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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Diese Erfindung betrifft armierte
Betonprodukte.
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TECHNISCHER
HINTERGRUND
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Polymerfasern, -bänder und -netze werden als
Verstärkungen
in hydraulischen Matrizen (auch als Zementmatrizen bezeichnet) verwendet.
Es handelt sich dabei um herkömmliche
Produkte der Textil- und Kunststoffindustrie, die in erster Linie
zum Spinnen und Weben bestimmt sind oder für andere Zwecke hergestellt
wurden. Die Probleme, die hydraulische Matrizen, für die Typ
1-Zement (normaler Portland-Zement) ein Beispiel ist, an ihren Grenzflächen aufweisen,
wurden nach dem Kenntnisstand des Anmelders bisher noch nicht in
Angriff genommen.
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Die Erzeugung von polymeren Verstärkungsfasern,
-bändern
oder -netzen mit hoher Zähigkeit umfaßt ein Auszieh-
oder Streckverhältnis.
Dieses kann für
extrudierte Bänder
und gesponnene Multifilamente im Bereich von 5 : 1 bis 15 : 1 und
für nach dem
Lösemittel-
oder Gel-Spinnverfahren ersponnene Multifilamente bis zu 50 : 1
variieren. In beiden Fällen
weist die erzeugte Faser eine glatte Oberfläche auf. Einige Polymere, aus
denen die Fasern hergestellt werden, sind hydrophob. Für eine hydraulische
Matrix ist es praktisch unmöglich, überhaupt eine
nennenswerte mechanische, friktionale oder chemische Bindung an
Fasern oder Garne, die auf diese Weise hergestellt wurden, zu erreichen.
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BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden
Erfindung wird ein Garn für
die Verwendung in einer Zementmörtelmatrix
bereitgestellt, wobei das Garn einen Kern und eine Vielzahl von
Stapelfasern aufweist, die eine Schicht bilden, welche den Kern
um schließt
und eine ausgedehnte Oberfläche
sowie Zwischenräume
bereitstellt, in die Zementpartikel und -hydrate eindringen können, wobei
die Stapelfasern um den Kern herumgesponnen und am Kern befestigt
werden und wobei die Stapelfasern eine ausreichende radiale Bewegungsfreiheit
haben, um diese Räume
bereitzustellen und den Eintritt von Zementpartikeln und die Bildung
von Zementhydraten in diesen Räumen
zu ermöglichen.
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Vorzugsweise umfaßt der Kern zwei oder mehr
Kernstränge,
die miteinander verzwirnt sind, wobei Abschnitte der Stapelfasern
zwischen den Kernsträngen
eingefangen werden, wenn die Kernstränge miteinander verzwirnt werden,
wodurch eine mechanische Verbindung zwischen den Kernsträngen und
den Stapelfasern gebildet wird. Die Stränge des Kerns können zwischen
sich einen Klebstoff aufweisen.
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In einer Ausführungsform bestehen der Kern und
die Stapelfasern aus synthetischen Kunststoffmaterialien, die nach
dem Weichwerden miteinander verschweißen, wobei der Kern und die
Fasern der Schicht an beabstandeten Stellen in Längsrichtung des Garns miteinander
verschweißen.
In einer anderen Ausführungsform
verkleben die Fasern und der Kern an beabstandeten Stellen miteinander.
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Diese Schicht kann hauptsächlich aus
Fasern mit hydrophoben Eigenschaften bestehen, unter die einige
Fasern gemischt sind, die hydrophile Eigenschaften aufweisen. Die
Schicht kann auch lösliche
Fasern einschließen,
die Zusätze
enthalten, um die Eigenschaften der Hydratkristalle während ihrer Entstehung
zu verbessern. Alternativ dazu können der
Kern und/oder die Stapelfasern eine lösliche Beschichtung aufweisen,
die Zusätze
enthält,
um die Eigenschaften der Hydratkristalle während ihrer Entstehung zu verbessern.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der
vorliegenden Erfindung wird ein Betongegenstand mit einem wie oben
definierten Garn als Verstärkung
bereitgestellt.
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Das Garn kann in der Form verwendet
werden, in der es hergestellt wurde, jedoch in Stücke geschnitten,
oder es kann verwebt werden, um ein Band oder Tuch zu bilden, das
in die Betonmatrix eingebettet wird.
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Durch die Verwendung von zwei oder
mehr Strängen
im Kern können
die vorderen Enden der Stapelfasern, die während des Spinnverfahrens schräg zum Kern
zugeführt
werden, von den Kernsträngen
eingefangen werden. Wenn die Stapelfasern um den Kern herumgesponnen
werden und die Kernstränge
verzwirnt werden, werden sie mechanisch miteinander verbunden.
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Die Kernstränge können zusätzlich inline mit einem Klebstoff
der Art beschichtet werden, der mit den Materialien verträglich ist,
aus denen die Kernstränge
und die Stapelfasern bestehen. Dann bilden die Stapelfasern außerdem eine
Barriere, welche verhindert, daß der
Klebstoff bewirkt, daß eine
Strecke des beschichteten fertigen Garns an einer Strecke eines
benachbarten Garns haftet.
