CZ305508B6 - Proteplený beton ultravysokých pevností vyztužený drátky, určený zejména pro prefabrikaci, a způsob jeho výroby - Google Patents

Abstract

Proteplený beton ultravysokých pevností vyztužený drátky určený zejména pro prefabrikaci obsahuje cement na bázi portlandského slínku, křemičité kamenivo, kovová vlákna, příměsi a přísady. Množství sypkých složek v objemu je dáno výsledky zkoušek mezerovitosti suché směsi složek bez vláken. Přísady jsou v množství potřebném pro dosažení požadované zpracovatelnosti, podle reálné aplikace v prefabrikaci. Návrh složení ultravysokopevnostního betonu se provádí podle požadavku na pevnost v tlaku, který může být doplněn i o požadavek na pevnost v tahu za ohybu. Hmotnostní dávky křemičitého kameniva se pohybují v rozmezí 1000 až 1400 kg/m.sup.3.n.v závislosti na granulometrii a mineralogického složení konkrétního zdroje kameniva. Hmotnostní dávka kovových vláken se pohybuje v rozmezí 60 až 200 kg/m.sup.3.n.. Cement, přísady a příměsi jsou dávkovány s cílem dosažení maximální hutnosti struktury betonu, která je nositelem ultra vysokých pevností při zachování konzistence odpovídající samozhutnitelným betonům. Celková dávka cementu na bázi portlandského slínku a příměsí je v množství 700 až 1200 kg/m.sup.3.n.. Vodní součinitel je v rozmezí 0,18 až 0,25. Vyrobený čerstvý beton je pro dosažení požadovaných vlastností podroben teplotnímu ošetřování ve vodní lázni o teplotě 80 .degree.C po dobu 80 hodin.

Description

Proteplený beton ultravysokých pevností vyztužený drátky, určený zejména pro prefabrikaci, a způsob jeho výroby

Oblast techniky

Předkládané řešení týkající se nové skladby a přípravy betonu ultravysokých pevností vyztužených vlákny spadá do oblasti kompozitních materiálů s cementovou matricí, u kterých se dosahuje charakteristických pevností v tlaku vyšších než 150 MPa a pevností v tahu za ohybu vyšších jak 15 MPa. Mimo uvedené mechanické vlastnosti se navržený beton vyznačuje velmi vysokou trvanlivostí. Navržený beton je určen pro prefabrikaci.

Dosavadní stav techniky

Rozvoj velmi účinných chemických přísad zejména na bázi polykarboxylátů a rovněž rozvoj příměsí, například mikro a nanosilik, do kompozitů s cementovou matricí umožnil vznik ultravysokohodnotných betonů, označovaných UHPC. Tyto betony se vyznačují nejen vysokými průměrnými pevnostmi v tlaku nad 150 MPa a vysokými průměrnými pevnostmi v tahu za ohybu nad 15 MPa, ale obvykle i velmi vysokou odolností proti působení i pronikání agresivnímu prostředí jako jsou kyseliny, louhy, plyny, střídání teplot, a podobně. Takto popsané vysoké mechanické a trvanlivostní vlastnosti jsou dány hutností struktury kompozitu, která je daná vysokou dávkou cementu a příměsí, zejména mikro a nanosilik, mletých křemenů, vápenců a korundů, velmi nízkým vodním součinitelem pod 0,25 a kovovými vlákny. Skladba materiálu UHPC zajišťuje mimo jiné i velmi dobrou zpracovatelnost. Materiál má vysokou tekutost a umožňuje betonovat velmi tenké prvky. Velikost kameniva je pro možnost připravovat tenké prvky, například do tloušťky 10 mm, rozhodující. Hrubou kostru betonu typu UHPC tvoří velmi kvalitní kameniva ve frakcích zpravidla do 4 mm, v některých případech do 11 mm.

