DE10002490A1 - Verstärktes Bauteil und Verfahren zur Herstellung hierfür - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil, insbesondere ein Fassadenelement, im wesentlichen aus Naturbaustein oder Betonwerkstein sowie ein Verfahren zur Verstärkung von Naturstein oder Betonwerkstein. Dadurch, daß das Verfahren das Auf- oder Einbringen von Kohlefasern im wesentlichen parallel zueinander in bzw. auf den Naturstein oder Betonwerkstein beinhaltet, wobei die Kohlefasern zumindest über einen Teil ihrer Länge mit dem Naturstein oder Betonwerkstein verbunden werden, wird erreicht, daß das so entstehende Bauteil eine hohe Zugfestigkeit bei gleichzeitig möglichst geringer Dicke aufweist. Die Kohlefasern können sowohl als einzelne Fasern in oder auf den Naturstein oder Betonwerkstein aufgebracht weden als auch in Form von Roving, Lamelle, als Vlies oder als Gewebe, Gewirke oder Gelege. Überdies können die Kohlefasern auch zunächst in andere Werkstoffe auf bzw. in den Naturstein bzw. Betonwerkstein ein- bzw. aufgebracht werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil, insbesondere ein Fassadenelement, im wesentli­ chen aus Naturstein oder Betonwerkstein sowie ein Verfahren zur Verstärkung von Naturstein oder Betonwerkstein. Bauteile aus Naturstein oder Betonwerkstein werden in vielfältiger Weise eingesetzt. So sind beispielsweise begehbare Platten aus Granit oder Marmor bekannt. Diese Platten werden des weiteren oftmals auch beim Bau von Treppen, z. B. von Wendeltreppen, eingesetzt. Eine weitere Einsatzmöglichkeit stellt die nahezu in allen Einbauküchen vorhandene Arbeitsplatte dar. Oftmals wird eine Platte aus Naturstein oder Betonwerkstein, z. B. aus Granit, auf die Unterschränke aufgelegt. Dies hat neben einer ausgesprochen ästhetischen Wirkung unter anderem auch den Vorteil, daß Natursteinarbeitsplatten im allgemeinen unempfindlich gegenüber Wärme sind, wie sie beispielsweise von heißen Kochtöpfen oder Backblechen auf die Arbeitsplatte abgegeben wird. Noch eine weitere Anwendungsmöglichkeit sieht den Einsatz des Bauteils als Fassadenelement in einer Fassadenverkleidung vor.

Insbesondere dann, wenn die Platten aus Naturstein oder Betonwerkstein einer gewissen Belastung ausgesetzt sind, sie also auf Zug oder Druck belastet werden, müssen sie mit einer gewissen Dicke gefertigt werden. Die Dicke des Natursteins oder Betonwerksteins nimmt sogar noch zu, wenn sehr lange, schmale Platten oder Platten mit durchgehenden Ausnehmungen benutzt werden. Solche durchgehenden Ausnehmungen sind beispielsweise bei den Arbeits­ platten für Einbauküchen durchaus üblich, da im allgemeinen in die Arbeitsplatten ein Spülbec­ ken und auch Herdplatten eingesetzt werden sollen. Insbesondere im Bereich der Ausnehmun­ gen muß die Naturstein- bzw. Betonwerksteinplatte demzufolge eine erhebliche Dicke aufwei­ sen, um ein versehentliches Brechen der Platte zu vermeiden. Abgesehen davon, daß solche Platten einen nicht unerheblichen Platzbedarf haben, ist insbesondere bei Platten aus Natur­ stein, wie z. B. Granit, Basalt oder Marmor, mit dickeren Platten ein deutlich höherer Preis verbunden.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil im wesentlichen aus Naturstein oder Betonwerkstein zur Verfügung zu stellen, das eine hohe Zugfestigkeit bei gleichzeitig möglichst geringer Dicke aufweist. Des weiteren liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils bereitzustellen.

