FI100239B

FI100239B - Menetelmä sementtipohjaisen materiaalin valmistamiseksi ja siinä käyte ttäviä synteettisiä kuitukimppuja

Info

Publication number: FI100239B
Application number: FI912848A
Authority: FI
Inventors: Anders Staf Hansen; Derek Davies
Original assignee: Cemfiber As
Priority date: 1988-12-14
Filing date: 1991-06-13
Publication date: 1997-10-31
Also published as: EP0448577A1; ATE96766T1; ES2060135T3; AU4757090A; NO304933B1; DE68910533T2; US5399195A; WO1990006902A1; DK695688D0; AU630141B2; RU2074153C1; NO912302L; FI912848A0; DK170614B1; DE68910533D1; DE448577T1; DK114191A; EP0448577B1; DK114191D0; NO912302D0

Description

100239

Menetelmä sementtipohjaisen materiaalin valmistamiseksi ja siinä käytettäviä synteettisiä kuitukimppuja - Förfarande for framställning av ett cementbaserat material och syntetfiberknippen for användning i forfarandet 5

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukainen menetelmä sekä patenttivaatimuksen 17 johdanto-osan mukaiset synteettiset kuitukimput.

Erityyppisten kuitujen käyttö betonin valmistuksessa lisävetolujuuden ja lujitteen 10 aikaansaamiseksi iskun aiheuttamaa vahingoittumista ja murtuman etenemistä vastaan on tunnettuja sitä on haijoitettu pitkän aikaa. On myös tunnettua, että vaikka tavanomaiset lujittavat ja karkeammat kuidut voivat vähentää suurempaa näkyvää halkeilua, jota pyrkii tapahtumaan betonissa, vain hyvin hienot kuidut ovat todella tehokkaita ehkäisemään pienempien murtumien kehittymistä. Kuitenkin kuidut, 15 joita yleensä käytetään betonissa, esim. sellaisia materiaaleja kuin polypropeenia olevat synteettiset kuidut ovat suhteellisen karkeita johtuen siitä, että on vaikeaa saavuttaa tyydyttävää dispergoitumista betoniin hyvin hienoilla kuiduilla ja erityisesti kuiduilla, joilla on suuret sivusuhteet, käyttämällä tavanomaisia sekoitusme-nettelyjä ja laitteistoa. Itse asiassa jopa suhteellisen karkeiden kuitujen tasainen dis-20 pergointi betoniin voi myös olla vaikeaa.

On yleistä, että tällaiset kuidut valmistetaan yhtenäisenä fibrillaattinauhana ja että luotetaan pitkäaikaisen sekoituksen murtavan fibrilloinnin ja dispergoivan yksittäiset filamentit, jotka ovat yhä suhteellisen karkeita, betoniin. Tämä systeemi ei ehkä 25 aina ole luotettava eikä fibrilloitu nauha aina murru halutuiksi yksittäisiksi filamen-teiksi varsinkaan, koska vaadittua pitkäaikaisen sekoituksen astetta ei käytännössä usein saavuteta. Silloinkin, kun kuidut erottuvat tehokkaasti, ne saattavat yhä olla liian karkeita maksimitehokkuuden saavuttamiseen murtumisen ehkäisyssä, erityisesti mikromurtumista vastaan.

30

Betoni on taipuvainen sisäsyntyiseen murtumiseen ja koska se on hauras materiaali, nämä murtumat etenevät helposti suhteellisen pienillä jännityksillä. Betoni murtuu vedossa vähittäisellä murtuman kehittymisellä eikä tavallisemmalla teknisten materiaalien murtumistavalla.

Yleisesti oletetaan, että ristiriita betonin todellisen ja teoreettisen lujuuden välillä voidaan selittää valurakkuloiden esiintymisellä (Neville, A.M., Properties of Concrete, 1981). Näin ollen betoni ei murru sen vuoksi, että se on heikko vedossa, 35 2 100239 vaan pikemminkin se on heikko vedossa, koska se jo sisältää murtumia. Nämä murtumat ja valurakkulat vaihtelevat kooltaan, joten mittakaava on hyvin tärkeä käsiteltäessä murtumismekanismia, koska kokonaisuuden todellinen lujuus on tilastollinen todennäköisyysseikka, joka riippuu murtumien jakautumisesta materiaa-5 lissa. Betonin tehollista lujuutta voidaan tämän vuoksi parantaa ja halkeamista, ts. suuren mittakaavan halkeamia ja murtumia, voidaan estää ehkäisemällä säröjen kehittymistä ja etenemistä.

Sisäsyntyisiä, ei-rakenteellisia säröjä kehittyy suurissa valmiiksi sekoitetun betonin 10 massoissa johtuen pienistä säröistä, joita muodostuu varhaisessa vaiheessa ja nämä etenevät sen jälkeen jännitysten vaikutuksesta, joita tällaisten suhteellisen suurten rakenteiden dimensioiden muutokset aiheuttavat. Jalkakäytäväbetoniyksiköt ovat tyypillisesti kooltaan n. 3 x 10 m ja 200 mm paksuja; pienet säröt tällaisessa betonissa voivat helposti edetä aikaansaaden heikon lenkin, joka johtaa myöhempään 15 halkeamiseen. Tämä selvästi näkyvä säröily on usein ainoa säröilyn muoto, jonka tajutaan olevan tärkeä, mutta se on suoraa seurausta paljon pienemmästä ja toden-näkäisesti olennaisesti näkymättömästä aikaisemmasta särön kehittymisestä.

Patentissa EP-A-0 235 577 selostetaan kuituagglomeraatteja, joilla on parannettu 20 dispergoitavuus viskooseihin orgaanisiin ja epäorgaanisiin matriiseihin, esim. se-menttipohjaisiin matriiseihin, jotka agglomeraatit koostuvat akryylitapulikuiduista, joiden jokaisen halkaisija on alle 50 pm ja pituus yli 3 mm, kuitujen ollessa sidottu toisiinsa koheesiota parantavalla aineella, joka on liuotettu lujitettavaan matriisiin, paisuu tai sulaa siinä. Koheesiota parantavaa ainetta, esim. polyvinyylialkoholia, 25 käytetään 1-30 painoprosentin määrä kuidusta. Kuiduilla on edullisesti suuri kim-momoduli.

Patentissa EP-A-0 225 404 selostetaan menetelmää kuitulujitteisen valetun se-menttikappaleen valmistamiseksi, jossa menetelmässä dispergoidaan useista kui-30 duista koostuvia säikeitä kovettumattomaan sementtimateriaaliin ja sen jälkeen kovetetaan materiaali, jolloin ainakin jotkin säikeistä kyllästyvät sideaineella niin, että säikeiden kuidut ovat sitoutuneet heikosti toisiinsa ja niin, että kun säikeet dispergoidaan sementtimateriaaliin, kuidut vapautuvat toisistaan. Sideainetta, esim. epoksihartsia, käytetään sellainen määrä, että säikeiden suhde sideaineeseen on 35 5:5-9:1 tilavuudesta laskettuna.

Kuidun aikaisemmat sovellutukset ovat kohdistuneet tavanomaiseen lujittamiseen, jossa käytetään riittävästi korkean kimmomodulin kuituja vetojännitysten kannat- 3 100239 tamiseen. Vaikka tämä on mahdollista korkean sementtipitoisuuden materiaaleissa, tämä lähestymistapa ei ehkä toimi tehokkaasti tavanomaisemmilla betoneilla, ei edes teräskuiduilla, joilla on erinomaiset mekaaniset ominaisuudet. Tämä voi johtua seuraa vista seikoista: 5 a. Vaadittu kuitumäärä voi olla liian suuri mahtuakseen betonin laastifaasiin.

b. Kuitujen antama hyöty voidaan saavuttaa sen jälkeen, kun matriisi on murtunut ja sitä voidaan näin ollen tällaisissa tapauksissa kuvata yksinkertaisesti vähittäiseksi murtumaksi hyödyllisen lujuuden sijasta.

10 c. Kustannukset ja vaikeudet käytössä eivät aina tee sovellutusta oikeutetuksi, d. Kuitujen kolmiulotteinen suuntautuminen esiseoskäytössä ja kuitujen käyttö kaikkialla materiaalissa muodostavat usein lujitteen käytöstä tehottoman.

On käynyt yhä ilmeisemmäksi, että kuitujen tärkein kaupallinen panos on parantaa 15 itse betonin ominaisuuksia eikä toimia itsenäisesti lujitteena.

Lujitus on kuitenkin helppo laskea ja vaikka muiden etujen, ts. itse betonin, vahvistamisen saatetaan tunnustaa olevan merkityksellistä, vaikeus niiden mittaamisessa ja määrittämisessä on ollut tekijä, joka hidastaa tätä kuidun käyttöä betonissa.

