EP1819644A2 - Tragelement und tragelementanordnung, insbesondere für betonbauwerke und betonbauteile - Google Patents

Tragelement und tragelementanordnung, insbesondere für betonbauwerke und betonbauteile

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EP1819644A2
EP1819644A2 EP05770875A EP05770875A EP1819644A2 EP 1819644 A2 EP1819644 A2 EP 1819644A2 EP 05770875 A EP05770875 A EP 05770875A EP 05770875 A EP05770875 A EP 05770875A EP 1819644 A2 EP1819644 A2 EP 1819644A2
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EP
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crystallite
polymer component
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binder
support element
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EP05770875A
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Josef Scherer
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    • E04G—SCAFFOLDING; FORMS; SHUTTERING; BUILDING IMPLEMENTS OR AIDS, OR THEIR USE; HANDLING BUILDING MATERIALS ON THE SITE; REPAIRING, BREAKING-UP OR OTHER WORK ON EXISTING BUILDINGS
    • E04G23/00—Working measures on existing buildings
    • E04G23/02—Repairing, e.g. filling cracks; Restoring; Altering; Enlarging
    • E04G23/0218—Increasing or restoring the load-bearing capacity of building construction elements
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04C—STRUCTURAL ELEMENTS; BUILDING MATERIALS
    • E04C5/00—Reinforcing elements, e.g. for concrete; Auxiliary elements therefor
    • E04C5/07—Reinforcing elements of material other than metal, e.g. of glass, of plastics, or not exclusively made of metal
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • E04G23/0218—Increasing or restoring the load-bearing capacity of building construction elements
    • E04G2023/0251—Increasing or restoring the load-bearing capacity of building construction elements by using fiber reinforced plastic elements

Definitions

  • Support element and support element arrangement in particular for concrete structures and concrete components
  • the invention relates to a support element and a support arrangement, in particular for concrete structures and concrete components, the.
  • Carrying element comprises at least one supporting fiber arrangement embedded in a binder.
  • the supporting element arrangement belonging to the subject matter of the invention the supporting element is connected to a building or component by means of an adhesive.
  • Support elements and support element arrangements of this type are known, for example in the form of scrims or woven fabrics made of high-strength fibers, which are laminated on with a binder in the tension zone of a concrete surface. Correspondingly prefabricated laminates are also used, which are glued in the tension zone of a concrete surface.
  • the application extends to repairs at cracks and fractures of load-bearing concrete structures, but also to the reinforcement of structures that are still intact for increased loads as well as to new designs for concentrated loads, especially in situations where space is soaked up. In these and other applications, concrete with more or less high moisture content is generally present in the base of the laminate support elements.
  • the coatings and intermediate layers may also contain water and other dampening media, the long-term diffusion of which in the form of corresponding vapors should not be hindered by the extensive support elements or their hardened binder polymer components.
  • Known urethane-based polymers are available for the binders, which, when cured, have sufficient vapor permeability for the purposes at hand.
  • such binders have a very low shear emodule compared to the modules of the high-strength laminate fibers.
  • fiber strength cannot be fully exploited in many cases because the shear-soft binder located between the substrate to be relieved and the laminate fibers as well as between the laminate fibers themselves limits the force transmission to the fibers to values that are too low. This is especially true for pre-stressed fiber arrangements.
  • known binder polymers with modulus values suitable for the present purposes in particular the known epoxy binders, have practically no vapor permeability in the hardened state.
  • a first object of the invention is therefore to create a support element which comprises at least one support fiber arrangement embedded in a binder and which is distinguished by high vapor permeability with high strength and modulus values at the same time.
  • the further task of the invention directed towards a support element arrangement the same applies correspondingly to the bonding between the substrate and the support element.
  • the solution according to the invention of the first task of the invention is determined by the features of patent claim 1, that of further tasks of the invention by the features of the subordinate claims.
  • a binder polymer component is first required which, taken by itself, has a relatively high water vapor diffusion resistance coefficient ⁇ in the hardened state.
  • This standardized coefficient is a dimensionless number and indicates how many times the water vapor diffusion resistance of a layer of the The substance in question is that of an equally thick, resting air layer of the same temperature. It is therefore a material-specific characteristic value for water vapor diffusion.
