Verfahren zum Armieren eines Körpers und nach diesem Verfahren armierter Körper Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Armieren eines Körpers aus brüchigem Material geringer Zugfestigkeit, wie Beton oder Gestein, mittels eines Ar- mierungsmittels mit mindestens einem Organ mit höherer Zugfestigkeit aus Glasfasern oder Metall, um den Kör per gegen Zerstörung durch Schwingungsenergie bestän dig zu machen,
das gekennzeichnet ist durch das An bringen einer Zwischenlage aus einem viskoelastischen organischen Polymer von Polyester- oder Epoxyharz zwi schen dem noch im erweichten Zustand befindlichen Material des Körpers und dem genannten Organ höherer Zugfestigkeit, das Aushärten des im erweichten Zustand befindlichen Materials und des Einwirkenlassens von Schwingungsenergie auf den Körper, wobei die Energie übertragung durch die Aufbauelemente des Körpers ge dämpft wird.
Die Fortpflanzung von Schwingungsenergie von Stoss- oder Schallwellen wird durch die Anwesenheit eines viskoelastischen Materials, das wenigstens einen Teil der Energie in regellose Wärmeenergie verwandelt und dämpft, wesentlich verändert. Dabei wird auch die Re flexion und Brechung derart verändert, dass die starke Konzentration örtlicher Belastungen infolge von stehen den oder sich verstärkenden Wellen verhindert oder ver mindert wird, welche sich sonst leicht an den Trenn flächen zwischen dem spröden Material und dem Spann organ oder an Oberflächen oder besonderen Stellen in dem brüchigen Material konzentrieren würden und so örtliche Brüche, häufig Zug- oder Scherbrüche, erzeugen würden, auch wenn der statische Druck zunächst posi tiv ist.
Eines der Probleme, dem die Fachwelt seit langem gegenübersteht, ist die vollständige Verhinderung der Fortpflanzung von Schwingungsenergie durch Körper oder Bauwerke. In den elementaren Körpern aus homo genen Stoffen, insbesondere solchen mit isotropen Eigen schaften und einfacher geometrischer Form, war eine strenge mathematische Behandlung der Wirkungen der Fortpflanzung von Schwingungsenergie als Grenz- schichtprobleme der mathematischen Physik möglich. Die strenge mathematische Behandlung der Fort pflanzung von Spannungswellen in Festkörpern erfordert Differentialoperatoren zweiter Ordnung und die Anwen dung höherer Mathematik,
auch wenn sie durch die An nahmen von Homogenität und eines isotropen Festkör pers in einfachen geometrischen Formen vereinfacht wird. Eine strenge mathematische Behandlung ist in nichthomo genen und/oder anisotropen Festkörpern mit kompli zierter Form, wie armierten Betonstrukturen und mit Spannorganen verstärktem Gestein, praktisch nicht mög lich. Verschiedene Formen, Brüche, Wärme- und/oder Aushärtespannungen sowie geologische Gründe tragen jeweils dazu bei, eine strenge mathematische Behandlung noch schwieriger zu machen.
In solchen Strukturen oder Gebilden ist Schwingungs energie, entweder in Form von Stosswellen mit einer grös- seren Fortpflanzungsgeschwindigkeit als Schall oder als sich mit Schallgeschwindigkeit fortpflanzende Energie, sowohl bei Schall- als auch Ultraschallfrequenzen streng mathematisch schwierig zu behandeln, da Beton beispiels weise aus Kies, Sand und Zement besteht, deren Grössen und technisch-physikalische Eigenschaften für nebenein- anderliegende Teilchen nicht notwendigerweise die glei chen sind, und der Grad der Haftbindung zwischen dem Beton oder Gestein und dem verstärkenden Spannorgan muss zunächst theoretisch angenommen werden und kann falsch sein.
Wenn man überlegt, dass eine auf eine freie Grenzfläche unter einem gegebenen Einfallswinkel einfallende Deformationswelle eine reflektierte Deforma- tionswelle und eine gebrochene Dehnungswelle erzeugt, deren Fortpflanzungsgeschwindigkeit unterschiedlich sind, und dass diese Wellen an den Grenzflächen zwischen zwei festen Medien durch die Normalverschiebungen, Tangentialverschiebungen, Normalspannung und Tangen tialspannung und infolgedessen Verstärkung, Auslöschung oder stehende Wellenbildung beeinflusst werden, ist leicht zu sehen,
dass eine augenblickliche örtliche hohe Span nungskonzentration einen Scher- oder Spannungsbruch zwischen zwei verschiedenen Stoffen oder auch innerhalb eines der Stoffe hervorrufen kann. Bei einem verhältnis- mässig brüchigen, spröden Material mit schwacher Span nung und dementsprechend wahrscheinlich vergleichbar schwacher Scherfestigkeit kann ein kleiner Bruch einen Zustand ergeben, welcher schnell zu einem katastrophen artigen Bruch führt. Aus diesen Gründen werden bei technischen Strukturen und Bauwerken, welche irgend einer Form von Schwingungsenergie unterworfen sein können, hohe, auf Erfahrung gegründete Sicherheitsfak toren angewendet.
Zusätzlich zu den inneren Wellen werden an frei liegenden Oberflächen Oberflächenwellen erzeugt, welche in Festkörpern häufig als Rayleigh-Wellen bezeichnet werden. Manchmal treten auch an der Trennfläche zwischen zwei in Berührung stehenden festen Phasen Wellen auf, die zuweilen als Love-Wellen bezeichnet wer den. Die Geschwindigkeit der Oberflächenwellen oder Rayleigh-Wellen ist geringer als diejenige von Dhnungs- wellen. Grössere Unterschiede des spezifischen Gewichts, des Youngschen Moduls und des Poissonschen Verhält nisses gehen in die Intensität aller dieser Wellenarten ein.
In Systemen. in welchen das spezifische Gewicht, der Youngsche Modul und das Poissonsche Verhältnis dich ter beieinander anliegen, werden weniger Komplikationen und Deformationen an den Trennflächen verursacht. Daher sind die Grenzschichten-Wechselwirkungen, wel che durch die Wellenfortpflanzung von dem brüchigen Organ aus Beton oder Gestein u. dgl.
in das viskoelasti- sche Material und von dem viskoelastischen Material wiederum in das Spannorgan hervorgerufen werden, we sentlich geringer als es die bei Abwesenheit der visko- elastischen Schicht hervorgerufene Deformation oder Ver zerrung sein würde.
Eine andere Art von Bruch in verstärkten Strukturen ist ein Bruch der Haftbindung zwischen den verstärken den Spannorganen und dem spröden Organ. Eine axiale Spannung an dem Spannorgan sucht dieses Organ zu verlängern und wenn die Belastung eine Scherspannung ergibt. die grösser ist als der erzeugte Adhäsionswert, tritt ein Bruch längs der Berührungslinie, etwa einer ring förmigen Berührungslinie, als ein wanderndes Phänomen auf. Die Bruchlinie wandert beinahe in gleicher Weise wie beim Schälen einer Banane.
Die Spannungsübertra gung von einem Armierungselement auf ein sprödes Druckelement kann die Form dieses wandernden Rin ges aufweisen.
Der Bruch eines Verstärkungsstabes in einer Veran kerung kann ebenfalls von dieser Art sein. Bei einem glatten Verstärkungsstab in einem glatten spröden Organ tritt ein linearer Ringbruch auf und die Länge der Veran kerung ist von geringer Bedeutung, da der Bruch nach und nach erfolgt und die Bruchlinie in axialer Richtung längs des Stabes wandert. Die volle Festigkeit des Spann- organes wird nie erreicht.
Zur Verstärkung von Beton sind Glasfasern verwen det worden. Dazu ist ein Bindemittel zum Verbinden der Glasfasern mit dem Beton oder die Verwendung von Glasfasern in dem Beton erforderlich, aber dies ergibt eine minimale Adhäsion in Art einer Haft- oder Klebe linie, wobei nur die statische Belastung berücksichtigt ist. Eine dickere viskoelastische Kunststoffschicht würde eine Energieabsorption ermöglichen, jedoch ist dieser Gedanke bisher nicht gefasst oder ausgesprochen worden.
Vorgespannter Beton wird häufig verwendet, es ist jedoch schwierig. eine vorgespannte Struktur zu bilden, in welcher die Haftbindung des Betons an dem Armie- rungsorgan richtig ausgenützt werden kann. Die Bela- stungsträgerorgane aus Stahl werden häufig unabhängig von der Adhäsion an dem Beton behandelt.
