KOMPOSITTER OG BETONG

Billig og allsidig, betong er rett og slett det beste byggematerialet for mange bruksområder. Problemet er hvordan man får betong til å stå opp mot miljømessige og strukturelle belastninger for langsiktig ytelse. En ekte kompositt, betong består vanligvis av grus og sand-aggregat-bundet sammen i en matrise av fin Portland sement, med metall armeringsjern vanligvis innlemmet for styrke. Den utfører beundringsverdig under kompresjon, men har en tendens til å være sprø og noe svak i spenning. Spenningsspenning samt plastkrymping under herding fører til sprekker, noe som inviterer fuktighetsinngang som til slutt fører til korrosjon av det innebygde metallet og eventuelt tap av integritet når metallet forverres.

Fiberforsterket polymer (FRP) kompositter har lenge vært tenkt som et mulig materiale for forbedret betongytelse. American Concrete Institute (ACI) og Andre grupper, Som Japan Society For Civil Engineers, har vært medvirkende til å utvikle spesifikasjoner og testmetoder for komposittforsterkende materialer, hvorav mange er akseptert og veletablert i dag i betongkonstruksjon. “I tillegg til design guideline dokumenter, har vi nå testmetodene,” Sier John Busel, leder AV ACI ‘ S Committee 440, dannet i 1990 for å gi ingeniører og designere informasjon og retning for komposittmaterialer. Testmetoder er skissert I ACI 440.3 R-04. (Dette og andre viktige publiserte dokumenter relatert til komposittforsterkning av betong finnes i den medfølgende sidefeltet, “Concrete Design Guides”) ” Vi jobber også fast med en revisjon av vår 1996 state-of-the-art rapport, for å oppdatere konkrete utøvere på de mange nye applikasjonene og fremvoksende markedsmuligheter,” sier Busel.

Kompositt armeringsjern og armeringsnett fortsetter å finne bruk i en rekke applikasjoner. Mer nylig har produkter blitt utviklet og applikasjoner begynner å spre seg for fiberarmert betong, et materiale som bruker stål eller polymerfibre som forsterkning i fortau, gulvplater og prefabrikerte deler.

SAMMENSATT ARMERINGSJERN: ETABLERT TEKNOLOGI

i løpet av de siste 15 årene har kompositt armeringsjern gått fra eksperimentell prototype til effektiv erstatning for stål på mange prosjekter, spesielt med stigende stålpriser. “Glassfiber armeringsjern er ofte brukt, og det er et svært konkurranseutsatt marked,” sier Doug Gremel, direktør for nonmetallic forsterkende For Hughes Bros.(Seward, Neb .), en etablert produsent av armeringsprodukter. “Bransjens kunnskap om materialet er umåtelig bedre enn for 10 år siden.”

for noen byggeprosjekter, som magnetisk resonans imaging (MRI) fasiliteter på sykehus, eller tilnærminger til bomveier boder som benytter radio frequency identification (RFID) tag teknologi for å identifisere forhåndsbetalte kunder, er kompositt armeringsjern det eneste valget. Stål armeringsjern kan ikke brukes, fordi det forstyrrer elektromagnetiske signaler. I tillegg til elektromagnetisk gjennomsiktighet tilbyr kompositt armeringsjern også eksepsjonell korrosjonsbestandighet — lett vekt-omtrent en fjerdedel av vekten av stål-og termisk isolasjon, fordi den motstår varmeoverføring i byggapplikasjoner. De to største produsentene Er Hughes Og Pultrall (Thetford Mines, Canada).

