EP0634526A1 - Verfahren zur Oberflächenbehandlung von zu beschichtenden Werkstücken - Google Patents

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EP0634526A1
EP0634526A1 EP94810402A EP94810402A EP0634526A1 EP 0634526 A1 EP0634526 A1 EP 0634526A1 EP 94810402 A EP94810402 A EP 94810402A EP 94810402 A EP94810402 A EP 94810402A EP 0634526 A1 EP0634526 A1 EP 0634526A1
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EP
European Patent Office
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composite
coated
crack
profiling
profile
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EP94810402A
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Elmar Dr. Tschegg
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Hilti AG
Original Assignee
Hilti AG
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E01—CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
    • E01C—CONSTRUCTION OF, OR SURFACES FOR, ROADS, SPORTS GROUNDS, OR THE LIKE; MACHINES OR AUXILIARY TOOLS FOR CONSTRUCTION OR REPAIR
    • E01C11/00—Details of pavings
    • E01C11/005—Methods or materials for repairing pavings
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E01—CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
    • E01C—CONSTRUCTION OF, OR SURFACES FOR, ROADS, SPORTS GROUNDS, OR THE LIKE; MACHINES OR AUXILIARY TOOLS FOR CONSTRUCTION OR REPAIR
    • E01C7/00—Coherent pavings made in situ
    • E01C7/08—Coherent pavings made in situ made of road-metal and binders
    • E01C7/10—Coherent pavings made in situ made of road-metal and binders of road-metal and cement or like binders
    • E01C7/14—Concrete paving
    • E01C7/145—Sliding coverings, underlayers or intermediate layers ; Isolating or separating intermediate layers; Transmission of shearing force in horizontal intermediate planes, e.g. by protrusions, by inlays

Definitions

  • the invention relates to a method for surface treatment of workpieces to be coated made of cementitious or bituminous or other materials, such as roads, airfields, bridge parts, etc., according to which the surface is roughened and cleaned before the coating is applied.
  • the surface is roughened using various methods, such as sandblasting, water jetting with high water pressures, machining with a needle hammer, milling or milling with appropriate diamond or hard metal tools, brushing with steel wire brushes, etc.
  • chemical treatment methods are also known which are used to roughen and partially remove the surfaces of components and workpieces to be coated.
  • Adhesion promoters are also used to increase the adhesion of the layers to be laid, which should, for example, increase the adhesive bond between old and new concrete.
  • a substance made of plastics or other materials eg cement paste
  • the characterization of the adhesive properties of layers has so far mostly been carried out using the pull-off test.
  • a cylindrical test specimen is drilled perpendicular to the composite surface using a core drilling device right up to the composite material.
  • a steel plate of the same cross section is then glued onto the end face of the test specimen and the drill core is then pulled off in the axial direction by means of a tensile testing device. Since the adhesive strength is often weaker than the strength of the base material, cracking or separation usually occurs more or less in the bonded area. The maximum force required is measured, divided by the cross-sectional area and thus the adhesive tensile strength - as the only parameter - is determined.
  • the test device and associated test specimen shapes described in AT 390328 improved this situation.
  • This test facility is suitable for determining fracture mechanical parameters of materials and material composites.
  • This method eliminates the drawback disadvantages mentioned above.
  • the test method essentially consists of a wedge gap device.
  • the load displacement curve split force depending on the force displacement or crack or notch opening
  • the area under the load shift curve represents the fracture energy that was necessary to completely separate the test specimen.
  • the specific fracture energy G f is obtained .
  • the G f value is a material parameter and represents a measure of the resistance to crack propagation. Small G f values indicate “brittle” and high values indicate “ductile” material separation. On the basis of such a test, a distinction can now be made between brittle and ductile material separation. Furthermore, the maximum value of the force (F max value) can be taken directly from the load shift diagram. A "notch tensile strength" can be calculated from this value. This value is to be seen in a certain connection with the adhesive tensile strength (determined by the tear test).
  • the material characteristics G f which is a measure of the crack resistance of the composite and therefore has incomparably higher significance and more meaningful value for construction practice, gives a value of 20% for this pretreatment, ie only about 1/5 of the old concrete G f value .
  • This example already clearly shows that previously bonded cementitious or bituminous materials were completely wrongly assessed by the tear-off process and therefore the development of measures to improve the adhesion was also not sought, or there was no prospect of much gain in adhesive strength.
  • the object of the invention is to eliminate the disadvantages of the low adhesion (characterized by the G F value) of material composites.
  • the object is achieved in that the roughness corresponds to half the maximum grain diameter of the surface to be coated or the covering layer and that the waviness corresponds to the largest grain diameter.
  • the ripple can be biaxial.
  • the shape of the ripple is expediently carried out according to a sine or triangular shape or according to a similar shape.
  • FIG. 1 shows the profile shapes carried out in the experimental investigations for the design of the old concrete surface.
  • FIGS. 2 and 3 show sections through composite materials with triangular profile composite surfaces, with 1 the aggregate grains, 2 the crack course and 3 the composite surface.
  • FIGS. 4 and 5 show uniaxially corrugated composite surfaces 3 with a triangular profile (FIG. 4) and with a sine profile (FIG. 5).