Es hat sich nun herausgestellt, dass Beton oder Ge steinsformationen unter Tage gegen Stosswellen oder andere Arten von dynamischen Energiewellen sehr ge festigt werden können, indem die Adhäsion des Spann organs an dem Druckorgan, welche durch das viskoelasti- sche Harz als Dämpfungsorgan voneinander getrennt sind, verbessert wird, wodurch eine örtliche Überbelastung ver hindert wird, die Schwingungsenergie gedämpft und als Wärme aufgezehrt wird und vorzugsweise in dem visko- elastischen Element eine ausreichende Elastizität vorhan den ist,
so dass eine Überspannung unter extremen Be dingungen die viskoelastische Schicht örtlich und ohne katastrophenartigen Bruch verformt, um ein stellenweises Gleiten zu ermöglichen, wobei der grössere Teil der Strukturfestigkeit des verstärkten Materials erhalten bleibt.
Es hat sich herausgestellt, dass eine viskoelastische Schicht von etwa 1,59 mm bis etwa 12,7 mm oder dar über die Wellenenergie umwandeln, eine örtliche über belastung verhindern und eine weit grössere Festigkeit unter Stossbelastungen ergeben kann und diese Dicke zum Modifizieren der Schwingungsenergie ausgezeichnet geeignet ist.
Eine Dicke von mehr als 12.7 mm ist sehr wirksam, wird jedoch unerwünscht teuer. Die Kosten können min destens teilweise vermindert werden, indem Verdünnungs mittel, wie Zement oder Asbestfasern, Sand oder andere Füllstoffe beigegeben werden, um das Volumen zu ver- grössern, ohne die Wirksamkeit des viskoelastischen Polymers zu vermindern.
Das Polymer ist rasch abbindend, bei Umgebungs temperatur härtend, vorzugsweise wasserdicht, fest und nicht schrumpfend. Die Epoxyharze wie die Polyurethan- harze ergeben gewöhnlich gute Resultate. Vom Kosten standpunkt werden die Polyesterharze häufig bevorzugt.
Cyanacrylate und Mischpolymerisate von Polyestern und Acrylaten sowie andere feste viskoelastische Poly mere, welche im Handel erhältlich sind, können ver. wendet werden.
Polyesterharz-Zusamfnensetzung Bei einer vorzugsweisen Zusammensetzung ist das Harz ein ungesättigtes polymerisierbares Polyesterharz, welches mit einer monomeren polyrnerisierbaren äthy- lenischen Verbindung zusammen mit einem Inhibitor und einem Beschleuniger vermischt ist.
Die Alkyd-Kompo- nenten von üblichen Polyesterharzen sind dabei brauch bar, einschliesslich die gebräuchlichen Polyesterharze sowie die gebräuchliche x, ss-äthylenisch ungesättigte Polycarboxylsäure, in welcher eine gesättigte Polycarbon- säure vorhanden sein kann. Die Polyesteralkyde werden hierbei teilweise mit einer solchen Säure oder Mischun gen von Säuren oder deren Anhydriden kondensiert, in dem sie erhitzt werden, bis eine Reaktion eintritt. Der Kondensationsgrad wird durch die Säurezahl in bekann ter Weise festgestellt.
Eine Säurezahl von etwa 25 bis etwa 60 ergibt gute Resultate, wobei ein Bereich von 35 bis 50 bevorzugt wird. Solche Harze können hergestellt werden, wie in den nachfolgenden Beispielen gezeigt, oder sie können als Alkyd-Komponente, welche aus der Kon densation stammt und mit einem monomeren Vernet zungsmittel vermischt ist, oder vollständig mit oder ohne Stabilisatoren und Beschleuniger gekauft werden. Styrol wird zwar als Vernetzungsmittel für die meisten handels üblichen Polyesterharze bevorzugt.
In der Praxis wird jedoch Vinyltoluol bevorzugt, wenn das Harz unter Tage verwendet werden soll oder wenn die Flüchtigkeit und Explosivität von Styrol Schwierigkeiten bereiten könnte. Mit Ausnahme der Entzündungsgefahr ergeben die styrol- haltigen Harze ausgezeichnete Resultate. Die Herstellung der Harze ist bekannt und sie sind im Handel erhältlich, wie z.
B.: Polychem 167-T der Chemical Oil & Resin Company; Selectron R.S:N. 553 der Canadian Pittsburgh Industries, Ltd.; TVL 62036 Glidpol der Glidden, Ltd.;
die Laminac-Sorten der American Cyanamid Company und die Polyester-Bootsharze der Firma Naugatuck Che- micals.
Die meisten dieser handelsüblichen Harze werden mit einem Chinon-Stabilisator und einem Härtungsb;.- schleuniger verkauft. Ein Stabilisator ergibt eine längere Lagerbeständigkeit, insbesondere wenn ein Beschleuniger anwesend ist. Die Polyolpolycarboxylsäureester haben etwas leicht unterschiedliche Eigenschaften, was von Un terschieden in der Herstellung herrührt, beispielsweise der Geschwindigkeit des Erhitzens, der Geschwindigkeit des Rührens, Spurenverunreinigungen u. dgl.
Es ist infolge von zufälligen Unterschieden bei der Herstellung sogar bei aufeinanderfolgenden Beschickungen sehr schwierig, gleich Gelbildungszeiten zu erhalten. Dementsprechend ist es handelsüblich, die Menge an Beschleuniger und die Menge an Verzögerer zu verändern, um die gewünschte Gelbildungs- und Aushärtzeit sicherzustellen. Etwa 0,002 bis 0,03% Phenol-Verzögerer, bezogen auf das Gewicht des Harzes, wird bevorzugt.
Eine grössere Menge des Verzögerers wird mit einer grösseren Menge des Beschleu nigers verwendet und es wird eine ausreichende Menge des Verzögerers verwendet, um eine zweckmässige Lager beständigkeit von mindestens 6 Monaten zu erhalten. Über etwa 0.03% des Phenol-Verzögerers als Äquivalent für das Hydrochinon ist geeignet, eine vollständige Aus härtung zu verlangsamen oder zu verhindern.
Unter den Verzögerungsmitteln oder Inhibitoren wird Hydrochinon in der Praxis am meisten verwendet, es können jedoch auch andere verwendet werden, wie Mono alkylphenole, einschliesslich monotert. Butylpheno, mono- tert. Butylhydrochinon, o-, m- und p-Cresol, höhere Alkylphenole, mehrere Hydroxylgruppen enthaltende Phenole, einschliesslich Catechin, Rersorcin, sowie die teil weise alkylierten,
mehrere Hydroxylgruppen enthalten den Phenole, einschliesslich Eugenol, Guaiacol, und Mi schungen dieser oder anderer Stoffe. Diese Verzögerer sind dem Fachmann als zusammengehörige Gruppe be kannt.
<I>Der Härtebeschleuniger</I> Die bevorzugten Härtebeschleuniger sind die Anilin- Beschleuniger einschliesslich tert. Monoamine, an deren Stickstoffatom zwei funktionelle aliphatische von Alkyl- kohlenwasserstoffen, hydroxylsubstituierten Alkylkohlen- wasserstoffen und Aralkylkohlenwasserstoffen abgeleite te Reste, sowie ein aromatischer Rest gebunden sind, der sich von Arylkohlenwasserstoffen,
mit einer Azo- Gruppe substituierten Arylkohlenwasserstoffen, mit einer Amino-Grupp; substituierten Arylkohlenwasserstoffen, mit einer Hydroxylgruppe substituierten Arylkohlenwas- serstoffen und mit einer Aldehyd-Gruppe substituierten Arylkohlenwasserstoffen sowie Salzen derselben ableitet.
Beispiele hierfür sind: Dimethylanilin, Diäthylanilin, Di- n-propylanilin, Dimethyl-p-toluidin, Dimethyl-o-toluidin, Dimethyl-a-naphthylamin, Methylbenzylanilin, p-Dime- thylaminoazobenzol, N,N-Dimethyl-m-aminophenol, p- Hydroxy-N,N-di(p-hydroxyäthyl)-anilin, p-Dimethylami- nophenyl-oxalat,
p-Dimethylaminophenylacetat und p- Dimethylaminobenzaldehyd. Alkaliverbindungen, wie Cal. ciumhydroxyd, Natriumhydroxyd und Natriumcarbonat, wenn sie von vorneherein oder durch die Reaktion des Wassers mit Zement oder Gips vorhanden sind, Ammo- niumdioxyd und Ammoniumsulfat wirken ebenfalls als Beschleuniger oder zusätzliche Beschleuniger.
Etwa 0,04 bis 0,2% des Beschleunigers, berechnet als Äquivalent für Diäthylanilin, werden bevorzugt.
Viele der im Handel erhältlichen Harze enthalten eine gewisse Menge Verzögerer, häufig Hydrochinon, und eine ge wisse Menge Härtebeschleuniger, häufig eines der tertiä ren Amine, und dementsprechend ist weniger zusätzlicher Verzögerer und Beschleuniger bei den erfindungsgemäs- sen Zusammensetzungen erforderlich.
