Verfahren zum Armieren eines Körpers und nach diesem Verfahren armierter Körper Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Armieren eines Körpers aus brüchigem Material geringer Zugfestigkeit, wie Beton oder Gestein, mittels eines Ar- mierungsmittels mit mindestens einem Organ mit höherer Zugfestigkeit aus Glasfasern oder Metall, um den Kör per gegen Zerstörung durch Schwingungsenergie bestän dig zu machen,
das gekennzeichnet ist durch das An bringen einer Zwischenlage aus einem viskoelastischen organischen Polymer von Polyester- oder Epoxyharz zwi schen dem noch im erweichten Zustand befindlichen Material des Körpers und dem genannten Organ höherer Zugfestigkeit, das Aushärten des im erweichten Zustand befindlichen Materials und des Einwirkenlassens von Schwingungsenergie auf den Körper, wobei die Energie übertragung durch die Aufbauelemente des Körpers ge dämpft wird.
Die Fortpflanzung von Schwingungsenergie von Stoss- oder Schallwellen wird durch die Anwesenheit eines viskoelastischen Materials, das wenigstens einen Teil der Energie in regellose Wärmeenergie verwandelt und dämpft, wesentlich verändert. Dabei wird auch die Re flexion und Brechung derart verändert, dass die starke Konzentration örtlicher Belastungen infolge von stehen den oder sich verstärkenden Wellen verhindert oder ver mindert wird, welche sich sonst leicht an den Trenn flächen zwischen dem spröden Material und dem Spann organ oder an Oberflächen oder besonderen Stellen in dem brüchigen Material konzentrieren würden und so örtliche Brüche, häufig Zug- oder Scherbrüche, erzeugen würden, auch wenn der statische Druck zunächst posi tiv ist.
Eines der Probleme, dem die Fachwelt seit langem gegenübersteht, ist die vollständige Verhinderung der Fortpflanzung von Schwingungsenergie durch Körper oder Bauwerke. In den elementaren Körpern aus homo genen Stoffen, insbesondere solchen mit isotropen Eigen schaften und einfacher geometrischer Form, war eine strenge mathematische Behandlung der Wirkungen der Fortpflanzung von Schwingungsenergie als Grenz- schichtprobleme der mathematischen Physik möglich. Die strenge mathematische Behandlung der Fort pflanzung von Spannungswellen in Festkörpern erfordert Differentialoperatoren zweiter Ordnung und die Anwen dung höherer Mathematik,
auch wenn sie durch die An nahmen von Homogenität und eines isotropen Festkör pers in einfachen geometrischen Formen vereinfacht wird. Eine strenge mathematische Behandlung ist in nichthomo genen und/oder anisotropen Festkörpern mit kompli zierter Form, wie armierten Betonstrukturen und mit Spannorganen verstärktem Gestein, praktisch nicht mög lich. Verschiedene Formen, Brüche, Wärme- und/oder Aushärtespannungen sowie geologische Gründe tragen jeweils dazu bei, eine strenge mathematische Behandlung noch schwieriger zu machen.
In solchen Strukturen oder Gebilden ist Schwingungs energie, entweder in Form von Stosswellen mit einer grös- seren Fortpflanzungsgeschwindigkeit als Schall oder als sich mit Schallgeschwindigkeit fortpflanzende Energie, sowohl bei Schall- als auch Ultraschallfrequenzen streng mathematisch schwierig zu behandeln, da Beton beispiels weise aus Kies, Sand und Zement besteht, deren Grössen und technisch-physikalische Eigenschaften für nebenein- anderliegende Teilchen nicht notwendigerweise die glei chen sind, und der Grad der Haftbindung zwischen dem Beton oder Gestein und dem verstärkenden Spannorgan muss zunächst theoretisch angenommen werden und kann falsch sein.
Wenn man überlegt, dass eine auf eine freie Grenzfläche unter einem gegebenen Einfallswinkel einfallende Deformationswelle eine reflektierte Deforma- tionswelle und eine gebrochene Dehnungswelle erzeugt, deren Fortpflanzungsgeschwindigkeit unterschiedlich sind, und dass diese Wellen an den Grenzflächen zwischen zwei festen Medien durch die Normalverschiebungen, Tangentialverschiebungen, Normalspannung und Tangen tialspannung und infolgedessen Verstärkung, Auslöschung oder stehende Wellenbildung beeinflusst werden, ist leicht zu sehen,
dass eine augenblickliche örtliche hohe Span nungskonzentration einen Scher- oder Spannungsbruch zwischen zwei verschiedenen Stoffen oder auch innerhalb eines der Stoffe hervorrufen kann. Bei einem verhältnis- mässig brüchigen, spröden Material mit schwacher Span nung und dementsprechend wahrscheinlich vergleichbar schwacher Scherfestigkeit kann ein kleiner Bruch einen Zustand ergeben, welcher schnell zu einem katastrophen artigen Bruch führt. Aus diesen Gründen werden bei technischen Strukturen und Bauwerken, welche irgend einer Form von Schwingungsenergie unterworfen sein können, hohe, auf Erfahrung gegründete Sicherheitsfak toren angewendet.
Zusätzlich zu den inneren Wellen werden an frei liegenden Oberflächen Oberflächenwellen erzeugt, welche in Festkörpern häufig als Rayleigh-Wellen bezeichnet werden. Manchmal treten auch an der Trennfläche zwischen zwei in Berührung stehenden festen Phasen Wellen auf, die zuweilen als Love-Wellen bezeichnet wer den. Die Geschwindigkeit der Oberflächenwellen oder Rayleigh-Wellen ist geringer als diejenige von Dhnungs- wellen. Grössere Unterschiede des spezifischen Gewichts, des Youngschen Moduls und des Poissonschen Verhält nisses gehen in die Intensität aller dieser Wellenarten ein.
In Systemen. in welchen das spezifische Gewicht, der Youngsche Modul und das Poissonsche Verhältnis dich ter beieinander anliegen, werden weniger Komplikationen und Deformationen an den Trennflächen verursacht. Daher sind die Grenzschichten-Wechselwirkungen, wel che durch die Wellenfortpflanzung von dem brüchigen Organ aus Beton oder Gestein u. dgl.
in das viskoelasti- sche Material und von dem viskoelastischen Material wiederum in das Spannorgan hervorgerufen werden, we sentlich geringer als es die bei Abwesenheit der visko- elastischen Schicht hervorgerufene Deformation oder Ver zerrung sein würde.
Eine andere Art von Bruch in verstärkten Strukturen ist ein Bruch der Haftbindung zwischen den verstärken den Spannorganen und dem spröden Organ. Eine axiale Spannung an dem Spannorgan sucht dieses Organ zu verlängern und wenn die Belastung eine Scherspannung ergibt. die grösser ist als der erzeugte Adhäsionswert, tritt ein Bruch längs der Berührungslinie, etwa einer ring förmigen Berührungslinie, als ein wanderndes Phänomen auf. Die Bruchlinie wandert beinahe in gleicher Weise wie beim Schälen einer Banane.
Die Spannungsübertra gung von einem Armierungselement auf ein sprödes Druckelement kann die Form dieses wandernden Rin ges aufweisen.
Der Bruch eines Verstärkungsstabes in einer Veran kerung kann ebenfalls von dieser Art sein. Bei einem glatten Verstärkungsstab in einem glatten spröden Organ tritt ein linearer Ringbruch auf und die Länge der Veran kerung ist von geringer Bedeutung, da der Bruch nach und nach erfolgt und die Bruchlinie in axialer Richtung längs des Stabes wandert. Die volle Festigkeit des Spann- organes wird nie erreicht.
Zur Verstärkung von Beton sind Glasfasern verwen det worden. Dazu ist ein Bindemittel zum Verbinden der Glasfasern mit dem Beton oder die Verwendung von Glasfasern in dem Beton erforderlich, aber dies ergibt eine minimale Adhäsion in Art einer Haft- oder Klebe linie, wobei nur die statische Belastung berücksichtigt ist. Eine dickere viskoelastische Kunststoffschicht würde eine Energieabsorption ermöglichen, jedoch ist dieser Gedanke bisher nicht gefasst oder ausgesprochen worden.
Vorgespannter Beton wird häufig verwendet, es ist jedoch schwierig. eine vorgespannte Struktur zu bilden, in welcher die Haftbindung des Betons an dem Armie- rungsorgan richtig ausgenützt werden kann. Die Bela- stungsträgerorgane aus Stahl werden häufig unabhängig von der Adhäsion an dem Beton behandelt.
Es hat sich nun herausgestellt, dass Beton oder Ge steinsformationen unter Tage gegen Stosswellen oder andere Arten von dynamischen Energiewellen sehr ge festigt werden können, indem die Adhäsion des Spann organs an dem Druckorgan, welche durch das viskoelasti- sche Harz als Dämpfungsorgan voneinander getrennt sind, verbessert wird, wodurch eine örtliche Überbelastung ver hindert wird, die Schwingungsenergie gedämpft und als Wärme aufgezehrt wird und vorzugsweise in dem visko- elastischen Element eine ausreichende Elastizität vorhan den ist,
so dass eine Überspannung unter extremen Be dingungen die viskoelastische Schicht örtlich und ohne katastrophenartigen Bruch verformt, um ein stellenweises Gleiten zu ermöglichen, wobei der grössere Teil der Strukturfestigkeit des verstärkten Materials erhalten bleibt.
Es hat sich herausgestellt, dass eine viskoelastische Schicht von etwa 1,59 mm bis etwa 12,7 mm oder dar über die Wellenenergie umwandeln, eine örtliche über belastung verhindern und eine weit grössere Festigkeit unter Stossbelastungen ergeben kann und diese Dicke zum Modifizieren der Schwingungsenergie ausgezeichnet geeignet ist.
Eine Dicke von mehr als 12.7 mm ist sehr wirksam, wird jedoch unerwünscht teuer. Die Kosten können min destens teilweise vermindert werden, indem Verdünnungs mittel, wie Zement oder Asbestfasern, Sand oder andere Füllstoffe beigegeben werden, um das Volumen zu ver- grössern, ohne die Wirksamkeit des viskoelastischen Polymers zu vermindern.
Das Polymer ist rasch abbindend, bei Umgebungs temperatur härtend, vorzugsweise wasserdicht, fest und nicht schrumpfend. Die Epoxyharze wie die Polyurethan- harze ergeben gewöhnlich gute Resultate. Vom Kosten standpunkt werden die Polyesterharze häufig bevorzugt.
Cyanacrylate und Mischpolymerisate von Polyestern und Acrylaten sowie andere feste viskoelastische Poly mere, welche im Handel erhältlich sind, können ver. wendet werden.
Polyesterharz-Zusamfnensetzung Bei einer vorzugsweisen Zusammensetzung ist das Harz ein ungesättigtes polymerisierbares Polyesterharz, welches mit einer monomeren polyrnerisierbaren äthy- lenischen Verbindung zusammen mit einem Inhibitor und einem Beschleuniger vermischt ist.
Die Alkyd-Kompo- nenten von üblichen Polyesterharzen sind dabei brauch bar, einschliesslich die gebräuchlichen Polyesterharze sowie die gebräuchliche x, ss-äthylenisch ungesättigte Polycarboxylsäure, in welcher eine gesättigte Polycarbon- säure vorhanden sein kann. Die Polyesteralkyde werden hierbei teilweise mit einer solchen Säure oder Mischun gen von Säuren oder deren Anhydriden kondensiert, in dem sie erhitzt werden, bis eine Reaktion eintritt. Der Kondensationsgrad wird durch die Säurezahl in bekann ter Weise festgestellt.
Eine Säurezahl von etwa 25 bis etwa 60 ergibt gute Resultate, wobei ein Bereich von 35 bis 50 bevorzugt wird. Solche Harze können hergestellt werden, wie in den nachfolgenden Beispielen gezeigt, oder sie können als Alkyd-Komponente, welche aus der Kon densation stammt und mit einem monomeren Vernet zungsmittel vermischt ist, oder vollständig mit oder ohne Stabilisatoren und Beschleuniger gekauft werden. Styrol wird zwar als Vernetzungsmittel für die meisten handels üblichen Polyesterharze bevorzugt.
In der Praxis wird jedoch Vinyltoluol bevorzugt, wenn das Harz unter Tage verwendet werden soll oder wenn die Flüchtigkeit und Explosivität von Styrol Schwierigkeiten bereiten könnte. Mit Ausnahme der Entzündungsgefahr ergeben die styrol- haltigen Harze ausgezeichnete Resultate. Die Herstellung der Harze ist bekannt und sie sind im Handel erhältlich, wie z.
B.: Polychem 167-T der Chemical Oil & Resin Company; Selectron R.S:N. 553 der Canadian Pittsburgh Industries, Ltd.; TVL 62036 Glidpol der Glidden, Ltd.;
die Laminac-Sorten der American Cyanamid Company und die Polyester-Bootsharze der Firma Naugatuck Che- micals.
Die meisten dieser handelsüblichen Harze werden mit einem Chinon-Stabilisator und einem Härtungsb;.- schleuniger verkauft. Ein Stabilisator ergibt eine längere Lagerbeständigkeit, insbesondere wenn ein Beschleuniger anwesend ist. Die Polyolpolycarboxylsäureester haben etwas leicht unterschiedliche Eigenschaften, was von Un terschieden in der Herstellung herrührt, beispielsweise der Geschwindigkeit des Erhitzens, der Geschwindigkeit des Rührens, Spurenverunreinigungen u. dgl.
Es ist infolge von zufälligen Unterschieden bei der Herstellung sogar bei aufeinanderfolgenden Beschickungen sehr schwierig, gleich Gelbildungszeiten zu erhalten. Dementsprechend ist es handelsüblich, die Menge an Beschleuniger und die Menge an Verzögerer zu verändern, um die gewünschte Gelbildungs- und Aushärtzeit sicherzustellen. Etwa 0,002 bis 0,03% Phenol-Verzögerer, bezogen auf das Gewicht des Harzes, wird bevorzugt.
