DE2232665A1

DE2232665A1 - Verfahren zur herstellung eines zweiphasen-materials mit einer mischung aus beton und fasern

Info

Publication number: DE2232665A1
Application number: DE2232665A
Authority: DE
Inventors: David Reid Lankard
Original assignee: Battelle Development Corp
Current assignee: Battelle Development Corp
Priority date: 1971-07-06
Filing date: 1972-07-03
Publication date: 1973-01-18
Also published as: TR18412A; FR2145293A5; BE785948A; DK141176B; CA1013776A; CH576850A5; DE2232665B2; JPS5243220B1; US3986885A; NL7209405A; GB1391687A; ES404533A1; IT968198B

Description

Verfahren zur Herstellung eines Zweiphasen-Materials mit einer Mischung aus Beton und Fasern.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Zweiphasen -Materials mit einer Mischung aus Beton und Fasern. Ein derartiges Verfahren bzw. Zweiphasen -^-Material ist in tier US-PS 3,429,094 von Romualdi, die im wesentlichen der OLS 1 484 125 entspricht, beschrieben. Ziel der vorliegenden Erfindung ist es im wesentlich^ein derartiges Material herzustellen, das wenigstens eine vorbestimmte Biegefestigkeit besitzt.

Die geringe Zugfestigkeit von Beton ist seit langem bekannt. Sie wurde als unvermeidbare Begrenzung bei Betonkonstruktionen in Kauf genommen. Versuche, diese geringen Werte an Zugfestigkeit zu kompensieren, beinhalteten in der Vergangenheit im allgemeinen normale oder vorgespannte Armierungsstäbe aus Stahl. Dadurch wird die geringe Zugfestigkeit nicht wirklich überwunden, sondern nur umgangen. Auf herkömmliche Weise bewehrter Beton ist Jäher durclL· die Tatsache gekennzeichnet,

daß sich Risse ausbilden und in den Spannungszonen ausbreiten. Diese Risse bilden sich bei verhältnismäßig niedrigen Beanspruchungen und breiten sich solange aus, bis sie entweder eine freie Fläche oder ein Gebiet erreichen, das unter Druck steht.

Ferner kann die durch Standardtests in herkömmlich armiertem oder in nicht armiertem Beton bestimmte Zugfestigkeit bei der' Konstruktion in dieser Größe nicht als Grundlage dienen, weil die Ausbildung feiner Haarrisse wegen Ermüdung, thermischer Ausdehnung oder wegen der Poren die Zugfestigkeit des Betons wesentlich verringert. Eine anfängliche Ausbildung von Rissen und die folgende Ausbreitung dieser Risse ist nicht immer deutlich zu sehen. Die Bedingungen, unter denen dieses geschieht, können auch nicht vorhergesagt werden. Sogar sehr strenge Kontrollen verringern nicht zuverlässig die Ausbildung und das Wachsen von Rissen. Daher wird herkömmlich damit gerechnet, daß etwa die Hälfte des Materials in einem normal armierten Betonbalken einer Zugspannung nicht widersteht. Die nachteiligen Wirkungen der unter Zug entstehenden Risse in armiertem Beton sind jedoch nicht auf den Verlust an Gebieten beschränkt, die der Belastung Widerstand leisten. Es ist beispielsweise offenbar, daß die Ausbildung von Rissen die Wirksamkeit von Betontanks zur Aufbewahrung von Flüssigkeit sehr stark beschränkt. Auch ist die Verwendung von armiertem Beton bei Bauwerken unter Wasser sehr beschränkt, weil das Salzwasser das Armierungseisen, das durch Zugrisse exponiert wird, durch Korrosion angreift.

Die Erfindung von Romualdi liefert ein Zweiphasen —Material mit Beton und feinen, kurzen Fasern im Bet.on, wobei das Material eine Zugfestigkeit besitzt, bei der erste Risse entstehen, die etwa zwei bis dreimal größer ist als diejenige von herkömmlich armiertem Beton. Dies Material ist ferner durch einen wesentlichen Widerstand gegen die Ausbildung und Ausbreitung von Zugrissen oder Eratüdungsrissen gekennzeichnet. Das Material besitzt in hohem Maße homogene Eigenschaften, die darin zum Ausdruck kommen, da0 ein sehr starkes plastisches

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Fließen ohne Zerstörung der Struktur möglich ist. Es kann außerdem Energie wirksamer absorbieren als herkömmlich bewehrter Beton.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren, mit dem wenigstens eine vorbestimmte Biegefestigkeit bei einem Zweiphasen '^-Material nach Romualdi dadurch erreicht werden kann, daß Fasern in einer Betonmischung in bestimmten Größen und Mengen eingeschlossen und verteilt werden, wodurch gewisse mittlere Bindungsflächen von diese Fasern normal zur Belastung schneidenden Ebenen in bekannten Gebieten höchster Zugspannung geschaffen werden. Als Teil dieser Erfindung wurde festgestellt, daß die Biegefestigkeit für das Auftreten erster Risse und die maximale Biegefestigkeit in diesen Materialien von diesen mittleren Bindungsgebieten abhängen , und daß eine wesentliche Verbesserung durch eine geeignete Kontrolle der Größe und Menge der Fasern erreicht wird, wie es im folgenden näher erläutert wird. Das Bindungsgebiet jeder Faser ist im wesentlichen gleich dem Durchmesser des Faser querschnitts, multipliziert mit dessen Länge.

Die Erfindung geht daher von einem Verfahren zur Herstellung von Zweiphasen. -Material aus und ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß eine Betonmischung mit Fasern aus einem Material mit einem Plastizitätsmodul von wenigstens 1,4 χ 10 kp/cm (20 χ 10 psi) hergestellt wird, die darin im wesentlichen gleichförmig mit einem mittleren Abstand zwischen den Fasern von bis zu etwa 7,62 mm (0,3 inch) verteilt sind. Bei einer typischen Form der Erfindung wird ein Zwei-Phasen-Material mit wenigstens einer vorbestimmten Biegefestigkeit dadurch hergestellt, daß die Fasern der Mischung in der speziellen Menge undiSem Verhältnis b beigegeben und dort verteilt werden, daß das mittlere Bindungsgebiet von die Fasern normal zu der Beanspruchung schneidenden Ebenen in bekannten Gebieten höchster Zugspannungen zu der Fläche der Ebenen wenigstens ein vorbestimmter Wert ist, der ausreicht, um diese vorbestimmte Biegefestigkeit in diesen Gebieten herzustellen. Der Quotient b liegt vorzugsweise bei wenigstens

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2 2 3 2 6 6 S

mit U = vorbestimmte maximale Biegefestigkeit in diesen Gebieten,

U₀= Abschnitt von U einer Ausdehnung als gerade Linie in einem Diagramm, in dem gemessene Werte von U gegen die Werte von b aufgetragen werden, und

C = die Neigung dieser Linie.

Diese Werte von U und C werden typischerweise durch Messung der maximalen Biegefestigkeit (ultimate flexural strengths) für eine Vielzahl von im wesentlichen verschiedenen Werten dieses Verhältnisses b in Prüflingen aus diesem Zwei-Phasen-Material bestimmt, wobei die verbesserten Werte von U als lineare Funktion von b in rechteckigen Koordinaten aufgetragen werden. Diese gefundene Linie wird verlängert bis zum Schnittpunkt mit der U-Achse, um so U_Q zu erhalten. Schließlich wird die Neigung der Linie gemessen, um C zu erhalten.

