A szálerősítésű beton 

A beton közismerten rideg anyag, és minél nagyobb szilárdságú, annál ridegebb. Felmerült a gondolat, hogy a beton tulajdonságait szálerősítéssel javítsák. Legrégibb szálerősítésű cementkötésű anyag az azbesztcement, amelyet kb. 8 évtizeden át sikerrel alkalmaztak.
A szálerősítésű betonok elterjedt angol rövidítése FRC (Fiber Reinforced Concrete). A szál anyagát e rövidítés előtt tüntetjük fel, s így kapjuk például az acélszál-erősítésű beton (SFRC, S = steel), a polipropilén szál erősítésű beton (PPFRC), az üvegszál-erősítésű beton (GFRC, G = glass) vagy a szénszál-erősítésű beton (CFRC, C = carbon) megnevezéseket. Acélszálak esetén hazánkban forgalomban voltak még az acélhaj beton és az acélrost beton kifejezések is. A szálak befogadó anyagát ágyazóanyagnak (angolul: matrix) nevezzük. Az ágyazóanyag esetünkben beton (illetve esztrich vagy habarcs). A száltartalom megadja a szálak térfogatát, illetve tömegét a szálerősítésű beton egységnyi térfogatára vonatkoztatva, s ezek egymásban könnyen átszámíthatók a szál térfogatsúlyának figyelembevételével. Például 1 V% acélszál 78,5 kg/m3-nek felel meg. A V% használata ked­ve­zőbb az acél, illetve a műanyag és egyéb szá­lak vizsgálati eredményeinek összehasonlításakor, mint a térfogategységre vonatkoztatott tömeg. A szálhossznak (ℓ) határt szab részben a keverhetőség, részben a szál kihasználhatósága. A túl rövid szálak kihúzódhatnak, a túl hosszú szálak jelentős része nincs kihasználva. A szálak mentén ébredő kapcsolati feszültség fordítottan arányos a szálhosszal. A kritikus hossz adja meg azt a szálhosszat, amely éppen elegendő a szál folyási határának eléréséhez. Ennél rövidebb szálak kihúzódása várható, hosszabbak esetén azok szakadása. A szálak egyik fő geometriai jellemzője a szálkarcsúság (ℓ/Ø), amelyet a szálhossz és a szálátmérő arányával fejezünk ki. Acélszálak karcsúsága az 50–100 tartományba esik. A műanyag szálak kis átmérője miatt karcsúságuk ettől eltérő lehet [1].

Alkalmazott szálak

A szálerősítésű betonhoz elsősorban acél-, műanyag (polipropilén-, polietilén-, nejlon-, akril-), valamint korábban üveg-, azbeszt-, újabban pedig szén- és aramidszálakat használnak. A szálak tér­fogatsúlya, rugalmassági modulusa, húzószilárdsága és szakadó nyúlása jelentősen eltérő, és így elsődleges felhasználási körük is eltérő lehet.
A szálak alakjának megválasztása a szálak tapadását vagy lehorgonyzó képességét hivatott segíteni. Az egyenes acél­szálak mellett ezért megjelentek hullámos, kampós végű, rovátkolt vagy bordázott felületű szálak is. A műanyag szálak simák, hullámosak vagy egymással hálószerűen összekapcsoltak lehetnek. A szén- és aramidszálak sima felületűek és egyenesek [1]. Az acélszálak különböző kialakításai az 1. ábrán láthatók.

Általánosságban elmondható, hogy a szálerősítésű betonok tulajdonságainak nagy része függ a szálak betonhoz való tapadásától. A szálak tapadását nagymértékben növelhetjük a szál alakjának változtatásával.
Az 1. ábrán jól látható, hogy a különböző kísérletek, gyártási lehetőségek alapján milyen geometriai kialakítású acélszálakat készítenek. Hazánkban a kivitelezésben gyakran alkalmaznak kampós végű acélszálat, mely nagymértékben elősegíti a szálak tapadását.