  • the ⁇ -value is around 10 5 , which means practically impermeability and makes these resins unsuitable as binders for purposes of building reinforcement with relevant post-drying of the substrate.
  • epoxy resins have a high potential in terms of tensile and shear strength and also in terms of shear modulus (high shear stiffness), which makes them preferred as binders in reinforcement laminates, particularly in constructions with high fiber prestressing.
  • microcrystalline mineral substances are particularly suitable for the crystallite fraction, preferably those with alkaline reactivity, for example, in particular silicate-containing crystallite materials. PH values in the range between 9 and 12 are therefore advantageous for the crystallite fraction.
  • the alkaline crystallite fraction in fine distribution within the binder polymer component comes into contact with air diffusing in from the outside and can neutralize the carbon dioxide present in it. This helps to maintain the alkaline character in the concrete and thus to prevent corrosion effects on steel reinforcements in the concrete.
  • fiber arrangements interspersed with a binder polymer component and a crystallite component, at least partially consisting of high-strength polymer are therefore particularly suitable, especially those with fibers made of aramide, carbon and / or alkali-resistant glass.
  • Such fiber arrangements preferably with an epoxy-based binder, are eminently suitable for the production of supporting fiber arrangements with strands and scrims, especially in a unidirectional arrangement, but also of fabrics and the like with fibers or fiber bundles twisted at least partially with respect to one another.
  • a laminate support element or a plurality thereof is connected to a building by gluing.
  • This bond contains a polymer component which, by itself, ie without crystallite content, has a relatively high diffusion resistance number ⁇ of, for example, at least 20,000 in the hardened state, but advantageously high mechanical elasticity and strength values, namely, for example, a shear modulus G of at least 5000 N / mm 2 and a tensile strength of at least 10 N / mm 2 .
  • Including a crystallite fraction according to the invention then results in a water vapor diffusion resistance number ⁇ of at most 10,000.
  • a peculiarity of such a support element arrangement can be seen in the fact that the bonding of the support element to the substrate is vapor-permeable. This is of significant importance in practice, in particular for prefabricated laminate fiber support elements which are to be connected in the solid state to a component or building and which themselves can also be more or less vapor-permeable. Without the vapor permeability of the bond itself, the total vapor permeability would be largely eliminated.

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Abstract

Gattungsmerkmale der Erfindung: Tragelement, insbesondere für Betonbautwerke und Betonbauteile, das wenigstens eine in einen Binder eingebettete Tragfaseranordnung aufweist. Merkmale einer ersten bzw. einer weiterführenden Erfindungsaufgabe: Schaffung eines Tragelementes, das wenigstens eine in einen Binder eingebettete Tragfaseranordnung umfasst und sich durch hohe Dampfdurchlässigkeit bei gleichzeitig hohen Festigkeits- und Emodulwerten auszeichnet. Bezüglich einer weiterführenden, auf eine Tragelementanordnung gerichteten Erfindungsaufgabe gilt entsprechendes für den in der Verklebung zwischen Untergrund und Tragelement enthaltenen Binder. Merkmale der ersten Aufgabenlösung: der Binder enthält mindestens eine Polymerkomponente, die im ausgehärteten Zustand einen Schub-Emodul G von mindestens 3000 N/mm<2> und eine Zugfestigkeit von mindestens 10 N/mm<2> aufweist, wobei er Binder mindestens einen die Tragfaseranordnung wenigstens teilweise durchsetzende Kristallitanteil enthält und im ausgehärteten Zustand seiner Polymerkomponente einen Betriebswert der Diffusionswiderstandszahl µ für Wasserdampf von höchstens 18000 aufweist. Merkmale einer weiterführenden Aufgabenlösung: die Verklebung enthält mindestens eine Polymerkomponente, die im ausgehärteten Zustand einen Schub-Emodul G von mindestens 5000 N/mm<2> und eine Zugfestigkeit von mindestens 10 N/mm<2> aufweist; und die Verklebung enthält einen Kristallitanteil, der mit der Verklebungs-Polymerkomponente ein Festkörper-Dispersoid mit e iner im Betrieb wirksamen Diffusionswiderstandszahl µ für Wasserdampf von höchstens 18000 bildet.

