Bauprodukt und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauprodukts durch Vermischen eines hydraulischen Bindemittels,
vorzugsweise eines Portland-Zements, als Matrix mit einer FaserverStärkung und ein so hergestelltes Produkt. Insbesondere,
jedoch nicht ausschließlich befaßt sich die Erfindung mit der Herstellung von faserverstärkten Bauplatten bzw. -tafeln und
der Zusammensetzung der so hergestellten Platten bzw. Tafeln.
Faserverstärkte Bauprodukte der beschriebenen Gestaltung sind wohl bekannt. Diese Produkte basieren auf einer Matrix, die
hauptsächlich aus einem hydraulischen Bindemittel besteht, wie beispielsweise Portland-Zement, Aluminiumzement, Flugaschenzement,
Kalk, Gips, Diatomenerde, Puzzolan und Mischungen derselben.
Für die Verstärkung verwendete Fasern können organische oder anorganische Fasern oder eine Fasermischung sein; und Fasern,
die vorgeschlagen worden sind, umfassen Asbest, Glasfasern, Stahlfasern, Mineralfasern, Zellulosefasern und Kunststofffasern.
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Die Quellen für für die Herstellung von faserverstärkten Bauprodukten
geeigneten Asbestfasern sind begrenzt, und für viele Zwecke ist es wünschenswert, die Verwendung vonAsbest als
Verstärkungsfasern zu vermeiden. Des weiteren ist es bei der Verwendung von Glasfasern und Stahlfasern nachteilig, daß diese
Pasern sehr teuer sind und zur Erzielung desselben Verstärkungsausmasses
der Aufwand gegenüber der Verwendung von Asbest 4 bis 5 mal so groß ist. Nebenbei neigen Glasfasern und Stahlfasern
zu einer Zersetzung in einem bestimmten Ausmaß, die letzteren zwar nur in unbedeutender Weise und ausschließlich
an der Oberfläche des faserverstärkten Fasermaterials, während die erstgenannten fortlaufend einer bestimmten Zersetzung als
Folge der Alkali-Natur des Zements unterliegen.
Aus der GB-PS 11 30 612 ist die Verwendung von faserigen Verstärkungskomponenten
bekannt, die aus einem gedehnten und anschließend zerfaserten Kunststoff!immaterial, vorzugsweise
einem Polyolefinfilm, hergestellt sind. Die oben in Verbindung
mit Asbestfasern, Glasfasern und Stahlfasern angegebenen Nachteile treten nicht auf, wenn das vorstehend genannte Material
in einem Mörtel verwendet wird, der beispielsweise aus Portland-Zemen
und Kies besteht; infolge ihrer extrem glatten Oberfläche wird jedoch nur eine schwache Bindung an die Matrix nach Aushärtung
derselben erreicht. Die aus der GB-PS bekannte Faserverstärkung besteht aus einem gedrehten bzw. verdrillten Kunststoff
garn mit einem Gewicht von 1 bis 1,5 g/m und ist zu Filamenten von etwa 75 mm Länge zerschnitten. Das Garn ist als
sogenanntes Spaltfasermaterial aus einem film- bzw. folienförmigen
Kunststoffband hergestellt, das nach Extrusion und Kühlung auf etwa das 10-Fache seiner ursprünglichen Länge gestreckt
worden ist. Die Streckung bzw. Reckung bewirkt, daß die Struktur des Kunststoffmaterials stärker orientiert wird
mit einer sich daraus ergebenden, erheblich vergrößerten Zugfestigkeit in Längsrichtung und einer erheblich reduzierten
Zugfestigkeit rechtwinklig hierzu.
