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Con le resistenze di compressione superiori a 150 MPa e la durata eccezionale, UHPC consente di imporre strutture disinvolte e di lunga durata e ambienti di carico estremi. Tuttavia, l'utilità pratica di UHPC non è solo una funzione della sua capacità di compressione; la forza di rendimento del suo rinforzo—se barre di acciaio incorporate, prestressando fili, cemento solido
Comprendere la resistenza dei regimi nel contesto di UHPC
La resistenza al rendimento è una misura standard per i metalli duttili: lo stress a cui si basa un materiale che passa da elastico a quello plastico. Per il rinforzo convenzionale dell'acciaio in cemento, la resistenza alla resa è generalmente tra i 400 e i 600 MPa. In UHPC, tuttavia, i componenti di rinforzo reintegrati, spesso una combinazione di fibre di acciaio ad alta resistenza, barre di piccolo diametro, o anche fibre di carbonio,
Poiché la matrice di UHPC è densa e ha rapporti molto bassi tra acqua e gas (di solito 0.20 o meno), la sua resa di trazione è trascurabile — è fragile. Il rinforzo fornisce la duttilità necessaria. Il punto di rendimento efficace del composito rinforzato è una funzione di orientamento della fibra, distribuzione, rapporto aspetto e meccanica di legame.
Fattori chiave che impostano i soffitti pratici sulla resistenza del getto
Tipi di rinforzo in fibra e Orientamento
Le fibre più comuni in UHPC sono fibre d'acciaio ad alto tenore di carbonio, tipicamente con resistenza alla trazione da 2.500 a 3.000 MPa. La loro resistenza alla resa (circa 2.000 MPa per i gradi comuni) è molto alta, ma la resistenza composita pratica è limitata dalla frazione del volume di fibra (tipicamente 1,5 % al 6 % per volume) e la casualità di orientamento.
Densità di porosità e particelle di imballaggio
L'imballaggio di particelle di ULT/Funk o di Andreasen viene utilizzato per massimizzare la densità, riducendo i pori capillari. Tuttavia, a molto alta resistenza di rendimento di rinforzo, la matrice deve essere in grado di trasferire lo stress senza di sé non mancando in shear o tensione intorno alle fibre.
Regimi di curvatura ed effetti della temperatura
La resistenza alla resa delle fibre d’acciaio non è significativamente influenzata dalle tipiche temperature di polimerizzazione UHPC (20–90 °C). Tuttavia, il legame tra fibra e matrice - e le proprie sollecitazioni interne della matrice da restringimento termico e autogeno - può essere alterato.
Duttilità e Tossezza Scambio di alta resistenza di rendimento
Il limite di resistenza dell'acciaio ad alta resistenza è che aumenta la resistenza del rendimento del rinforzo (circa 2-5 %) rispetto alle barre di rinforzo convenzionali (12 % o più).
Constraints economici: Il costo di alta resistenza
Produrre UHPC con fibre molto ad alta resistenza, specialmente quelle con resistenza alla trazione superiore a 3.000 MPa, è costoso. Le fibre stesse possono costare tre a cinque volte più delle fibre d'acciaio convenzionali. Inoltre, raggiungendo l'alta densità necessaria per sfruttare che la resistenza della fibra richiede molto fume di silice, polvere di quarzo e superplastici, tutti che aggiungono i costi.
Limiti di prestazione oltre lo snervamento statico
La resistenza alla resa statica è solo una metrica: nelle strutture reali gli elementi UHPC devono resistere a carichi ripetuti, allo stress sostenuto e all'attacco ambientale, ciascuno di essi può imporre un limite pratico inferiore rispetto al rendimento nominale.
Fatigue Behavior sotto carico ripetuto
UHPC è noto per un'eccellente resistenza alla fatica rispetto al normale cemento, ma il suo limite di fatica è direttamente influenzato dalla resistenza alla resa del rinforzo. Per le fibre d'acciaio, la resistenza alla fatica (la gamma di stress sottostante che il materiale può sopportare un numero infinito di cicli) è tipicamente 40-60 % della resistenza alla resa statica. Nelle piattaforme di ponte o nelle traversine ferroviarie, gli stress di fatica devono rimanere ben al di progettazione
Creep e Shrinkage a livelli di alta tensione
UHPC mostra molto basso strisciamento e restringimento rispetto al normale cemento a causa del suo basso contenuto di acqua e microstruttura densa. Tuttavia, se il rinforzo è sottolineato per vicino il suo punto di rendimento sostenuto nel tempo, per esempio, in elementi prestressati, il strisciante del calcestruzzo stesso può causare il rilassamento dello stress di rinforzo, efficacemente riducendo il margine di rendimento lungo Per la forza prestressed UHPC, lo stress iniziale limitante è tipicamente limitato
Durata dell'esposizione ambientale
La bassa permeabilità di UHPC lo rende altamente resistente all'ingresso di cloruro, al congelamento-squadra e all'attacco chimico. Ma il materiale di rinforzo, soprattutto le fibre di acciaio, può ancora corrodere se la matrice è incrinata o se la carbonazione raggiunge la profondità della fibra.
Collegamenti e sfide di ancoraggio
Anche se un elemento UHPC ha un rinforzo con una forza di rendimento molto elevata, i collegamenti in cui vengono trasferiti possono diventare il collegamento debole. I giunture meccaniche e le ancoraggi per barre ad alta resistenza o fili richiedono un attento dettaglio per evitare la frantumazione o la scoppio della UHPC intorno alla connessione.
