CZ305168B6

CZ305168B6 - Vysokohodnotný cementový kompozit

Info

Publication number: CZ305168B6
Application number: CZ2012-810A
Authority: CZ
Inventors: Petr Konvalinka; Petr Máca; Radoslav Sovják
Original assignee: České vysoké učení technické v Praze, Fakulta stavební, Experimentální centrum
Priority date: 2012-11-20
Filing date: 2012-11-20
Publication date: 2015-05-27
Also published as: CZ2012810A3

Abstract

Popisuje se vysokohodnotný cementový kompozit, který se skládá z cementové matrice, křemenného plniva a pucolánových příměsí a vznikne smísením s vodou. Pojivová složka se skládá ze 100 hmotnostních dílů cementu, z 10 až 40 dílů pucolánových příměsí, 10 až 30 dílů vody a 1 až 5 dílů superplastifikátoru, přičemž plnivo tvoří inertní křemenné písky o zrnitosti 0,01 až 1 mm v množství 100 až 200 hmotnostních dílů a mikromleté příměsi o velikosti částic menší než 10 .mi.m v množství 25 až 32 hmotnostních dílů.

Description

Oblast techniky

Předkládané řešení se týká vysokohodnotného cementového kompozitu, který obsahuje inertní křemenné plnivo, jemně mletou křemičitou moučku a pojivo na cementové bázi s vysokým obsahem amorfního oxidu křemičitého.

Dosavadní stav techniky

Betony v moderním slova smyslu na bázi cementu jsou známy již více než 100 let. Většinou se jedná o směsi portlandského cementu, hrubého a jemného kameniva, vody a chemických a minerálních přísad. Zhruba od počátku osmdesátých let se do betonu začaly přidávat křemičité úlety, někdy také nazývané mikrosilika, které vznikají jako odpadní materiál při řadě metalurgických procesů. Z chemického hlediska se jedná o amorfní oxid křemičitý a jednotlivé částice mají průměr 5 až 10 nm. Tyto částice se potom shlukují do aglomerátů, které mají průměr 0,1 až 1 pm. Aglomeráty se opět shlukují do větších shluků, které mají celkový průměr mezi 20 a 30 pm. Díky svému velkému měrnému povrchu - BET « 10 až 30 m²/g, jsou velmi reaktivní a vhodným způsobem doplňují granulometrickou křivku směsi.

Díky použití mikrosiliky a moderních superplastifíkátorů bylo možné vytvořit skupinu betonů, která se nazývá vysokopevnostní a někdy také vysokohodnotná s pevnostmi v tlaku po 28 dnech zrání při normálních podmínkách vyššími než 100 MPa.

Vysokých pevností v betonu je možné dosáhnout několika způsoby. Jedním z nich je náhrada písku v cementové matrici jiným vysocehodnotným materiálem, který je schopný účastnit se chemických reakcí při hydrataci cementu. Toto řešení je ovšem značně nákladné a v běžné stavební činnosti nepoužitelné, právě z hlediska několikanásobně vyšší ceny takto vytvořeného materiálu.

V literatuře bylo také popsáno použití kameniva o velmi vysoké pevnosti, případně náhrada kameniva za ocelové broky. Toto řešení opět zvyšuje neúměrně náklady na výrobu, díky vysoké ceně tohoto kameniva.

Podstatného zlepšení mechanických parametrů betonu je možné také dosáhnout aplikací vysokého množství vyztužujících vláken. Typicky se jedná o množství 10 až 15 % v jednotce objemu, přičemž vlákna bývají jak organická, tak ocelová. Takovéto množství vláken ovšem neúměrně zvyšuje náklady na výrobu. Zejména dobrá homogenizace takovéto směsi je v podmínkách stavby nerealizovatelná.

Další možností jak zvýšit výslednou pevnost betonuje použití speciálních metod míchání, jako je míchání pomocí speciálních vysokootáčkových mixérů, míchání za vysokého tlaku, použití teplé záměsové vody případně kombinace předchozího. Tato opatření jsou opět velmi problematická pro použití na stavbě a jsou prakticky aplikovatelná pouze při výrobě prefabrikovaných dílců.

Vytvrzováním betonu za zvýšené teploty je také možné dosáhnout rychlejší hydraulické reakce a tím hutnější struktury betonu. Toto řešení je opět značně nákladné a v podmínkách běžné stavební výroby velmi nevýhodné a prakticky nepoužitelné.

