EP3141362A1

EP3141362A1 - Verfahren zur herstellung einer struktur aus mörtel oder beton und dazu geeignete anordnung

Info

Publication number: EP3141362A1
Application number: EP15002661.5A
Authority: EP
Inventors: Dirk Volkmer; Manuel Hambach
Original assignee: SCHWENK Zement KG
Current assignee: SCHWENK Zement KG
Priority date: 2015-09-11
Filing date: 2015-09-11
Publication date: 2017-03-15
Anticipated expiration: 2035-09-11
Also published as: DK3141362T3; HUE053129T2; EP3141362B1; PL3141362T3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Struktur (5) einer vorgegebenen Form aus Mörtel oder Beton, bei dem man eine bindemittelhaltige sowie der Festigkeitserhöhung der Struktur dienende Schnittfasern (8) enthaltende fließfähige Masse (1) von einem ersten Raum durch wenigstens einen Durchtritt (3) in einer Strömungsrichtung zu einem zweiten Raum strömen lässt, an dem die Fließfähigkeit der fließfähigen Masse (1) abnimmt, wobei die Form der Struktur (5) durch eine äußere Begrenzung (6) des zweiten Raums bestimmt ist und wenigstens eine zur Strömungsrichtung orthogonale Querabmessung des Durchtritts (3) von der mittleren Faserlänge der Schnittfasern (8) nicht mehr als 80%, bevorzugt nicht mehr als 70% abweicht und/oder geringer ist als die mittlere Faserlänge.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Struktur einer vorgegebenen Form aus Mörtel oder Beton, bei dem man eine bindemittelhaltige sowie der Festigkeitserhöhung der Struktur dienende Schnittfasern enthaltende fließfähige Masse von einem ersten Raum durch wenigstens einen Durchtritt in einer Strömungsrichtung zu einem zweiten Raum strömen lässt, an dem die Fließfähigkeit der fließfähigen Masse abnimmt, sowie eine dazu geeignete Anordnung.
Bekannterweise weisen Strukturen aus Mörtel oder Beton eine hohe Druckfestigkeit auf, jedoch eine vergleichsweise geringe Zugfestigkeit oder Biegezugfestigkeit. Zur Erhöhung der (Biege-)Zugfestigkeit wurden daher faserverstärkte Betone entwickelt. Dazu ist es zum einen bekannt, beispielsweise in einer Form oder Schalung Bewehrungsmatten aus langen Fasern zu verlegen. Zunehmend werden jedoch auch die aus der Herstellung von Kunststoffprodukten bekannten Extrudierverfahren auch zur Herstellung von Betonstrukturteilen mit einer durch die Öffnung des Extruders definierten Form eingesetzt, beispielsweise von Trägern mit einem I-förmigen Querschnitt. Der Vorteil des Extrudierverfahrens liegt in einer höheren Leistungsfähigkeit der Strukturen aufgrund der bei dem Verfahren zum Einsatz kommenden hohen Scher- und Kompressionskräften. Dies ist in Corina Aldea et al, Advn Cem Bas Mat 1998; 8:47-55 beschrieben.
Dieses Extrudierverfahren, bei dem die fließfähige Masse von einem ersten Raum durch wenigstens einen Durchtritt in einer Strömungsrichtung zu einem zweiten Raum strömt, lässt sich gleichfalls für die Herstellung faserverstärkter Betonteile heranziehen. Dazu werden der bindemittelhaltigen fließfähigen Masse Schnittfasern von beispielsweise 25 mm Länge zugegeben. In US 6528151 B1 wird beschrieben, dass trotz der viskositätserhöhenden Wirkung der Fasern (die Viskosität der fließfähigen Masse beim Extrudieren muss ausreichend gering sein, um durch die Extruderöffnung pressbar zu sein, aber ausreichend hoch, um nach dem Austritt sofort formstabil zu sein) bei verbesserter Mischtechnik auch Fasermengen im Bereich von 4 bis 10 Vol.-% der fließfähigen Masse eingesetzt werden können. Anhand der dortigen Fig. 19 und der zugehörigen Beschreibung wird in US 6528151 B1 zudem aufgezeigt, dass die Zugfestigkeit der gemäß dem Extrudierverfahren erzeugten Proben doppelt so hoch wie die von Vergleichsproben waren, bei denen anstelle des Extrudierverfahrens die Probe mit einer herkömmlichen Technik in eine Form gegossen wurde.
