DE112013006042T5

DE112013006042T5 - Ultrahochfester Stahlfaserbeton

Info

Publication number: DE112013006042T5
Application number: DE112013006042.6T
Authority: DE
Inventors: Jan Vodička; Alena Kohoutková; Iva Broukalová; Josef Fládr
Original assignee: Czech Technical University In Prague
Current assignee: Czech Technical University In Prague
Priority date: 2012-12-17
Filing date: 2013-12-05
Publication date: 2015-11-19
Also published as: SK288599B6; SK500102015A3; CZ304478B6; WO2014094692A1; WO2014094692A4; CZ2012903A3

Abstract

Ultrahochfester Stahlfaserbeton mit einer Zementmatrix, bestehend aus Silikatzement, Basaltstein, zwei Arten von Metallfasern sowie aus Zusatzmitteln und Zusatzstoffen, wobei sich die Volumenmenge der Zusatzmittel sich aus der Untersuchung der Hohlräumigkeit der Basaltmischung und der Metallfasern, und die Zusatzstoffe in einer Menge vorhanden sind, die erforderlich ist, um das Verarbeiten für eine bestimmte Anwendung zu erreichen. Die Zementmatrix weist 600–1000 kg/m3 Silikatzement auf, der Basaltstein besteht aus drei Fraktionen, nämlich 0–4, 4–8 und 8–16, deren Gesamtmasse 1500–2000 g/m3 beträgt. Das Verhältnis dieser Fraktionen zueinander wird auf der Basis der granulometrischen sowie der mineralogischen Zusammensetzung des konkreten Basaltstein bestimmt. Der Wasser-Koeffizient liegt im Bereich von 0,16–0,25. Die Metallfasern sind aus zwei Arten von Fasern gebildet und gleichmäßig in einem Volumen von gehärteter Stahlfaser zerstreut. Die erste Art der metallischen Fasern weist einen rechteckigen Querschnitt mit einer Breite von 0,2–0,5 mm, einer Höhe von 1,5–2,0 mm, einer Länge von 25–35 mm sowie einer Zugfestigkeit von 350–450 MPa auf. Die zweite Art der metallischen Fasern weist einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser von 0,08–0,12 mm, einer Länge von 8–15 mm und einer Zugfestigkeit von mehr als 2000 MPa auf. Das Gesamtgewicht der beiden Typen der Metallfasern beträgt 100–280 kg/m3.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine neue ultrahochfeste Stahlfaserbetonstruktur und fällt in das Gebiet der Verbundwerkstoffe mit einer Zementmatrix, bei denen ultrahohe, charakteristische Druckfestigkeiten von mehr als 120 MPa erzielt werden.
Entwicklung der Stahlfaserbetonverbundwerkstoffe mit der Zementmatrix führt derzeit zu den Betonarten die als HPC oder UHPC bezeichnet werden. Es handelt sich also um die hochwertigen ultra-hochwertigem Betonarten, die sich vor allem durch eine hohe, durchschnittliche Druckfestigkeit auszeichnen, und zwar von einer Druckfestigkeit von etwa 200 MPa. Alles basiert auf der Erzielung der Fülle von Verbundwerkstoffstruktur, die durch die Zementgewichtskraft von 600–1000 kg/m³, mit einem minimalen Wasser-Zement-Verhältnis (0,16 bis 0,25) erreicht wird und weiter durch einen Draht-Typ der Länge von 8-12 mm bei einer Zementgewichtkraft von 100–300 kg/m³. Voraussetzung dafür ist die Verwendung von speziellen Zusatzstoffen und Zusatzmitteln. Die Steinmasse als notwendige Komponente des Verbundwerkstoffs, wird in Fraktionen mit einer maximalen Korngröße von 2–4 mm verwendet. Der Hauptnachteil dieser Lösung ist die erhebliche Setzung der Metalldrähte an die untere Oberfläche des hergestellten Elements. Dieser Effekt tritt auf, weil die Stahlfasern nicht an die größeren Körner von 8 oder 16 mm hängen bleiben können. Dies führt zu erheblicher Inhomogenität des Materials und damit zu einer Verschlechterung der Stahlfaserbetoneigenschaften.
Die obigen Nachteile werden im Wesentlichen durch den ultrahochfesten Stahlfaserbeton mit der Zementmatrix beseitigt. Der Beton beinhaltet den Silikatzement, Basaltstein, Metallfasern, Betonzusatzstoffe und Zusatzmittel.