<I>Der Katalysator</I> Der Katalysator für die Zusammensetzung kann ein gebräuchlicher Peroxyd-Katalysator sein, wobei u.a. Ben- zolylperoxyd im Handel bevorzugt wird. Andere Peroxyde sind geeignet, wie Zyklohexanonperoxyd, Hydroxyheptyl- peroxyd, 1-Hydroxyzyklohexylhydrop2roxyd 1, t-Butyl- hydroperoxyd, 2,4-Dichlorbenzoylperoxyd u. dgl.
Methyläthylketonperoxyd ergibt ausgezeichnete Re sultate, obwohl die Behandlung der Ketonperoxyde infol ge ihrer Flüchtigkeit grössere Sorgfalt erfordern. Anorga nische Peroxyde sind ebenfalls brauchbar, und zwar allein oder mit organischen Peroxyden vermischt, beispielsweise Natriumpercarbonat, Calciumperoxyd, Natriumperoxyd u. dgl.
Benzoylperoxyd wird gewöhnlich bevorzugt, da es ein fester Stoff mit günstigem Preis und praktischer Hand habung ist. Alle Peroxyde neigen zu Explosivität oder Entflammbarkeit. Für einen zweckmässigen Gebrauch ist es erwünscht, dass das Benzoylperoxyd mit einem verträglichen, inerten organischen Material, wie Stärke oder Mehl, zu einer Zusammensetzung vermischt wird, welche etwa 30% des Benzoylperoxyds enthält,
das sich dadurch in nicht explosiver Form befindet und prakti scher gemahlen und gehandhabt werden kann.
<I>Mit Wasser reagierendes Füllmittel</I> Ein mit Wasser reagierendes Füllmittel kann im Harz oder im Peroxyd vorhanden sein. Mit Wasser reagierende Füllmittel sind beispielsweise Portland-Zement und ge brannter Gips.
Zusätzlich können inerte Füllstoffe, wie Sand, Staub von Silica-Stein, pulverisierter Kalkstein oder Mahlrück stände von Siliciumdioxyd, je nach Wunsch vorhanden sind. Solche Füllstoffe sind billig und verringern die Kosten des Harzes je Volumeneinheit.
Zement oder Gips neigt bei Lagerung zum Abbinden. Ein Dickmittel vermindert die Geschwindigkeit des Ab bindens oder hält es vollständig zurück und auch wenn ein gewisses Abbinden eingetreten ist, kann der Zement leichter wieder suspendiert werden.
<I>Dickmittel</I> Fein zerteiltes Siliciumdioxyd, insbesondere pyroge- nes Siliciumdioxyd, ist als Dickmittel sehr wirksam. An dere Dickmittel sind Wollastonit, mit einem kationischen oberflächenaktiven Amin behandelter Bentonit-Lehm, mit einem kationischen Oberflächenbehandlungsmittel behan deltes Aluminiumsilicat, mit Calciumstearat behandeltes Aluminiumsilicat, fein zerteiltes Calciumcarbonat,
insbe sondere wenn es mit einem kationischen oberflächenakti- ven Mittel behandelt ist, Aluminiumstearat und Asbest, entweder als kurze Faser oder als fein zerteiltes Pulver.
Das Dickmittel wird zweckmässigerweise der Harz paste beigegeben. Es ist ebenfalls wirksam, wenn es sich in der Katalysatorzusammensetzung befindet. Das Dick mittel kann teilweise der Harzpaste und teilweise dem Katalysator beigegeben werden, obwohl es gewöhnlich praktischerweise mit einer dieser Komponenten vermischt ist. Asbest neigt zur Verkürzung der Lagerbeständigkeit, wenn es ohne das mit Wasser reagierende Füllmittel ver wendet wird. Wenn es mit Portland-Zement verwendet wird, lässt sich eine ausgezeichnete Lagerbeständigkeit erzielen.
Entweder in der Harzpaste oder im Katalysator, und zwar in dem Stoff, welcher von dem mit Wasser reagie renden Füllstoff frei ist, befindet sich etwas Wasser. Ge wöhnlich wird etwa eine solche Menge Wasser bevorzugt, welche mit dem mit Wasser reagierenden Füllstoff reagie ren. Die Hälfte dieser Wassermenge ergibt gute Resul tate, da sie mit einem Teil des mit Wasser reagierenden Füllstoffes reagiert, und an feuchten Stellen, wenn das Harz in feuchten Bohrungen oder in frischem Beton ver wendet werden soll, kann weniger Wasser zugegeben werden, so dass ein Teil des Wassers aus der angrenzen den Gesteinsformation oder dem Beton geliefert wird.
Es können bis zu 25% Wasser verwendet werden, wobei grössere Mengen bevorzugt werden, wenn grössere Men gen von mit Wasser reagierendem Füllstoff vorhanden sind, und umgekehrt. Bezogen auf das endgültige Harz volumen, stellen 5 bis 10% Zement mit einer Komponen te zur Lagerung und 1 bis 10f Wasser, bezogen auf die endgültige Zusammensetzung, einen bevorzugten Bereich zur Erzielung von Lagerbeständigkeit, praktischem Ge brauch und einem festen endgültigen Harz mit minimaler Schrumpfung dar.
Um das Wasser mit dem Harz oder dem Katalysator vermischt zu halten. wird ein Emulgierungsmittel bevor zugt. Die polyoxyäthylierten Pflanzenöle sind mit der Zusammensetzung verträglich, ergeben eine gute Suspen sion. gute Emulgierung des Wassers und lange Lager beständigkeit.
Andere gebräuchliche Benetzungsmittel, welche mit dem Harz verträglich sind, können verwendet werden, wie polyoxyäthyliertes Castor-Öl oder die äqui valenten Polyäthylenglykoläther von Castor-Öl oder ein polyoxyäthyliertes Alkylphenol, wie
EMI0004.0027
und
EMI0004.0028
wobei n eine kleine ganze Zahl ist. Im Handel sind Mi schungen erhältlich, bei welchen n zwischen 3 und 16 liegt. Ein Bereich von 3 bis 10 wird bevorzugt.
Solche Mischungen werden als Tricon X-45 und Tricon N-57 sowie bei verschiedenen Handelsquellen auch unter ande ren Namen verkauft.
Verzögerung <I>des</I> Schimmelns Da die erfindungsgemässen Polymere organische Ver bindungen sind. können Bindungen vorkommen, unter welchen diese Polymere, insbesondere in einem nicht vollständig polymerisierten Zustand, durch Schimmel pilze oder andere Mikroorganismen angegriffen werden.
Die Beigabe von etwa #/2 % Pentachlorphenol oder 0,1% Phenylquecksilberacetat oder 0,1% Dodecylguanidinace- tat oder 0,1% saures Dodecylguanidinphthalat oder von Mischungen derselben verhindert ein Schimmelwachstum.
Die genaue Menge ist nicht kritisch und kann zwischen dem V- und 5-fachen eingestellt werden, wobei die jewei ligen Mengen von den besonderen Umständen abhängen, welche bei einer bestimmten Anwendung angetroffen werden.
Soweit die erfindungsgemässen Verstärkungsvorgänge eine wirksamere Verwendung von vorgespanntem Beton oder ein Vorspannen von Beton auf höhere Werte ermög lichen, ist es erwünscht, eine maximale Festigkeit des Betons gewährleisten zu können.
Daher kann wenigstens ein Teil des Aggregates, insbesondere die grösseren Teil chen, in einem schweren Aufschwemmittel aufge schwemmt werden, um die leichteren Komponenten des Aggregates abzutrennen und abzuführen, wodurch man ein Aggregat mit höherer Dichte erhält, welches folgende Vorteile aufweist: 1. Verringerte Durchlässigkeit für Wasser und wäss- rige Flüssigkeiten;
2. erhöhter Youngscher Modul; 3. erhöhter Strahlungswiderstand, wodurch dünnere Schichten verwendet werden können, um einen ausreichenden Strahlungswiderstand für Bauwerke zu erhalten, die einem Atomangriff ausgesetzt sein könnten; und 4. häufig weitere Elastizitätsgrenzen für einzelne Teil chen des Aggregats und für die Betonmasse.
Beim Verstärken von Beton kann eine erhöhte Vor spannung erzielt werden, indem Spannorgane gespannt werden, nachdem der Beton richtig abgebunden hat. Ein Vorspannen vor dem Abbinden des Betons erfordert ir gendein anderes, lasttragendes Organ, um die Spannungs belastungen in den Verstärkungsorganen hervorzurufen, bis der Beton abgebunden hat. Dies erfordert Belastungs- Einbettungen für vorgegossene Organe und mehr oder weniger zufriedenstellende Aufwendungen für an Ort und Stelle gegossenen Beton.
