Ultrahochleistungsbeton

Wenn normaler Transportbeton hergestellt wird, können die größten Zuschlagstoffe in der Mischung von 1-1 / 2 Zoll bis zu 3/8 Zoll mit Druckfestigkeiten von bis zu 10.000 psi reichen. Gute Mischungen sind „gut abgestuft“, was bedeutet, dass die Hohlräume zwischen den größten Aggregaten mit kleineren Aggregaten gefüllt werden und so weiter, bis die geringste Menge an Leerraum möglich ist. Ultrahochleistungsbeton (UHPC) ist so, außer dass das Füllen der Hohlräume zwischen Zuschlagstoffen als „Partikelpackung“ bezeichnet wird.“ Sri Sritharan, der Wilkinson Chair of Interdisciplinary Engineering am Department of Civil, Construction und Environmental Engineering der Iowa State University, Ames, Iowa, fügt hinzu, dass die Partikelgrößen für UHPC sehr klein gehalten werden, um eine dichtere Matrix zu erzeugen, die größte Größe nicht mehr als 600 Mikrometer (etwa die Größe eines Quarzsandkorns). Dieses hilft, die Standarddruckfestigkeit dieser Mischungen über 22.000 P/in zu erhöhen.

Am Anfang hieß es Reactive Powder Concrete (RPG), aber das änderte sich Mitte der neunziger Jahre, als es als UHPC bekannt wurde. Die Forschung an diesem Produkt entstand bereits 1964 in Dänemark als Teil ihrer Bemühungen, höherfeste Betonmischungen zu entwickeln. Ihre Forschung konzentrierte sich auf sehr dichte partikelgefüllte Mischungen mit niedrigen Wasser / Zement-Verhältnissen, und in den 1970er Jahren trug die Entwicklung von Superplastifizierern (High Range Water Reducers von HRWR) weiter dazu bei, niedrige Wasser / Zement-Verhältnisse zu erreichen. Dominique Corvez, Vice President und Leiter von Ductal North America bei Lafarge, dessen Hauptsitz in den USA in Chicago, Illinois, liegt, sagt, dass sie begonnen haben, diese Technologie auch in Frankreich zu untersuchen. Bauunternehmer experimentierten zuerst damit, aber LaFarge, einer der größten Zementhersteller der Welt, entwickelte ein UHPC-Produkt, das sie „Ductal“ nannten und das bis heute verwendet wird. Am Anfang wurde jede Charge von Grund auf neu hergestellt, aber heute gibt es mehrere kommerzielle Hersteller von verpackten Trockenmischungen. LaFarge Holcim ist einer der größten Produzenten davon.

Vorteile von UHPC

Die Druckfestigkeit ist die bekannteste Methode zur Charakterisierung von UHPC. Wie bereits erwähnt, wird erwartet, dass die Druckfestigkeiten im Bereich von 22.000 bis 30.000 psi liegen, um UHPC in Betracht zu ziehen, aber Forschungsstudien von ausgehärtetem UHPC unter hohem Druck und Hitze haben bisher Druckfestigkeiten von bis zu 116.000 psi ergeben. Aber es gibt auch andere einzigartige Vorteile.

• Hoher Elastizitätsmodul (MOE), der im Bereich von 7.500 ksi liegen kann
• Hohe Zugfestigkeit im Vergleich zu normalem Beton
• UHPC hat eine hohe Haftfestigkeit zur Stahlbewehrung und dies kann die Größe einer Betonplatte reduzieren, die zum Verkleben von Betonelementen erforderlich ist
• Es hat eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Frost-Tau-Zyklen, ohne dass Luft mitgerissen werden muss beimischungen
• Strukturelemente können kleiner und leichter sein als mit normalem Beton
• Architekten können dünnere Betonelemente entwerfen, verbesserung des architektonischen Erscheinungsbildes ihrer Arbeit
• Es ist ein sehr dichtes Material mit Kapillarporen, wodurch es undurchlässig für das Eindringen von Wasser und Salz ist, ohne die Oberfläche abzudichten
• Es hat eine sehr geringe Schrumpfung und kann als nicht schrumpfender Mörtel verwendet werden
• Es überträgt getreu selbst feinste Reliefs von geformten Oberflächen, was zu idealeren architektonischen Betonstücken führt

Zutaten Das Ziel für UHPC ist zur Herstellung von sehr dichtem undurchlässigem Beton durch Partikelpackung – Anordnen von Partikelgrößen in der Mischung, so dass ein minimaler Hohlraum vorhanden ist zwischen Partikeln – in einer Umgebung mit sehr niedrigem w / c-Verhältnis. Ähnlich wie bei selbstverfestigendem Beton (SCC) wird die UHPC-Fließfähigkeit eher in „Ausbreitung“ als in Zoll Einbruch gemessen. Spreizdurchmesser von 12-20 Zoll sind üblich, was das Platzieren und Konsolidieren erleichtert, was zu einer sehr hohen Festigkeit und einer guten Beständigkeit gegen Umweltschäden führt.

