DE2322271A1

DE2322271A1 - Verfahren zum mechanischen verstaerken von formbaren und/oder haertbaren massen

Info

Publication number: DE2322271A1
Application number: DE19732322271
Authority: DE
Inventors: Adolf Prof Dr Ing Meyer
Original assignee: Portland Zementwerke Heidelberg AG
Current assignee: HeidelbergCement AG
Priority date: 1973-05-03
Filing date: 1973-05-03
Publication date: 1974-11-21
Also published as: GB1469647A; DE2322271C2; CH599911A5; FR2228042B3; JPS5048027A; FR2228042A1

Description

Die Erfindung betrifft ein neues Verfahren zum mechanischen Verstärken von formbaren und/oder härtbaren Massen und zwar insbesondere von durch anorganische Bindemittel wie beispielsweise Zement oder Gips verfestigbaren (=härtbaren) Massen, die in der Regel für bautechnische Zwecke verwendet werden«

Es ist bekannt, daß durch anorganische Bindemittel verfestigte Massen im allgemeinen eine relativ niedrige Zugfestigkeit, Biegezugfestigkeit, Schlagzähigkeit und Bruchdehung haben. Solche relativ spröden Massen lassen sich zwar durch das Einarbeiten geeigneter Pasern verstärken, wobei gleichzeitig die Entstehung und Ausbreitung von Rissen gehemmt und die Bruchdehnung vergrößert wird. Pur diesen Zweck haben sich Fasern aus Metall, Asbest, Cellulose und Kunststoff bewährt.

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Dagegen ist der Einsatz von Mineralfasern aufgrund des unzureichenden Haftverbundes und bei alkalisch, reagierenden Massen zusätzlich infolge mangelnder chemischer Verträglichkeit · zwischen den beiden Komponenten auf wenige Anwendungsbereiche beschränkt geblieben. Auch die Bemühungen, Mineralfaserbündel mit Kunststoffen zu umhüllen und dann solche mineralf as erverstärkten Kunststoffstäbe zur Verstärkung einzusetzen» waren bisher wenig erfolgreich , weil infolge des Kriechens des Kunststoffes insbesondere bei höheren Temperaturen nachteiligerweise unzulässige Verformungen auftraten.

Es ist dem Stand der Technik ferner bekannt, Mineralfasern, zur Verstärkung kunst st off gebundener Massen einzusetzen· Die mineralf as erverstärkt en Kunststoffe haben sich allerdings wegen ihres ungünstigen Brandverhaltens und einiger noch ungelöster Probleme im Hinblick auf ihr Langzeitverhaiten für vorübergehend oder dauerend tragende Bauteile nicht durchsetzen können.

Die Einbettung von Mineralfasern in kunst st off gebundene Massen ist an sich einfach, da es sich bei Kunststoffen in nichterhärtetem Zustand im allgemeinen um Flüssigkeiten handelt.

Bei den durch anorganische Bindemittel verfestigten Massen liegt dagegen im nichterhärtetem Zustand eine Suspension vor, deren Körner zum Teil größer als die Zwischenräume zwischen den Fasern sind. Eine Umhüllung der inneren Pasern eines Bündels durch die Suspension ist daher nicht oder nur schlecht möglich.

Aus diesem Grund war die !Fachwelt bisher der Auffassung, daß der Haftverbund zwischen allen Mineralfasern und der bindenden anorganischen Masse nicht erreichbar ist. Es blieb daher in solchen Massen der Einbau begrenzter Mengen an Verstärkungsfasern auf das Einmischen und/oder Einrieseln relativ kurzer Fasern beschränkt.

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Der Torliegenden Erfindung liegt nun die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß die eben dargelegte Auffassung der Eachwelt ein Vortafceil darstellt. Es ist nämlich, wie die vorliegende Erfindung lehrt, möglich, den notwendigen Haftverbund zwischen den Mineralfasern und der durch anorganische Bindemittel verfestigbaren (härtbaren) Masse dadurch sicherzustellen, daß man das eingangs gattungsmäßig genannte Verfahren zum mechanischen Verstärkten von formbaren und/oder härtbaren Massen in der Weise durchführt, daß man in die Massen durchgehende Mineralfaserbündel (in der Fachsprache sogenannte endlose Mineralfaserbündel) einbettet.

