Betoane de Ultra Inalta Performanta, armate cu fibre din otel (BUIP)

Dezvoltarea unor Betoane de Ultra Inalta Rezistenta si Performanta reprezinta un domeniu relativ nou in industria de profil. Ultimii 150 de ani au demostrat ca, in ciuda obtinerii unor rezistente din ce in ce mai ridicate, aplicatiile practice s-au situat de prea multe ori in urma inovatiilor din stiinta materialelor. Acest fenomen pare a fi cauzat de costurile crescute pe unitatea de volum, pe masura ce rezistenta creste, precum si de o retinere prudenta de a utiliza noi materiale in aplicatiile practice.

Studiul de fata se doreste a fi o incurajare a aplicatiilor structurale practice prin prezentarea unui Beton de Ultra Inalta Performanta (BUIP), dezvoltat cu materiale disponibile local.

Asa cum se stie, betonul repre­zinta principalul material de constructii din intreaga lume. In ultimele decenii, pozitia lui de lider a fost consolidata prin preocuparea permanenta a cercetatorilor si prin obtinerea diverselor tipuri de beton cu performante din ce in ce mai mari din punct de vedere al starii proas­pete si intarite, obtinandu-se aplicatii structurale deosebite.

In 2007, in cadrul programului PN II -IDEI- ID_1053/2007-2010, “BETOANE ULTRAPERFORMANTE – ECOLOGIA MEDIULUI” director program prof. dr. ing. Cornelia Magureanu, s-a abordat studiul teo­retic si experimental al betoanelor de ultra inalta performanta, privind realizarea betoanelor durabile, capa­bile de o protectie maxima a mediului inconjurator. S-au obtinut elemente din beton zvelte care, pentru un acelasi moment capabil, sunt comparabile cu cele din otel sub aspectul masei si al dimensiunilor geometrice testate la incovoiere si forfecare.

Toate studiile s-au efectuat in cadrul a patru teze de doctorat (2010-2012): prima a cuprins pro­iectarea betonului cu determinari ale betonului proaspat si a rezistentei la compresiune (ing. Ofelia CORBU), respectiv determinari ale caracteristicii ce defineste BUIP-ul, rezistenta la incovoiere cat si alte determinari de lunga durata (ing. Ioan Pavel SOSA) iar ultimele doua au cuprins testarea elemen­telor realizate din acest beton (ing. Ciprian TIBEA si Victor VAGAI). Performantele obti­nute ne-au sustinut in documen­ta­rea unui brevet – Patent Number: RO127398-B1, PROCEDEUL DE OBTINERE AL BETOA­NELOR DE ULTRA-INALTA PERFORMANTA.

In cadrul Universitatii Tehnice din Cluj-Napoca s-au efectuat cercetari pe betoane de inalta rezistenta armate dispers inca din anii 1988, 1991, 1992. Studiile experimentale din acea vreme s-au facut urmarind atingerea unor factori de ductilitate prestabilita (Olariu, Ioani si Poie­nar, 1991) pentru noduri de cadru executate cu betoane armate dispers (un volum de fibra de minimum 1% este suficient pentru a efectua redu­ceri ale armaturii transversale), destinate constructiilor amplasate in zone cu seismicitate inalta.

Primele programe de cercetare care au introdus terminologia de ”Beton de Ultra-Inalta Performanta” au fost initiate in 1985. Definitia adoptata face apel la criteriul ”rezistentei la compresiune” si impune o limita inferioara de cel putin 150 MPa, Schmidt si Fehling (2005). Pentru acele BUIP, care utilizeaza in com­pozitie constituenti cu dimensiuni granulare foarte mici (pulberi) si care au, prin urmare, rezistente mai mari, se prefera termenul de ”Beton cu Pulberi Reactive” (BPR).

In Franta, compania Lafarge, in colaborare cu producatorul de compusi chimici Rhodia (www.Rhodia.com) si cu divizia de constructii a corpo­ratiei Bouygues (www.bouygues.fr), au dezvoltat un BUIP comercializat sub numele Ductal®. Acesta incorporeaza fibre metalice sau organice care conduc la imbunatatirea ductilitatii materia­lului compozit. Testele au demonstrat ca rezistenta la compresiune creste de circa 6 – 8 ori (circa 230 MPa fara armatura traditionala) fata de un Beton Obisnuit (BO), in timp ce rezistenta la incovoiere are valori de circa 30 – 60 MPa.

