Die Erfindung betrifft ein dünnwandiges, flächiges Bauteil hoher Festigkeit aus hydraulisch erhärtetem Zementsteinmaterial sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Bekannt sind stahlfasermattenbewehrte erhärtete Mörtel unter der englischen Bezeichnung"Slury infiltrated mat concrete" (SIMCON) im folgenden auch SIMCON-Mörtel genannt. Diese Mörtel werden hergestellt, indem zunächst ein fließfähiger Frischmörtel aus Portlandzement, Wasser, Sand, Mikrosilica und Superverflüssiger hergestellt wird, der z. B. in eine Form gegossen wird, in der eine Stahlfasermatte positioniert ist, wobei die Stahlfasermatte mit Mörtel getränkt wird. Nach der Erhärtung ist ein stahlfaser- bewehrter Festmörtel entstanden, der gegenüber einem unbewehrten Festmörtel eine erheblich höhere Duktilität und eine höhere Festigkeit bewirkende günstigere Rißverteilung bei Überbelastung aufweist. Aus SIMCON-Mörteln werden z. B. Deckschichten auf Bau- teilen oder verlorene Schalungen erzeugt (ACI Structural Jour- nal/September-Oktober 1997, S. 502-512). Aus SIMCON-Mörteln können aber lediglich relativ dicke und ebenflächige Bauteile von minimal z. B. 15 bis 20 mm hergestellt werden, weil die Stahlfasermatten relativ dick sind und das vollständige Vergie- ßen der Matten mit fließfähigem Frischmörtel relativ schwierig ist.

Aufgabe der Erfindung ist, dünnwandige Bauteile hoher Elastizi- tät, insbesondere bezüglich elastischer Durchbiegung und hohem Arbeitsvermögen auf der Basis von Stahlfasermatten bewehrtem erhärteten Zementsteinmaterial sowie ein Verfahren zu deren Herstellung zu schaffen, mit dem nicht nur dünnwandige, eben- flächige sondern auch beliebig gekrümmte oder gewinkelte Formen dünner Bauteile herstellbar sind.

Diese Aufgaben werden durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 24 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den von diesen Ansprüchen abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung sieht vor, handelsübliche zusammengepreßte Matten aus Stahlwolle zu verwenden. Vorzugsweise werden Edelstahlwoll- matten verwendet, die eine höhere Festigkeit und eine sehr ge- ringe Oxidationsrate aufweisen und mithin bei z. B. Wasser-und/ oder Feuchtigkeitseinwirkungen langzeitig korrosionsbeständig sind.

Die Edelstahlwolle wird z. B. hergestellt aus dem Werkstoff Nr.

DIN 1.4113 oder 1.4793 oder legierten Edelstahlen. Unterschied- liche Matten weisen Fasern unterschiedlicher Feinheit auf ; bei- spielsweise wird für Bauteile s 5 mm Dicke eine Matte gewählt, die einen mittleren Faserdurchmesser von 0,08 mm aufweist ; für Bauteile mit größerer Dicke eignen sich gröbere, mittlere Faser- durchmesser von z. B. 0,12 mm. Dabei liegen die Faserlängen zwi- schen etwa 20 mm und mehreren Metern ; im Durchschnitt betragen sie mehrere Dezimeter.

Diese langfaserige Edelstahlwolle ist elastisch und zäh. Die Fa- sern'haben Längen/Durchmesser-Verhältnisse (L/D-Verhältnisse) von über 1000. Demgemäß liegt dieses Verhältnis weit über dem kritischen Wert, bei dem sich eine Zunahme der Faserlänge noch eigenschaftsverbessernd auswirkt.

Die Matten sind sehr flexibel bzw. biegsam, weisen eine Breite bis zu lm auf und stehen mit Flächengewichten von z. B. 800 g/m2 bis 2000 g/m2 auf Rollen aufgerollt zur Verfügung. Die Matten sind mit einer Schere schneidbar.

Im Rahmen der Erfindung wird die Edelstahlwolle vorzugsweise mit Flächengewichten von 900 bis 1000 g/m2 und mit mittleren Faser- durchmessern von 0,08 bis 0,12 mm verwendet.

