FI123184B

FI123184B - Menetelmä ja laitteisto lisäaineen lisäämiseksi sementtimäiseen koostumukseen

Info

Publication number: FI123184B
Application number: FI20115386A
Authority: FI
Inventors: Timo Koskinen; Helmer Gustafsson; Jan-Erik Teirfolk
Original assignee: Upm Kymmene Corp
Priority date: 2011-04-20
Filing date: 2011-04-20
Publication date: 2012-12-14
Also published as: CA2832382A1; CN103501974A; FI20115386A; EP2699399A1; US20140153353A1; JP2014514191A; WO2012143617A1; FI20115386A0; RU2013151604A

Description

MENETELMÄ JA LAITTEISTO LISÄAINEEN LISÄÄMISEKSI SEMENTTI MAISEEN KOOSTUMUKSEEN

Keksinnön kohde 5

Keksintö kohdistuu menetelmään ja laitteistoon lisäaineen lisäämiseksi se-menttimäiseen koostumukseen. Erityisesti keksintö kohdistuu menetelmään nanoselluloosan lisäämiseksi sementtimäiseen koostumukseen. Lisäksi keksintö kohdistuu menetelmällä valmistettuun tuotteeseen.

10

Keksinnön taustaa

Betoni on rakennusmateriaali, joka on valmistettu sementin, hiekan, kiven ja veden seoksesta. Betoni muuttuu kiinteäksi ja kovettuu veteen sekoittamisen 15 ja valun jälkeen kemiallisen prosessin johdosta, josta käytetään nimitystä hydratoituminen. Vesi reagoi sementin kanssa, joka sitoo muut ainesosat yhteen, jolloin lopulta syntyy kivimäinen materiaali. Betonista rakennetaan jalkakäytäviä, arkkitehtonisia rakenteita, perustuksia, moottoriteitä/teitä, sil-toja/ylikäytäviä, pysäköintirakenteita, tiili-/elementtimuureja sekä pohjalaattoja 20 portteja, aitoja ja pylväitä varten.

Betonitekniikassa eräs tärkeä ja kiinnostava ala on itsetiivistyvä betoni (engl. self compacting concrete, SCC), joka leviää ja tiivistyy itsestään painovoiman ansiosta. Näin ollen ei tarvita lainkaan ulkopuolista tärytystä tai muuta tiivis-25 tystä. Kovettunut betoni toimii rakenteessa normaalin betonin tavoin. Itsetii-^ vistyvästä betonista on mahdollista valmistaa erittäin hyvälaatuista betonia.

^ Koska tiivistämistyötä ei tarvita, melutaso rakentamisen aikana laskee huo- o mattavasti ja yksi työvaihe jää pois. Itsetiivistyvässä betonissa saattaa ta- ^ pahtua erottumista, joka voi olla joko veden tai runkoaineen erottumista, x 30 Vaihtelut raaka-aineen koostumuksessa tai kosteuspitoisuudessa voivat muuttaa itsetiivistyvän betonin käyttäytymistä merkittävästikin. Tämä robusti-

CD

oo suuden puute rajoittaa itsetiivistyvän betonin käyttöä joissakin kohteissa.

LT) ° Injektointitekniikan yhteydessä käytettäviksi on tarkoitettu injektiolaasteja.

35 Näiltä materiaaleilta vaadittavia ominaisuuksia ovat mm. tarpeellinen juokse- 2 vuus ja pieni veden erottuminen. Lisäaineilla voidaan muuttaa betonimateriaalin ominaisuuksia.

Keksinnön lyhyt yhteenveto 5 Tämän keksinnön tarkoituksena on esittää uusi menetelmä ja laitteisto lisäaineen, erityisesti nanoselluloosan, lisäämiseksi sementtimäiseen koostumukseen. Nanoselluloosan lisääminen tasaisesti erilaisiin seoksiin on haasteellista. Sementti massan, esimerkiksi betonin ominaisuudet ja erityisesti no-10 pea kuivuminen aiheuttavat sen, että valmistusvaihe voi kestää vain lyhyen ajan, tyypillisesti vain muutamia minuutteja. Tämä voi aiheuttaa lisähaasteita lisäaineen tasaisen sekoittumisen suhteen.

Keksinnön tarkoituksen toteuttamiseksi keksinnön mukaisessa menetelmäs-15 sä: muodostetaan nestevirtaus, syötetään järjestelmään lisäainetta, annostellaan mainittuun nestevirtaukseen mainittua lisäainetta syöttämällä sitä nestevirtaukseen olennaisesti poikittain mainitun nestevir-20 tauksen virtaussuuntaan nähden siten, että mainittua lisäainetta se koittuu nestevirtauksen olennaisesti koko poikkipinta-alalle, jolloin muodostuu seos, joka käsittää nestettä ja lisäainetta, ja lisätään muodostettua seosta sementtimäiseen koostumukseen lisäaineeksi.

25

Erään edullisen esimerkin mukaan lisäaineen käsittäessä nanoselluloosaa, o ^ nanoselluloosan kiintoainepitoisuus nestevirtaukseen syötettäessä voi olla o esimerkiksi noin 2 %. Erään edullisen esimerkin mukaan nanoselluloosan ° kiintoainepitoisuus nestevirtaukseen syötettäessä on 0,5 - 5 %, edullisemmin g 30 1 - 3 %. Poikittaisen nanoselluloosa-injektoinnin ansiosta nanoselluloosan sekoittuminen tasaisesti nestevirtaukseen tapahtuu intensiivisen sekoittumi-co sen vyöhykkeellä, joka on nestevirtauksen virtaussuunnassa annostelukoh-

LO

dassa ja välittömästi sen jälkeen. Sekoittumisesta saadaan erityisen tehokas, S jos injektoitavan nanoselluloosa-seoksen syöttönopeus on suurempi kuin 35 nestevirtauksen nopeus.

