CZ302725B6

CZ302725B6 - Beton, obsahující vytvrzenou cementovou matrici, ve které jsou rozptýlena organická vlákna

Info

Publication number: CZ302725B6
Application number: CZ20004200A
Authority: CZ
Inventors: Cheyrezy@Marcel; Dugat@Jérôme; Boivin@Sandra; Orange@Gilles; Froin@Laurent
Original assignee: Bouygues; Lafarge; Rhodia Chimie
Priority date: 1998-05-14
Filing date: 1999-05-12
Publication date: 2011-09-29
Also published as: ATE249399T1; DE69911202D1; AU3611899A; TH47555A; CN1325426C; DK1080049T4; DK1080049T3; TR200003314T2; FR2778654A1; AU748678C; NZ508716A; KR20010071263A; PT1080049E; EP1080049A1; ZA200006572B; BR9910471A; CZ20004200A3; EP1080049B9; RU2245858C2; CN1305441A

Abstract

Beton, obsahující vytvrzenou cementovou matrici, ve které jsou rozptýlena organická vlákna, je získán smísením vody a kompozice, obsahující krome organických vláken (a) cement, (b) zrnité složky, (c) jemné složky pucolánového typu, (d) alespon jedno disperzní cinidlo. Zrnité složky (b) jsou prítomny v pomeru od 30 do 60 % hmotnostních cementové matrice a mají velikost D cástic nejvýše 2 mm. Jemné složky (c) pucolánového typu mají velikost cástic nejvýše 20 .mi.m. Organickými vlákny jsou polyvinylalkoholová vlákna, polyakrylonitrilová vlákna, polyetylénová vlákna, vlákna z polyetylénu o vysoké hustote, polyamidová nebo polyimidová vlákna, polypropylénová vlákna homopolymerní nebo kopolymerní, nebo smesi techto vláken, pricemž vlákna mají individuální délku 1 alespon 2 mm a pomer 1/.FI. alespon 20, kde .FI. je prumer vlákna. Množství vláken je takové, že jejich objem predstavuje od 1 % do 8 % objemu betonu po jeho vytvrdnutí.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká betonu, obsahujícího vytvrzenou cementovou matrici, ve které jsou rozptýlena organická vlákna.

Vynález se tedy týká nového betonu s vlákny, umožňující vyrábět stavební součásti a majícího lepší vlastnosti, než beton podle dosavadního stavu techniky, zejména pokud jde o pevnost v tahu (pevnost v ohybu a pevnost v přímém tahu).

Použitými vlákny jsou organická vlákna.

Dosavadní stav techniky

Strukturální analýza betonu ukázala, že jejich mechanické vlastnosti jsou těsně spojeny s přítomností strukturálních defektů. V těchto betonových směsích mohou být pozorovány různé strukturální defekty, když jsou podrobeny mechanickému zatížení. Ty se vzájemně liší jejich velikostí.

V nej menším měřítku je pozorována vada takzvané mikroporozity, to znamená takzvané kapilární póry, odvozené od mezinárodních mezer původně přítomných v čerstvé hmotě. Jejich velikost je v rozmezí 50 nanometrů až několik mikrometrů.

Ve středním měřítku jsou pozorovány vady mikroprasklin. Mikropraskliny mají otvory v rozmezí 1 až 100 mikrometrů. Ty nesplývají, tj. netvoří spojitou cestu strukturou. Jsou způsobeny v podstatě heterogenním charakterem betonu, kdy granulát má mechanické a fyzikální vlastnosti odlišné od vlastností pojivá, tedy cementu. Vznikají pod mechanickým zatížením. Tento typ defektů je hlavně zodpovědný ze špatné mechanické vlastnosti betonu a jeho křehký charakter.

V největším měřítku jsou pozorovány vady makroskopických prasklin. Praskliny mají otvory 100 pm do 1 mm. Praskliny splývají.

Také mohou být pozorovány největší vady milimetrové velikosti, které jsou způsobeny Špatnou přípravou betonu (pohlcený vzduch, vady plnění formy).

Byla navržena řešení pro omezení přítomnosti těchto různých defektů nebo pro zmenšení jejich účinku.

Je tedy možné částečně řídit mikroporozitu omezením hmotnostního poměru voda/cement a použitím ťluidizačních činidel. Použití jemných plnidel, zejména pucolánového typu, také umožňuje zmenšit velikost mikropórů.

Pokud jde o mikropraskliny, ty jsou silně omezeny:

zlepšením homogennosti betonu, například zmenšením velikosti granulátu na 800 pm,

- zlepšením kompaktnosti materiálu (optimální granulací a optimálním stlačováním před a při ukládání),

- tepelnou úpravou po uložení.

Tvorba mikroprasklin je řízena použitím kovových vláken.

Z dokumentů dosavadního stavu techniky je možno uvést WO-A 95/013 16.

íyká se řízení velikosti poměru mezi kovovými vlákny a zrnitými složkami (písek, granuláty).

Tento zlepšený beton s vlákny zahrnuje cement, zrnité složky, jemné složky s pueolánovými vlastnostmi a kovová vlákna.

Zrnité složky musí mít maximální velikost zrna D nejvýše 800, vlákna musí mít individuální délku 1 v rozmezí 4 až 20 mm, a poměr R mezi průměrnou délkou L vláken a velikostí D by měl být io alespoň 10.

Výsledný beton vykazuje ohybovou houževnatost a pseudo zpracovatelnost za studená.

Betonové nebo maltové směsi obsahující organická vlákna se doporučují pro různé účely, připadlí ně ve spojení s kovovými vlákny, jak je popsáno například v publikaci „Fibre reinforced eementitious composites“, A. Bentur, S. Mindess, Elsevier Applied Science, 1990.

Patentový spis EP 0 347 092 popisuje způsob výroby betonových stavebních výrobků, majících tloušťku v průřezu nejvýše 15 mm, u kterého cementová smčs, obsahující (i) štěrk a písek, (ii) hydraulický cement, a (iii) vodu,

2? je tvarována pomocí válečků a smykadel pro vytváření tvarovaného extrudátu.

Složení směsi dále obsahuje výztužná vlákna v množství od 0,25 do 4 % hmotnostních vzhledem k celkové hmotnosti směsi, přičemž tato vlákna mají délku od 2,0 mm do 20 mm.

to Stav techniky ukazuje, že odborník v oboru, který chce namíchat beton s vlákny, stojí před mnoha možnostmi volby materiálů ajejich podílů, jak pokud jde o cementovou matricí betonu, tak vláken, takže přetrvává problém namíchat beton mající zlepšené vlastnosti ve srovnání s existujícími betonovými směsmi, jejichž cena je nevylučuje z efektivního použití ve stavebním průmyslu a veřejných pracích.

Řešení požadovaných vlastností je třeba hledat v použití organických vláken místo kovových vláken: zvyšují houževnatost, zejména pevnost v tahu, snižují účinek koroze, a snižují hmotnost struktur z betonu s vlákny. Je možno také zmínit menší zeslabení radiových signálů.

4o Zajímavým efektem, který poskytuje přítomnost výztužných vláken polymemího typu, je zlepšení protipožárních vlastností betonových směsí.

Další řešení je třeba hledat v eliminací výše uvedených defektů, konkrétněji mikroprasklin, protože provedení popsaná v dosavadním stavu techniky jsou zpravidla zaměřena na zamezení vzniku makrotrhlin a nikoliv mikrotrhlin: mikrotrhliny nejsou stabilní a pod tlakem se zvětšují.

Podstata vynálezu

5o Ukolem předloženého vynálezu je vyvinutí betonové směsi, obsahující výztužná organická vlákna, a mající zlepšené vlastnosti ve srovnání s betonovými směsmi podle dosavadního stavu techniky, zejména pevnost v tahu (pevnost v ohybu a pevnost v přímém tahu).

CZ 302725 Β6

Dalším cílem předloženého vynálezu je vytvořit betonovou směs, jejíž zpracovatelnost za studená je zlepšena i po prvním poškození omezením rozvoje makrotrhlin. Cílem vynálezu je tedy rozšíření použití betonu i po prvním poškození propůjčením houževnatosti.

Obr. 1 na výkresech představuje typickou křivku pevnosti v tahu s houževnatostí podle dosavadního stavu techniky.

V případě lomu, který není křehkého typu (lom křehkého typu znamená, že lom je náhlý, nikoliv postupný), potřebují jak inženýři, kteří projektují stavbu, tak inženýři, kteří provádějí propočty nebo kontrolu bezpečnosti, mít přístup k zákonitostem chování materiálu nebo k charakteristikám, kteréje popisují.

Pro ilustraci předností houževnatosti je možno představit si spojovací tyč (například vzpěru zabudovanou na svém horním konci), podrobenou narůstajícímu zatížení v tahu (závaží se přidává na spodním konci). Jakmile zatížení dosáhne vrcholu, nastane úplné přetržení (při testu pevnosti v přímém tahu lze pozorovat následný vrchol jen jestliže se test provádí při zatížení).

