Lapszámok

Világszerte egyre szélesebb körben alkalmaznak szálerősítésű betont. Több külföldi és hazai példa bizonyította már a szálerősítésű betonok kedvező tulajdonságait. Megfelelően megválasztott szálerősítéssel kedvezően lehet befolyásolni a frissbetonok, illetve a megszilárdult betonok jellemzőit. Mint ismeretes, a szálerősítésű betonok tulajdonságait jelentősen befolyásolja, hogy milyen szálat és mekkora mennyiségben alkalmazunk. A gyártói leírásokból tudhatjuk, hogy a szálaknak milyen húzószilárdsága, hossza, felületi jellemzője, alakja van a keverés előtt. Azonban a beton jellemzőit a szálak bekeverést követő paraméterei határozzák meg. Felmerül a kérdés, hogy vajon a szálak jellemzőit jelentősen befolyásolja-e a betonban való keverés. Jelen kutatásunkban azt vizsgáltuk, hogy a külön - féle anyagú és alakú szálak hogyan viselkednek betonban való 2-30 perc keverés során. Azt tapasztaltuk, hogy egyes szálak jellemzői keverés hatására megváltozhatnak. A tulajdonság változása nagymértékben függött a vizsgált szál típusától. Egyes szálak a keverés hatására károsodtak. Jelen cikkünkben összefoglaltuk az általunk vizsgált acél, műanyag, bazalt és kender szálak betonban való keverés hatására tapasztalt jellemző tulajdonság változásait, károsodásait.

1. Bevezetés

A szálerősítés több mint száz éves múltra tekint vissza. A szálerősítés első alkalmazójaként A. Bernardot tekintik, aki már 1874-ben alkalmazott szabálytalan alakú vashulladékot a beton tulajdonságának javításához [1]. J. P. Romualdi 1965-ben szerzett acélhuzal erősítésű betonra szabadalmat [2]. Azóta a kedvező tapasztalatok miatt egyre többféle anyagú, alakú és hosszúságú szálakat fejlesztettek ki. Egyes szálakat a friss beton, míg más szálakat a megszilárdult beton tulajdonságainak javítása miatt alkalmazzák.

A szálerősítésű betonok megfelelő tulajdonságának eléréséhez nagyon fontos, hogy a szálak egyenletesen elkeveredjenek a betonban. A szálgyártók megadják azt a minimális elkeveredési időt, ameddig legalább keverni kell a betont a szál keverékbe való adagolását követően.

Fontos kérdés azonban, hogy milyen hatással van a szálak tulajdonságaira és így a szálerősítésű beton tulajdonságaira, ha a minimálisan előírt ideig vagy annál hosszabb ideig keverjük a szál beadagolását követően a betont. Vajon a keverés hatására a szálaknak mely tulajdonságai változnak kedvezően, illetve hátrányosan? Jelen kutatásunkban azt vizsgáltuk, hogy a különféle anyagú és alakú szálak hogyan viselkednek eltérő időtartamú (a szálak adagolását követő 2-30 perces) keverés hatására.

2. Szakirodalmi áttekintés

Naaman és Najm [3] szerint a szál - erősítésű betonoknak szinte minden tulajdonsága függ a szálak tapadásától. Több kutatás [4, 5, 6, 7] foglalkozott azóta is a különböző anyagú szálak tapadásával.

Balázs és Polgár [8] szerint a szálak tapadása elsősorban a szálak anyagától, alakjától, felületi kialakításától, az ágyazóanyag mechanikai tulajdonságaitól, a száltartalomtól és a terhelési sebességtől függ. Ennek megfelelően a szálak felületének, alakjának változása is szinte minden tulajdonságát befolyásolja a szálerősítésű betonoknak.

 A szálak optimális alkalmazásához fontos az is, hogy kellő hosszúságúak legyenek a szálak a bedolgozást követően. Ha túl rövidek a szálak, akkor a betonból könnyen kihúzódnak, és így a szálak lehetséges teherbírását nem lehet teljesen kihasználni (1. ábra). Éppen ezért fontos megvizsgálni, hogy a keverés hatására a szálak hossza változik-e?

