DE2904288A1

DE2904288A1 - Stahlfaser zum verstaerken von beton und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE2904288A1
Application number: DE19792904288
Authority: DE
Inventors: Kazusuke Kobayashi; Takeo Nakagawa; Yoshitomo Tezuka
Original assignee: Aida Engineering Ltd
Current assignee: Aida Engineering Ltd
Priority date: 1978-02-22
Filing date: 1979-02-05
Publication date: 1980-08-07
Also published as: JPS54112517A; US4560622A; SU1036252A3; DE2904288C2

Description

Aida Engineering Co., Ltd.
Takeo Nakagawa
Kazusuke Kobayashi

Stahlfaser zum Verstärken von Beton und Verfahren zu ihrer Herstellung

Die Erfindung betrifft eine Stahlfaser zum Verstärken von Beton sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Beton, der durch gleichförmige Beimischung oder Vermengung mit kurzen Stahlfasern verstärkt ist, besitzt höhere Werte der Zugfestigkeit, der Biegefestigkeit, der Bruchfestigkeit, der Zähigkeit, der Stoßfestigkeit und dergleichen. Dementsprechend hat sich das Interesse der Industrie in jüngster Zeit auf solchen Beton gerichtet.

Die Festigkeitseigenschaften des mit Stahlfasern verstärkten Betons hängen ab von den Eigenschaften der zuzumischenden Stahlfasern, und in diesem Zusammenhang wurde davon ausgegang-en, daß Stahl fasern kurzer Länge hervorragende Ver-

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Stärkungseffekte liefern würden.

Zur Sorte der kurzen Fasern gehören Glasfasern und Kunststoff asern, jedoch verwendet man im Hinblick auf verschiedene Anwendungsmöglichkeiten bzw. im Hinblick auf die Stoßfestigkeit in der Regel Stahlfasern. Es gibt drei Arten von Stahlfasern, die nach ihren Herstellungsverfahren folgendermaßen grob unterteilt werden können:

a) Stahlfasern, die auf die erforderliche Länge geschnitten werden;

b) kaltgewalztes Stahlblech, dessen Breite der Faserlänge entspricht, wird von einer umlaufenden Schneidkante oder von einer Preßmühle zerhabkt bzw. abgeschert;

c) man läßt eine Scheibe oberhalb von geschmolzenem Stahl rotieren, um geschmolzenen Stahl zu entnehmen.

Jedoch sind die nach den vorstehend genannten Verfahren hergestellten Stahlfasern nicht zufriedenstellend. Das Verfahren a, bei dem ein Stahldraht geschnitten wird, ergibt Fasern mit rundem Querschnitt. Nach dem Verfahren b, bei dem ein Stahlblech abgeschert wird, ergeben sich Fasern von rechteckigem Querschnitt. Da die Oberflächen glatt oder eben sind, kommt es zu keiner zusätzlichen Oberflächenvergrößerung, und es ist daher erforderlich, die Menge an Stahlfasern zu erhöhen, die dem Beton beigemischt werden. Dementsprechend ergeben sich hohe Kosten für den Betonbau. Unter diesen Umständen hat man die Fasern an beiden Enden verquetscht oder in der Mitte abgebogen, um die Haftkraft gegenüber dem Beton zu erhöhen, jedoch wächst in gleichem Ausmaß die Anzahl der Herstellungsschritte an, und die

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Produktionskosten werden hoch, da eine große Menge an behandeltem Rohmaterial Verwendung findet. Wenn außerdem nach einer solchen Behandlung die Fasern in den Beton eingemischt und eingerührt werden, so verhaken sie sich aufgrund ihrer verquetschten oder abgebogenen Abschnitte ineinander, um kugelförmige Knäuel zu bilden. Die Fasern werden daher nicht gleichmäßig im Beton verteilt. Absichtlich vorgenommene Aufrauhungen der Fasern wirken als Kerben und führen zu Brüchen, so daß sich die Festigkeitseigenschaften vermindern. Da außerdem bei der Herstellung von Stahldraht und Stahlblech Schmiermittel verwendet werden, verbleibt ein Ölfilm auf den Oberflächen der erzeugten Fasern. Hierin liegt einer der Gründe zur Verminderung der Haftfähigkeit gegenüber der Betonmasse.

Bei dem Verfahren c werden die Stahlfasern durch eine wassergekühlte, umlaufende Scheibe dem geschmolzenen Stahl entnommen. Die umlaufende Scheibe trägt geteilte Spiralschrauben auf ihrer Oberfläche, und der geschmolzene Stahl, der mit dem Grat der Schraube in Berührung tritt, wird augenblicklich gekühlt. Die erzielten Fasern sind daher ungleichförmig im Querschnitt und unzuverlässig hinsichtlich ihrer Hafteigenschaften sowie minderwertig unter dem Gesichtspunkt der Verstärkungscharakteristika.

Im Hinblick auf diese Gegebenheiten des Standes der Technik richtet sich die Erfindung auf die Schaffung einer verbesserten Stahlfaser zum Verstärken von Beton sowie auf ein Verfahren zur Herstellung solcher Stahlfasern.

Der Erfindung liegt vor allem die Aufgabe zugrunde, eine Stahlfaser zu schaffen, die vorzüglich ist hinsichtlich ihrer Verstärkungseigenschaften und ihrer Haftung gegenüber dem Beton und die die Fasermenge vermindern kann, die dem Beton

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beizumischen ist. Auch soll sich die Stahlfaser ohne Bildung von Faserknäueln gut verteilen lassen, wenn sie unter Verwendung eines Mischers dem Beton beigemischt und beigemengt wird.

Auch richtet sich die Erfindung auf die Schaffung einer Stahlfaser, die die Menge_s in der sie dem Beton beigemischt wird, vermindert und keines Separators bedarf, wie er bei Verwendung normaler Stahlfasern erforderlich ist. Die Stahlfaser soll ferner den Anstieg der Belastung vermindern, die beim Mischen entsteht, wodurch sich die Zeitspanne der mechanischen Einwirkung beim Mischen verkürzt.

