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Die
Erfindung bezieht sich auf ein lichtdurchlässiges Formteil,
das beispielsweise in Form von Lichtbeton bekannt ist. Solche Formteile
enthalten lichtleitende Einzelfasern oder Schichten aus nebeneinander
liegenden optischen Fasern. Bei der Herstellung des lichtdurchlässigen
Formteils liegen die optischen Fasern neuerdings in Form von Lichttextilien
vor, d. h. sie sind Teil eines textilen Geleges, Gewebes oder Gewirkes.
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So
ist etwa aus der Schrift
DE 20 2007 000 753 U1 ein gegossenes, lichtdurchlässiges
Bauelement bekannt, bei dem Lichtleiter in einer Gussmasse eingebettet
sind. Dabei sind die Lichtleiter Bestandteil eines in die Gussmasse
eingelegten Flächengebildes (Gewebes, Gewirkes oder Filzes).
Es soll eine gestalterisch ansprechende, also strukturierte Anordnung
der Lichtleiter erreicht werden. Nach der Lehre dieser Schrift ist
das Einlegen eines Faserflächengebildes in die Gussform
einfacher als das Einlegen einer Vielzahl von losen Lichtleitfasern. Es
wird die entsprechende Strukturierung erreicht, indem die Lichtleiter
sowohl in definierten Abständen zueinander im Faserverbund
vorliegen als auch einzelne Lagen voneinander unterschieden werden
können. Die Lichtleiter können Bestandteil eines nicht-lichtleitenden
Gewirkes sein. Weitere Möglichkeiten des Faserverbunds – außer
den Gewirken – können darin bestehen, dass die
Lichtleiter verfilzt, zusammengenäht, mittels Schnüren
verknüpft oder verwebt sind. Die einzelnen Lagen der Lichtleiter können
gestreckt oder gemustert oder wellenförmig eingelegt werden.
Von einem derartigen Bauelement geht diese Erfindung aus.
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Auch
in
JP 2006 22 43
46 A wird ein lichtdurchlässiges Bauelement beschrieben,
bei dem die optischen Fasern durch ein Webverfahren im Wesentlichen
parallel zueinander fixiert und in Beton eingegossen werden. Dabei
wird ebenfalls eine strukturierte Anordnung der Lichtleiter angestrebt.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin ein Lichttextil, ein lichtdurchlässiges
Formteil und ein Verfahren zur Herstellung des lichtdurchlässigen Formteils
mit Hilfe des Lichttextils zur Verfügung zu stellen, bei
welchem Verfahren einerseits das Lichttextil lichtleitende Fasern
aufweist, die in einfacher und schneller Art und Weise so auf einen
Träger auf- bzw. angebracht werden können, sodass
dieses Lichttextil bei der Herstellung von Lichtbeton verwendet
werden kann, ohne dass die lichtleitenden Fasern bei der Verarbeitung
beschädigt werden und das Lichttextil so bei der Herstellung
von Lichtbeton verwendet werden kann. Gleichzeitig soll das mit
dem erfindungsgemäßen Lichttextil hergestellte
lichtdurchlässige Formteil so wenig wie möglich
in seiner Biegebeanspruchbarkeit durch das eingebrachte Lichttextil
geschwächt werden.
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Optische
Fasern im Sinne der vorliegenden Erfindung sind zunächst
streng zu unterscheiden von Glasfasern oder anderen möglicherweise
transparenten Fasern, die als Verstärkungsfilamente in
Verbundwerkstoffen häufig eingesetzt werden. Im selben
Sinne ist Lichtbeton etwas anderes als textiler Beton. Außerdem
sind Haftfadengitter im Sinne der vorliegenden Erfindung streng
zu unterscheiden von Geweben oder Gewirken, wie sie aus der gattungsbildenden
Schrift
DE 20
2007 000 753 U1 bekannt sind. Der Unterschied eines solchen
Haftfadengitters im Vergleich zu üblichen Geweben und Gewirken
besteht darin, dass die optischen Fasern bei den üblichen
Lichttextilien durch eine über maschinentechnische Verfahren
erzeugte mechanische Verschlingung zusammengehalten werden, während
die optischen Fasern bei der vorliegenden Erfindung an dem Fadengitter
bspw. durch Haften oder Kleben angebracht sind. Ein Hauptnachteil
des gattungsbildenden Standes der Technik ist, dass die Lichtleiter,
welche bei dem gattungsbildenden Stand der Technik verwendet werden,
typischerweise einen monofilen Leiterquerschnitt von 0,1 mm bis
5 mm aufweisen. Nur solche relativ dicken Monofilamente können
mit den dort genannten Verfahren der mechanischen Verschlingungen
verarbeitet werden.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht dementsprechend darin, auch
Faserbündel, also Bündel von optischen Filamenten,
sowie auch dünne Monofilamente in einem Lichttextil verwenden
zu können. Dabei soll die Trägerstruktur im Wesentlichen
unabhängig vom Lichtleiterquerschnitt sein.
