DE60016710T2

DE60016710T2 - Verstärkungsfaden für beton und zementmörtel

Info

Publication number: DE60016710T2
Application number: DE60016710T
Authority: DE
Inventors: Jean Guevel; Guy Bontemps
Original assignee: SCHAPPE BAN DE LAVELINE SA; Schappe SA
Current assignee: SCHAPPE BAN DE LAVELINE SA; Schappe SA
Priority date: 1999-08-25
Filing date: 2000-08-11
Publication date: 2005-05-19
Anticipated expiration: 2020-08-12
Also published as: ES2232488T3; DE60016710D1; WO2001014275A1; FR2797868A1; DK1127033T3; ATE284850T1; EP1127033A1; EP1127033B1; FR2797868B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verstärkungsfäden für Betone und Zementmörtel. Derartige Fäden werden insbesondere verwendet für die Verstärkung von gewellten oder nicht gewellten Platten, verwendet zum Decken von Bauten, die für die Landwirtschaft, die Industrie und auch als Privatwohnungen vorgesehen sind.
Es ist seit sehr vielen Jahren bekannt, in den Zementmörteln und Betonen als Verstärkung Asbestfasern und insbesondere Fasern von Chrysotil, auch als weißer Asbest bezeichnet, zu verwenden. Dieses hydratisierte Magnesiumsilikat weist sehr gute mechanische Eigenschaften auf, in Verbindung mit einer guten chemischen Kompatibilität in den basischen Medien, welche die Zusammensetzungen auf Basis von Zement sind.
Die Gewichtsmenge an Fasern, welche während des Knetens zugesetzt werden, ist von Bedeutung und kann im Endprodukt mehr als 30% des Gesamtgewichts ausmachen. Die spezifische Masse von Asbestfasern ist von Bedeutung (mehr als 2,5 kg/dm³) und gestattet, diese Fasern leicht mit den Zementmatrices zu vermischen. Die spezifische Masse dieser letzteren liegt außerdem in der gleichen Größenordnung wie diejenige der Asbestfasern. Asbest weist weiterhin den Vorteil eines günstigen Preises auf, aufgrund seines häufigen natürlichen Vorkommens.
Die Platten, welche aus einem Gemisch von Zementmörtel oder Beton und Asbestfasern bestehen, weisen eine gute Steifigkeit sowie eine gute Schlagfestigkeit auf.
Es ist heutzutage jedoch bekannt, dass die Verwendung von Asbestfasern bei den Arbeitern, welche sie in unterschiedlichen Formen handhaben, verschiedene Berufskrankheiten induzieren kann. Aufgrund dieser Tatsache haben die staatlichen Gesundheitsinstitutionen von vielen Ländern entschieden, deren Verwendung in den verschiedenen Gebieten, in denen sie verwendet wurden, zu untersagen. Es hat sich somit das Problem für ihren Ersatz auf dem Gebiet der Verstärkung von Zementmörteln und Betonen gestellt.
Es wurden Versuche ausgeführt, um Asbestnaturfasern durch Chemiefasern zu ersetzen. Mehrere Fasertypen, auf zwischen 10 und 50 mm geschnitten um das, was mit dem Asbest gemacht worden war, wiederzugeben, wurden verwendet. Man kann insbesondere die Acrylhomopolymerfasern, die Polyvinylalkoholfasern und die Polypropylenfasern nennen. Die beiden Faserfamilien, die in geschnittener Form in der Tat an regellose Verstärkung angepasst sind, sind die Polyvinylalkoholfasern (PVA) und die Acrylfaser, welche gleichzeitig eine gute Beständigkeit im alkalischen Milieu und ein gutes Modul vereinigen.
