DE10209873A1

DE10209873A1 - Werkstoff

Info

Publication number: DE10209873A1
Application number: DE2002109873
Authority: DE
Inventors: Thomas Marks
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-03-06
Filing date: 2002-03-06
Publication date: 2003-09-25

Abstract

Werkstoffe zur Übertragung von Druck- und Scherkräften im Mauerwerks- oder Stahlbetonbau sind als Fugen-, Verpress- oder Kunststoffmörtel bekannt. Sie werden in weichem Zustand eingebaut und verfestigen sich irreversibel durch zeitabhängige chemische oder physikalische Prozesse. DOLLAR A Bei Befestigungen im Stahlbetonbau wird Metall oder Kunststoff in Form von Dübeln oder Spreizhülsen als Werkstoff verwendet. Die Verbundwirkung wird durch mechanisch erzwungene Anformung erzielt. DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, einen dauerverformbaren Werkstoff in Form einer Mischung aus festem körnigen mit kompressiblem bindigen Material herzustellen und die Verfestigung durch Kompression des Werkstoffs zu erzeugen. DOLLAR A Der Werkstoff kann z. B. aus Sand und Wachs oder Bitumen hergestellt werden. Daraus lassen sich Formteile für zahlreiche Anwendungen konstruieren. Es ist kostengünstig herstellbar, sofort belastbar, hochtragfähig, wiederverwendbar, weitgehend korrosionsbeständig, feuerfest, umweltfreundlich und undurchlässig für Gas oder Flüssigkeiten ausgestaltbar.

Description

Werkstoffe zur Übertragung von Druck- und Scherkräften im Stahlbeton- und Mauerwerksbau sind als Fugen-, Verpress- oder Kunststoffmörtel bekannt. Der Mörtel wird in weichem Zustand eingebaut und verfestigt sich überwiegend durch zeitabhängige chemische oder physikalische Prozesse. Die Verbundwirkung resultiert aus Reibungsverbund, Haften oder Kleben.

Der Verfestigungsvorgang ist nicht reversibel. Öffnen einer vermörtelten Fuge führt zu Rissen und damit zu Verlusten bei Verbundwirkung und Wasserdichtigkeit. Abwechselndes Öffnen und Schließen der Fuge führt auf Dauer zum Totalverlust von Verbundwirkung und Wasserdichtigkeit.

Bei Befestigungen im Stahlbetonbau wird Metall oder Kunststoff in Formgestalt von Dübeln oder Spreizhülsen als Werkstoff zur Übertragung von Druck- und Scherkräften verwendet. Der Werkstoff wird mechanisch gegen eine Lochwandung aus Beton gepresst. Bei hohem örtlichen Spreizdruck kann die Betonoberfläche durch lokales Plastizieren des Betons beschädigt werden. Die Verbundwirkung beruht auf Reibungsverbund zwischen dem Werkstoff und der Betonwandung. Wegen des unvollständigen oder nur kleinflächigen Reibungsverbundes zwischen Metall und Beton oder der meist geringeren Scherfestigkeit des Kunststoffmaterials gegenüber der des Betons kann die Scherfestigkeit von unbeschädigtem Beton nicht ausgenutzt werden.

Bei der Befestigung von Maschinen auf Fundamentsockeln werden die Möglichkeiten eines Reibungsverbundes wenig genutzt. Statt dessen werden über eine Verschraubung oft hohe Dübel- und Vorspannkräfte in den Verbindungsmitteln erzeugt.

Befestigungen an Rohren erfolgen zu einem hohen Anteil über Rohrschellen. Zur Mobilisierung von hohen Reibungswiderständen in einer Stahl-auf-Stahl-Fuge müssen große Ringzug- und Radialkräfte aufgebracht werden.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen leistungsfähigen, preisgünstigen und wasserdichten Werkstoff durch dauerhaft verformbare Mischung von festem körnigen mit kompressiblem bindigen Material herzustellen und die zur Kraftübertragung erforderliche Verfestigung durch Kompression des Werkstoffs oder seines festen körnigen Materialanteils zu erzeugen.

Ein erfindungsgemäßer Werkstoff kann preisgünstig als Mischung aus Sand und Wachs oder Bitumen hergestellt werden.

