DE2322271C2

DE2322271C2 - Verfahren zum mechanischen Verstärken von formbaren und/oder härtbaren Massen

Info

Publication number: DE2322271C2
Application number: DE19732322271
Authority: DE
Inventors: Adolf Prof. Dr.-Ing. 6906 Leimen Meyer
Original assignee: Heidelberger Zement AG
Current assignee: HeidelbergCement AG
Priority date: 1973-05-03
Filing date: 1973-05-03
Publication date: 1983-03-24
Also published as: GB1469647A; FR2228042B3; FR2228042A1; CH599911A5; DE2322271A1; JPS5048027A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum mechanischen Verstärken von formbaren und/oder härtbaren Massen, die durch anorganische Bindemittel verfestigbar und hauptsächlich für bautechnische Zwecke anwendbar sind, unter Verwendung von durchgehenden Mineralfaserbündeln.

Es ist bekannt, daß durch anorganische Bindemittel verfestigte Massen im allgemeinen eine relativ niedrige Zugfestigkeit, Biegezugfestigkeit, Schlagzähigkeit und Bruchdehnung haben. Solche relativ spröden Massen lassen sich zwar durch das Einarbeiten geeigneter Fasern verstärken, wobei gleichzeitig die Entstehung und Ausbreitung von Rissen gehemmt und die Bruchdehnung vergrößert wird. Für diesen Zweck haben sich Fasern aus Metall, Asbest, Cellulose und Kunststoff bewährt.

Jedoch ist der Einsatz von einfachen Mineralfasern durch einen unzureichenden Haftverbund und bei alkalisch reagierenden Massen zusätzlich infolge mangelnder chemischer Verträglichkeit zwischen den beiden Komponenten behindert. So sind durch die DD-PS 90 983, Seite 6, Silikatfaserstoffe bekannt, die mit Filmen von hoher chemischer Beständigkeit, vorzugsweise hoher Alkalibeständigkeit, überzogen sind, um die chemische Verträglichkeit zwischen den beiden Komponenten zu gewährleisten. Nachteiligerweise treten bei der Verwendung solcher kunststoffüberzogener Fasern insbesondere bei höheren Temperaturen unzulässige Verformungen infolge eines Kriecheffekts des Kunststoffs auf. Ebenfalls aus der DD-PS 90 983, Seite 4, sind Faserstränge zur Betonarmierung bekannt, die mit Kunstharz imprägniert und zur Verbesserung der Haftung durch Bestreuen mit Quarzsand präpariert sind. Aber auch solchermaßen präparierte Faserstränge waren bisher wenig erfolgreich, weil infolge des Kriechens des Kunststoffs durch den Einbau der Faserstränge eine vorteilhafte, verfestigende Wirkung praktisch nicht zu erreichen war.
Auch ist aus der DD-PS 90 983, Seite 2 und 3, bekannt, Mineralfasern zur Verstärkung kunststoffgebundener Massen einzusetzen. Die mineralfaserverstärkten Kunststoffe haben sich allerdings wegen ihres ungünstigen Brandverhaltens und einiger noch ungelöster Probleme im Hinblick auf ihr Langzeitverhalten für vorübergehend oder dauernd tragende Bauteile nicht durchsetzen können. ^Λ

Die Einbettung von Mineralfasern in kunststoffgebundene Masser, ist an sich einfach, da es sich bei Kunststoffen in nichterhärtetem Zustand im allgemeinen um Flüssigkeiten handelt

Bei den durch anorganische Bindemittel verfestigten Massen liegt dagegen im nichterhärtetem Zustand eine Suspension vor, deren Körner zum Teil größer als die Zwischenräume zwischen den Fasern sind. Eine Umhüllung der inneren Fasern eines Bündels durch die Suspension ist daher nicht oder nur schlecht möglich.

Aus diesem Grund war die Fachwelt bisher der Auffassung, daß der Haftverbund zwischen allen Mineralfasern und der bindenden anorganischen Masse nicht erreichbar ist. Es blieb daher in solchen Massen der Einbau begrenzter Mengen an Verstärkungsfasern auf das Einmischen und/oder Einrieseln relativ kurzer Fasern beschränkt.

