EP4107343A1 - Bewehrung aufweisend kohlenstofffasern - Google Patents

Bewehrung aufweisend kohlenstofffasern

Info

Publication number
EP4107343A1
EP4107343A1 EP21705211.7A EP21705211A EP4107343A1 EP 4107343 A1 EP4107343 A1 EP 4107343A1 EP 21705211 A EP21705211 A EP 21705211A EP 4107343 A1 EP4107343 A1 EP 4107343A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
reinforcement
concrete
textile reinforcement
layer
against oxidation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21705211.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Silke STÜSGEN
Bernd Wohlmann
Franz Köhler
Willem TER STEEG
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Teijin Carbon Europe GmbH
Original Assignee
Teijin Carbon Europe GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Teijin Carbon Europe GmbH filed Critical Teijin Carbon Europe GmbH
Publication of EP4107343A1 publication Critical patent/EP4107343A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D03—WEAVING
    • D03D—WOVEN FABRICS; METHODS OF WEAVING; LOOMS
    • D03D15/00—Woven fabrics characterised by the material, structure or properties of the fibres, filaments, yarns, threads or other warp or weft elements used
    • D03D15/20—Woven fabrics characterised by the material, structure or properties of the fibres, filaments, yarns, threads or other warp or weft elements used characterised by the material of the fibres or filaments constituting the yarns or threads
    • D03D15/242—Woven fabrics characterised by the material, structure or properties of the fibres, filaments, yarns, threads or other warp or weft elements used characterised by the material of the fibres or filaments constituting the yarns or threads inorganic, e.g. basalt
    • D03D15/275—Carbon fibres
    • 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
    • E04C5/073—Discrete reinforcing elements, e.g. fibres

Definitions

  • the application relates to a textile reinforcement that is suitable for being completely poured into concrete or a concrete component.
  • textiles for example based on glass fibers, basalt fibers, carbon fibers (“carbon”, “carbon fibers”) or certain organic polymers offer the big ones
  • the fact that the concrete matrix in which the reinforcement elements are embedded has a strong alkaline reaction and is therefore chemically very aggressive.
  • Carbon fibers have proven to be of interest for the production of textile reinforcements for concrete. Carbon fibers offer high tear strength and are extremely resistant to environmental influences such as water, oxygen or the strongly alkaline environment in concrete at normal temperatures. Carbon fibers show a high tensile strength in the direction of the fibers, but are very brittle transversely to the direction of the fibers. This disadvantage is remedied by embedding carbon fibers in a matrix resin that absorbs the corresponding forces and ensures that the carbon fibers are held together.
  • WO 2018/202785 discloses a concrete component with textile reinforcement, which has improved resistance in the event of fire, which is brought about by the concrete being modified accordingly to prevent flaking, inorganically dominated matrix materials are used for the reinforcement or the reinforcement of a Oxidation barrier is surrounded, which protects the fibers from the action of oxygen.
  • the disadvantage of the prior art is that the cohesion of the fibers in the textile reinforcement is still achieved by a binding agent that has organic components that form gases under the action of large flecks, thus bursting the surrounding concrete and causing the component to collapse can.
  • the object of the present invention is to provide a textile reinforcement that is outstandingly fire-resistant and at the same time easy to use.
  • a textile reinforcement for embedding in concrete comprising carbon fibers, the reinforcement being coated with a layer protecting against oxidation, the carbon fibers being in the form of braided, twisted, twisted or cabled thread-like structures and having a maximum of 5% by weight of matrix resin and the layer protecting against oxidation forms a separate layer and can produce a chemical bond to a component of concrete.
  • the present invention relates to reinforcement. It should be made clear that the term “reinforcement” always means that a material (namely the reinforcement) is cast or embedded in another material (which is to be reinforced).
  • a textile reinforcement that is to be embedded in concrete means here that at least the surface and the lower surface of the textile reinforcement - which each extend as surfaces in the longitudinal extension of the reinforcement and run essentially parallel to each other - from Concrete are almost completely covered (see Figure 10).
  • the present textile reinforcement is therefore (with the exception of edge areas) at least on the upper and lower surface of concrete.
  • a material that is placed on concrete and not enclosed by concrete is not reinforcement.
  • a separate layer protecting against oxidation should be understood to mean a layer which essentially lies completely around the reinforcement as an outer surface or coating.
  • the layer protecting against oxidation is preferably in the form of an essentially complete coating of the reinforcement.
  • a substantially complete coating of the reinforcement means that less than 30% of the outer surface, less than 20% of the outer surface, less than 10% of the outer surface or less than 5% of the outer surface of the reinforcement is free of the protective layer against oxidation.
  • the layer protecting against oxidation can occasionally have cracks.
  • a separate layer protecting against oxidation consists essentially completely, that is to say preferably more than 75% by weight, more preferably more than 80% by weight, even more preferably more than 90% by weight and particularly preferably more than 98% by weight, of the material protecting against oxidation .
  • the carbon fibers that form the thread-like structure of the reinforcement consequently have no more than 5% by weight of matrix resin and the reinforcement is surrounded by a separate layer protecting against oxidation.
  • the percentage by weight of the separate layer protecting against oxidation is less than 15% by weight, preferably less than 10% by weight, even more preferably less than 7.5% by weight and very particularly preferably less than 3% by weight based on the total weight of the textile reinforcement.
  • the document EP 0861 862 describes a method for reinforcing structures.
  • a concrete layer should be reinforced by applying a fiber layer to the surface of the concrete layer.
  • the fiber layer is used together with a primer layer and a putty layer and is impregnated with a resin.
  • the fiber layer is not set in concrete. Consequently, the document does not describe any reinforcement either.
  • the document does not describe any carbon fibers which are in the form of a braided, twisted, twisted or cabled thread-like structure or carbon fibers which have at most 5% by weight of a matrix resin.
  • a separate layer protecting against oxidation is also not disclosed in the document.
  • Document WO 2015/084720 describes an adhesive tape material that can be used for the external repair of components (see FIGS.
  • the material is not embedded in concrete and therefore no reinforcement is described in this document.
  • the material has reinforcing fibers which are embedded in a matrix material.
  • carbon fibers that are in the form of intertwined, twisted, twisted or cabled filamentary structures.
  • a separate layer protecting against oxidation is also not disclosed.
  • WO 2019/091832 a fiber product with a coating is made from aqueous polymer dispersion described, the use of which is specified, for example, as reinforcement in concrete.
  • the entire textile formed is impregnated with a polymeric material for this purpose, so that the coating made of polymeric material encloses as much as possible all of the individual filaments of the textile and thus enables an internal bond between the fibers.
  • the document also describes the use of inorganic thickeners which can be used as additives in the aqueous dispersion. A separate layer of the reinforcement protecting against oxidation is not disclosed in the document.
  • the layer protecting against oxidation is preferably applied via a water-based system, for example an aqueous dispersion.
  • a water-based system for example an aqueous dispersion.
  • All common textile coating processes - in the case of a layer of vermiculite protecting against oxidation, for example by dipping the reinforcement in an aqueous dispersion of the coating agent - could be used.
  • a sol-gel process in this case, inorganic and hybrid polymer layers can be produced from colloid-disperse solutions by wet-chemical coating processes and subsequent hardening) or a galvanic process could also be used.
  • aqueous dispersion to form the layer protecting against oxidation is that processing can be carried out without solvents (with the exception of water as the solvent), which makes processing considerably easier (also with regard to occupational health and safety and environmental protection).
  • means for increasing the stability and / or the abrasion resistance can also be added to the layer protecting against oxidation.
  • the layer protecting against oxidation can have 80% by weight of substances protecting against oxidation and a water-soluble protective polymer, such as can also be used, for example, for the further protective layer described later, added to a maximum of 20% by weight be.
  • the protective polymer should act as a binder and can, for example, stiffen a vermiculite layer (as an embodiment of the layer protecting against oxidation), so that the mechanical load-bearing capacity is increased.
  • the mechanical load-bearing capacity of a vermiculite layer (as an embodiment of the layer protecting against oxidation) and its connection to the thread-like structure can be improved by mixing it with binders.
  • binders This creates a mixture of substances that protect against oxidation and binders and therefore no additional layer.
  • Epoxy resins and phenolic resins for example, can be used as organic binders for the layer protecting against oxidation.
  • the increase in the mechanical strength of the layer protecting against oxidation for example a vermiculite layer, can also be achieved by mixing the layer protecting against oxidation (or its components) with particularly temperature-resistant polymers, such as bismaleimide, phenol, cyanate ester or polybenzimidazole -Resins can be achieved.
  • Carbon-based materials such as graphene and graphene oxide, silicon-based materials such as polysiloxanes or silicone resins, colloidal silica or nanosilica, microsilica or other inorganic materials such as.
  • B. ZnO nanoparticles e.g. NANOBYK-3860, BYK, Wesel, Germany
  • lime, cement, anhydrite, ettringite, silica sol and water glass can be used as binders in the layer protecting against oxidation to improve the properties of the layer will.
  • the layer protecting against oxidation can furthermore contain polyelectrolytes such as polycarboxylate ethers or lignin sulfonate, cellulose ethers such as methyl cellulose, polyvinyl alcohol or polyvinylpyrrolidone.
  • polyelectrolytes such as polycarboxylate ethers or lignin sulfonate, cellulose ethers such as methyl cellulose, polyvinyl alcohol or polyvinylpyrrolidone.
  • the textile reinforcement advantageously has a proportion of organic substance which is so low that gaseous substances are formed Decomposition products are no longer significant when heated and so the component cannot be exploded in the event of a fire.
  • the person skilled in the art knows, for example, that no fire resistance tests are required for concrete components with an organic content of less than 1% by weight.
  • the concrete covering of the reinforcement elements must ensure that the reinforcement does not heat up to over 550 ° C, as otherwise the steel would lose its strength.
  • Carbon fibers are stable in the absence of oxygen at this temperature and thus allow less concrete cover, which results in significant weight savings.
  • a textile reinforcement in the sense of the present application is a material based on thread-like structures that is embedded in a surrounding material, for example concrete, for reinforcement.
  • the thread-like structures can be present as threads in the narrower sense, but they can also be products made from threads. Possible products are, for example, yarns, cables, cords or ropes, which can also be processed into flat products such as woven fabrics, non-woven fabrics, knitted fabrics, braids, warp knitted fabrics, grids or nets.
  • the textile reinforcements produced in this way are characterized by their flexibility, which makes it possible to store the textile reinforcement in a space-saving manner, for example in rolls, and to transport it to the construction site and only unroll it immediately before setting it in concrete.
  • rigid reinforcement elements such as rods or rigid grids
  • wrapping yarns with which the thread-like structures or the yarns, cables, cords or ropes made from them are wrapped or braided, can mechanically stiffen the thread-like structures, the yarns, cables, cords, ropes, fabrics, scrims, knitted fabrics , Braids, knitted fabrics, Drebe, grids or nets can be realized.
  • the textile reinforcement consists of the thread-like structures mentioned.
  • the reinforcement has a (further) protective layer in addition to the layer that protects against oxidation.
  • the protective layer is preferably located as an outer layer on the finished reinforcement with the separate layer protecting against oxidation and preferably not over the entire area around the thread-like structure of the carbon fibers.
  • the protective layer preferably covers the surface and / or the lower surface of the reinforcement.
  • the protective layer can, for example, be a coating through which the reinforcement can (better) be wound up and can thus be stored as rolled goods.
  • the protective layer can also be composed of substances or contain substances that simplify and / or improve the embedding of the reinforcement in the concrete.
  • the protective layer can contain superplasticizers for concrete.
  • the protective layer can also protect the reinforcement from weathering and / or mechanical loads as long as it has not yet been installed in the concrete.
  • the protective layer can be provided reversibly or permanently with the reinforcement.
  • a reversible protective layer is present when the protective layer can be removed from the reinforcement, for example as a kind of foil.
  • all types of polymer films are conceivable as films, it also being possible for the polymer film to be insoluble in water (for example a polyethylene film).
  • the protective layer is firmly connected to the reinforcement when the protective layer and the reinforcement can no longer be detached from one another without destroying the reinforcement.
  • the protective layer is preferably designed to be water-soluble, so that it dissolves in the concrete on contact with the water.
  • the protective layer can protect the reinforcement from being set in concrete, but does not prevent or worsen the penetration of the reinforcement with the concrete.
  • the protective layer can, for example, have or consist of polyelectrolytes such as polycarboxylate ethers or ligninsulphonate, cellulose ethers such as methyl cellulose, polyvinyl alcohol or polyvinylpyrrolidone.
  • the reinforcement preferably has about 1 to 10% by weight, preferably 2 to 5% by weight, of the protective layer, based on the total weight of the reinforcement.
  • the textile reinforcement has more than one thread-like structure. In one embodiment, the textile reinforcement consists of more than one thread-like structure.
  • the individual thread-like structures of the reinforcement can be intertwined, twisted, twisted or wired with one another.
  • the textile reinforcement according to the present application can also contain additional thread-like structures made of other fibers.
  • thread-like structures such as polyamide fibers, aramid fibers, alkali-resistant glass fibers (AR glass fibers), basalt fibers, polypropylene fibers, polyvinyl alcohol fibers, polyester fibers or fibers made of oxidized, infusible polyacrylonitrile (e.g.
  • the additional thread-like structure of the reinforcement is a plurality of winding threads with which the thread-like structure made of carbon fibers is wound around.
  • the winding can, for example, increase the mechanical stability of the thread-like structure made of carbon fibers and thus the reinforcement.
  • the wrapping can be carried out uniformly over the entire reinforcement or there is only a wrapping in partial areas of the reinforcement. For example, only a central area of the reinforcement can be reinforced particularly mechanically by means of the wrapping threads.
  • the thread-like structure has a structured surface due to its manufacture by braiding, twisting, twisting or cabling. This structured surface makes it possible to bring the thread-like structure into a particularly intimate, form-fitting connection with other materials, for example coatings, the layer protecting against oxidation, the additional protective layer or concrete.
  • the wrapping threads produce in addition to mechanical reinforcement or a structured surface without mechanical reinforcement and thus enable an intimate, form-fitting connection - as described above.
  • the carbon fibers and / or filaments are held together in the thread-like structures, which makes it possible to significantly reduce or even completely reduce the amount of matrix resin necessary for the fibers to be held together within the thread-like structure to forego a matrix resin.
  • the endless filaments that make up this thread-like structure are intimately connected to one another by braiding, twisting, twisting, winding or cabling.
