DE20121241U1

DE20121241U1 - Fasermischung für Beton

Info

Publication number: DE20121241U1
Application number: DE20121241U
Authority: DE
Original assignee: Harex Nederland BV
Current assignee: Harex Nederland BV
Priority date: 2000-09-05
Filing date: 2001-09-05
Publication date: 2002-06-06
Anticipated expiration: 2011-09-06
Also published as: ATE275107T1; EP1337493B1; DE60105310T2; DE60105310D1; WO2002020421A1; AU2001294387A1; NL1016105C2; EP1337493A1

Description

Titel: Fasermischung für Beton

Die Erfindung betrifft ein Vorgemisch zum Verbessern der Zugfestigkeit, Zähigkeit und Flüssigkeitsdichtigkeit abgebundener Baumaterialien, die aus einer Suspension, insbesondere Beton, gebildet sind.

Beton bedeutet im Sinne dieser Anmeldung die Fachleuten auf dem Gebiet bekannte Mischung aus festen Elementen, unter anderem Zement, Sand und möglicherweise Steine (die einschließen: Kies, Bruchsteine, Schotter, Schlacke et cetera), die zur Herstellung von Betonobjekten oder -konstruktionen (wie z. B. Böden, Wänden, Tunneln oder Teilen davon) auf per se bekannte Weise geeignet sind.

Mörtel bedeutet im Sinne dieser Anmeldung der beim Mischen der festen Bestandteile des abbindenden Baumaterials mit Wasser erhaltene Schlamm. Neben Betonkonstruktionen ist die Erfindung auf andere abbindende Baumaterialien auf Zementbasis anwendbar.

Zähigkeit bedeutet in diesem Zusammenhang mindestens das Ausmaß, in dem das rissige Material gegen Zugkraft beständig ist.

Zugfestigkeit bedeutet in diesem Zusammenhang mindestens das Ausmaß, in dem das Material gegen Zugkraft beständig ist, ohne dass eine Rissbildung auftritt.

Aus DE-A-42 26 744 sind Fasern bekannt, die zum Verstärken von Beton oder ähnlichem verwendet werden können. Diese bekannten Fasern weisen im wesentlichen eine gestreckte Drahtlänge mit hakenähnlichen Verformungen an beiden Enden auf. Untersuchungen der Erfinder haben ergeben, dass solche bekannten Fasern in Betonmörtel zur Erhöhung der Zähigkeit der letztendlichen Konstruktion verwendet werden können. Es sei darauf hingewiesen, dass dieser Effekt der erwähnten Fasern auf die Zähigkeit aus der genannten Patentanmeldung nicht bekannt ist. "Hakenartige Fasern" umfassen neben den

aus DE-A-42 26 744 bekannten Fasern andere Fasern, die aus einer gestreckten Drahtlänge bestehen, die zu Verankerungszwecken einen gekrümmten oder gebogenen Teil an den beiden Enden aufweisen.

5 Obwohl durch Hinzufügen solcher hakenartigen Fasern eine Verbesserung der Zähigkeit der letztendlichen Konstruktion erreicht werden kann, die der durch eine herkömmliche Verstärkung erzielten Verbesserung ähnlich ist, hat die Verwendung dieser bekannten Fasern einen Nachteil, nämlich dass andere Eigenschaften, insbesondere die Zugfestigkeit der letztendlichen Konstruktion, nicht oder nur unzureichend von der Verwendung dieser bekannten Fasern beeinflusst werden. Ferner sind solche Konstruktionen nicht flüssigkeitsdicht. Dies ist auf kleine Risse zurückzuführen, die in dem Beton auftreten können. Ein weiterer Nachteil ist, dass diese bekannten Fasern häufig dazu neigen, sich zu einer Kugel zusammenzuklumpen (vergleichbar mit einem "Igel"- oder "Eulen"-Gewölle in der technischen Anwendung), wenn sie mit einem Betonmörtel oder einem anderen Mörtel gemischt werden.

Die vorliegende Erfindung betrifft die Lösung dieser und anderer Probleme.

