DK158301B - Cementblanding og dens anvendelse - Google Patents

Description

DK 158301 B

Den foreliggende opfindelse angår en cementblanding, der afbinder til en hård masse med hindret vådekspansion, samt dens anvendelse.

Ved udtrykket "cementsystemer", som det anvendes i 5 den foreliggende beskrivelse, skal der forstås blandinger, der generelt har den egenskab at kunne hærdne under vand, såsom cementblandinger til vandtætning, overfladelag, beskyttelseslag og lignende samt blandinger med fyldstoffer og vand, såsom beton, mørtel, fugecement og produkter fremstil-10 let deraf.

Udtrykket "aluminatcement", som det anvendes i den foreliggende beskrivelse, skal forstås som omfattende sådanne cementmaterialer, der som hoved-cementbestanddel indeholder monocalciumaluminat (CaO:Al2C>3), såsom høj aluminatcement og 15 calciumaluminatcement.

4

Udtrykket "gips", som det anvendes i den foreliggende beskrivelse, skal opfattes som omfattende calciumsulfat (CaS04) og dets forskellige former, calciumsulfat-anhydrid, calciumsulfat-hemihydrat, calciumsulfat-dihydrat samt cal-20 cineret gips, trykcalcineret gips og stukgips.

Udtrykket "portlandcement", som det anvendes i den foreliggende beskrivelse, skal opfattes som omfattende sådanne cementsorter, der normalt betegnes portlandcement og f.eks. er beskrevet i ASTM c 150, idet type I og type III 25 er særlig foretrukne til anvendelse ved opfindelsen, selv om andre former for portlandcement også er egnede. Portlandcement bevirker en nedsættelse af tørringssvindet og vil forøge vådekspansionen af blandingen ifølge opfindelsen. Derfor er andre cementsorter, der virker som tørringssvind-30 inhibitorer, skønt de ikke specifikt betegnes portlandcement, også egnede til anvendelse, og udtrykket skal opfattes som omfattende sådanne andre cementsorter. Sådanne andre tørringssvind-inhibitorer kan f.eks. omfatte ekspansionsfremmende midler, såsom ekspansionscementsorter, der er forene-35 lige med de andre bestanddele i systemet.

Ved udtrykket "vådekspansion", som det anvendes i

DK 158301 B

2 den foreliggende beskrivelse, skal der forstås ekspansionen af et cementsystem i den hærdnede tilstand, dvs. efter den endelige størkning, i fugtig tilstand som bestemt generelt ifølge standardprøvemetoden ASTM C 157-75 for "Length Change 5 of Hardened Cement, Mortar and Concrete".

Udtrykkene "vådekspansionsinhibering" og "vådekspansionsmodvirkning" anvendes i det væsentlige ensbetydende til beskrivelse af - som et minimum - en reduktion af vådekspansionen af cementsystemet i den hærdnede tilstand og/-10 eller fordelagtigt en opretholdelse af et volumen, der er lig med eller større end systemets anbringelses-volumen, og omfatter lignende udtryk som "vådekspansionseliminering".

Der kendes forskellige forsøg på at tilvejebringe cementsysterner, der opfylder kravene inden for bygnings-15 industrien, især ved beskyttelse, vandtætning og reparation af betonstrukturer. Det er ønskeligt, at sådanne systemer er ubrændbare, ugiftige og i løbet af relativt kort tid størkner til en hård masse eller belægning med tilstrækkelig styrke, slidbestandighed og korrosionsbestandighed. De bør 20 også være uigennemtrængelige for fluida, især væsker. Samtidig bør sådanne systemer ikke udvise for store volumenændringer i hærdet tilstand under hverken våde eller tørre betingelser. Til kommerciel anvendelse skal disse typer af cementsystemer også have god bindeevne til fugtige eller 25 tørre overflader, korttids- og langtidsstyrke og praktisk forarbejdelighed på anvendelsesstedet. De bør kunne modstå frost og tø samt indvirkning af salte, opløsningsmidler og andre korrosive stoffer.

