DE1796069C2

DE1796069C2 - Faserverstärktes Werkstück aus Beton oder Mörtel

Info

Publication number: DE1796069C2
Application number: DE19681796069
Authority: DE
Inventors: Claire Gail Ball; Arthur Constantine Pittsburgh Pa. Grimm; Thomas Chagrin Falls Ohio Melville
Original assignee: Battelle Development Corp
Current assignee: Battelle Development Corp
Priority date: 1967-08-25
Filing date: 1968-08-26
Publication date: 1983-03-17
Also published as: DK136785B; DK136785C; ES357550A1; FR1580586A; IE32298B1; DE1796069A1; IE32298L; GB1243672A; NL6812068A

Description

20

Die Erfindung betrifft ein fasei^verstarktes Werkstück aus Beton oder Mörtel, innerhalb welchem aus Stahl bestehende diskontinuierliche und verstärkende Fasern abgebunden sind.

Es ist bekannt, daß die Verstärkung von vergießbaren Materialien, wie beispielsweise Kunstharz, Gummi, feuerfesten Stoffen, Asphalt, Beton und dergleichen, zwecks Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, wie beispielsweise der Zugfestigkeit und/oder zwecks Erhöhung der V'iderstandsfähigkeit gegenüber Rißausbreitung sehr erwünscht ist. Insbesondere ist es erwünscht. Beton zu verstärken, beispielsweise durch Stäbe und Stangen, die in die Fonrsn gegeben werden, bevor Beton gegossen wird, als auch in der Form von Federn und Fasern verschiedener Materialien, die dem Beton während des Vermischen!., des Gießens oder vor dem Abbinden bzw. Anziehen zugegeben werden. Die letzteren Materialien werden sovirohl als gleichmäßig als *o auch als ungleichmäßig verteilte Verstärkungsmaterialien verwendet.

In der BE-PS 5 59 422 und in den US-PS 26 77 95-j, 30 62 670 und 32 31 341 werden k;urze, runde Fasern aus Stahldraht als Verstärkungsmaterialien vorgeschlagen. Zum Teil wurde vorgeschlagen, die Fasern in einer willkürlichen Ausrichtung und Anordnung zu verwenden, zum Teil in bestimmten Abständen. Die kritischen Abstände können jedoch nicht genau gemessen und nur durch theoretische Berechnungen bestimmt werden, indem die relativen Mengen der verstärkenden Fasern und das Matrixvolumen in Betracht gezogen werden. Es konnte festgestellt werden, daß durch Verstärkung mit runden Fasern eine bemerkenswerte Erhöhung der Zugfestigkeit und der Widerstandsfähigkeit gegenüber Rißausbreitung einer beispielsweise aus Beton bestehenden Matrix erreicht werden kann.

Bekannt sind ferner verstärkte Verbundgußstücke (GB-PS 2 40 561), bei welchen aus Stahl bestehende diskontinuierliche Einlagen in Form von Profilen verwendet werden. Derartige Profile vermögen /war das (icsamtgefügc zu verstärken, derart, daß das (icfügc nach Abbindung als eine Einheit mit beträchtlicher Zug- und Tragfestii'keit besteht; indessen ist es nicht möglich, die spezifische Festigkeit insbeson- ^h> (lere von Beton in ausreichendem Maße zu erhöhen. Auch sind derartige Profile in sich als kontinuierlich anzusehen, sie weisen also ein sich wiederholendes Muster auf und sind zudem verhältnismäßig teuer in der Herstellung.

Davon ausgehend besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Werkstück der in Rede stehenden Art so zu formen, daß dieses trotz geringer Herstellungs- und Materialkosten hohe Festigkeitswerte besitzt

Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß im wesentlichen alle diskontinuierlichen Fasern innerhalb des Gefüges des Werkstücks eine nicht runde Querschnittskonfiguration mit Breiten- und L/ickenabmessungen und einem Breiten/Dickenverhältnis besitzen, das nicht größer als 5 ist, dergestalt, daß die Fasern eine Breite von 0,127 mm—3,81 mm, eine Dicke von 0,254 mm - 0,762 mm und eine Länge von 635 mm — 76,2 mm aufweisen.

