DE19801610A1

DE19801610A1 - Stahlfasern für Stahlfaserbeton

Info

Publication number: DE19801610A1
Application number: DE1998101610
Authority: DE
Inventors: Juergen Von Dipl Phy Czarnecki; Heinrich Dipl Ing Dinnebier; Oskar Dipl Ing Rist
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesministerium der Verteidigung
Current assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesministerium der Verteidigung
Priority date: 1998-01-17
Filing date: 1998-01-17
Publication date: 1999-07-29
Anticipated expiration: 2018-01-18
Also published as: DE19801610C2

Description

Die Erfindung betrifft zum einen ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Oberflächen behandlung von Stahlfasern. Zum anderen betrifft die Erfindung eine oberflächenbe handelte Stahlfaser und ein entsprechendes Bauteil aus Stahlfaserbeton.

Hochfestem Beton werden Stahlfasern beigemischt, um eine Festigkeitserhöhung zu erreichen. Die Festigkeit des Betons ist da mit, wie bei jedem Verbundwerkstoff, ab hängig von der Tragfähigkeit der Stahlfaser-Betonmatrix-Grenzfläche. Bisher ist die Tragfähigkeit dieser Grenzfläche generell gering. Bei Belastung tritt daher bei kurzfa serverstärktem Beton ein Herausziehen der Faser aus der Betonmatrix auf. Dies be deutet, daß die Faser unterhalb ihrer Festigkeitsgrenze belastet und damit das festig keitssteigernde Potential der kurzen Stahlfaser nicht vollständig genutzt wird. Die fe stigkeitssteigernde Wirkung der Faserverstärkung hängt aber nicht nur von der Trag fähigkeit der Stahlfaser-Betonmatrix-Grenzfläche ab. Entscheidend ist vielmehr das Zusammenspiel zwischen Faserlänge bzw. Faseroberfläche und Grenzflächenhaftung. Bei hoher Grenzflächenhaftung ist eine optimale Kraftübertragung bereits mit kurzen Fasern möglich. Je kürzer die Fasern sind, desto besser sind darüber hinaus auch die Verarbeitungseigenschaften des Betons beziehungsweise es kann ein höherer Faser anteil eingemischt werden.

Aus der EP 0 087 496 B1 und der DE 43 15 270 A1 ist es bekannt, daß die festigkeits steigernde Wirkung einer Stahlfaser in einem Bauteil aus Stahlfaserbeton von folgen den Parametern bestimmt wird:

- Verhältnis Faserlänge zu Faserdurchmesser
- Fasergeometrie
- Faseroberfläche.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stahlfaser für die Herstellung von Stahlfaserbeton so auszubilden, daß eine hohe Tragfähigkeit der Grenzfläche zwi schen der Oberfläche der Stahlfaser und der sie umgebenden Matrix aus Beton erzielt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprü che 1, 7, 8 und 9 gelöst. Die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche betreffen zum einen ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung von Stahlfasern und zum anderen eine oberflächenbehandelte Stahlfaser und ein entsprechendes Bauteil aus Stahlfaserbeton.

Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß die oberflächenbehandelten Stahlfa sern die Festigkeit von Stahlfaserbeton erhöhen. Aufgrund der über die Flammbe handlung aufgebrachten Haftschicht, die dem Zement gute Kristallisationskeime bie tet, wachsen die Kristalle direkt auf der Faser. Die gute Haftung des Betons an den Fasern bewirkt, daß ein Herausziehen der Faser aus dem Beton behindert ist. Auch wenn durch eine hohe Zugbelastung der Stahlfaser-Betonmatrix-Verbund zerstört ist, besitzt die in dem hier beschriebenen Prozeß behandelte Faser durch die ihr anhaf tenden Betonpartikel einen hohen Reibungswiderstand gegen das Herausziehen aus der Matrix. Auf unbehandelten Fasern haftet hingegen kaum Beton. Sie setzen dem Herausziehen aus der Matrix nur einen geringen Reibungswiderstand entgegen. Gera de ein hoher Reibungswiderstand der Faser gegenüber der Matrix ist aber bei faser verstärktem Beton besonders wünschenswert, da die Faseroberfläche auf diese Weise noch eine hohe Energiemenge aufnimmt und ein Rißwachstum erschwert. Herstel lungsbedingt können die Stahlfasern mit haftungsmindernden Ziehfetten und Ölen bedeckt sein. Da die Oberflächenbehandlung der Stahlfasern mit Hilfe einer Flammbe handlung erfolgt, verbrennen derartige Verunreinigungen. Dieser Reinigungsprozeß alleine bewirkt bereits eine Verbesserung der Haftung der Faser in Beton.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung besteht die abgeschiedene Haftschicht überwiegend aus einer Aluminium- und/oder Siliziumverbindung. Da Zement sowohl eine aluminatische wie auch silikatische Komponente besitzt, führen die auf die Fa seroberflächen aufgebrachten, gut haftenden Aluminium- und/oder Silikatschichten aufgrund der ähnlichen Struktur zu einem verbesserten Verbund mit der Betonmatrix. Sie bilden gute Kristallisationskeime für den Hydratationsprozeß des Zements, das heißt die Kristallite beginnen direkt auf der Faseroberfläche zu wachsen. Dadurch wird die Faser gut in der sie umgebenden Matrix verankert.

Zur Flammbehandlung wird ein Gemisch aus flüssigem oder gasförmigem Brennstoff und einem Wirkstoff verwendet. Auf diese Weise kann der Wirkstoff exakt und einfach dosiert werden. Der Wirkstoff verbrennt in der Flamme zu einem Aerosol, dessen Teil chen die Haftschicht bilden.

Als Wirkstoff werden aluminiumorganische und/oder siliziumorganische Verbindungen eingesetzt, die in dem flüssigen oder gasförmigen Brennstoff gut löslich sind. Anor ganische Al- und Si-Verbindungen sind im allgemeinen nicht geeignet, da sie in flüssi gen oder gasförmigen Brennstoffen nicht oder unzureichend löslich sind. Beispiels weise können folgende Verbindungen verwendet werden: Tetraethoxysilan, Tetra nethoxysilan, Tetramethylsilan, Triethylaluminium, Trimethylaluminium, Aluminium di(isopropoxid)-axeteesgester-chelat, Aluminiumisopropoxid. Bezüglich des vorge nannten Gemisches aus einem Brennstoff und einem Wirkstoff liegt die Konzentration der vorgenannten metallorganischen Verbindungen im Brennstoff typischerweise in einem Bereich von 1 bis 10 Prozent.

Nach dem Abscheiden der Haftschicht auf die Oberfläche der Stahlfasern wird diese durch Sintern verfestigt.

In einfacher Weise erfolgt die Sinterung der Haftschicht ebenfalls in einer Flammbe handlung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigen jeweils als Prinzipskizze

Fig. 1 eine Vorrichtung mit einem Brenner zur Oberflächenbehandlung von Stahlfa sern;

Fig. 2 eine Vorrichtung mit zwei Brennern zur Oberflächenbehandlung von Stahlfa sern.

Die Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung von Stahlfasern 10. Die Vorrichtung dient dazu, mit einer Flammbehandlung eine Haftschicht auf die Oberflä che der Stahlfasern 10 aufzutragen. Die Haftschicht ergibt nach der Verarbeitung der Stahlfasern zu Stahlfaserbeton eine gute Verbindung zwischen Stahlfaser und Beton matrix.

Bei der Flammbehandlung wird ein Gemisch aus flüssigem oder gasförmigen Brenn stoff und einem Wirkstoff verwendet. Als Wirkstoffe kommen aluminium- oder silizi umorganische Verbindungen in Frage, die im verwendeten Brennstoff gut löslich sind. Der Wirkstoff verbrennt in der Flamme zu einem Aerosol, dessen Teilchen aus Alumi naten und/oder Silikaten die Haftschicht bilden.