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Die
Aufgabe wird durch ein lichtdurchlässiges Formteil nach
Anspruch 1, durch ein Lichttextil nach Anspruch 21 und durch Herstellungsverfahren gemäß den
unabhängigen Ansprüchen 23 bzw. 30 gelöst.
Weiterbildende Merkmale ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.
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Nach
dem grundsätzlichen Lösungsgedanken kann ein schichtförmiges
Lichttextil, das ein Haftfadengitter mit anhaftenden optischen Fasern
(Mulitfilamentbündel oder Monofilamente) aufweist, zu einem
lichtdurchlässigen Formteil verarbeitet werden, in dem
es schichtweise in eine geeignete Vergussmasse eingelegt wird. Das
Lichttextil wird als Zwischenprodukt hergestellt, indem die optischen
Fasern bspw. durch ein kontinuierliches Verfahren an dem Haftfadengitter
oder an zwei Haftfadengittern angebracht werden.
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Dieses
Prinzip ist anhand von Ausführungsbeispielen in den 1 und 2 dargestellt.
Es zeigt
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1:
eine Draufsicht und eine Schnittdarstellung durch eine lichtleitende
Schicht 3 mit optischen Fasern 2 die mit einem
Haftfadengitter 1 verklebt sind, sowie eine vergrößerte
Schnittdarstellung hiervon, und
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2:
eine Draufsicht und eine Schnittdarstellung durch eine lichtleitende
Schicht 3 mit optischen Fasern 2, die zwischen
zwei Haftfadengitter 1 angebracht und eingeschnürt
sind, sowie eine vergrößerten Schnittdarstellung
hiervon.
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Jede
dieser lichtleitenden Schichten stellt ein optisches UD-Textil dar,
d. h. die Schicht enthält stets ein unidirektionales (UD)
optisches Gelege oder eine optische Kettfaden-Faserschicht, bei
der die optischen Fasern in Kettrichtung, also in Produktionsrichtung
der lichtleitenden Schicht laufen. Zunächst werden nachfolgend
die Eigenschaften der optischen Fasern besprochen; anschließend
werden die mechanischen Eigenschaften des Haftfadengitters erläutert;
und schließlich wird dargestellt, wie das so entstandene
Lichttextil in eine Vergussmasse eingebracht werden kann.
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Die
erfindungsgemäßen Verfahren und die erfindungsgemäßen
Produkte befassen sich hauptsächlich mit optischen Glasfaserbündel,
mit relativ geringen Filamentzahlen, die auf Spulen gewickelt sind.
Eine Spule trägt beispielsweise optische Glasfaserbündel
mit 70 bis 100 Filamenten. Denkbar sind Filamentzahlen auf einer
Spule von etwa 50 bis mehreren hundert Einzelfasern, was jedoch
immer noch vergleichsweise wenige sind: bei Verstärkungsfasern bilden
beispielsweise 1.400 bis 24.000 Filamente die Faserbündel,
die in ein Verbundmaterial eingelegt werden. Bei einem solchen Verbundmaterial
handelt es sich beispielsweise um faserverstärkten Kunststoff
oder um sogenannten Textilbeton, also Vergussmassen, bei denen die
Verstärkungsfasern jeweils zum Zwecke einer Armierung eingelegt
werden.