A szálak egyenletes elkeveredése ugyancsak nagyon fontos. Ha a szálakat nem megfelelően dolgozzuk be, akkor a szálak a beton tulajdonságait kedvezőtlenül is befolyásolhatják (2. ábra). A nem megfelelő elkeveredés miatt egyes részeken túl sok szál lesz, a cementpép nem tudja megfelelően körülvenni (1. kép), melyeknek így nem lesz megfelelő tapadásuk a betonhoz, míg más részekre a tervezettnél kevesebb szál jut. A kevesebb szál pedig a tervezetthez képest kevésbé tudja kifejteni kedvező hatását. Ennek elkerülésére a szálgyártók meg szokták adni a minimális keveredési időt, amennyit keverni kell a betont a szálak betonba való adagolását követően.

A szálerősítésű betonok tervezett tulajdonságainak eléréséhez kiemelten fontos a megfelelő bedolgozás is. Különös figyelmet kell fordítani arra, hogy a szálak ne süllyedjenek le, vagy éppen ne ússzanak fel bedolgozás közben a betonban. Az acélszálak testsűrűsége 7850 kg/m³. Emiatt túlzott tömörítés esetén lesüllyedhetnek a szerkezeti elem aljára, míg a műanyag szálak viszonylag kis (890 kg/m³) testsűrűsége miatt esetleg felúszhatnak a szerkezeti elem tetejére.

Korábbi kutatások foglalkoztak a szálak korróziójával, vegyi bomlásával. Kimutatták, hogy a beton lúgos kémhatása miatt egyes szálak (pl. üvegszálak egyes típusai, természetes szálak) idővel károsodhatnak a betonban [11], míg az acélszálakat épp a beton lúgos kémhatása védi a korróziótól. Azzal azonban eddig kevesen foglalkoztak, hogy a szálak tulajdonságai a betonban való keverés hatására is megváltozhatnak-e?

3. Elvégzett kísérletek

Kutatásunk során két fajta acél anyagú (egy bevonat nélküli és egy réz bevonatú) szálat, három fajta makro műanyag szálat, két eltérő hosszúságú bazalt szálat és egy fajta kender szálat vizsgáltunk (1. táblázat). (Az MSZ EN 14889-2:2007 [12] szabvány alapján makro műanyag szálnak nevezzük azokat a műanyag szálakat, amelyek átmérője nagyobb 0,3 mm-nél.)

Mindegyik keverékünkhöz azonos betonösszetételt és konzisztenciát (F4 konzisztencia osztályt) alkalmaztunk. A keverékekhez kvarckavics adalékanyagot használtunk (dmax=16 mm, finomsági modulus = 5,6 volt). Az alkalmazott adalékanyag szemmegoszlási görbéjét a [13] cikk tartalmazza. Az alkalmazott betonösszetételt a 2. táblázatban adtuk meg. Az egyes keverékeknél a szál típusát, a száltartalmat és a folyósító adalékszer (Glenium C300) mennyiségét változtattuk. A betonkeverést minden esetben függőleges tengelyű kényszerkeverővel végeztük. A szálak adagolása minden esetben a már megkevert friss betonhoz történt.

Kutatásunkhoz kidolgoztunk egy olyan eljárást, amivel akár a kis méretű (néhány μm hosszúságú) szálakat is – további sérülés nélkül – el tudtuk különíteni a friss betontól. Ennek köszönhetően vizsgálni tudtuk a szálak tulajdonságainak változását a keverés előtti állapothoz képest.

4. A szálak jellemzőinek változása betonban való keverés hatására

Vizsgálataink során azt tapasztaltuk, hogy a különféle szálak jellemzői eltérően módosulnak a keverési idő változtatásával. A szál anyagától, gyártási technológiájától, bevonatától, méretétől, felületi kialakításától függően eltérő sérülési módokat tapasztaltunk. Vizsgálati eredményeink szerint a károsodási módokat legjobban a szálak anyaga határozta meg, így az 3. táblázatban összefoglaltuk a különböző anyagú szálak jellemző sérülési módjait.

A bevonat nélküli acélszál esetén nem tapasztaltunk jelentős változásokat a keverés hatására. A keverés során egyes szálak kis mértékben meghajoltak, alakjuk deformálódott (2. kép). Ez azonban feltehetően nem befolyásolja jelentősen a szálerősítésű beton jellemzőit. A réz bevonatú acélszálak esetén – az alak deformációján túlmenően – a keverés során a bevonat fokozatos kopását is tapasztal tuk [13].

