DE69910173T2

DE69910173T2 - Fasern mit verbesserter sinusform, damit bewehrter beton und entsprechendes verfahren

Info

Publication number: DE69910173T2
Application number: DE69910173T
Authority: DE
Inventors: Nemkumar Banthia; E. Richard HINGSON; Ashish Dubey
Original assignee: SI Corp
Current assignee: Propex Operating Co LLC
Priority date: 1998-01-14
Filing date: 1999-01-12
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2019-01-13
Also published as: CA2316920A1; CA2316920C; US5981630A; WO1999036640A1; JP4633256B2; DE69910173D1; EP1047849A1; AU2112799A; JP2002509072A; AU736808B2; EP1047849B1; ES2205762T3; ATE246756T1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft das Verstärken (Bewehren) von Beton und ähnlichen Produkten durch die Verwendung von Fasern. Synthetische und Stahlfasern haben sich beim Verstärken von Beton als Alternative zu Drahtnetzen bewährt und haben Erfolge beim Hemmen der Schwindungsrissbildung, der Erhöhung der Schlagfestigkeit, der Verringerung der Durchlässigkeit, des Beitrags zur Rüttelbeständigkeit und des Verkürzens der Bauzeit gezeigt. Insbesondere werden erfindungsgemäß sinusförmige Fasern bereitgestellt, sowie dadurch verstärkte verbesserte Betonmischungen.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Beton ist ein Material, das eine niedrige Zugfestigkeit und geringe Bruchzähigkeit aufweist. Die Leichtigkeit, mit der sich Risse unter Spannung in Beton bilden und weiter ausbreiten können, macht es zwingend erforderlich, dass Beton nicht bis zu dem möglichen Ausmaß auf Spannung belastet wird, und dass, falls dies unvermeidlich ist, eine Art von traditioneller Verstärkung wie Beton-Rippenstahl bereitgestellt wird, um die Zugspannungen aufzunehmen. Der letztere ist im Allgemeinen als Stahlbeton bekannt und wird seit Jahrzehnten verwendet.
Ein alternatives Verstärkungsverfahren besteht in dem Einbau kurzer, statistisch verteilter Fasern in Beton, so dass Verstärkung durch das Volumen bereitgestellt wird und ein völlig neues Verbundmaterial erhalten wird. Faserverstärkter Beton hat erwiesenermaßen erheblich verbesserte Energieabsorptionsvermögen (oft als Zähigkeit bezeichnet), Schlagfestigkeit und Ermüdungsfestigkeit, und seine größere Reißfestigkeit verleiht ihm auch bessere Dauerhaftigkeit und ästhetische Eigenschaften.
Die US-A-4 565 840 liefert faserverstärkten Beton, der 1 bis 6 Volumenprozent einer Mischung aus kurzen Stahlfasern umfasst.
Die Zugabe fibrillierter Kunststofffilamente zu Zementmörtel ist in der US-A-4 414 030 offenbart. Solche fibrillierten Filamente umfassen Bänder mit einer Länge bis zu 50 Millimetern, von denen gesagt wird, dass sie während des Mischens mit den Mörtelkomponenten aufgespalten werden, um so eine statistische Verteilung von separaten Verstärkungskunststöfffilamenten über den gesamten Mörtel zu liefern.
Die Verwendung diskreter Fasern zum Verstärken von Beton ist in der US-A-3 645 961 beschrieben. Das Patent offenbart die Verwendung von Nylon, Polyvinylchlorid und einfachen Polyolefinen in Längen im Bereich zwischen einem Viertel bis drei Zoll (0,6 bis 7,5 cm) unter Bildung von sprengbeständigem Beton.
Die Verwendung faseriger Materialien, die aus Nylon, Polypropylen, Polyvinylidenchlorid und Polyethylen hergestellt sind, ist in der US-A-3 645 961 beschrieben. Weniger als 3 dieser Fasern in Längen von ¼ bis 3 Zoll (0,6 bis 7,5 cm) können in Beton gemischt werden, um sprengbeständige Bauwerke herzustellen.
Die Verwendung von fibrillierten Polypropylenfasern von 0,05 bis 2 Gew.-% der gesamten nassen Mischung wasserhärtbarer anorganischer Materialien wird in der US-A-3 591 395 gezeigt.
Die US-A-5 456 752 und die US-A-5 628 822, im Besitz des eingetragenen Rechtsnachfolgers, lehren die Verwendung klassierter synthetischer Fasern zum Verstärken von Beton. Die Klassierung liefert eine Vielzahl unterschiedlicher Fasertypen, d. h. Länge, Denier-Werte, Breite, Dicke, Aspektverhältnisse, Querschnitte und Fibrillierungen, in einer kontrollierten Mischung, die sich den Mörtelfaktionen in proportioniertem Beton anpassen kann.
Es wird gemäß der vorliegenden Erfindung nun verstanden, dass die zur Verstärkung von Beton vorgesehenen Fasern in der Geometrie deformiert sein müssen, damit sie sich richtig an die sie umgebende zementartige Matrix binden. Die meisten Deformationen, die kommerzielle Fasern zeigen, sind jedoch "adhoc", und es ist wenig darüber bekannt, was eine optimale Deformation genau ausmacht. Ein erster Versuch, Fasern rational zu deformieren, wurde in der US-A-5 443 918 beschrieben, die die Metallfasern, z. B. Stahl, mit einem länglichen, im Wesentlichen geraden Mittelanteil und sinusförmigen Endanteilen zur Zugabe zu und Verstärkung von Material auf Zementbasis offenbart. Die DE-U-90 00 846 erörtert auch die Verwendung von Fasern mit deformierten Enden.
Die US-A-4 585 487 offenbart filiforme oder schraubenartige Elemente (Fasern) aus Stahldraht mit gleichförmigen Wellen über ihre gesamte Länge zur Verstärkung von Beton.
Bindungsgleitcharakteristika von Fasern, die unter Verwendung eines Ausreißtests (Banthia et al., "Concrete Reinforced with Deformed Steel Fibers, Part 1: Bond-slip Mechanisms", ACI Materials Journal, Band 91, Nr. 5, September-Oktober 1994) bestimmt wurden, sind ein durchaus anerkannter Weg zur Bewertung des Verhaltens von Fasern in einem Verbund.
Die Verwendung von polymeren Fasern (insbesondere Polypropylen) ist bislang auf die Steuerung der plastischen Schwindungsrissbildung in frisch eingebrachten Beton begrenzt gewesen, die aus dem Verlust von Misch- und Blutwasser durch Verdampfen resultiert. Die Volumenfraktion der in diesen Anwendungsbereichen verwendeten Fasern ist unter Berücksichtigung ihres nicht-strukturellen Zwecks auch niedrig geblieben (ungefähr 0,1%). Die Lasttragekapazität von unverstärktem Beton ohne Faserverstärkung oder von Beton, der eine geringe Menge Polypropylenfaserverstärkung (ungefähr 0,1 Vol.%) trägt, über Matrixrissbildung hinaus ist im Wesentlichen Null. Es hat in letzter Zeit jedoch einige Versuche gegeben, größere Volumenfraktionen (etwa 1%) Polypropylenfaser mit größerem Durchmesser in Beton einzubringen. Diese Fasern haben polymere Materialien in die Kategorie der "strukturellen" Fasern gerückt, deren Zweck nicht so sehr in der Kontrolle der plastischen Schwindungsrissbildung liegt, sondern auch in der Verbesserung der Zähigkeit, der Energieabsorptionsfähigkeit und der Lasttragekapazität des Betons über die erste Matrixrissbildung hinaus.
