1. Bevezetés
2011-ben a szegedi villamospálya felújítása során készült az első hazai szintetikus szálerősítésű villamospálya-lemez Magyarországon. Még abban az évben egy orosz küldöttség tekintette meg az elkészült villamospályát és az újnak számító technológiát, majd 2012-ben Szentpéterváron is elkészült a saját villamospályájuk hasonló szerkezeti megoldásokkal. 2013 nyarán már budapesti villamospálya felújításoknál is használták a szintetikus makro szálakat.
A szegedi villamospálya betonjának próbakeverésén mint statikus tervező vettem részt. A keverési idő és adagolás módjának betartása mellett a makro szálak megfelelően elkeveredtek, a pumpálhatósággal sem akadt probléma. A helyszínen jelenlevő műszaki ellenőr is elégedett volt, majd közölte, hogyha a próbakockák törése is megfelelő lesz, akkor alkalmazzák az új anyagot. Mikor válaszoltam, hogy a szálaknak nem lesz hatása a nyomószilárdságra, azt mondta, hogy akkor öntenek 3 gerendát is. Tovább kérdezősködtem, hogy vajon azokkal a gerendákkal mit fognak csinálni? Meghatározzuk a húzó-hajlító szilárdságát, erővezérelt törőgéppel, jött a válasz. Félve mertem csak mondani, hogy bizony ott sem várható számottevő különbség. Akkor mit is csinál ez a több raklapnyi szál a betonban?
2. A szál hatása a betonban
Szálerősítésű beton méretezésénél a szálak repedés utáni hatását tudjuk figyelembe venni, mint maradó feszültséget. Ezt legegyszerűbben egy útvezérelt gerendateszt kísérlettel lehet kimérni, ahol a mért érték az erő, lehajlás és repedés megnyílás (CMOD). A kísérlet pontos menetét és kiértékelését több szabvány és irányelv is megadja, a legegyszerűbben kezelhető a japán JSCE-SF4 jelű szabvány [1]. A kiértékelés során egy szálerősítésű betonra jellemző értéket kapunk, az ún. Re3 értéket. Komolyabb szálakat gyártó cég a betonszilárdsági osztály és a száladagolás függvényében megadja ezen értékeket.
Minél nagyobb az Re3 érték, annál nagyobb a szál repedés utáni hatása. Az Re3 értéket a szálerősítésű beton duktilitás mérőszámának is nevezik, nagysága arányos az erő-lehajlás görbe alatti területtel.
3. A szabvány álláspontja
A szintetikus szálakat a brit BS EN 14889 [2] szabvány két osztályba sorolja: mikro és makro szálak, a mikro szálakon belül pedig újabb két csoportba: mono szálak és fibrillált szálak. A szabvány egyértelműen megjelöli, hogy csak a makro szálak méretezhetőek statikailag.
5.1 Classification of fibres
Polymer fibres shall be characterised by the manufacturer in accordance with their physical form:
Class Ia: Micro fibres: < 0,30 mm in diameter; Mono-filamented
Class Ib: Micro fibres: < 0,30 mm in diameter; Fibrillated
Class II: Macro fibres: > 0,30 mm in diameter
NOTE Class II fibres are generally used where an increase in residual flexural strength is required.
Ennek oka a szálak beton duktilitására gyakorolt hatása, amit a fentebb tárgyalt Re3 értékkel mérhetünk. Míg a szintetikus makro szálak esetén ez a betonszilárdsági osztály és a száladagolás függvénye, addig a szintetikus mikro szálaknál ez az érték gyakorlatilag elhanyagolható, számításnál nem vehető figyelembe.
4. Hazai kutatási eredmények
A Budapesti Műszaki Egyetem Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszékén készítettünk egy gerenda teszt sorozatot, ahol a hazai forgalomban levő szintetikus szálak hatását vizsgáltuk szabványban ajánlott módon. A kutatás „A Nagy Törés” elnevezést kapta, a kutatási eredmények letölthetőek a tanszék honlapjáról: www.szt.bme.hu/labor.
4.1. A szálak repedés utáni hatása
A gerendákat úgynevezett 3 pontos (felezőpontos) hajlítási teszttel vizsgáltuk, majd kimértük az erő-repedésmegnyílás értékeket. Az összesített diagramon a különböző gyártmányú makro és mikro szintetikus szálerősítésű gerendák átlagértéke szerepel, továbbá összehasonlításképp két típusú acél szálerősítésű, illetve szálerősítés nélküli betongerenda is (1. ábra).
1. ábra: szálerősítésű gerendák erő-CMOD eredményei
MAKRO1 szál: BarChip 48
A diagramról egyértelműen leolvasható, hogy a szálak duktilitásra mért hatása (görbe alatti terület nagysága) nagy mértékben változik a szál típusától függően. A mikro szálak hatása (mono és fibrillált) gyakorlatilag alig érzékelhető, ez összhangban van a brit szabvány állításával. A makro szálak hatása típusonként jelentős mértékben eltért, habár az adagolásuk azonos volt.
A szintetikus szálak közül a legjobb eredményt a BarChip 48 szál érte el, az egyetlen szintetikus szál, amely képes felvenni a versenyt az acélszálakkal.
A kísérlet eredményeire támaszkodva a következő fontos megállapításokat tehetjük:
– jelentős statikai hatása csak a makro szálaknak van, mikro szálak (mono és fibrillált) hatása statikai számításnál nem vehető figyelembe;
– makro szálak közötti különbségek jelentősek, egyik makro szál vizsgálat nélkül nem helyettesíthető a másik szállal.
