DE69808495T2

DE69808495T2 - Betonbewehrungsfaser

Info

Publication number: DE69808495T2
Application number: DE69808495T
Authority: DE
Inventors: S. Armelin; Nemkurnar Banthia
Original assignee: University of British Columbia
Current assignee: University of British Columbia
Priority date: 1997-07-25
Filing date: 1998-07-16
Publication date: 2003-02-20
Anticipated expiration: 2018-07-17
Also published as: DE69808495D1; WO1999005373A1; EP1007807A1; ATE225445T1; US5965277A; CA2294123A1; AU727902B2; BR9811291A; HK1030249A1; JP2001511428A; KR20010022199A; EP1007807B1; AU8329898A; ZA986610B; NZ502331A

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verstärkungsfaser bzw. Bewehrungsfaser, die insbesondere als Betonbewehrung geeignet ist.

Hintergrund der Erfindung

Beton ist ein brüchiges Material wegen seiner niedrigen Zugfestigkeit und erfordert daher eine Bewehrung, beispielsweise Stahlbewehrungsstäbe, um einen Baubeton zu bilden, der allgemein als bewehrter Beton bekannt ist.
Eine andere Art der Bewehrung des Betons besteht darin, ein Gemisch zu bilden, das kurze Fasern wie Stahlfasern enthält, die typischerweise eine Länge von etwa 25 mm (1 inch) haben. Durch Verteilung dieser Faser in dem Beton lässt sich die Bruchfestigkeit des Betons um ein mehrfaches erhöhen, so dass die Größe der Energie, die vor dem Bruch aufgenommen wird, signifikant größer ist. Eine Art des Betons, bei dem die Faserverstärkung besonders vorteilhaft ist, ist ein als Shotcrete bekannter Beton, der eine Art von Beton ist, in dem eine Vielzahl von Fasern verteilt ist, die zusammen mit dem Zement, Wasser und Zuschlägsstoffen verteilt sind, um einen faserverstärkten Shotcrete zu bilden, wenn der Zement in situ erhärtet. Etwa 50% des weltweiten Stahlfaserbedarfs wird von Shotcrete verbraucht.
Eines der Hauptprobleme mit Stahlfasern, die in Shotcrete verwendet werden, ist als Rückprall bzw. "rebound" bekannt, der auftritt, wenn das trocken gemischte Shotcrete-Gemisch von Zement sich ansammelt und die Fasern in Position gesprüht oder geschossen werden, wobei ein hoher Anteil der Fasern nicht in den sich ergebenden Beton eingebettet wird und damit verschwendet ist. Beispielsweise können von kommerziell erhältlichen Fasern, die allgemein einen Durchmesser von etwa 0,5 mm (einige flache Fasern werden auch verwendet) und eine Länge von etwa 25 mm haben, bis zu 75% der Stahlfasern nicht in situ in dem fertigen Beton vorhanden sein.
Es ist bekannt, dass Bewehrungsfasern, die an Rissen aus der Betonmatrix herausgezogen sind, der Hauptmechanismus sind, der es mit sich bringt, dass stahlfaserbewehrter Beton (SFRC) duktiler ist als unbewehrter Beton. Deshalb sind alle Bewehrungsfasern, die gegenwärtig am Markt erhältlich sind, an ihren Enden oder entlang ihrer Erstreckung verformt, um die Verankerung der Faser mit der Betonmatrix zu verbessern und einen größeren Ausziehwiderstand zu erzeugen.
