Geschützte Spannglieder in Beton

Abstract

 Bei der Verwendung von unidirektional (glas)faserverstärkten Verbundwerkstoffprofilen (1,21) zum Vorspannen im Betonbau müssen die beim Spannen unvermeidlichen Matrixrisse geschlossen werden, um die vorzeitige Zerstörung der Fasern zu verhindern. Die in Hüllrohren (7,20) verlaufenden Spannglieder (1,21) werden von einer Vergußmasse ummantelt, die hinreichend fließfähig und benetzend ist, die keinen Schrumpf hat und eine stetige Kraftübertragung vom Spannglied auf das mit dem Beton fest verbundene Hüllrohr ermöglicht.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zum Schutz von Spanngliedern, insbesondere von unidirektional faserverstärkten Verbundwerkstoffprofilen in Hüllrohren, in Beton und zur Kraftübertragung vom Spannglied auf das Hüllrohr, sowie auf eine Vergußmasse zum Schutz von in Hüllrohren im Beton verlaufenden Spanngliedern.

[0002] Beton ist wegen seiner Fähigkeit, große Druckkräfte aufnehmen zu können, einer der wichtigsten Baustoffe. Da die Zugfestigkeit auch hochwertiger Betonsorten bei weniger als ein Zehntel ihrer Druckfestigkeit liegt, muß in der Praxis fast immer armiert werden. Zur Armierung wird heute fast ausschließlich Stahl eingesetzt.

[0003] Besonders vorteilhafte Betonkonstruktionen lassen sich realisieren, wenn das Armierungsmaterial nicht schlaff, sondern vorgespannt eingebaut wird. Besonders verbreitet ist die sog. Spanngliedtechnik, bei der die Vorspannelemente nach dem Erhärten des Betons in dafür vorgesehene Kanäle eingezogen und gegen das Bauwerk vorgespannt werden. Wird Stahl zum Vorspannen verwendet, werden nach dem Abschluß des Spannvorgangs die verbleibenden Hohlräume mit dauerhaft stark alkalischem Zementmörtel zum Schutz der Spannelemente ausgepreßt.

[0004] Glasfaserverbundwerkstoffe mit unidirektionaler Faserorientierung und hohem Verstärkungsfaseranteil, wie sie beispielsweise in der DE-OS 27 35 538 beschrieben sind, erreichen die Festigkeit hochfester Spannstähle, und besitzen einen etwa viermal niedrigeren E-Modul.

[0005] Es wird dadurch ein viermal größerer Vorspannweg erforderlich. Andererseits wird der durch Schwinden und Kriechverkürzungen des Betons unvermeidliche Spannkraftverlust aber auch um den gleichen Faktor verringert. Positiv wirkt sich der niedrige E-Modul auch dadurch aus, daß störende Biegespannungen infolge von Stabkrümmungen bei planmäßigen Umlenkstellen in einem Bauwerk oder beim Aufhaspeln der Stäbe bei Transport und Lagerung nur ein Viertel der Werte vergleichbarer Stahlstäbe erreichen. Da das spezifische Gewicht von Glasfaserverbundstäben mit ca. 2 g/cm nur etwa ein Viertel des Wertes von Stahl beträgt, ergeben sich weitere Vorteile beim Transport und Einbau.

[0006] Trotz dieser günstigen Eigenschaften haben Glasfaserverbundwerkstoffprofile bislang kaum Eingang in die Spannbetontechnik gefunden. Während nämlich der an sich korrosionsempfindliche Stahl durch die starke Basizität des Betons geschützt wird, wenn die Betonüberdeckung nur ausreichend groß ist, werden vorgespannte Glasfaserverbundwerkstoffe von feuchtem Beton und Zementmörtel im Laufe der Zeit mehr oder weniger stark angegriffen.

[0007] Versuche, die Glasfaserelemente durch Beschichtungen oder Ummantelung mit alkalibeständigen Materialien z.B. thermoplastischen Kunststoffen, zu schützen, waren bislang nicht zufriedenstellend. Wegen des Fließens des Beschichtungsmaterials bei Belastung wird die Verbundfestigkeit zwischen Spannelement und Beton (Auspreßmörtel) ungünstig beeinflußt; durch die Beschichtung wird auch die Einleitung von Kräften in die Stäbe erheblich schwieriger. Werden zum Verpressen anstelle von Zementmörtel ungefüllte oder gefüllte Kunstharze verwendet, kommt es infolge des Schwunds bei der Aushärtung zu Ablösungen oder Schwundrissen an vorher nicht bestimmbaren Stellen, die Ausgangspunkt nachfolgender Schädigung sein können.