  • FIG. 6 shows an example of a biaxially corrugated composite surface 3.
  • WL ripple or wavelength
  • RT roughness or profile depth
  • G ligament length
  • the old and new concrete composition was also varied with regard to the grain distribution or the largest grain of the aggregate in order to also demonstrate these effects in accordance with the invention.
  • the specific fracture energy G f was related to the net ligament area, ie to the projection of the composite area (ligament level), ie without taking into account the increase in surface area due to the profiling.
  • the G f value is now related to the actual area that is achieved by the profiling and is designated with absolute breaking energy G ° f .
  • the maximum force F max like the specific fracture energy, increases non-linearly with increasing profile area, so that the highest measured value (at the same height as that of homogeneous concrete) also occurs for "Sinus deep" sandblasted.
  • the crack always runs, as expected, along the weaker interface between old and new concrete.
  • the breaking energy increases proportionally to the increase in area.
  • the energy expenditure for crack formation along the interface becomes greater and greater until the point is reached in which the valley passes through the homogeneous material directly from the bottom
  • Profiling to the next the breaking energy becomes the same or greater and the crack spreads in this way.
  • a further increase in the profile surface no longer increases the breaking energy, since the crack will take the direct route through the homogeneous material.
  • the fracture energy for a crack which spreads from valley to valley in a homogeneous material, is made up of two partial amounts: (a) an amount of low specific fracture energy, that of crack propagation at the bonded area in the trough and (b) one Amount of higher fracture energy that comes from the crack propagation in the full material.
  • the profile shape should therefore be chosen so that this proportion (a) is as small as possible ie the profiling is to be carried out in a sine or triangle or similar geometric form.
  • the trapezoidal shape is therefore less suitable.
  • the interplay of composite surface profiling and aggregates leads to a deflection of the crack into the base material with high crack resistance and additionally creates a mechanical interlocking (between grain-grain and between grain-cement matrix), which increases the fracture energy during the material separation.
  • the composite surface is ablated in such a way that the surface represents the image of a flat transverse wave, as is shown schematically in FIG. 4 for triangular shape and in FIG. 5 for sinusoidal shape.
  • the wavelength should correspond to the largest grain diameter and the roughness depth (measured from trough to wave crest) should correspond to half the largest grain diameter.
  • the surface to be coated is profiled in such a way that it is structured periodically in two mutually perpendicular directions with dimples (depressions) or elevations (crests) and after the surface treatment a more or less uniform pattern of dimples or Has surveys, as shown schematically in FIG.
  • the distance between the dimples or crests should be of such dimensions that the roughness corresponds to half the largest grain diameter and the distance between the "valleys" or “mountains” corresponds to the diameter of the largest grains of the aggregate.
  • the milling should be carried out with the appropriate profile shape.
  • a subsequent water jet treatment and simultaneous cleaning increases the adhesion of the asphalt layer enormously, since the crack deflection effect ("toothing effect") already described is further increased.
  • the addition of an increased proportion of binder instead of water blasting and cleaning cannot make up for this improvement in the adhesive bond.
  • the crack finds an almost ideally brittle, flat layer to spread at cold temperatures (the possibility of crack formation is particularly great here) and is no longer forced to "detour".
  • the layered composite can then be separated without much energy consumption, which means that it is very susceptible to cracking.
  • the waviness with a roughness depth should be in the order of 10-30 mm, since the usual concrete qualities are produced with large particles of 16 to 32 mm. However, a greater roughness depth must be provided in dam construction. In asphalt road construction, on the other hand, a lower roughness depth can be sought due to the addition with smaller, largest grain distributions.
  • dowels e.g. made of metal to increase and improve the adhesion of cement-bound material layers, it is of crucial importance for the durability of the composite, which stretch the composite can endure without cracking.
  • a surface pretreatment of the bearing surface according to the invention leads to the greatest possible expansion capacity of the assembly and thus guarantees that the dowels can absorb and transmit forces in the assembly without cracking. If, on the other hand, the composite has a low expansion capacity, cracks will first appear in the interface and only then will the built-in dowels fully absorb forces or achieve the intended effect. In such cases, however, the opening of the crack mouth usually exceeds the standardized, still permissible value.
  • Another example of an application of the invention is the coating of damaged concrete roads with an asphalt layer.
  • the layered layer can be dimensioned much thinner in comparison to conventional composite manufacturing, since the layered composite according to the invention can withstand higher tensile and shear forces without crack formation.
  • This also applies analogously to composites of cement-bound underlay and cement-bound support layer in general in building and civil engineering. But also in industrial furnace construction, for example, when connecting refractory bricks or, more generally when connecting heterogeneous ceramic materials, profiling the composite surface according to the invention brings about an increase in adhesion.