So wird in der DD-PS 90 983, Seite 6, Absatz 2, vorgeschlagen, Silikatfaserstoffe mit Polymeren in gelöster oder dispergierter Form und/oder Teerprodukten und siliziumorganischen Verbindungen und/oder kationaktiven Chromkomplexen organischer Säuren und/oder Metallsalzen und/oder Oxiden zu behandeln und in ein anorganisches Bindemittel einzuarbeiten.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß die eben dargelegte Auffassung der Fachwelt ein Vorurteil darstellt. Es ist nämlich, wie die vorliegende Erfindung lehrt, möglich, den notwendigen Haftverbund zwischen den Mineralfasern und der durch anorganische Bindemittel verfestigbaren (härtbaren) Masse dadurch sicherzustellen, daß man das eingangs gattungsgemäß genannte Verfahren zum mechanischen Verstärken von formbaren und/oder härtbaren Massen in der Weise durchführt, daß man die Fasern der Bündel vor oder beim Einbetten in die zu verstärkende Masse stellenweise durch härtbare Flüssigkeiten verbindet oder auf mechanischem Weg miteinander kraftschlüssig verklemmt bzw. verzahnt. Als härtbare Flüssigkeiten haben sich dabei überraschenderweise Harz, Schmelzen aus Glas, Keramik und Metall als brauchbar erwiesen. Als mechanische Hilfsmittel kommen insbesondere Klemmen in Frage.

Durch solche Klemmen wird eine kraftschlüssige Verbindung der Fasern in einem Bündel erreicht.

Es zeigte sich nämlich überraschenderweise, daß die Hydratationsprodukte der Bindemittel im Laufe der Zeit in das Innere der Mineralfaserbündel vordringen.

Genauere Angaben hierüber werden weiter unten gemacht. Die innen liegenden Mineralfasern werden auf diese Weise nach und nach mit fortschreitender Hydratation mit zur Aufnahme der Belastung herange-

zogen.

Um bei den Mineralfaserbündeln bereits im frühen Stadium möglichst alle Mineralfasern eines »endlosen Mineralfaserbündels« an der Aufnahme der Belastung teilnehmen zu lassen, wird das Mineralfaserbündel vor oder beim Einbau in die Masse stellenweise mit einer härtbaren Flüssigkeit, z. B. Harz, Schmelzen aus Glas, Keramik, Metall und Metallegierung getränkt

Der gleiche Effekt kann auch auf mechanischem Weg durch Klemmwirkung oder Reibung herbeigeführt werden.

Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Lage der Fasern im Querschnitt des Bündels vor dem Einbetten derart gezielt zu verändern, daß alle Fasern alternierend außen liegen und auf diese Weise abschnittsweise mit der Masse in Berührung kommen.

In allen diesen Fällen entsteht ein vorteilhafter, sogenannter nachgiebiger Verbund, der die Schlagzähigkeit der zum Körper bzw. Formkörper verfestigten Masse, die nunmehr ein Bauelement sein kann, außerordentlich günstig beeinflußt und trotzdem die volle Ausnutzung des Bündelquerschnittes bei Zugbeanspruchung zuläßt

Damit ist es überraschenderweise möglich geworden, im Gegensatz zur Offenbarung der DD-PS 90 983, an sich unpräparierte, also nicht mit Schutzüberzügen versehene, Mineralfaserbündel zur Festigkeitserhöhung von härtbaren, insbesondere auch alkalischen, Massen einzusetzen. Dazu werden die bislang als hinderlich angesehenen Hydratationsprodukte der Bindemittel erfindungsgemäß insofern ausgenützt, als sie im Laufe der Zeit in das Innere der erfindungsgemäßen Mineralfaserbündel vordringen.

Die Einbettung der Mineralfaserbündel in die formbaren und/oder härtbaren Massen geschieht also in der Weise, daß die Mineralfaserbündel eine Länge aufweisen, die der Abmessung der Massen in Richtung der Einbettung der Mineralfaserbündel entspricht; meist weisen die formbaren und/oder härtbaren Massen, die das sogenannte Substrat für die Mineralfaserbündel sind, bereits vor ihrer Verfestigung (Härtung) eine gewisse Raumform, also eine mehr oder weniger leicht zu definierende geometrische Gestalt auf.