Houževnatost neelastického materiálu je charakterizována celou pevnostní křivkou v jednoduchém napětí v tahu, avšak uvažovanou jen k vrcholu. Definuje se také jako poměr napětí při přetržení ε_Α k pružnému napětí ε_βι~ε_Β (σ_Α/σ_Β) odpovídajícímu napětí pri přetržení (za předpokladu, že σ_Α je větší než o_B); tento poměr se rovná elastickému modulu (směrnice OB) dělenému modulu tvořenému sečnou křivky napět í-deformace (směrnice OA).

Houževnatost může být popsána prostřednictvím koeficientu δ:

δ=ε_Ασ_Β/ε_Βσ_Α jestliže σ_Α>σ_Β δ-l jestliže σ_Λ<σ_Β, kde ε_Α je maximální deformace, a ε₆|-ε_Β.σ_Α/σΒ, kde c_e) je deformace, která by byla získána pri maximu napětí elastickou extrapolací výsledné deformace při trvajícím napětím.

Tato definice je dokonale v souladu s fyzikálním chováním pozorovaným na testovacím vzorku (mnohonásobně praskání): při prvním prasknutí je dosažen takzvaný první trhlinový vrchol B (který představuje pouze lokální či parciální maximum), za nímž následuje uvolnění, které je možno nalézt na obr. 1 mezi prvním vrcholem B a bodem C, kde se křivka dostává nad hodnotu tohoto vrcholu; v této chvíli je první trhlina stabilizována, neboť napětí opět roste v celém namáhaném objemu až do vzniku druhé trhliny, atd. Toto chování je pevné, třebaže stabilní může být jen při velkých objemech.

Dalším cílem předloženého vynálezu je zvýšení úrovně pnutí, při kterém nastává první poškození betonu (tj. mikrotrhliny), a tedy rozšíření oblasti použití betonu (lineárně elastické vlastnosti).

Ještě dalším cílem vynálezu je zlepšení vlastností betonu, synergickým působením mezí cementovou matricí a organickými vlákny, vlastností betonu jak pokud jde o vznik mikrotrhlin, tak rozvoje makrotrhlin.

Shora uvedené úkoly byly podle tohoto vynálezu splněny vyvinutím betonu, který obsahuje vytvrzenou cementovou matrici, ve které jsou rozptýlena organická vlákna, a který je získán smísením vody a kompozice, obsahující kromě organických vláken:

-3 CZ 302725 B6 (a) cement, (b) zrnité složky, (c) jemné složky pucolánového typu, (d) alespoň jedno disperzní činidlo.

Předmětný beton se vyznačuje tím, že (1) zrnité složky (b) jsou přítomny v poměru od 30 do 60% hmotnostních cementové matrice a mají velikost D částic nejvýše 2 mm, zejména nejvýše I mm, (2) jemné složky (c) pucolánového typu mají základní velikost částic nejvýše 20 pm, zejména nejvýše 1 pm, (3) hmotnostní percentuální množství vody vzhledem k přidané hmotnosti cementu (a) a jemných složek (c) pucolánového typuje v rozmezí od 8 % do 25 %, (4) organickými vlákny jsou polyvinylalkoholová vlákna, polyakrylonitrilová vlákna, polyetylénová vlákna, vlákna z polyetylénu o vysoké hustotě, polyamidová nebo polyimidová vlákna, polypropylénová vlákna homopolymerní nebo kopolymerní, nebo směsi těchto vláken, přičemž vlákna mají individuální délku I alespoň 2 mm a poměr l/Φ, alespoň 20, kde Φ je průměr vlákna, (5) množství vláken je takové, že jejich objem představuje od 1 % do 8% objemu betonu po jeho vytvrdnutí, a (6) poměr R mezi průměrnou délkou L vlákna a maximální velikostí D částic zrnitých složek je alespoň 5.

V souladu s dalším aspektem tohoto vynálezu byl rovněž vyvinut beton, obsahující vytvrzenou cementovou matrici, ve které jsou rozptýlena organická vlákna, získaný smísením vody a kompozice, obsahující kromě organických vláken:

(a) cement, (b) zrnité složky, přítomné v poměru od 30 % do 60 % hmotnostních cementové matrice, (e) jemné složky pucolánového typu, (d) alespoň jedno disperzní činidlo.

Předmětný beton se vyznačuje tím, že (1) jemné složky pucolánového typu mají základní velikost částic nejvýše 1 μιη, zejména nejvýše 0,5 μιη, (2) hmotnostní percentuální množství vody vzhledem k hmotnosti cementu (a) a složek (c) je v rozmezí od 8 do 24 %, (3) organickými vlákny jsou polyvinylalkoholová vlákna, polyakrylonitrilová vlákna, polyetylénová vlákna, vlákna z polyetylénu o vysoké hustotě, polyamidová nebo polyimidová vlákna, polypropylénová vlákna homopolymerní nebo kopolymerní, nebo směsi těchto vláken, přičemž vlákna mají individuální délku I alespoň 2 mm a poměr l/Φ, alespoň 20, kde Φ je průměr vlákna, (4) množství vláken je takové, že jejich objem představuje nejvýše od 1 % do 8 % objemu betonu pojeho vytvrdnutí,

-4CZ 302725 B6 (5) všechny složky (a), (b) a (c) mají velikost částic D75 nejvýše 2 mm, zejména nejvýše 1 mm, a velikost částic D 50 nejvýše 150 pm, zejména nejvýše 100 pm, a (6) poměr R mezi průměrnou délkou L vlákna a maximální velikostí D75 všech složek (a), (b) a (c) je alespoň 5, zejména alespoň 10.

Beton má s výhodou při přímém tahovém napětí roztažnost, vyjádřenou koeficientem δ roztažnosti, δ > 1, zejména δ > 1,25.

Poměr l/Φ vláken je s výhodou nejvýše 500.

Průměrné adhezní napětí vláken ve vytvrzené cementové matricí je s výhodou alespoň 2 MPa, zejména alespoň 5 MPa.

Cementová matrice dále s výhodou obsahuje, pro zvýšení adheze vlákna k matrici, alespoň jednu z následujících sloučenin: sloučeniny oxidu křemičitého, sestávající v podstatě z oxidu křemičitého, srážený uhličitan vápenatý, vodný roztok polyvinylalkoholu, fosfáty, latexy, odpěňovací činidlo nebo směsi uvedených sloučenin.

Sloučeninou oxidu křemičitého je s výhodou srážený oxid křemičitý v množství OJ až 5 % hmotnostních sušiny vztaženo na celkovou hmotnost betonu.

Srážený oxid křemičitý je do směsi s výhodou zaveden ve formě vodné suspenze.

Část organických vláken je s výhodou nahrazena kovovými vlákny, přičemž kovová vlákna mají individuální délku 1 alespoň 2 mna poměr l/Φ prodloužení alespoň 20, kde Φ jc průměr vlákna. Beton s výhodou obsahuje kombinaci krátkých a dlouhých organických a/nebo kovových vláken.

Beton s výhodou obsahuje složky schopné zlepšit soudržnost matrice, zvolené zjehlíěkovitých nebo destičkovitých složek, jejichž průměrná velikost je nejvýše 1 mm, a kterých obsahuje objemově 2,5 až 35 % přídavku zrnitých složek (b) a pucolánových složek (c).

Soudržnost cementové matrice je s výhodou alespoň 15 J/m².

Soudržnost matrice je s výhodou dosažena přídavkem výztužných složek anizotropního tvaru o průměrné velikosti nejvýše 500 Bm k cementové kompozici.

Výztužné složky jsou s výhodou přítomny v množství 5 až 25 % objemových přidaných zrnitých složek (b) a pucolánových složek (c).

Výztužné složky jehličkového tvaru jsou s výhodou zvoleny ze skupiny zahrnující wolastonitová vlákna, bauxitová vlákna, mullitová vlákna, vlákna ztitaničitanu draselného, vlákna z karbidu křemičitého, vlákna z celulózy nebo jejích derivátů, uhlíková vlákna, vlákna z fosforečnanu vápenatého, zejména z hydroxy apatitu HAP, vlákna z uhličitanu vápenatého, skelná vlákna odolná vůči afkáliím nebo produkty získané rozmělněním těchto vláken nebo směsí uvedených vláken. krátká vlákna o délce nejvýše 2 mm, s výhodou 1 mm, z polyvinylalkoholu, polyakrylonitrilu, vysokohustotního polyethylenu, polyamidu, aramidu nebo polypropylenu, jakož i materiály jako ocelová vlákna.

Destičky jsou s výhodou zvoleny ze skupiny, zahrnující slídové destičky, mašíkové destičky, destičky ze složených silikátů (jíly), destičky z vermikulitu, destičky z oxidu hlinitého a směsi těchto destiček.

-5CZ 302725 Β6

Alespoň ěást an izotropii ích výztužných složek má s výhodou na povrchu polymerní organický povlak, získaný z alespoň jedné z následujících složek: polyvinylalkohol, sílaný, křemíčitany, siloxanové pryskyřice, polyorganosiloxany nebo produkty reakce (i) alespoň jedné karboxylové kyseliny obsahující 3 až 22 atomu uhlíku, (ii) alespoň jednoho polyfunkčního aromatického nebo alifatického aminu nebo substituovaného aminu, obsahujícího 2 až 25 atomů uhlíku a (iii) zesíťovacího činidla, kterým je vodorozpustný kovový komplex, obsahující alespoň kov zvolený ze skupiny zinek, hliník, titan, měď, chrom, železo, zirkonium a olovo.

