Formstücke aus hydraulisch abgebundenem Material

Abstract

 Dünnschalige Formstücke (1) aus hydraulisch abgebundenem Material mit wesentlich verbesserter Festigkeit, insbesondere profilierte Bauelemente für hohe Belastung weisen eine vorzugsweise streifenweise Verstärkung (4) mindestens im Bereich der höchsten kritischen Zugbeanspruchung, z.B. im Wellental einer Wellplatte, auf, wobei die Verstärkung stoffschlüssig mit dem Formstück verbunden ist.

Beschreibung

[0001] Hydraulisch abgebundene Materialien weisen aufgrund ihrer Sprödigkeit eine hohe Druck-, jedoch sehr geringe Zug- und Biegefestigkeiten auf. Aus diesem Grund werden dünnschalige Bauelemente,wie ebene und profilierte Platten sowie Formstücke jeder Art aus hydraulisch abbindenden Materialien, wie z.B. Zement, zwecks Erhöhung ihrer Festigkeitseigenschaften, insbesondere ihrer Biegezugfestigkeit, durch Beimischung von Fasermaterialien verstärkt. Das während Jahrzehnten bevorzugte und bestens dafür geeignete Fasermaterial waren Asbestfasern. Da einerseits das Vorkommen dieses Naturstoffes begrenzt ist, andererseits aber gewisse gesundheitliche Gefahren, insbesondere bei unsachgemässer Verarbeitung und bei starker mechanischer Abnutzung auftreten können, wurden weltweit Anstrengungen unternommen, um geeeignete Ersatzfasern für solche Faserzementprodukte zu finden oder zu entwickeln.

[0002] Alle bisherigen Vorschläge waren aber nicht ganz befriedigend, insbesondere konnten bisher keine Ersatzfasern gefunden werden, welche in dünnschaligen Bauelementen bei grossen Stützabständen die erforderliche Bruchsicherheit auch über längere Zeit gewährleisten. Alle bisher vorgeschlagenen Ersatzfasern ergaben ungenügende spezifische Werkstoff-Festigkeiten, so dass die aus Sicherheitsgründen geforderten minimalen Bruchlastwerte nicht erreicht werden konnten. So waren selbst die meistversprechenden bisherigen Ersatzfasern aus Sicherheitsgründen nur unter Verwendung eines entsprechend aufwendigen Dachunterbaus, z.B. mit verkürzten Stützabständen, einsetzbar, was aus wirtschaftlichen Gründen untragbar ist.

[0003] Als vor etwa zehn Jahren die ersten einschränkenden Bestimmungen für die Verwendung von Asbestzement im Bauwesen, z.B. in Schweden, auftraten, wurde zunächst versucht, Asbest mit anderen natürlichen und/ oder synthetischen Fasern zu mischen. Vorgeschlagen wurden sodann insbesondere aus verfahrenstechnischen Gründen Gemische von Filterfasern und Verstärkungsfasern sowie die Verbesserung ihrer Bindefähigkeiten mit dem hydraulisch abbindenden Material durch chemische. Vorbehandlung der Fasern. Ferner wurden neue Fasern entwickelt, die besser den Anforderungen der Zementverstärkung genügen als die bisherigen. Solche neue Produkte sind z.B. Polyacrylnitrilfasern, wie z.B. "DOLAN 10" (der Hoechst AG, BRD) sowie PVA-Fasern "KURALON" (der Kuraray Co., Japan) usw. Mit keiner dieser Fasern konnten aber bisher die Festigkeiten von Asbestzementplatten erreicht werden. Im kritischen Anwendungsfall, z.B. bei erhöhter Einzellast an grossformatigen Produkten, können Risse auftreten. Obwohl sich die neuen Fasern mit gutem Erfolg für Formstücke mit geringer Belastung einsetzen lassen, eignen sie sich bisher nicht für den wirtschaftlichen Einsatz in Bauelementen, wie sie z.B. für Dachabdeckungen mit Stützabständen >0,5 m benötigt werden.

[0004] Gemeinsamer Vorteil der erwähnten Ersatzfasern ist, dass sie ähnlich wie Asbest an Rundsiebmaschinen (z.B. Hatschek-Maschinen) zu hydraulisch abgebundenen Baustoffen verarbeitet werden können, was der weitest verbreiteten industriellen Praxis entspricht. Ein wesentliches Merkmal dieses Verfahrens ist die gleichmässige Verteilung der Verstärkungsfasern in der ganzen Masse. Ein anderer Merkmal des Verfahrens ist jedoch, dass der Faseranteil nicht beliebig erhöht werden kann, womit dem Verstärkungseffekt obere Grenzen gesetzt sind.

