Keilwirkung

Die Keilwirkung ist ein grundlegendes Prinzip der Kraftumwandlung in der Technik des Abbruchs, der Gewinnung und des Trennens von spröden und zähen Werkstoffen. In den Einsatzbereichen der Darda GmbH – vom Betonabbruch und Spezialrückbau über Entkernung und Schneiden bis hin zu Felsabbruch, Tunnelbau und Natursteingewinnung – ermöglicht die Keilwirkung eine kontrollierte Rissinitiierung und Rissausbreitung. Besonders deutlich zeigt sich dies bei Stein- und Betonspaltgeräten sowie bei Betonzangen im Rückbau, aber auch Scher- und Schneidwerkzeuge wie Kombischeren, Multi Cutters, Stahlscheren und Tankschneider nutzen geometrisch ausgeformte Keile, um Werkstoffe mit möglichst geringem Energieeinsatz zu trennen.

Definition: Was versteht man unter Keilwirkung

Unter Keilwirkung versteht man die Umlenkung einer eingeleiteten Kraft in orthogonale Komponenten durch ein keilförmiges Bauteil. Ein axiales Eindrücken des Keils erzeugt quer gerichtete Spannungen, die im Werkstoff als Spalt- und Spreizkräfte wirksam werden. Mit einem geeigneten Keilwinkel und unter Berücksichtigung der Reibung an den Kontaktflächen lassen sich hohe Querkräfte aufbauen, die in spröden Materialien wie Beton, Naturstein oder Gestein Risse initiieren und gezielt fortschreiten lassen. In Zangen- und Scherwerkzeugen wird das Prinzip genutzt, um das Material an der Schneide oder Zahngeometrie zu konzentrieren und durch lokale Spannungsspitzen zu brechen oder zu schneiden.

Physikalische Grundlagen der Keilwirkung

Die Keilwirkung beruht auf Geometrie, Reibung und Werkstoffverhalten. Ein kleiner Keilwinkel reduziert die erforderliche Eindrückkraft, erhöht aber die Empfindlichkeit gegenüber Reibung; ein größerer Winkel benötigt mehr Eingangsleistung, liefert dafür eine steilere Kraftumlenkung. Entscheidende Rollen spielen der Reibungskoeffizient zwischen Keil und Kontaktfläche sowie die Zug- und Druckfestigkeit des zu trennenden Materials. In der Praxis führt die Keilwirkung zu einer Kombination aus Aufweitung, Scherung und Rissbildung, abhängig von Textur, Bewehrungsanteil, Feuchtegehalt und vorhandenen Schwächezonen.

Kraftumlenkung und Spannungszustände

Ein axial belasteter Keil erzeugt Normalspannungen an seinen Flanken. Diese wirken im Material als radiale Zugspannungen (Spaltzug) und als tangentiale Druckspannungen. In Bohrloch-Spaltsystemen entstehen ringförmige Zugspannungen, die über den kritischen Wert der Werkstoffzugfestigkeit hinaus ansteigen und einen Riss vom Bohrloch zum freien Rand oder entlang der geplanten Trennebene auslösen.

Einfluss von Keilwinkel und Reibung

Mit sinkendem Keilwinkel steigen die Querkräfte pro Eingangsleistung, jedoch nimmt die Bedeutung der Reibung zu. Eine geeignete Oberflächenbeschaffenheit der Keilflächen und die Sauberkeit der Kontaktzone beeinflussen, ob die Keilkräfte bevorzugt in das Werkstück eingeleitet oder durch Reibverluste absorbiert werden. Bei hydraulisch betriebenen Systemen steuern Druckniveau und Volumenstrom die Geschwindigkeit der Keilbewegung und damit das zeitliche Spannungsregime im Material.

Rissbildung und Rissfortschritt

Die Rissinitiierung erfolgt an Ort und Stelle höchster Spannungskonzentration – typischerweise an Keilspitzen, Zahnkanten oder Bohrlochkonturen. Die Rissausbreitung folgt dem Pfad minimaler Zähigkeit: in Beton entlang Mörtelfugen, Gesteinskornrändern oder Porenverbünden; in Naturstein entlang Schichtung, Klüften oder Adern. Bewehrungen beeinflussen den Verlauf und können die Rissöffnung umlenken oder verzögern.

Keilwirkung in Stein- und Betonspaltgeräten

Bei Stein- und Betonspaltgeräten – einschließlich Steinspaltzylindern – wird ein zentraler Keil hydraulisch zwischen zwei Gegenspreizkeile gedrückt. Diese weiten das Bohrloch und erzeugen radiale Zugspannungen. Das Prinzip ist zentral für sprengungsfreie Trennarbeiten in sensiblen Umgebungen und prädestiniert für Felsabbruch und Tunnelbau, Natursteingewinnung sowie Betonabbruch und Spezialrückbau. Die Keilwirkung erlaubt dabei eine präzise Steuerung des Rissverlaufs über Bohrbild, Bohrtiefe und Setzfolge.