Description

Tragelement und Tragelementanordnung, insbesondere für Betonbauwerke und Betonbauteile
Die Erfindung betrifft ein Tragelement sowie eine Tragqlementanord- nung, insbesondere für Betonbauwerke und Betonbauteile, wobei das ,. Tragelement wenigstens eine in einen Binder eingebettete Tragfaseranordnung umfasst Bei der zum Erfmdungsgegenstand gehörenden Tragelementanordnung ist das Tragelement durch eine Verklebung mit einem Bauwerk oder Bauteil verbunden.
Tragelemente und Tragelementanordnungen dieser Art sind bekannt, z.B. in Form von Gelegen oder Geweben aus hochfesten Fasern, die mit einem Binder in der Zugspannungszone einer Betonoberfläche auf laminiert sind. Auch kommen entsprechend vorgefertigte Laminate zum Einsatz, die in der Zugspannungszone einer Betonoberfläche aufgeklebt sind. Der Einsatz erstreckt sich auf Reparaturen an Riss- und Bruchstellen von tragenden Betonbauten, aber auch auf die Verstärkung von an sich noch intakten Bauten für aufgestockte Belastungen sowie auf Neukonstruktionen für konzentrierte Belastungen, vor allem bei z.B. räumlich eingesctoänkten Gegebenheiten. Bei diesen und anderen Anwendungen ist im allgemeinen im Untergrund der Laminat-Tragelemente Beton mit mehr oder weniger hohem Feuchtigkeitsgehalt vorhanden. Auch können in Beschichtungen und Zwischenschichten Gehalte an Wasser und anderen Feuchtmedien vorhanden sein, deren langfristiges Ausdiffundieren in Form entsprechender Dämpfe durch die lächenhaft ausgedehnten Tragelemente bzw. deren ausgehärtete Binder-Polymerkomponenten nicht behindert werden sollte. Für die Binder stehen bekannte Polymere auf Urethanbasis zur Verfügung, die im ausgehärteten Zustand eine für die vorliegenden Zwecke ausreichende Dampfdurchlässigkeit aufweisen. Solche Binder haben jedoch einen im Vergleich zu den Modulen der hochfesten Laminatfasern sehr niedrigen Schub-Emodul. Infolgedessen kann in vielen Fällen die Faserfestigkeit nicht voll ausgenutzt werden, weil der zwischen dem zu entlastenden Untergrund und den Laminatfasern sowie zwischen den Laminatfasern selbst befindliche, schubweiche Binder die Kraftübertragung auf die Fasern auf zu niedrige Werte begrenzt. Dies gilt besonders für vorgespannte Faseranordnungen. Andererseits haben bekannte Binderpolymere mit für die vorliegenden Zwecke passenden Modulwerten, insbesondere die bekannten Epoxybinder, im ausgehärteten Zustand praktisch keine Dampfdurchlässigkeit.
Eine erste Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines Tragelementes, das wenigstens eine in einen Binder eingebettete Tragfaseranordnung umfasst und sich durch hohe Dampfdurchlässigkeit bei gleichzeitig hohen Festigkeits- und Emodulwerten auszeichnet. Bezüglich der weiterführenden, auf eine Tragelementanordnung gerichteten Erfmdungsaufgabe gilt entsprechendes für die Verklebung zwischen Untergrund und Tragelement. Die erfin- dungsgemässe Lösung der ersten Erfindungsaufgabe ist bestimmt durch die Merkmale des Patentanspruchs 1, diejenige von weiterführenden Erfmdungsaufgaben durch die Merkmale der nachgeordneten Patentansprüche.
Beim erfindungsgemässen Tragelement wird zunächst eine Binder- Polymerkomponente vorausgesetzt, die - für sich genommen - im ausgehärteten Zustand eine relativ hohe Wasserdampf-Diffusionswiderstandszahl μ aufweist. Dieser genormte Beiwert ist eine dimensionslose Zahlengrösse und gibt an, wievielmal grösser der Wasserdampf-Diffusionsdurchlasswiderstand einer Schicht des betreffenden Stoffes ist als derjenige einer gleich dicken ruhenden Luftschicht gleicher Temperatur. Es handelt sich also um einen materialspezifischen Kennwert für Wasserdampfdiffusion.
