WO2013079482A1 - Faserverstärkter beton - Google Patents

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WO2013079482A1
WO2013079482A1 PCT/EP2012/073730 EP2012073730W WO2013079482A1 WO 2013079482 A1 WO2013079482 A1 WO 2013079482A1 EP 2012073730 W EP2012073730 W EP 2012073730W WO 2013079482 A1 WO2013079482 A1 WO 2013079482A1
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bundles
fibers
mixture
reinforcing fibers
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PCT/EP2012/073730
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Bernhard Plaggenborg
Ralf Goller
Horst Peters
Reinhard Winzer
Marlen Klische
Carsten Geisenhanslüke
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Sgl Carbon Se
Dyckerhoff Ag
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    • C04B28/02—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements containing hydraulic cements other than calcium sulfates
    • C04B28/04—Portland cements
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    • Y02W30/00—Technologies for solid waste management
    • Y02W30/50—Reuse, recycling or recovery technologies
    • Y02W30/91—Use of waste materials as fillers for mortars or concrete

Definitions

  • the present invention relates to a mixture of high-strength concrete (HFB), in particular ultra-high-strength concrete (UHFB) and reinforcing fibers, and a solidified concrete component of such a mixture, as well as a method for producing such a mixture.
  • HFB high-strength concrete
  • UHFB ultra-high-strength concrete
  • UHFB ultra-high-strength concrete
  • High-strength concretes stand out after consolidation by a dense and
  • w / c value corresponds to the mass ratio of the required amount of water to the cement quantity in order to achieve complete hydration.
  • w / c value corresponds to the mass ratio of the required amount of water to the cement quantity in order to achieve complete hydration.
  • the low water cement values can only be achieved with the help of the use of flow agents.
  • the effect of the flow agents is based on a distribution of cement agglomerates, whereby an advantageous distribution of the cement components in the concrete is achieved by its improved flow behavior.
  • Strength class C 100/1 15, in particular over 150 N / mm 2 reach. These strength classes relate to solidified or hardened concrete. Cured concrete should be understood here in the sense of complete solidification.
  • high-strength concrete or ultra-high-strength concrete is to be understood as a mixture of cement, an aggregate, flow agent and mixing water, the concrete being solidified or being able to still be in a flowable state.
  • the concrete may also contain concrete admixtures and concrete admixtures, such as fine quartz sand and / or silica powders, which allow the properties of the concrete to be tailored. Notwithstanding, high strength or ultra high strength concrete, however, is claimed herein in its broadest technical sense.
  • a disadvantage of high-strength, solidified concretes is a relatively low ductility, ie their ability to plastically deform when overloaded before the concrete fails and there is a breakage.
  • high strength consolidated concretes typically turn out to be very brittle.
  • the material ductility can prove to be extremely important, since a concrete structure can be well visible at too high tension its failure before it becomes unfit for use and partially or even completely collapses.
  • In order to provide high strength consolidated concretes with improved ductility often between 1 and 3% by volume of fine, high strength steel fibers are used
  • an improved ductility can also be achieved by providing the high-strength concrete with a maximum of 200 kg / m 3 of an adequately anchorable inorganic fiber, in particular a
  • the fibers are added to the concrete and stirred during the mixing process of the still flowable concrete.
  • a disadvantage of the use of steel fibers is on the one hand the reduced corrosion resistance either when used in aggressive environments, or when used for a long time in contact with water or humidity.
  • ductility-enhancing steel fibers are corroded after contact with water and atmospheric oxygen due to the unavoidable iron content and, after oxidation of the iron, produce reddish-brown color deposits which can severely impair the overall appearance of the concrete.
  • the described corrosion causes a volumetric expansion of the corroded steel compared to the non-corroded steel and thus can be used to break off
  • a mixture of high-strength concrete and a reinforcing fiber which is the concrete sufficient ductility, but is largely resistant to corrosion. It is another object of the present invention to propose a mixture which can largely dispense with the use of steel fibers. Furthermore, it is an object of the present invention to propose a consolidated concrete component which is obtainable from such a mixture of concrete and reinforcing fibers. Furthermore, it should be an object of the present invention to provide a manufacturing method for such a mixture.
  • this object is achieved by a mixture according to claim 1, or with a solidified concrete component according to claim 16, a manufacturing method according to claim 19 and a concrete material according to claim 21.
  • this object is achieved by a mixture of high-strength concrete (HFB), in particular ultra-high-strength concrete (UHFB) and reinforcing fibers, wherein the reinforcing fibers as individual bundles in high-strength concrete or
  • ultra-high strength concrete in such a way that the bundles are surrounded on all sides by the concrete.
  • reinforcing fibers should be understood in its broadest sense. For the purposes of the present description
  • Reinforcing fibers reinforcing elements whose length is greater than their width and thickness expansion, with a substantially uniform material composition.
  • no metallic reinforcing fibers in particular no steel fibers should be included.
  • the reinforcing fibers are organic or inorganic, non-metallic reinforcing fibers. However, this does not rule out the possibility that such fibers are treated with metals, alloys, their solutions and / or vapors to approximately functionalize them.
  • the reinforcing fibers extend in the sense of the invention in a bundle at least partially parallel to each other, wherein the reinforcing fibers are either in direct contact with each other or indirectly through another compound material or a matrix, which is not typically identical to the concrete in contact can.
  • the parallel alignment of the reinforcing fibers need not be included in all of a bundle
  • Reinforcing fibers in regions having a parallel alignment with each other.
  • both fully aligned parallel reinforcing fibers of the definition are included, as well as about bundles that have an ordered as well as disorderly fanning terminal.
  • a parallel arrangement of the reinforcing fibers is to be understood in accordance with the applied technical accuracy as substantially parallel.
  • the bundles of reinforcing fibers are substantially surrounded on all sides by the concrete, i. they are essentially completely embedded in the concrete.
  • this does not mean that some bundles will not work too
  • Boundary surfaces of a solidified concrete component can protrude, or are not partially covered by concrete.
  • a mixture of high strength concrete (HFB) and ultra high strength concrete (UHFB) and reinforcing fibers is available after a step of solidifying the flowable mixture.
  • the object underlying the invention is achieved by a method for producing a mixture of high-strength concrete (HFB) or ultra-high-strength concrete (UHFB) and reinforcing fibers, wherein the step of adding the reinforcing fibers is included as a bundle to flowable cement paste.
  • Cement glue is to be understood here as cement paste is a mixture of cement and mixing water for the production of high-strength concrete. Cement glue can also already have flow agent. This ensures that the bundles are not excessively mechanically stressed during a stirring process or mixing process. Since neither aggregates nor aggregate are present in the cement paste, the mixing of the bundles in the cement paste takes place relatively
  • An advantage of the mixture according to the invention is first a good flowability, as far as the mixture is present in a not yet solidified form.
  • the flowability differs advantageously from the fluidity of a mixed with the same amount of isolated fibers concrete, which thus also appears increasingly viscous, as far as it is still flowable and not yet solidified. Consequently, the
  • the mixture can be poured into molds in an advantageous manner.
  • the increase in ductility is explained by the fact that the bundles remain completely or at least partially intact even if the solidified concrete breaks, and the anchoring of the bundles in the concrete is sufficiently strong to prevent the bundles from tearing out of the concrete.
  • the reinforcing fibers prevent breakup of the concrete due to their inherent tensile strength. In this case, the reinforcing fibers can be loaded both on train and on bending stress. In the real case of the fracture of a solidified concrete component, the fiber bundles are also subjected to shear forces or shear forces, which can also be partially absorbed by the fiber bundles.
  • the ductility of the solidified concrete is advantageously increased. Furthermore, the good corrosion resistance of the reinforcing fibers in comparison to steel fibers proves to be advantageous. This is especially for
  • Carbon fibers are largely inert to many chemically aggressive substances, so that corrosion of the reinforcing fibers in most
  • reinforcing fibers can also prevent a corrosion-caused flaking or breaking up of the concrete, since the reinforcing fibers, unlike metallic fibers, do not change their geometric extent.
  • Reinforcing fibers according to the invention are sufficiently yielding in a bundle, in order to avoid injury to persons, the invention
  • first embodiment of the invention can also be provided that additionally isolated reinforcing fibers are present in ultra high strength concrete. These reinforcing fibers may be provided for further adjusting the properties of the concrete, in particular for improving the tensile strength.