Je znám drátkobeton ultravysokých pevností s cementovou matricí podle patentu CZ304478. Beton obsahuje křemičitanový cement, čedičové kamenivo, kovová vlákna, příměsi a přísady. Je použito čedičové kamenivo složené ze tří frakcí 0 až 4, 4 až 8 a 8 až 16. Kovová vlákna jsou zde tvořena dvěma typy vláken rovnoměrně rozptýlenými v objemu ztvrdlého drátkobetonu. První typ kovových vláken jsou vlákna obdélníkového průřezu s pevností 350 až 450 MPa. Druhý typ kovových vláken má kruhový průřez ajejich pevnost je větší než 2000 MPa. Nevýhodou tohoto řešení je oproti námi navrženým recepturám použití frakce kameniva Dmax 16 mm, což neumožňuje vytvářet tenkostěnné prvky s tloušťkou cca 10 mm.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nevýhody odstraňuje proteplený beton s cementovou matricí ultravysokých pevností vyztužený drátky, určený pro prefabrikaci. Proteplený beton je beton, kdy v průběhu zrání působí na materiál zvýšené teploty, které přispívají k lepšímu průběhu zpevňování materiálu a dosažení lepších vlastností. Tento beton obsahuje klasický cement na bázi portlandského slínku, křemičité kamenivo, kovová vlákna, příměsi a přísady. Vedle složení má na výsledné mechanické vlastnosti příznivý vliv i teplotní ošetřování čerstvého betonu. Množství příměsí v objemu je dáno výsledky zkoušek mezerovitosti suché směsi složek bez vláken. Přísady jsou v množství potřebném pro dosažení požadované zpracovatelnosti, podle reálné aplikace v prefabrikaci. Podstatou nového řešení je, že v cementové matrici je 700 až 1200 kg/m³ cementu na bázi portlandského slínku a příměsí. Křemičité kamenivo je kamenivo prané s obsahem SiO₂ > 98% a složené ze dvou frakcí, a to z první frakce 0,18 až 2 a z druhé frakce 0,125 až 1. Celková hmotnostní dávka frakcí kameniva je v rozmezí 1000 až 1400 kg/m³ v závislosti na granulometrii a mineralogickém složení použitého zdroje kameniva. Vodní součinitel je v rozmezí 0,18 až 0,25. Kovová vlákna jsou rovnoměrně rozptýlená v objemu ztvrdlého drátkobetonu a mají štíhlost, tedy poměr délky

- 1 CZ 305508 B6 k průměru, v rozmezí 20 až 60, přičemž jejich průřez je kruhový o průměru maximálně do 0,3 mm a pevnost v tahu je větší jak 2200 MPa. Hmotnostní dávka těchto kovových vláken v betonu leží v rozmezí 60 až 200 kg/m³. Jako přísada se přidává do směsi superplastifíkátor na bázi polykarboxylátů v množství 20 až 50 1/m³, což zajišťuje zpracovatelnost na úrovni samozhutnitelného betonu.

Ve výhodném provedení je poměr první a druhé frakce křemenného kameniva v rozmezí 0,85 až 1,15 : 1,8 až 2,2.

Výhodné rovněž je jsou-li jako příměs použita mikrosilika a mletý křemen v rozmezí 7,5 až 17,5% objemu vyráběného betonu.

Průměr kovového vlákna je výhodné volit v rozmezí 0,15 až 0,25 mm a délku v rozmezí 6 až 20 mm.

Podstatou způsobu výroby protepleného betonu je, že vyrobený čerstvý beton se pro dosažení požadovaných vlastností podrobí procesu teplotního ošetření. Po přidání záměsové vody se beton nejprve nechá zrát ve formě při teplotě 20 °C po dobu 60 hodin. Poté se vyzrálý beton odformuje a celý se ponoří do vodní lázně o teplotě 20 °C a postupně se ohřívá na teplotu 80 °C. Na této teplotě se udržuje po dobu 80 hodin. Dalším krokem je následné postupné ochlazování z 80 °C na 20 °C, a to po dobu 12 hodin. Po ochlazení následuje zrání betonu ve vodě o teplotě 20 °C do stáří 28 dní.

Výhodou nově navržené struktury a teplotního ošetřování ultravysokopevnostního betonu je, že je tvořen materiály, které jsou dostupné běžně na trhu, a to při zachování přijatelné ceny jeho výroby vztažené na hodnotu 1 MPa, čímž význam nového řešení výrazně vzrůstá. Beton má zpracovatelnost na úrovni samozhutnitelných betonů, bez známek významného sedání hrubých zm kameniva do 4 mm a drátků a kjeho ukládání do bednění není třeba dalšího hutnění.

Příklady uskutečnění vynálezu

Návrh složení ultravysokopevnostního betonu se provádí podle požadavku na pevnost v tlaku, který může být doplněn i o požadavek na pevnost v tahu za ohybu.

