DE102006007920B3

DE102006007920B3 - Herstellung von Formsteinen mit Fasern

Info

Publication number: DE102006007920B3
Application number: DE102006007920A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Halm
Original assignee: Heidelberger Zement AG
Current assignee: Luccon Lichtbeton Klaus At GmbH
Priority date: 2006-02-21
Filing date: 2006-02-21
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2026-02-22
Also published as: WO2007096083A1; ATE537950T1; RU2008137408A; EP1989029B8; US20090200703A1; EP1989029A1; EP1989029B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Formsteinen aus hydraulisch abbindenden Massen und darin eingebetteten Fasern, Matten, Gelegen oder Geweben, wobei eine Schalung (1) aus einem Rahmen (2) und einem vertikal beweglichen Boden (3) verwendet wird. Erfindungsgemäß wird zunächst der Boden (3) auf eine Höhe s unterhalb der Schalungsoberkante eingestellt, welche der Höhe einer Lage aus hydraulisch abbindender Masse (5) und Fasern, Matten, Gelegen oder Geweben (6) entspricht, dann mittels eines Mörtelschlittens (4) die Schalung (1) bis zur Oberkante mit hydraulisch abbindender Masse (5) aufgefüllt, die Fasern, Matten, Gelege oder Gewebe (6) in die frische hydraulisch abbindende Masse (5) in der gewünschten Orientierung eingelegt und eingearbeitet und dann der Boden (3) der Schalung (1) um die Höhe s abgesenkt. Diese Schritte werden wiederholt, bis die gewünschte Höhe des Formsteins erreicht ist bzw. der Boden (3) der Schalung (1) nicht weiter abgesenkt werden kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von Formsteinen aus einer hydraulisch abbindenden Masse, in welche Fasern, insbesondere Lichtleitfasern eingebettet sind.
Formsteine aus hydraulisch abbindenden Massen mit integrierten Fasern sind seit langem bekannt. Unter hydraulisch abbindenden Massen, im Folgenden auch als Matrix bezeichnet, sind Beton, Feinbeton, Mörtel, Gips und ähnliche Materialien zu verstehen, welche in der Regel ein hydraulisches Bindemittel, Gesteinskörnungen, Zusatzmittel, Zusatzstoffe und Wasser enthalten. Im Rahmen der Erfindung wird von Formsteinen gesprochen, darunter sollen neben den klassischen Steinen mit quadratischer oder rechteckiger Grundfläche auch solche mit dreieckiger, trapez- oder rautenförmiger Grundfläche sowie alle erdenklichen runden Formen, wie Kreis, Ellipse etc., umfasst sein.
Die fortschreitende Entwicklung von Lichtleitfasern senkt deren Kosten immer weiter. Zusätzlich steigt die Nachfrage nach exklusiven gestalterischen Effekten. Unter diesen Randbedingungen wurden in DE 93 10 500 U und WO 03/097954 Formsteine aus hydraulisch abbindenden bzw. gegossenen Massen vorgeschlagen, in welche Lichtleitfasern so eingebettet sind, dass Licht durch die Steine dringt.
Das in WO 03/097954 beanspruchte Herstellverfahren ist jedoch aufwändig und für eine großtechnische Produktion ungeeignet. Es ist schwierig, eine konstante Matrixzugabe und -verteilung in der Schalung zu erreichen. Auch die Einhaltung konstanter Schichtdicken bei den einzelne Matrix- bzw. Faserlagen ist problematisch. Die DE 93 10 500 U schweigt zur Frage der Herstellung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, ein Verfahren zu finden, mit dem Fasern mit festgelegter Orientierung in Formsteine, insbesondere aus Beton, eingebracht werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Formsteinen aus hydraulisch abbindenden Massen (Matrix) und darin eingebetteten Fasern, bei dem eine Schalung aus einem Rahmen mit einem vertikal beweglichen Boden verwendet wird. Der Boden der Schalung wird zunächst auf eine definierte Höhe unterhalb der Rahmenoberkante eingestellt, mit hydraulisch abbindender Masse aufgefüllt, die Fasern in der gewünschten Richtung aufgelegt und in die Masse eingearbeitet und sodann der Boden um eine vorbestimmte Strecke abgesenkt. Diese Schritte werden wiederholt, bis die gewünschte Höhe des Formsteins erreicht ist.
Aus dem so hergestellten Formstein können auch kleinere Steine mittels Auftrennung quer und/oder längs zur Faserrichtung erhalten werden.
