DE68910533T2

DE68910533T2 - Fasern und diese fasern enthaltendes material.

Info

Publication number: DE68910533T2
Application number: DE90900087T
Authority: DE
Inventors: Derek Davies; Anders Hansen
Original assignee: Danaklon AS
Current assignee: Anglo Danish Fibre Industries Ltd
Priority date: 1988-12-14
Filing date: 1989-12-14
Publication date: 1994-03-31
Anticipated expiration: 2009-12-15
Also published as: AU4757090A; WO1990006902A1; NO912302D0; DE68910533D1; DK114191A; AU630141B2; US5399195A; RU2074153C1; EP0448577B1; ES2060135T3; NO304933B1; FI100239B; ATE96766T1; DE448577T1; DK170614B1; EP0448577A1; DK695688D0; DK114191D0; JPH04502142A; NO912302L

Description

Die Verwendung verschiedener Faserarten bei der Herstellung von Beton, um zusätzliche Zugfestigkeit und Verstärkung gegen Beschädigung durch Schlag/Stoß und Rißausbreitung zu verleihen, ist bekannt gewesen und wurde lange Zeit praktiziert. Es ist ebenfalls bekannt, daß, während herkömmliche Verstärkungsmittel und gröbere Fasern die größere sichtbare Rißbildung, die dazu neigt, in Beton vorzukommen, reduzieren kann, nur sehr feine Fasern tatsächlich effektiv bei der Bekämpfung der Entwicklung von kleinen Rissen sind. Jedoch sind die Fasern, die gewöhnlich in Beton verwendet werden, z.B. synthetische Fasern aus Materialien wie Polypropylen, relativ grob, bedingt durch die Tatsache, daß es schwierig ist, eine zufriedenstellende Dispersion von sehr feinen Fasern in Beton zu erhalten, und insbesondere von Fasern mit hohen Aspektverhältnissen, wenn herkömmliche Mischverfahren und -ausrüstung verwendet werden. Tatsächlich kann die gleichmäßige Dispersion von selbst relativ groben Fasern in Beton ebenfalls schwierig sein.
Es ist gewöhnlich für solche Fasern, als ein vollständig gefasertes Band hergestellt zu werden, und sich dann auf ein umfangreiches Vermischen zu verlassen, bei dem die Faserung auseinandergenommen wird und die einzelnen Filamente, die weiterhin relativ grob sind, innerhalb des Betons dispergiert werden. Dieses System mag nicht immer zuverlässig sein, und das gefaserte Band wird nicht immer in die gewünschten einzelnen Filamente auseinandergenommen, insbesondere, da das Ausmaß des erforderlichen ausführlichen Mischens in der Praxis häufig nicht erreicht wird. Selbst bei effektiver Trennung wären die Fasern noch zu grob, um eine maximale Effektivität zur Verhinderung von Rißbildung, insbesondere von Mikro-Rißbildung, zu erreichen.
Beton ist zu selbstinduzierter Rißbildung geneigt, und da es ein sprödes Material ist, breiten sich diese Risse ohne weiteres unter relativ geringen Beanspruchungen aus. Beton fehlt es an Spannung durch zunehmende Rißentwicklung, eher als die gewöhnlicheren Versagungsarten von Konstruktionsmaterialien.
Es wird gewöhnlich angenommen, daß der Unterschied zwischen der tatsächlichen und der theoretischen Festigkeit des Betons durch die Anwesenheit von Sprüngen erklärt werden kann (Neville, A.M., Properties of Concrete, 1981). Daher reißt Beton nicht, weil er eine unzureichende Spannung besitzt, sondern er besitzt eher eine unzureichende Spannung, da er immer Risse enthält. Diese Risse und Sprünge variieren in der Größe, und deren Ausmaß spielt eine sehr wichtige Rolle, wenn man sich mit der Mechanik des Bruchvorgangs (fracture mechanics) beschäftigt, so daß die tatsächliche Festigkeit des ganzen eine Sache der statistischen Wahrscheinlichkeit ist, die von der Rißverteilung innerhalb des Materials abhängt. Die effektive Festigkeit des Betons kann daher erhöht werden und Fehler, d.h. die Entwicklung von Rissen in großem Ausmaß oder Brüchen kann verhindert werden, indem man die Entwicklung und Ausbreitung von Rissen verhindert.
Selbstinduzierte, nicht-strukturelle (non-structural) Risse kommen in großen Massen von werkgemischtem Transportbeton vor, bedingt durch kleine Risse, die sich früh bilden, und diese werden nachfolgend durch Beanspruchungen, hervorgerufen durch Änderungen der Dimensionen solch relativ großer Strukturen, ausgebreitet. Straßendecken-Betoneinheiten sind gewöhnlich etwa 3 m x 10 m x 200 mm dick; kleine Risse in solchem Beton können sich ohne weiteres ausbreiten, wodurch eine schwache Verbindung hergestellt wird, die zu nachfolgendem Bruch führt. Diese deutlich sichtbare Rißbildung ist oft die einzige Form der Rißbildung, die als wichtig wahrgenommen wird, aber sie ist ein direktes Ergebnis der Entwicklung viel kleinerer und wahrscheinlich im wesentlichen unsichtbarer früherer Risse.
Die EP-A-0 235 577 beschreibt Faseragglomerate mit verbesserter Dispergierbarkeit in viskosen organischen oder anorganischen Matrizes, z.B. Matrizes auf Zementbasis, die acrylische Stapelfasern umfassen, wobei jede Faser einen Durchmesser von weniger als 50 um und eine Länge von mehr als 3 mm hat, wobei die Fasern durch ein kohäsionsverleihendes Mittel miteinander verbunden sind, welches darin gelöst ist, quillt oder schmilzt in der Matrix, die verstärkt werden soll. Das kohäsionsverleihende Mittel, z.B. Polyvinylalkohol, wird in einer Menge von 1 bis 30 Gew.-% bezogen auf die Fasern verwendet. Die Fasern haben bevorzugt einen hohen Elastizitätsmodul.
Die EP-A-0 225 404 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten geformten Zementkörpers, welches das Dispergieren von Strängen, welche eine Vielzahl von Fasern umfassen, in einem ungehärteten Zementmaterial und danach das Härten des Materials umfaßt, wobei mindestens einige der Stränge mit einem Bindemittel imprägniert sind, so daß die Fasern der Stränge schwach miteinander verbunden sind, und zwar so, daß die Fasern voneinander freigesetzt werden, wenn die Stränge in dem Zementmaterial dispergiert werden. Das Bindemittel, z.B. ein Epoxyharz, wird in solch einer Menge verwendet, daß das Verhältnis der Stränge zu dem Bindemittel 5:5 bis 9:1 bezogen auf das Volumen beträgt.
Frühere Anwendungen von Fasern in Beton sind auf herkömmliche Verstärkungsmittel gerichtet worden, worin genügend Fasern mit einem hohen Elastizitätsmodul verwendet werden, um die Zugbeanspruchungen aufzunehmen. Obwohl dies in Materialien mit hohem Zementgehalt möglich ist, kann diese Methode nicht effektiv bei herkömmlichem Beton angewendet werden, selbst mit Stahlfasern, die hervorragende mechanische Eigenschaften haben. Dies kann dem folgenden zugeschrieben werden:
a. Das Volumen der benötigten Fasern kann zu groß sein, um in der Mörtelphase des Betons untergebracht werden zu können.
b. Die Wirkung der Fasern kann erst eintreten, nachdem die Matrix bereits fehlerhaft wurde, und kann daher in solchen Fällen so beschrieben werden, daß sich die Fehler einfach ausbreiten, als daß eine brauchbare Festigkeit erreicht wird.
c. Die Kosten und Schwierigkeiten bei der Verwendung rechtfertigen nicht immer die Anwendung.
d. Die dreidimensionale Ausrichtung der Fasern bei vorgemischter Verwendung (premix use) und die Verwendung der Fasern im gesamten Material bedingt oft eine nicht-effiziente Verwendung des Verstärkungsmaterials.
Es ist zunehmend wichtiger geworden, daß der wichtigste kommerzielle Beitrag der Fasern eher darin besteht, die Eigenschaften des Betons selbst zu verbessern, als daß sie unabhängig als ein Verstärkungsmaterial wirken.
Die Verstärkung ist jedoch leicht zu messen, und obwohl die anderen Wirkungen, d.h. die Verstärkung des Betons selbst, als wichtig erkannt werden können, ist die Schwierigkeit deren Messung und zahlenmäßiger Erfassung ein Grund gewesen, der diese Anwendung der Fasern im Beton verhindert hat.
Es ist nun herausgefunden worden, daß es möglich ist, sehr kleine Mengen von sehr feinen synthetischen Fasern, z.B. aus Polypropylen, zu verwenden, um die Eigenschaften und Leistungsfähigkeit von Beton und Mörtel zu verbessern, und insbesondere die Entwicklung von Rissen, hervorgerufen durch dimensionale Veränderungen, die in dem Beton vorkommen, zu verhindern, und die Rißbildung auf der wichtigen Stufe der Mikro-Rißbildung in den Griff zu bekommen, bevor sich die Risse entwickeln, um augenscheinlich zu werden. Die Fasern dienen daher dazu, die innere Festigkeit des Betons zu verbessern, und insbesondere selbstinduzierte Risse an ihrer Entwicklung auf der Stufe der Mikro-Rißbildung zu hindern als auch ihre Ausbreitung zu verhindern, anstatt lediglich ein zusätzliches unabhängiges Verstärkungsmaterial bereitzustellen.
