dr. józsa zsuzsanna – dr. balázs l....

BUDAPESTI MŰSZAKI EGYETEM ÉPÍTŐMÉRNÖKI KAR

ÉPÍTŐANYAGOK ÉS MÉRNÖKGEOLÓGIA TANSZÉK

Dr. Józsa Zsuzsanna – Dr. Balázs L. György

ÚJ ANYAGOK ÉS TECHNOLÓGIÁK

c. választható tantárgy

2005 őszi előadásainak vázlata

Feldolgozta: Mester Csaba

Átdolgozta: Fenyvesi Olivér

Budapest, 2005-2006 I. félév


TARTALOM

TARTALOM ................................................................................................................................................... 1

1. A BETON JÖVŐJE .................................................................................................................................... 2 1.1 ALAPFOGALMAK ..................................................................................................................................... 2 1.2 A BETON ÉS A VASBETON JÖVŐJE............................................................................................................. 2 1.3 A VASBETON............................................................................................................................................ 2 1.4 FRC......................................................................................................................................................... 4 1.4 KÖNNYŰBETON ....................................................................................................................................... 5

5. SZERKEZETEK MEGERŐSÍTÉSE SZÁLERŐSÍTÉSŰ POLIMERREL.......................................... 6 5.1 LEHETSÉGES MEGERŐSÍTÉSI MÓDOK, ANYAGOK...................................................................................... 6 5.2 DEFINÍCIÓK ............................................................................................................................................. 6 5.3 A MEGERŐSÍTÉS OKAI .............................................................................................................................. 7 5.4 PÉLDÁK FRP-VEL VALÓ MEGERŐSÍTÉSEKRE ........................................................................................... 7 5.5 TERVEZÉSI ELVEK.................................................................................................................................... 9

7. SZÁLERŐSÍTÉSŰ POLIMEREK (FRP) BETONSZERKEZETEKHEZ.......................................... 10 7.1. ACÉL KORRÓZIÓJA................................................................................................................................ 10 7.2. FRP GYÁRTÁS PULTRUZIÓVAL (7.1.ÁBRA): .......................................................................................... 10 7.3. KOMPOZIT ANYAG:............................................................................................................................... 11 7.4. ALKALMAZÁSI LEHETŐSÉGEK .............................................................................................................. 13 7.5. MEGFONTOLANDÓ KÉRDÉSEK .............................................................................................................. 13

9. SZÁLERŐSÍTÉSŰ BETON..................................................................................................................... 15 9.1 BEVEZETÉS............................................................................................................................................ 15 9.2 ACÉLSZÁL ERŐSÍTÉS HATÁSA A BETON TULAJDONSÁGAIRA .................................................................. 15 9.3 ALAPFOGALMAK ................................................................................................................................... 17 9.4 BETONOK KEVERÉSE, BEDOLGOZÁSA, TULAJDONSÁGAI ........................................................................ 17 9.5 SZÁLTÍPUSOK, TULAJDONSÁGAIK .......................................................................................................... 19 9.6 ÖSSZEFOGLALÁS – SZÁLAK HATÁSA A BETON TULAJDONSÁGAIRA ....................................................... 22

-1-


1. A beton jövője /Dr. Balázs L.György/

1.1 Alapfogalmak • SRC (Steel Reinforced Concrete) = vasbeton • FRP (Fibre Reinforced Polymer) = szálerősítésű műanyag, a megerősítő szál anyaga

lehet szén; aramid; üveg. • Aramid = aromás poliamid

A szénszálas megerősítés nagy előnye az acélszállal szemben, hogy kicsi a térfogatsúlya, körülbelül az acél térfogatsúlyának (78,5 kN/m3) a negyede (17÷18 kN/m3)

• HPC (High Performance Concrete) = nagy teljesítőképességű beton. Azokat a betonokat tekintjük HPC-nek, amelyek valamilyen tulajdonsága nagymértékben eltér a normál betonokétól. Pl: nagy szilárdság (~ C 50-es szilárdsági jelnél nagyobb, jele: HSC /High strength concrete/ vagy UHSC /Ultra High Strength Concrete/). Illetve pl. nagy alakváltozó képesség, nagy húzószilárdság, jó tűzállóság, alacsony ár, nagy energiaelnyelő képesség.

