NO332163B1 - Armeringselement og fremgangsmate ved fremstilling av armeringselement - Google Patents

Abstract

Sammendrag Fremgangsmåte ved fremstilling av armeringselement for betong, hvor en langstrakt, fortrinnsvis kontinuerlig fiberbunt (10), særlig av karbonfibre, impregneres (3) med en matrise av et plastmateriale som så herdes. Fiberbunten (10), som omfatter et meget høyt antall enkeltfibre, bringes etter impregnering (1) og forut, for herdingen (17) til å samvirke med et partikkelformig materiale (15), fortrinnsvis sand, som heftes til overflaten av fiberbunten i hovedsak uten å komme inn mellom fibrene og fikseres til overflaten ved herdingen, for dannelse av armeringselementet.

Description

Denne oppfinnelse angår en fremgangsmåte ved fremstilling av et armeringselement for betong, hvor en langstrakt, fortrinnsvis kontinuerlig fiberbunt, særlig av karbonfibre, impregneres med en matrise av et plastmateriale som så herdes, og der fiberbunten etter impregnering og forut for herdingen bringes til å samvirke med et partikkelformet materiale, fortrinnsvis sand.

For bruk ved tradisjonell armering av betong er det kjent å benytte armeringsjern med profilert overflate med sikte på en forbedret forankring i betongen, så som ved hjelp av de såkalte kamstål. Slike profilerte armeringsjern kan også benyttes i armeringsnett og andre armeringsstrukturer avhengig av hva som skal fremstilles eller bygges av armert betong. Det er også kjent å ta i bruk armeringselementer eller -nett laget av ikke-metalliske materialer, særlig elementer av fibermateriale, herunder karbonfibre. Også denne form for armeringselementer har vært gjenstand for profilering eller lignende overflatebehandling med sikte på en god forankring eller vedheftning ved innstøping med betong. Eksempler på tidligere kjente utførelser er å finne i US 5,362,542 og US 6,060,163 samt japanske patent-publikasjonene JP 020 484 45 A, JP 040 596 42 A, JP 031 502 41 A, JP 031 502 42 A, JP 032 958 38 A, JP 020 484 44 A, JP 021 924 44 A, JP 030 838 40 A og JP 010 189 50 A.

Fra JP 2 111 652 A er det kjent et armeringselement for betong som er dannet av en langstrakt, kontinuerlig fiberbunt som er impregnert og overflatebehandlet med en matriks av et plastmateriale som er belagt med et partikkelformet materiale.

Fra EP 0 427 111 er det beskrevet en fremgangsmåte for å belegge fiberbunten med det partikkelformede materialet med en spraypistol.

Fra US 6,200,678 er det kjent å belegge armeringselementer av stål med et belegg av et plastmateriale for å forebyge og unngå korrosjon.

US 5,182,064 beskriver impregnering av en fiberbunt med et plastmateriale, der fiberbunten inkluderer et høyt antall enkeltfibre.

På bakgrunn av den kjente teknikk tar foreliggende oppfinnelse utgangspunkt i en metode hvor en langstrakt, fortrinnsvis kontinuerlig fiberbunt, særlig av karbonfibre, impregneres med en matrise av et plastmateriale som så herdes.

Oppfinnelsen gjør det mulig å oppnå en forbedret utførelse av armeringselementer eller -nett hvor overflatestrukturen gir en meget fordelaktig forankring og vedheftning i betong som støpes omkring, samtidig som selve produksjonen av slike elementer kan skje på en enkel og effektiv måte til lave kostnader. Dette blir oppnådd ved hjelp av de nye og særegne trekk ifølge oppfinnelsen, slik som angitt i patentkravene.