Množství všech složek v objemu je dáno výsledky zkoušek mezerovitosti směsi. Celková dávka cementu na bázi portlandského slínku a příměsí je v množství 700 až 1200 kg/m³. Křemičité kamenivo je prané s obsahem SiO₂ > 98% aje složené ze dvou frakcí, a to 0,18 až 2 a 0,125 až 1. Jako příměs je použita mikrosilika a mletý křemen. Kovová vlákna mají kruhový průřez a jsou rovnoměrně rozptýlena v betonu, přičemž průměr vlákna při štíhlosti 20 až 60 je maximálně 0,3 mm, s výhodou pak 0,15 až 0,25 mm, ajejich délka je 6 až 20 mm. Dávka vláken je v rozmezí 60 až 200 kg/m³. Zpracovatelnost na úrovni samozhutnitelného betonuje díky vysoké dávce 20 až 50 1/m³ superplastifikátoru na bázi polykarboxylátů. Vodní součinitel je v rozmezí 0,18 až 0,25. Celková hmotnostní dávka frakcí křemičitého kameniva je v rozmezí 1000 až 1400 kg/m³ a poměr těchto frakcí je určen na základě granulometrie a mineralogického složení konkrétního zdroje křemičitého kameniva.

Cement na bázi portlandského slínku, přísady a příměsi jsou dávkovány s cílem dosažení maximální hutnosti struktury betonu, která je nositelem ultra vysokých pevností při zachování konzistence odpovídající samozhutnitelný betonům.

Nutnou podmínkou pro dosažení požadovaných parametrů navrženého betonu je správné pořadí dávkování složek do míchačky a správně nastavené doby míchání a zároveň podstoupení procesu teplotního ošetřování. Proteplování se realizuje následujícím postupem. Nejprve se vzniklá směs nechá zrát ve formě při teplotě 20 °C po dobu 60 hod od přidání záměsové vody. Poté se vyzrálý beton odformuje a celý se ponoří do vodní lázně o teplotě 20 °C a postupně se ohřívá na teplotu 80 °C. Na této teplotě se udržuje po dobu 80 hodin. Dalším krokem je následné postupné ochlazování z 80 °C na 20 °C, a to po dobu 12 hodin. Po ochlazení následuje zrání betonu ve vodě o teplotě 20 °C do stáří 28 dní.

Navržený beton a postup jeho výroby je určen pro prefabrikaci.

Dále jsou uvedeny příklady složení předmětného ultravysokopevnostního betonu vyztuženého drátky, a to včetně naměřených průměrných pevností v tlaku a v tahu za ohybu.

1. příklad receptury vysokohodnotného betonu:

Označení		1
Jednotka		kg/m3
Cement	ll/B-S 32,5 R	707
Kamenivo Provodín	0,18-2	390
0,125-1	781
Vlákna	MF482	160
Mikrosilika	Elkem 940U	101
Struska	Dětmarovice	40
Křemen	MT300	111
Superplastifikátor	Glenium ACE300	30
Voda		150

Konzistence betonuje 300 mm rozlití Hg kužele v čase 15 min. Zpracovatelnost 35 min.

Výsledky pevnosti v tahu a pevnosti v tlaku neprotepleného betonu

Označeni vzorku	Rozměry	Hmotnost Igl	Objem, hmotnost |kg.m-3J	Tah za ohybu	Pevnost v tlaku
1 |mm|	h |mm|	b [mm|	sn« IkN|	Napětí [MPaj	Síla 1 [kN|	Sila 2 |kN|	Napětí 1 |MtPa|	Napětí 2 |MPaJ
1-1	160,4	40,2	40,8	655	2490	19,93	45,3	297,0	273,0	182,0	167,3
1-2	160,6	40,5	41,3	661	2461	20,59	45,6	292,0	297,0	176,8	179,8
1-3	160,5	40,3	40,6	655	2494	16,57	37,7	277,0	283,0	170,6	174,3
Průměrná hodnota:	2480		42,9		175,0

