DE10039830A1 - Fiber used in the production of fiber concrete comprises a fiber composite material having a closed form - Google Patents
Fiber used in the production of fiber concrete comprises a fiber composite material having a closed formInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Faser zur Herstellung von Faserbeton.The present invention relates to a fiber for the production of fiber concrete.
Unbewehrter Beton weist im Vergleich zur Druckfestigkeit eine niedrige Zugfestigkeit und eine geringe Dehnfähigkeit auf.Reinforced concrete has a low tensile strength compared to compressive strength low elasticity.
Das Nachrißverhalten von Beton kann durch die Beigabe von geeigneten Fasern verbessert werden. Die Fasern sind im Beton gleichmäßig verteilt und weisen keine bevorzugte Wirkungsrichtung auf.The post-cracking behavior of concrete can be improved by adding suitable fibers become. The fibers are evenly distributed in the concrete and have no preferred Direction of action on.
Als Faserbewehrungen können Stahlfasern, Kunstoffasern, Glasfasern, Fasern aus Faserverbundwerkstoffen und natürliche Fasern verwendet werden.Steel fibers, plastic fibers, glass fibers, fibers can be used as fiber reinforcements Fiber composites and natural fibers are used.
Hauptsächlich werden in der Baupraxis Stahlfasern eingesetzt. Stahlfaserbeton weist durch sein duktiles Verhalten eine zuverlässige Zugfestigkeit auch nach der Rißbildung auf. Die Zugfestigkeit nach der Rißbildung kann bei der Bemessung von Bauteilen aus Stahlfaserbeton angesetzt werden. Allerdings ist zu beachten, daß bei üblichen Fasergehalten das Tragvermögen des gerissenen Querschnitts kleiner ist als das Tragvermögen des ungerissenen Querschnitts.Steel fibers are mainly used in construction practice. Steel fiber concrete shows through its ductile behavior has a reliable tensile strength even after cracking. The Tensile strength after cracking can occur when designing components made of steel fiber reinforced concrete can be scheduled. However, it should be noted that with conventional fiber contents The load capacity of the cracked cross-section is smaller than the load capacity of the non-cracked one Section.
Die Anhebung des Tragvermögens eines gerissenen Faserbetonquerschnitts auf das Tragvermögen des ungerissenen Querschnitts durch den Einsatz von sehr hohen Stahlfasergehalten ist deshalb nicht möglich, weil der Beton bei Fasergehalten über 120 kg/m3 nicht mehr zuverlässig verarbeitet werden kann.It is therefore not possible to increase the load-bearing capacity of a cracked fiber-reinforced concrete cross-section to the load-bearing capacity of the non-cracked cross-section by using very high steel fiber contents, because the concrete can no longer be processed reliably with fiber contents above 120 kg / m 3 .
Kunststoffaserbeton wird hergestellt, um das Brandwiderstandsverhalten zu verbessern, die Schwindrißbildung im jungen Beton zu reduzieren und um die Grünstandfestigkeit zu erhöhen.Plastic fiber reinforced concrete is made to improve fire resistance, which Reduce shrinkage cracks in young concrete and to increase green stability increase.
Bei glasfasermodifiziertem Beton wird die Bildung von Schwindrissen verringert, die Grünstandfestigkeit verbessert und, abhängig von der Dosierung, die Biegezugfestigkeit erhöht. With glass fiber-modified concrete, the formation of shrinkage cracks is reduced Green stability improved and, depending on the dosage, the bending tensile strength elevated.
Faserbeton mit natürlichen Fasern wird wegen der meist geringen Alkalibeständigkeit der Fasern selten eingesetzt.Fiber concrete with natural fibers is due to the usually low alkali resistance of the Fibers rarely used.
