Steinträger

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Stabilisierung von Stein im weiteren Sinn, das heißt Naturstein, Kunststein aller Art, Beton und sonstiges Steingut, sowie Keramik bis hin zu glashaltigen Substanzen oder Glas selbst, die durch eine spröde und bruchgefahrdete Struktur gekennzeichnet sind. Hier sind besonders Natursteine wie Granit, Basalt, granitähnliche Gesteine wie Gneis, sowie Marmor, Kalkstein, hochdruckfeste moderne Keramiken, Glaskeramik oder Glas zu erwähnen, sowie alle sonstigen Materialien aus Stein oder Keramik, natürlich oder künstlich entstandenes Steingut, die in der Regel hoch druckbelastbar sind. Diese Materialien werden im fügenden als Stein oder Steingut bezeichnet.

Sie zeichnen sich zwar einerseits durch eine hohe Belastbarkeit bei Druckbeanspruchung aus, sind dagegen aber fast völlig instabil bei Zug- und Biegebelastung, insbesondere dann, wenn Sie möglichst dünn und materialsparend, philigran und insbesondere leichtgewichtig ausgelegt werden sollen.

Dabei handelt es sich vorwiegend um dünne Steinplatten oder Steinstäbe, sowie jegliche vorstellbare Geometrie, die in Konstruktion, im Bau, im Maschinenbau und Anlagenbau angewendet wird. Vermehrt werden Steinplatten im Fassadenbau und als Arbeitsplatten, insbesondere Küchenarbeitsplatten Verwendung finden, aber auch in anderen Bereichen, wie dem Möbel- oder Armaturenbau und im Baugewerbe als Treppenstufen, Wandverkleidungen und Bodenfliesen, sowie generell im Baugewerbe eingesetzt werden. Stein als Lieferant für alle möglichen Maschinenbau-Teile, wenn er z.B. mit Carbonfasern stabilisiert wird, so wie in der EP 106 20 92 beschrieben, haben zwischenzeitlich auch den

Weg in die industrielle Anwendung gefunden.

Carbonfasern sind jedoch sehr teuer und energieaufwendig in der Herstellung und können - zumindest teilweise - durch moderne andere, z. B. Stein-Fasern ergänzt, oder je nach Anwendung auch ersetzt werden.

Die vorliegende Erfindung schlägt einen Weg vor, solche dünn ausgelegten Geometrien aus Stein bzw. Steinstäbe und Steinplatten oder Keramik- bzw. Kunststeinplatten nachhaltig auf preiswerte Weise mit Steinfasern einerseits mechanisch zu stabilisieren, andererseits so auch, dass sie in weiten Temperaturbereichen stabil bleiben, das heisst, dass der Stein vor

Bruch geschützt ist. Unter temperaturbedigter Ausdehnung und beim Biegen so stabilisiert zu bleiben, dass der Stein vor Bruch geschützt ist, ist die Herausforderung für die hier beschriebene Lösung. Dünne, aber auch dickere Steinplatten so zu stabilisieren, dass sie moeglichst gerade bleiben, soll ein weiteres Ziel der vorliegenden

Erfindung sein. Um dieses Ziel zu erreichen ist es nicht nur nötig, die Steingutplatten oder Keramikplatten gegen Zug und damit verbundenen Bruch zu stabilisieren, sondern auch einen auf der zu stabilisierenden Steinseite an der Grenzfläche zwischen zu stablisierendem Stein und Stabilisator einen Druckgradienten einzustellen, der praktisch gegen Null geht, damit die Steinlatte weder zu der einen Seite, noch zu der anderen Seite bei wechselnden Temperaturen gebogen wird und somit die sichtbare bzw. nutzbare Fläche grossflächig gerade und eben bleibt. Einen solchen Weg schlägt die Erfindung vor, das Merkmal der Ebenheit der Steinplatte in weiten Temperaturbereichen ist ein wichtiges Ziel der hier beschriebenen Lösung, bei der man mit reiner Carbonbeschichtung das Problem der inversen Ausdehungskoeffizienten hat. Der Weg gewährleistet, daß sowohl Stein, als auch Keramik unter den unterschiedlichsten thermisch bedingten mechanischen Belastungen, sowie auch rein mechanischen Belastungen so stabilisiert wird, daß sie durch eine, für die jeweiligen Einsatz- und Belastungsfalle geeignete Stabilisierung, vor ir, cchani scher Zerstörung durch Reissen der Steinstäbe oder Steinplatten einerseits, und insbesondere vor mechanischem Bruch geschützt werden, unter Beibehaltung einer ebenen Formstabilität. Kern der Lösung, das für dünne Steinplatten am besten geeignete

Stabilisierungsmatel zu finden ist es, den Gesamtausdehnungskoeffizent

des den Stein stabilisierenden Materialais auf der den Stein stabilisierenden Seite zwischen Steinplatte und Stabilisierungsmaterial so einzustellen, dass er ähnlich ist mit dem Gesamtausdehnungskoeoffizient der Steinplatte selbst.