[0008] Aufgabe der Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeichnen, wie sich Korrosionsprobleme an Spanngliedern, insbesondere an glasfaserverstärkten Verbundwerkstoffen dauerhaft vermeiden lassen ohne Beeinträchtigung der Fähigkeit, große Kräfte im Verankerungsbereich und durch Haftverbund zwischen Verbundwerkstoffelement und vorgespanntem Beton zu übertragen.

[0009] Verfahrensmäßig wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Spannglieder durch Einpressen einer hinreichend fließfähigen und benetzenden Vorgußmasse mit einem vernachlässigbaren Schrumpf in das Hüllrohr von der Vorgußmasse vollständig ummantelt werden und die Vergußmasse eine stetige Kraftübertragung vom Spannglied auf das mit dem Beton fest verbundene Hüllrohr ermöglicht. Die erfindungsgemäße Vergußmasse ist gekennzeichnet durch eine Viskosität der Mischung von η zwischen 300 und 3000 mPa s, vorzugsweise zwischen 600 und 2000 mPa s, ganz bevorzugt zwischen 800 und 1500 mPa s, die nach der Herstellung der Vergußmasse mindestens eine Stunde lang in dieser Größenordnung bleibt, einem vernachlässigbaren Schrumpf, einer Druckfestigkeit im Bereich von 40 bis 100 MPa und einer Auszugsfestigkeit im Bereich von 15 - 26 MPa. Weitere Ausbildungen sind in den Unteransprüchen genannt.

[0010] Es hat sich gezeigt, daß wegen der relativ großen Dehnung der Elemente aus faserverstärkten Verbundwerkstoffen beim Vorspannen in der Matrix der Verbundelemente Oberflächenrisse entstehen, die alkalisch reagierenden Medien einen direkten Zutritt zu den tragenden Verstärkungsfasern ermöglichen und diese in relativ kurzer Zeit schädigen. Mit der erfindungsgemäßen Vergußmasse werden die Spannglieder vollständig benetzt und solche Matrixrisse beim Aushärten, das ohne Volumenschwund erfolgt, vollständig beseitigt. Wesentlich für die erreichbare Schutzwirkung der Vergußmasse ist eine Härtung ohne Schrumpf, eine geringfügige Volumenzunahme bei der Härtung kann in Kauf genommen werden. Damit auch sehr lange Spannglieder in ihrer ganzen Länge geschützt werden können, ist die Einstellung des Fließverhaltens sehr wesentlich. Die Viskosität der Mischung soll zwischen 300 und 3000 mPa s, vorzugsweise zwischen 600 und 2000 mPa s liegen (Messung der Viskosität mit dem Brookfield-Viskosimeter). Sie soll ein bis zwei Stunden in dieser Größenordnung verbleiben.

[0011] Besonders geeignet zur Herstellung der erfindungsgemäßen Vergußmassen sind kalthärtende, nicht schrumpfende ungesättigte Polyesterharze wie sie beispielsweise in der deutschen Auslegeschrift 21 08 390 beschrieben sind. Solche Vergußmassen können mit den üblichen peroxidischen Polymerisationskatalysatoren gehärtet werden, erreichen in Verbindung mit feinteiligen Füllstoffen gute mechanische Eigenschaften und schützen vorgespannte Glasfaserverbundwerkstoffstäbe auch im Bereich niedriger Uberdeckung, z.B. an planmäßigen Umlenkstellen, dauerhaft gegen den Angriff korrodierender Medien z.B. dem stark basisch reagierenden Umgebungsbeton.

[0012] Es sind aber auch andere UP-Harze beispielsweise Vinylesterharze vorteilhaft einsetzbar, ebenso wie Vergußmassen aus Acrylharzen, Epoxidharzen und PU-Harzen. Bei der Auswahl des Harzes und der Zusammensetzung der Einzelkomponenten (Harz, Härtungsmittel, Füllstoffe und Zusatzmitteln) müssen die Fließeigenschaften, der Schrumpf und die mechanischen Eigenschaften innerhalb der obengenannte Wertebereiche liegen, damit eine vollständige Benetzung erreicht wird und vorhandene Fehlstellen an der Oberfläche nach der Aushärtung eliminiert sind.