20

Keksinnön mukaisesti on havaittu, että on mahdollista käyttää hyvin pieniä määriä hyvin hienoja synteettisiä kuituja, esim. polypropeenia, betonin ja laastin ominaisuuksien ja suorituskyvyn parantamiseen, erityisesti niiden säröjen kehittymisen estämiseen, joita betonissa tapahtuvat dimensiomuutokset aiheuttavat, ja tä-25 män säröilyn ehkäisyn saavuttamiseen tärkeällä mikrotasolla, ennen kuin säröt kehittyvät visuaalisesti havaittaviksi. Kuidut toimivat täten parantaen betonin luontaista lujuutta ja erityisesti estäen sisäsyntyisiä säröjä kehittymästä mikrotasolla ja myös estäen niiden etenemisen sen sijaan, että ne aikaansaisivat pelkän erillisen itsenäisen lujitteen.

30

Keksinnön mukainen menetelmä tunnetaan pääasiallisesti patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosasta ja keksinnön mukaiset kuitukimput vastaavasti patenttivaatimuksen 17 tunnusmerkkiosasta.

35 Kuidut lisätään betoniin tai laastiin kuitukimppujen muodossa, jotka, kuten seuraa-vassa selostetaan, sallivat saavuttaa halutun hienojen kuitujen oleellisesti homogeenisen jakautumisen materiaaliin. Eräs tämän keksinnön kohta koskee tämän vuoksi synteettisiä kuitukimppuja, jotka on suunniteltu käytettäväksi betonissa, 4 100239 laastissa tai sementissä, kuitujen sisältäessä 10-10000 filamenttia kimppua kohti; filamenttien koostuessa olennaisesti polyolefiinista, kuten polypropeenista tai po-lyeteenistä, polyesteristä tai edellä mainittujen seoksesta ja niiden pituuden ollessa 1-30 mm, keskipoikkimitan 5-30 pm ja sivusuhteen 100-1000, joita kuituja pitää 5 yhdessä kussakin kimpussa kostutusaine, joka varustaa yksittäiset filamentit pintajännityksellä, joka sallii niiden dispergoinnin oleellisesti homogeenisesti betoniin, laastiin tai kalkkilaastiin tavanomaisella sekoituksella tavanomaisessa betoninsekoi-tuslaitteistossa.

10 Muussa kohdassaan tämä keksintö koskee menetelmää sementtipohjaisen materiaalin valmistamiseksi, jossa menetelmässä: lisätään betoni-, laasti- tai sementtiseokseen, johon vesi on lisätty, alle 1 paino-% sementtimateriaaleista laskettuna synteettisiä kuitukimppuja, jotka sisältävät ΙΟΙ 5 10 000 filamenttia kimppua kohti, filamenttien koostuessa polyolefiinista, kuten polypropeenista tai polyeteenistä, polyesteristä tai edellä mainittujen seoksesta ja niiden pituuden ollessa 1-30 mm, keskipoikkidimension 5-30 pm ja sivusuhteen 100-1000, joita filamentteja kussakin kimpussa pitää yhdessä kostutusaine, joka kostutusaine antaa yksittäisille filamenteille pintajännityksen, joka sallii niiden dis-20 pergoinnin oleellisen homogeenisesti seokseen tavanomaisella sekoituksella tavanomaisessa betoninsekoituslaitteistossa, sekoitetaan saatua seosta vähintään noin 20 sekunnin ajan betoni-, laasti- tai se-menttiseoksen saamiseksi, johon yksittäiset filamentit ovat jakautuneet oleellisen homogeenisesti ja 25 valetaan betoni-, laasti- tai sementtiseos haluttuun muotoon lisäten valinnaisesti valun aikana lisäaineosia, kuten lujitetta.

On havaittu, että keksinnön mukaisten kuitukimppujen muodossa olevat erittäin hienot kuidut kyetään tehokkaasti dispergoimaan kaiken tyyppisiin betoneihin, 30 laasteihin tai sementteihin käyttäen kaiken tyyppisiä olemassa olevia tavanomaisia sekoittimia, kuten valmisbetonikuorma-auton pyörivää rumpua. Koska nämä kuidut

• I

kyetään dispergoimaan hyvin, ne voivat jopa hyvin pienillä lisäysmäärillä tuottaa monia tärkeitä etuja betonin ja muiden sementtipohjaisten materiaalien ominaisuuksille ja suorituskyvylle. Näitä etuja ovat: 35

Niiden säröjen ehkäisy, jotka ovat seurausta plastisesta kutistumisesta, plastisesta . „ laskeutumisesta, varhaisesta termisestä kutistumasta, kemiallisesta kutistumasta ja karbonoimisesta.

5 100239

Niiden säröjen ehkäisy, jotka ovat seurausta kuivumiskutistumasta, aiheutetuista kuormituksista johtuvista vaihtelevista syklisistä jännityksistä, palautuvista kosteuden liikkeistä ja termisistä muutoksista.

5 Mahdollinen teräsverkon tarpeen eliminointi pahimpien sisäsyntyisen säröilyn aiheuttamien ongelmien toijumisessa.

Kestävyyden paraneminen johtuen säröjen estämisestä ja pienentyneestä vesiab-sorptiosta ja sen seurauksena parantunut luontainen lujuus.

10

Pakkasvaurioiden pieneneminen johtuen pienentyneestä läpäisevyydestä ja parantunut lohkeilunkesto seurauksena kasvaneesta betonin lujuudesta ja yhtenäisyydestä ja parantuneesta säröilyn etenemisen vastustuskyvystä.

15 Parantunut isku- ja kulutusvahinkojen vastustuskyky.

Märän betonin suurempi koheesio ja tiksotrooppisen Teologian aikaansaaminen, jotka johtavat: 20 homogeenisempaan ja yhdenmukaisempaan betoniin, jolla on tasaisemmat ja luotettavammat ominaisuudet, helpompaan pumppaamiseen, muottiin asettamiseen ja viimeistelyyn ja kerrostumisen ja liiallisen hikoilun estämiseen, pienempään taipumukseen muodostaa plastisia laskeutumissäröjä seurauksena 25 kerrostumisen vähenemisestä; ja etuihin levitettäessä betonia kalteville pinnoille, koska materiaalilla on pienempi taipumus jatkaa liikettään, mikä muuten johtaisi kasvaneeseen säröilytaipumuk-seen.

30 Parempi palovahinkojen vastustuskyky, sillä hienot synteettiset kuidut sulavat korkeissa lämpötiloissa muodostaen siten betonissa kehittyneelle tulistetulle höyrylle suuren määrän kapillaareja, joiden kautta se voi poistua.

Parempi vastustuskyky syövyttävien kemikaalien aiheuttamalle hajoamiselle johtu-35 en tällaisten kemikaalien pienentyneestä tunkeutumisesta betoniin.

Yhtenäisempi ja homogeenisempi betoni parantamalla sekoittunen tehoa ja estämällä hiukkaskoon mukainen kasautuminen ja myöhempi kerrostuminen.

6 100239 Tämän keksinnön kuitukimppujen aikaansaama koossapysyvyys toimii parantaen betonin pinnanlaatua. Pinnan kuvioiminen liukumattoman ulkopinnan muodostamiseksi paranee eikä saavutettu vaikutus huonone myöhemmän laskeutumisen vuoksi johtuen kuitujen aikaansaamasta tiksotrooppisesta ominaisuudesta.

5

Kuidut eivät huononna pinnanlaatua ja ovat itsessään paljaalle silmälle oleellisesti näkymättömiä betonissa. Tiksotrooppinen vaikutus saattaa myös olla mielenkiintoinen tehdessään mahdolliseksi uusien ja mielenkiintoisempien esteettisten viimeistelyjen ja vaikutusten saavuttamisen mukaan lukien koristeelliset paikan päällä 10 tapahtuvat ja esivalusovellutukset.

On yhä yleisempää käyttää suurempia sementtipitoisuuksia betonissa ja muissa se-menttipohjaisissa materiaaleissa niiden kestävyyden parantamiseksi. Tämä johtaa kuitenkin suurempaan sisäsyntyiseen säröilytaipumukseen ja, koska nämä materi-15 aalit ovat suhteellisen hauraita, suurempaan särön etenemiseen. Kuten edellä mainittiin, tämän keksinnön kuidut kyetään tehokkaasti dispergoimaan kaiken tyyppisiin betoneihin ja laasteihin. Johtuen kuitujen kyvystä estää säröilyä ne tekevät mahdolliseksi betonin ja muiden sementtipohjaisten materiaalien parantamisen sekä suoraan että epäsuorasti kestävyysvaatimusten suhteen.

20

Potsolaanimateriaalien käyttö on myös kasvamassa ja koska nämä materiaalit, kuten mikropiidioksidi ovat erittäin hienojakoisia, ne voivat pienentää hikoilu- ja veden migroitumisnopeutta ja johtaa kasvaneeseen plastiseen säröilyyn.