Im folgenden werden die zu erzielenden Vorteile im einzelnen aufgeführt:

a) Beim Einbetten der sogenannten Mineralfaserbündel in die Masse treten kaum Festigkeitsverluste und auch kaum Faserbrüche auf. Nachteile, die man beim Einmischen von Fasern in Kauf nehmen muß.

b) Durch eine gezielte Verlegung der Mineralfaserbündel in die Beanspruchungsrichtung an der statisch günstigen Stelle ohne die bei Stahleinlagen zum Korrosionsschutz notwendige Betondecke und durch die Verwendung von sogenannten Endlosfasern, die Übergreifungslängen vorteilhafterweise entbehrlich machen, wird eine optimale wirtschaftliche Ausnutzung der Verstärkungswirkung der Mineralfasern erreicht.

c) Die erfindungsgemäß mit »endlosen« Mineralfasern verstärkten Massen besitzen im Vergleich zu Massen, in denen relativ kurze Mineralfasern eingemischt oder eingerieselt sind, bei gleichem Faservolumen eine mehrfach erhöhte Zugfestigkeit.

d) Der »nachgiebige »Verbund zwischen den erfindungsgemäß eingebetteten Mineralfaserbündeln und der Masse führt zu einer hohen Schlagzähigkeit und wirkt sich günstig auf eine Temepraturwechselbeanspruchung der Masse bzw. der verfestigten (gehärteten) Masse aus.

e) Bei Zug- und Biegebeanspruchungen von erfindungsgemäß mit »endlosen« Mineralfaserbündeln bewehrten Massen wird ein Sprödbruch vermieden und der Verformungsbruch rechtzeitig durch Risse und Verformungen angekündigt

f) Das Schwindmaß der erfindungsgemäß mit »endlosen« Mineralfaserbündeln verstärkten, beispielsweise zementgebundenen Massen läßt sich durch eine Zugabe von dem Fachmann zur Verfügung stehenden Zuschlägen, beispielsweise Feinsand, wesentlich herabsetzen.

g) Der bei dem zum Stand der Technik gehörenden Einmischen von kurzen Fasern, auch beim Einsatz von Verarbeitungshilfen, beispielsweise von Betonverflüssigern, aus Verarbeitungsgründen erforderliche Wasserüberschuß, kann vorteilhafterweise gemäß vorliegender Erfindung unterbleiben,- das kostenaufwendige, nachträgliche Entziehen des festigkeitsmindernden Überschußwassers aus der Masse ist bei vorliegender Erfindung entbehrlich.

h) Bei der Verstärkung alkalisch reagierender Massen durch »endlose« Mineralfaserbündel gemäß vorliegender Erfindung ist die Festigkeitseinbuße, bedingt durch alkalischen Angriff, geringer als beim Einmischen und Einrieseln relativ kurzer Mineralfasern.

i) Der Haftverbund zwischen den eingebetteten Mineralfasern und dem Substrat, nämlich der Masse, wird unter anderem durch das Hineinwachsen von Hydratationsprodukten in die Mineralfaserbündel optimal gestaltet

j) Ein Kriechen von kunststoffbeschichteten oder in anderer Weise schutzbeschichteten Faserbündeln, wie in der DD-PS 90 983 beschrieben, wird vermieden, was der Erhöhung der Festigkeit der härtbaren Masse, insbesondere auch einer alkalisehen Masse zugute kommt.

k) Die Beschichtung der Mineralfaserbündel, wie in der DD-PS 90 983 auf Seite 6 Absatz 2 vorgeschlagen, wird eingespart. Erfindungsgemäß müssen die Fasern eines Bündels nur noch in Abständen auf einer relativ kurzen Strecke durch härtbare Flüssigkeiten oder auf mechanischem Wege miteinander kraftschlüssig verbunden werden.

Vorzugsweise verwendet man »endlose« Mineralfaserbündel, in denen die Einzelfaser einen Durchmesser von 5 bis 50 μπι aufweist, wobei sich die Einzelbündel aus 50 bis 30 000 Mineralfasern (Spinnfäden) zusammensetzen.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden erfindungsgemäß Faserbündel eingesetzt, bei denen die Lage der einzelnen Fasern im Querschnitt eines Bündels schon vor dem Einbetten derart gestaltet ist daß alle Fasern in bestimmten Abständen alternierend außen liegen und abschnittsweise mit der zu verstärkenden Masse in Berührung kommen.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann man das erfindungsgemäße Verfahren derart durchführen, daß man beim Einbetten der Mineralfaseri/ündel den lichten Abstand zwischen benachbarten Mineralfaserbündeln so wählt, daß einerseits eine ausreichende feine Rißverteilung gewährleistet ist und andererseits ein Trennbruch in der Faserebene vermieden wird, d. h. man wählt den lichten Abstand durch eine

- fachmänniche Maßnahme immerhin so dicht, daß eine ausreichend feine Rißverteilung gewährleistet ist, aber andererseits nicht zu dicht, um das Entstehen eines Trennbruches in der Faserebene zu vermeiden. Diese Maßnahme steht dem Fachmann aufgrund seines Fachwissens zur Verfügung, d. h. der Erfolg läßt sich durch Ausprobieren feststellen.

