WO2004007161A1 - Verfahren zur herstellung von textilbewehrten betonumhüllungen - Google Patents

Verfahren zur herstellung von textilbewehrten betonumhüllungen Download PDF

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Gerd Franzke
Peter Offermann
Reiner Hempel
Hans-B. Horlacher
Christian Schmutterer
Harald Schorn
Thomas Engler
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    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28B—SHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28B19/00—Machines or methods for applying the material to surfaces to form a permanent layer thereon
    • B28B19/0046—Machines or methods for applying the material to surfaces to form a permanent layer thereon to plastics
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28B—SHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28B19/00—Machines or methods for applying the material to surfaces to form a permanent layer thereon
    • B28B19/0038—Machines or methods for applying the material to surfaces to form a permanent layer thereon lining the outer wall of hollow objects, e.g. pipes

Definitions

  • the invention relates to the field of materials technology and relates to a method for producing textile-reinforced concrete coatings, such as can be used, for example, in the water and waste water sector for the coating of plastic pipes or plastic containers.
  • plastic pipes have achieved increasing market acceptance in many areas of application, replacing the piping materials used until then, such as steel, cast iron and concrete.
  • the reason for this development lies in the excellent properties and the cost advantage of the piping systems made of plastic.
  • Plastic pipelines are characterized by very good hydraulic properties, durability, high resistance to chemical and aggressive media, as well as high resistance to corrosion and incrustation. At the same time, they are easy to work with due to their low weight and flexibility.
  • these advantages over the materials previously used in pipeline construction are offset by disadvantages with regard to the strength parameters, which means that the use of plastic tubes is still restricted in some areas to this day.
  • PE polyethylene
  • PE 100 with a creep rupture strength of 10 N / mm 2 at 20 ° C over 50 years, pipelines for operating pressures up to 0.8, maximum 1 MPa (Schölten, FL, gwf - Gas / Erdgas, 1995, Issue 11, pp. 594-600 (No. 16)).
  • pipe structures (WO 96/18064) which have a corrosion-resistant plastic pipe on the inside and which consist of a glass fiber reinforced polymer concrete on the outside in order to absorb external forces. Between the inner and outer layer is a blank from one arranged corrosion-resistant material, which closes the two layers from each other.
  • the outer concrete pipe is cast around the inner plastic pipe.
  • the concrete is coated with a synthetic glass fiber reinforced resin.
  • the jacket material can be concrete, which can also be reinforced (EP 0 136 048).
  • a disadvantage of the known solutions is that the strength of the pipelines is inadequate, particularly in the case of larger diameters, and that the plastic pipes have to have large wall thicknesses to absorb the forces.
  • the object of the invention is to provide a method for producing textile-reinforced concrete coatings, with the aid of which composites can be produced which on the one hand combine the known good properties of the plastics with the increased strength properties of a textile-reinforced concrete coating and on the other hand are economically more economical to produce.
  • the object is achieved by a process for the production of textile-reinforced concrete coverings, in which at least one textile-reinforced concrete layer is applied to a large extent around a hollow plastic mold and the alkali-resistant textile reinforcement is designed to meet the requirements.
  • Tubes, connectors and containers can be used as hollow plastic molds.
  • Polyethylene or polypropylene or PVC can be used as plastics.
  • the textile structures which can advantageously be used can be used in the form of woven fabrics, knitted fabrics, scrims, knitted fabrics, individual threads or groups of threads.
  • the enveloping concrete matrix is reinforced according to the invention with a textile structure.
  • the concrete matrix can consist of fine concrete with a maximum grain size of up to 8 mm.
  • a non-plastic layer can advantageously be applied between the hollow plastic mold and the textile-reinforced concrete layer.
  • the required textile-reinforced concrete layer is applied to the hollow plastic mold, the arrangement of the reinforcement material being able to be designed both with regard to the expected directions of stress and the expected amounts of stress, which also includes multi-layer textile-reinforced concrete coverings.
  • the good plastic properties can be combined with the improved strength properties of the concrete covering and lead to cheaper and more widely used materials.
  • the materials that can be used to manufacture the textile-reinforced concrete cladding advantageously harmonize in relation to the load transfer model for a composite pipe cross-section.
  • the plastic tube for example on the inside, expands due to its elastic material behavior, which leads to a rearrangement of the stress distribution on the external textile-reinforced concrete coating and thus leads to increased rigidity.
  • the textile structures can be made using modern, highly productive processes, e.g. the knitting and sewing techniques.
  • the weft threads can be inserted at almost any angle in relation to the warp threads lying in the processing direction and multiaxial fabrics can be produced.