Die Oberfläche der erfindungsgemäßen Stahlfaser soll außerdem mit einem oxydierten Film blauer Färbung überzogen sein, der eine korrosionshindernde Wirkung besitzt.

Ein weiteres Ziel der Erfindung liegt in der Schaffung eines verbesserten Verfahrens, mit dem es möglich ist, in industriellem Maßstab und auf äußerst zweckmäßige Weise Stahlfasern mit den oben erwähnten Eigenschaften zu niedrigen Kosten zu produzieren.

Die erfindungsgemäße Stahlfaser zum Verstärken von Beton ist ein nadeiförmiger Span, der sich durch direkte maschinelle Bearbeitung eines Stahlblocks mittels eines Fräsers ergibt. Die Faser trägt Rillen oder Riefen auf ihrer freien Seitenfläche, wobei diese Riefen von einer Mehrzahl erhabener, über die Faserlänge verlaufender Wellen getragen werden, deren Querschnitt insgesamt ungleichmäßig ist, ähnlich dem von Gebirgezügen.

Die Oberfläche der erhabenen Wellen ist, anders ausgedrückt, mit Streifenmustern unterschiedlicher Höhe versehen. Vorzugs-

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weise verläuft die Welle fast parallel entlang der Paser oder geneigt bezüglich der Faserlängsrichtung oder aber derart geneigt von Ende zu Ende über die Breite der Faser, als bildete sie einen diagonalen Wellenknoten. Außerdem ist es vorteilhaft, daß der Faserquerschnitt im wesentlichen in den Bereich von O₃I mm² bis 0,5 mm² fällt, und zwar im Hinblick auf das Verhältnis von Vorschub mal Schnittiefe pro Schneidzahn.

Es ergibt sich also, daß die erfindungsgemäße Stahlfaser absolut unterschiedlich ist gegenüber den Abfallspänen., die man normalerweise beim maschinellen Bearbeiten von Stahl zur Erzeugung eines bestimmten Formstücks erhält. Derartige Abfallspäne fallen an als unwirtschaftlich erzeugte Peilspähe oder als Span-Öl-Rückstand ohne Bildung von Fasern, oder als gebogene, geringelte Spiralen. Diese aus maschineller Bearbeitung resultierenden Abfallspäne genügen nicht den Anforderungen hinsichtlich Verstärkungseigenschaften, Haftfähigkeit gegenüber der Betonmasse und gleichförmiger Verteilung innerhalb der Betonmasse, wie sie wichtig sind für Stahlfasern zur Verstärkung von Beton. Außerdem sind diese Späne nicht ausreichend wirtschaftlich herstellbar. Sie sind schlechter hinsichtlich der Biegefestigkeit, der Härte, der Fließgrenze und besitzen insbesondere eine geringe Zugfestigkeit, was von Wichtigkeit ist für die Verstärkung des Betons. Auch kann es zu Brüchen unter der Biegebelastung beim Mischen kommen, wodurch sich Verluste bezüglich des erwünschten Verstärkungseffekts ergibt. Hinzu kommt, daß diese Späne unzureichend sind, was die Haft eigenschaften und die gleichmäßige Verteilung anbelangt, und daß sie dazu neigen, kugelförmige Knäuel zu bilden.

Demgegenüber besteht die erfindungsgemäß hergestellte Stahl-

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faser aus einem nadeiförmigen Span mit gebirgsähnlichem Querschnitt, erzeugt durch Zusammenschieben und Zusammenfassen der Oberflächenschicht des Stahlblocks durch das plastische Fließen bei der spanabhebenden Bearbeitung. Die Faser besitzt eine beträchtlich hohe Härte durch Bearbeitungsverfestigung und eine hohe Oberflächenfestigkeit durch Tempern. Ihre Zugfestigkeit ist daher größer als die einer Stahlfaser, die von einem dünnen Blech abgeschert ist, und sie besitzt ferner hervorragende Werte hinsichtlich Biegefestigkeit, Härte und Fließgrenze.

Außerdem besitzt die Stahlfaser nach der Erfindung hervorstechende Merkmale, nämlich feine Riefen über ihrer gesamten Fläche, die von entlang der Faser verlaufenden, erhabenen Wellen gebildet wird. Daher ist die Oberfläche dieser Stahlfaser größer als diejenige von solchen Fasern, die von Draht abgeschnitten, von Stahlblech abgeschert oder als Abfallspan einer normalen maschinellen Bearbeitung erzeugt worden sind. Dieses Merkmal wird immer hervorstechender, wenn die Anzahl der Wellen zunimmt. Aufgrund der großen Oberfläche und der vielen Vorsprünge wird die Haftkraft beim Einmischen in den Beton erhöht, um den Verstärkungseffekt zu vergrößern. Insbesondere dann, wenn die erhabenen Wellen schräg zur Faserachse verlaufen, vergrößert sich der Widerstand gegen ein Herausziehen der Faser. Da, wie erwähnt, die Welle über die Faserlänge verläuft, ergeben sich keine Probleme wie bei den anderen Fasern, die einer nachträglichen Bearbeitung zur Erzeugung von Oberflächenunebenheiten unterworfen werden, wobei diese Unebenheiten eine Bruchanfälligkeit hervorrufen. Bei der Stahlfaser nach der Erfindung kann also die Haftkraft gegenüber der Betonmasse erhöht werden, ohne daß die Festigkeitseigenschaften des Betons vermindert würden. Die Erfindung umfaßt auch solche Stahl-

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fasern, deren gesamter Körper in Axialrichtung der Paser verdreht ist. Bei diesen Fasern ist der Widerstand gegen ein Herausziehen noch weiter vergrößert, und zwar durch die Verdrehung und die oben erwähnten erhabenen Wellen.

