DE19713918C2 - Glasfaserhaltiger Beton-Verbundwerkstoff und Verfahren zu dessen Herstellung, sowie dessen Verwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen glasfaserhaltigen Beton- Verbundwerkstoff, mit einem Anteil an üblichen Zuschlagstoffen, wobei die Glasfasern als polymergebundenes Glasfaserbündel ausgebildet sind.

Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung und Verwendung des Verbundwerkstoffes.

Beton besitzt eine hohe Druckfestigkeit, ist jedoch auf Zug nur gering belastbar. Nachteilig ist dies beispielsweise bei Betonröhren, die, wenn sie an ihrem Scheitel belastet werden, bei Überlast an den Stellen höchster Zugbelastung brechen. Man hat dieses Problem durch die Verwendung von Verbundwerkstoffen zu lösen versucht, die als weitere Komponente einen Bestandteil enthalten, der hohe Zugbelastungen aufnehmen kann. Dies können zum Beispiel Stahlfasern von 2 bis 4 cm Länge sein, die an ihren Enden zur Krafteinleitung in den Beton Kröpfungen aufweisen.

Nachteilig ist hier jedoch, daß sich durch die Basizität des Betons unter Witterungseinflüssen rotbraun gefärbte basische Oxide bilden, die zu Verfärbungen auf der Außenseite und Innenseite des Formkörpers führen. Derartige Formkörper, beispielsweise Wandplatten, können daher aus ästhetischen Gründen nicht an sichtbaren Stellen eingesetzt werden.

Ferner ist bekannt, die Stahlfasern durch Glasfasern zu ersetzen. Die allgemeine Problematik beim Verstärken von Zement mit Glasfaserstoffen ist in Silikattechnik 31 (1980) Heft 7, S. 196-200, beschrieben. Danach tritt das Problem auf, daß insbesondere Silikatgläser im stark alkalischen Porenwasser des ausgehärteten Betons nicht stabil sind. Außerdem tritt bei der Herstellung des glasfaserhaltigen Betons leicht eine Agglomeration der Fasern auf, was eine unregelmäßige Verteilung der Fasern und damit schlechte Materialeigenschaften des Betons zur Folge hat. Möglichkeiten zur Verbesserung der Alkalibeständigkeit der Glasfasern liegen in der Veränderung der Glaszusammensetzung oder der Oberflächenmodifizierung der Glasfaser.

Beispielsweise wird in der DE 41 24 441 ein polymermodifizierter glasfaserverstärkter Zementbeton-Verbundwerkstoff beschrieben, der im wesentlichen aus einem organischen Polymer auf Polyacrylat-Basis, Glasfasern, einem Hydrophobierungszusatz, beispielsweise einem Alkali- und oder Erdalkalimetallsalz der gesättigten und/oder ungesättigten höheren Fettsäuren, einer zementgebundenen Matrix und einem Zuschlagstoff besteht.

Aus der DE 42 31 910 ist eine anorganische Bindemittelmischung zur Herstellung von glasfaserverstärkten Kombinationswerkstoffen mit hoher Dauerbeständigkeit der Verbundmaterialien bekannt. Die Bindemittelmischung besteht aus einem hydraulischen Bindemittel, Glasfasern und anorganischen Bindemittelzusätzen. Als Bindemittelzusatz wird feinteilige Filterasche vom alumosilikatischen Typ aus Braunkohlenfeuerungsanlagen und/oder gemahlener Hüttensand in den Grenzen von 20 bis 85 Gew.-%, bevorzugt in den Grenzen von 20 bis 50 Gew.-% eingesetzt, wobei der Anteil an alumosilikatischer Filterasche mindestens 20 Gew.-% beträgt.

Auch bei diesen bekannten Werkstoffen agglomerieren die Fasern leicht, so daß die mechanischen Festigkeitswerte nachteilig variieren können.

Die DE-AS 24 09 216 betrifft zementgebundene Formkörper, bei denen zur Verstärkung Mineralfaserbündel eingesetzt werden. Hierbei ist das verwendetete Fasermaterial nicht alkalibeständig, vielmehr soll der basische Angriff durch einen vergrößerten Durchmesser des Faserbündels erreicht werden.