A makro műanyag szálak felülete a keverés hatására megváltozott. A szálak felületi mintázata elkezdett lekopni és a felület elkezdett bolyhosodni, így a felület érdessége is változott (3. kép). Azt tapasztaltuk, hogy a keverési idő növelésével a szálfelület bolyhosodása fokozódott. A bolyhosodás minden általunk vizsgált makro műanyag szálon megfigyelhető volt. A különféle makro műanyag szálak bolyhosodásának mértéke eltérő volt a szálak anyagától és felületi kialakításától függően. Ugyanabból a keverékből, azonos keverési idő után kiszedett szálak bolyhosodásának mértéke is eltérő volt. Ez azzal magyarázható, hogy a szálakat eltérő hatások érték a betonban. Volt, amelyik szál közvetlenül érintkezett a keverődob szélével, vagy lapátjaival, míg más szálak kizárólag a betonmátrixszal került kapcsolatba. Sőt, egyes esetekben egy szál hossza mentén is szemmel látható különbségeket tapasztaltunk a szál kopottságában. A speciális elválasztási eljárásnak köszönhetően a frissbetontól el lehetett különíteni a szálanyag kopási maradékát (4. kép). Vizsgálataink alapján a lekopott szálanyag mennyisége függött az alkalmazott szál típusától. Minden általunk vizsgált makro műanyag szál esetén azonban a lekopott szálanyag mennyisége nőtt a keverési idő növelésével.

A keverés hatására (már 2 perc keverés után is) megfigyelhető volt egyes makro műanyag szálak károsodása. A keverés kezdetén a szálak vége elkezdett szálasodni (5.a. kép), majd a szálvég szétnyílása következett be (5.b. kép). A szétnyílás fokozatosan növekedett keverés közben a szál hossza mentén, míg végül a szál két vékonyabb részre szétvált (5.c. kép). Volt olyan szál is, amelyiknél a szálnak mind a két vége elkezdett szétnyílni a keverés hatására. A betonban való keverés közben voltak olyan szálak, melyeket erős mechanikai hatás ért. (A keverőlapátok és a dob fenéklemeze, illetve palástja közötti résbe adalékanyag szemek szorulhatnak be, melyek a keverő fokozott kopását eredményezhetik [14]. Előfordulhat, hogy a beszorult adalékanyag mellé műanyag szálak kerülnek, így lokális sérülés keletkezhet a makro műanyag szálon.)

Vizsgálataink során megfigyeltünk olyan makro műanyag szálakat is, amelyeken lokális zúzódás (5.d. kép) alakult ki. Egyes esetekben a szálkeresztmetszetbe való bemetsződés (5.e. kép) alakult ki, míg más esetben a szál megnyílása (5.g. kép) következett be. Nagyobb lokális behatás esetén, illetve a keverés közben fellépő igénybevételek miatt szál szakadás (szálak rövidülése) is előfordult (5.f. kép).

Mikroszkópos vizsgálatokkal kimutattuk, hogy a szálak bolyhosodott felületére a finom frakció hozzátapadt, egyes esetekben az adalékanyag benyomódott a szálakba (5.h. kép). Ennek hatására a makro műanyag szálak test sűrűsége megnőtt. Korábban a szálak úsztak a víz tetején (testsűrűségük hozzávetőlegesen 890 kg/m³ volt), keverés után azonban egyes szálak a vízben lebegtek (testsűrűségük hozzávetőlegesen 1000 kg/m³-re nőtt), más szálak elsüllyedtek (testsűrűségük nagyobb lett, mint 1000 kg/m³) (6. kép). Azonban továbbra is maradtak olyan szálak, amelyek a vízben úsztak.

