1. Traditionele productie
Modern beton begint met zand en grind van verschillende groottes, die in aanwezigheid van water worden gemengd met het geweldige bindmateriaal Portland cement, dat alle aggregaten samenbindt tot een steenachtig materiaal. Portlandcement werd in 1824 uitgevonden door Joseph Asputin; het wordt gemaakt door de mineralen kalksteen en klei te verhitten en te malen en een kleine hoeveelheid gips toe te voegen. Later werd het in de jaren 1840 voorgesteld door zijn zoon William Asputin. Gewoon beton, gemaakt van Portland-cement en toeslagstoffen, wordt algemeen beschouwd als de eerste generatie beton.
Dit type beton gaat echter gepaard met een gebrek aan treksterkte en ductiliteit, wat resulteert in het falen van balken- en plaatconstructies. Dit leidde dan ook tot de opkomst van beton van de tweede generatie, waarbij staalwapening als de oplossing voor deze problemen werd beschouwd. Joseph Monier en Francois Coignet waren de eerste pioniers op het gebied van betonversterking in de tweede helft van de 19e eeuw. Ze verleenden veel patenten om verschillende soorten constructies te versterken. Vanaf dat moment was de combinatie van staal en beton het belangrijkste bouwmateriaal gedurende de 19e en 20e eeuw. Toename van de druksterkte van beton in de 20e eeuw. De druksterkten in de eerste helft van deze eeuw varieerden van 20 tot 40 MPa.
Na het midden-20e eeuw ontstond er een uitdaging om de kracht te vergroten om de grotere ladingen van meer geavanceerde constructies te kunnen dragen. Gedurende deze decennia overschreed de druksterkte 40 MPa. Dit wordt bereikt door een zorgvuldige selectie van toeslagstoffen, omdat zwakke toeslagstoffen mogelijk niet sterk genoeg zijn om zware lasten te dragen, en door de verhouding tussen water en bindmiddel te verminderen. Deze verhouding is omgekeerd evenredig met de druksterkte. De uitvinding van waterreducerende hulpstoffen vermindert het watergehalte, waardoor ingenieurs de sterkte kunnen vergroten zonder de verwerkbaarheid te beïnvloeden.
2. Nieuwe generatie modern beton
(1) Principes en definities
Ondanks eerdere verbeteringen is er nog steeds behoefte aan:
(a) Beton met hogere sterkte;
(b) Voorkomen dat chloride-ionen en andere schadelijke stoffen in de betonoplossing binnendringen, wat kan leiden tot corrosie van ijzeren staven en een slechte duurzaamheid van het beton;
(c) Alternatieve materialen die portlandcement kunnen vervangen om de uitstoot van koolmonoxide 2 in de atmosfeer tijdens de cementproductie te verminderen.
Daarom is Ultra High Performance Concrete, oftewel UHPC, ontwikkeld als een nieuwe betontechnologie die aan de gestelde normen kan voldoen. Het is ontwikkeld vanuit het inzicht dat het verlagen van de water-cementverhouding alleen niet voldoende is om de vereiste prestaties te bereiken. Bovendien zijn geoptimaliseerde vulstoffen vereist voor fijne en ultrafijne deeltjes; zowel de grootteverdeling als de vorm en textuurkwaliteit van deze deeltjes moeten zorgvuldig worden gecontroleerd.
Verschillen in vulsystemen tussen UHPC en traditioneel beton. De dichtheid van de UHPC-matrix is nog verder verbeterd. Dit vereist de eliminatie van grove aggregaten en de verdeling van ultrafijne deeltjes op microstructureel niveau om de holtes tussen grotere deeltjes op te vullen. Verbeteringen in UHPC-vulsystemen zullen zeker de sterkte van UHPC-beton vergroten, waardoor de duurzaamheid en de algehele prestaties worden verbeterd.
In feite is UHPC een nieuwe vorm van beton, een nieuw samengesteld bouwmateriaal. De hoge druksterkte en ductiliteit worden bereikt door het optimaliseren van de verpakking van fijne en ultrafijne deeltjes en de toevoeging van staalvezels. In het bijzonder zal deze optimalisatie alle deeltjes op microscopische schaal uniform verdelen om de ruimte omgeven door grotere deeltjes op te vullen. Zo wordt een dichte matrix met lage permeabiliteit bereikt, waardoor beton uitstekende eigenschappen krijgt.
