DE4315270A1

DE4315270A1 - Stahlfaserverstärkter Beton mit hoher Biegefestigkeit

Info

Publication number: DE4315270A1
Application number: DE19934315270
Authority: DE
Inventors: Dirk Nemegeer; Yves Vancraeynest
Original assignee: Bekaert NV SA
Current assignee: Bekaert NV SA
Priority date: 1992-05-08
Filing date: 1993-05-07
Publication date: 1993-11-11
Anticipated expiration: 2013-05-08
Also published as: SA93140017B1; ITRM930292A1; NO931669L; CA2094543C; DK51693D0; ES2076129A1; WO1993023343A1; DE4315270C2; FR2690915A1; CA2094543A1; CH684794A5; SE9301529D0; US5865000A; NL194163C; LU88436A1; ZA932992B; FR2690915B1; NL194163B; AU3846793A; KR100251670B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf stahlfaserverstärkten Beton mit erhöhter Biegefestigkeit und auf dabei verwendete Stahlfasern. Stahlfasern für die Verstärkung von Beton sind ausreichend bekannt. Derartige Fasern werden in eine für die Betonher stellung vorgesehene Mischung eingebracht und gut gemischt, bis sie in der Mischung gleichmäßig verteilt sind. Nach dem Härten des Betons wirken sie als Verstärkung, die die Festig keit des Betons erhöht.

Im Hinblick auf die Eignung zum Mischen und zum Verstärken haben die Stahlfasern im allgemeinen eine Dicke im Bereich von 0,3 bis 1,2 Millimeter, vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 1 Millimeter, ein Längen-/Dickenverhältnis im Bereich von 30 bis 150, vorzugsweise im Bereich von 50 bis 100, und eine Zugfestig keit im Bereich von 500 bis 1 600 Newton pro Quadratmillimeter, vorzugsweise von 900 bis 1 300 N/mm². Wenn diese geringer als 500 N/mm² ist, dann haben die Fasern einen zu geringen Wider stand gegenüber einer Verformung bei Bruch des Betons, wo durch der Beton dann ein Sprödverhalten beim Bruch aufweisen würde. Wenn sie höher als 1 300 N/mm² ist, dann wird das Sprödverhalten des Betons genügend vermieden; die erhöhte Zug festigkeit des Stahls erhöht jedoch dann die Biegefestigkeit des Betons in keiner Weise mehr.

Der Verstärkungseffekt der Stahlfasern manifestiert sich ins besondere in der Erhöhung der Biegefestigkeit des Betons. Das ist bei einem Betonträger unter Biegebelastung und an der Stel le, wo die höchste Spannung auftritt, die Zugspannung des Be tons bei Bruch des Trägers. Bezeichnend dafür ist der sogenann te Bruchmodul. Das ist der Wert σ, den man durch folgende Formel erhält:

σ = P × L × B/H²,

dabei ist:
L = die Spannweite zwischen den beiden Auflagepunkten eines Testträgers, welcher einer Biegebelastung durch eine Last unterworfen ist, die zur Hälfte in einem Abstand von einem Drittel der Spannweite von einem Auflage punkt wirkt und zur anderen Hälfte in einem Abstand von einem Drittel der Spannweite vom anderen Auflage punkt;
B = die Breite des Testträgers;
H = die Höhe des Testträgers;
P = die Summe der oben genannten Halblasten beim Bruch.

Der durch diese Formel ermittelte Werte entspricht in der Tat der Bruchspannung in dem Teil des Trägers, unter Spannung steht und der den größten Abstand von der neutralen Ebene hat, und zwar in der Weise berechnet, als ob dieser Bruch noch im linearen Teil der Last/Spannungskurve läge. Durch das Vorhandensein der Fasern zeigt jedoch der Beton nach dem ersten Anriß noch keinen Sprödbruch; die Lastspannungskurve steigt jedoch weiter nichtlinear bis zu einem Maximum an mit dem Ergebnis, daß der Beton einen Nach- Anriß-Widerstand aufweist, der beträchtlich höher als der Erst-Anriß-Widerstand ist. Auf diese Weise verursachen die Fasern einen beträchtlich höheren Zuwachs der Biegefestigkeit, als über den Bruchmodul erkennbar ist.