Es hat sich herausgestellt, dass diese Probleme zumindest zu einem großen Teil vermieden werden können, und zwar durch Verwendung eines Vorgemischs zum Verbessern der Zugfestigkeit und der Zähigkeit der von einer Suspension gebildeten Baumaterialien, wobei das Vorgemisch Fasern aufweist, welche zumindest auf einem Teil der Faseroberfläche rau sind, und langgestreckte Fasern mit hakenartigen Verformungen zumindest an beiden Enden aufweisen. Es hat sich herausgestellt, dass die Fasern, die auf der Oberfläche rau sind, einen zugfestigkeitsverbessernden Effekt auf die letztendliche Konstruktion haben. Die langgestreckten Fasern mit hakenartigen Verformungen haben einen zähigkeitsverbessernden Effekt auf die letztendliehe Konstruktion. Durch Auswählen des wechselseitigen Verhältnisses der beiden Arten von Fasern gemäß der Erfindung können die mechanischen Ei-

genschaften der letztendlichen Konstruktion so beeinflusst werden, wie es zuvor nicht möglich war.

Vorzugsweise werden pro m³ Mörtel mindestens 15 kg zähigkeitsverbessernde Fasern verwendet. Bei weniger als 15 kg/m³ ist die Auswirkung auf die Zähigkeit kaum noch spürbar. Im Prinzip gilt: je mehr Fasern verwendet werden, desto größer ist die endgültige Zähigkeit. Somit gibt es im Prinzip keine Obergrenze. Es können bis zu 100 kg/m³ verwendet werden, und dies führt zu einer proportional verbesserten Zähigkeit. Bei typischen Anwendungen ist jedoch eine Menge an zähigkeitsverbessernden Fasern von höchstens ungefähr 45 kg/m³ ausreichend.

Aus ähnlichen Gründen wie oben angeführt gibt es bei der Menge an verwendeten zugfestigkeitsverbessemden Fasern eine Untergrenze von ungefähr 10 kg/m³. Eine Obergrenze gibt es im Prinzip nicht. Bis zu 120 kg/m³ können noch mit gutem Ergebnis verwendet werden. Bei einer typischen Verwendung von Beton reicht jedoch eine Maximalmenge von 55 kg/m³ aus.

Vorgemisch bedeutet eine Mischung, die durch andere Bestandteile ergänzt werden soll. Ein erfindungsgemäßes Vorgemisch aus Fasern enthält zugfestigkeitsverbessernde und zähigkeitsverbessernde Fasern. Dieses Vorgemisch kann auf einfache Weise einem Mörtel zudosiert werden, z. B. mit Hilfe einer Wiege- und Schütteleinrichtung.

Die zugfestigkeitsverbessemden Fasern sind langgestreckte Fasern mit einer Abmessung von typischerweise einigen Zentimetern. Geeignete zugfestigkeitsverbessemde Fasern zur erfindungsgemäßen Verwendung sind in EP-A-O 087 496 beschrieben. Hier sind Fasern beschrieben, die durch Zerspanen von Stahl zur Herstellung von Spänen erhalten werden. Flussstahl (St 52) ist sehr gut geeignet. Die zugfestigkeitsverbessemden Fasern müssen mindestens auf einer Seite rau sein, d. h., dass &zgr;. B. auf einem Teil der Oberfläche Vorsprünge von typischerweise einigen Zehntel Millimetern ausgebildet sind, die in ei-

nem Abstand von typischerweise ebenfalls einigen Zehntel Millimetern voneinander beabstandet sind, so dass sie optimal in Eingriff mit dem Beton sein können, um ein Verformen des Betons zu verhindern. Vorzugsweise werden zugfestigkeitsverbessernde Fasern mit einer maximalen Abmessung von 16 60 mm verwendet. Wenn die Fasern kleiner sind als 15 mm, ist kaum noch ein Effekt spürbar. Fasern, die größer sind als ungefähr 60 mm, sind generell schwer zu verteilen oder anderweitig zu verarbeiten. Bei typischen Anwendungen von Beton sind Kurzfasern von 30 - 60 mm sehr gut geeignet. Vorzugsweise beträgt die Länge 25 - 35 mm. Die größte Breite der zugfestigkeitsverbessernden Fasern beträgt typischerweise einige Millimeter. Gute Ergebnisse werden bei einer maximalen Breite von 3,5 - 4 mm erzielt. Vorzugsweise werden die Fasern in Längsrichtung gebogen, so dass sie einen Biegewinkel von mindestens 20° aufweisen. Vorzugsweise sind die Fasern leicht verdreht und gekrümmt, so dass sie sichelförmig ausgebildet sind.