Ein Problem bei der Verwendung besteht jedoch hinsichtlich der Aufnahme von geschnittenen Fasern in Matrices auf Basis von Zement. Die spezifischen Massen von Acryl- und PVA-Fasern betragen 1,18 kg/dm³ bzw. 1,30 kg/dm³. Die Aufnahme eines hohen Gehaltes an Fasern mit spezifischen Massen von etwa gleich der Hälfte von der von Asbestfasern wirft große Probleme bei der Verwendung auf. Um die angetroffenen Probleme zu lösen wurden die Fasergehalte erheblich reduziert, wodurch die charakteristischen Eigenschaften der erhaltenen Produkte, insbesondere der zum Decken von Gebäuden vorgesehenen Wellplatten, erniedrigt wurden.
Lösungen, um diesen Schwierigkeiten entgegenzuwirken, wurden verwendet. Es ist demnach bekannt, die erhaltenen Platten mit einem Gemisch aus Synthesefasern und Zementmörtel oder Beton zu verstärken. Diese Verstärkungen sind beispielsweise extrudierte Bänder aus Polypropylen, Garne aus natürlichen Pflanzenfasern (Sisal, Chinagras, Flachs, etc.), oder auch reine oder gemischte Synthesefasern. Diese Fäden werden während der Herstellung der Platten eingeführt, während die Matrix noch pastös ist.
Diese Art von Verstärkung erreicht jedoch nicht die Anforderungen, welche von der Normierung hinsichtlich der Sicherheit vorgeschrieben werden. In der Tat schreiben die in den verschiedenen Ländern in Kraft befindlichen Vorschriften eine minimale Stoßbeständigkeit für die Platten vor, welche in der Funktion vom Typ einer Gebäudeabdeckung vorliegen. Drei Stoßbeständigkeitswerte werden derzeit verwendet: 600 Joule, 900 Joule und 1200 Joule. Die Normierungskommissionen richten sich immer häufiger an den Werten 900 Joule und 1200 Joule.
Das Dokument GB A 2 175 892 betrifft eine Zusammensetzung auf Basis von Zement, enthaltend insbesondere geschnittene Fasern von Polyvinylalkohol und Polyethylen.
Das Dokument US A 5,814,146 betrifft einen Zement, dessen Beständigkeit durch die Aufnahme von Fasern, welche gegenüber basischen Mitteln beständig sind, verbessert ist.
Bestimmte Produkte auf Basis von extrudierten Bändern auf Basis von Polyethylen gelang es, 900 bzw. 1200 Joule zu erreichen. Eine Schwierigkeit wurde unterdessen mit diesen Bändern offensichtlich, denn einsetzende Delaminierung, welche sich an den Kanten des Bandes und unter der Wirkung von Klimaunterschieden (Hitze, Kälte, Feuchtigkeit, Überlastung aufgrund von Schnee, Frost, etc.) bildet, führt dazu, dass die Gesamtheit der charakteristischen Eigenschaften des Materials nach und nach verloren gehen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es somit, eine Verstärkung bereitzustellen, welche in einem Beton oder einem Zementmörtel verwendet werden kann, und ermöglicht, die Stossbeständigkeit einer aus einer zementartigen Matrix hergestellten Platte merklich zu verbessern.