Dieses Verhältnis b kann wenigstens etwa sein, mit

F s= vorbestimmte Biegefestigkeit beim Erscheinen erster Risse in diesem Gebiet,

f ä Schnittpunkt bzw. Abschnitt einer Ausdehnung einer geraden Linie in einem Diagramm, in dem die Werte von F über den Werten von b aufgetragen werden, und

C = die Neigung dieser Linie.

Die Werte von f_Q und C werden am besten dadurch ermittelt, daß die Biegefestigkeiten, bei -denen/kRiSse auftreten, für eine Vielzahl von wesentlich verschiedenen Werten des Quotienten b bei Probestücken des Zweiphasen .—Materials ermittelt werden, wobei die verbesserten Werte von F als lineare Funktion von b in rechteckigen Koordinaten aufgetragen werden, und die so gefundene Linie verlängert wird, bis sie die F-Achse schneidet, wodurch f_Q gefunden wird. Schließlich wird die Neigung dieser

20988 3/0800

Linie gemessen, wodurch C erhalten wird.

Ein typisches Verfahren zur Herstellung von Zweiphasen-Material mit einer Mischung von Beton und Fasern aus einem Material, dessen Elastizitätsmodul wenistens etwa 1,4 χ 10 kp/cm beträgt, die im wesentlichen gleichmäßig darin verteilt sind, und zwar mit einem mittleren Abstand zwischen Fasern von bis zu etwa 7,62 mm, ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Biegefestigkeiten einer Vielzahl von im wesentlichen verschiedenen mittleren Bindungsgebieten der Fasern pro Flächeneinheit in Ebenen gemessen werden, die in den Probestücken des Zweiphasen -Materials senkrecht zur Zugspannung verlaufen, und daß die Fasern in einer derartigen Menge in der Mischung vorgesehen und verteilt werden, daß das mittlere Bindungsgebiet der Fasern, die Ebenen schneiden, die senkrecht zur Belastung in bekannten Gebieten größter Zugspannung sind, ausreicht, um wenigstens eine vorbestimmte Biegefestigkeit in diesen Gebieten zu einreichen.

Weil die in den Figuren 2 bis 4 angegebenen Maße in englischen Maßeinheiten sind, werden im folgenden zur Erleichterung der Vergleichbarkeit ebenfalls englische Maße verwendet. Typische

—5 — "3 Abmessungen der Fasern liegen bei 2,5 χ 10 "^ bis 3 x 10 inch Querschnittsfläche und bei 1/4 bis 3 inch Länge» Die mittlere Länge liegt bei 40 bis 300 mal der Quadratwurzel der Querschnittsfläche, und zwar vorzugsweise etwa 150 bis 300 mal. Sie ist vorzugsweise wenigstens etwa ein Inch. Mit Fasern einer gegebenen Länge und aus ausgewähltem Material und ausgewählter Form, die in einer Vielzahl von Querschnittsflächen erhältlich sind, besitzen die verwendeten Fasern vorzugsweise die Querschnittsfläche, für die das Produkt der Kosten pro Gewichtseinheit multipliziert mit der Quadratwurzel des Querschnitts ein Minimum ist. ·

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei ergeben sich weitere wichtige Merkmal der Erfindung aus der folgenden Beispielsbeschreibung. Es zeigt:

2 0 9883/nano

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Teil eines Balkens aus Zweiphasen. -Material, der nach dem Verfahren nach der Erfindung hergestellt istj

Fig. 2 ein Diagramm in rechteckigen Koordinaten der maximalen Biegefestigkeit U gegen das mittlere Faserbindungsgebiet pro Flächeneinheit b bei einem Balken nach Fig. 1j

Fig. 3 ein Diagramm, ebenfalls in rechteckigen Koordinaten, der Biegefestigkeit, bei der die ersten Risse entstehen, F, gegen das mittlere Faserbindungsgebiet pro Flächeneinheit b in einem Balken nach Fig. 1; 4 ist ein Diagramm zur Darstellung der Abhängigkeit der

Auslenkung von der Belastung bei Balken nach Fig. 1, , . ,. darin verteilten Fasern _, . , _L_ · . , wobei die /dieselbe mittlere Bindungsfläche ,jedoch eine verschiedene Länge und Durchmesser in jedem Balken besitzen.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung wird ein Zwei-phasen-Material mit Beton und eingebetteten Fasern, beispielsweise Drähten, hergestellt, die aus einem Material bestehen, dessen Elastizitätsmodul wenigstens 20 χ 10 psi (1,4 χ 10 kp/cm ) besitzt. Diese Fasern werden im wesentlichen gleichmäßig darin mit einem mittleren Abstand zwischen den Fasern (d.h. zwischen deren Achsen) verteilt von bis zu etwa 0,3 inch (7,62 mm). Die Fasern ergeben einen Mechanismus, der die -Ausbreitung der Risse verhindert. Dadurch steigt die Rißfestigkeit und Zähigkeit bzw. Zähfestigkeit des Materials auf einen Grad an, der bisher auf andere Welse nicht erreicht werden konnte.

Derartiges Material wird typischerweise durch Mischung gegebener Proportionen von kurzen Stücken von Draht direkt mit Zement, Sand und Wasser hergestellt·

In Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch einen Betonbalken 10 gezeigt, auf den eine Spannung (Zugspannung) ausgeübt wird.

willkürlich ausgerichtete

Dieser Balken 10 besitzt kurze/Armierungsfasern 12. Der Balken 10 kann dadurch hergestellt werden, daß zuerst Sand, Zement

. 2 0 9RR 3 /0800

und Wasser in einem Mischer gemischt werden, worauf die Fasern zugegeben werden. Weil einzelne Fasern zum Verfilzen .neigen können, ist es gelegentlich erwünscht, die Fasern in die Drehtrommel des Mischers durch ein geeignetes Gebläse zu geben. Nachdem die Fasern in der Mischung sind, kann mehr Wasser zugefügt werden als notwendig ist. Das Verhältnis von Wasser zu Zement sollte sorgfältig justiert werden. Ist die Mischung entweder zu naß oder zu trocken, so neigen einige der Fasern dazu, k-ugelartig aneinander zu haften. Das richtige Mischungsverhältnis von Wasser zu Zement wird durch visuelle Beobachtung der Mischung beim Mischen bestimmt. Es würde auch beobachtet, daß bei größeren Verhältnissen von Länge zu Durchmesser eine größere Neigung zum Aneinanderhaften und Knicken der einzelnen Fasern während des Mischens besteht. Zusätzlich zu Zement, Sand und Wasser kann der Beton auch grobe Zuschlagstoffe besitzen, deren Einzelteile Abmessungen größer als 0,3 inch (7,62 mm) besitzen. Werden grobe Zuschlagstoffe verwendet, so soll der prozentuale Volumenanteil der Fasern derart sein, daß der mittlere Abstand zwischen den Fasern in den Teilen mit Sand, Zement und Wasser, die die Lücken zwischen den groben Zuschlagstoffen einnehmen, nicht mehr als diese 0,3 inch (7,62 mm) einnimmt· Es wird angenommen, daß die überraschende Verbesserung in der Bruchfestigkeit bei einem Zweiphasen -Material nach der Erfindung von einem Zweiphasen-Verhalten in den kritischen Phasenabständen herrührt. Um dieses Verhalten besser zu verstehen, ist es notwendig, das Verhalten von Beton zu studieren, der einer Zugspannung ausgesetzt ist. Unterliegt Beton Zugspannungen, wird sich einer der vielen feinen, im Material vorhandenen Haarrisse zu einem größeren Riß ausweiten, der sich durch die gesamte Spannungszone ausbreitet und so das gesamte Teil verschlechtert. Es wird .angenommen, daß bei den beschriebenen kritischen Abständen den Verschiebungen im Mater-. rial-an der Spitze der 'Rißkanten durch die Fasern Widerstand entgegengesetzt wird, die auf die Matrix eine Kraft ausüben, die ausreicht, um ein Strecken des Betons in der unmittelbaren Nachbarschaft des Risses zu verhindern. Eine einzelne Faser kann sich nur um einen kleinen Betrag ausdehnen, falls überhaupt, um eine Entlastung der Widerstandskräfte zu verhindern, die den