  • the isolated reinforcing fibers are longer than the particular
  • the bundles are solidified and a solidified fiber-bonding matrix, in particular a thermosetting resin matrix and / or thermoplastic matrix.
  • a solidified fiber-bonding matrix in particular a thermosetting resin matrix and / or thermoplastic matrix.
  • thermosetting resin matrix and / or a thermoplastic resin matrix also allows a suitable connection to the mineral concrete, so that an anchorage with sufficient strength can be achieved.
  • Phenolic, epoxy, cyanate ester, polyester, vinyl ester, benzoxazine resin or mixtures of these resins are particularly suitable as thermosetting resins.
  • thermoplastic resins are thermoplastic materials such as
  • Polyimides Polyetherimides, polyamides, polyketones.
  • the solidified fiber-bonding matrix is at least partially pyrolyzed, preferably completely pyrolyzed.
  • the solidified carbon fiber bundles are heated to exclude oxygen so that the matrix material is predominantly converted to carbon, thereby producing a carbon fiber reinforced carbon.
  • preceramic polymers as a matrix material is conceivable.
  • Such preceramic polymers stabilize the bundles in the cured state, whereby they can be converted by thermal treatment in a ceramic phase.
  • Polysilazanes, polyborosilazanes, polycarbosilazanes, and polyborocarbosilazanes are particularly suitable for this purpose
  • Silicon boron carbonitride can be converted.
  • a solidification by means of a fiber-bonding matrix further allows to distribute the reinforcing fibers dosed in the concrete, but without having to fear that in the course of the preparation of the mixture, the reinforcing fibers agglomerate, so the homogeneity of the concrete can not be guaranteed. Furthermore, it can be achieved by solidification that the reinforcing fibers are not separated during the mixing process, even in the process for producing the mixture according to the invention. Especially because of the Bundling of the reinforcing fibers gives the consolidated or hardened concrete its improved ductility, so that the presence of the reinforcing fibers in
  • FIG. 1 shows a comparison of two bending stress measurements, which are explained in more detail in the examples.
  • Trace B represents the
  • UHFB ultra-high strength concrete
  • the bundles have an outer surface structure with projections and / or recesses, which serve as mechanical anchor structures for the
  • high-strength concrete may serve after it is solidified exhibit.
  • the recesses are advantageously designed as grooving, grooves or grooves.
  • the projections are advantageously formed as beads, edges, teeth, spikes, corners or tips. According to a further embodiment, the
  • Recesses may also be formed as pores of material, wherein the material pores, however, must be sufficiently large to allow penetration of flowable concrete, so that anchoring is achieved when the concrete is subsequently solidified or hardened.
  • Recesses allows improved anchoring in the concrete with the consequence that the forces in the case of a concrete break improves on the bundles
  • Reinforcing fibers can be transmitted.
  • the reinforcing fibers in the bundles are coated with a polymer.
  • such polymers are functionalized in such a way that improved binding to the mineral substances in the concrete can be made possible.
  • Silicate-based polymer compounds are particularly suitable for this purpose.
  • Synthetic fibers such as carbon fibers, aramid fibers, glass fibers and / or high-strength polyethylene fibers.
  • Synthetic reinforcing fibers are in particular those fibers which do not occur in the natural environment or can be separated and recovered from it. Carbon fibers are preferred because of their high stiffness.
  • the reinforcing fibers may also be made of ceramic materials such as silicon carbide, silicon nitride, silicon carbonitride, silicon boron carbonitride obtained by pyrolysis of organosilicon polymers, aromatic polyamides
  • thermotropic liquid crystalline polymers from thermotropic liquid crystalline polymers, in particular
  • aromatic copolyesters based on hydroxybenzoic acid or
  • the reinforcing fibers in the bundles consist of recycled fibers or fibers
  • Production waste or waste in particular recycled carbon fibers or carbon fibers from production waste or waste.
  • Recycled fibers in this case relate to fibers which were already provided in a component and were separated out of this again by a recycling step or recovered in bundles.
  • the use of recycled reinforcing fibers typically reduces the cost requirements compared to original fibers.
  • Fibers from production waste are fibers that are produced after production Reasons not further processed. Cuttings occur when, for example, a fabric is cut into fibers of a desired shape.
  • the bundles have a longitudinal extent parallel to the mean fiber extension direction of 2 mm to 40 mm, preferably 8 mm to 12 mm. These lengths allow on the one hand sufficient anchoring of the bundles in the concrete and on the other hand avoid excessive use of materials
  • the bundles have a width extension perpendicular to the mean fiber extension direction of 0.1 mm to 5 mm, preferably from 0.8 mm to 1, 2 mm, and / or a
  • Thickness extension perpendicular to the mean fiber extension direction and perpendicular to the width direction of 0.1 mm to 2 mm, preferably from 0.2 mm to 0.4 mm.
  • the width corresponds to the greatest extent of the bundles perpendicular to the fiber extension direction.
  • the width thus differs from the thickness, which extends both perpendicular to the fiber extension direction and oriented perpendicular to the width direction. All values are
  • the bundles occupy a relative volume content of 0.05% by volume to 5% by volume, preferably from 1% by volume to 2% by volume, in the mixture. On the one hand, this keeps the mixture free flowing and can be further processed without any problems. On the other hand, the volume content of bundles is sufficient to increase the ductility of the concrete in the solidified or
  • the bundles have a basis weight of from 100 g / m 2 to 500 g / m 2 , preferably from 200 g / m 2 to 300 g / m 2 . Such bundles are easy to leave
  • the bundles it is possible for the bundles to have a volume-related fraction of fibers of 8% to 95%, preferably 15% to 60%. Accordingly, the remaining portion of the
  • the proportion of fibers is correspondingly higher than in the case of non-pyrolyzed since pyrolysis results in loss of mass.
  • the relative proportions allow for an advantageous transmission of force from the matrix to the reinforcing fibers, which absorb the forces with which the bundle can be acted upon.
  • an advantageous connection of the bundles to the concrete can take place, which binds preferably to the matrix via physical and chemical interactions.
  • a further preferred embodiment is pyrolyzed or non-pyrolyzed matrix-solidified bundles containing recycled or carbon fiber recovered from waste.
  • the solidified fiber-bonding matrix comprises a ceramic and / or mineral filler which provides defined, outwardly facing surfaces in the solidified bundles over which a connection, in particular a chemical connection to the ultra-high strength concrete in the mix can be achieved.
  • a connection in particular a chemical connection to the ultra-high strength concrete in the mix can be achieved.
  • quartz and / or silica powders can be introduced into the matrix, the powder grains of which are partially embedded in the matrix, but the free surfaces continue to provide mineral bonding surfaces for the connection to constituents in the concrete.
  • the high-strength concrete may have a maximum grain size of at most 20 mm, preferably of at most 1 mm. Preferably, the grain size does not exceed 0.8 mm.
  • Grain size of the aggregates in particular determined by the mixture added quartz sand.
  • the solidified concrete component it may be provided that it has a compressive strength [measured according to DIN EN 196-1] of at least 120 N / mm 2 , preferably of at least 180 N / mm 2 .
  • the compressive strength of ultra-high-strength concrete (UHFB) is provided.
  • the solidified concrete component has a bending tensile strength [measured according to DIN EN 196-1] of 10 to 100 N / mm 2 , in particular 24 to 30 N / mm 2 .
  • DIN EN 196-1 a bending tensile strength [measured according to DIN EN 196-1] of 10 to 100 N / mm 2 , in particular 24 to 30 N / mm 2 .
  • the fiber reinforced concrete of the invention is also lighter because the reinforcing fibers typically have a much lower density.
  • the solidified concrete component has an elongation at break [measured according to DIN EN 196-1] of 2.0 to 8.0% o, preferably from 3.0 to 6.0% o.
  • elongation at break values also correspond essentially to those of concrete reinforced with steel fibers.
  • a step of Stirring is provided for at least 3 minutes, preferably at least 8 minutes.
  • the stirring time allows a substantially homogeneous distribution of the bundles
  • Mass fraction of cement (CEM I 42.5 R HS), 0.18 parts by mass of silica fume, 0.54 parts by mass of quartz powder, 1.3 parts by mass of quartz sand with a grain size of 0.3 to 0.8 mm and 0.044 parts by mass FM ViscoCrete - 20 Gold as flux posed.
