NO143586B

NO143586B - Armeringsmiddel for betong.

Info

Publication number: NO143586B
Application number: NO753968A
Authority: NO
Inventors: Sture Oestling; Bengt Lundgren
Original assignee: Skf Nova Ab
Priority date: 1974-11-26
Filing date: 1975-11-25
Publication date: 1980-12-01
Also published as: IT1059843B; SE7414809L; FR2292684A1; US4050949A; FR2292684B3; CA1038642A; US4027718A; NO753968L; JPS5170931A; NO143586C; DE2553154A1

Description

Oppfinnelse angår et armeringsmiddel for betong omfattende et stort antall forholdsvis korte og i hovedsa-

ken rette armeringselementer av stål med i hovedsaken rektangulært tverrsnitt og liten tykkelse i forhold til sin lengde og bredde, beregnet på å fordeles jevnt med i hovedsaken slumpvis orientering i betongen.

Med "betong" menes i den foreliggende forbindelse først og fremst sementbetong, dvs. en størknet blanding, av sement, sand og vann med eller uten tilsatsmiddel, såsom stenmateriale, men også betong av annen type, såsom asfalt-betong. I visse tilfeller anvendes også betegnelsen "betong"

for på vanlig måte å betegne også den ikke-størknede blan-

ding. Videre menes med "stål" i den foreliggende forbindelse et materiale med grunnemnet jern som hovedbestanddel, frem-stilt ved en smelteprosess eller på annen passende måte,

f.eks. ved direktereduksjon, og med et karboninnhold mellom 0 % og ca. 2,0 %, fortrinnsvis ikke overstigende ca. 0,3 %. Imidlertid bør det alltid sørges for at armeringselementene

ikke er sprø og lettknuselige, men har en viss bøyelighet og seighet slik at de tåler å blandes med ikke-størknet betong uten å knuses. Ved herdbare stål kan en mykglødning være nødvendig for å gi armeringselementene ønskede egenska-

per..

Et armeringsmiddel av den nevnte type er beskrevet

1 det britiske patentskrift 303 406 og utgjøres av langsmale,

båndliknende plateremser utskåret av utplattede hermetikkbok-ser og liknende avfallsmateriale. Dette armeringsmiddel sy-

nes imidlertid aldri å ha kommet til praktisk anvendelse, sannsynligvis delvis på grunn av underskudd på passende rå-

vare (dvs. tombokser og liknende) og høye transport- og ren-gjør ingsomkostninger for råvaren. Med hensyn til platemate-rialets tilbøyelighet til å bøye seg ved utplattingen av bok-sene og forskjeller i dimensjoner og materiale mellom for-skjellige bokser, turde det også ha vært umulig å fremstille et homogent armeringsmiddel der de enkelte armeringselementer har innbyrdes identiske egenskaper og like mål.

For armering av plast er det kjent å benytte tynne metallfibre med sirkulært eller rektangulært tverrsnitt. Eksempelvis beskriver US patent 3 231 341 sådanne fibre med en lengde av 0,05 til 50 mm og en "middeldiameter" av 0,006 til 0,25 mm. Ved rektangulære tverrsnitt er denne såkalte middeldiameter lik halve summen av kortsiden og langsiden i rektangelet. Fibrene er egnet for fremstilling av metall-fiberarmerte tetninger, lagre og liknende mindre komponenter, men på grunn av sine små dimensjoner stiller de seg vanligvis altfor kostbare for å kunne benyttes i betong.

