ultrahøj Ydelsesbeton er klar til at revolutionere præfabrikeret, forspændt beton
ultrahøj ydelsesbeton (UHPC) fremstår hurtigt som et førende materiale til præfabrikeret betonkonstruktion. Først introduceret som “reaktiv pulverbeton” i begyndelsen af 1990 ‘ erne, har dette materiale set stigende brug i USA og i udlandet i løbet af det sidste årti.
UHPC er blevet brugt til at konstruere vejbroer i Frankrig, Japan og Malaysia; fodgængerbroer i Canada og Italien; tagpaneler og arkitektoniske facader i Canada og Frankrig; og meget mere.
i USA er UHPC blevet brugt til at konstruere brobjælker i Virginia og Iova, brodæksoverlejringer i Ny York og Delvare og feltstøbte samlinger mellem præfabrikerede bromedlemmer i mere end 20 andre stater. Igangværende forsknings-og udviklingsindsats fra føderale og statslige transportagenturer, nationale brancheorganisationer, private ejere og betonproducenter søger at fremme denne teknologi yderligere, så den kan vedtages bredere inden for både transport-og bygningskonstruktionssektoren.
en vigtig industri, der er velegnet til at udnytte de unikke ydeevneegenskaber ved dette materiale, er den præfabrikerede forspændte Betonindustri.
hvad er UHPC?
UHPC er et fiberforstærket cementbaseret materiale. Den indeholder mange af de samme materialer som konventionel beton — cement, supplerende cementholdige materialer (SCM ‘ er), fint sand og kemiske blandinger — men materialerne er proportioneret for at skabe en tæt pakning af materialer fra silica-røg til sandet, dvs.fra de fineste til de groveste materialer.
det samlede indhold af cementholdige materialer til UHPC — blandinger kan og overstiger ofte 1.500 kg pr.cu yd materiale-mere end det dobbelte af indholdet af cementholdige materialer i de fleste konventionelle betonblandinger. Imidlertid er forholdet mellem vand og bindemiddel (m/b) ofte 0,20 eller mindre, lettes ved brug af specialvandsreduktionsmidler med høj rækkevidde. Den tætte partikelpakning kombineret med den ultra-lave vægt/vægt skaber i betonen en meget raffineret mikrostruktur, der giver enestående styrke og holdbarhed. Som følge heraf kan UHPC-elementer have en forventet levetid på 200 år eller mere, selv i krævende miljøer som marine og deicing eksponeringer.
mens der ikke er nogen ensartet aftalt definition af UHPC, er typiske UHPC-kompressionsstyrker over 17.000 psi, hvor mange kommercielt tilgængelige UHPC-materialer er i stand til at opnå styrker på 30.000 psi eller mere. Sammenlignet med konventionelle og højtydende beton kan UHPC give en 3 til 5 gange stigning i trykstyrke. Trykstyrke er imidlertid ikke den væsentligste egenskab af dette materiale. En vigtig differentiator mellem strukturelle UHPC og andre klasser af beton, især til strukturelle præfabrikerede applikationer, er materialets høje trækstyrke, der stammer fra en kombination af den raffinerede mikrostruktur og de højstyrkestålmikrofibre, der er inkorporeret i blandingen i doser mellem ca.1 og 3 volumenprocent (ca. 130 til 390 lbs/cu yd).
strukturelle UHPC-blandinger kan designes til at opnå direkte trækstyrker på mere end 1.000 psi og bøjningsstyrker på mere end 2.500 psi. Desuden kan en veldesignet UHPC-blanding udvise signifikant duktilitet efter krakning og strainhærdning, hvilket signifikant øger restbøjningsstyrken, når elementet afbøjes efter krakning.
UHPC ‘ s høje trækstyrke og duktilitet efter revnedannelse giver betydelig fordel for strukturelt design. Først, duktilitet efter revner og belastningshærdningsadfærd kan muliggøre den virtuelle eliminering af de minimale armeringsstænger, der kræves i konventionel beton for at opnå kodemanderet duktilitet, når fiasko er nært forestående.
for det andet resulterer UHPC ‘ s høje duktilitet i en enorm materialesejhed, hvilket øger evnen til at absorbere energi selv uden hjælp fra forstærkningsstængerne.
for det tredje øger den høje trækstyrke materialets forskydningsmodstand med muligheden for total eliminering af forskydningsbøjler i stråledesign. Ved at eliminere stigbøjlerne kan elementdesign og produktion forenkles, og medlemsbanebredder (stamme) kan reduceres. Faktisk kan bjælker, søjler og andre UHPC-strukturelle elementer designes med tværsnit, der har meget mindre volumen og dermed vægt af materiale, samtidig med at de giver samme kapacitet som konventionelt armerede betonelementer.
avanceret teknologi til præfabrikeret, forspændt beton
UHPC viser et betydeligt løfte om at fremme kapaciteten i den præfabrikerede, forspændte Betonindustri. Ydeevneegenskaberne ved dette materiale kan muliggøre design af strukturelle systemer, der opretholder acceptabel styrke og brugbarhed, mens de har reduceret medlemsvægte, udvidede spændvidder og mindre forstærkende. Med den høje holdbarhed, som dette materiale giver, kan disse strukturelle systemer desuden implementeres i krævende miljøer, såsom marine applikationer og eksponering for koldt vejr, som alternativer til lave omkostninger og fordele til design, der bruger rustfrit stål og ikke-metalliske armeringsstænger.
