Beton foarte performant

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Beton armat cu fibră de înaltă performanță UHPFRC - Beton armat cu fibră de înaltă performanță

Betonul performant, la care se face referire prin acronimul UHPFRC (Ultra-High Performance Fiber-Reinforced Beton), este un tip de beton , caracterizat prin performanțe foarte ridicate în comparație cu betonul obișnuit, datorită unui raport scăzut apă / ciment (<0 , 25 și de obicei între 0,16 și 0,2), la o doză mare de ciment (de obicei> 600 kg per m³ de beton), prezența agregatelor foarte fine (de obicei cu un diametru maxim <1 mm) și adaosuri minerale și în prezența fibrelor într-o doză de natură să garanteze un comportament ductil . [1]

Conform definiției date în „Recomandări provizorii” din SETRA-AFGC (2002) cu termenul de beton armat cu fibră ultra-înaltă se referă la un material pe bază de ciment cu rezistență la compresiune mai mare de 150 MPa (care poate ajunge la 250 MPa) și că conține fibre de oțel capabile să garanteze un comportament de întărire a tracțiunii până la valori semnificative de deformare (care pot ajunge până la 5-8 · 10 -3). [2]

Dezvoltarea betoanelor UHPFRC

Betonul s-a impus din cele mai vechi timpuri ca unul dintre cele mai utilizate materiale de construcție, datorită costului redus, ușurinței de execuție și versatilității în utilizare. [3] Cu toate acestea, acest material prezintă unele probleme, în principal datorate problemelor datorate interacțiunii cu medii potențial agresive pentru o perioadă lungă de timp, și apoi legate de durabilitatea acestuia. [4]

Pentru a depăși aceste probleme, în ultimele decenii ale secolului al XX-lea a încercat să pună în aplicare caracteristicile lor de beton, să optimizeze performanțele mecanice și să îmbunătățească durabilitatea structurilor din beton armat . Dezvoltarea de noi aditivi superplastifianți utilizați în combinație cu minerale adăugate, alături de un studiu atent al proceselor care guvernează degradarea materialului, au adus betonul să fie un material de înaltă tehnologie, pentru a garanta performanțe mai ridicate. Astfel, ajută la apariția betoanelor de înaltă performanță denumite beton de înaltă performanță sau HPC și la dezvoltarea în continuare a betoanelor Beton cu pulbere reactivă menționat PRC. Tehnologia betonului face un alt pas înainte cu dezvoltarea primelor betoane UHPFRC de înaltă performanță. [2]

UHPFRC diferă de prima generație de HPC și RPC: [2]

  • cel mai mic raport apă / ciment (<0,25) și pentru cea mai mare rezistență la compresiune sistematică (> 150 MPa);
  • utilizarea fibrelor cu doze mari care garantează un comportament nemilos;
  • doza mare de liant și compoziția particulară.

Materiale

Betonul cu UHPFRC de înaltă performanță este constituit dintr-o matrice (formată ca urmare a aluatului și coacerea ulterioară a unui amestec de ciment, adaosuri minerale, agregate fine, apă și superfluificante) și din fibre. [2]

Matrice de ciment

Matricea betoanelor UHPFRC are o porozitate foarte mică (de obicei între 1,5% și 5%) comparativ cu cea a betoanelor HCP de înaltă performanță (de obicei între 9% și 12%) și a betoanelor obișnuite (indicativ între 15% și 20%) . Densitatea mare a matricei se obține cu utilizarea unui agregat foarte fin (diametrul maxim în general mai mic sau egal cu 1 mm) și cu utilizarea adaosurilor minerale, cum ar fi fumurile de silice care umple golurile interstițiale. particule de beton. [5]

În general, prezența acestor tipuri de particule foarte fine, deși reduce porozitatea amestecului, duce la o scădere a lucrabilității în stare proaspătă, crescând cererea de apă în detrimentul rezistenței mecanice . [3] La betoanele UHPFRC, utilizarea combinată a agregatelor fine și a fumurilor de silice cu aditivi superplasticizanti (în general pe bază de poliacrilați sau policarboxilați) permite obținerea unei porozități foarte scăzute și, prin urmare, garantarea unei rezistențe mecanice ridicate, fără a renunța la lucrabilitatea aluatului. [5]

