DE2015853A1 - Glasfaser und deren Verwendung als Verstärkungsmittel fur Zement - Google Patents

Glasfaser und deren Verwendung als Verstärkungsmittel fur Zement

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DE2015853A1 DE19702015853 DE2015853A DE2015853A1 DE 2015853 A1 DE2015853 A1 DE 2015853A1 DE 19702015853 DE19702015853 DE 19702015853 DE 2015853 A DE2015853 A DE 2015853A DE 2015853 A1 DE2015853 A1 DE 2015853A1
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Description

und deren Verwendung als Verstärkungsmit< tel für Zement
Man hat viele Jahre lang in zementartigen, in der Bautechnik verwendeten Produkten, wie Asbeetzement-Rohren und -Dachplatten, als Faserve rs tärlcungs- bzw. -bewehrungsraaterial Asbest eingesetzt. Ungeachtet ihrer la grossen Massstab erfolgenden Verwendung sindAsbestzement-Produkte fUr viele Zweck· nicht völlig geeignet, aber ein akzeptabler Austauschstoff für Asbest 1st bisher nicht gefunden worden. Hit der Entwicklung der Glasfasermatarlallen haben sich Vorschläge ergeben, ansteile von Asbest in typischen Bauteilen und anderen Teilen Glasfasern einzusetzen, wobei sich aber allgemein kein· Produkte akzeptabler Festigkeit und Dauerhaftigkeit ergaben. Z. B. hat sioh gezeigt, dass die stark alkalische Umgebung, besonders in Produkten auf Grundlage von Portlandzement, in bestimmten Füllen eine genügende
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11456 . .
Scharfe hat, um Glasfasern zum Zerfall zu bringen, und hieraus hat die Ansicht resultiert, dass solche Fasern nicht mit Erfolg als Verstärkungsmaterialien anwendbar sind, ohne zu Schutzmassnehmen Zuflucht zu suchen, welche beträchtlich zu den Erzeugungskosten der Verbundstoffe beitragen·
Unter den Eigenschaften bestimmter Glaszusammensetzungen ist bei an Glasgrossproben durchgeführten Prüfungen auch eine Beständigkeit gegenüber alkalischen Lösungen beobachtet worden. Irgendeine Auswirkung auf das Problem der Erzeugung zufriedenstellender Zement-Glas-Verbundmaterialien, bei denen das Glas, nachdem es in fas er form vorliegt, der korrosiven Umgebung auf einer Oberfläche beträchtlicher Grosse je Gewichtseinheit ausgesetzt ist« ist bei diesen Beobachtungen jedoch nicht erkannt worden·
Ee wurde nunmehr gefunden, dass tatsächlich glasfaserverstärkte bzw. bewehrte Zementprodukte mit hervorragenden Eigenschaften erhältlich sind, wenn das Glas in Federform eine genügende Alkalibeständigkeit aufweist, um den Anforderungen einer später beschriebenen Prüfung zu genügen»
Im Hauptpatent sind faserhaltig«, zeaentartige Verbundprodukte beschrieben, bei denen da· FiueerveretÄrkungematerial ein Glas ist, das ale «oleo·· ein· solche Alkalibestlndigktit besitzt, dan· bei Prüfung in for* einer "abgeschliffenen" bzw· Abriebkräften unterlegenen laser mit einer linge von 6,4 cm (2 1/2 Zoll) und einem Durchmesser von 1,0 bis 2,5 χ 10"*5 cm (0,4 bis 1,0 χ 10~5 Zoll) naoh 4etündig·* Behandlung mit gesättigter, wässriger Ca(OH)2-Lösung bei 100° C, darauf aufeinanderfolgenden Waschungen bei Umgebungstemperatur mit Wasser, dann 1 KLn* mit wässriger Salzsäure (1 #), Wasser und Aceton und danach Trocknen di· Faser eino Zugfestigkeit von mindestens 70 kg/am (100 000 Pounds/Qua-
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11456 ·
dratzoll; 7030 kg/cm bei genauer Umrechnung) hat, wobei eine Durchmesserreduktion der Paser wahrend der Prüfung nicht über 10 % liegt. Vorzugsweise haben solche Fasern bei der Prüfung nach der vorgesehenen Behandlung eine Zugfestigkeit von mindestens 140 kg/mm (200 000 Pounds/Quadratzoll; ca. 14100 kg/cm bei genauerer Umrechnung).