Selv om der kendes cementsystem-blandinger, der har 30 en eller flere af de ovennævnte ønskelige egenskaber, har hidtidige forsøg på at opnå alle de ovennævnte egenskaber i en blanding kun haft begrænset succes. Mange produkter af blandet cement udviser vådekspansion. Andre blandinger, der omfatter tilsætning af visse acceleratorer til nedsættelse 35 af størkningstiden, udviser for stort tørringssvind. Således har kendte forsøg på at tilvejebringe cementblandinger med 3

DK 158301 B

kommerciel værdi inden for bygningsindustrien generelt været specifikke eller har fremhævet visse egenskaber uden hensyntagen til eller i nogle tilfælde til skade for andre ønskede egenskaber.

5 I us patentskrift nr. 3.861.929 omtales de iboende svindegenskaber af beton fremstillet med konventionelle cementsorter, hvilket medfører revner ved hærdning og tørring. I patentskriftet beskrives en ekspansionscement, der under og efter størkning og hærdning forøger sit volumen 10 betydeligt. Den beskrevne ekspansionscement omfatter en blanding, der i det væsentlige består af portlandcement og calciumaluminatcement og en mængde calciumsulfat, der kan have form af gips. I US patentskrift nr. 3.775.143 beskrives en trykfremkaldende cement, der indeholder portlandcement 15 og en ekspanderende komponent bestående af calciumsulfat, calciumoxid og et aluminatholdigt materiale, såsom aluminat-cement eller højalkali-calciumhydroaluminat. Cementen angives at udvise vandtæthed samt benzin- og gas-tæthed.

I US patentskrift nr. 3.147.129 diskuteres nogle af 20 problemerne ved de grundlæggende processer til fremstilling af sulfoaluminatcementsorter, herunder vanskelighederne med at kontrollere egenskaberne. I patentskriftet beskrives derefter en sulfoaluminatcementblanding, der angives at have ensartede egenskaber og kan anvendes som ekspansions-25 cement ved inkludering af egnede tilsætningsstoffer, såsom zinksulfat og natriumhydrogensulfat. I patentskriftet anføres, at visse bestanddele kan tilsættes som retardere, der ikke bevirker nogen væsentlig ekspansion og endog er tilbøjelige til at neutralisere ekspansionsvirkningen af 30 tilsætningsstofferne, såsom zinksulfat og natriumhydrogen-sulfat. Sådanne bestanddele kan omfatte saccharose, hydratkalk og siliciumdioxidblandinger.

Blandinger indeholdende høj aluminatcement og portlandcement til anvendelse som hurtigtstørknende blanding er 35 kendte. For eksempel anføres det i US patentskrift nr. 4.012.264, at det er kendt, at meget hurtigt størknende og 4

DK 158301 B

hærdnende cement kan fremstilles ved at blande portlandcement og højaluminatcement og/eller ved at anvende forskellige acceleratorer, og der beskrives en calciumaluminat/portland-cement-blanding indeholdende retardere og/eller accelerato-5 rer. Høj aluminatcement er også blevet sat til stukgips eller anhydritgips for at give stærkere forme og støbninger. T.D.

Robson, "High Alumina Cements and Concretes", John Wiley &

Sons, N.Y. 1962, side 126-127, beskriver, at lithiumsalte er blevet foreslået som acceleratorer til høj aluminatcement.

10 Det har imidlertid vist sig, at blandinger indeholdende aluminatcement, gips og lithiumsalte som accelerator i sig selv udviser for stort tørringssvind i hærdet tilstand. Desuden udviser blandinger, der indeholder aluminatcement og gips alene en for stor vådekspansion i hærdnet tilstand.

15 I US patentskrift nr. 2.339.163 beskrives en blanding til en beskyttende cementbelægning omfattende calciumalumi-natcement og et uorganisk tilsætningsstof valgt blandt cal-ciumchlorid, calciumsulfat, magnesiumsulfat, ferrisulfat, aluminiumsulfat og alkalimetalcarbonater til fremskyndelse 20 af størkningen samt casein for at begrænse fordampningshastigheden af vandet, således at en for hurtig tørring og svind forhindres. Det anføres, at materialet vil give en belægning, der ikke vil revne, efter at den er størknet og hærdnet, og der tænkes her tydeligvis på en reduktion af 25 tørringssvindet.

