DE69517668T2 - METAL FIBER WITH OPTIMIZED GEOMETRY FOR REINFORCING CEMENT MATERIALS - Google Patents
METAL FIBER WITH OPTIMIZED GEOMETRY FOR REINFORCING CEMENT MATERIALSInfo
- Publication number
- DE69517668T2 DE69517668T2 DE69517668T DE69517668T DE69517668T2 DE 69517668 T2 DE69517668 T2 DE 69517668T2 DE 69517668 T DE69517668 T DE 69517668T DE 69517668 T DE69517668 T DE 69517668T DE 69517668 T2 DE69517668 T2 DE 69517668T2
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- fiber
- cement
- mpa
- opt
- steel
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
- 239000000835 fiber Substances 0.000 title claims abstract description 127
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 42
- 239000004568 cement Substances 0.000 title claims abstract description 34
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 33
- 239000002184 metal Substances 0.000 title claims abstract description 33
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 title claims abstract description 6
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims description 26
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims description 26
- 101100311330 Schizosaccharomyces pombe (strain 972 / ATCC 24843) uap56 gene Proteins 0.000 claims description 3
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910000734 martensite Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 101150018444 sub2 gene Proteins 0.000 claims description 3
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 claims description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 abstract description 34
- 239000002131 composite material Substances 0.000 abstract description 17
- 239000002657 fibrous material Substances 0.000 abstract description 6
- 239000004567 concrete Substances 0.000 description 17
- 239000011210 fiber-reinforced concrete Substances 0.000 description 6
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 3
- 238000007586 pull-out test Methods 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 238000004873 anchoring Methods 0.000 description 2
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 2
- 239000012783 reinforcing fiber Substances 0.000 description 2
- 229910000922 High-strength low-alloy steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011398 Portland cement Substances 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 description 1
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000005056 compaction Methods 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000008439 repair process Effects 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 239000011378 shotcrete Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 239000002436 steel type Substances 0.000 description 1
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E04—BUILDING
- E04C—STRUCTURAL ELEMENTS; BUILDING MATERIALS
- E04C5/00—Reinforcing elements, e.g. for concrete; Auxiliary elements therefor
- E04C5/01—Reinforcing elements of metal, e.g. with non-structural coatings
- E04C5/012—Discrete reinforcing elements, e.g. fibres
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E04—BUILDING
- E04C—STRUCTURAL ELEMENTS; BUILDING MATERIALS
- E04C5/00—Reinforcing elements, e.g. for concrete; Auxiliary elements therefor
- E04C5/01—Reinforcing elements of metal, e.g. with non-structural coatings
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Architecture (AREA)
- Civil Engineering (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Curing Cements, Concrete, And Artificial Stone (AREA)
- Inorganic Fibers (AREA)
- Artificial Filaments (AREA)
- Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen auf dem Gebiet faserverstärkter Materialien auf Zementbasis. Genauer betrifft die Erfindung eine Metallfaser mit einer optimierten Geometrie zum Verstärken von Materialien auf Zementbasis sowie das Material auf Zementbasis, welches mit diesen Fasern verstärkt ist.The present invention relates to improvements in the field of fiber-reinforced cement-based materials. More specifically, the invention relates to a metal fiber with an optimized geometry for reinforcing cement-based materials and to the cement-based material reinforced with these fibers.
Alle Materialien auf Zementbasis sind bei Zugspannung schwach. Ferner weisen diese Materialien ein sehr geringes Dehnvermögen auf, was diese mit anderen spröden Materialien, wie etwa Glas und Keramik, in eine spröde Klasse einordnet. Es ist wohlbekannt, daß Beton und andere Materialien auf Portlandzementbasis mit kurzen, zufällig verteilten Fasern aus Stahl verstärkt werden können, um deren mechanische Eigenschaften zu verbessern. Ferner ist bekannt, daß für jede Verbesserung der Zugfestigkeit der Faservolumenanteil einen bestimmten kritischen Wert zu überschreiten hat.All cement-based materials are weak in tensile stress. Furthermore, these materials have very low elongation, which places them in a brittle class with other brittle materials such as glass and ceramics. It is well known that concrete and other Portland cement-based materials can be reinforced with short, randomly distributed steel fibers to improve their mechanical properties. It is also known that for any improvement in tensile strength, the fiber volume fraction must exceed a certain critical value.
