189284. lajstromszámú szabadalom • Szálerősítésű,utószilárduló anyagból készült test,különösen betontest valamint eljárás ilyen betontest előállítására
1 189 284 2 A találmány tárgya szálerősítésű, utószilárduló anyagból készült test, különösen betontest, valamint eljárás ilyen testek előállítására. A A különféle cementkötésü anyagoknál - a betonnál és habarcsnál egyaránt - alapvető törekvésként jelentkezik a nagymérvű ridegség kiküszöbölése és az anyag szívósságának a növelése, aminek egyik eszköze a cementkötésű anyagba, mint mátrixba erősítő szálváz beágyazása. A szálakkal ugyanis javítható a húzó-, illetve a hajlító-húzószilárdság, valamint az ütőszilárdság; biztosítható a repedések optimális geometriája, és az anyag megrepedt állapotban jelentkező látszólagos képlékenysége. A szálak módosítják a friss anyag Teológiáját és folyási tulajdonságát. A szálak rugalmassági modulusa a mátrixénál (beton, ill. habarcs) nagyobb, vagy kisebb lehet. Az előbbi csoportba pl. az azbeszt-, üveg-, acél- és szénszálak, a második csoportba pedig pl. polipropilén-, nylon- és cellulóze-szálak tartoznak. Tömegesen és hagyományosan az azbesztet használják világszerte erősítő szálanyagként az építőiparban, az azzal készült termékek köre azonban erősen korlátozott, ezen túlmenően nem eredményezte a probléma egyértelmű megoldását, mivel az igen finom és rövid szálak a mátrix ridegségét nem változtatják meg. Az üvegszálakat műanyag erősítésére már huzamos ideje alkalmazzák sikeresen. Az üvegszálnak a műanyaghoz viszonyítva lényegesen nagyobb a rugalmassági modulusa, míg a szakadó nyúlásuk közel azonos mértékű. Ennek megfelelően feszültség hatására a szálak és az azokat beágyazó anyag együtt nyúlnak, de a feszültség az üvegszálakban lényegesen nagyobb métékben növekszik. így az üvegszálak a műanyagokkal együtt, azokat megerősítve kiváló mechanikai jellemzőjű anyagokat eredményeznek. Hátrányuk a meglehetősen magas alapanyagár és az, hogy az időjárási hatások (elsősorban UV sugárzás) öregedési jelenséget okoznak bennük. Ennek következtében - bár a modem építészeti irányzatok számoltak és részben ma is számolnak ezzel az anyaggal a homlokzatok újszerű és a korábbinál plasztikusabb kialakításánál - az üvegszálas műanyagok e területen egy idő óta jelentős mértékben átadták helyüket az üvegszállal erősített cementkompozicióknak. A cement kötőanyagú mátrixban azonban az üvegszálak másként működnek, mint a műanyag mátrixban, amely alapvetően a mátrixnak az üvegszáléhoz képest rendkívül alacsony szakadó nyúlásával, valamint a műanyagokéhoz képest lényegesen durvább mikrostruktúrájával függ össze, mely utóbbi az üvegszálak számára eltérő beágyazódási - és ezen keresztül teherviselési, illetve korrózióvédelmi - feltételeket biztosít. A cementkötésű mátrixok üvegszállal való erősítését akadályozta az a körülmény, hogy a cement lúgos közegében az üvegszál viszonylag intenzíven korrodál. Ezt a problémát kívánta megoldani az angol Pilkington üveggyár alkáli rezisztens anyagú üvegszál piacra hozásával. A kezdeti sikerek néhány további nagy üveggyártót - japán gyárakat - hasonló termék kidolgozására késztették. Az alkáli rezisztens üvegszálakat 40-50 mm hosszakban, és optimálisan mintegy 5 s%-ban adagolva a cementkötésü mátrixhoz, kiváló mechanikai paraméterekkel rendelkező betontestekhez jutottak, ugyanakkor laboratóriumi kísérletek meggyőzően bizonyították az ilyen üvegszálak korrózióállóságát a cement lúgos közegében. Súlyos problémaként jelentkezett azonban, hogy az alkáli rezisztens üvegszállal készült kompozíciók nem bizonyultak idötállóaknak. Megállapították, hogy az alkáli rezisztens szálakkal készült üvegcement is már egy év elteltével - rendeltetésszerű használata során - jelentős szilárdságcsökkenést szenved, 4-5 év múltán pedig az időjárási hatásoknak kitett ilyen anyagok hajlítószilárdsága az arányossági határhoz, ütőszilárdsága pedig a mátrix alacsony szilárdsági értékéhez közelít. Az üvegcementtel szerzett tapasztalatok végül is oda vezettek, hogy a méretezési határ-igénybevételeket az arányossági határhoz viszonyítva állapították meg. Ez az arányossági határérték a szálerősítésű cementkompozíció fesíültség-nyúlás összefüggéséből adódik, és ilyen értelemben nem vezethető vissza egyszerűen önmagában a mátrix mechanikai jellemzőire. A szálerősítésű cementkompozíciók ugyanis a mechanikai igénybevételekkel szemben merőben másként viselkednek, mint a vasbeton, mert hajlításukkor a szálak a húzott övben a mátrix-repedéseket áthidalják, és a semleges tengely a nyomott öv felé tolódik el. A feszültségek a húzott övben közel konstans megoszlásban, a mátrix húzószilárdsági értékének a szintjén alakulnak, míg a nyomott övben, a szélső szálban a feszültség a húzófeszültség többszörösét éri el. A terhelés növekedésével a semleges tengely eltolódása a nyomott zónát a szerkezeti vastagság mintegy egynegyedére korlátozza. A keresztmetszet nyomatékbirása a szálerősitéssel eleve az erősítés nélküli keresztmetszethez viszonyítva 2,44-szeresre növekszik. A cementkötésű mátrix (habarcs) átlagos húzószilárdsága 4 MPa, szálerősités eredményeként a kompozíció hajlítószilárdsága 4x2,44 = 10 MPa, ami a keresztmetszet nyomaték bírásából rugalmasságtani alapon visszaszámított fiktív érték, és a kompozíció feszültség-nyúlás összefüggésében egyben az arányossági határt is jelenti. A repedések megnyílásával, a repedéseket áthidaló szálakban a feszültség növekedésével a keresztmetszet nyomatékbírása még jelentősen fokozódik, de már számottevő alakváltozással társulva. A szálas kompozició-hatás érvényesülésének alapfeltételei a következők :- a kompozícióban a szálak mennyiségének a kritikus térfogatarányt meg kell haladniok ;- a szálak bekötésének a mátrixba optimálisnak kell lennie; a szálak felületén a kihúzást gátló jelen'ős nyírófeszültség érvényesül, de a szálbefogás nem olyan merev, hogy korlátozná a szálak teljes hosszában való működését ;- a kompozíció repesztőszilárdságának, azaz, a mátrix húzószilárdságának legalább hatszorosa kell hogy legyen a kompozíció nyomószilárdsága. Amíg a szálas kompozíciót a fentiek szerint az arányossági határig vizsgálják, a számításba vehető szilárdsági paramétereket és a repedések eloszlását alapvetően mátrix-szilárdság : szálfelületi nyírószilárdság arány; a mátrix : szál térfogat arány, valai 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
