Zementverbundwerkstoff - Engineered cementitious composite

Engineered Zementärer Verbund (ECC), auch genannt Kaltverfestigung auf Zementbasis Composites (SHCC) oder besser bekannt als biegbarer Beton , ist ein leicht formbar Mörtel Verbund -Basis mit verstärkter speziell ausgewählten kurzen Wirrfaser, in der Regel Polymerfasern. Im Gegensatz zu normalem Beton hat ECC eine Dehnungskapazität im Bereich von 3 bis 7%, verglichen mit 0,01% für gewöhnliche Portlandzementpaste (OPC), Mörtel oder Beton. ECC wirkt daher eher wie ein duktiles Metallmaterial als wie ein sprödes Glasmaterial (wie OPC-Beton), was zu einer Vielzahl von Anwendungen führt.

Entwicklung

ECC ist im Gegensatz zu gewöhnlichem faserverstärktem Beton eine Familie mikromechanisch gestalteter Materialien. Solange ein zementartiges Material basierend auf der Theorie der Mikromechanik und der Bruchmechanik entworfen / entwickelt wird, um eine große Zugduktilität zu aufweisen, kann es als ECC bezeichnet werden. Daher ist ECC kein festes Materialdesign, sondern ein breites Themenspektrum in verschiedenen Phasen der Forschung, Entwicklung und Implementierung. Die ECC-Materialfamilie wird erweitert. Die Entwicklung eines individuellen Mischungsdesigns von ECC erfordert besondere Anstrengungen, indem das Material systematisch auf Nano-, Mikro-, Makro- und Verbundskalen konstruiert wird.

ECC ähnelt gewöhnlichem Beton auf Portlandzementbasis, kann sich jedoch unter Belastung verformen (oder verbiegen). Eine Reihe von Forschungsgruppen entwickelt die ECC-Wissenschaft, darunter die der University of Michigan , der University of California, Irvine , der Delft University of Technology , der University of Tokyo , der Czech Technical University , der University of British Columbia und der Stanford University . Die mangelnde Haltbarkeit und das Versagen von herkömmlichem Beton unter Belastung, die beide auf sprödes Verhalten zurückzuführen sind, waren ein treibender Faktor für die Entwicklung von ECC.

Eigenschaften

ECC weist eine Vielzahl einzigartiger Eigenschaften auf, darunter Zugeigenschaften, die anderen faserverstärkten Verbundwerkstoffen überlegen sind , eine einfache Verarbeitung auf dem Niveau von herkömmlichem Zement, die Verwendung nur eines geringen Volumenanteils an Fasern (~ 2%), eine enge Rissbreite und a Mangel an anisotrop schwachen Ebenen. Diese Eigenschaften sind hauptsächlich auf die Wechselwirkung zwischen den Fasern und der Zementmatrix zurückzuführen, die durch das mikromechanische Design individuell angepasst werden kann. Im Wesentlichen erzeugen die Fasern viele Mikrorisse mit einer sehr spezifischen Breite und nicht einige sehr große Risse (wie bei herkömmlichem Beton). Dies ermöglicht es ECC, sich ohne katastrophales Versagen zu verformen.

Dieses Mikrorissverhalten führt zu einer überlegenen Korrosionsbeständigkeit (die Risse sind so klein und zahlreich, dass aggressive Medien den Bewehrungsstahl nur schwer durchdringen und angreifen können) sowie zu einer Selbstheilung. In Gegenwart von Wasser (zum Beispiel während eines Regensturms) wurden nicht umgesetzte Zementpartikel, die kürzlich aufgrund von Crackhydrat freigelegt wurden, gebildet und bilden eine Reihe von Produkten ( Calciumsilicathydrat , Calcit usw.), die sich ausdehnen und den Riss ausfüllen. Diese Produkte erscheinen als weißes Narbenmaterial, das den Riss ausfüllt. Dieses selbstheilende Verhalten dichtet nicht nur den Riss ab, um den Transport von Flüssigkeiten zu verhindern, sondern es werden auch die mechanischen Eigenschaften wiederhergestellt. Diese Selbstheilung wurde bei einer Vielzahl herkömmlicher Zemente und Betone beobachtet; Ab einer bestimmten Rissbreite wird die Selbstheilung jedoch weniger wirksam. Es sind die streng kontrollierten Rissbreiten im ECC, die sicherstellen, dass alle Risse gründlich heilen, wenn sie der natürlichen Umgebung ausgesetzt werden.