In Xiaoqian Qian et al, Cement and Concrete Research 33 (2003) 1575-1581 wird zudem festgestellt, dass sich jedenfalls ab einem bestimmten Volumenanteil die Festigkeit des extrudierten Betonteils nicht mehr beliebig durch einfaches Erhöhen des Faservolumenanteils erhöhen lässt. Auch Yixin Shao et al, Cement and Concrete Research 31 (2001) 1153-1161 beschäftigt sich mit dem Herstellungsverfahren von Betonteilen durch Extrudieren einer zementhaltigen und Schnittfasern enthaltenden Masse und stellt dabei (siehe Fig. 1 dieses Dokuments) fest, dass die extrudierten Teile verglichen mit herkömmlich gegossenen Teilen erhebliche Festigkeitsvorteile aufzeigen. Bin Mu et al, Cement and Concrete Research 30 (2000) 1277-1282 lehrt verbesserte Struktureigenschaften durch Beifügung zweier Arten von Fasern in die Extrudiermasse.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art insbesondere unter Gesichtspunkten der Flexibilität nochmals zu verbessern.
Diese Aufgabe wird von der Erfindung in verfahrenstechnischer Hinsicht gelöst durch eine Weiterbildung des Verfahrens der eingangs genannten Art, die im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet ist, dass die Form der Struktur durch eine äußere Begrenzung des zweiten Raums bestimmt ist und wenigstens eine zur Strömungsrichtung orthogonale Querabmessung des Durchtritts von der mittleren Faserlänge der Schnittfasern um nicht mehr als 80%, bevorzugt nicht mehr als 70% abweicht und/oder geringer ist als die mittlere Faserlänge.
Die Erfindung geht somit einen völlig anderen Weg zur Bereitstellung von Strukturen aus Mörtel oder Beton, indem Vorteile des Formgebungsverfahrens durch das Extrudieren aufgegeben werden. Vielmehr ist die Form der Struktur durch eine äußere Begrenzung des zweiten Raums bestimmt, die beispielsweise eine Form oder Verschalung sein kann. Ebenfalls geht die Erfindung einen völlig anderen Weg der Faserverstärkung als in der herkömmlichen Verlegung von aus Fasertextilien bestehenden Bewehrungsmatten, die in die Schalung bzw. Form eingelegt werden, bevor die Mörtel- oder Betonmasse eingefüllt/eingespritzt wird. Denn im Rahmen der Erfindung ist erkannt worden, dass durch die Festlegung wenigstens einer zur Strömungsrichtung orthogonalen Querabmessung des Durchtritts auf eine Abweichung von nicht mehr als 70% von der mittleren Faserlänge bzw. geringer als diese trotz der nicht mit der Querschnittsfläche des Durchtritts, sondern durch die äußere Begrenzung des zweiten Raums festgelegten Form der Struktur erreichbar ist, dass eine Faserorientierungsverteilung beim Durchströmen des Durchtritts ein höheres statistisches Gewicht von Faserrichtungskomponenten innerhalb einer orthogonal zu dieser Querabmessung stehenden Ebene aufweist, und diese Verteilung dann in ein erhöhtes statistisches Gewicht der Faserorientierungsverteilung entlang vorgegebener Trajektorien in der dann hergestellten Struktur überführbar ist. Es wird eine Verbesserung der (Biege-)Zugfestigkeitseigenschaften gegenüber herkömmlichen Gießverfahren erreicht, und die Betonstrukturen sind zudem im Vergleich zu den im Extrudierverfahren hergestellten variabler herstellbar, insbesondere am Ort der Anwendung.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weicht die Querabmessung nicht mehr als 60% von der mittleren Faserlänge ab, bevorzugt nicht mehr als 50%, insbesondere nicht mehr als 40%, wobei diese Werte unabhängig voneinander für Abweichungen nach oben/unten gelten und somit beispielsweise das Intervall [0,4-1,4] für 60% Abweichung nach unten und 40% Abweichung nach oben umfassen. Dies erlaubt eine nochmals bessere Faserausrichtung während des Strömens der fließfähigen Masse durch den Durchtritt und verringert zudem die Gefahr der Verstopfung des Durchtritts. Dabei ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass die Querabmessung geringer ist als die mittlere Faserlänge.