CRC fiberarmeret højstyrkebeton til bærende konstruktioner

Transkript

1 CRC fiberarmeret højstyrkebeton til bærende konstruktioner Af direktør Bendt Aarup, CRC Technology ApS CRC en forkortelse for Compact Reinforced Composite er en fiberarmeret højstyrkebeton, der i stigende grad anvendes til lette konstruktioner såsom trapper og altaner, men også til søjler, bjælker og lette dæksler. I perioden blev de første trapper og altaner fremstillet i højstyrkebeton, men specielt i 2001 og 2002 har arkitekter, rådgivere og entreprenører fået øjnene op for nogle af de muligheder, der ligger i anvendelsen af CRC-betonen, og der er gennemført en række projekter. CRC-beton har en styrke og sejhed, der kan sammenlignes med ståls egenskaber, og kombinerer dermed en række af egenskaberne fra de to produkter. Dette betyder ikke, at højstyrkebeton generelt vil erstatte stål og almindelig beton, men det medfører, at arkitekter og rådgivere har større fleksibilitet, når det rette materiale skal vælges til en given konstruktion. I langt de fleste tilfælde vil valget stadig falde på stål eller beton, men i en række tilfælde er der mulighed for at kunne lave en lettere, mere elegant og ofte økonomisk fordelagtig løsning ved at anvende CRC-beton. Dette stiller dog krav til arkitekt eller rådgivere om at tænke kreativt og eksempelvis fjerne søjler eller ændre på understøtningsforhold. CRC designes efter samme principper som almindelig beton således anvendes der altid en kombination af fiberarmering og traditionel armering men på en række punkter afviges der fra de regler, der opstilles i standarderne. Eksempelvis benyttes en højere karakteristisk styrke, en mindre forankringslængde, et mindre dæklag og tættere armering. Det er derfor vigtigt, at den fornødne dokumentation er til stede. Dette beskrives kort i det følgende, og der angives herefter enkelte eksempler på anvendelser af CRC. Baggrund CRC-anvendelsen har fundet vej til mange tegneborde i de sidste par år, men det er på ingen måde et nyt materiale. CRC-beton er udviklet af Aalborg Portland A/S helt tilbage i 1986 og blev i en årrække afprøvet i en serie internationale udviklingsprojekter, hvor der blev lagt vægt på, at alle undersøgelser skulle foretages på den samme type matrice og med den samme binder. Efterhånden som den nødvendige dokumentation blev tilvejebragt gennem de forskellige forskningsprojekter, begyndte man at anvende CRC-beton til de første projekter, såsom dæksler under Storebælt og foring af dybtliggende minegange. I 2001 besluttede Aalborg Portland A/S imidlertid at indstille deres aktiviteter med CRC og anvende ressourcerne andetsteds i virksomheden. Salg og markedsføring af den specielle CRC-binder blev derfor overtaget af CRC Technology ApS. Herhjemme produceres CRC-beton nu af elementvirksomhederne Hi- Con ApS, Beton-Tegl A/S og PL Beton A/S. Figur 1. Vindeltrappe i CRC-højstyrkebeton, Tuborg Nord, København. Arkitekt: Arkitema, Århus. Mekaniske egenskaber CRC-beton har stor styrke og en særdeles god holdbarhed. Tilsætning af stålfibre i matricen giver en sejhed, der tillader udnyttelse af små dæklag og tætliggende armering, således at konstruktioner i højstyrkebeton typisk er med slanke tværsnit. Sammensætningen af betonen kan varieres med fx forskellige tilslag og fibre, men en typisk sammensætning der er undersøgt i en lang række internationale udviklingsprojekter med henblik på fx bøjning, forskydning, slagstyrke, korrosionsbestandighed, udmattelse, brandmodstand, svind og krybning vil være en mørtel med kvartssand med 4 6 vol.% stålfibre og med et vand/ cement+mikrosilica-forhold på 0,16. Fibrene har sædvanligvis en længde på 12 mm og en diameter på 0,4 mm. Fiberindholdet varieres ud fra en vurdering af specielt behovet for sejhed på den enkelte opgave, men typisk har fiberindholdet ved altanopgaver været på 2-3%, mens det ved trapper, søjler og bjælker har været på 3-4%. Internet 753