I US patentskrift nr. 4.045.237 og 4.157.263 beskrives en cementblanding, der har en høj grad af uigennemtrængelighed for væske og damp og reduceret langtidssvind, og som er sammensat af en partikelformig blanding af portlandcement, 30 en calcineret gips og høj aluminatcement. Alternativt kan blandingen være sammensat af en partikelformig blanding af højaluminatcement og trykcalcineret gips.

Fra DE fremlæggelsesskrift nr. 1.281.332 er det kendt at sætte lithiumcarbonat til en portlandcementblanding for 35 at undgå udblomstringer på det færdighærdede produkt. Her er der imidlertid tale om en anden problemstilling.

5

DK 158301 B

Det har nu vist sig, at der kan tilvejebringes en cementblanding, der efter blanding med vand er i stand til at størkne hurtigt til en hård masse med høj trykstyrke uden væsentligt svind under størkningen, og som udviser 5 nedsat volumenændring i våd og tør tilstand efter hærdning og alligevel har en høj grad af uigennemtrængelighed for fluida og en god slidstyrke, erosionsbestandighed og kemisk bestandighed og lignende egenskaber, der ønskes af en blanding, der er kommercielt anvendelig inden for bygningsin-10 dustrien.

Opfindelsen angår således en cementblanding, der afbinder til en hård masse med hindret vådekspansion, hvilken cementblanding er ejendommelig ved, at den, beregnet på mængden af aluminatcement og gips, er sammensat af 15 60-90 vægt-% aluminatcement, 10-40 vægt-% gips, portlandcement som tørringssvindinhibitor samt 0,01-0,5 vægt-% lithiumsalt som vådekspansionsinhibitor.

Det vådekspansionsinhiberende lithiumsalt tilsættes 20 fortrinsvis i en mængde, der ligger i området mellem 0,1 og 0,3 vægtprocent, beregnet på aluminatcement og gips. Inhibitoren af tørringssvind efter hærdning, portlandcement, tilsættes fortrinsvis i en mængde, der ligger i området mellem 0,1 og 25 vægtprocent, beregnet på aluminatcement og 25 gips, og fortrinsvis mellem 1 og 20 vægtprocent. Aluminat-cementen har fortrinsvis et højt aluminiumoxidindhold, gipsen er fortrinsvis trykcalcineret gips, og portlandcementen er fortrinsvis type III.

Ud over de ovennævnte væsentlige bestanddele i cement-30 blandingen ifølge opfindelsen kan der anvendes yderligere komponenter, såsom viskositetsregulerende midler, overfladeaktive midler, retardere, acceleratorer, gasdannende eller gasfrigørende midler, flyveaske, plasticeringsmidler, pumpehjælpemidler, tørringshjælpemidler, vandtilbageholdelses-35 hjælpemidler, fyldstoffer og tilslagsstoffer.

Opfindelsen angår endvidere anvendelsen af cement-

DK 158301B

6 blandingen ifølge opfindelsen til fremstilling af fluidumtætte cementlegemer, især under styring af volumenændringer.

De ovennævnte og andre enkeltheder og fordele ved opfindelsen vil fremgå af den følgende detaljerede beskrivel-5 se og eksemplerne i forbindelse med kravene.

Opfindelsen illustreres ved de følgende eksempler, der demonstrerer, at tilsætningen af lithiumsalte til cementblandinger indeholdende aluminatcement, gips og portland-cement som tørringssvindinhibitor i hærdet tilstand, over-10 raskende inhiberer vådekspansion af blandingen i hærdnet tilstand. I eksemplerne blandes bestanddelene i tør pulverform og blandes derefter med ledningsvand til dannelse af en løs bearbejdelig konsistens. I almindelighed er forholdet mellem bestanddelene og sand eller tilslagsmateriale 1:1 15 eller 1:2. Den homogene blanding anbringes derefter i 25 cm's stangstålfbrme, der opfylder standardspecifikationen for "Apparatus for Use in Measurement of Length Change of Hardened Cement Paste, Mortar, and Concrete", ASTM C 490. Formene har en tyk foring af et harpiksbaseret slipmiddel 20 og et tyndt ark af polyethylen for at lette udtagningen af skrøbelige hærdnede prøvestykker. Prøvestykkerne udtages fra formene så snart det er muligt efter hærdningen uden at forårsage skader på de hærdnede prøvestykker, sædvanligvis 1/2 til 2 timer efter den endelige størkning.

