Иілгіш бетон және оның қасиеттері

Кіріспе

Иілгіш бетонды инженерлік цементті композит (ECC), сондай-ақ сортты қатаю цемент негізіндегі композиттер (SHCC) немесе көбірек танымал иілгіш бетон деп аталады, бұл арнайы таңдалған қысқа, кездейсоқ талшықтармен, әдетте полимер талшықтарымен күшейтілген, оңай қалыптасатын миномет негізіндегі композит. Қалыпты бетоннан айырмашылығы, ECC-нің созылу деформациялау қабілеті 3–7% аралығында болады. Цементті материал микромеханика және сыну механикасы теориялары негізінде үлкен созылу мүмкіндігін қамтамасыз ететіндей етіп жобаланған/әзірленген болса, оны ECC деп атауға болады. Сондықтан, ECC – бұл нақты материалды жобалау емес, зерттеу, әзірлеу және енгізудің әртүрлі кезеңдерін қамтитын кең ауқымды тақырыптар жиынтығы. ECC материалдары отбасы кеңейіп келеді. ECC-нің нақты қоспасын әзірлеу үшін материалды нано, микро, макро және композиттік деңгейлерде жүйелі түрде жасау арқылы ерекше күш салу қажет. ECC қарапайым Портленд цемент негізіндегі бетонға ұқсас, бірақ ол деформациялана (немесе бүгіле) алады. Бұл қасиеттер көбінесе микромеханикалық жобалау арқылы реттелетін талшықтар мен цементтеу матрицасының өзара әрекеттесуіне байланысты. Негізінен, талшықтар бірнеше үлкен жарықтардың орнына, өте нақты ені бар көптеген микрожарықтарды жасайды (дәстүрлі бетон сияқты). Бұл ECC-ге апаттық бұзылусыз деформациялауға мүмкіндік береді. Бұл микрожарылу мінез-құлқы коррозияға жоғары төзімділікке (жарықтар өте кішкентай және көп болғандықтан, агрессивті ортаның енуі және арматуралық болатқа шабуыл жасауы қиын) және өзін-өзі жазуға алып келеді. Судың болуымен (мысалы, жаңбыр кезінде) жарылудан жаңадан ашылған, әлі реакцияға түспеген цемент бөлшектері гидраттанады және бірқатар өнімдерді (кальций силикат гидраттары (C S H), кальцит және т.б.) құрайды, олар кеңейіп жарықты толтырады. Бұл өнімдер жарықты толтыратын ақ "із" тәрізді материал ретінде көрінеді. Бұл өзін-өзі жазу қабілеті тек жарықтың ішіндегі сұйықтықтың өтуін болдырмайды ғана емес, сонымен қатар механикалық қасиеттерді қалпына келтіреді. Бұл өзін-өзі жазу қабілеті дәстүрлі цемент пен бетонның әртүрлі түрлерінде байқалды; алайда, жарықтың белгілі бір енінен асып кеткенде өзін-өзі жазу тиімділігі төмендейді. ECC-де байқалатын жарықтардың қатаң бақыланатын ені табиғи ортаға ұшырағанда барлық жарықтардың толыққанды жазылуын қамтамасыз етеді. Барлық цемент материалдары өткізгіштігі жоғары материалмен біріктірілгенде өткізгіштігін арттыра алады және зақымдануды анықтау үшін қолданылуы мүмкін. Бұл негізінен зақымдану кезінде өткізгіштіктің өзгеруіне негізделген, ал өткізгіш материалды қосу өткізгіштікті осындай өзгерістерді оңай анықтауға болатын деңгейге көтеруге бағытталған. ECC-нің өзіндік қасиеті болмаса да, зақымдануды сезіну үшін жартылай өткізгіш ECC әзірленуде.