Die Volumenmenge der Zusatzmittel ergibt sich aus der Untersuchung der Hohlräumigkeit der Basaltmischung und der Metallfasern und die Zusatzmittel werden in einer Menge zugefügt, die zum Erreichen der gewünschten Bearbeitbarkeit, gemäß realen Anwendung, notwendig ist. Der Hauptgegenstand der neuen Lösung liegt darin, dass die Zementmatrix zwischen 600 und 1000 kg/m³ des Silikatzements umfasst. Basaltgestein besteht aus drei Fraktionen, und zwar aus den Fraktionen 0–4, 4–8 und 8–16. Wasser-Verhältnis liegt im Bereich von 0,16 bis 0,25 und im Umfang des ausgehärteten Stahlfaserbetons sind zwei Arten von Metallfasern gleichmäßig zerstreut. Die gesamte Gewichtkraft der Basaltsiebanteile liegt im Bereich von 1500–2000 kg/m³ und das Verhältnis dieser Fraktionen wird auf der Basis der mineralogischen Zusammensetzung und Granulometrie der konkreten Basaltgestein-Quelle bestimmt. Was die Metallfasern betrifft, dann hat der erste Typ der Metallfasern einen rechteckigen Querschnitt mit einer Breite im Bereich von 0,2 bis 0,5 mm, einer Höhe im Bereich von 1,5 bis 2,0 mm, und der Länge im Bereich von 25 bis 35 mm. Die Zugfestigkeit des ersten Typs von Metallfasern beträgt 350 bis 450 MPa. Der zweite Typ der Metallfasern hat einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser im Bereich von 0,08 bis 0,12 mm, die Länge im Bereich von 8–15 mm, und deren Zugfestigkeit ist größer als 2000 MPa. Das Gesamtgewicht der beiden Typen von Metallfasern liegt im Bereich von 100–280 kg/m³. Das Verhältnis der ersten und zweiten Art der metallischen Fasern liegt vorzugsweise im Bereich von 0,5:1,5 bis 1,5:0,5.
Es ist vorteilhaft, wenn die metallischen Fasern aus Abfall gewonnen werden. Die erste Art der metallischen Fasern ist aus Stahlband-Abfällen und die zweite Art der metallischen Fasern aus geschnittenen Kord-Drähten hergestellt, die bei der Aufbereitung von Reifen gewonnen wurden.
Die Masse der Zusatzmittel beträgt 5–15% der Volumenmenge des hergestellten Stahlfaserbetons.
Die neue Lösung besteht daher in der vorgeschlagenen Zusammensetzung für einen Zementverbundwerkstoff, d. h. Stahlfaserbeton unter der Verwendung von zwei verschiedenen Arten von metallischen Fasern. Die neue Lösung nimmt an ihrer Bedeutung wesentlich zu, wenn die metallischen Fasern ausschließlich aus Abfall gewonnen werden.
Durch die Anwendung von zerstreuten Metallfasern zweier verschiedener Arten wird nicht nur die Struktur des Stahlfaserbetons verstärkt, sondern auch eine gleichmäßige Verteilung von groben Körnern der verwendeten Steinmasse gesichert. Die Voraussetzung für die Zusammensetzung eines solchen Stahlfaserbetons ist die Verwendung von Basaltstein, der die üblichen Fraktionen 0–4, 4–8 und 8–16 aufweist. Das Gewichtsverhältnis der Fraktionen hängt von den gewünschten Eigenschaften des gehärteten Stahlfaserbetons ab.
Konkrete Beispiele für die Ausführungsformen der Erfindung
Die vorgeschlagene Zusammensetzung wird je nach den Anforderungen an Druck- oder Zugfestigkeit durchgeführt. Die Gesamtsteinmasse beträgt 1500–2000 kg/m³ in Abhängigkeit von den verwendeten Massen der metallischen Fasern. Das Gesamtgewicht der beiden Typen von Metallfasern beträgt 100–280 kg/m³. Die erste Art der metallischen Fasern weist einen rechteckigen Querschnitt mit einer Breite von 0,2–0,5 mm, einer Höhe von 1,5–2,0 mm, einer Länge von 25–30 mm sowie einer Zugfestigkeit von 350–450 MPa auf und wird aus Stahlband-Abfällen hergestellt. Die zweite Art der metallischen Fasern weist einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser von 0,08–0,12 mm, einer Länge von 8–15 mm und einer Zugfestigkeit von mehr als 2000 MPa auf. Diese zweite Art von Fasern wird vorzugsweise bei der Aufbereitung von Reifen gewonnen. Das Gewichtsverhältnis der angeführten Arten von Metallfasern liegt bei der Dosierung im Bereich von 0,5:1,5–1,5:0,5, in der Regel 1:1, wobei diese Fasern gleichmäßig in dem gehärteten Stahlfaserbeton zerstreut sind. Zement, Zusatzmittel und Zusatzstoffe werden nach herkömmlichen Verfahren dosiert, um eine vollständige Stahlfaserbetonstruktur zu erreichen, die eine ultrahohe Festigkeit aufweist und ein geeignetes Verarbeiten von frischem Stahlfaserbeton durch übliche Hüttenmittel erfordert. Die Zementmatrix weist 600–1000 kg/m³ Silikatzement auf. Der Basaltstein weist drei Fraktionen auf, nämlich 0–4, 4–8 und 8–16, deren Gesamtmasse 1500–2000 kg/m³ beträgt. Das Verhältnis dieser Fraktionen wird derart bestimmt, dass es der ideal ausgewählten Körnungskurve entspricht. Der Wasser-Koeffizient liegt im Bereich von 0,16–0,25.

