EP4107343B1 - Reinforcement comprising carbon fibres - Google Patents

Reinforcement comprising carbon fibres

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EP4107343B1
EP4107343B1 EP21705211.7A EP21705211A EP4107343B1 EP 4107343 B1 EP4107343 B1 EP 4107343B1 EP 21705211 A EP21705211 A EP 21705211A EP 4107343 B1 EP4107343 B1 EP 4107343B1
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EP
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protective layer
oxidation
reinforcement
textile reinforcement
concrete
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Silke STÜSGEN
Bernd Wohlmann
Franz Köhler
Willem TER STEEG
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Teijin Carbon Europe GmbH
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Teijin Carbon Europe GmbH
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Description

Die Anmeldung betrifft eine textile Bewehrung, die zum vollständigen Eingießen in Beton bzw. ein Betonbauteil geeignet ist.The application concerns a textile reinforcement suitable for complete embedding in concrete or a concrete component.

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.Concrete has a tensile strength of only about 10% of its compressive strength. To increase the tensile strength of this then-new building material, concrete began to be combined with other, more tensile-strength materials as early as the mid-19th century. The work of the French gardener Joseph Monier, who combined concrete with an iron mesh for planters, is particularly noteworthy. Monier is considered the inventor of steel-reinforced concrete, or simply reinforced concrete. The reinforcing elements cast into reinforced concrete are still colloquially referred to as "Monier iron" in his name. Other materials for producing reinforcements are still the subject of ongoing research and development, especially textile-based reinforcements.

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.Several fiber and textile materials are known whose tensile strength significantly exceeds that of steel, while simultaneously being considerably lighter. This allows for massive weight savings in concrete components or structures, which, for example, has a positive impact on the statics of load-bearing elements such as bridge piers or abutments. At the same time, textiles, for example those based on glass fibers, basalt fibers, carbon fibers, or certain organic polymers, offer significant advantages. The advantage of lower corrosion susceptibility is that metal reinforcements are subject to chemical wear of the reinforcement elements over time, which can lead to a dangerous reduction in the load-bearing capacity of the affected structural elements, both through failure of the reinforcement itself and through spalling of concrete due to expansion of the corroding reinforcement elements. In addition to the general oxidation sensitivity of metals, especially structural steel, the fact that the concrete matrix in which the reinforcement elements are embedded is highly alkaline and therefore chemically very aggressive also plays a role.

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.Textile reinforcements are still in the development phase. For example, the world's first bridge made of textile-reinforced concrete was built on the grounds of the state garden show in Oschatz (Saxony) in 2005.

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.Carbon fibers have proven to be of interest for the production of textile reinforcements for concrete. Carbon fibers offer high tensile strength and are extremely resistant to environmental influences such as water, oxygen, and the highly alkaline environment within concrete at normal temperatures. While carbon fibers exhibit high tensile strength in the fiber direction, they are very brittle perpendicular to the fiber direction. This disadvantage is overcome by embedding the carbon fibers in a matrix resin, which absorbs the corresponding forces and ensures the cohesion of the carbon fibers among themselves.

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.A problem with textile reinforcements is their low heat resistance. Concrete components with textile reinforcements are therefore unsuitable for applications where they are permanently exposed to high temperatures. At the same time, however, temporary resistance to high temperatures must be ensured to guarantee the stability of concrete components with textile reinforcements in the event of a fire. Temporary resistance to high temperatures in the event of a fire is referred to as "fire resistance." Fire resistance is measured by the duration for which a building component retains its function in the event of a fire. A common requirement for fire-prone buildings is the fire resistance class "F90-fire-resistant" (functional for at least 90 minutes in the event of a fire). In conventional reinforced concrete construction, protection for more than 90 minutes is primarily achieved through a sufficiently thick concrete cover.

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. WO 2018/202785 discloses a concrete component with textile reinforcement that exhibits improved fire resistance, achieved by modifying the concrete to prevent spalling, using inorganically dominated matrix materials for the reinforcement, or surrounding the reinforcement with an oxidation barrier that protects the fibers from the effects of oxygen.

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 Hitze Gase bilden, somit den umgebenden Beton zersprengen und zum Kollabieren des Bauteils führen können.However, a disadvantage of the state of the art is that the cohesion of the fibers in the textile reinforcement is still achieved by a binder which contains organic components that form gases under the influence of high heat, thus potentially shattering the surrounding concrete and causing the component to collapse.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine textile Bewehrung bereitzustellen, die hervorragend feuerbeständig und gleichzeitig einfach in der Herstellung ist.The object of the present invention is to provide a textile reinforcement that is highly fire-resistant and at the same time easy to manufacture.

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 herstellen kann.The problem is solved by a textile reinforcement for embedding in concrete comprising carbon fibers, wherein the reinforcement is coated with a layer protecting against oxidation, wherein the carbon fibers are present as an interwoven, twisted, tangled or cabilized thread-like structure and have a maximum of 5 wt. % of matrix resin, and the layer protecting against oxidation forms a separate layer and can form a chemical bond to a component of concrete.

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.The present invention relates to a 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 (as required in claim 1) means that at least the surface and the underside of the textile reinforcement—which extend as surfaces along the longitudinal extent of the reinforcement and are essentially parallel to each other—are almost completely covered by concrete (see [reference]). Figure 10 The textile reinforcement in question is therefore (with the exception of edge areas) encased in concrete at least on the top and bottom surfaces. A material that is laid on top of concrete and not encased in concrete is not reinforcement.

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.A separate oxidation-protective layer is understood to be a layer that essentially completely surrounds the reinforcement as an outer surface or coating. Preferably, the oxidation-protective layer is in the form of an essentially complete coating of the reinforcement. An essentially complete coating of the reinforcement means that less than 30%, less than 20%, less than 10%, or less than 5% of the outer surface of the reinforcement is free of the oxidation-protective layer. The oxidation-protective layer may exhibit isolated cracks. A separate oxidation-protective layer consists essentially entirely, meaning preferably more than 75 wt%, more preferably more than 80 wt%, even more preferably more than 90 wt%, and particularly preferably more than 98 wt%, of the oxidation-protective material. According to the invention, the carbon fibers that form the thread-like structure of the reinforcement therefore contain no more than 5 wt% matrix resin, and the reinforcement is surrounded by a separate oxidation-protective layer.

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.No separate layer protecting against oxidation within the meaning of the invention is present if the material protecting against oxidation is only present in isolated instances and not as a whole. A full-surface coating is present on the reinforcement, the carbon fibers, or the thread-like structure. A separate protective layer against oxidation is also not present if the substances protecting against oxidation are merely added as additives in a matrix material for coating the reinforcement or the fibers of the reinforcement.

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.The percentage by weight of the separate oxidation-protective layer is less than 15 wt%, preferably less than 10 wt%, more preferably less than 7.5 wt% and most preferably less than 3 wt% based on the total weight of the textile reinforcement.