Výsledky pevnosti v tahu a pevnosti v tlaku protepleného betonu

Označení vzorku	Rozměry	Hmotnost [gl	Objem. hmotnost [kg.m-31	Tah za ohybu	Pevnost v tlaku
1 |mm)	h |mm]	b [mm]	Síla [kNI	Napětí [MPa]	Sílal fkN)	Sila 2 IkNj	Napětí 1 |MPa]	Napětí 2 [MPa]
1-4	160,4	40,4	40,7	657	2491	24,10	54,4	316,5	321,0	194,4	197,2
1-5	161,1	40,4	41,3	665	2474	26,05	58,0	310,4	305,9	187,9	185,2
1-6	160,3	40,7	41,9	685	2506	23,56	50,9	321,3	324,5	191,7	193,6
Průměrná hodnota:	2490		54,4		191,5

Výsledná tlaková pevnost překračuje hodnotu 150 MPa a zároveň pevnost v tahu za ohybu překračuje hodnotu 15 MPa, to znamená, že jsou překročeny minimální hranice pro ultravysokopevnostní beton. Tento materiál je svými vlastnostmi určen do extrémně tlakově namáhaných . 3 .

nebo velmi štíhlých prvků. Je vhodný do subtilných předem předpínaných nosníků. Zároveň je tento beton díky svému složení velmi odolný proti zmrazovacím cyklům a klimatickému namáhání. Beton je samozhutnitelný a s ohledem na dobu zpracovatelnosti a nutnost teplotního procesu je určen pro prefabrikaci. Navýšení pevnosti v tahu za ohybu oproti referenčním vzorkům je o cca 25 % a navýšení pevnosti v tlaku je o cca 10 %.

2. příklad receptury vysokohodnotného betonu:

Označení		2
Jednotka		kg/m3
Cement	1 52,5 R	700
Kamenivo Provodín	0,18-2	387
0,125-1	773
Vlákna	MF482	120
Mikrosilika	Elkem 940U	100
Struska	Dětmarovice	40
Křemen	MT300	110
Superplastifikátor	Glenium ACE300	30
Voda		160

Konzistence betonuje 280 mm rozlití Hg kužele v čase 15 min. Zpracovatelnost 30 min.

Výsledky pevnosti v tahu a pevnosti v tlaku neprotepleného betonu

Označeni vzorku	Rozměry	Hmotnost Igl	Objem, hmotnost |kg.m-3|	Tah za ohybu	Pevnost v tlaku
1 |mm|	h |mm|	b }mm|	Sila [kNl	Napětí |MPa)	SOal |kN|	Síla 2 [kN|	Napětí 1 |MPa|	Napětí 2 [MPa|
2-1	161,5	40,9	40,7	655	2436	16,37	36,1	293,0	296,0	180,0	181,8
2-2	160,8	40,4	40,3	640	2445	16,24	37,0	283,0	296,0	175,6	183,6
2-3	160,5	40,7	40,5	646	2442	15,52	34,7	293,0	291,0	180,9	179,6
Průměrná hodnota:	2440		35,9		180,0

Výsledky pevnosti v tahu a pevnosti v tlaku protepleného betonu

Označení vzorku	Rozměry	Hmotnost Ig]	Objem. hmotnost [kg.m-3|	Tah za ohybu	Pevnost v tlaku
1 |mm]	h |mm|	b |mm|	Síla [kN|	Napětí |MPa|	Síla 1 [kN]	Síla 2 íkN|	Napětí 1 [MPa|	Napětí 2 [MPa]
2-4	160,3	40,4	41,6	655	2431	19,50	43,1	329,6	328,5	198,1	197,4
2-5	159,8	40,3	41,0	645	2443	20,10	45,3	330,4	327,9	201,5	199,9
2-6	159,9	40,6	41,6	665	2462	20,90	45,7	329,4	326,5	198,0	196,2
Průměrná hodnota:	2450		44,7		198,5

Výsledná tlaková pevnost překračuje hodnotu 150 MPa a zároveň pevnost v tahu za ohybu překračuje hodnotu 15 MPa, to znamená, že jsou překročeny minimální hranice pro ultravysokopevnostní beton. Tento materiál je svými vlastnostmi určen do extrémně tlakově namáhaných nebo velmi štíhlých prvků. Je vhodný do subtilných předem předpínaných nosníků. Zároveň je tento beton díky svému složení velmi odolný proti zmrazovacím cyklům a klimatickému namáhání. Beton je samozhutnitelný a s ohledem na dobu zpracovatelnosti a nutnost teplotního procesu je určen pro prefabrikaci. Navýšení pevnosti v tahu za ohybu oproti referenčním vzorkům je o cca 25 % a navýšení pevnosti v tlaku je o cca 10 %.

