DE102015113302A1 - Betonbauteil-Bewehrungselement - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Betonbauteil-Bewehrungselement. Erfindungsgemäß wird hierfür ein stabförmiges Profil (1) verwendet, welches eine thermoplastische Kunststoff-Matrix (2) sowie in die Kunststoff-Matrix (2) integrierte, in Stabrichtung (x) verlaufende Verstärkungsfasern (3a, 3b) zur Armierung der Kunststoff-Matrix (2) enthält.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Betonbauteil-Bewehrungselement in Form eines stabförmigen Profils.
  • Bewehrungselemente sind im Bauwesen weit verbreitet. Beton besitzt gegenüber Zugkräften nur eine sehr geringe Widerstandskraft. Es ist im Stand der Technik daher üblich, Beton mit Stahl oder auch textilen Strukturen zur Erhöhung der Zugfestigkeit zu armieren. Sofern Stahl zum Einsatz kommt, spricht man dann von Stahlbeton und beim Einsatz von textilen Materialien von Textilbeton.
  • Metallstäbe zu Bewehrung von Beton haben grundsätzlich den Nachteil, dass sie, beispielsweise aufgrund äußerer Witterungseinflüsse, im Laufe der Zeit korrodieren und damit ihre festigkeitssteigernde Wirkung verlieren können. Darüber hinaus können die magnetischen Eigenschaften von Metallen nachteilig sein. Überdies besitzt Stahl eine hohe Dichte, so dass die Stahlarmierung des Betons aufgrund ihres hohen Gewichtes zu einer zusätzlichen mechanischen Belastung des entsprechend bewehrten Betonbauteils führt.
  • Es ist daher im Stand der Technik bereits versucht worden, den Stahl durch andere Materialien, beispielsweise durch Kunststoff, zu ersetzen. So ist beispielsweise in der DE 100 63 461 A1 der Ansatz beschrieben, Beton durch eine direkte Integration von Verstärkungsfäden aus Glas oder Kunststoff zu armieren. Die hiermit erzielbaren Verbesserungen der mechanischen Belastbarkeit des Betons sind jedoch begrenzt.
  • Aus der DE 103 10 896 A1 ist es bekannt, zur Bewehrung von Beton ein glasfaserverstärktes Kunststoffprofil einzusetzen, bei dem als Kunststoff ein Duroplast eingesetzt wird. Duroplaste haben nun jedoch grundsätzlich den Nachteil, dass die damit hergestellten Bauteile nach deren Herstellung nicht mehr umformbar sind und damit schon unmittelbar bei der Herstellung die finale Form der entsprechenden Armierungselemente festgelegt werden muss. Weitere Nachteile sind die aufgrund des vergleichsweise langsamen Aushärtungsprozesses bei Duroplasten limitierten Fertigungsgeschwindigkeiten sowie das schwierige Recycling von Duroplastmaterialien.
  • Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Betonbauteil-Bewehrungselement anzugeben, welches kostengünstig mit hoher Produktionsgeschwindigkeit herstellbar ist, eine signifikante Verstärkung der mechanischen Kennwerte des damit bewehrten Betons ermöglicht und gleichzeitig eine geringe Korrosionsanfälligkeit besitzt.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Verwendung eines
    stabförmigen Profils enthaltend
    • – eine thermoplastische Kunststoff-Matrix sowie
    • – in die Kunststoff-Matrix integrierte, in Stabrichtung verlaufende Verstärkungsfasern zur Armierung der Kunststoff-Matrix
    als Betonbauteil-Bewehrungselement.
  • Erfindungsgemäß wurde entdeckt, dass auch thermoplastische Materialien grundsätzlich zur Herstellung von entsprechenden Betonbauteil-Bewehrungselementen geeignet sind, sofern sie mit entsprechenden Verstärkungsfasern zur Armierung der Kunststoff-Matrix ausgestattet sind. Der Vorteil der Verwendung eines thermoplastischen Kunststoffes besteht darin, dass dieser mit einer wesentlich höheren Geschwindigkeit verarbeitbar ist als die im Stand der Technik bislang eingesetzten Duroplaste. Hierdurch können die Herstellungskosten erheblich reduziert werden. Gleichzeitig kann auf Basis der erfindungsgemäßen Lehre eine Korrosionssicherheit gewährleistet werden, wie sie mit einer üblichen Stahlarmierung nicht möglich ist. Auch die ausgeprägten magnetischen Eigenschaften von reinen Stahlarmierungen liegen im Rahmen der Erfindung nicht vor. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lehre ist ein gegenüber Stahlarmierungen deutlich geringeres Gewicht der Armierung, welche insbesondere bei großen, freitragenden Bauwerken eine große Bedeutung erlangen kann. Ferner ist von Vorteil, dass die erfindungsgemäße Armierung eine hohe Zugfestigkeit besitzt. Ein ganz entscheidender Vorzug der erfindungsgemäßen Lehre gegenüber duroplastischen Bewehrungselementen ist die Möglichkeit der Umformung des thermoplastischen Werkstoffes auch nach Ende des Herstellungsprozesses. So kann z.B. das erfindungsgemäße Betonbauteil-Bewehrungselement in seiner Form an den jeweiligen Einsatzzweck durch einen Umformvorgang beliebig angepasst werden. Das erfindungsgemäße Betonbauteil-Bewehrungselement wird nach seiner Herstellung und ggf. erfolgter Umformung zweckmäßigerweise in das flüssige Betonmaterial des entsprechenden Betonbauteils eingegossen und durch die Aushärtung des Betonmaterials in das Betonbauteil integriert.