In Kombination mit dem ausgewählten und zusammengepreßten Stahl- wollmattenerzeugnis in Form von Stahlwollefasern, insbesondere Edelstahlwolle, wird eine Suspension auf Basis von Feinstzement verwendet.

Feinstzemente sind sehr feinkörnige hydraulische Bindemittel, die durch ihre chemisch-mineralogische Zusammensetzung sowie stetige und abgestufte Kornverteilung charakterisiert sind. Sie bestehen im allgemeinen aus den üblichen Zementrohstoffen, wie z. B. gemahlenem Portlandzementklinker und/oder gemahlenem Hüt- tensand und Abbindereglern ; ihre Herstellung erfolgt in geson- derten Produktionsanlagen in Zementwerken. Besonders vorteilhaft ist die Einzelvermahlung der mineralischen Ausgangsstoffe, die Separation ihrer Feinstbestandteile und deren gezielte Zusammen- setzung auch bezüglich der Korngrößen und Kornverteilung.

Das wesentliche Merkmal von Feinstzementen zur Abgrenzung gegen- über konventionellen Normzementen, z. B. nach DIN 1164, ist die vergleichsweise hohe Feinheit dieser Bindemittel bei gleichzei- tiger Begrenzung ihres Größtkorns, das üblicherweise durch die Angabe des Korndurchmessers bei 95 Masse-der Mischung dgg angegeben wird.

Vorzugsweise werden Feinstzemente auf Hüttensand-oder Portland- zementbasis mit einer stetigen und abgestuften Kornverteilung mit einem Größtkorn d95 von 5 24 s vorzugsweise s und einer mittleren Korngröße d50 von 5 7 ym, vorzugsweise s 5 ym eingesetzt. Diese werden zu Suspensionen verarbeitet, indem sie mit Wasser und mit mindestens einem sogenannten Superverflüssi- ger (das sind hochwirksame Verflüssiger oder Fließmittel), sowie insbesondere auch mit Mikrosilica und/oder Pigmenten und/oder inerten Mineralstoffen, z. B. Kalksteinmehl und/oder Quarzmehl und/oder Flugasche entsprechend gleicher oder geringerer Fein- heit wie der Feinstzement gemischt werden.

Mikrosilica sind Produkte, die bei der Herstellung von Ferro- Silizium anfallen. Sie werden im allgemeinen in Form wäßriger Dispersionen als Zusatzstoff bei Hochleistungsbetonen einge- setzt. Diese Art der Mikrosilica ist bekannt unter dem Namen "Slurry". Im wesentlichen sind drei von einander unabhängige Wirkungen im Beton mit Silikatzusätzen zu unterscheiden : Füllereffekt ; Puzzolanische Reaktionen ; Verbesserung der Kontaktzone zwischen Zuschlag und Zement- stein ; Mikrosilica haben sehr kleine Korndurchmesser. Er liegt im Be- reich von etwa 0,1 ym. Aufgrund dieser Eigenschaft sind sie in der Lage die Zwischenräume zwischen den Zementkörnern auszufül- len. Dadurch wird die Packungsdichte in der Zementsteinmatrix wesentlich erhöht. Obwohl sich der Korndurchmesser des verwende- ten Zements schon in Größenordnungen von < 9,5 pm bewegt, wird er von den Mikrosilicapartikeln noch weit übertroffen, woraus der Füllereffekt resultiert.

Die puzzolanischen Eigenschaften der Mikrosilica werden in der Hauptsache von zwei Eigenschaften bestimmt. Zum einem besitzen sie einen gewissen Anteil an reaktiven amorphen silikatischen Bestandteilen, die mit dem entstehenden Calziumhydroxyd während der Zementhydratation reagieren. Zum anderen weisen sie eine große spezifische Oberfläche auf, an der diese Reaktionen statt- finden können.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kommt die Wirkung der Mi- krosilica zur Verbesserung der Kontaktzone zwischen Zuschlag und Zementsteinmatrix nicht zum Tragen, weil die erfindungsgemäßen Suspensionen keinen silikatischen Zuschlag aufweisen.

Erfindungsgemäß wird Mikrosilica z. B. in Mengen von 10 bis 15 Gew.-% bezogen auf den Feststoffanteil der Suspension in Form einer Dispersion zugegeben, die im wesentlichen aus 50 Gew.-W Mikrosilica und 50 Gew. W Wasser besteht (Slurry).