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Wegen seiner schwachen Zugfestigkeit in Querrichtung besitzt das verlängerte bzw. gedehnte Material eine natürliche Tendenz
zur Aufspaltung; diese Aufspaltung kann beispielsweise durch Drehen bzw. Verdrehen des gestreckten Kunststoffilmbandes rund
um seine Längsachse und durch weiteren mechanischen Stoß, beispielsweise als eine Folge von Schlagen oder Reibungskräften
von Stein- und Kiespartikeln während des Zumischens in einem Betonmischer, im Rahmen eines Verfahrens auftreten, bei dem
sie in mehrere dünnere Streifen aufgespalten werden. Durch die bekannteAufspaltung findet die Unterteilung in dünnere
Streifen stets entlang der von Haus aus schwächsten Linien oder Bereiche des Materials parallel zur Richtung der Verlängerung
des Bandes statt. Somit erhalten die gebildeten Fasern rechteckige Querschnitte, stets vollständig glatte Oberflächen und
einen konstanten Querschnitt über ihre Länge, was der Grund dafür ist, warum es vollständig unmöglich war, eine Verankerung
zu erhalten, die zufriedenstellender ist als in dem Fall der üblichen runden Fasern. Die glatte Oberfläche und der konstante
Querschnitt der bisher verwendeten Kunststoffasern sind auch für die ungeeignete Kontrolle einer homogenen Rißverteilung
in dem ausgehärteten kunststoffaserverstärkten Produkt verantwortlich. Dieser Nachteil ist noch schwergewichtiger aufgrund
des Umstandes, daß die quergerichteten Kontraktionseigenschaften der Kunststoffmaterialien extrem hoch sind, beispielsweise 0,4
bis 0,5 im Vergleich zu etwa 0,2 für den Fall von Glas und etwa 0,3 für den Fall von Stahl. Somit wird die glatte Faser infolge
einer Verlängerung, so bald eine Belastung auf sie einwirkt, dünner, weshalb sie ihren innigen Kontakt mit der umgebenden
Matrix entlang kleinerer oder größerer Bereiche ihres Umfangs und entlang ihrer gesamten Längsrichtung verliert.
Zur Abhilfe ist lediglich vorgeschlagen worden, die Aufspaltung entlang eines Bereichs der Gesamtlänge des Garns versetzt innerhalb
des Faserbündels stattfinden zu lassen, so daß bei Auseinanderspreizen des Bündels ein Material erreicht wird, das einer
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Vernetzung mit verschiedenen Maschenweiten ähnelt. Es wird gesagt, daß hierdurch eine Verankerung erreicht wird, die mit
den üblichen runden Kunststoffasern nicht erreicht werden kann,
daß aber auch diese Verstärkung nicht ausreichend ist. Die verhältnismäßig wenigen Kreuzungspunkte, die nebenbei bzw. auf dem
Weg voneinander getrennt verhältnismäßig schwach sind, wenn bzw.da die Aufspaltung sich gerade fortsetzen kann, sind nicht
in einem bedeutenden Ausmaß geeignet, den Einfluß der sehr langen Bereiche mit vollständig glatten Spaltungs- bzw. Teilungsflächen zu überwinden, die auf die Aufspaltung zurückgehen und
an denen eine Zementmatrix nicht anhaften kann und die folglich nicht den gewünschten Effekt liefern. Das bekannte Kunststofffasergarn
ist in Figur 1 dargestellt.
Die bekannte Aufspaltung von Fasern kann dadurch stattfinden, daß die gereckte bzw. gestreckte Kunststoffolie einer bestimmten
physikalischen Behandlung ausgesetzt wird. Sie bilden jedoch zusammenhängende Bündel von Faserfilamenten, und zwar auch nach
der heftigen Handhabung, der sie ausgesetzt sind als einer Folge der Vermischung mit Kies und Stein in dem Betonmischer. Der
Querschnitt der einzelnen Fasern ist noch so groß, daß eine bestimmte.elastische Bewegung auftritt, wenn die Fasern gebogen
bzw. gekrümmt worden sind, was der Fall ist nach der Zusammendrückung der Fasern enthaltenden Betonmasse, und dies führt
aus sich heraus auch zu einer schwachen Verankerung der Fasern.