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Riß zusammenhalten. Gekrümmte Drähte oder andere wellenartige Figurationen, mit denen in der Vergangenheit Beton armiert wurde, sind hierbei nicht wesentlich. Derartige Armierungen sind vielmehr weniger v/irksam als die bevorzugten, im wesentlichen gerade ausgebildeten Fasern. Ferner sind Fasern aus einem Material mit einem Elastizitätsmodul von weniger als

6 6 2

etwa 20 χ 10 psi (1,4 χ 10 kp/cm ) nicht wirksam, weil das Widerstandselement gegen die Rißausbildung eine wesentlich größere Steifheit als die Betonmatrix haben muß. Weil die Festigkeit von Beton mit der Größe der inneren Risse des Betons ,verbunden ist, steigt die Biegefestigkeit, die erreicht werden kann, mit einer Verringerung des Abstandes zv/ischen den Fasern und folglich mit einer Verringerung der Größe der zugelassenen Risse.

Das Material nach Romualdi enthält eine vollständig neue Form von Betonmaterial. Die Natur dieses neuen Materials und das einzigartige Zweiphasen - Verhalten kann am besten durch Vergleich mit konventionell armiertem Beton verstanden werden, wobei eine Vielzahl von Größen und Gestalten für die Armierung beim frülieren Beton vorgesehen waren. Die ganz bestimmten Eigenschaften des früheren Materials ergeben sich aus den vollständig verschiedenen Funktionsweisen, die in beiden Fällen von den Armierungselementen übernommen werden. Bei konventionell armiertem Beton wird unabhängig von der Größe und der Gestalt der Armierung die maximale Belastbarkeit der Struktur verbessert. Das bedeutet, dass die Struktur auch nach dem ersten Riß zusammenhalt. Der erste Riß erscheint jedoch immer noch bei etwa demselben Biegemoment wie bei einem unarmierten Betonbalken derselben Abmessung. Schwere Armierungsstangen aus Stahl nehmen die Zuglast bei herkömmlich armiertem Beton nach dem Reißen auf. Kurze wellige oder anders unregelmäßige Ausbildungen der Armierungen beim früheren Stand der Technik dienen dazu, den gerissenen Beton über ihre Konfiguration zusammenzuhalten. Bei Beton nach Romualdi werden im wesentlichen gerade Fasern mit einem hohen Elastizitätsmodul dem Beton derart zugegeben, daß ihr Abstand unterhalb eines kritischen maximalen Abstands bleibt, daß die Biegefestigkeit und Zugfestigkeit bzw.

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der Widerstand gegen Rißbildung des Betons vergrößert wird. Es kann daher die volle Zugspannung des ^Fasern ?^nthaltend^etons konstruktiv ausgenutzt werden und der Einfluß einer korrosiven Umgebung wird sehr klein gehalten. Eine folgende Ausbildung des ersten sichtbaren Risses bei derartigem Material (bei der Zugfestigkeit) ist so, daß dieses Material weiterhin sich anders benimmt, als herkömmlich bewehrter Beton. Herkömmlicher Beton zerbricht und die Risse breiten' sich frei m\t nur geringem Widerstand auß, bis die Verstärkungen (bei maximaler Festigkeit) herausgezogen werden. Bei dem Material nach Romualdi wird sehr viel Energie benötigt, um einen Riß von Faser zu Faser auszubrüten und das Material ist stabil, auch bei der Anwesenheit von Rissen, wie ein dehnbares Material. Beide Materialien haben eine höhere'maximale Festigkeit (ultimate strength) als nicht armierter Beton. Die hervorstechende Eigenschaft von herkömmlich bewehrtem Beton liegt in der höheren maximalen Festigkeit. Die Rißfestigkeit dieses armierten Betons unterscheidet sich nicht von der von nicht-armiertem^Beton,.der also auch brüchig bleibt. Die Einzigartigkeit des vorstehenden Betons liegt in der Fähigkeit einer viel größeren Rißfestigkeit zusammen mit einer Dehnbarkeit.

Obgleich die Fasern in vielerlei Lagen angeordnet werden können; ist das wesentliche Element bei praktischen. Ausführungsformen von nach Romualdi hergestelltem Material der kritische Abstand." ' Romualdi hat enddeckt, daß sehr stark verbesserter Beton mit außergewöhnlicher Rißfestigkeit vorliegt, wenn der mittlere

zufällig ausgerichteten . _n ' Raum zwischen den / · fasern weniger als 0,5 inch

(12,7 mm) beträgt. Dies scheint ein Schwellwert zu sein und das Anwachsen der Rißfestigkeit wird am größten, wenn der· mittlere Abstand zwischen den Fasern oder Drähten auf unter 0,3 inch (7,62 mm) absinkt.

Mathematisch kann das räumliche Verhalten von willkürlich orientierten Fasern abgeleitet werden. Um diese Beziehungen zu beschreiben, können verschiedene Kalküle verwendet werden. Als Faustregel hat sich eine Ableitung bewährt, bei der Volimenprozente der benötigten Fasern bestimmt werden, um einen bestimmten

2 0 9883/0800

mutieren Abstand kurzer Fasern anzugeben. Dies liefert die folgende Formel:

15,8d

mit · · .

S = mittlerer Abstand bei gleichförmiger Verteilung kurzer Fasern,

d = mittlerer Durchmesser der Fasern, P = Vdmnenprozent von Fasern in der Mischung.

Um beispielsweise einen mittleren Abstand zwischen den Fasern zu erreichen, der nicht größer als 0,3 inch ist, sind 0,08 Volumenprozent Fasern mit einem Durchmesser von 0,06 inch oder 0,21 Volumenprozent von Fasern mit einem Durchmesser von 0,010 inch notwendig. ' ,

Daraus ergibt sich, daß Fasern mit kleinerem Durchmesser günstiger sind, um den Abstand uer Halteelemente für Risse bei Material nach Romualdi mit praktischen Begrenzungen der Volumenprozente von Fasern in der Mischung zu erhalten. Im allgemeinen wurde gefunden, daß bei gegebenen Volunenprozenten größere Verhältnisse von Menge zu Durchmesser eine etwas bessere Rißfestigkeit und eine verbesserte maximale Festigkeit (ultimate strength) erreichen lassen. Bei einem gegebenen Durchmesser und einer •gegebenen Volumenprozentzahl der Fasern ergeben größere Längen (beispielsweise 1,5 inch χ 0,5 inch bei einem Balken von 2x2x12 inch) eine weniger zufällige Verteilung der Fasern, wobei deren Ausrichtung in Richtung der hauptsächlichen Zugspannung bevorzugt wird. Zweiphasen -Materialien mit Riß-Halteelementen eines größeren Verhältnisses der Länge zum Durchmesser besitzen eine größere maximale Festigkeit, weil sie bessere Eigenschaften. besitzen, die die Zugspannung aufnehmen.