Die erfindungsgemäße Stahlfaser weist die erhabenen oder kompakten, in Axialrichtung der Faser verlaufenden Wellen auf, und es ist davon auszugehen, daß diese Fasern in willkürlicher, dreidimensionaler Ausrichtung beigemischt werden. Unter diesem Gesichtspunkt lassen sich die Fasern, wenn sie mittels eines Mischers dem Beton beigemischt werden, sehr gleichmäßig verteilen, ohne Faserknäuel zu bilden. Dementsprechend entstehen innerhalb der Betongegenstände keine örtlichen Schwachstellen, und man kann die zu verwendenden Fasern wirksam beimischen.

Die oben erwähnten verschiedenen Eigenschaften sind äußerst vorteilhaft bei der Benutzung und äußerst wirkungsvoll bei der Herstellung, sofern die Fasern eine Querschnittsfläche besitzen, die in den Bereich zwischen 0,1 mm² und 0,5 mm² fällt, und zwar bezogen auf das Verhältnis von Vorschub mal Schnittiefe pro Schneidzahn.

Aufgrund der hohen Werte der erfindungsgemäßen Stahlfaser für Festigkeit, Hafteigenschaften und gleichmäßige Verteilung wird einerseits der Verstärkungseffekt des Betons hervorgehoben, und es läßt sich andererseits die Menge vermindern, in der die Fasern beigemischt werden müssen. Da, wie erwähnt, die hohen Kosten für die Stahlfasern den Engpaß für die Überwiegende Verwendung des mit Stahlfasern verstärkten Betons bilden, ist die Verminderung der beizumischende Menge von äußerster Bedeutung für die leichtere Verwendbarkeit und Herstellbarkeit des Betons, da weniger Stahl benötigt wird. Die gleichmäßige Verteilung der Fasern steht in Beziehung

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mit der Verstärkungsxvirkunga und die Belastung des Mischers wird beträchtlich vermindert, so daß sich eine Verkürzung der Mischzeit ergibt«, Diese Vorteile sind verbunden mit einer wirtschaftlicheren Herstellung und mit geringeren Arbeitszeiten»

Was die erfindungsgemäße Herstellung der Stahlfaser sum Verstärken von Beton anbelangt_a so wird der Stahlblock direkt mit dem Fräser bearbeitet_s um nadeiförmige Späne zu erzeugen* Als Fräser wird ein Walzenfräser großen Durchmessers verwendet ₅ dessen Schneidkante einen negativen Span=- oder Freiwinkel sowie einen Verdrehungswinkel bezüglich der Antriebswelle des Fräsers aufweist. Der Stahlblock xvird im Abwärtsschnitt gefräst j, und zwar bei hoher Schnittgeschwindigkeit und geringer Schnittiefe. Dies ist völlig verschieden von den Betriebsbedingungen normaler Fräser,, bei denen die Vertikal·= richtung bezüglich der Ärbeitsebene mit der Axialdichtung der Faser zusammenfällt» Beim normalen spanabhebenden Bear=· beiten sur Erzeugung eines Formstücks vorbestimmter Größe mittels eines Walzenfräsers wird empfohlen₃ daß der Freiitfinkel der Schneidkante positiv (Plus-Winkel)_s die Schnittbreite schmal und die Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit groß sein sollen» Unter diesen Bedingungen entstehen die Späne als brüchige Abfallspäne und nicht als Nadeln, wie es bereits erwähnt wurde» Beim Vermischen xirird der Beton höchstens schwer, ohne seine Festigkeit zu erhöhen»

Aufgrund der oben genannten Bedingungen wird die dünne Oberflächenschicht von einigen zehn Mikron des Blockmaterials zusammengeschoben und zusammengefaßt durch die plastische Bearbeitung von jedem Schneidzahn, um gerade, nadelfSrmige Späne zu ergeben, deren Festigkeit erhöht ist im Vergleich zu der des Ausgangsmaterials, und zwar durch Bearbeitungs-

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verfestigung aufgrund der erheblichen, bei der maschinellen Bearbeitung hervorgerufenen plastischen Verformung. Da die Schneidkante des Fräsers einen negativen Freiwinkel und einen Verdrehungswinkel gegenüber der Fräserachse aufweist, kommt bei der maschinellen Bearbeitung ein erheblicher Widerstand hinzu. Auch wird die Faser auf ihrer Oberfläche einem Glüh- und Härteeffekt unterworfen, um auf diese Weise die Festigkeit der Faser zu erhöhen.

Vorzugsweise wird der Block mit hoher Geschwindigkeit im Abwärtsschnitt unter folgenden Bedingungen maschinell bearbeitet: Der negative Freiwinkel liegt zwischen 0° und -30°i der Verdrehungswinkel beträgt zwischen 0° und 60°; es besteht ein Verhältnis zwischen dem Vorschub pro Schneidzahn Sz und der Schnittiefe tj entweder Sz oder t liegt zwischen 0,1 mm und 2,0 mm, wobei Sz χ t in den Bereich zwischen 0,1 bis

0,5 mm'² ; entweder Sz oder t beträgt mehr als 0,4 mm. Unter diesen Bedingungen wird der Faserquerschnitt im Mittel breit und dünn, und die freie Seitenfläche, die die Freifläche der Schneidkante nicht berührt, wird insgesamt mit feinen Riefen versehen, wobei die erhabenen Wellen in Axialrichtung der Faser verlaufen. Durch Ändern des Verdrehungswinkels <?<_ der Schneidkante können die Wellen so ausgebildet werden, daß sie nicht nur fast parallel zur Faserachse, sondern auch spitzwinklig hierzu verlaufen. In diesem Zusammenhang kann auch die Wellengröße (Maß der Erhabenheit) nach Wunsch geändert werden, in^dem man entweder die Schnittgeschwindigkeit V, den Freiwinkel θ der Schneidkante oder den Durchmesser D des Fräsers bzw. sämtliche dieser Werte ändert. Der erfindungsgemäße Produktionsablauf ist einfach, und zwar im Hinblick darauf, daß die verwendete Vorrichtung unkompliziert ist, daß billiges Ausgangsmaterial, nämlich ein nicht vorbearbeiteter Block, verwendet wird, daß mit hoher Herstellungsgeschwindigkeit gearbeitet wird und daß keine Nachbearbeitung erforderlich ist, um die Hafteigenschaften gegenüber der Betonmasse zu erhöhen. Daher läßt sich die hohe Anzahl an