Es zeigte sich nämlich überraschenderweise , daß die Hydratationsprodukte der Bindemittel im Laufe der Zeit in das Innere der Mineralfaserbündel vordringen, Genauere Angaben hierüber werden weiter unten gemacht. Die innen liegenden Mineralfasern werden auf diese Weise nach und nach mit fortschreitender Hydratation mit zur Aufnahme der Belastung herangezogen.

Um aber auch bei dickeren Mineralfaserbündeln bereits im frühen Stadium möglichst alle Mineralfasern eines ^M endlosen Mineralfaserbündels ",an der Aufnahme der Belastung teilnehmen zu lassen, kann das Mineralfaserbündel vor oder beim Einbau in die Masse stellenweise mit einer härtbaren !Flüssigkeit z.B, Harz, Schmelzen aus Glas, Keramik, Metall und Metallegierung getränkt werden.

Der gleiche Effekt kann auch auf mechanischem Weg durch Klemmwirkung oder Reibung herbeigeführt werden.

Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Lage der Easera im Querschnitt des Bündels vor dem Einbetten derart gezielt zu verändern, daß alle Pasern in bestimmten Abstäriden alternierend aussen liegen und auf diese V/eise abschnittsweise mit der Masse in Berührung kommen.'

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In allen diesen 3?ällen entsteht ein vorteilhafter, sogenannter nachgiebiger Verbund, der die Schlagzähigkeit der zum Körper bzw· Formkörper verfestigten Masse, die nunmehr ein Bauelement sein kann, außerordentlich günstig beeinflußt und trotzdem die volle Ausnutzung des Bündelquersehnittes bei Zugbeanspruchung zuläßt.

Die Mineralfaserbündel können nach einer weiteren Ausführungsform vorliegender Erfindung aber auch vor dem Einbetten in die Masse bereits auf ihrer ganzen Länge oder stellenweise mit einer haftverbessernden Suspension oder Lösung, beispielsweise mit Zementleim oder Calciumhydroxidlösung vorbehandelt werden, wobei diese Mittel die Teilnahme aller Mineralfasern eines Bündels an der Aufnahme der Belastung sicherstellen, die Haftung der Masse am Bündel verbessern, und gegebenenfalls auch den Schutz gegen alkalische Angriffe erhöhen.

Die Einbettung der Mineralfaserbündel in die formbaren und/oder härtbaren Massen geschieht also in der Weise, daß die Mineralfaserbündel eine Länge aufweisen, die' der Abmessung der Massen oder Bruchteilen davon in Richtung der Einbettung der Mineralfaserbündel entspricht; die zuletzt genannten Bruchteile werden dabei zumindest überwiegend derart in die Masse eingebettet, daß sie eine gemeinsame Einbettungsrichtung haben, wobei gegebenenfalls in besonders hoch beanspruchten Bereichen solche Bruchteile auch zusätzlich unter "Vergrößerung des Verstärkungsquerschnitts zugelegt werden· Meist werden die formbaren und/oder härtbaren Massen, die das sogenannte Substrat für die Mineralfaserbündel sind, bereits vor ihrer Verfestigung (Härtung) eine gewisse Raumform, also eine mehr oder weniger leicht zu definierende geometrische Gestalt aufweisen, so daß der Ausdruck " durchgehende Mineralfaserbündel " so zu •verstehen ist, daß die Länge der Mineralfaserbündel oder die Summe der Längen der gegebenenfalls mit Übergreifungstössen

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eingebetteten Mineralfaserbündelbrucht eilen gleich der Bau- teillänge ist.