WO 2005/077 857 popisuje betony velmi vysokých pevností, které se skládají ze směsi bauxitových písků a křemičitých úletů. Do takto připravené směsi jsou přidávány ultrajemné uhličitany s definovaným měrným povrchem jako více než 10 m²/g a tvarovým indexem minimálně 0,3 kde tento index je poměr mezi tloušťkou a délkou částice. Průměr těchto částic je zhruba kolem

- 1 CZ 305168 B6 nm. Přidání ultrajemných uhličitanů vápenatých do směsi zlepšuje vlastnosti pohledového betonu, zejména jeho bělost.

WO 2006/134 080 popisuje použití částic uhličitanu vápenatého jako příměsi do stavebních materiálů jako jsou štuk, omítka a malta. Výsledkem přidání těchto částic je zvýšení odolnosti proti obrusu, ale nikoli zvýšení pevnosti.

US 6 478 867 popisuje betony, do kterých jsou přidávána vlákna, ať již organická nebo metalická, která pomáhají zvyšovat schopnost absorbovat energii a zvyšují duktilitu zkušebních těles.

US 2010/0 326 326 Al popisuje duktilní vysokohodnotný beton, který obsahuje drobné kamenivo, pucolánové příměsi skleněná vlákna v množství 0,5 až 5 % z objemu ztvrdlého vzorku. Vlákna jsou složena z jemných nitek o průměru menším než 30 pm a jsou vyrobena z alkalirezistentního skla. Jednotlivá vlákna mohou být rovná nebo tvarovaná a jejich poměr stran je od 6ti do 120.

Podstata vynálezu

Předkládané výhodné provedení vysokopevnostního kompozitu obsahuje následující složky v hmotnostních podílech: 100 dílů portlandského cementu vysoké pevnostní třídy. Dále 100 až 200 hmotnostních dílů jemného písku o zrnitosti 0,01 až 1 mm, 25 až 32 dílů mikromletých křemenných částic o průměru menším než 10 pm a z 10 až 40 dílů pucolánových příměsí. Dále obsahuje superplastifíkátor nebo jejich směs na bázi polykarboxylátu v množství 1 až 5 hmotnostních dílů a 10 až 30 hmotnostních dílů vody.

Ve výhodném provedení je použit ideálně čistý portlandský cement, nebo cement definovaný v evropské normě jako CEM I 52,5R.

Ve výhodném provedení je použita kombinace křemičitého úletu a křemenného písku, a to v poměru 1 : 1. Toto výhodné provedení umožňuje snížit cenu kompozitu a přitom zůstávají zachovány jeho vysokohodnotné parametry, zejména pak pevnost v tlaku a odolnost proti agresivním látkám.

V předkládaném výhodném provedení obsahuje vysokohodnotný cementový kompozit dva typy superplastifikátorů, každý s jiným typem účinku. První typ superplastifikátoru působí jako velmi účinný ztekucovač. Druhý upravuje dobu zpracovatelnosti a viskozitu směsi, přičemž pozitivně ovlivňuje nárůst počátečních pevností při zachování dobré zpracovatelnosti. Poměr plastifikátorů je ve výhodném provedení 3 : 2, přičemž celková dávka plastifikátorů nepřesahuje 5 hmotnostních dílů směsi pro výrobu kompozitu.

Předkládané výhodné řešení umožňuje vytvořit konstrukční vysokohodnotné cementové kompozity s pevností v tlaku vyšší než 130 MPa po dvaceti osmi dnech při zrání betonu ve vodě při normální teplotě.

Při aplikaci tohoto výhodného řešení není nutné používat speciální metody ošetřování betonu jako je propařování nebo speciální metody míchání, jako je míchání za zvýšené teploty, zvýšeného tlaku nebo použití vysokootáčkových mixérů.

Pucolánovou příměsí jsou obvykle křemičité úlety s obsahem amorfního SiO2 minimálně 90 % hmotnostních a průměrnou velikostí částic menší než 1 pm nebo vysokopecní struska s obsahem amorfního SiO2 minimálně 50 % hmotnostních a průměrnou velikostí částic menší než 10 pm.

-2CZ 305168 B6

Superplastifikátor je s výhodou sloučenina na bázi polykarboxylátu, zejména polyether karboxylát. Kombinace superplastifikátorů je ve výhodném řešení v poměru 1 : 0,2 až 1 : 1, ideálně 1 : 0,6.