χ fällt

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Stahlfasern von 1 bis 3 Millionen pro Im³ Beton bei
niedrigen Kosten erzeugen.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich
aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung. Die Zeichnung zeigt in:

Figur 1 eine perspektivische Teilansicht eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels einer Stahlfaser zum Verstärken von Beton;

Figur 2 und 3 Fotografien von erfindungsgemäßen Ausführungsformen von Stahlfasern (4-fache Vergrößerung);

Figur k eine Mikroskop-Fotografie einer vergrößerten Oberfläche der Stahlfaser nach Figur 3 .(50-fache Vergrößerung);

Figur 5a bis 5d einen Vergleich des Querschnitts einer
typischen erfindungsgemäßen Faser d mit den Querschnitten bekannter Fasern, nämlich der Faser a, die aus Draht geschnitten ist, der Faser b, die abgeschert ist, und der Faser c, die aus der Schmelze entnommen ist;

Figur 6 im schematischer Seitenansicht die Herstellung
einer erfindungsgemäßen Stahlfaser;

Figur 7 eine Seitenansicht eines bei der Durchführung der Erfindung eingesetzten Fräsers, wobei das zur Anwendung
kommende Verfahren erläutert ist;

Figur 8 eine Vorderansicht des Fräsers zur Herstellung der erfindungsgemäßen Stahlfaser;

Figur 9a und 9b die Oberflächen γοη Stahlblöcken unter Ein-

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satz von Präsern unterschiedlicher Durchmesser;

Figur 10a und 10 b vergrößerte Querschnitte der Pasern, und zwar den Einfluß der Schnittgeschwindigkeit auf die Querschnittsform der Pasern;

Figur 11a und 11b vergrößerte Querschnitte der Fasern, und zwar den Einfluß des Verhältnisses von Sz/t auf die Querschnittsform der Pasern;

Figur 12 ein Diagramm für den optimalen Schnittbereich zur Ausbildung erhabener Wellen bei der erfindungsgemäßen Stahlfaserproduktion;

Figur 13 ein Diagramm für das Verhältnis der beizumengenden Stahlfasermenge und der Biegefestigkeit des Betons, und zwar im Vergleich zwischen der Erfindung und dem Stande der Technik;

Figur 14 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform eines für das erfindungsgemäße Verfahren geeigneten Fräsers;

Figur 15 eine Vorderansicht des Fräsers nach Figur 14.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung diskutiert. Die Figuren 1 bis 4 zeigen die S^ahlr fasern zum Verstärken des Betons gemäß der Erfindung, wobei eine vollständige Faser mit dem Bezugszeichen 5 versehen ist.

Die Stahlfaser 5 stellt einen nadeiförmigen Span dar, der durch direktes maschinelles Bearbeiten einer Oberfläche eines Blocks erhalten wird, und zwar derart, daß gemäß Figur 6 ein zylindrischer Fräser 1, der eine Mehrzahl von

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Schneidkanten 2 in Form von zementierten Karbidplättchen (VJaIzenfräser-Schneidkanten) auf seinem Außenumfang trägt, im Abwärtsschnitt bezüglich des Blocks 4 gedreht wird. Hierzu dient eine umlaufende Welle 3·, die im Mittelpunkt des Präsers angreift. Gleichzeitig wird der Fräser 1 relativ zum Block H verschoben. Dabei entstehen die Stahlfasern₉ und zwar unabhängig davon₅ob die Schneidkanten axial verlaufen oder verdreht sind.

Die erfindungsgemäße Stahlfaser 5 kennzeichnet sich durch Ausbildung einer ebenen Fläche 51 auf einem Abschnitt, der Kontakt mit der Schneidkante 2 hat«, durch feine Rillen oder Riefen 52 über der gesamten freien, nicht geschnittenen Oberfläche und durch eine Mehrzahl von kompakten oder erhabenen Wellen 53, die auf der mit Riefen versehenen Oberfläche über die Länge der Faser verlaufen, xvobei die Wellen insgesamt einen Querschnitt ähnlich dem eines Gebirgszuges aufweisen mit relativ gleichförmiger Dicke und weiter Längenerstreckung., Die mit Riefen 52 versehene Oberfläche und die erhabene Welle 53 ergeben sich außerdem aus Figur 3« Die Welle 53 ist mit Streifenmustern unterschiedlicher Höhe versehen, und sie kann gemäß Figur 3 und ¹J fast parallel zur Faserlängsachse verlaufen. Jedoch ist es empfehlenswert, daß sich die Welle gemäß Figur 2 mit beträchtlicher Neigung bezüglich der Faserachse von einem Ende zum andern quer über die Faserbreite erstreckt. Die mit Drall versehenen Wellen nach Figur 2 oder 3 können den Widerstand gegen ein Herausziehen der Faser erhöhen.

