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Die Erfindung betrifft ein Betonballastelement für ein Nutzfahrzeug, eine Baumaschine oder eine Maschinenbaukonstruktion mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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Betonballastelemente sind technische Betonbauteile. Sie werden in einfacher Form als bedarfsweise am Fahrzeug oder der Maschine einsetzbare oder davon abnehmbare Kontergewichte verwendet, beispielsweise bei Traktoren an der Front, um ein Gegengewicht zu schweren angehängten Arbeitsgeräten zu schaffen. Mit Beton kann durch Zuschlagstoffe eine Dichte erreicht werden, die nur wenig unter der von Eisen und Stahl liegt, so dass ein Betonballastelement eine wirtschaftliche Alternative zu Gegengewichten aus Eisenguss oder dergleichen ist. Betonballastelemente werden auch als Karosseriebauteile bei Nutzfahrzeugen wie Baumaschinen, Traktoren, Kränen usw. eingesetzt. Es handelt sich dabei um fest am Fahrzeug angebaute Karosserieelemente, die zum Teil auch in Wagenfarbe lackiert werden und damit neben ihrer rein technischen Funktion auch eine hohe ästhetische Wertigkeit hinsichtlich der Formgebung und Oberflächengüte besitzen.
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Die gattungsbildende
EP 0 964 103 A1 beschreibt Baumaschinen, die aus einer selbstangetriebenen Basis, einem rotierenden Körper, der auf einer Basis montiert ist, und einem Gegengewicht bestehen. Um Ablagerungen und Kontaminationen zu vermeiden, sind der rotierende Körper und das Gegengewicht mit einer hydrophilen Beschichtung versehen. Als hydrophile Beschichtung kann ein hydrophiler Polyurethan-Lack verwendet werden. Durch die hydrophile Beschichtung wird auf den Oberflächen durch Regentropfen oder Waschwasser ein Wasserfilm gebildet, wodurch Kontaminationen und weitere Ablagerungen leicht abgewaschen werden können. Ein Zusammenhang mit einer Erhöhung der Stoßsicherheit ist nicht offenbart.
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Im Falle eines Unfalls oder beim Anstoßen eines Betonballastelements an anderen Fahrzeugen oder Gegenständen in der Umgebung besteht die Gefahr, dass es Abplatzungen an der Betonoberfläche gibt, die zwar die Funktion als Gegengewicht nicht beeinträchtigen, aber den ästhetischen Eindruck des hochwertigen Nutzfahrzeugs nachteilig beeinflussen. Zudem können beim Anstoß die abplatzenden Betonfragmente Personen in der Umgebung gefährden. Die Instandsetzung solcher Schadstellen ist ebenso aufwändig wie beispielsweise die Instandsetzung von Stahlblechkarosserien von Personenkraftwagen. Ein einfacher Austausch eines beschädigten Betonballastelements kommt wegen der hohen Kosten und der hohen Masse ebenfalls meist nicht in Betracht, insbesondere wenn das Betonballastelement als Karosseriebauteile fest mit dem Fahrzeug verbunden ist.
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Die Veröffentlichung: Dr. Werner Bertleff: „Verbesserte Polyurea-Coatings mit Baxxodur PC 136“; in: Fachmagazin für die Polyurethanindustrie, FAPU 47, 03/04 2008, KP Verlag / Norderstedt bezieht sich auf Betonbauteile nur insofern, als darauf aufgebrachten Beschichtungen chemikalienbeständig und abriebfest sind oder als Feuchtigkeitssperre zu verwenden sind. Es ist eine Rissüberbrückung durch die Beschichtung offenbart, jedoch ist keinerlei Zusammenhang mit der Verhinderung einer Rissbildung als präventive Maßnahme erkennbar. Auch ist keine Anwendung bei bewegten Betonbauteilen offenbart.
