DE4130146C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Erfindung geht von einem mineralisch gebundenen hochfesten Verbundwerkstoff, insbesondere auf Zement- oder Gipsbasis, für Platten und Formkörper im Neubau und in der Rekonstruktion des Wohnungs-, Gesellschafts- und Industriebaus. Ein weiteres Anwendungsgebiet sind dynamisch beanspruchte Trennelemente, die wegen brandschutztechnischer Forderungen hauptsächlich aus mineralischem Material bestehen müssen.

Es ist bekannt, daß bei anorganisch gebundenen Kompositwerkstoffen durch Einlagerung von Verstärkungsmaterialien die im Gegensatz zur Druckfestigkeit geringe Zugfestigkeit erhöht werden kann. Je nach verwendetem Verstärkungsmaterial und Einbringungsverfahren werden dabei unterschiedliche obere Grenzen der zumischbaren Verstärkungsmaterialien und der dadurch erzielbaren Festigkeitssteigerungen gegenüber unverstärkten wassergehärteten Massen erreicht. Des weiteren bilden sich ein unterschiedliches Spannungs-Dehnungs-Verhalten bei Biegebeanspruchung sowie verschiedene erreichbare Biegefestigkeiten heraus.

Beispielsweise reißt bei bekannten Stahlbetonerzeugnissen die die Bewehrung umhüllende Matrix schon bei relativ geringer Lasteinwirkung, so daß danach nur noch die diskontinuierlich über den Querschnitt verteilte Bewehrung eine Tragfunktion erfüllt.

Die nach einem in DD 1 31 926 erläuterten Verfahren hergestellten Platten mit Einlagerung von mehreren vorgestreckten und zu einem Netzwerk aufgespleißten Polypropylenfolien als Verstärkungskomponente weisen bei Biegebeanspruchung ebenfalls einen von einer Vielzahl von Einzelbrüchen gekennzeichneten Verlauf auf, bevor die Maximalfestigkeit erreicht wird. Die Biegesteifigkeit ist relativ gering.

Eine reine Fasereinlagerung, kontinuierlich über den Querschnitt verteilt, ist besonders von den lange Zeit erfolgreich produzierten Asbestzementerzeugnissen bekannt. Hochverdichtete Asbestzementerzeugnisse mit einem optimalen Faseranteil erreichen Biegefestigkeiten von ca. 40 N/mm² bei allerdings sehr hoher Sprödigkeit. Dies gilt jedoch nur für dünne Platten unter 10 mm Dicke. Infolge der gesundheitsgefährdenden Wirkung der Asbestfasern unterliegen diese Erzeugnisse mittlerweile einem Produktionsverbot.

Dem Fachmann sind eine Vielzahl von Substitutionsvarianten für die Asbestfasern bekannt, die sich von nur einer Stoffgattung bis zu sogenannten Fasercocktails erstrecken.

In DE-PS 31 42 598 wird ein Formkörper aus einem abbindenden mineralischen Werkstoff und darin eingebetteten Verstärkungsfasern beschrieben, wobei die Fasern aus einem organischen polymeren Werkstoff in Form einer parallelisierten Streutextur zu einem Vlies vereint sind. Hauptziel ist es, die bei der Asbestsubstitution auftretenden Schwierigkeiten in der Verteilung von Kurzfasern zu überwinden. Das soll durch eine Tränkung der Hohlräume des Vlieses mit einer 50%igen Zementlösung erreicht werden. Eine vollständige Faserumhüllung wird angezweifelt. Als nachteilig erweist sich auch das ökonomisch kaum zu vertretende Verhältnis Faser/Bindemittel von 200 g/300 g.

Es zeigt sich, daß keines der in der Patentliteratur umfänglich beschriebenen Asbestfaser-Substitute die Festigkeit von Asbestzement überschreitet, die meisten liegen sogar erheblich darunter. Für den Großteil der bisherigen Anwendungsfälle war dies allerdings auch nicht erforderlich.

