KOMPOZITY A BETONU

Levný a univerzální, beton je prostě nejlepší stavební materiál pro mnoho aplikací. Otázkou je, jak zajistit, aby beton obstál v environmentálním a strukturálním zatížení pro dlouhodobý výkon. Skutečný kompozit, beton obvykle sestává ze štěrku a písku-kamenivo-vázané dohromady v matrici jemného portlandského cementu, s kovovou výztuží obvykle začleněnou pro pevnost. Působí obdivuhodně pod kompresí, ale má tendenci být křehký a poněkud slabý v napětí. Tensional stres, stejně jako plastické smrštění během vytvrzování vede k trhlinám, které zvou vniknutí vlhkosti, která nakonec vede ke korozi vložené kovové a případné ztráty integrity jako kov zhoršuje.

vlákny vyztužené polymerní kompozity (FRP) jsou již dlouho považovány za materiál umožňující lepší betonový výkon. American Concrete Institute (ACI) a dalších skupin, jako je například Japonsko Společnost pro stavební Inženýry, byly zásadní při vývoji specifikace a zkušební metody pro kompozitní výztužné materiály, z nichž mnohé jsou přijímány a dobře zavedené dnes v betonové konstrukce. “Kromě provedení pokynu dokumenty, nyní máme zkušební metody,” říká John Busel, předseda ACI Výboru 440, se tvořil v roce 1990 poskytnout inženýrů a designérů s informacemi a směr pro kompozitní materiály. Zkušební metody jsou uvedeny v Aci 440.3 R-04. (Tento a další významné zveřejněny dokumenty týkající se kompozitní výztuže betonu, lze nalézt v přiloženém sidebar, “Beton Design Guides”) “Jsme také vytrvale pracuje na revizi našeho 1996 state-of-the-art zprávy, k aktualizaci konkrétních lékařů na mnoha nových aplikací a nových tržních příležitostí,” říká Busel.

kompozitní výztuže a výztužné mřížky se nadále používají v řadě aplikací. V poslední době byly vyvinuty produkty a aplikace se začínají množit pro vláknitý beton, materiál, který používá ocelová nebo polymerní vlákna jako výztuž v chodnících, podlahových deskách a prefabrikovaných dílech.

KOMPOZITNÍ VÝZTUŽE: ZAVEDENÉ TECHNOLOGIE

za posledních 15 let, kompozitní výztuže je pryč z experimentální prototyp efektivní náhrada za ocel na mnoha projektech, zejména s rostoucími cenami oceli. “Skelné výztuže je běžně používané, a to je velmi konkurenční trh,” říká Doug Gremel, ředitel nekovové výztužné pro Hughes Bros. (Seward, Neb.), zavedeným výrobcem výrobků z výztuže. “Stav znalostí o tomto materiálu je nesmírně lepší než před 10 lety.”

Pro některé stavební projekty, jako je magnetická rezonance (MRI) zařízení v nemocnicích, nebo přístupy k silniční mýtné budky, které používají radiofrekvenční identifikace (RFID) tag technologie pro identifikaci pre-paid zákazníci, kompozitní výztuže je jediná možnost. Ocelová výztuž nelze použít, protože narušuje elektromagnetické signály. Kromě elektromagnetické průhlednosti nabízí kompozitní výztuž také výjimečnou odolnost proti korozi, nízkou hmotnost-asi čtvrtinu hmotnosti oceli — a tepelnou izolaci, protože odolává přenosu tepla ve stavebních aplikacích. Dva největší výrobci jsou Hughes a Pultrall (Thetford Mines, Kanada).

Kompozitní výztuže je obvykle tento materiál, pomocí E-sklo vláken pramenců a vinyl ester pryskyřice, s standardní tvářecí techniky. Výrobky Hughes ‘ Aslan jsou vyráběny se spirálovitým obalem pro vytvoření zvlněného profilu, zatímco tyč V-ROD Pultrall je hladká. Oba mají vnější pískový povlak, aplikovaný během výroby, pro vytvoření drsného povrchu pro optimální přilnavost vazby. Podle Gremel, vysoce kvalitní vinyl ester pryskyřice je potřeba, spolu s správné vlákno sizings, aby se dosáhlo nejlepší antikorozní vlastnosti a odolnost vůči vysoce alkalických kovů v Portland, stejně jako houževnatý dluhopisů.

