Progrese în tehnologia betonului

Progrese în tehnologia betonului

Azi, betonul este în mod clar materialul ales pentru construcția unui număr mare și o varietate uriașă de structuri în întreaga lume. Acest lucru este atribuit în principal costurilor reduse ale materialelor și construcției pentru structuri din beton, precum și costului redus de întreținere. Prin urmare, nu este surprinzător faptul că multe progrese în tehnologia betonului au avut loc ca urmare a două forțe motrice, și anume, viteza de construcție și durabilitatea betonului. O succintă trecere în revistă a progreselor înregistrate în domeniul betoanelor ne oferă Dr. Khumar Mehta, cercetător al Institutului de Construcții din Portland, în studiul cu titlul ”Advancements in Concrete Technology”.

Betoane superplasticizate

În perioada 1940-1970, disponibilitatea cimenturilor cu rezistență timpurie ridicată, a permis utilizarea unui conținut ridicat de apă în amestecuri de beton, ușor de manevrat. Totuși, această abordare a dus la probleme serioase privind durabilitatea structurilor, în special a celor supuse unor expuneri severe la mediu. Printre progresele recente, cea mai demnă de remarcat este dezvoltarea de amestecuri de beton superplasticizate, care dau o fluiditate foarte mare la un conținut relativ scăzut de apă.

Betonul întărit datorită porozității sale scăzute, se caracterizează, în general, prin rezistență ridicată și durabilitate ridicată. Cimenturile fără defecte macro și ceramica lipită chimic, sunt exemple de abordări tehnologice alternative pentru a obține produse cu rezistență ridicată și cu porozitate redusă.

Pentru scopul specific de îmbunătățire a duratei de viață a structurilor din beton armat, expuse mediilor corozive, utilizarea amestecurilor de inhibare a coroziunii, a oțelului armat epoxidic și a protecției catodice, se numără printre progresele tehnologice mai cunoscute.

Pe lângă vitezele și durabilitatea construcției, există acum o a treia forță motrice, și anume, respectarea mediului a materialelor industriale, care devine din ce în ce mai importantă în evaluarea tehnologiei pentru viitor. De aceea, o evaluare critică a diferitelor tehnologii trebuie să țină cont de următoarele trei criterii:

  • costul materialelor și al construcției,
  • durabilitate și
  • respectarea mediului.

O predicție corectă

Privind selectiv la evoluțiile din ultimii 30 de ani, care sunt considerate semnificative, și referindu-se la superplasticizarea amestecurilor, Mike Malhotra, de la Universitatea din Birmingham, a făcut următoarea afirmație: ”Au existat foarte puține evoluții majore în tehnologia betoanelor, în ultimii ani.

Conceptul de antrenare a aerului, în anii 1940, a fost unul, și a revoluționat tehnologia betonului din America de Nord. Se crede că dezvoltarea superplasticizatorilor este o altă descoperire majoră, care va avea un efect semnificativ asupra producției și utilizării betonului în anii următori”.

Predicția lui Malhotra s-a dovedit a fi corectă. Acest lucru este susținut de dezvoltarea și utilizarea unei familii în creștere de produse din beton superplasticizat, de înaltă performanță, cum ar fi betonul de înaltă rezistență superplasticizat, betonul de durabilitate superplasticizată, cenușa zburătoare cu volum mare superplasticizat, și betoanele de zgură de volum mare, auto superplasticizat, betonul compactat, betonul subacvatic anti-spălare superplasticizat și beton armat cu fibre superplasticizate.

Collepardi și, mai recent, Malhotra și Nagataki au publicat recenzii excelente asupra dezvoltării diferitelor tehnologii care încorporează utilizarea amestecurilor superplasticizante. Superplastifianții, cunoscuți și sub numele de amestecuri de reducere a apei, sunt reductori de apă foarte eficienți.

La sfârșitul anilor 1960, produsele pe bază de naftalen sulfonate au fost dezvoltate în Japonia, iar în același timp, produsele de melamină sulfonată au fost introduse în Germania de Vest.  Moleculele anionice cu lanț lung ale amestecului se adsorb pe suprafața particulelor de ciment care sunt efectiv dispersate în apă prin repulsie electrică.