Diese neue Generation der "strukturellen" Polypropylenfasern ist jedoch gerade und undeformiert. Infolgedessen entwikkeln sie eine schwache Bindung an die umgebende Matrix und sind nicht sehr effizient. Bis heute ist jedoch nicht bekannt, was eine optimale Deformation für ein Material mit niedrigem Modul ausmacht, wie Polypropylen. Eine derartige optimale Deformierung ist das Thema der vorliegenden Erfindung.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Verstärkungsfaser für Beton, insbesondere eine verbesserte Fasergeometrie zur Verstärkung von Verbundmaterialien auf Zementbasis zu liefern, die durch Gießverfahren oder Spritzbetonverfahren hergestellt werden.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung sinusförmig konfigurierter Fasern, die zum Verstärken von Beton und ähnlichen Materialien optimal konfiguriert sind.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, Beton und ähnliche Materialien mit verbesserter Reißbeständigkeit, Schlagfestigkeit und Trümmerbeständigkeit zu liefern.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung eines verbesserten Verfahrens zum Verstärken von Beton und ähnlichen Materialien.
Mindestens eines oder mehrere der genannten Ziele zusammen mit deren Vorteilen gegenüber den bekannten Faseradditiven für Betonmischungen, die aus der folgenden Beschreibung deutlich werden, werden erfindungsgemäß wie nachfolgend beschrieben und beansprucht bewirkt.
Es wird daher erfindungsgemäß ein Faseradditiv für die Zugabe zu Beton geliefert, das eine Vielzahl von thermoplastischen Fasern umfasst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Fasern eine sinusförmige Profilgeometrie entlang ihrer gesamten Länge aufweisen, wobei das Profil durch die Gleichung
definiert ist, in der x und y die kartesischen Koordinaten für irgendeine gegebene Position auf einer Faser sind, wobei die x-Achse entlang der Länge der Faser verläuft und die y-Achse senkrecht dazu angeordnet ist, die Amplitude α₀ 0,1d_f bis 2d_f beträgt und die Periode λ 2d_f bis 15d_f bei Fasern mit einem Durchmesser d_f von 0,5 bis 1 mm Länge beträgt; wobei die Spitzenausreißbelastung σ_Peak und die spezifische Ausreißenergie Ψ_Peak die bei einer maximalen Verschiebung von 7,5 mm absorbiert wird, bei Einbettung in Beton für diese Fasern beide linear mit einem Deformationsfaktor steigen, der durch die Gleichung D = a 0 λβ definiert ist, in der α = 0, 8 ist und β = –1 ist, so dass die Spitzenausreißbelastung durch die Gleichung
definiert ist, in der P_Peak die maximale Ausreißlast ist, und die spezifische Ausreißenergie durch die Gleichung
definiert ist, in der E_Peak die maximale Ausreißenergie ist, die bei einem Ausreißtest zu einer maximalen Verschiebung von 7,5 mm absorbiert wird; wobei die Faseradditive eine optimale Deformierbarkeit aufweisen, die durch die Gleichung Doptimum ≈ (0,5 bis 1)Dcritical definiert ist, in der D_critical die Deformierbarkeit ist, bei der die ultimative Zugfestigkeit (UTS) der Faser gleich k₁D_critical + C ist, wobei Lasten in N gemessen werden, Energie in N·mm gemessen wird, Belastung in MPa gemessen wird, Längenabmessungen in mm gemessen werden und die Werte von k₁, k₂, C und C₁ auf Basis der ultimativen Zugfestigkeit der Faser und durch Aufzeichnung der Deformation gegen die Ausreißbelastung bestimmt werden, um den Wert D_critical zu erhalten.
Die vorliegende Erfindung liefert auch verstärkten Beton mit verbesserter Reißfestigkeit, der Beton und 0,25 bis 5 Vol.% Verstärkungsfasern umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern eine sinusförmige Profilgeometrie entlang ihrer gesamten Länge aufweisen, wobei das Profil durch die Gleichung
definiert ist, in der x und y die kartesischen Koordinaten für irgendeine gegebene Position auf einer Faser sind, wobei die x-Achse entlang der Länge der Faser verläuft und die y-Achse senkrecht dazu angeordnet ist, die Amplitude α₀ 0,1d_f bis 2d_f beträgt und die Periode λ 2d_f bis 15d_f bei Fasern mit einem Durchmesser d_f und 0,5 bis 1 mm Länge beträgt;
wobei die Spitzenausreißbelastung σ_Peak und die spezifische Ausreißenergie Ψ_Peak die bei einer maximalen Verschiebung von 7,5 mm absorbiert wird, bei Einbettung in Beton für diese Fasern beide linear mit einem Deformationsfaktor steigen, der durch die Gleichung D = a 0 λβ definiert ist, in der α = 0,8 ist und β = –1 ist, so dass die Spitzenausreißbelastung durch die Gleichung
definiert ist, in der P_Peak die maximale Ausreißlast ist, und die spezifische Ausreißenergie durch die Gleichung
definiert ist, in der E_Peak die maximale Ausreißenergie ist, die bei einem Ausreißtest zu einer maximalen Verschiebung von 7,5 mm absorbiert wird; wobei die Faseradditive eine optimale Deformierbarkeit aufweisen, die durch die Gleichung Doptimum ≈ (0,5 bis 1)Dcritical,definiert ist, in der D_critical die Deformierbarkeit ist, bei der die ultimative Zugfestigkeit (UTS) der Faser gleich k₁D_critical + C ist, wobei Lasten in N gemessen werden, Energie in N·mm gemessen wird, Belastung in MPa gemessen wird, Längenabmessungen in mm gemessen werden und die Werte von k₁, k₂, C und C₁ auf Basis der ultimativen Zugfestigkeit der Faser und durch Aufzeichnung der Deformation gegen die Ausreißbelastung bestimmt werden, um den Wert D_critical zu erhalten.