3

Lisäaineen, edullisesti nanoselluloosan, lisäämisessä voidaan käyttää apuna myös erillistä injektionestettä. Tällöin erään esimerkin mukaan lisäaineen sekoitusta nestevirtaukseen tehostetaan siten, että lisäaineen lisäyselin, kuten esimerkiksi nanoselluloosan lisäyselin käsittää syöttökanavan lisäksi erillisen 5 injektointinesteen syöttökanavan lisäaineen syöttämiseksi injektointinesteen avulla virtauskanavaan. Erään edullisen esimerkin mukaan injektointinesteen syöttökanava muodostuu virtauskanavaan liitetystä sivuvirtauskanavasta, joka on järjestetty ottamaan nestettä virtauskanavasta ja johtamaan sitä takaisin virtauskanavaan suuttimen kautta.

10

Erään edullisen esimerkin mukaan käytettäessä nanoselluloosaa lisäaineena, keksinnön mukaisella menetelmällä erilliseen nestevirtaukseen tasaisesti sekoitettu nanoselluloosa johdetaan edelleen eteenpäin sekoitettavaksi betonimassaan ja/tai sementtiin siten, että ainakin osa materiaalin valmistuksessa 15 käytetystä vedestä on korvattu mainitulla nanoselluloosa-nesteseoksella. Erään edullisen esimerkin mukaan nanoselluloosa-vesiliuosta on sementti-mäisen koostumuksen, kuten betonimassan ja/tai sementin, valmistukseen käytettävän veden kokonaismäärästä vähintään 60 % tai vähintään 70 %, edullisemmin vähintään 80 % tai vähintään 90 % ja edullisimmin vähintään 20 95 % tai vähintään 98 %. Erään edullisen esimerkin mukaan nanoselluloosa- vesiliuos on ainoa tai olennaisesti ainoa sementtimäisen koostumuksen, kuten betonimassan ja/tai sementin, valmistukseen käytettävä vesi. Vastaavasti voidaan toimia myös käytettäessä muuta lisäainetta kuin nanoselluloosaa.

25 Laitteisto lisäaineen lisäämiseksi sementtimäiseen koostumukseen on tun-^ nettu pääasiassa siitä, että se käsittää: ^ - nesteen virtauskanavan, o - elimet lisäaineen syöttämiseksi mainittuun nesteen virtauskanavaan, ° - mainitussa virtauskanavassa annostelukohdan, jossa on virtauskana- £ 30 vaan avautuva yksi tai useampi syöttöelin, joka on suunnattu olennai-

CL

sesti poikittain mainitun nestevirtauksen virtaussuuntaan nähden ja 28 järjestetty syöttämään mainittua lisäainetta siten, että lisäainetta se in koittuu annostelukohdassa virtauksen olennaisesti koko poikkipinta-° alalle lisäainetta ja nestettä käsittävän seoksen muodostamiseksi, ja 35 - sekoituselimet seoksen sekoittamiseksi sementtimäiseen koostumuk seen.

4

Keksinnön mukainen laitteisto käsittää siis virtaus kanavan varrella olevan annostelukohdan, jossa on virtauskanavaan avautuva yksi tai useampi li-säyselin, kuten esimerkiksi suutin, joka on suunnattu poikittain mainitun nes-5 tevirtauksen virtaussuuntaan nähden ja järjestetty lisäämään, edullisesti injektoimaan, mainittua lisäainetta siten, että se sekoittuu annostelukohdassa virtauksen olennaisesti koko poikkipinta-alalle.

Laitteisto voi käsittää nesteen virtauskanavan varrella peräkkäisiä edellä ku-10 vatun kaltaisia annostelukohtia, joissa on edullisesti lisäaineen annostelu-säiliöön yhdistetyt lisäyselimet, jotka on järjestetty syöttämään ja sekoittamaan mainittua lisäainetta virtauskanavassa kulkevaan nestevirtaukseen.

Keksinnön mukaisella menetelmällä lisäainetta, edullisesti nanoselluloosaa, 15 voidaan lisätä hyvin pieniä määriä tasaisesti sementtimäiseen koostumukseen, kuten betonimassaan ja/tai sementtiin. Erään esimerkin mukaan lisäaineena käytetään nanoselluloosaa siten, että nanoselluloosan osuus valmiista betonimassasta ja/tai sementistä on 0,002 - 2 painoprosenttia (p-%), edullisemmin enintään 0,2 p-% ja edullisimmin enintään 0,05 p-%.

20

Lisäaineiden, erityisesti nanoselluloosan avulla on mahdollista parantaa esimerkiksi valmistettavan betonin ominaisuuksia olennaisesti. Keksinnön mukainen menetelmä ja laitteisto mahdollistavat olennaisesti tasalaatuisen tuotteen muodostamisen. Jos käytetään useampia syöttöelimiä annostelu-25 kohdassa eri puolilla kanavaa, esimerkiksi kahta vastapäätä tosiaan olevaa ^ syöttöelintä, käytetyn lisäaineen sekoittumista annostelukohdassa voidaan ^ tehostaa.

sj- o ^ Nyt esillä olevan keksinnön mukaiselle menetelmälle on pääasiassa tunnus- 30 omaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksessa 1. Nyt esillä olevan kek-

CL

sinnön mukaiselle laitteistolle on pääasiassa tunnusomaista se, mitä on esi- 28 tetty patenttivaatimuksessa 9.

tn ° Piirustusten kuvaus 35

Keksintöä selostetaan seuraavassa viitaten oheisiin piirustuksiin, joissa 5 kuva 1 esittää pelkistettynä kaaviokuvana keksinnön mukaista menetelmää, 5 kuva 2 esittää nanoselluloosan annostelu- ja sekoituskohtaa tarkemmin, ja kuvat 3-12 esittävät koeajotuloksia.

10

Keksinnön yksityiskohtainen kuvaus

Ellei muuta ole mainittu, selityksessä ja patenttivaatimuksissa käytetyillä termeillä on rakennusalalla samoin kuin sellu- ja paperiteollisuudessa yleisesti 15 käytetyt merkitykset. Erityisesti seuraavilla termeillä on jäljempänä esitetyt merkitykset.