Besonders geeignete zähigkeitsverbessemde langgestreckte Fasern mit hakenartigen Verformungen zumindest an beiden Enden sind z. B. in der oben genannten DE-A-42 26 744 beschrieben, deren Beschreibung der Patentveröffentlichung hier mit einbezogen wird. Vorzugsweise werden zähigkeitsverbessernde Fasern mit einer maximalen Abmessung von 45 - 60 mm verwendet. Wenn die Fasern kleiner als 45 mm sind, ist kaum noch eine Auswirkung auf die Zähigkeit zu spüren, obwohl diese Untergrenze in starkem Maße von der vorgesehenen Verwendung abhängt. Bei Verwendung in hochfestem Beton können z. B. mit Fasern mit einer Länge von bis zu 15 mm noch gute Ergebnisse erzielt werden. Fasern, die länger sind als ungefähr 60 mm, sind generell schwer zu verteilen oder anderweitig zu verarbeiten. Die zähigkeitsverbessemden Fasern müssen eine relativ glatte Oberfläche zwischen den hakenartigen Verformungen aufweisen, so dass sie beim Dehnen leicht entlang dem nicht mit Haken versehene Teil der Faser durch das abgebundene Baumaterial gleiten können. Der Elastizitätsmodul der zähigkeitsverbessernden Fasern liegt typischerweise bei mindestens ungefähr 1000 N/m².

Ferner kann ein besonderer Vorteil mit einem Vorgemisch erzielt werden, das ferner Polypropylenfasern aufweist. Ausgesprochen gut geeignet sind Polypropylenfasern in Form von so genanntem "Engelshaar", d. h. runde fibrillierte Polypropylenfasern mit einem Durchmesser von höchstens einigen wenigen Zehn Mikrometern, z. B. 10 - 30 pm, typischerweise ungefähr 20 pm, und einer Länge von typischerweise 10 - 15 mm. Die Dichte des Polypropylens liegt bei ungefähr 0,90 - 0,95 kg/m³. Überraschenderweise scheint dieses Additiv dazu zu führen, dass das Abbinden des Baumaterials gleichmäßiger vonstatten geht, so dass sich die Qualität des Baumaterials verbessert. Insbesondere wird die Flüssigkeitsdichtigkeit des Betons beträchtlich verbessert. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Polypropylenfasern aufquellen, so dass sie die Feuchtigkeit festhalten können. Somit steht das Wasser gleichmäßiger für die für den Abbindevorgang erforderlichen chemischen Reaktionen zur Verfügung. Folglich wird die Rissbildung während des Abbindens verhindert.

Ein weiterer wichtiger Vorteil der Verwendung von Polypropylenfasern in Beton ist, dass die Feuerfestigkeit des Betons verbessert wird. Da die Polypropylenfasern bei ungefähr 160 ⁰C schmelzen, bilden sich Poren in der Betonmatrix. Die ausgebildeten Poren ermöglichen eine Ausdehnung, so dass die Rissbildung verzögert wird. Folglich behält die Konstruktion ihre Festigkeit länger aufrecht, wenn sie hohen Temperaturen ausgesetzt ist.

Vorzugsweise werden Polypropylenfasern in einer Menge von ungefähr 0,5 bis höchstens ungefähr 3 kg/m³ verwendet. Normalerweise werden bei typischen Anwendungen nicht mehr als ungefähr 0,9 kg/m³ Polypropylenfasern benötigt.

Die zugfestigkeitsverbessernden und/oder zähigkeitsverbessernden Fasern bestehen vorzugsweise aus Metall, besser noch aus Stahl. Es hat sich herausgestellt, dass es sich dabei um ein kostengünstiges Material handelt, dass den Anforderungen genügt. Insbesondere werden die rauen zugfestigkeitsverbessernden Fasern durch Zerspanen von Stahl erhalten, z. B. Späne, die durch

Fräsen von Stahlteilen, insbesondere von Stahlgussblöcken (St 52), erhalten werden.

Die zähigkeitsverbessernden Fasern können aus Draht oder Band hergestellt sein. Vorzugsweise wird gezogener Draht verwendet.

Das Vorgemisch aus zugfestigkeitsverbessernden und zähigkeitsverbessernden Fasern und wahlweise Polypropylenfasern kann, wahlweise nach dem Hinzufügen anderer Zuschlagstoffe, einem Mörtel hinzugefügt werden, der dann auf normale Weise weiterverarbeitet wird. Das Hinzufügen des Faservorgemischs zu dem Betonmörtel erfolgt sowohl in einer Betonmörtelanlage als auch auf einer Baustelle.

Wenn die Fasern in der Mörtelanlage mit dem Mörtel gemischt werden, können die Fasern in Silos gelagert und dem bereits in einem Mischer der Anlage oder eines Lastkraftwagens befindlichen Betonmörtel z. B. mittels eines Schüttelmechanismus zudosiert werden. Durch Überwachen des Gewichts der einzumischenden Fasern kann die exakte Menge an Fasern, die eindosiert werden, registriert werden. Danach ist das Mischen beendet. Die so hergestellte Mischung wird zur Weiterverarbeitung auf normale Weise zur Baustelle transportiert. Das Faservorgemisch kann dem Zementmörtel auch im Lkw auf der Baustelle hinzugefügt werden.

