DE102004020782A1

DE102004020782A1 - Tragelement und Tragelementanordnung, insbesondere für Betonbauwerke und Betonbauteile

Info

Publication number: DE102004020782A1
Application number: DE102004020782A
Authority: DE
Inventors: Josef Scherer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-04-27
Filing date: 2004-04-27
Publication date: 2006-04-06

Abstract

Gattungsmerkmale der Erfindung: DOLLAR A Tragelement für Betonbauwerke und Betonbauteile mit in einen Binder eingebetteter Tragfaseranordnung. DOLLAR A Aufgabenmerkmale der Erfindung: DOLLAR A Schaffung eines Tragelementes mit in einen Binder eingebetteter Tragfaseranordnung. Das Tragelement soll sich durch hohe Dampfdurchlässigkeit bei hohen Festigkeits- und E-Modulwerten auszeichnen. DOLLAR A Lösungsmerkmale der Erfindung: DOLLAR A Der Binder enthält eine Polymerkomponente, die im ausgehärteten Zustand einen Schub-E-Modul G von mindestens 3000 N/mm·2· und eine Zugfestigkeit von mindestens 10 n/mm·2· aufweist. Weiterhin enthält der Binder mindestens einen die Tragfaseranordnung durchsetzenden Kristallitanteil und hat im ausgehärteten Zustand seiner Polymerkomponente einen Betriebswert der Diffusionswiderstandszahl my für Wasserdampf von höchstens 1800.

Description

Die Erfindung betrifft ein Tragelement sowie eine Tragelementanordnung, insbesondere für Betonbauwerke und Betonbauteile, wobei das Tragelement wenigstens eine in einen Binder eingebettete Tragfaseranordnung 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 Verstärkung 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 anderen 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 Laminatfasern sowie zwischen den Laminatfasern selbst befindliche, schubweiche 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 Epoxybinder, 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 Dampfdurchlässigkeit bei gleichzeitig hohen Festigkeits- und Emodulwerten auszeichnet. Bezüglich der weiterführenden, auf eine Tragelementanordnung gerichteten Erfindungsaufgabe gilt entsprechendes für die Verklebung zwischen Untergrund und Tragelement. Die erfindungsgemässe Lösung der ersten Erfindungsaufgabe ist bestimmt durch die Merkmale des Patentanspruchs 1, diejenige von weiterführenden Erfindungsaufgabe durch die Merkmale der nachgeordneten Patentansprüche.
Beim erfindungsgemässen Tragelement wird zunächst eine Binder-Polymerkomponente vorausgesetzt, die – für sich genommen – im ausgehärteten Zustand eine relativ hohe Wasserdampf-Diffusionswiderstandszahl μ 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 materialspezifischen Kennwert für Wasserdampfdiffusion.
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 Untergrundes 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 Polymer-Binder mit einem Kristallitanteil auch dann die erstrebte Dampfdurchlässigkeit 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 12000 bei Komposit-Tragelementen mit hochfesten Faseranordnungen und verfestigtem Binder erreichbar sind. Dies gilt gesichert reproduzierbar nicht nur bei Polymerbindern mit relativ niedrigen μ-Werten als Ausgangsmaterial, sondern ebenso bei hochgradig dampfsperrenden Polymeren wie Epoxyharzen mit μ-Werten von etwa 75000 und weit darüber als Binder.
Dabei ist wesentlich, dass gewisse Kristallite ihre den Dampfdurchlass auslösende Wirkung innerhalb des Komposits erst dann entfalten, wenn tatsächlich ein Dampfdruck ansteht, also z.B. bei einem erfindungsgemässen Laminat, das an seiner Innenseite mit mehr oder weniger frischem Beton in Berührung steht.
Für den Kristallitanteil kommen erfindungsgemäss vor allem mikrokristalline mineralische Substanzen in Betracht, vorzugsweise solche mit alkalischer Reaktivität, so z.B. insbesondere silikathaltige Kristallitmaterialien. Für den Kristallitanteil sind daher pH-Wert im Bereich zwischen 9 und 12 vorteilhaft.
Nach vollzogener Austrocknung des Untergrundes tritt der alkalische Kristallitanteil in feiner Verteilung innerhalb der Binder-Polymerkomponente mit von aussen eindiffundierender Luft in Berührung und kann die in dieser vorhandene Kohlensäure neutralisieren. Dies trägt dazu bei, den alkalischen Charakter im Beton aufrechtzuerhalten und damit Korrosionseffekte an Stahlarmierungen im Beton hintan zu halten.
Auch hinsichtlich der Tragfaseranordnungen haben sich erfindungsgemäss Optimierungsmöglichkeiten für die vorliegende Anwendung ergeben. Neben Kohlenstoff- und anderen Hochfestigkeits-Fasern kommen daher insbesondere mit einer Binder-Polymerkomponente und einem Kristallitanteil durchsetzte, wenigstens teilweise aus hochfestem Polymer bestehende Faseranordnungen in Betracht, vor allem solche mit Fasern aus Aramid, Carbon und/oder alkaliresistentem Glas. Solche Faseranordnungen, und zwar bevorzugt mit einem Binder auf Epoxybasis, eignen sich hervorragend 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 Schubkrafteinleitung auf die einzelnen Fasern bzw. Faserbündel und damit die Gleichförmigkeit der Spannungsverteilung über den Querschnitt der Tragfaseranordnung.
Bei einer Tragelementanordnung als besonderem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Laminat-Tragelement oder eine Mehrzahl derselben durch Verklebung mit einem Bauwerk verbunden. Diese Verklebung enthält eine Polymerkomponente, die für sich, d.h. ohne Kristallitanteil, im ausgehärteten Zustand eine relativ hohe Diffusionswiderstandszahl μ von z.B. mindestens 20000 aufweist, jedoch vorteilhaft hohe mechanische Elastizitäts- und Festigkeitswerte, nämlich z.B. einen Schub-Emodul G von mindestens 5000 N/mm² und eine Zugfestigkeit von mindestens 10 N/mm². Unter erfindungsgemässem Einschluss eines Kristallitanteils ergibt sich dann eine Wasserdampf-Diffusionswiderstandszahl μ von höchstens 10000.
Eine Besonderheit einer solchen Tragelementanordnung ist darin zu sehen, dass die Verklebung des Tragelementes mit dem Untergrund dampfdurchlässig ausgebildet ist. Dies hat für die Praxis 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. Ohne die nun vorliegende Dampfdurchlässigkeit der Verklebung selbst würde der Gesamt-Dampfdurchlass weitgehend entfallen.

