CZ2020561A3 - Kompozit z jemnozrnného hutného lehkého keramického betonu s lehkým kamenivem z expandovaného jílu a způsob výroby kompozitu - Google Patents

Abstract

Kompozit z jemnozrnného hutného lehkého keramického betonu s lehkým kamenivem z expandovaného jílu obsahuje písek frakce do 1 mm, cement, příměsi a frakci lehkého kameniva z expandovaného jílu s maximálními zrny do 4 mm v množství od 350 do 450 kg/m3 hotového betonu a disperzní výztuž, tvořenou ocelovými vlákny o délce 10 až 13 mm v množství od 40 do 150 kg/m3 hotového betonu.

Description

Kompozit z jemnozrnného hutného lehkého keramického betonu s lehkým kamenivem z expandovaného jílu a způsob výroby kompozitu

Oblast techniky

Vynález se týká lehkých betonů a jejich užití ve stavební praxi.

Dosavadní stav techniky

Struktury lehkých betonů se vytváří například provzdušňujíčími přísadami do běžných betonů, vhodnými inertními složkami, například drtí nebo recykláty pěnového skla či lehkým kamenivem z expandovaného jílu.

Lehké kamenivo vyráběné z expandovaného jílu je u nás dodáváno pod názvem Liapor. Svou podstatou se řadí mezi keramické hmoty, které jsou jedním z nej starších stavebních materiálů. Jedná se však o vyšší stupeň zpracování výchozího materiálu, což umožňuje, že k základním vlastnostem keramických materiálů, jako je pevnost, stálost, zdravotní nezávadnost, přistupují ještě další, jako je zejména velmi nízká objemová hmotnost a vynikající tepelně izolační schopnosti.

Toto lehké kamenivo se vyznačuje granulovanou formou s téměř kulovitými zrny s vnitřní stejnoměrnou pórovitou strukturou a uzavřeným slinutým povrchem. Tato granulovaná forma umožňuje jeho aplikaci v mnoha oblastech stavebnictví, ale i v řadě dalších oborů. Protože největší část se ho spotřebuje ve stavebnictví pro zásypy, betony a malty, je technicky označován jako lehké pórovité kamenivo z expandovaného jílu. Lehké kamenivo z expandovaného jílu Liapor je unikátní i díky použitému pouze tuzemskému kvalitnímu jílu, vyrábí se pouze v Cechách, a kromě Cech se dodává pouze do Polska. Lze předpokládat, že zahraniční aplikace nebudou postaveny na tomto kamenivu a budou vykazovat odlišné vlastnosti.

Vzhledem ke svým charakteristikám a vlastnostem je lehké kamenivo z expandovaného jílu materiálem vhodným pro výrobu lehkých betonů, označovaných jako LC, s možností vytváření pevnostních tříd, například LC 6, LC 10 atak dále na základě prokázaných pevností v tlaku.

V každém případě LC v uvedených třídách při užití lehkého kameniva se vyznačuje vlastnostmi křehkých materiálů, což rozhoduje o šíři jejich využití v praxi.

Vzhledem k převládajícímu objemovému podílu lehkého kameniva z expandovaného jílu v betonech je možno tyto betony označit přívlastkem lehké. Podstatný objem těchto betonů tvoří lehká keramická zma a nikoli vzduchové póry v maltě vytvořené pomocí chemické přísady, jak je tomu u pěnobetonů. Lehké betony mají podstatně menší objemové změny než pěnobetony.

Z hlediska obsahu pórů ve zhutněném betonu se lehké betony dělí na hutné a mezerovité. Pro toto rozdělení je rozhodující objem pórů v betonu. V hutném betonu je po zhutnění podle různých norem 3 až 4 % pórů. Do tohoto objemu se započítává objem mezer mezi zmy vzniklých nedokonalým zhutněním betonu. U mezerovitých betonů je objem pórů vyšší, vyvolaný záměrně vysokou mezerovitostí kameniv nebo napěněním maltové složky pomocí napěňovacích přísad.