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Die
AT 500 333 B1 betrifft ein stationäres Bauteil und keine bewegte Baumaschineoder ein anderes Nutzfahrzeug. Eine Schutzbeschichtung durch Polyurethan oder Polyurea ist folglich nicht offenbart. Es sind lediglich Korrosionsschutzmaßnahmen beschrieben. Eine Einmischung von Stahlfasern in Beton ist angegeben, die jedoch nur zur Rissbegrenzung und Erhöhung der Duktilität dient.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, die Widerstandsfähigkeit eines Betonballastelements gegen Oberflächenbeschädigungen durch Stöße zu erhöhen.
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Zur Lösung schlägt die Erfindung ein Betonballastelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vor.
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Eine exponierte Sichtfläche im Sinne der vorliegenden Erfindung muss im normalen Gebrauch nicht zwingend optisch einsehbar sein, auch nach unten weisende, nicht direkt einsehbare Flächen sind davon umfasst, sofern Sie ohne weitere Schutzabdeckungen exponiert liegen und die Gefahr besteht, dass bei Benutzung des Fahrzeugs, des Krans oder der Baumaschine ein Anstoß von Fremdgegenständen an dieser Fläche erfolgen könnte.
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Überraschenderweise wurde gefunden, dass durch die Verwendung einer Polyurea-(PUA-) oder Polyurethan-(PUR-)Beschichtung, die von außen auf die exponierte Sichtseite des Betonkörpers oder vollflächig auf das Betonballastelement aufgetragen wird, eine erhebliche Steigerung der Festigkeit der Oberfläche mit sich bringt, wenn eine große Schichtdicke gewählt wird. Dabei muss die PUA-Beschichtung zum Zwecke der Erhöhung der Widerstandsfähigkeit eines Betonballastelements gegenüber Stößen mit einer wesentlich größeren Schichtdicke verwendet werden, als dies im Stand der Technik zur Bildung einer wasserabweisenden Oberfläche vorgesehen ist.
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Bei der Polyurea- bzw. Polyharnstoffbeschichtung handelt es sich um eine streich- und spritzfähige Mischung aus zwei Komponenten, die unmittelbar vor dem Auftrag vermischt werden. Hierbei handelt es sich um ein Diamin und ein Diisocyanat, die erst in der Spritzpistole vermischt werden. Dadurch setzt die Polyadditionsreaktion unmittelbar ein.
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Sofern nicht ohnehin eine vollflächige Beschichtung der gesamten exponierten Oberfläche des Betonballastelements vorgesehen ist, ist die Beschichtung zumindest um Kanten und Krümmungsbereiche herum auf angrenzende Flächenbereiche geführt, so dass eine dreidimensional gewölbte Beschichtungsstruktur erzielt wird. Es hat sich gezeigt, dass hierdurch die Widerstandsfähigkeit gegen Abplatzungen bei Stößen nochmals verbessert werden kann.
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Die Wirkung der erfindungsgemäß vorgesehenen Polyurea-Beschichtung in einer relativ großen Schichtdicke wird darauf zurückgeführt, dass die beim Anstoß auftretenden, reflektierten Schockwellen in dem Betonkörper durch die Elastizität der Beschichtung gedämpft werden. Beim Anstoß erfolgt zunächst eine Druckbelastung des Betonkörpers. Da das Betonballastelement z. B. bei Baumaschinen und Kränen nicht ortsfest an einer großen stationären Masse befestigt ist, sondern an einem beweglichen und schwingfähigen System wie beispielsweise dem drehbaren Turmaufsatz eines Baggers oder Krans, folgt auf den ersten Anstoßimpuls eine Reflektion. Hierdurch treten Zugspannungen im Betonkörper auf. So wie auch im Falle eines Erdbebens Betonbauteile weniger durch den Primärstoß, sondern durch die alternierende Druck-Zug-Wechselbeanspruchung zerstört werden, führt die zweite Phase mit hohen Zugspannungen zur Beschädigung der Betonoberfläche und resultiert in Rissen oder Abplatzungen. Mit der erfindungsgemäß vorgesehenen Beschichtung wird eine Dämpfung der Zugspannungen im Betonkörper erreicht, so dass die Bildung von sichtbaren Rissen oder Ausbrüchen bereits durch eine nachträglich aufbringbare PUA- oder PUR-Beschichtung mit großer Schichtdicke von mindestens 1mm, vorzugsweise 2mm, verhindert oder wesentlich gemindert werden kann.