Eine grössere Menge des Verzögerers wird mit einer grösseren Menge des Beschleu nigers verwendet und es wird eine ausreichende Menge des Verzögerers verwendet, um eine zweckmässige Lager beständigkeit von mindestens 6 Monaten zu erhalten. Über etwa 0.03% des Phenol-Verzögerers als Äquivalent für das Hydrochinon ist geeignet, eine vollständige Aus härtung zu verlangsamen oder zu verhindern.
Unter den Verzögerungsmitteln oder Inhibitoren wird Hydrochinon in der Praxis am meisten verwendet, es können jedoch auch andere verwendet werden, wie Mono alkylphenole, einschliesslich monotert. Butylpheno, mono- tert. Butylhydrochinon, o-, m- und p-Cresol, höhere Alkylphenole, mehrere Hydroxylgruppen enthaltende Phenole, einschliesslich Catechin, Rersorcin, sowie die teil weise alkylierten,
mehrere Hydroxylgruppen enthalten den Phenole, einschliesslich Eugenol, Guaiacol, und Mi schungen dieser oder anderer Stoffe. Diese Verzögerer sind dem Fachmann als zusammengehörige Gruppe be kannt.
<I>Der Härtebeschleuniger</I> Die bevorzugten Härtebeschleuniger sind die Anilin- Beschleuniger einschliesslich tert. Monoamine, an deren Stickstoffatom zwei funktionelle aliphatische von Alkyl- kohlenwasserstoffen, hydroxylsubstituierten Alkylkohlen- wasserstoffen und Aralkylkohlenwasserstoffen abgeleite te Reste, sowie ein aromatischer Rest gebunden sind, der sich von Arylkohlenwasserstoffen,
mit einer Azo- Gruppe substituierten Arylkohlenwasserstoffen, mit einer Amino-Grupp; substituierten Arylkohlenwasserstoffen, mit einer Hydroxylgruppe substituierten Arylkohlenwas- serstoffen und mit einer Aldehyd-Gruppe substituierten Arylkohlenwasserstoffen sowie Salzen derselben ableitet.
Beispiele hierfür sind: Dimethylanilin, Diäthylanilin, Di- n-propylanilin, Dimethyl-p-toluidin, Dimethyl-o-toluidin, Dimethyl-a-naphthylamin, Methylbenzylanilin, p-Dime- thylaminoazobenzol, N,N-Dimethyl-m-aminophenol, p- Hydroxy-N,N-di(p-hydroxyäthyl)-anilin, p-Dimethylami- nophenyl-oxalat,
p-Dimethylaminophenylacetat und p- Dimethylaminobenzaldehyd. Alkaliverbindungen, wie Cal. ciumhydroxyd, Natriumhydroxyd und Natriumcarbonat, wenn sie von vorneherein oder durch die Reaktion des Wassers mit Zement oder Gips vorhanden sind, Ammo- niumdioxyd und Ammoniumsulfat wirken ebenfalls als Beschleuniger oder zusätzliche Beschleuniger.
Etwa 0,04 bis 0,2% des Beschleunigers, berechnet als Äquivalent für Diäthylanilin, werden bevorzugt.
Viele der im Handel erhältlichen Harze enthalten eine gewisse Menge Verzögerer, häufig Hydrochinon, und eine ge wisse Menge Härtebeschleuniger, häufig eines der tertiä ren Amine, und dementsprechend ist weniger zusätzlicher Verzögerer und Beschleuniger bei den erfindungsgemäs- sen Zusammensetzungen erforderlich.
<I>Der Katalysator</I> Der Katalysator für die Zusammensetzung kann ein gebräuchlicher Peroxyd-Katalysator sein, wobei u.a. Ben- zolylperoxyd im Handel bevorzugt wird. Andere Peroxyde sind geeignet, wie Zyklohexanonperoxyd, Hydroxyheptyl- peroxyd, 1-Hydroxyzyklohexylhydrop2roxyd 1, t-Butyl- hydroperoxyd, 2,4-Dichlorbenzoylperoxyd u. dgl.
Methyläthylketonperoxyd ergibt ausgezeichnete Re sultate, obwohl die Behandlung der Ketonperoxyde infol ge ihrer Flüchtigkeit grössere Sorgfalt erfordern. Anorga nische Peroxyde sind ebenfalls brauchbar, und zwar allein oder mit organischen Peroxyden vermischt, beispielsweise Natriumpercarbonat, Calciumperoxyd, Natriumperoxyd u. dgl.
Benzoylperoxyd wird gewöhnlich bevorzugt, da es ein fester Stoff mit günstigem Preis und praktischer Hand habung ist. Alle Peroxyde neigen zu Explosivität oder Entflammbarkeit. Für einen zweckmässigen Gebrauch ist es erwünscht, dass das Benzoylperoxyd mit einem verträglichen, inerten organischen Material, wie Stärke oder Mehl, zu einer Zusammensetzung vermischt wird, welche etwa 30% des Benzoylperoxyds enthält,
das sich dadurch in nicht explosiver Form befindet und prakti scher gemahlen und gehandhabt werden kann.
<I>Mit Wasser reagierendes Füllmittel</I> Ein mit Wasser reagierendes Füllmittel kann im Harz oder im Peroxyd vorhanden sein. Mit Wasser reagierende Füllmittel sind beispielsweise Portland-Zement und ge brannter Gips.
Zusätzlich können inerte Füllstoffe, wie Sand, Staub von Silica-Stein, pulverisierter Kalkstein oder Mahlrück stände von Siliciumdioxyd, je nach Wunsch vorhanden sind. Solche Füllstoffe sind billig und verringern die Kosten des Harzes je Volumeneinheit.
Zement oder Gips neigt bei Lagerung zum Abbinden. Ein Dickmittel vermindert die Geschwindigkeit des Ab bindens oder hält es vollständig zurück und auch wenn ein gewisses Abbinden eingetreten ist, kann der Zement leichter wieder suspendiert werden.
<I>Dickmittel</I> Fein zerteiltes Siliciumdioxyd, insbesondere pyroge- nes Siliciumdioxyd, ist als Dickmittel sehr wirksam. An dere Dickmittel sind Wollastonit, mit einem kationischen oberflächenaktiven Amin behandelter Bentonit-Lehm, mit einem kationischen Oberflächenbehandlungsmittel behan deltes Aluminiumsilicat, mit Calciumstearat behandeltes Aluminiumsilicat, fein zerteiltes Calciumcarbonat,
insbe sondere wenn es mit einem kationischen oberflächenakti- ven Mittel behandelt ist, Aluminiumstearat und Asbest, entweder als kurze Faser oder als fein zerteiltes Pulver.
Das Dickmittel wird zweckmässigerweise der Harz paste beigegeben. Es ist ebenfalls wirksam, wenn es sich in der Katalysatorzusammensetzung befindet. Das Dick mittel kann teilweise der Harzpaste und teilweise dem Katalysator beigegeben werden, obwohl es gewöhnlich praktischerweise mit einer dieser Komponenten vermischt ist. Asbest neigt zur Verkürzung der Lagerbeständigkeit, wenn es ohne das mit Wasser reagierende Füllmittel ver wendet wird. Wenn es mit Portland-Zement verwendet wird, lässt sich eine ausgezeichnete Lagerbeständigkeit erzielen.
Entweder in der Harzpaste oder im Katalysator, und zwar in dem Stoff, welcher von dem mit Wasser reagie renden Füllstoff frei ist, befindet sich etwas Wasser. Ge wöhnlich wird etwa eine solche Menge Wasser bevorzugt, welche mit dem mit Wasser reagierenden Füllstoff reagie ren. Die Hälfte dieser Wassermenge ergibt gute Resul tate, da sie mit einem Teil des mit Wasser reagierenden Füllstoffes reagiert, und an feuchten Stellen, wenn das Harz in feuchten Bohrungen oder in frischem Beton ver wendet werden soll, kann weniger Wasser zugegeben werden, so dass ein Teil des Wassers aus der angrenzen den Gesteinsformation oder dem Beton geliefert wird.
Es können bis zu 25% Wasser verwendet werden, wobei grössere Mengen bevorzugt werden, wenn grössere Men gen von mit Wasser reagierendem Füllstoff vorhanden sind, und umgekehrt. Bezogen auf das endgültige Harz volumen, stellen 5 bis 10% Zement mit einer Komponen te zur Lagerung und 1 bis 10f Wasser, bezogen auf die endgültige Zusammensetzung, einen bevorzugten Bereich zur Erzielung von Lagerbeständigkeit, praktischem Ge brauch und einem festen endgültigen Harz mit minimaler Schrumpfung dar.
Um das Wasser mit dem Harz oder dem Katalysator vermischt zu halten. wird ein Emulgierungsmittel bevor zugt. Die polyoxyäthylierten Pflanzenöle sind mit der Zusammensetzung verträglich, ergeben eine gute Suspen sion. gute Emulgierung des Wassers und lange Lager beständigkeit.
Andere gebräuchliche Benetzungsmittel, welche mit dem Harz verträglich sind, können verwendet werden, wie polyoxyäthyliertes Castor-Öl oder die äqui valenten Polyäthylenglykoläther von Castor-Öl oder ein polyoxyäthyliertes Alkylphenol, wie
EMI0004.0027
und
EMI0004.0028
wobei n eine kleine ganze Zahl ist. Im Handel sind Mi schungen erhältlich, bei welchen n zwischen 3 und 16 liegt. Ein Bereich von 3 bis 10 wird bevorzugt.
Solche Mischungen werden als Tricon X-45 und Tricon N-57 sowie bei verschiedenen Handelsquellen auch unter ande ren Namen verkauft.
Verzögerung <I>des</I> Schimmelns Da die erfindungsgemässen Polymere organische Ver bindungen sind. können Bindungen vorkommen, unter welchen diese Polymere, insbesondere in einem nicht vollständig polymerisierten Zustand, durch Schimmel pilze oder andere Mikroorganismen angegriffen werden.
Die Beigabe von etwa #/2 % Pentachlorphenol oder 0,1% Phenylquecksilberacetat oder 0,1% Dodecylguanidinace- tat oder 0,1% saures Dodecylguanidinphthalat oder von Mischungen derselben verhindert ein Schimmelwachstum.
Die genaue Menge ist nicht kritisch und kann zwischen dem V- und 5-fachen eingestellt werden, wobei die jewei ligen Mengen von den besonderen Umständen abhängen, welche bei einer bestimmten Anwendung angetroffen werden.
Soweit die erfindungsgemässen Verstärkungsvorgänge eine wirksamere Verwendung von vorgespanntem Beton oder ein Vorspannen von Beton auf höhere Werte ermög lichen, ist es erwünscht, eine maximale Festigkeit des Betons gewährleisten zu können.
Daher kann wenigstens ein Teil des Aggregates, insbesondere die grösseren Teil chen, in einem schweren Aufschwemmittel aufge schwemmt werden, um die leichteren Komponenten des Aggregates abzutrennen und abzuführen, wodurch man ein Aggregat mit höherer Dichte erhält, welches folgende Vorteile aufweist: 1. Verringerte Durchlässigkeit für Wasser und wäss- rige Flüssigkeiten;
2. erhöhter Youngscher Modul; 3. erhöhter Strahlungswiderstand, wodurch dünnere Schichten verwendet werden können, um einen ausreichenden Strahlungswiderstand für Bauwerke zu erhalten, die einem Atomangriff ausgesetzt sein könnten; und 4. häufig weitere Elastizitätsgrenzen für einzelne Teil chen des Aggregats und für die Betonmasse.
Beim Verstärken von Beton kann eine erhöhte Vor spannung erzielt werden, indem Spannorgane gespannt werden, nachdem der Beton richtig abgebunden hat. Ein Vorspannen vor dem Abbinden des Betons erfordert ir gendein anderes, lasttragendes Organ, um die Spannungs belastungen in den Verstärkungsorganen hervorzurufen, bis der Beton abgebunden hat. Dies erfordert Belastungs- Einbettungen für vorgegossene Organe und mehr oder weniger zufriedenstellende Aufwendungen für an Ort und Stelle gegossenen Beton.
Eine zweite Möglichkeit be steht darin, dass man ein Abbinden des Betons ermög licht und sodann die Spannorgane reckt. um den vorge spannten Zustand zu erzeugen, in einem solchen System muss sich aber das Spannorgan in bezug auf den Beton bewegen und muss daher frei von Bindung sein.
Es ist möglich, eine Schicht von viskoelastischem Thermopolymer auf den Armierungsorganen anzubrin gen, den Beton an Ort und Stelle zu giessen und zu ermög lichen, dass sich die Organe in bezug auf den Beton be wegen, um die Vorspannung zu erzeugen, u. sodann das Härten des viskoelastischen Materials zu bewirken, um die Armierungsorgane in gespanntem Zustand zu binden.
Dies kann durch Anbringen einer Schicht mit einer Dicke von ungefähr 1,6 bis 6,35 mm eines hitzehärtbaren Poly- mers und anschliessendem Erhitzen mittels nahe dem Spannorgan angeordneten speziellen Widerstandsdrähten durchgeführt werden, oder es können. wenn metallische Armierungsstäbe oder -organe verwendet werden, diesel ben erhitzt werden, indem Strom durchgeleitet wird. Die ses Vorgehen hat den weiteren Vorteil, dass das Polymer härtet, während der Stab heiss ist, so dass das thermische Schrumpfen eine zusätzliche Spannung ergibt.
Ein weiteres Verfahren zum Härten des Polymers besteht in der Verwendung einer Strahlungsquelle, welche ein Strahlungsfeld erzeugt, und zwar beispielsweise (3- oder (-Strahlung, welche ausreicht, die Polymerisierung des Polymers in seine endgültig ausgehärtete Form zu bewirken. Ein verzögerter Katalysator oder elektroche misch aktivierte Katalysatoren können verwendet wer den.
Ein solches Verfahren ermöglicht ein Spannen der Spannorgane aus Metall oder Glasfasern nach dem Ab binden des Betons, das Polymerisieren des hitzehärtbaren Kunststoff-Bindeglieds und daher die Befestigung des Spannorganes am Beton nicht nur an den Enden, sondern längs der gesamten Länge des Verstärkungsorganes, um einen höheren örtlichen Spannungsaustausch zu erhalten.
