SINTEZA LUCRĂRII - 2007

 

           STUDIUL STADIULUI ACTUAL AL PROBLEMEI PE PLAN MONDIAL

 

Betoanele ultraperformante reprezinta un foarte avansat material de constructie pe baza de ciment. Se caracterizeaza printr-un ultra-compact matrix cu o permeabilitate foarte scazuta si o rezistenta superioara la intindere si compresiune.

Dezvoltarea betoanelor ultraperformante isi are originea in studiile efectuate de Odler, Brunauer si Yudenfreud la inceputul anilor 1970. Ei au investigat pastele de rezistenta ridicata realizate cu un raport apa/ciment cuprins intre  0.2 si 0.3 care s-au caracterizat avand o porozitate scazuta si rezistente mari la compresiune – pana la 200 MPa.

Betoane de acest tip dar realizate cu tehnici de vibropresare  au fost abordate prima data de Roy rezultand  o pasta de ciment de foarte inalta rezistenta, de pana la 680 MPa.

Odata cu dezvoltarea superplastifiantilor si adaosurilor minerale pozzolanice de tipul prafului de silice, in anii 1980 au aparat doua tipuri de materiale, astfel:

• Birchall  si altii au realizat materiale cementoase  pe baza de polimeri. Porii sunt umpluti prin polimelizare rezultand un material compact. Aceste betoane astfel rezultate sunt sensibile la apa si au curgere lenta ridicata – conform observatiilor facute de Kendall si Alford.
• Bache realizeaza un beton densificat (DSP-densified small particles) care se  realizeaza pe baza interactiunii unui superplastfiant si praful de silice, rezultand descresterea porozitatii materialului rezultat si cresterea rezistentei lui. Acest principiu a stat la baza realizarii in viitor a betoanelor ultraperformante.

Acest  amestec astfel realizat a fost investigat si optimizat in continuare  de  DeLarrard si Sedran. Aceata pasta de ciment de inalta rezistenta este foarte casanta. In consecinta, pentru ductilizarea ei si cresterea energiei de absorbtie este necesar adaosul in amestec a fibrelor astfel:            

• Bache si Aarup au realizat pentru inceput betonul denumit pe scurt CRC cu un adaos de 5 %  pana la 10% fibre de otel.
• Betoanele cu pudre reactive (RPC) realizate cu 2.5% fibre scurte si subtiri (lf=lungime fibre 13 mm)-betoane realizate de firmele Bonygnes, Lafarge si Rhodia cunsocute sub denumirea de Ductal  (autori Richard, Orange).
• Si compozitele de ciment multi-seal (MSCC) care utilizeaza un amestec de fibre lungi si scurte, realizate in Franta de LCPC (Laboratoir Centrale de Ponts et Chaussees-Rossi) cunoscute sub denumirea de CEMTEC® multiscale.

Dezvoltarea betoanelor ultraperformante (denumite generic pe plan mondial UHPFRC) si modul de realizare precum si proprietatile lor speciale nu sunt cunoscute in totalitate fiind studiate de diversi cercetatori si universitati.

Numai dupa ce betoanele cu prafuri reactive (pudre reactive) au fost indroduse in anii ’90 in Franta si Canada (Richard si Cheyrezy-1995 si Aitcin si Richard in 1996) acest nou material se poate spune ca s-a utilizat in structurile de constructii.

Richard defineste unele principii privind modul de proiectare si realizarea betoanelor ultraperformante :

• Cresterea omogenitatii datorita eliminarii agregatelor de diametru mare (pietrisul).
• Cresterea compactitatii,prin utilizarea particulelor foarte fine : praful de silice (diametrul mediu 0.1-0.2 μm), ciment (diametrul mediu 15 μm) si nisipurile fine de maxim 0.2 mm
• Ductilizarea – prin prezenta fibrelor.

Betoanele ultraperformante pot fi supuse tratamentului termic sau tratamentului prin    presarea betonului proaspat. Acest ultim tratament mareste densitatea prin reducerea cantitatii interne de aer, prin indepartarea excesului de apa si acceleratia contractiei chimice.

Tratarea  termica dupa turnarea betonului la 90º C accelereaza reactiile puzzolanice si modifica microstructura.

 

CONSTITUENTII BETOANELOR ULTRAPERFORMANTE


Constau din : ciment, praf de silice, nisip, fibre, apa si superplastifianti.

