DE10108357A1 - Armierungsstab sowie Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Armierungsstab für mineralische Baustoffe, insbesondere für Beton. Der erfindungsgemäße Armierungsstab (10) besteht aus einem faserverstärkten Strang aus Kunststoff, der einen zentralen, langgestreckten Strangkern (12) sowie mehrere über die Länge des Strangkerns sich erstreckende, im Winkelabstand voneinander angeordnete, im Querschnitt stern- und kreuzförmig abstehende Strangrippen (14) aufweist, die um die Kernachse (16) schraubenförmig verdrallt sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Armierungsstab für mineralische Baustoffe, ins­ besondere für Beton sowie ein Verfahren für dessen Herstellung.

Bauteile, wie z. B. Decken oder Träger, müssen Druck-, Zug- und Schub­ kräfte aufnehmen. Deshalb werden solche Bauteile in der Regel aus Stahl­ beton oder Spannbeton hergestellt. Beton wird auf Druck und Stahl auf Zug beansprucht. Die für die Bewehrung oder Armierung des Betons notwendi­ gen Stäbe oder Drähte werden bisher überwiegend aus Stahl hergestellt. Stahl hat dabei an sich den Vorteil, daß er sich chemisch mit Beton verträgt. Ein Nachteil besteht jedoch in der Korrosionsanfälligkeit durch Rostbildung. Beim Auftreten von Rost platzt der Beton von dem Armierungsstab ab, so daß es zu Beschädigungen und Zerstörungen kommen kann. Dies erfordert eine ständige Kontrolle und Reparatur von Stahlbeton-Bauwerken.

Um dies zu vermeiden, ist bereits vorgeschlagen worden, den Stahl mit Kunstharz, beispielsweise mit Epoxidharz zu überziehen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei Beschädigung der Kunstharzbeschichtung sich eine Punkt­ korrosion an Roststellen herausbildet, die schnell voranschreitet. Ein weiterer Nachteil der beschichteten Stahlarmierung besteht in der geringen Haftung zwischen Beton und Armierung. Der Formschluß an den Oberflächenrippen der Armierungsstäbe reicht wegen des fehlenden Haftschlusses nicht aus.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Armie­ rungsstab für mineralische Baustoffe, insbesondere für Beton zu entwickeln, der einfach herstellbar und im Baustoff sicher verankerbar ist und der ohne Beschädigungsgefahr transportierbar und montierbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden die in den Ansprüchen 1 und 15 ange­ gebenen Merkmalskombinationen vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltun­ gen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Ein erfindungswesentlicher Gedanke besteht darin, daß der Armierungsstab durch einen faserverstärkten Kunststoffstrang gebildet ist, der einen zentra­ len langgestreckten Strangkern und mehrere im Winkelabstand voneinander angeordnete, sich über die Länge des Strangkerns erstreckende, im Quer­ schnitt stern- oder kreuzförmig abstehende Strangrippen aufweist, die um die Kernachse jeweils durchgehend schraubenförmig verdrallt sind. Die Strangrippen stehen dabei zweckmäßig um mindestens eine dem Kern­ durchmesser entsprechende Rippenbreite über die Kernoberfläche über. Durch die schraubenförmige Windung der Strangrippen ergibt sich eine formschlüssige Verankerung der Armierungsstäbe im Beton. Um die er­ wünschten Zugkräfte aufnehmen zu können, ist zumindest ein Teil der Ver­ stärkungsfasern als Längsfasern ausgebildet, die ununterbrochen entlang dem Strang verlaufen und im Kernbereich achsparallel und im Rippenbereich in Steigungsrichtung der Strangrippen ausgerichtet sind. Die einzelnen als Längsfasern ausgebildeten Verstärkungsfasern im Rippenbereich verlaufen dabei zweckmäßig in konstantem Abstand von der Kernachse.