In der DE-OS 19 25 762 ist das Bewehrungselement zur willkürlichen Verteilung in einem Baumaterial dadurch gekennzeichnet, daß es ein Bündel von im allgemeinen parallelen Glasfasern aufweist, die durch Imprägnierung mittels eines wärmehärtbaren Harzes vereinigt sind. Diese imprägnierten Glasfasern werden hier in einem aufwendigen Verfahren hergestellt und zusätzlich noch mit radial hervorstehenden Tropfen versehen, daß die Stabilität erhöht wird. Die Herstellung muß deswegen auch über zwei Trockenstufen laufen.

Aufgabe der Erfindung ist daher, einen glasfaserhaltigen Beton-Verbundwerkstoff und ein Verfahren zu dessen Herstellung zur Verfügung zustellen, der leicht zu verarbeiten ist, eine hohe Belastbarkeit auf Zug und Biegung aufweist.

Diese Aufgabe wird bei einem glasfaserhaltigen Beton- Verbundwerkstoff dadurch gelöst, daß das polymergebundene Glasfaserbündel zu seinen Enden hin eine Verdickung, durch teilweise Vereinzelung der Fasern im Endbereich oder durch Auffaserung aufweist und die Bündel zusammen mit den übrigen Zuschlagstoffen durch einen polymeren Kunststoff gebunden sind. Durch die Umhüllung mit einem Polymerkunststoff werden die Glasfasern vor den schädigenden Einflüssen des stark alkalischen Porenwassers geschützt. Indem die Glasfasern zu Bündeln zusammengefaßt sind, lassen sie sich leicht verarbeiten und neigen nicht zur Bildung von Agglomeraten. Derartige polymergebundene Glasfaserbündel sind beispielsweise als Seele von Kabeln bekannt, wo sie zur Aufnahme von Zugkräften verwendet werden. Dieses Glasfasermaterial kann überraschenderweise auch zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes eingesetzt werden. Durch die Verdickung zu seinen Enden hin werden Zugkräfte besser in den umliegenden Beton eingeleitet. Besonders vorteilhaft ist, daß die Glasfaserbündel an ihren Enden aufgefasert sind. Ein solches aufgefasertes Ende wirkt wie eine Verdickung und verankert die Enden in der umgebenden Betonmatrix. Durch die vielen teilweise vereinzelten Fasern an beiden Enden entsteht eine kraft- und formschlüssige Verbindung mit dem polyesterharzgebundenen Umgebungsmaterial.

Als übliche Zuschlagstoffe können insbesondere Sand, Kies, und/oder Split sowie Feinstfüllstoffe genommen werden.

Als günstig haben sich Glasfaserbündel mit einer Länge zwischen 1,0 und 6,0 cm, vorzugsweise zwischen 2,5 und 4,0 cm und eine Stärke zwischen 1 und 5 mm, vorzugsweise zwischen 1 und 4 mm erwiesen. In einer derartigen Dimensionierung lassen sich die Glasfaserbündel leicht verarbeiten und gehen eine innige Verbindung mit dem Beton ein, was sich vorteilhaft auf die Eigenschaften des Werkstoffs auswirkt.

Vorteilhaft weist der Verbundwerkstoff einen Anteil zwischen 0,5 und 6 Gew.-%, vorzugsweise 1,5 bis 5 Gew.-%, vorzugsweise 3 Gew.-%, an Glasfaserbündeln auf.

Besonders günstige Eigenschaften besitzt ein Verbundwerkstoff, der einen Anteil an polymerem Kunststoff, vorzugsweise ein gesättigtes oder ungesättigtes Epoxidharz oder ein gesättigtes oder ungesättigtes Polyesterkunstharz, aufweist. Durch das bei der Verarbeitung noch dünnflüssige Polymere werden die Enden und auch der Schaft der Glasfaserbündel besonders innig umschlossen, wodurch die Krafteinleitung vom Glasfaserbündel in den Beton verbessert wird. Durch den Schrumpf des Werkstoffs bei der Polymerisation wird auch der Schaft des Glasfaserbündels besonders innig umschlossen.

