Kompositer och betong

billig och mångsidig, betong är helt enkelt det bästa byggmaterialet för många applikationer. Frågan är hur man gör konkreta stå upp till miljömässiga och strukturella belastningar för långsiktig prestanda. En sann komposit, betong består typiskt av grus och sand — aggregat — bundna ihop i en matris av fin Portlandcement, med metall armeringsjärn vanligtvis införlivas för styrka. Den presterar beundransvärt under kompression, men tenderar att vara spröd och något svag i spänning. Spänningsspänning samt plastkrympning under härdning leder till sprickor, vilket inbjuder till fuktinträngning som så småningom leder till korrosion av den inbäddade metallen och eventuell förlust av integritet när metallen försämras.

fiberförstärkt polymer (FRP) kompositer har länge varit tänkt som ett möjliggörande material för förbättrad betongprestanda. American Concrete Institute (ACI) och andra grupper, såsom Japan Society for Civil Engineers, har varit avgörande för att utveckla specifikationer och testmetoder för kompositförstärkande material, varav många är accepterade och väletablerade idag i betongkonstruktion. “Förutom designriktlinjer har vi nu testmetoderna”, säger John Busel, ordförande för ACI: s Committee 440, som bildades 1990 för att ge ingenjörer och designers information och riktning för kompositmaterial. Testmetoder beskrivs i ACI 440.3 R-04. (Detta och andra viktiga publicerade dokument relaterade till kompositförstärkning av betong finns i den medföljande sidofältet, “Concrete Design Guides”) “vi arbetar också ständigt med en översyn av vår toppmoderna rapport från 1996 för att uppdatera konkreta utövare om de många nya applikationerna och tillväxtmarknadsmöjligheterna”, säger Busel.

komposit armeringsjärn och armeringsnät fortsätter att finna användning i ett antal tillämpningar. På senare tid har produkter utvecklats och applikationer börjar sprida sig för fiberarmerad betong, ett material som använder stål-eller polymerfibrer som förstärkning i trottoarer, golvplattor och prefabricerade delar.

sammansatt armeringsjärn: etablerad teknik

under de senaste 15 åren har komposit armeringsjärn gått från experimentell prototyp till effektiv ersättning för stål på många projekt, särskilt med stigande stålpriser. “Glasfiber armeringsjärn används ofta, och det är en mycket konkurrensutsatt marknad”, säger Doug Gremel, chef för nonmetallic förstärkning för Hughes Bros. (Seward, Neb.), en etablerad tillverkare av armeringsjärn produkter. “Branschens kunskap om materialet är oerhört bättre än för 10 år sedan.”

för vissa byggprojekt, som magnetisk resonanstomografi (MRI) anläggningar på sjukhus, eller metoder för att toll Road bås som använder radiofrekvensidentifiering (RFID) tag teknik för att identifiera förbetalda kunder, komposit armeringsjärn är det enda valet. Stål armeringsjärn kan inte användas, eftersom det stör elektromagnetiska signaler. Förutom elektromagnetisk transparens erbjuder komposit armeringsjärn också exceptionell korrosionsbeständighet, låg vikt — ungefär en fjärdedel av stålets vikt-och värmeisolering, eftersom den motstår värmeöverföring i byggnadsapplikationer. De två största tillverkarna är Hughes och Pultrall (Thetford Mines, Kanada).

komposit armeringsjärn är typiskt pultruded, med användning av e-glasfiber rovings och vinylesterharts, med standardformningstekniker. Hughes Aslan produkter är gjorda med en spiralformad wrap för att skapa en böljande profil, medan Pultralls V-ROD bar är slät. Båda har en yttre sandbeläggning, applicerad under tillverkningen, för att skapa en grov yta för optimal bindning vidhäftning. Enligt Gremel behövs ett högkvalitativt vinylesterharts, i kombination med rätt fiberstorlek, för att uppnå de bästa korrosionsegenskaperna och motståndet mot det höga alkaliet i Portlandcementet, liksom en ihärdig bindning.