• Raportul apa/ciment variaza intre 0.15 si 0.20 cu un dozaj de praf de silice de 20%-30% din cantitatea de ciment.
• Dozajul in ciment  ≥700 kg/ mc este de peste doua ori mai mare decat pentru betoanele uzuale.Cerintele pentru calitatea cimentului folosit sunt : continut redus de alcalii, finete mare de macinare, continut redus de C3A pentru a se reduce necesarul de apa, formarea entrengitului si caldurii de hidratare.In majoritatea cazurilor se utilizeaza CEM I 52.5. Richard si Siebel au avut unele tentative de utilizare si a cimentului CEM III B.
• Praful de silice, cu un rol major la realizarea acestor betoane, umpland golurile dintre granulele de ciment, schimba astfel caracteristicile reologice si formele produselor de hidratare  datorita proprietatilor pozzolanice. Prezenta prafului de silice conduce la crearea rezistentelor mari si compactitati betonului. Se recomanda utilizarea prafului de silice cat mai pur cu finetea Blair de cca 14 mp/g. Dozajul optim de praf de silice, conform cercetarilor efectuate de Richard  si Parant este de 25%.
• Nisipul. Agregatul utilizat la realizarea betoanelor ultraperformante este nisipul, cu precadere nisipul cuartos realizand o aderenta marita pasta-agregat. In general granulozitatea maxima utilizata pentru nisip este de 1 mm, dar s-au produs betoane ultraperformante si cu agregate sort 8-16 mm (Holschemacher si Richard).
• Superplastifiantul este esential pentru realizarea lucrabilitatii in cazul unui raport apa/ciment redus. Conform cercetarilor efectuate de Holschemacher se recomanda utilizarea superplastifiantilor de a treia generatie, respectiv polycarboxylatul si polycarboxyteterii.
• Fibrele. Se utilizeaza fibre metalice si organice. Naaman defineste cu notiunea de fibre ceva “scurt, rigid si rezistent”. Naaman a realizat diagramele σ-ε pentru solicitarea de incovoiere si intindere in functie de proprietatile fibrelor.

Rosii a dezvoltat un concept pentru betoanele ultraperformante pe baza asa numitului concept “multiscale” pentru un cocktail de fibre de dimensiuni diferite. Cocktailul de fibre sporeste rezistenta la intindere si  capacitatea de deformare pentru un procent de armare cu fibre mai mare de 2%. Continutul maxim de fibre este limitat si de lucrabilitatea necesara a se realiza.

          

    PROPRIETATILE MATERIALELOR

 

• Hidratarea. Datorita raportului apa/ ciment redus (0.18-0.20) daca praful de silice este in dozaj de 28%, gradul final de hidatare ajunge la aproximativ 31%.Viteza de hidratare in primele ore de la turnare se prezinta si in Fig. 1 conform cercetarilor efectuate de Morin.

 

 Fig. 1   Evolutia gradului de hidratare a betoanelor ultraperformante (dupa Morin)

        Gradul de hidratare prezinta o viteza mare de dezvolatre intre 30 h si 57 h atingand 18% dupa 70 de ore.

             Betoanele ultraperformante se caracterizeaza prin valori mari ale rezistentei la compresiune : 150-200 MPa la 28 de zile in cazul tratarii termice a lor. Modulul de elasticitate creste de asemenea, dar nu proportional cu rezistenta (de exemplu E=45-65 GPa la 28 zile). Coeficientul lui Poisson determinat de Dugat este de 0.22-0.24 iar pentru CEMTEC multiscale  Parant da valoarea 0.21 la 28 de zile.

            Rezistenta la intindere :

           Cercetarile efectuate de Naaman asupra betoanelor realizate cu fibre comparativ cu betoanele ultraperformante realizate cu fibre prezinta curbele efort-deformatie la solicitari de intindere axiala – fig. 2.

Se observa ca in cazul betoanelor ultraperformante cu fibre (UHPFRC) exista un domeniu II de postfisurare si consolidare a diagramei, de fapt o ductilizare pronuntata a acestor betoane in domeniu post-elastic.

 

              Fig. 2  Diagrama efort-deformatie – comparatie intre  betoane armate cu fibre si

                         betoanele ultraperformante – conform Naaman

Determinarea rezistentei la intindere axiala a betoanelor ultraperformate a fost abordata de Boulay, dar necesita pregatiri indelungate si laborioase pentru realizare. Din acest motiv se abordeaza mai frecvent incercarile la intindere din incovoiere (Parant). Rezistenta la intindere prin incovoire este denumita adesea modulul de rupere (MOR). Rezistenta la intindere depinde in mod semnificativ de distribuitia fibrelor in masa matrixului. Distributia lor este influentata de modul de turnare a betonului si de geometria elementelor.

