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Die
Erfindung betrifft eine Vormischung zum Verbessern der Zugfestigkeit,
der Zähigkeit
und der Flüssigkeitsdichtigkeit
von von einer Suspension stammenden abgebundenen Betonmaterialien,
insbesondere Beton. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren
zum Herstellen eines Betonmörtels.
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In
der vorliegenden Anmeldung bedeutet Beton die dem Fachmann auf dem
Sachgebiet bekannte Mischung aus festen Elementen, unter anderem Zement,
Sand und gegebenenfalls Steinen (welche umfassen: Kies, Schutt,
Feinkies, Schlacke et cetera), die zum Herstellen von Betongegenständen oder -konstruktionen
(wie z. B. Böden,
Wänden,
Tunneln oder Teilen davon) in einer per se bekannten Weise geeignet
sind.
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In
der vorliegenden Anmeldung bedeutet Mörtel der Schlamm, der beim
Mischen der festen Bestandteile des abbindenden Baumaterials mit Wasser
anfällt.
Außer
bei Betonkonstruktionen kann die Erfindung für andere auf Zement basierende
abbindende Baumaterialien verwendet werden.
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In
diesem Zusammenhang bedeutet Zähigkeit
zumindest das Maß,
bis zu dem das Risse aufweisende Material einer Zugkraft standhält.
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In
diesem Zusammenhang bedeutet Zugfestigkeit zumindest das Maß, bis zu
dem das Material einer Zugkraft standhält, ohne dass sich Risse bilden.
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Rosei
et al. (Bulletin des Laboratoires des Ponts et Chaussées 204
(1996), Ref. 4025, 5. 87–95) beschreiben
Beton mit einer Mischung aus langen und kurzen Metallfasern, wobei
die längeren
Fasern mit Haken versehen sind. Sowohl die kurzen als auch die langen
Fasern sind aus gezogenen Metall gefertigt.
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Aus
DE-A-42 26 744 sind Fasern bekannt, die zum Verstärken von
Beton oder ähnlichem
verwendet werden können.
Diese bekannten Fasern sind im wesentlichen aus einer gedehnten
Länge Draht
mit hakenähnlichen
Verformungen an beiden Enden gebildet. Untersuchungen der Erfinder
haben ergeben, dass solche bekannten Fasern in Betonmörtel zum
Erhöhen
der Zähigkeit
der fertigen Konstruktion verwendet werden können. Es sei darauf hingewiesen,
dass dieser Effekt der erwähnten
Fasern auf die Zähigkeit
nicht aus der genannten Patentanmeldung bekannt ist. "Hakenartige Fasern" umfassen neben den
aus DE-A-42 26 744 bekannten Fasern andere Fasern aus einer gedehnten
Länge Draht,
die zu Verankerungszwecken mit einem gekrümmten oder gebogenen Teil an
den beiden Enden versehen sind.
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Obwohl
durch Hinzufügen
solcher hakenartigen Fasern eine Verbesserung der Zähigkeit
der fertigen Konstruktion erreicht werden kann, welche der mit einer
herkömmlichen
Verstärkung
erreichten Verbesserung im wesentlichen gleich ist, hat die Verwendung
dieser bekannten Fasern einen Nachteil dahingehend, dass andere
Eigenschaften, insbesondere die Zugfestigkeit der fertigen Konstruktion
nicht oder nur in unzureichendem Maße durch die Verwendung dieser
bekannten Fasern beeinflusst werden. Ferner sind solche Konstruktionen
nicht flüssigkeitsdicht. Dies
ist auf kleine Risse zurückzuführen, die
in dem Beton auftreten können.
Ein weiterer Nachteil liegt darin, dass diese bekannten Fasern häufig dazu
neigen, sich zu einem Ball zu verklumpen (in Form eines Igels oder
Eulengewölles
bei der technischen Anwendung), wenn sie mit einem Betonmörtel oder
einem anderem Mörtel
gemischt werden.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese und andere
Probleme zu lösen.
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Es
hat sich herausgestellt, dass diese Probleme zumindest in großem Maße vermeidbar
sind, und zwar durch Verwendung einer Vormischung zum Verbessern
der Zugfestigkeit und der Zähigkeit
von von einer Suspension stam menden abgebundenen Baumaterialien,
die Fasern, welche auf mindestens einem Teil der Faserfläche aufgeraut
sind, und längliche
Fasern mit hakenartigen Verformungen zumindest an beiden Enden aufweist.
