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Die Erfindung betrifft Faser-Verbundstoffe.
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Sie betrifft insbesondere eine neue Formgebung einer
Metall-Stapelfaser zum Einarbeiten in einen Faser-Verbundstoff,
insbesondere ein Zementmaterial.
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Betone oder Mörtel haben ein gutes Verhalten unter
Druckbeanspruchung und ein schlechtes Verhalten unter Zugbeanspruchung. Dieses
schlechte Verhalten kann Risse im Beton zur Folge haben.
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Der Vorgang der Rißbildung im Beton läuft in drei Stufen ab,
die unabhängig von der mechanischen Belastung immer die gleichen
sind. Anfänglich beobachtet man eine zerstreute und über das
gesamte Materialvolumen verteilte Bildung von Mikrorissen. Dann
wird man Zeuge, wie sich eine Anzahl Mikrorisse zu einem oder
mehreren Makrorissen vereinigen. Schließlich breiten sich in
der letzten Stufe ein oder mehrere in der vorhergehenden Stufe
entstandene Makrorisse aus, bis das Material vollständig bricht.
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Um das Verhalten dieser Materialien unter Zugbeanspruchung zu
verbessern, ist vorgeschlagen worden, Stapelfasern in sie
einzuarbeiten. Im Unterschied zu herkömmlichen Verstärkungseinlagen
bei armiertem Beton sind diese Stapelfasern über das gesamte
Materialvolumen verteilt.
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Die Stapelfasern greifen bei den drei Stufen der Rißbildung des
Betons ein. Während der ersten Stufe der Rißbildung wirken die
Fasern als Nähte und hemmen die Entwicklung der Mikrorisse und
somit das Entstehen von Makrorissen. Zu einem bestimmten Zeitpunkt
haben sich letztere trotz allein gebildet, und die Fasern wirken
bei ihnen als Brücken, die die Kräfte quer zu den Rändern der
Makrorisse aufnehmen und so die Stabilität der von Rissen
durchzogenen Struktur sicherstellen.
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Damit die Faser zur Überbrückung der Mikrorißbildung oder zur
Überbrückung der Makrorißbildung dienen kann, muß sie gut in
der Zementmatrix verankert sein.
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Um eine gute Verankerung der Faser zu erhalten, muß sie eine
gute Haftung an der Matrix aufweisen. Die Haftung ist eine
Eigenschaft der Verbindung Faser - Matrix und kennzeichnet den
Widerstand gegen ein örtliches Gleiten der Faser. Diese gute Haftung
der Faser hängt ab von dem Material, aus dem sie gefertigt ist,
davon, ob ihre Oberflächenkennzahl mehr oder weniger groß ist,
davon, ob ihre Oberflächenbeschaffenheit mehr oder weniger rauh
ist, und weiter davon, ob Zähne, Wellen usw. vorhanden sind.
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Wenn die Haftung zwischen der Faser und der Matrix nicht sehr
gut ist, kann man trotzdem eine genügende Verankerung der Faser
sicherstellen. In diesem Fall reicht es nämlich aus, eine im
Vergleich zu den maximalen Rißbreiten, die die Faser überbrücken
soll, sehr beträchtliche Faserlänge zu wählen, oder man kann
auch die Enden der Faser mit Verankerungsköpfen, wie
beispielsweise Haken, ausstatten.
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Im Handel sind viele Ausführungen von Metall-Stapelfasern zum
Verbessern der mechanischen Eigenschaften einer Zementmatrix
erhältlich, aber zwei grundlegende technologische Probleme
können im allgemeinen auftreten, wenn man Metall-Stapelfasern
in eine Zementmatrix einarbeitet.
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Das erste Problem ist, daß, je mehr man eine beträchtliche
Fasermenge in den Beton einarbeitet, die Verarbeitbarkeit dieses
Betons um so mehr abnimmt, was Probleme beim Einfüllen des
Faserbetons in die Verschalungen verursacht. Die Lösung für
dieses Problem besteht darin, die Kornstruktur des Betons zu
verändern, das heißt, das Verhältnis von Sand zu Körnchen. Die
Verarbeitbarkeit des Faser-Verbundstoffs wird so verbessert,
dies aber zum Nachteil der mechanischen
Festigkeitseigenschaften, die abnehmen.
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Das zweite technologische Problem ist, daß sich für die meisten
gezogenen Stahldrahtfasern, deren Länge größer als die der
größten Körnchen in der Zementmatrix ist, eine Verwirrung der
Fasern in der Matrix ergibt, besonders dann, wenn der
Prozentsatz eingearbeiteter Fasern beträchtlich wird. Die Fasern haben
eine gewisse Neigung, sich in Pakete zusammenzuschließen. Wegen
dieses Effekts erhält man einen Faser-Verbundstoff, der
Bereiche ohne Fasern aufweist, und deshalb eine sehr beträchtliche
Materialheterogenität. Dieser Gesichtspunkt ist für die
mechanischen Eigenschaften des Verbundstoffs sehr nachteilig.
