Ultra-High-Performance Beton is Klaar voor een Revolutie Prefab, Voorgespannen Beton

Ultra-high-performance beton (UHPC) is sterk in opkomst als een van de beste materiaal voor prefab-beton constructie. Voor het eerst geà ntroduceerd als “reactief poederbeton” in de vroege jaren 1990, dit materiaal heeft gezien groeiend gebruik in de VS en in het buitenland in de afgelopen tien jaar.

UHPC werd gebruikt voor de bouw van rijwegbruggen in Frankrijk, Japan en Maleisië; voetgangersbruggen in Canada en Venezuela; dakpanelen en architectonische gevels in Canada en Frankrijk; en meer.

in de VS is UHPC gebruikt om brugbalken te bouwen in Virginia en Iowa, brugdekoverlays in New York en Delaware, en in meer dan 20 andere staten gegoten verbindingen tussen prefab brugleden. De lopende onderzoeks-en ontwikkelingsinspanningen van federale en staatsvervoersorganisaties, nationale industrieorganisaties, particuliere eigenaren en betonproducenten streven ernaar deze technologie verder te ontwikkelen, zodat deze breder kan worden toegepast in zowel de transport-als de bouwsector.

een belangrijke industrie die goed geschikt is om te profiteren van de unieke prestatiekenmerken van dit materiaal is de prefab-voorgespannen betonindustrie.

Wat is UHPC?

UHPC is een vezelversterkte, cementgebaseerd materiaal. Het bevat veel van dezelfde materialen als conventioneel beton-cement, aanvullende cementhoudende materialen (SCM’ s), fijn zand en chemische toevoegingen — maar de materialen zijn geproportioneerd om een dichte verpakking van materialen te creëren van de silica rook naar het zand, dat wil zeggen van de fijnste tot de grofste materialen.

het totale gehalte aan cementhoudende materialen voor UHPC-mengsels kan en is vaak hoger dan 1500 lbs per cu yd materiaal — meer dan het dubbele van het gehalte aan cementhoudende materialen van de meeste conventionele betonmengsels. Echter, de water-binder verhouding (w / b) is vaak 0,20 of minder, vergemakkelijkt door het gebruik van speciale high-range water reductoren. De dichte deeltjesverpakking, gecombineerd met de ultra-lage w/b, creëert in het beton een zeer verfijnde microstructuur die uitzonderlijke sterkte en duurzaamheid biedt. Hierdoor kunnen UHPC-elementen een levensverwachting hebben van 200 jaar of meer, zelfs in veeleisende omgevingen zoals blootstelling aan zee en ontdooien.

hoewel er geen uniforme definitie van UHPC bestaat, zijn de typische UHPC-druksterktes meer dan 17.000 psi, waarbij veel commercieel verkrijgbare UHPC-materialen in staat zijn om sterktes van 30.000 psi of meer te bereiken. In vergelijking met conventionele en high-performance betonbeton kan UHPC een 3 – tot 5-voudige toename van de druksterkte bieden. Druksterkte is echter niet de belangrijkste eigenschap van dit materiaal. Een belangrijke onderscheidende factor tussen structurele UHPC en andere klassen van beton, met name voor structurele prefab toepassingen, is de hoge treksterkte van het materiaal, die voortvloeit uit een combinatie van de verfijnde microstructuur en de hoge sterkte stalen microvezels die in het mengsel worden opgenomen bij doseringen tussen ongeveer 1 en 3 volumeprocent (ongeveer 130 tot 390 lbs/cu yd).

structurele UHPC-mengsels kunnen worden ontworpen om een directe treksterkte van meer dan 1.000 psi en een buigsterkte van meer dan 2.500 psi te bereiken. Bovendien kan een goed ontworpen UHPC-mengsel aanzienlijke na het barsten vervormbaarheid en spanning verharding vertonen, aanzienlijk verhogen resterende buigsterkte als het element afbuigt na het kraken.

de hoge treksterkte en na het kraken rekbaarheid van UHPC biedt een significant voordeel voor het structurele ontwerp. Ten eerste kan het post-cracking ductility en strain Harding gedrag zorgen voor de virtuele eliminatie van de minimale betonstaven die nodig zijn in conventioneel beton om code-gemandateerde ductility te bereiken wanneer falen dreigend is.

ten tweede resulteert de hoge rekbaarheid van het UHPC in een enorme materiaalhardheid, waardoor het vermogen om energie op te nemen zelfs zonder hulp van de betonstaven toeneemt.