Um eine zuverlässige Handhabung der Armierungsstäbe auf der Baustelle zu ermöglichen, ist der Strang zumindest im Bereich der Strangrippen zu­ sätzlich mit Quer- oder Umfangsfasern verstärkt. Die Querfasern verhindern ein Knicken oder Absacken der zwischen den Strangrippen befindlichen Ril­ len im übereinandergeschichteten Zustand der Armierungsstäbe beim Transport und beim Begehen. Durch die schraubenförmig verdrallten Strang­ rippen werden beim Übereinanderschichten der Stäbe Anlagepunkte in aus­ reichend kurzen Abständen gebildet, die dafür sorgen, daß bei einer Bela­ stung keine Verformung auftritt. Letzteres ist auch im montierten Zustand wichtig, wenn die Armierungsstäbe kreuz und quer verlegt werden. Während die Längsfasern in den Armierungsstäben die Funktion einer Zugarmierung aufweisen, kommt den Querfasern die Funktion einer Knickarmierung zu. Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Strangrippen in gleichen Winkelabständen voneinander angeordnet sind und daß die Strangrippen mit konstanter Ganghöhe verdrallt sind. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, die Strangrippen entlang dem Strang mit variabler Ganghöhe zu verdrallen. Der Steigungswinkel der Strangrippen relativ zur Kernachse kann in relativ weiten Grenzen eingestellt und optimiert werden. Er beträgt zweckmäßig zwischen 15 und 75°, vorzugsweise 30 bis 50°.

Die Längs- und Querfasern bilden zweckmäßig ein Fasergewebe oder -gelege. Die Verstärkungsfasern werden vorteilhafterweise aus der Gruppe Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern, hochfeste Polyethylenfasern, Basaltfasern, Naturfasern oder aus einem Gemisch aus diesen Fasern ge­ wählt. Wegen der chemischen Verträglichkeit mit Beton werden zweckmäßig die Verstärkungsfasern in Oberflächennähe des Strangs als Kohlenstofffa­ sern gewählt, während in tieferen Schichten des Stranginneren auch die preiswerteren Glasfasern und dergleichen verwendet werden können.

Die Kunststoffmatrix des Strangs kann aus einem duroplastischen Polymer­ material, vorzugsweise aus der Gruppe Epoxidharz, Polyesterharz, Vinylharz bestehen. Um eine einfachere Verformung des Strangs beim Herstellungs­ vorgang zu ermöglichen, kann es von Vorteil sein, wenn die Kunststoffmatrix aus einem thermoplastischen Kunststoff vorzugsweise aus der Gruppe Po­ lyamid (PA), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyphenylensulfid (PPS), Po­ lypropylen (PP), Polyethylenterephtalat (PET), Polybutylenterephtalat (PBT), Polyetherimid (PEI), Styrol-Polymerisat (ABS), Polyetheretherketone (PEEK) besteht.

Das Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Armierungsstäbe besteht im wesentlichen darin, daß ein faserverstärkter Kunststoffstrang mit stern- oder kreuzförmigem Querschnitt schraubenförmig verdrallt und abge­ längt wird.

Grundsätzlich ist es dabei möglich, in den Kunststoffstrang im Zuge seiner Herstellung nach Pulltrusions-Verfahren (Strangziehen) eine Faser- oder Gewebeeinlage einzubetten.

Bevorzugt wird zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kunststoffstrangs ein vorgefertigtes, platten-, band- oder schlauchförmiges Ausgangsmaterial aus faserverstärktem Kunststoff unter Bildung eines im Querschnitt kreuz- oder sternförmigen Strangs umgeformt, vorzugsweise gefaltet, und im An­ schluß daran schraubenförmig verdrallt und ausgehärtet. Von besonderem Vorteil ist es dabei, wenn das einen thermoplastischen Kunststoff als Binde­ mittelmatrix enthaltende Platten-, Band- oder Schlauchmaterial unter Einwir­ kung von Druck und Wärme in den faserverstärkten Kunststoffstrang umge­ formt wird. Bei der Herstellung der Faserverstärkung in dem platten-, band- oder schlauchförmigen Ausgangsmaterial können mindestens zwei Lagen aus unterschiedlichen Fasermaterialien verwendet werden, wobei eine Au­ ßenlage zweckmäßig aus Kohlenstoffasern besteht.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung in schemati­ scher Weise dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1a und b einen im Querschnitt kreuzförmigen Armierungsstab vor und nach der schraubenförmigen Verdrallung in schaubildlicher Darstellung;

Fig. 2a bis c ein platten- oder bandförmiges Ausgangsmaterial (Fig. 2a) und ein schlauchförmiges Ausgangsmaterial (Fig. 2b) zur Herstellung eines im Querschnitt kreuzförmigen verdrallten Armierungsstabs (Fig. 2c) in schaubildlicher, teilweise aufge­ brochener Darstellung.

