Betony na proszkach reaktywnych – przyszłość konstrukcji betonowych

1. Konferencja Koła Naukowego Konstrukcji Sprężonych – Politechnika Krakowska Sromowce Niżne, 26-28 października 2012r.. Betony na proszkach reaktywnych – przyszłość konstrukcji betonowych Autor: Mariusz Wiecheć

2. Plan prezentacji 1. Definicje, podstawowe składniki oraz właściwości RPC. • Założenia leżące u podstaw teorii betonów na proszkach reaktywnych. • Technologia DUCTAL i jej zastosowanie. • Program badań własnych.

3. Definicje, podstawowe składniki oraz właściwości RPC. Beton na proszkach reaktywnych BPR(fran. Béton de PoudresRéactives) lub RPC (ang. ReactivePowderConcrete) 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)

4. Definicje, podstawowe składniki oraz właściwości RPC. • 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.

5. 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. • 4. Włókna stalowe: • średnica ok. 0.15mm, • długość ok. 13mm, • poprawiają wytrzymałość na ściskanie o 60%, • umożliwiają obróbkę w wyższej temperaturze. Fot. 1. Kwarc mleczny. Autor: Piotr Sosnowski Fot. 2. Beton z włóknami stalowymi. Źródło: www.tecservices.com

6. Definicje, podstawowe składniki oraz właściwości RPC. Rozwój betonu.

7. Cecha Beton zwykły Beton DUCTAL® Gęstość 2,2 – 2,5 kg/dm3 2,45 – 2,55kg/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 Definicje, podstawowe składniki oraz właściwości RPC. Porównanie właściwości betonów zwykłych z betonami RPC. • 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

8. Założenia leżące u podstaw teorii betonów na proszkach reaktywnych. • 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.

9. 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.

10. Technologia DUCTAL i jej zastosowanie. Przekroje belek o tej samej nośności wykonane z różnych materiałów.

11. Technologia DUCTAL i jej zastosowanie. Poziome dźwigary powłoki chłodni kominowej ( wysoka odporność na sole oraz mrozoodporność) Elektrownia atomowa Cattenon, Francja

12. Technologia DUCTAL i jej zastosowanie. • Kładka dla pieszych • w Sherbrooke (Kanada) • RPC 200 MPa – pas dolny, podłużnice, żeberka poprzeczne i płyta pomostu • RPC 300 MPa - krzyżulce Fragment konstrukcji: Rozpiętość: 60 m Szerokość płyty pomostu: 4,2 m Grubość płyty pomostu: 3,0 cm !!

13. Technologia DUCTAL i jej zastosowanie. Ściany szczelne nabrzeża Reunion

14. Program badań własnych. • 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.

15. Bibliografia 1. J. Śliwiński, T. ZdebBeton z proszków reaktywnych jako kompozyt cementowy o ultra wysokiej wytrzymałości; 2. S. Collepardi, L. Coppola, R. Troli, M. CollepardiMechanicalProperties of ModifiedReactivePowderConcrete; 3. G. Adamczewski, P. Łukowski Wstępna ocena samonaprawykompozytu epoksydowo-cementowego;