Die Erfindung basiert auf der Stabilisierung von Stein oder Keramik durch ein teilweise oder ganzflächig auf dem Stein angebrachtes faserhaltiges Trägermaterial, welches ein Ausdehungsverhalten hat, der dem Stein möglichst nahe kommt. Dafür werden in der hier vorliegenden Erfindung Steinfasern, insbesondere Basaltfasern vorgeschlagen.

Bekannt sind bisher Leichtbauformen bei denen wie bei dieser neuen Erfindung auch eine möglichst dünne Natursteinschicht flächig durch einen Unterbau verschiedener Trägermaterialien und Trägerformen, wie Rahmen, Waben und ähnliche Konstruktionen verstärkt und dadurch belastbar gemacht wird, beziehungsweise erst ermöglicht Steingeometrien wie Steinplatten oder Steinstäbe entsprechend dünn auszuführen. Das Trägermaterial ist dabei in der Regel bisher unter dem Gesichtspunkt ausgewählt worden, daß es bei ausreichender mechanischer Festigkeit hauptsächlich von dem Einsatz herkömmlicher Materialien wie Stahl und

Aluminium, oder solchen Schichten bestimmt is, die aus einem ähnlichen oder gleichen Material, wie das zu stabilisierende Material bestehen. Neuere Methoden schlagen Glasfasern, Aramidfasern oder Kohlefasern als Trägermaterial vor. Jede dieser Fasern hat einen bestimmten phsikalischen Vorteil, aber auch spezifische Nachteile, je nach Anwendungsfall.

Geeigneter vom Gesamtspektrum der physikalischen Eigenschaften scheint die Steinfaser selbst zu haben, um Stein zu stabilisieren. Der Ausdehungskoeffizient, die Zugfestigkeit und Zugdehnung kommt dem den physikalischen Eigenschaften des Steins am nächsten. Es werden zusätzlich beispielsweise gerade, gewellte oder wabenförmige Metallbzw. Aluminiumbleche, Holzplatten und Stahl- oder Holzrahmen, oder

weitere Steinplatten als Trägermaterial verwendet, wobei die dünne Steingeometrien eine Stärke von 5mm bis 15 mm haben können, ohne zu brechen. Solche zusätzlichen stabilisierenden Massnahmen werden auch bei dieser Erfindung vorgeschlagen, wobei das kennzeichnende Merkmal die grundsätzliche Verwendung von Steinfasern vorgeschlagen werden, um als Stabilisierungsschicht auf den Stein aufgebracht zu werden. Ein zusätzliches Stabilisierungsverfahren ist es, in Kombination mit Steinfasern auch die Verwendung von Glasfaser-, Carbon- oder Aramidfaserlaminaten zu applizieren, die zusammen mit der Stein- oder Basaltfaser den Stein mehr oder weniger grossflächig oder auch ganzflächig, einseitig oder beidseitig stabilisieren. Das Ergebnis ist eine druck- und zugspannungsbelastbare Steingeometrie, die in normalen Anwendungsfällen iür eine ausreichende Stabilisierung des Steins für thermische und mechanische Belastungsfälle sorgt. In den meisten Fällen ist eine ausreichende Stabilisierung bereits mit einem dünnen Film von Steinfasermatrix erreicht, die eine Stabilisierung im thermischen und/oder mechanischen Lastfall gewährleistet.

Durch den Stand der Technik ist beschrieben, wie Bauteile aus Stein oder Keramik, die extreme thermisch-statische, wie mechanisch-dynamische

Lasten aufnehmen müssen, mit Carbonfasern stabilisiert werden können. ähnliche und teilweise sogar bessere Ergebnisse sind mit Steinfasern erreichbar, auch weg JH der geringeren Kosten.

Die Aufgabe, der Neigung von dünnen Naturstein- und/oder Keramikplatten zum Brechen oder Reißen durch wesentlich leichtere

Bauformen sicher entgegenzuwirken, wird durch zusätzliche stabilisierende

Trägers bzw. Trägermaterialien gelöst. Zu diesem Zweck wird ein

Trägermaterial eingesetzt, welches einen ähnlich geringen

Ausdehnungskoeffizienten hat, wie die mit Steinfasern stabilisierte Steinplatte, und welches ein sehr geringes spezifisches Gewicht hat.