for at UHPC kan se udbredt implementering i den præfabrikerede forspændte Betonindustri, skal to betingelser være opfyldt: (1) UHPC skal kunne produceres pålideligt på præfabrikerede faciliteter med råvareomkostninger på i alt mindre end $1.000 pr.cu yd (sammenlignet med de nuværende omkostninger på $2.000 til $3.000 pr. cu yd for præ-posede materialer); og (2) der skal udvikles procedurer for at muliggøre design af strukturelle systemer, der udnytter de unikke ydeevneegenskaber af uhpc. Sådanne procedurer kan give en enorm værdi ved at muliggøre ca.50% reduktion i tværsnit sammenlignet med konventionelle betonprodukter.
det præfabrikerede/forspændte Betoninstitut (PCI) har erkendt dette behov og afsat ressourcer til at støtte et forskningsprojekt til gavn for branchen. Den overordnede udvikling af projekt-og designretningslinjer ledes af e.konstruktion af Omaha, Neb., mens de materielle aspekter af projektet er blevet ledet af to af forfatterens firma, viss, Janney, Elstner Associates of Northbrook, Ill.
de primære mål med dette projekt er at udvikle metoder til implementering af omkostningseffektive UHPC-blandinger baseret på lokalt tilgængelige materialer på precaster-faciliteter i hele Nordamerika og at udvikle designretningslinjer og nye designs til optimerede strukturelle medlemmer til bygninger og broer.
til dato har projektteamet udviklet retningslinjer og anbefalinger til design og implementering af UHPC-blandinger på præfabrikerede forspændte betonproduktionsfaciliteter og har valideret disse procedurer gennem produktion på fem sådanne faciliteter i hele USA. (se figur 1 For eksempel UHPC placering på en af de deltagende precasters).
derudover er prototyper af langspændte bro-og bygningselementer designet, produceret og testet af projektteamet med de ultimative medlemsstyrker, der overstiger designtjenestebelastningerne. Det forventes, at på trods af de oprindelige høje omkostninger ved UHPC-materialerne, de optimerede design og reducerede medlemstværsnit vil gøre disse UHPC-produkter konkurrencedygtige med konventionelle beton-og stålalternativer på en indledende omkostningsbasis. Fremskridtene til dato er opsummeret i en fase i-rapport, der blev offentliggjort i Februar.
Figur 1. Placering af UHPC, der demonstrerer selvkonsoliderende konsistens.
eksempel på anvendelser af optimerede UHPC-medlemmer
ved hjælp af UHPC er det nu muligt at designe kontorbygningsgulve med søjlefrie bugter, der er 60 fod med 60 fod, hvilket giver stor fleksibilitet i indretning af lejet plads. Det er også muligt at udvikle brobjælker så længe som 250 fod inden for acceptable forsendelses-og erektionsgrænser og uden behov for feltskoring eller splejsning. De følgende to eksempler illustrerer det stærke potentiale ved UHPC-applikationer.
figur 2 viser et designkoncept til brug i bygninger. Det “prisT” formede tværsnit er et præfabrikeret, forspændt Gulvpanel, der giver mulighed for en 60-ft spændvidde ved hjælp af en dybde på 22 tommer. Intet stål, bortset fra forspændingsstrengene, er nødvendigt for dette design. Den øverste flange er kun 1 tommer tyk, og stilkene er kun 2 tommer brede. Den samlede vægt svarer til en solid plade mindre end 3 inches tyk. Installeret, soffit ville være lukket ind med lette gage bjælker, der strækker sig mellem stilkene og dækket med gipsplader, og stilkene har åbninger for at muliggøre integration af forsyningsselskaber. Med dette langvarige produkt kan boliger i flere etager have kolonnefri parkering i de nederste etager, hvilket forbedrer effektiviteten af pladsudnyttelsen og beboernes sikkerhed. Den relativt lave strukturelle dybde-der indeholder det mekaniske, elektriske og VVS-systemer-giver effektiv udnyttelse af rummet og omkostningseffektiv historiehøjde.
Figur 2. Koncept af et UHPC-Pladesystem til boligapplikationer
figur 3 viser en konventionel betonpladebjælke, der anvendes til 40 – til 60-ft spændvidder i accelerated bridge construction (ABC) applikationer. Figuren viser også en optimeret uhpc-ugyldig kasseplade med samme dybde, bredde og belastningskapacitet. 52% af betonen og mindre end 4% af armeringsjern sammenlignet med den tilsvarende konventionelle betonbjælke. Test i fuld skala fra Florida DOT Structural Laboratory viste, at dette stråledesign har meget højere bøjning, forskydning, stansning og tværgående kapacitet end krævet til broen. Yderligere forbedringer i elementdesignet kunne retfærdiggøre en reduktion i antallet af anvendte tråde, som blev holdt de samme som for det konventionelle betonprodukt til denne demonstration.
figur 3. Boks plade til bro applikationer. Venstre: konventionel betonboksplade, der viser forstærkning (før forskallingsinstallation); højre: optimeret UHPC kasse plade (med forskalling og skum void-dannende blockout på plads).
konklusion
UHPC har potentialet til at revolutionere den præfabrikerede, forspændte Betonindustri, især i store applikationer, hvor lange spænd eller forbedret holdbarhed er gavnlige. Med nye designs og nye designprocedurer har UHPC evnen til at være omkostningskonkurrencedygtig med konventionelle beton-og stålalternativer på en første omkostningsbasis og kan give yderligere værdi på en langsigtet livscyklusomkostningsbasis. Ved at drage fordel af de vigtigste egenskaber i UHPC vil langspændte præfabrikerede, forspændte bro-og bygningsmedlemmer revolutionere branchen gennem deres mere effektive brug af materialer, forbedret pladsudnyttelse og forbedret langsigtet ydeevne.