25 Kun käytetään vähemmän hienojakoisia potsolaanimateriaaleja, kuten pulveroitua polttoainetuhkaa, lujuuden kasvunopeus pienenee ja ajanjakso, jonka ajan betoni tai muu sementtipohjainen materiaali on heikkoa ja altis plastiselle tai varhaiselle ku-tistumasäröilylle, pitenee. Jauhetun rakeistetun masuunikuonasementin käytöllä on vastaava vaikutus varhaisen lujuuden kehittymiseen. Samoin kun polymeeriemul-30 sioita lisätään betoniin tai sementtipohjaisiin materiaaleihin, alttiuden varhaisiin kuivumissäröihin tiedetään kasvavan.

Kaikissa näissä tapauksissa keksinnön mukaisten kuitukimppujen pienten määrien lisäys on tehokas pienentämään materiaalin säröilytaipumusta ja tekee näin ollen 35 mahdolliseksi saavuttaa näiden materiaalien potentiaalin suuremmassa määrin.

Suuren alumiinioksidipitoisuuden sementit kärsivät erittäin eksotermisistä lämpötilan nousuista, jotka johtavat myös säröilyongelmiin ja rajoittavat näiden materiaa- 7 100239 lien tehokkuutta. Keksinnön mukaiset kuitukimput ovat tehokkaita ehkäisemään tällaisia säröjä ja parantamaan näiden sementtien suorituskykyä.

Sementit jotka voidaan suunnitella aikaansaamaan pitkäaikainen hallittu laajene-5 minen pitkäaikaisen kuivumiskutistuman kompensoimiseksi, kuten kalsiumsulfo-aluminaatit kärsivät kaikesta huolimatta plastisesta ja varhaisesta kuivumiskutistu-masta. Tämän keksinnön kuidut ovat tämän vuoksi myös mielenkiintoisia salliessaan näiden sementtien säilyttää yhtenäisyytensä riittävän pitkän ajan, jotta olisi mahdollista saavuttaa näiden sementtien pitkäaikaiset kutistumaa kompensoivat 10 edut.

Kuitukimput lisätään betoniin tai muuhun sementtipohjaiseen materiaaliin. Ne voivat koostua olennaisesti polyolefiinista, polyesteristä, polyamidista tai edellä mainittujen seoksesta. Tyypillisesti kuidut koostuvat polyolefiinista, kuten polypropee-15 nista tai polyeteenistä. Polypropeeni on hyvin tunnettu synteettisten kuitujen materiaali ja sitä on käytetty sellaisena monia vuosia johtuen sen happojen ja emästen vastustuskyvystä, sen edullisista lujuusominaisuuksista, sen alhaisesta tiheydestä ja halvasta hinnasta.

20 Vaikka kuitukimppujen filamenttien lukumäärässä tulee aina olemaan tiettyä vaihtelua, ne sisältävät tyypillisesti n. 50-5000 filamenttia kimppua kohti, kuten 100-2000 filamenttia kimppua kohti, erityisesti n. 500-1500 filamenttia kimppua kohti, kuten n. 1000 filamenttia kimppua kohti.

25 Vastakohtana hienojakoisille kuiduille, joita käytetään esim. mattolankojen valmistuksessa, tämän keksinnön kuidut ovat edullisesti oleellisesti kihartamatto-mia niiden dispergoinnin helpottamiseksi betoniin tai muuhun sementtipohjaiseen materiaaliin.

30 Yksittäisten filamenttien pituus on tyypillisesti noin 3-30 mm, esim. n. 5-25 mm, erityisesti n. 6-18 mm ja keskipoikkidimensio n. 3-30 pm, kuten noin 5-25 pm, erityisesti n. 10-20 pm.

Yksittäisten filamenttien sivusuhde, ts. pituuden ja halkaisijan välinen suhde on 35 tyypillisesti n. 200-800, erityisesti n. 400-700, kuten n. 600. Vaikka sivusuhteen vähintään n. 100 katsotaan olevan pienin toivottava tehokkuuden saavuttamiseksi kuitujen käytöstä betonissa tai sementtipohjaisissa materiaaleissa, aikaisemmin on osoittautunut vaikeaksi saavuttaa hyvää dispergointia edes kuiduilla, joilla on pie- 8 100239 nemmät sivusuhteet. Sitä paitsi sellaisten kuitujen dispergointi, joiden sivusuhteet ovat vain 100, on usein vaatinut erikoissekoituslaitteita ja erikoislisäaineiden käyttöä seoksessa dispergoinnin helpottamiseksi. Tämän keksinnön mukaisilla yksittäisillä filamenteilla on näin ollen suuri sivusuhde verrattuna kuituihin, joita yleen-5 sä käytetään betonissa ja ne ovat edullisia sellaisenaan. Kaikesta huolimatta näitä kuituja voidaan kuitukimppujen muodossa dispergoida betoniin silloinkin, kun yksittäisten filamenttien sivusuhde on n. 1000.

Sen seikan, että tämän keksinnön kuituja kyetään dispergoimaan helposti sementti-10 seokseen käyttäen tavallisia sekoitusaikoja, -menettelyjä ja laitteistoa, arvellaan johtuvan 1) kuitukimppujen muodostamien yksiköiden dispergoituvuudesta sement-tiseokseen, johon on lisätty vettä ja 2) kimppujen herkästä erottumisesta "alakim-puiksi" ja yksittäisiksi filamenteiksi sekoitettaessa tai hämmennettäessä. Yksittäisillä filamenteilla on pintajännitys, joka sallii niiden oleellisesti homogeenisen dis-15 pergoinnin betoniin, laastiin tai sementtiin tavanomaisella sekoituksella tavanomaisessa betonin sekoituslaitteistossa. Filamenttien pinta on näin ollen oleellisesti hyd-rofiilinen, joten filamentit on helppo dispergoida veteen tai vettä sisältäviin seoksiin, esim. betoni-, laasti- tai sementtiseokseen, johon on lisätty vettä. Sopiva filamenttien pintajännitys on n. 65-80 dyn/cm^, kuten noin 70-75 dyn/cm^, erityi-20 sesti n. 72-74 dyn/cm^.

Haluttu pintajännitys saavutetaan tyypillisesti käsittelemällä filamenttien kimppuja kostutusaineella. Lisäpintakäsittelynä kuitukimput voidaan valinnaisesti saattaa sähkökäsittelyyn, joka tunnetaan koronakäsittelynä. Näitä menettyjä selostetaan 25 yksityiskohtaisemmin seuraavassa.

Edellä kuvatut kuidut valmistetaan tyypillisesti seuraavasti:

Ensimmäinen vaihe kuitukimppujen valmistuksessa on kuidun raaka-aineiden sula-30 tus. Tämä tapahtuu usein suulakepuristimessa, vaikka suulakepuristinta ei tarvitse *' välttämättä käyttää. Kuitujen aineosien sulatukseen käytetty lämpötila riippuu il meisesti annetussa kuidussa käytetyistä materiaaleista.

Kehruulaitteen tyyppi, jota käytetään sulan massan kehruussa filamenttien kehrä-35 tyksi kimpuksi, ei ole kriittinen, koska sekä "lyhytkehruuta" että "pitkäkehruuta" voidaan käyttää. Lyhytkehruu on yksivaiheinen prosessi, jossa kuitukimput sekä kehrätään että venytetään yhdessä operaatiossa, kun taas pitkäkehruu tai tavanomainen sulakehruu, kuten se myös tunnetaan, on kaksivaiheprosessi, jossa en- 9 100239 simmäinen vaihe on sulan massan suulakepuristus ja varsinainen kuitukimppujen kehruu, kun taas toinen vaihe on kehrättyjen kuitujen venytys.

Kehrätyt kuidut jäähdytetään, kun ne vedetään ulos kehruusuuttimesta ja jäähdytys 5 saavutetaan tyypillisesti ilmavirralla, jota puhalletaan kuitujen ohi.

Filamenttien kimput, jotka tässä vaiheessa sisältävät tyypillisesti useita tuhansia kuituja, venytetään tämän jälkeen. Venytys toteutetaan tyypillisesti käyttäen sarjaa kuumia teloja ja kuumailmauunia tai nesteväliainetta, kuten kuumaa vettä tai öljyä 10 venyttäen tyypillisesti samanaikaisesti lukuisia kimppuja. Filamenttien kimput kulkevat ensin yhden telasarjan läpi, mitä seuraa kulku kuumailmauunin tai kuuman nesteen läpi, ja sen jälkeen ne kulkevat toisen telasarjan läpi. Kuumien telojen lämpötila on tyypillisesti n. 70-130 °C ja kuumailmauunin tai kuuman nesteen lämpötila on tyypillisesti n. 80-140 °C. Toisen telasarjan nopeus on suurempi kuin ensim-15 mäisen sarjan nopeus ja filamenttien lämmitetyt kimput venyvät tämän vuoksi näiden kahden nopeuden välisen suhteen mukaisesti (kutsutaan venytyssuhteeksi tai vetosuhteeksi). Toista uunia tai nestettä ja kolmatta telasarjaa voidaan myös käyttää (kaksivaiheinen venytys), jolloin kolmannen telasarjan nopeus on suurempi kuin toisen sarjan. Tässä tapauksessa vetosuhde on viimeisen ja ensimmäisen telasarjan 20 nopeuksien välinen suhde. Niin ikään lisätelasarjoja ja uuneja tai nesteitä voidaan käyttää.

