CZ305906B6 - Cementový kompozit se zvýšenou schopností absorpce mechanické, akustické a tepelné energie - Google Patents

Cementový kompozit se zvýšenou schopností absorpce mechanické, akustické a tepelné energie Download PDF

Info

Publication number
CZ305906B6
CZ305906B6 CZ2014-805A CZ2014805A CZ305906B6 CZ 305906 B6 CZ305906 B6 CZ 305906B6 CZ 2014805 A CZ2014805 A CZ 2014805A CZ 305906 B6 CZ305906 B6 CZ 305906B6
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
composite
cement
fibers
amount
range
Prior art date
Application number
CZ2014-805A
Other languages
English (en)
Other versions
CZ2014805A3 (cs
Inventor
Marek Foglar
Josef Fládr
Original Assignee
České vysoké učení technické v Praze - fakulta stavební
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by České vysoké učení technické v Praze - fakulta stavební filed Critical České vysoké učení technické v Praze - fakulta stavební
Priority to CZ2014-805A priority Critical patent/CZ2014805A3/cs
Publication of CZ305906B6 publication Critical patent/CZ305906B6/cs
Publication of CZ2014805A3 publication Critical patent/CZ2014805A3/cs

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02WCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W30/00Technologies for solid waste management
    • Y02W30/50Reuse, recycling or recovery technologies
    • Y02W30/91Use of waste materials as fillers for mortars or concrete

Landscapes

  • Curing Cements, Concrete, And Artificial Stone (AREA)

Abstract

Řešení se týká cementového kompozitu, jehož matrice je z křemičitanového cementu a je vyplněna přírodním drceným kamenivem libovolného mineralogického složení a/nebo umělým kamenivem na bázi expandovaných jílů a/nebo kamenivem recyklovaným. Jedná se o heterogenní kompozit, který dále obsahuje záměsovou vodu a případně plastifikátory, jejichž množství je dáno požadovanou zpracovatelností a rychlostí ukládání cementového kompozitu do bednění. Křemičitanový cement je v dávce 400 až 900 kg/m.sup.3.n. kompozitu a kamenivo má frakci 4-8 v dávce 150 až 300 kg/m.sup.3.n. kompozitu. Záměsová voda je v dávce od 200 do 450 l/m.sup.3.n. kompozitu. Cementový kompozit je ztužený vlákny, kterými jsou skelná a/nebo kamenná vlákna minerální vaty ve formě chomáčů v dávce 40 až 250 kg/m.sup.3.n. kompozitu. Chomáče jsou nepravidelného tvaru a mají rozdílnou délku v závislosti na původu a způsobu vyzískání, materiálové vlastnosti jsou odvislé na vlastnostech původního materiálu. Dávka křemičitanového cementu může být částečně, maximálně však do 60 % jeho hmotnosti, nahrazena popílkem vzniklým při spalování antracitu, černého či hnědého uhlí.