            Deformatiile dependente de timp :

            Efectul vitezei de aplicare a solicitarilor (eforturilor) asupra betoanelor ultraperformante incovoiate a fost investigata de Parant, pentru viteze de incarcare de 0.1 Mpa/s – 100 Gpa/s (fig.3). S-au distins doua domenii: domeniul I pentru incercari cvasi-statice, remarcandu-se cresterea lenta a rezistentei si domeniul II pentru solicitari dinamice unde viteza efortului conduce la cresterea semnificativa a rezistentei. Aceasta crestere a rezistentei este mai pronuntata la betoanele ultraperformante fata de betoanele conventionale cu fibre, fapt ce este atribuit continutului de fibre (Parant).

 Fig. 3 Influenta vitezei de incarcare asupra modulului de rupere (MOR) pentru

            betoanele  ultraperformante CEMTEC multiscale – conform Parant

            Contractia :.

            Lankilli si Cheyrezy au cercetat contractia autogena si la uscare a betoanelor obisnuite cu fibre  (CRC) si a betoanelor ultraperformante cu fibre incepand cu varsta de 24 de ore dupa realizarea betonului. Contractia autogena a CRC a fost de cca 450 μm/ m dupa 8 zile si a ramas aproximativ constanta pana la terminarea masuratorilor, 160 zile.

            Contractia la uscare s-a dezvoltat puternic in primele 10 zile si s-a stabilizat la valoarea  de 180 μm.

            Conform cercetarilor efectuate,se observa descresterea contractiilor (la uscare si autogena) odata cu scaderea raportului apa/ciment de la 0.2 la 0.17.

Adaosul de fibre de otel reduce contractia cu cca 10-20 % (observatie facuta de Loukili si Cheyrezy) – fig. 4.

Pe de alta parte, Acker explica faptul ca, marea parte a deformatilor de contractie se datoreaza tensiunilor capilare din pori. El a determinat dimensiunea porilor saturati la 3 nm la o umiditate relativa de 75%.

        

                                         Fig. 4.  Contractia autogena si la uscare

 Schachinger si altii au masurat contractia autogena a betoanelor de ultra inalta performanta, reliazate fara fibre. Ei au confirmat ca marea parte a contractiei autogene se consuma in primele 5-10 ore dupa turnare.

 De asemenea, ei afirma ca deformatia de contractie autogena incepe sa scada dupa aceasta perioada, dar nu este inca stabilizata dupa 56 de zile de la turnare. Parant a determinat contractia autogena pentru CEMTEC multiscale in cadrul LCPC. Masuratorile au inceput dupa 3 zile de la turnare. Dupa 325 de zile, contractia autogena a ajuns la valoarea de 500 μm/m.

            Ca o concluzie la cele prezentate, legat de fenomenul de contractie:

• Se constata ca faza critica a betoanelor performante din punct de vedere al contractiei este in primele 10 zile de la turnare. Modul de pastrare ulterioara a elementelor este determinant in prevenirea microfisurarii de suprafata. Deformatiile de contractie autogena sunt mari in primele zile, fiind astfel necesara determinarea lor din momentul turnarii betonului.
• Comportarea din punct de vedere al contractiei in primele zile de la turnare a fost abordata si de cercetatorii Universitatii de Tehnologie din Delft, Olanda (Rene Braam si altii – 2006). Ei au remarcat ca in primele 24 de ore de la turnare, contractia betoanelor ultraperformante este mai mica decât cea a betoanelor de clasa C90/105, ceea ce conduce la diminuarea eforturilor interne si deci, reducerea microfisurilor.

 
Curgerea lenta:

      Cercetarile efectuate de Aker, Cheyrezy si Loukili permit formularea urmatoarelor observatii:

• Caracteristica curgerii lente (ε_cl / ε_el = k_cr) descreste in timp si se stabilizeaza in jurul vârstei de 150 de zile pentru un raport de incarcare σ / f_c = 0.20. Curgerea lenta se dezvolta puternic imediat dupa incarcare, 35% din deformatii se ating dupa 24 de ore.
• Fibrele de otel reduc curgerea cu 20-25%.
• Nu s-au facut cercetari privind curgerea lenta la intindere a betoanelor ultraperformante.

