DE19835075A1

DE19835075A1 - Verstärkungsfasern für aushärtende Werkstoffe, insbesondere Beton und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE19835075A1
Application number: DE1998135075
Authority: DE
Inventors: Arman Emami
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-07-27
Filing date: 1998-07-27
Publication date: 2000-02-03

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verstärkungsfaser für aushärtende Werkstoffe, sowie ein Verfahren zur Herstellung solcher Fasern. DOLLAR A Im Unterschied zu den bekannten Stahlfasern ist die erfindungsgemäße Faser vorzugsweise aus zwei, in Längsrichtung fest zusammenverdrillten drahtförmigen Vormaterialien gebildet, so daß sich nach außen ein insgesamt spiralförmiges Erscheinungsbild ergibt. Dies erhöht die Haftung über die gesamte Faserlänge und verhindert durch ihre geomatrische Form die Entstehung von Spannungsspitzen bei den Kraftübertragungen zwischen Fasern und Matrixmaterial. DOLLAR A Die erfindungsgemäßen Fasern lassen das Matrixmaterial annähernd bis zu ihrer Längsachse eindringen und sind kerbenfrei. Sie ermöglichen durch ihre Oberfläche einen homogenen Spannungs- und Kraftlinienablauf, es entstehen dabei keine Spannungsspitzen. Bei den verdrillten Fasern entspricht der Nettoquerschnitt über die gesamte Faserlänge dem Bruttoquerschnitt. Die verdrillten Fasern haben eine größere Oberfläche als nicht verdrillte Fasern, dadurch ist die Haftung zwischen Faser und Matrixmaterial erhöht. DOLLAR A Vorzugsweise sorgen die freien abgeknickten Enden der Fasern für eine optimale Verankerung im Matrixmaterial.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verstärkungsfaser für vergießbare aushärtende Werkstoffe gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung solcher Fasern.

Einige Baumaterialien besonders aber hydraulische Werkstoffe wie Beton und Mörtel haben eine geringe Biegezug - und Zugfestigkeit sowie eine große Rißneigung, diese Eigenschaften werden durch das Einmischen von Fasern verbessert. Diese Fasern sind meistens draht- oder stabförmig und haben in der Regel eine Länge im Bereich von 10 bis 80 mm und eine Dicke in der Größenordnung von 0,5 bis 4 mm.

Als Material für solche Fasern, die in hydraulische Werkstoffe, wie Beton eingebracht werden, werden üblicherweise Stahlwerkstoffe eingesetzt. Diese Fasern sollen vor allem zu einer Erhöhung der Zugfestigkeit des Verbundwerkstoffes führen. Deshalb ist es von großer Bedeutung, daß der Widerstand gegen ein Herausziehen der Fasern aus dem Matrixwerkstoff möglichst groß ist.

Hierzu versucht man wie aus dem EP 0 098 825 A1, US 005443918A und DE 196 27 347 A1 bekannt ist, die Stahlfaser mit einer möglichst günstigen äußeren Form zu gestalten. Es sind vor allem abgeknickte, angestauchte, gewellte, gefaltete und gestanzte Stahlfasern bekannt. Diese Gestalten können nicht zu einer effektiven Verbesserung der Haftung zwischen den Fasern und dem Matrixwerkstoff führen. Die über die Länge eingeleiteten maximalen Verbundspannungen sind viel geringer als die maximal aufnehmbare Faserzugkraft, so daß bei großer Belastung die Fasern aus dem Matrixmaterial ausgezogen werden. Die Fasern werden dabei nicht optimal ausgenutzt. Außerdem sind folgende Nachteile zu benennen:

1. Die durch Stanzen, Anstauchen oder Abscheren erzeugten Einkerbungen an der Oberfläche der Fasern führen zu keiner effektiven Haftung zwischen Fasern und Matrixmaterial, weil die Tiefe und die Breite solcher Einkerbungen zu gering sind, um mit Matrixmaterial ausreichend gefüllt werden zu können. s. Fig. 1
2. Durch Stanzen, Anstauchen oder Abscheren werden scharfkantige Verformungs stellen erzeugt. Gerade dort sollen die Kräfte zwischen Faser und Matrixmaterial übertragen werden, dies führt aber in den betreffenden Bereichen zu Entstehung von Spannungsspitzen und dadurch zwangsläufig zu Rißbildungen im Matrixmaterial, s. Fig. 2.
3. Durch das Anbringen von Kerben oder Rillen verlieren die Fasern an Nettoquer schnitt, was die gesamte Zugfestigkeit vermindert, s. Fig. 3.
4. Durch das Anbringen von feinen Kerben an Fasern wird bei Spannungskonzen trationen im Bereich der Kerben die Sprödbruchneigung gefördert, d. h. die Entstehung von Spannungsspitzen und einer Konzentration des Kraftlinienverlaufs führen bei spröden Werkstoffen wie Stahl zu Rißbildung und einer Reduzierung von Zugbelastbarkeit besonders bei niedrigen Temperaturen, s. Fig. 4
5. Durch das Wellen oder Knicken erzeugt man in den Fasern einen Federungseffekt, der zu einer Senkung der Verformungsenergie und radikalen Senkung der Zugfestigkeit im Belastungsbereich führt, so werden die Fasern erst nach der Rißöffnung beansprucht. s. Fig. 5.
6. Bei an beiden Enden angestauchten oder geknickten Fasern wird die Kraft größtenteils anstatt über die gesamte Faseroberfläche, durch die beiden Enden der Fasern auf das Matrixmaterial übertragen.
Dies führt zu einer Konzentration von Spannungen in diesen Bereichen, die Folge ist eine Entstehung von Spannungsspitzen im Matrixmaterial und dadurch bedingte Rißbildung. s. Fig. 6.
7. Die Fasern mit Endverankerungen verursachen eine Verschlechterung der Verarbeitbarkeit.
8. Nach vielen bekannten Verfahren ist eine Ausbildung von Oberflächenprofilier ungen von hochfesten Materialien nicht möglich.
9. Unwirtschaftlichkeit durch erforderliche Verarbeitung und Verformung jeder einzelnen Faser.

Angesichts von geringer Größe und notwendiger Gebrauchsmasse solcher Fasern kommen viele Produktionsmethoden z. B. Präge- oder Gießverfahren nicht in Frage. Diese Methoden sind für Kleinfasern in der Massenproduktion unwirtschaftlich. Deshalb können viele Idealformen wie z. B. die bekannten Betonrippenstahlober flächen nicht umgesetzt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es mit einer durchdachten und wirtschaftlich umsetzbaren Form solcher Fasern die genannten Nachteile zu vermeiden und eine effektive Haftung zwischen Fasern und Matrixmaterial zu erzielen.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Fasern sind durch die Merkmale der Unteransprüche 2-14 näher gekennzeichnet.

Ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Fasern weist die Merkmale des Patentanspruchs 15 auf und ist durch die Merkmale der Unteransprüche 16 bis 23 in vorteilhafter Weise ausgestaltbar.

Im Unterschied zu den bekannten Stahlfasern ist die erfindungsgemäße Faser vorzugsweise aus zwei, in Längsrichtung fest zusammenverdrillten drahtförmigen Vormaterialien gebildet, so daß sich nach außen eine insgesamt spiralförmige Oberflächenprofilierung ergibt. s. Fig. 7 bis 10.

Hierdurch ergibt sich eine besonders gute Verankerung der Stahlfasern in der Betonmatrix mit folgenden Vorteilen:

1. Der Nettoquerschnitt entspricht über die gesamte Faserlänge dem Bruttoquer schnitt.
2. Die Fasern sind kerbenfrei und der Spannungs- und Kraftlinienverlauf ist über die gesamte Faserlänge homogen.
3. Trotz der gewellten Form der Einzelbestandteile einer Faser tritt kein wesentlicher Federungseffekt auf, da die Einzelbestandteile einer Faser bei einer Zugbeanspruchung sich gegenseitig verriegeln.
4. Die Kraftübertragung zwischen Faser und Matrixmaterial erfolgt über die gesamte Faserlänge und nicht nur an wenigen verformten Bereichen.
5. Bedingt durch die günstige Faseroberfläche kann das Matrixmaterial annähernd bis zur Längsachse eindringen und bildet damit eine optimale Ummantelung. S. Fig. 11.
6. Die Struktur der Oberfläche ist gewölbt und kantenfrei, dadurch wird bei Kraftüber tragungen die Entstehung von Spannungsspitzen vermieden.
7. Durch die gewölbte Oberflächenform verlaufen die übertragenen Kraftvektoren im Matrixmaterial nicht parallel sondern auseinanderweichend s. Fig. 12. Dadurch wird die resultierende Kraft reduziert und es entstehen keine punktuellen Kraftakkumulationen.
8. Durch die Verdrillung kann ein Kraftverformungseffekt eintreten, wodurch die Zugfestigkeit des eingesetzten Vormaterials erhöht wird.
9. Bei einer nicht sehr festen Verdrillung passen sich die Einzeldrähte den kleinen Schwingungen und Verformungen des Matrixmaterials an, erst bei großen Zug- und Biegezugbeanspruchungen verriegeln sie sich gegenseitig, dieser Effekt kann zu einer Dauerhaftigkeit des Verbundwerkstoffs führen, da die Haftung zwischen Faser und Matrixmaterial nur bei starken Belastungen beansprucht wird.
10. Bei verdrillten Fasern mit abgeknickten freien Enden (Fig. 9 und 10) verbessert sich die Verankerung im Matrixmaterial zusätzlich.
11. Durch Veränderung der Anzahl der verdrillten Drähte einer Faser läßt sich die Oberfläche der Faser variieren, wodurch gezielt eine Erhöhung der Haftung zwischen Faser und Matrixmaterial erreicht wird.