Bendable concrete
Engineered Cementitious Composite (ECC), also called Strain Hardening Cement based Composites (SHCC) or more popularly as bendable concrete, is an easily molded mortar based composite reinforced with specially selected short random fibers, usually polymer fibers. Unlike regular concrete, ECC has a tensile strain capacity in the range of 3–7%, As long as a cementitious material is designed/developed based on micromechanics and fracture mechanics theory to feature large tensile ductility, it can be called an ECC. Therefore, ECC is not a fixed material design, but a broad range of topics under different stages of research, development, and implementations. The ECC material family is expanding. The development of an individual mix design of ECC requires special efforts by systematically engineering of the material at nano , micro , macro and composite scales. ECC looks similar to ordinary Portland cement based concrete, except that it can deform (or bend) under strain. These properties are due largely to the interaction between the fibers and cementing matrix, which can be custom tailored through micromechanics design. Essentially, the fibers create many microcracks with a very specific width, rather than a few very large cracks (as in conventional concrete.) This allows ECC to deform without catastrophic failure. This microcracking behavior leads to superior corrosion resistance (the cracks are so small and numerous that it is difficult for aggressive media to penetrate and attack the reinforcing steel) as well as to self healing. In the presence of water (during a rainstorm, for instance) unreacted cement particles recently exposed due to cracking hydrate and form a number of products (calcium silicate hydrates (C S H), calcite, etc.) that expand and fill in the crack. These products appear as a white ‘scar’ material filling in the crack. This self healing behavior not only seals the crack to prevent transport of fluids, but mechanical properties are regained. This self healing has been observed in a variety of conventional cement and concretes; however, above a certain crack width self healing becomes less effective. It is the tightly controlled crack widths seen in ECC that ensure all cracks thoroughly heal when exposed to the natural environment. When combined with a more conductive material, all cement materials can increase in conductivity and be used for damage sensing. This is essentially based on the fact that conductivity will change as damage occurs; the addition of conductive material is meant to raise the conductivity to a level where such changes will be easily identified. Though not a material property of ECC itself, semi conductive ECC for damage sensing are being developed.

Далалық қолдану

ЭКК Жапония, Корея, Швейцария, Австралия және АҚШ-та көптеген ірі масштабты қолданыстарда пайдаланылды [3]. Олардың ішінде:

Хиросима маңындағы Митака бөгеті 2003 жылы ЭКК арқылы жөнделді. Сол кездегі 60 жылдық бөгеттің беті ауыр зақымдалған, жарықтар, қабыршақтану және судың аздап шығуы байқалды. 600 м² бетке 20 мм қалыңдықтағы ЭКК қабаты себілді. 2003 жылы Жапонияның Гифу қаласындағы жерді ұстап тұратын қабырға да ЭКК арқылы жөнделді. Бастапқы құрылымдағы жарықтардың күйіне байланысты, әдеттегі портланд цементін қолдану мүмкін болмады, себебі ол жарықтардың қайталануына әкелуі мүмкін еді. ЭКК осы қауіпті азайту мақсатымен қолданылды; бір жылдан кейін тек қана көтерілгіш микрожарықтар байқалды. Токиодағы 95 м (312 фут) биіктігіндегі Glorio Roppongi тұрғын үй ғимаратында жер сілкінісінің зиянын азайту үшін жалпы саны 54 ЭКК жалғау арқасы (әр қабатқа екі) орналасқан. ЭКК-ның қасиеттері (жоғары зақымдануға төзімділік, жоғары энергия сіңіру және иілу кезінде деформациялану қабілеті) оған әдеттегі портланд цементімен салыстырғанда сейсмикалық кедергіге төзімділікте артықшылық береді. Ұқсас құрылымдардың бірі – 41 қабатты Nabeaure Yokohama мұнарасы (әр қабатқа төрт жалғау арқасы). 2005 жылы Жапонияның Хоккайдо аймағындағы Михара көпірі қозғалысқа ашылды. Болаттан күшейтілген жол төсегінде шамамен 800 м³ ЭКК материалы бар. ЭКК-ның созылу мүмкіндігі және жарықтарды қатаң бақылаулау қабілеті құрылыс кезінде қолданылатын материалдың 40%-ға азаюына әкелді. Сонымен қатар, 2005 жылы Мичиган штатындағы 94-ші тас жолындағы 225 мм қалыңдықтағы ЭКК көпір жабыны аяқталды. 30 м³ материал стандартты араластыру машиналарымен жеткізілді. ЭКК-ның ерекше механикалық қасиеттеріне байланысты, бұл жабын әдеттегі портланд цементінен жасалған ұсынылған жабынға қарағанда аз материалды қажет етті. Мичиган университеті мен Мичиган көлік департаменті ЭКК-ның теориялық жоғары беріктігін растау үшін көпірді бақылап отыр; төрт жылдық бақылаудан кейін, өнімділікте ешқандай төмендеу байқалмады. 2006 жылдың қараша айында 23-ші АҚШ тас жолының үстіндегі Эллсворт көпіріне алғашқы өзін-өзі нығайту және жоғары ерте беріктігі бар ЭКК жөндеуі орнатылды. Жоғары ерте беріктігі бар ЭКК төрт сағат ішінде 23,59 ± 1,40 МПа (3422,16 ± 203,33 пси) және 28 күн ішінде 55,59 ± 2,17 МПа (8062,90 ± 315,03 пси) қысымға төзімділігіне жетеді, бұл жылдам жөндеуге және қозғалысты қайта ашуға мүмкіндік береді. Жоғары ерте күшейтілген ЭКК жөндеуі, далалық жағдайларда типтік бетон жөндеу материалдарына қарағанда жоғары ұзақ мерзімді беріктік көрсетті.