Výhodné provedení obsahuje směs dvou křemičitých písků, smíchané ideálně v poměru 1 : 0,4. První, jemnější typ písku má ve výhodném provedení velikost částic D50 až D90 v rozmezí mezi 0,4 až 0,6 mm. Druhý, hrubší typ písku má ve výhodném provedení velikost částic D50 až D90 mezi 0,2 až 0,4 mm.

Mikromletou příměsí je s výhodou křemenná moučka o střední velikosti zrna 5 až 7 pm.

Ve výhodném provedení je optimalizována granulometrická křivka pevných částic tak, že je zvýšena sypná hmotnost celé směsi tím, že menší částice zapadají mezi částice větší. Díky plynulé granulometrické křivce umožňuje toto výhodné řešení použít k výrobě vysokohodnotného cementového kompozitu standardní horizontální míchačky pro jemnozmné směsi. Výhodné složení směsi rovněž umožňuje použití potravinářských mixérů pro přípravu kompozitu.

Kompozit v tomto výhodném provedení je při přípravě směsi velmi tekutý, ideálně je směs samozhutnitelná, což odstraňuje dodatečné náklady na ukládání směsi a zjednodušuje celý proces. S výhodou je doba zpracovatelnosti tohoto kompozitu 15 až 30 min v závislosti na vnějších podmínkách. Díky tomu toto výhodné provedení dosahuje velmi vysokých pevností již po 24 hodinách po uložení do bednění.

Samotný kompozit je možné vytvořit pomocí známých metod, jako je smíchání pevných částic a vody, přičemž ale musí být dodržen výhodný postup míchání uvedený v kapitole příklady uskutečnění technického řešení. Dále se kompozit může ukládat do běžně používaného a dostupného bednění určeného pro beton a kjeho ukládání je možné použít následující postupy: lití do bednění, injektáž, pumpování, extrudování a další.

Příklady uskutečnění vynálezu

Při výrobě vysokohodnotného cementového kompozitu je nutné bezpodmínečně dodržet postup míchání, jinak může dojít k nedostatečné homogenizaci směsi a poklesu mechanických parametrů vytvrzeného kompozitu. V první fázi míchání je do vhodné horizontální míchačky nadávkován všechen písek, tedy obě frakce, spolu s křemičitými úlety. Tyto složky jsou míchány po dobu minimálně 5 min. Tím dojde k dobrému promíchání velmi jemných částic křemičitých úletů s hrubými zrny kameniva. V další fázi je do takto vzniklé směsi přidána křemenná moučka příslušné frakce, jak je popsáno výše. Spolu s křemennou moučkou je do směsi přidán také všechen cement a směs je míchána po dobu dalších 5 minut. V poslední fázi míchání je do směsi pomalu dávkována voda a plastifikátory po dobu 5 minut, a to následujícím způsobem. V první minutě je do směsi dávkován superplastifikátor, resp. superplastifikátory spolu s 90 % hmotnostních záměsové vody. Směs je zpočátku velmi hutná, ale po cca 3 minutách dojde k aktivaci plastifikátorů a směs začíná mít viskózní charakter. V této fázi se přistoupí k jemnému dávkování vody, jejíž přesné množství závisí na okolních podmínkách, zejména pak teplotě, reaktivnosti použitého cementu a typu použitých křemičitých úletů. Konečné množství vody pak závisí na požadované zpracovatelnosti a způsoby využití takto vzniklého kompozitu.

Výsledkem tohoto procesuje viskózní hmota, která vytvrzuje pomocí hydraulické reakce cementu s vodou. Výsledný kompozit má poté tvar podle použitého bednění a objemovou hmotnost 2300 až 2400 kg/m³. Níže jsou uvedeny příklady složení tohoto kompozitu jednak v hmotnostních dílech a jednak v množství na 1 m³ čerstvé směsi.

-3 CZ 305168 B6

Tab. 1: Příklad 1

Složka	Obsah v hmotnostních dílech	Obsah v kg na 1 m³směsi
CEM I 52,5 R	100	800
Křemičitý úlet	25	200
Křemenná moučka	25	200
Voda	22	176
Superplastifikátor 1 (gold)	3,1	24,8
Superplastifikátor 2 (HE)	1,9	15,2
Písek jemný	42	336
Písek hrubý	100	800

Tab. 2: Příklad 2-směs s použitím pouze jemného písku a jiných typů plastifikátorů