Ein in jüngster Zeit bekanntgewordenes Anwendungsgebiet für plattenförmige Werkstoffe sind die sogenannten Doppelbodenelemente, insbesondere für Büro- und Computerräume, bei denen es auf eine hohe Biegefestigkeit und Biegesteifigkeit auch bei Dauer- bzw. dynamischer Belastung ankommt. In EP 51 101 werden Plattenwerkstoffe beschrieben, die nach festigkeitstheoretischer Betrachtung die günstigste Form einer Bewehrung, ein oder mehrere an den Plattenoberflächen eingelagerte Gitternetze aus Endlosfaserbündeln, jedoch keine Einzelfaser enthalten. Es wird festgestellt, daß sich dieser Komposit bei Beanspruchung als einheitliches System biegt. In angegebenen Ausführungsbeispielen werden bei Rohdichten von 2,2 bis 2,4 g/cm³ Biegefestigkeiten von 18 bis 25 N/mm² erreicht, in Sonderfällen Festigkeiten von 25 bis 35 N/mm².

Die getroffene Aussage der Biegung als einheitliches System ist nur bedingt, in Abgrenzung zu ebenfalls in der Patentliteratur beschriebenen, nachträglich aufgebrachten Verstärkungssystemen zutreffend. Durch die geringe Dehnbarkeit der die Gitternetze umgebenden wasserhärtbaren Masse kommt es bei Biegebeanspruchung zu einer Rißbildung innerhalb derer. Dadurch ist keine vollständige Einleitung der angreifenden Kräfte auf das bzw. die eingelagerten Gitternetze möglich. Dies wird besonders durch die Unstetigkeiten im Spannungs-Dehnungs-Diagramm deutlich, ein Großteil der theoretisch erreichbaren Festigkeit wird verschenkt.

Eine Mehrfachbelasung der Komposite oberhalb der ersten Unstetigkeiten, jedoch noch weit unterhalb der aufbringbaren Maximalkraft führt zu einer deutlichen Abnahme der Biegesteifigkeit.

Diese Aussagen treffen ebenfalls auf die in DE-OS 27 34 483 beschriebene Lösung zu, in eine dem Stand der Technik entsprechende, Asbestfasern enthaltende wasserhärtbare Masse Verstärkungsnetze einzubetten und diese aushärten zu lassen. Aus dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm ersieht man, daß derart hergestellte Kompositwerkstoffe sich ebenfalls wie nichtmonolithische Erzeugnisse verhalten, bei denen erst nach Versagen der untersten Faserbetonschicht die eingelagerten Gittergewebe nur begrenzt zur Wirkung kommen.

Alle weiteren, ebenfalls aus der Patentliteratur bekannten Verfahren, wie z. B. das nachträgliche Aufkleben von Verstärkungsnetzen auf Faserbetone, führen zu einem nichtmonolithischen Bruchverhalten und erreichen deshalb nicht die geforderten hohen Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften.

Aus der DE-OS 33 08 124 ist ein Stoffgemisch mit zementgebundenem Fasermaterial bekannt. Dieses Stoffgemisch enthält ein organisches Bindemittel, aus einer Mineralschmelze gewonnenes Fasermaterial und/oder Mineralstaub, Zement und/oder Gips, Quarzsand feinster Körnung od. dgl. und Wasser. Danach wird in diesem Dokument ein Werkstoff vorgestellt, der ein organisches Bindemittel enthält und zementgebundenes Fasermaterial.

Aus der EP 01 35 374 ist eine faserverstärkte Zementstruktur bekannt. Nach diesem Dokument werden die Verstärkungskomponente jeweils von einer nur aus anorganischen Bindern und Wasser bestehende Matrix umhüllt, wobei mannigfaltige, nach textiltechnischen Variationen erzeugte Flächen- bzw. Raumgebilde eingesetzt werden.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen mineralisch gebundenen Verbundwerkstoff zur Verfügung zu stellen, der Biegefestigkeiten aufweist, die deutlich über denen vergleichbarer Werkstoffe, wie z. B. Asbestzement- Erzeugnissen, liegen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen an.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, daß die Bindemittel- Faser-Matrix aus einem Gemisch von mineralischem Bindemittel und einer Kombination von organischen synthetischen Kurzfasern mit organischen synthetischen Faserstäuben besteht und die Netzwerke schichtenweise in die Bindemittel-Faser-Matrix eingearbeitet sind.