Die herkömmliche Fasergestalt kann in zwei große Gruppen bezüglich ihres Ankermechanismus unterteilt werden, nämlich einen "Totanker" und einen "Zuganker".
Totanker werden im allgemeinen hergestellt, indem die Faser mit einem Haken oder Konus nahe jedem Ende verformt wird. Unter Spannung wird bei einer ausgerichteten Faser (d. h. unter axialer Spannung) der Anker allgemein so gestaltet, dass er bei einem maximalen Widerstand unter der Festigkeit des Stahls versagt bzw. bricht (beispielsweise ausziehen). Jedoch haben diese Totanker nach dem Bruch eine signifikant verringerte Fähigkeit, sich einer Ausziehverlagerung zu widersetzen.
Zuganker sind allgemein so ausgebildet, dass die Faser nahe ihren Enden auf solche Weise vergrößert ist, dass während des Ausziehens die Vergrößerung Reibung mit der Matrix hervorruft, wenn die Faser aus dem Beton herausgerissen wird. Diese Art von Faser entwickelt allgemein einen niedrigeren maximalen Ausziehwiderstand im Vergleich zu dem Totanker, jedoch neigt ihre Wirkung dazu, über eine größere Ausziehstrecke anzudauern, weshalb eine größere Ausziehenergie durch die Enden beim Ausziehvorgang aufgenommen wird.
Verschiedene Arten von Ankermechanismen sind beispielsweise in der US-PS 4,883,713, erteilt am 28. November 1989 für Destree et al., offenbart, die Bewehrungsfasern mit einem verbreiterten Kopf an jedem axialen Ende der Faser zeigt, sowie in der US-PS 5,215,830, erteilt am 1. Juni 1993 für Cinti, die eine metallische Bewehrungsfaser mit einem geradlinigen Mittelabschnitt und versetzten Ankerteilen an den gegenüberliegenden Enden zeigt. Das kanadische Patent 2,094,543, veröffentlicht am 9. November 1993, Erfinder Nemegeer, offenbart eine Faser mit hakenförmigen Enden.
Die US 5,443,918, erteilt am 22. August 1995 für Banthia et al., offenbart eine Metallfaser für bewehrtes, auf Zement basierendes Material, die sinusförmige Endabschnitte hat, die auf spezielle Weise entsprechend den Faser- und Matrixeigenschaften zugeschnitten sind, um eine gewünschte Festigkeit in dem resultierenden Gemisch zu erhalten.
Die US-PS 5,451,471, erteilt am 19. September 1995 für Over et al., beschreibt eine Bewehrungsfaser, die nahe ihrer beiden Enden über eine ausgewählte Strecke so verformt ist, dass eine ausgewählte Größe des unverformten Teils der Faser zwischen den Verformungen verbleibt. Die Fasern sind auch mit einer großen Anzahl von Nuten versehen, die sich in einem Winkel zur Längsachse zur Faser erstrecken und den Ausziehwiderstand der Faser erhöhen, wenn sie als Bewehrung in einer Betonmatrix verwendet wird.

