Практические пределы прочности удельной мощности в сверхвысокопроизводительных бетонных подкреплениях

Ультра-высокопроизводительный бетон (UHPC) появился как материал, который бросает вызов традиционным границам бетонной технологии. С прочностью на сжатие, превышающей 150 МПа и исключительной долговечностью, UHPC обеспечивает стройные, длинные пролетные конструкции и экстремальные нагрузки. Однако практическая полезность UHPC не просто функция его способности к сжатию; прочность на выходе его арматуры - будь то встроенные стальные прутья, предварительно напрягающиеся нити или дискретные волокна - одинаково важна. Прочность на удельную мощность определяет уровень напряжения, при котором начинается постоянная деформация, а в системах UHPC взаимодействие между хрупкой цементирующей матрицей и усиливающими фазами накладывает реальные потолки на то, насколько высокая эта прочность может быть выдвинута. В этой статье рассматриваются эти практические пределы, учитывая материаловедение, производственные реалии, ограничения затрат и структурные характеристики в обслуживании и экстремальных условиях.

Понимание силы удельного веса в контексте UHPC

Прочность удельного веса является стандартной мерой для пластичных металлов: напряжение, при котором материал переходит от эластичного к пластическому поведению. Для обычной армации стали в бетоне прочность выхода обычно составляет от 400 до 600 МПа. Однако в UHPC армирующие компоненты - часто комбинация высокопрочных стальных волокон, брусков малого диаметра или даже углеродных волокон - демонстрируют прочность выхода, которая может приближаться или превышать 1000 МПа. Тем не менее, явление «удельности» в композитном материале с армированным волокном является более сложным. Волокна могут давать индивидуально, но композитный ответ регулируется вытягиванием волокна, микротрещиной матрицы и уплотнением деформации, если объем волокна и связь достаточны. Практическая прочность выхода в UHPC должна, следовательно, учитывать общее поведение напряженного напряжения композита, а не только свойства сырья армирования.

Поскольку матрица UHPC плотная и имеет очень низкие отношения воды к связыванию (обычно 0,20 или менее), ее собственный выход растяжения ничтожен - он хрупок. Усиление обеспечивает необходимую пластичность. Эффективная точка выхода армированного композита является функцией ориентации волокна, распределения, соотношения сторон и механики склеивания. Это вводит ключевой практический предел: даже если отдельные волокна имеют прочность выхода более 2000 МПа, композит может не достичь этой прочности из-за неэффективной передачи нагрузки или преждевременного вытягивания волокна. Инженеры должны проектировать для выхода композита, который часто составляет 60-80% от выхода необработанного волокна.

Ключевые факторы, которые устанавливают практические потолки на силу урожаев

Типы усиления и ориентация волокон

Наиболее распространенными волокнами в UHPC являются волокна из высокоуглеродистой стали, обычно с прочностью на растяжение от 2500 до 3000 МПа. Их прочность на выходе (около 2000 МПа для обычных марок) очень высока, но практическая прочность композита ограничена фракцией объема волокна (обычно 1,5-6 % по объему) и случайностью ориентации. Структуры, где волокна выровнены вдоль основного направления растяжения, например, в экструдированных или сформованных в потоке элементах, могут достигать более высокого эффективного выхода, но достижение этого выравнивания в литой конструкции практически невозможно. Полимеровые волокна (PVA, полипропилен) имеют гораздо более низкие прочности на выходе (200-1000 МПа) и используются в основном для контроля трещин. Гибридные волоконные системы, сочетающие макро стальные волокна с микроуглеродом или волокнами PVA, могут улучшить прочность после выхода, но каждый тип волокна накладывает свой собственный предел на общую прочность на растяжение и деформацию.

Матричная пористость и плотность упаковки частиц

Высокая прочность UHPC проистекает из чрезвычайно низкой пористости. Модели упаковки частиц Дингера-Функа или Андреасена используются для максимизации плотности, уменьшения капиллярных пор. Однако при очень высоких прочностях на выходе армирования матрица должна быть способна передавать напряжение, не выходя из строя при сдвиге или напряжении вокруг волокон. Если матрица слишком слаба или содержит необнаруженные микропусты, локальные концентрации напряжения могут вызвать преждевременное дебондирование волокна. Таким образом, практические пределы прочности на выходе связаны с прочностью на разрыв матрицы (обычно 5-15 МПа для UHPC) и прочностью межфазной связи. Даже при оптимальной упаковке матрица не может превышать определенный модуль прочности; помимо этого, композит становится все более хрупким и может выходить из строя при нагрузках, значительно ниже выхода волокна.