  • several thread-like structures can be intimately connected to one another by braiding, twisting, twisting, wrapping or cabling, optionally also in addition to an intimate connection of the filaments making up the thread-like structures.
  • a major disadvantage of the matrix resin is its problematic behavior at high temperatures.
  • the matrix resin begins to soften and can no longer ensure the cohesion of the carbon fibers with one another and can no longer compensate for the brittleness of the carbon fibers transverse to the fiber direction.
  • it begins to decompose, even in the absence of air, with the formation of gaseous products, which can then burst the surrounding concrete.
  • carbon fibers can also oxidize themselves, while in the absence of oxygen they are stable even at extremely high temperatures.
  • matrix resin is understood to mean the entirety of all non-fiber-forming material with which the carbon fibers, the thread-like structures made therefrom or the textile reinforcement made therefrom are provided before the layer protecting against oxidation is applied to the reinforcement.
  • they are to be understood as finishing agents that are applied with the aim of improving the processability of the fibers or the thread-like structures, for example agents for breaking protection, for reducing static charging or for improving the sliding properties of the fibers in the processing process.
  • finishing agents are applied with the aim of improving the processability of the fibers or the thread-like structures, for example agents for breaking protection, for reducing static charging or for improving the sliding properties of the fibers in the processing process.
  • Such finishes of fibers are known to the person skilled in the art under the designation “sizing” or “sizing”.
  • Organic synthetic resins such as epoxy resins or polyurethane-based resins are often used for this purpose.
  • a reactive polydimethylsiloxane for example SILRES BS 1042, available from Wacker, Kunststoff, Germany
  • SILRES BS 1042 for example SILRES BS 1042, available from Wacker, Kunststoff, Germany
  • temperature-resistant polymers such as polyphenylene sulfide (PPS), polyether ketones such as polyether ether ketone (PEEK) or polyimides such as polyether imides
  • PPS polyphenylene sulfide
  • PEEK polyether ketones
  • PEEK polyether ether ketone
  • polyimides such as polyether imides
  • flotation temperature resins such as bismaleimide, phenol, cyanate ester or polybenzimidazole resins
  • Carbon-based materials such as graphene and graphene oxide can also be used, as can silicon-based materials such as colloidal silica or nanosilica (based on sol-gel processes; e.g.
  • LUDOX SM 30 from WR Grace & Co.-Conn., Columbia, USA
  • microsilica e.g. EMSAC 500 SE from Fla-Be Betonchemie GmbH & Co. KG, Flameln, Germany
  • other inorganic materials in connection with water-soluble organic polymers such as. B. polyvinyl alcohol or polyvinylpyrrolidone can be used as a binder.
  • the binders are water-soluble and accordingly distribute themselves in the concrete.
  • Ferrofluids containing paramagnetic iron can act as free radical scavengers and thus as oxidation inhibitors.
  • ZnO nanoparticles e.g. NANOBYK-3860, BYK,
  • polysiloxanes or silicone resins or inorganic lubricants based on molybdenum sulfide and / or graphite e.g. MOLYKOTE 7400 Anti-Friction Coating from DuPont, Wilmington, USA
  • ORMOCERE organically modified ceramics (e.g. InnoSolTEX technology from Fraunhofer ISC, Würzburg, Germany).
  • Other inorganic finishes for example based on sheet silicates such as vermiculite, can also be used.
  • the finishing agent can also provide a better connection to other parts of the matrix resin, for example to binding agents.
  • the term "matrix resin” also includes binders that serve to hold the carbon fibers or the thread-like structures together, but also reduce the brittleness of the carbon fibers across the fiber direction compensate or, if necessary, for stiffening the thread-like structures or the yarns, cables, cords or ropes made from the thread-like structures into rods or rigid grids for the stiffening of the woven fabrics, scrims, knitted fabrics, braids, knitted fabrics or twines produced from the thread-like structures can worry.
  • binders prevent uncontrolled penetration of concrete into the material of the textile reinforcement. This would mean that there would be a telescopic extraction of fibers from the textile Reinforcement could come, with inner fibers or filaments that have no contact with concrete, are easier to pull out than fibers or filaments lying further outside that are in contact with concrete.
  • the term “uncontrolled penetration” specifically refers to the penetration of the concrete between the filaments that build up the thread-like structure. Otherwise, the filaments of the thread-like structure can be destroyed or damaged due to the formation of needle-shaped crystallites when the concrete hardens.
  • Binders for thread-like structures made of carbon fibers are known to those skilled in the art under the names “impregnation” or “impregnation compound”. Binders from the group of organic polymers, which can be chemically related to the finishing agent of the fibers, are often used. Possible binders include in particular thermally or radically curable organic synthetic resins such as epoxy resins or acrylates and rubbers such as styrene-butadiene rubber or carboxylated styrene-butadiene rubber.
  • inorganic binders based on silicates or cements.
  • silicone resins are also possible.
  • Organopolysiloxanes, in particular silicone resins, such as, in particular, the substance group of methyl resins and methylphenyl resins, such as, for example, methyl-phenyl-vinyl and drug-substituted siloxanes, and mixtures of the silicone resins in question and organic resins have proven to be suitable. Although no basic resistance to alkali is to be expected with organosilicon compounds, this could surprisingly be demonstrated in some formulations (e.g.
  • Wacker Silres H62C and in combination with Silres MK, both available from Wacker, Kunststoff, Germany) for the special application of textile reinforcement are also proven useful.
  • methyl phenyl vinyl hydrogen polysiloxanes e.g. Wacker Silres H62C, available from Wacker, Kunststoff, Germany
  • methyl polysiloxanes for example Wacker Silres MK, available from Wacker, Kunststoff, Germany
  • suitable mixtures of these two siloxanes already had surprisingly high alkali resistance in the field of textile reinforcement be detected.
  • Reactive polydimethylsiloxanes for example SILRES BS 1042, available from Wacker, Kunststoff, Germany
  • Inorganic binders with an organic component in particular predominantly inorganic binders that also have an organic component, still tend to develop a porous structure or microcracks in the high temperature range between 500 ° C and 1000 ° C despite significantly better high temperature resistance. For this reason, it is desirable to minimize the amount of binding agent used in the reinforcement for use in high-temperature-resistant concrete parts.
  • a total proportion of not more than 5% by weight of matrix resin based on the entire reinforcement is preferred for this reason in order to achieve the best possible high temperature resistance of the concrete parts containing a textile reinforcement corresponding to the present application.
  • the same material as described above for the matrix resin can be used as the amount of matrix resin, but this time the matrix material can not only be present on the carbon fibers, but can also occur as a component in other layers of the reinforcement.
  • the amount of matrix resin thus comprises the matrix resin of the carbon fibers and other matrix components of the reinforcement in other layers of the reinforcement.
  • the textile reinforcement can have a maximum of 4% by weight of matrix resin.
  • the textile reinforcement can have a maximum of 3% by weight of matrix resin.
  • the textile reinforcement can have a maximum of 2% by weight of matrix resin.
  • the textile reinforcement can have a maximum of 1% by weight of matrix resin.
  • the textile reinforcement is free of matrix resin.
  • the binder content of the textile reinforcement can be 5% by weight, 4% by weight, 3% by weight, 2% by weight, 1% by weight, or the textile reinforcement can be free of binders.
  • a reduction in the proportion of finishing agent on the carbon fibers is also possible. Here proportions of less than 1.5% by weight, less than 1% by weight or even less than 0.5% by weight are possible.
  • the carbon fibers and also the textile reinforcement are free of finishing agents.
  • the carbon fibers are largely stable to high temperatures as long as they are kept away from oxygen.
  • the reinforcement is coated with a separate layer that protects against oxidation. In principle, all materials that do not react with oxygen even when exposed to high temperatures are suitable for this layer. This is particularly the case with inorganic compounds.
  • the layer protecting against oxidation therefore has a proportion of inorganic material of at least 80% by weight. In one embodiment, the layer protecting against oxidation therefore has a proportion of inorganic material of at least 70% by weight. In one embodiment, the layer protecting against oxidation therefore has a proportion of inorganic material of at least 60% by weight. In one embodiment, the layer protecting against oxidation therefore has a proportion of inorganic material of at least 50% by weight. In one embodiment, the layer protecting against oxidation therefore has a proportion of inorganic material of at least 40% by weight. Oxidic materials or materials whose constituents are oxidized to a large extent as long as they do not themselves have an oxidizing effect are particularly suitable. Materials based on stable metal and semi-metal oxides, such as the oxides of calcium, magnesium, aluminum and silicon, are of particular importance.
  • the oxides of these elements are characterized by a high oxidation stability and a low oxidation effect as well as easy availability.
  • Materials derived from these oxides are, for example, quartz, clay, cement or the large group of substances called silicates, in which the elements mentioned can be associated with other elements in their oxidized forms, for example with iron or alkali metals.
  • the layer protecting against oxidation has ORMOCERE, that is to say an organically modified ceramic (for example InnoSolTEX technology from Fraunhofer ISO, Würzburg, Germany), or polysilazanes.
  • the layer protecting against oxidation therefore contains at least 5% by weight silicon.
  • This can include silicon-oxygen compounds such as silicates or silicones.
  • Silicon-oxygen compounds are characterized by a particularly high chemical stability. In particular, due to the high chemical affinity of silicon for oxygen, silicon-oxygen compounds are extremely stable against reduction, do not give off oxygen even under the conditions of a fire and accordingly do not change chemically.
  • silicon-oxygen compounds are used as fire extinguishing agents.
  • An important example of this is sand (chemically mostly silicon dioxide, S1O2), which can be used to cover fires.
  • Layered silicates such as vermiculite can also be used as fire extinguishing agents.
  • the layer protecting against oxidation lies on and around the reinforcement and can be present in very different ways on and around the textile reinforcement.
  • a plasma treatment the object to be treated is exposed to a plasma to which a gaseous precursor is added for the desired surface coating.
  • a plasma treatment in the presence of hexamethyldisiloxane as a precursor leads to the formation of a layer containing silicon-oxygen compounds on the treated surface, here on the surface of the textile reinforcement.
  • the silicon-oxygen compounds can be silicon dioxide, for example.
  • Layers of amorphous silicates or polymer layers containing silanol groups are also possible.
  • the layer containing silicon-oxygen compounds consists of at least 30% by weight of silicon dioxide.
  • the layer containing silicon-oxygen compounds has silanol groups on its surface.
  • the layer containing silicon-oxygen compounds has a thickness of less than 500 nanometers and is therefore significantly thinner than conventional layers protecting against oxidation. In one embodiment, the layer containing silicon-oxygen compounds has a thickness of less than 300 nanometers. In one embodiment, the layer containing silicon-oxygen compounds has a thickness of less than 100 nanometers. In one embodiment, the layer containing silicon-oxygen compounds has a thickness of less than 50 nanometers, of less than 30 nanometers.
  • the textile reinforcement retains its drapability even when coated with the layer protecting against oxidation. It is therefore possible to shape them into a desired shape immediately before pouring them into concrete and, for example, to shape curved or curved concrete components with little effort to manufacture.
  • the layer containing silicon-oxygen compounds can be chemically bonded to the carbon fibers themselves or to the finishing agent applied to the carbon fibers and in turn allows a chemical bond to constituents of concrete, for example to cement.
  • Silicates which can be applied to the reinforcement using a wet chemical method, for example, can also be used as the material for the layer protecting against oxidation.
  • Layered silicates for example, which are able to form flexible, inorganic films, should be mentioned in this context.
  • Inorganic films made from vermiculite have excellent mechanical properties (for example in relation to tensile strength and tensile modulus) and are superior to some organic films.
  • a flexible layer protecting against oxidation is formed by the layered silicate vermiculite. This is particularly the case when vermiculite is applied to a surface in the form of an aqueous suspension and then dried.
  • Such dispersions are available, for example, under the name AVD (Aqueous Vermiculite Dispersion), inter alia, as fire extinguishing agents.
  • AVD Aqueous Vermiculite Dispersion
  • the layer of layered silicates that protects against oxidation can be anchored in a form-fitting manner in the structured surface of the reinforcement.
  • the layered silicate applied in the form of an aqueous suspension can form a structure that engages in the structure on the surface of the thread-like structure or the carbon fibers and thus ensures an intimate connection between the thread-like structure or the carbon fibers and the layer protecting against oxidation .
  • the reinforcement after the reinforcement has been produced from the thread-like structure of the carbon fibers in an immersion bath of aqueous suspension, it can be soaked with sheet silicate, so that a separate layer protecting against oxidation is created on and around the reinforcement (i.e. the outer surfaces of the reinforcement).
  • an adhesive layer can optionally be used, which ensures a chemical bond between the thread-like structure and the layer that protects against oxidation, such as the layered silicate.
  • the adhesive layer is preferably applied to the reinforcement, that is to say, the thread-like structure of interwoven, twisted, twisted or cabled carbon fibers has the adhesive layer. In another embodiment, however, it is also conceivable that the carbon fibers have the adhesive layer before the production of the thread-like structure.
  • the adhesive layer makes up less than 3% by weight, preferably less than 2% by weight and even more preferably less than 1.5% by weight, even more preferably less than 1% by weight, based on the total weight of the reinforcement .
  • the layered silicate layer has a maximum thickness of 200 ⁇ m. In one embodiment, the layered silicate layer has a maximum thickness of 150 ⁇ m. In one embodiment, the layered silicate layer has a maximum thickness of 100 ⁇ m. In one embodiment, the Layered silicate layer has a maximum thickness of 75 ⁇ m. In one embodiment, the layered silicate layer has a maximum thickness of 50 ⁇ m. In one embodiment, the layered silicate layer has a maximum thickness of 40 ⁇ m. In one embodiment, the layered silicate layer has a maximum thickness of 30 ⁇ m. In one embodiment, the layered silicate layer has a maximum thickness of 20 ⁇ m. In one embodiment, the layered silicate layer has a maximum thickness of 10 ⁇ m.
  • the layered silicate layer can have a uniform or non-uniform thickness on and around the reinforcement.
  • the proportion of organic substances in the entire layers that are not reversibly and directly or indirectly (via a layer) connected to the reinforcement is less than 5% by weight based on the total weight of the textile reinforcement, with the thread-like structure made of carbon fibers is not counted as a layer.
  • the reinforcement has fibers with a sizing (matrix), a separate layer protecting against oxidation, an adhesive layer and a further protective layer that is not reversibly connected to the reinforcement, the reinforcement has less than 5% by weight of organic substances in total, based on the total weight of the textile reinforcement.
