FI114701B - Menetelmä ja koostumus betonielementtien valmistamiseksi, joilla on huomattava puristuslujuus ja murtoenergia, ja näin saadut elementit - Google Patents

Description

1 1 4701

Menetelmä ja koostumus betonielementtien valmistamiseksi, joilla on huomattava puristuslujuus ja murtoenergia, ja näin saadut elementit 5 Tämä keksintö liittyy betonielementtien valmistuk seen, joiden puristuslujuus on vähintään 400 MPa ja murto-energia vähintään 1 000 J/m2, ennalta valmistettuihin tai paikalla valettuihin.

Tämän keksinnön mukaan tällaisten tulosten saavut- 10 tamiseksi valmistetaan koostumus, joka sisältää seuraavia komponentteja ilmaistuna paino-osissa (p), sekoittaen: (a) 100 p portlandsementtiä; (b) 30 - 100 p tai edullisemmin 40 - 70 p hienojakoista kiviainesta, jonka raekoko on ainakin 150 mikromet- 15 riä; (c) 10 - 40 p tai edullisemmin 20 - 30 p amorfista piidioksidia, jonka raekoko on alle 0,5 mikrometriä; (d) 20 - 60 p tai edullisemmin 30 - 50 p jauhettua kvartsia, jonka raekoko on alle 10 mikrometriä; 20 (e) 25 - 100 p tai edullisemmin 45 - 80 p teräsvil laa; (f) juoksevaksi tekevää ainetta; (g) mahdollisesti muita lisäaineita; (h) 13 - 26 p tai edullisemmin 15 - 22 p vettä ; ja · 25 sen jälkeen kun seos on sitoutunut, betoni kovetetaan vä- hintaan lämpötilassa 250 °C, riittävän pitkän ajan betonin : hydrataatiotuotteiden muuttamiseksi ksonotliittityyppisiksi kiteisiksi hydraateiksi; eliminoiden täten oleellisesti ' kaiken vapaan veden ja vähintään pääosan adsorboituneesta 30 ja kemiallisesti sitoutuneesta vedestä.

Hiekan, erityisesti kvartsipitoisen hiekan, aggre-: gaattien käyttäminen antaa korkean sijoslujuuden rajapin- nalla aggregaatit/sementin, piidioksidin ja veden muodosta-ma pasta.

35 On tunnettua, että betoni voidaan kovettaa auto- klaavissa betonin (CaO S1O2 H2O)-tyyppisten amorfisten hyd-, ; raattien muuttamiseksi kiteiseksi hydraatiksi, joka tunne- 114701 2 taan nimellä tobermoriitti, jonka kaava on (CaO)5 (Si02)6 (H20)5, kuitenkaan tällä menetelmällä ei muodosteta nykyistä ongelmaa tyydyttävää ratkaisua, koska tobermoriitti sisältää viisi kertaa enemmän vettä kuin ksonotliitti, 5 jonka kaava on (CaO)6 (Si02)6 (H20)x.

Lisäksi tämä keksintö pyrkii tarjoamaan sellaisen menetelmän, että sementin hydrataatiotuotteen muuttuminen saadaan aikaan pelkästään kuumentamalla paineen ja kosteuden olosuhteiden ollessa normaalit.

10 Tämän keksinnön eräässä tietyssä suoritusmuodossa valmistetaan betonia, jonka muodostunut huokoisuus on alle 0,01 cmVgramma (mitattuna käyttäen elohopea-huokoisuusmit-taria), joka sisältää jauhettua kvartsia ja teräsvillaa, joka muodostuu metallilastuista, ja jota kovetetaan sen 15 asettamisen lämpötilaan vähintään 250 °C ja edullisemmin vähintään 400 °C jälkeen paineen ja kosteuden normaaliolo-suhteissa riittävän pitkän ajan sementin hydrataatiotuot-teiden aikaansaamiseksi ja muuttamiseksi ksonotliittityyp-pisiksi kiteisiksi hydraateiksi.

20 Kuumentamisen aikana kehittynyt vesihöyry pysyy sitoutuneena betoniin sen alhaisen huokoisuuden ansiosta.

.’· Jauhettu kvartsi helpottaa sellaisten kiteisten hydraatti- :s « sen muodostumista, joissa on enemmän CaO:ta kuin amorfi- sissa hydraateissa, ja teräsvilla antaa matriisille riit-25 tävän lujuuden muuttumisvaiheen aikana, jolloin veden höy-rynpaine huokosissa on suurimmillaan.

