Composiet wapeningsstaven: toekomstige infrastructuur beschermen tegen klimaatstress

"Scheuren creëren paden voor de agenten van de agressieve omgevingen om de wapening en/of voorgespannen staal te bereiken en het corrosieve oxidatieproces te starten," legt de Florida Dept. of Transportation (FDOT, Tallahassee, Fla., VS) structures innovatie website uit. "Een innovatieve aanpak om dit grote probleem te bestrijden is om traditionele staalstaven en touwversterking te vervangen door vezel-versterkte polymere (FRP)." FDOT is een leider in FRP wapeningsstaaf gebruik en testen, alsook de ontwikkeling van ontwerp- en gebruiksstandaarden, zoals die uitgegeven door het American Concrete Institute (ACI, Farmington Hills, Mich., VS). Hoewel composiet wapeningsstaven primair gemaakt worden met glasvezel (GFRP of GRP), zijn producten ook ontwikkeld met basalt (BFRP) of koolstofvezel (CFRP).

"Met een lange en kostbare geschiedenis van corrosie wereldwijd, wordt staal niet meer gezien als een kosteneffectieve optie in agressieve omgevingen," zegt Nick Crofts, CEO van GFRP wapeningsstaaf fabrikant Mateenbar (Dubai, VAE en Concord, NC, VS), hoofdleverancier voor het grootste GFRP wapeningsstaaf project ter wereld. Dit project is de 23 kilometer lange en tot 80 meter brede vloermitigatiekanaal in Jizan, Saoedi-Arabië. Hoewel GFRP wapeningsstaven al 30-40 jaar bestaan, zegt Crofts, duwen sleutelprojecten als het Jizan Flood Channel het nu in de mainstream infrastructuur. Deze groei rechtvaardigt al Mateenbar's nieuwe fabrieken in Saoedi-Arabië en de VS.

Pioniers GFRP wapeningsstaaf technologie

Mateenbar GFRP wapeningsstaven werden ontwikkeld door Pultron Composites (Gisborne, Nieuw-Zeeland), een pionier en specialist in pultrusietechnologie en productinnovatie. Mateenbar adresseert de unieke uitdagingen van de wapeningsstaafmarkt, die niet alleen hoge volumes en lage prijzen eist, maar ook vereist dat het product gespecificeerd wordt door projectarchitecten en/of ingenieurs. Daarom werd Mateenbar's eerste fabriek in 2008 gebouwd dicht bij potentiële klanten en project engineering bedrijven in Dubai, Verenigde Arabische Emiraten, een regio bekend om grote infrastructuurprojecten en pioniersgebruik van composieten in de bouw. Pultron blijft een strategische partner voor Mateenbar en een cruciale leverancier van maatwerk technologie en productontwikkeling.

Productiestappen

Mattenbar's fabriek gebruikt Pultron's geavanceerde technologie om erg consistente gepultrudeerde wapeningsstaven te produceren met hoge doorvoer zonder vluchtige organische stof (VOC) emissies. "We injecteren hars en cureren binnenin de ingenieurs pultrusie-die," zegt Crofts.

"Deze wapeningsstaaf is een geïngenieurd product met dimensionale prestaties beter dan ±1%," voegt hij toe. "Er is geen excuus om hars op de vloer of stof in de lucht te zien. De vezel die gebruikt is, is corrosieweerstand ECR glas van Owens Corning (Toledo, Ohio, VS) en de hars is onze eigen variant van een epoxy-gerugde vinylester. Het maximaliseert zwaartekracht, sterkte en duurzaamheid, en is ver superieur ten opzichte van een polyester-ruggenmerg met epoxy-eindgroepen."

De gepultrudeerde ronde staven worden vervolgens bewerkt om een spiraalprofiel te creëren dat belastingdragende adhesie in het beton mogelijk maakt. "Dat is ook een gesloten operatie," wijst Crofts erop, "met behulp van bewerkingscabines uitgerust met Donaldson (Bloomington, Minn., VS) luchtfiltersystemen. We brengen vervolgens een harsfilm op de buitenkant aan om de hantering te verbeteren." Mateenbar's wapeningsstaaf wordt geproduceerd in lengtes tot 80 voet, op maat gesneden zoals vereist. "Het is typisch om 40-voet lengtes te zien voor de meeste infrastructuur- en bouwprojecten," zegt Crofts.