Keksinnössä valmistetaan uudenlaisella menetelmällä sementtimäistä koostumusta, jossa menetelmässä sementtimäiseen koostumukseen lisätään li-20 säainetta. Termi ’’sementtimäiset koostumukset” tarkoittaa materiaalia, joka koostuu sementtimäisestä sideaineesta ja ainakin vedestä. Näitä materiaaleja ovat esimerkiksi betoni, muurauslaastit ja saumauslaastit. Yleensä esimerkiksi betoni koostuu sementistä, vedestä, runkoaineesta ja monissa tapauksissa myös lisäaineista.

25

Betonin valmistuksessa lisätään tyypillisesti runkoaineita, yleensä karkeaa

O

^ runkoainetta ja hienoa runkoainetta, sekä kemiallisia lisäaineita. Termi ”run- o koaine” tarkoittaa raemaista materiaalia, joka soveltuu käytettäväksi betonis- ° sa. Runkoaineet voivat olla luonnosta peräisin olevia, synteettisiä tai kierrä- g 30 tettyjä materiaaleja, joita on käytetty aiemmin rakentamisessa. Betonin run koaineita ovat karkeat runkoaineet, kuten sora, kalkkikivi tai graniitti, ja hie-g noihin runkoaineisiin kuuluu hiekka. Runkoaineina käytetään myös kivimurs-

LO

^ kettä tai kierrätettyä betonimursketta. Keksinnössä voidaan käyttää karkeaa ° runkoainetta ja/tai hienoa runkoainetta. Termi ’’karkea runkoaine” tarkoittaa 35 runkoainetta, jonka suurin ulottuvuus on suurempi tai yhtä suuri kuin 4 mm ja pienin ulottuvuus on suurempi tai yhtä suuri kuin 2 mm. Termi ’’hieno runko- 6 aine” tarkoittaa runkoainetta, jonka suurin ulottuvuus on pienempi tai yhtä suuri kuin 4 mm.

Termillä betonimassa tarkoitetaan tässä hakemuksessa raaka-aineseosta, 5 josta valmistetaan betonia.

Sementtejä ovat, mutta eivät pelkästään, yleiset portlandsementit, nopeasti kovettuvat tai erityisen nopeasti kovettuvat, sulfaatinkestävät betonit, muunnetut sementit, alumiinisementit, runsaasti alumiinia sisältävät sementit, kal-10 siumaluminaattisementit sekä sementit, jotka sisältävät lisäaineita, kuten lentotuhkaa, puzzolaania ja vastaavaa. Keksinnössä voidaan käyttää sementin asemesta myös muita sementtimäisiä materiaaleja, kuten lentotuhkaa ja kuonasementtiä.

15 Termi "itsetiivistyvä betoni”, josta käytetään myös nimitystä itselujittuva betoni tai SCC (engl. self compacting concrete), on hyvin valuvaa, lajittumatonta betonia, joka leviää paikalleen, täyttää muottilaudoituksen ja eristää ahtaim-mankin raudoituksen ilman mekaanista tärytystä. Se on määritelmän mukaan betoniseos, joka voidaan levittää puhtaasti omalla painollaan ilman tärytystä. 20 Erään edullisen esimerkin mukaan keksinnössä valmistettava sementtimäi-nen koostumus on itsetiivistyvää betonia.

Termi "sementtimäisen koostumuksen lisäaine” tai ’’sementin/betonin lisäaine” tarkoittaa ainetta, jota on lisätty sementtimäiseen koostumukseen, ku-25 ten esimerkiksi betonin sekoitusprosessiin, pieniä määriä sementin massan suhteen tuoreen tai kovettuneen betonin ominaisuuksien muuttamiseksi, o ^ Keksinnön mukainen betonimassa voi käsittää nk. sementtimäisiä sideainet- o ta. Termi ’’sementtimäinen sideaine” tarkoittaa kaikkia epäorgaanisia materi- ° aaleja, jotka käsittävät kalsium-, alumiini-, pii-, happi- ja/tai rikkiyhdisteitä, g 30 joilla on riittävästi vesiaktiivisuutta, jotta ne kiinteytyvät tai kovettuvat veden läsnä ollessa.

CD

00 00

LO

^ Nestevirtauksella tarkoitetaan tässä hakemuksessa mitä tahansa nestepoh- dj jäistä, yleisimmin vesipohjaista virtausta, jossa neste toimii kuljettavana väli- 35 aineena. Edullisesti nestevirtaus on vesivirtausta.

7

Erään edullisen esimerkin mukaan keksinnössä käytetään lisäaineena nano-selluloosaa, joka on peräisin selluloosaraaka-aineesta. Termi ’’selluloosa-raaka-aine” tarkoittaa mitä tahansa selluloosan raaka-ainelähdettä, jota voidaan käyttää selluloosamassan, jauhetun massan tai mikrokuituselluloosan 5 valmistuksessa. Raaka-aineen pohjana voi olla mikä tahansa kasvimateriaali, joka sisältää selluloosaa. Raaka-aine voidaan myös saada tietyistä bakteerien fermentointiprosesseista. Kasviaine voi olla puuta. Puu voi olla havupuuta, kuten kuusta, mäntyä, jalokuusta, lehtikuusta, douglaskuusta tai ka-nadanhemlokkia, tai lehtipuuta, kuten koivua, haapaa, poppelia, leppää, eu-10 kalyptusta tai akaasiaa, tai havupuun ja lehtipuun seosta. Muita kuin puuperäisiä raaka-aineita voivat olla maatalousjätteet, heinät tai muut kasvi-aineet, kuten olki, lehdet, kaarna, siemenet, palot, kukat, naatit tai hedelmät, jotka on saatu puuvillasta, maissista, vehnästä, kaurasta, rukiista, ohrasta, riisistä, pellavasta, hampusta, manillahampusta, sisalhampusta, juutista, ra-15 mistä, kenafhampusta, bagassista, bambusta tai ruo’osta. Selluloosaraaka-aine voisi myös olla peräisin selluloosaa tuottavasta mikro-organismista. Mikro-organismit voivat olla sukua Acetobacter, Agrobacterium, Rhizobium, Pseudomonas tai Alcaligenes, sopivimmin sukua Acetobacter ja edullisemmin lajia Acetobacter xylinum tai Acetobacter pasteurianus.