Nach einer weiteren Ausführungsform vorliegender Erfindung wird derart gearbeitet, daß die »endlosen« Mineralfaserbündel in der Regel unidirektional einge- ι ο bettet werden und die eventuell notwendige Querbewehrung entweder ebenfalls aus »endlosen« Mineralfaserbündeln oder aber auch aus kurzen Mineralfasern oder anderen Fasern, die zusätzlich in die Masse eingerieselt oder eingemischt werden, bewirkt wird.

Nach einer weiteren Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Verfahren in der Variante ausgeführt, daß man zur Verstärkung der Masse allein oder zusätzlich zur eben erwähnten Querbewehrung Gewebe, Gelege oder Matten aus Mineralfasern oder anderen Fasern verwendet, deren Bewehrungsanteil in verschiedenen Richtungen unterschiedlich und bei denen in allen oder einzelnen Kreuzungspunkten eine verschiebefeste Verbindung hergestellt wird.

Die Einbettung der »endlosen« Mineralfaserbündel in die Masse wird vorzugsweise durch Einlegen, Ziehen oder Wickeln durchgeführt, wobei man nach einer bevorzugten Ausführungsform gleichzeitig die für den Haftverbund notwendige, weitgehand porenfreie Umhüllung der Mineralfaserbündel mit der noch nicht erhärteten Masse durch vorsichtiges Verdichten, beispielsweise durch Vibrieren erreicht, ohne daß die Mineralfasern dabei durch mechanische Beanspruchungen in ihren Eigenschaften wesentlich beeinträchtigt werden.

Das Wesen vorliegender Erfindung wird nun anhand der F i g. 1 - 3 weiterhin erläutert.

F i g. 1 zeigt die Abhängigkeit der Schlagzähigkeit vom Mineralfasergehalt (nämlich Glasfasergehaii); man entnimmt der F i g. 1 leicht, daß bei steigendem Glasfaservolumen die Schlagzähigkeit zementgebundener Massen erheblich ansteigt; Glasfaserbetone mit eingemischten oder eingerieselten kurzen Glasfasern erreichen zum Vergleich nur eine Schlagzähigkeit von maximal 0,5 mm · N/mm². Die in der graphischen Darstellung gemäß F i g. 1 dargestellten Meßergebnisse der Schlagzähigkeit in Abhängigkeit vom Bewehrungsgrad wurden an Mörtelplatten der Abmessung 6x1 χ 16 cm mit eindimensionaler Verstärkung, gewonnen. '

F i g. 2 zeigt in graphischer Darstellung die Abhängigkeit der Biegezugfestigkeit vom Glasfasergehalt, wobei die Messungen gleichfalls wieder an Mörtelplatten der

Tabelle I

Abmessung 6x1 χ 16cm mit einem Wasser/Zement-Wert von 0,50 und einem Alter von 28 Tagen gewonnen wurden; diese Testplatten besaßen ebenfalls eine eindimensionale Verstärkung.

Die Biegezugfestigkeit von Mineralfaserbetonen (hier Glasfaserbeton) mit einem eingemischten oder eingerieselten Fasergehalt von 3—10 Volumprozent liegt im Vergleich dazu mit maximal 25 N/mm² wesentlich tiefer.

In F i g. 3 ist in graphischer Darstellung die Wirkung des Alkaliangriffs auf Ε-Glas hinsichtlich der Biegezugfestigkeit in Abhängigkeit vom Alter der glasfaserverstärkten Masse dargestellt. Die Kurve A bezieht sich dabei auf Massen, die erfindungsgemäß Einbettungen aus »endlosen« Mineralfaserbündeln aufweisen, während sich die Kurve B auf Massen, bezieht, die kurze Mineralfasern eingemischt oder eingerieselt enthalten. Man sieht, daß die Biegezugfestigkeit der Massen gemäß A nach vollendeter Verfestigung wesentlich weniger beeinträchtigt wird als diejenige der Massen gemäß B.