Im folgenden v/erden die zu erzielenden Vorteile im einzelnen aufgeführt:

a.) Beim Einbetten der sogenannten Mineralfaserbündel in die Masse treten kaum Festigkeitsverluste und auch kaum Faser- ' brüche auf, Nachteile, die man beim Einmischen von Fasern in Kauf nehmen muß.

b.) Durch eine gezielte Verlegung der Mineralfaserbündel in die Beanspruchungsrichtung an der statisch günstigen Stelle ohne die bei Stahleinlagen zum Korrosionsschutz notwendige Betondeckung und durch die Verwendung von sogenannten Endlosfasern, die Übergreifungslängen vorteilhafterweise entbehrlich machen, wird eine optimale wirtschaftliche Ausnutzung der Verstärkungswirkung der Mineralfasern erreicht.

c.) Die erfindungsgemäß mit " endlosen " Mineralfasern verstärkten Massen besitzen im Vergleich zu Massen, in denen relativ kurze Mineralfasern eingemischt oder eingerieselt sind, bei gleichem 3?aservolumen eine mehrfach erhöhte Zugfestigkeit.

d.) Der " nachgiebige " Verbund zwischen den erfindungsgemäß eingebetteten Mineralfaserbündeln und der Masse führt zu einer hohen Schlagzähigkeit und wirkt sich günstig auf eine Temperaturwechselbeanspruchung der Masse bzv/. der · verfestigten (gehärteten) Masse aus.

e.) Bei Zug-und Biegebeanspruchungen von erfindungsgemäß mit " endlosen " Mineralfaserbündeln bewehrten Massen wird ein Sprödbruch vernrfedeh und der Verformungsbruch rechtzeitig durch Risse und Verformungen angekündigt. 409847/0540

f.) Bas Schwindmaß der erfindungsgemäß mit " endlosen " Mineralfaser"bündel verstärkten "beispielsweise zementgebundenen Massen läßt sich durch eine Zugabe von dem Fachmann zur Verfugung stehenden Zuschlagen beispielsweise Feinsand, wesentlich herabsetzen.

g.) Der beim zum Stand der Technik gehörenden Einmischen von kurzen Pasern aus Verarbeitungsgründen auch beim Einsatz von Verarbeitungshilfen, beispielsweise von Betonverflüssigern erforderliche Wasserüberschuß, kann vorteilhafterweise gemäß vorliegender Erfindung unterbleiben; das kostenaufwendige, nachträgliche Entziehen des festigkeitmindernden Überschußwassers aus der Masse ist bei vorliegender Erfindung entbehrlich.

h.) Bei der Verstärkung alkalisch reagierender Massen durch ¹¹ endlose " Mineralfaserbündel gemäß vorliegender Erfindung ist die Pestigkeitseinbuße, bedingt durch alkalischen Angriff, geringer als beim Einmischen und Einrieseln relativ kurzer Mineralfasern.

i.) Der Haftverbund zv/ischen den eingebetteten Mineralfasern und dem Substrat , nämlich der Masse wird unter anderem durch das Hineinwachsen von Hydratationsprodukten in die Mineralfaserbündel optimal gestaltet.

Vorzugsweise verwendet man " endlose "Mineralfaserbündel, in * denen die Einzelfaser einen Durchmesser von 5 bis 50 a aufweist, wobei sich die Einzelbündel aus 50 bis 30 000 Mineralfasern (Spinnfäden, Rovings) zusammensetzen.

Nach einer v/eiteren bevorzugten Ausführungsform kann man das

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erfindungsgemäße Verfahren derart durchführen, daß man "beim Einbetten der Mineralfaserbündel den lichten Abstand zwischen benachbarten Mineralfaserbündeln so wählt, daß.einerseits eine ausreichende feine Rißverteilung gewährleistet ist und andererseits ein Trennbruch in der Faserebene vermMen wird, d.h. man wählt den lichten Abstand durch eine fachmännische Maßnahme immerhin so dicht, daß eine ausreichend feine Hißverteilung gewährleistet ist, aber andererseits nicht zu dicht, um das Entstehen eines Trennbruches in der Faserebene zu vermeiden. Diese Maßnahme steht dem Fachmann aufgrund seines Fachwissens zur Verfügung, d.h. der Erfolg läßt sich durch Ausprobieren feststellen.