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Die Aufgabe der Kernstränge besteht
darin, eine Verstärkung
bereitzustellen. Die Stapelfasern sind dazu da, ein Mittel bereitzustellen,
mit dem die hydraulische Matrix die Kernstränge festhalten kann. Die Stapelfasern
bieten eine Oberfläche,
die um ein Vielfaches größer ist
als die Oberfläche
der Kernstränge.
Außerdem
stellen ihre Zwischenräume
einen Leerraum bereit, in den die hydraulische Matrix eindringen
kann, welche beim Kristallisieren die Stapelfasern umschließt, wodurch
eine Verbund-Grenzschicht zwischen dem Verstärkungskern und der Zementmatrix
gebildet wird.
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Die Stapelfasern bestehen hauptsächlich aus
hydrophobem Material, so daß sie
das Wasser/Zement-Verhältnis
nicht beeinträchtigen,
das die Festigkeit des voll ausgehärteten Zementmörtels oder
des Betons, in dem das Faserprodukt verwendet wird, erheblich beeinflußt.
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Bei den Stapelfasern kann es sich
um eine Fasermischung handeln, in der ein geringer Prozentanteil
des Ganzen hydrophile Eigenschaften aufweist, was sie in die Lage
versetzt, genügend
Wasser zurückzuhalten,
um sicherzustellen, daß die
hydraulische Matrix, die mit ihnen in Berührung steht, voll aushärtet.
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Lösliche
Fasern oder Fasern, die eine lösliche
Beschichtung aufweisen, können
eingeschlossen werden, um Zusätze
in die hydraulische Matrix abzugeben, welche die Eigenschaften der
Zementhydratkristalle bei ihrer Entstehung verbessern, ohne die
Eigenschaften des größten Teils
der Matrix zu beeinträchtigen.
Ein Beispiel für
einen verbessernden Zusatz ist Quarzstaub. Dieser kann das Verhältnis der
Hydrate, die während
der Hydratation entstehen, vorteilhaft verändern. Ein weiterer Zusatz
ist Gipsanhydrat, das, wenn es mit Zementhydraten in Berührung kommt,
zu einer Ausdehnung führen
kann. Andere Zusätze
und ihre Wirkungen sind dem Fachmann bekannt.
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Zwar ist eine Dosierung über lösliche Fasern als
Verfahren bevorzugt, aber die Zusätze können auch mittels einer löslichen
Beschichtung in die Zwischenräume
der Stapelfasern eingebracht und dort gehalten werden. Natriumalginat
ist als Beschichtung bevorzugt.
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Die Stapelfasern werden vorzugsweise durch
ein Spinnverfahren auf die Kernstränge aufgebracht. Ein Beispiel
für solch
ein Verfahren ist das Friktionsspinnen, das von der Feher AG, Linz, Österreich,
entwickelt wurde. Ein Klebstoff kann unmittelbar vor dem Spinnen
inline aufgetragen werden. Die Stapelfasern dienen dann auch dazu,
zu verhindern, daß die
mit Klebstoff beschichteten Stränge
aneinander kleben. Dies kann problematisch sein, wenn es sich nicht
um ein inline-Verfahren handelt. Das Friktionsspinnverfahren muß daher
so angepaßt
werden, daß es
den Anforderungen des Garnherstellungsverfahrens der Erfindung gerecht
wird. Die Verwendung mehrfacher, mit Klebstoff beschichteter Stränge, die an
dem Punkt vereinigt werden, wo die Stapelfasern eingeführt werden,
fügt der
mechanischen Verbindung, die zwischen dem Kern und den Stapelfasern besteht,
noch eine Haftverbindung hinzu.
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Die friktionsgesponnenen Stapelfasern
können
lockerer auf die Kernstränge
aufgebracht werden, wenn die Kernstränge mit einem Klebstoff beschichtet
werden, bevor das Friktionsspinnen durchgeführt wird. Dies ist besonders
im Fall von High Tech-Fasern
von Bedeutung, wo hohe interlaminare Scherkräfte durch die Stapelfaser-Grenzschicht
in den ultrastarken Verstärkungskern übertragen
werden müssen.
Solche Kräfte
können
1 GPa überschreiten.
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Ein geeigneter Klebstoff kann aus
einem Heißkleber
hergestellt werden, den man in einem geeigneten warmen Lösemittel
löst und
abkühlen
läßt. Auf
diese Weise wird ein bei Raumtemperatur flüchtiges Gel erzeugt. Dieses
kann auf die Kernstränge aufgebracht
werden. Das Lösemittel
verdampft, wobei es eine dünne
Schicht aus Heißklebergel
zurückläßt. Das
Lösemittel
kann wiedergewonnen und für die
Wiederverwendung kondensiert werden. Der Heißkleber kann auch so formuliert
werden, daß er der
Träger
der oben genannten Zusätze
wird, welche die Eigenschaften der Matrix verbessern.
