Спроектированный цементный композит - Engineered cementitious composite

Спроектированный цементный композит (ECC), также называемые композитами на основе цемента для деформационного отверждения (SHCC) или более популярно как гнущийся бетон, является легко формованным ступка композит на основе специально подобранных коротких случайных волокон, обычно полимер волокна.[1] В отличие от обычных конкретный, ECC имеет деформационную способность в диапазоне 3–7%,[1] по сравнению с 0,01% для обычного портландцементного (OPC) пасты, раствора или бетона. Таким образом, ECC действует больше как пластичный металл материал, а не хрупкий стекло материала (как и бетон OPC), что позволяет находить широкое применение.

Разработка

ECC, в отличие от обычных фибробетон, это семья микромеханически разработанные материалы.[2][3] Если вяжущий материал спроектирован / разработан на основе микромеханики и теории механики разрушения, чтобы иметь высокую пластичность при растяжении, его можно назвать ECC. Таким образом, ECC - это не фиксированный материальный дизайн, а широкий спектр тем, находящихся на разных этапах исследования, разработки и внедрения. Семейство материалов ECC расширяется. Разработка индивидуального дизайна смеси ECC требует особых усилий путем систематической разработки материала в нано-, микро-, макро- и композитном масштабе.

ECC похож на обычный бетон на основе портландцемента, за исключением того, что он может деформироваться (или гнуться) под действием напряжения.[1] Ряд исследовательских групп развивают науку о ВПК, в том числе в университет Мичигана, Калифорнийский университет в Ирвине, Делфтский технологический университет, то Токийский университет, то Чешский технический университет, Университет Британской Колумбии, и Стэндфордский Университет. Недостаточная прочность традиционного бетона и его разрушение при деформации, обусловленные хрупким поведением, были движущим фактором в развитии ECC.

Характеристики

ECC обладает множеством уникальных свойств, в том числе превосходными по свойствам на растяжение. композиты, армированные волокном, простота обработки на уровне обычного цемента, использование лишь небольшой объемной доли волокон (~ 2%), малой ширины трещин и отсутствия анизотропно слабых плоскостей.[4] Эти свойства во многом обусловлены взаимодействием между волокнами и цементирующей матрицей, которое может быть адаптировано индивидуально с помощью микромеханического дизайна. По сути, волокна создают множество микротрещин с очень определенной шириной, а не несколько очень больших трещин (как в обычном бетоне). Это позволяет ECC деформироваться без катастрофического разрушения.

Такое поведение микротрещин приводит к превосходному коррозия сопротивление (трещины настолько малы и многочисленны, что агрессивным средам трудно проникнуть в арматурную сталь и разрушить ее), а также к самовосстановлению.[5][6][7] В присутствии воды (например, во время ливня) непрореагировавшие частицы цемента, недавно обнаженные из-за гидрата крекинга, образуют ряд продуктов (Гидрат силиката кальция, кальцит и т. д.), которые расширяются и заполняют трещину. Эти продукты выглядят как белый «шрам», заполняющий трещину. Такое самовосстановление не только закрывает трещину, предотвращая транспортировку жидкостей, но и восстанавливает механические свойства. Это самовосстановление наблюдалось в различных обычных цементах и ​​бетонах; однако при превышении определенной ширины трещины самовосстановление становится менее эффективным. Именно строго контролируемая ширина трещин, наблюдаемая в ECC, обеспечивает полное заживление всех трещин при воздействии окружающей среды.

В сочетании с более проводящим материалом все цементные материалы могут быть увеличены и использоваться для обнаружения повреждений. По сути, это основано на том факте, что проводимость будет меняться по мере возникновения повреждений; добавление проводящего материала предназначено для повышения проводимости до уровня, при котором такие изменения будут легко идентифицированы. Хотя это и не является материальным свойством самой ECC, полупроводниковая ECC для обнаружения повреждений [8][9] разрабатываются.