Als hydraulisches Bindemittel für die Matrix eignet sich vor allem Zement. Geeignete Zemente sind beispielsweise Portlandzement, Portlandhüttenzement, Portlandflugaschezement, Portlandkalksteinzement, Portlandkompositzement und Hochofenzement. Besonders bevorzugt sind Portlandzement und Portlandhüttenzement.
Die Matrix kann in an sich bekannter Weise natürliche und/oder künstliche Gesteinskörnungen, Zusatzstoffe und/oder Zusatzmittel enthalten.
Zusatzstoffe sind beispielsweise natürliche und künstliche Puzzolane, Farbpigmente, Kunststoffdispersionen, Gesteinsmehle etc., typische Mengen sind z.B. 3 bis 8 Gew.-% für Farbpigmente und bis zu 30 Gew.-% für Flugasche, Gesteinsmehle etc.
Zusatzmittel sind z.B. Luftporenbildner, Verflüssiger, Fließmittel, Beschleuniger, Verzögerer etc. Soweit vorhanden werden Mengen von jeweils bis zu 5 Gew.-%, in Einzelfällen von bis zu 10 Gew.-% eingesetzt.
Als Gesteinskörnung kann im Prinzip Sand, Kies oder Splitt verwendet werden. Zum Erreichen einer gleichmäßigen und dichten Verteilung der lichtleitenden Fasern haben sich Sandmischungen mit einem Größtkorn von etwa 2 mm bewährt. Das Massenverhältnis von Zement zu Sand liegt in der Regel zwischen 1:1 und 1:3.
Die Fasern sind insbesondere Lichtleitfasern, so dass die erfindungsgemäß hergestellten Formsteine in Richtung der eingearbeiteten Fasern lichtdurchlässig sind. Das Verfahren sowie die Vorrichtung sind aber auch zur Einbettung anderer Fasern bestens geeignet, insbesondere wo es auf eine gezielt einstellbare Anordnung und Orientierung der Fasern innerhalb des Formsteins ankommt.
Demgemäss kommen als Fasern in Betracht textile Glasfasern, Kunststofffasern, Kohlenstofffasern, natürliche Fasern etc. Statt einzelner Fasern können auch Matten, Gelege, Rovings oder besonders bevorzugt Gewebe eingebaut werden, im Folgenden kurz als Gewebe bezeichnet.
Es versteht sich, dass Fasern und hydraulisch abbindende Masse miteinander verträglich sein müssen, wie dies beispielsweise bei den bekannten Lichtleitfasern aus Silikatglas und Zement der Fall ist.
Weiterhin ist der Anteil der Fasern in der Matrix so abzustimmen, dass die geforderte Festigkeit und Belastbarkeit des Formsteins gewährleistet ist. Im Falle von Lichtleitfasern eignen sich beispielsweise Anteile von 2 bis 10 Vol.-%, vorzugsweise 5 bis 8 Vol.-%, mit denen eine befriedigende Lichtdurchlässigkeit erzielt wird.
Die Schalung ist vorzugsweise in Breite, Länge und Tiefe and die gewünschten Abmessungen der Formsteine anzupassen. Beispielsweise sind Abmessungen von 50 cm × 200 cm geeignet. Die Tiefe, welche die maximale Höhe des Formsteins bestimmt, kann z.B. 50 cm betragen. Bei dem Verfahren und der Vorrichtung der Erfindung ist es vorteilhaft, dass die Höhe im Rahmen der durch die Höhe einer Lage aus hydraulischer Masse und Fasern bestimmten Mindesthöhe und der Tiefe der Schalung frei variiert werden kann.
Die Schalung sollte aus einem Material bestehen bzw. zumindest im Inneren mit einem Material versehen sein, von welchem die Matrix sich ausreichend löst, um eine beschädigungsfreie Entformung zu gewährleisten. Es eignen sich demgemäss die im Betonfertigteilbereich verwendeten Schalungsmaterialien. Der Einsatz von Trennmitteln, wie sie ebenfalls aus der Fertigteilherstellung bekannt sind, ist möglich.
Die Verstellung des Bodens kann in an sich bekannter Weise über einen Spindelantrieb, eine Hydraulik oder ähnliches erfolgen. Es ist für die Entformung und eine ggfs. notwendige Reinigung vorteilhaft, wenn die Seitenwände der Schalung klappbar sind.