  • the present application also relates to a concrete component that has reinforcement according to the present application.
  • the textile reinforcement is embedded in the concrete component in such a way that it has a concrete cover of at most 10 millimeters.
  • the concrete cover is understood to mean the thickness of the concrete layer that is at least between the concrete surface and the surface of the textile reinforcement.
  • the reinforcement in the concrete component has a concrete cover of at most 15 millimeters.
  • the reinforcement in the concrete component has a concrete cover of at most 20 millimeters.
  • the reinforcement in the concrete component has a concrete cover of at most 25 millimeters.
  • the reinforcement in the concrete component has a concrete cover of at most 30 millimeters.
  • the reinforcement in the concrete component has a concrete cover of at most 35 millimeters. In one embodiment, the reinforcement in the concrete component has a concrete cover of at most 40 millimeters. In one embodiment, the reinforcement in the concrete component has a concrete cover of at most 45 millimeters. In one embodiment, the reinforcement in the concrete component has a concrete cover of at most 50 millimeters. In one embodiment, the concrete cover of the textile reinforcement is lower than the concrete cover of a comparable steel reinforcement with the same mechanical properties, which means a clear weight advantage.
  • the concrete covering of the textile reinforcement makes a decisive contribution to the fire resistance of the textile reinforcement due to its heat-insulating and oxygen-protecting effect.
  • the concrete covering of the textile reinforcement can be designed in interaction with the nature and the layer thickness of the layer protecting against oxidation in such a way that a desired fire resistance class is achieved.
  • Figure 1 shows a comparison of the tensile strength of carbon fiber yarns with a solid matrix resin content as a function of their twist (t / m).
  • FIG. 2 shows the influence of a vermiculite coating on the temperature resistance of carbon fibers.
  • Figure 3 shows the basic structure of a single-thread coating system
  • Figure 4 shows the basic sketch of a coating eyelet (right in cross section)
  • Figure 5 shows the schematic diagram of a changing board
  • FIG. 6 shows a heating curve of a muffle furnace for the yarn samples
  • FIG. 7 shows a desired position of yarn strands for example 3
  • FIG. 8 shows the built-in yarn strands for example 3
  • FIG. 9 shows a test setup (rotated) for example 3.
  • Figure 10 shows schematically a textile reinforcement that is embedded in concrete.
  • the thread-like structures to be tested are carbon fiber yarn of the type STS40 F1324K from Teijin Carbon Europe with 1600 tex and 1% polyurethane coating as the matrix resin content.
  • the comparison yarn was impregnated with the following flarz mixture: Epikote 828: 100 parts Epikure 113: 30 parts acetone: 15 parts
  • yarn samples are provided with 50 mm long cardboard strips, which are used to apply force to the test device.
  • a two-component adhesive is used which, after hardening, completely encloses the samples in the area of a cardboard strip and there are no air pockets.
  • Adhesive approach AW 106 100 part by weight
  • the samples must now be placed along the marking lines and fixed with polyester adhesive tape. Attention must be paid to the parallelism between the individual test specimens.
  • the upper cardboard strips (provided with clear lettering), which are also provided with an adhesive film, are placed and fixed on this. On top of this is a layer of PTFE glass fabric, which is weighted down with a second glass plate.
  • This structure is left in a preheated convection oven at 70 ° C for one hour. After the yarn tensile test specimens have cooled down, cut them with a band saw on the outer edges and on the intended dividing lines.
  • test specimens are kept for at least 24 hours in the test room climate at 23 ° C / 50% rel. Humidity stored before the measurement.
  • a tensile test is carried out on the impregnated carbon fiber strand, which is provided with force introduction elements on both sides (cardboard glue), using an extensometer.
  • Standard atmosphere for testing impregnated yarn tensile samples i.e. 23 ° C ⁇ 2 and 50% ⁇ 5 relative humidity.
  • the tension clamps are installed in the material testing machine (MPM), aligned centrally and the required clamping length between the tension clamps is, as in the required standard or specification set, set.
  • the test specimen stops are then adjusted in such a way that the test specimens are loaded centrally in the MPM. When clamping, make sure that the specimens are clamped perpendicular to the clamping jaws.
  • the zero point of the force channel is approached.
  • the testing machine moves, recording the measured values, until the breakage or until the specified force or elongation value is reached.
  • the fracture pattern is entered and the measurement data is saved.
  • the test specimen is removed from the test room and the device and the clamps are cleaned.
  • the specimen numbering is checked and, if necessary, renewed on both sides.
  • the traverse of the MPM is moved back to the starting position and the next specimen can be tested. According to this procedure, six tests are carried out per sample.
  • the cross-sectional area of the yarn is calculated as follows:
  • FIG. 1 shows the tensile strength in MPa as a function of the twist of the yarn in t / m.
  • the first four samples contain 1% by weight of matrix resin.
  • the last comparison sample is an STS40 E2324K carbon fiber yarn from Teijin Carbon Europa with 1600 tex, which has been impregnated with an epoxy-based resin material. The resin content in the yarn was 39% by weight.
  • the first sample shows no twist with 0Z or Torsion and reaches a tensile strength of 1955 MPa. With increasing twisting or twisting, it can be seen that the tensile strength increases despite the same proportion of matrix resin in the fibers. With a twist of 15Z, i.e.
  • a tensile strength of 2309 MPa is achieved. This means that there is an increase of around 18%, which can be attributed to the twisting or twisting of the yarn. It is assumed that the twisting, interlacing or twisting of the carbon fibers to form the thread-like structure can bring about the cohesion of the filaments to one another in a similar way to what would be the case with the impregnation of the fibers. Because the filaments are held together, the thread-like structure then achieves good tensile strengths. Due to the very low matrix content of the thread-like structure, the material can be used particularly well as fire-resistant reinforcement.
  • the temperature resistance of carbon fibers is investigated as a function of a vermiculite coating.
  • the vermiculite coating represents an embodiment for the separate layer protecting against oxidation.
  • the coating of the carbon fiber is comparable to a coating of an armouring, since the coating can generally show the improvement in the litz resistance of the fibers from which the armouring is built up.
  • Vermiculite dispersion (AVD, manufacturer: Dupre Minerals Ltd., GB) Single thread coating system (unwinding stand with run-off spindle and brake for adjusting the thread tension, cup bath for resin impregnation with adjustable cup holder and base plate for fastening the rollers (Fig. 3) and coating eyelets (Fig. 4 ))
  • Drying cabinet with a temperature range of at least 150 ° C
  • Muffle furnace with a temperature range up to at least 1000 ° C, balance with an accuracy of ⁇ 0.001 g
  • the bobbin with the twisted thread is mounted on the unwind stand.
  • the yarn is fed through a bath of tubs with coating dispersion to the eyelet via rollers that are easy to dismantle and clean (Fig. 3).
  • the eyelet (Fig. 4) removes the excess dispersion from the yarn.
  • the drive is done manually by winding the yarn after the eyelet on a winding board (Fig. 5).
  • a thread brake keeps the thread under slight tension when it is pulled off manually. In this way the yarn is continuously coated.
  • the vermiculite coating achieved is given in Table 1. Table 1
  • FIG. 2 shows the result of Example 2.
  • the averaged mass loss is about 68% by weight. In the case of a yarn without a vermiculite coating as a protective layer against oxidation, the averaged mass loss could be reduced by about 11% by weight and was still about 56% by weight. In the case of a vermiculite coating of the carbon fibers with 13% by weight, the averaged mass loss was around 30% by weight, so that a reduction in mass loss of more than 50% by weight could be achieved compared to the uncoated carbon fiber yarn.
  • Example 2 thus shows that a separate coating with a layer protecting against oxidation can protect the carbon fibers even at high temperatures, so that the carbon fibers remain temperature-resistant even when oxygen is present.
  • a reinforcement that has such a separate layer protecting against oxidation therefore retains its own in the event of a fire reinforcing properties, so that the component with the reinforcement does not fail or fails at a later point in time, even in the event of a fire.
  • Example 3 a tensile test was carried out.
  • the fiber samples P11 and P12 (sample details can be found in Table 2) were embedded in concrete and the maximum load was determined by means of a tensile test.
  • the strands of yarn were stored in a dry place in a room climate until they were concreted.
  • the tensile specimens with the dimensions 800x60x15 mm 3 were produced in plastic formwork.
  • Four test specimens standing (standing height 60 mm) were produced for each yarn type.
  • Each sample contained eight strands of yarn. The desired position of the yarn strands can be seen in FIG.
  • the samples were prepared on three consecutive days with two sets of samples each time. Four individual samples were produced with one set of samples. First, the strands of twine were fixed in the formwork using springs with a slight pre-tension. To fix it, the ends of the yarn strands were bent over and fastened with cable ties and superglue. Figure 8 shows the built-in yarn strands.
  • the concrete used was a ready-mixed fine concrete with a maximum grain size of 1 mm (compressive strength> 60 N / mm 2 ).
  • the dry mix was homogenized for all concreting and then bottled for the individual concreting.
  • the dry mix was mixed in a bucket mixer with an automatic timer according to the manufacturer's instructions. After the mixing process, two formworks were concreted in less than 30 minutes per concreting with constant vibration.
  • the test specimens were then covered and stored in a room climate until they were removed from the formwork after 20-24 hours. After stripping the formwork, the test specimens were placed in a climatic cabinet at 20 ° C and> 95% rel. Humidity stored for a maximum of six days. Finally, it was stored at 22 ° C. and 65% rel. Humidity up to the test.
  • the tensile specimens were tested 13 and 14 days after manufacture.
  • the tests were carried out with a universal testing machine equipped with a class 1 load cell with a maximum load of 50 kN (calibrated in December 2020).
  • the samples were clamped in screwed steel straps over a length of 250 mm each.
  • the steel straps are provided with leveling layers to compensate for surface inaccuracies and to ensure that the sample adheres securely in the clamping area.
  • the connection of the clamping jaws to the testing machine was realized via ball joint heads.
  • the test setup is shown (rotated).
  • the specimens were measured with regard to their geometric properties.
  • the specimen width (nominal dimension 60 mm) and the specimen thickness (nominal dimension 15 mm) in the area of the free stretching length were determined at the top, in the middle and at the bottom. The measured values were within the usual tolerances.
  • the force with the specimen suspended was tared to zero.
  • the weight of the test specimen and the lower clamping structure was approx. 65 N.
  • the test was then manually approached to a preload of ⁇ 150 N and the test started.
  • the approach speed of the testing machine was 0.5 mm / min and the subsequent testing speed 1 mm / min. If the force dropped by> 90%, the experiment was stopped automatically.
  • the machine path (traverse path) and the force were recorded at a measuring rate of 50 Hz. Results: Table 2:
  • the number of cracks was determined 5 and recorded in the completed crack pattern during the test. Cracks near the jaw exits were counted, even if they were slightly inside the jaws.
  • the specified mean values relate to 4 individual results. The determination of the maximum force took place after the first tear.

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Abstract

Die Anmeldung betrifft eine textile Bewehrung zur Einbettung in Beton, aufweisend Kohlenstofffasern, wobei die Bewehrung mit einer vor Oxidation schützenden Schicht beschichtet ist, wobei die Kohlenstofffasern als verflochtenes, gedrehtes, verzwirntes oder kabliertes fadenförmiges Gebilde vorliegen und maximal 5 Gew. % an Matrixharz aufweisen und die vor Oxidation schützende Schicht eine separate Schicht ist und eine chemische Bindung zu einem Bestandteil von Beton herstellen kann. Weiterhin betrifft die Anmeldung ein Betonbauteil, das eine textile Bewehrung aufweist.

Description

Bewehrung aufweisend Kohlenstofffasern
Beschreibung:
Die Anmeldung betrifft eine textile Bewehrung, die zum vollständigen Eingießen in Beton bzw. ein Betonbauteil geeignet ist.
Beton hat im Vergleich zur Druckfestigkeit nur eine Zugfestigkeit von etwa 10 %. Um die Zugfestigkeit des damals neuen Baustoffs Beton zu erhöhen, begann man bereits in der Mitte des 19. Jahrhunderts, Beton mit anderen, zugfesteren Materialien zu kombinieren. Besonders hervorzuheben sind hier die Arbeiten des französischen Gärtners Joseph Monier, der für Pflanzkübel Beton mit einem Eisengeflecht kombinierte. Monier gilt heute als Erfinder des mit Stahlelementen verstärkten oder bewehrten Betons, kurz des Stahlbetons. Nach ihm werden die in Stahlbeton eingegossenen Verstärkungselemente noch immer umgangssprachlich „Moniereisen“ genannt. Andere Materialien zur Herstellung von Bewehrungen sind noch immer Gegenstand aktueller Forschung und Entwicklung, insbesondere Bewehrungen auf Textilbasis.
Es sind verschiedene Faser- und Textilmaterialien bekannt, deren Reißfestigkeit die von Stahl deutlich übertrifft, die gleichzeitig aber wesentlich leichter sind als Stahl. Es ist daher eine massive Gewichtseinsparung bei Betonbauteilen oder Betonbauwerken möglich, die sich z.B. positiv auf die Statik von tragenden Bauelementen wie Brückenpfeilern oder -Widerlagern auswirkt. Gleichzeitig bieten Textilien, beispielsweise auf Basis von Glasfasern, Basaltfasern, Kohlenstofffasern („Carbon“, „Carbonfasern“) oder bestimmten organischen Polymeren den großen Vorteil einer geringeren Korrosionsanfälligkeit während bei Metallbewehrungen auf die Dauer mit chemischem Verschleiß der Bewehrungselemente zu rechnen ist, der zu einer gefährlichen Verringerung der Tragkraft der betroffenen Bauelemente sowohl durch Versagen der Bewehrung selbst als auch durch Abplatzen von Beton durch Ausdehnen der korrodierenden Bewehrungselemente führen kann. Neben der allgemeinen Oxidationsempfindlichkeit von Metallen, insbesondere Baustahl, spielt dabei auch eine Rolle, dass die Betonmatrix, in die die Bewehrungselemente eingebettet werden, stark alkalisch reagiert und dementsprechend chemisch sehr aggressiv ist.
Textile Bewehrungen befinden sich noch in der Entwicklungsphase. Auf dem Gelände der Landesgartenschau in Oschatz (Sachsen) wurde 2005 beispielsweise die weltweit erste Brücke aus textilverstärktem Beton gebaut.
