Steinträger mit Vorspannung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Stabilisierung von Steingut im weiteren Sinn - das heißt Naturstein, Lavastein, Kunststein, Beton und sonstiges Steingut, sowie Keramik bis hin zu glashaltigen Substanzen, Glas oder unter anderem auch verflüssigtem Steinmaterial oder direkt aus flüssiger Magma gewonnenes Steinmaterial - welches sich besonders durch eine hohe Druckstabilität, Druckfestigkeit und Porosität auszeichnet. Kern der Erfindung ist das Vorspannen des Steinguts durch Verwendung geeigneter schrumpfender Harze in Verbindung mit zugfesten Materialien und/oder Vorspannung, die durch Biegen erzeugt wird, welches das im folgenden Steingut genannte zu stabilisierende steinhaltige oder steinartige

Material auf umweltfreundliche Weise so nachhaltig vorspannen kann, dass eine möglichst hohe Flexibilitaet des Steingutes entsteht. So entstehende Bauteile können nunmehr auch bewegte Stahl und Aluminium-Bauteile ersetzen, die insbesondere wegen des hohen Energieaufwandes bei der Herstellung und wegen des damit verbundenen hohen CO ₂ -Ausstosses mehr und mehr bedenkliche umweltfeindliche Nebenwirkungen haben und nunmehr durch Stein-Materialien, deren Herstellung mit wesentlich weniger CO ₂ -Ausstoss einhergeht, ersetzt werden können. Bezüglich des zu verwendenden Steinguts sind besonders Natursteine wie Basalt und Granit, granitähnliche Gesteine wie Gneis, Marmor, Kalkstein und Schiefer, Beton, sowie hochfeste moderne Keramiken, Glaskeramik oder Glas zu erwähnen, sowie alle sonstigen Materialien aus Stein oder Keramik, natürlicher oder künstlich hergestellter Perlmutt und Korallenbaustoff, die heute gentechnisch herstellbar und hoch druckbelastbar sind und insbesondere dadurch gekennzeichnet sind, daß sie einen geringen

Ausdehnungskoeffizienten besitzen, sowohl was die Temperatur-, als auch was die Druck- bzw. Zugdehnungskoeffizienten betrifft. Diese Materialien zeichnen sich zwar einerseits durch eine hohe Belastbarkeit bei Druckbeanspruchung aus, sind dagegen aber fast völlig instabil bei Zug-

und Biegebelastung.

Deshalb müssen Sie mit einer Schicht oder Hülle aus Fasermaterial verstärkt werden, so wie zum Beispiel in der EP 106 20 92 beschrieben. Darüber hinaus sollten Sie aber auch für manche Anwendungen vorgespannt werden, was zum Kern der hier vorgelegten Erfindung wird.

Neu für die Stabilisierung von Steingut ist die Verwendung von Harzen, die gezielt beim Aushärten schrumpfen können und Gesteinarten, die eine große Volumenkomprimierbarkeit besitzen. Hierdurch entsteht beim Aushärten des Harzes eine natürliche Vorspannung im Steingut. Zusätzlich kann diese Vorspannung dadurch verstärkt werden, dass die Teile - einmal auf einer Seite vorgespannt - ohne Bruch in die andere Richtung gebogen werden, ohne zu brechen, um dann auf der anderen Seite beschichtet zu werden. Das fertige ausgehärtete Bauteil ist nach diesem Prozess auf beiden Seiten vorgespannt, und am Ende des Prozesses mit einer genau berechenbaren Vorspannung versehen.

Einerseits koennen dafür Pfanzenfasern zum Einsatz kommen, die direkt aus pflanzlichen Grundstoffen gewonnen werden, andererseits kann es für Anwendungen, die eine sehr zugstabile Stabilisierung des Steins notwendig machen, Sinn machen Carbonfasern oder carbonisierte pflanzliche

Grundstoffe zu verwenden. Unter bestimmten Umständen ist es auch möglich jede andere Art von zugstabilen Stabilisierungsschichten, wie z. B. Metall-Folien, gelochte Metallfolien, Holzfurniere, Glasfasermatten, Steinfasern, Pflanzenfasern und zugstabile Gewebe für die Erzeugung der Stein- Vorspannung zu nutzen.