  • the amount and arrangement of the textile reinforcement material can be adapted to the respective requirements in any direction.
  • the reinforcement can be set both in the radial and in the longitudinal direction as well as at any angle.
  • Three pipe sections made of PE 100, PN 10, SDR 17, 63 x 3.8 and a length of 1.60 m were each closed at one end with ELGEF Plus end caps, type ELGEF Plus, end caps PE 100, PN 16, d 63.
  • a transition sleeve of the type PE 100, MS 58 KIT 63 x 2 was welded on for the transition to a pressure supply system.
  • the textile-reinforced concrete cover consists of a fine concrete matrix and a multiaxial scrim made of alkali-resistant glass fibers, in which the reinforcement distribution was specially adapted to the load case of "internal pressure load” spread out a flat surface on a thin film and apply an approx. 2mm thick fine concrete layer to this layer.
  • the fine concrete had a maximum grain size of 1 mm. Then these layers were placed with the fine concrete side on the pipe section and the covering by pulling the film evenly in three Reinforced layers were applied around the pipe, then another unreinforced concrete covering was applied as a final layer and the film was rolled up again to improve the surface structure.
  • the cross-sectional widenings (deformation) in the tubes produced according to the invention are only 1/20 of the cross-sectional widenings measured for the reference tube.
  • the limit state of the load transfer in the composite cross section it was possible to achieve significantly improved strength properties for the pipes produced according to the invention prove.
  • the material parameters are significantly less time and temperature dependent compared to the plastic reference tube.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Werkstofftechnik und betrifft ein Verfahren zur Herstellung von textilbewehrten Betonumhüllungen, wie sie beispielsweise im Wasser- und Abwasserbereich für die Umhüllung von Kunststoffrohren oder Kunststoffbehältern zum Einsatz kommen können. Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Angabe eines Verfahrens zur Herstellung von textilbewehrten Betonumhüllungen, mit dessen Hilfe Verbunde herstellbar sind, die einerseits die bekannten guten Eigenschaften der Kunststoffe mit den erhöhten Festigkeitseigenschaften einer textilbewehrten Betonumhüllung verbinden, und andererseits wirtschaftlich günstiger herstellbar sind. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von textilbewehrten Betonumhüllungen, bei dem um eine hohle Kunststoffform mindestens eine textilbewehrte Betonschicht weitgehend anliegend aufgebracht und die alkalibeständige textile Bewehrung beanspruchungsgerecht ausgelegt wird.

Description

Verfahren zur Herstellung von textilbewehrten Betonumhüllungen
Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Werkstofftechnik und betrifft ein Verfahren zur Herstellung von textilbewehrten Betonumhüllungen, wie sie beispielsweise im Wasser- und Abwasserbereich für die Umhüllung von Kunststoffrohren oder Kunststoffbehaltem zum Einsatz kommen können.
Stand der Technik
In den vergangenen Jahrzehnten haben Kunststoffrohre eine ständig zunehmende Marktakzeptanz erreicht in vielen Anwendungsbereichen, die bis dahin verwendeten Rohrleitungsmaterialien, wie Stahl, Gußeisen und Beton abgelöst. Der Grund für diese Entwicklung liegt in den hervorragenden Eigenschaften und dem Kostenvorteil der aus Kunststoff gefertigten Rohrleitungssysteme. Kunststoffrohrleitungen zeichnen sich durch sehr gute hydraulische Eigenschaften, Langlebigkeit, eine hohe Beständigkeit gegen chemische und aggressive Medien, sowie eine hohe Korrosions- und Inkrustationsbeständigkeit aus. Gleichzeitig lassen sie sich aufgrund ihres geringen Gewichtes sowie ihrer Flexibilität gut verarbeiten. Diesen Vorteilen gegenüber den bisher im Rohrleitungsbau verwendeten Materialien stehen jedoch Nachteile bezüglich der Festigkeitsparameter entgegen, wodurch bis zum heutigen Tag der Einsatz von Kunststoff röhren in einigen Bereichen nach wie vor eingeschränkt ist. Besondere Nachteile sind die hohe Kerbempfindlichkeit, der geringe Widerstand gegen Rissfortpflanzung sowie die geringe Schlagzähigkeit und besonders das zeit- und temperaturabhängige Spannungs- Verformungsverhalten. Darüber hinaus nehmen mit steigenden Durchmessern und Betriebsdrücken die erforderlichen Wandstärken und die damit verbundenen Kosten überproportional zu.