Hinsichtlich des Verfahrens wird die eingangs genannte Aufgabe dadurch gelöst, daß das Verfahren das Auf- oder Einbringen von Kohlefasern im wesentlichen parallel zueinander in bzw. auf den Naturstein oder Betonwerkstein beinhaltet, wobei die Kohlefasern zumindest über einen Teil ihrer Länge mit dem Naturstein oder Betonwerkstein verbunden werden. Dabei können die Kohlefasern als einzelne Fasern in oder auf den Naturstein oder Betonwerkstein eingebracht werden. Es ist aber auch möglich, daß die Kohlefasern als Roving, Lamelle, als Vlies oder als Gewebe, Gewirke oder Gelege ein- bzw. aufgebracht werden. Die Kohlefasern können auch zunächst in andere Werkstoffe, z. B. Epoxidharz, eingebracht werden und erst dann zusammen mit dem anderen Werkstoff auf bzw. in den Naturstein oder Betonwerkstein ein- bzw. aufgebracht werden.

Die Kohlefasern bzw. Kohlefaserbündel erhöhen die Zugfestigkeit des Natursteins oder Betonwerksteins erheblich. Zudem weisen sie ein im Vergleich zu Naturstein oder Betonwerk­ stein ein nur geringfügiges Eigengewicht auf. Die Steinplatten können deutlich dünner gefertigt werden, da durch das Auf- bzw. Einbringen von Kohlefasern die Zugfestigkeit der ganzen Steinplatte erhöht wird.

Besonders vorteilhaft ist, daß dieses Verfahren auch bei bereits gefertigten Steinplatten angewandt werden kann. So ist es beispielsweise bei einer Arbeitsplatte aus Granit möglich, die Platte, z. B. im Bereich von Ausnehmungen bzw. Ausschnitten, durch das nachträgliche Aufbringen von Kohlefasern deutlich zu verstärken. Die Bruchgefahr wird folglich stark gemin­ dert.

Je nach Anwendungsfall kann es von Vorteil sein, daß im wesentlichen parallel zueinander angeordnete, miteinander verklebte Kohlenstoffasern in Form von Lamellen, die gegebenenfalls mit Epoxidharz umgeben sind, in bzw. auf den Naturstein oder Betonwerkstein auf bzw. eingebracht werden. Für den Fall, daß die Kohlefasern zunächst in eine Klebermatrix einge­ bracht werden, bevor sie zusammen mit der Klebermatrix mit dem Naturstein oder Betonwerk­ stein verbunden werden, beträgt der prozentuale Faseranteil bezogen auf das Volumen der Klebermatrix zusammen mit den Kohlefasern vorzugsweise zwischen 40 und 90%, bevorzugter zwischen 50 und 85%, und besonders bevorzugt zwischen 60 und 80%. D. h., wenn beispiels­ weise eine solche Lamelle im Querschnitt betrachtet wird, so nehmen die Kohlefasern eine Fläche zwischen 40 und 90% der Gesamtquerschnittsfläche ein, während die Klebermatrix die restliche Fläche einnimmt.

Eine andere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, daß die Kohlefasern in Form von Kohlefa­ sersheets auf- bzw. eingebracht werden. Bei Kohlefasersheets handelt es sich im wesentlichen um Tücher oder Folien, auf deren mindestens einer Seite Kohlefasern nebeneinander angeord­ net sind. Diese Tücher sind im Vergleich zu den bereits erwähnten Lamellen deutlich flexibler, da sie eine geringere Faserfüllung aufweisen. Wie bereits erwähnt, können die Fasern in den verschiedenen Formen einfach nachträglich auf Natur- oder Betonwerkstein aufgeklebt werden. Dabei kann es, insbesondere bei stark saugfähigem oder unebenem Naturstein oder Beton­ werkstein notwendig sein, daß zunächst eine Grundierungsmasse aufgebracht wird, so daß die Fasern erst im nachhinein auf die Grundierung geklebt werden können.

