- 2 -

Stahlfasern zur Armierung won Beton, insbesondere Spritzbeton /

Die vorliegende Neuerung betrifft Stahlfasern zur Armierung von Beton, insbesondere Spritzbeton.

Die Bestrebungen, einige Festigkeits-Kenntwerte des Betons durch Beimischung von Fibern oder Fasern zu verbessern, sind seit ca. 20 Janren im Gang. Anfänglich wurden Versuche mit allen denkbaren Materialien wie Textil-, Kunstharz-, Mineral-, Glas- und Stahifasern durchgeführt. Mit Ausnahme der Versuche mit Stahlfasern wurden alle Versuche nach mehr oder weniger langer Zeit abgebrochen. Einerseits entsprachen die Versuchsergebnisse nicht den Erwartungen und andererseits zeigten sich unverhältnismässige Schwierigkeiten in der Zudosierung der Fasern und der Verarbeitung dieser Gemische.

Seit ca. 10 Jahren konzentrieren sich die Untersuchungen auf die Beimischung von Stahlfasern. In diese Zeit fallen vermutlich auch die ersten Anwendungsversuche (Straßenbeläge, Brücken, Flugpisten, dünnwandige vor fabrizierte Betonelemente für den Hoch- und Tiefbau, Zementröhren etc.). Diese Versuche wurden mit Stahlfasern von der Größenordnung 0,3 bis 9,6 mm Durchmesser und ca. 20 bis 40 mm Länge durchgeführt. Mit den gleichen Fasertypen wurden auch Versuche durchgeführt, um im Spritzverfahren applizierte Betone und Mörtel zu vergüten (Böschungssicherungen, Tunnelauskleidungen etc.). Neutrale Berichte über diese Anwendungsversuche bezüglich Qualitätsverbesserung, Wirtschaftlichkeit, Verarbeitbarkeit etc. sind nicht bekannt geworden. Dieser Mangel an Publizität weist vermutlich darauf hin, daß mit dem System weder in der einen noch in der anderen Richtung überwältigende Vorteile erreicht wurden.

» I t I · ·

III ··· · ·

Die Tatsache, dass aus dieser Zeit auch die ersten Entwirrung»- und Dosiergeräte stammen, weist aber darauf hin, dass die Versuche auf breiterer Basis weitergeführt wurden. Die Anstrengungen zur Weiterentwicklung des Faserbetons lagen ab diesem Zeitpunkt mit Sicherheit bei den Drahtherstellern.' Aus den im Verlauf der Zeit von den Drahtherstellern vorgenommenen Aenderungen an den angebotenen Fasern können die offensichtlich auch heute noch nicht überwundenen Schwierigkeiten abgeleitet werden. Es handelt sich schlicht und einfach um die ungenügende üaftung der Fasern im Beton. Bei allen bekannten Biegezugversuchen sind die Stahlfasern in den Bruchstellen nicht ab-, sondern ausgerissen. Daraus lässt sich ganz eindeutig schliessen, dass infolge ungenügender Ausnutzung der Stahlfasern die Wirtschaftlichkeit in Frage gestellt wird. Gleichzeitig musste man sich klar werden, dass chne nachweisbar einwandfreies Haften der Fasern im Beton eine Anerkennung des Systems durch Fachgremien kaum erwartet werden konnte.

Die in der Folge angebotenen Fasern reichten von glatten, geraden "Stäbchen" über "Stäbchen" mit Oberflächenprofilierung (bei 0 0,3 bis 0,5 mm sehr fragwürdig), "Stäbchen" mit Verbiegungen in einer Ebene (Wellen, Zickzack, 1 oder 2 Abbiegungen von 15° bis 2O°) bis zu "Stäbchen" mit räumlichen Abbiegungen. Diese "Luxusformen" erhöhten natürlich die schon bei glatten geraden Fasern vorhandenen Schwierigkeiten bei der Entwirrung der Igel und Knäuel und erhöhten die Gefahr der Wiederverigelung oder -Verknäuelung im Gemisch. Auch diese Probleme wurden wenigstens teilweise gelöst, indem beispielsweise Fasern für die Lagerung und den Transport in einer Ebene nebeneinander gelegt zu "Stangen" verklebt wurden. Für die Beimischung zua Beton waren entsprechende Apparate (Dispenser) erforderlich, welche diese "Stangen" wieder in die einzelnen Fasern aufteilten.