Die Fasern werden in Form von Faserbündeln in den Beton oder Mörtel eingebracht, die es, wie unterhalb beschrieben ermöglichen, daß die feinen Fasern im wesentlichen homogen in dem Material, das erhalten werden soll, verteilt werden. Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft daher synthetische Faserbündel, entworfen für die Verwendung in Beton, Mörtel oder Zement, wobei die Bündel 10 bis 10.000 Filamente pro Bündel umfassen, wobei die Filamente im wesentlichen aus einem Polyolefin wie Polypropylen oder Polyethylen, einem Polyester oder einem Gemisch der vorstehenden bestehen und eine Länge von 1 bis 30 mm, eine mittlere Querabmessung von 5 bis 30 um und ein Aspektverhältnis von 100 bis 1.000 haben, wobei die Filamente in jedem Bündel durch ein Benetzungsmittel zusammengehalten werden, wobei das Benetzungsmittel den einzelnen Filamenten eine Oberflächenspannung verleiht, die es ihnen ermöglicht, im wesentlichen homogen in einem Beton, Mörtel oder einer Paste durch herkömmliches Mischen in herkömmlicher Betonmischausrüstung dispergiert zu werden.
Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft Materialien auf Zementbasis, die eine kleine Menge der oben beschriebenen Fasern umfassen. Dieser Aspekt betrifft daher einen Beton, Mörtel oder eine Paste auf Zemtentbasis mit darin im wesentlichen homogen verteilten synthetischen Fasern, die ein Polyolefin wie Polypropylen oder Polyethylen, einen Polyester oder ein Gemisch der vorgehenden, und die eine Länge von 1 bis 30 mm, eine mittlere Querabmessung von 5 bis 30 um und ein Aspektverhältnis von 100 bis 1.000 haben, umfassen, wobei die Oberfläche der Fasern ein Benetzungsmittel umfaßt, und wobei die Fasern in einer Menge von weniger als etwa 1 Gew.-% bezogen auf die Zement-Materialien des Betons, des Mörtels oder der Paste vorliegen. Der Ausdruck "Material der Erfindung", wie im nachfolgenden verwendet, bezieht sich auf solche Materialien.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des oben genannten Materials auf Zementbasis, worin das Verfahren umfaßt:
Zugeben zu einem Beton-, Mörtel- oder Zementgemisch, dem Wasser zugegeben worden ist, von weniger als 1 Gew.-%, bezogen auf die Zement-Materialien, von synthetischen Faserbündeln, die 10 bis 10.000 Filamente pro Bündel umfassen, wobei die Filamente ein Polyolefin wie Polypropylen oder Polyethylen, einen Polyester oder ein Gemisch der vorstehenden umfassen und eine Länge von 1 bis 30 mm, eine mittlere Querabmessung von 5 bis 30 um und ein Aspektverhältnis von 100 bis 1.000 haben, wobei die Filamente in jedem Bündel durch ein Benetzungsmittel zusammengehalten werden, wobei das Benetzungsmittel den einzelnen Filamenten eine Oberflächenspannung verleiht, die es ihnen ermöglicht, im wesentlichen homogen in der Mischung durch herkömmliches Mischen in herkömmlicher Betonmischausrüstung dispergiert zu werden,
Vermischen des daraus hervorgehenden Gemisches während eines Zeitraumes von mindestens etwa 20 Sekunden, um ein Beton-, Mörtel- oder Pastengemisch zu erhalten, in welchem die einzelnen Filamente im wesentlichen homogen verteilt sind, und
Gießen des Beton-, Mörtel- oder Pastengemisches in eine gewünschte Form, wahlweise mit Einbau, während des Gießens, von zusätzlichen Körpern wie einem Verstärkungsmaterial.
Es ist herausgefunden worden, daß, da sie ursprünglich in der Form von Faserbündeln vorhanden sind, die sehr feinen Fasern, wie oben beschrieben (im folgenden "Fasern der Erfindung" genannt) dazu geeignet sind, effektiv in allen Arten von Beton, Mörtel oder Zement unter Verwendung aller bestehenden Arten herkömmlicher Rührwerke, einschließlich der rotierenden Trommel eines Lastwagens für werkgemischten Transportbeton, dispergiert zu werden. Die Fasern der Erfindung können, da sie geeignet sind, gut dispergiert zu werden, selbst bei sehr geringen Zusatzmengen viele wichtige Vorteile bezüglich der Eigenschaften und Leistungsfähigkeit von Beton und anderen Materialien auf Zementbasis ergeben. Einige dieser Vorteile sind:
Das Verhindern von Rissen, die sich aus plastischer Schrumpfung, plastischem Zusammensacken, früher thermischer Schrumpfung, chemischer Schrumpfung und Carbonisierung ergeben.
Das Verhindern von Rissen, die sich aus Schrumpfung durch Trocknen, abwechselnder periodischer Beanspruchung bedingt durch aufliegende Lasten, reversible Feuchtigkeitsmechanismen und thermische Veränderungen ergeben.
Die mögliche Beseitigung der Notwendigkeit von Stahlmatten, um die schlimmsten probleme, verursacht durch selbstinduzierte Rißbildung, in den Griff zu bekommen.
Eine Verbesserung der Haltbarkeit, bedingt durch die Verhütung von Rissen und verringerte Wasserabsorption, und daraus resultierende innere Festigkeit.
Eine Verringerung der Beschädigung durch Frost, bedingt durch verringerte Durchlässigkeit und einen erhöhten Widerstand gegen Zersplittern/Zerbrechen als ein Ergebnis erhöhter Betonfestigkeit und -Integrität und erhöhten Widerstand gegen Rißausbreitung.
Erhöhter Widerstand gegen Schlag/Stoß und Beschädigung durch Abrieb.
Größere Kohäsion des nassen Betons und die Verleihung einer thixotropen Rheologie, die zu folgendem führt:
homogenerer und konsistenterer Beton, mit gleichmäßigeren und zuverlässigeren Eigenschaften,
leichteres Pumpen, Einbringen und Fertigbearbeiten, und das Verhüten von Sedimentation und überschüssigem Auslaufen,
eine verringerte Neigung zur Bildung von Rissen durch plastisches Zusammensacken, als ein Ergebnis der Verringerung der Sedimentation, und
Vorteile, wenn der Beton auf Gefälle aufgebracht wird, da das Material weniger dazu neigt, seine Bewegung fortzusetzen, was sonst zu einer zunehmenden Neigung zur Rißbildung führt.
Besserer Widerstand gegen Beschädigung durch Feuer, da die feinen synthetischen Fasern bei hohen Temperaturen schmelzen, und so dem überhitzten Dampf, der innerhalb des Betons gebildet wird, ermöglichen, durch eine Anzahl von Kapillaren zu entweichen.
Besserer Widerstand gegen Verschlechterung durch korrosive Chemikalien, bedingt durch ein verringertes Eindringen solcher Chemikalien in den Beton.
Ein konsistenterer und homogenerer Beton durch Erhöhung der Wirkung des Rührwerks und Verhinderung des Entmischens aufgrund der Teilchengröße und nachfolgender Sedimentation.
Die Kohäsionsfähigkeit, verliehen durch die Fasern der Erfindung, dient dazu, die Fertigbearbeitung des Betons zu verbessern. Das Texturieren der Oberfläche, um eine schlupffreie Beschaffenheit herzustellen, wird verbessert, und der erreichte Effekt wird nicht durch nachfolgendes Zusammensacken vermindert, bedingt durch die thixotropen Eigenschaften, welche durch die Fasern verliehen werden.
Die Fasern beeinträchtigen die Oberflächenbeschaffenheit des Betons nicht und sind selbst mit dem bloßen Auge in dem Beton tatsächlich unsichtbar. Der thixotrope Effekt kann ebenfalls bei der Ermöglichung neuer und interessanterer ästhetischer Beschaffenheiten und Effekte, die erzielt werden sollen, von Interesse sein, welche dekorative in situ- und unverarbeitete (pre-cast) Anwendungen umfassen.
Es ist zunehmend verbreitet, höhere Zementgehalte in Beton und anderen Materialien auf Zementbasis zu verwenden, um ihre Haltbarkeit zu erhöhen. Dies führt jedoch zu einer vergrößerten Neigung zur selbstinduzierten Rißbildung, und da diese Materialien relativ spröde sind, zu größerer Rißausbreitung. Wie oben erwähnt sind die Fasern der Erfindung dazu geeignet, effektiv in allen Arten von Beton oder Mörtel dispergiert zu werden. Durch ihre Fähigkeit, Rißbildung zu verhindern, ermöglichen die Fasern daher Beton oder anderen Materialien auf Zementbasis, direkt und indirekt bezüglich der Haltbarkeitsanforderungen verbessert zu sein.
Die Verwendung von pozzolanartigen Materialien nimmt ebenfalls zu, und wenn diese Materialien sehr fein sind, so wie Mikro-Silicamaterialien, können sie das Ausmaß des Auslaufens und der Wassermigration verringern und können zu zunehmender plastischer Rißbildung führen.
Wenn weniger feine pozzolanartige Materialien, so wie pulverisierte Brennstoffasche, verwendet werden, wird der Betrag der Festigkeitszunahme verringert und die Zeitdauer, während der der Beton oder andere Materialien auf Zementbasis schwach und anfällig für plastische oder frühe Rißbildung durch Schrumpfen sind, wird erhöht. Die Verwendung von gemahlenem granuliertem Hochofenschlackenzement hat eine ähnliche Wirkung auf die frühe Festigkeitsentwicklung. Wenn Polymeremulsionen zum Beton oder zu Materialien auf Zementbasis zugegeben werden, wird die Anfälligkeit für Risse durch frühes Trocknen, wie bekannt, ebenfalls erhöht.
In all diesen Fällen ist die Zugabe von kleinen Mengen der sehr feinen Fasern der Erfindung wirksam bezüglich der Verringerung der Neigung des Materials zu reißen und ermöglicht so, die Leistungsfähigkeit dieser Materialien in einem höheren Ausmaß zu erreichen.
