用于生产混凝土构件的方法和设备

996 编辑：管理员来源：汤克雷德·伦兹

2024-03-12 17:11:46

权利要求书： 1.一种用于生产混凝土构件的方法，其中，借助于拉伸应力而被预加应力的碳纤维或由碳纤维制成的至少一种织物结构的能够有拉伸应力的纤维被嵌入混凝土基体中，其中：将包括碳纤维束(8)的至少一种织物结构放置在模具(4)中，其中，在每种情况下将彼此间隔有距离的所述碳纤维束(8)插入布置在所述模具(4)的两个直径端面处的两个容纳元件(1)中，并且所述碳纤维束(8)通过开口(3)被布置、支撑或能够连接至所述模具(4)的端壁，从而所述容纳元件(1)内的中空空间用基于矿物质的快速固化粘性组合物或快速固化聚合物填充，以及在所述组合物或所述聚合物固化后，借助于拉紧装置(7)，拉力沿所述碳纤维束(8)的纵向方向作用在一个或两个容纳元件(1)的至少一个端面上，并且当所述拉力作用时，所述模具(4)的内部随后完全用粘性混凝土填充，以及在所述混凝土固化后，被预加应力的碳纤维束的拉力大部分被转移至固化的混凝土，并且之后从所述模具中取出所述混凝土构件，其中，在填充所述容纳元件(1)内的所述中空空间的过程中，在所述容纳元件(1)的至少两个径向相对侧垂直于拉紧方向施加压缩力，并且所述压缩力起作用直到所述组合物或所述聚合物固化后。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳纤维束(8)借助于间隔件(5)和/或横向夹紧元件(6)被保持在所述容纳元件(1)内的适当位置。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，使用包含碳纤维的叠层。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，多个容纳元件(1)布置在所述模具(4)的至少一个端面处。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述多个容纳元件(1)以能够枢转的方式彼此连接。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，拉力在所述多个容纳元件(1)处沿不同的轴向方向作用。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳纤维束(8)插入至相对于平面在至少一个方向上弯曲的容纳元件(1)内并且固定在所述容纳元件中。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将颗粒施加至所述容纳元件(1)内的碳纤维的表面并且固定于所述表面。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述颗粒是矿物质颗粒。

10.一种用于执行权利要求1至9中任一项所述的方法的设备，其特征在于，包括碳纤维束(8)的至少一种织物结构能够被放置在模具(4)中，并且所述碳纤维束(8)能够通过开口插入两个容纳元件(1)，所述两个容纳元件(1)布置在相对的端面处并且定位成彼此间隔有距离，以及

所述容纳元件(1)内的中空空间能够用基于矿物质的快速固化组合物或快速固化聚合物填充，并且在至少一个所述容纳元件(1)处存在有装置，借助所述装置，在所述碳纤维束(8)上施加拉力，以及

在所述容纳元件(1)的侧壁上施加压缩力的横向夹紧元件(6)存在于所述容纳元件(1)的至少两个径向相对侧的每一侧上。

11.如权利要求10所述的设备，其特征在于，用于定位并固定所述碳纤维束(8)的间隔件(5)存在于所述容纳元件(1)内，和/或夹紧涂层存在于所述开口(3)内，所述碳纤维束(8)通过所述开口(3)插入所述容纳元件(1)内。

12.如权利要求11所述的设备，其特征在于，所述夹紧涂层由弹性体材料构成。

13.如权利要求10至12中任一项所述的设备，其特征在于，所述容纳元件(1)的内表面是粗糙的或异形的。

说明书：用于生产混凝土构件的方法和设备技术领域[0001] 本发明涉及一种用于生产混凝土构件的方法和设备。长期以来已经知道，混凝土构件对作用在其上的拉力的敏感性可以通过压缩力来抵消，所述压缩力作用在混凝土构件

内并且通过混凝土中的预加应力的拉伸元件以预加应力的混凝土结构模式的形式传递至

固化的混凝土基体中。通过这种方式可以减少所需的混凝土的质量以及混凝土内的加强件

的质量。

背景技术[0002] 最近，传统的钢筋被纤维加强件(特别是碳纤维加强件)代替的混凝土构件的开发已经以一定步伐进展。具有较小尺寸但具有相同稳定性和强度的混凝土构件可以以这种方