Es gibt viele verschiedene Mix-Designs für UHPC, aber sie werden einige oder alle der folgenden Zutaten verwenden:

• Zement. Portlandzement mit etwas längerem Hydratationsprozess wird bevorzugt
• Gemahlener Kalkstein. Verwendet als feines Aggregat
• Sand. Das größte Aggregat im Mix.
• Quarzpulver. Sehr fein gemahlene Kieselsäure, die verwendet wird, um lebenswichtige Partikelgrößen
• Flugasche bereitzustellen. Ein ergänzendes zementartiges Material (SEM), das auch beim Partikelverpackungsprozess hilft
• Silica Fume. Ein REM mit Partikelgrößen von nur 1 Mikron zur Verdichtung der Mischung.
• Beimischungen. Polycarboxylat-Superplastifizierer (Wasserreduzierer mit hoher Reichweite), die zur Unterstützung des Misch- und Platzierungsprozesses verwendet werden und sehr niedrige w / c-Verhältnisse ermöglichen
• Fasern. Eine Reihe von Fasern werden in UHPC-Mischungen verwendet. Sie umfassen; Stahl, Glasfaser, Polyvinylacetat (PVA), Polypropylen und andere. Die Menge von jedem hängt vom verwendeten Material ab, aber Stahlfasern werden gewöhnlich 2% bis 3% durch das Volumen der Mischung dosiert. Dies entspricht 0,5 bis 0,8 Kubikfuß Faser und die Fasern sind sehr dünn, normalerweise 0,2 Millimeter im Durchmesser.
• Wasser. Die geringe Menge an Wasser, etwa ein 0.2 wasser/zement verhältnis, reduziert schrumpfung und erhöht die festigkeit der beton

Mischen UHPC

Aufgrund der feinheit der materialien und die sehr niedrigen w/c verhältnis mischen UHPC mischungen erfordert spezielle ausrüstung. Sritharan sagt, dass die meisten UHPC auf Baustellen mit High-Shear-Pan-Mischern gemischt werden, aber er sagt, er sei auf Baustellen gewesen, auf denen spezielle Transportwagen eingesetzt wurden. Das Mischen von UHPC von Grund auf erfordert einen aufwendigen Mischprozess, um alle feinen Pulvermaterialien ordnungsgemäß zusammen zu verteilen. Infolgedessen verwenden die meisten UHPC-Bauanwendungen heute vorverpackte Produkte. Aus diesem und anderen Gründen werden typischerweise weniger als 1-1 / 2 Kubikmeter auf einmal gemischt.

Hitzehärtung

Sritharan sagt, dass die Dampfhärtung von UHPC mit Temperaturen im Bereich von 194ºF eine hohe Frühfestigkeit entwickelt. Durch die 48-stündige Dampfhärtung kann UHPC schnell seine volle Festigkeit erreichen, und wenn hoher Druck mit erhöhten Dampftemperaturen eingeführt wird, kann die Festigkeit noch weiter erhöht werden.

Baustellenanwendungen

UHPC ist teuer in der Herstellung — viel höher als Standardbetonmischungen, und vielleicht ist dies der Grund, warum seine Akzeptanz langsam war. Aber wenn alle Vorteile berücksichtigt werden, kann es kostengünstig sein. In den USA ist der Infrastruktur- und Brückenbau derzeit der größte UHPC-Anwender, vor allem für die Verbindung von vorgefertigten Brückenelementen. Es ist üblich, 18-Zoll-Bewehrungsstabüberlappungen für eine ordnungsgemäße Verankerung vorzusehen, aber UHPC-Installationen erfordern aufgrund ihrer überlegenen Haftfestigkeit nur 9 Zoll. Infolgedessen ist die Lauflänge für diese Verbindungsräume viel geringer und es besteht eine größere Beständigkeit gegenüber Umgebungsbedingungen.

Sritharan sagt, dass das Iowa Department of Transportation auch die Verwendung von UHPC als Überlagerungsmaterial für Brückendecks erforscht. Eine 1 bis 1-1 / 2 Zoll dicke Überlagerung bietet ultimativen Schutz für Brückendecks, da sie nicht durch Salz, andere Enteisungsmittel oder Gefrier-Tau-Zyklen beeinträchtigt werden.

