DE2231905C3

DE2231905C3 - Verfahren zur Glasfaserverstärkung von Beton oder Zement

Info

Publication number: DE2231905C3
Application number: DE2231905A
Authority: DE
Inventors: John Belrose Newton; David Malcolm Kingsford Stitt; Raymond Westrop Castlecrag Wilkinson
Original assignee: ACI Technical Centre Pty Ltd
Current assignee: ACI Technical Centre Pty Ltd
Priority date: 1971-06-29
Filing date: 1972-06-29
Publication date: 1975-05-15
Also published as: DE2231905A1; GB1386495A; JPS5130573B1; FR2143857B1; BE785630A; FR2143857A1; ZA724276B; DE2231905B2

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Glasfaserverstärkung von Beton oder Zement.

Es ist bereits bekannt, daß die Zugfestigkeit von Zement und Beton dadurch beträchtlich verstärkt werden kann, dab eine geeignete Menge an Glasfasern eingearbeitet wird. Die üblicherweise verwendete Glasfaser ist sehr korrosionsanfällig. Dies ist au! die hohe Alkalität zurückzuführen, die während der Hydratation*- und Härtungsreaktionen des Portlandcements, der für die Betonherstellung am meisten verwendet wird, erzeugt wird. Die Wirkung einer derartigen Verstärkung ist daher oft von kurzer Dauer.

Das Morrosionsproblem wird normalerweise durch Anwendung einer oder mehrerer der grundlegenden Techniken überwunden.

Sie sind:

1. Die Verwendung eines Tonerdezements oder eines ähnlichen Zements.

2. Die Zugabe eines Mittels zum Portlandzement, das die Alkalität, die während des Erhärtens eintritt, auf ein annehmbares Maß zurückführt.

3. Verwendung von alkalibeständigen Glasfasern.

4. Das Beschichten der Glasfasern mit einer undurchdringlichen und alkalibeständigen Substanz, die sowohl starke Bindungen zum Glas als auch zum Zement aufweist.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit der zuletzt genannten Technik.

Aus der USA.-Patentschrift 2 397 453 ist das

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65 Überziehen mineralischer Fasern, die durch ein übliches Spinnverfahren hergestellt sind, mit Furanharz als Binder bekannt. Die Spinnfasern besitzen jedoch nur eine geringe Zugfestigkeit, so daß sie als Verstärkerelemente bei Beton oder Zement nicht eingesetzt werden können. Die bekannten Spinnfasern sind zu Matten verarbeitet, welche zur thermischen Isolation geeignet sein sollen. Eine Imprägnierung der Matten mit Zementbrei ist daher nicht möglich. Außerdem genügt die zum Binden der Matten verwendete Furanharzmenge nicht, um den Fasern eine ausreichende Beständigkeit gegen eine Alkalizersetzung zu vermitteln.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Glasfaserverstärkung von Beton oder Zement zu zeigen, bei dem die zur Verstärkung dienenden Glasfasern alkalibeständig gemacht sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in dem Beton oder Zement eine Vielzahl jeweils aus zahlreichen Glasfasern bestehender Glasfaser-Rovings oder Glasfaserstränge eingebettet wird, die mit einem gehärteten Furanharz überzogen und imprägniert sind.

Es ist bekannt, daß Furanharze auf Glas nicht gut haften. Man hat sie daher nicht in Betracht gezogen, wenn beständige Überzüge gefordert wurden. Es wurde nun überraschend gefunden, daß auf Glasfasern oder Rovings aufgetragene Furanharze zufriedenstellende Schutzüberzüge liefern. Im Falle eines Giasfaser-Rovings imprägniert das Furanharz das Faserbündel sehr leicht, wobei eine verstärkte Haftung zwischen Faser und Harz erzielt wird.

Eine weitere nachteilige Eigenschaft der Furanharze war die Brüchigkeit der gehärteten Harze, was ihre Anwendung auf dem Gebiet der Überzüge als nicht vielversprechend erscheinen ließ. Diese Eigenschaft beeinträchtigt die Leistungsfähigkeit der mit Furan geschützten Glasfasern im Beton jedoch nicht, da die Fasern keiner Biegebeanspruchung unterließen.

Die Imprägnierung der Rovings kann in einem Bad mit niedrigviskosem Harz durchgeführt werden, wobei der Imprägnierungsvorgang im hohem Maße durch Kapillarfluß zwischen den Fäden und den Oberflächenspannungseffekten des flüssigen Films rings um die Fasern unterstützt wird.

