DE19819148C1 - Faser zur Verstärkung gießbarer aushärtender Werkstoffe sowie Verfahren und Vorrichtung zu deren Herstellung - Google Patents
Faser zur Verstärkung gießbarer aushärtender Werkstoffe sowie Verfahren und Vorrichtung zu deren HerstellungInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Faser, insbesondere Stahlfaser, zur Verstärkung gießbarer aushärtender Werkstoffe, insbesondere Beton, mit einer Länge L und einer Dicke D, die einen entlang der Fasermittellinie sich erstreckenden, geradlinig verlaufenden Mittelteil der Breite B¶M¶ aufweist und deren beide Endbereiche E zumindest in Teillängen quer zur Fasermittellinie eine größere Querschnittsfläche F¶E¶ aufweisen als die Querschnittsfläche F¶M¶ im Mittelteil der Faser. Dabei beträgt die Länge der Endbereiche E jeweils mindestens 5% der gesamten Faserlänge L und die Vergößerung der Querschnittsfläche F¶E¶ der Endbereiche E ist in Richtung der Faserenden nicht sprunghaft ausgebildet. DOLLAR A Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der Fasern.
Description
Die Erfindung betrifft eine Faser, insbesondere Stahlfaser, zur Verstärkung gießbarer
aushärtender Werkstoffe gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner
betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung derartiger Fasern sowie eine
Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Eine derartige Faser ist aus der DE-OS 23 59 367 bekannt. Insbesondere in den
dortigen Fig. 9 und 11 sind Faserformen mit einer kontinuierlichen Vergrößerung
der Endbereiche gezeigt. Die Herstellung der Faser erfolgt in der Weise, daß zunächst
mittels Walzformen eine Vergrößerung der Randbereiche eines Stahlbands erzielt wird
und dann ein zusätzlicher Schneidvorgang stattfinden, was relativ aufwendig ist.
Zur Erhöhung der Festigkeitseigenschaften gießbarer aushärtender Werkstoffe wie
etwa Beton oder Kunstharze werden vielfach Armierungen aus anderen Werkstoffen in
den aushärtenden Werkstoff eingebracht. Im Regelfall soll insbesondere die
Zugfestigkeit des auf diese Weise gebildeten Verbundwerkstoffs erhöht werden. Ziel ist
es, aus dem quasi spröden Werkstoff Beton einen quasi elastischen Verbundwerkstoff
zu bilden. Allgemein üblich bei der Verarbeitung von Beton ist die Einbringung von
draht- oder stabförmigem Moniereisen. Für bestimmte Anwendungsfälle (z. B.
Herstellung von Böden von Produktionshallen oder Wandauskleidungen von
Tunnelbauten mit Spritzbeton) wird der Armierungswerkstoff auch in Form relativ
kleinteiliger Fasern zugegeben. Diese Fasern haben beispielsweise eine Länge im
Bereich von 20 bis 60 mm und eine Dicke in einer Größenordnung von 0,5 bis 2 mm.
Als Werkstoffe für die Fasern werden üblicherweise metallische Werkstoffe,
insbesondere Stahl, eingesetzt. Es ist aber auch bekannt, beispielsweise
Kunststoffasern zu verwenden. Wesentlich für die Qualität des gebildeten
Verbundwerkstoffs ist eine wirksame Verankerung des Fasermaterials in der Matrix
des Grundwerkstoffs. Da die Zugfestigkeit des Verbundwerkstoffs über die
Zugfähigkeit des Grundwerkstoffs hinaus erhöht werden soll und nach einem
eventuellen Riß im Matrixwerkstoff vom Verbundwerkstoff weiterhin noch
Zugbelastungen aufgenommen werden müssen, ist es wesentlich, daß der Widerstand
gegen ein Herausziehen der Fasern aus dem Matrixwerkstoff ausreichend hoch liegt.
Hierzu ist es bekannt, beispielsweise Stahlfasern mit einer von der glattzylindrischen
oder prismatischen Form abweichenden Gestalt zu erzeugen, indem die Faserenden
zum Beispiel angestaucht oder abgeknickt werden. So weist beispielsweise eine aus
der Praxis bekannte Stahlfaser, die aus einem Draht mit rundem Querschnitt
hergestellt ist, eine im wesentlichen über ihre axiale Länge geradlinige Form auf, wobei
der Draht an den Enden der Stahlfasern gekröpft ist, d. h. jeweils bogenförmig von der
Mittelachse der Stahlfaser weggeschwenkt ist und parallel im Abstand zur Mittelachse
ausläuft.
