A szálerősített beton (FRC) egy cement-alapú kompozit anyag, amely cementpépből, habarcsból vagy betonból áll mátrixként és szálakból erősítésként. A szálas-vasbeton, más néven szálbeton, általában egy cement-alapú kompozit anyagra utal, amely mátrixként cementpépből, habarcsból vagy betonból, erősítésként pedig nem folytonos rövid szálakból vagy folyamatos hosszú szálakból áll. A szálak szabályozhatják a repedések további kialakulását a mátrixbetonban, ezáltal javítva a repedésállóságot. A szálak nagy szakítószilárdsága és nyúlása növeli a beton szakító-, hajlító- és ütőszilárdságát, nyúlását és szívósságát. A szálbeton fő típusai közé tartozik az azbesztcement, az acélszálas beton, az üvegszálas beton, a polipropilénszálas beton, a szénszálas beton, a növényi rostbeton és a nagy rugalmassági modulusú szintetikus szálbeton. Ez egy általános kifejezés a szálakból és cement{9}}alapú anyagokból (cementpaszta, habarcs vagy beton) álló kompozit anyagokra. A cementpaszta, habarcs és beton fő hátrányai az alacsony szakítószilárdság, az alacsony végső nyúlás és a ridegség. Ezeket a hátrányokat nagy szakítószilárdságú, nagy végső nyúlású és jó lúgállóságú szálak hozzáadásával lehet kiküszöbölni.
A rostok szerepe a betonban:
A közönséges beton rideg anyag, már a betöltés előtt számos mikrorepedést tartalmaz. A növekvő külső erők hatására ezek a mikrorepedések fokozatosan kitágulnak, és végül makrorepedéseket képeznek, ami anyagi meghibásodáshoz vezet. A megfelelő mennyiségű szál hozzáadása megakadályozza és gátolja a mikrorepedések kialakulását, jelentősen javítva a kompozit anyag húzó- és hajlítószilárdságát, valamint törési energiáját a megerősítetlen cementmátrixhoz képest. A különböző típusú szálak különböző mértékben javítják a beton vízzáróságát, fagy-olvadásállóságát, kloridion-penetrációs ellenállását és karbonizációs ellenállását. A rost{5}}vasbeton elsősorban rövid szálakat használ meghatározott oldalaránnyal (a szálhossz és az átmérő aránya). Időnként azonban hosszú szálakat (például üvegszálas előfonatot és polipropilénszálas fóliát) vagy szálas termékeket (például üvegszálas hálót és üvegszálas szőnyeget) használnak. A végső szakítószilárdság 30-50%-kal növelhető. A szálerősítésű betonban lévő szál elsődleges funkciója, hogy korlátozza a repedések növekedését a cementmátrixban külső erők hatására. A terhelés kezdeti szakaszában (feszítés és hajlítás), amikor az összetevők megfelelőek és megfelelő nagy hatékonyságú víz-redukálószert adnak hozzá, a cementalap és a szálak együtt viselik a külső erőt, az előbbi a külső erő fő hordozója; amikor az alap megreped, a repedéseken átívelő szálak a külső erő fő hordozóivá válnak. Tegyük fel, hogy a szál térfogattartalma meghalad egy bizonyos kritikus értéket. Ebben az esetben a teljes kompozitanyag továbbra is ellenáll a nagyobb terheléseknek és nagyobb deformációkat produkál mindaddig, amíg a szálak el nem törnek vagy ki nem húzódnak az alapanyagból, tönkretéve a kompozit anyagot. A hagyományos betonhoz képest a szálerősítésű betonnak nagyobb a szakító- és hajlítószilárdsága, különösen a szívósság javulása.
A rostok általános osztályozása
A szálak anyagtulajdonságaik alapján osztályozhatók:
① Fémszálak, például acélszálak (acélszálerősítésű beton) és rozsdamentes acélszálak (hőálló{0}}betonokhoz alkalmas).
② Szervetlen szálak, elsősorban természetes ásványi szálak (krizotil, krokidolit, amozit stb.) és mesterséges ásványi szálak (lúg-ellenálló üvegszálak, szénszálak, például alkáli-álló ásványgyapot).