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Abstract

Verfahren zur Oberflächenbehandlung von zu beschichtenden Werkstücken aus zementgebundenen oder bituminösen oder anderen Verbundwerkstoffen, wie Straßen, Flugplätzen, Brückenteilen usw., gemäß welchem die Oberfläche vor Aufbringen der Beschichtung aufgerauht und gereinigt wird, daß die Rauhtiefe dem halben Größtkorndurchmeßer (1) der zu beschichtenden Oberflächen (3) bzw. der beschichtenden Deckschicht (3) entspricht und daß die Welligkeit dem Größtkomdurchmesser (1) entspricht. Diese Welligkeit kann ein- oder auch zweiachsig ausgebildet sein. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Obertlächenbehandlung von zu beschichtenden Werkstücken aus zementgebundenen oder bituminösen oder anderen Werkstoffen, wie Straßen, Flugplätzen, Brückenteilen, usw., gemäß welchem die Oberfläche vor Aufbringen der Beschichtung aufgerauht und gereinigt wird.
  • Die Aufrauhung der Oberfläche wird heute mit verschiedenen Verfahren durchgeführt, wie z.B durch Sandstrahlen, Wasserstrahlen mit hohen Wasserdrücken, Bearbeitung mit dem Nadelhammer, Auffräsen bzw. Abfräsen mit entsprechenden Diamant- oder Hartmetallwerkzeugen, Abbürsten mit Stahldrahtbürsten u.a.. Neben den mechanischen Methoden sind auch chemische Behandlungsverfahren bekannt, die zur Aufrauhung und teilweisen Abtragung der Oberflächen von zu beschichtenden Bauteilen und Werkstücken herangezogen werden. Zur Erhöhung der Haftung der zur Auflage kommenden Schichten werden auch Haftvermittler verwendet, die z.B. den Haftverbund zwischen Alt- und Neu-Beton erhöhen sollten. Meist wird eine aus Kunststoffen oder anderen Materialien (z.B. Zementleim) aufgebaute Substanz in Form einer dünnen Schicht auf die mehr oder weniger aufgerauhte Oberfläche des Altbetons aufgebracht. Solche Substanzen und Verfahren werden von vielen Firmen angeboten und zeigen, wie wissenschaftliche Untersuchungen von Hilsdorf und Belli (Einfluß der Haftbrücken auf die Haltbarkeit von Ausbesserungen mit Zementmörtel; in Forschung Straßenbau und Verkehrstechnik, Heft 342, S 47-89, 1981) gezeigt haben, nicht die erwünschte Wirkung, sondern führen in einigen Fällen sogar zu einer größeren Rißanfälligkeit und Schwächung des Verbundes.
  • Die Charakterisierung der Hafteigenschaften von Schichten wurde bisher meist mit dem Abziehversuch (pull-off-Test) durchgeführt. Senkrecht zur Verbundfläche wird mit einer Kernbohreinrichtung ein zylinderförmiger Prüfkörper bis unter den Werkstoffverbund frei gebohrt. Auf die Stirnfläche des Prüfkörpers wird nun eine Stahlplatte gleichen Querschnittes aufgeklebt und der Bohrkern dann mittels einer Zugprüfeinrichtung in achsialer Richtung abgezogen. Da die Haftfestigkeit häufig schwächer als die Festigkeit des Grundmaterials ist, tritt eine Rißbildung bzw. Trennung meist mehr oder weniger in der Verbundfläche auf. Die dabei erforderliche Höchstkraft wird gemessen, durch die Querschnittsfläche dividiert und somit die Haftzugfestigkeit - als einzige Meßgröße - bestimmt. Diese Tatsache ist als besonderer Nachteil dieser Methode zu nennen, da auf Grund dieses Meßergebnisses nicht beurteilt werden kann, ob die Verbundtrennung in Form eines "spröden" oder "duktilen" Bruches erfolgte, bzw. ob zur Verbundtrennung wenig (spröder Bruch) oder viel Energie ("duktiler Bruch") aufzuwenden war. Der Abziehversuch ist daher eine unzureichende Methode zur Charakterisierung des Haftverbundes von Werkstoffen. Trotzdem fand dieses Verfahren Eingang in verschiedene Normen.
  • Eine Verbesserung dieser Situation brachte die in der AT 390328 beschriebene Prüfvorrichtung und dazugehörige Prüfkörperformen. Diese Prüfeinrichtung eignet sich zur Ermittlung von bruchmechanischen Kennwerten von Werkstoffen und Werkstoffverbunden. Diese Methode beseitigt die oben genannten Nachteile des Abziehverfahrens. Die Prüfmethode besteht im wesentlichen aus einer Keilspalteinrichtung. An würfel- oder zylinderförmigen Probekörpern, die mit einer Nut und einer Starterkerbe (positioniert im Werkstoffverbund) versehen sind, wird mit Hilfe einer Keilbelastungseinrichtung der Probekörper bei stabiler Rißausbreitung gespalten. Während der Messung wird die Lastverschiebungskurve (Splittingkraft in Abhängigkeit der Kraftverschiebung bzw. Riß- oder Kerböffnung) bestimmt; diese enthält alle Informationen zur vollständigen Charakterisierung des Bruchverhaltens des Werkstoffs bzw. des Materialverbundes. Die Fläche unter der Lastverschiebungskurve repräsentiert die Bruchengie, die zur völligen Trennung des Prüfkörpers notwendig war. Wird die Bruchengie durch die Größe der Bruchfläche (nur Projektion der Ligamentfläche wird herangezogen) dividiert, so erhält man die spezifische Bruchenergie Gf. Der Gf-Wert ist eine Materialkenngröße und stellt ein Maß für den Widerstand gegen Rißausbreitung dar. Kleine Gf-Werte weisen auf "spröde" und hohe Werte auf "duktile" Materialtrennung hin. Auf Grund einer solchen Prüfung kann nun zwischen spröder und duktiler Materialtrennung unterschieden werden. Weiters kann direkt aus dem Lastverschiebungsdiagramm der Maximalwert der Kraft (Fmax-Wert) entnommen werden. Aus diesem Wert läßt sich eine "Kerbzugfestigkeit" berechnet. Dieser Wert ist in einem gewissen Zusammenhang mit der Haftzugfestikgeit (bestimmt durch den Abreißversuch) zu sehen.