  • Im Rahmen der Erfindung hat es sich insbesondere als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Verstärkungsfasern als Endlosfasern ausgebildet sind. Hierdurch wird insbesondere eine ausgeprägte Verbesserung der Zugfestigkeit des damit hergestellten Betons, in den die erfindungsgemäßen Profile bei der Betonherstellung eingegossen werden, erzielt. Zweckmäßigerweise ist das stabförmige Profil als Extrusions-, Pultrusions- oder Strangpressprofil ausgebildet. Insbesondere im Rahmen eines Extrusionsverfahrens ist eine hohe Fertigungsgeschwindigkeit möglich.
  • Vorzugsweise bestehen die Verstärkungsfasern aus Glas, Kohlenstoff, Aramid und/oder Kunststoff oder sind als Hybridfasern enthaltend eine Kombination mindestens zwei der vorgenannten Materialien ausgebildet, beispielsweise Kunststoff / Glas, Kunststoff / Kohlenstoff oder Kunststoff / Aramid. Vorzugsweise sind die Verstärkungsfasern in Rovings zusammen gefasst, welche zweckmäßigerweise als Hybrid-Rovings mit Verstärkungsfasern aus mindestens zwei unterschiedlichen Materialien ausgebildet sind und beispielsweise neben anorganischen Verstärkungsfasern aus z.B. Glas oder Aramid auch Kunststofffasern enthalten. Im Rahmen der Erfindung liegt jedoch auch die Verwendung von Rovings bestehend aus einer Kombination von Kohlenstofffasern mit Kunststofffasern. Als Roving wird im Rahmen der Erfindung allgemein ein Bündel aus parallel angeordneten Fasern bezeichnet. Sofern Kunststofffasern als Verstärkungsfasern eingesetzt werden, können diese generell ebenfalls thermoplastische Eigenschaften aufweisen, also beispielsweise aus ABS, PA, PMMA, PC, PET, PE, PP, PS, PEEK oder PVC bestehen.
  • Zweckmäßigerweise ist der Querschnitt des Profils kreisförmig ausgebildet. So kann der Durchmesser dieses Querschnittes insbesondere in einem Bereich von 7 bis 22 mm liegen, also z.B. einen im Baubereich üblichen Nenndurchmesser von 8, 12, 16 oder 20 mm aufweisen. Allgemein gesprochen beträgt die Querschnittsfläche des Profils zweckmäßigerweise mindestens 0,3 cm2, z.B. mindestens 1 cm2. Ferner hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Querschnittsfläche des Profils maximal 10 cm2, insbesondere höchstens 5 cm2 beträgt.
  • Zweckmäßigerweise enthält die Kunststoff-Matrix ABS, PA, PMMA, PC, PET, PE, PP, PS, PEEK oder PVC bzw. besteht aus einem der vorgenannten Materialien. Insbesondere der Einsatz von Polyolefinen, also beispielsweise PP, PE etc. liegt im Rahmen der Erfindung.
  • Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung weist das Profil einen Metallkern auf, der von der Kunststoff-Matrix, vorzugsweise vollständig, umschlossen ist. In diesem Fall können die Vorteile einer Stahlbetonarmierung mit derjenigen einer thermoplastisch faserverstärkten Armierung kombiniert werden. So besitzt der Metallkern einen sehr hohen E-Modul, der im Rahmen dieser Ausführungsform mit der sehr hohen Zugefestigkeit der faserverstärkten Kunststoff-Matrix kombiniert wird. Durch das Umschließen des Metallkerns von der Kunststoff-Matrix schützt diese ferner den Metallkern zusätzlich gegen Korrosion und schirmt ggf. diesen auch hinsichtlich seiner magnetischen Eigenschaften nach außen hin ab. Zweckmäßigerweise weist der Metallkern einen kreisförmigen Querschnitt auf. Insbesondere kann es von Vorteil sein, wenn der Metallkern konzentrisch zur umhüllenden, insbesondere kreisringförmigen, Kunststoff-Matrix ausgebildet ist. Der Metallkern besteht zweckmäßigerweise aus Stahl, vorzugsweise Edelstahl. Ferner beträgt die Querschnittsfläche des Metallkerns zweckmäßigerweise 10–40 % der gesamten Querschnittsfläche des stabförmigen Profils.