Die vorliegende Erfindung liefert ferner ein Verfahren zur Verbesserung des Bindungsgleitverhaltens von Fasern in Beton, bei dem einer gewählten Menge Beton 0,25 bis 5 Volumenprozent Fasern zugesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern eine sinusförmige Profilgeometrie entlang ihrer gesamten Länge aufweisen, wobei das Profil durch die Gleichung
definiert ist, in der x und y die kartesischen Koordinaten für irgendeine gegebene Position auf einer Faser sind, wobei die x-Achse entlang der Länge der Faser verläuft und die y-Achse senkrecht dazu angeordnet ist, die Amplitude α₀ 0,1d_f bis 2d_f beträgt und die Periode λ 2d_f bis 15d_f bei Fasern mit einem Durchmesser d_f von 0,5 bis 1 mm Länge beträgt; wobei die Spitzenausreißbelastung σ_Peak und die spezifische Ausreißenergie Ψ_Peak, die bei einer maximalen Verschiebung von 7,5 mm absorbiert wird, bei Einbettung in Beton für diese Fasern beide linear mit einem Deformationsfaktor steigen, der durch die Gleichung D = a 0 λβ definiert ist, in der α = 0, 8 ist und β = –1 ist, so dass die Spitzenausreißbelastung durch die Gleichung
definiert ist, in der P_Peak die maximale Ausreißlast ist, und die spezifische Ausreißenergie durch die Gleichung
definiert ist, in der E_Peak die maximale Ausreißenergie ist, die bei einem Ausreißtest zu einer maximalen Verschiebung von 7,5 mm absorbiert wird;
wobei die Faseradditive eine optimale Deformierbarkeit aufweisen, die durch die Gleichung Doptimum ≈ (0,5 bis 1)Dcritical definiert ist, in der D_critical die Deformierbarkeit ist, bei der die ultimative Zugfestigkeit (UTS) der Faser gleich k₁D_critical + C ist, wobei Lasten in N gemessen werden, Energie in N·mm gemessen wird, Belastung in MPa gemessen wird, Längenabmessungen in mm gemessen werden und die Werte von k₁, k₂, C und C₁ auf Basis der ultimativen Zugfestigkeit der Faser und durch Aufzeichnung der Deformation gegen die Ausreißbelastung bestimmt werden, um den Wert D_critical zu erhalten; und die Komponenten in ausreichendem Maße gemischt werden, um diese Fasern gleichförmig über diesen Beton zu verteilen, wodurch die Energieabsorptionsfähigkeit von Beton im Vergleich zu Beton verbessert wird, der durch Fasern mit einer Geometrie verstärkt ist, die von dieser Geometrie verschieden ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht einer sinusförmig konfigurierten erfindungsgemäßen Faser;
2 ist eine Draufsicht der sinusförmig konfigurierten Fasern von 1;
3 ist eine Seitenansicht der sinusförmig konfigurierten Fasern von 1;
4 ist ein Schnitt, der im Wesentlichen entlang der Linien 4-4 von 3 erfolgt ist;
5 ist eine perspektivische Ansicht einer Teilplatte aus Beton, die einen Querschnitt wiedergibt, der den Zuschlag und die erfindungsgemäßen Fasern darin zeigt;
6 ist eine mathematische Kurve, die die sich wiederholenden Sinusformen einer erfindungsgemäßen Faser zeigt, die die Amplitude und Periode jeder Sinusform wiedergeben;
7 ist eine Seitenansicht, die Betonprobestücke zeigt, die in zwei Teilen gegossen wurden, wobei die erfindungsgemäßen Faser darin zu Testzwecken eingebettet ist;
8 ist eine graphische Darstellung, die die Ausreißbelastung für eine erfindungsgemäße Faser in Beton, aufgetragen gegen den Deformierungsfaktor, zeigt;
9 ist eine graphische Darstellung, die die Ausreißenergie für eine erfindungsgemäße Faser in Beton, aufgetragen gegen den Deformierungsfaktor, zeigt;
10 ist eine graphische Darstellung, die einen Vergleich der Ausreißcharakteristika einer erfindungsgemäßen Faser im Vergleich zu einer ad-hoc gekräuselten Faser und einer geraden Faser zeigt.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM ZUR DURCHFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Die Durchführung der vorliegenden Erfindung zeigt, dass Beton ein Kompound ist, das im Querschnitt groben Zuschlag zeigt, der von verschiedenen Mörtelfaktionen umgeben ist. Diese Mörtelfaktionen sind aus Zementpaste und feinem Zuschlag zusammengesetzt. Die Zementpaste ist es, die während des Hydratisierungsverfahrens schwindet. Diese Volumenänderung führt zur Bildung von Schwindungsrissen. Es ist nur Restfestigkeit zu erkennen und kann gemessen werden, nachdem irgendwelche äußeren Kräfte Beton zum Reißen gebracht haben. Diese Risse unterbrechen die Kontinuität der Pastenbereiche in statistischer Weise. Die vorliegende Erfindung erkennt, dass die Restfestigkeit nach dem Reißen optimiert wird, wenn alle gegenüber Reißen anfälligen Bereiche verstärkt werden. Mikrorisse werden durch die Anwesenheit optimal konfigurierter Faserverstärkung am Energiegewinn und Vereinigen zu Makrorissen gehindert. Infolgedessen sind die Charakteristika des gehärteten Betons durch größere Schlagfestigkeit, Abrieb- und Trümmerfestigkeit und geringere Durchlässigkeit verbessert.
Die vorliegende Erfindung betrifft dann eine spezielle Konfiguration synthetischer Verstärkungsfasern, die zum Ver stärken von Beton und ähnlicher Materialien verwendet werden kann und darin leicht dispergierbar ist. Speziell sollen die synthetischen Fasern darin eine spezielle sinusförmige Konfiguration liefern, die zur Verwendung zum Verstärken von Beton optimal konfiguriert worden sind. Die vorliegende Erfindung liefert eine spezielle Konfiguration von Fasern, die rascher und gründlicher in alle Typen von Betonmischungen gemischt werden können, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Fertigprodukte, Mörtel, Verguss, Spritzbeton, Ortbeton, Stuck und dergleichen, die alle im Allgemeinen härtbare, zementartige Materialien umfassen. Die Begriffe Beton, Betonmaterialien oder Betonmischungen sollen hier mit dem Wissen verwendet werden, dass alle Typen der Betonprodukte wie oben aufgeführt eingeschlossen sind.
Zur Durchführung der vorliegenden Erfindung brauchbare Fasern umfassen synthetische Materialien, nämlich Thermoplaste einschließlich Polyolefinen, wie Polyethylen und Polypropylen, Polyestern, Polyvinylchlorid, Polyvinylidenchlorid, Polyamiden einschließlich aromatischen Polyamiden, wie Kevlar^®, Polyacrylverbindungen und Mischungen derselben. Die thermoplastischen Fasern können 100% Homopolymer sein, sie können Copolymere und Polymergemische umfassen. Zudem können sie funktionalisiert, gefüllt, beschichtet einschließlich metallischer Beschichtungen oder anderweitig modifiziert sein. Im Allgemeinen kann im Wesentlichen jede thermoplastische Zusammensetzung eingesetzt werden, die zur Bildung von Monofilamenten verwendet werden kann, solange sie sinusförmig konfiguriert und Beton zugesetzt werden kann. Eine Faser kann durch ihren Polymernamen, z. B. Polypropylen, bezeichnet werden, wenn sie mindestens vorwiegend Polypropylen ist, sie muss nicht 100% Polypropylen umfasst. Die Auswahl des thermoplastischen Polymers stellt daher anders gesagt keine Einschränkung der vorliegenden Erfindung dar. Praktische Überlegungen für die Auswahl der Faser schließen Kriechbeständigkeit, starke Polyestereigenschaften und Dispergierbarkeit der Faser in der Betonmischung ein, obwohl das Fehlen von einer dieser Eigenschaften ein spezielles Polymer nicht ausschließen soll. In der Regel sind thermoplastische Fasern mit spezifischen Gewichten im Bereich von etwa 0,80 bis 1,96 geeignet.
