DE2459141A1 - Beton oder dergleichen moertel, daraus hergestellte formsteine sowie verwendung dieser formsteine - Google Patents

Description

EIKENBERG 8e BRÜMMERSTEDT

PATENTANWÄLTE IN HANNOVER

John laing & Son limited . 272/3

Beton oder dergleichen Mörtel,
daraus hergestellte Pormsteine
sowie Verwendung dieser Pormsteine

Die Erfindung betrifft einen Beton oder einen entsprechenden, mit Wasser aushärtenden Zementmörtel, der neben dem Bindemittel (welches z.B. Portland-Zement oder Eonerdezement sein kann) und dem Peststoff-Zuschlag noch einen Anteil an kurzen Pasern sowie LüfteinSchlüsse enthält. Weiterhin erstreckt sich die Erfindung auf Pormsteine, die aus einem solchen Mörtel hergestellt sind, sowie auf eine vorteilhafte Anwendung dieser Pormsteine.

Im modernen Kohlen-Bergbau wird ein Streb häufig durch langfrontabbau abgebaut, und dabei ist es üblich, das Haupthangende hinter der Arbeitsfront im sogenannten "programmierten Bruchbau" zu unterstützen. Pur diesen Zweck sind Ab-

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Stützungselemente (z.B. Stempel oder Pfeiler) erforderlich, die unter Last progressiv kollabieren, damit sich das Hangende mit. zunehmender Entfernung von der Arbeitsfront zunehmend bis auf die Abbausohle absenken kann, um das abgebaute Streb in programmierter Weise wieder zu verfüllen.

Normalerweise wird für den programmierten Bruchbau Bauholz oder Grubenholz in der Form von Weichholz- oder Hartholzbalken verwendet. Dabei werden die Balken entweder als einfache senkrechte Stempel eingesetzt oder aber als sogenannte Pfeiler (im englischen "cribbage" genannt) angeordnet, d.h. es wird jeweils eine Anzahl von waagerecht liegenden Holzbalken schichtweise mit Verbund aufeinander gestapelt. Das Bauholz hat den besonderen Vorteil, daß es unter Druckeinwirkung nur allmählich bricht und dadurch einen relativ kontrollierbaren Einbruch des Haupthangenden in ausreichendem Abstand von der Arbeitsfront sicherstellt, ohne daß sich plötzliche unkontrollierbare und damit katastrophenartige Einstürze ergeben. Der wesentliche Nachteil des Bauholzes besteht darin, daß es für diesen Zweck sehr teuer ist.

Es sind deshalb auch schon viele Versuche unternommen worden, andere Materialien, Beton eingeschlossen, beim programmierten Bruchbau zur Unterstützung des Haupthangenden einzusetzen. Jedoch hat sich gezeigt, daß Beton-Bauteile, gleichgültig, ob sie als einfache Stempel oder als Pfeiler aus aufeinander gestapelten balkenartigen Beton-Pormsteinen verwendet werden, in Hinsicht auf ihre Nachgiebigkeit keine geeignete Charakteristik aufweisen. Unter Druckeinwirkung sind sie nämlich praktisch inkompressibel, so daß sie bei steigendem Druck zunächst ihre Form überhaupt nicht ändern und dann, oberhalb eines bestimmten Druckwertes, plötzlich

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und unkontrolliert völlig zerbrechen. Durch dieses unkontrollierte Zerbrechen ergeben sich die gefürchteten katastrophenartigen Einstürze, die sich dann bis in den Bereich der Abbaufront fortsetzen können.