Et liknende armeringsmiddel, men for betong, er beskrevet i de britiske patentskrifter 1 068 163 og 1 171 490 og utgjøres av korte og rette ståltråder med glatt overflate og sirkulært tverrsnitt, hvor trådenes diameter kan variere mellom ca. 0,15 og 0,60 mm og hvor lengden kan variere mellom ca. 10 og 75 mm i avhengighet av anvendelsesområdet. Sammenliknet med uarmert betong oppviser den trådarmerte betong høyere bøyeholdfasthet, trykkholdfasthet, slagholdfasthet, slitasjeholdfasthet og overflateavskallingsholdfasthet. Videre oppviser den trådarmerte betong mye større motstandskraft mot sprekkdannelse og varmesjokk, og for en gitt dimensjone-rende belastning kan seksjonene gjøres betydelig tynnere, hvilket gir en materialbesparelse. Dessuten kan andre typer av armering unnværes og arbeidsomkostningene for anbringelsen av armeringen elimineres, og den trådarmerte betong krever mindre vedlikehold og får lengre levetid.

Trådarmert betong har kommet til anvendelse særlig ved flyplass- og veibelegninger, prefabrikerte enheter, f.eks. for bygningsindustrien, prefabrikerte eller plasstøpte tunnelinnkledninger, marine anvendelser osv., men en anvendelse i stor skala er blitt bremset av fremstillingsomkost-ningene for de tynne, korte tråder. Fremstillingen av de tynne tråder krever nemlig en lang rekke valsings- og trekkingsoperasjoner og blir følgelig kostbar. Som et illustre-rende eksempel kan nevnes at det ville kreves ca. seks trekkingsoperasjoner bare for å danne en rund tråd med diameter 0,127 mm ut fra en rund tråd med diameter 0,254 mm.

Anvendelsen av trådarmering i betong er basert på teorien om sprekkbremsing i sammensatt materiale av typen "sprøtt materiale/elastisk fiber", se f.eks. The Journal of the Australian Institute of Metals, 16 (1971) :4, s. 204 -

216 (W.J. McG. Tegart, Principles of Composites), and Metal

Science Journal, 3 (1969), s. 45 - 47 (S.D. Antolovich, Fracture Characteristics of a Brittle-Matrix/Ductile-Fibre Composite). Når en sprekk oppstår, bremses den opp av de ytterst beliggende fibre. Dersom sprekken fordypes, skal fibrene oppta belastning og tøyes elastisk. Når påkjenningen på en fiber blir for stor, brister fiberen og sprekkforplant-ningen fortsetter. Alternativt kan påkjenningen bli større enn adhesjonen mellom betong og fiber, hvorved glidning oppstår, fiberen kan ikke utnyttes, og forløpet fortsetter. I en blanding av betong og stålfibre med slumpvis orientering er det imidlertid bare eh liten andel av fibrene som er virk-somme med hensyn til sprekkbremsing, nemlig de som er orientert parallelt med eller på det nærmeste parallelt med strekk-påkjenningens retning, da i denne forbindelse en tråd har en eneste effektiv retning, nemlig lengderetningen.

Angående spenningsfordelingen i et armeringselement ved belastning av betong som er armert ved hjelp av et stort antall slumpvis orienterte sådanne elementer, kan det konsta-teres at den maksimale spenning vil opptre i midten av et parallelt med påkjenningens retning orientert armeringselement, mens derimot elementets ender er ubelastet og således ineffektive fra et armeringssynspunkt. Da såvel tråd som fibre og bånd har konstant tverrsnittsareal langs sin lengde, utgjør hverken tråd, bånd eller fibre i denne henseende noe ideelt armeringsmiddel. Volumandelen av armeringselementene utnyttes nemlig bare delvis.

For at den etterstrebede armeringseffekt overhodet skal kunne oppnås, må bindingen mellom betong og armeringselementer være god. Belastningen overføres fra betongen til armeringselementene gjennom skjærkrefter som virker langs elementenes lengde i grenseflaten mellom element og betong. Dersom armeringselementene utgjøres av korte, rette tråder med sirkulært tverrsnitt og glatt overflate, er det selvsagt vanskelig å oppnå god binding mellom armeringselement og betong. Det er derfor blitt foreslått, se britisk patentskrift 1 235 254, å benytte tråd som har et antall lengre, utplattede partier av i hovedsaken rektangulært tverrsnitt forbundet ved hjelp av kortere partier av i hovedsaken sirkulært tverrsnitt. Sådan tråd kan fremstilles ved en spesiell valsemetode og de utplattede partier kan ha et forhold mellom bredde og tykkelse på mellom 1,5 til 1 og 5 til 1. Ved den spesielle valsemetode går man ut fra en tråd med en diameter på høyst 0,75 mm, hvilket innebærer at også fremstillingen av den modifiserte tråd stiller seg kostbar på grunn av den lange rekke av valsings- og trekkingsoperasjoner som kreves allerede for å tilveiebringe en tråd med en diameter på høyst 0,75 mm. Videre oppnås ingen forbedring i sprekkb.remsingshenseende, og dessuten er trådens tverrsnittsareal fremdeles konstant langs trådens lengde.

