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Jul 19, 2023

Ultra

Ultrahochleistungsbeton (UHPC) entwickelt sich schnell zum erstklassigen Material für den Betonfertigteilbau. Dieses Material wurde erstmals in den frühen 1990er-Jahren als „reaktiver Pulverbeton“ eingeführt

Ultrahochleistungsbeton (UHPC) entwickelt sich schnell zum erstklassigen Material für den Betonfertigteilbau. Dieses Material wurde erstmals Anfang der 1990er Jahre als „reaktiver Pulverbeton“ eingeführt und hat im letzten Jahrzehnt in den USA und im Ausland eine zunehmende Verwendung erfahren.

UHPC wurde zum Bau von Straßenbrücken in Frankreich, Japan und Malaysia verwendet; Fußgängerbrücken in Kanada und Venezuela; Dachpaneele und Architekturfassaden in Kanada und Frankreich; und mehr.

In den USA wurde UHPC zum Bau von Brückenträgern in Virginia und Iowa, von Brückendeckauflagen in New York und Delaware sowie von vor Ort gegossenen Verbindungen zwischen vorgefertigten Brückenelementen in mehr als 20 anderen Bundesstaaten verwendet. Laufende Forschungs- und Entwicklungsbemühungen von Bundes- und Landesverkehrsbehörden, nationalen Industrieorganisationen, privaten Eigentümern und Betonherstellern zielen darauf ab, diese Technologie weiter voranzutreiben, damit sie sowohl im Transport- als auch im Hochbausektor breiter eingesetzt werden kann.

Eine Schlüsselindustrie, die sich gut eignet, um von den einzigartigen Leistungsmerkmalen dieses Materials zu profitieren, ist die Spannbetonfertigteilindustrie.

UHPC ist ein faserverstärkter Werkstoff auf Zementbasis. Er enthält viele der gleichen Materialien wie herkömmlicher Beton – Zement, ergänzende zementäre Materialien (SCMs), Feinsand und chemische Zusätze –, aber die Materialien sind so dosiert, dass eine dichte Materialpackung vom Quarzstaub bis zum Sand entsteht, d feinste bis gröbste Materialien.

Der Gesamtgehalt an zementhaltigen Materialien für UHPC-Mischungen kann 1.500 lbs pro Kubikmeter Material überschreiten und tut dies oft auch – mehr als das Doppelte des zementären Materialgehalts der meisten herkömmlichen Betonmischungen. Allerdings beträgt das Wasser-zu-Bindemittel-Verhältnis (w/b) oft 0,20 oder weniger, was durch die Verwendung spezieller hochwertiger Wasserreduzierer erleichtert wird. Die dichte Partikelpackung in Kombination mit dem extrem niedrigen W/B erzeugt im Beton eine hochfeine Mikrostruktur, die für außergewöhnliche Festigkeit und Haltbarkeit sorgt. Dadurch können UHPC-Elemente eine Lebenserwartung von 200 Jahren oder mehr haben, selbst in anspruchsvollen Umgebungen wie Meeres- und Enteisungsumgebungen.

Obwohl es keine einheitlich vereinbarte Definition von UHPC gibt, liegen die typischen Druckfestigkeiten von UHPC bei über 17.000 psi, wobei viele im Handel erhältliche UHPC-Materialien Festigkeiten von 30.000 psi oder mehr erreichen können. Im Vergleich zu konventionellen und Hochleistungsbetonen kann UHPC eine 3- bis 5-fache Steigerung der Druckfestigkeit bieten. Allerdings ist die Druckfestigkeit nicht die wichtigste Eigenschaft dieses Materials. Ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal zwischen strukturellem UHPC und anderen Betonklassen, insbesondere für strukturelle Fertigteilanwendungen, ist die hohe Zugfestigkeit des Materials, die sich aus einer Kombination der verfeinerten Mikrostruktur und der hochfesten Stahlmikrofasern ergibt, die in der Mischung in Dosierungen dazwischen eingearbeitet werden etwa 1 bis 3 Vol.-% (etwa 130 bis 390 lbs/cu yd).

Strukturelle UHPC-Mischungen können so gestaltet werden, dass direkte Zugfestigkeiten von mehr als 1.000 psi und Biegefestigkeiten von mehr als 2.500 psi erreicht werden. Darüber hinaus kann eine gut konzipierte UHPC-Mischung eine erhebliche Duktilität nach dem Riss und eine Kaltverfestigung aufweisen, wodurch die verbleibende Biegefestigkeit erheblich erhöht wird, wenn sich das Element nach dem Riss durchbiegt.

