DE10105337A1

DE10105337A1 - Tragelement und Tragelementanordnung, insbesondere für Betonbauwerke und Betonbauteile

Info

Publication number: DE10105337A1
Application number: DE10105337A
Authority: DE
Inventors: Josef Scherer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-02-05
Filing date: 2001-02-05
Publication date: 2002-08-08
Also published as: WO2002062722A2; WO2002062722A3; DE20102039U1

Abstract

Gattungsmerkmale: DOLLAR A Tragelement, insbesondere für Betonbauwerke und Betonbauteile, das wenigstens eine in einen Binder eingebettete Tragfaseranordnung aufweist. DOLLAR A Erfindungsaufgabe: DOLLAR A Schaffung eines Tragelementes, das wenigstens eine in einen Binder eingebettete Tragfaseranordnung umfasst und sich durch hohe Dampfdurchlässigkeit bei gleichzeitig hohen Festigkeits- und Emodulwerten auszeichnet. DOLLAR A Lösungsmerkmale: DOLLAR A Der Binder enthält mindestens eine Polymerkomponente, die als solche im ausgehärteten Zustand eine spezifische Wasserdampf-Diffusionswiderstandszahl mu von mindestens 20000, einen Schub-Emodul G von mindestens 3000 N/mm·2· und eine Zugfestigkeit von mindestens 10 N/mm·2· aufweist. Ferner enthält der Binder mindestens eine die Tragfaseranordnung wenigstens teilweise durchsetzende Granulatkomponente, die mit der Tragfaseranordnung im ausgehärteten Zustand der Binder-Polymerkomponente ein Festkörper-Dispersoid mit einer Wasserdampf-Diffusionswiderstandszahl mu von höchstens 10000 bildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Tragelement sowie eine Tragelementanord nung, insbesondere für Betonbauwerke und Betonbauteile, wobei das Tragelement wenigstens eine in einen Binder eingebettete Tragfaser anordnung umfasst. Bei der zum Erfindungsgegenstand gehörenden Tragelementanordnung ist das Tragelement durch eine Verklebung mit einem Bauwerk oder Bauteil verbunden.

Tragelemente und Tragelementanordnungen dieser Art sind bekannt, z. B. in Form von Gelegen oder Geweben aus hochfesten Fasern, die mit einem Binder in der Zugspannungszone einer Betonoberfläche auflaminiert sind. Auch kommen entsprechend vorgefertigte Laminate zum Einsatz, die in der Zugspannungszone einer Betonoberfläche aufgeklebt sind. Der Einsatz erstreckt sich auf Reparaturen an Riss- und Bruchstellen von tragenden Betonbauten, aber auch auf die Verstär kung von an sich noch intakten Bauten für aufgestockte Belastungen sowie auf Neukonstruktionen für konzentrierte Belastungen, vor allem bei z. B. räumlich eingeschränkten Gegebenheiten. Bei diesen und ande ren Anwendungen ist im allgemeinen im Untergrund der Laminat- Tragelemente Beton mit mehr oder weniger hohem Feuchtigkeitsgehalt vorhanden. Auch können in Beschichtungen und Zwischenschichten Gehalte an Wasser und anderen Feuchtmedien vorhanden sein, deren langfristiges Ausdiffundieren in Form entsprechender Dämpfe durch die flächenhaft ausgedehnten Tragelemente bzw. deren ausgehärtete Binder- Polymerkomponenten nicht behindert werden sollte.

Für die Binder stehen bekannte Polymere auf Urethanbasis zur Verfügung, die im ausgehärteten Zustand eine für die vorliegenden Zwecke ausreichende Dampfdurchlässigkeit aufweisen. Solche Binder haben jedoch einen im Vergleich zu den Modulen der hochfesten Laminatfasern sehr niedrigen Schub-Emodul. Infolgedessen kann in vielen Fällen die Faserfestigkeit nicht voll ausgenutzt werden, weil der zwischen dem zu entlastenden Untergrund und den Laminat fasern sowie zwischen den Laminatfasern selbst befindliche, schub weiche Binder die Kraftübertragung auf die Fasern auf zu niedrige Werte begrenzt. Dies gilt besonders für vorgespannte Faseranordnungen Andererseits haben bekannte Binderpolymere mit für die vorliegenden Zwecke passenden Modulwerten, insbesondere die bekannten Epoxy binder, im ausgehärteten Zustand praktisch keine Dampfdurchlässigkeit.

