Високотехнологични бетони - 25 Октомври 2013 - Cтроителен Инженер

Главна | Моят профил | Регистрация | Изход | Вход | RSS

реклама

*

Статистики

Реклама в сайта

Стани Фен

like-button.net

онлайн радио

Онлайн Радио Избери радио и кликни „Слушай?

БГ


Времето

Нашата анкета

Каква е вашата професия
Общо отговори: 169

Търси

Главна » 2013 » Октомври » 25 » Високотехнологични бетони
09:52
Високотехнологични бетони

Акад. Ячко Иванов, Венцеслав Стоянов, Магдалена Иванова – Eвропейски политехнически университет, ВСУ „Любен Каравелов" – София пред  вестник "Строител"

 

Използването на материали в живота на човека датира от хилядолетия. Проследявайки историята на строителното материалознание, следва да отбележим XIX век, когато благодарение на Льо Шателие на човечеството бе даден един от най-използваните материали – циментът, и появилият се след него т.нар. сив великан – бетонът. Миналият век бележи изключителен прогрес в развитието на материалознанието, новите материали и технологии и затова той с право бе наречен век на новите материали. Бурното развитие на материалознанието бе резултат от изключителен напредък на техниките на изследвания и създаването на изчислителната техника и информационните технологии. Наред с появата на полимерните материали и композити, нанотехнологиите, в края на XX век и началото на XXI век бурно развитие получиха иновативните строителни материали, в това число високотехнологичните бетони.

 

Развитие на високотехнологичните бетони

 

Започналото в големи мащаби изграждане на отговорни съоръжения (мостове, високоетажни сгради и др.) в последните години на миналия век и началото на XXI век бе една от предпоставките за развитие на изследванията за решително подобряване на свойствата на стандартните бетони. За пръв път този нов клас бетони е дефиниран през 1989 г. Той удовлетворява изискванията:

а) като бетонна смес да се самоуплътнява;

б) в ранна възраст да не допуска появата на начални дефекти;

в) след втвърдяване да гарантира висока съпротивителна способност срещу екстремни въздействия.

Втората главна причина за тяхната поява е тенденцията за нарастване възнагражденията на строителните работници, което е съчетано с намаляване на уменията им, т.е. с привличане на хора с по-ниска квалификация.

Високотехнологичните бетони (HPC) представляват комбинация от изисквания към изпълнение и стабилност, които не могат да бъдат постигнати рутинно с използването на конвенционални компоненти, смесване, полагане и температурно третиране. HPC могат да се класифицират като бетони за специални приложения, като в допълнение на посочените по-горе характеристики се добавят и изисквания за лесно полагане, компактност без сегрегация, висока дълготрайност, редуцирана екзотермия при втвърдяване, евтина експлоатация и стабилност в условията на агресивна околна среда.

 

Самоуплътняващи се бетони

 

От 1988 г. самоуплътняващите се бетони (SCC) са обект на засилен теоретичен и практически интерес. Вече може да се счита, че са утвърдени основните изисквания за състава им:

а) ограничено съдържание и едрина на едрия добавъчен материал;

б) ниски стойности на В/Ц отношение (цимент + минерална прахообразна добавка);

в) задължително използване на суперпластификатори.

В резултат на тези най-общи изисквания самоуплътняващите се бетонни смеси са с променена концепция за проектиране на състава, технология на приготвяне и полагане. Бетонната смес тече под действието на собственото си тегло, лесно прониква в най-сложните конфигурации на конструкциите (както и в най-гъстата армировъчна мрежа), без да е необходимо вибриране. Наличието на повишено съдържание на прахообразната компонента и ниско В/Ц отношение гарантира висока хомогенност на бетонната смес без наличие на разслояване и водоотделяне при транспортиране и полагане. В същото време опитът показва, че крайните свойства на този клас иновативен композит силно зависят от реологичното му поведение. Използвайки основните реологични характеристики (гранично напрежение на срязване

τ и пластичен вискозитет η), е възможно да се предскажат свойствата му, правилно да се подберат компонентите му, като на тази основа се моделират основните технологични процеси. Реологията все повече се налага, за да се разбере механизмът на подвижност на композитната смес, оптимизиране на състава и контролиране на самоуплътнението чрез избор на подходящо оборудване, експерименти и процедури.