Ferner sind Beispiele für die Zusammensetzung des Stahlfaserbetons angeführt, einschließlich der gemessenen, durchschnittlichen Druckfestigkeiten und Querzugfestigkeiten. 1. Beispiel für die Zusammensetzungsformel des hochwertigen Stahlfaserbetons

Bezeichnung		C1
Einheit		kg/m³
Zement		650

Steinmasse	0/4	400
	4/8	400
	8/16	800

Fasern	Dramix	140
Fasern	Fibrex	140

Mikrosilika		40
Superplastifikator		30

Ergebnisse für die Druckfestigkeit

Probe	Abmessung (mm)	Gewicht (kg)	Volumengewicht (kg/m³)	Kraft (kN)	Festigkeit (MPa)
C1.1	98,5	2,885	2929	1440	146,2
	100
	100
C1.2	99	2,800	2828	1420	143,4
	100
	100
C1.3	100	2,840	2840	1430	143,0
	100
	100
C1.4	99,5	2,840	2854	1425	143,2
	100
	100
C1.5	99	2,850	2879	1460	147,5
	100
	100
C1.6	100	2,835	2835	1420	142,0
	100
	100
Durchschnitt		2,84	2862,9		144,0

Ergebnisse für die Querzugfestigkeit

Probe	Abmessung (mm)	Gewicht (kg)	Volumengewicht (kg/m³)	Kraft (kN)	Festigkeit (MPa)
C1.1	149,5	9,312	2768	560	15,9
	150
	150
C1.2	149	9,415	2808	560	16,0
	150
	150
C1.3	148	9,365	2812	530	15,2
	150
	150
Durchschnitt		9,36	2796,3		15,7

Die resultierende Druckfestigkeit liegt deutlich über 60 MPa, was die Mindestgrenze für einen ultrahochfesten Stahlfaserbeton ist; somit kann dieser Werkstoff als hochfest bezeichnet werden. Beide Festigkeitswerte überschreiten die übliche Betonfestigkeit um das Sechsfache, wodurch sich die Verwendung bei extrem anspruchsvollen Elementen, wie etwa Säulen von Hochhäusern, Pfeilern und Fahrbahnen im Brückenbau, ergibt. 2. Beispiel für die Zusammensetzungsformel des hochwertigen Stahlfaserbetons

Bezeichnung		P1
Einheit		kg/m³
Zement		800

Steinmasse	0/4	420
	4/8	460
	8/16	960

Fasern	Dramix	140
Fasern	Fibrex	140

Mikrosilika		160
Superplastifikator		30

Ergebnisse für die Druckfestigkeit

Probe	Abmessung (mm)	Gewicht (kg)	Volumengewicht (kg/m³)	Kraft (kN)	Festigkeit (MPa)
P1.1	100	2,774	2774	1680	168,0
	100
	100
P1.2	100,5	2,787	2773	1730	172,1
	100
	100
P1.3	102,5	2,836	2767	1910	186,3
	100
	100
Durchschnitt		2,80	2771,3		175,5

