DE2733593A1

DE2733593A1 - Verfahren zum mischen von stahlfaserverstaerktem beton

Info

Publication number: DE2733593A1
Application number: DE19772733593
Authority: DE
Inventors: Takeshi Takazuka
Original assignee: Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1976-08-02
Filing date: 1977-07-26
Publication date: 1978-02-09
Also published as: GB1532190A; JPS5317635A; CA1073478A

Description

Verfahren zum Mischen von stahlfaserverstärktem Beton

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Mischen von stahlfaserverstärktem Beton unter Verwendung von Zuschlägen. Ein derartiges Verfahren ist bereits durch die US-PS 3 429 094 bekannt, in welcher eine bestimmte Auffassung bezüglich des Abstandes der Fasern offenbart ist. Unter Zugrundelegung der Annahme, dass die Stahlfasern innerhalb des Betons regellos orientiert und gleichmässig verteilt sind, nimmt die Festigkeit des Betons mit Abnahme des errechneten bzw. theoretischen durchschnittlichen Faserabstandes s,der durch die folgende Gleichung gegeben wird, zu. Insbesondere nimmt die FEstigkeit des Betons wesentlich zu, wenn s = 12,7 mm.

s = 13,8 d

wobei d = Durchmesser der Stahlfaser und ρ = Volumenprozent der Stahlfaser

sind.

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Dies stellt den wesentlichen Inhalt der US-PS 3 429 094 dar.

Der vorstehend angeführten Auffassung zufolge sollte es möglich sein, die FEstigkeit des Betons durch Vergrösserung des Prozentsatzes an Stahlfaservolumen ρ zu vergrössern und dadurch den theoretischen oder errechneten Abstand s zu verkleinern. In der Praxis gibt es jedoch eine Grenze hinsichtlich der hinzuzufügenden Menge an Stahlfasern, wobei dieser maximale Wert nur 4 %, ausgedrückt als Wert p, ausmacht.

Gemäss der Beschreibung der US-PS 3 429 094 und der vorstehend erläuterten Auffassung bezüglich des Abstandes der Fasern liegt bei Stahlfasern mit einem Faserdurchmesser von etwa 0,5 mm der entsprechende Wert ρ hinsichtlich des richtig kalkulierten Abstandes s = 12,7 mm im Bereich von 0,2 bis 0,4 %. Bei der praktischen Anwendung des Betons gemäss US-PS 3 429 094 beträgt die Menge der verwendeten Stahlfasern das Mehrfache, und zwar bis zum zehnfachen dieser Menge oder etwa 2 %, so dass im Ergebnis das Festsetzen des kritischen Wertes ohne grosse Bedeutung ist.

Weiterhin lässt die den Faserabstand betreffende Auffassung eine Reihe von wesentlichen Faktoren bei der Verstärkung von Beton mittels Stahlfasern unberücksichtigt. Es handelt sich dabei um z. B. die Verbindung zwischen Stahlfaser und Beton, Zugfestigkeit der Stahlfaser und deren Schlankheitsgrad (das Verhältnis von Durchmesser d zur Länge 1 oder 1/d). Die Beschreibung der vorerwähnten US-PS schlägt auch die Verwendung von Stahlfasern

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mit einem Elastizitätsmodul im Bereich von etwa 1.900.000 -

2.25O.OOO kp/cm vor. Es ist jedoch auf dem Gebiet der faserverstärkten Verbundmaterialien allgemein bekannt, dass es notwendig ist. Fasern zu verwenden, deren Elastizitätsmodul grosser ist als der der zu verstärkenden Grundmasse (im Fall der Erfindung Beton). Aus diesem Grund enthalten die Offenbarung der vorerwähnten US-PS und die darin vorgeschlagene Auffassung bezüglich der Faserabstände keinerlei überraschende Angaben, da sie im Rahmen der allgemeinen Kenntnis liegen, dass die FEstigkeit von Beton durch Vergrösserung des Prozentsatzes des Gehaltes an Stahlfasern vergrössert werden kann.

