CH615141A5 - Mouldings with cement-bonded matrix and process for producing the mouldings - Google Patents

Description

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm der zeitlichen Veränderung der Biegezugfestigkeit von Zementmörtelplatten, die mit Einzelfasern (Kurve 10) bzw. mit Faserbündeln (Kurve 11) verstärkt sind, Fig. 2 ein Diagramm der zeitlichen Veränderung der Biegezugfestigkeit von Zementmörtelplatten, die mit unbeschichteten Glasfasern (Kurve (20) bzw. mit beschichteten Glasfa-' sern (Kurve 21) verstärkt sind,

Fig. 3 ein Diagramm der zeitlichen Veränderung der Schlagzähigkeit von mit Glasfasern verstärkten Zementmörtelplatten (Kurven 31-34) aus unterschiedlichen Zementen bzw. der Matrix (Kurve 30),

Fig. 4 ein Diagramm der zeitlichen Veränderung der Biegezugfestigkeit von mit Glasfasern verstärkten Zementmörtelplatten ohne Begasung (Kurve 40) bzw. nach Begasung mit C02 (Kurve 41),

Fig. 5 ein Diagramm der zeitlichen Veränderung der Biegezugfestigkeit von mit Fasern verstärkten Zementmörtelplatten bei feuchter Lagerung (Kurve 50) bzw. nach Trocknung und Verhinderung von Dampfzutritt (Kurve 51) und

Fig. 6 die schematische Darstellung einer verlorenen Schalung für eine Brücke.

Das Diagramm von Fig. 1 zeigt, welche erhebliche Verbesserung im Hinblick auf die Alkaliwiderstandsfähigkeit erfin-dungsgemäss erreicht werden kann. Die Werte wurden an Faserbetonplatten mit der Abmessung 1 X 6 X 20 cm gemessen. Der Mörtel hatte folgende Zusammensetzung:

Zement 840 kg/m3

Wasser 420 kg/m®

Feinsand 840 kg/m3,0-0,5 mm

Glasfaser E-Glas % 10 (im

Fasergehalt 5 Vol.-%

Faseranordnung unidirektional

Der Alkaliangriff auf die künstlichen Mineralfasern lässt sich zusätzlich durch Überzüge vermindern, die das alkalische Milieu von den Fasern oder Faserbündeln fernhalten. Dies kann mit Hilfe von Kunststoffschlichte oder Kunststoffüberzügen (z.B. Epoxidharz, ungesättigtes Polyesterharz) erreicht werden, die für diesen Zweck eine gewisse Alkaliwiderstandsfähigkeit, insbesondere bei Zutritt von Feuchtigkeit, aufweisen müssen.

Kunststoffe neigen bei steigender Last zum Kriechen. Dies führt bei Langzeitbelastungen zu übermässig grossen Verformungen der Formteile. Die Kunststoffüberzüge sind jedoch brauchbar, wenn die Erzeugnisse nur vorübergehend tragfähig sein müssen. Bei einer vorübergehenden örtlichen Überbelastung ist das Kriechen sogar erwünscht, weil damit örtliche Spannungsspitzen abgebaut werden.

Der gute Erfolg einer solchen zusätzlichen Massnahme ist in Fig. 2 dargestellt. Nach einjähriger Lagerung an trockener Luft ist bei den mit beschichteten Fasern verstärkten Platten (Kurve 21) eine Abnahme der Biegezugfestigkeit von nur etwa 15% festzustellen. Als Faserverstärkung wurden hier handelsübliche epoxidharzbeschichtete Glasseiderovings (sogenannte Hartfaser) verwendet. Zusammensetzung und Abmessungen ider Probekörper sind gleich wie im Zusammenhang mit Fig. 1 angegeben. Eine weitere Möglichkeit, die Lebensdauer von mineralfaserverstärkten Erzeugnissen zu erhöhen, ist die Verwendung von beispielsweise durch seltene Erden modifizier-5 ten, an sich nicht alkalibeständigen Gläsern.

Durch die Wahl des Zements konnte überraschenderweise die Schlagzähigkeit und Biegefestigkeit der oben im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen Probekörper erheblich be-einflusst werden, wie anhand der Fig. 3 zu erkennen. Die Kur-io ve 34 wurde an einer Platte mit Portlandzement 550, die Kurve 33 an einer Platte mit Portlandzement 350F, die Kurve 32 an einer Platte mit Hochofenzement (70% Schlacke) und die Kurve 31 an einer Platte mit 70% Portlandzement 350F und 30% Trass als Zementbindungsmittel der faserverstärkten Mais trix gemessen. Die Kurve 30 zeigt die Schlagzähigkeit der Matrix selbst. Dies bedeutet, dass mit den faserverstärkten Formkörpern bei Verwendung von Portlandzement bis zu einem Alter von zwei Monaten eine zweimal höhere Schlagzähigkeit erreicht wird, als bei Verwendung von Zementen, die Hoch-20 ofenschlacke oder Trass enthalten.