Ein örtlicher Spannungsaustausch ergibt den grossen Vorteil einer lokalisierten Festigkeit im Falle des Auf tretens eines Bruches längs des Spannorganes oder in dem spröden Körper sowie eine verbesserte Übertragung von Wellenenergie zwischen dem Spannorgan und dem Beton oder Gestein, so dass lokalisierte stehende Wellen oder die Belastung konzentrierende, sich verstärkende Wellen minimal gemacht werden.
Zusätzlich zu der verbesserten Belastungsverteilung vermindert oder verhindert die Verwendung eines visko- elastischen Polymers auf der Oberfläche von korrodier- baren Spannorganen die Korrosion. Bei der Verwendung von Stahlarmierungen in Dämmen oder in der Berührung mit Seewasser ausgesetztem Beton ist es seit langem üblich, eine sehr dichte Deckschicht von Beton zu ver wenden, um zu verhindern, dass das Seewasser in Berüh rung mit dem Stahl kommt. Seewasser ist korrodierend und dringt bei Wellenwirkung leicht ein.
Bei nicht vorge spanntem Beton können Risse leicht das Eindringen von Seewasser und dadurch Korrosion ermöglichen, was un ter Umständen zum Bruch führt. Vorgespannter Beton, der stets unter Druck steht, hilft dabei viel, da Spannungs brüche nicht auftreten können, weil im Beton keine Zug spannung herrscht. Thermische Belastungen und andere Ursachen von Brüchen ermöglichen häufig Korrosion. Durch Verwendung von Polymeren, welche im wesent lichen gegen Seewasser inert sind, sind die Spannorgane nicht nur gegen Schwingungsenergie geschützt, sondern auch gegen Korrosion.
Wenn die Armierungsorgane aus Glasfasern bestehen, bieten sich keine oder nur unbedeutende Korrosions schwierigkeiten.
Der Schutz von Stahl sowohl in Gestein als auch in Beton ist ausserordentlich wichtig, da Korrosion häufig die Ursache von in längeren Zeiten entstehenden Brü chen ist. Grubenwasser enthält häufig saure Eisensalze oder andere saure Komponenten, welche ungeschützten Stahl angreifen. Irgendein Elektrolyt bricht leicht die schützende Oxydschicht über dem Stahl auf und erhöht die Korrosionsgeschwindigkeit. Chlorid, welches im Win ter zum Schmelzen von Schnee und Eis verwendet wird, hat einen sehr nachteiligen Einfluss auf die Haltbarkeits erwartung von Verstärkungsstahl in Strassen, Flugplatz- Landeflächen, Brückenbedielungen u. dgl.
Anhand der Figuren wird die Erfindung beispiels weise näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 eine Ansicht eines festen Glasfaser-Verstär- kungsstabes in Gestein, Fig. 2 eine Ansicht eines Glasfaser-Verstärkungsstabes mit einem dünnen Entlüftungsrohr in den Fasern, Fig. 3 eine Ansicht eines Glasfaser-Verstärkungssta- bes, bei welchem das Mittelrohr Ausbauchungen aufweist, um eine ausgebauchte Verzahnungsform der Aussenfläche des Verstärkungsstabes zu erhalten,
Fig. 4- einen Schnitt durch eine Kammer- oder Quer schlageinmündung (boshole brow), in welchem die Ver stärkung mit Glasfaserstäben gezeigt ist, die mit Harz am Beton gebunden sind, Fig. 5 eine Draufsicht auf die Verstärkung der Ein mündung des Querschlages in eine Förderdurchführung in Untertagegruben, welche mit harzgebundenen Glas faserstäben verstärkt ist, Fig. 6 eine Ansicht einer Versuchsanordnung zur Un tersuchung der Festigkeit des Verstärkungsstabes aus Metall unter Stossbelastungen,
Fig. 7 eine zweite Versuchsanordnung zur Be stimmung des Stosswiderstandes eines metallischen Ver stärkungsstabes und Fig. 8 eine Ansicht einer Versuchsanordnung zur Be stimmung des Stosswiderstandes eines 'Glasfaserstabes. Die Erfindung wird nachfolgend mit Einzelheiten und besonderen Bereichsangaben beispielsweise erläutert. In der Beschreibung und den Ansprüchen sind alle Teile als Gewichtsteile angegeben, wenn nichts anderes zum Ausdruck gebracht wird.
<I>Beispiel 1</I> In ein geeignetes Reaktionsgefäss, welches mit Rührer, Thermometer und einem luftgekühlten Rückflusskühler ausgestattet ist, wurden 1910 Teile Maleinsäureanhydrid, 1480 Teile Phtbalsäureanhydrid und 2540 Teile Propylen- glykol gegeben. Unter Durchleitung von Kohlendioxyd durch die Reaktionsmischung mit einer zur Erzeugung einer inerten Atmosphäre oberhalb der Oberfläche der Mischung ausreichenden Geschwindigkeit wurden die Reaktionsteilnehmer nach und nach unter Rühren auf eine Temperatur von 160 C erhitzt.
Die Erhitzung wurde bei einer angezeigten Esterbildungstemperatur fortgesetzt, bis die Säurezahl auf 38 gesunken war. Die für die Er zielung dieses Kondensationsgrades erforderliche Zeit be trug etwa 20 Stunden. Darauf wurde die Reaktionsmi schung auf 80 C abgekühlt und das heisse Polyesterharz wurde mit Methylstyrol im Verhältnis Harz zu Methyl- styrol von 70 : 30 verdünnt.
Die Polycarboxylsäure-Komponente des reaktionsfä higen Harzes war zwar bei diesem Beispiel eine Mischung einer x, ss-äthylenisch ungesättigten Dicarbonsäure und einer nicht polymerisierbaren zweibasischen Säure.
Es kann aber auch ausschliesslich eine a, 3-äthylenisch unge sättigte Polycarbonsäure verwendet werden, wie die Maleinsäure gemäss diesem Beispiel, oder irgendeine sol cher Säuren, wie Fumarsäure, Aconitsäure, Itaconsäure, Citraconsäure und Mesaconsäure oder auch Kombina tionen derselben.
Wenn eine nichtpolymerisierbare Poly- carbonsäure verwendet wird, muss sie in Verbindung mit einer nichtgesättigten Säure der genannten Art verwendet werden und soll vorzugsweise nicht mehr als 70 Gew.- /o der Gesamtmenge der verwendeten Polycarbonsäuren ausmachen.
Beispiele für nichtpolymerisierbare Säuren sind Oxalsäure, Malonsäure, Bernstein-Succinsäure, Glu- tarsäure, Sebacinsäure, Phthalsäure, Pimelinsäure, Kork säure, Azelainsäure Tricarballylsäure, Zitronensäure, Weinsäure und dgl. Wenn erhältlich, können die Anhy- dride dieser Säuren ganz oder teilweise an deren Stelle treten.
Zusätzlich zu dem bei der Herstellung des Harzes gemäss diesem Beispiel verwendeten Propylenglykol kön nen andere Arten von Glykolen verwendet werden, die Äthylenglykol, Diäthylenglykol, Dipropylenglykol, Tri- äthylenglykol, Tetraäthylenglykol, Butandiol-1,2, Butan- diol-1,3, Butandiol-1,4, Pentandiol-1,2, Pentandiol-1,4, Pentandiol-1,5, Hexandiol-1,6,
Neopentylglykol u. dgl. Mehrwertige Alkohole mit mehr als zwei Hydroxylgrup- pen können verwendet werden, wenn sie zusammen mit einer überwiegenden Menge an Glykol angewandt wer den.
Beispiele für solche mehrwertigen Alkohole mit mehr als zwei Hydroxylgruppen sind Glycerin, Trimethylol- äthan, Trimethylolpropan, Pentaerythrit, Dipentaerythrit, Sorbit, Mannit, Adonit, Dulcit, Arabit, Xylit u. dgl.
Wie bei der Darstellung des besonderen Harzes ge- mäss diesem Beispiel erläutert, ist es erwünscht, dass der mehrwertige und vorzugsweise zweiwertige Alkohol in einer Menge verwendet wird, welche mehr als etwa 10 bis 2017, oberhalb der für eine im wesentlichen vollständige Veresterung der verwendeten Säure oder Säuren erfor derlichen stöchiometrischen Menge liegt.
Der mehrwertige Alkohol und die Polycarbonsäure sowie die verschiedenen Mischungen der beiden, welche verwendet werden können, sollten in ausreichendem Mas se zur Reaktion gebracht werden, um eine endgültige reaktionsfähige Substanz mit einer Säurezahl zu erzeugen, welche zweckmässigerweise nicht grösser als 60 ist. Der bevorzugte Säurezahlbereich für das erfindungsgemäss zu verwendende Harz liegt zwischen etwa 35 und 40.
Das Vernetzungsmittel für das reaktive Harz kann irgendeiner aus einer Anzahl von polymerisierbaren mo- nomeren Stoffen mit einer
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und einem Siedepunkt oberhalb etwa 60 C sein. Das bei diesem Beispiel verwendete Mittel war eine isomere Mischung von ringsubstituierten Methylstyrol-Sorten, allgemein auch Vinyltoluol genannt. Diese Art von substituiertem Styrol wird bei den Zusammensetzungen bevorzugt, wel che bei der Untertagearbeit oder in abgeschlossenen Be reichen verwendet werden sollen, und zwar infolge ihres ziemlich hohen Flammpunktes.
Der hohe Flammpunkt dieser Verbindung ermöglicht deren Verwendung in ab geschlossenen Bereichen mit verhältnismässig grosser Sicherheit, wenn Sicherheitsfragen eine grössere Rolle spielen. Es gibt jedoch auch andere geeignete Vernet zungsmittel, wie Styrol selbst, 2,4-Dimethylstyrol, 2,5- Diäthylstyrol und dgl. Alkylester von Acrylsäure und Methacrylsäure können ebenfalls als Vernetzungsmittel verwendet werden.
Auch aliphatische Vinylester können verwendet werden, einschliesslich Vinylacetat, Vinylbu- tyrat. Vinyllaurat, Vinylstearat, Acrylnitril, Methacryl- nitril u. dgl. In gleicher Weise können Acrylamid und Methacrylamid verwendet werden.
Diese polymerisier baren monomeren Stoffe, welche die
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enthalten, können einzeln oder in Kombination mitein ander verwendet werden.
Das Verhältnis des ungesättigten Polyesterharzes zu dem monomeren Vernetzungsmittel kann in weiten Gren zen verändert werden. Der ungesättigte Harzgehalt kann daher zwischen etwa 10 und etwa 90 Teilen, entsprechend 90 bis 10 Teilen polymerisierbares Monomer, betragen. Bei der Mehrzahl der Anwendungszwecke enthalten die aktiven, polymerisierbaren Komponenten von etwa 40 bis etwa 60 Gewichtsteile ungesättigtes Harz und dementspre chend etwa 60 bis 40 Teile polymerisierbaren monome- ren Stoff.
Andere geeignete ungesättigte Polyesterharze sind in der USA-Patentschrift 3<B>091936</B> beschrieben. <I>Beispiel 2</I> Zu 84,5 Teilen des Harzes aus Beispiel 1 wurden 0,006 Teile Hydrochinon als Inhibitor, 0,9 Teile Emul- phor EL-719, ein geeignetes hydrophiles, nichtionisches oberflächenaktives Mittel, welches durch Polyoxyäthylie- ren eines pflanzlichen Öls hergestellt wurde, 0,025 Teile Diäthylanilin, 1,
0 Teile Vinyltoluol, 9,4 Teile Wasser und 4 Teile Cab-o-sil, ein geeignetes pyrogenes kolloidales Siliciumdioxyd, gegeben. Es wurde eine getrennte Kataly- satorkomponente hergestellt, indem 18 Teile Portland- Zement, 9 Teile Luperco AA, ein geeigneter Peroxyd Katalysator, im wesentlichen ein feines Pulver, welches 30% Benzoylperoxyd und 70% eines inerten, organischen Verdünnungsmittels enthält,
(die Zusammensetzung wird häufig zum Bleichen von Mehrl verwendet) sowie 3 Teile Dibutylphthalat vermischt wurden. Die einzelnen Kompo nenten sind wenigstens 6 Monate bei 21 C (70 F) stabil. Die 100 Gew.-Teile der Harzmischung werden zu den 30 Teilen der Katalysator--Zusammensetzung gegeben, um das endgültige gemischte Harz zu bilden.
Direkt vor dem Zeitpunkt der Verwendung werden 2 Komponenten vermischt und können entweder in eine Bohrung im Be ton oder Gestein an einer gewünschten Stelle gebracht oder als Schicht auf die Oberfläche des Spann-Verstär- kungsorganes verteilt werden, welches vor oder nach dem Aushärten oder dem teilweisen Aushärten des Polymers in den Beton eingebracht wird.
<I>Beispiel 3</I> Wie in Fig. 1 gezeigt, ist eine Mehrzahl von Glasfasern durch Klebwirkung mit dem gemäss Beispiel 2 herge stellten Polyesterharz zusammengefasst, wobei lediglich das kolloidale Siliciumdioxyd und der Portland-Zement weggelassen wurden.
Die Glasfasern wurden durch kon tinuierliches Eintauchen getränkt und zu Bündeln und sodann zu einem Stab mit einem Durchmesser von 22,2 mm geformt und in entgegengesetzten Richtungen mit einer Steigung von etwa 5,08 cm mit einem schmalen Glasfaserbündel spiralig umwickelt, um sowohl die Fa sern beim Härten zusammenzuhalten als auch dem Stab eine Oberflächenrauhheit zu erteilen, welche zu einer mechanischen Verzahnung wie zu einer direkten Adhäsion beiträgt. Wie in Fig. 1 gezeigt, besteht der 22,2-mm-Stab aus Glasfasern 11 mit spiralenförmigen Umwicklungen 12 und ist in ein nach unten in das Gestein 13 gebohrtes Loch eingesetzt.