Bei der bekannten Technik in Bezug auf stahlfaserverstärkten Beton wird aufgrund der die Faserabstände betreffenden Auffassung das Hinzufügen von groben Zuschlägen vermieden, weil es die angestrebte ungeordnete und gleichmässige Verteilung der Stahlfasern beeinträchtigen kann. Dabei wird der Verringerung der berechneten oder vermuteten Abstände Bedeutung beigemessen. Somit wird ein Mischverfahren verwendet, bei welchem die Zuschläge einen möglichst kleinen Korndurchmesser aufweisen und der Anteil der feinen Zuschläge in erheblichem Masse vergrössert wird. Dies führt dazu, dass der als Grundmasse dienende Beton eine Zusammensetzung hat, die verschieden ist von der des üblicherweise benutzten unbewehrten Betons. So ist z. B. bei dem in der US-PS 3 429 094 offenbarten Ausführungsbeispielen die Grundmasse eine Mischung von Sand und Zement; andere Angaben, die veröffentlicht worden sind, zeigen, dass lediglich Sande als Zuschläge benutzt

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werden. Bei Verwendung von groben Zuschlägen muss deren Korngrösse üblicherweise unter 9,5 mm liegen. Die Angaben bezüglich des Betons gemäss der US-PS zeigen ebenfalls, dass ein grober Zuschlag von kleinem Durchmesser in kleinen Mengen zugegeben wird und dass die Maximaldurchmesser des groben Zuschlags klein gehalten werden. Es steht somit fest, dass dieser Beton nicht durch Hinzugabe von Stahlfasern zu üblichem Beton, der grobe Zuschläge mit grossem Maximaldurchmesser enthält, hergestellt wird.

Zusätzlich zu den Angaben über den Beton gemäss der US-PS sind noch andere sich auf stahlfaserverstärkten Beton beziehende Angaben vorhanden, die ebenfalls zeigen, dass der maximale Durchmesser von groben Zuschlägen weniger als 9,5 mm beträgt.

Jedoch hat, wie bereits erwähnt worden war, die Verwendung kleiner Mengen grober Zuschläge von kleinem Durchmesser und grosser Mengen feiner Zuschläge folgende Nachteile:

(a) Ein Vergleich grober Zuschläge gleichen Gewichtes zeigt, dass eine Abnahme des Korndurchmessers eine zunehmende Oberflächengrösse zur Folge hat. Somit wird eine grosse Menge Oberflächenwasser oder -feuchtigkeit benötigt, welche Tatsache eine Vergrösserung der Wassergehalte verursacht. Diese Tendenz wird durch die Hinzufügung von Stahlfasern noch weiter vergrössert.

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(b) Zur Erzielung eines feststehenden Wasser-Zement-Verhältnisses muss die Wichte des Zementes mit zunehmendem Wassergehalt vergrössert werden; darüber hinaus hat die resultierende Zunahme bezüglich der Zementmasse auch eine grössere Gefahr bezüglich des Entstehens von Trocken-Schrumpfrissen zur Folge.

(c) Grobe Zuschläge mit einem maximalem Durchmesser von weniger als etwa 10 mm stellen ein Spezialgut dar, welches im allgemeinen nicht ohne weiteres verfügbar ist. Derartige Zuschläge sind schwierig herzustellen und verursachen zusätzliche Kosten.