Durch die Anordnung der Fasern wird eine Erhöhung der Festigkeit erzielt, welche unverhältnismäßig größer ist als bei Verwendung bisher üblicher Faserformen und -anordnungen. Gemäß der Erfindung wird dit Erkenntnis vermitte't, daß darüber hinaus andere Faktoren als die Anordnung der Fasern von wesentlicher Bedeutung sind, um zu einer Erhöhung der Festigkeit zu gelangen. So wurde festgestellt, daß die Verbesserung der Festigkeit auch im Zusammenhang mit der Gesamtoberfläche der verstärkenden Fasern steht. Runde Fasern oder Fäden haben nicht eine so große Oberfläche wie nicht runde Fäden, d. h. rechteckige oder flache Fäden mit dar gleichen Querschnittsfläche. Die geometrische Oberflächenbeziehung zwischen runden und rechteckigen Querschnitten von gleichen Querschnittsflächen ist so, daß sich mindestens eine I2,8°/oige Erhöhung der Oberfläche bei nicht runden Fäden ergibt. Diese I2,8%ige Erhöhung ergibt sich unter Berücksichtigung eines Viereckquerschnitts für ein Breiten/Dikkenverhältnis von I. Davon ausgehend wurde eine Erhöhung der gesamten Oberfläche für eine gegebene Menge, d. h. Gewicht der Fäden je Volumeneinheit der Matrix, dadurch erreicht, daß das Breiten/Dicksnverhältnis der für die Verstärkung verwendeten Fäden oder Fasern erhöht wurde. Eine Erhöht:!» des Breiten/Dikkenverhältnisses ergibt eine erhöhte Festigkeit der verstärkten Werkstücke oder Verbundgußstücke, da der Grund für die Erhöhung der Festigkeit darin liegt, daß die gesamte Oberfläche erhöht wird, obwohl die Menge der Fäden, d. h. das Gewicht der Fäden pro Volumeneinheit des Gefüges, gleich bleibt.

Es konnte also überraschenderweise festgestellt werden, daß die Zugabe äquivalenter Gewichte von runden und nicht runden Fasern äquivalenter Querschnittsfläche je m^J des Betonmörtcls zu einer Erhöhung der Zugfestigkeit des Betons führt, wobei mit nicht runden Fasern etwa die doppelte Erhöhung der Zugfestigkeit erreicht wird wie mit runden Fasern. Bei der Verwendung der gleichen Menge an nicht runden, d. h. an flachen Fasern, wird eine bedeutend wirksamere Verstärkung des Gefüges erreicht als mit runden Fasern. Folglich kann eine äquivalente Erhöhung der Zugfestigkeit mit weniger nicht runden Fasern erreicht werden als mit runden Fasern. Die hier verwendete Bezeichnung »Mörtel« wird für eine Mischung aus feinem Zuschlagstoff, Wasser und Zement verwendet. Wenn der Ausdruck »Beton« verwendet wird, dann bezieht sich diese auf einen Mörtel, der einen groben Zuschlagstoff enthält. Die Bezeichnungen »Gefüge« oder »Matrix« beziehen sich im allgemeinen auf formbare Materialien.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand son Ausführungsbcispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung

erläutert. Es zeigt

Fig. 1 das Verhältnis der Zugfestigkeit von sowohl mit flachen als auch runden Fasern verstärktem Beton zu unverstärktem Mörtel gegen den Faserabstand,

Fig.2 die tatsächlichen Zugfestigkeitswerte anstelle des Festigkeitsverhältnisses gemäß F i g. 1 gegen den Faserabstand,

F i g. 3 und 4 die Beziehung von Zugfestigkeit gemäß Fig.2 zur Gesamtoberfläche von nicht runden und runden Fasern und

F i g. 5 eine graphische Darstellung, die die Wirkung des Breiten/Dickeiiverhältnisses auf die Gesamtoberfläche zeigt, die wiederum mit der Verbesserung der Festigkeit in Beziehung steht.

Aus der folgenden Diskussion im Zusammenhang mit den graphischen Darstellungen kann ersehen werden, daß eine nicht runde Faser für einen gegebenen berechneten Abstand zu einer bedeutend größeren Erhöhung der Festigkeit des Gefüges führt als runde Fasern gleichen Gewichts. Zur Berechnung der Faserabstäfide werden folgende Gleichungen verwendet:

Hauptgleichung:

runde Drahtfasern:

5 = 13,8 V¥7p
nicht runde Drahtfasern:

Darin bedeuten:

5 = durchschnittlicher Faserabstand;

A = Querschnittsfläche der Faser;

ρ = Faserdichte in Vol.-% des Mörtels;

d = Faserdurchmesser;

w = Faserbreite;

t — Faserdicke.