Vorzugsweise besitzt die Faser eine Welle mit tiefen Tälern und vorspringenden Kämmen, wodurch sich der Oberflächenbereich vergrößert, um die Haftfähigkeit gegenüber der Beton-

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masse zu erhöhen. Die Figuren 5a bis 5d zeigen die Querschnittsformen und die Querschnittsgrößen im Verhältnis der erfindungsgemäßen Faser zu den bekannten Fasern. Es 'ergibt sich aus Figur 5, daß die jeweilige Faser eine ausgeprägte Querschnittsform besitzt. Vorausgesetzt sei, daß das Querschnittsverhältnis bei Figur 5a, nämlich des geschnittenen Drahtes, 1,0 beträgt. Dann weisen die Querschnittsverhältnisse der abgescherten Faser nach Figur 5b und der aus der Schmelze entnommenen Faser nach Figur 5c bestenfalls ein Querschnittsverhältnis 1,2 auf. Das Querschnittsverhältnis der erfindungsgemäßen Faser gemäß Figur 5d geht bis zu 1,8. Bezogen auf den geschnittenen Draht beträgt also das Querschnittsverhältnis dieser Faser das 1,8-fache,und bezogen auf die abgescherte Faser das 1,5-fache. Die Fasern mit den gerieften Oberflächen und den erhabenen Wellen weisen in diesem Zusammenhang ein Querschnittsflächenverhältnis von 1,5 auf. Im Verhältnis hierzu besitzen die erfindungsgemäßen Fasern einen vergrößerten Oberflächenbereich. Die Bezugsziffer 5^ bezeichnet einen vorsprungartigen Abschnitt an einer Seite der Fläche 51.

Die Querschnittsgröße der erfindungsgemäßen Faser kann nach Belieben geändert werden durch Wahl der später erwähnten Werte Sz bzw. t, wobei Sz χ t zwischen 0,1 und 0,5 mm² angemessen ist unter Berücksichtigung der Biegefestigkeit und des Produktionswirkungsgrades.

Figur 13 zeigt das Verhältnis zwischen der zuzumischenden Menge an Stahlfasern und der Biegefestigkeit des mit den Stahlfasern verstärkten Betons, und zwar beim Zumischen -der Stahlfasern I, II und III. Die Stahlfasern I besitzen erhabene Wellen, die schräg zur Faserlängsachse verlaufen (Θ = -15°, oU =15°, Anzahl ζ der Schneidkanten = 18, D = , 250 mm, V = 95 m/min, Sz = 0,8 mm, t = 0,3 mm, Material: Weichstahl). Die spanabhebend hergestellten Stahlfasern II

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besitzen keine erhabenen Wellen (Θ = 0°, oL- = 25°, D = 100 mm, V= 30m/min, Sz=O,5 mm, t= 0,5 mm, Material: Weichstahl). Die Stahlfasern III schließlich sind von dünnem Stahlblech abgeschert und besitzen einen Querschnitt von 0,5 χ 0,5 mm.

Die Eigenschaften der Stahlfasern I bis III ergeben sich aus der Tabelle 1.

Tabelle 1

II

III

Querschnittsfläche A (mm²) Länge L (mm)
Flächenverhältnis L/d Zugfestigkeit/(Kg/mm²)

0,24	0,25	0,25
30	30	30
55	55	55
72	71	71,5

Querschnittsform

Dünnes Profil Dreieck mit Erhabenheiten ähnlich einem Gebirgszug

Rechteck

Die Prüfstücke hatten die Maße 10 χ 10 χ 4θ cm und bestanden aus verstärktem Beton mit dem Verhältnis Wasser/Zement von 0,5. Die Maximalgröße der Zuschlagstoffe betrug 15 mm. Das Verhältnis der Faserbeimischung lag bei 1,055 und 2,0$. Die Biegeversuche wurden so durchgeführt, daß man das Prüfstück in 5 cm Abstand von den Enden festhielt und die Prüflast auf die beiden Punkte in den Drittelabständen zwischen den Haltepunkten einwirken ließ.

Es ergibt sich aus Figur 13s daß die erfindungsgemäßen Stahl-

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fasern im Vergleich zu den beiden anderen Stahlfasern hervorragende Verstärkungseigenschaften bewirken können. Dies ist zurückzuführen auf die erwähnten erhabenen Wellen im Zusammenhang mit der gerieften Oberfläche, wodurch die Oberflächengröße erweitert und die Haftung gegenüber dem Beton erhöht sowie der Widerstand gegen ein Herausziehen vergrößert werden.

Die Mischungsverhältnisse der Stahlfasern bezogen auf den Beton, und zwar in Volumenverhältnissen, ergeben sich aus Tabelle 2.

Tabelle 2

Mischungsverhältnis, 155 Mischungsverhältnis 2%

120 Kg/cm² 110 Kg/cm² 102 Kg/cm²

I	93 Kg /cm²
II	85 Kg /cm²
III	78 Kg /cm²

Aus Tabelle 2 ergibt sich, daß bei Verwendung von erfindungsgemäßen Stahlfasern das Mischungsverhältnis erheblich vermindert werden kann im Vergleich zu bekannten Pasern, die von einem dünnen Blech abgeschert sind, oder im Vergleich zu Pasern, die lediglich eine geriefte Oberfläche ohne Wellen aufweisen.

In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß die vorliegenden Stahlfasern gleichförmig in der Betonmasse verteilt

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wurden, bevor der Mischer zum Einsatz kam₂ und daß ein Separator nicht erforderlich war. Figur 13 zeigt, daß die Biegefestigkeit erfindungsgemäß fast geradlinig mit Erhöhung des Mischungsverhältnisses ansteigt_s !Während die Biegefestigkeiten der beiden anderen Pasern rasch zunehmen,, wenn das Mischungsverhältnis sich erhöht. Die Ursache ist_a daß die vorliegenden Pasern vorzügliche Verteilungseigenschaft en besitzen und in zufälliger_a dreidimensionaler Ausrichtung beigemischt werden»

Als nächstes sei Bezug genommen auf die erfindungsgemäße Herstellung der Stahlfasern zum Verstärken von Beton» Der VJaIz enf ras er I₉ der mit einer Mehrzahl von Schneidkanten auf seiner äußeren Umfangsfläche versehen ist,, wird während seines Umlaufs relativ zum Stahlblock H bewegt_s um eine direkte maschinelle Bearbeitung der Oberfläche des Stahlblocks durchzuführen. Hierzu besteht der Stahlblock 4 als Rohmaterial für die Stahlfasern vorzugsweise aus Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt;, nämlich aus Weichstahl oder aus Ultra-Weichstahl, und zwar im Hinblick auf die Bearbeitungseigenschaft ens den Verschleiß des Werkzeugs und die Qualität des erzeugten Produktes» Unter den Rohmaterialien werden angelassene oder normalgeglühte Materialien empfohlen, und zwar im Hinblick auf die Bearbeitungseigenschaften bzw. die Verformbarkeit» Automatenstahl ist geeignet, eine lange Lebensdauer des Werkzeugs zu erzielen» Natürlich kann man auch SpezialStähle, beispielsweise rostfreien Stahl, verwenden«