Das Dokument EP 0 861 862 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 Harzes 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 Hinweise 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.The document EP 0 861 862 This document describes a method for reinforcing structures. For example, a concrete layer is to be reinforced by applying a layer of fibers to its surface. 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 embedded in the concrete. Consequently, the document does not describe any reinforcement. Furthermore, the document does not describe carbon fibers that are present as woven, twisted, braided, or calibrated thread-like structures, or carbon fibers that contain a maximum of 5 wt% of a matrix resin. A separate oxidation-protective layer is also not disclosed in the document. WO 2015/084720 describes an adhesive tape material that can be used for the external repair of components (see Figures 1 to 4 (of the document). The material is not embedded in concrete, and therefore no reinforcement is described in this document. The material contains reinforcing fibers embedded in a matrix material. There is no indication of carbon fibers present as interwoven, twisted, braided, or wired thread-like structures. A separate oxidation-protective layer is also not disclosed. In the document WO 2019/091832 a fiber product with a coating made of The document describes an aqueous polymer dispersion, the use of which is given, for example, as reinforcement in concrete. According to the examples, the entire textile formed is impregnated with a polymeric material so that the polymer coating encapsulates as many individual filaments of the textile as possible, thus enabling an internal bond between the fibers. The document further describes the use of inorganic thickening agents that can be used as additives in the aqueous dispersion. A separate, oxidation-protective layer for the reinforcement is not disclosed in the document.

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.The protective layer against oxidation is preferably applied using a water-based system, such as an aqueous dispersion. All common textile coating methods could be used – for example, in the case of a vermiculite-based protective layer, by immersing the reinforcement in an aqueous dispersion of the coating agent. A sol-gel process (where inorganic and hybrid polymer layers can be produced from colloidally dispersed solutions using wet-chemical coating processes and subsequent curing) or an electroplating process could also be employed.

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.An advantage of using an aqueous dispersion to form the protective layer against oxidation is that processing can be carried out without solvents (except for water as a solvent), which significantly simplifies processing (also with regard to occupational safety and environmental protection).

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.In a general embodiment, the oxidation-protective layer can be further enhanced with agents to increase stability and/or abrasion resistance. For example, the oxidation-protective layer can contain 80% by weight of oxidation-protective substances and a maximum of 20% by weight of a water-soluble protective polymer, such as that which can also be used for the further protective layer described later. The protective polymer should act as a binder and can, for example, stiffen a vermiculite layer (as one embodiment of the oxidation-protective layer), thus increasing its mechanical strength. Furthermore, the mechanical strength of a vermiculite layer (as one embodiment of the oxidation-protective layer) and its bond to the filamentous structure can be improved by mixing it with binders. This results in a mixture of oxidation-protective substances and binders, and therefore not an additional layer. For example, epoxy resins and phenolic resins can be used as organic binders for the oxidation-protective layer. Increasing the mechanical strength of the oxidation-protective layer, such as a vermiculite layer, can also be achieved by mixing the oxidation-protective layer (or its components) with particularly temperature-resistant polymers, such as bismaleimide, phenolic, cyanate ester, or polybenzimidazole resins. 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 ZnO nanoparticles (e.g., NANOBYK-3860, BYK, Wesel, Germany), lime, cement, anhydrite, ettringite, silica sol, and water glass can also be used as binders in the oxidation-protective layer to improve its properties. The oxidation-protective layer can further contain polyelectrolytes such as polycarboxylate ethers or lignosulfonate, cellulose ethers such as methylcellulose, polyvinyl alcohol, or polyvinylpyrrolidone. However, with all of the aforementioned additives to the oxidation-protective layer, it is essential to ensure that the oxidation-protective material remains the primary component of the layer and that the additives do not create an additional layer within the oxidation-protective layer.

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.Advantageously, the textile reinforcement has a proportion of organic matter that is so low that the formation of gaseous Decomposition products become negligible upon heating, thus preventing the component from shattering in a fire. Experts know, for example, that fire resistance tests are not required for concrete components with an organic content of less than 1% by weight. For steel reinforcement, the concrete cover over the reinforcement elements must ensure that the reinforcement does not heat up to more than 550°C, as otherwise the steel would lose its strength. Carbon fibers, on the other hand, are stable at this temperature in the absence of oxygen, allowing for a thinner concrete cover, resulting in a significant weight reduction.

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.Textile reinforcement, as defined in this application, is a material based on thread-like structures that is embedded in a surrounding material, such as concrete, for reinforcement purposes. These thread-like structures can be threads in the narrower sense, but they can also be products made from threads. Possible products include yarns, cables, cords, or ropes, which can also be processed into sheet products such as woven fabrics, nonwovens, knitted fabrics, braids, knitted fabrics, woven fabrics, trellises, or nets. Textile reinforcements produced in this way are characterized by their flexibility, which allows them to be stored in space-saving roll form, transported to the construction site, and unrolled only immediately before being cast in concrete. Furthermore, by using binding agents or by twisting and/or interlacing the thread-like structures, rigid reinforcement elements such as bars or rigid grids can be produced. Mechanical stiffening of the thread-like structures, the yarns, cables, cords, ropes, fabrics, lay-ups, knitteds, braids, wovens, trellises, grids or nets made from them can also be achieved by so-called wrapping yarns, with which the thread-like structures or the yarns, cables, cords, ropes, fabrics, lay-ups, knitteds, braids, woven fabrics, trellises or nets made from them are wrapped or braided.

In einer Ausführungsform, besteht die textile Bewehrung aus den genannten fadenförmigen Gebilden.In one embodiment, the textile reinforcement consists of the aforementioned thread-like structures.

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. Hierdurch 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 one embodiment, the reinforcement has an additional protective layer besides the oxidation-protective layer. This protective layer is preferably located as an outer layer on the finished reinforcement with the separate oxidation-protective layer and preferably does not completely encircle the thread-like structures of the carbon fibers. Preferably, the protective layer covers the surface and/or the underside of the reinforcement. The protective layer can, for example, be a coating that makes the reinforcement easier to coil and thus store as rolled material. The protective layer can also be composed of or contain substances that simplify and/or improve the embedding of the reinforcement in the concrete. For example, the protective layer can contain plasticizers for concrete. Furthermore, the protective layer can also protect the reinforcement from weathering and/or mechanical stresses as long as it has not yet been incorporated into the concrete. The protective layer can be reversibly or permanently attached to the reinforcement. A reversible protective layer is one that can be peeled off the reinforcement, for example, like a film. In this case, all types of polymer films are conceivable as films, and the polymer film can also be water-insoluble (for example, a polyethylene film). The protective layer is firmly bonded to the reinforcement when the protective layer and the reinforcement can no longer be separated without damaging the reinforcement. In the case of a protective layer firmly bonded to the reinforcement, the protective layer is preferably water-soluble, so that it dissolves upon contact with water in the concrete. This allows the protective layer to protect the reinforcement before it is encased in concrete, but it does not prevent or impair the penetration of the reinforcement by the concrete. The protective layer can, for example, comprise or consist of polyelectrolytes such as polycarboxylate ethers or lignosulfonate, cellulose ethers such as methylcellulose, polyvinyl alcohol, or polyvinylpyrrolidone. Preferably, the reinforcement has a thickness of approximately 1 to 10 wt%, preferably 2 to 5 wt% of the protective layer, based on the total weight of the reinforcement.