• RPC (Reactiv Powder Concrete) = reaktív por beton.

1.2 A beton és a vasbeton jövője A szerkezetek, műtárgyak kb. 2/3-a betonból vagy vasbetonból épül, köszönhetően az

alkalmazási előnyeinek, mint pl. a könnyű alakíthatóság, alacsony ár, jó tűzállóság, stb. A betonban melegítés hatására az átkristályosodás 560 °C-on kezdődik meg. A WTC katasztrófa esetén például a repülőgépből kifolyó kerozin felgyújtotta az épületet, és emiatt omlott le az acélszerkezet, tehát nem az oldalirányú teher miatt ment tönkre az épület, hanem a fejlődő hő hatására, ami meglágyította az acélt. A vasbetonbeton magasabb hőmérsékleten olvad meg, mint az acél.

Meglévő szerkezeteink jövője leginkább az új és hatékony javító anyagoktól valamint az új

javítási technológiáktól függ. Hogyan építsünk a jövőben? A beton alternatívái lehetnek: az acél; az építőfa; az alumínium; az üveg; és a polimerek is

adott esetben. A betonnak ezekkel az anyagokkal szemben sok előnye van, de természetesen nem minden esetben a beton a legjobb választás szerkezeteink építéséhez. Nagy előnye a betonnak az alakíthatósága, céljainknak megfelelően „célorientáltan” tudjuk alkalmazni a betont, így juthatunk el a HPC-hez.

1.3 A vasbeton

A vasbeton két fő alkotóelemből áll: Betétek: a szálak lehetnek fémből vagy más anyagból is. Ma már léteznek nem acél

anyagú betétek is (ld. fennt). Beton: A betonnal szemben támasztott követelmények általában:

• Jó tömöríthetőség (1 V% levegőtöbblet kb. 4÷5%-os szilárdságcsökkenést eredményez)

-2-


• Szétosztályozódás mentesség • Kis porozitás (a nagyobb porozitás is lehet előnyös, pl. fagyállósági szempontból) • Kis áteresztőképesség (víz,gáz) • Nagy kezdőszilárdság • Térfogatállandóság (kis zsugorodás) • Tartósság • Esztétika.

Az 1.1-es ábrán a nyomószilárdság és a víz-cement tényező összefüggés van feltüntetve,

figyelembe véve az évtizedek során tapasztalt fejlődéshez tartozó megnevezéseket.

0

50

100

150

200

250

300

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

UHSC

Nyo

mós

zilá

rdsá

g, N

/mm

2

1990’s

HSC 1990’s

NSC NSC 1970’s 1950’

v/c tényező

1.1 ábra

Az adalékanyag a beton vázát adja, egy szemcsehalmaz, melynek elsősorban térkitöltő

szerepe van a betonban. (Az adalékszer viszont olyan szer vagy anyag, amellyel a beton egyes paramétereit befolyásoljuk, mint pl. konzisztencia, kötésidő, pórusképződés. Az 1.2-es ábrán a normálbetonok és az RPC (ld. fent) szemeloszlási görbéje látható közös koordináta rendszerben.

-3-


0

20

40

60

80

100

0.00001 0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 100

Particle diameter (mm)

Perc

enta

ge (%

)Normal concrete

A

B

C

RPC 200

RPC 800

1.2. ábra

1.4 FRC Itt egy FRC feszültség-alakváltozási összefüggését bemutató ábra került bemutatásra, de ez

részletesen szerepel a szálerősített betonok c. fejezetben. Az 1.3-as ábrán az FRC szerkezeti alkalmazásai láthatók.