Режимы лечения и температурные эффекты

На прочность выхода стальных волокон сами по себе не сильно влияют типичные температуры отверждения UHPC (20-90 ° C). Однако связь между волокном и матрицей - и собственные внутренние напряжения матрицы от термической и аутогенной усадки - может быть изменена. Тепловое отверждение ускоряет гидратацию и увеличивает раннюю прочность, но это также может привести к микротрещине, если не тщательно контролировать. Автоклавирование при температурах выше 100 ° C может дополнительно уплотнять матрицу, но это может также привести к хрупкости волокон или вызвать расслабление напряжения в предварительно напряженных нитях. Для предварительно напряженной UHPC прочность выхода предстрессовой стали регулируется собственной обработкой с помощью сброса напряжения; сочетание этого с низким ползучестью UHPC и высокой жесткостью может привести к очень эффективным секциям, но конечный выход элемента ограничен гарантированным производителем стальным выходом, а не UHPC.

Доктильность и жесткость компромиссов на высоких сильных сторонах

Центральным практическим пределом является то, что увеличение прочности на выходе армирования часто снижает его пластичность. Высокопрочные стальные волокна имеют более низкое удлинение при разрыве (около 2-5 % деформации) по сравнению с обычными арматурными стержнями (12 % или более). В UHPC поведение после крекинга зависит от вытягивания волокна, что обеспечивает большую неупругую деформацию, но только если волокна не разрушаются. Если прочность волокна превышает емкость связи, волокна будут вытягиваться постепенно, обеспечивая пластичность. Если связь слишком прочная, разрыв волокон и элемент теряют прочность. Инженеры должны поэтому сбалансировать прочность на выход волокна и прочность связи, чтобы обеспечить проходимость, деформацию на деформацию около 0,4-0,6 % для членов UHPC для обеспечения адекватной пластичности при сейсмических или ударных нагрузках.

Низкая проницаемость UHPC делает его высокоустойчивым к проникновению хлорида, оттаиванию замораживания и химической атаке. Но армирование - особенно стальные волокна - все еще может корродировать, если матрица трещина или если карбонизация достигает глубины волокна. Коррозия снижает эффективное поперечное сечение волокон и потенциально вызывает преждевременный разрыв. Чтобы смягчить это, ACI 239 рекомендует ограничить растягивающее напряжение в UHPC до уровней, которые удерживают ширину трещины ниже 0,1 мм при эксплуатационных нагрузках. Этот предел напряжения часто намного ниже, чем прочность на разрыв волокон, особенно для членов, подвергающихся воздействию солей обледенения. Для стержней с армированным углеродным волокном полимером (CFRP), используемых в UHPC, явление выхода отсутствует - они эластичны к отказу - но прочность на разрыв все еще ограничена деградацией окружающей среды (УФ, щелочность). Таким образом, практическая прочность на разрыв часто регулируется требованиями к долговечности,

Связи и вызовы Anchorage

Даже если элемент UHPC имеет армирование с очень высокой прочностью на выходе, соединения, где переносятся нагрузки, могут стать слабым звеном. Механические сплайсы и крепления для высокопрочных баров или нитей требуют тщательной детализации, чтобы избежать дробления или разрыва UHPC вокруг соединения. Пропускная способность связи между UHPC и высокопрочным армированием выше, чем в обычном бетоне, но длина разработки прочности на выходе увеличивается с прочностью на бар. Для баров с выходом более 800 МПа требуемая длина встраивания может быть длиннее, чем практическая, ограничивая использование таких баров в стройных элементах. Посленатяжные якоря и соединители часто имеют ограничения, которые ограничивают полезное напряжение в сухожилии до 80 процентов от его гарантированной прочности на разрыв (GUTS), которая может быть меньше, чем фактическая прочность на выходе нити.