[0005] Weitere Vorschläge zum Ersatz von Asbestfasern als Zementverstärkung erfolgten z.B. im EP-Patentgesuch Nr. 013 305, gemäss welchem fibrillierte Kunststoff-Folien kreuzweise in die Zementmatrix verlegt werden. Auch die Verwendung fibrillierter Filmnetzwerke wurde vorgeschlagen (britischen Patent Nr. 1 582 945), ebenso wie diejenigen von Stahlnetzeinlagen oder Stäben sowie von Fasern aller Art, um die Festigkeit der Baustoffe zu erhöhen. Zu den vorgeschlagenen Fasern in Stapelfaser- oder Netzform gehören auch Glasfasern. Diese sind aber nicht ausreichend alkalibeständig, so dass infolge ihres chemischen Abbaus im Zement keine Langzeitfestigkeit erzielt werden kann.

[0006] Alle bisherigen Versuche mit Verstärkungselementen, die nicht gleichmässig im Zement verteilt, sondern in der Masse eingebettet waren, wie z.B. Netze, Stäbe usw. aus Kunststoff oder Metall usw. führten zu Schwachstellen, die, unterstützt durch die Kerbwirkung, die Rissbildung begünstigen und damit vorprogrammierte Bruchstellen bilden. Ein wesentliches Merkmal aller bisher vorgeschlagenen Lösungen ist die niedrigere Nassfestigkeit (geprüft nach ISO R 393) im Vergleich zur Trockenfestigkeit (geprüft nach DIN 274), was sich in der Anwendung nachteilig auswirkt.

[0007] Ueberraschenderweise wurde nun gefunden, dass die Bruchlast eines dünnschaligen Formteiles aus hydraulisch abgebundenem Material eine unerwartet hohe Verbesserung erfährt, wenn der Formteil mindestens an seiner im kritischen Anwendungsfall am stärksten auf Zug beanspruchten Stelle von der Oberfläche her verstärkt wird. Die Verstärkung erfolgt also nicht durch Einverleiben von Verstärkungsmaterial in das Formstück, sondern durch Anbringen einer äusseren Verstärkung am in der Regel fertig geformten Teil.

[0008] Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein dünnschaliges Formstück aus einem hydraulisch abgebundenen Material, insbesondere ein profiliertes Bauelement für hohe Belastung, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass es mindestens im Bereich der höchsten kritischen Zugbeanspruchung mit einem Verstärkungsmaterial stoffschlüssig verbunden wird.

[0009] Die Erfindung ist von besonderem Interesse für profilierte Formstücke, wie Wellplatten und andere profilierte Bauelemente, wie sie für z.B. Bedachungen verwendet werden, wo eine grosse Biege- und/oder Zugbeanspruchung auftritt. Das gilt z.B. für erhöhte Einzellasten beim Begehen, ermöglicht andererseits aber auch die Vergrösserung der Stützweiten im Rahmen der zuverlässigen Verkehrslasten. Auch für flache Platten ist die erfindungsgemässe Verstärkung von Vorteil.

[0010] Das hydraulisch abgebundene Material, das im folgenden zur Vereinfachung "Trägermaterial" genannt wird, kann aus unverstärktem Zementmörtel und anderen zementgebundenen Baustoffen bestehen. Bevorzugt enthält das Trägermaterial eine Faserverstärkung aus organischen und/oder anorganischen Fasern und/oder faserartigen Materialien wie z.B. Fibriden, insbesondere Zellstoff. Zementarten und Faserarten, die sich hierfür eignen, sind dem Fachmann in allen Einzelheiten bekannt.

[0011] Als Verstärkungsmaterialien kommen alle natürlichen, halbsynthetischen und synthetischen Materialien in Frage. Neben der Zugfestigkeit und der Bruchdehnung ist vor allem der E-Modul für die Wirkungsweise des Verstärkungsmaterialsmassgebend. Wird eine Erhöhung der Bruchlast gefordert, so muss der E-Modul des Verstärkungsmaterials grösser sein als derjenige des Trägermaterials. Wird nur eine Nachbruchsi- . cherheit gefordert, um z.B. das Unfallrisiko zu vermindern, kann der E-Modul des Verstärkungsmaterials kleiner sein als derjenige des Trägermaterials. Auch eine Kombination von Verstärkungsmaterialien unterschiedlichen E-Moduls können zur Anwendung gelangen. Als Verstärkungsmaterialien kommen in Betracht: Gewebe, Gelege, Geflechte, Netze, Vliese, Fäden, Garne, Faserstränge, Fadenscharen usw. sowie Bleche, Platten, Folien, Beschichtungen, Drähte, Gitter usw. aus Glas, Kunststoffen, Elastomeren, Metall, keramisches Material usw.

