Kompositter og beton

billig og alsidig, beton er simpelthen det bedste byggemateriale til mange applikationer. Spørgsmålet er, hvordan man får beton til at stå op for miljømæssige og strukturelle belastninger for langsigtet ydeevne. En ægte komposit, beton består typisk af grus og sand — aggregat — bundet sammen i en matrice af fin Portlandcement, med metal armeringsjern normalt inkorporeret for styrke. Det udfører beundringsværdigt under kompression, men har tendens til at være skør og noget svag i spænding. Spændingsspænding såvel som plastkrympning under hærdning fører til revner, som inviterer til fugtindtrængning, der til sidst fører til korrosion af det indlejrede metal og eventuelt tab af integritet, når metallet forringes.

fiberforstærket polymer (FRP) kompositter har længe været tænkt som et muliggørelsesmateriale til forbedret betonydelse. American Concrete Institute (ACI) og andre grupper, såsom Japan Society for Civil Engineers, har været medvirkende til at udvikle specifikationer og testmetoder til kompositforstærkende materialer, hvoraf mange er accepterede og veletablerede i dag inden for betonkonstruktion. “Ud over designretningslinjedokumenter har vi nu testmetoderne,” siger John Busel, formand for ACI ‘ s Committee 440, der blev dannet i 1990 for at give ingeniører og designere information og retning for kompositmaterialer. Testmetoder er beskrevet i ACI 440.3 R-04. (Denne og andre vigtige offentliggjorte dokumenter relateret til sammensat armering af beton findes i den ledsagende sidebjælke, “konkrete Designguider”) “vi arbejder også fast på en revision af vores avancerede rapport fra 1996 for at opdatere konkrete praktikere om de mange nye applikationer og nye markedsmuligheder,” siger Busel.

Kompositarmerings-og forstærkningsgitter finder fortsat anvendelse i en række applikationer. For nylig er der udviklet produkter, og applikationer begynder at sprede sig til fiberarmeret beton, et materiale, der bruger stål-eller polymerfibre som forstærkning i fortove, gulvplader og præfabrikerede dele.

sammensat armeringsjern: etableret teknologi

i løbet af de sidste 15 år er komposit armeringsjern gået fra eksperimentel prototype til effektiv udskiftning af stål på mange projekter, især med stigende stålpriser. “Glasfiber armeringsjern er almindeligt anvendt, og det er et meget konkurrencepræget marked,” siger Doug Gremel, direktør for nonmetallic armering for Hughes Bros.), en etableret producent af armeringsjern produkter. “Branchens viden om materialet er uhyre bedre end for 10 år siden.”

for nogle byggeprojekter, som magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) faciliteter på hospitaler eller tilgange til vejafgiftsboder, der anvender radiofrekvensidentifikation (RFID) tag-teknologi til identifikation af forudbetalte kunder, er sammensat armeringsjern det eneste valg. Stål armeringsjern kan ikke bruges, fordi det forstyrrer elektromagnetiske signaler. Ud over elektromagnetisk gennemsigtighed tilbyder komposit armeringsjern også enestående korrosionsbestandighed, let vægt — ca.en fjerdedel af stålets vægt-og varmeisolering, fordi den modstår varmeoverførsel i bygningsapplikationer. De to største producenter er Hughes og Pultrall (Thetford Mines, Canada).

komposit armeringsjern er typisk pultruded, ved hjælp af E-glas fiber rovings og vinyl ester harpiks, med standard formningsteknikker. Hughes ‘ Aslan-produkter er lavet med en spiralformet indpakning for at skabe en bølgende profil, mens Pultralls V-stangstang er glat. Begge har en ydre sandbelægning, der påføres under fremstillingen, for at skabe en ru overflade for optimal bindingsadhæsion. Ifølge Gremel er der behov for en vinylesterharpiks af høj kvalitet kombineret med de korrekte fiberstørrelser for at opnå de bedste korrosionsegenskaber og modstandsdygtighed over for det høje alkali i Portlandcementet samt en fastholdig binding.