③ Szerves szálak, elsősorban szintetikus szálak (polietilén, polivinil-alkohol, nylon, aromás poliimid stb.) és növényi rostok (szizál, agavé stb.). Szintetikus szálerősítésű beton nem használható olyan környezetben, ahol a hőmérséklet meghaladja a 60 fokot.
Rugalmassági modulusuk alapján a szálak két nagy csoportra oszthatók:
A cementmátrixnál kisebb rugalmassági modulusú szálakat rugalmas szálaknak nevezzük, beleértve a polipropilénszálakat, a nejlonszálakat és a cellulózszálakat.
A mátrixnál nagyobb rugalmassági modulusú szálakat merev szálaknak nevezzük, mint például acélszálak, üvegszálak és szénszálak.
Gyakori betonszálak és jellemzőik
Acélszál
A megfelelő mennyiségű acélszál közönséges betonba történő bedolgozásával előállított betont acélszálas betonnak vagy acélszál-erősítésű betonnak nevezik. A hagyományos betonhoz képest jelentősen javul a szakítószilárdsága, a hajlítószilárdsága, a kopásállósága, az ütésállósága, a fáradtságállósága, a szívóssága, a repedésállósága és a robbanásállósága. A nagy-szilárdságú acélhuzal vágott-véghorgos-típusú szálak, tömbös mart-végkampós- típusú szálak, nyírt speciális-alakú szálak és alacsony-ötvözött acél olvadék-a szálak jelentősen elterjednek a beton mátrixú húzott mérnöki projektekben, szélesebb körű alkalmazásuk megakadályozása érdekében repedések, erősödő és keményedő beton.
Előnyök és hátrányok
Az acélszál műszaki előnye, hogy képes növelni a beton szívósságát és szakítószilárdságát. Az acélszálak azonban hajlamosak összetapadni a keverés során, ami rossz megmunkálhatóságot, nehéz szivattyúzást, nehézkes felépítést és rozsdásodásra való hajlamot eredményez. Ezenkívül az acélszálas beton nehéz, és jelentős acélgyártást igényel, ami növeli az acélfogyasztást és a költségeket. Az acélszálak használat közbeni meghibásodásának fő formája a kihúzás, nem pedig az eltörés, ami azt jelzi, hogy az acélszálak betonhoz való tapadása nem kielégítő, ami hatással lesz a beton szakítószilárdságának javulására. Az edzés és szilárdítás elve az, hogy repedések keletkezésekor az acél nagy modulusa és egyetlen szál nagy szakítószilárdsága megakadályozza a repedések további kialakulását; azonban a korlátozott szám miatt a mikrorepedések visszaszorításának hatása nem jelentős, és a szivárgásgátló, fagyás-olvadás és egyéb tulajdonságok javulása sem nyilvánvaló. Ráadásul az acélszálak sűrűsége az építés során túl nagy, és vibráció és öntés közben gyakran lesüllyednek a beton aljára, így lehetetlen az egyenletes elosztásuk. Ez a fő oka annak, hogy az elméleti kutatási következtetések jók, de a tényleges alkalmazási hatások nagyon eltérőek.
Szénszálas
Szénszálegy olyan kompozit anyag, amelyben a szénszálak egyenletesen vannak eloszlatva a cementmátrixban, hogy javítsák a beton fizikai és mechanikai tulajdonságait. A szénszálas beton legfontosabb jellemzői a kiváló mechanikai tulajdonságok, a vízszigetelés és a természetes hőmérséklet-ingadozásokkal szembeni ellenállás, amelyek a hagyományos vasbetonban nem találhatók meg. Stabil kémiai tulajdonságokat, hosszan tartó mechanikai szilárdságot- és méretstabilitást mutat erősen lúgos környezetben is.
Az acél szénszálas cseréje kiküszöböli a vasbeton sós víz által okozott leépülését és károsodását, csökkenti az építőelemek súlyát, megkönnyíti a telepítést és az építkezést, valamint lerövidíti az építési ütemterveket. A szénszál rezgéscsillapító-tulajdonságokkal is rendelkezik, elnyeli a lökéshullámokat, és több mint tízszeresére növeli a szeizmikus ellenállást és a hajlítószilárdságot. A szénszálas beton nagy szakítószilárdságot, hajlítószilárdságot, törésállóságot és korrózióállóságot mutat. Alacsony tágulási együtthatója miatt a szénszálas beton kiváló hőállóságot és minimális hődeformációt mutat.