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Die
Erfindung bezieht sich auf sogenannte Endlichtfasern, die in der
vorliegenden Anmeldung in Verbindung mit Vergussmassen, wie Beton
oder Kunststein oder Kunststoff, betrachtet werden. Für die
Stirnseiten von lichtleitenden Formteilen, die aus solchen Vergussmassen
hergestellt sind, sind ein- oder mehrlagige Lichtleitschichten-Anordnungen
solcher Endlichtfasern, wie sie in 1 und 2 dargestellt
sind, im Wechsel mit Schichten aus Vergussmasse interessant. Durch
eine Wiederholung solcher Schichten entstehen mehrlagige Lichtleitschichten-Vergussmasse-Anordnungen,
welche die komplette Stirnseitenfläche eines Formteils
mit Lichtpunkten von Endlichtfasern ausstatten können.
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Obwohl
bevorzugt mit (anhaftenden) Faserbündeln (Multifilamenten)
gearbeitet wird, können im Rahmen der Erfindung auch (anhaftende)
Monofilamente zum Einsatz kommen. Die Erfindung benutzt dann relativ
dünne Monofilamente, die einen Durchmesser in der Größenordnung
von kleiner als 0,5 mm aufweisen. Solche Monofilamente sind, genauso
wie Faserbündel, geeignet, auf den verwendeten Haftfadengittern
ausreichend stabil anzuhaften oder angebracht zu werden, d. h. zumindest
solange auf/an dem/den Haftfadengittern zu haften, bis die lichtleitende
Schicht zum Vergießen in eine Gussform eingebracht ist.
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Bei
der Verwendung von anhaftenden Monofilamenten entstehen prinzipiell
Gassen zwischen den optischen Fasern einer Schicht, während
bei der Verwendung von anhaftenden Faserbündeln solche Gassen
unter Umständen vermieden werden können (s. unten).
Als Abstand von Monofilament zu Monofilament sind beispielsweise
1 bis 10 mm gebräuchlich, weil eine völlig gassenfreie,
dichte Anordnung von Monofilamenten für das Endprodukt
nicht wirtschaftlich wäre und die Festigkeit des Formteils
stark negativ beeinflussen würde.
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Ebenso
wie Monofilamente werden auch die optischen Faserbündel
zunächst in solchen Abständen auf das Haftfadengitter
aufgebracht, d. h. die 1 und die 2 gelten
diesbezüglich für Faserbündel ebenso
wie für die Monofilamente. Es liegt daher in jedem Fall
eine anfängliche Gassenbildung vor. Gewisse Unterschiede
ergeben sich erst aus der weiteren Verarbeitung (s. unten).
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Es
ist bekannt, Fadengitter der erwähnten Art mit Klebstoff
auszurüsten. Solche Haftfadengitter werden im Stand der
Technik im Rahmen von Verstärkungstextilien verwendet.
Nicht-lichtleitende, verstärkende UD-Textilien sind seit
einigen Jahren aus dem Bereich der Faserverbundkunststoffe bekannt. Die
anhaftenden Fasern dienen dabei ausschließlich der Kraftaufnahme.
Textile Halbzeuge mit unidirektionalen Fasern werden nach ihrer
Herstellung oft auch mit einer Kunststoffmatrix beschichtet, bevor
sie zum jeweiligen Faserverbundkunststoff verarbeitet werden (vgl.
DE 32 17 517 A1 ,
EP 0 768 167 A2 ,
DE 199 10 201 A1 ,
DE 10 2004 060 001
A1 ,
DE 102
05 206 A1 ,
DE
197 07 125 A1 ). Diesen Verstärkungstextilien ist
gemeinsam, dass keine Lichtleitung stattfindet, ja, dass die Fasern
nicht einmal zur Oberflächengestaltung des Faserverbundwerkstoffs
beitragen. Außerdem wird bei der Verwendung in Verstärkungstextilien
kein definierter Faserabstand angestrebt, sondern eine möglichst
flächige Ausdehnung der Verstärkungsfasern in
der hauptsächlichen Schichtfläche des Formteils.
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Bei
der Erfindung handelt es sich hingegen um spezielle UD-Textilien,
bei denen auf dem Haftfadengitter optische Fasern beispielsweise
aufgeklebt sind. Ein solches UD-Lichttextil kann später
in eine Vergussmasse eingebracht werden. Bei der Vergussmasse kann
es sich um Beton oder Kunststein handeln, so dass mittels des UD-Lichttextils
Lichtbeton entsteht, oder es kann sich um Kunststoff handeln, so dass
mittels des UD-Lichttextils ein lichtleitender Kunststoffblock entsteht.
