DE202006010009U1

DE202006010009U1 - Dünnsteinplatte

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Publication number: DE202006010009U1
Application number: DE202006010009U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-06-26
Filing date: 2006-06-26
Publication date: 2006-10-26
Anticipated expiration: 2016-06-27

Abstract

Anordnung mit einer Platte oder sonstigen Geometrie aus Stein, Naturstein, Steingut, Kunststein, Beton, Keramik, glashaltigem Material, im folgenden Steingut genannt, welches einseitig teilweise oder ganzflächig mit Carbonfasermaterial und Matrix, im folgenden Träger genannt, stabilisiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger durch das Mischungsverhältnis der Komponenten Carbonfaser und Matrix nach aussen gesehen einen Gesamt-Temperaturausdehungskoeffizienten hat, der praktisch gleich dem des zu stabilisierenden Steinguts ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Stabilisierung von Steingut im weiteren Sinn, das heißt Naturstein, Kunststein aller Arten, Beton und sonstiges Steingut, sowie Keramik bis hin zu glashaltigen Substanzen – im folgenden Steingut genannt – die durch eine spröde und bruchgefährdete Struktur gekennzeichnet sind. Hier sind besonders Natursteine wie Granit, granitähnliche Gesteine wie Gneis, Marmor, Kalkstein, hochdruckfeste moderne Keramiken, Glaskeramik oder Glas zu erwähnen, sowie alle sonstigen Materialien aus Stein oder Keramik, natürlich oder künstlich entstandenes Steingut, die in der Regel hoch druckbelastbar sind.
Diese Materialien zeichnen sich zwar einerseits durch eine hohe Belastbarkeit bei Druckbeanspruchung aus, sind dagegen aber fast völlig instabil bei Zug- und Biegebelastung, insbesondere dann, wenn Sie möglichst dünn und materialsparend ausgelegt werden sollen.
Dabei handelt es sich vorwiegend um dünne Steingutplatten, die vermehrt im Fassadenbau Verwendung finden und als Tisch- und Arbeitsplatten dienen, aber auch in anderen Bereichen, wie dem Möbel- oder Armaturenbau und im Baugewerbe als Treppenstufen, Wandverkleidungen und Bodenfliesen eingesetzt werden.
Die vorliegende Erfindung schlägt einen Weg vor, solche dünn ausgelegten Stein- bzw. Steingutplatten oder Keramik- bzw. Kunststeinplatten nachhaltig auf möglichst preiswerte Weise so zu stabilisieren, dass sie sich in weiten Temperaturbereichen nicht durchbiegen und der "Bi-Metalleffekt" weitestgehend in möglichst weiten temperaturbereichen unterdrückt wird, welcher heute bei unzureichend formstabil bewehrten Dünnsteinplatten bewirkt, dass diese nicht wie massive Steinplatten aussehen, weil sie je nach Temperatur unterschiedlich gekrümmt sind Dünne Steinplatten so mechanisch zu stabilisieren, dass sie auch unter temperaturbedigter Wärmeausdehnung möglichst gerade bleiben, ist die Herausforderung für die hier beschriebene Lösung.
Um dieses Ziel zu erreichen ist es nicht nur nötig, die Steingutplatten oder Keramikplatten gegen Zug und damit verbundenen Bruch zu stabilisieren, sondern auch einen auf der zu stabilisierenden Steinseite an der Grenzfläche zwischen zu stablisierendem Stein und Stabilisator einen Druck- bzw. Zug-Gradienten einzustellen, der praktisch gegen Null geht, damit die Steinlatte weder zu der einen Seite, noch zu der anderen Seite gebogen wird und somit die sichtbare Fläche grossflächig gerade und eben bleibt. Einen solchen Weg schlägt die Erfindung vor, das Merkmal der Ebenheit der Steinplatte in weiten Temperaturbereichen wird zum Kern der Erfindung. Der Weg gewährleistet, daß sowohl Stein, als auch Keramik unter den unterschiedlichsten thermisch bedingten mechanischen Belastungen so stabilisiert wird, daß sie durch eine, für die jeweiligen Einsatz- und Belastungsfälle geeignete, Stabilisierung vor mechanischer Zerstörung durch Reissen der Steinplatte einerseits, und insbesondere vor thermisch bedingtes Verbiegen geschützt werden. Die Formstabilität bei Temperaturänderung innerhalb der wetterbedingten Bereiche ist dabei auch von Bedeutung.
Kern der Lösung, das für dünne Steinplatten am besten geeignete Stabilisierungsmatel zu finden ist es, den Gesamtausdehnungskoeffizent des den Stein stabilisierenden Materialals auf der den Stein stabilisierenden Seite bezogen auf die Grenzschicht zwischen Steinplatte und Stabilisierungsmaterial so einzustellen, dass er praktisch identisch ist mit dem Gesamtausdehnungskoeoffizient der Steinplatte selbst.