Um diesen Nachteil des Betons zu kompensieren, ist auch schon versucht worden, besondere Beton-Formsteine zu verwenden, die so gestaltet sind, daß sie bei Anordnung als Pfeiler gewisse leichter ζusammendrückbare Zwischenräume zwischen den aufeinander folgenden Schichtlagen bilden. Bei Druckeinwirkung werden dabei somit zunächst diese Zwischenräume zu- sammengedrückt, so daß der Pfeiler eine gewisse, geometrisch bedingte Nachgiebigkeit bekommt. Das bestehende Problem wird dadurch zwar etwas verringert, keineswegs aber beseitigt. Aus konstruktiven Gründen können nämlich die Zwischenräume zwischen den einzelnen Schichtlagen nicht allzu groß gemacht werden, so daß der Deformationsweg bei Druckeinwirkung verhältnismäßig klein bleibt.¹ Nach dem Zusammendrücken der Zwischenräume liegen aber die einzelnen Formsteine voll auf- ; einander, so daß sich wiederum in ihnen ein Druck aufbauen kann, der oberhalb eines bestimmten Wertes wieder zu einem plötzlichen völligen Zerbrechen der Steine führt. -

Mit der Erfindung soll ein Beton oder dergleichen Ze-* : mentmörtel angegeben werden, der eine gute Druck/Deformations-Charakteristik besitzt, d.h. der unter Druckeinwirkung pro- ; gressiv seine Form ändert und damit zur Herstellung der Ab- ! Stützungselemente beim progressiven Bruchbau oder für ent- i sprechende ähnliche Anwendungszwecke besonders geeignet ist.

Ausgehend von einem Beton oder dergleichen Zementmörtel, der in inniger Mischung ein Zement-Bindemittel, einen Pest- !

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stoff-Zuschlag, einen Anteil an kurzen Fasern sowie Lufteinschlüsse enthält, wird dieses Ziel erfindungsgemäß erreicht durch Terwendung eines Faseranteils von 2,2 bis 22 Gew. $, bezogen auf das Bindemittel.

Ein Beton, der neben dem Zement-Bindemittel und dem Feststoff-Zuschlag noch einen geringen Anteil an kurzen Fasern (nämlich eine Menge von 0,22 bis 2,2 Gew. $, bezogen auf das Bindemittel) sowie Lufteinschlüsse enthält, ist aus unserer eigenen GB-PS 1 285 701 bereits bekannt. Bei diesem bekannten Beton besitzt die frisch angemachte Mischung eine verbesserte Dimensions-Stabilität, d.h. sie behält beim Vergießen ihre Integrität, und zwar wahrscheinlich infolge einer dimensions-stabilisierenden Wirkung der kurzen Fasern und der eingeschlossenen Luft.

Überraschend wurde nun gefunden, daß ein in seiner grundsätzlichen Zusammensetzung ähnlicher, insbesondere aber hinsichtlich des Fasergehalts modifizierter Beton (oder entsprechender Zementmörtel) die Eigenschaft zeigt, unter Druckeinwirkung analog wie Bauholz in kontrollierter Weise zu deformieren. Ein solcher Beton ist damit bestens als Holz-Ersatz zur Herstellung der Abstützungselemente (Stempel oder Pfeiler) bei dem programmierten Bruchbau oder für entsprechende ähnliche Anwendungszwecke geeignet.

Der gegenüber dem bekannten Beton erhöhte Faseranteil beeinträchtigt die Dimensions-Stabilität der frisch angemachten Mischung (also eine Eigenschaft , auf die es im vorliegenden Zusammenhang nicht unbedingt ankommt) nicht zu stark, so daß der Beton durchaus noch in Formen gegossen wer-

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den kann und während des Abbinde-Vorganges auch seine Formgebung "behält. Offenbar wird jedoch durch den erhöhten Fasergehalt die Druck/Deformations-Charakteristik des abgebundenen Betons besser an die entsprechende Kennlinie von üblichen Holz-Strukturen angenähert.

