DE2409216A1

DE2409216A1 - Zementgebundene formkoerper mit einer verstaerkung aus an sich nicht alkalibestaendigen kuenstlichen mineralfasern

Info

Publication number: DE2409216A1
Application number: DE19742409216
Authority: DE
Inventors: Peter Oskar Dipl In Gutfleisch; Adolf Dipl Ing Prof Dr Meyer
Original assignee: Portland Zementwerke Heidelberg AG
Current assignee: HeidelbergCement AG
Priority date: 1974-02-27
Filing date: 1974-02-27
Publication date: 1975-09-04
Also published as: AT366657B; ATA30475A; DE2409216B2; CH615141A5

Description

Zementzebundene Formkörper mit einer Verstärkung aus an sich nicht alkalibeständigen künstlichen Mineralfasern Die Erfindung betrifft zementgebundene Formkörper mit einer Verstärkung aus an sich nicht alkalibeständigen künstlichen Mineralfasern, wie z. E. Glas-, Stein-, Schlacken- oder Kohlenstoff-Fasern, wobei die Alkaliwiderstandsfähigkeit der Mineralfasern durch besondere Maßnahmen erhöht und zeitlich verlängert ist.
Mörtel und Beton sind als zementgebundene Nassen an sich hervorragend in der Lage, in abgebundenem Zustand als künstliche Steine hohe Druckspannungen aufzunehmen. Jedoch versagt der Beton schon unter äußerst geringer Zugbeanspruchung. Hinzu -kommt, daß Schwind- und Temperaturspannungen in Mörtel und Baton zu Rissen führen können.
In jüngster Zeit hat man mit Erfolg diese nachteile durch eine Verstärkung der zementgebundenen Massen (z. B. Zementstein, Mörtel oder Beton) durch Fasern überwunden. Die Fasern haben dabei die Funktion, die Zugspannungen zu übernehmen bzw. aufzunehmen.
Es können dabei z. B. Stahl-, künstliche Mineral- (Glas-) oder auch bisher noch weniger gebräuchliche Fasern wie z. B. Sohlenstoff- oder Borfasern zum Einsatz kommen.
Das Einbringen der masern kann durch Einmischen, Einrieseln oder durch Einlegen in die sogenannte zementgebundene Matrix also in die Grundmasse (Mörtel, Beton, Zementleim)geschehen, wobei auch vorgefertigte oder flächige Verstärkungselemente verwendet warden können. Der Faserbaton zeichnet sich u. a. durch hohe 3iegzugfestigkeit, Schlagzähigkeit und Dehnfähigkeit aus.
Wegen ihrer guten Verarbeitungswilligkeit und Beständigkeit in normaler Atmosphäre, gepaart mit hoher Wirtschaftlichkeit,bieten sich Künstliche@ Mineralfasern für diesen Zweck besonders an.
Der Verstärkungseffekt von künstlichen Mineralfasern ist anfangs beachtlich. Beim Einlegen von z. 3. 3 Vol.% Glasfasern konnte die Biegezugfestigkait von Mörtelplatten nach 2 Wochen um mehr als 500 % gesteigert werden.
Leider kann man in der Praxis diesen Vorteil bisher nicht nutzen, weil die künstlichen Mineralfasern nicht alkalibeständig sind.
Im Laufe der Zeit wird die Tragfähigkeit « z. B. der Mörtelplatten stark vermindert. Unglücklicherweise entwickelt sich im feuchten Zementstein eine sehr starke Lauge, die bereits in wenigen Monaten die Wirkung der Faserverstärkung stark reduziert.
Schon die geringe Feuchtigkeit trockener atmosphärischer Luft reicht aus, um den Zerstörungsvorgang einzuleiten. Nur bei nicht alkalischen Bindemitteln wie s. B. Gips oder Kunststoff bleibt die verstärkende Wirkung der künstlichen Mineralfasern erhalten.
Da man bisher Dauerhaftigkeit und Effektivität der Faserverstärkung an der Betonbewehrung mit Stabstahl gemessen hat, gelangte man zu der Meinung, daß eine Verstärkung zementgebundener oder anderer alkalischer Nassen mit künstlichen Nineralfasern nicht vorteilhaft möglich ist. Bei dem Wunsch, strengste Anforderungen zu erfüllen, verlor man weite Anwendungsgebiete für zementgebun dene Produkte aus den Augen, bei denen nur eine vortibergehende Tragfähigkeit erforderlich ist, s. B. bei verlorenen Schalungen, die nur kurzfristig dem Druck des noch nicht erhärteten Betons widerstehen mEssen, oder bei Bauteilen, die im wesentlichen nur wahrend des Transports und der Montage beansprucht werden.
illit zunehmender Industrialisierung des Bauens gewinnen die eben genannten Produkte immer mehr an Bedeutung. 3ei solchen Erzeugnissen ist es ausreichend, wenn die verstärkende Wirkung der künstlichen Mineralfasern bis zum Abschluß der Montagearbeiten erhalten bleibt.