Die hohe Zugfestigkeit und Nachrissduktilität von UHPC bietet erhebliche Vorteile für die Strukturkonstruktion. Erstens können die Duktilität nach dem Riss und das Kaltverfestigungsverhalten dazu führen, dass auf die Mindestbewehrungsstäbe, die in herkömmlichem Beton erforderlich sind, praktisch verzichtet werden kann, um die gesetzlich vorgeschriebene Duktilität zu erreichen, wenn ein Versagen droht.

Zweitens führt die hohe Duktilität des UHPC zu einer enormen Materialzähigkeit, die die Fähigkeit zur Energieaufnahme auch ohne die Hilfe der Bewehrungsstäbe erhöht.

Drittens erhöht die hohe Zugfestigkeit die Scherfestigkeit des Materials, wodurch die Möglichkeit besteht, dass bei der Balkenkonstruktion vollständig auf Scherbügel verzichtet werden kann. Durch den Wegfall der Bügel können Elementdesign und -produktion vereinfacht und die Stegbreiten (Stielbreiten) der Elemente reduziert werden. Tatsächlich können Balken, Säulen und andere UHPC-Strukturelemente mit Querschnitten entworfen werden, die ein viel geringeres Materialvolumen und damit ein viel geringeres Materialgewicht aufweisen und gleichzeitig die gleiche Kapazität bieten wie herkömmlich verstärkte Betonelemente.

UHPC ist vielversprechend für die Weiterentwicklung der Fähigkeiten der Fertigteil- und Spannbetonindustrie. Die Leistungsmerkmale dieses Materials können die Konstruktion von Struktursystemen ermöglichen, die eine akzeptable Festigkeit und Gebrauchstauglichkeit bei gleichzeitig reduziertem Elementgewicht, größerer Spannweite und weniger Verstärkung aufrechterhalten. Darüber hinaus können diese Struktursysteme aufgrund der hohen Haltbarkeit, die dieses Material bietet, in anspruchsvollen Umgebungen wie Schiffsanwendungen und Kälteeinwirkungen als Alternativen mit geringem Kosten-Nutzen-Verhältnis zu Konstruktionen mit Edelstahl und nichtmetallischen Bewehrungsstäben eingesetzt werden.

Damit UHPC in der Spannbetonfertigteilindustrie weit verbreitet eingesetzt werden kann, müssen zwei Bedingungen erfüllt sein: (1) UHPC muss zuverlässig in Fertigteilwerken hergestellt werden können, wobei die Rohstoffkosten insgesamt weniger als 1.000 US-Dollar pro Kubikmeter (im Vergleich zu derzeit) betragen Kosten von 2.000 bis 3.000 US-Dollar pro Kubikmeter für vorverpackte Materialien); und (2) Verfahren müssen entwickelt werden, um den Entwurf struktureller Systeme zu ermöglichen, die von den einzigartigen Leistungsmerkmalen des UHPC profitieren. Solche Verfahren können einen enormen Mehrwert bieten, da sie im Vergleich zu herkömmlichen Betonprodukten eine Reduzierung des Querschnitts um etwa 50 % ermöglichen.

Das Precast/Prestressed Concrete Institute (PCI) hat diesen Bedarf erkannt und Ressourcen bereitgestellt, um ein Forschungsprojekt zum Nutzen der Branche zu unterstützen. Das Gesamtprojekt und die Entwicklung der Designrichtlinien werden von e.construct aus Omaha, Nebraska, geleitet, während die Materialaspekte des Projekts von zwei der Autorenfirmen, Wiss, Janney, Elstner Associates aus Northbrook, Illinois, geleitet wurden.

Die Hauptziele dieses Projekts sind die Entwicklung von Methoden zur Implementierung kostengünstiger UHPC-Mischungen auf der Grundlage lokal verfügbarer Materialien in Fertigteilwerken in ganz Nordamerika sowie die Entwicklung von Designrichtlinien und neuartigen Designs für optimierte Strukturelemente für Gebäude und Brücken.

Bisher hat das Projektteam Richtlinien und Empfehlungen für die Gestaltung und Implementierung von UHPC-Mischungen in Produktionsanlagen für vorgefertigten Spannbeton entwickelt und diese Verfahren durch die Produktion in fünf solcher Anlagen in den USA validiert (siehe Abbildung 1 zum Beispiel für die Platzierung von UHPC bei einem der teilnehmenden Unternehmen). Fertigteiler).