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform gilt die Beziehung zwischen der Querabmessung und der mittleren Faserlänge für mehrere, insbesondere alle zur Strömungsrichtung orthogonalen Querabmessungen des Durchtritts. Dies erlaubt eine Faserorientierung mit gewichtsmäßigem Schwerpunktsbereich um die Strömungsrichtung selbst.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Viskosität der fließfähigen Masse in Einheiten von kg/m^-1s^-1 ausgedrückt geringer als 500.000, bevorzugt geringer als 300.000, insbesondere geringer als 200.000, andererseits bevorzugt höher als 5.000, bevorzugt höher als 20.000, insbesondere höher als 30.000. Diese Viskositätsangaben beziehen sich nicht auf den dynamischen Fall beim Strömen durch den Durchtritt, sondern um die unbelastete Materialeigenschaft bzw. die Viskosität bei Schubspannungen von nicht höher als 10 kg/m^-1s^-2. Beim Durchströmen des Durchtritts wird es dagegen bevorzugt, dass die in kg/m^-1s^-1 gemessene Viskosität zwar noch höher ist als 5, bevorzugt als 10, insbesondere als 50, jedoch geringer ist als 10.000, bevorzugt geringer als 5.000, insbesondere geringer als 2.000. Diese deutlich niedrigeren Werte ergeben sich aufgrund der hohen Scherrate bzw. der hohen Schubspannung im Zusammenspiel mit der Geometrie des Durchtritts und der daraus resultierenden Faserausrichtung. Die für das Strömen der fließfähigen Masse verantwortliche Einrichtung könnte beispielsweise durch einen beweglichen Stempel oder auch eine Extruderschnecke realisiert werden.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Durchtritt entlang und/oder quer zur Strömungsrichtung positionierbar ist und insbesondere während des Verfahrens umpositioniert wird. Dies erhöht die Flexibilität bei der Füllung des durch die äußere Begrenzung bestimmten zweiten Raums. Alternativ und/oder zusätzlich kann vorgesehen werden, dass der Durchtritt gegenüber dem zweiten Raum orientierbar ist, und insbesondere während des Verfahrens eine die Strömungsrichtung ändernde Umorientierung erfolgt. Dies erlaubt ein Befüllen des von der äußeren Begrenzung bestimmten zweiten Raums mit einer bezüglich einer vorgegebenen Raumachse eingestellten Strömungsrichtung beim Austritt der fließfähigen Masse aus dem Durchtritt. Besonders bevorzugt ist die Strömungsrichtung beim Durchtritt vertikal, und der Durchtritt, z.B. ein Array aus Düsen, ist quer dazu entlang zweier linearer unabhängiger Bewegungsachsen verfahrbar. Besonders bevorzugt ist die Geschwindigkeit der Verfahrbewegung größer oder gleich der Strömungsgeschwindigkeit der Masse beim Durchströmen des Durchtritts.
In diesem Zusammenhang ist vorgesehen, dass das Skalarprodukt aus den auf Länge 1 normierten Richtungsvektoren einerseits der gemittelten Faserausrichtung in einem die Fasern enthaltenden, in dem zweiten Raum seinen Bestimmungsort erreichenden Volumenelement der Masse und andererseits einer vorgegebenen durch den Bestimmungsort verlaufenden Zugkrafttrajektorie (im Einsatz der herzustellenden Struktur) größer ist als 1/2, bevorzugt größer als 1/√2, weiter bevorzugt größer ist als √3/2, insbesondere größer ist als 0,96.
Grundsätzlich sind unterschiedliche Arten von verstärkenden Fasern denkbar, anorganische wie organische, bevorzugt weisen diese jedoch Kohlenstoff/Kohlenstoffstrukturen auf, insbesondere enthalten sie Carbonfasern oder bestehen daraus.
