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Die
Erfindung betrifft Kunststofffasern zur Verstärkung von Beton und den die
Fasern enthaltenden Beton.
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Im
Allgemeinen ist Beton ein sprödes
Material mit hoher Druckfestigkeit, jedoch geringer Zugfestigkeit. In
der Betonindustrie sind alle Betonarbeiten typischerweise auf Basis
der Druckfestigkeit spezifiziert. Versuche zur Verbesserung der
Rissfestigkeit (Zugfestigkeit) und Zähigkeit des Betons erfordern
fast immer den Zusatz einer Verstärkung. Beispielsweise wird
Betonrippenstahl (Stahlstangen) zugesetzt, der strukturelle Integrität verleiht,
die Rissbildung jedoch nicht verhindert. Zur Reduktion der Rissbildung
werden auch Metallnetze hinzugefügt,
doch auch sie können
nicht zur wirksamen Verstärkung
von Beton einer komplexen Geometrie eingesetzt werden.
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Kunststofffasern
werden ebenfalls zur Verbesserung der Zugfestigkeit und Zähigkeit
(Beständigkeit gegen
Rissbildung) verwendet. Die Zugabe synthetischer Polymerfasern führt jedoch
fast immer zu einer Reduktion der Druckfestigkeit. Darüber hinaus
verbessern Kunststofffasern, sofern sie verwendet werden, häufig nur
entweder die Zugfestigkeit (Festigkeit vor Auftreten des ersten
Risses) oder die Zähigkeit
(Beständigkeit gegen
Rissbildung), nicht aber beides gleichzeitig.
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Beispiele
für Kunststofffasern
sind z. B. Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polyethylenterephthalat (PET),
Aramide (z. B. KEVLARTM) und Polyvinylalkoholfasern.
Bei all diesen Fasern bestehen jedoch ein oder mehr Probleme, z.
B. hohe Kosten, geringe Alkalibeständigkeit, geringe Reißfestigkeit
oder geringe Grenzflächenbindung
zwischen dem Beton und der Faser.
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Polypropylen
und Polyethylen sind bislang aufgrund ihrer hohen Reißfestigkeit
und geringen Kosten die am meisten bevorzugten Fasern. Leider haben
diese Fasern eine sehr geringe Grenzflächenbindung. Um dieses Problem
zu beheben, werden, wie in der WO 980766 beschrieben, auf der Oberfläche der
Fasern durch Aufbringen einer Flüssigkeit
wie z. B. Glycerinether oder Glycolether auf die Faseroberfläche Beschichtungen gebildet.
Die Beschichtungen werden, wie in der
JP 60054950 beschrieben, auch durch
Dampfabscheidung aufgebracht. In ähnlicher Weise wird die Oberfläche, wie
in der
JP 10236855 (Behandlung
der Oberfläche
eines Polyoxyalkylenphenyletherphosphats und eines Polyoxalkylfettsäureesters)
beschrieben, chemisch verändert.
Leider führen
diese Verfahren natürlicherweise
zu erhöhten
Kosten, Komplexität
und einer potentiell unzureichenden Bindung der Beschichtung an
der Faser.
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Eine
andere Lösung
ist der Einbau anorganischer Teilchen in und auf der Faser, wie
er in der
JP 07002554 beschrieben
ist. Leide erschwert dies den Faserprozess erheblich (z. B. Faserbruch),
erhöht
die Kosten und vermindert im Allgemeinen die Reißfestigkeit der Faser.
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Weiterhin
ist bekannt, dass größere Fasern
für die
Verbesserung der Zähigkeit
des Betons bevorzugt werden. Leider verschlimmern größere Fasern
das Problem der Bindung mit der Betonmatrix aufgrund ihrer reduzierten
Oberflächengröße noch
weiter. Darüber
hinaus löst
keines dieser Verfahren ein weiteres Problem im Zusammenhang mit
Kunststofffasern in Beton, nämlich
die Neigung größerer Fasern,
bei Zugabe zu Beton zu schwer aufzubrechenden Knäueln zu verklumpen, was zu
einer Reduktion der Betoneigenschaften führt.
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Das
US-Patent 5,993,537 und die WO 99/46214 beschreiben die unkontrollierte
Fibrillation großer
Fasern in Beton. Sie beschreiben, dass die Fibrillation großer Fasern
in viele kleinere Fasern und teilweise fibrillierte Fasern wünschenswert
ist. Sie beschreiben beide, dass die Fibrillation wünschenswerterweise
so groß sein
sollte, dass die Oberflächengröße der Fasern
um das 50-Fache oder mehr zunimmt. Dieser extreme Fibrillationsgrad
kann jedoch zu Problemen bei der Bearbeitbarkeit, zum Absacken und
zu Problemen beim Mischen führen
und die gewünschte
Zunahme an Zähigkeit
bei größeren Fasern
verringern.
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Dementsprechend
wäre es
wünschenswert,
eine verbesserte Faser zur Verbesserung der Eigenschaften von Beton
bereitzustellen, z. B. eine Faser, die eines oder mehrere der Probleme
im Stand der Technik löst, z.
B. bei Einsatz kostengünstiger
Polypropylenfasern die Zähigkeit
verbessert, ohne die Kosten für
den Beton zu erhöhen,
gleichzeitig aber nicht zu anderen Problemen wie Absacken und reduzierter
Bearbeitbarkeit führt.
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Wir
haben nun eine neue Polymerfaser entdeckt, die eine verbesserte
Bindung an Beton aufweist, was zu einem Beton mit im Vergleich zu
anderem verstärktem
Beton verbesserten Eigenschaften, geringeren Kosten oder beidem
führt,
was durch eine Faser mit kontrollierter Fibrillation erzielt wird.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung ist eine Verstärkungsfaser zur Verwendung
als Verstärkung
von Beton, wobei die Faser 6,3 bis 101,6 mm (0,25 bis 4 Inch) lang
ist und aus mindestens zwei miteinander verklebten Filamente besteht,
und die Filamente aus einem polymeren Kern bestehen, der zumindest
teilweise von einem polymeren Mantel umgeben ist, der aus einem
schmelzenden/zerfasernden Polymer mit einer niedrigeren Schmelztemperatur
als der Polymerkern besteht, so dass die Verstärkungsfaser, wenn sie für eine Zeit
von 30 Sekunden bis 20 Minuten in einem Betonmischer gemischt wird,
der eine Betonmischung aus Portlandzement mit 50 bis 70 Gew.-% Zuschlagstoffen
und einem Verhältnis
von Portlandzement zu Wasser von 0,4 bis 0,6 enthält, hauptsächlich nur
an einem Ende oder an den Enden der Faser zerfasert. Dieses kontrollierte
Zerfasern der Faser überwindet
das Problem der unzureichenden Bindung von Fasern mit großem Durchmesser, indem
es eine größere Oberfläche zur
Verankerung an den Enden schafft, aber nicht zu einer schädlichen
Zunahme der Viskosität
bei der vollständigen
Fibrillation der Fasern führt.
