1. Produzione tradizionale
Il calcestruzzo moderno inizia con sabbia e ghiaie di diverse dimensioni, che vengono mescolati in presenza di acqua con il grande materiale legante cemento Portland, che lega insieme tutti gli aggregati per formare un materiale simile alla pietra. Il cemento Portland fu inventato da Joseph Asputin nel 1824; si ottiene riscaldando e macinando i minerali calcare e argilla e aggiungendo una piccola quantità di gesso. Successivamente fu proposto da suo figlio William Asputin negli anni Quaranta dell'Ottocento. Il calcestruzzo ordinario, costituito da cemento Portland e aggregati, è generalmente considerato la prima generazione di calcestruzzo.
Tuttavia, questo tipo di calcestruzzo è associato ad una mancanza di resistenza alla trazione e duttilità, con conseguente cedimento delle strutture di travi e solai. Ciò portò quindi alla nascita del calcestruzzo di seconda generazione, dove il rinforzo in acciaio era considerato la soluzione a questi problemi. Joseph Monier e François Coignet furono i primi pionieri del rinforzo del cemento nella seconda metà del XIX secolo. Hanno concesso numerosi brevetti per rafforzare diversi tipi di strutture. Da quel momento in poi, la combinazione di acciaio e cemento è stata il materiale da costruzione principale per tutto il XIX e il XX secolo. Aumenti della resistenza a compressione del calcestruzzo nel corso del 20° secolo. Le resistenze alla compressione nella prima metà di questo secolo variavano da 20 a 40 MPa.
Dopo la metà del-20esimo secolo, si presentò la sfida di aumentare la resistenza per sostenere i carichi maggiori delle strutture più avanzate. Durante questi decenni, la resistenza alla compressione ha superato i 40 MPa. Ciò si ottiene mediante un'attenta selezione degli aggregati, poiché gli aggregati deboli potrebbero non essere abbastanza resistenti per sostenere carichi pesanti, e riducendo il rapporto tra acqua e materiale legante. Questo rapporto è inversamente proporzionale alla resistenza alla compressione. L'invenzione degli additivi che riducono l'acqua riduce il contenuto di acqua, consentendo agli ingegneri di aumentare la resistenza senza compromettere la lavorabilità.
2. Nuova generazione di calcestruzzo moderno
(1) Principi e definizioni
Nonostante i miglioramenti precedenti, è ancora necessario:
(a) Calcestruzzo con resistenza maggiore;
(b) Evitare che gli ioni cloruro e altre sostanze nocive penetrino nella soluzione del calcestruzzo, il che può portare alla corrosione delle barre di ferro e alla scarsa durabilità del calcestruzzo;
(c) Materiali alternativi che possano sostituire il cemento Portland per ridurre le emissioni di monossido di carbonio 2 emesse nell'atmosfera durante la produzione del cemento.
Pertanto, il calcestruzzo ad altissime prestazioni, o UHPC, è stato sviluppato come una nuova tecnologia del calcestruzzo in grado di soddisfare gli standard richiesti. È stato sviluppato partendo dalla consapevolezza che la sola riduzione del rapporto acqua-cemento non è sufficiente per ottenere le prestazioni richieste. Inoltre, sono necessari riempitivi ottimizzati per le particelle fini e ultrafini; la distribuzione dimensionale nonché la forma e la qualità strutturale di queste particelle devono essere attentamente controllate.
Differenze nei sistemi di riempimento tra UHPC e calcestruzzo tradizionale. La densità della matrice UHPC è ancora più migliorata. Ciò richiede l’eliminazione degli aggregati grossolani e la distribuzione di particelle ultrafini a livello microstrutturale per riempire i vuoti tra le particelle più grandi. I miglioramenti nei sistemi di riempimento UHPC aumenteranno sicuramente la resistenza del calcestruzzo UHPC, migliorando la durabilità e le prestazioni complessive.
In effetti, l’UHPC è una nuova forma di calcestruzzo che è un nuovo materiale da costruzione composito. La sua elevata resistenza alla compressione e duttilità sono ottenute ottimizzando l'imballaggio di particelle fini e ultrafini e l'aggiunta di fibre di acciaio. In particolare, questa ottimizzazione distribuirà uniformemente tutte le particelle su scala microscopica per riempire lo spazio circondato da particelle più grandi. Pertanto, si ottiene una matrice densa con bassa permeabilità per fornire al calcestruzzo proprietà eccellenti.