Průmyslová využitelnost

Velmi vysoké pevnostní charakteristiky, spolu se samozhutnitelností a velmi vysokou odolností proti působení agresivního prostřední u obou navržených receptur, které jsou předmětem uvedeného řešení, předurčují jejich využití s ohledem na nutnost použití procesu teplotního ošetřování - výlučně v prefabrikaci. Oproti běžným betonům budou prvky a konstrukce vyrobené z navržených receptur subtilní, s velmi vysokou odolností proti působení agresivního prostředí. Průmyslová využitelnost je pak dána i přes náklady na proteplení cenou navržených betonů, která je o cca 30 až 50 % nižší oproti betonům obdobných parametrů, důvodem je využití domácích surovin. Využití se předpokládá především pro speciální vysoce namáhané prvky konstrukcí složitých tvarů objemu do 1 m³. Další využití bude pro konstrukční prvky, které jsou extrémně namáhané agresivním prostředím.

Průmyslové využití je možné provádět běžným strojním vybavením betonáren doplněných o zračí komory umožňující proces proteplení. Nutností je dodržení předepsaného postupu dávkování jednotlivých složek, dodržení dob míchání a dodržení předepsaného procesu proteplení a zrání.

Claims (5)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Proteplený beton ultravysokých pevností vyztužený drátky, určený zejména pro prefabrikaci, obsahující cement na bázi portlandského slínku, křemičité kamenivo, kovová vlákna, příměsi a přísady, kde množství příměsí v objemu je dáno výsledky zkoušek mezerovitosti suché směsi složek bez vláken a přísady jsou v množství potřebném pro dosažení požadované zpracovatelnosti, podle reálné aplikace v prefabrikaci, vyznačující se tím, že v cementové matrici je 700 až 1200 kg/m³ cementu na bázi portlandského slínku a příměsí, křemičité kamenivo je kamenivo prané s obsahem SiO₂ > 98% a složené ze dvou frakcí, a to z první frakce 0,18 až 2 a ze druhé frakce 0,125 až 1, jejichž celková hmotnostní dávka je v rozmezí 1000 až 1400 kg/m³ v závislosti na granulometrii a mineralogickém složení použitého zdroje kameniva, vodní součinitel je v rozmezí 0,18 až 0,25 a kovová vlákna jsou rovnoměrně rozptýlená v objemu ztvrdlého drátkobetonu, mají poměr délky k průměru v rozmezí 20 až 60 při kruhovém průřezu o průměru maximálně do 0,3 mm, pevnost v tahu je větší jak 2200 MPa a hmotnostní dávka se pohybuje v rozmezí 60 až 200 kg/m³, přičemž se jako přísada přidává superplastifikátor na bázi polykarboxylátů v množství 20 až 50 1/m³, zajišťující zpracovatelnost na úrovni samozhutnitelného betonu.
2. 2. Proteplený beton podle nároku 1, vyznačující se tím, že poměr křemičitých kameniv první a druhé frakce je v rozmezí 0,85 až 1,15 : 1,8 až 2,2.
3. 3. Proteplený beton podle kteréhokoli z nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že příměsi jsou v rozmezí 7,5 až 17,5% objemu vyráběného betonu.
4. 4. Proteplený beton podle kteréhokoli z nároků laž3, vyznačující se tím, že průměr kovového vlákna je 0,15 až 0,25 mm a délka 6 až 20 mm.
5. 5. Způsob výroby protepleného betonu ultravysokých pevností vyztuženého drátky, vytvořeného podle kteréhokoli z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že vyrobený čerstvý beton se pro dosažení požadovaných vlastností podrobí procesu teplotního ošetření, kdy se po přidání

   5 záměsové vody nejprve nechá zrát ve formě při teplotě 20 °C po dobu 60 hodin, poté se vyzrálý beton odformuje a celý se ponoří do vodní lázně o teplotě 20 °C a postupně se ohřívá na teplotu 80 °C, na této teplotě se udržuje po dobu 80 hodin, po jejímž uplynutí se beton postupně ochlazuje z 80 °C na 20 °C po dobu 12 hodin a po tomto ochlazení následuje zrání betonu ve vodě o teplotě 20 °C do stáří 28 dní.