Nach einer weiteren Ausführungsform vorliegender Erfindung wird derart gearbeitet, daß die " endlosen " Mineralfaserbündel in der Regel unidirektional eingebettet werden und die eventuell notwendige Querbewehrung entweder ebenfalls aus ⁿ endlosen " Mineralfaserbündeln oder aber auch aus kurzen Mineralfasern oder anderen Fasern ,die zusätzlich in die Masse eingerieselt oder e±gemischt werden, bewirkt wird.

Nach einer weiteren Aus führungs form wird das erfindungsgemäße Verfahren in der Variante ausgeführt, daß man zur Verstärkung der Masse allein oder zusätzlich zur eben erwähnten Querbe— wehrung Gewebe, Gelege oder Matten aus Mineralfasern oder anderen Fasern verwendet, deren Bewehrungsanteil in verschiedenen Richtungen unterschiedlich und bei denen in allen oder einzelnen Kreuzungspunkten eine verschiebefeste Ver-' bindung hergestellt wird.

Die Einbettung der " endlosen " Mineralfaserbündel in die Masse wird vorzugsweise durch Einlegen, Ziehen oder Wickeln durchgeführt, wobei man nach einer bevorzugten Ausführungsform gleichzeitig die für den Haftverbund notwendige, weitgehend.porenfreie Umhüllung der Mineralfaserbündel mit der noch nicht erhärteten Masse durch, vorsichtiges Verdichten, beispeilsweise

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durch Vibrieren erreicht, ohne daß die Mineralfasern dabei durch mechanische Beanspruchungen in ihren Eigenschaften wesentlich beeinträchtigt werden.

Das Wesen vorliegender Erfindung wird nun anhand der beiliegenden Eiguren 1-3 weiterhin erläutert.

Eigur 1 zeigt die Abhängigkeit der Schlagzähigkeit vom Mineralfasergehalt (nämlich Glasfasergehalt); man entnimmt der Eigur leicht, daß bei steigendem Glasfaservolumen die Schlagzähigkeit zementgebundener Massen erheblich ansteigt; Glasfaserbetone mit eingemischten oder eingerieselten kurzen Glasfasern erreichen zum Vergleich nur eine Schlagzähigkeit von maximal

5 cm kg/cm · Die in der graphischen Darstellung gemäß Eigur 1 dargestellten Meßergebnisse der Schlagzähigkeit in Abhängigkeit vom Bewehrungsgrad wurden an Mörtelplatten der Abmessung

6 χ 1 χ 16 cm mit eindimensionaler Verstärkung, gewonnen.

Eigur 2 zeigt in graphischer Darstellung die Abhängigkeit der BiegeZugfestigkeit vom Glasfasergehalt, wobei die Messungen gleichfalls wieder an Mörtelplatten der Abmessung 6x1 χ 16 cm mit einem Wasser/Zement-Wert von 0,50 und einem Alter von 28 Tagen gewonnen wurden ; diese Festplatten besaßen ebenfalls eine eindimensionale Verstärkung,

Die Biegezugfestigkeit von Mineralfaserbetonen (hier Glasfaserbeton) mit einem eingemischten oder eingerieselten Easergehalt von 3-10 Volumprozent liegt im Vergleich dazu mit maximal

250 kp/cm wesentlich tiefer.

In Figur 3 ist in graphischer Darstellung die Wirkung des Alkaliangriffs auf E-Gläs hinsichtlich der BiegeZugfestigkeit in Abhängigkeit vom Alter der glasfaserverstärkten Masse dargestellt. Die Kurve A bezieht sich dabei auf Massen, die erf in dungs gemäß

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Einbettungen aus " endlosen " Mineralfaserbündeln aufweisen, während sich die Kurve B auf Massen bezieht, die kurze Mineralfasern eingemischt oder eingerieselt enthalten. Man sieht , daß die Biegezugfestigkeit der Massen gemäß A nach vollendeter Verfestigung wesentlich weniger beeinträchtigt wird als diejenige der Massen gemäß B.