Einzelheiten des Verfahrens nach der vorstehenden Erfindung werden im folgenden anhand von Beispielen verdeutlicht, aus denen sich auch die damit erzielten besseren Resultate und Einsparungen ergeben.

2 0 9 a a 3·/ neon

Beispiele

Sämtliche Probestücke wurden unter Verwendung von Mörtel hergestellt, das durch folgendes Mischverhältnis bestimmt ist: ein Teil Zement zu 2,4 Teilen Betonsand, mit einem Wasser /Zementverhältnis von 0,45. Der Zement stammte aus einer einzigen Lieferung von Portland-Zement des Typs I. Gewaschenener glazialer Sand wurde ebenfalls von einer einzigen Lieferung verwendet. Der Sand besaß eine Körnung von 3,0, eine spezifische Wichte (SSD) von 2,59 und eine Absorbtion von 2,65 Prozent.

Sämtliche Fasern waren Drähte, die ebenfalls aus einer einzigen Lieferung von Stahl*rait hohem Kohlenstoffanteil bestanden.

* Ε-Modul von etwa 29.10⁶ psi (= 2,03 . 10⁶ Kp/m²).

3 '

Acht Partien mit 1,5 ft Volumen wurden folgendermaßen vorbereitet: \ .

1) Der Mörtel aus Sand, Zement und Wasser war vorbereitet (in einemJTrommelmischer von 3»0 ft ).

2) Dreißig Pfund (pounds) Mörtel wurden von der Partie genommen und zur Bestimmung der Gewichtseinheit des Mörtels und zur Vorbereitung von drei·Probebalken (2,5x3,0x16,0 inch)'verwendet.

3) Stahldrähte in der gewünschten Menge wurden dem restlichen Mörtel dadurch zugegeben, daß die Drähte von Έβ^ in den rotierenden Mischer gegeben wurden. Nach Zugabe sämtlicher, Drähte wurde weitergemischt, bis eine gleichförmige Dispersion eriächt wurde.

4) Zehn Baienproben (2,5x3,0x16,0 inch) wurden aus der Mischung mit den Drähten hergestellt. Jeder Balken wurde von individuell gewogenen Mengen der Mischung hergestellt, so daß exakt, derselbe Betrag an Material in jedem Balken vorlag. Eine leichte äußere Vibration von 60 Hz wurde bei der Vorbereitung aller Probestücke angewendet (einschl. der nicht armierten Stücke).

5) Zwei Balken einer je firtie wurden kurz nach dem Gießen, d.h. also vor jedem Abbinden, auf ein Sieb von 0,25 inch geworfen und der Mörtel wurde weggewaschen, um den wirk-

lichen Betrag an Fasern bzw. Drähten in jedem Balken festzustellen und mit dem berechneten Betrag zu vergleichen.

6) Unter Verwendung der Druckmethode (ASTM C231) wurde der Betrag an eingeschlossener Luft inder Mischung nach Zufügung der Stahldrähte bestimmt.

7j[ Alle Probestücke wurden in den Formen in Nebel bei 73⁰F

.(22,8⁰C) 24 Stunden lang ausgehärtet.

8X Nach der Entnahme aus den Formen wurden die Probestücke in und unter geringem Druck stehenden Dampf von 14O° F (6O⁰C) 7 Tage lang vor den eigentlichen Tests ausgehärtet,

Eine vollständige Beschreibung der vorbereiteten Partien und -die Eigenschaften sowie andere Informationen bezüglich der frischen Mischungen sind in der folgenden Tabelle 1 angegeben.

Messungen der Biegefestigkeit wurden unter Verwendung der Technik der Mittelpunktsbelastung bei einer Spannweite von 15 inch durchgeführt (380mm)'. Diese lange Spannweite wurde gewählt, um die Durchbiegung der Balken zu vergrößern. Sämtliche Messungen wurden unter Verwendung einer Universal Test Maschine der Firma Baldwin mit einer Kapazität von 50000 pounds bei einer Belastungsrate von 0,04 inch pro Minute durchgeführt (1 mm pro Minute). Es wurden vollständige Aufzeiclinungen der Durchbiegung in Abhängigkeit von der Last für jeden Testbalken erhalten. (Die Durchbiegung wurde automatisch als Auslenkung des Plattenkopf es auf geschoben).

Die für die ersten Risse und die maximale Biegefestigkeit erhaltenen Daten der Balken sind in der Tabelle 2 dargestellt und graphisch in den Fig. 2 und 3 gezeigt. Aus diesen Figuren ergibt sich, daß eine lineare Beziehung zwischen der maximalen Biegefestigkeit U und dem wirksamen Faserbindungsgebiet b sowie zwischen der Biegefestigkeit, bei der die ersten Risse auftreten^ , und dem wirksamen Sindungsgebiet b bestehen.

Hier sei angemerkt^, daß im vorstehenden und im folgenden unter

7 2 3766 5

maximaler Biegefestigkeit (ultimate ffexural strength) die Biegefestigkeit bei oder kurz vor dem Bruch gemeint ist»

Die Diagramme von U über b können nicht zurückextrapoliert werden zur Festigkeit von unbewehrtem Mörtel. Für die Bedingungen der vorstehenden Untersuchung sei es angezeigt, daß die Zugabe von Fasern, die in wirksamen Paserbindungsgebieten von weniger als etwa 1,8 resultiert, keine Verbesserung von U oder F bezüglich nicht armiertem Beton bzw· Mörtel geben würde.

Das Verhalten Belastung / Durchbiegung von Fasern enthaltenden Balken, die rechnerisch dasselbe Faserbindungsgebiet, besitzen, war für Durchbiegungen bis herauf zur Durchbiegung bei maximaler Biegefestigkeit gleich ( dies ergibt sich aus denselben Werten für F und U für Balken mit gleichem b), und zwar unabhängig von der verwendeten Faserart. Das Verhalten der Durchbiegung gegenüber der Last jenseits der Bruchbelastung wurde jedoch durch die Länge der Fasern beeinflußt, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Folglich sollte die Rate der Lastabnahme (Last = tf* mit wachsender Ausbiegung ζ ) hinter der Bruchbelastung (dcf/ d£ ) proportional zu der Rate des Abfallens des wirksamen Faserbindungsgebiets (b) bei wachsender Auslenkung (-db/dE ) sein. Die Rate des Abfallens der Last hinter der Bruchbelastung soll daher mit abfallender Drahtlänge wachsen, vorausgesetzt, der Durchmesser ist konstant und auch das prozentuale Volumen v/o der Fasern bzw. Drähte im Baien. Für die in Fig.4 gezeigten Mischungen wird erwartet, daß der größte Wert von db/d£ bei einer Mischung mit 0,5 inch langen Fasern und 0,006 inch Durchmesser auftritt.