Als Klebemittel kommt vorzugsweise Epoxidharz, gefüllter Epoxidharz, Polyurethan, gefülltes Polyurethan, Polyester oder Acrylat zum Einsatz. Mit Hilfe dieser Klebemittel konnte eine besonders feste und dauerhafte Verbindung der Kohlefasern mit dem Stein erreicht werden.

Alternativ dazu kann es für manche Anwendungsfälle von Vorteil sein, wenn in den Naturstein oder in den Betonwerkstein zunächst eine Rille bzw. eine Ausnehmung vorgesehen wird, in die in einem späteren Stadium die Kohlefasern eingeklebt werden. Dadurch ist es möglich, daß die Kohlefasern auf keiner Seite des Steins hervorragen, so daß beispielsweise verstärkte Steinplatten angefertigt werden können, die von allen Seiten eine glatte Oberfläche haben. Die Rille kann beispielsweise in den Stein eingefräst werden.

Eine weitere Möglichkeit, die Kohlefasern in den Naturstein einzubringen, besteht darin, eine Kohlefaserschicht innerhalb des Natursteins einzulegen, so daß der Naturstein bzw. Betonwerk­ stein-Kohlefasernverbund mindestens drei Schichten aufweist, wobei eine mittlere Schicht im wesentlichen aus Kohlefasern besteht. Alternativ zu einer herkömmlichen Steinplatte mit erheblicher Dicke, können mit Hilfe dieses Verfahrens einfach zwei wesentlich dünnere Steinplatten gefertigt werden, die dann "sandwichartig" über einer Kohlefaserschicht zusam­ mengeklebt werden. Dabei befindet sich die Kohlefaserschicht zwischen den beiden einzelnen Steinplatten. Durch geeignete Verklebung ist es möglich, diese Verbundplatte derart zu fertigen, daß die eingelegte Kohlefaserschicht für den nachträglichen Betrachter nicht mehr sichtbar ist, sondern sich eine einheitliche Naturstein- oder Betonwerksteinoberfläche ergibt, die im Vergleich zu reinen Naturstein- oder Betonwerksteinplatten gleicher Dicke eine deutlich erhöhte Zugfestigkeit aufweisen.

Hinsichtlich des Bauteils wird die eingangs erwähnte Aufgabe dadurch gelöst, daß ein im wesentlichen aus Naturstein oder Betonwerkstein bestehendes Bauteil Kohlefasern aufweist, die in den Natur- oder Betonwerkstein eingelegt sind oder auf den Naturstein oder den Betonwerk­ stein aufgebracht sind, so daß Kohlefasern und Naturstein bzw. Betonwerkstein zumindest teilweise miteinander verbunden sind.

Vorzugsweise sind die Kohlefasern in einem Streifen oder einer Lamelle angeordnet. Dieser Streifen oder diese Lamelle ist dann auf bzw. in den Naturstein oder Betonwerkstein aufge­ bracht bzw. eingelegt.

Je nach Anwendungsfall kann es von Vorteil sein, daß die Kohlefasern im wesentlichen parallel zueinander angeordnet und vorzugsweise miteinander verklebt sind. Alternativ dazu kann aber auch ein Bauteil vorgesehen werden, bei dem die Kohlefasern in Form eines Gewebes, Gewirkes oder Geleges, das heißt flächig, mit in unterschiedlichen Richtungen orientierten Kohlefasern, in bzw. auf den Natur- oder Betonwerkstein ein- bzw. aufgebracht sind.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauteils weist eine durchgehende Ausnehmung oder einen Ausschnitt auf, wobei die Kohlefasern im wesentlichen in unmittelbarer Umgebung der Ausnehmung bzw. des Ausschnitts angeordnet sind. Der Ausschnitt kann beispielsweise der Aufnahme eines Spülbeckens oder von Herdplatten dienen. Je nach Bedarf können indes auch völlig andere Gegenstände in die Ausnehmungen eingesetzt werden. Auch wenn durch die Ausnehmungen ihr Einsatzgebiet enorm ausgeweitet wird, so ist mit der Ausnehmung zwangsläufig ein Bereich mit herabgesetzter Belastbarkeit verbunden. Aufgrund der ein- bzw. aufgelegten Kohlefasern in bzw. auf das Bauteil in unmittelbarer Umgebung der Ausnehmung bzw. des Ausschnitts wird das Bauteil gerade in diesem Bereich besonders verstärkt. Dadurch können selbst dünne Steinplatten mit großflächigen Ausnehmun­ gen bzw. Ausschnitten versehen werden, ohne daß die Platte bei geringer Belastung zu brechen droht.