Protože skelných vláken mechanické vlastnosti jsou jiné, než ocel, beton navrhování konstrukcí s kompozitní výztuže je vytvořena pomocí ACI 440.1 R-03, Průvodce pro Design a Konstrukce z Betonu Vyztužené FRP Tyče. Průvodce adresy ohybu, údržba, tečení prasknutí a únavě, kromě smyku a detaily pro třmeny, říká Busel. Hughes i Pultrall jsou členy Rady výrobců výztuže FRP, pod záštitou amerických výrobců kompozitů Assn. (ACMA) a podílí se na vývoji minimálních výkonnostních standardů pro výztuž. I když je pravda, že kompozitní výztuž nelze ohýbat na pracovišti, aby splňovaly neočekávané podmínky, Gremel říká, že to není problém. “Ocelové tyče potažené epoxidem nelze ohýbat, aniž by došlo k rozbití epoxidového povlaku,” uvádí. “Během výroby můžeme předem ohýbat tyče ze skleněných vláken podle návrhu inženýra podle podrobného harmonogramu, jak by to mělo být provedeno.”S vydáním nových zkušebních metod pro beton s kompozitní výztuží mají majitelé a návrháři nyní jistotu, že konstrukce bude fungovat podle očekávání. Gremel poznamenává, že zkušební dokument bude převeden na normu ASTM.

Pultrall V-ROD je distribuován v USA výhradně Ochrana Betonu Products Inc. (CPPI, Dallas, Texas). CPPI prezident Sam Steere zprávy, že několik posledních projektů využívající V-ROD, včetně nového mostu, který se klene AMERICKÉ dálnici I-65 v Newton County, Indiana. 58m / 191-ft dlouhý, třípásmový most je 10.5 m / 34.5 ft široký s železobetonovou palubou, která sedí na ocelových nosnících I, které jsou podepřeny na betonových molech. 203 mm/8-palec tlustý beton paluba je vyztužené epoxidové pryskyřice potažené ocelové výztuže v dolní polovině, ale odolné proti korozi V-ROD kompozitní panel je použit v horní polovině, kde je potenciál pro kontakt s rozmrazovací solí je největší. Dvě velikosti composite bar byly umístěny, každá o 152 mm/6-palcové center — #5 bar (16-mm/0.625-palcový průměr) v příčném směru a #6 (19-mm/0.75-palcový průměr), probíhající v podélném směru. Celá struktura byla vybavena senzory optických vláken vědci z Purdue University, pro průběžné hodnocení výkonu paluby pomocí vzdáleného připojení. Je to první použití kompozitního baru v aplikaci mostovky Ministerstvem dopravy v Indianě, říká Steere.

Hughes Bros. Aslan 100 sklolaminátové tyče byly nedávno instalovány v místě-litý betonový most v Morrison, Colo., postavený Colo. Oddělení. dopravy (CDOT) ve spolupráci s městem a krajem Denver Parks and Recreation Dept. 13.8 m / 45-ft dlouhý most, který překlenuje Bear Creek, používal sklolaminátovou výztuž v patkách, opěrách, křídlových stěnách, parapetech a zakřiveném betonovém oblouku. Jednodílná, celokompozitní paluba, která sedí na vrcholu betonového oblouku, byla vyrobena Kansas Structural Composites (Russell, Kan.). Do litých prvků bylo začleněno několik různých velikostí výztuže, včetně #5, # 6 a # 7 (průměr 19 mm/0,75 palce). K dosažení podrobného designu bylo zapotřebí mnoho ohnutých třmenů a jedinečných tvarů, zdůrazňuje Gremel a dodává, že všechny byly vyrobeny v továrně před odesláním. Inženýr CDOT Mark Leonard říká, že stát měl v minulých projektech dobrý úspěch s kompozitní výztuží a vybral Aslan, protože Hughes předložil nejnižší nabídku. Ačkoli paluba dostane minimální provoz při nízkých rychlostech, Leonard říká návrhář mostu, Parsons Brinkerhoff (Denver, Colo.), dodržoval všechny konstrukční pokyny ACI a pro certifikaci materiálů použil nové zkušební metody ACI440.3R-04.

