Samengestelde wapening voor toekomstige infrastructuur

Wereldwijd worden betonconstructies aangevallen als nooit tevoren. Niet alleen is het verkeer op wegen, bruggen en viaducten toegenomen, maar door klimaatverandering zijn extreme weersomstandigheden toegenomen, waaronder hevige stormen en stortregens die plotselinge overstromingen en andere verwoestende gebeurtenissen tot gevolg hebben. Onder dergelijke spanning kan beton barsten. Dit zorgt voor een snelle verslechtering in agressieve omgevingen door blootstelling aan elementen zoals zout water, dat corrosief is voor stalen wapening.

"Scheuren creëren paden voor de agenten van de agressieve omgevingen om het wapenings- en/of voorspanstaal te bereiken en het corrosieve oxidatieproces te starten", legt de Florida Dept. of Transportation (FDOT, Tallahassee, Fla., U.S.) de innovatiewebsite uit. "Een innovatieve benadering om dit grote probleem aan te pakken, is om traditionele stalen staaf- en strengversterking te vervangen door vezelversterkt polymeer (FRP)." FDOT is toonaangevend geweest op het gebied van het gebruik en testen van GVK-wapening, evenals de ontwikkeling van ontwerp- en gebruiksnormen, zoals die zijn uitgegeven door het American Concrete Institute (ACI, Farmington Hills, Mich., V.S.). Hoewel composiet wapening voornamelijk wordt gemaakt met glasvezel (GFRP of GRP), zijn er ook producten ontwikkeld met basalt (BFRP) of koolstofvezel (CFRP).

"Met een lange en kostbare geschiedenis van corrosie wereldwijd, wordt staal niet langer gezien als een kosteneffectieve optie in agressieve omgevingen", zegt Nick Crofts, CEO van GFRP-wapeningfabrikant Mateenbar (Dubai, VAE en Concord, NC, VS), lood leverancier voor het grootste GFRP wapeningsproject ter wereld. Dit project is het 23 kilometer lange en tot 80 meter brede overstromingsbeperkingskanaal in Jizan, Saoedi-Arabië. Hoewel GFRP-wapening al 30-40 jaar bestaat, zegt Crofts, stuwen belangrijke projecten zoals het Jizan Flood Channel het nu naar de reguliere infrastructuur. Deze groei rechtvaardigt nu al de nieuwe fabrieken van Mateenbar in Saoedi-Arabië en de VS.

Baanbrekende technologie voor GFRP-wapening

Mateenbar GFRP-wapening is ontwikkeld door Pultron Composites (Gisborne, Nieuw-Zeeland), een pionier en specialist in pultrusietechnologie en productinnovatie. Mateenbar richt zich op de unieke uitdagingen van de wapeningsmarkt, die niet alleen hoge volumes en lage prijzen vereist, maar vereist ook dat het product wordt gespecificeerd door projectarchitecten en/of ingenieurs. Zo werd de eerste fabriek van Mateenbar in 2008 gebouwd dicht bij potentiële klanten en projectingenieursbureaus in Dubai, Verenigde Arabische Emiraten, een regio die bekend staat om zijn grote infrastructuurprojecten en baanbrekend gebruik van composieten in de bouw. Pultron blijft een strategische partner van Mateenbar en een belangrijke leverancier van op maat gemaakte technologie en productontwikkeling.

Productiestappen

De fabriek van Mattenbar gebruikt de geavanceerde technologie van Pultron om zeer consistente gepultrudeerde wapening te produceren met een hoge doorvoer zonder uitstoot van vluchtige organische stoffen (VOS). “We injecteren hars en genezen binnen de geconstrueerde stalen pultrusiematrijs”, zegt Crofts.

"Deze wapening is een ontwikkeld product met een dimensionale prestatie die beter is dan ±1%", voegt hij eraan toe. “Er is geen excuus om hars op de vloer of stof in de lucht te zien. De gebruikte vezel is corrosiebestendig ECR-glas van Owens Corning (Toledo, Ohio, VS) en de hars is onze eigen variant van een vinylester met epoxyrug. Het maximaliseert de taaiheid, sterkte en duurzaamheid en is veel beter dan een polyester ruggengraat met epoxy-uiteinden.”

De gepultrudeerde ronde staven worden vervolgens machinaal bewerkt om een ​​spiraalvormig profiel te creëren dat een dragende hechting in het beton mogelijk maakt. "Ook dat is een gesloten operatie", benadrukt Crofts, "met bewerkingscabines die zijn uitgerust met Donaldson (Bloomington, Minn., V.S.) luchtfiltratiesystemen. Vervolgens brengen we een harsfilm aan de buitenkant aan om de handling te verbeteren.” De wapening van Mateenbar wordt geproduceerd in lengtes tot 80 voet, indien nodig op lengte gesneden. "Het is typisch om lengtes van 40 voet te zien voor de meeste infrastructuur- en bouwprojecten", zegt Crofts.