Velikost zrnitých složek (b) je s výhodou nejvýše 500 pm.

Zrnité složky (b) jsou s výhodou jemné písky nebo směsi jemných písků, prosáté nebo drcené, zejména zahrnující křemičitý písek, zejména křemenný prach.

Zrnité složky (b) jsou s výhodou obsaženy v rozmezí od 25 % do 50 % hmotnostních cementové matrice.

Jemné složky (e) pueolánového typu jsou s výhodou zvoleny ze skupiny, obsahující oxid křemičitý, zejména křemičité saze, polétavé popílky a vysoko pecní strusky.

Percentuální množství vody vztažené k hmotnosti cementu (a) a složek (c) pueolánového typuje s výhodou od 13 % do 25 % hmotnostních.

Beton má s výhodou pevnost v přímém tahu alespoň 6 MPa. Beton má s výhodou pevnost ve čtyřbodovém ohybu alespoň 20 MPa.

Beton má s výhodou pevnost v tlaku alespoň 120 MPa, zejména 140 MPa.

Beton má s výhodou energii lomu alespoň 2000 J/m².

Beton je po vytvrdnutí s výhodou podroben zrání při teplotě blízké okolní teplotě, například při 20 °C, po dobu potřebnou pro dosažení požadovaných mechanických vlastností.

Beton je po vytvrdnutí s výhodou podroben tepelnému zpracování při teplotě od 60 °C do 100 °C a při normálním tlaku.

Doba tepelného zpracování je s výhodou od 6 hodin do 4 dnů, zpravidla od 6 hodin do 72 hodin.

Beton podle tohoto vynálezu je s výhodou předepjat, popřípadě je dodatečně předepjat.

Cíle vynálezu je tedy dosaženo betonem, který spojuje cementovou matrici s určitými vlastnostmi a organická vlákna také s určitými vlastnostmi.

Přesněji, obecně řečeno, předmětem vynálezu je beton, obsahující vytvrzenou cementovou matrici, ve kteréjsou dispergována organická vlákna, získaný smísením kompozice obsahující kromě organických vláken:

(a) cement, (b) zrnité složky s částicemi o velikosti D nejvýše 2 mm, s výhodou nejvýše I mm, (c) jemné složky pueolánového typu mající základní velikosti částic nejvýše 20 μιη, s výhodou nejvýše 1 μηι, (d) alespoň jedno dispergační činidlo, s vodou, který splňuje následující podmínky:

-6 CZ 302725 B6 (e) hmotnostní procento vody V vzhledem k hmotnosti cementu (a) a složek (c) je v rozmezí 8 až 25 %, (f) vlákna mají individuální délku I alespoň 2 mm a poměr Ι/φ, kde φ je průměr vlákna, alespoň 20, (g) poměr R mezi průměrnou délkou L vlákna a maximální velikostí D částic zrnitých složek je alespoň 5, (h) množství vláken je takové, že jejich objem představuje nejvýše 8 % objemu betonu po jeho uložení.

Prostřednictvím nové konstrukce zrnité kostry a jejího spojení s výztužnými vlákny je řešen problém spojený s kompromisem mezi mechanickými vlastnostmi a rheologií.

Vlastnosti betonu podle vynálezu se v podstatě nezmění, jestliže se v matrici použijí zrnité složky (b) s velikostí částic větší než 2 mm, avšak v množství nepřesahujícím 25 % objemu složek (a)+(b)+(c).

Přítomnost této velikosti zrna v takovémto množství je možno považovat za plnidlo, které se nepodílí na mechanických vlastnostech materiálu, pokud:

velikost D50 částic složek (a), (b) a (c) je nejvýše 200 pm, s výhodou nejvýše 150 pm, a poměr R mezi průměrnou délkou L vlákna a velikostí D75 všech složek (a), (b) a (c) je alespoň 5, s výhodou alespoň 10.

Velikostí D75 resp. D50 částic se rozumí velikost síta, skrze které projde 75 resp. 50 % celkového objemu částic.

Vynález se také týká betonu obsahujícího vytvrzenou cementovou matrici, ve které jsou dispergována organická vlákna, získaného smísením kompozice obsahující kromě organických vláken:

(a) cement, (b) zrnité složky, (c) složky pucolánového typu mající základní velikost částic nejvýše 1 pm, s výhodou nejvýše 0,5 pm, (d) alespoň jedno dispergační činidlo, s vodou, který splňuje následující podmínky:

(1) hmotnostní procento vody V vzhledem k hmotnosti C cementu (a) a složek (c) je v rozmezí 8 až 24 %, (2) vlákna mají individuální délku I alespoň 2 mm a poměr Ι/φ, kde φ je průměr vlákna, alespoň 20, (3) poměr R mezi průměrnou délkou L vlákna a maximální velikostí D75 všech zrnitých složek (a), (b) a(c)je alespoň 5, s výhodou 10, (4) množství vláken je takové, že jejich objem představuje nevýše 8 % objemu betonu po jeho uložení, (5) všechny složky (a), (b) a (e) mají velikost částic D75 nejvýše 2 mm, s výhodou 1 mm, a velikost částic D 50 nejvýše 150 gm, s výhodou nejvýše 100 μιτι.

Podmínky (3) a (5) platí pro pevné částice (a), (b) a (c) dohromady, bez vláken, a nikoliv pro každou složku jednotlivé.

Podle jedné alternativy je část organických vláken nahrazena kovovými vlákny: l ak je získán „hybridní“ kompozit s mechanickými vlastnostmi, které mohou být uzpůsobeny v závislosti na požadovaném účinku (elasticita a zpracovatelnost za studena/přídavný vrchol).

Přítomnost organických vláken umožňuje modifikaci protipožárních vlastností betonu, jak je uvedeno výše.

Ve skutečnosti tavitelná povaha uvedených vláken umožňuje vznik cest, skrze které může pára nebo voda pod tlakem unikat při velkém vzrůstu teploty.

Organická vlákna mohou být zvolena například z polyvinylalkoholových vláken (APV), polyakrylonitrilových vláken (PAN), polyethylenových vláken (PE), vláken z vysokohustotního polyethylenu (PEHD), polypropylenových vláken (PP), homopolymerních nebo kopolymerních, polyamidových nebo polyamidových vláken, aramidových vláken nebo uhlíkových vláken. Mohou být použity také směsi těchto vláken. Výztužná vlákna použitá podle vynálezu mohou být zvolena z množství různých vláken dostupných na trhu a klasifikují se v jedné ze tri následujících kategorií: nereaktivní vlákna s vysokým modulem, nereaktivní vlákna s nízkým modulem, a reaktivní vlákna. Následující ilustrativní příklady se týkají, mezi jiným, nereaktivních vláken PEHD, jejichž modul je vyšší než modul betonové matrice, nereaktivních polyamidových vláken PA, jejichž modul je nižší než modul betonové matrice, a APV vláken reagujících s betonovou matricí.

„Hybridní“ výztužné prvky mohou být vytvořeny spojením vláken různé povahy a/nebo délky. Následující ilustrativní příklady se konkrétně týkají krátkých organických APV vláken (6 mm), a dlouhých kovových vláken (13 mm), a ukazují, že je dosažen významný synergický výztužný účinek. Další příklady obdobných kombinací jsou následující:

Krátká APV nebo PEHD vlákna (6 mm) a dlouhá APV vlákna (20 mm), krátké ocelové kordy (5 mm) a dlouhá APV vlákna (20 mm).

Tato organická vlákna mohou mít formu jednovláknového nebo vícevláknového pramenu nebo pramenů, přičemž průměr tohoto útvaru je v rozmezí 10 gm až 800 gm. Organická vlákna tedy mohou být použita ve formě tkaných nebo netkaných struktur nebo hybridních pramenů (směsi vláken).

Individuální délka organických vláken je s výhodou v rozmezí 5 mm až 40 mm.

Množství vláken je takové, že jejich objem je menší než 8 % a s výhodou je menší než 5 % objemu betonu po uložení.

Poměr Ι/φ, kde φ je průměr vlákna, je alespoň 20 a s výhodou nejvýše 500.

Testy ukázaly, že dokonce i množství vláken představující objem jen 1 % může být v kompozici matrice účinné, avšak tuto hodnotu nelze pokládat za mezní hodnotu.

Ve skutečnosti závisí vhodné dávkování na geometrii vláken, jejich chemické povaze a jejich vnitřních mechanických vlastnostech (elastickém modulu, prahu tečení, mechanické pevnosti).

-8CZ 302725 B6

Použití směsí vláken majících různé vlastnosti umožňuje uzpůsobit vlastnosti betonu s ohledem na požadované vlastnosti.

Průměrná adhezní síla vláken v cementové matrici musí být alespoň 2 MPa, s výhodou alespoň 5 MPa, v závislosti na povaze vlákna.

Tato síla se stanovuje pokusem o vytažení jednotlivého vlákna zapouzdřeného v betonovém bloku, jak je popsáno dále.