Kompositt armeringsjern er typisk pultruded, ved Hjelp Av e-glass fiber rovings og vinyl ester harpiks, med standard formingsteknikker. Hughes ‘ aslan produkter er laget med en spiralformet wrap for å skape en bølgende profil, Mens Pultralls V-ROD bar er glatt. Begge har et ytre sandbelegg, påført under produksjon, for å skape en grov overflate for optimal bindingsadhesjon. Ifølge Gremel er det nødvendig med en høy kvalitet vinylesterharpiks, kombinert med de riktige fiberstørrelsene, for å oppnå de beste korrosjonsegenskapene og motstanden mot Den høye alkalien i Portland-sementen, samt en tålmodig binding.

fordi glassfiber mekaniske egenskaper er annerledes enn stål, betongkonstruksjon design med kompositt armeringsjern er utviklet VED HJELP AV ACI 440.1 R-03, Guide For Design Og Bygging Av Betong Forsterket MED FRP Barer. Guiden tar for seg flexure, servicevennlighet,krypbrudd og tretthet, i tillegg til skjær og detaljering for stigbøyler, sier Busel. Både Hughes Og Pultrall er medlemmer AV FRP Rebar Manufacturers Council, under paraplyen Til American Composites Manufacturers Assn. (ACMA) og er involvert MED ACI i å utvikle minimum ytelsesstandarder for armeringsjern. Selv om det er sant at kompositt rebar ikke kan bøyes på arbeidsstedet for å møte uventede forhold, Sier Gremel At Det er et ikke-problem. “Epoksybelagte stålstenger kan heller ikke bøyes, uten å bryte epoksybelegget,” sier han. “Vi kan pre-bend glassfiber barer under produksjon til en ingeniør design, i henhold til en detaljert tidsplan, som er hvordan det skal gjøres.”Med utgivelsen av de nye testmetodene for betong med kompositt armeringsjern, har eiere og designere nå forsikring om at strukturen vil fungere som forventet. Gremel bemerker at testdokumentet vil bli konvertert til EN ASTM-standard.

Pultrall V-ROD distribueres i USA utelukkende Av Concrete Protection Products Inc. (CPPI, Dallas, Texas). CPIS president Sam Steere rapporterer flere nylige prosjekter som bruker V-ROD, inkludert en ny bro som spenner OVER US highway i-65 I Newton County, Indiana. Den 58m/191 fot lange, tre-span broen er 10,5 m/34,5 fot bred med en armert betong dekk som sitter på toppen av stål i-bjelker, som støttes på betong brygger. Det 203 mm/8-tommers tykke betongdekket er forsterket med epoksybelagt stål armeringsjern i nedre halvdel, men korrosjonsbestandig v-ROD komposittstang brukes i øvre halvdel, hvor potensialet for kontakt med avisingssalter er størst. To størrelser komposittstang ble plassert, hver på 152 mm / 6-tommers sentre -# 5 bar (16 mm/0,625-tommers diameter) i tverrretningen og #6 (19 mm/0,75-tommers diameter) som løper i lengderetningen. Hele strukturen ble instrumentert med optiske fibersensorer av forskere Ved Purdue University, for kontinuerlig evaluering av dekkets ytelse via en ekstern tilkobling. Det er den første bruken av komposittstang i en brodekkapplikasjon av Indiana Department of Transportation, sier Steere.

Hughes Bros. Aslan 100 glassfiber barer ble nylig installert i en site-cast betong bro I Morrison, Colo., bygget Av Colo. Dept. AV Transport (CDOT) i samarbeid Med Byen Og Fylket Denver Parks And Recreation Dept. Den 13,8 m/45 fot lange broen, som spenner Over Bear Creek, brukte glassfiberarmering i fotene, abutments, vingevegger, parapeter og en buet hellet betongbue. En ett-stykke, all-kompositt dekk som sitter på toppen av betong arch ble fabrikkert Av Kansas Structural Composites (Russell, Kan.). En rekke forskjellige armeringsstørrelser ble innlemmet i støpte elementer, inkludert #5, #6 og # 7 (19 mm/0,75-tommers diameter). Mange bøyde stigbøyler og unike former var nødvendig for å oppnå detaljert design, påpeker Gremel, og legger til at alle ble fabrikkert på fabrikken før forsendelse. CDOT ingeniør Mark Leonard sier staten har hatt god suksess med kompositt armeringsjern i tidligere prosjekter og valgt Aslan fordi Hughes levert det laveste budet. Selv om dekket får minimal trafikk ved lave hastigheter, Sier Leonard brodesigneren Parsons Brinkerhoff (Denver, Colo.), fulgte ALLE aci design retningslinjer og brukte DE nye ACI440. 3R-04 testmetoder for å sertifisere materialene.