Der Erfindung liegt unter anderem die Aufgabe zugrunde, ein wirtschaftliches und ohne weiteres durchführbares Verfahren zum Mischen von stahlfaserverstärktem Beton zu entwickeln, welcher bessere Eigenschaften insbesondere bezüglich Härte, Stossfestigkeit, Biegefestigkeit usw. aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, dass das Verhältnis (G/S) von grobem Zuschlag zu feinem Zuschlag grosser als 1 ist und die Korndurchmesser des groben Zuschlages so gewählt sind, dass der Rückstand mehr als 50 % auf einem Sieb mit einer Maschenweite von 1/2 Zoll (12,7 mm) der ASTM-Skala beträgt. Gemäss einem weiteren Vorschlag der Erfindung werden vorzugsweise Stahlfasern mit einer Zugfestigkeit verwendet, die grosser

ist als 30 kg/mm ,

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Im Gegensatz zum bekannten Verfahren, welches einheitlich verteilte und ungeordnet orientierte Stahlfasern anstrebt, sieht die Erfindung die Möglichkeit vor, die Stahlfasern selektiv um die grossen Körner der groben Zuschläge zu verteilen. Letztere können einen maximalen Durchmesser von etwa 25,4 mm aufweisen.

Während die Art und Weise der selektiven oder teilweisen Verteilung der Stahlfasern leichter durch Angabe des Volumenprozentsatzes des Gehaltes an grobem Zuschlag mit grösserem Durchmesser angegeben werden kann, der benötigt wird, um die Stahlfasern daran zu hindern, ihre Orientierung und ihre Position frei zu ändern, wird der Gehalt an grobem Zuschlag in Gewichtsprozent angegeben mit der Absicht, die Angaben bezüglich der Anteile an der Baustelle zu vereinfachen.

In der Zeichnung sind den Stand der Technik und die Erfindung betreffende Ausführungsbeispiele im Schema dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 Schnittdarstellungen von stahlfaserverstärktem Beton, wobei (a) ein unter Anwendung eines bekannten Verfahrens und (b) ein unter Anwendung des Verfahrens gemäss der Erfindung hergestelltes Produkt zeigen;

Fig. 2 die graphische Darstellung einer Körnungskennlinie des feinen Zuschlages, welcher im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen der Erfindung benutzt wird;

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Körnungskennlinien der groben Zuschläge, die im Beispiel A und in den Vergleichsbeispielen B und C verwendet werden.

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Die charakteristischen Merkmale der Erfindung werden im folgenden im einzelnen beschrieben.

(1) Die benutzten Zuschläge haben das Verhältnis (G/S) von grobem Zuschlag zu feinem Zuschlag von grosser als 1,0. Gemäss der Auffassung bezüglich des durchschnittlichen Abstandes der Fasern sind die Stahlfasern je gleichmässiger verteilt und mit einem grössren Freiheitsgrad bezüglich des Wechsels ihrer Orientierung versehen, desto kleiner die Grosse des Zuschlages ist. Aus diesem Grunde wird der Volumenprozentsatz S/a des feinen Zuschlages im Gesamt-Zuschlagsvolumen bei üblichem stahlfaserverstärktem Beton vergrössert (über 60 %), wobei die maximale Korngrösse oder der maximale Korndurchmesser des groben Zuschlages ebenfalls kleingehalten wird. Gemäss der Auffassung bezüglich des durchschnittlichen Abstandes der Fasern können, wenn die Grosse der Zuschläge grosser ist als der durchschnittliche Faserabstand, die Stahlfasern nicht in die groben Stücke des Zuschlages eindringen, so dass bezüglich der Lage und der Orientierung der Stahlfasern Grenzen gegeben sind. In Übereinstimmung mit der Lehre der Erfindung, die zum bekannten Verfahren im Gegensatz steht, wird die Menge von grobem, einen grossen Durchmesser aufweisenden Zuschlag vergrössert, so dass eine selektive oder örtliche Verteilung der Stahlfasern ermöglicht und dadurch die folgenden Wirkungen herbeigeführt wurden.