Die fließfähige Masse zur Bildung beispielsweise einer Betonstruktur ist hinsichtlich seiner Komponenten keinen besonderen Einschränkungen unterworfen. Er kann beispielsweise einen Volumenprozentanteil an mineralischem Bindemittel im Bereich zwischen 1% und 80% aufweisen, bevorzugt im Bereich zwischen 10% und 70%, insbesondere zwischen 20% und 60%. Der Wassergehalt kann beispielsweise zwischen 0,5% und 30% betragen, bevorzugt zwischen 5% und 25%. Zudem könnten mineralische Füllstoffe im Bereich beispielsweise zwischen 1% und 80%, bevorzugt zwischen 5% und 65%, insbesondere zwischen 10% und 50% enthalten sein, sowie (übliche) geeignete Zugabestoffe wie etwa ein Polycarboxylat-Fließmittel, das beispielsweise in einer Menge zwischen 1% und 3% enthalten sein kann.
Hinsichtlich des Volumenprozentanteils der Schnittfasern wird es bevorzugt, dass dieser mehr als 0,1 beträgt, bevorzugt mehr als 0,6 und insbesondere mehr als 1,2. Andererseits ist es bevorzugt, dass dieser Volumenprozentanteil nicht größer ist als 20, bevorzugt nicht größer als 10, insbesondere nicht größer als 5.
Zudem wird es bevorzugt, dass die mittlere Länge der Schnittfasern größer ist als 0,1 mm, bevorzugt größer als 1 mm, insbesondere größer als 2 mm, wohingegen mittlere Längen von kleiner als 50 mm, bevorzugt kleiner als 30 mm, insbesondere kleiner als 15 mm bevorzugt werden. Der mittlere Durchmesser der Schnittfasern sollte bevorzugt größer sein als 2 µm, bevorzugt größer als 4 µm, insbesondere größer als 6 µm, andererseits werden mittlere Durchmesserwerte von kleiner als 50 µm, bevorzugt kleiner als 30 µm, insbesondere kleiner als 15 µm bevorzugt in Betracht gezogen.
Bevorzugt erfährt die fließfähige Masse beim Durchströmen des Durchtritts eine Schubspannung in Pa, deren Zehnerlogarithmus (log) größer ist als 0,4, bevorzugt als 0,7, insbesondere als 1,0 und/oder kleiner ist als 3,0, bevorzugt kleiner als 2,5, insbesondere kleiner als 2,0.
In vorrichtungstechnischer Hinsicht wird die Aufgabe gelöst durch eine Anordnung zur Herstellung einer Struktur einer vorgegebenen Form aus Mörtel oder Beton, mit einem ein Strömen einer bindemittelhaltigen sowie der Festigkeitserhöhung der Struktur dienende Schnittfasern enthaltenden fließfähigen Masse aus einem ersten Raum durch wenigstens einen Durchtritt in einer Strömungsrichtung zu einem zweiten Raum bewirkenden Mechanismus, die im Wesentlichen gekennzeichnet ist durch eine die Form der Struktur bestimmende äußere Begrenzung des zweiten Raums und dadurch, dass eine zur Strömungsrichtung orthogonale Querabmessung des Durchtritts nicht mehr als 80% von der mittleren Faserlänge der Schnittfasern abweicht und/oder geringer ist als die mittlere Faserlänge und insbesondere geringer ist als 20 mm, bevorzugt als 10 mm, weiter bevorzugt geringer als 7 mm, insbesondere geringer als 5 mm, sowie durch ein System aus dieser Anwendung und der fließfähigen Masse.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung ergeben sich aus den oben erläuterten Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens und insbesondere kann die Anordnung entsprechende Abmessungen wie aus den obigen Verfahrensmerkmalen entnehmbar aufweisen.
Dabei ist die Anordnung nicht auf derartige eingeschränkt, die insgesamt nur einen Durchtritt aufweisen. Vielmehr kann zur rascheren Befüllung des zweiten Raumes auch mehr als ein Durchtritt vorgesehen sein, insbesondere ein Array aus zwei oder mehreren Durchtritten, deren Querabmessungen sich in den genannten Bereichen befinden und die insbesondere gleichgestaltet sind. Bevorzugt werden Düsen (Düsenspitzen) als Durchtritte herangezogen, insbesondere mit konischer Verengung hin zur Düsenspitze.