Die Betonkonstruktionen, die durch Verwendung eines solchen Betonmörtels erhalten werden, weisen verbesserte Eigenschaften hinsichtlich Zähigkeit und Zugfestigkeit auf. Durch zusätzliche Verwendung der Polypropylenfasern können Konstruktionen hergestellt werden, die außerdem weniger Schrumpfrisse aufweisen. Ferner wird die Anzahl von Rissen, die auftreten können, in stärkerem Maße eingeschränkt. Die Risse, die auftreten können, sind kleiner als bei Konstruktionen, die aus herkömmlichem Beton mit oder ohne herkömmliche Verstärkung hergestellt sind. Folglich ist es unter anderem möglich, bei elastisch gelagerten Böden, d. h. Böden, die z. B. auf einer Schicht Sand oder an-

derweitig, &zgr;. B. auf einer Schicht Polystyrolschaum, gelagert sind, eine große Fläche abzudecken.

Ferner kann bei Betonkonstruktionen, die auf einem Fundament gelagert sind, wie z. B. Rammpfähle, die erfindungsgemäße Fasermischung in vorteilhafter Weise verwendet werden. Insbesondere können Böden hergestellt werden, die eine kleinere Dicke und/oder eine größere nicht gelagerte Länge aufweisen, d. h. die Rammpfähle können mit größeren Zwischenräumen angeordnet werden.
10

Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Faservorgemisch ferner in Kombination mit einer herkömmlichen Verstärkung verwendet werden, wie z. B. mit umflochtenen Stahldrähten.

Mit den erzielten verbesserten Eigenschaften des Betons ist ein mit dem erfindungsgemäßen Faservorgemisch versehener Mörtel für die Herstellung großer Konstruktionen, wie z. B. Böden, Wänden, Tunneln oder Teilen davon, besonders geeignet. Folglich reichen weniger Fugen aus oder können diese sogar ganz wegfallen. Es hat sich herausgestellt, dass mit dem erfindungsgemäßen Mörtel Konstruktionen hergestellt werden können, die eine solche Zähigkeit aufweisen, dass es möglich wird, große Spannweiten zu realisieren.

Eine beträchtliche Verbesserung hat sich auch hinsichtlich der Struktur des Betons herausgestellt. Es ist bekannt, dass Beton beim Abbinden immer in einem gewissen Maße reißt. Diese Mikrorisse sind charakteristisch für Beton. Es hat sich herausgestellt, dass sich durch Verwendung des erfindungsgemäßen Faservorgemischs der R-Wert (Widerstand/Biegezugfestigkeit) beträchtlich verbessert hat. Die Verwendung der Fasermischung, insbesondere der zähigkeitsverbessernden Faser, führt zu einer geringeren Schrumpfung während des Abbindens, so dass die Oberfläche vergrößert werden kann. Da größere Bodenteile hergestellt werden können, gibt es weniger Fugen im Boden,

so dass das Risiko der Beschädigung sinkt und die Flüssigkeitsdichtigkeit weiter erhöht wird.

Die zähigkeitsverbessemden und zugfestigkeitsverbessernden Fasern und wahlweise die Polypropylenfasern können dem Mörtel separat zugefügt werden, können jedoch auch zuerst gemischt werden, wonach diese Fasermischung dem Mörtel hinzugefügt wird. Diese letzte Ausführungsform, bei der die Fasern dem Mörtel als Vorgemisch hinzugefügt werden, wird bevorzugt.

Es hat sich ferner herausgestellt, dass, wenn die Fasern in einer speziellen Reihenfolge gemischt werden, ein Mörtel mit verbesserten Eigenschaften entsteht. Gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform wird auf eine erste Schicht der zugfestigkeitsverbessernden Fasern eine Schicht der zähigkeitsverbessemden Fasern aufgebracht. Folglich tritt das oben erwähnte Problem der Verklumpung dieser Fasern nicht oder nur in stark reduziertem Maße auf. Das Aufbringen der Fasern kann z. B. durch Schütten derselben auf ein Förderband erfolgen. Es hat sich herausgestellt, dass, wenn das Verfahren in dieser Reihenfolge angewandt wird, ein Verhaken der zähigkeitsverbessemden Fasern verhindert werden kann, aufgrund dessen sie zusammenkleben würden, was unerwünscht wäre. Wenn ein Verheddern vermieden wird, werden auch die hakenartigen Fasern gleichmäßig im Beton verteilt, so dass die gewünschte Verbesserung der mechanischen Eigenschaften gewährleistet ist.

