Opis: Klient zajmujący się produkcją prefabrykatów z betonu UHPC od dłuższego czasu borykał się z problemem niestabilnej wytrzymałości spowodowanym wahaniami jakości surowców podczas produkcji elementów mostowych i prefabrykatów z betonu UHPC.Dzięki wprowadzeniu mikrosiliki MSILI UH-94 oraz optymalizacji receptury i procesu mieszania klient poprawił jednorodność i gęstość masy UHPC, zmniejszył ryzyko wahań wytrzymałości na ściskanie po 7 i 28 dniach, co pozwoliło na łatwiejsze i bardziej stabilne osiąganie wymaganej w projekcie inżynieryjnym wytrzymałości, zapewniając bardziej niezawodne rozwiązanie w zakresie surowców dla masowej produkcji UHPC.
Warunki produkcji i źródło rozrzutu
Klient zajmujący się prefabrykatami z UHPC produkuje głównie elementy mostowe oraz prefabrykaty z UHPC. Od dawna realizuje on projekty inżynieryjne, stawiając wysokie wymagania dotyczące wytrzymałości na ściskanie, płynności, zagęszczenia oraz stabilności partii produktów.
We wczesnej fazie produkcji receptura UHPC klienta zapewniała już podstawę o wysokiej wytrzymałości, jednak podczas ciągłych prób mieszania i produkcji seryjnej stabilność wytrzymałości pozostawała niezadowalająca. Przy tej samej recepturze, tym samym stosunku wody do cementu oraz tym samym systemie pielęgnacji, wytrzymałość na ściskanie próbek z różnych partii ulegała wahaniom; w niektórych partiach rozwój wczesnej wytrzymałości przebiegał zbyt wolno, a wytrzymałość po 28 dniach z trudem utrzymywała się w docelowym przedziale.
Po przeprowadzeniu analizy klient stwierdził, że problem nie dotyczy wyłącznie dopasowania cementu, piasku kwarcowego czy domieszki zmniejszającej zawartość wody; stabilność surowca w postaci mikrosilikatów, poziom jego aktywności, stopień dyspersji oraz dopasowanie rozkładu uziarnienia stały się kluczowymi zmiennymi wpływającymi na stabilność wytrzymałości betonu UHPC.
UHPC to system charakteryzujący się niskim stosunkiem wody do cementu, wysoką zawartością proszków oraz wysoką gęstością. Z opublikowanych badań wynika, że pył krzemionkowy jest kluczowym surowcem w UHPFRC/UHPC, wpływającym na takie kluczowe właściwości, jak mikrostruktura, reakcja hydratacji, zdolność do samogęstnienia, wytrzymałość na ściskanie, wytrzymałość na zginanie i rozciąganie oraz trwałość. Dlatego dla klientów stosujących UHPC pył krzemionkowy nie jest zwykłym wypełniaczem, lecz ważnym surowcem funkcjonalnym decydującym o stabilności wytrzymałości i gęstości systemu.
Cztery problemy ograniczające powtarzalność
W dotychczasowym systemie UHPC klienta występowały głównie następujące problemy:
1. Wahania między partiami surowców wpływają na stabilność wytrzymałości
Zwykły mikrosilikat stosowany wcześniej przez klienta wykazywał pewne różnice między partiami, przejawiające się w niestabilnej zawartości SiO₂, aktywności, stopniu rozdrobnienia, stopniu aglomeracji oraz dyspersji. W przypadku zwykłego betonu tego rodzaju wahania mogą mieć ograniczony wpływ; jednak w systemie UHPC, ze względu na niski stosunek wody do cementu, duże zużycie proszku oraz rygorystyczne wymagania dotyczące ułożenia cząstek, wahania właściwości mikrosilikatu ulegają znacznemu wzmocnieniu, co ostatecznie znajduje odzwierciedlenie w wytrzymałości na ściskanie i stanie zaprawy.
2. Niestabilność wytrzymałości wczesnej i po 28 dniach
W przypadku niektórych partii próbek klienta wzrost wczesnej wytrzymałości był zbyt powolny, a wytrzymałość na ściskanie po 28 dniach wykazywała rozrzut. Chociaż w pojedynczych badaniach można osiągnąć wysoką wytrzymałość, klientowi bardziej zależy na stabilnej zdolności do osiągania wymaganych parametrów w produkcji seryjnej, a nie na najwyższej wartości uzyskanej w jednym badaniu.