Mittels des neuen erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens
werden Verbesserungen der FaserverStärkung erreicht, wobei mindestens ein Teil der Fasern in flexiblen organischen Fasern
des Polyolefintyps besteht, die dadurch hergestellt sind, daß gerecktes bzw. gestrecktes und zu Fasern verarbeitetes, vorzugsweise
wärmestabilisiertes Filmmaterial zu kurzen Längen verschnitten bzw. verhächselt wird, wobei die Verarbeitung zu
Fasern durch mechanisches Aufspalten des gereckten Filmmaterials
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bewirkt wird vor der Einmischung in eine Aufschlämmung, um
einzelne Polyolefxnfilamente mit etwa 2 bis 35 Denier dispergiert
in der Aufschlämmung zu erreichen, der nach der Formgebung oder Gestaltung eine Aushärtung gestattet ist.
Somit erfolgt bei der Herstellung der Verstärkung in der Form des gereckten Filmmaterials, gereckt in einer oder mehreren
Stufen bzw. Schritten, die Zerlegung zu Fasern bzw. zu deren Bildung mit Hilfe von Rollen bzw. Walzen mit Messern oder
Nadeln, die den gestreckten Film teilweise quer zur Richtung der starken Kerne bzw. Adern des Materials zerschneiden oder aufspalten.
Die Fasern werden hierbei in einer solchen Weise gebildet, daß sie an den Rändern ausgefranst sind, wodurch die Bindung
der Fasern in der Matrix verbessert wird. Es ist jedoch wichtig, daß die Verstärkung erreicht wird, indem eine vollständige
Aufspaltung in einzelne Filamente dispergiert in der Aufschlämmung stattfindet, die mittels des Verfahrens erreicht
wird.
In bevorzugter Weise sind die Fasern Polypropylenfasern, die in der Lage sind, direktem oder indirektem Einfluß von Veränderungen
des Lichts und der Temperatur zu widerstehen, die bei Bauteilen schwanken kann von etwa -200C bis etwa 1200C.
Unter Polypropylenfasern werden in diesem Zusammenhang insbesondere auch ausschließlich aus Polypropylen bestehende
Fasern hergestellt auf der Basis eines Filmmaterials ohne Polyäthylen verstanden, das üblicherweise beigemischt wird,
um das Ziehen und Strecken des Filmmaterials zu erleichtern bzw. ermöglichen.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
wird das Fasermaterial in einem Teil des Bindemittels dispergiert, das hiernach mit dem Rest des Matrixmaterials vermischt
wird.
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Infolge der ausgefransten Ränder und des unglatten Charakters der Fasern und der vielen befestigen bzw. gebundenen und sehr
dünnen Fibrillen können sich die in Frage stehenden Fasern nur
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sehr ,entwirren und gleichmäßig in dem Matrixmaterial verteilen. Zur Erzielung der notwendigen Dispersion der Fasern kann die
Beimischung in einem ersten Schritt vorzugsweise in einem Teil des Matrixmaterials, beispielsweise in einer reinen Portland-Zementmatrix,
stattfinden.
Hierbei wird der Vorteil erreicht, daß die Dispersion der Fasern in einem fetten oder hoch viskosen Fluid erfolgt.
Von der industriellen Betonherstellung her ist es wohl bekannt, daß eine hoche Festigkeit bei einem kleinen Verhältnis von
Wasser zu Zement erreicht wird, während Asbestzement ein großes Verhältnis von Wasser zu Zement erforderlich macht, um annehmbare
Festigkeiten der Gegenstände zu erreichen.
In hinreichend überraschender Weise ist festgestellt worden, daß die Festigkeit von Gegenständen hergestellt in dieser Weise bei
einem kleinen Verhältnis von Wasser zu Zement und mit Fasern erheblich erhöht ist im Vergleich zu Asbestzementgegenständen
hergestellt mit dem erforderlichen großen Verhältnis von Wasser zu Zement.