Die Erfindung schlägt einen Verstärkungsfaden vor, insbesondere für Zementmörtel oder Betone, welche faserverstärkt sind oder nicht, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem Garn von Polyethylenfasern mit hohem Molekulargewicht und Polyvinylalkoholfasern mit hoher Festigkeit gebildet ist. Diesbezüglich schlägt sie einen Verstärkungsfaden vor, insbesondere für Zementmörtel oder Betone, welche faserverstärkt sind oder nicht, dadurch gekennzeichnet, dass er ausgehend von Polyethylenfasern mit hohem Molekulargewicht und Polyvinylalkoholfasern mit hoher Festigkeit hergestellt ist.
Der Verstärkungsfaden ist ein Garn aus Fasern, das heißt, ein Faden, welcher aus diskontinuierlichen Fasern zusammengesetzt ist, welche zusammen gehalten sind, im Allgemeinen durch Torsion, gegebenenfalls durch andere Verfahren wie etwa Kleben, Umspinnen von kontinuierlichen Fäden, etc.
Die Kombination dieser zwei Fasern ermöglicht Verstärkungsfäden zu erhalten, die der Struktur, welche sie verstärken, eine gute Stoßbeständigkeit vermitteln. Diese Fäden kombinieren die charakteristischen Eigenschaften einer guten Adhäsion an die zementartige Matrix, vermittelt durch die Polyvinylalkoholfasern, mit der guten mechanischen Festigkeit von Polyethylenfasern.
Wenn derartige Fäden in eine Struktur aus Beton oder Zementmörtel eingebracht werden, hat man die Delaminierungsphänomene, welche mit einem Polypropylenband beobachtet werden können, nicht.
Das verwendete Polyethylen ist beispielsweise ein Polyethylen mit hohem Molekulargewicht, zwischen 500.000 g/Mol und 700.000 g/Mol, während die Polyvinylalkoholfasern beispielsweise stark vernetzte Fasern sind.
Um eine bessere Verstärkung zu ermöglichen, werden die Polyethylenfasern und die Polyvinylalkoholfasern durch langsames und progressives Kracken von Multifilamenten erhalten.
Um eine gute Stoßbeständigkeit zu erhalten, liegt der Anteil der Polyethylenfasern zwischen 30 und 65%, bezogen auf Gewicht, wobei die Polyvinylalkoholfaser den Rest ausmacht.
Um ein besseres Einbringen eines erfindungsgemäßen Verstärkungsfadens in eine zementartige Matrix zu ermöglichen, weist dieser Faden vorzugsweise 0,5 bis 7% einer Schlichte auf Basis von Polyethylenoxid auf.
Ein erfindungsgemäßer Verstärkungsfaden, dessen Titer zwischen 0,8/2 Nm und 2,4/2 Nm liegt, ermöglicht gutes Leistungsverhalten in Bezug auf Stoßfestigkeit.
Um einen Verstärkungsfaden wie vorstehend beschrieben mittels Elektromagnetismus nachweisen zu können, umfasst dieser Faden beispielsweise auch ein Monofilament aus legiertem oder nicht legiertem Stahl.
Die Erfindung betrifft auch eine Platte aus Beton oder Zementmörtel, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass sie durch mindestens einen Verstärkungsfaden wie vorstehend beschrieben verstärkt ist.
Die Erfindung wird auf jeden Fall gut verstanden werden mit Hilfe der nachfolgenden Beschreibung, unter Bezugnahme auf die beigefügte schematische Zeichnung, welche beispielhaft und nicht in einschränkender Weise eine mit erfindungsgemäßen Fäden verstärkte Platte darstellt, und ein Kurve, welche die mit den erfindungsgemäßen Fäden erhaltenen Leistungsverhalten zeigt.
1 ist eine perspektivische Ansicht einer Wellplatte unter Verwendung von erfindungsgemäßen Verstärkungsfäden, und
