DE2952783A1

DE2952783A1 - Multiphasen-material mit einer phase aus zement

Info

Publication number: DE2952783A1
Application number: DE19792952783
Authority: DE
Inventors: William-Henry Lausanne Matthey de L'Etang; Ludwig Dr.-phil. Oberursel Mühe
Original assignee: Histeel S A
Current assignee: Histeel S A
Priority date: 1979-12-31
Filing date: 1979-12-31
Publication date: 1981-07-23
Also published as: DE2952783C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Multiphasen-Material mit ge-
ringer Stoßempfindlichkeit, das in einer Phase aus Zement oder kunstharzgebundenem Beton besteht mit oder ohne zugfeste Einlagen, vorzugsweise in Beanspruchungsrichtungen, und einer weiteren Phase aus Fasern.
Es ist bekannt, die Eigenschaften der verschiedensten Betonsorten durch Beimischung je einer bestimmten Faserart zu verbessern. Zu nennen sind besonders Stahlfaserbeton, Stahlstiftbeton, Glasfaserbeton, Asbestzementwaren, Textilfaserbeton.
Obwohl Laboruntersuchungen und Felderprobungen ergaben, daß ein Faserzusatz punktuelle Verbesserungen bestimmter Betoneigenschaften bewirken kann, die für eine Anwendung durchaus nützlich sein können, haben sich Faserbetone als neuer Werkstoff in der Baupraxis bisher nicht in nennenswertem Umfang durchgesetzt - abgesehen von Asbestzementwaren.
Diese Situation ist aus wirtschaftlichen Gründen verstündlich Ein Faserzusatz zu dem an sich sehr preiswerten Beton stattet diesen nur dann mit den Eigenschaften eines neuen Werkstoffes aus, wenn der Faseranteil mehr als einige Gewichtsprozente beträgt und der mittlere Faserabstand geringer als etwa der Durchmesser des Größtkorns ist.
Die Kosten für geeignetes Fasermaterial sind jedoch im Vergleich zu den Kosten für Betonbewehrungsstahl mit fast gleicher Wirkung ungewöhnlich hoch. Deshalb haben Faserbetone bisher bei allen Anwendungsgebieten keine wirtschaftliche Chance, die mit bewehrtem Beton technisch lösbar sind.
Eine Faserbeimischung zu den Betonzuschlagstoffen kann nur mit den sonst nicht immer erforderlichen Zwangsntischern erfolgen und benötigt im allgemeinen eine besondere Vorrichtung für die Faserzugabe, wenn Entmischungserscheinungen (Igelbildung) vermieden werden sollen. Ein Stahlstiftzuschlag vermindert diese Nachteile.
Die Oberflächen von Werkstückel aus Stahlfaserbetoll beispielsweise bedürfen oft zusätzlicher Veredelungsmaßnahmen, da die herausstehenden Enden der Stahlfasern die Gebrauchsfähigkeit des Betons beeinträchtigen können. Auch das wirkt sich nachteilig auf die Kosten aus.
Am bekannten Beispiel der Asbestzementwaren und ihrer Verbreitung wird deutlich, daß Faserbetone sehr wohl erfolgreich ihr Anwendungsgebiet finden können, wenn sie preiswerter als konventionelle Werk;3toffe sind und neue technische Möglichkeiten bieten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Werkstoff zu schaffen, der die bekannten Faserbetone mit solchen zusätzlichen Eigenschaften ausstattet, daß sie erfolgreich Anwendungsgebiete finden können, d.h. kostengünstig konventionelle Werkstoffe ersetzen und mit fortschrittlichen technischen Möglichkeiten ausstatten.
Diese Aufgabe ist nach der Erfindung grundsätzlich dadurch gelöst, daß die Fasern unterschiedliche Längen und Querschnitte aufweisen, wobei vorzugsweise der Faseranteil ein genau vorgeplantes Stapeldiagramm besitzt, d.h. aus gewissen Prozentsätzen Fasern unterschiedlicher Längen und Querschnitte besteht. Zur Beeinflussung des Stapeldiagramms und seiner Eigenschaften können erfindungsgemäß außerdem Faserkomponenten unterschiedlicher Materialien beigegeben worden, so daß dann der Faseranteil sowohl geometrisch als auch materialmäßig ungleichartig st.