Kohlenstoffasern weisen zwar eine sehr hohe Bruchfestigkeit auf, sind aber so dünn (Durchmesser 10 bis 20 Mikrometer), daß sie aus Gründen der Verarbeitbarkeit nur in kurzen Längen der Betonmischung beigefügt werden können und dadurch nur die Zugfestigkeit des Zementsteins erhöhen. Die Zugfestigkeit der Grenzschicht zwischen Zuschlagkorn und Zemenstein ist aber kleiner als die Zugfestigkeit des Zementsteins, sodaß das Nachrißverhalten durch die Beimengung von Kohlenstoffasern nur unwesentlich beeinflußt wird. Andere Fasern die mit größeren Durchmessern hergestellt werden wie z. B. Polypropylenfasern (Durchmesser bis 0,5 mm) haben wiederum einen so geringen Elastizitätsmodul, daß die mechanische Wirkung der Fasern im gerissenen Festbeton vernachlässigbar ist.Although carbon fibers have a very high breaking strength, they are so thin ( 10 to 20 micrometers in diameter) that, for reasons of workability, they can only be added to the concrete mixture in short lengths and thus only increase the tensile strength of the cement block. However, the tensile strength of the boundary layer between the aggregate and the cement stone is less than the tensile strength of the cement stone, so that the post-cracking behavior is only insignificantly influenced by the addition of carbon fibers. Other fibers that are made with larger diameters such. B. polypropylene fibers (diameter up to 0.5 mm) in turn have such a low modulus of elasticity that the mechanical effect of the fibers in the cracked hardened concrete is negligible.
Mit der Beigabe von Kunststoffasern, Glasfasern und natürlichen Fasern wird keine nennenswerte Verbesserung des Nachrißverhaltens des erhärteten Betons erreicht.With the addition of plastic fibers, glass fibers and natural fibers, none noteworthy improvement of the post-cracking behavior of the hardened concrete achieved.
Fasern aus Faserverbundwerkstoff bestehen aus parallel angeordneten Fasern, die in eine Reaktionsharzmatrix eingebettet sind. Übliche Faserarten sind Kohlenstoff-, Glas-, und Aramidfasern. Für die Matrix können gemagerte Epoxidharze, ungesättigte Polyestherharze und Vinylestherharze verwendet werden. Die Fasern weisen ein elastisches und sprödes Werkstoffverhalten auf. Die Matrix bewirkt die Vergleichmäßigung der Faserkräfte und die Kraftüberleitung von gebrochenen zu intakten Fasern durch Verbund. Darüber hinaus reduziert die Matrix die Querdruckempfindlichkeit der Fasern.Fibers made of fiber composite material consist of fibers arranged in parallel, which are integrated into one Reaction resin matrix are embedded. Common types of fibers are carbon, glass, and Aramid fibers. Lean epoxy resins, unsaturated polyester resins can be used for the matrix and vinyl ether resins can be used. The fibers have an elastic and brittle Material behavior. The matrix causes the equalization of the fiber forces and the Power transmission from broken to intact fibers through composite. Furthermore the matrix reduces the cross-pressure sensitivity of the fibers.
Faserbeton mit Fasern aus Verbundwerkstoff weist nach der Rißbildung ein ähnliches Verhalten auf wie Stahlfaserbeton. Die Nachrißzugfestigkeit ist zwar geringer als die Betonzugfestigkeit, kann aber für statische Nachweise angesetzt werden.Fiber concrete with composite fibers has a similar after cracking Behave like steel fiber concrete. The tear strength is lower than that Concrete tensile strength, but can be used for structural analysis.
Die Verankerung von Stahlfasern und Fasern aus Faserverbundwerkstoff im Beton erfolgt über Verbund. Bei der Rißbildung kommt es in der Regel zu einem Herausziehen der Faser im gerissenen Querschnitt und damit zu einem duktilen Nachrißverhalten. Steel fibers and fibers made of fiber composite material are anchored in the concrete about Verbund. When the crack is formed, the fiber is usually pulled out in the torn cross section and thus to a ductile post-cracking behavior.