Es hat sich herausgestellt, dass die Fasern, die auf der Oberfläche aufgeraut
sind, einen die Zugfestigkeit verbessernden Effekt auf die fertige
Konstruktion ausüben.
Die länglichen
Fasern mit hakenartigen Verformungen üben einen die Zähigkeit
verbessernden Effekt auf die fertige Konstruktion aus. Durch Auswahl
des Verhältnisses
der beiden Fasertypen gemäß der Erfindung
können
die mechanischen Eigenschaften der fertigen Konstruktion auf eine
Weise beeinflusst werden, wie es bis jetzt nicht möglich war.
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Vorzugsweise
werden pro m3 Mörtel mindestens 15 kg die Zähigkeit
verbessernde Fasern verwendet. Bei weniger als 15 kg/m3 ist
der Effekt auf die Zähigkeit
kaum noch spürbar.
Im Prinzip gilt: dass je mehr dieser Fasern verwendet werden, desto
größer ist
die daraus resultierende Zähigkeit.
Somit gibt es im Prinzip keine Obergrenze. Bis zu 100 kg/m3 können
verwendet werden und führen
zu einer proportional verstärkten
Zähigkeit.
Bei typischen Anwendungen genügt
jedoch normalerweise eine Menge an die Zähigkeit verbessernden Fasern
von höchstens
ungefähr
45 kg/m3.
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Aus
im wesentlichen gleichen Gründen
wie oben genannt, hat die Menge an die Zugfestigkeit verbessernden
Fasern eine Untergrenze von ungefähr 10 kg/m3.
Eine Obergrenze gibt es im Prinzip nicht. Bis zu 120 kg/m3 können
noch mit gutem Ergebnis verwendet werden. Bei einer typischen Beton-Anwendung
reichen jedoch maximal ungefähr
55 kg/m3 aus.
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Mit
Vormischung ist eine Mischung gemeint, die durch andere Bestandteile
ergänzt
wird. Eine Vormischung aus Fasern gemäß der Erfindung enthält die Zugfestigkeit
verbessernde Fasern und die Zähigkeit
verbessernde Fasern. Diese Vormischung kann einem Mörtel auf
einfache Weise zudosiert werden, zum Beispiel mit Hilfe einer Wiege-
und Rüttelvorrichtung.
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Die
die Zugfestigkeit verbessernden Fasern sind längliche Fasern mit einer Abmessung
von typischerweise einigen Zentimetern. Geeignete die Zugfestigkeit
verbessernde Fasern, die gemäß der Erfindung
verwendet werden, sind in EP-A-0 087 496 beschrieben. Hier sind
Fasern beschrieben, die durch Schneiden von Stahl zum Bilden von
Spänen
erhalten werden. Flussstahl (St 52) ist sehr gut geeignet. Die die
Zugfestigkeit verbessernden Fasern müssen auf mindestens einer Seite
aufgeraut sein, beispielsweise dadurch, dass mindestens ein Teil
der Oberfläche
Vorsprünge
von typischerweise einigen Zehntel Millimetern aufweist, die typischerweise
einige Zehntel Millimeter voneinander beabstandet sind, so dass sie
optimal an dem Beton angreifen können,
um eine Verformung des Betons zu verhindern. Vorzugsweise werden
die Zugfestigkeit verbessernde Fasern mit einer maximalen Abmessung
von 15–60
mm verwendet. Wenn die Fasern kleiner als 15 mm sind, ist kaum noch
ein Effekt spürbar.
Fasern, die länger
sind als ungefähr
60 mm, sind generell schwer zu verteilen oder anderweitig zu verarbeiten.
Bei typischen Anwendungen von Beton sind abgefräste Fasern von 30–60 mm sehr
gut geeignet. Vorzugsweise beträgt die
Länge 25–35 mm.
Die größte Breite
der die Zugfestigkeit verbessernden Fasern beträgt typischerweise einige Millimeter.
Gute Ergebnisse werden mit einer maximalen Breite von 3,5–4 mm erzielt.
Vorzugsweise werden die Fasern in Längsrichtung gebogen, so dass
sie einen Biegewinkel von mindestens 20° aufweisen. Vorzugsweise sind
die Fasern leicht verdreht und gekrümmt, um eine Sichelform zu bilden.
