DE4104929A1 - Verfahren zur herstellung von stahlfaserbeton - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Stahl­ faserbeton.

Zur Verbesserung bestimmter Eigenschaften von Beton werden diesem Stahlfasern, meist mit einer Dicke von etwa 0.5 bis 1 mm, und einer Länge, die etwa dem 100-fachen Durchmesser der eingesetzten Fasern entspricht, zugesetzt. Diesem Stahlfaserbeton kommt aufgrund seiner guten Eigenschaften, insbesondere seiner guten mechanischen und Festigkeitseigenschaften, eine zunehmende Bedeu­ tung zu.

Voraussetzung der optimalen Wirkung der Fasern im Beton ist ihre gleichmäßige Verteilung. Da derartige Fasern insbesondere ab einer gewissen Länge zu Verklumpung (sogenannte "Igelbildung") neigen, muß die gleichmäßige Verteilung durch spezielle Maßnahmen abgesichert werden. Dies kann auf verschiedene Weise erfolgen, z. B. durch Krümmung, Wellung, oder durch Verkleben paralleler Fasern mit wasserlöslichen Klebstoffen, wobei sich die Fasern nach Auflösung des wasserlöslichen Klebstoffes dann gleichmäßig im Beton verteilen. Mit Krümmungen, Wellungen oder einer rauhen Oberfläche versehene Fasern bewirken außerdem auch eine Verbes­ serung der Verankerung im Beton.

Die Wirkung derartiger Fasern ist dabei um so günstiger, je länger und dünner, und je homogener verteilt die Fasern sind. Durch die oben angesprochene Verklumpung (Igelbildung) sind hier allerdings Grenzen gesetzt, weil die Verklumpung ebenfalls umso stärker ist, je länger und dünner die Fasern sind. Außerdem wird durch die hohen Herstellungskosten derartiger dünner Stahlfasern ihr großtechnischer Einsatz erschwert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung von Stahlfaserbeton, mit dem sich die vorstehend angegebenen Nachteile weitgehend vermeiden lassen, und mit dem auf einfache und wirtschaftliche Weise Stahlfaserbetone mit guten Eigenschaften erhältlich sind. Diese Aufgabe wird mit der vorliegenden Erfindung gelöst.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Stahlfaserbeton, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man mit Gummi verbundene Stahlfasern mit unbrennbaren festen Betonkom­ ponenten mischt, den Gummi unter mechanischer Bewegung des Gemisches verbrennt, und das nach dem Abkühlen erhaltene Gemisch, gegebenenfalls unter Zusatz weiterer Zuschlagstoffe, Zusatzstoffe und/oder Zusatzmittel für Beton, mit Zement und Wasser auf an sich übliche Weise zu Beton verarbeitet.

Bevorzugte Ausführungsformen davon sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 11.

Es wurde überraschenderweise gefunden, daß es mit dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren unter Einsatz eines Gemisches von mit Gummi verbundenen Stahlfasern mit festen Betonkomponenten möglich ist, auf einfache Weise auch längere und dünne Stahlfasern unter Vermeidung einer Verklumpung (Igelbildung) gleichmäßig im Beton zu verteilen; dadurch läßt sich eine optimale Wirkung der Stahl­ fasern erreichen.

Als besonders vorteilhaft hat sich dabei auch die gute Eignung von Stahlfasern aus Altgummimaterialien, insbesondere Altreifen­ materialien, erwiesen.

Vulkanisiertes Altgummimaterial fällt in Form von Altreifen in großer Menge an. Zur Beseitigung von Altreifen, die als Müll nicht nur ein Umwelt (Deponie)-Problem darstellen, sondern auch eine Vergeudung wertvoller Rohstoffe, werden Recycling-Verfahren durchgeführt, wie z. B. Pyrolyseverfahren zur Rückgewinnung flüssiger Rohstoffe, die Verbrennung zur Energie- und Rußge­ winnung, und die mechanische Zerkleinerung.