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Die
erfindungsgemäße Verwendung des Haftfadengitters
führt im Vergleich zu üblichen Gelegen, Geweben
und Gewirken dazu, dass die optischen Fasern bei den üblichen
Lichttextilien durch mechanische Verschlingungen gehalten werden, während
die optischen Fasern bei der vorliegenden Erfindung an dem Fadengitter
beispielsweise nur haften oder kleben. Ein wesentlicher Vorteil
der Erfindung ist dabei, dass das Flächengewicht des Haftfadengitters
sehr gering ist. Es beträgt nur 1% bis 10% im Vergleich
zum Flächengewicht des Anteils der optischen Fasern bzw.
im Vergleich zum Flächengewicht des Lichttextils insgesamt.
Der Großteil des Flächengewichts, steht daher
für die optischen Fasern und nicht für das letztlich
störende Gerüst (Trägertextil, Haftfadengitter)
zur Verfügung. Es wird nochmals darauf hingewiesen, dass
die in Vergussmasse eingebrachten optischen unidirektionalen Fasern
hier keine Verstärkungswirkung, sondern nur eine optische
Wirkung entfalten.
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In
absoluten Zahlen beträgt ein typisches Flächengewicht
des Haftfadengitters etwa 2 bis 10 g/qm. Die „tragenden/verbindenden
Faseranteile” des Lichttextils sind bei Verwendung eines
Haftfadengitters somit wesentlich geringer als bei einer entsprechenden
Verwendung von Geweben oder Gewirken. Im fertigen Verbundmaterial
ist entsprechend die störende Wirkung des Faseranteils,
der ja nur im Zwischenprodukt einen tragenden Effekt oder eine Stützwirkung
für die optischen Fasern haben soll, der aber im fertigen
Produkt stört, geringer. Die Störwirkung des Fadengerüsts
im fertig gestellten Formteil ist sowohl technischer als auch wirtschaftlicher
Natur.
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Technisch
kann das optische Erscheinungsbild einer angeschliffenen Betonoberfläche
durch ein Gewebe oder Gewirke gestört werden; technisch kann
die Zugfestigkeit bzw. Biegebeanspruchbarkeit z. B. eines Faserverbundkunststoffs
abnehmen. Wirtschaftlich gesehen ist das Endprodukt umso teurer,
je größer der Gewichtsanteil des Fasermaterials
und je höher die Herstellkosten bzw. je länger
die Produktionszeit ist. Optisch wirksame UD-Textilien, wie beispielsweise
Haftfadengitter mit optischen Fasern, können um ein vielfaches
schneller hergestellt werden, wie Gewebe oder Gewirke mit optischen
Fasern. Zudem sind spröde optische Glasfasern mit dem aus
Stand der Technik bekannten Verfahren nicht verarbeitbar, sondern
hier können nur polymere Lichtleitfaser Anwendung finden.
Auch die maximale Lichtleitlänge von Haftfadengitterbahnen
mit daran angebrachten Lichtleitern ist nicht, wie bei Geweben und
Gewirken mit Lichtleitern, durch die Breite der zur Herstellung
der Web- oder Wirkbahnen einsetzbaren Maschinen beschränkt.
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Anhand
des Unterschieds zwischen den 1 und 2 wird
dargelegt, wie die Gassenbildung zwischen den optischen Fasern gesteuert
werden kann. Wenn die Faserbündel durch nur eine Lage eines
Haftfadengitters fixiert sind (1), dann können
sich die anfänglichen Gassen schon beim Aufwickeln des „fixierten” Faserbündels
auf die Spule verlieren und später beim Abwickeln von der
Spule und/oder zuletzt beim Einlegen in den Beton weiter auflösen.
Denn die optischen Fasern haften nur zu einem gewissen Prozentsatz
am Fadengitter. Sie „zerfließen” gewissermaßen
im Laufe des gesamten Herstellungsprozesses des lichtdurchlässigen
Formteils. Dies macht sich die Erfindung zunutze. Wenn also im fertigen
Formteil keine Gassen mehr erwünscht sind, so wählt
man Faserbündel anstatt Monofilamente und legt nur eine
Lage des Haftfadengitters zu (1).
