بتن فوق توانمند

پیشرفت مداوم علم مواد منجر به بهبود عملکرد سازه و نوآوری در زمینه مهندسی ساخت و ساز می شود. بتن با عملکرد فوق العاده بالا (UHPC)، به دلیل خواص مکانیکی قابل توجه آن (مانند مقاومت فشاری 28 روزه بیشتر از 120 مگاپاسکال تحت شرایط عمل آوری استاندارد) و دوام بالا (به عنوان مثال، مقاومت بسیار زیاد در برابر نفوذ یون کلر، نفوذپذیری بسیار کم آب و مقاومت در برابر سولفات) به تدریج به عنوان یک نقطه عطف در تحقیقات و کاربردهای عملی در جامعه مهندسی در حال ظهور است.  

ترکیبات  UHPC شامل مقادیر قابل توجهی از مواد سیمانی (800-1200 کیلوگرم بر متر مکعب)، ماسه ریزدانه، و الیاف فولادی با حجم بالا (بیشتر از 2 درصد) است. همچنین، در UHPC مواد افزودنی شیمیایی (مانند افزودنی های کاهنده آب با قدرت بالا، افزودنی کاهنده جمع شدگی خودگیری، عوامل منبسط ‌کننده و افزودنی‌های اصلاح‌کننده ویسکوزیته) به کار می رود. ترکیبات UHPC دارای نسبت آب به چسباننده فوق العاده پایین (0.15–0.25) و چگالی ظاهری بالا (0.825–0.855) هستند.

ترکیبات UHPC به دلیل دارا بودن از عملکرد استثنایی  به عنوان یک مصالح اساسی در ساخت و ساز زیرساخت های پیچیده مدرن، مانند پل های با دهانه بلند، سازه های بلند، سازه های دریایی، سیستم های ریل راه آهن و معماری های کاربردی به کار می روند. در نتیجه، تحقیق در مورد مواد UHPC در ایجاد زیرساخت های بادوام تر و پیشبرد توسعه پایدار صنعت ساخت و ساز اهمیت قابل توجهی دارد.

اصول طراحی UHPC بر کاهش تخلخل، اصلاح ریزساختار، افزایش یکنواختی سازه و افزایش شکل پذیری تمرکز دارد. برای به حداقل رساندن تخلخل اولیه UHPC، تئوری بسته بندی متراکم برای طراحی UHPC پیشنهاد شده است. در ابتدا، مدل های گسسته مانند مدل چگالی بسته بندی خطی و مدل بسته بندی تراکم پذیر برای طراحی مخلوط UHPC استفاده می شد. اخیراً، مدل‌های پیوسته در طراحی مخلوط UHPC مورد استفاده قرار گرفته‌اند. در تلاش برای اصلاح ریزساختار UHPC [45] تحقیقاتی بر روی UHPC با مواد افزودنی معدنی تحت رژیم‌های عمل آوری مختلف انجام شده است و ارتباط معنی‌داری بین ریزساختارهای مختلف و رژیم‌های عمل آوری نشان داده شده است. علاوه بر این، ریزساختار UHPC را می توان از طریق نانو مواد، بهینه سازی استفاده از مواد سیمانی مختلف و استفاده از مواد افزودنی شیمیایی اصلاح کرد. برای افزایش همگنی و شکل‌پذیری، در انتخاب مواد برای UHPC معمولاً سنگدانه‌های درشت را به نفع ترکیب الیاف فولادی حذف می‌کنند. بدون شک، این مطالعات بنیادی کمک قابل توجهی به پیشرفت و کاربرد UHPC کرده است.

با این حال، چالش‌هایی مانند نواقص ریزساختاری پیچیده، هیدراتاسیون ناکافی، عملکرد غیرقابل پیش‌بینی در ترکیبات UHPC با کیفیت پایین، جمع شدگی خودگیری بالا، استحکام ناکافی ناشی از پخش تصادفی الیاف فولادی، هدر رفتن منابع، آلودگی زیست‌محیطی ناشی از استفاده گسترده از سیمان و هزینه‌های تولید بالا مانع از پذیرش گسترده UHPC می‌شود. بنابراین، درک جامع از استراتژی های موثر در UHPC برای غلبه بر این محدودیت‌ها و دستیابی به پیشرفت‌های بیشتر در عملکرد UHPC و کاربردهای گسترده‌تر حیاتی است.

استراتژی های موثر در UHPC به دو دسته اصلی تقسیم می شوند: فعال سازی فیزیکی و شیمیایی. استراتژی‌های فعال‌سازی فیزیکی در UHPC شامل تأمین انرژی و مواد اضافی برای مخلوط UHPC بدون درگیر شدن در واکنش‌های شیمیایی در طول فرآیند آماده‌سازی است. این امر با بهینه سازی توزیع ذرات برای دستیابی به ساختار متراکم، با استفاده از مواد جاذب متخلخل برای کاهش جمع شدگی و استفاده از ویبره برای افزایش توزیع و پراکندگی  به دست می‌آید. استراتژی‌های فعال‌سازی شیمیایی در UHPC شامل استفاده از نانومواد فعال برای تسهیل فرآیند هیدراتاسیون، بهینه‌سازی درصدهای چسباننده مخلوط های شامل چند نوع مواد سیمانی، ترکیبات کاهنده‌ جمع شدگی و/یا عوامل منبسط کننده برای مهار جمع شدگی و استفاده از مواد سیمانی فعال شده با قلیا برای دستیابی به پایداری است. مواد سیمانی فعال شده با قلیا فرآیند هیدراتاسیون را تغییر می‌دهند و در نتیجه بر ریزساختار داخلی و خواص ماکروسکوپی UHPC تاثیر می گذارند.

Xin Su, Zhigang Ren, Peipeng Li, Review on physical and chemical activation strategies for ultra-high performance concrete (UHPC), Cement and Concrete Composites,

Volume 149,2024,105519

Dehui Wang, Caijun Shi, Zemei Wu, Jianfan Xiao, Zhengyu Huang, Zhi Fang, A review on ultra high performance concrete: Part II. Hydration, microstructure and properties, Construction and Building Materials, Volume 96, 2015, Pages 368-377

Zhidong Zhou, Ruifeng Xie, Pizhong Qiao, Linjun Lu, On the modeling of tensile behavior of ultra-high performance fiber-reinforced concrete with freezing-thawing actions, Composites Part B: Engineering, Volume 174, 2019, 106983

Jiang Du, Weina Meng, Kamal H. Khayat, Yi Bao, Pengwei Guo, Zhenghua Lyu, Adi Abu-obeidah, Hani Nassif, Hao Wang, New development of ultra-high-performance concrete (UHPC), Composites Part B: Engineering, Volume 224, 2021, 109220

Raju Sharma, Jeong Gook Jang, Prem Pal Bansal,A comprehensive review on effects of mineral admixtures and fibers on engineering properties of ultra-high-performance concrete,Journal of Building Engineering,Volume 45,2022,103314,