Úroveň adheze vlákno/matrice může být řízena různými způsoby, použitými jednotlivě nebo zároveň.

Adheze vláken v cementové matrici může být dosaženo reaktivitou mezi vláknem a cementovou matricí, která může být zvýšena tepelnou úpravou betonu (tvrzením) nebo povrchovou úpravou vláken.

Druhým způsobem, adhezní síla v cementové matrici může být získána přidáním do kompozice alespoň jedné z následujících sloučenin: sloučeniny oxidu křemičitého sestávající v podstatě z oxidu křemičitého, srážený uhličitan vápenatý, vodný roztok polyvinylalkoholu, fosfáty, latexy, povrchově aktivní činidla (odpěňovací činidlo, smáčedlo a podobně) nebo směsi uvedených sloučenin.

Sloučeniny oxidu křemičitého sestávající v podstatě z oxidu křemičitého jsou syntézní produkty zvolené ze skupiny zahrnující srážené oxidy křemičité, sóly oxidu křemičitého, pyrogenní oxidy křemičité (typu aerosilu), kremičítany hlinité, například Tixosil 28 od firmy RHODIA Chimie, nebo produkty získané leptáním přírodních produktů jílového typu: smektitv. kremičítany horečnaté, sepiolity, montmorilonity.

S výhodou se použije alespoň jeden srážený oxid křemičitý.

Sráženým oxidem křemičitým se rozumí oxid křemičitý získaný srážením reakcí křemičitanu alkalického kovu kyselinou, zpravidla anorganickou, při vhodném pH srážecího média, zejména zásaditém, neutrálním nebo mírně kyselém pH.

Zpravidla je srážený oxid křemičitý zaváděn v množství v rozmezí 0,1 až 5 % suché hmotnosti vztaženo na celkovou betonovou kompozicí. Nad 5 % zpravidla nastávají problémy s rheologií připravovaného betonu.

Srážený oxid křemičitý se s výhodou zavádí do kompozice jako vodná suspenze. Konkrétně může být ve formě vodné suspenze oxidu křemičitého mající:

- obsah sušiny v rozmezí 10 až 40 % hmotn.,

- viskozitu nižší než4.10*² Pa.s při střihu 50 s'¹,

- množství oxidu křemičitého obsažené v matečném louhu uvedené suspenze při 7500 ot/mín po dobu 30 minut je větší než 50 % hmotnosti oxidu křemičitého obsaženého v suspenzi.

Tato suspenze je konkrétněji popsána v patentové přihlášce WO-A 96/01787. Suspenze oxidu křemičitého Rhoximat 60 SL od firmy RHODIA Chimie je zvláště vhodné pro tento typ betonu.

Betonová matrice s výhodou také zahrnuje složky schopné zlepšit soudržnost matrice, zvolené z jehličkovitých nebo destičkovitých složek, jejichž průměrná velikost je nejvýše 1 mm, a obsahuje objemově 2,5 až 35 % přídavku zrnitých (b) a pucolánových (c) složek. Soudržnost matrice je s výhodou alespoň 15 J/m^-, s výhodou alespoň 20 J/m².

„Cementovou matricí“ se rozumí vytvrzená cementová kompozice bez vláken.

Zrnité složky jsou v podstatě jemný písek nebo směsi jemných písků, buď prosátý nebo drcený, který s výhodou zahrnuje křemičitý písek, s výhodou křemenný prach.

Maximální velikost D těchto složek je s výhodou nejvýše 1 mm nebo 500 pm.

Tyto zrnité složky jsou zpravidla obsaženy v množství 20 až 60% hmotn. cementové matrice, s výhodou 25 až 50 % hmotn. této matrice.

io Poměr R mezi průměrnou délkou L vláken a velikostí D částic zrnitých složek je alespoň 5, zejména když zrnité prvky mají maximální velikost částic Imm.

Cement o složení podle vynálezu je s výhodou portlandský cement, jako například cementy Portland CPA PMES. HP. HRP, CEM I PMES, 52,5 nebo 52,5R nebo HTS (s vysokým obsahem oxi15 du křemičitého).

Jemné složky pucolánového typu mají základní velikost částic alespoň 0,1 pm, nejvýše 20 pm, svýhodou nejvýše 0.5 pm. Mohou být zvoleny z oxidů křemičitých, jako například polétavých popílků, vysokopecní strusky, jílových produktů, například kaolínu. Oxid křemičitý může být ve no formě křemičitých sazí ze zpracování zirkon i a, namísto křemičitých sazí ze zpracování křemíku.

Hmotnostní obsahy vody a cementu v kompozici podle vynálezu se mohou měnit za použití náhražek cementu, zejména složek pucolánového typu. Podíl vody je dán hmotnostním poměrem množství vody V k množství cementu se složkami pucolánového typu: pohybuje se mezi asi 8 až

25% nebo 13 až 25%.

Kompozice podle vynálezu také zahrnuje dispergační činidlo. Dispergační činidlo je zpravidla fluidizační činidlo. Fluidizační činidlo může být zvoleno ze skupiny zahrnující lígnosulfáty, kasein. polynaftaleny, zejména polynaftalensulfonáty alkalických kovů, deriváty formaldehydu, .io polyakryláty alkalických kovů, polykarboxyláty alkalických kovů a roubované polyethylenoxidy. Kompozice podle vynálezu zpravidla obsahuje 0,5 až 2,5 hmotnostních dílů fluidizačního činidla na 100 dílů cementu.

Do kompozice podle vynálezu mohou být přidány další složky, například odpěňovací činidlo.

Příklady odpěňovacích činidel jsou například polydimethylsiloxany.

Mezi činidly tohoto typu je možno zmínit zejména silikony ve formě roztoku, pevné látky a s výhodou ve formě pryskyřice, oleje nebo emulze, s výhodou ve vodě. Zvláště výhodné jsou silikony v podstatě obsahující jednotky M(RSÍOo,s) a D(R₂SiO). V tomto vzorci jsou zbytky R, stejné nebo různé, zvoleny ze skupiny zahrnující vodík a alkylové skupiny s 1 až 8 atomy uhlíku, přednostně methyl. Počet jednotek je s výhodou 30 až 120.

Množství takovéhoto činidla v této kompozici je zpravidla nejvýše 5 hmotnostních dílů na 100 dílů cementu.

Velikosti částic se měří za použití MET (transmisní elektronové mikroskopie) nebo MEB (skanovací elektronické mikroskopie).

Beton se připravuje za použití způsobu odborníkovi známého, který zahrnuje míšení pevných složek a vody, tvarování (formování, lití, vstřikování, vtlačování, vytlačování, lisování), a vy tvrzení.

Výsledný beton může být podroben vytvrzení po dobu potřebnou pro dosažení požadovaných mechanických vlastností při teplotě rovnající se teplotě okolí až 100°C, svýhodou 60 °C až

- 10CZ 302725 B6

100 °C. Doba vytvrzování může být 6 hodin až 4 dny, přičemž optimální doba je asi 2 dny, přičemž vytvrzování začíná po dokončení ukládání směsi a alespoň jeden den po započetí ukládání.

Vytvrzování se provádí za sucha nebo za vlhka nebo v cyklu střídání obou podmínek, například 24 hodin se vytvrzuje za vlhka, načež se 24 vytvrzuje za sucha.

Toto vytvrzování se provádí po ukončení ukládání betonové směsi, s výhodou na směsi alespoň jeden den staré, nej výhodněji alespoň 7 dní staré.

Přidávání křemenného práškuje zvláště výhodné, když se beton vytvrzuje při vysoké teplotě.

Výsledné betonové směsi podle vynálezu zpravidla vykazují pevnost Rt v přímém tahu alespoň 6 MPa, přičemž vykazuje houževnatost.

Mohou vykazovat také 4 bodovou pevnost v ohybu Rf alespoň 20 MPa, pevnost v tlaku alespoň 140 Mpa a energii lomu Wf alespoň 2000 J/m².

Soudržnost cementové matrice je získána zejména přidáním, k cementové kompozici, výztužné složky s anizotropickým tvarem a průměrnou velikostí nejvýše 1 mm, s výhodou nejvýše 500 pm.

Zpravidla jsou v kompozici podle vynálezu přítomny výztužné složky ve tvaru jehliček nebo destiček.

V případě mikro-výztužné složky se „velikostí“ rozumí průměrná velikost jejich největšího rozměru (konkrétněji, délka jehličkových tvarů).

Těmito složkami mohou být přírodní nebo syntetické produkty.

Výztužné složky jehličkového tvaru mohou být zvoleny ze skupiny zahrnující wolastonitová vlákna, bauxitová vlákna, mullitová vlákna, vlákna z titaničitanu draselného, vlákna z karbidu křemičitého, fosfátová vlákna, například vlákna z fosforečnanu vápenatého, zejména z hydroxyapatitu (HAP), vlákna z celulózy nebo jejích derivátů, uhlíková vlákna, vlákna z uhličitanu vápenatého, skelná vlákna odolná vůči alkáliím. Také mohou být použita krátká vlákna (délky nejvýše 2 mm, s výhodou nejvýše 1 mm) z polyvinylalkoholu, polyakiylonitrilu, vysokohustotního polyethylenu, polyamidu, aramidu nebo polypropylenu. Pojem výztužné složky podle vynálezu zahrnuje také materiály jako ocelová vlákna.