Eine genaue wissenschaftliche Erklärung für die gute Druck/Deformations-Charakteristik des erfindungsgemäßen Betons kann noch nicht gegeben werden. Es erscheint jedoch wahrscheinlich, daß bei einer Druckeinwirkung auf den Beton zunächst die die eingeschlossene Luft enthaltenden Poren und Zwischenräume verformt werden, was zu einer Verminderung der Material-Abmessungen in Richtung der Druckeinwirkung führt· Wegen der Anwesenheit der Fasern behält das Material dabei jedoch seinen inneren Zusammenhalt und damit seine Iragfunktion, selbst wenn in einzelnen Bereichen bereits ein Materialbruch begonnen hat. Dadurch wird ein plötzliches vollständiges Zer- : brechen des Materials vermieden, d.h. das Material bricht . erst nach längerem Terformungsweg und dann in einer kontrol- ; lierteren Weise. '

Pur die Menge an zugesetzten Fasern ist bei dem erfindungs gemäßen Beton ein weiter Bereich oberhalb des in der GB-PS ; 1 285 701 angegebenen Maximalwertes von 10 g Fasern auf 1 Ib ^: Zement (entspricht 2*2 Gew. fo) möglich. Wirtschaftliche Gründe sprechen jedoch gegen einen zu hohen Fasergehalt, und vom an- ! gestrebten Ergebnis her hat es sich als ausreichend erwiesen, den Fasergehalt unterhalb 100 g Fasern auf 1 Ib Zement (entsprechend 22 Gew. ft, bezogen auf den Zementanteil) zu halten. Die zugesetzten Fasern können dabei, wie bisher, bis zu 6 cm lang sein.

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Die verwendeten Fasersorten können generell den aus der GB-PS 1 285 701 bekannten Fasersorten entsprechen, mit der Ausnahme jedoch, daß keine solchen Pasern einsetzbar sind, die ihre Fasernatur nur in der frisch angemachten Betonmischung behalten und später eventuell durch innere chemische Reaktionen aufgelöst werden. Im Sinne der vorliegenden Erfindung kommt es darauf an, daß die Fasern in dem ausgehärteten Material ihre Natur behalten, um dem ausgehärteten Material die angestrebten Eigenschaften zu verleihen.

Die Menge an eingeschlossener Luft liegt bei dem erfindungsgemäßen Beton zwischen dem Luftgehalt des bekannten Schaumbetons oder Gasbetons und dem Luftgehalt des üblichen gegossenen und vibrierten Betons (welcher allenfalls nur einige wenige Prozent Luft enthält). Ein typischer Wert für den Luftgehalt liegt bei etwa 20 Vol. $£, jedoch können auch Werte im Bereich von 5 bis 60 Vol.$ oder vorzugsweise von 10 bis 40 Vol. fo verwendet werden. Zur Bildung der Luftporen können neben Beton Mittel natürlichen Ursprungs, z.B. Holzharze in freiem oder neutralisiertem Zustand, oder synthetische Mittel, z.B. Alkylsulfonate, zugegeben sein.

Als Feststoff-Zuschlag können natürliche oder synthetische Zuschlagstoffe verwendet v/erden, und zwar am günstigsten' in einer Menge von 100 bis 1000 Gew. $, bezogen auf das Bindemittel. Dies bedeutet ein Gewichtsverhältnis von Zuschlags- ' stoff zu Zement unterhalb 10 : 1, vorzugsweise wird ein Gewichtsverhältnis unterhalb 7 : 1 eingestellt. Die Eorngrösse der Zuschlagsstoffe kann bis zu knapp 4 cm Durchmesser gehen. Zweckmäßig werden Zuschlagsstoffe konventioneller Art einge- ' setzt, es können aber auch Ieichtgewichtige Zuschlagsstoffe verwendet werden, und im Bedarfsfall können sogar auch schwe-

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rere Beton-Ansätze zum Einsatz kommen. ■ !