For at et sammensatt materiale som inneholder betong

og et antall korte, rette ståltråder, skal få optimale egenskaper, må trådene ligge så jevnt fordelt som mulig i beton-

gen. Da ståltråd har en vesentlig høyere tetthet enn betong, foreligger det en viss fare for sedimentering og til og med lokal tettpakking, særlig når vibratorer benyttes for å pakke betongen. De ovenfor nevnte, modifiserte tråder kan gi en viss forbedring i denne forbindelse.

Hovedformålet med oppfinnelsen er å tilveiebringe

et armeringsmiddel som omfatter et stort antall korte og i-hovedsaken rette armeringselementer av stål med i hovedsaken rektangulært tverrsnitt og liten tykkelse i forhold til sin lengde og sin bredde, og som er beregnet på å fordeles jevnt og med i hovedsaken slumpvis orientering i betongen, hvilket armeringsmiddel - med bibeholdelse av trådarmeringens samt-

lige gode egenskaper - tillater en bedre utnyttelse av volumandelen av armeringselementer i betongen.

Ifølge oppfinnelsen oppnås dette formål ved at armeringselementene utgjøres av stålflak som er forholdsvis vanskelige å knuse og har mot endene avsmalnende form, hvilke flak har en tykkelse på ca. 0,1 mm til ca. 0,5 mm og en leng-

de av minst ca. 100 ganger tykkelsen. Et trådformet armeringselement er i sprekkbremsingshenseende virksomt bare i sin lengderetning, mens derimot et flakformet armeringsele-

ment er virksomt i alle retninger innenfor sitt plan. Ved at armeringselementets tverrsnittsareal videre avtar i retning mot elementets ubelastede ender, oppnås en økning av elemen-

tenes volumetriske utnyttelsesgrad.

For å ytterligere forbedre utnyttelsesgraden av volumandelen av armeringselementer i betongen, bør flakenes tykkelse være høyst ca. 0,2 mm, og flakenes maksimale bredde bør være minst ca. ti ganger tykkelsen, dog minst ca. 2 mm, og samtidig minst ca. en tidel av lengden. Ved en foretruk-ken utførelsesform er den maksimale bredde høyst ca. 15 mm, fortrinnsvis høyst ca. 8 mm; og hensiktsmessig mellom ca. 4 mm og ca. 6 mm. Dessuten foretrekkes at flakenes lengde er mellom ca. 20 mm og ca. 80 mm, hensiktsmessig mellom 25 mm og 50 mm. Teoretisk skulle flak som er forholdsvis korte i forhold til sin bredde være å foretrekke, men det har vist seg vanskelig uten spesielle foranstaltninger å få en til-strekkelig sterk binding mellom sådanne flak og betongen, og det er derfor fordelaktig å øke bindingsflaten ved å gi flakene en forholdsvis langstrakt form.

Metallflakenes overflate er fortrinnsvis forholdsvis ujevn for å gi en god forankring i betongen, men allerede et slett flak blir bedre forankret enn en slett tråd takket være at flaket har en vesentlig større bindingsflate mot betongen enn sirkulær tråd eller fiber av samme volum. Også sammenliknet med båndformede tråder eller fibre oppnås en økning av bindingsflaten da forholdet mellom maksimal bredde og tykkelse er større hos flakene ifølge oppfinnelsen enn hos kjente båndformede armeringselementer. Ved hjelp av en passende støpemetode kan det oppnås en ujevn overflate, men en ujevn overflate kan også tilveiebringes på mekanisk måte, f.eks. ved preging. Selvsagt kan flakene alternativt eller dessuten forsynes med et i og for seg kjent, vedheftelsesøk-ende sjikt.