Eine erste Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines Tragelementes, das wenigstens eine in einen Binder eingebettete Tragfaseranordnung umfasst und sich durch hohe Dampfdurch lässigkeit bei gleichzeitig hohen Festigkeits- und Emodulwerten auszeichnet. Bezüglich der weiterführenden, auf eine Tragelement anordnung gerichteten Erfindungsaufgabe gilt entsprechendes für die Verklebung zwischen Untergrund und Tragelement. Die erfin dungsgemässe Lösung der ersten Erfindungsaufgabe ist bestimmt durch die Merkmale des Patentanspruchs 1, diejenige der weiter führenden Erfindungsaufgabe durch die Merkmale des Patent anspruchs 16 bzw. 20.

Beim erfindungsgemässen Tragelement wird zunächst eine Binder- Polymerkomponente vorausgesetzt, die - für sich genommen - im ausgehärteten Zustand eine Wasserdampf-Diffusionswiderstands zahl µ von mindestens 20000 aufweist. Dieser genormte Beiwert ist eine dimensionslose Zahlengrösse und gibt an, wievielmal grösser der Wasserdampf-Diffusionsdurchlasswiderstand einer Schicht des betreffenden Stoffes ist als derjenige einer gleich dicken ruhenden Luftschicht gleicher Temperatur. Es handelt sich also um einen materialspezifischer Kennwert für Wasserdampf. Er ist daher für die in der Betontechnik vorliegenden Verhältnisse unmittelbar massgebend, er kann jedoch grundsätzlich - jedenfalls bei Betrachtung von Kennwert- Quotienten für verschiedene Materialien - in gewissen Fällen auch als Näherungswert für andere Dämpfe als Wasserdampf herangezogen werden.

Z. B. für ausgehärtete Epoxyharze liegt der µ-Wert bei etwa 10⁵, was praktisch Undurchlässigkeit bedeutet und diese Harze als Binder für Zwecke der Bauverstärkung mit relevanter Nachtrocknung des Unter grundes ungeeignet macht. Andererseits haben Epoxyharze jedoch ein hohes Potenzial hinsichtlich Zug- und Schubfestigkeit sowie auch hinsichtlich des Schub-Emoduls (hohe Schubsteifheit), was sie als Binder in Verstärkungslaminaten, besonders bei Konstruktionen mit hoher Faservorspannung, bevorzugt geeignet macht.

Hier setzt nun der erfindungsgemässe Fortschritt ein. Er beruht auf der Erkenntnis, dass eine Kompositstruktur aus einer Tragfaseranordnung mit einem im viskosen Zustand eingearbeiteten Dispersoid-Binder aus einem Polymer und einem Feingranulat auch dann die erstrebte Dampf durchlässigkeit des verfestigten Komposits ermöglicht, wenn das Polymer für sich im abgebundenen Zustand nicht oder nur sehr gering dampfdurchlässig ist. Das erfindungsgemässe Tragelement verwirklicht eine solche Kompositstruktur. Dabei haben praktische Ausführungen und Erprobungen erwiesen, dass erfindungsgemäss µ-Werte deutlich unter 10000 bei Komposit-Tragelementen mit hochfesten Faser anordnungen und verfestigtem Dispersoid-Binder erreicht werden. Dies gilt gesichert reproduzierbar nicht nur bei Binder-Polymerkomponenten mit relativ niedrigen µ-Werten von etwa 20000 als Ausgangsmaterial, sondern ebenso bei hochgradig dampfsperrenden Polymeren wie Epoxyharzen mit µ-Werten von etwa 75000 und weit darüber als Ausgangsmaterial für den Dispersoid-Binder.

Die Praxis hat überraschend gezeigt, dass für die Binder-Granulatkom ponente im Bereich der Tragfaseranordnung vergleichsweise hohe obere Grenzwerte für die maximale Korngrösse in Betracht kommen, ohne die gleichmässige und lückenlose Einarbeitung des Binders in die Trag faseranordnung zu beeinträchtigen. Demgemäss hat sich ein oberer Korngrössengrenzwert von etwa 0.2 mm ergeben, jedoch wird vorzugs weise ein solcher von von 0.1 mm eingehalten. Auch bezüglich der Anteilseinstellung der im Bereich der Tragfasern angeordneten Binder- Granulatkomponente in Bezug auf die ausgehärtete Binder-Polymerkom ponente haben sich erstaunliche Bemessungsgrenzen ergeben, nämlich gemäss einem Anteil von maximal 35 Volumen%, wobei es sich jedoch aus Gründen der Produktsicherheit empfehlen kann, einen oberen Grenzwert von 15 Volumen% einzuhalten, sofern im jeweiligen Anwen dungsfall damit die erstrebte Dampfdurchlässigkeit erreicht wird. Auch für die untere Anteilsgrenze der im Bereich der Tragfasern angeordneten Binder-Granulatkomponente haben sich im Hinblick auf eine Opti mierung gewisse Wertebereiche ergeben, und zwar sollte diese Granulatkomponente einen auf die ausgehärtete Binder-Polymer komponente bezogenen Anteil von 7 Volumen%, bevorzugterweise jedoch von mindestens 12 Volumen%, nicht unterschreite.