"Onze gemiddelde rechte wapening heeft een diameter van 0,75 inch, met een trekmodulus van 8700 ksi (60 GPa) gemaakt van 11,600 ksi (80 GPa) glasvezel; het vezelgehalte is dus zeer hoog - meer dan 80 gew.%. Er is geen manier om dit te buigen, dus onze gebogen GFRP-wapening is gemaakt met behulp van een ander proces en hars, met gepatenteerde technologie. "

's Werelds grootste GFRP-wapeningsproject

Jizan (ook gespeld als Jazan) is de hoofdstad van de regio Jizan, die in de zuidwestelijke hoek van Saoedi-Arabië ligt, ten noorden van de grens met Jemen. Desastreuze plotselinge overstromingen treden op tijdens periodieke zware regenval als gevolg van afvoer van nabijgelegen bergen. Het 23 kilometer lange regenwaterafvoerkanaal van gewapend beton werd gebouwd om een ​​grote industriële zone te beschermen met een olieraffinaderij voor Saudi Aramco (Dhahran, Saudi-Arabië).

Tot de COVID-19-pandemie was Saudi Aramco qua omzet het grootste bedrijf ter wereld. Het behandelt alle olie- en derivatenproducten van het Koninkrijk en is ook goed voor 10% van alle constructie in Saoedi-Arabië. "Saudi Aramco realiseerde zich dat een enorm percentage van zijn jaarlijkse budget werd besteed aan het vervangen van betonnen constructies", zegt Crofts. “Het hoge zoutgehalte in het zand in de regio en de hoge temperatuurverschillen van dag tot nacht zorgen voor snellere scheurvorming in het beton. Saudi Aramco ging op zoek naar alternatieve technologieën en als leden van ACI haalden ze hun strategie uit de ontwikkelde FRP-wapeningsnormen, en pasten ze verder aan en verfijnen ze als Saudi Aramco-normen. Het bedrijf verplichtte vervolgens het gebruik van GFRP-wapening in bepaalde sterk corrosieve omgevingen.”

Saudi Aramco vroeg om aanbestedingen voor het Jizan overstromingskanaalproject en selecteerde vervolgens drie leveranciers van GFRP-wapening. Mateenbar kreeg 50% van het contract toegewezen. "We hebben enkele maanden gewacht terwijl het project werd voorbereid", herinnert Crofts zich, "en toen waren plotseling alle materialen onmiddellijk nodig. De fabriek in Dubai was in een week tijd leeg en produceerde in zeven maanden tijd bijna 6.000 kilometer GFRP-wapening.”

Na levering werd de wapening geïnstalleerd door de aannemer van het project, Al Yamama Group (Dammam, Saoedi-Arabië). "We dachten dat we veel hulp zouden moeten bieden tijdens de installatie, maar dat was niet nodig", zegt Crofts. "Ze vonden het veel sneller te installeren dan stalen wapening." Met een gewicht van 25% van dat van stalen wapening, maakt GRFP-wapening het hanteren van langere lengtes met minder mensen mogelijk en is het gemakkelijker te verplaatsen en te positioneren. "Er zijn ook minder positioneringsbuizen nodig", voegt hij eraan toe. "Deze ronde buisstukken worden gebruikt om de wapening op de juiste hoogte in het beton te ondersteunen."

Nadat de wapening is geplaatst, samengebonden met roestvrijstalen draden en geïnspecteerd, is deze klaar om er beton op te storten. Het installatieteam van wapening bewoog zo snel, merkt Crofts op, dat ze eigenlijk een kilometer verder waren in het 40- tot 80-meter brede kanaal voordat ze beseften dat de betonstortoperaties het niet konden bijbenen. "Dus ze stopten en lieten het beton inhalen", voegt hij eraan toe. “Dat is belangrijk, want als het flink gaat regenen, vult de overstroming de geul met zand. Dat is een paar keer gebeurd, waardoor er vertraging optrad, maar ook het belang van deze afwateringsgeul werd onderstreept.”

Nadat het beton op de wapening is gegoten, stampt en comprimeert het installatieteam het om luchtbellen te verwijderen, waarna het in de volgende dagen en weken uithardt. "Er is geen verschil tussen GFRP en stalen wapening voor deze stappen", zegt Crofts. "We zijn klaar met het leveren van wapening in januari 2020 en het kanaal is net voltooid."