Mit der vorliegenden Erfindung wird nun ein weiterer Weg für ein wirtschaftliches Recycling von vulkanisiertem Altgummima­ terial bereitgestellt. Erfindungsgemäß werden in erster Linie aus dem Gürtel, der Karkasse und/oder dem Wulst von Altreifen stammende Stahlcordfasern eingesetzt. Ein weiterer Vorteil besteht auch darin, daß es dabei nicht erforderlich ist, das Altgummimaterial von den verstärkenden Stahlfäden zu trennen.

Der Einsatz von in Gummi gebundenen Stahlcordfasern, die aus Altreifen gewonnen wurden, ist auch deshalb besonders zweck­ mäßig, weil im Reifenbau wegen der dort auftretenden extremen Beanspruchungen extrem dünne Fasern zum Einsatz kommen, und es auf diese Weise möglich ist, diese extrem dünnen Fasern auch für Stahlfaserbeton einzusetzen, um damit auf wirt­ schaftliche Weise besonders gute Eigenschaften des Stahlfa­ serbetons zu erreichen.

Als weiterer Vorteil einer Verwendung von Altreifenmaterial kommt hinzu, daß der an den Stahlcordfasern anhaftende Gummi den größten Teil der zu seiner Depolymerisation und nachfol­ genden Verbrennung notwendigen Hitze selbst liefert und gleichzeitig die aus dem Gummi bei der Verbrennung auftreten­ den Schadstoffe, wie z. B. Zinkoxid, von den festen Betonkom­ ponenten des Gemisches absorbiert werden.

Als Altreifen können z. B. PKW-, Leicht-LKW (LLKW)-, LKW und EM-Reifen auf der Basis von Stahlcord als Festigkeitsträger verwendet werden.

In den erfindungsgemäß eingesetzten mit Gummi verbundenen Stahlfasern ist unter dem Begriff "Gummi" ein synthetisches und/oder natürliches Kautschukmaterial zu verstehen; als vulkanisiertes Altgummimaterial kann deshalb ein solches aus synthetischem und/oder natürlichem Kautschuk, z. B. NR, einge­ setzt werden.

Als unbrennbare feste Betonkomponenten zur Herstellung des Gemisches mit den mit Gummi verbundenen Stahlfasern kommen unbrennbare, feste Betonkomponenten in Frage, wie sie üblicher­ weise zur Herstellung von Beton verwendet werden, also z. B. übliche Betonzuschläge, Betonzusatzmittel, Betonzusatzstoffe und/oder Zemente.

Obwohl es erfindungsgemäß möglich ist, auch Zement als unbrenn­ bare feste Betonkomponente des Gemisches mit den mit Gummi verbundenen Stahlfasern zu verwenden, werden hierzu unbrennbare, feste Betonzusatzstoffe bevorzugt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, auch unter Verwendung dünner Stahlfasern eine Verklumpung (Igelbildung) zu vermeiden. Dabei ist es zweckmäßig, die mit Gummi verbundenen Stahlfasern in einer möglichst geringen Menge der unbrennbaren festen Betonkomponenten zu vermischen, um nicht unnötig große Mengen transportieren zu müssen. Wenn Zement als feste unbrenn­ bare Betonkomponente verwendet wird, ist es deshalb zweckmäßig, nur einen Teil des für den fertigen Beton erforderlichen Zementes zu verwenden.

Die Auswahl der unbrennbaren festen Betonkomponenten und ihre Menge in dem Gemisch mit den mit Gummi verbundenen Stahlfasern richtet sich dabei insbesondere nach der Art des herzustellenden Stahlfaserbetons und dem beabsichtigten Einsatz. Zur Herstellung der Mischung mit den mit Gummi verbundenen Stahlfasern können auch zwei oder mehrere Arten unbrennbarer fester Betonkomponenten verwendet werden.

Das Mengenverhältnis von Stahlfasern und festen Betonkomponenten wird insbesondere durch den Gehalt an Stahlfasern im fertigen Beton bestimmt, sowie dadurch, daß die Menge des homogenen Gemisches aus Stahlfasern und Betonkomponenten aus Transportgrün­ den möglichst gering gehalten werden soll.