Eine alternative Ausführungsform des Bauteils sieht vor, daß das Bauteil als Treppenstufe ausgebildet ist. Insbesondere bei frei tragenden Treppen, wie z. B. Wendeltreppen, kann es gegebenenfalls zu nicht unerheblichen Belastungen der Treppenstufen bzw. der als Treppenstu­ fe dienenden Steinplatte bei Betreten der Treppenstufe kommen. Aus diesem Grund werden frei tragende Natursteintreppen mit sehr dicken Natursteinplatten als Treppenstufen angefertigt. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Bauteils kann nun beispielsweise eine solche Wendeltreppe mit sehr viel dünneren Natursteintreppenstufen versehen werden, was zu einer erheblichen Kosteneinsparung führt.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung verschiedener bevorzugter Ausführungsformen und der dazugehörigen Figuren.

Es zeigen:

Fig. 1a und b eine Küchenarbeitsplatte mit Ausschnitt in Untersicht und als Quer­ schnitt,

Fig. 2a und b eine andere Ausführungsform einer Küchenarbeitsplatte mit Ausschnitt in Untersicht und im Querschnitt,

Fig. 3 eine verstärkte Steinplatte,

Fig. 4a und b eine als Treppenstufe ausgebildete verstärkte Steinplatte in Untersicht und im Querschnitt.

In den Fig. 1a und b ist eine Küchenarbeitsplatte 1 dargestellt, die in den Randbereichen eingesetzte Kohlenfasern 2, 2' aufweist. Die Kohlefasern sind hier in Form einer Lamelle in die Arbeitsplatte 1 eingelassen. Mit Vorteil ist hier die ispo Concretin S CFK Lamelle verwendet worden. Die Küchenarbeitsplatte weist einen Ausschnitt 3 auf, der beispielsweise für den Einsatz einer Spüle oder eines Herdes vorgesehen ist. Deutlich zu erkennen ist, daß auf der einen Seite die Lamelle 2 nahezu durchgängig entlang der gesamten Länge der Platte 1 eingelegt ist, während auf der anderen Seite die Lamelle 2' nur im Übergangsbereich zwischen dem Plattenabschnitt ohne Ausschnitt und dem Steg angelegt ist. Wie ebenfalls in Fig. 1a zu sehen ist, ist es auch möglich, mehrere Lamellen nebeneinander anzuordnen. Prinzipiell kann es sich bei der Platte 1 um alle technisch einsetzbaren Natursteinplatten oder Betonwerkstein­ platten sowohl mit Ausschnitten als auch ohne Ausschnitte handeln. In Fig. 1b ist ein Schnitt entlang der Linie 1b gezeigt. Deutlich zu erkennen, ist die in die Platte eingearbeitete Fuge, die in diesem Ausführungsbeispiel eine Tiefe von etwa 0,5 cm hat. In diese Fuge wird zunächst der Kleber 5 eingebracht und daraufhin die Lamelle oder die Kohlefaser 4 in die Fuge eingedrückt. Es versteht sich aber, daß prinzipiell auch zuerst die Lamelle 4 und danach der Kleber in die Fuge eingebracht werden kann.