Типы

Существует ряд различных разновидностей ECC, в том числе:

  • Легкие (то есть с низкой плотностью) ECC были разработаны за счет добавления воздушных пустот, стеклянных пузырьков, полимерных сфер и / или легкого заполнителя. По сравнению с другими легкими бетоном, легкий ECC имеет более высокую пластичность. Применения включают плавучие дома, баржи и каноэ.
  • «Самоуплотняющийся бетон» относится к конкретный которые могут течь под собственным весом. Например, самоуплотняющийся материал сможет заполнить форму, содержащую тщательно продуманную предварительно уложенную стальную арматуру, без необходимости вибрации или встряхивания для обеспечения равномерного распределения. Самоуплотняющийся ECC был разработан с использованием химических примеси для снижения вязкости и контроля взаимодействия частиц с помощью дозирования смеси.
  • Распыляемые ECC, которые можно распылять пневматически из шланга, были разработаны с использованием различных суперпластификаторов и добавок, снижающих вязкость. По сравнению с другими распыляемыми композиты, армированные волокном Распыляемая ECC имеет улучшенную прокачиваемость в дополнение к своим уникальным механическим свойствам. Распыляемая система ECC использовалась для модернизации / ремонта и облицовки туннелей / канализаций.
  • Экструдируемые трубы ECC для использования при экструзии труб были впервые разработаны в 1998 году. Экструдированные трубы ECC имеют более высокую нагрузочную способность и более высокую деформируемость, чем любые другие экструдированные композитные трубы, армированные волокном.

Полевые приложения

ECC нашли применение в ряде крупномасштабных приложений в Японии, Корее, Швейцарии, Австралии и США [3]. К ним относятся:

  • Плотина Митака рядом Хиросима был отремонтирован с помощью ECC в 2003 году.[10] Поверхность плотины, которой тогда было 60 лет, была серьезно повреждена, на ней видны трещины, сколы и некоторая утечка воды. Слой ECC толщиной 20 мм был нанесен распылением на 600 м2 поверхность.
  • Также в 2003 году земляная подпорная стена в Гифу, Япония, была отремонтирована с использованием ECC.[11] Обычный портландцемент не мог быть использован из-за серьезности трещин в исходной структуре, которые могли бы вызвать отражающее растрескивание. ECC был предназначен для минимизации этой опасности; через год наблюдались только микротрещины допустимой ширины.
  • Высотный жилой дом Glorio Roppongi площадью 95 м (312 футов) в Токио содержит в общей сложности 54 соединительных балки ECC (по две на этаж), предназначенных для смягчения последствий землетрясения.[12] Свойства ECC (высокая устойчивость к повреждениям, высокое поглощение энергии и способность деформироваться при сдвиге) придают ему превосходные свойства в области сейсмостойкости по сравнению с обычными. портландцемент. Аналогичные сооружения включают 41-этажную башню Nabeaure Yokohama Tower (четыре соединительных балки на этаж).
  • Мост Михара длиной 1 км (0,62 мили) в Хоккайдо, Япония была открыта для движения в 2005 году.[13] Дорожное полотно, армированное сталью, содержит около 800 м3 материала ECC. Пластичность при растяжении и способность ECC контролировать плотное растрескивание привели к сокращению количества материала, используемого при строительстве, на 40%.
  • Аналогичным образом, настил моста ECC толщиной 225 мм на шоссе 94 в Мичиган был завершен в 2005 году.[14][15] 30 м3 материала было использовано, доставлено на место в стандартных автобетоносмесителях. Благодаря уникальным механическим свойствам ECC, в этой колоде использовалось меньше материала, чем в предлагаемой колоде из обычного портландцемента. Оба университет Мичигана и Департамент транспорта штата Мичиган наблюдают за мостом в попытке проверить теоретическую надежность ECC; после четырех лет наблюдения производительность не снизилась.
  • Первый самоуплотняющийся и высокопрочный заплаточный ремонт ECC был проведен на мосту Ellsworth Road через US-23 в ноябре 2006 года.[16][17] ECC с высокой ранней прочностью может достичь прочности на сжатие 23,59 ± 1,40 МПа (3422,16 ± 203,33 фунта на квадратный дюйм) за четыре часа и 55,59 ± 2,17 МПа (8062,90 ± 315,03 фунта на квадратный дюйм) за 28 дней, что позволяет быстро отремонтировать и повторно открыть сессия к трафику. Ремонт ECC с высокой ранней прочностью показал превосходную долговечность в полевых условиях по сравнению с типичными ремонтными материалами для бетона.