No fibers No stirrupsFu=21.6kN

0.5 V% No stirrupsFu=33.6kN

1 V% No stirrupsFu=44.7kN

No fibers ∅4/240Fu=27.5kN

0.5 V% ∅4/240Fu=44.3kN

1 V% ∅4/240Fu=45.7kN

0

10

20

30

40

50

0 10 20 30 40 5

a [m m ]

F [kN]

0

0

10

20

30

40

50

0 10 20 30 40 50

a [m m ]

F [kN]

B1

B2

B3

B4

B5

B6

B1

B2

B3

B4

B6

B5

0V% 0.5V% 1V%

0V% 0.5V% 1V%

60 60 60

a

F F

1.3. ábra

Miért van szükség nem acél anyagú betétekre a betonban? A válasz erre az acél korróziójában keresendő, olyan betétre is szükség lehet, amely egyáltalán nem érzékeny korróziós szempontból.

Az 1.4-es ábrán FRP betétek feszültség-alakváltozás diagramjai láthatók.

-4-


0

1000

2000

3000

0 1 2 3

CFRP (Leadline®)

prestressing steel

GFRP (C-Bar®)

AFRP )

CFRP (Carbon-Stress®) σ, N/mm2

(Fibra®

1.4 ábra

1.4 Könnyűbeton

könnyűbetonok jele: LC. Legfőbb előnye, hogy a szerkezet önsúlya csökken. Az elő

• Adalékanyag törése l

adalékanyag szem és a cementpép közt. Err

Aadáson egy üveghulladékból előállított könnyű adalékanyag került bemutatásra, melynek

nagy előnye, hogy a gyártástechnológia megválasztásával a vízfelvétel is befolyásolható. Ezután egy ábrasorozat lett bemutatva, melyen a könnyűbeton tönkremeneteli módjait lehet látni:

• Vegyes tönkremenete• Tapadás megszűnése azől az anyagról is lesz szó bővebben a könnyűbetonok c. előadásban.

-5-


5. Szerkezetek megerősítése szálerősítésű polimerrel

/Dr. Balázs L. György/

5.1 Lehetséges megerősítési módok, anyagok

- Lövellt beton alkalmazása (kezdetben kis teherbírásnövelés mellett nagy önsúlynövekedés)

- külső utófeszítés (min. C 20-as beton és hely is kell hozzá) - acélszalagos megerősítés - nagy szilárdságú, szálerősítésű polimer alkalmazása.

A polimerrel való megerősítés előnye, hogy nagyon könnyű, az elektrolitikus korróziónak

ellenáll. Hátránya, hogy tízszer annyiba kerül, mint az acél. A polimer szálerősítés (FRP) fajtái:

- Szénszál erősítésű polimer (CFRP) - Aramid szálerősítésű polimer (AFRP) - Üvegszál erősítésű polimer (GFRP)

Legfontosabb jellemzői:

- Ágyazó anyag (mátrix) fajtája - feszültség-alakváltozás összefüggés - rugalmassági modulus - tönkremeneteli feszültségállapot - duktilitás (alakváltozó képesség) - biztonsági tényezők - alkáli állóság - hőmérséklet hatása.

5.2 Definíciók

EBR: külső megerősítés, ragasztással rögzítve. Kikeményített szalag (strip): pultrúziós eljárással előre gyártott elem, a szálakat áthúzzák egy bevonó anyagon. Átitatott (prepreg): előre bevonják kis mennyiségű műgyantával a szálakat. Szövet (wrap): egymással szöget bezáró szálakat tartalmaz az anyag. Szál (fibre (GB)=fiber (USA)) Mátrix: ágyazó anyag Delamináció: szalagok elválása, emiatt csökken az erőátadó képessége az anyagnak. Leválás (debonding): tapadás megszűnése. Hőre lágyuló anyag (thermoplastic): melegítés hatására lágyul, hűtés esetén keményedik. Hőre keményedő anyag (thermoset) Üvegesedési pont (glass transition point): az a hőmérséklet, ami felett az anyag lágyulni kezd. Fazékidő (pot life): az az időtartam, ami után megkezdődik a térhálósodás a műanyagban. Viszkozitás: folyással szembeni ellenállás (belső súrlódás), függ a hőmérséklettől.