Polypropylenfasern sind besonders bevorzugt, und werden hier als Beispiele verwendet, um die Durchführung der vorliegenden Erfindung zu zeigen. Die Figuren beziehen sich auf diese Fasern als Beispiele. In 1 ist die sinusförmige Konfiguration einer Faser, allgemein durch die Ziffer 10 bezeichnet, in erheblich vergrößertem Maßstab gezeigt. Die Faser ist in ihrer Länge von Ende 11 zu dem anderen Ende 12 im Wesentlichen gerade, wie in 2 gezeigt ist, und hat eine sinusförmige Konfiguration, wie in 3 zu sehen ist. Übrigens ist die in den 1 bis 3 gezeigte sinusförmige Konfiguration für eine bevorzugte Faserlänge von etwa drei Zentimetern skaliert worden. Der Querschnitt der Faser 10 ist hier als oval gezeigt, wie in 4 gezeigt ist, andere Querschnitte wie rund, rechteckig, quadratisch und dergleichen liegen jedoch ebenfalls innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung. Im Unterschied zu vorhandenen Fasern mit einer ähnlichen Konfiguration ist die sinusförmige Konfiguration der Fasern 10 in 6 abgebildet. Wie zu sehen ist, hat die Faser 10 eine Profilamplitude α₀ oberhalb und unterhalb einer Achse X sowie eine Periode λ, die eine vollständige Sinuskurve wiedergibt. Mit dem Wissen, dass 6 nicht notwendigerweise maßstabgetreu ist, ist erkennbar, dass das Profil der Faser in gleicher Weise variiert, wenn die Werte für α₀ und λ sowie der Durchmesser der Faser variiert werden.
Die Faser hat eine gekräuselte (wiederholt sinusförmige) Geometrie. Die Geometrie wird mathematisch durch eine Gleichung des Typs
wiedergegeben, in der α₀ die Profilamplitude der sinusförmigen Kurve wiedergibt, und λ die Periode ist, mit der sich die Sinuskurve wiederholt, wie in 1 abgebildet ist.
Der Wert der Faser als Additiv zum Verstärken von Beton liegt in der erhöhten Kraft und Energie, die aufgewendet werden, um die gebundene Faser aus dem Beton zu ziehen, was wiederum durch die ultimative Zugfestigkeit (UTS) der Faser begrenzt wird. Die Ausreißbelastung sollte daher ausreichend hoch sein, so dass sie unmittelbar unterhalb der UTS liegt, bei der die Faser versagt und der Trennung zwischen zuvor kontinuierlichen Betonbereichen nicht länger Widerstand entgegensetzen kann.
In einem Ausreißtest, der zur Bewertung des Bindungsgleitverhaltens einer gegebenen Faser durchgeführt wird, die in Zement gebunden ist, ist die Spitzenausreißbelastung definiert durch die Gleichung
in der P_peak die maximale Ausreißbelastung ist, die in dem Ausreißtest erreicht wurde, und d_f der Faserdurchmesser ist. In ähnlicher Weise ist die spezifische Ausreißenergie, die zu einer maximalen Verschiebung von 7,5 mm absorbiert wird, durch die Gleichung
definiert, in der E_Peak die maximale Ausreißenergie ist, die bei einem Ausreißtest zu einer maximalen Verschiebung von 7,5 mm absorbiert wird, und d_f der Faserdurchmesser ist.
Demzufolge nehmen die Spitzenausreißbelastung σ_peak und die spezifische Ausreißenergie Ψ_peak die bis zu einer maximalen Verschiebung von 7,5 mm absorbiert werden, beide linear mit einem Deformationsfaktor zu, der durch die Gleichung D = a 0 λβ Gleichung 4definiert ist, in der α = 0,8 ist und β = –1 ist, so dass die Spitzenausreißbelastung durch die Gleichung
definiert ist, und die spezifische Ausreißenergie durch die Gleichung
definiert ist.
Es ist lediglich qualitativ bekannt gewesen, dass bei einem gegebenen Bereich von Faserdurchmessern die unabhängigen Variablen wie Faseramplitude und Faserperiode beide das Ausreißverhalten beeinflussen, das durch die abhängigen objektiven Funktionen P_peak und E_peak definiert ist. Bislang ist jedoch nicht bekannt gewesen, dass eine Funktion, nämlich der Deformationsfaktor D (Gleichung 4), Amplitude und Periode kombiniert und linear mit beiden objektiven Funktionen P_peak und E_peak verknüpft ist, so dass beide von ihnen gleichzeitig maximiert werden können.
Während Gleichungen 5 und 6 für jedes Material und jede durch Gleichung 1 definierte gekräuselte Geometrie gelten, wurden für den speziellen Fall der Polypropylenfasern mit einer UTS von 450 MPa die folgenden Konstanten in dem allgemeinen Durchmesserbereich von 0,5 bis 1 mm erhalten: k₁ = 2300; K₂ = 12300; C = 27,5 und C₁ = 186, wobei Lasten in N gemessen werden, Energie in N·mm und alle Längenabmessungen in mm gemessen werden. Zudem liefern die Konstanten k₁ und k₂ die Neigung der Kurven, die gezeichnet werden können und Ausreißbelastung beziehungsweise Ausreißenergie für eine sinusförmig konfigurierte erfindungsgemäße Faser, die in Beton eingebettet ist, aufgetragen gegen den Deformierbarkeitsfaktor dieser Faser wiedergeben, während die Konstanten C und C₁ die Ausreißbelastung beziehungsweise Ausreißenergie für eine in Beton eingebettete undeformierte oder gerade Faser wiedergeben, aufgetragen gegen den Deformierbarkeitsfaktor, wobei beide hier nachfolgend detaillierter erörtert werden.
Die Konstanten C und C₁ sind vom Konzept her jeweils die Werte für Spitzenbelastung und die spezifische Energie für die gerade undeformierte Faser (D = 0). Ein linearer Anstieg der Belastung mit einer Zunahme von D zeigt, dass nach Erreichen eines bestimmten Wertes für D (Dcritical) eine Faser während des Ausreißens Beanspruchungen erfährt, die sich der ultimativen Zugfestigkeit nähern, und an diesem Punkt würde Reißen der Faser anstelle von Ausreißen einer Faser erfolgen, wobei letzteres vom Energieabsorptionsstandpunkt her ein bevorzugter Versagensmodus wäre. Falls dies geschieht, würden die Werte für die spezifische Energieabsorption wesentlich sinken. Der Wert oder die Deformierbarkeit D_critical ist jene Deformierbarkeit D, bei der UTS = k1Dcritical + C Gleichung 7
Für die Durchführung der vorliegenden Erfindung sollte die Faser eine optimale Deformierbarkeit D_optimum haben, die etwa 0,5 bis zu etwa 1 D_critical ist. Das heißt, Doptimum ≈ (0,5 bis 1)Dcritical Gleichung 8.