25 Målinger af begyndelseslængdeændringen af prøvestyk kerne udføres umiddelbart efter fjernelsen fra formene for at bestemme den sande længdeændring i hærdnet tilstand bedst muligt. To prøvestykker af hver blanding afprøves. Det ene prøvestykke anvendes til bestemmelse af længdeændringen i 30 våd tilstand og det andet til bestemmelse af længdeændringen i tør tilstand. Våde prøvestykker nedsænkes fuldstændig i vand i hele varigheden af prøven, medens tørre prøvestykker lufttørres under hele varigheden af prøven. 25 cm*s prøvestykkerne udmåles til nærmeste 1/10.000 tomme (2,5 μ) under 35 anvendelse af en længdeændringskomparator, der opfylder kravene ifølge den ovennævnte standard ASTM C 490. Længde- 7

DK 158301 B

ændringsmålingerne udføres i det væsentlige i overensstemmelse med standardprøvemetoden for "Length Change of Hardened Cement, Mortar and Concrete", ASTM c-157. Alle længdeændringsresultater er baseret på en blanding af 1 del cement 5 og 1 del sand eller indstillet til denne basis. Slidbestan-digheden bestemmes på en belægning af blandingen udlagt på en cementblok.

De følgende eksempler er repræsentative for resultaterne, der opnås ved udøvelsen af opfindelsen.

10

Eksempel 1.

Et kontrolprøvestykke fremstilles som beskrevet ovenfor under anvendelse af 80 vægtprocent aluminatcement og 20 vægtprocent trykcalcineret gips. Efter 4 dages ældning måles 15 længderetningen i hærdnet tilstand til 0,321% vådekspansion og 0,012% tørsvind. Slidbestandigheden, målt på en skala fra 1 til 10, hvor 10 er det hårdeste, er 4.

Eksempel 2.

20 Der anvendes samme blanding og procedure som i eksem pel 1, men tilsættes 0,2 vægt-%, beregnet på aluminatcement og gips (der herefter er basismaterialerne, medmindre der er angivet andet), vådekspansionsinhibitor omfattende lithi-umcarbonat til blandingen. Længdeændringen i hærdnet tilstand 25 efter 4 dage er 0,065% vådekspansion og 0,179% tørsvind, og slidbestandigheden er 6.

Eksempel 3.

Der anvendes samme blanding og procedure som i eksem-30 pel 1, men tilsættes en portlandcement type III som tørringssvindinhibitor i en mængde på 19 vægt-%, beregnet på den samlede mængde aluminatcement og gips. Den procentiske længdeændring måles efter 2 timer, da vådekspansionen er af en sådan størrelse, at prøvestykket revner. Efter de 2 timer 35 er vådekspansionen 1,33%. Der er intet tørsvind, men derimod en tørekspansion på 0,084%. Slidbestandigheden er 7.

DK 158301 B

8

Eksempel 4.

Der anvendes samme blanding og procedure som i eksempel 2 med tilsætning af portlandcement type III som tørringssvindinhibitor i en mængde på 10 vægtprocent. Efter 4 dage 5 måles den procentiske længdeændring til 0,188% vådekspansion og 0,100% tørsvind. Slidbestandigheden er 10.

Det fremgår af de foregående eksempler 1-4, at lithi-umsalte er effektive vådekspansionsinhibitorer til aluminat-cement-gips-formuleringer, medens blandinger indeholdende 10 aluminatcement, gips og lithiumsalte med en yderligere tilsætning af portlandcement som tørringssvindinhibitor giver en blanding, der har gunstige længdeændringsegenskaber. Foruden lithiumcarbonat er andre lithiumsalte anvendelige som vådekspansionsinhibitorer. Eksempler på sådanne lithium-15 salte, der har fungeret tilfredsstillende, omfatter lithium-citrat, lithiumhydroxid og lithiumacetat.