■)er Erfolg scheint aber nicht den Erwartungen entsprochen zu haben.

Allerdings wurden die Bemühungen, Spritzbeton mit Stahlfasern zu verstärken, auf die zur Zeit im Handel erhältlichen Fasertypen beschränkt. Aus diesen Anstrengungen wurden die heute erhältlichen Zusatzgeräte zur Entwirrung, Dosierung und Beigabi der Stahlfasern entwickelt. Mit diesen Geräten können jedoch nicht alle Applikationsprobleme gelöst werden. Der hohe Anteil von Stahlfasern im RUckprall sowie die meistens unbefriedigende Haftung im erhärteten Spritzbeton sind die Folge der Vorgänge beim Auftreffen des mit Stahlfasern vermengten Betongemisches auf der Auftragsfläche. Die Analyse der Bewegungsabläufe auf der Auftragsfläche zeigt, daß Stahlfasern von 0 0,2 bis 0,6 mm und Längen von >20 mm absolut ungeeignet sind. Diese Stahlfasern haben selbst als Beimischung zu Feinmörtel mit Körnung 0 bis 2 mm eine ungenügende Haftung infolge Schwing- oder Vibrationseffekt und teilweise infolge "Spritzschatten". Als Beimengung zu Reton mit Maximalkorn, bis z.B. 20 mm, sind die erwähnten Einflüsse noch wirksamer, d.h. die Haftung im Beton ist noch schlechter. Es zeigt sich auch, daß eine Verbesserung der Haftung weder durch Profilierunq der Faseroberfläche noch durch besondere Formung der Stahlfaser erzielt werden kann.

Die Aufgabe, welche der vorliegenden Neuerung zugrundeliegt, bezweckt die Schaffung von Stahlfasern für Beton, mit denen die Zugfestigkeit des Betons annähernd verdoppelt wird gegenüber den Werten ohne Stahlfaserarmierung. Dafür sind Stahlfasern zu schaffen, welche sich nicht nur in gewöhnlichen Beton, sondern auch in einen Spritzbeton derart einmischen lassen, daß ein Spritzen des Betons ohne nachteilige Folgen für die Apparaturen und die Güte des Betons möglich wird.

Die gestellte Aufgabe wird durch Stahlfasern zur Armierung von Beton, insbesondere Spritzbeton, gelöst, welche einen ovalen Querschnitt mit einem Achsenverhältnis von 1 : 2 bis 4 und einer Länge von 2 bis 6 mm aufweisen. Die Stahlfasern werden dem Beton in Mengen von mindestens 4 Hew.-Jo zugegeben. Der Querschnitt beträgt vorzugsweise 30-40μ κ ΙΟΟμ.

Im folgenden wird die Anwendung der neuerungsgemäGen Stahlfaser anhand von Beispielen von Betonmischungen erläutert. Dabei ist das Seispiel 1 ohne Verwendung von Stahlfasern zusammengestellt, um Ausgangswerte für die Druckfestigkeit, die Biegezugsfestigkeit und die Zugfestigkeit festzulegen. Bei allen Beispielen handelt es sich um Versuchsmischungen von Spritzbeton, bei welchen die Zuschlagstoffe als Sand-Kies-Gemische immer gleich waren. Diese Zuschlagstoffe wiesen einen Durchmesser von + 0 bis 12 mm auf und besaßen folgende Zusammensetzung:

Sand +0 bis 1 mm, 22 Gew.-S»

Sand 1 bis 4 mm, 22 Gew.-*

Kies 4 bis β mm, 24 Gew.-S

Kies 8 bis 12 mm, 32 Gew.-K.