Zemente mit hohem Aluminiumoxidanteil leiden an hohen entstehenden exothermen Temperaturen, welche ebenfalls zu Rißbildungsproblemen führen und die Wirksamkeit dieser Materialien begrenzen. Die Fasern der Erfindung sind wirksam beim Kontrollieren solcher Risse und bei der Erhöhung der Leistungsfähigkeit solcher Zemente.
Zemente, welche mit einer kontrollierten Ausdehnung über einen langen Zeitraum hinweg entwickelt werden können, um die Schrumpfung durch Trocknen über einen langen Zeitraum hinweg auszugleichen, so wie Calciumsulfoaluminate, leiden trotzdem an plastischer Schrumpfung und Schrumpfung durch frühes Trocknen. Die Fasern der Erfindung sind daher ebenfalls von Interesse, um diesen Zementen für eine ausreichende Zeit die Beibehaltung der Unversehrtheit zu ermöglichen, um zu ermöglichen, daß die Wirkung der Kompensation der Schrumpfung dieser Zemente über einen langen Zeitraum hinweg erreicht werden kann.
Die Fasern der Erfindung werden in einen Beton oder ein anderes Material auf Zementbasis in Form der oben genannten Faserbündel eingebracht, welche im wesentlichen aus einem Polyolefin, einem Polyester, einem Polyamid oder einem Gemisch der vorhergehenden bestehen können. Gewöhnlich bestehen die Fasern aus einem Polyolefin so wie Polypropylen oder Polyethylen. Polypropylen ist als Material für synthetische Fasern sehr gut bekannt und ist seit vielen Jahren verwendet worden, dank seinem Widerstand gegenüber Säuren und Basen, seinen vorteilhaften Festigkeitseigenschaften, seiner geringen Dichte und seines geringen Preises.
Während es immer eine gewisse Schwankung in der Anzahl der Filamente in den Faserbündeln gibt, umfassen sie gewöhnlich etwa 50 bis etwa 5.000 Filamente pro Bündel, so wie etwa 100 bis etwa 2.000 Filamente pro Bündel, insbesondere etwa 500 bis etwa 1.500 Filamente pro Bündel, so wie etwa 1.000 Filamente pro Bündel.
Im Gegensatz zu feinen Fasern, welche z.B. bei der Herstellung von Garn/Fäden für Teppiche verwendet werden, sind die Fasern der Erfindung bevorzugt weitgehend nicht-gekräuselt, um die Dispersion in einem Beton oder einem anderen Material auf Zementbasis zu erleichtern.
Die einzelnen Filamente haben gewöhnlich eine Länge von etwa 3 bis 30 mm, z.B. etwa 5 bis 25 mm, insbesondere etwa 6 bis 18 mm, und eine mittlere Querabmessung von etwa 3 bis 30 um, so wie etwa 5 bis 25 um, insbesondere etwa 10 bis 20 um.
Das Aspektverhältnis, d.h. das Verhältnis zwischen der Länge und dem Durchmesser der einzelnen Filamente beträgt gewöhnlich etwa 200 bis 800, insbesondere etwa 400 bis 700, so wie etwa 600. Während ein Aspektverhältnis von mindestens etwa 100 als günstiges Minimum angesehen wird, um eine Wirksamkeit der Verwendung von Fasern in Beton oder Materialien auf Zementbasis zu erreichen, hat es sich früher als schwierig erwiesen, eine gute Dispersion selbst von Fasern mit geringeren Aspektverhältnissen zu erreichen. Weiterhin erforderte das Dispergieren von Fasern mit Aspektverhältnissen von nur 100 oft spezielle Hilfsmittel zum Mischen und die Verwendung von speziellen Additiven innerhalb der Mischung, die die Dispersion unterstützen. Die einzelnen Filamente entsprechend der Erfindung haben daher ein hohes Aspektverhältnis verglichen mit Fasern, die gewöhnlich in Beton verwendet werden, und sind als solche vorteilhaft. Trotzdem können die Fasern entsprechend der Erfindung, in der Form von Faserbündeln, ohne weiteres in Beton dispergiert werden, selbst wenn die einzelnen Filamente ein Aspektverhältnis von etwa 1.000 haben.
Es wird angenommen, daß die Tatsache, daß die Fasern der Erfindung geeignet sind, leicht in einer Zement-Mischung unter Verwendung gewöhnlicher Mischzeiten, Verfahren und Ausrüstungen dispergiert zu werden, bedingt ist durch 1) die Dispergierbarkeit der Einheiten, aufgebaut aus den Faserbündeln, in einem Zementgemisch, zu dem Wasser zugegeben wurde, und 2) die leichte Auftrennung der Bündel in "Unterbündel" ("sub-bundles") und einzelne Filamente während dem Mischen oder Rühren. Die einzelnen Filamente haben eine Oberflächenspannung, die es ihnen ermöglicht, im wesentlichen homogen in einem Beton, Mörtel oder einer Paste durch herkömmliches Mischen in gewöhnlichen Betonmischausrüstungen dispergiert zu werden. Die Oberfläche der Filamente wird daher im wesentlichen hydrophil sein, so daß die Filamente in Wasser oder Gemischen, die Wasser enthalten, z.B. einem Beton-, Mörtel- oder einem Zementgemisch, dem Wasser zugegeben wurde, leicht dispergierbar sein werden. Eine geeignete Oberflächenspannung für die Filamente ist etwa 65 bis 80 dyn/cm², wie etwa 70 bis 75 dyn/cm², insbesondere etwa 72 bis 74 dyn/cm².
Die gewünschte Oberflächenspannung wird gewöhnlich durch Behandlung der Bündel der Filamente mit einem Benetzungsmittel erreicht. Als eine zusätzliche Oberflächenbehandlung können die Bündel der Fasern wahlweise einer elektrischen Behandlung, die als Korona-Behandlung bekannt ist, unterworfen werden. Diese Verfahren werden genauer unterhalb beschrieben.
Die oben beschriebenen Fasern werden gewöhnlich wie folgt hergestellt:
Der erste Schritt bei der Herstellung der Faserbündel ist das Schmelzen des Faserrohmaterials/der Faserrohmaterialien. Dies wird oft in einem Extruder durchgeführt, obwohl ein Extruder nicht unbedingt verwendet werden muß. Die Temperatur, welche für das Schmelzen des Bestandteils/der Bestandteile der Fasern verwendet wird, hängt selbstverständlich von den Materialien ab, welche in der gegebenen Faser verwendet werden.
Die Art der Spinnausrüstung, welche beim Spinnen der Schmelze in ein gesponnenes Bündel aus Filamenten verwendet wird, ist nicht entscheidend, da beide Arten, sowohl das "Kurzspinnen" als auch das "Langspinnen" verwendet werden können. Kurzspinnen ist ein Ein-Schritt-Verfahren, in welchem die Faserbündel in einem einzigen Verfahren gesponnen und gestreckt werden, während Langspinnen oder herkömmliches Schmelzspinnen, als das es auch bekannt ist, ein Zwei-Schritt-Verfahren ist, in dem der erste Schritt die Extrusion der Schmelze und das tatsächliche Spinnen der Faserbündel ist, während der zweite Schritt das Strecken der gesponnenen Fasern ist.
Die gesponnenen Fasern werden, sobald sie aus der Spinndüse herauskommen, abgekühlt, wobei das Kühlen gewöhnlich durch einen Luftstrom erreicht wird, der an den Fasern vorbeigeblasen wird.
Die Bündel der Filamente, die an diesem Punkt gewöhnlich einige Tausend Fasern umfassen, werden nachfolgend gestreckt. Das Strecken wird gewöhnlich unter Verwendung einer Anzahl von heißen Walzen und einem Heißluftofen oder einem flüssigen Medium so wie heißem Wasser oder Öl ausgeführt, wobei eine Anzahl von Bündeln der Filamente gewöhnlich gleichzeitig gestreckt wird. Die Bündel der Filamente durchlaufen zuerst einen Satz von Walzen, gefolgt von einem Durchlaufen durch den Heißluftofen oder die heiße Flüssigkeit, und durchlaufen dann einen zweiten Satz von Walzen. Die heißen Walzen haben gewöhnlich eine Temperatur von etwa 70 bis 130ºC, und der Heißluftofen oder die heiße Flüssigkeit haben gewöhnlich eine Temperatur von etwa 80 bis 140ºC. Die Geschwindigkeit des zweiten Satzes von Walzen ist größer als die Geschwindigkeit des ersten Satzes, und die erhitzten Bündel der Filamente werden daher entsprechend dem Verhältnis der zwei Geschwindigkeiten (Streckverhältnis oder Ziehverhältnis genannt) gestreckt. Ein zweiter Ofen oder eine zweite Flüssigkeit und ein dritter Satz von Walzen kann ebenfalls verwendet werden (Zwei-Stufen-Streckung), wobei der dritte Satz von Walzen eine höhere Geschwindigkeit als der zweite Satz hat. In diesem Fall entspricht das Streckverhältnis dem Verhältnis zwischen der Geschwindigkeit des letzten und des ersten Satzes von Walzen. Ähnlich können zusätzliche Sätze von Walzen und Öfen oder Flüssigkeiten verwendet werden.
Die Fasern der vorliegenden Erfindung werden typischerweise unter Verwendung eines Streckverhältnisses von etwa 1,5:1- 8:1, gewöhnlich etwa 2:1-6:1, bevorzugt etwa 2,5:1-4:1, insbesondere etwa 2,5:1-3,5:1 gestreckt, was zu einem geeigneten Durchmesser oder einer geeigneten mittleren Querabmessung, wie oben beschrieben, führt.
Die Bündel der Filamente werden dann getrocknet und fixiert. Das Streckverfahren kann dazu führen, daß sich Spannungen in den Fasern entwickeln. Diese können vermindert werden, indem man die gestreckten Bündel der Filamente einer Wärmebehandlung unterwirft, die ebenfalls dazu dient, die Fasern zu trocknen. Geeigneterweise wird dies bewerkstelligt, indem man die Bündel der Filamente durch einen Ofen hindurchlaufen läßt, in welchem man den Fasern ermöglicht, zu schrumpfen.