Wenn man weiß, dass D_critical der Deformierbarkeitswert bei Faserversagen ist, ist D_optimum vorzugsweise ein Wert unmittelbar unter D_critical, da die Effizienz der Fasern 10 als Sekundärverstärkung für Beton zunimmt, wenn sich D_optimum D_critical nähert.
Für andere brauchbare thermoplastische Polymermaterialien, wie Polyolefine, PVC, Polyvinylidenchlorid, Polyamide, Polyacryle und dergleichen, können die Werte für die genannten Konstanten leicht mit minimalem experimentellen Aufwand ermittelt werden. Bei jeder anderen thermoplastischen Faser würde man die Fasern im Allgemeinen in Ausreißtests in der nachfolgend beschriebenen Weise testen und mindestens zwei Deformierbarkeitsfaktoren gegen Faserbeanspruchung auftragen, aus denen dann die optimale Geometrie extrapoliert werden könnte, um die Werte für die Konstanten k_i und C zu erhalten. Wenn die Konstanten bekannt sind, können D_critical und D_optimum gemäß Gleichungen 7 und 8 ermittelt werden.
In der experimentellen Bewertung wurden Fasern mit verschiedenen Durchmessern, Amplituden und Perioden getestet und die direkte Korrelation zwischen der Deformierbarkeit D und der Spitzenausreißbelastung σ_peak sowie die direkte Korrelation zwischen der Deformierbarkeit D und der spezifischen Ausreißenergie Ψ_peak bestätigt, die bei einer maximalen Verschiebung von 7,5 mm absorbiert wurde (gegeben durch Gleichungen 5 beziehungsweise 6) (siehe 8 und 9, die nachfolgend erörtert werden).
Wie bereits gesagt können die Fasern 10 polymer sein. Bevorzugte Längen für die Fasern liegen im Bereich von etwa 10 bis etwa 60 mm. In ähnlicher Weise liegen die Durchmesser der Fasern im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 1 mm. Bevorzugte Bereiche werden nachfolgend mit Bereichen für Periode und Amplitude angegeben.
Die Zugabe der sinusförmig konfigurierten erfindungsgemäßen Fasern zu Betonmischungen und ähnlichen Materialien ist im Allgemeinen höher als für konventionelle Schwindungskontrollfasern und erfordert lediglich, dass die Menge während des Mischens und vor dem Gießen oder Verwenden eingebracht wird. Es kann hier auf 5 verwiesen werden, die die statistische Verteilung der Fasern 10 in Beton schematisch abbildet, wodurch ein neues verstärktes Betonprodukt 15 geliefert wird, das auch Zuschlag 16 enthält. Es ist im Allgemeinen erwünscht, die erfindungsgemäßen sinusförmig konfigurierten Fasern mit der Rate von etwa 0,25 bis etwa 5 Volumenprozent zuzufügen, was in Abhängigkeit von der Dichte des Fasermaterials etwa 0,225 bis 4,5 kg Polypropylen pro m³ Beton bedeutet. In ähnlicher Weise schließt das erfindungsgemäße Verfahren zur Verbesserung der Reißbeständigkeit von Beton und Betonmaterialien die Zugabe der sinusförmig konfigurierten Fasern wie hier beschrieben zu dem Beton und nachfolgendes Vermischen der Komponenten in ausreichendem Maße ein, um die Fasern in dem Betonmaterial gründlich zu dispergieren.
Um die Wirksamkeit der sinusförmig konfigurierten erfindungsgemäßen Fasern als Sekundärverstärkung für Beton zu zeigen, wurden Tests durchgeführt, die die Zugabe von Polypropylenfasern und anschließende Messung der Spitzenausreißbelastung und spezifischen Ausreißenergie beinhalteten.
Das Testen wurde durchgeführt, um Beton, der sinusförmig konfigurierte synthetische Fasern 10, z. B. Polypropylen, enthielt, mit Beton zu vergleichen, der nicht konfigurierte Fasern und ad-hoc oder bestehende konfigurierte Fasern enthielt. Es wurden, wie auf dem Betonsektor allgemein üblich, unter Verwendung von ASTM-Standards und -Verfahren Proben hergestellt und getestet. Hinsichtlich einer vollständigen Beschreibung des Tests soll auf Banthia et al., "Concrete Reinforced with Deformed Steel Fibers, Part 1: Bond-Slip Mechanism" (bereits zitiert) verwiesen werden, auf deren Inhalt hier Bezug genommen wird. Die Mischungsanteile sind in Tabelle I angegeben. Die Eigenschaften des Betons im frischen Zustand sowie nach 28 Tagen Härten sind in Tabelle II wiedergegeben.
Tabelle I Mischanteile
Tabelle II Betoneigenschaften
Die Ausreißtests wurden mit Probestücken wie in 7 gezeigt unter Verwendung einer auf dem Boden befestigten 150 kN Testmaschine durchgeführt, hergestellt von Instron Corporation, Canton, Mass., USA. Die Probestücke wurden in zwei Teilen oder Blöcken gegossen, 20 und 21. Jeder hatte einen Ankerring 22, der an einem Ende eingebettet wurde, wenn die Blöcke gegossen wurden, wodurch ein Ring bereitgestellt wurde, denn das Instrument greifen konnte. Der untere Block 20 mit der darin eingebetteten, zu testenden, Faser wurde zuerst gegossen und 24 Stunden härten gelassen. Die erfindungsgemäße Faser 10 ist abgebildet, es wurde jedoch das gleiche Verfahren zum Testen von Fasern des Standes der Technik verwendet. Nach dem Härten wurde ein Kunststofftrenner 23 oben auf den ersten Block 20 gelegt und Beton gegossen, um den oberen Block 21 zu bilden, und das Bauteil wurde bis zu Test für einen Zeitraum von 28 Tagen gehärtet. In der 150 kN Testmaschine wurden Ausreißtests durchgeführt. Es wurde Last angelegt, indem der untere Ring 22 in Block 20 gehalten wurde und der obere Ring 22 in Block 21 mit Backen gezogen wurde, die schematisch in 24 abgebildet sind, um so die Blöcke 20 und 21 mit einer Traversenbewegungsgeschwindigkeit mit 0,5 mm/Min zu trennen, und die Kurven von ausgeübter Belastung gegen Fasergleiten wurden aufgezeichnet. Fasergleitvorgänge wurden mit zwei LVDT-Messwertwandlern (einem groben mit einer Gesamtbewegung von 25 mm und dem anderen feinen mit einer Gesamtbewegung von 1 mm) gemessen. Die Last- und Gleitdaten wurden digital unter Verwendung eines 16 Bit-Erfassungssystems aufgezeichnet, dass mit einer Frequenz von 10 Hertz arbeitete. Der feine LVDT erleichterte genaue Messungen in dem anfänglichen elastischen Abschnitt der Last-Gleit-Kurve, wo die erwarteten Gleitvorgänge nur einen kleinen Bruchteil eines Millimeters betrugen.