Anwendungstechnisch wird es bevorzugt, dass die Begrenzung des zweiten Raums durch eine Form oder eine Verschalung gegeben ist. Dies erlaubt die Herstellung einerseits in ihrer Form durch die Form bestimmten Strukturteilen und andererseits auch die Herstellung der Strukturen am Ort ihres späteren Einsatzes.
Zudem ist vorgesehen, dass die Anordnung einen Reinigungsmechanismus aufweisen kann, um etwaigen Risiken von Verstopfungen des Durchtritts entgegenzuwirken. Insbesondere kann der Reinigungsmechanismus ein oder mehrere an den oder die Durchtritte angepasste Stempel aufweisen, die gegenüber dem Durchtritt verfahrbar sind und diesen im Wege dessen Durchstoßens reinigen. Alternativ und/oder zusätzlich kann vorgesehen werden, dass sich ein stromabwärtiger Bereich der Durchtrittsbegrenzung von deren stromaufwärtigen Bereich abnehmen lässt, beispielsweise eine Düsenspitze einer beispielsweise konisch geformten, den Durchtritt bildenden Düse.
Zudem wird von der Erfindung eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Mörtel- oder Betonstruktur unter Schutz gestellt, deren äußere Form durch eine Form oder eine Verschalung gebildet ist und bei der jedenfalls überwiegend das Skalarprodukt aus einerseits dem Richtungsvektor einer vorgegebenen Trajektorie in der Struktur und andererseits dem Einheitsvektor der gemittelten Faserorientierung der an den von der Trajektorie durchlaufenen Orten angeordneten Schnittfasern in der Struktur größer ist als 1/2, bevorzugt größer als 1/√2, weiter bevorzugt größer ist als √3/2, insbesondere größer ist als 0,96.
Desweiteren unter Schutz gestellt wird die Verwendung einer derartigen Beton- oder Mörtelstruktur in einer einer (Biege-)Belastungskraft ausgesetzten Weise derart, dass die vorgegebene Trajektorie eine der Belastungskraft entsprechende Zugkrafttrajektorie der Struktur ist. In diesem Zusammenhang offenbart die Erfindung auch unabhängig und eigenständig schutzwürdig ein Verfahren, bei dem man zu einer gewünschten Struktur einer vorgegebenen Gestalt aus Mörtel oder Beton und zu vorbestimmten, Zugkrafttrajektorien in der Struktur bei einer erwarteten Belastung im Einsatz der Struktur insbesondere mittels einer Anordnung der obengenannten Art bei der Herstellung der Struktur in einer Form oder Verschalung eine Orientierung von in der zur Bildung der Struktur herangezogenen Betonmasse enthaltenen Schnittfasern jedenfalls überwiegend mit erhöhtem statistischen Gewicht entlang dieser Zugkrafttrajektorien bewirkt, insbesondere unter den obengenannten Skalarproduktwerten. Diese Strukturen haben diesbezüglich eine (Biege-)Zugfestigkeit von mehr als 20 MPa, bevorzugt mehr als 40 MPa, insbesondere mehr als 60 MPa.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Figuren, von denen

Fig. 1: schematisch eine Anordnung im Schnitt zeigt, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird,
Fig. 2: eine weitere Ausführungsform zeigt, einschließlich eines Reinigungsmechanismus, und
Fig. 3: eine weitere Ausführungsform eines Reinigungsmechanismus einer weiteren Anordnung zeigt.

In Fig. 1 ist schematisch eine in einem Raum aufgenommene Betonmasse 1 gezeigt, welche von einer seitlichen Begrenzung 2 und einem Stempel 7 begrenzt ist. An dem in Fig. 1 unteren Ende des Raums sind konisch gebildete Düsen 3 in Form eines Arrays parallel angeordnet. Die Betonmasse 1 umfasst neben ihren Hauptbestandteilen, einem mineralischen Bindemittel (Zement, ca. 60 ± 5%), mineralischen Füllstoffen (ca. 20 ± 5%, beispielsweise Silikastaub) und Wasser (ca. 20 ± 5%) eine Zugabe an Fasern 8, die in diesem Ausführungsbeispiel 1% ausmachen und hier beispielsweise Carbonfasern sind. Man erkennt in der Schnittdarstellung sechs Düsen 3, die Bestandteil eines Arrays aus beispielsweise 6x6 Düsen sind.