Wenngleich eine gute Verankerung der Fasern im Grundwerkstoff wichtig ist, so darf
diese Verankerung jedoch auch nicht zu stark sein, damit das Ziel, einen quasi
elastischen, also dehnungsfähigen Verbundwerkstoff zu erhalten, nicht verfehlt wird. Ist
nämlich die Verankerung der Fasern zu intensiv, so kann die Elastizität des
Faserwerkstoffs im Falle einer Rißbildung im Matrixwerkstoff nicht hinreichend genutzt
werden. Es kommt dann nämlich nur im unmittelbaren Nahbereich des Risses zu einer
Dehnung des Faserwerkstoffs. Das heißt, daß die Elastizität des größten Teils der
Faserlänge gar nicht zur Wirkung kommen kann. Somit tritt bei entsprechenden
Belastungen ohne große Dehnung ein plötzlicher Bruch ein.
Aus dem Deutschen Gebrauchsmuster DE-G 90 00 846.4 ist eine Vielzahl von Formen
für Fasern zur Herstellung von Faserbeton bekannt. Zur Verbesserung ihrer
Verankerungseigenschaften im Matrixwerkstoff sind diese im wesentlichen geradlinig
entlang einer Mittelachse geformten Stahlfasern an ihren Enden mit besonderen
Formelementen versehen. Diese Formelemente könne beispielsweise in
Abknickungen oder auch in kopfförmigen Verdickungen bestehen. Über die
Herstellung dieser Fasern werden keine detaillierten Angaben gemacht. In
Zusammenhang mit der Beschreibung der verschiedenen Faserformen ist jedoch von
der Verwendung von rundem oder eckigem faden- oder streifenförmigem Material
sowie vom Plattdrücken oder Abknicken der Enden die Rede. Dies läßt den Schluß zu,
daß die Formelemente zur Verbesserung der Verankerungseigenschaften durch
Umformen auf spanlosem Wege, also durch Biegen oder Drücken erzeugt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Faser dahingehend
zu verbessern, daß bei weiterhin guter Verankerung im Matrixwerkstoff eine deutliche
Verbesserung der Dehnungseigenschaften des Verbundwerkstoffes erzielt wird, die
sich in einem erhöhten Arbeitsvermögen im Faserausziehversuch zeigt, und daß
ferner auch eine wirtschaftliche Herstellung möglich ist. Ferner soll ein Verfahren und
eine Vorrichtung zu dessen Durchführung angegeben werden, mit dem die
erfindungsgemäßen Stahlfasern auf möglichst einfache und wirtschaftlicherweise
herstellbar sind.
Gelöst wird diese Aufgabe mit den in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen
Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen
Unteransprüchen eingegeben.
Die Erfindung geht aus von einer Faser zur Verstärkung gießbarer aushärtender
Werkstoffe (zum Beispiel Beton), die vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff,
insbesondere Stahl, gebildet ist und eine Länge L und eine Dicke D aufweist. Die
Faser erstreckt sich entlang der Fasermittellinie in einem geradlinig verlaufenden
Mittelteil, der die Breite BM aufweist, so daß sich beispielsweise ein rechteckiger
Querschnitt im Mittelteil mit der Querschnittsfläche FM = D . BM ergibt. Diese
Querschnittsfläche soll im Mittelteil praktisch konstant sein. In Übereinstimmung mit
einigen Formen von Fasern, die aus der DE-G 90 00 846.4 bekannt sind, weisen auch
die beiden Endbereiche E der erfindungsgemäßen Faser - zumindest in Teillängen -
quer zur Fasermittellinie eine größere Querschnittsfläche FE auf als die
Querschnittsfläche FM im Mittelteil der Faser. Die bekannten Fasern weisen etwa ein
schaufelförmig plattgedrücktes Ende oder aber einen im Vergleich zum Querschnitt
des geraden Mittelteils um ein Mehrfaches dickeren Kopf auf. Charakteristisch für die
bekannten Faserformen ist es, daß der Übergang von der konstanten
Querschnittsform des geraden Mittelteils sehr plötzlich, also quasi sprunghaft erfolgt.