Zur besseren Verankerung von Stahlfasern sind Fasern mit geschlossenen Formen vorgeschlagen worden.For better anchoring of steel fibers are fibers with closed forms been proposed.
In der US 1,913,707 werden ringförmige Stahlfasern mit Drahtdurchmessern von 1,5 mm bis 6 mm beschrieben. Die Form der Fasern wird durch Biegen hergestellt, die beiden Enden werden nicht kraftschlüssig verbunden.In US 1,913,707 annular steel fibers with wire diameters from 1.5 mm to 6 mm. The shape of the fibers is made by bending the two ends are not connected non-positively.
In der US 3,616,589 sind ringförmige Fasern dargestellt, deren Enden durch Schweißen oder plastische Verformung durch Verdrillen der Drahtenden miteinander verbunden sind. Die Möglichkeit, ringförmige Stahlfasern durch das Abtrennen von kurzen Stücken aus nahtlosen Stahlrohren zu erzeugen, wird aufgezeigt.In US 3,616,589 annular fibers are shown, the ends of which by welding or plastic deformation by twisting the wire ends together. The Possibility of ring-shaped steel fibers by separating short pieces from seamless Producing steel pipes is demonstrated.
Das Schweißen von dünnen Stahldrähten ist für Stahlfestigkeiten bis ca. 500 MPa möglich, mit sehr großem Aufwand bis maximal 700 MPa. Das Verdrillen von Drahtenden ist ein aufwendiger Prozeß und auch nur mit Drahtfasern aus Stahl mit geringer Festigkeit möglich. Drahtfasern aus nahtlosen Stahlrohren sind auf Grund der lieferbaren Rohre ebenfalls auf niedrige Stahlfestigkeiten beschränkt.The welding of thin steel wires is possible for steel strengths up to approx. 500 MPa, with great effort up to a maximum of 700 MPa. Twisting wire ends is one complex process and only possible with steel wire fibers with low strength. Wire fibers made from seamless steel tubes are also available due to the available tubes low steel strengths limited.
Ein Nachteil bei der Verwendung von Stahlfasern kann sein, daß die Fasern an der Oberfläche und in der oberflächennahen Betonschicht korrodieren, damit wirkungslos werden und Rostspuren hinterlassen.A disadvantage of using steel fibers can be that the fibers are on the surface and corrode in the near-surface concrete layer so that it becomes ineffective and Leave traces of rust.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Faser für die Herstellung von Faserbeton zu schaffen, die gegenüber den bekannten Ausführungen eine höhere Tragfähigkeit, eine wirkungsvolle Verankerung, gute Verarbeitbarkeit und keine Korrosionsanfälligkeit aufweist.The object of the present invention is to provide a fiber for the production of To create fiber concrete, which is higher than the known designs Load capacity, effective anchoring, good workability and none Has susceptibility to corrosion.
Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung dieser Aufgabe durch die Herstellung einer Faser aus Faserverbundwerkstoff mit einer geschlossenen Form.According to the invention, this object is achieved by producing a fiber Fiber composite material with a closed shape.
Faserverbundwerkstoffe aus Kohlenstoffasern sind bereits mit Bruchspannungen von über 5000 MPa erhältlich. Eine Faser mit einer geschlossenen Form kann durch das Aufwickeln der Kohlenstoffaser auf einer geeigneten Form und das Einbetten in eine Reaktionsharzmatrix erfolgen. Der Anfang und das Ende der Kohlenstoffaser sind über Verbundspannung im Reaktionsharz verankert.Fiber composite materials made of carbon fibers are already with breaking stresses of over 5000 MPa available. A fiber with a closed shape can be wound up the carbon fiber on a suitable mold and embedding in a reaction resin matrix respectively. The beginning and the end of the carbon fiber are over composite tension in the Reactive resin anchored.
Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung von geschlossenen Fasern aus Faserverbundwerkstoff besteht in der Erzeugung von dünnen Rohren aus Faserverbundwerkstoff und dem anschließenden Abtrennen von ringförmigen Elementen.Another way to make closed fibers Fiber composite material consists in the production of thin tubes Fiber composite material and the subsequent separation of ring-shaped elements.
