DE2232665B2

DE2232665B2 - Verfahren zur herstellung eines zweiphasen-materials mit vorgegebener biegezugfestigkeit aus einer mischung von beton und fasern

Info

Publication number: DE2232665B2
Application number: DE19722232665
Authority: DE
Inventors: David Reid Columbus Ohio Lankard (V.St.A.)
Original assignee: Batteile Development Corp., Columbus, Ohio (V.StA.)
Priority date: 1971-07-06
Filing date: 1972-07-03
Publication date: 1976-07-08
Also published as: TR18412A; FR2145293A5; BE785948A; DK141176B; CA1013776A; CH576850A5; JPS5243220B1; US3986885A; NL7209405A; GB1391687A; ES404533A1; DE2232665A1; IT968198B

Description

^(U- U₀)

ist, mit

dem

vorgegebene Biegebruchfestigkeit in

Gebiet
i/o = Schnittpunkt von U mit einer Verlängerung einer geraden Linie, durch die gemessene

Werte von Ugegen b aufgetragen werden und C — Neigung dieser Linie

und/oder beim Anlegen der vorgegebenen Biegezugfestigkeit in den bekannten Gebieten als vorgegebene Haarrißfestigkeit mindestens

F = vorgegebene Harrißfestigkeit in diesem Gebiet, /o = Schnittpunkt von F mit einer Verlängerung einer geraden Linie, die gemessene Werte von

Fgegen b wiedergibt, und
C = Neigung dieser Linie.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte von L/_o und C durch Messung der Biegebruchfestigkeit 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 werden, daß diese Linie bis zum Schnitt mit der tZ-Achse verlängert wird, wodurch i/o erhalten wird, und daß die Neigung der Linie gemessen wird, wodurch C erhalten wird und/oder daß bei Vorgabe der Haarrißfestigkeit die Werte von /o und C durch Messung der Haarrißfestigkeit bei einer Vielzahl von wesentlich verschiedenen Werten des Quotienten b bei Probestücken des Zweiphasen-Materials bestimmt werden, daß die verbesserten Werte von FaIs lineare Funktion von b in rechteckigen Koordinaten aufgetragen werden, daß diese Linie bis zum Schnitt mit der F-Achse verlängert wird, wodurch /o erhalten wird, und daß die Neigung der Linie gemessen wird, wodurch C erhalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern eine Querschnittsfläche von 16,2 χ 10-5 bis 194 x i0-*cm² besitzen und 6,35 bis 76,2 mm lang sind und daß die mittlere Länge das vierzig- bis dreihundertfache der Quadratwurzel der Querschnittsfläche ist

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Länge der Fasern das einhundertfünfzig- bis dreihundertfache der Quadratwurzel der Querschnittsfläche beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Länge der Fasern wenigstens 25,4 mm beträgt

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß bei Fasern einer gegebenen Länge und eines ausgewählten Materials und ausgewählter Form, diejenigen Fasern verwendet werden, bei denen das Produkt der Kosten pro Gewichtseinheit multipliziert mit der Quadratwurzel der Querschnittsfläche ein Minimum ist

7. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet daß die Biegezugfestigkeiten für eine Vielzahl von wesentlich verschiedenen mittleren Bindungsflächen der Fasern pro Flächeneinheit in Ebenen gemessen werden, die senkrecht zur Zugspannung in Probestücken des Zweiphasen-Materials sind, und daß die 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 den bekannten Gebieten größter Zugspannung schneiden, ausreichend ist um mindestens die vorbestimmte Biegezugfestigkeit in diesen Gebieten zu erreichen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Zweiphasen-Materials mit vorgegebener Biegezugfestigkeit durch Bereiten einer Betonmischung mit Fasern aus einem Material mit einem Elastizitätsmodul von wenigstens 14 000 kp/mm², die im wesentlichen gleichförmig darin mit einem mittleren Abstand zwischen den Fasern von bis zu 7,ö mm verteilt werden.

Die geringe Zugfestigkeit von Beton ist seit langem

bekannt. Sie wjrde 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 daher durch die Tatsache gekennzeichnet, daß sich Risse ausbilden und in Jen Spannungszonen ausbreiten. Diese Risse bilden sich bei verhältnismäßig niedrigen Beanspruchungen und breiten sich so lange 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

Jenen dieses geschieht, können auch nicht vorhergesagt werden. Sogar sehr strenge Kontrollen verringern nicht aiverlässig die Ausbildung und das Wachsen von Rissen. j)aher wird herkömmlich damit gerechnet daß etwa die Hälfte des Materials in einem normal armierten Betonbalken einer Zugspannung nicj-t widersteht Die aachteiligen Wirkungen der unter Zug entstehenden Risse in armiertem Beton sind jedoch nicht auf den Verlust an Gebieten beschränkt, die der Belastung ^erstand feisten. Es ist beispielsweise bekannt, daß je Ausbildung von Rissen die Verwendbarkeit von Betontanks zur Aufbeweahrung von Flüssigkeit sehr _5tark beschränkt Aach ist die Verwendung von armiertem Beton bei Bauwerken unter Wasser sehr beschränkt, weil das Salzwasser das Armierungseisen, 4as durch Zugrisse exponiert wird, durch Korrosion angreift