eftersom glasfibermekaniska egenskaper skiljer sig från stål, är betongkonstruktionsdesign med komposit armeringsjärn utvecklad med ACI 440.1 R-03, Guide för Design och konstruktion av betong förstärkt med FRP-stänger. Guiden behandlar böjning, service, krypbrott och trötthet, förutom skjuvning och detaljering för stigbyglar, säger Busel. Både Hughes och Pultrall är medlemmar i FRP Rebar Manufacturers Council, under paraplyet av de amerikanska komposit tillverkarna Assn. (ACMA) och är involverade i ACI för att utveckla minimistandarder för armeringsjärn. Även om det är sant att komposit armeringsjärn inte kan böjas på arbetsplatsen för att möta oväntade förhållanden, Gremel säger att det är en icke-fråga. “Epoxibelagda stålstänger kan inte heller böjas utan att epoxibeläggningen bryts”, säger han. “Vi kan böja glasfiberstänger under tillverkningen till en ingenjörs design, enligt ett detaljerat schema, vilket är hur det ska göras.”Med lanseringen av de nya testmetoderna för betong med kompositarmering har ägare och designers nu försäkran om att strukturen kommer att fungera som förväntat. Gremel noterar att testdokumentet kommer att konverteras till en ASTM-standard.

Pultrall V-ROD distribueras i USA uteslutande av Concrete Protection Products Inc. (CPPI, Dallas, Texas). CPPIS president Sam Steere rapporterar flera nya projekt som använder V-ROD, inklusive en ny bro som sträcker sig över US highway i-65 i Newton County, Indiana. Den 58m/191-ft långa, tre-span bron är 10.5 m / 34.5 ft bred med ett armerat betongdäck som sitter ovanpå stål I-balkar, som stöds på betongbryggor. Det 203 mm/8 tum tjocka betongdäcket är förstärkt med epoxibelagd stålarmering i den nedre halvan, men korrosionsbeständig v-STAVSKOMPOSITSTÅNG används i den övre halvan, där potentialen för kontakt med avisningssalter är störst. Två storlekar av kompositstång placerades, var och en på 152 mm/6-tums centra — #5 bar (16 mm/0,625-tums diameter) i tvärriktningen och #6 (19 mm/0,75-tums diameter) som löper i längdriktningen. Hela strukturen var instrumenterad med optiska fibersensorer av forskare vid Purdue University, för kontinuerlig utvärdering av däckets prestanda via en fjärranslutning. Det är den första användningen av kompositstång i en brodäckapplikation av Indiana Department of Transportation, säger Steere.

Hughes Bros. Aslan 100 glasfiberstänger installerades nyligen i en platsgjuten betongbro i Morrison, Colo., byggd av Colo. Avd. av transport (CDOT) i samarbete med staden och länet Denver Parks and Recreation Dept. Den 13,8 m / 45 fot långa bron, som sträcker sig över Bear Creek, använde glasfiberarmering i foten, distanser, vingväggar, parapeter och en krökt hälld betongbåge. Ett helt sammansatt däck i ett stycke som sitter ovanpå betongbågen tillverkades av Kansas Structural Composites (Russell, kan.). Ett antal olika armeringsjärn storlekar införlivades i de gjutna elementen, inklusive #5 ,# 6 och # 7 (19 mm/0,75-tums diameter). Många böjda stigbyglar och unika former krävdes för att uppnå den detaljerade designen, påpekar Gremel och tillägger att alla tillverkades på fabriken före leverans. CDOT ingenjör Mark Leonard säger staten har haft god framgång med komposit armeringsjärn i tidigare projekt och utvalda Aslan eftersom Hughes lämnat det lägsta budet. Även om däcket får minimal trafik vid låga hastigheter, säger Leonard brodesignern, Parsons Brinkerhoff (Denver, Colo.), följde alla ACI-designriktlinjer och använde de nya ACI440.3R-04-testmetoderna för certifiering av materialen.

den sammansatta armeringsjärnsmarknaden förväntas bli ännu mer konkurrenskraftig eftersom ett nytt material-basaltfiber – får fotfäste. Sudaglass Fiber Technology (Houston, Texas), en basaltfiberproducent med anläggningar i Ryssland och Ukraina, har brutit mark på en amerikansk produktionsanläggning i norra Texas, säger Sudaglass verkställande VP Graham Smith. Basalt / epoxi armeringsjärn för närvarande pultruded i Ukraina, och är i färd med att certifieras för USA: s konstruktion, enligt Smith.

Med en densitet som är endast något större än vanliga fibrer av glas, bolagets basalt fibrer har en mycket bredare termisk utbud av -260°C 982°C (-436°F till 1850°F) jämfört med en nominell utbud av -60°C till 650°C (-76°F till 1202°F) för glas — och en smälta punkt av 1450°C (2642°F), vilket gör basalt användbar i tillämpningar som kräver brand. Dessutom noterar Smith att materialet visar utmärkt motstånd mot alkalihalten i betong utan att tillgripa de speciella storlekarna som används för att skydda glasfibrer.

oavsett förstärkningsvalet förväntas composite rebar ha stor överklagande bland projektbeslutsfattarna. “Slutsatsen är att en bra ingenjör eller designer försöker lösa korrosionsproblemet”, avslutar Gremel. “För en 5 till 7 procent högre kostnad i projektmaterial uppnår du 10 till 20 år längre livslängd för strukturen med denna produkt.”