Fibrele

De la începutul secolului al XX-lea, utilizarea fibrelor ca sistem de armare în beton a crescut semnificativ. Primii care au fost folosiți au fost fibrele de azbest pentru producerea plăcilor de acoperiș prefabricate . Abia spre sfârșitul anilor '40 au fost introduse fibrele de oțel și ulterior au fost utilizate pentru producerea lor alte materiale precum sticla sau substanțe organice (cum ar fi polipropilena și poliacrilonitrilul ). [6]

Fibrele pot fi clasificate în două grupe: fibre cu un modul de elasticitate mai mic decât matricea de pastă cimentată ( celuloză , nailon , polipropilenă etc.) și fibre cu un modul de elasticitate mai mare decât matricea de pastă de ciment ( oțel , carbon , Kevlar, etc..). [6]

În general, fibrele organice cu modul redus de elasticitate suferă o solicitare mare și, prin urmare, pot provoca, într-un beton crăpat , o deschidere considerabilă a fantei. Din acest motiv, fibrele cele mai utilizate la producerea UHPFRC sunt fibrele de oțel, care limitează deschiderea fisurilor. Spre deosebire de betoanele tradiționale armate cu fibre cu fibre de oțel, care necesită fibre mai lungi (în general între 30 și 80 mm), betoanele de înaltă performanță sunt de obicei armate cu microfibre (în general între 10 și 15 mm) din oțel. Zona de interfață dintre matrice și fibre este mult mai rezistentă decât cea a betonului tradițional armat cu fibre, datorită matricei foarte compacte, care aderă complet la fibră. [7]

Compoziţie

Pentru a obține performanța ridicată necesară betonului UHPFRC, este esențial ca toate componentele materialului să fie amestecate în proporțiile corecte. De fapt, acest lucru nu numai că implică realizarea unor parametri prestabiliți, cum ar fi raportul apă / ciment stabilit în faza de proiectare, ci influențează și comportamentul în stare proaspătă și întărită. [7]

Dozele componentelor uscate ale matricei sunt alese astfel încât să se minimizeze spațiile goale dintre particule, în timp ce dozele de apă și superplasticifiant sunt alese în funcție de rezistența care trebuie obținută (raportul apă / ciment este în unul dintre parametrii care determină rezistența mecanică a materialului) și lucrabilitatea în stare proaspătă de obținut. [7]

O particularitate a compoziției betoanelor UHPFRC este că, fiind raportul apă / ciment foarte scăzut (<0,2) și dozajul de ciment foarte mare (> 600 kg / m³), ​​cantitatea de apă din amestec poate fi mai mică a valorii stoichiometrice necesare pentru hidratarea completă a cimentului și, în consecință, o parte din ciment nu se hidratează, chiar dacă este încă strâns legată de produsele de hidratare și le îmbunătățește performanța mecanică. Prin urmare, atunci când un element din UHPFRC se fisurează și intră în contact cu apa, această cantitate de ciment poate începe să se hidrateze din nou și, din moment ce procesul de hidratare corespunde unui rafinament al porilor și al micro-structurii, putem asista la fenomenul de auto- vindecare , adică o re-vindecare a fisurilor. [8]

Doza de fibre tipice ale acestor betoanelor este în jur de 2-3% , în comparație cu volumul de beton, dar poate ajunge chiar și 6% în volum de fibre, de exemplu , în unele aplicații în cazul în care acestea nu sunt necesare armura de armare. [9]

Proprietate

Beton proaspăt

Amestecul de beton proaspăt care trebuie produs trebuie să aibă o anumită consistență. Lucrabilitatea este aleasă în funcție de condițiile de turnare și pompare și este de o importanță crucială pentru ambalarea corectă a materialului. În special, prezența fibrelor cu doze mari tipice pentru UHPFRC, precum și prezența fumurilor de silice, reduc lucrabilitatea amestecurilor, care pot fi îmbunătățite prin intervenții adecvate asupra compoziției, în special prin selectarea și dozarea adecvată a supra- aditivi plastifianți. În plus, acești aditivi permit obținerea unui comportament de autocompactare , tipic UHPFRC. Comportamentul de autocompactare este un avantaj pentru betoanele UHPFRC, deoarece acestea fac ca operația să fie inutilă de vibrații , ceea ce ar duce la o orientare preferențială a fibrelor și, în consecință, eficacitatea armăturii ar fi doar în acea direcție. Dispersia fibrelor în beton este un parametru de proiectare foarte important, care depinde și de modul în care betonul proaspăt este așezat, deci atunci când se utilizează acest material este necesar să se ia în considerare și acest aspect. [10]