Nach einem Matrixreißen bilden Fasern Spannungsübertragungsbrücken und halten Matrixrisse zusammen, so daß eine weitere Rißaufweitung bzw. -fortpflanzung bewirkt, daß die Fasern ein Herausziehen aus der Matrix durchlaufen. Da Herausziehvorgänge energieaufwendig sind, zeigt stahlfaserverstärkter Beton ein stabiles Last-Durchbiegungs- Verhalten in dem Bereich nach einem Matrixreißen, was diese Materialien in eine Klasse pseudoplastischer bzw. zäher Materialien, wie etwa Stahl und Polymere, einordnet. Daher fahren, während eine einfache unverstärkte Matrix in einer spröden Weise bei dem Auftreten von Reißspannungen versagt, die streckbaren Fasern in faserverstärktem Beton damit fort, Spannungen nach einem Matrixreißen aufzunehmen, was dazu beiträgt, die strukturelle Unversehrtheit und den Zusammenhalt in dem Material zu erhalten. Ferner durchlaufen Fasern, wenn diese geeignet gestaltet sind, Herausziehvorgänge, und die zum Herausziehen erforderliche Reibungsarbeit führt zu einem erheblich verbesserten Energieaufnahmevermögen. Daher zeigt faserverstärkter Beton ein besseres Verhalten nicht nur unter statischen und quasistatisch angelegten Lasten, sondern auch unter Ermüdungs-, Schlag- und Stoßlasten. Diese Energieaufnahmeeigenschaft von faserverstärktem Beton wird häufig als "Zähigkeit" bezeichnet.After matrix rupture, fibers form stress transfer bridges and hold matrix cracks together so that further crack propagation causes the fibers to undergo pull-out from the matrix. Since pull-out processes are energy-intensive, steel fiber reinforced concrete exhibits a stable load-deflection behavior in the region after matrix rupture, placing these materials in a class of pseudoplastic or tough materials such as steel and polymers. Therefore, while a simple unreinforced matrix fails in a brittle manner when tensile stresses occur, the tensile fibers in fiber reinforced concrete continue to accommodate stresses after matrix rupture, resulting in helps to maintain structural integrity and cohesion in the material. Furthermore, fibers, when suitably designed, undergo pull-out processes and the friction work required for pull-out results in a significantly improved energy absorption capacity. Therefore, fiber-reinforced concrete exhibits better behavior not only under static and quasi-static applied loads, but also under fatigue, impact and shock loads. This energy absorption property of fiber-reinforced concrete is often referred to as "toughness."
Beton ist ein bei Kaltverformung erweichendes, Mikrorisse bildendes Material. Bei stahlfaserverstärkten Verbundmaterialien auf Zementbasis setzt eine Faser- Überbrückungswirkung noch vor dem Auftreten der wahrgenommenen Makrorißbildung der Matrix ein. Der kritische Faservolumenanteil bzw. die Größe der Festigkeitssteigerung bei einem bestimmten Faservolumenanteil hängt daher von der Geometrie der Faser ab. Ferner ist der Herausziehwiderstand einer individuellen Faser aus der zementartigen Matrix um diese von der Geometrie abhängig, welcher wiederum die Gestalt des Last-Durchbiegungs-Diagramms nach einem Matrixreißen und die erreichbare Verbesserung der Zähigkeit eines Verbundmaterials bestimmt.Concrete is a material that softens during cold deformation and forms microcracks. In steel fiber-reinforced cement-based composite materials, a fiber bridging effect begins even before the perceived macrocracking of the matrix occurs. The critical fiber volume fraction or the magnitude of the increase in strength at a certain fiber volume fraction therefore depends on the geometry of the fiber. Furthermore, the pull-out resistance of an individual fiber from the cementitious matrix around it depends on the geometry, which in turn determines the shape of the load-deflection diagram after matrix cracking and the achievable improvement in the toughness of a composite material.
Eine Verbesserung der Stärke des Verbundmaterials bei einem bestimmten Faservolumenanteil oder, anders ausgedrückt, eine Verminderung des erforderlichen kritischen Faservolumenanteils ist durch übermäßiges Verformen der Faser möglich. Dies kann jedoch zu einer zu guten Faserverankerung in der Matrix führen und verursacht eine spröde Rißweise in dem Bereich nach einem Matrixreißen. Zähigkeitsverminderungen in dem Fall übermäßig verformter Fasern können daher erheblich sein. Der andere mögliche Weg besteht darin, die Anzahl der Fasern in dem Verbundmaterial durch Vermindern der Größe der Fasern zu erhöhen. Von dieser Lösung ist bekannt, daß diese außerordentliche Schwierigkeiten im Hinblick auf Betonmischen und -verarbeitungsfähigkeit verursacht, und eine gleichmäßige Faserverteilung wird häufig unmöglich, da die Fasern dazu neigen, sich zu verklumpen, was eine hochgradig ungleichmäßige Verteilung ergibt.Improving the strength of the composite at a given fiber volume fraction, or in other words reducing the required critical fiber volume fraction, is possible by over-deforming the fiber. However, this may lead to too good fiber anchoring in the matrix and causes a brittle cracking pattern in the area after matrix rupture. Toughness reductions in the case of over-deformed fibers can therefore be significant. The other possible way is to reduce the number of fibers in the composite by reducing the size of the This solution is known to cause extreme difficulties in terms of concrete mixing and workability, and uniform fiber distribution often becomes impossible because the fibers tend to clump together, resulting in a highly uneven distribution.
