AT394547B - Hydraulisch abbindbares oder gebundenes baumaterial, wie beton, moertel, zement/sandmischungen etc. mit polypropylenfasern als zuschlagstoff dafuer - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein hydraulisch abbindbares oder gebundenes Baumaterial, wie Beton, Mörtel, Zement/Sandmischungen, etc., wobei das Baumaterial Polypropylenfasem in einer Länge zwischen 0,5 und 100 mm, bevorzugt zwischen 25 und 60 mm enthält, und die Polypropylenfasem in Mengen von 0,5 bis 50 kg pro m fertiggemischtem nassem Baumaterial vorgesehen sind. Weiters betrifft die Erfindung Polypropylenfasem als Zuschlagstoff für derartige Baumaterialien.

Der dominante Baustoff der Konstruktionen unserer Zeit ist der Beton. Ebenso auf dem Gebiet des Hochbaus wie beim Tiefbau wird er als Baustoff von vorgefertigten Elementen oder an der Baustelle verarbeitet angewandt. Die moderne Betontechnologie bietet die optimalen Parameter des Baustoffs bei Beton- und Stahlbetonkonstruktionen, und es wird ein breites Sortiment von chemischen Zusatzmitteln verwendet Bis jetzt ist es aber nicht gelungen, einige Unzulänglichkeiten der Betone zu beseitigen, wie z. B. die Rißempfindlichkeit bei Schrumpfungen, die Sprödheit sowie die niedrige Schlagfestigkeit des Baustoffs.

Die Betonkonstruktionen bekommen oft Risse, der Beton zerbröckelt, die Stahlarmierungen korrodieren. Die nicht tragenden vorgefertigten Elemente müssen allein wegen der Belastung während der Lieferung und der Montage überdimensioniert werden. Bei den Stahlbetonkonstruktionen hat ein bedeutender Teil der eingebauten Betonstähle ausschließlich die Aufgabe, die Ausbildung von Rissen, die bei der Schrumpfung auftreten, zu verhindern. All dies erhöht den Materialverbrauch und die Kosten, ohne die Behebung der Unzulänglichkeiten zu garantieren.

Derartige Baumaterialien sind z. B. durch die EP 024 539, GB-PS 1 605 004 und EP-PS 0 152 490 bekannt geworden. Alle diese Vorschläge genügen den heutigen hohen Anforderungen an solche Baustoffe nicht.

Die vorliegende Erfindung beseitigt in weitem Maße die obengenannten Nachteile und schafft ein allen modernen Anforderungen gerecht werdendes Baumaterial, das in erster Linie dadurch gekennzeichnet ist, daß die Fasern Monofasern mit einem Durchmesser zwischen 50 und 300 pm sind, oder aus mehreren Einzelfasem gebildet sind oder, daß die Polypropylenfasem durch Schneiden oder Einschmelzen und nachfolgendem Extrudieren von Polypropylenabfällen hergestellt sind und zwischen 0,5 und 3 mm breit sowie 2 bis 6 cm lang sind und daß die Fasern entlang ihrer Längserstreckung einen periodisch schwankenden Durchmesser aufweisen. Die Polypropylenfasem als Zuschlagstoff für hydraulisch abbindbares oder gebundenes Baumaterial sind dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern in an sich bekannter Weise zwischen 1:6 und 1:12 vorgestreckt sind.

Die Polypropylenfasem werden bevorzugt in Mengen von 0,5 bis 50 kg pro m fertiggemischten nassem Baumaterial vorgesehen. Sie weisen eine Länge zwischen 0,5 und 100 mm, bevorzugt zwischen 25 und 60 mm auf. Die Fasern sind entweder Monofasem mit einem Durchmesser zwischen 50 und 300 μτη oder sie sind aus mehreren Einzelfasem gebildet. Die Oberfläche der Fasern ist hydrophilisiert und aufgerauht. In bevorzugter Weise weisen die Fasern entlang ihrer Längserstreckung einen periodisch schwankenden Durchmesser und im Querschnitt eine vom Kreis verschieden gerippte Form auf.

Die Verarbeitbarkeit des erfmdungsgemäßen Baumaterials wird im erwähnten Faserbeimischungsbereich durch die Fasern nur geringfügig beeinflußt. Das Baumaterial kann auch mittels einer Betonpumpe oder durch ein Betonspritzverfahren verarbeitet werden. Sandbetone können mit den in der Praxis verbreiteten Mörtelspritztechnologien auf die Vorfertigungsschablone oder auf die Oberfläche der Bauwerke aufgetragen werden.