Description

Cementový kompozit se zvýšenou schopností absorpce mechanické, akustické a tepelné energie
Oblast techniky
Předkládané řešení se týká nové receptury kompozitního materiálu, kde cementová matrice je ztužena netříděnými vlákny, která s výhodou vznikají jako druhotná surovina z recyklace minerální vaty, také označované jako minerální vlna, či minerální plst, kde tato minerální vlna je skelného nebo kamenného původu. Minerální vlna skelného původu je často označována jako skelná vlna, a minerální vlna kamenného původu je označovaná často jako kamenná vlna. Skelná vlna se vyrábí z písku a skla, kamenná vlna se vyrábí z čediče, diabasu a vysokopecní strusky. Oba druhy se vyrábějí tavením v peci, kdy vzniklá hmota vytéká do rozvlákňovacího přípravku. Výsledná vlákna se dále upravují. Recyklací se zde rozumí zpracování odpadů vznikajících při výrobě, montáži, nebo odstraňování aplikací těchto materiálů. Jako surovina se v navržené aplikaci užívají chomáče minerální vaty.
Dosavadní stav techniky
Princip vláknobetonu, tedy cementového kompozitu, do kterého jsou do matrice vytvořené z cementu, kameniva a vody dodána vlákna. Vlákna do betonové směsi se přidávají ocelová, zde se pak hovoří o drátkobetonu, a to v dávkování 20 až 200 kg/m3, nebo plastová v dávkování 1 až 12 kg/m3. V těchto případech se jedná o drátky respektive vlákna přesně daných vlastností, které se za tímto účelem vyrábějí. Cena vláken se liší v závislosti na jejich materiálu a vlastnostech, či původu. Princip vláknobetonu spočívá vtom, že tahovým napětím vzniklá trhlina je zachycena rozptýlenou výztuží v podobě vláken. Vláknobetonové kompozity se vyznačují lepšími přetvářnými vlastnostmi a menším smršťováním. Problém vláknobetonu představuje zejména velký rozptyl mechanických vlastností, který je ovlivněn nedokonalým rozmísením vláken v betonu.
V dnešní době se do betonu přidávají také textilní materiály, zejména ve formě usměrněných tkaných textilií s jasně definovanými vlastnostmi, kde jsou textilie prokládány vrstvami betonu. Výsledné kompozity se ale vyznačují vysokou cenou a proto nejsou v praxi příliš využívány. Počet vrstev a jejich materiál je proměnný v závislosti na požadovaných vlastnostech. Výsledné kompozity se ale vyznačují vysokou cenou a proto nejsou v běžné návrhové praxi příliš využívány.
Podstata vynálezu
Výše uvedené nevýhody odstraňuje cementový kompozit se zvýšenou schopností absorpce mechanické, akustické a tepelné energie, jehož matrice je z křemičitanového cementu a je vyplněna přírodním drceným kamenivem libovolného mineralogického složení a/nebo umělým kamenivem na bázi expandovaných jílů, případně kamenivem recyklovaným. Kompozit dále obsahuje záměsovou vodu a plastifikátory, jejichž množství je dáno požadovanou zpracovatelností a rychlostí ukládání cementového kompozitu do bednění.
Principem nového cementového kompozitu je vytvoření takové heterogenní vnitřní struktury materiálu, kde se pozitivně uplatní rovnoměrně rozptýlená skelná a/nebo kamenná vlákna minerální vaty ve formě chomáčů minerální vaty. Chomáče jsou libovolného tvaru a mohou být s výhodou odpadního charakteru. Skelná či kamenná vlákna mají rozdílnou délku v závislosti na původu a způsobu vyzískání, materiálové vlastnosti jsou odvislé na vlastnostech původního materiálu. Chomáče jsou libovolného tvaru a v nestlačené formě mají s výhodou velikost maximálního rozměru 0,5 až 5 cm.
Cementová matrice v kompozitu je zhotovena z křemičitanového cementu v dávce od 400 do 900 kg/m3 kompozitu. Přesné dávkování je ovlivněno druhem použitého kameniva a jeho mineralogického a geologického původu. Kamenivo o frakci 4-8 se do kompozitu přidává v dávkách od 150 do 350 kg/m3 kompozitu, kde dávka je ovlivněna hlavně jeho původem. Minerální vata ve formě chomáčů se do kompozitu přidává v hmotnostních dávkách od 40 do 250 kg/m3 kompozitu. Běžná dávka vody se pohybuje od 200 do 450 1/m3 kompozitu.
V jednom možném povedení může být dávka křemičitanového cementu částečně, zhruba až do 60 % jeho hmotnosti, nahrazena popílkem vzniklým při spalování antracitu, černého či hnědého uhlí. Tímto způsobem dojde k úspoře množství cementu a tak zlevnění výsledného kompozitu při mírném snížení pevnostních charakteristik a zvětšení objemu záměsové vody.
Nové řešení tedy spočívá v návrhu heterogenní struktury cementového kompozitu, v principu, že jsou kombinovány zdánlivě nekompatibilní složky a je dosaženo inovativních materiálových vlastností spočívajících zejména ve zvýšené schopnosti cementového kompozitu absorbovat mechanickou, akustickou a tepelnou energii. Význam nového řešení přináší získání unikátních přetvářných vlastností vzniklého heterogenního kompozitu, kdy se přetvářné vlastnosti oproti běžným betonům zvýší o 100 a více procent. Kompozit si i při velkých přetváření zachovává kompatibilitu a nedochází u něj k tzv. křehkému lomu, který je typický u běžných betonů. I při výrazném přetvoření si kompozit zachovává mechanické vlastnosti, což tento materiál předurčuje pro konstrukce vystavené zatížením působícím s velkou rychlostí jako je náraz, výbuch, a podobně. Při těchto zatěžovacích situacích disipuje materiál velké množství energie, ale zachová si celistvost. Zkoumaný materiál si zachovává celistvost i při vystavení normového požáru a dobré mechanické vlastnosti po požáru, což předurčuje využití tohoto cementového kompozitu. Řízená heterogenita vzniklého materiálu je tedy jeho silnou stránkou, která přispívá k jeho unikátním vlastnostem (mechanickým, tepelně izolačním, apod.).