Zu den Figuren sei noch darauf hingewiesen, daß in Fig,2 als Ordinate U die bereits a-ngeführte Bruchbiegespannung bzw, Bruchbiegefestigkeit aufgetragen wurde, d.h.. diejenige Spannung, die der Boton maximal aushält, ohne zu brechen* In Fig. j wurde als Ordinate F die Haarrißspannung bzw. Haarrißfestigkeit auf« getragen. In den Fig. 2 und 3 sind sieben Proben A bis I. aufgeführt, deren Parameter in der^ Tabelle 1 bzv/i Tab,2 angegeben

? O 9 ft B 3 / Π 8 O O

sind. Die beiden Größen sind dabei jeweils gleich (2,5x3x16 inch). Der Wert v/o gibt die Volumenprozente der in den Balken enthaltenen Fasern bzw. Drähten an. Diese Werte sind in den Tabellen wiederholt. Ziffer 5 in Fig. 2 und 3 zeigt die Festigkeit von nicht bewehrtem Beton. Ziffer 6 zeigt die kritische Bindungsfläche an. In Fig. 4 ist die Abhängigkeit der Belastung in Pfund (pound) über der Mittelpunktsauslenkung in Inch bei konstantem wirksamen Faserbindungsgebiet b= 9,ⁿ aufgetragen, und zwar für drahtarmierte Mörtelbalken. Gezeigt sind drei KurVen mit den Probebalken C,G, und H. Die.Belastung wurde in Pfund, aufgetragen.

TABELLE ΐ

Identifizierung der Partien und Eigenschaften von frischen,«Fasern enthaltende

Mörtelpartien

ΛΟ
O
CO

Partie
Identifizierung

Parameter der Pasern

öurchmesser
(Inch)

Lange
(Inch)

Menge Volumen-' proz.

Wirksa- Gew.Einmes Faser- heit von bindungs- Mörtel gebiet ohne (inch Pasern ·, S?) Pound/ft*

Luftinhalt von
Mörtel
mit Fasern
(Vol.tf)

Menge der herausgewasche· nen Fasern (Gramm)

Balten

Nr. 1

Gemessen

Balken Nr.

Berech net

A
B
C
F
G
H
I
L

0,010

0,0059

0,020

0,010

0,016

1,0
1,0
1,0
0,5
0,5
1,5
1,0
1,5

0,72 1,44 2,16 1,46 2,36 2,72 0,34 1,94

3,0
6,0
9,0
3,0
9,0
9,0
1,5
7,5

137,3 137,8 137,1 135,6 136,1 137,8 137,0 136,8

4,6
5,0
5,3

4,8
4,2
4,7
4,9

122 225 301 237 3,9 429 59 349

108 246 374 236 404 431 i-56 299

TABELLE 2

Eigenschaften der Biegefestigkeit von nicht armierten und drahtarinierten Mörtelbalken.

CD CO CX) OO CJ

Partieidentifi zierung

Durchmesser' (Inch)

Länge Menge (Inch) (Vol.

30 ■ Effektives Bruchbiege-Faserbindungsspannung des ebiet b _P Mörtels ²^) (psi)

Biegefestigkeit der Fasermischung (psi)	Bruchbe lastung	Quotient von Bruchbe	•	lastung zu Riß belastung	I
Erste Risse	1140	1,03	_i σ»
1100	1130	1,01	ι
1115	1925	1,18
1630	2410	1,31
1845	2350	1,20
1970	2510	1,31
1920	940	1,00
940	1840	1,16
1590			___________ -^_-, OO K) cn cn cn
	■

A F B C

G H

I L

0,010	1,0	0,72
0,010	0,5	1,44
0,010	1,0	1,44
0,010	1,0	2,16
0,0059	0,5	2,36
0,020	1,5	2,72
0,010	1,0	0,34
0,016	1,5	1,94

3,0
6,0
9,0
9,0
9,0
1/5
7,5

890 905 970

975 920 860 895 820

· 7232665

Berechnung der Bindungsgebiete

Das wirksame Faserbindungsgebiet B ist als diejenige Fläche längs der Länge sämtlicher Fasern definiert, die in der Bruchebene eines balsenförmigen Biegongsprüflings enthalten sind. Diese Größe kann wie folgt berechnet werden:

B = nA (1)

mit ■ '

n= Anzahl der Fasern der Bruchebene eines Balkens unter

Biegung
A= Oberfläche einer Faser der Länge χ und des

Durchmessers D (inch ) B= effektives Faserbindungsgebiet (inch )·

Ferner gilt:
n= N/S

A= *8T Dx (unter Vernachlässigung der Faserenden), mit N= Gesamtanzahl der Fasern im Probestück = W/w S= Untereinheiten der Fasern in Probestücken = L/X D= Durchmesser der Faser (inch)
χ= Faserlänge (Inch)
w= Gewicht einer Faser der Länge χ und des Durchmessers

D (Gramm)

L= Länge eines Balkens (Inch) W= Gesamtgewicht der Fasern im Balken (Gramm).

Durch Einsetzen der Gleichung "(1) erhält man

=TTDX² Ig · (2)

2 Durch Ersetzung von B in Ausdrucken von inch des Faser-

bindungsgebietes pro inch von Bruchfläche erhält man aus

Gleichung (2):

p
. Lwa

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a= Querschnittsfläche der Bruchfläche im Balken (inch )

2 2 und die Dimension von b ist inch /inch .

Bestimmung der Parameter

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 und die vorstehend wMergegebene Zusammenfassung der Erfindung wird deutlich, daß bei den Beispielen U in Abhängigkeit von b eine lineare Funktion in rechteckigen Koordinaten ergibt. Diese Gerade besitzt eine Neigung C = 216. Die Gerade schneidet die U-Achse im Punkt U_Q= 520. Es folgt

U= 520 + 216 b (b > 1,8)

woraus folgt

_{b =} .-L. (U-520).

216

In ähnlicher Weise erhält man aus Fig. 3 f_Q= 640 und C=144. Es folgt:

F= 640 + 144b (b pr 1,8)

woraus sich ergibt

Als Teil der vorliegenden Erfindung wurde gefunden, daß die Fasern . in der Betonmischung einen Elastizitätsmodul von wenigstens etwa 20x10 psi (= 1,4 χ 10 kp/cm ) besitzen sollten und daß die Fasern eine Querschnittsfläche von etwa 2,5x10"⁵ bis 3x1O"³ inch² (16,2 χ 1O""⁵ bis 19,5 x 10~³ cm²) besitzen sollten, sowie etwa 0,25 bis 3,0 inch lang sein soll* ten (12,7 bis 76,2 cm lang). Die mittlere Länge sollte bei 40 bis 300 und vorzugsweise um 150 bis 300 mal größer als die Quadratwurzel der Querschnittsfläche sein. Fasern mit kreisförmigem Querschnitt sollten 6. bis 63 mils im Durchmesser sein, mit durchschnittlichen Längen von dem etwa 30-bis 250-fachen des Durchmessers, und zwar vorzugsweise dem etwa 125-bis 250-fachen des Durchmessers, 1 mil = 10 inch. 6 mil = 0,15 mm und 63 mil =1,6 mm.