Es ist bekannt, daß die Biegefestigkeit, die durch die Metall fasern erzeugt wird, in erster Näherung durch die Formel an gegeben wird:

F = B × p × L/D (1)

dabei ist:
B = eine Konstante, die vom Grad der Verankerung und von der Orientierung der Fasern im Beton abhängt; das ist in erster Näherung unabhängig von der Zugfestigkeit des Faserstahls;
p = der Volumenprozentsatz der Fasern im Beton;
L/D = das Längen-/Durchmesserverhältnis der verwendeten Faser.

Es ist bekannt, Fasern mit einer sich verhakenden Form zu ver wenden, beispielsweise Fasern mit einer Form, die von einer geraden Form mit konstantem Durchmesser über die Lange ab weicht, um einen Grad einer Verankerung der Fasern zu erhalten, die so hoch wie möglich ist. Es gibt beispielsweise Fasern, die mit Krümmungen oder Wellenformen versehen sind, entweder über die gesamte Länge oder einen Teil ihrer Länge, oder nur an den Enden, wie beispielsweise bei hakenförmigen Krümmungen. In ähnlicher Weise gibt es Fasern, bei denen das Querschnitts profil sich über die Länge ändert, wobei beispielsweise Ver dickungen mit dünneren Bereichen abwechseln oder ein abge flachtes Profil mit einem runden Profil abwechselt, und zwar über die gesamte Länge oder auch nur an den Enden, wie bei spielsweise bei Verdickungen in der Form eines Nagelkopfes an jedem der Enden. Diese Verformungen können jeweils für sich alleine oder in Kombination mit jeder anderen verwendet werden. Die Verbesserung des Verankerungsgrades kann durch die Verwendung derartiger Fasern mit einer sich verhakenden Form erreicht werden; sie kann weiter durch Aufrauhen der Faser oberfläche erreicht oder verbessert werden.

Neben der Verbesserung des Verankerungsgrades ist es auch bekannt, daß ein L/D-Verhältnis gewählt werden sollte, welches so hoch wie möglich ist, und zwar bei einer Rate von jedenfalls mehr als 50. Wenn jedoch die Fasern durch ein kaltverfesti gendes Querschnittreduzierverfahren hergestellt werden, wie beispielsweise durch Kaltrollen oder Ziehen oder Strecken, und gleichzeitig ein Verhältnis oberhalb etwa 120 bis 130 gewählt wird, dann wird bei Verwendung einer akzeptablen Länge von 2,5 bis 10 cm für die Mischung der Durchmesser zu klein, als daß er ökonomisch noch akzeptabel wäre. Die Herstellungskosten der Faser pro Kilogramm steigen in der Tat dementsprechend, wie die Faser dünner wird. Man kann infolgedessen das L/D-Verhältnis nicht unendlich anheben.

Wenn man die Biegefestigkeit des Betons weiter steigern will, indem man eine derartig hinsichtlich des Nutzeffektes optimier te Faser verwendet, dann soll man gewillt sein, entsprechend der Formel (1) in den Beton einen Anteil p an Fasern einzu geben, welcher so hoch wie möglich ist. Aber auch hier gibt es eine Grenze, die durch die Mischfähigkeit der Fasern vor gegeben ist. Je höher in der Tat das L/D-Verhältnis ist, umso schwieriger lassen sich die Fasern in den Beton mischen ohne die Gefahr, daß diese sich zusammenballen, was bedeutet, daß ein höheres L/D-Verhältnis einem geringeren maximalen Volumen prozentsatz entspricht, welcher in den Beton gemischt werden kann. Die Grenze der Mischbarkeit kann durch Versuche bestimmt werden (siehe beispielsweise US-Patent Nr. 4 224 377) durch die Näherungsformel:

p×(L/D)^1,5=maximal 1 100,

wobei dieser Maximalwert bis zu einem gewissen Maße durch spezielle Maßnahmen vergrößert werden kann, die man zur Ver besserung der Mischbarkeit ergreift, wie beispielsweise Ein bringen der Fasern in einer Form, bei der sie zusammengeklebt sind, wie durch das gleiche US-Patent bekannt ist.