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Nachdem die Stapelfasern auf die
Oberfläche
der mit Klebstoff beschichteten Kernstränge friktionsgesponnen wurden,
kann der Verbundkern erwärmt
werden. Dadurch wird der Klebstoff weich, wodurch die friktionsgesponnenen
Fasern an der Oberfläche
des Kerns wärmefixiert
werden und gleichzeitig eine gratige Klebstoffoberfläche auf
den Kernsträngen
gebildet wird, über
welche die Stapelfasern, sobald sie sich in der Zementmatrix befinden,
nicht rutschen können.
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Garn, das gemäß dieser Erfindung hergestellt
wird, stellt Zwischenräume
bereit, in die Zement und seine Hydrate strömen und mechanisch mit den Stapelfasern
wechselwirken können.
Manchmal sind Zusätze
enthalten, die mit dem Zement und/oder seinen Hydraten chemisch
wechselwirken, um eine bevorzugte Grenzfläche zu bilden, wobei die hydraulische
Matrix, in der die interaktiven Stränge oder aus ihnen hergestellte
Produkte verwendet werden, selektiv verwendet wird, um die Matrix
dort zu verbessern, wo sie die Grenzfläche zu den interaktiven Fasersträngen werden
soll.
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Garn, das gemäß dieser Erfindung hergestellt
wird, umfaßt
zwei oder mehr Komponenten, von denen jede ihre eigene klar umschriebene
Aufgabe hat.
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Das Garn kann aufweisen:
einen
hochzähen
Kern, um die Last zu tragen, wobei der Kern einen, zwei oder mehrere
polymere Kernstränge
oder alternativ dazu Multifilamente aufweist;
eine oder mehrere
Stapelfaserschichten, die auf den Kern gesponnen sind;
ein
mechanisches System, um den Kern und die Stapelfasern zu verbinden;
eine
Klebstoff-Haftschicht zwischen dem Kern und den Stapelfasern;
einen
Klebstoff, der Zusätze
enthält,
die mit der hydraulischen Matrix Wechselwirken sollen;
hydrophile
Fasern, die einen Teil der Stapelfasern darstellen;
Fasern,
die mit einem wasserlöslichen
Klebstoff beschichtet sind, der Zusätze löst, die während der Hydratation in den
Zement abgegeben werden,
Einschlüsse in der ausgedehnten Oberfläche der
fasern, die chemisch mit demhydratisierenden Zement reagieren, um
eine bevorzugte topische Matrix zu erzeugen.
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Die Oberfläche der Stapelfasern wird vorzugsweise
anhand eines Verfahrens, das als Friktionsspinnen bekannt ist, und
wofür die
Feher AG, Linz, Österreich,
die geeignete Ausrüstung
liefert, auf den hochzähen
Kern aufgebracht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
wird eine Vielzahl von Kernsträngen
verwendet, wobei die Stränge
in einem Kegel zu einem Spalt geführt werden, um die vorderen
Enden der Stapelfasern einzufangen, während diese schräg zum Spalt
zugeführt werden.
Wenn die vorderen Enden der Stapelfasern zwischen den Strängen des
Kerns eingefangen sind, dient das Spinnen dazu, sie zu fixieren.
Das Verzwirnen der Kernstränge
verstärkt
diese Bindung.
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Die Stapelfasern verstärken die
Zementgrenzfläche
und übertragen
die Last auf dem Betonprodukt auf die Kernstränge. Eine Belastung ist üblicherweise
die Folge eines Verbiegens der Zementmatrix oder des Betonprodukts,
in welchem das Garn verwendet wird.
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Wenn die Stapelfasern um den Kern
gewickelt werden, entsteht eine durchlässige Faserschicht. Dadurch
ist das Garn für
eine Gasbehandlung, beispielsweise eine Fluorierung, und ebenso
für eine
Strahlenbehandlung geeignet. Letztere kann zusätzlich angewendet werden, um
die Eigenschaften des Klebstoffs anhand eines Verfahrens zu modifizieren,
das als Vernetzung bekannt ist. Das Fluorierungsverfahren erzeugt
bekanntlich auf bestimmten Polymeren eine polare Oberfläche, wodurch
ihre Haftung an hydraulischen Matrizen verbessert wird.
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Das Versagen der gegenwärtig verwendeten polymeren
Fasern besteht üblicherweise
darin, daß sie
aus dem Beton „herausgezogen" werden. Unter einer
Belastung werden sie länger
und dünner,
wodurch sie sich selbst aus der weitgehend reibschlüssigen Bindung
an den Beton befreien.
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Die Garne dieser Erfindung werden
von der hydraulischen Matrix mechanisch, und in vielen Fällen chemisch,
festgehalten. Falls das Endprodukt versagt, liegt das daran, daß die Matrix,
die Grenzfläche
oder die Fasern selbst unter einer Belastung versagt haben, da das
Herausziehen der interaktiven Faserstränge unter Belastung nicht möglich ist.