2 ist ein Diagramm, welches die Stoßbeständigkeit der in 1 dargestellten Platte in Abhängigkeit der Zusammensetzung der verwendeten Verstärkungsfäden zeigt.
1 stellt eine Wellplatte 2 dar, hergestellt auf Basis von Beton, der durch Fasern, beispielsweise Acrylfasern, verstärkt ist. Diese Platte 2 weist Wellentäler und Wellenberge auf, die sich in Längsrichtung erstrecken. Am Boden jedes Wellentals und an der Spitze jedes Wellenbergs erstreckt sich ein Verstärkungsfaden 4, der im Kern der Platte 2 angeordnet ist, in Längsrichtung.
Die Platte 2 wird beispielsweise mittels Extrusion hergestellt. Eine erste Lage aus faserverstärktem Beton wird zunächst extrudiert, danach auf einem gewellten Träger abgelegt, danach werden die Verstärkungsfäden 4 auf der extrudierten, noch nicht getrockneten Betonlage angeordnet, bevor sie in einem Sandwich durch eine zweite extrudierte Betonlage, abgelegt auf der ersten, eingeschlossen werden. Das Ensemble wird danach einer Trockenvorrichtung zugeführt, um den Beton zu trocknen und das Endprodukt zu erhalten.
Die Erfindung basiert auf den verwendeten Verstärkungsfäden. Diese werden realisiert auf Basis von Polyethylenfasern mit hohem Molekulargewicht und Polyvinylalkoholfasern mit hoher Festigkeit. Ein dritter Typ an Faser könnte verwendet werden, wie beispielsweise Acrylfasern, aber die nachstehenden Beispiele betreffen nur Fäden aus zwei Bestandteilen.
Das verwendete Polyethylen weist beispielsweise ein Molekulargewicht von 600.000 g/Mol auf. Es weist eine sehr hohe Festigkeit von 370 cN/tex auf, entsprechend 3500 MPa. Sein Modul beträgt etwa 70 GPa und seine Dehnung beträgt weniger als 5%. Dieses Material weist keine Adhäsion gegenüber Zementmatrices auf und ist chemisch vollkommen inert, unabhängig vom Medium, und insbesondere in einem basischen Medium, wie es bei Zementmörteln und Betonen der Fall ist.
Der verwendete Polyvinylalkohol ist ein stark vernetzter Alkohol mit hoher Festigkeit. Er weist eine sehr starke Adhäsion gegenüber Zementmatrices auf und ist, wie das vorstehend beschriebene Polyethylen, chemisch vollkommen inert in allen Medien und insbesondere in den basischen Medien. Seine Festigkeit beträgt 80 cN/tex, was 1100 MPa entspricht, sein Modul beträgt 16 GPa, und seine Dehnung bleibt unter 7%.
Ein Garn wird realisiert, ausgehend von Fasern, welche in diesen zwei Materialien ausgeführt sind. Die relativen Anteile dieser zwei Fasertypen können variieren. Die zum Herstellen des Garns verwendeten Fasern werden beispielsweise durch ein langsames und progressives Kracken von Multifilamenten erhalten. Ein Garn ist ein Faden, welcher aus diskontinuierlichen Fasern zusammengesetzt ist, welche zusammen gehalten sind, im Allgemeinen durch Torsion, gegebenenfalls aber auch durch andere Verfahren wie etwa Kleben, Umspinnen von kontinuierlichen Fäden, etc.
Erstes Herstellungsbeispiel
Das hergestellte Garn ist aus 30 Gew.-% Polyethylenfasern mit hoher Festigkeit (PE HT) und 70 Gew.-% Polyvinylalkoholfasern mit hoher Festigkeit (PVA HT) zusammengesetzt.
Das unter Verwendung dieser Anteile erhaltene Garn weist die nachfolgenden Eigenschaften auf:

Titer Nm 1,5/2 (666 tex × 2)

Bruchfestigkeit 100 daN

Bruchdehnung 7%
Nm ist die verwendete Abkürzung für "metrische Zahl" (numéro métrique).
Derartige Fäden, angeordnet wie unter Bezugnahme auf 1 angegeben, ermöglichen, dass eine Wellplatte gegen einen Stoß, entsprechend einer Energie von 600 Joule, beständig ist. Dieser Wert wurde in das Diagramm von 2 eingetragen. In diesem Diagramm wurde der Anteil an Polyethylenfasern auf der Abszisse aufgetragen, wobei die Differenz zu 100% aus Polyvinylalkoholfasern besteht, und die Energie eines Stoßes, welcher durch eine mittels der erfindungsgemäßen Fäden verstärkte Platte absorbiert werden kann, wurde auf der Ordinate aufgetragen.
Zweites Herstellungsbeispiel
Das hergestellte Garn ist aus 40 Gew.-% Polyethylenfasern mit hoher Festigkeit (PE HT) und 60 Gew.-% Polyvinylalkoholfasern mit hoher Festigkeit (PVA HT) zusammengesetzt.
Das unter Verwendung dieser Anteile erhaltene Garn weist die nachfolgenden Eigenschaften auf:

Titer Nm 1,5/2 (666 tex × 2)

Bruchfestigkeit 120 daN

Bruchdehnung 7%
Derartige Fäden, angeordnet wie unter Bezugnahme auf 1 angegeben, ermöglichen, dass eine Wellplatte gegen einen Stoß, entsprechend einer Energie von 900 Joule, beständig ist. Dieser Wert wurde in das Diagramm von 2 eingetragen.
Drittes Herstellungsbeispiel
Das hergestellte Garn ist aus 50 Gew.-% Polyethylenfasern mit hoher Festigkeit (PE HT) und 50 Gew.-% Polyvinylalkoholfasern mit hoher Festigkeit (PVA HT) zusammengesetzt.
Das unter Verwendung dieser Anteile erhaltene Garn weist die nachfolgenden Eigenschaften auf:

Titer Nm 1,5/2 (666 tex × 2)

Bruchfestigkeit 140 daN

Bruchdehnung 7%
Derartige Fäden, angeordnet wie unter Bezugnahme auf 1 angegeben, ermöglichen, dass eine Wellplatte gegen einen Stoß, entsprechend einer Energie von 900 Joule, beständig ist. Dieser Wert wurde in das Diagramm von 2 eingetragen.
Viertes Herstellungsbeispiel
Das hergestellte Garn ist aus 60 Gew.-% Polyethylenfasern mit hoher Festigkeit (PE HT) und 40 Gew.-% Polyvinylalkoholfasern mit hoher Festigkeit (PVA HT) zusammengesetzt.
Das unter Verwendung dieser Anteile erhaltene Garn weist die nachfolgenden Eigenschaften auf:

Titer Nm 1,5/2 (666 tex × 2)

Bruchfestigkeit 160 daN

Bruchdehnung 7%
Derartige Fäden, angeordnet wie unter Bezugnahme auf 1 angegeben, ermöglichen, dass eine Wellplatte gegen einen Stoß, entsprechend einer Energie von 1300 Joule, beständig ist. Dieser Wert wurde in das Diagramm von 2 eingetragen.
Fünftes Herstellungsbeispiel
Das hergestellte Garn ist aus 65 Gew.-% Polyethylenfasern mit hoher Festigkeit (PE HT) und 35 Gew.-% Polyvinylalkoholfasern mit hoher Festigkeit (PVA HT) zusammengesetzt.
Das unter Verwendung dieser Anteile erhaltene Garn weist die nachfolgenden Eigenschaften auf:

Titer Nm 1,5/2 (666 tex × 2)