Jedoch genügt es nicht', nur den Stahlblock auf seiner Oberfläche mittels der umlaufenden Schneidkante zu bearbeiten, um Stahlfasern mit speziellen Eigenschaften zu erzeugen. Die Schnittrichtung, der Außendurchmesser des Fräsers, die Bedingungen der Schneidkanten, die Schnittgeschwindigkeit una Beziehung zwischen dem Vorschub Sz und der Schnittiefe t pro Schneidzahn müssen speziell gewählt sein bzw» innerhalb

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bestimmter Bereiche liegen, da andernfalls die Stahlfaser keine geriefte Oberfläche mit erhabenen Wellen erhält, welche sich über die Faserlänge erstrecken. Es ist nämlich Bedingung, daß der Stahlblock im Abwärtsschnitt von demWalzenfräser bearbeitet wird, der an der Schneidkante einen negativen Preiwinkel und einen Verdrehungswinkel bezüglich der Antriebswelle des Präsers aufweist. Auch wird mit. hoher Geschwindigkeit, mit geringer Schnittiefe und mit einem bestimmten Verhältnis zwischen Sz und t gearbeitet.

Vor allen Dingen ist also die Schnittrichtung erfindungsgemäß abwärts gerichtet. Abgesehen von dem allgemeinen Vorteil, die Lebensdauer des Werkzeugs zu verlängern, läßt der Abwärtsschnitt erfindungsgemäß den Querschnitt der Faser klein werden und erzeugt einen vorsprungförmigen Abschnitt an einer Faser.seite (siehe Figur 1 und 5), wodurch sich der Oberflächenbereich erweitert.

Für die Schneidkante gilt, daß der negative Freiwinkel θ gemäß Figur 7 zwischen 0° und -30° liegt und daß der Verdrehungswinkel «i bezüglich^ der Antriebswelle gemäß Figur 8 in den Bereich zwischen 0° und 6o° fällt, d.h., daß der Verdrehungswinkel bezüglich der horizontalen Oberfläche des Stahlblocks zwischen 0° und 60° liegt. Der Grund für die Wahl des Freiwinkels β zwischen 0° und -30° liegt darin, daß dieser Winkel geeignet ist, die Faser dünn werden zu lassen, ein Verkanten oder Rattern der Schneidkante zu vermeiden und einen Kraterabrieb zu verhindern. Der Verdrehungswinkel

oC i^{st e}iⁿ Parameter zur Bestimmung der Richtung der erhabenen Welle 53 bezüglich der Faserachse. Wenn der Verdrehungswinkel cd. zunimmt, so vergrößert sich auch die Neigung der erhabenen Welle bezüglich der Faserachse. Auch kann der Stoß der Schneidkante gegen das Material des Stahlblocks gemäßigt werden. Die Stahlfaser 5 gemäß Figur 2 stellt ein Beispiel für einen Verdrehungswinkel oL von etwa 30° dar (Sz = 0,75 mm, t= 0,4 mm, θ = 0°, V=92,8 m/min).

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Die Faser nach Figur 3 bildet ein weiteres Beispiel, bei dem der Verdrehungswinkel o£ kleiner als der nach Figur 2 ist (Sz = O,86 nun, t= 0,3 mm, θ = -15°, oL =15°, V=102m/min, D=250 mm).

Was den Außendurchmesser des Fräsers anbelangt, so ist es wünschenswert, daß der Fräser einen so großen Durchmesser wie nur möglich besitzt. Eine Vergrößerung des Durchmessers führt irjfeleichem Maße zu einer Verminderung der Faserdicke, so daß der gebirgszugähnliche Querschnitt und die erhabene Welle sich einfach ausbilden lassen. Figur 9a und 9b zeigen Beispiele hierfür. Wenn Sz 0,5 mm und t 0,5 mm betragen, so wird die Faser nach Figur 9a dick bei einem Durchmesser von 100 mm und gemäß Figur 9b beträchtlich dünner bei einem Durchmesser von 250 mm.

Die Schnittgeschwindigkeit V wird vorzugsweise angemessen hoch gewählt. Die Schnittgeschwindigkeit beeinflußt die Querschnittsform der Stahlfaser, und wenn die Schnittgeschwindigkeit hoch ist, können flache Fasern mit erhabenen Wellen ausgebildet werden. Die Figuren 10a und 10b zeigen Beispiele hierfür. In beiden Fällen wurde im Abwärtsschnitt gefräst mit Sz=t=0,5 mm und θ=0°, wobei im Falle von Figur 10a die Schnittgeschwindigkeit ^l m/min und im Falle von Figur 10b 214 m/min betrug. Ist die Schnittgeschwindigkeit zu gering, so entstehen keine Wellen. Ist sie hingegen hoch, so kann man große Welle beobachten. Die optimale Schnittgeschwindigkeit hängt ab vom Fräserdurchmesser D, von Sz, t und dgl. Im wesentlichen liegt sie zwischen 60 und 130 m/min, und zwar im Hinblick auf die Produktivität und den Abrieb des Fräsers.

Schließlich stellen der Vorschub pro Schneidzahn Sz und die

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Schnittiefe pro Schneidzahn t wichtige Paktoren zum Bestimmen der Querschnittsfläche der Stahlfaser dar, und zwar ausgedrückt in der Gleichung

A = Sz . t.