Tällaisissa olosuhteissa suljetussa tilassa oleva ' vesihöyry saavuttaa betonin sisällä sellaiset hydrotermi- set olosuhteet, jotka vaaditaan amorfisten tai puoliki-···! 30 teisten hydraattien muuttumiselle ksonotliittikiteiksi.

·...· Kovettuminen kestää yleensä useiden tuntien ajan.

Kuumakovettumisen tyypillinen tapahtumasarja anne-, taan kuviossa 1.

Käytännössä kovettumisen tapahtumasarjaa voidaan 35 kiihdyttää, kun käytetään korkeampia lämpötiloja.

114701 3

Edullisissa suoritusmuodoissa tämän keksinnön menetelmällä on lisäksi yksi tai useampia seuraavista ominaisuuksista: - koostumukseen lisätään 0,6 p tai edullisesti vä-5 hintään 1,4 p sen painosta nesteytintä.

- käytetään 1-5 mm kokoon (jauhimen leikkausver-kon koko) jauhetuista teräslastuista valmistettua teräsvillaa.

- käytetään portlandsementtityyppiä CPA, PMES tai 10 HTS (korkean piidioksidikertoimen sementti).

- käytettävän hienojakoisen hiekan raekoko on alle 800 mikrometriä ja edullisemmin välillä 150 - 400 mikro-metriä.

- betoni paineistetaan kovettamisen aikana puris-15 tuspaineella vähintään 5 MPa ja edullisesti vähintään 50 MPa.

Kun koostumukseen lisätään lieriömäisiä ja sileitä metallikuituja, joiden halkaisija on alle noin 500 mikro-metriä, pituus välillä 4-20 mm, tämä parantaa huomatta-20 vasti taivutuksen sietokykyä ja murtoenergiaa. Näin on saavutettu taivutuslujuus 141 MPa ja murtoenergia ;:· 30 000 J/m2.

i Tämä arvo on yli 200 kertaa korkeampi kuin tavan- omaisilla betoneilla saavutettu arvo ja yli 15 kertaa kor- .*··. 25 keampi kuin tämän keksinnön mukaisilla betoneilla saavu- * · ; ,·, tettu, jotka eivät sisällä metallikuituja. Tämä korkea murtoenergia-arvo antaa materiaalille tärkeätä muovatta- * * * ‘ vuutta.

Tätä keksintöä tullaan jäljempänä kuvaamaan muuta- • I · **; 30 millä esimerkeillä viitaten piirroksiin, joissa: ·,,,· - kuvio 1 on kovettumisen tapahtumasarjan kuvaaja; - kuvio 2 on käyrä tämän keksinnön mukaisen betoni- ,··, elementin vesihävikistä kovetuslämpötilan funktiona; - kuvio 3 on käyrä tämän keksinnön mukaisen betoni- ' 35 elementin puristuslujuudesta jäännösvesisuhteen funktiona; 4 1 1 4701 - kuvio 4 on pyyhkäisyelektronimikroskoopilla otettu valokuva tämän keksinnön mukaisen betonin mikrorakenteesta, ja - kuvio 5 on kuva tämän keksinnön mukaisesti saa-5 dusta kiinnityspäästä kaapelien esijännittämiseksi.

Esimerkki 1

Valmistettiin betoninäytteitä sekoittamalla komponentteja seuraavissa suhteissa 100 paino-osaa (p) port-landsementtiä kohti; 10 50 p hienojakoista hiekkaa (raekoko 150 - 400 mik rometriä ); 23 p amorfista piidioksidia (raekoko alle 0,5 mikrometriä ); 39 p jauhettua kvartsia (raekoko alle 10 mikromet- 15 riä); 2 p nesteytintä (kuiva uute); 63 p AISI 430 ruostumaton teräs-lastuja jauhettuna kokoon 3 mm (jauhimen leikkausverkon koko); kuten Gervois myy; ja 20 18 p vettä.

Nesteytin oli esimerkiksi polyakrylaatti-, mela- :* miini- tai naftaleenityyppinen.

Näytteet kovetettiin eri lämpötiloissa ja eri koe- kappaleiden kuivuminen mitattiin. Voidaan havaita (kuvio *·. 25 2), että tämä kuivuminen lisääntyi hieman kovetuslämpöti- ,·. lan kasvaessa aina arvoon 220 °C asti ja myös lämpötilassa ,/ yli 250 °C. Kuitenkin kuivuminen on voimakasta välillä ‘ 230 - 240 °C. Tämä lämpötila vastaa amorfisten, puoliki- teisten ja tobermoriittihydraattien muuttumista ksonotlii- 30 tiksi.