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 one embodiment, the textile reinforcement comprises more than one thread-like structure. The individual thread-like structures of the reinforcement can be interwoven, twisted, wound, or wired together. In addition to one or more thread-like structures made of carbon fibers, the textile reinforcement according to the present application can also contain additional thread-like structures made of other fibers. In particular, 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, non-melting polyacrylonitrile (e.g., Pyromex® , available from Teijin Carbon Europe, Wuppertal, Germany) are suitable for this purpose. In one embodiment, the additional thread-like structure of the reinforcement consists of a plurality of wrapping threads with which the thread-like structure made of carbon fibers is wound. This wrapping can, for example, increase the mechanical stability of the thread-like structure made of carbon fibers and thus of the reinforcement. The wrapping can be uniform over the entire reinforcement or applied only to certain sections of the reinforcement. For example, only a central area of the reinforcement can be given a particularly strong mechanical reinforcement by means of the wrapping threads.

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.In one embodiment, the thread-like structure has a structured surface due to its manufacture by braiding, twisting, plying, or cabling. This structured surface makes it possible to bring the thread-like structure into a particularly close, form-fitting bond with other materials, for example, coatings, the oxidation-protective layer, the further protective layer, or concrete. In one embodiment of the wrapping threads, the wrapping threads also create, in addition to With or without mechanical reinforcement, a structured surface enables a close, form-fitting connection - as described above.

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.Interlacing, twisting, twisting, wrapping, or cabling creates a bond between the carbon fibers and/or filaments within the thread-like structures. This allows for a significant reduction in the amount of matrix resin required for fiber cohesion within the thread-like structure, or even the complete elimination of matrix resin. When using only one thread-like structure, the continuous filaments that comprise it are intimately bonded together by interlacing, twisting, twisting, wrapping, or cabling. When using multiple thread-like structures, several of these structures can be intimately bonded together by interlacing, twisting, twisting, wrapping, or cabling, optionally in addition to an intimate bond between the filaments that comprise the thread-like structures.

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.A significant disadvantage of the matrix resin is its problematic behavior at high temperatures. At considerably elevated temperatures, the matrix resin begins to soften and can no longer ensure the cohesion of the carbon fibers or compensate for their brittleness perpendicular to the fiber direction. Furthermore, it begins to decompose, even in the absence of air, forming gaseous products that can then fracture the surrounding concrete. At high temperatures and in the presence of oxygen, carbon fibers can also oxidize themselves, whereas they remain stable even at extremely high temperatures when oxygen is excluded.

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. Hiermit einher geht eine Verminderung des Risikos von Strukturversagen mit kohlenstofffaserbasierten Bewehrungen versehener Betonteile durch Zersprengen im Brandfall.In this way, a significant contribution is made to improving the fire resistance of carbon fiber-based textile reinforcements, since the cohesion within the thread-like structure is no longer compromised by a The rapid failure of the matrix resin due to temperature increases is not achieved through thermal degradation, but rather mechanically through the entanglement of the fibers and/or filaments that make up the thread-like structure. Reducing the amount of matrix resin also reduces the amount of thermally degradable material in the thread-like structures, thus minimizing or eliminating gas formation under high temperatures. This, in turn, reduces the risk of structural failure of carbon fiber-reinforced concrete components due to fragmentation in the event of a fire.

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 Harze 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 Hochtemperaturharze 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 Ha-Be Betonchemie GmbH & Co. KG, Hameln, 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.In this application, "matrix resin" refers to all non-fiber-forming material with which the carbon fibers, the filamentous structures produced therefrom, or the textile reinforcement produced therefrom are coated before the oxidation-protective layer is applied to the reinforcement. In particular, this includes finishing agents applied to improve the processability of the fibers or filamentous structures, for example, agents for breakage protection, for reducing static charge, or for improving the sliding properties of the fibers during the processing. Such fiber finishing agents are known to those skilled in the art as "sizing" or "coating." Organic synthetic resins such as epoxy resins or polyurethane-based resins are frequently used for this purpose. A reactive polydimethylsiloxane (e.g., SILRES BS 1042, available from Wacker, Munich, Germany) can also be used as a sizing agent. In cases where particularly temperature-resistant equipment is required, highly temperature-resistant polymers such as polyphenylene sulfide (PPS), polyetherketones such as polyetheretherketone (PEEK), or polyimides such as polyetherimides can be used. Furthermore, high-temperature resins such as bismaleimide, phenol, cyanate ester, or polybenzimidazole resins can be employed. Carbon-based materials such as graphene and graphene oxide can also be used, as well as 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 Ha-Be Betonchemie GmbH & Co. KG, Hameln, Germany). Furthermore, other inorganic materials combined with water-soluble organic polymers such as polyvinyl alcohol or polyvinylpyrrolidone can also be used as binders. In the examples mentioned, the binders are water-soluble and therefore disperse throughout the concrete. Ferrofluids containing paramagnetic iron can act as radical scavengers and thus as oxidation inhibitors. Furthermore, suitable finishing agents include ZnO nanoparticles (e.g., NANOBYK-3860, BYK, Wesel, Germany), polysiloxanes or silicone resins, or inorganic lubricants based on molybdenum disulfide and/or graphite (e.g., MOLYKOTE 7400 Anti-Friction Coating from DuPont, Wilmington, USA), or so-called ORMOCERE, organically modified ceramics (e.g., InnoSolTEX technology from Fraunhofer ISC, Würzburg, Germany). Other inorganic finishing agents, for example, those based on layered silicates such as vermiculite, can also be used.

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 Hydrogengruppensubstituierte 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.The finishing agent can improve not only the mechanical properties of the fibers but also their bonding to other components of the matrix resin, such as binders. In addition to finishing agents that enhance the processability of carbon fibers or the filamentous structures produced from them, the term "matrix resin" also encompasses binders that serve to hold the carbon fibers or filamentous structures together, compensate for the brittleness of the carbon fibers perpendicular to the fiber direction, or stiffen the filamentous structures or the yarns, cables, cords, or ropes produced from them into rods, or stiffen the fabrics, non-woven fabrics, knitted fabrics, braids, woven fabrics, or trellises produced from them into rigid grids. Furthermore, binders prevent the uncontrolled penetration of concrete into the textile reinforcement material. This would mean that there would be a telescopic extraction of fibers from the textile. Reinforcement could occur, whereby inner fibers or filaments, which are not in contact with concrete, are more easily pulled out than outer fibers or filaments that are in contact with concrete. "Uncontrolled penetration" specifically refers to the penetration of concrete between the filaments that make up the thread-like structure. Otherwise, the filaments of the thread-like structure can be destroyed or damaged by the formation of needle-shaped crystallites during the hardening of the concrete. The penetrability of concrete can be drastically reduced by intimately bonding the filaments of a thread-like structure to one another, as well as by intimately bonding several thread-like structures, e.g., by interlacing, twisting, twisting, wrapping, or cabling. Binders for thread-like structures made of carbon fibers are known to those skilled in the art under the terms "impregnation" or "impregnation compound." Binders from the group of organic polymers are frequently used, which may be chemically related to the fiber finishing agent. 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. To achieve the highest possible temperature resistance of the matrix resin, inorganic binders based on silicates or cements can also be used. The use of silicone resins is also possible. Organopolysiloxanes, especially silicone resins, such as the group of methyl resins and methylphenyl resins, e.g., methylphenyl vinyl and hydrogen-substituted siloxanes, as well as mixtures of the respective silicone resins and organic resins, have proven suitable. Although alkali resistance is not generally expected from organosilicon compounds, it has surprisingly been demonstrated for some formulations (e.g., Wacker Silres H62C and in combination with Silres MK, both available from Wacker, Munich, Germany) for the specific application of textile reinforcement. Methylphenylvinylhydrogen polysiloxanes (e.g., Wacker Silres H62C (available from Wacker, Munich, Germany), methyl polysiloxanes (e.g., Wacker Silres MK, available from Wacker, Munich, Germany), and especially suitable mixtures of these two siloxanes have already demonstrated surprisingly high alkali resistance in textile reinforcement applications. Reactive polydimethylsiloxanes (e.g., SILRES BS 1042, available from Wacker, Munich, Germany) have also proven effective. However, inorganic binders with an organic component, especially predominantly inorganic binders that also contain an organic component, tend to develop a porous structure or microcracks in the high-temperature range between 500 °C and 1000 °C, despite their significantly better high-temperature resistance. For this reason, it is desirable to minimize the amount of binder used in the reinforcement for applications in high-temperature-resistant concrete components.

