az Ultra-nagy teljesítményű beton készen áll az előregyártott, előfeszített beton forradalmasítására

az Ultra-nagy teljesítményű beton (UHPC) gyorsan megjelenik az előregyártott betonépítés elsődleges anyagaként. Először “reaktív porbetonként” vezették be az 1990-es évek elején, ez az anyag az elmúlt évtizedben egyre növekvő felhasználást mutatott az Egyesült Államokban és külföldön.

az UHPC-t használták közúti hidak építésére Franciaországban, Japánban és Malajziában; gyalogos hidak Kanadában és Venezuelában; tetőpanelek és építészeti homlokzatok Kanadában és Franciaországban; és így tovább.

az Egyesült Államokban az UHPC-t használták Hídgerendák építésére Virginiában és Iowában, hídfedélzeti fedvények építésére New Yorkban és Delaware-ben, valamint terepi öntött kötések az előregyártott híd tagjai között több mint 20 másik államban. A szövetségi és állami közlekedési ügynökségek, a nemzeti ipari szervezetek, a magántulajdonosok és a betongyártók folyamatos kutatási és fejlesztési erőfeszítései arra törekszenek, hogy tovább fejlesszék ezt a technológiát, hogy szélesebb körben alkalmazható legyen mind a közlekedési, mind az építőiparban.

az egyik kulcsfontosságú iparág, amely jól alkalmazható az anyag egyedi teljesítményjellemzőinek kiaknázására, az előregyártott előfeszített betonipar.

mi az UHPC?

az UHPC Szálerősítésű, cement alapú anyag. Sok olyan anyagot tartalmaz, mint a hagyományos beton — cement, kiegészítő cementkötésű anyagok (SCM), finom homok és kémiai adalékok—, de az anyagok arányosak, hogy sűrű anyagcsomagolást hozzanak létre a szilícium-dioxid füstjétől a homokig, azaz a legfinomabb anyagoktól a legdurvább anyagokig.

az UHPC keverékek összes cementkötésű anyagtartalma meghaladhatja és gyakran meghaladja az 1500 fontot cu yd anyagonként — több mint kétszerese a legtöbb hagyományos betonkeverék cementkötésű anyagtartalmának. A víz / kötőanyag Arány (w/b) azonban gyakran 0,20 vagy annál kisebb, amelyet speciális nagy hatótávolságú vízcsökkentők használata megkönnyít. A sűrű részecskecsomagolás az ultra-alacsony w/b-vel kombinálva rendkívül kifinomult mikrostruktúrát hoz létre a betonban, amely kivételes szilárdságot és tartósságot biztosít. Ennek eredményeként az UHPC elemek várható élettartama legalább 200 év lehet, még olyan igényes környezetben is, mint a tengeri és jégtelenítő expozíció.

bár az UHPC meghatározása nem egységes, a tipikus UHPC nyomószilárdság meghaladja a 17 000 psi-t, sok kereskedelemben kapható UHPC anyag képes elérni a 30 000 psi vagy annál nagyobb erősséget. A hagyományos és nagy teljesítményű betonokhoz képest az UHPC 3-5-szeres nyomószilárdságot biztosít. A nyomószilárdság azonban nem az anyag legfontosabb tulajdonsága. A szerkezeti UHPC és más betonosztályok közötti kulcsfontosságú különbség, különösen a szerkezeti előregyártott alkalmazásoknál, az anyag nagy szakítószilárdsága, amely a finomított mikrostruktúra és a nagy szilárdságú acél mikroszálak kombinációjából származik, amelyek a keverékbe körülbelül 1-3 térfogatszázalék (körülbelül 130-390 Font/cu yd).

a szerkezeti UHPC keverékek úgy tervezhetők, hogy több mint 1000 psi közvetlen szakítószilárdságot és több mint 2500 psi hajlítószilárdságot érjenek el. Ezenkívül egy jól megtervezett UHPC keverék jelentős krakkolás utáni alakíthatóságot és törzskeményedést mutathat, jelentősen növelve a maradék hajlítószilárdságot, mivel az elem repedés után elhajlik.

az UHPC nagy szakítószilárdsága és krakkolás utáni alakíthatósága jelentős előnyt jelent a szerkezeti tervezés szempontjából. Először is, a repedés utáni alakíthatóság és a törzskeményedési viselkedés lehetővé teszi a hagyományos betonban szükséges minimális erősítő rudak virtuális eltávolítását a kód által előírt alakíthatóság eléréséhez, amikor a meghibásodás küszöbön áll.