Aus dem erfindungsgemäßen Beton können übliche Stempel hergestellt werden, zweckmäßiger ist es jedoch, den Beton zu ^; Eormsteinen zu verarbeiten, aus welchen dann Pfeiler aufge- ; baut werden. Die Eormsteine sind normalerweise leicht genüg, · um von einem Arbeiter auch in "beengter Umgebung noch gut gebandhabt werden zu können, und sie sind auch robust genug, um der rauhen Behandlung während des Transportes zu widerstehen. Bevorzugt haben die Eormsteine Abmessungen von 25 bis 150 cm Länge und eine durchschnittliche Querschnitts-

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fläche von 25 bis 125 cm , ggfs. aber auch bis zu 250 cm .

Dabei können die Eormsteine über ihre länge einen gleichförmigen Querschnitt besitzen (also prismatisch sein) sie können aber ebenso gut auch in ihrem mittleren Bereich eine ^; Taillierung aufweisen und in ihren die Druckbelastung aufnehmenden Endbereichen eine demgegenüber größere Querschnittsfläche besitzen. Weiterhin ist es auch möglich, die Eormsteine mit eingefrästen oder eingeformten "Vertiefungen zu versehen, durch die das Deformationsverhalten der Eormsteine bei Druck- ; einwirkung modifiziert wird. Diese Vertiefungen können dabei '. ggfs. mit darauf abgestimmten Vorsprüngen am darunter liegen- : den Stein zusammenwirken, um den Pfeiler-Aufbau zu stabilisieren. ■

Im übrigen können die Eormsteine bei Bedarf noch mit ei- : ner inneren Armierung in Eorm von Armierungssträngen und/oder mit einer außen aufgeschrumpften Polymer-Eolie versehen sein. ■

Die aus den "einzelnen Eormsteinen aufgebauten Pfeiler ! müssen natürlich den Gegebenheiten des jeweiligen Anwendungs- j

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falles angepaßt sein, normalerweise liegt bei ihnen das Verhältnis von Höhe zu Breite im Bereich von 1 : 1 "bis 3:1.

nachfolgend werden Ausführungsbeispiele von Beton-Formsteinen, die zum Aufbau von Pfeilern für den programmierten Bruchbau dienen und mit dem erfindungsgemäßen Beton hergestellt worden sind, anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen

Pig. 1 perspektivisch einen typischen Pfeiler aus Beton-Formsteinen von gleichförmiger Querschnittsfläche,

Pig. 2 perspektivisch eine andere Ausführungsform eines Beton-Formsteines zum Aufbau von Pfeilern,

Fig. 3 perspektivisch eine dritte Ausführungsform eines solchen Beton-Formsteines,

Fig. 4 graphisch die Abhängigkeit der Deformation von der Belastung bei drei unterschiedlichen Materialien, die progressiv einem vertikalen Druck ausgesetzt wurden,und

Fig. 5 eine der Fig. 4- entsprechende graphische . Darstellung, jedoch gemessen an einem Pfeiler.

Der in Fig. 1 dargestellte Pfeiler 1 besteht aus länglichen Beton-Formsteinen 2, die die Form eines quadratischen

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Prismas haften und In sechs Schichtlagen jex-/eils paarweise auf-, einander gestapelt sind. Dabei liegen die Steine in den einzelnen Schichtlagen im- Abstand parallel zueinander und er~ strecken sich in den aufeinander folgenden Schichtlagen jeweils rechtwinklig zueinander, so daß ein Verbund entsteht, bei dem sich die Endbereiche der Steine aufeinander abstützen. Im Bedarfsfall können in jeder Schichtlage aber auch drei und mehr solcher Formsteine verwendet werden, die Anzahl der Steine pro Schichtlage ist ebenso wie das Verhältnis von Höhe zu Breite des Pfeilers abhängig von den Gegebenheiten des jeweiligen Anwendungsfalles.