Im unteren Bildteil von Fig. 1 gezeigt ist eine Verschalung 6, welche die Form einer sich verfestigenden Betonstruktur 5 definiert, wobei die Befüllung der Verschalung 6 durch Betätigung des Stempels 7, der durch die vier Pfeile angedeutet ist, erfolgt, wodurch die Betonmasse 1 durch die Düsen 3 in die Verschalung 6 eingeführt wird. In der Darstellung ist durch die Art des Legens der senkrecht nach unten strömenden Stränge in der Verschalung 6 erkennbar, dass die Befüllungsanordnung in Fig. 1 nach rechts bewegt wird, hier z.B. mit einer Geschwindigkeit, die der Strömungsgeschwindigkeit der Masse 1 beim Durchtritt durch die Düsen 3 entspricht.
Aufgrund der aufeinander abgestimmten Abmessungen des Querschnitts am Austrittsende der Düsen 3 und der mittleren Faserlänge der Fasern 8 (in der schematischen Darstellung haben alle Fasern 8 die gleiche Länge) orientieren sich die Fasern 8 bezüglich der Strömungsrichtung beim Austritt aus den Düsen 3 in Strömungsrichtung, eine orientierte Faser ist mit dem Bezugszeichen 4 versehen. Auch nach dem Legen der austretenden Stränge bleibt die relative Orientierung der Fasern innerhalb des Stranges im Wesentlichen erhalten. Die gelegten Stränge sind noch ausreichend fließfähig, um die Verschalung 6 vollständig und zusammenhängend zu füllen.
Wie aus der schematischen Darstellung von Fig. 1 ersichtlich ist, erhält die sich dann in der Verschalung 6 verfestigende Betonstruktur daher einen Aufbau, bei dem die Fasern gegenüber einer Vorzugsrichtung, die in Fig. 1 horizontal verläuft, orientiert sind. Tatsächlich werden natürlich nicht sämtliche Fasern genau parallel zu dieser Vorzugsrichtung liegen, an dieser Stelle vereinfacht die Zeichnung die tatsächliche Gegebenheit, dass das statistische Gewicht der Faserorientierungsverteilung schwerpunktmäßig um diese Raumachse liegt.
Dadurch wird die Biegezugfestigkeit deutlich, im Ausführungsbeispiel um ca. einen Faktor 3 oder mehr höher sein im Vergleich zu einem Fall, in dem sich in der Verschalung bei üblicher Befüllung eine nahezu isotrope Verteilung der Fasen realisieren würde, ähnlich wie sie vorher im Befüllungsrohr in dem von der Begrenzung 2 umschlossenen (ersten) Raum gegeben ist.
Die vertikale Zuführung ist nicht einschränkend zu verstehen, vielmehr erlaubt die Erfindung auch andere Zuführungen. Anstelle des Stempels 7 könnte man zum Fördern der fließfähigen Betonmasse auch beispielsweise eine Extruderschnecke heranziehen. Anders als in Fig. 1 dargestellt könnte die Einfüllrichtung in die Verschalung 6 oder ggf. eine vorgegebene Form 6' auch aus einer anderen Richtung erfolgen.
In Fig. 2 ist die den ersten Raum begrenzende Zuführung insoweit anders angeordnet, als dass diese durch einen Stempel 77 erfolgt, der orthogonal zur Durchtrittsrichtung der fließfähigen Betonmasse 8 durch die Düsen 3 geführt wird. Dies schafft Raum für eine Reinigungsvorrichtung, welche eine der Zahl der Düsen 3 entsprechenden Anzahl von Reinigungsstempeln 9 aufweist. Die Reinigungsstempel 9 können, wie in Fig. 2 dargestellt ist, durch die Düsen 3 geschoben werden, um diese von etwaigen unerwünschten Verstopfungen durch beispielsweise eine Faseragglomeration zu reinigen.