Eksempel 5.

Der anvendes samme blanding og procedure som i eksem-20 pel 4, idet portlandcementen dog tilsættes i en mængde på 11% og der tilsættes et hærdningsmiddel efter hærdningen.

Efter 30 dage måles længdeændringen i tør tilstand til 0. Slidbestandigheden er 10.

Eksempel 5 viser, at nettolængden kan indstilles til 25 et nettosvind eller en nettoekspansion på nul. Det har også vist sig, at cementblandingen ifølge opfindelsen kan formuleres ved at variere inhibitorerne eller cementkombinationerne på en sådan måde, at nettolængdeændringen i særlige omgivelser, såsom våde, tørre eller skiftevis våde og tørre, 3 0 kontrol1eres.

Eksempel 6.

Til blandingen ifølge eksempel 5 sættes 1 vægtprocent af et handelsgængst overfladeaktivt middel og 0,1 vægtprocent 35 vandfrit citronsyrepulver, og bestanddelene blandes til en intermediær tørblanding. Denne cementtilsætning blandes med 9

DK 158301 B

slidbestandigt tilslagsmateriale i et forhold på 3:7. Den fremkomne blanding blandes derefter med vand til en selvnivellerende konsistens og påføres derefter på en cementblok. Blandingen størkner i løbet af 20 minutter og udvikler en 5 trykstyrke på 422 kg/cm2 i løbet af 24 timer målt ifølge ASTM C 109. Blandingen udviser særdeles kraftige bindingsegenskaber og er meget hård og slidbestandig i løbet af 24 timer. Desuden udviser blandingen en høj bestandighed mod frysning/optøning og korrosive stoffer. Blandingen størkner 10 uden mærkbart svind, overfladerevner eller støvning uden behov for fugtig hærdning eller et hærdningsmiddel. Desuden underkastes overfladen af den belagte blok indvirkning af en fin vandstråle med et tryk på 1,8 kg/cm2 i en periode på en uge uden mærkbar erosion.

15

Eksempel 7.

Idet der gås frem som beskrevet ovenfor i eksempel 1-4, fremstilles et yderligere kontrolprøvestykke ud fra en blanding indeholdende 80 vægtprocent, beregnet på aluminat-20 cement og gips, af portlandcement type III som tørringssvindinhibitor. Den procentiske længdeændring måles efter 2 dage til 0,383% vådekspansion uden noget som helst tørsvind eller tørekspansion.

25 Eksempel 8.

Til blandingen beskrevet i eksempel 7 sættes 0,2 vægtprocent natriumcarbonat som kendt accelerator for at bestemme dets effektivitet som vådekspansionsinhibitor.

Efter 2 dage måles den procentiske længdeændring til 0,366% 30 vådekspansion og 0,026% tørekspansion. Der er således ekspansion i tør tilstand ud over den, der observeres med kontrolprøvestykket ifølge eksempel 7, medens ekspansionen i våd tilstand er næsten lige så stor som for kontrollen og uacceptabel.

35

DK 158301B

10

Eksempel 9.

Til blandingen ifølge eksempel 7 sættes 0,2 vægtprocent aluminiumsulfat som kendt accelerator for at bestemme dets effektivitet som vådekspansionsinhibitor. Efter 2 dage 5 måles den procentiske længdeændring til 0,415% vådekspansion og 0,017% tørekspansion, hvilket viser, at aluminiumsulfat ligesom natriumcarbonat ikke er effektivt til tilfredsstillende inhibering af vådekspansion i aluminatcement-gips-portlandcement-systemer.

10

Eksempel 10.