Zu diesem Zweck wird mit Hilfe einer neuen Methode - der Vorspannung von Steingut durch Biegung und/oder schrumpfende Harze - Bauteile, die auf der Ausgangsbasis Stein gewonnen werden, bei denen eine oder beide Seiten einer Steinplatte oder eines Steinstabes - ggfls. gesamtumhüllend - stabilisiert werden, die durch einen wärme- oder hitzebeständige Matrix mit dem Stein verbunden wird, die den Stein vorspannt und auch unter Biegung

sicher gegen Bruch schützt. Hierbei können nur solche Fasern Verwendung finden, die eine Zugstabilität haben, die gross genug ist, um den Stein vorzuspannen. Wegen der Vorspannung ist es möglich auch zugstabile Materilien zu nutzen, die einen Ausdehnungskoeffizienten besitzen, der größer als der des Steins ist. Selbst normale Glasfasern sind hierzu geeignet, was die Vorspannung extrem billig macht. Wie bereits in dem Patent EP 1062092 beschrieben, sindfür Hochleistungsanwendungen Carbonfasern gut geeignet, da Sie einen geringen Ausdehungskoeffizienten und geringe Zugdehnung, sowie eine hohe Zugbelastbarkeit besitzen, und damit eine Vorspannung in weiteren thermischen Grenzen zulassen, als

Glasfasern und andere Stabilisierungsschichten, die einen höheren Ausdehungskoeffizienten, als der des Steins besitzen.

Die vorliegende Erfindung bedient sich der im Zusammenhang mit dieser Erfindung entdeckten Eigenschaft von Stein durch Druck im Volumen änderbar zu sein und poröses Steingut zu verwenden, das viel "Luft" für Volumenänderung lässt. Dass diese Porosität Grund und Voraussetzung für Volumenänderung ist, ist wissenschaftlich gesehen eine neue Erkenntnis, die dazu führt, dass man den Stein in weiteren Grenzen biegen kann, ohne ihn zu zerstören, als bisher angenommen. Diese Eigenschaft ist Voraussetzung für den Kern der Erfindung.

Die vorliegende Erfindung schlägt einen umweltfreundlichen Weg vor, um biegsame Materialien zu erstellen, die das spezifische Gewicht haben von Aluminium - Granit hat ein spezifisches Gewicht zwischen 2.6 und 2.9 g/cm3, Aluminium hat 2.7 g/cm3 - Stein oder Keramiken als alternatives

Material für die Herstellung von Bauteilen aller Art zu benutzen, die bisher typischerweise nur aus Metall, Holz oder Kunststoff hergestellt werden, und insbesondere die hohe Druckfestigkeit von geeigneten Natursteinen und Keramiken für allgemeinere industrielle Anwendungen aufpreiswerte Weise in der Form nutzbar zu machen, dass sie nunmehr auch auf berechenbare

Weise biegsam gemacht werden.

Naturstein entwickelt auf diese Weise unerreicht gute Dämpfungseigenschaften. Gelingt es auf umweltfreundliche weise Stein vor Bruch zu schützen und auch noch zu biegen, hat man ein Material gewonnen, welches umweltfreundlich hergestellt werden kann und in der Regel in Summe noch bessere Materialeigenschaften aufweist als Stahl. Es wird zum Beispiel möglich sich selbst dämpfende Blattfedern zu bauen. Um das zu erreichen ist es zwingend nötig, den Stein oder die Keramik nicht nur gegen Zug und damit verbundenen Bruch zu stabilisieren, sondern so weit vorzuspannen, dass die Streckgrenze des zu stabilisierenden Steins durch die notwendige Biegung nicht erreicht wird. Einen solchen Weg schlägt die

Erfindung mit Hilfe einer geeigneten Vorspannung vor.