Bei Produkten auf Grundlage von Portlandzement ergeben Fasern mit einem Durchmesser von etwa 1,0 bis 2,5 X 10"* cm eine ausgezeichnete Verstärkung. In der Praxis ist es besonders bequem, kurze Fasern mit einer länge von bis zu etwa 1 dm (10 Zoll), z. B. solche mit einer länge in der Grössenordnung von 6 1/2 cm (2,5 Zoll) zu verwenden·
Es wurde nunmehr gefunden, dass verbesserte Fasern und FaserZement- Verbundstoffe mittels bestimmter, kieselerdehaltiger Gläser erhältlich sind, die wesentliche Anteile an SnO2 enthalten.
Die Gläser und Glasfasern und die Verbundprodukte aus Faser und zementartigem Material gemäss der Erfindung, bei denen die Glasfasern in einer Zementmatrix verteilt sind, kennzeichnen sich durch einen Gehalt des Glases an SiOo als glasbildendem Hauptbestandteil, an Alkalioxid oder Erdalkalioxid oder ZnO als Netzwerk-Modiflzierer und von mehr als 5 Gew.% an
Zur Herstellung von Verbundstoffen eussergew3hnlioher Festigkeit und Dauerhaftigkeit wird ein ßnOg-Gehalt des Glases von mindestens 8 % bevorzugt ·
In der Praxis sind Glaszusammensetzungen besonders «weckmassig, die mindestens 55 % Si^2 und einem Netzwerk-Modi-
- 5-·'" ■■'■■■"■■. 0 0 9,8 8-2 /1.8 7 8. bad original
fizierer enthalten, der vorzugsweise Na2O ist, aber auch alternativ von K^O oder CaO oder Mischungen dieser drei Oxide gebildet werden kann» Z. B. führen Gläser mit einem . Gehalt von 55 bis 80 % an SiO2, 10 bis 30 % an JJa2O und β bis 18 % an SnO2, vorzugsweise von 70 bis 80 % an SiO2, 10 bis- 14 % an Ha2O und 10 bis 16 % an SnO2, zu sehr zufriedenstellenden Materialien·
Wenn gewünscht, können die Gläser gemäse der Erfindung auch ein oder mehrere zusätzliche Oxide als Flussmittel oder als partiellen Ersatz des glasbildenden Bestandteile oder Hetzwerk-Modifzierers enthalten, wobei, die Gesamtmenge an zusätzlichem Oxid oder zusätzlichen Oxiden 10 % und vorzugsweise 5 % nicht überschreitet. Z. B. kann das SiO2 zu einem kleineren Teil durch Al0O2 ersetzt sein·
Zur Erleichterung des Schmelzens und der folgenden Faserbil dung können auch Flussmittel-Oxide in Mengen im Bereich von 1 bis 10 % vom Gesamtgewicht der anderen Komponenten der Oxidmischung vorgelegt werden. Beispiele für zwei solche Oxide sind Id2O und ^a2O-, wobei man diese vorzugsweise in Mengen im Bereich von 1 bis 3 £ einsetzt·
Bei der Verstärkung einer zementartigen Matrix bei Temperaturen über Baumtemperatur ist es darüberhinaus erwünscht, dass die Fasern über Beständigkeit gegen Angriff durch Ca(OH)2 hinaus eine Beständigkeit gegen Angriff durch Alkalihydroxide zeigen. Diese Beständigkeit kann, ähnlich der oben erwähnten Prüfung aaf Ca(OH)2-Angriff, folgendenaassen geprüft werden:
Man setzt eine Glaselnselfaeer mit einem Durchmesser im Bereich von 1,0 bis 2,5 χ 10""' cm und einer länge von 6,4 ca 1 1/2 Std. bei 100° C dem Angriff von 1n Natronlauge aus,