Сравнение с другими композитными материалами

ХарактеристикиFRCОбщий HPFRCCECC
Методология проектированияN.A.Используйте высокий VfНа основе микромеханики, минимизация Vf для снижения стоимости и технологичности
ВолокноЛюбой тип, Vf обычно менее 2%; df для стали ~ 500 мкмВ основном сталь, Vf обычно> 5%; df ~ 150 мкмСпециальные полимерные волокна, Vf обычно менее 2%; df <50 микрометров
МатрицаКрупные заполнителиМелкие заполнителиКонтролируется прочность матрицы, размер дефекта; хороший песок
ИнтерфейсНе контролируетсяНе контролируетсяХимические и фрикционные связи контролируются для обеспечения свойств перемычки
Механические свойстваДеформационное смягчение:Деформационное упрочнение:Деформационное упрочнение:
Деформация растяжения0.1%<1.5%> 3% (типичное); 8% макс.
Ширина трещиныБезлимитныйОбычно несколько сотен микрометров, не ограничивается деформацией более 1,5%Обычно <100 микрометров при деформационном упрочнении[1]

Примечание: FRC = цемент, армированный волокном. HPFRCC = высокоэффективные цементные композиты, армированные волокном

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d «Краткое введение в технологическую сеть ECC и ECC». www.engineeredcomposites.com/. Архивировано из оригинал на 2007-12-13. Получено 2007-11-03.
  2. ^ V.C. Ли: От механики до строительства - проектирование вяжущих композитов для гражданского строительства. Структурная инженерия / Землетрясение (1993) 10: 37s-48s
  3. ^ Ли, М., и Ли, В. К., «Реология, дисперсия волокон и надежные свойства инженерных цементных композитов», «Материалы и конструкции», 46 (3): 405-420, 2012.
  4. ^ М.Д. Лепеч, В.К. Ли: «Крупномасштабная переработка инженерного цементного композитного материала». Журнал материалов ACI (2008) 105: 358-366.
  5. ^ Минард, Энн (05.05.2009). «Гибкий бетон самовосстанавливается - просто добавьте воды». National Geographic News. Национальная география. Получено 2009-05-06.
  6. ^ Ли, М., и Ли, В. К., "Растрескивание и заживление инженерных цементных композитов в хлоридной среде", журнал ACI Materials, Vol. 108, № 3, май – июнь 2011 г., стр. 333–340.
  7. ^ Сахмаран М., Ли М. и Ли В. С. «Транспортные свойства инженерных цементных композитов при воздействии хлоридов», журнал ACI Materials, Vol. 104, № 6, ноябрь 2007 г., стр. 604-611.
  8. ^ Ли, М., Лин, В., Линч, Дж., И Ли, В.К., «Многофункциональные цементные композиты на основе технического углерода для защиты критической инфраструктуры», Труды 6-й Международной конференции RILEM по высокоэффективным цементным композитам, армированным волокном, Энн Арбор, Мичиган, 20–22 июня 2011 г.
  9. ^ Лин, В., Ли, М., Линч, Дж., И Ли, В.К., «Механические и электрические характеристики самочувствительного ECC технического углерода», Интеллектуальные структуры и материалы SPIE, неразрушающая оценка и мониторинг состояния здоровья, Сан-Диего, Калифорния, 6–11 марта 2011 г.
  10. ^ ECC Technology Network - плотина Митака доступ 11.11.09
  11. ^ V.C. Ли, Дж. Фишер и М.Д. Лепеч: Торкретирование с ECC, Spritzbeton Tagung (2009)
  12. ^ Гибкий бетон сводит к минимуму проблемы с растрескиванием и разрушением, Бюллетень MRS (2006) 31: стр. 862
  13. ^ Technology Network - Mihara Bridge », доступ 28.10.09.
  14. ^ М.Д. Лепеч, В.К. Ли: Применение ECC для плит звеньев мостового настила, Материалы и конструкции (2009) 42: 1185–1195
  15. ^ Ли, В.К., Лепеч, М., и Ли, М., «Полевая демонстрация прочных соединительных плит для бесшовных мостовых настилов на основе деформационно-твердеющих цементных композитов», Отчет RC-1471 Департамента транспорта штата Мичиган об исследованиях, декабрь 2005 г., 265 страниц .
  16. ^ Ли В. К., Ли М. и Лепеч М., «Высококачественный материал для быстрого и долговечного ремонта мостов и конструкций», Отчет RC-1484 Министерства транспорта штата Мичиган об исследованиях, декабрь 2006 г., 142 страницы.
  17. ^ Ли М. Многоуровневый дизайн для длительного ремонта бетонных конструкций, канд. Диссертация, Мичиганский университет, 2009.

внешняя ссылка