Dies führt zu einer außerordentlich intensiven Verankerung im Matrixwerkstoff.
Demgegenüber sieht die erfindungsgemäße Form der Faser vor, daß die Endbereiche
E, deren Länge mindestens jeweils etwa 5% der gesamten Faserlänge L betragen
soll, zwar auch eine Vergrößerung der Querschnittsfläche FE in Richtung auf das
jeweilige Faserende aufweisen sollen, daß diese Vergrößerung der Querschnittsfläche
FE aber quasi kontinuierlich aus dem konstanten Mittelteil hervorgeht, also nicht
sprunghaft ausgebildet ist, wie dies bei der kopfförmigen Verdickung im Stand der
Technik der Fall ist. Dort wächst im Bereich des Kopfansatzes über einen sehr kleinen
Teil der axialen Länge der Faser die Querschnittsfläche auf ein Mehrfaches der
konstanten Querschnittsfläche des Mittelteils an. Die erfindungsgemäß vorgesehene
nicht sprunghafte, sondern eher gleitende Vergrößerung der Querschnittsfläche führt
zu einer überraschend hohen Zunahme des Arbeitsvermögens im
Faserausziehversuch.
Die Länge der Endbereiche E mit der Querschnittsvergrößerung sollte zweckmäßig
jeweils mindestens 7%, insbesondere mindestens 10%, der Faserlänge L
ausmachen und zweckmäßigerweise auf höchstens 25%, insbesondere höchstens 20%,
der Faserlänge L beschränkt werden. Weiterhin empfiehlt es sich, die
Querschnittszunahme auf deutlich geringere Werte zu beschränken, als dies bei der
bekannten Faser der Fall ist. Als vorteilhaft wird eine maximale Querschnittsfläche FE
in den Endbereichen E angesehen, die im Bereich des 1,1- bis 2-Fachen,
insbesondere des 1,3- bis 1,7-Fachen, der Querschnittsfläche FM im Fasermittelteil
liegt. Vorteilhaft ist eine Beschränkung auf höchstens das 1,5-Fache der
Querschnittsfläche FM. Die Querschnittsvergrößerungen sind regelmäßig an beiden
Enden einer Faser angeordnet. Zweckmäßigerweise sind die Längskanten der Fasern
jeweils als zueinander kongruente Schnittkanten ausgebildet und die Endbereiche E
punktsymmetrisch zueinander geformt. Die Abwinklung der Endbereiche muß nicht
unbedingt völlig geradlinig verlaufen, sondern kann nochmals eine weitere Abwinklung
beinhalten, die zu einer Teillänge am äußersten Ende der Faser führt, die parallel zum
geraden Mittelteil verläuft und die gleiche Breite BM aufweist wie dieser Mittelteil. Die
Übergangsstellen zwischen dem Mittelteil und den Endbereichen können eckig
ausgeführt sein. Es empfiehlt sich allerdings, an diesen Ecken jeweils einen
Rundungsradius r vorzusehen. Der Winkel γ der Abwinklung liegt bezogen auf die
Mittellinie des Mittelteils zweckmäßigerweise im Bereich von 20° bis 60°.
Zur Herstellung von Fasern mit abgewinkelten Endbereichen wird ein Verfahren
vorgeschlagen, von dem wesentliche Grundzüge aus der DE 43 14 008 A1 bekannt
sind. Die Herstellung erfolgt nämlich in besonders einfacher und wirtschaftlicher Weise
durch Zerschneiden eines blechförmigen, insbesondere streifenförmigen, Vormaterials,
das in einer schrittweisen Vorschubbewegung in den Schneidbereich eines
Schneidwerkzeugs bewegt wird, wobei die Richtung der Vorschubbewegung in einem
Winkel α von weniger als 90° zur Faserlängsachse gehalten wird und wobei die Größe
des Vorschubs V die Breite BM der Faser nach der Beziehung BM = V . sinα bestimmt.