  • Die Charakterisierung von Haftverbunden mit dieser neuen Prüfmethode bringt neue Erkenntnisse, die entscheidende Bedeutung und großen Einfluß auf die Gestaltung und Ausführung von Materialverbunden haben.
  • In der Veröffentlichung "Adhesive Power Measurements of Bonds between Old and New Concrete" im J. of Materials Science, 26 (1991) Seite 5189-5194 von E.K.Tschegg und S.E. Stanzl mit wird mit der neuen Keilspaltmethode der Einfluß verschiedener Altbeton-Oberflächenbehandlungen sowie Haftvermittler auf die Haftung von Alt-Neubeton-Verbunden untersucht. Werden diese Meßergebnisse für die spezifische Bruchenenergie und für die Fmax- Werte für die verschieden geprüften Verbundtypen auf die Werte des homogenen Betons normiert, so ergibt sich folgendes Bild:
    Figure imgb0001
  • Aus oben stehender Tabelle geht hervor, daß der normierte Fmax-Wert bei den meisten untersuchten Proben ca. um 50% und dem Wert des homogenen Betons eigentlich schon in die Nähe kommt. Für die Rißbildung im Verbunde ist dieser Wert jedoch nicht maßgebend, sondern vielmehr die spezifische Bruchenergie Gf. Hier liegen die normierten Gf-Werte bei ca. 10 bis 20%.(bezogen auf homogenen Beton). Werden daher Ergebnisse des Abreißversuches (ähnlich den Fmax-Werten) zur Beurteilung der mechanischen Eigenschaften des Haftverbundes herangezogen, so würde man z.B. bei der Vorbehandlung "Sandstrahlen" einen Wert von ca 50%, also ca. die Hälfte des Altbetonwertes erhalten. Der Materialkennwerte Gf hingegen, der ein Maß für den Rißwiderstand des Verbundes darstellt und daher für die Baupraxis unvergleichbar höhere Bedeutung und gewichtigeren Aussagewert hat, ergibt für diese Vorbehandlung einen Wert von 20%, d.h. nur ca 1/5 des Altbeton Gf-Wertes. An diesem Beispiel wird bereits deutlich sichtbar, daß bisher Verbunde von zementgebundenen oder bituminösen Werkstoffen durch das Abreißverfahren völlig falsch beurteilt wurden und daher die Entwicklung von Maßnahmen zur Verbesserung der Haftung auch nicht angestrebt wurde, bzw. nicht mehr viel Gewinn an Haftfestigkeit in Aussicht stand.
  • Aus obiger Tabelle geht weiters hervor, daß durch eine bisher gebräuchliche Vorbehandlung der Altbetonoberfläche, wie Sandstrahlen im üblichen Ausmaß nur eine relativ geringe Erhöhung der Haftung im Vergleich zu keiner Behandlung ("schalglatt") erreichen läßt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile der geringen Haftung (charakterisiert durch den GF-Wert) von Materialverbunden zu beheben.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Rauhtiefe dem halben Größtkorndurchmesser der zu beschichtenden Oberfläche bzw. der beschichtenden Deckschichte entspricht und daß die Welligkeit dem Größtkorndurchmesser entspricht.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Welligkeit zweiachsig ausgebildet sein.
  • Die Form der Welligkeit wird zweckmaßigerweise nach einer Sinus- oder Dreiecksgestalt oder nach einer ähnlichen Gestalt ausgeführt.
  • Die Erklärung dieser Erfindung kann an Hand von Ergebnissen aus Versuchen sowie von Beobachtungen und Überlegungen zur Rißausbreitung in verschieden gestalteten Verbundoberflächen von zementgebundenen und bituminösen Werkstoffen mit unterschiedlicher Zuschlagsverteilung und Größe gegeben werden. Weiters wird im folgenden die Erfindung durch die Figuren 1 bis 6 näher erläutert. Figur 1 stellt die in den experimentellen Untersuchungen ausgeführten Profilformen zur Gestaltung der Altbetonoberfläche dar. Figur 2 und 3 zeigen Schnitte durch Werstoffverbunde mit Dreiecksprofilverbundflächen, wobei mit 1 die Zuschlagkörner, mit 2 der Rißverlauf und mit 3 die Verbundfläche bezeichnet ist. In Figur 4 und 5 sind einachsig gewellte Verbundflächen 3 mit Dreiecksprofil (Figur 4) und mit Sinus-Profil (Figur 5) dargestellt. Figur 6 zeigt ein Beispiel für eine zweiachsig gewellte Verbundfläche 3.