In den Fig. 2a und 2b ist eine andere Ausführungsform einer Naturstein oder Betonwerk­ steinplatte 1 abgebildet, die ebenfalls einen etwa mittig angeordneten Ausschnitt 3 aufweist. Wie insbesondere Fig. 2b zu entnehmen ist, werden die Kohlefasern bzw. die Lamellen 6 hier einfach flach auf die Platte 1 aufgeklebt. Dabei wird im allgemeinen zunächst der Kleber "Über Korn" auf der Natursteinplatte aufgezogen, das heißt beispielsweise mit der sogenannten Kratzspachtelung. Im Anschluß daran wird vorzugsweise dachförmig auf der Lamelle Kleber aufgebracht und diese "frisch in frisch" möglichst ohne Lufteinschlüsse auf die Platte geklebt.

Die Anordnung der Lamellen ist völlig beliebig. So können Lamellen beispielsweise nebenein­ ander angeordnet sein, sie können aber auch kreuzweise übereinander geklebt werden. Die Lamellen können entlang der gesamten Platte angeordnet sein, sie können aber auch gezielt Übergangsbereiche zwischen vollen ungeschwächten Abschnitten der Platte und aufgrund eines Ausschnitts 3 geschwächten Abschnitten der Platte 1 verstärken.

Auch können die Kohlefasern bzw. Lamellen entweder aufgeklebt oder in eine Rille bzw. Ausnehmung eingebracht werden. Die Rille bzw. Ausnehmung ist vorzugsweise derart ausgebildet, daß die Tiefe der Rille in etwa der Lamellendicke zuzüglich der Dicke der Kleber­ schicht entspricht. In diesem Fall ist es möglich, die Lamelle bzw. Kohlefaser in die Platte 1 derart einzubringen, so daß eine plane Oberfläche entsteht. Es versteht sich, daß die Lamellen auch an den Seitenflächen der Platte 1 angebracht werden können.

Wie bereits eingangs erwähnt, können die Kohlefasern auch in Form eines Kohlefasersheets auf bzw. in die Platte 1 appliziert werden. Dabei ist es im allgemeinen notwendig, daß die Steinplat­ te zunächst grundiert wird. Dies ist insbesondere bei sehr saugfähigem und porösem Unter­ grund erforderlich. Im Anschluß daran wird ein Klebemittel auf das Kohlefasersheet oder auf die Grundierung aufgebracht und das Kohlefasersheet aufgeklebt.

In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform einer verstärkten Platte 8 zu sehen. Deutlich wird hier die sogenannte "Sandwich"-Form. Bei der Platte 8 handelt es sich um zwei Naturstein- oder Betonwerksteinplatten 9, die über eine Kohlefaserschicht verbunden sind. Dabei kann die Kohlefaserschicht 7 beispielsweise aus einem Kohlefasersheet bestehen. Alternativ dazu können aber auch eine oder mehrere Kohlefaserlamellen benutzt werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Kohlefasern in Form von Lamellen oder Kohlefasersheets in eine eingefräste Fuge einer Steinplatte 9 zu kleben. Die zweite Steinplatte 9 kann dann direkt auf die erste Steinplatte geklebt werden. Durch diese Maßnahme der Einfräsung ist es der Verbundplat­ te 8 optisch nicht mehr anzusehen, daß sie eine Kohlefaserverstärkung aufweist. Dennoch weist diese Platte eine erhöhte Zugfestigkeit auf.

In den Fig. 4a und 4b ist eine weitere besondere Ausführungsform einer Naturstein- bzw. Betonwerksteinplatte gezeigt. Diese Platten finden nämlich auch als Treppenstufen Anwendung. Auf der Unterseite der mit der Bezugszahl 10 versehenen Treppenstufe aus Natur­ stein/Betonwerkstein befinden sich aufgeklebte bzw. eingeschlitzte oder eingefräste Kohlefasern bzw. Lamellen oder Kohlefasersheets.