O provocare pentru orice practician este sa utilizeze noi materiale si tehnologii emergente, in lipsa unei consacrari exprese la nivel de norma incidenta. Pentru a raspunde acestei provocari, cateva grupuri de actiune au initiat, in ultimii ani, indrumari tranzitorii, pana la introducerea in norma de proiectare a acestui nou material. Urmatoarea lista, organizata pe tari, prezinta aceste resurse de indrumare pentru ingineri:

• Franta – in martie 1999, la soli­citarea Comisiei Stiintifice si Tehnice a Asociatiei Inginerilor Civili din Franta, a debutat conceperea unui cod interimar pentru structuri din BUIP. Acesta a fost publicat in franceza si engleza in ianuarie 2002.
• Australia – cu sprijinul firmei de constructii VSL (Australia), Universitatea New South Wales, Australia, a publicat ”Cod de proiectare pentru grinzi precomprimate reali­zate din BPR” in concordanta cu metodologia si spiritul normei nati­onale Cod Australian AS3600-1994. Aceasta lucrare prezinta exemple de pro­iectare si indrumari pentru a obtine rezistente specifice la compresiune, incovoiere, forta taietoare si torsiune, precum si verificarea deschiderii fisurilor, limitarea sagetii, rezistenta la foc, rezistenta la obo­seala, pierderi de tensiune din precomprimare si ancoraje aferente.
• Japonia – in sept. 2004, Societatea Japoneza a Inginerilor Civili a publicat ”Recomandari pentru Pro­iectarea si Constructia Structurilor cu BUIP – pre-norma”. Documentul include recomandari pentru proiec­tare, reguli pentru selectarea proprietatilor materialelor in vederea proiectarii, testarii si obtinerii durabi­litatii dorite, tehnologii de executie si exemple de poduri construite in tara. Se estimeaza ca o versiune in engleza va fi in curand disponibila.
• Statele Unite – in 2002, Federal Highway Administration (FHWA) a initiat un proiect de cercetare in colaborare cu Massachusetts Institute of Technology (MIT) pentru optimizarea podurilor pentru autostrazi prin utilizarea BUIP. Acest studiu s-a intemeiat pe experienta acumulata la MIT cu incepere din 1999, respectiv pe cea similara acumulata de FHWA cu incepere din 2000, atunci cand s-a inceput un studiu al potentialului BUIP pentru utilizarea la poduri. In urma acestei colaborari s-a publicat raportul CEE Report R03-01, “Modele pentru optimizarea grinzilor de pod realizate cu BUIP la autostrazi“. Raportul prezinta strategia de proiectare a unui material casant-plastic, cu o armare compo­zita elasto-plastica cu fibre. De asemenea, se prezinta o comparatie intre acest model, bazat pe des­chiderea maxima a fisurilor, si normele incidente de proiectare.

Cerinte tehnice

Prima parte a prezentei cercetari a avut drept scop realizarea unor compozitii din beton de ultra-inalta performanta cu pulberi reactive (BPR), la care rezistenta sa fie cuprinsa intre 150-200 N/mm2 (MPa).

Cercetarile efectuate s-au axat pe doua tipuri de betoane de ultra-inalta performanta (BUIP) cu pulberi reactive (BPR): (1) betoane cu si fara fibre, avand clasa de consistenta medie si (2) betoane cu si fara fibre cu o lucrabilitate, respectiv clasa de consistenta marita.

Pentru obtinerea peformantelor betonului, un element important este selectia materialelor. O provocare este aceea de a reusi sa obtii performanta cu materiale disponibile local.

Proprietatile deosebite ale BPR se obtin cu un dozaj ridicat de ciment Portland, un raport A/L (apa/liant) mic, posibil prin utilizarea celei mai noi generatii de superplastifianti in dozaje mari, utilizarea unor adaosuri puzzolanice cu activitate lianta ridicata – silicea ultrafina si incorporarea de fibre din otel ca armare dispersa.