KOMPOSITNÄT i prefabricerade paneler: hög POTENTIAL

sedan CT först rapporterade om användningen av fiberförstärkta polymernät i prefabricerade betongbyggnadspaneler (“Kompositlösningar uppfyller växande krav på Civil Konstruktion”, CT August 2002, s. 40), har marknaden bevittnat en betydande tillväxt, säger Busel. “Den här applikationen är enorm”, hävdar han. “Det finns en enorm potential.”

laddningen leds av AltusGroup, ett konsortium av fem prefabricerade betongtillverkare och förstärkningsproducent TechFab LLC (Anderson, SC), bildat specifikt för att främja CarbonCast-teknik där den senare C-GRID kolfiber/epoxinät ersätter traditionellt stålnät eller armeringsjärn i prefabricerade strukturer som sekundär förstärkning. TechFab är ett 50/50 joint venture av Hexcel (Dublin, Calif.) och Chomarat Group (Le Cheylard, Frankrike). Hittills inkluderar altusgroup-medlemmar Oldcastle Precast (Edgewood, Md.), Höga betongkonstruktioner (Denver, Pa.), två precasters ägs av Cretex företag (Elk River, Minn.) och Metromont Prestress (Greenville, SC), men nya medlemmar kommer sannolikt att läggas till på grund av växande försäljningsvolym, säger John Carson, Techfabs chef för kommersiell utveckling och programledare för C-GRID-teknik.

en mängd olika CarbonCast-produkter erbjuds av AltusGroup, inklusive både strukturella och icke-strukturella isolerade väggpaneler och arkitektonisk Beklädnad. C-GRID ersätter vanligtvis sekundära ståltrådsnät förstärkande element-konventionell stål armeringsjärn används fortfarande för primär förstärkning i de flesta fall. C-GRID tillverkas i en effektiv, proprietär kvasi-vävningsprocess som justerar överlagrade varp-och väftkolfibrer med stor bogsering som blöts ut med en snabbhärdande epoxi, i en öppen struktur. Gridöppningar varierar i storlek från 25,4 mm till 76 mm (0,25 tum till 3 tum), beroende på panelhållfasthetskrav, betongtyp och aggregatstorlek. Under tillverkningsprocessen ges gallret en grov yta som förbättrar bindningsstyrkan mellan gallret och härdad betong. Grids, med glas, aramid eller polymerfibrer i kombination med någon av en mängd olika hartser, finns också i Techfabs MEC-GRID-produktlinje. Kol-och icke-kolnät används båda i andra applikationer, såsom dekorativa element, gjuten betong och reparation/rehabilitering.

fördelarna med CarbonCast-paneler är betydande, säger Carson. C-GRID är mycket lättare och har nästan sju gånger större draghållfasthet än stål. Sprickbildning på grund av härdningskrympning reduceras kraftigt och C-GRID korroderar inte, vilket eliminerar den ofta fula ytfärgningen som uppstår på betongpaneler med stålnät. Dess korrosionsbeständighet tillåter användning av så lite som 6,35 mm/0,25 tum betongöverdrag, medan upp till 76,2 mm/3 tum lock kan krävas för att skydda stålnätet från fukt. Därför kan panelvikten minskas med så mycket som 66 procent jämfört med konventionell prefabricerad. Lättare paneler möjliggör lägre total väggvikt, vilket i sin tur kräver mindre betydande stålunderkonstruktion, vilket resulterar i betydligt lägre byggkostnader. C-GRID är också termiskt icke-ledande, så Panelens isoleringsvärde äventyras inte. Vidare kan öppningar skäras i panelerna på arbetsplatsen med en motorsåg, vilket inte är möjligt med ett stålnät. Alla dessa fördelar innebär lägre transport -, monterings-och överbyggnadskostnader för effektivare konstruktion.