Darüber hinaus wurden vom Projektteam Prototypen von Brücken- und Gebäudeelementen mit großer Spannweite entworfen, hergestellt und getestet, wobei die endgültigen Festigkeiten der Elemente die Belastungen für die Bemessungsarbeiten überstiegen. Es wird erwartet, dass trotz der anfänglich hohen Kosten der UHPC-Materialien diese UHPC-Produkte durch die optimierten Designs und reduzierten Elementquerschnitte auf anfänglicher Kostenbasis mit herkömmlichen Beton- und Stahlalternativen konkurrenzfähig werden. Die bisherigen Fortschritte wurden in einem im Februar veröffentlichten Phase-I-Bericht zusammengefasst.

Abbildung 1. Platzierung von UHPC, Demonstration der selbstkonsolidierenden Konsistenz.

Mit UHPC ist es nun möglich, Bürogebäudeböden mit stützenfreien Feldern von 60 Fuß x 60 Fuß zu entwerfen, was eine große Flexibilität bei der Innengestaltung der gemieteten Räume ermöglicht. Es ist auch möglich, Brückenträger mit einer Länge von bis zu 250 Fuß zu entwickeln, innerhalb akzeptabler Transport- und Montagegrenzen und ohne die Notwendigkeit einer Abstützung oder Verbindung vor Ort. Die folgenden beiden Beispiele verdeutlichen das große Potenzial von UHPC-Anwendungen.

Abbildung 2 zeigt ein Gestaltungskonzept für den Einsatz in Gebäuden. Der „π“-förmige Querschnitt ist eine vorgefertigte, vorgespannte Bodenplatte, die eine Spannweite von 60 Fuß bei einer Tiefe von 22 Zoll ermöglicht. Für diese Konstruktion wird außer den Spannlitzen kein Stahl benötigt. Der obere Flansch ist nur 1 Zoll dick und die Stiele sind nur 2 Zoll breit. Das Gesamtgewicht entspricht einer massiven Platte mit einer Dicke von weniger als 3 Zoll. Bei der Installation würde die Untersicht mit leichten Balken zwischen den Vorbauten geschlossen und mit Gipskartonplatten abgedeckt werden, und die Vorbauten hätten Öffnungen, um die Integration von Versorgungsleitungen zu ermöglichen. Mit diesem Produkt mit großer Spannweite können mehrstöckige Wohngebäude in den unteren Etagen über säulenfreie Parkplätze verfügen, was die Effizienz der Raumnutzung und die Sicherheit der Bewohner erhöht. Die relativ geringe Bautiefe – unter Einbeziehung der mechanischen, elektrischen und sanitären Systeme – sorgt für eine effiziente Raumnutzung und eine kostengünstige Geschosshöhe.

Abbildung 2. Konzept eines UHPC-Plattensystems für Wohnanwendungen

Abbildung 3 zeigt einen herkömmlichen Betonplattenträger, der für Spannweiten von 40 bis 60 Fuß im beschleunigten Brückenbau (ABC) verwendet wird. Die Abbildung zeigt auch eine optimierte UHPC-Hohlkastenplatte mit der gleichen Tiefe, Breite und Tragfähigkeit. Das UHPC-Produkt besteht im Vergleich zu einem ähnlichen herkömmlichen Betonträger aus etwa 52 % Beton und weniger als 4 % Bewehrungsstahl. Umfangreiche Tests durch das Florida DOT Structural Laboratory haben gezeigt, dass diese Balkenkonstruktion eine viel höhere Biege-, Scher-, Durchstanz- und Quertragfähigkeit aufweist, als für die Brücke erforderlich ist. Weitere Verfeinerungen des Elementdesigns könnten eine Reduzierung der Anzahl der verwendeten Stränge rechtfertigen, die für diese Demonstration dieselben wie für das herkömmliche Betonprodukt beibehalten wurden.

Abbildung 3. Kastenplatte für Brückenanwendungen. Links: herkömmliche Betonkastenplatte mit Bewehrung (vor dem Einbau der Schalung); Rechts: optimierte UHPC-Kastenplatte (mit vorhandener Schalung und hohlraumbildendem Schaumblock).

UHPC hat das Potenzial, die Spannbetonfertigteilindustrie zu revolutionieren, insbesondere bei Großanwendungen, bei denen große Spannweiten oder eine längere Haltbarkeit von Vorteil sind. Mit neuartigen Designs und neuen Designverfahren ist UHPC in der Lage, auf Anschaffungskostenbasis mit konventionellen Beton- und Stahlalternativen konkurrenzfähig zu sein und kann auf Basis der langfristigen Lebenszykluskosten einen Mehrwert bieten. Durch die Nutzung der Schlüsseleigenschaften von UHPC werden vorgefertigte, vorgespannte Brücken- und Gebäudeteile mit großer Spannweite die Branche revolutionieren, und zwar durch einen effizienteren Materialeinsatz, eine verbesserte Raumnutzung und eine verbesserte Langzeitleistung.