Das Verfahren nach der US-PS 34 29 OT4 liefert ein Zweiphasen-Material mit Beton und feinen, kurzen Fasern im Beton, wobei das Material eine Zugfestigkeit besitzt, bei der erste Risse entstehen, die etwa zwei bis dreimal größer ist als diejenige von herkömmlich armiertem Betoa Die Material ist ferner durch einen wesentlichen Widerstand gegen die Ausbildung und Ausbreitung von Zugrissen oder Ermüdungsrissen gekennzeichnet Das Material besitzt in hohem Maße homogene Eigenschaften, die darin zum Ausdruck kommen, daß ein sehr starkes plastisches 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 Biegezugfestigkeit oder Biegefestigkeit bei einem Zweiphasen-Material dadurch erreicht werden kann, daß Fasern in einer Betonmischung in bestimmten Größen und Mengen eingebaut und verteilt werden, wodurch gewisse mittlere Bindungsflächen von diese Fasern normal zur Belastung schneidenden Ebenen in bekannten Gebieten größter Zugspannung geschaffen werden. Als Teil dieser Erfindung wurde festgestellt daß die Biegezugfestigkeit für das Auftreten erster Risse und die maximale Biegezugfestigkeit in diesen Materialien von diesen mittleren Bindungsgebieten abhängen, und daß eine wesentliche Verbesserung durch eine 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 Faserquerschnitts multipliziert mit dessen Länge.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern der Mischung in einer bestimmten Menge derart beigegeben und darin verteilt werden, daß das Verhältnis b der mittleren Bindungsfläche der Fasern, die Ebenen senkrecht zur Spannung in bekannten Gebieten größter Zugspannung schneiden, zu der Fläche dieser Ebenen beim Anlegen der vorgegebenen Biegezugfestigkeit in den bekannten Gebieten als vorgegebene Biegebruchfestigkeit mindestens gleich

60

ist, mit

U = vorgegebene Biegebruchfestigkeit in dem Gebiet, Uo = Schnittpunkt von U mit einer Verlängerung einer geraden Linie, durch die gemessene Werte von LJ

gegen b aufgetragen werden und C = Neigung dieser Linie

F = vorgegebene Haarrißfestigkeit in diesem Gebiet
/b = Schnittpunkt von F mit einer Verlängerung einer geraden linie, die gemessene Werte von Fgegen b

wiedergibt und
C= Neigung dieser linie.

Die Werte von Lk und Cwerden typischerweise durch Messung der maximalen Biegezugfestigkek für eine Vielzahl von im wesentlichen verschiedenen Werten dieses Verhältnisses b in Prüflingen aus diesem Zweiphasen-Material bestimmt wobei die verbesserten Werte von i/als lineare Funktion von 6 in rechteckigen Koordinaten aufgetragen werden. Diese gefundene linie wird verlängert bis zum Schnittpunkt mit der LZ-Achse, um so U₀ zu erhalten. Schließlich wird die Neigung der linie gemessen, um Czu erhalten.

Die Werte von f₀ und C werden am besten dadurch ermittelt daß die Biegezugfestigkeiten, bei denen erste Risse auftreten, für eine Vielzahl von wesentlich verschiedenen Werten des Quotienten b bei Probestükken des Zweiphasen-Materials ermittelt werden, wobei die verbesserten Werte von FaIs lineare Funktion von b in rechteckigen Koordinaten aufgetragen werden, und die so gefundene Linie verlängert wird, bis sie die F-Achse schneidet wodurch f₀ gefunden wird. Schließlich wird die Neigung dieser Linie gemessen, wodurch C erhalten wird.

Gemäß der Erfindung ist weiterhin vorgesehen, daß die Biegezugfestigkeiten 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 mindestens die vorbestimmte Biegezugfestigkeit in diesen Gebieten zu erreichen.

Typische Abmessungen der Fasern liegen bei 16,2 χ 10 ⁵ bis 19,4 χ 10-'cm² Querschnittsfläche und bei 6.35 bis 76,2 mm Länge. Die mittlere Länge beträgt das <0- bis 300- (vorzugsweise 150- bis 300-)fache der Quadratwurzel der Querschnittsfläche. Die mittlere Länge der Fasern beträgt vorzugsweise wenigstens 25,4 mm. 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.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele sowie an Hand der schematischen Zeichnung. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen Teil eines Balkens aus Zweiphasen-Material, der nach dem Verfahren nach der Erfindung hergestellt ist.