Използването на фини минерални добавки (минерални брашна, летяща пепел, микросилициев прах и др.), поликарбоксилатни силно водоредуциращи химични добавки (HRWRA) и др. поставя въпроса за детайлно изучаване на съсъхването на пресния бетон, седиментацията на едрите компоненти, пълзенето на втвърдения бетон. Първите резултати от използването на комбинацията на метакаолин (МК) и микросилициев прах (SF) в самоуплътняващите се бетони показват обещаваща възможност за управление на тяхното реологично поведение. Употребата на два вида фини минерални добавки с пуцоланови свойства е в процес на задълбочени изследвания, като се отбелязва възможността, че по-рационална е употребата само на МК, изискващо 25-35% по-малко количество HRWRA. Специално внимание се отделя за изясняване влиянието на високото съдържание на летяща пепел върху свойствата на SCC. Въпросите, свързани с приложението на SCC, които все още не са намерили адекватно решение, са: преодоляване нарастването на хоризонталното налягане върху кофража с увеличаване на течливостта и оптимизация при проектиране състава на SCC и особено при високо- и супервисокоякостните бетони (HSC, UHSC).

Тук отношението В/Ц е по-добре да се означава като отношение вода – прахообразна компонента (цимент + минерална прахообразна добавка).

 

Високо- и свръхвисокоякостни бетони

 

Високоякостните бетони (HSC) са вид HPC, характеризиращи се с якост на натиск над 40 (60) N/mm2. В допълнение към тях се предявяват изисквания за висока плътност, дълготрайност, мразо- и абразивна устойчивост или комбинация от тези характеристики. Показателите за повишена дълготрайност се реализират по-трудно в сравнение с тези за висока якост. За постигането на изискванията за висока якост или дълготрайност в HSC се влагат допълнителни финоразмерни компоненти, като най-често използвани са летяща пепел, микросилициев прах и ситно смляна доменна шлака – използвани поотделно или в комбинация. С използване на химични добавки от типа на HRWRA се постига намаляване на В/Ц и управляване процесите на структурообразуване. Освен с повишена якост на натиск HSC се характеризират с повишени модул на еластичността и якост на опън при огъване.

Обект на задълбочено изследване на HSC е автогенното съсъхване, проявяващо се в ранна възраст. Във влагане на добавки, намаляващи съсъхването, в комбинация с рециклирани керамични едри добавъчни материали (ЕДМ) може да се получат бетони с липса на пукнатини, образувани в ранна възраст.

Подклас на високоякостните бетони са супервисокоякостните бетони (UHSC), които са обект на интензивни изследвания в последните години.

Целта за постигане на якост на натиск от циментов композит, съизмерима с тази на стоманата датира от 1970 г.

Понастоящем като характеризиращ показател за UHPC е якост на натиск над 150 N/mm2, но тези бетони притежават високи якост на опън при огъване и модул на еластичност. Недостатък на тази група бетони е влошената обработваемост поради ниското В/Ц и влагането на относително големи количества фини пълнители и дисперсна (метална и полимерна) армировка. Перспективата на UHPC е производство на тънкостенни елементи в заводски условия със задължителна термична обработка.

Общ недостатък на HSC и UHSC в сравнение с конвенционалния бетон е повишената чувствителност на свойствата. Това предопределя акцента на изследванията – влияние на компонентите върху физичните и механичните свойства, възможност за замяна на компоненти от състава и др. В допълнение степента на качествения контрол при производство и употреба на HSC трябва да бъде на изключително ниво.

 

Бетони със самовъзстановяваща се структура

 

В последните години, с цел повишаване дълготрайността на бетона, все повече популярност добиват методите за създаване на нов клас високотехнологични бетони – тези със самовъзстановяваща се структура (self-healing concretes – SHC).

Това са клас иновативни циментови композити с възможности за предотвратяване и възстановяване на евентуално частично разрушаване и повишаване надеждността на първоначалното състояние („здраве"), с което значително се намаляват разходите при експлоатация. Самовъзстановяването се дефинира като самостоятелно отстраняване на повреди в структурата, причинени от механични, термични или химични въздействия. То се осъществява от компоненти, които вече се намират в обема на материала. По своя характер на протичане общоприето е самовъзстановяването на структурата да се разделя на автогенно и автономно.