UHPC heeft verschillende definities. Sommige onderzoekers definiëren de term in termen van de belangrijkste componenten. Farzad et al. definieer UHPC als een materiaal op cementbasis met een verbeterde deeltjescomponentverdeling, een water-tot-cementachtig materiaalverhouding van minder dan 0.2, en een aanzienlijk deel van de interne vezelvorming. Mishra & Singh definieerde UHPC als een speciaal type beton dat bestaat uit zeer fijnkorrelige reactieve hulpstoffen (dwz silicadamp en fijn kwarts), vezels en superweekmakers, terwijl het een hoger bindmiddelgehalte en een lage water-tot-bindmiddelverhouding heeft. Aimee & Shafiq definiëren de term als een vezelversterkt, ultrawaterreducerend silicadamp-cementmengsel met een zeer lage water-cementverhouding (W/C), gekenmerkt door de aanwezigheid van zeer fijn kwartszand met een diameter van 0,15 tot 0,60 mm, terwijl het geen gewoon aggregaat is. Ahmad et al. (2{{20}}16) definieerde UHPC als het gebruik van hoge gehalten aan cement, silicadamp (0.1-1 um) en superweekmaker samen met zeer fijn kwartszand (0.{{21 }}.60 mm), kwartspoeder (minder dan 10 um), en een mengsel geproduceerd zonder grove aggregaatvezels. Nematollahi et al. UHPC definiëren als een composiet op cementbasis dat bestaat uit fijne materialen met geoptimaliseerde sorteercurven, zeer sterke, discrete microstaalvezels en een zeer lage water-cementverhouding van minder dan 0,25. Andere onderzoekers definiëren UHPC op basis van zijn superieure mechanische en duurzaamheidseigenschappen. Aroraa et al. UHPC definiëren als een materiaal met microstructuur op meerdere schaalniveaus, ontworpen voor zeer hoge druksterkte, hoge buig- en treksterkte en hoge ductiliteit. Li, J. et al. definieer de term als een innovatief composietmateriaal dat een potentiële kandidaat kan zijn voor betonconstructies die worden blootgesteld aan corrosieve omgevingen.
Op basis van de bovenstaande definitie kunnen we een definitie voorstellen die de belangrijkste componenten en superieure eigenschappen van UHPC combineert met de basistechnologie achter de UHPC-productie. UHPC is daarom een nieuwe generatie bouwmaterialen op cementbasis met een zeer hoge druksterkte, hoge taaiheid en duurzaamheid, gebaseerd op: micro-optimalisatie van fijne en ultrafijne toeslagstoffen (kiezeldamp en zand), de toevoeging van waterreductiemiddelen gebruikt om de water-cementverhouding te verminderen, en voor versterking worden staalvezels met hoge sterkte gebruikt.
(2) Componenten met ultrahoog contrast
Zeer sterk, taai en duurzaam UHPC-beton bestaat uit fijnkorrelig zand, silicadamp, water, waterreducerende hulpstoffen en staalvezels.
① Fijn aggregaat
Fijn aggregaat is een belangrijk componentmateriaal voor de sterkte en verwerkbaarheid van UHPC. Het handhaaft de stabiliteit van het beton vanwege het vermogen om grotere belastingen te dragen. Vanwege zijn inertie is het ook bestand tegen verwering. De deeltjesgrootte is de grootste onder UHPC-matrices, variërend van 150 μm tot 600 μm. Het kan kwartszand, kwartszand of natuurlijk zand zijn.
Kiezelzand is duur voor UHPC. Kwartszand daarentegen is beschikbaar, maar het kost tijd om het uit grof aggregaat of natuurlijk gesteente te vermalen. Natuurlijk zand kan daarentegen eenvoudig en effectief worden gebruikt als fijn toeslagmateriaal voor UHPC. De oostelijke provincie van Saoedi-Arabië heeft bijvoorbeeld fijn duinzand.