Prin folosirea silicei ultrafine, produs secundar al industriei metalurgice considerat deseu pana la un moment dat, ca inlocuitor partial sau adaos al cimentului Portland, se obtine o economie de energie, redu­cerea emisiilor de gaze (CO2) in producerea cimentului si, in final, un beton ecologic cu efecte pozitive in ceea ce priveste rezistenta la compresiune si sustenabilitatea. Astfel, deseul unei industrii poate fi materie prima pentru alta industrie. Materialele utilizate ca adaosuri in beton, avand proprietati liante, poarta, in li­teratura de specialitate, numele de constituenti suplimentari cu carac­teristici cimentoase (CSCC).

Agregatele folosite sunt nisipurile cuartoase cu diametrul maxim de 1,2 mm. Desi amestecul compozit are un aspect apropiat de cel al unui matrix de mortar, va fi denumit in continuare beton.

Cimentul Portland utilizat provine de la firma Lafarge Romania, superplastifiantul de ultima generatie de tip policarboxilat este oferit de firma BASF Romania, fibrele metalice de otel cu dimensiunea de f0,4/25 mm (diametrul / lungime), cu capete indoite si f0,175/6 mm – dreapte, sunt procurate de la firma BAUM CAS FIBRES Romania, silicea ultrafina de tip “Elkem Microsilica Grade 940 U undensified“ este oferita de firma BASF Romania, iar nisipurile cuartoase provin din Cariera firmei Bega Minerale Industriale Aghires.

In debutul cercetarilor efectuate s-a pornit de la realizarea compactitatii mari a amestecurilor tinand seama de distributia Apolloniana (fig. 1) specifica betoanelor cu pudre reactive, principiul fiind ca fiecare particula mai mica umple spatiul dintre particulele mai mari.

Amestecurile s-au facut cu un malaxor cu amestec fortat si cu timpi prestabiliti (Malaxor tip DIEM de capacitate de pana la 139 litri).

Principiile care stau la baza compozitiei de BPR sunt: (1) cresterea omogenitatii prin eliminarea agrega­tului grosier, (2) cresterea densitatii in stare compactata prin optimizarea distributiei granulare a amestecului, (3) imbunatatirea microstructurii prin aplicarea unui tratament termic dupa intarire, (4) imbunatatirea ductilitatii prin incorporarea de fibre din otel, (5) stabilirea tehnologiei cat mai usor de aplicat in practica (Lee N.P. & Chisholm D.H, 2005).

Amestecuri de beton cu si fara fibre

In prima etapa a cercetarii au fost realizate amestecuri fara fibre, cu cantitati diferite de ciment dar indeosebi de tipuri diferite si dozaje diferite de aditivi superplastifianti. Rezultatele au fost mai putin favorabile din punct de vedere al rezistentei si lucrabilitatilor obtinute.

A urmat etapa a II-a a cercetarii, in cadrul careia s-au realizat amestecuri cu si fara fibre, cu procente diferite de aditiv superplastifiant de tip policarboxilat ACE 440 BASF si dozaje diferite de fibre din otel lungi. A urmat si etapa a III-a in care s-a reluat amestecul cu fibre lungi – cel mai reusit din etapa a II-a (OE 23), realizandu-se si un ames­tec cu fibre scurte dar si unul hibrid (1/2 fibre de otel lungi + 1/2 fibre de otel scurte). Toate aceste amestecuri alaturi de amestecul fara fibre, considerat Martor, sunt pre­zen­tate in Tabelul 1. Aceste amestecuri sunt considerate reprezentative, ele indeplinind performanta din punct de vedere al betonului in stare proas­pata si intarita. Cantitatile componentelor retetelor sunt raportate la unitatea de ciment.

Caracteristicile in stare proaspata ale amestecurilor de beton fara fibre si cu fibre lungi – etapa a II-a

Caracteristicile in stare proas­pata ale amestecurilor fara fibre (amestecurile reprezentative ME 21 si ME 22) se regasesc in Tabelul 2, iar in figurile 2 si 3 sunt surprinse imagini privind lucrabilitatea betonului si incadrarea in clasa de tasare si raspandire.