Besonders vorteilhaft sind Feinstzemente auf Hüttensandbasis fur die erfindungsgemäß verwendeten Suspensionen, weil die Feinst- zemente aufgrund ihrer geringeren Reaktivität gegenüber Feinst- zementen auf Portlandzementbasis zur Erzielung niedrigviskoser Eigenschaften geringere Wassergehalte und geringere Gehalte an Verflüssigern und/oder Fließmitteln erfordern.

Besonders geeignete Verflüssiger bzw. Fließmittel sind z. B. die sogenannten Superverflüssiger wie Ligninsulfonat, Naphtali-nsul- fonat, Melaminsulfonat, Polycarboxylat, die als hochwirksame Dispergierhilfsmittel bekannt sind zur Herstellung von Feinst- zementsuspensionen.

Für die Herstellung der erfindungsgemäß verwendeten Suspensionen werden insbesondere folgende Mischungen verwendet : Feinstzement : 30 bis 100, insbesondere 50 bis 80 Masse-% ; Verflüssiger bzw.

Fließmittel (flüssig) : 0,1 bis 5, insbesondere 0,5 bis 4,0 Masse-% ; Verflüssiger bzw.

Fließmittel (pulverförmig) : 0,1 bis 2,5, insbesondere 0,5 bis 1,5 Masse- ; Mikrosilica (Slurry) : 0 bis 30, insbesondere 5 bis 15 Masse- ; Pigmente (pulverförmig) : 0 bis 5, insbesondere 1 bis 3 Masse-% ; inerte Mineralstoffe : 0 bis 70, insbesondere 10 bis 30 Masse-% ; Feinstflugasche : 0 bis 50, insbesondere 10 bis 30 Masse-% ; jeweils bezogen auf den Feststoffanteil der Suspension.

Die niedrigviskosen Suspensionen weisen zweckmäßigerweise einen Wasser/Feststoffwert zwischen 0,4 und 0,6 auf. Ihre Konsistenz, gemessen als Auslaufzeit nach Marsh, beträgt von 35 bis 75 Sekunden.

Zur Herstellung einer Suspension wird z. B. die benötigte Wasser- menge in einem Mischgefäß vorgelegt. Dann wird der Mischer in Gang gesetzt und Verflüssiger oder Fließmittel zugegeben. An- schließend erfolgt die Zugabe der zuvor abgewogenen Trockenstof- fe. Danach wird die Mischung weitergemischt und dabei homogeni- siert.

Die erfindungsgemäßen Bauteile werden nach einer besonderen Aus- führungsform der Erfindung mittels Schalungen hergestellt. Dabei werden die Stahlwollmatten, die mehrere Millimeter dick sind, zweckmäßigerweise auf eine gewünschte Dicke z. B. mit den Schalungselementen zusammengepreßt zwischen den Schalungen an- geordnet. Das Zusammenpressen ist aufgrund der watteartigen Struktur möglich und bewirkt, daß ein hoher Stahlwollefüllungs- grad erzielt werden kann. Durch mehrere, übereinander gelegte Matten kann eine beliebig dicke z. B. auch kreuzweise Bewehrung realisiert werden.

Da die Matten biegsam und schmiegsam sind, sind sie nahezu unbe- grenzt an Oberflächentopographien anpaßbar und andrückbar. Bau- teile oder Formen können damit auch umwickelt werden. Die Matten werden mit einer Faserorientierung entsprechend dem erwarteten Spannungsverlauf in eine Form eingelegt oder gegebenenfalls auf dem vorhandenen Bauteil punktuell fixiert und durch Anbringen einer Schalung bzw. der zweiten Schalungshälfte mit einem ent- sprechenden Anpreßdruck auf die gewünschte Dicke zusammenge- preßt. Diese Verfahrensweise ergibt sich aus Fig. 1. Die Wolle 1 wird in ein erstes Schalungsformteil 2 eingebracht (Verfah- rensablauf a) und mit einem zweiten Schalungsformteil 3 zusam- mengedrückt (Pfeil P, Verfahrensablauf b).