  • Im Rahmen der Erfindung liegt es ferner, dass die Kunststoff-Matrix mit mindestens einer zusätzlichen Wickel-Armierung helixförmig umwickelt ist. Zweckmäßigerweise enthält diese Wickel-Armierung, vorzugsweise endlose, Armierungsfasern. Diese Armierungsfasern können von einer Kunststoff-Umhüllung umhüllt sein, wobei die Kunststoff-Umhüllung zweckmäßigerweise ebenfalls aus einem thermoplastischen Kunststoff besteht, also beispielsweise aus ABS, PA, PMMA, PC, PET, PE, PP, PS, PEEK oder PVC. Die Kunststoff-Umhüllung dient zum Schutz der Armierungsfasern und gewährleistet eine glatte, homogene Oberfläche der der Wickel-Armierung. Die Armierungsfasern können aus Glas, Kohlenstoff, Aramid und/oder Kunststoff bestehen oder als Hybridfasern enthaltend eine Kombination mindestens zwei der vorgenannten Materialien ausgebildet sein, also z.B. Glas / Kunststoff, Kohlenstoff / Kunststoff, Aramid / Kunststoff oder dergleichen. Insbesondere können die Armierungsfasern in Armierungs-Rovings zusammen gefasst sein, wobei vorzugsweise hybride Armierungs-Rovings mit Armierungsfasern aus mindestens zwei unterschiedlichen Materialien, verwendet werden. Sofern Kunststofffasern als Armierungsfasern eingesetzt werden, können diese generell ebenfalls thermoplastische Eigenschaften aufweisen, also beispielsweise aus ABS, PA, PMMA, PC, PET, PE, PP, PS, PEEK oder PVC bestehen. Zweckmäßigerweise ist die helixförmige Umwicklung in einer von der äußeren Oberfläche der Kunststoff-Matrix gebildeten Nut eingebettet. Diese Nut kann beispielsweise beim Fertigungsprozess unmittelbar durch das Aufwickeln der zusätzlichen Armierung auf die noch nicht ausgehärtete Oberfläche der Kunststoff-Matrix oder aber auch durch einen separaten Verfahrensschritt durch eine Einwalzen der Nut in die noch nicht ausgehärtete Oberfläche der Kunststoff-Matrix erzeugt werden.
  • Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Lehre besteht insbesondere darin, dass das entsprechende stabförmige Profil vor seiner Einbindung in das Betonmaterial umgeformt, insbesondere winkelförmig gebogen, werden kann. Für diesen Umformvorgang muss aufgrund der thermoplastischen Eigenschaften des stabförmigen Profils dieses lediglich bis zum Erreichen des schmelzflüssigen Zustand der Kunststoff-Matrix erwärmt werden, da die Verstärkungsfasern ohnehin flexibel sind. So kann z.B. das fertig hergestellte stabförmige Profil vor seinem Eingießen in Betonmaterial zu einem U-förmigen Bügel umgeformt werden. Es lassen sich also im Rahmen der erfindungsgemäßen Lehre insbesondere nach Herstellung des entsprechenden stabförmigen Profils und vor dessen Einbindung in das Betonmaterial noch Veränderungen an der Geometrie des Profils vornehmen, um dieses an seinen speziellen Einsatzzweck anzupassen.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlich erläutert. Es zeigen schematisch:
  • 1 ein erfindungsgemäßes Betonbauteil-Bewehrungselement in einer Längsansicht;
  • 2 das in 1 dargestellte Bewehrungselement in einer dreidimensionalen Darstellung;
  • 2a einen vergrößerter Ausschnitt aus der 2;
  • 3 einen Querschnitt durch das in den 1 und 2 dargestellte Betonbauteil-Bewehrungselement;
  • 4 eine alternative Ausführungsform der Erfindung in einer der 3 entsprechenden Darstellung;
  • 5a–c weitere Darstellungen des Ausführungsbeispiels gemäß 1–3;
  • 6 ein Herstellungsverfahren zur Fertigung des erfindungsgemäßen Betonbauteil-Bewehrungselementes gemäß 1 bis 3 und