Výztužné složky tvaru destiček mohou být zvoleny ze skupiny zahrnující slídové destičky, talkové destičky, destičky ze složených silikátů (jíly), destičky z vermikulitu, destičky z oxidu hlinitého.

V betonové kompozici podle vynálezu je možno použít směsi různých forem nebo typů mikrovýztužných složek.

Tato výztužná činidla mohou vykazovat na povrchu polymemí organický povlak získaný z alespoň jedné z následujících složek: polyvinylalkohol, sílaný, kremičitany, siloxanové pryskyřice nebo polyorganosiloxany nebo produkty reakce (i) alespoň jedné karboxylové kyseliny obsahující 3 až 22 atomů uhlíku, (iii) alespoň jednoho polyfunkčního aromatického nebo alifatického aminu nebo substituovaného aminu, obsahujícího 2 až 25 atomů uhlíku a (iii) zesíťovacího činidla, kterým je vodorozpustný kovový komplex, obsahující alespoň kov zvolený ze skupiny zinek, hliník, titan, měd\ chrom, železo, zirkonium a olovo.

Tloušťka povlaku může být mezi 0,01 pm a 10 pm, s výhodou mezi 0,1 pm a 1 pm.

- 11 CZ 302725 B6

Latexy mohou být zvoleny ze skupiny zahrnující styrenbutadienové latexy, akrylové latexy, styrenakrylové latexy, methakrylové latexy, karboxylované a fosfátizované latexy. Preferovány jsou latexy mající vápenatou komplexotvornou složku.

? Organické polymemí povlaky mohou být získány zpracováním výztužných činidel v přítomnosti některé z výše uvedených látek ve íluidním loži nebo za použití mísiče typu Eorberg.

Výhodné sloučeniny zahrnují polysiloxan H240, siloxanové pryskyřice Rhodorsií 878, 865 a 1830 PX, křemičitany draselné 403/60/WS a EB LS 14 Manalox, všechny od RHODIA io Chimie.

Takovéto zpracování se doporučuje zvláště pro výztužná činidla, která jsou přírodními produkty.

Beton může být předepjat s adhezními dráty nebo adhezními prameny, nebo může být dodatečně is předepjat mazivem povlečenými monofily nebo povlečenými lany nebo tyčemi, přičemž lana jsou vytvořena ze souborů drátů nebo pramenů.

Předpčtí, ať již vytvořené předem nebo dodatečné předpětí, je pro betonové produkty podle vynálezu zvlášť vhodné.

Kovová předepínaeí lana mají vždy vysoké pevnosti v tahu, jestliže jsou nesprávně použita nedovoluje křehkost matrice, v kteréjsou uložena, optimalizovat rozměry betonových stavebních součástí.

Zlepšení bylo dosaženo použitím vysokovýkonných betonových směsí; v případě betonu podle vynálezu je materiál homogenně vyztužen organickými nebo hybridními vlákny, která umožňují dosáhnout vysoké mechanické pevnosti zároveň s určitou houževnatostí. Předepnutí tohoto materiálu pomocí lan nebo pramenů, jakéhokoliv druhu, se prakticky vždy používá pro vytvoření, v tahu velmi odolných a v ohybu předepjatých a tím optimalizovaných betonových prvků.

Zmenšení objemu získané jako výsledek tohoto zvýšení mechanické pevnosti umožňuje vytvoření velmi lehkých prefabrikovaných prvků. To poskytuje možnost získat betonové prvky velkého rozpětí, které mohou být vzhledem kjejich nízké hmotnosti snadno přepravovány; To je zvláště vhodné pro velká stavební díla toho druhu, kde se široce používá dodatečné predpětí. Toto řešení poskytuje pro tento typ prací zvláště příznivé výsledky montáže a doby stavby.

Kromě toho, tepelné zpracování významně snižuje kontrakci po vy tvrzení, čímž zároveň snižuje ztráty předpětí.

Tato vlastnost je zvláště žádána, a všechny výše uvedené výhody, spojené s velmi nízkou perní eab i litou produktu, velmi příznivé pro vytvrzovatelnost a údržbu díla, umožňují, že tento materiál může s výhodou nahrazovat ocelové konstrukce.

Vynález se také týká cementové matrice uzpůsobené pro získání a realizaci výše uvedeného beto45 nu.

Vynález se týká také předsměsi obsahujících všechny nebo část složek nezbytných pro přípravu betonu a matrice uvedené výše.

- 12CZ 302725 B6

Příklady provedení vynálezu

Následující příklady ilustrují vynález, neomezují však jeho rozsah,

Příprava vzorku

1) Suroviny m - Portlandský cement: cement s vysokým obsahem oxidu křemičitého typu HTS (LAFARGE, Francie)

Písek: křemenný písek BE31 (SIFRACO, Francie) is - Křemenný prach: C400, 50 % částic je menších než 10 μΐ SIFRACO, Francie)

- Křemičité saze: skelné mikročástice oxidu křemičitého získané při výrobě zirkonia (SEPR, Francie)

- Pomocné látky: plastífíkátor X404 (MAPEI, Itálie) nebo OPTIMA 100 (CHRYSO, Francie)

- Vlákna: organická vlákna APV (KURARAY RM182, RF1500 a RF 4000, Unitika 1800), PEHD (DSM-Dyneema) nebo PA (FILTEC PAK 50). Jsou přítomna jako jednotlivé prameny o průměru 50 až 600 pm a délce 5 až 32 mm. Dávkují se v množství 1 % až 5 % objemo25 vě (vztaženo na celkový objem)

- Výztužná složka tvaru jehliček: wolastonit (CaSiOa) NYAD G (NYCO USA)

- Výztužná složka tvaru destiček: slída (muskovit) MG 160 (KAOLINS D'ARVOR, Francie).

2) Způsob výroby

Složky se míchají v následujícím pořadí:

- Smísení matrice z práškových složek a dodatečných složek

- Zavedení vody a části pomocných látek Míšení

Zavedení zbývající části fluidizačního činidla

- Míšení

- Zavedení výztužných vláken

- Míšení.

Doba míšení je silně závislá na typu použitého mísiče (EIRICH nebo HOBART).

Odplynění se může usnadnit míšením při snížené rychlosti na konci procesu.

Formy se pak naplní a vibrují obvyklým postupem.

3) Vytvrzování

Zrání při 20 °C. Testovací vzorky byly uvolněny 48 hodin po odlití. Poté byly podrobeny zpracování spočívajícímu v jejích uložení pod vodou při přibližně 20 °C po dobu alespoň dnů. Testovací vzorky byly zpracovány (v závislosti na prováděné zkoušce) 26 až 28 dní po lití a v následujících dnech byly prováděny zkoušky.

- 13 CZ 302725 B6 t epelné zpracování při 90 °C. Testovací vzorky byly uvolněny 48 hodin po odlití. Poté byly podrobeny tepelnému zpracování spočívajícímu v jejich uložení v peci při 90 °C po dobu 24 hodin ve vlhkém vzduchu (>90 °C RH) a poté 24 hodin v suchém vzduchu. Zpracování > bylo prováděno 6 dní po lití a v následujících dnech byly prováděny zkoušky (minimálně dní po lítí).

Měřící metody io Pevnost v přímém tahu Rt

Toto je hodnota získaná měřením napětí v přímém tahu na testovacích vzorcích činkovitého tvaru, zhotovených z hranolů 70x70x280 mm, ze kterých byly vyrobeny řezy 70x50 mm² o výšce 50 mm. Testovací vzorky, pečlivě srovnané, byly pevně namontovány na zkušební desku (UTS) is s jedním stupněm volnosti (není spojena s klouby kardanového typu).

F max

Rt = 70x50 kde Frnax představuje maximum pevnosti v N (vrchol) pro lom na středovém úseku 70x50.

Koeficient houževnatosti 6

Koeficient houževnatosti δ je definován rovnicí δ=ε_Λσι,/ε_Βσ_Λ jestliže σ_Λ>σ_[} kde ε_Λ je maximální deformace, a s_Ci=8_t}.aA/crn představuje deformaci, která by byla získána při maximu napětí elastickou extrapolací výsledné deformace při trvajícím napětím.

Pevnost v ohybu Rf

i) 4 bodové ohýbání

Rf je hodnota získaná 4 bodovým ohýbáním (vzdálenost mezi osami: 70x210) na hranolovém 70x70x280 zkušebním vzorku namontovaném na tvarové podložce.

3Fmax(I-I')

Rf = 2dw² kde Frnax představuje maximum pevnosti vN (pevnost ve vrcholu), 1=210 mm a T=l/3 a d=w=70 mm.

i i) 3 bodové ohýbání

- 14 CZ 302725 B6

Rf je hodnota získaná 4 bodovým ohýbáním (vzdálenost mezi osami: 200) na hranolovém 40x40x250 zkušebním vzorku namontovaném na tvarové podložce.

3Fmwl

Rf = 2dw² kde Fmax představuje maximum pevnosti v N (pevnost ve vrcholu), 1=200 mm a d=w=40 mm.