Kurze Beschreibung der vorliegenden Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Bewehrungsfaser für Beton anzugeben, und spezieller besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine verbesserte Fasergeometrie für bewehrte Betonmassen anzugeben, die durch Shotcreting oder Gießverfahren gebildet sind.
Im breiten Sinne betrifft die vorliegende Erfindung eine Betonbewehrungsfaser, die ein Fasermittel enthält, das einen Zuganker in der Nähe von jedem axialen Ende der Faser, jedoch von dem Ende beabstandet, bildet, sowie Mittel, die einen Totanker zwischen den die Zuganker bildenden Mitteln und den benachbarten axialen Enden der Faser bilden, und Totankerfreigabmittel, die eine Kraft reduzieren, die von dem Totanker aufgenommen wird, wenn die auf die Faser einwirkende Kraft eine Spannung in dem Freigabemittel hervorruft, die ein ausgewähltes Maximum übersteigt.
Die Totankerfreigabemittel enthalten bevorzugt Mittel, die einen Spannungskonzentrationsschwachpunkt in der Faser zwischen dem Totanker und dem benachbarten Zuganker bilden. Der Schwachpunkt ist bevorzugt so aufgebaut, dass er unter Spannung bricht, wenn die Faser einer Kraft unterhalb einer maximalen Kraftaufnahmefähigkeit der Faser zwischen den Spannungskonzentrationsschwachpunkten ausgesetzt ist, um den Totanker freizugeben, wenn die Faser zwischen den Spannungskonzentrations-schwachpunkten unter einer Belastung steht, die niedriger als die Maximallast ist.
Bevorzugt hat jeder Totanker eine Kraftaufnahmefähigkeit in situ in dem Beton, die kleiner ist als diejenige jedes Zugankers.
Bevorzugt ist jeder Zuganker durch ein Paar vorstehender Seitenflansche gebildet, die an beiden gegenüberliegenden Seiten der Faser um eine erste Strecke vorstehen.
Bevorzugt ist das Paar seitlich sich erstreckender Seitenflansche durch eine Verformung in der Faser gebildet, die stellenweise ihre Dicke reduziert, ohne Bereiche signifikanter Spannungskonzentrationen hervorzurufen, die die axiale Zugfestigkeit der Faser reduziert.
Die den Totanker bildenden Mittel sind bevorzugt durch eine Verformung in der Faser gebildet, die ihre Dicke reduziert, um ein zweites Paar seitlich vorstehender Seitenflansche zu bilden, die seitlich von der Faser um eine zweite Strecke vorstehen, die größer ist als die erste Strecke.
Die ersten und die zweiten Flansche sind bevorzugt in im wesentlichen parallelen Ebenen angeordnet.
Die Mittel, die den Schwachpunkt bilden, sind bevorzugt ein Bereich der Spannungskonzentration in der Faser nahe der Stelle, wo der Totanker mit der Faser verbunden ist, an einer Seite des Totankers nahe dem benachbarten Zuganker.
Bevorzugt hat die Faser ein Verhältnis der Faserlänge zur Quadratwurzel des Faserdurchmessers von weniger als 30 mm1/&sub2;.
Die Faser hat bevorzugt eine Faserlänge zwischen 20 und 35 mm und einen Faserdurchmesser zwischen 0,6 und 1 mm.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Merkmale, Gegenstände und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen. Dabei zeigen:
Fig. 1 ein Diagramm des Faserrückpralls in Massenprozent über der Faserlänge zur Quadratwurzel des Faserdurchmessers in mm;
Fig. 2 eine Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Endes einer Faser, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist;
Fig. 3 eine Aufsicht in Richtung des Pfeils 3 in Fig. 2;
Fig. 4 ein Diagramm der Ausziehverlagerung über der Nennlast in dem Stahl für eine kommerziell erhältliche Faser mit einem Totanker, eine kommerziell erhältliche Faser, die nur einen Zuganker hat, und eine Faser mit einer Kombination eines Totankers und eines Zugankers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 ein Diagramm der Faserlänge über der Shotcrete-Bruchenergie für vier verschiedene Längen der Faser gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 ein Diagramm des Faserdurchmessers über der Shotcrete-Bruchenergie für drei verschiedene Faserdurchmesser gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 ein Diagramm der Kraft über der Verlagerung bei einem Biegefestigkeitstest (ASTM C1018) beim Vergleich von Shotcrete, der zwei verschiedene Arten kommerzieller Fasern verwendet, die in den Tests der Figur verwendet sind, mit Shotcrete, der mit Fasern gemacht ist, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet sind (Durchschnitt von wenigstens vier Tests).

