تعریف بتن فوق توانمند (UHPC)

بتن فوق توانمند (UHPC) دسته جدیدی از بتن است که در دهه‌های اخیر به دلیل خواص استثنایی مقاومت و دوام توسعه یافته است. این بتن با عملکرد بالا علاوه بر چندین کاربرد دیگر، می‌تواند در بازسازی سازه‌ها و تسریع ساخت پل‌ها نیز مورد استفاده قرار گیرد. برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد تاریخچه بتن فوق توانمند، ترکیبات و کاربردهای آن، ادامه مطلب را بخوانید.

پیشینه UHPC اولین بار توسط سپاه مهندسان ارتش ایالات متحده در اواخر دهه ۱۹۸۰ مورد استفاده قرار گرفت و در سال ۲۰۰۰ در ایالات متحده در دسترس قرار گرفت. دسترسی تجاری به UHPC به اداره بزرگراه‌های فدرال (FHWA) اجازه داد تا تحقیقات خود را برای استفاده از UHPC برای زیرساخت‌های بزرگراه آغاز کند. تحقیقات FHWA منجر به تحقیقات بیشتر از سوی دانشگاه‌ها و پروژه‌های نمایشی شد. نتیجه، مجموعه‌ای از نشریات در مورد UHPC و فهرستی طولانی از "کاربردهای پل" از جمله موارد زیر بود:

تیرهای پیش تنیدهپانل‌های وافل پیش‌ساخته برای عرشه پل‌هاقالب‌های بسته ریخته‌گری شده در محل برای المان‌های پل پیش‌ساخته (پرکننده‌های مفصلی) شمع‌های بتنی پیش‌ساخته مقاوم‌سازی لرزه‌ای پل‌هاپوشش‌های نازک پیوندی عرشه پل‌هاکاربردهای امنیتی و کاهش انفجار UHPC برای اولین بار در ساخت پل در آمریکای شمالی برای یک پل عابر پیاده در کانادا در سال ۱۹۹۷ استفاده شد. پس از آن، ۳۴ پروژه تحقیقاتی در چندین موسسه تحقیقاتی با هدف تبدیل UHPC به یک ماده قابل اعتماد، رایج، مقرون به صرفه و با کاربرد منظم انجام شد. آلمان همچنین چندین پل با استفاده از UHPC به همراه استرالیا، اتریش، کرواسی، ایتالیا، ژاپن، مالزی، هلند، نیوزیلند، اسلوونی، کره جنوبی و سوئیس دارد.

کیفیت‌ها چرا همه این کشورها از بتن فوق توانمند (UHPC) بهره می‌برند؟ این ماده‌ای است که طول عمر پیش‌بینی‌شده ۱۰۰ ساله با مقاومت، دوام، انعطاف‌پذیری و طول عمر استثنایی دارد. مقاومت UHPC دارای مقاومت فشاری ۱۰ برابر بتن سنتی است. مقاومت فشاری، توانایی یک ماده برای مقاومت در برابر خم شدن تحت بار (یا در فشار) است. بتن معمولی مورد استفاده در پل‌ها دارای مقاومت فشاری ۳۰۰۰ تا ۵۰۰۰ psi است. UHPC دارای مقاومت فشاری ۱۸۰۰۰ تا ۳۵۰۰۰ psi است. معیار دیگر مقاومت، مقاومت کششی یا تنش است. این نشان می‌دهد که یک ماده هنگام کشیدن چقدر قوی است. در حالی که بتن سنتی دارای مقاومت کششی ۴۰۰ تا ۷۰۰ psi است، UHPC دارای مقاومت کششی حدود ۱۴۰۰ psi است.

دوام در حالی که مقاومت UHPC چشمگیر است، دوام آن فراتر از انتظارات است. دوام با نحوه عملکرد ماده در شرایط سخت سنجیده می‌شود. مقاومت در برابر یخ‌زدگی/ذوب، مقاومت در برابر کلرید (مانند نمک‌های جاده) و مقاومت در برابر سایش، همگی بخشی از دوام هستند. UHPC خواصی مشابه سنگ سخت دارد.

مقاومت در برابر یخ‌زدگی/ذوب با قرار دادن منشورهای بتنی در معرض یخ‌زدگی و ذوب شدن در حالی که در حمام آب غوطه‌ور هستند، آزمایش می‌شود. UHPC پس از 600 چرخه یخ‌زدگی/ذوب، 100٪ از خواص ماده خود را نشان داد.