Durch weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten wurden besonders in den letzten Jahren Fortschritte in Bezug auf die Verbesserung der Festigkeitseigenschaften erreicht. Heute stehen für viele verschiedene Anwendungsaufgaben spezielle Kunststoffe zur Verfügung. Druckleitungen zur Wasserver- und Abwasserentsorgung werden meist aus Polyethylen (PE) gefertigt. Mit dem PE der dritten Generation, dem sogenannten PE 100 mit einer Zeitstandfestigkeit von 10 N/mm2 bei 20 °C über 50 Jahre, lassen sich inzwischen Rohrleitungen für Betriebsdrücke bis 0,8, maximal 1 MPa fertigen (Schölten, F.L., gwf - Gas/Erdgas, 1995, Heft 11 , S. 594-600 (Nr. 16)). Eine rasche Weiterentwicklung im Hinblick auf die chemische Beschaffenheit, beispielsweise durch vernetztes PE, das unter der Bezeichnung PE-X am Markt ist, lässt sich verzeichnen. Die Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten von Kunststoffen im Rohrleitungsbau hat in der Vergangenheit aber auch Entwicklungen hervorgebracht, bei denen das eigentliche Kunststoffrohr durch zusätzliche Schichten verstärkt wird. Additive Schutzschichten dienten hierbei vorwiegend dem Schutz des eigentlichen Rohres vor Beschädigungen während der Einbauphase (Schulte, H.-B. u.a., Kunststoffrohrsysteme für die Trinkwasserversorgung, 1. Auflage, Kunststoffrohrverband e.V., Fachverband der Kunststoffrohr-Industrie, Bonn, 2000). Für Rohrleitungen mit großen Durchmessern im Hochdruckbereich bis 10 MPa können mit dem heutigen Stand der Technik Kunststoffe jedoch nur in Kombination mit einer zusätzlichen Armierung eingesetzt werden. Reine Kunststoffleitungen lassen sich für diese Beanspruchungen sowohl aus technologischer als auch aus wirtschaftlicher Sicht nicht einsetzen. Die wenigen bisher auf dem Markt befindlichen, bewehrten Kunststoffrohrleitungen sind mehrschichtig aufgebaut. Als Bewehrungen werden sowohl Stahlprofile als auch kreuzweise eingelegte Hochleistungsfasern verwendet. Hergestellt werden derartig bewehrte Kunststoffrohrleitungen, indem um ein PE-Rohr Hochleistungsfasern gewickelt werden, die mit einer zusätzlichen äußeren Kunststoffschutzhülle bedeckt werden (Köstring, V., 3R-lnternational, 2001 Heft 4, Seite 185-187 (Nr. 11)). Die Herstellung solcher Rohre erfordert einen äußerst hohen technischen Aufwand und ist wirtschaftlich nur für ausgewählte Sonderfälle vertretbar.
Weiterhin bekannt sind Rohraufbauten (WO 96/18064), die innen ein korrossionsfestes Kunststoffrohr aufweisen und außen aus einem glasfaserverstärktem Polymerbeton bestehen, um äußere Kräfte aufzunehmen. Zwischen der inneren und äußeren Schicht ist ein Rohling aus einem korrosionsbeständigem Material angeordnet, welcher die beiden Schichten voneinander verschließt.
Hinsichtlich des Herstellungsverfahrens wird angegeben, dass das äußere Beton- Rohr um das innere Kunststoffrohr gegossen wird. Während des Gießens und Verdichtens des Betons wird der Beton mit einem synthetischen glasfaserverstärktem Harz beschichtet.
Ebenfalls bekannt sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Umhüllung von Rohren, wobei das Rohr spiralförmig ummantelt wird. Das Mantelmaterial kann Beton sein, welcher auch verstärkt sein kann (EP 0 136 048).
Ein Nachteil der bekannten Lösungen ist, das die Festigkeit der Rohrleitungen insbesondere bei größeren Durchmessern unzureichend ist und weiterhin die Kunststoffrohre zur Aufnahme der Kräfte große Wandstärken aufweisen müssen.
Darlegung des Wesens der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Angabe eines Verfahrens zur Herstellung von textilbewehrten Betonumhüllungen, mit dessen Hilfe Verbünde herstellbar sind, die einerseits die bekannten guten Eigenschaften der Kunststoffe mit den erhöhten Festigkeitseigenschaften einer textilbewehrten Betonumhüllung verbinden, und andererseits wirtschaftlich günstiger herstellbar sind.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von textilbewehrten Betonumhüllungen, bei dem um eine hohle Kunststoffform mindestens eine textilbewehrte Betonschicht weitgehend anliegend aufgebracht und die alkalibeständige textile Bewehrung beanspruchungsgerecht ausgelegt wird.