másodszor, az UHPC nagy rugalmassága óriási anyagszilárdságot eredményez, ami növeli az energia elnyelésének képességét még az erősítő rudak segítsége nélkül is.

harmadszor, a nagy szakítószilárdság növeli az anyag nyírási ellenállását, azzal a lehetőséggel, hogy a nyíró kengyelek teljes mértékben kiküszöbölhetők legyenek a gerenda kialakításában. A kengyelek kiküszöbölésével az elemek tervezése és gyártása egyszerűsíthető, a tagháló (szár) szélessége pedig csökkenthető. Valójában a gerendák, oszlopok és más UHPC szerkezeti elemek olyan keresztmetszetekkel tervezhetők, amelyeknek sokkal kisebb az anyag térfogata és így súlya, miközben ugyanolyan kapacitást biztosítanak, mint a hagyományos vasbeton elemek.

Előregyártott, előfeszített beton technológiájának fejlesztése

az UHPC jelentős ígéretet mutat az előregyártott, előfeszített betonipar képességeinek továbbfejlesztésére. Ennek az anyagnak a teljesítményjellemzői lehetővé teszik olyan szerkezeti rendszerek tervezését, amelyek fenntartják az elfogadható szilárdságot és a használhatóságot, miközben csökkentett tagsúlyokkal, meghosszabbított fesztávolsággal és kevésbé erősítéssel rendelkeznek. Ezen túlmenően, az anyag által biztosított nagy tartósság miatt ezek a szerkezeti rendszerek igényes környezetben is alkalmazhatók, például tengeri alkalmazásokban és hideg időjárási expozíciókban, alacsony költség-haszon arányú alternatívákként a rozsdamentes acél és a nem fémes megerősítő rudak felhasználásával.

ahhoz, hogy az UHPC széles körben elterjedjen az előregyártott előfeszített betoniparban, két feltételnek kell teljesülnie: (1) az UHPC-nek megbízhatóan előállíthatónak kell lennie az előregyártott létesítményekben, a nyersanyagköltségek összesen kevesebb, mint 1000 USD / cu yd (összehasonlítva az előzsákos anyagok jelenlegi 2000-3000 USD / cu yd költségeivel); és (2) eljárásokat kell kidolgozni annak érdekében, hogy lehetővé tegyék olyan szerkezeti rendszerek tervezését, amelyek kihasználják az egyedi teljesítményjellemzőket az uhpc. Az ilyen eljárások óriási értéket nyújthatnak azáltal, hogy lehetővé teszik a keresztmetszet körülbelül 50% – os csökkentését a hagyományos betontermékekhez képest.

az előregyártott/előfeszített beton Intézet (PCI) felismerte ezt az igényt, és forrásokat fordított egy kutatási projekt támogatására az ipar javára. A teljes projekt és tervezési iránymutatás fejlesztését az e.construct of Omaha, Neb vezeti., míg a projekt anyagi szempontjait a szerzők két cége vezette, Wiss, Janney, Elstner Associates of Northbrook, Ill.

a projekt elsődleges célja a költséghatékony uhpc keverékek megvalósításának módszereinek kidolgozása az észak-amerikai precaster létesítményekben helyben rendelkezésre álló anyagok alapján, valamint tervezési irányelvek és új tervek kidolgozása az épületek és hidak optimalizált szerkezeti elemeihez.

a mai napig a projektcsapat iránymutatásokat és ajánlásokat dolgozott ki az UHPC keverékek tervezésére és végrehajtására az előregyártott előfeszített betongyártó létesítményekben, és ezeket az eljárásokat öt ilyen létesítmény gyártásával validálta az Egyesült Államokban. (Lásd az 1. ábrát, például az UHPC elhelyezését az egyik résztvevő precasternél).

ezen felül a projektcsapat hosszú fesztávolságú híd és épületelemek prototípusait tervezte, gyártotta és tesztelte, a tagok végső erőssége meghaladja a tervezési szolgáltatás terhelését. Várható, hogy az UHPC anyagok kezdeti magas költsége ellenére az optimalizált kialakítás és a csökkentett tagkeresztmetszetek versenyképessé teszik ezeket az UHPC termékeket a hagyományos beton-és acél alternatívákkal a kezdeti költség alapján. Az eddigi előrehaladást egy februárban közzétett I. fázisú jelentés foglalta össze.