Der Badausgang ist mit einem Werkzeug versehen, dessen Durchmesser so dimensioniert ist, daß jedes überflüssige Harz von den Glasfaser-Rovings entfernt wird. Hinter der Werkzeugöffnung baut sich etwas überschüssiges Harz auf und liefert so eine Quelle zur Imprägnierung aller Sektionen der Glasfaser-Rovings, die noch nicht vollständig imprägniert oder beschichtet wurden. Dann erfolgt die Härtung. Die beschichteten und imprägnierten Rovings werden dann auf eine Trommel gewickelt, bevor sie auf die erforderliche Länge geschnitten werden.

Die Härtung kann durch Erhitzung auf 110⁰C während zwei Stunden oder auf 8O⁰C während IS Stunden durchgeführt werden. Das gehärtete Harz ist ein hartes dunkelbraunes bis schwarzes Material, welches gegen alkalische Angriffe hochwiderstandsfähig ist und fest auf den Glasfasern der Rovings haftet.

Ais Furanharze sind nichtmodifizierte Furfurylalkoholpolymere und aldehydmodifizicrte Furfurylalkoholpolymere geeignet. Insbesondere sind solche geeignet, die überwiegend aus Ketten von Furanker-

nen bestehen, die durch Methylenbrücken verbunden sind. Derartige Kondensationspolymere können mit Hilfe von sauren Katalysatoren hergestellt werden.

Es werden die säurekatalysierten Kondensationsprodukte von Furfurylalkohol mit (a) Furfurylalkohol, (bj Furfurylaldehyd und (c) Formaldehyd bevorzugt. Die Kondensation wird hierbei bevorzugt bei 10 bis 15° C im Verlauf von 24 Stunden durchgeführt. Für das gleichzeitige Verlegen von Zement und Glas werden imprägnierte Rovings kurzgehackter La: ge verwendet, vorzugsweise in einer Länge von 25 mm. Für Folie-Zement-Prudukte unterhalb 25 mm Dicke werden Rovings mit bis zu 60-»Enden« (12 000 Fäden) bevorzugt. Es können auch Stäbe, die bis zu 25 nun Durchmesser haben, verstärkt werden.

Die mit dem Furanharz überzogenen Glasfasern können auch in Zementprodukten verwendet werden, die in autoklaven behandelt werden, z. B. durch Hochdruckdampfhärten bei 165⁼ L. Dies zeigt die Haltbarkeit und Wirksamkeit der Überzüge "selbst unter extrem aggressiven Bedingungen der Alkalitäi und der Temperatur.

Verstärkungen aus Glasfasern, die mit Furanharzen überzogen sind, sind ferner für Leichtbeton (d. h. Beton, der Aggregate von niederer Dichte enthält) und Schaumbeton (geschäumter Beton) geeignet, da die Dichte derartiger Verstärkungen, mit der der Zementmatrix vergleichbar ist und beträchtlich geringer ist als die von Stahlverstärkungen. Auf diese Weise wird ein Gewichtsvorteil in bezug auf die herkömmlich verstärkten Produkte erzielt. Weiterhin können diese mit Furanharz überzogenen Glasrovings dort eingesetzt werden, wo die Verwendung von Stahlverstärkung ausgeschlossen ist, z. B. bei dünnen Folien (wo die minimal erforderliche Schutzschicht für Stahl von 38,4 mm Zement nicht eingehalten werden kann) und bei verstärktem Schaumbeton (wo die geschäumte Struktur zur raschen Korrosion des Stahls führt).

Die Zeichnungen dienen zur weiteren Erläuterung der Erfindung.

F i g. 1 zeigt die verbesserte Beständigkeit von einem Glasseidenspinnfaden (A) der mit Furanharz beschichtet ist. als Funktion der Eintauchzeit in ein alkalisches Prüfbad von 75° C im Vergleich zu einem Ghsseidenspinnfaden (ß). der mit Polyurethan überzogen ist und einem nicht überzogenen Glasseidenspinnfaden (C). Dieses simulierte Zementmilieu verstärkt die Geschwindigkeit des alkalischen Angriffs um den Faktor 50

F i g. 2 zeigt die Zunahme der Betonfestigkeit, die mit Furan imprägnierten Rovings verstärkt sind. Die Proben waren Portlandzement, der 2 Gewichtsprozent imprägnierte, ausgerichtete Rovings enthielt (d.h. 2 Gewichtsprozent Glasfaser). Linie ß von Fig. 2 gibt die Beibehaltung der Festigkeit von nicht verstärktem Zement wieder, während /1 und C die gleiche Bedeutung wie in F i g. 1 haben.