Auf den Offenbarungsgehalt dieser Schrift wird hiermit ausdrücklich verwiesen und
vollinhaltlich Bezug genommen. Anstelle eines Schneidwerkzeugs mit geraden
Schneidkanten wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Schneidwerkzeug
eingesetzt, dessen Schneidkanten entsprechend der gewünschten Faserform lediglich
einen geraden Mittelteil und daran anschließende abgewinkelte Enden aufweisen,
wobei die abgewinkelten Enden jeweils in einem Winkel β zur Vorschubrichtung
stehen, der größer ist als der Winkel α.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens basiert auf
einer Vorrichtung, die ebenfalls aus der DE 43 14 008 A1 bekannt ist. Diese
Vorrichtung weist mindestens eine stationäre Schneide und mindestens eine damit
korrespondierende, motorisch angetrieben bewegte Schneide sowie eine schrittweise
arbeitende Vorschubeinrichtung für die Zuführung eines blechförmigen Vormaterials in
den Schneidbereich der Schneiden auf. Die Vorschubrichtung steht dabei in einem
Winkel α von weniger als 90° zur Längsachse der stationären Schneide, die einen
parallel zu dieser Längsachse verlaufenden geraden Mittelteil aufweist. In
Weiterentwicklung dieser Vorrichtung ist zur Herstellung der erfindungsgemäßen
Fasern vorgesehen, daß die Schneiden jeweils abgewinkelte Enden aufweisen, die in
einem Winkel β zur Vorschubrichtung stehen, der größer ist als der Winkel α. Das
letzte Teilstück der Enden an den Schneiden kann dabei im Bedarfsfall eine zweite
Abwinklung aufweisen, so daß das Ende jeweils parallel zur Längsachse der Schneide
ausläuft. Als zweckmäßig hat sich eine Festlegung des Winkels α im Bereich von 20°
bis 60° und des Winkels β im Bereich von 30° bis 90° erwiesen. Um die Ecken im
Übergangsbereich der Abwinklungen mit Rundungen zu versehen, können die
entsprechenden Ecken der Abwinklungen an den Schneiden mit Rundungsradien r
ausgebildet sein. Zur Leistungssteigerung einer entsprechenden Vorrichtung empfiehlt
es sich, eine Vielzahl von stationären und damit zusammenwirkenden bewegten
Schneiden nebeneinander anzuordnen. Vorteilhaft im Hinblick auf die
Fertigungskosten ist die Verwendung einer rotierenden Messerwalze für die bewegten
Schneiden, wie dies aus der DE 43 14 008 A1 bekannt ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung mit den darin
wiedergegebenen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf eine aus einem Blechstreifen
ausgeschnittene Stahlfaser,
Fig. 2, 3 vergrößerte Ansichten des Übergangsbereichs zwischen Mittelteil und
Endbereich einer Faser,
Fig. 4 Beispiele von Faserformen und
Fig. 5 bis 8 Kraft-Weg-Verläufe im Faserausziehversuch für unterschiedliche
Fasern.
Die schematische Darstellung in Fig. 1 läßt erkennen, wie eine erfindungsgemäße
Stahlfaser 1 aus einem Blechstreifen 2 ausgeschnitten werden kann. Diese
Herstellung von Fasern aus einem blechförmigen Vormaterial führt regelmäßig zu
Fasern mit einer über die gesamte Länge L der Faser gleichbleibenden Dicke D, die
der Blechdicke entspricht. Die Mittellinie der Faser 1 ist strichpunktiert eingezeichnet.
Die Vorschubrichtung des Bleches 2 ist durch einen dick eingezeichneten Pfeil
angegeben. Die Größe des Vorschubs ist mit V bezeichnet. Die Faser 1 weist einen
geradlinig verlaufenden Mittelteil auf, der zwischen den gestrichelt angedeutenden
Linien liegt. Die Endbereiche E an den beiden Enden der Faser 1 sind gegenüber
diesem geradlinigen Verlauf des Mittelteils um einen Winkel γ abgewinkelt. Wesentlich
für die Herstellung der erfindungsgemäßen Faser ist es, daß die Mittellinie des geraden
Mittelteils in einem Winkel α zur Vorschubrichtung steht, der kleiner ist als 90°. Die
abgewinkelten Enden E stehen in einem Winkel β zur Vorschubrichtung, der größer ist
als der Winkel α. Es gilt die Beziehung β = α + γ. Infolge der Schrägstellung des
Mittelteils der Faser 1 zur Vorschubrichtung ergibt sich im Mittelteil eine Breite BM quer
zur Mittellinie der Faser, die sich aus der Beziehung BM = V . sinα bestimmt. In
entsprechender Weise läßt sich die Breite BE der Faser 1 in den abgewinkelten
Endbereichen bestimmen aus dem Produkt BE = V . sinβ. Da α kleiner als 90° ist und β
größer als α, ergibt sich für die Endbereiche E eine größere Breite als die Breite BM des
geraden Mittelteils. Die Größenverhältnisse der Breiten BM des Mittelteils und BE der
Endbereiche gehen aus der vergrößerten und mit einem etwas größeren Winkel γ
versehenen Teildarstellung der Fig. 2 noch deutlicher hervor. Der Übergangsbereich
zwischen dem geraden Mittelteil und dem Endbereich ist jeweils durch gestrichelte
Linien angedeutet. Man erkennt deutlich, daß in diesem Übergangsbereich die Breite
von BM linear auf BE ansteigt.