Oppfinnelsen skal i det følgende forklares nærmere under henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1 skjematisk viser de første trinn i fremstillingen av en fiberbunt med impregnering ved hjelp av et plastmateriale, fig. 2 viser likeledes skjematisk påfølgende trinn i henhold til oppfinnelsen, for behandling av fiberbunten fra fig. 1, til et mer eller mindre ferdig produkt i

form av et belagt armeringselement,

fig. 3 viser en alternativ utførelse i forhold til den på fig. 2, nemlig for produksjon av et

kontinuerlig og fleksibelt armeringselement, f.eks. i båndform,

fig. 4 viser ytterligere en alternativ utførelse, hvor armeringselementet benyttes til å

fremstille en ønsket armeringsstruktur, f.eks. med sikte på søylearmering,

armeringsvinkler e.l.,

fig. 5 viser i sterk forstørrelse et eksempel på et tverrsnitt av en fiberbunt og et ferdig

belagt armeringselement ifølge oppfinnelsen,

fig. 6 illustrerer skjematisk fremstilling av et armeringsnett basert på fremgangsmåten

ifølge oppfinnelsen,

fig. 7 viser i forhold til fig. 6 en noe forenklet produksjon, nemlig med sikte på

stavformede armeringselementer,

fig. 8 viser en annen modifisert utførelse fra den på fig. 6, for fremstilling av et armeringsnett hvor armeringselementene forløper kryssvis med varierende

vinkler, og

fig. 9 viser i tverrsnitt og forstørrelse oppbyggingen av et krysningspunkt i armeringsnettet på fig. 6, eventuelt også fig. 8.

I den første del av produksjonslinjen, slik som illustrert på fig. 1, leveres eller trekkes et større antall kontinuerlige enkeltfibre eller filamenter 1 fra tilsvarende antall forrådsruller- eller spoler RI og føres samlet ned i et kar med et bad av et flytende plastmateriale eller matrise 3 for impregnering. Hensiktsmessig føres den samlede fiberbunt i badet 3 ved hjelp av ruller, som f.eks. markert ved R2 og R3. Over en rulle R4 føres den impregnerte fiberbunt ut av badet, eventuelt ved å gis en forspenning, hvilket kan skje ved hjelp av en trekkinnretning 5 med dobbelte ruller, som også kan tjene til å presse bort overskytende uherdet plastmateriale som fiberbuntet er impregnert med. Derfra føres fiberbunten 10 videre til følgende fremstillingstrinn, med sikte på produksjon av et kontinuerlig stavformet armeringselement, eventuelt et fleksibelt bånd eller lignende eller et armeringsnett, henholdsvis en tredimensjonal armeringsstruktur. Også tvinning av fiberbunten kan være av interesse.

I tilknytning til fig. 1 skal det understrekes at oppfinnelsen forutsetter et svært høyt antall enkeltfibre 1 i den sammensatte fiberbunt 10, idet antallet fibre i det minste skal være av størrelsesorden 1.000, eller opp til kanskje 10.000.000 eller mer. Dette er i praksis helt realistisk da fiberdiameteren typisk kan være 7 mikron. I badet 3 foreligger det flytende matrisemateriale i form av en herdeplast eller eventuelt en termoplast. Eksempler på hensiktsmessige plastmaterialer er polyester, vinylester og epoksymaterialer. Når fibrene eller filamentene 1 i fiberbunten er fuktet eller impregnert for påfølgende kompositt- samvirke med hverandre, vil det høye antall enkeltfibre ha stor betydning. Med øket antall fibre og dermed fiberbuntdimensjon vil den relative overflate utad mot omverdenen bli redusert. Overskuddet av matrise- eller plastmateriale som påføres, og som tildels blir liggende vedheftet på utsiden av fiberbunten, kan variere i avhengighet av blant annet plast-materialets viskositet og temperatur. Her ligger betydelige variasjonsmuligheter med sikte på å bestemme den ønskede mengde av plastbelegg utenpå komposittfiberbunten, med tanke på ønskede egenskaper, så som vedheftnings- eller skjærkapasitet etter innstøping i betong. Når det gjelder viskositet (etter Brookfield, test ifølge ASTM D 2196-86), vil denne kunne ligge i området 100-1000 mPa s(cP), hvilket i hovedsak vil dekke de aktuelle alternativer av matrisemateriale.

I de følgende fremstillingstrinn som illustrert på fig. 2 (og fig. 3) føres den impregnerte fiberbunt 10 mens impregneringsmaterialet fremdeles er stort sett uherdet og i tilnærmet væskeform, til samvirke med et partikkelformig materiale 15 som befinner seg i en kasseformet beholder 12.1 bunnen av beholderen 12 er det anordnet en dyse eller et hull 13 som hensiktsmessig med sin tverrsnittsform gir fiberbunten 10 et ønsket tverrsnittsprofil. Når fiberbunten 10 fra hullet 13 passerer gjennom reservoaret av partikkelformig materiale 15, som ifølge oppfinnelsen fortrinnsvis er sand, vil partiklene hefte seg til overflaten av fiberbunten, og blir deretter fast forankret eller fiksert på fiberbunten ved herding i sonen 17. Ved hjelp av en trekkinnretning med ruller 18 blir så det ferdige armeringselement ført til en kutte- og pakkestasjon som ikke er vist på fig. 2.

