Composieten en beton

goedkoop en veelzijdig, beton is gewoon het beste bouwmateriaal voor vele toepassingen. De vraag is hoe beton bestand kan worden gemaakt tegen milieu-en structurele belastingen voor prestaties op lange termijn. Een echte composiet, beton bestaat meestal uit grind en zand — aggregaat-samengebonden in een matrix van fijn Portland cement, met metalen wapening meestal opgenomen voor sterkte. Het presteert bewonderenswaardig onder compressie, maar heeft de neiging om broos en enigszins zwak in spanning. Spanning evenals plastic krimp tijdens de uitharding leidt tot scheuren, die vocht binnendringen uitnodigen die uiteindelijk leidt tot corrosie van het ingebedde metaal en uiteindelijk verlies van integriteit als het metaal verslechtert.

vezelversterkte polymeer (FRP) composieten zijn lange tijd voorgesteld als een mogelijk materiaal voor verbeterde betonprestaties. Het American Concrete Institute (ACI) en andere groepen, zoals de Japan Society for Civil Engineers, hebben een belangrijke rol gespeeld bij de ontwikkeling van specificaties en testmethoden voor composietversterkende materialen, waarvan vele vandaag de dag in de betonbouw worden geaccepteerd en goed ingeburgerd. “Naast ontwerprichtlijnen beschikken we nu over de testmethoden”, zegt John Busel, voorzitter van Aci ‘ s Committee 440, opgericht in 1990 Om ingenieurs en ontwerpers te voorzien van informatie en richting voor composietmaterialen. De testmethoden worden beschreven in ACI 440.3 R-04. (Deze en andere belangrijke gepubliceerde documenten met betrekking tot composietversterking van beton zijn te vinden in de begeleidende zijbalk, “Concrete Design Guides”) “we werken ook standvastig aan een herziening van ons state-of-the-art rapport uit 1996, om concrete praktijkmensen te updaten over de vele nieuwe toepassingen en opkomende marktkansen,” zegt Busel.

samengestelde wapeningsstaven en versterkingsrasters worden nog steeds gebruikt in een aantal toepassingen. Meer recent zijn producten ontwikkeld en toepassingen beginnen te verspreiden voor vezelversterkte beton, een materiaal dat staal of polymeervezels gebruikt als versterking in trottoirs, vloerplaten en prefab onderdelen.

COMPOSIETBETON: gevestigde technologie

in de afgelopen 15 jaar is composietbeton bij veel projecten van experimenteel prototype naar effectieve vervanging van staal gegaan, vooral met stijgende staalprijzen. “Glasvezel wapening wordt vaak gebruikt, en het is een zeer concurrerende markt,” zegt Doug Gremel, directeur van niet-metalen versterking voor Hughes Bros. (Seward, Neb.), een gevestigde maker van wapening producten. “De kennis van de industrie over het materiaal is enorm beter dan 10 jaar geleden.”

voor sommige bouwprojecten, zoals magnetic resonance imaging (MRI) faciliteiten in ziekenhuizen, of de benaderingen van tolwegen die gebruik maken van Radiofrequentie Identificatie (RFID) tag technologie voor het identificeren van prepaid klanten, composiet wapening is de enige keuze. Stalen wapening kan niet worden gebruikt, omdat het interfereert met elektromagnetische signalen. Naast elektromagnetische transparantie biedt composietbeton ook uitzonderlijke corrosiebestendigheid, lichtgewicht-ongeveer een vierde van het gewicht van staal-en thermische isolatie, omdat het bestand is tegen warmteoverdracht in bouwtoepassingen. De twee grootste fabrikanten zijn Hughes en Pultrall (Thetford Mines, Canada).

composiet wapening wordt meestal gepultrudeerd, met behulp van E-glasvezel rovings en vinylester hars, met standaard vormtechnieken. Hughes ‘Aslan producten zijn gemaakt met een spiraalvormige wrap om een golvend profiel te creëren, terwijl Pultrall’ S V-ROD bar glad is. Beide hebben een buitenste zandlaag, aangebracht tijdens de fabricage, om een ruw oppervlak te creëren voor een optimale hechting. Volgens Gremel is een vinylesterhars van hoge kwaliteit nodig, in combinatie met de juiste vezelformaties, om de beste corrosieeigenschappen en weerstand tegen de hoge alkali in het Portlandcement te bereiken, evenals een hardnekkige binding.

omdat de mechanische eigenschappen van glasvezel anders zijn dan die van staal, is het ontwerp van de betonconstructie met composietbeton ontwikkeld met behulp van ACI 440.1 R-03, Guide for the Design and Construction of Concrete Reinforced with FRP Bars. De Gids behandelt flexure, onderhoudbaarheid, kruipbreuk en vermoeidheid, naast afschuiving en detaillering voor Stijgbeugels, zegt Busel. Hughes en Pultrall zijn lid van de FRP Rebar Manufacturers Council, onder de paraplu van de American Composites Manufacturers Assn. (ACMA) en zijn betrokken bij ACI bij het ontwikkelen van minimale prestatienormen voor wapening. Hoewel het waar is dat composiet wapening niet kan worden gebogen op de bouwplaats om onverwachte omstandigheden te voldoen, Gremel zegt dat het een non-issue. “Epoxy gecoate stalen staven kunnen ook niet gebogen worden, zonder de epoxy coating te breken,” zegt hij. “We kunnen vooraf buigen glasvezel bars tijdens de productie aan het ontwerp van een ingenieur, volgens een gedetailleerd schema, dat is hoe het moet worden gedaan.”Met de introductie van de nieuwe testmethoden voor beton met composietbeton hebben eigenaren en ontwerpers nu de zekerheid dat de constructie zal presteren zoals verwacht. Gremel merkt op dat het testdocument zal worden omgezet naar een ASTM-standaard.

Pultrall V-ROD wordt in de VS exclusief gedistribueerd door Concrete Protection Products Inc. (CPPI, Dallas, Texas). CPPI ‘ s president Sam Steere meldt een aantal recente projecten met V-ROD, waaronder een nieuwe brug die de snelweg I-65 overspant in Newton County, Indiana. De 58m / 191-ft lange, drie-overspanning brug is 10,5 m / 34,5 ft breed met een gewapend betonnen dek dat bovenop stalen I-balken, die worden ondersteund op betonnen pieren. Het 203 mm / 8-inch dikke betonnen dek is versterkt met epoxy-gecoate stalen wapening in de onderste helft, maar corrosiebestendige v-staaf composiet bar wordt gebruikt in de bovenste helft, waar de kans op contact met ontijzingszouten het grootst is. Twee maten van composiet bar werden geplaatst, elk op 152 mm / 6-inch centers- # 5 bar (16 mm / 0.625-inch diameter) in de dwarsrichting en #6 (19 mm/0.75-inch diameter) loopt in de lengterichting. De hele structuur werd door onderzoekers van de Purdue University met optische vezelsensoren geïnstrumenteerd voor voortdurende evaluatie van de prestaties van het deck via een externe verbinding. Het is het eerste gebruik van composiet bar in een brug dek toepassing door de Indiana Department of Transportation, zegt Steere.

Hughes Bros. Aslan 100 glasvezel bars werden onlangs geïnstalleerd in een site-gegoten betonnen brug in Morrison, Colo. gebouwd door de Colo. Dept. van Transportation (CDOT) in samenwerking met de City and County of Denver Parks and Recreation Dept. De 13,8 m lange brug, die overspant Bear Creek, gebruikt glasvezel wapening in de funderingen, landhoofden, wanden, borstweringen en een gebogen gegoten-in-place betonnen boog. Een uit één stuk samengesteld dek dat bovenop de betonnen boog zit werd vervaardigd door Kansas Structural Composites (Russell, kan.). Een aantal verschillende wapeningsgroottes werden in de gietelementen verwerkt, waaronder # 5, # 6 en # 7 (19-mm/0,75-inch diameter). Veel gebogen stijgbeugels en unieke vormen waren nodig om het gedetailleerde ontwerp te bereiken, wijst Gremel erop en voegt eraan toe dat ze allemaal vóór verzending in de fabriek werden vervaardigd. Cdot ingenieur Mark Leonard zegt dat de staat heeft goed succes met composiet wapening in het verleden projecten en geselecteerde Aslan omdat Hughes ingediend het laagste bod. Hoewel het deck krijgt minimaal verkeer bij lage snelheden, Leonard zegt de brug ontwerper, Parsons Brinkerhoff (Denver, Colo.), volgde alle Aci ontwerprichtlijnen en gebruikte de nieuwe aci440.3R-04 testmethoden voor het certificeren van de materialen.

de markt voor composietbeton zal naar verwachting nog concurrerender worden naarmate een nieuw materiaal — basaltvezel — voet aan de grond krijgt. Sudaglass Fiber Technology (Houston, Texas), een producent van basaltvezel met faciliteiten in Rusland en de Oekraïne, heeft grond gebroken op een Amerikaanse productiefaciliteit in het noorden van Texas, zegt Sudaglass’ executive VP Graham Smith. Basalt / epoxy wapening wordt momenteel gepultrudeerd in de Oekraïne, en is in het proces van gecertificeerd voor de Amerikaanse bouw, volgens Smith.

met een dichtheid die slechts iets groter is dan de typische glasvezels, hebben de basaltvezels van het bedrijf een veel breder thermisch bereik van -260°C tot 982°C (-436°F tot 1850°F) vergeleken met een nominaal bereik van -60°C tot 650°C (-76°F tot 1202°F) voor glas — en een smeltpunt van 1450°C (2642°F), waardoor basalt nuttig is in toepassingen die brandwerendheid vereisen. Bovendien merkt Smith op dat het materiaal een uitstekende weerstand tegen het alkaligehalte in beton vertoont zonder toevlucht te nemen tot de speciale formaten die worden gebruikt om glasvezels te beschermen.

wat de wapeningskeuze ook is, composiet wapening zal naar verwachting een brede aantrekkingskracht hebben onder projectbesluitvormers. “Het komt erop neer dat een goede ingenieur of ontwerper het corrosieprobleem probeert op te lossen”, besluit Gremel. “Voor een 5 tot 7 procent hogere kosten in projectmaterialen, bereikt u 10 tot 20 jaar langere levensduur voor de structuur met dit product.”

COMPOSIETROOSTERS IN geprefabriceerde panelen: hoog potentieel

sinds CT voor het eerst rapporteerde over het gebruik van vezelversterkte polymeerroosters in prefab betonconstructies (“Composietoplossingen voldoen aan groeiende eisen voor civiele bouw,” CT augustus 2002, p. 40), heeft de markt een aanzienlijke groei doorgemaakt, zegt Busel. “Deze toepassing is enorm,” stelt hij. “Er is een enorm potentieel.”

de lading wordt geleid door AltusGroup, een consortium van vijf prefabbetonfabrikanten en wapeningsproducent TechFab LLC (Anderson, S. C.), dat specifiek is opgericht om CarbonCast-technologie te bevorderen waarbij de C-GRID carbon fiber/epoxy roosters van laatstgenoemde de traditionele stalen raster of wapening in prefab structuren vervangen als secundaire wapening. Techfab is een 50/50 joint venture van Hexcel (Dublin, Calif.) en Chomarat Group (Le Cheylard, Frankrijk). Tot nu toe, AltusGroup leden omvatten Oldcastle prefab (Edgewood, Md.), Hoge betonnen structuren (Denver, Pa.), twee precasters die eigendom zijn van Cretex Companies (Elk River, Minn.) en Metromont Prestress (Greenville, S. C.), Maar nieuwe leden zullen waarschijnlijk worden toegevoegd als gevolg van het groeiende verkoopvolume, zegt John Carson, techfab ‘ s directeur van commerciële ontwikkeling en programmaleider voor C-GRID technologie.

een verscheidenheid aan CarbonCast producten worden aangeboden door AltusGroup, waaronder zowel structurele en niet-structurele geïsoleerde wandpanelen en architectonische gevelbekleding. C-GRID vervangt meestal secundaire stalen gaas versterkende elementen-conventionele stalen wapening wordt nog steeds gebruikt voor primaire wapening in de meeste gevallen. C-GRID is gemaakt in een efficiënte, gepatenteerde quasi-weven proces dat gesuperponeerde ketting en inslag Grote Trek koolstofvezels nat uit met een snelle uitharding epoxy, in een open structuur. Rooster openingen variëren in grootte van 25,4 mm tot 76 mm (0,25 inch tot 3 inch), afhankelijk van de sterkte van het paneel eisen, beton type en aggregaat grootte. Tijdens het productieproces krijgt het rooster een ruw oppervlak dat de hechtsterkte tussen het rooster en uitgehard beton verbetert. Grids, met glas -, aramide-of polymeervezels in combinatie met een van de verschillende harsen, zijn ook beschikbaar in de MEC-GRID-productlijn van TechFab. Koolstof-en niet-koolstofroosters worden beide gebruikt in andere toepassingen, zoals decoratieve elementen, gegoten beton en reparatie/rehabilitatie.

de voordelen van CarbonCast panelen zijn significant, zegt Carson. C-GRID is veel lichter en heeft bijna zeven keer meer trekeigenschappen dan staal. Scheuren als gevolg van uitharding krimp wordt sterk verminderd, en C-GRID zal niet corroderen, waardoor de vaak lelijke oppervlaktekleuring die optreedt op betonpanelen met stalen roosters elimineert. De corrosieweerstand maakt het gebruik van zo weinig als 6,35 mm / 0,25 inch betonnen deksel, terwijl tot 76.2 mm / 3 inch deksel kan worden vereist om stalen rooster te beschermen tegen vocht. Daarom kan het gewicht van het paneel worden verminderd met maar liefst 66 procent, in vergelijking met conventionele prefab. Lichtere panelen zorgen voor een lager totaal wandgewicht, wat op zijn beurt minder substantiële stalen onderconstructie vereist, wat resulteert in aanzienlijk lagere bouwkosten. C-GRID is ook thermisch niet-geleidend, dus de isolatiewaarde van het paneel is niet aangetast. Verder kunnen op de bouwplaats openingen in de panelen worden gesneden met een krachtzaag, wat met een stalen rooster niet mogelijk is. Al deze voordelen vertalen zich in lagere transport -, bouw-en opbouwkosten voor een efficiëntere constructie.

meer dan 3 miljoen ft2 van CarbonCast panel producten zijn verkocht tot nu toe en de vraag is zo hoog dat TechFab onlangs aangekondigd grote uitbreidingsplannen. Een nieuwe fabriek zal een extra grid productielijn die, volgens Carson, operationeel moet zijn in oktober van dit jaar huisvesten. De aankondiging volgde op de voet van het bedrijf aangekondigd meerjarenovereenkomst met Zoltek Corp. (St. Louis, Mo.), de leverancier van de Panex 35 large-tow vezel gebruikt in C-GRID. Volgens Carson, de Overeenkomst zal zorgen voor een consistente levering voor C-GRID tijdens de eerste product lancering jaren. “Zoltek is onze primaire vezel leverancier en advocaat vanaf dag één van dit project,” merkt hij op.

de geprefabriceerde panelen werden gebruikt in projecten van uiteenlopende aard als bioscopen, kerken en parkeergarages. Een recent project was het 332,000-ft2 Cardinal Health office / warehouse complex in de buurt van Baltimore, Md. CarbonCast panelen tot 15,5 m / 51-ft lang werden gegoten om de twee verdiepingen tellende verticale buitenmuren van het gebouw te vormen. Elk paneel is een sandwichconstructie met 152 mm / 6 inch schuimisolatie (het bereiken van R-16 isolatiewaarde) tussen facesheets bestaande uit een 50 mm/2-inch dikke buitenste wythe (betonlaag) en een 100 mm/4-inch dikke binnenste wythe, C-raster loodrecht op de paneelvlakken verbindt binnen-en buitenwythes, het verstrekken van afschuifversterking.

“met dit concept gaan we in de hoogste versnelling”, zegt Carson. “We voegen nieuwe producten toe om te voldoen aan de groei van toepassingen.”

vezelversterkte beton: komt op sterk

het gebruik van korte vezels in beton voor verbeterde eigenschappen is een geaccepteerde technologie voor decennia — zelfs eeuwen, gezien het feit dat in het Romeinse Rijk structurele mortels werden versterkt met paardenhaar. Vezelversterkingen verhogen de taaiheid en rekbaarheid van beton (het vermogen om plastiek te vervormen zonder te breken) door het dragen van een deel van de belasting in het geval van matrix falen en door het arresteren van scheurgroei. Dr. Victor Li van de Universiteit van Michigan heeft de eigenschappen van high-performance vezelversterkte cementgebonden composieten onderzocht, een zeer high-performance subset van vezelversterkte beton, en hij is van mening dat de aanvaarding van het materiaal zal groeien, zolang de prestaties, lage kosten en eenvoudige uitvoering worden gehandhaafd.

“het gebruik van dit materiaal kan leiden tot het elimineren van wapeningsstaven, wat resulteert in een vermindering van de materiaal-en arbeidskosten”, zegt Li. “een dunnere structuur vermindert het volume en de dode belasting van het materiaal, en maakt het transport gemakkelijker. Deze totale kostenbesparingen kunnen gemakkelijk de kosten van het vezelversterkte materiaal rechtvaardigen.”

de officiële erkenning van vezelversterkte beton heeft geleid tot de publicatie van normen en richtsnoeren voor het gebruik ervan in de afgelopen vijf jaar (zie CT juli/augustus 2001, blz. 44). Sindsdien zijn er commerciële toepassingen ontstaan. Bouwmaterialen giant Lafarge SA (Parijs, Frankrijk) promoot al bijna tien jaar zijn ultrahoge vezelversterkte betonmateriaal, met merknaam Ductal, dat gericht is op een breed scala aan civiele infrastructuur en architecturale toepassingen. Ductal is een mengsel van Portland cement, silica rook, kwarts meel, fijne silica zand, weekmakers, water en staal of organische vezels, meestal 12 mm/0,5 inch in lengte. Vic Perry,VP / general manager voor Ductal, zegt dat de combinatie van fijne poeders, geselecteerd op relatieve korrelgrootte, zorgt voor maximale verdichting tijdens de uitharding, wat resulteert in een volledige afwezigheid van continue porositeit, die vrijwel elimineert vocht binnendringen en potentiële corrosie van staalvezels. Om aan de veilige kant te zijn, worden polyvinylalcohol (PVAL) vezels meestal gespecificeerd voor architecturale of decoratieve toepassingen, om elke mogelijkheid van oppervlaktekleuring die kan optreden bij roestende staalvezels uit te sluiten en slijtvastheid te elimineren wanneer menselijk contact een probleem is. De materialen worden in bulkzakken verkocht aan precasters of betonklare leveranciers.

“de toevoeging van de vezels zorgt ervoor dat het materiaal vervormt op een nodulaire manier en ondersteuning van trekbelastingen,” zegt Perry. “De vezels bieden taaiheid en verbeterde micro-structurele eigenschappen.”

afhankelijk van de gebruikte vezel varieert de druksterkte van ductaal van 150 MPa tot 200 MPa (21.750 psi tot 29.000 psi), vergeleken met de 15 MPa tot 50 MPa van standaardbeton (2.175 psi tot 7.250 psi). Geteste buigsterkte is zo hoog als 40 MPa / 5.800 psi, zegt Perry. Ductal versterkt met Lafarge ‘ s Forta staalvezels is gebruikt voor prefab constructie en in verschillende prestress brug balk toepassingen. In Saint Pierre La Cour, Frankrijk, werd een 20m / 65-ft lange voertuigbrug ontworpen met 10 ductale I-balken balken ondersteunen een traditionele, gegoten 170-mm / 6,5-inch dik betonbeton dek. De prefab balken, die geen wapening bevatten, zijn 600 mm/24-inch diep en werden voorgespannen met 13 mm/0,5-inch staalstrengkabels, geplaatst in de onderste flens. Spanning wordt toegepast op de strengen voordat het Ductal wordt gegoten in de balk vorm. Zodra het beton de strengen en het materiaal is begonnen uit te harden, worden ze gesneden, die in feite zet compressiespanning op het betonmengsel.