Als interessant für die Herstellung von textilen Bewehrungen für Beton haben sich Kohlenstofffasern herausgestellt. Kohlenstofffasern bieten eine hohe Reißfestigkeit und sind bei normalen Temperaturen äußerst beständig gegen Umwelteinflüsse wie Wasser, Sauerstoff oder die stark alkalische Umgebung im Beton. Kohlenstofffasern zeigen in Faserrichtung eine große Reißfestigkeit, sind jedoch quer zur Faserrichtung sehr spröde. Diesem Nachteil wird dadurch abgeholfen, dass Kohlenstofffasern in ein Matrixharz eingebettet werden, das die entsprechenden Kräfte auffängt und für den Zusammenhalt der Kohlenstofffasern untereinander sorgt.
Problematisch bei textilen Bewehrungen ist ihre geringe Hitzebeständigkeit. Betonbauteile mit textilen Bewehrungen sind daher für Anwendungen ungeeignet, in denen sie dauerhaft hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Gleichzeitig muss aber eine zeitlich begrenzte Beständigkeit gegenüber hohen Temperaturen gewährleistet sein, um die Stabilität von Betonbauteilen mit textilen Bewehrungen im Brandfall sicherzustellen. Eine zeitlich begrenzte Beständigkeit gegenüber hohen Temperaturen im Brandfall wird als „Feuerwiderstand“ bezeichnet. Er wird an der Dauer, über die ein Bauteil im Brandfall seine Funktion behält, bemessen. Eine praxisübliche Anforderung an brandgefährdete Bauwerke ist die Feuerwiderstandsklasse „F90-feuerbeständig" (im Brandfall mindestens 90 Minuten funktionstauglich). Bei konventioneller Stahlbetonbauweise wird ein Schutz über 90 Minuten vor allem über eine ausreichend große Betonüberdeckung erreicht.
WO 2018/202785 offenbart ein Betonbauteil mit textiler Bewehrung, das eine verbesserte Beständigkeit im Brandfall aufweist, die bewirkt wird, indem der Beton entsprechend modifiziert wird, um ein Abplatzen zu verhindern, anorganisch dominierte Matrixmaterialien für die Bewehrung zum Einsatz kommen oder die Bewehrung von einer Oxidationsbarriere umgeben ist, die die Fasern vor der Einwirkung von Sauerstoff schützt.
Nachteilig am Stand der Technik ist jedoch, dass der Zusammenhalt der Fasern in der textilen Bewehrung nach wie vor durch ein Bindemittel realisiert wird, welches organische Anteile hat, die unter Einwirkung großer Flitze Gase bilden, somit den umgebenden Beton zersprengen und zum Kollabieren des Bauteils führen können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine textile Bewehrung bereitzustellen, die hervorragend feuerbeständig und gleichzeitig einfach in der Fierstellung ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine textile Bewehrung zur Einbettung in Beton aufweisend Kohlenstofffasern, wobei die Bewehrung mit einer vor Oxidation schützenden Schicht beschichtet ist, wobei die Kohlenstofffasern als verflochtenes, gedrehtes, verzwirntes oder kabliertes fadenförmiges Gebilde vorliegen und maximal 5 Gew. % an Matrixharz aufweisen und die vor Oxidation schützende Schicht eine separate Schicht ausbildet und eine chemische Bindung zu einem Bestandteil von Beton hersteilen kann. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bewehrung. Dabei soll deutlich werden, dass der Begriff „Bewehrung“ immer bedeutet, dass ein Material (nämlich die Bewehrung) in ein anderes Material (das verstärkt werden soll) eingegossen oder eingebettet wird. Eine textile Bewehrung, die in Beton einzubetten ist (wie im Anspruch 1 gefordert), bedeutet hierbei, dass zumindest die Oberfläche und die Unterfläche der textilen Bewehrung - die sich als Flächen jeweils in der Längserstreckung der Bewehrung erstrecken und im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen - von Beton nahezu vollständig bedeckt sind (siehe Figur 10). Die vorliegende textile Bewehrung ist somit (mit Ausnahme von Randbereichen) zumindest auf der Ober- und Unterfläche von Beton umschlossen. Ein Material, das auf Beton aufgelegt und nicht von Beton umschlossen wird, ist keine Bewehrung.
Unter einer separaten vor Oxidation schützenden Schicht soll eine Schicht verstanden werden, die im Wesentlichen vollständig als Außenfläche oder Beschichtung um die Bewehrung liegt. Bevorzugt liegt die vor Oxidation schützende Schicht in Form einer im Wesentlichen vollständigen Beschichtung der Bewehrung vor. Eine im Wesentlichen vollständige Beschichtung der Bewehrung bedeutet, dass weniger als 30 % der Außenfläche, weniger als 20% der Außenfläche, weniger als 10% der Außenfläche oder weniger als 5% der Außenfläche der Bewehrung frei sind von der vor Oxidation schützenden Schicht. Die vor Oxidation schützende Schicht kann dabei vereinzelt Risse aufweisen. Eine separate vor Oxidation schützende Schicht besteht im Wesentlichen vollständig, das bedeutet vorzugsweise zu über 75 Gew%, mehr bevorzugt zu über 80 Gew%, noch bevorzugter zu über 90 Gew% und besonders bevorzugt zu über 98 Gew%, aus dem vor Oxidation schützenden Material. Erfindungsgemäß weisen die Kohlenstofffasern, die das fadenförmige Gebilde der Bewehrung bilden, folglich nicht mehr als 5 Gew% Martrixharz auf und die Bewehrung ist von einer separaten vor Oxidation schützenden Schicht umgeben.
Keine vor Oxidation schützende separate Schicht im Sinne der Erfindung liegt vor, wenn das vor Oxidation schützende Material nur vereinzelt und nicht als vollflächige Beschichtung auf der Bewehrung beziehungsweise auf den Kohlenstofffasern beziehungsweise auf dem fadenförmigen Gebilde vorliegt. Auch keine separate vor Oxidation schützende Schicht liegt vor, wenn die vor Oxidation schützende Substanzen lediglich als Additive in einem Matrixmaterial zur Beschichtung der Bewehrung oder der Fasern der Bewehrung beigemengt werden.
Der prozentuale Gewichtsanteil der separaten vor Oxidation schützenden Schicht liegt bei weniger als 15 Gew%, vorzugsweise weniger als 10 Gew%, noch bevorzugter weniger als 7,5 Gew% und ganz besonders bevorzugt weniger als 3 Gew% bezogen auf das Gesamtgewicht der textilen Bewehrung.
Das Dokument EP 0861 862 beschreibt ein Verfahren zur Verstärkung von Strukturen. Dabei soll beispielsweise eine Betonlage durch die Aufbringung einer Faserlage auf der Oberfläche der Betonlage verstärkt werden. Die Faserlage wird zusammen mit einem Primer-Layer und einem Putty-Layer verwendet und wird mittels eines Flarzes imprägniert. Eine Einbetonierung der Faserlage in Beton erfolgt nicht. Folglich beschreibt das Dokument auch keine Bewehrung. Darüber hinaus beschreibt das Dokument keine Kohlenstofffasern, die als verflochtenes, gedrehtes, verzwirntes oder kabliertes fadenförmiges Gebilde vorliegen oder Kohlenstofffasern, die höchstens 5 Gew% eines Matrixharzes aufweisen. Eine separate vor Oxidation schützende Schicht ist ebenfalls nicht in dem Dokument offenbart. Dokument WO 2015/084720 beschreibt ein adhäsives Tapematerial, was zur äußerlichen Reparatur von Bauteilen verwendet werden kann (siehe Figuren 1 bis 4 der Schrift). Eine Einbettung des Materials in Beton erfolgt nicht und somit wird in diesem Dokument auch keine Bewehrung beschrieben. Das Material weist Verstärkungsfasern auf, die in einem Matrixmaterial eingebettet sind. Es gib keine Flinweise auf Kohlenstofffasern, die als verflochtenes, gedrehtes, verzwirntes oder kabliertes fadenförmiges Gebilde vorliegen. Eine separate vor Oxidation schützende Schicht wird auch nicht offenbart. Im Dokument WO 2019/091832 wird ein Faserprodukt mit einer Beschichtung aus wässriger Polymerdispersion beschrieben, deren Verwendung beispielweise als Bewehrung in Beton angegeben wird. Gemäß den Beispielen wird hierfür das gesamte gebildete Textil mit einem polymeren Material getränkt, so dass die Beschichtung aus polymerem Material möglichst alle Einzelfilamente des Textils umschließt und so einen inneren Verbund der Fasern ermöglicht. Das Dokument beschreibt weiterhin die Verwendung von anorganischen Verdickungsmitteln, die als Additive in der wässrigen Dispersion verwendet werden können. Eine separate vor Oxidation schützende Schicht der Bewehrung, wird in der Schrift nicht offenbart.
Die vor Oxidation schützende Schicht wird vorzugsweise über ein wasserbasiertes System, beispielsweise eine wässrige Dispersion, aufgebracht. Alle gängigen Textilbeschichtungsverfahren - im Fall einer vor Oxidation schützenden Schicht aus Vermiculit zum Beispiel durch Tauchen der Bewehrung in eine wässrige Dispersion des Beschichtungsmittels - könnten Verwendung finden. Auch ein Sol- Gel-Verfahren (hierbei können aus kolloiddispersen Lösungen durch nasschemische Beschichtungsverfahren und anschließende Härtung anorganische und hybridpolymere Schichten hergestellt werden) oder ein galvanisches Verfahren könnten verwendet werden.
Vorteilhaft an einer wässrigen Dispersion zur Bildung der vor Oxidation schützenden Schicht ist, dass die Verarbeitung ohne Lösungsmittel (mit Ausnahme von Wasser als Lösungsmittel) erfolgen kann, wodurch die Verarbeitung (auch in Hinblick auf den Arbeitsschutz und dem Umweltschutz) wesentlich erleichtert wird.
In einer allgemeinen Ausführungsform kann der vor Oxidation schützenden Schicht noch Mittel zur Erhöhung der Stabilität und/oder der Abriebfestigkeit beigefügt werden. Beispielweise kann die vor Oxidation schützende Schicht 80 Gew% vor Oxidation schützende Substanzen aufweisen und zu höchstens 20 Gew% ein wasserlösliches Schutzpolymer, wie es beispielweise auch für die später beschriebene weitere Schutzschicht verwendet werden kann, zugeführt sein. Das Schutzpolymer sollte als Bindemittel wirken und kann beispielsweise eine Vermiculit-Schicht (als eine Ausführungsform der vor Oxidation schützende Schicht) versteifen, so dass die mechanische Belastbarkeit erhöht wird. Weiterhin können die mechanische Belastbarkeit einer Vermiculit-Schicht (als eine Ausführungsform der vor Oxidation schützenden Schicht) und deren Anbindung an das fadenförmige Gebilde durch eine Mischung mit Bindern verbessert werden. Hierbei entsteht eine Mischung aus vor Oxidation schützenden Substanzen und Bindemitteln und daher keine weitere Schicht. Als organische Binder für die vor Oxidation schützende Schicht können beispielsweise Epoxidharze und Phenolharze verwendet werden. Die Erhöhung der mechanischen Belastbarkeit der vor Oxidation schützenden Schicht, beispielsweise einer Vermiculit-Schicht, kann auch durch eine Mischung der vor Oxidation schützenden Schicht (beziehungsweise deren Bestandteilen) mit besonders temperaturbeständigen Polymeren, wie zum Beispiel Bismaleimid-, Phenol-, Cyanatester- oder Polybenzimidazol-Harzen erreicht werden. Auch kohlenstoffbasierte Materialien wie Graphen und Graphenoxid, siliciumbasierte Materialien wie z.B. Polysiloxane bzw. Siliconharze, kolloidales Silica bzw. Nanosilica, Mikrosilica oder andere anorganische Materialien wie z. B. ZnO-Nanopartikel (z. B. NANOBYK-3860, Fa. BYK, Wesel, Deutschland), Kalk, Zement, Anhydrit, Ettringit, Kieselsol und Wasserglas können als Binder in der vor Oxidation schützenden Schicht zur Verbesserung der Eigenschaften der Schicht verwendet werden. Die vor Oxidation schützende Schicht kann weiterhin Polyelektrolyte wie Polycarboxylatether oder Ligninsulfonat, Celluloseether wie Methylcellulose, Polyvinylalkohol oder Polyvinylpyrrolidon aufweisen. Bei allen genannten Beimischungen zur der vor Oxidation schützenden Schicht ist jedoch zu beachten, dass in jedem Fall das vor Oxidation schützende Material der Hauptbestandteil der Schicht bleibt und durch die Beimischungen auch keine zusätzliche Schicht aus diesen Beimischungen in der vor Oxidation schützenden Schicht entsteht.
Vorteilhafterweise weist die textile Bewehrung einen Anteil an organischer Substanz auf, der so gering ist, dass die Bildung gasförmiger Zersetzungsprodukte beim Erhitzen nicht mehr ins Gewicht fällt und so das Bauteil im Brandfall nicht zersprengt werden kann. Dem Fachmann ist beispielsweise bekannt, dass für Betonbauteile mit einem organischen Anteil von unter 1 Gew. % keine Feuerfestigkeitstests erforderlich sind. Bei Stahlbewehrungen muss durch die Betonüberdeckung der Bewehrungselemente sichergestellt sein, dass sich die Bewehrung nicht auf über 550°C erhitzt, weil andernfalls der Stahl seine Festigkeit einbüßen würde. Kohlenstofffasern dagegen sind unter Sauerstoffabschluss bei dieser Temperatur stabil und erlauben so eine geringere Betonüberdeckung, was eine deutliche Gewichtsersparnis zur Folge hat.
Eine textile Bewehrung im Sinne der vorliegenden Anmeldung ist ein auf fadenförmigen Gebilden basierendes Material, das zur Verstärkung in ein umgebendes Material, zum Beispiel Beton, eingebettet wird. Die fadenförmigen Gebilde können dabei als Fäden im engeren Sinne vorliegen, es kann sich aber auch um Produkte aus Fäden handeln. Mögliche Produkte sind zum Beispiel Garne, Kabel, Corde oder Seile, die darüber hinaus zu flächigen Produkten wie Geweben, Gelegen, Gestricken, Geflechten, Gewirken, Gedreben, Gittern oder Netzen verarbeitet sein können. Die so hergestellten textilen Bewehrungen zeichnen sich durch ihre Flexibilität aus, die es ermöglicht, die textile Bewehrung z.B. in Rollenfom platzsparend zu lagern und zur Baustelle zu transportieren und sie erst unmittelbar vor dem Einbetonieren zu entrollen. Durch die Verwendung von Bindemitteln oder durch entsprechende Verdrehung und/oder Verflechtung der fadenförmigen Gebilde können darüber hinaus starre Bewehrungselemente wie Stäbe oder starre Gitter hergestellt werden. Auch durch sogenannte Umwindegarne, mit denen die fadenförmigen Gebilde oder die daraus hergestellten Garne, Kabel, Corde oder Seile umwickelt oder umflochten werden, kann eine mechanische Versteifung der fadenförmigen Gebilde, der daraus hergestellten Garne, Kabel, Corde, Seile, Gewebe, Gelege, Gestricke, Geflechte, Gewirke, Gedrebe, Gitter oder Netze realisiert werden. In einer Ausführungsform, besteht die textile Bewehrung aus den genannten fadenförmigen Gebilden.
