EP3947844B1 - Spannbetonkörper, verfahren zu dessen herstellung und dessen verwendung - Google Patents

Spannbetonkörper, verfahren zu dessen herstellung und dessen verwendung Download PDF

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EP3947844B1
EP3947844B1 EP20717787.4A EP20717787A EP3947844B1 EP 3947844 B1 EP3947844 B1 EP 3947844B1 EP 20717787 A EP20717787 A EP 20717787A EP 3947844 B1 EP3947844 B1 EP 3947844B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
prestressed
approximately
filament yarns
concrete body
prestressed concrete
Prior art date
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Active
Application number
EP20717787.4A
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English (en)
French (fr)
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EP3947844A1 (de
Inventor
Michael Buchmeiser
Frank Hermanutz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deutsche Institute fuer Textil und Faserforschung Stuttgart
Deutsche Institute fuer Textil und Faserforschung Denkendorf DITF
Original Assignee
Deutsche Institute fuer Textil und Faserforschung Stuttgart
Deutsche Institute fuer Textil und Faserforschung Denkendorf DITF
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Publication date
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Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04C—STRUCTURAL ELEMENTS; BUILDING MATERIALS
    • E04C5/00—Reinforcing elements, e.g. for concrete; Auxiliary elements therefor
    • E04C5/07—Reinforcing elements of material other than metal, e.g. of glass, of plastics, or not exclusively made of metal
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04C—STRUCTURAL ELEMENTS; BUILDING MATERIALS
    • E04C5/00—Reinforcing elements, e.g. for concrete; Auxiliary elements therefor
    • E04C5/08—Members specially adapted to be used in prestressed constructions
    • E04C5/085—Tensile members made of fiber reinforced plastics

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a prestressed concrete body, the prestressed concrete body that can be obtained thereafter, in which fibers in the form of filament yarns are included, and special possible uses of this prestressed concrete body.
  • Prestressed concrete is a variant of reinforced concrete with an additional external longitudinal force. This is applied by tensioned steel inserts made of high-strength prestressing steel, which "compress" the concrete.
  • the construction method is mainly used for beams and bridge girders and allows for larger spans compared to reinforced concrete with the same construction heights.
  • the stretched tendons are supported on the concrete by their anchors or directly by bonding with the concrete, which means that it is subjected to a compressive load and by any eccentricity of the anchorage in relation to the centroid of the cross-section receives a moment load.
  • deflection forces are generated in the case of curved or kinked tendon guides.
  • the component is loaded by the prestressing in such a way that there are no or only small concrete tensile stresses in the concrete cross-section when superimposed with external influences such as its own weight.
  • prestressed concrete Since concrete can only absorb small tensile stresses (about 10% compared to compressive stress) before cracking, but high compressive stresses, the prestressed (compressed) concrete is more usable.
  • the component is stiffer in the area of service loads due to the absence or greatly reduced crack formation and therefore shows smaller deformations (deflections) with large spans and high loads.
  • the load capacity can be increased by using prestressing steel, as this has a higher strength than normal reinforcing steel.
  • Prestressed concrete is used today especially in bridge construction, but also in container construction or in building construction for trusses, hollow slabs or precast prestressed concrete slabs.
  • the prestressing wires or strands are non-positively connected to the concrete, so that there is practically no relative displacement between the two materials.
  • prestressing with immediate bond there is a direct bond between the prestressing steel and the concrete.
  • This method is mainly used in the prestressing bed of precast plants, where prestressing wires or strands stretched against external abutments are concreted into the precast element. After concreting and hardening of the concrete, the prestressing is released. The prestressing force is applied in the prefabricated part through the bond between the concrete and the prestressing steel and wedging of the relaxed wire (or the strand) (Hoyer effect).
  • This type of prestressing is only possible with a straight prestressing steel guide. It is used, for example, for the production of railway concrete sleepers and hollow core slabs.
  • a major disadvantage of the prior art is the high sensitivity to corrosion of the high-strength steels used: Since creep and shrinkage of the concrete reduce the prestressing forces of the tendons, particularly high prestrains of the prestressing steel are required. This means that for a given clamping force, the cross-sectional area of the tendon should be as small as possible. This can only be achieved by using high-strength steels. However, the steels of the tendons of the prestressed concrete components, which are under high tensile stresses, are particularly sensitive to corrosion. Corrosion protection by means of grout mortar and concrete must therefore be carried out with particular care.
  • liquid concrete is filled into the shaping container containing the prestressed filament yarns and the liquid concrete contained in the shaping container while maintaining the specified applied prestress is cured to the ready-mixed concrete (implicit).
  • the measures of the prior art no improvement in the robustness and thus an extension of the service life of the prestressed concrete body is achieved.
  • the U.S. 3,520,749 A nor the KR 2010 0053257 A disclose the step of wetting restrained filament yarns with water to swell.
  • such a technical feature improves the sturdiness of the prestressed concrete body according to the invention described below.
  • the object of the invention is to remedy the above-mentioned disadvantages of the prior art, in particular to avoid the problems mentioned with stress corrosion cracking in prestressed concrete bodies and to improve the robustness and thus increase the service life of bridge components, for example.