Der verwendete grobe Zuschlag hat eine ausreichend hohe Festigkeit. Dies hat den Effekt, dass der grobe Zuschlag Risse, Spalten

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oder dgl. ähnlich den Stahlfasern aufhält. Gemäss der Erfindung können durch Wahl des Verhältnisses (G/S) von grobem Zuschlag zu feinem Zuschlag grosser als 1,0, nämlich durch Wahl des Prozentsatzes des feinen Zuschlages (S/a) kleiner als 50 %, in Zusammenwirken mit der Wahl eines grossen Korndurchmessers für den groben Zuschlag, wie nachstehend beschrieben werden wird, die benötigte Menge an Oberflächenwasser und somit die Wichte des Zementes reduziert werden. Im Fall des üblichen stahlfaserverstärkten Betons beträgt das Verhältnis von grobem Zuschlag zu feinem Zuschlag weniger als 1,0.

(2) Die Korngrösse des groben Zuschlages ist so gewählt, dass mehr als 50 % auf einem Sieb mit einer Maschenweite von 1/2 Zoll (12,7 mm) der ASTM-Skala als Rückstand bleiben. Im Fall des üblichen stahlfaserverstärkten Betons verbleiben weniger als 10 % des groben Zuschlages auf einem 1/2-Zoll-Sieb. Wenngleich es Fälle gibt, bei denen die Korngrösse des groben Zuschlages durch die Grosse des groben Zuschlages angegeben wird (im Fall der Erfindung ist die Korngrösse der Zuschlagteilchen überwiegend grosser als 20 mm), welche durch die Grosse der öffnung des Siebes bezeichnet wird, wobei die kleinste Grosse in dem Bereich vorhanden ist, in dem 90 % des Grobζuschiages hindurchgehen, wird im Fall der Erfindung die Grosse des groben Zuschlages wie vorstehend beschrieben angegeben, da es zweckmässig ist, das Objekt des Vergleichs zwischen Erfindung und Verfahren gemäss dem Stand der Technik klar anzugeben und da die genaue und richtige Korngrösse des groben Zuschlages sowohl durch die Maximumgrösse als auch durch

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die Korngrossenverteilung angegeben werden kann. In der Fachliteratur wird die Verwendung von groben Zuschlägen mit einem Korndurchmesser von mehr als 9,5 mm erwähnt, jedoch bezieht sich keine dieser Literaturstellen auf die Bestimmung des Prozentsatzes an grobem Zuschlag für die in Verbindung mit der Erfindung erwähnten Zwecke. Auch die Prozentsätze bezüglich der feinen Zuschläge, die angegeben werden, sind nicht so klein wie im Falle der Erfindung.

(3) Die Zugfestigkeit der Stahlfasern wird so gewählt, dass sie

2
grosser als 30 kg/mm ist.

Beim Verfahren gemäss der Erfindung werden Stahlfasern mit einer

2
Zugfestigkeit von mehr als 30 kg/mm und einem Schlankheitsgrad (1/d) von etwa 30 bis 100 bis zu einem Maximum von etwa 3,0 Volumen-% hinzugefügt. In der Vergangenheit hat man den Elastizitätsmodul der Fasern behandelt, ohne dass auf die Festigkeit der Fasern in irgendeiner Weise Bezug genommen worden wäre. Jedoch müssen die zur Verwendung kommenden Fasern eine ausreichende Verbindungsfestigkeit in Bezug auf die Grundmasse oder den Beton haben. Darüber hinaus muss die Zugfestigkeit der Fasern selbst grosser

als 30 kg/mm sein, um diese Verbindungsfestigkeit auch tatsächlich wirksam werden zu lassen. Die notwendige Festigkeit, Form, Grosse usw. dieser betonverstärkenden Stahlfasern sind in der offengelegten japanischen Patentanmeldung No. 51-126218 offenbart. Die Erfindung offenbart Stahlfasern für das Verstärken von Beton, für die folgende Beziehung gilt:

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- Ii -

. c b

wobei L, a, b, T t und V b jeweils die Länge, die Querschnittsfläche, die Umfangslänge, die Zugfestigkeit und die Verbindungsfestigkeit pro Flächeneinheit der Fasern angeben.