Af az FRP keresztmetszeti területe

-6-


Ef az FRP rugalmassági modulusa Efib a szál rugalmassági modulusa Nf erő az FRP-ben ff húzó feszültség az FRP-ben ffib húzó feszültség a szálban bf az FRP szélessége tf az FRP vastagsága γf az FRP (anyag oldali) biztonsági tényezője εf az FRP megnyúlása εfu az FRP egyezményes megnyúlása σf feszültség az FRP-ben

5.3 A megerősítés okai 1. Lecsökken az szerkezet teherbíró képessége

- szilárdság csökkenés - túlzott repedések kialakulása - túl nagy alakváltozások (lehajlások) - földrengés (Akashi-Kaikio híd, Japán) - korrózió túlzott mértéke (körmendi híd)

2. Megnő a terhelés - változik a szerkezet funkciója, vagy nő a terhe. - új szabvány előírások szigorodnak.

3. Megváltozik a szerkezet statikai váza - egy oszlopot el kell távolítani funkcionális okokból. - túlzott süllyedéskülönbségek alakulnak ki az épületen.

Ezt a megerősítési módszert alkalmazták már középületeken, silón, kéményen, hidakon,

folyadéktárolókon is. Megerősíthetők beton, vasbeton, feszített vasbeton, kő, tégla, fa, acél anyagú szerkezetek FRP-vel.

Miért éppen FRP-vel erősítsük meg a szerkezetet?

- nagy (húzó)szilárdságú anyag (3000 N/mm2) - nagy a fáradási szilárdsága - a szilárdság/önsúly arány nagyon jó 17÷18 kN/m3 (az acél 78,5 kN/m3 súlyú) - könnyű alkalmazni, mozgatni - tartós anyag - esztétikus megoldás (vékony, könnyen festhető, vakolható) - általában gazdaságos megoldást nyújt - több irányban is alkalmazható.

5.4 Példák FRP-vel való megerősítésekre 1. Sins közelében, Svájcban keresztirányban erősítettek meg egy fahidat. Itt fontos volt, hogy a híd történelmi jellege miatt ne zavarja a megerősítés a szerkezet esztétikai megjelenését. 2. T-keresztmetszetű vasbeton tartón végzett kísérlet 5.1. ábra. Az 5.2. ábrán a kísérlet erő-elmozdulás ábrái láthatók. Látható, hogy a megerősített gerendának nőtt a teherbírása, de veszített duktilitásából. Feszített szalag esetén ugyanez a hatás fokozottabban

-7-


jelentkezett. A rugalmassági modulus nagyobb lett az eredeti tartóhoz képest, de a feszítéssel nem nőtt.

5.1. ábra

5.2. ábra

A lehetséges tönkremeneteli módokat az 5.3. ábrán foglaltuk össze: 1. a megerősítő anyag szakadása 2. nyomott betonöv morzsolódása 3. húzott acélbetét folyása 4. betonfedés leválása 5. ragasztóanyag szakadása 6. a ragasztás és a megerősítő anyag elválása 7. a beton és a ragasztó anyag elválása.

-8-


5.3. ábra 5.5 Tervezési elvek

A megerősítés tervezéséhez ismerni kell a megerősítés pillanatában tapasztalható feszültségi és alakváltozási állapotot. Az együttes megerősített elem csak a felette lévő terheket viseli. Gerenda, ill. födém esetén a hosszirányú megerősítő szalag mennyisége ugyanúgy csökkenthető a támaszok felé közeledve, mint a hosszirányú vasalás, a nyomatéki ábra függvényében. Nyírási igénybevétellel szemben is megerősíthető a gerenda, ekkor függőlegesen (teher irányában) ragasztunk fel szalagokat, amik akár körbe is érhetik a szerkezet keresztmetszetét. T keresztmetszetű gerendánál át kell fúrni a fejlemezt ilyen esetben.

Oszlopok, silók megerősítésére kiválóan alkalmas, úgy hogy spirális alakban körbetekerve erősítik meg a szerkezetet. A keresztirányú alakváltozást gátolva növeli meg a szerkezet normál irányú teherbírását a megerősítés.

Alkalmazási feltételek: - a beton tapadó-húzó szilárdsága min. 1,5 N/mm2 legyen (min. C 16 ) - max. 4 m% víz lehet a betonban (esőben nem lehet alkalmazni) - min. 5 °C legyen a beton hőmérséklete.

