DE2904288C2

DE2904288C2 - Verfahren zum Herstellen von Stahlfasern zur Verstärkung von Beton

Info

Publication number: DE2904288C2
Application number: DE2904288A
Authority: DE
Inventors: Kazusuke Sagamihara Kanagawa Kobayashi; Takeo Kawasaki Kanagawa Nakagawa; Yoshitomo Hachioji Tokio/Tokyo Tezuka
Original assignee: Aida Engineering Ltd
Current assignee: Aida Engineering Ltd
Priority date: 1978-02-22
Filing date: 1979-02-05
Publication date: 1986-10-30
Also published as: SU1036252A3; JPS54112517A; US4560622A; DE2904288A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Die Festigkeitseigenschaften von mit kurzen Stahlfasern verstärktem Beton hängen von den Eigenschaften der zuzumischenden Stahlfasern ab. Die Stahlfasern wurden früher beispielsweise aus Draht geschnitten, aus kaltgewalztem Stahlblech abgeschert oder mit einer rotierenden Scheibe aus geschmolzenem Stahl herausgezogen, doch hit sich keines dieser Verfahren in der Praxis bewährt. Insbesondere sind die Haftung der Stahlfasern im Beton oder ihre Festigkeitseigenschaften unzureichend oder sie neigen zur Knäuelbildung, so daß sich keine gleichmäßige Verteilung im Beton ergibt und außerdem Schwierigkeiten beim Zuführen auftreten oder sie sind wie namentlich bei dem Stahlschmelzeverfahren zu schwierig in der Massenfertigung herzustellen.
Wesentlich besser zum Verstärken von Beton geeignet sind dagegen Stahlfasern, die nach dem aus der DE-OS 23 382 bekannten gattungsgemäßen Verfahren als nadeiförmiger, insbesondere flacher Span durch Fräsen eines Stahlblocks hergestellt w*?rden und eine annähernd ebene Fläche auf teer einen Seite sowie eine durch Wellungen oder Furchen vollständig aufgerauhte Fläche auf der gegenüberliegenden Seite aufweisen. Bei diesem bekannten Verfahren werden die Stahlfasern mit einem Walzenfräser erzeugt, der einen Brustwinkel zwischen —5° und +15° und einen Neigungswinkel seiner Schneidkanten haben kann. Vom Brustwinkel des Fräsers hängt die Querschnittsform der Fasern ab. Als weitere Parameter werden die Schnittiefe t, der Vorschub S₁ pro Schneidkante und die Schnittgeschwindigkeit ν genannt

Die nach diesem bekannten "-"erfahren hergestellten, im Querschnitt annähernd dreieckförmigen Stahlfasern weisen bereits eine gute Eigenfestigkeit auf und bringen auch eine gute Haftfähigkeit im Beton. Beides erscheint jedoch verbesserungswürdig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Gattung zum Herstellen von Stahifasern anzugeben, durch das die Festigkeit und Haftfähigkeit der Stahifasern erhöht wird.
Diese Aufgabe wird durch das im Patentanspruch gekennzeichnete Verfahren gelöst.

Durch dieses Verfahren werden spanförmige Stahlfasern erzeugt die in bekannter Weise eine annähernd ebene Fläche auf ihrer einen Seite und eine durch Riefen vollständig aufgerauhte Fläche auf der gegenüberliegenden Seite aufweisen. In die aufgerauhte Fläche werden jedoch mehrere Wellen mit im wesentlichen in Längsrichtung der Faser verlaufenden Wellentälern eingeformt, durch die im Querschnitt der Faser eine Kontur nach Art eines Gebirgszuges über der ebenen Fläche mit relativ zur Spandicke tiefen Tälern gebildet ist

Die Wellenform der aufgerauhten Fläche der Stahlfaser bedeutet eine wesentliche Oberflächenvergrößerung, durch die die Haftwirkung und die Verankerung im Beton verbessert werden. Zugleich haben die Wellen eine Versteifung der Fasern in Längsrichtung zur Folge. Infolgedessen läßt sich durch die Erfindung bei gleicher Stahlmenge die Betonfestigkeit erhöhen oder bei gegebener Betonfestigkeit die zugemischte Stahlmenge vermindern.