4.2. A szálak húzó-hajlítószilárdságra gyakorolt hatása
A beton berepedése független az erősítő anyagoktól, legyen az szál vagy akár betonacél. A hozzáadott szálak így a beton húzószilárdságát sem képesek növelni, húzó-hajlítószilárdság növekedése is csak magas adagolású acélszálak esetében jelentős. Szintetikus szálaknál és normál adagolású acélszálaknál a húzó-hajlítószilárdság növekedése néhány százalék, melyet az irányelvek sem vesznek figyelembe [3][4][5]. Szintetikus szálak esetében azok a megállapítások tévesek, amelyek a száladagolás függvényében adják meg a húzó-hajlítószilárdság növekedését.
Ennek ellenére érdemes megnézni, hogy milyen értékeknél törtek el a szálerősítésű gerendák. A mikro szálerősítések esetén a betongerendák törőterhe mindegyik gerenda esetében kisebb volt, mint a szálerősítés nélküli betongerendánál, makro szálerősítések esetében néhány százalékkal nagyobb. Ezeknek az eredményeknek a tükrében mindenképp javasolt megfontolni a mikro szálak használatát statikailag méretezett betonszerkezet esetében.
5. Méretezés
Amint láthattuk, a szálak hatása leginkább a duktilitásban mutatkozik meg, ami bonyolult, törési energiát is figyelembe vevő nemlineáris számítást igényel. Erre fejlett végeselem szoftverek alkalmasak (Atena, Diana). Lineáris végeselem számítással a szálak hatását nem lehet figyelembe venni.
Kézi számításokhoz az ún. törésvonal-elméleten alapuló képlékeny anyagmodellt feltételező egyszerűsített eljárás szolgál, leginkább ipari padlóknál alkalmazzák (TR34-es ipari padló irányelv [6]). Ezen méretezések alapelve a rugamas-képlékeny anyagmodell feltételezése, ez erősítés nélküli betonra nem igaz, amely egy kvázi-rideg anyag. Erősítéssel, amely lehet hagyományos vasalás vagy makro száladagolás, esetleg mindkettő egyszerre, az anyagmodellt már rugalmas-képlékeny anyagnak vehetjük fel. Ennek a feltételnek a teljesüléséhez írják elő a szabványok vasalásnál a minimális vashányadot, szálerősítésű betonnál pedig a minimális Re3 értéket. Ipari padlóknál ez az érték a TR34 szerint 30%. Mivel az Re3 érték a betonszilárdsági osztály és száladagolás függvénye, léteznie kell beton szilárdsági osztályokhoz tartozó minimális száladagolás értéknek is, amely éppen teljesíti ezt a 30%-ot. Ez alatti adagolás esetén a szálak hatása méretezés során nem vehető figyelembe.
Egyszerűbb kézi számítási módszer az ún. ekvivalens módszer. Ez abból indul ki, hogy létezik egy hagyományos vasalással tervezett keresztmetszet, amelyben a vasalást szálerősítéssel váltjuk ki úgy, hogy a keresztmetszet nyomatéki teherbírása azonos (ekvivalens) legyen. Legtöbb esetben azonban a vasalás túlméretezett és a száladagolás irreálisan magas lesz.
A szálerősítésű beton kúszási, fáradási méretezésére jelenleg nem áll rendelkezésre előírás vagy ajánlás, de a jelenleg is folyó kísérletek jó eredményeket mutatnak. Kúszási, fáradási méretezésnél egyelőre használhatjuk a szálerősítés nélküli betonhoz tartozó módszereket.
6. Összefoglalás
Ebben a cikkben a szintetikus mikro és makro beton szálerősítések legfontosabb különbségeire hívtam fel a figyelmet. Fontos, hogy a szintetikus szálak elnevezés kapcsán tudjunk különbséget tenni e kettő típus között, hiszen a különbségek jelentősek.
A szintetikus mikro szálak statikai hatása elhanyagolható, a megszilárdult beton húzó-hajlítószilárdságát csökkentik. Előnyük leginkább a kezdeti mikro repedések meggátlásában, illetve a tűzálló betonoknál mutatkozik. Adagolásuk leginkább 0,6 – 1,5 kg/m3, magasabb adagolásnál jelentősen rontják a beton bedolgozhatóságát. A szintetikus makro szálak repedés utáni maradó húzószilárdsága függ a szálak típusától, adagolásától. Méretezett szerkezetek esetén a szál típusa és az adagolás mennyisége a méretezés során használt Re3 érték alapján dönthető el.
Szálerősítésű beton alkalmazásával leginkább a beton duktilitásában érhetünk el jelentős változást, húzó-hajlítószilárdság változása méretezési szempontból jelentéktelen.
7. Felhasznált irodalom
[1] Japan Society of Civil Engineers: Method of test for flexural strength and flexural toughness of SFRC, Standard JSCE SF-4 (1985)
[2] British-Adopted European Standard: Fibres for concrete. Polymer fibres. Definitions, specifications and conformity, Standard BS EN 14889-2:2006 (2006)
[3] Advisory Committee on Technical Recommendations for Construction: CNR-DT 204/2006 Guide for the Design and Construction of Fiber-Reinforced Concrete Structures. Advisory Committee on Technical Recommendations for Construction, Rome 2006.
[4] Österreichusche Vereinigung für Beton- und Bautechnik: Richtlinie Faserbeton. Österreichusche Vereinigung für Beton- und Bautechnik, Wien 2008.
[5] Vandewalle, L., et al.: RILEM TC 162-TDF : Test and design methods for steel fibre reinforced concrete. Materials and Structures, Vol. 33 (2002), January-February 2000, pp 3-5.
[6] Concrete Society: TR34 Concrete industrial ground floors. Concrete Society, Crowthorne 2003.
A témában további megjelent cikkek és tanulmányok:
Építés- Építészettudomány (Akadémia Kiadó)