  • the dry substances were first mixed in a commercial stirrer for about 120s dry at medium agitation intensity. Water was added to the dry mixture and mixed for a further 510 seconds. In the water, the flow agent was dissolved before addition to the dry mix. After a total of 630s of stirring, the bundles of carbon fibers were added and also mixed with the stirrer in the now flowable concrete. The total mixing time for blending the bundles of carbon fibers into the concrete was 600 seconds at normal agitation intensity. The bundles of carbon fibers had a width of 1, 25 mm and a length of 9 mm. The thickness of the bundles of carbon fibers was 0.125 mm. A bundle consisted of a variety of carbon single filaments
  • Bundle geometry was prepared by cutting to the desired length and width of an epoxy resin treated UD carbon fiber tape.
  • the manufacturing process used to produce the bundles is similar to that in the
  • the fiber volume content was about 1.75% by volume.
  • the w / c value was 0.25, with the volume ratio of glue and stone in the concrete being about 0.64.
  • Prisms of 4 cm ⁇ 4 cm ⁇ 16 cm were molded from this mixture of concrete and bundles of reinforcing fibers, after which, following solidification, a breaking test was carried out, followed by a bending tensile test to determine the compressive strength.
  • the shaping of the prisms was carried out by means of a vibrating table, which was operated for shaping for about 30 s. After 24 hours of hardening for solidification, the test specimen was removed from the mold and stored in water at 20 ° C until the time of the experiment. The experiments were carried out about 28 days after.
  • the bending tension test was carried out as a three-point bending tensile test (10 cm span between the support points) on a path-controlled 50 kN Shimadzu AG-50 kNG test rig.
  • the pressure test was carried out on one of the normally two remaining fragments with a force-controlled testing machine of the manufacturer Tonitechnik.
  • Execution test body essentially does not differ from Results of a comparison body, which was prepared according to the test body to which, however, no reinforcing fibers were added. In other words, the pressure test has revealed that it is irrelevant whether or not bundles of reinforcing fibers or isolated reinforcing fibers are added to the concrete.
  • Fig. 1 shows a comparison of bending stress measured values which were obtained by performing a bending tension test carried out according to the above diagram.
  • a prism of a solidified mixture of concrete and bundles of carbon fibers (curve B) was tested, as well as a mixture of concrete and isolated carbon fibers, which were not bundled
  • Race A The volume fraction of the carbon fibers was about 1.75%.
  • test sample which was reinforced only by isolated carbon fibers (trace A)
  • trace A isolated carbon fibers
  • Carbon fibers prevent complete failure of the concrete. Accordingly, part of the bending stress load is absorbed by the bundles of carbon fibers, or from the concrete via the matrix to the
  • Deformation can thus continue the test body a
  • test body which has carbon fiber bundles for reinforcement, behaves differently (measurement curve B).
  • measurement curve B The bending stress behavior of the test body, which has carbon fiber bundles for reinforcement, behaves differently.
  • the consolidated bundles of carbon fibers are sufficiently able to absorb the transverse forces that occur, so that a fiber break does not occur over the entire cross section of the bundle. A failure of the test body over its entire cross-section was thus excluded.

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Abstract

Mischung von hochfestem Beton (HFB), insbesondere von ultrahochfestem Beton (UHFB) und Verstärkungsfasern, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern als vereinzelte Bündel im ultrahochfesten Beton derart vorliegen, dass die Bündel im Wesentlichen allseitig vom Beton umgeben sind.

Description

Faserverstärkter Beton
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mischung von hochfestem Beton (HFB), insbesondere von ultrahochfestem Beton (UHFB) und Verstärkungsfasern, sowie ein verfestigtes Betonbauteil aus einer solchen Mischung, wie auch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Mischung.
Hochfeste Betone zeichnen sich nach Verfestigung durch ein dichtes und
homogenes Mineralgefüge aus, wobei dieses Gefüge einen geringen
Kapillarporenanteil aufweist. Die Betonrezeptur eines hochfesten Betons
unterscheidet sie sich von der eines Normalbetons vor allem durch einen geringeren Wasserzementwert, w/z-Wert, welcher dem Masseverhältnis von erforderlicher Wassermenge zur Zementmenge entspricht, um eine vollständige Hydratation zu erreichen. Bei normalfesten Betonen beträgt die Wasserzugabe in der Regel das 0,5 bis 0,7-fache der Zementmasse. Diese Relation ist bei hochfesten Betonen auf werte zwischen 0,35 und 0,25 reduziert. Bei ultrahochfesten Betonen werden
typischerweise auch Werte zwischen 0,25 und 0,20 erreicht. Damit ist in einem hochfesten bzw. ultrahochfesten Beton nach der vollständigen Aushärtung auch nur wenig ungebundenes Wasser vorhanden, das die Bildung von Kapillarporen hervorrufen kann und folglich den Kapillarporenanteil im Beton erhöhen könnte.
Für eine technisch vorteilhafte Verarbeitbarkeit dieser Betone sind die niedrigen Wasserzementwerte nur mit Hilfe des Einsatzes von Fließmitteln zu erreichen. Die Wirkung der Fließmittel beruht auf einer Verteilung von Zementagglomeraten, wobei eine vorteilhafte Verteilung der Zementanteile in dem Beton durch ihr verbessertes Fließverhalten erreicht wird.
Die höheren Betonfestigkeiten der beschriebenen hochfesten Betonsorten werden neben dem niedrigen w/z-Wert vor allem auch durch die Beimengung feiner
Zuschlagstoffe erzielt. Typischerweise wird bei der Herstellung von hochfesten Betonen feinkörniger Silikastaub einer Mischung zugegeben. Die Körngröße dieses Silikastaubs kann bis zu 100 Mal und darüber hinaus geringer sein kann, als die Korngröße des Zementgesteins. Aufgrund ihrer geringen Größe sind die Silikapartikel deshalb auch in der Lage, einen Teil des Porenraumes zwischen den
Zementgesteinskörnern auszufüllen. Damit wird aufgrund der durch die
dispergierende Wirkung des Fließmittels bewirkte Gefügeverdichtung die Dichte des ausgehärteten Betons noch einmal deutlich gesteigert (Mikrofüllereffekt). Weiter kommt es auch zur chemischen Bildung von Calciumsilikathydrat CSH, das gegenüber den Ausgangsstoffen eine höhere Festigkeit aufweist. Ein weiterer festig keitssteigernder Vorteil ergibt sich auch aus einer deutlichen Verbesserung der Mikrostruktur in der Verbundzone zwischen Zementgestein und den
Zuschlagsstoffen.
Entsprechend dem Regelwerk DIN EN 206-1 /DIN 1045-2 gilt Beton einer
Festigkeitsklasse von über C50/60 als hochfest. Als„ultrahochfest" werden Betone bezeichnet, die Druckfestigkeiten oberhalb der in DIN EN 206-1 definierten
Festigkeitsklasse C 100/1 15, insbesondere über 150 N/mm2 erreichen. Diese Festigkeitsklassen betreffen verfestigten bzw. ausgehärteten Beton. Ausgehärteter Beton soll hier im Sinne einer vollständigen Verfestigung verstanden werden.
Im Sinne einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist hochfester Beton bzw. ultrahochfester Beton als Gemisch aus Zement, einer Gesteinskörnung, Fließmittel und Anmachwasser zu verstehen, wobei der Beton verfestigt oder noch in fließfähigem Zustand vorliegen kann. Der Beton kann außerdem Betonzusatzstoffe und Betonzusatzmittel, wie etwa feinen Quarzsand und/oder Silikapulver enthalten, welche erlauben, die Eigenschaften des Betons gezielt einzustellen. Ungeachtet dessen soll hochfester bzw. ultrachochfester Beton jedoch vorliegend in seiner breitesten technischen Bedeutung beansprucht werden.
Nachteilig an hochfesten, verfestigten Betonen ist eine relativ geringe Duktilität, d.h. deren Vermögen, sich bei Überbelastung plastisch zu verformen, bevor der Beton versagt und es zu einem Bruch kommt. In anderen Worten erweisen sich hochfeste verfestigte Betone typischerweise als sehr spröde. Gerade aber im Bauwesen kann sich die Werkstoffduktilität als überaus wichtig erweisen, da etwa ein Tragwerk aus Beton bei zu großen Spannungen sein Versagen gut Sichtbar werden lassen kann, bevor es für den Gebrauch untauglich wird und teilweise oder sogar vollständig einstürzt. Um hochfeste verfestigte Betone mit einer verbesserten Duktilität zu versehen, werden oft zwischen 1 und 3 Vol.-% feine, hochfeste Stahlfasern zu der
Betonmischung hinzugegeben. Dadurch wird die im Bauwesen sehr erwünschte Duktilität und ein "gutmütiges" Versagen bei verfestigtem Beton erreicht. Mit einer ausreichenden Fasermenge kann die Biegezugfestigkeit durchaus bis zu 40 N/mm2 gesteigert werden, also auf etwa das Zehnfache von Normalbeton erhöht werden.