Aufgrund der im wesentlichen axialen Ausrichtung der Wellen, die sich nur auf einer Seite der Stahlfasern befinden, können letztere außerdem in willkürlicher Ausrichtung dem Beton beigemischt werden, ohne daß es zu einer Knäuelbildung im Zuleitungssystem oder im Beton kommt Die Fasern können sich gut im Beton verteilen, ohne daß es hierfür einer sonst erforderlichen Verteilungsvorrichtung bedarf.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung im folgenden näher erläutert In der Zeichnung zeigt
F i g. 1 eine perspektivische Teilansicht von erfindungsgemäß hergestellten Stahlfasern zum Verstärken von Beton,

F i g. 2 und 3 Fotografien von erfindungsgemäß hergestellten Stahlfasern (4fache Vergrößerung),
F i g. 4 eine Mikroskop-Fotografie einer vergrößerten Oberfläche der Stahlfaser nach F i g. 3 (50fache Vergrößerung),

F i g. 5 den Querschnitt einer erfindungsgemäß hergestellten Stahlfaser,

F i g. 6 und 7 in schematischer Seitenansicht einen Walzenfräser bei der Herstellung einer Stahlfaser,
F i g. 8 eine Vorderansicht des Fräsers.

F i g. 9 die Oberfläche eines mit dem Fräser bearbeiteten Stahlblocks,

Fig. 10 ein Diagramm für den optimalen Schnittbereich zur Ausbildung ausgeprägter Wellen in der Stahlfaser,

F i g. 11 ein Diagramm für das Verhältnis der beizumengenden Stahlfasermenge und der Biegezugfestigkeit des Betons im Vergleich zwischen der Erfindung und dem Stand der Technik und

Fig. 12 und 13 eine weitere Ausführungsform eines für die Erfindung geeigneten Fräsers.

Die in F i g. 1 mit 5 bezeichnete Stahifaser stellt einen nadeiförmigen Span dar, der durch direktes maschinelles

Bearbeiten einer Oberfläche eines Blockes erhalten wird. Hierfür dient gemäß F i g. 6 ein Walzenfräser 1, der eine Mehrzahl von Schneidzähnen 2 in Form von Karbidplättchen auf seinem Außenumfang trägt und im Abwärtsschnitt bezüglich des Blockes 4, d. h. in Gleichlaufrichtung, um eine Welle 3 gedreht wird. Gleichzeitig wird der Fräser 1 realtiv zum Block 4 verschoben.

Die Stahlfaser 5, die man durch das hier beschriebene Verfahren erhält (vgl. F i g. 1 und F i g. 5), weist eine ebene Fläche 51 auf einem Abschnitt auf, der Kontakt mit dem Schneidzahn 2 hat, ferner feine Rillen oder Riefen 52 über der gesamten beim Schneiden freiliegenden Oberfläche und schließlich eine Mehrzahl von ausgeprägten Wellen 53, deren Täler auf der mit Riefen versehenen Oberfläche über die Länge der Faser verlaufen, wobei ein Querschnitt ähnlich eines Gebirgszuges mit relativ gleichförmiger Dicke entsteht, wie er genauer der Zeichnung zu entnehmen ist Die Welle 53 hat unterschiedliche Höhe und kann gemäß F i g. 3 und 4 fast parallel zur Faserlängsachse verlaufen. Jedoch ist es empfehlenswert, daß sich die Welle gemäß Fig.2 mit beträchtlicher Neigung bezüglich der Faserachse erstreckt Die mit einem Drall versehenen Wellen nach F i g. 2 oder 3 können den V/iderstand gegen ein Herausziehen der Faser erhöhen.