Die guten Erfolge des zusätzlichen Karbonatisierens von Faserbeton sind in Fig. 4 dargestellt. Die Zusammensetzung der Proben ist dabei die gleiche wie oben im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben. Die Platten entsprechend der Kurve 41 25 von Fig. 4'wurden sofort nach der Herstellung in noch frischem nicht erhärtetem Zustand einer C02-Atmosphäre ausgesetzt. Nach 24 Stunden wurden die Probekörper im Autoklav evakuiert, anschliessend weitere 2 Tage an C02-Atmo-sphäre und dann bei 20°C und 50% relativer Feuchtigkeit an 30 Luft gelagert. Nach einem halben Jahr ist die Tragfähigkeit der mit C02 begasten Proben ca. 40% höher als die der nicht begasten Platten (Kurve 40).

Die Alkaliwiderstandsfähigkeit von Faserbeton kann zusätzlich auch dadurch erhöht werden, dass dieser nach kurzer 35 Aushärtungszeit scharf ausgetrocknet und die erneute Aufnahme von Feuchtigkeit z.B. aus der Luft verhindert wird.

Platten mit der Zusammensetzung wie im Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert wurden nach 14 Tagen feuchter Lagerung 48 Stunden lang bei 105°C getrocknet. Nach dem Abkühlen 40 der Platten auf 50 °C wurden diese mit Epoxidharz gestrichen, wodurch bei der weiteren Lagerung ein Wasserdampfzutritt weitgehend verhindert wurde. Ein Vorversuch hatte ergeben, dass der Epoxidharzanstrich keinen nennenswerten Festigkeitsbeitrag liefert.

45 Der überraschende Erfolg der Massnahme ist aus Fig. 5 zu erkennen. Nach einem halben Jahr ist bei nicht beschichteten Platten (Kurve 50) noch ca. 65% der Tragfähigkeit vorhanden, während bei beschichteten Platten (Kurve 51) nur ein Abfall von ca. 5% zu verzeichnen ist.

so Wie bereits einleitend erläutert, ergibt sich in der Baupraxis häufig die Möglichkeit der Anwendung zementgebundener Formkörper, die nur eine vorübergehende Tragfähigkeit besitzen. Es bieten sich unter anderem verlorene Schalungen aller Art an, z.B. Vorsatzschichten, die gleichzeitig Schalungsmate-55 rial für Raumformteile sind. Es kommen z.B. in Betracht: Träger-, Platten- und Säulenschalungen, Rohre als Zylinderschalungen für Aussparungen, Kassetten und Kästen, Matrizen für Strukturbeton.

Das Anwendungsgebiet «Verlorene Schalungen» mit zeit-60 lieh begrenzter Tragfähigkeit ist so breit, dass hier nur die wichtigsten Möglichkeiten genannt werden können.

Eine hohe Beanspruchung beim Transport tritt z.B. bei Fertigteilbildern auf, wobei auch die Kantenfestigkeit entscheidend sein kann; weiterhin bei Röhren und Behältern, bei 65 Facetten- und Filigransteinen, bei wertvollen Platten aus Terrazzo oder Naturstein, oder grossformatigen Gummiplatten, bei denen mineralfaserverstärkte, zementgebundene Massen als Hinterbeton verwendet werden; ferner bei leichten Trenn

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wänden vor dem endgültigen Einbau, und bei auf Schlag beanspruchten Teilen, wie z.B. Rammpfählen. Dies wird am Beispiel einer Plattenschalung für den Brückenbau erläutert: Zwischen Spannbetonbindern war jeweils eine Lücke von 70 cm mit Schalung zu schliessen. Auf diese wurde eine verbindende Ortbetonplatte betoniert. Als verlorene Schalung wurde die in Fig. 6 schematisch nach Form und Abmessung dargestellte Ausführungsform mit einer Wandstärke von 1 cm verwendet (x = 15 cm). Die Zusammensetzung der zementgebundenen Masse der verlorenen Schalung entsprach derjenigen, die im Zusammenhang mit Fig. 1 angegeben ist. Die künstlichen Fasern wurden mittels Sprühpistolen eingerieselt. Das fertige

Element hatte im Alter von 28 Tagen eine Biegezugfestigkeit von 160 kp/cm2. Der im Plattenalter von 50 Tagen aufbetonierte Ortbeton hatte eine Biegezugspannung von 90 kp/cm2 zur Folge.