Claims

1. Verstärkungsfasern für aushärtende Werkstoffe, insbesondere Beton dadurch gekennzeichnet, daß jede Faser eine Länge im Bereich 3 bis 200 mm und eine Dicke von 0,1 bis 10 mm aufweist und aus mindestens zwei, in Längsrichtung miteinander verdrillten drahtförmigen Materialien aus Kunststoff oder Metall gebildet ist, so daß sich nach außen ein spiralförmiges Erscheinungsbild ergibt.

2. Verstärkungsfasern nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte einer Faser um mindestens einen nicht verdrillten Draht verdrillt sind.

3. Verstärkungsfasern nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte einer Faser miteinander verflochten, verknotet oder mehrfach verdrillt sind.

4. Verstärkungsfasern nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß quer zur Längsrichtung zusätzlich Fasern eingebracht sind, die mit den längsverlaufenden Drähten stacheldrahtartig verdrillt, verknotet oder verflochten sind.

5. Verstärkungsfasern nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verdrillung bzw. Verflechtung sich nur über ein Teil der Faserlänge erstreckt.

6. Verstärkungsfasern nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die verdrillten Drähte einer Faser an mindestens einem Punkt durch Schweißen, Löten oder Kleben miteinander verbunden sind.

7. Verstärkungsfasern nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Enden einer Faser nicht verdrillt sind.

8. Verstärkungsfasern nach dem Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Enden der Drähte am jeweiligen Ende einer Faser einen Winkel zwischen 0 bis 180 Grad zu der Längsachse der Faser aufweisen.

9. Verstärkungsfasern nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke und der Grad der Verdrillung je nach Material und Einsatzbereich variiert.

10. Verstärkungsfasern nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge einer Faser der kritischen Faserlänge entspricht, wobei die kritische Faserlänge dadurch definiert ist, daß die über die halbe Länge eingeleiteten maximalen Verbundsspannungen gerade der maximal aufnehmbaren Faserzugkraft entsprechen.

11. Verstärkungsfasern nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte einer Faser bzw. die Faser mit Kunststoff oder Metall beschichtet sind.

12. Verstärkungsfasern nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die verdrillten Drähte einer Faser einen polygonen oder kreisförmigen Querschnitt besitzen.

13. Verstärkungsfasern nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die verdrillten Drähte einer Faser unterschiedliche Querschnittsflächen besitzen.

14. Verstärkungsfasern nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die miteinander verdrillten Drähte einer Faser aus verschiedenen Materialien bestehen.

15. Verfahren zur Herstellung von Verstärkungsfasern für vergießbare aushärtende Werkstoffe, insbesondere Beton gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei drahtförmige Vormaterialien um einen Punkt gedreht und gleichzeitig mittels mindestens zwei Walzen gezogen werden. Im nächsten Schritt werden die Fasern unter Verwendung von einen Scherwerkzeug in die gewünschten Längen geschnitten. S. Fig. 13.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das drahtförmige Vormaterial mit dem Düsenziehverfahren aus einem Rohdraht hergestellt wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte einer Faser um mindestens eine mit den anderen nicht verdrillten Draht verdrillt werden.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die drahtförmigen Vormaterialien in bestimmten Bereichen nur gezogen und nicht gedreht werden, so daß eine Verdrillung sich nur über einen Teil der Faserlänge erstreckt.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Scherwerkzeug beim Abscheren die Drähte abknickt, so daß die freien Enden der Drähte am jeweiligen Ende einer Faser einen Winkel zwischen 0 bis 180 Grad zu der Längsachse der Fasern bilden.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die verdrillten Fasern vor bzw. beim Abscheren mindestens in einem Punkt gelötet, geschweißt oder geklebt werden.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß durch Verändern der Geschwindigkeit der Walzen die Stärke und der Grad der Verdrillung variiert.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beschaffung einer rauhen, haftungsverbesserenden Oberfläche das drahtförmige Vormaterial eine Oberflächenbehandlung durch Beizen, Phosphatieren, Sand-, Stahl- oder Glasperlenstrahlen unterzogen werden.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß das drahtförmige Vormaterial vor bzw. nach dem Verdrillen mit Kunststoff oder Metall beschichtet wird.