Unter Berücksichtigung der Biegefestigkeit des Betons und der Wirtschaftlichkeit der Stahlfaserproduktion ist es erfindungsgemäß vorteilhaft, daß Sz χ t in den Bereich zwischen 0,1 mm² und 0,5. mm² fällt. Und wenn unter diesen Umständen entweder Sz. oder t in dem Bereich zwischen 0,1 mm und 2,0 mm liegt sowie entweder Sz oder t mehr als 0,4 mm beträgt, dann lassen sich Pasern geeigneter Dicke, die ohne weiteres die erhabenen Wellen tragen, in bevorzugter Weise herstellen.

Das Verhältnis zwischen Sz und t, insbesondere Sz/t bzw. t/Sz, ist erfindungsgemäß von Wichtigkeit zur Erzielung der bestimmten Querschnittsform der Stahlfaser. Die Figuren 11a und 11b zeigen die Auswirkungen, die das Verhältnis Sz/t auf die Querschnittform der Faser ausübt. In beiden Fällen betrug der Durchmesser D des Fräsers 100 mm, der Freiwinkel

fr der Schneidkante 0° und die Schnittgeschwindigkeit 116 m/ min. Bei dem Beispiel nach 11a war Sz = 1,08 mm, t=0,25 mm und Sz/t= 4. Im Falle des Beispiels nach Figur 11b hingegen war Sz=O,22 mm, t= 1,20 mm und Sz/t=0,2. Aus Figur 11 ergibt sich, daß bei abnehmendem Verhältnis von Sz/t die Faser dünn wird, wobei große Wellen auf dem Querschnitt auftreten. Vergrößert man den Fräserdurchmesser D, beispielsweise von 200 mm auf 300 mm, so werden die Wellen erzeugt, selbst wenn das Verhältnis Sz/t (oder t/Sz) mehr als 1 beträgt. Es ist folglich empfehlenswert, daß im Prinzip der Wert von Sz/t klein sein soll, daß die tatsächliche Bestimmung jedoch in Abhängigkeit vom Fräserdurchmesser erfolgt, und zwar im Hinblick auf die Produktivität und die Abnutzung der Schneidkante. Wenn der Fräserdurchmesser mehr

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als 200 mm beträgt;, so liegt der bevorzugte Bereich für Sz/t (oder t/Sa) bei mehr als 1, vorzugsweise bei 2 bis 3»

Figur 12 zeigt in Abhängigkeit von dem Verhältnis von Sz bzw. t und der Schnittgeschwindigkeit den optimalen Schnittbereich zur Erzeugung von Stahlfasern, die, wie es ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist, mit Wellen versehen sindj welche über die Oberflächenschicht verlaufen» Hierbei ist vorgegeben^ daß der Preiifinkel θ der Schneidkante negativ ist und zwischen 0° und-30° liegt, daß der Verdrehungswinkel o£ in den Bereich zwischen 0° und 60° fällt«, daß der Präserdurchmesser D konstant gehalten wird_s und zwar bei mehr als 100 mm, und daß der Wert Sz χ t zwischen 0,1 bis 0,5 mm² liegt» Dabei wird das Fräsen im Abwärtsschnitt derart durchgeführt, daß dann, wenn entweder Sz oder t O₃ ²I mm beträgt, die Schnittgeschwindigkeit V bei mehr als 90 m/min (Punkt b) liegt, und daß dann^ wenn entweder Sz oder t mehr als 0,9 mm beträgt, die Schnittgeschwindigkeit größer als 30 m/min ist (Punkt a), und daß schließlich dann, wenn entweder Sz oder t zwischen 0,4 mm und 0,9 mm liegt, die untere Grenze der Schnittgeschwindigkeit in den Bereich zwischen 30m/min und 90m/min fällt. Die Schnittgeschwindigkeit wird also erhöht im Verhältnis zum niedrigeren Wert entweder von Sz. oder t. Ist beispielsweise Sz = 0,9 mm und t = 0,3 mm bei einem Walzenfräser mit θ = -15°s <Λ- =15° und D=250 mm, und beträgt die Schnittgeschwindigkeit mehr als 30 m/min, so werden die Wellen geformt;, und ist Sz=^t = O,¹! mm und die Schnittgeschwindigkeit größer als 90m/min, so entstehen die erhabenen Wellen. Um die Wellenhöhe bzw. den Grad der Erhabenheit zu verstärken, reicht es aus, einen der folgenden Parameter zu vergrößern, nämlich entweder den Freiwinkel noch negativer zu machen,

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den Durchmesser D des Fräsers zu vergrößern oder die Schnittgeschwindigkeit V zu beschleunigen.

Auf jeden Fall, wenn der Stahlblock 4 einer Bearbeitung unter den oben genannten Bedingungen unterworfen wird, wird die sehr dünne Oberflächenschicht *J' (beispielsweise in der Stärke von 30 bis 40 ^m) des Stahlblocks h mittels der Schneidkante 2 abgeschuppt, und wenn sich die Schneidkante bezüglich des Stahlblocks bewegt, wird ein beträchtliches plastisches Fließen hervorgerufen. Die Oberfläche wird zusammengeschoben und zusammengefaßt, so daß der abgeschnittene Stahl als nadeiförmiger Span abgenommen wird. Dabei kommt es zu einer beträchtlichen Bearbeitungsverfestigung des Spans, und dieser erhält erhebliche Festigkeits'werte, insbesondere bezüglich der Zugfestigkeit. Da außerdem gleichzeitig die spanabhebend bearbeitete Oberfläche bei Schnittemperatur angelassen und der Luftkühlung ausgesetzt wird, überzieht sich die Oberfläche mit einem oxydierten Film blauer Färbung. Ein theoretischer Querschnitt durch die Stahlfaser wäre fast dreieckig. Da jedoch der Schnitt tatsächlich unter den obigen Bedingungen bezüglich Schnittrichtung, Außendurchmesser des Fräsers, Schnittgeschwindigkeit und Verhältnis von Sz und t durchgeführt wird, wiederholen sich von Zeit zu Zeit die durch die Instabilitäten hervorgerufenen Eindrücke oder Vertiefungen, wenn die dünne Schicht 4' zusammengeschoben und verfestigt wird, wie es Figur 9b zeigt. Auf diese Weise erhält die Oberfläche auf freien Seite, die nicht mit der Schneidkante in Berührung tritt, die Riefen 52 und die erhabenen Wellen 53. Der geschnittene Span wird also zur Stahlfaser 5, die insgesamt einen gebirgszugähnlichen Querschnitt gleichförmiger Dicke mit weiten Unebenheiten aufweist.