F i g. 2 ein Diagramm der maximalen Biegezugfestigkeit U gegen das Verhältnis b der mittleren Faserbindungsfläche pro Flächeneinheit, b, bei einem Balken nach F i g. 1,

F i g. 3 ein Diagramm der Haarrißfestigkeit F gegen das Verhältnis b der mittleren Faserbindungsfläche pro Flächeneinheit in einem Balken nach F i g. 1,

Fig.4 ist ein Diagramm zur Darstellung der Abhängigkeit der Auslenkung von der Belastung bei Balken nach Fig. 1, wobei die im Balken verteilten Fasern dieselbe mittlere Bindungsfläche, jedoch unterschiedliche Länge und Durchmesser in jedem Balken besitzen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Zweiphasen-Material mit Beton und eingebetteten Fasern, beispielsweise Drähten, hergestellt, die aus einem Material bestehen, dessen Elastizitätsmodul wenigstens 14 000kp/mm² beträgt Diese Fasern werden im wesentlichen gleichmäßig darin mit einem mittleren Abstand von bis zu 7,6 mm zwischen den Fasern (d. h. zwischen deren Achsen) verteilt Sie 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 Weise nicht erreicht werden konnte.

Derartiges Material wird in der Regel durch Mischen gegebener Proportionen kurzer Drahtstücke 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 Dieser Balken 10 besitzt kurze, willkürlich ausgerichtete Fasern 12 Der Balken 10 kann dadurch hergestellt werden, daß zuerst Sand, Zement und Wasser in einem Mischer gemischt werden, worauf die Fasern zugegeben werden. Weil einzelne Fasern zum Verklumpen neigen können, ist es gelegentlich erwünscht, die Fasern über ein Gebläse in die Drehtrommel des Mischers zu geben. Nachdem die Fasern der Mischung zugegeben wurden, kann nach Bedarf mehr Wasser zugefügt werden. 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, kugelartig aneinanderzuhaften. Das richtige Mischungsverhältnis von Wasser zu Zement wird durch visuelle Beobachtung der Mischung beim Mischen bestimmt Es wurde 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 7,6 mm besitzen. Werden grobe Zuschlagstoffe verwendet so soll der prozentuale Volumenanteü 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 7,6 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 Verhaken 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 Material 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

ίο Betrag ausdehenen, falls überhaupt, um eine Entlastung der Widerstandskräfte zu verhindern, die den 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 wirksam als die bevorzugten, im wesentlichen gerade ausgebildeten Fasern. Ferner sind Fasern aus einem Material mit einem Elastizitätsmodul von weniger als 14 000 kp/mm² 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 Ftisse des Betons verbunden ist steigt die Biegefestigkeit, die erreicht werden kann, mit einer Verringerung des Abstandes zwischen den Fasern und folglich mit einer Verringerung der Größe der zugelassenen Risse.

Das Material nach der US-PS 34 29 094 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 früheren 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 zusammenhält. 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 R ο m u a 1 d i 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. der Widerstand gegen Rißbildung des Betons vergrößert wird Es kann daher die volle Zugspannung des Fasern enthaltenden Betons 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 mit nur geringem Widerstand aus. bis die

6s Verstärkungen (bei maximaler Festigkeit) herausgezogen werden. Bei dem Materia! nach der vorgenannten Patentschrift wird sehr viel Energie benötigt um einen Riß von Faser zu Faser auszubreiten, und das Material

ist stabil, auch bei der Anwesenheit von Rissen, wie ein dehnbares Material. Beide Materialien haben eine höhere Bruchfestigkeit als nicht armierter Beton. Die hervorstechende Eigenschaft von herkömmlich bewehrtem Beton liegt in der höheren Bruchfestigkeit. Die Rißfestigkeit dieses armierten Betons unterscheidet sich nicht von der von nichtarmiertem Beton, der also auch brüchig bleibt. Das hervorstehende Merkmal des vorstehenden Betons liegt in einer viel größeren Rißfestigkeit zusammen mit einer Dehnbarkeit.

Obgleich die Faser» in vielerlei Lagen angeordnet werden können, ist das wesentliche Element bei praktischen Ausführungsformen von nach der genannten Patentschrift herg enteiltem Material der kritische Abstand. Es wurde festgestellt, daß sehr stark verbesserter Beton mit außergewöhnlicher Rißfestigkeit vorliegt, wenn der mittlere Raum zwischen den zufällig ausgerichteten Fasern weniger als 12,7 mm beträgt. Dies scheint ein Schwellenwert zu sein, und das Anwachsen der Rißfestigkeit wird am größten, wenn der mittlere Abstand zwischen den Fasern oder Drähten auf unter 7,6 mm absinkt.