da glasfibermekaniske egenskaber er forskellige fra stål, udvikles betonkonstruktionsdesign med sammensat armeringsjern ved hjælp af ACI 440.1 R-03, vejledning til Design og konstruktion af beton forstærket med FRP-stænger. Guiden adresserer bøjning, brugbarhed, krybbrud og træthed ud over forskydning og detaljer for stigbøjler, siger Busel. Både Hughes og Pultrall er medlemmer af FRP Rebar Manufacturers Council, under paraplyen af de amerikanske Kompositproducenter Assn. (ACMA) og er involveret med ACI i udviklingen af minimumsstandarder for armeringsjern. Selvom det er rigtigt, at sammensat armeringsjern ikke kan bøjes på jobstedet for at imødekomme uventede forhold, siger Gremel, at det er et ikke-problem. “Stålstænger kan heller ikke bøjes uden at bryde belægningen,” siger han. “Vi kan forudbøje glasfiberstænger under fremstillingen til en ingeniørs design i henhold til en detaljeret tidsplan, hvilket er, hvordan det skal gøres.”Med udgivelsen af de nye testmetoder for beton med sammensat armeringsjern har ejere og designere nu sikkerhed for, at strukturen fungerer som forventet. Gremel bemærker, at testdokumentet konverteres til EN ASTM-standard.

Pultrall V-ROD distribueres i USA udelukkende af Concrete Protection Products Inc. (CPPI, Dallas, USA). CPPIS præsident Sam Steere rapporterer om flere nylige projekter, der anvender V-ROD, herunder en ny bro, der spænder over den amerikanske motorvej I-65 i Indiana. Den 58M/191 ft lange, tre-span bro er 10,5 m / 34,5 ft bred med et armeret betondæk, der sidder oven på stål I-bjælker, der understøttes på betonbroer. Det 203 mm/8 tommer tykke betondæk er forstærket med armeringsjern i den nederste halvdel, men korrosionsbestandig v-stang kompositstang bruges i den øverste halvdel, hvor potentialet for kontakt med afisningssalte er størst. To størrelser af kompositstang blev anbragt, hver på 152 mm/6-tommer centre — #5 bar (16 mm/0,625 tommer diameter) i tværretningen og #6 (19 mm/0,75 tommer diameter), der løber i længderetningen. Hele strukturen blev instrumenteret med optiske fibersensorer af forskere ved Purdue University til løbende evaluering af dækkets ydeevne via en fjernforbindelse. Det er den første brug af komposit bar i en brodæk ansøgning fra Indiana Department of Transportation, siger Steere.

Hughes Bros. Aslan 100 glasfiberstænger blev for nylig installeret i en betonstøbt betonbro i Morrison, Colo., bygget af Colo. Dept. af transport (CDOT) i samarbejde med byen og amt Denver Parks and Recreation Dept. Den 13,8 m/45 ft lange bro, der spænder over Bear Creek, brugte glasfiberarmeringsjern i fodfæste, anlæg, vingevægge, parapeter og en buet hældt betonbue. Et stykke, helt sammensat dæk, der sidder oven på betonbuen, blev fremstillet af Kansas strukturelle kompositter (Russell, kan.). En række forskellige armeringsjern størrelser blev indarbejdet i de støbte elementer, herunder #5, #6 og #7 (19 mm/0,75 tommer diameter). Mange bøjede stigbøjler og unikke former var nødvendige for at opnå det detaljerede design, påpeger Gremel og tilføjer, at alle blev fremstillet på fabrikken inden afsendelse. CDOT-ingeniør Mark Leonard siger, at staten har haft god succes med sammensat armeringsjern i tidligere projekter og valgt Aslan, fordi Hughes afgav det laveste bud. Selvom dækket får minimal trafik ved lave hastigheder, siger Leonard brodesigneren, Parsons Brinkerhoff (Denver, Colo.), fulgte alle ACI – designretningslinjer og brugte de nye aci440.3R-04 testmetoder til certificering af materialerne.

markedet for sammensatte armeringsjern forventes at blive endnu mere konkurrencedygtigt, da et nyt materiale — basaltfiber — får fodfæste. Sudaglass Fiber Technology (Houston), en basalt fiberproducent med faciliteter i Rusland og Ukraine, har brudt jorden på et amerikansk produktionsanlæg i det nordlige Italien, siger Sudaglass’ administrerende direktør Graham Smith. Basalt armeringsjern er i øjeblikket pultruderet i Ukraine og er i færd med at blive certificeret til Amerikansk konstruktion, ifølge Smith.

Med en densitet, der er kun lidt større end typiske glas fibre, virksomhedens basalt fibre har en meget bredere termisk intervallet -260°C til 982°C (-436°F til 1850°F) i forhold til en nominel række -60°C til 650°C (-76°F til 1202°F) til glas — og en smelte punkt 1450°C (2642°F), hvilket gør basalt nyttig i applikationer, der kræver modstandsdygtighed mod brand. Derudover bemærker Smith, at materialet demonstrerer fremragende modstand mod alkaliindholdet i beton uden at ty til de specielle størrelser, der bruges til at beskytte glasfibre.

uanset forstærkningsvalget forventes sammensat armeringsjern at have bred appel blandt projekt beslutningstagere. “Bundlinjen er, at en god ingeniør eller designer forsøger at løse korrosionsproblemet,” konkluderer Gremel. “For en 5 til 7 procent større pris i projektmaterialer opnår du 10 til 20 år længere levetid for strukturen med dette produkt.”