Durch die beschriebenen Ausführungsformen ist deutlich geworden, daß die vorliegende Erfindung vielfältig eingesetzt werden kann. Durch die erfindungsgemäß verstärkten Bauteile kann erheblich Material und dadurch auch Kosten eingespart werden. Überdies ist es einfach möglich, bereits bestehende Platten kostengünstig zu verstärken.

Claims (16)

1. Bauteil (1), insbesondere Fassadenelement, im wesentlichen aus Naturstein oder Betonwerkstein, dadurch gekennzeichnet, daß Kohlefasern (2, 2', 4, 6) in den Naturstein oder Betonwerkstein eingelegt und/oder auf den Naturstein oder den Betonwerkstein aufgebracht und mit dem Naturstein bzw. Betonwerkstein zumindest teilweise verbunden sind.

2. Bauteil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlefasern in einem Streifen, einer Lamelle (2, 2', 4) oder einem Faserbündel (Roving) angeordnet sind.

3. Bauteil (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlefasern im wesentlichen parallel zueinander angeordnet und vorzugsweise miteinander verklebt sind.

4. Bauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlefasern in Form eines Gewebes, Gewirkes oder Geleges in bzw. auf den Naturstein oder Betonwerkstein ein- bzw. aufgebracht sind.

5. Bauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil eine durchgehende Ausnehmung oder einen Ausschnitt (3) aufweist, wobei die Kohlefa­ sern (2, 2') im wesentlichen in unmittelbarer Umgebung der Ausnehmung bzw. des Aus­ schnitts angeordnet sind.

6. Bauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es als Treppenstufe (10) ausgebildet ist.

7. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es mindestens drei im wesentlichen ebene Schichten aufweist, wobei die beiden außen liegenden Schichten aus Naturstein bzw. Betonwerkstein bestehen und eine mittlere Schicht zu­ mindest teilweise aus Kohlefasern gebildet wird.

8. Verfahren zur Verstärkung von Naturstein oder Betonwerkstein, dadurch gekennzeich­ net, daß auf und/oder in den Naturstein oder Betonwerkstein Kohlefasern im wesentli­ chen parallel zueinander auf bzw. eingelegt und wenigstens über einen Teil ihrer Länge mit dem Naturstein oder Betonwerkstein verbunden werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Kohlefasern in der Form einer Lamelle, eines Gewebes, eines Gewirkes, eines Geleges, eines Sheets oder von Rovings verwendet werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß wenig­ stens ein Streifen oder eine Lamelle aus zueinander im wesentlichen parallel angeord­ neten, miteinander verklebten Kohlenstoffasern in bzw. auf den Naturstein oder Beton­ werkstein auf bzw. eingebracht wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß minde­ stens ein Kohlefaser-Sheet, das aus einem Tuch besteht, wobei auf mindestens einer Seite derselben Kohlefasern nebeneinander angeordnet sind, in bzw. auf den Naturstein oder Betonwerkstein auf- bzw. eingebracht wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß Kohlefa­ sern auf den Naturstein oder den Betonwerkstein aufgeklebt werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in den Naturstein oder in den Betonwerkstein mindestens eine Rille bzw. eine Ausnehmung vorgesehen wird, in welche die Kohlefasern eingeklebt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß Kohlefa­ sern derart in den Naturstein oder Betonwerkstein eingebracht bzw. eingeklebt werden, daß der Naturstein- bzw. Betonwerkstein-Kohlefasernverbund mindestens drei Schich­ ten aufweist, wobei eine mittlere Schicht im wesentlichen aus Kohlefasern besteht.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß als Kleber Epoxydharz, gefüllter Epoxydharz, Polyurethan, gefüllter Polyurethan, Polyester oder Acrylat verwendet wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Fasern zu der Klebermatrix zwischen 40 und 90 vol%, vorzugsweise zwischen 50 und 85 Vol.%, und besonders bevorzugt zwischen 60 und 80 Vol.% beträgt.