Die nachfolgende Tabelle zeigt die Beständigkeit der Beschichtung in Zementumgebung, wenn die Behandlung in Autoklaven 7 Stunden mit Dampf von 8,4 kg/cm- durchgeführt wird. Auf diese Weise wird ein voll durchreagiertes Zementprodukt erhalten, das keine weitere Zersetzung der Verstärkung durch alkalischen Angriff verursachen kann.

Die Grundzementmatrix bestand aus 30" ο Portlandzement, 50° ο Siliziumdioxydsand und 20° υ feines siliziumdioxydhaltiges Material.

Gewichtsprozent	Absoluter Bruchmodul
5 Furan-Rovings im Zement	(kg/cm=)
0	77
1,2	105
1,9	137,5
ίο 2,3	189.5
3,6	221,5
4,0	246
5.0	253
7,0	264

In den nachfolgenden Beispielen werden bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wiedergegeben.

Beispiel 1

Das Furanharz wird durch Umsetzen von 50 Volumteilen Furfurol mit 2 Teilen 85 " oiger Phosphorsäure in einem gekühlten Kessel bei 10 bis 15 C durchgeführt. Nach 15 Minuten werden 100 Teile Furfurylalkohol zugegeben. Die Mischung wird 25 Stunden lang umgesetzt und ist dann für den Einsatz bereit. Ein 10-End-E-Glasfaserroving wird durch das Harzbad gezogen, dann durch eine Verengungsdüse zur Entfernung des gesamten überschüssigen PoIynieren und schließlich in einen langen Härtungsofen geleitet. In diesem Ofen wird heiße Luft nach unten im Gegenstrom zum hartübeizogenen Roving geführt, die mit 140° C ein- und mit 8O⁰C austritt. Der Roving verläßt den Ofen kontinuierlich in entweder völlig gehärtetem oder oberflächengehärtetem Zustand, was von der Verweilzeit des Rovings im Ofen abhängt. Verweilzeiten von annähernd 4 Minuten ergeben ein oberflächengehärtetes Produkt, während eine Verweilzeit von 15 Minuten ein völlig gohärtetes Produkt liefert.

Der völlig gehärtete Roving kann direkt auf eine Trommel gewickelt werden oder durch eine Hackvorrichtung geführt werden, um einen Roving von gewünschter Länge zu erhalten. Die oberflächengehärteten Rovings werden zunächst gehackt und die kurzen Stücke in einen Trommelerhitzer zur Vervollständigung des Härtungsprozesses gebrachi. Letztere Technik hat den Vorteil, daß Harz vom Innern des gehackten Rovings zu den exponierten Enden fließt, so daß ein noch besser durchgehärteter Roving entsteht und das Eindringen von korrodierenden Flüssigkeiten in das überzogene Faserbündel verhindert wird.

Beispiel 2

Zu 100 Volumteilen Furfurylalkohol, die sich in einem gekühlten Raktionskolben (0° C) befinden, werden langsam 5 Teile eines Gemisches aus 85 "/oiger Phosphorsäure und Wasser (Mischungsverhältnis 1 : 1) gegeben und das Ganze gerührt.

Das Gemisch wird bei Raumtemperatur umgesetzt, bis es eine dunkle rotbraune Farbe hat. Dann ist es für den Einsatz fertig. Ein 60-End-Roving wird durch eine Überzugsapparatur mit Hilfe von Führungskörpern und Rollen gezogen, dann durch eine Verengung, um überflüssiges Harz zu entfernen. Der überzogene Roving wird auf ein rechteckiges Gestell

aus Stäben gewunden, das, wenn es gefüllt ist, 8 Stunden in einen Ofen von 110 bis 120' C gebracht wird. Auf diese Weise wird ein völlig gehärtetes Produkt erhalten. Der Roving wird von dem Gestell abgewickelt und kann dann auf gewünschte Länge geschnitten werden.