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Hierin
bedeutet das Zerfasern hauptsächlich
am Ende oder an den Enden, dass sich ein Großteil der Fasern in dem Gegenstand
unter typischen Mischbedingungen, wie sie bei der Herstellung anorganischer
gehärteter
Gegenstände
wie z. B. Beton herrschen, nach dem Härten nicht in zwei oder mehr
Fasern trennt. Dies ist analog zu dem Zerfasern eines Seils, ohne
dass sich das Seil in zwei kleinere Stricke teilt.
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Eine
weitere Ausgestaltung der Erfindung ist ein Betongegenstand aus
Beton mit darin enthaltenen Verstärkungsfasern aus mindestens
zwei miteinander verklebten Filamenten, wobei die Filamente aus
einem polymeren Kern bestehen, der zumindest teilweise von einem
polymeren Mantel aus einem schmelzenden/zerfasernden Polymer mit
einer niedrigeren Schmelztemperatur als der Polymerkern umgeben
ist, und mindestens 50% der Verstärkungsfasern nur an einem Ende
oder den Enden der Verstärkungsfasern
zerfasert werden.
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Eine
weitere Ausgestaltung der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung
von Beton, bei dem Beton, Wasser und eine Verstärkungsfaser aus mindestens
zwei miteinander verklebten Filamenten gemischt und das Gemisch
zur Bildung des Betongegenstandes gehärtet wird, wobei die Filamente
aus einem polymeren Kern bestehen, der zumindest teilweise von einem
polymeren Mantel aus einem schmelzenden/zerfasernden Polymer mit
einer niedrigeren Schmelztemperatur als der polymere Kern umgeben
ist, so dass während
des Mischens mindestens 50% der Fasern hauptsächlich nur an einem Ende oder
an den Enden zerfasern. Im Allgemeinen führt dieser Zerfaserungsgrad
zu einer Zunahme der Oberflächengröße von mindestens
dem 2- bis allgemein höchstens
dem 10-Fachen, vorzugsweise höchstens
dem 5-Fachen und mehr bevorzugt höchstens dem 3-Fachen der Oberflächengröße der ursprünglichen
Faser.
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Eine
weitere Ausgestaltung ist eine Verstärkungsfaser aus einem Polypropylenkernpolymer,
das zumindest teilweise von einem Mantel aus einem schmelzenden/zerfasernden
Polymer mit einer niedrigeren Schmelztemperatur als der Polypropylenkern
umgeben ist und aus Polyethylen niedriger Dichte, mit Maleinsäureanhydrid
gepfropftem Polyethylen niedriger Dichte, Ethylen-Styrol-Copolymer,
Polyethylen mit einem Schmelzindex von 5 bis 35 und einer Dichte
von 0,9 g/cm3 bis 0,965 g/cm3,
Ethylen-Acrylsäure-Copolymer
und Kombinationen davon ausgewählt
ist.
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Die
Verstärkungsfaser
kann bei allen, bei niedriger Temperatur gehärteten anorganischen Gegenständen wie
Beton, Mörtel,
Gips und Leichtbauplatten eingesetzt werden. Der erfindungsgemäße Beton
kann bei allen für
Beton geeigneten Anwendungszwecken eingesetzt werden, eignet sich
aber besonders für
Parkgaragen, Brückenfahrbahnen,
weiße
Straßenbeläge, Tunnel,
Bergbau, Hangstabilisierung, bauliche Zwecke wie Landschaftsbausteine,
Skateboardbahnen, moderne Architektur, künstlerische Skulpturen, schnell
abbindende/nicht absackende Decken, Swimmingpools und die Reparatur
und Modernisierung bestehender Strukturen.
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Die Verstärkungsfaser
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Die
Verstärkungsfaser
besteht aus mindestens zwei miteinander verschmolzenen Filamenten
aus einem Kernpolymer, das zumindest teilweise von einem Mantel aus
einem schmelzenden/zerfasernden Polymer umgeben ist, so dass die
Faser beim Mischen mit anorganischen Teilchen hauptsächlich nur
an einem Ende oder an den Enden der Faser zerfasert.
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Zerfasern
an einem Ende oder an den Enden bedeutet, dass sich die Faser in
mindestens zwei einzelne zerfaserte Fibrillen teilt, wobei ein Ende
dieser Fibrillen vollständig
von der Faser abgelöst
ist und das andere Ende noch an der Faser befestigt ist. Wie gesagt,
dies ist ähnlich
einem an den Enden zerfasernden Seil. Im Allgemeinen sind die zerfaserten
Fibrillen höchstens
halb so lang wie die Faser vor der Zerfasern. Vorzugsweise beträgt die Länge der
zerfaserten Fibrillen höchsten
ein Drittel (1/3), mehr bevorzugt höchstens zwei Fünftel (2/5)
und am meisten bevorzugt höchstens
ein Viertel (1/4) der Länge
der Faser vor dem Zerfasern.
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Die
Verstärkungsfaser
zerfasert, wie gesagt, hauptsächlich
an einem Ende oder an den Enden, wenn ein Großteil (d.h. mehr als 50%) der
Fasern, wenn diese in einem Betonmischer gemischt werden, der eine Betonmischung
aus Portlandzement mit 50 bis 70 Gew.-% Zuschlagstoffen und einem
Verhältnis
von Portlandzement zu Wasser von 0,4 bis 0,6 enthält, nur
an einem Ende oder an den Enden zerfasert. Der Grad des Zerfaserns
kann durch bekannte mikroskopische Techniken ermittelt werden. Vorzugsweise
mindestens 60 Prozent, mehr bevorzugt mindestens 75 Prozent, noch
mehr bevorzugt mindestens 90 Prozent und am meisten bevorzugt mindestens
95 Prozent der Fasern sind nach diesem Mischen nur an einem Ende
oder an den Enden zerfasert. In einer ganz bevorzugten Ausführungsform
zerfasern im Wesentlichen alle Fasern nur an einem Ende oder an
den Enden der Fasern.
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Die
Zunahme der zerfaserten Oberfläche
verbessert die Zähigkeit
des verstärkten
Betons. Zerfasern die Fasern jedoch zu stark, nimmt die Zähigkeit
ab. Mit anderen Worten, das anfängliche
Zerfasern führt
zu einer Verbesserung der Zähigkeit,
doch eine zu starke Zerfaserung/Fibrillation ist schädlich. Im
Allgemeinen nimmt die Zähigkeit
zu, wenn die Oberflächengröße der Faser
aufgrund der Fibrillation auf mindestens das 2-Fache bis 3-Fache
zunimmt, bleibt bis zum 5-Fachen gleich, sinkt beim 5- bis 10-Fachen
langsam ab und fällt
dann beim mehr als 10-Fachen der Oberflächengröße der ursprünglichen
Faser drastisch ab.
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Die
Verstärkungsfaser
besteht aus mindestens zwei miteinander verschmolzenen Filamenten.