Amestecul ME 22, numit si Martor, cu performantele cele mai bune, este cel mai fluid si se incadreaza in a doua clasa de raspandire din tasare (SF2) pentru un beton autocompactant, insa la determinarea vascozitatii, valorile timpului T500(s) si a celui de scurgere prin palnia V au depasit cerintele. Un beton autocompant trebuie sa intruneasca toate cele trei cerinte, astfel ME 22 nu este autocompactant ci beton cu lucrabilitate foarte buna.

In Tabelul 3 sunt prezentate ca­racteristicile in stare proaspata ale BUIP cu adaos de fibre lungi din otel (OE 20÷OE 24) iar in figura 4, ima­gini din timpul determinarii consistentei betonului cu fibre.

Caracteristicile in stare intarita ale amestecurilor de beton cu si fara adaos de fibre din otel

In Tabelul 4 sunt prezentate va­lorile rezistentelor la compresiune ale probelor pastrate in apa sau supuse tratamentului termic imediat dupa decofrare, epruvetele fiind sigilate la fata de turnare, prin pensulare cu o pelicula izolatoare pe baza de rasini de tip Baumit BA2.

Incercarile s-au efectuat pe epruvete cu latura de 71 mm iar rezultatele reprezinta media a 6 epruvete.

Se observa ca betonul tratat termic pana la varsta de 6 zile (1 zi in tipare si 5 zile tratare termica), are valori mai mari ale rezistentei la compresiune fata de cel mentinut in apa pana la varsta incercarii.

Rezistenta la compresiune la varsta de 28 de zile, in cazul betonului tratat termic, creste foarte putin sau in unele cazuri se inregistreaza chiar o scadere a valorilor fata de cele de la 6 zile.

La betoanele mentinute in apa pana la varsta de 28 zile, se observa ca rezistenta creste in timp pana la ultima varsta de incercare (28 zile).

Caracteristicile in stare intarita ale amestecurilor de beton cu adaos de fibre lungi din otel

In Tabelul 5 sunt prezentate va­lorile rezistentelor la compresiune ale betoanelor pastrate in apa sau supuse unui tratament termic, de data aceasta armate dispers cu fibre lungi de f0,4/25 mm.

Se observa influenta favorabila a fibrelor de otel asupra rezistentelor la compresiune pentru ambele mo­duri de tratare ulterioara. Adevarata contributie a fibrelor si o caracteristica importanta a betoanelor armate dispers se reflecta in rezultatele incercarii rezistentei la incovoiere (intr-o viitoare lucrare a d-lui dr. ing. Pavel Ioan SOSA).

Paralela intre caracteristicile betonului fara fibre, ale celui cu fibre lungi, scurte si cu fibre hibride din otel

Amestecul ME 22 este considerat martor pentru betoane armate cu fibre lungi, scurte si pentru cele armate cu fibre hibride, la baza carora sta amestecul OE 23, care prezinta caractersticile cele mai bune in stare proaspata si intarita.

Amestecul cu fibre hibride este realizat cu cantitatea de 50% fibre lungi (f4/25 mm) si 50% fibre scurte (f0,175/6 mm).

Tasarea si raspadirea betonului fara fibre au valorile asemanatoare cu cele ale betonului hibrid, iar cel cu fibre lungi are valori mai mici, fiind totusi foarte lucrabil. Acestea sunt regasite in Tabelul 6. Se observa, din valorile tasarii si raspandirii, ca fibrele lungi influenteaza lucrabilitatea, chiar si in cantitati mai mici (Markovic I., 2006).

Temperatura este influentata de cantitatea mare de ciment din compozitie, cantitatea de aditiv si, in unele cazuri, de durata malaxarii betonului.

Continutul de aer oclus este normal pentru un beton atat de dens, din care bulele de aer ies foarte greu. Analizand valorile prezentate in Tabelul 6, se observa ca amestecurile cu adaos de fibra din otel au un continut mai redus de aer oclus decat betonul Martor – fara fibre. Eliminarea aerului oclus se obtine prin vibrare. Continutul de aer oclus poate sa aiba valori mult mai mici pentru un astfel de beton (BUIP). Acesta prezinta o rezistenta foarte mare la cicluri repetate de inghet – dezghet, deoarece, in urma tratamentului termic, se imbunatateste microstructura betonului prin aplicarea unei temperaturi optime de tratare ulterioara (min. 90°C), care activeaza reactivitatea puzzolanica a microsilicei si conduce la o reducere a porozitatii (Cheyrezy et al., 1995).