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Während
der Hydratation des Zements bilden die Hydratationskristalle innerhalb
der Stapelfasern und um die Stapelfasern herum eine Matrix und werden
durch Zusätze
in diesen Stapelfasern oder um diese Stapelfasern modifiziert, so
daß sie
eine verbesserte Matrix bilden. Produkte, die anhand der in dieser
Anmeldung gelehrten Verfahren hergestellt werden, können innerlich
verstärkt
und auch an der äußeren Produktoberfläche verstärkt sein.
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Die Ersetzung von Stahlverstärkungssystemen
durch erfindungsgemäßes Garn
ermöglicht
in ausgewählten
Anwendungen die Herstellung dünnerer,
leichterer Produkte auf Zementbasis. Es können Beschleuniger verwendet
werden, die zu einer Korrosion von Stahl führen würden, wodurch Formen produktiver
eingesetzt werden können.
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Erfindungsgemäße Massenbetonprodukte bekommen
weniger leicht Risse. Da die physikalischen Eigenschaften der Zementmatrix-Grenzfläche am Garn
verbessert sind, wird außerdem
die Zähigkeit
der Massenmatrix verbessert, und das Verbiegen unter Belastung ist
im Vergleich zu stahlverstärktem Beton
verringert.
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Das Biegen eines auf herkömmliche
Weise verstärkten
Balkens bzw. Trägers
unter Belastung führt
zu Rissen der Dehnungs- oder Biegungsfläche des Balkens. Je stärker die
Verbiegung ist, desto breiter sind die Risse. Risse, die gleichmäßig und
fein sind, können
sich von alleine schließen.
Das erfindungsgemäße Garn
verteilt die Belastung um, was zu mehr, aber feineren Rissen führt. Dies
hat einen haltbareren Beton zur Folge.
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Garn, Bänder und Tücher, die in Übereinstimmung
mit den Lehren dieser Anmeldung hergestellt werden, sind für den Zweck
der Verstärkung
von Produkten auf der Basis von Poren- oder Leichtaggregatzement
erwünschter
als Stahl, da eine Stahlverstärkung
im allgemeinen mit der deutlich verringerten Druckfestigkeit von
Leichtbeton nicht verträglich
ist.
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Der Verstärkungskern des Garns kann aus synthetischen
Kunstfaser-Textilgarnen oder aus natürlichen Textilgamen bestehen.
Beispiele dafür
sind Rayon, Nylon, Polyester, Polyethylen, Polypropylen, Kohlefaser,
Kevlar, gelgesponnene Polyethylen- oder Zirkoniumoxidglas-High Tech-Fasern.
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All diese Fasern können dadurch
charakterisiert werden, daß sie
eine Oberfläche
aufweisen, welche eine chemische, Gas-, Korona- oder Strahlenbehandlung
benötigt,
um eine Oberfläche
zu erzeugen, an die sich eine Klebstoffmatrix chemisch binden kann.
Epoxid- oder Polyesterharze sind Beispiele für Klebstoffe, die nach einer
solchen Behandlung binden. Diese Behandlungen liefern jedoch keine
Oberfläche,
an der sich eine Matrix auf Wasserbasis, wie Zement oder seine Hydrate,
entweder mechanisch festhalten oder in nennenswertem Umfang chemisch
binden kann. Außerdem
werden diese Verfahren in der Textilindustrie normalerweise nicht
angewendet. Dies führt
zu mehrfachen Arbeitsabläufen, wodurch
die Kosten für
das Endprodukt steigen. Solche fasern können daher nicht als Verstärkung verwendet
werden, solange sie nicht Teil der hierin beschriebenen Verbundgarne
sind.
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Aufgrund ihrer Beschaffenheit werden
Zement- und ähnliche
Hydraulikmatrizen massenhaft als kostengünstige Matrizen verwendet.
Die Kosten für
einen etwaigen Zusatz oder ein Verstärkungsmittel stellen einen
Faktor für
die Entscheidung dar, ob sie verwendet werden oder nicht. Dies hat
natürlich nicht
zur Folge, daß diese
Behandlungen nicht durchgeführt
werden, wenn es einen wirtschaftlich oder technisch vernünftigen
Grund dafür
gibt.
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In einigen Fällen ist es erwünscht, zwei Schichten
von friktionsgesponnenen Stapelfasern aufzubringen, wobei die beiden
Schichten mit entgegengesetzten Drehrichtungen gesponnen werden,
d. h. so, daß sie
von gegenüberliegenden
Enden des Kerns her aufgetragen werden. Dadurch kann die Haftung
dieser Fasern am Kern verbessert werden.
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Die ausgedehnte Oberfläche der
Fasern aus dem Verbundgarn liefert eine faserige Oberfläche. Diese
dient teilweise als Filter, die nur die feineren, stärker reaktiven
Zementpartikel und Hydratgele in die Zwischenräume der friktionsgesponnenen
Faserschicht hinein läßt.