Bei umfangreichen systematischen Untersuchungen bezüglich der Alkaliwiderstandsfähigkeit von Glasfasern wurde Uberraschenderweise gefunden, daß verschiedene Maßnahmen, die vor allem den Durchmesser der künstlichen Mineralfasern, die Anordnung und Vorbehandlung der künstlichen Mineralfasern sowie die Zusammensetzung und Behandlung der zementgebundenen Matrix betreffen, den basischen Angriff bei an sich nicht alkaliwiderstandsfähigen Mineralfasern wesentlich bremsen können. Dies war bisher von der Fachwelt nicht erkannt worden.
Es liegt daher vorliegender Erfindung die Aufgabe zugrunde, zementgebundene Formkörper und gegebenenfalls auch andere analoganwendbare alkalische Massen zu schaffen, diean sich einen Gehalt an nicht alkalibeständigen Mineralfasern besitzen, deren lragDahlgkeit und deren sonstige mechanische Eigenschaften aber zumindest eine gewisse Zeit und insbesondere während der Zeit ihrer eigentlichen Beanspruchung optimal sind.
Dieses der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem wird dadurch gelöst, daß zernentgebundene Formkörper oder andere alkalische analog einsetzbare îiiassen, dadurch gekennzeichnet sind, daß deren vorübergehende Tragfähigkeit durch Modifikationen der Mineralfasern und/oder der Matrix, insbesondere der zementgebundenen Matrix erhöht und/oder zeitlich verlängert ist.
Das Wesen vorliegender Erfindung wird nun im einzelnen erläutert, wobei auch die Kombination mehrerer der beschriebenen AusfUhrungsformen vorteilhafterweise zur Anwendung gelangen kann.
Zur Erzeugung eines guten Haftverbundes zwischen Zement stein gnd Faser glaubte man bisher, daß-es notwendig sei, die Faser in möglichst feiner Verteilung in die Matrix einsubringen. Überraschenderweise wurde Jedoch gefunden, daß Hydratationsprodukte der Zernent-Wasser-Mischung im Laufe der Zeit auch in Faserbündel (z. B. Spinnfäden oder Rovinga) hineinwachsen und dadurch einen guten Haftverbund herstellen. Wegen der örtlich hohen Glaskonzentration bei dieser Andrdnung der Fasern wird der Alkaliangriff des Zementsteins abgeschwächt. Gebündelte Mineralgasern mit größerem Durchmesser, die billiger herzustellen sind, erwiesen sich überraschenderweise gegenüber dem Alkaliangriff als wesentlich weniger empfindlich.
In Figur 1 ist dargestellt, welche erhebliche Verbesserung im Hinblick auf die Alkaliwiderstandsfähigkeit auf diese Weise erreicht wird. Die Ergebnisse wurden anhand von Faserbetonplatten mit der Abmessung 1 x 6 x 20 cm erzielt.
Der Mörtel hatte die Zusammensetzung: Zement : 840 kg/m3 Wasser : 420 Feinsand : 840 n 0-0,5 mm Glasfaser : E-Glas # 10 P Fasergehalt : 5 Vol.% Faseranordnung : unidirektional Der Alkaliangriff auf die künstlichen Mineralfasern läßt sich durch Überzüge vermindert, wobei diese das alkalische Milieu von den Fasern oder Faserbündeln fernhalten.
Dies kann mit Hilfe von Kunststoffschlichte oder Kunststoffüberzügen (Z. 3. Epoxidharz, nngesättigtes Polyesterharz) erreicht werden, die für diesen Zweck eine gewisse Alkaliwiderstandsfähigkeit, insbesondere bei Zutritt von Feuchtigkeit aufweisen müssen.
Kunststoffe neigen bei steigender Last zum Kriechen. Dies führt bei Langzeitbelastungen zu übermäßig großen Verformungen der Erzeugnisse. Die Kunststoffüberzüge sind jedoch brauchbar, wenn wie im vorliegenden Fall, die Erzeugnisse nur vorübergehend tragfähig sein müssen. Bei einer vorübergehenden örtlichen Überbelastung ist das Kriechen erwünscht, weil damit örtliche Spannungs spitzen abgebaut werden.
Der gute Erfolg solcher Überzüge ist in Figur 2 dargestellt.
Nach einjähriger Lagerung an trockener Luft ist eine Abnahme der Biegezugfestigkeit von nur ca. 15 % festzustellen.
Als Faserverstärkung kamen handelsübliche epoidharzbeschichtete Glasseiderovings (sogenannte Hartfaser) zum Einsatz. Die Zusammensetzung und die Abmessungen der Probekörper ist imfolgenden angegeben: Zement : 840 kg/m3 Wasser : 420 @ Feinsand : 840 n 0-0,5 mm Glasfaser : E-Glas # 10 # Fasergehalt : 5 Vol. % Faseranordnung : unidirektional Sie ist die gleiche wie im Zusammenhang mit Figur 1 angegeben, Eine weitere Möglichkeit, die Lebensdauer von mineralfaserverstärkten Erzeugnissen zu erhöhen, ist die Verwendung von beispielsweise durch seltene Erden modifizierter, an sich nicht alkalib e ständiger Gläser, Durch die Wahl des Zementes konnte überraschenderweise die Schlagzähigkeit und Biegefestigkeit der oben im Zusammenhang mit Figur 1 beschriebenen Probekörpern erheblich beeinflußtwerden.