Mit den üblichen Verdichtungstechnologien läßt sich das Baumaterial verdichten. Im Falle eines erdfeuchten Betons kann entweder ein Betonverflüssiger verwendet oder aber die Wirksamkeit der Verdichtung erhöht werden.

Die gewöhnlichen Betonkonsistenzuntersuchungen, wie die VEBE-Konsistenzprüfung und Kegeleindringprobe zeigen in Abhängigkeit des Fasergehaltes eine bedeutende Erhöhung der Stabilität des Frischbetons an. Die Vorteile kommen bei der Produktion sofort zu entschalender Betonerzeugnisse zur Geltung.

Durch das Einmischen der Fasern wächst der Luftporengehalt des Frischbetons bloß um einige Tausendstel an und bleibt somit praktisch unverändert. Durch die Zuführung von Porenbildnem kann aber der gewünschte Porenanteil gesichert werden.

Bei Versuchen wurden aus herkömmlichem Baumaterial wie Beton ringförmige Probekörper hergestellt. Nach der trockenen Wärmebehandlung wurden markante Risse sichtbar.

Eine grundsätzliche Wirkung der Polypropylenfasem als Betonzusatzmittel ist die Beseitigung der Rißempfindlichkeit bei Schmmpfung. Dies wird bereits bei einer Faserdosierung von 0,5 bis 2 kg/m^ verwirklicht Die so angefertigten Probekörper sind völlig rißfrei.

Eine andere, sehr bemerkenswerte Eigenschaft des Polypropylenfaser-Betons ist die Pseudoduktilität, der Anstieg der Zähigkeit des Werkstoffs. Die Betone ohne Faser brechen im Laufe der Druckfestigkeitsuntersuchung spröd und es bildet sich die charakteristische Bruchform des Probestücks aus.

Der Probekörper aus erfindungsgemäßem Baumaterial kann über die zur bisherigen Bruchkraft analoge Deformierung hinaus in großem Maße zusammengedrückt werden ohne zu zerbröckeln.

Bei der Kugelfallprobe zersprengt die aus einer Höhe von 1,75 m fallende Kugel mit einem Gewicht von 1 kg die 10 mm dicke Sandbetonplatte mit einem Schlag. Die Energieabsorptionsfähigkeit des Faserbeton-Komposits wächst proportional zur Faserzugabe an. Die Vorteile hiervon kommen in erster Linie bei Fertigelementen zum Nutzen; die Widerstandsfähigkeit der Elemente gegenüber den Manipulationsbeanspruchungen liegt wesentlich höher. Diese Eigenschaft der erfmdungsgemäßen Betone kann über die Charpy-Kerbschlagprobe hinaus auch mittels der Kugelfallprobe gut demonstriert werden. Die Sandbetonplatte mit einem 10 kg Fasergehalt pro m^ -2-

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Beton ist auch nach zehnmaligem Fallen der Kugel rißfrei, obwohl die Platte bereits durchgeschlagen wurde.

Die Energieabsorption ist proportional der Fläche des beim Biegeversuch aufgenommenen Kraft-Dehnungs-Diagramms. Die Kennzahl der Zähigkeit gleicht dem Verhältnis, das sich aus der Proportion der Fläche unter der Kurve des sprödbrechenden faserfreien Betons zu der Fläche unter der Kurve des Polypropylenbetons ergibt. Die USA-Norm (ASTM C 1018-85) zieht die Kurve des Komposits bis zum Fünffachen der Bruchdehnung des spröden Betons in die Betrachtungen ein.

Ein weiterer Vorteil der Anwendung der erfindungsgemäß eingesetzten Fasern zeigt sich im Anstieg der Festigkeitsparameter der Betone. Diese Wirkung ist bei den Kiesbetonen wegen der Begrenzung der Menge der beimischbaren Fasern und der traditionellen Verdichtungsmethoden kleiner. Bei den Sandbetonen liegt er aber beträchtlich hoch, hier beträgt die maximale Komabmessung des Zusatzstoffs 4 mm und die beimischbare

Fasermenge kann bis 20 - 25 kg pro m^ erhöht werden. Bei diesen Kompositen wachsen die Biegerrißfestigkeit um 15 - 30 %, die Biegebruchfestigkeit um 50 -120 % und die Druckfestigkeit um 10 - 30 % an.

Der Zähigkeitsindex wird bei erfindungsgemäßen Sandbetonen auf das 6- bis 13-fache erhöht.