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Während
der Hydratation des Zements bildet sich eine Lösung von Hydratgelen. Diese
Lösung
besteht aus Wasser und Produkten, die durch das Wasser aus dem Zement
ausgelaugt werden. Zwei Beispiele dafür sind Calciumhydroxid und
Calciumsilicathydrat. Letzteres ist die bevorzugte Matrix bzw. das bevorzugte
Bindemittel.
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Die Stapelfasern werden spiralförmig und semi-reifenförmig gewickelt.
Das Volumen zwischen dem Kern und den spiralförmig angeordneten Fasern, der
Klebstoff oder speziell hergestellte Fasern können verwendet werden, um Zusätze zu tragen, die
eine oder mehrere Eigenschaften der Zementhydrate verbessern können. Beispiele
für diese
Zusätze sind
Natrium- und Calciumsilicat, Gips, Ettringit, schnellhärtender
Zement oder Puzzolan, wie pulverisierte Brennstoffasche oder Quarzstaub.
Dem Fachmann sind weitere Zusätze
bekannt.
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Einer oder mehrere dieser Zusätze können verwendet
werden, um eine Wechselwirkung mit dem hydratisierenden Zement zu
bewirken. Beispielsweise kann die Bildung von Calciumhydroxid zugunsten der
Bildung von Calciumsiliciumoxidhydrat unterdrückt werden. Quarzstaub ist
bekanntlich ein für
diesen Zweck geeigneter Zusatz. In Anwesenheit von beispielsweise
Gipsanhydrat kann weiter bewirkt werden, daß die Zementhydrate sich ausdehnen.
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Wenn eine Ausdehnung stattfindet,
geschieht dies innerhalb der Grenzen des ringförmigen Raums zwischen den Innenseiten
der Stapelfasern und dem Kern und hat keinen Einfluß auf die
Masse des Zements, in dem die fasern verwendet werden sollen. Die
Zusätze
können
in löslichen
Beschichtungen auf den Fasern oder in den Klebstoffen vorliegen,
die verwendet werden, um die Fasern auf dem Kern zu fixieren, oder
als teilchenförmige
Substanz, die gefiltert in die Zwischenräume der Fasern gelangen und
falls nötig
durch ein lösliches
Material fixiert werden kann.
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Während
der Ausdehnung der Zementgrenzflächen-Matrix
begrenzen die ringförmig
ausgerichteten fasern eine radiale Ausdehnung nach außen, was bewirkt,
daß die
Hydratisierungskristalle gegen den Verstärkungskern des Verbundgarns
drücken.
Das führt
dazu, daß die
Kernstränge
von der Matrix stärker
gehalten werden.
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Die Idee, einen Teil der Zementmatrix
durch die Einverleibung von Fasern als Träger für einen verbessernden Zusatz
selektiv zu dotieren, weist zahlreiche praktische Anwendungsmöglichkeiten auf,
die nicht unbedingt auf die Verwendung solcher Fasern für eine Verstärkung beschränkt sind.
Auf diese Weise kann eine direkte Bindung zwischen den Hydraten
und der ausgedehnten Oberfläche
der Stapelfasern, zwischen den Hydraten und dem Kern und zwischen
der Faser/Zementhydrat-Verbundstoffschicht und der Zementmatrix
des Produkts erreicht werden, in dem der Zement das Bindemittel
oder die Matrix darstellt.
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Dadurch, daß bevorzugte Zusätze so positioniert
werden, daß sie
nur die Matrix verbessern, die mit den Fasern in Kontakt steht,
wird der volle Nutzen der Zugabe von Additiven erreicht, ohne daß es notwendig
wäre, die
Additive der Massenmatrix zuzusetzen. Dies ist aus zwei Gründen bevorzugt.
Erstens wird nur die Matrix, die mit den Fasern in Berührung steht,
verbessert. Die Massenmatrix wird durch solche Zusätze nicht
unbedingt verbessert, da die Fasern typischerweise nur einen geringen
Volumenanteil der Gesamtmischung ausmachen. Eine Verbesserung der
Massenmischung, nur um zu bewirken, daß die Fasergrenzfläche verbessert
wird, wäre
sowohl kontraproduktiv als auch teuer. Die Verwendung der ausgedehnten
Oberfläche
des Verstärkungsgarns,
um die Eigenschaften einer Massenzementmischung selektiv da zu verändern, wo
sie mit den Fasern in Berührung
steht, beschränkt
die Reaktion zwischen dem verwendeten Zusatz und dem Zement auf
den Bereich, der den größten Nutzen
bringt, was die Verstärkungswirkung
der Fasern betrifft.
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Interaktive Faserstränge, wie
die in dieser Anmeldung beschriebenen, adsorbieren aufgrund der
verringerten Oberflächenspannung
Wasser, bevor die Zementhydratatation beginnt. Mit Ausnahme von
natürlichen
oder hydrophilen Fasern absorbieren sie kein Wasser und haben daher
nur wenig oder gar keine Auswirkung auf das kritische Wasser/Zement-Verhältnis.