Tämän keksinnön kuituja venytetään tyypillisesti käyttäen venytyssuhdetta n. 1,5:1-8:1, normaalisti n. 2:1-6:1, edullisesti n. 2,5:1-4:1 ja erityisesti n. 2,5:1-3,5:1, 25 mikä johtaa asianmukaiseen halkaisijaan tai keskipoikkidimensioon, kuten edellä esitettiin.

Filamenttien kimput kuivataan ja kiinnitetään sitten. Venytysprosessi voi aiheuttaa jännitysten kehittymistä kuituihin. Nämä voidaan laukaista saattamalla filamenttien 30 venytetyt kimput lämmitykseen, joka toimii myös kuivaten kuidut. Tämä suoritetaan sopivasti johtamalla filamenttien kimput uunin läpi, jossa kuitujen annetaan kutistua.

Kuten edellä mainittiin filamenttien kimppuja käsitellään sitten koostusaineella fi-35 lamenttien varustamiseksi halutulla pintajännityksellä, ts. pintajännityksellä, joka on n. 65-80 dyn/cm2, kuten n. 70-75 dyn/cm2 ja erityisesti n. 72-74 dyn/cm2. Tämä toteutetaan tyypillisesti johtamalla kimput ns. voiteluaineen sivelytelojen sarjan läpi, johon syötetään kostutusainetta. Sen lisäksi, että kostutusaine saa ai- 10 100239 kaan yksittäisten filamenttien helpon dispergoinnin sementtiseokseen, se toimii myös pitäen kimpun filamentit yhdessä kevyen käsittelyn ajan ennen kuitukimppu-jen lisäämistä seokseen. Kostutusaine valitaan tyypillisesti sellaisista kostutusai-neista, joita normaalisti käytetään levitykseen synteettisille kuiduille, jotka on 5 määrä tehdä hydrofiilisiksi, kuten kostutusaineista, jotka on tarkoitettu levitettäväksi kuiduille, joita käytetään ns. märkälevityskuitukangasprosesseissa. Tällaisia kostutusaineita on kaupallisesti saatavissa ja ne ovat tyypillisesti koostumuksia, jotka sisältävät yhdisteitä, joita käytetään normaalisti emulaattoreina, pinta-aktii-visina aineina tai pesuaineina ja ne voivat koostua tällaisten yhdisteiden seoksista. 10 Esimerkkejä tällaisista yhdisteistä ovat glyseridien rasvahappoesterit, rasvahap-poamidit, polyglykoliesterit, polyetoksiloidut amidit, ionittomat ja kationiset pinta-aktiiviset aineet.

Tyypillisiä esimerkkejä yhdisteistä, joita voidaan käyttää kostutusaineina tai kostu-15 tusaineiden aineosina, ovat polyetyleeniglykoli-lauryylieetteri, jolla on kaava.

CH3(CH2)i i -0-(CH2CH20)n-H, glyserolimonostearaatti, jolla on kaava: 20 (C17H3 5)COOCH2CHOHCH2OH, erukahapon amidi, jolla on kaava: 25 C2iH4iCONH2, steariinihapon amidi, jolla on kaava: CH3(CH2)16CONH2, 30 trialkyylifosfaatti, jolla on kaava:

O

35 RO-ll>-OR, R = CnH2n+1,

d)R

lauryylifosfaattiamiiniesteri, jolla on kaava: 40 11 100239 o CH3(CH2)1 l-o- MMCH2)i ]CH3 5 OCH2CH2NH2 lauryylifosfaatin kaliumsuola, jolla on kaava:

O

10 CH3(CH2)ii-0-U-(CH2),,CH3 o-k+ tai

15 O

CH3(CH2)h-0-U)-K+

3H

20 ja etyleenidiamiini-polyetyleeniglykoli, jolla on kaava: CH2N((CH2CH20)nH)2 25 CH2N((CH2CH20)nH)2

Esimerkki edullisesta kostutusaineesta on SW-T, jota on saatavissa yhtiöltä Nissin Kagaku Kenkyosho Ltd., Japani ja joka koostuu pääosin sulfomeripihkahapon bis-(2-etyyliheksyyli)esterin natriumsuolasta (anioninen kostutus/dispergointiyhdiste) 30 ja sisältää myös isopropyylialkoholia, siloksaaneja, silikoneja, piidioksidia ja sorbi-taanimonostearaattia.

Sen lisäksi, että kuitujen kimppuja käsitellään kostutusaineella, ne voidaan valinnaisesti saattaa koronakäsittelyyn, joka on sähköinen käsittely, jota käytetään ylei-35 sesti synteettisten kuitujen valmistuksessa. Tämä käsittely on voimakas sähköpurkaus erikoiselektrodista kuitukimppuihin. Vaaditaan melko korkeaa jännitettä (n.

] 25 kV ja 20 kHz), jotta elektronit saisivat riittävän energian läpäistäkseen kuitujen pinnan. Kun elektronit osuvat polymeeriketjuihin suurella nopeudella, monet näistä ketjuista murtuvat aikaansaaden täten mahdollisuuden muodostaa karboksyyliryh-40 miä ilmassa olevan otsonin (O3) avulla. Karboksyyliryhmien muodostuminen tekee kuitujen pinnan polaariseksi ja siten helpommin dispergoitaviksi vesipitoisiin seoksiin. Valinnainen koronakäsittely suoritetaan normaalisti ennen kostutusaineen levittämistä.

12 100239

Sen jälkeen, kun filamenttien kimppuja on käsitelty kostutusaineella, ne jakautuvat itsestään pienemmiksi kimpuiksi, joista kukin sisältää vähemmän filamentteja kuin alkuperäiset kimput. Näin ollen filamenttien kimput sisältävät tällöin n. 50-5000 filamenttia kimppua kohti, kuten n. 100-2000 filamenttia kimppua kohti, erityisesti 5 n. 500-1500 filamenttia kimppua kohti. On pidettävä mielessä, että filamenttien lukumäärässä kimppua kohti on aina tiettyä luonnollista vaihtelua.

Filamenttien kimput johdetaan sitten leikkuriin, jossa kuidut leikataan haluttuun pituuteen. Leikkaus suoritetaan tyypillisesti johtamalla kimput pyörän yli, joka si-10 sältää säteittäisesti sijoitettuja teriä. Kuidut puristetaan teriä vasten telojen aikaansaamalla paineella ja leikataan näin ollen haluttuun pituuteen, joka on yhtä suuri kuin terien välinen etäisyys. Kuten edellä selostettiin, filamenttien kimput leikataan siten, että kuitujen pituus on n. 1-30 mm, tyypillisesti n. 3-30 mm, esim. n. 5-25 mm ja erityisesti n. 6-18 mm, mikä antaa niille edellä selostetun sivusuhteen.

15

Edellä esitetyllä menetelmällä valmistetut filamenttien kimput on, kuten edellä selostettiin, suunniteltu käytettäväksi betonissa, laastissa tai sementissä ja yksittäiset kimppujen filamentit kyetään tehokkaasti dispergoimaan kaiken tyyppisiin betonei-hin, laasteihin tai sementteihin käyttäen kaikentyyppisiä olemassa olevia tavan-20 omaisia sekoittimia.

Tässä yhteydessä termin "sementti" tarkoitetaan merkitsevän kaikkia Portland-se-menttityypin sementtejä, kuten Portland-sementtiä, vähäalkalisia sementtejä, sul-faattikestoisia sementtejä, Portland-kuonasementtiä ja Portland-potsolaanisementtiä 25 ja tulenkestoisia tai aluminaattityyppisiä sementtejä, kuten erittäin alumiinioksidi-pitoista sementtiä ja kalsiumsulfoaluminaattisementtejä, masuunisementtejä, potso-laanisementtejä, kipsiä mukaan luettuna hemi- ja anhydriittiversiot, magnesiumok-sikloraattia ja magnesiumkloridia ja muita vastaavia ei-orgaanisia sementtisystee-mejä, sekä hydraulisia että ei-hydraulisia tai edellä mainittujen yhdistelmiä valin-30 naisesti lisäaineiden tai polymeerilisäysten kanssa. "Kalkkilaasti" viittaa sementin ja veden seokseen.

Termi "laasti" viittaa tässä yhteydessä käytettynä seokseen, joka sisältää sementtiä ja hiukkasia, kuten hiekkaa ja hienojakoista kivimurskaa tai kiveä mukaan luettuna 35 erityiset kevyet täytemateriaalit, hiukkasten kyetessä läpäisemään seulan tai verkon, jonka aukko on 2,4 mm. Termi "betoni" viittaa seuraavassa käytettynä laastiin tai sementtiin, joka sisältää suurempia täyteaineksia. Termi "sementtipitoiset mate- 13 100239 naalit" viittaa edellä mainittujen sementtimateriaalien pitoisuuteen betonissa, laastissa tai sementissä.