Wie oben beschrieben werden die Bündel der Filamente nachfolgend mit einem Benetzungsmittel behandelt, um die Filamente mit der gewünschten Oberflächenspannung auszustatten, d.h., einer Oberflächenspannung von etwa 65-80 dyn/cm², wie etwa 70-75 dyn/cm², insbesondere etwa 72-74 dyn/cm². Dies wird gewöhnlich durchgeführt, indem man die Bündel durch eine Reihe von sogenannten Gleitmittelbeschichtungswalzen (so-called lubricant application rollers) hindurchlaufen läßt, welchen das Benetzungsmittel zugeführt wird. Zusätzlich dient das Benetzungsmittel, neben der Verleihung einer einfachen Dispergierbarkeit der einzelnen Filamente in einem Zementgemisch ebenfalls dazu, die Filamente des Bündels bei geringfügiger Beanspruchung zusammenzuhalten, bevor die Faserbündel dem Gemisch zugegeben werden. Das Benetzungsmittel wird gewöhnlich aus solchen Benetzungsmitteln ausgewählt, die gewöhnlich für die Anwendung für synthetische Fasern, um diese hydrophil zu machen, verwendet werden, so wie Benetzungsmittel für die Behandlung von Fasern, die in dem sogenannten naßverlegten nichtgewebten Verfahren (so-called wetlaid non-woven process) verwendet werden. Solche Benetzungsmittel sind handelsüblich erhältlich und sind gewöhnlich Zusammensetzungen, die Verbindungen umfassen, die gewöhnlich als Emulgatoren, oberflächenaktive Mittel oder Detergenzien verwendet werden, und können Mischungen dieser Verbindungen umfassen. Beispiele für solche Verbindungen sind Fettsäureester von Glyzeriden, Fettsäureamide, Polyglycolester, polyethoxylierte Amide, nichtionische oberflächenaktive Mittel und kationische oberflächenaktive Mittel.
Spezifische Beispiele für Verbindungen, die als Benetzungsmittel oder als Bestandteile von Benetzungsmitteln verwendet werden, sind ein Polyethylenglycollaurylether mit der Formel:
CH&sub3;(CH&sub2;)&sub1;&sub1;-O-(CH&sub2;CH&sub2;O)n-H
Glycerinmonostearat mit der Formel:
(C&sub1;&sub7;H&sub3;&sub5;)COOCH&sub2;CHOHCH&sub2;OH
Erucamid mit der Formel:
C&sub2;&sub1;H&sub4;&sub1;CONH&sub2;
Stearinsäureamid mit der Formel:
CH&sub3;(CH&sub2;)&sub1;&sub6;CONH&sub2;
ein Trialkylphosphat mit der Formel:
ein Laurylphosphataminester mit der Formel:
ein Laurylphosphat-Kaliumsalz, beschrieben durch die Formeln:
und ein Ethylendiaminpolyethylenglycol mit der Formel:
Ein Beispiel für ein bevorzugtes Benetzungsmittel ist SW-T, welches von Nissin Kagaku Kenkyosho Ltd., Japan, erhältlich ist, und welches einen größeren Anteil von Sulfobernsteinsäure-bis-(2-ethylhexyl)ester-Natriumsalz (eine anionische Benetzungs-/Dispersionsverbindung) umfaßt, und ebenfalls Isopropylalkohol, Siloxane, Silicone, Silicamaterial und Sorbitmonostearat enthält.
Die Bündel der Fasern können, zusätzlich zur Behandlung mit einem Benetzungsmittel, wahlweise einer Koronabehandlung unterworfen werden, welche eine elektrische Behandlung ist, die weitverbreitet bei der Herstellung von synthetischen Fasern ist. Diese Behandlung ist eine starke elektrische Entladung von einer speziellen Elektrode auf die Faserbündel. Eine sehr hohe Spannung ist erforderlich (etwa 25 kV und 20 kHz), um den Elektronen genügend Energie zu verleihen, die Oberfläche der Fasern durchdringen zu können. Wenn die Elektronen die Polymerketten mit einer hohen Geschwindigkeit treffen, werden viele dieser Ketten zerbrochen, wodurch es möglich wird, daß Carbonylgruppen mit Hilfe von Ozon (O&sub3;) in der Luft gebildet werden. Die Bildung von Carbonylgruppen macht die Oberfläche der Fasern polar und daher besser dispergierbar in wässrigen Gemischen. Die wahlweise Koronabehandlung wird gewöhnlich vor der Anwendung des Benetzungsmittels durchgeführt.
Nach der Behandlung mit dem Benetzungsmittel werden die Bündel der Filamente unmittelbar in kleinere Bündel aufgetrennt, von denen jedes weniger Filamente als die ursprünglichen Bündel umfaßt. Daher umfassen die Bündel der Filamente dann gewöhnlich etwa 50 bis etwa 5000 Filamente pro Bündel, so wie etwa 100 bis etwa 2000 Filamente pro Bündel, insbesondere etwa 500 bis etwa 1500 Filamente pro Bündel, so wie etwa 1000 Filamente pro Bündel. Es muß daran erinnert werden, daß es immer eine bestimmte natürliche Schwankung in der Anzahl der Filamente pro Bündel gibt.
Die Bündel der Filamente werden dann einer Schneidmaschine zugeführt, wo die Fasern in die gewünschte Länge geschnitten werden. Das Schneiden wird gewöhnlich ausgeführt, indem man die Bündel über ein Rad, welches radial angeordnete Messer enthält, laufen läßt. Die Fasern werden durch Druck von Walzen gegen die Messer gepreßt, und so in die gewünschte Länge geschnitten, die gleich dem Abstand zwischen den Messern ist. Wie oben erklärt werden die Bündel der Filamente so geschnitten, daß die Fasern eine Länge von etwa 1-30 mm, gewöhnlich etwa 3-30 mm, z.B. etwa 5-25 mm und insbesondere etwa 6-18 mm haben, wodurch ihnen ein Aspektverhältnis wie oben beschrieben verliehen wird.
Die Bündel der Filamente, hergestellt durch das oben beschriebene Verfahren, sind, wie oben erklärt, für die Verwendung in Beton, Mörtel oder Zement entworfen worden, und die einzelnen Filamente der Bündel sind geeignet, effektiv in allen Arten von Beton, Mörtel oder Zement unter Verwendung aller Arten von bestehenden herkömmlichen Rührwerken dispergiert zu werden. Entsprechend betrifft die Erfindung ebenfalls, wie oben erwähnt, einen Beton, Mörtel oder eine Paste auf Zementbasis, worin die oben beschriebenen synthetischen Fasern im wesentlichen homogen verteilt sind, wobei die Fasern in einer Menge von weniger als etwa 1 Gew.-% bezogen auf die zementartigen Materialien des Betons, Mörtels oder der Paste vorhanden sind.
Im vorliegenden Zusammenhang bedeutet der Ausdruck "Zement" alle Zemente vom Portland-Zementtyp, enthaltend weißen Portlandzement, Zemente mit geringem Alkalianteil, sulfatbeständige Zemente (sulphate-resistent cements) , Portlandschlackenzement und Portlandpozzolanzement, und Zemente vom feuerbeständigen oder Aluminattyp so wie Zement mit hohem Aluminiumoxidanteil und Calciumsulfoaluminatzemente, Hochofenzemente, pozzolanartige Zemente, Gips, umfassend Hemi- und Anhydridversionen, Magnesiumoxychlorat und Magnesiumchlorid und andere ähnliche nichtorganische Zementsysteme, sowohl hydraulische als auch nichthydraulische, oder Kombinationen der oben genannten, wahlweise mit Zusatzstoffen oder Polymerzugaben. Eine "Paste" bezieht sich auf ein Gemisch von Zement und Wasser.
Der Ausdruck "Mörtel", wie in dem vorliegenden Zusammenhang verwendet, bezieht sich auf ein Gemisch, umfassend Zement und Teilchen wie Sand und feine Gesteinsmassen oder Steine, welches spezielle Zuschlagmaterialien mit geringem Gewicht umfaßt, wobei die Teilchen in der Lage sind, durch ein Sieb mit einer Öffnung von 2,4 mm hindurchzupassen. Der Ausdruck "Beton" wie im folgenden verwendet bezieht sich auf einen Mörtel oder eine Paste der/die größere Zuschlagstoffe umfaßt. Der Ausdruck "zementartige Materialien" bezieht sich auf den Gehalt der oben genannten Zementmaterialien in einem Beton, Mörtel oder einer Paste.
Es ist für den Fachmann klar verständlich, daß sich der Ausdruck "im wesentlichen homogen darin verteilt" auf den Umstand bezieht, daß die Fasern der Erfindung im wesentlichen homogen innerhalb der Mörtelphase des Materials der Erfindung verteilt sind, da solche Fasern natürlich nicht innerhalb der größeren Zuschlagstoffe in einem Beton verteilt sein können.
Beton oder andere Materialien auf Zementbasis können entweder als in situ oder als unverarbeitet (pre-cast) angesehen werden, wobei die in situ-Materialien vor Ort (on-site) gegossen werden. In situ-Beton ist gewöhnlich vom Typ des werkgemischten Transportbetons, obwohl er ebenso vor Ort gemischt werden kann.
Ein Mörtel oder Beton, der die Fasern der Erfindung umfaßt, besitzt gewöhnlich einen Zementgehalt im Bereich von etwa 200-1200 kg/m³. Ein herkömmlicher in situ-Beton, in dem die Fasern der Erfindung oft eingebracht werden, hat gewöhnlich einen Zementgehalt von etwa 200-600 kg/m³, insbesondere etwa 250-450 kg/m³, während ein unverarbeiteter Beton, der die Fasern der Erfindung verwendet, gewöhnlich einen Zementgehalt von etwa 300-500 kg/m³ hat. Ein Mörtel hat gewöhnlich einen Zementgehalt von etwa 400-1200 kg/m³, bevorzugt etwa 600-1000 kg/m³. Spezieller Beton oder Mörtel mit hoher Festigkeit kann einen Zementgehalt von etwa 500-1200 kg/m³, gewöhnlich etwa 500-1000 kg/m³ haben.