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worauf die Faser aas der lösung bei Raumtemperatur entnommen, dreimal mit destilliertem Wasser, dann 1/2 Min. mit verdünnter (i%iger) Salzsäure, hierauf mehrmals mit destilliertem Wasser und scliliesslich zweimal mit Aceton gewaschen und getrocknet und dann auf ihre Zugfestigkeit be-. stimmt wird, indem man,, z. B. mit einem Zugfestigkeitsprüfer der Bauart Instron, die Bruchlast misst und den Faserdurehmesser mittels eines optischen Mikroskops schätzungsweise bestimmt·
Eine Glasfaser mit einer Zugfestigkeit von mindestens 70 und vorzugsweise mindestens 140 kg/mm nach der !Prüfung, und mit einer Durchmesserreduktion bei der Prüfung von. nicht Über 10 % besitzt die Eigenschaften» um eine Bewehrung bzw. Verstärkung der zementartigen Matrix auch bei über Umgebungstemperatur liegenden Temperaturen zu ergeben·
Die vorliegende Erfindung Btellt somit im allgemeinen Sinne eine alkalibeständige Glasfaser zur Verfügung, die eine Zugfestigkeit von mindestens 70 und vorzugsweise mindestens 140 kg/mm hat, bestimmt durch vierstündiges Zusammenbringen einer Faser mit einem Durchmesser von 1,0 bis 2,5 cm χ 10"*cm und einer Länge von 6,4 cm mit einer gesättigten Ca(OH)2-Lösung bei 100° C, Entnehmen der Faser aus der Lösung und Waschen der Faser nacheinander mit verdünnter, wässriger Salzsäure, Wasser und Aceton, wobei die Fase? aus einem Glas hergestellt ist, das als wesentlichen Bestandteil mindestens 55 % SiO2 und mehr mle $ % an BnOg enthält· Die Erfindung macht weiter als neue Produkte die vorliegenden Gläser, die mindesten· 55 % SiO2 und mehr als 5 % SbP2 enthalten, und Fasern aus solchen Gettern verfügbar. ,
Zur beispielsweise Erläuterung sind nachfolgend Fasern aus typischen Gläsern geoft*· der Erfindung, deren Alkalibestän-
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digkeits-Eigenschaften und die Eigenschaften von mit ihnen erhaltenen Zementverbundstoffen an Hand von Tabelle I bis V beschrieben«
Aus Gläsern der Zusammensetzung nach Tabelle I4 bei der die Flussmittelmenge in Prozent vom Gesamtgewicht von SiO2, Na2O und SnOg ausgedrückt ist, wurden Einzelfäden mit einem Durchmesser im Bereich von 1,0 bis 1,3 cm χ 10"*' gezogen. Ein Faden aus jedem Glas wurde nach der obenbeschriebenen Methode unter Einsatz von Oa(OH)2 als Alkali auf seine Alkalibeständigkeit geprüft· Sie Ergebnisse nennt die Tabelle II.
Bei der Ermittlung der Eignung ron. Glasfasern zur Verstärkung zementartiger Matrix erweist sich auch eine Untersuchung des Verhaltens der Fasern in einer Zementeffluatlö*- sung bei verschiedenen Temperaturen und in verschiedenem Alter als instruktiv. Die genaue Zusammensetzung der beim Mischen von Fortlandzement mit Wasser gebildeten LÖsungsphase variiert stark mit Zementen aus verschiedenen Quellen, aber laboratoriumsmäseig laset sich ein künstliches Analogon einer solchen LSsung mit ähnlichen ionischen Eonsentrationen an Va+ und X+ herstellen, wie sie in der Iäsungsphase durchschnittlicher Portlandzemente zu finden sind« Wenn man diese Lösung dann in Bezug auf Oa(GH)2 slttigt, gibt sie ungefähr die Zusammensetzungen der Iftsungsphase einer Fortlandzement-Attf echlämmung bezüglich der Konzentrationen an Hydroxiden wieder.
