Vytvořený cementový kompozit - Engineered cementitious composite

Vyvinutý cementový kompozit (ECC), nazývané také Strain Hardening Cement-based Composites (SHCC) nebo populárněji jako ohýbatelný beton, je snadno tvarovatelný minomet - kompozit na bázi vyztužený speciálně vybranými krátkými náhodnými vlákny, obvykle polymer vlákna.[1] Na rozdíl od běžných beton, ECC má kapacitu přetvoření v rozmezí 3–7%,[1] ve srovnání s 0,01% u běžné pasty, malty nebo betonu z portlandského cementu (OPC). ECC proto působí spíše jako tažnost kov materiál spíše než křehký sklenka materiál (stejně jako OPC beton), což vede k široké škále aplikací.

Rozvoj

ECC, na rozdíl od běžných vláknobeton, je rodina mikromechanicky navržené materiály.[2][3] Pokud je cementový materiál navržen / vyvinut na základě teorie mikromechaniky a lomové mechaniky tak, aby vykazoval velkou tažnost v tahu, lze jej nazvat ECC. Proto ECC není pevným materiálovým designem, ale širokou škálou témat v různých fázích výzkumu, vývoje a implementací. Rodina materiálů ECC se rozšiřuje. Vývoj designu individuální směsi ECC vyžaduje zvláštní úsilí systematickým inženýrstvím materiálu v nano-, mikro-, makro- a kompozitních měřítcích.

ECC vypadá podobně jako běžný beton na bázi portlandského cementu, až na to, že se může při namáhání deformovat (nebo ohýbat).[1] Řada výzkumných skupin vyvíjí vědu o ECC, včetně těch na Michiganská univerzita, University of California, Irvine, Technologická univerzita v Delftu, Tokijská univerzita, České vysoké učení technické, University of British Columbia, a Stanfordská Univerzita. Nedostatečná trvanlivost a selhání tradičního betonu při přetěžování, které vycházely z křehkého chování, byly tlačným faktorem ve vývoji ECC.

Vlastnosti

ECC má řadu jedinečných vlastností, včetně tahových vlastností, které jsou lepší než jiné vlákny vyztužené kompozity, snadné zpracování srovnatelné s běžným cementem, použití pouze malého objemového podílu vláken (~ 2%), úzká šířka trhlin a nedostatek anizotropně slabých rovin.[4] Tyto vlastnosti jsou do značné míry způsobeny interakcí mezi vlákny a cementovací matricí, kterou lze přizpůsobit pomocí mikromechanické konstrukce. Vlákna v podstatě vytvářejí mnoho mikrotrhlin s velmi specifickou šířkou, spíše než několik velmi velkých trhlin (jako v konvenčním betonu). To umožňuje ECC deformovat bez katastrofického selhání.

Toto chování při mikropraskání vede k lepšímu koroze odolnost (praskliny jsou tak malé a četné, že agresivním médiím je obtížné proniknout a zaútočit na výztužnou ocel) a také samoléčení.[5][6][7] V přítomnosti vody (například během bouřky) nezreagované částice cementu, které byly nedávno vystaveny praskání, hydratují a tvoří řadu produktů (Hydrát křemičitanu vápenatého, kalcit atd.), které se rozšiřují a vyplňují trhlinu. Tyto výrobky vypadají jako bílý materiál „jizvy“ vyplňující trhlinu. Toto samoléčivé chování nejen utěsňuje trhlinu, aby se zabránilo transportu tekutin, ale mechanické vlastnosti jsou znovu získány. Toto samoléčení bylo pozorováno u řady konvenčních cementů a betonů; nad určitou šířkou praskliny se však samoléčení stává méně efektivním. Jsou to přesně kontrolované šířky trhlin viditelné v ECC, které zajišťují důkladné zahojení všech trhlin při vystavení přirozenému prostředí.

V kombinaci s vodivějším materiálem se mohou všechny cementové materiály zvětšit a mohou být použity pro detekci poškození. To je v zásadě založeno na skutečnosti, že se vodivost bude měnit s poškozením; přidání vodivého materiálu má zvýšit vodivost na úroveň, kde takové změny budou snadno identifikovatelné. I když to není materiální vlastnost samotného ECC, polovodivé ECC pro snímání poškození [8][9] jsou vyvíjeny.