In dem U.S.-amerikanischen Patent Nr. 4 585 487, welches eine Betonverstärkungsfaser mit gleichmäßigen wellenförmigen Riffelungen, welche über deren gesamte Länge verteilt sind, vorschlägt, ist die einzige Faserverhaltenskenngröße, welche für eine Optimierung erwogen wird, das Faserherausziehverhalten. Das gleiche gilt im Hinblick auf die kanadischen Patente Nr. 926 146 und Nr. 1 023 395, welche Betonverstärkungsfasern offenbaren, welche einen geraden Mittelabschnitt mit geformten Enden aufweisen. Einige Fasern weisen Enden auf, welche dicker ausgebildet sind; andere weisen Enden auf, welche hakenförmig sind. Alle diese Merkmale sind dazu beabsichtigt, die Verankerung der Faser in dem Beton zu verbessern.In U.S. Patent No. 4,585,487, which proposes a concrete reinforcing fiber with uniform undulating corrugations distributed along its entire length, the only fiber performance characteristic considered for optimization is fiber pullout. The same is true with respect to Canadian Patents No. 926,146 and No. 1,023,395, which disclose concrete reinforcing fibers having a straight center section with shaped ends. Some fibers have ends that are thicker; others have ends that are hooked. All of these features are intended to improve the anchoring of the fiber in the concrete.
Für Fasern, welche als zufällig in einer formbaren Betonmatrix verteilte Verstärkung verwendet werden, ist die interessierende Eigenschaft die Gesamtzähigkeit des Verbundmaterials. Die Zähigkeit des Verbundmaterials kann, obwohl diese von dem Herausziehwiderstand der Fasern abhängt, nicht quantitativ aus den Ergebnissen eines idealen Faserherausziehversuchs abgeleitet werden, bei welchem die Faser im Hinblick auf die Lastrichtung ausgerichtet ist, da bei einem realen Verbundmaterial, sobald die spröde zementartige Matrix reißt, die Fasern nicht nur mit verschiedenen Tiefen auf beiden Seiten der Matrix eingebettet sind, sondern auch bei verschiedenen Winkeln im Hinblick auf die Lastrichtung geneigt sind. Ferner weisen Fasern, welche als Bündel herausgezogen werden, ein sehr verschiedenes Verhalten, verglichen mit einer einzelnen Faser, auf, was vorwiegend auf eine Faser-Faser-Wechselwirkung zurückzuführen ist. Ferner fehlt bei einem realen Verbundmaterial der Beitrag von der Matrix, während Fasern herausgezogen werden (wie bei einem idealen Herausziehversuch angenommen), aufgrund eines Zuschlagstoff-Verhakens, Fehlstellenreißens und aufgrund von Rißzonen nicht völlig. Daher ist der idealisierte Einzelfaser- Herausziehversuch, wobei die Faser im Hinblick auf die Lastrichtung ausgerichtet ist, keine realistische Darstellung dessen, was in einem realen Verbundmaterial geschieht. Bislang wurde kein Versuch unternommen, die Fasergeometrie im Hinblick auf die Eigenschaften des Matrixmaterials, das heißt, Beton, und des Fasermaterials, das heißt, Stahl oder ein anderes Metall, vernünftig zu optimieren.For fibers used as reinforcement randomly distributed in a moldable concrete matrix, the property of interest is the overall toughness of the composite material. The toughness of the composite material, although it depends on the pull-out resistance of the fibers, cannot be quantitatively derived from the results of an ideal fiber pull-out test in which the fiber is aligned with respect to the load direction, since in a real composite material, once the brittle cementitious matrix ruptures, the fibers are not only embedded at different depths on either side of the matrix, but also inclined at different angles with respect to the load direction. Furthermore, fibers pulled out as bundles exhibit very different behaviour compared to a single fibre, which is mainly due to fibre-fibre interaction. Furthermore, in a real composite material, the contribution from the matrix as fibres are pulled out (as assumed in an ideal pull-out test) is not completely absent due to aggregate entanglement, void tearing and crack zones. Therefore, the idealised single fibre pull-out test, with the fibre oriented with respect to the load direction, is not a realistic representation of what happens in a real composite material. No attempt has been made to date to reasonably optimise the fibre geometry with respect to the properties of the matrix material, i.e. concrete, and the fibre material, i.e. steel or other metal.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Fasergeometrie sowohl mit den Eigenschaften des Matrix- als auch des Fasermaterials im Hinblick auf ein Optimieren der Gesamtzähigkeit des Verbundmaterials zu verbinden.It is therefore an object of the present invention to combine the fiber geometry with the properties of both the matrix and the fiber material with a view to optimizing the overall toughness of the composite material.