Die Verstärkungsfaser
kann aus einer beliebigen nützlichen
Menge an Filamenten, die größer als
oder gleich zwei ist, bestehen. Im Allgemeinen beträgt die Menge
der miteinander verklebten Filamente höchstens 3000. Vorzugsweise
beträgt
die Menge der Filamente mindestens 12, mehr bevorzugt mindestens
36 und am meisten bevorzugt mindestens 72 bis vorzugsweise höchstens
1000, mehr bevorzugt höchstens
500 und am meisten bevorzugt höchstens
350.
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Die
Verstärkungsfaser
kann jede Form (d.h. Querschnittsform) haben, z. B. rund, quadratisch,
dreieckig, blattförmig,
sternförmig
und flächig
(d.h. bandähnlich).
Die Filamente können
nach jedem geeigneten Verfahren, z. B. durch Verschmelzen der Filamente
bei ihrer Herstellung nach einem der nachfolgend beschriebenen Verfahren,
verschmolzen werden.
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Bei
der Herstellung sind die Fasern im Allgemeinen 0,25 bis 4 Inch (6,3
bis 101,6 mm) lang. Vorzugsweise sind die Fasern mindestens 0,6
bis höchstens
3 Inch (15,24 bis 76,2 mm) lang. Im Allgemeinen hat jedes Filament
eine Querschnittsfläche
von mindestens 0,5 μm
(Mikrometer) bis 1000 μm
(Mikrometer). Vorzugsweise hat jedes Filament eine Querschnittsfläche von
mindestens 1 bis höchstens
500 μm (Mikrometer).
Im Allgemeinen hat die Faser eine Querschnittsfläche von mindestens 2 bis höchstens
2000 μm
(Mikrometer). Vorzugsweise hat die Faser eine Querschnittsfläche von
mindestens 6 bis höchstens
500 μm (Mikrometer).
Mehr bevorzugt hat die Faser eine Querschnittsfläche von höchstens 100 μm (Mikrometer)
und am meisten bevorzugt höchstens
50 μm (Mikrometer).
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Im
Allgemeinen umfasst das Kernpolymer mindestens 50 Vol.-% bis höchstens
95 Vol.-% der Verstärkungsfaser.
Vorzugsweise umfasst das Kernpolymer mindestens 55 Vol.-%, mehr
bevorzugt mindestens 60 Vol.-% und am meisten bevorzugt mindestens
65 Vol.-% bis vorzugsweise höchstens
75 Vol.-%.
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Das
Kernpolymer kann jedes für
die Bildung der Verstärkungsfaser
nützliche
Polymer sein, solange sich das Kernpolymer von einem den Mantel
umfassenden Polymer unterscheidet. Ein Polymer unterscheidet sich,
wenn sich die Chemie (z. B. Polycarbonat versus Polyethylen) oder
die Eigenschaften (Struktur) unterscheiden (z. B. verzweigtes versus
lineares Polyethylen und Polyethylen hoher Dichte versus Polyethylen niedriger
Dichte).
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Das
Kernpolymer kann z. B. ein Polyolefin, ein thermoplastischer hydroxyfunktionalisierter
Polyether oder Polyester, ein Polyester, ein Polyamid, ein Polyether,
ein Polysaccharid, ein modifiziertes Polysaccharid oder eine natürlich vorkommende
Faser oder ein partikulärer
Füllstoff
sein; ein thermoplastisches Polyurethan, ein thermoplastisches Elastomer
und ein glycolmodifizierter Copolyester (PETG). Andere Polymere
vom Polyester- oder Polyamidtyp können ebenfalls bei der Anwendung
der vorliegenden Erfindung zur Herstellung der Faser verwendet werden.
Solche Polymere schließen
Polyhexamethylenadipamid, Polycaprolacton, Polyhexamethylensebacamid,
Polyethylen-2,6-naphthalat und Polyethylen-1,5-naphthalat, Polytetramethylen-1,2-dioxybenzoat
und Copolymere von Ethylenterephthalat und Ethylenisophthalat ein.
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Der
thermoplastische hydroxyfunktionalisierte Polyether oder Polyester
kann von jeder geeigneten Art sein, z. B. ein im Stand der Technik
bekannter. Er kann z. B. einer der in den US-Patenten 5,171,820; 5,275,853;
5,496,910; 5,149,768 und 3,305,528 beschriebenen sein.
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Die
Polyester und Verfahren zur ihrer Herstellung sind im Stand der
Technik wohlbekannt, und für
die Zwecke dieser Erfindung wird darauf Bezug genommen. Zur Veranschaulichung
und nicht als Einschränkung wird
besonders auf die Seiten 1–62
von Band 12 der Encyclopedia of Polymer Science and Engineering,
Fassung von 1988, John Wiley & Sons,
verwiesen.
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Die
Polyamide können
die veschiedenen Nylonsorten wie z. B. Nylon 6, Nylon 6,6 und Nylon
12 einschließen.
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Mit
dem Begriff "Polyolefin" ist ein von einfachen
Olefinmonomeren, z. B. Ethylen, Propylen, Butylen, Isopren und einem
oder mehreren der damit copolymerisierbaren Monomere, hergeleitetes
Polymer oder Copolymer gemeint. Solche Polymere (einschließlich Rohmaterialien,
ihre Anteile, Polymerisationstemperaturen, Katalysatoren und sonstige
Bedingungen) sind im Stand der Technik wohlbekannt, und für die Zwecke
dieser Erfindung wird darauf Bezug genommen. Weitere mit Ethylen
polymerisierbare Comonomere sind z. B. Olefinmonomere mit 3 bis
12 Kohlenstoffatomen, ethylenisch ungesättigte Carbonsäuren (sowohl
mono- als auch difunktionell) und Derivate solcher Säuren, z.
B. Ester (z. B. Alkylacrylate) und An hydride. Beispielhafte, mit Ethylen
polymerisierbare Monomere sind 1-Octen, Acrylsäure, Methacrylsäure, Vinylacetat
und Maleinsäureanhydrid.