Als hohle Kunststoffformen können Rohre, Verbindungsstücke und Behälter eingesetzt werden.
Dabei können als Kunststoffe Polyethylen oder Polypropylen oder PVC eingesetzt werden. Die vorteilhafterweise einsetzbaren textilen Strukturen können in Form von Geweben, Gewirken, Gelegen, Gestricken, Einzelfäden oder Fadenscharen eingesetzt werden.
Besonders günstig ist es, wenn textile Strukturen aus alkalibeständigen Glasfasern, Metallfäden, Kohlenstofffasern und/oder dehnungsarmen Kunststofffasern eingesetzt werden.
Die umhüllende Betonmatrix wird erfindungsgemäß mit einer textilen Struktur bewehrt.
Dabei kann die Betonmatrix aus Feinbeton mit einem Größtkorn bis 8 mm bestehen.
Vorteilhafterweise kann zwischen die hohle Kunststoffform und die textilbewehrte Betonschicht eine nicht plastisch wirkende Schicht aufgebracht werden.
Erfindungsgemäß wird entsprechend den auftretenden Beanspruchungen eines Anwendungsfalles die erforderliche textilbewehrte Betonschicht auf der hohlen Kunststoffform aufgebracht, wobei die Anordnung des Bewehrungsmaterials sowohl hinsichtlich der zu erwartenden Beanspruchungsrichtungen als auch hinsichtlich der zu erwartenden Beanspruchungsbeträge ausgelegt werden kann, was auch mehrlagige textilbewehrte Betonumhüllungen einschließt.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Lösung lassen sich die guten Kunststoffeigenschaften mit den verbesserten Festigkeitseigenschaften der Betonumhüllung kombinieren und führen zu kostengünstigeren und breiter einsetzbaren Materialien.
Die einsetzbaren Materialien zur Herstellung der textilbewehrten Betonumhüllungen harmonisieren vorteilhafterweise in Bezug auf das Lastabtragungsmodell für einen Verbund-Rohrquerschnitt. Bei einer Innendruckbeanspruchung weitet sich das beispielsweise innenliegende Kunststoff röhr aufgrund seines elastischen Materialverhaltens auf, was zu einer Umlagerung der Spannungsverteilung auf die außenliegende textilbewehrte Betonumhüllung und damit zu einer erhöhten Steifigkeit führt.
Die Festigkeitseigenschaften der umhüllten Kunststoffform wird im wesentlichen durch die textilbewehrte Betonumhüllung bestimmt. Gegenüber Kunststoffrohren nach dem Stand der Technik werden durch die Verbundkonstruktion deutlich veränderte und günstigere Gebrauchseigenschaften erzielt. Es können somit beispielsweise deutlich höhere und wesentlich weniger zeit- und temperaturabhängige Zeitstand-Innendruckfestigkeiten erreicht werden. Die äußere textilbewehrte Betonumhüllung ist gleichzeitig weniger kerbempfindlich und beständiger gegen äußere Belastungen, wie z.B. den Erddruck.
Die textilen Strukturen können mit modernen hochproduktiven Verfahren, wie z.B. den Wirk- und Nähwirktechniken, hergestellt werden. Dabei lassen sich die Schussfäden in Bezug auf die in der Bearbeitungsrichtung liegenden Kettfäden in nahezu jedem beliebigen Winkel eintragen und multiaxiale Gelege erzeugen. Die Menge und Anordnung des textilen Bewehrungsmaterials können in jeder Richtung den jeweiligen Erfordernissen angepasst werden.
Die Bewehrung kann dabei sowohl in radialer als auch in Längsrichtung sowie auch in beliebigen Winkeln gezielt eingestellt werden. Durch beanspruchungsgerechte Auslegung der textilen Bewehrung können einerseits die wesentlich die Kosten bestimmende Fasermenge optimiert und andererseits die Wandstärke der Kunststoffform minimiert werden, was zu Kosteneinsparungen führt.
Die erfindungsgemäß hergestellten Kunststoffformen mit der textilbewehrten Betonumhüllung zeigen eine lange Lebensdauer, weisen bei gleicher oder erhöhter Innendruckbeanspruchung geringere Wandstärken für die Kunststoffform auf, sind deutlich kostengünstiger, insbesondere gegenüber Stahlrohren, und die eingesetzten Materialien sind recyclebar. Bester Weg zur Ausführung der Erfindung
Im weiteren wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Drei Rohrstücke aus PE 100, PN 10, SDR 17, 63 x 3,8 und einer Länge von 1,60 m wurden jeweils an einem Ende mit elektroschweißbaren Endkappen des Typs ELGEF Plus Endkappe PE 100, PN 16, d 63 verschlossen. Am anderen Ende wurden für den Übergang an ein Druckversorgungssystem jeweils eine Übergangsmuffe des Typs PE 100, MS 58 KIT 63 x 2" aufgeschweißt. Eines der Rohrstücke diente als Referenzrohr, die beiden anderen wurden erfindungsgemäß mit der textilbewehrten Betonumhüllung versehen.
