DE2617741C3

DE2617741C3 - Verfahren zum Herstellen von faserverstärkten, hydraulisch erhärtenden Massen, bei dem die Matrix und die Fasern durch Übereinanderspritzen unter Bewirkung eines Mischeffekts im Faserspritzverfahren gegen eine Fläche gesprüht werden

Info

Publication number: DE2617741C3
Application number: DE2617741A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. 6800 Mannheim Gutfleisch
Original assignee: Heidelberger Zement AG
Current assignee: HeidelbergCement AG
Priority date: 1976-04-23
Filing date: 1976-04-23
Publication date: 1981-10-08
Also published as: GB1542017A; US4192690A; AT353668B; DE2617741A1; DE2617741B2; ATA122777A; CH615617A5

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von faserverstärkten, hydraulisch erhärtenden Massen, bei dem die Matrix und die Fasern durch Üfcjreinanderspritzen unter Bewirkung eines Mischeffektes im Faserspritzverfahren gegen eine Fläche gesprüht werden.

Zum nächstkommenden Stand der Technik das Faserspritzverfahren betreffend ist die Literaturstelle »Glasfaserverstärkte Kunststoffe«, -herausgegeben von Peter H. Seiden, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York 1967, S. 548-552, zu nennen. Danach stellt das Faserspritzverfahren eine teilweise Mechanisierung des Handverfahrens dar. Die Beschickung der Form erfolgt mit einer Mehrkomponenten-Spritzpistole, die gleichzeitig Harz und Glasfasern spritzt Wegen der weiteren Einzelheiten dieses Verfahrens sei auf die genannte Literaturstelle »Glasfaserverstärkte Kunststoffe« verwiesen. Zum weiteren Stand der Technik ist die CA-PS 7 91 080 und die GB-PS 9 74 558 zu nennen.

Die CA-PS 7 91080 betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Glasfaserfilzmatten, bei dem aus einer Glasschmelze in einem heißen Gasstrom Glasfasern geformt, mit einem in Hitze erhärtenden Bindemittel (Harz) besprüht, auf ein laufendes Transportband gespritzt und zu einer Filzmatte geformt, die durch einen Ofen geführt wird, in dem das Harz erhärtet und sich die Form stabilisiert

Bei diesem bekannten Verfahren bleibt also das Spritzgut liegen und wird geformt und erhärtet.

Die GB-PS 9 74 558 beschreibt eine Vorrichtung zur Zubereitung eines Wasser-Asbest-Zement-Gemisches und zum Fördern des Gemisches zu einer Verarbeitungseinrichtung. Diese Zubereitungsvorrichtung besteht aus einem zylindrischen Mischer mit drei oben befindlichen öffnungen, in die nacheinander Wasser, Asbest und Zement automatisch dosiert und eingefüllt werden. Mit einer Pumpe, einem tangential eingeführten Rohr und einer:) unteren Absaugrohr wird ein Kreislauf in Gang gesetzt, bei dem durch Wirbelbildung im zylindrischen Gefäß der Mischeffekt entsteht. Der Mischeffekt ist also das Ergebnis besonderer Anordnungen, beispielsweise der besonderen Anordnung von Rohrleitungen.

Demgegenüber liegt vorliegender Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen von faserverstärkten hydraulisch erhärtenden Massen in der Weise durchzuführen, daß die noch nicht erhärtete Mischung aus Matrix und Fasern eine hohe Fließfähigkeit besitzt und damit in einer besonders einfachen Weise einer weiteren Verarbeitung unterzogen werden kann.

Hinsichtlich des Terminus technicus »Matrix« wird auf die Literaturstelle Brockhaus Enzyklopädie, 17. Auf-

lage, 1976, Band 23, Seite 217, linke Spalte, verwiesen, wonach man unter dem Begriff »Matrix« eine feste Substanz versteht, in die andere Materialien eingebettet sind.

Die oben angegebene Aufgabe wird nun erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs genannten Gattung dadurch gelöst, daß die faserbewehrte, fließfähige Mischung gegen eine als Prallfläche dienende Fläche gesprüht wird und sodann durch Abtropfenlassen, Abgleitenlassen, Abfließenlassen, Abstreifen, Abschütteln, Abschleudern oder dergleichen von der Prallfläche abgezogen und dem Verwendungsort zugeführt wird.

Dabei kann als Prallfläche eine Prallplatte oder eine Trichterfläche verwendet werden.

Die Prallfläche wird nach einer bevorzugten Ausführungsform mit dem Spritzkopf als eine Handhabungseinheit mitgeführt.