Durch den Grad des Zusammenpressens der Stahlwolle wird der Bewehrungsgrad (Volumenanteil der Stahlwollfasern) gesteuert. Da Stahlwollfasern auch an der Oberfläche des Bauteils vorhanden sind, wird insbesondere in den Fällen, in denen das Bauteil aggressiven Medien ausgesetzt ist, Edelstahlwolle verwendet. Es ist überraschend, daß sich sogar die auf 10 bis 20 W ihres Lie- ferzustandes zusammengedrückten Stahlwollmatten vollständig und sicher mit Feinstbindemittelsuspensionen verfüllen lassen. Dies ist besonders erstaunlich, weil bei Fasergehalten ab etwa 6 Vol.-% die Matten so stark zusammengepreßt werden müssen, daß sich ein scheinbar undurchdringlicher Filz ergibt.

Zur möglichst vollständigen und kontrollierten Ausfüllung der Hohlräume zwischen den Schalungsteilen werden die Schalungen randlich abgedichtet und die Suspension unter Druck in die die gepreßte Stahlwollmatte aufweisende Schalung eingebracht, wobei Luftaustrittslöcher vorgesehen sind, so daß die durch die Sus- pension in der Schalung verdrängte Luft entweichen kann.

Dieses Verfahren wird beispielsweise und prinzipiell in Fig. 2 dargestellt. In die randlich abgedichtete Schalung 2,3 wird über einen Einlaß 4 von unten entgegen der Schwerkraft Suspension 5 eingedrückt bzw. injiziert, bis die Schalung ausgefüllt ist. Die Luft kann nach oben durch den Auslaß 6 entweichen. Nach dem Erhärten der Suspension zu Zementstein wird entschalt. Das dünn- wandige Bauteil besteht im wesentlichen aus Zementstein und mindestens einer zusammengepreßen Matte aus Stahlwolle. Es weist ungewöhnlich hohe Festigkeiten, plastisches Verformungsvermögen, Arbeitsvermögen, Energieaufnahme bis zum Erreichen des Bruchzu- standes und Elastizität auf, woraus resultiert, daß derartige dünne Bauteile als selbsttragendes Baumaterial, verwendbar ist.

Beispielsweise lassen sich Bauteile unter 10 mm Dicke herstel- len, die die folgenden Eigenschaften aufweisen : Dicke : 4 bis 8 mm Biegezugfestigkeit : bis 80 N/mm2 Druckfestigkeit : bis 70 N/mm2 Arbeitsvermögen : sehr hoch Dichtigkeit auch gegen Wasser : sehr hoch Es ist überraschend, daß nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dünnwandige Bauteile herstellbar sind mit Suspensionen, die normalerweise keine hohen Biegezugfestigkeiten wegen des hohen Wasser/Zement-Verhältnisses erbringen. Es ist überraschend, daß nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die vorgenannten Eigen- schaften mit Suspensionen erzielt werden, die aufgrund ihres verleichsweise hohen Wasser/Zement-Verhältnisses normalerwe-ise keine derartig hohen Biegezugfestigkeiten erwarten lassen. Mit SIMCON wird bei einem Stahlfasergehalt von ca. 6 Vol.-% und einem sehr geringen Wasserzementwert von < 0,4 nur etwa die Hälfte der oben genannten Biegezugfestigkeit erreicht. Aufgrund dieser überraschend hohen Festigkeit ist es möglich, dünnwandige selbsttragende Bauteile herzustellen.

Zudem ist überraschend, daß aufgrund des Injektionsverfahrens die dünnwandigen Bauteile an ihrer Oberfläche im wesentlichen aus Zementstein bestehen, während die Stahlwollfasern trotz des Anpreßdrucks der Schalung am fertigen Bauteil nur zu einem Bruchteil die Oberfläche tangieren.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich verschieden- artige zementgebundene Formteile herstellen, die sehr dünnwandig sowie hochbewehrt sind und die darüberhinaus nahezu beliebig geformt und gegebenenfalls an der Oberfläche beliebig struktu- riert werden können. Anwendungsbeispiele sind : Platten ; Schalen ; Rohre und Formteile mit nahezu beliebigen Querschnitten ; die als Dach-und Fassadenbekleidungen sowie zur Ummantelung oder Bekleidung zu schützender oder zu verdeckender Bauteile eingesetzt werden können.