In einer Ausführungsform weist die Bewehrung eine (weitere) Schutzschicht, neben der vor Oxidation schützenden Schicht auf. Die Schutzschicht befindet sich vorzugsweise dabei als Außenlage auf der fertigen Bewehrung mit der separaten vor Oxidation schützenden Schicht und vorzugsweise nicht vollflächig um die fadenförmigen Gebilde der Kohlenstofffasern herum. Vorzugsweise bedeckt die Schutzschicht die Oberfläche und/oder die Unterfläche der Bewehrung. Bei der Schutzschicht kann es sich beispielweise um eine Beschichtung handeln, durch die die Bewehrung (besser) aufwickelbar wird und so als Rollenware lagerbar wird. Die Schutzschicht kann auch aus Substanzen aufgebaut sein oder solche enthalten, die die Einbettung der Bewehrung in den Beton vereinfachen und/oder verbessern. Beispielsweise kann die Schutzschicht Fließmittel für Beton enthalten. Weiterhin kann die Schutzschicht die Bewehrung auch vor Witterungen und/oder mechanischen Belastungen schützen solange sie noch nicht im Beton verbaut wurde. Die Schutzschicht kann reversibel oder fest mit der Bewehrung vorgesehen sein. Eine reversible Schutzschicht liegt vor, wenn die Schutzschicht beispielweise als Art Folie von der Bewehrung abziehbar ist. Als Folien sind in diesem Fall alle Arten von Polymerfolien denkbar, wobei die Polymerfolie auch wasserunlöslich sein kann (beispielweise eine Polyethylen-Folie). Fest verbunden ist die Schutzschicht mit der Bewehrung, wenn die Schutzschicht und die Bewehrung nicht mehr ohne Zerstörung der Bewehrung voneinander gelöst werden können. Bei einer mit der Bewehrung fest verbundenen Schutzschicht ist die Schutzschicht vorzugsweise wasserlöslich ausgebildet, so dass sie sich bei Kontakt mit dem Wasser im Beton auflöst. Flierdurch kann die Schutzschicht zwar die Bewehrung vor dem einbetonieren schützen, verhindert oder verschlechtert aber nicht die Penetrierung der Bewehrung mit dem Beton. Die Schutzschicht kann beispielweise Polyelektrolyte wie Polycarboxylatether oder Ligninsulfonat, Celluloseether wie Methylcellulose, Polyvinylalkohol oder Polyvinylpyrrolidon aufweisen oder daraus bestehen. Vorzugsweise weist die Bewehrung etwa 1 bis 10 Gew% , vorzugsweise 2 bis 5 Gew% der Schutzschicht auf, bezogen auf das Gesamtgewicht der Bewehrung.
In einer Ausführungsform weist die textile Bewehrung mehr als ein fadenförmiges Gebilde auf. In einer Ausführungsform besteht die textile Bewehrung aus mehr als einem fadenförmigen Gebilde. Die einzelnen fadenförmigen Gebilde der Bewehrung können miteinander verflochten, verzwirnt, verdreht oder kabliert sein. Neben einem oder mehreren fadenförmigen Gebilden aus Kohlenstofffasern kann die textile Bewehrung nach der vorliegenden Anmeldung darüber hinaus zusätzliche fadenförmige Gebilde aus anderen Fasern enthalten. Hierfür kommen insbesondere fadenförmige Gebilde wie Polyamidfasern, Aramidfasern, alkaliresistenten Glasfasern (AR-Glasfasern), Basaltfasern, Polypropylenfasern, Polyvinylalkoholfasern, Polyesterfasern oder Fasern aus oxidiertem, unschmelzbarem Polyacrylnitril (z.B. Pyromex®, erhältlich von Teijin Carbon Europe, Wuppertal, Deutschland) in Betracht. In einer Ausführungsform ist das zusätzliche fadenförmige Gebilde der Bewehrung eine Mehrzahl von Umwindefäden, mit dem das fadenförmige Gebilde aus Kohlenstofffasern umwunden wird. Durch die Umwindung kann beispielweise die mechanische Stabilität des fadenförmigen Gebildes aus Kohlenstofffasern und somit der Bewehrung erhöht werden. Die Umwindung kann über die gesamte Bewehrung gleichmäßig erfolgen oder eine Umwindung liegt nur in Teilbereiche der Bewehrung vor. Beispielsweise kann nur ein Mittelbereich der Bewehrung mittels der Umwindefäden besonders mechanisch verstärkt werden.
In einer Ausführungsform weist das fadenförmige Gebilde aufgrund seiner Herstellung durch Verflechten, Verdrehen, Verzwirnen oder Kablieren eine strukturierte Oberfläche auf. Diese strukturierte Oberfläche ermöglicht es, das fadenförmige Gebilde in eine besonders innige formschlüssige Verbindung mit anderen Materialien, zum Beispiel Beschichtungen, der vor Oxidation schützenden Schicht, der weiteren Schutzschicht oder Beton, zu bringen. In einer Ausführungsform der Umwindefäden erzeugen die Umwindefäden zusätzlich zur mechanischen Verstärkung oder ohne mechanische Verstärkung eine strukturierte Oberfläche und ermöglichen so eine innige formschlüssige Verbindung - wie oben beschrieben.
Durch Verflechten, Verdrehen, Verzwirnen, Umwinden oder Kablieren wird in den fadenförmigen Gebilden ein Zusammenhalt der Kohlenstofffasern und/oder Filamente hergestellt, der es ermöglicht, den für den Zusammenhalt der Fasern innerhalb des fadenförmigen Gebildes notwendigen Anteil an Matrixharz deutlich zu reduzieren oder sogar ganz auf ein Matrixharz zu verzichten. Bei Verwendung nur eines fadenförmigen Gebildes sind die dieses fadenförmige Gebilde aufbauenden, endlosen Filamente durch Verflechten, Verdrehen, Verzwirnen, Umwinden oder Kablieren innig miteinander verbunden. Bei Verwendung mehrerer fadenförmiger Gebilde können mehrere fadenförmige Gebilde durch Verflechten, Verdrehen, Verzwirnen, Umwinden oder Kablieren innig miteinander verbunden werden, gegebenenfalls auch zusätzlich zu einer innigen Verbindung der die fadenförmigen Gebilde aufbauenden Filamente.
Ein wesentlicher Nachteil des Matrixharzes ist sein problematisches Verhalten bei hohen Temperaturen. Im Fall deutlich erhöhter Temperaturen beginnt das Matrixharz zu erweichen und kann so den Zusammenhalt der Kohlenstofffasern untereinander nicht mehr sicherstellen und die Sprödigkeit der Kohlenstofffasern quer zur Faserrichtung nicht mehr kompensieren. Darüber hinaus beginnt es, sich auch unter Luftabschluss unter Bildung gasförmiger Produkte zu zersetzen, welche dann den umgebenden Beton zersprengen können. Bei hohen Temperaturen und Sauerstoffzutritt können Kohlenstofffasern auch selbst oxidieren, während sie unter Abschluss von Sauerstoff auch unter extrem hohen Temperaturen stabil sind.
Auf diese Weise wird ein wesentlicher Beitrag zum besseren Feuerwiderstand der auf Kohlenstofffasern basierenden textilen Bewehrungen geleistet, da der Zusammenhalt innerhalb des fadenförmigen Gebildes nicht mehr durch ein bei Temperaturerhöhungen schnell versagendes Matrixharz realisiert wird, sondern auf mechanischem Wege durch die Verschlingung der das fadenförmige Gebilde aufbauenden Fasern und/oder Filamente. Durch die Reduktion der Menge des Matrixharzes kann auch die Menge thermisch zersetzbaren Materials in den fadenförmigen Gebilden reduziert werden, so dass Gasbildung unter Einwirkung hoher Temperaturen minimiert bis ausgeschlossen wird. Hierm it einher geht eine Verminderung des Risikos von Strukturversagen mit kohlenstofffaserbasierten Bewehrungen versehener Betonteile durch Zersprengen im Brandfall.
Unter Matrixharz wird in der vorliegenden Anmeldung die Gesamtheit allen nicht Fasern bildenden Materials verstanden, mit dem die Kohlenstofffasern, die daraus hergestellten fadenförmigen Gebilde oder die daraus hergestellte textile Bewehrung versehen wird, bevor die vor Oxidation schützende Schicht auf die Bewehrung aufgebracht wird. Insbesondere sind darunter Ausrüstungsmittel zu verstehen, die mit dem Ziel einer besseren Verarbeitbarkeit der Fasern oder der fadenförmigen Gebilde aufgebracht werden, zum Beispiel Mittel zum Bruchschutz, zur Verringerung der statischen Aufladung oder zur Verbesserung der Gleitfähigkeit der Fasern im Verarbeitungsprozess. Derartige Ausrüstungen von Fasern sind dem Fachmann unter der Bezeichnung „Sizing“ oder „Schlichte“ bekannt. Zu diesem Zweck werden häufig organische Kunstharze wie Epoxidharze oder auf Polyurethan basierende Flarze verwendet. Ebenso kann ein reaktives Polydimethylsiloxan (z.B. SILRES BS 1042, erhältlich von Fa. Wacker, München, Deutschland) als Sizing verwendet werden. Für den Fall, dass eine besonders temperaturbeständige Ausrüstung notwendig ist, können auch besonders temperaturbeständige Polymere wie zum Beispiel Polyphenylensulfid (PPS), Polyetherketone wie Polyetheretherketon (PEEK) oder Polyimide wie Polyetherimide eingesetzt werden. Darüber hinaus können Flochtemperaturharze wie Bismaleimid-, Phenol-, Cyanatester- oder Polybenzimidazol-Harze verwendet werden. Auch kohlenstoffbasierte Materialien wie Graphen und Graphenoxid können zum Einsatz kommen, ebenso wie siliciumbasierte Materialien wie z.B. kolloidales Silica bzw. Nanosilica (basierend auf Sol-Gel-Prozessen; z. B. LUDOX SM 30 von Firma W. R. Grace & Co.-Conn., Columbia, USA), Mikrosilica (z. B. EMSAC 500 SE von Firma Fla-Be Betonchemie GmbFI & Co. KG, Flameln, Deutschland). Darüber hinaus können auch andere anorganische Materialien in Verbindung mit wasserlöslichen, organischen Polymeren wie z. B. Polyvinylalkohol oder Polyvinylpyrrolidon als Binder eingesetzt werden. In den angeführten Beispielen sind die Binder wasserlöslich und verteilen sich dementsprechend im Beton. Ferrofluide enthaltend paramagnetisches Eisen können als Radikalfänger und damit als Oxidationsinhibitor wirken. Darüber hinaus sind als Ausrüstungsmittel auch ZnO-Nanopartikel (z. B. NANOBYK-3860, Fa. BYK,
Wesel, Deutschland), Polysiloxane bzw. Siliconharze oder Anorganische Schmiermittel auf Basis von Molybdänsulfid und/oder Graphit (z. B. MOLYKOTE 7400 Anti-Friction Coating von Fa. DuPont, Wilmington, USA) oder sog. ORMOCERE, Organisch-modifizierte Keramiken (z. B. InnoSolTEX-Technologie von Fraunhofer ISC, Würzburg, Deutschland) geeignet. Auch andere anorganische Ausrüstungen, zum Beispiel basierend auf Schichtsilicaten wie Vermiculit können verwendet werden.
