Гибкий бетон: состав, свойства и применение.

Введение

Сгибаемый бетонный инженерный цементитный композит (ECC), также называемый композитами на основе цемента с упрочнением при растяжении (SHCC) или, более распространенно, сгибаемым бетоном, представляет собой легко формуемый композит на основе цементного раствора, армированный специально подобранными короткими, хаотично расположенными волокнами, обычно полимерными. В отличие от обычного бетона, ECC обладает относительным удлинением при растяжении в диапазоне 3–7%. Любой цементитный материал, разработанный на основе микромеханики и теории разрушения, демонстрирующий значительную пластичность при растяжении, может быть отнесен к ECC. Следовательно, ECC – это не фиксированный состав материала, а широкая область исследований, разработок и внедрений. Семейство материалов ECC постоянно расширяется. Разработка конкретного состава ECC требует целенаправленных усилий по систематическому проектированию материала в нано-, микро-, макро- и композитном масштабах. ECC визуально похож на обычный бетон на основе портландцемента, за исключением способности деформироваться (или изгибаться) при нагрузке. Эти свойства обусловлены главным образом взаимодействием между волокнами и цементной матрицей, которое можно оптимизировать с помощью микромеханического проектирования. По сути, волокна создают множество микротрещин очень специфической ширины, а не несколько крупных трещин (как в обычном бетоне). Это позволяет ECC деформироваться без разрушения. Такое микротрещинование обеспечивает превосходную коррозионную стойкость (трещины настолько малы и многочисленны, что агрессивным средам трудно проникнуть и повредить арматуру), а также способность к самовосстановлению. В присутствии воды (например, во время дождя) негидратированные частицы цемента, обнажившиеся в результате трещин, гидратируются и образуют ряд продуктов (силикат кальция гидрат (C S H), кальцит и т.д.), которые расширяются и заполняют трещину. Эти продукты проявляются в виде белого «шрама», заполняющего трещину. Такое самовосстановление не только герметизирует трещину, предотвращая транспорт жидкостей, но и восстанавливает механические свойства. Самовосстановление наблюдается и в обычных цементах и бетонах, однако при превышении определенной ширины трещины эффективность самовосстановления снижается. Именно жесткий контроль ширины трещин в ECC обеспечивает полное заживление всех трещин при воздействии окружающей среды. В сочетании с более проводящим материалом все цементные материалы могут повысить электропроводность и использоваться для обнаружения повреждений. Это основано на том, что электропроводность изменяется при возникновении повреждений; добавление проводящего материала призвано повысить электропроводность до уровня, при котором эти изменения будут легко обнаруживаться. Хотя это не является свойством самого ECC, разрабатываются полупроводниковые ECC для обнаружения повреждений.

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.

Полевые применения

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

Плотина Митака, расположенная вблизи Хиросимы, была отремонтирована с использованием ЭКК в 2003 году. Поверхность 60-летней плотины была сильно повреждена, с трещинами, отслоениями и незначительной утечкой воды. На поверхность площадью 600 м² был нанесен 20-миллиметровый слой ЭКК методом распыления. Также в 2003 году в городе Гифу (Япония) была отремонтирована земляная подпорная стена с применением ЭКК. Использовать обычный портландцемент было невозможно из-за серьезных трещин в существующей конструкции, которые могли бы привести к отраженным трещинам. ЭКК был выбран для минимизации этой опасности; по прошествии года были обнаружены лишь микротрещины допустимой ширины. В 95-метровом высотном жилом комплексе Glorio Roppongi в Токио установлено в общей сложности 54 сцепных балок из ЭКК (по две на этаж), предназначенных для снижения ущерба от землетрясений. Благодаря своим свойствам (высокая устойчивость к повреждениям, высокая энергоемкость и способность к деформации при сдвиге), ЭКК обладает превосходными характеристиками в приложениях, связанных с сейсмостойкостью, по сравнению с обычным портландцементом. К аналогичным сооружениям относится 41-этажная башня Nabeaure Yokohama Tower (с четырьмя сцепными балками на этаж). Длинный мост Михара на Хоккайдо (Япония) был открыт для движения в 2005 году. Стальная армированная дорожная конструкция содержит почти 800 м³ материала ЭКК. Высокая пластичность при растяжении и эффективный контроль трещин позволили сократить расход материала на 40% при строительстве. В 2005 году также была завершена мостовая плита из ЭКК толщиной 225 мм на трассе I-94 в штате Мичиган. Для строительства было использовано 30 м³ материала, доставленного на объект стандартными бетоносмесителями. Благодаря уникальным механическим свойствам ЭКК, для этой плиты потребовалось меньше материала, чем для аналогичной плиты из обычного портландцемента. Университет Мичигана и Департамент транспорта Мичигана проводят мониторинг моста с целью подтверждения теоретически превосходящей долговечности ЭКК; после четырех лет наблюдений характеристики моста остались неизменными. В ноябре 2006 года на мосту Элсворт-Роуд над трассой US 23 был выполнен первый ремонт с использованием самоуплотняющегося и быстротвердеющего ЭКК. Быстротвердеющий ЭКК способен достигать прочности на сжатие 23,59 ± 1,40 МПа (3422,16 ± 203,33 кПа) через четыре часа и 55,59 ± 2,17 МПа (8062,90 ± 315,03 кПа) через 28 дней, что обеспечивает быстрый ремонт и возобновление движения. Ремонт с использованием быстротвердеющего ЭКК продемонстрировал превосходную долговечность в реальных условиях эксплуатации по сравнению с традиционными материалами для ремонта бетона.

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.

Сравнение с другими композитными материалами

Свойства FRC Общая HPFRCC Методология ECCDesign Н. А. Использовать высокое Vf, основанное на микромеханике, минимизировать Vf для снижения стоимости и улучшения технологичности. Волокна Любого типа, Vf обычно менее 2%; df для стали ~ 500 микрометров. В основном стальные, Vf обычно > 5%; df ~ 150 микрометров. Специально подобранные, полимерные волокна, Vf обычно менее 2%; df < 50 микрометров. Матрица Крупные заполнители Мелкие заполнители Контроль прочности матрицы и размера дефектов; мелкий песок. Интерфейс Не контролируется Не контролируется Контроль химических и фрикционных связей для обеспечения мостового эффекта. Механические свойства Размягчение при деформации: Упрочнение при деформации: Упрочнение при деформации: Относительная деформация при растяжении 0,1% < 1,5% > 3% (типично); макс. 8%. Ширина трещин Не ограничена Обычно несколько сотен микрометров, не ограничена при деформации более 1,5%. Обычно < 100 микрометров при упрочнении при деформации.
Примечание: FRC = волокно-армированный цемент. HPFRCC = высокоэффективные волокно-армированные цементные композиты.