Příklady uskutečnění vynálezu
Principem nového cementového kompozitu je tedy vytvoření silně heterogenní vnitřní struktury materiálu, kde se pozitivně uplatní chomáče minerální vaty tak, že výsledné přetvářné vlastnosti kompozitu výrazně překračují hodnoty běžných cementových kompozitu v oblasti absorpce mechanické, akustické a tepelné energie.
Struktura heterogenního kompozitu je tvořena cementovou matricí, která je vyplněna přírodním drceným kamenivem libovolného mineralogického složení nebo umělým kamenivem na bázi expandovaných jílů, případně kamenivem recyklovaným, popřípadě jejich kombinací. Při výrobě kompozitu se v závěrečné fázi přidává minerální vata ve formě chomáčů. Chomáče jsou libovolného tvaru a v nestlačené formě mají s výhodou velikost maximálního rozměru 0,5 až 5 cm. Chomáče minerální vlny, či jinak plsti, v betonu nepřebírají funkci rozptýlené výztuže jako ve vláknobetonu, proto se do betonu nepřidávají. V rámci výzkumu bylo zjištěno, že chomáče řízené do betonové směsi vnášejí heterogenitu, která může při pečlivém návrhu betonové směsi vést k unikátním materiálovým vlastnostem výsledného cementového kompozitu. Ty se projevují zejména velkou absorpcí mechanické energie při zatěžování, absorpcí tepelné energie při požáru a absorpcí energie akustické.
Pro lepší výklad je uveden následující příklad chování zkušebních kostek při mechanickém zatížení. Zatímco zkušební kostka z běžného betonu bez přísad vláken selže křehkým způsobem v důsledku příčného tahu, kostka z popisovaného cementového kompozitu se začne drtit při vyčerpání tlakové únosnosti betonové matrice mezi kusy chomáčů minerální plsti. Díky jejich poddajnosti se kostka neroztrhne v důsledku příčného tahu, ale drží tvar a dále deformací matrice disipuje vnesenou energii, tedy jí absorbuje. Těchto vlastností je s výhodou možné užít například v případě tlumičů nárazu, výbuchu, či jako obkladů, které svou destrukcí mohou ochránit křehkou konstrukci.
-2CZ 305906 B6
V případě požáru fungují chomáče minerální plsti jako ostrovy tepelného izolantu, který umožňuje uniknout vodní páře uvolňované při zahřívání betonu. Požární odolnost kompozitu je pak velká, zejména z hlediska nízkého objemu odštěpků.
V případě akustického zatížení fungují chomáče minerální plsti jako ostrovy materiálu s nízkou průzvučností, které zpomalují šíření akustické vlny.
Pro ověření deklarovaných vlastností kompozitu jsou uvedeny dvě referenční receptury, na kte10 rých byly ověřovány mechanické vlastnosti kompozitu. Receptury jsou sestaveny pro limitní hmotnostní dávky cementu a odlišné množství sklených vláken.
1. příklad receptury:
kg/m3
Cement 875
Kamenivo 4/8 285
Skelná vlákna 190
Voda 437
Výsledky tlakových pevností
Označení vzorku Rozměr (mm) Hmotnost (kg) Objemová hmotnost (kg/m3) Sila (kN) Pevnost (MPa)
12.1 150 5,694 1687 216 9,60
150
150
12.2 150 5,789 1672 221 9,58
150
153
12.3 150 5,644 1646 186 8,14
150
152
Průměr 5,708 1668 9,11
Chování materiálu bylo také ověřeno požární zkouškou. Při zkoušce byly vzorky zatěžovány normovou teplotní křivkou a poté na nich byla ověřena reziduální tlaková pevnost.
Výsledky reziduální tlakové pevnosti
-3CZ 305906 B6
Označení vzorku Rozměr (mm) Hmotnost (kg) Objemová hmotnost (kg/m3) Síla (kN) Pevnost (MPa)
12.4 150 4,485 1347 78 3,50
150
148
12.5 150 4,705 1413 105 4,70
150
148
12.6 150 4,370 1358 72 3,40
150
143
Průměr 4,520 1372 3,90
2. příklad receptury:
kg/m3
Cement 483
Kamenivo 4/8 315
Skelná vlákna 210
Voda 246
Výsledky tlakových pevností
Označení vzorku Rozměr (mm) Hmotnost (kg) Objemová hmotnost (kg/m3) Síla (kN) Pevnost (MPa)
13.1 150 3,388 1195 14 0,74
150
126
13.2 150 2,278 997 9 0,59
150
101
13.3 150 3,197 1214 14 0,80
150
117
Průměr 2,954 1136 0,71
Modul pružnosti výsledného kompozitu se v závislosti na navržené směsi může lišit, běžný je rozsah 2000 až 12 000 MPa.
Cementový kompozit splňuje třídu reakce na oheň Al - nehořlavé, zkoušené podle ČSN EN 15 13501-1 pro obě receptury.
Tepelně technické parametry cementového kompozitu se mění podle konkrétního složení, ale vždy musí splňovat, následují interval:
-4CZ 305906 B6 • součinitel tepelné vodivosti 0,2 až 0,4 W/(m.K), • měrná tepelná kapacita 750 až 1000 J/(kg.K).
Průmyslová využitelnost
Vyvinutý materiál je možné s výhodou užít v případě např. tlumičů nárazu, výbuchu, či jako obkladů, které svou destrukcí mohou ochránit křehkou konstrukci před mechanickým, tepelným i akustickým zatížením. Cementový kompozit se tedy může uplatnit jako zdící materiál, jako materiál obkladový s tepelně a akusticky izolační funkcí a jako materiál plnící funkci tlumiče pro zatížení působící s velkou rychlostí.