 

Durabilitatea betoanelor ultraperformante

       Porozitatea:

        Cercetarile efectuate de Roux si altii au demonstrate ca porozitatea cumulata a fost mai mica de 9% pentru betoanele ultraperformante fara tratare termica si mai mica de 0.5% la cele tratate termic sau presate. (prin comparatie, betoanele normale au o porozitate cumulata de 10-15%).

      In cazul betoanelor ultraperformante (Roux si Cheyrezy), s-a observat ca porozitatea capilara este foarte mica sau chiar absenta.

      Permeabilitatea:

      Experimentarile efectuate de Roux si altii au aratat ca si in cazul tratarii termice, coeficientul de permeabilitate k = 2.5*10^-18 m² este de 50 ÷ 500 ori mai mica decât a betoanelor obisnuite.

      Absorbtia de apa:

A fost de mai mult de 15 ori mai mica decât in cazul betoanelor obisnuite dupa 20 de zile, fapt explicat prin porozitatea redusa si absenta porilor capilari (Roux).

      Difuzia ionilor de clor, coroziunea, carbonatarea:

      Roux a masurat coeficientul de difuzie a ionilor de clor si a obtinut Def = 0.02*10^-12 m²/s, care este de 30 ori mai mica decât pentru betoanele obisnuite. Aceleasi rezultate pozitive le-a obtinut si in privinta ratei coroziunii.

      La testele de carbonatare nu a fost detectata carbonatarea betoanelor ultraperformante, fata de betonul obisnuit, unde carbonatarea atinsa este de 50 mm/an^0.5.

      Inghet – dezghet:

      Bonneau si altii au cercetat rezistentele betoanelor ultraperformante la cicluri de inghet – dezghet, conform ASTM 666. Durabilitatea a fost evaluata dupa 300 de cicluri. Nu s-a observat nici o reducere a modulului de elasticitate.

      Comportarea la inghet – dezghet a fost studiata si de Palecki si Setzer in 2003, subliniind comportarea foarte buna a betoanelor ultraperformante.

      Cercetarile efectuate in Finlanda (2006-2007) de Vesa Penttala si altii privind compactarea betoanelor autocompactante de ultra inalta rezistenta au evidentiat foarte buna comportare a acestora la inghet - dezghet in medii cu adaosuri de lichide cu sare.

 probleme privind proiectarea

      Problema proiectarii elementelor structurale realizate cu betonale de ultra inalta performanta atrage de la sine necesitatea elaborarii unor norme de calcul. Astfel, AFGC / SETRA din Franta in 2002 si State of Art Report DafStB in Germania in 2003 (DAfStB UHPC 2003) au ajuns la concluzia ca regulile de comportare si proprietatile materialelor armate cu fibre de otel au o deviatie semnificativa fata de regulile normale de comportare, datorita neomogenitatii distributiei si orientarii fibrelor in matrix (Bernier si Behloul).

      Recomandarile provizorii franceze constau in 3 parti distincte:

·        Prima parte face precizari privind performantele fizico-mecanice ce pot fi obtinute cu acest tip de beton.

·        Partea a doua se ocupa cu proiectarea si analiza structurala a elementelor armate cu fibre.

·        Partea a treia trateaza problemele de durabilitate.

Normele franceze BAEL 91 si BPEL 91 prezinta recomandari suplimentare de proiectare pentru betoanele de ultra inalta performanta (UHPC), pentru elemente armate doar cu fibre, fara armaturi conventionale.

Pentru calculul la starea limita de serviciu (SLS), normele franceze considera o relatie simplificata efort - deformatie specifica, la fel ca si DafStB UHPC 2003.

Pentru calculul la starea limita de rezistenta, legea efort - deformatie propusa este cea data de DIN 1045-1.

Rezistentele de calcul la compresiune sunt date de relatia:

in care γ_c’ este un factor suplimentar de siguranta care tine seama de modul de rupere al betoanelor de inalta rezistenta fiind cuprins intre 1.0 si 1.25.

Deformatia specifica maxima pentru un efort unitar maxim incepe de la valoarea 2.2‰ pentru clasa C100/115 (valoare data de EN206), iar pentru clase mai mari de rezistenta, normele germane pretind ca obligatorii verificari experimentale.