Die Tabelle III nennt die Werte, die für die Beständigkeit bei 80° C an Fäden bei der oben beschriebenen Prüfung unter Einsatz einer "Zementeffloaf-LCsung der Zusaaeensetzung
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' Alkali Konzentration« g/l NaOH 0,88
KOH 3,45
Oa(OH)2 0,48
(die im wesentlichen die Hydroaldzusammensetzung der Losungsphase einer Portlandzement-Aufschlämmung bei 80° C. wiedergibt) anstelle von Alkalihydroxid erhalten würden, wobei die Fäden Durchmesser im Bereich von 1,0 bis 1,3 x 10""* cm aufwiesen.
Die Tabelle IV nennt vergleichbare Alkalibeständigkeits-. . Prüfungsergebnisse für Fäden bei Verwendung der obenbeschriebenen In Natronlauge als Alkali, wobei die Fäden wie- , derum Durchmesser im Bereich von 1,0 bis 1,3 x10- cm hatten.
Die in diesen Tabellen genannten Zugfestigkeitswerte sind unter Verwendung der von ß.S. Gillett und A. J. JKajumdar, in "Current Paper" Nr.26/68 (März 1968), herausgegeben von der Building Research Station, Bucknalls Lane, Gars ton, Watford, Hertfordshire, England, in einem Aufsatz "Apparatus for testing tensile strengths of corroded glass fibres" beschriebenen Vorrichtung bestimmt worden.
Eine Herstellung von Zement-Faser-Verbundkörper]! kann unter Einsatz von Stapelglaseeide oder anderen fasrigen Formen des Glases, z. B. Glaswolle« erfolgen· Nach einer bevorzugten Arbeitsweise zur Bildung von faserverstärkten Verbundstoff en auf Zementgrundlage wendet man zu Anfang zur glelchm&ssigen Dispergierung der Fasern ein hohe« Verhältnis von Wasser zu Feststoff an und entfernt das überschüssige Wasser nach dem Pressen durch Absaugen· Verwickelte Formlinge lassen eich erzeugen, indem man Zementaufschlämmung und Glasfaser auf der Oberfläche von perforierten, an
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eine Vakaumpumpe angeschlossenen Formen sprühmischt.
Nach dieser Methode sind unter Einsatz nichtüberzogener Eintel fas era aus den obengenannten Glasern und Portlandzement Verbundkörper von 10,2 χ 2,5 x 0,6 cm'hergestellt worden, wobei der Anteil an Glasfaser in den Verbundstoffen 0,5 g Glas auf ungefähr JO g Zement entsprach und das Verhältnis von Wasser zu Zement in der Aufschlämmung ursprünglich 0,8 betrug und dann nach dem Absaugen auf 0,3 absank. Die Glasfasern von 10,2 cm lange wurden während des Gi ess ens von Hand in die Spannungszone dieser Verbundkörper eingebracht, wobei eine perforierte Form eingesetzt und das überschüssige Wasser abgesaugt wurde. Nach dem Entfoimen wurden die Verbunoprüflinge in einem Baum konstanter Temperatur (18° C) und konstanter Feuchte (90 % relative Feuchte) gelagert. Die Prüflinge wurden in verschiedenem Alter auf die Biegefestigkeit untersucht.
Die Tabelle V nennt die Biegefestigkeits-Ergebnisse bei mit Fasern aus Glas Nr. 1 verstärkten Fortlandzement-VerbundkSrpern* Die Herstellung der Verbundstoffe und die Prüfbedingungen entsprachen der Beschreibung in 08 15 96 926.
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t I I
ti-
Tabelle I
( Ha2U - - -
xlasfaser-ZusainiaeusetzuDfcen -		 Flussmittel, Pristine-Zugfe-
Glas- Glasanalyse. . Gev.# GeW. % (bezogen
auf Glas)		 stigkeit, .