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Die Fasern aus gezogenem Stahldraht haben eine große
Streckbarkeit unter Zugbeanspruchung, so daß sie sich beträchtlich
verlängern können, während sie weiterhin die Beanspruchung aushalten,
der sie ausgesetzt sind. Bei Beton müssen die Fasern aus
gezogenem Strahldraht deshalb die Ränder der Makrorisse, die eine
beträchtliche Breite haben, miteinander verbinden können,
während sie der mit Rissen durchzogenen Struktur eine gewisse
Stabilität verleihen.
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Gerade Stapelfasern, die bekannt sind, weisen schlechte
Verankerungseigenschaften in der Matrix auf, und sie schließen sich in
flüssigem Beton zu Paketen zusammen, wenn sie 15 mm lang oder
länger sind und bei eingearbeiteten Volumenprozentzahlen, die
ein Prozent oder mehr betragen.
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Gewellte Fasern oder solche, die an ihren Enden besondere
Verankerungsköpfe aufweisen, beispielsweise Fasern mit
Verankerungsköpfen in Knochenform und solchen in Nagelkopfform, weisen gute
verankerungseigenschaften auf, aber neigen auch dazu, sich
zusammenzuballen, wenn man sie in einem hohen Prozentsatz in
die Matrix einarbeitet. Nur durch besondere technologische
Verfahren des Einarbeitens dieser Fasern in die Matrix kann
dieses Problem gelöst werden, aber diese Verfahren erhöhen den
Selbstkostenpreis sehr spürbar.
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Auch sind mit Haken versehene Fasern bekannt, die die Gestalt
von Plättchen zusammengefügter Fasern haben und es beträchtlich
vereinfachen, die Fasern in den Beton einzuarbeiten und
letzteren zu mischen. Überdies verbessern die Haken die Verankerung
dieser Fasern beträchtlich. Die Spitzen dieser Fasern weisen
voneinander weg, um zu verhindern, daß diese sich ineinander
verhaken und zusammenballen, was dem Faser-Verbundstoff eine
Oberflächenbeschaffenheit mit sichtbaren Spitzen verleiht.
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Auch sind Stapelfasern bekannt, die die Gestalt einer konvexen
und geschlossenen Schleife aufweisen. Das Patent US 1 913 707
offenbart eine kreisbogenförmige Faser, deren beide Enden
einander gegenüberliegen. Bei dieser kreisförmigen Faser würde sich
die Verbesserung der Verteilung durch Reibung, die man durch
die Wahl eines kleinen Krümmungsradius erzielen würde, für die
Verankerungslänge nachteilig auswirken. Auch kann sich beim
Mischen der Zementmatrix der Kreisbogen öffnen, was ein
Zusammenballen der Fasern zur Folge hat.
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Das Patent US 3 616 589 offenbart eine Faser mit konvexer, aber
geschlossener Form. Der Ring kann geschlossen werden, indem die
beiden Enden eines Kreisbogens verschweißt werden. Diese
Struktur vermeidet das Zusammenballen der Fasern, aber mit ihr läßt
sich dabei nicht eine große Energieaufnahme durch Reibung
(gleiches Problem wie bei US 1 913 707) und durch plastische
Verformung erreichen, die sich auf die dem Riß benachbarte Abschnitte
der Kreisbögen konzentriert.
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Das Patent US 3 616 589 bildet den nächstliegenden Stand der
Technik der Erfindung.
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Die Erfindung betrifft somit eine Stapelfaser aus gezogenem
Stahldraht, die dazu bestimmt ist, in einen Faser-Verbundstoff,
insbesondere in ein Zementmaterial, eingearbeitet zu werden,
hergestellt aus einem Stahldrahtstück, das so geformt ist, daß
die Faser in einer Ebene enthalten ist und in dieser Ebene die
Gestalt einer konvexen und geschlossenen Schleife aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß sie die Gestalt einer länglichen
Schleife aufweist, deren Enden von gebogenen Drahtabschnitten
begrenzt sind, wobei diese gebogenen Drahtabschnitte miteinander
durch gerade Drahtabschnitte verbunden sind, und daß die zwei
Endteile des Drahtstücks nebeneinander und in entgegengesetzter
Richtung angeordnet sind und sich zwischen den gebogenen
Drahtabschnitten erstrecken, um einen der geraden Drahtabschnitte zu
bilden.
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Diese Gestalt der Faser ermöglicht eine beträchtliche
Energieaufnahme durch Reibung und durch plastische Verformung. Die
gebogenen Drahtabschnitte weisen nämlich einen geringen
Krümmungsradius auf, der eine maximale Energieaufnahme durch
Reibung ermöglicht. Die geraden Drahtabschnitte verleihen der
Faser außerdem eine große Verankerungslänge und folglich im
Falle eines Querrisses eine große Energieaufnahme durch
plastische Verformung. Zusätzlich verbessern die beiden Endstücke des
Drahtstücks, die nebeneinander angeordnet und nicht miteinander
verschweißt sind, die Energieaufnahme durch plastische
Verformung weiter, wobei sie verhindern, daß sich die Fasern beim
Mischen der Zementmatrix ineinander verhaken.