Der alkalische Angriff kann beim erfindungsgemäßen Einsatz der " endlosen " Mineralfaserbündel dadurch zusätzlich vermindert werden, daß man den pH-Wert des Porenwassers z.B. durch Carbonatisieren herabsetzt. In diesem Zusammenhang ist auf die deutsche Offenlegungsschrift Nummer 1 915 563 hinzuweisen· Ferner kann man durch Zusätze wie z.B. Trass und/oder Zusatzmittel und/oder geeignete Bindemittelauswahl wie z.B. Tonerde-Zement, eine ähnliche Wirkung erreichen.

Bei besonders hohen Anforderungen an die Dauerhaftigkeit , ■ können Mineralfasern mit erhöhter Widerstandsfähigkeit gegen alkalischen Angriff eingesetzt werden.

Im folgenden werden weiterhin zwei Tabellen gebracht, die gleichfalls das Wesen vorliegender Erfindung erläutern, bzw. den mit der Erfindung erzielten Vorteil zeigen.

In der Tabelle I sind die Inhalts stoffe von 5 Mischungen angegeben. Sie zeigt die Zusammensetzung ausgewählter, durch Mineralfasern verstärkter zementgebundener Massen. Die angegebenen Zahlen sind kg pro 1 m Masse.

In der Tabelle II sind die Eigenschaften der zement gebundenen Massen 1-5 nämlich die Rohdichte, der Mineralfasergehalt, die Druckfestigkeit, die Biegezugfestigkeit, die Biegeschlagzähigkeit, der Elastizitätsmodul und die Bruchdehnung angegeben. Die einzelnen Dimensionen dieser Eigenschaften sind.

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gleichfalls in der Tabelle II aufgeführt. Die Überlegenheit ■ der erfindungsgemäß behandelten Masse' 5 ist aus der Tabelle II deutlich ersichtlich.

TABELLE I

	Feinsand	Men	1	37	-	6	Mischung Nr..	3	50	4	4	-	■"■·"■	\
	Methylcellulose	ge	850	1	2	850 -	- '	1140		5 -
Zement	Schaumbildner	kg .	410		1070	400	. 6	520	790.
Wasser		kg	-	470	-	1	-	360
Glasseide endlos	kg	-		50	125
geschnitten	kg	37		220
kg	220	800
kg	4
kg	-

TABELLE II

	1	Mischung Nr.	1,7	3	4	1,9	5
	2	.1,5		Einrieseln	2,0	Einbetten
Herstellverfahren	Einmischen	350	1,2	600	2,0
Rohdichte (lufttrocken) kg/dm³	1,2	160	2,0	220	4,5
Miner alf as ergehalt Vol. %	1,5	2,5	150	6,5	700
Druckfestigkeit kp/cm	150	120	140	200	650
Biegezugfestigkeit kp/cm?	100	6	3,0	9	24
Biegeschlagzähigkeit cmkg/:n?	2,0	60		240
Ε-Modul 10~³« kp/cm²	50	8	13
Bruchdehnung /oo	δ'

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

· Verfahren zum mechanischen Verstärken von formbaren und/ oder härtbaren Massen, die gegebenenfalls durch anorganische Bindemittel wie Zement, oder Gips verfestigbar und hauptsächlich für bautechnische Zwecke anwendbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß man in die Massen durchgehende (sogenannte endlose) Mineralfaserbündel einbettet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man Bruchteile von Mineralfaserbündeln einbettet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mineralfaserbündel in Richtung der Beanspruchung an der statisch günstigsten Stelle eingebettet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß man eine durch anorganische Bindemittel verfestigbare Masse aus Bindemittel und Wasser oder Feinmörtel oder Mörtel oder Beton verwendet, wobei man jeweils Zusatzmittel oder Zusatzstoffe mit gegebenenfalls verflüssigender, porenbildender, verzögernder, beschleunigender, dichtender oder · haftverbessernder Wirkung zugibt.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man bei Verwendung alkalisch reagierender gegebenenfalls zementgebundener Massen, den pH-Wert des Porenwassers durch Carbonatisieren, durch Zusätze und Zusatzmittel oder durch an sich bekannte Auswahl des Bindemittels herabsetzt.