20

Termi ’’nanoselluloosa” tarkoittaa selluloosaraaka-aineesta peräisin olevien erillisten selluloosamikrofibrillien tai mikrofibrillikimppujen joukkoa. Mikrofib- rilleillä on yleensä suuri sivusuhde: pituus voi olla yli yksi mikrometriä, kun taas lukukeskimääräinen halkaisija on yleensä alle 200 nm. Mikrofibrillikimp- 25 pujen halkaisija voi myös olla suurempi, mutta yleensä se on alle 1 pm. Pie- nimmät mikrofibrillit ovat ns. alkeisfibrillien kaltaisia, joiden halkaisija on o ^ yleensä 2-12 nm. Fibrillien tai fibrillikimppujen mitat riippuvat raaka-aineesta o ja sulputusmenetelmästä. Nanoselluloosa voi myös sisältää hemiselluloosia; ^ määrä riippuu kasvilähteestä. Nanoselluloosan mekaaninen sulputus selluin 30 loosaraaka-aineesta, selluloosamassasta tai jauhetusta massasta toteute taan sopivilla välineillä, kuten jauhimella, hiertimellä, homogenisaattorilla,

CO

g kolloidisekoittimella, kitkajauhimella, ultraäänisonikaattorilla, fluidisaattorilla, ^ kuten mikrofIuidisaattoriMa, makrofluidisaattorilla tai fluidisaattorityyppisellä ° homogenisaattorilla. ’’Nanoselluloosa” voidaan myös erottaa suoraan tietyistä 35 fermentointiprosesseista. Nyt esillä olevan keksinnön mukainen selluloosaa tuottava mikro-organismi voi olla sukua Acetobacter, Agrobacterium, Rhizo- 8 bium, Pseudomonas tai Alcaligenes, edullisesti sukua Acetobacter ja edullisemmin lajia Acetobacter xylinum tai Acetobacter pasteurianus. ’’Nanosellu-loosa” voi myös olla selluloosamikrofibrillien tai -mikrofibrillikimppujen mikä tahansa kemiallisesti tai fysikaalisesti muunnettu johdannainen. Kemiallinen 5 johdannainen voisi perustua esimerkiksi selluloosamolekyylien karboksi-metylointi-, hapettumis-, esteröinti- tai eetteröintireaktioon. Muunnos voitaisiin myös toteuttaa adsorboimalla selluloosan pinnalle fysikaalisesti anionisia, kationisia tai ionittomia aineita tai näiden mitä tahansa yhdistelmää. Kuvattu muunnos voidaan tehdä ennen nanoselluloosan tuotantoa, sen jälkeen tai 10 sen aikana.

Nanoselluloosalle on olemassa useita laajasti käytettyjä synonyymejä. Esimerkiksi: mikrofibrilliselluloosa, nanofibrilloitu selluloosa (NFC), nanofibrilli-selluloosa, selluloosananokuitu, nanoluokan fibrilloitu selluloosa, mikrofibril-15 loitu selluloosa (MFC) tai selluloosamikrofibrillit. Lisäksi tiettyjen mikrobien tuottamalla mikrofibrilliselluloosalla on myös erilaisia synonyymejä. Esimerkiksi bakteeriselluloosa, mikrobiselluloosa (MC), bioselluloosa, nata de coco (NDC) tai coco de nata. Tässä keksinnössä kuvattu mikrofibrilliselluloosa ei ole samaa materiaalia kuin ns. selluloosawhiskerit, joista käytetään myös 20 nimityksiä selluloosananowhiskerit, selluloosananokiteet, selluloosanano-sauvat, sauvamaiset selluloosamikrokiteet tai selluloosananolangat. Joissakin tapauksissa kummastakin materiaalista käytetään samankaltaista termistöä, esimerkiksi artikkelissa Kuthcarlapati ym. (Metals Materials and Processes 20(3):307-314, 2008), jossa tutkitusta materiaalista käytettiin nimi-25 tystä ’’selluloosananokuitu”, vaikka kyse oli selvästi selluloosananowhiske- ^ reistä. Yleensä näillä materiaaleilla ei ole fibrillirakenteessa amorfisia seg- o ^ menttejä niin kuin mikrofibrilloidussa selluloosassa, joka saa aikaan jäykem- o män rakenteen. Selluloosawhiskerit ovat myös tyypillisesti lyhyempiä kuin £3 mikrofibrilloitu selluloosa.

£ 30

CL

Tässä hakemuksessa viitataan kuviin 1-12, joissa on käytetty seuraavia oo viitteitä:

LO

^ A nestevirtaus, cv B virtauskanava, esimerkiksi putki, 35 M mittaus 9 1 valmistuselimet sementtimäisen koostumuksen, kuten esimerkiksi betonin, valmistamiseksi, 3 annostelu- ja sekoituskohta, 3a syöttöelin, esimerkiksi suutin, 5 3b injektionesteen syöttökanava, 7a sementtimäisen koostumuksen raaka-aine(ita), 7 sementtimäinen koostumus, esimerkiksi betonimassa, 9 lisäaine, edullisesti nanoselluloosa, 9a säiliö tai vastaava rakenne lisäaineen syöttöä edeltävää säilytystä var-10 ten, 9b lisäaineen, edullisesti nanoselluloosan, syöttölinja, ja 9c lisäaineen, edullisesti nanoselluloosan, annosteluyksikkö.

Kuvassa 1 on esitetty pelkistettynä kaaviokuvana keksinnön mukainen me-15 netelmä, jossa lisäainetta 9, joka käsittää edullisesti nanoselluloosaa, syötetään nestevirtaukseen A, jonka jälkeen muodostunut seos A, 9 johdetaan valmistuselimille 1 käytettäväksi sementtimäisen koostumuksen 7, kuten esimerkiksi betonimassan, valmistuksessa. Kuvan 1 mukaisessa ratkaisussa voidaan käyttää tai olla käyttämättä erillistä lisäaineen annosteluyksikköä 9c. 20 Kuvassa 2 on puolestaan esitetty tarkemmin erään suoritusmuodon mukainen annostelu- ja sekoituskohdan 3 rakenne.