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Bei Fasern gegebener Länge aus einem ausgewählten Material mit bestimmter Größe (beispielsweise kreisförmiger Querschnitt), die in einer Vielzahl von Querschnittsflächen bzw. Durchmessern erhältlich sind, können die Fasern beliebige Querschnittsflächen innerhalb der angegebenen Grenzen besitzen. Wie aus Fig. 4 hervorgeht, werden längere Fasern, und zwar wenigstens etwa 1 inch lang oder 25,4 mm lang, bevorzugt. Innerhalb dieses Bereiches und bei anderen gleichen Parametern können die Kosten der Fasern dadurch verringert werden, daß die Querschnittsfläche (Durchmesser) ausgewählt wird, für die das Produkt der Kosten pro Gewichtseinheit multipliziert mit der Quadratwurzel der Querschnittsfläche ein Minimum ist. Stattdessen kann auch das Produkt der Kosten pro Gewichtseinheit mit dem Durchmesser minimalisiert werden. Bei kreisförmigen Drähten eines gegebenen Materials und einer Länge, die beispielsweise mit zwei Durchmesser·,· z.B. 10 mils und 20 mils erhältlich sind, ergeben zwei Drähte von jeweils 10 mils im Durchmesser dieselbe mittlere Bindungsfläche wie ein Draht von 20 mils Durchmesser, sie haben jedoch lediglich die Hälfte der gesamten Querschnittsfläche und wiegen daher nur halb soviel wie die größeren Drähte. Die kleineren Drähte sind daher billiger solange die Kosten pro Gewichtseinheit kleiner als zweimal die Kosten pro Gewichtseinheit der größeren Drähte sind.

Es können viele Faktoren die Charakteristiken der Betonmischung beeinflussen und die möglichen Abänderungen sind unzählig. Durch eine Reihe von Versuchen können die jeweils besten Bedingungen herausgefunden werden, um zusammen mit der Lehre dieser Erfindung wesentlich verbesserte, vorbestimmte Biegefestigkeiten

'. Fasern enthaltendem .
bei - / . Betonmaterial nach Art von Romualdi

herzustellen.

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Weitere Beispiele

Fasern enthaltende Betonproben wurden unter Verwendung einer Vielzahl von Fasergrössen vorbereitet, die derart beigegeben wurden, dass effektive Bindungsflächen für die Fasern von

2 2 2

1,0 bis 6,0 in per in erzielt wurden (25>4 bis 152,4 mm pro mm ). Die bei allen Zubereitungen verwendete Betonmischung ist in Tabelle 3 erläutert.

Tabelle 3

Betonmischung, die bei der Untersuchung des effektiven Faserbindungsgebietes bei der Biegefestigkeit von Fasern enthaltendem Beton verwendet wurde

Zusammensetzung	lb/yd³
Zement (Portland Typ I)	846
Sand (SSD)^	1600
Zuschlagstoff Nr. 8 (SSD)^	715
Y/asser ^^c'	326
Stahldrähte (variabel)^ '	80 bis 344

^v ' = gesättigte Oberfläche bei trockenen Bedingungen.

(Saturated surface dry condition). = 3/8-in maximale Grosse (9,5 mm maximale Grosse).

^v ' = Wasser reduzierende Beimischung, die bei 7 oz pro 100 Ib Zement verwendet wird (198 g pro 100 Ib) (Typ A, ASTM; Bezeichnung C494).

(^d) = Elastizitätsmodul etwa 29 x 10⁶ psi (2,03 x 10⁶ kp/cm²). ^;

Insgesamt wurden 7 Partien von 1,3 ft einschliesslich einer. Partie aus reinem Beton und mit 6 Partien aus Fasern enthaltendem Beton präpariert. Die gesamte Mischzeit betrug 8 Minuten einschliesslich ein er Anfangsmischzeit von 3 Minuten, wonach alle Materialien dem Mischer beigegeben waren, einer Testzeit

20988 3/Π800

von 3 Minuten und einer abschliessenden Mischzeit von 2 Minuten. Das Absetzen und das Einheitsgewicht jeder Partie wurde bestimmt. Aus jeder Partie wurden Probestücke hergestellt, und zwar fünf Balken (4 x 4 x 14 inch) für die Untersuchung .der Biegefestigkeit und drei zylindrische Probestücke (4x8 inch) für Messungen der Kompressionsfestigkeit.

Alle Probestücke wurden durch Einstampfen von Hand präpariert. Nach einem Aushärten von 24 Stunden im Nebelraum in der Form (100 °/o relative Feuchtigkeit bei 23 C) wurden die Probestücke in einem Niederdruekdampf bei 60 G. weitere 7 Tage lang ausgehärtet (das ist äquivalent einem Aushärten von 28 Tagen lang im Ifebelraum).

Messungen der Biegefestigkeit wurden mit einer 400.000 Pfund Tinius-Olsen Universal-Testmaschine unter Verwendung der Belastungstechnik des dritten Punktes bei einer Spannweite von 12 inch (30,5 cm) durchgeführt.

Tabelle 4 erläutert die Versuchsergebnisse, die bei den reinen und den mit Fasern versetzten Proben erzielt wurden.

2 09 8R3 /Π80Π

Tabelle 4

Beschreibung und Eigenschaften von Versuchs-Zementproben mit Paserbe!mischungen Bezeichnung des Wirksame Paser- Pasergrösse, Pasermenge Durch- Spezi- Biegefestigkeit (b)(p3i)

Zements

Pasermenge Durch- Spezi-

bindungsfläehe Durchmesser Vol.-$ sacken fisches Haar- Bruch-(b) (in /in ) und Länge (in) (in) Gewicht riss- bela-

(lb/ft ) spannung stung

Kompressionsbe lastung (c)(psi)

O
CD
OO

B I G C

H D

O	0.020	X	1.5	keine Pa sern, rei	4	1/4	143.0	660	660	7750
	0.020	X	1.0	ner Beton
2.0	0.010	X	1.0	0.6	4		144.5	810	810	7545
3.0 ,	0.020	X	1.5	1.4	•1		148.8	885	920	7945
4.0	0.016	X	1.0	0.9	1	1/4	147.3	940	980	7635
4.0	0.020	X	1.5	1.2	1	1/2	149.8	955	970	8650
5.0			1.9		1/2	150.5	1035	■ 1125	8000
6.0			1.8	1	1/2	151.5	1040	1300	8590

(a) = Bei sämtlichen Partien wurden die Mischungen nach Tabelle 3 verwendet. Alle Partien wurden

in einem Gewichtsverhältnis Wasser:Zement von 0.385 angesetzt.

(b) = Erhalten bei 4 x 4 x 14 Inch-Balken unter Verwendung einer Drei-Punkt-Belastung bei einer

Spannweite von 12 Inch (30.5 cm). Mittelwert aus 5 Versuchen.