Wenn man die oben genannten Beschränkungen in Betracht zieht, so konnte nachgewiesen werden, daß für Fasern, die durch ein kaltverfestigendes Querschnittsreduktionsverfahren hergestellt wurden, die Herstellungswirtschaftlichkeit und die Wirksamkeit im Beton am besten bei dem L/D-Verhältnisbereich von etwa 70 bis etwa 100 miteinander in Einklang gebracht werden können. Die Volumenprozentsätze, die dann damit korrespondieren, liegen bei jeweils etwa 1,8% bzw. 1,1%, in Abhängigkeit von den Maß nahmen, die zur Verbesserung der Mischbarkeit ergriffen wurden oder nicht.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen stahl faserverstärkten Beton und ebenso die Stahlfasern dafür zur Verfügung zu stellen, mit denen die Biegefestigkeit des Betons weiter gesteigert wird, ohne daß jedoch der Beton an Zähigkeit einbüßt und infolgedessen beim Bruch ein Sprödverhalten zeigt.

Gemäß der Erfindung wird auch hier eine Faser verwendet, die durch ein kaltverfestigendes Querschnittreduktionsverfahren hergestellt wird und die eine sich verhakende Form hat, wie oben beschrieben würde, mit einem L/D-Verhältnis im Bereich von etwa 60 bis 120, vorzugsweise von etwa 70 bis 100, wobei jedoch ein Beton mit einer Druckfestigkeit P ohne Fasern von wenigstens 80 Newton pro Quadratmillimeter ver wendet wird, und wobei die Zugfestigkeit T des Stahls mit Bezug auf die Druckfestigkeit P eine der folgenden Formel entsprechende Proportion hat:

T/P<17.

Für Beton mit einer Druckfestigkeit von 100 N/mm² sollte die Zugfestigkeit der Fasern infolgedessen auf wenigstens 1 700 N/mm² kommen. Wenn sie geringer ist, dann besteht die Gefahr, daß der Beton ein zu sprödes Verhalten beim Bruch aufweist. Es ist jedoch nicht erforderlich, daß die Zugfestig keit viel größer als 30% oberhalb der minimalen Zugfestigkeit gemäß der obenstehenden Formel liegt, da ein Überschuß an Zug festigkeit dem Beton keinen merklichen Zuwachs an Biegefestig keit geben wird. Obwohl die Wahl einer Zugfestigkeit ober halb des Minimums frei bleibt, sollte eine Zugfestigkeit T vorzugsweise in einem Verhältnis zur gleichen Druckfestigkeit P entsprechend der Formel gewählt werden:

T/P<22.

Die erwünschte Zugfestigkeit T kann leicht dürch die Tatsache realisiert werden, daß die Fasern aus Stahl mit einer kalt verfestigten metallographischen Struktur gefertigt werden, wie man sie durch die kalte Querschnittsreduzierung durch Rollen oder durch Drahtziehen erreicht. Hierdurch kann man mittels des Reduktionsgrades die Zugfestigkeit ziemlich genau erreichen.

Die Druckfestigkeit P eines Betonmaterials ist die Festigkeit, die man durch ASTM-Standard Nr. C39-80 bei einem Betonwürfel mit 150 mm Kantenlänge mißt, wobei der Würfel zwischen zwei parallelen Flächen gepreßt wird, bis er bricht. Die Druck festigkeit ist dann gleich der Druckkraft bei Bruch, geteilt durch die Fläche einer Würfelseite. Diese Druckfestigkeit scheint ein Faktor für die weiter verbesserte Wirksamkeit der Faser bezüglich der Biegefestigkeit zu sein. Bei herkömmlichem Beton erreicht diese Druckfestigkeit P herkömmlicherweise jetzt etwa 30 bis 50 N/mm², wobei bei der vorliegenden Erfin dung Werte von über 80 N/mm² gewählt wurden. Es ist jedoch erforderlich, zusammen mit einer Steigerung der Druckfestig keit des Betonmaterials die Zugfestigkeit T der Fasern zu erhöhen, um das Sprödverhalten des Betons zu vermeiden.

Einen Beton mit einer Druckfestigkeit oberhalb 80 N/mm² kann man durch bekannte, in Kombination verwendete Mittel erreichen, nämlich: Einerseits neben den üblichen inerten Füllmaterialien wie Sand, Kies und gemahlenem Kalkstein eine zusätzliche Men ge von 5 bis 10% des Zementgewichtes in der Form von sehr feinem Füllmaterial, beispielsweise Mikropozzulan sowie Kie selerde-Rauch, mit einer Zugabe einer genügenden Menge eines Superweichmachers, um den Zuwachs eines durch das feine Füll material verursachten Wasserbedarfes zu neutralisieren, und andererseits ein Wasser-/Zement-Verhältnis, welches unter halb von 0,4, vorzugsweise zwischen 0,30 und 0,35 gehalten wird. Der sogenannte Kieselerde-Rauch ist ein ultrafeines Ma terial, in der Größenordnung von mehr als 5 000 m² spezifi scher Oberfläche pro Kilogramm, welches sich in den Rauch filtern der elektrischen Öfen für die Herstellung von Sili cium absetzt und vorwiegend aus amorphem SiO₂ besteht.