[0012] Bei einer Wellplatte bilden die Unterseiten der Wellentäler die am stärksten beanspruchten Stellen; die Verstärkung erfolgt daher bevorzugt in Richtung des Wellentales an dessen Unterseite mit Hilfe eines durchgehenden oder unterbrochenen Streifens, dessen Breite bestimmt wird vom Querschnitt und der Zugfestigkeit des Verstärkungsmaterials sowie der Beschaffenheit des Trägermaterials, resp. vom erwünschten Verstärkungsgrad.

[0013] Der Verstärkungsstreifen kann an der am meisten auf Zug beanspruchten Seite an einem oder mehreren Wellentälern und/oder Wellenbergen der gleichen Plattenseite angebracht werden.

[0014] Für bestimmte Anwendungen ist es auch möglich, zusätzlich auf Druck beanspruchte Bereiche mit Verstärkungen zu versehen.

[0015] Bei ebenen Platten, insbesondere bei grossformatigen ebenen Platten, kann die Verstärkung gleichmässig auf die ganze Fläche verteilt werden, oder aber z.B. in Form von Quer und/oder Längsstreifen resp. von Diagonalstreifen, die in bestimmten Abständen zueinander aufgetragen werden, aufgebracht werden.

[0016] Im allgemeinen wird das Verstärkungsmaterial mit Hilfe eines geeigneten zementbeständigen, hochfesten Klebstoffes mit dem Trägermaterial stoffschlüssig verbunden. Geeignete Kleber sind z.B. solche auf Basis von handelsüblichen Reaktionsharzen, wie z.B. Epoxiharze, ungesättigte Polyesterharze, Vinylesterharze, Polyurthane usw.

[0017] Zementbeständige Kunststoffe können gegebenenfalls auch direkt auf den Träger aufgeschmolzen oder in Lösung aufgetragen werden.

[0018] Das Verstärkungsmaterial kann mit einer zusätzlichen Deckschicht versehen werden , um das Material gegen Korrosion usw. zu schützen. Diese Deckschicht kann zugleich das Klebemittel sein und den Verstärkungsstreifen ganz durchdringen.

[0019] Die erfindungsgemäss verstärkten Formteile weisen eine wesentlich erhöhte Bruchlast auf. So lassen sich z.B. die Bruchlasten, trocken geprüft nach DIN 274, durch streifenweise Verstärkung der Wellentälter von Wellplatten aus Faserzement quer zur Welle mehr als verdoppeln und parallel zur Welle um mehr als 50% erhöhen. Im krassen Gegensatz zu allen Erfahrungen mit Faserzement-Produkten, inkl. Asbestzement, wurde bei der erfindungsgemäss.verstärkten Wellplatte gefunden, dass die anwendungstechnisch wichtige Nass-Bruchlast quer zur Welle, geprüft nach ISO R 393, noch signifikant höhere Werte erreicht als bei der Trockenprüfung, nämlich im Mittel um zusätzlich 40%. Auch die Qualitätsstreuung, ausgedrückt durch den Variationskoeffizienten der Bruchlast, ist wesentlich vermindert. Die Stapelbarkeit der Wellplatten und das Stapelvolumen bleiben erhalten.

[0020] Selbst Asbestzement-Wellplatten werden durch die erfindungsgemässe Verstärkung in ihrer Bruchlast verbessert. Wenn die Formstücke für eine geringere Belastung eingesetzt werden, so ermöglicht die Erfindung wesentliche Einsparungen, indem die Dicke der Erzeugnisse reduziert werden kann.

[0021] Die Wellplatte 1 aus Faserzement ist auf der nach innen gerichteten Oberfläche 2 des Wellentales mit einer Klebstoffschicht 3 und einem Gewebestreifen aus Glasfasern 4 versehen. Auf diese Weise liessen sich folgende Verbesserungen erzielen:

[0022] Die Beispiele 1 und 2 sind asbestfreie Wellplatten, in den Abmessungen nach SIA-Norm 175 mit ca. 2 Gewichtsprozent "DOLAN 10"-Fasern (der Hoechst AG) und Zement. Die Platten enthalten ausserdem organische Filterfasern. Beispiel 3 ist eine Wellplatte aus Asbestzement gemäss SIA-Norm 175. Alle drei Varianten Platten wurden mit einem 7,5 cm breiten Streifen Glasfasergewebe, Kette 7,2 Faden/cm, 2 x 136 tex, Schuss 5 x 1 Faden/cm, 2 x 136 tex, Reisskraft ca. 86 kg/cm, mittels Epoxy-Kleber "GRILONIT" (der EMS-Chemie), jeweils an den unteren Bereichen der Wellentäler stoffschlüssig verbunden.