In Fig. 3 ist eine der Fig. 2 entsprechende Darstellung wiedergegeben, die sich im
wesentlichen darin unterscheidet, daß die Eckbereiche mit Rundungsradien r versehen
sind und daß der Winkel γ etwas größer und der Winkel α etwas kleiner gewählt
wurden. Der Winkel β beträgt genau 90°, so daß der Vorschub V gleich der Breite BE
ist. Durch diese Wahl der Winkel ist die Breite BM im geraden Mittelteil der Faser im
Verhältnis zur Breite BE in den Endbereichen deutlich kleiner als bei Fig. 2 und
insbesondere bei Fig. 1. Hinsichtlich des Rundungsradius r kann ein kleiner Wert
gewählt werden, wenn man relativ nahe an der Ausführungsform gemäß Fig. 2 bleiben
will. Mit besonderem Vorteil wird jedoch ein größerer Rundungsradius eingestellt, um
einen möglichst harmonischen Übergang zwischen den geraden Mittelteil und den
Endbereichen E zu erzielen. Günstige Werte liegen etwa im Bereich des 1- bis 4-
Fachen, insbesondere im Bereich des 2- bis 3-Fachen der Breite BM im Mittelteil der
Faser.
In Fig. 4 sind fünf verschiedene Faserformen einander gegenübergestellt. Die Teilfigur
4a zeigt eine herkömmliche Faser mit einem geraden Mittelteil und kopfartig verdickten
Enden. Hierbei liegt praktisch ein sprunghafter Übergang vom konstanten
Querschnittes des Mittelteils zu dem um ein Mehrfaches größeren Querschnitt des
Kopfes vor. Die Teilfiguren 4b bis 4d zeigen dagegen erfindungsgemäße Faserformen.
Die Beispiele 4b und 4c entsprechen im Prinzip der Form aus den Fig. 1, 2 bzw. 3.
In Fig. 4d ist ein Beispiel dargestellt für eine Faser mit abgewinkelten Enden, in deren
Endbereichen jeweils eine weitere Abwinklung angebracht ist, so daß die Enden
parallel und mit gleicher Dicke wie der gerade
Mittelteil auslaufen. Eine gänzlich andere (herkömmliche) Faserform geht aus Fig. 4e
hervor. Diese Faserform ist in ihrer Herstellung erheblich aufwendiger ist als die
Herstellung etwa der Fasern gemäß Fig. 4b oder 4c. Beim Ausschneiden aus einem
Blech würden hierbei nämlich erhebliche Mengen an Schnittabfall entstehen.
Demgegenüber weisen die anderen erfindungsgemäßen Faserformen den Vorteil auf,
daß sie durch fortlaufendes Abschneiden zum Beispiel von einem schmalen
Blechstreifen ohne Entstehung von Abfall erzeugt werden können, wie dies anhand der
Fig. 1 ohne weiteres erkennbar ist. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen,
daß ein Plattklopfen der Enden zur Erzielung einer Form gemäß Fig. 4d keine Lösung
im erfindungsgemäßen Sinn wäre, da dadurch zwar eine entsprechende Breitung des
Materials erzielt würde, so daß die Grundrisse der Fasern übereinstimmen könnten,
jedoch wäre damit unvermeidbar auch eine Streckung in die Länge verbunden, so daß
ganz im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung in den Endbereichen keine
Querschnittsvergrößerung sondern sogar eine Querschnittsabnahme zu verzeichnen
wäre.