3. Niewystarczająca jednorodność masy, wpływająca na zagęszczenie wewnętrzne
Warunkiem stabilnej wytrzymałości betonu UHPC jest równomierny rozkład cząstek w masie, drobna struktura porów oraz gęsta strefa przejściowa międzyfazowa. Jeśli aglomeraty mikrokremyżu nie mogą skutecznie rozproszyć się w układzie, osłabia to efekt mikrowypełnienia i reakcję popiołu wulkanicznego, co prowadzi do wzrostu liczby lokalnych słabych obszarów, a tym samym wpływa na stabilność wytrzymałości.
4. Ciągłe dostosowywanie receptury i niska wydajność mieszania próbnego
Ze względu na niewystarczającą stabilność surowców klienci muszą często dostosowywać dawkę środka zmniejszającego zawartość wody, stosunek wody do cementu, czas mieszania oraz proporcje proszków, co wydłuża cykl próbnych mieszanek i zwiększa koszty weryfikacji technicznej. Dla klientów zamawiających prefabrykaty z UHPC tego rodzaju niestabilność ma bezpośredni wpływ na tempo dostaw produktów.
Dlaczego wybrano UH-94 i jak zaplanowano próby
W odpowiedzi na główny problem klienta, polegający na tym, że „można uzyskać wysoką wytrzymałość, ale partie nie są wystarczająco stabilne”, zalecamy zastąpienie dotychczas stosowanego zwykłego mikrosilikatowego proszku półzagęszczonym mikrosilikatowym proszkiem UH-94, który będzie pełnił rolę kluczowego krzemionkowego materiału aktywnego w systemie UHPC.
1. Dlaczego warto wybrać mikrosilikat UH-94?
Wymagania systemu UHPC wobec mikrosilikatów to nie tylko „drobnoziarnistość”, ale także wysoka zawartość SiO₂, niska zawartość zanieczyszczeń, stabilna aktywność oraz dobra zdolność wypełniania porów. Jeden z naszych bardzo profesjonalnych klientów z tej samej branży stosuje właśnie produkt MSILI UH-94. Dzięki bardziej stabilnemu materiałowi o wysokiej aktywności krzemionkowej zapewnia on systemowi UHPC lepiej kontrolowaną mikro-wypełnialność oraz podstawę do reakcji popiołowej.
2. Dlaczego warto wybrać wersję półagregowaną?
Klient potrzebuje nie tylko „wysokiej aktywności”, ale także lepszej stabilności dyspersji mikrosilikatów w układzie UHPC. Z opublikowanych badań wynika, że aglomeraty powstałe w wyniku zagęszczenia mikrosilikatów można ponownie rozdzielić poprzez optymalizację metod mieszania, a skuteczność tej dyspersji zależy od dodatków, składu mieszanki oraz stosunku wody do proszku; w warunkach wysokiej zawartości proszku, niskiego stosunku wody do proszku, zastosowania wysokowydajnych środków zmniejszających zawartość wody oraz mieszania przy wysokim ścinaniu aglomeraty mikrosilikatów można skutecznie rozbić.
Zaletą mikrosilikatów MSILI UH-94 jest to, że łatwiej się rozpadają w układzie UHPC niż mikrosilikaty w pełni zagęszczone, a jednocześnie lepiej niż zwykłe mikrosilikaty luźne przyczyniają się do utrzymania stabilności partii. W kontekście obecnych problemów klienta typ półzagęszczony nie jest wybierany wyłącznie ze względu na „łatwość stosowania”, ale w celu osiągnięcia równowagi między aktywnością, dyspersją i stabilnością.
3. Główna koncepcja rozwiązania
Niniejsze rozwiązanie nie polega na prostej wymianie surowca, lecz na systemowej optymalizacji pod kątem stabilności wytrzymałości betonu UHPC:
- po pierwsze, zastąpienie dotychczasowego, zwykłego mikrosilikatowego proszku, charakteryzującego się dużymi wahaniami jakości, mikrosilikatowym proszkiem MSILI UH-94
- po drugie, utrzymanie zawartości mikrosilikatu w rozsądnym przedziale, zgodnie z powszechnie stosowaną w UHPC zasadą 15–25% w stosunku do masy cementu
- ; po trzecie, optymalizacja kolejności mieszania na sucho i na mokro w celu poprawy skuteczności dyspersji mikrosilikatu w układzie
- po czwarte, ocena stabilności receptury na podstawie płynności, wytrzymałości po 7 dniach, wytrzymałości po 28 dniach oraz rozrzutu wytrzymałości
- po piąte, na podstawie wyników badań należy precyzyjnie dostosowywać ilość domieszki upłynniającej oraz parametry mieszania, zamiast wielokrotnie wprowadzać znaczne zmiany w recepturze podstawowej.