V normách pro navrhování a provádění konstrukcí z lehkých betonů s lehkým kamenivem jsou rozdílné zásady pro konstrukce z hutného lehkého betonu a mezerovitého lehkého betonu, hlavně z hlediska použití pro vyztužené konstrukce.

Hutné lehké betony se používají obdobně jako obyčejné betony. Navrhují se podle stejných pravidel, pouze s odchylkami zohledňujícími například rozdílné deformační vlastnosti lehkých betonů. Zatřiďují se do stejných pevnostních tříd, rozdílná je pouze objemová hmotnost lehkých

- 1 CZ 2020 - 561 A3 hutných betonů, která může být až třetinová oproti obyčejným hutným betonům.

V současné době je úspěšně realizována výroba prvků z lehkých hutných betonů vyztužených betonářskou výztuží pro stavbu rodinných domků.

Pro navrhování konstrukcí z mezerovitých lehkých betonů platí odlišná pravidla hlavně v použití pro vyztužené betony. Některé normy použití nosné výztuže v mezerovitých lehkých betonech výslovně zakazují, některé připouštějí použití nosné výztuže za předpokladu její ochrany proti korozi a omezení využitelné pevnosti oceli.

Ze stavu techniky jsou známy také konstrukční drátkobetony. Dnes se vyrábějí s drátky v průměru do 1 mm a délkách 30 až 60 mm, například výrobci Dramix, Bekaert, KrampeHarex.

V drátkobetonech je užito přírodního kameniva se zrnem velikosti zpravidla 16 až 22 mm a objemové tíhy cca 2600 kg/m³. V případě drátkobetonů je nezbytné složení drátkobetonové směsi navrhovat tak, aby struktura zůstala homogenní, to je tak, aby poměr mezi počtem hrubých zrn kameniva a počtem užitých drátků, vhodných délek, vytvořil homogenní strukturu vyrobené drátkobetonové směsi i po jejím zhutnění. Rovnoměrně rozptýlené drátky ve struktuře drátkobetonů brání sedání hrubých zrn přírodního kameniva a zároveň hrubá zrna kameniva brání sedání drátků za podmínky dostatečné užité hmotnostní koncentraci drátků.

Problémem při výrobě konstrukčních prvků z lehkých betonů s lehkým kamenivem je homogenita. Lehká zrna kameniva v cementové maltě stoupají při hutnění vibrováním k hornímu povrchu hutněného objemu čerstvé směsi, čímž se vytváří nehomogenní kompozit.

Bez úpravy struktury kompozita pro zpracování například na vibračních stolech nelze dosáhnout homogenních struktur.

Podstata vynálezu

Kompozit z jemnozmného hutného lehkého keramického betonu s lehkým kamenivem z expandovaného jílu, podle vynálezu, obsahuje písek frakce do 1 mm, cement, příměsi a frakci lehkého kameniva z expandovaného jílu s maximálními zmy do 4 mm v množství od 350 do 450 kg/m³ hotového betonu a disperzní výztuž tvořenou ocelovými vlákny o délce 10 až 13 mm v množství od 40 do 150 kg/m³ hotového betonu.

Ocelová vlákna mají s výhodou průměr 0,09 až 0,11 mm.

Frakce lehkého kameniva z expandovaného jílu má výhodně velikost maximálního zrna od 2 do 4 mm, nejvýhodněji má frakce lehkého kameniva z expandovaného jílu velikost maximálního zrna do 2 mm.

Při způsobu výroby kompozitu z jemnozmného hutného lehkého keramického betonu s lehkým kamenivem z expandovaného jílu podle vynálezu se nejprve lehké kamenivo z expandovaného jílu upraví dávkou vody na saturované kamenivo, poté se dávkuje cement, písek frakce do 1 mm a příměsi a vše se rovnoměrně promíchá, dále se přidává voda a plastifikátor až do dosažení konzistence směsi 260 až 280 mm rozlití, měřeno ve dvou na sebe kolmých směrech, a nakonec se postupně pňdávají ocelová vlákna za stálého míchání směsi tak, aby byla ve struktuře čerstvého kompozitu rovnoměrně rozptýlena.