Tähän tekniikkaan perehtyneelle henkilölle on selvää, että sanonta "oleellisen ho-5 mogeenisesti jakautunut siihen" viittaa siihen, että tämän keksinnön kuidut ovat oleellisen homogeenisesti jakaantuneet materiaalin laastifaasiin, sillä tällaiset kuidut eivät selvästi voi jakaantua betonissa oleviin suurempiin kiviaineksiin.

Betonin tai muiden sementtipohjaisten materiaalien voidaan katsoa olevan in situ-10 tai esivalettuja materiaaleja, joista in situ -materiaalit valetaan paikan päällä. In situ-betoni on yleensä valmiiksi sekoitettua tyyppiä, vaikka se voidaan sekoittaa myös paikan päällä.

Keksinnön mukaisia kuitukimppuja sisältävän laastin tai betonin sementtipitoisuus 15 on yleensä välillä n. 200-1200 kg/m^. Tavanomaisessa in situ -betonissa, johon tämän keksinnön kuituja usein lisätään, sementtipitoisuus on tyypillisesti n. 200-600 kg/m^, erityisesti n. 250-450 kg/m^, kun taas esivaletussa betonissa, jossa käytetään tämän keksinnön kuituja, sementtipitoisuus on tyypillisesti n. 300-500 kg/m^. Laastin sementtipitoisuus on tyypillisesti n. 400-1200 kg/m^, erityisesti n. 600-20 1000 kg/m^. Erityisillä suuren lujuuden betoneilla tai laasteilla voi olla sementtipi toisuus n. 500-1200 kg/m^, tyypillisesti n. 500-1000 kg/m^.

Keksinnön mukaisesti valmistetun sementtipohjaisen materiaalin veden ja sementin välinen suhde on tyypillisesti välillä n. 0,25-0,8 painosta laskettuna. In situ -beto-25 nilla veden ja sementin välinen suhde on tyypillisesti n. 0,4-0,6, kun taas veden ja sementin välinen suhde esivaletussa betonissa on tyypillisesti n. 0,25-0,35, kun se tiivistetään paineella, ja n. 0,4-0,6, kun se märkävaletaan ja tärytiivistetään. Kuitenkin kuitukimppujen lisääminen sementtipohjaisiin materiaaleihin, joiden veden ja sementin välinen suhde on alle 0,25, esim. ultrahienoa mikropiidioksidia sisältäviin 30 tiiviisiin materiaaleihin on myös mielenkiintoista.

* * · Näin valmistettu betoni sisältää tyypillisesti laastifaasia vähintään n. 0,2 paino-osaa. Laastifaasin määrä tavanomaisessa betonissa on yleensä rajoitettu korkeintaan 0,6 paino-osaan johtuen siitä, että betonin taipumus säröillä kasvaa laastimää-35 rien kasvaessa. Kuitenkin koska kuitukimppujen lisääminen betoniin johtaa pienen- 14 100239 tyneeseen säröilytaipumukseen, on mahdollista valmistaa betoneja, joissa on suurempi laastifaasi kuin normaalisti käytetty ilman vaaraa liiallisesta säröilystä. Näin ollen betoni voi sisältää suhteellisen suuren laastifaasin, kuten jopa n. 0,8 paino-osaa tai suuremman.

5

Keksinnön mukaisten kuitukimppujen kuituja on tyypillisesti läsnä materiaalissa n. 0,05-0,5 %:n määrä, erityisesti n. 0,1-0,3 %, kuten 0,15-0,25 paino-% sementtipi-toisista materiaaleista.

10 Tyypillisesti in situ -betonilla, jonka sementtipitoisuus on n. 250-400 kg/m3, kuitujen pitoisuus on näin ollen alle n. 4 kg/m3, tyypillisesti n, 0,1-2,0 kg/m3, kuten n. 0,3-1,0 kg/m3, erityisesti n, 0,4-0,8 kg/m3, esim. n. 0,5-0,7 kg/m3.

Keksinnön mukaisesti valmistettu betoni tai laasti voi sisältää lisäaineita, jotka pie-15 nentävät vesivaatimusta, parantavat työstettävyyttä, muuttavat Teologiaa, pienentävät läpäisevyyttä, vievät mukanaan ilmaa tai hidastavat tai kiihdyttävät sementin reaktiota veden kanssa. Se voi myös sisältää erityyppisiä orgaanisia polymeerejä, jotka lisätään kiinteinä aineina tai vesipohjaisina emulsioina, mukaan luettuna po-lymeerikyllästeinen betoni tai polymeerisementtibetoni. Lisäksi se voi sisältää luji-20 tetta, joka sisältyy siihen joko sauvoina tai verkkoina mukaan luettuna ferrosement-ti ja metallirappaus, tai lisäkuituina, jotka ovat esim. metallia, lasia tai synteettistä materiaalia.

Kuten edellä selostettiin, on havaittu, että kuitukimppujen jopa hyvin pienten mää-25 rien lisääminen saa aikaan kyseessä olevan sementtipohjaisen materiaalin, jolla on erilaisia etuja. Se että nämä edut voidaan saada näin pienillä kuitumäärillä, voidaan selittää kuitujen hienoudella yhdessä sen seikan kanssa, että ne kyetään dispergoi-maan oleellisen homogeenisesti materiaaliin. Tämän keksinnön kuitukimput, joissa on esim. 300 x 10^ yksittäistä 12 mm pitkää filamenttia/kg, saavat aikaan n. 2000 30 km kuitua/m3, kun niitä lisätään sementtipohjaiseen materiaaliin esim. 0,6 kg:n * määrä kuitukimppuina/m3. Tässä valossa nähtynä on selvää, että jopa pienet määrät kuituja voivat aikaansaada merkittäviä etuja, kun niitä lisätään sementtipohjaiseen materiaaliin.

35 Sementtipohjainen materiaali valmistetaan keksinnön mukaisesti lisäämällä betoni-, laasti- tai sementtiseokseen, johon vettä on lisätty, alle 1 paino-% laskettuna se-menttipitoisista materiaaleista tämän keksinnön mukaisia kuitukimppuja, sekoittamalla saatua seosta vähintään noin 20 sekunnin ajan betoni-, laasti- tai sementti- 15 100239 seoksen saamiseksi, johon yksittäiset filamentit ovat jakaantuneet oleellisen homogeenisesti ja valamalla betoni-, laasti- tai sementtiseos haluttuun konfiguraatioon lisäämällä valinnaisesti valun aikana lisäaineosia, kuten lujitetta. Kuitukimppuja lisätään tyypillisesti n. 0,05-0,5 %:n määrä, erityisesti n. 0,1-0,3 %, kuten n. 0,15-5 0,25 paino-% sementtipitoisista materiaaleista.

Koska kuitukimppujen yksittäiset filamentit on helppo dispergoida kaiken tyyppisiin betoni- ja sementtipohjaisiin materiaaleihin, sekoitusjakson pituuden sanelee tarve tuottaa hyvää betonia eikä tarve dispergoida kuituja. Tämän keksinnön mu-10 kaisia kuitukimppuja voidaan käyttää kaikissa sekoitusmuodoissa mukaan luettuna pyörivät rumpu- ja melasekoittimet ja erityisesti valmiiksi sekoitetun betonin kuorma-autosekoittimet, eivätkä ne vaadi mitään erikoissekoitusjärjestelyjä tai -laitteistoja. Tapauksissa, joissa esivalettua betoni-, laasti- tai sementtiseosta, johon kuitukimppuja on lisätty, sekoitetaan melasekottimessa (tunnetaan myös pakko-15 toimisena sekoittimena), sekoitusta suoritetaan vähintään n. 20 sekunnin ajan, tyypillisesti vähintään n. 30 sekuntia betoni-, laasti- tai sementtiseoksen saamiseksi, johon yksittäiset filamentit ovat jakautuneet oleellisen homogeenisesti. Tapauksissa, joissa in situ -betoni-, laasti- tai sementtiseosta, johon kuitukimppuja on lisätty, sekoitetaan rumpusekoittimessa (tunnetaan myös tynnyrisekoittimena), 20 sekoitusta suoritetaan tyypillisesti vähintään noin 2 minuutin ajan betoni-, laasti-tai sementtiseoksen saamiseksi, johon yksittäiset filamentit ovat jakautuneet oleellisen homogeenisesti.

Tämän keksinnön kuitukimput lisätään usein betoniseokseen kuorma-autosekoitti-25 messa, joka sekoitin on laite, joka koostuu spiraalista kallistetun rummun sisällä. Kun rumpu pyörii, sekoitettava materiaali yksinkertaisesti putoaa spiraalin pohjalle ja tämä saa aikaan sekoitusvaikutuksen. Kuitukimput voidaan myös lisätä jo sekoitettuun betoniin ja hyvä dispergoituminen voidaan saavuttaa valmisseosrummulla, joka pyörii esim. 15 kierrosta minuutissa esim. 3 minuutin ajan.