Det er et vesentlig trekk ved den fremstilling som er illustrert på fig. 2, at det partikkelformige materiale, så som sand, heftes til overflaten av fiberbunten 10 i hovedsak uten å komme inn mellom fibrene. Dette er en stor fordel fordi eventuelle skarpe partikler som kunne trenge inn i fiberbuntens tverrsnitt mellom enkeltfibrene, vil kunne skade fibrene i denne produksjonsfasen eller eventuelt under senere statisk eller dynamisk belastning som fibrene måtte bli utsatt for, så som i ferdig støpt armert betong. Som eksempel på tverrsnittsform som hullet 13 kan gi fiberbunten 10, er en sirkulær eller rektangulære former nærliggende, men det er klart at tverrsnittsformen vil kunne velges fritt i avhengighet av ønsket bruksområde for det ferdige armeringselement.

I forbindelse med de ovenfor omtalte parametre ved produksjonstrinnene ifølge fig. 1 og fig. 2, nevnes her at en produksjonstemperatur eller herdetemperatur i sonen eller innretningen 17, kan ligge i området 15-40°C, basert på de vanligste herdesystemer. Dette er også med tanke på eventuell manuell legging eller håndtering for fremstilling av spesielle armeringsstrukturer i senere produksjonstrinn.

Ved bruk av sand som partikkelformig materiale kan graderinger hensiktsmessig ligge i området fra 100 mikrometer til 5000 mikrometer partikkeldiameter. Sammen med de forannevnte parametre for matrisematerialet etc., fører slik sand til en fordelaktig vedheftning eller skjærkapasitet mellom fiberbunten og omgivende støpt betong. Dette muliggjør optimal utnyttelse av den her spesielt fremstilte komposittfiberbunt. For anvendelse i betong er således optimal skjærkapasitet 1-50 mPa.

Fremstillingstrinnene ifølge fig. 3 adskiller seg fra utførelsen ifølge fig. 2, ved at det ferdige armeringselement vikles opp som en kveil på en trommel 19 som tjener til å trekke armeringselementet gjennom herdeinnretningen 17 og til å lagre det ferdige produkt, som i dette tilfellet forutsettes å ha en tilstrekkelig fleksibilitet eller bøyelighet, tilveiebrakt ved passende valg av de forannevnte parametre og materialer som inngår i produksjonen.

Arrangementet på fig. 4 har i de fleste trinn likhet med det som er illustrert på fig. 2 og 3, men her er det anordnet et roterbart formlegeme 29 som armeringselementet vikles opp på under den kontinuerlige produksjonsprosess. For det første tjener også legemet 29 til å trekke armeringselementet fra de foregående produksjonstrinn, og for det annet er tverrsnittsformen av legemet 29 og føringen av armeringselementet på dette, avpasset slik at en ønsket konfigurasjon av armeringsstruktur blir oppnådd. Eksempelvis kan det dreie seg om en prefabrikert armeringsstruktur for betongsøyler. Det kan tenkes et stort variasjonsområde av f.eks. tverrsnittsformen av slike formlegemer 29, med sikte på ønsket tverrsnitt eller konfigurasjon av armeringen. Noen slike varianter av tverrsnittsform er vist på fig. 4 ved A,B, C, D og E.