Es wurde ein Bohrloch mit einem Durch messer von etwa 1,37 cm verwendet, wobei der freie Ring raum mit dem Polyesterharz 14 nach Beispiel 2 gefüllt wurde. Nach einer Standzeit von einer Woche bei einer Umgebungstemperatur von etwa 24 C (75 F) waren die Gesteinselemente haftend mit dem Stab und durch gerin ges Eindringen des Harzes in die Gesteinsspalten mitein ander verbunden. Wenn die haftend gebundene Glasfaser verstärkung den Explosionswellen von in benachbarten Gesteinsformationen gezündeten Explosionen unterwor fen wird, ergibt sie eine festere Formation als bekannte Gesteinsbolzen, welche unter Spannung gegen Ausdeh nungsgehäuse hergestellt werden oder aus mit Zement- gussmasse gebundener Stahlverstärkung bestehen.
Unter Versuchsbedingungen, bei welchen die Schwingungsener gie das Verstärkungsorgan zu lockern imstande ist, war der Gewinn an Festigkeit ausserordentlich. <I>Beispiel 4</I> Der in Fig. 2 gezeigte Glasfaser-Verstärkungsstab besteht aus einem Polyäthylenrohr 15 mit einem Aussen durchmesser von 6,35 mm welches etwa mittig angeordnet ist, sowie einer Mehrzahl von Glasfasern 16, welche an einander und an dem Polyäthylenrohr durch ein Epoxy- harz einer bekannten, handelsüblichen, bei Zimmertem peratur härtbaren Art gebunden sind,
wobei die Glas fasern durch spiralenförmige Umwicklungen 17 in ihrer Länge gehalten werden. Das Polyäthylenrohr ist genügend steif, dass die Ausbildung der Glasfaserstange 18 erleich- tert wird, da das Polyäthylenrohr eine gewisse Steifheit erteilt, bis das Polymer aushärtet. Der Glasfaserstab wird in eine Bohrung in gebrochenem Granit 19 eingesetzt.
Das Polyäthylenrohr ermöglicht, dass Luft aus dem abge legenen Ende des Bohrloches entweicht, so dass der Ver stärkungsstab leicht an seiner Stelle gehalten werden kann, wenn das Epoxyharz 20 in den Ringraum zwischen dem Stab und dem Gestein gebracht wird, und zwar ent weder nach oben, waagrecht oder nach unten.
Nach dem Härten ist die Gesteinsformation aus ge brochenem Granit 19 widerstandsfähiger gegen Schwin gungen, die von sich drehenden Maschinen, Grubenboh rern oder von benachbarten Explosionen stammenden Energiewellen herrühren, als es ein ähnliches, mit Stahl in Zementguss verstärktes Gestein ist.
<I>Beispiel 5</I> Ein Verstärkungsstab wird hergestellt, indem Poly- äthylenkugeln 21 auf ein Polyäthylenrohr 22 aufgereiht werden, welches sodann mit Glasfasern 23 in Polyester harz überzogen werden. Nach dem Aushärten wird die ausgebauchte Stange in ein Loch in Beton 24 eingesetzt, an welchem sie mit einem Polyesterharz 25 gebunden wird. Der so verstärkte Beton hat eine grössere Wider standsfähigkeit gegen Explosionen als sie mit üblicher Verstärkung erzielt werden würde. Die ausgebauchte Oberfläche der Stange ergibt eine mechanische Verzah nung und verändert die Fortpflanzung der Stosswellen und daher die örtliche Belastung längs des Stabes.
Mit oder ohne eine zusätzliche äussere, etwa 6,35 mm dicke Polyesterschicht kann der Stab zur Verstärkung von Be tongebilden beim Giessen dieser Gebilde verwendet wer den. Es wird eine bessere Stossfestigkeit erzielt, als bei Verwendung von Stahlverstärkung und der verstärkte Beton ist insbesondere gegen Seewasser oder säurehalti ges Grubenwasser beständig.
Die Verstärkungsstange lässt sich leicht mit einer Metallsäge zerschneiden und ist viel leichter als ein Stahl stab mit entsprechender Zugfestigkeit. Während das für Anordnung des verstärkenden Spannorganes verwendete Harz bei Zimmertemperatur oder nahe an Zimmertempe ratur aushärten oder sich verfestigen muss, kann das bei der Herstellung der Glasfaser-Verstärkungsstäbe verwen dete Polymer bei viel höheren Temperaturen ausgehärtet werden. Daher ist ein weiter Bereich von Polymer systemen für die Herstellung der Glasfaserstäbe geeignet. Das Polymersystem muss benetzen und infolge dessen an den Glasfasern haften oder die Faseroberfläche muss so behandelt werden, dass sie ein Haften bewirkt. Das Poly mer sollte nicht spröde sein.
Abgesehen davon kann eine grosse Vielzahl von Polymersystemen gewählt werden. Es gibt eine Gruppe von äusserst festen Harzen für Glas faserbindung. Es müssen jedoch hier keine Einzelheiten darüber erwähnt werden.
Wenn ein Giessbett vorhanden ist oder Formbedin gungen es gestatten, werden insbesondere dadurch gute Ergebnisse erzielt, dass die verstärkende Glasfaserstange vorzugsweise etwas bis zu ihrer elastischen Streckgrenze gereckt wird, bevor der Beton gegossen wird. Die Glas faserstangen werden nach Verfestigung des Betons ent spannt und ergeben einen vorgespannten, verstärkten Be ton. Die Vorspannung ist insbesondere deshalb vorteil haft, weil der ganze Beton unter Druck steht, wodurch eine höhere Belastung ermöglicht wird und auch Span nungssprünge in dem Beton verhindert werden.
Wenn ein Zuschlagstoff mit hoher Dichte verwendet und eine Beton zusammensetzung hoher Festigkeit gewählt wird, hat das erzielte Gebilde eine bemerkenswert hohe Festigkeit und ermöglicht eine Bauweise mit höheren zulässigen Bela stungen je Einheit als sie bei bekannten, mit Stahl ver stärktem, vorgespanntem Beton möglich sind.
<I>Beispiel 6</I> Die Figuren 4 und 5 zeigen die Verstärkung der Ober kante eines -Stichloches in einer Grube unter Tage. Beim Abbau unter Tage wird das das Erz darstellende gebro chene Gestein durch eine Hauptförderstrecke oder einen Schlämmstollen 26 gefördert und das Gestein wird durch eine Kammeröffnung 27 nach unten in den Hauptstollen geliefert. Die Einmündung des Querschlages in den Hauptstollen wirkt als Drosselmündung und steuert die Fliessgeschwindigkeit des Erzes. Üblicherweise werden Verstärkungsbohrungen in das Gestein neben dem Quer schlag, insbesondere die Oberkante 28 der Öffnung, d. h.
den oben liegenden Teil des in den Hauptstollen führen den Querschlages, gebohrt und verstärkende Gesteins bolzen eingesetzt.
Zunächst wurden in der Öffnung Verstärkungsstäbe aus Glasfaser mit einer Länge von etwa 1,83 m der in Figur 2 gezeigten Art in das Gestein eingesetzt und mit Polyesterharz haftend gebunden. Der Polyester ermög licht die Absorption eines Teiles der Schwingung und beim Heruntergleiten vom Gestein durch den Querschlag, welcher die Öffnung vergrösserte, wurde die Glasfaser stange mit einer Geschwindigkeit abgebrochen und durch Abrieb zerstört, welche derjenigen des angrenzenden Ge steins nahekam.
Infolge dessen hielt die Oberkante der Öffnung länger als bei bekannten Ausführungen, bei wel chen Stahl-Verstärkungsbolzen verwendet wurden, Stahl verstärkungsstäbe oder Gesteinsbolzen erstrecken sich nach aussen in die Erzdurchführung und wenn Erzklum pen das freie Ende des Bolzens treffen, lockern über tragene Schwingungen leicht die Bolzen im Gestein und verursachen ein vorzeitiges Versagen. Im Gegensatz dazu dämpften die Glasfaser-Verstärkungsstangen die Energie wellen, statt sie zu übertragen, und die Enden wurden abgerieben, so dass einerseits nicht annähernd soviel Stösse auftreten, welche Energiewellen auslösen, und anderer seits die ausgelösten Energiewellen gedämpft werden.
Die ausgebauchten Stangen gemäss Fig. 3 scheinen eine unter schiedliche Fortpflanzungsgeschwindigkeit an den ausge bauchten und eingezogenen Teilen zu haben und infolge dessen wird die Energieübertragung längs der Stange schneller geschwächt als bei Stangen mit im wesentlichen gleichförmigen Eigenschaften.
Bei Abnützung und Vergrösserung der Querschlag öffnung wurde es wie bei der üblichen Praxis notwendig, die Oberkante der Öffnung zu erneuern, was gemäss den Figuren 4 und 5 durchgeführt wurde. Der Querschlag und insbesondere die Oberkante wurde erneuert, indem die Stellen mit Beton aufgefüllt wurden, an welchen das Gestein abgetrieben war, und es wurde die ursprüngliche Form wieder hergestellt.
Es wurde üblicher Beton ver wendet, anstelle von Stahl-Verstärkungsorganen wurden jedoch Polyester-Glasfaser-Verstärkungsstangen 29 in einer rechtwinkligen Gitteranordnung eingesetzt, wobei der gleiche allgemeine Abstand und die gleiche An ordnung wie bei Stahl-Verstärkungsorganen in normalem Beton angewendet wurden und wobei sich mit 30,5 bis 61,0 cm von Mitte zu Mitte gute Ergebnisse erzielen lassen.
Sogar ohne eine zusätzliche äussere Schicht von visko- elastischem Polymer auf der Oberfläche der Glasfaser stäbe ergab die verstärkte Querschlag-Oberkante eine 2- bis 3-fache Lebensdauer von Querschlag-Oberkanten, welche mit geraden Stahlstäben verstärkt waren. Wenn die Glasfaser-Verstärkungstäbe zusätzlich in eine etwa 4,76 mm dicke Polyesterharz-Schicht der in Beispiel 2 erläuterten Art eingebettet waren, liess sich eine weitere Erhöhung der brauchbaren Lebensdauer um mindestens 50j, erzielen.
Die brauchbare Lebensdauer einer Querschlag-Wie- derherstellung sowie der öffnungs-Oberkante ist ausser- ordentlich schwierig zu messen, da das durch die Öffnung kommende Gestein nicht notwendigerweise gleichförmig ist. Von Zeit zu Zeit überbrückt oder verstopft das Ge stein die Öffnung, wodurch das interessante Problem ent steht, dass Tonen von Gestein nach unten durch die Öffnung zu gelangen suchen, welche durch das verstopfen de Gestein blockiert werden. Der Grubenarbeiter muss normalerweise das Gestein von unten freisetzen, da ein Anbohren von oben unpraktisch ist.
Dies wird gewöhn lich durchgeführt, indem man versucht, den Gesteins brocken mit einer Rammstange zu stemmen, wenn er nahe am Ausgang liegt, wenn dies jedoch nicht der Fall ist, wird eine längere Stange mit einer an ihrem Ende befestigten explosiven Ladung verwendet und die explo sive Ladung wird neben dem verstopfenden Gestein an geordnet und gezündet. Es stellt nur ein letztes Hilfs mittel dar. dass der Grubenarbeiter nach oben in die Öffnung klettert, um eine explosive Ladung anzubringen, und zwar nur dann, wenn frühere Ladungen die Verstop fung nicht freilegen konnten und bewiesen, dass die Ge steinsverstopfung stabil ist. Bei solchen Sprengungen er fährt natürlich die Verstärkung in der Öffnung und ins besondere in der Oberkante eine ausserordentliche Bela stung durch die explosiven Ladungen und wird ge schwächt und unter Umständen weggerissen.
Die Ge schwindigkeit des Abbaues ist schwierig zu messen und schwierig vorherzusagen.
Versuche zeigen, dass die Glasfaser-Verstärkung eine Haltbarkeitserwartung ergibt, welche das 2- bis 4-fache der Haltbarkeitserwartung bei Verwendung von üblichem Beton ausmacht.
Beim Verstärken von Querschlag-Oberkanten können Stahlverstärkungsorgane tatsächlich die Lebensdauer von Beton verkürzen, da die Schwingungsenergie mit grosser Geschwindigkeit längs des Stabes sich fortpflanzt. Wenn die Stäbe einer Sprengung oder einem Aufprall von Ge stein ausgesetzt sind, wird Schwingungsenergie längs des Stabes geleitet und kann tatsächlich ein schnelleres Bre chen herbeiführen, als wenn der Beton nicht verstärkt wäre.
Wie wichtig es ist, die Schwingungsenergie in Betracht zu ziehen, ist aus der Wirkung von verstärkendem Stahl in Querschlag-Oberkanten ersichtlich, da die Verstärkung von Beton durch Stahl, auch wenn der Stahl nicht frei liegt, bei Auftreten von Schwingungsenergie eine solche Wirkung hat, dass derselbe schwächer ist als Beton ohne Verstärkung. Die Verwendung einer viskoelastischen Dämpfungsschicht verändert daher die Fortpflanzung von Wellenfronten derart. dass mit Sicherheit ein grösserer Sprengungswiderstand erzielt wird.
Natürlich ist bei Verstärkung von Gestein oder Beton gegen Energiebelastungen wie beim Bergbau, so auch für den Bau von Vorratsbunkern für Geschosse, welche der Schwingungsenergie von Kernexplosionen widerstehen sollen, die Erhöhung der Elastizität durch das viskoela- stische Material erwünscht, die Zug- und Scherbrüche im Beton oder Gestein vermindert. Das erfindungsgemäs- se Verfahren und die erfindungsgemässen Vorrichtungen erzielen Ergebnisse, welche üblichen Verstärkungsstäben weit überlegen sind.