[0013] Zur Einstellung des Fließverhaltens und der mechanischen Eigenschaft nach der Härtung aber auch aus wirtschaftlichen Gründen enthalten die Vergußmassen Füllstoffe in Anteilen zwischen 20 und 80 Gew.-%. Bevorzugt werden Abmischungen aus feineren und gröberen Zuschlagstoffen z.B. Quarzmehl, Feinsand, Flugasche und Fillite (Silikathohlkügelchen, Teilchengröße 5 bis 300 um, spezifisches Gewicht 0,7). Der Anteil und die Zusammensetzung der eingesetzten Füllmaterialien wird von dem Fließ- und Sedimentationsverhalten der Vergußmassen und von den zu erzielenden mechanischen Eigenschaften bestimmt. Bei den mechanischen Eigenschaften der ausgehärteten Vergußmasse sollten hinsichtlich der Druckfestigkeit (Bestimmung der Druckfestigkeit nach DIN 1048, Teil 1) und Verbundfestigkeit (Bestimmung der Verbundfestigkeit wie beschrieben in: C. Rehm, "über die Grundlagen des Verbundes zwischen Stahl und Beton" DAfStb, Heft 138, Berlin, 1961) mindestens die Werte vom Zementmörtel erreicht werden. Da Füllmaterialien auch das Ausdehnungs- bzw. Schrumpfverhalten der Reaktionsharze beeinflussen, muß der Anteil und die Zusammensetzung des Füllmaterials auch danach ausgewählt werden, daß die Vergußmasse während des Aushärtens nicht schrumpft.

[0014] Die Vergußmasse enthält außerdem die erforderlichen Härtungsmittel sowie gegebenenfalls Benetzungsverbesserer, Haftmittel, Fließhilfsmittel oder modifizierende Zusätze zur Erzielung bestimmter Polymereigenschaften beispielsweise Isocyanate oder zusätzlicher Vernetzer.

Beispiel 1

[0015] Herstellung eines Polyesters, der für die Herstellung einer erfindungsgemäßen homogenen Vergußmasse besonders gut geeignet ist:

Ein Gemisch aus Malein-, Adipin- und Phthalsäure in einem Molverhältnis 12:1:11 wird zusammen mit einer Mischung aus Ethylenglykol und Propylenglykol im Molverhältnis 1:2 auf 200°C erhitzt. Der dabei entstehende Polyester hat ein Molekulargewicht von ca. 2100 und eine Säurezahl von 31. Danach werden 2100 g dieses Polyesters bei 200°C in 2276 g Styrol, das 0,34 g Hydrochinon enthält, unter Rühren eingegossen. Während des Eingießens wird die Masse so weit gekühlt, daß die Temperatur 80°C nicht übersteigt.

[0016] Nach Abkühlen auf Raumtemperatur werden 500 Gew.-Teile entnommen und 160 Gew.-Teile einer 4 Gew.-%igen Lösung von Polyvinylacetat in Styrol zugefügt. Nach ca. 15 minütigem Rühren wird ein homogenes Gemisch erhalten, das auch nach längerem Lagern seine Homogenität behält, und auch noch mehrere Wochen nach seiner Herstellung für die Weiterverarbeitung zu Vergußmassen benutzt werden kann.

[0017] Durch Zusammenmischen folgender Komponenten



erhält man eine homogene Vergußmasse mit einer Viskosität η = 800 mPa s. Eine Rückstellprobe wies nach 1 1/2 Stunden Standzeit eine Viskosität von η= 1100 mPa s auf. Bei der obengenannten Vergußmasse betrug die Druckfestigkeit 89 MPa und die Auszugsfestigkeit 18.5 MPa.

Beispiel 2

[0018] Durch Zusammenmischen folgender Komponenten

erhält man eine homogene Vergußmasse. Die Viskosität dieser Mischung betrug direkt nach dem Vermischen (bei 25°C) 1000 mPa s. Eine Rückstellprobe wies nach 2 Stunden Standzeit eine Viskosität von 1400 mPa s auf. Es trat dieser Zeit keinerlei Mischung oder Sedimentation der Zuschlagstoffe auf. Die Druckfestigkeit eines aus dieser Masse hergestellten Prüfkörpers betrug 46 MPa; die Auszugsfestigkeit 16.4 MPA.

Beispiel 3

[0019] Durch Zusammenmischen folgender Komponenten

wurde eine homogene Masse erhalten.

[0020] Die Viskosität dieser Abmischung betrug 1100 mPa s, eine Rückstellprobe zeigte nach einer Standzeit von 1,5 Stunden eine Viskosität von 1400 mPa s. Während dieser Zeit trat keinerlei Entmischung auf. Die Druckfestigkeit betrug 67 MPa und die Auszugsfestigkeit 15.9 MPa.

[0021] Das Verpressen der Vergußmasse in den Hüllrohren sowie ein Praxistest sind in der Zeichnung dargestellt und unten näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 Anlage zum Verpressen der Vergußmasse;

Fig. 2 Vorderansicht eines Verpreßankers;

Fig. 3 Versuchsbalken mit sinusförmigem Hüllrohr.

[0022] Fig. 1 zeigt ein Spannglied 1 in einem Betonblock 2. Das Spannglied ist mit einem Verpreßanker 3 gegen den Betonblock verankert. Der durch die Spannung aus dem Beton herausragende Teil des Spanngliedes ist durch den Ring 4 zwischen Verpreßanker 3 und Betonklotz 2 gesichert. Der Querschnitt des Spanngliedes ist in Fig. 2 dargestellt. Es besteht in diesem Fall aus 8 unidirektional faserverstärkten Verbundwerkstoffprofilen 5 mit einem Außendurchmesser von 7,5 mm. In dem Betonblock 2 verläuft das Spannglied 1 in einem Hüllrohr 7. Entsprechend der Erfindung muß zum Schutz des Spanngliedes der Raum 6 mit einer bestimmten Vergußmasse gefüllt werden.