Műanyag szálak

A műszálak elsődleges szerepe a friss betonban a repedésképződés megakadályo­zása. Itt elsősorban a friss betonban kialakuló, ún. korai repedésekről van szó, melyek a beton bedolgozását követő ~2–20 órában jönnek létre. Ismeretes, hogy a friss betonban megjelenő korai repedések kialakulásának az az oka, hogy a cement szilárdulása, hidratációja során belső feszültségek jönnek létre, melyek meghaladják a beton korai időszakában még kicsi húzószilárdságát. A betonban a cementkőhöz már korán jól tapadó szálszerkezet alkalmas e repedések kialakulásának meggátlására. Mivel azonban az alkalmazott műszálak rugalmassági modulusa a megszilárdult betonéhoz viszonyítva kicsi, így hatásukat csak addig képesek hatékonyan kifejteni, míg a habarcs szilárdulási folyamata során azt el nem éri.
A műanyag szálak jelentősen befolyásolják a konzisztenciát. Azonos, de szálerősítés nélküli betonkonzisztencia eléréséhez többletvízre van szükség. Ennek káros következményei is lehetnek, emiatt általában indokolt folyósítószer vagy képlékenyítőszer alkalmazása.
A szálak hatására a friss beton lassabban adja fel a vizet. Ennek következménye a kevesebb kapilláris pórus, melynek közvetve szilárdságnövelő hatása is van. A mű­­anyag szálak hozzáadásával akár 90%-kal is csökkenhet a friss beton kivérzése.
Friss betonhoz kevert szálak növelik a keverék tixotrópiáját. Függőleges vagy fej feletti szerkezet javítása esetén nagymértékben csökkentik a visszahullást.
Ellentétben az acélszálakkal, a műanyag szálak adagolásával nem kell növelni a cementpép mennyiségét, így nem alakul ki több pórus, zárvány.
A szálak repedésgátló hatásuk miatt csökkentik a habarcs zsugorodását. Különösen fontos a szálak e tulajdonsága javítóhabarcsoknál, mivel a friss habarcsot olyan betonfelületre hordják fel, melynek a zsugorodása vagy annak nagy része már végbement, így alakváltozása a habarcséhoz viszonyítva elhanyagolható.
A műanyag szálak használata a tűzállóság szempontjából kedvező. A hő hatására ugyanis a szálak kiolvadnak a beton felületéből, teret adva a betonban lévő víz távozásának, ezzel kisebb lesz a feszítőhatás a betonban [2].

Acélszálak

Ellentétben a műanyag szálakkal, az acélszálak nem befolyásolják számottevően a friss habarcs tulajdonságait, viszont adagolási mennyiségük függvényében jelentősen befolyásolhatják a megszilárdult beton mechanikai jellemzőit. Az acélszál rugalmassági modulusa és szilárdsága akár a tízszeresét is eléri a betonénak. Ezzel magyarázható az acélszálak megszilárdult betonban kifejtett repedéskorlátozó hatása [2].
Az acélszálak a beton nyomószilárdságára, húzószilárdságára és szívósságára gyakorolt hatását a későbbiekben részletesen ismertetem. A 2. ábrán jól látszik, hogy a szálak (az ábra esetében: acélszálak) alakjától nagymértékben függ a teherbírás. Egyenes acélszál esetén a húzóerő közel lineárisan növekszik a szál megcsúszásáig, majd visszaesik, és csekély mértékben csökken a kihúzódás (relatív elmozdulás) növekedtével. Hullámos, bordás vagy kampós végű szálak tapadási szilárdsága az egyenes acélszál tapadási szilárdságának 3-4-szeresét is eléri, s így a kihúzódáshoz szükséges energia is közel ilyen arányban növekszik.