② Portlandcement
Gewoon Portland-cement is het primaire bindmateriaal en wanneer het wordt gemengd met water, hydrateert het en wordt het een vaste stof die alle toeslagstoffen in UHPC-beton bindt. Het wordt voornamelijk geproduceerd uit twee basisgrondstoffen; kalksteen en klei. Na het breken en malen worden deze materialen in een oven verwarmd om cementklinker te produceren, die verder wordt gemalen om kleine hoeveelheden gips tot een fijn poeder te vermalen. Het is ongeveer twee keer (600-1000 kg/m) het gehalte dat wordt gebruikt in gewoon beton, met een gemiddelde diameter van 15 μm. Daarom wordt het beschouwd als de op een na grootste deeltjesgrootte onder UHPC-matrices. Vanwege het kleine aandeel water zal het ongehydrateerde deel van het cement samen met andere toeslagstoffen worden gebruikt voor verpakkingsoptimalisatie.
③ Siliciumpoeder
Silicadamp of microsilica is een afvalbijproduct van ovendampen die siliciummetaal en ferrosiliciumlegeringen produceren. De gemiddelde diameter van de ronde deeltjes silicapoeder is 0.15 μm, en de meeste deeltjes zijn kleiner dan 1 μm. Daarom zijn het de kleinste deeltjes in de UHPC-matrix, 100 keer kleiner dan cementdeeltjes. Dit is de reden waarom het wordt beschouwd als een uitstekend vulmiddel voor het opvullen van de holtes tussen grotere deeltjes in UHPC-matrices. Het gebruik van dit ultrafijne materiaal creëert een dichte matrix die de mechanische en duurzaamheidseigenschappen van beton verbetert.
Silicadamp kan worden gebruikt in UHPC-mengsels in een bereik van 150–250 kg/m3 (10-30% van de cementmassa). Verband tussen druksterkte en silicadampgehalte in UHPC-beton. Beton met een sterkte tot 81 MPa kan worden verkregen zonder silicadamp. Door het verhogen van het silicadampgehalte neemt de druksterkte echter snel toe. Een van de belangrijkste nadelen van dit materiaal is dat het vanwege de extreem fijne deeltjes meer water nodig heeft, maar met een superweekmaker kan hetzelfde watergehalte worden gehandhaafd.
④ water
Water is een belangrijk materiaal voor de productie van UHPC. Drinkwater is geschikt en wordt meestal gebruikt voor gewoon beton. De hoeveelheid water moet voldoende zijn om het hydratatieproces te voltooien en de bruikbaarheid te behouden. De minimale water-cementverhouding (w/c) voor gewoon beton is ongeveer 0.4–0.5, inclusief verwerkbaarheid met water. De hoeveelheid water is omgekeerd evenredig met de druksterkte, dwz als het water toeneemt, neemt de sterkte af. Overtollig water dat niet voor hydratatie wordt gebruikt, creëert holtes in het betonmengsel, waardoor de doorlaatbaarheid toeneemt en de sterkte van het beton afneemt.
Bij de UHPC-technologie helpt het gebruik van hoogwaardige waterreducerende hulpstoffen de verwerkbaarheid zonder overtollig water te behouden. Daarom zal de w/c-ratio dalen naar het optimale niveau in het bereik van 0.14–0.22. Dit resulteert in een toename van de druksterkte en verbetert alle andere eigenschappen van beton.
⑤ Waterreductiemiddel met groot bereik
Omdat de verwerkbaarheid van betonmengsels wordt verminderd wanneer ze worden gemengd met een laag vochtgehalte, moeten tijdens het mengproces waterreducerende middelen of hoogefficiënte waterreducerende middelen, zoals polycarboxylaten, aan UHPC-beton worden toegevoegd om de verwerkbaarheid ervan te verbeteren. Wat de invloed van de chemische samenstelling betreft, zou deze binnen het bereik van 0.5-2.0% moeten liggen, zoals Courtial, etc. Echter, zoals onthuld door veel onderzoekers, is de optimale inhoud is 1.5-2.4.
⑥ Staalvezel
Beton zonder wapening is gevoelig voor breuken omdat het bros van aard is en scheuren niet kunnen worden gestopt. Daarom worden staalvezels gebruikt om de UHPC-matrix te versterken om een betere weerstand tegen scheurvorming te bieden, evenals een betere treksterkte en breukweerstand. Staalvezels worden gekenmerkt door hun vorm, lengte, diameter, volume, oriëntatie en sterkte.