A szálak frissbetonba való bekeverését követő 2, 5, 15, illetve 30 perc keverés után mintát vettünk a frissbetonból, amiből a szálakat elkülönítettük. A P2 típusú makro műanyag szálakon szakító vizsgálatot végeztünk. A vizsgálatokat az MSZ EN 14889-2:2007 [12] szabványnak megfelelően minden keverési idő esetén 30-30 szálon végeztük el, ahol a terhelési sebesség 10 mm/min volt. A 3. ábrán összefoglaltuk a szálszakítás vizsgálati eredményeit keverés nélküli, 5 perc illetve 30 perc keverés után. A 3. ábrán vastag, folytonos vonalak a 30-30 db szál vizsgálati eredményeink átlagára illesz - tett, másodfokú görbéket jelentik. A vastag, folytonos vonalak körüli színezett területek a 30-30 db szál vizsgálati eredményeinek szórási tartományát adják meg. Az általunk vizsgált makro műanyag szálak esetén a szakítóerő nagysága a betonban való keverés hatására csökkent. Megfigyelhető továbbá a 3. ábrán, hogy az általunk vizsgált makro műanyag szálak erő-alakváltozás görbéinek terjedelme nőtt a keverési idő növekedésével. Mérési eredményeink alapján a szálak erő-alakváltozás görbéének meredeksége is csökkent a keverési idő növelésével. Ez feltehetően azzal magyarázható, hogy a szálak kereszt metszete az anyag kopása, illetve a sérülések miatt csökkent. A 3. ábrán továbbá feltüntettünk két szemmel láthatóan sérült szál szakítóvizsgálatának eredményét is (szaggatott és pont-vonal jelöléssel). Az egyik szál esetén a szál közepénél egy megnyílást tapasztaltunk (5.g. kép), míg a másik szál esetén a szál szétvált, így a keresztmetszete hozzávetőlegesen felére csökkent (5.c. kép). (A szaggatott és a vonal-pont jelölésű eredmények 1-1 szál vizsgálati eredménye.) Tehát a makro műanyag szálak keverés közben előforduló károsodásai kimutathatóan befolyásolják az adott szál mechanikai viselkedését.

A 4. ábrán látható 30-30 db szál szakítóvizsgálatához tartozó átlag erőelmozdulás görbéire illesztett másod fokú polinomok keverés nélküli, 2, 5, 15 és 30 perc keverés utáni szálak esetén. Ez alapján látható, hogy a betonban való keverési idő növelésével a makro műanyag szálak átlag erő-elmozdulás görbéi csökkentek.

Mérési eredményeink alapján a betonban való keverés hatására bekövetkező szálkárosodás és ezzel együtt a szálak szakítóerő csökkenése jelentősen függ a felhasznált száltól (szál anyaga, szilárdsága, felületi kialakítása, méretei). Emellett a szálak károsodásának mértékét feltehetően jelentősen befolyásolják pl. a frissbeton tulajdonságai (adalékanyag érdessége, adalékanyag aránya, adalékanyag szemmegoszlása, adalékanyag szilárdsága, adalékanyag sűrűsége, frissbeton konzisztenciája), keverés módja, keverőlapátok kopottsága, egyszerre kevert beton mennyisége, szálak bekeverésének módja (a szálakat szárazkeverékhez vagy frissbetonhoz adagolják-e).

A monobazaltszálak esetén azt tapasztaltuk, hogy a szálak a betonban való keverés hatására jelentősen lerövidültek (7. kép). A keverési idő növelésével a szálak átlag hossza folyamatosan csök kent. A szálrövidülésre hajlamos szálak alkalmazása esetén érdemes a tervezett keverési móddal és betonösszetétellel meghatározni a szálrövidülés mértékét. Célszerű a szálrövidülés mértékének ismeretében meghatározni az alkalmazandó szálhosszat és a keverési időt.

Kezeletlen kender fonatból készített szálnál megvizsgáltuk, hogy keverés hatására történik-e változás a szál tulajdonságaiban (8. kép). Vizsgálataink során megállapítottuk, hogy már 5 perc keverés hatására a fonat elkezdett szétválni. Hosszabb idejű keverés hatására elemi kender szálakra vált szét, mely már a megszilárdult beton mechanikai tulajdonságait nem tudja jelentősen javítani. Ezek alapján a kender fonatból készült szálaknál nem csak a vegyi hatások elleni védelem miatt, hanem a mechanikai károsodások miatt is érdemes valamilyen bevonatot alkalmazni, ami képes a szálfonatot egyben tartani.