Da die genaue Energiebelastung nicht voraussagbar ist, und da in Gesteinsformationen insbe sondere Fehlstellen und geschwächte Zonen an unerwar teten, unbekannten und nicht vorhersagbaren Stellen auf treten können, müssen Sicherheitsfaktoren eingerechnet werden. Verwertbare Ergebnisse liefernde Versuche an Einrichtungen in voller Grösse sind nämlich schwierig.
Die Verwendung von Glasfaser-Verstärkungsorganen. liefert ein äusserst aufregendes und ungewöhnliches Si cherheitsmerkmal. Die Glasfasern in den Spannungs organen sind nicht genau gleichmässig belastet und wenn ein Bruch bevorsteht, brechen zuerst einige der Fasern oder beginnen in ihrer Einbettung zu gleiten, bevor die endgültige Bruchfestigkeit des Organs erreicht ist. Das Gleiten oder Brechen ergibt gut hörbare knallende Ge räusche, so dass bei Bruchbelastung die Stäbe zu spre chen oder singen beginnen. Bei Deckenkonstruktionen unter Tage oder bei Betonaufbauten tritt dieses Singen beträchtliche Zeit vor dem Bruch ein, wenn die Belastung steigt, wie es gewöhnlich beim Bruch von Grubendecken oder Aufbauten der Fall ist. so dass eine ausreichende Warnung vor einer angehenden Katastrophe gegeben wird.
Dieser Sicherheitsfaktor unterstreicht die Zweck- mässigkeit und Vorteilhaftigkeit der Verwendung von Glasfaser-Spannorganen gemäss der Erfindung.
Es können Versuche unter genormten Bedingungen zur Messung des zu erwartenden Verbesserungsgrades durchgeführt werden, wobei genormte Bedingungen in kleinem Massstab angewendet werden. <I>Beispiel 7</I> Sprengversuche Für Versuchszwecke wird eine Versuchsatrappe her gestellt, indem zwei 2,5-3 cm Weicheisen-Rohrverbin- dungen mit Rohrgewinden nach dem American Standard verwendet werden, wobei die Verbindungen etwa 2,5- 3,8 cm Innendurchmesser, 4,76 cm Aussendurchmesser und 5 cm Länge besitzen und durch ein 2,5 cm breites, druckempfindliches Band während der Herstellung ge fluchtet gehalten werden.
Die Verbindungsstücke werden auf einer flachen Oberfläche angeordnet, zu etwa #4' mit dem Versuchsmaterial, Harz oder Zement angefüllt, ein Versuchsstab wird eingesetzt und sodann wird gehärtet. Bei den folgenden Versuchen wurde ein normaler Ver- stärkungs-Stahlstab mit 22,2 mm in der Probe angeord net. Es wurde 7 Tage unter Feuchtigkeit und Zimmer temperatur beim Beton und unter Trockenheit und Zim mertemperatur beim Harz gehärtet.
Die Sprengungsbe- ständigkeit wurde, wie schematisch in Figur 6 dargestellt, dadurch gemessen, dass zwei Sprengkapseln 30 mit der Bezeichnung Nr. 6 in Berührung miteinander an dem Stahlverstärkungsstab 31 befestigt wurden, wobei ein druckempfindliches Band verwendet wurde, um die Kap seln an ihrer Stelle zu halten. Eine der Kap seln wurde elektrisch gezündet und die Explosion der einen Kapsel zündete die benachbarte, so dass die Ex plosion mit doppelter Kraft neben dem Stahlverstärkungs- stab eintrat.
Die Erschütterung der Stosswelle von der Explosion wandert längs des Stahlverstärkungsstabes. Ein ähnlicher Versuch wurde durchgeführt, wie in Figur 7 gezeigt, indem die Sprengkapseln 32 neben der Rohr verbindung oder -kupplung 33 angeordnet wurden. Wei tere Versuche wurden, wie in Figur 8 gezeigt, mit einem Glasfaserstab durchgeführt und da die Glasfasern infolge der Sprengung zersplittern würden, wurden die Spreng kapseln lediglich neben der Rohrkupplung verwendet.
Bei Verwendung von Zementbrei ohne Sprengbehand- lung war die Zugfestigkeit beim Herausziehen des Ver stärkungsstabes aus der Kupplung 12 700 kg. Nach vier Sprengungen von je 2 Kapseln an dem 22,2 mm Stahl stab war die Zugfestigkeit auf 8165 kg gesunken. Nach zwei Sprengungen an den Rohrkupplungen war die Zug festigkeit auf 7257 kg gesunken.
Bei Verwendung des Harzes gemäss Beispiel 2 zum Halten des Verstärkungs-Stahlstabes in der Kupplung war die Zugfestigkeit ohne Sprengbehandlung 12247 kg und nach vier Sprengungen am Stab oder zwei Sprengun gen an der Kupplung war die Zugfestigkeit etwa<B>11790</B> kg. Dies zeigt, dass trotz der erforderlichen enormen Energie absorption keine beträchtliche Zersplitterung auftrat und dass die Zugfestigkeit bei Verwendung des Polymers vor und nach der Schwingungsenergie-Absorption annähernd die gleiche war, während bei Zementbrei die Festigkeit von 12700 kg auf 8165 oder 7257 kg abgefallen war.
Ähnliche Ergebnisse können bei Verbindung anderer Grössen und Formen von Verstärkungsorganen erzielt werden. Der Sprengwiderstand von Beton selbst kann etwas erhöht werden, indem rund 3V2 Vol.-% Stahldrähte oder 1 Vol.-% Nylonfasern oder Asbestfasern in den Beton eingebettet werden. Das Einlegen von Nylonfasern erhöht zwar nicht die Biegungsfestigkeit des Betons, ver bessert jedoch seinen Sprengwiderstand.
Versuche in Gruben bei Verwendung von Gestein oder Beton zeigen ähnliche verbesserte Ergebnisse nach einer Sprengungsbeschädigung.
Die Widerstandsanpassung der Stosswellenübertra- gung vom Gestein oder Beton auf das Harz und vom Harz auf den Verstärkungsstahl kann verbessert werden, indem Eisenoxyd als Füllmittel dem Harz beigegeben wird, um dessen Dichte zu erhöhen, so dass sie zwischen Stahl und dem angrenzenden Gestein oder Beton liegt, wenn Stahl als spannungsverstärkendes Organ verwendet werden soll.
Eine unerhöhrte Steigerung der Widerstandsfähigkeit gegen Schwingungsenergie wird erzielt, wenn eine Schicht von 1,59 mm bis 12,7 mm Harz als viskoelastische Kopp lung für die Verbindung des Stahls mit Beton oder Ge stein verwendet wird.
Es wird festgestellt, dass die Glasfaser-Verstärkungs- stäbe viele Vorteile haben. Stäbe, welche 70 bis 75 Gew.-Q/o Glasfasern und 25 bis 30 Gew.-% Epoxy- harze oder Polyesterharze enthalten, können zweck- mässigerweise mit Durchmessern von 6,35 mm bis 50,8 mm und mit Längen bis zu 6,10 m entweder massiv, mit einem Kern oder mit Ausbauchungen hergestellt und entsprechend verwendet werden. Der Stab kann in konti nuierlichen Längen hergestellt und auf die richtige Länge geschnitten werden.
Der Glasfaserstab ist viel leichter als Stahl und daher kann ein Mann einen Glasfaserstab viel leichter tragen und anbringen als Stahlverstärkungsstäbe. 4,50 m lange Stücke können leicht von einem Mann getragen und an gebracht werden.
Gewöhnlich wird nur ein Teil der Festigkeit der Glas faserstange beansprucht, da dieselbe oftmals durch Her ausziehen ausfällt. Wenn sie jedoch geprüft wird, stellt sich heraus, dass die Bruchfestigkeit einer Glasfaserstange in der Umgebung von 8440 at oder darüber liegt, was von dem Aufbau abhängt, und zwar bei einem Biegemodul oder Youngschen Modul von rund 0,422 x 106 kg/cm . Die Glasfaserbolzen ergeben ausgezeichnete Resultate,
insbesondere wenn sie mit einem Überzug eines visko- elastischen Polymers in Beton oder Gestein, wie Kalkstein, Granit, Schiefer oder den meisten Erzgesteinen, bei wel chen ein Abbau stattfindet, verankert werden. Die Glas faserstäbe können in Gestein oder Beton in ungespann- tem oder vorgespanntem Zustand angeordnet werden. Es kann Vorspannung, Nachspannung oder Vorspannung und Nachspannung angewendet werden, um eine voll ständige Kompression des brüchigen Organs und daher eine Erzeugung der maximalen Struktureigenschaften zu ermöglichen.
Die Anwendung von Glasfaser-Verstär- kungsorganen oder Stahlverstärkungsorganen, welche durch ein viskoelastisches Polymer von Beton oder Ge stein getrennt sind, reicht soweit wie die Verwendung von Verstärkungsorganen selbst, d. h. allgemein für Hän gebrücken, Strassen, Flugzeug-Landeplätze, Betonbau werke, Dämme, Betonrohre (vorgespannt oder nicht), Fundamente für Bauwerke und Bauwerke selbst oder an irgendwelchen anderen Stellen, an welchen Gestein oder Beton durch Spannorgane verstärkt werden soll, wenn bei der Planung Stösse von Schwingungsenergie in Rech nung gesetzt werden müssen.
Die Vorteile von viskoela- stisch gedämpften Verstärkungsorganen werden beim Ver stärken irgendeiner Art von technischem Bauwerk offen sichtlicher, welches Energiebelastungen unterworfen ist, und zwar entweder ständigen kleinen Schwingungen oder einer grösseren Explosionswirkung.
<I>Beispiel 8</I> Beim Bau von Betonbauwerken, wie Brücken, müs sen die Trägersäulen und -balken sowie die Bedielung wetterfest sein. Üblicherweise wird eine 7,62 cm dicke Betonschicht als Schutzschicht über dem Verstärkungs stahl angewendet, um eine Korrosion des Stahls zu verhin dern. Daher kann eine Brücken-Bedielung 38 cm dick sein, wobei die unteren 7,62 cm lediglich zum Schutz des Verstärkungsstahles vor Korrosion dienen. Eine Träger säule für die Brücke kann 61 x 61 cm haben, wobei die Belastung der Aussenfläche beträchtlich vermindert ist, da sie keine Spannungsfunktion besitzt und hauptsäch lich zum Schutz des Verstärkungsstahles dient.
Bei einer solchen Brücke ergibt die Verwendung einer 6,35 mm dicken Polymerschicht auf dem Stahl eine bes sere Bindung, viskoelastische Energiedämpfung und Kor rosionsbeständigkeit. Daher kann die 7,62 cm dicke Schutzschicht auf 2,54 cm verringert, die tote Belastung dadurch vermindert sowie Kosten an dem Organ selbst gespart werden. Daher kann das ganze Gebilde beträcht lich leichter sein und wenn es für die gleiche statische Belastung berechnet ist, so ist es für dynamische Bela stungen stärker.
Eine mit Glasfaser-Verstärkungsstäben der in Fig. 3 gezeigten Art gebaute Brücke ergibt eine beträchtliche Erhöhung der Festigkeit und eine Verminderung des Gewichtes. Versuche zeigen, dass die Korrosionsbestän digkeit so gross ist, dass eine beträchtliche Erhöhung der Lebensdauer zu erwarten ist. Vollständige Lebens dauer-Untersuchungen erfordern viele Jahre. Der volle Vorteil für Dammbauten kann erst nach einer Versuchs dauer von 20 bis 50 Jahren offensichtlich werden. Bei beschleunigter Alterung ergab sich eine wesentlich längere Lebensdauer, und zwar in gewissen Fällen die 2- bis 4-fache oder darüber.
Eine vollständige Diskussion der Vorteile der vor liegenden Erfindung b--i Betonbauten würde so umfang reich sein wie die Literatur und Handbücher über Beton- bau und kann daher hier nicht durchgeführt werden. Der Fachmann ist nach den hier gegebenen Beispielen und Lehren imstande, die Einzelheiten selbst auszuarbeiten. <I>Beispiel 9</I> Bei einem sehr hohen Wohngebäude, welches aus mit Glasfaser verstärktem Beton gebaut wurde, waren klei nere und leichtere Bauteile in den oberen Stockwerken möglich, da ein geringeres Schutzschicht-Gewicht an Be ton zur Abschirmung der Verstärkungen vor Korrosion notwendig war.
Die Glasfaserstäbe sind wesentlich leichter als Stahl und daher ist das Verstärkungsgewicht der obe ren Stockwerke geringer. Die Ersparnisse sind in den unteren Stockwerken noch grösser, da sowohl eine gerin ger tote Belastung durch die darüber gelegenen Stockwerke getragen werden muss, und die Betonschutzschicht zum Korrosionsschutz in jedem Stockwerke getragen werden muss, und die Betonschutzschicht zum Korrosionsschutz in jedem Stockwerk weggelassen werden kann.
In einem Gebäude mit vielen Stockwerken lassen sich bei den mo- dernen Bauvorschriften mindestens 25% der totalen Be- lastung des Betons ersparen.
Während die Charakteristiken für Beton leichter zu berechnen sind, hat in vielen Fällen die Verstärkung von Gesteinsformationen grosse Bedeutung, da durch das Vorspannen des Gesteins, wobei sich komprimierte Zonen von benachbarten Spannorganen überlappen, das Gestein über weite Bereiche unter Druck gesetzt werden kann und das Gestein in diesem komprimierten Zustand selbst ein Bauelement von in vernünftigen Grenzen vor aussagbarer Festigkeit ist. Daher ist eine erfindungs gemässe Armierung im Tunnelbau, Untertagebau und vielen in anderen Anwendungsfällen wertvoll. Dabei muss das Gestein nicht nur nicht entfernt werden, sondern kan tatsächlich als Baumaterial verwendet werden.
Method for reinforcing a body and body reinforced according to this method The invention relates to a method for reinforcing a body made of brittle material of low tensile strength, such as concrete or stone, by means of a reinforcing agent with at least one organ with higher tensile strength made of glass fibers or metal, to make the body resistant to destruction by vibration energy,
This is characterized by the attachment of an intermediate layer made of a viscoelastic organic polymer of polyester or epoxy resin between the material of the body that is still in the softened state and the said organ of higher tensile strength, the hardening of the material in the softened state and the exposure of vibration energy on the body, whereby the energy transfer through the structural elements of the body is dampened.