Die resultierende Druckfestigkeit liegt deutlich über 150 MPa, was die Mindestgrenze für einen ultrahochfesten Stahlfaserbeton ist; somit kann dieser Werkstoff als hochfest bezeichnet werden. Dieser Werkstoff ist durch seine Eigenschaften für die Verwendung in extrem druckbelasteten oder sehr schmalen Elementen bestimmt, die in der Gebäudeplanung gewünscht sein können. Gleichzeitig weist dieser Werkstoff durch seine Zusammensetzung eine hohe Resistenz gegen Frostzyklen und Klimabelastungen auf.
Bei der Rezeptur P1 wurde die Zugfestigkeit nicht experimentell geprüft. Im Laufe der gesamten Untersuchung wurde die Annahme bestätigt, dass die Zugfestigkeit 1/10 der Druckfestigkeit entspricht. Dieses Verhältnis erfüllt auch die Beispielrezeptur C1. Für die Mischung P1 wird für die Zugfestigkeit ein Wert in dem Bereich von 19,5–16,0 MPa vorausgesetzt.
Industrielle Nutzung
Der Stahlfaserbeton, der Gegenstand der angeführten Lösung ist, ist durch seine ultrahohen Festigkeiten für seine Verwendung im Betonbau vorbestimmt. Seine Anwendung in realen Konstruktionen führt eindeutig zu einer deutlicheren Subtilität der Konstruktionen im Vergleich zu herkömmlichen Konstruktionen aus Standardbeton sowie hochfestem Beton, als auch zu einer höheren Nutzungsdauer. Die Verwendung von Stahlfaserbeton ist hauptsächlich für Konstruktionen vorgesehen, die unter den gegenwärtigen Bedingungen nicht realisiert werden können, d. h. für statisch extrem schwierige und komplizierte Details von Betonkonstruktionen aus Sicht der Betonversteifung und Spannbewehrung und für Konstruktionen, die extremen Umweltbedingungen ausgesetzt sind.
Zu der industriellen Anwendung von Stahlfaserbeton trägt auch sein Herstellungsverfahren bei, welches mit herkömmlicher Maschinenausstattung von Betonwerken durchgeführt werden kann.
Bedeutend sind auch die aus dem Schwinden und Kriechen entstandenen winzigen Deformationen, die sich bei der Verwendung von Metallfasern aus dem Strukturaufbau ergeben, die die Struktur des hergestellten Stahlfaserbetons verstärken.

Claims

Ultrahochfester Stahlfaserbeton mit einer Zementmatrix, Silikatzement, Basaltstein, zwei Arten von Metallfasern sowie mit Zusatzmitteln und Zusatzstoffen, wobei die Volumenmenge der Zusatzmittel sich aus der Untersuchung der Hohlräumigkeit der Basaltmischung und der Metallfasern ergibt, wobei die Zusatzstoffe in einer Menge vorhanden sind, die erforderlich ist, um das Verarbeiten für eine bestimmte Anwendung zu erreichen, dadurch gekennzeichnet, dass die Zementmatrix 600–1000 kg/m³ Silikatzement aufweist, dass der Basaltstein drei Fraktionen aufweist, nämlich 0–4, 4–8 und 8–16, deren Gesamtmasse 1500–2000 kg/m³ beträgt, dass das Verhältnis dieser Fraktionen zueinander auf der Basis der granulometrischen sowie der mineralogischen Zusammensetzung des konkreten Basaltstein bestimmt wird, dass der Wasser-Koeffizient im Bereich von 0,16–0,25 liegt, dass die Metallfasern aus zwei Arten von Fasern gebildet und gleichmäßig in einem Volumen von gehärteter Stahlfaser zerstreut sind, dass die erste Art der metallischen Fasern einen rechteckigen Querschnitt mit einer Breite von 0,2–0,5 mm, einer Höhe von 1,5–2,0 mm, einer Länge von 25–35 mm sowie einer Zugfestigkeit von 350–450 MPa aufweist, dass die zweite Art von Fasern einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser von 0,08–0,12 mm, einer Länge von 8–15 mm und einer Zugfestigkeit von mehr als 2000 MPa auf. Das Gesamtgewicht der beiden Typen von Metallfasern beträgt 100–280 kg/m³ aufweist.
Stahlfaserbeton nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der ersten und zweiten Art von Metallfasern im Bereich von 0,5:1,5–1,5:0,5 liegt.
Stahlfaserbeton nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Art der metallischen Fasern aus Stahlband-Abfällen und die zweite Art der metallischen Fasern aus geschnittenen Kord-Drähten hergestellt werden, die bei der Aufbereitung von Reifen gewonnen wurden.
Stahlfaserbeton nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierung der Zusatzstoffe zwischen 5 und 15% des Volumens des hergestellten Stahlfaserbetons beträgt.