Eine zweite Möglichkeit be steht darin, dass man ein Abbinden des Betons ermög licht und sodann die Spannorgane reckt. um den vorge spannten Zustand zu erzeugen, in einem solchen System muss sich aber das Spannorgan in bezug auf den Beton bewegen und muss daher frei von Bindung sein.
Es ist möglich, eine Schicht von viskoelastischem Thermopolymer auf den Armierungsorganen anzubrin gen, den Beton an Ort und Stelle zu giessen und zu ermög lichen, dass sich die Organe in bezug auf den Beton be wegen, um die Vorspannung zu erzeugen, u. sodann das Härten des viskoelastischen Materials zu bewirken, um die Armierungsorgane in gespanntem Zustand zu binden.
Dies kann durch Anbringen einer Schicht mit einer Dicke von ungefähr 1,6 bis 6,35 mm eines hitzehärtbaren Poly- mers und anschliessendem Erhitzen mittels nahe dem Spannorgan angeordneten speziellen Widerstandsdrähten durchgeführt werden, oder es können. wenn metallische Armierungsstäbe oder -organe verwendet werden, diesel ben erhitzt werden, indem Strom durchgeleitet wird. Die ses Vorgehen hat den weiteren Vorteil, dass das Polymer härtet, während der Stab heiss ist, so dass das thermische Schrumpfen eine zusätzliche Spannung ergibt.
Ein weiteres Verfahren zum Härten des Polymers besteht in der Verwendung einer Strahlungsquelle, welche ein Strahlungsfeld erzeugt, und zwar beispielsweise (3- oder (-Strahlung, welche ausreicht, die Polymerisierung des Polymers in seine endgültig ausgehärtete Form zu bewirken. Ein verzögerter Katalysator oder elektroche misch aktivierte Katalysatoren können verwendet wer den.
Ein solches Verfahren ermöglicht ein Spannen der Spannorgane aus Metall oder Glasfasern nach dem Ab binden des Betons, das Polymerisieren des hitzehärtbaren Kunststoff-Bindeglieds und daher die Befestigung des Spannorganes am Beton nicht nur an den Enden, sondern längs der gesamten Länge des Verstärkungsorganes, um einen höheren örtlichen Spannungsaustausch zu erhalten.
Ein örtlicher Spannungsaustausch ergibt den grossen Vorteil einer lokalisierten Festigkeit im Falle des Auf tretens eines Bruches längs des Spannorganes oder in dem spröden Körper sowie eine verbesserte Übertragung von Wellenenergie zwischen dem Spannorgan und dem Beton oder Gestein, so dass lokalisierte stehende Wellen oder die Belastung konzentrierende, sich verstärkende Wellen minimal gemacht werden.
Zusätzlich zu der verbesserten Belastungsverteilung vermindert oder verhindert die Verwendung eines visko- elastischen Polymers auf der Oberfläche von korrodier- baren Spannorganen die Korrosion. Bei der Verwendung von Stahlarmierungen in Dämmen oder in der Berührung mit Seewasser ausgesetztem Beton ist es seit langem üblich, eine sehr dichte Deckschicht von Beton zu ver wenden, um zu verhindern, dass das Seewasser in Berüh rung mit dem Stahl kommt. Seewasser ist korrodierend und dringt bei Wellenwirkung leicht ein.
Bei nicht vorge spanntem Beton können Risse leicht das Eindringen von Seewasser und dadurch Korrosion ermöglichen, was un ter Umständen zum Bruch führt. Vorgespannter Beton, der stets unter Druck steht, hilft dabei viel, da Spannungs brüche nicht auftreten können, weil im Beton keine Zug spannung herrscht. Thermische Belastungen und andere Ursachen von Brüchen ermöglichen häufig Korrosion. Durch Verwendung von Polymeren, welche im wesent lichen gegen Seewasser inert sind, sind die Spannorgane nicht nur gegen Schwingungsenergie geschützt, sondern auch gegen Korrosion.
Wenn die Armierungsorgane aus Glasfasern bestehen, bieten sich keine oder nur unbedeutende Korrosions schwierigkeiten.
Der Schutz von Stahl sowohl in Gestein als auch in Beton ist ausserordentlich wichtig, da Korrosion häufig die Ursache von in längeren Zeiten entstehenden Brü chen ist. Grubenwasser enthält häufig saure Eisensalze oder andere saure Komponenten, welche ungeschützten Stahl angreifen. Irgendein Elektrolyt bricht leicht die schützende Oxydschicht über dem Stahl auf und erhöht die Korrosionsgeschwindigkeit. Chlorid, welches im Win ter zum Schmelzen von Schnee und Eis verwendet wird, hat einen sehr nachteiligen Einfluss auf die Haltbarkeits erwartung von Verstärkungsstahl in Strassen, Flugplatz- Landeflächen, Brückenbedielungen u. dgl.
Anhand der Figuren wird die Erfindung beispiels weise näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 eine Ansicht eines festen Glasfaser-Verstär- kungsstabes in Gestein, Fig. 2 eine Ansicht eines Glasfaser-Verstärkungsstabes mit einem dünnen Entlüftungsrohr in den Fasern, Fig. 3 eine Ansicht eines Glasfaser-Verstärkungssta- bes, bei welchem das Mittelrohr Ausbauchungen aufweist, um eine ausgebauchte Verzahnungsform der Aussenfläche des Verstärkungsstabes zu erhalten,
Fig. 4- einen Schnitt durch eine Kammer- oder Quer schlageinmündung (boshole brow), in welchem die Ver stärkung mit Glasfaserstäben gezeigt ist, die mit Harz am Beton gebunden sind, Fig. 5 eine Draufsicht auf die Verstärkung der Ein mündung des Querschlages in eine Förderdurchführung in Untertagegruben, welche mit harzgebundenen Glas faserstäben verstärkt ist, Fig. 6 eine Ansicht einer Versuchsanordnung zur Un tersuchung der Festigkeit des Verstärkungsstabes aus Metall unter Stossbelastungen,
Fig. 7 eine zweite Versuchsanordnung zur Be stimmung des Stosswiderstandes eines metallischen Ver stärkungsstabes und Fig. 8 eine Ansicht einer Versuchsanordnung zur Be stimmung des Stosswiderstandes eines 'Glasfaserstabes. Die Erfindung wird nachfolgend mit Einzelheiten und besonderen Bereichsangaben beispielsweise erläutert. In der Beschreibung und den Ansprüchen sind alle Teile als Gewichtsteile angegeben, wenn nichts anderes zum Ausdruck gebracht wird.
<I>Beispiel 1</I> In ein geeignetes Reaktionsgefäss, welches mit Rührer, Thermometer und einem luftgekühlten Rückflusskühler ausgestattet ist, wurden 1910 Teile Maleinsäureanhydrid, 1480 Teile Phtbalsäureanhydrid und 2540 Teile Propylen- glykol gegeben. Unter Durchleitung von Kohlendioxyd durch die Reaktionsmischung mit einer zur Erzeugung einer inerten Atmosphäre oberhalb der Oberfläche der Mischung ausreichenden Geschwindigkeit wurden die Reaktionsteilnehmer nach und nach unter Rühren auf eine Temperatur von 160 C erhitzt.
Die Erhitzung wurde bei einer angezeigten Esterbildungstemperatur fortgesetzt, bis die Säurezahl auf 38 gesunken war. Die für die Er zielung dieses Kondensationsgrades erforderliche Zeit be trug etwa 20 Stunden. Darauf wurde die Reaktionsmi schung auf 80 C abgekühlt und das heisse Polyesterharz wurde mit Methylstyrol im Verhältnis Harz zu Methyl- styrol von 70 : 30 verdünnt.
Die Polycarboxylsäure-Komponente des reaktionsfä higen Harzes war zwar bei diesem Beispiel eine Mischung einer x, ss-äthylenisch ungesättigten Dicarbonsäure und einer nicht polymerisierbaren zweibasischen Säure.
Es kann aber auch ausschliesslich eine a, 3-äthylenisch unge sättigte Polycarbonsäure verwendet werden, wie die Maleinsäure gemäss diesem Beispiel, oder irgendeine sol cher Säuren, wie Fumarsäure, Aconitsäure, Itaconsäure, Citraconsäure und Mesaconsäure oder auch Kombina tionen derselben.
Wenn eine nichtpolymerisierbare Poly- carbonsäure verwendet wird, muss sie in Verbindung mit einer nichtgesättigten Säure der genannten Art verwendet werden und soll vorzugsweise nicht mehr als 70 Gew.- /o der Gesamtmenge der verwendeten Polycarbonsäuren ausmachen.
Beispiele für nichtpolymerisierbare Säuren sind Oxalsäure, Malonsäure, Bernstein-Succinsäure, Glu- tarsäure, Sebacinsäure, Phthalsäure, Pimelinsäure, Kork säure, Azelainsäure Tricarballylsäure, Zitronensäure, Weinsäure und dgl. Wenn erhältlich, können die Anhy- dride dieser Säuren ganz oder teilweise an deren Stelle treten.