[0023] Das Aufbringen der Verstärkungselemente in den angeführten Beispielen erfolgte auf bereits geformte und abgebundene Wellplatten auf folgende Art und Weise:

Die in Rollenform vorliegenden Glasgewebestreifen werden mittels Vorschubmechanismus abgewickelt und durch eine Dosierstation geführt, in der sie zugleich mit Klebemittel zwangsweise getränkt werden. Anschliessend werden die so vorbehandelten Verstärkungsstreifen mit Hilfe geeigneter Greifvorrichtungen an den Anfang der Wellentäler der unterhalb der Tränkstation befindlichen Wellplatte angesetzt. Daraufhin wird die Platte in Abrollrichtung des Verstärkungsstreifens synchron mit demselben in Bewegung gesetzt. Durch die mitlaufenden Anpressrollen werden die Streifen mit der Platte stoffschlüssig verbunden. Ein Schneidmechanismus trennt den quasi endlosen Verstärkungsstreifen nach Erreichen der gewünschten Länge. Die so behandelten Platten werden gestapelt. Bei Normaltemperatur erfolgt die Aushärtung des Harzes in diesem Zustand innerhalb ca. 24 Std.

[0024] Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das oben erwähnte Ausführungsbeispiel. Aehnliche, kontinuierliche oder diskontinuierliche Verfahren zum Aufbringen der Verstärkungselemente und des Klebers führen zu vergleichbaren Ergebnissen, vorausgesetzt, dass ein stoffschlüssiger Verbund zwischen Verstärkung und Trägerplatte sichergestellt ist.

Ansprüche

1. Dünnschalige Formstücke aus hydraulisch abgebundenem Material, insbesondere profilierte Bauelemente für hohe Belastung, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens im Bereich und/oder Bereichen der höchsten kritischen Zugbeanspruchung von aussen mit einem Verstärkungsmaterial stoffschlüssig verbunden sind.

2. Formstücke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auch in auf Druck beanspruchten Bereichen Verstärkungsmaterial angebracht ist.

3. Formstücke nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsmaterial streifenförmig angebracht ist.

4. Formstück nach den Patentansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Wellplatte ist und die Verstärkung in Form von durchgehenden oder unterbrochenen, in Längsrichtung der Welle verlaufenden Streifen an der am meisten auf Zug beanspruchten Seite an einem oder mehreren Wellentälern und/oder Wellenbergen der gleichen Plattenseite angebracht ist.

5. Formstücke nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das hydraulisch abgebundene Material ein zementgebundener Baustoff ist, der gegebenenfalls anorganische und/oder organische Fasern enthält.

6. Formstücke nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung aus organischen und/oder anorganischen Geweben, Gewirken, Vliesen, Netzen, Geflechten, Endlosfäden, Fasern oder Fadensträngen, besteht.

7. Formstücke nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung aus Metall, Kunststoff, Elastomeren, Papier, Glas oder keramischem Material, vorzugsweise in Form von streifenförmigen Blechen, Platten, Folien, Gittern oder Drähten besteht, wobei die Folien gegebenenfalls fibrilliert und/oder vorgestreckt sind.

8. Formstücke nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung in Form einer Beschichtung vorliegt, z.B. aus gegebenenfalls faserverstärktem Kunststoff.

9. Formstücke nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung einen höheren E-Modul als das Trägermaterial aufweist.

10. Formstücke nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung einen niedrigeren E-Modul als das Trägermaterial aufweist.

11. Formstücke nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsmaterial aus einer Kombination von Materialien mit höherem und niedrigerem E-Modul als das Trägermaterial besteht.

12. Formstücke nach einem der Patentansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung mit Hilfe eines Klebstoffes mit dem Formteil verbunden ist.

13. Formstücke nach Patentanspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung aus Glasfasergewebestreifen besteht, und dass der Klebstoff ein Epoxiharz ist.

14. Formstücke nach Patentanspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung mit einer Schutzschicht versehen ist, die gegebenenfalls vom Klebstoff selbst gebildet ist.

15. Verfahren zur Herstellung eines dünnschaligen Formstückes nach einem der Ansprüche 1-14, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsmaterial erst nach dem eigentlichen Formgebungsprozess des Formstückes auf die ausgewählten Bereiche bzw. Abschnitte des letzteren aufgebracht wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsmaterial vor dem Aushärten des Formstückes auf letzteres aufgebracht wird.

17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsmaterial nach dem Aushärten des Formstückes auf letzteres aufgebracht wird.

Zeichnung