Die organischen synthetischen Kurzfasern weisen eine Länge von 2-15 mm auf und sind mit einem Masseanteil von 3-5%, bezogen auf die Bindemittelmasse, enthalten. Die organischen synthetischen Faserstäube weisen eine Länge von 0,05-2 mm, vorzugsweise 0,1- 1,5 mm auf und sind mit einem Masseanteil von 5-10%, bezogen auf die Bindemittelmasse, enthalten.

Als synthetische Fasern werden vorzugsweise sekundäre Polypropylenfasergranulate verwendet. Die Faserstäube sind vorzugsweise organische synthetische Scherstäube. Als Netzwerklagen werden Glasfasergewebe mit einer Maschenweite von 3-20 mm bei einer Flächenmasse zwischen 200 und 700 g/m² verwendet. Günstigerweise werden 1-10 Netzwerklagen in die Matrix eingearbeitet.

Mit dem Einbringen der Kombination von organischen synthetischen Faserstäuben und Kurzfasern in die mineralische Bindemittelmatrix und der Einlage der Netzwerke wird die Matrixdehnbarkeit derart erhöht, daß eine volle Übertragung der Kräfte auf die Netzwerke möglich ist und sich ein entscheidender Festigkeits- und Steifigkeitszuwachs ergibt.

Bei dem angewendeten Herstellungsverfahren erfolgt die Stoffbildung aus einer hochkonsistenten breiigen Masse. Im Gegensatz zu bekannten Halbtrockenverfahren werden dadurch genügend dichte Werkstoffe gebildet, und gegenüber dem herkömmlichen Naßverfahren wird eine entmischungsfreie Werkstoffbildung dieser Fasermaterialien mit dem Bindemittel möglich.

Zur besseren Verarbeitbarkeit bei der Verwendung von Zement als Bindemittel kann Betonverflüssiger zugesetzt sowie die Glasseidengewebe mit einem vor dem alkalischen Angriff schützenden Überzug versehen werden.

Das Kriterium für die Verwendbarkeit der zusätzlich zu den Gitternetzen eingebrachten Fasern ist demzufolge nicht die dadurch erreichbare Festigkeitssteigerung, sondern die erzielbare Bruchdehnungserhöhung. Somit sind auch Fasern verwendbar, denen bislang eine Eignung für höherfeste Kompositwerkstoffe abgesprochen wurde und die, wie aus den Ausführungsbeispielen ersichtlich, auch Abfallmaterialien sein können, welche bisher ohne Weiterverwendung nur deponiert werden konnten.

Bei den erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffen liegt die aufbringbare Maximalkraft bis zu 600% über jener unverstärkter Materialien. Bei der Verwendung einer bestimmten Anzahl von Netzwerkschichten kann erreicht werden, daß zementgebundene Werkstoffe Spannungen über 60 MPa, gipsgebundene über 40 MPa aufnehmen können. Im Vergleich dazu werden bei vergleichbar dichten Asbestzementerzeugnissen ca. 30-35 N/mm², bei derzeitigem industriellen Faserzement 20-25 N/mm² und bei herkömmlichem Glasfaserzement bis max. 30 N/mm² erreicht.