نفوذپذیری کلرید با غوطه‌ور کردن محلول 3 درصد کلرید سدیم روی سطح بتن به مدت 90 روز اندازه‌گیری می‌شود. پس از 90 روز، میزان مهاجرت یون‌های کلرید به داخل بتن تعیین می‌شود. UHPC هنگام آزمایش، مهاجرت کلرید بسیار کمی را نشان داد، کمتر از 10٪ نفوذپذیری بتن معمولی.

مقاومت در برابر سایش با اندازه‌گیری مقدار بتن ساییده شده از سطح توسط یک برش چرخان در یک دوره زمانی معین تعیین می‌شود. بتن فوق توانمند (UHPC) مقاومت سایشی بسیار خوبی از خود نشان می‌دهد، تقریباً دو برابر بتن معمولی.

- پوسته پوسته شدن در اثر نمک (از دست دادن باقیمانده): < 60 گرم بر متر مربع (< 0.013 پوند بر فوت مکعب) سایش (شاخص نسبی از دست دادن حجم): 1.7

- نفوذپذیری اکسیژن: < 10-20 متر مربع (< 10-19 فوت مربع) نفوذپذیری کلر (بار کل): < 10 درجه سانتیگراد عمق کربناسیون: < 0.5 میلی‌متر (< 0.02 اینچ)

دوام بتن فوق توانمند (UHPC) موجود در بازار، به طور مستقل از طریق شش آزمایش استاندارد ارزیابی شد و نتایج آن در مجله مهندسی عمران گزارش شده است. این نتایج نشان می‌دهد که بتن فوق توانمند (UHPC) صرف نظر از روش‌های عمل‌آوری، دوام بسیار بیشتری نسبت به بتن معمولی مورد استفاده امروزی دارد:

سیلندر و تجهیزات مربوط به آزمایش نفوذپذیری سریع یون کلرید. منبع عکس: مجله مهندسی عمران)

«بتن پس از قرار گرفتن در معرض دو برابر تعداد معمول چرخه‌های انجماد-ذوب ASTM C 666، حداقل آسیب را نشان داد. این بتن در برابر تخریب ASTM C 1260 ASR، تخریب پوسته پوسته شدن ASTM C 672 و نفوذ کلرید AASHTO T259 بی‌ضرر بود. نتیجه آزمایش شاخص الکتریکی توانایی بتن در مقاومت در برابر نفوذ یون کلرید ASTM C 1202 در صورت اعمال هرگونه عملیات عمل‌آوری مبتنی بر بخار ناچیز و در غیر این صورت بسیار پایین بود.»

مواد مواد موجود در بتن فوق توانمند (UHPC) به سه جزء تقسیم می‌شوند: پودرها، فوق روان‌کننده و الیاف آلی. مواد تشکیل‌دهنده عبارتند از: سیمان پرتلند، بخار سیلیس، آرد کوارتز، ماسه سیلیس ریز، کاهنده آب با دامنه بالا، آب، فولاد یا الیاف آلی این ترکیب از اجزا به چه معناست؟ مقالات اخیراً منتشر شده، «پیشرفت‌ها در مصالح مهندسی عمران» و «مقایسه فناوری‌های بتن متعارف و پیشرفته از نظر راندمان ساخت و ساز»، هر دو بر این نکته تأکید دارند که خواص برتر بتن فوق توانمند (UHPC) «مزایای متمایزی» مانند موارد زیر را آشکار می‌کند:)

تکنیک‌های ساخت ساده‌شده مصالح مورد استفاده برای ساخت بتن با عملکرد بالا سرعت ساخت‌وساز بهبود دوام کاهش تعمیر و نگهداری کاهش زمان از کارافتادگی حداقل وقفه کاهش اندازه و پیچیدگی المان افزایش طول عمر استفاده بهبود تاب‌آوری UHPC ماده‌ای است که به دلیل عملکرد "پیشرفته، تسریع‌شده و بهبودیافته" نسبت به بتن معمولی در سراسر جهان مورد استفاده قرار می‌گیرد. WALO و Posillico برای ایجاد راه‌حل‌های UHPC با هم همکاری کرده‌اند. هدف ما فراهم کردن دسترسی صاحبان پل‌های آمریکایی به UHPC برای روکش‌های عرشه پل، پروژه‌های بهسازی یا سازه‌های لرزه‌ای است. ما در بهسازی سریع پل‌ها با استفاده از UHPC برای کمک به حل مشکل زیرساخت‌های رو به زوال در ایالات متحده تخصص داریم.)