Probleme de forta taietoare si torsiune:

Pentru preluarea actiunii fortelor taietoare, relatia de calcul propusa de SETRA-AFGC este:

V_u = V_Rb + V_a + V_f

in care:

V_Rb – forta taietoare preluata de beton

V_a - forta taietoare preluata de eventualii etrieri constructivi

V_f - forta taietoare preluata de fibre

iar:

in care:

S – aria fibrelor

σ_p – rezistenta reziduala de intindere

γ_bf – coeficientul de siguranta la intindere pentru betonul cu fibre

β_u – unghiul barei comprimate (in ipoteza grinzii cu zabrele Ritter – Mörsh).

O abordare similara a acestei probleme este facuta si de ghidul german de proiectare DafStB, pe baza experimentarilor efectuate in 2003 de Fehling si Bunje. Se remarca faptul ca sunt necesare inca experimentari pentru evaluarea comportarii la forta taietoare si torsiune a elementelor realizate din betoane de ultra inalta performanta.

Probleme privitoare la aderenta:

Datorita rezistentei ridicate la compresiune si densitatii mari, UHPC dezvolta un efort unitar de aderenta ridicat. De exemplu, conform experimentarilor efectuate de Behloul pentru fibre cu l=13 mm si Φ 0.15 / 0.20 mm, efortul unitar de aderenta este f_b = 11.5 MPa pentru DUCTAL.

In cazul barelor uzuale de armatura introduse intr-un beton de ultra inalta performanta, f_b = 40 ÷ 70 Mpa (conform experimentarilor lui Weiβe 2003 si Reineck si Greiner in 2004).

Rezistenta la oboseala:

Testele efectuate la Universitatea din Kassel au demonstrate o buna comportare la incarcarile de oboseala (la compresiune). Fehling si Schmidt in 2003 afirma ca UHPC cu fibre nu prezinta dezavantaje privitor la comportarea la oboseala.

Universitatea de Tehnologie din Delft a initiat si un program in curs de desfasurare privind comportarea la oboseala din incovoiere.

Programe de cercetari privind comportarea UHPC au fost initiate si sunt in curs de desfasurare si la Structural Concrete Laboratory of the École Polytechnique Fédérale de Lausanne (Elvetia) (2002 – 2006). Se investigheaza comportarea la intindere, compresiune cu rotiri impuse precum si influenta tipurilor de armare si pretensionare asupra fisurarii si comportarii structurale in general.

In Japonia s-au initiat si sunt in curs de desfasurare experimentari care vizeaza analiza neliniara la incovoiere a grinzilor realizate din betoane cu prafuri reactive solicitate la sarcini dinamice rapide (K. Fujikake, T. Ohno, N. Ueda, M. Katagiri – 2006). Se propun si relatii analitice de calcul pentru legea moment – curbura.

CONCLUZII

Betonul de ultra inalta rezistenta cu rezistenta la compresiune pâna la 250 Mpa prezinta proprietati remarcabile privind caracteristicile fizico – mecanice si de durabilitate comparativ chiar cu betoanele de inalta rezistenta.

Utilizând aceste noi tipuri de betoane se pot realiza constructii usoare cu sau fara armatura clasica. Grinzi cu deschideri mari, poduri, invelitori subtiri, structuri inalte, iata doar câteva din posibilele aplicatii ale acestor betoane ultra performante.

S-au realizat deja poduri cu trafic greu in Franta Olanda si Germania, de asemenea si in Sherbrook (Canada) si in Coreea de Sud.

In 2006, American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO), Load and Resistance Factor Design (LRFD) Bridge Design Specifications, a elaborat un ghid de proiectare a sistemelor de placi realizate din UHPC, in care se precizeaza caracteristicile materialului si comportarea structurala prin analiza capacitatii portante a elementelor tip placi de pod.

Recomandari provizorii de calcul au fost publicate in Franta si Germania.

Câteva prime aplicatii spectculoase ale UPHC sunt in Canada, Europa si Asia, demonstrând avantajele acestei noi tehnologii privitor la costuri, sustenabilitate si comportare in exploatare.

In majoritatea materialelor si articolelor publicate pe aceasta tema, se subliniaza necesitatea imperativa a experimentarilor pentru a acoperi toata gama de solicitari si comportari in diverse conditii, in ideea elaborarii pe viitor a unor norme definitive de proiectare si executie a structurilor din betoane de ultra inalta performanta.

 

Director de proiect,