Die vorteilhafte Wirkung der erfindungsgemäßen Faser beruht insbesondere auf dem
Effekt, daß durch die Querschnittsvergrößerung in den Endbereichen einerseits einem
leichten Ausziehen der Faser aus dem Matrixwerkstoff ausreichend wirksam begegnet
wird, daß aber gleichzeitig durch die relativ sanfte Gestaltung des Übergangs vom
konstanten Querschnitt zum größeren Querschnitt in den Endbereichen günstige
Verhältnisse für die Druckverteilung im Matrixwerkstoff zur Aufnahme der Gegenkräfte
zu den Zugkräften in der Faser geschaffen werden.
Bei Stahlfasern, die zum Beispiel durch Anstauchen von Drahtabschnitten mit
verdickten Enden in der Art von Nagelköpfen versehen sind, stellt man infolge der
äußerst starken Verankerung dieser Fasern im Matrixwerkstoff im Regelfall eine
erhebliche Verzögerung des Rißbeginns im Vergleich zum Matrixwerkstoff ohne
Fasern fest. Mit zunehmender Belastung erfolgt dann aber ein sehr plötzliches Reißen
der Fasern. Das spröde Verhalten des Matrixwerkstoffs ist daher immer noch
vorhanden und wird lediglich auf ein höheres Belastbarkeitsniveau verlagert.
Andere Stahlfasern, insbesondere aus Draht hergestellte Drahtfasern, die an ihren
Enden Aufbiegungen aufweisen zur Verbesserung der Haftung und die im Regelfall
relativ hohe Zugfestigkeiten besitzen, zeigen bei einer Zugbelastung, die größer ist als
die Verbundhaftfestigkeit im Matrixwerkstoff, zunächst ein Lösen von dem
Matrixwerkstoff. Bei anhaltender Zugbelastung wird die Verankerungsvorrichtung an
den Faserenden geglättet, so daß das zunächst vergleichsweise hohe
Lastaufnahmevermögen auf ein erheblich niedrigeres Niveau absinkt.
Durch die äußerst einfache Einstellbarkeit der Breite der Enden im Verhältnis zur Breite
des geraden Mittelteils ist es bei den erfindungsgemäßen Fasern problemlos möglich,
eine auf die Festigkeit des Matrixwerkstoffs möglichst optimal abgestimmte Faserform
zu erzeugen. Tendenziell können die "Intensität" der Verankerung im Matrixwerkstoff
und somit die Größe des Winkels γ und der Wert der Querschnittsvergrößerung in den
Endbereichen E der Faser umso niedriger sein, je höher die Schubfestigkeit des
Matrixwerkstoffs ist.
Anhand von Ausziehversuchen aus einer Betonmatrix wurden die positiven
Eigenschaften der erfindungsgemäßen Fasern nachgewiesen. Bei sämtlichen
Versuchen wurde als Matrixwerkstoff ein Mörtel mit folgender
Massenzusammensetzung verwendet:
Zement: Normsand: Wasser = 1 : 3 : 0,5
Als Zement wurde ein Portlandzement ZEM I-32,5 R eingesetzt.
In einem Vergleichsversuch wurden zunächst Stahlfasern bekannter Art eingesetzt, die
aus Drahtabschnitten hergestellt waren, deren Enden zur besseren Verankerung
jeweils Abbiegungen in Form einer Kröpfung aufwiesen. Die Fasern hatten eine Länge
von 60 mm, einen Durchmesser von 0,9 mm und abgekröpfte Endbereiche mit einer
Länge von jeweils etwa 4 bis 5 mm. Die Zugfestigkeit des Fasermaterial lag bei etwa
1100 N/mm2. Bei den Ausziehversuchen wurde jeweils eine Stahlfaser in einen
zylindrischen Probekörper koaxial eingebettet, der in der Mitte quer zur Längsachse
geteilt war. Die beiden Hälften des Probekörpers wurden jeweils in eine
Zerreißmaschine eingespannt und die Zugkraft über den Zugweg aufgezeichnet. Die
Versuche wurden jeweils bei Erreichen eines Zugweges von 10 mm abgebrochen.
Fig. 5 zeigt für drei der bekannten Fasern den typischen Kraft-Weg-Verlauf, der sich
über den ersten 2 bis 3 mm des Zugweges dadurch auszeichnet, daß die Zugkraft bis
auf einen Maximalwert ansteigt. Mit zunehmendem Weg fällt die Zugkraft danach
deutlich ab.