Muuttumisen täydellisen tapahtumisen mahdollistami-;'|'j seksi näyte tulisi näin ollen kovettaa lämpötilassa vähin- .* ·. tään 250 °C.

Kovetusolosuhteet johtavat teräslastuihin, jotka ' “ 35 altistuvat korkeille lämpötiloille ja korkeille kosteusta- 114701 5 soille. Huolimatta siitä, että hiiliteräslastut ovat rajoittuneet sementtimatriisiin, ne syöpyvät voimakkaasti. Rautaoksideja, joita on tuloksena tällaisesta korroosiosta, voidaan havaita näytteiden pinnoilla. Kuitenkin, käyt-5 tämällä ruostumattoman teräksen lastuja korroosio rajoit tuu suurelta osin eikä pinnoilla havaita merkkejä ruosteesta.

Tämän keksinnön betonin mekaanista suorituskykyä voidaan parantaa käyttämällä puristuspainetta, joka on 10 välillä 5-50 MPa, muoteissa ennen sitoutumista ja sen aikana. Paineen tarkoitus on poistaa sen sisältämän ilman aiheuttamaa huokoisuutta ja pienentää tuoreen betonin vesipitoisuutta puristamalla.

Havaittiin esimerkiksi seuraavassa taulukossa anne-15 tut tulokset:

Puristusluj uus

Kovettumislämpö- 250 °C 400 °C

tila

Vakionäyte 488 MPa 524 MPa 20 Sitoutumisen ai- 631 MPa 673 MPa kana puristettu ; ·, näyte * * __ » ‘1 Tavanomaiselle betonille ominaista on sen lujuus 28 ; · 25 päivän ikäisenä, mitattuna käyttäen sylinteriä. Tavallis- ' ten betonien puristuslujuudet ovat välillä 25 - 45 MPa.

Niin sanottujen "korkean suorituskyvyn" betonien lujuudet ovat välillä 50 - 60 MPa. Niinsanottujen "hyvin korkean \t‘ suorituskyvyn" betonien lujuudet voivat ylittää niukasti 30 100 MPa.

Tällä keksinnöllä saatujen betonien lujuudet ovat ’;·* välillä 400 - 680 MPa.

114701 6

Kolmipistetaivutuskokeet lovetuilla 4·4·16 cm koekappaleilla ovat mahdollistaneet välillä 1 200 - 1 800 J/m2 olevien murtoenergioiden mittaamisen, kun taas tavallisten betonien, high performance -betonien ja very high 5 performance -betonien murtoenergiat ovat alle 150 J/m2.

Kokeet sylinterinmuotoisilla näytteillä, jotka olivat halkaisijaltaan 7 cm ja korkeudeltaan 14 cm ja paineistettuja lämpötilassa 400 °C kovetettuja näytteitä, antoivat alla annetut tulokset.

10 Puristuslujuus 490 - 680 MPa

Vetolujuus (taivutuksessa) 45 - 141 MPa

Murtoenergia 1 200 - 2 000 J/m2

Youngin moduuli 65 - 75 GPa 15 Kuvio 4 esittää pyyhkäisyelektronimikroskoopilla otettua valokuvaa tämän keksinnön mukaisen säröilleen betonin mikrorakenteesta.

Voidaan havaita, että pettäminen tapahtui jonkin matkan päässä pasta-aggregaatti-rajapinnasta. Tämä kuvaa 20 rajapinnan korkeata sidoslujuutta.

Tämän keksinnön mukaisesti saatavaa betonia voidaan käyttää terästä korvaavana aineena: kaapeleiden esijänni-tyksen kiinni tyspäissä, suojapaneeleina ammusten iskuja '*;* vastaan.

25 Esimerkki 11 V ’ Luonnehdinta murtuman mekaniikan avulla.

Tämän keksinnön betonin erittäin korkea vetolujuus _ saavutetaan teräskuitujen lisäämisellä ja lämpökäsittelyl- lä.

30 Materiaalin luonnehtimiseksi murtuman mekaniikan > » t I,. avulla alkeisnäytteet, jotka alistetaan taivutuskokeisiin, « » ;·’ ovat välttämättömiä.

t * 114701 7

Betoninäytteet valmistettiin sekoittamalla komponentteja seuraavissa (paino) suhteissa;

Portlandsementti tyyppi V 1

Piidioksidi (keskimääräinen halkaisija 0,5 0,23 5 mikrometriä) zirkoniumteollisuudesta

Jauhettu kvartsi ((keskimääräinen halkaisija 0,39 0,5 mikrometriä)

Hiekka (keskimääräinen maksimihalkaisija 0,5 0,5 10 mm)

Teräsvilla (kuten esimerkissä I) 0,25

Teräskuituja (pituus 12,5 mm, halkaisija 0,15 0,4 mm)

Nesteytin (kuiva uute) 0,02 15 Vesi 0,2 1

Nesteytin on polyakrylaatti

Seos valmistetaan korkean suorituskyvyn työskente-lysekoittimessa. Kuitujen ja teräsvillan lisääminen pitää > · tehdä varovasti. Kuitujen aggregaatit muodostavat suurim- » 20 mat haitat materiaaliin tehden rakenteen hauraaksi.