1. ábra. Az UHPC elhelyezése, az önkonszolidáló következetesség bemutatása.

példa az optimalizált UHPC tagok alkalmazásaira

az UHPC használatával most már lehetséges az irodaház padlóinak tervezése oszlopmentes öblökkel, amelyek 60-ft 60-ft, lehetővé téve a nagy rugalmasságot a bérelt hely belsőépítészetében. Az is lehetséges, hogy dolgozzon híd gerendák, amíg 250 láb, belül elfogadható szállítási és erekció határértékek, és anélkül, hogy a mező partíció vagy splicing. A következő két példa szemlélteti az UHPC alkalmazások erős potenciálját.

a 2. ábra az épületekben való felhasználásra vonatkozó tervezési koncepciót mutatja. Az “adapterek” alakú keresztmetszet egy előregyártott, előfeszített padlólap, amely lehetővé teszi a 60 láb fesztávolságot 22 hüvelyk mélységgel. Ehhez a kialakításhoz nincs szükség acélra, kivéve az előfeszítő szálakat. A felső karima csak 1 hüvelyk vastag, a szárak pedig csak 2 hüvelyk szélesek. A teljes súly megfelel egy szilárd födém kevesebb, mint 3 hüvelyk vastag. Telepítve, a soffit a szárak között húzódó könnyű gage gerendákkal lenne bezárva, gipszkartonnal borítva, a szárak pedig nyílásokkal rendelkeznek, amelyek lehetővé teszik a közművek integrálását. Ezzel a hosszú fesztávolságú termékkel a lakóépületek többszintes épületei oszlopmentes parkolást biztosíthatnak az alsó szinteken, ami növeli a helykihasználás hatékonyságát és a lakók biztonságát. A viszonylag sekély szerkezeti mélység — amely magában foglalja a mechanikai, elektromos és vízvezeték rendszereket-biztosítja a hatékony helykihasználást és a költséghatékony emeletmagasságot.

2. Ábra. Az Uhpc Födémrendszer koncepciója lakossági alkalmazásokhoz

a 3. ábra egy hagyományos betonlapgerendát mutat be, amelyet 40-60 láb távolságra használnak gyorsított hídépítési (ABC) alkalmazásokban. Az ábra egy optimalizált uhpc ürített dobozlapot is mutat, amely ugyanazt a mélységet, szélességet és terhelhetőséget használja. Az UHPC termék a beton körülbelül 52% – át, a betonacél kevesebb mint 4% – át tartalmazza, összehasonlítva a hasonló hagyományos beton gerendával. A Florida Dot Structural Laboratory teljes körű tesztelése kimutatta, hogy ez a gerenda kialakítás sokkal nagyobb hajlítási, nyírási, lyukasztási nyírási és keresztirányú kapacitással rendelkezik, mint a hídhoz szükséges. Az elem kialakításának további finomításai indokolhatják a felhasznált szálak számának csökkentését, amelyeket ugyanolyanok tartottak, mint a hagyományos betontermék esetében.

3. ábra. Box födém híd alkalmazások. Balra: hagyományos betondoboz födém megerősítéssel (a zsaluzat felszerelése előtt); jobb: optimalizált uhpc doboz födém (zsaluzat és hab void-formáló blockout helyett).

következtetés

az UHPC forradalmasíthatja az előregyártott, előfeszített betonipart, különösen nagyszabású alkalmazásokban, ahol a hosszú fesztávolság vagy a fokozott tartósság előnyös. Az újszerű formatervezési mintákkal és az újonnan megjelenő tervezési eljárásokkal az UHPC képes arra, hogy költség-versenyképes legyen a hagyományos beton-és acél alternatívákkal az első költség alapján, és hosszú távú életciklus-költség alapján további értéket nyújtson. Az UHPC kulcsfontosságú tulajdonságainak kihasználásával a hosszú élettartamú előregyártott, előfeszített híd-és építési tagok forradalmasítják az iparágat, hatékonyabb anyagfelhasználásuk, jobb helykihasználásuk és fokozott hosszú távú teljesítményük révén.