Pevnost v tlaku Re

Rc je hodnota získaná přímým stlačením přesného válcového vzorku (průměr 70 mm, výška 140 mm).

4F

Rc = 2d² kde F představuje sílu v N při přetržení a d je průměr vzorku (70 mm).

Soudržnost Ke, Gc

Soudržnost se vyjadřuje buď v termínech síly (kritický faktor intenzity síly Kc) nebo v termínech energie (kritická velikost energie Gc), za použití vyjádření lineární mechaniky.

Byly prováděny pokusy 3 bodovým ohýbáním drážkovaných hranolů 40x40x250 nebo 70x70x280 mm, tj. SNEB geometrie vzorku (způsob podle ASTM-E 399-83). Drážka tvaru V je v těchto hranolech vytvořena za sucha, za použití rozbrušovacího stroje opatřeného diamantovým diskem. Relativní hloubka a/w drážky je (aje hloubka drážky, w je výška vzorku).

Kritický faktor intenzity síly se získá ze zatížení F při přetržení a délky trhliny v bodě nestability (servopohybový test, 10² mm/s, na univerzálním zkušebním stroji SCHENCK):

3FI

Kc = - JaY

2dw² kde 1 představuje vzdálenost mezi osami mezi opěrnými body (ohýbací stůl), = 210 mm, d resp. w je hloubka resp. výška vzorku, a je délka drážky při zlomu,

Y je parametr tvaru závisející na délce lomu (a=a/w).

Pří 3 bodovém ohýbání se s výhodou používá parametr Y podle SCRAWLEY J. E. (International J. of Fracture (1976), sv. 12, str. 475^76):

1,99-α(1-α) (2,15-3, 93α+2, 7α²) (1+2α) (1-α)^3/2

- 15 C7. 302725 B6

Ge může být získán z křivky síla-posunutí /a podmínky, že jsou korigovány vlivy interference pnutí, a že pohlcená energie se týká řezu provazce (w-a)xd.

s Při rovinné deformaci existuje jednoduchý vztah mezi Ke a Ge:

Kc²(l-v²)

Gc = E kde E je elastický modul, ío v představuje Poissonovu konstantu.

E je experimentálně získán vibrováním hranolového vzorku neseného na dvou operách základní frekvencí (metoda GR1NDO-SON1C).

Energie lomu Wf

Wf je hodnota získaná stanovením celkové plochy pod křivkou síla—prohýb při 4 bodové ohýbací zkoušce na hranolu 70x70x280 mm. Naměřený prohýb se koriguje pro stanovení reálného posunutí vzorku.

/F5c

Wf = 2dw kde F je aplikovaná síla, 8c je reálný posun (korigovaný prohýb), dxw v úseku vzorku.

Adheze

Pokud jde o adhezi organických vláken v cementové matrici, se stanovuje extrakcním testem jednotlivého vlákna zapouzdřeného v betonovém bloku.

jo Dráty se zabudují do betonových bloků o rozměrech 4x4x4 cm. Použitá kompozice je stejná jako v případě testovacích vzorků při mechanických zkouškách (ohybu, tlaku a tahu): poměr voda/cement je 0,25.

Zabudované dráty o délce 10 mm jsou vytahovány tahem za použití univerzálního testovacího stroje (SCHENK) rychlostí 0,1 mm/min.

Vyvíjená sílaje měřena pomocí upraveného senzoru síly a posunutí drátu (vzhledem ke vzorku) pomocí extenzometru.

Průměrná síla adheze se vyhodnocuje z následujícího zjednodušeného vzorce kde Fmax je maximální měřená síla, φ je průměr drátu a I_e je zabudovaná délka.

- 16CZ 302725 B6

F max

Ta = πφΙ_β

Příklady s

Betonové směsi s vlákny byly vyrobeny za použití vláken definovaných v následujících tabulkách I až VT, přičemž složení těchto betonových směsí je definováno v tabulkách II až VI. Všechna složení jsou vztažena na hmotnost.

io Účinky uvedených betonových směsí jsou uvedeny v následujících tabulkách II až V, jakož i na obr. 2 až 14.

Na těchto obrázcích:

Obr. 2 je graf získaný zkouškami 4 bodovým ohýbáním, kde jsou na ose y hodnoty napětí v MPa a na ose x hodnoty prohýbu v mm pro vzorky betonu s poměrem V/C~0,2 a zráním 20 °C (28 dní): porovnání ocelových vláken (ocelových kordů) a organických vláken (APV).

Obr. 3 je graf získaný zkouškami 4 bodovým ohýbáním, kde jsou na ose y hodnoty napětí v MPa zn a na ose x hodnoty prohýbu v mm pro vzorky betonu s poměrem V/C=0,2 a tepelným zpracováním při 90 °C: porovnání ocelových vláken (ocelových kordů) a organických vláken (APV).

Obr. 4 je graf získaný testy v přímém tahu, kde jsou na ose y hodnoty napětí v MPa a na ose x hodnoty prodloužení v mm pro vzorky betonu s poměrem V/C=0,2 a zráním 20 °C (28 dní):

organická vlákna (APV).

Obr. 5 je graf získaný testy v přímém tahu, kde jsou na ose y hodnoty napětí v MPa a na ose x hodnoty prodloužení v mm pro vzorky betonu s poměrem V/C=0,2 a tepelným zpracováním 90 °C (28 dní): organická vlákna (APV).

Obr. 6 je graf získaný testy v přímém tahu, kde jsou na ose y hodnoty napětí v MPa a na ose x hodnoty prodloužení v mm pro vzorky betonu obsahujícího wolastonit, s poměrem V/C=0,24 a zráním 20 °C (28 dní): organická vlákna (APV). Kriterium houževnatosti δ kolísalo přibližně mezi 3 až 5.

Obr. 7 je graf získaný zkouškami 3bodovým ohýbáním, kde jsou na ose y hodnoty síly v N a na ose x hodnoty posunutí v mm pro vzorky betonu s poměrem V'C-0,25 a tepelným zpracováním při 90 °C, vlákna APV RF 1500.

Obr. 8 je graf získaný zkouškami 3bodovým ohýbáním, kde jsou na ose y hodnoty síly v N a na ose x hodnoty posunutí v mm pro vzorky betonu s poměrem V/C=0,25 a tepelným zpracováním pri 90 °C, vlákna APV RF 1500 různých délek (10 až 30 mm).

Obr. 9 je graf získaný zkouškami 3bodovým ohýbáním, kde jsou na ose y hodnoty síly v N a na ose x hodnoty posunutí v mm pro vzorky betonu s poměrem V'C0.25 a tepelným zpracováním pří 90 °C, vlákna PEHD.

Obr. 10 je graf získaný zkouškami 3bodovým ohýbáním, který představuje efekt směsi organických vláken APV (2 % obj. RF 1500 a 2 % obj. RF 4000) v betonové matrici s poměrem

V/C‘0,25 a tepelným zpracováním pri 90 °C po dobu 48 hodin.

- 17CZ 302725 Β6

Obr. 1 I je graf představující křivky napětí/posunutí získané zkouškami 3bodovým ohýbáním s kompozicemi 18 a 19 s PEIID vlákny podle tab. V.

Obr. 12 je graf obdobný tomu na obr. 11, získaný s kompozicemi 20 a 21 s PA vlákny podle tab. V.

Obr. 13 je graf obdobný těm na obr. II a 12, získaný s kompozicemi 22, 23 a 24 s APV vlákny a 25 s hybridními vlákny APV/ocel podle tab. V.

Obr. 14 je graf obdobný těm na obr. II až 13 pro srovnání chování vláken různých typů v kompozicích 18 (PEHE), 20 (PA) a 23 (APV) podle tab. V.

Obr. 15 je graf ilustrující výsledky získané ve zkoušce vytahováním jednotlivých vláken, kde na ose y je vynesena aplikovaná síla a na ose x posunutí, s matricí z kompozice uvedené v tabulce VI.

Výsledky získané pří 3bodovém ohýbání v příkladech 18 až 25 korespondují s pokusy prováděnými za použití vzdálenosti 120 mm mezi osami na hranolovém testovacím vzorku 40x40x160 mm.

Výztužný účinek vláken rozptýlených v betonové matrici zjištěný prostřednictvím (4bodových) ohýbacích zkoušek je zřetelně zvýšen (Obr. 2 a 3). Vlákna z polyvinylalkoholu (APV) zabudovaná v množství 4 % obj. vedou k vlastnostem obdobným vlastnostem získaným s disperzí ocelových kordů (2 % obj.). Tepelné zpracování (90 °C) vyvolává určitou reaktivitu mezi APV vlákny a betonovou matricí: proto lze pozorovat vysoký vrchol napětí pozorovaný při (4bodovém) ohýbání.

Při napětí v přímém tahu (obr. 4 a 5) je pozorován důležitý efekt zpracovatelnosti za studená (houževnatost) v přítomnosti 4 % obj. vláken z polyvinylalkoholu (APV): mnohonásobné praskání vzorku testovaného na napětí v tahu. Tento jev není pozorován v případě ocelových vláken pro jejich vysokou tuhost adhezi takovýchto vláken v betonové matrici. Hodnota vrcholu je podstatně zlepšena v případě tepelného zpracování při 90 °C.