  • the invention is intended to open up the possibility of eliminating the effects of cracking in the prestressed concrete body even in already existing critical structures.
  • this object is achieved by a prestressed concrete body which can be obtained by the method according to at least one of the following claims 1 to 7 and is characterized in that the prestressed concrete body contains prestressed filament yarns based on cellulose and/or cellulose derivatives.
  • the invention has a variety of configurations, which are as follows: It is particularly advantageous if the pretension imposed on the filament yarns is about 0.5 kg to 10.0 kg/4000 dtex, preferably about 1.0 kg to 8 kg/4000 dtex, more preferably about 2.0 to 6.0 kg/4000 dtex. Attention is also desirably paid to the fineness of the individual filaments of the pretensioned filament yarns. So it is preferred if the fineness of the individual filaments of the pretensioned filament yarns is about 0.4 to 10.0 dtex (according to DIN EN 1973/year 1995), preferably about 0.6 to 6.0 dtex and in particular about 1.0 to 3 dtex is.
  • the prestressed concrete body is prestressed by about 0.1 to 20% by weight, preferably by about 0.5 to 14.0% by weight and in particular by about 1.0 to 6.0% by weight contains filament yarns. It remains a mandatory feature of the invention that the prestressed concrete body contains special prestressed filament yarns. However, in individual cases it can be advantageous if the prestressed concrete body also contains non-prestressed filament yarns, in particular in the form of textiles, whereby it can be assumed that fibers can also be involved here, and consequently not just endless fibers such as filaments. Among the textiles, wovens, knits, scrims, fleeces and/or knits have proven to be advantageous. The associated advantages are that the brittle fracture behavior is additionally improved and an increase in the elongation at break is achieved.
  • prestressed filament yarns are not critical for the purposes of the present invention. Nevertheless, it has been shown to be advantageous if the prestressed filament yarns are based on regenerated cellulose fibers, in particular produced by the viscose or lyocell process or by spinning cellulose from its solution in ionic liquids. It is particularly advantageous here if the prestressed filament yarns
  • Viscose fibers are based, especially in the form of cord fibers.
  • the advantages of using regenerated cellulose fibers as pretensioned filament yarns are particularly evident in the fact that the yarns can be advantageously stretched when wet.
  • the invention can be implemented not only with the aid of pretensioned filament yarns based on cellulose, as already mentioned above, but also through the sole or simultaneous use of filament yarns based on cellulose derivatives. It has been shown that it is advantageous if the prestressed concrete body contains prestressed filaments based on cellulose derivatives in the form of cellulose esters, preferably cellulose acetate or cellulose allophanate.
  • the arrangement of the filaments, in particular in the longitudinal direction (direction of tension) of the prestressed concrete body according to the invention, is not to be assessed critically. However, it is advantageous if the filament yarns are arranged in parallel in one or more planes.
  • the prestressed concrete body according to the invention is advantageously characterized in that the prestressed concrete body has a flexural modulus of about 20 GPa to 0.1 GPa, preferably about 10 GPa to 0.5 GPa, in particular about 8 GPa to 1 GPa (according to DIN EN 14488/year 2005), a bending force of about 100 to 0.2, preferably about 80 to 1, in particular about 60 to 3 MPa (according to DIN EN 14488/year 2005), and/or an elongation at break of about 5 to 0.5, preferably from about 4 to 0.8, in particular from about 3 to 1% (according to DIN EN 14488/year 2005).
  • the particularly advantageous method according to the invention is described below, with which the prestressed concrete body according to the invention is expediently produced:
  • the procedure is such that 1.) filament yarns based on cellulose and/or derivatives thereof are clamped in a shaping container, 2.) the clamped Filament yarns are wetted with water to their sources, 3.) the wetted filament yarns with a bias of about 0.5 to 10.0 kg/4000 dtex are applied, 4.) liquid concrete is poured into the shaping container containing the prestressed filament yarns, 5.) the liquid concrete contained in the shaping container is cured while maintaining the applied prestress to finished concrete.
  • the above-mentioned filament yarns based on cellulose and/or derivatives thereof are clamped into a shaping container.
  • This container is not subject to any significant restrictions.
  • This can be a rectangular body, for example.
  • the clamping takes place in that the yarns are fixed at one end face and exit through a perforated diaphragm from the other end face, where the tensile load is applied.
  • the filament yarns After the filament yarns have been clamped, they are wetted with water, preferably with water at a temperature of 10 to 60° C., until they swell as much as possible.
  • water preferably with water at a temperature of 10 to 60° C.
  • step 3 the filament yarns are subjected to a pretension of 0.5 to 10.0 kg/4000 dtex.
  • the procedure here is as follows: The filament yarns are brought together after the perforated screen to form a master yarn and guided over a roller to the traction machine, which is used to apply controlled tensile force.
  • liquid concrete is poured into the shaping container containing the prestressed filament yarns.
  • any cement in particular Portland cement, a mixture of cement with sand and/or gravel and the like.
  • aggregate originally aggregate
  • the added water (formerly also mixing water) initiates the chemical setting process, the hardening.
  • concrete additives and concrete admixtures which are professionally available, can also be added to the mixture will. Most of the water is chemically bound during cement setting.