Die in der Zeichnung dargestellten Armierungsstäbe sind für die Bewehrung von Beton-Bauteilen bestimmt.

Der Armierungsstab 10 besteht aus einem faserverstärktem Strang aus Kunststoff, der einen zentralen, langgestreckten Strangkern 12 und mehrere über die Länge des Strangkerns im Winkelabstand voneinander angeordne­ te, im Querschnitt stern- oder kreuzförmig abstehende Strangrippen 14 auf­ weist. Ausgangsprodukt ist beispielsweise das in Fig. 1a gezeigte Strangge­ bilde 10', dessen Strangrippen 14 zur Bildung des in Fig. 1b gezeigten Ar­ mierungsstabs um die Kernachse 16 in gleicher Richtung und mit gleicher Steigung schraubenförmig verdrallt sind. Ein Teil der Verstärkungsfasern sind als Längsfasern 18 ausgebildet. Im Endprodukt gemäß Fig. 1b verlau­ fen die Längsfasern 18 im Kernbereich parallel zur Kernachse 16, während sie im Bereich der Strangrippen 14 rippenparallel, also in Steigungsrichtung der Strangrippen 14 ausgerichtet sind. Die einzelnen Längsfasern 18 im Rippenbereich haben über ihre gesamte Länge einen konstanten Abstand von der Kernachse 16. Die Längsfasern 18 haben innerhalb des Armie­ rungsstabs 10 vor allem die Aufgabe, Zugkräfte aufzunehmen. Durch die Verdrallung der Strangrippen 14 ergibt sich innerhalb des Betons ein stabiler Formschluß, der trotz der ansonsten glatten Oberfläche des Armierungs­ stabs verhindert, daß sich der Armierungsstab 10 aus dem Verbund mit dem umgebenen Beton lösen kann.

Ein anderer Teil der Verstärkungsfasern 20 verläuft innerhalb des Strangge­ bildes im wesentlichen quer zu den Längsfasern 18. Dies ist auch im Bereich der Strangrippen 14 der Fall. Die Querfasern 20 bilden eine Knickarmierung, die auf den Armierungsstab 10 einwirkende Querkräfte zur Verminderung der Knickgefahr aufnehmen kann. Bei dem in Fig. 1b gezeigten Ausfüh­ rungsbeispiel beträgt der Steigungswinkel der Strangrippen 14 relativ zur Kernachse 16 etwa 30 bis 40°. Da hier insgesamt vier Strangrippen vorge­ sehen sind, ergeben sich beim Aufeinanderstapeln der Armierungsstäbe ausreichend kurze Abstützlängen zwischen zwei Auflagepunkten, die bei einer Belastung oder beim Begehen einer Durchbiegung entgegenwirken.

In den Fig. 2a bis c ist schematisch angedeutet, daß zur Herstellung der Ar­ mierungsstäbe mit kreuzförmigem Querschnitt auch platten- oder bandförmi­ ges Ausgangsmaterial 10" (Fig. 2a) oder schlauchförmiges Ausgangsmateri­ al 10''' (Fig. 2b) verwendet werden kann.

Für die Herstellung des platten- oder bandförmigen Ausgangsmaterials 10" gibt es verschiedene Möglichkeiten. Bei dem sogenannten Rolltrusionsver­ fahren werden einzelne Fäden, Gewebe oder Gelege vorimprägniert und durch eine Walzenpresse geführt. Erzeugt wird hierbei ein dünnes Band, das für die hier relevanten Zwecke noch zu dünn ist. Deshalb müssen mehrere Bänder übereinandergelegt und miteinander durch Aufheizen und Ver­ schmelzen verbunden werden. Hierbei können auch Bänder mit unterschied­ lichen Verstärkungseinlagen, wie Kohlefaser oder Glas verwendet werden. Die auf diese Weise vorgefertigten Bänder werden schließlich erwärmt, in ein Kreuz gefaltet und schraubenartig verdrallt. Ein Nachteil dieser Verfahrens­ weise ist die relativ kleine Produktionsgeschwindigkeit. Außerdem können nur hochwertige Thermoplaste, wie Polyamide für die Bindemittelmatrix ver­ wendet werden.