Das Ausrüstungsmittel kann dabei neben den mechanischen Eigenschaften der Fasern auch eine bessere Anbindung an andere Teile des Matrixharzes, zum Beispiel an Bindemittel, vermitteln. Neben Ausrüstungsmitteln, die die Verarbeitbarkeit der Kohlenstofffasern oder der daraus hergestellten fadenförmigen Gebilde verbessern, werden unter dem Begriff „Matrixharz“ weiterhin auch Bindemittel verstanden, die dem Zusammenhalt der Kohlenstofffasern oder der fadenförmigen Gebilde untereinander dienen, die aber auch die Sprödigkeit der Kohlenstofffasern quer zur Faserrichtung kompensieren oder die gegebenenfalls für eine Versteifung der fadenförmigen Gebilde oder der aus den fadenförmigen Gebilden hergestellten Garne, Kabel, Corde oder Seile zu Stäben oder für die Versteifung der aus den fadenförmigen Gebilden hergestellten Gewebe, Gelege, Gestricke, Geflechte, Gewirke oder Gedrebe zu starren Gittern sorgen können. Darüber hinaus verhindern Bindemittel ein unkontrolliertes Eindringen von Beton in das Material der textilen Bewehrung. Dies würde bedeuten, dass es zu teleskopartigem Auszug von Fasern aus der textilen Bewehrung kommen könnte, wobei innere Fasern oder Filamente, welche keinen Kontakt zu Beton haben, leichter ausziehbar sind als weiter außen liegende Fasern oder Filamente, die im Kontakt mit Beton stehen. Unter „unkontrolliertem Eindringen“ wird dabei speziell eine Penetration des Betons zwischen die Filamente angesehen, die das fadenförmige Gebilde aufbauen. Durch die Bildung nadelförmiger Kristallite beim Aushärten des Betons können andernfalls die Filamente des fadenförmigen Gebildes zerstört oder beschädigt werden. Durch innige Verbindung der Filamente eines fadenförmigen Gebildes untereinander sowie durch innige Verbindung mehrerer fadenförmiger Gebilde z. B. durch Verflechten, Verdrehen, Verzwirnen, Umwinden oder Kablieren kann die Penetrierbarkeit durch Beton drastisch reduziert werden. Bindemittel für fadenförmige Gebilde aus Kohlenstofffasern sind dem Fachmann unter den Bezeichnungen „Tränkung“ oder „Tränkungsmasse“ bekannt. Es werden häufig Bindemittel aus der Stoffgruppe der organischen Polymere eingesetzt, die chemisch mit dem Ausrüstungsmittel der Fasern verwandt sein können. Zu nennen sind als mögliche Bindemittel insbesondere thermisch oder radikalisch aushärtbare organische Kunstharze wie zum Beispiel Epoxidharze oder Acrylate und Kautschuke wie Styrol-Butadien-Kautschuk oder carboxylierter Styrol- Butadien-Kautschuk. Um eine möglichst hohe Temperaturbeständigkeit des Matrixharzes zu erreichen, ist es auch möglich, anorganische Bindemittel auf Basis von Silicaten oder Zementen einzusetzen. Auch die Verwendung von Siliconharzen ist möglich. Organopolysiloxane, insbesondere Siliconharze, wie insbesondere die Stoffgruppe der Methylharze und der Methylphenylharze, wie z.B. Methyl-Phenyl-Vinyl- und Flydrogengruppensubstituierte Siloxane, sowie Mischungen aus den betreffenden Siliconharzen und organischen Harzen haben sich als geeignet erwiesen. Obwohl bei siliciumorganischen Verbindungen keine grundsätzliche Alkalibeständigkeit zu erwarten ist, konnte diese überraschenderweise bei einigen Formulierungen (z.B. Wacker Silres H62C und in Kombination mit Silres MK, beide erhältlich von Fa. Wacker, München, Deutschland) für den speziellen Anwendungsfall textiler Bewehrung nachgewiesen werden. Bei Methyl-Phenyl-Vinyl-Hydrogen-Polysiloxanen (z.B. Wacker Silres H62C, erhältlich von Fa. Wacker, München, Deutschland), Methyl-Polysiloxanen (z.B. Wacker Silres MK, erhältlich von Fa. Wacker, München, Deutschland) und insbesondere geeigneten Mischungen aus diesen beiden Siloxanen konnten bereits überraschend hohe Alkalibeständigkeiten im Anwendungsgebiet der textilen Bewehrung nachgewiesen werden. Ebenso haben sich reaktive Polydimethylsiloxane (z.B. SILRES BS 1042, erhältlich von Fa. Wacker, München, Deutschland) bewährt. Anorganische Bindemittel mit einem organischen Anteil, insbesondere überwiegend anorganische Bindemittel, die auch noch einen organischen Anteil aufweisen, neigen jedoch trotz deutlich besserer Hochtemperaturbeständigkeit weiterhin dazu, im Hochtemperaturbereich zwischen 500 °C und 1000°C eine poröse Struktur bzw. Mikrorisse auszubilden. Aus diesem Grunde ist es erstrebenswert, die Menge an eingesetztem Bindemittel in der Bewehrung für die Anwendung in hochtemperaturbeständigen Betonteilen zu minimieren.
Ein Gesamtanteil von nicht mehr als 5 Gew. % Matrixharzmenge bezogen auf die gesamte Bewehrung ist aus diesem Grund bevorzugt, um eine möglichst gute Hochtemperaturbeständigkeit der eine der vorliegenden Anmeldung entsprechenden textilen Bewehrung enthaltenden Betonteile zu erzielen. Als Matrixharzmenge kann das gleiche Material wie oben zum Matrixharz beschrieben verwendet werden, wobei jedoch dieses Mal das Matrixmaterial nicht nur auf den Kohlenstofffasern vorhanden sein kann, sondern auch in anderen Schichten der Bewehrung als Bestandteil Vorkommen kann. Die Matrixharzmenge umfasst somit das Matrixharz der Kohlenstofffasern und andere Matrixbestandteile der Bewehrung in anderen Schichten der Bewehrung. Die textile Bewehrung kann maximal 4 Gew. % Matrixharzmenge aufweisen. Die textile Bewehrung kann maximal 3 Gew. % Matrixharzmenge aufweisen. Die textile Bewehrung kann maximal 2 Gew. % Matrixharzmenge aufweisen. Die textile Bewehrung kann maximal 1 Gew. % Matrixharzmenge aufweisen. In einer Ausführungsform ist die textile Bewehrung frei von Matrixharz. Der Bindemittelanteil der textilen Bewehrung kann 5 Gew. %, 4 Gew. %, 3 Gew. %, 2 Gew. %, 1 Gew. % betragen, oder die textile Bewehrung kann frei von Bindemitteln sein. Auch eine Reduzierung des Anteils an Ausrüstungsmittel auf den Kohlenstofffasern ist möglich. Hier sind Anteile von unter 1 ,5 Gew. %, unter 1 Gew. % oder sogar unter 0,5 Gew. % möglich. In einer Ausführungsform ist sind die Kohlenstofffasern und auch die textile Bewehrung frei von Ausrüstungsmittel.
Im Gegensatz zum Matrixharz, das insbesondere in seinen organischen Anteilen im Brandfall von thermischer Zersetzung betroffen ist, sind die Kohlenstofffasern gegen hohe Temperaturen weitestgehend stabil, solange sie von Sauerstoff ferngehalten werden. Aus diesem Grund wird die Bewehrung nach der vorliegenden Anmeldung mit einer separaten vor Oxidation schützenden Schicht beschichtet. Für diese Schicht sind prinzipiell alle Materialien geeignet, die selbst unter Einwirkung hoher Temperaturen nicht mit Sauerstoff reagieren. Dies ist insbesondere bei anorganischen Verbindungen der Fall.
Die vor Oxidation schützende Schicht weist in einer Ausführungsform daher einen Anteil anorganischen Materials von mindestens 80 Gew. % auf. Die vor Oxidation schützende Schicht weist in einer Ausführungsform daher einen Anteil anorganischen Materials von mindestens 70 Gew. % auf. Die vor Oxidation schützende Schicht weist in einer Ausführungsform daher einen Anteil anorganischen Materials von mindestens 60 Gew. % auf. Die vor Oxidation schützende Schicht weist in einer Ausführungsform daher einen Anteil anorganischen Materials von mindestens 50 Gew. % auf. Die vor Oxidation schützende Schicht weist in einer Ausführungsform daher einen Anteil anorganischen Materials von mindestens 40 Gew. % auf. Besonders geeignet sind oxidische Materialien oder Materialien, deren Bestandteile in einem starken Maße oxidiert sind solange sie dabei nicht ihrerseits oxidierend wirken. Von besonderer Bedeutung sind dabei Materialien auf Basis stabiler Metall- und Halbmetalloxide wie insbesondere der Oxide von Calcium, Magnesium, Aluminium und Silicium.
Die Oxide dieser Elemente zeichnen sich durch eine hohe Oxidationsstabilität und eine niedrige Oxidationswirkung sowie durch eine leichte Verfügbarkeit aus. Von diesen Oxiden abgeleitete Materialen sind beispielsweise Quarz, Ton, Zement oder die große Stoffgruppe der Silicate, in denen die genannten Elemente mit weiteren Elementen in ihren oxidierten Formen, zum Beispiel mit Eisen oder Alkalimetallen vergesellschaftet sein können.
Das Besondere an dieser Auswahl ist, dass alle diese Materialien eine große chemische Ähnlichkeit zu bestimmten Bestandteilen von Beton, zum Beispiel zu Zement, aufweisen. Diese chemische Ähnlichkeit ermöglicht es, dass es zwischen dem Material der vor Oxidation schützenden Schicht und bestimmten Bestandteilen von Beton zu einer chemischen Bindung kommt, die eine besonders starke Haftung zwischen der vor Oxidation schützenden Schicht der textilen Bewehrung und dem umgebenden Beton eines Betonbauteils ermöglicht.
In einer Ausführungsform weist die vor Oxidation schützende Schicht ORMOCERE, also eine organisch-modifizierte Keramik (z. B. InnoSolTEX- Technologie von Fraunhofer ISO, Würzburg, Deutschland), oder Polysilazane auf.
In einer Ausführungsform enthält die vor Oxidation schützende Schicht daher mindestens 5 Gew. % Silicium. Hierunter können Silicium-Sauerstoff- Verbindungen wie Silicate oder Silicone fallen. Silicium-Sauerstoff-Verbindungen zeichnen sich durch eine besonders große chemische Stabilität aus. Insbesondere sind Silicium-Sauerstoff-Verbindungen aufgrund der hohen chemischen Affinität von Silicium zu Sauerstoff extrem stabil gegen Reduktion, geben selbst unter den Bedingungen eines Feuers keinen Sauerstoff ab und verändern sich dementsprechend chemisch nicht. So ist dem Fachmann beispielsweise bekannt, dass verschiedene Silicium-Sauerstoff-Verbindungen als Feuerlöschmittel verwendet werden. Ein wichtiges Beispiel hierfür ist Sand (chemisch größtenteils Siliciumdioxid, S1O2), der zum Abdecken von Bränden verwendet werden kann. Auch Schichtsilicate wie Vermiculit können als Feuerlöschmittel eingesetzt werden. Die vor Oxidation schützende Schicht liegt auf und um die Bewehrung herum und kann auf ganz verschiedene Weisen auf und um die textile Bewehrung vorliegen. Beispielsweise ist eine Herstellung der vor Oxidation schützenden Schicht durch eine Plasmabehandlung denkbar. Bei einer Plasmabehandlung wird der zu behandelnde Gegenstand einem Plasma ausgesetzt, dem ein gasförmiger Precursor für die gewünschte Oberflächenbeschichtung beigegeben wird. So führt zum Beispiel eine Plasmabehandlung in Gegenwart von Hexamethyldisiloxan als Precursor zur Ausbildung einer Silicium-Sauerstoff-Verbindungen enthaltenden Schicht auf der behandelten Oberfläche, hier auf der Oberfläche der textilen Bewehrung. Bei den Silicium-Sauerstoff-Verbindungen kann es sich zum Beispiel um Siliciumdioxid handeln. Auch Schichten aus amorphen Silicaten oder Silanolgruppen aufweisende Polymerschichten sind möglich. In einer Ausführungsform besteht die Silicium-Sauerstoff-Verbindungen enthaltende Schicht zu mindestens 30 Gew. % aus Siliciumdioxid. In einer Ausführungsform weist die Silicium-Sauerstoff-Verbindungen enthaltende Schicht an ihrer Oberfläche Silanolgruppen auf.
In einer Ausführungsform hat die Silicium-Sauerstoff-Verbindungen enthaltende Schicht eine Dicke von unter 500 Nanometern und ist damit deutlich dünner als herkömmliche vor Oxidation schützende Schichten. In einer Ausführungsform hat die Silicium-Sauerstoff-Verbindungen enthaltende Schicht eine Dicke von unter 300 Nanometern. In einer Ausführungsform hat die Silicium-Sauerstoff- Verbindungen enthaltende Schicht eine Dicke von unter 100 Nanometern In einer Ausführungsform hat die Silicium-Sauerstoff-Verbindungen enthaltende Schicht eine Dicke von unter 50 Nanometern, von unter 30 Nanometer.
Dies bedingt auch eine im Vergleich mit anderen vor Oxidation schützenden Schichten große Flexibilität der Bewehrung. In dieser Ausführungsform behält die textile Bewehrung selbst mit Beschichtung mit der vor Oxidation schützenden Schicht ihre Drapierfähigkeit. Es ist daher möglich, sie noch unmittelbar vor dem Eingießen in Beton in eine gewünschte Form zu bringen und mit geringem Aufwand zum Beispiel gekrümmte oder geschwungene Betonbauteile herzustellen. Die Silicium-Sauerstoff-Verbindungen enthaltende Schicht kann chemisch an die Kohlenstofffasern selbst oder an das auf die Kohlenstofffasern aufgebrachte Ausrüstungsmittel gebunden sein und erlaubt ihrerseits eine chemische Bindung an Bestandteile von Beton, z.B. an Zement.
Als Material für die vor Oxidation schützende Schicht kommen auch Silicate in Frage, die zum Beispiel auf nasschemischem Wege auf die Bewehrung aufgebracht werden können. In diesem Zusammenhang sind zum Beispiel Schichtsilicate zu nennen, die in der Lage sind, flexible, anorganische Filme auszubilden. Anorganische Filme aus Vermiculit haben hervorragende mechanische Eigenschaften (beispielweise bezogen auf die Zugfestigkeit und den Zugmodul) und sind manchen organischen Filmen überlegen.
In einer Ausführungsform wird eine flexible, vor Oxidation schützende Schicht durch das Schichtsilicat Vermiculit gebildet. Dies ist insbesondere der Fall, wenn Vermiculit in Form einer wässrigen Suspension auf eine Oberfläche aufgebracht und anschließend getrocknet wird. Derartige Dispersionen sind zum Beispiel unter der Bezeichnung AVD (Aqueous Vermiculite Dispersion) unter anderem als Feuerlöschmittel erhältlich. Die vor Oxidation schützende Schicht aus Schichtsilicaten kann formschlüssig in der strukturierten Oberfläche der Bewehrung verankert werden. Hierfür kann zum Beispiel das in Form einer wässrigen Suspension aufgebrachte Schichtsilicat eine Struktur ausbilden, die in die Struktur an der Oberfläche des fadenförmigen Gebildes beziehungsweise der Kohlenstofffasern hineingreift und so für eine innige Verbindung zwischen dem fadenförmigen Gebilde beziehungsweise den Kohlenstofffasern und der vor Oxidation schützenden Schicht sorgt. Beispielsweise kann die Bewehrung nach ihrer Herstellung aus dem fadenförmigen Gebilde der Kohlenstofffasern in einem Tauchbad aus wässriger Suspension mit Schichtsilicat getränkt werden, so dass eine separate vor Oxidation schützende Schicht auf und um die Bewehrung (also der Außenflächen der Bewehrung) entsteht. Optional kann darüber hinaus eine Haftschicht zum Einsatz kommen, die für eine chemische Bindung zwischen dem fadenförmigen Gebilde und der vor Oxidation schützenden Schicht, wie beispielsweise dem Schichtsilicat sorgt. Hierbei sind sowohl direkte chemische Bindungen zwischen den Kohlenstofffasern der vor Oxidation schützenden Schicht, wie beispielsweise dem Schichtsilicat denkbar als auch chemische Bindungen zwischen dem Ausrüstungsmittel auf den Kohlenstofffasern und der vor Oxidation schützenden Schicht. Wenn Epoxidharze als Ausrüstungsmittel eingesetzt werden, können für die Haftschicht organisch- funktionalisierte Silane mit Amino- oder Epoxygruppen zum Einsatz kommen, die mit ihren organischen Enden eine chemische Bindung zum Epoxidharz eingehen können, während die Silangruppen eine chemische Bindung zur vor Oxidation schützenden Schicht, wie beispielsweise zum Schichtsilicat hersteilen können. Mögliche Produkte sind zum Beispiel (Dynasylan SIVO 110 und Dynasylan HYDROSIL 2776, beide erhältlich von Evonik AG, Essen). Organisch funktionalisierte Silane vermitteln eine chemische Bindung zwischen dem Ausrüstungsmittel (insbesondere Epoxidharz) auf der Kohlenstofffaser auf der einen Seite und dem Schichtsilicat auf der anderen Seite.