Das den Stein stabilisierende Trägermaterial, im folgenden Träger genannt, besteht aus einer eine faserverstärkten Matrix, die ein Kunstharz oder gegebenenfalls selbst ein Keramikmaterial ist. Es kommen dabei Steinfasern, insbesondere Basaltfasern zum Einsatz, die hohe Zugbelastungen standhalten und sich unter Wärmeeinwirkung nur minimal ausdehnen, also einen sehr kleinen Temperaturausdehnungskoeffizienten besitzen, der in der Regel kleiner oder gleich dem des zu stabilisierenden Steinmaterials ist. Dadurch werden Steinstäbe, Steinplatten und andere Geometrien aus Stein insbesondere gegen Risse durch überdehnung und Hitzeeinwirkung geschützt, sowie dem Bruch durch mechanische

Belastung senkrecht auf das Steingut entgegengewirkt. Zusätzlich müssen soche Platten - je nach Anwendungsfall - zusätzlich für mechanische Beanspruchungen - wie inder EP 106 20 92 mit einer zusätzlichen Snadwicheinlage beschrieben - stabil gemacht werden. Dies geschieht auch bei dieser Erfindung durch eine Schicht, die aus einem Sandwich von

Eierkastengeometrie mit zusätzlichen Unterplatten, oder einer Bienenwabengeometrie, anderen Geometrien aus Zwischenlagen oder dem sogenannten Blähglas bestehen. Blähglas ist ein aufgeschäumtes Glasmaterial, welches sich durch eine hohe Druckbelastbarkeit, ein geringes spezifisches Gewicht und einen sehr geringen

Temperaturausdehungskoeffizienten auszeichnet.

Dünne Steinplatten, zum Beispiel Arbeitsplatten - insbesondere Küchenarbeitsplatten - und Fassadenverkleidungen, werden durch die Erfindung insbesondere bei gleichzeitiger thermischer und mechanischer Belastung und der damit verbundenen Träger-Materialdehnung, die zu

Rissen oder Oberflächenbrüchen des getragenen Stein-Materials führen würde, sicher gegen Rissbildung geschützt. Die üblicherweise entstehenden, unter Umständen mikroskopisch kleinen Haarrisse, die zum schnellen Verfall des Steins führen, insbesondere dann, wenn er im Außenbereich, oder als Arbeitsplatte im Küchenbereich ständig wechselnden Temperaturen, mechanischen Druckbelastungen und Wasser

und Frost ausgesetzt ist, werden durch die Erfindung vollständig ausgeschlossen, ohne dass man auf eine masive Bauform zurückgreifen müsste. Die Gesamt-Platte inklusive der Stabilisierungsschicht kann somit extrem leichtgewichtig werden, ohne zu brechen oder sich zu verziehen bzw. zu schusseln, wie der Fachjorgon sagt. Selbst dünnste Steinplatten können mit Hilfe der Erfindung unter Beibehaltung der Stabilität hergestellt werden, die man von massivem Steinmaterial gewöhnt ist. Das gleiche gilt für Träger im Baubereich, im Automobilbau und ggfls. auch im Flugzeugbau in drucκbelasteten Zonen, wo Stahl und Alu ersetzt werden können. Allgemein kann der neu entstandene Verbundwerkstoff Stein mit

Steinfaser in vielen Bereichen Stahl und Aluminium ersetzen. Stein hat ein spezifisches Gewicht von Aluminium und die Druckfestigkeit von einem normalen Baustahl, was bedeutet, dass man Stein, insbesondere auch Naturstein, der nunmehr gegen Bruch durch die Steinfaser deshalb im thermischen und mechanischen Lastfall geschützt ist, weil sie einen ähnlichen Ausdehnungkoeffizienten hat, wie der Stein selbst, insbesondere nunmehr auch im Leichtbau einsetzen kann, was eine Neuheit in der Technik darstellt und deshalb wichtig wird, weil Stein in grenzenlosen Massen als billiges Material überall auf der Welt zur Verfugung steht und sehr energeischonend gewonnen werden kann. Der Vorteil der Steinfaser im Unterschied zu anderen Fasern ist, dass sie bei sehr hoher Zugfestigkeit einen sehr geringen Preis hat. Das Preis/Zugfestiggkeitsverhaeltnis ist 2 mal besser, als bei Carbonfasern. Unter Umständen ist die Erfindung auch dafür geeignet, um mit einer sehr dünnen Schicht Carbonfaser den vorzustabilisieren Stein zusätzlich mit der preiswerteren Steinfaser durch weitere Schichten gegen Bruch zu schützen, insbesondere dann, wenn der Stein gebogen werden soll. Da die Steinfaser einen dem Stein fast identischen Ausdehnungskoeffizienten hat, kann das Bauteil in weiten Temperaturbereichej. sicher gegen Bruch geschützt werden, um Stahl und Aluminium zu ersetzen. Der Stein hat bei dem gleichen spezifischen