  • the method according to the invention can be advantageously designed in many ways: it is expedient that the pretension in step 3.) is reduced to about 1.0 kg to 8.0 kg/4000 dtex, in particular about 2.0 kg to 6.0 kg/ 4000 dtex is set.
  • the fineness of the individual filaments of the pretensioned and the optional non-pretensioned filament yarns is about 0.4 to 10.0 dtex, preferably about 0.6 to 6.0 dtex and in particular about 1.0 to 3.0 dtex (according to DIN EN ISO 1973).
  • the pretensioned filament yarns are present in an amount of from about 0.1 to about 20% by weight, preferably from about 0.5 to 14.0% by weight and in particular from about 1.0 to 6. 0% by weight are contained in the liquid concrete introduced in step 4.).
  • the prestressed concrete body according to the invention it is not absolutely necessary for the prestressed concrete body according to the invention to contain only prestressed filament yarns. Rather, it can lead to special advantages in individual cases if non-pretensioned filament yarns, in particular in the form of textiles, are included, in particular before step 4.). The advantages arising from this have already been mentioned above, in particular when the textiles are used in the form of wovens, knitted fabrics, scrims, nonwovens and/or crocheted fabrics.
  • regenerated cellulose yarns are used as filament yarns to provide prestressed filament yarns in the prestressed concrete, in particular those that are made from cellulose by the viscose or lyocell process or by spinning ionic liquids was prepared.
  • the advantages of these regenerated cellulose filament yarns are that the yarns are made from endless fibers and fibers with high moduli of elasticity are obtained via this process. These advantages are achieved in particular when the filament yarns are cord fibers ("tire cord fibers") based on viscose fibers.
  • Use of the prestressed concrete body has proven to be particularly advantageous as a component or structural element of low brittleness and/or high corrosion resistance, particularly in bridge construction bridge girders, in tank construction, in building construction, in trusses, in the manufacture of hollow core slabs, hollow slabs, prefabricated slabs and for recycling at the end of their service life by grinding them into concrete granules.
  • Regenerated cellulose yarns (manufactured and sold by Cordenka GmbH) of the Cordenka 700 type (1840 dtex) are threaded in several rows into a perforated diaphragm of a cement mold measuring 15 ⁇ 6 ⁇ 3 cm and tensioned with a tensile load of 1 kg/4000 dtex. The fibers are sprayed with water and stretched.
  • Portland Limestone Cement (manufactured by Heidelberger Cement) EN 197 is mixed in a ratio of 1 part cement/0.4 parts water as specified. The mass is poured evenly into the mold. The casting samples are cured and dried at 20°C for 28 days. The sample can be removed from the mold after a drying time of 28 days.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Spannbetonkörpers, den danach erhältlichen Spannbetonkörper, in den Fasern in Form von Filamentgarnen einbezogen sind, sowie spezielle Verwendungsmöglichkeiten dieses Spannbetonkörpers.
  • Spannbeton ist eine Variante des Stahlbetons mit einer zusätzlichen äußeren Längskraft. Diese wird durch gespannte Stahleinlagen aus hochfestem Spannstahl aufgebracht, welche den Beton "zusammendrücken". Die Bauweise wird vor allem bei Balken und Brückenträgern eingesetzt und ermöglicht hier bei gleichen Konstruktionshöhen im Vergleich zu Stahlbeton größere Stützweiten.
  • Spannbeton unterscheidet sich von sonstigem Stahlbeton durch eine planmäßige Vorspannung (= Vordehnung) der Stahleinlagen, der Spannglieder. Dabei stützen sich die gedehnten Spannglieder durch ihre Anker oder direkt durch Verbund mit dem Beton auf den Beton ab, wodurch dieser einer Druckbelastung sowie durch eine etwaige Exzentrizität der Verankerung gegenüber der Querschnittsschwerelinie eine Momentenbelastung erhält. Zusätzlich werden bei gekrümmten oder geknickten Spanngliedführungen Umlenkkräfte erzeugt. Das Bauteil ist durch die Vorspannung so belastet, dass bei Überlagerung mit den äußeren Einwirkungen wie Eigengewicht keine oder nur kleine Betonzugspannungen im Betonquerschnitt vorhanden sind. Da Beton nur geringe Zugspannungen aufnehmen kann (ca. 10% im Vergleich zur Druckspannung), bevor er reißt, aber hohe Druckspannungen, ist der vorgespannte (gedrückte) Beton besser nutzbar. Das Bauteil ist im Bereich der Gebrauchslasten aufgrund einer fehlenden oder stark reduzierten Rissbildung steifer und weist daher bei großen Stützweiten und hohen Lasten kleinere Verformungen (Durchbiegungen) auf. Ein Steigern der Traglast kann durch das Verwenden von Spannstahl erreicht werden, da dieser im Vergleich zu normalem Bewehrungsstahl eine höhere Festigkeit hat. Besonders beim Brückenbau, aber auch im Behälterbau oder im Hochbau bei Bindern, Hohldielen oder Spannbeton-Fertigdecken findet Spannbeton heute seine Anwendung.