Ten derde verhoogt de hoge treksterkte de schuifweerstand van het materiaal, met de mogelijkheid van totale eliminatie van schuifbeugels in het ontwerp van de balk. Door het elimineren van de stijgbeugels kunnen het ontwerp en de productie van elementen worden vereenvoudigd en kunnen de breedte van de Member web (steel) worden verminderd. In feite kunnen balken, kolommen en andere UHPC-constructiedelen worden ontworpen met doorsneden die veel minder volume en dus gewicht aan materiaal hebben en dezelfde capaciteit bieden als conventioneel gewapend betondelen.

geavanceerde technologie voor Prefab voorgespannen beton

UHPC is veelbelovend voor het verbeteren van de mogelijkheden van de prefab voorgespannen betonindustrie. De prestatiekenmerken van dit materiaal kunnen het ontwerp van structurele systemen mogelijk maken die een aanvaardbare sterkte en bruikbaarheid behouden terwijl ze minder ledengewichten, langere spanlengtes en minder versterkend hebben. Bovendien, met de hoge duurzaamheid die dit materiaal biedt, kunnen deze structurele systemen worden ingezet in veeleisende omgevingen, zoals maritieme toepassingen en blootstelling aan koude weersomstandigheden, als goedkope kosten-batenverhouding alternatieven voor ontwerpen die gebruik maken van roestvrij staal en niet-metalen betonstaven.

Voor UHPC om te zien wijdverbreide toepassing in de prefab voorgespannen beton industrie, aan twee voorwaarden moet worden voldaan: (1) UHPC moeten kunnen worden geproduceerd betrouwbaar bij prefab faciliteiten, met grondstoffen kosten in totaal minder dan $1.000 per cu yd (in vergelijking met de huidige prijs van $2.000 tot $3.000 per cu yd voor pre-zakken materialen); en (2) er moeten procedures worden ontwikkeld om het ontwerp van de structurele systemen die inspelen op de unieke eigenschappen van de UHPC. Dergelijke procedures kunnen een enorme waarde opleveren doordat de dwarsdoorsnede met ongeveer 50% wordt verminderd ten opzichte van conventionele betonproducten.

het Instituut voor Prefab / voorgespannen beton (PCI) heeft deze behoefte erkend en heeft middelen uitgetrokken om een onderzoeksproject ten behoeve van de industrie te ondersteunen. Het totale project en ontwerp richtlijnen ontwikkeling worden geleid door e. construct van Omaha, Neb., terwijl de Materiële aspecten van het project werden geleid door twee van de firma van de auteurs, Wisss, Janney, Elstner Associates Of Northbrook, Ill.

de primaire doelstellingen van dit project zijn het ontwikkelen van methoden voor het implementeren van kosteneffectieve UHPC-mixen op basis van lokaal beschikbare materialen in precaster-installaties in heel Noord-Amerika en het ontwikkelen van ontwerprichtlijnen en nieuwe ontwerpen voor geoptimaliseerde constructiedelen voor gebouwen en bruggen.

tot op heden heeft het projectteam richtsnoeren en aanbevelingen ontwikkeld voor het ontwerpen en implementeren van UHPC-mengsels in productiefaciliteiten voor prefab voorgespannen beton en heeft het deze procedures gevalideerd door middel van productie in vijf dergelijke faciliteiten in de VS. (zie Figuur 1 bijvoorbeeld UHPC plaatsing bij een van de deelnemende precasters).

bovendien zijn prototypes van brug-en bouwelementen met een lange overspanning ontworpen, geproduceerd en getest door het projectteam, waarbij de ultieme sterke punten van de leden de ontwerpdienstbelastingen overtreffen. Verwacht wordt dat ondanks de aanvankelijk hoge kosten van de UHPC-materialen, de geoptimaliseerde ontwerpen en gereduceerde ledendoorsneden deze UHPC-producten concurrerend zullen maken met conventionele beton-en staalalternatieven op basis van de initiële kosten. De tot dusver geboekte vooruitgang is samengevat in een Fase I-verslag dat in Februari is gepubliceerd.