The propagation of vibration energy of shock or sound waves is significantly changed by the presence of a viscoelastic material that converts at least part of the energy into random heat energy and dampens it. The reflection and refraction are also changed in such a way that the strong concentration of local loads due to standing or intensifying waves is prevented or reduced, which otherwise easily occur at the interfaces between the brittle material and the clamping organ or on surfaces or special points would concentrate in the brittle material and so produce local fractures, often tensile or shear fractures, even if the static pressure is initially positive.
One of the problems that the professional world has long been facing is the complete prevention of the propagation of vibrational energy through bodies or structures. In the elementary bodies made of homogeneous substances, especially those with isotropic properties and simple geometric shape, a strict mathematical treatment of the effects of the propagation of vibrational energy was possible as boundary layer problems in mathematical physics. The strict mathematical treatment of the propagation of stress waves in solids requires differential operators of the second order and the application of higher mathematics,
even if it is simplified by assuming homogeneity and an isotropic solid body in simple geometric shapes. Strict mathematical treatment is practically impossible in nonhomogeneous and / or anisotropic solids with a complicated shape, such as reinforced concrete structures and rock reinforced with tensioning elements. Different shapes, fractures, thermal and / or hardening stresses as well as geological reasons all contribute to making a strict mathematical treatment even more difficult.
In such structures or formations, vibrational energy, either in the form of shock waves with a greater speed of propagation than sound or as energy propagating at the speed of sound, is strictly mathematically difficult to deal with, both at sound and ultrasonic frequencies, since concrete, for example, is made of gravel, There is sand and cement, the size and technical-physical properties of which are not necessarily the same for adjacent particles, and the degree of adhesive bond between the concrete or rock and the reinforcing tension member must first be assumed theoretically and may be incorrect.
If one considers that a deformation wave incident on a free interface at a given angle of incidence generates a reflected deformation wave and a refracted strain wave, the propagation speed of which is different, and that these waves at the interfaces between two solid media due to normal displacements, tangential displacements, normal stress and tangential stress and consequently gain, extinction or standing wave formation are affected, is easy to see
that a momentary local high stress concentration can cause a shear or stress rupture between two different substances or within one of the substances. In the case of a relatively brittle, brittle material with weak stress and, accordingly, probably comparably weak shear strength, a small fracture can result in a condition which quickly leads to a catastrophic fracture. For these reasons, high, experience-based safety factors are used in technical structures and structures that may be subjected to some form of vibration energy.
In addition to the internal waves, surface waves are generated on exposed surfaces, which in solids are often referred to as Rayleigh waves. Sometimes waves also occur at the interface between two solid phases in contact, which are sometimes referred to as love waves. The speed of surface waves or Rayleigh waves is slower than that of strain waves. Larger differences in specific gravity, Young's modulus and Poisson's ratio influence the intensity of all these types of waves.
In systems. in which the specific gravity, Young's modulus and Poisson's ratio are closer together, fewer complications and deformations are caused at the interfaces. Therefore, the boundary layer interactions, wel che by the wave propagation from the fragile organ made of concrete or rock and. like
in the viscoelastic material and, in turn, from the viscoelastic material in the tensioning element, much less than the deformation or distortion caused in the absence of the viscoelastic layer would be.
Another type of break in reinforced structures is breakage of the adhesive bond between the reinforcing tension organs and the brittle organ. An axial tension on the tension member seeks to lengthen this member and when the load results in a shear stress. which is larger than the generated adhesion value, a break occurs along the contact line, such as a ring-shaped contact line, as a wandering phenomenon. The break line moves in almost the same way as when peeling a banana.
The voltage transmission from a reinforcement element to a brittle pressure element can have the shape of this wandering ring.
The breakage of a reinforcement bar in an anchorage can also be of this type. In the case of a smooth reinforcing rod in a smooth brittle organ, a linear ring break occurs and the length of the anchorage is of little importance as the break occurs gradually and the break line migrates in the axial direction along the rod. The full strength of the clamping organ is never achieved.
Glass fibers have been used to reinforce concrete. This requires a binder to bond the glass fibers to the concrete or the use of glass fibers in the concrete, but this results in minimal adhesion in the form of a sticky line, only taking into account the static load. A thicker viscoelastic plastic layer would enable energy to be absorbed, but this idea has not yet been made or expressed.
Prestressed concrete is widely used, but it is difficult. to form a pre-stressed structure in which the adhesive bond of the concrete to the reinforcement element can be properly used. The steel load bearing elements are often treated independently of the adhesion to the concrete.
It has now been found that concrete or rock formations underground can be strengthened against shock waves or other types of dynamic energy waves by the adhesion of the tensioning organ to the pressure organ, which are separated from one another by the viscoelastic resin as a damping organ, is improved, as a result of which local overloading is prevented, the vibration energy is dampened and consumed as heat and there is preferably sufficient elasticity in the visco-elastic element,
so that an overvoltage under extreme conditions deforms the viscoelastic layer locally and without catastrophic rupture in order to enable it to slide in places, whereby the greater part of the structural strength of the reinforced material is retained.
It has been found that a viscoelastic layer of about 1.59 mm to about 12.7 mm or above can convert the wave energy, prevent local overstressing and give far greater strength under impact loads and this thickness is excellent for modifying the vibrational energy suitable is.
Thickness greater than 12.7 mm is very effective but becomes undesirably expensive. The costs can at least partially be reduced by adding diluents such as cement or asbestos fibers, sand or other fillers in order to increase the volume without reducing the effectiveness of the viscoelastic polymer.
The polymer sets quickly, hardens at ambient temperature, preferably waterproof, firm and non-shrinking. The epoxy resins like the polyurethane resins usually give good results. The polyester resins are often preferred from the standpoint of cost.
Cyanoacrylates and copolymers of polyesters and acrylates as well as other solid viscoelastic polymers which are commercially available can be used.
Polyester Resin Composition In a preferred composition, the resin is an unsaturated polymerizable polyester resin which is mixed with a monomeric polymerizable ethylenic compound together with an inhibitor and an accelerator.
The alkyd components of customary polyester resins can be used, including the customary polyester resins and the customary x, ß-ethylenically unsaturated polycarboxylic acid, in which a saturated polycarboxylic acid can be present. The polyester alkyds are partially condensed with such an acid or mixtures of acids or their anhydrides, in which they are heated until a reaction occurs. The degree of condensation is determined by the acid number in a known manner.
An acid number of about 25 to about 60 gives good results, with a range of 35 to 50 being preferred. Such resins can be made as shown in the examples below, or they can be purchased as an alkyd component derived from condensation and mixed with a monomeric crosslinking agent, or purchased entirely with or without stabilizers and accelerators. While styrene is the preferred crosslinking agent for most commercial polyester resins.
In practice, however, vinyl toluene is preferred when the resin is to be used underground or when the volatility and explosiveness of styrene could cause difficulties. With the exception of the risk of ignition, the styrene-containing resins give excellent results. The manufacture of the resins is known and they are commercially available, e.g.
E.g .: Polychem 167-T from Chemical Oil & Resin Company; Selectron R.S: N. 553 from Canadian Pittsburgh Industries, Ltd .; TVL 62036 Glidpol from Glidden, Ltd .;
the Laminac grades from the American Cyanamid Company and the polyester boat resins from Naugatuck Chemicals.
Most of these commercially available resins are sold with a quinone stabilizer and a curing agent. A stabilizer gives a longer shelf life, especially when an accelerator is present. The polyol polycarboxylic acid esters have slightly slightly different properties, which is due to differences in the preparation, for example the speed of heating, the speed of stirring, trace impurities and the like. like
It is very difficult to obtain equal gel times due to random differences in manufacture, even with successive batches. Accordingly, it is common practice to vary the amount of accelerator and the amount of retarder to ensure the desired gelation and curing times. About 0.002 to 0.03 percent phenolic retarder based on the weight of the resin is preferred.
A larger amount of the retarder is used with a larger amount of the accelerator and a sufficient amount of the retarder is used to obtain an appropriate shelf life of at least 6 months. About 0.03% of the phenol retarder as an equivalent for the hydroquinone is suitable to slow down or prevent complete curing.
Among the retardants or inhibitors, hydroquinone is most widely used in practice, but others such as monoalkylphenols including monotert can also be used. Butylpheno, mono- tert. Butylhydroquinone, o-, m- and p-cresol, higher alkylphenols, phenols containing several hydroxyl groups, including catechol, rersorcinol and the partially alkylated ones,
several hydroxyl groups contain the phenols, including eugenol, guaiacol, and mixtures of these or other substances. These retarders are known to the person skilled in the art as a group that belongs together.
<I> The hardening accelerator </I> The preferred hardening accelerators are the aniline accelerators including tert. Monoamines, to the nitrogen atom of which are bound two functional aliphatic radicals derived from alkyl hydrocarbons, hydroxyl-substituted alkyl hydrocarbons and aralkyl hydrocarbons, as well as an aromatic radical which is derived from aryl hydrocarbons,
aryl hydrocarbons substituted with an azo group, with an amino group; substituted aryl hydrocarbons, aryl hydrocarbons substituted with a hydroxyl group and aryl hydrocarbons substituted with an aldehyde group, as well as salts thereof.
Examples are: dimethylaniline, diethylaniline, di- n-propylaniline, dimethyl-p-toluidine, dimethyl-o-toluidine, dimethyl-a-naphthylamine, methylbenzylaniline, p-dimethylaminoazobenzene, N, N-dimethyl-m-aminophenol, p-hydroxy-N, N-di (p-hydroxyethyl) aniline, p-dimethylaminophenyl oxalate,
p-dimethylaminophenyl acetate and p-dimethylaminobenzaldehyde. Alkali compounds such as Cal. Calcium hydroxide, sodium hydroxide and sodium carbonate, if they are present from the outset or as a result of the reaction of the water with cement or gypsum, ammonium dioxide and ammonium sulfate also act as accelerators or additional accelerators.
About 0.04 to 0.2% of the accelerator, calculated as equivalent to diethylaniline, is preferred.
Many of the commercially available resins contain some amount of retarder, often hydroquinone, and some amount of hardening accelerator, often one of the tertiary amines, and accordingly less additional retarder and accelerator is required in the compositions of the present invention.
<I> The catalyst </I> The catalyst for the composition can be a common peroxide catalyst, whereby i.a. Benzolyl peroxide is preferred commercially. Other peroxides are suitable, such as cyclohexanone peroxide, hydroxyheptyl peroxide, 1-hydroxycyclohexylhydroxide 1, t-butyl hydroperoxide, 2,4-dichlorobenzoyl peroxide and the like. like
Methyl ethyl ketone peroxide gives excellent results, although the treatment of the ketone peroxides requires greater care due to their volatility. Inorga African peroxides are also useful, alone or mixed with organic peroxides, such as sodium percarbonate, calcium peroxide, sodium peroxide and the like. like
Benzoyl peroxide is usually preferred because it is a solid, inexpensive and convenient to use. All peroxides tend to be explosive or flammable. For convenient use, it is desirable that the benzoyl peroxide be mixed with a compatible, inert organic material such as starch or flour to form a composition containing about 30% of the benzoyl peroxide,
which is therefore in a non-explosive form and can be ground and handled more practically.
<I> Water-reactive filler </I> A water-reactive filler can be present in the resin or in the peroxide. Fillers that react with water include Portland cement and plaster of paris.
In addition, inert fillers such as sand, dust from silica stone, powdered limestone or grinding residues from silicon dioxide can be present as desired. Such fillers are inexpensive and reduce the per volume cost of the resin.
Cement or plaster tends to set when stored. A thickener reduces the rate of setting or holds it back completely, and even if some setting has occurred, the cement can be more easily resuspended.
<I> Thickener </I> Finely divided silicon dioxide, especially pyrogenic silicon dioxide, is very effective as a thickener. Other thickeners are wollastonite, bentonite clay treated with a cationic surface-active amine, aluminum silicate treated with a cationic surface treatment agent, aluminum silicate treated with calcium stearate, finely divided calcium carbonate,
especially when treated with a cationic surfactant, aluminum stearate and asbestos, either as a short fiber or as a finely divided powder.
The thickener is conveniently added to the resin paste. It is also effective when in the catalyst composition. The thickener may be added in part to the resin paste and in part to the catalyst, although it is usually conveniently mixed with one of these components. Asbestos tends to shorten its shelf life when used without the water-reactive filler. When used with Portland cement, it has excellent shelf life.
Either in the resin paste or in the catalyst, namely in the substance which is free from the filler reacting with water, there is some water. Usually about an amount of water that reacts with the water-reactive filler is preferred. Half of this amount of water gives good results because it reacts with some of the water-reactive filler, and in damp places when the resin is in If it is to be used in moist boreholes or in fresh concrete, less water can be added so that some of the water is supplied from the adjacent rock formation or the concrete.
Up to 25% water can be used, with larger amounts being preferred when larger amounts of water-reactive filler are present, and vice versa. Based on the final resin volume, 5 to 10% cement with one component for storage and 1 to 10% water based on the final composition is a preferred range for achieving shelf life, practicality and a strong final resin with minimal shrinkage represent.
To keep the water mixed with the resin or catalyst. an emulsifying agent is given before. The polyoxyethylated vegetable oils are compatible with the composition and result in a good suspension. good emulsification of water and long shelf life.
Other common wetting agents which are compatible with the resin can be used, such as polyoxyethylated castor oil or the equi valent polyethylene glycol ethers of castor oil or a polyoxyethylated alkylphenol, such as
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and
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where n is a small integer. Mixtures in which n is between 3 and 16 are commercially available. A range of 3 to 10 is preferred.
Such mixtures are sold as Tricon X-45 and Tricon N-57 and also under other names from various commercial sources.
Delay <I> of </I> mold growth Since the polymers according to the invention are organic compounds. bonds can occur under which these polymers, especially in a not completely polymerized state, are attacked by molds or other microorganisms.