In Bezug auf 8 wurden maximale Faserausreißbelastung, gemessen in MPa, gegen den in Gleichung 4 zuvor definierten Deformierbarkeitsfaktor für eine Polypropylenfaser mit einer UTS von 450 MPa aufgetragen. Es ist erkennbar, dass die Beanspruchung für eine Kurve nahezu linear, Linie 30, ansteigt, die zwischen echten Datenpunkten von einem Deformierbarkeitsfaktor von 0 bis zu der UTS, Linie 32, gezeichnet ist, und dass nahe einer maximalen Deformierbarkeit von 0,15 die Ausreißbeanspruchung etwa 400 MPa beträgt, ein erheblicher Anstieg gegenüber einer geraden Faser. Wichtiger ist, dass die maximale Deformierbarkeit D_critical bei einem Punkt unmittelbar hinter 0,18 an der x-Achse erreicht wird, wo die Linie 30 sich mit der UTS der Faser, Linie 32, schneidet. Demnach ist bei dieser Faser der Bereich von etwa (0,5 bis 1) D_critical für die Werte von D_optimum gleich einem Deformierbarkeitsfaktor von etwa 0,09 bis etwa 0,18 (8).
In 9 ist die spezifische Faserausreißenergie, gemessen in N/mm, gegen den zuvor in Gleichung 4 definierten Deformierbarkeitsfaktor aufgetragen worden. Es ist zu sehen, dass die Energie im Allgemeinen linear, Linie 35, für eine zwischen echten Datenpunkten gezogene Kurve von einem Deformierbarkeitsfaktor von 0 bis zu einer maximalen Deformierbarkeit von 0,15 zunimmt, was eine Ausreißenergie von etwa 2000 N/mm liefert, wiederum ein erheblicher Anstieg gegenüber einer geraden Faser.
Basierend auf dieser Erkenntnis ergibt sich das Kriterium, dass für ein optimales Faserverhalten die Faser bis zu einem Deformierbarkeitsfaktor D_optimum deformiert werden soll, so dass sie eine durchschnittliche Spitzenausreißlast unmittelbar unterhalb ihrer Spitzenausreißkapazität bei Bruch entwickelt, die durch den Deformierbarkeitsfaktor D_critical bestimmt wird. Das Patent deckt demnach die folgenden allgemeinen Bereiche der Faserdeformationscharakteristika ab:

Durchmesser (d_f): 0,5 bis 1 mm

Amplitude (α₀): 0,1 d_f bis 2 d_f

Periode (λ) 2 d_f bis 15 d_f
Spezieller sind die Bereiche:

Durchmesser (d_f): 0,6 bis 0,8 mm

Amplitude (α₀): 0,5 d_f bis 1 d_f

Periode (λ) 4 d_f bis 7 d_f
Besonders speziell betragen die Werte:

Durchmesser (d_f): 0,76 mm

Amplitude (α₀): 0,52 mm

Periode (λ) 3,9 mm.
Obwohl der Durchmesser, die Amplitude oder Periode vorhandener gekräuselter Faser in einen der allgemeinen Bereiche für Faserdeformationscharakteristika wie zuvor in Bezug auf Durchmesser, Amplitude beziehungsweise Periode beschrieben fallen kann, entspricht keine der vorhandenen Faserkonfigurationen vor der vorliegenden Erfindung den Bedingungen des optimalen Deformierbarkeitsfaktors D_optimum, der zuvor erörtert wurde. Demnach ist für einen gegebenen Faserndurchmesser (d_f) von 0,76 mm die Amplitude (α₀) 0,52 mm und die Periode (λ) 3,9 mm. In anderen Worten gibt es für jeden anderen gewählten Faserdurchmesser innerhalb des allgemeinen Bereichs von 0,5 bis 1 mm eine spezielle Amplitude und Periode, die dem optimalen Deformierbarkeitsfaktor D_optimum entsprechen, ebenso wie es für jede gewählte Amplitude innerhalb des allgemeinen Bereichs von 0,1 (d_f) bis 2 (d_f) einen spezifischen Faserdurchmesser und eine spezifische Periode gibt, die dem optimalen Deformierbarkeitsfaktor D_optimum entsprechen, und wie es für jede gewählte Periode innerhalb des allgemeinen Bereichs von 2 (d_f) bis 15 (d_f) einen spezifischen Faserdurchmesser und eine spezifische Amplitude gibt, die dem optimalen Deformierbarkeitsfaktor D_optimum entsprechen.
Eine Bindungsgleitkurve 40 für die Fasern 10 mit den obigen Charakteristika ist in 10 wiedergegeben. Es wird auch ein Vergleich mit einer geraden, undeformierten Faser gegeben, die als Kurve 42 aufgetragen ist. Für weiteren Vergleich ist das Verhalten einer ad-hoc gekräuselten Faser als Kurve 44 aufgetragen worden. Solche Fasern sind im Allgemeinen sinusförmig konfiguriert, jedoch nicht mit den optimalen Durchmesser-, optimalen Amplituden- und optimalen Periodenbereichen für die Fasern 10, die erforderlich sind, um dem optimalen Deformierbarkeitsfaktor zu entsprechen. Daher liegt die optimale Deformierbarkeit D_optimum für die ad-hoc-Fasern unter 0,5 D_critical und betrug in der Tat nur (0,029) D_critical. Es ist auch zu sehen, dass infolge der vorgeschlagenen Deformationen ein erheblicher Anstieg der Spitzenlasttragekapazität sowie der Energieabsorptionskapazität (Fläche unter der Kurve) erfolgte.
Wie aus den Betrachtungen der Daten in den 8 bis 10 hervorgeht, liefert die Verwendung sinusförmig konfigurierter Fasern, die die in den Gleichungen 6 und 6 definierte Spitzenausreißbeanspruchung und spezifische Ausreißenergie entwickeln, bessere Eigenschaften als die Verwendung von geraden Fasern und ad-hoc gekräuselten Fasern des Standes der Technik.