Das Verhältnis der Mischung aus den mit Gummi verbundenen Stahlfasern und den unbrennbaren festen Betonkomponenten zum Fertigbeton beträgt vorzugsweise 5 bis 50 Gew.-%, insbesonde­ re 10 bis 30 Gew.-%, bezogen auf den fertigen Beton. Es rich­ tet sich dabei insbesondere auch nach der Auswahl der für das Gemisch mit den Stahlfasern verwendeten Betonkomponenten und der Art und dem Anwendungszweck des fertigen Betons, der, je nach Art und Anwendungszweck, die Stahlfasern in den dafür üblichen Mengen enthält. Vorzugsweise enthält das Gemisch aus unbrennbaren Betonkomponenten und den mit Gummi verbundenen Stahlfasern die Stahlfasern in einer Menge von 2 bis 10 Gew.-%, vorzugsweise 3 bis 5 Gew.-%, bezogen auf das Gemisch.

Als unbrennbare feste Betonkomponenten für die Mischung mit den mit Gummi verbundenen Stahlfasern werden vorzugsweise Betonzuschlagsstoffe eingesetzt. Solche erfindungsgemäß ver­ wendbaren Betonzuschlagsstoffe sind übliche Betonzuschlags­ stoffe aus natürlichem oder künstlichem, dichtem oder auch porigem Gestein oder auch aus Metall mit Korngrößen, wie sie üblicherweise für die Betonherstellung geeignet sind. Ihre Auswahl erfolgt insbesondere nach der Art des herzustellenden Betons (z B. Schwerbeton, Normalbeton oder Leichtbeton) Sol­ che Betonzuschlagsstoffe sind z. B. Schwerspat, Magnetit, Hä­ matit, Schwermetallschlacken, Stahlschrot, Stahlspäne, Fluß­ kies, Flußsand, Grubenkies und -sand, Splitt, Schotter, ande­ re Metallschlacken, Klinkerbruch, Asbestfasern, Glasfasern, Kohlenstoff- und andere anorganische Fasern, Feinsand, Lava­ kies, Bimstein, Kieselgur, Tuff, Blähglimmer, Blähton, Bläh­ perlit, Blähschiefer, Flugasche und Müllschlacke.

Zur Herstellung des Fertigbetons werden dem Gemisch aus den unbrennbaren festen Betonkomponenten, vorzugsweise Betonzu­ schlagsstoffen, und den mit Gummi verbundenen Stahlfasern nach Verbrennung des Gummis und Abkühlung gegebenenfalls noch weitere Zusätze zugegeben, wie z. B. weitere übliche Betonzu­ schlagstoffe, übliche Betonzusatzstoffe und/oder übliche Betonzusatzmittel.

Zur Bindung des in dem Gummi enthaltenen Schwefels ist es zweck­ mäßig, als unbrennbare Betonzusatzstoffe zur Herstellung des Gemisches mit den mit Gummi verbundenen Stahlfasern anorganische Basen einzusetzen, oder dem Gemisch aus den unbrennbaren festen Betonkomponenten und den Stahlfasern vor der Verbrennung solche anorganische Basen zuzusetzen. Insbesondere wird als anorganische Base z. B. Calciumoxid verwendet, wodurch der im Gummi enthaltene Schwefel als Calciumsulfat gebunden wird. Die Haftung des Stahls an Beton und/oder die Korrosionsfestigkeit kann durch Zusatz von an sich üblichen Zusatzstoffen, wie z. B. von Haftvermittlern und/oder Korrosionsschutzmitteln verbessert werden. Die Zusatz­ stoffe können dabei der Mischung aus den unbrennbaren festen Betonkomponenten und den mit Gummi verbundenen Stahlfasern zugesetzt werden, oder aber nach dem Verbrennen des Gummis und Abkühlen des Gemisches als Zusatzmittel bei der weiteren auf an sich übliche Weise erfolgenden Verarbeitung zum fertigen Beton.