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Während
der Verdichtung der Zementmatrix entweder durch Rütteln oder
durch einen Vakuumtisch oder andere Techniken dringt Wasser, das
Zementpartikel mit sich führt,
in die friktionsgesponnene Faserschicht ein. Es kommt zu einer Vermischung der
Zementpartikel mit den in diesem Bereich vorhandenen Zusätzen, und
die gewünschten
Hydrate entstehen.
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Die Entstehung des Calciumsilicathydrat-Gels
aus den Zementpartikeln innerhalb des Querschnitts, der von der
Außenseite
des Kerns und dem äußersten
Rand der friktionsgesponnenen Stapelfaserschicht begrenzt ist, das
heißt,
in dem Bereich, der teilweise mit den zuvor gewählten Zusätzen gefüllt ist, kann begünstigt werden.
Das normale Hydratverhältnis
liegt in der Größenordnung
von 60% Calciumsilicat zu 40% Calciumhydroxid. Das Verhältnis kann
beispielsweise auf 80 : 20 abgewandelt werden.
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Das Calciumsilicathydrat, das sich
innerhalb der Faserschicht bildet, kristallisiert als Calciumsilicat aus.
Calciumsilicat weist feine, starke, aber brüchige Kristalle auf, die bei
fortschreitender Kristallisierung aufeinandertreffen und sich vereinigen.
Während
der Kristallisationsphase nehmen sie die Zwischenräume der
Stapelfasern ein und bilden eine Calciumsilicat/Faser-Verbundgrenzfläche.
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Die meisten Zementgrenzflächen sind
brüchig
und versagen bei Stoß-
oder Schlagbelastung. Eine Eigenschaft der Faser/Calciumsilicat-Verbundgrenzfläche ist,
daß es
sich um einen Verbund mit einer mechanischen Bindung sowohl am Verstärkungskern
als auch an der Zementmatrix handelt. Sämtliche Kristalle, die sich
im Inneren der spiral-reifenförmig
gewickelten fasern bilden, dehnen sich aus und treffen auf den Verstärkungskern.
Diese Wirkung wird durch die Verwendung von Gipsanhydrat, das in der
friktionsgesponnen Faserschicht vorliegen kann, verstärkt.
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Die Fasern in der Verbundgrenzfläche senken
die Brüchigkeit
des Calciumsilicats, wodurch eine pseudo-duktile Grenzschicht entsteht.
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Das beschriebene interaktive Verbundgarn kann
wie erzeugt verwendet werden, d. h. in Garnform, oder zu einem Band
oder Tuch verwebt, um in einem Balken oder in Flächengebilden verwendet zu werden.
Das Garn kann, wenn es wie erzeugt verwendet wird, in Stücke einer
bestimmten Länge
geschnitten werden. Längere
Stücke
sind in Mischungen mit großen
Aggregaten erforderlich, und kürze Stücke sind
in Mischungen vom Fugenmassentyp erforderlich. Je kürzer das
Garn geschnitten wird, desto stärker profitieren
seine friktionsgesponnenen Stapelfasern von der Klebstoffbindung
an den Kern des Verbundgams.
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Interaktives Garn, Tuch usw. kann
mittels eines Lasers oder einer Heißluftpistole geschnitten werden.
Dies dient auch dazu, die Enden der Stapelfasern aneinander, und
im Fall eines thermoplastischen Kerns, mit dem Kern zu verschmelzen.
Dies ist in Abwesenheit einer Klebstoffbindung zwischen der äußeren Faserschicht
und dem Kern günstig.
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Während
des Mischens können
die Fasern gleichmäßig in der
gesamten Mischung verteilt werden. Dies dient dazu, ein Entmischen
während
des Pumpens und Aufbringens und eine Segregation unter einer Rüttlung zu
verhindern. Da die Mischung gemischt bleibt, ist es leichter, vor
Ort-Testergebnisse zu erhalten, die mit denen vergleichbar sind,
die im Labor erhalten werden.
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Die verringerte Oberflächenspannung
um die Stränge
herum bewirkt, daß freies
Wasser von der Betonmischung adsorbiert wird, wodurch die Bildung
von Oberflächenlachen
verhindert wird, die, wenn sie verdunsten, das Wasser/Zement-Verhältnis herabsetzen.
Das Wasser, das von den Strängen
absorbiert wird, bleibt während
des ganzen Hydratationsprozesses für den Zement verfügbar.
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Interaktive Verstärkungs-Verbundgarne, die mit
einem stark dehnbaren Kern hergestellt werden, können um beispielsweise 20%
vorgespannt werden. Was die praxistauglichen Durchmesser betrifft,
so bedeutet dies eine Durchmesserreduzierung von 10% für den Verstärkungskern.
Nachdem die faserige Zementmischung hydratisiert hat und die Vorspannung
aufgehoben worden ist, verhindern die Stapelfasern und die Zementhydrate,
daß der
Kern wieder seine ursprüngliche
Länge einnimmt.