Gemäß der Offenbarung der DE19654502A1 kann eine verbesserte Duktilität zudem auch dadurch erreicht werden, dass dem hochfesten Beton maximal 200 kg/m3 einer ausreichend verankerungsfähigen anorganischen Faser, insbesondere einer
Stahlfaser, und mindestens 1 kg/m3 einer organischen Faser, insbesondere einer Polypropylenfaser, mit geringem Elastizitätsmodul, zugefügt wird. Um eine
vorteilhafte Einbringung der Fasern in den Beton zu erreichen, werden die Fasern dem Beton etwa während des Mischvorgangs des noch fließfähigen Betons zugefügt und eingerührt. Ein ausschließlicher Einsatz von Polypropylenfasern zur Verstärkung wird jedoch in der DE19654502A1 ausgeschlossen.
Nachteilig an dem Einsatz von Stahlfasern ist jedoch einerseits die verringerte Korrosionsbeständigkeit entweder bei Einsatz in aggressiven Umgebungen, oder bei langzeitigem Einsatz unter Kontakt mit Wasser bzw. Luftfeuchtigkeit. So werden etwa duktilitätssteigernde Stahlfasern nach Kontakt mit Wasser und Luftsauerstoff aufgrund des nicht zu vermeidenden Eisenanteils korrodiert und erzeugen nach Oxidation des Eisens rötlich-braune Farbablagerungen, welche das gesamte äußere Erscheinungsbild des Betons stark beeinträchtigen können. Zudem bewirkt die beschriebene Korrosion eine volumenmäßige Expansion des korrodierten Stahls im Vergleich zum nicht korrodierten Stahl und kann damit zum Absprengen von
Betonteilen an dem verfestigten Beton führen. Als weiterer Nachteil ist auch eine erhöhte Verletzungsgefahr anzuführen, welcher sich das Personal aussetzen muss, das die betreffenden Betonmischungen bzw. Betonbauteile herstellt, da die
Stahlfasern nur mit geeigneter Schutzkleidung gehandhabt werden können.
Um diese Nachteile zu vermeiden, soll vorliegend eine Mischung aus hochfestem Beton und einer Verstärkungsfaser vorgeschlagen werden, welche dem Beton ausreichende Duktilität verleiht, jedoch gegenüber Korrosion weitgehend resistent ist. Weiter ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Mischung vorzuschlagen, welche auf den Einsatz von Stahlfasern weitgehend verzichten kann. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verfestigtes Betonbauteil vorzuschlagen, welches aus einer solchen Mischung aus Beton und Verstärkungsfasern erhältlich ist. Weiterhin soll er Aufgabe der vorliegenden Erfindung sein, ein Herstellungsverfahren für eine solche Mischung anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Mischung nach Patentanspruch 1 gelöst, bzw. mit einem verfestigten Betonbauteil nach Patentanspruch 16, einem Herstellungsverfahren nach Patentanspruch 19 und einem Betonmaterial gemäß Anspruch 21 .
Insbesondere wird diese Aufgabe durch eine Mischung von hochfestem Beton (HFB), insbesondere ultrahochfestem Beton (UHFB) und Verstärkungsfasern gelöst, wobei die Verstärkungsfasern als vereinzelte Bündel im hochfesten Beton bzw.
ultrahochfestem Beton derart vorliegen, dass die Bündel im Wesentlichen allseitig vom Beton umgeben sind.
Nachfolgend soll die Unterscheidung zwischen hochfesten und ultrahochfesten Beton nicht mehr explizit vorgenommen werden. Insofern sollen nachfolgend beide Sorten des Betons durch den einheitlichen Begriff„hochfester Beton" beschrieben werden. Beide Sorten von Beton werden nicht weiter unterschieden, soweit nicht explizit auf eine Sorte hingewiesen wird.
Der Begriff Verstärkungsfasern soll in seinem breitesten Bedeutungsumfang verstanden werden. Im Sinne der vorliegenden Beschreibung sollen
Verstärkungsfasern Verstärkungselemente sein, deren Längenausdehnung größer ist als deren Breiten- und Dickenausdehnung, mit im Wesentlichen einheitlicher Materialzusammensetzung. In Abgrenzung vom Stand der Technik sollen jedoch keine metallischen Verstärkungsfasern, insbesondere keine Stahlfasern mit umfasst sein. Insbesondere sind die Verstärkungsfasern organische oder anorganische, nicht-metallische Verstärkungsfasern. Dies schließt jedoch nicht die Möglichkeit aus, dass derartige Fasern mit Metallen, Legierungen, deren Lösungen und/oder Dämpfe behandelt werden, um sie etwa zu funktionalisieren.
Die Verstärkungsfasern verlaufen im Sinne der Erfindung in einem Bündel wenigstens bereichsweise parallel zueinander, wobei sich die Verstärkungsfasern entweder in direktem Kontakt miteinander befinden oder aber durch ein weiteres Verbindungsmaterial bzw. einer Matrix, welche typischerweise nicht mit dem Beton identisch ist, indirekt miteinander in Kontakt stehen können. Die parallele Ausrichtung der Verstärkungsfasern muss nicht bei allen von einem Bündel umfassten
Verstärkungsfasern vorliegen. Es ist bereits ausreichend, wenn ein Teil der
Verstärkungsfasern bereichsweise eine parallele Ausrichtung zueinander aufweist. Damit sind sowohl vollständig zueinander parallel ausgerichtete Verstärkungsfasern von der Definition mit umfasst, wie auch etwa Bündel, die endständig eine geordnete wie auch ungeordnete Auffächerung aufweisen. Eine parallele Anordnung der Verstärkungsfasern ist gemäß der anzuwendenden technischen Genauigkeit als im Wesentlichen parallel zu verstehen.
Erfindungsgemäß sind die Bündel an Verstärkungsfasern im Wesentlichen allseitig vom Beton umgeben, d.h. sie sind im Wesentlichen vollständig in den Beton eingebettet. Dies bedeutet jedoch nicht, dass einige Bündel nicht auch an
Begrenzungsflächen eines verfestigten Betonbauteils hervorstehen können, bzw. teilweise nicht von Beton überdeckt sind.
Weiter wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe dadurch gelöst, dass ein verfestigtes Betonbauteil vorgeschlagen wird, welches aus einer vorher
beschriebenen Mischung von hochfestem Beton (HFB), bzw. ultrahochfestem Beton (UHFB) und Verstärkungsfasern nach einem Schritt des Verfestigens der fließfähigen Mischung erhältlich ist.
Weiter wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung einer Mischung von hochfestem Beton (HFB) bzw. ultrahochfestem Beton (UHFB) und Verstärkungsfasern gelöst, wobei der Schritt der Zugabe der Verstärkungsfasern als Bündel zu fließfähigem Zementleim umfasst ist. Zementleim ist hier derart zu verstehen, dass Zementleim ein Gemisch aus Zement und Anmachwasser zur Herstellung von hochfestem Beton ist. Zementleim kann zudem auch bereits Fließmittel aufweisen. Damit wird gewährleistet, dass während eines Rührprozesses bzw. Misch prozesses die Bündel nicht übermäßig mechanisch belastet werden. Da weder Zuschlagstoffe noch Gesteinskörnung in dem Zementleim vorhanden sein, erfolgt die Mischung der Bündel in dem Zementleim relativ
behutsam. Folglich kann eine Beschädigung oder sogar Zerstörung der Bündel verhindert werden.
Vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Mischung ist zunächst eine gute Fließfähigkeit, soweit die Mischung in einer noch nicht verfestigten Form vorliegt. Die Fließfähigkeit unterscheidet sich vorteilhaft von der Fließfähigkeit eines mit der selben Menge an vereinzelten Fasern versetzten Betons, der damit auch verstärkt viskos erscheint, soweit er noch fließfähig und noch nicht verfestigt ist. Folglich läst sich die
erfindungsgemäße Mischung gut verarbeiten. Insbesondere lässt sich die Mischung in vorteilhafter Weise in Formen vergießen.