kompositt rebar markedet forventes å bli enda mer konkurransedyktig som et nytt materiale-basalt fiber-får fotfeste. Sudaglass Fiberteknologi (Houston, Texas), en basaltfiberprodusent med anlegg I Russland og Ukraina, har brutt bakken på ET amerikansk produksjonsanlegg i nord-Texas, sier Sudaglass ‘ direktør Graham Smith. Basalt / epoxy armeringsjern blir for tiden pultrudert I Ukraina, og er i ferd med å bli sertifisert FOR AMERIKANSK konstruksjon, ifølge Smith.

Med en tetthet på bare litt større enn vanlig glass fiber, selskapets basalt fibrene har en mye større termisk utvalg av -260°C til 982°C (-436°F til 1850°F) i forhold til en nominell rekkevidde på -60°C til 650°C (-76°F til 1202°F) for glass — og en smelte punkt på 1450°C (2642°F), noe som gjør basalt nyttig i programmer som krever brann-motstand. I Tillegg bemerker Smith at materialet viser utmerket motstand mot alkaliinnholdet i betong uten å ty til de spesielle størrelsene som brukes til å beskytte glassfiber.

Uansett forsterkning valg, er sammensatt armeringsjern forventes å ha bred appell blant prosjekt beslutningstakere. “Bunnlinjen er at en god ingeniør eller designer prøver å løse korrosjonsproblemet,” konkluderer Gremel. “For en 5 til 7 prosent større kostnad i prosjektmaterialer, oppnår du 10 til 20 år lengre levetid for strukturen med dette produktet.”

KOMPOSITTGITTER I PREFABRIKERTE PANELER: HØYT POTENSIAL

SIDEN CT først rapporterte om bruk av fiberforsterkede polymernett i prefabrikerte betongkonstruksjonspaneler (“Komposittløsninger Oppfyller Økende Sivile Byggekrav”, CT August 2002, s. 40), har markedet vært vitne til betydelig vekst, sier Busel. “Denne applikasjonen er stor,” hevder han. “Det er enormt potensial.”

ladningen ledes Av AltusGroup, et konsortium av fem prefabrikkerte betongprodusenter og forsterkningsprodusent TechFab LLC (Anderson, Sc), dannet spesielt for å fremme CarbonCast-teknologi der sistnevntes C-GRID karbonfiber/epoksyg-nett erstatter tradisjonelt stålgitter eller armeringsjern i prefabstrukturer som sekundær forsterkning. TechFab er et 50/50 joint venture Av Hexcel (Dublin, Calif.) Og Chomarat Group (Le Cheylard, Frankrike). Så langt, AltusGroup medlemmer Inkluderer Oldcastle Precast (Edgewood, Md.), HØY Betongkonstruksjoner (Denver, Pa.), to precasters eid Av Cretex Selskaper (Elk River, Minn.) Og Metromont Forspenning (Greenville, Sc), men nye medlemmer vil sannsynligvis bli lagt til på grunn av økende salgsvolum, sier John Carson, Techfabs direktør for kommersiell utvikling og programleder FOR C-GRID technology.