Zum Einbringen der Matrix dient vorzugsweise eine Vorrichtung, wie sie auch als Mörtelschlitten bereits bekannt ist. Mörtelschlitten finden beim Vermauern großformatiger Mauersteine (Ziegel, Porenbeton, Kalksandstein) im Dünnbettverfahren (dünne Mörtellage in einer Stärke von ca. 5 mm) Verwendung. Hierbei wird der Mauermörtel auf die Oberseite jeder Steinlage mit Hilfe eines Mörtelschlittens aufgetragen. Der Mörtelschlitten ist ein rechteckiger Metallkasten, der oben und unten offen ist und dessen Breite mit der verwendeten Steinbreite übereinstimmt. Von oben wird er mit Mörtel gefüllt und anschließend über die Oberkante einer Steinlage in Wandlängsrichtung gezogen. Über die offene Unterseite des Kastens und ein definiertes Spaltmaß wird eine dünne Mörtellage auf die Steinoberseite aufgetragen.
Alternativ kann die Matrix auch mittels einer Spritzeinrichtung aufgetragen werden.
Die Fasern bzw. Gewebe werden auf einer oder mehreren Rolle(n) vorgehalten und von da aus auf die Masse abgelegt und entsprechend der benötigten Länge abgelängt. Hierbei können die Fasern vorzugsweise mit einer geeigneten Vorrichtung über die Formlänge gespannt und fixiert werden, was in vorteilhafter Weise ein Verschieben der Fasern innerhalb der Masse vermeidet. Hierzu eignet sich eine Klemmvorrichtung, mit der die Fasern bzw. Gewebe auf beiden Seiten der Schalung festgelegt werden.
Alternativ können besonders bei in sich steifen Fasern auch fertig abgelängte Fasern in die Schalung eingelegt werden.
Die Einarbeitung der Fasern bzw. Gewebe und ggfs. eine gleichzeitige Entlüftung der Masse erfolgt zweckmäßig durch Oberflächen- oder Aussenrüttler. Eine Glättvorrichtung mit integrierter Vibrationseinrichtung ist ebenfalls brauchbar.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Mörtelschlitten bzw. die Spritzeinrichtung über die Schalung geführt werden und/oder die Schalung wird unter dem Mörtelschlitten bzw. der Spritzeinrichtung bewegt. Bei einer Bewegung von Schalung und Mörtelschlitten bzw. Spritzeinrichtung lassen sich besonders hohe Produktionsgeschwindigkeiten verwirklichen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden die Fasern bzw. das Gewebe durch den Mörtelschlitten eingeführt und so zusammen mit der hydraulisch abbindenden Masse in die Schalung eingebracht. Hierbei erfolgt eine Entlüftung der Masse zweckmäßig durch einen Innen- oder Aussenrüttler an dem Mörtelschlitten.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung können auch Muster in dem Formstein erzeugt werden. Hierzu können in einer oder mehreren Lagen die Fasern ganz oder teilweise weggelassen werden.
Die Erfindung soll anhand der beigefügten Figuren näher erläutert werden, ohne jedoch auf die beschriebenen Ausgestaltungen beschränkt zu sein. Soweit nicht anders angegeben beziehen sich alle %-Angaben auf das Gewicht.
Es zeigen:
1: Schema einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
2: Schema einer Schalung zu Produktionsbeginn
3: Schema einer alternativen erfindungsgemäßen Vorrichtung
4: Varianten für den Verfahrensablauf
5a–f: Schema einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Klemmvorrichtung zur Fixierung der Fasern bzw. Gewebe in verschiedenen Stadien des Verfahrens
In 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung schematisch dargestellt. Sie umfasst die Schalung 1 aus Rahmen 2 und vertikal beweglichem Boden 3. Weiterhin ist ein Mörtelschlitten 4 vorgesehen, der die hydraulisch abbindende Masse 5 in regelbarer Menge in die Schalung 1 einfüllt. Die Fasern 6 werden von einer Rolle 7 abgerollt. Nicht dargestellt sind der Antrieb des Bodens 3, die Vorrichtungen zum Ablängen der Fasern 6 und die Glättvorrichtung zum Einarbeiten der Fasern.
Erfindungsgemäß befindet sich der Boden 3 der Schalung 1 bei Produktionsbeginn mit einem definierten Höhenunterschied s unterhalb der Schalungsoberkante. Dieser Höhenunterschied s entspricht der Höhe einer Lage aus hydraulisch abbindender Masse 5 und Fasern 6. Der Mörtelschlitten 4 fährt über die Schalung 1 auf deren Oberkante entlang und füllt dabei eine exakt einstellbare Menge an Matrix 5 ein. Anschließend werden die für eine Lage benötigten Fasern 6, entweder als Einzelfasern oder als Gewebe, auf die frische Oberfläche der Matrix 5 gelegt, mit der Glättvorrichtung eingebaut und abgelängt.