2 Som nævnt har fibrene primært betydning for sejheden af højstyrkebeton, men de har også en vis betydning for de mekaniske egenskaber, og eksempelvis er den karakteristiske trykstyrke med 6% fibre på 115 MPa, mens den kun er 106 MPa med 3% fibre. De mange forsøgsresultater er beskrevet og publiceret i en serie af rapporter og artikler. Holdbarhed Matricen i højstyrkebeton er ekstremt tæt på grund af dels et lavt vandindhold, dels et højt indhold af mikrosilica. Den har stort set ingen kapillarporøsitet kun gelporer og derfor er permeabiliteten meget lav. Imidlertid vil CRC-beton ofte blive anvendt med en væsentligt højere brugslast end en tilsvarende traditionel betonkonstruktion, og det har derfor været væsentligt at undersøge, om kloridindtrængning foregår hurtigere for kraftigt belastede konstruktioner, hvor der må forventes at optræde mikrorevner eller endog fine revner. Dette er undersøgt i en speciel opstilling vist på fig. 2, hvor små bjælker spændes op til en foreskreven nedbøjning, før den samlede konstruktion udsættes for kloridbelastning. Figur 2. Prøveopstilling for armerede bjælker. Bjælkerne har dæklag på 10 mm. Undersøgelsesresultaterne viser, at selv med en bøjespænding på 70 MPa i bjælkerne er kloridindtrængningen ikke accelereret. Tyndslibsundersøgelser viser ganske vist, at antallet af mikrorevner forøges ved de høje belastninger, men mikrorevnerne er af en størrelse, der ikke har betydning for kloridtransport. Det vil selv ved kraftig eksponering vare mere end 100 år, før klorid vil trænge ind til armeringen også med et dæklag på 10 mm. Yderligere undersøgelser har vist, at selv om der iblandes store mængder salt i blandevandet under støbning af bjælkerne, forekommer der alligevel ikke korrosion. Dette skyldes, at der ikke foregår transport af vand og ilt i matricen pga. manglen på kapillarporøsitet. Eksempelvis er CRC-beton anvendt til dæksler i tunnellerne på Storebælt med kun 10 mm dæklag til armeringen, selv om der er tale om kloridholdigt miljø og et levetidskrav på 100 år. Brand Med meget tætte og stærke betoner kan der under brand opstå en meget kraftig af og til eksplosiv afskalning. En af de medvirkende faktorer til dette er, at den damp, der opstår under opvarmningen, har svært ved at trænge ud gennem den tætte matrice, og damptrykket bliver derved så højt, at matricens trækstyrke overskrides, og der sker en afskalning. Denne afskalning kan ske som en delaminering, men specielt for materialer med en høj trækstyrke kan der opbygges så høje damptryk, at afskalningen bliver eksplosiv. Dette problem kan også optræde for højstyrkebeton, og en vurdering af opførsel under brandpåvirkning har derfor indgået i flere udviklingsprojekter for CRC-beton, fx et EUREKA-projekt med deltagelse af flere danske og engelske partnere og et Brite/Eu- Ram-projekt med deltagelse af partnere fra Danmark, Frankrig og Spanien. Forsøg udført på Dansk Brandteknisk Institut (DBI) og Aalborg Universitet har vist, at risikoen for afskalning kan elimineres, hvis CRCemnet får en vis udtørring inden brandpåvirkningen. Dette kan dels være en accelereret udtørring ved C, dels kan det være opnåelse af en vis alder med deraf følgende naturlig udtørring. Når denne udtørring er opnået, er brandegenskaberne for højstyrkebeton faktisk bedre end for almindelig beton, idet der stort set ingen calciumhydroxid er til stede i matricen. Varmeledningsevnen for CRC-beton er ikke væsentligt forskellig fra almindelig beton, og der kan således anvendes de samme beregningsmetoder. Dette er observeret ved forsøg med kileformede bjælker på DBI, hvor bjælkerne var udstyrede med en serie termoelementer. Det samme er senere bekræftet ved forsøg på Aalborg Universitet, hos VTT, Finland samt CSTB, Frankrig. Forsøgene i Finland og Frankrig var del af et Brite/EuRam-projekt, der specielt har undersøgt effekten af brand for højstyrkebeton. Dette projekt blev afsluttet i april Trapper Siden de første CRC-trapper blev produceret i er der blevet designet en række trapper i højstyrkebeton, hvor det gennemgående element har været det lette og luftige i designet, hvad enten der har været tale om domicil-trapper eller trapper til opgange i forbindelse med byrenovering eller blot trappetrin til anvendelse med vanger i CRC-beton, stål eller almindelig beton. En af de tidlige trapper var en udendørs trappe på Aalborg Portland A/S, tegnet af arkitektfirmaet Christensen & Rottbøll MAA/PAR i Aalborg (fig. 3). Trinene har en tykkelse på 40 mm og er understøttet af en central vange også i højstyrkebeton. 754 Internet