Typy

Existuje celá řada různých odrůd ECC, včetně:

  • Lehké (tj. Nízké hustoty) ECC byly vyvinuty přidáním vzduchových dutin, skleněných bublin, polymerních kuliček a / nebo lehkého kameniva. Ve srovnání s jinými lehkými betony má lehký ECC vynikající tažnost. Aplikace zahrnují plovoucí domy, čluny a kánoe.
  • Pojem „samozhutnitelný beton“ označuje a beton který může proudit pod svou vlastní hmotností. Například samozhutnitelný materiál by byl schopen vyplnit formu obsahující komplikovanou předem umístěnou ocelovou výztuž bez nutnosti vibrací nebo třepání, aby se zajistilo rovnoměrné rozložení. Samozhutnitelné ECC bylo vyvinuto pomocí chemikálií příměsi snížit viskozitu a řízením interakcí částic s poměrem dávkování.
  • Stříkací ECC, které lze pneumaticky stříkat z hadice, byly vyvinuty pomocí různých superplastifikačních látek a přísad snižujících viskozitu. Ve srovnání s jinými stříkatelnými vlákny vyztužené kompozity, stříkatelný ECC má kromě svých jedinečných mechanických vlastností zvýšenou čerpatelnost. Pro dovybavení / opravy a obložení tunelů / kanalizací bylo použito stříkatelné ECC.
  • Extrudovatelné ECC pro použití při vytlačování trubek bylo poprvé vyvinuto v roce 1998. Extrudované ECC trubky mají jak vyšší nosnost, tak vyšší deformovatelnost než jakékoli jiné extrudované vlákny vyztužené kompozitní trubky.

Polní aplikace

ECC našlo použití v řadě rozsáhlých aplikací v Japonsku, Koreji, Švýcarsku, Austrálii a USA [3]. Tyto zahrnují:

  • Přehrada Mitaka poblíž Hirošima byl opraven pomocí ECC v roce 2003.[10] Povrch tehdy 60leté přehrady byl vážně poškozen, což svědčí o prasklinách, odlupování a úniku vody. Na 600 m byla nastříkána vrstva ECC o tloušťce 20 mm2 povrch.
  • Také v roce 2003 byla pomocí ECC opravena zemní zeď v Gifu v Japonsku.[11] Obyčejný portlandský cement nelze použít kvůli závažnosti praskání v původní konstrukci, která by způsobila reflexní praskání. Cílem ECC bylo minimalizovat toto nebezpečí; po jednom roce byly pozorovány pouze mikrotrhliny tolerovatelné šířky.
  • 95 m (312 ft.) Výškový bytový dům Glorio Roppongi v Tokio obsahuje celkem 54 spojovacích paprsků ECC (dva na příběh) určených ke zmírnění škod způsobených zemětřesením.[12] Vlastnosti ECC (vysoká tolerance poškození, vysoká absorpce energie a schopnost deformace ve smyku) mu dávají vynikající vlastnosti v aplikacích seismické odolnosti ve srovnání s běžnými portlandský cement. Podobné struktury zahrnují 41patrovou věž Nabeaure Yokohama Tower (čtyři spojovací paprsky na patro).
  • 1 km (0,62 mil) dlouhý most Mihara v Hokkaido, Japonsko bylo uvedeno do provozu v roce 2005.[13] Ocelové vyztužené silniční lůžko obsahuje téměř 800 m3 materiálu ECC. Tažnost v tahu a těsné chování při trhlinách ECC vedlo k 40% snížení materiálu použitého při stavbě.
  • Podobně můstek ECC o tloušťce 225 mm na dálnici 94 palců Michigan byla dokončena v roce 2005.[14][15] 30 m3 bylo použito materiálu dodaného na místo ve standardních míchacích vozících. Vzhledem k jedinečným mechanickým vlastnostem ECC použila tato paluba také méně materiálu než navrhovaná paluba vyrobená z obyčejného portlandského cementu. Oba Michiganská univerzita a Michiganské ministerstvo dopravy monitorují most ve snaze ověřit teoretickou vynikající trvanlivost ECC; po čtyřech letech monitorování zůstal výkon nezmenšen.
  • První samokonsolidující a velmi rychlá oprava záplaty ECC byla umístěna na Ellsworth Road Bridge přes USA-23 v listopadu 2006.[16][17] ECC s vysokou pevností může dosáhnout pevnosti v tlaku 23,59 ± 1,40 MPa (3422,16 ± 203,33 psi) za čtyři hodiny a 55,59 ± 2,17 MPa (8062,90 ± 315,03 psi) za 28 dní, což umožňuje rychlou opravu a opětovné otevření relace k provozu. Oprava ECC s vysokou pevností prokázala vynikající dlouhodobou odolnost v polních podmínkách ve srovnání s typickými materiály pro opravu betonu.