Claims

Tragelement, insbesondere für Betonbautwerke und Betonbauteile, das wenigstens eine in einen Binder eingebettete Tragfaseranordnung aufweist, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale: a) der Binder enthält mindestens eine Polymerkomponente, die im ausgehärteten Zustand einen Schub-Emodul G von mindestens 3000 N/mm² und eine Zugfestigkeit von mindestens 10 N/mm² aufweist; b) der Binder enthält mindestens einen die Tragfaseranord-nung wenigstens teilweise durchsetzende Kristallitanteil, und hat im ausgehärteten Zustand seiner Polymerkomponente einen Betriebswert der Diffusionswiderstandszahl μ für Wasserdampf von höchstens 18000.
Tragelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristallitanteil, auf die Polymerkomponente des ausgehärteten Binders bezogen, maximal 42 Volumen% beträgt.
Tragelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristallitanteil auf die ausgehärtete Binder-Polymerkomponente bezogen mindestens 4 Volumen% beträgt.
Tragelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristallitanteil auf die ausgehärtete Binder-Polymerkomponent bezogen mindestens 10 Volumen% beträgt.
Tragelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Kristallitanteil mit alkalischer Reaktivität.
Tragelement nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Kristallitanteil mit einem pH-Wert im Bereich zwischen 9 und 12.
Tragelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen silikathaltigen Kristallitanteil.
Tragelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine wenigstens teilweise aus Epoxyharz bestehende Binder-Polymerkomponente.
Tragelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine mit einer Binder-Polymerkomponente und einem Kristallitanteil durchsetzte, wenigstens teilweise aus hochfestem Polymer bestehende Tragfaseranordnung.
Tragelement nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine mit einer Binder-Polymerkomponente und einem Kristallitanteil durchsetzte, wenigstens teilweise aus Aramidfasern bestehende Tragfaseranordnung.
Tragelement nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine mit einer Binder-Polymerkomponente und einem Kristallitanteil durchsetzte, wenigstens teilweise aus Carbonfasern bestehende Tragfaseranordnung.
Tragelement nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine mit einer Binder-Polymerkomponente und einem Kristallitanteil durchsetzte, wenigstens teilweise aus alkaliresistenten Glasfasern bestehende Tragfaseranordnung.
Tragelementanordnung mit mindestens einem Tragelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Tragelement durch eine Verklebung mit einem Bauwerk oder Bauteil verbunden ist, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale: a) die Verklebung enthält mindestens eine Polymerkomponente, die im ausgehärteten Zustand einen Schub-Emodul G von mindestens 5000 N/mm² und eine Zugfestigkeit von mindestens 10 N/mm2 aufweist; b) die Verklebung enthält einen Kristallitanteil, der mit der Verklebungs-Polymerkomponente ein Festkörper-Dispersoid mit einer im Betrieb wirksamen Diffusionswiderstandszahl μ für Wasserdampf von höchstens 18000 bildet.