Derartige Ummantelungen können gegebenenfalls mit mineralischen Dämmmaterialien (z. B. Schaumbeton) gefüllt werden und als hoch- wirksame Brandschutzbekleidung dienen. Durch entsprechende Form- gebung lassen sich solche Platten-, Schalen-und Formteile er- forderlichenfalls aussteifen. Um ein hohes Maß an Vorfertigung und einen hohen Rationalisierungsgrad auf der Baustelle zu er- reichen, können im Fertigteilwerk hergestellte Halbschalen in ähnlicher Weise wie Kabelkanäle aus Kunststoff über die zu um- mantelnden Rohre oder Stahl-, Holz-und Kunststoffbauteile-ge- stülpt und anschließend zusammengefügt werden. Die Stoßfugen lassen sich mit handelsüblichen Materialien abdichten und die Hohlräume über Einfüllstutzen mit Isoliermaterial füllen.

Wegen der nahezu beliebigen Farb-und Formgebung sowie Oberflä- chenstrukturierung, insbesondere wegen der hohen Wasserdichtig- keit und der hervorragenden mechanischen Eigenschaften bietet sich der Werkstoff gemäß der Erfindung auch als Deckschicht z. B. für Sandwich-Bauteile an. Ein Beispiel für solche neuartigen Sandwich-Bauteile sind Feuerschutztüren. Aus den gleichen Grün- den kommt das neue Baumaterial auch als Außenhaut für Stahlbe- tonbauteile in Betracht, wobei diese Außenhaut als verlorene Schalung verwendet wird. Aufgrund der werksmäßigen Herstellung des dünnwandigen Faserwerkstoffs ist auch z. B. bei Stützen-und Balkenschalungen ein hoher Grad der Vorfertigung erreichbar, wobei bereits Abstandhalter für die normale Bewehrung integriert sein können. Ein besonderer Vorteil ist, daß eine solche ver- lorene Schalung die Nachbehandlung des eingefüllten Stahlbetons entbehrlich macht, die Dichtigkeit erhöht, dadurch die Carbona- tisierungsgeschwindigkeit herabsetzt und somit den Korrosions- schutz für den Bewehrungsstahl verbessert. Bei werksmäßig her- stellten Schalelementen läßt sich die Qualität der Oberfläche weit gleichmäßiger und besser steuern als bei Ortbetonbauteilen.

Das Einfärben mit teueren und in der Anwendung komplizierten Pigmenten beschränkt sich allein auf die wenige millimeterdicke Außenhaut. Eine gute mechanische Verbindung zwischen Außenhaut und eingefülltem Stahlbeton könnte durch Noppen oder geeignete Strukturierung auf der Innenseite erreicht werden.

Das erfindungsgemäße Baumaterial kommt auch als Instandsset- zungsmaterial in Betracht. Es können an geschädigten Stahlbe- tonoberflächen komplette Deckbeschichtungen oder örtliche Aus- besserungen ausgeführt werden. Dazu werden die Fehlstellen und Hohlräume mit Stahlwollmatten ausgestopft, geschalt, abgedichtet und anschließend injiziert. Deckschichten können auch nach dem Prinzip verlorener Schalung aufgebracht und durch Injektion hinterfüllt werden. Aufgrund der niedrigen Viskosität der Sus- pension und der Feinheit des Bindemittels und aufgrund der Fül- lung der Schalung unter Druck lassen sich auch komplizierteste Oberflächenstrukturen abformen. Daher kann die Erfindung auch für die Herstellung von Reliefs und Skulpturen benutzt werden, was von besonderem Vorteil ist, wenn die herzustellenden Objekte besonderer mechanischer Beanspruchung ausgesetzt sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist unabhängig von der Orienti- rung des Bauteils anwendbar ; daher sind im Gegensatz zum SIMCON- Verfahren z. B. auch Anwendungen über Kopf z. B. an Bauteilunter- seiten möglich.

Durch das Zusammendrücken der Stahlwollematten wird offensicht- lich ein neues Produkt geschaffen, das für die Zwecke der Erfin- dung erst dadurch verwendbar wird. In Kombination mit den Sus- pension auf Feinstzementbasis kann die zusammengepreßte Struk- tur der Stahlwolle derart in Wirkverbindung mit dem erhärteten Suspensionsmaterial treten, daß ein neues Bauteil mit unerwarte- ten Eigenschaften entsteht.