• Bohrlochgeometrie: Durchmesser, Tiefe und Achsabstand bestimmen das Spannungsfeld und die Rissverbindung zwischen benachbarten Setzpunkten.
• Keilgeometrie: Flankenwinkel und Spitzenradius beeinflussen die Umwandlung der Hydraulikkraft in Spaltkraft.
• Hydraulikdruck: Das Druckniveau bestimmt die maximal verfügbare Spreizkraft; der Volumenstrom steuert die Anstiegsrate der Spannung.
• Materialkennwerte: Zugfestigkeit, E-Modul, Einlagerungen und Feuchtegehalt verändern die Bruchenergie und die Rissausbreitung.
• Randbedingungen: Abstand zu freien Kanten, Fugen und Einbauteilen steuert die Rissrichtung und -länge.

Keilwirkung bei Betonzangen

Betonzangen nutzen eine Kombination aus Keil- und Hebelwirkung. Zackenförmige Zähne wirken als Keile, die den Beton lokal aufbrechen, während die Zangenkinematik die resultierenden Kräfte bündelt. So entsteht eine kontrollierte Zerkleinerung, die Bewehrung legt sich frei oder wird mitgeführt. In der Entkernung und Schneiden sowie im Betonabbruch ist die sorgfältige Auslegung der Zahngeometrie entscheidend: Sie beeinflusst, ob der Riss bröckelnd (Krümelbruch), schalig (Abplatzung) oder scharf trennend verläuft.

• Zahnspitzenradius: Kleine Radien erhöhen die Spannungsspitze und erleichtern die Rissinitiierung.
• Zahnwinkel: Flachere Winkel fördern die Keilwirkung, steilere Winkel begünstigen das Greifen und Halten von Bauteilen.
• Backenversatz: Ein versetztes Ansetzen erzeugt Torsion und zusätzliche Risspfade, hilfreich bei dickwandigen Querschnitten.
• Bewehrungseinfluss: Keilförmiges Einpressen neben Stäben kann den Rissverlauf entlang der Betonstahlbindung steuern.

Einflussgrößen und Parameter für Planung und Ausführung

Die Qualität der Keilwirkung hängt von der Abstimmung vieler Parameter ab. Eine systematische Planung verbessert Sicherheit, Vorhersagbarkeit und Präzision des Trennvorgangs.

• Keilwinkel und Oberflächenzustand der Keilflanken
• Hydraulikparameter: Druck, Volumenstrom, Temperatur und mögliche Druckverluste in Schläuchen und Kupplungen
• Bohrbild: Raster, Randabstände, Justage zur geplanten Trennebene
• Werkstoffcharakter: Gefüge, Klüftung, Bewehrungsgrad, Carbonatisierung, Feuchtigkeit
• Kontaktbedingungen: Sauberkeit, Partikel im Bohrloch, Schmierung der Keilflächen im zulässigen Rahmen
• Setzfolge: Gleichzeitiges oder sequentielles Betätigen zur Steuerung des Spannungsabbaus

Hydraulikaggregate: Druck- und Volumenstrom als Basis der Keilwirkung

Hydraulikaggregate liefern die Energie, die Keile in Bewegung setzt. Für eine stabile Keilwirkung sind ein konstanter Druckaufbau und ein passender Volumenstrom wesentlich. Eine stufenweise Druckerhöhung ermöglicht eine kontrollierte Rissinitiierung, während ausreichender Durchfluss die Wiederholrate und Arbeitsgeschwindigkeit bestimmt. Temperaturmanagement – etwa durch Pausen bei Dauereinsatz – schützt Dichtungen und erhält die Reproduzierbarkeit der Keilkräfte.

• Druckbereich passend zur Zylinderfläche und gewünschten Spaltkraft wählen
• Schlauchlängen und -querschnitte so planen, dass Druckverluste minimal bleiben
• Rücklauf und Filterzustand überwachen, um Störungen in der Kraftübertragung zu vermeiden

Arbeitsvorbereitung und Vorgehensweise bei keilbasierten Trennarbeiten

Die Prozesskette strukturiert die Keilwirkung von der Planung bis zur Nacharbeit.

1. Bauteilanalyse: Werkstoff, Dicke, Bewehrung, vorhandene Klüfte und Randabstände erfassen.
2. Trennebene festlegen: Lage der Fuge, Entlastungsschnitte und vorhandene Freikanten berücksichtigen.
3. Bohrbild planen: Durchmesser, Tiefe und Achsabstände so wählen, dass die Rissverbindung sicher entsteht.
4. Gerätewahl: Stein- und Betonspaltgeräte oder Betonzangen je nach Zugang, Bauteildicke und Zieltrennung wählen.
5. Hydraulik prüfen: Aggregate, Anschlüsse und Leitungen auf Dichtheit, Druck und Volumenstrom testen.
6. Setz- und Schneidfolge: Gleichzeitiges, alternierendes oder randnahes Setzen in Abhängigkeit vom gewünschten Rissverlauf.
7. Kontrolle und Nacharbeit: Rissverlauf beobachten, gegebenenfalls nachsetzen oder mit passenden Zangen nachbrechen.