Die Haftschicht wird vorzugsweise auf die Bewehrung aufgebracht, das heißt, das fadenförmige Gebilde aus verflochtenen, gedrehten, verzwirnten oder kablierten Kohlenstofffasern weist die Haftschicht auf. Es ist aber in einer anderen Ausführungsform auch denkbar, dass die Kohlenstofffasern vor der Herstellung des fadenförmigen Gebildes die Haftschicht aufweisen.
Sofern eine Haftschicht verwendet wird macht die Haftschicht bezogen auf das Gesamtgewicht der Bewehrung in allen Ausführungsformen weniger als 3 Gew%, vorzugsweise weniger als 2 Gew% und noch bevorzugter weniger als 1 ,5 Gew%, noch weiter bevorzugt noch weniger als 1 Gew% aus.
In einer Ausführungsform weist die Schichtsilicatschicht eine Dicke von maximal 200 pm auf. In einer Ausführungsform weist die Schichtsilicatschicht eine Dicke von maximal 150 pm auf. In einer Ausführungsform weist die Schichtsilicatschicht eine Dicke von maximal 100 pm auf. In einer Ausführungsform weist die Schichtsilicatschicht eine Dicke von maximal 75 pm auf. In einer Ausführungsform weist die Schichtsilicatschicht eine Dicke von maximal 50 gm auf. In einer Ausführungsform weist die Schichtsilicatschicht eine Dicke von maximal 40 gm auf. In einer Ausführungsform weist die Schichtsilicatschicht eine Dicke von maximal 30 gm auf. In einer Ausführungsform weist die Schichtsilicatschicht eine Dicke von maximal 20 gm auf. In einer Ausführungsform weist die Schichtsilicatschicht eine Dicke von maximal 10 gm auf.
Die Schichtsilicatschicht kann auf und um die Bewehrung eine gleichmäßige oder ungleichmäßige Dicke aufweisen.
Vorzugsweise liegt in allen Ausführungsformen der textilen Bewehrung der Anteil an organischen Substanzen in den gesamten Schichten, die nicht reversibel und direkt oder indirekt (über eine Schicht) mit der Bewehrung verbunden sind bei insgesamt unter 5 Gew% bezogen auf das Gesamtgewicht der textilen Bewehrung, wobei das fadenförmige Gebilde aus Kohlenstofffasern nicht als Schicht gezählt wird. Das bedeutet, selbst wenn die Bewehrung Fasern mit einem Sizing (Matrix) aufweist, eine separate vor Oxidation schützende Schicht, eine Haftschicht und eine nicht reversibel mit der Bewehrung verbundene weitere Schutzschicht, weist die Bewehrung insgesamt weniger als 5 Gew% organischer Substanzen insgesamt auf, bezogen auf das Gesamtgewicht der textilen Bewehrung.
Die vorliegende Anmeldung betrifft darüber hinaus ein Betonbauteil, das eine Bewehrung gemäß der vorliegenden Anmeldung aufweist. In einer Ausführungsform ist die textile Bewehrung so in das Betonbauteil eingelassen, dass diese eine Betonüberdeckung von höchstens 10 Millimeter aufweist. Unter der Betonüberdeckung wird dabei die Dicke der Betonschicht verstanden, die sich zwischen der Betonoberfläche und der Oberfläche der textilen Bewehrung mindestens befindet. In einer Ausführungsform weist die Bewehrung im Betonbauteil eine Betonüberdeckung von höchstens 15 Millimetern auf. In einer Ausführungsform weist die Bewehrung im Betonbauteil eine Betonüberdeckung von höchstens 20 Millimetern auf. In einer Ausführungsform weist die Bewehrung im Betonbauteil eine Betonüberdeckung von höchstens 25 Millimetern auf. In einer Ausführungsform weist die Bewehrung im Betonbauteil eine Betonüberdeckung von höchstens 30 Millimetern auf. In einer Ausführungsform weist die Bewehrung im Betonbauteil eine Betonüberdeckung von höchstens 35 Millimetern auf. In einer Ausführungsform weist die Bewehrung im Betonbauteil eine Betonüberdeckung von höchstens 40 Millimetern auf. In einer Ausführungsform weist die Bewehrung im Betonbauteil eine Betonüberdeckung von höchstens 45 Millimetern auf. In einer Ausführungsform weist die Bewehrung im Betonbauteil eine Betonüberdeckung von höchstens 50 Millimetern auf. In einer Ausführungsform ist die Betonüberdeckung der textilen Bewehrung niedriger als die Betonüberdeckung einer vergleichbaren Stahlbewehrung bei gleichen mechanischen Eigenschaften, was einen deutlichen Gewichtsvorteil bedeutet.
Die Betonüberdeckung der textilen Bewehrung leistet durch ihre wärmeisolierende und vor Sauerstoff schützende Wirkung einen entscheidenden Beitrag zum Feuerwiderstand der textilen Bewehrung.
Die Betonüberdeckung der textilen Bewehrung kann dabei im Zusammenspiel mit der Beschaffenheit und der Schichtdicke der vor Oxidation schützenden Schicht so gestaltet werden, dass eine gewünschte Feuerwiderstandsklasse erreicht wird.
Die Erfindung wird anhand von Versuchen und Figuren näher beschrieben, wobei hierdurch keine Einschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens zu verstehen ist.
Figur 1 stellt einen Vergleich der Zugfestigkeit von Kohlenstofffasergarnen mit einem festen Matrixharz Anteil in Abhängigkeit von ihrer Verdrehung (t/m) dar.
Figur 2 zeigt den Einfluss einer Vermiculitbeschichtung auf die Temperaturbeständigkeit von Kohlenstofffasern. Figur 3 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Einfadenbeschichtungsanlage Figur 4 zeigt die Prinzipskizze einer Beschichtungsöse (rechts im Querschnitt)
Figur 5 zeigt die Prinzipskizze eines Wickelbretts
Figur 6 zeigt eine Aufheizkurve eines Muffelofens für die Garnproben
Figur 7 zeigt eine Solllage von Garnsträngen für das Beispiel 3
Figur 8 zeigt die eingebauten Garnstränge für Beispiel 3
Figur 9 zeigt einen Prüfaufbau (gedreht) für das Beispiel 3
Figur 10 zeigt schematisch eine textile Bewehrung, die in Beton eingebettet ist.
Die Figuren 7 bis 9 entstammen den Berichten der TU Dortmund/WdB.
Beispiel 1
Im vorliegenden Beispiel 1 soll dargelegt werden, wie sich die Zugfestigkeit von fadenförmigen Gebilden in Abhängigkeit ihrer Konsolidation verändert.
Bei den zu prüfenden fadenförmigen Gebilden handelt es sich um Kohlenstofffasergarn des Typs STS40 F1324K der Firma Teijin Carbon Europe mit 1600 tex und 1 % Polyurethanbeschichtung als Matrixharz-Anteil. Als Vergleichsgarn wird ein STS40 E2324K Garn der Firma Teijin Carbon Europe gewählt, das mit 39 Gew% Matrixharz auf Epoxidbasis durchimprägniert wurde.
Die Imprägnierung des Vergleichsgarns erfolgte mit folgender Flarzmischung: Epikote 828: 100 Teile Epikure 113: 30 Teile Aceton: 15 Teile
Probenherstellung:
Für die Zugprüfung und Ermittlung der Daten werden Garnproben mit 50 mm langen Pappstreifen versehen, die zur Krafteinleitung an der Prüfvorrichtung dienen. Hierzu wird ein Zweikomponentenklebstoff verwendet, welcher nach dem Aushärten die Proben im Bereich eines Pappstreifens komplett umschließt und keine Lufteinschlüsse vorhanden sind.
Klebstoffansatz: AW 106 100 Gewichtsanteil
HV 953 80 Gewichtsanteile
Es wird auf eine Topfzeit von 45 Minuten verwiesen.
Zur Herstellung von Garnzugprüfkörpern werden auf einer mit PTFE-Glas umlegten Glasplatte zwei Pappstreifen, welche mit einer 200 mm breiten Schablone parallel zueinander ausgerichtet werden, mit Polyesterklebeband fest geklebt. Um einen gleichmäßigen Klebefilm zwischen Pappstreifen und Prüfkörpern zu gewährleisten, werden diese vorher mittels eines Ziehkörpers (welcher je nach Garnfeinheit auszuwählen ist) aufgetragen.
Die Proben sind nun den Markierungslinien entlang aufzulegen und mit Polyesterklebeband zu fixieren. Hierbei ist auf Parallelität zwischen den einzelnen Prüfkörpern zu achten. Auf diese werden die oberen Pappstreifen (mit eindeutiger Beschriftung versehen), welche ebenfalls mit einem Klebefilm versehen sind, aufgelegt und fixiert. Darüber kommt eine Lage PTFE-Glasgewebe, die mit einer zweiten Glasplatte beschwert wird.
Dieser Aufbau wird in einem vorgeheizten Umluftofen bei 70 °C eine Stunde lang belassen. Nach Abkühlen der Garnzugprüfkörper sind diese mit einer Bandsäge an den Außenkanten und an den vorgesehenen Trennlinien zu schneiden.
Messung:
Die Probekörper werden mindestens 24h im Prüfraumklima bei 23 °C / 50 % rel. Luftfeuchte vor der Messung gelagert. An dem imprägnierten Kohlenstofffaserstrang, der an beiden Seiten mit Krafteinleitungselementen versehen ist (Pappaufleimer), wird ein Zugversuch unter Ansetzung eines Längenänderungsaufnehmers durchgeführt.
Gerät:
•Zug-/Druckprüfmaschine mit einer auf < 1 % genau einstellbaren konstanten Prüfgeschwindigkeit im Bereich von 0 < v < 20 mm/min
•Kalibrierter Kraftaufnehmer mit geeignetem Kraftmessbereich nach DIN EN ISO 7500-1
•Kalibriertes Wegmesssystem mit geeignetem Wegmessbereich DIN EN ISO 9531 •Längenänderungsaufnehmer (211 mm)
Prüfbedingung:
Standardatmosphäre für Prüfungen von imprägnierten Garnzugproben, d.h. 23°C ± 2 und 50 % ± 5 relative Luftfeuchte.
Prüfparameter:
Prüfgeschwindigkeit: 5 mm/min freie Einspannlänge: 200 mm
Vorkraft: 2 cN/tex
Messlänge Fühler: 100 mm
Beginn E-Modul: 40 cN/tex
Ende E-Modul: 80 cN/tex
Durchführung der Prüfung:
Die Durchführung der Prüfung erfolgt folgendermaßen:
Die Zugklemmen werden in die Materialprüfmaschine (MPM) eingebaut, zentrisch ausgerichtet und die benötigte Einspannlänge zwischen den Zugklemmen wird, wie in der geforderten Norm bzw. Spezifikation festgelegt, eingestellt. Anschließend werden die Probekörperanschläge so eingestellt, dass die Probekörper in der MPM zentrisch belastet werden. Es ist beim Einspannen darauf zu achten, dass die Probekörper senkrecht zu den Klemmbacken eingespannt werden.
Vor Start der Prüfung wird der Nullpunkt des Kraftkanals angefahren. Bei der Prüfung fährt die Prüfmaschine unter Erfassung der Messwerte bis zum Bruch bzw. bis zum vorgegebenen Kraft- oder Längenänderungswert. Nachdem der Prüfvorgang beendet ist, wird das Bruchbild eingegeben und die Messdaten werden gespeichert. Der Probekörper wird aus dem Prüfraum entfernt und die Vorrichtung sowie die Klemmen gereinigt. Um auch nach der Prüfung eine eindeutige Rückverfolgbarkeit der Probekörper zu gewährleisten, wird die Probekörpernummerierung kontrolliert und ggf. beidseitig erneuert. Die Traverse der MPM wird in die Ausgangsposition zurückgefahren und der nächste Probekörper kann geprüft werden. Nach diesem Verfahren werden pro Probe sechs Prüfungen durchgeführt.
Bestimmung der Zugfestigkeit OB: r rmm
OB = Afr [N/mm2]
OB = Zugfestigkeit in N/mm2
Fmax = Höchstzugkraft in N
AF = Garnquerschnittsfläche in mm2
Die Garnquerschnittsfläche berechnet sich folgendermaßen:
AF Garnquerschnittsfläche in mm Tt Garnfeinheit in tex
P Garndichte in g/cm3 Garnfeinheit und Garndichte wurden aus den Datenblätter der Garne entnommen und nicht zusätzlich durch Messung bestimmt.
Dehnung bei Höchstkraft: eB = relative Längenänderung in %
AL0 = absolute Längenänderung bei Höchstkraft in mm i0 = Messlänge des Dehnungsaufnehmers in mm
Elastizitätsmodul:
E Elastizitätsmodul in N/mm2
P Garndichte in g/cm2
AF vorgegebene Kraftdifferenz in N
Tt Garnfeinheit in tex lo Messlänge des Dehnungsaufnehmers in mm
Al Längendifferenz der vorgegebenen Kraftdifferenz in mm
Ergebnisse:
Die Ergebnisse sind in Figur 1 grafisch dargestellt.