Eine weitere Möglichkeit für die Herstellung von Plattenmaterial besteht dar­ in, daß vorgefertigte Gewebe und Gelege mit einem Bindemittel imprägniert und einer Doppelbandpresse zugeführt werden. Die Gewebe oder Gelege können aus verschiedenen Fasern kombiniert werden und relativ dick aus­ gebildet sein. Als Ergebnis erhält man ein Endlosplattenmaterial 10", das bei erhöhter Temperatur beispielsweise in die erwünschte Kreuzform verformt und verdrallt werden kann. Der Unterschied zum Rolltrusionsverfahren be­ steht darin, daß von einem fertigen Gewebe und Gelege mit ausreichender Wandstärke ausgegangen wird, so daß nicht mehrere Platten zu einem mehrlagigen System zusammengefügt werden müssen. Als Bindemittel kön­ nen hierbei Thermoplaste aus der Gruppe Polyamid (PA), Polymethyl­ methacrylat (PMMA), Polyphenylensulfid (PPS), Polypropylen (PP), Polye­ thylenterephtalat (PET), Polybutylenterephtalat (PBT), Polyetherimid (PEI), Styrol-Polymerisat (ABS), Polyetheretherketone (PEEK) verwendet werden. In der Doppelbandpresse wird das Material zunächst aufgeheizt und über die Länge der Presse allmählich abgekühlt, so daß am Ende bereits ausgehär­ tetes Material herauskommt. Ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens besteht in der hohen Produktionsgeschwindigkeit. Auch die Variabilität in den Fasern und in den Bindemittelmaterialien läßt eine Kostenoptimierung zu.

Für die Herstellung der schlauchförmigen Ausgangsmaterialien gemäß Fig. 2b gibt es ebenfalls verschiedene Möglichkeiten:
Beim Pulltrusions-Verfahren (Strangziehen) werden imprägnierte Endlosfa­ sern über einen Dorn pulltrudiert. Dies kann in mehreren Stufen erfolgen, wobei im Anschluß an jede Verfahrensstufe auch eine Querwicklung aufge­ bracht werden kann. In diesem Fall erhält man einen Schlauch 10''' mit Längs- und Querfasern, wobei die Fasern auch aus unterschiedlichen Mate­ rialien sein können, wie z. B. außen Kohlefasern und innen Glas. Der Schlauch wird dann nachträglich erwärmt, zum Kreuz gepreßt und verdrallt.

Für die Herstellung der Schläuche 10''' nach Fig. 2b können auch imprä­ gnierte Flechtschläuche aus dem erwünschten Fasermaterial verwendet werden. Flechtschläuche werden in Flechtmaschinen zunächst in Form eines Faserschlauchs hergestellt und nachträglich mit dem Bindemittel imprägniert.

Der imprägnierte Schlauch wird dann wieder in Kreuzform gepreßt und ver­ drallt. Grundsätzlich ist es auch möglich, die Flechtschläuche zunächst kreuzförmig zu verformen und erst dann zu imprägnieren.

Zusammenfassend ist folgendes festzuhalten: Die Erfindung bezieht sich auf einen Armierungsstab für mineralische Baustoffe, insbesondere für Beton. Der erfindungsgemäße Armierungsstab 10 besteht aus einem faserver­ stärkten Strang aus Kunststoff, der einen zentralen, langgestreckten Strang­ kern 12 sowie mehrere über die Länge des Strangkerns sich erstreckende, im Winkelabstand voneinander angeordnete, im Querschnitt stern- oder kreuzförmig abstehende Strangrippen 14 aufweist, die um die Kernachse 16 schraubenförmig verdrallt sind.

Claims (22)

1. Armierungsstab für mineralische Baustoffe, insbesondere für Beton, gekennzeichnet durch einen faserverstärkten Strang (10) aus Kunst­ stoff, der einen zentralen langgestreckten Strangkern (12) und mehrere sich über die Länge des Strangkerns erstreckende, im Winkelabstand voneinander angeordnete, im Querschnitt stern- oder kreuzförmig ab­ stehende Strangrippen (14) aufweist, die um die Kernachse (16) schraubenförmig verdrallt sind.

2. Armierungsstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu­ mindest ein Teil der Verstärkungsfasern als Längsfasern (18) ausgebil­ det ist, die ununterbrochen entlang dem Strang (10) verlaufen und im Kernbereich achsparallel und im Rippenbereich in Steigungsrichtung der Strangrippen (14) ausgerichtet sind.