  • Die Spanndrähte oder Spannlitzen sind kraftschlüssig mit dem Beton verbunden, so dass eine Relativverschiebung zwischen beiden Werkstoffen praktisch nicht stattfindet. Bei der Vorspannung mit sofortigem Verbund ist ein direkter Verbund zwischen Spannstahl und Beton vorhanden. Diese Methode wird vor allem im Spannbett von Fertigteilwerken angewendet, bei dem gegen externe Widerlager gespannte Spanndrähte oder -litzen in das Fertigteil einbetoniert werden. Nach dem Betonieren und Erhärten des Betons wird die Vorspannung gelöst. Durch den Verbund zwischen Beton und Spannstahl sowie ein Verkeilen des entspannten Drahtes (oder der Litze) (Hoyer-Effekt) ist die Spannkraft im Fertigteil aufgebracht. Diese Art der Vorspannung ist nur bei einer geradlinigen Spannstahlführung möglich. Sie wird beispielsweise für die Herstellung von Eisenbahnbetonschwellen und Spannbetonhohldielen verwendet.
  • Ein wesentlicher Nachteil des Standes der Technik ist die starke Korrosionsempfindlichkeit der verwendeten hochfesten Stähle:
    Da Kriechen und Schwinden des Betons die Vorspannkräfte der Spannglieder abbauen, sind besonders hohe Vordehnungen des Spannstahls erforderlich. Das bedeutet, bei einer vorgegebenen Spannkraft soll die Querschnittsfläche des Spannglieds möglichst klein sein. Dies ist nur durch Verwendung hochfester Stähle erreichbar. Die unter hohen Zugspannungen stehenden Stähle der Spannglieder der Spannbetonbauteile sind aber besonders korrosionsempfindlich. Der Korrosionsschutz durch Einpressmörtel, Beton ist daher besonders sorgfältig auszuführen.
  • Die oben beschriebene Technik hat zu vielfältigen nachteiligen Erscheinungen geführt: Durch mangelnde Erfahrung mit der neuen Technik und Unterschätzung der Umwelteinflüsse kam es in der Nachkriegszeit zu Einstürzen, notwendigen Abbrüchen oder kostspieligen Instandsetzungen verschiedener Spannbetonbauwerke. Dabei spielten z.B. auch Probleme mit Spannungsrisskorrosion bei Spannstählen (z.B. Neptunstahl), Unkenntnis von Baustoffeigenschaften (unterschiedlichen E-Modulen von Beton je nach verwendeten Gesteinszuschlägen) und Imperfektionen der Berechnungsverfahren (Vernachlässigung von Temperaturgradienten im Querschnitt) eine wichtige Rolle. Eine Erkennung geschädigter Verstärkungselemente ist extrem aufwändig und kostenintensiv: Durch die Verwendung der austauschbaren externen Vorspannung soll im Brückenbau eine weitere Verbesserung der Robustheit und damit Verlängerung der Lebensdauer erreicht werden. Außerdem ist es möglich, durch das Verfahren der Spanndrahtbruchortung auch in den bereits vorhandenen, möglicherweise kritischen, Konstruktionen Risse der Spannstähle zu erkennen. Der nachfolgend bezeichnete Stand der Technik löst die oben angesprochenen Probleme nicht, insbesondere führt der Stand der Technik nicht zu einer Verbesserung der Robustheit des Spannbetonkörpers. So offenbart die US 3 520 749 A zwar folgendes Verfahren zur Herstellung eines Spannbetonkörpers, wobei Filamentgarne auf Basis von Cellulose und/oder deren Derivaten eingespannt werden (Abs. [0035]), Flüssigbeton in den die vorgespannten Filamentgarne enthaltenen formgebenden Behälter eingefüllt wird und der im formgebenden Behälter enthaltene Flüssigbeton unter Aufrechterhaltung der angegebenen beaufschlagten Vorspannung zum Fertigbeton ausgehärtet wird (implizit). Mit den Maßnahmen des Standes der Technik wird keine Verbesserung der Robustheit und damit eine Verlängerung der Lebensdauer des Spannbetonkörpers erreicht. Weder die US 3 520 749 A noch die KR 2010 0053257 A offenbaren den Schritt des Benetzens eingespannter Filamentgarne mit Wasser zum Quellen. Ein solches technisches Merkmal verbessert jedoch die Robustheit des Spannbetonkörpers entsprechend der nachfolgend beschriebenen Erfindung.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben angesprochenen Nachteile des Standes der Technik zu beheben, insbesondere die angesprochenen Probleme mit der Spannungsrisskorrosion bei Spannbetonkörpern zu vermeiden und eine Verbesserung der Robustheit und damit Verlängerung der Lebensdauer von z.B. Brückenbauelementen zu erreichen. Zudem soll die Erfindung die Möglichkeit erschließen, auch in bereits vorhandenen kritischen Konstruktionen die Auswirkung von Rissbildung im der Spannbetonkörper zu beheben.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Spannbetonkörper gelöst, der nach dem Verfahren nach mindestens einem der nachfolgenden Ansprüche 1 bis 7 erhältlich und dadurch gekennzeichnet ist, dass der Spannbetonkörper vorgespannte Filamentgarne auf Basis von Cellulose und/oder Cellulosederivaten enthält.