wanneer je een voorgespannen Balk onderwerpt aan een buiging, legt Perry uit, ervaart deze geen spanning, maar “uncompresseert”, waardoor de prestaties sterk verbeteren. Vanwege de sterkte van Ductal, hebben de balken geen wapening nodig, die aanzienlijk per voet gewicht snijdt.

ductale structuren met een dwarsdoorsnede zoals de Griekse hoofdletter ” Π ” (in wezen een box Balk zonder onderste flens) functioneren zowel als dek-als liggers op een experimentele brug die is geïnstalleerd op een testbaan in het Turner Fairbank Laboratory van de U. S. Federal Highway Authority (FHWA) om de geschiktheid van het ontwerp voor de toekomstige aanleg van de snelweg te onderzoeken. De” Π ” Balk / dek is ontworpen om te weerstaan American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO) HL-93 laadconfiguraties.

“de ductale balken maken langere overspanningen mogelijk voor hetzelfde balkgewicht”, zegt Perry. “Uiteindelijk zullen we vezelbeton zien in balken en brugdekken.”

SI Betonsystemen. (Chattanooga, Tenn.) is een fabrikant van vezelversterking voor beton. SI biedt Novomesh, Fibermesh en andere vezelproducten die worden gebruikt als een alternatief voor secundaire stalen gaas versterking en lichte wapening in zowel commerciële als residentiële toepassingen, zegt si ‘ s Hal Payne, manager van strategische allianties. SI biedt Polypropyleen (PP) vezels, staalvezels, macrosynthetische vezels en engineered mengsels. Volgens Payne, SI ‘s polypropyleen vezel producten zijn van cruciaal belang voor het beheersen van” vroege leeftijd ” plastic krimp scheuren om te voorkomen dat deze scheuren groeien tot grote gebreken als het beton hardt. Novomesh 950 is een nieuw product voor het bedrijf, en bestaat uit een mix van grof monofilament macrosynthetische en gesorteerde, gefibrilleerde microsynthetische vezels. Volgens Payne, het product geeft zo goed een resultaat als staalvezels in het beoogde gebruik voor commerciële vloerplaten.

Kingspan (Sherburn, Malton, N. Yorkshire, Verenigd Koninkrijk) is een betonbouwspecialist die gebruik maakt van betonvezeladditieven uit Bekaert Building Products (Friedrichsdorf, Duitsland). Bekaert ‘ s gevormde dramix-staalvezels worden aan beton toegevoegd om vloeren en daken te produceren zonder betonrasters. Het product is naar verluidt ideaal voor krappe bouwplaatsen zoals de drie verdiepingen tellende Spurriergate ontwikkeling diep in de historische Britse stad York. Aangezien het beton geen staalrasterversterking vereist, worden de kosten van het stalen rooster en de arbeid die nodig is om de volumineuze rollen te leveren, vervolgens gesneden en plaats het in gebouwen met meerdere verdiepingen voorafgaand aan betongieten operaties volledig geëlimineerd. De vezelversterkte betonnen vloeren van het project werden in een enkele operatie geplaatst, simpelweg door het vezelversterkte materiaal rechtstreeks naar elke verdieping te leveren met behulp van geautomatiseerde pompapparatuur.

in Australië, Frankrijk, Japan en de VS bieden interim-ontwerpgidsen (vermeld in de zijbalk) nu begeleiding en mogelijkheden voor vezelversterkte beton, een belangrijke factor in de grotere acceptatie door ontwerpers, ingenieurs en projectbesluitmakers op de infrastructuurmarkt. “Het materiaal biedt oplossingen zoals snelheid van de bouw, verbeterde esthetiek, superieure duurzaamheid en corrosiebestendigheid,” concludeert Perry. “Dat vertaalt zich in minder onderhoud en een langere levensduur van de structuur.”

Opmerking van de redacteur: kijk uit voor ons komende artikel over het gebruik van composietmaterialen voor reparatie van de infrastructuur (CT juni 2005) en toekomstige artikelen over glasvezel pluggen bars en voorspannen pezen.