A megerősítés készítésének lépései:

- méretre szabás - felület előkészítése (portalanítás) - A és B komponens összekeverése (ragasztóanyag készítése) - ragasztóanyag felhordása a felületre, és a szalagra - ragasztás - UV-álló réteg felhordása, amennyiben szükséges - festés, burkolás.

-9-


-10-

7. Szálerősítésű polimerek (FRP) betonszerkezetekhez /Dr. Borosnyói Adorján/

Miért működik jól a vasbeton? Az acél jól tapad a betonhoz. A két anyag lineáris hőtágulási együtthatója azonos. A beton kémhatása lúgos, az acél pedig lúgos környezetben nem korrodál.

7.1. Acél korróziója Az acél korróziójának feltételei:

1. Korrózióra hajlamos anyag (Fe) 2. Oxigén (O2) 3. Víz (H2O) 4. Beton pH < 9-10

– karbonátosodás → pH 7 (ld. 3. fejezet) – klorid-ionok → katalizátor (ld. 3. fejezet) – NOx, SOx ionok (ld. 3. fejezet)

Hogyan kerülhető el a korrózió?

1. Kis permeabilitású betonok (HPC, UHPC) → nagy tömörségű betonok 2. Nagyobb betonfedés → egy bizonyos vastagság után megrepedhet a betonfedés 3. Katódos védelem → eltérő elektropotenciálú fémek kapcsolata, fogyó katód kell hozzá 4. Korróziós inhibitorok → lassítják a kémiai folyamatot 5. Epoxi bevonatos acélbetétek → az epoxi bevonat sérülhet, helyi korrózió kialakulhat. 6. Rozsdamentes acélbetétek → nehéz beszerezni, drága 7. Szálerősítésű polimer (FRP) betétek alkalmazásával. FRP = Fiber Reinforced Polymer = szálerősítésű polimer GFRP = Glass Fiber Reinforced Polymer = üveg szálerősítésű polimer (szürke) AFRP = Aramid Fiber Reinforced Polymer = aramid szálerősítésű polimer (sárga) CFRP = Carbon Fiber Reinforced Polymer = szénszál erősítésű polimer (fekete) Autokláv

7.2. FRP gyártás pultruzióval (7.1.ábra): Húzó hengerek

Szálköteg

Ágyazóanyag fürdő

Végtermék

Darabolás és felületkezelések

Kikeményítés Száltípus és orientáció

Ágyazóanyag

7.1.ábra (Rostásy, 1996)


A betétek felületi kialakítása:

Pultrúzió utáni sima felületű 7 eres pászma spirálisan feltekert szálköteg homokszórt felületű fonott betét ragasztott kerámia bordázatú, stb.

Cél: a tapadás javítása. 7.3. Kompozit anyag: Szálak Ágyazóanyag·5 - 20 �m átmérő ·szálak védelme ·nagy húzószilárdság ·erőátadódás a szálak között ·lineárisan rugalmas ·kis szilárdság (szálhoz képest) ·rideg ·üvegszerű állapot ·60 - 70 V% ·lineárisan rugalmas (statikus terhek) ·viszkoelasztikus (tartós terhek) ·vízfelvevő képesség Anyagjellemzői:

Lineárisan rugalmas viselkedés 7.2. ábra Magas fáradási szilárdság (acélhoz képest) 7.3. ábra Kismértékű relaxáció, sokkal kisebb a hagyományos feszítőpászmákénál.7.4.ábra Magas tartós szilárdság 7.5. ábra Nem mágnesezhetőség Kis önsúly Teljes mértékű korrózióállóság

ε, %

0

1000

2000

3000

0 1 2 3

σ, N/mm2

Carbon-Stress®

FiBRA®

C-BAR®

Feszítőacél

Leadline®

7.2.ábra

-11-


steel

7.3.ábra [Machida (1997)]

7.4.ábra [Ando et al (1997)]

7.5.ábra [Yamaguchi et al (1997)] A technológia alkalmazásához szükség van speciális segédszerkezetekre, mint például

lehorgonyzó elemekre. Ezeket csak egyszer lehet felhasználni.