3. Armierungsstab nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Längsfasern (18) im Rippenbereich in konstantem Abstand von der Kernachse (16) verlaufen.

4. Armierungsstab nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Strang (10) zumindest im Bereich der Strangrippen (14) zusätzlich mit Querfasern (20) verstärkt ist.

5. Armierungsstab nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Strangrippen (14) in gleichen Winkelabständen von­ einander angeordnet sind.

6. Armierungsstab nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Strangrippen (14) mit konstanter Ganghöhe verdrallt sind.

7. Armierungsstab nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Strangrippen (14) entlang dem Strang (10) mit varia­ bler Ganghöhe verdrallt sind.

8. Armierungsstab nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Steigungswinkel der Strangrippen (14) relativ zur Kernachse 15 bis 75°, vorzugsweise 30 bis 50° beträgt.

9. Armierungsstab nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Strangrippen (14) um mindestens eine dem Kern­ durchmesser, vorzugsweise dem doppelten Kerndurchmesser entspre­ chende Rippenbreite über die Kernoberfläche überstehen.

10. Armierungsstab nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verstärkungsfasern (18, 20) aus der Gruppe Kohlen­ stofffasern, Glasfasern, Aramidfasern, hochfeste Polyethylenfasern, Basaltfasern, Naturfasern oder aus einem Gemisch aus diesen Fasern gewählt sind.

11. Armierungsstab nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfasern zumindest in Oberflächennähe der Strangs als Kohlenstoffasern ausgebildet sind.

12. Armierungsstab nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Längs- und Querfasern (18, 20) ein Faserge­ webe oder -gelege bilden.

13. Armierungsstab nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kunststoffmatrix des Strangs (10) aus einem duroplastischen Polymermaterial, vorzugsweise aus der Gruppe Epoxidharz, Polyesterharz, Vinylesterharz besteht.

14. Armierungsstab nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kunststoffmatrix des Strangs (10) aus einem thermoplastischen Kunststoff, vorzugsweise aus der Gruppe Polyamid, Polymethylmethacrylat, Polyphenylensulfid, Polypropylen, Polyethy­ lenterephtalat, Polybutylenterephtalat, Polyetherimid, Styrol- Polymerisat, Polyetheretherketone besteht.

15. Verfahren zur Herstellung von Armierungsstäben für mineralische Bau­ stoffe, insbesondere für Beton, dadurch gekennzeichnet, daß ein fa­ serverstärkter Kunststoffstrang (10) mit stern- oder kreuzförmigem Querschnitt schraubenförmig verdrallt und abgelängt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß in den Kunststoffstrang (10) im Zuge seiner Herstellung eine Faser- oder Ge­ webeeinlage eingebettet wird.

17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein vor­ gefertigtes platten-, band- oder schlauchförmiges Ausgangsmaterial (10", 10''') aus Kunststoff unter Bildung eines im Querschnitt kreuz- oder sternförmigen Strangs (10') vorzugsweise durch Falten und Pres­ sen umgeformt und im Anschluß daran schraubenförmig verdrallt und ausgehärtet wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das einen thermoplastischen Kunststoff als Bindemittel­ matrix enthaltende Platten-, Band- oder Schlauchmaterial (10", 10''') unter Einwirkung von Druck und Wärme in den faserverstärkten Kunst­ stoffstrang (10) umgeformt wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Ausgangsmaterial für Bindemittelmatrix ein thermo­ plastischer Kunststoff aus der Gruppe Polyamid, Polymethylmethacry­ lat, Polyphenylensulfid, Polypropylen, Polyethylenterephtalat, Poly­ butylenterephtalat, Polyetherimid, Styrol-Polymerisat, Polyetherether­ ketone verwendet wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Ausgangsmaterial für die Faserverstärkung ein Fa­ sermaterial aus der Gruppe Kohlenstoffasern, Glasfasern, Aramidfa­ sern, Fasern aus hochfestem Polyethylen, Basaltfasern, Naturfasern verwendet wird.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei der Herstellung der Faserverstärkung in dem plat­ ten-, band- oder schlauchförmigen Ausgangsmaterial (10", 10''') minde­ stens zwei Lagen aus unterschiedlichen Fasermaterialien verwendet werden.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß minde­ stens eine Außenlage aus Kohlenstoffasern verwendet wird.