KOMPOSITGITTER i præfabrikerede paneler: højt potentiale

siden CT først rapporterede om brugen af fiberforstærkede polymergitter i præfabrikerede betonkonstruktionspaneler (“sammensatte løsninger opfylder voksende civile byggekrav”, CT August 2002, s. 40), har markedet oplevet en betydelig vækst, siger Busel. “Denne ansøgning er enorm,” hævder han. “Der er et enormt potentiale.”

afgiften ledes af AltusGroup, et konsortium bestående af fem præfabrikerede betonproducenter og armeringsproducent TechFab LLC (Anderson, S. C.), Der er dannet specifikt for at fremme CarbonCast-teknologi, hvor sidstnævntes C-GRID kulfiber/Epoksi gitre erstatter traditionelt stålgitter eller armeringsjern i præfabrikerede strukturer som sekundær forstærkning. TechFab er et 50/50 joint venture i Dublin, Californien.) og Chomarat Group (Le Cheylard, Frankrig). Indtil videre inkluderer altusgroup-medlemmer Oldcastle Precast (Edgetræ, Md.), Høje betonkonstruktioner (Denver, Pa.), to precasters ejet af Cretekselskaber (Elk River, Minn.) og Metromont Prestress (Greenville, S. C.), Men Nye medlemmer vil sandsynligvis blive tilføjet på grund af stigende salgsvolumen, siger John Carson, Techfabs direktør for kommerciel udvikling og programleder for C-GRID technology.

en række CarbonCast produkter tilbydes af AltusGroup, herunder både strukturelle og ikke-strukturelle isolerede vægpaneler og arkitektonisk beklædning. C-gitter erstatter typisk sekundære ståltrådnetforstærkningselementer-konventionel stålarmeringsjern bruges stadig til primær forstærkning i de fleste tilfælde. C-GRID er lavet i en effektiv, proprietær kvasi-vævningsproces, der justerer overlejrede kæde-og skudkulstoffibre, der er vådt ud med en hurtig hærdningsepoksi, i en åben struktur. Gitteråbninger varierer i størrelse fra 25,4 mm til 76 mm (0,25 tommer til 3 tommer) afhængigt af panelstyrkekrav, betontype og samlet størrelse. Under fremstillingsprocessen får gitteret en ru overflade, der forbedrer bindingsstyrken mellem gitteret og hærdet beton. Gitre med glas -, aramid-eller polymerfibre i kombination med en hvilken som helst af forskellige harpikser er også tilgængelige i Techfabs MeC-GRID-produktlinje. Kulstof-og ikke-kulstofgitter finder begge anvendelse i andre applikationer, såsom dekorative elementer, støbt beton og reparation/rehabilitering.

fordelene ved CarbonCast paneler er betydelige, siger Carson. C-GRID er meget lettere og har næsten syv gange større trækegenskaber end stål. Krakning på grund af hærdningskrympning reduceres kraftigt, og C-gitter korroderer ikke, hvilket eliminerer den ofte grimme overfladefarvning, der opstår på betonpaneler med stålgitter. Dens korrosionsbestandighed tillader brugen af så lidt som 6,35 mm/0,25 tommer betondæksel, mens der kan kræves op til 76,2 mm/3 tommer dækning for at beskytte stålgitteret mod fugt. Derfor kan panelvægten reduceres med så meget som 66 procent sammenlignet med konventionel præfabrikeret. Lettere paneler giver mulighed for lavere samlet vægvægt, hvilket igen kræver mindre betydelig stålunderkonstruktion, hvilket resulterer i betydeligt lavere byggeomkostninger. C-GRID er også termisk ikke-ledende, så panelets isoleringsværdi er ikke kompromitteret. Yderligere kan åbninger skæres i panelerne på jobstedet med en motorsav, hvilket ikke er muligt med et stålgitter. Alle disse fordele betyder lavere transport -, erektions-og overbygningsomkostninger for mere effektiv konstruktion.