式获得。迄今为止，由碳纤维形成的织物结构仅仅是被嵌入混凝土基体中，而借助于预加应

力的混凝土构件可实现的优势尚未充分利用。从DE102004033015A1已知使用碳纤维复合材

料CFK的预应力杆。然而，这些用作拉伸锚的拉伸杆产生相对局部集中的拉力，或者必须使

用大量的这种加强杆，这反过来增加了由于杆的预期的单独应力而引起的加工复杂性。

发明内容[0003] 因此，本发明的目的是为许多纤维束同时且均匀地预加应力创造可能性，并且在混凝土主体中实现更均匀的预应力引入，这使得在进一步可能的预加应力程度增大的情况

下，增加强度和刚度，同时尽可能地减少混凝土构件生产中的质量。

[0004] 根据本发明，该目的通过具有权利要求1的特征的方法实现。权利要求8中限定了用于执行该方法的设备。本发明的有利实施方式和进一步发展可以借助于从属权利要求中

指定的特征来实现。

[0005] 在用于生产混凝土构件的本发明的方法中，其中，将由已借助于拉伸应力而被预加应力的碳纤维制成的至少一种织物结构的碳纤维嵌入混凝土基体中，将由碳纤维束(粗

纱)或可承受拉伸应力的其它纤维制成的至少一种织物结构放置在模具中。以下将仅使用

用于此目的术语碳纤维束。

[0006] 将碳纤维束插入两个容纳元件中(所述两个容纳元件布置在模具的端壁上并且位于模具的径向相对的两个端面处)，所述碳纤维束抵靠这些容纳元件或者可以彼此隔有距

离地通过开口连接至这些容纳元件，从而在容纳元件内的中空空间填充基于矿物质的快速

固化粘性组合物或快速固化聚合物。

[0007] 在组合物或聚合物固化后，在一个或两个容纳元件处，在至少一个端面上借助于拉紧装置沿碳纤维束的纵向方向施加拉力。当该拉力作用时，模具的内部完全填充粘性混

凝土。

[0008] 在混凝土固化后，释放拉力并且从模具中取出混凝土构件。[0009] 如果拉力仅作用在两个容纳元件中的一个容纳元件上，则另一个容纳元件被牢固地夹紧。

[0010] 作为快速固化的组合物，例如，可以使用聚合物混凝土，以及作为快速固化的聚合物，可以使用目前在碳纤维复合材料生产中使用的环氧树脂。当使用聚合物时，利用释放剂

(例如利用硅油)涂覆容纳元件的内表面可以是有利的。组合物或聚合物应该允许对容纳元

件的良好的强制锁定，以便允许沿容纳元件的内表面非常均匀地引入拉力。内表面可以是

粗糙的或异形的，使得待引入的拉力可以更均匀地从基体传导至容纳元件的壁中并且可以

避免过应力，从而可以实现容纳元件中的锚固长度的缩短。

[0011] 组合物或聚合物的固化应在不超过一小时后结束。这个时间比混凝土在模具中固化所需的时间短得多，即短数小时。

[0012] 在容纳元件内的基体固化之后，借助于夹紧元件或压力冲头施加的压缩力应该进一步增大。为此目的所采用的压缩力应该根据容纳元件内的碳纤维束的长度和/或根据织

物结构的碳纤维束的总长度来选择，压缩力为施加的用于拉伸的纵向拉力的至少10％。

[0013] 随后，用于拉紧碳纤维束的更高的拉力可以作用在所述至少一个容纳元件上。这些拉力可以借助于液压缸或气压缸、螺杆驱动器或其它线性驱动器来施加。在每种情况下，