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.A total matrix resin content of no more than 5 wt.% relative to the total reinforcement is therefore preferred in order to achieve the best possible high-temperature resistance of the concrete components containing the textile reinforcement according to the present application. The same material as described above for the matrix resin can be used, but this time the matrix material can be present not only on the carbon fibers but also as a component in other layers of the reinforcement. The 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 contain a maximum of 4 wt.% matrix resin. The textile reinforcement can contain a maximum of 3 wt.% matrix resin. The textile reinforcement can contain a maximum of 2 wt.% matrix resin. The textile reinforcement can contain a maximum of 1 wt.% matrix resin. In one embodiment, the textile reinforcement is free of matrix resin. The binder content of the textile reinforcement can be 5 wt. %, 4 wt. %, 3 wt. %, 2 wt. %, 1 wt. %, Alternatively, the textile reinforcement can be free of binders. A reduction in the proportion of finishing agents on the carbon fibers is also possible. Here, proportions of less than 1.5 wt.%, less than 1 wt.%, or even less than 0.5 wt.% are possible. In one embodiment, both the carbon fibers and the textile reinforcement are free of finishing agents.

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.Unlike the matrix resin, which is particularly susceptible to thermal decomposition in the event of a fire due to its organic components, the carbon fibers are largely stable at high temperatures as long as they are kept away from oxygen. For this reason, the reinforcement according to the present application is coated with a separate oxidation-protective layer. In principle, all materials that do not react with oxygen, even under the influence of high temperatures, are suitable for this layer. This is particularly true for inorganic compounds.

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.In one embodiment, the oxidation-protective layer therefore has a proportion of inorganic material of at least 80 wt.%. In one embodiment, the oxidation-protective layer therefore has a proportion of inorganic material of at least 70 wt.%. In one embodiment, the oxidation-protective layer therefore has a proportion of inorganic material of at least 60 wt.%. In one embodiment, the oxidation-protective layer therefore has a proportion of inorganic material of at least 50 wt.%. In one embodiment, the oxidation-protective layer therefore has a proportion of inorganic material of at least 40 wt.%. Oxide materials or materials whose components are highly oxidized are particularly suitable, provided they do not themselves have an oxidizing effect. Materials based on stable metal and metalloid oxides, such as the oxides of calcium, magnesium, aluminum, and silicon, are of particular importance. The oxides of these elements are characterized by high oxidation stability, low oxidation activity, and easy availability. Materials derived from these oxides include, for example, quartz, clay, cement, or the large group of silicates, in which the aforementioned elements may be associated with other elements in their oxidized forms, for example with iron or alkali metals.

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.What makes this selection special is that all these materials exhibit a high degree of chemical similarity to certain components of concrete, such as cement. This chemical similarity allows a chemical bond to form between the material of the oxidation-protective layer and certain components of concrete, resulting in particularly strong adhesion between the oxidation-protective layer of the textile reinforcement and the surrounding concrete of a concrete component.

In einer Ausführungsform weist die vor Oxidation schützende Schicht ORMOCERE, also eine organisch-modifizierte Keramik (z. B. InnoSolTEX-Technologie von Fraunhofer ISC, Würzburg, Deutschland), oder Polysilazane auf.In one embodiment, the layer protecting against oxidation comprises ORMOCERE, i.e., an organically modified ceramic (e.g., InnoSolTEX technology from Fraunhofer ISC, Würzburg, Germany), or polysilazanes.

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, SiO2), der zum Abdecken von Bränden verwendet werden kann. Auch Schichtsilicate wie Vermiculit können als Feuerlöschmittel eingesetzt werden.In one embodiment, the oxidation-protective layer therefore contains at least 5 wt.% silicon. This can include silicon-oxygen compounds such as silicates or silicones. Silicon-oxygen compounds are characterized by 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 release oxygen even under fire conditions, and therefore do not undergo chemical changes. It is known to those skilled in the art, for example, that various silicon-oxygen compounds are used as fire extinguishing agents. An important example of this is sand (chemically mostly silicon dioxide, SiO₂ ), which can be used to cover fires. Layered silicates such as vermiculite can also be used as fire extinguishing agents.

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.The protective layer against oxidation lies on and around the reinforcement and can be present on and around the textile reinforcement in a variety of ways. For example, the protective layer can be produced by plasma treatment. In plasma treatment, the object to be treated is exposed to a plasma to which a gaseous precursor for the desired surface coating is added. For example, 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, in this case, the surface of the textile reinforcement. The silicon-oxygen compounds can be, for example, silicon dioxide. Layers of amorphous silicates or polymer layers containing silanol groups are also possible. In one embodiment, the layer containing silicon-oxygen compounds consists of at least 30 wt.% silicon dioxide. In another embodiment, the layer containing silicon-oxygen compounds has silanol groups on its surface.

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.In one embodiment, the silicon-oxygen compound layer has a thickness of less than 500 nanometers and is therefore significantly thinner than conventional oxidation-protective layers. In another embodiment, the silicon-oxygen compound layer has a thickness of less than 300 nanometers. In another embodiment, the silicon-oxygen compound layer has a thickness of less than 100 nanometers. In yet another embodiment, the silicon-oxygen compound layer has a thickness of less than 50 nanometers, and in yet another, less than 30 nanometers.

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.This also results in a high degree of flexibility in the reinforcement compared to other oxidation-protective layers. In this embodiment, the textile reinforcement retains its drapability even when coated with the oxidation-protective layer. It is therefore possible to shape it as desired immediately before casting it in concrete, and to create curved or contoured concrete components with minimal effort. to produce. 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 components of concrete, e.g. cement.

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.Silicates are also suitable materials for the oxidation-protective layer, which can be applied to the reinforcement using wet chemical processes, for example. Layered silicates, which are capable of forming flexible, inorganic films, are one such example. Inorganic films made of vermiculite have excellent mechanical properties (for example, tensile strength and tensile modulus) and are superior to some organic films.

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.In one embodiment, a flexible, oxidation-protective layer 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 subsequently dried. Such dispersions are available, for example, under the name AVD (Aqueous Vermiculite Dispersion), among other things as fire extinguishing agents. The oxidation-protective layer of layered silicates can be positively anchored in the structured surface of the reinforcement. For this purpose, for example, the layered silicate applied in the form of an aqueous suspension can form a structure that engages with the structure on the surface of the filamentous structure or the carbon fibers, thus ensuring an intimate bond between the filamentous structure or the carbon fibers and the oxidation-protective layer. For example, after its production from the thread-like structure of carbon fibers, the reinforcement can be soaked in an immersion bath of aqueous suspension with layered silicate, so that a separate layer protecting against oxidation is created on and around the reinforcement (i.e. the outer surfaces of the reinforcement).