UHPC ha definizioni diverse. Alcuni ricercatori definiscono il termine in termini dei suoi componenti principali. Ad esempio, Farzad et al. definire l'UHPC come un materiale a base di cemento con una distribuzione migliorata dei componenti delle particelle, un rapporto materiale acqua/cementizio inferiore a 0,2 e una porzione significativa di formazione di fibre interne. Mishra&Singh hanno definito l'UHPC come un tipo speciale di calcestruzzo costituito da additivi reattivi a grana molto fine (ad esempio fumi di silice e quarzo fine), fibre e superfluidificanti pur avendo un maggiore contenuto di legante e un basso rapporto acqua/legante. Aimee & Shafiq definiscono il termine come una miscela cemento-silice fibrorinforzata e ultra-riducente con un rapporto acqua-cemento (A/C) molto basso, caratterizzata dalla presenza di sabbia di quarzo molto fine con un diametro di da 0,15 a 0,60 mm, mentre non è un aggregato ordinario. Ahmad et al. (2{{20}}16) ha definito l'UHPC come l'utilizzo di un elevato contenuto di cemento, fumi di silice (0,1-1 um) e superfluidificante insieme a sabbia di quarzo molto fine (0,{{21 }}.60 mm), polvere di quarzo (meno di 10 um) e una miscela prodotta senza fibre aggregate grossolane. Nematollahi et al. definire UHPC come un composito a base di cemento costituito da materiali fini con curve granulometriche ottimizzate, fibre discrete di microacciaio ad altissima resistenza e un rapporto acqua-cemento molto basso inferiore a 0,25. Altri ricercatori definiscono l'UHPC in base alle sue proprietà meccaniche e di durabilità superiori. Ad esempio, Aroraa et al. definire UHPC come un materiale con microstruttura multiscala progettata per resistenza a compressione molto elevata, elevata resistenza alla flessione e alla trazione ed elevata duttilità. Li, J. et al. definire il termine come un materiale composito innovativo che può essere un potenziale candidato per strutture in calcestruzzo esposte ad ambienti corrosivi.
Sulla base della definizione di cui sopra, possiamo proporre una definizione che combina i componenti principali e le proprietà superiori dell’UHPC nonché la tecnologia di base alla base della produzione dell’UHPC. UHPC è quindi una nuova generazione di materiali da costruzione a base cementizia ad altissima resistenza a compressione, elevata duttilità e sostenibilità, basata su: micro-ottimizzazione degli aggregati fini e ultrafini (fumi di silice e sabbia), aggiunta di agenti di riduzione dell'acqua utilizzato per ridurre il rapporto acqua-cemento e per il rinforzo vengono utilizzate fibre di acciaio ad alta resistenza.
(2) Componenti ad altissimo contrasto
Il calcestruzzo UHPC ad alta resistenza, duttile e sostenibile è composto da sabbia a grana fine, fumi di silice, acqua, additivi che riducono l'acqua e fibre di acciaio.
① Aggregato fine
L'aggregato fine è un materiale componente importante per la resistenza e la lavorabilità dell'UHPC. Mantiene la stabilità del calcestruzzo grazie alla sua capacità di sopportare carichi maggiori. Per la sua inerzia resiste anche agli agenti atmosferici. La sua dimensione delle particelle è la più grande tra le matrici UHPC, compresa tra 150 μm e 600 μm. Può essere sabbia silicea, sabbia di quarzo o sabbia naturale.
La sabbia silicea è costosa per l’UHPC. La sabbia di quarzo, d'altra parte, è disponibile, ma ci vuole tempo per frantumarla dall'aggregato grosso o dalla roccia naturale. Al contrario, la sabbia naturale può essere utilizzata facilmente ed efficacemente come aggregato fine per l’UHPC. Ad esempio, la provincia orientale dell'Arabia Saudita ha dune di sabbia fine.