Keksinnössä nestevirtaukseen A, edullisesti vesivirtaukseen, annostellaan annostelu- ja sekoituskohdassa 3 lisäainetta 9 syöttämällä sitä ennalta mää-25 ritellyssä sakeudessa virtaukseen A. Mainittu ennalta määritelty sakeus on edullisesti 0,05 - 5 %, edullisemmin 0,5 - 2 %. Lisäaineetta 9 syötetään

O

^ nestevirtaukseen A oleellisesti kohtisuorassa (poikittain) nesteen A virtaus- o suuntaan nähden lisäaineen 9, edullisimmin nanoselluloosan, sekoittamiseksi ° annostelukohdassa 3 virtauksen A koko poikkileikkausalueelle.

g 30 Q_

Keksinnön mukaisessa menetelmässä lisäainetta 9 syötetään syöttöelimestä, co kuten esimerkiksi syöttösuuttimesta, riittävällä paineella, jotta lisäaineen 9 LT) ^ sekoitus tapahtuu virtaukseen A tasaisesti. Tällä tavoin toimimalla sekoitus ° tapahtuu tyypillisesti hyvin nopeasti, käytännössä tyypillisesti alle sekunnissa.

35 Yksi tai useampi syöttöelin 3a (esimerkiksi syöttösuutin) voidaan asentaa virtausta A kuljettavan virtauskanavan B (esimerkiksi putken) seinämään 10 oleellisesti kohtisuorassa virtauskanavan B pituussuuntaa vastaan virtaus-kanavan B sisäosaan päin avautuvaksi. Jos syöttöelimiä 3a on useampi kuin yksi, voidaan ne jakaa tasaisesti virtauskanavan B kehälle, esimerkiksi kahden syöttöelimen 3a tapauksessa siten, että lisäainetta 9, sopivimmin nano-5 selluloosaa, syötetään vastakkaisista suunnista nestevirtaukseen A. On myös mahdollista käyttää useampia syöttöelimiä 3a annostelukohdassa 3 eri puolilla virtauskanavaa B, esimerkiksi kahta suutinta, jotka ovat sopivimmin toisiinsa nähden vastapäätä virtauskanavan B eri puolilla. Näin toimien lisäaineen 9 sekoittumista annostelukohdassa 3 voidaan tehostaa.

10

Keksinnön mukaisen poikittaisen lisäaine-lisäyksen ansiosta esimerkiksi na-noselluloosan 9 sekoittuminen tasaisesti nestevirtaukseen A tapahtuu intensiivisen sekoittumisen vyöhykkeellä, joka on nestevirtauksen virtaussuun-nassa annostelukohdassa 3 ja välittömästi sen jälkeen. Lisäaineen sekoittu-15 misesta nestevirtaukseen saadaan erityisen tehokas, jos injektoitavan lisäaineen syöttönopeus on vähintään kolme kertaa nestevirtauksen nopeus li-neaarinopeuksina ilmaistuna.

Syöttölinjassa 9b olevan lisäaineen 9 syöttönopeuden nostamiseksi sekoi-20 tuksen vaatimalle riittävän suurelle tasolle voidaan käyttää myös putkeen pumpattavaa injektionestettä, jota syötetään samasta syöttöelimestä 3a (esimerkiksi suuttimesta) kuin lisäainetta, kuten esimerkiksi nanoselluloosa-dispersiota. Tällöin erään edullisen esimerkin mukaan injektionesteen syöttö-kanava 3b on sivuvirtaus, joka on erotettu käsiteltävästä nestevirtauksesta A 25 (päävirtauksesta) ja yhdistetään annostelukohdassa 3 uudelleen nestevir-taukseen (päävirtaukseen) A. Tämä on esitetty kuvassa 2, josta näkyy,

O

^ kuinka injektioneste saadaan edullisesti nestevirtauksesta A liittämällä kana- o vaan (putkeen B) sivuvirtauskanava, joka toimii mainittuna injektionesteen ° syöttö kanavan a 3b.

£ 30

Erään esimerkin mukaan injektionesteen syöttö kanavassa 3b oleva injektio-g nesteen riittävä syöttöpaine voidaan saada aikaan kuvassa 2 esitetyllä pie-

LO

^ neliä lisäpumpulla, joka on järjestetty injektionesteen syöttö kanavaan 3b (eli ° sivuvirtauskanavaan), jotta injektioneste saadaan virtaamaan riittävällä no- 35 peudella suuttimen 3a kautta takaisin virtauskanavaan (putkeen) B. Sivuvir-tauksena suuttimen 3a kautta johdettavan virtauksen tilavuus on vain murto- 11 osa päävirtauksen A tilavuudesta. Keksinnön mukainen lisäaineen 9 sekoitus nestevirtaukseen A ennen mainitun lisäaineen, kuten esimerkiksi nanosellu-loosan, annostelemista betonimassaan voidaankin tehdä suhteellisen matalassa paineessa käyttäen vain pientä sivuvirtausta, esimerkiksi alle 10 tila-5 vuusprosenttia (til.- %), edullisesti alle 5 til.- % käsiteltävän nesteen koko-naisvirrasta.

Erään edullisen esimerkin mukaan injektionesteen syöttökanava 3b avautuu kuvan 2 mukaisesti virtauskanavaan B yhdessä lisäaineen syöttöputken 9b 10 kanssa niin, että ne yhdessä muodostavat syöttöelimen rakenteen (suutin-rakenteen). Tällöin syöttöelin 3a muodostuu sopivimmin virtauskanavan B sisäseinämässä samankeskisesti avautuvista lisäaineen syöttöputken 9b ja injektionesteen syöttökanavan 3b päistä siten, että injektionesteen syöttö-kanavan 3b pää on rengasmaisesti syöttöputken 9b pään ympärillä. Lisäksi 15 injektionesteen syöttökanavan 3b loppupää on sopivimmin kapeneva lineaa-rivirtausnopeuden nostamiseksi suuttimessa 3a.