Mai recent, betonele autocompactante UHPFRC cu comportament dar nu tixotrop au fost dezvoltate și aplicate în situații practice în care cererea a fost un material de etanșare proaspăt pe suprafețe cu pante semnificative (mai mare de 10 °, de exemplu, la podurile armăturii punții) . [11]

În timpul ambalării betonului, cimentul și apa sunt amestecate împreună cu celelalte componente și se realizează reacția de hidratare a cimentului , care este o reacție exotermă și produce căldură. [3] Doza mare de ciment din betoanele UHPFRC implică o căldură ridicată de hidratare, care poate cauza probleme dacă nu este luată în considerare anterior în proiectarea articolelor fabricate cu această tehnologie de beton. [5]

Beton întărit

Comportamentul la tracțiune al betoanelor UHPFRC

Rezistența la compresiune depinde de matricea de ciment și poate atinge valori foarte mari în UHPFRC, de obicei mai mare de 150 MPa, dar poate ajunge până la 250 MPa. Comportamentul de compresie nu este influențat semnificativ de prezența fibrelor, chiar dacă acestea pot duce la o ușoară creștere a rezistenței. [5]

Fibrele sunt singurele responsabile pentru comportamentul specific la tracțiunea UHPFRC, îmbunătățind comportamentul în post-cracare. Stresul constitutiv -deformare într-o tracțiune tipică a unui UHPFRC este format din trei curse. Prima secțiune corespunde fazei elastice, caracterizată printr-o valoare a modulului elastic mult mai mare decât cea a betoanelor obișnuite, care poate ajunge până la 70 GPa. Această fază nu este influențată în mod special de prezența fibrelor. A doua secțiune corespunde fazei de întărire, cu microfisurarea materialului datorită prezenței fibrelor. Odată cu atingerea limitei elastice , începe să apară micro-fisurile și tensiunea de tracțiune continuă să crească cu o pantă mai mică decât cea găsită în faza elastică. Această creștere a ductilității se datorează numărului considerabil de microfisuri care se dezvoltă uniform distribuite în material. A treia porțiune a curbei începe în punctul în care deformarea este localizată într-un singur slot și apare fenomenul de scăpare a fibrelor numit pull-out . [9]

În ceea ce privește deformările care nu depind de sarcină, chiar și betoanele UHPFRC sunt supuse, ca beton tradițional, fenomenelor de retragere . Diferența esențială care există între un beton obișnuit și un UHPFRC este că primul are probleme de contracție higrometrică (care este mai mare decât contracția autogenă ), în timp ce pentru cel de-al doilea este contracția autogenă care este critică dacă nu există suficientă întărire umedă. în timpul procesului de hidratare. [5]

Durabilitate

Parametrii corelați cu durabilitatea

Durabilitatea betonului depinde de mulți factori, iar cauzele degradării sale pot fi de natură diferită. Cele mai importante fenomene de degradare sunt asociate, printre altele, prezenței apei , care susține propagarea. [4]

Absorbția apei în betoanele UHPFRC este mult mai mică decât cea a betoanelor tradiționale, de obicei aproape de 1%. Chiar și creșterea capilară a apei în pori este mai mică decât un ordin de mărime în comparație cu cea a betonului obișnuit, indicativ pentru faptul că chiar și dimensiunea porilor unici este foarte redusă. [11]

Rezistența la apă a acestui material este un avantaj pentru durabilitatea sa, limitând intrarea substanțelor corozive și reducând astfel consecințele datorate, de exemplu, „ atacului de îngheț-dezgheț sau a tuturor” atacului sulfatic. [4]

Coroziunea armurii

Schema procesului coroziv pentru durata de viață a unei structuri din beton armat

Principala cauză a deteriorării structurilor din beton armat este coroziunea armăturii. Conform teoriei lui K. Tuutti 1982, [12] procesul de coroziune a armăturii din beton poate fi împărțit în două faze:

  • Timp de aprindere: de la începutul duratei de viață a structurii, până la momentul în care apare coroziunea. Această perioadă coincide cu pătrunderea substanțelor agresive prin acoperirea betonului betonului, în special a dioxidului de carbon , care provoacă fenomenul de carbonatare , și a clorurilor , care provoacă coroziunea la picături . În această etapă procesul coroziv nu a început încă și nu există semne vizibile de deteriorare a structurii.
  • Timp de propagare: coroziune dall'innesco până la atingerea unei stări limită predeterminate (de exemplu, crăparea sau desprinderea capacului de beton). Această fază corespunde propagării coroziunii și formării consecvente a produselor de coroziune , care au un volum mai mare decât cel al barei de armare și, prin urmare, pot stabili tensiuni locale de tracțiune care pot duce la crăparea sau detașarea betonului. [4]

Declanșator

În prima fază de amorsare, parametrul determinant este porozitatea capilară a betonului, deoarece determină permeabilitatea materialului la substanțe agresive care pot provoca coroziunea armăturilor. [4]

Microstructura densă a betoanelor UHPFRC garantează, în general, o rezistență excelentă la pătrunderea dioxidului de carbon și a clorurilor.

Intrarea de dioxid de carbon prin porii betonului determină carbonatarea fenomenului beton, care implică scăderea pH - ului soluției porilor de beton, creând condiții ideale pentru apariția coroziunii. Betoanele UHPFRC au, în ceea ce privește coroziunea indusă de carbonatare, un dublu avantaj: porozitatea redusă, care încetinește intrarea dioxidului de carbon și a excesului de ciment nehidratat în compoziția care reprezintă o „rezervă de ioni ” care garantează întreținerea de ' alcalinitate a soluției porilor de beton și încetinește scăderea pH-ului. [13]

În ceea ce privește transportul clorurilor, permeabilitatea redusă a betoanelor UHPFRC împiedică difuzia și migrarea speciilor ionice în beton. [13] Cu toate acestea, porozitatea nu este singurul parametru care influențează transportul clorurilor în beton, cum ar fi de exemplu tipul de ciment utilizat. [4]

În general, prin urmare, micro-structura compactă și, prin urmare, porozitatea redusă a UHPFRC duc la o prelungire a timpului de inițiere pentru structurile realizate cu acest beton în comparație cu cele realizate cu beton obișnuit. Cu toate acestea, prezența fisurilor pe elementul UHPFRC întărit constituie o cale de intrare preferențială pentru substanțele agresive și poate reduce timpul de aprindere (de fapt, aceste materiale sunt, de asemenea, supuse fisurării, deși există fibre care limitează deschiderea slotului lor). [13]

Propagare

Când frontul de carbonatare sau clorurile ajung la armătură, acesta depasivează și devine susceptibil la coroziune. Consecințele coroziunii sunt legate de reducerea secțiunii rezistente a barei de armare și, în cazul coroziunii de către cloruri, și de pierderea ductilității produsă de atacul localizat al gropii. Principalii parametri care descriu comportamentul la coroziune al armăturilor sunt armătura potențială și rata de coroziune . În coroziunea cauzată de carbonatare, viteza de avansare a coroziunii este determinată de disponibilitatea oxigenului și a apei la suprafața oțelului. În coroziunea cu cloruri, atunci când apare coroziunea prin picurare, se creează un mediu foarte agresiv în cadrul atacului localizat. Evoluția în timp a ratei de coroziune a armăturii este strâns legată de variațiile locale de umiditate din beton până la adâncimea armăturii și este guvernată de rezistivitatea electrică a betonului. În general, cu cât rezistivitatea electrică a betonului este mai mare, cu atât este mai mare potențialul armăturii și rata de coroziune a acesteia este mai mică (deși nu este posibilă identificarea unei corelații a validității generale între rata de coroziune și rezistivitatea electrică, deoarece variază în funcție de compoziția betonului și prezența clorurilor). [4]