Analizand valorile prezentate in Tabelul 6 se constata ca, in stare proaspata, caracteristicile betonului cu fibre hibride (OE 23 hibrid) sunt aproximativ aceleasi cu cele ale compozitiei fara fibre (ME 22), dar mai bune decat ale compozitiei cu fibre lungi (OE 23 cu fibre L), iar rezistentele la compresiune sunt aproape identice la compozitiile rea­lizate numai cu fibre. In figura 5 se prezinta aspectul probelor dupa incercarea la compresiune.

In desfasurarea acestui program experimental privind compozitiile cu adaos de fibre hibride, s-a urmarit imbunatatirea caracteristicilor de lucrabilitate ale betoanelor de ultra inalta performanta, precum si comportarea lor la solicitari complexe de serviciu.

Analizand valorile prezentate in Tabelul 6 si figura 4, remarcam o crestere semnificativa a lucrabilitatii betonului. Aceasta se datoreaza faptului ca aditivul ACE 440 isi face efectul tot mai vizibil in timp. Odata cu cresterea duratei de amestecare a betonului, a lucrabilitatii, creste si temperatura lui, teorie infirmata in cazul celorlalte amestecuri realizate cu timpi prestabiliti. Cresterea temperaturii se datoreaza si dozajului mare de aditiv si caldurii de hidratare a CEM I52,5R.

Valoarea rezistentei obtinute pe cuburile mai mici ca dimensiune va fi intodeauna mai mare si aceasta se poate observa in graficul din figura 5, iar relatia matematica de pornire pentru echivalarea rezistentelor medii pe cuburi de diferite dimensiuni este: fc,cub200 = 0,95·fc,cub150 = 0,92·fc,cub100. [fib buletin 42 – conform lui Ipatti (1992) si Held (1994)].

In figura 7 sunt prezentate BUIP (nearmat dispers, armat cu fibre lungi si hibride) intarit in tipare cu forme diferite. Betonul proaspat ia forma tiparului, copiind cu fidelitate amprentele acestuia, intarind afirmatia legata de lucrabilitatea foarte buna a acestor betoane, pentru o umplere cat mai buna a tiparului.

Concluzii

• S-a obtinut un beton BUIP cu rezistenta la compresiune initiala mare (>170 MPa), in conditiile unei lucrabilitati care se apropie de BAC.
• Tratamentul termic (90°C si RH 80÷90%) conduce la o crestere ma­xima de rezistenta la compresiune, la sfarsitul duratei de tratare.
• Pastrat in apa la temperatura constanta de 20±2 °C, conduce la o crestere maxima de rezistenta la compresiune la 28 de zile.
• Exista o crestere de aproximativ 1,54 ÷ 2,74 la varsta de 6 zile pentru amestecuri de beton simplu si de aproximativ 1,40 ÷ 1,73 pentru ames­tecuri armate cu fibre (armare dispersa).
• Existenta influentei fibrelor asupra caracteristicilor fizico – mecanice.
• Proiectarea compozitiilor unui BIP si BUIP este esentiala, deoarece va determina performanta la nivel structural a acestuia.
• Obtinerea acestor betoane nu este posibila fara utilizarea materialelor cu caracteristici superioare si a incercarilor preliminare.
• Nu exista compozitii standar­dizate – fiecare aplicatie solicita o reteta caracteristica.

AVANTAJE BUIP

• Inlocuirea completa a armaturii transversale (etrieri) sau a armaturii pasive (pentru betonul precomprimat);
• Realizarea de sectiuni mai zvelte si deschideri mai mari pentru aceeasi capacitate portanta;
• Productivitate marita prin reutilizarea mai rapida a cofrajelor (rezistenta ridicata in primele zile);
• Reducerea manoperei, transportului si a materialelor pentru confectionarea cofrajelor);
• Rigiditate mai mare pentru elementele structurale;
• Costuri reduse de intretinere pe durata de viata a structurii;
• Aplicatii pentru elemente prefa­bricate cat si monolite;
• Durabilitate maxima la agenti agresivi de orice fel datorita poro­zitatii foarte reduse;
• Obtinerea unei suprafete apa­rente care nu mai necesita finisaje ulterioare.