Injektionesteen purkautuminen paineella virtauskanavassa B viilaavaan nestevirtaukseen A saa aikaan injektoriefektin, jossa lisäaineen 9 syöttöput-20 kea 9b pitkin tuleva liuos tempautuu injektionesteen mukaan. Injektioneste saa aikaan riittävällä nopeudella kohtisuoraan nestevirtauksen virtaussuun-taan suuntautuessaan liuoksen tehokkaan sekoituksen virtaukseen syöttö-elimen 3a kohdalla olevassa nestevirtauksen A poikkileikkauksessa. Aluetta, jossa intensiivinen sekoitus tapahtuu, on merkitty kuvassa 2 katkoviivoin. In-25 jektionesteen syöttöpaine säädetään sopivimmin sellaiseksi, että nopeus, jolla injektionestettä ja lisäainetta 9 injektoidaan virtaukseen A, on vähintään

O

^ kolme kertaa, edullisesti vähintään viisi kertaa nestevirtauksen A virtaus- o nopeus putkessa B. Kuvan 2 kaltainen järjestely voi olla yhdessä tai useissa ° peräkkäisissä syöttökohdissa. Jos lisäaineen 9, kuten esimerkiksi nanosellu- g 30 loosan, annostelukohtia 3 on nestevirtauksen A kulkusuunnassa kaksi tai Q_ enemmän peräkkäin, voidaan mainittua lisäainetta 9 annostella pieninä erinä, g Tällöin on mahdollista parantaa kokonaistehokkuutta suhteellisen yksinker-

LO

^ täisellä rakenteella, o

CM

35 Erään edullisen esimerkin mukaan yhtä tai useampaa lisäainetta lisätään keksinnön mukaisella tavalla injektoimalla nestevirtaukseen A mainittua yhtä 12 tai useampaa lisäainetta. Lisättäessä yhtä tai useampaa lisäainetta keksinnön mukaisella tavalla injektoimalla, mainittu yksi tai useampi lisäaine voidaan lisätä esimerkiksi nanoselluloosan kanssa samassa injektointipisteessä ja/tai erillisessä injektointipisteessä. Keksinnön mukaisen tehokkaan sekoi-5 tuksen ansiosta mainittu yksi tai useampi lisäaine sekoittuu tehokkaasti se-menttimäisen koostumuksen, kuten esimerkiksi betonimassan ja/tai sementin, sekaan, jolloin voi olla mahdollista pienentää tarvittavia lisäainemääriä.

Erään edullisen esimerkin mukaan myös nestevirtaus A, johon vähintään 10 yhtä lisäainetta injektoidaan, voi sisältää lisäaineita.

Erään edullisen esimerkin mukaan keksinnön mukainen laitteisto käsittää lisäaineen 9 annosteluyksikön 9c. Tällöin erään edullisen esimerkin mukaan annosteluyksikölle 9c syötetään seuraavat tiedot: 15 - valmistettavan lisäaine-erän suuruus, kuten esimerkiksi nanoselluloo- sa-erän suuruus, - haluttu sementtimäisen koostumuksen 7, kuten esimerkiksi betonimassan, lisäainepitoisuus, esimerkiksi nanoselluloosa-pitoisuus, ja an nostelu kohtaan 3 syötettävän lisäaineen kuiva-ainepitoisuus, 20 esimerkiksi nanoselluloosan sakeus.

Annosteluyksikkö 9c annostelee näiden ennalta määriteltyjen parametrien mukaisen määrän lisäainetta 9 sementtimäisen koostumuksen 7 valmistusprosessiin. Sopivimmin annostelu tapahtuu säätämällä lisäaineen syöttölin-25 jassa 9b olevaa virtausta.

CM

δ ™ Erään edullisen esimerkin mukaan käytettäessä lisäaineen annosteluyksik- o köä 9c, mitataan lisäaineen syöttölinjasta 9b sopivimmin ainakin syöttölinjan ° virtausta. Käytettäessä ainakin yhtenä lisäaineena nanoselluloosaa, nano- g 30 selluloosan kiintoainepitoisuus on sopivimmin ennalta määritelty. Tarvittaes sa nanoselluloosan kiintoainepitoisuutta voidaan seurata ottamalla erillisiä g näytteitä esimerkiksi nanoselluloosaa sisältävän säiliön yhteydestä, m ° Syöttölinjassa 9b olevan lisäaineen 9 riittävä syöttönopeus voidaan saada 35 esimerkiksi mainittua lisäainetta 9 pumppaavalla pumpulla (ei esitetty kuvis- 13 sa). Lisäaineen annostelumäärää säädetään sopivimmin syöttölinjan virtauksen perusteella.

Nestevirtaus A, johon lisäainetta 9 on sekoittunut, johdetaan annostelu- ja 5 sekoituskohdan 3 jälkeen lisättäväksi sementtimäiseen koostumukseen se-menttimäisen koostumuksen valmistuselimillä 1. On myös mahdollista käyttää erillistä välisäiliötä (ei esitetty kuvissa) ennen mainitun lisäaineen 9 sekoittamista sementtimäisen koostumuksen, kuten esimerkiksi betonimassan, sekaan. Tällöin välisäiliön sisältöä sekoitetaan sopivimmin koko ajan sekoit-10 timella. Valmistetulla lisäaineen ja nesteen seoksella, edullisesti nanosellu-loosan ja nesteen seoksella, korvataan ainakin osa sementtimäisen koostumuksen valmistuksessa käytetystä vedestä.

Seuraavassa on esitetty suoritettuja käytännön kokeita, joissa on tuotu esiin 15 erityisesti nanoselluloosalisäaineen käyttämisestä syntyneitä etuja. Lisäksi on verrattu tehokasta nanoselluloosalisäaineen sekoitusta tunnettua tekniikkaa vastaavaan sekoitustehoon. Koeajoja, jotka suoritettiin laboratorio-olosuhteissa, on kuvattu lähemmin seuraavissa esimerkeissä 1-3. Esimerkeissä on käytetty vesi-sementtisuhteesta lyhennettä ”w/c”. Lisäaineena on käytetty 20 nanoselluloosaa, josta on käytetty lyhennettä MFC.