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Metallfaser mit einer optimierten Geometrie zum Verstärken von Materialien auf Zementbasis zu schaffen, so daß die Faser eine Matrixverankerung ohne Reißen in dem Bereich vor einer Makrorißbildung der Matrix voll ausnutzt und bei dem maximalen Herausziehwiderstand in dem Bereich nach einer Makrorißbildung der Matrix herausgezogen wird, was die höchstmögliche Zähigkeit ergibt.It is a further object of the invention to provide a metal fiber with an optimized geometry for reinforcing cement-based materials such that the fiber fully exploits matrix anchorage without tearing in the region before macrocracking of the matrix and is pulled out with the maximum pull-out resistance in the region after macrocracking of the matrix, giving the highest possible toughness.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird daher eine Metallfaser zum Verstärken von Materialien auf Zementbasis geschaffen, welche einen länglichen, im wesentlichen geraden Mittelabschnitt und sinusförmige Endabschnitte umfaßt. Die Sinusform bei jedem Endabschnitt weist eine optimale Amplitude Ao,opt auf, welche definiert ist durch:In accordance with the present invention, there is therefore provided a metal fiber for reinforcing cement-based materials, which has an elongated, substantially straight central portion and sinusoidal end sections. The sinusoidal shape at each end section has an optimal amplitude Ao,opt, which is defined by:
Ao,opt = [k&sub1;(σc)k2][σuαεfβ][Af/Pf] (1)Ao,opt = [k1 (σc)k2][σuαεfβ][Af/Pf] (1)
wobeiwhere
k&sub1; = 2,025 · 10&supmin;²,k&sub1; = 2.025 x 10⁻²,
σc = Druckfestigkeit des Materials auf Zementbasis in MPa,σc = compressive strength of the cement-based material in MPa,
k&sub2; = 3,19 · 10&supmin;¹,k&sub2; = 3.19 x 10⁻¹,
σu = Zerreißfestigkeit des Metalls in MPa,σu = tensile strength of the metal in MPa,
α = 6,60 · 10&supmin;¹,α = 6.60 x 10⁻¹,
εf = Streckbarkeit des Metalls in Prozent, undεf = ductility of the metal in percent, and
β = 3,20 · 10&supmin;¹,β = 3.20 x 10⁻¹,
Af = Querschnittsfläche der Faser in mm², undAf = cross-sectional area of the fibre in mm², and
Pf = Umfang der Faser in mm.Pf = circumference of the fiber in mm.
Die Sinusform weist ferner eine Wellenlänge Ls auf, welche definiert ist durch:The sinusoidal shape also has a wavelength Ls, which is defined by:
Ls = (Lf - Lm)/2 (2)Ls = (Lf - Lm)/2 (2)
wobeiwhere
Lf = Länge der Faser,Lf = length of the fibre,
Lm = Länge des Mittelabschnitts,Lm = length of the middle section,
und wobei 0,5 Lf < Lm < 0,75 Lf.and where 0.5 Lf < Lm < 0.75 Lf.
Wie aus Gleichung (1) ersichtlich ist, sind sowohl die Zerreißfestigkeit und die Streckbarkeit des Fasermaterials als auch die Druckfestigkeit des Materials auf Zementbasis wichtige Faktoren beim Definieren der optimalen Amplitude. Die Gleichung berücksichtigt ferner den Querschnittsbereich und den Umfang der Faser, Es ist daher möglich, die Fasergeometrie gemäß den Eigenschaften der gewählten Faser- und Matrixmaterialien und letztlich der Zähigkeit des Verbundmaterials, welche bei einer wirklichen Struktur erwünscht ist, anzupassen.As can be seen from equation (1), both the tensile strength and ductility of the fiber material and the compressive strength of the cement-based material are important factors in defining the optimal amplitude. The equation further takes into account the cross-sectional area and circumference of the fiber. It is therefore possible to design the fiber geometry according to the properties of the chosen fiber and matrix materials and ultimately the toughness of the composite material, which is desired in a real structure.
Wo ein Material auf Zementbasis mit einer Druckfestigkeit σc welche von etwa 30 bis etwa 60 MPa reicht, verwendet wird, reicht ferner der Wert von k&sub1;(σc)k&sub2; in Gleichung (1) von etwa 6 · 10&supmin;² bis etwa 7,5 · 10&supmin;². Ein bevorzugter Wert von k&sub1;(σc)k&sub2;, welcher eine optimale Amplitude Ao,opt in dem Beton- Druckfestigkeitsbereich von 30-60 MPa liefert, beträgt etwa 7 · 10&supmin;².Furthermore, where a cement-based material having a compressive strength σc ranging from about 30 to about 60 MPa is used, the value of k1(σc)k2 in equation (1) ranges from about 6 × 10⁻² to about 7.5 × 10⁻². A preferred value of k1(σc)k2 which provides an optimum amplitude Ao,opt in the concrete compressive strength range of 30-60 MPa is about 7 × 10⁻².
Die erfindungsgemäße Faser weist vorzugsweise einen Endwinkel θ auf, welcher kleiner als 20º ist, wobei der Winkel θ definiert ist durchThe fiber according to the invention preferably has an end angle θ which is less than 20°, the angle θ being defined by
θ = tan&supmin;¹ 4(Ao,opt) / Ls. (3)? = tan⁻¹ 4(Ao,opt) / Ls. (3)
Der Winkel θ reicht vorzugsweise von etwa 12º bis etwa 15º. Ein derartiger kleiner Endwinkel θ verhindert, daß die Fasern ein Zusammenballen durchlaufen, so daß es kein Problem beim Mischen gibt.The angle θ preferably ranges from about 12º to about 15º. Such a small final angle θ prevents the fibers from undergoing agglomeration, so that there is no problem in mixing.