Zusätzlich zu dem bei der Herstellung des Harzes gemäss diesem Beispiel verwendeten Propylenglykol kön nen andere Arten von Glykolen verwendet werden, die Äthylenglykol, Diäthylenglykol, Dipropylenglykol, Tri- äthylenglykol, Tetraäthylenglykol, Butandiol-1,2, Butan- diol-1,3, Butandiol-1,4, Pentandiol-1,2, Pentandiol-1,4, Pentandiol-1,5, Hexandiol-1,6,
Neopentylglykol u. dgl. Mehrwertige Alkohole mit mehr als zwei Hydroxylgrup- pen können verwendet werden, wenn sie zusammen mit einer überwiegenden Menge an Glykol angewandt wer den.
Beispiele für solche mehrwertigen Alkohole mit mehr als zwei Hydroxylgruppen sind Glycerin, Trimethylol- äthan, Trimethylolpropan, Pentaerythrit, Dipentaerythrit, Sorbit, Mannit, Adonit, Dulcit, Arabit, Xylit u. dgl.
Wie bei der Darstellung des besonderen Harzes ge- mäss diesem Beispiel erläutert, ist es erwünscht, dass der mehrwertige und vorzugsweise zweiwertige Alkohol in einer Menge verwendet wird, welche mehr als etwa 10 bis 2017, oberhalb der für eine im wesentlichen vollständige Veresterung der verwendeten Säure oder Säuren erfor derlichen stöchiometrischen Menge liegt.
Der mehrwertige Alkohol und die Polycarbonsäure sowie die verschiedenen Mischungen der beiden, welche verwendet werden können, sollten in ausreichendem Mas se zur Reaktion gebracht werden, um eine endgültige reaktionsfähige Substanz mit einer Säurezahl zu erzeugen, welche zweckmässigerweise nicht grösser als 60 ist. Der bevorzugte Säurezahlbereich für das erfindungsgemäss zu verwendende Harz liegt zwischen etwa 35 und 40.
Das Vernetzungsmittel für das reaktive Harz kann irgendeiner aus einer Anzahl von polymerisierbaren mo- nomeren Stoffen mit einer
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und einem Siedepunkt oberhalb etwa 60 C sein. Das bei diesem Beispiel verwendete Mittel war eine isomere Mischung von ringsubstituierten Methylstyrol-Sorten, allgemein auch Vinyltoluol genannt. Diese Art von substituiertem Styrol wird bei den Zusammensetzungen bevorzugt, wel che bei der Untertagearbeit oder in abgeschlossenen Be reichen verwendet werden sollen, und zwar infolge ihres ziemlich hohen Flammpunktes.
Der hohe Flammpunkt dieser Verbindung ermöglicht deren Verwendung in ab geschlossenen Bereichen mit verhältnismässig grosser Sicherheit, wenn Sicherheitsfragen eine grössere Rolle spielen. Es gibt jedoch auch andere geeignete Vernet zungsmittel, wie Styrol selbst, 2,4-Dimethylstyrol, 2,5- Diäthylstyrol und dgl. Alkylester von Acrylsäure und Methacrylsäure können ebenfalls als Vernetzungsmittel verwendet werden.
Auch aliphatische Vinylester können verwendet werden, einschliesslich Vinylacetat, Vinylbu- tyrat. Vinyllaurat, Vinylstearat, Acrylnitril, Methacryl- nitril u. dgl. In gleicher Weise können Acrylamid und Methacrylamid verwendet werden.
Diese polymerisier baren monomeren Stoffe, welche die
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enthalten, können einzeln oder in Kombination mitein ander verwendet werden.
Das Verhältnis des ungesättigten Polyesterharzes zu dem monomeren Vernetzungsmittel kann in weiten Gren zen verändert werden. Der ungesättigte Harzgehalt kann daher zwischen etwa 10 und etwa 90 Teilen, entsprechend 90 bis 10 Teilen polymerisierbares Monomer, betragen. Bei der Mehrzahl der Anwendungszwecke enthalten die aktiven, polymerisierbaren Komponenten von etwa 40 bis etwa 60 Gewichtsteile ungesättigtes Harz und dementspre chend etwa 60 bis 40 Teile polymerisierbaren monome- ren Stoff.
Andere geeignete ungesättigte Polyesterharze sind in der USA-Patentschrift 3<B>091936</B> beschrieben. <I>Beispiel 2</I> Zu 84,5 Teilen des Harzes aus Beispiel 1 wurden 0,006 Teile Hydrochinon als Inhibitor, 0,9 Teile Emul- phor EL-719, ein geeignetes hydrophiles, nichtionisches oberflächenaktives Mittel, welches durch Polyoxyäthylie- ren eines pflanzlichen Öls hergestellt wurde, 0,025 Teile Diäthylanilin, 1,
0 Teile Vinyltoluol, 9,4 Teile Wasser und 4 Teile Cab-o-sil, ein geeignetes pyrogenes kolloidales Siliciumdioxyd, gegeben. Es wurde eine getrennte Kataly- satorkomponente hergestellt, indem 18 Teile Portland- Zement, 9 Teile Luperco AA, ein geeigneter Peroxyd Katalysator, im wesentlichen ein feines Pulver, welches 30% Benzoylperoxyd und 70% eines inerten, organischen Verdünnungsmittels enthält,
(die Zusammensetzung wird häufig zum Bleichen von Mehrl verwendet) sowie 3 Teile Dibutylphthalat vermischt wurden. Die einzelnen Kompo nenten sind wenigstens 6 Monate bei 21 C (70 F) stabil. Die 100 Gew.-Teile der Harzmischung werden zu den 30 Teilen der Katalysator--Zusammensetzung gegeben, um das endgültige gemischte Harz zu bilden.
Direkt vor dem Zeitpunkt der Verwendung werden 2 Komponenten vermischt und können entweder in eine Bohrung im Be ton oder Gestein an einer gewünschten Stelle gebracht oder als Schicht auf die Oberfläche des Spann-Verstär- kungsorganes verteilt werden, welches vor oder nach dem Aushärten oder dem teilweisen Aushärten des Polymers in den Beton eingebracht wird.
<I>Beispiel 3</I> Wie in Fig. 1 gezeigt, ist eine Mehrzahl von Glasfasern durch Klebwirkung mit dem gemäss Beispiel 2 herge stellten Polyesterharz zusammengefasst, wobei lediglich das kolloidale Siliciumdioxyd und der Portland-Zement weggelassen wurden.
Die Glasfasern wurden durch kon tinuierliches Eintauchen getränkt und zu Bündeln und sodann zu einem Stab mit einem Durchmesser von 22,2 mm geformt und in entgegengesetzten Richtungen mit einer Steigung von etwa 5,08 cm mit einem schmalen Glasfaserbündel spiralig umwickelt, um sowohl die Fa sern beim Härten zusammenzuhalten als auch dem Stab eine Oberflächenrauhheit zu erteilen, welche zu einer mechanischen Verzahnung wie zu einer direkten Adhäsion beiträgt. Wie in Fig. 1 gezeigt, besteht der 22,2-mm-Stab aus Glasfasern 11 mit spiralenförmigen Umwicklungen 12 und ist in ein nach unten in das Gestein 13 gebohrtes Loch eingesetzt.
Es wurde ein Bohrloch mit einem Durch messer von etwa 1,37 cm verwendet, wobei der freie Ring raum mit dem Polyesterharz 14 nach Beispiel 2 gefüllt wurde. Nach einer Standzeit von einer Woche bei einer Umgebungstemperatur von etwa 24 C (75 F) waren die Gesteinselemente haftend mit dem Stab und durch gerin ges Eindringen des Harzes in die Gesteinsspalten mitein ander verbunden. Wenn die haftend gebundene Glasfaser verstärkung den Explosionswellen von in benachbarten Gesteinsformationen gezündeten Explosionen unterwor fen wird, ergibt sie eine festere Formation als bekannte Gesteinsbolzen, welche unter Spannung gegen Ausdeh nungsgehäuse hergestellt werden oder aus mit Zement- gussmasse gebundener Stahlverstärkung bestehen.
Unter Versuchsbedingungen, bei welchen die Schwingungsener gie das Verstärkungsorgan zu lockern imstande ist, war der Gewinn an Festigkeit ausserordentlich. <I>Beispiel 4</I> Der in Fig. 2 gezeigte Glasfaser-Verstärkungsstab besteht aus einem Polyäthylenrohr 15 mit einem Aussen durchmesser von 6,35 mm welches etwa mittig angeordnet ist, sowie einer Mehrzahl von Glasfasern 16, welche an einander und an dem Polyäthylenrohr durch ein Epoxy- harz einer bekannten, handelsüblichen, bei Zimmertem peratur härtbaren Art gebunden sind,
wobei die Glas fasern durch spiralenförmige Umwicklungen 17 in ihrer Länge gehalten werden. Das Polyäthylenrohr ist genügend steif, dass die Ausbildung der Glasfaserstange 18 erleich- tert wird, da das Polyäthylenrohr eine gewisse Steifheit erteilt, bis das Polymer aushärtet. Der Glasfaserstab wird in eine Bohrung in gebrochenem Granit 19 eingesetzt.