Videre er flakformede armeringselementer ikke like sedimenterings-tilbøyelige som trådf ormede, og en eventuell fare for lokal tettpakking plan mot plan kan elimineres ved å benytte metallflak som er vridd til en svak propellform. Støp-te flak får automatisk denne form.

Da flakene kan oppta spenninger i alle retninger innenfor sitt plan, er det videre fordelaktig at flakene har retningsuavhengige holdfasthetsegenskaper. Sådanne egenskaper oppnås ved f.eks. støpning av flakene.

I visse tilfeller kan det også være hensiktsmessig at det for armeringen benyttes flakaggregater i hvilke i det minste hoveddelen av flakene er forbundet med hverandre under dannelse av en tredimensjonal, åpen struktur. Sådanne aggre-gater letter også håndtering og transport av flakene.

Den kanskje aller største fordel ved å benytte flak i stedet for tynne, korte tråder som armeringsmiddel i betong, ligger på omkostningssiden. Flak kan nemlig, f.eks. ved en passende støpemetode, fremstilles til en brøkdel av omkost-ningene for de tynne tråder som det her dreier seg om.

Av ovenstående fremgår at et flakarmert betongprodukt vil ha egenskaper som i det minste er like gode og i de fleste tilfeller er enda bedre enn egenskapene for trådarmert betong, og at det flakarmerte betongprodukt dessuten vil stille seg billigere.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende under henvisning til tegningene, der fig. 1 viser en del av et tverrsnitt gjennom et armert betongprodukt hvilket som armeringsmiddel inneholder stålflak i overensstemmelse med oppfinnelsen, fig. 2 viser et planriss og fig. 3 et sideriss av et i hovedsaken ovalt stålflak, fig. 4 viser et planriss av en matematisk modell av et stålflak av den på fig. 2 viste type, fig. 5 viser et perspektivbilde av et sirkulært stålflak, fig. 6 viser et planriss av et bånd som klippes til rombeformede flak, og fig. 7 viser et perspektivbilde av et parti av et aggregat dannet av innbyrdes forbundne flak.

Det på fig. 1 viste, armerte betongprodukt inneholder som armeringsmiddel et stort antall stålflak 1 som er i hovedsaken jevnt fordelt og i hovedsaken slumpvis orientert i betongen 2. Flakene har liten tykkelse t i forhold til sin lengde 2z og stor bredde i forhold til tykkelsen t, slik det fremgår av fig. 2, 3 og 5.

Fig. 2 viser et i hovedsaken ovalt stålflak 1 som er forholdsvis langstrakt og har en mot endene avsmalnende form. Flaket 1 er bredest på midten og den maksimale bredde b er minst 10 %, gjerne minst 20 %, av flakets lengde 2z, idet flakets tykkelse t, som avhenger av blant annet flakets lengde, materialet i flaket, friksjonen mellom flak og betong og normaltrykket på flaket fra betongen, vanligvis er ca.

0,8 % til ca. 5 % av flakets bredde. Flakene har en tykkelse på ca. 0,1 mm til ca. 0,5 mm, fortrinnsvis høyst ca. 0,2 mm,

og en lengde av minst ca. 100 ganger tykkelsen. Lengden er fortrinnsvis minst ca. 20 mm og høyst ca. 80 mm. Flakenes maksimale bredde er minst ca. 10 ganger tykkelsen, dog minst ca. 2 mm og høyst ca. 15 mm, fortrinnsvis høyst ca. 8 mm.