Die Fasern der Erfindung, welche Sinusformen lediglich an den Endabschnitten aufweisen, liefern im Gegensatz zu denen, welche Sinusformen längs der gesamten Länge davon aufweisen, wie in dem Fall des U.S.-amerikanischen Patents Nr. 4 585 487, eine bessere Verstärkung. Bei einem Riß, bei welchem Fasern Spannungsübertragungsbrücken bilden und Herausziehkräften ausgesetzt sind, übertragen diejenigen mit Verformungen über die gesamte Länge die gesamte Herausziehkraft unverzüglich durch die Verankerung zurück auf die Matrix. In dem Fall von Fasern, welche lediglich an den äußersten Enden verformt werden, werden die Spannungen langsam von der Rißfläche auf das Innere der Matrix übertragen, wobei die hauptsächliche Kraftübertragung lediglich an den äußersten Enden stattfindet. Eine derartige schrittweise Übertragung von Spannungen vermeidet ein mögliches Brechen und Aufspalten der Matrix an der Rißfläche, welches gewöhnlich bei Fasern, welche längs der gesamten Länge verformt werden, beobachtet wird. Es ist auf das Brechen und Aufspalten der Matrix zurückzuführen, daß Fasern ihre Fähigkeit zum Verstärken gegenseitig unvorteilhaft beeinflussen, wenn sich diese in einer Gruppe befinden, und die Gesamtzähigkeit des Verbundmaterials ernstlich vermindert wird. Aufgrund der Tatsache, daß die optimale Amplitude der sinusförmigen Endabschnitte der erfindungsgemäßen Fasern sowohl als Funktion der Zerreißfestigkeit und der Streckbarkeit des Fasermaterials als auch der Druckfestigkeit des Matrixmaterials definiert ist, ist eine derartige Amplitude generell kleiner als 5% der Faserlänge. Die niedrige Faseramplitude führt zu einer schrittweiseren Übertragung von Spannungen zurück auf die Matrix und daher zu einem geringerem Brechen und Aufspalten der Matrix um die Fasern.The fibers of the invention which have sinusoids only at the end portions provide better reinforcement than those which have sinusoids along the entire length thereof, as in the case of U.S. Patent No. 4,585,487. In a crack where fibers form stress transfer bridges and are subjected to pull-out forces, those with deformations over the entire length transfer the entire pull-out force immediately through the anchorage back to the matrix. In the case of fibers which are deformed only at the extreme ends, the stresses are slowly transferred from the crack surface to the interior of the matrix, with the main Force transfer occurs only at the extreme ends. Such gradual transfer of stresses avoids possible fracture and splitting of the matrix at the fracture surface, which is usually observed in fibers deformed along their entire length. It is due to the fracture and splitting of the matrix that fibers, when in a group, adversely affect each other's ability to reinforce and the overall toughness of the composite material is seriously reduced. Due to the fact that the optimum amplitude of the sinusoidal end portions of the fibers of the invention is defined as a function of both the tensile strength and stretchability of the fiber material and the compressive strength of the matrix material, such amplitude is generally less than 5% of the fiber length. The low fiber amplitude results in a more gradual transfer of stresses back to the matrix and therefore less fracture and splitting of the matrix around the fibers.
Eine besonders bevorzugte erfindungsgemäße Faser weist einen gleichmäßigen rechteckigen Querschnitt mit einer Dicke von etwa 0,4 mm und einer Breite von etwa 0,8 mm, einer Länge Lf von etwa 50 mm und einer Länge Lm von etwa 25 mm auf. Die Wellenlänge Ls der Sinusform bei jedem Endabschnitt der Faser beträgt etwa 12,5 mm.A particularly preferred fiber according to the invention has a uniform rectangular cross-section with a thickness of about 0.4 mm and a width of about 0.8 mm, a length Lf of about 50 mm and a length Lm of about 25 mm. The wavelength Ls of the sinusoid at each end portion of the fiber is about 12.5 mm.
Ein faserverstärkter Beton, welcher die Fasern der Erfindung enthält, kann bei nichtunterkellerten Fußbodenplatten, Spritzbeton, Sichtbeton, vorgefertigten Erzeugnissen, küstennahen Bauwerken, Bauwerken in Erdbebengebieten, großen und kleinen Reparaturen, Leitplanken, Fundamenten, Wasserbauwerken und vielen anderen Anwendungen verwendet werden.A fiber-reinforced concrete containing the fibers of the invention can be used in non-basement floor slabs, shotcrete, exposed concrete, prefabricated products, coastal structures, structures in earthquake zones, major and minor repairs, guard rails, foundations, hydraulic structures and many other applications.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele besser ersichtlich, wobei eine Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung erfolgt, wobei:Further features and advantages of the invention will become more apparent from the following description of preferred embodiments, with reference to the accompanying drawings, in which:
Fig. 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Stahlfaser ist;Fig. 1 is a side view of a steel fiber according to the invention;
Fig. 2 ein Last-Durchbiegungs-Diagramm ist, bei welchem die Zähigkeit von Beton, welcher mit der in Fig. 1 dargestellten Faser verstärkt ist, mit der von Beton, welcher mit herkömmlichen Fasern verstärkt ist, verglichen wird; undFig. 2 is a load-deflection diagram comparing the toughness of concrete reinforced with the fiber shown in Fig. 1 with that of concrete reinforced with conventional fibers; and
Fig. 3 ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen der Festigkeit nach einem Reißen und der Balkenmittendurchbiegung, ausgedrückt als Bruchteil der Stützweite, für die gleichen Fasern darstellt.Fig. 3 is a graph showing the relationship between the strength after failure and the beam center deflection, expressed as a fraction of the span, for the same fibers.