A szénszálas betonban található szénszál elsődleges funkciója a betonon belüli mikrorepedések terjedésének megakadályozása, valamint a makrorepedések előfordulásának és kialakulásának megakadályozása. Ezért a szakítószilárdsága, valamint a nyíró-, hajlító- és torziós szilárdsága, amelyeket főként a fő húzófeszültség szabályoz, jelentősen javul; ugyanakkor nagy a mátrix deformációval szembeni ellenállása, ezáltal javítja szakító-, hajlító- és ütésállóságát. Ha a szénszál térfogathányada 1,18%, a próbadarab hasító szakítószilárdsága 1,2%-kal nő. Az összetett szabály szerint a szénszál erősítő hatásának növekednie kell a cement rosttartalmának növekedésével. Ha a szénszál tömegszázaléka kevesebb, mint 5%, ez az összefüggés majdnem lineáris. A tartalom további növelésével a szénszál nehezen oszlik el egyenletesen a mátrixban, és nem érhető el az erősítő hatás, sőt a szénszálas beton szakítószilárdsága is csökken. Ezenkívül a szénszálas beton jó korrózióállósággal, áteresztőképességgel, kopásállósággal, zsugorodási ellenállással és tartóssággal is rendelkezik.
Üveggyapot
Az üvegszállal megerősített beton (GFRC) olyan összetett anyag, amelyet nagy rugalmassági modulusú, alkáli{0}}ellenálló üvegszálak egyenletes eloszlatásával állítanak elő a cementhabarcsban vagy a hagyományos betonban. Mivel az üvegszálak átmérője mindössze 5-20 μm, ami közel azonos a cementrészecskékével, a GFRC-ben használt kötőanyag cementpaszta vagy finom homok, gyakorlatilag durva adalékanyag nélkül. Ezért az ebből az anyagból készült kompozit anyagokat megerősített cementnek is nevezik. A GFRC az építőipar jövőbeli fejlesztési irányzata. Nemcsak a hagyományos betontermékek hiányosságait küszöböli ki, mint például a nagy súly, az alacsony szakítószilárdság és a rossz ütésállóság, hanem olyan tulajdonságokkal is rendelkezik, amelyek nem találhatók meg a hagyományos betonban. A GFRC termékek vékonyabbak és könnyebbek. Mivel erősítésként rendkívül nagy szakítószilárdságú üvegszálakat használnak, nagy szakítószilárdsággal rendelkeznek. Az üvegszálak egyenletes eloszlása a betonban megakadályozza a felületi repedéseket. Mivel a sérülések során jelentős energiát nyelnek el, kiváló ütésállóságot és nagy hajlítószilárdságot mutatnak. A GFRC termékek kiváló bonthatósági tulajdonságokat is kínálnak, és könnyen megmunkálhatók, így könnyen adaptálhatók a különféle formákhoz.
Polipropilén szálas beton
A polipropilén szálbeton olyan kompozit anyag, amelyet meghatározott hosszúságú polipropilén szálak egyenletes elosztásával készítenek cementhabarcsban vagy hagyományos betonmátrixban, hogy javítsák a mátrix fizikai és mechanikai tulajdonságait. Ez a szálerősítésű beton olyan előnyöket kínál, mint a könnyű súly, a nagy szakítószilárdság, valamint az ütésekkel és repedésekkel szembeni ellenállás. A polipropilén szálak részben helyettesíthetik az acélerősítést is, hogy csökkentsék a beton tömegét, ezáltal növelve a szerkezet szeizmikus ellenállását.
A polipropilén szálbeton a legszélesebb körben kutatott és alkalmazott beton. A szálak alakjától és szerkezetétől függően a polipropilén szálak monofil szálak, párhuzamos fibrillált szálkötegek és filmszálak kategóriába sorolhatók. A monofil szálak nagy oldalarányúak, míg a párhuzamos fibrillált szálkötegek könnyen eloszlathatók a cementmátrixon belül. Míg a kémiai kötés korlátozott, a mechanikai kötés erős, megakadályozza, hogy a szálak feszültség hatására kihúzódjanak.