Die bei den weiteren Versuchen eingesetzten erfindungsgemäßen Fasern hatten eine
Form entsprechend Fig. 4b. Sie waren aus einem Stahlblech von 0,8 mm Dicke und
einer Zugfestigkeit von 950 N/mm2 ausgeschnitten und hatten in ihrem geradlinigen
Mittelteil eine Breite von 0,6 mm. Die Länge der Fasern betrug ebenfalls 60 mm. Es
wurden insgesamt drei verschiedene Faserformen getestet, die sich voneinander
lediglich durch die Stärke der Abwinklung der Endbereiche und damit in der Breite BE
dieser Endbereiche unterschieden. Die Versuchsergebnisse gemäß Fig. 6 beziehen
sich auf eine Faser, bei der die Querschnittsfläche des Endbereichs um 20% größer
war als im geraden Mittelteil. Bei den Fasern gemäß Fig. 7 betrug diese
Querschnittsvergrößerung 25% und bei den Fasern gemäß Fig. 8 30%. Man erkennt
sehr deutlich, insbesondere in den Kurvenverläufen der Fig. 8, daß die
erfindungsgemäßen Fasern ein völlig anderes Verhalten zeigen als die herkömmliche
Faser (Fig. 5). Man stellt hierbei über den Zugweg gesehen am Anfang
erwartungsgemäß einen steifen Anstieg der Zugkraft fest, wobei allerdings im
weiteren Verlauf erstaunlicherweise eine ganz deutliche Tendenz zu einem weiteren
Anstieg der Zugkraft bei großen Zugwegen zu registrieren ist. Diese
Versuchsergebnisse verdeutlichen, daß es mit der erfindungsgemäßen Faser gelingt,
das naturgemäß äußerst spröde Verhaften des Betons hin zu einem quasi duktilen
Verhalten zu verändern. Bei dem Vergleich der Versuchsergebnisse aus den Figuren 6
bis 8 mit den Ergebnissen des Vergleichsversuchs in Fig. 5 ist zu beachten, daß die
wiedergegebenen absoluten Werte der Zugkraft insofern relativiert werden müssen,
als der Faserquerschnitt bei der Faser aus Fig. 5 mit einem Wert von 0,636 mm2
erheblich höher liegt als der Faserquerschnitt der erfindungsgemäßen Fasern mit
0,48 mm2. Insofern muß das positive Ergebnis der Versuchswerte aus den Figuren 6
bis 8 noch höher bewertet werden. In der Tabelle sind daher neben den Werten für
die Zugkraft auch die rechnerischen Zugspannungen in den Stahlfasern angegeben.
Es wurden neben den in den Versuchen ermittelten Maximalwerten auch die
jeweiligen Durchschnittswerte angegeben. Man erkennt, daß die Maximalwerte der
Zugspannungen bei allen Fasern erheblich unter der Zugfestigkeit des eingesetzten
Fasermaterials von 1100 N/mm2 bei der bekannten Faser und von 950 N/mm2 bei der
erfindungsgemäßen Faser liegen, daß aber bei der erfindungsgemäßen Faserform,
insbesondere bei Querschnittsvergrößerungen um 25% oder 30%, die Festigkeit des
Fasermaterials wesentlich besser genutzt wird.
Claims (19)
1. Faser, insbesondere Stahlfaser, zur Verstärkung gießbarer aushärtender
Werkstoffe, insbesondere Beton, mit einer Länge L und einer Dicke D, gebildet
aus einem blechförmigen Vormaterial der Dicke D, die einen entlang der
Fasermittellinie sich erstreckenden, geradlinig verlaufenden Mittelteil der Breite
BM aufweist und deren beide Endbereiche E zumindest in Teillängen quer zur
Fasermittellinie eine größere Querschnittsfläche FE aufweisen als die
Querschnittsfläche FM im Mittelteil der Faser, wobei die Vergrößerung der
Querschnittsfläche FE der Endbereiche E in Richtung der Faserenden nicht
sprunghaft ausgebildet ist und die Länge der Endbereiche E jeweils mindestens
5% der gesamten Faserlänge L beträgt,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Endbereiche E zumindest in einer ersten Teillänge jeweils als
Abwinklung in einem Winkel γ vom geraden Mittelteil der Faser mit zueinander
parallelen Längskanten ausgeführt sind, daß die Abwinklungen mit der die Breite
BM aufweisenden Seite des Mittelteils in einer gemeinsamen Ebene liegen und
daß die Abwinklungen einer Faser jeweils bezüglich der Mittellinie des geraden
Mittelteils auf entgegengesetzte Seiten der Faser weisen.