  • Die Erfindung erfährt vielfältige Ausgestaltungen, die sich wie folgt darstellen: Es ist besonders vorteilhaft, wenn die den Filamentgarnen auferlegte Vorspannung etwa 0,5 kg bis 10,0 kg/4000 dtex, vorzugsweise etwa 1,0 kg bis 8 kg/4000 dtex, insbesondere etwa 2,0 bis 6,0 kg/4000 dtex beträgt. Auch der Feinheit der Einzelfilamente der vorgespannten Filamentgarne wird zweckmäßigerweise Aufmerksamkeit zugewendet. So ist es bevorzugt, wenn die Feinheit der Einzelfilamente der vorgespannten Filamentgarne etwa 0,4 bis 10,0 dtex (nach DIN EN 1973/Jahrgang 1995), vorzugsweise etwa 0,6 bis 6,0 dtex und insbesondere etwa 1,0 bis 3 dtex beträgt. Auch ist eine Mengenbemessung der im Spannbetonkörper enthaltenen vorgespannten Filamentgarne zweckmäßig. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Spannbetonkörper etwa 0,1 bis 20 Gew.-%, vorzugsweise etwa 0,5 bis 14,0 Gew.-% und insbesondere etwa 1,0 bis 6,0 Gew.-% vorgespannte Filamentgarne enthält. Zwar bleibt es zwingendes Merkmal der Erfindung, dass der Spannbetonkörper spezielle vorgespannte Filamentgarne enthält. Jedoch kann es in Einzelfällen vorteilhaft sein, wenn der Spannbetonkörper zusätzlich nicht vorgespannte Filamentgarne enthält, insbesondere in Form von Textilien, wobei man davon ausgehen kann, dass es sich hier auch um Fasern handeln kann, demzufolge nicht nur Endlosfasern, wie Filamente. Unter den Textilien haben sich Gewebe, Gewirke, Gelege, Vliese und/oder Gestricke als vorteilhaft erwiesen. Die Vorteile, die damit verbunden sind, erweisen sich darin, dass das Sprödbruchverhalten zusätzlich verbessert wird und eine Steigerung der Bruchdehnung erreicht wird.
  • Zwar ist die Art der vorgespannten Filamentgarne für die Zwecke der vorliegenden Erfindung nicht als kritisch zu bewerten. Dennoch hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die vorgespannten Filamentgarne auf Celluloseregeneratfasern beruhen, insbesondere hergestellt nach dem Viskose- oder dem Lyocell-Verfahren oder durch Verspinnen von Cellulose aus deren Lösung in ionischen Flüssigkeiten. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn die vorgespannten Filamentgarne auf
  • Viskosefasern beruhen, insbesondere in Form von Cordfasern. Die Vorteile, die beim Einsatz von Celluloseregeneratfasern als vorgespannte Filamentgarne zu sehen sind, zeigen sich insbesondere darin, dass die Garne im nassen Zustand vorteilhaft gedehnt werden können.
  • Die Erfindung lässt sich nicht nur anhand von vorgespannten Filamentgarnen auf Basis von Cellulose verwirklichen, wie oben bereits angesprochen, sondern auch durch alleinigen oder gleichzeitigen Einsatz von Filamentgarnen, die auf Cellulosederivaten beruhen. Hierbei hat es sich gezeigt, dass es vorteilhaft ist, wenn der Spannbetonkörper vorgespannte Filamente auf Basis von Cellulosederivaten in Form von Celluloseestern, vorzugsweise von Celluloseacetat oder Celluloseallophanat, enthält.
  • Zwar ist die Anordnung der Filamente insbesondere in Längsrichtung (Zugrichtung) des erfindungsgemäßen Spannbetonkörpers nicht kritisch zu bewerten. Es ist aber vorteilhaft, wenn die Filamentgarne in einer oder mehreren Ebenen parallel angeordnet sind.
  • Der erfindungsgemäße Spannbetonkörper zeichnet sich aufgrund seiner strukturellen Merkmale dadurch vorteilhaft aus, dass der Spannbetonkörper ein Biegemodul von etwa 20 GPa bis 0,1 GPa, vorzugsweise von etwa 10 GPa bis 0,5 GPa, insbesondere von etwa 8 GPa bis 1 GPa (nach DIN EN 14488/Jahrgang 2005), eine Biegekraft von etwa 100 bis 0,2, vorzugsweise von etwa 80 bis 1, insbesondere von etwa 60 bis 3 MPa (nach DIN EN 14488/Jahrgang 2005), und/oder eine Bruchdehnung von etwa 5 bis 0,5, vorzugsweise von etwa 4 bis 0,8, insbesondere von etwa 3 bis 1% (nach DIN EN 14488/Jahrgang 2005) aufweist.
  • Nachfolgend wird das besonders vorteilhafte Verfahren gemäß der Erfindung beschrieben, mit dem der erfindungsgemäße Spannbetonkörper zweckmäßigerweise hergestellt wird: Dabei wird so vorgegangen, dass 1.) Filamentgarne auf Basis von Cellulose und/oder deren Derivaten in einen formgebenden Behälter eingespannt werden, 2.) die eingespannten Filamentgarne mit Wasser zu deren Quellen benetzt werden, 3.) die benetzten Filamentgarne mit einer Vorspannung von etwa 0,5 bis 10,0 kg/4000 dtex beaufschlagt werden, 4.) Flüssigbeton in den die vorgespannten Filamentgarne enthaltenden formgebenden Behälter eingefüllt wird, 5.) der im formgebenden Behälter enthaltene Flüssigbeton unter Aufrechterhaltung der beaufschlagten Vorspannung zum Fertigbeton ausgehärtet wird.