In Fig. 3 ist eine nochmals weitere Ausgestaltung einer Düse 30 dargestellt, die als Bestandteil des Reinigungsmechanismus alternativ und/oder zusätzlich zu den in Fig. 2 gezeigten Stempeln 9 herangezogen werden kann. Die Düse 30 weist einen Düsenrumpf 31 auf, der mit dem darüberliegenden Düsenkopf fest verbunden ist, und eine von dem Düsenrumpf 31 abnehmbare Düsenspitze 35. Aufgrund der konischen Gestaltung der Düse 30 wird der mit 36 bezeichnete Austritt aus der Düse bei Abnahme der Düsenspitze 35 vergrößert, so dass eine sich etwaig bildende, in Fig. 3 mit 44 bezeichnete Faseragglomeration die Düse 30 passieren kann. Auch in Fig. 3 ist vereinfachend dargestellt, wie die Fasern parallel zur Düsenachse orientiert den Düsenaustritt 36 passieren. Die fließfähige Betonmasse ist zu diesem Zeitpunkt nicht ausreichend viskos, um bereits eine Formstabilität zu gewährleisten wie beim Strangpressen von Betonstrukturteilen. Vielmehr wird die Form der erzeugten Betonstruktur durch eine Form (Matrize) oder Verschalung (6 in Fig. 1) vorgegeben, in welche mit der/den Düsen eingefüllt wird (Fig. 1).
Nicht in den Figuren dargestellt sind Mechanismen zum Bewegen der Betonmassen-Zuführung mit den Düsen 3 relativ zu der Form/Verschalung, die die Form der Betonstrukturen definiert. Diese Mechanismen ermöglichen ein gezieltes Befüllen auch größerer Formen/Verschalungen. Aufgrund der Lage-Änderbarkeit der Düsen, die in einer Ausgestaltung vorgesehen werden kann, und zwar hinsichtlich der Positionierung der Düse und ggf. auch deren Orientierung lassen sich auch Betonstrukturen herstellen, die in unterschiedlichen Bereichen unterschiedliche Faserorientierungsrichtungsverteilungs-Schwerpunkte aufweisen und deren Beanspruchbarkeit in unterschiedlichen Bereichen bezüglich unterschiedlichen Richtungen der Zugkrafttrajektorien bei der zu erwartenen Belastung erhöht ist.
Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren gezeigten Einzelheiten eingeschränkt. Vielmehr können einzelne Merkmale der obigen Beschreibung wie auch der nachstehenden Ansprüche einzeln und in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Struktur (5) einer vorgegebenen Form aus Mörtel oder Beton, bei dem man eine bindemittelhaltige sowie der Festigkeitserhöhung der Struktur dienende Schnittfasern enthaltende fließfähige Masse (1) von einem ersten Raum durch wenigstens einen Durchtritt in einer Strömungsrichtung zu einem zweiten Raum strömen lässt, an dem die Fließfähigkeit der fließfähigen Masse abnimmt,
dadurch gekennzeichnet, dass die Form der Struktur durch eine äußere Begrenzung (6) des zweiten Raums bestimmt ist und wenigstens eine zur Strömungsrichtung orthogonale Querabmessung des Durchtritts (3, 36) von der mittleren Faserlänge der Schnittfasern nicht mehr als 80%, bevorzugt nicht mehr als 70% abweicht und/oder geringer ist als die mittlere Faserlänge.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Querabmessung nicht mehr als 60% von der mittleren Faserlänge abweicht, bevorzugt nicht mehr als 50%, insbesondere nicht mehr als 40%.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Querabmessung geringer ist als die mittlere Faserlänge.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Beziehung zwischen der Querabmessung und der mittleren Faserlänge aus Anspruch 1, insbesondere die auch aus Anspruch 2 und/oder 3 für jede zur Strömungsrichtung orthogonale Querabmessung des Durchtritts gilt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Viskosität der fließfähigen Masse in Einheiten von kg m^-1 s^-1 geringer ist als 500.000, bevorzugt geringer als 300.000, insbesondere geringer als 200.000 und/oder höher ist als 5.000, bevorzugt höher als 20.000, insbesondere höher als 30.000.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die in kgm^-1 s^-1 bemessene Viskosität der fließfähigen Masse beim Durchströmen des Durchtritts geringer ist als 10.000, bevorzugt geringer als 5.000, insbesondere geringer als 2.000, und/oder höher ist als 5, bevorzugt als 10, insbesondere als 50.