Darstellungsgemäß besitzt die Faser Wellen mit tiefen Tälern und vorspringenden Kämmen, wodurch sich die Oberfläche vergrößert und folglich die Haftfähigkeit gegenüber der Betonmasse erhöht

Die Querschnittsgröße der Faser kann nach Belieben geändert werden durch Wahl der später erläuterten Werte für den Vorschub S₂ und die Schnittiefe t, wobei s_zxt zwischen 0,1 und O^ram² betragen soll unter Berücksichtigung der Biegezugfestigkeit des Betons und des Produktionswirkungsgrades.

F i g. 12 zeigt das Verhältnis zwischen der dem Beton zuzumischenden Menge von auf unterschiedliche Weise hergestellten Stahlfasern und der Biegezugfestigkeit des mit den Stahlfasern verstärkten Betons. Die nach dem hier beschriebenen Verfahren hergestellten Stahlfasern I besitzen Wellen, die schräg zur Ffiserlangsach.se verlaufen (zu ihrer Herstellung diente ein Walzenfräser mit den Parametern Brustwinke! Θ= — '5°, Neigungswinkel λ=15°, Anzahl ζ der Schneidzähne—18, Durchmesser D=250mm, Schnittgeschwindigkeit V'=95m/ min, s*=0,8 mm, i=03 mm, Material: Weichstahl). Die spanabhebend nach einem Verfahren, das der eingangs erwähnten DE-OS 27 23 382 entspricht, hergestellten Stahlfasern 11 besitzen keine Wellen der in Fig. 1 bis 5 gezeigten Art (0=0°, «=25°, D=IOO mm, V=30 m/min, s_z=0,5mm, i=0,5mm, Material: Weichstahl). Die Stablfasern III schließlich wurden von dünnem Stahlblech abgeschert und haben einen Querschnitt von 04 mm χ O^ mm.

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

Tabelle 1

III

Querschnittsfläche A (mm²) .

Länge/.(mm)

Flächenverhältp.is L/c/, wobei dein Mittelwert der Faserdicke ist

Zugfestigkeit

des nicht verstärkten Betons (kg/mm²)

Querschnittsform

Dunnes Profil ähnlich
einem Gebirgszug

0,25	0,25
30	30
55	60

71

71,5

Dreieck Rechteck

Die Prüfstücke hatten die Maße 10 χ 10 χ 40 cm und bestanden aus verstärktem Beton mit dem Verhältnis Wasser/Zement von 04· Die Maximalgröße der Zuschlagstoffe betrug 15 mm. Das Verhältnis der Faserbeimischtung lag bei 1,0% bzw. 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 Fig. 12, daß die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Stahlfasern im Vergleich zu den beiden anderen Stahlfasern hervorragende Verstärkungseigenschaften haben. Dies ist zurückzuführen auf die erwähnten Wellen in der gerieften Oberfläche, wodurch die Oberflächengröße und damit die Haftung in dem Beton erhöht sowie der Widerstand gegen ein Herausziehen vergrößert werden.

Die Biegezugfestigkeiten des Betons in Abhängigkeit des Mischungsverhältnisses von Stahlfasern zu Beton, und zwar in Voluraenverhältnissen, ergeben sich aus Tabelle 2.

Tabelle 2

Stahlfaser

Mischungsverhältnis 1%

Mischungsverhältnis
2%

I	93 kg/cm²	120 kg/cm²
II	85 kg/cm²	110 kg/cm²
III	78 kg/cm²	102 kg/cm²

Aus Tabelle 2 ercibt sich, daß bei Verwendung der hier beschriebenen Stahlfasern bei gleicher Biegezugfestigkeit des Betons das Mischungsverhältnis erheblich vermindert werden kann im Vergleich zu bekannten Fasern, die von einem dünnen tilech abgeschert sind, oder im Vergleich zu Fasern, die lediglich eine geriefte Oberfläche

ohne die ausgeprägten Wellen gemäß F i g. 1 bis 5 aufweisen.