Hr.. SiOg 14,0
10,0 1, 225
1 70,0 15,0 16,0 1, 190
2 80,0 12,0 10,0 1, 204
5 77,0 14,0 10,0 1 ■ i 216
4 74,0 14,0 2$5
5 70,0 16,0
Ia,
»o -
,0
,0 -
2,0
11 e II
Glas Kr«
Zugfestigkeit nach. Durchmeeserder Prüfung, kg/mm^ reduktion, %
176
162
1,
-9 -
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Tabelle III
ZementeffluatOrüfuzuc Burchmeeser-
Glas Nr. ρ
Zugfestigkeit, kit/mm. nach		 reduktion nach
2 Wochen, %
1 Woche 2 Wochen 4 Wochen 24 Wochen -
1 77 56 35 49 1,0
2 91 70 77 49 <1,0
3 84 84 - ^1,0
4 74 1,0 bis 2,0
5 106 98 70 - ·
t
T ab eile IV
BTaCH-IrUfwp Durchaeeeer-
Glas Kr. Zugfestigkeit, kg/aa2,
nach der Prüfung		 reduktion, %
1 155 . 3-6
2 mm
3 141 4-5
4· 141, .«.- 3
5 148 3-4
- 10 -
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11456 ■ .
Tabelie Y Brüchmodul, kg/cm . von Fortlandzement-Verbundkorpern
Glas-Nach 7 Ta- Nach 28 Nach 90 Nach 6 Nach Nr, gen in Tagen \ Tagen Monaten A Jahr
Wasser In was- in in was- in in Vas-in in Was- in ser Luft ser Luft Ber Luft ser Luft
402 499 475 453 432 430 47i> 355
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Claims (10)

  1. P 20 15 853. 6 13. August 1970
    National Research Development 11 456 Corporation
    Neue Patentansprüche
    1« Olas bzw. Glasfaser, gekennzeichnet durch einen Gehalt an SiO2 als glasbildendem Hauptbestandteil* an Alkalioxid oder Erdalkalloxid oder ZnO als Netzwerk-Modlflzlerer und von mehr als 5 0ew.# an SnO2*
  2. 2. Produkt nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen SnO2-Gehalt von mindestens 8 %,
  3. 3· Produkt nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen SlOg-Oehalt von mindestens 55 #.
  4. 4. Produkt naoh einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3t gekennzeichnet, durch einen Gehalt an Na2O als Netzwerk-Modifizieren
  5. 5· Produkt nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Gehalt von 55 bis 80 % an SiO2, 10 bis 30 % Na2O und 8 bis 18 £ an SnO2*
  6. 6. Produkt naoh Anspruch 5, gekennzeichnet duroh einen Gehalt von 70 bis 80 % an SiO2, 10 bis 14 # an Na2O und 10 bis 16 % an SnO2*
  7. 7. Produkt naoh einem oder mehreren der Ansprttohe 1 bis 6, gekennzeichnet duroh einen Gehalt an einem oder mehreren zu-•fttzllchen Oxiden als Flussmittel oder partieller Ersatz des glasbildenden Bestandteils oder Netzwerk-Modifizierers, wobei die Gesamtmenge an dem oder den zusätzlichen Oxid(en) 10 % nicht überschreitet·
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    BAD ORIGINAL
    456
  8. 8. Produkt nach Anspruch 7* gekennzeichnet durch einen Oehalt an zusätzlichem Oxid oder zusätzlichen Oxiden von nicht über 5 *.
  9. 9« Produkt nach einen oder mehreren der Ansprüche 1 bie 8, gekennzeichnet durch einen Oehalt an Li2O oder La2O als Flussmittel in einer Menge von 1 bis > £·
  10. 10. Verwendung des Produkts nach Ansprüchen 1 bis 9 als Verstärkungsmittel für Zement·
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    ORIGINAL INSPECTED
DE2015853A 1969-04-03 1970-04-02 Zementartiges Produkt mit in einer Zementmatrix verteilten, alkalisch beständigen Glasfasern Expired DE2015853C3 (de)

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