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Vor der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung muss darauf hingewiesen werden, dass in dem durchgeführten Test das für alle Fasern verwendete Material Stahl ist, der üblicherweise bei der Herstellung von Bewehrungsfasern verwendet wird, so dass sich diese Offenbarung auf die Basis bezieht, dass die Fasern aus Stahl oder einem Material mit äquivalenten mechanischen Eigenschaften bestehen. Wenn ein anderes, geeignetes Material verwendet wird, müssen Größe und Form entsprechend den physikalischen Eigenschaften des Material, aus dem die Fasern bestehen, modifiziert werden. Offensichtlich können bestimmte Materialien die Duktilität des Fasermaterials gewähren, jedoch gibt es viele Materialien, die ungeeignet zur Verwendung sind, d. h. Materialien, die zu hochgradig duktil oder zu brüchig sind, weshalb sie nicht geeignet sind.
Wie oben erwähnt, beeinträchtigt die Größe des Faserrückstoßes bzw. Rückpralls erheblich die Festigkeit des bewehrten Betonprodukts, indem die Faser nicht bewirken kann, die Festigkeit zu erhöhen, wenn sie abprallt und nicht länger in dem Beton gehalten ist.
Eine Reihe von Experimenten wurde durchgeführt unter Verwendung von Stahlfasern mit kreisförmigem Querschnitt mit folgenden Durchmessern und Längen: Durchmesser 0,5, 0,61, 0,65, 0,76 und 1 mm und Längen von 3, 12,5, 19; 24,5 und 40 mm. Fasern jeden Durchmessers hatten jede der Längen. Shotcrete wurde hergestellt unter Verwendung der Trockmischtechnik und der Faserrückprall bzw. Faserrebound wurde errechnet und der Fasergehalt in situ bestimmt. Die erhaltenen Resultate sind in Fig. 1 aufgetragen. Die Anmelder haben herausgefunden, dass es eine im wesentlichen lineare Beziehung zwischen dem Faser-Rückprall (Rf) und einem Verhältnis gibt, das durch die Faserlänge dividiert durch die Quadratwurzel des Faserdurchmessers dargestellt ist, d. h.
Rf = flf/ 1/2
wobei: Rf = Faserrückprall
lf = Faserlänge
= Faserdurchmesser
bedeuten.
Es ist offensichtlich, dass eine Verringerung des Rückpralls Rf signifikant die Menge der Fasern erhöht, die in dem Beton gehalten sind, in einem Ausmaß, dass wenn der Faser-Rückprall reduziert wird von 75%, was charakteristisch für die gegenwärtig am Markt befindlichen Fasern ist, auf 50%, dann in situ der Fasergehalt des erhaltenen Shotcrete verdoppelt ist.
Aus Fig. 1 ist zu sehen, dass das Verhältnis der Faserlänge zur Quadratwurzel des Faserdurchmessers unter etwa 30 mm1/2 (für Stahl) liegt, wenn der Faserrückprall unter etwa 70% liegt, was geringer ist als bei herkömmlichen Fasern.
Die Fig. 2 und 3 zeigen eine Hälfte (ein Ende) einer bevorzugten Faser, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist, d. h. eine bevorzugte Fasergeometrie hat. Die andere Hälfte ist im wesentlichen dieselbe, da jede Faser an entgegengesetzten Seiten ihrer mittleren Länge symmetrisch ist. Wie gezeigt hat die Faser 10 einen Durchmesser d und eine Faserlänge lf, die in der dargestellten Ausbildung durch die Dimension lf/2 bezeichnet ist, da nur eine Hälfte der Faserlänge gezeigt ist. Die andere Hälfte der Faser ist im wesentlichen dieselbe wie die in den Fig. 2 und 3 gezeigte.
Die Faser ist mit einem Zuganker 12 mit einer Länge ld und einer Breite wd versehen, gemessen bei der maximalen Breite des Zugankers 12. Der Zuganker 12 in der dargestellten Ausbildung ist eine Verformung des Faserdurchmessers zur Reduzierung der Dicke td, indem die Faser mit einer Stanze oder dergleichen mit einem Radius rg verformt wird, die bewirkt, dass die Faserbreite in dem reduzierten Dickenbereich auf eine Breite wd erhöht wird, d. h. die Breite wd in dem Zuganker ist größer als der Durchmesser d der Faser. Obwohl es bevorzugt ist, ein Presswerkzeug mit einem Radius rg zu verwenden, d. h. mit einer Kreisform ist dies nicht wesentlich, jedoch muss darauf geachtet werden, dass die Faser nicht so verformt wird, dass sich Bereiche oder Zonen hoher Spannung unter Belastung in der Faser bilden, die bewirken, dass die Faser vorzeitig bricht.