Srovnání s jinými kompozitními materiály

VlastnostiFRCSpolečný HPFRCCECC
Metodika návrhuN.A.Použijte vysoké VfNa základě mikromechaniky minimalizujte Vf z hlediska nákladů a zpracovatelnosti
VláknoJakýkoli typ, Vf obvykle menší než 2%; df pro ocel ~ 500 mikrometrůVětšinou ocel, Vf obvykle> 5%; df ~ 150 mikrometrůPolymerová vlákna na míru, Vf obvykle nižší než 2%; df <50 mikrometrů
MaticeHrubé agregátyJemné agregátyŘízeno pro houževnatost matice, velikost vady; jemný písek
RozhraníNekontrolovánoNekontrolovánoChemické a třecí vazby řízené pro překlenovací vlastnosti
Mechanické vlastnostiZměkčení kmene:Zpevnění kmene:Zpevnění kmene:
Napětí v tahu0.1%<1.5%> 3% (obvykle); 8% max
Šířka trhlinNeomezenýTypicky několik set mikrometrů, neomezeno na 1,5% napětíTypicky <100 mikrometrů během kalení[1]

Poznámka: FRC = vlákny vyztužený cement. HPFRCC = vysoce výkonné vlákny vyztužené cementové kompozity

Viz také

Reference

  1. ^ A b C d „Krátký úvod do ECC a technologické sítě ECC“. www.engineeredcomposites.com/. Archivovány od originál dne 13.12.2007. Citováno 2007-11-03.
  2. ^ V.C. Li: Od mechaniky po konstrukci - Návrh cementových kompozitů pro aplikace ve stavebnictví Strukturální inženýrství / Zemětřesení Engineering (1993) 10: 37s-48s
  3. ^ Li, M. a Li, V. C., „Rheology, Fiber Dispersion, and Robust Properties of Engineered Cementitious Composites,“ Materials and Structures, 46 (3): 405-420, 2012.
  4. ^ M. D. Lepech a V.C. Li: „Zpracování cementového cementu ve velkém měřítku.“ ACI Materials Journal (2008) 105: 358-366.
  5. ^ Minard, Anne (05.05.2009). „Ohebný beton se sám uzdraví - stačí přidat vodu“. Zprávy z National Geographic. národní geografie. Citováno 2009-05-06.
  6. ^ Li, M. a Li, V. C., „Cracking and Healing of Engineered Cementitious Composites under Chloride Environment,“ ACI Materials Journal, Vol. 108, č. 3, květen – červen 2011, s. 333–340.
  7. ^ Sahmaran, M., Li, M. a Li, V. C., „Transport Properties of Engineered Cementitious Composites Under Chloride Exposure“, ACI Materials Journal, Vol. 104, č. 6, listopad 2007, s. 604-611.
  8. ^ Li, M., Lin, V., Lynch, J. a Li, VC, „Multifunkční uhlíkové černěné cementové kompozity pro ochranu kritické infrastruktury“, Sborník ze 6. mezinárodní konference RILEM o vysoce výkonných cementových kompozitech vyztužených vlákny, Ann Arbor, MI, 20. – 22. Června 2011.
  9. ^ Lin, V., Li, M., Lynch, J. a Li., VC, „Mechanical and Electrical Characterization of Self-Sensing Carbon Black ECC,“ SPIE Smart Structures and Materials, Nedestruktivní hodnocení a monitorování zdraví, San Diego, CA, 6. – 11. Března 2011.
  10. ^ Technologická síť ECC - přehrada Mitaka přístup 11/11/09
  11. ^ V.C. Li, G. Fischer a M.D Lepech: Shotcreting s ECCSpritzbeton Tagung (2009)
  12. ^ Ohýbatelný beton minimalizuje problémy s trhlinami a lomy, Bulletin MRS (2006) 31: str. 862
  13. ^ Technology Network - Mihara Bridge ”zpřístupněno 28.10.09
  14. ^ M. D. Lepech a V.C. Li: Použití ECC pro spojovací desky mostovky, Materials and Structures (2009) 42: 1185–1195
  15. ^ Li, VC, Lepech, M. a Li, M., „Field Demonstration of Durable Link Desbs for Jointless Bridge Decks Based on Strain-Hardening Cementitious Composites,“ Michigan Department of Transportation Research Report RC-1471, December 2005, 265 pages .
  16. ^ Li, V. C., Li, M. a Lepech, M., „High Performance Material for Rapid Durable Repair of Bridge and Structures,“ Michigan Department of Transportation Research Report RC-1484, prosinec 2006, 142 stran.
  17. ^ Li, M., Víceúrovňový design pro trvanlivé opravy betonových konstrukcí, Ph.D. Dizertační práce, University of Michigan, 2009.

externí odkazy