(c) = Erhalten bei 4x8 Inch Zylindern. Mittelwert von 3 Versuchen. isj

- 22 -

K) CO

cn cn

Der Betrag an Pasern, die notwendig waren, um die vorgewählte effektive Paserbindungsfläche zu erhalten, wurde aus der Gleichung .

w - "β k ^{w a}

erhalten, die sich durch Auflösung der Gleichung (3) nach W ergibt. Dabei bedeutet wie in Gleichung (3)

W das Gewicht der Pasern pro Balken in Gramm

2 2

b = effektive Paserbindungsfläche in in /in L = Balkenlänge = 14 in (35»6 cm)

2 2

a = x-Schnittflache des Balkens = 16 in (103 cm )

w = Gewicht tier einzelnen Paser der Länge χ mit Durchmesser D in Gramm
D = Faserdurchmesser in in.
χ - Faserlänge in in.

Die Festigkeit wurde gegen die Bindungsfläche in rechteckigen Koordinaten wie in den Pig. 2 und 3 aufgetragen, wobei sich ähnliche lineare Verhältnisse ergaben. Die Gleichungen für die aus den Werten der Tabelle 4 erhaltenen Kurven sind: für die Bruchbiegespannung

U = 540 +12Ob (1^b$6)

und für die Haarrisspannung

P _=i57O + 9Ob (1^b^.6)

Die bei den weiteren Beispielen verwendete Betonmischung enthielt Zuschlagstoffe mit einer maximalen Grosse von 3/8 inch (9,5.mm) mit einer angenommenen ASTM oder AASHO Graduierung. Dies ist die bevorzugte Grosse und Graduierung an Zuschlagstoffen.

Zuschlagstoffe mit grösseren maximalen Grossen können bei mit Pasern versetztem Beton verwendet werden (wobei die Graduierung standardmässig ist). Der maximale Betrag, der ohne Verschlechterung der gewünschten Eigenschaften des Betons verwendet werden kann, hängt jedoch von den Mischverhältnissen insgesamt der

20988 3/nano

7732665

Mischung und der Grosse (Länge und Durchmesser) und der Menge an Fasern ab.

Ganz allgemein kann gesagt werden, dass bei Vergrösserung des Verhältnisses Länge : Durchmesser der Fasern der Betrag und die maximale Grosse der groben Zuschlagstoffe in der Mischung reduziert werden muss, um die wünschenswerten Eigenschaften des mit Fasern versetzten Betons bezüglich Handhabung, Herstellung und Verwendung beizubehalten.

Grössere !.!engen an Fasern über die Mengen hinaus, die eine wirk-

2 2 same Faserbindungsfläche b von etwa 6 in /in ergeben (15,2 cm /cm ) waren bei der Betonmischung der Tabelle 3 nicht verfügbar, weil der Beton nicht mehr gehandhabt werden kann und bei höheren Belastungen ein geringes Absetzen und hohe Porosität erhalten wurden. Das lineare Verhältnis zwischen Festigkeit und Fasergehalt bei Mörtel und anderen Betonarten mit Faserbeimengungen wurde auch bei Betonarten beobachtet, die andere Fasern mit gegebener Länge und Durchmesser enthalten. Allgemein kann gesagt werden, dass beim Anwachsen des Fasergehaltes ein Punkt erreicht wird, v/o die Verarbeitungsfähigkeit der Mischung stark reduziert wird, wie es durch eine Verringerung des Absetzens der Mischung, Zusammenballen der Fasern und Unvermögen des frischen Mörtels oder Betons zutage tritt, in die Faserklumpen einzudringen. Diese Situation kann die Verfestigung der frisch angesetzten Mischung nachteilig bis zu einem Punkt beeinflussen, wo sogar längere äussere Schwingungen das Material nicht mehr bewegen. Die geringe Verfestigung drückt sich in einer hochporösen Matrix mit Sand- oder Kiesnestern aus. Die Belastung an Fasern, bei der diese Situation erreicht wird, ist für jeden Fasertyp (gegebener Länge und Durchmesser) unterschiedlich bei vorgegebenem Mörtel oder anderem Beton. Eine weitere Folge der unzureichenden Verarbeitbarkeit ist eine nicht gleichförmige Verteilung der Fasern, sowohl verglichen von Probestück zu Probestück, wie auch innerhalb eines gegebenen Probestücks. Die Erfahrung hat gezeigt, dass die Belastung an Fasern, bei der die Verarbeitungsfähigkeit nachträglich ^beeinflusst wird, sowohl mit

- 2.0 -

dem Durchmesser wie auch mit der Länge der Pasern verknüpft ist. Bei gegebener Faserlänge ist es so, dass bei kleinerem Paserdurchmeaser der Paserbetrag ebenfalls kleiner ist, der notwendig ist, um die Verarbeitbarkeit abfallen zu lassen. Bei gegebenem Paserdurchmesser trifft dasselbe für wachsende Paserlängen zu.

Als allgemeine Regel kann angegeben werden, dass mit Stahlfasern versetzter Beton oder Mörtel, der bei massiger äusserer Vibration nicht leicht schliesst, keine adäquate Verarbeitbarkeit besitzt.

Wenn nicht anders angegeben, bedeutet in dieser Anmeldung der Ausdruck "Paserbindungsgebiet" bzv/. "Paserbindungsflache", und zwar mit oder ohne Adjektive, "effektive Paserbindungsflache" B (bzw. "b" pro Flächeneinheit), wie es in Abschnitt "Berechnung der Bindungsgebiete" definiert wurde. Die in diesem Abschnitt abgeleiteten Gleichungen beziehen sich speziell auf Pasern mit kreisförmigem Querschnitt. Entsprechende Gleichungen können ähnlich für Pasern mit beliebigem Querschnitt, beispielsweise quadratischem,rechteckigem, elliptischem oder dergleichen Querschnitt abgeleitet werden.

Das V/esentliche der Erfindung ist in folgendem zu sehen: Zur Herstellung eines Zweiphaseru-Materials mit einer Mischung von Beton und Fasern, deren Elastizitätsmodul wenigstens 20x10 psi (1,4x10 kp/cm ) ist, und die im wesentlichen gleichförmig im Material mit einem mittleren Abstand zwischen den Fasern von bis zu etwa 0,3 inch (7,62 mm) verteilt sind, v/erden die Biegefestigkeiten für eine Vielzahl von verschiedenen mittleren Bindungsflächen der Fasern pro Flächeneinheit in Ebenen gemessen, die normal zu der Zugspannung in Probestücken des Zweiphasenn-Materials verlaufen. Die Fasern werden in der Mischung in einer derartigen Menge verteilt, daß die mittlere Bindungsfläche der Fasern die Ebenen normal zur Spannung in bekannten Gebieten höchster Zugspannungen schneiden, ausreicht, um wenigstens eine vorbestimmte Zugspannung in diesen Gebieten zu geben.

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Wichtig ist die Erkenntnis, dass die Haarrisspannung wie auch die Bruchbiegespannung eines Zweiphasenmaterials aus mit Fasern verstärktem Beton von den mittleren Bindungsflächen der Pasern in Schnittebenen abhängen, die senkrecht auf den Spannungen in Gebieten hoher Belastung stehen. Die loindungs fläche jeder Faser hängt von verschiedenen Faserparametern ab, beispielsweise dem Durchmesser und der Länge. Die Faserbindungsfläche ist etwa gleich dem Durchmesser des Faserquerschnitts multipliziert mit der Faserlänge (dabei wurden die Endflächen der Faser als vernachlässigbar angesehen). Nimr.it man das Verhältnis b und die Summe der mittleren Faserbinuungsfläche der Fasern in S.chnittflächen, die senkrecht auf den Spannungen in bekannten Gebieten hoher Belastungen stehen, welche Summe durch die Fläche der Schnittebenen geteilt wird, so wird dieses Verhältnis b erhalten. Diese dimensionslose Zahl ist der eigentliche Schlüssel für die Herstellung eines verbesserten Zweiphasenmaterials.