Mathematisch kann das räumliche Verhalten von willkürlich orientierten Fasern abgeleitet werden. Um diese Beziehungen zu beschreiben, können verschiedene Rechnungsmethoderi verwendet werden. Als Faustregel hat sich eine Ableitung bewährt, bei der Volumenprozente der benötigten Fasern bestimmt werden, um einen bestimmten mittleren Abstand kurzer Fasern anzageben. Dies liefert die folgende Formel:

,, _ 13.8 d

Beispiele

S= mittlerer Abstand bei gleichförmiger Verteilung kurzer Fasern,

d = minierer Durchmesser der Fasern,
P - Volumenprozent von Fasern in der Mischung.

40

Um beispielsweise einen mittleren Abstand zwischen den Fasern zu erreichen, der nicht größer als 7,6 mm ist, sind 0.08 Volumenprozent Fasern mit einem Durchmesser von 1,5 mm oder (1.21 Volumenprozent von Fasern mit einem Durchmesser von 0,25 mm notwendig.

Daraus ergibt sich, daß Fasern mit kleinerem Durchmesser günstiger sind, um den Abstand der Halteeiemente für Risse bei Material nach R ο m u a 1 d i mit praktischen Begrenzungen der Volumenprozente von Fasern in der Mischung zu erhalten. Im allgemeinen wurde gefunden, daß t«i gegebenen Volumenprozenten größere Verhältnisse von Menge zu Durchmesser eine etwas bessere Rißfi:stigkeit und eine verbesserte Bruchfestigkeit erreichen lassen. Bei einem gegebenen Durchmesser und eaier gegebenen Volumenprozentzahl der Fasern ergeben größere Längen (beispielsweise 38 mm χ 12,7 mm bei einem Balken von 503 x 503 x 305 mm) eine weniger zufällige Verteilung der Fasern, wobei deren Ausrichtung in Richtung der hauptsächlichem Zugspannung bevorzugt wird, to Zweiphasen-Material ien mit Riß-Halteelementen eines größeren Verhältnisses der Länge zum Durchmesser besitzen eine größere maximale Festigkeit, weil sie bessere Eigenschaften besitzen, die die Zugspannung aufnehmen. 6s

Einzelheiten des Verfahrens nach der vorstehenden Erfindung werden im folgenden an Hnad von Beispielen verdeutlicht

Sämtliche Probestücke wurden unter Verwendung von Mörtel hergestellt, der durch folgendes Mischverhältnis bestimmt ist: ein Teil Zement zu 2,4 Teilen Betonsand, mit einem Wasser/Zement-Verhältnis von 0,45. Der Zement stammte aus einer einzigen Lieferung von Portland-Zement des Typs I. Gewaschener glazialer Sand wurde ebenfalls von einer einzigen Lieferung verwendet. Der Sand besaß eine Körnung von 3,0, ein spezifisches Gewicht von 2,59 und eine Lichtabsorption von 2,65 Prozent

Sämtliche Fasern waren Drähte, die ebenfalls aus einer einzigen Lieferung von Stahl mit hohem Kohlenstoffanteil bestanden (Ε-Modul von 2,03 ■ 10⁴ kp/mm²). Acht Partien mit 0,042 m³ Volumen wurden folgendermaßen vorbereitet:

1. Der Mörtel aus Sand, Zement und Wasser war vorbereitet (in einem Trommelmischer 0,084 m³ Inhalt).

2. 13,6 kg Mörtel wurden aus der Partie genommen und zur Bestimmung der Gewichtseinheit des Mörtels und zur Vorbereitung von drei Probebalken (64 χ 76 χ 406 mm) verwendet.

3. Stahldrähte in der gewünschten Menge wurden dem restlichen Mörtel dadurch zugegeben, daß die Drähte von Hand in den rotierenden Mischer eingebracht wurden. Nach Zugabe sämtlicher Drähte wurde weitergemischt, bis eine gleichförmige Dispersion erreicht wurde.

4. Zehn Balkenproben (64 χ 76 χ 406 mm) wurden aus der Mischung mit den Drähten hergestellt Jeder Balken wurde aus 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 (auch bei den nicht armierten Proben).

5. Zwei Balken einer jeden Partie wurden kurz nach dem Gießen, d. h. also vor jedem Abbinden, auf ein Sieb von 6,4 mm geworfen, und der Mörtel wurde weggewaschen, um den wirklichen 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 in der Mischung nach Zufügung der Stahldrähte bestimmt.

7. Alle Probestücke wurden in den Formen in Nebel bei 22,8°C 24 Stunden lang ausgehärtet.

8. Nach der Entnahme aus den Formen wurden die Probestücke in und unter geringem Druck stehenden Dampf von 66° C 7 Tage lang vor der eigentlichen Tests ausgehärtet

Eine vollständige Beschreibung der vorbereitetet Partien und die Eigenschaften sowie andere Informatio nen bezüglich der frischen Mischungen sind in de: folgenden Tabelle 1 angegeben.