Způsob výroby kompozitu z jemnozmného hutného lehkého keramického betonu s lehkým kamenivem z expandovaného jílu s výhodou umožňuje výrobu tenkých desek. Při uvedeném způsobu se 400 kg lehkého kameniva z expandovaného jílu upraví dávkou vody na saturované kamenivo, poté se přidá 300 až 450 kg cementu, 500 kg písku velikosti zrna do 1 mm, 220 kg

- 2 CZ 2020 - 561 A3 popílku, 15 kg mikrosiliky a vše se rovnoměrně promíchá, dále se přidává 100 až 180 1 vody a 4 až 20 1 plastifíkátoru až do dosažení konzistence směsi 260 až 280 mm rozlití, měřeno ve dvou na sebe kolmých směrech a nakonec se přidává 100 kg ocelových vláken za stálého míchání směsi tak, aby byla ve struktuře hotového kompozitu rovnoměrně rozptýlena.

Účinek disperzní výztuže při hutnění se projevuje tvorbou prostorové bariéry z rozptýlené výztuže, bránící pohybu zrn lehkého kameniva z expandovaného jílu k horním povrchům vyráběných prvků. Výsledkem je, že se dosáhne homogenní struktury zhutněného kompozita za předpokladu výroby homogenní struktury čerstvého betonu v potřebné konzistenci měřené s použitím střásacího stolku pro zkoušky konzistencí čerstvých malt. Doporučená konzistence směsi bez disperzní ocelové výztuže by měla mít velikost rozlití okolo 270 mm jako průměr ve dvou na sebe kolmých směrech. Přibližně při této konzistenci se vytváří clona bránící vyplavování zrn lehkého kameniva k hornímu povrchu těles při zpracování, například vibraci kompozita, zejména horizontální. Při výrazně vyšším rozlití směsi bez ocelových vláken je nebezpečí, že dojde k segregaci disperzní výztuže při hutnění, zejména při dávkách vyšších než 100 kg/m³.

Výhodou vynálezu je změna struktury kompozit s lehkým kamenivem tak, aby výroba mohla probíhat analogicky jako výroba prvků při užití běžných hutných betonů, to je například hutněním v horizontální poloze. Účinek rozptýlené výztuže na konečnou homogenitu zpracovaného betonu podle vynálezu je podmíněn rovnoměrným rozložením rozptýlené výztuže v čerstvém kompozitu.

U kompozita podle vynálezu dochází ke ztužení struktury lehkého hutného betonu. Zvolené složení kompozita je vhodné pro využití při výrobě izolačních desek, případně i nej různějších prvků zahradního nebo bytového mobiliáře.

Objasnění výkresů

Obrázky 1 a 2 zobrazují srovnávací příklad ze stavu techniky, na obrázku 1 je graf závislosti síla/průhyb ze zkoušky ohybem, obrázek 2 ukazuje nehomogenitu průřezu. Obrázek 3 ukazuje detail příkladného ocelového vlákna. Na obrázcích 4, 5, 6 je ukázán vliv disperzní výztuže na homogenitu kompozita podle vynálezu. Jedná se o fotografie průřezu desky v místě zlomu. Na obrázku 4 je čelní pohled na vyhlazený lomový řez porušení desky, na obrázku 5 neupravený lomový řez porušení desky v čelním pohledu a na obrázku 6 je pohled shora na neupravený lomový řez porušení desky. Na obrázku 7 je pohled na zkoušku desky ohybem a na obrázku 8 záznam zkoušky ohybem, graf závislosti síla/průhyb s vyznačením měřených průhybů v krajních bodech desky v místě působící síly a zvolených stupních zatížení.

Příklady uskutečnění vynálezu

Pro srovnání a ukázku vlivu nehomogenity na vlastnosti kompozita byl vybrán materiál ze stavu techniky, desky s hutným lehkým betonem o rozměrech 400 x 700 mm a tloušťkou přibližně 20 mm vyztužené textilní sítí viz obrázek 1 a 2. Jsou uvedeny výsledky zkoušek ohybem.

