Konstruerad cementbaserad komposit

Engineered Cementitious Composite (ECC), även kallad Strain Hardening Cement-based Composites (SHCC) eller mer populärt som böjbar betong , är en lättgjuten murbruksbaserad komposit förstärkt med speciellt utvalda korta slumpmässiga fibrer, vanligtvis polymerfibrer . Till skillnad från vanlig betong har ECC en dragtöjningskapacitet i intervallet 3–7 %, jämfört med 0,01 % för vanlig portlandcementpasta (OPC), murbruk eller betong. ECC fungerar därför mer som ett formbart metallmaterial snarare än ett sprött glasmaterial (liksom OPC-betong), vilket leder till en mängd olika tillämpningar.

Utveckling

ECC, till skillnad från vanlig fiberarmerad betong , är en familj av mikromekaniskt utformade material. Så länge ett cementartat material är designat/utvecklat baserat på mikromekanik och brottmekanikteori för att ha stor draghållfasthet, kan det kallas en ECC. Därför är ECC inte en fast materialdesign, utan ett brett spektrum av ämnen under olika stadier av forskning, utveckling och implementeringar. ECC-materialfamiljen expanderar. Utvecklingen av en individuell mixdesign av ECC kräver speciella ansträngningar genom systematisk konstruktion av materialet i nano-, mikro-, makro- och kompositskala.

ECC ser ut som vanlig Portlandcementbaserad betong, förutom att den kan deformeras (eller böjas) under belastning. Ett antal forskargrupper utvecklar ECC-vetenskap, inklusive de vid University of Michigan , University of California, Irvine , Delft University of Technology , University of Tokyo , Czech Technical University , University of British Columbia och Stanford University . Traditionell betongs bristande hållbarhet och brott under belastning, båda härrörande från spröd beteende, har varit en drivande faktor i utvecklingen av ECC.

Egenskaper

ECC har en mängd unika egenskaper, inklusive dragegenskaper som är överlägsna andra fiberförstärkta kompositer , enkel bearbetning i nivå med konventionell cement, användningen av endast en liten volymfraktion av fibrer (~ 2%), snäv sprickbredd och en brist på anisotropiskt svaga plan. Dessa egenskaper beror till stor del på interaktionen mellan fibrerna och cementeringsmatrisen, som kan skräddarsys genom mikromekanisk design. I huvudsak skapar fibrerna många mikrosprickor med en mycket specifik bredd, snarare än ett fåtal mycket stora sprickor (som i konventionell betong.) Detta gör att ECC kan deformeras utan katastrofala fel.

Detta mikrosprickningsbeteende leder till överlägsen korrosionsbeständighet (sprickorna är så små och många att det är svårt för aggressiva medier att penetrera och angripa armeringsstålet) samt till självläkande. I närvaro av vatten (till exempel under en regnstorm) oreagerade cementpartiklar nyligen exponerade på grund av sprickbildning hydrat och bildar ett antal produkter (kalciumsilikathydrater (CSH), kalcit , etc. ) som expanderar och fyller i sprickan. Dessa produkter visas som ett vitt "ärr"-material som fyller i sprickan. Detta självläkande beteende tätar inte bara sprickan för att förhindra transport av vätskor, utan de mekaniska egenskaperna återfås. Denna självläkning har observerats i en mängd olika konventionella cement och betong; över en viss sprickbredd blir dock självläkning mindre effektiv. Det är de hårt kontrollerade sprickbredderna som ses i ECC som säkerställer att alla sprickor läker ordentligt när de utsätts för den naturliga miljön.

I kombination med ett mer ledande material kan alla cementmaterial öka i ledningsförmåga och användas för skadeavkänning. Detta är i huvudsak baserat på det faktum att ledningsförmågan kommer att förändras när skada uppstår; tillsatsen av ledande material är avsett att höja konduktiviteten till en nivå där sådana förändringar lätt kan identifieras. Även om det inte är en materiell egenskap hos ECC självt utvecklas halvledande ECC för skadeavkänning.

Typer

Det finns ett antal olika varianter av ECC, inklusive:

Lättvikts (dvs lågdensitet) ECC har utvecklats genom tillägg av lufthåligheter, glasbubblor, polymersfärer och/eller lättviktsaggregat. Jämfört med andra lättbetonger har lättvikts-ECC överlägsen duktilitet. Tillämpningar inkluderar flytande bostäder, pråmar och kanoter.
"Självkomprimerande betong" avser en betong som kan flyta under sin egen vikt. Till exempel skulle ett självkomprimerande material kunna fylla en form som innehåller utarbetad förpositionerad stålarmering utan behov av vibrationer eller skakning för att säkerställa jämn fördelning. Självkompakterande ECC utvecklades genom användning av kemiska tillsatser för att minska viskositeten och genom att kontrollera partikelinteraktioner med blandningsdosering.
Spraybar ECC, som kan sprutas pneumatiskt från en slang, har utvecklats genom att använda olika superplasticeringsmedel och viskositetsreducerande tillsatser. Jämfört med andra spraybara fiberförstärkta kompositer har spraybar ECC förbättrad pumpbarhet förutom sina unika mekaniska egenskaper. Spraybar ECC har använts för eftermontering/reparationsarbeten och tunnel/avloppsbeklädnader.
En extruderbar ECC för användning vid extrudering av rör utvecklades första gången 1998. Extruderade ECC-rör har både högre belastningskapacitet och högre deformerbarhet än alla andra extruderade fiberarmerade kompositrör.