Es kann ein Prüfstück aus dem erhaltenen Mörtel gegossen werden, das unter anderem auf Zähigkeit, Zugfestigkeit und/oder Flüssigkeitsdichtigkeit untersucht wird. Erst dann wird der Mörtel auf normale Weise dem Käufer geliefert. Der Vorteil ist, dass der gelieferte Mörtel hinsichtlich der Zähigkeit, Zugfestigkeit und Flüssigkeitsdichtigkeit der letztendlichen Konstruktion zertifiziert und garantiert werden kann.
30

Durch genaues Messen der Menge an zähigkeits- und zugfestigkeitsverbessernden Fasern und wahlweise Polypropylenfasern sowie der Menge an Mörtel,

kann ein erfindungsgemäßer Mörtel erhalten werden, dessen Spezifikationen hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften des letztendlichen Betons, insbesondere der Zugfestigkeit, Zähigkeit und Flüssigkeitsdichtigkeit, im wesentlichen im voraus bekannt sind. Die sich auf die Eigenschaften des letztendlichen Mörtels beziehenden Daten können dann in dem mit dem Betonmörtel mitgelieferten Zertifikat aufgeführt werden.

Das Wiegen der unterschiedlichen Bestandteile kann auf Fachleuten auf dem Gebiet bekannte Weise erfolgen, z. B. durch Dosieren und Negativwiegen aus den Silos.

Erfindungsgemäß können die mechanischen Eigenschaften des Betons reproduzierbar gesteuert werden.

Erfindungsgemäß können wenig reißanfällige Böden hergestellt werden. Ein weiterer besonderer Vorteil ist, dass die Verwendung der Fasermischung zu der Verstärkung führt, die in der letztendlichen Konstruktion gut verteilt ist, insbesondere an den Rändern und in den Ecken. Somit können z. B. Böden hergestellt werden, die in den Ecken und an der Rändern adäquat mit einer Verstärkung versehen sind. Dies ist bei Konstruktionen von großer Bedeutung, die genau an den Rändern stark belastet sein können, wie z. B. Betonplatten für Start- und Landestreifen auf Flughäfen u. ä. Bei den erfindungsgemäß erreichten verbesserten mechanischen Eigenschaften können dünnere Böden ausreichen.

Claims

1. Vorgemisch zum Verbessern der Zugfestigkeit und der Zähigkeit abgebundener, von einer Suspension erlangter Baumaterialien, mit zugfestigkeitsverbessernden Fasern, die auf mindestens einem Teil der Faseroberfläche rau sind, und mit zähigkeitsverbessernden langgestreckten Fasern mit hakenartigen Verformungen zumindest an beiden Enden.

2. Vorgemisch nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die zugfestigkeitsverbessernden Fasern eine maximale Länge von 15-60 mm, vorzugsweise 25-35 mm, aufweisen.

3. Vorgemisch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zähigkeitsverbessernden Fasern eine maximale Länge von 45-60 mm aufweisen.

4. Vorgemisch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Polypropylenfasern, die vorzugsweise einen Durchmesser von 10-30 µm und eine Länge von 10-15 mm aufweisen.

5. Vorgemisch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zugfestigkeitsverbessernden und/oder die zähigkeitsverbessernden Fasern aus Metall, vorzugsweise Stahl, bestehen.

6. Vorgemisch nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zugfestigkeitsverbessernden Fasern aus durch Zerspanen von Metallobjekten, vorzugsweise durch eine Fräsbearbeitung, erhaltenen Fasern bestehen.

7. Vorgemisch nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zähigkeitsverbessernden Fasern aus gezogenem Metall bestehen.

8. Betonmörtel mit einem Vorgemisch nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

9. Betonmörtel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an zähigkeitsverbessernden Fasern 15-45 kg/m³, der Gehalt an zugfestigkeitsverbessernden Fasern 10-55 kg/m³ und/oder der Gehalt an Polypropylenfasern 0,5-0,9 kg/m³ beträgt.

10. Betonboden oder Teil eines Bodens mit einer freien Spannweite von mindestens 1 m, wobei der Boden oder der Teil des Bodens ein Vorgemisch nach einem der Ansprüche 1-7 enthält.

11. Betonkonstruktion, mit einem Vorgemisch nach einem der Ansprüche 1-7 oder einem Betonmörtel nach einem der Ansprüche 8-9.