Z.B. für ausgehärtete Epoxyharze liegt der μ-Wert bei etwa 105, was praktisch Undurchlässigkeit bedeutet und diese Harze als Binder für Zwecke der Bauverstärkung mit relevanter Nachtrocknung des Untergrundes ungeeignet macht. Andererseits haben Epoxyharze jedoch ein hohes Potenzial hinsichtlich Zug- und Schubfestigkeit sowie auch hinsichtlich des Schub-Emoduls (hohe Schubsteifheit), was sie als Binder in Verstärkungslaminaten, besonders bei Konstruktionen mit hoher Faservorspannung, bevorzugt geeignet macht.
Hier setzt nun der erfmdungsgemässe Fortschritt ein. Er beruht auf der Erkenntnis, dass eine Kompositstruktur aus einer Tragfaseränordnung mit einem im viskosen Zustand eingearbeiteten Polymer-Binder mit einem Kristallitanteil auch dann die erstrebte Dampfdurchlässigkeit des verfestigten Komposits ermöglicht, wenn das Polymer für sich im abgebundenen Zustand nicht oder nur sehr gering dampfdurchlässig ist. Das erfmdungsgemässe Tragelement verwirklicht eine solche Komposit- stmktur. Dabei haben praktische Ausführungen und Erprobungen erwiesen, dass erfmdungsgemäss μ- Werte deutlich unter 12000 bei Komposit-Tragelementen mit hochfesten Faseranordnungen und verfestigtem Binder erreichbar sind. Dies gilt gesichert reproduzierbar nicht nur bei Polymerbindern mit relativ niedrigen μ- Werten als Ausgangsmaterial, sondern ebenso bei hochgradig dampfsperrenden Polymeren wie Epoxyharzen mit μ- Werten von etwa 75000 und weit darüber als Binder.
Dabei ist wesentlich, dass gewisse Kristallite ihre den Dampfdurchlass auslösende Wirkung innerhalb des Komposits erst dann entfalten, wenn tatsächlich ein Dampfdruck ansteht, also z.B. bei einem erfmdungs- gemässen Laminat, das an seiner Innenseite mit mehr oder weniger frischem Beton in Berührung steht. Für den Kristallitanteil kommen erfmdungsgemäss vor allem mikrokristalline mineralische Substanzen in Betracht, vorzugsweise solche mit alkalischer Reaktivität, so z.B. insbesondere silikathaltige Kristallitmaterialien. Für den Kristallitanteil sind daher pH- Wert im Bereich zwischen 9 und 12 vorteilhaft.
Nach vollzogener Austrocknung des Untergrundes tritt der alkalische Kristallitanteil in feiner Verteilung innerhalb der Binder-Polymerkomponente mit von aussen eindiffundierender Luft in Berührung und kann die in dieser vorhandene Kohlensäure neutralisieren. Dies trägt dazu bei, den alkalischen Charakter im Beton aufrechtzuerhalten und damit Korrosionseffekte an Stahlarmierungen im Beton hintan zu halten.
Auch hinsichtlich der Tragfaseranordnungen haben sich erfindungs- gemäss Optimierungsmöglichkeiten für die vorliegende Anwendung ergeben. Neben Kohlenstoff- und anderen Hochfestigkeits-Fasem kommen daher insbesondere mit einer Binder-Polymerkomponente und einem Kristallitanteil durchsetzte, wenigstens teilweise aus hochfestem Polymer bestehende Faseranordnungen in Betracht, vor allem solche mit Fasern aus Aramid, Carbon und/oder alkali-resistentem Glas. Solche Faseranordnungen, und zwar bevorzugt mit einem Binder auf Epoxybasis, eignen sich hervorragend für die Erstellung von Tragfaseranordnungen mit Strängen und Gelegen, vor allem in unidirektionaler Anordnung, aber auch von Geweben und dergl. mit wenigstens teilweise in Bezug aufeinander verdrillten Fasern oder Faserbündeln. Eine solche Ausbildung der tragenden Elemente begünstigt die Gleichförmigkeit der Schubkrafteinleitung auf die einzelnen Fasern bzw. Faserbündel und damit die Gleichförmigkeit der Spannungsverteilung über den Querschnitt der Tragfaseranordnung. Bei einer Tragelementanordnung als besonderem Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung ist ein Laminat-Tragelement oder eine Mehrzahl derselben durch Verklebung mit einem Bauwerk verbunden. Diese Verklebung enthält eine Polymerkomponente, die für sich, d.h. ohne Kristallitanteil, im ausgehärteten Zustand eine relativ hohe Diffusionswiderstandszahl μ von z.B. mindestens 20000 aufweist, jedoch vorteilhaft hohe mechanische Elastizitäts- und Festigkeitswerte, nämlich z.B. einen Schub- Emodul G von mindestens 5000 N/mm2 und eine Zugfestigkeit von mindestens 10 N/mm2. Unter erfindungsgemässem Einschluss eines Kristallitanteils ergibt sich dann eine Wasserdampf-Diffusionswiderstandszahl μ von höchstens 10000.