Gemäß Stand der Technik in der Geotechnik verfestigt sich Sand unter Kompression, d. h. die Festigkeit eines Sandhaufwerks nimmt mit abnehmender Porenzahl zu. Komprimierter Sand erreicht eine hohe Scherfestigkeit, wenn eine Auflockerung durch Behinderung der Dilatation vermieden wird. Diese Bedingung ist bei erfindungsgemäßer Anwendung erfüllt.

Ein Bindemittel, z. B. Bitumen oder Silikonkautschuk, verbindet das lose Haufwerk zu einem formbaren Werkstück. Diese Werkstücke können, auch in Verbindung mit weiteren Trägermaterialien, zu baupraktisch anwendbaren Formteilen ausgestaltet sein.

Der Zusammenhalt solcher Formteile über das Bindemittel ist nach Montage und Kompression des Werkstoffs statisch nicht mehr erforderlich. Es ist sogar vorteilhaft, wenn die einzelnen Sandkörner sich begrenzt gegeneinander verschieben und rotieren können und infolge der Kompression eine möglichst dichte Lagerung einnehmen. Eine geringfügige Verschieblichkeit der Körner gegeneinander ist sogar erforderlich, um das Dilatationsbestreben des Werkstoffs unter Scherbeanspruchung zu wecken. Der bei behinderter Dilatation entstehende Expansionsdruck vergrößert die Verbundwirkung des erfindungsgemäßen Werkstoffs.

Eine Steigerung der Verbundleistung ist in Abhängigkeit von den Elastizitäts- oder Steifemodulen der die Dilatation behindernden Werkstoffe theoretisch bis zum Kornbruch des Sandmaterials möglich. Bei vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Werkstoffs, z. B. mit Quarzsand, wird die Bruchfestigkeit einer Betonoberfläche für die erzielbare Verbundfestigkeit maßgebend.

Eine Mischung aus Split oder Kies als körniges festes Material und Bitumen als Bindemittel ist als Asphalt bekannt. Die Verfestigung resultiert aus Verdichten des Haufwerks und Abkühlen des heißen thermoplastischen Bindemittels. Das Bindemittel hat die Aufgabe, das körnige feste Material zu jedem Zeitpunkt zugfest zu verbinden.

Im Gegensatz dazu erfolgt die Verfestigung des erfindungsgemäßen Werkstoffs ausschließlich durch Kompression des Haufwerks unter Umgebungstemperatur. Es ist vorteilhaft, wenn das körnige feste Material möglichst beweglich in der Bindemittelmatrix eingebunden ist. Im verdichteten Arbeitszustand des erfindungsgemäßen Werkstoffs hat das Bindemittel keine Tragfunktion.

Zur Erzielung der gewünschten Festigkeits- und Dichtigkeitseigenschaften des erfindungsgemäßen Werkstoffs ist es vorteilhaft, das Mischungsverhältnis von Kornmaterial und Bindemittel auf den Anwendungsfall abzustimmen. Für hochfesten erfindungsgemäßen Werkstoff ist möglichst wenig Bindemittel einzusetzen. Der verbleibende Porenraum ist dann mit leicht komprimierbarer oder entweichfähiger Luft oder auspreßbarem Porenwasser gefüllt. Dies erleichtert die Kompression des Werkstoffs. Für wasserdichten erfindungsgemäßen Werkstoff ist das Bindemittelvolumen vorteilhaft so gewählt, das bei Arbeitsfestigkeit des Werkstoffs der verbleibende Porenraum zwischen den Körnern mit Wasser undurchlässigem Bindemittel ausgefüllt ist. Es ist denkbar, eine Kompressionsmethode zu wählen, bei der ausschließlich das feste körnige Material komprimiert und überschüssiges bindiges Material oder Porenwasser ausgefiltert wird.

Die zur Verfestigung erforderliche Kompression des erfindungsgemäßen Werkstoffs erfolgt je nach Anwendungsfall unterschiedlich.