Die Mg. 2 zeigt einen Be ton-Forms te in 8 in einer abgewandelten Ausführungsform. Der Stein 8 ist auf seiner einen Seite mit mehreren, im dargestellten Beispiel mit zwei Vertiefungen 4 und auf seiner gegenüberliegenden Seite mit der entsprechenden Anzahl von Vorsprüngen 5 versehen, wobei die Lage der Vorsprünge 5 mit der Lage der Vertiefungen übereinstimmt und das Höhenmaß der Vorsprünge 5 etwas kleiner ist als das üefenmaß der Vertiefungen 4. Zur Errichtung eines Pfeilers aus diesen Pormsteinen 8 werden in jeder Schichtlage vier Steine rechtwinklig zueinander derart im Quadrat angeordnet, daß jede Außenseite des Quadrates gebildet wird von der Aus- '■ senflache 3¹ eines längs verlaufenden Steines und der einen Stirnfläche 3" des einen dazu quer verlaufenden Steines, während der andere quer verlaufende Stein mit seiner entsprechen-' den Stirnfläche stumpf an die Innenfläche des längs verlaufenden Steines anstößt. Die einzelnen Schichtlagen liegen dabei unmittelbar aufeinander und sind lediglich so gegeneinan- : der versetzt, daß sich an den Ecken des Pfeilers ein Verbund ι ergibt. . - ;

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In der Pig. 3 schließlich ist ein Beton-Pormstein 9 in einer taillierten Au3führungsform dargestellt. Der Formstein 9 besitzt zwei Endbereiche 6 von größerer Querschnittsfläche, die über eine Taille 7 von verringerter Querschnittsfläche miteinander verbunden sind. Aus den Pormsteinen 9 kann ein Pfeiler in der in Pig. 1 gezeigten Art aufgebaut werden.

Die vorangehend beschriebenen Pormsteine sind aus einem erfindungsgemäßen Beton hergestellt, beispielsweise aus einem Luftporen enthaltenden Beton niedriger Dichte, der 3 ToI. $ Polypropylen-Pasern von 40 mm Länge enthält. Zusätzlich können die Pormsteine mit Schleifen aus Polypropylen-Kord armiert sein. Im Palle des Pormsteines 9 beispielsweise können dazu drei Polypropylen-Päden verwendet werden, die jeweils zu einer Acht so verschlungen sind, daß sich die Schleifen innerhalb der Endbereiche 6 des Pormsteines befinden. Weiterhin können die Pormsteine im Bedarfsfall mit einer polymeren Schrumpffolie beschichtet sein, um sie zusätzlich gegen ein Abbröckeln von !■laterial, welches sich bei Druckanwendung gelockert hat und durch Abbröckeln die Tragfähigkeit des inneren Gefüges schwächen kann, zu schützen.

Pormsteine nach Art der Pormsteine 2 in Pig. 1 und des Pormsteines 9 gemäß Pig. 3 konnten bislang für den programmierten Bruchbau nicht eingesetzt werden, da als Material für diese Pormsteine nur konventioneller Beton zur Terfügung stand, der keine ausreichende Druck/Deformations-Oharakteristik besitzt. Pormsteine nach Art des Pormsteines 8 gemäß Pig. 2 dagegen sind in der Ausführung aus konventionellem Beton bereits bekannt. Bei einem aus diesen Pormsteinen aufgebauten Pfeiler ergeben sich infolge der Höhendifferenz zwischen den Vertiefungen 4 und den Vorsprüngen 5 zwischen den aufeinander folgenden Schichtlagen

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jeweils Zwischenräume, die eine entsprechende Stauchung cleg Pfeilers zulassen und damit einen geometrisch bedingten Deformationsweg ergeben. Auch bei Verwendung des erfindungsgemäßen Betons für die Formsteine 8 wird dieser geometrisch bedingte Deformationsweg ausgenutzt. Nach dem Zusammendrücken der Zwischenräume jedoch wird - in der Weise, wie dies für die Formsteine 2 und 9 von Beginn der Druckbelastung an gilt die materialbedingte Deformation des Formsteines v/irksam, während bei Verwendung von konventionellem Beton für die Formsteine 8 nach dem Zusammendrücken der Zwischenräume keine weitere Deformation des Pfeilers mehr eintritt, sondern sich im Beton ein Druck aufbaut, der oberhalb eines bestimmten Grenzwertes dann zu einem plötzlichen, unkontrollierten Zerbrechen

der Steine führt.