A szálak véletlenszerű eloszlása miatt ismernünk kell a szálra ható húzóerő és a szál tengelye által bezárt szög hatását [1].
Tartóssági szempontból az acélszálak korróziója a felületi, karbonátosodott rétegre korlátozódik. Mangat, Molloy és Gurasamy kísérleti eredményei szerint a kloridionok behatolása nem befolyásolja a szálak korrózióját [1].
A felülethez közeli acélszálak korróziója miatt a korrodált acélszálak elszíneződést okozhatnak a beton felületén (lásd a Hungária körúti villamospálya 1980-as években a felüljáróra épített szakasza).  

Üvegszálak

A korábban nagy mennyiségben alkalmazott beton és habarcs erősítésére szolgáló üvegszálakról kiderült, hogy a cementkő alkalikus környezete a szálakat idővel tönkreteszi. A probléma megoldására fejlesztették ki az E-üveget. Ez az üvegszál eredeti tulajdonságának kb. 90%-át megtartja [2]. Az üvegszálak rugalmassági modulusa 70 000–80 000 N/mm2, szakítószilárdsága 1500–4000 N/mm2, át­mérője (a műanyag szálakéhoz hasonlóan) 8–30 µm [3]. Ennek következtében a nagy számban homogénen megoszló szálszerkezet ugyancsak alkalmas a zsugorodásból származó repedések kialakulásának meggátlására, ugyanakkor a nagy rugalmassági modulusa és szakítószilárdsága miatt fellépnek azok a hatások is, melyek az acélszálakra voltak jellemzőek. Így növelik a beton hajlító-húzószilárdságát és szívósságát.
Az üvegszálak előnye az acéllal szemben a könnyű bedolgozhatóság, hátránya a relatíve nagy előállítási költség és hajlításra való rideg viselkedés [2].

Szénszálak

A szénszálakat szálerősítésként először a 1970-es években használták. Ekkor az ún. PAN bázisú szálakat alkalmazták, melyeket poliakrilnitril szálból állítottak elő. Előnyös tulajdonságai közé tartozik a rendkívül nagy szakítószilárdság és a relatíve nagy rugalmassági modulus. Hátrányuk azonban, hogy ridegen viselkednek, és a kialakuló repedések okozta szögváltozást nem képesek elviselni.
Másik megoldást jelentett az 1980-as évektől alkalmazott „pitch” típusú szál, amely petróleumot és szenet tartalmaz. Rugalmassági modulusa 27 000–55 000 N/mm2, szakítószilárdsága 400–780 N/mm2. A szénszálak átmérője, az üveg és műszálakéhoz hasonlóan, 8–10 µm. A műszálakhoz hasonlóan a szénszálak is rontják a friss beton konzisztenciáját, így a bedolgozhatóság javítására folyósítószert, képlékenyítőszert alkalmaznak. A szénszál csökkenti a kivérzést, és növeli a beton tixotrópiáját. A szénszálas (PAN szál) növeli mind a beton nyomószilárdságát, mind pedig a húzószilárdságát [2].
A főbb száltípusok geometriai és mechanikai jellemzőit az 1. táblázat foglalja össze. A szálak tulajdonságait bemutató táblázat utolsó előtti oszlopa a lúgállósággal foglalkozik, ez kiemelten fontos szempont a beton erősen lúgos volta miatt [3].

Az 1. képen láthatjuk a főbb száltípusokat: műanyag szál, üvegszál, szénszál, valamint acélszál.