Der erfindungsgemäße Werkstoff kann zum wasserdichten Verbinden von Stahlbetontübbings im Tunnelbau eingesetzt werden. Die Problematik insbesondere bei den Tunnellängsfugen im Tübbingverbau besteht darin, dass die Kontaktpressung von Betonoberflächen nicht wasserdicht ist, und die zur Erzielung von Wasserdichtigkeit angeordneten Profilgummis keine Kräfte übertragen können. Mit der Anordnung von Fugenmaterial, dass sowohl wasserdicht ist, als auch Kräfte übertragen kann, werden wirtschaftlichere Tübbingabmessungen ermöglicht. Zudem wird die Umläufigkeit von Sickerwasser um die Profilgummis durch Poren und Mikrorisse des Konstruktionsbetons häufig unterschätzt. Eine Verlängerung des Sickerwegs durch eine infolge Anordnung des erfindungsgemäßen Werkstoffs insgesamt wasserdichtere Fuge vermindert den Wasserandrang ins Tunnelinnere.

Der Werkstoff kann in Form von Platten auf die Tübbingoberflächen aufgeklebt werden. Die Kompression erfolgt automatisch z. B. durch wirksame Ringdruckkräfte zwischen den Tübbings oder kann manuell durch eine Verschraubung der Tübbings erzeugt werden. Das reversible Verfestigungs-/Dehnungsverhalten des erfindungsgemäßen Werkstoffs erlaubt Verformungstoleranzen ohne Tragfähigkeits- oder Dichtigkeitsverlust.

Eine Anordnung des erfindungsgemäßen Werkstoffs in Form von Lagerplatten zwischen vorteilhaft profilierten Auflagerflächen von Maschinen und ihrem Fundamentsockel kann sich durch Reduktion der Vorspann- und Dübelkräfte wirtschaftlich vorteilhaft auf die Befestigung der Maschine auswirken.

Der erfindungsgemäße Werkstoff kann zur Herstellung von dauerhaften oder temporären Abdichtungskonstruktionen verwendet werden. Denkbar ist die Konstruktion von Klemmkonen, die sich in einem Bohrloch oder Hohlzylinder durch Flüssigkeits- oder Gasdruck selbsttätig festsetzen oder manuell festgesetzt werden. Bei Umhüllung des Werkstoffs mit einer elastischen, nicht adhäsiven Membran kann die Abdichtkonstruktion wegen des reversiblen Verfestigungsverhaltens des erfindungsgemäßen Werkstoffs wiederverwendet werden.

Nach dem gleichen Wirkprinzip ist die Konstruktion von Rohrschellen denkbar, um große Reibungskräfte auf Rohre in Längs- oder Tangentialrichtung aufbringen zu können. Der erfindungsgemäße Werkstoff kann in Form von Reibplatten zwischen einer dazu vorteilhaft profilierten Schelle und Rohr angeordnet werden. Bei erzielter gleicher Reibungsqualität können die Vorspannkräfte reduziert werden.

Der erfindungsgemäße Werkstoff kann als Ersatz für Spreizhülsen bei handelsüblichen Befestigungen im Mauerwerks- und Stahlbetonbau eingesetzt werden. Das Komprimieren des Werkstoffs erfolgt mit analogen Mechanismen wie zum Festsetzen handelsüblicher Schwerlastbefestigungen.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Werkstoffs ist der perfekte Verbund mit der Betonoberfläche, da sich das körnige Haufwerk des Werkstoffs formgenau an die Rauhigkeit der Betonoberfläche anpassen kann. Im Ergebnis wird bei gleicher aufgebrachter "Spreizarbeit" ein großflächigerer, gleichmäßigerer und damit leistungsstärkerer Verbund mit einer unbeschädigten Betonoberfläche bewirkt.

Nach Einbau und Kompression des Werkstoffs verliert das Bindemittel seine Funktion. Die Verbundfestigkeit wird ausschließlich über den Sand geleistet. Sand ist naturgemäß korrosions- und feuerfest. Der erfindungsgemäße Werkstoff beeinträchtigt deshalb nicht die Gebrauchs- oder Tragsicherheit einer Hochlastbefestigung bezüglich Korrosions- oder Brandschutz.