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Wenn
die Faserbündel jedoch anhaftend an zwei Lagen von Haftfadengittern
angebracht und „eingeschnürt” sind (2),
dann bleibt es auch in der weiteren Verarbeitung bei dieser „Einschnürung” und
bei der vorgegebenen Gassenbildung. Die dazu benutzten Haftfadengitter
lösen sich in diesem Fall nicht auf (Ausnahme siehe weiter
unten). Wenn man also Gassen im Sinne von getrennten Faserenden
im fertigen Textil und in der fertigen Formteiloberfläche haben
will, dann legt man anfänglich eine obere und untere Lage
von Haftfadengittern bei, wie 2 zeigt.
Die Breite der Gassen, also der Abstand der Faserbündel
oder Monofilamente voneinander, kann nach technischen, gestalterischen
und/oder wirtschaftlichen Gesichtspunkten variieren.
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Der
soeben anhand von Faserbündeln dargestellte Unterschied
zwischen den 1 und 2 gilt in
gewisser Weise auch für Monofilamente. Der einschnürende
Querschnitt von 2 gilt – aufgrund der
Fixierung – für Monofilamente und Multifilamente gleichermaßen
und für alle Verfahrensschritte. Der Querschnitt von 1 gilt
für Multifilamente – wie oben bereits erläutert – nur
anfänglich und nicht mehr im fertigen, weitgehend gassenfreien
Lichttextil im Formteil. Für Monofilamente bleibt der nicht
eingeschnürte Querschnitt gemäß 1 auch
bei der Verwendung von nur einer Lage eines Haftgitters bei der weiteren
Verarbeitung im Wesentlichen erhalten, wobei beim abschließenden
Einbetten in die Vergussmasse eine gewisse Unregelmäßigkeit
der ursprünglichen Gassenbildung eintreten kann. Die Querschnitte
der Monofilamente selbst „zerfließen” jedoch nicht
wie bei einem Faserbündel (vgl. 1)
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Die
lichtabgebenden Faserenden sind also bei der Erfindung grundsätzlich
homogen verteilt, in dem Sinne, dass sie im Anschliff der Stirnseite
des lichtdurchlässigen Formteils annähernd parallele
Linien von Lichtpünktchen bilden. Die genannte Gassenbildung
innerhalb einer „Schichtlinie” auf der Stirnseite
des Formelements ist – wie dargestellt – optional
und kann durch das verwendete Fadengitter gesteuert werden (ein
oder zwei Haftfadengitter, Gitterabstand des Haftfadengitters).
Hierfür können auch gestalterische Gründe
maßgebend sein. Die Abstände in der anderen Dimension
des stirnseitig angeschliffenen Formteils, also im einfachsten Fall der
Abstand von parallel neben- oder übereinander liegenden
Lichtschichten, ist durch den späteren Verfahrensschritt
steuerbar, bei dem die Lichttextilien schichtweise in die Vergussmasse
eingelegt werden. Auch an dieser Stelle können gestalterische
Gesichtspunkte einfließen. Im Rahmen der Erfindung ist also
weder eine (aus Gründen optimaler Lichtdurchlässigkeit)
gewollte homogene Lichtverteilung ein Problem, noch eine (aus gestalterischen
Gründen) gewollte inhomogene Verteilung der Lichtenden.
Beides ist realisierbar.
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In
dem neuen Lichttextil können Klebstoffe zum Anhaften der
optischen Fasern auf dem UD-Textil verwendet werden, die wasserunlöslich
sind und die sich deshalb bei der späteren Verarbeitung
im wässrigen Beton nicht auflösen. Ein nicht aufgelöster Klebstoff
lässt sich relativ einfach im fertigen Bauteil nachweisen.
Das Haftfadengitter bleibt bei den gegenwärtig verwendeten
Materialien ebenfalls im Beton erhalten, obwohl sein Anteil an nicht
optischen Fasern wesentlich geringer ist, als bei Lichttextilien bekannt
aus dem Stand der Technik.