Die bekannten Superweichmacher sind wasserreduzierende Zu sätze, wie Kohlehydrate bzw. Alkali- oder Erdalkalimetall salze aus Lignosulfonsäuren oder aus Oxycarbonsäuren.

Um die Dicke D von Fasern mit nicht rundem Querschnitt zu bestimmen, wird der Durchmesser des Kreises genommen, welcher die Oberfläche dieses Querschnittes hat. Wenn dieser Quer schnitt nicht über die Gesamtlänge der Faser gleich ist, dann wird die durchschnittliche Oberfläche über die Länge genommen.

Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf ein Ausführungs beispiel, auf damit durchgeführte Vergleichstests und mit Bezug auf einige Zeichnungen erläutert, von denen zeigen:

Fig. 1 die Form einer Stahlfaser, wie sie in den nach stehend beschriebenen Vergleichstests verwendet wurde;

Fig. 2 ein Diagramm der Biegefestigkeit über der Aus lenkung für einen Betonträger mit Beton ent sprechend dem unten angegebenen Beispiel 2, welcher eine unzureichende Zugfestigkeit der Fasern aufweist und bei welchem ein Sprödver halten beobachtet werden kann;

Fig. 3 ein Diagramm der Biegefestigkeit über der Aus lenkung für einen Betonträger mit Beton gemäß dem nachstehend angegebenen Beispiel 3, bei welchem die erfindungsgemäßen Bedingungen er füllt sind.

Betonzusammensetzung

Fasern

Form gemäß Fig. 1:
Vorwiegend gerade mit gekrümmten Enden:
ein erster Winkel von etwa 45°, gefolgt von einem gleichen Winkel in die andere Richtung in etwa 3 mm Abstand, gefolgt von etwa 3 mm in der gleichen Rich tung wie der zentrale Teil, bis zum Ende; Querschnitt:
rund, mit einem Durchmesser D von 0,8 mm; Länge:
60 mm (L/D-Verhältnis = 75). Zugfestigkeit:
Beispiele 1 und 2: 1 175 N/mm²
Beispiel 3: 2 162 N/mm².

Erreichte Biegefestigkeit (nach 28 Tagen) in N/mm²: (Biegebelastung auf einen Träger durch zwei gleiche Lasten, jede bei einem Drittel der Spannweite von der jeweiligen Trägerseite)
Beispiel 1: 4 2
Beispiel 2: 7,5; Sprödverhalten beim Bruch (Fig. 2)
Beispiel 3: 8,95; Sprödverhalten vermieden (Fig. 3).

Es ist klar, daß die Erfindung nicht auf die hier dargestellte Verformungsart mit Hakenform an den Enden beschränkt ist, sondern daß die Erfindung auf alle anderen Verformungsarten anwendbar ist, und zwar allein oder in Kombination mit jeder anderen, sowie auf alle Rauhigkeitsarten der Oberfläche, wie oben beschrieben.

Der Beton gemäß der Erfindung kann bei allen Arten von Struk turelementen verwendet werden, bei denen eine hohe Biegefestig keit zusammen mit einer extremen Zähigkeit des Betons gefor dert wird, insbesondere bei Betonträgern für Hochhäuser, bei Straßenbelägen für Brücken und bei Tunneldecken.

Claims

1. Betonmaterial, welches durch Stahlfasern verstärkt ist, die eine kaltverfestigte metallographische Struktur haben und welche ein Längen-/Dicken-Verhältnis im Bereich von 60 bis 120, vorzugsweise von 70 bis 100, aufweisen und welche eine verhakende Form haben, dadurch gekennzeichnet, daß die Betonzusammensetzung ohne Fasern eine Druckfestigkeit P von wenigstens 80 Newton pro Quadratmillimeter hat und daß die Stahlfasern eine Zugfestigkeit T aufweisen, die mit der Druckfestig keit P in einer durch die folgende Formel angegebenen Beziehung steht: T/P < 17.

2. Betonmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugfestigkeit T mit der Druckfestigkeit P entsprechend der folgenden Formel in Beziehung steht: T/P < 22.