En fiberbunt er vist i tverrsnitt og sterkt forstørret på fig. 5. Den venstre halvdel av denne figuren viser en fiberbunt med filamenter 30 og impregneringsmateriale eller -matrise 31 påført, idet dette plastmaterialet har trengt inn i fiberbuntens tverrsnitt og fylt opp mellomrommene mellom enkeltfibrene 30, og den ytre overflate 31A hovedsakelig utgjøres av dette belegg av plastmateriale. Denne tilstanden som illustrert til venstre på fig. 5 svarer til produksjonstrinnet forut for påføringen av partikkelformig materiale. Etter påføringen av partiklene, f.eks. i form av sand, vil tverrsnittet være som til høyre på fig. 5. De der viste partikler 33 kan ha høyst ulike former og også størrelser, men som illustrert på fig. 5 kan partiklene 33 ansees å være tegnet noe forminsket i forhold til dimensjonene av den innenforliggende fiberbunt. Videre er det klart at den foran beskrevne herding av armeringselementet fører til fast forankring av partiklene 33 i overflatelaget 31A av det herdbare plastmaterialet 31.

For fremstilling av armeringselementer av typen armeringsnett og lignende er det ifølge oppfinnelsen foreslått utførelser som først og fremst skjematisk illustrert på fig. 6. Det er der vist en underlagsflate eller understøttelse 20 med en ønsket horisontal utstrekning, f.eks. med noen meters sidekanter i rektangelform avpasset etter hva slags konstruksjon som skal armeres, så som et dekke i en bygning. Langs kantene av understøttelsesflaten 20 er det vist en rekke føringselementer 1-8 som f.eks. kan ha form av pinner eller spikre plassert i ønsket mønster. Det er også mulig å anordne (ikke viste) kant-eller veggelementer som stikker noe opp i forhold til understøttelsesflaten 20 langs kantene, men ikke så høyt som føringselementene 1-8.

Basert på en anordning som nettopp beskrevet, kan så et nettformet armeringselement fremstilles ved at en fiberbunt 10, som kommer fra foregående fremstillingstrinn ifølge fig. 1, føres maskinelt eller manuelt mellom føringselementene 1-8 for dannelse av et rutenett med eksempelvis rektangulære småruter. Dette skjer mens impregneringen av fiberbunten fortsatt ikke er utherdet. Viklingen eller føringen av armeringselementet 10 på denne måten kan skje flerdobbelt eller i flere omganger, slik at det mer eller mindre lagvis blir bygget opp et armeringsnett med ønsket tykkelse av de enkelte rette partier av fiberbunten som danner rutenettet. Det ferdige armeringsnett er på fig. 6 som helhet betegnet 28.

Mens impregneringsmaterialet fortsatt er klebrig blir det så tilført partikkelformig materiale som indikert ved 25, dvs. fortrinnsvis ovenfra ved passende dryssing eller lignende, slik at dette materialet kan hefte seg til fiberbunten overalt og samtidig oppsamles på understøttelsesflaten 20. Oppsamlingen av partikkelmateriale på denne flaten kan eventuelt skje til slik tykkelse eller høyde at overflaten berører fiberbuntene i armeringsnettet 28 og dermed fører til en mer intim kontakt og vedheftning. Denne oppsamling av partikler kan også gjøres på forhånd før anbringelsen av fiberbuntene, særlig for god belegning på undersiden av fiberbuntene.

Etter slik belegning av fiberbunten(e) forblir det hele oppspent inntil herding av plastmaterialet har funnet sted. Dette kan f.eks. skje ved tilførsel av varme på hensiktsmessig måte. Dermed fikseres partikkelmaterialet til overflaten av fiberbuntene slik som forklart i tilknytning til fig. 2 og 3 ovenfor.

Før eller etter fjerning av det ferdige belagte armeringsnett 28 fra føringselementene på understøttelsesflaten 20, kan det være hensiktsmessig å fjerne sanden eller partikkelmaterialet, hvilket med fordel kan skje gjennom åpninger 26 i understøttelsesflaten 20. Det er her vist fire slike åpninger 26, men det kan i praksis være fordelaktig å ha et større antall åpninger, som eventuelt kan være lukkbare. Passende hjelpemidler for slik fjerning av overskytende partikkelmateriale kan også tas i bruk.

På fig. 6 er det ved 22 markert et krysningspunkt i armeringsnettet, og i stor forstørrelse er et slikt krysningspunkt 22 vist i tverrsnitt på fig. 9.1 den lagvise krysning av fiberbunter er det der øverst vist tverrsnittet av en fiberbunt 10A, som er stort sett båndformet med et visst flattrykket, rektangulært tverrsnittsprofil. Under fiberbunten 10A er det så vist vekselvis kryssende fiberbunter med totalt åtte lag i det her viste eksempel på krysningspunkt 22. Sammenføyningen i krysningspunktet blir på denne måten meget kraftig, hvilket i høy grad skyldes impregneringen og den påfølgende herding. Videre er det av betydning i den forbindelse at tilført partikkelformig materiale eller sand (ved 25 på fig. 6) ikke vil være tilbøyelig til å trenge inn mellom lagene i krysningspunktet 22. Dermed blir det unngått også her at skadelige forurensninger eller skarpe partikler kan komme inn og skade fibrene i krysningspunktene.