30

Kuorma-autosekoitin voi olla suunniteltu sekoittamiseen tai ainoastaan hämmentämiseen. Joissakin systeemeissä betoni sekoitetaan ja asetetaan kuorma-autosekoit-timen rumpuun, joten kuorma-autoa käytetään pelkästään jo sekoitetun betonin hämmentämiseen, kun taas muissa systeemeissä betonin materiaalit asetetaan kuor-35 ma-autosekoittimen rumpuun ja kuorma-autosekoitin todella sekoittaa materiaalit.

On mahdollista sekoittaa kuitukimput sementti- tai betoniseoksen kuiviin aineosiin, esim. esisekoitettuihin, kuivasekoitettuihin materiaaleihin, jotka vaativat vain veden lisäystä, mutta tällä hetkellä tätä ei pidetä edullisena, eikä tarpeellisena, koska ar- 16 100239 vellaan olevan vähintään yhtä edullista lisätä kuitukimput märkäseokseen tai seokseen, johon vesi on jo lisätty johtuen kuitujen oleellisesti hydrofiilisistä pintaominaisuuksista.

5 Sekoitettu betoni, laasti tai sementti, joka sisältää tämän keksinnön kuituja oleellisen homogeenisesti dispergoituna siihen, voidaan valaa tavanomaiseen tapaan haluttuun konfiguraatioon. Materiaali voidaan näin ollen tiivistää ja muotoilla joko yksinkertaisella sekoittimella tai painovoiman avulla tai tasoituslastalla, rap-paamalla, sullomalla, täyttämällä, puristamalla, vesi-imulla, alipaineella, pursotta-10 maila, pumppaamalla, ruiskuttamalla, kuivasoluttamalla, kehräämällä, jyräämällä tai näiden prosessien yhdistelmällä. Lisäkappaleita, kuten lujitetta voidaan haluttaessa tai tarvittaessa lisätä materiaaliin valun aikana.

Tämän keksinnön mukaisesti valmistettujen materiaalien katsotaan olevan erityisen 15 tärkeitä kaiken tyyppisissä paikan päällä valettavissa massabetoneissa, kuten katu-käytäviin, perustuksiin, teihin, lattioihin, sillankansiin, betonirakennuksiin, raken-nebetoniin, tukimuureihin, vettä pidättäviin rakenteisiin ja merisuojavalli- ja sotilastarkoituksiin käytetyissä betoneissa, samoin kuin esivaletussa betonissa, kuten levyjen, lattioiden, palkistojen ja palkkien verhoukseen, koriste- ja arkkitehtonisiin 20 tuotteisiin, ennalta valmistettuihin rakenteisiin, putkiin, tunneliverhouksiin jne käytetyissä betoneissa.

Tätä keksintöä kuvataan tarkemmin seuraavilla ei-rajoittavilla esimerkeillä.

25 Esimerkki 1

Kuitukimppujen valmistus

Kuitukimppujen valmistus käsitti seuraavat vaiheet: 30 - kuituraaka-aineen sulatus sulan massan saamiseksi, - sulan massan kehräys filamenttien kehrätyksi kimpuksi, - filamenttien kimpun venytys, - filamenttien kimpun kuivaus ja kiinnitys, - filamenttien kimpun käsittely kostutusaineella ja 35 - filamenttien kimppujen leikkaus.

Kuidut koostuivat homopolymeeria olevasta isotaktisesta polypropeenista (Petrofi-na 10060, valmistaja Pertrofina, Belgia), jonka sulamispiste oli n. 160 °C ja sulain- 17 100239 deksi 35. Polypropeeni sulatettiin ja kehrättiin sen jälkeen n. 280 °C:n lämpötilassa käyttäen kehruusuutinta, jossa oli 22 880 rikkiä ja 22,5 m/min vetonopeudella. Filamenttien kehrätty kimppu johdettiin sitten kuumavesikylvyn läpi, jonka lämpötila oli 100 °C ja venytettiin sen jälkeen 60,7 m/min nopeudella, jolloin venytys-5 suhteeksi tuli 2,7. Filamenttien kimpun kuivaus ja kiinnitys toteutettiin johtamalla kimppu uunin läpi, jonka lämpötila oli 150 °C, 54,2 m/min nopeudella, mikä salli kuitujen kutistua n. 12 % ja kuitujen venytyksestä aiheutuneiden jännitysten laueta. Kuiduille annettiin haluttu pintajännitys käsittelemällä kimppu kostutusaineella (SW-T, Nissin Kagaku Kenkyosho Ltd, Japani, kuten edellä) johtamalla sivelytelo-10 jen parin läpi. Lopuksi kuitujen kimput leikattiin 12 mm:n pituuteen.

Valmiilla kuiduilla, jotka sisälsivät karkeasti 1000 yksittäistä filamenttia kimppua kohti, oli kosteuspitoisuus alle 17 % ja ne sisälsivät noin 0,5 % kostutusainetta. Yksittäisten filamenttien hienous oli 2,8 dtex, joka vastaa n. 20 pm:n halkaisijaa, 15 jolloin kuitujen sivusuhteeksi tulee noin 600.

Esimerkki 2

Betonipalkkien valmistus 20 Betonipalkkeja valmistettiin tehtaalla esisekoitetusta betoniseoksesta, joka koostui nopeasti kovettuvasta Portland-sementistä, standardikarheasta betonihiekasta ja sora-aineksesta, joka läpäisi 20 mm:n seulan, suhteessa 2:3:6, seoksen sementtisisäl-lön ollessa 400 kg sementtiä/m^. Betoniseos sekoitettiin veteen, jonka lämpötila oli 20 °C, samoin kuin esimerkin 1 kuitukimppujen kanssa. Veden ja sementin välinen 25 suhde oli 0,6 ja kuitukimppuja lisättiin 0,2 painoprosentin määrä sementtipitoisista materiaaleista. Betoni sekoitettiin pyörivässä rumpusekoittimessa, jonka vetoisuus oli n. 100 1, käyttäen n. 25 rpm:n nopeutta ja 4 minuutin kokonaissekoitusaikaa ja lisäten kuitukimput ensimmäisen 2 minuutin sekoituksen jälkeen. Yksittäiset fila-mentit olivat oleellisen homogeenisesti jakautuneet seokseen sekoitusjakson lo-30 pussa. Valmistettiin betonipalkkeja, joiden neliömäisen poikkileikkauksen sivun . pituus oli 150 mm ja palkin pituus 550 mm, soluttamalla seosta moniosastoiseen muottiin ja tiivistämällä käsin.

Vertailutarkoituksiin valmistettiin palkkeja kuten edellä, mutta lisäämättä kuituja. 35 Palkkeja kuitujen kanssa ja ilman valettiin vuorotellen moniosastoiseen muottiin.

18 100239

Esimerkki 3 Taivutuskokeet

Suoritettiin laboratoriokokeita esimerkissä 2 valmistetuilla betonipalkeilla, jotka si-5 sälsivät joko 0,2 p-% kuituja sementtipitoisista materiaaleista tai ei lainkaan kuituja. Palkit saatettiin varhaiseen kuivaukseen ja saatettiin sen jälkeen standardi 4-pisteiseen joustotaivutuskokeeseen, jossa ulompien telojen etäisyys oli 450 mm ja sisempien telojen etäisyys 150 mm.

10 Näiden kokeiden tulokset on koottu seuraavaan:

Kuidut Murtomoduli ilman kuituja 2,83 MPa ilman kuituja 2,31 MPa 15 0,2% kuituja 3,17 MPa 0,2 % kuituja 3,22 MPa

Havaitaan, että murtomoduli on huomattavasti korkeampi palkeilla, jotka sisältävät esimerkin 1 kuituja. Murtomoduli oli myös yhdenmukaisempi kuituja sisältävillä 20 palkeilla.

Esimerkki 4

Jaksolliset kuormituskokeet 25 Valmistettiin betonipalkkeja kuten esimerkissä 2 ja saatettiin ne 4-pisteiseen joustotaivutuskokeeseen, kuten esimerkissä 3 seuraavin poikkeuksin: 1) palkkeja ei saatettu varhaiseen kuivaukseen ja 2) kuormitus pidettiin muotomodulin alapuolella ja se kytkettiin päälle jatkuvasti taajuudella 2000 jaksoa/h. Kuormitusta lisättiin 4000 jakson jälkeen kokeen kestoajan lyhentämiseksi. Tulokset on koottu seuraa-30 vaan:

Maksimi Jaksojen lukumäärä kuormituksella

Kuitu murtomoduli_15 kN 16 kN 17kN 18 kN 19kN

ei 2,13 MPa 1540 425 35 ei 2,27 MPa 4160 17 kyllä 2,40 MPa 4000 4000 925 kyllä 2,53 MPa 4000 4000 4000 1875 19 100239

Kokeet osoittivat selvästi havaittavaa parannusta sekä kuormitustasoissa että väsymiskestossa kuituja sisältävillä palkeilla. Sekä kasvaneiden kuormitustasojen että murtumista edeltäneiden jaksojen lukumäärien yhdistelmä kuitua sisältävällä betonilla osoittaa huomattavasti parantunutta väsymisenkestoa.

