Ultra-High-Performance Concrete jest gotowy do zrewolucjonizowania prefabrykowanego betonu sprężonego

Beton o bardzo wysokiej wydajności (UHPC) szybko staje się wiodącym materiałem do prefabrykowanych konstrukcji betonowych. Po raz pierwszy wprowadzony jako „reaktywny Beton proszkowy” na początku lat 90., materiał ten był coraz częściej stosowany w USA i za granicą w ciągu ostatniej dekady.

UHPC został wykorzystany do budowy mostów drogowych we Francji, Japonii i Malezji; mostów dla pieszych w Kanadzie i Wenezueli; paneli dachowych i fasad architektonicznych w Kanadzie i Francji; i więcej.

w Stanach Zjednoczonych UHPC było używane do budowy belek mostowych w Wirginii i Iowa, nakładek pokładów mostowych w Nowym Jorku i Delaware oraz field-cast joints między prefabrykowanymi mostami w ponad 20 innych stanach. Prowadzone obecnie prace badawczo-rozwojowe przez federalne i stanowe agencje transportowe, krajowe organizacje branżowe, Prywatnych właścicieli i producentów betonu dążą do dalszego rozwoju tej technologii, aby mogła ona zostać szerzej przyjęta zarówno w sektorze transportu, jak i budownictwa.

jedną z kluczowych gałęzi przemysłu, która doskonale nadaje się do wykorzystania unikalnych właściwości użytkowych tego materiału, jest przemysł prefabrykatów sprężonych.

co to jest UHPC?

UHPC jest materiałem wzmocnionym włóknem, na bazie cementu. Zawiera wiele takich samych materiałów jak konwencjonalny beton-cement, dodatkowe materiały cementowe (SCMs), drobny piasek i domieszki chemiczne — ale materiały są proporcjonalnie do tworzenia gęstego opakowania materiałów od dymu krzemionkowego do piasku, tj. od najlepszych do najbardziej grubych materiałów.

całkowita zawartość materiałów cementowych dla mieszanin UHPC może i często przekracza 1500 funtów na cu yd materiału — ponad dwukrotnie więcej niż zawartość materiałów cementowych w większości konwencjonalnych mieszanek betonowych. Jednak stosunek wody do spoiwa (w / b) często wynosi 0,20 lub mniej, ułatwiony dzięki zastosowaniu specjalnych reduktorów wody o dużym zasięgu. Gęste pakowanie cząstek w połączeniu z ultra-niską zawartością w / b tworzy w betonie wysoce wyrafinowaną mikrostrukturę, która zapewnia wyjątkową wytrzymałość i trwałość. W rezultacie żywotność elementów UHPC może wynosić co najmniej 200 lat, nawet w wymagających środowiskach, takich jak narażenie na działanie wody i deicing.

chociaż nie ma jednolicie uzgodnionej definicji UHPC, typowe wytrzymałości na ściskanie UHPC przekraczają 17 000 psi, a wiele dostępnych na rynku materiałów UHPC jest w stanie osiągnąć moc 30 000 psi lub więcej. W porównaniu do konwencjonalnych i wysokowydajnych betonów, UHPC może zapewnić 3 do 5-krotne zwiększenie wytrzymałości na ściskanie. Jednak wytrzymałość na ściskanie nie jest najważniejszą właściwością tego materiału. Kluczową różnicą między konstrukcyjnym UHPC a innymi klasami betonu, szczególnie w przypadku prefabrykatów konstrukcyjnych, jest wysoka wytrzymałość materiału na rozciąganie, która wynika z połączenia wyrafinowanej mikrostruktury i wysokowytrzymałych stalowych mikrofibry, które są włączane do mieszaniny w dawkach od około 1 do 3% objętościowo (około 130 do 390 funtów/cu yd).

strukturalne mieszaniny UHPC mogą być zaprojektowane w celu uzyskania bezpośrednich wytrzymałości na rozciąganie ponad 1000 psi i wytrzymałości na zginanie ponad 2500 psi. Co więcej, dobrze zaprojektowana mieszanina UHPC może wykazywać znaczną plastyczność po krakingu i utwardzanie odkształceń, znacznie zwiększając resztkową wytrzymałość na zginanie, gdy element odchyla się po pęknięciu.

wysoka wytrzymałość na rozciąganie i plastyczność po pękaniu UHPC zapewnia znaczące korzyści dla projektowania konstrukcyjnego. Po pierwsze, zachowanie ciągliwości po krakingu i utwardzania odkształceń może pozwolić na wirtualną eliminację minimalnych prętów zbrojeniowych wymaganych w konwencjonalnym betonie, aby osiągnąć ciągliwość nakazaną kodem, gdy nieuchronna jest awaria.

po drugie, wysoka ciągliwość UHPC powoduje ogromną wytrzymałość materiału, co zwiększa zdolność pochłaniania energii nawet bez pomocy prętów zbrojeniowych.