Die textilbewehrte Betonumhüllung besteht aus einer Feinbetonmatrix und einem multiaxialem Gelege aus alkalibeständigen Glasfasern, bei dem die Bewehrungsverteilung speziell dem Belastungsfall „Innendruckbelastung" angepasst wurde. Die Umhüllung mit einer Gesamtstärke von 8 mm erfolgte im Wickelverfahren in einem Arbeitsprozess. Dazu wurde das Glasfasergelege zunächst auf einer ebenen Fläche auf einer dünnen Folie ausgebreitet und auf diese Lage eine ca. 2mm starke Feinbetonschicht aufgebracht. Der Feinbeton hatte ein Größtkorn von 1 mm. Anschließend wurde diese Lagen mit der Feinbetonseite auf das Rohrstück aufgelegt und die Umhüllung durch Ziehen an der Folie gleichmäßig in drei bewehrten Lagen um das Rohr aufgebracht. Anschließend wurde eine weitere unbewehrte Betonumhüllung als Abschlussschicht aufgebracht und zur Verbesserung der Oberflächenstruktur die Folie wieder aufgerollt.
Nach dem Trocknen des Feinbetons wurden die Rohre an das Druckversorgungssystem angeschlossen und Versuche zur Innendruckbelastung vorgenommen.
Bei den Versuchen konnte festgestellt werden, dass bei gleicher Innendruckbelastung die Querschnittsaufweitungen (Verformung) bei den erfindungsgemäß hergestellten Rohren nur 1/20 der für das Referenzrohr gemessenen Querschnittsaufweitungen beträgt. Unter zugrunde Legung des Grenzzustandes der Lastabtragung im Verbundquerschnitt ließen sich damit deutlich verbesserte Festigkeitseigenschaften für die erfindungsgemäß hergestellten Rohre nachweisen. Gleichzeitig konnte gezeigt werden, dass die Materialparameter gegenüber dem Referenzrohr aus Kunststoff wesentlich weniger zeit- und temperaturabhängig sind.
Dies hatte zur Folge, dass bei erneuten Versuchen zur gleichen Innendruckbelastung mit der textilbewehrten Betonumhüllung ein Kunststoffrohr mit einer deutlich geringeren Wandstärke zur Erreichung gleicher Eigenschaften, wie das Referenzrohr des vorangegangenen Versuches eingesetzt werden konnte.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von textilbewehrten Betonumhüllungen, bei dem um eine hohle Kunststoffform mindestens eine textilbewehrte Betonschicht weitgehend anliegend aufgebracht und die alkalibeständige textile Bewehrung beanspruchungsgerecht ausgelegt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem als hohle Kunststoffformen Rohre, Verbindungsstücke und Behälter eingesetzt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem als Kunststoffe Polyethylen oder Polypropylen oder PVC eingesetzt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem als Bewehrung textile Strukturen in Form von Geweben, Gewirken, Gelegen, Gestricken, Einzelfäden oder Fadenscharen eingesetzt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem textile Strukturen aus alkalibeständigen Glasfasern, Metallfäden, Kohlenstofffasern und/oder dehnungsarmen Kunststofffasern eingesetzt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die umhüllende Betonmatrix mit einer textilen Struktur bewehrt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem eine Betonmatrix aus Feinbeton mit einem Größtkorn bis 8 mm eingesetzt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zwischen die hohle Kunststoffform und die textilbewehrte Betonschicht eine nicht plastisch wirkende Schicht aufgebracht wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem entsprechend den auftretenden Beanspruchungen eines Anwendungsfalles die erforderliche textilbewehrte Betonschicht auf die hohle Kunststoffform aufgebracht wird, wobei die Anordnung des Bewehrungsmaterials sowohl hinsichtlich der zu erwartenden Beanspruchungsrichtungen als auch hinsichtlich der zu erwartenden Beanspruchungsbeträge ausgelegt wird, was auch mehrlagige textilbewehrte Betonumhüllungen einschließt.
10. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die textilbewehrte Betonumhüllung mehrmals hintereinander in einem oder mehreren Arbeitsschritten aufgebracht wird.
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