  • 7 das in 1 bis 3 dargestellte Betonbauteil-Bewehrungselement nach seiner Umformung in einen U-förmigen Bügel
  • Die 1 bis 3 zeigen ein erfindungsgemäßes Betonbauteil-Bewehrungselement. Dieses Betonbauteil-Bewehrungselement besteht aus einem stabförmigen Profil 1 enthaltend eine thermoplastische Kunststoff-Matrix 2 sowie in die Kunststoff-Matrix 2 integrierte, in Stabrichtung x ausgerichtete Verstärkungsfasern 3a, 3b zur Armierung der Kunststoff-Matrix 2. In diesem Zusammenhang wird auf den vergrößerten Ausschnitt in der 3 verwiesen. Dieses Betonbauteil-Bewehrungselement 1 kann nach seiner Herstellung in Beton eingegossen werden, um das damit hergestellte Betonbauteil zu bewehren. Im Ausführungsbeispiel sind die Verstärkungsfasern 3a, 3b als Endlosfasern ausgebildet. Das stabförmige Profil 1 wurde im Ausführungsbeispiel im Wege eines Strangformverfahrens hergestellt (s. 6). Als Alternative hierzu kommt insbesondere auch ein Extrusionsverfahren oder ein Pultrusionsverfahren in Betracht. Zur Armierung der Kunststoff-Matrix 2 werden die Verstärkungsfasern 3a, 3b enthaltene Hybridrovings 4 verwendet, welche als Verstärkungsfasern neben Glasfasern 3a auch Kunststofffasern 3b enthalten. Die Kunststofffasern 3b weisen ebenfalls thermoplastische Eigenschaften auf. Wie der 3 zu entnehmen ist, ist der Querschnitt des Profils 1 kreisförmig ausgebildet und besitzt beispielsweise einen Durchmesser D von 8 bis 20 mm. Entsprechend beträgt die Querschnittsfläche des Profils 1 mindestens 0,3 cm2 und höchstens 5 cm2. Die Kunststoff-Matrix 2 besteht im Ausführungsbeispiel aus einem Polyolefin, z.B. Polypropylen (PP) oder Polyamid (PA).
  • Beim Ausführungsbeispiel gemäß 4 weist das Profil 1 zusätzlich einen Metallkern 5 auf, der von der thermoplastischen Kunststoff-Matrix 2 vollständig umschlossen ist. Sowohl der Metallkern 5 als auch das Profil 1 weisen insgesamt einen kreisförmigen Querschnitt auf, wobei der Metallkern 5 konzentrisch zur den Metallkern 5 umschließenden, ringförmigen Kunststoff-Matrix 2 angeordnet ist. Der Metallkern 5 besteht im Ausführungsbeispiel aus Edelstahl. Der Durchmesser d des Metallkerns beträgt im Ausführungsbeispiel die Hälfte des Profildurchmessers D, so dass entprechend die Querschnittsfläche des Metallkerns 25 % der gesamten Querschnittsfläche des stabförmigen Profils beträgt.
  • Wie insbesondere der vergrößerten Seitenansicht des Profils 1 gemäß 5a zu entnehmen ist, ist die Kunststoff-Matrix 2 mit einer zusätzlichen Wickel-Armierung 6 helixförmig umwickelt. Diese Wickel-Armierung 6 weist eine thermoplastische Kunststoff-Umhüllung 7 sowie von der Kunststoff-Umhüllung 7 eingeschlossene endlose Armierungsfasern 8a, 8b auf (s. Querschnitt durch die Wickel-Armierung 6 gemäß 5b). Die Armierungsfasern bestehen im Ausführungsbeispiel ebenfalls aus Glasfasern 8a sowie Kunststofffasern 8b. Die Armierungsfasern 8a, 8b sind in mehreren hybriden Armierungs-Rovings zusammengefasst (nicht näher dargestellt). In der Seitenansicht gemäß 5a ist erkennbar, dass die zusätzliche Wickel-Armierung 6 innerhalb einer von der äußeren Oberfläche der Kunststoff-Matrix 2 gebildeten Nut 9 verläuft. Die 5c zeigt die aufgrund der Nut 9 profilierte äußere Oberfläche der Kunststoff-Matrix 2 ohne Armierung 6. Die Nut 9 weist zwei schräg zur Stabrichtung x ausgerichtete Nutflanken 9a sowie einen parallel zur Stabrichtung x ausgerichteten Nutgrund 9b auf.