Po Trzecie, wysoka wytrzymałość na rozciąganie zwiększa odporność na ścinanie materiału, z możliwością całkowitej eliminacji strzemion ścinających w konstrukcji belki. Eliminując strzemiona, można uprościć projektowanie i produkcję elementów, a także zmniejszyć szerokość wstęgi (łodygi). W rzeczywistości belki, kolumny i inne elementy konstrukcyjne UHPC mogą być zaprojektowane z przekrojami o znacznie mniejszej objętości, a tym samym wadze materiału, zapewniając taką samą pojemność jak konwencjonalnie zbrojone elementy betonowe.

zaawansowana technologia dla prefabrykatów, betonów sprężonych

UHPC pokazuje znaczną obietnicę rozwoju możliwości przemysłu prefabrykatów, betonów sprężonych. Właściwości użytkowe tego materiału mogą pozwolić na projektowanie systemów konstrukcyjnych, które zachowują akceptowalną wytrzymałość i łatwość serwisowania przy jednoczesnym zmniejszeniu ciężaru prętów, wydłużeniu rozpiętości i mniejszym wzmocnieniu. Ponadto, dzięki wysokiej trwałości zapewnianej przez ten materiał, te systemy konstrukcyjne mogą być stosowane w wymagających środowiskach, takich jak zastosowania morskie i narażenie na zimne warunki atmosferyczne, jako alternatywne rozwiązania w stosunku kosztów do korzyści w stosunku do konstrukcji wykorzystujących stal nierdzewną i niemetaliczne pręty zbrojeniowe.

aby UHPC było szeroko wdrażane w przemyśle prefabrykowanych betonów sprężonych, należy spełnić dwa warunki: (1) UHPC musi być w stanie być niezawodnie produkowany w zakładach prefabrykowanych, przy kosztach surowców wynoszących mniej niż 1000 USD za cu yd (w porównaniu z obecnymi kosztami od 2000 USD do 3000 USD za cu yd dla materiałów wstępnie zapakowanych); oraz (2) należy opracować procedury umożliwiające projektowanie systemów konstrukcyjnych, które wykorzystują unikalne cechy wydajności uhpc. Takie procedury mogą zapewnić ogromną wartość, umożliwiając około 50% zmniejszenie przekroju w porównaniu z konwencjonalnymi produktami betonowymi.

Instytut prefabrykatów/betonu sprężonego (PCI) dostrzegł tę potrzebę i poświęcił zasoby na wsparcie projektu badawczego z korzyścią dla przemysłu. Ogólnym projektem i wytycznymi projektowymi kieruje e. construct Z Omaha, Neb., natomiast materiały do projektu prowadzili dwaj autorzy: Wiss, Janney, Elstner, Northbrook, Ill.

głównym celem tego projektu jest opracowanie metod wdrażania opłacalnych mieszanek UHPC opartych na lokalnie dostępnych materiałach w zakładach prefabrykowanych w całej Ameryce Północnej oraz opracowanie wytycznych projektowych i nowatorskich projektów dla zoptymalizowanych elementów konstrukcyjnych dla budynków i mostów.

do tej pory zespół projektowy opracował wytyczne i zalecenia dotyczące projektowania i wdrażania mieszanek UHPC w zakładach produkcyjnych prefabrykowanych betonów sprężonych i zatwierdził te procedury poprzez produkcję w pięciu takich zakładach w Stanach Zjednoczonych. (patrz rysunek 1, na przykład umieszczenie UHPC w jednym z uczestniczących przedwzmacniaczy).

ponadto prototypy mostów i elementów budowlanych o długim przęsle zostały zaprojektowane, wyprodukowane i przetestowane przez zespół projektowy, a ich mocna strona przewyższa obciążenia związane z usługami projektowymi. Oczekuje się, że pomimo początkowego wysokiego kosztu materiałów UHPC, zoptymalizowane projekty i zredukowane przekroje prętów sprawią, że produkty UHPC będą konkurencyjne w stosunku do konwencjonalnych alternatyw betonowych i stalowych na podstawie początkowych kosztów. Dotychczasowe postępy zostały podsumowane w sprawozdaniu z fazy I opublikowanym w lutym.