Ist die Mischung jedoch bereits verfestigt bzw. sogar ausgehärtet, ist die Duktilität des erfindungsgemäßen Betons deutlich gesteigert im Vergleich zu einem
ausgehärteten Beton, der nicht mit den Bündeln an Verstärkungsfasern versehen ist. Die Steigerung der Duktilität erklärt sich damit, dass die Bündel selbst bei Bruch des verfestigten Betons vollständig oder wenigstens teilweise intakt bleiben und die Verankerung der Bündel in dem Beton ausreichend fest ist, um ein Ausreißen der Bündel aus dem Beton zu verhindern. Die Verstärkungsfasern verhindern aufgrund der ihnen eigenen Zugfestigkeit ein Auseinanderbrechen des Betons. Hierbei können die Verstärkungsfasern sowohl auf Zug wie auch auf Biegespannung belastet werden. Im realen Fall des Bruchs eines verfestigten Betonbauteils werden die Faserbündel zudem auch mit Scherkräften bzw. mit Schubkräften beaufschlagt, die teilweise ebenso von den Faserbündeln aufgenommen werden können. Durch eine geeignete Verteilung der Fasern in dem Beton, insbesondere durch eine weitgehend gleichmäßige Verteilung, d.h. einer in Bezug auf einzelne Volumenabschnitte des Betons weitgehend konstanten Dichteverteilung der Bündel, wird die Duktilität des verfestigten Betons vorteilhaft erhöht. Weiterhin als vorteilhaft erweist sich die gute Korrosionsbeständigkeit der Verstärkungsfasern im Vergleich zu Stahlfasern. Dies ist insbesondere für
Verstärkungsfasern festzustellen, welche Kohlenstofffasern umfassen.
Kohlenstofffasern sind gegen viele chemisch aggressive Substanzen weitgehend innert, so dass eine Korrosion der Verstärkungsfasern in den meisten
Einsatzumgebungen nicht zu befürchten steht. Dies ist insbesondere auch vorteilhaft bei Einsatz in nassen und feuchten Umgebungen, in welchen die Kohlenstofffasern nicht weiter chemisch angegriffen werden. Vor allem, wenn der Beton zum Einsatz in Wasser, etwa in Meerwasser, vorgesehen ist, muss keine Qualitätsverminderung des Betons im Laufe der Zeit befürchtet werden. Im Vergleich hierzu ist ein mit
Stahlfasern verstärkter Beton für den Einsatz unter Wasser, vor allem in Meerwasser nicht geeignet.
Weiterhin kann der Einsatz von Verstärkungsfasern auch ein korrosionsbedingtes Abplatzen bzw. Aufbrechen des Betons vermeiden, da die Verstärkungsfasern, anders als metallische Fasern sich nicht in ihrer geometrischen Ausdehnung verändern.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist auch darin zu sehen, dass die
erfindungsgemäßen Verstärkungsfasern in einem Bündel ausreichend nachgiebig sind, um eine Verletzung der Personen zu vermeiden, die erfindungsgemäße
Mischung von Beton und Verstärkungsfasern handhaben müssen.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass zusätzlich vereinzelte Verstärkungsfasern im ultrahochfestem Beton vorliegen. Diese Verstärkungsfasern können zur weiteren Einstellung der Eigenschaften des Betons vorgesehen sein, insbesondere zur Verbesserung der Zugfestigkeit. Die vereinzelten Verstärkungsfasern sind insbesondere länger als die
Verstärkungsfasern, welche in den Bündeln vorliegen. Bevorzugt sind die
vereinzelten Verstärkungsfasern aus einem anderen Grundmaterial als die
Verstärkungsfasern, welche in den Bündeln vorliegen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, dass die Bündel verfestigt vorliegen und eine verfestigte faserverbindende Matrix, insbesondere eine duromere Harzmatrix und/oder thermoplastische Matrix, aufweisen. Die Verfestigung gewährleistet, dass die Bündel gegenüber
mechanischen Einwirkungen stabil vorliegen können. Hierbei sind die
Verstärkungsfasern insbesondere in einer Harzmatrix eingebettet, welche dem Bündel zum Teil seine Festigkeit verleiht. Eine duromere Harzmatrix und/oder eine thermoplastische Harzmatrix ermöglicht zudem eine geeignete Anbindung an den mineralischen Beton, so dass eine Verankerung mit ausreichender Festigkeit erreicht werden kann. Als duromere Harze eignen sich insbesondere Phenol-, Epoxid , Cyanatester-, Polyester-, Vinylester-, Benzoxazinharz oder Mischungen dieser Harze. Als thermoplastische Harze eignen sich thermoplastische Stoffe wie
Polyimiden, Polyetherimiden, Polyamiden, Polyketonen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die verfestigte faserverbindende Matrix zumindest teilweise pyrolysiert, bevorzugt vollständig pyrolysiert. Die verfestigten Kohlenstofffaserbündel werden dazu unter Sauerstoffausschluss erhitzt, sodass das Matrixmaterial überwiegend zu Kohlenstoff umgesetzt wird, wodurch ein kohlenstofffaserverstärkter Kohlenstoff erzeugt wird. Die Pyrolyse und
Pyrolyseverfahren sind in der Literatur bekannt.
Zudem ist auch der Einsatz von präkeramischen Polymeren als Matrixmaterial denkbar. Solche präkeramischen Polymere stabilisieren im gehärteten Zustand die Bündel, wobei sie durch thermische Behandlung in eine keramische Phase überführt werden können. Insbesondere eignen sich hierzu Polysilazane, Polyborsilazane, Polycarbosilazane, und Polyborcarbosilazane, die durch eine thermische
Behandlung in Siliciumnitrid, Siliciumbornitrid, Siliciumcarbonitrid, und
Siliciumborcarbonitrid überführt werden können.
Eine Verfestigung mittels einer faserverbindenden Matrix erlaubt weiterhin, die Verstärkungsfasern dosiert in dem Beton zu verteilen, ohne jedoch befürchten zu müssen, dass im Laufe der Herstellung der Mischung die Verstärkungsfasern agglomerieren, also die Homogenität des Betons nicht gewährleistet werden kann. Weiter kann durch die Verfestigung erreicht werden, dass die Verstärkungsfasern auch bei dem Verfahren zur Herstellung der ausführungsgemäßen Mischung während des Mischvorgangs nicht vereinzelt werden. Gerade aber aufgrund der Bündelung der Verstärkungsfasern erhält der verfestigte oder ausgehärtete Beton seine verbesserte Duktilität, so dass das Vorliegen der Verstärkungsfasern in
Bündeln wesentlich ist. Dadurch erhält der Beton, besonders jedoch der
ultrahochfeste Beton ein pseodoplastisches Bruchverhalten. Dieses Bruchverhalten ist in Figur 1 veranschaulicht dargestellt.
Figur 1 zeigt einen Vergleich zweier Biegespannungsmessungen, welche in den Beispielen näher erläutert werden. Messkurve B stellt dabei die
Biegespannungskurve einer verfestigten Mischung aus Beton und Bündel aus Kohlenstofffasern dar (Mischung B), während Messkurve A mit einer Mischung aus Beton und vereinzelten Kohlenstofffasern erhalten wurde (Mischung A). Der Versuch zeigt, dass ab einem gewissen Verformungsgrad, die Biegspannung der Mischung A sprunghaft auf Null absinkt, das heisst, der Beton bricht auseinander. Bei Mischung B jedoch, ist für eine weitere Verformung des Betons, weiterhin ein Kraftaufwand nötig. Dies stellt einen großen Vorteil, beispielsweise im Hinblick auf die Sicherheit von Gebäuden dar.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist daher ein Kohlenstoff- faserverstärkter ultrahochfester Beton (UHFB), der ein pseudoplastisches
Bruchverhalten aufweist.
Entsprechend einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Bündel eine äußere Oberflächenstruktur mit Vorsprüngen und/oder Aussparungen, welche als mechanische Ankerstrukturen für den
hochfesten Beton dienen können, nachdem dieser verfestigt ist, aufweisen. Die Aussparungen sind vorteilhaft als Rillierung, Riefen oder Nuten ausgebildet. Die Vorsprünge sind vorteilhaft als Wulste, Kanten, Zacken, Dorne, Ecken oder Spitzen ausgebildet. Gemäß einer weitergehenden Ausführungsform können die
Aussparungen auch als Materialporen ausgeformt sein, wobei die Materialporen jedoch ausreichend groß sein müssen, um ein Eindringen von fließfähigem Beton zu erlauben, so dass eine Verankerung erreicht ist, wenn der Beton anschließend verfestigt oder ausgehärtet ist. Das Vorsehen von Vorsprüngen und/oder
Aussparungen erlaubt eine verbesserte Verankerung in dem Beton mit der Folge, dass die Kräfte im Falle eines Betonbruches verbessert auf die Bündel aus
Verstärkungsfasern übertragen werden können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, dass die Verstärkungsfasern in den Bündeln mit einem Polymer beschlichtet sind.