In diesem Zusammenhang wird unter einer Faser ein zugfestes längsausgedehntes Element mit mehr oder weniger weitgehender Parallelorientieruiig seiner Moleküle zur Faserachse vers-tanden. Die Querschnittsabmessungen der Fasern liegen zwischen 10 5 und 10 m.
Der erfindungsgemäße Werkstoff kann für jeden Anwendungsfall besonders angepaßt werden : jede Phase erzeugt spezielle Eigenschaften, die in Kombination mit den übrigen Phasen zur Entfaltung gebracht werden. Alle Eigenheiten des erfindungsgemäßen Werkstoffes sind somit optimal nutzbar und übertreffen als Weiterentwickluiig die bekannten Faserbetone beträchtlich, weil durch zusätzlichen technischen Aufwand ein höherer Grad von Spezialisierung möglich wird - einscillicßlicll der Vermei'iuiig unerwünschter Eigenschaften Bei der Komposition einer Variante des erfindungsgemäßen Werkstoffes spielen sowohl die Grundeigenschaften seiner einzelnen Phasen eine Rolle als auch deren Wechselwirkungen mit den übrigen Phasen. Dieses Netz von gegenseitigen Beenflussungen wird dadurch nocn komplexer, daß verschiedene Zustände des erfindungsgemäßeii Werkstoffes betrachtet und gewertet werden müssen. Die wichtigs--en sind: Rohzustand der einzelnen Komponenten vor dem Mischen, Mischvorgang, Bewehrungsmontage, Formung des Werkstücks, Abbindevorgang und Erhärtungsprozeß, voskoelastisches Verhalten, Widerstand gegen Umwelteinflüsse, Festigkeitseigenschaften und Grenzzustände.
Ausgelieiid voii der Betonphase, bei der die Wahl der Zeiiiui& L-sorte wind die Art der Zuschlagstoffe (beispielsweise schwere oder leichte) sowie der Zusatzmittel (nur Verbesserung von Fließvermögen u.a.) eine Rolle spielt, ist besonders die Wechselwirkung mit allen übrigen Phasen, welche die Zugfestigkeit des Zement steins beeinflussen, nbzuwagen. Schon die Neigung zum Entstellell von Mikrorissen kann durch eine hinreichend dicht gelagerte Faserbeimischung entscheidend beeinflußt werden, Das gilt in anderer Form auch für die Aufweitungsneigung der Mikrorisse zu Haarrissen. Ihre Entwicklung zu klaffenden Rissen wird beim normalen Stahlbeton durch eine richtige Bewehrung verhindert, ihre Existenz jedoch zugelassen.
Beim erfindungsgemäßen Werkstoff hat es sicj gezeigL, dalb durch systematischen Aufbau eines Stapeldiagramms der Faserbeimischung nach Anteil, Faserart, Faserabmessungen vermöge des gesammelten Erfahrungsschatzes Werkstoffeigenschaften erzielt werden, die einen beträchtlichen Fortschritt gegenüber den bekannten Faserbetonarten darstellen und deren Mechanismen im Detail noch nicht wissenschaftlich geklärt sind. Beispielsweise bewirkt eine Textilfaserkomponente zusätzlich zur Stahlfaserkomponente u.a. deutliche Verbesserungen der Frühfestigkeit.
Es sei noch erwähnt, daß die verschiedenen Faserarten in bekannter Weise oberflächenbehandelt sein können1 beispiels weise zur Hydrophobierung oder zur Betonverträglichkeit.
Die Beimischung des gesamten Faseranteils kann erfindungsgemäß sowohl gleichzeitig als auch in einzelnen Fraktionen nacheinander geschehen, damit die verschiedenen Faserhaufwerke (auch abhängig voll der typs schon Einzelf.lserkorlfiguration) ohne Igelbildung handhabbar und gleichmäßg verteilbar bleiben.