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Es
können aber auch Kleber verwendet werden, wie bspw. Polyvinylalkohol,
die wasserlöslich sind und sich im wässrigen Beton
auflösen. Falls ein Auflösen stattfindet, so ist
ein sol cher Klebstoff nur noch erschwert, etwa durch eine Veränderung
der Kristallisationsprodukte im Rasterelektronenmikroskop, nachweisbar.
Das Haftfadengitter bleibt bei dieser Ausführungsform ebenfalls,
zumindest teilweise, bestehen.
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Es
liegt darüber hinaus im Rahmen der Erfindung, einen Teil
des oder das gesamte Haftfadengitter durch Klebstoff zu ersetzen,
d. h. das Haftfadengitter als solches aus Klebstoff aufzubauen,
so dass tendenziell gar keine störenden Fasern mehr im
Beton vorhanden sind. Für diese Ausführungsform
ist es besonders vorteilhaft, wenn sich der Klebstoff nach Art von
Polyvinylalkohol im wässrigen Beton auflöst. Gewisse
Sorten von PVA verbessern sogar die Zementhydratation, so dass ein
duktilerer Beton entsteht. Solche duktilen Betonschichten im Bereich
der optischen Lichtfaser-Lagen würden deren Schwächungseffekt
an diesen Stellen entgegenwirken. Der so verwendete Klebstoff kann
auf die optischen Fasern aufgerieselt oder aufgeschmolzen oder als
flüssiger Kunststoff in einem Beschichtungsverfahren aufgebracht
werden, oder er kann als wasserlösliche Folie aufgebracht
werden.
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Eine
Auflösung des Haftfadengitters kann auch durch die Verwendung
von wasserlöslichen Fasern beispielsweise aus PVA erreicht
werden, sodass auch hier nach dem Einbetten des Lichttextils in
Beton keine störenden nicht-lichtleitenden Fasern vorhanden
sind. Eine Verwendung solcher wasserlöslicher Fasern zum
Aufnehmen der optischen Fasern auf dem Haftfadengitter erleichtert
das Aufschwimmen und damit die Verteilung der einzelnen Fasern im
Querschnitt des Lichtbetons.
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Abschließend
wird die Auswirkung auf die Festigkeit des Formteils betrachtet,
wenn ein Lichttextil gemäß der vorliegenden Erfindung
in eine Vergussmasse eingebracht wird:
- 1. Bezüglich
einer Druckbelastung auf den Betonstein senkrecht zur Orientierung
der Fasern entsteht bei der Erfindung keine Schwächung
des Betonsteins, weil der Fasergehalt insgesamt sehr gering ist.
Dies ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber Lichtbeton,
der die bisher verwendeten Lichttextilien mit hohem Faseranteil
aufweist.
- 2. Da die optischen Fasern nicht als Verstärkungsfasern
eingesetzt werden, führen sie bei jedem Lichtbeton zu einer
grundsätzlich verminderten Festigkeit gegenüber
einer Biegebeanspruchung, nach Maßgabe des Anteils der
eingebrachten Fasern. Im Bereich der schichtweisen Lichttextilien
vermindert sich die Zugfestigkeit bzw. Biegebanspruchbarkeit der
Vergussmasse.
- 3. Auch die Haftfadengitter, die wie Trennlagen in den Beton
eingebracht werden, vermindern prinzipiell die Biegetragfähigkeit
des Betonformteils. Allerdings ist diese Schwächung bei
der vorliegenden Erfindung wesentlich geringer als bei vergleichbaren
Lichtbeton-Formteilen aus dem Stand der Technik, da der Träger-Faseranteil
erfindungsgemäß geringer ist. Der Klebstoffanteil kann
sogar zu einer Verbesserung der Biegebeanspruchbarkeit durch Beeinflussung
der Zementhydratation führen.
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- 1
- Haftfadengitter
- 2
- Optische
Fasern
- 3
- Lichtleitende
Schicht
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 202007000753
U1 [0002, 0005]
- - JP 2006224346 A [0003]
- - DE 3217517 A1 [0018]
- - EP 0768167 A2 [0018]
- - DE 19910201 A1 [0018]
- - DE 102004060001 A1 [0018]
- - DE 10205206 A1 [0018]
- - DE 19707125 A1 [0018]