Das Polyäthylenrohr ermöglicht, dass Luft aus dem abge legenen Ende des Bohrloches entweicht, so dass der Ver stärkungsstab leicht an seiner Stelle gehalten werden kann, wenn das Epoxyharz 20 in den Ringraum zwischen dem Stab und dem Gestein gebracht wird, und zwar ent weder nach oben, waagrecht oder nach unten.
Nach dem Härten ist die Gesteinsformation aus ge brochenem Granit 19 widerstandsfähiger gegen Schwin gungen, die von sich drehenden Maschinen, Grubenboh rern oder von benachbarten Explosionen stammenden Energiewellen herrühren, als es ein ähnliches, mit Stahl in Zementguss verstärktes Gestein ist.
<I>Beispiel 5</I> Ein Verstärkungsstab wird hergestellt, indem Poly- äthylenkugeln 21 auf ein Polyäthylenrohr 22 aufgereiht werden, welches sodann mit Glasfasern 23 in Polyester harz überzogen werden. Nach dem Aushärten wird die ausgebauchte Stange in ein Loch in Beton 24 eingesetzt, an welchem sie mit einem Polyesterharz 25 gebunden wird. Der so verstärkte Beton hat eine grössere Wider standsfähigkeit gegen Explosionen als sie mit üblicher Verstärkung erzielt werden würde. Die ausgebauchte Oberfläche der Stange ergibt eine mechanische Verzah nung und verändert die Fortpflanzung der Stosswellen und daher die örtliche Belastung längs des Stabes.
Mit oder ohne eine zusätzliche äussere, etwa 6,35 mm dicke Polyesterschicht kann der Stab zur Verstärkung von Be tongebilden beim Giessen dieser Gebilde verwendet wer den. Es wird eine bessere Stossfestigkeit erzielt, als bei Verwendung von Stahlverstärkung und der verstärkte Beton ist insbesondere gegen Seewasser oder säurehalti ges Grubenwasser beständig.
Die Verstärkungsstange lässt sich leicht mit einer Metallsäge zerschneiden und ist viel leichter als ein Stahl stab mit entsprechender Zugfestigkeit. Während das für Anordnung des verstärkenden Spannorganes verwendete Harz bei Zimmertemperatur oder nahe an Zimmertempe ratur aushärten oder sich verfestigen muss, kann das bei der Herstellung der Glasfaser-Verstärkungsstäbe verwen dete Polymer bei viel höheren Temperaturen ausgehärtet werden. Daher ist ein weiter Bereich von Polymer systemen für die Herstellung der Glasfaserstäbe geeignet. Das Polymersystem muss benetzen und infolge dessen an den Glasfasern haften oder die Faseroberfläche muss so behandelt werden, dass sie ein Haften bewirkt. Das Poly mer sollte nicht spröde sein.
Abgesehen davon kann eine grosse Vielzahl von Polymersystemen gewählt werden. Es gibt eine Gruppe von äusserst festen Harzen für Glas faserbindung. Es müssen jedoch hier keine Einzelheiten darüber erwähnt werden.
Wenn ein Giessbett vorhanden ist oder Formbedin gungen es gestatten, werden insbesondere dadurch gute Ergebnisse erzielt, dass die verstärkende Glasfaserstange vorzugsweise etwas bis zu ihrer elastischen Streckgrenze gereckt wird, bevor der Beton gegossen wird. Die Glas faserstangen werden nach Verfestigung des Betons ent spannt und ergeben einen vorgespannten, verstärkten Be ton. Die Vorspannung ist insbesondere deshalb vorteil haft, weil der ganze Beton unter Druck steht, wodurch eine höhere Belastung ermöglicht wird und auch Span nungssprünge in dem Beton verhindert werden.
Wenn ein Zuschlagstoff mit hoher Dichte verwendet und eine Beton zusammensetzung hoher Festigkeit gewählt wird, hat das erzielte Gebilde eine bemerkenswert hohe Festigkeit und ermöglicht eine Bauweise mit höheren zulässigen Bela stungen je Einheit als sie bei bekannten, mit Stahl ver stärktem, vorgespanntem Beton möglich sind.
<I>Beispiel 6</I> Die Figuren 4 und 5 zeigen die Verstärkung der Ober kante eines -Stichloches in einer Grube unter Tage. Beim Abbau unter Tage wird das das Erz darstellende gebro chene Gestein durch eine Hauptförderstrecke oder einen Schlämmstollen 26 gefördert und das Gestein wird durch eine Kammeröffnung 27 nach unten in den Hauptstollen geliefert. Die Einmündung des Querschlages in den Hauptstollen wirkt als Drosselmündung und steuert die Fliessgeschwindigkeit des Erzes. Üblicherweise werden Verstärkungsbohrungen in das Gestein neben dem Quer schlag, insbesondere die Oberkante 28 der Öffnung, d. h.
den oben liegenden Teil des in den Hauptstollen führen den Querschlages, gebohrt und verstärkende Gesteins bolzen eingesetzt.
Zunächst wurden in der Öffnung Verstärkungsstäbe aus Glasfaser mit einer Länge von etwa 1,83 m der in Figur 2 gezeigten Art in das Gestein eingesetzt und mit Polyesterharz haftend gebunden. Der Polyester ermög licht die Absorption eines Teiles der Schwingung und beim Heruntergleiten vom Gestein durch den Querschlag, welcher die Öffnung vergrösserte, wurde die Glasfaser stange mit einer Geschwindigkeit abgebrochen und durch Abrieb zerstört, welche derjenigen des angrenzenden Ge steins nahekam.
Infolge dessen hielt die Oberkante der Öffnung länger als bei bekannten Ausführungen, bei wel chen Stahl-Verstärkungsbolzen verwendet wurden, Stahl verstärkungsstäbe oder Gesteinsbolzen erstrecken sich nach aussen in die Erzdurchführung und wenn Erzklum pen das freie Ende des Bolzens treffen, lockern über tragene Schwingungen leicht die Bolzen im Gestein und verursachen ein vorzeitiges Versagen. Im Gegensatz dazu dämpften die Glasfaser-Verstärkungsstangen die Energie wellen, statt sie zu übertragen, und die Enden wurden abgerieben, so dass einerseits nicht annähernd soviel Stösse auftreten, welche Energiewellen auslösen, und anderer seits die ausgelösten Energiewellen gedämpft werden.
Die ausgebauchten Stangen gemäss Fig. 3 scheinen eine unter schiedliche Fortpflanzungsgeschwindigkeit an den ausge bauchten und eingezogenen Teilen zu haben und infolge dessen wird die Energieübertragung längs der Stange schneller geschwächt als bei Stangen mit im wesentlichen gleichförmigen Eigenschaften.
Bei Abnützung und Vergrösserung der Querschlag öffnung wurde es wie bei der üblichen Praxis notwendig, die Oberkante der Öffnung zu erneuern, was gemäss den Figuren 4 und 5 durchgeführt wurde. Der Querschlag und insbesondere die Oberkante wurde erneuert, indem die Stellen mit Beton aufgefüllt wurden, an welchen das Gestein abgetrieben war, und es wurde die ursprüngliche Form wieder hergestellt.
Es wurde üblicher Beton ver wendet, anstelle von Stahl-Verstärkungsorganen wurden jedoch Polyester-Glasfaser-Verstärkungsstangen 29 in einer rechtwinkligen Gitteranordnung eingesetzt, wobei der gleiche allgemeine Abstand und die gleiche An ordnung wie bei Stahl-Verstärkungsorganen in normalem Beton angewendet wurden und wobei sich mit 30,5 bis 61,0 cm von Mitte zu Mitte gute Ergebnisse erzielen lassen.
Sogar ohne eine zusätzliche äussere Schicht von visko- elastischem Polymer auf der Oberfläche der Glasfaser stäbe ergab die verstärkte Querschlag-Oberkante eine 2- bis 3-fache Lebensdauer von Querschlag-Oberkanten, welche mit geraden Stahlstäben verstärkt waren. Wenn die Glasfaser-Verstärkungstäbe zusätzlich in eine etwa 4,76 mm dicke Polyesterharz-Schicht der in Beispiel 2 erläuterten Art eingebettet waren, liess sich eine weitere Erhöhung der brauchbaren Lebensdauer um mindestens 50j, erzielen.