In der breiten Variierbarkeit der neu hergestellten Werkstoffe liegt ein deutlicher Vorteil gegenüber bisher unbekannten Verbundwerkstoffen. Ohne wesentliche technologische Mehraufwendungen ist dies sowohl durch die Variation der Anzahl der Netzwerkschichten, des Netzwerkmaterials, der Art des Zwischenschichtmaterials, des Einsatzes von Zusatzstoffen als auch des Preßregimes möglich. Nach anwendungsspezifischer Notwendigkeit sind variable Festigkeiten erzielbar. Des weiteren ist eine gezielte und differenzierte Eigenschaftsbildung durch speziell modifizierte Fasern nur in den Deckschichtbereichen (Zug- und Druckzonen) möglich. Dadurch ist der von anderen Materialien bekannte Sandwicheffekt erzielbar.

Je nach den gewünschten Anforderungen an das Erzeugnis wird eine endliche Anzahl von Schichten, alternierend Bindemittel-Faserbrei und Netzwerklage, hergestellt. Der so erhaltene Rohling kann nun zu einer ebenen Platte verpreßt oder in einem Gesenk um einen Kern etc. gelegt werden. Es ist weiterhin möglich, zur Erzielung bestimmter Oberflächeneffekte in den betreffenden Schichten z. B. zusätzliches Fasermaterial oder Farbstoff einzulagern.

Wahlweise ist auch der Zusatz bestimmter, die Hydratation beeinflussender oder fungizider Chemikalien möglich.

Die Erzeugnisdicke wird maßgeblich durch die Anzahl der Einzelschichten und die Auftragsmenge in der Faserbrei-Zwischenschicht bestimmt und hat entsprechende Auswirkungen auf die physikalisch- mechanischen Eigenschaften des Endproduktes.

Der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff soll nun in einigen Ausführungsbeispielen einschließlich der erzielten Eigenschaften näher dargestellt werden.

Beispiel 1

Es wurde eine Mischung aus Baugips G5/B2, zerhäckselten Abfällen von Polypropylen-Erntebindegarn, organischen textilen Scherstaubabfällen (Gemisch aus Polyesterseide, Polyamidseide und Triacetat) einer durchschnittlichen Faserlänge von 0,8 mm und einem Faserdurchmesser von 25 µm sowie Wasser hergestellt. Dies erfolgte durch einfaches Aufrühren in einem Gefäß. Folgende Massenverhältnisse wurden, bezogen auf die Gipsmasse, eingesetzt:

3,5% Polypropylen,
7% Scherstaub,
70% Wasser.

Diese Mischung einer breiigen, keine Entmischung zulassenden, jedoch eine hohe Verdichtbarkeit zulassenden Konsistenz wurde mittels einer Glättkelle auf eine absaugbare Tuchunterlage derart aufgebracht, daß ein schichtenweiser Aufbau mit Einlagerung von 2 Glasseidengeweben entstand.

Die beiden Gewebe können folgendermaßen charakterisiert werden:
- gewebte Glasseidenrovings mit einem Rovingabstand von 4 bzw. 6 mm,
- Flächenmasse 550 g/m².

Ein Teil des überschüssigen Wassers des Rohlings wurde durch Anlegen eines Unterdruckes von 0,6 N/mm² abgesaugt und dieser bei einem spezifischen Preßdruck von 12 N/mm² 30 min gepreßt. Während dieser Zeit erfolgte die Hydratation des Gipses.

Nach einer 6stündigen Trocknung bei 40 Grad Celsius erfolgte mittels Trennscheibe die Aufteilung in Prüfkörper einer Länge von 170 mm und einer Breite von 50 mm. Diese Prüfkörper wurden im 3- Punkt-Biegezugversuch bei einer Stützweite von 150 mm geprüft. Folgende Ergebnisse wurden erzielt:

Plattendicke: 5,4 mm,
Rohdichte: 1,75 g/cm³,
Biegefestigkeit: 39,7 N/mm²,
E-Modul: 3,47 kN/mm²,
Bruchdehnung: 1,15%.

Beispiel 2

Analog Beispiel 1 wurde eine Mischung folgender Zusammensetzung (bezogen auf die Gipsmasse) hergestellt und verarbeitet:

3,5% Polypropylen,
7% Scherstaub,
70% Wasser.