Rozdíl v měřených únosnostech desek lze jednoznačně přičíst nehomogenitě kompozita ze stavu techniky, u kterých cementový kámen je po zpracování u spodního povrchu desek a obaluje textilní výztuž. Lehká zma kameniva totiž v cementové maltě stoupají k hornímu povrchu hutněného objemu čerstvé směsi, čímž se vytváří nehomogenní kompozit.

Dále byl připravován v různých obměnách kompozit z jemnozmného hutného lehkého keramického betonu s lehkým kamenivem z expandovaného jílu podle vynálezu s obsahem frakce lehkého kameniva z expandovaného jílu do 4 mm, 2 až 4 mm a do 2 mm, které je vyráběno pod názvem Liapor. Nejprve se lehké kamenivo z expandovaného jílu upravilo dávkou vody na saturované kamenivo, poté se dávkoval cement, písek frakce do 1 mm a příměsi. Vše se

- 3 CZ 2020 - 561 A3 rovnoměrně promíchalo. Dále se přidávala voda a plastifíkátor až do dosažení konzistence směsi 260 až 280 mm rozlití ve dvou na sebe kolmých směrech, a nakonec se postupně přidávala ocelová vlákna za stálého míchání směsi tak, aby byla ve struktuře čerstvého kompozitu rovnoměrně rozptýlena.

Vzhledem ke složení kompozita podle vynálezu z frakce kameniva Dmax do 4 mm a ocelových vláken délek do 13 mm umožňuje výrobu subtilních prvků nebo nosných částí prvků mobiliáře. Složení s frakcí do 2 mm umožňuje i výrobu tenkých desek, to je v tloušťce desek minimálně 3 průměry maximálního zma kameniva.

Na obrázcích 4, 5, 6 je ukázán vliv disperzní výztuže na homogenitu kompozita podle vynálezu. Struktura betonu-sedání obou složek-se prokazovala zkouškou segregace podle patentu CZ 306929, která prokázala, že kompozit podle vynálezu bude mít po zpracování rovnoměrnou struktura jak v rozložení hrubých zrn kameniva, tak rozmístěním ocelových vláken. Homogenní struktura se též posuzovala zkouškou vlivu užitých ocelových vláken a jejich hmotnostních dávek v čerstvém kompozitu podle vynálezu. Homogenita se posuzovala podle sedání ocelových vláken ke dnu válce průměru 150 mm, výšky 300 mm, děleného na dvě části, to je výšky 150 mm, pro zpracování směsi po vibraci. Výsledky zkoušky segregace ocelových vláken, vyjádřené podílem hmotností ocelových vláken, nacházejících se v horní a spodní části válce byly v předepsaných mezích. Tato zkouška ve výsledcích ukazuje, že lze s velkou pravděpodobností předpokládat, že homogenita kompozita bude dosažena i po zpracování směsi a jejím ztvrdnutí.

Důkazem homogenity kompozita podle vynálezu jsou i fotografie průřezu desky v místě zlomu a záznam zkoušky ohybem, ze které lze sledovat, že průhyby na obou stranách lomového řezu byly téměř totožné, do 0,1 mm, při šířce průřezu desky 400 mm. Což dokumentuje rovnoměrný rozptyl ocelových vláken na ztvrdlém kompozitu desky. Rovněž to ukazuje, že prokázat homogenitu struktury u těchto lehkých betonů lze až podle rozptylu výsledků destruktivních zkoušek. Tím se prokazuje i vliv ocelových vláken na vzlínání lehkých zrn lehkého kameniva pň hutnění vibrací.

Nejvýhodnější složení hotového kompozita podle vynálezu je následující:

cement	300 až 450 kg/m3
popílek	220 kg/m3
mikrosilika	15 kg/m3
písek 0/1	500 kg/m3
lehké kamenivo	400 kg/m3
voda	100 až 180 1
voda *	100 1
plastifíkátor	4 až 20 1
ocelová vlákna	100 kg/m3

Voda* je voda použitá na navlhčení lehkého kameniva.