Til blandingen ifølge eksempel 7 sættes 0,2 vægtprocent lithiumcitrat for at bestemme dets effektivitet som vådekspansionsinhibitor. Efter 2 dage er den procentiske 15 længdeændring kun 0,186% vådekspansion, mindre end det halve af kontrolprøvestykkets, og 0,006% tørsvind. Dette viser, at lithiumsalte er enestående i dette cementsystem som vådekspansionsinhibitorer. Lithiumsaltene påvirker ikke cementsystemets fluid-uigennemtrængelighedsegenskaber i væsentlig 20 grad, og systemet bliver således ved med at have udmærkede vandtætnende egenskaber.

I cementblandingen ifølge opfindelsen, der indeholder aluminatcement, gips og inhibitorer af volumenændring i våd og tør tilstand, anvendes mellem 60 og 90% aluminatcement 25 og mellem 10 og 40% gips. Inhibitoren af tørringssvind i hærdet tilstand, portlandcement, sættes fortrinsvis til den samlede mængde aluminatcement og gips i en mængde, der ligger i området mellem 0,1 og 25%, mest fordelagtigt mellem 1 og 20%. Lithiumsaltene tilsættes i en mængde, der ligger i 30 området mellem 0,01 og 0,5 vægtprocent, beregnet på aluminatcement og gips, fortrinsvis mellem 0,1 og 0,3%.

Ud over de ovennævnte væsentlige bestanddele i cementblandingerne ifølge opfindelsen kan andre tilsætningsstoffer til indstilling af egenskaberne generelt inkorporeres uden 35 tab af de opnåede vådekspansionsinhiberingsfordele, hvis de ellers er forenelige med de væsentlige bestanddele. Sådanne 11

DK 158301 B

andre tilsætningsstoffer omfatter viskositetsregulerende midler, ekspansionsmidler, overfladeaktive midler, retardere, acceleratorer, gasdannende eller gasfrigørende midler, flyveaske, fyldstoffer, pumpehjælpemidler, vandtilbageholdelses-5 hjælpemidler og tilslagsstoffer til selektiv forbedring af specifikke egenskaber. Andre tilsætningsstoffer, der er normalt anvendte inden for industrien til cementsystemer, kan også anvendes, forudsat at deres anvendelse ikke er uforenelig med de her ønskede eller beskrevne resultater.

10 Lithiumsaltene kan blandes med de andre bestanddele i tør tilstand eller tilsættes på tidspunktet for tilsætning af vand eller til det tilsatte vand eller efter tilsætningen af vand. Det betyder ikke nødvendigvis noget, hvornår de respektive materialer sættes til blandingen, så længe de 15 alle inkorporeres deri til dannelse af en homogen blanding i opslæmningen. En fagmand vil forstå, at anerkendte metoder til fremstilling af cementblandinger kan anvendes til blandingen ifølge opfindelsen, herunder metoder til blanding før gennemførelsen af behandlingstrinnene, såsom brænding 20 samt fælles formaling eller blanding af de endelige bestanddele, forudsat af trinene ikke er skadelige for nogen af komponenterne.

25 30 35

Claims (5)

1. 2. Cementblanding ifølge krav 1, k e n-d e t e g - net ved, at lithiumsaltet er til stede i en mængde på 0,1-0,3 vægt-%, beregnet på mængden af aluminatcement og gips.
2. 3. Cementblanding ifølge krav 1 eller 2, kende-15 tegnet ved, at portlandcementen er til stede i en mængde på 0,1-25 vægt-%, beregnet på den samlede vægt af aluminatcement og gips.
3. 4. Cementblanding ifølge et af kravene 1-3, kendetegnet ved, at lithiumsaltet er lithiumcarbonat, 20 lithiumcitrat, lithiumhydroxid og/eller lithiumacetat.
4. 5. Cementblanding ifølge et af kravene 1-4, kendetegnet ved, at aluminatcementen er til stede i en mængde på 80 vægtdele, gipsen er til stede i en mængde på 20 vægtdele, portlandcementen er af type III og er til stede 25. en mængde på 10 vægtdele, og lithiumsaltet er lithiumcarbonat og er til stede i en mængde på 0,2 vægtdele.
5. 6. Anvendelse af en cementblanding ifølge et af kravene 1-5 til fremstilling af fluidumtætte cementlegemer, især under styring af volumenændringer. 30