  • Zunächst werden die oben bezeichneten Filamentgarne auf Basis von Cellulose und/oder deren Derivaten in einen formgebenden Behälter eingespannt. Dieser Behälter unterliegt keinen wesentlichen Einschränkungen. Dabei kann es sich beispielsweise handeln um einen rechteckigen Körper. Das Einspannen erfolgt dadurch, dass die Garne an einer Stirnfläche fixiert werden und durch eine Lochblende aus der anderen Stirnfläche austreten und dort die Zuglast aufgebracht wird. Nachdem die Filamentgarne eingespannt sind, werden sie mit Wasser, vorzugsweise mit Wasser einer Temperatur von 10 bis 60°C, zu ihrer möglichst weitgehenden Quellung benetzt. Als Regel könnte man hier angeben, dass auf 1 g Filamentgarn etwa 0,5 bis 2 g Wasser, das vorteilhafterweise auf eine Temperatur von 10 bis 40°C eingestellt wird, entfallen. Auf diese Weise wird das erforderliche Quellen erreicht.
  • Anschließend werden die Filamentgarne im Schritt 3.) mit einer Vorspannung von 0,5 bis 10,0 kg/4000 dtex beaufschlagt. Im Einzelnen wird hier wir folgt vorgegangen: Die Filamentgarne werden nach der Lochblende zu einem Mastergarn zusammengeführt und über eine Rolle zur Zugmaschine geführt, über die kontrolliert Zugkraft ausgebracht wird.
  • Schließlich wird in den die vorgespannten Filamentgarne enthaltenden formgebenden Behälter Flüssigbeton eingefüllt. Hierbei ist dem Fachmann klar, dass er beliebigen Zement heranziehen kann, insbesondere Portlandzement, eine Abmischung von Zement mit Sand oder/und Kies und dergleichen. Es bleibt zudem die Möglichkeit, Gesteinskörnung (früher Zuschlag) als Zuschlagstoff zuzusetzen. Das Zugabewasser (früher auch Anmachwasser) leitet den chemischen Abbindevorgang, die Erhärtung ein. Um die Verarbeitbarkeit und die weiteren Eigenschaften des Betons zu beeinflussen, können der Mischung auch Betonzusatzstoffe und Betonzusatzmittel, fachmännisch zugänglich, beigegeben werden. Das Wasser wird im Rahmen der Zementabbindung zum größten Teil chemisch gebunden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann vielfältig vorteilhaft ausgebildet werden: So ist es zweckmäßig, dass die Vorspannung bei dem Schritt 3.) auf etwa 1,0 kg bis 8,0 kg/4000 dtex, insbesondere etwa 2,0 kg bis 6,0 kg/4000 dtex eingestellt wird.
  • Um einen optimalen Erfolg mit der Erfindung zu erreichen, ist es zweckmäßig, die Feinheit zu bedenken. So ist es vorteilhaft, wenn die Feinheit der Einzelfilamente der vorgespannten und der fakultativen nicht-vorgespannten Filamentgarne etwa 0,4 bis 10,0 dtex, vorzugsweise etwa 0,6 bis 6,0 dtex und insbesondere etwa 1,0 bis 3,0 dtex beträgt (nach DIN EN ISO 1973).
  • Zur Optimierung der Erfindung ist es sachdienlich, wenn der Menge der in dem erfindungsgemäßen Spannbeton enthaltenen vorgespannten Filamentgarne Aufmerksamkeit zugewandt wird. So ist es von Vorteil, wenn die vorgespannten Filamentgarne in einer Menge von etwa 0,1 bis etwa 20 Gew.-%, vorzugsweise von etwa 0,5 bis 14,0 Gew.-% und insbesondere von etwa 1,0 bis 6,0 Gew.-% in dem im Schritt 4.) eingeführten Flüssigbeton enthalten sind.
  • Es ist nicht zwingend erforderlich, dass der erfindungsgemäße Spannbetonkörper allein vorgespannte Filamentgarne enthält. Vielmehr kann es in Einzelfällen zu besonderen Vorteilen führen, wenn nicht vorgespannte Filamentgarne, insbesondere in Form von Textilien, einbezogen werden, dies insbesondere vor dem Schritt 4.). Die Vorteile, die daraus erwachsen, wurden vorstehend bereits genannt, insbesondere dann, wenn die Textilien in Form von Geweben, Gewirken, Gelegen, Vliesen und/oder Gestricken eingesetzt werden.