Messungen der Biegefestigkeit wurden unter Ver wendung der Technik der Mittelpunktsbelastung be einer Spannweite von 380 mm durchgeführt Dies große Spannweite wurde gewählt, um die Durchbiegung der·. Balken zu vergrößern. Sämtliche Messungei wurden unter Verwendung einer handelsübliche! Maschine mit einer Kapazität von 27,2 to bei eine Beiastungsrate von 1 nun pro Minute durchgeführt E wurden vollständige Aufzeichnungen der Durchbiegun

609 528 2·

in Abhängigkeit von der Last für jeden Testbalken erhalten, wobei die Durchbiegung automatisch als Auslenkung des Plattenkopfes aufgeschrieben wurde.

Die für die ersten Risse und die maximale Biegezugfestigkeit oder Biegefestigkeit erhaltenen Daten der Balken sind in der Tabelle 2 dargestellt und graphisch in den F i g. 2 und 3 gezeigt. Aus diesen Figuren ergibt sich, dafl eine lineare Beziehung zwischen der maximalen Biegefestigkeit U und dem wirksamen Faserbindungsgebiet sowie zwischen der Biegefestigkeit, bei der die ersten Risse auftreten, F, und dem wirksamen Faserbindungsgebiet bestehen.

Hier sei angemerkt, daß im vorstehenden und im folgenden unter maximaler Biegefestigkeit die Biegefestigkeit bei oder kurz vor dem Bruch gemeint ist (Biegebruchfestigkeit).

Die Diagramme von U über b können nicht zurückextrapoliert werden zur Festlegung der Festigkeit von unbewehrtem Mörtel. Für die Bedingungen der vorstehenden Untersuchung sei es angezeigt, daß die Zugabe von Fasern, die in wirksamen Faserbindungsgebieten von weniger als 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 Fund 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 F i g. 4 gezeigt ist. Folglich sollte die Rate der Lastabnahme (Last = σ mit wachsender Ausbiegung e) hinter der Bruchbelastung (do/de) proportional zu der Rate des Abfallens des wirksamen Faserbindungsgebies tes (b)be\ 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

ίο im Balken. Für die in F i g. 4 gezeigten Mischungen wird erwartet, daß der größte Wert von db/άε bei einer Mischung mit 12,7 mm langen Fasern und 0,15 mm

Durchmesser auftritt.

Zu den Figuren sei noch darauf hingewiesen, daß in

Fig.2 als Ordinate t/die bereits angeführte Bruchbiegespannung bzw. Bruchbiegefestigkeit aufgetragen wurde, d. h. diejenige Spannung, die der Beton maximal aushält, ohne zu brechen. In F i g. 3 wurde als Ordinate F die Haarrißspannung bzw. Haarrißfestigkeit aufgetra-

gen. In den F i g. 2 und 3 sind sieben Proben A bis L aufgeführt, deren Parameter in der Tabelle 1 bzw. Tabelle 2 angegeben sind. Die beiden Größen sind dabei jeweils gleich (64 χ 76 χ 406 mm). Der Wert v/o gibt die Volumenprozente der in den Balken enthaltenen Fasern bzw. Drähte an. Diese Werte sind in den Tabellen wiederholt. Ziffer 5 in F i g. 2 und 3 zeigt die Festigkeit von nicht bewehrtem Beton. Ziffer 6 zeigt die kritische Bindungsfläche an. In Fi g. 4 ist die Abhängigkeit der Belastung in kp über der Mittelpunktauslen-

kung in cm bei konstantem wirksamen Faserbindungsgebiet b = 9,0 aufgetragen, und zwar für drahtarmierte Mörtelbalken. Gezeigt sind drei Kurven mit den Probebalken C, G und H.

Tabelle 1

Proben «nd Eigenschaften von frischen, Fasern enthaltende Mörtelproben

Parameter der Fasern
Durch- Länge

messer

Menge

(mm)

Wirksames
Faserbindungs
gebiet
(cm²/cm²)

Gew.-Einvon Mörtel ohne Fasern Luftir.halt
von Mörtel
mit Fasern

(kg/m») (Vol.-0/b)

Menge der herausgewaschenen

Fasern (Gramm)

Balken Balken berechnet

Nr. 1, Nr. 2,

gemessen gemessen

0,25

025

0,25

0,15

0,5

0,25

0,4

25,4

12,7

38

25,4

38

0,72
1,44
2,16
1,46
236
2,72
034
1,94

3,0
6,0
9,0
3.0
9,0
9,0
1,5
7,5

2224,26

2232,36

2221,02

2196,72

2204,8

223236

2219,4

2216,16

4,6 5,0 5,3 52 4,8 4,2 4,7 122
225
301
237
319
429
59
349

108 246 374 236 404 431 56 299

111 222 333 222 364 420 55 299

Tabelle 2

Eigenschaften der Biegezugfestigkeh von nicht armierten und drahtarmierten Mörtelbalken