Der Durchmesser der Stahlfasern der erfindungsgemäß bevorzugt eingesetzten Altreifenteile beträgt für Gürtel-, Wulst- und Karkassendrähte in der Regel 0,15 bis 0,5 mm, für Kerndrähte 0,75 bis 2,0 mm. Die Länge der Stahlfasern beträgt vorzugsweise 10 bis 100 mm, und insbesondere 20 bis 50 mm. In erster Linie werden Stahlfasern eingesetzt, die ein Verhältnis von Durchmesser/Länge von etwa 1/100 besitzen.

Im fertigen Stahlfaserbeton wird zur Erzielung optimaler Eigen­ schaften insbesondere eine möglichst wirr angeordnete Faser­ struktur angestrebt; dies kann auch unter Verwendung von Altrei­ fenmaterial, bei denen eine parallele Anordnung der Stahlfasern vorliegt, durch eine entsprechende Länge der Stahlfasern, ein bestimmtes Verhältnis der mit Gummi verbundenen Stahlfasern zu den unbrennbaren festen Betonkomponenten, und/oder durch die Art und Dauer der Vermischung dieser Bestandteile erreicht werden.

Zweckmäßigerweise werden die mit Gummi verbundenen Stahlfasern in Form von zerkleinerten Altreifenmaterialien eingesetzt, insbeson­ dere in Form von Streifen oder Chips (Schnitzeln), deren Dimen­ sionen insbesondere der erfindungsgemäß bevorzugten Länge der Stahlfasern entspricht. Besonders günstig hat sich dabei die Verwendung von auf die gewünschte Länge abgehackten oder ge­ schnittenen Teilen des Gürtels und/oder Wulstes von PKW-Reifen herausgestellt.

Die Herstellung der Chips aus den Altgummimaterialien kann auf eine hierfür geeignete, bekannte Weise erfolgen. Vorzugsweise geht man zur Herstellung der erfindungsgemaß eingesetzten Chips von Altreifenmaterialien aus.

Zur Herstellung der Chips aus Altreifenmaterialien kann man z. B. nach dem in der DE-C-29 11 251 beschriebenen Verfahren und unter Verwendung der dort beschriebenen Vorrichtung arbeiten. Danach werden die Karkassen von Altreifen derart zerschnitten, daß zuerst der Reifenwulst abgetrennt und dann die restliche Karkasse erst längs- und dann quergeschnitten wird, wobei man Chips mit erfindungsgemäß zweckmäßigen Größen erhalten kann, z. B. mit einer Länge von 1 bis 10 cm, und einer Breite von ca. 1 bis 2 cm.

Für die Durchführung der Verfahrensstufe der Verbrennung des Gummis unter mechanischer Bewegung können an sich bekannte Fluid­ bett-Techniken verwendet werden, insbesondere unter Verwendung von Drehrohröfen, wie sie z. B. für die Zementherstellung ge­ bräuchlich sind.

Die Verbrennung wird in der Regel bei einer Temperatur durchge­ führt, bei der sich die Eigenschaften der Stahlfasern nicht wesentlich verändern; es wird deshalb vorzugsweise bei einer Temperatur gearbeitet, die unterhalb der Temperatur liegt, bei der z. B. durch Entkohlung die Bildung von Weichstahl her­ vorgerufen wird; diese Temperatur liegt in der Regel unterhalb der Schmelztemperatur der Stahlfasern.