Nach einer weiteren Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß eine sich bewegende, z. B. schwingende oder rotierende Prallfläche verwendet wird.

Nach einer weiteren Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß eine zum Spritzstrahl in einem Anstellwinkel zwischen ±5° und ±90° angestellte Prallfläche verwendet wird.

Nach einer weiteren Variante wird eine fest mit der Schalung des zu fertigenden Raumformkörpers verbundene Prallfläche verwendet

Bevorzugtermaßen verwendet man eine Matrix, die Verflüssiger und/oder Luftporenbildner z. B. Vinsolharz, Ligninsulfonat, Melaminharz und/o»'jr Verarbeitungshilfen z. B. solche auf der Balis von Methylcellulose und/oder Polyäthylenoxid enthält

Die Matrix wird nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ohne Luftzusatz, d. h. im sogenannten airless-Verfahren, gespritzt.

Eine weitere Variante ist dadurch gekennzeichnet, daß die von der Prallfläche abfließende, faserbewehrte Mischung in einem Vorratsbehälter gesammelt und dann wie eine Flüssigkeit weiterverarbeitet wird.

Die faserbewehrte Mischung kann beispielsweise durch Pumpen weiter befördert werden.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die faserbewehrte Mischung am Ort des endgültigen Einbaus in beliebig geformte Schalungen eingeführt werden.

Als Fasermaterial können Mineralfasern und/oder Kohlenstoffasern und/oder organische Fasern und/oder Metallfasern eingesetzt werden.

Eine weitere Variante ist dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern in konfektioniertem Zustand eingesetzt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beeinflußt man den Fließweg der gespritzten Mischung durch an sich bekannte Maßnahmen, die die Fasern mit dem Effekt der Erreichung einer Vorzugsrichtung, ausrichten. Hierbei kann man zur Faserausrichtung Leitbleche oder Rechen verwenden. Man kann auch nach einer weiteren Variante die Faserausrichtung durch eine Relativbewegung des Fasern- und Matrixspritzkopfes zur Prallfläche bewirken.

Zur Aufgabenstellung und zum Stand der Technik ist weiterhin folgendes auszuführen:

In jüngster Zeit haben die faserverstärkten hydraulisch erhärtenden Massen in der Bautechnik sehr stark an Bedeutung gewonnen. Mit ihrer Hilfe ist es möglich geworden, einen entscheidenden Nachteil aller hydraulisch, d,h, beispielsweise durch Zement oder Gips gebundene Massen, nämlich ihre Sprödigkeit, zu überwindea Die zugegebenen Fasern machen aus dem spröden Matrixmaterial, das z, B, aus Feinbeton besteht, einen zähen Werkstoff. Er bietet sich vorzugsweise für dünnwandige oder komplex geformte Bauteile an.

Die Herstellung komplex geformter Teile mrd erleichtert, wenn die noch nicht erhärtete Masse formbar ist, also in eine beliebige Formgestalt überführbar ist und ähnlich einfach wie zum Beispiel flüssiges Metall in enge und komplizierte Formen gießbar ist

Fs hat sich aber gezeigt, daß mineralisch gebundene, faserverstärkte Massen in sehr weicher Konsistenz nicht in wünschenswerter Weise durch Einmischen der Fasern erzeugt werden können. Daher hat es nicht an Versuchen gefehlt, das Faserspritzverfahren so zu modifizieren, daß es auch zum Befüllen von engen Spalten mit fließfähigem Mischgut geeignet ist

Das Faserspritzverfahren wird bekanntlich zur Herstellung flächenförmiger Raumformteile verwendet, wobei aus Fasern und Matrix an der Einbaustelle ein Filz entsteht, der sich jedoch nicht wie eine Flüssigkeit weiterverarbeiten läßt

Mit vorliegender Erfindung ist es nun überraschenderweise möglich, das Faserspritzverfahren so zu modifizieren, daß das Befüllen von engen Spalten mit einer fließfähigen Mischung aus Matrix und Faser möglich ist