The Mitaka Dam near Hiroshima was repaired using ECC in 2003. The surface of the then 60 year old dam was severely damaged, showing evidence of cracks, spalling, and some water leakage. A 20 mm thick layer of ECC was applied by spraying over the 600 m2 surface. Also in 2003, an earth retaining wall in Gifu, Japan, was repaired using ECC. Ordinary portland cement could not be used due to the severity of the cracking in the original structure, which would have caused reflective cracking. ECC was intended to minimize this danger; after one year only microcracks of tolerable width were observed. The 95 m (312 ft.) Glorio Roppongi high rise apartment building in Tokyo contains a total of 54 ECC coupling beams (two per story) intended to mitigate earthquake damage. The properties of ECC (high damage tolerance, high energy absorption, and ability to deform under shear) give it superior properties in seismic resistance applications when compared to ordinary portland cement. Similar structures include the 41 story Nabeaure Yokohama Tower (four coupling beams per floor.) The long Mihara Bridge in Hokkaido, Japan was opened to traffic in 2005. The steel reinforced road bed contains nearly 800 m3 of ECC material. The tensile ductility and tight crack control behavior of ECC led to a 40% reduction in material used during construction. Similarly, a 225 mm thick ECC bridge deck on interstate 94 in Michigan was completed in 2005. 30 m3 of material was used, delivered on site in standard mixing trucks. Due to the unique mechanical properties of ECC, this deck also used less material than a proposed deck made of ordinary portland cement. Both the University of Michigan and the Michigan Department of Transportation are monitoring the bridge in an attempt to verify the theoretical superior durability of ECC; after four years of monitoring, performance remained undiminished. The first self consolidating and high early strength ECC patch repair was placed on Ellsworth Road Bridge over US 23 in November 2006. The high early strength ECC can achieve a compressive strength of 23.59 ± 1.40 MPa (3422.16 ± 203.33 psi) in four hours and 55.59 ± 2.17 MPa (8062.90 ± 315.03 psi) in 28 days, allowing for fast repair and re opening the session to traffic. The high early strength ECC repair has shown superior long term durability in field conditions compared to typical concrete repair materials.

Басқа композициялық материалдармен салыстыру

Қасиеттері FRC Ортақ HPFRCC ECC дизайн әдістемесі N. A. Жоғары Vf қолдану Микромеханика негізінде, құн мен өңдеуге қабілеттілік үшін Vf-ті азайту. Талшық Кез келген типті, Vf әдетте 2%-дан кем; df болат үшін ~ 500 микрометр. Көбінесе болат, Vf әдетте > 5%; df ~ 150 микрометр. Арнайы таңдалған, полимерлі талшықтар, Vf әдетте 2%-дан кем; df < 50 микрометр. Матрицасы Ірі агрегаттар. Майда агрегаттар. Матрицаның беріктігі және ақаулардың мөлшері бақыланады; майда құм. Қосылыс Бақыланбайды. Бақыланбайды. Көпіршелеу қасиеттері үшін химиялық және үйкеліс байланыстар бақыланады. Механикалық қасиеттер Деформацияның жұмсаруы: Деформацияның қатаюы: Деформацияның қатаюы: Тартылу деформациясы 0,1%. <1,5%. >3% (әдеттегісі); 8% максимум. Жарық кеңдігі Шектелмейді. Әдетте бірнеше жүз микрометр, 1,5% деформациядан асып кеткенде шектелмейді. Әдетте 100 микрометрден кем, деформация қатаю кезінде. Ескерту: FRC = Талшық күшейтілген цемент. HPFRCC = Жоғары өнімділіктегі талшық күшейтілген цементтік композиттер.