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Die
Polyolefine schließen
z. B. Polypropylen, Polyethylen und Copolymere und Mischungen davon
sowie Ethylen-Propylen-Dien-Terpolymere ein. Bevorzugte Polyolefine
sind Polypropylen, lineares Polyethylen hoher Dichte (HDPE), heterogen
verzweigtes, lineares Polyethylen niedriger Dichte (LLDPE) wie das
Polyethylenharz DOWLEX (ein Warenzeichen von The Dow Chemical Company),
heterogen verzweigtes, lineares Polyethylen ultraniedriger Dichte
(ULDPE) wie ATTANE ULDPE (ein Warenzeichen von The Dow Chemical Company);
homogen verzweigte, lineare Ethylen/α-Olefin-Copolymere wie TAFMER
(ein Warenzeichen von Mitsui Petrochemicals Company Limited) und
EXACT (ein Warenzeichen von Exxon Chemical Company); homogen verzweigte,
im Wesentlichen lineare Ethylen/α-Olefin-Polymere
wie die Polyolefinelastomere AFFINITY (ein Warenzeichen von The
Dow Chemical Company) und ENGAGE (ein Warenzeichen von DuPont Dow Elastomers
L.L.C.), die sich wie in den US-Patenten 5,272,236 und 5,278,272
offenbart herstellen lassen; sowie unter hohem Druck radikalisch
polymerisierte Ethylenpolymere und -copolymere, z. B. Polyethylen
niedriger Dichte (LDPE), Ethylen-Acrylsäure(EAA)-Copolymere wie PRIMACOR
(ein Warenzeichen von The Dow Chemical Company) und Ethylen-Vinylacetat(EVA)-Copolymere wie die
Polymere ESCORENE (ein Warenzeichen von Exxon Chemical Company)
und ELVAX (ein Warenzeichen von E.I. DuPont de Nemours & Co.). Die mehr
bevorzugten Polyolefine sind die homogen verzweigten und im Wesentlichen
linearen Ethylencopolymere mit einer Dichte von 0,85 bis 0,99 g/cm3 (gemessen gemäß ASTM D-792), einem Verhältnis von
gewichtsgemitteltem zu zahlengemitteltem Molekulargewicht (Mw/Mn)
von 1,5 bis 3,0, einem gemessenen Schmelzindex von 0,01 bis 100
Gramm pro 10 Minuten (gemessen gemäß ASTM D-1238 (190/2,16)) und
einem l10/l2 von 6 bis 20 (gemessen gemäß ASTM D-1238 (190/10)).
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Im
Allgemeinen hat das Polyethylen hoher Dichte (HDPE) eine Dichte
von mindestens 0,94 g/cm3 (ASTM-Testverfahren
D-1505). HDPE wird üblicherweise
mit Hilfe von Techniken hergestellt, die denen zur Herstellung linearer
Polyethylene niedriger Dichte ähnlich
sind. Solche Techniken sind in den US-Patenten 2,825,721; 2,993,876;
3,250,825 und 4,204,050 beschrieben. Das bei der Anwendung der vorliegenden
Erfindung eingesetzte bevorzugte HDPE hat eine Dichte von 0,94 bis 0,99
g/cm3 und einen Schmelzindex von 0,01 bis
35 Gramm pro 10 Minuten (ermittelt nach dem ASTM-Testverfahren D-1238).
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Die
bei der Anwendung der vorliegenden Erfindung einsetzbaren Polysaccharide
sind verschiedene Stärken,
Cellulosen, Halbcellulosen, Xylane, Gummiarten, Pektine und Pullulane.
Polysaccharide sind bekannt und z. B. in der Encyclopedia of Polymer
Science and Engineering, 2. Auflage, 1987 beschrieben. Die bevorzugten
Polysaccharide sind Stärke
und Cellulose.
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Die
bei der Anwendung der vorliegenden Erfindung einsetzbaren modifizierten
Polysaccharide sind die Ester und Ether von Polysacchariden, z.
B. Celluloseether und Celluloseester oder Stärkeester und Stärkeether.
Modifizierte Polysaccharide sind bekannt und z. B. in der Encyclopedia
of Polymer Science and Engineering, 2. Auflage, 1987 beschrieben.
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Der
Begriff "Stärke", wie er hierin verwendet
wird, bezieht sich auf Kohlehydrate natürlichen pflanzlichen Ursprungs,
die hauptsächlich
aus Amylose und/oder Amylopektin bestehen und folgende Substanzen einschließen: nicht
modifizierte Stärken,
entwässerte,
aber nicht getrocknete Stärken,
physikalisch modifizierte Stärken
wie thermoplastische, gelatinierte oder gekochte Stärken, Stärken mit
einem modifizierten Säurewert (pH),
bei denen zur Senkung des Säurewertes
der Stärke
auf einen Bereich von 3 bis 6 Säure
zugesetzt wurde, gelatinierte Stärken,
nicht gelatinierte Stärken,
vernetzte Stärken
und zerrissene Stärken
(nicht teilchenförmige Stärken). Die
Stärken
können
in Form von Granulat, Teilchen oder Pulver vorliegen. Sie können aus
verschiedenen Pflanzen, z. B. Kartoffeln, Reis, Tapioka, Mais, Erbsen
und Getreide wie Roggen, Hafer und Weizen extrahiert werden.
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Cellulosen
sind bekannt und z. B. in der Encyclopedia of Polymer Science and
Engineering, 2. Auflage, 1987 beschrieben: Cellulosen sind natürliche,
kohlehydratreiche Polymere (Polysaccharide), die aus wasserfreien
Glucoseeinheiten bestehen, die mittels einer Sauerstoffbindung zu
langen Molekülketten
verbunden sind, die im Wesentlichen linear sind. Cellulose kann
zu Glucose hydrolysiert werden. Der Polymerisationsgrad reicht von
1000 bei Holzstoff bis 3500 bei Baumwollfasern, was ein Molekulargewicht
von 160.000 bis 560.000 ergibt. Cellulose kann aus pflanzlichen
Geweben (Holz, Gras und Baumwolle) extrahiert werden. Cellulosen können in
Form von Fasern verwendet werden.
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Der
Mantel umgibt das Kernpolymer zumindest teilweise. "Teilweise" bedeutet im Allgemeinen,
dass mindestens 10 Prozent der Oberfläche des Kernpolymers mit dem
Mantelpolymer bedeckt sind. Vorzugsweise sind mindestens 20 Prozent,
mehr bevorzugt mindestens 50 Prozent, noch mehr bevorzugt mindestens
75 Prozent und am meisten bevorzugt mindestens 90 Prozent der Oberfläche des
Kernpolymers mit dem Mantel bedeckt. Eine bevorzugte Ausführungsform
schließt
einen Mantel ein, der im Wesentlichen die gesamte Oberfläche des
Kernpolymers bzw. das gesamte Kernpolymer bedeckt.
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Das
Kernpolymer ist vorzugsweise Polyolefin, Nylon oder Polyester. Mehr
bevorzugt ist das Kernpolymer Polypropylen, ein Homopolymer von
Polyethylen, Nylon oder Polyester. Am meisten bevorzugt ist das Kernpolymer
Polypropylen mit einem Schmelzindex von 4 bis 20.
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Der
Mantel besteht aus einem schmelzenden/zerfasernden Polymer (FF-Polymer).
Das FF-Polymer ermöglicht
das Verschmelzen der Filamente bei der Bildung der Verstärkungsfaser
und das kontrollierte Zerfasern an den Enden beim Mischen der Fasern
mit anorganischen Teilchen, z. B. Beton. Das FF-Polymer erlaubt
es dem Kern unter Umständen
auch, mit anderen Mantelkomponenten wie z. B. einem nachfolgend
beschriebenen mechanischen Aktivatorpolymer kompatibel zu sein. "Kompatibel" bedeutet, dass der
Mantel ausreichend an dem Kern haftet, so dass sich die Fasern beim
Mischen mit z. B. Beton unter typischen Mischbedingungen, wie sie
z. B. bei der Herstellung von Beton herrschen, nicht vollständig trennen.