Wie in Fig. 1 dargestellt, umfaßt die dargestellte Stahlfaser, welche generell durch eine Bezugsziffer 10 bezeichnet wird, einen länglichen, im wesentlichen geraden Mittelabschnitt 12 mit sinusförmigen Endabschnitten 14 und 14'. Die Sinusform bei jedem Endabschnitt ist definiert durch As shown in Fig. 1, the illustrated steel fiber, which is generally designated by reference numeral 10, comprises an elongated, substantially straight central portion 12 with sinusoidal end portions 14 and 14'. The sinusoidal shape at each end portion is defined by
wobei das Koordinatensystem aufgebaut ist, wie in Fig. 1 dargestellt, und Ao die Amplitude der Sinusform ist. Gleichfalls in Fig. 1 dargestellt sind sowohl die Länge Lf der Faser 10, die Länge Lm des Mittelabschnitts 12 und die Länge Ls der Endabschnitte 14, 14' als auch der Endwinkel θ. Die Länge Lf der Faser 10 kann sich von etwa 25 bis etwa 60 mm ändern. Wie in der vorliegenden Schrift erläutert, wird die Fasergeometrie dadurch optimiert, daß der Sinusform eine optimale Amplitude Ao,opt, wie in Gleichung (1) definiert, verliehen wird.where the coordinate system is constructed as shown in Fig. 1 and Ao is the amplitude of the sinusoid. Also shown in Fig. 1 are the length Lf of the fiber 10, the length Lm of the middle section 12 and the length Ls of the end sections 14, 14' as well as the end angle θ. The length Lf of the fiber 10 can vary from about 25 to about 60 mm. As explained in the present document, the fiber geometry is optimized by giving the sinusoid an optimal amplitude Ao,opt as defined in equation (1).
Beispielsweise sind die optimalen Amplituden für die folgenden drei Stähle mit verschiedenen mechanischen Eigenschaften in Tabelle 1 angegeben, wobei σc = 40 MPa und Af/Pf = 1,33 · 10&supmin;¹ mm:For example, the optimal amplitudes for the following three steels with different mechanical properties are given in Table 1, where σc = 40 MPa and Af/Pf = 1.33 10-1 mm:
Stahl A: Typ C1018 (σu = 1030 MPa; εf = 0,60%) 0,7 mmSteel A: Type C1018 (εu = 1030 MPa; εf = 0.60%) 0.7 mm
Stahl B: Martensitstahl (σu = 1550 MPa; εf = 1%) 1,2 mmSteel B: Martensitic steel (σu = 1550 MPa; εf = 1%) 1.2 mm
Stahl C: HSLA-Stahl σu = 1350 MPa; εf = 3,5%) 1,5 mmSteel C: HSLA steel σu = 1350 MPa; εf = 3.5%) 1.5 mm
* hochfest mit niedrigem Aluminiumanteil* high strength with low aluminium content
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Faser 10 einen gleichmäßigen rechteckigen Querschnitt auf. Eine derartige Faser kann ferner einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.In the embodiment shown in Fig. 1, the fiber 10 has a uniform rectangular cross-section. Such a fiber can also have a circular cross-section.