Das Anwachsen der Festigkeitsparameter ist in der Frühperiode, im 1- bis 2-tägigen Alter des Komposits am größten; das ist günstig beim Entschalen der Betone. Bei Fertigelementen lassen sich die technischen und wirtschaftlichen Vorteile des Systems am besten erkennen. Bei den sogen. Vibropress-Methoden kommt die beständigkeitserhöhende Wirkung der Faserzugabe vorteilhaft zur Geltung. Die Anwendung des Betons bei den Deckenkörpern führt einerseits zur Einsparung an Zement, andererseits sinkt wegen der Verbesserung der Schlagfestigkeit der Bruchverlust bei der Lieferung.

So entstehen z. B. bei Eisenbahnplatten in verringertem Umfang Schäden oder Ausbrüche durch den Straßenverkehr.

Die Zähigkeit und die Festigkeitsparameter des Betons ermöglichen die Herstellung sehr dünner, leichter Elemente. Die Dicke etagenhoher Fassadenelemente beträgt zwischen der versteifenden Rippung bloß 1,5 cm.

Bei der Herstellung großer 7 m langer Fassadenpaneele tritt eine beträchtliche Bewehrungseinsparung auf. Die Netzarmatur der Betonplatte bleibt weg und es ist nur die Bewehrung der Versteifungsrippen nötig, um die sich aus dem Eigengewicht ergebenden Beanspruchungen bei der Lieferung und beim Heben zu tragen.

Das erfindungsgemäße Baumaterial das mit einem Mixerwagen lieferbar ist, kann gepumpt, durch das Betonspritzverfahren oder durch Gunierung eingearbeitet werden.

Technische Daten versuchsweise verwendeter Fasern:

Eine mit Extrusionsmethode hergestellte spezifische Polypropylen-Monofaser - mit 180+^_q μτη oder mit 90+^_q pm Durchmesser. - aus 120 - 220 Stück Monofaser gezwirnte Faserbündel - zerkleinert in Längen 25,40 oder 60 mm - mit hydrophilisieiter und antistatisierter Qualität und - mit angerauhter Oberfläche und periodisch verändertem Querschnitt zur Verbesserung der Verankerung.

Anwendungsgebiete und verwendete Bindemittel: Kiesbeton, Sandbeton, Kunststein, Perlit oder Flugaschebeton, Zement- oder Kalkmörtel, Wärmedämmungsmörtel, Gasbeton oder Zementschaum, Gipsmörtel usw.

Dosierung;

Die Fasem werden zum fertiggemischten Beton oder Mörtel zugegeben. Während eines 30 - 40 Sekunden dauernden Nachmischens verteilen sie sich darin so, daß die gezwirnten Litzen zerfallen. Die Menge der beigemischten Fasem betrag für übliche Anwendungen 1-2 kg/cnP und 10 - 20 kg/cnP für die Herstellung sehr dünner, leichter Elemente.

Die Faserlänge in Abhängigkeit des Größtkomes der Zuschlagstoffe war. Länge 25 mm 40 mm 60 mm

Größtkom < 7 mm £20 mm >20 mm

Anwendungsvorteile:

Die dreidimensional angeordneten Fasern bilden im Beton ein feines Skelett, das die mechanischen Parameter bei der frischen Mischung und ebenso beim gehärteten Beton verbessert -3-

AT 394 547 B - Die Beständigkeit des Frisch-Betons wird bedeutend erhöht. Die Vorteile kommen besonders bei der Produktion sofort entschalender Betonerzeugnisse zur Geltung. - Der Anstieg der Festigkeitsparameter ist in der Frühperiode, im 1- bis 2-tägigen Alter des Betons am größten; das ist günstig beim Entschalen der Konstruktionen. - Die gehärteten Betone sind völlig frei von Rissen infolge Schwinden, Austrocknen und Temperatureinflüssen. Beim Stahlbetort kann so die feinmaschige Schwindrißbewehrung entfallen. - Die Zähigkeit, die Schlagfestigkeit des Betons wächst bedeutend an. Diese ermöglichen die Herstellung sehr dünner, leichter Elemente (Fassadenelemente usw.). - Die Abrasionfestigkeit gegen die dynamischen Beanspruchungen wird erhöht. Die Ausbrüche der Verkehrsoberflächen entfallen. - Die Feuerbeständigkeit der Konstruktionen wird besser, weil nach dem Ausbrennen der Faserbewehrung die Porenstruktur ein Zerreißen des Betons verhindert - Beim Betonspritzverfahren und der Gunierung wird der Rückprall reduziert

Die Zugabe der Fasern hat keinen Einfluß auf Förderung, Verarbeitung und Nachbehandlung des Betons.