Die Verstärkungswirkung der Fasern im Gefüge hängt ab von der Bindung, von der Bindungsbeanspruchung und von ihrer Gesamtoberfläche. Am vorteilhaftesten ist es, eine möglichst große Bindungskraft herzustellen, weshalb beschichtete bzw. überzogene Fasern auch durch die Erfindung umfaßt sind. Zum Beschichten können Epoxyharze und dergleichen verwendet werden. '

Die Erfindung betrifft also ein verstärktes Verbundgußstück aus einem vergießbaren Material wie beispielsweise Beton mit nicht runden diskontinuierlichen, d. h. durzen Fasern, die ein Breiten/Dickenverhältnis

ίο besitzen, das nicht größer als 5 ist. Die Fasern müssen chemisch und/oder mechanisch an das Gefüge gebunden sein und enthalten entsprechend der Erfindung im wesentlichen nur diskontinuierliche Elemente, obgleich nicht runde Fasern zusammen mit anderen kontinuierlichen, verstärkenden Elementen, wie beispielsweise Gittern, Netzen und dergleichen, verwendet werden können. Entsprechend der Erfindung werden Fasern mit einer Breite von 0,127 bis 3,81 mm, einer Dicke von 0,254 bis 0,762 mm und einer Länge von 6,35 bis 76,2 mm verwendet. Vorzugsweise werden F&sern mit einer Zugfestigkeit von mindestens 352 N/mm² verwendet, vorzugsweise aus beschichtetem oder unbeschichtetem Stahl. Die durch die Werkstücke narl; der Erfindung erhaltenen Vorieiie sind anhand von Beispielen dargelegt. Die bei diesen Beispielen verwendeten Fasern bestanden aus Stahl und hatten die in Tabelle 1 und II beschriebenen Abmessungen. Obgleich die Fasern de'.· Beispiele gegen Ende des Vermischungsvorgangs dem Mörtel zugegeben wurden, können sie auch alternativ mit dem Zement und/oder dem Sand, d. h. dem feinen Aggregat oder dem groben Aggregat (falls erwünscht), zugegeben werden. .

Es wurde ein indirekter Zug- bzw. Zerreißtest durchgeführt, um die Zugfestigkeit der Proben zu untersuchen. Die bei diesen Untersuchungen erhaltenen Ergebnisse sind in den Tabellen 1 und Il aufgeführt Die in den Tabellen I und II angeführten Werte wurden für die in F i g. 1 und 2 gezeigten Kurven verwendet In Tabelle I sind die Ergebnisse angeführt, die Vergleichs-

•»o versuche mit runden Fasern ergaben. In Tabelle II sind die Versuche aufgeführt, die man für nicht runde oder flache Fasern erhielt. Sie geben den Volumenprozentsatz der Fasern im Mörtel wieder, die berechneten Abstände und die Zugfestigkeit in N/mm², die durch den indirekten Zug- bzw. Zerreißtest festgestellt wurde.

Tabelle I	Volumen-% Stahl des Betons	Abstand, cm	Zugfestigkeit, ¹ N/mm⁷ ; 1 (	Verhältnis Zugfestig- ceit/2,99 Fig. 1)
Runde Fasern	6,25	0,239	4,68	,56
Durchmesser, cm	4,16	0,252	4,53	,52
0,043	2,04	0,418	4,22	,41
0,043	2,50	0,550	4,46	,49
0,043	0,76	0,686	3,27	,10
0,063	0,76	0.686	3.45	,15
0.045	1,25	0,787	2.92 (	),97
0.043	_		2.99
0.063
Unbewehrter Mörtel

\7 96 069

Tabelle II
Flache Fasern

Dicke,
cm

H reite,
cm

Volumen-"'* Abstand. Stahl des cm Melons

0,036 0,076 3.5

0,036 0,076 1.5

0,038 0,160 2.5

0,038 0,160 1,5

0,038 0,318 2.5

0,036 0.381 2,5

0,036 0,381 1,5 Unbewehrter Mörtel 0.432
0,660
0,775
0.993
1.090
1,154
1,483

keil.
N/nmr

Verhältnis /ugiestigkeil/2,511 (I- ig. Il

5.38 2.15

4.71 1.88

4,22 1.69

3.94 1.57

1.83 1.53

3.37 1.3 s

3,35 1,34 2,50
(Durchschnittswert)

MUb ucil rig. ι iiiiu i cigiui situ, UdU mim iiiiiuc

Fasern die Zugfestigkeit gegenüber runden Fasern bei gleichen berechneten Abstandsbedingungen und somit gleicher Menge verbessern. .