Man glaubt außerdem,
dass dies die Abgabe und Verteilung der Fasern beim Mischen mit
Beton unterstützt.
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Das
FF-Polymer kann jedes Polymer sein, solange es eine niedrigere Schmelztemperatur
als das Kernpolymer aufweist und zu einer ausreichenden Haftung
des Mantels an dem Kernpolymer führt.
Die Schmelztemperatur des FF-Polymers sollte so niedrig sein, dass
es beim Faserspinnen ein Schmelzen des Mantels erlaubt, wodurch
das Verschmelzen der Filamente erfolgt, ohne dass das Kernpolymer
wesentlich beeinträchtigt
wird. Dieses kontrollierte Verschmelzen, so glaubt man, erlaubt
das kontrollierte Zerfasern beim späteren Mischen der Fasern mit
anorganischen Teilchen wie z. B. Beton. Das FF-Polymer kann auch
zu einer verbesserten chemischen Bindung der Faser z. B. an Beton
führen.
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Im
Allgemeinen liegt die Schmelztemperatur des FF-Polymers um mindestens
10°C niedriger
als die des Kernpolymers. Vorzugsweise liegt die Schmelztemperatur
des FF-Polymers bei mindestens 15, mehr bevorzugt mindestens 20
und am meisten bevorzugt mindestens 30 bis vorzugsweise höchstens
100°C.
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Ist
beispielsweise der Faserkern Polypropylen mit einem Schmelzindex
von 12, ist das FF-Polymer wünschenswerterweise
Polyethylen mit einem Schmelzindex zwischen 5 und 35 und einer Dichte
von 0,9 bis 0,965 g/cm3 in Kombination mit
entweder einem Ethylen-Styrol-Copolymer mit einem niedrigen Styrolgehalt oder
einem PE niedriger Dichte (0,870 g/cm3).
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Vorzugsweise
ist das FF-Polymer ein Ethylen-Styrol-Copolymer mit einem niedrigen
Styrolgehalt (unter 30 Gew.-% Styrol), ein Ethylen-Styrol-Copolymer
mit einem hohen Styrolgehalt (über
60 Gew.-% Styrol), PE niedriger Dichte (z. B. 0,870 g/cm3), mit Maleinsäureanhydrid (MAH) gepfropftes
Polyethylen niedriger Dichte, mit Maleinsäureanhydrid gepfropftes Polypropylen,
ein Ethylen-Acrylsäure-Copolymer (z. B.
PRIMACOR), Polyethylen, ein Ethylen-Methacrylsäure-Copolymer oder eine Kombination davon.
Am meisten bevorzugt ist das FF-Polymer
ein Ethylen-Acrylsäure-Copolymer.
Das Ethylen-Acrylsäure-Copolymer
ist vorzugsweise eines mit 5 bis 20 Gew.-% und mehr bevorzugt 9
bis 14 Gew.-% Acrylsäuregruppen.
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Der
Mantel kann andere Komponenten, z. B. ein mechanisches Aktivatorpolymer
enthalten. Das mechanische Aktivatorpolymer kann zur Erhöhung der
Oberflächenrauhigkeit
der Verstärkungsfaser
eingesetzt werden, wodurch, so glaubt man, die mechanische Bindung
der Faser an z. B. eine Betonmatrix erhöht wird. Das mechanische Aktivatorpolymer
kann in jeder nützlichen
Menge bis zu einer Menge von höchstens
typischerweise 20 Vol.-% des Mantels eingesetzt werden. Für das mechanische
Aktivatorpolymer gelten einer oder mehrere der folgenden Punkte:
(i) seine Wärmeausdehnung
unterscheidet sich ausreichend von der des FF-Polymers, (ii) es ist mit dem FF-Polymer
nicht mischbar, (iii) es kann in Wasser löslich gemacht werden oder quellen
und (iv) es zeigt ein Schmelzbruchverhalten, so dass die Oberfläche der
Verstärkungsfaser
rauher ist als eine ohne das mechanische Aktivatorpolymer gebildete
Faser. Beispiele sind Nylon, Polyvinylalkohol und thermoplastischer,
hydroxyfunktionalisierter Polyether oder Polyester.
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Herstellung
der Verstärkungsfaser
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Im
Allgemeinen können
die Fasern nach wohlbekannten Verfahren wie Schmelzspinnen, Nassspinnen oder
Bikomponentenspinnen hergestellt werden. Die erfindungsgemäßen Fasern
können
zu jeder gewünschten
Größe oder
Länge extrudiert
werden. Sie können
auch zu jeder gewünschten
Form, z. B. mit zylindrischem, kreuzförmigem, trilobalem oder bandartigem
Querschnitt extrudiert werden.
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Die
Fasern können
folgende Querschnittsstrukturen aufweisen:
- (1)
Side-by-side
- (2) Sheath-core
- (3) Islands-in-the-sea und
- (4) Citrus (Segmented-pie)
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(1) Side-by-side
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Ein
Verfahren zur Herstellung von Side-by-side-Bikomponentenfasern ist
in dem US-Patent 5,093,061 beschrieben. Das Verfahren umfasst folgende
Schritte: (1) zwei Polymerströme
werden getrennt durch Öffnungen
geleitet und mit im Wesentlichen derselben Geschwindigkeit zusammengeführt, so
dass sie als kombinierter Strom unter der Vorderseite der Spinndüse Seite
an Seite verschmelzen; oder (2) zwei Polymerströme werden getrennt durch Öffnungen
geleitet und auf der Oberfläche
der Spinndüse
mit im Wesentlichen derselben Geschwindigkeit zusammengeführt, so
dass sie als kombinierter Strom auf der Oberfläche der Spinndüse Seite
an Seite verschmelzen. In beiden Fällen wird die Geschwindigkeit
der einzelnen Polymerströme
zum Zeitpunkt des Verschmelzens durch die Geschwindigkeit der Dosierpumpe
und die Größe der Öffnung bestimmt. Der
Faserquerschnitt besitzt eine glatte Grenzfläche zwischen den beiden Komponenten.
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Side-by-side-Fasern
werden im Allgemeinen zur Herstellung selbstkräuselnder Fasern verwendet. Sämtliche
im Handel erhältlichen
selbstkräuselnden
Fasern werden mit Hilfe eines Systems auf der Basis unterschiedlicher
Schrumpfcharakteristiken der einzelnen Komponenten hergestellt.
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(2) Sheath-core
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Sheath-core-Bikomponentenfasern
sind Fasern, bei denen eine der Komponenten (core/Kern) von einer
zweiten Komponente (sheath/Mantel) umgeben ist. Die Haftung ist
für die
Faserintegrität
nicht immer wesentlich.