Nahe dem axialen Ende 14 der Faser 10 befindet sich ein Verbindungsabschnitt 16 mit einer Länge, die in axialer Richtung der Faser gemessen mit lc angegeben ist (lc ist relativ klein zu ld oder l und kann in einigen Fällen 0 sein), und benachbart zu und bevorzugt sich erstreckend von dem freien Ende der Faser 10 zu dem Abschnitt 16 befindet sich ein Totanker 18 mit einer Länge l, gemessen in der axialen Richtung der Faser und einer Dicke t, die signifikant kleiner ist als die Dicke td des Zugankers 12, und mit einer Breite w, die signifikant breiter ist als die Breite wd des Zugankers 12.
Ein Spannungskonzentrations- oder schwachpunkt 20 bewirkt eine Spannungskonzentration und gewährleistet einen Faserbruch an dem Spannungskonzentrationspunkt und Belastungsbedingungen, die höher als normal sind. Dieser Spannungskonzentrationspunkt ist bevorzugt durch einen nach unten verlaufenden Halsabschnitt 22 gebildet, wobei die Form der Faser signifikant geändert wird, um in den Totanker 18 einzumünden. D. h. der Querschnitt der Faser ist signifikant abgeflacht und verbreitert (um den Totanker zu bilden, der normalerweise etwa dieselbe Querschnittsfläche hat wie die nicht deformierte Faser) und zwar über eine kurze Länge ln, die bei der dargestellten Ausführungsform durch eine Ausrundung mit einem Radius r&sub2; gebildet ist, um einen Spannungskonzentrations- oder Schwachpunkt 20 zu bilden, der den Bruchpunkt bildet, über den die Faser beim Gebrauch brechen soll, wenn sie einer ausreichend hohen Last ausgesetzt ist, um eine Spannung an dem Spannungskonzentrationspunkt 20 oberhalb des Bruchpunkts hervorzurufen. Der Bruch tritt auf, um den Totanker wirkungslos zu machen und dadurch das Spannungsmaß in der Faser zu senken.
Damit die Faser bei 20 bei der gewünschten Kraft bricht, ist es erforderlich, dass der Totanker 18 einen ausreichenden Widerstand dagegen hervorruft, dass sie aus dem Beton gezogen wird, um eine Spannung in der Faser zu erzeugen, die höher ist als diejenige, die von dem Schwachpunkt 20 aufgenommen werden kann, d. h. die Spannung wird bei 20 so hoch, dass die Faser in dem Bereich 20 bricht. D. h. die Dicke t und die Breite w, die die Haltekraft des Totankers 18 in der Faser 10 erzeugen, müssen eine ausreichende Reibung oder Bindung mit dem Beton hervorrufen, so dass eine Zugkraft axial in der Faser zwischen dem Zuganker 12 und dem Totanker 18 wirkt, die groß genug ist, um die Spannung an dem Spannungskonzentrationspunkt 20 zu erzeugen, die ausreicht, dass die Faser an dem Schwachpunkt 20 bricht.
In einigen Fällen neigen die Flansche oder seitlichen Vorsprünge 19 und 21 des Totankers 18 an gegenüberliegenden Seiten der Faser dazu, sich zu verbiegen oder zu falten, wodurch der Widerstand gegen ein Gleiten des Totankers 18 verringert wird und der Totanker 18 weniger wirksam wird, eine hohe Kraft aufzunehmen, so dass die maximale Lastaufnahmefähigkeit in diesen Fällen durch das Verformen des Totankers 18 verringert ist und die Kraft in der Faser reduziert wird.
Das Ziel der Erfindung, zu gewährleisten, dass der Totanker freigegeben ist, um die Spannung in der Faser zu reduzieren, kann somit auf wenigstens zwei Arten erreicht werden, nämlich in der Gestaltung der Faser, so dass sie bei einem Spannungskonzentrationspunkt 20 zwischen dem Totanker 18 und dem Zuganker 12 bricht und/oder dadurch, dass der Totanker 18 selbst verformt und freigegeben wird. Die Geometrie des Totankers 18, die die Freigabe durch Verformung des Totankers bei der Spitzenlast vor dem Bruch an dem Schwachpunkt 20 (falls ein Schwachpunkt 20 vorgesehen ist) ermöglicht und in jedem Fall die Spannung in der Faser verringert ist, in den Fig. 2 und 3 dargestellt und in erster Linie abhängig von der Dicke t des Totankers 18.
Während, wie oben erwähnt, der Spannungskonzentrations- oder Schwachpunkt 20 nicht der beherrschende Faktor sein muss, der die Freigabe des Totankers bewirkt, ist es bevorzugt, einen solchen Punkt in der Fasergestaltung vorzusehen, da er genauer ausgebildet werden kann, um eine Spannungsverringerung in der Faser unter geeigneten Kraftbedingungen zu gewährleisten. Die Kraftaufnahmefähigkeit der Faser zwischen den Spannungskonzentrationsschwachpunkten 20 wird nicht übertroffen, wenn die Faser dem Spannungskonzentrationsschwachpunkt (-punkten) 20 bricht.