Fältapplikationer

ECC har funnit användning i ett antal storskaliga tillämpningar i Japan, Korea, Schweiz, Australien och USA[3]. Dessa inkluderar:

Mitakadammen nära Hiroshima reparerades med hjälp av ECC 2003. Ytan på den då 60 år gamla dammen skadades allvarligt och visade tecken på sprickor, sprickor och visst vattenläckage. Ett 20 mm tjockt lager av ECC applicerades genom sprutning över ytan på 600 ^{m2 .}
Även 2003 reparerades en jordskyddsmur i Gifu, Japan, med hjälp av ECC. Vanligt portlandcement kunde inte användas på grund av svårighetsgraden av sprickorna i den ursprungliga strukturen, vilket skulle ha orsakat reflekterande sprickor. ECC var avsett att minimera denna fara; efter ett år observerades endast mikrosprickor med tolererbar bredd.
Glorio Roppongi höghus i Tokyo på 95 m (312 fot ) innehåller totalt 54 ECC-kopplingsbalkar (två per våning) avsedda att mildra jordbävningsskador. Egenskaperna hos ECC (hög skadetolerans, hög energiabsorption och förmåga att deformeras under skjuvning) ger den överlägsna egenskaper i seismiska motståndsapplikationer jämfört med vanlig portlandcement . Liknande strukturer inkluderar det 41 våningar höga Nabeaure Yokohama Tower (fyra kopplingsbalkar per våning.)
Den 1 km (0,62 mi) långa Mihara-bron i Hokkaido , Japan öppnades för trafik 2005. Den stålförstärkta vägbädden innehåller nästan 800 m3 ECC-material. Draghållfastheten och sprickkontrollbeteendet hos ECC ledde till en minskning med 40 % av material som användes under konstruktionen.
färdigställdes ett 225 mm tjockt ECC-brodäck på interstate 94 i Michigan 2005. 30 m ³ material användes, levererat på plats i vanliga blandningsbilar. På grund av de unika mekaniska egenskaperna hos ECC använde detta däck också mindre material än ett föreslaget däck tillverkat av vanlig portlandcement. Både University of Michigan och Michigan Department of Transportation övervakar bron i ett försök att verifiera den teoretiskt överlägsna hållbarheten hos ECC; efter fyra års övervakning förblev prestandan oförminskad.
Den första självkonsoliderande och ECC-lappreparationen med hög tidig styrka placerades på Ellsworth Road Bridge över US-23 i november 2006. ECC med hög tidig styrka kan uppnå en tryckhållfasthet på 23,59 ± 1,40 MPa (3422,16 ± 203,33 psi) ) på fyra timmar och 55,59 ± 2,17 MPa (8062,90 ± 315,03 psi) på 28 dagar, vilket möjliggör snabb reparation och återöppning av sessionen för trafik. ECC-reparationen med hög hållfasthet har visat överlägsen långtidshållbarhet i fältförhållanden jämfört med typiska betongreparationsmaterial.

Jämförelse med andra kompositmaterial

Egenskaper	FRC	Vanlig HPFRCC	ECC
Designmetodik	NA	Använd hög Vf	Mikromekanik baserad, minimera Vf för kostnad och processbarhet
Fiber	Vilken typ som helst, Vf vanligtvis mindre än 2%; df för stål ~ 500 mikrometer	Mestadels stål, Vf vanligen > 5 %; df ~ 150 mikrometer	Skräddarsydda polymerfibrer, Vf vanligtvis mindre än 2 %; df < 50 mikrometer
Matris	Grova ballast	Fina ballast	Kontrollerad för matrisseghet, felstorlek; fin sand
Gränssnitt	Ej kontrollerad	Ej kontrollerad	Kemiska och friktionsbindningar kontrollerade för överbryggande egenskaper
Mekaniska egenskaper	Stammjukande:	Töjningshärdning:	Töjningshärdning:
Dragpåkänning	0,1 %	<1,5 %	>3% (typiskt); 8 % max
Sprickbredd	Obegränsat	Vanligtvis flera hundra mikrometer, obegränsat över 1,5 % töjning	Typiskt < 100 mikrometer vid töjningshärdning

Obs: FRC=Fiberförstärkt cement. HPFRCC=Högpresterande fiberförstärkta cementkompositer

Se även

Högpresterande fiberförstärkta cementbaserade kompositer

externa länkar