Da die im Reifenbau verwendeten Polymere, wie z. B. natürli­ cher und/oder synthetischer Kautschuk, unter Sauerstoffein­ wirkung bei einer Temperatur verbrennen, die in der Regel etwas unterhalb von 400°C liegt, und der in der Gummimischung enthaltene Ruß bei ca. 600°C verbrennt, arbeitet man zweck­ mäßigerweise bei einer Temperatur, die nicht wesentlich höher als 600°C liegt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, insbesondere unter Ver­ wendung von Stahlcordfasern aus Altreifenmaterialien, lassen sich auf einfache und wirtschaftliche Weise Stahlfaserbetone herstellen, deren Eigenschaften, insbesondere Schlagfestig­ keit, Biegezugfestigkeit, Zugfestigkeit, Spaltzugfestigkeit, Frühzugfestigkeit, Schlagfestigkeit und/oder Resttragvermö­ gen, mit den entsprechenden Eigenschaften bekannter Stahlfa­ serbetone vergleichbar sind, und diese zum Teil sogar über­ treffen.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Stahlfaser­ betonprüfkörper unter Verwendung von Stahlcordfasern von PKW- Reifen (Gürtel- und Wulstteile) und von Calciumoxid als un­ brennbarer, fester Betonkomponente (Betonzuschlagstoff) und von Portland-Zement weisen eine ca. 10%-ige Verbesserung der Schlagfestigkeit auf gegenüber einem auf bekannte Weise auf der Basis der gleichen Komponenten (Betonzuschlagsstoff und Zement) unter Verwendung von Stahlfasern einer Länge von 50 mm und einem Durchmesser von 0,5 mm hergestellten Betonkör­ per.

Die erfindungsgemäß hergestellten Betonverbundkörper eignen sich aufgrund ihrer guten mechanischen Eigenschaften z. B. sehr gut für den Einsatz als Industriefußböden, Estriche, Start- und Landebahnen von Flugzeugen, Verschleiß- und Trag­ schichten für Betonstraßen, hochbeanspruchte Fundamente, zum Stollenbau, zur Hangsicherung und Bodensanierung, für Fertig­ teilgaragen, als Tresorbeton, Fassadenelemente, Brückenbelege und Betonrohre.

Gegenstand der Erfindung ist deshalb auch die Verwendung von nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Stahlfaserbetonen für die vorstehend genannten Zwecke.

Claims (13)

1. Verfahren zur Herstellung von Stahlfaserbeton, dadurch gekennzeichnet, daß man mit Gummi verbundene Stahlfasern mit unbrennbaren festen Betonkomponenten mischt, den Gummi unter mechanischer Bewegung des Gemisches ver­ brennt, und das nach dem Abkühlen erhaltene Gemisch, gegebenenfalls unter Zusatz weiterer Zuschlagstoffe, Zusatzstoffe und/oder Zusatzmittel für Beton, mit Zement und Wasser auf an sich übliche Weise zu Beton verarbei­ tet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als unbrennbare feste Betonkomponenten unbrennbare Betonzusatzstoffe einsetzt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß man als mit Gummi verbundene Stahlfasern solche aus Altgummimaterialien, insbesondere Altreifenmateria­ lien, einsetzt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man aus dem Gürtel, der Karkasse und/oder dem Wulst von Altreifen stammende Stahlcordfasern einsetzt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahlfasern eine Länge von 10 bis 100 mm, vorzugsweise von 20 bis 50 mm, besitzen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern ein Verhältnis von Durch­ messer/Länge von 1/100 besitzen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man die mit Gummi verbundenen Stahlfasern in Form von zerkleinerten Altreifenmaterialien einsetzt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man in dem Gemisch aus unbrennbaren festen Betonkomponenten und mit Gummi verbundenen Stahlfasern zur Bindung des in dem Gummi enthaltenen Schwefels als Betonkomponenten anorganische Basen einsetzt, oder dem Gemisch aus unbrennbaren festen Betonkomponenten und mit Gummi verbundenen Stahlfasern vor der Verbrennung anorganische Basen zusetzt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man als anorganische Base Calciumoxid verwendet.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man dem Gemisch aus unbrennbaren festen Betonkomponenten und mit Gummi verbundenen Stahlfasern Haftverbesserer und/oder Korrosionsschutzmittel zusetzt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß man die Verbrennung in einem Drehrohrofen durchführt.

12. Stahlfaserbeton, erhältlich nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11.

13. Verwendung eines Stahlfaserbetons nach Anspruch 12 für Industriefußböden, Estriche, Start- und Landebahnen von Flugzeugen, Verschleiß- und Tragschichten für Betonstraßen, hochbeanspruchte Fundamente, zum Stollenbau, zur Hangsicherung und Bodensanierung, für Fertigteilgaragen, als Tresorbeton, als Fassadenelemente, Brückenbelege, und Betonrohre.