Dabei setzt man bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhafterweise eine hoch fließfähige Matrix ein, die gemäß bevorzugter Ausführungsform durch Sondermaßnahmen, wie beispielsweise durch Zugabe von hochwirksamen Verflüssigern, noch fließfähiger gemacht wurde, als dies durch eine reine Wasserzugabe möglich wäre und die gleichzeitig einen Zusatz enthalten kann, der das Wasserabstoßen der hydraulisch erhärtenden Masse verhindert beispielsweise Zusätze von Polyäthylenoxid oder Methylcellulose.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren spritzt man nicht auf einen Formkörper und baut auch nicht flächig die Masse des zu fertigenden Raumkörpers wie bei Faserspritzverfahren auf, sondern man spritzt an eine Prallfläche, von der das Spritzgut, das aus der gewünschten Kombination von Matrix und Fasern besteht, abtropft, abg'eitet, abfließt oder anderweitig abgestreift wird.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht ferner darin, daß eine weitgehende Schonung der Faser beim Verarbeitungsvorgang gewährleistet ist, da ein Mischen im üblichen Sinn überhaupt nicht stattfindet; man kann daher auch Fasern, die gegen mechanische Beanspruchung empfindlich sind, verwenden; es können, wie bereits ausgeführt, vorteilhafterweise enge Schalungen und Formen durch die vom Prallblech abgleitende Mischung aus Faser und Matrix gefüllt werden; es kann ferner durch gezielt geordnete Fluidaltextur eine Faserausrichtung leicht erreicht werden; es kann, wie bereits ausgeführt wurde, vorteilhafterweise kontinuierlich gearbeitet werden, womit das unerwünschte Auftreten von Restmengen vermieden wird.

Man kann das erfindungsgemäße Verfahren mit den vorhandenen üblichen Spritzgeräten durchführen, ohne diese zu modifizieren; man kann an ihnen zur

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Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch sehr einfache Modifikationen durchführen, wie dies weiter unten in den Beispielen dargestellt ist; durch gezielte Matrixzusammensetzung kann mit geringen Wasserüberschüssen gearbeitet werden, durch einfacheres Arbeiten werden Arbeitskräfte eingespart oder geschont; schließlich ist weniger qualifiziertes Personal erforderlich.

Durch die sehr fließfähige Konsistenz der gewählten Matrix und des erfindungsgemäßen Mischvorgangs auf einer Prallplatte, die sehr nahe bei den Mündungsöffnungen der Düsen von Matrix und geschnittener Faser liegt, ist es möglich, unter entsprechend hohem Druck auch die Matrix ohne Luftzusatz (airless) zu spritzen. Hierdurch entfallen weitere Investitionskosten für das sonst erforderliche Preßluftaggregat Außerdem erfolgt eine Verbesserung der Arbeitshygiene, da der Staubanteil, der beim Zerstäuben der Matrix mittels Preßluft sonst unvermeidbar ist, völlig vermieden wird.

Als Verstärkungsfasern kommen dabei, wie bereits ausgeführt, alle mineralischen Fasern, wie z. B. Glasfasern, Stein- und Schlackenwollen, sowie ilohlenstoffasern, Metallfasern und organische Fasern in Betracht.

Das Wesen vorliegender Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele, die bevorzugte Ausführungsformen darstellen, weiterhin erläutert

Beispiel 1

Faserspritzverfahren unter

Benutzung einer Prallplatte

Für das Spritzverfahren wurde eine im Baumaschinenhandel erhältliche Putzmaschine verwendet, wie sie heute für das Spritzen von Feinputzen eingesetzt wird. Es wurden keine Modifikationen an dieser Maschine vorgenommen.

Als Verstärkungsfaser wurde eine alkaliwiderstandsfähige Glasseide, die als Roving im Handel erhältlich ist, verwendet.

Zum Faserspritzen wurde eine hierfür übliche Maschine ohne Modifikationen eingesetzt. Beide Spritzköpfe wurden in einem Abstand von 20 cm vor einer Prallplatte aus 0,5 mm starkem Stahlblech zusammen in einer Haltevorrichtung montiert. Die Prallplatte hatte folgende Abmessungen: 25χ25cm; sie stand in einem Winkel von ca. 25° gemessen an der Spritzrichtung von den Spritzdüsen weggeneigt.

Der Spritzvorgang richtete sich nach den Angaben der Spritzgerätehersteller. Die Grundellipsen der Spritzkegel von Faser und Matrix wurde auf der Prallplatte zur Deckung gebracht.

Als Matrixmaterial wurde hochfließfähige Matrix mit Portland-Zement als Bindemittel eingesetzt.

Im einzelne» hatte diese Matrix die im folgenden angegebene Zusammensetzung:

60

Portland-Zement PZ 350	1020 kg/m³	dieser ab. Das
Wasser	530 kg/m'
Flußsand Körnung 0-0,5 mm	230 kg
Gesteinsmehl	45 kg
Hochleistungsverflüssiger
(Melaminharzbasis)	15,3 kg
Polyäthylenoxid	0,34 kg
Glasseide	83,5 kg
Die beim Spritzen auf der Prallfläche erzeugte
Matrix-Faser-Mischurtg floß von

abfließende Spritzgut wurde direkt von der Platte aus in einen Spalt einer Schalung gefüllt, der eine öffnungsweite von 12 mm besaß.