Receptura, mieszanie i wyniki badań
1. Projekt receptury referencyjnej
Klient stosuje obecnie układ składający się z cementu, mikrosilikatów, proszku kwarcowego, piasku kwarcowego, wody, superplastyfikatora polikarboksylowego oraz włókien stalowych, przy czym wymagana wytrzymałość wynosi co najmniej 120 MPa.Zalecane proporcje to: cement 1, pył krzemionkowy 0,25, proszek kwarcowy 0,35, piasek kwarcowy 1,10, woda 0,25, środek zmniejszający zawartość wody 0,0012 oraz włókna stalowe w ilości 2% objętości mieszanki.
| Surowce | Proporcje orientacyjne |
|---|---|
| Cement | 1 |
| Mikrosilika UH-94 | 0,25 |
| Proszek kwarcowy | 0,35 |
| Piasek kwarcowy | 1,10 |
| Woda | 0,25 |
| Polikarboksylowy środek zmniejszający zawartość wody | 0,0012 |
| Włókna stalowe | 2% zawartości objętościowej |
Istotą tej receptury nie jest jedynie zwiększenie zawartości popiołu krzemionkowego, ale poprawa gęstości masy UHPC oraz zmniejszenie ryzyka wahań wytrzymałości poprzez optymalizację rozkładu wielkości cząstek mikropopiołu krzemionkowego, cementu, proszku kwarcowego i piasku kwarcowego.
2. Optymalizacja procesu mieszania
Metoda przygotowania UHPC polega na: wstępnym mieszaniu na sucho pyłu krzemionkowego z piaskiem kwarcowym przy niskiej prędkości przez 5 minut, wykorzystując zderzenia twardych cząstek do rozbicia aglomeratów pyłu krzemionkowego; następnie dodaje się cement i proszek kwarcowy i kontynuuje mieszanie na sucho przez 5 minut; na koniec dodaje się wodę i polikarboksylowy środek zmniejszający zawartość wody, co powoduje stopniowe przejście układu ze stanu aglomeracji do stanu dyspersji w zawiesinie; włókna stalowe dodaje się po uformowaniu masy i miesza się je z dużą prędkością przez 2 minuty.
Klient, kierując się tym podejściem podczas testów, skupił się na dwóch etapach: „rozbijaniu aglomeratów mikrosilikatów” oraz „tworzeniu jednolitej zawiesiny”, zamiast ślepo zwiększać ilość domieszki redukującej wodę. Pozwala to ograniczyć rozrzut wytrzymałości spowodowany miejscowym niedostatecznym rozproszeniem.
3. Wyniki dotyczące płynności
Zgodnie z protokołem badań, rozszerzalność płynięcia betonu UHPFRC wyniosła odpowiednio 260 mm, 260 mm i 265 mm, co oznacza, że wszystkie próbki należą do lepkich betoni UHPC o właściwościach samozagęszczających się i spełniają wymagania. Po przeprowadzeniu badań z wykorzystaniem mikrosilikatów MSILI UH-94 konsystencja zawiesiny stała się bardziej jednolita, a płynność łatwiej utrzymywała się w stabilnym zakresie, co stanowiło podstawę dla stabilności wytrzymałości w dalszym procesie.
4. Wyniki dotyczące wytrzymałości
W warunkach suszenia w temperaturze pokojowej wytrzymałość na ściskanie po 7 dniach wyniosła 108,07 MPa, a po 28 dniach – 139,21 MPa.
Dla klienta wartość użytkowa mikrosilikatów MSILI UH-94 nie polega wyłącznie na dążeniu do uzyskania najwyższej jednorazowej wytrzymałości, ale na tym, że pomagają one w bardziej stabilnym osiągnięciu docelowego zakresu wytrzymałości w recepturze.
5. Podsumowanie wyników testów przeprowadzonych przez klienta
W trakcie testów mieszanek przeprowadzonych przez klienta, po zastosowaniu mikrosilikatów MSILI UH-94, system UHPC wykazał następujące ulepszenia:
- Po pierwsze, poprawiła się jednorodność zaprawy, a dyspersja proszku stała się bardziej stabilna; po drugie,
- zmniejszyły się wahania płynności i rozlewności, dzięki czemu łatwiej było kontrolować stan mieszanki; po
- trzecie, rozwój wytrzymałości po 7 dniach był bardziej stabilny, a liczba partii o niskiej wytrzymałości wczesnej fazy uległa zmniejszeniu; po
- czwarte, zmniejszyła się zmienność wytrzymałości na ściskanie po 28 dniach, co ułatwiło stabilne osiąganie docelowego przedziału; po
- piąte, zmniejszyła się częstotliwość dostosowywania receptury, a klient nie musiał już często kompensować wahań surowców poprzez zmianę stosunku wody do cementu lub dawki domieszek.