Für die Binder-Granulatkomponente kommen im allgemeinen minera lische Substanzen in Betracht. Besondere Bedeutung haben jedoch solche mit alkalischer Reaktivität. Nach vollzogener Austrocknung des Untergrundes tritt das alkalische Granulat in seiner feinen Verteilung innerhalb der Binder-Polymerkomponente mit von aussen eindiffun dierender Luft in Berührung und kann die in dieser vorhandene Kohlen säure neutralisieren. Dies trägt dazu bei, den alkalischen Charakter im Beton aufrechtzuerhalten und damit Korrosionseffekte an Stahlarmie rungen im Beton hintanzuhalten. Für das Granulat sind in diesem Zusammenhang pH-Wert im Bereich zwischen 9 und 12 vorteilhaft. Sowohl für die Dampfdurchlässigkeit wie auch für die vorgenannte alkalische Reaktivität haben sich Binder-Granulate als hoch wirksam erwiesen, die wenigstens teilweise aus Mineralien vom Typ "Zement" bestehen. Diese sollen mindestens die Bestandteile CaO, SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃ oder äquivalente Silikatbildner enthalten.

Für die Dampfdurchlässigkeit ist es wichtig, dass die innerhalb der Bindermasse im Bereich der Tragfasern angeordnete Granulatkompo nente eine in Bezug auf die Kornoberflächen mindestens teilweise offenporige Struktur aufweist. Der erreichte und verifizierte Durch lässigkeitseffekt dürfte mindestens zum Teil dadurch erklärbar sein, dass die Kornoberflächen ein mikroskopisches Netz von Dampf- Diffusionskanälen bilden, die jedoch für flüssige Medien infolge deren Viskosität undurchlässig sind. Jedenfalls können erfindungs gemäss sogar vorzugsweise mit hoch dampfsperrenden, jedoch hinsichtlich Festigkeits- und Elastizitätsdaten äusserst wertvollen Epoxyharzen als Binder-Polymerkomponente Dispersoid-Binder mit weitgehend optimalen Eigenschaftskombinationen erstellt werden.

Auch hinsichtlich der Tragfaseranordnungen haben sich erfindungs gemäss Optimierungsmöglichkeiten für die vorliegende Anwendung ergeben. Neben Kohlenstoff und anderen Hochfestigkeits-Fasern kommen daher insbesondere mit einer Binder-Polymerkomponente und einer Binder-Granulatkomponente durchsetzte, wenigstens teilweise aus hochfestem Polymer bestehende Tragfaseranordnungen in Betracht, vor allem solche mit Aramidfasern, und zwar bevorzugt mit einem Binder auf Epoxybasis. Gerade solche hochfesten Polymerfasern eignen sich bevorzugt für die Erstellung von Tragfaseranordnungen mit Strängen und Gelegen, vor allem in unidirektionaler Anordnung, aber auch von Geweben und dergl. mit wenigstens teilweise in Bezug auf einander verdrillten Fasern oder Faserbündeln. Eine solche Ausbildung der tragenden Elemente begünstigt die Gleichförmigkeit der Schubkraft einleitung auf die einzelnen Fasern bzw. Faserbündel und damit der Gleichförmigkeit der Spannungsverteilung über den Querschnitt der Tragfaseranordnung und ist vor allem bei vorgespannten Anordnungen von Bedeutung.

Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der zum Erfindungs gegenstand gehörenden Tragelementanordnungen, die mit einem Bauwerk oder Bauteil verbunden sind, weisen die zugehörigen Tragelemente eine unter Vorspannung stehende Tragfaseranordnung mit Binder-Polymerkomponente und Binder-Granulatkomponente auf, wobei die Tragfaseranordnung wenigstens teilweise aus Polymer fasern mit einer Zugfestigkeit von mindestens 1.2 MPa sowie mit einem Zug-Emodul zwischen höchstens 150 GPa und mindestens 40 GPa besteht. In einer solchen hochwertigen Komponenten kombination mit vorgespannten Tragfasern kommt der Dampfdurch lässigkeit ohne Beeinträchtigung der langfristigen Stabilität der Vorspannungsverhältnisse besondere Bedeutung zu. Speziell optimale Ergebnisse haben sich mit Konstruktionen ergeben, bei denen der Querschnitt der Tragfaseranordnung wenigstens zu 15% aus Aramid fasern besteht, die unter einer Vorspannung entsprechend einer Dehnung von mindestens 0.4%, höchstens jedoch von 2.2°% mit dem Untergrund schubfest verbunden sind. Für extreme Anforde rungen kann der Querschnittsanteil der Aramidfasern auf mindestens 45%, insbesondere sogar auf mindestens 75%, erhöht werden. Der jeweilige Restquerschnitt der Tragfaseranordnung kann mit anders artigen Fasern besetzt werden, beispielsweise mit solchen von speziellen Verformungs- oder Fliesseigenschaften, zwecks Erstellung von kombi nierten Eigenschaftsprofilen des Tragelements bzw. der Tragelement anordnung. Bevorzugt verläuft dabei mindestens ein Teil dir vorge spannten Polymerfasern wenigstens annähernd parallel zu einer vorgegebenen Zugbelastungsrichtung.

Bei einer besonderen, ebenfalls zum Erfindungsgegenstand gehörenden Tragelementnordnung ist mindestens ein Tragelement, insbesondere, jedoch nicht zwingend ein solches mit Dispersoid-Binder, durch Verklebung mit einem Bauwerk oder Bauteil verbunden. Diese Verklebung enthält mindestens eine Polymerkomponente, die als solche im ausgehärteten Zustand eine Wasserdampf-Diffusions widerstandszahl µ von mindestens 20000, einen Schub-Emodul G von mindestens 5000 N/mm² und eine Zugfestigkeit von mindestens 10 N/mm² aufweist. Ferner enthält die Verklebung eine Granulatkompo nente, die mit der Verklebungs-Polymerkomponente ein Festkörper- Dispersoid mit einer Wasserdampf-Diffusionswiderstandszahl µ von höchstens 10000 bildet.

Eine Besonderheit dieser Tragelementanordnung ist darin zu sehen, dass nun die für das Tragelement vorgesehene Verklebung mit dem Untergrund als dampfdurchlässiger Dispersoid-Binder ausgebildet ist. Dies hat für die Praxis ebenfalls wesentliche Bedeutung, insbesondere für vorgefertigte und in festem Zustand mit einem Bauteil oder Bauwerk zu verbindende Laminat-Fasertragelemente, die selbst ebenfalls mehr oder weniger dampfdurchlässig sein können, allerdings nicht notwendig infolge Einsatz eines Dispersoid-Binders. Ohne die nun vorliegende Dampfdurchlässigkeit mittels Dispersoid-Verklebung würde der Dampf durchlass im Tragelement mindestens stark beeinträchtigt.

Claims

1. Tragelement, insbesondere für Betonbautwerke und Betonbauteile, das wenigstens eine in einen Binder eingebettete Tragfaseranord nung aufweist, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) der Binder enthält mindestens eine Polymerkomponente, die als solche im ausgehärteten Zustand eine spezifische Wasserdampf-Diffusionswiderstandszahl µ von mindestens 20000, einen Schub-Emodul G von mindestens 3000 N/mm² und eine Zugfestigkeit von mindestens 10 N/mm² aufweist;
b) der Binder enthält mindestens eine die Tragfaseranordnung wenigstens teilweise durchsetzende Granulatkomponente, die mit der Tragfaseranordnung im ausgehärteten Zustand der Binder-Polymerkomponente ein Festkörper-Dispersoid mit einer Wasserdampf-Diffusionswiderstandszahl µ von höchstens 10000 bildet.

2. Tragelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Binder-Polymerkomponente als solche im ausgehärteten Zustand eine Wasserdampf-Diffusionswiderstandszahl µ von mindestens 75000 aufweist.

3. Tragelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Granulatkomponente im Bereich der Tragfaseranordnung eine maximale Korngrösse von 0.2 mm, vorzugsweise von 0.1 mm, aufweist.

4. Tragelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die im Bereich der Tragfasern angeordnete Binder-Granulatkomponente einen auf die ausgehärtete Binder-Polymerkomponente bezogenen Anteil von maximal 35 Volumen% bildet.

5. Tragelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die im Bereich der Tragfasern angeordnete Binder-Granulat komponente einen auf die ausgehärtete Binder-Polymerkompo nente bezogenen Anteil von maximal 15 Volumen% bildet.

6. Tragelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die im Bereich der Tragfasern angeordnete Binder-Granulatkomponente einen auf die ausgehärtete Binder-Polymerkomponente bezogenen Anteil von mindestens 7 Volumen%, insbesondere von mindestens 12 Volumen%, bildet.

7. Tragelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine mindestens teilweise mineralische Binder-Granulatkomponente mit alkalischer Reaktivität.

8. Tragelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Binder-Granulatkomponente einen pH-Wert im Bereich zwischen 9 und 12 aufweist.

9. Tragelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine die Tragfaseranordnung durch setzende, Binder-Granulatkomponente, die wenigstens teilweise aus Mineralien vom Typ "Zement" besteht.

10. Tragelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Binder-Granulatkomponente mindestens die Bestandteile CaO, SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃ oder äquivalente Silikatbildner enthält.

11. Tragelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die im Bereich der Tragfasern angeordnete Binder-Granulatkomponenteinnerhalb Bindermasse eine in Bezug auf die Kornoberflächen mindestens teilweise offenporige Struktur aufweist.

12. Tragelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekenn zeichnet durch eine wenigstens teilweise aus Epoxyharz bestehende Binder-Polymerkomponente.

13. Tragelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekenn zeichnet durch eine mit einer Binder-Polymerkomponente und einer Binder-Granulatkomponente durchsetzte, wenigstens teilweise aus hochfestem Polymer bestehende Tragfaseranordnung.

14. Tragelement nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine Tragfaseranordnung, die wenigstens teilweise aus Aramidfasern besteht und mit einer wenigstens teilweise aus Epoxyharz bestehenden Binder-Polymerkomponente sowie mit einer Binder- Granulatkomponente durchsetzt ist.

15. Tragelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Tragfaseranordnung, die wenigstens teilweise aus in Bezug auf einander verdrillten Fasern oder Faserbündeln besteht, insbesondere aus hochfesten Polymerfasern.

16. Tragelementanordnung mit mindestens einem Tragelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Trag element mit einem Bauwerk oder Bauteil verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Tragelement (T) eine unter Vorspannung stehende Tragfaseranordnung aufweist, die wenigstens teilweise aus Polymerfasern mit einer Zugfestigkeit von mindestens 1.2 MPa sowie mit einem Zug-Emodul zwischen höchstens 150 GPa und mindestens 40 GPa besteht.

17. Tragelementanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekenn zeichnet, dass der Querschnitt der Tragfaseranordnung wenigstens zu 15% aus Aramidfasern besteht, die unter einer Vorspannung entsprechend einer Dehnung von mindestens 0.4%, höchstens jedoch von 2.2% mit dem Untergrund schubfest verbunden sind.

18. Tragelementanordnung nach Anspruch 17, dadurch gekenn zeichnet, dass der Querschnitt des Tragfaseranordnung mindestens zu 45%, vorzugsweise mindestens zu 75%, aus Aramidfasern besteht.

19. Tragelementanordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der vorgespannten Polymerfasern wenigstens annähernd parallel zu einer vorgegebenen Zugbelastungsrichtung ausgerichtet ist.

20. Tragelementanordnung, insbesondere nach einem der Ansprüche 16 bis 19 und insbesondere mit mindestens einem Tragelement, nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei das Tragelement wenigstens eine in einen Binder eingebettete Tragfaseranord nung aufweist und durch eine Verklebung mit einem Bauwerk oder Bauteil verbunden ist, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) die Verklebung enthält mindestens eine Polymerkomponente, die als solche im ausgehärteten Zustand eine Wasserdampf- Diffusionswiderstandszahl µ von mindestens 20000, einen Schub-Emodul G von mindestens 5000 N/mm² und eine Zugfestigkeit von mindestens 10 N/mm² aufweist;
b) die Verklebung enthält eine Granulatkomponente, die mit der Verklebungs-Polymerkomponente ein Festkörper- Dispersoid mit einer Wasserdampf-Diffusionswiderstands zahl µ von höchstens 10000 bildet.