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Besonders
geeignete die Zähigkeit
verbessernde längliche
Fasern mit hakenartigen Verformungen zumindest an beiden Enden sind
beispielsweise in der oben genannten DE-A-42 26 744 beschrieben, deren
Inhalt Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist. Vorzugsweise werden
die Zähigkeit
verbessernde Fasern mit einer maximalen Abmessung von 45–60 mm verwendet.
Wenn die Fasern kleiner als 45 mm sind, ist kaum noch ein Effekt
auf die Zähigkeit
spürbar,
obwohl diese Untergrenze in hohem Maße von der vorgesehenen Anwendung
abhängt.
Beispielsweise bei Verwendung für
hochfesten Beton können gute
Ergebnisse auch noch mit Fasern mit einer Länge von bis zu 15 mm erzielt
werden. Fasern, die länger
sind als ungefähr
60 mm, sind generell schwer zu verteilen oder anderweitig zu verarbeiten.
Die die Zähigkeit
verbessernden Fasern müssen
eine relativ glatte Fläche
zwischen den hakenartigen Verformungen aufweisen, so dass sie beim
Dehnen leicht mit dem nicht mit Haken versehenen Teil durch das
abgebundene Betonmaterial gleiten können. Der Elastizitätsmodul
der die Zähigkeit
verbessernden Fasern beträgt
typischerweise mindestens ungefähr
1000 N/m2.
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Ferner
kann ein besonderer Vorteil mit einer Vormischung erzielt werden,
die auch Polypropylenfasern aufweist. In hohem Maße geeignet
sind Polypropylenfasern in Form von sogenanntem "Engelshaar", d. h. runde fibrillierte Polypropylenfasern
mit einem Durchmesser von höchstens
einigen Zehn Mikrometern, beispielsweise 10–30 μm, typischerweise ungefähr 20 μm, und einer
Länge von
typischerweise 10–15
mm. Die Dichte des Polypropylens beträgt ungefähr 0,90–0,95 kg/m3. Überraschenderweise scheint
es, als ob dieses Additiv dazu führt,
dass das Abbinden des Betonmaterials gleichmäßiger vonstatten geht, so dass
die Qualität
des Baumaterials verbessert wird. Insbesondere die Flüssigkeitsdichtigkeit
des Betons wird wesentlich verbessert. Das ist auf die Tatsache
zurückzuführen, dass
die Polypropylenfasern anschwellen, so dass sie die Feuchtigkeit
zurückhalten
können.
Somit steht das Wasser gleichmäßiger für die für den Abbindeprozess
erforderlichen chemischen Reaktionen zur Verfügung. Folglich wird die Rissbildung
beim Abbinden verhindert.
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Ein
weiterer wichtiger Vorteil der Verwendung von Polypropylenfasern
in Beton liegt darin, dass die Feuerbeständigkeit des Betons verbessert wird.
Da die Polypropylenfasern bei ungefähr 160°C schmelzen, bilden sich Poren
in der Betonmatrix. Die gebildeten Poren bieten eine Möglichkeit
zur Ausdehnung, so dass eine Rissbildung verzögert wird. Folglich behält die Konstruktion
bei hohen Temperaturen ihre Festigkeit länger bei.
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Vorzugsweise
werden die Polypropylenfasern in einer Menge von 0,5 bis ungefähr maximal
3 kg/m3 verwendet. Normalerweise brauchen
bei typischen Anwendungen höchstens
ungefähr
0,9 kg/m3 Polypropylenfasern verwendet zu
werden.
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Die
die Zugfestigkeit und/oder die Zähigkeit verbessernden
Fasern sind vorzugsweise aus Metall gefertigt, am besten aus Stahl.
Es hat sich herausgestellt, dass dies ein kostengünstiges
Material ist, das die gestellten Anforderungen erfüllt. Insbesondere die
die Zugfestigkeit verbessernden aufgerauten Fasern werden durch
Schneiden von Stahl erhalten und sind beispielsweise Späne, die
durch Abfräsen
von Stahlteilen vorzugsweise aus Spezial-Flussstahl (St 52) erhalten
werden.
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Die
die Zähigkeit
verbessernden Fasern können
aus Draht oder Band gefertigt sein. Vorzugsweise wird gezogener
Draht verwendet.