  • Auf die Art der besonderen Filamentgarne wurde vorstehend bereits eingegangen. Daher erweist es sich auch als zweckmäßig, wenn als Filamentgarne zur Bereitstellung vorgespannter Filamentgarne in dem Spannbeton Celluloseregeneratgarne eingesetzt werden, insbesondere solche, die nach dem Viskose- oder dem Lyocell-Verfahren oder durch Verspinnen von Cellulose aus ionischen Flüssigkeiten hergestellt wurde. Die Vorteile dieser Celluloseregeneratfilamentgarne liegen darin, dass die Garne aus Endlosfasern hergestellt sind und über diese Verfahren Fasern mit hohen Elastizitätsmodulen erhalten werden. Diese Vorteile werden insbesondere erreicht, wenn die Filamentgarne auf Basis von Viskosefasern Cordfasern ("Reifencordfasern") darstellen.
  • Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die eingangs geschilderten Nachteile des Standes der Technik erfindungsgemäß insbesondere dadurch gelöst werden, dass an Stelle von Stahl hochfeste spezielle Filamentgarne eingesetzt werden. Durch den Einsatz von in nassem Zustand dehnbaren Hochleistungsfilamentgarnen, wie insbesondere Filamentgarnen auf Basis von Cellulosereifencord, kann auf die Fasern bzw. auf die Garne Spannung gegeben, die im Beton beim Aushärten fixiert werden. In einer Ausführungsweise werden die Faserkabel in feuchtem Zustand in der Betongießform mit hohen Kräften gegeben. Dieser gedehnte Zustand führt zu einer Vorspannung im letztlich anfallenden Spannbetonkörper. Nach dem Aushärten und Trocknen des Frischbetons werden die vorgespannten Filamentgarne fixiert. Die gesamte Vorspannkraft wird auf das Betonelement übertragen. Besonders vorteilhaft sind technische Filamentgarne auf Basis von Cellulose, jedoch auch auf Basis von Cellulosederivaten oder beiden Materialien. Von besonderem Vorteil sind Rayonfilamentfasern, insbesondere solche, die auf Reifencord beruhen. Diese können sehr gut gedehnt werden und in den Spannbetonkörper eine wünschenswert hohe Spannkraft einbringen und dessen Arbeitsvermögen verbessern. Die Filamentkabel in dieser Ausführung sind vollständig alkalibeständig und absolut korrosionsbeständig. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn etablierte Techniken zum Spannen direkt verwendet werden können. Weiterhin ist die einfache Entsorgung und Recyclisierung der Betonteile, da ein aufwändiges Abtrennen von Stahl entfällt, von großem Nutzen.
  • Auf der Grundlage der obigen Betrachtungen steht die Frage an, in welchen Bereichen der erfindungsgemäße Spannbetonkörper mit besonderem Vorteil verwendet werden kann. Es hat sich eine Verwendung des Spannbetonkörpers als besonders vorteilhaft erwiesen als Bauteil oder Bauelement geringer Sprödigkeit und/oder hoher Korrosionsbeständigkeit, insbesondere beim Brückenbau, bei Brückenträgern, beim Behälterbau, im Hochbau, bei Bindern, bei der Herstellung von Hohldecken, Hohldielen, Fertigdecken und zum Recyclisieren nach Ablauf der Nutzungsdauer durch Vermahlen zu Betongranulaten.
  • Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Beispielen näher erläutert werden:
    • Beispiele 1 bis 4
  • Celluloseregeneratgarne (hergestellt und vertrieben von Cordenka GmbH) Typ Cordenka 700 (1840 dtex) werden in eine Lochblende einer Zement-Gussform der Größe 15 x 6 x 3 cm in mehreren Reihen eingefädelt und mit einer Zuglast von 1 kg/4000 dtex gespannt. Die Fasern werden mit Wasser besprüht und gedehnt. Portland Kalksteinzement (hergestellt von der Firma Heidelberger Zement) EN 197 wird im Mischungsverhältnis 1 Teil Zement/0,4 Teile Wasser nach Vorgabe angerührt. Die Masse wird gleichmäßig in die Form gegossen. Die Gussproben werden 28 Tage bei 20°C ausgehärtet und getrocknet. Die Probe kann nach 28 Tagen Trocknungszeit aus der Form genommen werden. Die mechanische Messung wurde an einem Zwick-Prüfgerät entsprechend DIN EN 14488 ausgeführt. Tabelle 1
    Beispiel Fasergehalt [Gew.%] Biegemodul [MPa] Biegekraft [MPa] Bruchdehnung [%]
    1 0 718 2,10 0,5
    2 0,2 730 2,5 0,7
    3 0,6 820 3,1 0,9
    4 1 1200 4,2 1,1
    • Beispiele 5 und 6
  • Ausführung wie Beispiele 1-4 ohne Zuglast Tabelle 2
    Beispiel Fasergehalt [Gew.%] Biegemodul [MPa] Biegekraft [MPa] Bruchdehnung [%]
    5 0,2 718 2,3 0,6
    6 1 740 2,7 0,9
    • Beispiel 7
  • Ausführung wie Beispiele 1-4. Es wird zusätzlich ein Gewebe in Leinwandbindung, hergestellt aus Celluloseregeneratgarnen Cordenka 700 (1840 dtex), in die Gussform eingelegt. Flächengewicht 400 g/m2.