Bei den aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff hergestellten Formkörpern, insbesondere Rohre, lassen sich wegen der guten Materialeigenschaften dünne Wandstärken verwirklichen. Dies ist besonders vorteilhaft bei der Verwendung des Verbundwerkstoffes insbesondere für Röhren als Inliner zur Sanierung von im Erdreich liegenden Rohren, insbesondere Abwasserrohren. Dabei werden die neuen Rohre in den Innenraum der im Erdreich verbleibenden alten Rohre eingeschoben. Bei geringen Wanddicken des neuen Rohres muß dann keine übermäßige Reduzierung des Querschnitts in Kauf genommen werden.

Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Beton- Verbundwerkstoffs werden zunächst die beispielsweise auch bei der Herstellung von Kabeln verwendeten polymergebundenen Glasfaserbündel in kleinere Stücke zerhäckselt. Durch das Häckseln werden die Glasfaserbündel an ihren Enden breit gedrückt und spleißen auf. Dadurch sind die erhaltenen kurzen Glasfaserbündel vorteilhaft an ihren Enden verdickt. Das zerhäckselte Material wird dann in der gewünschten Menge einem Polymerbeton beim Mischprozeß im Mischer, z. B. einem Zwangsmischer mit sich aktiv bewegenden Rührkörpern, beigegeben, der dann in gewohnter Weise weiterverarbeitet werden kann.

Dadurch, daß die gehäckselten Glasfaserbündel zunächst einem dosierten Trockenmischgut in einem Mischer zudosiert werden, mit dem Trockenmischgut intensiv vermischt werden und anschließend ein polymerer Kunstoff, vorzugsweise ein gesättigtes oder ungesättigtes Epoxidharz oder ein gesättigtes oder ungesättigtes Polyesterkunstharz, als Bindemittel zugegeben wird, vermeidet man ein Agglomerieren der Fasern beim Anmischen. Es kommt bei der Anmischung zu keinem erhöhten Bindemittelbedarf, da die Glasfaserbündel bereits mit auspolymerisiertem Epoxidharz ummantelt sind. Dadurch nehmen die Glasfaserbündel am Schaft kein polymeres Bindemittel aus dem Umgebungsmaterial mehr auf.

Weitere Vorteile, Einzelheiten und erfindungswesentliche Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf eine Zeichnung, wobei funktionsgleiche Teile in den Figuren der Zeichnung mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.

Die Zeichnungen zeigen in einzelnen:

Fig. 1 ein polymergebundenes Glasfaserbündel;

Fig. 2 das Gefüge des erfindungsgemäßen Betons in schematischer unmaßstäblicher Darstellung.

Die Herstellung des glasfaserhaltigen Beton- Verbundwerkstoffs erfolgt in der Weise, daß zunächst polymergebundene Glasfaserbündel, wie sie beispielsweise als zugaufnehmende Bestandteile von Kabeln angeboten werden in etwa 2,5 bis 4,0 cm lange Stücke zerhäckselt werden. Ein mit diesem Vorgang erhaltenes kurzes Glasfaserbündel ist in Fig. 1 dargestellt. Das Glasfaserbündel 1 ist durch das Häckseln an seinen Enden 1a, b abgeplattet. Dabei sind die Enden 1a, b etwas aufgespleißt, wodurch sich an den Enden des Glasfaserbündels 1 Verdickungen 2 ergeben.

Die Herstellung des Betons geschieht in der Weise, daß die kurzen polymergebundenen Glasfaserbündel bis zu einem Füllungsgrad von ca. 1,5 bis 5% bezogen auf das Gesamtgewicht des fertigen Beton- Verbundwerkstoffs mit Kies, vorzugsweise mit Korngrößen zwischen 2 bis 16 mm, sowie Sand in einer Kornfraktion zwischen 0 und 2 mm unter Zusatz von Polyester und entsprechenden Mengen an Härtern und Beschleunigern bzw. Verzögerern gemischt wird. Dieser fertige Beton wird anschließend in Formen gegossen und durch Vibration verdichtet. Sobald eine ausreichende Formfestigkeit erreicht ist, kann das Teil aus der Form herausgelöst werden. Auf diese Weise können verschiedenste Fertigbetonteile hergestellt werden. Sie sind witterungsbeständig und weisen eine hervorragende Standfestigkeit auf. Das Bruchverhalten eines solchen Formteils unterscheidet sich eklatant von dem üblichen Versagen der Bauteile. Belastet man beispielsweise ein herkömmliches nicht armiertes Betonrohr an seinem Scheitel bis zum Bruch, so tritt dieser Bruch plötzlich auf und das Rohr zerfällt in vier Teile. Die Bruchstellen liegen am Scheitel, an der Sohle, und seitlich an den Kämpfern. Es findet der klassische Versagensbruch statt. Anders stellt sich dagegen das Versagensbild beim neuen Werkstoff dar. Hier verformt sich das Bauteil langsam, so daß sich nun auch Konstruktionsteile aus diesem Werkstoff herstellen lassen. Ein klassischer Versagensbruch findet nicht mehr statt.