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Am
häufigsten
werden Sheath-core-Fasern mittels einer Technik hergestellt, bei
der zwei Polymerflüssigkeiten
(Schmelzen) getrennt an eine Stelle ganz in der Nähe der Spinndüsenöffnungen
geleitet und dann als Kern und Mantel extrudiert werden. Im Falle
konzentrischer Fasern befindet sich die das "Kern" polymer liefernde Öffnung in
der Mitte der Spinndüsenöffnung,
und die Fließbedingungen
der Kernpolymerflüssigkeit werden
streng kontrolliert, damit beide Komponenten beim Spinnen konzentrisch
bleiben. Modifikationen der Spinndüsenöffnungen ergeben unterschiedliche
Formen des Kerns und/oder des Mantels im Faserquerschnitt.
-
Die
Mantel-Kern-Struktur wird eingesetzt, wenn die Oberfläche die
Eigenschaft eines der Polymere haben soll, wie z. B. Glanz, Färbbarkeit
oder Stabilität,
während
der Kern zu Festigkeit und reduzierten Kosten beitragen kann. Die
Sheath-core-Fasern
werden als Kräuselfasern
und als Bindungsfasern in der Vliesindustrie verwendet.
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Verfahren
zur Herstellung von Sheath-core-Bikomponentenfasern sind in den
US-Patenten 3,315,021 und
3,316,336 beschrieben.
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(3) Islands-in-the-sea
-
Islands-in-the-sea-Fasern
werden auch als Matrixfilamentfasern bezeichnet und schließen heterogene
Bikomponentenfasern ein. Ein Verfahren zur Herstellung von Islands-in-the-sea-Fasern
ist in dem US-Patent 4,445,833 beschrieben. Bei dem Verfahren werden
Kernpolymerströme
durch kleine Röhren
in Mantelpolymerströme
injiziert (eine Röhre
pro Kernpolymerstrom). Die kombinierten Sheath-core-Ströme werden in der Spinndüsenöffnung zusammengeführt und
bilden einen Islands-in-the-sea-Bikomponentenstrom.
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Das
Mischen der unterschiedlichen Polymerströme mit einem statischen Mischer
während
des Spinnens führt
ebenfalls zu Islands-in-the-sea- Bikomponentenfasern.
Der statische Mischer teilt den Polymerstrom mehrmals, so dass ein
Matrixstrom mit einer Vielzahl von Kernen entsteht. Dieses Verfahren
zur Herstellung von Islands-in-the-sea-Fasern ist in dem US-Patent
4,414,276 beschrieben.
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Die
Islands-in-the-sea-Struktur wird verwendet, wenn es wünschenswert
ist, den Fasermodul zu erhöhen,
die Feuchtigkeitsaufnahme und Färbbarkeit
zu verringern, die Texturierbarkeit zu verbessern oder der Faser
ein einzigartiges glänzendes
Aussehen zu verleihen.
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(4) Citrus-Typ (Segmented-pie)
-
Die
Citrus- bzw. Segmented-pie-Bikomponentenfasern können durch Polymerverteilung
und/oder Spinndüsenmodifikationen
der bei den zuvor beschriebenen Verfahren zur Herstellung der Side-by-side-,
Sheath-core- oder Islands-in-the-sea-Fasern verwendeten Paketbaugruppen hergestellt
werden. Durch abwechselndes Einleiten eines ersten Polymerstroms
und eines zweiten Polymerstroms in die Spinndüsenöffnung durch acht und nicht
zwei radiale Kanäle
ist die entstehende Faser eine Faser vom Citrus-Typ mit acht Segmenten.
Besitzt die Spinndüsenöffnung die
Konfiguration von drei oder vier Schlitzen auf einem Kreis (eine übliche Öffnungskonfiguration
zur Herstellung von Hohlfasern), ist die Faser eine Hohlfaser vom
Citrus-Typ mit acht Segmenten. Die Hohlfaser vom Citrus-Typ kann,
wie in den US-Patenten 4,246,219 und 4,357,290 beschrieben, auch
durch Verwendung spezieller Konfigurationen der Spinndüsenöffnung mit
einem Mantel/Kern-Spinnpaket
hergestellt werden.
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Der Betongegenstand
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Ein
Betongegenstand besteht aus Beton mit einer darin befindlichen Verstärkungsfaser,
wobei mindestens 50 Prozent der Verstärkungsfaser nur an den Enden
der Verstärkungsfasern
zerfasert sind. Der Begriff "zerfasert" wird wie oben beschrieben
verwendet.
-
Der
zur Bildung des erfindungsgemäßen Betongegenstandes
verwendete Beton kann jeder geeignete Beton sein, z. B. ein im Stand
der Technik bekannter. Im Allgemeinen ist der Beton ein Gemisch
aus Portlandzement. Portlandzement wird, wie im Stand der Technik üblicherweise
verstanden und in Hawley's
Condensed Chemical Dictionary, 12. Ausgabe, R. Lewis, Van Nostrand
Co., NY, S. 239, 1993 definiert, eingesetzt.
-
Es
versteht sich, dass die Verstärkungsfaser
in dem Beton bei Umgebungsbedingungen ein Feststoff ist. Das heißt, das
Polymer wird in fester Form zugesetzt und ist nach dem Härten des
Betons fest.
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Die
Menge der Verstärkungsfaser
in dem Beton liegt im Allgemeinen im Bereich von 0,05 Vol.-% bis 10
Vol.-% des Betongegenstandes. Vorzugsweise beträgt die Menge des Verstärkungspolymers
mindestens 0,1, mehr bevorzugt mindestens 0,3 und am meisten bevorzugt
mindestens 0,5 Vol.-% bis vorzugsweise höchstens 3, mehr bevorzugt höchstens
2 und am meisten bevorzugt höchstens
1,5 Vol.-% des Gegenstandes.
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Herstellung
des Betongegenstandes
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Der
Betongegenstand kann durch geeignetes Mischen von Verstärkungsfaser,
Wasser und Beton hergestellt werden. Vorzugsweise werden die trockenen
Betonkomponenten (z. B. Zement, Sand und Kies) zuerst trocken und
anschließend
mit Wasser zu einem nassen Gemisch gemischt. Dann wird die Verstärkungsfaser mit
dem nassen Gemisch über
einen Zeitraum gemischt, der ausreicht, dass die Enden von mindestens
50 Prozent der Fasern zerfasern, aber nicht so lang ist, dass die
Faser anfangen vollständig
zu fibrillieren, so dass z. B. die Oberflächengröße der Fasern um erheblich
mehr als das 10-Fache der Oberflächengröße der ursprünglichen
Fasern zunimmt. Dieses Gemisch wird nun nach jedem geeigneten Verfahren,
z. B. einem im Stand der Technik bekannten, gegossen, zu Spritzbeton
geformt, modelliert oder verteilt.