Utilizări pe glob

Potrivit lui Nagataki, primele aplicații ale betonului superplasticizat în Japonia au fost pentru producerea de piloți de beton prefabricat de înaltă rezistență, care ar putea rezista la fisurare în timpul procesului de conducere a piloților.

În timpul anilor 1970, grinda și grinzile mai multor poduri rutiere și feroviare din Japonia au fost fabricate cu amestecuri de beton superplasticizate de 50, până la 80 MPa (7300 până la 12.000 psi), cu cădere mică până la moderată.

În Germania de Vest, unde obiectivul inițial a fost dezvoltarea betonului subacvatic anti-spălare, s-au folosit superplastifianți pentru a îmbunătăți fluiditatea amestecurilor rigide, fără a modifica raportul material apă-ciment (l/cm).

Deoarece este posibil să se realizeze ambele obiective simultan, acum, amestecurile superplasticizante sunt utilizate în întreaga lume, în scopul obținerii unei rezistențe ridicate, fluidității ridicate și durabilității ridicate. Amestecurile de beton superplasticizate care conțin naftalină sau melamină sulfonată, suferind adesea pierderi rapide de scădere.

Problema poate fi rezolvată prin introducerea unei doze suplimentare de superplasticifiant la locul de turnare. Cu toate acestea, metoda este greoaie și costisitoare. În Japonia s-au dezvoltat superplastifianți cu rezistență la scădere sau cu durată lungă de viață.

Potrivit lui Yonezawa, un superplastifiant tipic cu durată lungă de viață conține un compus insolubil în apă, cuprinzând săruri ale acidului carboxilic, amidă și anhidridă carboxilică. Soluția alcalină rezultată din hidratarea cimentului hidrolizează treptat superplastifiantul, eliberând un dispersant solubil în apă, care ajută la menținerea crizei inițiale pentru o lungă perioadă de timp.

Tanaka și colab. au descris dezvoltarea de superplastifianți pe bază de policarboxilat, care conțin un polimer reticulat care conferă fluiditate ridicată, retenție pe termen lung a scăderii și rezistență ridicată la segregare. Superplastifianți cu durată lungă de viață pe bază de polimeri, naftalină sau melamină sulfonată sunt, de asemenea, disponibili comercial acum.

Beton și mortare de înaltă rezistență

Betonul de înaltă rezistență (> 40 Mpa, > 6000 psi, rezistență la compresiune), a fost folosit pentru prima dată în clădirile cu cadru din beton armat cu 30 sau mai multe etaje. În clădirile înalte, dimensiunea coloanelor din partea inferioară a unei treimi a clădirii este destul de mare, atunci când se utilizează beton convențional. În afară de economiile în costul materialelor, inginerii de construcții au constatat că alegerea cadrului din beton armat în locul cadrului de oțel în clădirile înalte permite economii suplimentare rezultate din viteze mai mari de construcție.

Începând cu coloane de beton de 50 MPa (7300 psi) pentru Point Tower, din Chicago, multe clădiri înalte, care conțin elemente din beton de înaltă rezistență, au fost construite în America de Nord și în alte părți. Water Tower Place, cu 79 de etaje, din Chicago, conține 60 MPa (8700 psi), coloane de beton.

Clădirea Scotland Plaza, din Toronto și Clădirea Two Union Square din Seattle, au coloane cu beton rezistent de 90 și 120 MPa (13.000 psi la 17.400 psi). Pentru a obține o rezistență ridicată, greutatea/cm a amestecului de beton este de obicei menținută sub 0,4 cu ajutorul unui amestec superplasticizant.

Datorită greutății reduse/cm, o caracteristică importantă a betonului cu rezistență ridicată este permeabilitatea redusă, care este cheia durabilității pe termen lung în medii agresive. În consecință, betonul de mare rezistență a fost utilizat pentru aplicații în care durabilitatea, mai degrabă, decât rezistența, a fost calitatea principală. Structurile marine din beton (poduri lungi, tuneluri submarine și platforme petroliere offshore), sunt exemple de astfel de aplicații.