Es konnte anhand von Untersuchungen festgestellt werden, daß zwischen Zugfestigkeit und Gesamtfläche der Fasern eine genauere Wechselbeziehung besteht. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind in den Fig. 3 und 4 dargestellt. Die Kurven zeigen Ergebnisse der indirekten Zug- oder Zerreißversuche. Es handelt sich dabei um eine statistische Auswertung einer großen Anzahl von Versuchsproben. Die Kurve für Rundfasern stellt die Ergebnisse dar für Versuchsfasern von elektromessingplattierten Drähten, die eine nominale Zugfestigkeit von 1690 N/mm² und die in Tabelle III aufgeführten Abmessungen haben.

Tabelle III	Länge, cm
Getestete Drahtfasern	0,9525 1,2700
Durchmesser, cm	0.9525 1.2700 1,5875 3,8100
I 0,0165 0,0165	0.9525 3.8100
II 0,0432 0,0432 0,0432 0,0432
III 0,0635 0,0635

Die Kurve für nicht runde Fasern zeigt die Ergebnisse für geschnittenes Stahlblech, das eine nominale Zugfestigkeit von etwa 387 N/mm² und die in Tabelle IV aufgeführten Abmessungen besitzt.

Tabelle IV

Getestete flache Fasern

Dicke,
cm

Breite,
cm

Länge,
cm

III

Dicke.

cm

Breite, cm

Länge, cm

0,0356
0,0356
0,0356
0,0356
0,0356

0,0381
0.03S1
0.0381

0.0711

0.0762

0.127

0.206

0,381

0,239 0.318

2.56 2,54 2,54 2,54 2.54

2.54 2.54 2.54

I 0.0254 0,0559 2,54
0 0254 0,0762 3,81
0'0254 0^239 2^54

J) Wie bereits oben erwähnt, sind die geradlinigen, in in F* i g. 3 und 4 gezeigten Kurven statistische Darstellungen, die in deutlicher Weise zeigen, daß die Festigkeit direkt proportional ist zu der Gesamtfläche der Fasern in einer Betonvolumeneinheit und nicht zum Fascrabstand, wie bisher angenommen. Die Berechnungen für die Gesamtoberfläche dieser Fasern wurde mit folgenden Gleichungen durchgeführt.

Gesamtoberfläche:
S, = Sa,N.

darin bedeuten:

S.\r — Oberfläche einer Einzeifaser: so bei runden Fasern:

-τ dL
darin bedeuten:

.. d = Durchmesser

L = Länge der Faser:

für nicht runde Fasern:

2 (w + t) L
wj darin bedeuten:

w = Breite der Faser

/ = Dicke der Faser

L = Länge der Faser

R= Breiten/Dickenverhältis

N ist die Faserzahl in der Betonvolumeneinheit Vy.

N =

7 96 069

darin bedeuten:

ρ ^ Vol.-% Fasern/(Slahl) in Heloii (dezimal

/VIOO):
V' = Volumen eines Betons (cine Volunienein-

heit gleich = I) und
V,. = Volumen einer ein/einen laser.

Γ,/fiii runde I asern ist:

.τ (PIJA
Κ*für niciit runde Fasern ist:

Daher ist die Gesamtoberfläche für runde Fasern folgende:

.9, = S„/V

= .τ dl. ρ VJ100 K,

= rc dl.pl100 -(PLJA

= p/25d:

d'C GcSHiTHoberfläche für η i i_- h t nmr)? Fasern iu folgende:

.Si = SmN

= 2(w+t)l.pV,/\00 V_tf

= 2(\\ + t)LpVJ\00 wt L

= p(w+t)/5t) wt

Daher:

S,

(Ä+1)