Fasern mit optimierter Geometrie bei einem Dosierungsmaß von 40 kg/m³ wurden beim Verstärken von Betonmatrizen mit einer unverstärkten Druckfestigkeit von 40 MPa verwendet. Balken, welche aus dem faserverstärkten Beton hergestellt wurden, wurden gemeinsam mit deren unverstärkten Begleitmaterialien auf Drittelpunkt-Durchbiegung untersucht. Die Balkenverschiebungen wurden unter Verwendung eines Rahmens um den Prüfkörper derart gemessen, daß der Störanteil der Lastpunktverschiebung infolge der Absenkung von Lagern automatisch beseitigt wurde. Die resultierenden Last- Durchbiegungs-Diagramme sind in Fig. 2 dargelegt, wobei die Zähigkeit von Beton, welcher mit den Fasern der Erfindung verstärkt ist (F1), mit der von Beton, welcher mit herkömmlichen Fasern verstärkt ist (F2 bis F5), verglichen wird. Die herkömmlichen Fasern, welche zu Vergleichszwecken untersucht wurden, waren die folgenden: TABELLE 2 Fibers with optimized geometry at a dosage of 40 kg/m³ were used to reinforce concrete matrices with an unreinforced compressive strength of 40 MPa. Beams made from the fiber-reinforced concrete were tested for third-point deflection together with their unreinforced accompanying materials. Beam displacements were measured using a frame around the specimen such that the disturbance component of load point displacement due to the subsidence of bearings was automatically eliminated. The resulting load-deflection diagrams are presented in Fig. 2, comparing the toughness of concrete reinforced with the fibers of the invention (F1) with that of concrete reinforced with conventional fibers (F2 to F5). The conventional fibers tested for comparison purposes were the following: TABLE 2
Die Diagramme wurden sowohl nach herkömmlichen Techniken (ASTM - C1018; JSCE SF-4) als auch nach der PCS-Technik, beschrieben durch J.-F. Trottier, "Toughness of Steel Reinforced Cement-Based Composites", Doktorarbeit, Laval University, 1993, im Hinblick auf ein Bestimmen der Zähigkeitsparameter analysiert. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 angegeben und in Fig. 3 dargestellt: TABELLE 3 The graphs were analyzed using both conventional techniques (ASTM - C1018; JSCE SF-4) and the PCS technique described by J.-F. Trottier, "Toughness of Steel Reinforced Cement-Based Composites", PhD thesis, Laval University, 1993, with a view to determining the toughness parameters. The results are given in Table 3 and shown in Fig. 3: TABLE 3
In Tabelle 3 ist Ec das Elastizitätsmodul von Beton nach ASTM C-469. Die JSCE-SF-4-Technik nimmt den gesamten Bereich (elastisch und plastisch) unter der Kurve bis hinauf zu einer Durchbiegung einer Stützweite/150 und nimmt eine Umwandlung in eine äquivalente Festigkeit nach einem Reißen vor.In Table 3, Ec is the elastic modulus of concrete according to ASTM C-469. The JSCE-SF-4 technique takes the entire area (elastic and plastic) under the curve up to a Deflection of a span/150 and converts it into an equivalent strength after failure.
Die Fasern der Erfindung führen selbst bei einer niedrigen Dosierung von 40 kg/m³ zu einer Festigkeitsverstärkung in dem System, wie aus dem Anstieg des Lastaufnahmevermögens in der einfachen, unverstärkten Matrix ersichtlich. Ferner ist das Verbundmaterial nach einem Matrixreißen in der Lage, etwa das gleiche Niveau an Spannungen aufzunehmen wie bei dem Matrixreißen, und derart leitet sich eine sehr hohe Zähigkeit her. Das Verbundmaterial verhält sich beinahe in einer elastoplastischen Weise.The fibers of the invention, even at a low dosage of 40 kg/m³, lead to a strength increase in the system, as can be seen from the increase in load-bearing capacity in the simple, unreinforced matrix. Furthermore, the composite material is able to absorb approximately the same level of stress after matrix rupture as at matrix rupture, and thus a very high toughness is derived. The composite material behaves almost in an elastoplastic manner.
Ein geringfügiger Anstieg (etwa 7%) der Druckfestigkeit von Beton infolge eines Faserzusatzes zeigt an, daß eine geeignete Faserverteilung und Mischungsverdichtung erreicht wurden.A slight increase (about 7%) in the compressive strength of concrete as a result of fiber addition indicates that appropriate fiber distribution and mix compaction have been achieved.
Wie ferner aus Fig. 2 und 3 ersichtlich, verhält sich die erfindungsgemäße Faser mit optimierter Geometrie überlegen gegenüber existierenden gewerblichen Fasern und liefert eine höhere Biegezähigkeit. Es wird angenommen, daß die Fasergeometrie das Potential von Stahl sowie das der Zementmatrix voll ausnutzt, um ein optimiertes Verbundmaterial zu erzeugen.As can also be seen from Figs. 2 and 3, the inventive fiber with optimized geometry performs superiorly to existing commercial fibers and provides higher flexural toughness. It is believed that the fiber geometry fully exploits the potential of steel as well as that of the cement matrix to produce an optimized composite material.