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 organischfunktionalisierte 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 herstellen 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.Optionally, an adhesive layer can also be used to create a chemical bond between the thread-like structure and the oxidation-protective layer, such as the layered silicate. This can involve both direct chemical bonds between the carbon fibers of the oxidation-protective layer, such as the layered silicate, and chemical bonds between the finishing agent on the carbon fibers and the oxidation-protective layer. If epoxy resins are used as finishing agents, organically functionalized silanes with amino or epoxy groups can be used for the adhesive layer. These silanes can form a chemical bond with the epoxy resin via their organic ends, while the silane groups can form a chemical bond with the oxidation-protective layer, such as the layered silicate. Examples of such products are Dynasylan SIVO 110 and Dynasylan HYDROSIL 2776, both available from Evonik AG, Essen, Germany. Organically functionalized silanes mediate a chemical bond between the finishing agent (especially epoxy resin) on the carbon fiber on one side and the layered silicate on the other.

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.The adhesive layer is preferably applied to the reinforcement; that is, the thread-like structure made of interwoven, twisted, braided, or wired carbon fibers has the adhesive layer. However, in another embodiment, it is also conceivable that the carbon fibers have the adhesive layer before the thread-like structure is produced.

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.If an adhesive layer is used, the adhesive layer constitutes less than 3 wt%, preferably less than 2 wt%, and more preferably less than 1.5 wt%, and even more preferably less than 1 wt%, in relation to the total weight of the reinforcement in all embodiments.

In einer Ausführungsform weist die Schichtsilicatschicht eine Dicke von maximal 200 µm auf. In einer Ausführungsform weist die Schichtsilicatschicht eine Dicke von maximal 150 µm auf. In einer Ausführungsform weist die Schichtsilicatschicht eine Dicke von maximal 100 µm auf. In einer Ausführungsform weist die Schichtsilicatschicht eine Dicke von maximal 75 µm auf. In einer Ausführungsform weist die Schichtsilicatschicht eine Dicke von maximal 50 µm auf. In einer Ausführungsform weist die Schichtsilicatschicht eine Dicke von maximal 40 µm auf. In einer Ausführungsform weist die Schichtsilicatschicht eine Dicke von maximal 30 µm auf. In einer Ausführungsform weist die Schichtsilicatschicht eine Dicke von maximal 20 µm auf. In einer Ausführungsform weist die Schichtsilicatschicht eine Dicke von maximal 10 µm auf.In one embodiment, the layered silicate layer has a maximum thickness of 200 µm. In one embodiment, the layered silicate layer has a maximum thickness of 150 µm. In one embodiment, the layered silicate layer has a maximum thickness of 100 µm. In one embodiment, the The layered silicate layer has a maximum thickness of 75 µm. In one embodiment, the layered silicate layer has a maximum thickness of 50 µm. In one embodiment, the layered silicate layer has a maximum thickness of 40 µm. In one embodiment, the layered silicate layer has a maximum thickness of 30 µm. In one embodiment, the layered silicate layer has a maximum thickness of 20 µm. In one embodiment, the layered silicate layer has a maximum thickness of 10 µm.

Die Schichtsilicatschicht kann auf und um die Bewehrung eine gleichmäßige oder ungleichmäßige Dicke aufweisen.The layered silicate layer can have a uniform or uneven thickness on and around the reinforcement.

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.Preferably, in all embodiments of the textile reinforcement, the proportion of organic substances in all layers that are irreversibly 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, whereby the thread-like structure of carbon fibers is not counted as a layer. This means that even if the reinforcement has fibers with a sizing (matrix), a separate oxidation-protective layer, an adhesive layer, and a further protective layer irreversibly connected to the reinforcement, the reinforcement as a whole contains less than 5% by weight of organic substances, based on the total weight of the textile reinforcement.

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.The present application further relates to a concrete component that has reinforcement according to the present application. In one embodiment, the textile reinforcement is embedded in the concrete component such that it has a concrete cover of at most 10 millimeters. Concrete cover is understood to mean the thickness of the concrete layer that lies between the concrete surface and the surface of the textile reinforcement. In another embodiment, the reinforcement in the concrete component has a concrete cover of at most 15 millimeters. In one embodiment, the reinforcement in the concrete component has a concrete cover of no more than 20 millimeters. In another embodiment, the reinforcement in the concrete component has a concrete cover of no more than 25 millimeters. In another embodiment, the reinforcement in the concrete component has a concrete cover of no more than 30 millimeters. In another embodiment, the reinforcement in the concrete component has a concrete cover of no more than 35 millimeters. In another embodiment, the reinforcement in the concrete component has a concrete cover of no more than 40 millimeters. In another embodiment, the reinforcement in the concrete component has a concrete cover of no more than 45 millimeters. In another embodiment, the reinforcement in the concrete component has a concrete cover of no more than 50 millimeters. In one embodiment, the concrete cover of the textile reinforcement is lower than that of comparable steel reinforcement with the same mechanical properties, resulting in a significant weight advantage.

Die Betonüberdeckung der textilen Bewehrung leistet durch ihre wärmeisolierende und vor Sauerstoff schützende Wirkung einen entscheidenden Beitrag zum Feuerwiderstand der textilen Bewehrung.The concrete covering of the textile reinforcement makes a crucial contribution to the fire resistance of the textile reinforcement through its heat-insulating and oxygen-protective effect.

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.The concrete cover over the textile reinforcement can be designed in conjunction with the properties and thickness of the oxidation-protective layer to achieve a desired fire resistance class.

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.
The invention is described in more detail with reference to experiments and figures, without this constituting any limitation of the general inventive concept.
Figure 1
presents a comparison of the tensile strength of carbon fiber yarns with a solid matrix resin content as a function of their twist (t/m).
Figure 2
shows the influence of a vermiculite coating on the temperature resistance of carbon fibers.
Figure 3
shows the basic structure of a single-filament coating system
Figure 4
shows the basic sketch of a coating eyelet (cross-section on the right)
Figure 5
shows the basic diagram of a winding board
Figure 6
shows a heating curve of a muffle furnace for the yarn samples
Figure 7
shows a target arrangement of yarn strands for example 3
Figure 8
shows the built-in yarn strands for example 3
Figure 9
shows a test setup (rotated) for example 3
Figure 10
The diagram schematically shows a textile reinforcement embedded in concrete.

Die Figuren 7 bis 9 entstammen den Berichten der TU Dortmund/WdB.The Figures 7 to 9 These are taken from the reports of TU Dortmund/WdB.

Beispiel 1Example 1

Im vorliegenden Beispiel 1 soll dargelegt werden, wie sich die Zugfestigkeit von fadenförmigen Gebilden in Abhängigkeit ihrer Konsolidation verändert.In the present example 1, it is intended to show how the tensile strength of thread-like structures changes depending on their consolidation.

