Szálerősítésű beton

A szálak erősítésként való felhasználásának koncepciója nem új. A szálakat már az ókor óta használják erősítésként. Történelmileg lószőrt használtak a habarcsban és szalmát a vályogtéglákban. Az 1900-as években azbesztszálakat használtak a betonban. Az 1950-es években jelent meg a kompozit anyagok fogalma, és a szálerősítésű beton az érdeklődés egyik témája volt. Miután felfedezték az azbeszttel kapcsolatos egészségügyi kockázatokat, szükségessé vált az anyag betonban és más építőanyagokban való helyettesítésének megtalálása. Az 1960-as évekre acél-, üveg- (GFRC) és szintetikus (például polipropilén) szálakat használtak a betonban. Az új szálerősítésű betonok kutatása napjainkban is folytatódik.

A szálakat általában a betonban a képlékeny zsugorodás és a száradási zsugorodás miatti repedések szabályozására használják. Emellett csökkentik a beton áteresztőképességét, és ezáltal a víz kivérzését. Egyes típusú szálak nagyobb ütés-, kopás- és törésállóságot eredményeznek a betonban. A nagyobb acél- vagy szintetikus szálak bizonyos helyzetekben teljesen helyettesíthetik a betonacélt vagy az acélt. A szálerősítésű beton szinte teljesen felváltotta a rudat a földalatti építőiparban, például az alagútszakaszokban, ahol a betonacél helyett szinte minden alagútburkolat szálerősítésű. Sőt, egyes szálak valójában csökkentik a beton nyomószilárdságát.

A betonkeverékhez hozzáadott szálak mennyiségét a kompozit (beton és szálak) teljes térfogatának százalékában fejezik ki, amit “térfogati hányadnak” (Vf) neveznek. A Vf jellemzően 0,1 és 3% között mozog. Az oldalarányt (l/d) a szálhossz (l) és az átmérő (d) hányadosaként számítják ki. A nem kör keresztmetszetű szálaknál az oldalarány kiszámításához egyenértékű átmérőt használnak. Ha a szálak rugalmassági modulusa nagyobb, mint a mátrixé (beton vagy habarcs kötőanyag), akkor a szálak az anyag szakítószilárdságának növelésével segítik a teherbírást. A szálak oldalarányának növelése általában szegmentálja a mátrix hajlítószilárdságát és szívósságát. A hosszabb hossz jobb mátrixot eredményez a beton belsejében, a finomabb átmérő pedig növeli a szálak számát. Annak érdekében, hogy minden egyes szálszál hatékony legyen, ajánlott az aggregátum maximális méreténél hosszabb szálakat használni. A normál beton 19 mm egyenértékű átmérőjű adalékanyagot tartalmaz, ami a beton 35-45%-át teszi ki, a 20 mm-nél hosszabb szálak hatékonyabbak. A túl hosszú és a feldolgozáskor nem megfelelően kezelt szálak azonban hajlamosak “gömbölyödni” a keverékben, és feldolgozhatósági problémákat okoznak.

A szálakat a beton hosszú távú tartóssága érdekében adják hozzá. Az üveg és a poliészter lebomlik a beton lúgos állapotában és a beton különböző adalékanyagaiban és felületkezelésében.

A High Speed 1 alagútbélésekbe 1 kg/m3 vagy annál több, 18 & 32 μm átmérőjű polipropilénszálat tartalmazó betont építettek be, amely az alábbiakban említett előnyöket nyújtja. A finom átmérőjű polipropilénszálak hozzáadása nemcsak megerősítést biztosít az alagútbélésben, hanem balesetből eredő tűz esetén megakadályozza a bélés “lepattogzását” és károsodását is.