Probe Durch- Länge Menge Effektives

(nun)

(VoL-%) Quotient von Bruchlast zu RiBIast

A	0,010	1.0	0,72	3.0
F	0,010	0.5	1.44	3,0
B	OjOlO	1.0	1.44	6.0
C	0,010	1,0	Z16	9.0
G	0,0059	03	236	9,0
K	0.Ö2Ö	Ij	2,72	9.0
I	0,010	1.0	034	1.5
L	0.016		1,94	7.5

623

6335

67,9

6825

64.4

60,2

62,65

57,4 77

78,05
114,1
129,15

134.4

65,8

1113

79,8

79,1

134,75

168,7

164p

175.7

65,8

128.8

1,03 1,01 1,18 131 120 131 1,00 1,16

Berechnung der Bindungsgebiete

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

B = nA (1)

π = Anzahl der Fasern der Bruchebenc eines Balkens

unter Biegung
A = Oberfläche einer Faser der Länge χ und des

Durchmessers D(cm²)
B = effektives Faserbindungsgebiet (cm²).

Ferner gilt:

/7 = NIS,

A = π Dx (unter Vernachlässigung der Faserenden), mit

N = Gesamtzahl der Fasern im Probestück = WIw, S - Untereinheiten der Fasern in Probestücken = UX,

D = Durchmesser der Faser (cm), χ = Faserlänge (cm),
w = Gewicht einer Faser der Länge χ und des

Durchmessers D (Gramm),
L — Länge eines Balkens (cm),
W = Gesamtgewicht der Fasern im Balken (Gramm).

Durch Einsetzen der Gleichung (1) erhält man

Wiw „ „ , W

η

Lx

Lw

(2)

Durch Ersetzung von B in Ausdrücken von cm³ des Faserbindungsgebietes pro cm² von Bruchfläche erhält man aus Gleichung (2):

b =

TiDx²W Lwa

(3)

a = Querschnittsfläche der Bruchfläche im Balken (cm²) und die Dimension von b ist cm²/cm².

Bestimmung der Parameter

Unter Bezugnahme auf F i g. 2 und die vorstehend wiedergegebene Zusammenfassung der Erfindung wird deutlich, daß bei den Beispielen t/in Abhängigkeit von b eine lineare Funktion in rechteckigen Koordinaten ergibt Diese Gerade besitzt eine Neigung C = 216. Die Gerade schneidet die tAAchse im Punkt lh = 520. Es foigx

υ = 520 + 216 b (b > 1,8),

woraus folgt

Es wurde gefunden, daß die Fasern in der Betonmischung einen Elastizitätsmodul von wenigstens etwa 14 000 kp/mm² besitzen sollten und daß die Fasern eine Querschnittsfläche von 16,2 χ 10~⁵ bis s 19,4 χ 10-³ cm² besitzen sollten, sowie 6,35 bis 76,2 mm lang sein sollten. Die mittlere Länge sollte 40 bis 300 und vorzugsweise 150 bis 300 mal größer als die Quadratwurzel der Querschnittsfläche sein. Fasern mit kreisförmigem Querschnitt sollten 0,15 mm bis 1,6 mm im

ίο Durchmesser sein, mit durchschnittlichen Längen von dem 30- bis 250fachen des Durchmessers, und zwar vorzugsweise dem 125- bis 250fachen des Durchmessers.
Bei Fasern gegebener Länge aus ausgewähltem < Material und ausgewählter Form (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 F i g. 4 hervorgeht, werden längere Fasern, und zwar wenigstens etwa 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. Statt dessen kann auch das Produkt der Kosten pro Gewichtseinheit mit dem Durchmesser minimalisiert werden.

ίο Bei kreisförmigen Drähten eines gegebenen Materials und einer Länge, die beispielsweise mit zwei Durchmessern, z. B. 0,25 mm und 0,5 mm, erhältlich sind, ergeben zwei Drähte von jeweils 0,25 mm Durchmesser dieselbe mittlere Bindungsfläche wie ein Draht von 0,5 mm 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 preiswerter, solange die Kosten pro Gewichtseinheit der größeren Drähte sind.

Weitere Beispiele

Fasern enthaltende Betonproben wurden unter Verwendung einer Vielzahl von FasergröSen vorbereitet, die derart beigegeben wurden, daß effektive ₄s Bindungsflächen für die Fasern von 25,4 bis 152,4 mm² pro mm² erzielt wurden. Die bei allen Zubereitungen verwendete Betonmischung ist in Tabelle 3 erläutert.