Insbesondere sind solche Polymere derart funktionalisiert, dass eine verbesserte Anbindung an die mineralischen Stoffe in dem Beton ermöglicht werden kann.
Besonders eignen sich hierzu silikatbasierte Polymerverbindungen.
Entsprechend einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die Verstärkungsfasern in den Bündeln
synthetische Fasern, wie beispielsweise Kohlenstofffasern, Aramidfasern, Glasfasern und/oder hochfeste Polyethylenfasern sind. Synthetische Verstärkungsfasern sind insbesondere solche Fasern, welche nicht in der natürlichen Umgebung vorkommen oder aus dieser abgetrennt und gewonnen werden können. Kohlenstofffasern sind aufgrund ihrer hohen Steifigkeit bevorzugt.
Ebenso können die Verstärkungsfasern auch aus keramischen Materialien wie Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Siliciumcarbonitrid, Silicium-Bor-Carbonitrid, die durch Pyrolyse von siliciumorganischen Polymeren, aus aromatischen Polyamiden
(Aramiden), aus thermotropen flüssigkristallinen Polymeren, insbesondere
aromatischen Copolyestern auf Basis von Hydroxybenzoesäure oder
Hydroxynaphthoesäure sein.
Gemäß einer weiter führenden Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, dass die Verstärkungsfasern in den Bündeln recycelte Fasern oder Fasern aus
Produktionsabfällen oder Verschnitt, insbesondere recycelte Kohlenstofffasern oder Kohlenstofffasern aus Produktionsabfällen oder Verschnitt aufweisen. Recycelte Fasern betreffen hierbei Fasern, welche bereits in einem Bauteil vorgesehen waren und durch einen Recyclingschritt aus diesem wieder vereinzelt oder in Bündeln zurück gewonnen wurden. Der Einsatz von recycelten Verstärkungsfasern verringert typischerweise die Kostenanforderungen im Vergleich zu Originalfasern. Fasern aus Produktionsabfällen sind Fasern die nach der Produktion aus verschiedenen Gründen nicht weiter verarbeitet werden. Verschnitt entsteht, wenn beispielsweise ein Gewebe von Fasern in eine gewünschte Form zugeschnitten wird.
Fernerhin kann entsprechend einer weiteren Ausführungsform vorgesehen sein, dass die Bündel eine Längenausdehnung parallel zur mittleren Fasererstreckungsrichtung von 2 mm bis 40 mm, bevorzugt von 8 mm bis 12 mm aufweisen. Diese Längen ermöglichen einerseits eine ausreichende Verankerung der Bündel in dem Beton und andererseits vermeiden Sie einen übermäßigen Materialeinsatz an
Verstärkungsfasern, welcher keinen wesentlichen Zugewinn an Festigkeit erlauben würde. Weiter erlauben die Bündel dieser ausführungsgemäßen
Längenausdehnungen eine gute Mischfähigkeit als auch eine vorteilhafte
Schüttfähigkeit. Diese Vorteile sind insbesondere bei der Herstellung der Mischung aus hochfestem Beton und Verstärkungsfasern vorteilhaft. Hinsichtlich der
Verarbeitbarkeit stünde zu befürchten, dass Verstärkungsfasern mit einer größeren als der ausführungsgemäßen Längenausdehnung bei Herstellung der Mischung agglomerieren und damit die Herstellungszeiten deutlich verlängern.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Bündel eine Breitenausdehnung senkrecht zur mittleren Fasererstreckungsrichtung von 0,1 mm bis 5 mm, bevorzugt von 0,8 mm bis 1 ,2 mm, und/oder eine
Dickenausdehnung senkrecht zur mittleren Fasererstreckungsrichtung und senkrecht zur Breitenerstreckungsrichtung von 0,1 mm bis 2 mm, bevorzugt von 0,2 mm bis 0,4 mm aufweisen. Die Breite entspricht hierbei der größten Ausdehnung der Bündel senkrecht zur Fasererstreckungsrichtung. Die Breite unterscheidet sich damit zur Dicke, welche sich sowohl senkrecht zur Fasererstreckungsrichtung erstreckt als auch senkrecht zur Breitenerstreckungsrichtung orientiert ist. Alle Werte sind
Mittelwerte entsprechend der jeweiligen Orientierungen, gemittelt über die
Gesamtheit aller Verstärkungsfasern in dem jeweiligen Bündel. Diese
Ausdehnungen, verleihen den Bündeln eine geeignete Schütt- und Mischfähigkeit, die sich vor allem bei der Herstellung der Mischung vorteilhaft darstellt. Weiter erweisen sich diese Maße als vorteilhaft in Bezug auf die Verankerungsfähigkeit der Bündel im verfestigten bzw. ausgehärteten Beton. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Bündel einen relativen Volumengehalt von 0,05 Vol% bis 5 Vol%, bevorzugt von 1 Vol% bis 2 Vol% in der Mischung einnehmen. Damit bleibt einerseits die Mischung fließfähig und kann ohne Probleme weiter verarbeitet werden. Andererseits ist der Volumengehalt an Bündeln ausreichend, um die Duktilität des Betons im verfestigten bzw.
ausgehärteten Zustand merklich zu erhöhen.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, dass die Bündel eine flächenbezogene Masse von 100 g/m2 bis 500 g/m2, bevorzugt von 200 g/m2 bis 300 g/m2 aufweisen. Derartige Bündel lassen sich leicht aus
industrieüblichen Textilstrukturen herstellen, ohne dass spezialisierte
Herstellungsverfahren angewandt werden müssen.
Ebenso ist es gemäß einer weiteren Ausführungsform möglich, dass die Bündel einen volumenbezogenen Anteil von Fasern von 8 % bis 95 %, bevorzugt von 15 % bis 60 % aufweisen. Dementsprechend wird der restliche Anteil von der
verbindenden Matrix eingenommen. Bei pyrolysierten verfestigten Bündeln ist der Anteil von Fasern entsprechend höher als bei nicht pyrolysierten, da durch die Pyrolyse ein Masseverlust einhergeht. Die relativen Anteile ermöglichen eine vorteilhafte Kraftübertragung von der Matrix auf die Verstärkungsfasern, welche die Kräfte aufnehmen, mit welchen das Bündel beaufschlagt sein kann. Weiter kann damit eine vorteilhafte Anbindung der Bündel an den Beton erfolgen, welcher sich bevorzugt an der Matrix über physikalische und chemische Wechselwirkungen anbindet.
Eine weiter bevorzugte Ausführungsform stellen pyrolysierte oder nicht pyrolysierte, mit einer Matrix verfestigte Bündel dar, welche recycelte oder aus Verschnitt gewonnene Kohlenstofffasern enthalten.
Um die Anbindung der mineralische Betonbestandteile an die Matrix noch weiter zu verbessern, kann auch vorgesehen sein, dass die verfestigte faserverbindende Matrix einen keramischen und/oder mineralischen Füllstoff aufweist, welcher in den verfestigten Bündeln definierte, nach außen weisende Oberflächen zur Verfügung stellt, über welche eine Anbindung, insbesondere eine chemische Anbindung an den ultrahochfestem Beton in der Mischung erreicht werden kann. So kann etwa in die Matrix Quarz- und/oder Silikapulver eingebracht werden, dessen Pulverkörner teilweise in der Matrix eingebettet sind, die freien Flächen jedoch weiterhin mineralische Anbindungsflächen für die Anbindung zu Bestandteilen in dem Beton bereit stellen.
Ausführungsgemäß kann der hochfeste Beton eine maximale Korngröße von höchstens 20 mm, bevorzugt von höchstens 1 mm aufweisen. Bevorzugt weist die Korngröße nicht mehr als 0,8 mm auf. Hierbei wird die Korngröße durch die
Korngröße der Zuschlagstoffe, insbesondere durch der Mischung zugegebenen Quarzsand bestimmt.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen verfestigten Betonbauteils kann vorgesehen sein, dass es eine Druckfestigkeit [gemessen nach DIN EN 196-1] von wenigstens 120 N/mm2, bevorzugt von wenigstens 180 N/mm2 aufweist. Damit entspricht die Druckfestigkeit der von ultrahochfestem Beton (UHFB).
