DE19801610C2 - Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Stahlfasern und deren Verwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Stahlfa­ sern. Zum anderen betrifft die Erfindung eine Verwendung der Stahlfasern.

Hochfestem Beton werden Stahlfasern beigemischt um eine Festigkeitserhö­ hung zu erreichen. Die Festigkeit des Betons ist damit, wie bei jedem Ver­ bundwerkstoff, abhängig von der Tragfähigkeit der Stahlfaser-Betonmatrix- Grenzfläche. Bisher ist die Tragfähigkeit dieser Grenzfläche generell gering. Bei Belastung tritt daher bei kurzlaserverstärktem Beton ein Herausziehen der Faser aus der Betonmatrix auf. Dies bedeutet, dass die Faser unterhalb ihrer Festigkeitsgrenze belastet und damit das festigkeitssteigernde Potential der kurzen Stahlfaser nicht vollständig genutzt wird. Die festigkeitssteigernde Wir­ kung der Faserverstärkung hängt aber nicht nur von der Tragfähigkeit der Stahlfaser-Betonmatrix-Grenzfläche ab. Entscheidend ist vielmehr das Zu­ sammenspiel zwischen Faserlänge bzw. Faseroberfläche und Grenzflächenhaf­ tung. Bei hoher Grenzflächenhaftung ist eine optimale Kraftübertragung be­ reits mit kurzen Fasern möglich. Je kürzer die Fasern sind, desto besser sind darüber hinaus auch die Verarbeitungseigenschaften des Betons beziehungs­ weise es kann ein höherer Faseranteil eingemischt werden.

Aus der EP 0 087 496 B1 und der DE 43 15 270 A1 ist es bekannt dass die fes­ tigkeitssteigernde Wirkung einer Stahlfaser in einem Bauteil aus Stahlfaserbe­ ton von folgenden Parametern bestimmt wird:

• - Verhältnis Faserlänge zu Faserdurchmesser
• - Fasergeometrie
• - Faseroberfläche.

Die DE 33 47 675 A1 betrifft ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von E­ delstahlfasern für die Herstellung von Stahlfaserbeton. Mit einer oxidierenden Flammbehandlung erreicht man eine Aufrauhung der Oberfläche der Stahlfa­ sern.

Ein Ausführungsbeispiel der DE-AS 16 46 411 behandelt ein Verfahren zur O­ berflächenbehandlung von Stahlfasern. Die Stahlfasern werden zunächst mit einer Schicht aus Aluminiumpulver versehen. Anschließend erfolgt eine Sinte­ rung. Dadurch erhält man einen mit Stahlfasern verstärkten Aluminiumkörper. Ein weiteres Ausführungsbeispiel der DE-AS 16 46 411 beschreibt die Möglich­ keit, Fasern durch Abscheidung aus der Dampf- oder Gasphase mit einem Mat­ rixmaterial zu überziehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stahlfaser für die Herstellung von Stahlfaserbeton so auszubilden, dass eine hohe Tragfähigkeit der Grenz­ fläche zwischen der Oberfläche der Stahlfaser und der sie umgebenden Matrix aus Beton erzielt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 5 gelöst. Die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche betreffen zum einen ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Stahlfasern und zum anderen eine Verwendung der Stahlfasern.

Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass die oberflächenbehandelten Stahlfasern die Festigkeit von Stahlfaserbeton erhöhen. Aufgrund der über die Flammbehandlung aufgebrachten Haftschicht, die dem Zement gute Kristalli­ sationskeime bietet, wachsen die Kristalle direkt auf der Faser. Die gute Haf­ tung des Betons an den Fasern bewirkt, dass ein Herausziehen der Faser aus dem Beton behindert ist. Auch wenn durch eine hohe Zugbelastung der Stahl­ faser-Betonmatrix-Verbund zerstört ist, besitzt die in dem hier beschriebenen Prozess behandelte Faser durch die ihr anhaftenden Betonpartikel einen hohen Reibungswiderstand gegen das Herausziehen aus der Matrix. Auf unbehandel­ ten Fasern haftet hingegen kaum Beton. Sie setzen dem Herausziehen aus der Matrix nur einen geringen Reibungswiderstand entgegen. Gerade ein hoher Reibungswiderstand der Faser gegenüber der Matrix ist aber bei faserverstärk­ tem Beton besonders wünschenswert, da die Faseroberfläche auf diese Weise noch eine hohe Energiemenge aufnimmt und ein Risswachstum erschwert. Herstellungsbedingt können die Stahlfasern mit haftungsmindernden Ziehfet­ ten und Ölen bedeckt sein. Da die Oberflächenbehandlung der Stahlfasern mit Hilfe einer Flammbehandlung erfolgt, verbrennen derartige Verunreinigungen. Dieser Reinigungsprozess alleine bewirkt bereits eine Verbesserung der Haf­ tung der Faser in Beton. Als Ausgangsverbindung werden aluminiumorgani­ sche und/oder siliciumorganische Verbindungen eingesetzt. Die abgeschiede­ ne Haftschicht besteht überwiegend aus einer Aluminium- und/oder Silicium­ verbindung. Da Zement sowohl eine aluminatische wie auch silikatische Kom­ ponente besitzt, führen die auf die Faseroberflächen aufgebrachten, gut haf­ tenden Aluminium- und/oder Silikatschichten aufgrund der ähnlichen Struktur zu einem verbesserten Verbund mit der Betonmatrix. Sie bilden gute Kristalli­ sationskeime für den Hydratationsprozess des Zements, das heißt die Kristalli­ te beginnen direkt auf der Faseroberfläche zu wachsen. Dadurch wird die Fa­ ser gut in der sie umgebenden Matrix verankert.