Claims (4)

1. Cementový kompozit se zvýšenou schopností absorpce mechanické, akustické a tepelné energie ztužený vlákny, mající heterogenní strukturu, kde matrice je z křemičitanového cementu a je vyplněna přírodním drceným kamenivem libovolného mineralogického složení a/nebo umělým kamenivem na bázi expandovaných jílů a/nebo kamenivem recyklovaným, a kde kompozit dále obsahuje záměsovou vodu a případně plastifikátory, jejichž množství je dáno požadovanou zpracovatelností a rychlostí ukládání cementového kompozitu do bednění, vyznačující se tím, že obsahuje křemičitanový cement v dávce 400 až 900 kg/m3 kompozitu, kamenivo frakce 4-8 v dávce 150 až 350 kg/m3 kompozitu, a záměsovou vodu v dávce od 200 do 450 1/m3 kompozitu, a že vlákny jsou skelná a/nebo kamenná vlákna minerální vaty ve formě chomáčů nepravidelného tvaru a rozdílné délky v dávce 40 až 250 kg/m3 kompozitu.
2. Cementový kompozit podle nároku 1, vyznačující se tím, že chomáče mají v nestlačené formě velikost maximálního rozměru v rozmezí 0,5 až 5 cm.
3. Cementový kompozit podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že minerální skelná a/nebo kamenná vlákna jsou odpadního charakteru.
4. Cementový kompozit podle nároku 1 a kteréhokoli z nároků 2 nebo 3, vyznačující se tím, že dávka křemičitanového cementu je částečně, maximálně však do 60 % hmotnosti křemičitanového cementu, nahrazena popílkem vzniklým při spalování antracitu, černého či hnědého uhlí.
CZ2014-805A 2014-11-20 2014-11-20 Cementový kompozit se zvýšenou schopností absorpce mechanické, akustické a tepelné energie CZ2014805A3 (cs)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2014-805A CZ2014805A3 (cs) 2014-11-20 2014-11-20 Cementový kompozit se zvýšenou schopností absorpce mechanické, akustické a tepelné energie

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2014-805A CZ2014805A3 (cs) 2014-11-20 2014-11-20 Cementový kompozit se zvýšenou schopností absorpce mechanické, akustické a tepelné energie

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CZ305906B6 true CZ305906B6 (cs) 2016-04-27
CZ2014805A3 CZ2014805A3 (cs) 2016-04-27

Family

ID=56020630

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ2014-805A CZ2014805A3 (cs) 2014-11-20 2014-11-20 Cementový kompozit se zvýšenou schopností absorpce mechanické, akustické a tepelné energie

Country Status (1)