Diese Belastung konnte die verlorene Schalung aufnehmen, weil, wie aus Fig. 1 zu erkennen ist, zu diesem Zeitpunkt eine Restbiegezugfestigkeit von 140 kp/cm2 vorhanden war.

Im höheren Alter, d.h. wenn die künstlichen Mineralfasern nicht mehr voll tragfähig sind, übernimmt der Faserbeton die in Funktion eines Putzes. Der Abfall der Biegezugfestigkeit ist dann praktisch bedeutungslos.

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2 Blätter Zeichnungen

Claims (10)

1. 615 141

   2

   PATENTANSPRÜCHE

   1. Formkörper mit zementgebundener Matrix und in dieser eingelagerten, an sich nicht alkalibeständigen künstlichen Mineralfasern, dadurch gekennzeichnet, dass die Mineralfasern örtlich konzentriert in der Matrix eingelagert sind, um die durch die Mineralfasereinlagerung erzielte vorübergehende Tragfähigkeit der Formkörper zeitlich zu verlängern.
2. 2. Verfahren zur Herstellung von Formkörpern gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mineralfasern örtlich konzentrisch in die Matrix eingemischt und/

   oder eingerieselt und/oder eingelegt werden, um den Alkaliangriff der Mineralfasern zu vermindern.
3. 3. Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mineralfasern in Form von Bündeln in die Matrix eingegeben werden.
4. 4. Verfahren nach einem der Patentansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendeten Mineralfasern mit Schlichten oder Überzügen versehen sind.
5. 5. Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Mineralfasern mit einem Durchmesser von über 10 (im verwendet werden.
6. 6. Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Alkaliangriff auf die Fasern durch Auswahl des Zements und/oder durch Zusatzstoffe vermindert wird.
7. 7. Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der pH-Wert der zementgebundenen Matrix durch C02-Behandlung vermindert wird.
8. 8. Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zementgebundenen Matrix das Wasser, z.B. durch Trocknen, weitgehend entzogen und die anschliessende Wasseraufnahme durch eine Oberflächenbeschichtung des fertigen Erzeugnisses gehemmt oder verhindert wird.
9. 9. Verfahren nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zementgebundenen Matrix das Wasser weitgehend durch Warmluftbehandlung, gegebenenfalls durch eine Warmluftbehandlung in Vakuum, entzogen wird.
10. 10. Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass man die Matrix zusätzlich mit Textilfasern und/ oder Metallfasern und/oder Stahleinlagen verstärkt.

    Zementgebundene Massen, wie Zementmörtel und Beton, sind an sich hervorragend in der Lage, in abgebundenem Zustand als künstliche Steine hohe Druckspannungen aufzuneh- ■ men. Jedoch versagt das Material schon unter äusserst geringer Zugbeanspruchung. Hinzu kommt, dass Schwind- und Temperaturspannungen in Mörtel und Beton zu Rissen führen können.

    In jüngster Zeit hat man mit Erfolg diese Nachteile durch eine Verstärkung der zementgebundenen Massen (z.B. Zementstein, Mörtel oder Beton) durch Fasern überwunden. Die Fasern haben dabei die Funktion, die Zugspannungen zu übernehmen bzw. aufzunehmen. Es können dabei z.B. Stahl-, künstliche Mineral- (Glas-) oder auch bisher noch weniger gebräuchliche Fasern, wie z.B. Kohlenstoff- oder Borfasern, zum Einsatz kommen.

    Das Einbringen der Fasern kann durch Einmischen, Einrieseln oder durch Einlegen in die sogenannte zementgebundene Matrix, also in die Grundmasse (Mörtel, Beton, Zementleim), erfolgen, wobei auch vorgefertigte oder flächige Verstärkungselemente verwendet werden können. Der Faserbeton zeichnet sich unter anderem durch hohe Biegzugfestigkeit, Schlagzähigkeit und Dehnfähigkeit aus.

    Wegen ihrer guten Verarbeitungswilligkeit und Beständigkeit in normaler Atmosphäre, gepaart mit hoher Wirtschaftlichkeit, bieten sich künstliche Mineralfasern für diesen Zweck besonders an.

    Der Verstärkungseffekt von künstlichen Mineralfasern ist anfangs beachtlich. Beim Einlegen von z.B. 3 Vol.-% Glasfasern konnte die Biegezugfestigkeit von Mörtelplatten nach zwei Wochen um mehr als 100% gesteigert werden.

    Leider kann man in der Praxis diesen Vorteil bisher nicht nutzen, weil die künstlichen Mineralfasern nicht alkalibeständig sind. Im Laufe derZeit wird die Tragfähigkeit z.B. der Mörtelplatten stark vermindert. Es entwickelt sich im feuchten Zementstein eine sehr starke Lauge, die bereits in wenigen Monaten die Wirkung der Faserverstärkung stark reduziert.