I mange tilfeller har en bredde av ca. 4 mm til ca. 6 mm vist seg mest passende sammen med en lengde av mellom 25 mm og 50 mm. Av fig. 3 fremgår videre at flakenes overflate er forholdsvis ru eller ujevn, hvilket forbedrer friksjonen mellom flak og betong, og av fig. 3 fremgår at flaket er vridd til svak propellform, hvilket gjør en tettpakking av flakene plan mot plan vanskeligere. Den ene kant av det på fig. 2 viste, i hovedsaken ovale flak har dessuten forholdsvis jev-ne kanter, mens den andre ende har forholdsvis ujevne kanter.

Den ved støpning tilveiebragte, ovale flakform kan for matematisk behandling approksimeres til en eksponentiell form eller til ellipseform. Ved den eksponentielle form antas at bredden b-^ på avstanden z^ fra flakets ende for hver halvdel av flaket bestemmes av likningen: b-^ = 2z^, der l>n>0. På fig. 4 er et flak med n = 0,5 betegnet med 10, og et flak med n = 0,33 er betegnet med 11, mens henvisningstal-let 12 betegner en ellipse. Av fig. 4 fremgår også at flakets maksimale bredde b målt vinkelrett på lengdeaksen ved eksponentiell form blir større enn en bredde b2 målt mellom motstående sider gjennom flakets midtpunkt og på skrå i forhold til lengdeaksen. Ved små n-verdier kan forskjellen mellom b og b2 neglisjeres. For høyere n-verdier gjelder:

Ved dimensjonering av slumpvis orienterte flak med eksponentialform og høye n-verdier må det tas hensyn til at b2 gir et svakere tverrsnitt, dvs. mindre tverrsnittsareal, enn b.

Ellipseformede flak gir ikke opphav til tilsvarende problemer under forutsetning av at bredden b måles vinkelrett på ellipsens store akse,' dvs. bredden er lik ellipsens lille akse. Dersom storaksen og lilleaksen for et elliptisk flak er like store, blir flaket 1 sirkulært med radius z slik som vist på fig. 5. Sirkulære flak kan fremstilles eksempelvis ved utplatting av kuler, såsom reduserte jernoxydpellets, til passende tykkelse.

Fig. 6 viser fremstilling av rombeformede flak

(la, lb og lc) ved klipping på skrå av bånd med ønsket tykkelse og bredde. Foretrukne tykkelser er ca. 0,1 til 0,2 mm mens den foretrukne maksimale bredde ligger mellom ca. 2 mm og ca. 6 mm, og den foretrukne lengde er ca. fem til ca. ti ganger den maksimale bredde.

For å belyse flakenes overlegenhet fremfor tråd som armeringselement i betong henvises til tabell I. Følgende forutsetninger gjelder: Den kraft (F £ ) som elementene skal overføre overr.

til betongen i et for strekkpåkjenninger utsatt produkt av armert betong, kan være så høy som 10 kN. Den tillatte strekkpåo kjenning (a ) i elementene er 500 N/mm 2. Videre antas produktet u • N å være 5 N/mm 2, hvor y er friksjonen mellom element og betong og N er normaltrykket på elementet fra betongen. Det er således ikke blitt tatt noe hensyn til at flakets overflate fortrinnsvis er forholdsvis ru for å gi høyere friksjon. Et flak med ru eller ujevn overflate vil

derfor gi enda bedre verdier enn de som er angitt i tabell I. Dessuten antas at elementets lengde er optimal, dvs. elementet brister i samme øyeblikk som skjærspenningene blir så store at glidning mellom element og betong skulle inntreffe.

Tabell I er i høyderetningen inndelt i tre avsnitt. For det øverste avsnitt gjøres den ytterligere antagelse at samtlige elementtyper har samme halvlengde, nemlig z = 10 mm. I det midterste avsnitt antas i stedet at like mange elementer av hver type anvendes (x = 25) og at samtlige elementer derfor opptar like stor belastning, nemlig F = 400 N/element. I det underste tabellavsnitt gjøres i stedet den ytterligere antagelse at hvert element uansett type har et halvvolum av mm^.