Zum Design einer erfindungsgemäßen Faser mit einer optimalen Deformierbarkeit können zwei Durchmesser, Amplituden und Perioden innerhalb des erfindungsgemäßen Bereichs gewählt werden und unter Verwendung von diesen Gleichung 4 nach D aufgelöst werden, wobei die Werte für α und β bekannt sind. Als nächstes wird jede Faser mit einem spezifischen Satz von Durchmesser-, Amplituden- und Periodenwerten in Betonblöcke gegossen und Ausreißtests unterzogen, um Werte für Ausreißbeanspruchung und Ausreißenergie zu ermitteln. Diese Daten liefern zwei Punkte für die Auftragung. Wenn die Ausreißbeanspruchung aufgetragen wird, wird eine Linie ähnlich Linie 30 in 8 erhalten, und am Schnittpunkt der Linie mit der y-Achse (D = 0) kann der Wert für die erste Konstante C ermittelt werden, während k₁ die Neigung der neuen Linie 30 ist. Wenn die Ausreißenergie aufgezeichnet wird, wird in ähnlicher Weise eine Line ähnlich Linie 35 in 9 erhalten, und am Schnittpunkt der Linie mit der y-Achse (D = 0) kann der Wert für die zweite Konstante C₁ ermittelt werden, während k₂ die Neigung der neuen Linie 35 ist. Mit diesen Werten sind alle vier der Konstanten k₁, k₂, C und C₁ bekannt, und mit k₁ und C können D_critical und D_optimum ermittelt werden. Bei Kenntnis der letzteren Werte kann der Bereich der Werte für D_optimum gemäß Gleichung 8 bestimmt werden.
Die Bestimmung, ob eine spezielle Faser mit einer sinusförmigen Konfiguration die optimale Deformierbarkeit D_optimum zur erfindungsgemäßen Verwendung liefert, ist eine relativ direkte Vorgehensweise. Zuerst können der Durchmesser, die Amplitude und Periode der Faser gemessen werden, die mindestens in die breiten allgemeinen Bereiche der Faserdeformationscharakteristika wie hier angegeben fallen sollen, wenn nicht in einen der bevorzugteren offenbarten Bereiche. Die ultimative Zugfestigkeit der Faser sollte auch bestimmt werden. Diese Faser sollte dann Ausreißtests unterzogen werden, um Werte für Ausreißbeanspruchung und Ausreißenergie zu bestimmen. Die Ergebnisse können als Datenpunkte auf zwei separaten Graphen ähnlich 8 und 9 für Ausreißbeanspruchung beziehungsweise Ausreißenergie aufgetragen werden. Als nächstes sollte die Faser begradigt werden, d. h. die sinusförmige Konfiguration sollte entfernt werden. Es sei daran erinnert, dass die Konstanten C und C₁ jene Werte für gerade Fasern sind (Null Deformierbarkeit).
Wenn diese Faser dann Ausreißtests unterzogen wird, um Werte für Ausreißbeanspruchung und Ausreißenergie zu ermitteln, werden zwei weitere Datenpunkte erhalten, die ähnlich wie bei 8 und 9 jeweils auf der y-Achse liegen, durch die Linien (30) und (35) gezogen werden können. In Bezug auf die neu erzeugte graphische Darstellung, die Ausreißbeanspruchung gegen Deformierbarkeit zeigt, sollte schließlich ähnlich wie in 8 die ultimative Zugfestigkeit zugefügt werden, um so den Wert für D_critical zu bestimmen, aus dem Doptimum bestimmt werden kann. Falls der echte Wert der Ausreißbeanspruchung in den Wert von D_optimum fällt, liefert die Faser optimale Deformierbarkeit.
Die Faser kann außerdem etwas gedehnt werden, was die Periode und Amplitude verändert, und diese Werte können mit dem gegebenen Durchmesser wiederum unter Verwendung von Gleichung 4 zur Auflösung nach D verwendet werden. Die gedehnte Faser kann selbst Ausreißtests unterzogen werden, um so einen weiteren Datenpunkt zu liefern, der gegen den Deformierbarkeitsfaktor aufgetragen wird, wobei der Datenpunkt auch auf der neu erzeugten Linie (30) oder mindestens innerhalb des experimentellen Fehlers derselben liegen sollte.

Claims

Faseradditive für die Zugabe zu Beton, die eine Vielzahl von thermoplastischen Fasern umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern eine sinusförmige Profilgeometrie entlang ihrer gesamten Länge aufweisen, wobei das Profil durch die Gleichung
definiert ist, in der x und y die kartesischen Koordinaten für irgendeine gegebene Position auf einer Faser sind, wobei die x-Achse entlang der Länge der Faser verläuft und die y-Achse senkrecht dazu angeordnet ist, die Amplitude α₀ 0,1d_f bis 2d_f beträgt und die Periode λ 2d_f bis 15d_f bei Fasern mit einem Durchmesser d_f von 0,5 bis 1 mm Länge beträgt; wobei die Spitzenausreißbelastung σ_Peak und die spezifische Ausreißenergie Ψ_Peak die bei einer maximalen Verschiebung von 7,5 mm absorbiert wird, bei Einbettung in Beton für die- se Fasern beide linear mit einem Deformationsfaktor steigen, der durch die Gleichung D = a 0 λβ definiert ist, in der α = 0,8 ist und β = –1 ist, so dass die Spitzenausreißbelastung durch die Gleichung
definiert ist, in der P_Peak die maximale Ausreißlast ist, und die spezifische Ausreißenergie durch die Gleichung
definiert ist, in der E_Peak die maximale Ausreißenergie ist, die bei einem Ausreißtest zu einer maximalen Verschiebung von 7,5 mm absorbiert wird; wobei die Faseradditive eine optimale Deformierbarkeit aufweisen, die durch die Gleichung Doptimum ≈ (0,5 bis 1)Dcritical definiert ist, in der D_critical die Deformierbarkeit ist, bei der die ultimative Zugfestigkeit (UTS) der Faser gleich k₁D_critical + C ist, wobei Lasten in N gemessen werden, Energie in N·mm gemessen wird, Belastung in MPa gemessen wird, Längenabmessungen in mm gemessen werden und die Werte von k₁, k₂, C und C₁ auf Basis der ultimativen Zugfestigkeit der Faser und durch Aufzeichnung der Deformation gegen die Ausreißbelastung bestimmt werden, um den Wert D_critical zu erhalten.
Faseradditive nach Anspruch 1, bei denen die Vielzahl von Fasern ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Polyolefinen, Polyestern, Polyvinylchlorid, Polyvinylidenchlorid, Polyamiden, Polyacrylen und Mischungen derselben. finen, Polyestern, Polyvinylchlorid, Polyvinylidenchlorid, Polyamiden, Polyacrylen und Mischungen derselben.
Faseradditive nach Anspruch 1, bei denen die Vielzahl von Fasern Polypropylen mit einer ultimativen Zugfestigkeit von 450 MPa sind, wobei k₁ = 2300 ist, K₂ = 123000 ist, C = 27, 5 ist und C₁ = 186 ist.
Faseradditive nach Anspruch 1, bei denen die Vielzahl von Fasern einen Durchmesser von 0,6 bis 0,8 mm aufweisen, eine Amplitude von 0,5 d_f bis 1 d_f aufweisen und eine Periode von 4 d_f bis 7 d_f aufweisen.
Faseradditive nach Anspruch 1, bei denen die Vielzahl von Fasern einen Durchmesser von 0,76 mm aufweisen, eine Amplitude von 0, 52 mm aufweisen und eine Periode von 3, 9 mm aufweisen.