Beispiel 3

Ein Bündel nicht überzogener, in Schleifen aufgewickelter Rovings wird durch eine zylindrische Form gezogen, welche an einem Ende mit einem Furanharzbad und am anderen Ende mit einem Vakuum verbunden ist, so daß das Harz in die Form fließt. Nach vollständiger Füllung der Form wird das Vakuum entfernt und die Form verschlossen. Die Form, die das Harz und die Glasfaser enthält, wird dann in einen Ofen gegeben, um die Härtung 12 Stunden bei 100 bis 12O⁰C durchzuführen. Danach werden die fertiggestellten Stäbe aus der Form entfernt. Dieses Verfahren ist zur Herstellung von verstärkten Stäben ao geeignet.

Beispiel 4

Auf geeignete Länge geschnittene nicht überzogene Rovings werden in eine Form gegossen, wobei die Form eine Kanalform von 25,4 χ z5,4 mm hat. Anschließend wird Furanharz in die Form gegossen, bis sie voll is*. Das überflüssige Harz wird entfernt. Die Form wird sodann in einen Ofen gegeben, um das Harz 12 Stunden bei 100 bis 120° C zu erhärten. Auf diese Weise können Glasfaser-Harzmassen-Stäbe oder Platten von quadratischem oder rechtekkigem Querschnitt erhalten werden, die als Verstärkung für das Verlegen in Beton geeignet sind.

Beispiel 5

Mit Furanharz imprägnierte Rovings aus einer geeigneten Anzahl von Streichmaschinen werden zusammen durch ein Werkzeug geleitet, um ein einziges Kabel herzustellen. Dieses wird in einen Härtungs ofen gebracht, wie er in Beispiel 1 beschrieben ist. Di< Geschwindigkeit des Kabels durch den Ofen ist we gen der Dicke dieser Produkte wesentlich geringe als die eines einzelnen Rovings. Sie beträgt üblicher weise 15,24 m/h. Der gehärtete Stab, der den Ofer verläßt, wird zwischen Spannungsrollern hindurchge führt und dann auf Länge geschnitten.

Beispiel 6

Ein Glasfasernetz, das aus 60-End-Rovings gewcb ist und eine Höhe von 12,7 mm hat, wird durch Tau· chen in einen Trog, der das Furanharz enthält, überzogen. Nach der Imprägnierung und dem Entferner des überschüssigen Harzes wird das Netz 4 Stunder durch einen Ofen gezogen, der eine Temperatur vor 100 bis 120° C hat. Dieses quadratische Netz ist be sonders geeignet zur Verstärkung von Platten odei Folien aus Zementprodukten.

Beispiel 7

Ein 60-End-Roving wird durch ein Furanharzbac und ein Werkzeug gezogen und auf einen Metallrahmen derart gewickelt, daß ein Netz von imprägnierten Glasfasern erzeugt wird. Nach Beendigung de< Aufwickeins werden der Rahmen und das Netz ir einen Härtungsofen gegeben, um die Härtung irr Verlauf von 4 Stunden bei 100 bis 120⁰C durchzu führen.

Die harzüberzogenen Stäbe oder das Netz, wie sie in den Beispielen beschrieben sind, können auf jede beliebige Weise, wie sie üblicherweise für die Verstärkung von Mörtel durch Stahlstäbe, Draht odei Netze angewandt werden, in Zementmörtel eingebracht werden. Vorteilhaft sind kurzgehackte Glasseidenspinnfäden wegen ihrer Steifigkeit, so daß sie durch Ausbreiten, gefolgt vom Vergießen des Ze mentmörtels, eingebaut werden können.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

ί. Verfahren zur Glasfaserverstärkung von Beton oder Zement, dadurch gekennzeichnet, daß in den Beton oder Zement eine Vielzahl, jeweils aus zahlreichen Glasfasern bestehender Glasfaser-Rovings oder Glasfaserstränge eingebettet wird, die mit einem gehärteten Furanharz überzogen und imprägniert sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Furanharz ein nichtrnodifiziertes Furfurylalkoholpolymerts oder ein aldehydmodifizienes Furfurylalkoholpolymeres verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Furanharz ein säurekatalysiertes Kondensationsprodukt von Fu^rfurylalkohol mit Furfurylalkohol, Furfurylaldehyd oder Formaldehyd verwendet wird. ao
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Furanharz ein Harz verwendet wird, das durch Umsetzen von Furfurylalkohol mit Furfurylaldehyd in Anwesenheit von Phosphorsäure als Katalysator hergestellt worden ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensationsreaktion bei 10 bis 15°C im Verlauf von 24 Stunden durchgeführt wird.
6. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Furanüberzüge durch Erhitzen gehärtet werden.