Realizarea betoanelor de ultra-inalta performanta prin utilizarea cu precadere a materialelor locale se constituie intr-o performanta remarca­­bila in domeniul betoanelor structurale.

Multumiri

Acest rezultat a fost posibil cu sprijinul financiar al CNCSIS prin proiectul PN II -IDEI- ID 1053/2007.

Recunostinta doamnei prof. dr. ing. Cornelia MAGUREANU pentru sprijinul acordat si in calitate de indrumator de doctorat; un sprijin extins sub forma de materiale a fost sustinut de firmele Lafarge Romania si BASF Romania.

Referinte

[1] Program PN II – IDEI – ID_1053 / 2007-2010, Betoane Ultraperformante – Ecologia Mediului, director program – Magureanu C.;

[2] Olariu, I., Ioani, A., Poienar, N. – Steel fiber reinforced ductile joints, Proceedings of Ninth World Conference on Earthquake Engineering, Tokyo-Kyoto, vol. IV, p. 657, 1988;

[3] Schmidt M., Fehling E., Entwicklung, Dauerhaftigkeit und Berechnung Ultrahochfester Betone (UHPC). Forschungsbericht DFG FE 497/1-1. Structural Materials si Engineering Series, No. 1, Kassel Univer­sity Press, 2005. ISBN 3-89958-108-3;

[4] Pliskin L, Beton a hautes performances: aspects reglementaires, Paris, 1994;

[5] Lee N.P. & Chisholm D.H., Reactive Powder Concrete, study Report SR 146 Ltd. Judgeford, New Zealand. – 2005;

[6] Cheyrezy et al.: Micro­structural Analysis of RPC, 1995;

[7] Markovic I.: High perfor­mance hybrid fibre concrete – Development and Utilisation, 2006;

[8] Magureanu C., HegheS B., Corbu O., Szilágyi H., SoSa I., Behaviour of high and ultra high per­formance fibre reinforced concrete, 8HSC/HPC Symposium, Tokyo, October 27 –29, 2008 Japan;

[9] Magureanu C., Negrutiu C., Corbu O., SoSa I., Sand Powder Concrete Mixtures. Proceedings of the International Conference Constructions, Cluj-Napoca, 123-126, 2008;

[10] Corbu O., Magureanu C., Onet T., Szilágyi H.; Economia de energie la realizarea betoa­nelor performante“, ISSN 2066-4125, volumul Conferintei Stiinta Moderna si Energia, UTC-N Facultatea de Instalatii, pag. 343-354, Editura RISOPRINT, Cluj-Napoca, 2010;

[11] Corbu O., Magureanu C., Szilágyi H., Betoane Performante, Conferinta “CONTEL SIBIU, 01 – 03 iunie, ISSN 1843-1232 si Revista AROTEC – ISSN 1582-0335, pag. 13-21, 2010;

[12] C. Magureanu, O. Corbu., Ultrahigh Performance Concrete Properties Of Fresh Composition 3rd International Conference – Advanced Composite Materials Engineering; COMAT 2010, 27 – 29 October 2010, Brasov, Romania;

[13] Olariu, I., Ioani, A. s.a., Precast reinforced concrete frames with steel fibre concrete joints, ACI Structural Engineering Review, 3, p. 175, 1991;

[14] Olariu, I., Ioani, A., Poienar, N., Seismic behavior of steel fiber concrete beam-column, Proceedings of the Tenth World Conference of Earthquake Engineering, Madrid, p. 3169, 1992;

[15] Rossi, P., Renwez, St., Guerrier, F., Les bétons a ultra-hautes performances fibrés: formulation, comportement mécanique, modélisation, 2e Colloque International Francophone sur les Bétons Renforcés de Fibres Métalliques, Toulouse, p. 217, 1996.

Autor:
ing. Ofelia CORBU – director Laborator Central, Sef laborator autorizat gradul I, Universitatea Tehnica din Cluj-Napoca – Facultatea de Constructii

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 122 – ianuarie-februarie 2016, pag. 40