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6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man solche. Mineralfaserbündel verwendet, die sich aus 50-30 000 Einzelfasern zusammensetzen, wobei die Einzelfasern einen Durchmesser von 5 - 50 ai besitzen.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man die Mineralfaserbündel mit Wasser, an sich bekannten Mineralfaserbehandlungslösungen, Suspensionen oder Schlichten vorbehandelt, wobei man gegebenenfalls durch weitere Zusätze," die an sich bekannt sind, wie beispielsweise durch Betonverflüssiger die Affinität zwischen der Easer und der Masse verbessert.
8. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man bei alkalisch reagierenden Massen zur Verstärkung Mineralfasern mit erhöhter Widerstandsfähigkeit gegen alkalischen Angriff verwendet, wobei diese Eigenschaft sowohl durch die Art der Zusammensetzung als auch durch eine nachträgliche Oberflächenbehandlung, beispielsweise durch Aufbringen einer Schutzschicht auf die Fasern , erreicht wird.
9· Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man die Mineralfaserbündel vor dem Einbau in die Masse voll oder stellenweise mit einer haftverstärkenden Suspension oder lösung wie Zementleim oder Calciumhydroxidlösung -vorbehandelt, um möglichst bald alle Mineralfasern eines Bündels an der Aufnahme der Belastung zu beteiligen , die Haftung der Masse am Mineralfaserbündel zu verbessern und gegebenenfalls den Schutz der Mineralfasern gegen alkalischen Angriff zu erhöhen.
10.Verfahren nach Ansprüchen 1 bis S, dadurch gekennzeichnet, daß man die Fasern eines Bündels vor oder beim Einbetten

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in die Masse in Abständen auf einer relativ kurzen Strecke durch härtbare Flüssigkeiten z.B. durch Harz, Schmelzen aus Glas, Keramik, Metall oder auf mechanischem Weg, wie gegebenenfalls durch Anwendung von Klemmen über Reibung, miteinander kraftschlüssig verbindet.
11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß man die Lage der Pasern im Querschnitt des Bündels vor dem Einbetten derart gezielt verändert, daß alle Fasern in bestimmten Abständen alternierend außen liegen und abschnittsweise mit der Masse in Berührung kommen.
12. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß man beim Einbetten der Mineralfaserbündel den lichten Abstand zwischen den benachbarten Bündeln durch Ausprobieren so dicht wählt, daß einerseits eine ausreichende feine Rißverteilung gewährleistet ist und andererseits nicht so dicht wählt, daß ein Trennbruch in der Faserebene erfolgt.
13. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß man die endlosen Mineralfaserbündel in der Regel unidirektional einbettet und die gegebenenfalls notwendige Querbewehrung entweder ebenfalls aus endlosen Mineralfaserbündeln, oder aber auch aus kurzen Mineralfasern, oder anderen Pasern, die zusätzlich in die Masse eingerieselt oder eingemischt werden, besteht.
14. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Verstärkung der Masse allein'oder zusätzlich zur Maßnahme des Anspruches 13 Gewebe, Gelege oder Matten/ aus Mineralfasern oder anderen Pasern verwendet, deren Bewehrungsantßil in verschiednen Richtungen unterschiedlich und bei denen in allen oder einzelnen Kreuzungspunkten eine -verschiebefeste Verbindung vorhanden is.t.

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15. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbettung der Mineralfaserbündel in die Masse durch Einlegen -und/oder Ziehen und/oder Wickeln bewirkt wird.

16, Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß man die für den Haftverbund notwendige, weitgehend porenfreie Umhüllung der Mineralfaserbündel mit der noch nicht erhärteten Masse durch vorsichtiges Verdichten _f vorzugsweise durch Vibrieren bewirkt, ohne daß die Mineralfasern dabei durch mechanische Beanspruchungen in ihren Eigenschaften wesentlich beeinträchtigt werden.

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