Eine typische Rezeptur des erfindungsgemäßen Beton- Verbundstoffes besteht in Gewichtsprozenten aus:
10% Polyester
20% Sand der Fraktion 0 bis 2 mm
10% freie Feinstfüllstoffpartikel, z. B. Quarzmehl
57% Kies mit einer Kornfraktion zwischen 2 und 16 mm
3% polymergebundene Glasfaserbündel.

In Fig. 2 bezeichnet 3 das idealisierte Schliffbild des erfindungsgemäßen Betongefüges, wobei die einzelnen Bestandteile jedoch nicht maßstäblich dargestellt sind. Das Gefüge besteht aus Zuschlagstoffen 4 mit unterschiedlicher Korngröße. Diese Zuschlagstoffe 4 sind in einer Matrix 5 aus Kunstharz gebunden. In der Matrix 5 sind auch Glasfaserbündel 1 eingebettet. Außerdem können noch zusätzlich weitere Füllstoffe, beispielsweise Quarzsand unterschiedlicher Fraktionen oder auch Pigmente innerhalb der Matrix 5 eingebunden werden.

Bezugszeichenliste

1

Glasfaserbündel
1a, b Enden

2

Verdickung

3

Schliffbild

4

Zuschlagstoffe

5

Matrix

6

Quarzsand

Claims (8)

1. Glasfaserhaltiger Beton-Verbundwerkstoff, mit einem Anteil an üblichen Zuschlagstoffen, wobei die Glasfasern als polymergebundenes Glasfaserbündel ausgebildet sind, da­ durch gekennzeichnet, daß das polymergebundene Glasfaserbündel zu seinen Enden hin eine Verdickung, durch teilweise Vereinzelung der Fasern im Endbereich oder durch Auffaserung aufweist, und die Bündel zusammen mit den übrigen Zuschlagstoffen durch einen polymeren Kunststoff gebunden sind.

2. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß das Glasfaserbündel eine Länge zwischen 1,0 und 6,0 cm, vorzugsweise zwischen 2,5 und 4,0 cm und eine Stärke zwischen 1 und 5 mm, vorzugsweise zwischen 1 und 4 mm aufweist.

3. Verbundwerkstoff nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Verbundwerkstoff einen Anteil zwischen 0,5 und 6 Gew.-%, vorzugsweise 1,5 bis 5 Gew.-%, vorzugsweise 3 Gew.-% an Glasfaserbündeln aufweist.

4. Verbundwerkstoff nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Verbundwerkstoff einen Anteil an polymerem Kunststoff, vorzugsweise ein gesättigtes oder ungesättigtes Epoxidharz oder ein gesättigtes oder ungesättigtes Polyesterkunstharz, aufweist.

5. Verwendung des Verbundwerkstoffes nach einem der Ansprüche 1 bis 4 als Rohr.

6. Verwendung das Verbundwerkstoffes nach Anspruch 5 als Abwasserrohr.

7. Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs nach einem der Ansprüche 1 bist dadurch gekenn­ zeichnet, daß polymergebundene Glasfaserbündel in Form von langen Seilen durch Häckseln zerkleinert werden und die gehäckselten im Endbereich verdickten Glasfaserbündel zunächst einem dosierten Trockenmischgut aus den üblichen Anteilen an Zuschlagstoffen in einem Mischer zudosiert werden, mit dem Trockenmischgut intensiv vermischt werden und anschließend ein polymerer Kunstoff als Bindemittel zugegeben wird.

8. Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs nach Anspruch 7, da­ durch gekennzeichnet, daß ein gesättigtes oder ungesättigtes Polyesterkunstharz als Bindemittel zugegeben wird.