Die Spannung im Garn wird daher in einen Druck im Beton umgewandelt.
Die Fasern in der Mischung helfen dabei, im Anschluß an das
Lösen der
Vorspannkraft die Kraft zu halten, selbst nachdem das Produkt beispielsweise
zwischen den Stellen, an denen das Garn verankert wurde, durchgeschnitten
worden ist. Bänder
und sogar gewebte Tücher können auf
diese Weise vorgespannt werden, was es möglich macht, lasttragende Balken
und Bodenplatten vorzufertigen. Bänder und Tücher haben den Vorteil, daß sie in Form
geschnitten werden können
und die lasttragenden Eigenschaften des ganzen Balkens aufrecht
erhalten.
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Bänder
und gewebte Tücher,
die aus den beschriebenen interaktiven Garnen hergestellt werden, können in
ein Fließbett
getaucht werden, das ein Zementpulver enthält. Das Pulver infiltriert
die friktionsgesponnene Schicht der Stapelfasern. Wenn das Band
oder das Tuch das Fließbett
verlassen, können sie
in eine Schicht aus undurchlässigem
Material gewickelt werden, beispielsweise eine Polyethylenfolie, um
die trockne Zementmischung an Ort und Stelle zu halten. Alternativ
dazu kann ein fein texturierter Vliesstoff verwendet werden. Letzterer
bleibt als Bestandteil des Endprodukts an Ort und Stelle.
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Die anschließende Verwendung dieser vorimprägnierten
Materialien muß lediglich
ein Benetzen und Trocknen lassen umfassen, bevor sie in einer Form
oder an einer Schablone [former] verwendet werden. Vorimprägnierte
Materialien sind für
die manuelle oder maschinelle Verlegung zu einem Flächengebilde
geeignet. Alternativ dazu können
sie die Oberfläche
einer Porenplatte oder einer Sandwichplatte normaler Dichte bilden.
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Interaktive Faserstränge können verwendet werden,
um Satinbindungs- oder Stricktücher
zu erzeugen, was es möglich
macht, Gegenstände
mit komplexen Krümmungen
anhand dieser Techniken herzustellen. Polymerfasern haben den Vorteil,
daß sie
nicht aggressiv sind und daher weder die Hände eines Anwenders angreifen
noch für
die Umwelt schädlich
sind, in der sie verwendet werden.
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Tuch, das aus dem interaktiven Verbundgarn hergestellt
wird, wirkt wie ein Filter. Wenn es für die Auskleidung von Schalungen
verwendet wird, liefert es ein Gitter, das verhindert, daß große Partikelaggregate
während
des Gießens
die Oberfläche
der Schalung erreichen. Feinteilchen aus der Betonmischung durchdringen
das Gitter und strömen
auf kontrollierte Weise durch das Gitter. Der Raum, der von der
Schalung begrenzt ist, wird von unten nach oben gefüllt, wobei
die Zementfeinteilchen die Luft verdrängen, während der Raum in Richtung
Schalungsoberseite gefüllt
wird.
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Falls das Tuch von dem dichteren
Zement und den feinen Sandteilchen von der Schalung weggedrängt wird,
bekommt die Gußfläche eine
feinteilchenreiche verstärkte
Oberfläche.
Diese verstärkte
Oberfläche
kann einer Schlagbeschädigung
besser widerstehen und ist weniger durchlässig, wodurch sie ideal für die Verwendung
in Wasser und generell für
die Verwendung in korrosiven Umgebungen ist.
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Materialien, die auf diese Weise
hergestellt werden, können
nach Art einer Pappmache verwendet werden, um starke dünne Faserzementformen
zu erzeugen, beispielsweise Gartenornamente, Bodenkacheln, Dachplatten
und Schiffsrümpfe.
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Die beschriebenen Verfahren ermöglichen die
Herstellung von Formen mit Zementmatrizen mit mehr als 10 Vol.-%
Fasern. Dies hat dünne,
leichte und starke fertige Produkte zur Folge. Da verhältnismäßig wenig
Matrix verwendet wird, können
Zusätze in
die Zementmatrix einverleibt werden, ohne einen großen Einfluß auf die
Kosten des fertigen Produkts zu haben. Dies ermöglicht die Herstellung von
Produkten unter Verwendung von hydraulischen Matrizen, die am Markt
mit denen konkurrieren können, die
aus lösemittelhaltigen
oder Katalysator-Harzsystemen bestehen.
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Verstärkungsgarn mit einer friktionsgesponnenen
Oberfläche
ist besonders geeignet für
die Verwendung in Porenzement und Zementmischungen mit Aggregaten
niedriger Dichte, wo traditionelle Verstärkungen, beispielsweise in
Form von Stahlstangen oder -netzen, weniger effektiv sind. Die Poren/Leichtaggregat-Mischungen
entwickeln keine ausreichende Festigkeit, um eine Stahlverstärkung festzuhalten.
Die größere Oberfläche des
beschriebenen Garns usw. ist besser geeignet.