In Fig. 4 ist die Abhängigkeit der Deformation von der aufgebrachten Belastung, also praktisch die Druek/Deformatians-Charakteristik für drei unterschiedliche Materialien graphisch dargestellt. Die Kurve A gilt dabei für .einen Holzblock, die Kurve B gilt für einen Block aus konventionellem Beton und die Kurve C schließlich gilt für einen aus dem erfindungsgemäßen Material hergestellten Block. Es ist zu erkennen, daß : konventioneller Beton bei Druckbelastung praktisch keine Deformation erleidet und dann (angedeutet durch den abfallenden Ast der Kurve B) plötzlich sein inneres Gefüge völlig verliert. Dagegen zeigen sowohl Holz als auch der erfindungsge- \ mäße Beton (letzterer noch besser) ein deutliches Deformationsverhalten bei aufgebrachter Belastung.

In der Darstellung der Fig. .5 hat die Kurve. D die gleiche generelle !Natur wie die Kurve C in Fig. 4, sie wurde jedoch gemessen an einem Pfeiler, der aus sechs Schichtlagen von.rechteckförmigen, aus erfindungsgemäßem Beton hergestell-

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ten Formsteinen mit 10 χ 5 ι 5 cm Eantenlange hergestellt war. Die Kurve E gibt die theoretisch gewünschte Charakteristik an, die etwa der Charakteristik bei Verwendung von Holzblöcken entspricht.

—Patentansprüche-

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Claims (11)

2459U1 Patentansprüche

1. Beton oder dergleichen Zementmörtel, enthaltend ein Bindemittel (wie Portland-Zement oder lonerdezement), einen Feststoff-Zuschlag, einen Anteil an kurzen Pasern sowie Lufteinschlüsse, dadurch gekennzeichnet, daß dem Beton zur Erreichung eines kontrollierten Deformationsverhaltens unter Druckbelastung ein Paseranteil von 2,2 bis 22 Gew. fo, bezogen auf das Bindemittel, zugesetzt ist.

2. Beton nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Peststoff-Zuschlag aus natürlichem oder synthetischem Material mit einer Korngröße bis zu 4 cm Durchmesser besteht und in einem Verhältnis Zuschlag zu Bindemittel von v/eniger als 10 : 1 im Beton enthalten ist.

3. Beton nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet« daß die Pasern eine Länge bis zu etwa 6 cm besitzen.

4. Beton nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Beton eine Menge von 5 bis 60 Vol. $> luft eingeschlossen ist. '

5. Anwendung des Betons nach einem der Ansprüche 1 bis zur Herstellung von Pormsteinen.

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6. Formstein nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Formstein eine langgestreckte Gestalt mit 25 bis 150 cm Länge und eine durchschnittliche Querschnittsfläche von

25 bis 250 cm besitzt.

7. Formstein nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Bereich des Formsteines gegenüber den beiden Endbereichen zu einer laille mit verringerter Querschnittsfläche verengt ist.

8. Formstein nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß -im Inneren des Formsteines Armierungsstränge angeordnet sind.

9. Formstein nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Formstein ein Polymer-Film aufgeschrumpft ist.

10. Anwendung der Formsteine nach einem der Ansprüche 5 bis 9 zum Aufbau eines Pfeilers für die Unterstützung des Haupthangenden beim programmierten Bruchbau im Kohlebergbau.

11. Pfeiler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Verhältnis von Höhe zu Breite im Bereich von 1:1 bis 3 : 1 aufweist.

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