In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß die Stahlfasern gleichmäßig in der Betonmasse verteilt wurden, bevor der Mischer zum Einsatz kam. Fig. 12 zeigt auch, daß die Biegezugfestigkeit des Betons bei Verwendung erfindungsgemäß hergestellter Fasern fast geradlinig mit Erhöhung des Mischungsverhältnisses ansteigt, während die Biegezugfestigkeit bei den beiden anderen Fasern nicht ganz so gleichmäßig zunimmt, wenn das Mischungsverhältnis sich erhöht. Die Ursache ist, daß die vorliegenden Fasern vorzügliche Verteilungseigenschaften besitzen und in zufälliger dreidimensionaler Ausrichtung beigemischt werden.

Zur Herstellung der Stahlfasern wird der Walzenfräser 1, der mit einer Mehrzahl von Schneidzähnen auf seiner äußeren Umfangsfläche versehen ist, während seines Umlaufs relativ zum Stahlblock 4 bewegt, um eine direkte maschinelle Bearbeitung der Oberfläche des Stahlblocks durchzuführen. Als Rohmaterial für die Stahlfasern dient vorzugsweise Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, nämlich angelassener oder normalgeglühter Weichstahl oder Automatenstahl, der im Hinblick auf die Bearbeitungseigenschaften, den Verschleiß des Werkzeugs und die Qualität des erzeugten Produktes gewählt wird. Natürlich kann man auch SpezialStähle, beispielsweise rostfreien Stahl, verwenden.

Um die gewünschten Fasern zu erhalten, müssen die Schnittrichtung, der Außendurchmesser des Fräsers, die Bedingungen der Schneidzähne, die Schnittgeschwindigkeit und die Beziehung zwischen dem Vorschub S₂ und der Schnil tiefe t pro Schneidzahn beachtet werden bzw. innerhalb bestimmter Bereiche liegen. Wenn die Stahlfaser eine geriefte Oberfläche mit ausgeprägten Wellen längs der Faserlänge erhalten soll, ist es erforderliche daß d'.;r Stahlblock im Gleichlauüschnitt von d?m Walzenfräser bearbeitet wird, dessen Schneidzähne einen

M negativen Brustwinkel θ und einen Neigungswinkel α bezüglich der Antriebswelle des Fräsers haben. Ferner wird mit hoher Geschwindigkeit, geringer Schnittiefe und mit einem bestimmten Verhältnis zwischen S₂ und t gearbeitet

Abgesehen von dem allgemeinen Vorteil, die Lebensdauer des Werkzeugs zu verlängern, wird durch Gleichlauffräsen der Querschnitt der Faser klein und an einer Faserseite ein vorsprungförmiger Abschnitt 54 erzeugt (siehe F i g. 1 und 5), wodurch sich der Oberflächenbereich noch mehr erweitert

Für die Schneidzähne gilt daß der Brustwinkel θ gemäß Fig. 7 zwischen 0° und -30° beträgt und daß der Neigungswinkel α bezüglich der Antriebswelle gemäß F i g. 8, d. h. bezüglich der horizontalen Oberfläche des Stahlblocks, zwischen 0° und 60° liegt. Der Grund für die Wahl ^f'ts Brustwinkels θ zwischen 0° und -30° liegt darin, die Faser dünn werden zu lassen, ein Verkanten oder Rattern der Schneidzähne zu vermeiden und einen Kraterabri.eb zu verhindern. Der Neigungswinkel <* ist ein Parameter zur Bestimmung der Richtung der Wellen 53 bezüglich der Faserachse. Wenn λ zunimmt, so vergrößert sich auch die Neigung de^r Welle bezüglich der Faserachsc, und zugleich kann der Stoß der Schneidkante gegen das Material des Stahlblnzks gemildert werden. Die Stahlfaser 5 gemäß F i g. 2 stellt ein Beispiel für einen Neigungswinkel λ von etwa 30° dar (s_z=0,75 mm, t=0,4 mm, Θ— 0°, V=92,8 m/min). Die Faser nach F i g. 3 bildet ein weiteres Beispiel, bei dem der Neigungswin kel λ kleiner als der nach F ig. 2 ist (Sz=0,86 mm, f=0,3 mm,0»-15°,<*=15°, V= 102 m/min. £>=250 mm).