    Da man bisher Dauerhaftigkeit und Effektivität der Faserverstärkung an der Beton,bewehrung mit Stabstahl gemessen hat, gelangte man zu der Meinung, dass eine Verstärkung zementgebundener oder anderer alkalischer Massen mit künstlichen Mineralfasern nicht vorteilhaft möglich ist. Bei dem Wunsch, strengste Anforderungen zu erfüllen, verlor man weite Anwendungsgebiete für zementgebundene Produkte aus den Augen, bei denen nur eine vorübergehende Tragfähigkeit erforderlich ist, z.B. bei verlorenen Schalungen, die nur kurzfristig der Belastung des noch nicht erhärteten Betons widerstehen müssen, oder bei Bauteilen, die im wesentlichen nur während des Transportes und der Montage beansprucht werden. Mit zunehmender Industrialisierung des Bauens gewinnen die eben genannten Produkte immer mehr an Bedeutung. ; Bei solchen Erzeugnissen ist es ausreichend, wenn die verstärkende Wirkung der künstlichen Mineralfasern bis zum Ab-schluss der Montagearbeiten erhalten bleibt.

    Aus der GB-PS 1 058 578 ist z.B. die Verstärkung von Zement durch Glasfaserstränge bekannt. Hierbei wird derGlas-, faserbeton mit einer Lösung von Polyphenylacetat behandelt, wobei die sahnige Konsistenz der Polyphenylacetat-Lösung eine wichtige Rolle spielt.

    Ferner ist in der GB-PS 1 172 007 ein Glasfaserbeton beschrieben, der Butadien-Styrol-Harz enthält, das alkalifest und s zum Zweck der Emulgierung mit weiteren Zusätzen modifiziert ist. Dabei soll zumindest 30 Tage lang ein Angriff auf das an sich ausdrücklich unbehandelte Glas vermieden werden.

    Schliesslich sind in derDE-OS 2 231 905 Glasfasern beschrieben, die mit einem gehärteten Furanharz überzogen j oder in ein gehärtetes Furanharz eingebettet sind, wobei als Furanharz nicht modifizierte Furfurylalkoholpolymere, aldehydmodifizierte Furfurylalkoholpolymere, säurekatalysierte Kondensationsprodukte von Furfurylalkohol, Furfurylalde-hyd oder Formaldehyd verwendet werden können. 5 Zur Erzeugung eines guten Haftverbundes zwischen Zementstein und Faser hielt man es bisher für notwendig, die Faser in möglichst feiner Verteilung in die Matrix einzubringen. Überraschenderweise wurde jedoch gefunden, dass Hydratationsprodukte der Zement-Wasser-Mischung im Laufe 3 der Zeit auch in Faserbündel (z.B. Spinnfäden oder Rovings) hineinwachsen und dadurch einen guten Haftverbund herstellen. Ferner wurde gefunden, dass örtlich hohe Glas- bzw. Mi-neralfaser-Konzentrationen eine erhebliche Abschwächung des Alkaliangriffes bieten, wobei sich gebündelte Mineralfa-ä sern mit grösserem Durchmesser, die billiger herzustellen sind, überraschenderweise als gegenüber dem Alkaliangriff wesentlich weiniger empfindlich erwiesen haben.

    Erfindungsgemässe Formkörper mit zementgebundener Matrix und in dieser eingelagerten, an sich nicht alkalibestän-o digen künstlichen Mineralfasern, z.B. der oben genannten Art, sind dadurch gekennzeichnet, dass die Mineralfasern örtlich konzentriert in der Matrix eingelagert sind, um die durch die Mineralfasereinlagerung erzielte vorübergehende Tragfähigkeit der Formkörper zeitlich zu verlängern.

    5 Solche Formkörper werden erfindungsgemäss dadurch erhalten, dass die Mineralfasern örtlich konzentriert, vorzugsweise in Form von Bündeln, in die Matrix eingemischt und/ oder eingerieselt und/oder eingelegt werden.

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    Mit Vorteil können Mineralfasern verwendet werden, die aufgrund eines über 10 |xm liegenden Durchmessers in vergleichsweise höherem Masse gegen den alkalischen Angriff der zementgebundenen Matrix widerstandsfähig sind. Ferner kann es zweckmässig sein, der zementgebundenen Matrix das Wasser weitgehend, z.B. durch Trocknen mit Warmluft oder durch Hydratation, zu entziehen und den Formkörper dann mit einer Beschichtung zu versehen, die eine erneute Wasseraufnahme hemmt oder verhindert. Zusätzliche Verstärkungen z.B. aus Textil- und Metallfasern oder Stahleinlagen, können verwendet werden, ebenso wie mit Schlichte oder anderen Materialien beschichtete Fasern.