Figur 3 zeigt, daß bei Verwendung von Portlandmement bis zu einem Alter von 2 Monaten die doppelte Schlagzähigkeit erreicht wird als bei Verwendung von Zementen, die Rochofenschlacke oder Traß enthalten.
Die guten Erfolge des Carbonatisierens von Faserbeton sind in Figur 4 dargestellt.
Die Zusammensetzung der Proben ist dabei die gleiche wie oben im Zusammenhang mit Figur 1 beschrieben. Sie wurden sofort nach der Herstellung in noch frischem nicht erhärtetem Zustand der CO2-Atmosphäre ausgesetzt. Nach 24 Stunden wurden die Probekörper im Autoklaven evakuiert, anschließend weitere 2 Tage an C02-Atmosphäre und dann bei 200C und 50 % rel. Feuchte an Luft gelagert.
Nach einem halben Jahr ist die Tragfähigkeit der mit C02 begasten Proben ca. 40 % höher als die- der nicht begasten.
Die Alkaliwiderstandsfähigkeit von Faserbeton kann auch dadurch erhöht werden, daß dieser nach kurzer Aushärtungszeit scharf ausgetrocknet und die ernsute Aufnahme von Feuchtigkeit z. B.
aus der Luft verhindert wird.
Platten mit der Zusammensetzung die in Verbindung mit Plgur 1 dargestellt ist, wurden nach 14 Tagen feuchter Lagerung 48 Stunden lang bei 1050C getrocknet. Nach dem Abkühlen der Platten auf 5000 wurden diese mit Epoxidharz gestrichen, wodurch bei der weiteren Lagerung ein Wasserdampfzutritt, , weitgehend verhindert wurde. Ein Vorversuch hatte ergeben, daß der Epoxidharzanstrich keinen nennenswerten Festigkeitsbeitrag liefert.
Der überraschende Erfolg der Maßnahme ist aus Figur 5 zu erkennen. Nach einem halben Jahr ist bei nicht beschichteten Platten noch ca. 65% der Tragfähigkeit vorhanden, während bei beschichteten nur ein Abfall von ca. 5 ffi zu verzeichnen ist.
Wie bereits einleitend ausgeführt, ergibt sich in der Baupraxis häufig die Möglichkeit der Anwendung zementgebundener Erzeugnisse, die nur eine vorübergehende Tragfähigkeit besitzen. Es bieten sich u. a. verlorene Schalungen aller Art an, z. B. Vorsatzschichten, die gleichzeitig Schalungematerial für Raumformteile sind. Es kommen z..B. in Betracht: Träger-, Platten und Säulenschalungen, Rohre als Zylinderschalungen für Aussparungen, Kassetten und Kästen, Matritzen für Strukturbeton.
Das Anwendungsgebiet "verlorene Schalungenn mit zeitlich begrenzter Tragfähigkeit ist so breit, daß hier nur die wichtigsten Möglichkeiten genannt werden können.
Eine hohe Beanspruchung beim Transport tritt z. B. auf bei Fertigteilbindern, wobei auch die Kantenfestigkeit entscheidend sein kann, weiterhin bei Röhren und Behältern, bei Facetten- und Filigransteinen, bei wertvollen Platten aus Terrazzo oder Naturstein, oder großformatigen Gummiplatten, bei denen mineralfaserverstarkte, zementgebundene Massen als Hinterbeton verwendet werden; ferner bei leichten Trennwänden vor dem endgültigen Einbau, und bei auf Schlag beanspruchten Teilen wie z. 3. Rammpfählen.
Zur Verdeutlichung soll eine Plattenschalung aus dem Brückenbau dienen: Zwischen Spannbetonbindern war jeweils eine Lücke von 70 cm mit Schalung zu schließen. Auf diese wird eine verbindende Ortbetonplatte betoniert.
lis verlorene Schalung wird die in Figur 6 nach Form und Abmessung dargestellte Ausführungsform gewählt, Die Zusammensetzung der zementgebundenen Masse entspricht derjenigen, die im Zusammenhang mit Figur 1 angegeben ist. Die kUnstliche Faser wird mittels Sprühpistole eingerieselt. Das fertige Element hatte eine Biegezugfestigkeit von 160 kp/cm2 im Alter von 28 Tagen.
Der im Plattenalter von 50 Tagen aufbetonierte Ortbeton hatte eins Biegezugspannung von 90 kp/cm2 zur Folge.
Diese Belastung konnte die verlorene Schalung aufnehmen, weil wie aus Figur 1 zu erkennen ist, eine Restbiegzugfestigkeit von 140 kp/cm2 zu diesea Termin vorhanden ist. Im höheren Alter wenn die künstlichen Mineralfasern nicht mehr voll tragfähig sind, übernimmt der Faserbeton die Funktion eine Putzes. Der Abfall der Biegezugfestigkeit ist dann praktisch bedeutungslos.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Zementgebundene Formkörper bzw. analog anwendbare alkalische Massen bzw. Formkörper mit einer Verstärkung aus an sich nicht alkalibeständigen künstlichen Mineralfasern wie beispielsweise Glas-, Stein-, Schlacken- oder Kohlenstoff-Fasern, dadurch gekennzeichnet, daß deren vorübergehende Tragfähigkeit durch Modifikationen der Mineralfasern und/oder der zementgebundenen bzw. alkalischen Matrix erhöht und/oder zeitlich verlängert ist.

2. Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verminderung des Alkaliangriffs die Mineralfasern örtlich konzentriert ind die Matrix eingemiacht und/oder eingerieselt und/oder eingelegt sind.

3. Formkörper nach Aspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mineralfasern örtlich konzentriert in Form von Bündeln in die Matrix eingegeben sind.

4. Formkörper nach Ansprüchen 1bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mineralfasern Schlichten oder Überzüge aufweisen, die den Verbund mit den zementgebundenen Matrix verbessern und den alkalischen Angriff bremsen.

Patentansprüche 5. Formkörper nach ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mineralfasern enthalten, die auf Grund ihrer Mineralzusammensetzung oder ihres größeren Durchmessers bereits einen erhöhten Widerstand gegenüber dem alkalischen Angriff der zementgebundenen Matrix besitzen.

6. Formkörper nach Ansprüchen 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß durch die spezielle Auswahl des Zements und/oder durch Zugabe von Zusatzstoffen und/oder Zusatzmitteln der Alkaliangriff auf die Faser vermindert ist.

7. Formkörper nach Ansprüchen 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß der pH-Wert der zementgebundenen Matrix durch C02-Be.

handlung (=Carbonatisieren) vermindert ist.

8. Formkörper nach Ansprüchen 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß der zementgebundenen Matrix z. B. durch Trocknen das Wasser weitgehend entzogen und die anschließende Wasseraufnahme durch eine Oberflächenbeschichtung des fertigen Erzeugnisses gehemmt oder verhindert ist.

9. Formkörper nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß der zementgebundenen Matrix das Wasser weitgehend durch Warmluftbehanlung1 gegebenenfalls durch eine Warmluftbehandlung in Vakuum, entzogen ist.

Patentansprüche

10. Formkörper nach Ansprüchen 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, daß neben den nicht alkalibeständigen Mineralfasern und/oder Textilfasern und/oder Metallfasern una/oder Stahleinlagen zur Verstärkung eingebaut sind.

L e e r s e i t e