Der AuUendurchmesser D des Fräsers soll so groß wie möglich sein. Eine Vergrößerung des Durchmessers führt in gleichem MaBe zu einer Verminderung der Faserdicke, wobei sich der gebirgszugähnliche Querschnitt und die ausgeprägten Wellen einfach ausbilden lassen. Die Schnittgeschwindigkeit V wird angemessen hoch gewählt. Sie beeinflußt die Querschnittsform der Stahl faser, und wenn die Schnittgeschwindigkeit hoch ist, können flache Fasern mit starken Wellen gebildet werden. Die optimale Schnittgeschwindigkeit hängt u. a. ab vom Durchmesser D sowie von S₂ und f. Vorzugsweise liegt sie zwischen 60 und 130 m/min, und zwar im Hinblick auf die Produktivität und den Abrieb des Fräsers.

Schließlich stellen der Vorschub S₂ pro Schneidzahn und die Schnittiefe t pro Schneidzahn wichtige Faktoren zum Bestimmen der Querschnittsfläche der Stahlfaser dar. Unter Berücksichtigung der Biegezugfestigkeit des Betons und der Wirtschaftlichkeit der Stahlfaserproduktion muß das Produkt s₂x t in den Bereich zwischen 0,1 mm² und 0imm^! fallen. Wenn unter diesen Umständen S₂ im Bereich zwischen 0,4 mm und 2,0 mm liegt sowie S₂Zt mehr als 2 beträgt dann lassen sich ohne weiteres Fasern geeigneter Dicke mit den gewünschten Wellen herstellen.

Das Verhältnis S₁Zt ist von Wichtigkeit für eine günstige Querschnittsform der Stahlfaser. Bei zunehmendem Verhältnis von S₂Zt wird die Faser dünn und treten große Wellen auf. Vergrößert man den Fräserdurchmesser D,

beispielsweise auf 300 mm, so kann dieses Verhältnis kleiner sein. Die Bestimmung von S₂Zt erfolgt a.so in

Abhängigkeit vom Fräserdurchmesser unter Berücksichtigung der Produktivität und der Abnutzung der Schneidzähne. Der bevorzugte Bereich für S₂Zt liegt bei 2 bis 3. F i g. 10 zeigt in Abhängigkeit von S₂ und der Schnittgeschwindigkeit den optimalen Schnittbereich zur Erzeu-

gung der Stahlfasern mit den gewünschten Wellen. Hierbei ist vorgegeben, daß der Brustwinkel θ der Schneidzähne zwischen 0° und —30° liegt der Neigungswinkel λ im Bereich zwischen 0° und 60° liegt der Fraserdurchmesser D mehr als 200 mm beträgt und der Wert j₂xi zwischen 0,1 und 0,5 mm² liegt Das Fräsen erfolgt in Gleichlaufrichtung. Wie dem Diagramm zu entnehmen ist muß für s_z=0,4 mm die Schnittgeschwindigkeit V bei mehr als 90 m/min (Punkt b) liegen, während sie größer als 30 m/min ist (Punkt a), wenn S₂ mehr als 0,9 mm beträgt Wenn S₂ zwischen 0,9 mm und 0,4 mm liegt steigt die untere Grenze der Schnittgeschwindigkeit mit kleiner werdendem S₂ entsprechend der schrägen Linie in F i g. 11 linear von 30 m/min auf 90 m/min. Ist beispielsweise s_z=0,9mm und (=03 mm bei einem Walzenfräser mit O=-15°, λ= 15° und D= 250 mm und beträgt die Schnittgeschwindigkeit mehr als 30 m/min, so entstehen Wellen. Zur Vergrößerung der Wellenhöhe reicht es aus, entweder den Brustwinkel noch negativer zu machen oder den Durchmesser D des Fräsers zu vergrößern oder die Schnittgeschwindigkeit Vzu erhöhen.