Betoanele UHPFRC pot atinge valori de rezistivitate electrică foarte mari (> 1000 ohm / m măsurate în condiții de saturație a apei) chiar și cu doze destul de mari de fibre metalice (3,5% în volum). Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că fibrele contribuie la curentul de conducere: cu cât este mai mare conținutul de fibre, cu atât este mai mică rezistivitatea. Prin urmare, rezistivitatea atinge valori și mai mari pentru betoanele UHPFRC preparate cu o doză mai mică de fibre. [13] Prezența fibrelor metalice în combinație cu armăturile din oțel ar putea conduce totuși la fenomenul de cuplare galvanică între fibre și bara de armare și, în consecință, în anumite condiții, poate determina o creștere a ratei de coroziune a armăturii de armare. . În cele din urmă, de asemenea, în acest caz, prezența fisurilor poate determina o creștere a ratei de coroziune, creând o cale preferențială pentru apă și oxigen care susțin procesul de coroziune. [4]

Aplicații

Aplicații structurale

Lucrări de izolare a solului realizate în UHPFRC - Caslino D'Erba, Italia

Betonul UHPFRC este utilizat în întreaga lume în multe aplicații structurale, cum ar fi construcția de poduri portante. Printre podurile pietonale realizate cu acest beton amintește de podul Seonyu din Seoul construit în Coreea de Sud în 2002. Metroul menționat mai sus poate fi utilizat și pentru producția de poduri vehiculare , cum ar fi cel situat în Saint-Pierre-la-Cour în Franța , realizate din grinzi prefabricate din beton armat UHPFRC si dale predalles , întotdeauna UHPFRC beton. [5]

Cea mai impresionantă realizare din UHPFRC a fost realizată în Japonia : structura creată în marea golfului Tokyo pentru a permite extinderea aeroportului Haneda. Betonul UHPFRC a fost, de asemenea, utilizat în diferite aplicații de inginerie civilă, cum ar fi, de exemplu, pentru realizarea îmbinărilor de legătură între elementele prefabricate din punți. În plus, este utilizat în renovarea drumurilor și plăcilor de poduri ca strat impermeabil și armare, precum și pentru repararea barajelor sau restructurarea tunelului. [5]

În Italia , s-a efectuat o lucrare de izolare a solului în UHPFRC la Caslino d'Erba , prin amplasarea plăcilor de ancorare prefabricate pentru stabilizarea activă a pantelor. [14]

În cele din urmă, betonul UHPFRC este utilizat pe scară largă în întreaga lume pentru armarea structurilor de beton armat tradiționale existente, aplicat și ca ultim strat de protecție datorită capacităților sale de impermeabilizare. [9]

Panouri de fațadă realizate cu beton UHPFRC - Muzeul MUCEM, Marsilia, Franța

Aplicații arhitecturale

Utilizarea betonului UHPFRC a dat acces la o nouă lume a formelor și volumelor, datorită posibilităților sale aproape nelimitate de aspect și textură. Betonul UHPFRC a fost utilizat în diverse aplicații arhitecturale, cum ar fi adăposturi și baldachin. [5]

Una dintre cele mai fascinante aplicații arhitecturale ale sale este cea a fațadei panourilor Muzeului Civilizațiilor Europene și Mediteraneene (numit MUCEM) din Marsilia . Arhitectul Rudy Ricciotti a ales să realizeze panourile cortinei cu UHPFRC tocmai datorită adaptabilității materialului cofrajului de formă complexă (datorită prezenței numai a agregatelor fine, a consistenței foarte fluide în stare proaspătă și a stării de rezistență ridicată întărit). [9]