② Cemento Portland
Il cemento Portland ordinario è il materiale legante principale e, se miscelato con acqua, si idrata e diventa un solido che lega tutti gli aggregati nel calcestruzzo UHPC. È prodotto principalmente da due materie prime fondamentali; calcare e argilla. Dopo la frantumazione e la macinazione, questi materiali vengono riscaldati in un forno per produrre clinker di cemento, che viene ulteriormente macinato per macinare piccole quantità di gesso in una polvere fine. È circa il doppio (600-1000 kg/m) del contenuto utilizzato nel calcestruzzo ordinario, con un diametro medio di 15 μm. Pertanto, è considerata la seconda dimensione delle particelle più grande tra le matrici UHPC. A causa della piccola percentuale di acqua, la parte non idratata del cemento verrà utilizzata con altri aggregati per l'ottimizzazione dell'imballaggio.
③ Polvere di silicio
Il fumo di silice o microsilice è un sottoprodotto di scarto dei fumi dei forni che producono silicio metallico e leghe di ferrosilicio. Il diametro medio delle particelle rotonde della polvere di silice è 0,15 μm e la maggior parte delle particelle sono inferiori a 1 μm. Pertanto, sono le particelle più piccole nella matrice UHPC, 100 volte più piccole delle particelle di cemento. Questo è il motivo per cui è considerato un eccellente riempitivo per riempire i vuoti tra le particelle più grandi nelle matrici UHPC. L'utilizzo di questo materiale ultrafine crea una matrice densa che esalta le proprietà meccaniche e di durabilità del calcestruzzo.
I fumi di silice possono essere utilizzati nelle miscele UHPC nell'intervallo 150–250 kg/m3 (10-30% della massa di cemento). Relazione tra resistenza a compressione e contenuto di fumi di silice nel calcestruzzo UHPC. È possibile ottenere calcestruzzo con resistenza fino a 81 MPa senza fumi di silice. Tuttavia, aumentando il contenuto di fumi di silice, la resistenza alla compressione aumenta rapidamente. Uno dei principali svantaggi di questo materiale è che richiede più acqua a causa delle sue particelle estremamente fini, ma con un superfluidificante è possibile mantenere lo stesso contenuto di acqua.
④ acqua
L’acqua è un materiale importante per la produzione di UHPC. L'acqua potabile è adatta e viene solitamente utilizzata per il calcestruzzo ordinario. La quantità di acqua deve essere sufficiente per completare il processo di idratazione e mantenere l'operatività. Il rapporto minimo acqua-cemento (a/c) per il calcestruzzo ordinario è di circa 0,4–0,5, inclusa l'acqua di lavorabilità. La quantità di acqua è inversamente proporzionale alla resistenza a compressione, cioè se l'acqua aumenta la resistenza diminuisce. L'acqua in eccesso non utilizzata per l'idratazione crea vuoti nella miscela di calcestruzzo, che aumentano la permeabilità e riducono la resistenza del calcestruzzo.
Nella tecnologia UHPC, l'uso di additivi riduttori d'acqua di alta gamma aiuta a mantenere la lavorabilità senza acqua in eccesso. Pertanto, il rapporto acqua/aria scenderà al livello ottimale nell'intervallo tra 0.14–0.22. Ciò si traduce in un aumento della resistenza alla compressione e migliora tutte le altre proprietà del calcestruzzo.
⑤ Agente riduttore d'acqua ad ampio raggio
Poiché la lavorabilità delle miscele di calcestruzzo viene ridotta quando miscelate con un basso contenuto di umidità, è necessario aggiungere agenti che riducono l'acqua o agenti che riducono l'acqua ad alta efficienza, come i policarbossilati, durante il processo di miscelazione per migliorarne la lavorabilità. Per quanto riguarda l'influenza della composizione chimica, dovrebbe essere nell'intervallo 0.5-2.0%, come Courtial, ecc. Tuttavia, come rivelato da molti ricercatori, il contenuto ottimale è 1.5-2.4.
⑥ Fibra d'acciaio
Il calcestruzzo senza rinforzo è soggetto a fratture perché è fragile per natura e non è possibile arrestare le crepe. Pertanto, le fibre di acciaio vengono utilizzate per rinforzare la matrice UHPC per fornire una migliore resistenza alla generazione di cricche, nonché una migliore resistenza alla trazione e alla frattura. Le fibre di acciaio sono caratterizzate da forma, lunghezza, diametro, volume, orientamento e resistenza.