Код и стандартные значения для дизайна

Строительные кодексы и руководящие принципы проектирования налагают факторы безопасности и предельные состояния, которые эффективно определяют максимальную допустимую прочность выхода арматуры UHPC. Например, в рекомендациях Американского института бетона (ACI) 239 и Французской ассоциации гражданского строительства (AFGC) используется частичный коэффициент безопасности для вклада растяжения стальных волокон, часто снижая значение конструкции фибра для учета ориентации и рассеяния. На практике прочность выхода конструкции арматуры волокна принимается за долю (например, 0,85) характерной прочности выхода волокна, умноженной на коэффициент безопасности материала 1,15 или 1,25. Это снижает номинальную доходность примерно на 20-35%.

Для предварительно напряженных нитей в UHPC код ACI 318 ограничивает максимальное напряжение в нитеях во время угона до 0,80f_py (где f_py является заданной прочностью на выходе для предварительно напряженной стали., но прочность на выходе 270 нитей составляет 230 кси (1,586 МПа), но нажим на угощение ограничен примерно 185 кси (1,276 МПа). Для непрострессированных стержней, прочность на выходе, используемая в конструкции, обычно является заданной минимальной доходностью (например, 60 кси = 414 МПа для класса 60), даже если доступны более высокие стержни. Это не физический предел, а практическая уступка для обеспечения последовательного поведения, пластичности и совместимости с бетоном нормальной прочности. По мере того, как UHPC становится более

Факторы снижения силы для UHPC Composite Tension

В отличие от обычного бетона, реакция на растяжение UHPC включает в себя фазу затвердевания деформации перед размягчением. Методы проектирования (например, AFGC, SETRA) назначают фактор (часто β или ksi) для учета ориентации волокна и направления нагрузки. Прочность выхода композита в напряжении не является единым значением, а функцией прочности после скрещивания, которая обычно ограничивается примерно 8-15 МПа для UHPC с 2-3% прочностью на выходе самих волокон. Этот предел обусловлен локализацией трещин и необходимостью остаточной прочности, которая может быть надежно достигнута.

Минимальные требования к укреплению

Даже при очень прочных волокнах коды требуют минимального объема армирования для обеспечения проходимости. В элементах сгибания UHPC минимальное растягивающее армирование должно обеспечивать факторное сопротивление, по крайней мере, в 1,2 раза больше момента растрескивания. Это часто приводит к объему волокна 1,5-2,5%, независимо от прочности выхода волокна. Использование волокон с чрезвычайно высокой прочностью выхода не уменьшает требуемый объем, потому что пластичность и контроль трещин зависят от количества волокон и связи, а не только от прочности. Поэтому практическая прочность выхода не является единственным определяющим фактором конструкции - есть минимумы, которые препятствуют полному использованию высокопрочных волокон.

Реальные приложения и тематические исследования

Несколько знаковых проектов иллюстрируют, как практические пределы прочности на выходе сформировали дизайн UHPC. Шербрук Футбридж в Квебеке, построенный в 1997 году, был одной из первых крупных структур UHPC. В нем использовалась смесь из 2 % стальных волокон и 0,5 % полимерных волокон, с конструктивным растягивающим напряжением в волокнах, ограниченных примерно 800 МПа (намного ниже выхода волокна 2000 МПа). Реальные характеристики подтвердили, что выход композита контролировался вытягиванием волокна, а не разрывом волокна. Мост был в эксплуатации более 25 лет без признаков усталости или выхода дистресса.

Mars Hill Bridge в Айове (2006) был одним из первых в США применений UHPC для полной перекладины моста. Стрессовые нити были 270 класса, но конструктивный престресс был ограничен 75 % GUTS из-за требований кода. Матрица UHPC имела прочность на сжатие 180 МПа, но руководящим пределом было напряжение на растяжение в секции под служебной нагрузкой — удерживалось ниже 0,6f'c напряжения, чтобы избежать растрескивания. Прочность на выходе предстрессовой стали не была ограничивающим фактором; скорее, поведение растрескивания UHPC управляло дизайном секции.

В сейсмических зонах, таких как модернизация моста Сан-Франциско-Окленд-Бей, UHPC использовался для соединений и замыкания заливов. Укрепление состояло из 60 баров ASTM A706 (доходность 420 МПа), потому что высокодоходные бары (например, класс 100) не допускались руководящим кодом для рассеивания энергии. Практический предел исходил из требований к пластичности: секция должна была подвергаться циклическим пластическим деформациям без потери прочности, поведение, которое высокодоходные, низкодоходные бары не могли обеспечить.