3 Hvert enkelt trin er udført med udragende armering, der er støbt ned i den centrale vange, således at der ikke er synlige samlinger. I dette tilfælde er der anvendt stødtrin, så trappen forekommer at være bukket i papir som en musetrappe. Da dette var en af de første trapper i CRC-beton, blev det valgt at armere trin og vange temmelig kraftigt. Et trappetrin på 40 x 300 x 1500 mm er således armeret med 5 stk. ø12 kamstål. Inden trappen blev udført, blev et enkelt trin testet i bøjepressen på Cement- og Betonlaboratoriet, og med et spænd på 97 cm skulle der en central belastning på mere end 3 tons til, før armeringen begyndte at flyde altså et design, der er så rigeligt på den sikre side. I vindeltrappen på fig. 1 er der også anvendt stødtrin, mens en række trapper har dyrket det luftige i endnu højere grad ved at undlade stødtrin (fig. 4). Figur 3. Udendørs trappe på Aalborg Portland. Vange er udført i mørk CRC-højstyrkebeton. Arkitekt: Christensen & Rottbøll, Aalborg. Figur 4. Trappe, Roskilde Universitetsbibliotek. Arkitekt: Henning Larsens Tegnestue A/S, København. Figur 5. Altangangselement, boligbebyggelse i Løngangsgade i Hillerød. Arkitekt: Tegnestuen Møllestræde A/S, Hillerød. Altaner Altaner er en anden elementtype, hvor den store styrke af CRC-beton og muligheden for at benytte små dæklag kan udnyttes til at lave lette og slanke elementer. Et af de tidlige altanprojekter i højstyrkebeton var Løngangsgade, Hillerød, hvor materialet i 1998 blev anvendt til såvel hjørnealtaner som udkragede altangange efter design af Tegnestuen Møllestræde A/S i Hillerød. På fig. 5 og 6 er vist skitse af et altangangselement samt et billede af elementerne efter montering. Altangangselementerne bliver båret af en række flige, der boltes fast i dækket. Fligene har i dette tilfælde en tykkelse på 100 mm for at tillade isolering over og under fligen. Hver enkelt flig er armeret med 13 stk. ø10 kamstål. Disse jern fortsætter et stykke ud i selve pladen, der desuden er armeret med et net. Den kraftige armering skyldes det lidt specielle design, hvor en forholdsvis bred altan bæres af kun to flige. På fig. 7 og 8 er hjørnealtanerne i samme bebyggelse vist før og efter montering. Altanerne er boltet fast i vægelementerne og hviler på en søjle i hjørnet af bygningen. Der er også udført altaner med simpel understøtning, men CRC-altaner udføres oftest som udkragede altaner med flige, der boltes fast i betondækket. Et eksempel på simpelt understøttede altaner tegnet af Arkitema (Arkitektgruppen Aarhus) er vist på fig. 9. CRC JointCast tørmørtel En anden type anvendelse af højstyrkebeton er in-situ støbte samlinger af elementer i almindelig beton. Kombinationen af høj styrke, fiberarmering og en meget finkornet matrice betyder, at materialet har nogle u- sædvanligt gode egenskaber i forankring. Typisk kan armeringsjern forankres fuldt ud i CRC-beton med en indstøbning på 5-10 gange armeringsdiameteren, og Internet 755

4 Figur 6. Skitse af altangangselement. Figur 7. Hjørnealtaner under produktion hos Unicon, Roskilde. Figur 9. Simpelt understøttede altaner, Vognfjederen, Vangede. Figur 8. Hjørnealtaner monteret, Løngangsgade, Hillerød. Figur 10. Bjælkedele med udragende armering, klar til støbning. 756 Internet

5 dette udnyttes til at lave små og meget stærke samlinger. Her anvendes der en tørmørtel, der betegnes CRC JointCast. Fiberindholdet er i dette tilfælde altid på 6%, svarende til ca. 475 kg stålfibre pr. m 3 højstyrkebeton. Et eksempel på en CRC JointCast-samling er vist i fig. 10, hvor to bjælkedele med udragende ø12 armeringsjern er gjort klar til sammenstøbning med en 100 mm bred fuge. På fig. 10 er vist resultatet af en bøjetest i 3-punkts bøjning, og som det fremgår, er samlingen faktisk stærkere end de sammenstøbte bjælkedele. I 2002 blev der gennemført en større undersøgelse hos Building Research Establishment i England, der testede forskellige typer af samlinger med CRC Joint- Cast såsom søjle/søjle, bjælke/søjle, plade/søjle og lignende. Danmark som foregangsland Højstyrkebeton har fundet anvendelse til lette konstruktioner primært altaner og trapper, men efterhånden også til andre lette elementer, eksempelvis slanke søjler (tværsnit 120x120 mm) og mindre bjælker. På dette marked er CRC-beton et interessant supplement til eksisterende løsninger i stål og beton. Samtidig foregår der udviklingsprojekter, der undersøger muligheden for anvendelse til mere specielle konstruktioner, fx vindmølletårne og elmaster. I udlandet har der primært været interesse for CRC JointCast, og der foregår bl.a. udviklingsprojekter i Figur 10. Afprøvning af sammenstøbt bjælke. England og Japan, men der har også været stor interesse for anvendelse til elementer specielt blandt arkitekter. Her har den største interesse været fra Finland, England og Spanien. Men trods den store interesse er det kun blevet til enkelte projekter i udlandet, og fremtidige anvendelser vil ske med betydelig skelen til, hvordan tingene foregår i Danmark. Bendt Aarup var i ansat hos Aalborg Portland A/S, hvor han arbejdede med udviklingen og anvendelse af CRC-beton, bl.a. i en periode som leder af Afdelingen for Forskning og Udvikling. Fra 2001 fortsatte han disse aktiviteter i sit eget firma, CRC Technology ApS. Internet 757