figuur 1. Plaatsing van UHPC, waaruit blijkt dat ze consistent zijn.

voorbeeld toepassingen van geoptimaliseerde UHPC-leden

met behulp van UHPC is het nu mogelijk om kantoorgebouwen te ontwerpen met kolomvrije traveeën van 60 voet bij 60 voet, waardoor een grote flexibiliteit in het interieur van gehuurde ruimte mogelijk is. Het is ook mogelijk om brugbalken te ontwikkelen tot 250 ft, binnen aanvaardbare verzendings-en erectielimieten, en zonder de noodzaak van veldstoring of splicing. De volgende twee voorbeelden illustreren het grote potentieel van UHPC-toepassingen.

Figuur 2 toont een ontwerpconcept voor gebruik in gebouwen. De ” π ” vormige dwarsdoorsnede is een prefab, voorgespannen Vloerpaneel dat een spanwijdte van 60 ft toestaat gebruikend een diepte van 22 duim. Voor dit ontwerp is geen ander staal dan de voorspanstrengen nodig. De bovenste flens is slechts 1-inch dik en de stengels zijn slechts 2-inch breed. Het totale gewicht komt overeen met een vaste plaat minder dan 3 inch dik. Geïnstalleerd, zou de soffit worden gesloten met lichte gage balken die zich uitstrekt tussen de stengels en bedekt met gipsplaat, en de stengels hebben openingen om integratie van nutsvoorzieningen mogelijk te maken. Met dit lange-overspanning product, kunnen residentiële multistory gebouwen hebben kolomvrije parkeren in de onderste verdiepingen, wat de efficiëntie van het gebruik van de ruimte en de veiligheid van de bewoners verbetert. De relatief ondiepe structurele diepte-met inbegrip van de mechanische, elektrische en sanitair systemen-zorgt voor een efficiënt gebruik van de ruimte en kosteneffectieve verhaal hoogte.

Figuur 2. Concept van een UHPC-plaatsysteem voor residentiële toepassingen

Figuur 3 toont een conventionele betonplaatbalk die wordt gebruikt voor overspanningen van 40 tot 60 ft in toepassingen voor versnelde brugbouw (ABC). De figuur toont ook een geoptimaliseerde UHPC ongeldige box slab met dezelfde diepte, breedte en laadvermogen. Het UHPC-product heeft ongeveer 52% van het beton en minder dan 4% van de wapening, in vergelijking met de vergelijkbare conventionele betonbalk. Full-scale testen door het Florida DOT Structural Laboratory toonden aan dat dit straalontwerp veel hogere buig -, afschuif -, ponsschuif-en dwarscapaciteit heeft dan vereist voor de brug. Verdere verfijningen in het elementontwerp zouden een vermindering van het aantal gebruikte strengen kunnen rechtvaardigen, die voor deze demonstratie gelijk werden gehouden als voor het conventionele betonproduct.

Figuur 3. Box slab voor brug toepassingen. Links: conventionele betonplaat met wapening (vóór de bekisting); rechts: geoptimaliseerde UHPC box plaat (met bekisting en schuim void-forming blockout op zijn plaats).

conclusie

UHPC heeft het potentieel om een revolutie teweeg te brengen in de prefab -, voorgespannen betonindustrie, vooral in toepassingen op grote schaal, waar lange overspanningen of verbeterde duurzaamheid gunstig zijn. Met nieuwe ontwerpen en opkomende ontwerpprocedures heeft UHPC het vermogen om kostenconcurrerend te zijn met conventionele beton-en staalalternatieven op basis van eerste kosten, en kan zij op basis van de levenscycluskosten op lange termijn een toegevoegde waarde bieden. Door gebruik te maken van de belangrijkste eigenschappen in UHPC, zullen long-span prefab, prestressed bridge en building leden een revolutie teweegbrengen in de industrie, door hun efficiënter gebruik van materialen, verbeterd ruimtegebruik en verbeterde prestaties op lange termijn.