5

Esimerkki 5

In situ -betonin valmistus, joka sisältää tämän keksinnön kuitukimppuja

Esimerkin 1 kuitukimppuja on lisätty 0,2 paino-%:n määrä sementtipitoisista mate-10 naaleista eri tyyppisiin betoneihin mukaanluettuna in situ -betoni, käyttäen tavanomaista modifioimatonta sekoituslaitteistoa ja tarvitsematta muita lisäaineita seuraavasti: a) 30 MPa:n betoni, jossa on sementtiä 300 kg/nP ja 20 mm:n kiviainesta, veden ja 15 sementin välisellä suhteella 0,56 ja 50 mm:n kartiotunkeutumalla.

b) 30 MPa:n betoni kuten edellä kohdassa a), mutta jossa on 320 kg/m^ sementtiä ja veden ja sementin välinen suhde on 0,52 ja joka sisältää ilmaa mukanaan vievää ainetta.

20 c) 30 MPa:n betoni kuten edellä kohdassa a), mutta jossa on 210 kg tavallista Portland-sementtiä ja 105 kg pulveroitua polttoainetuhkaa kuutiometriä kohti.

d) 30 MPa:n betoni, jossa on 350 kg/m^ sementtiä ja karkeasti yhtä suuret määrät 25 10 mm:n kiviainesta ja hiekkaa veden ja sementin välisellä suhteella 0,58 ja 100 mm:n kartiotunkeumalla.

e) 40 MPa:n betoni, jossa on 400 kg/m-5 sementtiä ja 10 mm:n kiviainesta veden ja sementin välisellä suhteella 0,50 ja 100 mm:n kartiotunkeutumalla.

30 , Kaikki edellä mainitut betonit sekoitettiin tavanomaisilla kuorma-autosekoittimilla, joiden valmistaja on Mulder and Stothert & Pitt ja jotka sisältävät 6 m^ betonia. Kaikissa tapauksissa saavutettiin kuitujen täydellinen dispergoituminen 3 minuutissa rummun pyöriessä nopeudella 15 rpm. Tämä täydellinen dispergoituminen 35 saavutettiin silloinkin, kun kuidut lisättiin jo sekoitettuun betoniin syöttämällä yksinkertaisesti kuidut kuorma-autosekoittimen takaosaan paikan päällä.

20 100239

Esimerkki 6

Esivaletun betonin valmistus

Valmistettiin seuraavat esivaletut betonimateriaalit, jotka sisälsivät tämän keksin-5 non kuitukimppuja, joita lisättiin esimerkin 1 kuitukimppuina 0,2 painoprosentin määrä sementtipitoisista materiaaleista: a) 40 MPa:n betoni, jossa on 400 kg/m^ sementtiä ja karkeasti yhtä suuret määrät 5 mm.n soraa ja hiekkaa veden ja sementin välisellä suhteella 0,31.

10 b) 40 MPa:n betoni, jossa on 350 kg/m^ sementtiä ja karkeasti yhtä suuret määrät 10 mm:n soraa ja hiekkaa veden ja sementin välisellä suhteella 0,30.

Kuitujen täydellinen dispergoituminen saavutettiin 1 minuutissa pakkotoimisella 15 melasekoittimella (Teka and Liner Cumflow). Betoni tiivistyi hyvin molemmissa tapauksissa eikä tuotteissa esiintynyt haitallisia pintavaikutuksia.

Esimerkki 7 Betonijalkakäytävä 20

Valmistettiin 30 MPa:n betoni, joka sisälsi n. 300 mg/m-* sementtiä ja 20 mm:n kiviainesta veden ja sementin välisellä suhteella 0,55 ja joka sisälsi 0,2 paino-% tämän keksinnön mukaisia kuituja sementtipitoisista materiaaleista. 200 mm paksuja in situ -betonin jalkakäytäväalueita valettiin ulkoapäin 2,5 m leveiksi kansiksi, 25 joiden jatkuvat pituudet olivat 50 m, ilman kutistumansäätöliitoksia. Mitään säröilyä ei ilmennyt 2 kuukauden kuluessa, joten ei ole odotettavissa, että säröilyä tapahtuu.

Vastaavia kokeita, jotka antoivat vastaavat tulokset, oli suoritettu 9 kuukautta aikai-30 semmin 20 m pitkillä jatkuvilla betonikansilla.

Esimerkki 8 Käytännön kokemus betonilla 35 a) 200 mm paksu betoniajorata, jonka leveys oli noin 5 m ja pituus juuri yli 80 m ja nousu n. 1/15, valettiin käyttäen 0,7 kg esimerkin 1 kuituja/m^ betonia. Betoni oli lujuudeltaan 30 MPa, ilmaa sisältävää kokonaissementtipitoisuuden ollessa 330 kg/nP ja se sisälsi 25 % masuunikuonaa.

21 100239

Koko 80 m valettiin yhtenä päivänä jatkuvana laattana, joka muodostettiin kallistuksen yläpäästä sen alapäähän. Mitään kutistumansäätöliitoksia ei muodostettu. Betonin yläpää paksunnettiin niin, että se ankkuroitui tehokkaasti ja ajoradan pää lopetettiin ennen siihen liittyvää betonia alapäässä ja tämä täytettiin myöhemmin.

5

Muutaman viikon kuluttua ilmestyi yksittäinen halkeama tien poikki suunnilleen keskikohtaan ja linjaan siihen liittyvässä betonissa olevan sauman kanssa. Tien oltua käytössä lähes vuoden raskaiden kuorma-autojen, malmiautojen jne jatkuvan virran alaisena mitään vahingoittumista tai lisäsäröilyä ei ole tapahtunut. Keskihal-10 keama ei ole avautunut eikä mitään eroavaa pystysuoraa liikettä halkeaman kummallakaan puolella ole tapahtunut, halkeaman ollessa itse asiassa nähtävissä vain huolellisella tarkastelulla.

Nämä ja muut sovellutukset osoittavat, että aina noin 50 juoksumetrin jatkuvien 15 kaistojen valmistus ilman kutistumansäätöliitoksia näyttää olevan täysin mahdollista tämän keksinnön mukaisilla kuitukimpuilta ja ilman mitään teräsvahvistusta.

b) Tämän keksinnön kuitukimppuja käytettiin laser-oikaistua betonia olevassa teh-daslattiassa.

20

Betoni levitettiin kahtena valuna, kumpikin samana päivänä, ensimmäisen valun ollessa 2300 m2 ja toisen valun 3200 m2 ja betonin ollessa standardi 30 MPa:n betonia, jossa oli 330 kg/m^ tavallista Portland-sementtiä. Betoni sisälsi esimerkin 1 kuituja 0,6 kg/m^in määrän. Pinta hierrettiin koneellisesti ja se käsiteltiin seuraa-25 vana päivänä pintakovettajana toimineella natriumsilikaatilla. Betoni levitettiin 150 mm:n paksuiseksi polyeteenihöyrysulun päälle.

Kaksi vuorokautta levityksen jälkeen betonia sahattiin pylväsvälein tai karkeasti joka seitsemännen metrin kohdalta suunnilleen 50 mm:n syvyyteen pitkäaikaisten 30 kutistumansäätöliitosten muodostamiseksi.

Useiden kuukausien kuluttua lukuisat sahatuista säätöliitoksista olivat auenneet, mutta betonin säröilyä ei ollut muuten tapahtunut.

35 Johtuen betonin valua seuranneesta hyvin kylmästä säästä tehtaan säteilykaasu-lämmittimet jätettiin päälle 48 tunniksi, mutta tästä huolimatta mitään kutistumasä-röilyä ei esiintynyt.

22 100239 c) Yli 4 tonnia tämän keksinnön kuituja on käytetty rantavallituksessa, joka suojaa laajoja alueita matalalla olevaa maata Lincolnshiressä Englannissa Pohjanmeren tulvimiselta. On käytetty kahta betonilaatua, 30 MPa.n ja 40 MPa:n betonia, joissa kummassakin oli suuret sementin korvikemäärät alkalipitoisuuden hillitsemiseksi.

5

Vakavaa plastista säröilyä on aina esiintynyt rantavallitusbetonissa johtuen erittäin tuulisista ja säälle alttiista olosuhteista. Havaittiin, että esimerkin 1 kuitujen 0,9 kg:n määrän lisäys johti dramaattisesti vähentyneeseen säröilyn esiintymiseen ja saadut kokonaistulokset ovat osoittautuneet erittäin tyydyttäviksi.

10 d) Suunnilleen 100 000 pohjakerroksen autopaikoitusbetonia, joka sisälsi tämän keksinnön kuituja, valettiin ostoskeskusuudisrakennuksella.

Valmistettiin 150 mm paksuja betonilaattoja lisäten pohjalle teräsverkkoa, mutta 15 lisäämättä pintateräsverkkoa, vaan valmistaen sen sijaan betoni käyttäen 0,9 kg esimerkin 1 kuitukimppuja kuutiometriä kohti. Betoni oli 30 MPa:n betonia, jonka paino oli 330 kg/m^, jossa oli ilmaa, joka oli kulkeutunut sementin korvikkeena olevan 25 %:n kuonamäärän mukana.