-12-


7.4. Alkalmazási lehetőségek

Feszítőbetétként Nem feszített betétként Keresztmetszeten belül Külsőleg vezetve

•beton és feszítettbeton hidak • ferdekábeles hidak kábelei • talaj- és kőzethorgonyok • lövellt beton • hálók téglafalazathoz és betonhoz • együttdolgoztató csapok (öszvérszerkezetnél) • feszített födémek • feszítettbeton távvezetékoszlopok • faszerkezetek megerősítése • tengeri létesítmények • stb.

Mivel testsűrűsége kisebb a betonénál, le kell rögzíteni az FRP betéteket. A helyszínen,

azonban az acéllal ellentétben, nem lehet hajlítani. Speciális szerkezetek:

hosszú szalaghidak → nagyobb fesztáv érhető el. Mágnesvasút szerkezetei → a mágneses ellenállás acélbetétes, az FRP nem

mágnesezhető. Ferdekábeles hidak Talaj és kőzethorgonyok Alagútépítés Szerkezetek megerősítése Vasúti keresztaljak

7.5. Megfontolandó kérdések Lokális → tapadás, lehorgonyzási hossz, toldási hossz, húzott beton merevítő hatása, betonfedés Globális → használhatóság (repedések, lehajlás), teherbírás (tönkremeneteli mód) Szerkesztési szabályok:

Minimális betonfedés o Felhasadás ellen, annál nagyobb, minél nagyobb a felületi egyenlőtlenség. o Hőtágulás, nem azonos a betonéval a hőtágulási együtthatója. o Tűzhatás → 100 °C körül elég az ágyazó anyag. o Tartósság miatt nem indokolt.

Toldási hossz Lehorgonyzási hossz Erőátadási hossz

Teherbírási határállapotok:

-13-


Hajlítási teherbírás o Méretezési filozófia o Biztonsági tényezők o Keresztmetszeti méretezés

Nyírási & csavarási teherbírás o Biztonsági tényezők o Méretezési módszerek

Használhatósági határállapotok Lehajlás

o Megengedett érték o Számítási módszerek

Repedéstágasság o Megengedett érték o Számítási módszerek

Egyéb kérdések Ismételt terhelés

o Határfelületi jelenségek o Tartószerkezet

Tartós terhelés o FRP kúszása o Lehajlások és repedéstágasságok

Relaxáció Szabványok ACI 440 (American Concrete Institute) CSCE, ISIS (Canadian Society of Civil Engineers) fib TG 9.3 (Nemzetközi beton szövetség) JSCE, JCI (Japan Society of Civil Engineers, Japan Concrete Institute)

-14-


9. Szálerősítésű beton (Fiber reinforced concrete) /Dr. Balázs L. György/

9.1 Bevezetés Anyagok szálakkal történő megerősítése már nagyon régen ismert eljárás, pl. a

vályogtéglák esetében is növényi szálakkal javítják az agyag tartósságát, szívósságát. A betonhoz acélszálakat első alkalommal 1960-as évek elején kevertek Romuladi, Batson és Mandel (USA). Napjainkban már nem csak acél, hanem üveg-, szén- és műanyagszálakat is kevernek a betonba, az így előállított betonok pedig nagyon gyors mértékben teret hódítanak.

Fő technológiai előnyök: - bedolgozás egyszerűbb - vasalást egyes esetekben részben vagy egészében meg is spórolhatjuk

segítségével (pl. ipari padlók). Szerkezeti alkalmazása: Viszonylag drága anyag, csak a legigénybevettebb részeken alkalmazzuk (pl. húzott

szakaszokon – hajlított tartó alsó öve, feszített tartó végén a hasítófeszültség miatt). Természetesen lehet vasalással együtt is alkalmazni, ilyenkor kengyelezést spórolhatunk meg, valamint a repedéseket csökkenthetjük. Földrengés és szélteher hatására bekövetkező igénybevételeket is kedvezően befolyásolja.

Az acélszálak a megszilárdult beton tulajdonságait befolyásolják. Acélszálak felhasználás helye szerinti megoszlása: (Németországban)

- ipari padlók 70% - családi házak 15% - mélyépítés 10% - páncélszekrények 3% - egyéb 2%.