Die Erfindung basiert auf der Stabilisierung von Steingut durch ein flächig auf dem Stein aufgebrachtes Trägermaterial, welches vorzugsweise mit einem schrumpfenden Harz, vorzugsweise auf Epixidharzbasis, auf der

Steinoberfläche angebracht wird.Beim Aushärten des Harzes wird der Stein auf der Seite, auf der das Trägermaterial angebracht ist, auf natürliche Weise vorgespannt. Wird das Bauteil ganzumhüllend vom Trägermaterial wie ein Korsett umspannt, dann wird der Stein symmetrisch vorgespannt.

Will man das entstandene Bauteil weiter vorspannen, wird eine mechanische Vorspannung dadurch erreicht, dass das Bauteil in den Grenzen der ersten Vorspannung gebogen wird, um in dieser gebogenen Stellung an der Zugseite noch einmal mit einem geeigneten Trägermaterial beschichtet wird. Nach Aushärtung ist das Bauteil gebogen und noch stärker vorgespannt.

Soll eine weitere Vorspannung erzeugt werden, dann muss das Bauteil in die entgegengestzte Richtung gebogen noch einmal beschichtet werden. Anschliessend erhält man unter Umständen bei gezielter Vorausberechnung ein symmetrisch vorgespanntes Bauteil. Der Stein wird bei diesem Vorgang im Volumen geschrumpft. Das ist deshalb möglich, weil sich die Kristallgrenzen im Stein reversibel verschieben lassen

und somit die Porosität des Steins mit den winzigen Hohlräumen nutzen lassen. Diese Hohlräume bieten den Platz, den das Steinmaterial bei der erzwungenen Volumenänderung findet.

Mit Hilfe des Einsatzes von schrumpfenden Epoxidharzen, Polyesterharzen,

Harzen auf Phenol-, Polyimid-, Cyanatester-, Melamin-, Polyurethan- oder Silikonbasis, genannt Matrix, in Kombination mit beliebigen zugstabilen Trägermaterialien, wird eine gezielte Zug-Stabilisierung von Stein oder Keramik für Biegebelastung möglich. Kennzeichnend ist hierbei, daß die dämpfenden Eigenschaften des Steins voll genutzt werden.

Durch geeignetes Tempern im Ofen kann die Vorspannung zusätzlich unterstützt, verstärkt und gezielt eingestellt werden.

Die Erfindung wird somit realisiert durch die Verwendung von möglichst druckbelastbarem und posösen Stein oder Keramik und einer Trägerschicht, die unter Hitzeeinwirkung mit Hilfe einer schrumpfenden Harz- Zwischenschicht aufgebracht wird und der Stein anschliessend ggfls. zusätzlich durch mehrfaches Biegen verbunden mit jeweiligem weiteren zugstabilisierenden Beschichten weiter vorgespannt wird.

Eine der vielen möglichen Ausführungen der Erfindung beschreibt eine quadratische dünne Platte aus Stein (1), bestehend aus Naturstein, die einseitig mit einer Pflanzenfaser-, Basaltfaser- oder Carbonfasermatrix (2) stabilisiert wird (Abb. 1). Die Verbindung zwischen Stein und Faser wird durch ein schrumpfendes Harz hergestellt. Nach Aushärtung des Harzes, welches in die Steinoberfläche eindringt, ist das Bauteil gebogen und die beschichtete Steinseite vorgespannt.

Abb. 2 zeigt eine zweite Ausführung der Erfindung als eine quadratische dünne Platte aus Naturstein (1), die auf der convexen Seite mit einer zugstabilen Schicht aus faserhaltigen Matrix (2) beschichtet ist und

anschliessend in einen gebogenem, also vorgespannten Zustand versetzt und auch auf der anderen Seite mit einer zugstabilen Fasermatrixschicht (3) beschichtet wird. Nach Aushärtung der Matrix ist das Bauteil auf beiden Seiten der Steinplatte vorgespannt.

Abb. 3 zeigt einen dünnen Natursteinstreifen (1), der ohne Vorstabilisierung in gebogenem, also vorgespannten und ungebrochenem, d.h. unversehrtem Zustand mit einer zugstabilen Fasermatrix (2) beschichtet ist. Nach Aushärtung der Matrix ist und bleibt der Stein vorgespannt.