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Vorteilhaft beträgt die Länge der geraden Drahtabschnitte
zwischen zehn und 50 Millimeter.
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Vorteilhaft sind die beiden Drahtabschnitte in einem Abstand
voneinander angeordnet, der größer als zwei Fünftel der Länge
der geraden Drahtabschnitte und kleiner als das Doppelte dieser
Länge ist.
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Vorteilhaft ist der Draht zylindrisch und sein Durchmesser beträgt
zwischen 0,1 und 1 mm.
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Die Geometrie der vorgeschlagenen Faser ist mit der einer
Büroklammer verwandt, die keine Schleife zum Sicherstellen des
Einklemmens aufweist.
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Der geschlossene Aufbau der vorgeschlagenen Stapelfaser erlaubt
ein örtliches Umschließen der Zementmatrix, was zu einer
besseren Einschränkung der Bildung von Mikrorissen führt, die in der
Matrix auftreten können.
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Die Gestalt der vorgeschlagenen Faser kann als eine mit sehr
großen Haken versehene Faser angesehen werden, deren
benachbarte Teile der Spitzen sich über eine große Strecke
überlappen, was eine vorzügliche Verankerung der Faser in der Matrix
erlaubt.
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Die Verwendung dieser Fasern ist leicht und erfordert keinerlei
zusätzliche besondere Technologie, um zu vermeiden, daß sich
die Fasern bei der Herstellung des Faser-Verbundstoffs zu
Paketen zusammenschließen. Dies erklärt sich dadurch, daß die
größten Betonkörner, die eine Gestalt und Abmessungen haben,
die denen der vorgeschlagenen Faser ähnlich sind, wie eine Wand
wirken und die Vereinzelung der Faser in der Matrix beim
Mischen erlauben. Ferner setzt man sich nicht länger einer
Verletzungsgefahr durch die Spitzen der Fasern bei ihrer
Verarbeitung aus.
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Die Erfindung betrifft auch einen Faser-Verbundstoff mit einer
Faser, die der oben beschriebenen Faser entspricht.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter
Hinweis auf die beigefügte einzige Zeichnung beschrieben, die
eine erfindungsgemäße Stapelfaser aus gezogenem Stahldraht
darstellt.
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Die Stapelfaser 1 aus gezogenem Stahldraht, wie in der Zeichnung
klar ersichtlich, ist aus einem Stück 2 zylindrischen Stahldrahts
hergestellt, das so geformt ist, daß die Faser 1 in einer Ebene
enthalten ist und in dieser Ebene die Gestalt einer konvexen
und geschlossenen Schleife aufweist, wobei die beiden Endteile
3 und 4 des Stahldrahtstücks 2 nebeneinander und in
entgegengesetzter Richtung angeordnet sind. Vorzugsweise weist die Faser
die Gestalt einer länglichen Schleife mit zwei halbkreisförmig
gebogenen Drahtabschnitten 5 und 6 auf, die miteinander durch
gerade Drahtabschnitte 7 und 8 verbunden sind. Die beiden
Endteile 3 und 4 des Drahtstücks 2 bilden den geraden Abschnitt
8 und erstrecken sich zwischen den gebogenen Abschnitten 5 und
6.
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Die Länge der geraden Abschnitte 7 und 8 beträgt zwischen zehn
und fünfzig Millimeter, und diese geraden Abschnitte verlaufen
im wesentlichen parallel und sind in einem Abstand voneinander
angeordnet, der zwischen zwei Fünfteln ihrer Länge und dem
Doppelten dieser Länge beträgt. Das Drahtstück 2 ist vorzugsweise
zylindrisch und sein Durchmesser beträgt zwischen einem Zehntel
Millimeter und einem Millimeter.
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Die Abmessungen der in einem Faser-Verbundstoff, insbesondere
einer Zementmatrix, eingesetzten Faser 1 hängt von der Größe
der in der Zementmatrix enthaltenen Körnchen ab. Der
Volumenprozentsatz der Fasern in der Zementmatrix beträgt ungefähr ein
Prozent.
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Die geschlossene Gestalt der Fasern 1 verhindert, daß sie sich
ineinander verhaken, und die Wände der Körner nehmen die Fasern
bei der Mischung der Zementmatrix mit und ermöglichen so, einen
homogenen Faser-Verbundstoff zu erhalten, in dem die Fasern
vereinzelt sind. Diese geschlossene Gestalt ermöglicht auch
eine vorzügliche Verankerung der Fasern und verleiht dem
Verbundstoff eine Oberflächenbeschaffenheit ohne Spitzen.