50/

tenden Einfluß auf die Verbesserung der Festigkeit ausübt. In diesem /.usammenhang müssen die F i g. 3 und 4 wieder betrachtet werden, in denen die Wechselbeziehung zwischen der Zugfestigkeit und der Gesamtobeifläche für nicht runde und runde Fasern dargelegt ist. Ks ist klar zu ersehen,daß die Zugfestigkeit mildem Verhältnis Gesamtoberfläche/Volumcncinhcit des Gcfügcs anwächst. Das Brciten/Dickcnverhältnis R hat einen deutlichen Einfluß auf die Gesamtoberfläche und wie aus F i g. 5 zu ersehen ist. ist die Gesamtoberfläche bedeutend größer, wenn das Breilcn/Dickenverhältnis geringer ist als etwa 5-6 als im Falle, wenn das Verhältnis größer ist als etwa 5 — 6. Eine Veränderung des Breiten/Dickenverhältnisses von etwa 5 zu I ergibt eine wesentlich größere Gesamtoberfläche. Dies zeigt sich aus dem Einfluß des Breiten/Dickenverhältnisses von R auf die MengeiAl.il. Dies ist aus Fig. 5 zu

R
ersehen.

Tabelle V

Die oben angegebene Gleichung zeigt, daß dl·: Gesamtoberfläche 5. durch drei Faktoren beeinflußt wird: (I) p. der Prozentsatz der Fasern im Beton, (2) r. die Dicke der Fasern und (3) /?, das Breiten/Dickenverhältnis. Sowohl der Prozentsatz der Fasern im Beton und die Dicke der Fasern stehen in linearer Beziehung zu der Gesamtoberfläche. Erhöhungen des Faserprozentsatzes ρ werden die Gesamioberfläche anwachsen lassen und Verminderungen der Dicke t ebenfalls die Gesamtoberfläche anwachsen lassen. ]edoch steht das Breiten/Dickenverhältnis R mit der Gesamtoberfläche in einer Art in Beziehung, die in einen kritischen Wert resultiert, der wesentlich auf die Gesamtoberfläche einwirkt.

In Tabelle V wird die Wechselbeziehung zwischen R

und der Quantität beschrieben. Diese Wechsel-

R
beziehung wird ebenfalls in der F i g. 5 dargestellt. Da die Menge ¹^^{+ l!} mit der Gesamtoberfläche in Bezie-

hung steht und die Gesamtoberfläche wiederum auf die Festigkeitsverbessening einwirkt, kann festgestellt werden, daß das Breiten/Dickenverhältnis R einen bedeu-

Wechselbeziehung	zwischen R	und	(R	+	1)
R	(R +	1)		R
	Ii

14
13
12
11
10
<)

8
7
6
5
4
3
2

,071
,077
,083
,091
,100
,111
,125
,143
,106
,200
,250
,333
1,500
2,000

Andere Vorteile entstehen aus der Verwendung von nicht runden Fasern nach der Erfindung zusätzlich zu der Verbesserung der Festigkeit gegenüber runden Fasern. So ist zum Beispiel festgestellt worden, daß durch das Einmischen von nicht runden Fasern in den Beton diese sich gründlicher mit dem Beton vermischen und eine gleichmäßigere Verteilung ergeben, während die runden Fasern sich zusammenballen und örtliche Verdichtungen bilden. Weiterhin können die nicht runden F'asern entweder vor der Zugabe oder nach der Zugabe des Wassers zu der Mischung in dem Beton hineingegeben werden, während die runden Fasern gut verteilt werden können, wenn die Mischung naß ist, jedoch oft nicht in gleichmäßiger Weise verteilt werden, wenn sie in trockener Form vor der Zugabe des Wassers beigemischt werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Faserverstärktes Werkstück aus Beton oder Mörtel, innerhalb welchem aus Metall bestehende diskontinuierliche und verstärkende Fasern abgebunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß im wesentlichen alle diskontinuierlichen Fasern innerhalb des Gefüges des Werkstücks eine nicht runde Querschnittskonfiguration mit Breiten- und Dickenabmessungen und einem Breiten/Dickenverhältnis besitzen, das nicht größer als 5 ist, dergestalt, daß die Fasern eine Breite van 0,127 mm—3,81 mm, eine Dicke von 0,254 mm — 0,762 mm und eine Länge von 635 mm—76,2 mm aufweisen.

2. Werkstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern mindestens eine Zugfestigkeit von 352 N/mm² besitzen.

10