Bei den zu prüfenden fadenförmigen Gebilden handelt es sich um Kohlenstofffasergarn des Typs STS40 F13 24K der Firma Teijin Carbon Europe mit 1600 tex und 1 % Polyurethanbeschichtung als Matrixharz-Anteil. Als Vergleichsgarn wird ein STS40 E23 24K Garn der Firma Teijin Carbon Europe gewählt, das mit 39 Gew% Matrixharz auf Epoxidbasis durchimprägniert wurde.The thread-like structures to be tested are carbon fiber yarn type STS40 F13 24K from Teijin Carbon Europe with a density of 1600 tex and a 1% polyurethane coating as the matrix resin content. A STS40 E23 24K yarn from Teijin Carbon Europe, impregnated with 39% wt% epoxy-based matrix resin, is used as a comparison yarn.

Die Imprägnierung des Vergleichsgarns erfolgte mit folgender Harzmischung:

  • Epikote 828: 100 Teile
  • Epikure 113: 30 Teile
  • Aceton: 15 Teile
The comparison yarn was impregnated with the following resin mixture:
  • Epicot 828: 100 parts
  • Epicurean 113: 30 parts
  • Acetone: 15 parts

Probenherstellung:Sample preparation:

Für die Zugprüfung und Ermittlung der Daten werden Garnproben mit 50 mm langen Pappstreifen versehen, die zur Krafteinleitung an der Prüfvorrichtung dienen.For the tensile test and data determination, yarn samples are provided with 50 mm long cardboard strips, which serve to introduce force to the test device.

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 For this purpose, a two-component adhesive is used which, after curing, completely encloses the samples in the area of a cardboard strip and no air inclusions are present. Adhesive approach: AW 106 100% by weight HV 953 80 parts by weight

Es wird auf eine Topfzeit von 45 Minuten verwiesen.A potting time of 45 minutes is recommended.

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 festgeklebt. Um einen gleichmäßigen Klebefilm zwischen Pappstreifen und Prüfkörpern zu gewährleisten, werden diese vorher mittels eines Ziehkörpers (welcher je nach Garnfeinheit auszuwählen ist) aufgetragen.To produce yarn tensile test specimens, two cardboard strips, aligned parallel to each other using a 200 mm wide template, are glued to a glass plate covered with PTFE-coated glass using polyester adhesive tape. To ensure a uniform adhesive film between the cardboard strips and the test specimens, the yarn is first applied using a drawing tool (which must be selected according to the yarn fineness).

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.The samples are now to be laid out along the marked lines and fixed in place with polyester adhesive tape. Ensure that the individual test specimens are parallel. The upper cardboard strips (clearly labeled), which are also coated with adhesive film, are then placed on top and secured. A layer of PTFE-coated fiberglass fabric is placed over this and weighted down with a second glass plate.

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.This setup is placed in a preheated convection oven at 70 °C for one hour. After the yarn tensile test specimens have cooled, they are cut with a band saw along the outer edges and the designated cutting lines.

Messung:Measurement:

Die Probekörper werden mindestens 24h im Prüfraumklima bei 23 °C / 50 % rel. Luftfeuchte vor der Messung gelagert.The test specimens are stored for at least 24 hours in the test room climate at 23 °C / 50% relative humidity before measurement.

An dem imprägnierten Kohlenstofffaserstrang, der an beiden Seiten mit Krafteinleitungselementen versehen ist (Pappaufleimer), wird ein Zugversuch unter Ansetzung eines Längenänderungsaufnehmers durchgeführt.A tensile test is performed on the impregnated carbon fiber strand, which is provided on both sides with force introduction elements (cardboard strips), using a length change sensor.

Gerät:Device:

  • Zug-/Druckprüfmaschine mit einer auf < 1% genau einstellbaren konstanten Prüfgeschwindigkeit im Bereich von 0 < v ≤ 20 mm/minTensile/compression testing machine with a constant testing speed adjustable to an accuracy of < 1% in the range of 0 < v ≤ 20 mm/min
  • Kalibrierter Kraftaufnehmer mit geeignetem Kraftmessbereich nach DIN EN ISO 7500-1Calibrated force transducer with suitable force measuring range according to DIN EN ISO 7500-1
  • Kalibriertes Wegmesssystem mit geeignetem Wegmessbereich DIN EN ISO 9531Calibrated displacement measuring system with suitable displacement measuring range DIN EN ISO 9531
  • Längenänderungsaufnehmer (211 mm)Length change sensor (211 mm)
Prüfbedingung:Test condition:

Standardatmosphäre für Prüfungen von imprägnierten Garnzugproben, d.h. 23°C ± 2 und 50 % ± 5 relative Luftfeuchte.Standard atmosphere for testing impregnated yarn tensile samples, i.e. 23°C ± 2 and 50% ± 5 relative humidity.

Prüfparameter:Test parameters:

Prüfgeschwindigkeit:Test speed: 5 mm/min5 mm/min freie Einspannlänge:Free clamping length: 200 mm200 mm Vorkraft:Pre-force: 2 cN/tex2 cN/tex Messlänge Fühler:Measuring length sensor: 100 mm100 mm Beginn E-Modul:Start of E-module: 40 cN/tex40 cN/tex Ende E-Modul:End of E-module: 80 cN/tex80 cN/tex

Durchführung der Prüfung:Conducting the test:

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.
The examination will be conducted as follows:
The tensile clamps are installed in the material testing machine (MPM), aligned centrally, and the required clamping length between the tensile clamps is set as specified in the required standard or specification. The test specimen stops are set and adjusted. Then, the specimen rests are adjusted so that the specimens are loaded centrally in the MPM. When clamping, care must be taken to ensure that the specimens are clamped perpendicular to the jaws.

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.Before the test begins, the zero point of the force channel is approached. During the test, the testing machine moves the specimen, recording the measured values, until fracture occurs or until the specified force or length change value is reached. After the test is complete, the fracture pattern is entered and the measurement data is saved. The specimen is removed from the testing chamber, and the fixture and clamps are cleaned. To ensure unambiguous traceability of the specimens even after testing, the specimen numbering is checked and, if necessary, renewed on both sides. The MPM traverse is returned to its starting position, and the next specimen can be tested. Six tests are performed per specimen using this procedure.

Bestimmung der Zugfestigkeit σB: σ B = F max A F N / mm 2

σB =
Zugfestigkeit in N/mm2
Fmax =
Höchstzugkraft in N
AF =
Garnquerschnittsfläche in mm2
Determination of the tensile strength σ B : σ B = F max A F N / mm 2
σB =
Tensile strength in N/ mm²
Fmax =
Maximum tractive force in N
AF =
Yarn cross-sectional area in mm²

Die Garnquerschnittsfläche berechnet sich folgendermaßen: A F = T t ρ * 100 3 mm 2

AF =
Garnquerschnittsfläche in mm2
Tt =
Garnfeinheit in tex
ρ =
Garndichte in g/cm3
The yarn cross-sectional area is calculated as follows: A F = T t ρ * 100 3 mm 2
AF =
Yarn cross-sectional area in mm²
Tt =
Yarn count in tex
ρ =
Yarn density in g/ cm³

Garnfeinheit und Garndichte wurden aus den Datenblätter der Garne entnommen und nicht zusätzlich durch Messung bestimmt.Yarn fineness and yarn density were taken from the yarn data sheets and not additionally determined by measurement.