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Die maximale elastische Dehnung der Beschichtung beträgt zwischen 200% und 500% während im Vergleich dazu die Dehnung des Betonkörpers vernachlässigbar ist. Das bedeutet, dass die Beschichtung weder durch Aufschrumpfprozesse noch durch Witterungseinflüsse reißt. Selbst wenn es zu inneren Rissen im Betonkörper infolge sehr starker Stöße kommen sollte, verhindert die elastische Beschichtung, dass Oberflächenbereiche vollständig herausbrechen. Außerdem kaschiert sie die optische Ansicht der Sichtfläche.
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Hervorzuheben ist noch, dass die Beschichtung als solche trotz ihrer Schichtdicke nicht in einem Maße schlagdämpfend wirken kann, der die erfindungsgemäß feststellbaren Effekte allein erklären könnte. Trotz einer gewissen Elastizität wird nämlich die Beschichtung von dem anstoßenden Fremdteil zerschlagen oder zumindest vollständig komprimiert. Versuche, bei denen mehrere Schläge auf dieselbe Stelle ausgeführt wurden, haben aber gezeigt, dass die erfindungsgemäße Schutzwirkung der Beschichtung selbst noch dann gegeben war, wenn sie an der Anschlagstelle schon lokal zerstört war. Wahrscheinlich beruht die erfindungsgemäße Wirkung also weniger auf einer Dämpfung des Impulses beim Anstoß, sondern auf einer Dämpfung der dadurch ausgelösten Reflektionen im Betonkörper.
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Die Erfindung sieht vor, bei neu hergestellten Betonballastelementen die beschriebenen Effekte der Minderung der Zugspannungen dadurch zu unterstützen, dass Makrofasern in den Beton eingemischt werden. Makrofasern im Sinne der vorliegenden Erfindung sind längliche Gebilde aus Metall, Kunststoff, Kohlenstoff, Glasfasern oder auch aus natürlichen Fasern, die eine Länge von mindestens 10 mm besitzen und eine nicht durchgängig glatte Oberfläche besitzen. Zumindest sind Makrofasern in Form von Stahldrahtabschnitten mit einem Durchmesser von 0,5mm bis 1,5 mm in den Beton eingemischt, die in jedem Endbereich zumindest einmal gewinkelt sind. Die Fasern sollten eine Länge von 50mm und mehr besitzen. Bei der Erfindung wird also eine Art Innenarmierung des Betonkörpers durch eingemischte Makrofasern und eine Außenarmierung durch die aufgebrachte Beschichtung geschaffen.
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Es wurde bei Versuchsreihen mit Betonballastelementen gemäß der bevorzugten Ausführungsform, die sowohl eine Armierung im Betonkörper enthielten wie auch eine externe Polyurea-Beschichtung, herausgefunden, dass selbst bei acht Schlägen mit einem Stößel, der eine Masse von mehr als 200kg besitzt und aus einer Höhe von etwa 2m mehrmals hintereinander auf dieselbe Stelle am Betonkörper aufprallt, keine Ausbrüche auftreten.
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In Vergleichsversuchen wurde weiterhin gefunden, dass eine Armierung eines Betonkörpers mit eingemischten Makrofasern allein, das heißt ohne Beschichtung, keine oder eine nur geringe Verbesserung der Schlagfestigkeit gegenüber unverstärktem und unbeschichtetem Beton bringt. Erfindungswesentlich ist also die Polyurea- oder Polyurethanbeschichtung in einer Dickschicht, deren Wirkung dann ihrerseits durch zusätzliche Makrofasern deutlich verstärkt werden kann.