Anwendungsbeispiele: 1. Kiesbeton dmax = 16 mm, Zement: 350 pc, 200 kg/cm^

Faserdosierung: 0,1 Gew.-%

Normalbeton Erfindung Erhöhung Druckfestigkeit: Biegezugfestigkeit: Zähigkeitsindex: 21,40 MPa 2,63 MPa 22,00 MPa 2,97 MPa 3,2 + 3 % + 14 % 2. Sandbeton dmax = 4 mm, Zement: 350 pc, 500 kg/cm^ Faserdosierung: l,0Gew.-% Normalbeton Erfindung Erhöhung Druckfestigkeit nach 2 Tagen nach 7 Tagen nach 28 Tagen 7,40 MPa 16,80 MPa 30,30 MPa 9,60 MPa 20,60 MPa 34,70 MPa + 30 % + 22 % + 15 % Berstfestigkeit nach 2 Tagen nach 7 Tag«) nach 28 Tagen 1,80 MPa 4,10 MPa 5,90 MPa 2,30 MPa 4,90 MPa 6,80 MPa + 28 % + 20 % + 15 % Biegezugfestigkeit nach 2 Tagen nach 7 Tagen nach 28 Tagen 4.20 MPa 7.20 MPa 9,60 MPa + 134 % + 75 % + 62 % Zähigkeitsindex 11,00

Die wirtschaftlichen Vorteile des erfindungsgemäßen Betons zeigen sich in Stoffeinsparungen auf dem Gebiet des Betonstahls und Zements.

Bei den Betonkonstruktionen kann man rißfreien Stahlbeton mit 1 kg/cm^ Fasern besichem. Dagegen steht die -4-

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Stahleinsparung im Werte von etwa 20 %. Aus einer durchschnittlich 100 kg/cm Armierung ist es möglich, etwa 20 kg/m^ Betonstähle einzusparen.

Aus Sandbeton hergestellte, nicht tragende Bauelemente (z. B. Fassadenelemente) haben durchschnittlich 3 cm Wanddicke. Die Dicke der etagenhohen Elemente beträgt zwischen der versteifenden Rippung bloß 1,5 cm. Der 3 3 3

Sandbeton in diesem Fall besteht aus Sand, Zement 500 kg/m , Faser 20 kg/nr und Betonstahl 30 kg/nr in den Rippen. Der Materialverbrauch pro m^ (ohne Aggregat) ist: Zement 15 kg, Faser 0,6 kg, Betonstahl 0,9 kg. Dagegen steht ein normal armiertes Betonelement mit durchschnittlich 10 cm Dicke, einbegriffen die

Rippung. In diesem Fall ist der Zementgehalt 300 kg/m^ und der Stahlgehalt 90 kg/m^. Der Materialverbrauch pro m (ohne Aggregat) ist: Zement 30 kg, Betonstahl 9 kg.

Die Materialeinsparung zwischen den zwei verschiedenen Elementen ist bei Zement 15 kg und bei Betonstahl 8,1 kg gegen die Dosierung der Fasern von 0,6 kg. Dazu kommen noch die Einsparungen bei den Förderungsund Montagekosten aufgrund der Gewichtsverminderungen.

Technische Daten der verwendeten Fasern: A. Faser Polypropylen. Monofilament

Spezifisches Gewicht Zugfestigkeit Bruchdehnung E-modul Fluß- und Schmelzpunkt Entzündungstemperatur Geometrie Oberfläche 0,91 g/cm^ min. 300 MPa 15-20 % min. 3000 MPa 145-150 °C weich 165-175 °C Schmelzpunkt

ca.600°C rund, 0 0,18 + 0,02 mm angerauht mit periodisch verändertem Querschnitt B. Standardfaser

Standardlängen 40 mm

Speziallängen 25 oder 60 mm in Foliensäcken, vakuumverpackt C. Dosierung

Normaldosierung 1 Gew.-%

Spezialdosierung 0,05 bis 0,50 Gew.-%

Die Verwendung von Polypropylenfasem für die Bauindustrie erschließt auch ein gutes Verfahren zur Beseitigung von Polypropylenabfällen, die in großen Mengen anfallen. Polypropylen als Platten oder Folien können in geeigneten Maschinen in dünne Streifen geschnitten werden, die gegebenenfalls nach Oberflächenbearbeitung, wie Anrauhen auf mechanischem oder chemischem Weg, als Fasern dem Beton zugemischt werden können. Weiters kann es vorteilhaft sein, die Polypropylenabfälle einzuschmelzen oder aufzulösen und die gewünschten Fasern mittels Extrusion herzustellen. Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Faserform in Seitenansicht, bei der sich die Querschnittsfläche periodisch ändert, wodurch die Fasern im Beton fest verankert sind. Die übrigen Figuren zeigen verschiedene Querschnittsformen und sind von selbstverständlich.