Der alkalische Angriff kann beim erfindungsgemäßen Einsatz der »endlosen« Mineralfaserbündel dadurch zusätzlich vermindert werden, daß man den pH-Wert des Porenwassers z. B. durch Carbonatisieren herabsetzt. In diesem Zusammenhang ist auf die deutsche Offenlegungsschrift Nummer 1915 563 hinzuweisen. Ferner kann man durch Zusätze, wie z. B. Trass und/oder Zusatzmittel und/oder geeignete Bindemittelauswahl, wie z. B. Tonerde-Zement, eine ähnliche Wirkung erreichen.

Bei besonders hohen Anforderunger, an die Dauerhaftigkeit können Mineralfasern mit erhöhter Widerstandsfähigkeit gegen alkalischen Angriff eingesetzt werden.

Im folgenden werden weiterhin zwei Tabellen gebracht, die gleichfalls das Wesen vorliegender Erfindung erläutern, bzw. den mit der Erfindung erzielten Vorteil zeigen.

In der Tabelle I sind die Inhaltsstoffe von 5 Mischungen angegeben. Sie zeigt die Zusammensetzung ausgewählter, durch Mineralfasern verstärkter zementgebundener Massen. Die angegebenen Zahlen sind kg pro 1 m³ Masse.

In der Tabelle II sind die Eigenschaften der zementgebundenen Massen 1 —5, nämlich die Rohdichte, der Mineralfasergehalt, die Druckfestigkeit, die Biegezugfestigkeit, die Biegeschiagzähigkeit, der Elastizitätsmodul und die Bruchdehnung angegeben. Die einzelnen Dimensionen dieser Eigenschaften sind gleichfalls in der Tabelle II aufgeführt Die Überlegenheit der erfindungsgemäß behandelten Masse 5 ist aus der Tabelle II deutlich ersichtlich.

Zement
Wasser

Glasseide
endlos

geschnitten
Feinsand
Methylcellulose
Schaumbildner

Menge	Mischung Nr.	2	3	T)-	5
	1	1070	850	1140	790
kg	850	470	400	520	360
kg	410	—	—	-	125
kg	—	37	50	50	-
kg	37	220	-	220	800
kg	-	4	6	4	-
kg	6	—	1	-	-
kg	1

7 8

Tabelle II

Herstellverfahren	Mischung Nr	2	3	4	5	if·.'
	1		Einrieseln		Einbetten	i I
	Einmischen	1,7	1,2	1,9	2,0	i
Rohdichte (lufttrocken), kg/dm³	1,2	1,5	2,0	2,0	4,5	1
Mineralfasergehalt, Vol.%	1,5	35	15	60	70	I
Druckfestigkeit, N/mm²	15	16	14	22	65	1
Biegezugfestigkeit, N/mm²	10	0,25	0,3	0,65	2,4	i
Biegeschlagzähigkeit, cm N/mm²	0,2	12	6	20	24	4
Ε-Modul, 10"³ · N/mm²	5	6	8	9	13	i
Bruchdehnung, ⁰Z^₀	5	Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Verfahren zum mechanischen Verstärken von formbaren und/oder härtbaren Massen, die durch anorganische Bindemittel verfestigbar und hauptsächlich für bautechnische Zwecke anwendbar sind, unter Verwendung von durchgehenden Mineralfaserbündeln, dadurch gekennzeichnet, daß man die Fasern der Bündel vor oder beim Einbetten in die zu verstärkende Masse stellenweise durch härtbare Flüssigkeiten oder auf mechanischem Wege miteinander kraftschlüssig verbindet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß man die Lage der Fasern im Querschnitt der Bündel vor dem Einbetten derart gestaltet, daß alle Fasern alternierend außen liegen und abschnittsweise mit der zu verstärkenden Masse in Berßhrung kommen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Verstärkung der Masse zusätzlich Gewebe, Gelege oder Matten aus Mineralfasern oder anderen Fasern verwendet, deren Bewehrungsanteil in verschiedenen Richtungen unterschiedlich ist und bei denen an den Kreuzungspunkten eine verschiebefeste Verbindung vorhanden ist, wobei man die endlosen Mineralfaserbündel in der Regel unidirektional einbettet und die gegebenenfalls notwendige Querbewehrung entweder ebenfalls aus endlosen Mineralfaserbündeln oder aber auch aus kurzen Mineralfasern oder anderen Fasern, die zusätzlich in die Masse eingerieselt oder eingemischt werden, besteht.

4. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die Einbettung der Mineralfasei bündel in die Masse durch Einlegen oder Ziehen oder Wickeln durchführt.