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, dass das verfestigte Betonbauteil eine Biegezugfestigkeit [gemessen nach DIN EN 196-1 ] von 10 bis 100 N/mm2, insbesondere 24 bis 30 N/mm2 aufweist. Damit entspricht die Biegezugfestigkeit der von mit Stahlfasern verstärktem Beton und kann im
Wesentlichen für vergleichbare Anwendungen vorgesehen werden. Im Vergleich zu mit Stahlfasern verstärkter Beton ist jedoch der ausführungsgemäße faserverstärkte Beton auch leichter, da die Verstärkungsfasern typischerweise eine wesentlich geringere Dichte aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das verfestigte Betonbauteil eine Bruchdehnung [gemessen nach DIN EN 196-1 ] von 2,0 bis 8,0 %o, bevorzugt von 3,0 bis 6,0 %o aufweist. Auch diese Bruchdehnungswerte entsprechen im Wesentlichen denen von mit Stahlfasern verstärktem Beton.
Weiterhin kann gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung der Mischung vorgesehen sein, dass nach dem Schritt der Zugabe von Verstärkungsfasern als Bündel zu dem fließfähigen Zementleim ein Schritt des Rührens für wenigstens 3 min, bevorzugt von wenigstens 8 min vorgesehen ist. Die Rührzeit erlaubt eine im Wesentlichen homogene Verteilung der Bündel an
Verstärkungsfasern in dem noch fließfähigen Beton. Weiter hat es sich gezeigt, dass die ausführungsgemäßen Rührzeiten die Mischung in einen fließfähigen Zustand überführen kann. Kürzere Rührzeiten erlauben mitunter keine ausreichend
homogene Verteilung der Bündel in dem Beton und verringern damit auch die
Fließfähigkeit, d.h. erhöhen die Viskosität des noch fließfähigen Betons.
Nachfolgend soll anhand einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Mischung von Verstärkungsfasern und Beton die
Erfindung im Detail erklärt werden. Die dargestellte Ausführungsform stellt
hinsichtlich der Allgemeinheit der beanspruchten Erfindung keine Einschränkung dar. Insbesondere werden die nachfolgend beanspruchten Merkmale in Alleinstellung wie auch in Zusammensicht mit den vorab beschriebenen Merkmalen jeweils
beansprucht. Folglich wird vorliegend jede technisch mögliche sowie in Sinne der vorliegenden Erfindung geeignete Kombination an Merkmalen beansprucht.
Ausführungsbeispiel:
Zur Herstellung einer Mischung von Beton und Verstärkungsfasern wurde ein
Massenanteil Zement (CEM I 42.5 R HS), 0,18 Massenanteile Silikastaub, 0,54 Massenanteile Quarzmehl, 1 ,3 Massenanteile Quarzsand mit einer Körnung von 0,3 bis 0,8 mm sowie 0,044 Massenanteile FM ViscoCrete - 20 Gold als Fließmittel bereit gestellt.
Die trockenen Substanzen wurden in einem handelsüblichen Rührer zunächst für etwa 120s trocken bei mittlerer Rührintensität gemischt. Zu der trockenen Mischung wurde Wasser zugesetzt und für weitere 510s gemischt. In dem Wasser wurde vor der Zugabe zu der Trockenmischung das Fließmittel aufgelöst. Nach insgesamt 630s des Rührens wurden die Bündel an Kohlstofffasern zugegeben und ebenfalls mit dem Rührer in den nun fließfähigen Beton eingemischt. Die gesamte Mischdauer zum Einmischen der Bündel an Kohlenstofffasern in den Beton betrug 600 s bei normaler Rührintensität. Die Bündel an Kohlenstofffasern wiesen eine Breite von 1 ,25 mm sowie eine Länge von 9 mm auf. Die Dicke der Bündel aus Kohlenstofffasern betrug 0,125 mm. Ein Bündel bestand aus einer Vielzahl an Kohlenstoffeinzelfilamenten
(=Kohlenstofffasern) mit einem Filamentdurchmesser von ca. 7 μιτι, welche mittels Epoxyharz als Matrix zu einem Bündel zusammen gefasst wurden. Die
Bündelgeometrie wurde durch Schneiden auf die gewünschte Länge und Breite eines mit Epoxyharz behandelten UD-Kohlenstofffaser-Tapes hergestellt. Das angewandte Herstellungsverfahren zur Herstellung der Bündel gleicht im
Wesentlichen dem, welches in der EP 1 645 671 B1 offenbart ist. Aus diesem Grund soll das Herstellungsverfahren zur Herstellung der Bündel an Kohlenstofffasern gemäß der EP 1 645 671 B1 auch explizit in die vorliegende Beschreibung mit einbezogen sein.
Nach Herstellung der Mischung aus Beton und gebündelten Verstärkungsfasern betrug der Faservolumengehalt etwa 1 ,75 Vol%. Der w/z-Wert betrugt 0,25, wobei das Volumenverhältnis von Leim und Gestein in dem Beton etwa 0,64 betrug.
Aus dieser Mischung von Beton und Bündel an Verstärkungsfasern wurden Prismen von 4cm x 4 cm x 16 cm geformt, wobei nach anschließender Verfestigung ein Bruchtest, sowie daran anschließend eine Biegezugprüfung für die Ermittlung der Druckfestigkeit vorgenommen wurden. Die Formung der Prismen erfolgte mittels eines Rütteltisches, welcher zur Formgebung ca. 30 s betrieben wurde. Nach 24 h der Härtung zur Verfestigung wurde der Versuchskörper aus der Form entnommen und in Wasser bei 20°C bis zum Versuchszeitpunkt gelagert. Die Versuche wurden etwa 28 Tage danach durchgeführt.
Die Biegezugprüfung erfolgte als Dreipunktbiegezugprüfung (10 cm Spannweite zwischen den Auflagerpunkten) an einer weggesteuerten 50 kN Shimadzu AG-50 kNG Prüfanlage. Die Druckprüfung erfolgte an einem der normalerweise zwei verbleibenden Bruchstücken mit einer kraftgesteuerten Prüfmaschine des Herstellers Toni Technik.
Hierbei hat sich ergeben, dass die Ergebnisse der Druckprüfung des
ausführungsgemäßen Versuch körpers sich im Wesentlichen nicht unterscheiden, von Ergebnissen eines Vergleichskörpers, welcher entsprechend dem Versuchskörper hergestellt wurde, dem jedoch keine Verstärkungsfasern zugesetzt wurden. In anderen Worten hat die Druckprüfung ergeben, dass es unerheblich ist, ob dem Beton Bündel an Verstärkungsfasern oder auch vereinzelte Verstärkungsfasern zugesetzt werden oder nicht.
Zu einem anderen Ergebnis gelangte jedoch die Auswertung der Biegezugprüfung. Hier hat sich eine deutliche Duktilitätsverbesserung eingestellt, welche sich auch anhand der nachfolgend im Einzelnen erklärten Figur 1 nachvollziehen lässt.
Fig. 1 zeigt einen Vergleich von Biegespannungsmesswerte, welche bei Ausführen einer entsprechend der obigen Darstellung ausgeführten Biegezugprüfung gewonnen wurden. Hierbei wurde ein Prisma einer verfestigten Mischung aus Beton und Bündel aus Kohlenstofffasern (Messkurve B) getestet, wie auch eine Mischung aus Beton und vereinzelten Kohlenstofffasern, welche nicht in Bündel gefasst waren
(Messkurve A). Der Volumenanteil der Kohlenstofffasern betrug etwa 1 ,75%.
Wie sich leicht nachvollziehen lässt, nimmt die Verformung anfänglich bei
zunehmender Biegebelastung gemäß dem Biegespannungsdiagramm linear zu. Die Zunahme erfolgt bis zu einer Biegebelastung von etwa 13 bis 15 MPa. Anschließend erfolgt ein spontaner Bruch, welcher ein Versagen des Versuchskörpers zur Folge hat. Der Unterschied der einzelnen Biegespannungsmaxima von Messkurve A und B liegt im Bereich der versuchstechnischen Schwankungen.