Tabelle 3

Betonmischung, die bei der Untersuchung des effektiver Faserbindungsgebietes bei der Biegefestigkeit vor Fasern enthaltendem Beton verwendet wurde

Zusammensetzung

kg/m³

b =

216

(U-520).

55 Zement (Portland Typ I)	499
Sand (SSD)")	944
Zuschlagstoff Nr. 8 (SSD)")	422
*Wassei)**	192
Stahldrähte (variabel)¹«)	47 bis 203

In ähnlicher Weise erhält man aus F i g. 3 A = 640 und C =144. Es folgt:

F= 640+ 144b
woraus sich ergibt

(b > 1,8).

·) = gesättigte Oberfläche bei trockenen Bedingungen,

^b) = 9.5 mm maximale Größe,

^c) = Wasser reduzierende Beimischung, die mit 198 ml pn

4536 kg Zement verwendet wurde (Typ A, ASTV _6<; Bezeichnung C494),

' ") - Elastizitätsmodul 20 300 kp/mm².

Insgesamt wurden 7 Partien von 0,08 m³ einschließlic einer Partie aus reinem Beton und 6 Partien aus Faser

1 u

enthaltendem Beton präpariert Die gesamte Mischzeit betrug 8 Minuten einschließlich einer Anfangsmiscfazeit von 5 Minuten, wonach alle Materialien dem Mischer beigegeben waren, einer Testzeit 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 102 χ 102 χ 1422 mm für die Untersuchung der Biegefestigkeit und drei zylindrische Probestücke 102 χ 204 mm für Messungen der Kompressionsfestigkeit
Alle Probestücke wurden durch Einstampfen von Hand präpariert Nach einem Aushärten von 24 Stunden im Nebelraum in der Form (100% relative Feuchtigkeit bei 23° Q wurden die Probestücke in eimern Niederdruckdampf bei 60⁰C weitere 7 Tage lang ausgehärtet (dies entspricht einem Aushärten während 28 Tagen im Nebelraum).

Messungen der Biegefestigkeit wurden mit einer handelsüblichen 180 to Testmaschine unter Verwendung der Belastungstechnik des dritten Punktes bei einer Spannweite von 303 cm durchgeführt

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

Tabelle 4

Beschreibung und Eigenschaften von Versuchs-Zementproben mit Faserbeimischungen

Zement	Wirksame	FasergröBe,	Fasennenge	Durch	Spezifisches	Biegefestigkeit^b) kp/cm*	Bruch	Bruchfestig
probe³)	Faserbin	Durchmesser		sacken	Gewicht	Haarriß- ~ "	festigkeit	keit-)
	dungsfläche ^b)	und Länge				festigkeit
	(cmVcm²)	(mm)	(Vol.-%)	(cm)	(kp/mJ)		46,2	(kp/cm2)
A	0		keine Fasern,	10,8	2316,6	46,2		5423
			reiner Beton				56,7
B	2.0	03 x 38	0,6	10	2341	56.7	64,4	528,2
I	3.0	03 x 25	1,4	2.5	2411	62	68,6	556,2
G	4.0	0,25 χ 25	0,9	32	2386	65.8	67,9	5343
C	4,0	03 x 38	U	38	2427	663	78,8	6053
H	5.0	0,4 χ 25	1,9	13	2438	72,5	91	560
D	6.0	03 x 38	1,8	38	2454	72,8	601,3

■>) = Bei sämtlichen Partien wurden die Mischungen nach Tabelle 3 verwendet. Alle Partien wurden in einem Gewichtsverhältnis Wasser zu Zement von 0385 angesetzt

^b) - Erhalten bei 102χ 102 χ 356 mm Balken unter Verwendung einer Drei-Punkt-Belastung bei einer Spannweite von 303 cm Mittelwert aus 5 Versuchen.

<■) - Erhalten bei 102 χ 204 mm Zylindern. Mittelwert von 3 Versuchen.

Der Betrag an Fasern, der notwendig war, um die vorgewählte effektive Faserbindungsfläche zu erhalten, wurde aus der Gleichung

w = ^fc4^vva

40

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

W = das Gewicht der Fasern pro Balken in Gramm,

b = effektive Faserbindungsfläche in cmVcm²,

L - Balkenlänge - 35,6 cm,

a = Querschnittsfläche des Balkens = 103 cm²,

w = Gewicht der einzelnen Faser der Länge χ mit

Durchmesser Din Gramm,
D = Faserdurchmesser in cm,
X = Faserlänge in cm.

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

6o

U = 540+ 1206 (l<b<6).

und Tür die Haarrißspannung

F= 570 + 90/) (l</> <6).