Obdobné vlastnosti jsou pozorovány v případě APV vláken dispergovaných v matrici obsahující wolastonit (Obr. 6), s vyšším napětím při prvním poškození.

Při přítomnosti organických vláken vykazují betonové směsi testované 3bodovým ohýbáním vysokou houževnatost: vysoká zpracovatelnost za studená až do vrcholu napětí, za vrcholem pohlcování energie. To je pozorováno jak u APV vláken z polyvinylalkoholu (obr. 7), tak u vysokohustotních polyethylenových vláken (obr. 9).

Délka vláken musí být optimalizována jako kompromis mezí Theologickými a mechanickými vlastnostmi. Například pro vlákna APV mající průměr přibližně 400 μηι byl při 3bodovém ohýbání zjištěn přechod při délce vláken přibližně kolem 18 mm (obr. 8). To poskytuje elongační faktor přibližně 50,

Výhoda smčsi vláken je ilustrována na obr. 10. Bylo pozorováno jednak že APV vlákna průměrných rozměrů (KURARAY 1500, 4 % obj.) vedou ke zvýšení pevnosti v ohybu (vrchol napětí) betonu, jednak že APV vlákna většího rozměru (KURARAY 4000, 4 % obj.) vedou k významnému pohlcování energie při ohýbáni (část za vrcholem), avšak nezhoršují pevnost (vrchol napětí). Kombinace těchto dvou typů vláken umožňuje překvapivě získat vyztužený beton mající (například v ohybu) jak zlepšenou pevnost v ohybu (vrchol napětí), tak pohlcování energie (houževnatost) (obr. 10).

- 18CZ 302725 B6

Efekt pro tento účel může být zvýšen hybridním vyztužením, kombinací organických vláken a kovových vláken.

Vynález není omezen na popsané vytvoření.

s

Zahrnuje také betonové směsi, které vedle nárokovaných kompozic nebo jim ekvivalentních kompozicí mohou zahrnovat složky navíc, pokud tyto složky navíc nebrání očekávaným účinkům nárokovaných kompozicí nebo jim ekvivalentních kompozicí, a předsměsi obsahující všechny nebo část složek nezbytných pro výrobu betonové matrice.

Tabulka X

Vlastnosti zkoumaných organických vláken

	Hustota	Modul E (GPaJ	Mecha- nická pevnost (Mpa)	Prodloužení při přetržení (%)	Průměr (pm)	Délka (mm)	Teplota tavení (°C)
APV RM182 RF350 RF1500 RF4000	1,3	20-30	800-1200	7-10	15 200 400 600	6 12 20/30 30	220
PEHD	0, 97	90	2700	3-5	50 50 50	5 10 18	450
PA	1,12	2-5	500-900	20-30	500 500	20 30	260
ocel	7,6	210	2900		200	13	1550

- 19CZ. 302725 B6

Tabulka II

Vyhodnocení mechanických vlastností betonových směsí s vlákny: porovnání vláken APV a ocelových vláken

Příklad č.	1	2	3	4	5	6	7	8
Portlandský cement	1	1	1	1	1	1	1	1
Písek	1,430	1,430	1,430	1,430	1, 430	1, 430	1,29	1,29
Křemenný prach	0, 300	0, 300	0,300	0,300	0, 300	0,300	0,300	0, 300
Křemičité saze	0, 325	0,325	0,325	0,325	0, 325	0,325	0,325	0,325
Pomocné látky (sušina)	0,012	0,012	0, 012	0,012	0, 012	0,012	0,015	0,015
Voda	0,200	0,200	0,24	0,24	0,20	0,20	0,24	0, 24
Vlákna: typ % obj .	žádná	žádná	ocel 2 %	ocel 2 %	APV 4 %	APV 4 %	APV 4 %	APV 4 %
Wollastonit	0	0	0	0	0	0	10	10
Slída	0	0	0	0	0	0	0	0
Teplota zrání nebo tepelného zpracování (°C)	20	90	20	90	20	90	20	90
Pevnost ve 4 bodovém ohybu	16, 6	16,5	18,5	21,3	23	27,5	22	27
Pevnost v tahu (MPa)	M	6,75	7,75	10,75	9	8,5	9,25	9,45
Soudržnost Gc (J/m²)	9,2	10	10	10, 5	9,75	10, 25	20	22
Pevnost v tlaku	190	198	155	182,5	138	147,5	143	147
Pohlcená energie wf (J/m²)	12	15	>5000	>5000	>5000	>5000	>5000	>5000

Typ vláken: APV - polyvinylalkohol

-20CZ 302725 B6

Tabulka III

Vyhodnocení mechanických vlastností získaných s různými organickými vlákny

Příklad č.	9	10	11	12	13
Portlandský cement	1	1	1	1	1
Písek	1,430	1,430	1,430	1,430	1,430
Křemenný prach	0,300	0, 300	0,300	0,300	0,300
Křemičité saze	0,325	0, 325	0,325	0,325	0,325
Pomocné látky (sušina)	0,01	0,01	0,01	0,01	0,01
Voda	0,25	0,25	0,25	0,25	0,25
Vlákna: typ % obj .	APV1500 4	APV4000 4	APV1800	PEHD 1	PAN 1,5
Teplota zrání nebo tepelného zpracování (“O	90	90	90	90	90
Pevnost ve 3 bodovém ohybu (MPa)	35	27	25	22,5	20
Soudržnost Gc (J/m²)	10	10	11,25	11	10
Pevnost v tlaku	142	145		152,5	145
Pohlcená energie Wf (J/m²)	12	15	>5000	>5000	>5000

APV vlákna - polyvinylalkohol KURARAY{1500,4000),

UNITIKA(1800)

PEHD = vysokohustotní polyethylen

PAN - polyakrylonitril

-21 CZ 302725 Bó

Tabulka IV

Vlákna APV(1500): efekt délky vlákna

Příklad č.	14	15	16	17
Portlandský cement	1	1	1	1
Písek	1,430	1,430	1,430	1, 430
Křemenný prach	0,300	0, 300	0, 300	0,300
Křemičité saze	0, 325	0,325	0, 325	0,325
Pomocné látky (sušina)	0, 01	0, 01	0,01	0, 01
Voda	0,25	0,25	0,25	0,25
Vlákna: délka (mm) % obj .	30 4	18 4	12 4	6 4
Teplota zrání nebo tepelného zpracování (°C)	90	90	90	90
Pevnost ve 3 bodovém ohybu (MPa)	35	30	16, 5	12
Pevnost v tlaku	145	152	132,5	135

Typ lomu	houževnatý	houževnatý	nezpracovatelný za studená	pololámavý

Tabulka V

Příklad č.	18	49	20	21	22	23	24	25
Portlandský cement	1	1	1	1	1	1	1	1
Křemičité saze	0,325	0,325	0,325	0,325	0,325	0,325	0,325	0,325
Křemenný prach	0,3	0,3	0,3	0,3	0,3	0,3	0,3	0,3
Písek	1,43	1,43	1,43	1,43	1,43	1,43	1,2	1,43
Wollastonit	0	0	0	0	0	0	0,24
Pomocné látky (sušina)	0,01B	0,018	0,018	0,018	0,019	0,017	0,018	0,018
Voda (V/C)	0,25	0,25	0,22	0,22	0,19	0,21	0,21	0,25
Vlákna: typ	PEHD	PEHD	PA	PA	APV	APV	APV	APV	ocel
Vlákna: Délka (mm)	5	10	20	30	12	20	20	6	13
Vlákna: průměr (mm)	0,05	0,05	0,5	0,5	0,2	0,4	0,4	0,01 5	0,2
Vlákna: % obj.	1,5	1	5	5	4	4	4	1	2
Teplota tepelného zpracování CC)	90	90	90	90	90	90	90	90
Pevnost ve 3 bodovém ohybu 40x40x160	26,5	24,6	20, 4	21,3	20, 5	24, 9	27,9	44,0
Pevnost v tlaku MPa	121	185	122	139	150	137	140	178

-23 CZ 302725 B6

Tabulka VI

Složení matrice použité pro zkoušky vytahováním

Portlandský cement	1
Písek	1,43
Křemenný prach	0,3
Křemičité saze	0,325
Pomocné látky (sušina)	0,018
Voda (V/C)	0,25
Teplota zrání nebo tepelného zpracování (°C)	90

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims

1. Beton, obsahující vytvrzenou cementovou matrici, ve které jsou rozptýlena organická vláklo na, získaný smísením vody a kompozice, obsahující kromě organických vláken:

(a) cement, (b) zrnité složky, (c) jemné složky pucolánového typu,

15 (d) alespoň jedno disperzní Činidlo, vyznačující se tím, že (1) zrnité složky (b)jsou přítomny v poměru od 30 do 60% hmotnostních cementové matrice 20 a mají velikost D částic nejvýše 2 mm, zejména nejvýše 1 mm, (2) jemné složky (c) pucolánového typu mají základní velikost Částic nejvýše 20 pm, zejména nejvýše 1 pm,

25 (3) hmotnostní percentuální množství vody vzhledem k přidané hmotnosti cementu (a) a jemných složek (c) pucolánového typu je v rozmezí od 8 % do 25 %, (4) organickými vlákny jsou polyvinylalkoholová vlákna, polyakrylonítrilová vlákna, polyetylénová vlákna, vlákna z polyetylénu o vysoké hustotě, polyamidová nebo polyimidová vlákna,

-24 CZ 302725 B6 polypropylénová vlákna homopolymerní nebo kopolymemí, nebo směsi těchto vláken, přičemž vlákna mají individuální délku 1 alespoň 2 mm a poměr l/Φ, alespoň 20, kde Φ je průměr vlákna.