Der Querschnitt und die Form der Faser aus Verbundwerkstoff wird entsprechend der Festigkeit des Betons festgelegt.The cross-section and shape of the composite fiber is made according to the Strength of the concrete set.
Weitere bevorzugte Merkmale der erfindungsgemäßen Faser gehen aus den Patentansprüchen hervor. Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläutert ist.Further preferred features of the fiber according to the invention emerge from the patent claims out. Details and embodiments of the invention are the following description remove, in which the invention with reference to that shown in the drawing Embodiment is described and explained in more detail.
Es zeigtIt shows
Fig. 1 eine Ansicht einer erfindungsgemäßen Faser Fig. 1 is a view of a fiber according to the invention
Fig. 2 einen Querschnitt längs der Linie II-II in Fig. 1 FIG. 2 shows a cross section along the line II-II in FIG. 1
Fig. 3 eine erfindungsgemäße Faser im erhärteten Beton Fig. 3 shows a fiber according to the invention in hardened concrete
Fig. 4 eine Ansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Faser Fig. 4 is a view of a second embodiment of the fiber according to the invention
Fig. 5 einen Querschnitt längs der Linie V-V in Fig. 4 Fig. 5 is a cross section along the line VV in Fig. 4
Fig. 6 einen Längsschnitt einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Faser Fig. 6 shows a longitudinal section of a third embodiment of the fiber according to the invention
Im folgenden wird zunächst auf die Fig. 1 und 2 genommen.In the following, reference is first made to FIGS. 1 and 2.
Eine Ansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Faser 10 ist in Fig. 1 dargestellt.A view of a first embodiment of a fiber 10 according to the invention is shown in FIG. 1.
Die Faser 10 weist zwei gerade Teilstücke und zwei Endbereiche mit halbkreisförmigen Krümmungen auf. Gemäß Fig. 2 ist der Querschnitt der Faser 10 annähernd rechteckig, wobei die Höhe der Form mit 14 und die Breite mit 13 bezeichnet ist.The fiber 10 has two straight sections and two end regions with semicircular curvatures. Referring to FIG. 2, the cross section of the fiber 10 is approximately rectangular, with the height of the mold 14 and the width is designated 13.
Die Verankerung der Faser 10 im Beton erfolgt über Leibungsdruck in den gekrümmten Endbereichen. Der Krümmungsradius und die Faserabmessungen des Querschnitts sind in Abhängigkeit von der Bruchspannung der Faser 10 und dem aufnehmbaren Leibungsdruck des Betons 40 zu wählen.The anchoring of the fiber 10 in the concrete takes place via reveal pressure in the curved end regions. The radius of curvature and the fiber dimensions of the cross section are to be selected as a function of the breaking stress of the fiber 10 and the absorbable reveal pressure of the concrete 40 .
Im Gegensatz zu Stahl mit einem ausgeprägten Fließvermögen weisen Faser verbundwerkstoffe mit Kohlenstoffasern ein linear elastisches Verhalten bis zum Bruch auf. Für die Verwendung als Faser 10 in Beton 40 mit einem duktilen Nachrißverhalten sind Faserverbundwerkstoffe dennoch geeignet. Wird die Länge der Faser 10 in Fig. 1 beispielsweise mit 50 mm, die Bruchspannung mit 2000 MPa und der Elastizitätsmodul mit 200 000 MPa angenommen, wird eine Rißbreite von 50.2000/200 000 gleich 0,5 mm aufgenommen.In contrast to steel with a pronounced fluidity, fiber composite materials with carbon fibers have a linear elastic behavior until they break. Fiber composite materials are nevertheless suitable for use as fiber 10 in concrete 40 with a ductile post-cracking behavior. If the length of the fiber 10 in FIG. 1 is assumed, for example, to be 50 mm, the breaking stress is 2000 MPa and the elastic modulus is 200,000 MPa, a crack width of 50,2000 / 200,000 is assumed to be 0.5 mm.