选择的最小拉力应该达到碳纤维束的允许拉伸强度的60％至90％。在这里，所考虑的相应

混凝土构件构造时的应力应该被考虑到并且应最大限度地利用碳纤维的强度。

[0014] 优选地，至少已经插入至容纳元件内的织物结构的区域应该用环氧化物或其它溶液浸渍，这保证了纤维的持久包封和粘附。

[0015] 同样，应该使用工具将混凝土引入模具中，这保证了混凝土在模具内固化或设置之前纤维束的无孔包封。

[0016] 特别是在长模具的情况下，将间隔件或定位元件布置在模具内可以是有用的，从而织物结构的一个或多个层可以保持在期望的位置。

[0017] 有利地，至少在填充容纳元件中的中空空间期间，优选地也直到组合物或聚合物固化后，至少几乎相对于碳纤维束的纵向轴线垂直作用的压缩力应该施加在容纳元件的至

少两个径向相对侧上。为此目的，可以使用从两侧作用的合适的压力冲头或夹紧元件。这还

可以确保在碳纤维的表面和组合物或聚合物的表面之间可以形成足够强的材料?材料粘

结。

[0018] 碳纤维束可以借助于间隔件和/或横向夹紧元件保持在容纳元件内的适当位置。有利地，间隔件可以平行于碳纤维束的纵向轴线取向，并且横向夹紧元件可以垂直于该方

向对齐，这在使用碳纤维叠层时(作为织物结构的特别合适的示例)是特别有利的。

[0019] 在具有复杂形状的混凝土构件的情况下，允许可借助于被预加应力的碳纤维束来实现的压缩力在各种轴向方向上局部限定地作用可能是必须的。特别地，在这些情况下，有

利的是优选地枢转连接的多个容纳元件布置在模具的至少一个端面处，从而处在这些优选

的拉力下，然后这些优选的拉力作用在容纳元件的各个轴向方向上并因此也在碳纤维束的

纵向轴线方向上作用在碳纤维束上。

[0020] 除了碳纤维的表面与固化的组合物(或固化的聚合物)的表面之间的材料?材料粘结之外，还应该能够实现一定程度的强制锁定。为此目的，碳纤维束可以插入容纳元件和/

或模具并固定在其中，该容纳元件和/或模具在至少一个方向上相对于平面弯曲。因此，碳

纤维束在以这种方式弯曲的容纳元件和/或模具内至少在方向上进行一次改变。然而，也可

以以由容纳元件多次弯曲的形状引导碳纤维束通过容纳元件，然后在固化的组合物或聚合

物中适当地固定该碳纤维束。

[0021] 在以这种方式弯曲的容纳元件的情况下，可以借助于适当外形的压力冲头或夹紧元件将压缩力施加至容纳元件的外壁上。还可以利用彼此相邻布置的多个压力冲头或夹紧

元件。

[0022] 由于借助于夹紧元件或压力冲头施加的压力，碳纤维束可以固定在开口中。在固定之后，可以施加拉力以便拉紧碳纤维束。该拉力应该显著地低于当混凝土被引入模具中

时，在容纳元件内的组合物或聚合物凝固或固化之后作用在容纳元件和碳纤维束上的拉

力。该拉力仅用于拉直碳纤维束结构。

[0023] 有利地，容纳元件由可彼此压靠的至少两个部分构成，这可以有助于碳纤维束的插入和固定。在这里形成可以引导碳纤维束通过的开口。这些开口可以是狭缝形的，并且优

选地垂直于拉力作用在碳纤维束上的方向或垂直于碳纤维束的纵向轴线的方向取向。这使

得可以借助于单个狭缝形开口固定一层织物结构(或插入相应容纳元件中的一个平面)的

所有碳纤维束。在这里，上侧和/或下侧可以设置有夹紧涂层。

[0024] 如果使用多层织物结构来生产混凝土构件，则可以选择分开的多个容纳元件，每个容纳元件具有多个彼此上下布置的单独部件，其中，单独部件的数量比织物层数大1。

[0025] 为了增强或实现强制锁定，碳纤维的表面可以至少在其布置在容纳元件内的区域中具有粗糙表面。为此目的，可以将颗粒(特别是矿物质颗粒，例如硅砂)施加至碳纤维的至