Die Spalthöhe von insgesamt 3 m konnte ohne nennenswert weiteren Verdichtungsaufwand gefüllt werden, ohne daß Verstopfungen oder Faseranhäufungen beobachtet werden konnten.

Beispiel 2
Spritzen in einen Trichter

Mit dem oben beschriebenen Spritzgerät wurde in einen Trichter hineingespritzt Der Trichter hatte eine obere öffnung von 25 cm und eine untere öffnung von 12 mm, seine Gesamthöhe betrug ca. 35 cm. Die Zusammensetzung der Matrix war die gleiche wie im Beispiel 1. Statt eines Zusatzes von Polyäthylenoxid wurde diesmal 0,66 kg Methylcellulose pro m³ an fertigem Matrix verwendet 12s w.;-/ie der Luftstrom für die Matrixdüse außer Kraft gesetzt ur>d statt dessen die feinste, von Maschinenlieferanten zur Verfügung gestellte Marixspritzdüse verwendet bei zugleich stärkstem Förderdruck der Feinbetonpumpe. Auch ohne Preßluft wurde die erforderliche Feinverteilung der Matrix erreicht

Mit Hilfe dieses Verfahrens und der angegebenen Matrix konnte die 3 m hohe Spalte zur vollen Zufriedenheit gefüllt werden.

Beispiel 3
Spritzen als Vormischung

Unter Beibehaltung der Matrixzusammensetzung und der Spritzgeräte wie in Beispiel I wurde das Spritzgut in einen Eimer mit Auslauftrichter hineingespritzt

Es entstand in diesem Eimer eine homogene Mischung, die sodann mittels eines weiteren Fülltrichters in den beschriebenen Spalt zwischen zwei Schalungsplatten eingefüllt werden konnten. Hierbei wird die Wirtschaftlichkeit der eingesetzten Faser besonders deutlich: Eine geschnittene Glasseide, die sich für das Mischen in einem Betonmischer eignet, würde ca. 9,— DM/kg kosten. Die Glasseide, die für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden kann, kostet nur ca. 8,1 DM/kg. Allein aufgrund des Unterschiedes des Preises der verwendeten Glasfaser, entsteht hier ein Kostenvorteil von 73,— DM/m³.

Beispiel 4

Fasei ausrichtung durch
Beeinflussung des Fließweges

Das Spritzgut nach Beispiel 1, das von der Prallplatte abträufelt, wurde auf einer 1 m langen und unter 60° geneigten schiefen Ebene abfließen gelassen. Bedingt durch die Reibung zwischen fester Ebene, Matrix und Faser kann hierdurch eine gewisse Ausrichtung der Faser durch die Fließbewegung in Fließrichtung erreicht werden. Läßt man dieses derart mit »Vorzugsrichtung« versehene härtbare Material auf eine ebene Tafel unmittelbar am Ende der schiefen Ebene abtropfen, so kann man 2. B. eine im erhärtenden Zustand mit Vorzugsrichtung bewehrte ebene Tafel herstellen. Auch hier wird ein wirtschaftlicher Fasereinsatz geschaffen.

Beispiel 5 Faserausrichtung durch gezielte Bewegung des Spritzkopfes

Durch Bewegung des Faserspritzkopfes vor einer feststehenden Wand wird erfindungsgemäß erreicht, daß sich die von dem Spritzkopf ausgeworfenen Faserabschnitte in Bewegungsrichtung ausrichten. Spritzt man hierbei gleichzeitig eine fließfähige Matrix, so wird diese Vorzugsrichtung fixiert; von der ebenen Wand fließt eine Mischung aus Matrix und Faserfilz ab, wobei eine Vorzugsrichtung im erhärteten Zustand geschaffen wird.

Dieser Effekt wird ausgenützt, um mit einer .Spritzeinrichtung und einer Matrixzusammensetzung der in Beispiel 1 beschriebenen Art, jedoch ohne Verwendung der Prallplatte, eine faserbewehrte, lange, nämlich 7 m lange Fenstersprosse herzustellen. Oberhalb der zu befüllenden Form befindet sich eine Wand aus mit Kunststoff vergütetem Holz. Gegen diese senkrecht stehende Wand wurde Faser und Matrix ίο gespritzt, wobei der Spritzkopf eine Voi triebsgeschwindigkeit von ca. 0,5 m/sec. besitzt. Durch die Orientierung der Faser konnte erreicht werden, daß die faserbewehrte Fenstersprosse eine ca. 1,8 mal größere Festigkeit besitzt, als bei der Herstellung aus einer herkömmlichen Faserbeton-Mischung unter Verwendung eines normalen Betonmischers.