Over 3 Millioner ft2 af CarbonCast-Panelprodukter er solgt til dato, og efterspørgslen er så høj, at TechFab for nylig annoncerede store ekspansionsplaner. Et nyt anlæg vil huse en ekstra netproduktionslinje, der ifølge Carson skulle være i drift i Oktober i år. Meddelelsen fulgte nøje selskabets annoncerede flerårige aftale med St. Louis, Mo.), leverandøren af den Paneks 35 store bugseringsfiber, der anvendes i C-GRID. Ifølge Carson vil aftalen sikre en ensartet forsyning til C-GRID i de første produktlanceringsår. “Vi har været vores primære fiberleverandør og fortaler fra første dag i dette projekt,” bemærker han.

de præfabrikerede paneler er blevet brugt i projekter så forskellige som biografer, kirker og parkeringshuse. Et nyligt projekt var 332.000-ft2 Cardinal Health office / lager kompleks nær Baltimore, Md. CarbonCast paneler op til 15,5 m/51 ft Lange blev støbt for at danne to-etagers bygningens lodrette udvendige vægge. Hvert panel er en smørrebrødskonstruktion med 152 mm/6 tommer skumisolering (opnåelse af R-16 isoleringsværdi) mellem facesheets bestående af en 50 mm/2 tommer tyk ydre væg (betonlag) og en 100 mm/4 tommer tyk indre væg, C-gitter placeret vinkelret på panelfladerne forbinder indre og ydre vægge, hvilket giver forskydningsforstærkning.

“vi bevæger os i højt gear med dette koncept,” siger Carson. “Vi tilføjer nye produkter for at imødekomme applikationsvæksten.”

FIBERARMERET beton: kommer på stærk

brugen af korte fibre i beton til forbedrede egenskaber har været en accepteret teknologi i årtier — endda århundreder, i betragtning af at strukturelle mørtel i Romerriget blev forstærket med hestehår. Fiberforstærkninger øger betonens sejhed og duktilitet (evnen til at deformere plastisk uden brud) ved at bære en del af belastningen i tilfælde af matricesvigt og ved at standse revnevækst. Dr. Victor Li fra University of Michigan har undersøgt egenskaberne ved højtydende fiberforstærkede cementholdige kompositter, en meget højtydende delmængde af fiberarmeret beton, og han mener, at accept af materialet vil vokse, så længe ydeevne, lave omkostninger og nem udførelse opretholdes.

“brug af dette materiale kan føre til eliminering af forskydningsforstærkningsstænger, hvilket resulterer i en reduktion af materiale-og arbejdsomkostninger,” siger Li. “en tyndere struktur reducerer materialevolumen og dødbelastning og gør transporten lettere. Disse samlede omkostningsreduktioner kan let retfærdiggøre omkostningerne ved det fiberforstærkede materiale.”

officiel anerkendelse af fiberarmeret beton har ansporet offentliggørelse af standarder og retningslinjer for dets anvendelse i løbet af de sidste fem år (se CT juli/August 2001, s. 44). Siden da er kommercielle applikationer vokset.

byggematerialer gigant Lafarge SA (Paris, Frankrig) har fremmet sin ultrahøj ydeevne fiberarmeret beton materiale, handel mærket Ductal, i næsten ti år, rettet mod en bred vifte af civile infrastruktur og arkitektoniske applikationer. Ductal er en blanding af Portlandcement, silica røg, kvartsmel, fint silicasand, Blødgørere, vand og enten stål eller organiske fibre, typisk 12 mm/0,5 tommer i længden. Vic Perry, VP/general manager for Ductal, siger kombinationen af fine pulvere, valgt til relativ kornstørrelse, skaber maksimal komprimering under hærdning, hvilket resulterer i et fuldstændigt fravær af kontinuerlig porøsitet, hvilket næsten eliminerer fugtindtrængning og potentiel korrosion af stålfibre. For at være på den sikre side er polyvinylalkoholfibre (PVAL) typisk specificeret til arkitektoniske eller dekorative anvendelser for at udelukke enhver mulighed for overfladefarvning, der kan forekomme med rustende stålfibre og eliminere slidstyrke, hvor menneskelig kontakt er et problem. Materialerne sælges i bulkposer til præfabrikerede eller konkrete færdigblandede leverandører.