Műanyagszálak elsősorban a frissbeton tulajdonságait módosítják, ezért máshol kerülnek

felhasználásra mint az acélszálak: - vakolatok - esztrichek (kis dmax= 8 mm) - lövellt betonok - kis terhelésű ipari padlók

9.2 Acélszál erősítés hatása a beton tulajdonságaira

A 9.1. ábrán több, különböző irányú igénybevételre vizsgált szálerősítésű beton próbatestek erő-elmozdulás diagrammjait láthatjuk. Látható, hogy a berepedést követően a húzófeszültség nem esik le zérusra, hanem egy közel konstans, maradó húzószilárdsági értéket kapunk (residual tensile strength). Ennek mértéke függ:

- szál alakjától (tapadás) - száltartalomtól (mennyiség) - szál hosszától - bedolgozástól.

Ha a bedolgozást nem megfelelően végzik, akkor a szálerősítés hatása akár ronthat is a beton tulajdonságain, mert fellép az ún. „szénakazal effektus”, azaz a szálak laza szerkezete alkotja a teherhordó vázat.

-15-


9.1. ábra Szálerősítésű betonok erő-elmozdulás diagrammja

A másik jellemző a nyomó vizsgálati eredményekből kiolvasható (9.2. ábra), hogy a

száltartalom növelésével csak csekély mértékben nő a szilárdság (1 V% => 10 % nyomószilárdság növekedés). De jelentősen megnő a σ-ε diagramm alatti terület nagysága, vagyis az anyag energielnyelő képessége, más néven a szívóssága (toughness), valamint a törési összenyomódás. (εcu).

9.2. ábra

-16-


9.3 Alapfogalmak szálerősítésű beton: szálak + ágyazóanyag (matix) száltartalom: szálak mennyisége térfogat %-ban (V%) vagy kg/m3-ben szálak tömege: 1 V% acélszál = 78,5 kg/ m3

1 V% műanyagszál = 9 kg/ m3

szálhossz: l szálátmérő: ø szálkarcsúság: l/ø ≈ 50-100,

ekkor az optimális, ugyanis ha túl rövid a szál, kihúzódik, ha túl hosszú, gazdaságtalan. Ha a kihúzódás éppen akkor következik be, amikor a szálszakadás, az a kritikus hossz (critical lenth).

optimalizált betonok: bizonyos tulajdonságát megváltoztattuk a betonnak (pl. nagyszil.,stb) FRC: szálerősítésű beton SFRC: acél-szálerősítésű beton PFRC:műanyag-szálerősítésű beton GFRC: üveg-szálerősítésű beton CFRC: szén-szálerősítésű beton AFRC: aramid-szálerősítésű beton HPC: (high performance concrete) nagy teljesítőképességű beton HPFRCC: HPC+ szálak SIFCON: (slurry infiltrated fiber concrete) sok szál esete, amikor a szálakat először

elhelyezik a zsaluzatban és arra öntik rá a betont.

9.4 Betonok keverése, bedolgozása, tulajdonságai a) főleg műanyagszálak 1, száraz keverék (cement + adalékanyag) 2, szálak hozzáadása + keverése 3, víz, adalékszer hozzákeverése b) főleg acélszálak 1, száraz keverék (cement + adalékanyag) 2, víz hozzáadása + keverése 3, szálak, adalékszer hozzákeverése (akár a mixerben is) A szálerősítésű beton szilárdságát jelentősen befolyásolja a száltartalom és a bedolgozás.

Ezen tényezők hatását mutatja a 9.3. ábra. Látható, hogy a rossz bedolgozás nagyon le tudja rontani, még egy alapvetően jó képességű beton tulajdonságát is. Ez főleg a labdaképződés (balling effect) miatt van, amikor a szálak egymásba kapaszkodnak, és azon a helyen nincs meg a várt szilárdság.

-17-


9.3. ábra

A következő táblázatban az FRC és HPC betonok tulajdonságainak összehasonlítása látható.