Die brauchbare Lebensdauer einer Querschlag-Wie- derherstellung sowie der öffnungs-Oberkante ist ausser- ordentlich schwierig zu messen, da das durch die Öffnung kommende Gestein nicht notwendigerweise gleichförmig ist. Von Zeit zu Zeit überbrückt oder verstopft das Ge stein die Öffnung, wodurch das interessante Problem ent steht, dass Tonen von Gestein nach unten durch die Öffnung zu gelangen suchen, welche durch das verstopfen de Gestein blockiert werden. Der Grubenarbeiter muss normalerweise das Gestein von unten freisetzen, da ein Anbohren von oben unpraktisch ist.
Dies wird gewöhn lich durchgeführt, indem man versucht, den Gesteins brocken mit einer Rammstange zu stemmen, wenn er nahe am Ausgang liegt, wenn dies jedoch nicht der Fall ist, wird eine längere Stange mit einer an ihrem Ende befestigten explosiven Ladung verwendet und die explo sive Ladung wird neben dem verstopfenden Gestein an geordnet und gezündet. Es stellt nur ein letztes Hilfs mittel dar. dass der Grubenarbeiter nach oben in die Öffnung klettert, um eine explosive Ladung anzubringen, und zwar nur dann, wenn frühere Ladungen die Verstop fung nicht freilegen konnten und bewiesen, dass die Ge steinsverstopfung stabil ist. Bei solchen Sprengungen er fährt natürlich die Verstärkung in der Öffnung und ins besondere in der Oberkante eine ausserordentliche Bela stung durch die explosiven Ladungen und wird ge schwächt und unter Umständen weggerissen.
Die Ge schwindigkeit des Abbaues ist schwierig zu messen und schwierig vorherzusagen.
Versuche zeigen, dass die Glasfaser-Verstärkung eine Haltbarkeitserwartung ergibt, welche das 2- bis 4-fache der Haltbarkeitserwartung bei Verwendung von üblichem Beton ausmacht.
Beim Verstärken von Querschlag-Oberkanten können Stahlverstärkungsorgane tatsächlich die Lebensdauer von Beton verkürzen, da die Schwingungsenergie mit grosser Geschwindigkeit längs des Stabes sich fortpflanzt. Wenn die Stäbe einer Sprengung oder einem Aufprall von Ge stein ausgesetzt sind, wird Schwingungsenergie längs des Stabes geleitet und kann tatsächlich ein schnelleres Bre chen herbeiführen, als wenn der Beton nicht verstärkt wäre.
Wie wichtig es ist, die Schwingungsenergie in Betracht zu ziehen, ist aus der Wirkung von verstärkendem Stahl in Querschlag-Oberkanten ersichtlich, da die Verstärkung von Beton durch Stahl, auch wenn der Stahl nicht frei liegt, bei Auftreten von Schwingungsenergie eine solche Wirkung hat, dass derselbe schwächer ist als Beton ohne Verstärkung. Die Verwendung einer viskoelastischen Dämpfungsschicht verändert daher die Fortpflanzung von Wellenfronten derart. dass mit Sicherheit ein grösserer Sprengungswiderstand erzielt wird.
Natürlich ist bei Verstärkung von Gestein oder Beton gegen Energiebelastungen wie beim Bergbau, so auch für den Bau von Vorratsbunkern für Geschosse, welche der Schwingungsenergie von Kernexplosionen widerstehen sollen, die Erhöhung der Elastizität durch das viskoela- stische Material erwünscht, die Zug- und Scherbrüche im Beton oder Gestein vermindert. Das erfindungsgemäs- se Verfahren und die erfindungsgemässen Vorrichtungen erzielen Ergebnisse, welche üblichen Verstärkungsstäben weit überlegen sind.
Da die genaue Energiebelastung nicht voraussagbar ist, und da in Gesteinsformationen insbe sondere Fehlstellen und geschwächte Zonen an unerwar teten, unbekannten und nicht vorhersagbaren Stellen auf treten können, müssen Sicherheitsfaktoren eingerechnet werden. Verwertbare Ergebnisse liefernde Versuche an Einrichtungen in voller Grösse sind nämlich schwierig.
Die Verwendung von Glasfaser-Verstärkungsorganen. liefert ein äusserst aufregendes und ungewöhnliches Si cherheitsmerkmal. Die Glasfasern in den Spannungs organen sind nicht genau gleichmässig belastet und wenn ein Bruch bevorsteht, brechen zuerst einige der Fasern oder beginnen in ihrer Einbettung zu gleiten, bevor die endgültige Bruchfestigkeit des Organs erreicht ist. Das Gleiten oder Brechen ergibt gut hörbare knallende Ge räusche, so dass bei Bruchbelastung die Stäbe zu spre chen oder singen beginnen. Bei Deckenkonstruktionen unter Tage oder bei Betonaufbauten tritt dieses Singen beträchtliche Zeit vor dem Bruch ein, wenn die Belastung steigt, wie es gewöhnlich beim Bruch von Grubendecken oder Aufbauten der Fall ist. so dass eine ausreichende Warnung vor einer angehenden Katastrophe gegeben wird.
Dieser Sicherheitsfaktor unterstreicht die Zweck- mässigkeit und Vorteilhaftigkeit der Verwendung von Glasfaser-Spannorganen gemäss der Erfindung.
Es können Versuche unter genormten Bedingungen zur Messung des zu erwartenden Verbesserungsgrades durchgeführt werden, wobei genormte Bedingungen in kleinem Massstab angewendet werden. <I>Beispiel 7</I> Sprengversuche Für Versuchszwecke wird eine Versuchsatrappe her gestellt, indem zwei 2,5-3 cm Weicheisen-Rohrverbin- dungen mit Rohrgewinden nach dem American Standard verwendet werden, wobei die Verbindungen etwa 2,5- 3,8 cm Innendurchmesser, 4,76 cm Aussendurchmesser und 5 cm Länge besitzen und durch ein 2,5 cm breites, druckempfindliches Band während der Herstellung ge fluchtet gehalten werden.
Die Verbindungsstücke werden auf einer flachen Oberfläche angeordnet, zu etwa #4' mit dem Versuchsmaterial, Harz oder Zement angefüllt, ein Versuchsstab wird eingesetzt und sodann wird gehärtet. Bei den folgenden Versuchen wurde ein normaler Ver- stärkungs-Stahlstab mit 22,2 mm in der Probe angeord net. Es wurde 7 Tage unter Feuchtigkeit und Zimmer temperatur beim Beton und unter Trockenheit und Zim mertemperatur beim Harz gehärtet.
Die Sprengungsbe- ständigkeit wurde, wie schematisch in Figur 6 dargestellt, dadurch gemessen, dass zwei Sprengkapseln 30 mit der Bezeichnung Nr. 6 in Berührung miteinander an dem Stahlverstärkungsstab 31 befestigt wurden, wobei ein druckempfindliches Band verwendet wurde, um die Kap seln an ihrer Stelle zu halten. Eine der Kap seln wurde elektrisch gezündet und die Explosion der einen Kapsel zündete die benachbarte, so dass die Ex plosion mit doppelter Kraft neben dem Stahlverstärkungs- stab eintrat.
Die Erschütterung der Stosswelle von der Explosion wandert längs des Stahlverstärkungsstabes. Ein ähnlicher Versuch wurde durchgeführt, wie in Figur 7 gezeigt, indem die Sprengkapseln 32 neben der Rohr verbindung oder -kupplung 33 angeordnet wurden. Wei tere Versuche wurden, wie in Figur 8 gezeigt, mit einem Glasfaserstab durchgeführt und da die Glasfasern infolge der Sprengung zersplittern würden, wurden die Spreng kapseln lediglich neben der Rohrkupplung verwendet.
Bei Verwendung von Zementbrei ohne Sprengbehand- lung war die Zugfestigkeit beim Herausziehen des Ver stärkungsstabes aus der Kupplung 12 700 kg. Nach vier Sprengungen von je 2 Kapseln an dem 22,2 mm Stahl stab war die Zugfestigkeit auf 8165 kg gesunken. Nach zwei Sprengungen an den Rohrkupplungen war die Zug festigkeit auf 7257 kg gesunken.
Bei Verwendung des Harzes gemäss Beispiel 2 zum Halten des Verstärkungs-Stahlstabes in der Kupplung war die Zugfestigkeit ohne Sprengbehandlung 12247 kg und nach vier Sprengungen am Stab oder zwei Sprengun gen an der Kupplung war die Zugfestigkeit etwa<B>11790</B> kg. Dies zeigt, dass trotz der erforderlichen enormen Energie absorption keine beträchtliche Zersplitterung auftrat und dass die Zugfestigkeit bei Verwendung des Polymers vor und nach der Schwingungsenergie-Absorption annähernd die gleiche war, während bei Zementbrei die Festigkeit von 12700 kg auf 8165 oder 7257 kg abgefallen war.