En rekke CarbonCast-produkter tilbys Av AltusGroup, inkludert både strukturelle og ikke-strukturelle isolerte veggpaneler og arkitektonisk kledning. C-GRID erstatter vanligvis sekundære stålnett armeringselementer-konvensjonelle stål armeringsjern brukes fortsatt for primær forsterkning i de fleste tilfeller. C-GRID er laget i en effektiv, proprietær kvasi-veving prosess som justerer lagt warp og innslag stor-slep karbonfibre våt ut med en rask kur epoxy, i en åpen struktur. Gitteråpningene varierer i størrelse fra 25,4 mm til 76 mm (0,25 tommer til 3 tommer), avhengig av krav til panelstyrke, betongtype og aggregatstørrelse. Under produksjonsprosessen får gitteret en ru overflate som øker bindestyrken mellom gitteret og herdet betong. Gitter, med glass, aramid eller polymerfibre i kombinasjon med en av en rekke harpikser, er også tilgjengelige, I Techfabs MeC-GRID produktlinje. Karbon-og ikke-karbongitter finner begge bruk i andre applikasjoner, for eksempel dekorative elementer, støpt betong og reparasjon/rehabilitering.

fordelene Med CarbonCast-paneler er betydelige, sier Carson. C-GRID er mye lettere og har nesten syv ganger større strekkegenskaper enn stål. Sprekker på grunn av kur krymping er sterkt redusert, OG C-GRID vil ikke korrodere, noe som eliminerer ofte stygge overflatefarging som oppstår på betongpaneler med stålgitter. Dens korrosjonsmotstand tillater bruk av så lite som 6,35 mm / 0,25 tommer betongdeksel, mens opptil 76,2 mm / 3 tommer deksel kan være nødvendig for å skjerme stålgitter mot fuktighet. Derfor kan panelvekten reduseres med så mye som 66 prosent, sammenlignet med konvensjonell prefabrikasjon. Lettere paneler gir lavere total veggvekt, noe som igjen krever mindre betydelig stålunderstruktur, noe som resulterer i betydelig lavere byggekostnader. C-GRID er også termisk ikke-ledende, slik at panelets isolasjonsverdi ikke blir kompromittert. Videre kan åpninger kuttes i panelene på arbeidsstedet med en motorsag, noe som ikke er mulig med et stålnett. Alle disse fordelene oversetter til lavere transport -, ereksjon-og overbygningskostnader for mer effektiv konstruksjon.

Over 3 millioner ft2 av carboncast panel produkter har blitt solgt til dags dato og etterspørselen er så høy At TechFab nylig annonsert store ekspansjonsplaner. Et nytt anlegg vil huse en ekstra nettproduksjonslinje som Ifølge Carson skal være i drift innen oktober i år. Kunngjøringen fulgte tett selskapets annonserte flerårige avtale Med Zoltek Corp. (St. Louis, Mo .), leverandøren Av Panex 35 stor-slep fiber som brukes I C-GRID. Ifølge Carson vil avtalen sikre en jevn forsyning FOR C-GRID i løpet av de første produktlanseringsårene. “Zoltek har vært vår primære fiber leverandør og talsmann fra dag ett av dette prosjektet,” bemerker han.

prefabrikerte paneler har blitt brukt i prosjekter så forskjellige som kinoer, kirker og parkeringshus. Et nylig prosjekt var 332,000-ft2 Cardinal Health office / warehouse complex nær Baltimore, Md. CarbonCast-paneler opp til 15,5 m / 51 fot lange ble støpt for å danne to-etasjers bygningens vertikale yttervegger. Hvert panel er en sandwichkonstruksjon med 152 mm/6 tommer skumisolasjon (oppnå r-16 isolasjonsverdi) mellom ansiktsark som består av en 50 mm/2-tommers tykk ytre wythe (betonglag) og en 100 mm/4-tommers tykk indre wythe, C-RUTENETT plassert vinkelrett på panelflatene forbinder indre og ytre wythes, og gir skjærforsterkning.

“Vi går inn i høygir med dette konseptet,” sier Carson. “Vi legger til nye produkter for å møte applikasjonsveksten.”

FIBERARMERT BETONG: KOMMER PÅ STERK

bruken av korte fibre i betong for forbedrede egenskaper har vært en akseptert teknologi i flere tiår-til og med århundrer, med tanke på At i det Romerske Riket ble strukturelle mørtel forsterket med hestehår. Fiberforsterkninger øker betongens seighet og duktilitet (evnen til å deformere plastisk uten brudd) ved å bære en del av lasten i tilfelle matrisefeil og ved å arrestere sprekkvekst. Dr. Victor Li Fra University Of Michigan har forsket på egenskapene til høyytelsesfiberforsterkede sementbaserte kompositter, en meget høy ytelse delmengde av fiberarmert betong, og han mener at aksept av materialet vil vokse, så lenge ytelse, lav pris og enkel utførelse opprettholdes.

” Bruk av dette materialet kan føre til eliminering av skjærforsterkningsstenger, noe som resulterer i reduksjon av material-og lønnskostnader,” sier Li. “en tynnere struktur reduserer materialvolum og dødbelastning, og gjør transporten enklere. Disse samlede kostnadsreduksjonene kan lett rettferdiggjøre kostnaden for det fiberforsterkede materialet.”

Offisiell anerkjennelse av fiberarmert betong har ansporet publisering av standarder og retningslinjer for bruk de siste fem årene (SE CT juli / August 2001, s. 44). Siden den tiden har kommersielle applikasjoner spiret.

Bygningsmaterialer giganten Lafarge SA (Paris, Frankrike) har fremmet sin ultrahøy ytelse fiberarmert betong materiale, handel merket Ductal, for nesten ti år, rettet mot en rekke sivile infrastruktur og arkitektoniske programmer. Ductal er en blanding Av Portland sement, silica røyk, kvarts mel, fin silica sand, myknere, vann og enten stål eller organiske fibre, typisk 12 mm/0,5 tommer i lengde. Vic Perry, VP/daglig leder For Ductal, sier kombinasjonen av fine pulver, valgt for relativ kornstørrelse, skaper maksimal komprimering under herding, noe som resulterer i et komplett fravær av kontinuerlig porøsitet, som nesten eliminerer fuktighetsinngang og potensiell korrosjon av stålfibre. For å være på den sikre siden, er polyvinylalkohol (PVAL) fibre vanligvis spesifisert for arkitektoniske eller dekorative applikasjoner, for å utelukke enhver mulighet for overflatefarging som kan oppstå med rustende stålfibre og eliminere slitasje der menneskelig kontakt er en bekymring. Materialene selges i bulkposer til precasters eller betong klar-mix leverandører.

“tilsetningen av fibrene gjør materialet deformert på en duktil måte og støtter strekkbelastninger,” sier Perry. “Fibrene gir seighet og forbedrede mikro-strukturelle egenskaper.”

Avhengig av hvilken type fiber som brukes, trykkfasthet Av Ductal varierer fra 150 Mpa til 200 MPa (21,750 psi til 29,000 psi), sammenlignet med standard betong er 15 mpa til 50 MPa (2,175 psi til 7,250 psi). Testet bøyestyrke er så høy som 40 MPa / 5800 psi, sier Perry. Ductal forsterket Med Lafarges Forta stålfibre har blitt brukt til prefabrikert konstruksjon og i flere forspenning brobjelke applikasjoner. I Saint Pierre La Cour, Frankrike, ble en 20m/65 fot lang kjøretøybro designet med 10 Ductal i-beam-bjelker som støtter en tradisjonell, støpt på plass 170 mm / 6,5-tommers tykk armeringsarmert betongdekk. De prefabrikerte bjelkene, som ikke inneholder armeringsjern, er 600 mm/24 tommer dype og ble forspent med 13 mm / 0,5 tommer ståltrådkabler, plassert i den nedre flensen. Spenning påføres strengene før Duktalet helles i stråleformen. Når betongen dekker trådene og materialet har begynt å kurere, blir de kuttet, noe som i praksis setter kompresjonsspenning på betongblandingen.

Når du utsetter en forspent stråle til bøyning, forklarer Perry, opplever Den ikke spenningsspenning, men i stedet “ukomprimerer”, og forbedrer ytelsen sterkt. På Grunn Av Ductal styrke, trenger bjelkene ikke armeringsjern, som betydelig kutt per fot vekt.

Ductal strukturer formet i tverrsnitt som den greske storbokstaven “Π” (i hovedsak en boksbjelke uten lavere flens) fungerer som både dekk og bjelker på en eksperimentell bro installert på et testspor På Us Federal Highway Authority (FHWA) Turner Fairbank Laboratory, for å undersøke designets egnethet for fremtidig motorvei konstruksjon. “Π” girder / dekk er designet for å tåle American Association Of State Highway And Transportation Officials (AASHTO) HL-93 lastkonfigurasjoner.

“Ductal bjelker tillate lengre spenn for samme strålen vekt,” sier Perry. “Til slutt ser vi fiberarmert betong i bjelker og brodekk.”

Si Betong Systemer. (Chattanooga, Tenn.) er en produsent av fiberforsterkning for betong. SI tilbyr Novomesh, Fibermesh og andre fiberprodukter som brukes som en alternativ til sekundær ståltrådforsterkning og lysarmering i både kommersielle og boligapplikasjoner, sier SI ‘ S Hal Payne, leder av strategiske allianser. SI tilbyr polypropylen (PP) fibre, stålfibre, makrosyntetiske fibre og konstruerte blandinger. IFØLGE Payne ER si ‘s polypropylenfiberprodukter kritiske for å kontrollere” tidlig alder ” plastkrympesprekker for å forhindre at disse sprekker vokser til store feil som betongkurer. Novomesh 950 er et nytt produkt for selskapet, og består av en blanding av grove monofilamentmakrosyntetiske og sorterte, fibrillerte mikrosyntetiske fibre. Ifølge Payne gir produktet et like godt resultat som stålfibre i sin tiltenkte bruk for kommersielle gulvplater.

Kingspan (Sherburn, Malton, N. Yorkshire, STORBRITANNIA) er en betongkonstruksjonsspesialist som bruker betongfibertilsetninger fra Bekaert Building Products (Friedrichsdorf, Tyskland). Bekaerts Formede Dramix stålfibre legges til betong for å produsere gulv og tak uten forsterkende stålgitter. Produktet er angivelig ideelt for trange byggeplasser som Den tre-etasjers Spurriergate-utviklingen dypt i den historiske BRITISKE Byen York. Siden betongen ikke krever stålgitterforsterkning, er kostnaden for stålgitter og arbeidet som kreves for å levere de store rullene, så kutt og plasser den i flerlagsbygninger før betonghelling, helt eliminert. Prosjektets fiberarmerte betonggulv ble plassert i en enkelt operasjon, ganske enkelt ved å levere det fiberarmerte materialet direkte til hver etasje ved hjelp av automatisert pumpeutstyr.

i Australia, Frankrike, Japan og USA gir midlertidige designguider (oppført i sidepanelet) nå veiledning og tillatelser for fiberarmert betong, en betydelig faktor i sin større aksept av designere, ingeniører og prosjekt beslutningstakere i infrastrukturmarkedet. “Materialet tilbyr løsninger som konstruksjonshastighet, forbedret estetikk, overlegen holdbarhet og korrosjonsbestandighet,” konkluderer Perry. “Det betyr redusert vedlikehold og lengre levetid for strukturen.”

Redaktørens notat: Se etter vår kommende artikkel om bruk av komposittmaterialer for reparasjon av infrastruktur (CT juni 2005) og fremtidige artikler om glassfiberdukstenger og spenningssender.