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Im
Allgemeinen wird der Beton mit der Verstärkungsfaser mindestens 30 Sekunden
bis höchstens
20 Minuten lang gemischt. Vorzugsweise beträgt die Mischzeit mindestens
1 Minute, mehr bevorzugt mindestens 2 Minuten und am meisten bevorzugt
mindestens 3 Minuten bis vorzugsweise höchstens 15 Minuten, mehr bevorzugt
höchstens
10 Minuten und am meisten bevorzugt höchstens 5 Minuten.
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Dem
Gemisch können
andere, für
die Herstellung des Betons nützliche
Zusatzstoffe zugesetzt werden, z. B. die im Stand der Technik bekannten.
Beispiele sind Superweichmacher, Wasserreduktoren, Quarzstaub, Ofenschlacke,
Luftschleppmittel, Korrosionsinhibitoren und Polymeremulsionen.
-
BEISPIELE
-
Beispiele für Verstärkungsfasern:
-
Sofern
nicht anders angegeben, sind alle Prozentsätze Gewichtsprozent.
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Beispiel 1
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Es
wurden ein Mantel aus 80 Prozent Polyethylen (PE) (Dichte: 0,913
g/cm3), 10 Prozent mit Maleinsäureanhydrid
(MAH) gepfropftem PE (0,955 g/cm3) und 10
Prozent Ethylen-Styrol-Copolymer mit einem Styrolgehalt von 30 Prozent
sowie ein Polypropylen(PP)-Kern mit einem Schmelzindex von 12 hergestellt.
Alle Substanzen wurden von The Dow Chemical Company, Midland, MI
bezogen.
-
Die
Faser wurde von Hills Inc. (W. Melbourne, FI) mittels im Handel
erhältlicher
Schmelzspinnvorrichtungen hergestellt. Es wurde eine runde Konfiguration
gewählt,
es können
aber auch andere Formen verwendet werden, z. B. trilobal, spitztrilobal
und kreuzförmig,
Segmented-pie in Mikrodenier-Größe, Islands-in-the-sea
und gestreift. Die Sheath-core-Fasern wurde mit einem Gewichtsverhältnis von
Mantel zu Kern von 25:75 bis 40:60 hergestellt. Die Bedingungen
für die
Herstellung der Faser waren wie folgt:
- Extruderdruck:
750 psi (5,2 MPa)
- Drehzahl der Denier-Walze: 160 U/min
- Drehzahl der Spannwalze: 163 U/min
- Streckverhältnis:
8:1
- Abschrecktemperatur: 55°F
(13°C)
- Temperatur der Spannwalze: 93°C
- Temperatur der Abzugswalze Nr. 1: 110°C
- Temperatur der Abzugswalze Nr. 2: 130°C
- Temperatur des Spinnkopfes: 270°C
- Optionaler Spinnzusatz (Tensid): (5656 von Gouldstone Technologies,
Monroe, N. Carolina), 12 Gew.-% in Wasser (vor dem Faserverschmelzen
aufgetragen)
-
Die
Verstärkungsfaser
bestand aus 72 verschmolzenen Mikrofasern (Filamenten) und hatte
ein Gesamt-Denier von 1800 (2 mg/cm, 200 tex) (72 Filamente), eine
Reißfestigkeit
von 4,5 Gramm pro Denier (40,5 g/tex) und eine Dehnung von 29 Prozent.
-
Beispiel 2
-
Es
wurden ein Mantel aus 80 Prozent PE (Dichte: 0,913 g/cm3),
10 Prozent Ethylen-Acrylsäure-Copolymer
(PRIMACORTM) und 10 Prozent Ethylen-Styrol-Copolymer mit einem
Styrolgehalt von 30 Prozent sowie ein PP-Kern mit einem Schmelzindex
von 12 hergestellt. Alle Substanzen wurden von The Dow Chemical Company,
Midland, MI bezogen. Diese Verstärkungsfaser
wurde auf ähnliche
Weise wie in Beispiel 1 hergestellt.
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Beispiel 3
-
Es
wurden ein Mantel aus 80 Prozent PE (0,913 g/cm3),
10 Prozent mit MAH gepfropftem PE (0,870 g/cm3)
und 10 Prozent mit MAH gepfropftem PE (0,955 g/cm3)
sowie ein PP-Kern mit einem Schmelzindex von 20 hergestellt. Alle
Substanzen wurden von The Dow Chemical Company, Midland, MI bezogen.
Diese Verstärkungsfaser
wurde auf ähnliche
Weise wie in Beispiel 1 hergestellt.
-
Beispiel 4
-
Es
wurden ein Mantel aus 80 Prozent PE (0,913 g/cm3),
10 Prozent Ethylen-Methacrylsäure-Copolymer
(EMAA) und 10 Prozent Ethylen-Styrol-Copolymer mit einem Styrolgehalt
von 30 Prozent sowie ein PP-Kern mit einem Schmelzindex von 4 hergestellt.
Alle Substanzen wurden von The Dow Chemical Company, Midland, MI
bezogen. Diese Verstärkungsfaser
wurde auf ähnliche
Weise wie in Beispiel 1 hergestellt.
-
Beispiel 5
-
Es
wurden ein Mantel aus 70 Prozent PE (0,913 g/cm3),
10 Prozent Ethylen-Acrylsäure-Copolymer und
10 Prozent Ethylen-Styrol-Copolymer mit einem Styrolgehalt von 20
bis 35 Prozent sowie ein PP-Kern mit einem Schmelzindex von 12 hergestellt.
Alle Substanzen wurden von The Dow Chemical Company, Midland, MI
bezogen. Diese Verstärkungsfaser
wurde auf ähnliche
Weise wie in Beispiel 1 hergestellt.
-
Beispiel 6
-
Es
wurde ein Mantel aus 80 Prozent PE (0,913 g/cm3),
10 Prozent Ethylen-Acrylsäure-Copolymer
mit 9,6 Prozent Säuregruppen
und 10 Prozent mit Maleinsäureanhydrid
gepfropftem PE niedriger Dichte (0,870 g/cm3)
sowie ein PP-Kern mit einem Schmelzindex von 12 hergestellt. Alle
Substanzen wurden von The Dow Chemical Company, Midland, MI bezogen.
Diese Verstärkungsfaser
wurde auf ähnliche
Weise wie in Beispiel 1 hergestellt.
-
Beispiel 7
-
Durch
Mischen von 12,95 Vol.-% Portlandzement (HolnamTM Typ
1), 35,28 Vol.-% Sand (2NS), 28,9 Vol.-% Feinkies, 21,38 Vol.-%
Leitungswasser, 0,49 Vol.-% Superweichmacher (40 Vol.-% festes WRDA-19 von
WR Grace) und 1,0 Vol.-% Polymerfasern wurde eine Betonmischung
hergestellt. Das Verhältnis
von Zement zu Wasser betrug 0,52.
-
Die
Polymerfasern waren Bikomponentenfasern aus einem Polypropylenkern
und einem Mantel aus einem Gemisch auf PE-Basis. Das Polypropylen
war ein Polypropylen mit einem Schmelzindex von 12 (Polypropylen
INSPIRETM H509-12G, erhältlich von The Dow Chemical
Company, Midland, MI) und machte 70 Gew.-% der Faser aus.