Die Vorrichtung umfaßt

- eine Zuführeinrichtung 20 für die Stahlfasern 10 im oberen Bereich der Vorrichtung;
- einen Brenner 30 im unteren Bereich der Vorrichtung;
- einen Reaktionsraum 40 zwischen der Zuführeinrichtung 20 und dem Brenner 30;
- ein unten angeordnetes Förderband 50 zum Abtransportieren der beschichteten Stahlfasern 10.

Die vorgenannte Zuführeinrichtung 20 weist ein Rüttelwerk 21 auf, um die Stahlfa sern 10 gleichmäßig in den Reaktionsraum 40 zu leiten. Das Rüttelwerk 21 treibt einen Aufnahmetrichter 22 für die Stahlfasern an, der eine Bodenöffnung aufweist. Aufgrund der Schwerkraft fallen die Stahlfasern 10 im Betrieb nach unten in den Reaktionsraum 40. Im Reaktionsraum 40 sind die Stahlfasern 10 dem Abgasstrom des Brenners 30 und dem aus dem Wirkstoff resultierenden Aerosol ausgesetzt. Während die Stahlfa sern 10 durch die Flamme fallen, scheiden sich die Teilchen des Aerosols als Haft schicht ab. Die behandelten Stahlfasern werden mit einem Förderband 50 abtranspor tiert.

Nachfolgend werden die Einwirkungen auf die Stahlfasern im Reaktionsraum 40 be trachtet. Die Einwirkungen auf die Stahlfasern lassen sich in die Bereiche Reinigung der Stahlfasern, Beschichtung mit einer Haftschicht und Sintern der Haftschicht eintei len.

Reinigung der Stahlfasern: Je nach Art der Herstellung der Stahlfasern können diese mit Öl oder Fett verunreinigt sein. Mit zunehmender Verweildauer der Stahlfasern im Reaktionsraum 40 erreichen diese höhere Temperaturen. Das Erhitzen der Stahlfasern führt zur Desorption und dem Verbrennen von Verunreinigungen.

Beschichtung mit der Haftschicht: Die Stahlfasern werden in der Flamme mit den Aluminat- und/oder Silikatteilchen des Aerosols beschichtet.

Sintern der Haftschicht: Mit zunehmender Verweildauer der Stahlfasern im Reaktions raum 40 nehmen die Stahlfasern eine hohe Temperatur an. Die höhere Temperatur und eine bestimmte Verweildauer bewirken, daß die Haftschicht gesintert wird. Mit dem Sintern verfestigt sich die Haftschicht. Darüber hinaus erhält man eine poröse Haftschicht. Die Porösität ergibt eine gute Verbindung zur Betonmatrix.

Im vorgenannten Punkt der Sinterung wurde die Verweildauer der Fasern im Reakti onsraum angesprochen. Zur Einstellung der Verweildauer der Stahlfasern kann der in Fig. 1 dargestellte Sachverhalt ausgenutzt werden, wonach die Zuführung der Stahlfa sern im Gegenstrom zum Abgasstrom erfolgt. Über die Zuführleitung 31 wird dem Brenner 30 ein Brennstoff-Wirkstoff-Gemisch zugeführt. Durch eine Variation des Brennstoff-Wirkstoff-Massenstromes läßt sich die Größe der Flamme und damit die Abgasgeschwindigkeit regeln. Da das im Reaktionsraum nach oben strömende heiße Abgas an der nach unten fallenden Faser einen Auftrieb bewirkt, kann über die Flam mengröße die Verweildauer der Faser im heißen Abgasstrom und in der Flamme selbst beeinflußt werden. Die Behandlungsdauer liegt dabei unter 5 Sekunden, vorzugsweise bei 2 Sekunden. Natürlich hängt die Behandlungsdauer von den Abmessungen der Fasern ab, die bei einem Durchmesser von 0,1 bis 2 mm bis 100 mm lang sein können. Die Haftschicht weist eine Dicke von typisch 100 nm auf.