Das Wasser : Zement-Verhältnis eines Materials auf Zementbasis entsprechend der Erfindung liegt gewöhnlich im Bereich von etwa 0,25-0,8 bezogen auf das Gewicht. In situ-Beton hat gewöhnlich ein Wasser : Zement-Verhältnis von etwa 0,4-0,6, während das Wasser : Zement-Verhältnis von unverarbeitetem Beton gewöhnlich etwa 0,25-0,35 beträgt, wenn er durch Druck verdichtet wird, und etwa 0,4-0,6 beträgt, wenn er naßgegossen und vibrationsverdichtet wird. Jedoch ist der Einbau der Fasern der Erfindung in Materialien auf Zementbasis, die ein Wasser : Zement-Verhältnis von weniger als 0,25 haben, z.B. dichte Materialien, die ultrafeine Mikro-Silicamaterialien enthalten, ebenfalls von Interesse.
Ein Beton entsprechend der Erfindung enthält gewöhnlich eine Mörtelphase von mindestens etwa 0,2 bezogen auf das Gewicht. Der Anteil der Mörtelphase in einem herkömmlichen Beton ist gewöhnlich auf ein Maximum von etwa 0,6 begrenzt, bedingt durch die Tatsache, daß die Neigung des Betons zur Rißbildung mit zunehmenden Mengen an Mörtel zunimmt. Da jedoch der Einbau der Fasern der Erfindung in einem Beton dazu führt, daß die Neigung zur Rißbildung vermindert wird, ist es möglich, Beton mit einer größeren Mörtelphase herzustellen, als sie normalerweise verwendet wird, ohne die Gefahr von übermäßiger Rißbildung. Daher kann ein Beton entsprechend der Erfindung eine relativ große Mörtelphase umfassen, so wie bis zu etwa 0,8 oder sogar größer.
Die Fasern der Erfindung sind gewöhnlich in dem Material in einer Menge von etwa 0,05-0,5%, insbesondere etwa 0,1-0,3%, so wie 0,15-0,25% bezogen auf das Gewicht der zementartigen Materialien vorhanden.
In einem typischen in situ-Beton mit einem Zementgehalt von etwa 250-400 kg/m³ beträgt der Gehalt der Fasern der Erfindung daher weniger als etwa 4 kg/m³, normalerweise etwa 0,1- 2,0 kg/m³, so wie etwa 0,3-1,0 kg/m³, insbesondere etwa 0,4- 0,8 kg/m³, z.B. etwa 0,5-0,7 kg/m³.
Ein Beton oder Mörtel entsprechend der Erfindung kann Zusatzstoffe enthalten, um die benötigte Menge an Wasser zu reduzieren, die Verarbeitungsfähigkeit zu erhöhen, die Rheologie zu verändern, die Permeabilität zu verringern, Luft einzuschließen (entrain air) oder die Reaktion des Zements mit Wasser zu verzögern oder zu beschleunigen. Er kann ebenfalls verschiedene Arten von organischen Polymeren enthalten, die als Feststoffe oder als Emulsionen auf Wasserbasis zugesetzt werden, enthaltend polymer imprägnierten Beton oder Polymerzementbeton. Zusätzlich kann er ein Verstärkungsmaterial enthalten, das entweder als Stangen/Stäbe oder Netze/Matten enthalten ist, enthaltend Stahlzement und Metallverschalung (metal lathing), oder als zusätzliche Fasern aus z.B. Metall, Glas oder synthetischem Material.
Wie oben erwähnt, ist gefunden worden, daß der Einbau von selbst sehr kleinen Mengen der Fasern der Erfindung den betreffenden Materialen auf Zementbasis viele verschiedene Vorteile verleiht. Daß solche Wirkungen mit solch kleinen Mengen der Fasern erhalten werden, kann durch die Feinheit der Fasern erklärt werden, zusammen mit der Tatsache, daß sie geeignet sind, im wesentlichen homogen in dem Material dispergiert zu werden. Die Faserbündel der Erfindung mit z.B. 300 x 10&sup6; einzelnen 12 mm langen Filamenten pro kg ergeben, wenn sie in ein Material auf Zementbasis mit einem Gehalt von z.B. 0,6 kg Faserbündel pro m³ eingebracht werden, etwa 2000 km Fasern pro m³. Aus dieser Sicht gesehen ist es verständlich, daß selbst kleine Mengen der Fasern der Erfindung erhebliche Vorteile verleihen können, wenn sie in ein Material auf Zementbasis eingebracht werden.
Das Material auf Zementbasis der Erfindung kann, wie oben beschrieben, hergestellt werden durch Zugeben zu einem Beton-, Mörtel- oder Zementgemisch, dem Wasser zugegeben worden ist, von weniger als 1 Gew.-%, bezogen auf die Zementmaterialien, von den Faserbündeln entsprechend der Erfindung, Mischen des erhaltenen Gemischs für einen Zeitraum von mindestens etwa 20 Sekunden, um ein Beton-, Mörtel- oder Pastengemisch zu erhalten, in dem die einzelnen Filamente im wesentlichen homogen verteilt sind, und Gießen des Beton-, Mörtel- oder Pastengemischs in eine gewünschte Form, wahlweise mit Einbau, während des Gießens, von zusätzlichen Körpern wie Verstärkungsmitteln. Die Faserbündel werden gewöhnlich in einer Menge von etwa 0,05-0,5%, insbesondere etwa 0,1-0,3%, so wie etwa 0,15-0,25% bezogen auf das Gewicht der Zementmaterialien zugegeben.
Da die einzelnen Filamente der Faserbündel ohne weiteres in allen Arten von Beton und Materialien auf Zementbasis dispergiert werden, wird die Mischdauer durch die Notwendigkeit bestimmt, guten Beton herzustellen, eher, als die Fasern zu dispergieren. Die Faserbündel entsprechend der Erfindung können in allen Arten von Rührwerken verwendet werden, umfassend die rotierende Trommel und Schaufelrührwerke und insbesondere Lastwagenrührwerke für werkgemischten Transportbeton, und erfordern keine speziellen Mischanordnungen oder - ausrüstungen. In den Fällen, in denen ein unverarbeitetes Beton-, Mörtel- oder Zementgemisch, zu welchem die Faserbündel zugegeben worden sind, in einem Schaufelrührwerk gemischt wird (ebenfalls bekannt als Rührwerk mit starker Wirkung (forced action mixer)) wird das Mischen für einen Zeitraum von mindestens etwa 20 Sekunden, gewöhnlich von mindestens etwa 30 Sekunden durchgeführt, um ein Beton-, Mörtel - oder Pastengemisch zu erhalten, in dem die einzelnen Filamente im wesentlichen homogen verteilt sind. In den Fällen, in denen ein in situ-Beton-, Mörtel- oder Zementgemisch, zu dem die Faserbündel zugegeben worden sind, in einem Trommelrührwerk gemischt werden (ebenfalls bekannt als Freifallmischer (tumble mixer)), wird das Mischen gewöhnlich für einen Zeitraum von mindestens etwa 2 Minuten durchgeführt, um ein Beton-, Mörtel- oder Pastengemisch zu erhalten, in dem die einzelnen Filamente im wesentlichen homogen verteilt sind.
Die Faserbündel der Erfindung werden oft zu einem Betongemisch in einem Lastwagenrührwerk zugegeben, wobei das Lastwagenrührwerk eine Anordnung ist, die aus einer inneren Spirale und einer geneigten Trommel besteht. Wenn die Trommel rotiert, werden die Materialien durch einfaches Herunterfallen auf den Boden der Spirale vermischt, und daraus ergibt sich die Mischwirkung. Die Faserbündel können ebenfalls zu bereits gemischtem Beton zugegeben werden, und eine gute Dispersion kann bei einer Rotationsgeschwindigkeit der Trommel eines Rührwerks für werkgemischten Transportbeton von 15 U/min in einem Zeitraum von z.B. 3 Minuten erreicht werden.
Ein Lastwagenrührwerk kann entweder zum Mischen oder nur zum Rühren entworfen worden sein. In einigen Systemen wird der Beton gemischt und in die Trommel eines Lastwagenrührwerks gegeben, so daß das Lastwagenrührwerk lediglich dazu verwendet wird, den bereits gemischten Beton zu rühren, während in anderen Systemen die Materialien des Betons in die Trommel eines Lastwagenrührwerks gegeben werden, und das Lastwagenrührwerk die Materialien tatsächlich mischt.
Es ist möglich, die Faserbündel in die trockenen Bestandteile eines Zement- oder Betongemischs zu mischen, z.B. in vorgemischte, trockengemischte Materialien, denen nur noch Wasser zugegeben werden muß, aber dies ist gegenwärtig weder bevorzugt noch notwendig, und es wird als vorteilhafter angesehen, die Faserbündel zu einem nassen Gemisch oder einer Mischung zuzugeben, der bereits Wasser zugegeben worden ist, bedingt durch die wesentlichen hydrophilen Oberflächeneigenschaften der Fasern.
Der gemischte Beton, Mörtel oder die Paste, welche die Fasern der Erfindung im wesentlichen homogen darin verteilt umfassen, können in herkömmlicher Weise in eine gewünschte Form gegossen werden. Das Material kann daher verdichtet und geformt werden, entweder durch einfaches Einbringen oder Schwerkraft, oder durch Spachteln, Schleifen (floating), Stampfen, Vibrieren, Pressen, Wasserextraktion, Vakuum, Extrusion, Pumpen, Sprühen, Trockeneinbringen, Spinnen, Rollen oder eine Kombination dieser Verfahren. Zusätzliche Körper, wie Verstärkungsmaterialien, können, wenn gewünscht oder erforderlich, in das Material während dem Gießen eingebracht werden.
Die Materialien, die entsprechend der Erfindung hergestellt werden, werden als von besonderer Bedeutung in allen Arten von vor Ort-Beton mit großer Masse (mass on-site concrete) wie für Straßendecken, Fundamente, Fahrbahnen, Böden, Brückenfahrbahnen, Betonbauwerke, Gerüstbeton, Rückhaltewände, wasserrückhaltende Aufbauten und für Dämme am Meer und militärische Zwecke angesehen, ebenso in unverarbeitetem Beton, wie für Fassadenverkleidungen, Böden, Deckenunterzüge und Träger, dekorative und bauliche Produkte, vorfabrizierte Strukturen, Röhren, Tunnelauskleidungen usw..
Die Erfindung wird im weiteren durch die folgenden Beispiele veranschaulicht.