Zur Verbesserung der Anhaftung der flexiblen organischen Fasern
kann deren Oberfläche mit einem anorganischen, feinen, gekörnten Füllmaterial oder Teil des Bindemittels vor der Vermischung
mit dem Matrixmaterial behandelt werden. Das feine, gekörnte Füllmaterial dient auch zur Plastifizierung der
Mischung, um eine gleichmäßige Dispersion der Fasern zu erreichen.
Weitere Verbesserungen bei der Beimischung können bei einem erfindungsgemäßen Verfahren erreicht werden, bei dem die
Beimischung der Fasern zu der Matrixmasse unter Zugabe eines Dispersionsmittel ausgeführt wird.
*) schwierig ^ , ,
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Das Disperionsmittel kann zur Verbesserung der Verteilung der Fasern dienen, und ein Teil der Fasarn kann als Dispersionsmittel
dienen, wie beispielsweise Zellulosefasern; jedoch können auch chenische Verbindungen, wie beispielsweise Methylzellulose,
Hydroxypropylmethylzellulose, Polysiloxane, Sili.conöle,
Mineralöle mit Silikonderivaten etc. verwendet werden, um die Affiiiität der Fasern zu verbessern und das Zusammenballen der
Fasern zu verhindern ur.d hierdurch die zufällige Orientierung der Fasern zu verbessern.
Die Beimischmg der Fasern in einer Menge bis zu etwa 20 Vol.-%
zu dem Matrixmaterial kann erfolgen in Mixern vorzugsweise ohne Rührexnr ich tunger,, beispielsweise in Vibrations-, Schütteloder
Trommelmischern.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere anwendbar bei einem Prozess, bei dem das Produkt in der Form von Platten bzw.
Tafeln auf einer Faser/Tafel-bildenden Maschinenanlage mit einer Saugeinrichtung zur Entwässerung der grünen Platten
bzw. Tafeln in dem Formgebungsprozess hergestellt wird.
Die Mischung der Fasern trägt dazu bei, eine vollständige Wirksamkeit der Aufschlämmung in der Maschinenanlage der
vorstehend angegeben Art zu erreichen.
Die anderen Fasern bestehen in Zellulosefasern und vielleicht Minweralwollfasern oder dgl.; und richtig zugegeben können sie
wegen ihrer sehr großen spezifischen Oberfläche eine gleichmäßige Verteilung der Zementpartikel in dem komplizierten Gittersystem
sicherstellen, das die Kunststoffasern bilden, und dann, wenn der Wasserüberschuß anschließend während der Aushärtung und
Bildung des Materials abgesaugt wird, bilden die tragenden Fasern ein Filter, das verhindert, daß die Zementpartikel von
der Oberfläche der Kunststoffasern weggezogen werden.
Ein verbessertes Produkt wird erreicht, wenn erfindungsgemäß die Tafeiibzw. Platten einer Zusammendrückung während eines
Zeitiriervalls nach der Formgebung ausgesetzt werden.
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Die vorliegende Erfindung umfaßt des weiteren ein faserverstärktes
Bauprodukt, das aus einer Matrix eines hydraulischen Bindemittels, vorzugsweise Portland-Zement, und Verstärkungsfasern besteht, von denen mindestens ein Teil in einzelnen
Filamenten von Polyolefinfasern, vorzugsweise Polypropylenfasern, besteht, die auf der Basis eines Filmmaterials mit
einer Dicke zwischen 10 und 60 Mikron gestreckt auf mindestens das 15-Fache und zu Fasern verarbeitet mit Hilfe von rotierenden
Nadel- oder Schneidrollen bzw.-walzen hergestellt sind, um ein ^asermaterial mit einer Zugfestigkeit von 4.000 bis
6.000 kp./cm2 , einem Elastizitätsmodul von 7 bis 10 χ 10 kp/cm2
und einer Dehnbarkeit bis zu 8% zu erreichen, wobei die Länge der Fasern zwischen 5 und 25 mm liegt.