(5) množství vláken je takové, že jejich objem představuje od 1 % do 8% objemu betonu po jeho vytvrdnutí, a (6) poměr R mezi průměrnou délkou L vlákna a maximální velikostí D částic zrnitých složek je alespoň 5.

2. Beton, obsahující vytvrzenou cementovou matrici, ve které jsou rozptýlena organická vlákna, získaný smísením vody a kompozice, obsahující kromě organických vláken:

(a) cement, (b) zrnité složky, přítomné v poměru od 30 % do 60 % hmotnostních cementové matrice, (c) jemné složky pucolánového typu, (d) alespoň jedno disperzní činidlo, vyznačující se tím, že (1) jemné složky pucolánového typu mají základní velikost částic nejvýše 1 pm, zejména nejvýše 0,5 mm, (2) hmotnostní percentuální množství vody vzhledem k hmotnosti cementu (a) a složek (c) je v rozmezí od 8 do 24 %, (3) organickými vlákny jsou polyvinylalkoholová vlákna, polyakrylonitrilová vlákna, polyetylénová vlákna, vlákna z polyetylénu o vysoké hustotě, polyamidová nebo polyimidová vlákna, polypropylénová vlákna homopolymerní nebo kopolymemí, nebo směsi těchto vláken, přičemž vlákna mají individuální délku 1 alespoň 2 mm a poměr l/Φ, alespoň 20, kde Φ je průměr vlákna, (4) množství vláken je takové, že jejich objem představuje nejvýše od 1 % do 8 % objemu betonu po jeho vytvrdnutí, (5) všechny složky (a), (b) a (c) mají velikost částic D75 nejvýše 2 mm. zejména nejvýše 1 mm, a velikost částic D 50 nejvýše 150 pm, zejména nejvýše 100 pm, a (6) poměr R mezi průměrnou délkou L vlákna a maximální velikostí D75 všech složek (a), (b) a(c)je alespoň 5, zejména alespoň 10.

3. Beton podle kteréhokoliv z nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že při přímém tahovém napětí má roztažnost, vyjádřenou koeficientem δ roztažnosti, δ > 1, zejména δ > 1,25.

4. Beton podle kteréhokoliv z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že poměr 1/Φ vláken je nejvýše 500.

5. Beton podle kteréhokoliv z nároků I až 4, vyznačující se tím, že průměrné adhezní napětí vláken ve vy tvrzené cementové matrici je alespoň 2 MPa, zejména alespoň 5 MPa.

- 25

6. Beton podle kteréhokoliv z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že cementová matrice dále obsahuje, pro zvýšení adheze vlákna k matrici, alespoň jednu z následujících sloučenin: sloučeniny oxidu křemičitého, sestávající v podstatě z oxidu křemičitého, srážený uhličitan vápenatý, vodný roztok polyvinylalkoholu, fosfáty, latexy, odpěňovací činidlo nebo směsi uvedených sloučenin.

7. Beton podle nároku 6, vyznačující se tím, že sloučeninou oxidu křemičitého je srážený oxid křemičitý v množství 0,1 až 5 % hmotnostních sušiny vztaženo na celkovou hmotnost betonu.

s

8. Beton podle nároku 7, vyznačující se tím, že srážený oxid křemičitý je do směsi zaveden ve formě vodné suspenze.

9. Beton podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že ěást i o organických vláken je nahrazena kovovými vlákny, přičemž kovová vlákna mají individuální délku l alespoň 2 mm a poměr l/Φ prodloužení alespoň 20, kde Φ je průměr vlákna.

10. Beton podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že obsahuje kombinaci krátkých a dlouhých organických a/nebo kovových vláken.

I 5

11. Beton podle kteréhokoliv z nároků l až 10, v y z n a č uj í c í se t í m , že obsahuje složky schopné zlepšit soudržnost matrice, zvolené z jehličkovítých nebo destičkovitýcb složek, jejichž průměrná velikost je nejvýše 1 mm, a kterých obsahuje objemově 2,5 až 35 % přídavku zrnitých složek (b) a pueolánových složek (e).

12. Beton podle nároku 11, vyznačující se tím, že soudržnost cementové matrice je alespoň 15 J/m².

13. Beton podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že sou25 držnost matrice je dosažena přídavkem výztužných složek anizotropního tvaru o průměrné velikosti nejvýše 500 gm k cementové kompozicí.

14. Beton podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že výztužné složky jsou přítomny v množství 5 až 25 % objemových přidaných zrnitých složek (b) jo a pueolánových složek (c).

15. Beton podle kteréhokoliv z nároků 11 až 14, vyznačující se tím, že výztužné sloky jehličkového tvaru jsou zvoleny ze skupiny, zahrnující wolastonitová vlákna, bauxitová vlákna, mullitová vlákna, vlákna z titaničitanu draselného, vlákna z karbidu křemičitého, vlákna

35 z celulózy nebo jejích derivátů, uhlíková vlákna, vlákna z fosforečnanu vápenatého, zejména z hydroxy apatitu HAP, vlákna z uhličitanu vápenatého, skelná vlákna odolná vůči alkáliím nebo produkty získané rozmělněním těchto vláken nebo směsí uvedených vláken, krátká vlákna o délce nejvýše 2 mm, s výhodou 1 mm, z polyvinylalkoholu, polyakrylonitrilu, vysokohustotního polyethylenu, polyamidu, aramidu nebo polypropylenu, jakož i materiály jako ocelová vlákna.

16. Beton podle kteréhokoliv z nároků 11 ažl 4, vyznačující se tím, že destičky jsou zvoleny ze skupiny, zahrnující slídové destičky, mastkové destičky, destičky ze složených silikátů (jíly), destičky z vermikulitu, destičky z oxidu hlinitého a směsi těchto destiček.

45

17. Beton podle kteréhokoliv z nároků 13 až 16, vyznačující se tím, že alespoň část anizotropních výztužných složek má na povrchu polymemí organický povlak, získaný z alespoň jedné z následujících složek: polyvinylalkohol, sílaný, křemičitany, siloxanové pryskyřice, polyorganosiloxany nebo produkty reakce (i) alespoň jedné karboxylové kyseliny obsahující 3 až 22 atomu uhlíku, (ii) alespoň jednoho polyfunkčního aromatického nebo alifatického aminu nebo

50 substituovaného aminu, obsahujícího 2 až 25 atomů uhlíku a (iii) zesíťovacího Činidla, kterým je vodorozpustný kovový komplex, obsahující alespoň kov zvolený ze skupiny zinek, hliník, titan, měď. chrom, železo, zirkonium a olovo.

18. Beton podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že veli55 kost zrnitých složek (b) je nejvýše 500 μπι.

- 26CZ 302725 B6

19. Beton podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že zrnité složky (b) jsou jemné písky nebo směsi jemných písků, prosáté nebo drcené, zejména zahrnující křemičitý písek, zejména křemenný prach.

20. Beton podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že zrnité složky (b) jsou obsaženy v rozmezí od 25 % do 50 % hmotnostních cementové matrice.

21. Beton podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že jemné složky (c) pucolánového typu jsou zvoleny ze skupiny, obsahující oxid křemičitý, zejména křemičité saze, polétavé popílky a vysokopecní strusky.

22. Beton podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že percentuální množství vody vztažené k hmotnosti cementu (a) a složek (c) pucolánového typu je od 13 % do 25 % hmotnostních.

23. Beton podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že má pevnost v přímém tahu alespoň 6 MPa.

24. Beton podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, žerná pevnost ve čtyřbodovém ohybu alespoň 20 MPa.

25. Beton podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, žerná pevnost v tlaku alespoň 120 MPa, zejména 140 MPa.

26. Beton podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím energii lomu alespoň 2000 J/m².

že má

27. Beton podle kteréhokoliv z nároků laž26, vyznačující se tím, že je po vytvrdnutí podroben zrání při teplotě blízké okolní teplotě, například při 20 °C, po dobu potřebnou pro dosažení požadovaných mechanických vlastností.

28. Beton podle kteréhokoliv z nároků 1 až 27, vyznačující se tím, že je po vytvrdnutí podroben tepelnému zpracování při teplotě od 60 °C do 100 °C a při normálním tlaku.

29. Beton podle nároku 28, vyznačující se tím, že doba tepelného zpracování je od 6 hodin do 4 dnů, zpravidla od 6 hodin do 72 hodin.

30. Beton podle kteréhokoliv z nároků laž29, vyznačující se tím, zeje předepjat.

31. Beton podle kteréhokoliv z nároků 1 až 29, vyznačující se tím, že je dodatečně předepjat.