Notă

  1. ^ Mari Eide și Bøhnsdalen Jorun Marie-Hisdal, Beton armat cu fibră de înaltă performanță (UHPFRC) - Stadiul tehnicii, în raportul proiectului COIN, 2012.
  2. ^ A b c d Marotti de Francesco Sciarra și rusul Enrico, Betoanele de înaltă rezistență: proprietăți și comportament mecanic , în Proceedings of the Seminar: "Mechanical Aspects of Beton and Structural Behavior" - Senise (PZ), 17 ianuarie 2015.
  3. ^ A b c Luca Bertolini, Materiale de construcție. 1, structură, proprietăți și tehnologii de producție și 2., CittàStudi, 2010, ISBN 978-88-251-7357-4 ,OCLC 886193673 . Adus pe 23 iunie 2020 .
  4. ^ A b c d și f g h Luca Bertolini, Materiale de construcție. 2, Degradare, prevenire, diagnostic, restaurare , 2. ed, CittàStudi, 2012, ISBN 88-251-7368-7 ,OCLC 886 197 244 . Adus pe 24 iunie 2020 .
  5. ^ A b c d și f g h Enrico Russo, Calcestruzzi high performance (PDF), în Teză, 2011.
  6. ^ A b Silvia și Roberto Collepardi Troli, Principii generale ale betonului armat cu fibre, în revista Enco, n. 60, 2013.
  7. ^ a b c TET Buttignol, JLAO Sousa e TN Bittencourt, Ultra High Performance Fiber-Reinforced Beton (UHPFRC): o revizuire a proprietăților materialelor și a procedurilor de proiectare , în Revista E-Tech: Tecnologias para Competitividade Industrial - ISSN 1983-1838 , vol. 8, nr. 1, 30 iulie 2015, DOI : 10.18624 / e-tech.v8i1 . Adus la 25 iunie 2020 .
  8. ^ (EN) Liberato Ferrara, Tim Van Mullem și Maria Cruz Alonso, Caracterizarea experimentală a capacității de autovindecare a materialelor pe bază de ciment și efectele sale asupra performanței materiale: Un raport de stare de artă de COST Action SARCOS WG2 , în Construcții și Materiale de construcție, vol. 167, 10 aprilie 2018, pp. 115-142, DOI : 10.1016 / j.conbuildmat.2018.01.143 . Adus la 25 iunie 2020 .
  9. ^ A b c d Resplendino, Jacques., Proiectare și construire cu UHPFRC. , Wiley, 2013, ISBN 978-1-118-58767-6 ,OCLC 827208446 . Adus pe 24 iunie 2020 .
  10. ^ (EN) MA Baril, L. și J. Borelli Réthoré, Efectul defectelor de turnare a fluxului asupra propagării fisurilor în plăci subțiri UHPFRC prin intermediul corelării digitale a imaginii StereoVision în materiale de construcții și construcții, vol. 129, 30 decembrie 2016, pp. 182-192, DOI : 10.1016 / j.conbuildmat.2016.10.102 . Adus la 25 iunie 2020 .
  11. ^ A b White Paola Maffezzoli, Coroziunea betonului armat cu fibră de înaltă performanță, în POLITesi, 2019.
  12. ^ Kyösti Tuutti, Coroziunea oțelului în beton, în Institutul suedez de cercetare a cimentului și betonului, Stockholm, 21 octombrie 1982.
  13. ^ A b c d Elena Redaelli, Bianca Paola Maffezzoli și Dario Redaelli, aprinderea și propagarea coroziunii armăturilor în beton armat cu fibre de înaltă performanță (UHPFRC) (PDF), în Metalurgia italiană, 4 - aprilie 2020, 2020.
  14. ^ (EN) Marco di Prisco, Dozio Daniele și Andrea Galli, Evaluarea și controlul unei structuri de reținere a SFRC: probleme mecanice în Jurnalul European de Mediu și Inginerie Civilă, vol. 14, n. 10, 2010-12, pp. 1259-1296, DOI : 10.1080 / 19648189.2010.9693294 . Adus la 25 iunie 2020 .

Bibliografie

  • Luca Bertolini, Materiale de construcție. 1, structură, proprietăți și tehnologii de producție și 2., CittàStudi, 2010, ISBN 978-88-251-7357-4 , OCLC 886193673
  • Luca Bertolini, Materiale de construcție. 2, Degradare, prevenire, diagnostic, restaurare, 2. ed, CittàStudi, 2012, ISBN 88-251-7368-7 , OCLC 886 197 244
  • Jacques Resplendino, Designing and Building with UHPFRC., Wiley, 2013, ISBN 978-1-118-58767-6 , OCLC 827208446
  • Elena Redaelli, Bianca Paola Maffezzoli și Dario Redaelli, Inițierea și propagarea coroziunii armăturii în beton armat cu fibre de înaltă performanță (UHPFRC), în La metallurgia italiana n.4, aprilie 2020

Elemente conexe

Alte proiecte

Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Calcestruzzo_ad_altissime_prestazioni&oldid=115116665 ”