Ähnliche Ergebnisse können bei Verbindung anderer Grössen und Formen von Verstärkungsorganen erzielt werden. Der Sprengwiderstand von Beton selbst kann etwas erhöht werden, indem rund 3V2 Vol.-% Stahldrähte oder 1 Vol.-% Nylonfasern oder Asbestfasern in den Beton eingebettet werden. Das Einlegen von Nylonfasern erhöht zwar nicht die Biegungsfestigkeit des Betons, ver bessert jedoch seinen Sprengwiderstand.
Versuche in Gruben bei Verwendung von Gestein oder Beton zeigen ähnliche verbesserte Ergebnisse nach einer Sprengungsbeschädigung.
Die Widerstandsanpassung der Stosswellenübertra- gung vom Gestein oder Beton auf das Harz und vom Harz auf den Verstärkungsstahl kann verbessert werden, indem Eisenoxyd als Füllmittel dem Harz beigegeben wird, um dessen Dichte zu erhöhen, so dass sie zwischen Stahl und dem angrenzenden Gestein oder Beton liegt, wenn Stahl als spannungsverstärkendes Organ verwendet werden soll.
Eine unerhöhrte Steigerung der Widerstandsfähigkeit gegen Schwingungsenergie wird erzielt, wenn eine Schicht von 1,59 mm bis 12,7 mm Harz als viskoelastische Kopp lung für die Verbindung des Stahls mit Beton oder Ge stein verwendet wird.
Es wird festgestellt, dass die Glasfaser-Verstärkungs- stäbe viele Vorteile haben. Stäbe, welche 70 bis 75 Gew.-Q/o Glasfasern und 25 bis 30 Gew.-% Epoxy- harze oder Polyesterharze enthalten, können zweck- mässigerweise mit Durchmessern von 6,35 mm bis 50,8 mm und mit Längen bis zu 6,10 m entweder massiv, mit einem Kern oder mit Ausbauchungen hergestellt und entsprechend verwendet werden. Der Stab kann in konti nuierlichen Längen hergestellt und auf die richtige Länge geschnitten werden.
Der Glasfaserstab ist viel leichter als Stahl und daher kann ein Mann einen Glasfaserstab viel leichter tragen und anbringen als Stahlverstärkungsstäbe. 4,50 m lange Stücke können leicht von einem Mann getragen und an gebracht werden.
Gewöhnlich wird nur ein Teil der Festigkeit der Glas faserstange beansprucht, da dieselbe oftmals durch Her ausziehen ausfällt. Wenn sie jedoch geprüft wird, stellt sich heraus, dass die Bruchfestigkeit einer Glasfaserstange in der Umgebung von 8440 at oder darüber liegt, was von dem Aufbau abhängt, und zwar bei einem Biegemodul oder Youngschen Modul von rund 0,422 x 106 kg/cm . Die Glasfaserbolzen ergeben ausgezeichnete Resultate,
insbesondere wenn sie mit einem Überzug eines visko- elastischen Polymers in Beton oder Gestein, wie Kalkstein, Granit, Schiefer oder den meisten Erzgesteinen, bei wel chen ein Abbau stattfindet, verankert werden. Die Glas faserstäbe können in Gestein oder Beton in ungespann- tem oder vorgespanntem Zustand angeordnet werden. Es kann Vorspannung, Nachspannung oder Vorspannung und Nachspannung angewendet werden, um eine voll ständige Kompression des brüchigen Organs und daher eine Erzeugung der maximalen Struktureigenschaften zu ermöglichen.
Die Anwendung von Glasfaser-Verstär- kungsorganen oder Stahlverstärkungsorganen, welche durch ein viskoelastisches Polymer von Beton oder Ge stein getrennt sind, reicht soweit wie die Verwendung von Verstärkungsorganen selbst, d. h. allgemein für Hän gebrücken, Strassen, Flugzeug-Landeplätze, Betonbau werke, Dämme, Betonrohre (vorgespannt oder nicht), Fundamente für Bauwerke und Bauwerke selbst oder an irgendwelchen anderen Stellen, an welchen Gestein oder Beton durch Spannorgane verstärkt werden soll, wenn bei der Planung Stösse von Schwingungsenergie in Rech nung gesetzt werden müssen.
Die Vorteile von viskoela- stisch gedämpften Verstärkungsorganen werden beim Ver stärken irgendeiner Art von technischem Bauwerk offen sichtlicher, welches Energiebelastungen unterworfen ist, und zwar entweder ständigen kleinen Schwingungen oder einer grösseren Explosionswirkung.
<I>Beispiel 8</I> Beim Bau von Betonbauwerken, wie Brücken, müs sen die Trägersäulen und -balken sowie die Bedielung wetterfest sein. Üblicherweise wird eine 7,62 cm dicke Betonschicht als Schutzschicht über dem Verstärkungs stahl angewendet, um eine Korrosion des Stahls zu verhin dern. Daher kann eine Brücken-Bedielung 38 cm dick sein, wobei die unteren 7,62 cm lediglich zum Schutz des Verstärkungsstahles vor Korrosion dienen. Eine Träger säule für die Brücke kann 61 x 61 cm haben, wobei die Belastung der Aussenfläche beträchtlich vermindert ist, da sie keine Spannungsfunktion besitzt und hauptsäch lich zum Schutz des Verstärkungsstahles dient.
Bei einer solchen Brücke ergibt die Verwendung einer 6,35 mm dicken Polymerschicht auf dem Stahl eine bes sere Bindung, viskoelastische Energiedämpfung und Kor rosionsbeständigkeit. Daher kann die 7,62 cm dicke Schutzschicht auf 2,54 cm verringert, die tote Belastung dadurch vermindert sowie Kosten an dem Organ selbst gespart werden. Daher kann das ganze Gebilde beträcht lich leichter sein und wenn es für die gleiche statische Belastung berechnet ist, so ist es für dynamische Bela stungen stärker.
Eine mit Glasfaser-Verstärkungsstäben der in Fig. 3 gezeigten Art gebaute Brücke ergibt eine beträchtliche Erhöhung der Festigkeit und eine Verminderung des Gewichtes. Versuche zeigen, dass die Korrosionsbestän digkeit so gross ist, dass eine beträchtliche Erhöhung der Lebensdauer zu erwarten ist. Vollständige Lebens dauer-Untersuchungen erfordern viele Jahre. Der volle Vorteil für Dammbauten kann erst nach einer Versuchs dauer von 20 bis 50 Jahren offensichtlich werden. Bei beschleunigter Alterung ergab sich eine wesentlich längere Lebensdauer, und zwar in gewissen Fällen die 2- bis 4-fache oder darüber.
Eine vollständige Diskussion der Vorteile der vor liegenden Erfindung b--i Betonbauten würde so umfang reich sein wie die Literatur und Handbücher über Beton- bau und kann daher hier nicht durchgeführt werden. Der Fachmann ist nach den hier gegebenen Beispielen und Lehren imstande, die Einzelheiten selbst auszuarbeiten. <I>Beispiel 9</I> Bei einem sehr hohen Wohngebäude, welches aus mit Glasfaser verstärktem Beton gebaut wurde, waren klei nere und leichtere Bauteile in den oberen Stockwerken möglich, da ein geringeres Schutzschicht-Gewicht an Be ton zur Abschirmung der Verstärkungen vor Korrosion notwendig war.
Die Glasfaserstäbe sind wesentlich leichter als Stahl und daher ist das Verstärkungsgewicht der obe ren Stockwerke geringer. Die Ersparnisse sind in den unteren Stockwerken noch grösser, da sowohl eine gerin ger tote Belastung durch die darüber gelegenen Stockwerke getragen werden muss, und die Betonschutzschicht zum Korrosionsschutz in jedem Stockwerke getragen werden muss, und die Betonschutzschicht zum Korrosionsschutz in jedem Stockwerk weggelassen werden kann.
In einem Gebäude mit vielen Stockwerken lassen sich bei den mo- dernen Bauvorschriften mindestens 25% der totalen Be- lastung des Betons ersparen.
Während die Charakteristiken für Beton leichter zu berechnen sind, hat in vielen Fällen die Verstärkung von Gesteinsformationen grosse Bedeutung, da durch das Vorspannen des Gesteins, wobei sich komprimierte Zonen von benachbarten Spannorganen überlappen, das Gestein über weite Bereiche unter Druck gesetzt werden kann und das Gestein in diesem komprimierten Zustand selbst ein Bauelement von in vernünftigen Grenzen vor aussagbarer Festigkeit ist. Daher ist eine erfindungs gemässe Armierung im Tunnelbau, Untertagebau und vielen in anderen Anwendungsfällen wertvoll. Dabei muss das Gestein nicht nur nicht entfernt werden, sondern kan tatsächlich als Baumaterial verwendet werden.