Betoni tiivistetään V-muotoisissa muoteissa täri-: syttämällä taajuudella 50 Hz.

Vetolujuuden määrittämisessä taivutuksella tarpeel- 1 t lisillä paineistamattomilla näytteillä on vakiokoko 25 4·4·16 cm. Murtoenergian määrittämiseen käytettävä näyte .on kooltaan 7·7·28. Kovettumisen aikana puristettavien V-muotoisten näytteiden koko on 3·3·12 cm. Paineena käyte-; tään 58,1 MPa.

: Muoteista poistamisen jälkeen näytteet kovetetaan : 30 lämpötilassa 90 °C ja sen jälkeen lämpötilassa 250 °C.

;·' Murtolujuus mitataan kolmipistetaivutuskokeella.

114701 8

Murtoenergia mitataan lovetuilla kappaleilla. Tämä koe pakottaa taipuman ja käytetyn voiman mittaamiseen, mikä mahdollistaa murtoenergiaa vastaavan jännitys-muodon-muutoskäyrän alaisen pinnan määrittämisen.

5 Tulokset ovat seuraavat:

Rf(MPa) Gf (J/m2)

Puristettu 141 29 600

Puristamaton 108 25 400

10 Esimerkki III

Kiinnityspäät kaapeleiden esijännittämiseksi.

Betoniset kiinnityspäät 22T15 esijännittämiseksi on muodostettu kaatamalla tämän keksinnön mukaista betonia ulkomuodoltaan kartiomaiseen ympyrän muotoiseen muottiin, 15 joka on valmistettu muottien tekemiseen käytettävästä teräksestä (kuvio 5).

Kiinnityspäihin käytettävä betoni koostuu seuraa-vista komponenteista:

Portlandsementti tyyppi V 1 20 Piidioksidisumu (keskimääräinen halkaisija 0,23 ”· 0,7 mikrometriä) > ·

Jauhettu kvartsi ((keskimääräinen halkaisija 0,39 ·.' 10 mikrometriä)

Hiekka (keskimääräinen halkaisija 0,25 mm) 0,5 25 Teräsvilla (kuten esimerkissä I) 0,63

Nesteytin (kuiva uute) 0,26 ’·;·* Vesi 0,21 : : : Nesteytin on polyakrylaatti

Suurtehosekoitin helpottaa hienojakoisimpien lisä-30 aineiden liukenemista. Sekoittaminen kestää kuusi minuut- 9 114701 tia seuraavan menettelytavan mukaisesti ja se jakautuu neljään päävaiheeseen: 0 minuuttia kuivien komponenttien se koittamisen aloitus (ilman kuituja) 1 m 30 veden ja puolen nesteytti- mestä lisääminen 5 2 m 30 toisen puolen nesteytti- mestä lisääminen 4 m kuidun lisääminen 6 m sekoittamisen lopetus

Metallinen muotti, joka koostuu teräksisestä kar-tiomaisesta sylinteristä, muottipohjasta ja vara-alueista 10 kuten katkaistusta kartiosta kaapeleiden kulkemista varten, täytetään betonilla täryttäen samalla.

Muotin täyttämisen jälkeen seosta puristetaan kunnes betoni kovettuu. Käytettävä paine on noin 50 MPa.

Kiinnityspään poistaminen muotista käsittää muotin 15 pohjan ja vara-alueina käytettävien kartiomaisten element- tien ottamisen pois. Muotista pois otettu kiinnityspää . ; alistetaan kovetuskiertoon, joka käsittää käynnin lämpöti- :M‘: lassa 90 °C, jota seuraa käsittely lämpötilassa 250 °C.

Vastaavista vertailunäytteistä mitattu puristuslu-20 juus antoi tuloksia, jotka ovat korkeampia kuin 600 MPa • | maksimin ollessa 673 MPa.

Tämä betoninen kiinnityspää kaapeleiden esijänni tykseen tarjoaa useita etuja: - tärkeää säästöä saadaan aikaan perinteisten me- 25 tallikappaleiden työstämisessä, - istukan kosketus on parannettu verrattuna aikai-;sempaan alaan, 114701 10 - kiinnityspään kokonaispaino on paljon pienempi kuin perinteisten teräskiinnityspäiden, mikä helpottaa käyttöä työkohteessa.