Szálerősítésű betonszerkezetek általános tulajdonságai 

A szálerősítésű betonokból készült szerkezeteknek számos előnyös tulajdonságuk van. Több területen megváltoztatják a beton viselkedését a normál betonhoz képest.
A beton és a szálerősítésű beton szilárdság-alakváltozási anyagmodellje különbözik egymástól. A beton szilárdságtani és alakváltozási szempontból rugalmas – kvázi – képlékeny anyag, amelyben a rugalmas fázist az adalékanyag, a kvázi képlékeny fázist a cementkő adja. Ha a betonba megfelelő minőségű és mennyiségű szálat keverünk, megváltozik a cementkő törési alakváltozása, a beton megrepedése után gyakorlatilag képlékenyen viselkedik. Elveszti ridegségét, szívóssá válik, és így alkalmazható rá az ideálisan rugalmas – képlékeny anyagmodell. A szívósság miatt a szálerősítésű beton a megrepedést követően is szívósan és képlékenyen viselkedik, szemben a szálerősítés nélküli betonnal, mely ridegen törik, képlékeny tartománnyal nem rendelkezik.

Előnyök

• Nő a beton szívóssága (energiaelnyelő képessége), egyúttal nő a beton duktilitása és törési összenyomódása, illetve szakadó nyúlása; 
• hajlító-húzószilárdsága és az ütőszilárdsága nagyobb;
• berepedés után a beton húzószilárdsága nem esik le zérusra; 
• nő a beton fáradási szilárdsági és a lökésszerű teherrel szembeni ellenállása;
• csökken az előfeszített tartók feszítő­betéteinek erőátadódási hossza és tartóvégi behúzódása;
• zsugorodási repedésérzékenységük kisebb (elsősorban műanyag szálak esetén);
• csökken a friss beton repedésérzékenysége (elsősorban műanyag szálak alkalmazása esetén); 
• nő az elem tűzállósága (csak műanyag szálak alkalmazása esetén);
• javul a kopásállóság;
• javul a tartáság, nő a teljesítőképesség;
• felhasználástól függően a hagyományos (nem feszített) vasalás esetenként részlegesen vagy teljesen helyettesíthető szálakkal;
• az előző pontban vázolt esetben rövidebb az építési idő (vasszerelés helyett csak a szálak bekeverését igényli);
• vékony falú, előre gyártott elemek is készíthetők.  

Hátrányok 

• A szálak merevebbé teszik a friss betonkeveréket, emiatt romlik a bedolgozhatóság. Megoldás: folyósító-, esetleg képlékenyítőszerek alkalmazásával ez a hátrány kiküszöbölhető. 
• a szálak növelik a porozitást, ami magával hozhatja a megszilárdult beton rugalmassági modulusának csökkenését, és így a lehajlások növekedését. Megoldás: az adalékanyag szemszerkezetének megfelelő megválasztása, valamint kellő időtartamú vibrálás alkalmazása [1].
• nagy száltartalom esetén biztosan hosszabb keverési idő; 
• száltartalom egyenletes eloszlásának üzemszerű, folyamatos biztosítása;
• hosszabb idejű bedolgozás a megnövekedett vibrálás szükségessége miatt;
• magasabb technológiai felkészültségi igény, akár a készítésnél, akár a bedolgozásnál;
• kizárólag acélszál-adagolásnál az acél korróziója miatt a felülethez közeli acélszálak esetén a korrózió hatására barna elszíneződés mutatkozik, mely esztéti­kailag kétségtelenül kedvezőtlen, azonban a teherviselés szempontjából elhanyagolható.  

Száladagolás hatásainak kifejtése

A száladagolás hatásainak kifejtésében az ismertetett szálak közül főleg a műanyag és az acélszálak hatásait ismertetem szakirodalmi megállapítások, adatok alapján. A vasútnál alkalmazható szálerősítésű betontermékekbe elsősorban az acélszálakat javaslom, a jelenleg használt – lágy, akár feszített – vasalás meghagyása mellett. További tanulmányok, tervezés, méretezés alapján lehetséges, hogy egyes elemekben csökkenteni lehet, illetve el is lehet hagyni a normál vasalást, és csak szálerősítést alkalmazni. Jelen dolgozatban ezt csak javaslat szintjén, a későbbiekben bemutatott gyalogos-felüljárók esetében a lépcsőfokok és a gyalogjárdalemez esetében látom alkalmazhatónak – ebben az esetben nagy teljesítőképességű betonba ágyazva a szálakat.
Szálak esetében vasúti területen alkalmazni lehet a szénszálas termékeket is, ám a szénszálak jelenlegi magas ára miatt ezt nem látom indokoltnak gazdaságilag. Azonban a szénszálak használatának elterjedésével érdemes tovább foglalkozni az alkalmazással. 