Country Link
CZ (1) CZ2014805A3 (cs)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CZ2009799A3 (cs) * 2009-11-30 2011-06-08 Ceské vysoké ucení technické, Fakulta stavební Vláknobeton pro zemní konstrukce a jiné nenárocné stavby bytové a obcanské výstavby
CZ2010745A3 (cs) * 2010-10-12 2012-05-23 Vysoké ucení technické v Brne Smes na bázi cementu ke zhotovení dílcu pro merení odezvy pri mechanickém namáhání, dílec z materiálu na bázi cementu a zpusob merení odezvy pri mechanickém namáhání

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CZ2009799A3 (cs) * 2009-11-30 2011-06-08 Ceské vysoké ucení technické, Fakulta stavební Vláknobeton pro zemní konstrukce a jiné nenárocné stavby bytové a obcanské výstavby
CZ2010745A3 (cs) * 2010-10-12 2012-05-23 Vysoké ucení technické v Brne Smes na bázi cementu ke zhotovení dílcu pro merení odezvy pri mechanickém namáhání, dílec z materiálu na bázi cementu a zpusob merení odezvy pri mechanickém namáhání

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
(Leber Pavel Ing. a kol., Vyuzití odpadních materiálu z výroby minerální vlny do stavebních hmot, 13.10.2014, http://m.tzb-info.cz/tepelne-izolace/11827) *
(Vyvázil Martina Ing a Prachar Vladan Ing., Vláknobetonové prvky s obsahem odpadních granálií z výroby minerální vlny, 23.4.2014, www.odpadoveforum.cz/TVIP2014/dokumenty/prezentace/205.ppt) *

Also Published As

Publication number Publication date
CZ2014805A3 (cs) 2016-04-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Raza et al. Effect of different fibers (steel fibers, glass fibers, and carbon fibers) on mechanical properties of reactive powder concrete
Laborel-Préneron et al. Effect of plant aggregates on mechanical properties of earth bricks
Colangelo et al. Recycled polyolefins waste as aggregates for lightweight concrete
Çavdar A study on the effects of high temperature on mechanical properties of fiber reinforced cementitious composites
Uysal et al. Properties and behavior of self-compacting concrete produced with GBFS and FA additives subjected to high temperatures
Noaman et al. The effect of combination between crumb rubber and steel fiber on impact energy of concrete beams
Aslani et al. Fiber‐reinforced lightweight self‐compacting concrete incorporating scoria aggregates at elevated temperatures
Zhang et al. Research on the static and dynamic compressive properties of high performance cementitious composite (HPCC) containing coarse aggregate
Korniejenko et al. The overview of mechanical properties of short natural fiber reinforced geopolymer composites
Liu et al. Low velocity impact behavior of AR-glass textile reinforced mortar under varying range of loading and temperatures
Reiterman et al. Physical and mechanical properties of composites made with aluminous cement and basalt fibers developed for high temperature application
Ganesh et al. Investigation on the performance of hybrid fiber reinforced geopolymer concrete made of m-sand under heat curing
Daniel et al. Comparative study on the behaviour of geopolymer concrete with hybrid fibers under static cyclic loading
Hasan-Ghasemi et al. Post-fire residual fracture characteristics and brittleness of self-compacting concrete containing waste PET flakes: Experimental and theoretical investigation
Zhang et al. Effect of fibre addition on the static and dynamic compressive properties of ambient-cured geopolymer concrete
TANG et al. Mechanical properties and crack evolution of interbedded cemented tailings backfill
Rezaei Shahmirzadi et al. Wastepaper fiber‐reinforced concrete containing metakaolin: Effect on fracture behavior
KR102125818B1 (ko) 폭열저항을 개선한 고성능 섬유보강 시멘트 복합재료 조성물 및 그 제조 방법
Varghese et al. Influence of fiber on shear behavior of concrete exposed to elevated temperature
Zhihui et al. High temperature flexural deformation properties of engineered cementitious composites (ECC) with hybrid fiber reinforcement
Anand et al. Effect of fibers on stress–strain behavior of concrete exposed to elevated temperature
Kim et al. Mechanical properties of light weight concrete at elevated temperature
Gao et al. Flexural properties after exposure to elevated temperatures of a ground granulated blast furnace slag concrete incorporating steel fibers and polypropylene fibers
Drdlová et al. Comparison of tensile behaviour of polypropylene, aramid and carbon fibre reinforced cementitious composite at high strain rate loading
CZ305906B6 (cs) Cementový kompozit se zvýšenou schopností absorpce mechanické, akustické a tepelné energie

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Patent lapsed due to non-payment of fee

Effective date: 20211120