The addition of about 1/2% pentachlorophenol or 0.1% phenylmercuric acetate or 0.1% dodecylguanidine acetate or 0.1% acidic dodecylguanidine phthalate or mixtures thereof prevents mold growth.
The exact amount is not critical and can be adjusted between V and 5 times, the respective amounts depending on the particular circumstances encountered in a particular application.
In so far as the reinforcement processes according to the invention enable a more effective use of prestressed concrete or a prestressing of concrete to higher values, it is desirable to be able to ensure maximum strength of the concrete.
Therefore, at least part of the aggregate, in particular the larger particles, can be suspended in a heavy suspension medium in order to separate and discharge the lighter components of the aggregate, whereby an aggregate with a higher density is obtained which has the following advantages: 1. Reduced permeability for water and aqueous liquids;
2. increased Young's modulus; 3. increased radiation resistance, whereby thinner layers can be used to obtain sufficient radiation resistance for structures that could be exposed to atomic attack; and 4. Frequently further elastic limits for individual particles of the aggregate and for the concrete mass.
When reinforcing concrete, increased tension can be achieved by tensioning tensioning members after the concrete has set properly. Prestressing before the concrete sets requires some other load-bearing organ in order to cause the tension loads in the reinforcement organs until the concrete has set. This requires loading embeddings for pre-cast organs and more or less satisfactory expenses for concrete cast in place.
A second possibility is to allow the concrete to set and then stretch the tensioning elements. in order to generate the pre-tensioned state, in such a system the tensioning element must move in relation to the concrete and must therefore be free of binding.
It is possible to apply a layer of viscoelastic thermopolymer on the reinforcement organs, pour the concrete in place and allow the organs to move with respect to the concrete in order to generate the prestress, u. then to cause the hardening of the viscoelastic material in order to bind the reinforcing members in the tensioned state.
This can be done by applying a layer with a thickness of approximately 1.6 to 6.35 mm of a thermosetting polymer and then heating by means of special resistance wires arranged near the tensioning element, or it can. if metal reinforcing bars or members are used, they are heated by passing electricity through them. This procedure has the further advantage that the polymer hardens while the rod is hot, so that the thermal shrinkage results in additional stress.
Another method of curing the polymer is to use a radiation source that creates a radiation field, such as (3 or (radiation, sufficient to cause the polymer to polymerize into its final cured form. A delayed catalyst or electroche Mixed activated catalysts can be used.
Such a method enables tensioning of the tensioning elements made of metal or glass fibers after the concrete has been bonded, the polymerizing of the thermosetting plastic link and therefore the fastening of the tensioning element to the concrete not only at the ends, but along the entire length of the reinforcing element, around one to maintain higher local voltage exchange.
A local stress exchange results in the great advantage of localized strength in the event of a break occurring along the tensioning element or in the brittle body as well as an improved transmission of wave energy between the tensioning element and the concrete or rock, so that localized standing waves or the load concentrating, increasing waves are minimized.
In addition to the improved load distribution, the use of a visco-elastic polymer on the surface of corrodible clamping elements reduces or prevents corrosion. When steel reinforcement is used in dams or concrete exposed to seawater, it has long been customary to use a very dense top layer of concrete to prevent the seawater from coming into contact with the steel. Sea water is corrosive and easily penetrates when waves act.
In the case of concrete that has not been prestressed, cracks can easily allow seawater to penetrate and thus cause corrosion, which can lead to breakage. Prestressed concrete, which is always under pressure, helps a lot because stress fractures cannot occur because there is no tensile stress in the concrete. Thermal loads and other causes of fracture often enable corrosion. By using polymers which are essentially inert to seawater, the clamping elements are not only protected against vibrational energy, but also against corrosion.
If the reinforcement elements are made of glass fibers, there are no or only insignificant corrosion problems.
The protection of steel, both in stone and in concrete, is extremely important, as corrosion is often the cause of fragments that develop over long periods of time. Mine water often contains acidic iron salts or other acidic components that attack unprotected steel. Any electrolyte easily breaks the protective oxide layer over the steel and increases the rate of corrosion. Chloride, which is used to melt snow and ice in winter, has a very detrimental effect on the expected durability of reinforcing steel in streets, airfields, landing areas, bridges and the like. like
Using the figures, the invention will be explained in more detail, for example. It shows: FIG. 1 a view of a solid glass fiber reinforcement rod in rock, FIG. 2 a view of a glass fiber reinforcement rod with a thin ventilation pipe in the fibers, FIG. 3 a view of a glass fiber reinforcement rod in which the The central tube has bulges in order to obtain a bulged tooth shape of the outer surface of the reinforcement rod,
Fig. 4- is a section through a chamber or cross-cut confluence (boshole brow), in which the reinforcement is shown with fiberglass rods that are bound with resin on the concrete, Fig. 5 is a plan view of the reinforcement of the mouth of the cross-cut in a conveying duct in underground pits, which is reinforced with resin-bonded glass fiber rods, FIG. 6 is a view of an experimental arrangement for investigating the strength of the reinforcement rod made of metal under impact loads,
Fig. 7 shows a second test arrangement for determining the impact resistance of a metallic reinforcing rod and Fig. 8 is a view of an experimental arrangement for determining the impact resistance of a 'glass fiber rod. The invention is explained below with details and specific area specifications, for example. In the description and the claims, all parts are given as parts by weight, unless otherwise stated.
<I> Example 1 </I> 1910 parts of maleic anhydride, 1480 parts of phthalic anhydride and 2540 parts of propylene glycol were placed in a suitable reaction vessel equipped with a stirrer, thermometer and an air-cooled reflux condenser. While carbon dioxide was passed through the reaction mixture at a rate sufficient to generate an inert atmosphere above the surface of the mixture, the reactants were gradually heated to a temperature of 160 ° C. with stirring.
Heating was continued at an indicated ester formation temperature until the acid number decreased to 38. The time required to achieve this degree of condensation was about 20 hours. The reaction mixture was then cooled to 80 ° C. and the hot polyester resin was diluted with methyl styrene in a resin to methyl styrene ratio of 70:30.
The polycarboxylic acid component of the reactive resin was in this example a mixture of an x, ß-ethylenically unsaturated dicarboxylic acid and a non-polymerizable dibasic acid.
However, it is also possible to use exclusively an α, 3-ethylenically unsaturated polycarboxylic acid, such as maleic acid according to this example, or any of these acids, such as fumaric acid, aconitic acid, itaconic acid, citraconic acid and mesaconic acid, or combinations thereof.
If a non-polymerizable polycarboxylic acid is used, it must be used in conjunction with an unsaturated acid of the type mentioned and should preferably not make up more than 70% by weight of the total amount of the polycarboxylic acids used.
Examples of non-polymerizable acids are oxalic acid, malonic acid, succinic acid, glutaric acid, sebacic acid, phthalic acid, pimelic acid, suberic acid, azelaic acid, tricarballylic acid, citric acid, tartaric acid and the like. If available, the anhydrides of these acids can be wholly or partially different Step in place.
In addition to the propylene glycol used in the preparation of the resin according to this example, other types of glycols can be used, including ethylene glycol, diethylene glycol, dipropylene glycol, triethylene glycol, tetraethylene glycol, 1,2-butanediol, 1,3-butanediol, butanediol -1,4, pentanediol-1,2, pentanediol-1,4, pentanediol-1,5, hexanediol-1,6,
Neopentyl glycol and the like Like. Polyhydric alcohols having more than two hydroxyl groups can be used if they are used together with a predominant amount of glycol.
Examples of such polyhydric alcohols with more than two hydroxyl groups are glycerol, trimethylol ethane, trimethylolpropane, pentaerythritol, dipentaerythritol, sorbitol, mannitol, adonitol, dulcitol, arabitol, xylitol and the like. like
As explained in the illustration of the particular resin according to this example, it is desirable that the polyhydric, and preferably dihydric, alcohol be used in an amount which is more than about 10 to 2017, above that for substantially complete esterification of the acid used or acids required stoichiometric amount.
The polyhydric alcohol and polycarboxylic acid, as well as the various mixtures of the two which can be used, should be reacted in sufficient quantities to produce a final reactive substance with an acid number which is conveniently no greater than 60. The preferred acid number range for the resin to be used according to the invention is between about 35 and 40.
The crosslinking agent for the reactive resin can be any of a number of polymerizable monomers having a
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and a boiling point above about 60 ° C. The agent used in this example was an isomeric mixture of ring-substituted methylstyrenes, also commonly called vinyltoluene. This type of substituted styrene is preferred in compositions to be used in underground work or in confined areas because of its rather high flash point.
The high flash point of this compound enables it to be used in closed areas with a relatively high level of security when security issues play a greater role. However, there are other suitable crosslinking agents such as styrene itself, 2,4-dimethylstyrene, 2,5-diethylstyrene and the like. Alkyl esters of acrylic acid and methacrylic acid can also be used as crosslinking agents.
Aliphatic vinyl esters can also be used, including vinyl acetate and vinyl butyrate. Vinyl laurate, vinyl stearate, acrylonitrile, methacrylonitrile u. Like. Acrylamide and methacrylamide can be used in the same way.
These polymerizable monomeric substances which the
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can be used individually or in combination with one another.
The ratio of the unsaturated polyester resin to the monomeric crosslinking agent can be varied within wide limits. The unsaturated resin content can therefore be between about 10 and about 90 parts, corresponding to 90 to 10 parts of polymerizable monomer. For the majority of applications, the active, polymerizable components contain from about 40 to about 60 parts by weight of unsaturated resin and accordingly about 60 to 40 parts of polymerizable monomeric material.
Other suitable unsaturated polyester resins are described in U.S. Patent 3 091936. <I> Example 2 </I> To 84.5 parts of the resin from Example 1 were added 0.006 part of hydroquinone as an inhibitor, 0.9 part of Emulphor EL-719, a suitable hydrophilic, nonionic surface-active agent which is produced by polyoxyethyla of a vegetable oil, 0.025 part of diethylaniline, 1,
0 parts of vinyl toluene, 9.4 parts of water and 4 parts of Cab-o-sil, a suitable pyrogenic colloidal silicon dioxide, are added. A separate catalyst component was prepared by adding 18 parts Portland cement, 9 parts Luperco AA, a suitable peroxide catalyst, essentially a fine powder containing 30% benzoyl peroxide and 70% an inert organic diluent,
(the composition is often used for bleaching Mehrl) and 3 parts of dibutyl phthalate were mixed. The individual components are stable for at least 6 months at 21 C (70 F). The 100 parts by weight of the resin blend is added to the 30 parts of the catalyst composition to form the final blended resin.
Directly before the time of use, 2 components are mixed and can either be brought into a hole in the concrete or rock at a desired location or distributed as a layer on the surface of the tensioning reinforcement member, which is before or after hardening or partial Curing of the polymer is introduced into the concrete.
<I> Example 3 </I> As shown in FIG. 1, a plurality of glass fibers are combined by adhesive action with the polyester resin produced according to Example 2, only the colloidal silicon dioxide and Portland cement being omitted.
The glass fibers were soaked by continuous dipping and formed into bundles and then formed into a rod 22.2 mm in diameter and spirally wrapped in opposite directions with a pitch of about 5.08 cm with a narrow bundle of glass fibers around both the fibers to hold together during hardening and to give the rod a surface roughness that contributes to mechanical interlocking and direct adhesion. As shown in Fig. 1, the 22.2 mm rod is made of fiberglass 11 with helical wraps 12 and is inserted into a hole drilled down into the rock 13.
A borehole with a diameter of about 1.37 cm was used, the free annular space being filled with the polyester resin 14 according to Example 2. After a period of one week at an ambient temperature of about 24 C (75 F), the rock elements were adhesively bonded to the rod and connected to one another through little penetration of the resin into the rock crevices. When the adhesively bonded fiberglass reinforcement is subjected to the waves of explosions ignited in adjacent rock formations, it results in a stronger formation than known rock bolts, which are produced under tension against expansion housings or consist of steel reinforcement bonded with cement casting compound.
Under test conditions in which the vibration energy is able to loosen the reinforcing member, the gain in strength was extraordinary. <I> Example 4 </I> The glass fiber reinforcing rod shown in FIG. 2 consists of a polyethylene tube 15 with an outer diameter of 6.35 mm which is arranged approximately in the middle, and a plurality of glass fibers 16 which are attached to each other and are bound to the polyethylene pipe by an epoxy resin of a known, commercially available type that can be hardened at room temperature,
wherein the glass fibers are held in length by helical wraps 17. The polyethylene tube is sufficiently stiff that the formation of the fiberglass rod 18 is facilitated, since the polyethylene tube provides a certain stiffness until the polymer hardens. The fiberglass rod is inserted into a hole in broken granite 19.
The polyethylene tube allows air to escape from the remote end of the borehole so that the reinforcement rod can easily be held in place when the epoxy 20 is placed in the annulus between the rod and the rock, either upwards , horizontally or downwards.
After hardening, the rock formation made of broken granite 19 is more resistant to vibrations caused by rotating machines, pit drills or energy waves from neighboring explosions than a similar rock reinforced with cast steel.
<I> Example 5 </I> A reinforcing rod is produced by stringing polyethylene balls 21 onto a polyethylene tube 22, which is then coated with glass fibers 23 in polyester resin. After curing, the bulged rod is inserted into a hole in concrete 24, to which it is bonded with a polyester resin 25. The reinforced concrete has a greater resistance to explosions than would be achieved with conventional reinforcement. The bulging surface of the rod results in mechanical interlocking and changes the propagation of the shock waves and therefore the local load along the rod.
With or without an additional outer, approximately 6.35 mm thick polyester layer, the rod can be used to reinforce Be tongebilden when casting these structures who the. Better impact resistance is achieved than when using steel reinforcement and the reinforced concrete is particularly resistant to seawater or acidic mine water.