över 3 miljoner ft2 av CarbonCast-panelprodukter har sålts hittills och efterfrågan är så hög att TechFab nyligen tillkännagav stora expansionsplaner. En ny anläggning kommer att hysa en ytterligare nättillverkningslinje som enligt Carson borde vara i drift i Oktober i år. Tillkännagivandet följde noga företagets tillkännagivna fleråriga avtal med Zoltek Corp. (St. Louis, Mo.), leverantören av Panex 35 stor fiber som används i C-GRID. Enligt Carson kommer avtalet att säkerställa en konsekvent leverans för C-GRID under de första produktlanseringsåren. “Zoltek har varit vår primära fiberleverantör och förespråkare från dag ett av detta projekt,” konstaterar han.

de prefabricerade panelerna har använts i så olika projekt som biografer, kyrkor och parkeringsgarage. Ett nyligen Projekt var 332,000-ft2 Cardinal Health office / warehouse complex nära Baltimore, Md. CarbonCast-paneler upp till 15,5 m / 51 fot långa gjutits för att bilda tvåvåningsbyggnadens vertikala ytterväggar. Varje panel är en sandwichkonstruktion med 152 mm/6 tum skumisolering (uppnå r-16 isoleringsvärde) mellan ytor som består av en 50 mm/2 tum tjock yttre wythe (betongskikt) och en 100 mm/4 tum tjock inre wythe, C-rutnät placerat vinkelrätt mot panelytorna ansluter inre och yttre wythes, vilket ger skjuvförstärkning.

“vi går in i hög växel med detta koncept,” säger Carson. “Vi lägger till nya produkter för att möta applikationstillväxten.”

fiberarmerad betong: kommer på stark

användningen av korta fibrer i betong för förbättrade egenskaper har varit en accepterad teknik i årtionden — till och med århundraden, med tanke på att strukturella murbruk i det romerska riket förstärktes med hästhår. Fiberförstärkningar ökar betongens seghet och duktilitet (förmågan att deformera plastiskt utan sprickbildning) genom att bära en del av belastningen vid matrisfel och genom att stoppa spricktillväxt. Dr. Victor Li från University of Michigan har undersökt egenskaperna hos högpresterande fiberförstärkta cementkompositer, en mycket högpresterande delmängd av fiberarmerad betong, och han tror att acceptansen av materialet kommer att växa, så länge prestanda, låg kostnad och enkelt utförande upprätthålls.

“användning av detta material kan leda till eliminering av skjuvförstärkningsstänger, vilket resulterar i en minskning av material-och arbetskostnader”, säger Li. “en tunnare struktur minskar materialvolymen och dödbelastningen och underlättar transporten. Dessa totala kostnadsminskningar kan enkelt motivera kostnaden för det fiberförstärkta materialet.”

officiellt erkännande av fiberarmerad betong har sporrat publicering av standarder och riktlinjer för dess användning under de senaste fem åren (se CT juli/augusti 2001, s. 44). Sedan dess, kommersiella applikationer har burgeoned.

Byggmaterialjätten Lafarge SA (Paris, Frankrike) har främjat sitt ultrahöga prestanda fiberarmerade betongmaterial, märkt Ductal, i nästan tio år, med inriktning på ett brett utbud av civil infrastruktur och arkitektoniska tillämpningar. Ductal är en blandning av Portlandcement, kiseldioxid rök, kvartsmjöl, fin kiselsand, mjukgörare, vatten och antingen stål eller organiska fibrer, typiskt 12 mm/0,5 tum i längd. Vic Perry, VP / general manager för Ductal, säger kombinationen av fina pulver, valda för relativ kornstorlek, skapar maximal komprimering under härdning, vilket resulterar i en fullständig frånvaro av kontinuerlig porositet, vilket praktiskt taget eliminerar fuktintrång och potentiell korrosion av stålfibrer. För att vara på den säkra sidan specificeras polyvinylalkohol (PVAL) fibrer typiskt för arkitektoniska eller dekorativa applikationer, för att utesluta eventuell ytfärgning som kan uppstå med rostande stålfibrer och eliminera slitstyrka där mänsklig kontakt är ett problem. Materialen säljs i bulk påsar till precasters eller betong färdigblandade leverantörer.