kompozitní výztuže trhu se očekává, aby se stal ještě více konkurenční, jako nové materiál — čedičové vlákno — získá oporu. Sudaglass Fiber Technology (Houston, Texas), čedičové vlákno výrobce zařízení, v Rusku a na Ukrajině, má rozbité zemi na USA výrobní zařízení v severním Texasu, říká, Sudaglass’ výkonný VICEPREZIDENT Graham Smith. Čedičová / epoxidová výztuž je v současné době na Ukrajině pultrudována a podle Smitha je v procesu certifikace pro americkou výstavbu.

S hustotou jen o málo větší, než typické skleněných vláken, společnost je čedičová vlákna mají mnohem širší teplotní rozsah -260°C do 982°C (-436°F až 1850°F) ve srovnání s nominální rozsah od -60°C do 650°C (-76°F až 1202°F) pro sklo — a bod tání 1450°C (2642°F), což čedič užitečné aplikace, které vyžadují požární odolnost. Kromě toho, Smith konstatuje, že materiál vykazuje vynikající odolnost vůči obsah alkálií v betonu bez uchýlit k speciální sizings slouží k ochraně skleněných vláken.

Co výztuže výběr kompozitního prutu očekává, že bude mít širokou odvolání u projektu s rozhodovací pravomocí. “Pointa je, že dobrý inženýr nebo konstruktér se snaží vyřešit problém koroze,” uzavírá Gremel. “Za 5 až 7 procent vyšší náklady na projektové materiály dosáhnete s tímto produktem o 10 až 20 let delší životnosti konstrukce.”

KOMPOZITNÍ ROŠTY V PREFABRIKOVANÝCH PANELŮ: VYSOKÝ POTENCIÁL

Od CT první uvádí na použití vlákny vyztuženého polymeru sítí v prefabrikovaných betonových stavebních panelů (“Composite Solutions uspokojit Rostoucí Občanské Výstavby Požadavky,” CT srpna 2002, str. 40), na trhu zaznamenalo výrazný růst, říká Busel. “Tato aplikace je obrovská,” tvrdí. “Existuje obrovský potenciál.”

náboj je veden AltusGroup, konsorcium pěti prefabrikátů výrobců a výztuže, výrobce TechFab LLC (Anderson, S. C.), vytvořena speciálně na podporu CarbonCast technologie, ve které jeho C-GRID uhlíkové vlákno/epoxidová sítí nahradit tradiční ocelové mřížky nebo výztuže v prefabrikovaných konstrukcí jako sekundární výztuží. TechFab je 50/50 společný podnik Hexcel (Dublin, Kalif.) a Chomarat Group (Le Cheylard, Francie). Zatím členové AltusGroup patří Oldcastle Precast (Edgewood, Md.), Vysoké betonové konstrukce (Denver, Pa.), dva prefabrikáty vlastněné společnostmi Cretex (Elk River, Minn.) a Metromont Předpětí (Greenville, S. C.), ale nové členy, je pravděpodobné, že bude přidáno v důsledku rostoucí objem prodeje, říká John Carson, TechFab ředitel obchodního rozvoje a program leader pro C-GRID technologie.