Verstärkter Beton mit verbesserter Reißbeständigkeit, der Beton und 0,25 bis 5 Vol% von Verstärkungsfasern umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern eine sinusförmige Profilgeometrie entlang ihrer gesamten Länge aufweisen, wobei das Profil durch die Gleichung
definiert ist, in der x und y die kartesischen Koordinaten für irgendeine gegebene Position auf einer Faser sind, wobei die x-Achse entlang der Länge der Faser verläuft und die y-Achse senkrecht dazu angeordnet ist, die Amplitude α₀ 0,1d_f bis 2d_f beträgt und die Periode λ 2d_f bis 15d_f bei Fa sern mit einem-Durchmesser d_f und 0,5 bis 1 mm Länge beträgt; wobei die Spitzenausreißbelastung σ_peak und die spezifische Ausreißenergie ψ_Peak, die bei einer maximalen Verschiebung von 7,5 mm absorbiert wird, bei Einbettung in Beton für diese Fasern beide linear mit einem Deformationsfaktor steigen, der durch die Gleichung D = a 0 λβ definiert ist, in der α = 0,8 ist und β = –1 ist, so dass die Spitzenausreißbelastung durch die Gleichung
definiert ist, in der P_Peak die maximale Ausreißlast ist, und die spezifische Ausreißenergie durch die Gleichung
definiert ist, in der E_Peak die maximale Ausreißenergie ist, die bei einem Ausreißtest zu einer maximalen Verschiebung von 7,5 mm absorbiert wird; wobei die Faseradditive eine optimale Deformierbarkeit aufweisen, die durch die Gleichung Doptimum ≈ (0,5 bis 1)Dcritical definiert ist, in der D_critical die Deformierbarkeit ist, bei der die ultimative Zugfestigkeit (UTS) der Faser gleich k₁D_critical + C ist, wobei Lasten in N gemessen werden, Energie in N·mm gemessen wird, Belastung in MPa gemessen wird, Längenabmessungen in mm gemessen werden und die Werte von k₁, k₂, C und C₁ auf Basis der ultimativen Zugfestigkeit der Faser und durch Aufzeichnung der Deformation gegen die Ausreißbelastung bestimmt werden, um den Wert D_critical zu erhalten.
Verstärkter Beton nach Anspruch 6, bei dem die Vielzahl von Fasern ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Polyolefinen, Polyester, Polyvinylchlorid, Polyvinyliden-chlorid, Polyamiden, Polyacrylen und Mischungen derselben.
Verstärkter Beton nach Anspruch 7, bei dem die Vielzahl von Fasern Polypropylen umfassen, dass eine ultimative Zugfestigkeit von 450 MPa aufweist, wobei k₁ = 2300 ist, k₂ = 12300 ist, C = 27,5 ist und C₁ = 186 ist.
Verstärkter Beton nach Anspruch 6, bei dem die Vielzahl von Fasern einen Durchmesser von 0,6 bis 0,8 mm aufweisen, eine Amplitude von 0,5 d_f bis 1 d_f aufweisen und eine Periode von 4 d_f bis 7 d_f aufweisen.
Verstärkter Beton nach Anspruch 6, bei dem die Vielzahl von Fasern einen Durchmesser von 0,76 mm aufweisen, eine Amplitude von 0, 52 mm aufweisen und eine Periode von 3, 9 mm aufweisen.
Verfahren zur Verbesserung des Bindungsgleitverhaltens von Fasern in Beton, bei dem: zu einer ausgewählten Menge Beton 0,25 bis 5 Vol% Fasern zugesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern eine sinusförmige Profilgeometrie entlang ihrer gesamten Länge aufweisen, wobei das Profil durch die Gleichung
definiert ist, in der x und y die kartesischen Koordinaten für irgendeine gegebene Position auf einer Faser sind, wobei die x-Achse entlang der Länge der Faser verläuft und die y-Achse senkrecht dazu angeordnet ist, die Amplitude α₀ 0,1d_f bis 2d_f beträgt und die Periode λ 2d_f bis 15d_f bei Fasern mit einem Durchmesser d_f von 0,5 bis 1 mm Länge beträgt; wobei die Spitzenausreißbelastung σ_Peak und die spezifische Ausreißenergie Ψ_Peak, die bei einer maximalen Verschiebung von 7,5 mm absorbiert wird, bei Einbettung in Beton für diese Fasern beide linear mit einem Deformationsfaktor steigen, der durch die Gleichung D = a 0 λβ definiert ist, in der α = 0,8 ist und β = –1 ist, so dass die Spitzenausreißbelastung durch die Gleichung
definiert ist, in der P_Peak die maximale Ausreißlast ist, und die spezifische Ausreißenergie durch die Gleichung
definiert ist, in der E_Peak die maximale Ausreißenergie ist, die bei einem Ausreißtest zu einer maximalen Verschiebung von 7,5 mm absorbiert wird; wobei die Faseradditive eine optimale Deformierbarkeit aufweisen, die durch die Gleichung Doptimum ≈ (0,5 bis 1)Dcritical definiert ist, in der D_critical die Deformierbarkeit ist, bei der die ultimative Zugfestigkeit (UTS) der Faser gleich k₁D_critical + C ist, wobei Lasten in N gemessen werden, Energie in N·mm gemessen wird, Belastung in MPa gemessen wird, Längenabmessungen in mm gemessen werden und die Werte von k₁, k₂, C und C₁ auf Basis der ultimativen Zugfestigkeit der Faser und durch Aufzeichnung der Deformation gegen die Ausreißbelastung bestimmt werden, um den Wert D_critical zu erhalten, und diese Komponenten ausreichend gemischt werden, um diese Fasern gleichförmig über diesen gesamten Beton zu verteilen, wodurch die Energieabsorptionsfähigkeit von Beton im Vergleich zu Beton verbessert wird, der durch Fasern mit einer Geometrie verstärkt ist, die von dieser Geometrie verschieden ist.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Vielzahl von Fasern ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Polyolefinen, Polyestern, Polyvinylchlorid, Polyvinylidenchlorid, Polyamiden, Polyacrylen und Mischungen derselben.
Verfahren nach Anspruch 12, bei denen die Vielzahl von Fasern Polypropylen mit einer ultimativen Zugfestigkeit von 450 MPa sind, wobei k₁ = 2300 ist, K₂ = 12300 ist, C = 27, 5 ist und C₁ = 186 ist.
Verfahren nach Anspruch 11, bei denen die Vielzahl von Fasern einen Durchmesser von 0,6 bis 0,8 mm aufweisen, eine Amplitude von 0,5 d_f bis 1 d_f aufweisen und eine Periode von 4 d_f bis 7 d_f aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 11, bei denen die Vielzahl von Fasern einen Durchmesser von 0,76 mm aufweisen, eine Amplitude von 0,25 mm aufweisen und eine Periode von 3,9 mm aufweisen.