Ultrahögpresterande betong är redo att revolutionera prefabricerad, förspänd betong

Ultra-high-performance concrete (UHPC) växer snabbt fram som ett främsta material för prefabricerad betongkonstruktion. Först introducerades som” reaktiv pulverbetong ” i början av 1990-talet, har detta material sett växande användning i USA och utomlands under det senaste decenniet.

UHPC har använts för att bygga vägbroar i Frankrike, Japan och Malaysia; gångbroar i Kanada och Venezuela; takpaneler och arkitektoniska fasader i Kanada och Frankrike; och mer.

i USA har UHPC använts för att konstruera brobalkar i Virginia och Iowa, brodäcköverlägg i New York och Delaware, och fältskjutna fogar mellan prefabricerade bromedlemmar i mer än 20 andra stater. Pågående forsknings-och utvecklingsinsatser från federala och statliga transportbyråer, nationella branschorganisationer, privata ägare och betongproducenter försöker ytterligare främja denna teknik så att den kan antas bredare inom både transport-och byggnadskonstruktionssektorerna.

en viktig industri som är väl lämpad för att dra nytta av de unika prestandaegenskaperna hos detta material är den prefabricerade förspända betongindustrin.

Vad är UHPC?

UHPC är ett fiberförstärkt, cementbaserat material. Den innehåller många av samma material som konventionell betong — cement, kompletterande cementmaterial (SCM), fin sand och kemiska tillsatser — men materialen är proportionerade för att skapa en tät förpackning av material från kiseldioxidröket till sanden, dvs från de finaste till de grovaste materialen.

totalt cementmaterial innehåll för UHPC blandningar kan och ofta gör överstiga 1,500 lbs per cu yd av material — mer än dubbelt cementmaterial innehållet i de flesta konventionella betongblandningar. Emellertid är förhållandet mellan vatten och bindemedel (w / b) ofta 0,20 eller mindre, underlättat genom användning av specialvattenreducerare med hög räckvidd. Den täta partikelpackningen, i kombination med den ultralåga w/b, skapar i betongen en mycket raffinerad mikrostruktur som ger exceptionell styrka och hållbarhet. Som ett resultat kan uhpc-element ha en förväntad livslängd på 200 år eller mer, även i krävande miljöer som Marina och avisningsexponeringar.

även om det inte finns någon enhetlig överenskommen definition av UHPC, är typiska uhpc-tryckstyrkor över 17 000 psi, med många kommersiellt tillgängliga UHPC-material som kan uppnå styrkor på 30 000 psi eller mer. Jämfört med konventionella och högpresterande betong kan UHPC ge en 3-till 5-faldig ökning av tryckhållfastheten. Tryckhållfasthet är emellertid inte den viktigaste egenskapen hos detta material. En viktig skillnad mellan strukturell UHPC och andra klasser av betong, särskilt för strukturella prefabricerade applikationer, är materialets höga dragförmåga, som härrör från en kombination av den raffinerade mikrostrukturen och höghållfasta stålmikrofibrer som införlivas i blandningen vid doser mellan ca 1 och 3%, i volym (ca 130 till 390 lbs/cu yd).

strukturella uhpc-blandningar kan utformas för att uppnå direkta dragstyrkor på mer än 1000 psi och böjstyrkor på mer än 2500 psi. Dessutom kan en väl utformad UHPC-blandning uppvisa signifikant duktilitet efter sprickbildning och töjningshärdning, vilket väsentligt ökar återstående böjhållfasthet när elementet avböjer efter sprickbildning.

den höga draghållfastheten och efterkrackningsduktiliteten hos UHPC ger betydande fördelar för strukturell design. För det första kan efterkrackningsduktiliteten och spänningshärdningsbeteendet möjliggöra virtuell eliminering av de minsta armeringsstänger som krävs i konventionell betong för att uppnå kodbeställd duktilitet när fel är överhängande.

för det andra resulterar uhpc: s höga duktilitet i en enorm materialseghet, vilket ökar förmågan att absorbera energi även utan hjälp från armeringsstängerna.

för det tredje ökar den höga draghållfastheten materialets skjuvmotstånd, med möjlighet till total eliminering av skjuvstänger i stråldesign. Genom att eliminera stigbyglarna kan elementdesign och produktion förenklas, och medlems web (stam) bredder kan minskas. Faktum är att Balkar, kolonner och andra uhpc-konstruktionselement kan utformas med tvärsnitt som har mycket mindre volym och därmed vikt av material samtidigt som de ger samma kapacitet som konventionellt armerade betongelement.

avancerad teknik för prefabricerad, förspänd betong

UHPC visar ett stort löfte för att främja kapaciteten hos den prefabricerade, förspända betongindustrin. Prestandaegenskaperna hos detta material kan möjliggöra utformning av strukturella system som upprätthåller acceptabel styrka och användbarhet samtidigt som de har reducerade medlemsvikter, förlängda spännlängder och mindre förstärkning. Dessutom, med den höga hållbarheten som detta material ger, kan dessa strukturella system användas i krävande miljöer, såsom marina applikationer och exponering för kallt väder, som låg kostnad-nytta-förhållande alternativ till konstruktioner som använder rostfritt stål och icke-metalliska armeringsstänger.

för att UHPC ska kunna se utbredd implementering i den prefabricerade förspända betongindustrin måste två villkor vara uppfyllda: (1) UHPC måste kunna produceras pålitligt vid prefabricerade anläggningar, med råmaterialkostnader på totalt mindre än $1,000 per cu yd (jämfört med nuvarande kostnader på $2,000 till $3,000 per cu yd för pre-bagged material); och (2) procedurer måste utvecklas för att möjliggöra design av strukturella system som utnyttjar de unika prestandaegenskaperna hos de uhpc. Sådana förfaranden kan ge enormt värde genom att möjliggöra ungefär 50% minskning i tvärsnitt jämfört med konventionella betongprodukter.