少在容纳元件内的表面并固定在所述表面。

[0026] 在存在于容纳元件的面向模具方向的端面处且碳纤维束通过其插入到容纳元件内的开口处，在每种情况下可以存在是由优选弹性体材料构成的夹紧涂层。这种夹紧涂层

可以用于温和地引入碳纤维束并用于密封。

[0027] 当模具中的混凝土固化(可能需要12小时至7天)之后，可以增加作用在容纳元件和碳纤维束上的拉力。当施加的力释放后，混凝土构件内预加的应力可以用于以类似于已

知的具有钢元件的预加应力的混凝土构件的方式增加可实现的拉伸强度。

[0028] 由于固化的混凝土基体内的碳纤维的预应力，在借助于分离操作切断或分割混凝土构件后，将压缩应力形式的应力引入混凝土中。在使用期间出现负载的情况下，可以保持

来自混凝土构件的龟裂的自由度。在完全或部分拱形的混凝土构件的情况下也可以确保这

一点。

[0029] 根据本发明生产的混凝土构件的总厚度应该至少为织物结构层的厚度或厚度的总和的四倍，以便实现具有混泥土的织物结构的碳纤维的令人满意的覆盖。在一层碳纤维

束且碳纤维束的平均厚度为1.5mm的情况下，应该在最接近混凝土表面的最后层中粘附6mm

的覆盖层。应该确保保持混凝土截面的至少0.5％至8％的加强程度。在任何情况下，应该避

免混凝土中的空隙。

[0030] 以这种方式，可以生产具有拉伸强度或压缩强度的混凝土构件，该拉伸强度或压缩强度比木材的拉伸强度和压缩强度高十倍，并且大约为钢构件的强度。

[0031] 借助于以可预定的距离彼此布置并且距容纳元件和模具内的混凝土构件的外表面预定距离布置的一个或多个织物结构层(这些织物结构层嵌入混凝土中)，可以在任何位

置对切割成一定长度的织物结构条预加应力，该位置用于借助于拉力在具有有序位置和方

向的织物结构上使用临时施加的外部拉力。即使在将混凝土构件分割成多个较小的单独构

件之后(即使当以与碳纤维束的纵向轴线成90°以外的角度进行分割时)，根据本发明制造

的混凝土构件也可以利用应力。

[0032] 如上所述，有利地，叠层可以用作织物结构。然而，为此目的，还可以使用机织物、拉环针织物或形成环的针织物。

[0033] 根据本发明的生产在工业上可以在一个位置或在现场进行，即直接在建筑工地进行。

[0034] 可以生产非常细长、轻质、坚硬且尺寸稳定的混凝土构件。混凝土的消耗可以大大减少，因此与相应的钢筋混凝土构件相比，可以在相同的承载能力和强度下实现50％至

80％的质量节省。

附图说明[0035] 通过以下的示例对本发明进行说明。在附图或示例中看到并解释的各个特征可以独立于相应的附图或示例彼此组合。

[0036] 附图中：[0037] 图1以平面视图示出了根据本发明的设备的示例；[0038] 图2示出了图1中的细节B；[0039] 图3示出了图1中的A?A截面；[0040] 图4示出了图1中的C?C截面；[0041] 图5示出了其中拉力作用在各个轴向的设备的示例；[0042] 图6示出了具有夹紧拉紧装置的容纳元件的一部分的平面视图；[0043] 图7示出了图6中的D?D截面；[0044] 图8示出了根据本发明的设备的示例的一部分的侧视图；以及[0045] 图9示出了图8中的E?E截面。具体实施方式[0046] 图1示出了根据本发明的设备的示例的一部分的平面视图。在描述中，容纳元件1布置在模具4的端面处并且抵靠该端面和/或封闭/密封模具4。以类似的方式，第二容纳元

件1存在于相对的端面，但在这里没有示出。

[0047] 在容纳元件1的端面处存在开口3，容纳元件1布置在模具4的端面处，并且由碳纤维制成的叠层的碳纤维束8通过这些开口插入到容纳元件1的内部。用于叠层的碳纤维束8