Vizsgálataink során azt tapasztaltuk, hogy az általunk ismertetett egyes károsodási módok már rövid (akár 2 perc) betonban való keverés után is megfigyelhetőek voltak, azonban a keverési idő növelésével a károsodás mértéke és a károsodott szálak aránya folyamatosan nőtt. A keverés során tapasztalt szálsérülések akár a szálerősítésű beton egyes tulajdonságait kedvezően is befolyásolhatják (pl. makro műanyag szál testsűrűség növekedése, felület érdesedése). Vannak olyan szálsérülések, amelyek várhatóan nem befolyásolják jelentősen a szálerősítésű beton tulajdonságát (pl. acélszálak alakjának deformációja). Azonban egyes károsodási módok (szálszakadások, szálrövidülések, szálszétválás) akár ronthatják is a szálerősítésű betonok tulajdonságait. Ennek megfelelően érdemes lenne megvizsgálni a felhasználás előtt, hogy az egyes keverési feltételek, betonösszetételek esetén milyen típusú és milyen mértékű szálsérülés tapasztalható, és annak milyen hatása van a szálerősítésű betonokra.

 5. Megállapítások

Jelen kutatásunk során azt vizsgáltuk, hogy a különféle anyagú és alakú szálak hogyan viselkednek eltérő időtartamú (szál adagolást követő 2-30 perces) betonban való keverés hatására. Kutatásunk során két fajta acél anyagú (egy bevonat nélküli és egy réz bevonatú) szálat, három fajta makro műanyag szálat, két eltérő hosszúságú bazalt szálat és egy fajta kender szálat vizsgáltunk.

Kifejlesztettünk egy eljárást, amivel akár a kis méretű (néhány μm hosszúságú) szálakat is – további sérülés nélkül – el tudtuk különíteni a friss betontól. Ennek köszönhetően vizsgálni tudtuk a szálak tulajdonságainak változását a keverés előtti állapothoz képest.

Vizsgálataink során azt tapasztaltuk, hogy a különféle szálak tulajdonságai eltérően változnak a keverési idő növelésével. A keverés hatására néhány szálon károsodásokat lehetett megfigyelni. A szál anyagától, gyártási technológiájától, bevonatától, méretétől, felületi kialakításától függően eltérő károsodási módokat tapasztaltunk.

Az acélszálak esetén a szálak alakja deformálódott, illetve ha volt bevonata (pl. réz), akkor az elkezdett lekopni. A makro műanyag szálak esetén többfajta károsodási módot figyeltünk meg. Vizsgálataink alapján az egyes makro műanyag száltípusoknál más-más károsodási mód volt jellemző. A bazalt anyagú mono szálakon hosszú idejű keverés esetén jelentős szálrövidülést tapasztaltunk. Míg a kender fonatból készült szálak esetén a fonat szétválását, illetve az elemi szálak rövidülését figyeltük meg.

Ugyanabból a keverékből, azonos keverési idő után kiszedett szálak károsodásának módja és mértéke eltérő volt. Ez azzal magyarázható, hogy a szálakat eltérő hatások érték a betonban. Volt, amelyik szál közvetlenül érintkezett a keverődob szélével vagy lapátjaival, míg más szálak kizárólag a beton mátrixszal kerültek kapcsolatba. Egyes esetekben akár a szál hossza mentén is szemmel látható különbségeket tapasztaltunk a szálak állapotában.

A keverés során tapasztalt szálsérülések akár a szálerősítésű beton egyes tulajdonságait kedvezően is befolyásolhatják, azonban vannak olyan jellegű szálsérülések, melyek várhatóan nem befolyásolják jelentősen a szálerősítésű beton tulajdonságát, vagy akár a szálerősítésű betonok tulajdonságainak romlásához is vezethetnek. Ennek megfelelően érdemes a szálak alkalmazása előtt megvizsgálni, hogy az alkalmazási feltételek mellett milyen jellegű, milyen mértékű szálsérülések következhetnek esetleg be. Az eredmények alapján pedig érdemes lehet módosítani a keverési időt vagy az alkalmazott alkotóanyagokat.

6. Köszönetnyilvánítás

Ezúton szeretnénk köszönetet mondani a BME Polimertechnika Tanszékének, prof. dr. Czigány Tibornak és dr. Bárány Tamásnak a szálak mikroszkópos vizsgálatának lehetőségéért. Külön köszönjük dr. Morlin Bálint hasznos tanácsait, a vizsgálóberendezések betanításában és a vizsgálóberendezések kezelésében nyújtott segítségét. Köszönetünket fejezzük ki továbbá dr. Salem G. Nehmenek és dr. Kopecskó Katalinnak értékes tanácsaikért. Továbbá köszönjük Hlavička Viktornak és Sólyom Sándornak a kísérletek elvégzésében nyújtott töretlen segítségüket.