Zur Erreichung eines ausgeprägten Rißbildes im Betonbauteil kann es vorteilhaft sein, die Oberfläche 16 der Faser 10 so auszubilden, daß sie eine geringe Verbundfestigkeit zum Betonbauteil aufweist. Damit wird erreicht, daß die von der Faser 10 aufgenommene Kraft vorwiegend über Leibungsdruck und nicht über Verbundspannungen auf den Beton 40 übertragen wird.To achieve a pronounced crack pattern in the concrete component, it can be advantageous to design the surface 16 of the fiber 10 so that it has a low bond strength to the concrete component. It is thereby achieved that the force absorbed by the fiber 10 is transmitted to the concrete 40 predominantly via reveal pressure and not via bond stresses.
Zur günstigen Beeinflussung des Nachrißverhaltens wird es vorteilhaft sein, die Länge der Faser 10 auf den Durchmesser der Zuschlagkörner 42 abzustimmen. Mit einer ausreichenden Faserlänge wird erreicht, daß nicht nur die Zugtragfähigkeit des Zementsteins sondern die Zugtragfähigkeit der Grenzfläche zwischen Zuschlagkörnern 42 und Zemenstein erhöht wird.To have a favorable influence on the post-cracking behavior, it will be advantageous to match the length of the fiber 10 to the diameter of the aggregate grains 42 . With a sufficient fiber length it is achieved that not only the tensile strength of the cement block but also the tensile capacity of the interface between aggregate 42 and cement stone is increased.
Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Faser 10 gegenüber Stahlfasern ist, daß es wegen der höheren Tragfähigkeit der Faser 10 und der zuverlässigen Verankerung über Leibungsdruck im Beton 40 möglich ist Faserbeton herzustellen, der im gerissenen Querschnitt eine höhere Zugkraft oder ein höheres Biegemoment aufnahmen kann als der ungerissene Betonquerscnitt. Das bedeutet daß die Nachrißzugfestigkeit eines Faserbetons mit der erfindungsgemäßen Faser 10 höher ist als die Zugfestigkeit des Betons 40.The main advantage of the fiber 10 according to the invention over steel fibers is that because of the higher load-bearing capacity of the fiber 10 and the reliable anchoring via reveal pressure in the concrete 40, it is possible to produce fiber concrete, which can absorb a higher tensile force or a higher bending moment than the non-cracked one in the cracked cross section Betonquerscnitt. This means that the post-cracking tensile strength of a fiber concrete with the fiber 10 according to the invention is higher than the tensile strength of the concrete 40 .
Unterstützt wird dieses für die Anwendung von Faserbeton für tragende Bauteile wesentliche Verhalten durch die geschlossene Form der Faser 10, die hohe Faserdosierungen unter Beachtung einer guten Verarbeitbarkeit zuläßt und die in Fig. 3 dargestellte Möglichkeit der Verformung der Fasern 10 durch die Zuschlagkörner 42, die zu einer besseren Verarbeitbarkeit und einem dichteren Korngefüge beiträgt. Das für die Verformbarkeit der Faser 10 maßgebende Verhältnis von Dehnsteifigkeit zur Biegesteifigkeit ist für eine rechteckige Faser 10 mit einer Breite 13 und einer Höhe 14 gleich 12 dividiert durch Höhe 14 der Faser 10 zum Quadrat. Durch die Reduzierung der Höhe 14 der Faser 10 kann die angestrebte Verformbarkeit der Faser 10 erreicht werden.This behavior, which is essential for the use of fiber concrete for load-bearing components, is supported by the closed shape of the fiber 10 , which permits high fiber doses while taking into account good processability and the possibility of deformation of the fibers 10 by the aggregate grains 42 shown in FIG contributes to better processability and a denser grain structure. The ratio of tensile stiffness to bending stiffness which is decisive for the deformability of the fiber 10 is for a rectangular fiber 10 with a width 13 and a height 14 equal to 12 divided by the height 14 of the fiber 10 to the square. The desired deformability of the fiber 10 can be achieved by reducing the height 14 of the fiber 10 .