Es hat sich erwiesen, daß die erfindungsgemäßen Fasern als
Folge ihrer festen Verankerung in dem Zement in der Lage sind, die volle Zuglast zu absorbieren bzw. aufzunehmen, wenn der
Zement aufgibt, und daß sie gleichzeitig in Folge der Scherkräfte entlang der Faseroberfläche durchsetzen können eine
Verteilung von Mikrorissen so extrem fein, daß das Produkt die Funktion eines homogenen Einkomponenten-Materials bis
zum eigentlichen Bruchpunkt hin bei einer Dehnung erlangt, die 10 bis 100 mal so groß sein kann wie die in dem Fall
eines nicht verstärkten Matrixmaterials; diese Dehnung ist unter Verwendung der bisher bekannten kunststoffaserverstärkten
Baumaterialien nicht erreichbar gewesen.
Bei der Aufspaltung des bis nahe zu seiner Reiß.grenze gestreckten
Kunststoffilmmaterials mit Hilfe der Schneid- oder Nadelrollen bzw. -walzen wird der Kunststoffilm in kleine
Streifen und Einheiten etwas unterschiedlicher Breiten aufgespaltet, normalerweise zwischen dem 3 und 7-fachen der
Abmessung des Kunststoffilms. Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch ein solches Faserbündel. Bei der Aufspaltung ist es
wichtig, daß das Zerschneiden an Stellen stattfindet, die nicht mit den von Haus aus schwächsten Bereichen in dem Material
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zusammenfallen. Bei dem Zerschneiden wird der Kunststoffilm
irgendwie zufällig durchgeschnitten und häufig in Richtungen, die von der Dehnungsrichtung abweichen, was vermutlich geschieht,
weil die Rollenbahn bei Auftreffen von der einen oder
anderen der Nadeln oder Schneidmesser in bestimmte seitwärts gerichtete Bewegungen in ihrer eigenen Ebene gedrückt wird.
Folglich tritt das Abschneiden der starken Kerne oder Adern des Materials häufig auf - wodurch eine gewisse Ausfransung
der Schnittbereiche bewirkt wird - und des weiteren unterscheiden sich die Querschnitte der einzelnen Fasern in der
Längsrichtung. Diese beiden Umstände sind aus den Figuren 3 und 4 zu ersehen. Die feinen Fibrillen und die Ausfransung
sind überall in den Schnittbereichen zu ersehen, und es ist auch selbstverständlich, daß die beiden Schnittbereiche nicht
ganz parallel sind, wie dies der Fall ist bei dem natürlich aufgespaltenen Streckfilm, sondern daß sie in dem Fall jeder
einzelnene Faser vorstehen und zurückspringen. Diese Beispiele der Ungleichmäßigkeit bewirken die besonders feine Verankerung
und die mechanische Verflechtung bzw. Fixierung der Fasern in dem erfindungsgemäßen Baumaterial.
Die Aufspaltung eines Kunststoffilmmaterials mit Hilfe von
Schneid- oder Nadelrollen bzw. -walzen ist an sich bekannt; neu ist es jedoch, diese zu zerschneiden, um das Material
zu unterteilen, wodurch einzelne Filamente erreicht werden, und diese nicht-glatten Fasern mit ungleichmäßigen Querschnitten
und den oben angegeben geforderten Eigenschaften als Kunststofffaserverstärkung in der Form von einzelnen Filamenten in einem
Baumaterial zu verwenden; der Grund hierfür kann in der Tatsache gesehen werden, daß die hier genannten Kunststoffasern
als Folge ihrer besonderen Art in einem Zementmaterial sehr viel schwieriger verteilt werden können als in dem Fall der
bisher verwendeten Materialien mit glatten Kunststoffasern.