CM

δ

CM

'ί ο o

CM

X

tr a.

CD

00 00

LO

δ

CM

14

Esimerkit 1 ia 2: Käytetyt materiaalit: 5 Nanoselluloosat: 1) Teknisen laadun mikrofibrillaarinen selluloosa eli nk. tekninen MFC. Termillä ’’tekninen MFC” viitataan tässä hakemuksessa jauhettuun ja fraktioituun selluun, joka on saatu poistamalla suuremmat selluloosakuidut jauhetusta 10 sellusta fraktioimalla, kuten esimerkiksi suodatuskankaalla tai suodatusmem-braanilla. Tekninen MFC ei sisällä suuria kuituja, kuten esimerkiksi kuituja, joiden halkaisija on yli 15 pm.

2) Mikrofibrillaaninen selluloosa L1 eli nk. MFC-L1. Termillä MFC-L viitataan 15 tässä hakemuksessa materiaaliin, jonka labilisointi perustuu sellun, sel- luloosaraakamateriaalin tai jauhetun sellun hapetukseen. Labilisoinnista johtuen sellu on helppo hajottaa mikrofibrillaariseksi selluloosaksi. Labilointi-reaktion seurauksena funktionaaliset aldehydi- ja karboksyylihapporyhmät esiintyvät MFC-L1-kuitujen pinnoilla.

20 3) Mikrofibrillaarinen selluloosa L2 eli nk. MFC-L2. Termillä MFC-L2 viitataan tässä hakemuksessa materiaaliin, jonka labilisointi perustuu sellun, selluloo-saraakamateriaalin tai jauhetun sellun karboksimetylointiin. Labiloinnista johtuen sellu on helppo hajottaa mikrofibrillaariseksi selluloosaksi. MFC-L2 25 kuitujen pinnoilla esiintyy funktionaalisia karboksyyliryhmiä.

C\J

δ ^ Nanoselluloosa-lisäainenäytteiden lisäksi valmistettiin referenssinäytteitä, 9 joihin ei ole lisätty nanoselluloosaa. Näistä käytetään myöhemmin tässä ha- ^ kemuksessa sekä kuvissa 3-12 nimityksiä ’’referenssi” ja ’’verrokki”.

Ϊ 30 Q_

Sementti:

CO

LO

Kaikissa koepisteissä käytetty sementti oli CEM ll/A-M(S-LL) 42,5 N-sement-

O

tiä (Finnsementti Oy, Suomi).

Esimerkki 1: 35 15

Koeajossa suoritettiin pastaseoksen reologiatutkimukset käytetyille selluloo-samateriaaleille, eli 1) tekninen MFC, 5 2) MFC-L1 ja 3) MFC-L2

Menetelmät: 10 Sekoitus

Pastan sekoitus suoritettiin Flobart-laastisekoittimella. Sekoitusaika oli kolme minuuttia (kaksi minuuttia hitaalla nopeudella + yksi minuutti suurella nopeudella). Sellu ja selluloosamateriaali sekoitettiin ensin manuaalisesti veden (ja mahdollisesti notkistimen) kanssa vispilällä.

15

Reologia

Pastaseoksen reologia tutkittiin viskosimetrillä (Rheotest RN4). Sekoituksen jälkeen pasta lisättiin koaksiaalilieriöön mittausta varten. Leikkausnopeutta vaihdeltiin ja näytteistä mitattiin leikkausjännitys.

20

Koesuunnitelma: ^ Pastaseosten koostumukset on esitetty taulukossa 1. Valmistettujen pastojen δ ^ vesi/sementtisuhteet säädettiin niin, että kaikkien pastojen työstettävyydestä 9 25 tuli samanlainen. Tämä vastaa lähes vakioita myötörajoja.

o

(M

X

en

CL

CD

00 00 in δ

(M

16

Taulukko 1. Pastaseosten koostumukset ja vastaavat reologiatulokset

Annos Näyte m(lisäaine)/ m(notkisti m(vesi)/ Myötöraj Viskosit (lisäaine) m(sementti) n)/m(sem m(se- a (Pa) eetti entti) mentti) (Pa s)

Verrokki 0,00 % Ö4Ö 231 Ö3Ö

Tekninen 0,13% 0,47 220 0,19

MFC

Tekninen 0,25% 0,54 197 0,13

MFC

Tekninen 0,50% 0,64 177 0,09

MFC

Tekninen 1,00% 0,80 199 0,07

MFC

MFC-L1 0,25 % Ö54 Ϊ85 Ö28 MFC-L2 0,06 % Ö47 244 0/19 MFC-L2 0,13% Ö52 252 0/18 MFC-L2 0,25 % Ö59 253 Ö/I3 MFC-L2 0,50 % ÖJ5 266 ÖÖ8

Verrokki 0,00 % 0,09 % Ö/36 276 Ö63

Tekninen 0,25% 0,09% 0,48 167 0,27

MFC

C\J______ δ Tekninen 0,50% 0,09% 0,61 135 0,14

(M

4 MFC

o______ o Tekninen 1,00% 0,09% 0,73 245 0,12

(M

x MFC

CC

MFC-L1 0,25 % 0,09 % Ö44 28Ϊ Ö46 co eo MFC-L2 0,25 % 0,09 % Ö54 32Ϊ Ö26 LT)

Pastaseosten reologia tutkittiin välittömästi sekoituksen jälkeen. Kokeen suorittaminen vei aikaa noin 15 minuuttia.