Der Zuganker 12 funktioniert im wesentlichen auf dieselbe Weise wie ein herkömmlicher Zuganker einer konventionellen Bewehrungsfaser. Jedoch ist die maximale Zugkraft oder axiale Kraft, die auf die Faser 10 wirkt, damit der Zuganker durch den Beton gezogen wird, kleiner als die maximale Kraft, die erforderlich ist, damit die Faser 10 bricht. Die zusätzlich addierten Kräfte, die von dem Totanker 18 unter Spitzenbedingungen getragen werden, rufen die Spannung an dem Schwachpunkt 20 hervor, damit die Faser an dem Schwachpunkt 20 bricht, oder die Spannungen in dem Totanker, damit der Totanker 18 verformt wird und zur Freigabe veranlasst wird. Damit wirkt der Totanker so, dass er den Beton in einem Fall verstärkt, bis der Bruch bei 20 auftritt oder in dem zweiten Fall, bis der Totanker verformt wird. In jedem in Fig. 4 dargestellten Fall, ist die Energie, die von der Faser aufgenommen werden kann, größer als die, die von herkömmlichen Bewehrungsfasern mit herkömmlichen Ankerstrukturen aufgenommen werden können. Dieses System erlaubt die Aufbringung einer höheren Gesamtzugkraft ohne das Risiko eines Faserbruchs, da der Totanker freigegeben wird, bevor die Spannung in dem Rest der Faser einschließlich dem Zuganker den Bruchmodul übersteigt.
Allgemein wird der Zuganker 12 so ausgebildet, dass er wenigstens 80% der Spitzenlast trägt, und vorzugsweise 90% oder mehr, so dass die zusätzliche Kraft, die von dem Totanker aufgenommen wird, klein ist, und die Kraftaufnahmefähigkeit der Faser nicht dramatisch abnimmt, wenn der Totanker freigegeben wird.
Fig. 4 zeigt die Wirksamkeit der vorliegenden Erfindung hinsichtlich der Verbesserung der Energieabsorption, die aus den einzelnen Fasern erhalten werden kann, die einen Anker gemäß der vorliegenden Erfindung haben, im Verhältnis zu einzelnen kommerziell erhältlichen Fasern mit Ankern. Die kommerziell erhältlichen Fasern, die nur einen Zuganker haben (Kurve 1 in Fig. 4) rufen eine relativ allmähliche Zunahme in der Spannung hervor, wenn die Verlagerung (Herausziehen) auf etwa 1,5 mm erhöht wird. Wenn eine Faser mit nur einem Totanker getestet wurde (Kurve 2 in Fig. 4) ist die maximale Spannung bzw. Kraft die aufgebracht werden kann signifikant höher, annähernd 900 MPa. (Die Zugfestigkeit des verwendeten Stahls beträgt in allen Fällen 1100 MPa). Jedoch ist die Verlagerung, die tolerierbar ist, kleiner als etwa ¹/&sub2; mm. In beiden Fällen verschlechtert sich die Nennfaserspannung schnell (mehr für den Totanker als für den Zuganker), wenn die Verlagerung jenseits des Punktes der höchsten Spannung erhöht ist.
Die Faser mit der Kombination des Totankers 18 und des Zugankers 12 der vorliegenden Erfindung (Kurve 3 der Erfindung) zeigt einen sehr signifikanten Anstieg in der Spannung, die tolerierbar ist, d. h. die Nennspannung für die Faser erreicht mehr als 1000 MPa, während eine Verlagerung von etwa 2¹/&sub2; mm auftritt, und dann fällt die zulässige Spannung ab, wird aber nicht auf diejenige des kommerziellen Zugankers per se reduziert, bis eine sehr beträchtliche Größe des Herausziehens aufgetreten ist, d. h. in der Größenordnung von etwa 7 mm. Der Schwachpunkt 20 bricht oder der Totanker 18 wird verformt, um den Totanker freizugeben, wenn die Spitzenspan nung erreicht wird, die auftritt, bevor die Bruchfestigkeit der Faser erreicht ist, wodurch verhindert ist, dass die Faserbruchkraft auf die Faser aufgebracht wird.
Aus Fig. 4 ist zu sehen, dass die bei der erfindungsgemäßen Kombination des Totankers und des Zugankers (Kurve 3) absorbierte Energie in der Lage ist, signifikant mehr Energie als beide herkömmlichen Ankerarten (Kurven 1 oder 2) aufzunehmen (die absorbierte Energie wird durch die Fläche unter ihren jeweiligen Kurven gemessen). Damit ist offensichtlich, dass signifikante Verbesserungen hinsichtlich der Größe der Ausziehenergie, die absorbiert werden kann, gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht werden.