Složka	Obsah v hmotnostních dílech	Obsah v kg na 1 m³směsi
CEM I 52,5 R	100	800
Křemičitý úlet	25	200
Křemenná moučka	25	200
Voda	25	200
Superplastifikátor 3 (30HE)	2,5	20
Superplastifikátor 4 (1035)	2,5	20
Písek jemný	140	1120
Písek hrubý	0	0

Tab. 3: Příklad 3: směs se sníženým množstvím křemičitých úletů

Složka	Obsah v hmotnostních dílech	Obsah v kg na 1 m³směsi
CEM I 52,5 R	100	800
Křemičitý úlet	18	144
Křemenná moučka	32	256
Voda	20	160
Superplastifikátor 3 (30HE)	2,5	20
Superplastifikátor 4 (1035)	2,5	20
Písek jemný	84	672
Písek hrubý	56	448

-4CZ 305168 B6

Konkrétní výrobci složek uvedených v příkladech:

Složka	Označení	Výrobce
Cement	CEMI 52,5R	Českomoravský cement, a.s.
Křemičitý úlet	Stachesil S	Stachema Kolín, s.r.o.
Křemenná moučka	ST9	Sklopísek Střeleč, a.s.
Superplastifikátor 1	SVC 20 Gold	Sika CZ, s.r.o.
Superplastifikátor 2	SVC 20 HE	Sika CZ, s.r.o.
Superplastifikátor 3	SVC 30 HE	Sika CZ, s.r.o.
Superplastifikátor 24	SVC 1035	Sika CZ, s.r.o.
Písek jemný	ST 01/06	Sklopísek Střeleč, a.s.
Písek hrubý	ST 03/08	Sklopísek Střeleč, a.s.

Průmyslová využitelnost

Toto výhodné provedení je možné použít například na výrobu sanačních hmot s vysokou přidanou hodnotou na zpevňování stávajících betonových konstrukcí. Toto výhodné provedení je dále 100 % kompatibilním podkladovým betonem, protože se jedná o kompozit na cementové bázi. Ve výhodném provedení tedy dochází k chemickým reakcím mezi starým, zesilovaným betonem a novým, sanačním vysokohodnotným kompozitem.

Claims

1. Vysokohodnotný cementový kompozit, který se skládá z cementové matrice, křemenného plniva a pucolánových příměsí, který vznikne smísením s vodou, vyznačující se tím, že pojivová složka se skládá ze 100 hmotnostních dílů cementu, z 10 až 40 dílů pucolánových příměsí, 10 až 30 dílů vody a 1 až 5 dílů superplastifikátoru; a že plnivo tvoří inertní křemenné písky o zrnitosti 0,01 až 1 mm v množství 100 až 200 hmotnostních dílů a mikromleté příměsi o velikosti částic menší než 10 pm v množství 25 až 32 hmotnostních dílů.

2. Vysokohodnotný cementový kompozit podle nároku 1, vyznačující se tím, že pucolánovou příměsí jsou křemičité úlety s obsahem amorfního SiO₂ minimálně 90 % hmotnostních a průměrnou velikostí částic menší než 1 pm.

3. Vysokohodnotný cementový kompozit podle nároku 1, vyznačující se tím, že pucolánovou příměsí je vysokopecní struska s obsahem amorfního SiO₂ minimálně 50 % hmotnostních a průměrnou velikostí částic menší než 10 pm.

4. Vysokohodnotný cementový kompozit podle nároků laž3, vyznačující se tím, že superplastifikátorem je sloučenina na bázi polykarboxylátu, zejména polyether karboxylát.

5. Vysokohodnotný cementový kompozit podle nároku 4, vyznačující se tím, že má kombinaci superplastifíkátorů v poměru 1 : 0,2 až 1 : 1, ideálně 1 : 0,6.

-5CZ 305168 B6

6. Vysokohodnotný cementový kompozit podle kteréhokoli z nároků laž5, vyznačující se tím, že obsahuje dva typy křemenného písku v celkovém množství 100 až 200 hmotnostních dílů, v poměru 1 : 0,4, přičemž první typ písku má D50 0,4 až 0,6 mm a druhý typ písku má D50 0,2 až 0,4 mm.

7. Vysokohodnotný cementový kompozit podle kteréhokoli z nároků laž6, vyznačující se t í m , že mikromletou příměsí je křemenná moučka o střední velikosti zrna 5 až 7 pm.

8. Vysokohodnotný cementový kompozit podle kteréhokoli z předchozích nároků, vyznalo čující se t í m , že pevnost v tlaku tohoto kompozitu po 28 dnech je vyšší než 130 MPa.