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Die
Vormischung aus die Zugfestigkeit verbessernden und die Zähigkeit
verbessernden Fasern und wahlweise Polypropylenfasern kann, wahlweise nach
Hinzufügung
anderer Zuschlagstoffe, einem Mörtel
zugegeben werden, der dann auf normale Weise weiterverarbeitet wird.
Das Zufügen
der Faser-Vormischung zu dem Betonmörtel erfolgt sowohl in einer
Betonmörtelanlage
als auch auf der Baustelle.
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Wenn
die Fasern in der Mörtelanlage
mit dem Mörtel
gemischt werden, können
die Fasern in Silos gelagert werden und dem bereits in einem Mischer
der Anlage oder einem LKW befindlichen Betonmörtel beispielsweise mittels
eines Rüttelmechanismus
zudosiert werden. Durch Überwachen des
Gewichts der einzumischenden Fasern kann die exakte Menge an zudosierten
Fasern registriert werden. Danach ist der Mischprozess abgeschlossen. Die
so hergestellte Mischung wird auf normale Weise zur Weiterverarbeitung
zu der Baustelle transportiert. Die Faser-Vormischung kann ferner
auf der Baustelle dem Zementmörtel
in dem LKW zugefügt
werden.
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Die
Betonkonstruktionen, die durch Verwendung eines solchen Betonmörtels erhalten
werden, weisen verbesserte Eigenschaften hinsichtlich Zähigkeit
und Zugfestigkeit auf. Durch zusätzliche
Verwendung der Polypropylenfasern können Konstruktionen erstellt
werden, die ferner weniger Schrumpfrisse aufweisen. Ferner ist die
Anzahl von Rissen, die auftreten können, in größerem Maße begrenzt. Die Risse, die
auftreten können,
sind kleiner als bei Konstruktionen aus herkömmlichem Beton mit oder ohne bekannte
Verstärkung.
Folglich ist es unter anderem möglich,
bei elastisch gelagerten Böden,
d. h. Böden, die
beispielsweise von einer Schicht aus Sand oder anderweitig, beispielsweise
einer Schicht aus Polystyrolschaum, getragen werden, eine größere Fläche abzudecken.
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Ferner
kann bei Betonkonstruktionen, die auf einem Fundament ruhen, wie
z. B. auf Rammpfählen, die
erfindungsgemäße Fasermischung
auf vorteilhafte Weise verwendet werden. Insbesondere können Böden mit
kleinerer Dicke und/oder einer größeren nicht unterstützten Länge hergestellt
werden, d. h. die Pfähle
des Fundaments können
in größeren Abständen zueinander
angeordnet sein.
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Natürlich kann
die erfindungsgemäße Faser-Vormischung
auch in Kombination mit einer herkömmlichen Verstärkung, wie
z. B. geflochtenen Stahldrähten,
verwendet werden.
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Bei
der erzielten Verbesserung der Eigenschaften des Betons ist ein
Mörtel
mit der erfindungsgemäßen Vormischung
besonders für
die Herstellung größerer Konstruktionen
geeignet, wie z. B. Böden,
Wänden,
Tunnel oder Teilen davon. Folglich genügen weniger Fugen, oder diese
können
ganz wegfallen. Es hat sich herausgestellt, dass mit dem erfindungsgemäßen Mörtel Konstruktionen
erstellt werden können,
die eine derartige Zähigkeit
aufweisen, dass es möglich
wird, größere Spannweiten
zu realisieren.
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Eine
beträchtliche
Verbesserung hat sich ferner hinsichtlich der Struktur des Betons
herausgestellt. Es ist bekannt, dass beim Abbinden immer in einem
bestimmten Maße
Risse im Beton entstehen. Diese Mikrorisse sind charakteristisch
für Beton.