Pro zvolené složení kompozitu z jemnozmného hutného lehkého keramického betonu s lehkým kamenivem z expandovaného jílu s užitím disperzní výztuže byly provedeny destruktivní zkoušky na vzorcích standardních rozměrů pro zjištění pevností v tlaku, krychlích o rozměrech 150xl50x 150 mm a zkoušky ohybem desek o rozměrech cca 19 x 400 x 700 mm pro stanovení pevností v tahu za ohybu. Zjištěné charakteristiky jsou uvedeny v tabulkách 1 a 2 zachycujících chování desek

- 4 CZ 2020 - 561 A3 při zkoušce ohybem s čtyřbodovým uspořádáním.

Uložení zkušebních vzorků se řídilo pravidly platnými pro běžné konstrukční betony. Postup provedení zkoušek ohybem a zkoušky v tlaku je vidět na fotografiích, viz foto průběh zkoušek. Počty zkušebních vzorků byly voleny tak, aby mohla být prokázána rovnoměrnost struktury kompozita v získaných výsledcích.

Výsledky zkoušek kompozitu z jemnozmného hutného lehkého keramického betonu s lehkým kamenivem z expandovaného jílu podle vynálezu s disperzní výztuží tvořenou ocelovými vlákny v uvedeném složení potvrzují nejen přeměnu křehkého materiálu na materiál duktilní a k navýšení pevnostních charakteristik, především tahových. Rovnoměrné rozptýlení ocelových vláken přispívá k homogenitě těchto kompozit, což se projevuje malými směrodatnými odchylkami měřených pevnostních charakteristik.

Vzorek	Hmotnost	Objemová hmotnost	Síla	Pevnost
m [g]	p [kg/m3]	F [kN]	σ [MPa]
UC	4966,7	1475,0	419,67	18,63
FRLC	5083,3	1510,6	504,7	22,4

Tabulka 1. Pevnost v tlaku

Receptura	Zkušební vzorky	Rozměry těles	Hmotnost tělesa	Objemová hmotnost	Tah za ohybu
síla	pevnost	průměrná pevnost
v/š/d [mm]	m [g]	p [kg/m3]	F [kN]	σ [MPa]	0 σ [MPa]
B	B1	19/400/700	6950	1373	0,63	2,90	2,69
B2	7515	1346	0,77	2,93
B3	7430	1365	0,56	2,23

Tabulka 2. Pevnost v tahu za ohybu FRLC

Základním předpokladem k dosažení uvedených výsledků v průkazních zkouškách kompozit podle vynálezu s lehkým kamenivem z expandovaného jílu a disperzní výztuží tvořenou ocelovými vlákny ve zvoleném složení je technologie výroby čerstvých kompozit. Při dodržení všech zásad výroby kompozit s cementovou matricí ztuženou příměsí ocelových vláken platí především zásada, že přidání ocelových vláken jako poslední složky kompozita je podmínkou k dosažení uvedených efektů. Homogenita vyrobených kompozit podle vynálezu s lehkým kamenivem z expandovaného jílu a disperzní výztuží tvořenou ocelovými vlákny je hlavním ukazatelem struktury a je důležitá pro jejich praktické využití. Užití disperzní výztuže ve struktuře kompozita podle vynálezu má i další vlivy, které se ukázaly ve výsledcích průkazních zkoušek.

Změna struktury kompozita spočívající ve ztužení struktury disperzní výztuží ocelovými vlákny rovnoměrně rozptýlenými s cílem ovlivnit homogenitu kompozit i po zpracování ve výsledcích ukázala na další vlivy plynoucí z provedených průkazních zkoušek, ze kterých vyplývá výrazný vliv na homogenitu. Jak ukazuje obr. 8, má pozitivní vliv na pevnostní charakteristiky, na duktilní chování kompozita podle vynálezu s lehkým kamenivem z expandovaného jílu a disperzní výztuží tvořenou ocelovými vlákny, lehké navýšení hmotnostních hodnot vyráběných kompozit.

Všechny uvedené vlivy ovlivňuje užitá hmotnost použité disperzní výztuže a i konzistence směsi.

Z uvedených výsledků destruktivních zkoušek kompozit z jemnozmného hutného lehkého keramického betonu s lehkým kamenivem z expandovaného jílu podle vynálezu vyplývají široké

- 5 CZ 2020 - 561 A3 možnosti průmyslového využití. Zde bude záležet na invenci odborné veřejnosti k vytvoření nových pohledů využití ve stavební praxi.