Eine Besonderheit einer solchen Tragelementanordnung ist darin zu sehen, dass die Verklebung des Tragelementes mit dem Untergrund dampfdurchlässig ausgebildet ist. Dies hat für die Praxis wesentliche Bedeutung, insbesondere für vorgefertigte und in festem Zustand mit einem Bauteil oder Bauwerk zu verbindende Laminat-Fasertragelemente, die selbst ebenfalls mehr oder weniger dampfdurchlässig sein können. Ohne die nun vorliegende Dampfdurchlässigkeit der Verklebung selbst würde der Gesamt-Dampfdurchlass weitgehend entfallen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Tragelement, insbesondere für Betonbautwerke und Betonbauteile, das wenigstens eine in einen Binder eingebettete Tragfaseranordnung aufweist, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:
a) der Binder enthält mindestens eine Polymerkomponente, die im ausgehärteten Zustand einen Schub-Emodul G von mindestens 3000 N/mm2 und eine Zugfestigkeit von mindestens 10 N/mm2 aufweist;
b) der Binder enthält mindestens einen die Tragfaseranordnung wenigstens teilweise durchsetzende Kristallitanteil, und hat im ausgehärteten Zustan seiner Polymerkomponente einen Betriebswert der Diffusionswiderstandszahl μ für Wasserdampf von höchstens 18000.
2. Tragelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristallitanteil, auf die Polymerkomponente des ausgehärteten
Binders bezogen, maximal 42 Volumen% beträgt.
3. Tragelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristallitanteil auf die ausgehärtete Binder- Polymerkomponente bezogen mindestens 4 Volumen% beträgt.
4. Tragelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristallitanteil auf die ausgehärtete Binder-Polymerkomponent bezogen mindestens 10 Volumen% beträgt.
5. Tragelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Kristallitanteil mit alkalischer Reaktivität.
6. Tragelement nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Kristallitanteil mit einem pH- Wert im Bereich zwischen 9 und 12.
7. Tragelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen silikathaltigen Kristallitanteil.
8. Tragelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine wenigstens teilweise aus Epoxyharz bestehende Binder-Polymerkomponente.
9. Tragelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine mit einer Binder-Polymerkomponente und einem Kristallitanteil durchsetzte, wenigstens teilweise aus hochfestem Polymer bestehende Tragfaseranordnung.
10. Tragelement nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine mit einer Binder-Polymerkomponente und einem Kristallitanteil durchsetzte, wenigstens teilweise aus Aramidfasern bestehende Tragfaseranordnung.
11. Tragelement nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine mit einer Binder-Polymerkomponente und einem Kristallitanteil durchsetzte, wenigstens teilweise aus Carbonfasern bestehende Tragfaseranordnung.
12. Tragelement nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine mit einer Binder-Polymerkomponente und einem Kristallitanteil durchsetzte, wenigstens teilweise aus alkaliresistenten Glasfasern bestehende Tragfaseranordnung.
13. Tragelementanordnung mit mindestens einem Tragelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Tragelement durch eine Verklebung mit einem Bauwerk oder Bauteil verbunden ist, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:
a) die Verklebung enthält mindestens eine Polymerkomponente, die im ausgehärteten Zustand einen Schub-Emodul G von mindestens 5000 N/mm2 und eine Zugfestigkeit von mindestens 10 N/mm2 aufweist;
b) die Verklebung enthält einen Kristallitanteil, der mit der Verklebungs-Polymerkomponente ein Festkörper-Dispersoid mit einer im Betrieb wirksamen Diffusionswiderstandszahl μ für Wasserdampf von höchstens 18000 bildet.
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