Codice e Implicazioni standard per il design
I codici di costruzione e le linee guida di progettazione impongono fattori di sicurezza e gli stati limite che definiscono efficacemente la massima forza di rendimento utilizzabile del rinforzo UHPC. Ad esempio, l'American Concrete Institute (ACI) 239 Report on Ultra-High-Performance Concrete] e l'Associazione francese di ingegneria civile (AFGC) raccomandazioni utilizzano un fattore di sicurezza parziale per il contributo di trazione delle fibre di fibra di acciaio, spesso riducendo
Per i fili pre-stressanti in UHPC, il codice ACI 318 limita la massima pressione in fili durante il jacking a 0.80fpy] (dove fPiacere è la forza di rendimento specificata per l'acciaio limitante di Ustress).
Fattori di riduzione della resistenza per la tensione composito UHPC
La risposta trazione di UHPC include una fase di indurimento dello sforzo prima di ammorbidire. I metodi di progettazione (ad esempio, AFGC, SETRA) assegnano un fattore (spesso β o ksi) per tenere conto della direzione di orientamento e di carico della fibra. La resistenza di resa del composito in tensione non è un singolo valore, ma una funzione della resistenza post-cracking della fibra di fibra.
Requisiti minimi di rinforzo
Anche con fibre molto forti, i codici richiedono un volume minimo di rinforzo per garantire il guasto duttile. Nei membri flessori UHPC, il rinforzo minimo di trazione deve fornire una resistenza fattore almeno 1,2 volte il momento di cracking. Questo spesso si traduce in un volume di fibra di 1,5-2,5 %, indipendentemente dalla resistenza alla resa della fibra. ]
Applicazioni reali e studi di casi
Diversi progetti di riferimento illustrano come i limiti di resistenza alla resa pratica hanno plasmato il design UHPC. Il Sherbrooke Footbridge[ in Quebec, costruito nel 1997, è stato uno dei primi principali strutture UHPC. Ha usato una miscela di fibre d'acciaio del 2 % e 0,5 % di fibre polimeriche, con lo stress trazione di progettazione nelle fibre limitate a circa 800 MPa (l'attività di fatica inferiore al rendimento della fibra di 2000 MPa.
Il Mars Hill Bridge[] in Iowa (2006) è stato tra le prime applicazioni UHPC per una trave a ponte piena.
Nelle zone sismiche, come il San Francisco-Oakland Bay Bridge[] retrofit, UHPC è stato utilizzato per connessioni e versamenti di chiusura. Il rinforzo consisteva di ASTM A706 Grade 60 barre (yield 420 MPa) perché le barre ad alta intensità (ad esempio, Grade 100) non erano limitate dal codice di gestione per la perdita di energia cistituita.
Questi esempi sottolineano che la forza di resa pratica nei rinforzi UHPC è raramente la massima resistenza possibile del materiale; invece, è determinata da una combinazione di restrizioni di codice, meccanica di legame, fatica e duttilità strutturale generale. Gli ingegneri devono guardare oltre il foglio di dati al comportamento di livello di sistema.
Spingere i Boundaries: Tecnologie emergenti
La ricerca continua a spingere il limite superiore della resistenza alla resa pratica. L'ossido di nano-silica e di grafie sono utilizzati per densificare ulteriormente la matrice, migliorare la resistenza del legame e permettere maggiori sollecitazioni della fibra. Le fibre di acciaio rivestito di grafeno hanno mostrato aumenti di forza del legame del 40-60 %, stressando la modalità di guasto da estrazione alla resa delle fibre e ottenendo così i punti compositi più vicini alla resa delle fibre.
La stampa 3D di UHPC offre la possibilità di allineare le fibre lungo i percorsi stampati, aumentando la resistenza alla resa effettiva nella direzione stampata. Tuttavia, il legame interstrato è spesso debole, creando un limite pratico all'interfaccia. Le strutture stampate possono raggiungere i punti di forza trazione compositi di 20–25 MPa, che è alto per il cemento ma ancora molto al di sotto della resa della fibra.
Un'altra frontiera è sistemi di rinforzo ibridi[] che combinano fibre d'acciaio ad alta resistenza con leghe di memoria della forma (SMA) o tessuto di carbonio.
Infine, ottimizzazione guidata dall'apprendimento automatico delle miscele UHPC] sta identificando combinazioni che massimizzano il legame di fibra-matrix senza aumentare la fragilità .
Conclusione: Il massimo pratico – Dove siamo
La resistenza alla resa dei rinforzi UHPC può teoricamente avvicinarsi a 3.000 MPa per le fibre d'acciaio avanzate e ancora più elevate per i rinforzi a base di carbonio. Tuttavia i limiti pratici sono molto più bassi, tipicamente 800–1,200 MPa per lo stress di progettazione nelle fibre e circa il 60–80 % dei GUTS per i fili prestressanti. Questi soffitti sono impostati non dalla maggior parte delle capacità materiali da solo, ma dall'interazione di meccanica dei legami, dalla duttilità, dalla fatica, dalla fatica, dalla stabilità, dal codice ambientale.
Per i progettisti, il messaggio è chiaro: focalizzarsi sull'ottimizzazione del sistema, non solo sulla resa delle fibre. Utilizzando il rinforzo più elevato disponibile non può fornire il beneficio previsto se la matrice o il legame diventa il fattore limitante. Invece, un approccio equilibrato che corrisponde alla resistenza della fibra con la capacità di matrice, rispetta i limiti di fatica, e soddisfa i requisiti di duttilità del codice cederà le migliori prestazioni.
[Comitato ACI 239, Relazione su Concrete ad alta efficienza (ACI 239R-18)
rete] - AFGC/SETRA, R.