Fig. 2 zeigt im Gegensatz zur Fig. 1 eine Vorrichtung mit zwei Brennern 30, 30' zur Oberflächenbehandlung von Stahlfasern 10. Jeder Brenner 30, 30' wird über eine ei gene Zuführleitung 31, 31' mit einem Gemisch bestehend aus Brennstoff und Wirkstoff versorgt. Ferner liegen zwei ineinander übergehende Reaktionsräume 40, 40' vor. Der Aufbau der Vorrichtung gemäß Fig. 2 ist aufwendiger als derjenige in Fig. 1. Trotzdem resultieren Vorteile aus der aus zwei Brennern 30, 30' bestehenden Vorrichtung, da sich feinere Abstimmungsmöglichkeiten ergeben. Im Reaktionsraum 40 findet über wiegend die Beschichtung der Stahlfasern mit der Haftschicht statt, da die Stahlfasern in diesem Bereich noch nicht so stark aufgeheizt sind. In der Reaktionskammer 40' dominiert der Vorgang des Sinterns, bei dem die aufgetragene Haftschicht sich zu sammenzieht und sich aufgrund von Diffusionsvorgängen stärker mit der Oberfläche der Stahlfaser verbindet. Über den Brenner 30' läßt sich über die Flammengröße und den damit erzielten Auftrieb überwiegend der Sintervorgang zeitlich steuern, wie be reits zuvor dargelegt wurde. Über die Zuführleitungen 31, 31' könnten jeweils unter schiedliche Wirkstoffe zum Einsatz kommen, um eine bestimmte chemische Zusam mensetzung der Haftschicht zu erzielen.

Bezugszeichenliste

10

Stahlfaser

20

Zuführeinrichtung der Stahlfasern

21

Rüttelwerk

22

Aufnahmetrichter mit Bodenöffnung

30

,

30

' Brenner

31

,

31

' Zuführleitung für Brennstoff-Wirkstoff-Gemisch

40

,

40

' Reaktionsraum

50

Förderband

Claims

1. Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Stahlfasern für die Herstellung von Stahlfaserbeton, bei dem in einer Flammbehandlung eine Haftschicht auf die Ober fläche der Stahlfasern abgeschieden wird, derart, daß die Haftschicht eine gute Verbindung zwischen Stahlfaser und Betonmatrix ergibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die abgeschiedene Haftschicht überwiegend aus einer Alumini um- und/oder Siliziumverbindung besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zur Flammbehandlung ein Gemisch aus flüssigem oder gasförmigem Brennstoff und einem Wirkstoff verwendet wird, derart, daß der Wirkstoff in der Flamme zu einem Aerosol verbrennt, dessen Teilchen die Haftschicht bilden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem als Wirkstoff eine aluminiumorganische und/oder siliziumorganische Ver bindung eingesetzt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem nach dem Abscheiden der Haftschicht auf die Oberfläche der Stahlfasern diese durch Sintern verfestigt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Sinterung der Haftschicht ebenfalls in einer Flammbehandlung erfolgt.

7. Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung von Stahlfasern (1) für die Herstellung von Stahlfaserbeton, mit folgenden Merkmalen:

- Die Vorrichtung umfaßt einen Brenner (30, 30'), einen Reaktionsraum (40, 40') und eine Zuführeinrichtung (20) für die Stahlfasern (1).
- Im Betrieb der Vorrichtung verbrennt ein Wirkstoff im Reaktionsraum (40, 40') zu einem Aerosol, dessen Teilchen sich als Haftschicht auf die Oberfläche der Stahl fasern niederschlagen.

8. Stahlfaser für die Herstellung von Stahlfaserbeton, die mit einer durch eine Flamm behandlung aufgetragenen Haftschicht auf ihrer Oberfläche versehen ist, derart, daß die Haftschicht eine gute Verbindung zwischen Stahlfaser und Betonmatrix er gibt.

9. Bauteil aus Stahlfaserbeton mit Stahlfasern mit den Merkmalen des Anspruchs 8.