Dehnung bei Höchstkraft: ϵ B = Δ L Fmax x 100 L 0 %

εB =
relative Längenänderung in %
ΔL0 =
absolute Längenänderung bei Höchstkraft in mm
l0 =
Messlänge des Dehnungsaufnehmers in mm
Elongation at maximum force: ϵ B = Δ L Fmax x 100 L 0 %
εB =
relative length change in %
ΔL0 =
absolute change in length at maximum force in mm
l0 =
Measuring length of the strain gauge in mm

Elastizitätsmodul:Modulus of elasticity:

E = ρ × Δ F × 10 3 T t × l 0 Δ l N / mm E = ρ × Δ F × 10 3 T t × l 0 Δ l N / mm

E =E =
Elastizitätsmodul in N/mm2 Modulus of elasticity in N/ mm²
ρ =ρ =
Garndichte in g/cm2 Yarn density in g/ cm²
ΔF =ΔF =
vorgegebene Kraftdifferenz in Nspecified force difference in N
Tt =Tt =
Garnfeinheit in texYarn count in tex
l0 =l0 =
Messlänge des Dehnungsaufnehmers in mmMeasuring length of the strain gauge in mm
Δl =Δl =
Längendifferenz der vorgegebenen Kraftdifferenz in mmLength difference of the specified force difference in mm
Ergebnisse:Results:

Die Ergebnisse sind in Figur 1 grafisch dargestellt.The results are in Figure 1 graphically represented.

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 E23 24K 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.In Figure 1 The tensile strength in MPa is shown as a function of yarn twist in t/m. The first four samples, as described above, contain 1 wt% matrix resin. The last comparison sample is a 1600 tex STS40 E23 24K carbon fiber yarn from Teijin Carbon Europa, impregnated with an epoxy-based resin. The resin content in the yarn was 39 wt%. The first sample shows no twist (0Z). Twisting increases the tensile strength to 1955 MPa. With increasing twist, it is evident that the tensile strength increases despite the same proportion of matrix resin in the fibers. At a twist of 15Z (15 t/m), clockwise, a tensile strength of 2309 MPa is achieved. This represents an increase of approximately 18%, attributable to the twisting of the yarn. It is assumed that twisting, interlacing, or twisting the carbon fibers into a thread-like structure creates a similar bond between the filaments as would be achieved through fiber impregnation. This bonding allows the thread-like structure to achieve good tensile strength. Due to the very low matrix content of the thread-like structure, the material is particularly well-suited for use as fire-resistant reinforcement. As previously explained, high temperatures, such as those generated during a fire, can decompose the matrix resin, releasing gas. This leads to a loss of cohesion between the filaments and can cause the concrete component to burst, resulting in component failure. With a matrix content of 5% by weight or less, it can be assumed that gas production is insufficient to damage the component. This advantageously achieves good tensile strength of the textile reinforcement while simultaneously providing good fire resistance.

Beispiel 2Example 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 Hitzebeständigkeit der Fasern aus denen die Bewehrung aufgebaut ist, durch die Beschichtung gezeigt werden kann.Example 2 investigates the temperature resistance of carbon fibers as a function of a vermiculite coating. The vermiculite coating represents one embodiment of the separate, oxidation-protective layer. Coating the carbon fiber is comparable to coating reinforcement, as the coating generally improves the heat resistance of the fibers from which the reinforcement is constructed.

Material:Material:

  • STS40 E23 24K 1600tex, 5ZSTS40 E23 24K 1600tex, 5Z
  • Vermiculit-Dispersion (AVD, Hersteller: Dupré Minerals Ltd., GB)Vermiculite dispersion (AVD, manufacturer: Dupré 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))Single-thread coating system (unwind stand with unwind spindle and brake for adjusting thread tension, cup bath for resin impregnation with adjustable cup holder and base plate for mounting the rollers ( Fig. 3 ) and coating eyelets ( Fig. 4 ))
  • Wickelbrett (Fig. 5)Changing board ( Fig. 5 )
  • Trockenschrank mit einem Temperaturbereich bis mind. 150 °CDrying oven with a temperature range up to at least 150 °C
  • GarnschereYarn scissors
  • Stahlklingesteel blade
  • Kunststoffschneidbrettplastic cutting board
  • Kunststoffhammerplastic hammer
  • Alsint-Schalen (H x L x B: 15 mm x 200 mm x 15 mm)Alsint trays (H x L x W: 15 mm x 200 mm x 15 mm)
  • Muffelofen mit einem Temperaturbereich bis mind. 1000 °CMuffle furnace with a temperature range up to at least 1000 °C
  • Waage mit einer Genauigkeit von ± 0,001 gScale with an accuracy of ± 0.001 g
Durchführung:Implementation:

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 Vermiculite-Badkonzentration [%] Ösendurchmesser [mm] Erreichter Vermiculite-Gehalt [%] 0 keine 0 5 2,6 3,7 12 3,0 13 The spool of twisted yarn is mounted on the unwinding stand. The yarn is guided through a cup bath containing coating dispersion to the eyelet via easily removable and cleanable rollers ( Fig. 3 ). The eyelet ( Fig. 4 ) removes the excess dispersion from the yarn. The drive is manual, achieved by winding the yarn after the eyelet onto a winding board ( Fig. 5 A thread brake keeps the yarn under slight tension during manual unwinding. This ensures continuous coating of the yarn. The resulting vermiculite coating is shown in Table 1. Table 1 Vermiculite bath concentration [%] Eyelet diameter [mm] Achieved vermiculite content [%] 0 no 0 5 2.6 3.7 12 3.0 13

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.For each sample, four 16 cm lengths of yarn are placed in an Alsint dish (pure carbon fiber weight approx. 1 g) and placed in a muffle furnace at room temperature. The furnace is heated to 900 °C. Upon reaching this temperature, the dishes are immediately removed and placed on a sand bed to cool. Once the samples have cooled back to room temperature, the total mass loss is determined by backweighing. This is then converted to the mass loss of the carbon fiber. At least one duplicate determination is performed.

Figur 2 stellt das Ergebnis des Beispiels 2 dar. Figure 2 represents the result of example 2.

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.For a yarn without a vermiculite coating as an oxidation protection layer, the average mass loss is approximately 68 wt%. For a yarn with a 3.7 wt% vermiculite coating as an oxidation protection layer, the average mass loss was reduced by approximately 11 wt%, amounting to about 56 wt%. With a 13 wt% vermiculite coating on the carbon fibers, the average mass loss was approximately 30 wt%, resulting in a reduction of more than 50 wt% compared to the uncoated carbon fiber yarn. Example 2 thus demonstrates that a separate coating with an oxidation protection layer can protect the carbon fibers even at high temperatures, ensuring that the carbon fibers remain temperature-resistant even in the presence of oxygen. Reinforcement featuring such a separate oxidation protection layer therefore retains its properties even in the event of a fire. reinforcing properties, so that the component with the reinforcement does not fail in the event of a fire or fails at a later time.

Beispiel 3Example 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.In example 3, a tensile test was performed. Fiber samples P11 and P12 (sample details can be found in Table 2) were embedded in concrete and the maximum load was determined using a tensile test.

Probenherstellung:Sample preparation:

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.After delivery, the yarn strands were stored dry at room temperature until the concrete was poured. The tensile specimens, measuring 800 x 60 x 15 mm, were produced in plastic molds. Four specimens of each yarn type were produced standing upright (60 mm height). Each specimen contained eight yarn strands. The intended position of the yarn strands can be determined. Figure 7 can be taken.