Es scheint, dass sich bei Verwendung der erfindungsgemäßen Faser-Vormischung
der R-Wert (Widerstand/Biege-Zugfestigkeit) beträchtlich verbessert. Die Verwendung
der Fasermischung, insbesondere der die Zähigkeit verbessernden Fasern,
führt zu
einer geringeren Schrumpfung beim Abbinden, so dass die Oberfläche vergrößert werden
kann. Da größere Bodenteile
erstellt werden können,
gibt es weniger Fugen im Boden, so dass sich das Beschädigungsrisiko
verringert und die Flüssigkeitsdichtigkeit weiter
erhöht.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Betonmörtels mit
dem Schritt des Mischens eines Betonmörtels mit einer Fasermischung,
wie oben beschrieben. Die die Zähigkeit
verbessernden und die Zugfestigkeit verbessernden Fasern und wahlweise
die Polypropylenfasern können dem
Mörtel
getrennt zugegeben werden, sie können jedoch
auch zuerst gemischt werden, wonach diese Fasermischung dem Mörtel zugegeben
wird. Diese letzte Ausführungsform,
bei der die Fasern dem Mörtel
als Vormischung zugegeben werden, wird bevorzugt.
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Es
hat sich ferner gezeigt, dass durch Mischen der Fasern in einer
besonderen Reihenfolge ein Mörtel
mit verbesserten Eigenschaften erhalten wird. Gemäß dieser
bevorzugten Ausführungsform wird
auf eine erste Schicht von die Zugfestigkeit verbessernden Fasern
eine Schicht die Zähigkeit
verbessernde Fasern aufgebracht. Folglich tritt das oben erwähnte Problem
der Verklumpung dieser Fasern nicht oder in einem stark reduzierten
Maße auf. Das
Aufbringen der Fasern kann beispielsweise durch Schütten der
Fasern auf ein Förderband
erfolgen. Es scheint, dass, wenn dieses Verfahren in dieser Reihenfolge
durchgeführt
wird, verhindert werden kann, dass sich die die Zähigkeit
verbessernden Fasern miteinander verhaken, was zu einem Verkleben führen würde, welches
unerwünscht
ist. Wenn eine Verknäuelung
vermieden wird, werden auch die hakenartigen Fasern gleichmäßig in dem
Beton verteilt, so dass die erwünschte
Verbesserung der mechanischen Eigenschaften gewährleistet ist.
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Eine
weitere besondere Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens
betrifft ferner ein Verfahren, bei dem ein Prüfstück aus dem erhaltenen Mörtel gegossen
wird, das unter anderem hinsichtlich Zähigkeit, Zugfestigkeit und/oder
Flüssigkeitsdichtigkeit
untersucht wird. Erst dann wird der Mörtel auf normale Weise an den
Kunden geliefert. Der Vorteil besteht darin, dass für den gelieferten
Mörtel
eine Zertifizierung und Garantie hinsichtlich der Zähigkeit, Zugfestigkeit
und Flüssigkeitsdichtigkeit
der fertigen Konstruktion möglich
ist.
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Durch
akkurates Abmessen der Menge an die Zähigkeit und Zugfestigkeit verbessernden
Fasern und wahlweise der Polypropylenfasern sowie der Menge an Mörtel kann
ein Mörtel
gemäß der Erfindung
erhalten werden, dessen Spezifikationen hinsichtlich der mechanischen
Eigenschaften des fertigen Betons, insbesondere der Zugfestigkeit,
Zähigkeit
und Flüssigkeitsdichtigkeit,
im wesentlichen im voraus bekannt sind. Die sich auf die Eigenschaften des
fertigen Mörtels
beziehenden Daten können dann
in dem mit dem Betonmörtel
mitgelieferten Zertifikat aufgeführt
sein.
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Das
Wiegen der unterschiedlichen Bestandteile kann auf dem Fachmann
auf dem Sachgebiet bekannte Weise erfolgen, beispielsweise durch
Dosieren und Negativ-Wiegen aus Silos.
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Gemäß der Erfindung
können
die mechanischen Eigenschaften des Betons reproduzierbar gesteuert
werden.
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Erfindungsgemäß können rissarme
Böden erhalten
werden. Ein weiterer besonderer Vorteil liegt darin, dass die Verwendung
der Fasermischung zu einer Verstärkung
führt,
die in der fertigen Konstruktion gut verteilt ist, insbesondere
an den Rändern
und in den Ecken. Somit können
beispielsweise Böden er stellt
werden, die in den Ecken und an den Rändern ordnungsgemäß verstärkt sind.
Dies ist von großer Bedeutung
bei Konstruktionen, die genau an den Rändern stark belastet sein können, wie
z. B. Betonplatten für
Flugpisten von Flughäfen
und ähnliches. Bei
den erfindungsgemäß erhaltenen
verbesserten mechanischen Eigenschaften können dünnere Böden ausreichen.