  • Bei der Herstellung der Altbetonprobenkörper für die experimentelle Überprüfung der Erfindung wurde die Verbundfläche (durch die Verwendung verschiedener Formbleche in der Schalung) unterschiedlich gestaltet. In Figur 1 sind Beispiele für die Verbundflächenprofilierung gezeigt. Die in Fig. 1 über den Profilen angeführten Bezeichnungen werden im folgenden als Kurzbenennung verwendet: a...Sinus flach, b...Sinus tief, c... Dreieck groß, d... Trapez, e...Dreieck klein. Es wurde die Wellenform (Sinus, Dreieck, Trapez, usw. ), Amplitude (Rauhtiefe) RT und Wellenlänge (Weligkeit) WL variiert, um den Einfluß der Oberflächengestalt der Verbundfläche auf das Bruchverhalten gemäß oben angeführter Erfindung zu beweisen. So wurden z. B.folgende Maße für eine Versuchsserie ausgewählt (Maße in mm):
    Figure imgb0002
  • WL... Welligkeit oder Wellenlänge, RT... Rauhtiefe oder Profiltiefe, G...Ligamentlänge
  • Auch wurde die Alt- und Neu-Beton-Zusammensetzung bezüglich der Kornverteilung bzw. des Größtkornes des Zuschlages variiert, um auch diese Auswirkungen entsprechend der Erfindung nachzuweisen.
  • Mit der Splittingmethode (Patentschrift 390 328) wurden Alt-Neu-Betonverbunde mit profilierter Verbundfläche sowohl mit "schalglatter" als auch mit "sandgestrahlter" Oberflächenvorbehandlung geprüft. Auch fand diese Untersuchung mit verschiedenen Zuschlagsverteilung bzw. verschiedenen Größtkörnern, aber bei gleicher Oberflächenprofilierung statt. Als Teilergebnis dieser Untersuchung für Alt-Neu-Beton-Verbunde mittlerer Qualität und mit einem Größtkorn von 16 mm sind die Resultate im folgenden angeführt:
    Profilform Fmax/Fmax,hom % Gf/Gfhom %
    Verbundfläche "schalglatt"
    Sinus tief 75 75,3
    Sinus flach 54 21
    Dreieck klein 64 62
    Dreieck groß 49 50
    Trapez 50 43
    Eben 12 5
    Verbundfläche "sandgestrahlt"
    Sinus tief 94 99
    Sinus flach 83 78
    Dreieck klein 74 64
    Dreieck groß 76 85
    Trapez 69 80
    Eben 41 17
    Homogener Probekörper Fmax,hom=11210 N, Gf,hom=90 N/m
  • Sowohl bei unbehandelter als auch bei sandgestrahlter profilierter Verbundfläche ist die erhebliche Steigung der spezifischen Bruchenergie und der Maximalkraft gegenüber der ebenen Verbundfläche aus obiger Tabelle ersichtlich. Die spezifische Bruchenergie Gf wurde hierbei auf die Nettoligamentfläche, d.h. auf die Projektion der Verbundfläche (Ligamentebene) bezogen, also ohne Berücksichtigung der Oberflächenvergrößerung durch die Profilierung. In folgender Tabelle wird der Gf-Wert nun auf die tatsächliche Fläche bezogen, die durch die Profilierung erzielt wird, und mit absoluter Bruchenergie G°f bezeichnet.
    Profilform Flächen Vergrößerung % schalglatt G°f/Gf,hom (Gf/Gf,hom) % sandgestrahlt G°f/Gf,hom (Gf/Gf,hom) %
    Eben 0 5 (5) 17 (17)
    Sinus flach 21 16 (21) 64 (78)
    Dreieck groß 23.5 41 (50) 68 (85)
    Trapez 25 35 (43) 52 (80)
    Dreieck klein 37 45 (62) 48 (64)
    Sinus tief 63 46 (75.3) 62 (99)
  • Aus dieser Tabelle ist ablesbar, daß die absolute Bruchenergie G°f mit wachsender Profilfläche steigt, sowohl für die Vorbehandlung "schalglatt" als auch "sandgestrahlt". Eine Ausnahme bildet dabei das Profil "Dreieck klein", sandgestrahlt, mit einem auffallend kleinen Bruchenergiewert. Dieses Profil weist im Vergleich zu den anderen die höhere Wellenanzahl (Rippenanzahl) bei gleichzeitig kleinster Profiltiefe auf, also viele kleinflächigere Flanken und viele Kanten. Beim Profil "Sinus tief" sandgestrahlt (Oberflächenvergrößerung 63%). erreicht der Bruchenergiewert Gf praktisch den Wert des homogenen Betons. Zusammenfassend geht aus dieser Untersuchung klar hervor, daß der absolute Bruchenergiewert G°f mit die Vergrößerung der Verbündfläche durch eine Profilierung zwar zunimmt, diese Zunahme aber nicht linear mit der Flächenvergrößerung verläuft. Mit Zunahme der Oberflächenvergrößerung werden die Bruchenegiezuwächse immer kleiner, bis schließlich ein konstanter Gf-Wert erreicht wird, der dem für homogenes Material entspricht. Für die verschiedenen Profilformen ist der Verlauf der Gf-Zunahme unterschiedlich.