Wdrożenie produkcyjne i przegląd techniczny
1. Zakres dostawy
Realizacja niniejszego projektu nie polegała jedynie na dostarczeniu mikrosilikatowego proszku MSILI UH-94, lecz obejmowała kompleksowe doradztwo w zakresie doboru składników zapewniających stabilność wytrzymałości betonu UHPC, w tym:
- zalecenia dotyczące wskaźników jakości mikrosilikatów
- zalecenia dotyczące referencyjnych dawek domieszek do betonu UHPC; zalecenia dotyczące
- dopasowania uziarnienia proszku kwarcowego i piasku kwarcowego; zalecenia
- dotyczące kolejności mieszania na sucho i na mokro; zalecenia
- dotyczące doboru środków superplastyfikujących
- zalecenia dotyczące weryfikacji wytrzymałości po 7 i 28 dniach; zalecenia dotyczące
- monitorowania stabilności partii.
2. Wnioski z podsumowania
Z analizy wynika, że istotą pierwotnego problemu klienta nie było to, że „receptura betonu UHPC nie pozwalała uzyskać wysokiej wytrzymałości”, ale że „wahania jakości kluczowych surowców powodowały brak stabilności wytrzymałości”.
W systemie UHPC mikrosilika pełni jednocześnie trzy role:
- Po pierwsze,
- jako ultradrobny wypełniacz wypełnia mikropory między cząstkami cementu a proszkiem kwarcowym; po drugie, jako aktywny materiał krzemionkowy bierze udział w reakcji popiołów wulkanicznych, sprzyjając tworzeniu się żelu C-S-H; po
- trzecie, jako część układu granulometrycznego wpływa na reologię zawiesiny, zagęszczenie oraz strukturę interfejsową.
Gdy stabilność partii mikrosilikatów jest niewystarczająca, wpływa to negatywnie na wszystkie te trzy funkcje. Po zastąpieniu mikrosilikatu MSILI UH-94 system UHPC klienta zyskał bardziej stabilną podstawę aktywną i lepiej kontrolowany stan dyspersji, co zmniejszyło ryzyko wahań wytrzymałości.
3. Wartość przypadku
Przypadek ten pokazuje, że klienci stosujący UHPC, wybierając mikrosilikat, nie mogą kierować się wyłącznie ceną ani pojedynczym wskaźnikiem SiO₂. To, co naprawdę wpływa na stabilność produkcji, to kompleksowe właściwości mikrosilikatu, w tym aktywność, stopień rozdrobnienia, stopień aglomeracji, zdolność do dyspersji, spójność partii oraz stopień kompatybilności z cementem, proszkiem kwarcowym, piaskiem kwarcowym i systemem środków zmniejszających zawartość wody.
Wartość mikrokrzemionki MSILI UH-94 polega na tym, że pomaga klientom przejść od „osiągania wysokich parametrów w laboratorium” do „stabilnej produkcji na skalę inżynieryjną” w przypadku betonu UHPC.
Wnioski ze studium UHPC
Dla klientów stosujących UHPC niestabilność wytrzymałości często nie wynika z jednego parametru, lecz jest wynikiem współdziałania surowców, uziarnienia, dyspersji, mieszania i pielęgnacji. W tym kontekście mikrosilikat, jako kluczowy aktywny dodatek mineralny w systemie UHPC, ma decydujący wpływ na stabilność wytrzymałości.
W niniejszym przypadku klient, wprowadzając mikrosilikat MSILI UH-94, rozwiązał problem niestabilności wytrzymałości wynikający z wahań jakości dotychczasowego mikrosilikatu, poprawiając jednorodność zawiesiny UHPC, rozwój wytrzymałości oraz stabilność partii.
Dla klientów produkujących elementy mostowe z UHPC, płyty pokrywowe, prefabrykaty o wysokiej wytrzymałości, wyroby RPC oraz materiały do połączeń prefabrykowanych, mikrosilikat MSILI UH-94 stanowi specjalistyczne rozwiązanie w postaci mikrosilikatu do betonu UHPC, łączące w sobie wysoką aktywność, doskonałą dyspersję oraz wysoką stabilność.