-
Die
trockenen Bestandteile (z. B. Zement, Sand und Kies) wurden zuerst
zugesetzt, dann wurde Wasser zugesetzt, so dass eine Grundmischung
entstand. Anschließend
wurde dem Grundgemisch die Verstärkungsfaser
(2 Inch (50,8 mm) lang) zugesetzt. Die Verteilung erfolgte problemlos
und die Fasern zeigten keine Neigung zum Verhaken und Zusammenballen.
Die Gesamtmischzeit betrug 5 Minuten. Das bei dieser Betonmischung
gemessene Absacken betrug 120 mm, der Luftgehalt 6 Prozent. Die
Fasern fibrillieren an den Faserenden ausreichend, um die Oberflächengröße auf das
2-Fache der ursprünglichen
Oberflächengröße der Fasern
zu erhöhen.
(Zum Vergleich: Das Absacken einer Betonmischung mit fibrillierten
Fasern (bis 5-fach vergrößerte Oberfläche) beträgt 75 mm
und in einzelnen Monofilamenten 40 mm). Die faserhaltige Betonmischung
wurde in 4 Inch (101,6 mm) × 4
Inch (101,6 mm) × 14
Inch (355,6 mm) große
rechtwinklige Stangenformen gefüllt
und in einem Wasserbad bei einer konstanten Temperatur von 20°C 14 Tage
lang gehärtet.
Darüber
hinaus wurde die faserhaltige Betonmischung 1 bzw. 14 Tage lang
unter denselben Bedingungen in zylindrischen Formen (Durchmesser:
3 Inch (76,2 mm), Höhe:
6 Inch (152,4 mm)) gehärtet.
-
Nach
14-tägigem
Härten
zeigten die rechtwinkligen Stangen, wie in einem 4-Punkt-Biegetest ermittelt, eine
Biegefestigkeit bis zum ersten Riss von durchschnittlich 4,1 MPa
(im Bereich zwischen 3,9 und 4,6). Die Zähigkeit betrug 30 bis 40 Nm
(gemessen nach dem japanischen Zähigkeitsverfahren
JSCE SF4). Die Druckfestigkeit der zylindrischen Stangen betrug
nach 1- bzw. 14-tägigem
Härten
16 MPa bzw. 36 MPa, gemessen nach einem Standarddruckversuch.
-
Vergleichsbeispiel 1
-
Es
wurden wie in Beispiel 1 beschrieben Betonstangen ohne Fasern hergestellt.
Der Wert für
das Absacken betrug 200 mm. Die Ergebnisse für diese Stangen waren wie folgt.
Die durchschnittliche Biegefestigkeit bis zum ersten Riss nach 14-tägigem Härten betrug 4,5 MPa. Die durchschnittliche
Zähigkeit
betrug 1 Nm. Die Druckfestigkeit der Stangen nach 1- bzw. 14-tägigem Härten betrug
15 MPa bzw. 42 MPa.
-
Vergleichsbeispiel 2
-
Es
wurden wie in Beispiel 1 Betonstangen hergestellt, mit der Ausnahme,
dass die Fasern im Handel erhältliche
Polypropylen-Kräuselfasern
von Synthetic Ind. (Synthetic Ind., Chatanooga, TN) waren. Die Faser war
2 Inch (50,8 mm) lang, hatte einen Querschnitt von 0,6 mm2 und eine Reißfestigkeit von 4,5 Gramm pro Denier
(40 g/tex). Die Fasern verteilten sich in der Betonmischung, ohne
dass ein Verhaken oder Zusammenballen beobachtet wurde. Da die Faser
nicht fibrilliert, ist das Absacken nicht beeinträchtigt (200
mm). Die durchschnittliche Biegefestigkeit bis zum ersten Riss nach
14-tägigem
Härten
betrug 3,8 MPa. Die Zähigkeit betrug
25 Nm. Die Druckfestigkeit der Stangen nach 1- bzw. 14-tägigem Härten betrug
15 MPa bzw. 37 MPa.
-
Vergleichsbeispiel 3
-
Es
wurden wie in Beispiel 1 Betonstangen hergestellt, mit der Ausnahme,
dass die Fasern im Handel erhältliche
Polypropylenfasern von WR Grace Corp. (Boston, MA) waren. Die Faser
war 2 Inch (50,8 mm) lang. Die Faser zeigte eine Neigung zu sehr
starkem Verhaken und musste einzeln in dem Beton verteilt werden. Der
Wert für
das Absacken der Betonmischung betrug 125 mm. Die Faser zeigte (selbst
bei Erhöhung
der Mischzeit auf 10 bzw. 20 Minuten) sehr wenig Fibrillation, nämlich das
1,3-Fache der ursprünglichen
Oberflächengröße. Die
durchschnittliche Biegefestigkeit bis zum ersten Riss nach 14-tägigem Härten betrug
4,2 MPa. Die durchschnittliche Zähigkeit
betrug 28 Nm. Die Druckfestigkeit der Stangen nach 1- bzw. 14-tägigem Härten betrug
12 MPa bzw. 35 MPa.
-
Beispiel 8
-
Die
Faser von Beispiel 2 wurde nach dem Verfahren von Beispiel 7 zur
Herstellung verschiedener Mischungen verwendet. Die Mischzeit der
Faser in dem Beton wurde verändert,
um verschiedene Zerfaserungsgrade zu erzielen. Die faserhaltigen
Betonmischungen wurden in eine 4 × 4 × 14 Inch (101,6 × 101,6 × 355,6 mm) große Form
gegossen und 28 Tage lang gehärtet.
Die Zähigkeit
wurde nach dem japanischen Zähigkeitsstandard
gemessen. TABELLE
I
-
Die
Zunahme der Oberflächengröße wurde
durch Zählen
der einzelnen Monofilamente, die von der ursprünglichen Faser abfaserten,
unter dem Mikroskop und Umrechnen der Anzahl und Länge der
zerfaserten Stücke
in die Oberflächengröße gemessen.
Zur Berechnung der durchschnittlichen Anzahl der abgefaserten Monofilamente
wurden in jedem Fall 20 Fasern gemessen.
-
Beispiel 9
-
Die
Faser von Beispiel 5 wurde nach dem Verfahren von Beispiel 7 zur
Herstellung verschiedener Betonchargen verwendet; dabei wurde die
Mischzeit wie in Beispiel 8 verändert.
-
-
Die
Beispiele 8 und 9 belegen, dass unterschiedliche Mantelpolymere
eine unterschiedliche Fibrillationsrate besitzen. Sie zeigen außerdem,
dass die mit dem Mikroskop ermittelte Zunahme der Oberflächengröße als Indikator
dafür genutzt
werden kann, ob die Fasern zu stark fibrillieren (d.h. ob die Fasern
nicht hauptsächlich
an den Enden zerfasern).