  • Auch die Maximalkraft Fmax steigt ebenso wie die spezifische Bruchenergie mit zunehmender Profilfläche nichtlinear an, sodaß auch für "Sinus tief" sandgestrahlt der höchste gemessene Wert (in gleicher Höhe wie von homogenem Beton) auftritt.
  • Ein weiteres wichtiges Ergebnis dieser experimentellen Untersuchungen ergab, daß bei gleicher Profilierung der Oberfläche die spezifische Bruchenergie bei erfindungsgemäßer Oberflächengestaltung den höchsten Wert und bei größerem und kleinerem Größtkorndurchmesser markant abfiel.
  • Diese experimentellen Bestätigungen der Erfindungen können auch an Hand von Modellen erklärt werden.
  • Betrachtet man die Bruchfläche bei ebenen Verbundflächen, so verläuft der Riß erwartungsgemäß immer längs der schwächeren Grenzfläche zwischen Alt- und Neubeton. Durch zwei oder dreidimensionale Profilierung der Grenzfläche, längs welcher der Riß verläuft. nimmt damit auch in erster Annäherung die Bruchenergie proportional zur Flächenvergrößerung zu. Mit zunehmender "Amplitude" und damit Flächenvergrößerung (hängt auch von der Form der Profilierung ab) wird der Energieaufwand für die Rißbildung entlang der Grenzfläche immer größer, bis der Punkt erreicht ist, in dem mit dem Weg direkt durch das homogene Material von einer Talsohle der Profilierung zur nächsten die Bruchenergie gleich groß oder größer wird und der Riß sich auf diesem Weg ausbreitet. Eine weitere Erhöhung der Profiloberfläche (insbesondere durch eine Vertiefung des Profils) bringt nun keine Erhöhung der Bruchenergie mehr, da der Riß den direkten Weg durch das homogene Material nehmen wird.
  • Die Bruchenergie für einen Riß, der sich auf kurzem Wege von Talsohle zu Talsohle im homogenen Material ausbreitet, setzt sich aus zwei Teilbeträgen zusammen: (a) einem Betrag niederer spezifischer Bruchenergie, der von der Rißausbreitung an der Verbundfläche im Wellental und (b) einem Betrag höherer Bruchenergie, der von der Rißausbreitung im vollen Material her stammt. Die Profilform sollte daher so gewählt werden, daß dieser Anteil (a) möglichst klein ist d.h. die Profilierung ist in Sinus- oder Dreieck- oder ähnlicher geometrischer Form auszuführen. Die Trapezform ist daher weniger geeignet.
  • Bei dieser bisherigen Überlegung wurden die Gegebenheiten von Aggregaten aus Gestein (die viel härter sind als die Zementmatrix) für Betonverbunde noch nicht in Betracht gezogen. Die Zuschlagkörner bedeuten für den Riß im Grundmaterial eine Verlängerung des Rißweges, da er diese umgehen muß. Je größer der Korndurchmesser ist, desto größer werden auch die Umwege und damit auch die Energiekonsumation des Risses auf dem Weg von einer Profilsohle zur nächsten. In Figur 2 ist dieser Sachverhalt für kleine und in Figur 3 für große Zuschlagkörner schematisch dargestellt. (Zuschlag korn 1, Rißweg 2 und Verbundfläche 3) Allerdings gilt dies nur solange, bis das Korn zur Hälfte zwischen zwei Tälern der Profilierung Platz hat (siehe dazu Figur 3), d.h. solange der halbe Größtkorndurchmesser nicht größer ist als ca. die Taltiefe (Rauhtiefe der Verbundfläche)der Profilierung ist. Ansonsten kann das Korn nur mit einem Teil seiner Oberfläche in den Zwischenraum eintauchen und somit nur zum Teil mit dem maximal möglichen Ausmaß rißverlängernd wirken.
  • Das Zusammenspiel von Verbundflächenprofilierung und Zuschlagkörnern führt zu einer Ablenkung des Risses in das Grundmaterial mit hohem Rißwiderstand und erzeugt zusätzlich noch eine mechanische Verzahnung (zwischen Korn-Korn sowie zwischen Korn-Zementmatrix), die sich bei der Materialtrennung Bruchenergie erhöhend auswirkt.
  • Zusammenfassend geht aus dieser Betrachtung hervor, daß für einen guten Verbund von zementgebundenen, bituminösen und anderen Werkstoffen daher nicht nur die mechanischen Eigenschaften des Grund- und Auflagewerkstoffes und eine Aufrauhung und Säuberung der zu beschichtenden Oberfläche entscheidend sind, sondern die Haftung auch von einer Profilierung der Verbundfläche, die von der Größe der Zuschlagstoffe abhängt, beeinflußt wird. Erst eine erfindungsmäßige Profilierung der Auflagefläche läßt einen Verbund mit mechanischen Eigenschaften erwarten, der dem Grundwerkstoff praktisch äquivalent ist und mit bisher bekannten und üblichen Verfahren nicht erreicht werden kann.