Bruchfestigkeit 165 daN

Bruchdehnung 7%
Derartige Fäden, angeordnet wie unter Bezugnahme auf 1 angegeben, ermöglichen, dass eine Wellplatte gegen einen Stoß, entsprechend einer Energie von 1300 Joule, beständig ist. Dieser Wert wurde in das Diagramm von 2 eingetragen.
Man stellt hier fest, dass durch eine Erhöhung des Anteils von Polyethylenfasern die Stoßbeständigkeit der Platte kaum variiert. Wenn das Garn zu 100% aus Polyethylenfasern ausgeführt wäre, welche keinerlei Adhäsion in zementartigen Matrices haben, würden zum Zeitpunkt des Stoßes die Garne in der Tat sehr leicht delaminieren und würden sehr wenig Energie absorbieren. Der Mechanismus, welcher durch einen Stoß ins Spiel gebracht wird, ruft die Freilegung von Fäden in der Zementmatrix hervor. Die Absorption von Energie resultiert aus der partiellen Adhäsion, vermittelt durch die Polyvinylalkoholfasern, welche es den Fasern ermöglicht unter Absorption von Energie in der Zementmatrix zu gleiten. Dies ist dem Fachmann unter der Bezeichnung des Pull Out Phänomens bekannt.
In einer abgewandelten Herstellung kann man sich vorstellen, den Verstärkungsfaden 4 mit einem legierten oder nicht legierten Stahl-Monofilament zu kombinieren. Dieses Stahlfilament ermöglicht, mittels Elektromagnetismus die Gegenwart des Verstärkungsfadens zu kontrollieren. Diese Kontrolle stellt die Gegenwart von Verstärkungsfäden sicher und gewährleistet somit eine Beständigkeit der hergestellten Platte.
Um das Verfahren zum Einbringen von Verstärkungsfäden 4 in eine Matrix aus Zementmörtel oder Beton zu verbessern, ist es möglich bei der Herstellung des Garns eines Schlichte auf Basis von Polyethylenoxid zuzugeben. Ein Anteil von etwa 0,5% bis 7% ist möglich.
Die Erfindung ist natürlich nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele, welche lediglich beispielhaft und nicht einschränkend sind, begrenzt, im Gegenteil umfasst sie alle Variationen im Rahmen der nachstehenden Ansprüche.
Alle numerischen Werte werden also angegeben um die Erfindung zu erläutern, und sind für bestimmte von ihnen Versuchsergebnisse, welche im Labor ausgeführt worden sind.
Die beschriebenen Fasern sind Fasern, welche es ermöglichen gute Ergebnisse zu erhalten, und zum Zeitpunkt der Einreichung dieser Patentanmeldung der bevorzugten Ausführungsform entsprechen. Andere Polyethylenfasern mit hoher Dichte und Polyvinylalkoholfasern mit hoher Festigkeit können natürlich ebenfalls geeignet sein.
Die erfindungsgemäßen Verstärkungsfäden können verwendet werden um gewellte oder nicht gewellte Platten aus Beton oder Zementmörtel, faserverstärkt oder nicht, zu verstärken. Sie können auch für jede andere Anwendung zur Verstärkung einer Struktur verwendet werden. Ihre Anordnung innerhalb dieser Struktur ist nicht notwendigerweise eine Anordnung, bei der die Fäden parallel zueinander sind. Die Fäden können in mehreren Gewebelagen oder Vlieslagen etc. angeordnet sein.

Claims

Verstärkungsfaden, insbesondere für Zementmörtel oder Betone, welche faserverstärkt sind oder nicht, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem Garn von Polyethylenfasern mit hohem Molekulargewicht und Polyvinylalkoholfasern mit hoher Festigkeit gebildet ist.
Verstärkungsfaden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Polyethylen ein Polyethylen mit hohem Molekulargewicht, zwischen 500.000 g/Mol und 700.000 g/Mol, ist.
Verstärkungsfaden nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Polyvinylalkoholfasern stark vernetzte Fasern sind.
Verstärkungsfaden nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Polyethylenfasern und die Polyvinylalkoholfasern durch langsames und progressives Kracken von Multifilamenten erhalten werden.
Verstärkungsfaden nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Polyethylenfasern zwischen 30 und 65%, bezogen auf Gewicht liegt, wobei die Polyvinylalkoholfaser den Rest ausmacht.
Verstärkungsfaden nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass er 0,5 bis 7% einer Schlichte auf Basis von Polyethylenoxid umfasst.
Verstärkungsfaden nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Titer des Fadens zwischen 0,8/2 und 2,4/2 Nm (numéro métrique) liegt.
Verstärkungsfaden nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass er auch ein Monofilament aus legiertem oder nicht legiertem Stahl umfasst.
Platte aus Beton oder Zementmörtel, dadurch gekennzeichnet, dass sie durch mindestens einen Verstärkungsfaden nach einem der Ansprüche 1 bis 8 verstärkt ist.