Ontwerp, kosten en GFRP-toekomst

Crofts wijst erop dat GFRP-wapening geen directe vervanging is voor staal. “GFRP wapening heeft andere eigenschappen dan stalen wapening. Deze verschillen moeten in het ontwerp worden opgevangen. Dus terwijl met staal versterkt beton normaal gesproken zou zijn ontworpen volgens ACI 318, zou dit niet geschikt zijn voor GFRP-wapening, die in plaats daarvan op de ACI 440-ontwerpgids vertrouwt. GFRP-wapening heeft bijvoorbeeld een hogere treksterkte dan staal, maar een lagere trekmodulus. Het is ook elastisch tot het punt van falen.” Crofts merkt op dat in een staalontwerp de hoeveelheid wapening doorgaans wordt bepaald door de treksterkte. Voor GFRP is de modulus echter typisch de factor die de benodigde hoeveelheid wapening bepaalt. Het voldoen aan deze eis resulteert doorgaans in een constructie die de uiteindelijke sterkte-eisen zal overtreffen. Het zorgt ook voor een gewenste faalmodus in de GFRP-wapeningversterkte structuur.

Een andere overweging is de productie van bochten en vormen. Crofts merkt op dat de verhouding tussen gebogen en rechte wapening in projecten gemiddeld ongeveer 30% is. Met stalen wapening wordt deze fabricage vaak ter plaatse voltooid. "Mateenbar-gebogen staven worden geproduceerd in onze fabriek met gecontroleerde omgevingen en rechtstreeks op de locatie geleverd zonder tussenliggende fabricagestappen", legt hij uit. "Dit kan een uitdaging zijn vanuit het oogpunt van bevoorrading, aangezien de behoeften van de ene week op de andere veranderen. We hebben gemerkt dat flexibiliteit en het hebben van een fabriek in dezelfde regio erg belangrijk zijn.”

"De kosten van GFRP-wapening zijn 3-4 keer hoger dan die van staal, indien berekend in dollars per pond", zegt Crofts, "omdat ons product een vierde van de dichtheid heeft. De juiste maatstaf is dollars per voet, omdat wapening feitelijk wordt gespecificeerd en gekocht als een fractie van het betonvolume. Wanneer u de kosten per volume meet, is GFRP-wapening kostenconcurrerend met staal."

“Jizan was het eerste megaproject waarbij staal niet werd toegestaan”, zegt Crofts. “Ze hadden een team om de benodigde constructies te ontwerpen met een levensduur van meer dan 100 jaar. Verschillende producenten van GFRP-wapening zijn op zoek naar vestiging in Saoedi-Arabië nu de vraag groeit." Mateenbar bouwt daar ook een nieuwe fabriek, evenals een in Concord, N.C., VS, om Noord-Amerika te bedienen, de op een na grootste markt na het Midden-Oosten. Beide nieuwe fabrieken zijn moderne faciliteiten van 100.000 vierkante meter, die gebruikmaken van de geavanceerde pultrusietechnologie van Pultron. Voor beide werd de apparatuur in oktober 2020 geleverd en de productie zal naar verwachting begin 2021 beginnen.

Terwijl de vraag naar GFRP-wapening in het Midden-Oosten toeneemt, blijft de markt in Noord-Amerika volwassen worden. "Momenteel zijn de grootste toepassingen van GFRP-wapening in Noord-Amerika zeeweringen en bruggen langs de kust of waar wegen zwaar gezouten zijn", zegt Croft. "DOT's en eigenaren van activa zijn nu echter op zoek naar manieren om de kosten gedurende de levensduur van constructies te verbeteren [CW is het daarmee eens, zie "De groeiende rol van composieten in infrastructuur"], waaronder het verminderen van de behoefte aan onderhoud en het bouwen van infrastructuur die zowel duurzaam als duurzaam is. Raadgevende ingenieurs en eindgebruikers zien de waarde van GFRP-wapeningtechnologie en GFRP-wapeningproducenten werken samen aan kwaliteits- en prestatienormen. Er zijn ook toonaangevende gebruikers, zoals FDOT, die de technologie promoten en andere DOT's helpen, wat heeft bijgedragen aan de verspreiding van kennis.”

Crofts merkt op dat FDOT onlangs een webinar heeft georganiseerd over het ontwerp van GFRP-versterkt beton met 200 aanwezigen. In een ander webinar verklaarde Dr. Antonio Nanni, een van de belangrijkste onderzoekers van de Universiteit van Miami (Miami, Fla., V.S.) die met FDOT werkte:"FRP-wapening is klaar voor prime time." Dat is bewezen, zegt Crofts. "Het is nu aan meer bedrijven om het te specificeren en aannemers om het te gebruiken."