Jellemzők Szálerősítésű betonok

(FRC) Nagy teljesítőképességű betonok

(HPC) Száltartalom kis száltartalom: 0,1-2 (6) V% nagy száltartalom: 2 (6)-27 V% Szálak acélszálak vagy műanyag-, üveg-,

szénszálak vagy acél- és műanyagszálak vegyesen

elsősorban acélszálak

Adalékanyag dmax: 4, 8, 12 vagy 32 mm dmax: 4 mm Vasalás Hagyományos vasalás egyidejűleg

lehetséges Hagyományos vasalás nem lehetséges

Szilárdság Szilárdsági jellemzők nem változnak általában jelentősen

Szilárdsági jellemzők jelentős növekedése várható

Bedolgozás Szálak adagolása betonhoz Beton (habarcs) adagolása szálakhoz

9.1. táblázat

-18-


9.5 Száltípusok, tulajdonságaik A szálak alakja, anyaga igen sokfajta lehet, ezeket a 9.4. ábra és a 9.2. táblázat tartalmazza.

9.4. ábra

Száltípus ∅

Átmérő µm

اHossz mm

γ Térf.súly

kN/m3

E Rugmod. N/mm2

ftHúzószil. N/mm2

εllSzakadónyúlás

% acél 100-600 10-60 78,5 200 000 700-2 000 3,5 polipropilén 100-2 000 5-75 9,0 <5 000 400 8-18 AR-üveg 8-10 10-50 25,4 72 000 2 500 4,8 aramid 10-12 10-20 14,4 50 000-

150 000 3 500

szén 8-10 10-20 18,0 150 000- 300 000

1 800-3 000 2,3

9.2. táblázat

Szálak geometriai és mechanikai tulajdonságai Betonba normál üveget (E-üveg) nem célszerű beépíteni, mert azt a beton bázikussága

tönkreteszi. Az üvegszálakhoz ezért alkalmaznak speciális AR-üveget. A különböző alakok pedig azért érdekesek, mert attól függ a szálak tapadása, a kapcsolati szilárdsága (bond strength). Ezt a 9.5. ábrán láthatjuk. Ezeket úgy kapták, hogy néhány szálat kiszakítanak a betonból. A hullámos szálak tapadása a simáénak a 3-4 –szerese, így a kihúzásukhoz szükséges energia is növekszik. Ha a szálvégi kampó leszakad, a tapadóerő hirtelen leesik, és a kihúzódási folyamat a sima szálakéhoz válik hasonlóvá.

-19-


9.5. ábra

A kísérletek igazolták, hogy nagyobb az ellenállás ha a szálakat szögben húzzuk ki a betonból, mintha a felületre merőlegesen, mert ekkor a csaphatásból származó ellenállást is figyelembe vehetjük. Ez a hatás elsősorban acélszálaknál jelentős.

A száltartalom változásának kihatását a 9.6. és 9.7. ábra mutatja.

9.6. ábra

FRC viselkedése nyomás hatására kampós végű, l=50 mm acélszálak esetén

-20-


9.7. ábra FRC viselkedése hajlítás hatására kampós végű, l=50 mm acélszálak esetén

Az ábrákról leolvasható, hogy van egy optimális száladagolás, ami ez esetben ~ 1 V%

körül van. Azt, hogy a fáradási szilárdságra milyen hatással van a szálak adagolása, a 9.8. ábrán láthatjuk.

9.8. ábra

A fáradási szilárdság növekedése acélszálak alkalmazása esetén A 9.9. ábrán pedig azt mutatjuk be, hogy mi a lényegi különbség az FRC és a HPFRCC σ-ε

diagrammja között.

-21-


9.9. ábra Nagy teljesítőképességű beton jellemző fesz-megnyúlás ábrája

9.6 Összefoglalás – Szálak hatása a beton tulajdonságaira

Acélszálak

- nő a beton szívóssága (energiaelnyelő képessége) - nő a beton törési összenyomódása - nő a beton fáradási szilárdsága - nő a beton ütőmunkabírása - nő a beton repedésáthidaló képessége.

Rossz bedolgozás esetén:

- csökkenhet a rugalmassági modulus - csökkenhet a szilárdság.

Műanyagszálak

- csökkenthetők a frissbeton képlékeny zsugorodásából származó repedések - javul a tűzállóság.

-22-

dr. józsa zsuzsanna – dr. balázs l....

Documents