    Tabelle 3Beispiel Fasergehalt [Gew.%] Biegemodul [MPa] Biegekraft [MPa] Bruchdehnung [%]
    7 1+Gewebe 1350 4,6 1,1

Claims (15)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Spannbetonkörpers, dadurch gekennzeichnet, dass
    1.) Filamentgarne auf Basis von Cellulose und/oder deren Derivaten in einen formgebenden Behälter eingespannt werden,
    2.) die eingespannten Filamentgarne mit Wasser zu deren Quellen benetzt werden,
    3.) die benetzten Filamentgarne mit einer Vorspannung von etwa 0,5 bis 10,0 kg/4000 dtex beaufschlagt werden,
    4.) Flüssigbeton in den die vorgespannten Filamentgarne enthaltenden formgebenden Behälter eingefüllt wird,
    5.) der im formgebenden Behälter enthaltene Flüssigbeton unter Aufrechterhaltung der angegebenen beaufschlagten Vorspannung zum Fertigbeton ausgehärtet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung bei dem Schritt 3.) auf etwa 1,0 kg bis 8,0 kg/4000 dtex, insbesondere etwa 2,0 kg bis 6,0 kg dtex eingestellt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinheit der Einzelfilamente der vorgespannten und der fakultativen nicht-vorgespannten Filamentgarne etwa 0,4 bis 10,0 dtex, vorzugsweise etwa 0,6 bis 6,0 dtex und insbesondere etwa 1,0 bis 3,0 dtex beträgt.
  4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgespannten Filamentgarne in einer Menge von etwa 0,1 bis etwa 20 Gew.-%, vorzugsweise von etwa 0,5 bis 14,0 Gew.-% und insbesondere von etwa 1,0 bis 6,0 Gew.-% in dem im Schritt 4.) eingeführten Flüssigbeton enthalten sind.
  5. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu den vorgespannten Filamentgarnen nicht vorgespannte Filamentgarne, insbesondere in Form von Textilien, in das Verfahren einbezogen werden, insbesondere vor dem Schritt 4.), wobei die Textilien vorzugsweise in Form von Geweben, Gewirken, Gelegen, Vliesen und/oder Gestricken eingesetzt werden.
  6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Filamentgarne zur Bereitstellung vorgespannter Filamentgarne in dem Spannbeton Celluloseregeneratgarne eingesetzt werden, insbesondere solche, die nach dem Viskose- oder dem Lyocell-Verfahren oder durch Verspinnen von Cellulose aus ionischen Flüssigkeiten hergestellt sind.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Filamentgarne auf Viskosefasern, insbesondere auf Cordfasern, beruhen.
  8. Spannbetonkörper, erhältlich nach dem Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 und dadurch gekennzeichnet, dass der Spannbetonkörper vorgespannte Filamentgarne auf Basis von Cellulose und/oder Cellulosederivaten enthält.
  9. Spannbetonkörper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannbetonkörper etwa 0,1 bis 20 Gew.-%, vorzugsweise etwa 0,5 bis 14,0 Gew.-% und insbesondere etwa 1,0 bis 6,0 Gew.-% vorgespannte Filamentgarne enthält.
  10. Spannbetonkörper nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannbetonkörper zusätzlich nicht vorgespannte Filamentgarne enthält, insbesondere in Form von Textilien, wobei die Textilien vorzugsweise in Form von Geweben, Gewirken, Gelegen, Vliesen und/oder Gestricken vorliegen.
  11. Spannbetonkörper nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgespannten Filamentgarne auf Celluloseregeneratfasern beruhen, insbesondere hergestellt nach dem Viskose- oder dem Lyocell-Verfahren oder durch Verspinnen von Cellulose aus deren Lösung in ionischen Flüssigkeiten, wobei die vorgespannten Filamentgarne vorzugsweise auf Viskosefasern beruhen, insbesondere in Form von Cordfasern.
  12. Spannbetonkörper nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannbetonkörper vorgespannte Filamentgarne auf Basis von Cellulosederivaten in Form von Celluloseestern, vorzugsweise von Celluloseacetat und/oder Celluloseallophanat, enthält.
  13. Spannbetonkörper nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Filamentgarne in einer oder mehreren Ebenen parallel angeordnet sind.
  14. Spannbetonkörper nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannbetonkörper
    ein Biegemodul von etwa 20 GPa bis 0,1 GPa, vorzugsweise von etwa 10 GPa bis 0,5 GPa, insbesondere von etwa 8 GPa bis 1 GPa (nach DIN EN 14488/Jahrgang 2005),
    eine Biegekraft von etwa 100 bis 0,2, vorzugsweise von etwa 80 bis 1, insbesondere von etwa 60 bis 3 MPa (nach DIN EN 14488/Jahrgang 2005), und/oder
    eine Bruchdehnung von etwa 5 bis 0,5, vorzugsweise von etwa 4 bis 0,8, insbesondere von etwa 3 bis 1% (nach DIN EN 14488/Jahrgang 2005)
    aufweist.
  15. Verwendung des Spannbetonkörpers nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 14 als Bauteil oder Bauelement geringer Sprödigkeit und/oder hoher Korrosionsbeständigkeit, insbesondere beim Brückenbau, beim Behälterbau, im Hochbau, bei der Herstellung von Hohldecken, Fertigdecken und zum Recyclisieren nach Ablauf der Nutzungsdauer durch Vermahlen zu Betongranulaten.
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