Diese Werte sind mit Streuungen von + 4% behaftet. Die spezifische Oberfläche eines derartigen Gemisches

2
dürfte bei ca. 9,5 m /kg Gemisch liegen.

Als Betonmischungen kommen die genormten, dem Betonfachmann bestens bekannten Mischungen P-300 und P-400 in Frage.

Als Zement wurde normaler Portlandzement verwendet. Es Durden keine anderen Zusätze beigegeben.

Die hierbei verwendeten neuerungsgemäßen Stahlfasern hatten eine Länge von 2 bis 6 mm, im Durchschnitt von 3 mm. Sie wiesen ovalen Querschnitt auf, mit einem Achsenverhältnis von 1 : 2 bis 4, vorzugsweise 1 : 2,5 bis 3,3. Es iciigte sich, daß Stahlfasern im Querschnitt von 30 bis 40 μ χ 100 μ sich sehr gut eigneten. Die Reiß-

2 festigkeit des Stahles betrug 100 bis 110 kg/mm .

Die Zuschlagstoffe, der Zement und die Stahlfasern der neuerungsgemäOen Art wurden gemäß den nachstehenden Rezepten für jede Mischung einzeln gewogen und in einem Freifallmischer trockengemischt. Die Mischdauer betrug im Mittel 60 Sekunden. Es zeigte sich aber auch die Möglichkeit, mit Mischzeiten von 30 Sekunden auszukommen.

Die Probekörper von Spritzbeton nachfolgender Mischungen wurden in Holzformen gespritzt. Die in der Folge angegebenen Festigkeitswerte wurden von der EMPA im Versuchsbericht No. 139 106 festgehalten.

Die Zeichnung zeigt eine Ausführungsform der neuerungsgemäßen Stahlfasern in räumlicher Ansicht. Die Stahlfaser 1 hat eine Länge 2 von 3 mm und einen ovalen Querschnitt Das Achsenverhältnis, nämlich das Verhältnis der großen Querschnittsachse 4 zur kleinen Querschnittsachse 5, beträgt 3:1.

t * · ■ ft ·

Mischungen und Prüfergebnisse:

1. O-Mischung i-ohne Stahlfasern Bezeichnung der Proben 1.0 Zuschlagstoffe 0

Zement

Druckfestigkeit. 48,4 Biegungsfestigkeit 7,7 Zugfestigkeit

τ 12 mm

N/nun
N/nun

2,975 N/mm

1960 kg 300 kg im Mittel im Mittel im Mittel

Mischung I mit 5% Stahlfasern Bezeichnung der Proben 1.5

Zuschlagstoffe	67	0	0 τ	12 nur.	: 1S60	Mittel	kg
Zement	8				300	Mittel	kg
Stahlfasern	4				113	Mittel	kg
Druckfestigkeit	,7	N/mm	im
Biegungsfesticfkeit	,7	N/mm2	im
Zugfestigkeit	,66	N/mm2	im

Mischung I mit 10% Stahlfasern Bezeichnung der Proben I.10

Zuschlagstoffe I	"55	0	4	0 τ	12 mm	: 1960	Mittel	kg
Zement • *	10,		975			300	Mittel	kg
Stahlfasern	4,				226	Mittel	kg
Druckfestigkeit		N/mm2	im
Biegungsfestigkeit	N/mm2	im
Zugfestigkeit	N/mm	im

4. Mischung I mit 12,5% Stahlfasern Bezeichnung der Proben 1.12,5

Zuschlagstoffe	25,	0	0 τ	12 mm	: 1960 kg
Zement	8,				300 kg
Stahlfasern	3,				282 kg
Druckfestigkeit	5	N/mm2	im	Mittel·(porös)
Biegungsfestigkeit	65	N/mm2	im	Mittel (porös)
Zugfestigkeit	36	N/mm2	im	Mittel