Det vises nå til fig. 8 som viser en modifikasjon av nettmønsteret ifølge fig. 6, nemlig ved at den tilførte fiberbunt 10 føres i mer eller mindre uregelmessige og skrå vinkler for dannelse av et armeringsnett med varierende ruteformer, nemlig hovedsakelig ikke-rektangulære ruter. Dette kan være fordelaktig i visse anvendelser. Også her er det pekt på et krysningspunkt, nemlig som indikert ved 32, hvor en lagvis oppbygning kan skje helt analogt med det som er illustrert på fig. 9.

Endelig viser fig. 7 en utnyttelse av understøttelsesflaten 20 med føringselementer 1-7 for fremstilling av stavformede armeringselementer, nemlig med lengde tilnærmet svarende til avstanden mellom de sidekanter av flaten 20 som er forsynt med førings-elementene 1-7. Etter ferdig oppvikling slik som situasjonen viser på fig. 7, med påfølgende påføring av partikkelformig materiale og deretter herding, blir så de enkelte stavformede armeringselementer kuttet løs ved skjæring etter linjene 39A og 39B slik som indikert på fig. 7. Denne utførelse kan ansees å være et alternativ til den mer kontinuerlige fremstilling som er illustrert på fig. 2. En modifikasjon av metoden ifølge fig. 7 kan være å unnlate å kutte elementene, idet hele strukturen løftes opp fra understøttelsesflaten og bøyes eller rettes ut for dannelse av et lengre, sammenhengende armeringselement.

Når det gjelder belegningen med partikkelmateriale, finnes det flere alternativer enn de som er beskrevet ovenfor. Et annet alternativ er å føre fiberbunten gjennom en syklon e.l. hvor det opprettholdes en virvel eller "sky" av luft og sand eller annet partikkelmateriale.

Det vil innses ut fra beskrivelsen ovenfor at inntil herding av impregnerings- eller matrisematerialet finner sted, kan fiberbuntene, eller armeringselementet, eventuelt armeringsnettet eller -strukturen i tre dimensjoner, gis nesten hvilken som helst utforming fra de enkle rette stenger eller bånd til mer kompliserte konfigurasjoner slik som omtalt. I alle tilfeller blir det oppnådd en meget fordelaktig form for armeringselement som ved innstøping i betong får svært god vedheftning eller forankring slik det er ønsket. Dette blir oppnådd til tross for svært lave investeringer i produksjonsutstyr og med små behov for energikrevende oppvarming.

Claims (3)

1. Fremgangsmåte ved fremstilling av armeringselement (19,28) for betong, hvor en langstrakt, fortrinnsvis kontinuerlig fiberbunt (10), særlig av karbonfibre, impregneres (3) med en matrise av et plastmateriale som så herdes, og der fiberbunten (10) etter impregnering (3) og forut for herdingen (17) bringes til å samvirke med et partikkelformet materiale (15,25), fortrinnsvis sand, karakterisert vedat fiberbunten (10), som omfatter et meget høyt antall enkeltfibre i det minste av størrelsesorden 1.000, etter impregnering (3) og forut for herdingen (17) trekkes opp gjennom hull (13) i bunnen av en beholder (12) som inneholder det partikkelformede materialet (15) og at dette heftes til overflaten på fiberbunten (10) i hovedsak uten å komme inn mellom fibrene og fikseres til overflaten ved herdingen, for dannelse av armeringselementet (19,28).

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, der ønsket tverrsnittsform av fiberbunten (10) dannes ved hjelp av tilsvarende formede hull (13).

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, der fiberbunten (10) trekkes fra beholderen (12) ved å vikles opp på et roterbart formlegeme (29) hvis tverrsnittsform er innrettet til å gi et resulterende armeringselement med ønsket konfigurasjon.