Bei dem erfindungsgemäß verwendeten Fräser kann es sich

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uin einen Einzelfräser gemäß Figur 8 handeln. Wenn jedoch . bei industrieller Anwendung eine Mehrzahl von Fräsern 1 parallel zueinander auf einer Welle angeordnet werden, wie es Figur I¹J und 15 zeigen, so läßt sich mit hoher Produktionsgeschwindigkeit gleichzeitig eine größere Anzahl von Stahlfasern erzeugen, wobei diese in ihrer Länge der Breite der Schneidkanten 2 entsprechen. Hierbei sind benachbarte Schneidkanten in der Montagestellung versetzt zueinander angeordnet, so daß Stahlfasern von der Länge der Schneidkanten 2 aus dem Stahlblock erzeugt werden.

Zusammenfassend schafft die Erfindung eine Stahlfaser zum Verstärken von Beton sowie ein Verfahren zum Herstellen der Stahlfaser. Die erfindungsgemäße Stahlfaser ist ein nadeiförmiger Span, der sich durch direktes spanabhebendes Bearbeiten eines Stahlblocks ergibt. Die Faser besitzt eine geriefte Oberfläche mit einer Mehrzahl erhabener Wellen, die über die Länge der Faser verlaufen. Bei dem Herstellungsverfahren wird ein Walzenfräser mit einer Mehrzahl von Schneidkanten verwendet, die einen negativen Freiwinkel und einen Verdrehungswinkel bezüglich der Fräserachse aufweisen. Der Fräser dient zum spanabhebenden Bearbeiten des Stahlblocks im Abwärtsschnitt bei hoher Schnittgeschwindigkeit und geringer Schnittiefe.

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Claims

Aida Engineering Co.jLtd.
Takeo Nakagawa
Kazusuke Kobayashi

Patentansprüche

Stahlfaser zum Einmischen in Beton und zudessen Verstärkung, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahlfaser (5) als nadeiförmiger Span durch direktes Fräsen eines Stahlblocks (4) hergestellt ist und insgesamt eine geriefte Oberfläche (52) aufweist, welche eine Mehrzahl von erhabenen, in Axialrichtung der Faser verlaufenden Wellen (53) trägt.
2. Stahlfaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erhabenen Wellen (53) mindestens teilweise geneigt zur Faserlängsachse verlaufen.
3. Stahlfaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die geneigt verlaufende Welle (53) mindestens an ihrem Anfangspunkt urnd/oder an ihrem Endpunkt einen Seitenrand der StaWlfaser (5) erreicht.
4. Stahl£aaer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e^T^B^m nzeichnet, daß die Stahlfaser (5) an ihrer Seite einen vorsprungartigen Abschnitt (54) trägt.
5. Stahlfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da-

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durch gekennz eichnet, daß die Querschnittsfläche der Stahlfaser (5) in den Bereich zwischen 0,1 mm² und 0,5 ram² fällt.
6. Verfahren zum Herstellen einer durch direktes Fräsen eines Stahlblocks erzeugten Stahlfaser zur Verstärkung von Beton, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die spanabhebende Bearbeitung durch Abwärtsfräsen bei hoher Schnittgeschwindigkeit und geringer Schnittiefe mit einem Präser (1) durchgeführt wird, der einen negativen Freiwinkel (Θ) an einer Schneidkante (2) aufweist, die mit einem Verdrehungswinkel («=£) bezüglich der Präser-Antriebswelle (3) angeordnet ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Preiwinkel der Schneidkante in dem Bereich zwischen 0° und - 30° liegt und daß der Verdrehungswinkel (^t) der Schneidkante in den Bereich zwischen 0° und 60° fällt.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7> dadurch gekennzeichnet, daß bei der spanabhebenden Bearbeitung der Wert entweder von Sz oder von t innerhalb des Bereichs zwischen 0,1 mm und 2,0 mm liegt und der Wert entweder von Sz oder t größer als 0,4 mm ist, und zwar unter der Bedingung, daß der Wert von Sz χ t in den Bereich zwischen 0,1 mm^z und 0,5 mm² fällt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennz eichnet, daß die maschinelle Bearbeitung durch Abwärtsschnitt mit einem Walzenfräser.(1) durchgeführt wird, der einen negativen Preiwinkel (Θ) der Schneidkante innerhalb des Bereichs zwischen 0° und -30°,

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einen Verdrehungswinkel (<*£.) innerhalb des Bereichs zwischen 0° und 60° sowie einen Durchmesser (D) von mehr als 100 mm aufweist, und zwar unter der Bedingung, daß der Wert Sz χ t in den Bereich zwischen 0_al mm² und O₅5 mm² fällt, während das Verhältnis von Sz oder t zur Schnittgeschwindigkeit (V) in dem Bereich gemäß Figur 12 liegt.

10, Verfahren nach einem der Ansprüche 6 b5s 9$ dadurch gekennzeichnet., daß bei der spanabhebenden Bearbeitung dann, wenn der Wert entweder von Sz oder t den Betrag von 0_s4 mm annimmt, die Schnittgeschwindigkeit auf mehr als 90m/min eingestellt wird und dann., wenn der* Wert entweder von Sz oder t größer als 0_s9 mm ist, die Schnittgeschwindigkeit auf mehr als 30m/min eingestellt wird und schließlich dann,, wenn der Wert entweder von Sz oder t zwischen 0,4 mm und O₉9 mm liegt, die Schnittgeschwindigkeit erhöht wird im Verhältnis sum abfallenden Wert entweder von Sz oder t.

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