Ferner wurde gefunden, dass ein Lliniiaum dieses Verhältnisses b besteht, das übertroffen werden muss, wenn man eine verbesserte Biegefestigkeit erreichen will, und zwar entweder Haarissspannung oaer Bruchbiegespannung. Unterhalb dieses !.lindestwertes des Verhältnisses b ergibt sich praktisch keine Verbesserung.

Fernerhin ist es wichtig, dass eine Anzahl von Verhältnissen b über der Biegefestigkeit (sov/ohl Haar iss pannung wie Bruchbiege-,spannung) für eine bestimmte Betonmischung aufgetragen wird, in der bei einer Vielzahl von Versuchsstücken die Parameter wie Faserlänge, Faserquerschnitt, Volumen-Prozente an Fasern usw. variiert wurden. Aus diesem Diagramm kann bei Auswahl einer gewünschten Biegefestigkeit das spezielle Verhältnis b abgelesen werden, das für diese gewünschte Biegefestigkeit erforderlich ist. Kennt man das gewünschte Verhältnis b, so kann man es durch beliebige von verschiedenen Kombinationen der verschiedenen Faserparameter wie Länge, Querschnitt und Menge,erhalten. Es bestehen also zumindest mehrere Auswahln-Ügliehkeiten aus !-.oinbinationen von Faserparametern, die ein gewünschtes ausgewähltes Verhältnis b und somit die gewünschte Biegefestigkeit ergeben.

2Ο9βΒ3/ηβθη BADORIG.NAL

. - 27 -

Zusätzlich kommen Kostenüberlegungen hinzu. Verschieden grosse Pasern und deren Anteile "bestimmen die Gesamtkosten des Zweiphasenmaterials. Kennt man die erhältlichen Pasergrössen und deren Kosten, so kann man den Kostenanteil der Fasern im Zweiphasenmaterial errechnen, um die verschiedenen erhältlichen Pasern zu verwenden, woraus wiederum .diejenigen Pasern mit den geringsten Kosten ausgesucht werden können.

Auf diese V/eise kann ein Zweiphasenmaterial mit gewünschter Biegefestigkeit "bei geringsten Kosten hergestellt werden, ,wobei die spezifische Biegefestigkeit vorhersagbar ist.

- Ansprüche

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Claims

" 1. Verfahren zur Herstellung eines Zweiphasen-Materials durch Bereiten einer Betonmischung mit Fasern aus einem Material mit einem Elastizitätsmodul von -wenigstens 14,000 3rp/mm , die im wesentlichen gleichförmig darin mit einem mittleren Abstand zwischen den Fasern von bis zu etwa 7,62 mm verteilt v/erden, dadurch gekennzeichnet.! daß das Zweiphasen-Material mit wenigstens einer vorbestimmten Biegefestigkeit dadurch versehen wird, daß die Fasern der Mischung in einer bestimmten Quantität derart beigegeben und darin verteilt werden, daß das Verhältnis b der mittleren Bindungsfläche der Fasern, die Ebenen senkrecht zur Spannung in bekannten Gebieten hoher Zug·*- spannung schneiden, zu der Fläche dieser Ebenen wenigstens ein vorbestimmter Wert ist, der ausreicht, um. die vor-? bestimmte Biegefestigkeit in diesen Gebieten herzustellen,
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Quotient b wenigstens etwa gleich

'h < ^ü - V

ist, mit

U= ausgewählte Bruchbiegespannung in den Gebieten U₀= Schnittpunkt von U einer Verlängerung einer geraden Linie, durch die gemessene Werte von U gegen b aufgetragen werden, und C = Neigung dieser Linie.

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7232665
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte von U_Q und C durch Messung der Bruchbiegespannung für eine Vielzahl von wesentlich verschiedenen Werten des Quotienten b bei Probestücken des Zweiphasen-Materials bestimmt werden, daß die verbesserten Werte von U als lineare Funktion von b in rechteckigen Koordinaten aufgetragen v/erden, daß diese Linie bis zum Schnitt mit der U-Achse verlängert wird, wobei U erhalten wird, und daß die Neigung der Linie gemessen wird, wodurch C erhalten wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Quotient b wenigstens etwa

ist, mit

F = ausgewählte Haarrißspannung in diesen Gebieten

und
f = Schnittpunkt von F einer Verlängerung einer

geraden Linie, die gemessene Werte von F gegen

b wiedergibt, und C = Neigung dieser Linie.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte von f und C durch Messung der Haarrißspannung bei einer Vielzahl von wesentlich verschiedenen Werten des Quotienten b bei Probestücken des Zweiphasen-Materials bestimmt v/erden, daß die verbesserten Werte von F als lineare Funktion von b in rechteckigen Koordinaten aufgetragen werden, daß die erhaltene Linie ausgedehnt wird bis zum Schnittpunkt mit der FrAchse, wodurch f erhalten wird, und daß die Neigung der Linie gemessen wird, wodurch C erhalten wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

—5 die Fasern eine Querschnittelache von etwa 16,2x10 ^y bis 19,4XiO""³ cm² (2,5 x10~⁵ bis 3x10~³ inch²) besitzen und etwa 6,35 bis 76,2 mm (0,25 bis 3 inch) lang sind,■

209883/nBOO.

und daß die mittlere Länge etwa das vierzig- "bis dreihunertfache der Quadratwurzel der Querschnittsfläche ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Länge der Fasern das etwa einhundertfünfzig- bis dreihundertfache der Quadratwurzel der Querschnittsfläche beträgt.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Länge der Fasern wenigstens etwa 25,4 mm (1,0 inch) beträgt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei Fasern einer gegebenen Länge und eines ausgewählten Materials und ausgewählter Gestalt, welche Fasern in einer Vielzahl von Querschnittsflächen erhältlich sind, diejenigen Fasern verwendet werden, bei denen das Produkt der Kosten pro Gewichtseinheit multipliziert mit der Quadratwurzel der Querschnittsfläche ein Minimum ist.
10. Verfahren zur Herstellung eines Zweiphasen-Materials mit einer Mischung von Beton und Fasern aus einem Material mit einem Elastizitätsmodul von wenigstens etwa 14000 kp/mm (20x10 psi), die im wesentlichen gleichförmig darin mit einem mittleren Abstand zwischen den Fasern^vßis zu 7,62 mm (0,3 inch) verteilt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegefestigkeiten für eine Vielzahl von wesentlich verschiedenen mittleren Bindungsflächen der Fasern pro Flächeneinheit in Ebenen gemessen werden, die senkrecht auf der Zugspannung in Probestücken des Zweiphasen-Materials stehen, und daß die Faser Fasern in einer derartigen Menge in die Mischung eingebracht und dort verteilt werden, daß die mittlere Bindungsfläche der Fasern, die Ebenen senkrecht zu den Spannungen in bekannten Gebieten hoher Zugspannung schneiden, ausreichend ist, um wenigstens eine vorbestimmte

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Biegefestigkeit in diesen Gebieten zu erreichen.

Der Patentanwalt:

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