Gemäß der Erfindung kann das Multiphasen-Material in den Beanspruchungsrichtungen auch zugfeste Einlagen, die beispielsweise aus Bewehrungstahl, Spannstahl, Seilen oder Glasfasersträngen erhalten. Da erfindungsgemäß die Faserphase mittels des Stapeldiagramms so optimiert worden ist, daß die Mikrorißhäufigkeit gering bleibt und die Entwicklung zu Haarrissen wirkungsvoll unterdrückt wird, kann nen für die zugfesten Einlagen bei Belastung wesentlich größere elastische Verformungen zugelassen werden als diese bei normalem Stahlbeton möglich sind. Das bedeutet, daß nunmehr auch solche zugfesten Einlagen benutzt werden können, die entweder wegen eines Elastizitätsmoduls kleiner als der von Stahl für Stahlbeton bisher ausschieden oder die wegen hoher Zugfestigkeit große elastische Verformungen im Gebrauchsbereich aufweisen. Erfindungsgemäß kann daher beispielsweise eine schlaff eingelegte Spannstahlbewehrung voll ausgenutzt werden, ohne daß klaffende Risse im Gebrauchsbereich auftreten. Bei einer erfindungsgemäßen Vorspannung der zugfesten Einlagen kann bei spielsweise mit geringeren Vorspanngraden gearbeitet werden.
Analoge Betrachtungen gelten für den bei Seilen und Litzen auftretenden Seilreck. In allen Fällen aber wirken erfindungsgemäß die zugfesten Einlagen als eine echt Werkstoffphase, deren Verhalten voll reversibel bleibt, und erlauben einen hohen Ausnutzungsgrad der Materialfestigkeiten.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird als Einlagenphase mindestens eine in mindestens einer Richtung zugfeste Membrane mit dem Werkstoff in Verbund gebracht.
Die Membrane kann beispielsweise aus Metallblech bestehen.
Zur Herstellung des Verbundes kann die Membrane an ihrer Innenseite mit einer Haftbrücke - beispielsweise aus Epoxidharz - beschichtet sein. Auch kann die Membrane in sich profiliert sein, wodurch sich ihre Verbundfläche vergrößert und bei einer Wellung beispielsweise die Ziigatif nahmefähigkeit in einer Richtung vermindert.
Eine Membrane kann erfindungsgemäß auch mit Ankern versehen sein, beispielsweise mit angeschweißten Bolzen, um den Verbund sicher herzustellen.
Die Erfindung ist nachstehend anhand der schematischen Zeichnung beispielsweise erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Platte mit Faseranteil definierten Stapeldiagramms und unterschiedlicher Fasermaterialien sowie mit in sich profilierter Membrane; Fig. 2 den Gegenstand der Fig. 1, jedoch mit Ankern, die an einer ebenen Stahlblechmembrane angeschweißt sind; Fig. 3 die Draufsicht auf die erfindungsgemäße Platte gemäß Fig. 1, mit zwei Bewehrungslagen in UeunuyruchungYriclItullgell ulld mit einer Haftbrücke auf ebener Membrane; Fig. 4 einen Schnitt nach Linie VI-VI der Fig. 3; Fig. 5 Schnitt V-V der Fig. 3 und Fig. 6 ein mögliches Faserdiagramm zur Herstellung des erfindungsgemäßen Multiphasen-Materials.
Die in Fig. 1 im Querschnitt dargestellte Platte besteht aus einem Vierphasen-Material. Eine erste Phase 1 hestcht aus einem zeichnerisch nicht besonders kenntlich gemachtem Beton aus Zementstein mit Zuschlagstoffen, eine zweite Phase 2 aus Stahlfaserbeimischung mit unterschiedlichen Längen und Querschnitten, eng aneinander angeordnet mit zufälliger Verteilung und Orientierung, eine dritte Phase 3 aus ebenso angeordneten Synthetik-Textilfasern und eine vierte Phase 4 aus einer in sich profilierten zugfesten Membrane aus Stahlblech.
In Fig. 2 wird eine Platte analog zu Fig. 1 dargestellt1 die eine ebene Membrane 5 enthält, an der Anker zur Herstellung eines Verbundes angeschweißt sind.
Die Draufsicht auf eine Platte gemäß Fig. 3 zeigt zwei Bewehrungslagen 7 und 8 in Beanspruchungsrichtungen.
Die beiden Querschnitte in Fig. 4 und in Fig. 5 der Fig. 3 gemäß VI-VI und V-V zeigen die Höhenlagen der beiden Bewehrungslagen 7 und 8 sowie die Haftbrücke 9 zur erellung des Verbundes mit der ebenen, zugfesten Membrane 10.