Für den nächsten Schritt wird der Boden 3 der Schalung 1 um die Höhe s einer Lage aus Matrix 5 und Fasern 6 abgesenkt und der Füllvorgang in gleicher Weise wiederholt. Während des Befüllvorgangs kann die Schalung 1 zur Entlüftung der Matrix 5 von außen gerüttelt werden oder es erfolgt eine Verdichtung mittels der Glättvorrichtung.
In 2 ist eine Schalung 1 einer erfindungsgemäßem Vorrichtung dargestellt, wobei sich der Boden 3 in der obersten Stellung, welche zu Produktionsbeginn eingestellt ist, befindet.
Die 3 zeigt eine Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung, gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Hierbei werden die Fasern 6 von der Rolle 7 abgerollt und im Mörtelschlitten 4 in die Matrix 5 eingearbeitet. Das Einfüllen von Matrix 5 und Fasern 6 erfolgt demgemäss gleichzeitig. Vorzugsweise wird bei dieser Ausführungsform der Mörtelschlitten 4 mit einem Innen- oder Aussenrüttler zur Entlüftung der Matrix 5 versehen, eine Glättvorrichtung ist dadurch entbehrlich kann aber auch am Mörtelschlitten integriert sein.
In 4 sind drei Varianten der Vorrichtung dargestellt. Bei der ersten Variante, dargestellt in 4a, ist der Mörtelschlitten 4 beweglich und fährt über die Schalung 1 hinweg, um die Masse 5 einzufüllen. Bei der zweiten Variante, dargestellt in 4b, wird der Mörtelschlitten 4 ortsfest angeordnet und die Schalung 1 ist beweglich, so dass zum Einfüllen der Masse 5 die Schalung 1 unter dem Mörtelschlitten 4 entlang geführt wird. Bei der dritten Variante, dargestellt in 4c, sind sowohl Mörtelschlitten 4 als auch Schalung 1 beweglich und werden zum Einfüllen der Masse 5 und ggfs. auch der Fasern 6 gegeneinander bewegt. Dies erlaubt eine Erhöhung der Produktionsgeschwindigkeit.
In 5a–f ist der Verfahrensablauf sowie schematisch eine entsprechende Vorrichtung gezeigt, wobei eine Klemmvorrichtung die Fasern bzw. Gewebe beim Glätten und Ablängen fixiert. Der Verfahrensablauf und prinzipielle Aufbau entspricht demjenigen von 1. Nachdem die Lage der lichtleitenden Glasfasern 6 (einzelne Faserstränge oder Gewebe) auf die frische Matrixschicht 5 aufgelegt worden ist, wird die Glaslage 6 unmittelbar außerhalb der Schalung 1 auf einer Seite mit einer Klemmvorrichtung 8 fixiert (s. 5a). Dann wird, wie in 5b gezeigt, mit einer Anpresswalze 10 die Glaslage 6 auf die Oberfläche der Matrix 5 gepresst. In 5c ist zu sehen, wie dann mit einer Klemmvorrichtung 9 auch die andere Seite der Glaslage 6 fixiert wird. Die Klemmvorrichtung 8, 9 kann dabei so positioniert sein, dass ein gewisser Zug auf die Glaslage 6 ausgeübt wird. Dann erfolgt ein Glätt- und Verdichtungsvorgang mit einem Glättblech 11, der in 5d dargestellt ist. Analog der Vorgehensweise bei einem Straßenbetonfertiger kann dabei über das Glättblech 11 mittels Rüttler/Vibrator 12 eine zusätzliche Verdichtungsenergie aufgebracht werden.
Anschließend wird, wie in 5e dargestellt, die Glaslage 6 zwischen der Klemmvorrichtung 8 und 9 mit einer geeigneten Sägevorrichtung 13 durchtrennt. Die Klemmvorrichtungen 8, 9 verhindern dabei sowohl beim Glätten und Verdichten als auch beim Durchtrennen der Fasern 6 ein Verschieben der Faserlage 6 in der frischen Matrix 5.
Nach dem Durchtrennen wird die Klemmvorrichtung 8, 9 gelöst, der Boden 3 der Schalung 1 abgesenkt und wieder Matrix 5 eingefüllt. Dann wiederholt sich der Vorgang, s. 5f.
Die Erfindung wurde am Beispiel eines rechteckigen Steines erläutert, durch entsprechende Auswahl der Schalungsform lassen sich analog auch andere Formen mit dreieckigen, trapezförmigen, vieleckigen, runden oder gebogenen Grundflächen erhalten. Die Wände können senkrecht oder auch geneigt zur Grundfläche gestaltet werden. Darüber hinaus ist es möglich, durch eine mechanische Nachbearbeitung, z.B. Sägen, die äußere Kontur noch spezieller an gewünschte Formen anzupassen.