Beispiel

Um die vorliegende Erfindung zu optimieren, wurden Fasern aus Draht mit einem festen Durchmesser von 0.89 mm gebildet mit Längen von 12,5, 19, 25,4 und 40 mm, und die Fasern wurden alle mit einer Menge von 16 kg/m³ in Shotcrete getestet, um ihre akkumulierte Bruchenergie unter Biegelast eines ASTM C1018 Standardtests an Balkenmustern 100 · 100 · 350 mm zu testen (Fläche unter der Biegelast gegenüber der Verlagerungskurve bei einer Verlagerung von 2 mm). Die erhaltenen Ergebnisse sind in Fig. 5 aufgetragen, aus der hervorgeht, daß eine Faserlänge zwischen 20 bis 40, bevorzugt etwa 25 mm, optimal war.
Nach der Auswahl der optimalen Faserlänge von 25,4 mm wurden Faserdurchmesser von 0,61, 076 und 0,89 getestet. Die Ergebnisse dieser Tests sind in Fig. 6 dargestellt, aus der klar hervorgeht, dass ein Faserdurchmesser von etwa 0,75 (0,74 bis 0,8 mm) optimal war.
Auf der Basis dieser Abmessungen, nämlich einer Länge lf = 25,4 mm und einem Durchmesser d = 0,76 mm wurden die Abmessungen der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Faser optimiert. Bei dieser Anordnung war der Durchmesser rg der Einbuchtung, die den Zugabschnitt 12 bildet 10,7 mm; die Dicke td war etwa das 0,46fache des Durchmessers d und die Breite wd war das 1,45fache des Durchmessers d.
Auf der Basis der Abmessungen rg und td kann die Länge ld abgeleitet werden.
Die Länge l des Tothakenabschnitts wurde auf das 1,4fache des Durchmessers d der Faser und die Dicke t auf das 0,23fache des Durchmessers d festgesetzt, was eine Breite w von dem 2,36fachen des Durchmessers hervorruft. Die Abmessung lc war 0,2 mm und ln und der Radius rn waren für dieses Beispiel gleich und weniger als 0,5 mm.
Mit anderen Worten verwendet eine der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung für Shotcrete einen Faserdurchmesser von 0,76 mm, eine Dicke td von 0,35 mm, eine Breite wd von 1,1 mm, eine Dicke t von 0,18 mm und eine Breite w von 1,79 mm.

Beispiel 2

Fasern, wie sie in dem obigen Beispiel beschrieben sind, wurden in ausreichender Menge hergestellt und in einer Shotcrete-Anwendung getestet und unter Verwendung des ASTM C1018 Standardtests mit fünf 100 · 100 · 350 mm- Mustern in einem Biegetest mit herkömmlichen Fasern für dieselbe Anwendung getestet. Die Resultate dieser Tests sind in Fig. 7 aufgetragen, wobei die Kurve A die Resultate angibt, die mit der vorliegenden Erfindung erhalten werden, die Kurve erhalten wurde unter Verwendung von Fasern, die unter der Handelsbezeichnung Dramix von Bekaert erhalten wurde und die Kurve C FE-Fasern von Novocon verwendet. Daraus ist zu ersehen, dass die vorliegende Erfindung in der Lage ist, eine größere Kraftaufnahmekapazität zu haben und daher mehr Bruchenergie verbraucht (Fläche unter den Kurven in Fig. 7) als die zwei kommerziellen Produkte.
Die obige Beschreibung bezieht sich in erster Linie auf Shotcrete-Anwendungen, da diese komplizierter sind, weil der Faserrückprall eine Rolle spielt, jedoch kann die vorliegende Erfindung auch auf Gießbeton angewendet werden. Fasern zur Verwendung in Gießbeton können beispielsweise eine signifikant größere Länge haben als Fasern für Shotcrete, tatsächlich kann die Länge etwa verdoppelt sein.
Im Zusammenhang mit der obigen Beschreibung der Erfindung sei erwähnt, dass für den Fachmann erkennbare Modifikationen im Schutzumfang der Erfindung liegen, der sich aus den beigefügten Ansprüchen ergibt.