Míg a polipropilén szálak szakítószilárdsága nagyobb, mint a hagyományos betoné, rugalmassági modulusuk viszonylag alacsony, így hajlamosak az extrém deformációra nagy igénybevétel mellett. Ha azonban megfelelő mennyiségű polipropilén szálat adunk hozzá, ennek a kompozit anyagnak az ütésállósága sokkal nagyobb, mint a hagyományos betoné. Ez egy nagyon ígéretes módszert talált alacsony terhelésű, de nagy ütésállóságú és szívósságú alkatrészek előállítására. Ezenkívül a polipropilén szál rozsdaálló-, valamint jó sav- és lúgállósággal rendelkezik.
Bazalt rost
A folytonos bazaltszál (CBF) egy tiszta természetes vulkáni eredetű extrudív kőzetből készült szervetlen rostanyag. 1450-1500 fokos magas hőmérsékleten történő megolvasztás után gyorsan húzódik. Aranybarna megjelenése, kiváló átfogó teljesítménye és alacsony ára van.
A bazaltszál jellemzői:
(1) Az alapanyagok természetessége. Mivel a CBF előállításához szükséges alapanyagok természetes vulkáni eredetű extrudív kőzettől függenek, a benne rejlő magas kémiai és termikus stabilitáson túlmenően nem tartalmaz az emberi egészségre káros összetevőket.
(2) Átfogó teljesítmény. A bazaltszál valóban „több-funkciós” rost. Például sav-álló, lúg-álló, alacsony-hőmérsékletnek-álló, magas-hőmérsékletnek-álló, hőszigetelő-, elektromos és hangszigetelő. Szakítószilárdsága meghaladja a nagy-vonószénszálakét, szakadási nyúlása pedig jobb, mint a kis{14}}vonós szénszálaké. A CBF-nek poláris felülete és kiváló felületi nedvesíthetősége van gyantával keverve. A CBF háromdimenziós molekulaméretekkel is rendelkezik, amelyek az egydimenziós molekulaméretű lineáris polimer szálakhoz képest nagyobb nyomószilárdsággal, nyírószilárdsággal, valamint a zord környezethez és az öregedésállósághoz való alkalmazkodóképességgel rendelkeznek, többek között kiváló átfogó tulajdonságokkal.
(3) Alacsony költség. A cementbetonban használt bazaltszál ára nem magas, lényegesen alacsonyabb, mint az acélszálé, szénszálaké stb., és összehasonlítható a szintetikus szálakkal.
(4) Természetes kompatibilitás. A bazaltszál egy tipikus szilikátszál. Cementtel, betonnal és habarccsal keverve könnyen eloszlatható. A frissen kevert bazaltszálas beton stabil térfogatú, jó megmunkálhatósággal és jó tartóssággal rendelkezik. Kiváló magas-hőmérsékletállósággal,-szivárgás- és repedésgátlóval, valamint ütésállósággal rendelkezik. Ezenkívül a bazaltszál jobban lúg-ellenálló, mint az alkáli-üveg.
Fiber{0}}vasbeton alkalmazásai
A rost{0}}vasbetont számos alkalmazásban használják, attól függően, hogy a kivitelező és az építtető mennyire tudja kihasználni az anyag statikus és dinamikus tulajdonságait. Egyes alkalmazások közé tartoznak a kifutópályák, parkolóházak, járdák, alagutak burkolatai, lejtőstabilitás, héjak, falak, csövek, aknafedelek, gátak, hidraulikus szerkezetek, viaduktok, utak, hidak és raktárpadlók.
A szál létfontosságú szerepet játszik a beton teljesítményének és tartósságának növelésében. Legyen szó acélszálról, üvegszálról, polipropilén szálról vagy természetes szálról, mindegyik típus egyedi előnyökkel rendelkezik, és különböző építési igényekhez alkalmas. A szálak típusának és adagolásának megfelelő kiválasztásával a mérnökök nemcsak a beton repedésállóságát, szívósságát és hosszú távú szilárdságát- tudják hatékonyan javítani, hanem jelentősen csökkenthetik a későbbi karbantartási költségeket is. Ahogy az építési technológia folyamatosan fejlődik, a szálerősítésű{4}}beton kulcsfontosságú megoldássá válik az erősebb, biztonságosabb és fenntarthatóbb szerkezetek létrehozásához.