BEISPIEL 1

Herstellung der Faserbündel

Die Herstellung der Faserbündel umfaßte die folgenden Schritte:
- Schmelzen des Faserrohmaterials, um eine Schmelze zu erhalten,
- Spinnen der Schmelze in ein gesponnenes Bündel der Filamente,
- Strecken des Bündels der Filamente,
- Trocknen und Fixieren des Bündels der Filamente,
- Behandlung des Bündels der Filamente mit einem Benetzungsmittel, und
- Schneiden der Bündel der Filamente.
Die Fasern bestanden aus einem homopolymeren isotaktischen Polypropylen (Petrofina 10060 von Petrofina, Belgien) mit einem Schmelzpunkt von etwa 160ºC und einem Schmelzflußindex von 35. Das Polypropylen wurde geschmolzen und nachfolgend bei einer Temperatur von etwa 280ºC unter Verwendung einer Spinndüse mit 22.880 Löchern und mit einer Ziehgeschwindigkeit von 22,5 m/min gesponnen. Das gesponnene Bündel der Filamente wurde dann durch ein heißes Wasserbad mit einer Temperatur von 100ºC geleitet und nachfolgend bei einer Geschwindigkeit von 60,7 m/min gestreckt, um ein Streckverhältnis von 2,7 zu ergeben. Die Trocknung und Fixierung des Bündels der Filamente wurde ausgeführt, indem das Bündel durch einen Ofen mit einer Temperatur von 150ºC bei einer Geschwindigkeit von 54,2 m/min durchgeleitet wurde, wodurch den Fasern ermöglicht wurde, um etwa 12% zu schrumpfen, und die Spannungen, hervorgerufen durch das Strecken der Fasern, zu entspannen. Die Fasern wurden durch Behandlung des Bündels mit einem Benetzungsmittel (SW-T, Nissin Kagaku Kenkyosho Ltd., Japan, siehe oben) durch Hindurchführen durch ein Paar von Walzen (lick rollers) mit der gewünschten Oberflächenspannung versehen. Schließlich wurden die Bündel der Fasern auf eine Länge von 12 mm geschnitten.
Die fertigen Fasern, welche ungefähr 1000 einzelne Filamente pro Bündel umfaßten, hatten einen Feuchtigkeitsgehalt von weniger als 17% und enthielten etwa 0,5% Benetzungsmittel. Die einzelnen Filamente hatten eine Feinheit von 2,8 dtex, welches das Äquivalent eines Durchmessers von etwa 20 um ist, welches den Fasern ein Aspektverhältnis von etwa 600 gibt.

BEISPIEL 2

Herstellung von Betonträgern

Betonträger wurden aus einer fabrikmäßig vorgemischten Betonmischung, bestehend aus schnellhärtendem Portlandzement, Sand für Beton mit Standardgrobheit (standard coarse concreting sand) und einem Kieszuschlagmaterial, welches durch ein 20 mm Sieb paßte, in einem Verhältnis von 2:3:6 hergestellt, wobei das Gemisch einen Zementgehalt von 400 kg/m³ hatte. Die Betonmischung wurde mit Wasser mit einer Temperatur von 20ºC als auch mit den Faserbündeln von Beispiel 1 gemischt. Das Wasser : Zement-Verhältnis war 0,6, und die Faserbündel wurden in einer Menge von 0,2 Gew.-% bezogen auf die Zementmaterialien zugegeben. Der Beton wurde in einem Rührwerk mit rotierender Trommel mit einer Kapazität von etwa 100 l unter Verwendung einer Geschwindigkeit von etwa 25 U/min und einer Gesamtmischdauer von 4 Minuten gemischt, wobei die Faserbündel nach den ersten 2 Minuten des Mischens zugegeben wurden. Die einzelnen Filamente waren am Ende der Mischdauer im wesentlichen homogen in dem Gemisch verteilt. Betonträger von 150 mm im Quadrat (square) und einer Länge von 550 mm wurden durch Einbringen des Gemischs in eine Form mit mehreren Abteilungen (multi-compartment mold) und Verdichten von Hand hergestellt.
Für Vergleichszwecke wurden Träger wie oben hergestellt, jedoch ohne den Einbau der Fasern. Träger mit und ohne Fasern wurden abwechselnd in der Form mit mehreren Abteilungen gegossen.

BEISPIEL 3

Biegeversuche

Laborversuche wurden mit den in Beispiel 2 hergestellten Betonträgern durchgeführt, die entweder 0,2 Gew.-%, bezogen auf die Zementmaterialien oder keine Fasern enthielten. Die Träger wurden einer frühen Trocknung unterworfen und nachfolgend einer Standard-4-Punkt-Biegeprüfung (standard 4- point flexural bending test) unterworfen, mit äußeren Walzen mit Zwischenraum 450 mm angeordnet und inneren Walzen mit Zwischenraum 150 mm angeordnet.
Die Ergebnisse dieser Versuche sind unterhalb zusammengefaßt: Fasern Bruchmodul ohne Fasern 0,2% Fasern
Es ist ersichtlich, daß der Bruchmodul für die Träger, welche die Fasern aus Beispiel 1 enthielten, beträchtlich höher ist. Der Bruchmodul war ebenfalls beständiger in Trägern, die die Fasern enthielten.