Obwohl das Verfahren sich bei lichtdurchlässigen Steinen besonders bewährt, ist auch bei anderen Fasern, bei denen eine exakte Ausrichtung wünschenswert ist, eine vorteilhafte Anwendung gegeben.

1: Schalung
2: Rahmen
3: Boden
4: Mörtelschlitten
5: hydraulisch abbindende Masse/Matrix
6: Fasern/Gewebe
7: Rolle (Bevorratung der Fasern/Gewebe)
8: Klemmvorrichtung
9: Klemmvorrichtung
10: Anpresswalze
11: Glättblech
12: Rüttler/Vibrator
13: Sägevorrichtung

Claims

Verfahren zur Herstellung von Formsteinen aus hydraulisch abbindenden Massen und darin eingebetteten Fasern, Matten, Gelegen oder Geweben dadurch gekennzeichnet, dass eine Schalung (1) aus einem Rahmen (2) und einem vertikal beweglichen Boden (3) verwendet wird, wobei a) der Boden (3) auf eine Höhe s unterhalb der Schalungsoberkante eingestellt wird, welche der Höhe einer Lage aus hydraulisch abbindender Masse (5) und Fasern (6) entspricht b) mittels eines Mörtelschlittens oder einer Spritzeinrichtung (4) die Schalung (1) bis zur Oberkante mit hydraulisch abbindender Masse (5) aufgefüllt wird c) Fasern, Matten, Gelege oder Gewebe (6) in die frische hydraulisch abbindende Masse (5) in der gewünschten Orientierung eingelegt werden d) der Boden (3) der Schalung (1) um eine Höhe s, welche der Höhe einer Lage aus hydraulisch abbindender Masse (5) und Fasern (6) entspricht, abgesenkt wird und die Schritte b) bis d) wiederholt werden, bis die gewünschte Höhe des Formsteins erreicht ist und/oder der Boden (3) der Schalung (1) nicht weiter abgesenkt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulisch abbindende Masse (5) ein Zement ist, dem gegebenenfalls Gesteinskörnungen, Zusatzmittel und/oder Zusatzstoffe beigefügt sind.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulisch abbindende Masse (5) ein Portfandzement, Portlandhüttenzement, Portlandflugaschezement, Portlandkalksteinzement, Portlandkompositzement, Hochofenzement oder eine Mischung daraus ist und eine Gesteinskörnung, vorzugsweise Sand, enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern, Matten, Gelege oder Gewebe (6) Lichtleitfasern, -matten, -gelege oder -gewebe sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern, Matten, Gelege oder Gewebe (6) von einer Rolle (7) abgerollt und auf die hydraulisch abbindende Masse (5) aufgelegt, mit einer Klemmvorrichtung (8, 9) über die Schalungsoberkante gespannt und fixiert und dann abgelängt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (6) nach dem Einlegen in die hydraulisch abbindende Masse (5) mit einer Glättvorrichtung eingearbeitet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle der Schritte b) und c) die Fasern (6) in dem Mörtelschlitten (4) in die hydraulisch abbindende Masse (5) eingebracht und die Fasern (6) gemeinsam mit der hydraulisch abbindenden Masse (5) in die Schalung bis zur Oberkante eingefüllt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulisch abbindende Masse (5) in dem Mörtelschlitten mit einem Innen- oder Aussenrüttler entlüftet wird.
Vorrichtung zur Herstellung von Formsteinen aus hydraulisch abbindenden Massen und darin eingebetteten Fasern, Matten, Gelegen oder Geweben, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Schalung (1) aus einem Rahmen (2) und einem vertikal beweglichen Boden (3) sowie einen Mörtelschlitten oder eine Spritzeinrichtung (4) und eine Klemmvorrichtung (8, 9) zur Fixierung der Fasern, Matten, Gelege oder Gewebe (6) umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Glättvorrichtung (12) zum Einbau der Fasern, Matten, Gelege oder Gewebe (6) in die hydraulisch abbindende Masse (5) umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Innen- oder Aussenrüttler zur Entlüftung der hydraulisch abbindenden Masse (5) an der Schalung (1) und/oder dem Mörtelschlitten (4) vorgesehen ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Mörtelschlitten bzw. die Spritzeinrichtung (4) über die Schalung (1) bewegt werden kann.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalung (1) unter dem Mörtelschlitten bzw. der Spritzeinrichtung (4) bewegt werden kann.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass Mörtelschlitten bzw. Spritzeinrichtung (4) und Schalung (1) gegeneinander bewegt werden können.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (3) der Schalung (1) mit einem Spindelantrieb oder einer Hydraulik verstellbar ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (2) der Schalung (1) aufgeklappt werden kann.