Precast/Prestressed Concrete Institute (PCI) har erkänt detta behov och ägnat resurser för att stödja ett forskningsprojekt till förmån för branschen. Den övergripande utvecklingen av projekt-och designriktlinjer leds av e.konstruera Omaha, Neb., medan materialets aspekter av projektet har letts av två av författarnas företag, Wiss, Janney, Elstner Associates of Northbrook, Ill.

de primära målen för detta projekt är att utveckla metoder för att implementera kostnadseffektiva uhpc-blandningar baserade på lokalt tillgängliga material vid precaster-anläggningar i hela Nordamerika och att utveckla designriktlinjer och nya mönster för optimerade konstruktionselement för byggnader och broar.

hittills har projektgruppen utvecklat riktlinjer och rekommendationer för design och implementering av UHPC-blandningar vid prefabricerade förspända betongproduktionsanläggningar och har validerat dessa förfaranden genom produktion vid fem sådana anläggningar över hela USA. (se Figur 1 till exempel UHPC placering vid en av de deltagande precasters).

dessutom har prototyper av långa bro-och byggnadselement designats, producerats och testats av projektgruppen, med de ultimata medlemsstyrkorna som överstiger designtjänstbelastningarna. Det förväntas att trots den initiala höga kostnaden för uhpc-materialen kommer de optimerade konstruktionerna och reducerade medlemmarnas tvärsnitt att göra dessa UHPC-produkter konkurrenskraftiga med konventionella betong-och stålalternativ på en initial kostnad. Framstegen hittills har sammanfattats i en fas I-rapport som publicerades i februari.

Figur 1. Placering av UHPC, som visar självkonsoliderande konsistens.

exempel på tillämpningar av optimerade Uhpc-medlemmar

med hjälp av UHPC är det nu möjligt att designa kontorsbyggnadsgolv med kolonnfria vikar som är 60 fot och 60 fot, vilket möjliggör stor flexibilitet i inredning av hyrt utrymme. Det är också möjligt att utveckla brobalkar så länge som 250 ft, inom acceptabla frakt-och erektionsgränser, och utan behov av fältskorning eller skarvning. Följande två exempel illustrerar den starka potentialen hos UHPC-applikationer.

Figur 2 visar ett designkoncept för användning i byggnader. Den” Xiaomi ” formade tvärsnitt är en prefabricerad, förspänd Golvpanel som möjliggör en 60-ft span med ett djup av 22 inches. Inget stål, annat än förspänningssträngarna, behövs för denna design. Den övre flänsen är bara 1 tum tjock och stjälkarna är bara 2 tum breda. Den totala vikten motsvarar en fast platta mindre än 3 tum tjock. Installerad skulle soffit stängas in med lätta Gage-reglar som sträcker sig mellan stjälkarna och täckas med gipsskivor, och stjälkarna har öppningar för att möjliggöra integration av verktyg. Med denna långvariga produkt kan bostadshus med flera våningar ha kolonnfri parkering på de nedre våningarna, vilket ökar effektiviteten i rymdutnyttjandet och invånarnas säkerhet. Det relativt grunda strukturella djupet-som innehåller mekaniska, elektriska och VVS-system-ger effektiv användning av utrymme och kostnadseffektiv berättelsehöjd.

Figur 2. Konceptet av ett Uhpc-Slabsystem för bostadsapplikationer

Figur 3 visar en konventionell betongplatta som används för 40 – till 60-ft spänner i accelererad brokonstruktion (ABC) applikationer. Figuren visar också en optimerad uhpc-ogiltig boxplatta med samma djup, bredd och lastkapacitet. UHPC-produkten har cirka 52% av betongen och mindre än 4% av armeringsjärn, jämfört med den liknande konventionella betongbalken. Fullskalig testning av Florida DOT Structural Laboratory visade att denna stråldesign har mycket högre böjnings -, skjuv -, stansskjuv-och tvärgående kapacitet än vad som krävs för bron. Ytterligare förbättringar i elementdesignen kan motivera en minskning av antalet använda strängar, som hölls desamma som för den konventionella betongprodukten för denna demonstration.

Figur 3. Box platta för bro applikationer. Vänster: konventionell betongboxplatta som visar förstärkning( före formsättning); höger: optimerad uhpc box platta (med formsättning och skum void-forming blockout på plats).

slutsats

UHPC har potential att revolutionera den prefabricerade, förspända betongindustrin, särskilt i storskaliga applikationer, där långa spännvidder eller förbättrad hållbarhet är fördelaktiga. Med nya mönster och nya designprocedurer har UHPC förmågan att vara kostnadseffektiv med konventionella betong-och stålalternativ på första kostnad och kan ge mervärde på lång sikt livscykelkostnad. Genom att dra nytta av de viktigaste egenskaperna i UHPC, lång span prefabricerade, förspända bro och bygga medlemmar kommer att revolutionera branschen, genom deras mer effektiv användning av material, förbättrad rymdutnyttjande, och förbättrad långsiktig prestanda.