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Ein Verfahren zur Herstellung eines Betonballastelements sieht vor, Beton in eine Form zu gießen und hoch zu verdichten, entweder durch mechanische Verdichtung, also Rütteln, oder durch Selbstverdichtung aufgrund geeigneter Zuschlagstoffe. Je nach Zuschlagstoff kann eine Dichte des ausgehärteten Betons von bis zu 6 g/cm3 erreicht werden. Nach dem Aushärten wird der Betonkörper entformt und beschichtet. Dazu ist vorzugsweise vorgesehen, die Beschichtung aus einem Gemisch zu bilden, das eine sehr kurze Reaktionszeit besitzt und das vorzugsweise mit einer Temperatur von etwa 70°C warm aufgetragen wird. Die mit der Mischung der Reaktionskomponenten unmittelbar in der Auftragspistole beginnende Reaktion läuft in sehr kurzer Zeit ab, so dass es bereits nach 10-15s zu seiner Verspannung der aufgesprühten Schicht kommt.
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Die duroplastische Vernetzung tritt in kurzer Zeit ein und es kommt zu einem Aufschrumpfen der aushärtenden Beschichtung auf dem Betonkörper. Die Aufschrumpfung begünstigt im Falle eines späteren Anstoßes die Dämpfung der Zugspannungen aufgrund der der reflektierten Stoßwelle. Um eine Art Verklammerung der Beschichtung mit dem Betonkörper zu erreichen, ist die oben beschrieben dreidimensionale Struktur des beschichteten Bereichs günstig.
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Vorteilhaft ist es, das Reaktionsgemisch im Spritzverfahren aufzubringen. Abgesehen davon, dass die schnelle Aushärtung den Auftrag mit Rakeln oder Pinseln kaum zulässt, wird eine isotrope Molekularausrichtung in der Polyurea-/Polyurethanschicht erreicht.
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Vorteilhaft ist weiterhin, vor dem Auftrag der Beschichtung einen Primer aufzutragen, der die Haftung zwischen der Beschichtung und der Betonoberfläche erhöht. Ziel ist es, einen festen Verbund mit der durch Schrumpfung unter Vorspannung stehenden Beschichtung zu erreichen.
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Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Die Figuren zeigen:
- 1 ein Betonballastelement in perspektivischer Ansicht und
- 2 den Randbereich eines Betonballastelements im Schnitt.
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1 zeigt ein Betonballastelement 10, das bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel dem rechten Heckbereich einer Baumaschine zugeordnet ist. Es besteht im Wesentlichen aus einem Betonkörper 1 und kann ein eingebettetes Trägergerüst aus Stahl einschließen, über welches die Verbindung zu dem Fahrzeug hergestellt wird.
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Exponiert an dem Betonballastelement 10 ist insbesondere eine vertikale Sichtfläche 2, und hierbei wiederum der Eckbereich. Die Sichtfläche 2 ist mit einer Beschichtung 3 versehen. Bei einer Oberseite 5 des Betonkörpers 1 hingegen ist die Gefahr des Anstoßens geringer. Somit kann dort ein vollflächiger Schutz entfallen, sofern nicht aus optischen Gründen eine vollflächige Beschichtung 2 gewünscht wird. Für die Verbesserung der technischen Funktion der Beschichtung 2 endet diese nicht an einer Kante 4, sondern erstreckt sich um die gerundete Kante 4 herum bis in die Oberseite 5 hinein. Die gestrichelte Linie markiert die Begrenzung der Beschichtung 2.
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2 zeigt den Randaufbau des Betonkörpers 1 in einer schematischen, nicht maßstäblichen Schnittansicht. Im Betonkörper 1 sind klammerförmige Makrofasern 6 aus Stahldraht eingebettet, die eine Länge von 50 mm besitzen. Die Beschichtung 3 ist oberflächlich aufgetragen, und zwar mit einer bevorzugten Schichtdicke von 1,5 mm bis 2 mm, die in zwei Auftragsgängen erreicht wird.
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Eine Nachbehandlung kann aus optischen Gründen vorgenommen werden, indem ein oberflächlicher Rückschliff der Beschichtung vorgenommen wird, um die äußere Oberfläche zu glätten. Der Rückschliff führt zu einem besseren Ergebnis, wenn er zeitnah nach dem Auftrag vorgenommen wird, also zu einem Zeitpunkt, in welchem der Vernetzungsgrad in der Beschichtung noch gering ist.