BEISPIEL 4

Zyklische Belastungsversuche

Betonträger wurden wie in Beispiel 2 hergestellt und einer 4-Punkt-Biegeprüfung wie in Beispiel 3 unterworfen, mit den folgenden Ausnahmen: 1.) Die Träger wurden keiner frühen Trocknung unterworfen, und 2.) Die Belastung wurde unterhalb des Bruchmoduls gehalten und wiederholt mit 2000 Zyklen/Stunde aufgelegt. Die Belastung wurde nach 4000 Zyklen erhöht, um die Dauer des Tests zu verkürzen. Die Ergebnisse sind unterhalb zusammengefaßt: Anzahl der Zyklen bei einer Belastung von Faser Maximaler Bruchmodul ohne mit
Die Versuche zeigten eine deutliche Verbesserung von jeweils dem Beanspruchungsgrad und der Ermüdungsbeständigkeit in Trägern, welche die Fasern enthielten. Die Kombination von beiden, erhöhten Beanspruchungsgraden und der Anzahl von Zyklen, bevor ein Fehler auftrat, zeigte bei dem faserenthaltenden Beton eine beträchtlich verbesserte Ermüdungsbeständigkeit.

BEISPIEL 5

Herstellung von in situ-Beton, welcher die Fasern der Erfindung enthielt

Die Faserbündel von Beispiel 1 sind in einer Menge von 0,2 Gew.-% bezogen auf die Zementmaterialien in verschiedene Arten von Beton, umfassend in situ-Beton, unter Verwendung einer herkömmlichen, nichtmodifizierten Mischausrüstung und ohne die Notwendigkeit von zusätzlichen Zusatzstoffen, wie folgt eingebracht worden:
a) Ein 30 MPa-Beton mit 300 kg Zement pro m³ und einem 20 mm Zuschlagstoff, mit einem Wasser-zu-Zement-Verhältnis von 0,56 und einem Setzmaß von 50 mm.
b) Ein 30 MPa-Beton, wie in a) oben, aber mit 320 kg Zement pro m³ und einem Wasser-zu-Zement-Verhältnis von 0,52, und enthaltend ein lufteinschließendes Mittel.
c) Ein 30 MPa-Beton, wie a) oben, jedoch mit 210 kg gewöhnlichem Portland-Zement und 105 kg pulverisierter Brennstoffasche pro m³.
d) Ein 30 MPa-Beton mit 350 kg Zement pro m³ und ungefähr gleichen Anteilen eines Zuschlagstoffes von 10 mm und Sand, mit einem Wasser-zu-Zement-Verhältnis von 0,58 und einem Setzmaß 100 mm.
e) Ein 40 MPa-Beton mit 400 kg Zement pro m³ und einem 10 mm Zuschlagstoff, mit einem Wasser-zu-Zement-Verhältnis von 0,50 und einem Setzmaß von 100 mm.
Alle oben genannten Betonarten wurden in herkömmlichen Lastwagenrührwerken, hergestellt von "Mulder and Stothert & Pitt", welche jeweils 6 m³ Beton enthielten, gemischt. In allen Fällen wurde eine vollständige Dispersion der Fasern innerhalb von 3 Minuten bei einer Trommelumdrehungsgeschwindigkeit von 15 U/min erreicht. Diese vollständige Dispersion wurde selbst dann erreicht, wenn die Fasern zu dem bereits gemischten Beton durch einfache Zugabe der Fasern in den hinteren Teil des Lastwagenrührwerks vor Ort zugegeben wurde.

BEISPIEL 6

Herstellung von unverarbeitetem Beton, welcher die Fasern der Erfindung enthält

Die folgenden unverarbeiteten Betonmaterialien, enthaltend die Fasern der Erfindung, eingebracht als die Faserbündel von Beispiel 1, in einer Menge von 0,2 Gew.-% bezogen auf die Zementmaterialien, wurden hergestellt:
a) Ein 40 MPa-Beton, welcher 400 kg Zement pro m³ und annähernd gleiche Teile eines Kieses von 5 mm und Sand enthielt, mit einem Wasser-zu-Zement-Verhältnis von 0,31.
b) Ein 40 MPa-Beton, welcher 350 kg Zement pro m³ und annähernd gleiche Anteile eines Kieses von 10 mm und Sand enthielt, mit einem Wasser-zu-Zement-Verhältnis von 0,30.
In beiden Fällen wurde eine vollständige Dispersion der Fasern innerhalb einer Minute in einem Schaufelrührwerk mit starker Wirkung (forced action paddle mixer) (Teka and Liner Cumflow) erreicht. Der Beton verdichtete sich in beiden Fällen gut, und die Produkte zeigten keine nachteiligen Oberflächeneffekte.

BEISPIEL 7

Straßendeckenbeton, welcher die Fasern der Erfindung enthält

Ein 30 MPa-Beton, enthaltend etwa 300 kg Zement pro m³ und einen 20 mm Zuschlagstoff, mit einem Wasser-zu-Zement-Verhältnis von 0,55, der 0,2 Gew.-% bezogen auf die Zementmaterialien der Fasern entsprechend der Erfindung, eingebracht als die Faserbündel von Beispiel 1, enthielt, wurde hergestellt. 200 mm dicke in situ-Straßendeckenbetonflächen wurden oberflächlich in Streifen von 2,5 m Breite und in durchgehenden Längen von 50 m eingebracht, ohne Schrumpfungs-Bewegungsfugen (shrinkage control joints). Nach zwei Monaten war keine Rißbildung sichtbar, und daher wird nicht erwartet, daß eine Rißbildung auftritt.
Ähnliche Untersuchungen, welche ähnliche Ergebnisse ergaben, sind 9 Monate früher mit durchgehenden Streifen mit einer Länge von 20 m unternommen worden.

BEISPIEL 8

Praktische Erfahrung mit Beton, welcher mit den Fasern der Erfindung hergestellt wurde

a) Eine 200 mm dicke Betonfahrbahn mit einer Breite von annähernd 5 m und einer Länge von über 80 m, mit einer Steigung von etwa 1:15 wurde unter Verwendung eines Betons, enthaltend 0,7 kg der Fasern von Beispiel 1 pro m³, gelegt. Der Beton war ein 30 MPa-Beton, mit Lufteinschluß, mit einem Gesamtzementgehalt von 330 kg/m³, enthaltend 25% Hochofenschlacke.
Die 80 m wurden in einein Tag in einem durchgehenden Streifen gelegt, von der höchsten Stelle der geneigten Ebene bis zur tiefsten Stelle. Es wurden keine Schrumpfungs-Bewegungsfugen gebildet. Die höchste Stelle des Betons wurde verdickt, so daß sie gut verankert werden konnte, und das Ende der Fahrbahn wurde kurz vor dem angrenzenden Beton an der tiefsten Stelle gestoppt, die später ausgefüllt wurde.
Nach einigen Wochen entstand ein einzelner Bruch quer über die Bahn bei etwa dem Mittelpunkt und in einer Reihe liegend mit einer Fuge in angrenzendem Beton. Nach etwa einjährigem Gebrauch durch einen kontinuierlichen Strom schwerer Lastwagen, Kipper (dump trucks), usw. war keine Verschlechterung oder weitere Rißbildung aufgetreten. Der zentrale Riß hatte sich weder geöffnet, noch hatte eine vertikale Verschiebung gegeneinander auf irgendeiner Seite des Risses stattgefunden, wobei der Riß tatsächlich nur bei sorgfältiger Untersuchung sichtbar war.
Diese und andere Anwendungen zeigen, daß die Herstellung von durchgehenden Streifen bis zu etwa 50 m linear ohne Schrumpfungs-Bewegungsfugen mit den Fasern der Erfindung und ohne jegliche Stahlverstärkung perfekt durchführbar erscheint.
b) Die Fasern der Erfindung wurden in einem Fabrikfußboden aus Beton, der mit einem Gerät, gesteuert durch einen Laserstrahl, geglättet wurde (laser screed concrete), verwendet.
Der Beton wurde in zwei Gießvorgängen gelegt, jeder an einem Tag, wobei der erste Gießvorgang 2300 m² und der zweite Gießvorgang 3200 m² hatte, wobei der Beton ein Standard-30 MPa-Beton mit 330 kg/m³ gewöhnlichem Portland-Zement war. Der Beton enthielt die Fasern von Beispiel 1 in einer Menge von 0,6 kg/m³. Die Oberfläche war maschinengeschliffen (power floated) und wurde am folgenden Tag mit Natriumsilikat als einem Oberflächenhärter behandelt. Der Beton wurde mit einer Dicke von 150 mm auf eine Polyethylen-Dampfsperre gelegt.
Zwei Tage nach dem Legen wurde der Beton im Abstand von Pfosten/Stützen oder ungefähr alle 7 m bis zu einer Tiefe von ungefähr 50 mm eingesägt, um Langzeit-Schrumpfungs-Bewegungsfugen (long-term shrinkage control joints) zu bilden.
Nach einigen Monaten hatte sich eine Anzahl der gesägten Bewegungsfugen geöffnet, aber keine Rißbildung des Betons hatte anderenorts stattgefunden.
In Folge des sehr kalten Wetters, welches auf das Legen des Betons folgte, wurden die Gasheizstrahler der Fabrik 48 Std. lang angeschaltet gelassen, aber trotzdem kamen keine Risse bedingt durch Schrumpfen vor.
c) Über 4 t der Fasern der Erfindung sind in Dammbauten am Meer verwendet worden, um große Flächen von niedriggelegenem Land in Lincolnshire, England davor zu schützen, durch die Nordsee überflutet zu werden. Zwei Sorten von Beton sind verwendet worden, ein 30 MPa- und ein 40 MPa- Beton, von denen beide hohe Zementersatzstoffe hatten, um den Alkaligehalt zu regulieren.
Verschiedene plastische Rißbildungen sind in Beton für Dammbauten immer beobachtet worden, bedingt durch die sehr windigen und einwirkenden Bedingungen. Es wurde gefunden, daß die Zugabe von 0,9 kg der Fasern von Beispiel 1 zu einem drastisch reduzierten Umfang der Rißbildung führte, und die überall erhaltenen Ergebnisse sind sehr zufriedenstellend bestätigt worden.
d) Annähernd 100.000 m² Parkplatz-Fußbodenbeton, welcher die Fasern der Erfindung enthielt, wurde bei einem Einkaufszentrum gelegt.
150 mm dicke Betonplatten wurden mit Einbau von Bodenstahlmatten (bottom steel mesh), jedoch ohne Einbau von Kopfstahlmatten (top steel mesh) hergestellt, wobei der Beton stattdessen mit 0,9 kg Faserbündeln von Beispiel 1 pro m³ hergestellt wurde. Der Beton war ein 30 MPa-Beton, 330 kg/m², mit eingeschlossener Luft und mit 25% Schlackenzement-Ersatzstoff.
Die Herstellung von solch großen Betonplatten, welche eine Größe von 8 x 16 m hatten, würde normalerweise extrem schwierig sein, da die Verwendung der Bodenstahlmatten die überall auftretende Plattenschrumpfung verhindert und entsprechend größere Beanspruchungen durch Schrumpfen in dein Beton induziert. Jedoch zeigte sich keine Rißbildung in den Betonplatten, welche die Fasern der Erfindung enthielten, und die überall erhaltenen Ergebnisse sind hervorragend gewesen.
e) Ein Fabrikfußboden von mehr als 6.000 m² mit einer allgemeinen Dicke von 150 mm wurde unter Verwendung des herkömmlichen Streifenlegeverfahrens mit gesägten Schrumpfungs-Bewegungsfugen gelegt.
Der Beton war ein Beton von hoher Festigkeit, der Mikro- Silicamaterial enthielt, mit einem Zementgehalt von 350 kg/m², und wurde hergestellt unter Verwendung eines Standard-Superweichmachers, um das Wasser Zement-Verhältnis auf unterhalb 0,5 zu reduzieren. Die Fasern von Beispiel 1 wurden in einer Menge von 0,6 kg/m³ verwendet.
Es wurde gefunden, daß die Würfelfestigkeiten, die tatsächlich erreicht wurden, gleichbleibend höher als erwartet waren. Die Ergebnisse wurden hervorragend bestätigt und zeigen, daß die Kombination von Beton mit hoher Festigkeit, von welchem gewöhnlich angenommen wird, daß er mehr zur Rißbildung geneigt ist, mit dem rißverhindernden Effekt der Fasern eine hervorragende Kombination ist.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines Materials auf Zementbasis, wobei das Verfahren umfaßt:

Zugeben zu einem Beton-, Mörtel- oder Zementgemisch, dem Wasser zugegeben worden ist, von weniger als einem Gewichtsprozent, bezogen auf die Zement-Materialien, von synthetischen Faserbündeln, die 10 bis 10000 Filamente pro Bündel umfassen, wobei die Filamente im wesentlichen aus einem Polyolefin wie Polypropylen oder Polyethylen, einem Polyester oder einem Gemisch der vorstehenden bestehen und eine Länge von 1 bis 30 mm, eine mittlere Querabmessung von 5 bis 30 um und ein Aspektverhältnis von 100 bis 1000 haben, wobei die Filamente in jedem Bündel durch ein Benetzungsmittel zusammengehalten werden, wobei das Benetzungsmittel den einzelnen Filamenten eine Oberflächenspannung verleiht, die es ihnen ermöglicht, im wesentlichen homogen in einem Beton, Mörtel oder einer Paste durch herkömmliches Mischen in herkömmlicher Betonmischausrüstung dispergiert zu werden,

Vermischen des daraus hervorgehenden Gemisches während eines Zeitraums von mindestens etwa 20 Sekunden, um ein Beton-, Mörtel- oder Pastengemisch zu erhalten, in welchem die einzelnen Filamente im wesentlichen homogen verteilt sind, und

Gießen des Beton-, Mörtel- oder Pastengemisches in eine gewünschte Form, wahlweise mit Einbau, während des Gießens von zusätzlichen Körpern wie einer Verstärkung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Benetzungsmittel ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Fettsäureestern von Glyceriden, Fettsäureamiden, Polyglykolestern, polyethoxylierten Amiden, nichtionischen oberflächenaktiven Mitteln, kationischen oberflächenaktiven Mitteln und Mischungen der oben genannten.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin ein unverarbeitetes Beton-, Mörtel- oder Zementgemisch, welchem die Faserbündel zugegeben worden sind, in einem Schaufelrührwerk während eines Zeitraumes von mindestens etwa 20 Sekunden, typischerweise mindestens etwa 30 Sekunden vermischt wird, um ein Beton-, Mörtel- oder Pastengemisch zu erhalten, in dem die einzelnen Filamente im wesentlichen homogen verteilt sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin ein in situ- Beton-, Mörtel- oder Zementgemisch, welchem die Faserbündeln zugegeben worden sind, in einem Trommelmischer während eines Zeitraumes von mindestens etwa zwei Minuten vermischt wird, um ein Beton-, Mörtel- oder Pastengemisch zu erhalten, in dem die einzelnen Filamente im wesentlichen homogen verteilt sind.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die synthetischen Faserbündeln in einer Menge von 0,05 bis 0,5 Gewichtsprozent der Zement-Materialien zugegeben werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, worin die synthetischen Faserbündel in einer Menge von 0,1 bis 0,3 Gewichtsprozent der Zement-Materialien zugegeben werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, worin die synthetischen Faserbündel in einer Menge von 0,15 bis 0,25 Gewichtsprozent der Zement-Materialien zugegeben werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin die Fasern im wesentlichen nicht-gekräuselt sind.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, worin die einzelnen Filamente eine Länge von 3 bis 30 mm haben.

10. Verfahren nach Anspruch 9, worin die einzelnen Filamente eine Länge 5 bis 25 mm haben.

11. Verfahren nach Anspruch 10, worin die einzelnen Filamente eine Länge von 6 bis 18 mm haben.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, worin die einzelnen Filamente eine mittlere Querabmessung von 5 bis 25 um haben.

13. Verfahren nach Anspruch 12, worin die einzelnen Filamente eine mittlere Querabmessung von 10 bis 20 um haben.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, worin die Fasern im wesentlichen aus Polypropylen bestehen.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, worin die Fasern ein Aspektverhältnis von 200 bis 800 haben.

16. Verfahren nach Anspruch 15, worin die Filamente ein Aspektverhältnis von 400 bis 700 haben.

17. Synthetische Faserbündel zur Verwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die Bündel 10 bis 10000 Filamente pro Bündel umfassen, wobei die Filamente im wesentlichen aus einem Polyolefin wie Polypropylen oder Polyethylen, einem Polyester oder einem Gemisch der vorgenannten bestehen und eine Länge von 1 bis 30 mm, eine mittlere Querabinessung von 5 bis 30 um und ein Aspektverhältnis von 100 bis 1000 haben, wobei die Filamente in jedem Bündel durch ein Benetzungsmittel zusammengehalten werden, wobei das Benetzungsmittel den einzelnen Filamenten eine Oberflächenspannung verleiht, die es ihnen ermöglicht, im wesentlichen homogen in einem Beton, Mörtel oder einer Paste, durch herkömmliches Mischen in herkömmlicher Betonmischausrüstung dispergiert zu werden.

18. Synthetische Faserbündel nach Anspruch 17, worin das Benetzungsmittel ausgewählt wird aus Gruppe bestehend aus Fettsäureestern von Glyceriden, Fettsäureamiden, Polyglykolestern, polyethoxylierten Amiden, nichtionischen oberflächenaktiven Mitteln, kationischen oberflächenaktiven Mitteln und Mischungen der oben genannten.

19. Synthetische Faserbündel nach Anspruch 17 oder 18, worin die Fasern im wesentlichen nicht-gekräuselt sind.

20. Synthetische Faserbündel nach einem der Ansprüche 17 bis 19, worin die einzelnen Filamente eine Länge von 3 bis 30 mm haben.

21. Synthetische Faserbündel nach Anspruch 20, worin die einzelnen Filamente eine Länge von 5 bis 25 mm haben.

22. Synthetische Faserbündel nach Anspruch 21, worin die einzelnen Filamente eine Länge von 6 bis 18 mm haben.

23. Synthetische Faserbündel nach einem der Ansprüche 17 bis 22, worin die einzelnen Filamente eine mittlere Querabmessung von 5 bis 25 um haben.

24. Synthetische Faserbündel nach Anspruch 23, worin die einzelnen Filamente eine mittlere Querabmessung von 10 bis 20 um haben.

25. Synthetische Faserbündel nach einem der Ansprüche 17 bis 24, worin die Filamente ein Aspektverhältns von 200 bis 800 haben.

26. Synthetische Faserbündel nach Anspruch 25, worin die Filamente ein Aspektverhältnis von 400 bis 700 haben.

27. Synthetische Faserbündel nach einem der Ansprüche 17 bis 26, welche im wesentlichen aus Polypropylen bestehen.

28. Synthetische Faserbündel nach einem der Ansprüche 17 bis 27, welche 50 bis 5000 Filamente pro Bündel umfassen.