Beim üblichen stahlfaserverstärkten Beton sind die Fasern einheitlich verteilt und regellos orientiert, um den Abstand zwischen den Fasern zu verringern, wohingegen die Lehre gemäss der Erfindung vorsieht, dass die Fasern hinzugefügt werden, um sie selektiv um die grobkörnigen Teile des groben Zuschlages herum zu verteilen. Fig. 1 zeigt schematisch in (a) den Querschnitt eines stahlfaserverstärkten Betons, der unter Anwendung des bekannten Verfahrens hergestellt worden war und in (b) einen stahlfaserverstärkten Beton, der unter Anwendung des Verfahrens gemäss der Erfindung hergestellt worden war. In den Figuren stellen die Linienabschnitte Fasern, die gestreuten Punkte Körner des feinen Zuschlags und die Kreise Körner des groben Zuschlages dar.

Die Anwendung der Erfindung hat im Vergleich zur Anwendung von grobem Zuschlag mit kleiner Korngrösse den Effekt, dass die Räume zwischen den Teilchen oder Körnern, in denen Risse oder dgl. auftreten können, effektiv so verringert sind, dass das Auftreten irgendwelcher Risse, Sprünge oder dgl., die dazu tendieren, durch die Fasern hindurchzugehen, verhindert wird. Darüber hinaus haben die groben Zuschläge bezüglich der Bildung von Rissen usw. eine

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- 12 hemmende Wirkung.

Das Verfahren gemäss der Erfindung kann in der vorstehend beschriebenen Weise ausgeführt werden. Die folgende Tabelle 1 zeigt das Ergebnis eines Gesamtvergleichs zwischen einem stahlfaserverstärkten Beton, der nach dem Verfahren gemäss der Erfindung hergestellt worden ist und einem üblichen stahlfaserverstärkten Beton.

Tabelle 1

Erfindung

Stand der Technik

Korngrösse des groben Zuschlages

mehr als 50 % Rückstand auf einem
(1/2-Zoll) 12,7 mm-Sieb

weniger als 9,5 mm (3/8 Zoll)

Verhältnis des groben Zuschlages zum feinen Zuschlag (G/S)

grosser als 1,0

kleiner als 1,0

Festigkeit der Stahlfaser

grosser als 30 kg/ nicht angegeben mm

Verteilung der Stahlfasern

selektive Verteilung einheitliche Verum grosse Zuschlags- teilung mit kleikörner herum nem Faserabstand

Zementgehalt

ungefähr der gleiche ausserordentlich wie bei üblichem un- gross bewehrtem Beton

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Bei Anwendung der Lehre gemäss der Erfindung besteht keine Notwendigkeit, irgendwelche besonderen Zuschläge sehr kleiner Korngrössen zu verwenden. Die notwendigen Zuschläge können überall ohne Schwierigkeiten billig beschafft werden. Da der Wassergehalt verringert werden kann, ergibt sich auch eine entsprechende Verringerung der Wichte des Zements. Es ist möglich, auf wirtschaftliche Weise den gewünschten stahlfaserverstärkten Beton mit grösserer Zähigkeit, Schlagfestigkeit, Biegefestigkeit usw. herzustellen.

Im folgenden werden einige besonders vorteilhafte Ausführungsformen beschrieben.

Tabelle 2 zeigt die Zusammensetzung und die Biegefestigkeit von Ausführungen von stahlfaserverstärktem Beton, die gemäss den Beispielen unter Anwendung des Verfahrens gemäss der Erfindung hergestellt worden sind. Zur Verwendung kamen Stahlfasern mit 0,5 χ 0,5 χ 30 mm Grosse (die unter dem Warenzeichen "Tesusa" vertrieben, von Nippon Kokan K.K. entwickelt und von Sango Co. Ltd. hergestellt werden). Die Fasern wurden durch Zerkleinern bzw. Zerschneiden von Stahlblech hergestellt. Die Zugfestigkeit der Fasern betrug 32 kg/mm . Die Korngrössenverteilung des verwendeten feinen Zuschlags entspricht der der Fig. 2. Der verwendete grobe Zuschlag entsprach Klasse No. 8 ASTM (American Society for Testing Meterials). Die Korngrössenverteilung ist durch die Linie A in Fig. 3 dargestellt. In der Tabelle beziehen sich die Angaben bezüglich der Anfangsfestigkeit und der End- bzw. Höchstfestig-