In Fig. 4 ist eine Ansicht der erfindungsgemäßen Faser 10 gemäß Fig. 1 in einer abwandelten Ausführungsform dargestellt. FIG. 4 shows a view of the fiber 10 according to the invention according to FIG. 1 in a modified embodiment.
Die Faser 10 weist einen ellipsenförmigen Grundriß und gemäß Fig. 5 einen kreisförmigen Querschnitt auf. Das Verhältnis von Dehnsteifigkeit zur Biegesteifigkeit für eine Faser 10 mit kreisförmigem Querschnitt ist gleich 16 dividiert durch den Durchmesser des Querschnitts zum Quadrat. Die Verformbarkeit der Faser 10 beim Herstellen und Verarbeiten des Betons 40 kann über die Wahl des Durchmessers eingestellt werden.The fiber 10 has an elliptical outline and, according to FIG. 5, a circular cross section. The ratio of tensile stiffness to bending stiffness for a fiber 10 with a circular cross section is equal to 16 divided by the diameter of the cross section to the square. The deformability of the fiber 10 during the manufacture and processing of the concrete 40 can be adjusted via the choice of the diameter.
In Fig. 6 ist eine Ansicht der erfindungsgemäßen Faser 10 gemäß Fig. 1 in einer abgewandelten Ausführungsform dargestellt. FIG. 6 shows a view of the fiber 10 according to the invention according to FIG. 1 in a modified embodiment.
Die Faser 10 weist einen kreisförmigen Grundriß auf, was bezüglich des Wirkungsgrades der Faser 10 besonders günstig ist, weil sie für Rißebenen die normal zur Zeichnung verlaufen und die in einem gewissen Abstand vom Rand die Faser 10 schneiden, die gleiche Tragfähigkeit aufweist. Gerade Stahldrahtfasern weisen hingegen bezüglich der Rißebene eine bevorzugte Wirkungsrichtung und damit eine geringere Tragfähigkeit auf, falls die Rißebene nicht normal zur Faser verläuft.The fiber 10 has a circular outline, which is particularly favorable with regard to the efficiency of the fiber 10 , because for crack planes which are normal to the drawing and which cut the fiber 10 at a certain distance from the edge, they have the same load-bearing capacity. Steel wire fibers in particular, on the other hand, have a preferred direction of action with respect to the crack plane and thus a lower load-bearing capacity if the crack plane does not run normally to the fiber.
Der Faserverbundwerkstoff der erfindungsgemäßen Faser 10 kann statt Kohlenstoffasern auch mit Aramidfasern, Glasfasern und anderen geeigneten Fasern hergestellt werden. Die Form der Faser 10 ist nicht beschränkt auf die in Fig. 1 bis 6 dargestellten Formen. Insbesonders können auch Fasern 10 ausgebildet werden, die nicht in einer Ebene liegen und beliebige Formen, beispielsweise auch mit konkaven Krümmungen, aufweisen. The fiber composite material of the fiber 10 according to the invention can also be produced with aramid fibers, glass fibers and other suitable fibers instead of carbon fibers. The shape of the fiber 10 is not limited to the shapes shown in FIGS. 1 to 6. In particular, fibers 10 can also be formed which are not in one plane and have any shape, for example also with concave curvatures.
1010
Faser
fiber
1313
Breite der Faser (bei rechteckigem Querschnitt)
Width of the fiber (with a rectangular cross-section)
1414
Höhe der Faser (bei rechteckigem Querschnitt)
Height of the fiber (with a rectangular cross-section)
1616
Oberfläche der Faser
Surface of the fiber
4040
Beton
concrete
4242
Zuschlagkorn
surcharge grain
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
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