Die Erfindung basiert auf der Stabilisierung von Stein oder Keramik durch ein teilweise oder ganzflächig auf dem Stein angebrachtes carbonfaserhaltiges Trägermaterial, welches ermöglicht, das für die Stabilisierung von dünnen Steinmaterialien benötigte Steingutmaterial möglichst dünn bzw. leicht und materialsparend zu halten, ohne, dass es sich durchbiegt, wenn Temperaturänderungen die Ausdehung oder das Schrumpfen der Steinplatte bewirken.
Bekannt sind bisher Leichtbauformen bei denen wie bei dieser neuen Erfindung auch eine möglichst dünne Natursteinschicht flächig durch einen Unterbau verschiedener Trägermaterialien und Trägerformen, wie Rahmen und ähnliche Konstruktionen verstärkt und dadurch belastbar gemacht wird, beziehungsweise es erst ermöglicht, Steinplatten entsprechend dünn auszuführen. Das Trägermaterial ist dabei in der Regel bisher unter dem Gesichtspunkt ausgewählt worden, daß es bei ausreichender mechanischer Festigkeit hauptsächlich von dem Einsatz herkömmlicher Materialien wie Holz, Stahl und Aluminium bestimmt ist.
Es werden beispielsweise gerade, gewellte oder wabenförmige Metall- bzw. Aluminiumbleche, Holzplatten und Stahl- oder Holzrahmen als Trägermaterial verwendet, wobei die dünne Steinschicht eine Stärke von 5 mm bis 20 mm haben kann. Ein ähnliches Stabilisierungsverfahren ist die Verwendung von Glasfaser- oder Aramidfaserlaminaten, die den Stein grossflächig, teilweise auch ganzflächig oder streifenweise stabilisieren. Das Ergebnis ist eine druck- und zugspannungsbelastbare Platte, die in normalen Anwendungsfällen eine ausreichende Stabilisierung des Steins für Verkleidungsanwendungen im Innenbereich liefert, aber schon bei wechselnden und insbesondere steigenden Temperaturen keinen ausreichenden Schutz gegen Bruch und insbesondere Verbiegen mehr bietet, denn für ein optisch sichtbares Verbiegen reichen kleinste Spannungsunterschiede an der Grenzfläche zwischen zu stabilisierender Steinplatte und Stabilisator. Wir befinden uns hier in minmalen Grenzbereichen, die darüber entscheiden, ob eine dünne Steinplatte die "Optik" einer massiven Steinplatte hat.
In diesen Fällen ist eine verbesserte Stabilisierung der Steinpatte notwendig, die auch den thermisch mechanisch bedingten Lastfall für den Stein zerstörungsfrei absichert und die "Geradheit" der Platte gewährleistet.
Die erste Teilaufgabe, nämlich der Neigung von dünnen Naturstein- und/oder Keramikplatten zum Brechen oder Reißen sicher entgegenzuwirken, wird durch die stabilisierende Eigenschaften des Trägers selbst gelöst. Zu diesem Zweck wird ein Trägermaterial eingesetzt, welches einen identischen Ausdehnungskoeffizienten hat, wie die zu stabilisierende Steinplatte.
Das Trägermaterial, im folgenden Träger genannt, besteht aus einer Faserverstärkten Matrix, die ein Kunstharz oder gegebenenfalls selbst ein Keramik- oder Kunststein-ähnliches Material ist. Es kommen dabei insbesondere Carbonfasern zum Einsatz, die hohen Zugbelastungen standhalten und sich unter Wärmeeinwirkung zusammenziehen, also selbst einen negativen Temperaturausdehnungskoeffizienten besitzen, der durch den Verbund mit der Matrix eine Gesamtausdehnungskoeffizenten hat, der grösser Null ist und idealerweise den gleichen Koeffizienten hat, wie das zu tragende Steinmaterial. Nur wenn der Gesamt-Ausdehnungskoeffizient von Steinplatte und Trägermaterial identisch ist, wird die Platte vor Rissbildung einerseits und Durchbiegung andererseits nachhaltig und dauerhaft geschützt. Dadurch wird die Platte insbesondere gegen Risse durch wechselnde Temeraturen geschützt. Dem Bruch durch mechanische Belastung senkrecht auf das Steingut wird durch eine gegebenenfalls zusätzliche Stabilisierung entgegengewirkt, die dann zusammen mit der Carbonfaser-Matrix einen Gesamtausdehungskoeffizienten haben muss, der identisch mit dem Ausdehnungskoeffizenten der Steinplatte ist, um zusätzlich den Anspruch zu haben, in weiten Temeraturbereichen gerade zu bleiben.