Beispiel 6 Bessere Faserausnut/ung durch das Spritzverfahren

Die Matrix gemäß Beispiel 3 wurde jeweils einmal mit geschnittener Glasseide hergestellt, wie sie bisher für das Einmischen Verwendung fand und zum anderen nach der Verfahrensweise gemäß Beispiel 3.

Aus dem solchermaßen gewonnenen faserverstärkten, härtbaren Material wurden Probekörper für die Biegezugprüfung mit Abmessungen 33x6 χ 3 cm hergestellt.

In der folgenden Tafel sind die Meßergebnisse dargestellt nämlich die Biegezugergebnisse, die nach einer Lagerungszeit von 7 Tagen unter Wasser ermittelt

wurden.

Man erkennt, daß die bessere Verankerungslänge, der beim Spritzverfahren verwendeten Fasern (Spritzverfahren: Länge der Fasern ca. 55 mm; Mischverfahren: Länge der Fasern ca. 25 mm) dazu führt, daß die Biegezugfestigkeiten um etwa 25% höher liegen als bei den bisher bekannten Mischverfahren des Standes der Technik.

Bei gleichen Festigkeitsanforderungen können dadurch beträchtliche wirtschaftliche Vorteile durch die Reduktion des Fasergehalts erreicht werden.

Tafel

Verfahren

Mischverfahren Gemäß Erfindung

Biegezugsfestigkeit. kp/cm^: Einzelwene

181. 174. 171. 179. 173. 222. 219, 198. 224. 218, Mittelwerte
kp/cm²

175
217

100
125

Biegezugfestigkeit von Glasfaserbeton nach dem Mischverfahren und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt. Probeplatten: 33 χ 6 χ 1 cm; Lagerung: 7 Tage unter Wasser.

Claims

Patentansprüche;

U Verfahren zum Herstellen von faserverstärkten, hydraulisch erhärtenden Massen, bei dem die Matrix und die Fasern durch Obereinanderspritzen unter Bewirkung eines Mischeffekts im Faserspritzverfahren gegen eine Fläche gesprüht werden, dadurch gekennzeichnet, daß die faserbewehrte, fließfähige Mischung gegen eine als Prallfläche dienende Fläche gesprüht wird und sodann durch Abtropfenlassen, Abgleitenlassen, Abfließenlassen, Abstreifen, Abschütteln, Abschleudern oder dergleichen von der Prallfläche abgezogen und dem Verwendungsort zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Prallfläche eine Prallplatte verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Prallfläche eine Trichterfläche verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Prallfläche mit dem Spritzkopf als eine Handhabungseinheit mitgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine sich bewegende, z. B. schwingende oder rotierende Prallfläche verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine zum Spritzstrahl in einem Anstellwinkel zwischen ±5° und ±90° angestellte Prallfläche verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine fest mit der Schalung des zu fertigenden Raumformkörpers verbundene Prallfläche verwendet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Matrix verwendet, die Verflüssiger und/oder Luftporenbildner, z. B. Vinsolharz, Ligninsulfonat, Melaminharz und/oder Verarbeitungshilfen z. B. auf der Basis von Methylcellulose und/oder Polyäthylenoxid enthält
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man die Matrix ohne Luftzusatz, d. h. im sogenannten Airless-Verfahren, spritzt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Prallfläche abfließende, faserbewehrte Mischung in einem Vorratsbehälter gesammelt und dann wie eine Flüssigkeit weiterverarbeitet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die faserbewehrte Mischung durch Pumpen weiter befördert wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die faserbewehrte Mischung am Ort des endgültigen Einbaus in beliebig geformte Schalungen eingeführt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß man Mineralfasern und/oder Kohlenstoffasern und/oder organische Fasern und/oder Metallfasern einsetzt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern in konfektioniertem Zustand eingesetzt werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß man den Fließweg der gespritzten Mischung durch an sich bekannte Maßnahmen beeinflußt, die die Fasern mit dem Effekt der Erreichung einer Vorzugsrichtung, ausrichten,
16, Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß zur Faserausrichtung Leitbleche oder Rechen verwendet werden.
17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserausrichtung durch eine Relativbewegung des Fasern- und Matrixspritzkopfes zur Prallfläche bewirkt wird.