In Kombination mit einem leitfähigeren Material können alle Zementmaterialien zunehmen und zur Schadenserkennung verwendet werden. Dies beruht im Wesentlichen auf der Tatsache, dass sich die Leitfähigkeit ändert, wenn Schäden auftreten. Die Zugabe von leitfähigem Material soll die Leitfähigkeit auf ein Niveau erhöhen, bei dem solche Änderungen leicht zu erkennen sind. Obwohl dies keine materielle Eigenschaft von ECC selbst ist, werden halbleitende ECC zur Schadenserkennung entwickelt.

Typen

Es gibt verschiedene Arten von ECC, darunter:

  • Leichte (dh niedrige Dichte) ECC wurden durch Zugabe von Luftporen, Glasblasen, Polymerkugeln und / oder leichten Aggregaten entwickelt. Im Vergleich zu anderen Leichtbetonen weist Leichtbau-ECC eine überlegene Duktilität auf. Zu den Anwendungen gehören schwimmende Häuser, Lastkähne und Kanus.
  • "Selbstverdichtender Beton" bezieht sich auf einen Beton , der unter seinem eigenen Gewicht fließen kann. Zum Beispiel könnte ein selbstverdichtendes Material eine Form füllen, die eine aufwändige vorpositionierte Stahlverstärkung enthält, ohne dass Vibrationen oder Schütteln erforderlich sind, um eine gleichmäßige Verteilung sicherzustellen. Das selbstverdichtende ECC wurde durch die Verwendung chemischer Beimischungen zur Verringerung der Viskosität und durch die Kontrolle der Partikelwechselwirkungen mit der Mischungsdosierung entwickelt.
  • Sprühbares ECC, das pneumatisch aus einem Schlauch gesprüht werden kann, wurde unter Verwendung verschiedener Superplastifizierungsmittel und viskositätsreduzierender Zusatzmittel entwickelt. Im Vergleich zu anderen sprühbaren faserverstärkten Verbundwerkstoffen hat sprühbares ECC zusätzlich zu seinen einzigartigen mechanischen Eigenschaften eine verbesserte Pumpbarkeit. Sprühbares ECC wurde für Nachrüstungs- / Reparaturarbeiten und Tunnel- / Abwasserauskleidungen verwendet.
  • Ein extrudierbares ECC zur Verwendung beim Extrudieren von Rohren wurde erstmals 1998 entwickelt. Extrudierte ECC-Rohre weisen sowohl eine höhere Tragfähigkeit als auch eine höhere Verformbarkeit auf als alle anderen extrudierten faserverstärkten Verbundrohre.

Feldanwendungen

ECC hat in einer Reihe von Großanwendungen in Japan, Korea, der Schweiz, Australien und den USA Verwendung gefunden [3]. Diese schließen ein:

  • Der Mitaka-Damm in der Nähe von Hiroshima wurde 2003 mithilfe von ECC repariert. Die Oberfläche des damals 60 Jahre alten Damms wurde schwer beschädigt und zeigte Anzeichen von Rissen, Abplatzungen und Wasserleckagen. Eine 20 mm dicke ECC-Schicht wurde durch Aufsprühen auf die 600 m 2 Oberfläche aufgetragen.
  • Ebenfalls im Jahr 2003 wurde eine Erdstützmauer in Gifu, Japan, mit ECC repariert. Gewöhnlicher Portlandzement konnte aufgrund der Schwere der Risse in der ursprünglichen Struktur nicht verwendet werden, was zu Reflexionsrissen geführt hätte. ECC sollte diese Gefahr minimieren; Nach einem Jahr wurden nur Mikrorisse mit tolerierbarer Breite beobachtet.
  • Das 95 m hohe Hochhaus Glorio Roppongi in Tokio enthält insgesamt 54 ECC-Koppelbalken (zwei pro Etage) zur Minderung von Erdbebenschäden. Die Eigenschaften von ECC (hohe Schädigungstoleranz, hohe Energieabsorption und Verformungsfähigkeit unter Scherung) verleihen ihm im Vergleich zu gewöhnlichem Portlandzement überlegene Eigenschaften bei Anwendungen mit seismischer Beständigkeit . Ähnliche Strukturen sind der 41-stöckige Nabeaure Yokohama Tower (vier Koppelbalken pro Etage).
  • Die 1 km lange Mihara-Brücke in Hokkaido , Japan, wurde 2005 für den Verkehr freigegeben. Das stahlverstärkte Straßenbett enthält fast 800 m3 ECC-Material. Die Zugduktilität und das enge Risskontrollverhalten von ECC führten zu einer 40% igen Reduzierung des während des Aufbaus verwendeten Materials.
  • In ähnlicher Weise wurde 2005 ein 225 mm dickes ECC-Brückendeck auf der Interstate 94 in Michigan fertiggestellt. 30 m 3 Material wurden verwendet und vor Ort in Standard-Mischfahrzeugen geliefert. Aufgrund der einzigartigen mechanischen Eigenschaften von ECC verwendete dieses Deck auch weniger Material als ein vorgeschlagenes Deck aus gewöhnlichem Portlandzement. Sowohl die University of Michigan als auch das Michigan Department of Transportation überwachen die Brücke, um die theoretisch überlegene Haltbarkeit von ECC zu überprüfen. Nach vierjähriger Überwachung blieb die Leistung unvermindert.
  • Die erste selbstkonsolidierende und frühfeste Reparatur von ECC-Patches wurde im November 2006 auf der Ellsworth Road Bridge über US-23 durchgeführt. Die hochfeste ECC kann eine Druckfestigkeit von 23,59 ± 1,40 MPa (3422,16 ± 203,33 psi) erreichen ) in vier Stunden und 55,59 ± 2,17 MPa (8062,90 ± 315,03 psi) in 28 Tagen, was eine schnelle Reparatur ermöglicht und die Sitzung wieder für den Verkehr öffnet. Die hochfeste ECC-Reparatur hat im Vergleich zu typischen Betonreparaturmaterialien eine überlegene Langzeitbeständigkeit unter Feldbedingungen gezeigt.

Vergleich mit anderen Verbundwerkstoffen

Eigenschaften FRC Gemeinsames HPFRCC ECC
Design Methodik N / A Verwenden Sie hohe Vf Mikromechanik basiert, minimiert Vf für Kosten und Verarbeitbarkeit
Ballaststoff Jeder Typ, Vf normalerweise weniger als 2%; df für Stahl ~ 500 Mikrometer Meist Stahl, Vf normalerweise> 5%; df ~ 150 Mikrometer Maßgeschneiderte Polymerfasern, Vf normalerweise weniger als 2%; df <50 Mikrometer
Matrix Grobe Aggregate Feine Aggregate Kontrolliert auf Matrixzähigkeit, Fehlergröße; feiner Sand
Schnittstelle Nicht kontrolliert Nicht kontrolliert Chemische und Reibungsbindungen, deren Brückeneigenschaften kontrolliert werden
Mechanische Eigenschaften Dehnungserweichung: Kaltverfestigung: Kaltverfestigung:
Zugbelastung 0,1% <1,5% > 3% (typisch); 8% max
Rissbreite Unbegrenzt Typischerweise mehrere hundert Mikrometer, unbegrenzt über 1,5% Dehnung hinaus Typischerweise <100 Mikrometer während des Kaltverfestigens

Hinweis: FRC = Faserverstärkter Zement. HPFRCC = Hochleistungsfaserverstärkte zementhaltige Verbundwerkstoffe

Siehe auch

Verweise

Externe Links