Das Dilatationsbestreben des erfindungsgemäßen Werkstoffs unter Scherbeanspruchung vergrößert die Verbundfestigkeit proportional zur Last, was mit der Tragwirkung von bekannten Hinterschnittankern vergleichbar ist. Dadurch kann eine dauerhafte Tragsicherheit, vergleichbar mit der eines Hinterschnittankers, unter Verwendung eines zylindrischen Bohrlochs erzielt werden.

Der erfindungsgemäße Werkstoff kann als Ersatz für Verpreß- oder Kunststoffmörtel bei handelsüblichen Verbundankern oder chemischen Befestigungen verwendet werden. Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Werkstoffs gegenüber den bei handelsüblichen Befestigungen verwendeten ist die sofortige Belastbarkeit der Befestigung nach dem Einbau. Ein weiterer Vorteil kann sich bei dynamischen Beanspruchungen der Verbindung bezüglich Tragsicherheit aus dem reversiblen Verfestigungsverhalten des erfindungsgemäßen Werkstoffs ergeben.

Als einfachste Konstruktion eines erfindungsgemäßen Dübels kann z. B. ein mit dem erfindungsgemäßen Werkstoff gefüllter Trinkhalm hergestellt werden. Zur Herstellung eines solchen Dübels kann ein Trink- oder Strohhalm in ein geschmolzenes Sand- Wachsgemisch getaucht werden. Der Halm lässt sich aus in der Geotechnik bekannten Gründen bis zu einer Länge des 6- bis 7-fachen Innendurchmessers stopfen. In ein passendes Bohrloch eingebracht, lassen sich handelsübliche Schrauben eindrehen und Nägel einschlagen. Je passender die Volumina von Bohrloch, Werkstoff und Befestigungsmittel aufeinander abgestimmt sind, desto größer sind die übertragbaren Dübel- und Zugkräfte. Zudem können bohrbedingte Lagetoleranzen zwischen Bohrloch und Werkstückposition ausgeglichen werden.

Zur industriellen Herstellung von erfindungsgemäßen "Öko"-Dübeln ist die Ummantelung eines Naturfaserkerns aus Hanf, Kokos, o. ä. mit dem erfindungsgemäßen Werkstoff oder eine ähnliche Faserverbundkonstruktion denkbar. Bei einem Vertrieb als "Meterware" ist das bedarfsgerechte Ablängen und Anwenden und damit ein sehr wirtschaftlicher Einsatz des erfindungsgemäßen Werkstoffs möglich.

Claims

1. Werkstoff zur Übertragung von Druck- und Scherkräften in der Bautechnik, insbesondere im Stahlbetonbau, bestehend aus einer verfestigten Werkstoffmischung, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstoffmischung aus einem Haufwerk aus festem körnigen Werkstoff und wenigstens einem kompressiblen bindigen Werkstoff besteht und die Verfestigung ausschließlich durch Kompression der Werkstoffmischung oder des Haufwerks erfolgt.

2. Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Haufwerk aus Kunststoff-, Keramik-, Diamant- oder Glassplittern, mineralischem Sand, Quarzsand oder Metallspänen oder Mischungen daraus besteht.

3. Werkstoff nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der kompressible bindige Werkstoff aus Leim, Wachs, Bitumen, Kautschuk, Gummi, Silikonkautschuk, Polymer oder Klebstoff oder aus Mischungen daraus oder in Mischung mit Gas oder Flüssigkeit besteht.

4. Werkstoff nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff in Verbindung mit Trägerwerkstoffen zu Verbundkonstruktionen ausgestaltet ist.

5. Werkstoff nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Trägerwerkstoff aus Kunst- oder Naturfasern besteht.

6. Werkstoff nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff wiederverwendbar ist.

7. Werkstoff nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff zwischen einer profilierten Stahloberfläche und einer Betonoberfläche angeordnet und für Flüssigkeiten undurchlässig ausgebildet ist.

8. Werkstoff nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff zwischen zwei Betonoberflächen angeordnet und für Flüssigkeiten undurchlässig ausgebildet ist.

9. Werkstoff nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff zwischen zwei Werkstoffoberflächen angeordnet und für Gase oder Flüssigkeiten undurchlässig ausgebildet ist.