Claims (28)
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CA002131212A CA2131212C (en) | 1994-08-31 | 1994-08-31 | Metal fiber with optimized geometry for reinforcing cement-based materials |
PCT/CA1995/000225 WO1996006995A1 (en) | 1994-08-31 | 1995-04-21 | Metal fiber with optimized geometry for reinforcing cement-based materials |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE69517668D1 DE69517668D1 (en) | 2000-08-03 |
DE69517668T2 true DE69517668T2 (en) | 2001-02-22 |
Family
ID=4154263
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE69517668T Expired - Lifetime DE69517668T2 (en) | 1994-08-31 | 1995-04-21 | METAL FIBER WITH OPTIMIZED GEOMETRY FOR REINFORCING CEMENT MATERIALS |
Country Status (10)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP0725871B1 (en) |
KR (2) | KR100353732B1 (en) |
AT (1) | ATE194198T1 (en) |
AU (1) | AU688031B2 (en) |
CA (1) | CA2131212C (en) |
DE (1) | DE69517668T2 (en) |
DK (1) | DK0725871T3 (en) |
ES (1) | ES2151059T3 (en) |
MX (1) | MX192955B (en) |
WO (1) | WO1996006995A1 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101711842B1 (en) * | 2015-09-11 | 2017-03-07 | 주식회사 금강 | A Reinforcement for Concrete |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US2677955A (en) * | 1943-02-12 | 1954-05-11 | Constantinesco George | Reinforced concrete |
BE892468A (en) * | 1982-03-12 | 1982-09-13 | Eurosteel Sa | Fabrication of wire-like elements from sheet metal - involves passing sheet through succession pairs of fluted rollers before shearing |
EP0130191B1 (en) * | 1982-12-30 | 1986-05-14 | Eurosteel S.A. | Filiform elements usable for reinforcing mouldable materials, particularly concrete |
-
1994
- 1994-08-31 CA CA002131212A patent/CA2131212C/en not_active Expired - Lifetime
-
1995
- 1995-04-21 WO PCT/CA1995/000225 patent/WO1996006995A1/en active IP Right Grant
- 1995-04-21 KR KR1019960702073A patent/KR100353732B1/en active
- 1995-04-21 DE DE69517668T patent/DE69517668T2/en not_active Expired - Lifetime
- 1995-04-21 AT AT95915725T patent/ATE194198T1/en not_active IP Right Cessation
- 1995-04-21 EP EP95915725A patent/EP0725871B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1995-04-21 KR KR1019960702073A patent/KR960706001A/en not_active IP Right Cessation
- 1995-04-21 ES ES95915725T patent/ES2151059T3/en not_active Expired - Lifetime
- 1995-04-21 AU AU22517/95A patent/AU688031B2/en not_active Ceased
- 1995-04-21 DK DK95915725T patent/DK0725871T3/en active
-
1996
- 1996-04-22 MX MX9601504A patent/MX192955B/en unknown
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
MX192955B (en) | 1999-08-10 |
AU2251795A (en) | 1996-03-22 |
CA2131212C (en) | 1996-11-26 |
DE69517668D1 (en) | 2000-08-03 |
ES2151059T3 (en) | 2000-12-16 |
KR100353732B1 (en) | 2003-01-24 |
DK0725871T3 (en) | 2000-11-06 |
ATE194198T1 (en) | 2000-07-15 |
AU688031B2 (en) | 1998-03-05 |
EP0725871B1 (en) | 2000-06-28 |
MX9601504A (en) | 1998-06-30 |
KR960706001A (en) | 1996-11-08 |
WO1996006995A1 (en) | 1996-03-07 |
EP0725871A1 (en) | 1996-08-14 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP1047849B1 (en) | Fibers having improved sinusoidal configuration, concrete reinforced therewith and related method | |
Kwak et al. | Shear strength of steel fiber-reinforced concrete beams without stirrups | |
EP2177681B1 (en) | Concrete material, component for heat insulation and masonry-form heat insulation element, all using concrete material | |
US5443918A (en) | Metal fiber with optimized geometry for reinforcing cement-based materials | |
DE4315270A1 (en) | Steel fiber reinforced concrete with high flexural strength | |
Ganesan et al. | Tension Stiffening and Cracking of Hybrid Fiber-Reinforced Concrete. | |
Bentur et al. | Concrete beams reinforced with conventional steel bars and steel fibres: properties in static loading | |
Pakotiprapha et al. | Mechanical properties of cement mortar with randomly oriented short steel wires | |
DE69808495T2 (en) | CONCRETE REINFORCING FIBER | |
DE69517668T2 (en) | METAL FIBER WITH OPTIMIZED GEOMETRY FOR REINFORCING CEMENT MATERIALS | |
EP1282751B1 (en) | Steel fibers | |
DE10332491B4 (en) | Concrete mixture for an ultra-high-strength concrete and its use | |
DE202018006269U1 (en) | helical filament | |
Wei et al. | Evaluation of cracking and serviceability performance of lightweight aggregate concrete deep beams | |
Hughes et al. | Predicting the flexural strength of steel and polypropylene fibre-reinforced cement-based beams | |
DE2409217B2 (en) | Reinforcement for concrete components made of short mineral, glass, carbon fibers or the like | |
DE10019824A1 (en) | Production of building materials and components used in tunnel construction and industrial flooring comprises inserting fibrous materials as fibers/fiber bundles from fibrous raw materials into building material and component | |
AT394547B (en) | Hydraulically settable or bound building material, for example concrete, mortar, cement/sand mixtures, etc., containing polypropylene fibres as aggregate | |
Allos | Shear transfer in fibre reinforced concrete | |
DE10039830B4 (en) | Use of annular fiber composites as reinforcing elements in concrete | |
Vengadeshwari et al. | Experimental investigation on influence of hybrid fibers in flexural behavior of reinforced concrete beams | |
DE4428987A1 (en) | Mfg. fibre-reinforced concrete or mortar | |
Lim et al. | Shear behaviour of 0.6% and 0.7% steel fibre reinforced concrete beams without stirrups | |
EP0712972B1 (en) | Reinforced concrete element | |
WO2008095211A1 (en) | Disc-shaped body for fibres |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8364 | No opposition during term of opposition |