Die Anwendungsgebiete des erfindungsgemäßen Multiphasen-Materials sind praktisch unbegrenzt. Es eignet sich ganz besonders für dynamisch beanspruchte Bauteile unterschiedlicher Formgebung, jedoch auch für solche Elemente, die vielfältigen Beanspruchungsarten ausgesetzt sind, deren Quantifizierbarkeit im Voraus nur schwer möglich ist.
Genannt seien Beanspruchungen bodenmechanischer Art, insbesondere Erdbeben, ferner Maschinenschwingungen sowie Geschoß- und Stoßeinwirkungen aller Art.
Besonders hervorzuheben seien die Einsatzmöglichkeiteri des erfindungsgemäßen Materials fttr Scl i ffssciit 1 ti und behälter aller Art. Bei komplexen Beanspruchungsarten bietet das erfindungsgemäße Multiphasen-Material einen in seinem Verhalten für den speziellen Anwendungsfall sehr genau programmierbaren Werkstoff, da die Variationen der einzelnen Phasen eine sehr große Anzahl von zulässige KombiiLa Lioiiei bei der Werkstoffkomposition gestatten und sich so überraschende Eigenschaftsspektren wirtschaftlich verwirklichen lassen.
Die aus Fasern bestehende Phase kann mit Hilfe eines erweiterten Faserdiagramms (auch Stapeldiagramm genannt) genau beschrieben werden. Weil für das Multiphasen-Material unerheblich, werden die Parameter Querschnittsform und Itaumkurvenform der Fasern nicht berücksichtigt.
Zur Erstellung eines Faserdiagramms wird ein Gewichtsteil der Fasermischung den Längen nach sortiert und gemäß Fig. 6 ausgelegt. Dabei kann eine Längenklassen-Einteilung geschehen und innerhalb der Klassen nach Faserquerschnittsab messungen feinsortiert werden. Die jeweiligen Querschnittsabmessungen in mm2 können bei Bedarf ebenfalls in einem Koordinatensystem dargestellt werden.
Eine Angabe der zugehörigen Materialsorten vervollständigt das Faserdiagramm.
Bei der praktischen Herstellung von erfindungsgemäßen Multiphasen-Werkstoffen dient das Faserdiagramm dazu, die optimale Fasermischung aus den verschiedenen Mischungskomponenten, die je durch ihren Anlieferungszustand charakterisiert sind, zu erhalten. Nach empirischen Regeln können so auch bei wechselnden Anf@eferungszustanden durch pla@@aßigen korrekturen mittels Variation der Beimischungen "gleichwertige" Faserdiagramme erzeugt werden1 die eine gleichbleibende Werkstoffqualität sicherstellen.

Claims

Multiphasen - Material mit einer Phase aus Zement PATENTANSPRÜCHE 1Multiphasen-Material mit geringer Stoßempfindlichkeit, das in einer Phase aus Zement oder kunstharzgebundenem Beton besteht mit oder ohne zugfeste Einlagen, vorzugsweise in Beanspruchungsrichtungen, und einer weiteren Phase aus Fasern, d a d u r c h gek e n n z ei c h -n e t , daß die Fasern unterschiedliche Längen und Querschnitte aufweisen.
2. Material nach dem Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Faserphase aus einer Mischung von Fasern definierten Stapeldiagramms und unterschiedlicher Materialien besteht, wie Stahlfasern, Glasfasern, Mineralfasern und/oder Chemiefaserll.
3. Multiphasen-Material nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Fasern mindestens teilweise beschichtet sind.
4. Multiphasen-Material nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Fasern mit Metall oder Kunststoff beschichtet sind.
5. Multiphasen-Material nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h S e k e n n -z e i c h n e t, daß die Einlagenphase aus Stahlstäben, Spannstählen, Seilen oder Glasfasersträngen besteht.
6. Multiphasen-Material nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z c i c h n e t, daß die zugfesten Einlagen vorgespannt sind.
7. Multiphasen-Material nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e tl daß die Einlagenphase aus mindestens einer in mindestens einer Richtung zugfesten Membrane besteht.
8. Multiphasen-Material nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Membrane aus Stahlblech besteht.
9. Multiphasen-Material nach Anspruch 8, d a d u r c Ii g e k e n n z e i c h n e t, dan an der Mcbrac angeordnete Bolzen als Verbundvermittler vorgesehen sind.