Dünne architektonische UHPC-Verbundplatten

Kevin Gannon, RA, der Direktor für Programmentwicklung bei Taktl LLC mit Sitz in Turtle Creek, Pennsylvania, sagt, eines ihrer größten Probleme sei die Unterscheidung von architektonischem UHPC (A | UHPC) von Fertigbauprodukten und auch von Taktl-Produkten von eingesprühten GFRC- oder extrudierten GFRC-Produkten. A / UHPC verwendet nur nichtmetallische Verstärkungsfasern und enthält häufig durchgehende Maschen. Wegen der Dünnheit von UHPC-Platten bevorzugen der Mischungsentwurf und die Herstellungsmethoden Biegefestigkeit über Druckfestigkeit, beim Beibehalten aller Haltbarkeitsfaktoren, die mit UHPC erwartet werden. Da die größte Ressource für UHPC-Materialreferenzstandards die Federal Highway Administration ist, müssen sich Architekten mit Spezifikationsherausforderungen auseinandersetzen. Taktl hat große Fortschritte bei der Festlegung der Referenzstandards und Kriterien für architektonische UHPC-Fassadenanwendungen gemacht. Sie konzentrieren ihre technischen Vertriebs- und Projektmanagementressourcen auf die Ausbildung von Designern und die Unterstützung von Auftragnehmern.. „Sobald sie das Produkt verwenden, spezifizieren sie es leicht in anderen Projekten“, fügt er hinzu.

Taktl konzentrierte sich ursprünglich auf komplexe UHPC-Spritzgussteile, sagt Jason Flannery, Design Director des Unternehmens. Es war ein Ergebnis ihres Geschäfts mit Metall-Außenbefestigungen und -möbeln. Sie begannen, Beton zu betrachten, weil er für Fassaden geformt werden konnte. Er sagt, dass sie 2010 mit der Herstellung von UHPC-Fassadenplatten begonnen haben, was sonst niemand in den USA tat. Sie haben drei Jahre lang geforscht und Geräte entwickelt. „Wir haben uns schon früh entschieden, das neue Unternehmen vertikal zu entwickeln – von der Entwicklung und Konstruktion der Formen bis hin zur Innovation eines kontinuierlichen halbautomatischen Gießprozesses“, sagt er. Heute ist ihr einziges Geschäft UHPC Architectural Concrete und sie haben eine 200.000 Quadratmeter unter dem Dach mit 150 Mitarbeitern. Im vergangenen Jahr produzierten sie 1.5 Millionen Quadratmeter Fassadenverkleidung, darunter Krankenhäuser, Museen, Universitätsgebäude und gemischt genutzte Hochhäuser – entweder direkt in Regenschutzverkleidungen oder in einheitliche Fassadensysteme integriert.

Dr. George Quercia, Taktls Forschungsdirektor, sagt, dass sie UHPC-Vorhangfassadenplatten herstellen, die nur 5/8 Zoll dick sind. Innerhalb dieser Dicke befinden sich zwei Lagen Netz sowie Glasfaserverstärkung. Typische Plattengrößen sind 4 x 10 Fuß, aber sie können bis zu 5 x 12 Größen gießen und anstatt jede Platte zu formen, gießen sie übergroß und schneiden sie mit Betonsägen zu. Diese Platten können 6-Zoll starke normale konkrete Zwischenwand-Fertigplatten ersetzen. Die dünnen Platten reduzieren die Transportkosten erheblich und verlängern die Entfernung zu Bauprojekten wirtschaftlich.

Ein weiterer Vorteil des Architekturgusses mit UHPC ist, dass aufgrund der sehr kleinen Aggregate und der Pastenstruktur der Mischung fein detaillierte Formoberflächen originalgetreu auf den Guss übertragen werden. Dies ermöglicht es, immer detailliertere Formoberflächen zu erstellen, um ein atemberaubendes Aussehen zu erzielen.

Der Wert von UHPC

Obwohl es als eine neue Art von Beton gilt und nicht viel Bekanntheit hat, hat UHPC viele Vorteile. Seine große Stärke bedeutet, dass weniger Material benötigt wird, um das zu erreichen, was normaler Beton tut. Dies kann dazu führen, dass leichtere Strukturen beginnend mit ihren Fundamenten konstruiert werden. Wasser- und Umgebungsbedingungen, die die Lebensdauer anderer Betonarten verkürzen, haben aufgrund ihrer Undurchlässigkeit nur geringe Auswirkungen auf UHPC und bieten eine viel längere Lebensdauer. Sticker Shock könnte dazu führen, dass Sie nicht darüber nachdenken, aber das wäre ein Fehler. Wenn alles berücksichtigt wird, könnte sich der strategische Einsatz von UHPC als Schnäppchen herausstellen.