  • Bei einachsiger Realisierung der Welligkeit von Auflageflächen aus zementgebundenen oder bituminösen oder anderen Werkstoffen erfährt die Verbundfläche eine Abtragung derart, daß die Oberfläche das Bild einer ebenen Transversalwelle darstellt, wie dies in Figur 4 für Dreieckform und Figur 5 für Sinusform schematisch dargestellt ist. Die Wellenlänge soll dabei dem Größtkorndurchmesser und die Rauhtiefe (gemessen von Wellental bis Wellenberg) dem halben Größtkorndurchmesser entsprechen. Im Falle einer zweiachsigen Welligkeit wird die zu beschichtende Oberfläche derart profiliert, daß sie in zwei aufeinander senkrecht stehenden Richtungen in periodischen Abständen mit Grübchen (Vertiefungen) bzw. Erhebungen (Kuppen) strukturiert wird und nach der Oberflächenbehandlung ein mehr oder weniger gleichmäßiges Muster von Grübchen bzw. Erhebungen aufweist, wie dies in Figur 6 schematisch gezeigt ist. Der Abstand der Grübchen bzw. Kuppen sollte solche Ausmaße haben, daß die Rauhtiefe dem halben Größtkorndurchmesser und der Abstand der "Täler" bzw. der "Berge" dem Durchmesser der Größtkörner des Zuschlages entspricht.
  • Die Herstellung der erfindungsgemäßen Profilierung der Auflageflächen kann mit Hilfe verschiedener Verfahren und Einrichtungen vorgenommen werden. Im folgenden werden beispielhaft einige solche Einrichtungen und Verfahren aufgezählt und beschrieben.
    • 1. Wasserstrahlbehandlung: Mit Hilfe der Wasserstahltechnik (insbesondere mit hohen Drücken) kann sowohl eine Profilierung ein- und zweiachsig hergestellt werden, indem der Wasserdruck periodisch (nach einer Dreieck- oder Sinus-Funktion) während des Behandlungsvorganges eingestellt wird. Damit kommt es zu mehr und weniger Abtragungen auf der behandelten Oberfläche und somit zur gewünschten einachsigen Profilierung. Dies kann auch erreicht werden, indem der Wasserdruck konstant gehalten wird und die Überstreichgeschwindigkeit bzw. die Behandlungsdauer der Oberfläche nach einer entsprechenden vorgegebenen Funktion verändert wird.
      Auch kann z.B. eine zweichachsige Profilierung durch eine gegenphasige Variierung des Wasserdruckes von nebeneinander liegenden in einem bestimmten Abstand angeordneten Wasserstrahldüsen erreicht werden.
    • 2. Mechanische Oberflächenbehandlung: Mit rotierenden bzw. bewegten Hartmetall- oder Diamantwerkzeugen lassen sich die erfindungsgemäßen Profilierungen durch Schleifen oder Schneiden, oder Fräsen herstellen. Dabei können die Werkzeuge die gewünschte Profilform bereits aufweisen oder durch entsprechende mechanische Einrichtung so geführt werden, daß diese Form ausgebildet wird. Eine sehr einfache Variante dazu wäre die linienförmige (in einem gewissen Abstand) Anordnung von Schlagbohrmaschinen, die Bohrungen mit geringer Tiefe in die Oberfläche einbringen. Bei der Bearbeitung einer Oberfläche wird dieses Werkzeug sukzessive immer wieder um den Durchmesser des Größtkornes des Zuschlages in den unbearpeiteten Bereich verschoben und somit eine flächenhafte Profilierung realisiert. Es ist auch möglich, solche Bohreinrichtungen in regelmaßigen Abstanden flächenhaft anzuordnen und mit diesem Modul dann sukzessive angrenzende Teilbereiche mit einer Profilierung zu versehen. Die Bohreinrichtungen können auch durch Ultraschallhämmer ersetzt werden bzw. in Kombination mit Bohrmaschinen eingesetzt werden.
    • 3. Kombination von verschiedenen Oberflächenbehandlungseinrichtungen wie z.B. Wassertrahlbehandlung und mechanische Bearbeitung: Rationelle und kostensparende Oberflächenbehandlungen können z.B. mit Einrichtungen erreicht werden, die eine erfindungsmäßige Profilierung mit mechanischer Bearbeitung und einer Wasserstrahlbehandlung (ev. auch Sandstrahlbehandlung) realisieren. Dabei kann z.B. eine grobe Abtragung durch mechanische Methoden und die Nachbearbeitung und Säuberung durch Wasserstrahlen erfolgen.
  • Beim Einsatz von Haftvermittlern bringt - wie bereits durch experimentelle Ergebnisse nachgewiesen werden kann - eine erfindungsgemäße Profilierung der Oberfläche große Vorteile und zwar durch eine enorme Erhöhung der Haftungseigenschaften des Verbundes und Einsparung von Haftvermittlermaterial.
  • Bei großen Bauwerken aus zementgebundenen Werkstoffen, z.B. Staudämmen oder bei bituminösen Werkstoffen, z.B. im Straßenbau ist herstellungsbedingt eine Ausführung des Bauwerkes ohne Material-bzw. Schichtverbunde unmöglich. Bei Verbunden mit hohen Anforderungen ist es vorteilhaft, bereits bei der Herstellung der Auflagefläche eine Profilierung vorzunehmen. Dies kann z.B. im Straßenbau durch Einwalzen von Rillen bzw. Grübchenmustern in den Asphalt erfolgen. Auch ist eine kurze Wasserstrahlbehandlung als alternative Vorbehandlung möglich.