Die bei den weiteren Beispielen verwendete Betonmischung enthielt Zuschlagstoffe mit einer maximalen Größe von 9,5 mm mit einer angenommenen ASTM- oder AASHO-Abstufung. Dies ist die bevorzugte Größe und Abstufung an Zuschlagstoffen.

Zuschlagstoffe mit größeren maximalen Größen können bei mit Fasern versetztem Beton verwendet werden (wobei die Abstufung standardmäßig ist). Der maximale Betrag, der ohne Verschlechterung der gewünschten Eigenschaften des Betons verwendet werden kann, hängt jedoch von den Zusammensetzungen der Mischung insgesamt, der Größe (Länge und Durchmesser) und der Menge an Fasern ab.

Ganz allgemein kann gesagi werden, daß bei Vergrößerung des Verhältnisses Länge zu Durchmesser der Fasern der Betrag und die maximale Größe der groben Zuschlagstoffe in der Mischung reduziert werden müssen, um die erwünschten Eigenschaften des mit Fasern versetzten Betons bezüglich Handhabung, Herstellung und Verwendung beizubehalten.

Größere Mengen an Fasern über die Mengen hinaus, die eine wirksame Faserbindungsfläche οΛνοη 15,2 cmVcm² ergeben, waren bei deir Be tonmischung der Tabelle 3 nicht verfügbar, weil der Beton nicht mehr gehandhabt werden konnte 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, wo die Verarbekungsfähigkeit stark reduziert wird, wie es durch eine Verringerung des

Absetzeiis der Mischung, Zusammenballen der Fasern und Unvermögen des frischen Mörtels oder Betons zutage tritt, in die Faserkluripen einzudringen. Diese Situation kann die Verfestigung der frisch angesetzten Mischung !nachteilig bis zu einem Grad beeinflussen, daß sogar längere äußere Schwingungen das Material raieht mehr bewegen. Die geringe verfestigung drückt sich in einer hochporösen Matrix mit Sand- oder Kiesneütern aus. Die Belastung an Fasern, bei der diese Situation erreicht wird, ist für jeden Fasertyp (gegebener Uinge und Durchmesser) unterschiedlich bei vorgegebenem Mörtel odler anderem Betoa Eine weitere Folge der unzureichenden Verarbeitbarkeit ist eine nicht gleichförmige Verteilung der Fasern, sowohl verglichen von Probestück zu Probestück als auch innerhalb eines gegebenen Probestücks. Die Erfahrung hat gezeigt, daß die Belastung an Fasern, bei der die Verarbeitungsfiillügkeit nachträglich beeinflusst wird, sowohl mit dem Durchmesser als auch mit der Länge der Fsisern verknüpft ist Bei gegebener Faserlänge ist es so, daß. bei kleinerem Faserdurchmesser der Faserbetrag ebenfalls kleiner ist, der notwendig ist, um die Verarbeitbarkeit abfallen zu lassen. Bei gegebenem Faserdurchmesser trifft dasselbe für wachsende Faserlängen zu.

Als allgemeine Regel kann angegeben werden, daß

mit Stahlfasern versetzter Beton oder Mörtel, der bei mäßiger äußerer Vibration nicht leicht schließt keine adäquate Verarbeitbarkeit besitzt

Wenn nicht anders angegeben, bedeutet in dieser

■ο Beschreibung der Ausdruck »Faserbindungs&ebiet« bzw. »Faserbindungsfläche«, und zwar mit oder ohne Adjektiven, »effektive Faserbindungsfläche« B (bzw. »ix< pro Flächeneinheit), wie es in Abschnitt »Berechnung der Bindungsgebiete« definiert wurde. Die in

■ S diesem Abschnitt abgeleiteten Gleichungen beziehen sich speziell auf Fasern mit kreisförmigem Querschnitt Entsprechende Gleichungen können ähnlich für Fasern mit beliebigem Querschnitt, beispielsweise quadratischem, rechteckigem, elliptischem oder dergleichen

Querschnitt abgeleitet werden. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

L Verfahren zur Herstellung eines Zweiphasen-Materials mit vorgegebener Biegezugfestigkeit s durch Bereiten einer Betonmischung mit Fasern aus einem Material mit einem Elastizitätsmodul von wenigstens 14 000 kp/mm², die im wesentlichen gleichförmig darin mit einem mittleren Abstand zwischen den Fasern von bis zu 7,6 mm verteilt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern der Mischung in einer bestimmten Menge derart beigegeben und darin verteilt werden, daß das Verhältnis b der mittleren Bindungsfläche der Fasern, die Ebenen senkrecht zur Spannung in bekannten Gebieten größter Zugspannung schneiden, zu der Fläche dieser ebenen beim Anlegen der vorgegebenen Biegezugfestigkeit in den bekannten Gebieten als vorgegebene Biegebruchfestigkeit mindestens gleich