 

Поради сходствата си с лечебния процес при живите организми материалите, притежаващи способността да възстановяват структурата си, се наричат самолекуващи се (self-healing). Автогенното самовъзстановяване е естествен процес на затваряне и запълване на пукнатини в бетоните, работещи във влажна среда. Съществуват относително голям брой механизми, предложени за обяснение на ефекта от самоуплътнение на структурата:

а) съществуващият свободен портландит (Ca(OH)2) в циментовия камък, разтварящ се под налягане от проникващата вода;

б) набъбване на втвърдената циментова паста (ВЦП);

в) химични реакции на ВЦП и водата (вторична хидратация);

г) осмотично налягане;

д) физично запушване на капилярите, предизвикано от отделянето на несвързани частици на циментовата паста и формирането на „филтърна тапа".

От изброените механизми с най-голямо значение са последните три, при които се осъществява необратимо самовъзстановяване на циментовия камък. Като резултат от автогенното уплътнение на структурата се регистрира 4-5% увеличение на якостта.

За пръв път идеята за автономно самовъзстановяване на порьозната структура на бетона е разработена от White et. al. Това самолекуване на повредената структура се дължи на освобождаване в материала на капсулирани до момента на повредата вещества за самовъзстановяване. Нарастването на пукнатината предизвиква разрушаване на обвивката на микрокапсулата, веществото на самовъзстановяване (ВС) се разтича в пукнатината, свързва се с втвърдител и след процес на полимеризация пукнатината се запълва с втвърден полимер. Посочените ВС формират самостоятелен клас „умни материали", притежаващи способността за възстановяване на леки повреди в бетони без външна намеса.

Друг вид SHC със способност за автономно самовъзстановяване са бетоните с вложени кухи стъклени влакна (d=500 μm), съдържащи ВС. Поведението на този композит може да се класифицира като пасивно „умно самовъзстановяване". В случая свойството чувствителност (sensing action) на натоварения композит при пукнатинообразуването активира контролирано отдаване на ВС чрез разрушаване на крехките стъклени влакна. Насоките на изследванията в областта на SHC са насочени в добавяне на възможност циментеният композит сам да локализира мястото на повредата (self-diagnostic composite).

Недостатъците на SHC не са напълно изяснени, но съществена трудност е установяването дали количеството на ВС е напълно използвано, чрез което да се гарантира възможност за повторно самовъзстановяване структурата на композита.

Съществуват разработки за изясняване размерите на пукнатината за ефективно автогенно самовъзстановяване и влияния на параметри на средата, като налягане и рН на водата, температура, съдържание на хлориди и др. Редица от факторите имат случаен характер и трудно могат да се вложат в конкретни инженерни изчисления.

 

Бетони с наноразмерни компоненти

Този клас HPC е свързан с провежданите напоследък интензивни изследвания за създаването на „умни (интелигентни)" материали и структури. Бетонът трудно може да бъде класифициран като „умен", но с включването в неговата структура на оптични влакна и/или нанотръбички, нановлакна и други наноразмерни материали се превръща в такава структура, т.е. той вече формира класа на т.нар. вътрешно умни циментни композити. Понастоящем е трудно да се определят и специалните приложения на бетоните с наноразмерни компоненти, като очакванията са за управление на структурата и свързаното с това подобрено поведение при екстремни въздействия.

Развитието на изследванията за създаване на високотехнологични бетони, основано на постиженията на физико-химията на процесите на хидратация и структурообразуване на цимента, на напредъка на информационните технологии и на уредостроенето (изследователската апаратура) открива нова ера в приложението на „сивия великан" – бетона. Тези бетони формират нов клас строителен материал с подобрени свойства, експлоатационна надеждност и дълготрайност, позволяващ създаването на модерни и иновативни съоръжения с намалени разходи за строителство и експлоатация. По-голямата част от високотехнологичните бетони способства и за подобряване на естетическия вид на съоръженията. Така също те биха гарантирали устойчиво развитие на строителството след теоретично и практическо решаване на неизяснените досега въпроси и проблеми.

Категория: Анализ | Преглеждания: 745 | Добавено от: admin | Тагове: Високотехнологични, бетони | Рейтинг: 0.0/0
Общо коментари: 0
Име *:
Email *:
Код *: