Compozite și beton

ieftin și versatil, betonul este pur și simplu cel mai bun material de construcție pentru multe aplicații. Problema este cum să facem betonul să reziste la sarcini de mediu și structurale pentru performanțe pe termen lung. Un adevărat compozit, betonul constă de obicei din pietriș și nisip — agregat — legat împreună într-o matrice de ciment Portland fin, cu armături metalice încorporate de obicei pentru rezistență. Se comportă admirabil sub compresie, dar tinde să fie fragil și oarecum slab în tensiune. Stresul Tensional, precum și contracția plastică în timpul vindecării conduc la fisuri, care invită pătrunderea umezelii care duce în cele din urmă la coroziunea metalului încorporat și eventuala pierdere a integrității pe măsură ce metalul se deteriorează.

compozite polimer armat cu fibre (FRP) de mult timp au fost concepute ca un material care să permită îmbunătățirea performanței betonului. Institutul American de beton (ACI) și alte grupuri, cum ar fi societatea japoneză pentru ingineri civili, au avut un rol esențial în dezvoltarea specificațiilor și metodelor de testare pentru materialele de armare compozite, dintre care multe sunt acceptate și bine stabilite astăzi în construcția de beton. “Pe lângă documentele de orientare a proiectării, avem acum metodele de testare”, spune John Busel, președintele Comitetului 440 al ACI, format în 1990 pentru a oferi inginerilor și proiectanților informații și direcții pentru materialele compozite. Metodele de testare sunt prezentate în ACI 440.3 R-04. (Acest lucru și alte documente publicate semnificative legate de armarea compozită a betonului pot fi găsite în bara laterală însoțitoare, “ghiduri de proiectare a betonului”) “lucrăm, de asemenea, cu fermitate la o revizuire a raportului nostru de ultimă generație din 1996, pentru a actualiza practicienii concreți cu privire la numeroasele aplicații noi și oportunități de piață emergente”, spune Busel.

armăturile compozite și grilele de armare continuă să fie utilizate într-o serie de aplicații. Mai recent, au fost dezvoltate produse și aplicațiile încep să prolifereze pentru betonul armat cu fibre, Un material care folosește fibre de oțel sau polimer ca armare în trotuare, plăci de podea și piese prefabricate.

armătură compozită: tehnologie stabilită

în ultimii 15 ani, armăturile compozite au trecut de la prototipul experimental la înlocuirea eficientă a oțelului în multe proiecte, în special cu creșterea prețurilor oțelului. “Armatura din fibră de sticlă este utilizată în mod obișnuit și este o piață foarte competitivă”, spune Doug Gremel, directorul consolidării nemetalice pentru Hughes Bros. (Seward, Neb.), un producător consacrat de produse de armare. “Starea de cunoștințe a industriei despre material este mult mai bună decât acum 10 ani.”

pentru unele proiecte de construcții, cum ar fi instalațiile de imagistică prin rezonanță magnetică (RMN) din spitale sau abordările cabinelor rutiere cu taxă care utilizează tehnologia de identificare a frecvențelor radio (RFID) pentru identificarea clienților preplătiți, armăturile compozite sunt singura alegere. Armatura din oțel nu poate fi utilizată, deoarece interferează cu semnalele electromagnetice. În plus față de transparența electromagnetică, armăturile compozite oferă, de asemenea, o rezistență excepțională la coroziune, greutate redusă — aproximativ un sfert din greutatea oțelului-și izolare termică, deoarece rezistă transferului de căldură în aplicațiile clădirilor. Cei mai mari doi producători sunt Hughes și Pultrall (Thetford Mines, Canada).

armatura compozită este de obicei pultrudată, folosind semitorturi din fibră de sticlă E și rășină esterică de vinil, cu tehnici de formare standard. Produsele Aslan ale lui Hughes sunt realizate cu o folie elicoidală pentru a crea un profil ondulator, în timp ce bara În V a Pultrall este netedă. Ambele au un strat de nisip exterior, aplicat în timpul fabricației, pentru a crea o suprafață aspră pentru o aderență optimă a legăturii. Potrivit lui Gremel, este necesară o rășină de ester de vinil de înaltă calitate, cuplată cu dimensiunile corecte ale fibrelor, pentru a obține cele mai bune proprietăți de coroziune și rezistență la alcalinele înalte din cimentul Portland, precum și o legătură tenace.

deoarece proprietățile mecanice din fibră de sticlă sunt diferite de oțel, proiectarea structurii de beton cu armătură compozită este dezvoltată folosind ACI 440.1 R-03, ghid pentru proiectarea și construcția betonului armat cu bare FRP. Ghidul se adresează flexurii, funcționalității, rupturii și oboselii, pe lângă forfecare și detaliere pentru etrieri, spune Busel. Atât Hughes, cât și Pultrall sunt membri ai FRP Rebar Manufacturers Council, sub umbrela American Composites Manufacturers Assn. (ACMA) și sunt implicați în ACI în dezvoltarea standardelor minime de performanță pentru armături metalice. Deși este adevărat că armăturile compozite nu pot fi îndoite la locul de muncă pentru a îndeplini condiții neașteptate, Gremel spune că nu este o problemă. “Nici barele de oțel acoperite cu epoxid nu pot fi îndoite, fără a rupe stratul epoxidic”, afirmă el. “Putem pre-îndoi barele din fibră de sticlă în timpul fabricării la proiectarea unui inginer, conform unui program detaliat, care este modul în care ar trebui făcut.”Odată cu lansarea noilor metode de testare a betonului cu armătură compozită, proprietarii și proiectanții au acum asigurarea că structura va funcționa așa cum era anticipat. Gremel observă că documentul de testare va fi convertit la un standard ASTM.

Pultrall V-ROD este distribuit în SUA exclusiv de către Concrete Protection Products Inc. (CPPI, Dallas, Texas). Președintele CPPI, Sam Steere, raportează mai multe proiecte recente care utilizează V-ROD, inclusiv un nou pod care se întinde pe autostrada SUA I-65 în județul Newton, Indiana. Podul Lung de 58m/191-ft, cu trei deschideri, are o lățime de 10,5 m / 34,5 ft, cu o punte din beton armat care se află deasupra grinzilor I din oțel, care sunt susținute pe stâlpi de beton. Puntea de beton groasă de 203 mm/8 inci este întărită cu armătură de oțel acoperită cu epoxid în jumătatea inferioară, dar bara compozită V-ROD rezistentă la coroziune este utilizată în jumătatea superioară, unde potențialul de contact cu sărurile de degivrare este cel mai mare. Au fost plasate două dimensiuni de bare compozite, fiecare pe centre de 152 mm/6 inci — #5 bare (diametru de 16 mm/0,625 inci) în direcția transversală și #6 (diametru de 19 mm / 0,75 inci) care rulează în direcția longitudinală. Întreaga structură a fost instrumentată cu senzori de fibră optică de către cercetătorii de la Universitatea Purdue, pentru evaluarea continuă a performanței punții printr-o conexiune la distanță. Este prima utilizare a bar compozit într-o aplicație punte pod de Indiana Departamentul de transport, spune Steere.

Hughes Bros. Aslan 100 bare din fibră de sticlă au fost instalate recent într-un pod de beton turnat în Morrison, Colo., construit de Colo. Departamentul. transport (CDOT) în cooperare cu orașul și județul Denver Parks and Recreation Dept. Podul Lung de 13,8 m / 45 ft, care se întinde Bear Creek, a folosit armături din fibră de sticlă în picioare, bonturi, pereți de aripă, parapete și un arc de beton turnat în loc curbat. O punte dintr-o singură bucată, complet compozită, care se află deasupra arcului de beton, a fost fabricată de compozite structurale Kansas (Russell, Kan.). Un număr de dimensiuni diferite ale armăturilor au fost încorporate în elementele turnate, inclusiv #5, #6 și #7 (diametru de 19 mm/0,75 inci). Multe etrieri îndoite și forme unice au fost necesare pentru a realiza designul detaliat, subliniază Gremel, adăugând că toate au fost fabricate la fabrică înainte de expediere. Inginerul CDOT, Mark Leonard, spune că statul a avut un succes bun cu armăturile compozite în proiectele anterioare și a selectat Aslan, deoarece Hughes a depus cea mai mică ofertă. Deși puntea primește un trafic minim la viteze mici, Leonard spune proiectantul podului, Parsons Brinkerhoff (Denver, Colo.), a urmat toate liniile directoare de proiectare ACI și a folosit noile metode de testare ACI440.3R-04 pentru certificarea materialelor.

se așteaptă ca piața armăturilor compozite să devină și mai competitivă pe măsură ce un nou material — fibra de bazalt — câștigă un punct de sprijin. Sudaglass Fiber Technology (Houston, Texas), un producător de fibre de bazalt cu facilități în Rusia și Ucraina, a rupt teren pe o instalație de producție din SUA în nordul Texasului, spune vicepreședintele executiv al Sudaglass, Graham Smith. Armatura bazalt / epoxidică este în prezent pultrudată în Ucraina și este în curs de certificare pentru construcția din SUA, potrivit lui Smith.

Cu o densitate de doar puțin mai mare decât tipic fibre de sticlă, compania de bazalt fibre au un mult mai larg interval de temperatură de -260°C la 982°C (-436°F 1850°F) față de o gamă nominală de -60°C până la 650°C (-76°F 1202°F) pentru sticlă și o topire punctul de 1450°C (2642°F), ceea ce face bazalt utile în aplicații care necesită rezistență la foc. În plus, Smith observă că materialul demonstrează o rezistență excelentă la conținutul alcalin din beton fără a recurge la dimensiunile speciale utilizate pentru protejarea fibrelor de sticlă.

oricare ar fi alegerea armăturii, se așteaptă ca armăturile compozite să aibă un apel larg în rândul factorilor de decizie ai proiectului. “Concluzia este că un inginer sau designer bun încearcă să rezolve problema coroziunii”, concluzionează Gremel. “Pentru un cost cu 5 până la 7% mai mare în materialele proiectului, obțineți o durată de viață mai lungă cu 10 până la 20 de ani pentru structură cu acest produs.”

grile compozite în panouri prefabricate: potențial ridicat

deoarece CT a raportat pentru prima dată Utilizarea rețelelor de polimeri armate cu fibre în panourile prefabricate din beton (“soluțiile compozite îndeplinesc cerințele în creștere ale construcțiilor civile”, CT August 2002, p. 40), piața a cunoscut o creștere semnificativă, spune Busel. “Această aplicație este imensă”, susține el. “Există un potențial imens.”

taxa este condusă de AltusGroup, un consorțiu format din cinci producători de beton prefabricat și producător de armături TechFab LLC (Anderson, S. C.), format special pentru a promova tehnologia CarbonCast în care rețelele c-GRID din fibră de carbon/epoxidice din urmă înlocuiesc grila tradițională de oțel sau armăturile din structurile prefabricate ca armare secundară. TechFab este o societate mixtă 50/50 a Hexcel (Dublin, California.) și grupul Chomarat (Le Cheylard, Franța). Până în prezent, membrii AltusGroup includ Oldcastle prefabricate (Edgewood, Md.), Structuri înalte din beton (Denver, Pa.), două precastere deținute de companiile Cretex (Elk River, Minn.) și Metromont Prestress (Greenville, S. C.), Dar este posibil ca noi membri să fie adăugați din cauza volumului de vânzări în creștere, spune John Carson, directorul de dezvoltare comercială al TechFab și liderul programului pentru tehnologia c-GRID.

o varietate de produse CarbonCast sunt oferite de AltusGroup, incluzând atât panouri de perete izolate structural, cât și nestructurale și placări arhitecturale. C-GRID înlocuiește de obicei elementele secundare de armare a ochiurilor de sârmă din oțel — armătura convențională din oțel este încă utilizată pentru armarea primară în majoritatea cazurilor. C-GRID este realizat într-un proces de cvasi-țesut eficient, proprietar, care aliniază fibrele de carbon cu urzeală și bătătură suprapuse, umezite cu un epoxid de vindecare rapidă, într-o structură deschisă. Deschiderile grilei variază ca mărime de la 25,4 mm la 76 mm (0,25 inch la 3 inci), în funcție de cerințele de rezistență ale panoului, tipul de beton și dimensiunea agregatului. În timpul procesului de fabricație, grilei i se oferă o suprafață aspră care îmbunătățește rezistența legăturii dintre grilă și betonul întărit. Grilele, cu fibre de sticlă, aramidă sau polimer în combinație cu oricare dintr-o varietate de rășini, sunt de asemenea disponibile, în linia de produse MeC-GRID a TechFab. Grilele de Carbon și noncarbon își găsesc ambele utilizări în alte aplicații, cum ar fi elemente decorative, beton turnat în loc și reparații/reabilitare.

avantajele panourilor CarbonCast sunt semnificative, spune Carson. C-GRID este mult mai ușor și are proprietăți De Tracțiune de aproape șapte ori mai mari decât oțelul. Crăparea datorată contracției de vindecare este mult redusă, iar C-GRID nu se va coroda, ceea ce elimină colorarea adesea inestetică a suprafeței care apare pe panourile de beton cu grile de oțel. Rezistența sa la coroziune permite utilizarea a doar 6,35 mm/0,25 inch de acoperire din beton, în timp ce până la 76,2 mm / 3 inci de acoperire pot fi necesare pentru a proteja grila de oțel de umiditate. Prin urmare, greutatea panoului poate fi redusă cu până la 66%, comparativ cu prefabricatele convenționale. Panourile mai ușoare permit o greutate totală mai mică a peretelui, care la rândul său necesită o substructură de oțel mai puțin substanțială, rezultând costuri de construcție semnificativ mai mici. C-GRID este, de asemenea, neconductor termic, astfel încât valoarea izolației panoului nu este compromisă. Mai mult, deschiderile pot fi tăiate în panourile de la locul de muncă cu un ferăstrău electric, ceea ce nu este posibil cu o rețea de oțel. Toate aceste beneficii se traduc în costuri mai mici de transport, montaj și suprastructură pentru o construcție mai eficientă.

peste 3 milioane ft2 de produse CarbonCast panel au fost vândute până în prezent, iar cererea este atât de mare încât TechFab a anunțat recent planuri majore de extindere. O nouă fabrică va găzdui o linie suplimentară de producție a rețelei care, potrivit lui Carson, ar trebui să fie operațională până în octombrie a acestui an. Anunțul a urmat îndeaproape acordul multianual anunțat al companiei cu Zoltek corp. (St.Louis, Mo.), furnizorul fibrei de remorcare Panex 35 utilizat în C-GRID. Potrivit lui Carson, acordul va asigura o aprovizionare consistentă pentru C-GRID în anii inițiali de lansare a produsului. “Zoltek a fost furnizorul nostru principal de fibre și avocat din prima zi a acestui proiect”, notează el.

panourile prefabricate au fost utilizate în proiecte la fel de diverse precum cinematografe, biserici și garaje. Un proiect recent a fost complexul de 332.000-ft2 Cardinal Health office/warehouse de lângă Baltimore, Md. Panourile CarbonCast de până la 15,5 m / 51 ft lungime au fost turnate pentru a forma pereții exteriori verticali ai clădirii cu două etaje. Fiecare panou este o construcție sandwich cu izolație din spumă de 152 mm/6 inci (atingând valoarea izolației R-16) între foile de față constând dintr-un wythe exterior gros de 50 mm/2 inci (strat de beton) și un wythe interior gros de 100 mm/4 inci, c-GRID plasat perpendicular pe fețele panoului conectează wythes interior și exterior, oferind armătură de forfecare.

“ne mutăm în viteză mare cu acest concept”, spune Carson. “Adăugăm noi produse pentru a satisface creșterea aplicațiilor.”

beton armat cu fibre: venind puternic

utilizarea fibrelor scurte în beton pentru proprietăți îmbunătățite a fost o tehnologie acceptată de zeci de ani — chiar secole, având în vedere că în Imperiul Roman mortarele structurale au fost întărite cu păr de cal. Armăturile din fibre cresc duritatea și ductilitatea betonului (capacitatea de a se deforma plastic fără fracturare) prin transportul unei porțiuni din sarcină în cazul defectării matricei și prin oprirea creșterii fisurilor. Dr. Victor Li de la Universitatea din Michigan a cercetat proprietățile compozitelor de ciment armate cu fibre de înaltă performanță, un subset foarte performant de beton armat cu fibre și crede că acceptarea materialului va crește, atâta timp cât performanța, costul redus și execuția ușoară sunt menținute.

“utilizarea acestui material poate duce la eliminarea barelor de armare prin forfecare, rezultând o reducere a costurilor materiale și a forței de muncă”, spune Li. “o structură mai subțire reduce volumul materialului și sarcina moartă și facilitează transportul. Aceste reduceri globale ale costurilor pot justifica cu ușurință costul materialului armat cu fibre.”

recunoașterea oficială a betonului armat cu fibre a stimulat publicarea standardelor și liniilor directoare pentru utilizarea acestuia în ultimii cinci ani (a se vedea CT iulie/August 2001, p. 44). De atunci, aplicațiile comerciale au crescut.

gigantul materialelor de construcții Lafarge sa (Paris, Franța) și-a promovat materialul din beton armat cu fibre ultrahigh-performant, comerț marcat Ductal, timp de aproape zece ani, vizând o mare varietate de infrastructuri civile și aplicații arhitecturale. Ductal este un amestec de ciment Portland, fum de silice, făină de cuarț, nisip fin de silice, plastifianți, apă și oțel sau fibre organice, de obicei 12 mm/0,5 inch în lungime. Vic Perry, VP/Director general pentru Ductal, spune că combinația de pulberi fine, selectate pentru dimensiunea relativă a granulelor, creează o compactare maximă în timpul vindecării, rezultând o absență completă a porozității continue, care elimină practic pătrunderea umezelii și coroziunea potențială a fibrelor de oțel. Pentru a fi în siguranță, fibrele de alcool polivinilic (PVAL) sunt de obicei specificate pentru aplicații arhitecturale sau decorative, pentru a exclude orice posibilitate de colorare a suprafeței care ar putea apărea cu ruginirea fibrelor de oțel și pentru a elimina abrazivitatea acolo unde contactul uman este o preocupare. Materialele sunt vândute în saci în vrac către precasteri sau furnizori de amestecuri de beton.

“adăugarea fibrelor face ca materialul să se deformeze într-o manieră ductilă și să susțină sarcini de tracțiune”, spune Perry. “Fibrele oferă rezistență și proprietăți microstructurale îmbunătățite.”

în funcție de tipul de fibră utilizată, rezistența la compresiune a Ductalului variază de la 150 MPa la 200 mpa (21.750 psi la 29.000 psi), comparativ cu betonul standard de la 15 MPa la 50 MPa (2.175 psi la 7.250 psi). Rezistența la încovoiere testată este de până la 40 MPa / 5.800 psi, spune Perry. Ductal armat cu fibre de oțel Forta de la Lafarge a fost utilizat pentru construcția prefabricată și în mai multe aplicații de grinzi de punte de pretensionare. În Saint Pierre La Cour, Franța, un pod vehicular lung de 20 m/65 ft a fost proiectat cu 10 grinzi ductale cu fascicul I care susțin o punte tradițională din beton armat cu armătură groasă de 170 mm/6,5 inci. Grinzile prefabricate, care nu conțin armături metalice, au o adâncime de 600 mm/24 inci și au fost precomprimate cu cabluri din oțel de 13 mm/0,5 inci, plasate în flanșa inferioară. Tensiunea este aplicată firelor înainte ca Ductalul să fie turnat în forma fasciculului. Odată ce betonul acoperă firele și materialul a început să se vindece, acestea sunt tăiate, ceea ce, de fapt, pune stres de compresie pe amestecul de beton.