Wenn der Stahlblock 4 einer Bearbeitung unter den obengenannten Bedingungen unterworfen wird, wird die sehr dünne Oberflächenschicht 4' (vgL F i g. 9) des Stahlblocks 4 mittels der Schneidkante 2 abgeschuppt und wenn sich die Schneidkante bezüglich des Stahlblocks bewegt wird beträchtliches plastisches Fließen hervorge-

rufen. Die Oberfläche wird so zusammengeschoben, daß ein nadeiförmiger Span entsteht. Dabei kommt es zu einer beträchtlichen Bearbeitungsverfestigung des Spans, wodurch seine Festigkeitswerte, insbesondere die Zugfestigkeit, erhöht werden. Da außerdem gleichzeitig die spanabhebend bearbeitete Oberfläche bei ;':j

Schnittemper?.tur angelassen und der Luftkühlung ausgesetzt wird, überzieht sich die Oberfläche mit einem f:i,

oxidierten Film blauer Färbung. Der Querschnitt der Stahlfascr wäre an sich fast dreieckig, doch entstehen unter 5 |j den oben erläuterten Bedingungen bezüglich Schnittrichtung, Außendurchmesser des Fräsers, Schnittgeschwin- ||

digkeit und Vorschub s_z durch Instabilitäten wiederholt Vertiefungen, wenn die dünne Schicht 4' zusammenge- |j,

sch-ben und verfestigt wird. Auf diese Weise erhält die Oberfläche auf der beim Fräsen freien Seite, die nicht mit ~~

der Schneidkante in Berührung tritt, die Riefen 52 und die Wellen 53 gemäß F i g. 1 und F i g. 5. Der geschnittene Span wird also zu der Stahlfaser 5 mit ihrem gebirgszugähnlichen Querschnitt gleichförmiger Dicke und weiten 10 Unebenheiten.

Bei dem verwendeten Fräser kann es sich um einen Einzelfräser gemäß Fig.8 handeln. Wenn jedoch bei industrieller Anwendung eine Mehrzahl von Fräsern 1 parallel zueinander auf einer Welle angeordnet werden, wie es Fig. 13 und 14 zeigen, so läßt sich mit hoher Produktionsgeschwindigkeit gleichzeitig eine größere Anzahl von Stahlfasern erzeugen, wobei diese in ihrer Länge der Breite der Schneidkante 2 entsprechen. Hierbei 15 sind benachbarte Schneidkanten in der Montagestellung versetzt zueinander angeordnet, so daß Stahlfasern von der Länge der Schneidkanten 2 aus dem Stahlblock erzeugt werden.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentanspruch:

Verfahren zum Herstellen einer Stahlfaser zur Betonbewehrung, bei dem die Faser aus einem Stahlblock in Gleichlaufrichtung mit einem Walzenfräser geschnitten wird, bei dem der Brustwinkel (ö) der Zähne kleiner oder gleich Null ist und die Zähne parallel zur Walzenachse oder unter einem Neigungswinkel (λ) schräg zu ihr stehen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Walzenfräser mit einem Durchmesser von mehr als 200 mm verwendet wird, daß der Brustwinkel (φ der Zähne zwischen 0 und —30° und der Neigungswinkel (λ) zwischen 0 und 60° beträgt, daß der Vorschub s_z pro Schneidzahn zwischen 0,4 und 2,0 mm, das Produkt aus s_zund der jeweiligen Schnittiefe t zwischen 0,1 und 0,5 mm² und das Verhältnis von s,

«ο zu t über 2 liegt und daß die Schnittgeschwindigkeit bei S₂ gleich 0,4 mm mit mindestens 90 m/min, bei s_z größer oder gleich 03 mm mit mindestens 30 m/min und für Werte von s_z zwischen 03 und 0,4 mm entsprechend linear mit von mindestens 30 auf mindestens 90 m/min ansteigend gewählt wird.