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Poren-, Faser- oder Leichtaggregatzement-Mischungen,
die in Verbindung mit gewebten Tüchern
oder Bändern
verwendet werden, die gemäß den in
dieser An meldung offenbarten Methoden hergestellt wurden, eignen
sich als Alternative zu Holzbalken oder Sperrholz. Die Zement-Verbundschicht
eignet sich für
die Verwendung in Fällen,
wo ansonsten „Marine
Ply" angezeigt wäre, und
ist besonders für
die Verwendung als verlorene Form geeignet. Solch eine Form verbleibt
als Oberfläche
des fertigen Betons an Ort und Stelle.
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Ein spezielles Anwendungsbeispiel
sind Böden
vom Kassetten- oder Wannen-Typ,
da sie das Problem vermeiden, große Formen Schalungen abzunehmen,
zu reinigen und zu lagern. Ein weiteres Anwendungsbeispiel sind
Straßenbegrenzungen. Diese
können
für die
Erleichterung des Transports gestapelt werden, schnell positioniert
und verschraubt werden, ohne daß eine
Hebeausrüstung notwendig
wäre. Der
hohle Kern kann für
die Aufnahme von mit Wasser gefüllten
Plastiksäcken
genutzt werden. Ein Ablaßventil
kann auf dem Sack vorgesehen sein, um zu ermöglichen, daß Wasser bei einem Aufschlag
mit kontrollierter Ge-schwindigkeit entweicht. Alternativ dazu können die
Einheiten mit Erde, Sand oder Beton verfüllt werden. Im letzteren Fall können sie
mit einer schwachen Mischung als in situ-Formen oder mit einer starken
Mischung als wiederverwendbare Formen verwendet werden.
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1 erläutert das
bevorzugte Verfahren für die
Herstellung eines erfindungsgemäßen Garns.
Die beiden mit 18 und 20 bezeichneten Stränge bilden zusammen
einen mit 22 bezeichneten Kern. Die Stränge 18 und 20 werden
auf einem konvergierenden Weg zu einem Spalt geführt. An dem Spalt werden die
Stapelfasern 26 den Strängen übergeben, und
ihre vorderen Enden werden zwischen den Strängen eingefangen. Gemäß der vorliegenden
Erfindung weisen die Stränge
vorzugsweise eine Klebstoffbeschichtung 24 auf, die unmittelbar
bevor sie am Spalt ankommen aufgetragen wird. Die Klebstoffbeschichtung
legt die Stränge 18, 20 aneinander
fest und unterstützt
auch die Bindung der Stapelfasern. Die Stapelfasern 6 ihrerseits
bilden einen Schicht um die Klebstoffbeschichtung 24. Dies
verhindert ein Kleben zwischen den Windungen des Garns, wenn es
auf eine Spule oder dergleichen gewickelt wird.
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Das anhand dieses Verfahrens erzeugte Garn
weist einen mittleren Kern auf und eine flauschige Hülle aus
Stapelfasern. Bei jeder Faser ist das Ende, das in den Spalt eingeführt wurde,
zwischen den Strängen
gefangen, und der Rest der Faser ist spiralartig um den Kern gewickelt.
Da jede Stapelfaser von einer Vielzahl anderer Stapelfasern überlagert
ist, ist das Endergebnis, daß der
Kern vollständig
von einer Stapelfaserschicht umhüllt
ist.
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Die Stapelfasern der Hülle sind
mit Abständen
entlang des Garns am Kern befestigt. Dies kann dadurch erreicht
werden, daß das
Garn durch Heizwalzen laufen gelassen wird, die beispielsweise alle
5 mm das Garn berühren.
Da jede einzelne Stapelfaser etwa 40 mm entlang des Kerns verläuft wird sie
somit an 6 bis 9 Stellen am Kern befestigt.
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Das übrige Garn, wie in 2 dargestellt, weist beabstandete
Stellen 30 auf, an denen die Fasern der Hülle an der
Hülle befestigt
sind. Zwischen diesen Stellen wölben
sich die Fasern nach außen von
der Hülle
weg, was eine ringförmigen
Spalt zwischen dem Kern und den Stapelfasern zurückläßt. In diese Spalten gelangen
die Zementfeinteilchen und -hydrate, wenn das Garn für Verstärkungszwecke verwendet
wird.
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3 ist
ein schematischer Querschnitt, der die Stränge 18, 20 zeigt.
Er zeigt auch die Fasern 26. Das Bezugszeichen 28 bezeichnet
Kristalle, die sich innerhalb der faserigen Abdeckung, die von den
Stapelfasern 26 gebildet wird, bilden. Wie oben erklärt, kann
das Produkt einen Zusatz enthalten, der die Bildung der erforderlichen
Kristalle fördert.
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Es ist auch möglich, Stapelfasern anderer Arten
zu verwenden. Nur als Beispiel können
90% der Stapelfasern in einem Produkt hydrophob sein, 5% können hydrophil
sein und 5% können
aus resorbierbarem Material bestehen.