Claims

1. Betonbewehrungsfaser (10) mit einem Fasermittel, das einen Zuganker (12) nahe jedem axialen Ende (14) der Faser (10), jedoch von diesem beabstandet, bildet, und einem Mittel, das einen Totanker (18) zwischen jedem den Zuganker (12) bildenden Mittel und dem benachbarten axialen Ende (14) der Faser (10) bildet,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Faser (10) außerdem ein Totankerfreigabemittel (20) zur Reduzierung der von dem Totanker (18) aufgenommenen Kraft enthält, wenn eine auf die Faser (10) ausgeübte Kraft eine Spannung in dem Freigabemittel (20) hervorruft, die ein ausgewähltes Maximum übersteigt.

2. Betonbewehrungsfaser (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Totankerfreigabemittel (20) ein Mittel enthält, das einen Spannungskonzentrationsschwachpunkt (20) in der Faser (10) zwischen jedem Totanker (18) und dem benachbarten Zuganker (12) bildet.

3. Betonbewehrungsfaser (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwachpunkt (20) so konstruiert ist, dass er unter Spannung bricht, wenn die Faser (10) einer Gesamtlast ausgesetzt ist, die kleiner ist als die maximale Kraftaufnahmefähigkeit der Faser (10) zwischen den Spannungskonzentrationsschwachpunkten (20), um den Totanker (18) freizugeben, wenn die Faser (10) zwischen den Spannungskonzentrationsschwachpunkten (20) unter einer Kraft steht, die kleiner als die maximale Kraft ist.

4. Betonbewehrungsfaser (10) nach jedem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Totanker (18) eine Kraftaufnahmefähigkeit in situ im Beton hat, die kleiner ist als diejenige jedes Zugankers (12).

5. Betonbewehrungsfaser (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel, die den Spannungskonzentrationsschwachpunkt (20) bilden, ein Bereich der Spannungskonzentration sind, der in der Faser (10) nahe der Stelle ist, an der der Totanker (18) mit der Faser (10) verbunden ist, an einer Seite des Totankers (18) nahe dem benachbarten Zuganker (12).

6. Betonbewehrungsfaser (10) nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zuganker (12) durch ein erstes Paar seitlich vorstehender Seitenflansche gebildet ist, die an beiden gegenüberliegenden Seiten der Faser (10) um eine erste Strecke vorstehen.

7. Betonbewehrungsfaser (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Paar seitlich sich erstreckender Seitenflansche durch Verformung der Faser (10) gebildet ist, wodurch stellenweise ihre Dicke reduziert ist, ohne Bereiche signifikanter Spannungskonzentrationen hervorzurufen, die die axiale Zugfestigkeit der Faser (10) reduzieren.

8. Betonbewehrungsfaser (10) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt, der den Totanker (18) bildet, durch eine Verformung der Faser (10) gebildet ist, die ihre Dicke reduziert, um ein zweites Paar seitlich vorstehender Seitenflansche (18, 21) zu bilden, die seitlich von der Faser (10) über eine zweite Strecke abstehen, die größer ist als die erste Strecke.

9. Betonbewehrungsfaser (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Paare (19, 21) der Flansche im wesentlichen in parallelen Ebenen angeordnet sind.

10. Betonbewehrungsfaser (10) nach jedem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser (10) eine Faserlänge zwischen 20 mm und 35 mm und einen Faserdurchmesser zwischen 0,6 mm und 1 mm hat.