“tilsætningen af fibrene får materialet til at deformere på en duktil måde og understøtte trækbelastninger,” siger Perry. “Fibrene giver sejhed og forbedrede mikrostrukturelle egenskaber.”

afhængigt af den anvendte fibertype varierer trykstyrken af duktal fra 150 MPa til 200 MPa (21.750 psi til 29.000 psi) sammenlignet med standardbetonens 15 MPa til 50 MPa (2.175 psi til 7.250 psi). Testet bøjningsstyrke er så høj som 40 MPa/5.800 psi, siger Perry. Ductal forstærket med Lafarge ‘ s Forta stålfibre er blevet brugt til præfabrikeret konstruktion og i flere prestress brobjælke applikationer. I Saint Pierre La Cour, Frankrig, blev en 20 m/65 ft lang køretøjsbro designet med 10 duktale i-bjælkebjælker, der understøtter et traditionelt, støbt på plads 170 mm/6,5 tommer tykt armeringsjern-armeret betondæk. De præfabrikerede bjælker, der ikke indeholder nogen armeringsjern, er 600 mm/24 tommer dybe og blev forspændt med 13 mm/0,5 tommer stålstrengkabler placeret i den nedre flange. Spænding påføres strengene, før Duktalen hældes i bjælkeformen. Når betonen dækker tråde og materiale er begyndt at hærde, er de skåret, som i virkeligheden sætter kompression stress på betonblandingen.

når du udsætter en forspændt stråle for enhver bøjning, forklarer Perry, oplever den ikke spændingsspænding, men i stedet “ukomprimerer”, hvilket forbedrer ydeevnen betydeligt. På grund af Duktals styrke kræver bjælkerne ikke armeringsjern, hvilket reducerer vægten pr.

duktale strukturer formet i tværsnit som det græske store bogstav “Kurt” (i det væsentlige en kassebjælke uden en nedre flange) fungerer som både dæk og bjælker på en eksperimentel bro installeret på et testspor ved det amerikanske føderale Motorvejsmyndigheds (fhv) Turner Fairbank laboratorium for at undersøge designets egnethed til fremtidig motorvejskonstruktion. Den” Kurt ” bjælke/dæk er designet til at modstå American Association of State motorvej og transport embedsmænd (AASHTO) HL-93 belastning konfigurationer.

“Duktalbjælkerne tillader længere Spænd for den samme bjælkevægt,” siger Perry. “Til sidst vil vi se fiberarmeret beton i bjælker og brodæk.”

si Betonsystemer. (Chattanooga, Tenn.) er en producent af fiberforstærkning til beton. SI tilbyder Novomesh, Fibermesh og andre fiberprodukter, der bruges som alternativ til sekundær ståltrådnetforstærkning og let armeringsjern i både kommercielle og private applikationer, siger SI ‘ s Hal Payne, leder af strategiske alliancer. SI tilbyder polypropylen (PP) fibre, stålfibre, makrosyntetiske fibre og konstruerede blandinger. Ifølge Payne er SI ‘ s polypropylenfiberprodukter kritiske for at kontrollere “tidlig alder” plastkrympningsrevner for at forhindre, at disse revner vokser til store mangler, når betonen hærder. Novomesh 950 er et nyt produkt for virksomheden, og består af en blanding af grove monofilament makrosyntetiske og sorterede, fibrillerede mikrosyntetiske fibre. Ifølge Payne giver produktet et så godt resultat som stålfibre i dets tilsigtede anvendelse til kommercielle gulvplader.

Kingspan (Sherburn, Malton, N. Yorkshire, Storbritannien) er en betonkonstruktionsspecialist, der bruger betonfiberadditiver fra Bekaert Building Products (Friedrichsdorf, Tyskland). Bekaerts formede stålfibre tilsættes til beton for at producere gulve og tage uden forstærkende stålgitter. Produktet er angiveligt ideelt til trange byggepladser som den tre-etagers Spurriergate-udvikling dybt i den historiske britiske by York. Da betonen ikke kræver stålgitterforstærkning, er omkostningerne ved stålgitter og den arbejdskraft, der kræves for at levere de omfangsrige ruller, derefter skåret og placere det i bygninger i flere etager inden betonhældningsoperationer helt elimineret. Projektets fiberarmerede betongulve blev placeret i en enkelt operation ved blot at levere det fiberforstærkede materiale direkte til hver etage ved hjælp af automatiseret pumpeudstyr.

i Australien, Frankrig, Japan og USA giver midlertidige designguider (angivet i sidebjælken) nu vejledning og tilladelige materialer til fiberarmeret beton, en væsentlig faktor i dens større accept af designere, ingeniører og projekt beslutningstagere på infrastrukturmarkedet. “Materialet tilbyder løsninger som konstruktionshastighed, forbedret æstetik, overlegen holdbarhed og korrosionsbestandighed,” konkluderer Perry. “Det betyder reduceret vedligeholdelse og en længere levetid for strukturen.”

Redaktørens note: hold øje med vores kommende artikel om brugen af kompositmaterialer til reparation af infrastruktur (CT juni 2005) og fremtidige artikler om glasfiberstænger og forspændings sener.