[0023] Zu diesem Zweck ist auf dem Verpreßanker 3 eine Gewindehülse 8 angebracht, die über einen Füllschlauch 9 (NW 18) mit einem Druckbehälter 10 verbunden ist. In dem Druckbehälter befinden sich ca. 25 1 Vergußmasse 11. Durch Druckluft 12 von etwa 5 bar wird das Reaktionsgemisch 11 über das Tauchrohr 13 und den Füllschlauch 9 in das Hüllrohr 7 eingetragen. Es gelingt so, ein Spannglied in einem mehrere 100 m langen Hüllrohr lunkerfrei zu ummanteln.

[0024] Zur Ausprüfung der Vergußmasse in einem Praxistest wurde ein Hüllrohr 20 mit Verbundwerkstoff-Spanngliedern 21 in einem Betonversuchsbalken 22 sinusartig verlegt (Fig. 3) Berg- und Talkrümmung besaßen je einen Krümmungsradius von 2,3 m; die Spanngliedlänge betrug 12,3 m. In einem Hüllrohr mit dem Durchmesser 34 mm waren 9 Verbundwerkstoff-Spannglieder aus unidirektional glasfaserverstärkten Stäben, 0 7,5 mm, zusammengefaßt. Die Belegung des Rohrquerschnitts betrug 37 bis 40 %. Die Vorspannung wurde auf 6 t (das sind 10 % der Belastbarkeit) eingestellt. Am Hüllrohr waren im ganzen 3 Entlüftungsrohre vorhanden, eines 23 am Einpreßanker 26, eines 24 am Endanker 27 und eines 25 am obersten Punkt der "Bergkrümmung". Das Hüllrohr 20 wurde wie oben beschrieben verfüllt. Nach Anschluß des Druckkessels an den Einpreßanker 26 des Hüllrohres kam es nach ca. 30 Sek. und einem Anfangsdruck von 0,5 bar zu einem Überlauf am Entlüftungsrohr 2'3 des Einpreßankers. Nach Schließen dieses Ventils trat die Vergußmasse nach ca. 60 Sek. am Entlüftungsrohr 24 aus; bis dahin kam es zu einem Druckanstieg auf 1 bar. Nach weiteren 3 Min. zeigte ein Überlauf am Endanker 24 und einem Druck von 1,5 bar an, daß das Hüllrohr 20 ganz ausgefüllt war. Nachträglich wurde noch einmal am Entlüftungsrohr 23 belüftet.

[0025] Eine Woche nach dem Verfüllen wurde das Hüllrohr mit Hilfe einer Trennscheibe in 50 cm lange Stücke geschnitten. Die Schnittflächen zeigten, daß die Vergußmasse auch nach dem Aushärten völlig homogen war und daß sich die anorganischen Füllstoffe nicht abgesetzt hatten. Die Hüllrohre waren voll ausgefüllt. Auch die kleinsten Zwischenräume zwischen den zusammengepreßten Verbundwerkstoffstäben waren gut ausgefüllt.

Ansprüche

1. Verfahren zum Schutz von Spanngliedern, insbesondere von unidirektional faserverstärkten Verbundwerkstoffprofilen, in Hüllrohren in Beton und zur Kraftübertragung vom Spannglied auf das Hüllrohr, dadurch gekennzeichnet, daß die im Hüllrohr befindlichen Spannglieder mit einer hinreichend fließfähigen und benetzenden Vergußmasse mit einem vernachlässigbaren Schrumpf vollständig formschlüssig verpreßt werden.

2. Vergußmasse zum Schutz von in Hüllrohren (7,20) in Beton (2,22) verlaufenden Spanngliedern (1,21), gekennzeichnet durch eine Viskosität der Mischung von η zwischen 200 und 3000 mPa s, vorzugsweise zwischen 600 und 2000 mPa s, die nach der Herstellung der Vergußmasse mindestens eine Stunde lang in dieser Größenordnung bleibt, einem vernachlässigbaren Schrumpf, einer Druckfestigkeit im Bereich 40 bis 100 MPa und einer Auszugsfestigkeit im Bereich 15 - 26 MPa.

3. Vergußmasse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergußmasse aus einem füllstoffhaltigen, kalthärtenden, ungesättigten Polyesterharz besteht.

4. Vergußmasse nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Füllstoffe Quarzmehl-Sand-Abmischungen enthält.

Zeichnung