"Onze gemiddelde rechte wapeningsstaaf is 0,75 inch in diameter, met een trekmodulus van 8.700 ksi (60 GPa) gemaakt van 11.600-ksi (80-GPa) glasvezel; dus het vezelgehalte is erg hoog – meer dan 80% per gewicht. Er is geen manier om dit te buigen, dus onze gebogen GFRP wapeningsstaaf wordt gemaakt met een ander proces en hars, met eigen technologie."

Werelds grootste GFRP wapeningsstaaf project

Jizan (ook gespeld Jazan) is de hoofdstad van de Jizan-regio, die in de zuidwestelijke hoek van Saoedi-Arabië ligt, ten noorden van de grens met Jemen. Rampzalige flashooden treden op tijdens periodieke zware regenval door afstroming van nabijgelegen bergen. De 23 kilometer lange gewapende betonnen stormwaterafvoerkanaal werd gebouwd om een groot industrieterrein te beschermen dat een olieraffinaderij voor Saudi Aramco (Dhahran, Saoedi-Arabië) omvat.

Tot de COVID-19-pandemie was Saudi Aramco het grootste bedrijf ter wereld in termen van omzet. Het beheert al het Koninkrijk's olie- en derivatenproductenbusiness en staat ook voor 10% van alle bouw in Saoedi-Arabië. "Saudi Aramco realiseerde dat een enorm percentage van zijn jaarcost besteed werd aan het vervangen van betonnen structuren," zegt Crofts. "De hoge zoutgehalte in de regio's zand en hoge delta in temperatuur van dag tot nacht veroorzaken sneller barsten in het beton. Saudi Aramco begon te zoeken naar alternatieve technologieën, en, als leden van ACI, namen ze hun strategie van de FRP wapeningsstaaf standaarden die ontwikkeld waren, en passten en verfijnden ze verder als Saudi Aramco standaarden. Het bedrijf schreef dan het gebruik van GFRP wapeningsstaven voor in bepaalde hoge-corrosie omgevingen."

Saudi Aramco vroeg om tenders voor het Jizan flood channel project en selecteerde vervolgens drie GFRP wapeningsstaaf leveranciers. Mateenbar kreeg 50% van het contract toegewezen. "We wachtten enkele maanden terwijl het project op gang kwam," herinnert Crofts, "en dan, plotseling, waren alle materialen direct nodig. De Dubai-fabriek ging van rust naar vol binnen een week en produceerde bijna 6.000 kilometer GFRP wapeningsstaaf over zeven maanden."

Eenmaal geleverd, werd de wapeningsstaaf geïnstalleerd door de projectaannemer, Al Yamama Group (Dammam, Saoedi-Arabië). "We dachten dat we veel hulp tijdens installatie zouden moeten bieden, maar dat was niet nodig," zegt Crofts. "Ze vonden het veel sneller te installeren dan staal wapeningsstaven." Met een gewicht van 25% van staal wapeningsstaven, stelt GRFP wapeningsstaaf het hanteren van langere lengtes met minder mensen en eenvoudiger verplaatsen en positioneren mogelijk. "Er zijn ook minder positioneringspijpen vereist," voegt hij toe. "Deze ronde pijpsecties worden gebruikt om de wapeningsstaaf op de juiste hoogtepositie binnen het beton te ondersteunen."

Nadat de wapeningsstaaf geplaatst is, samengebonden met roestvrijstaal draden en geïnspecteerd, is het klaar voor beton te gieten erbovenop. Het installatieteam van de wapeningsstaaf bewoog zo snel, merkt Crofts op, ze waren eigenlijk een kilometer langs de 40- tot 80-meter brede kanaal voordat ze realiseerden dat de betongietoperaties niet bij konden benen. "Dus ze stopten en lieten het beton opkomen," voegt hij toe. "Dit is belangrijk omdat als zware regen valt, de overstroming het kanaal met zand vult. Dit gebeurde op een paar occasions, wat vertragingen veroorzaakte, maar ook het belang van deze afvoerkanaal benadrukte."

Na het gieten van beton op de wapeningsstaaf, tampt en comprimeert het installatieteam het om luchtbellen te verwijderen, en dan cureert het over de volgende dagen en weken. "Er is geen verschil tussen GFRP en staal wapeningsstaven voor deze stappen," zegt Crofts. "We beëindigden de levering van wapeningsstaven in januari 2020, en de kanaal is net voltooid."