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.Sample production took place over three consecutive days, with two sample sets produced each day. Four individual samples were produced from each sample set. First, the yarn strands were fixed in the formwork using springs with slight pre-tension. To secure them, the yarn strands were bent at their ends and fastened with cable ties and superglue. Figure 8 shows the built-in yarn strands.

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.A fine-grained ready-mix concrete with a maximum aggregate size of 1 mm (compressive strength > 60 N/ mm² ) was used. The dry mix was homogenized for all pours and then portioned for each individual pour. The dry mix was blended in a bucket mixer with a timer according to the manufacturer's instructions. Following mixing, two formworks per pour were cast under continuous vibration within less than 30 minutes. The specimens were then covered and stored at room temperature for 20-24 hours until demolding. After demolding, the specimens were placed in a climate chamber. The samples were stored for a maximum of six days at 20 °C and > 95% relative humidity. Finally, they were stored at 22 °C and 65% relative humidity until testing.

Prüfung der Dehnkörperproben:Examination of the extensible specimen samples:

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.The tensile test specimens were tested 13 or 14 days after production. The tests were performed using a universal testing machine equipped with a Class 1 load cell with a maximum load of 50 kN (calibrated in December 2020). For testing, the specimens were clamped in bolted steel clamps over a length of 250 mm. The steel clamps are coated with compensating layers to compensate for surface irregularities and ensure secure adhesion of the specimen in the clamping area. The clamping jaws were connected to the testing machine via ball joints. Figure 9 The test setup is shown (rotated).

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.Prior to testing, the specimens were measured for their geometric properties. The specimen width (target dimension 60 mm) and thickness (target dimension 15 mm) were determined at the top, middle, and bottom of the free extension length. The measured values were within normal tolerances. After installing the specimens, the force was zeroed with the specimen suspended. The weight of the specimen and the lower clamping structure was approximately 65 N. The specimen was then manually preloaded to < 150 N, and the test was started. The approach speed of the testing machine was 0.5 mm/min, followed by a test speed of 1 mm/min. The test was automatically stopped if the force dropped by more than 90%. During the test, the machine travel (crosshead travel) and the force were recorded at a sampling rate of 50 Hz.

Ergebnisse:Results:

Tabelle 2:Table 2: FasertypFiber type GarntypeYarn type DrehungenRotations VermiculiteVermiculite ProbenameSample name HerstelldatumDate of manufacture PrüfdatumTest date AlterOld Maximallast FmaxMaximum load Fmax Mittelwert FmaxMean Fmax ErstrisslastFirst crack load RissanzahlNumber of cracks mittlerer Rissabstandmean crack spacing gemittelter mittlerer Rissabstandaverage mean crack spacing VersagensartType of failure [Gew.%][Weight %] [d][d] [N][N] [mm][mm] P11P11 STS40 F13 24K 1600texSTS40 F13 24K 1600tex 55 00 P11-AP11-A 21.02.2021February 21, 2021 03.02.2021February 3, 2021 1313 34963496 35433543 39203920 11 300300 300300 AuszugsversagenWithdrawal failure P11-BP11-B 32443244 35193519 11 300300 AuszugsversagenWithdrawal failure P11-CP11-C 35883588 37833783 11 300300 AuszugsversagenWithdrawal failure P11-DP11-D 38443844 34823482 11 300300 AuszugsversagenWithdrawal failure P12P12 STS40 F13 24K 1600texSTS40 F13 24K 1600tex 3030 00 P12-1P12-1 48204820 49804980 27122712 22 150150 138138 AuszugsversagenWithdrawal failure P12-2P12-2 52125212 36903690 33 100100 AuszugsversagenWithdrawal failure P12-3P12-3 47624762 39243924 22 150150 AuszugsversagenWithdrawal failure P12-4P12-4 51275127 34333433 22 150150 AuszugsversagenWithdrawal failure

Die Rissanzahl wurde während der Prüfung im abgeschlossenen Rissbild ermittelt 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 Dehnlänge = 300 mm.The number of cracks was determined and recorded during the inspection of the completed crack pattern. Cracks near the jaw exits were counted, even if they were slightly located inside the jaws. The reported mean values (arithmetic mean) refer to four individual results. The maximum force was determined after the first crack appeared. The mean crack spacing (e) was calculated as follows: e = L0 / number of cracks, where L0 = free extension length = 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, 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 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.Unlike in Example 1, this example demonstrates that the twisted fibers exhibit good tensile strength even when embedded in concrete without matrix impregnation. Furthermore, this example shows that the twisting of the fiber samples, even when embedded in concrete, surprisingly influences the tensile strength. The maximum load of the fiber sample with only 5 twists per meter is, on average, slightly less than 30% lower than the average maximum load of the same fiber sample with only 30 twists per meter. Thus, the twisting of the fibers is surprisingly effective in increasing the close bond between the fibers, even without matrix material, and thereby improving the tensile strength of the entire composite. The results are shown in Table 2.

Claims (15)

  1. Textile reinforcement for embedding in concrete, comprising carbon fibres, wherein the reinforcement is coated with an oxidation-protective layer which can establish a chemical bond to a component of concrete, characterised in that
    ∘ the carbon fibres are in the form of an interlaced, twisted, plied or cabled filamentary structure and comprise a maximum of 5 wt.% of a matrix resin, and
    ∘ the oxidation-protective layer forms a separate layer.
  2. Textile reinforcement according to claim 1, wherein the textile reinforcement comprises at least one further filamentary structure, preferably in the form of winding threads.
  3. Textile reinforcement according to claim 2, wherein the further filamentary structure may contain carbon fibres, aramid fibres, polyamide fibres, AR-glass fibres, polypropylene fibres, polyvinyl alcohol fibres, oxidised, non-fusible polyacrylonitrile fibres, polyester fibres and/or a mixture of the aforementioned fibre types.
  4. Textile reinforcement according to any one of the preceding claims, wherein the filamentary structure has a structured surface.
  5. Textile reinforcement according to any one of the preceding claims, wherein the oxidation-protective layer consists of at least 80 wt.% of inorganic material.
  6. Textile reinforcement according to any one of the preceding claims, wherein the oxidation-protective layer contains at least 5 wt.% of silicon.
  7. Textile reinforcement according to claim 6, wherein the oxidation-protective layer contains silanol groups on its surface.
  8. Reinforcement according to claim 6 or 7, wherein the oxidation-protective layer consists of at least 30% of silicon dioxide.
  9. Textile reinforcement according to claim 1, wherein the oxidation-protective layer contains a sheet silicate.
  10. Textile reinforcement according to claim 9, wherein the sheet silicate is vermiculite.
  11. Textile reinforcement according to claim 1, wherein an adhesion layer is located between the carbon fibres and the oxidation-protective layer.
  12. Textile reinforcement according to claim 11, wherein the adhesion layer contains organically functionalised silanes.
  13. Textile reinforcement according to at least one of the preceding claims, wherein the textile reinforcement comprises a protective layer.
  14. Concrete component comprising a textile reinforcement according to claim 1.
  15. Concrete component according to claim 14, wherein the textile reinforcement has a maximum concrete cover of 50 mm and a fire resistance class of at least R 60.
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