Tämä keksintö ei rajoitu näihin esimerkkeihin. 1

t | I

Claims (13)

1. Menetelmä betonin tuottamiseksi, jonka puristus-lujuus on vähintään 400 MPa ja murtoenergia vähintään 1 000 5 J/m2, tunnettu siitä, että se käsittää vaiheinaan koostumuksen sekoittamisen, joka sisältää seuraavia komponentteja seuraavissa suhteissa ilmaistuna paino-osissa (p): (a) 100 p portlandsementtiä; (b) 30 - 100 p tai edullisemmin 40 - 70 p hienoja-10 koista kiviainesta, jonka raekoko on ainakin 150 mikrometriä; (c) 10 - 40 p tai edullisemmin 20 - 30 p amorfista piidioksidia, jonka raekoko on alle 0,5 mikrometriä; (d) 20 - 60 p tai edullisemmin 30 - 50 p jauhettua 15 kvartsia, jonka raekoko on alle 10 mikrometriä; (e) 25 - 100 p tai edullisemmin 45 - 80 p teräsvillaa; (f) juoksevaksi tekevää ainetta; (g) mahdollisesti muita lisäaineita; 20 (h) 13 - 26 p tai edullisemmin 15 - 22 p vettä; ja sen jälkeen kun seos on sitoutunut, betonin kovettamisen i · I vähintään 250 °C:n lämpötilassa riittävän pitkän ajan se- mentin hydrataatiotuotteiden muuttamiseksi ksonotliitti- • tyyppisiksi kiteisiksi hydraateiksi lähes kaiken vapaan ve- 25 den ja vähintään pääosan absorboituneesta ja kemiallisesti ’· sitoutuneesta vedestä eliminoimiseksi.

. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, » 1 > tunnettu siitä, että hienojakoisen kiviaineksen raekoko on enimmillään 800 mikrometriä. t *;;; 30

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hienojakoisen kiviaineksen ; raekoko on välillä 150 - 400 mikrometriä.

1 1 4701 11

4. Yhden patenttivaatimuksista 1-3 mukainen mene- e I s telmä, tunnettu siitä, että teräsvilla on teräs- ‘ - · f 35 lastuja, jotka on jauhettu kokoon 1-5 mm (jauhimen leik-'· : kuuverkon koko) . 114701 12

5. Yhden patenttivaatimuksista 1 ja 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käytetään ruostumaton teräsvillaa.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, 5 tunnettu siitä, että mainittu koostumus sisältää vähintään 0,6 p, edullisesti vähintään 1,4 p sen painosta nesteytintä.

7. Yhden patenttivaatimuksista 1-6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kiviainekoostumus si- 10 sältää lisäksi lieriömäisiä ja sileitä metallikuituja, joiden pituus on välillä 4-20 mm, edullisesti välillä 10 -14 mm, ja halkaisija on alle noin 500 mikrometriä, edullisesti välillä 100 - 200 mikrometriä, jolloin mainittujen kuitujen tilavuus on 1 - 4 %, edullisesti 2 - 3 % betonin 15 tilavuudesta kovettumisen jälkeen.

8. Yhden patenttivaatimuksista 1-7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu koostumus sisältää oleellisesti 100 paino-osaa portlandsementtiä kohti: 50. hiekkaa, 23 p piidioksidia, 39 p kvartsia, 2 p nes- 20 teytintä, 63 p teräsvillaa ja 18 p vettä.

, 9. Yhden patenttivaatimuksista 1-8 mukainen mene- * · ·· telmä, tunnettu siitä, että betoni kovetetaan läm- * » * » · ‘ * pötilassa vähintään 250 °C tai edullisesti vähintään 400 °C V ’ normaalipaineessa ja normaalikosteudessa.

10. Yhden patenttivaatimuksista 1-9 mukainen me- : netelmä, tunnettu siitä, että tuore betoni aliste- taan sitoutumisen aikana paineeseen vähintään 5 MPa tai edullisesti vähintään 50 MPa.

11. Koostumukset betonin valmistamiseksi, t u n -·.’_ 30 n e t t u siitä, että ne ovat patenttivaatimuksissa 1-8 määritetyn kaltaisia. V

: 12. Betonielementit, tunnettu siitä, että ί(ιιί ne on valmistettu yhden patenttivaatimuksista 1-10 mukai- ;·, sella menetelmällä.

• 13 1 1 4701