Die Form der gehackten oder extrudierten Schnitzel kann breit variieren. Wesentlich ist, daß die Fasern im Beton gut verankert sind, wobei jedoch darauf geachtet werden muß, daß sich die Fasern beim Mischen mit dem nassen Beton nicht zu Klumpen zusammenballen. Derartige Polypropylenschnitzel können z. B. Dimensionen von 0,5 bis 3 mm Stärke und 2 - 60 mm Länge aufweisen.

Die Fasern können vor dem Einmischen in den Beton oder Mörtel mit einem geeigneten Benetzungsmittel oder Haftvermittler behandelt werden.

In bevorzugter Weise werden Polypropylenfasem verwendet, die etwa 1:6 bis 1:12 vorgestreckt sind. Eine Vorstreckung von 1:8 und 20 % Elastizität haben sich als besonders günstig gezeigt. Für den Transport ist es vorteilhaft, die Fasern unter Vakuum zu verpacken und am Zubereitungsort für das fertige Baumaterial die Fasern -5-

Claims (6)

1. AT 394 547 B mittels Einblasen zuzumischen. Wesentlich ist, daß die Fasern möglichst gleichmäßig und wirr im Baumaterial verteilt sind, sodaß keine Zusammenballungen entstehen und der Beton oder der ausgehärtete Mörtel nach allen Richtungen hin gleich stark armiert ist Für den Halt der Polypropylenfasem im Baumaterial ist eine spiralförmige Ausgestaltung der Fasern bei einer vom Kreis verschiedenen Querschnittsform günstig. Die Spiralform kann durch entsprechenden Drall in der Extrusionsdüse hergestellt werden. Bei Verwendung von Kunststoffabfällen kann den daraus hergestellten Fasern durch abschnittweise Quetschung eine Form gegegeben werden, die der Haftung im Baumaterial zweckdienlich ist. Mit dem erfindungsgemäßen Baumaterial ist es insbesondere möglich, Betonbehälter verhältnismäßig dünnwandig korrosionsfest herzustellen. Derartige Behälter können z. B. leicht in Rechteckform hergestellt werden. Für die Aufnahme radioaktiven Materials ist die Zugabe von Borverbindungen in entsprechenden Mengen vorteilhaft, um die Abschirmwirkung gegenüber radioaktiver Strahlung zu erhöhen. PATENTANSPRÜCHE 1. Hydraulisch abbindbares oder gebundenes Baumaterial, wie Beton, Mörtel, Zement/Sandmischungen, etc., wobei das Baumaterial Polypropylenfasem in einer Länge zwischen 0,5 und 100 mm, bevorzugt zwischen 25 und 60 mm enthält, und die Polypropylenfasem in Mengen von 0,5 bis 50 kg pro nr fertiggemischtem nassem Baumaterial vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern Monofasem mit einem Durchmesser zwischen 50 und 300 jlm sind, oder aus mehreren Einzelfasern gebildet sind oder, daß die Polypropylenfasem durch Schneiden oder Einschmelzen und nachfolgendem Extrudieren von Polypropylenabfällen hergestellt sind und zwischen 0,5 und 3 mm breit sowie 2 bis 6 cm lang sind und daß die Fasern entlang ihrer Längserstreckung einen periodisch schwankenden Durchmesser aufweisen.
2. 2. Baumaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Fasern hydrophilisiert und aufgerauht ist
3. 3. Baumaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern im Querschnitt eine vom Kreis verschiedene gerippte Form aufweisen.
4. 4. Baumaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Polypropylenfasem vor dem Einmischen in den Beton, Mörtel oder dgl. mit einem Benetzungsmittel oder Haftvermittler behandelt sind.
5. 5. Polypropylenfasem als Zuschlagstoff für hydraulisch abbindbares oder gebundenes Baumaterial, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern in an sich bekannter Weise zwischen 1:6 und 1:12 vorgestreckt sind.
6. 6. Polypropylenfasem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern eine vom Kreis verschiedene Querschnittsform aufweisen und spiralförmig ausgebildet sind. -6-