的间隔件5也存在于容纳元件1中。在容纳元件1的两个相对侧面具有横向夹具6，借助于该

横向夹具6，可以在在容纳元件1的相应外壁上施加压缩力。

[0048] 在每种情况下，在开口3中存在由弹性体构成的夹紧涂层。该夹紧涂层将容纳元件1与模具4的内部密封隔开，并对碳纤维束8施加夹紧动作。当在此借助于螺杆驱动器或压力

缸7向左拉动容纳元件1时，可以借助于该夹紧动作实现对容纳元件1内的碳纤维束8的轻微

的预加应力。

[0049] 在容纳元件1内的碳纤维束8达到特定程度的预加应力之后，可以用聚合物混凝土作为具有合适粘性稠度的基于矿物质的粘性组合物填充中空空间。约一小时后，聚合物混

凝土已经被充分固化并且具有强度，借助于该强度可以实现聚合物混凝土和碳纤维束8之

间的牢固的材料?材料粘结。现在可以通过拉回压力缸7来拉紧碳纤维束8。模具4的内部(叠

层的碳纤维束8穿过模具4的内部被引导至并进入另一容纳元件1(未示出))可以完全用混

凝土填充，从而几乎没有空隙形成。

[0050] 在用混凝土填充模具4之前，碳纤维束8通过缸7的致动而承受拉力。在这里，连接至容纳元件1的轭形元件9和销10(也可以是凸缘)沿指向远离模具4的方向移动。然后，作用

2

在至少模具4内部的碳纤维束8上的拉力例如在50mm 的光纤横截面积处为50kN至100kN的

范围内。

[0051] 这些预加应力仅从一侧施加并且压缩力仅在一个容纳元件1处起作用而另一个容纳元件1保持固定就足够了。

[0052] 图2以放大的形式示出了图1的细节。容纳元件1的端面2在模具4的端面处封闭，以便防止混凝土在稍后的时间流出模具。在该端面2中存在开口3，夹紧涂层在每种情况下存

在于开口3内，碳纤维束8穿过开口3被引导通过模具4并从该开口进入容纳元件1的内部。例

如，夹紧涂层可以由聚氨酯构成。开口3的内径与夹紧涂层的厚度相结合，使得获得小于碳

纤维束8的外横截面尺寸的自由横截面。

[0053] 如图3所示，图1中的A?A截面清楚地表明，作为纺织品结构示例的、用于碳纤维叠层的碳纤维束8的间隔件5可以存在于容纳元件1的内部。

[0054] 图4中所示的C?C截面再次阐明了横向夹紧元件6在容纳元件1的侧壁上的布置。也可以使用在容纳元件1的相对侧上施加力的压力冲头，而不是横向的夹紧元件6。

[0055] 图5旨在示出甚至可以借助于本发明生产几何形状相对复杂的混凝土构件。在这里，由碳纤维制成的多个叠层存在于模具中。这些碳纤维束8以不同的轴向方向取向，因此

它们通过对应于该相应的轴向方向施加的拉力而被预加应力。在适当弯曲或扭结的轭形元

件9处，拉力可以作用在轴向方向上，所述轴向方向分配给各个施力位置，当聚合物混凝土

在容纳元件1中充分固化时，借助于螺杆驱动器或者缸7，所述施力位置在各种位置处对应

于碳纤维束8的取向。

[0056] 然而，还可以以枢转的方式将多个轭形元件9彼此连接。在这里，可以借助于销10形成连杆机构。然后各个轭形元件9的取向取决于作用在轭形元件9上的相应的拉力方向。

[0057] 图6示出了图5中所示的示例的设备的一部分的平面视图。[0058] 图7对应于图6的D?D截面。[0059] 图8示出了设备的侧切视图。从图9中所示的E?E截面可以看出，可以使用模具4和可选地相应弯曲的容纳元件1，所述模具4具有一个或多个曲线，并且以这种方式可以生产

波浪形或弯曲的混凝土构件，其中，碳纤维束8以预加应力的形式嵌入混凝土中。在这里，沿

着模具4和容纳元件1布置多个横向夹具6，从而可以从相对的两侧施加压缩力。