Эти примеры подчеркивают, что практическая прочность выхода в UHPC-подкреплениях редко является максимально возможной прочностью материала; вместо этого она определяется комбинацией кодовых ограничений, механики связи, усталости и общей структурной пластичности.

Раздвигая границы: новые технологии

Исследования продолжают продвигать верхнюю границу практической прочности на выходе. Нано-кремнезем и оксид графена используются для дальнейшего уплотнения матрицы, повышения прочности связи и обеспечения более высоких напряжений волокна. Стальные волокна с графеновым покрытием показали увеличение прочности связи на 40-60%, сдвиг режима отказа от вытягивания к выходу волокна и, таким образом, достижение композитных прочностей ближе к выходу необработанного волокна. Для предварительно напряженных UHPC разрабатываются новые нити из микролегированной стали с прочностью на выходе 2200 МПа, хотя принятие требует изменений в предварительном нажатии на оборудование и принятии кода.

3D-печать UHPC предлагает возможность выравнивать волокна по печатным путям, повышая эффективную прочность выхода в печатном направлении. Однако межслойная связь часто слаба, создавая практический предел на интерфейсе. Печатные структуры могут достигать прочности на растяжение композитов 20–25 МПа, что является высоким для бетона, но все еще намного ниже выхода волокна. Настоящий прорыв произойдет, когда выравнивание волокна может быть точно контролируемым в трех измерениях без ущерба для скорости производства.

Другой рубеж — гибридные армирующие системы, которые сочетают высокопрочные стальные волокна с сплавами памяти формы (SMA) или углеродной тканью. SMA могут обеспечить самоцентрирующее поведение после выхода, но их прочность выхода обычно составляет всего 400-600 МПа. Используя их в сочетании со стальными волокнами, инженеры могут создавать системы, которые дают при низком напряжении для пластичности, но могут нести более высокие нагрузки через мостинг волокна. Практическим пределом затем становится совместимость штаммов между различными армениями.

Наконец, , машинная оптимизация обучения UHPC смесей, идентифицирует комбинации, которые максимизируют связь волоконно-матричных без увеличения хрупкости. Алгоритмы могут предсказать прочность композитного выхода, учитывая геометрию волокна, объем и матричную композицию, что позволяет целенаправленно подходить к избеганию экономических и физических ограничений, которые исторически ограничивали UHPC.

Оригинальное название: The Practical Maximum: Where We Stand

Прочность на выходе арматуры UHPC теоретически может достигать 3000 МПа для передовых стальных волокон и даже выше для арматуры на основе углерода. Тем не менее, практические пределы намного ниже, как правило, 800-1200 МПа для конструктивного напряжения в волокнах и около 60-80% GUTS для предварительного натяжения нитей. Эти потолки устанавливаются не только материальными возможностями, но и взаимодействием механики связи, пластичности, усталости, экологической долговечности, экономических факторов и ограничений кода. Наиболее экономичные и надежные структуры UHPC сегодня работают при композитных прочностях на растяжение 8-15 МПа, причем арматуры дают только в локализованных пластиковых зонах вблизи отказа.

Для дизайнеров сообщение ясное: сосредоточиться на оптимизации системы, а не только на выходе волокна. Использование максимального усиления может не обеспечить ожидаемую выгоду, если матрица или связь становятся ограничивающим фактором. Вместо этого сбалансированный подход, который соответствует прочности волокна с пропускной способностью матрицы, уважает ограничения усталости и удовлетворяет требованиям к пластичности кода, даст лучшую производительность. По мере созревания новых материалов и методов практический потолок будет расти, но фундаментальный принцип остается: практические пределы прочности выхода в UHPC подкрепления определяются самым слабым звеном на пути нагрузки, а не самым сильным компонентом. Инженеры, которые понимают это, могут безопасно раздвинуть границы дизайна, избегая ловушек чрезмерной оптимизации одного параметра.

Далее читать:
— Комитет ACI 239, [[ACI:5]] — AFGC/SETRA, Рекомендации по сверхвысокопроизводительным волокнам-укрепленным бетонам (2013) — Naaman, A. E., & Wille, K., «Путь к сверхвысокопроизводительным волокнам-укрепленным бетонам», Материалы и структуры, 2016.