Fluiditatea ridicată fără segregare este un alt factor care contribuie la creșterea industriei betonului superplasticizat, de înaltă rezistență. Funcționabilitatea amestecurilor de beton superplasticizate poate fi în general îmbunătățită prin utilizarea de amestecuri pozzolanice sau cimentare, cum ar fi fum de silice, cenușă zburătoare, cenușă de coajă de orez și zgură de furnal granulată măcinată.

Ușurința în pompare și amestecurile de beton ușor de format, pot reduce semnificativ costurile de construcție în proiecte mari; clădiri înalte și structuri offshore, de exemplu. Acest lucru este valabil mai ales atunci când sunt fabricate elemente din beton puternic armat și precomprimat, care conțin armături distanțate.

O nouă familie de betoane

Roy și Silsbee au analizat dezvoltarea unei noi familii de produse pe bază de ciment de înaltă rezistență, care nu depind de utilizarea superplastifianților. Ceramica lipită chimic (CBC), este un mortar cu agregat gros sau redus, un foarte mare conținut de ciment și o greutate foarte mică/cm. Acestea sunt densificate la presiune ridicată și apoi întărite termic, pentru a obține o rezistență foarte mare. Produsele, constând în mod obișnuit din faze anhidre de 50%, prezintă proprietăți care se apropie de cele ale ceramicii arse.

Așa-numitele produse din ciment MDF (fără defecte macro), sunt realizate cu o pastă de ciment conținând până la 7% din masă, un agent de plastifiere solubil în apă, cum ar fi hidroxipropil-metilceluloza, poliacrilamida sau acetatul de polivinil hidrolizat.

Pasta este supusă unei amestecări cu forfecare ridicată, iar produsele sunt turnate sub presiune și, în cele din urmă, întărite la căldură la temperaturi de până la 80 C. Rezistențele la compresiune de ordinul a 150 MPa (22.000 psi) se obțin cu cimenturi ”portland” și până la 300 MPa (44.000 psi), cu cimenturi de aluminat de calciu.

Caracteristici

Studiile au arătat că umiditatea are un efect negativ asupra proprietăților mecanice ale produselor din ciment MDF. Produsele densificate cu particule mici (DSP),  conțin 20 până la 25% particule de fum de siliciu, care sunt dens ambalate într-o pastă de ciment superplasticizat (0,12 până la 0,22 g/cm).

Rezistențele la compresiune de până la 270 MPa (39.000 psi) și modulele lui Young de până la 80 GPa (12.000 ksi), au fost realizate prin compactare mecanică. Datorită fragilității lor, utilizarea CBC, MDF și DSP este limitată la cele nestructurale. aplicații.

Cerința de ductilitate ridicată, pentru utilizarea structurală a produselor pe bază de ciment cu rezistență ridicată, poate fi realizată prin încorporarea microfibrelor de oțel. Produsele din beton cu putere reactivă (RPC), dezvoltate de Richard și Cheyrezi, sunt de fapt mortare de ciment superplasticizate care conțin de obicei 1000 kg/m3, ciment portland, 900 până la 1000 kg/m3, nisip fin și pulverizat cuarț, 230 kg/m3 fum de siliciu, 150 până la 180 kg / m3, apă și până la 630 kg/m, microfibre.

Probele presate mecanic, tratate termic la 400 C, au prezentat o rezistență la compresiune de până la 680 MPa (99.000 psi), rezistența la flexiune de 100 MPa (15.000 psi) și modulul Young al 75 GPa (11.000 ksi). Este prea devreme pentru a prezice viitorul RPC.

În ciuda costului inițial foarte ridicat și a unei tehnologii de procesare complexe, materialul poate avea o nișă în industria construcțiilor, în special pentru aplicații în medii extrem de corozive. Dar, este cert că prezența unui volum mare de microfibre îmbunătățește capacitatea materialului de a rezista la fisuri, păstrându-i astfel etanșeitatea.

infoconstruct