20 Tällaisten suurten betonilaattojen valmistus, joiden koko oli 8 x 16 m, olisi normaalisti erittäin vaikeaa, sillä pohjateräsverkon käyttö pidättää laatan kokonaisku-tistuman ja aikaansaa näin ollen suurempia kutistumajännnityksiä betoniin. Kuitenkaan mitään säröilyä ei esiintynyt betonilaatoissa, jotka sisälsivät tämän keksinnön kuituja ja saadut kokonaistulokset ovat olleet erinomaiset.

. 25 e) Yli 6000 m^.n tehdaslattia, jonka yleispaksuus oli 150 mm, valettiin käyttäen tavanomaista kansivalua, jossa oli sahatut kutistumansäätöliitokset.

Betoni oli erikoisvahvaa betonia, joka sisälsi mikropiidioksidia ja jonka sementtipi-30 toisuus oli 350 kg/m^ ja se valmistettiin käyttäen standardisuperpehmitintä veden ja sementin välisen suhteen pienentämiseksi alle arvon 0,5. Esimerkin 1 kuituja käytettiin 0,6 kg/m^n määrä.

Havaittiin, että todellisuudessa saavutetut kuutiolujuudet olivat yhdenmukaisesti 35 odotettua suuremmat. Tulokset ovat osoittautuneet erinomaisiksi ja osoittavat, että erikoisvahva betoni, jonka tiedetään yleisesti olevan alttiimpi säröilylle, yhdessä *' kuitujen säröilyä ehkäisevän vaikutuksen kanssa on erinomainen yhdistelmä.

Claims

100239

1. Menetelmä sementtipohjaisen materiaalin valmistamiseksi, tunnettu siitä, että betoni-, laasti- tai sementtiseokseen, johon on lisätty vettä, lisätään alle 1 5 paino-% sementtimateriaaleista laskettuna synteettisiä kuitukimppuja, jotka sisältävät 10-10 000 filamenttia kimppua kohti, jotka filamentit koostuvat olennaisesti polyolefiinista, kuten polypropeenista tai polyeteenistä, polyesteristä tai edellä mainittujen seoksesta, joiden filamenttien pituus on 1-30 mm, keskimääräinen poik-kimitta on 5-30 pm ja sivusuhde on 100-1000, ja että kussakin kimpussa fila-10 mentteja pitää koossa kostutusaine, joka antaa yksittäisille filamenteille pintajännityksen, joka mahdollistaa niiden dispergoitumisen oleellisen homogeenisesti betoniin, laastiin tai sementtiin tavanomaisesti sekoittamalla tavanomaisessa betonin-sekoituslaitteessa, että saatua seosta sekoitetaan vähintään noin 20 sekunnin ajan betoni-, laasti- tai 15 sementtiseoksen saamiseksi, johon yksittäiset filamentit ovat oleellisen homogeenisesti jakautuneita, ja että betoni-, laasti- tai sementtiseos valetaan haluttuun konfiguraatioon, valinnaisesti lisäämällä valun aikana lisäkappaleita, kuten lujitetta.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kostutusaine on valittu ryhmästä, johon kuuluvat glyseridien rasvahappoesterit, rasvahappo-amidit, polyglykoliesterit, polyetoksiloidut amidit, ionittomat pinta-aktiiviset aineet, kationiset pinta-aktiiviset aineet ja edellä esitettyjen seokset.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että esivalet- tua betoni-, laasti- tai sementtiseosta, johon kuitukimput on lisätty, sekoitetaan me-lasekoittimessa vähintään noin 20 sekunnin ajan, edullisesti vähintään noin 30 sekuntia betoni-, laasti- tai sementtiseoksen saamiseksi, johon yksittäiset filamentit ovat oleellisen homogeenisesti jakautuneita. 30 „ 4. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että betonin, laastin tai sementin in situ -seosta, johon kuitukimput on lisätty, sekoitetaan rum-pusekoittimessa vähintään noin 2 minuutin ajan betoni-, laasti- tai sementtiseoksen saamiseksi, johon yksittäiset filamentit ovat oleellisen homogeenisesti jakautuneita.

5. Jonkin tai joidenkin patenttivaatimusten 1-4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että synteettisiä kuitukimppuja lisätään määrässä 0,05-0,5 % sementtipi toi Sten materiaalien painosta. 35 100239

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että synteettisiä kuitukimppuja lisätään määrässä 0,1-0,3 % sementtipitoisten materiaalien painosta.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että synteettisiä 5 kuitukimppuja lisätään määrässä 0,15-0,25 % sementtipitoisten materiaalien painosta.

8. Jonkin tai joidenkin patenttivaatimusten 1-7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kuidut ovat oleellisesti kihartamattomia. 10

9. Jonkin tai joidenkin patenttivaatimusten 1-8 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että yksittäisten filamenttien pituus on 3-30 mm.

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että yksittäisten 15 filamenttien pituus on 5-25 mm.

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että yksittäisten filamenttien pituus on 6-18 mm.

12. Jonkin tai joidenkin patenttivaatimusten 1-11 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että yksittäisten filamenttien keskimääräinen poikkimitta on 5-25 pm.

13. Patenttivaatimuksen 12 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että yksittäisten filamenttien keskimääräinen poikkimitta on 10-20 pm. 25

14. Jonkin tai joidenkin patenttivaatimusten 1-13 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kuidut koostuvat olennaisesti polypropeenista.

15. Jonkin tai joidenkin patenttivaatimusten 1-14 mukainen menetelmä, tunnettu 30 siitä, että filamenttien sivusuhde on 200-800.

16. Patenttivaatimuksen 15 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että filamenttien sivusuhde on 400-700.

17. Synteettiset kuitukimput käytettäviksi jonkin tai joidenkin patenttivaatimusten 1-16 mukaisessa menetelmässä, jotka kimput sisältävät 10 - 10 000 filamenttia kimppua kohti, tunnetut siitä, että filamentit koostuvat olennaisesti polyolefiinista, kuten polypropeenista tai polyeteenistä, polyesteristä tai edellä mainittujen seok- m i tiili m i m - 100239 sesta, että niiden pituus on 1-30 mm, keskimääräinen poikkimitta 5-30 pm ja sivusuhde 100-1000, että kussakin kimpussa filamentteja pitää koossa kostutusaine, ja että kostutusaine antaa yksittäisille filamenteille pintajännityksen, joka mahdollistaa niiden dispergoitumisen oleellisen homogeenisesti betoniin, laastiin tai kalkki-5 laastiin tavanomaisesti sekoittamalla tavanomaisessa betoninsekoituslaitteessa.

18. Patenttivaatimuksen 17 mukaiset synteettiset kuitukimput, tunnetut siitä, että kostutusaine on valittu ryhmästä, johon kuuluvat glyseridien rasvahappoesterit, rasvahappoamidit, polyglykoliesterit, polyetoksiloidut amidit, ionittomat pinta-ak- 10 tiiviset aineet, kationiset pinta-aktiiviset aineet ja edellä esitettyjen seokset.

19. Patenttivaatimuksen 17 tai 18 mukaiset kuitukimput, tunnetut siitä, että kuidut ovat oleellisesti kihartamattomia.

20. Jonkin tai joidenkin patenttivaatimusten 17-19 mukaiset synteettiset kuitu- kimput, tunnetut siitä, että yksittäisten filamenttien pituus on 3-30 mm.

21. Patenttivaatimuksen 20 mukaiset synteettiset kuitukimput, tunnetut siitä, että yksittäisten filamenttien pituus on 5-25 mm. 20

22. Patenttivaatimuksen 21 mukaiset synteettiset kuitukimput, tunnetut siitä, että yksittäisten filamenttien pituus on 6-18 mm.

23. Jonkin tai joidenkin patenttivaatimusten 17-22 mukaiset synteettiset kuitu-25 kimput, tunnetut siitä, että yksittäisten filamenttien keskimääräinen poikkimitta on 5-25 pm.

24. Patenttivaatimuksen 23 mukaiset synteettiset kuitukimput, tunnetut siitä, että yksittäisten filamenttien keskimääräinen poikkimitta on 10-20 pm. 30

25. Jonkin tai joidenkin patenttivaatimusten 17-24 mukaiset synteettiset kuitu-kimput, tunnetut siitä, että filamenttien sivusuhde on 200-800.

26. Patenttivaatimuksen 25 mukaiset synteettiset kuitukimput, tunnetut siitä, että 35 filamenttien sivusuhde on 400-700.

27. Jonkin tai joidenkin patenttivaatimusten 17-26 mukaiset synteettiset kuitukimput, tunnetut siitä, että ne koostuvat olennaisesti polypropeenista. 100239

28. Jonkin tai joidenkin patenttivaatimusten 17-27 mukaiset synteettiset kuitu-kimput, tunnetut siitä, että ne sisältävät 50-5000 filamenttia kimppua kohti. 5