In Figur 1 ist die Zugfestigkeit in MPa in Abhängigkeit von der Verdrehung der Garne in t/m dargestellt. Die ersten vier Proben weisen, wie auch oben beschrieben, 1 Gew% Matrixharz auf. Die letzte Vergleichsprobe ist ein STS40 E2324K Kohlenstofffasergarn der Firma Teijin Carbon Europa mit 1600 tex, das mit einem epoxidbasierten Harzmaterial durchimprägniert wurde. Der Harzanteil im Garn betrug 39 Gew%. Die erste Probe weist mit 0Z keine Vertwistung oder Verdrehung auf und erreicht eine Zugfestigkeit von 1955 MPa. Bei steigender Vertwistung oder Verdrehung ist erkennbar, dass trotz gleichem Anteil Matrixharz in den Fasern die Zugfestigkeit steigt. Bei einer Vertwistung von 15Z, also 15 t/m, rechts gedreht, wird eine Zugfestigkeit von 2309 MPa erreicht. Somit liegt eine Steigerung von rund 18% vor, die auf die Vertwistung beziehungsweise auf die Verdrehung des Garns zurückzuführen ist. Es wird davon ausgegangen, dass durch die Verdrehung, Verflechtung oder Verzwirnung der Kohlenstofffasern zu dem fadenförmigen Gebilde der Zusammenhalt der Filamente untereinander ähnlich bewirkt werden kann, wie dies durch die Imprägnierung der Fasern der Fall wäre. Durch den Zusammenhalt der Filamente untereinander erreicht das fadenförmige Gebilde dann gute Zugfestigkeiten. Durch den sehr geringen Matrixanteil der fadenförmigen Gebilde ist das Material aber besonders gut als feuerbeständige Bewehrung verwendbar. Wie bereits ausgeführt können hohe Temperaturen, wie sie beispielweise bei einem Brand entstehen, das Matrixharz unter Gasbildung zersetzen. Dabei geht der Zusammenhalt der Filamente untereinander verloren und es kann zu einer Sprengung des Betonbauteils kommen. Damit einhergehend versagt das Bauteil. Bei einem Matrixgehalt von maximal oder unter 5 Gew% kann davon ausgegangen werden, dass die Gasbildung nicht ausreicht, um eine Schädigung des Bauteils zu bewirken. In vorteilhafter Weise wird so eine gute Zugfestigkeit der textilen Bewehrung bei gleichzeitig guter Feuerbeständigkeit erreicht.
Beispiel 2
Im Beispiel 2 wird die Temperaturbeständigkeit von Kohlenstofffasern in Abhängigkeit einer Vermiculit-Beschichtung untersucht. Die Vermiculit- Beschichtung stellt eine Ausführungsform für die separate vor Oxidation schützende Schicht dar. Die Beschichtung der Kohlenstofffaser ist vergleichbar mit einer Beschichtung einer Bewehrung, da allgemein die Verbesserung der Flitzebeständigkeit der Fasern aus denen die Bewehrung aufgebaut ist, durch die Beschichtung gezeigt werden kann. Material:
STS40 E2324K 1600tex, 5Z
Vermiculit-Dispersion (AVD, Hersteller: Dupre Minerals Ltd., GB) Einfadenbeschichtungsanlage (Abrollständer mit Ablaufspindel und Bremse zur Einstellung der Fadenspannung, Becherbad für Harzimprägnierung mit einstellbarem Becherhalter und Grundplatte zur Befestigung der Rollen (Fig. 3) und Beschichtungsösen (Fig. 4))
Wickelbrett (Fig. 5)
Trockenschrank mit einem Temperaturbereich bis mind. 150 °C
Garnschere
Stahlklinge
Kunststoffschneidbrett
Kunststoffhammer
Alsint-Schalen (H x L x B: 15 mm x 200 mm x 15 mm)
Muffelofen mit einem Temperaturbereich bis mind. 1000 °C Waage mit einer Genauigkeit von ± 0,001 g
Durchführung:
Die Spule mit dem gedrehten Garn wird auf den Abrollständer montiert. Über leicht zu demontierende und zu reinigende Rollen wird das Garn durch ein Becherbad mit Beschichtungsdispersion zur Öse geführt (Fig. 3). Die Öse (Fig. 4) streift die überflüssige Dispersion vom Garn ab. Der Antrieb erfolgt manuell durch Wickeln des Garns nach der Öse auf ein Wickelbrett (Fig. 5). Durch eine Fadenbremse wird das Garn beim manuellen Abziehen unter leichter Spannung gehalten. Auf diese Weise wird das Garn kontinuierlich beschichtet. Die erreichte Vermiculit- Beschichtung ist in Tabelle 1 angegeben. Tabelle 1
Pro Probe werden vier Garnstücke mit jeweils 16 cm in eine Alsint-Schale gelegt (reine CF-Einwaage ca. 1 g) und bei Raumtemperatur in einem Muffelofen gestellt. Der Ofen wird auf 900 °C hochgeheizt, die Schalen werden beim Erreichen dieser Temperatur sofort entnommen und zum Abkühlen auf ein Sandbett gestellt. Wenn die Proben wieder auf Raumtemperatur abgekühlt sind, wird durch Rückwaage der Gesamtmasseverlust bestimmt. Dieser wird auf den Masseverlust der Kohlenstofffaser umgerechnet. Es wird mindestens eine Doppelbestimmung durchgeführt.
Figur 2 stellt das Ergebnis des Beispiels 2 dar.
Bei einem Garn ohne Vermiculit-Beschichtung als vor Oxidation schützende Schicht beträgt der gemittelte Massenverlust etwa 68 Gew%. Bei einem Garn mit 3,7 Gew% Vermiculit-Beschichtung als vor Oxidation schützende Schicht konnte der gemittelte Massenverlust um etwa 11 Gew% reduziert werden und betrug noch etwa 56 Gew%. Bei einer Vermiculit-Beschichtung der Kohlenstofffasern mit 13 Gew% lag der gemittelte Massenverlust bei etwa 30 Gew%, so dass im Vergleich zu dem unbeschichteten Kohlenstofffasergarn sogar eine Reduzierung des Massenverlustes um mehr als 50 Gew% erreicht werden konnte. Das Beispiel 2 zeigt somit, dass eine separate Beschichtung mit einer vor Oxidation schützenden Schicht die Kohlenstofffasern auch bei hohen Temperaturen schützen kann, so dass die Kohlenstofffasern auch beim Vorliegen von Sauerstoff temperaturbeständig bleiben. Eine Bewehrung, die eine solche separate vor Oxidation schützende Schicht aufweist, behält somit auch im Brandfall ihre verstärkenden Eigenschaften, so dass das Bauteil mit der Bewehrung auch im Brandfall nicht bzw. zu einem späteren Zeitpunkt versagt.
Beispiel 3
Im Beispiel 3 wurde ein Dehnkörperversuch vorgenommen. Hierbei wurden die Faserproben P11 und P12 (Probendetails können Tabelle 2 entnommen werden) in Beton eingebettet und mittels eines Zugversuchs die Maximallast bestimmt.
Probenherstellung:
Die Garnstränge wurden nach der Anlieferung trocken bei Raumklima bis zur Betonage gelagert. Die Herstellung der Dehnkörperproben mit den Maßen von 800x60x15 mm3 erfolgte in Kunststoffschalungen. Es wurden je Garntyp vier Probekörper stehend (Stehhöhe 60 mm) hergestellt. Jede Probe enthielt acht Garnstränge. Die Solllage der Garnstränge kann Figur 7 entnommen werden.
Die Probenherstellung erfolgte an drei aufeinanderfolgenden Tagen mit jeweils zwei Probensätzen. Mit einem Probensatz wurden vier Einzelproben hergestellt. Zunächst wurden die Garnstränge mittels Federn mit leichter Vorspannung in der Schalung fixiert. Zur Fixierung wurden die Garnstränge an ihren Enden umgebogen und mittels Kabelbindern und Sekundenkleber befestigt. Figur 8 zeigt die eingebauten Garnstränge.
Als Beton kam eine Feinbetonfertigmischung mit einem Größtkorn von 1 mm zum Einsatz (Druckfestigkeit > 60 N/mm2). Die Trockenmischung wurde für alle Betonagen homogenisiert und anschließend für die einzelnen Betonagen abgefüllt. Die Trockenmischung wurde in einem Eimermischer mit Zeitschaltautomatik gemäß Herstellerangaben angemischt. Im Anschluss an den Mischvorgang wurden je Betonage zwei Schalungen unter ständigem Rütteln innerhalb von weniger als 30 Minuten betoniert. Anschließend wurden die Probekörper bis zum Ausschalen nach 20-24 Stunden abgedeckt bei Raumklima gelagert. Nach dem Ausschalen wurden die Probekörper in einem Klimaschrank bei 20 °C und > 95% rel. Luftfeuchte maximal sechs Tage gelagert. Abschließend erfolgte eine Lagerung bei 22 °C und 65 % rel. Luftfeuchte bis zur Prüfung.
Prüfung der Dehnkörperproben:
Die Prüfung der Dehnkörperproben erfolgte 13 bzw. 14 Tage nach der Herstellung. Die Prüfungen wurden mit einer Universalprüfmaschine durchgeführt, die mit einer Klasse 1 Kraftmesszelle mit einer maximalen Last von 50 kN (kalibriert im Dezember 2020) ausgestattet ist. Für die Prüfung wurden die Proben in geschraubten Stahllaschen über eine Länge von jeweils 250 mm geklemmt. Die Stahllaschen sind zum Ausgleich von Oberflächenungenauigkeiten und für eine sichere Haftung der Probe im Klemmbereich mit Ausgleichschichten versehen. Die Verbindung der Klemmbacken zur Prüfmaschine wurde über Kugelgelenkköpfe realisiert. In Figur 9 ist der Prüfaufbau (gedreht) dargestellt.
Vor der Prüfung wurden die Probekörper hinsichtlich ihrer geometrischen Eigenschaften vermessen. Dazu wurden die Probenbreite (Sollmaß 60 mm) und die Probendicke (Sollmaß 15 mm) im Bereich der freien Dehnlänge oben, mittig und unten ermittelt. Die Messwerte lagen innerhalb üblicher Toleranzen. Nach dem Einbau der Probekörper wurde die Kraft bei eingehängter Probe auf null tariert. Das Gewicht des Probekörpers und der unteren Klemmkonstruktion betrug ca. 65 N. Anschließend wurde die Probe händisch auf eine Vorlast von < 150 N angefahren und der Versuch gestartet. Die Anfahrtsgeschwindigkeit der Prüfmaschine betrug 0,5 mm/min und die anschließende Prüfgeschwindigkeit 1 mm/min. Bei einem Kraftabfall von > 90 % wurde der Versuch automatisch gestoppt. Während der Prüfung wurden der Maschinenweg (Traversenweg) und die Kraft mit einer Messrate von 50 Hz aufgezeichnet. Ergebnisse: Tabelle 2:
Die Rissanzahl wurde während der Prüfung im abgeschlossenen Rissbild ermittelt 5 und festgehalten. Dabei wurden Risse nahe den Klemmbackenausgängen mitgezählt, auch wenn sie geringfügig innerhalb der Klemmbacken lagen. Die angegebenen Mittelwerte (arithmetisches Mittel) beziehen sich auf jeweils 4 Einzelergebnisse. Die Ermittlung der Maximalkraft erfolgte nach dem Erstriss. Der mittlere Rissabstand (e) wurde wie folgt ermittelt: e= L0 / Rissanzahl mit L0 = freie 10 Dehnlänge = 300 mm.
Anders als im Beispiel 1 kann so nachgewiesen werden, dass die verdrehten Fasern auch bei der Einbettung in Beton ohne Matriximprägnierung eine gute Zugfestigkeit aufweisen. Weiterhin konnte durch dieses Beispiel belegt werden,
15 dass die Verdrehung der Faserproben auch in Beton eingebettet überraschender Weise einen Einfluss auf die Zugfestigkeit hat. So ist die Maximallast der Faserprobe mit nur 5 Umdrehungen pro Meter im Schnitt etwas weniger als 30 % geringer als die durchschnittliche Maximallast der gleichen Faserprobe nur mit 30 Umdrehungen pro Meter. Die Verdrehung der Fasern ist somit 20 überraschenderweise geeignet die innige Verbindung der Fasern untereinander auch ohne Matrixmaterial zu erhöhen und so die Zugfestigkeit des gesamten Verbunds zu verbessern. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt.

Claims

Ansprüche:
1. Textile Bewehrung zur Einbettung in Beton aufweisend Kohlenstofffasern, wobei die Bewehrung beschichtet ist mit einer vor Oxidation schützenden Schicht, wobei
- die Kohlenstofffasern als verflochtenes, gedrehtes, verzwirntes oder kabliertes fadenförmiges Gebilde vorliegen und maximal 5 Gew. % eines Matrixharzes aufweisen,
- die vor Oxidation schützende Schicht eine separate Schicht ausbildet und eine chemische Bindung zu einem Bestandteil von Beton hersteilen kann.
2. Textile Bewehrung nach Anspruch 1 , wobei die textile Bewehrung mindestens ein weiteres fadenförmiges Gebilde aufweist, vorzugsweise in Form von Umwindefäden.
3. Textile Bewehrung nach Anspruch 2, wobei das weitere fadenförmige Gebilde Kohlenstofffasern, Aramidfasern, Polyamidfasern, AR-Glasfasern, Polypropylenfasern, Polyvinylalkoholfasern, oxidierte, unschmelzbare Polyacrylnitrilfasern, Polyesterfasern und/oder eine Mischung aus den genannten Faserarten enthalten kann.
4. Textile Bewehrung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das fadenförmige Gebilde eine strukturierte Oberfläche aufweist.
5. Textile Bewehrung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die vor Oxidation schützende Schicht zu mindestens 80 Gew. % aus anorganischem Material besteht.
6. Textile Bewehrung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die vor Oxidation schützende Schicht mindestens 5 Gew. % Silicium enthält.
7. Textile Bewehrung nach Anspruch 6, wobei die vor Oxidation schützende Schicht an ihrer Oberfläche Silanolgruppen enthält.
8. Bewehrung nach Anspruch 6 oder 7, wobei die vor Oxidation schützende Schicht zu mindestens 30% aus Siliciumdioxid besteht.
9. Textile Bewehrung nach Anspruch 1 , wobei die vor Oxidation schützende Schicht ein Schichtsilicat enthält.
10. Textile Bewehrung nach Anspruch 9, wobei es sich bei dem Schichtsilicat um Vermiculit handelt.
11.Textile Bewehrung nach Anspruch 1 , wobei sich zwischen den Kohlenstofffasern und der vor Oxidation schützenden Schicht eine Haftschicht befindet.
12. Textile Bewehrung nach Anspruch 11, wobei die Haftschicht organisch funktionalisierte Silane enthält.
13. Textile Bewehrung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die textile Bewehrung eine Schutzschicht aufweist.
14. Betonbauteil aufweisend eine textile Bewehrung nach Anspruch 1.
15. Betonbauteil nach Anspruch 14, wobei die textile Bewehrung höchstens eine Betonüberdeckung von 50 mm aufweist und eine Feuerwiderstandsklasse von mindestens R 60 hat.
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