Zur Flammbehandlung wird ein Gemisch aus flüssigem oder gasförmigem Brennstoff und der zuvor genannten Ausgangsverbindung in Form der alumi­ niumorganischen und/oder siliciumorganischen Verbindung verwendet. Die Ausgangsverbindung ist gut in dem Brennstoff löslich. Daher kann die Aus­ gangsverbindung exakt und einfach dosiert werden. Die Ausgangsverbindung verbrennt in der Flamme zu einem Aerosol, dessen Teilchen die Haftschicht bilden.

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 Flammbehandlung.

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

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

Fig. 2 eine Vorrichtung mit zwei Brennern zur Oberflächenbehandlung von Stahlfasern.

Die Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung von Stahlfasern 10. Die Vorrichtung dient dazu, mit einer Flammbehandlung eine Haftschicht auf die Oberfläche der Stahlfasern 10 aufzutragen. Die Haftschicht ergibt nach der Verarbeitung der Stahlfasern zu Stahlfaserbeton eine gute Verbindung zwi­ schen Stahlfaser und Betonmatrix.

Bei der Flammbehandlung wird ein Gemisch aus flüssigem oder gasförmigen Brennstoff und einer Ausgangsverbindung verwendet. Als Ausgangsverbin­ dungen kommen aluminium- oder siliciumorganische Verbindungen in Frage, die im verwendeten Brennstoff gut löslich sind. Beispielsweise können folgen­ de Verbindungen verwendet werden: Tetraethoxysilan, Tetramethoxysilan, Tetramethylsilan, Triethylaluminium, Trimethylaluminium, Aluminium­ di(isopropoxid)-acetessigester-chelat, Aluminiumisopropoxid. Bezüglich des vorgenannten Gemisches aus Brennstoff und Ausgangsverbindung liegt die Konzentration der vorgenannten metallorganischen Verbindungen im Brenn­ stoff typischerweise in einem Bereich von 1 bis 10 Prozent. Die Ausgangsver­ bindung verbrennt in der Flamme zu einem Aerosol, dessen Teilchen aus Alu­ minaten und/oder Silikaten die Haftschicht bilden.

Die Vorrichtung umfasst

• - eine Zuführeinrichtung 20 für die Stahlfasern 10 im oberen Bereich der Vor­ richtung;
• - einen Brenner 30 im unteren Bereich der Vorrichtung;
• - einen Reaktionsraum 40 zwischen der Zuführeinrichtung 20 und dem Bren­ ner 30;
• - ein unten angeordnetes Förderband 50 zum Abtransportieren der beschich­ teten Stahlfasern 10.

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

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

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 Verun­ reinigungen.

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

Sintern der Haftschicht: Mit zunehmender Verweildauer der Stahlfasern im Re­ aktionsraum 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 Reaktionsraum angesprochen. Zur Einstellung der Verweildauer der Stahlfa­ sern kann der in Fig. 1 dargestellte Sachverhalt ausgenutzt werden, wonach die Zuführung der Stahlfasern im Gegenstrom zum Abgasstrom erfolgt. Über die Zuführleitung 31 wird dem Brenner 30 ein Brennstoff-Ausgangsverbindung- Gemisch zugeführt. Durch eine Variation des Brennstoff-Ausgangsverbindung- Massenstromes lässt sich die Größe der Flamme und damit die Abgasge­ schwindigkeit regeln. Da das im Reaktionsraum nach oben strömende heiße Abgas an der nach unten fallenden Faser einen Auftrieb bewirkt, kann über die Flammengröße 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 Behandlungs­ dauer 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 eigene Zuführleitung 31, 31' mit einem Gemisch bestehend aus Brennstoff und Ausgangsverbindung 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 Ab­ stimmungsmöglichkeiten ergeben. Im Reaktionsraum 40 findet überwiegend 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 zusammenzieht 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 Sinter­ vorgang zeitlich steuern, wie bereits zuvor dargelegt wurde. Über die Zuführlei­ tungen 31, 31' könnten jeweils unterschiedliche Ausgangsverbindungen zum Einsatz kommen, um eine bestimmte chemische Zusammensetzung der Haft­ schicht zu erzielen.

10

Stahlfaser
20

Zuführeinrichtung der Stahlfasern
21

Rüttelwerk
22

Aufnahmetrichter mit Bodenöffnung
30, 30

' Brenner
31, 31

' Zuführleitung für Brennstoff-Ausgangsverbindung-Gemisch
40, 40

' Reaktionsraum
50

Förderband

Claims (5)

1. Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Stahlfasern für die Herstellung von Stahlfaserbeton, bei dem in einer Flammbehandlung eine Haftschicht auf die Oberfläche der Stahlfasern abgeschieden wird, wobei als Aus­ gangsverbindung zur Herstellung der Haftschicht eine aluminiumorgani­ sche und/oder siliciumorganische Verbindung eingesetzt wird.

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

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem nach dem Abscheiden der Haftschicht auf die Oberfläche der Stahlfasern diese durch Sintern verfestigt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Sinterung der Haftschicht ebenfalls in einer Flammbehand­ lung erfolgt.

5. Verwendung der nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 erhaltenen Stahlfasern für die Herstellung von Stahlfaserbeton.