Nyomó-, húzó- és hajlító-húzó-szilárdság

A 3. ábrán láthatók a tengelyirányú húzó, a hajlító, a tengelyre merőleges húzó igénybevételek esetén az erőelmozdulás-jelleg diagramok. Látható, hogy a berepedést követően a húzófeszültség nem esik le zérusra, hanem közel konstans értéken állandósul. A szálerősítésű gerenda erőlehajlás vagy nyomatékgörbület ábrája közel rugalmas-képlékeny viselkedésű, esetleg kissé lejjebb vagy följebb fut a szál típusától, de főleg annak mennyiségétől függően. A maradó húzószilárdságnak azért nagy a jelentősége, mert ezzel csökkenthetők a beton viszonylag kis húzószilárdságából adódó nehézségek [1].

A 0,1–2,0 V% száltartalom-tartományban sem az acél, sem a műanyag szálak esetén nem várhatunk jelentős nyomószilárdság-növekedést. A nyomószilárdságok az említett tartományban körülbelül 10%-kal nőnek. A beton alaptulajdonságaiban a nyomószilárdság előnyös tulajdonságként jelenik meg. A nyomószilárdsági követelményeknek a legtöbbször a beton kiegészítés nélkül megfelel, ezt számítással kell igazolni.
A betonszerkezeteknél a problémát a csekély húzószilárdság, illetve hajlító-húzószilárdság jelenti. Ezeknél a tulajdonságoknál tudunk jelentősen változtatni száladagolás alkalmazásával.
A 3. ábra mutatja a szálerősítésű betonnak azt az előnyét, hogy az első repedés megjelenésekor a húzószilárdság nem esik le zérusra. A maradó húzószilárdság a szál típusának és a száltartalomnak a függvénye. Ez az a tulajdonság, amely kiemeli a szálerősítés fontosságát, hiszen a betonnak mint építőanyagnak az egyik gyenge, hátrányos tulajdonságán tudunk változtatni.

A húzószilárdság vizsgálatát végezhetjük tiszta húzásként, kiszélesedő végű húzó próbatesten vagy hasító vizsgálatként hengeres próbatesten. Ø = 150 mm és ℓ = 300 mm hosszú hengereken végzett kísérletek alapján a hasító-húzószilárdság jelentős növekedése tapasztalható 0,5 és 1,0 V% acélszál-adagolás esetén (4. ábra) [1].
A 4. ábrán láthatjuk az eredményeket, ahol 1 V% acélszál adagolásánál a hasító-húzószilárdság minimum megkétszereződik a szálerősítés nélküli betonhoz képest. 

Szívósság 

A szálak alkalmazásának egyik elsődleges célja, hogy javítsuk a beton energiaelnyelő képességét, amely az erő-lehajlás vagy a σ–ε függvény integráljával jellemezhető. A megnövelt szívósság jelenti egyúttal a duktilitás, a fáradási szilárdság és a lökésszerű teher alatti teherbírás növekedését is. A szívósság jellemzésére a szívóssági indexet használjuk. A szívóssági index definíciója az ASTM C–1018 szerint az erő-lehajlás ábra területe az első repedés megjelenésekor a mért lehajlás 3-, illetve 5,5-szereséig (és így tovább) osztva az első repedésig kapott ábra területével (ez utóbbit tekintik a rugalmas energiarésznek). Így kaphatók az I5 és I10 stb. jelű szívóssági indexek (5. ábra).