Průmyslová využitelnost

Kompozit z jemnozmného hutného lehkého keramického betonu s lehkým kamenivem z expandovaného jílu podle vynálezu vytváří strukturu s pevnostními a duktilními vlastnostmi vhodnými pro využití v praxi. Vzhledem ke složení kompozita podle vynálezu z frakce kameniva io Dmaxdo 4 mm a ocelových vláken délek do 13 mm se využije především v subtilních prvcích nebo v prvcích mobiliáře jako nosné části vytipovaných prvků. Zde se nabízí využití libovolných materiálů k tvorbě prvků s různými povrchovými úpravami nosných částí.

Aplikovatelnost kompozit z jemnozmného hutného lehkého keramického betonu s lehkým 15 kamenivem z expandovaného jílu podle vynálezu, který je kvazi homogenní s uvedenými charakteristikami rozšiřuje možnosti jejich využití ve stavební praxi. Jako reálná se ukazuje i výroba nosných konstrukčních prvků staveb občanské vybavenosti v celé šíři těchto nosných konstrukcí. Kompozita jsou využitelná i v netypických návrzích stavebních výrobků.

Claims (6)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Kompozit z jemnozmného hutného lehkého keramického betonu s lehkým kamenivem z expandovaného jílu, vyznačující se tím, že obsahuje písek frakce do 1 mm, cement, příměsi a frakci lehkého kameniva z expandovaného jílu s maximálními zrny do 4 mm v množství od 350 do 450 kg/m³ hotového betonu a disperzní výztuž tvořenou ocelovými vlákny o délce 10 až 13 mm v množství od 40 do 150 kg/m³ hotového betonu.
2. 2. Kompozit z jemnozmného hutného lehkého keramického betonu s lehkým kamenivem z expandovaného jílu podle nároku 1, vyznačující se tím, že ocelová vlákna mají průměr 0,09 až 0,11 mm.
3. 3. Kompozit z jemnozmného hutného lehkého keramického betonu s lehkým kamenivem z expandovaného jílu podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že frakce lehkého kameniva z expandovaného jílu má velikost maximálního zma od 2 do 4 mm.
4. 4. Kompozit z jemnozmného hutného lehkého keramického betonu s lehkým kamenivem z expandovaného jílu podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že frakce lehkého kameniva z expandovaného jílu má velikost maximálního zma do 2 mm.
5. 5. Způsob výroby kompozitu z jemnozmného hutného lehkého keramického betonu s lehkým kamenivem z expandovaného jílu podle nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že se nejprve lehké kamenivo z expandovaného jílu upraví dávkou vody na saturované kamenivo, poté se dávkuje cement, písek frakce do 1 mm a příměsi a vše se rovnoměrně promíchá, dále se přidává voda a plastifikátor až do dosažení konzistence směsi 260 až 280 mm rozlití, měřeno ve dvou na sebe kolmých směrech a nakonec se postupně přidávají ocelová vlákna za stálého míchání směsi tak, aby byla ve struktuře čerstvého kompozitu rovnoměrně rozptýlena.
6. 6. Způsob výroby kompozitu z jemnozmného hutného lehkého keramického betonu s lehkým kamenivem z expandovaného jílu pro výrobu tenkých desek podle nároku 5, vyznačující se tím, že se 400 kg lehkého kameniva z expandovaného jílu upraví dávkou vody na saturované kamenivo, poté se přidá 300 až 450 kg cementu, 500 kg písku velikosti zma do 1 mm, 220 kg popílku, 15 kg mikrosiliky a vše se rovnoměrně promíchá, dále se přidává 100 až 180 1 vody a 4 až 20 1 plastifikátoru až do dosažení konzistence směsi 260 až 280 mm rozlití, měřeno ve dvou na sebe kolmých směrech, a nakonec se přidává 100 kg ocelových vláken za stálého míchání směsi tak, aby byla ve struktuře hotového kompozitu rovnoměrně rozptýlena.