Gewicht wie Aluminium (ca. 2,6 g/mm ³ - 2,9 g/mm ³ ) die Druckstabilität

von Baustahl. Das Verhältnis von Druckstabilität zum spezifischen Gewicht ist ca. 2 mal besser als bei Stahl und Aluminium und auch Beton, was das neue Verbundmaterial aus Stein und Steinfaser zum idealen Leichtbaumaterial macht, welches bei der Herstellung mit deutlich weniger CO ₂ - Emissionen belastet ist, wie die Metallproduktion. Der neue Verbund wird damit zum Ersatz von zug- und druckstabilen Materialien, der eine hohe CO ₂ - Emission verursachen, der der Stein bereits fertig gebacken ist.

Mit Hilfe des Einsatzes von zum Beispiel temperatur-stabilen Epoxidharzen, Polyesterharzen, Harzen auf Phenol-, Polyimid-,

Cyanatester-, Melamin-, Polyurethan- oder Silikonbasis, genannt Matrix, in Kombination mit Steinfasern, die einen sehr kleinen

Temperaturausdehnungskoeffizienten hat, wird nun eine sichere

Stabilisierung von Steinstäben, die ihrerseits der Stabilisierung von faser strukturierten Bauteilen sowie auch Steinbauteilen selbst dienen können, möglich.

Es wird darüber hinaus die Forderung erfüllt, die mechanische Belastbarkeit und Temperaturbelastbarkeit von dünnen bis dünnsten Steingeometrien so zu optimieren, daß der Gesamt-

Ausdehnungskoeffizient eines Steinstabes oder einer Steinplatte in weiten Temperaturbereiche n in der Stabilisierungsschicht auf einen gleichen oder ähnlichen Wert eingestellt werden kann, um das Schüsseln von Stein- Platten zu vermeiden und trotzdem eine Leichtbauweise zu realisieren. In dem Moment, wo es gelingt die Dehnung der stabilisierenden Schicht aus

Steinfaser durch Einbringung einer gewissen Vorspannung kleiner zu halten, als die Dehnung des Steins selbst, wird man auf diese Weise stabilisierte Steinstäbe sogar in gewissen Grenzen biegen können, ohne dass diese brechen. Basis für diese Erkenntnis ist die im Zusammenhang mit dieser Erfindung gemachte Beobachtung, dass insbesondere Naturstein sich tatsächlich zerstörungsfrei komprimieren lässt, also z. B. ein Steinstab

sich durch Druck in der Länge verkleinern lässt.

Die Erfindung wird realisiert durch die Verwendung von teil- oder ganzflächiger Beschichtiung der Steinplatte oder eines Steinstabes mit einem Steinfaserlaminat, wobei das Mischungsverhältnis von Steinfaser und Harz so eingestellt werden kann, dass die Ausdehungskoeffϊzienten von zu stabilisierendem Stein und dem Steinfaserlaminat praktisch identisch sind. Dies kann auch durch eine Mischung unterschiedlicher zusätzlicher Fasern erreicht werden.

Eine der vielen möglichen Ausführungen der Erfindung beschreibt eine Platte aus Steingut (1), die einseitig mit einem Steinfaserroving (2) stabilisiert wird (Abb. 1). Die Verbindung zwischen Stein und Faser wird z. B. durch eine temperaturstabile Epoxidharzmatrix hergestellt, welche sich je nach Einsatzgebiet entsprechend thermisch stabil belasten lässt und deren Gesamt- Ausdehungskoeffizent von Faser und Matrix ähnlich dem der zu stablisierenden Steinplatte sein sollte. Durch eine weitere Schicht aus z. B. Blähglas (3) wird die Platte zusätzlich mechanisch stabilisiert.

Abb. 2 zeigt diese zweite Ausführung der Erfindung als einen mehr oder weniger langen, relativ dünnen Steinstab (1), der umhüllend mit einer Schicht aus Steinfasermatrix (2) versehen ist, deren Ausdehnungskoeffizient kleiner oder gleich oder maximal nur etwas größer ist, als der der zu stabilisierenden Steinstab. Abb. 3 zeigt eint. Sondervariante der Steinplatte (1), auf deren

Stabil sierungsschicht aus Steinfasermatrix (2) eine weitere Schicht (3) aus Blähglas aufgeracht ist, die beide in Summe ein identisches Ausdehungverhalten haben, wie die zu stabilisierende Steinplatte (1). Abb. 4 zeigt zwei einseitig beschichtete Platten (1 und 3), die so zusammengefügt sind, dass sie die stabilisierende Steinfaserschicht (2) in der Mittellage einschliessen.