Dünne Steinplatten, zum Beispiel von Fassadenverkleidungen, werden durch die Erfindung insbesondere bei thermischer Belastung und der damit verbundenen Träger-Materialdehnung, die zu Rissen oder Oberflächenbrüchen und Verbiegung des getragenen Stein-Materials führen, gleichzeitig sicher gegen Rissbildung und Verbiegen geschützt. Die üblicherweise entstehenden, unter Umständen mikroskopisch kleinen Haarrisse, die zum schnellen Verfall des Steins führen, insbesondere dann, wenn er im Außenbereich ständig wechselnden Temperaturen, Wasser und Frost ausgesetzt ist, werden durch die Erfindung vollständig ausgeschlossen. Selbst dünnste Steinplatten können mit Hilfe der Erfindung unter Beibehaltung ihrer Stabilität hergestellt werden, ohne beim Abstärken zu brechen. Auch die mechanische Beanspruchung, die bei Druckbelastung senkrecht auf den Stein ausgeübt werden, werden dehnungsfrei abgefangen, um den Stein gegen die gleiche Rissbildung, wie oben beschrieben, zu schützen. Besonders die Ausdehnung des Trägermaterials durch thermische Einwirkung ist nicht größer, als die des Steins selber. Mit Hilfe des Einsatzes von zum Beispiel stabilen Epoxidharzen, Polyesterharzen, Harzen auf Phenol-, Polyimid-, Cyanatester-, Melamin-, Polyurethan- oder Silikonbasis, genannt Matrix, in Kombination mit Carbonfasern, die einen negativen Temperaturausdehnungs-koeffizienten haben, wird eine solche sichere Stabilisierung von Steinplatten möglich. Durch die Einstellung des Ausdehnungskoeffizenten durch das Mischungsverhältnis von Carbonfasern, die einen negativen Ausdehungskoeffizenten haben, und dem Harz, welcher einen positiven Ausdehnungskoeffizienten hat, kann der Gesamtausdehungskoeffizient einerseits zwar fast zu Null eingestellt werden, für die hier beschriebene Erfindung ist es aber nötig den Gesamtausdehnungkoeffizenten so einzustellen, dass er gleich dem des zu tragenden Steinguts wird. Außerordentlich hilfreich für eine optimale, das heisst kraftschlüssige Verbindung zwischen Stein und Faserverbund ist dabei die poröse und somit saugende Konsistenz von Stein. Ein Harz kann sich förmlich in den Stein saugen und führt so zu einer enorm stabilen Verbindung zwischen Stein und dem den Stein stabilisierenden Laminat. Wichtig ist dabei, daß das Harz bezüglich seiner Viskosität optimal den saugenden Eigenschaften des zu stabilisierenden Steins angepasst wird. Die sich gegenseitig stabilisierenden Komponenten "verschmelzen" dann regelrecht.
Damit wird die Forderung erfüllt, die mechanische Belastbarkeit und Temperaturbelastbarkeit von dünnen bis dünnsten Steinplatten und Steinverkleidungen so zu optimieren, daß der Gesamt-Ausdehnungskoeffizient des die Steinplatte stabilisierenden Trägers in weiten Temperaturbereichen identisch ist, um auch bei Außenfassaden eine zerstörungsfreie, das heißt ausdehnungsfreie Stabilisierung zu erreichen. Damit eine an einer Gebäudewand angebrachte dünne Außenfassade aus Dünn-Steinplatten entstehen kann, darf sich die Steinplatte unter Wärmeeinwirkung bei dieser Art der Erfindung nicht mehr ausdehnen, als der Träger. Dies wird erreicht durch ein Mischungsverhältnis von stabilisierendem Material, nämlich Harz und Carbonfaser, welches den gleichen Ausdehnungskoeffizienten hat, wie das zu tragende Steinmaterial. Dies ist der Kern der Erfindung, mit dem Zusatz, dass eine das Trägermaterial Carbonfasermatrix zusätzliche tragende Stabilisierungsschicht ergänzt wird, um entweder geeignete Ansatzpunkte für eine Befestigung von Fassadenplatten und Arbeistplatten zu liefern, oder eine zusätzliche, möglicherweise wechselnde mechanische Belastung abzufangen, wie Windkräfte im Fall der Fassadenplatte oder punktuell angreifende Gewichte im Fall der Arbeitsplatte. Auch in diesen mechanischen Belastungsfällen soll ein Biegen der Platte nach Möglichkeit unterbunden werden.
Die Erfindung wird realisiert durch die Verwendung von teil- oder ganzflächiger Beschichtiung der Steinplatte mit Carbonfaserlaminat, wobei das Mischungsverhältnis von Carbonfaser und Harz so eingestellt wird, dass die Ausdehungskoeffizienten von Stein und Carbonfaserlaminat praktisch identisch sind. Die Steingutplatte wird so mechanisch form- und oberflächenstabil gehalten, auch wenn große Temperaturunterschiede auftreten. Sie erhält dadurch den Ausdehnungscharakter einer massiven Platte unter Vermeidung von Rissbildung.