  • 6 zeigt ein Verfahren zur Herstellung des in den 1 bis 3 dargestellten erfindungsgemäßen Betonbauteil-Bewehrungselements 1. Es ist zu erkennen, dass in einem ersten Verfahrensschritt von mehreren Rollen 10 einzelne, jeweils Glas- und Kunststofffasern 3a, 3b enthaltende Hybridrovings 4 abgewickelt werden, welche sodann in eine Strangpress-Vorrichtung 11 einlaufen. Vor der Strangpress-Vorrichtung 11 können die Hybridrovings 4 im Bedarfsfall vorgewärmt werden, z.B. mittels eines IR-Strahlers (nicht dargestellt). Die Hybridrovings 4 werden in der Strangpress-Vorrichtung 11 von der thermoplastischen Kunststoff-Matrix 2 ummantelt. In einer daran anschließenden Vorrichtung 12 erfolgt das Profilieren der Oberfläche der Kunststoff-Matrix 2, bei dem die Nut 9 gemäß 5a, 5b erzeugt wird (z.B. durch einen separaten Verfahrensschritt mittels eines Einwalzens der Nut 9 in die noch nicht ausgehärtete Oberfläche der Kunststoff-Matrix 2), sowie das helixförmige Umwickeln dieser Oberfläche im Bereich der Profilierung (z.B. im Bereich des Nutgrundes 9b) mittels der zusätzlichen Wickel-Armierung 6. Rechts in der 6 ist angedeutet, dass sowohl die Variante ohne Metallkern (3) als auch die Variante mit Metallkern (4) mittels des beschriebenen Herstellungsverfahrens erzeugt werden kann, wobei bei letzterem entsprechend auch der Metallkern 5 in die Strangpress-Vorrichtung 11 einläuft.
  • 7 zeigt das Betonbauteil-Bewehrungselement in Form des stabförmigen Profils 1 vor seiner Einbindung in das Betonmaterial. Es ist erkennbar, dass das Profil 1 nach seiner Herstellung gemäß 6 winkelförmig gebogen wurde, so dass es einen U-förmigen Bügel mit drei Schenkeln 13 bildet. Hierdurch wird das Profil 1 vor dem Eingießen in das Betonmaterial an seinen konkreten Einsatzzweck zur Armierung des entsprechenden Betonbauteils angepasst.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10063461 A1 [0004]
    • DE 10310896 A1 [0005]

Claims (15)

  1. Verwendung eines stabförmigen Profils (1) enthaltend – eine thermoplastische Kunststoff-Matrix (2) sowie – in die Kunststoff-Matrix (2) integrierte, in Stabrichtung (x) verlaufende Verstärkungsfasern (3a, 3b) zur Armierung der Kunststoff-Matrix (2) als Betonbauteil-Bewehrungselement.
  2. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern (3a, 3b) als Endlosfasern ausgebildet sind.
  3. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das stabförmige Profil (1) als Extrusions-, Pultrusions-, oder Strangpressprofil ausgebildet ist.
  4. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern (3a, 3b) aus Glas, Kohlenstoff, Aramid und/oder Kunststoff bestehen.
  5. Verwendung nach Anspruch einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass.die Verstärkungsfasern (3a, 3b) in Hybrid-Rovings (4) zusammengefasst sind, die Verstärkungsfasern (3a, 3b) aus mindestens zwei unterschiedlichen Materialien enthalten.
  6. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die, vorzugsweise kreisförmige, Querschnittsfläche des Profils (1) mindestens 0,3 cm2 beträgt.
  7. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoplastische Kunststoff-Matrix (2) ABS, PA, PMMA, PC, PET, PE, PP, PS, PEEK oder PVC enthält.
  8. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil (1) einen Metallkern (5) aufweist, der von der Kunststoff-Matrix (2), vorzugsweise vollständig, umschlossen ist.
  9. Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallkern (5) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
  10. Verwendung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallkern (5) aus Stahl, vorzugsweise Edelstahl, besteht.
  11. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoff-Matrix (2) mit mindestens einer zusätzlichen Wickel-Armierung (6) helixförmig umwickelt ist.
  12. Verwendung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wickel-Armierung (6), vorzugsweise endlose, Armierungsfasern (8a, 8b) enthält.
  13. Verwendung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Armierungsfasern (8a, 8b) aus Glas, Kohlenstoff, Aramid und/oder Kunststoff bestehen.
  14. Verwendung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Wickel-Armierung (6) innerhalb einer von der äußeren Oberfläche der Kunststoffmatrix (2) gebildeten Nut (9) verläuft.
  15. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das stabförmige Profil (1) vor seiner Einbindung in das Betonmaterial umgeformt, insbesondere winkelförmig gebogen, wird.
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