Ontwerp, kosten en GFRP toekomst

Crofts wijst erop dat GFRP wapeningsstaaf geen directe vervanging is voor staal. "GFRP wapeningsstaaf heeft andere eigenschappen dan die van staal wapeningsstaaf. Deze verschillen moeten in het ontwerp worden geaccommodeerd. Dus waar beton versterkt met staal typisch ontworpen zou worden volgens ACI 318, zou dit niet geschikt zijn voor GFRP wapeningsstaaf, die zich baseert op de ACI 440 ontwerpgids. Als voorbeeld, GFRP wapeningsstaaf heeft een hogere trekkracht dan staal, maar een lagere trekmondulus. Het is ook elastisch tot het punt van breuk." Crofts merkt op dat in een staalontwerp, de hoeveelheid wapeningsstaaf typisch bepaald zou worden door de trekkracht. Echter, voor GFRP, is de modulus typisch de factor die de hoeveelheid wapeningsstaaf bepaalt. Het voldoen aan deze eis resulteert typisch in een structuur die de uiteindelijke sterkte-eisen overschrijdt. Het zorgt ook voor een wenselijke breukmodus in de GFRP wapeningsstaaf-gewapende structuur.

Een andere overweging is de productie van buigingen en vormen. Crofts merkt op dat de verhouding van gebogen tot rechte wapeningsstaven in projecten gemiddeld ruwweg 30% is. Met staal wapeningsstaven wordt deze fabricage vaak op locatie voltooid. "Mateenbar gebogen staven worden in onze gecontroleerde-omgeving fabriek geproduceerd en direct naar de locatie geleverd zonder intermediaire fabricagestappen," legt hij uit. "Dit kan een uitdaging zijn vanuit een leveringspunt van het oog als behoeften van week tot week veranderen. We hebben ontdekt dat flexibiliteit en een fabriek in dezelfde regio erg belangrijk zijn."

"De kosten van GFRP wapeningsstaaf is 3-4 keer hoger dan staal als berekend in dollar per pond," zegt Crofts, "omdat ons product een vierde van de dichtheid is. De passende maat is dollar per voet omdat wapeningsstaaf eigenlijk gespecificeerd en gekocht wordt als een fractie van het betonvolume. Wanneer je de kosten meet per volume, is GFRP wapeningsstaaf kostenconcurrentieel met staal."

"Jizan was het eerste mega-project dat geen staal toeliet," zegt Crofts. "Ze hadden een team om de benodigde structuren te ontwerpen met een levensduur van meer dan 100 jaar. Verschillende GFRP wapeningsstaaf producenten kijken ernaar om zich in Saoedi-Arabië te vestigen nu de vraag groeit." Mateenbar bouwt ook een nieuwe fabriek daar, alsook een in Concord, N.C., VS, om Noord-Amerika te bedienen, wat de op een na grootste markt is na het Midden-Oosten. Beide nieuwe fabrieken zijn moderne, 100.000-vierkante-voet faciliteiten, die gebruikmaken van Pultron's geavanceerde pultrusietechnologie. Voor beide werd de apparatuur in oktober 2020 geleverd, en productie wordt verwacht te beginnen begin 2021.

Naarmate de vraag naar GFRP wapeningsstaven in het Midden-Oosten opwaartse trend vertoont, blijft de markt in Noord-Amerika rijpen. "Momenteel zijn de grootste GFRP wapeningsstaaf toepassingen in Noord-Amerika zeemuren en bruggen langs de kust of waar wegen zwaar gezout worden," zegt Croft. "Echter, DOTs en asset-eigenaren kijken nu naar het verbeteren van kosten over de levensduur van structuren [CW is het eens, zie "De groeiende rol van composieten in infrastructuur"], wat het verminderen van de behoefte aan onderhoud en het bouwen van infrastructuur die zowel langdurig als duurzaam is, omvat. Adviesingenieurs en eindgebruikers zien de waarde van GFRP wapeningsstaaf technologie en GFRP wapeningsstaaf producenten samenwerken over kwaliteits- en prestatiestandaarden. Er zijn ook toonaangevende gebruikers, zoals FDOT, die de technologie promoten en andere DOTs helpen, wat geholpen heeft om kennis te verspreiden."

Crofts merkt op dat FDOT onlangs een webinar organiseerde over GFRP-gewapend betonontwerp met 200 deelnemers. In een andere webinar stelde Dr. Antonio Nanni, een van de sleutelonderzoekers aan de Universiteit van Miami (Miami, Fla., VS) die werkt met FDOT, "FRP wapeningsstaaf is klaar voor prime time." Dat is bewezen, zegt Crofts. "De taak nu is voor meer bedrijven om het te specificeren en aannemers om het te gebruiken."