  • Bei der Beschichtung von abgefrästem Alt-Asphalt (oder anderen Vorbehandlungen) sollte bereits die Abfräsung mit entsprechender Profilform erfolgen. Eine nachfolgende Wasserstrahlbehandlung und gleichzeitige Säuberung steigert die Haftung der Asphaltschicht enorm, da der bereits beschriebene Rißablenkungseffekt ("Verzahnungseffekt") weiter erhöht wird. Die Zugabe von erhöhtem Bindemittelanteil anstatt der Wasserstrahlung und Reinigung kann diese Verbesserung des Haftverbundes nicht wettmachen. In diesem Falle findet der Riß bei kalten Temperaturen (hier ist die Möglichkeit der Rißentstehung besonders groß) eine nahezu ideal spröde ebene Schichte zur Ausbreitung vor und wird nicht mehr zu "Umwegen" gezwungen. Der Schichtverbund kann dann ohne große Energiekonsumation getrennt werden, was eine starke Rißanfälligkeit bedeutet.
  • Es sei noch darauf hingewiesen, daß z. B. im Straßenbau Fahrbahnschichtverbunde hohen Scherbeanspruchungen ausgesetzt sind, die zur Verbundtrennung und nachfolgend zu Schadensfällen führen. Durch eine erfindungsmäßige Profilierung der Verbundfläche wird eine solche Scherbeanspruchung optimal abgestützt, eine Rißöffnung (in Modus l) durch die gute Haftung der Schichten verhindert und damit bezüglich von Scherrissen höchstmöglicher Widerstand realisiert.
  • Bei der Beschichtung bzw. Verbindung von Beton in der üblichen Baupraxis ist zu beachten, daß die Welligkeit mit einer Rauhtiefe in der Größenordnung von 10-30 mm betragen sollte, da die üblichen Betonqualitäten mit Großtkörnen von 16 bis 32 mm hergestellt werden. Im Staudammbau ist jedoch eine größere Rauhtiefe vorzusehen. Im Asphaltstraßenbau hingegen kann aufgrund des Zuschlages mit kleineren Größtkornverteilungen eine geringere Rauhtiefe angestrebt werden.
  • Werden Dübel z.B. aus Metall zur Erhöhung und Verbesserung der Haftung von zementgebundenen Werkstoffschichten eingesetzt, so ist es für die Haltbarkeit des Verbundes von entscheidender Bedeutung, welche Dehnung der Verbund ohne Rißbildung ertragen kann. Eine erfindungsgemäße Oberflächenvorbehandlung der Auflagefläche führt zur größtmöglichen Dehnungskapazität des Verbundes und garantiert damit, daß die Dübel ohne Rißbildung im Verbund Kräfte aufnehmen und übertragen können. Hat hingegen der Verbund eine geringe Dehnungskapazität, so tritt zuerst Rißbildung in der Grenzfläche ein und erst dann nehmen die eingebauten Dübel im vollen Umfange Kräfte auf bzw. kommen zu der ihnen zugedachten Wirkung. Meistens überschreitet aber in solchen Fällen die Rißmundöffnung dabei den genormten noch zulässigen Wert.
  • Als weiteres Beispiel einer Anwendung der Erfindung, sei die Beschichtung von schadhaften Betonstraßen mit einer Asphaltschichte genannt. Bei einem erfindungsgemäßen ausgeführten Schichtverbund kann die Auflageschichte wesentlich dünner dimensioniert werde im Vergleich zu üblichen Verbundherstellungen, da der erfindungsgemäße Schichtverbund höhere Zug- und Scherkräfte ohne Rißbildung ertragen kann. Dies gilt auch analog für Verbunde von zementgebundener Unterlage und zementgebundener Auflageschichte ganz allgemein im Hoch- und Tiefbau. Aber auch z.B. im Industrieofenbau bei der Verbindung von Feuerfeststeinen bzw., ganz allgemein bei der Verbindung von heterogenen keramischen Werkstoffen bringt eine erfindungsgemäße Profilierung der Verbundfläche eine Steigerung der Haftung mit sich.

Claims (3)

  1. Verfahren zur Oberflächenbehandlung von zu beschichtenden Werkstücken aus zementgebundenen oder bituminösen oder anderen Verbundwerkstoffen, wie Straßen, Flugplätzen, Brückenteilen usw., gemäß welchem die Oberfläche vor Aufbringen der Beschichtung aufgerauht und gereinigt wird, dadurch gekenn zeichnet, daß die Rauhtiefe (RT) dem halben Größtkorndurchmesser der zu beschichtenden Oberflächen (3) bzw. der beschichtenden Deckschicht (3) entspricht und daß die Welligkeit (WL) dem Größtkorndurchmesser entspricht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Welligkeit (WL) zweiachsig ausgebildet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Welligkeit (WL) eine durch monotones Ansteigen vom Grund des Wellentales zum Scheitel des Wellenberges gebildete Gestalt, insbesondere Sinus- oder Dreiecksgestalt aufweist.
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