Es ist erfolglos versucht worden, Polyolefinfasern in Wasser zu dispergieren, und zwar entsprechend der normalen Verfahrens-
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weise, die auch bei der Dispergierung beispielsweise von Asbestfasern in Hinblick auf die Herstellung eines Asbestzements
verwendet wird, oder entsprechend der normalen Verfahrensweise in dem Fall von Zellulosefasern. Je mehr gerührt
wird, desto mehr verwirren bzw. verfitzen sich die Fasern bei Verwendung einer Mischung von tragende Fasern, beispielsweise
Zellulosefasern, umfassenden Fasern hat sich jedoch herausgestellt, daß eine normale Dispersion sogar ohne Zugabe von
dispergierenden Additiven erreicht werden kann. Ausreichend überraschenderweise hat sich herausgestellt, daß bei Verwendung
eines fetten oder hoch viskosen Fluids eine vollständige Dispergierung ganz einfach und leicht durchgeführt
werden kann.
Die erfindungsgemäßen faserverstärkten Materialien sind in
Laboratorien und in der tatsächlichen Benutzung untersucht worden,, und im Vergleich zu beispielsweise üblichen asbestverstärkten
Zementprodukten, hergestellt in der gleichen Weise mit derwselben Zusammendrückung, zeigen sie Spannungs-Dehnungs-Eigenschaften
derwselben Größenordnung, während festgestellt worden ist, daß die Stoß- bzw. Schlagfestigkeit erheblich
größer sind, nämlich 3 bis 5 mal so groß wie diejenigen von asbestverstärkten Zementprodukten. Figur 5 zeigt Spannungs-Dehnungs-Kurven
von Biegetests mit verschiedenen Materialien.
Die Kurve 1 zeigt eine nichtverstärkte Zementmatrix. Die Kurve 2 zeigt eine Zementmatrix verstärkt mit glattem Polypropylengarn,
und Fig. 3 zeigt ein erfindungsgemäß verstärktes Produkt. In der Zeichnung bedeuten:
Ordinate ^ - Randbiegebeanspruchung Abszisse ζ - Randdehnungen in der Zug- und der Druckzone
(beide positiv dargestellt) in der Form von £t und £ .
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Entsprechend einer erfindungsgemäßen Modifikation bestehen
die Polypropylenfasern aus zwei Fasergrößen, wobei das Längenverhältnis bei etwa 1:3 liegt. Durch Verwendung verschiedener
Fasergrößen wird eine verbesserte Dispersion der Fasern in einer verflochtenen Weise erreicht, beispielsweise
mit einer Mischung aus Fasern mit 6 mm und 18 mm.
Andere Faserarten, insbesondere Zellulosefaser und/oder minerale Fasern, werden zur Verbesserung der Filtrationseigenschaften der Aufschlämmung zugegeben, d.h. wie oben
angegeben, um als Filter zu dienen, der in der bereiteten Aufschlämmung eine Basis bildet, die es möglich macht, Tafeln
bzw. Platten auf einer herkömmlichen entsprechenden Herstellungsmaschinenanlage herzustellen, in -1er eine Aufschlämmungsschicht
auf einem Sieb oder Filz bei gleichzeitiger Entwässerung durch Absaugen aufgebracht wird. Gleichzeitig
dienen diese verhältnismäßig feinen Fasern als eine feste Bindung der Matrixmasse.
Entsprechend einem wichtigen Merkmal der Erfindung enthält
das Matrixmaterial ein feines, gekörntes, anorganisches Füllmaterial einer solchen Größenordnung, bei der 85% kleiner als
1 Mikron sind.
Das feine gekörnte Material hat, wie oben angegeben, eine wichtige Funktion während der Zubereitung der Aufschlämmung
für die Herstellung des Produkts durch Plastifizierung der Masse und in einigen Fällen auch dadurch, daß es als Temperaturregelungsadditiv
dient, um die Reaktionstemperatur in bestimmten Grenzen zu halten. In dem hergestellten Produkt dient das feine,
gekörnte Füllmaterial, beispielsweise Puzzolan oder feine gekörnte
Schlacke, jedoch dazu, mit dem stets in dem Produkt enthaltenen freien Kalk zu reagieren und den freien Kalk zu
kontrollieren bzw. zu regeln und zur Verbesserung der Festigkeit des Produkts.
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