For å lette bulktransport av flakene kan disse, dersom det ønskes, forbindes med hverandre under dannelse av en tredimensjonal, åpen struktur, se fig. 7. Et sådant aggregat av i rommet jevnt fordelte og slumpvis orienterte flak er lett å transportere fra fabrikanten til kunden som siden kan fylle aggregatet med ikke-herdet, forholdsvis lett-flytende betong, eventuelt ved hjelp av vibratorer, for fremstilling av et armert betongprodukt. Selvsagt er det også mulig og vanligvis å foretrekke å transportere løse flak i bulk og deretter blande inn disse på konvensjonell måte i den ikke-størknede betong.

Aggregatet av i rommet jevnt fordelte og slumpvis orienterte flak kan fremstilles på flere måter. Eksempelvis kan flakene fylles i en form og den fylte form oppvarmes, gjerne i beskyttelsesgassatmosfære, til en temperatur ved hvilken flakene blir "klebrige" og hefter sammen i sine kon-taktpunkter. En annen metode er å danne et tynt oxydsjikt på flakenes overflate og fukte oxydsjiktet med en syre, f.eks. fosforsyre, som reagerer med oxydet og derved binder sammen flakene. Dét således tilveiebragte aggregats holdfasthet forbedres vesentlig dersom aggregatet underkastes reduksjon, f.eks. i en hydrogengassovn, for omforming av de som binde-middel virkende jernforeninger til metallisk jern. Det re-sulterende aggregat blir ytterst stabilt og har evne til å oppta meget høye påkjenninger.

Ved fremstilling av en uherdet, støpbar betong-eller murbrukblanding er det passende å først blande forutbe-stemte mengder av flak, sement, sand og eventuell ballast, og å siden blande inn en forutbestemt mengde vann. Den nødven-dige volumprosent av flak varierer med kravene til den størk-nede betong. I de fleste tilfeller vil den imidlertid ligge mellom 0,5 % og 4 %.

1. Armeringsmiddel for betong omfattende et stort antall forholdsvis korte og i hovedsaken rette armeringselementer av stål med i hovedsaken rektangulært tverrsnitt og liten tykkelse i forhold til sin lengde og bredde, beregnet på å fordeles jevnt med i hovedsaken slumpvis orientering i betongen, karakterisert ved at elementene utgjøres av stålflak som er forholdsvis vanskelige å knuse og har mot endene avsmalnende form, hvilke flak har en tykkelse på ca. 0,1 mm til ca. 0,5 mm og en lengde av minst ca. 100 ganger tykkelsen. 2. Armeringsmiddel ifølge krav 1, karakterisert ved at tykkelsen er høyst ca. 0,2 mm. 3. Armeringsmiddel ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at stålflakene har en maksimal bredde av minst ca. 10 ganger tykkelsen, dog minst ca. 2 mm, og at den maksimale bredde er i det minste ca. en tidel av lengden. 4. Armeringsmiddel ifølge krav 3, karakterisert ved at den maksimale bredde er høyst ca. 15 mm, fortrinnsvis høyst ca. 8 mm. 5. Armeringsmiddel ifølge krav 4, karakterisert ved at den maksimale bredde er minst ca. 4 mm og høyst ca. 6 mm. 6. Armeringsmiddel ifølge ett av kravene 1-5, karakterisert ved at stålflakenes lengde er minst ca. 20 mm og høyst ca. 80 mm. 7. Armeringsmiddel ifølge ett av kravene 1 - 6 , karakterisert ved at stålflakenes overflate er forholdsvis ujevn. 8. Armeringsmiddel ifølge ett av kravene 1-7, karakterisert ved at stålflakene er vridd til svak propellform. 9. Armeringsmiddel ifølge ett av kravene 1-8, karakterisert ved at materialet i stålflakene har retningsuavhengige holdfasthetsegenskaper. 10. Armeringsmiddel ifølge ett av kravene 1-9, karakterisert ved at i det minste hoveddelen av stålflakene er forbundet med hverandre under dannelse av en tredimensjonal, åpen struktur.