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keit auf Biegeriss-Messungen, deren Ergebniss gemäss dem Testverfahren JISA 1106 (japanischer Industriestandard) für Beton-Biegefestigkeit erhalten wurden. Tabelle 2 zeigt auch als Vergleichsbeispiel die Werte, die von früher veröffentlichten Versuchsberichten stammen. Das Vergleichsbeispiel 1 war in "Pavement Applications for Steel Fibrous Concrete", Transportation Engineering Journal, February 1975; das Vergleichsbeispiel 2 in Construction Engineering Research Laboratory Technical Report M-147, August 1975; Vergleichsbeispiel 3 in "Different Concrete Offers Reduced Maintenace Costs", Public Works, August 1972; und das Vergleichsbeispiel 4 in "Fibrous Concrete Pavement of Tomorrow", American Concrete Paving Association News Letter Vol. 8, No. 10, October 1972 veröffentlicht worden. In Fig. 3 zeigen die Linien B und C die Korngrössenkurven der groben Zuschläge, die jeweils in den Vergleichsbeispielen 1-3 und dem Vergleichsbeispiel 4 benutzt worden waren.

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Tabelle 2

	Zement	Beispiele Erfindung	2	gemäss	der	Vergleichs beispiele	1	2 :	3	4
	Sand (S)	1	220	3	4	446	3O8J	502	5Ο4
	grober Zuschlag (G)	220	817	320	320 '	890	802 ]	L003	931
cn	Stahlfaser	831	1060	722	709	600	799	423	537
Mengen kg/m	Wasser	1073	157	1156	1143	1O4	95 119	157	71 119
	Wasser/Zement- Verhältnis in %	79	160	79	157	223	172	229	168
dgl.	Maximaler Durchmes ser des groben Zu schlages in mm	160	72	160	160	50	56	46	33
ΐ !	Verhältnis von feinem Zuschlag zu grobem Zu schlag (G/S)	72	25	50	50	9.5	9.5	9.5	L2.7
Verhältnisa	2 Anfangsbruchfestigkeit kg/can	25	13.0	25	25	0.67	0.996	0.42	0.58
	2 Endbrucäifestigkeit kg/an	1.29	53.0	1.60	1.61
	42.0	65.1	65.9	74.6
56.1	73.9	127.0

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zum Mischen von stahlfaserverstärktem Beton unter Verwendung eines Zuschlages, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis (G/S) von grobem Zuschlag zu feinem Zuschlag grosser als 1 ist und die Korndurchmesser des groben Zuschlages so gewählt sind, dass der Rückstand mehr als 50 % auf einem Sieb mit einer Maschenweite von 1/2 Zoll (12,7 mm) der ASTM-Skala beträgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die

Zugfestigkeit der Stahlfasern grosser als 30 kg/mm ist.
3. Unter Verwendung eines Zuschlages hergestellter stahlfaserverstärkter Beton, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von grobem Zuschlag zu feinem Zuschlag mehr als 1,0 beträgt und der grobe Zuschlag derartige Korndurchmesser aufweist, dass der Rückstand mehr als 50 % auf einem Sieb mit einer Maschenweite von 1/2 Zoll (12,7 mm) der ASTM-Skala beträgt und die Stahl-

fasern eine Zugfestigkeit von mehr als 30 kg/mm aufweisen.
4. Stahlfaserverstärkter Beton nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahlfasern selektiv um die grossen Körner des groben Zuschlags, die einen maximalen Durchmesser von 25,4 mm aufweisen, verteilt sind.

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ORIGINAL INSPECTED