The reinforcement bar is easy to cut with a hacksaw and is much lighter than a steel bar with adequate tensile strength. While the resin used to arrange the reinforcing tension member must cure or solidify at room temperature or near room temperature, the polymer used in the manufacture of the fiberglass reinforcement rods can be cured at much higher temperatures. Therefore, a wide range of polymer systems is suitable for the manufacture of the fiberglass rods. The polymer system must wet and as a result adhere to the glass fibers or the fiber surface must be treated in such a way that it causes adhesion. The polymer should not be brittle.
Apart from this, a wide variety of polymer systems can be selected. There is a group of extremely strong resins for fiberglass bonding. However, no details need to be mentioned here.
If a casting bed is present or the shape conditions permit, good results are achieved in particular in that the reinforcing glass fiber rod is preferably stretched somewhat to its elastic yield point before the concrete is poured. The fiberglass rods are relaxed after the concrete has solidified and result in a pre-stressed, reinforced concrete. The preload is particularly advantageous because the entire concrete is under pressure, which enables a higher load and voltage jumps in the concrete are prevented.
If a high-density aggregate is used and a concrete composition of high strength is selected, the structure obtained has a remarkably high strength and enables a construction with higher permissible loads per unit than are possible with known, reinforced with steel, prestressed concrete.
<I> Example 6 </I> Figures 4 and 5 show the reinforcement of the upper edge of a tap hole in a pit underground. When mining underground, the ore representing broken rock is conveyed through a main conveyor line or a mud gallery 26 and the rock is delivered through a chamber opening 27 down into the main gallery. The confluence of the cross passage in the main tunnel acts as a throttle mouth and controls the flow rate of the ore. Typically, reinforcement bores are made in the rock adjacent to the crosscut, particularly the top edge 28 of the opening, i.e. H.
the overhead part of the main tunnel lead the crosscut, drilled and reinforced rock bolts inserted.
First, reinforcing rods made of glass fiber with a length of about 1.83 m of the type shown in FIG. 2 were inserted into the rock and bonded with polyester resin. The polyester made it possible to absorb part of the vibration and when it slid down the rock through the crosscut, which enlarged the opening, the fiberglass rod was broken off and destroyed by abrasion at a rate that came close to that of the adjacent rock.
As a result, the upper edge of the opening held longer than in known designs, in wel chen steel reinforcement bolts were used, steel reinforcement rods or rock bolts extend outward into the ore duct and when Erzklum pen hit the free end of the bolt, the transmitted vibrations easily loosen Bolts in the rock and cause premature failure. In contrast, the fiberglass reinforcement rods dampened the energy waves instead of transmitting them, and the ends were abraded so that on the one hand not nearly as many shocks occur which trigger energy waves and on the other hand the triggered energy waves are dampened.
The bulged rods according to FIG. 3 seem to have a different speed of propagation on the bulged and drawn-in parts and as a result, the energy transfer along the rod is weakened faster than with rods with substantially uniform properties.
When the cross-cut opening was worn and enlarged, it became necessary, as in usual practice, to renew the upper edge of the opening, which was carried out according to FIGS. 4 and 5. The crosscut, and in particular the upper edge, was renewed by filling the places with concrete where the rock had drifted off, and the original shape was restored.
Ordinary concrete was used, but instead of steel reinforcement members, polyester-fiberglass reinforcement rods 29 were used in a rectangular grid arrangement, with the same general spacing and arrangement as the steel reinforcement members in normal concrete and with Get good results 30.5 to 61.0 cm from center to center.
Even without an additional outer layer of viscoelastic polymer on the surface of the fiberglass rods, the reinforced crosscut upper edge gave a 2 to 3-fold life span of crosscut upper edges, which were reinforced with straight steel rods. If the glass fiber reinforcement rods were additionally embedded in an approximately 4.76 mm thick polyester resin layer of the type explained in Example 2, a further increase in the useful life of at least 50j could be achieved.
The useful service life of a crosscut restoration as well as the upper edge of the opening is extremely difficult to measure because the rock coming through the opening is not necessarily uniform. From time to time the rock bridges or clogs the opening, which creates the interesting problem that clays of rock seek to get down through the opening, which are blocked by the clogging de rock. The miner usually has to dig the rock from below, as drilling from above is impractical.
This is usually done by attempting to chop the rock with a piling rod when it is close to the exit, but if not, a longer rod with an explosive charge attached to its end is used and the explo The active charge is arranged and ignited next to the clogging rock. It is only a last resort for the miner to climb up into the opening to place an explosive charge, and only if previous charges have failed to uncover the blockage and have shown that the rock blockage is stable. With such explosions he of course drives the reinforcement in the opening and in particular in the upper edge an extraordinary Bela stung by the explosive charges and is ge weakened and torn away under certain circumstances.
The rate of degradation is difficult to measure and difficult to predict.
Tests show that the glass fiber reinforcement results in a durability expectation that is 2 to 4 times the durability expectation when using conventional concrete.
When reinforcing the upper edges of the crosscut, steel reinforcement members can actually shorten the life of concrete, since the vibrational energy propagates along the bar at great speed. When the bars are blasted or hit by rock, vibrational energy is conducted along the bar and can actually break faster than if the concrete were not reinforced.
How important it is to take vibration energy into account can be seen from the effect of reinforcing steel in crosscut upper edges, since reinforcing concrete by steel, even if the steel is not exposed, has such an effect when vibration energy occurs, that it is weaker than concrete without reinforcement. The use of a viscoelastic damping layer therefore changes the propagation of wave fronts in this way. that a greater explosion resistance is achieved with certainty.
Of course, when reinforcing rock or concrete against energy loads, such as in mining, and also for the construction of storage bunkers for storeys, which are to withstand the vibrational energy of nuclear explosions, the increase in elasticity through the visco-elastic material is desirable, the tensile and shear fractures in the Concrete or stone diminished. The method according to the invention and the devices according to the invention achieve results which are far superior to conventional reinforcing rods.
Since the exact energy load cannot be predicted, and since special voids and weakened zones can occur in unexpected, unknown and unpredictable places in rock formations, safety factors must be taken into account. Trials on full-size facilities that provide usable results are difficult.
The use of fiberglass reinforcement organs. provides an extremely exciting and unusual security feature. The glass fibers in the tension organs are not loaded exactly evenly and if a break is imminent, some of the fibers break first or begin to slide in their embedding before the ultimate breaking strength of the organ is reached. The sliding or breaking results in clearly audible popping noises, so that the bars begin to speak or sing when the load is broken. In underground ceiling structures or concrete superstructures, this singing occurs a considerable time before rupture when the load increases, as is usually the case with the rupture of pit ceilings or superstructures. so that adequate warning of an impending disaster is given.
This safety factor underlines the expediency and advantageousness of the use of glass fiber tensioning elements according to the invention.
Tests can be carried out under standardized conditions to measure the expected degree of improvement, with standardized conditions being applied on a small scale. <I> Example 7 </I> Blasting tests For test purposes, a test dummy is made by using two 2.5-3 cm soft iron pipe connections with pipe threads according to the American standard, the connections being about 2.5-3 cm 8 cm inside diameter, 4.76 cm outside diameter and 5 cm length and are kept in alignment by a 2.5 cm wide, pressure-sensitive tape during manufacture.
The connectors are placed on a flat surface, about # 4 'filled with the test material, resin or cement, a test rod is inserted and then cured. In the following tests, a normal reinforcing steel bar measuring 22.2 mm was placed in the sample. It was cured for 7 days under humidity and room temperature for the concrete and under dryness and room temperature for the resin.
The blast resistance was measured, as shown schematically in FIG. 6, by attaching two detonators 30 labeled No. 6 in contact with one another on the steel reinforcing rod 31, with a pressure sensitive tape being used to hold the capsules in place to keep. One of the capsules was ignited electrically and the explosion of one capsule ignited the neighboring one, so that the explosion occurred with double the force next to the steel reinforcement rod.
The vibration of the shock wave from the explosion travels along the steel reinforcement bar. A similar experiment was carried out, as shown in FIG. 7, by placing the detonators 32 next to the pipe connection or coupling 33. Further tests were carried out, as shown in FIG. 8, with a glass fiber rod and since the glass fibers would splinter as a result of the detonation, the detonators were only used next to the pipe coupling.
When using cement paste without blasting treatment, the tensile strength when pulling the reinforcing rod out of the coupling was 12,700 kg. After four detonations of 2 capsules each on the 22.2 mm steel rod, the tensile strength had dropped to 8165 kg. After two explosions on the pipe couplings, the tensile strength had dropped to 7257 kg.
When using the resin according to Example 2 to hold the reinforcing steel rod in the coupling, the tensile strength without explosive treatment was 12,247 kg and after four explosions on the rod or two explosions on the coupling the tensile strength was about 11790 kg. This shows that despite the enormous energy absorption required, there was no significant fragmentation and that the tensile strength was approximately the same when the polymer was used before and after the vibrational energy absorption, while the strength of cement slurry dropped from 12700 kg to 8165 or 7257 kg.
Similar results can be achieved by connecting other sizes and shapes of reinforcement organs. The explosion resistance of concrete itself can be increased somewhat by embedding around 3V2% by volume of steel wire or 1% by volume of nylon fibers or asbestos fibers in the concrete. The insertion of nylon fibers does not increase the flexural strength of the concrete, but it does improve its explosion resistance.
Tests in pits using rock or concrete show similar improved results after blast damage.
The resistance adjustment of the shock wave transmission from the rock or concrete to the resin and from the resin to the reinforcing steel can be improved by adding iron oxide as a filler to the resin to increase its density so that it lies between the steel and the adjacent rock or concrete when steel is to be used as a stress-reinforcing element.
An unrivaled increase in resistance to vibration energy is achieved when a layer of 1.59 mm to 12.7 mm resin is used as a viscoelastic coupling for connecting the steel to concrete or rock.
It is found that the fiberglass reinforcement rods have many advantages. Rods which contain 70 to 75% by weight of glass fibers and 25 to 30% by weight of epoxy resins or polyester resins can expediently have diameters of 6.35 mm to 50.8 mm and lengths of up to 6 mm , 10 m either solid, with a core or with bulges and used accordingly. The rod can be made in continuous lengths and cut to the correct length.
The fiberglass rod is much lighter than steel and therefore a man can carry and install a fiberglass rod much more easily than steel reinforcement rods. 4.50 m long pieces can easily be carried and attached by one man.
Usually only part of the strength of the fiberglass rod is claimed, since the same often fails by pulling out. However, when tested, the breaking strength of a fiberglass rod is found to be in the neighborhood of 8440 at or above, depending on the construction, with a flexural or Young's modulus of around 0.422 x 106 kg / cm. The fiberglass bolts give excellent results,
especially if they are anchored with a coating of a visco-elastic polymer in concrete or rock such as limestone, granite, slate or most ore rocks which are mined. The fiberglass rods can be arranged in stone or concrete in an untensioned or prestressed state. Pre-tensioning, post-tensioning, or pre-tensioning and post-tensioning can be used to allow full compression of the fragile organ and therefore generation of the maximum structural properties.
The use of glass fiber reinforcement organs or steel reinforcement organs, which are separated from concrete or rock by a viscoelastic polymer, extends as far as the use of reinforcement organs themselves, ie. H. generally for suspension bridges, roads, airplane landing areas, concrete structures, dams, concrete pipes (prestressed or not), foundations for structures and structures themselves or in any other places where stone or concrete is to be reinforced by tensioning devices, if during planning Shock from vibration energy must be taken into account.
The advantages of viscoelastically damped reinforcement organs become more obvious when reinforcing any type of technical structure which is subjected to energy loads, either constant small vibrations or a larger explosion effect.
<I> Example 8 </I> When building concrete structures such as bridges, the support columns and beams as well as the flooring must be weatherproof. Usually, a 3-inch thick layer of concrete is used as a protective layer over the reinforcement steel to prevent corrosion of the steel. A bridge covering can therefore be 38 cm thick, with the lower 7.62 cm only serving to protect the reinforcing steel from corrosion. A support column for the bridge can be 61 x 61 cm, whereby the load on the outer surface is considerably reduced since it has no tension function and mainly serves to protect the reinforcing steel.
In such a bridge, the use of a 6.35 mm thick polymer layer on the steel results in better bonding, viscoelastic energy damping and corrosion resistance. Therefore, the 7.62 cm thick protective layer can be reduced to 2.54 cm, thereby reducing the dead burden and saving costs on the organ itself. Therefore, the whole structure can be considerably Lich lighter and if it is calculated for the same static load, it is stronger for dynamic loads.
A bridge constructed with fiberglass reinforcing bars of the type shown in Figure 3 provides a significant increase in strength and a reduction in weight. Tests show that the corrosion resistance is so great that a considerable increase in service life can be expected. Complete lifetime examinations take many years. The full advantage for dam construction can only become apparent after a trial period of 20 to 50 years. Accelerated aging resulted in a significantly longer service life, in certain cases 2 to 4 times or more.
A full discussion of the advantages of the present invention b - i concrete structures would be as extensive as the literature and manuals on concrete construction and therefore cannot be carried out here. A person skilled in the art is able to work out the details himself using the examples and teachings given here. <I> Example 9 </I> In a very tall residential building, which was built from concrete reinforced with fiberglass, smaller and lighter components were possible on the upper floors, since a lower protective layer weight of concrete was used to shield the reinforcements Corrosion was necessary.
The fiberglass rods are much lighter than steel and therefore the reinforcement weight of the upper floors is lower. The savings are even greater in the lower floors, since both a low dead load must be borne by the floors above, and the concrete protective layer for corrosion protection must be worn on each floor, and the concrete protective layer for corrosion protection on each floor can be omitted.
In a building with many floors, at least 25% of the total load on the concrete can be saved with modern building regulations.
While the characteristics for concrete are easier to calculate, in many cases the reinforcement of rock formations is of great importance, since the rock can be pressurized over large areas by prestressing the rock, whereby compressed zones of neighboring tensioning organs overlap, the rock can be pressurized over large areas and the rock in this compressed state it is itself a component of reasonable strength. Therefore, according to the invention, reinforcement is valuable in tunnel construction, underground construction and many other applications. Not only does the rock not have to be removed, it can actually be used as building material.