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Durchtritt entlang und/oder quer zur Strömungsrichtung positionierbar ist und insbesondere während des Verfahrens umpositioniert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Durchtritt gegenüber dem zweiten Raum orientierbar ist, und insbesondere während des Verfahrens eine die Strömungsrichtung ändernde Umorientierung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Skalarprodukt aus den Richtungsvektoren einerseits der gemittelten Faserausrichtung innerhalb eines an seinen Bestimmungsort in dem zweiten Raum gebrachten Volumenelements der Masse und einer vorgegebenen durch das Volumenelement verlaufenden Trajektorie, die einer Zugkrafttrajektorie der erwarteten Belastung im Einsatz der Struktur entspricht, größer ist als 1/2, bevorzugt größer als 1/√2, weiter bevorzugt größer ist als √3/2, insbesondere größer ist als 0,96.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Schnittfasern Kohlenstofffasern enthalten oder sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Schnittfasern in der fließfähigen Masse in einem Anteil von mehr als 0,1 Vol.-%, bevorzugt mehr als 0,6 Vol.-%, insbesondere mehr als 1,2 Vol.-% und/oder weniger als 20 Vol.-%, bevorzugt weniger als 10 Vol.-%, insbesondere weniger als 5 Vol.-% enthalten sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die mittlere Länge der Schnittfasern größer ist als 0,1 mm, bevorzugt größer als 1 mm, insbesondere größer als 2 mm und/oder kleiner ist als 50 mm, bevorzugt kleiner als 30 mm, insbesondere kleiner als 15 mm, und/oder der mittlere Durchmesser der Schnittfasern größer ist als 2 µm, bevorzugt größer als 4 µm, insbesondere größer als 6 µm und/oder kleiner ist als 50 µm, bevorzugt kleiner als 30 µm, insbesondere kleiner als 15 µm.
Anordnung zur Herstellung einer Struktur einer vorgegebenen Form aus Mörtel oder Beton, mit einem ein Strömen einer bindemittelhaltigen sowie der Festigkeitserhöhung der Struktur dienende Schnittfasern enthaltenden fließfähigen Masse aus einem ersten Raum durch wenigstens einen Durchtritt in einer Strömungsrichtung zu einem zweiten Raum bewirkenden Mechanismus
gekennzeichnet durch eine die Form der Struktur bestimmende äußere Begrenzung des zweiten Raums und dadurch, dass eine zur Strömungsrichtung orthogonale Querabmessung des Durchtritts nicht mehr als 80%, bevorzugt nicht mehr als 70% von der mittleren Faserlänge der Schnittfasern abweicht und/oder geringer ist als die mittlere Faserlänge und insbesondere geringer ist als 20 mm, bevorzugt als 10 mm, weiter bevorzugt geringer als 7 mm, insbesondere geringer als 5 mm.
Anordnung nach Anspruch 13, mit einem oder mehreren der in den Ansprüchen 2 bis 4, 7, 8 und 9 angegebenen Merkmale.
Anordnung nach Anspruch 13 oder 14, bei dem ein Array aus zwei oder mehreren Durchtritten vorgesehen ist, die die in Anspruch 13 oder 14 genannten Querabmessungen aufweisen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei der die Begrenzung des zweiten Raums durch eine Form oder eine Verschalung gegeben ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, mit einem Reinigungsmechanismus zum Reinigen des Durchtritts.
Struktur aus Mörtel oder Beton mit wenigstens einer vorgegebenen Trajektorie in der Struktur, dadurch gekennzeichnet, dass sie nach einem der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 hergestellt wurde, wobei die äußere Form der Struktur durch eine Form oder eine Verschalung gebildet ist und jedenfalls überwiegend das Skalarprodukt aus einerseits dem Einheitsrichtungsvektor der vorgegebenen Trajektorie und andererseits dem Einheitsvektor der gemittelten Faserorientierung der an den von der Trajektorie durchlaufenden Orten Schnittfasern in der Struktur größer ist als 1/2, bevorzugt größer ist als 1/√2, weiter bevorzugt größer ist als √3/2, insbesondere größer ist als 0,96.
Verwendung einer Struktur aus Mörtel oder Beton nach Anspruch 18 in einer einer Belastungskraft ausgesetzten Weise, bei der die vorgegebene Trajektorie eine der Belastungskraft entsprechende Zugkrafttrajektorie in der Struktur ist.