5. Mischung I mit 15% Stahlfasern Bezeichnung der Proben 1.15 Zuschlagstoffe 0

Zement Stahlfasern

Biegungsfestigkeit 13,85 Zugfestigkeit 5,4

f 12 mm

N/mm' N/mm

I960 kg 300 kg 339 kg

im Mittel

im Mittel

im Mittel

6. Mischung II ohne Stahlfasern Bezeichnung der Proben. II.0 Zuschlagstoffe 0

Zement

Druckfestigkeit 57,3 N/mm'' Biegungsfestigkeit 8,8 N/mm"¹ Zugfestigkeit 1,95 N/mm'

τ 12 mm

1960 kg 400 kg im Mittel im Mittel im Mittel

7. Mischung II mit 5% Stahlfasern Bezeichnung der Proben II.5 Zuschlagstoffe Zement Stahlfasern

Biegungsfestigkeit 9,05 Zugfestigkeit 4,07

0 τ 12 mm

N/mm' N/mm' N/mn/

1960 kg 400 kg 113 kg

im Mittel

im Mittel'

im Mittel

8. Mischung II mit 10% Stahlfasern Bezeichnung der Proben II. 10

Zement

2 Druckfestigkeit 64,4 N/mm

N/mm

0·

4,405 N/mn/

1960 kg 400 kg 226 kg

im Mittel

im Mittel

im Mittel

Die Kontrolle der Gemische zeigte, daß bei normaler Mischdauer won 30 Sekunden eine einwandfreie Verteilung der Stahlfasern im Trockengemisch verbanden ist. Knäuelbildungen konnten keine beobachtet werden. Beim Spritzen dieser Gemische bei Spritzbeton mit und ohne Faserzugabe, konnte kein Unterschied festgestellt werden. Es wurde auch kein erhöhter Verschleiß an der Maschine resp. den Dichtungselementen der Spritzanlage festgestellt.

Aufgrund dieser Versuche wurden anhand der Zahlen des EMPA-Berichts 139 106 vom 11.10.1978 der Kurvenverlauf gemäß den drei beiliegenden Kurven festgestellt.. Daraus ist klar ersichtlich, wie sich die Armierung mit der neuerungsgemäßen Stahlfaser auf die verschiedenen Festigkeiten des Betons auswirkt.

Die Neuerung führte zur Entwicklung einer vollständig neuen Stahlfase . Die an diese Stahlfaser gestellten Anforderungen können wie folgt umschrieben werden:

- problemlose Dosierung

- problemlose Verarbeitung, insbesondere in Verbindung mit Spritzbeton

- wirksame Verbesserung der Betonfestigkeiten.

Die Vorteile von Beton mit Stahlfaserverstärk'ung sind unbestritten. Die Anwendung derart armierten Betons eröffnet im Hoch- und Tiefbau weitere Anwendungsgebiete. Die im Zusammenhang mit der Entwicklung von Armierungsfasernm bezüglich deren Dosierung und Verarbeitung durchgeführten Untersuchungen haben aber gezeigt, daß die Beigabe von Stahlfasern der neuerungsgemäßen Art zu Spritzbeton im neuerungsgemäßen Sinne keine größeren Schwierigkeiten bereitet, als deren Verarbeitung in konventionellem. Beton.

Als Anwendungsgebiete kommen ferner in Betracht:

- Industrieböden

Flugpisten, Straßen (Verhinderung von Schwindrissen, erhöhte Abriebsfestigkeit)

- Zementwaren

dünnwandige Elemente ohne statische Beanspruchung, Betonziegel, Zementröhren, Kanalelemente, KabeJ deckhauben

- Tief und Untertagbau

Böschungssicherungen., Kanalauskleidungen, Auskleidung von Spülrinnen, Tosbecken, Schußrinnen bei Hochwasserentlastungsanlagen, Kolkschutz etc-, Sicherungsarbeiten im Betrieb, definitiver Ausbau in Minen und bei Tunnels aller Art.

Im Vorbetrieb kann die Applikation von Stahlfaserbeton anstelle der konventionellen Einbaumethode mit Stahlbögen, Netzen und Gunit erhebliche finanzielle Vorteile bringen.