řadu CarbonCast produkty jsou nabízeny AltusGroup, zahrnující strukturální a nenosné stěnové izolační panely a architektonické opláštění. C-GRID obvykle nahrazuje sekundární ocelové drátěné pletivo výztužné prvky-konvenční ocelová výztuž se stále používá pro primární výztuž ve většině případů. C-MŘÍŽKA je vyrobena v efektivní, patentovaná kvazi-tkaní proces, který vyrovnává položený osnovní a útkové velké tažení uhlíkových vláken mokré s rychlé vytvrzování epoxidové, v otevřenou strukturu. Otvory mřížky se liší velikostí od 25,4 mm do 76 mm (0,25 palce až 3 palce), v závislosti na požadavcích na pevnost panelu, typu betonu a velikosti kameniva. Během výrobního procesu je mřížka opatřena drsným povrchem, který zvyšuje pevnost vazby mezi mřížkou a vytvrzeným betonem. Mřížky, s sklo, aramid nebo polymerní vlákna v kombinaci s některou z různých pryskyřic, jsou také k dispozici, v TechFab je MeC-GRID produktové řady. Uhlíkové a neuhlíkové mřížky se používají v jiných aplikacích,jako jsou dekorativní prvky, beton na místě a opravy/rehabilitace.

výhody panelů CarbonCast jsou významné, říká Carson. C-mřížka je mnohem lehčí a má téměř sedmkrát větší tahové vlastnosti než ocel. Praskání v důsledku vytvrzení smrštění je výrazně snížena, a C-mřížka nebude korodovat, což eliminuje často nevzhledné povrchové barvení, ke kterému dochází na betonových panelech s ocelovými mřížkami. Jeho odolnost proti korozi umožňuje použití pouze 6,35 mm/0,25 palce betonového krytu, zatímco až 76,2 mm / 3 palce krytu může být vyžadováno k ochraně ocelové mřížky před vlhkostí. Proto může být hmotnost panelu snížena až o 66 procent ve srovnání s konvenčními prefabrikáty. Lehčí panely umožňují nižší celkovou hmotnost stěny, což zase vyžaduje méně podstatnou ocelovou spodní konstrukci, což má za následek výrazně nižší stavební náklady. C-mřížka je také tepelně nevodivá, takže izolační hodnota panelu není ohrožena. Dále mohou být otvory v panelech na pracovišti řezány motorovou pilou, což není možné s ocelovou mřížkou. Všechny tyto výhody se promítají do nižších nákladů na dopravu, montáž a nástavbu pro efektivnější výstavbu.

Více než 3 miliony m2, CarbonCast panelu produkty byly prodány do dnešního dne a poptávka je tak vysoká, že TechFab nedávno oznámila velké plány na expanzi. V novém závodě bude umístěna další výrobní linka mřížky, která by podle Carsona měla být v provozu do října tohoto roku. Oznámení těsně následovalo po oznámené víceleté dohodě společnosti se společností Zoltek Corp. (St. Louis, Mo.), dodavatel velkokapacitního vlákna Panex 35 používaného v C-mřížce. Podle Carsona, dohoda zajistí konzistentní dodávky pro C-GRID během počátečních let uvedení produktu na trh. “Zoltek je naším hlavním dodavatelem vláken a obhájcem od prvního dne tohoto projektu,” poznamenává.

prefabrikované panely byly použity v tak rozmanitých projektech, jako jsou kina, kostely a parkovací garáže. Nedávným projektem byl komplex Cardinal Health office/warehouse 332,000-ft2 poblíž Baltimoru, Md. Panely CarbonCast až do délky 15,5 m/51 ft byly odlité, aby vytvořily svislé vnější stěny dvoupodlažní budovy. Každý panel je sendvičové konstrukce s 152 mm/6 palců pěnové izolace (dosažení R-16 a izolační hodnota) mezi facesheets skládající se z 50-mm/2-palec tlustý vnější wythe (betonové vrstvy) a 100 mm/4-palec tlustý vnitřní wythe, C-GRID umístěn kolmo k panelu tváře spojuje vnitřní a vnější wythes, poskytuje smykové výztuže.

“s tímto konceptem se dostáváme na vyšší rychlostní stupeň,” říká Carson. “Přidáváme nové produkty, které splňují růst aplikací.”

