bázi cementu se zlepšenou distribucí složek částic, poměrem vody k cementovému materiálu menším než 0,2 a významnou částí tvorby vnitřních vláken. Mishra&Singh definoval UHPC jako speciální typ betonu sestávající z vysoce jemnozrnných reaktivních příměsí (tj. křemičitého úletu a jemného křemene), vláken a superplastifikátorů, přičemž má vyšší obsah pojiva a nízký poměr pojiva vody k ind. Aimee & Shafiq definují termín jako vlákny vyztužená, ultra-vodu redukující, křemičito-cementová směs s velmi nízkým poměrem voda-cement (W/C), vyznačující se přítomností velmi jemného křemenného písku o průměru 0.15 až 0.60 mm, přičemž nejde o běžné kamenivo. Ahmad a kol. (2{{20}}}16) definoval UHPC jako použití vysokého obsahu cementu, křemičitého úletu (0.1-1 um) a superplastifikátoru spolu s velmi jemným křemičitým pískem (0.{{21) }}.60 mm), křemenný prášek (méně než 10 um) a Směs vyrobená bez hrubých vláken kameniva. Nematollahi a kol. definují UHPC jako kompozit na bázi cementu sestávající z jemných materiálů s optimalizovanými křivkami zrnitosti, velmi pevnými diskrétními mikroocelovými vlákny a velmi nízkým poměrem voda-cement nižším než 0,25. Jiní výzkumníci definují UHPC na základě jeho vynikajících mechanických a odolných vlastností. Například Aroraa et al. definují UHPC jako materiál s víceúrovňovou mikrostrukturou navrženou pro velmi vysokou pevnost v tlaku, vysokou pevnost v ohybu a v tahu a vysokou tažnost. Li, J. a kol. definovat termín jako inovativní kompozitní materiál, který může být potenciálním kandidátem pro betonové konstrukce vystavené koroznímu prostředí.
Na základě výše uvedené definice můžeme navrhnout definici, která kombinuje hlavní komponenty a vynikající vlastnosti UHPC a také základní technologii výroby UHPC. UHPC je tedy nová generace stavebních materiálů na bázi cementu s velmi vysokou pevností v tlaku, vysokou tažností a udržitelností, založená na: mikrooptimalizaci jemného a ultrajemného kameniva (křemičitý dým a písek), přidání prostředků snižujících vodu používá se ke snížení poměru voda-cement a pro vyztužení se používají vlákna z vysokopevnostní oceli.
(2) Komponenty s ultra vysokým kontrastem
Vysoce pevný, tažný a udržitelný UHPC beton se skládá z jemnozrnného písku, křemičitého úletu, vody, příměsí snižujících vodu a ocelových vláken.
① Jemné kamenivo
Jemné kamenivo je důležitým komponentním materiálem pro pevnost a zpracovatelnost UHPC. Zachovává stabilitu betonu díky své schopnosti přenášet větší zatížení. Díky své inertnosti odolává i povětrnostním vlivům. Jeho velikost částic je největší mezi UHPC matricemi, pohybuje se od 150 μm do 600 μm. Může to být křemičitý písek, křemičitý písek nebo přírodní písek.
Křemičitý písek je pro UHPC drahý. Křemenný písek je na druhé straně k dispozici, ale jeho rozdrcení z hrubého kameniva nebo přírodní horniny nějakou dobu trvá. Naproti tomu přírodní písek lze snadno a efektivně použít jako jemné kamenivo pro UHPC. Například východní provincie Saúdské Arábie má jemný dunový písek.
② Portlandský cement
Obyčejný portlandský cement je primární pojivový materiál a po smíchání s vodou hydratuje a stává se pevnou látkou, která váže veškeré kamenivo v UHPC betonu. Vyrábí se především ze dvou základních surovin; vápenec a hlína. Po drcení a mletí se tyto materiály zahřívají v peci za vzniku cementového slínku, který se dále mele, aby se rozmělnila malá množství sádry na jemný prášek. Je to přibližně dvojnásobek (600-1000 kg/m) obsahu používaného v běžném betonu s průměrným průměrem 15 μm. Proto je považována za druhou největší velikost částic mezi matricemi UHPC. Vzhledem k malému podílu vody bude nehydratovaná část cementu použita s jiným kamenivem pro optimalizaci balení.
③ Silikonový prášek
Křemičitý úlet nebo mikrosilika je odpadní vedlejší produkt z výparů z pecí, které produkují křemíkový kov a slitiny ferosilicia. Průměrný průměr kulatých částic práškového oxidu křemičitého je 0,15 μm a většina částic je menší než 1 μm. Jsou tedy nejmenšími částicemi v matrici UHPC, 100krát menší než částice cementu. To je důvod, proč je považován za vynikající plnivo pro vyplnění dutin mezi většími částicemi v matricích UHPC. Použití tohoto ultrajemného materiálu vytváří hustou matrici, která zlepšuje mechanické vlastnosti a odolnost betonu.
Křemičitý úlet lze použít v UHPC směsích v rozmezí 150–250 kg/m3 (10-30 % cementové hmoty). Vztah mezi pevností v tlaku a obsahem křemičitých par v UHPC betonu. Beton s pevností až 81 MPa lze získat bez oxidu křemičitého. Zvýšením obsahu křemičitých úletů se však rychle zvyšuje pevnost v tlaku. Jednou z hlavních nevýhod tohoto materiálu je, že vyžaduje více vody kvůli extrémně jemným částicím, ale se superplastifikátorem lze zachovat stejný obsah vody.
④ voda
Voda je důležitým materiálem pro výrobu UHPC. Pitná voda je vhodná a obvykle se používá pro běžný beton. Množství vody musí být dostatečné pro dokončení hydratačního procesu a udržení provozuschopnosti. Minimální poměr voda-cement (w/c) pro běžný beton je přibližně 0,4–0,5, včetně zpracovatelné vody. Množství vody je nepřímo úměrné pevnosti v tlaku, tj. pokud voda přibývá, pevnost klesá. Přebytečná voda nespotřebovaná k hydrataci vytváří v betonové směsi dutiny, což zvyšuje propustnost a snižuje pevnost betonu.
V technologii UHPC pomáhá použití vysoce účinných přísad snižujících vodu udržovat zpracovatelnost bez přebytečné vody. Poměr w/c proto klesne na optimální úroveň v rozsahu 0.14–0.22. To má za následek zvýšení pevnosti v tlaku a zlepšení všech ostatních vlastností betonu.
⑤ Činidlo pro redukci vody s velkým rozsahem
Vzhledem k tomu, že zpracovatelnost betonových směsí se při míchání s nízkým obsahem vlhkosti snižuje, je třeba do UHPC betonu během procesu míchání přidávat činidla snižující vodu nebo vysoce účinná činidla snižující vodu, jako jsou polykarboxyláty, aby se zlepšila jeho zpracovatelnost. Pokud jde o vliv chemického složení, měl by se pohybovat v rozmezí 0.5-2.0 %, jako například Courtial atd. Jak však odhalilo mnoho výzkumníků, optimální obsah je 1.{7}.4.
⑥ Ocelové vlákno
Beton bez výztuže je náchylný k lámání, protože je svou povahou křehký a trhliny nelze zastavit. Ocelová vlákna se proto používají k vyztužení matrice UHPC, aby byla zajištěna lepší odolnost proti tvorbě trhlin a také lepší pevnost v tahu a odolnost proti lomu. Ocelová vlákna jsou charakteristická svým tvarem, délkou, průměrem, objemem, orientací a pevností.