Ez a definíció természetesen kiterjeszthető húzott és nyomott elemre is. Kutatók használják a szívóssági indexet a szálerősítésű és a szál nélküli betonok teljes erő-elmozdulás ábrája alatti területek hányadosaként is. A szívóssági index jól felhasználható a felkeményedő tulajdonság jellemzésére. Kampós végű vagy hullámos acélszálakkal kedvezőbb szívósság érhető el, mint a sima acélszálakkal. A műanyag szálak rugalmassági modulusa kisebb, mint az acélé és a betoné. A repedések megjelenése után kis száltartalom esetén az ellenállás csökken. Nagyobb száltartalom esetén azonban növekedhet, de jelentős alakváltozások, illetve lehajlások ébrednek a szükséges húzóerő felépítéséhez. Azonos száltartalom esetén az acélszállal készült szerkezetek energiaelnyelő képessége nagyobb, mint a műanyag szálakkal készülteké [1].
A szál nélküli és a szálerősítésű betonok nyomó vizsgálati eredményeiből (6. ábra) az is kiolvasható, hogy a szálmennyiség növelésével nő a törési összenyomódás és a σ–ε ábra alatti terület, ami az anyag – már említett – szívósságának, vagyis az energiaelnyelő képességének növekedésére utal.

A 6. ábrán láthatjuk, hogy szálerősítés esetén a nyomószilárdság emelkedése kimutatható, de csak kis mértékben emelkedik, addig az alakváltozó képesség jelentősen megnő. A szálerősítéssel készült betonok így kevésbé ridegek, megnő az energiaelnyelő képességük. A szívósság pozitív változása mellett a szálerősítésű betonok ellenállóbbak lesznek a sokszor ismételt lökésszerű terhelésnek, és ez a tulajdonság szintén kiemelten fontos a vasút területén. 

Sokszor ismételt és lökésszerű terhelés

Mind az acél, mind pedig a műanyag szálak növelik a beton fáradási szilárdságát. Wu, Shivaraj és Kamakrishnan hajlító vizsgálatai során kapott Wöhler-diagramot a 7. ábra mutatja 0; 0,5; 1,0; 1,5 V% acélszáltartalom esetén.
A 7. ábrán látható, hogy már kis (0,5 V%) acélszál-adagolás mellett is megnő a beton fáradási szilárdsága. Azt is láthatjuk, hogy az ismétlésszám emelkedésével ez a pozitív hatás fokozódik. Összehasonlítva az 1 V% acélszál-adagolású betont a szál nélküli betonnal, a következőket látjuk: alapesetben az 1 V% acélszál-adagolású beton max. hajlítási feszültsége kétszeres, a szál nélküli beton max. hajlítási feszültségéhez képest. Addig a 106 ismétlésszám esetén ez pozitívan változik. Ekkor az 1 V% acélszál-adagolású betonnak a max. hajlítási feszültsége már háromszorosa a szál nélküli betonéhoz képest.

Összegezve a szálerősítés hatásának kifejtését, az ismertetett szakirodalmi adatok alapján látható, hogy előnyösen változik a szálerősítésű betonok tulajdonsága. A száltípusok közül az acélszálak hatásait emeltem ki. Elmondható, hogy acélszál alkalmazása esetén a nyomószilárdság kismértékben, de nő, a húzó- és hajlító-húzószilárdság jelentősen nő. Megnő a betonok energiaelnyelő képessége, illetve a sokszor ismételt és lökésszerű teherrel szembeni ellenállás.
E tulajdonságok ismeretében a szálerősítéssel készült betonszerkezetek létjogosultsága a vasút területén nem kérdő­jelezhető meg. Több területen alkalmazása egyenesen javasolt. A sorozat harmadik részében egy hazai, illetve több külföldi példán szeretném bemutatni a megvalósult betonszerkezeteket a vasút területéről, valamint javaslatot teszek a szálerősítésű betonszerkezetek magyarországi vasúti alkalmazására.