Keilwirkung in Kombischeren, Multi Cutters, Stahlscheren und Tankschneidern

Scher- und Schneidwerkzeuge nutzen die Keilwirkung an den Schneiden. Die keilförmige Schneidengeometrie erzeugt lokale Druckspitzen, die das Material plastisch deformieren und schließend trennen. Bei Stahlscheren und Multi Cutters unterstützt der Keilwinkel die Durchtrennung von Profilen, Blechen oder Armierungen, während Kombischeren Scher- und Quetschzonen kombinieren. Tankschneider nutzen ausgeprägte Keilspitzen, um die Einleitphase des Schnitts sicher zu überwinden und den Trennriss stabil zu führen. Entscheidend sind Schneidengeometrie, Werkstoffhärte und die Kinematik des Werkzeugs – alle beeinflussen, wie die Keilwirkung in eine saubere Trennlinie übersetzt wird.

Werkstoffverhalten von Beton und Fels unter Keilbelastung

Beton und Gestein reagieren unterschiedlich auf Keilbeanspruchung. Beton zeigt sprödes Rissverhalten mit Übergangszonen an Zuschlagkörnern, während Gestein Ansotropien durch Schichtung, Klüfte oder Adern besitzt. In beiden Fällen ist die Zugfestigkeit maßgeblich für die Spaltbarkeit. Bewehrungen im Beton leiten Kräfte um, verzahnen Rissufer und können zusätzliche Keilsetzungen oder nachfolgende Zangenarbeit erforderlich machen.

• Beton: Höhere Druckfestigkeit führt nicht zwingend zu höherer Spaltresistenz; maßgeblich ist die geringe Zugfestigkeit.
• Granit, Basalt: Hohe Festigkeiten, aber bei geeigneter Keilsetzung klare Rissflächen möglich.
• Schiefer, Sandstein: Ausgeprägte Schicht- und Lagerungseffekte, die den Risspfad stark steuern.

Keilwirkung im Betonabbruch, Spezialrückbau und der Entkernung

Im Betonabbruch und Spezialrückbau erlaubt die Keilwirkung ein schrittweises, kontrolliertes Lösen von Bauteilen. Stein- und Betonspaltgeräte öffnen massive Querschnitte entlang geplanter Ebenen; Betonzangen folgen, um Kanten nachzubrechen, Bewehrung freizulegen oder Reststücke zu reduzieren. In der Entkernung und Schneiden wird die Keilwirkung an Zangen- und Schneidengeometrien genutzt, um Bauteile selektiv abzulösen und Einbauten materialgerecht zu trennen.

Keilwirkung im Felsabbruch, Tunnelbau und der Natursteingewinnung

Bei Felsabbruch und Tunnelbau werden Spaltzylinder in vorbereitete Bohrlöcher gesetzt, um über die Keilwirkung sprengungsfrei zu lösen und Risse auf vorhandene Klüfte zuzuordnen. In der Natursteingewinnung steuert die Keilwirkung den Verlauf der Spaltfuge, um Blöcke mit möglichst hoher Maßhaltigkeit zu gewinnen. Der Abstand zur freien Kante, der Setzrhythmus und die Homogenität der Bohrlöcher sind dabei entscheidend.

Sondereinsatz: Keilwirkung unter besonderen Randbedingungen

Bei Sondereinsätzen – etwa in erschütterungssensiblen Bereichen oder bei eingeschränktem Zugang – bietet die Keilwirkung die Möglichkeit, Kräfte gezielt in das Bauteil einzuleiten. Niedrige Emissionen und ein gut steuerbarer Kraftaufbau unterstützen die Arbeit in bewohnten Gebäuden, in Anlagen mit sensibler Peripherie oder in denkmalgeschützten Strukturen. Die Auswahl der geeigneten Werkzeuge und die sorgfältige Setzfolge sind hier von besonderer Bedeutung.

Wartung und Pflege von Keilsystemen

Eine konstante Keilwirkung setzt gepflegte Kontaktflächen, intakte Dichtungen und stabile Hydraulik voraus. Glatte, saubere Keilflanken reduzieren Reibverluste; korrekte Schmierung im zulässigen Rahmen schützt vor Verschleiß. Regelmäßige Sichtkontrollen auf Gratbildung, Riefen oder Verformungen an Keilen, Gegenspreizkeilen, Zangenbacken und Schneiden helfen, die Kraftübertragung zuverlässig zu halten. Hydraulikaggregate profitieren von sauberem Öl, funktionierenden Filtern und passenden Betriebsintervallen.

Planungsrichtlinien zur Optimierung der Keilwirkung

Für reproduzierbare Ergebnisse empfiehlt sich eine abgestimmte Planung, die Bauteil, Verfahren und Werkzeug in Einklang bringt.

• Trennstrategie: Freikanten nutzen, Bohrbilder an Materialanisotropie ausrichten.
• Werkzeugkombination: Spaltgeräte zur Rissinitiierung, Betonzangen und Scheren zur Nachbearbeitung.
• Hydraulikabstimmung: Druck- und Durchflussreserven für zähe Abschnitte einplanen.
• Dokumentation: Setzfolge, Druckstufen und Rissverlauf protokollieren, um Lernkurven zu nutzen.