Betony na proszkach reaktywnych – przyszłość konstrukcji betonowych

Autor: Mariusz Wiecheć

Konferencja Koła Naukowego Konstrukcji Sprężonych – Politechnika KrakowskaSromowce Niżne, 26-28 października 2012r..

Plan prezentacji

1. Definicje, podstawowe składniki oraz właściwości RPC.2. Założenia leżące u podstaw teorii betonów na

proszkach reaktywnych.3. Technologia DUCTAL i jej zastosowanie.4. Program badań własnych.

Definicje, podstawowe składniki oraz właściwości RPC.

Beton na proszkach reaktywnych BPR (fran. Béton de Poudres Réactives) lub RPC (ang. Reactive Powder Concrete) jest to materiał zbrojony włóknami, z zawartością superplastyfikatora, pyłu krzemionkowego, o bardzo niskim współczynniku w/c, gdzie rolę kruszywa pełni piasek kwarcowy o max. średnicy kruszywa 0.15 – 0.40mm. De facto beton na proszkach reaktywnych nie jest betonem, gdyż nie posiada kruszywa grubego.Składniki RPC (wartości masowe na 1m3 podane dla tworzywa DUCTAL) : Cement (710kg) Pył krzemionkowy (203kg) Piasek kwarcowy (1020kg) Mączka kwarcowa (210kg) Włókna stalowe (160kg) - lub węglowe Woda (140l) Superplastyfikatory (10kg)

Definicje, podstawowe składniki oraz właściwości RPC.

1. Cement: duża zawartość (2.5-3 razy większa niż w zwykłych betonach), zawartość C3A (celit) nie większa niż 4% ze względu na osłabienie

działania superplastyfikatora, powierzchnia właściwa cementu (ok. 3400cm2/kg) – ograniczenie ze

względu na wodożądność.2. Pył krzemionkowy: 20-30% masy cementu; większa masa powoduje wzrost wodożądności, ziarna są dużo mniejsze niż cementu i piasku, więc zwiększa się

upakowanie materii, możliwa reakcja z Ca(OH)2, dzięki czemu powstaje dodatkowa ilość

fazy C-S-H.

Definicje, podstawowe składniki oraz właściwości RPC.

3. Piasek kwarcowy i mączka kwarcowa: pełnią rolę kruszywa (D=0.40mm), wymagane ciągłe uziarnienie, tworzą płynne przejście między kruszywem, a fazą C-S-H.

Fot. 1. Kwarc mleczny. Autor: Piotr Sosnowski

4. Włókna stalowe: średnica ok. 0.15mm, długość ok. 13mm, poprawiają wytrzymałość na ściskanie o 60%, umożliwiają obróbkę w wyższej temperaturze.

Fot. 2. Beton z włóknami stalowymi. Źródło: www.tecservices.com

Definicje, podstawowe składniki oraz właściwości RPC.

Rozwój betonu.

Definicje, podstawowe składniki oraz właściwości RPC.

Porównanie właściwości betonów zwykłych z betonami RPC.Cecha Beton zwykły Beton DUCTAL®

Gęstość 2,2 – 2,5 kg/dm3 2,45 – 2,55 kg/dm3

Wytrzymałość na ściskanie

15 – 60 MPa 180 – 220 MPa

Wytrzymałość na zginanie

2 – 8 MPa 36 – 40 MPa

Wytrzymałość na rozciąganie

1 – 4 MPa 8 – 10 MPa

Moduł sprężystości 20 – 40 GPa 55 – 60 GPa

Moduł sprężystości stali

 190 – 210 GPa

Pozostałe istotne właściwości Betonu DUCTAL: szczelna mikrostruktura (wysoka mrozoodporność i odporność na agresję chemiczną) wysoka odporność ogniowa i na obciążenia będące efektem eksplozji niski skurcz - poniżej 0,01 mm/m

Założenia leżące u podstaw teorii betonów na proszkach reaktywnych.

1. Minimalizowanie porowatości kompozytu.Dzięki minimalizowaniu ilości wody (w/c=0.2) i zastosowaniu superplastyfikatorów doprowadza się do sytuacji, w której w betonie ciągle istnieją ziarna cementu, które mogą ulegać hydratacji w późniejszym etapie.

2. Obróbka cieplna dla modyfikacji mikrostruktury matrycy.Stosowana, by przyspieszyć proces hydratacji oraz zwiększyć aktywność pucolanową składników - powstawanie C-S-H.Stosuje się: niskoprężną obróbkę termiczną (90st. C) – efekty jw. wysokoprężną obróbkę termiczną (250 st. C) – dodatkowo powstają krystaliczne formy krzemianów wapniowych, co ma prowadzić do zwiększenia wytrzymałości.

Założenia leżące u podstaw teorii betonów na proszkach reaktywnych.

3. Zwiększenie jednorodności materiału poprzez zastosowania bardzo drobnego kruszywa.Dowiedziono, że naprężenia w stwardniałym zaczynie cementowym są odwrotnie proporcjonalne do odległości ziaren kruszywa.Beton zwykły ma duże różnice w odkształcalności zaczynu i kruszywa. W RPC, piasek kwarcowy ma E=70-90GPa, więc odkształcalności te są zbliżone, co umożliwia równomierny rozkład naprężeń w materiale.

4. Gęstość upakowania suchych składników ziarnistych.Ogranicza się porowatość, zmniejsza odległości.

Rys. 2. Komputerowe próby opisu idealnego upakowania.

Technologia DUCTAL i jej zastosowanie.

Przekroje belek o tej samej nośności wykonane z różnych materiałów.

Technologia DUCTAL i jej zastosowanie.

Poziome dźwigary powłoki chłodni kominowej ( wysoka

odporność na sole oraz mrozoodporność)

Elektrownia atomowa Cattenon, Francja

Technologia DUCTAL i jej zastosowanie.Kładka dla pieszychw Sherbrooke (Kanada) RPC 200 MPa – pas dolny,

podłużnice, żeberka poprzeczne i płyta pomostu

RPC 300 MPa - krzyżulce

Fragment konstrukcji:Rozpiętość: 60 mSzerokość płyty pomostu: 4,2 mGrubość płyty pomostu: 3,0 cm !!

Technologia DUCTAL i jej zastosowanie.

Ściany szczelne nabrzeżaReunion

Program badań własnych.1. Trzy drogi dojrzewania betonu: w kąpieli wodnej, niskoprężna obróbka cieplna, autoklawizacja.2. Wstępne zniszczenie (zarysowanie) próbki.3. Umożliwienie samozaleczenia próbki poprzez wprowadzenie siły ściskającej do próbki oraz powtórne dojrzewanie próbki.4. Pomiar, po ustalonym czasie, wytrzymałości zaleczonych próbek oraz energii pękania próbek.

Bibliografia

1. J. Śliwiński, T. Zdeb Beton z proszków reaktywnych jako kompozyt cementowy o ultra wysokiej wytrzymałości;2. S. Collepardi, L. Coppola, R. Troli, M. Collepardi Mechanical Properties of Modified Reactive Powder Concrete;3. G. Adamczewski, P. Łukowski Wstępna ocena samonaprawy kompozytu epoksydowo-cementowego;