Im Falle des Versuchskörpers, welcher lediglich durch vereinzelte Kohlenstofffasern verstärkt wurde (Messkurve A), erfolgt das Versagen vollständig, d.h. der Bruch führt zu einer Zerstörung des Materials und eine weitere Verformung tritt nicht mehr ein. Vielmehr bricht der Versuchskörpers typischerweise in zwei Bruchstücke, die voneinander separiert werden können. Dies erfolgt entsprechend dem vorliegenden Diagram bei etwa 0,3 mm Verformungsweg.
Im Falle des Versuchskörpers, welcher durch gebündelte Kohlenstofffasern verstärkt ist, erfolgt das Versagen nur teilweilweise, so dass nun die Bündel an
Kohlenstofffasern ein vollständiges Versagen des Betons verhindern. Dementsprechend wird ein Teil der Biegespannungsbelastung von den Bündeln an Kohlenstofffasern aufgenommen, bzw. von dem Beton über die Matrix auf die
Kohlenstofffasern geleitet. Selbst bei Überschreiten von etwa 0,3 mm
Verformungsweg kann so der Versuchskörper weiterhin eine
Biegespannungsbelastung aufnehmen. Die Biegespannungskurve flacht
anschließend nach durchlaufen einer„Schulter" zunehmend ab und nähert sich asymptotisch einem Biegespannungswert von 0 MPa an.
Wie die Messkurve A zeigt, ist das Biegespannungsverhalten eines Versuchskörpers mit vereinzelten Kohlenstofffasern in dem Beton kaum unterschiedlich von dem Verhalten von einem Beton, welcher keine Verstärkungsfasern aufweist. Der Grund ist nach ersten Erkenntnissen darin zu sehen, dass die Kohlenstofffasern bei
Scherbeanspruchung im Vergleich zu Zugbeanspruchungen relativ leichter brechen. Mikroskopische Untersuchungen der Bruchstellen haben gezeigt, dass die
Kohlenstofffasern weiterhin in dem Beton eingebettet waren, jedoch auf dem Niveau der Bruchfläche des Betons auch einen Faserbruch aufwiesen. Dies lässt den Schluss zu, dass die Kohlenstofffasern die auftretenden Quer- bzw. Scherkräfte nicht ausreichend aufnehmen konnten und durch Bruch versagten.
Anders verhält sich das Biegespannungsverhalten des Versuchskörpers, welcher Kohlenstofffaserbündel zur Verstärkung aufweist (Messkurve B). Dort sind die verfestigten Bündel aus Kohlenstofffasern ausreichend in der Lage, die auftretenden Querkräfte aufzunehmen, so dass ein Faserbruch über den gesamten Querschnitt des Bündels nicht eintritt. Ein Versagen des Versuchskörpers über seinen gesamten Querschnitt war damit ausgeschlossen. Bei weiterhin zunehmender
Biegespannungsbelastung werden nun teilweise die Verbindungen zwischen dem Beton und der Matrix einzelner Bündel gelöst, wobei ein bereichsweises Ausreißen des Bündels erfolgt. Gleichzeit sind jedoch auch Brüche einzelner
Verstärkungsfasern möglich, welche zu einer zunehmenden Schwächung einzelner Bündel beitragen. Weiterhin ist auch ein Lösen der Fasern aus dem Matrixverbund möglich. Diese Prozesse sind im Wesentlichen dafür verantwortlich, dass der Versuchskörper bei weiterer Verformung zunehmend eine geringere Biegespannung aufnehmen kann. Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Claims

Patentansprüche
1 . Mischung von hochfestem Beton (HFB), insbesondere von ultrahochfestem Beton (UHFB) und Verstärkungsfasern,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Verstärkungsfasern als vereinzelte Bündel im ultrahochfesten Beton derart vorliegen, dass die Bündel im Wesentlichen allseitig vom Beton umgeben sind.
2. Mischung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
zusätzlich vereinzelte Verstärkungsfasern im ultrahochfestem Beton vorliegen.
3. Mischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Bündel verfestigt vorliegen und eine verfestigte faserverbindende Matrix, insbesondere eine duromere Harzmatrix und/oder thermoplastische Matrix, aufweisen.
4. Mischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Bündel eine äußere Oberflächenstruktur mit Vorsprüngen und/oder
Aussparungen aufweisen, welche als mechanische Ankerstrukturen für den Beton dienen können, nachdem dieser verfestigt ist.
5. Mischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Verstärkungsfasern in den Bündeln mit einem Polymer beschlichtet sind, welches insbesondere die Anbindung zum Beton erhöht.
6. Mischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Verstärkungsfasern in den Bündeln synthetische Fasern, insbesondere
Kohlenstofffasern, Aramidfasern, Glasfasern und/oder hochfeste Polyethylenfasern aufweisen bzw. aus diesen bestehen.
7. Mischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Verstärkungsfasern in den Bündeln recycelte Fasern oder Fasern aus
Produktionsabfällen oder Verschnitt, insbesondere recycelte Kohlenstofffasern oder Kohlenstofffasern aus Produktionsabfällen oder Verschnitt aufweisen.
8. Mischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Bündel eine Längenausdehnung parallel zur mittleren Fasererstreckungsnchtung von 2 mm bis 40 mm, bevorzugt von 8 mm bis 12 mm aufweisen.
9. Mischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Bündel eine Breitenausdehnung senkrecht zur mittleren
Fasererstreckungsnchtung von 0,1 mm bis 5 mm, bevorzugt von 0,8 mm bis 1 ,2 mm, und/oder eine Dickenausdehnung senkrecht zur mittleren Fasererstreckungsnchtung und senkrecht zur Breitenerstreckungsrichtung von 0,1 mm bis 2 mm, bevorzugt von 0,2 mm bis 0,4 mm aufweisen.
10. Mischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Bündel einen relativen Volumengehalt von 0,05 Vol% bis 5 Vol%, bevorzugt von
I Vol% bis 2 Vol% in der Mischung einnehmen.
I I . Mischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Bündel einen volumenbezogenen Anteil von Fasern von 8 % bis 95 %, bevorzugt von 15 % bis 60 % im Vergleich zum Volumenanteil einer Matrix aufweisen.
12. Mischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die verfestigte faserverbindende Matrix einen keramischen und/oder mineralischen Füllstoff aufweist, welcher in den verfestigten Bündeln definierte, nach außen weisende Oberflächen zur Verfügung stellt, über welche eine Anbindung,
insbesondere eine chemische Anbindung an den Beton in der Mischung erreicht werden kann.
13. Mischung nach einem der Ansprüche 3 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
die verfestigte faserverbindende Matrix zumindest teilweise pyrolysiert ist.
14. Mischung nach einem der Ansprüche 3 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
die verfestigte faserverbindende Matrix vollständig pyrolysiert ist.
15. Mischung nach einem der Ansprüche 3 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Matrix Pech und/oder partikulären Kohlenstoff aufweist.
16. Verfestigtes Betonbauteil,
dadurch gekennzeichnet, dass
es aus einer Mischung von hochfestem Beton (HFB) bzw. ultrahochfestem Beton (UHFB) und Verstärkungsfasern nach einem der vorhergehenden Ansprüche nach einem Schritt des Verfestigens der fließfähigen Mischung erhältlich ist.
17. Verfestigtes Betonbauteil nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet, dass
es eine Druckfestigkeit, gemessen nach DIN EN 196-1 , von wenigstens 120 N/mm2, bevorzugt von wenigstens 180 N/mm2 aufweist.
18. Verfestigtes Betonbauteil nach Anspruch 16 oder 17,
dadurch gekennzeichnet, dass
es eine Biegezugfestigkeit, gemessen nach DIN EN 196-1 , von 10 bis 100 N/mm2, insbesondere von 24 bis 30 N/mm2 aufweist.
19. Verfahren zur Herstellung einer Mischung von hochfestem Beton (HFB) bzw. ultrahochfestem Beton (UHFB) und Verstärkungsfasern,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Schritt der Zugabe von Verstärkungsfasern als Bündel zu fließfähigem
Zementleim umfasst ist.
20. Verfahren nach Anspruch 20,
dadurch gekennzeichnet, dass
nach dem Schritt der Zugabe von Verstärkungsfasern als Bündel zu dem fließfähigen Zementleim ein Schritt des Rührens für wenigstens 3 min, bevorzugt von wenigstens 8 min vorgesehen ist.
21 . Kohlenstofffaserverstärkter ultrahochfester Beton (UHFB),
dadurch gekennzeichnet, dass
er ein pseudoplastisches Bruchverhalten aufweist.
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