Eine der vielen möglichen Ausführungen der Erfindung beschreibt eine Platte aus Steingut (1), die einseitig mit einem Carbonfaserlaminat (2) stabilisiert wird (1). Die Verbindung zwischen Stein und Faser wird durch eine temperaturstabile Epoxidharzmatrix hergestellt, welche sich je nach Einsatzgebiet entsprechend thermisch stabil belasten lässt und deren Gesamt-Ausdehungskoeffizent von Faser und Matrix identisch mit dem der zu stablisierenden Steinplatte ist.
2 zeigt diese zweite Ausführung der Erfindung als eine mehr oder weniger große dünne Steinplatte (1), die auf der Unterseite teilweise oder auch ganz mit einer Schicht aus Carbon-Verbundfaser (2) versehen ist, deren Ausdehnungskoeffizient kleiner oder gleich dem der zu stabilisierenden Steinplatte ist, wobei die stabilisierende Carbonfaserschicht ganz oder teilweise mit einer weiteren Materialschicht (3) bedeckt ist, wobei die Ausdehungskräfte sich an der Grenzschicht zwischen zu stabiliserender Steinplatte und Carbonfaserlaminat zu Null einstellen, wodurch eine Biegung der Steinplatte verhindert wird.
3 zeigt eine Sondervariante der Steinplatte (1), auf deren Stabilsierungsschicht aus Carbonfasern (2) eine weitere Platte aus Steingut (3) aufgeracht ist. Für den Fall, dass die beiden Platten gleich dick bzw. dünn sind und ein identisches Ausdehungverhalten haben, kann der Ausdehungkoeffizent von Carbonfaser und Matrix auch kleiner sein, als der des Steinguts, was einen zusätzlichen Stabilisierungsefekt bei steigenden Temperaturen hat.

Claims

Anordnung mit einer Platte oder sonstigen Geometrie aus Stein, Naturstein, Steingut, Kunststein, Beton, Keramik, glashaltigem Material, im folgenden Steingut genannt, welches einseitig teilweise oder ganzflächig mit Carbonfasermaterial und Matrix, im folgenden Träger genannt, stabilisiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger durch das Mischungsverhältnis der Komponenten Carbonfaser und Matrix nach aussen gesehen einen Gesamt-Temperaturausdehungskoeffizienten hat, der praktisch gleich dem des zu stabilisierenden Steinguts ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix des Trägers eine Epoxidharz-, Polyesterharz-, Phenolharz-, Polyimidharz-, Cyanatesterharz-, Melaminharz-, Polyurethanharz- oder Silikonharzbasis hat.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix eine Keramik- oder Wasserglassbasis hat.
Anordnung nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger ein Gemisch unterschiedlicher zusätzlicher Fasermaterialien enthält, die insgesamt mit der Matrix einen Ausdehungskoeffizineten gleich dem des Steinguts haben.
Anordnung nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere, zusätzliche Träger-Materialschicht auf die Carbonfasermatrixschicht aufgebracht wird, die zusammen mit der Carbonfasermatrix und der Einstellung des Mischungsverhältnisses zwischen Carbonfasermatrix und zusätzlicher Trägermaterialschicht, in Richtung Steingutplatte einen Gesamt-Temperaturausdehungskoeffizenten hat, der identisch mit dem der Steingutplatte ist.
Anordnung nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Stabilisierungsschicht aus Steingut besteht, welches einen Ausdehungskoeffizenten hat, der identisch mit dem des zu stabilisierenden Steinguts ist.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausdehungskoeffizent der Carbonfasermatrix kleiner als der des zu stabilisierenden Steinguts ist, und die zusätzliche Stabilisierungsschicht aus einem Material besteht, welches einen Ausdehungskoeffizenten hat, der größer als der der Carbonfasermatrix ist, wobei die Mischungsverhältnisse der beiden Trägerschichten so abgestimmt sind, dass sie gemeinsam gegenüber der Steingutplatte den gleichen Ausdehnungskoeffizienten haben, wie diese.
Anordnung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil als Wandverkleidung im Baubereich, als Fußbodenfliese oder Treppenstufe angebracht ist.
Anordnung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das gesamte Bauteil als gerade und druckstabile Arbeitsplatte Verwendung findet.
Anordnung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Steinplatte mit mehr oder weniger dünnen Streifen aus Carbonfasern und zusätzlichem Trägermaterial stabilisiert ist, die in ihrem Mengenverhältnis relativ zur Steinplatte und ihrer Geometrie der Abstände in Relation zur Dicke der Steinplatte so ausgelegt sind, dass die Platte insgesamt gerade bleibt.