2. Faser nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Länge der Endbereiche E jeweils mindestens 7%, insbesondere
mindestens 10%, der gesamten Faserlänge L beträgt.
3. Faser nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Länge der Endbereiche E jeweils höchstens 25%, insbesondere
höchstens 20%, der gesamten Faserlänge L beträgt.
4. Faser nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die maximale Querschnittsfläche FE in den Endbereichen E jeweils im
Bereich des 1,1- bis 2-Fachen der Querschnittsfläche FM im Mittelteil beträgt.
5. Faser nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die maximale Querschnittsfläche FE in den Endbereichen E jeweils
mindestens das 1,2-Fache, insbesondere mindestens das 1,3-Fache, der
Querschnittsfläche FM im Mittelteil beträgt.
6. Faser nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die maximale Querschnittsfläche FE in den Endbereichen E jeweils
höchstens das 1,7-Fache, insbesondere höchstens das 1,5-Fache, der
Querschnittsfläche FM im Mittelteil beträgt.
7. Faser nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Längskanten der Faser jeweils als zueinander kongruente Schnittkanten
ausgebildet sind.
8. Faser nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Endbereiche E punktsymmetrisch zueinander geformt sind.
9. Faser nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Abwinklungen zum Ende der Faser hin eine Teillänge aufweisen, die
parallel zum geraden Mittelteil verläuft und die gleiche Breite BM aufweist wie der
Mittelteil.
10. Faser nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Übergang vom geraden Mittelteil in die Endbereiche E jeweils mit einem
Rundungsradius r ausgeführt ist.
11. Faser nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Größe des Rundungsradius r im Bereich des 1- bis 4-Fachen,
insbesondere im Bereich des 2- bis 3-Fachen der Faserbreite BM im geraden
Fasermittelteil liegt.
12. Faser nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Winkel γ der Abwinklung bezogen auf die Mittellinie des Mittelteils im
Bereich von 20° bis 60° liegt.
13. Verfahren zur Herstellung von Fasern zur Verstärkung gießbarer aushärtender
Werkstoffe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, durch Zerschneiden eines
blechförmigen Vormaterials, das in einer schrittweisen Vorschubbewegung in
den Schneidbereich eines Schneidwerkzeugs bewegt wird, wobei die Richtung
der Vorschubbewegung in einem Winkel α von weniger als 90° zur
Faserlängsachse gehalten wird und die Größe des Vorschubs V die Breite BM
der Faser nach der Beziehung BM = V . sinα bestimmt,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Schneidwerkzeug verwendet wird, bei dem die Schneidkanten der
Schneiden entsprechend der Faserform einen geraden Mittelteil und daran
anschließende abgewinkelte Enden aufweisen, wobei die abgewinkelten Enden
jeweils in einem Winkel β zur Vorschubrichtung stehen, der größer ist als der
Winkel α.
14. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 13, mit mindestens
einer stationären Schneide und mindestens einer damit korrespondierenden,
motorisch angetrieben bewegten Schneide sowie mit einer schrittweise
arbeitenden Vorschubeinrichtung für die Zuführung eines blechförmigen
Vormaterials in den Schneidbereich der Schneiden, wobei die Vorschubrichtung
in einem Winkel α von weniger als 90° zur Längsachse der stationären
Schneide steht, die einen parallel zur Längsachse verlaufenden geraden
Mittelteil aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schneiden jeweils abgewinkelte Enden aufweisen, die in einem Winkel β
zur Vorschubrichtung stehen, der größer ist als der Winkel α.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Enden in einer Teillänge eine zweite Abwinklung aufweisen und jeweils
parallel zur Längsachse der Schneide auslaufen.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 oder 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Winkel α im Bereich von 20° bis 60° und der Winkel β im Bereich von
30° bis 90° liegt.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ecken der Abwinklungen mit Rundungsradien r versehen sind.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17,
dadurch gekennzeichnet,
daß jeweils eine Vielzahl von stationären und bewegten Schneiden
nebeneinander angeordnet sind.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18,
dadurch gekennzeichnet,
daß die bewegten Schneiden auf einer rotierenden Messerwalze angeordnet
sind.
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