Es wurden 5 Glasseidengewebe eingebracht. Folgende Ergebnisse wurden erzielt:

Plattendicke: 10,1 mm,
Rohdichte: 1,60 g/cm³,
Biegefestigkeit: 42,3 N/mm²,
E-Modul: 5,42 kN/mm²,
Bruchdehnung: 1,1%.

Beispiel 3

Es wurde analog der Beschreibung in Beispiel 1 eine Mischung hergestellt, die anstelle von Gips nun Portlandzement PZ 45/1 als Bindemittel enthält. Alle Massenverhältnisse entsprechen obiger Angabe.

Der schichtenweise Rohlingsaufbau erfolgt auch wie in Beispiel 1, jedoch wurden jetzt 4 der oben beschriebenen Glasgewebelagen eingelegt. Die Absaug- und Preßbedingungen entsprechen den oben angegebenen. Es wurde jedoch nur 5 Minuten gepreßt.

Die Prüfung erfolgte nach 28 Tagen Lagerzeit nach den bereits angeführten Bedingungen. Folgende Ergebnisse wurden erzielt:

Plattendicke: 7,5 mm,
Rohdichte (trocken): 1,78 g/cm³,
Biegefestigkeit: 60,8 N/mm²,
E-Modul: 5,15 kN/mm²,
Bruchdehnung: 1,52%.

Aus dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm ist ersichtlich, daß der Lasteintrag ohne Unstetigkeiten bis zur aufbringbaren Maximalspannung erfolgen kann und somit das erfindungsgemäße Bruchverhalten erzielt wird. Damit sind auch mehrfache dynamische Belastungen unterhalb der einbringbaren Maximalkraft möglich, ohne, wie bisher bekannt, erhebliche Biegesteifigkeitsverluste hinnehmen zu müssen. Beispielsweise erbrachte eine zehnmalige Belastung bis zu 80% der Bruchfestigkeit keine Änderung im Spannungs-Dehnungs-Verhalten.

Die Eignung der erfindungsgemäßen Werkstoffe auch für dickere Platten zeigt Beispiel 4.

Es wurde analog Beispiel 3 verfahren. Jedoch wurde jetzt Portlandzement PZ 35 F eingesetzt, und 3 Glasgewebelagen wurden eingebracht. Folgende Ergebnisse wurden erzielt:

Plattendicke: 12,0 mm,
Rohdichte (trocken): 1,80 g/cm³,
Biegefestigkeit: 60,30 N/mm²,
E-Modul: 8,72 kN/mm²,
Bruchdehnung: 1,94%.

Claims (5)

1. Hochfester, dynamisch belastbarer Verbundwerkstoff mit einer Matrix aus einem mineralischen Bindemittel und Faserstoffen sowie in die Matrix eingebauten Netzwerklagen, insbesondere aus Glasfasern, dadurch gekennzeichnet, daß die Bindemittel-Faser-Matrix aus einem Gemisch von mineralischem Bindemittel und einer Kombination von organischen synthetischen Kurzfasern mit einem Masseanteil von 2 bis 5% mit organischen synthetischen Faserstäuben mit einem Masseanteil von 5 bis 10%, jeweils bezogen auf die Bindemittelmasse, besteht und die Netzwerke schichtenweise in die Bindemittel-Faser-Matrix eingearbeitet sind.

2. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die organischen synthetischen Kurzfasern eine Länge von ca. 2- 15 mm und die organischen synthetischen Faserstäube eine Länge von ca. 0,05-2 mm, vorzugsweise 0,1-1,5 mm, aufweisen.

3. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die organischen synthetischen Kurzfasern aus Polypropylen bestehen.

4. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Netzwerklagen aus Glasfasergewebe mit einer Maschenweite von 3-20 mm bei einer Flächenmasse von 200-700 g/m² bestehen.

5. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 1 bis 10 Netzwerklagen in die Bindemittel-Faser-Matrix eingebracht sind.