Rysunek 1. Umieszczenie UHPC, wykazując samokontroli spójności.

przykładowe zastosowania zoptymalizowanych członków UHPC

korzystając z UHPC, można teraz zaprojektować podłogi biurowców z wnękami bez kolumn o wymiarach 60 stóp na 60 stóp, co pozwala na dużą elastyczność w projektowaniu wnętrza wynajmowanej powierzchni. Możliwe jest również opracowanie belek mostowych o długości do 250 stóp, w dopuszczalnych granicach wysyłki i montażu, bez konieczności podparcia lub łączenia. Poniższe dwa przykłady ilustrują duży potencjał zastosowań UHPC.

Rysunek 2 przedstawia koncepcję projektową do stosowania w budynkach. Przekrój w kształcie ” π ” jest prefabrykowanym, sprężonym panelem podłogowym, który pozwala na rozpiętość 60 stóp przy głębokości 22 cali. Do tego projektu nie jest potrzebna żadna stal, inna niż sploty sprężające. Górny kołnierz ma tylko 1 cal grubości, a łodygi mają tylko 2 cale szerokości. Całkowita waga odpowiada solidnej płycie o grubości mniejszej niż 3 cale. Zainstalowany podsufit byłby zamknięty lekkimi belkami gage rozciągającymi się między łodygami i pokrytymi płytą gipsową, a łodygi mają otwory umożliwiające integrację mediów. Dzięki temu produktowi o dużej rozpiętości, budynki wielorodzinne mogą mieć parking bez kolumn na niższych piętrach, co zwiększa efektywność wykorzystania przestrzeni i bezpieczeństwo mieszkańców. Stosunkowo płytka głębokość konstrukcyjna-obejmująca systemy mechaniczne, elektryczne i hydrauliczne — zapewnia efektywne wykorzystanie przestrzeni i opłacalną wysokość historii.

Rysunek 2. Koncepcja systemu płyt UHPC do zastosowań domowych

Rysunek 3 przedstawia konwencjonalną belkę płyty betonowej stosowaną do przęseł o rozpiętości od 40 do 60 stóp w zastosowaniach przyspieszonej budowy mostów (ABC). Na rysunku przedstawiono również zoptymalizowaną pustą płytę skrzynkową UHPC o tej samej głębokości, szerokości i nośności. Produkt UHPC ma około 52% betonu i mniej niż 4% pręta zbrojeniowego, w porównaniu z podobną konwencjonalną belką betonową. Testy na pełną skalę przeprowadzone przez Laboratorium strukturalne Florida DOT wykazały, że ta konstrukcja belki ma znacznie większą wytrzymałość na zginanie, ścinanie, wykrawanie i poprzeczne niż wymagana dla mostu. Dalsze udoskonalenia w zakresie konstrukcji elementów mogłyby uzasadnić zmniejszenie liczby zastosowanych skrętek, które dla tej demonstracji pozostały takie same jak w przypadku konwencjonalnego produktu betonowego.

Rysunek 3. Płyta skrzynkowa do zastosowań mostowych. Po lewej: konwencjonalna betonowa płyta skrzynkowa pokazująca zbrojenie( przed instalacją deskowania); po prawej: zoptymalizowana Płyta skrzynkowa UHPC (z szalunkiem i blokadą tworzącą pustkę piankową na miejscu).

wniosek

UHPC ma potencjał, aby zrewolucjonizować przemysł prefabrykowanych betonów sprężonych, szczególnie w zastosowaniach na dużą skalę, gdzie korzystne są długie rozpiętości lub zwiększona trwałość. Dzięki nowatorskim projektom i pojawiającym się procedurom projektowym UHPC może być konkurencyjny pod względem kosztów w stosunku do konwencjonalnych alternatyw betonowych i stalowych na zasadzie pierwszego kosztu i może zapewnić dodatkową wartość w oparciu o długoterminową podstawę kosztów cyklu życia. Korzystając z kluczowych właściwości UHPC, prefabrykatów o dużej rozpiętości, sprężonych mostów i elementów budowlanych, zrewolucjonizują przemysł, dzięki bardziej wydajnemu wykorzystaniu materiałów, lepszemu wykorzystaniu przestrzeni i zwiększonej długoterminowej wydajności.