“tillsatsen av fibrerna gör att materialet deformeras på ett duktilt sätt och stöder dragbelastningar”, säger Perry. “Fibrerna ger seghet och förbättrade mikrostrukturella egenskaper.”

beroende på vilken typ av fiber som används varierar tryckhållfastheten hos duktal från 150 MPa till 200 MPa (21,750 psi till 29,000 psi), jämfört med standardbetong 15 MPa till 50 MPa (2,175 psi till 7,250 psi). Testad böjhållfasthet är så hög som 40 MPa/5,800 psi, säger Perry. Duktal förstärkt med Lafarges forta-stålfibrer har använts för prefabricerad konstruktion och i flera prestressbrobjälkapplikationer. I Saint Pierre La Cour, Frankrike, en 20m/65 fot lång fordonsbro designades med 10 duktala i-balkbalkar som stöder ett traditionellt, gjutet på plats 170 mm/6,5 tum tjockt armerad betongdäck. De prefabricerade balkarna, som inte innehåller någon armeringsjärn, är 600 mm/24 tum djupa och förspända med 13 mm/0,5-tums stålsträngkablar, placerade i den nedre flänsen. Spänning appliceras på strängarna innan Duktalen hälls i strålformen. När betongen täcker trådarna och materialet har börjat bota, skärs de, vilket i själva verket sätter kompressionsspänning på betongblandningen.

när du utsätter en förspänd stråle för någon böjning, förklarar Perry, upplever den inte spänningsspänning utan istället “okomprimerar”, vilket förbättrar prestanda avsevärt. På grund av Ductal styrka, balkarna inte kräver armeringsjärn, vilket avsevärt skär per fot vikt.

duktala strukturer formade i tvärsnitt som den grekiska versaler “Xiaomi” (I huvudsak en låda Balk utan en nedre fläns) fungerar som både däck och balkar på en experimentell bro installerad på en testbana på US Federal Highway Authority ‘ s (FHWA) Turner Fairbank Laboratory, att undersöka designens lämplighet för framtida motorväg konstruktion. Den “Xiaomi” Balk / däck är utformad för att motstå American Association of State Highway och transport tjänstemän (AASHTO) HL-93 lastkonfigurationer.

“de duktala strålarna tillåter längre spännvidder för samma strålvikt”, säger Perry. “Så småningom ser vi fiberarmerad betong i balkar och brodäck.”

si Betongsystem. (Chattanooga, Tenn.) är en tillverkare av fiberförstärkning för betong. SI erbjuder Novomesh, Fibermesh och andra fiberprodukter som används som ett alternativ till sekundär ståltrådsnätförstärkning och lätt armering i både kommersiella och bostadsapplikationer, säger SI: s Hal Payne, chef för strategiska allianser. SI erbjuder polypropylen (PP) fibrer, stålfibrer, makrosyntetiska fibrer och konstruerade blandningar. Enligt Payne är SI: s polypropylenfiberprodukter kritiska för att kontrollera “tidig ålder” plastkrympsprickor för att förhindra att dessa sprickor växer till stora brister när betongen botar. Novomesh 950 är en ny produkt för företaget och består av en blandning av grova monofilamentmakrosyntetiska och sorterade, fibrillerade mikrosyntetiska fibrer. Enligt Payne ger produkten ett lika bra resultat som stålfibrer i Avsedd användning för kommersiella golvplattor.

Kingspan (Sherburn, Malton, N. Yorkshire, Storbritannien) är en betongbyggnadsspecialist som använder betongfiberadditiv från Bekaert Building Products (Friedrichsdorf, Tyskland). Bekaerts formade Dramix stålfibrer läggs till betong för att producera golv och tak utan förstärkande stålnät. Produkten är enligt uppgift idealisk för trånga byggarbetsplatser som den tre våningar Spurriergate-utvecklingen djupt i den historiska brittiska staden York. Eftersom betongen inte kräver stålnät förstärkning, kostnaden för stålnät och det arbete som krävs för att leverera skrymmande rullar, sedan klippa och placera den i flervåningshus före gjutningen verksamheten helt elimineras. Projektets fiberarmerade betonggolv placerades i en enda operation, helt enkelt genom att leverera det fiberförstärkta materialet direkt till varje våning med hjälp av automatiserad pumputrustning.

i Australien, Frankrike, Japan och USA ger interimsdesignguider (listade i sidofältet) nu vägledning och tillåtlighet för fiberförstärkt betong, en viktig faktor i dess större acceptans av designers, ingenjörer och projektbeslutsskapare på infrastrukturmarknaden. “Materialet erbjuder lösningar som konstruktionshastighet, förbättrad estetik, överlägsen hållbarhet och korrosionsbeständighet”, avslutar Perry. “Det innebär minskat underhåll och en längre livslängd för strukturen.”

Redaktörens anmärkning: se upp för vår kommande artikel om användning av kompositmaterial för reparation av infrastruktur (CT juni 2005) och framtida artiklar om glasfiber dowel barer och förspännings senor.