VLÁKNY VYZTUŽENÉHO BETONU: PŘICHÁZÍ NA SILNÉ

použití krátkého vlákna do betonu pro zlepšení vlastností byl přijat technologie po celá desetiletí i staletí, vzhledem k tomu, že v Římské Říši strukturální minomety byly posíleny s koňských žíní. Vlákno posily zvýšení betonu je pevnost a tažnost (schopnost se plasticky deformovat bez štěpení) tím, že nese část zatížení v případě matice selhání a zatýkání crack růst. Dr. Victor Li z Michiganské Univerzity zkoumal vlastnosti high-výkon vyztužených cementových kompozitů, velmi vysoký výkon podmnožinu z vlákny vyztuženého betonu, a on se domnívá, že přijetí materiálu bude růst, tak dlouho, jak výkon, nízké náklady a snadné plnění jsou zachovány.

“Použití tohoto materiálu může vést k odstranění smykové výztuže, což má za následek snížení materiálové a mzdové náklady,” říká Li. “Tenčí konstrukce snižuje objem materiálu a mrtvé zatížení, a umožňuje snazší dopravu. Toto celkové snížení nákladů může snadno odůvodnit náklady na materiál vyztužený vlákny.”

Oficiální uznání vlákny vyztuženého betonu vyvolalo zveřejnění normy a pokyny pro jeho používání v průběhu posledních pěti let (viz CT červenec/srpen 2001, str. 44). Od té doby se komerční aplikace rozšířily.

Stavební materiály obří Lafarge SA (Paříž, Francie) byl povýšen jeho ultra-performance vlákny vyztuženého betonu, materiálu, označených ochrannou Duktální, za téměř deset let, cílení na širokou škálu občanské infrastruktury a architektonických aplikací. Duktální je směs Portlandský cement, křemičitý úlet, quartz mouky, jemného křemičitého písku, změkčovadla, vody a ocelových nebo organických vláken, obvykle 12 mm/0,5 palce na délku. Vic Perry, VICEPREZIDENT/generální manažer pro Duktální, říká, že kombinace jemné prášky, vybrané pro relativní velikosti zrna, vytváří maximální zhutnění během vyléčit, což vede k úplné absenci kontinuální pórovitost, což prakticky eliminuje pronikání vlhkosti a potenciální korozi ocelových vláken. Aby se na bezpečné straně, polyvinylalkohol (PVAL) vlákna jsou obvykle specifikována pro architektonické a dekorativní aplikací, aby byla vyloučena jakákoli možnost povrchové barvení, které mohou nastat s rezivění ocelových vláken a odstranění abrazivitu, kde lidský kontakt je problém. Materiály se prodávají ve velkoobjemových pytlích prefabrikátům nebo dodavatelům betonových hotových směsí.

“přidání vláken je materiál deformovat v tvárné způsobem a podpora zatížení v tahu,” říká Perry. “Vlákna poskytují houževnatost a zlepšené mikrostrukturní vlastnosti.”

v Závislosti na typu vlákniny používané, pevnost v tlaku Duktální se pohybuje od 150 MPa do 200 MPa (psi 21,750 až 29 000 psi), ve srovnání se standardní beton je 15 MPa do 50 MPa (2,175 psi na 7,250 psi). Testovaná pevnost v ohybu je až 40 MPa / 5 800 psi, říká Perry. Duktál vyztužený ocelovými vlákny Forta Lafarge byl použit pro prefabrikované konstrukce a v několika aplikacích předpjatých mostních nosníků. V Saint Pierre La Cour, Francie, 20m/65-ft dlouhý dopravní most byl navržen s 10 Duktální I-beam nosníky podporující tradiční, cast-in-place 170 mm/6,5-palcový silné prutu-železobeton podlaží. Prefabrikované nosníky, které neobsahují žádné výztuže, jsou 600 mm/24 palců hluboké a jsou předpjaté s 13 mm/0.5-palcový ocelové strand kabely, umístěné v dolní příruby. Napětí se aplikuje na prameny před tím, než se Duktál nalije do formy paprsku. Jakmile beton pokrývá prameny a materiál začal vytvrzovat, jsou řezány, což ve skutečnosti způsobuje kompresní namáhání betonové směsi.