când supuneți un fascicul precomprimat la orice îndoire, explică Perry, acesta nu experimentează stres tensional, ci “decomprimă”, îmbunătățind foarte mult performanța. Datorită rezistenței ductale, grinzile nu necesită armături, ceea ce reduce semnificativ greutatea pe picior.

structurile ductale în formă de secțiune transversală, cum ar fi majuscula grecească “XV” (în esență o grindă cutie fără flanșă inferioară) funcționează atât ca punte, cât și ca grinzi pe un pod experimental instalat pe o pistă de testare la Laboratorul Turner Fairbank al autorității federale a autostrăzilor din SUA (FHWA), pentru a investiga adecvarea proiectului pentru construcția viitoare a autostrăzilor. Grinzile/punțile” Inktaktiv ” sunt concepute pentru a rezista configurațiilor de încărcare HL-93 ale Asociației Americane a funcționarilor de Stat pentru autostrăzi și Transporturi (AASHTO).

“grinzile ductale permit deschideri mai lungi pentru aceeași greutate a fasciculului”, spune Perry. “În cele din urmă, vom vedea beton armat cu fibre în grinzi și punți de pod.”

SI sisteme de beton. (Chattanooga, Tenn.) este un producător de armături din fibre pentru beton. SI oferă Novomesh, Fibermesh și alte produse din fibre care sunt utilizate ca alternativă la armarea secundară a ochiurilor de sârmă de oțel și armături ușoare atât în aplicații comerciale, cât și rezidențiale, spune hal Payne de la SI, managerul alianțelor strategice. SI oferă fibre de polipropilenă (PP), fibre de oțel, fibre macrosintetice și amestecuri proiectate. Potrivit lui Payne, produsele din fibre de polipropilenă SI sunt esențiale pentru controlul fisurilor de contracție din plastic “de vârstă fragedă” pentru a preveni creșterea acestor fisuri în defecte majore pe măsură ce betonul se vindecă. Novomesh 950 este un produs nou pentru companie și constă dintr-un amestec de fibre microsintetice monofilament grosiere macrosintetice și colaționate, fibrilate. Potrivit Payne, produsul oferă un rezultat la fel de bun ca fibrele de oțel în utilizarea prevăzută pentru plăcile de podea comerciale.

Kingspan (Sherburn, Malton, N. Yorkshire, Marea Britanie) este un specialist în construcții din beton care folosește aditivi din fibre de beton de la Bekaert Building Products (Friedrichsdorf, Germania). Fibrele de oțel Dramix în formă de Bekaert sunt adăugate la beton pentru a produce podele și acoperișuri fără a consolida grilele de oțel. Se pare că produsul este ideal pentru șantierele de construcții înghesuite, cum ar fi dezvoltarea Spurriergate cu trei etaje, adânc în orașul istoric din Marea Britanie York. Deoarece betonul nu necesită armarea rețelei de oțel, costul rețelei de oțel și forța de muncă necesară pentru livrarea rulourilor voluminoase, apoi tăierea și plasarea acestuia în clădiri cu mai multe etaje înainte de operațiunile de turnare a betonului sunt eliminate în întregime. Pardoselile din beton armat cu fibre ale proiectului au fost plasate într-o singură operație, pur și simplu prin livrarea materialului armat cu fibre direct la fiecare etaj folosind echipamente automate de pompare.

în Australia, Franța, Japonia și SUA, ghidurile de proiectare intermediare (enumerate în bara laterală) oferă acum îndrumări și permisiuni pentru betonul armat cu fibre, un factor semnificativ în acceptarea sa mai mare de către designeri, ingineri și factorii de decizie de proiect pe piața infrastructurii. “Materialul oferă soluții precum viteza de construcție, estetica îmbunătățită, durabilitatea superioară și rezistența la coroziune”, concluzionează Perry. “Acest lucru se traduce prin întreținere redusă și o durată de viață mai lungă pentru structură.”

Nota editorului: uita-te pentru articolul nostru viitoare privind utilizarea materialelor compozite pentru repararea infrastructurii (CT iunie 2005) și articole viitoare pe bare dibluri din fibra de sticla si tendoane pretensionare.