Když jsi předmětu předpjatý nosník pro jakékoliv ohýbání, vysvětluje Perry, to nemá zkušenosti tensional stresu, ale místo toho “dekomprimuje,” výrazně zlepšit výkon. Vzhledem k síle Duktalu, nosníky nevyžadují výztuž, což výrazně snižuje hmotnost na nohu.

Duktální struktury ve tvaru v průřezu jako řeckým písmenem “Π” (v krabici světlo bez spodního lemu) fungují jako obě paluby a nosníky na experimentální most instalován na zkušební trati v US Federal Highway Orgánu (FHWA) Turner Fairbank Laboratoř, aby prošetřila design vhodnosti pro budoucí dálniční výstavbu. Nosník/paluba” Π ” je navržena tak, aby vydržela konfigurace zatížení HL-93 Americké asociace státních dálničních a dopravních úředníků (AASHTO).

“duktální nosníky umožňují delší rozpětí pro stejnou hmotnost paprsku,” říká Perry. “Nakonec uvidíme vláknitý beton v nosnících a mostních palubách.”

si betonové systémy. (Chattanooga, Tenn.) je výrobcem vláknové výztuže pro beton. SI nabízí Novomesh, Fibermesh a jiné optické produkty, které se používají jako alternativní sekundární ocelové drátěné pletivo výztuže a lehké výztuže v obou komerčních a rezidenčních aplikací, říká SI Hal Payne, manažer strategických aliancí. SI nabízí polypropylenová (PP) vlákna, ocelová vlákna, makrosyntetická vlákna a upravené směsi. Podle Payne, výrobky z polypropylenových vláken SI jsou rozhodující pro kontrolu “raného věku” plastových smršťovacích trhlin, aby se zabránilo tomu, že tyto praskliny rostou do hlavních nedostatků, jak beton léčí. Novomesh 950 je nový produkt pro společnost a skládá se ze směsi hrubých monofilních makrosyntetických a shromážděných fibrilovaných mikrosyntetických vláken. Podle Payne dává výrobek stejně dobrý výsledek jako ocelová vlákna při zamýšleném použití pro komerční podlahové desky.

Kingspan (Sherburn, Malton, N. Yorkshire, velká BRITÁNIE) je konkrétní stavební specialista, který používá vlákna beton přísady z Bekaert Stavební Výrobky (Friedrichsdorf, Německo). Bekaert je ve tvaru Dramix ocelová vlákna se přidávají do betonu pro výrobu podlah a střech bez výztužné ocelové sítě. Produkt je údajně ideální pro stísněné staveniště, jako je třípodlažní vývoj Spurriergate hluboko v historickém britském městě York. Od betonu nevyžaduje ocelové výztuže mřížky, náklady na ocelová mřížka a práce povinen doručit objemné rohlíky, pak vyjmout a umístit jej v multi-patrové budovy před beton lití operace je zcela eliminován. Vláknobetonové podlahy projektu byly umístěny v jediné operaci, jednoduše dodáním materiálu vyztuženého vlákny přímo do každého patra pomocí automatizovaného čerpacího zařízení.

V Austrálii, Francii, Japonsku a USA, prozatímní konstrukce vodítka (uvedeny v postranním panelu) nyní poskytují poradenství a allowables pro vlákny vyztuženého betonu, významným faktorem v její větší akceptaci designérů, inženýrů a projektových rozhodovací pravomocí v oblasti infrastruktury trhu. “Materiál nabízí řešení, jako je rychlost konstrukce, zlepšená estetika, vynikající trvanlivost a odolnost proti korozi,” uzavírá Perry. “To znamená sníženou údržbu a delší životnost konstrukce.”

poznámka Redakce: Pozor na naše nadcházející článek o využití kompozitních materiálů pro opravy infrastruktury (CT. června 2005) a budoucí články na laminát hmoždinky tyče a předpínacích kabelů.