δ

(M

17

Koetulokset:

Koetulokset on esitetty yllä olevassa taulukossa 1 ja kuvissa 3 ja 4. Koeajot 5 osoittivat, että käytettäessä nanoselluloosaa (MFC) lisäaineena on mahdollista valmistaa pastat, joilla on paljon suurempi vesi/sementtisuhde siten, että niiden työstettävyys ja stabiilius pysyvät referenssinäytteeseen verrattuna samoina. Esimerkissä referenssipastan osalta käytettiin sopivan työstettä-vyyden aikaansaamiseksi korkeampaa sementtipitoisuutta. Koeajossa ha-10 valttiin myös myötörajaa lisäävä vaikutus.

Kuva 3 kuvaa ilman notkistinta muodostetun pastan leikkausjännitystä (Pa) verrattuna leikkausnopeuteen (1/s). Referenssinäytteen, näytteen MFC-L2 0,25 % ja näytteen MFC-L2 0,125 % vesi/sementtisuhteet (w/c) olivat: 0.400, 15 0.593 ja 0.539, vastaavasti.

Kuva 4 kuvaa notkisti men kanssa muodostetun pastan leikkausjännitystä (Pa) verrattuna leikkausnopeuteen (1/s). Verrokkinäytteen ja näytteen MFC-L2 0,25 % vesi/sementtisuhteet (w/c) ovat 0.355 ja 0.539, vastaavasti.

20

Esimerkki 2 oj Koeajossa suoritettiin injektiolaastin veden erottumistutkimukset ja viskosi- w teettitutkimukset teknisen laadun mikrofibrillaarista selluloosaa ja MFC-L1- o 25 valmistetta käyttämällä o

(M

X

en

CL

CD

OO

in δ

(M

18

Menetelmät:

Sekoitus

Injektiolaastin sekoitus suoritettiin suurnopeussekoittimella (Desoi AKM-70D). 5 Sementin, veden ja selluloosan sekoitus suoritettiin aina nopeudella 5 000 rpm. Vesi lisättiin ensin, sitten selluloosa lyhyellä esisekoituksella (alle 5 s) ja sitten sementti. Sementin sekoitusaika oli kaksi minuuttia. Joissain tapauksissa selluloosaa esisekoitettiin (tai dispergoitiin) kaksi minuuttia nopeudella 5 000 tai 10 000 rpm.

10

Tuoreen injektiolaastin testausmenetelmät

Veden erottuminen mitattiin kaatamalla yksi (1) litra laastia mittalasiin (tilavuus 1 000 ml ja halkaisija 60 mm) ja mittaamalla erottuneen veden määrä kahden tunnin kuluttua.

15

Marsh-viskositeetti mitattiin standardin (EN 14117) mukaisesti käyttämällä Marsh-suppiloa.

Koesuunnitelma ja - tulokset 20

Koostumukset ja koetulokset injektiolaastien verrokkiseoksille ja seoksille, jotka sisälsivät teknisen laadun mikrofibrillaarista selluloosaa (tekninen MFC), on esitetty taulukossa 2 ja kuvissa 5-7.

(M

i 9 25 o

(M

X

en

CL

CD

OO

in δ

(M

19

Taulukko 2. Teknisen laadun mikrofibrillaarista selluloosaa (tekninen MFC) sisältävien injektiolaastiseosten koostumukset (verrokki = ver).

Verrokki Tekninen MFC

Ver. 1 Ver. 2 Ver. 3 Ver. 4 Seos 1 Seos 2 Seos 3

Selluloosatuotteen kuivamateriaalipitoisu us (%) _ _ _ _ 3,81 3,81 3,81

Selluloosatuotteen vesipitoisuus (%) - - - - 96,19 96,19 96,19

Sementti (kg/m3) 756 891 932 1028 755 754 754

Kokonaisvesi (kg/m3) 756 713 699 668 755 754 754

Selluloosatuote sisältäen veden (kg/m3) 0 0 0 0 52,10 67,29 92,94

Selluloosatuotteen kuiva-aine (kg/m3) 0 0 0 0 1,99 2,57 3,54

Selluloosatuotteen vesi (kg/m3) 0 0 0 0 50,11 64,72 89,40

Kuiva selluloosa (% sementistä) 0 0 0 0 0,263 0,340 0,470

Kuiva selluloosa (% vedestä) 0 0 0 0 0,263 0,340 0,470 w/c-suhde 1,00 0,80 0,75 0,65 1,00 1,00 1,00 cvi Sekoituslämpötila {°C) 25,2 24,9 23,2 24,7 24,5 23,3 23,6 ^ Marsh-viskositeetti (s) 31,9 32,8 35,4 37,2 37,4 42,7 54,5 i o Veden erottuminen 0 (%) _______ aikapisteessä (h) ------ - 0 00 000000 0

CD

1 0,75 5,0 6,5 2,8 1,0 3,0 2,2 1,8 g 1,00 10,0 10,0 4 1,3 4,0 2,8 2,3 2,00 14,0 12,0 5,3 1,7 7,0 4,5 3,5 20

Kuva 5 kuvaa veden erottumista (kahden tunnin kuluttua) verrokkiseoksille, joiden w/c-suhteet ovat 0.65-1.00, ja selluloosakuituja sisältäville seoksille (tekninen MFC), joiden w/c-suhde on aina 1.00.

5 Kuva 6 kuvaa Marsh-viskositeettiarvot verrokkiseoksille, joiden w/c-suhteet ovat 0.65-1.00, ja selluloosakuituja sisältäville seoksille (tekninen MFC), joiden w/c -suhde on aina 1.00.

Kuva 7 kuvaa Marsh-viskositeettiarvot ja veden erottumisarvot verrokkiseok-10 sille, joiden w/c-suhteet ovat 0.65-1.00, ja selluloosaa sisältäville seoksille (tekninen MFC), joiden w/c -suhde on aina 1.00.

Injektiolaastiseosten koostumukset, jotka sisältävät labiloidusta sellusta saatuja mikrofibrillaarisia selluloosakuituja (MFC-L1), on esitetty taulukossa 3 ja 15 kuvioissa 8-10. Kolmelle seokselle (seos 2, 3 ja 4) suoritettiin selluloosan kahden minuutin esisekoitus (tai dispergointi) nopeudella 5 000 tai 10 000 rpm.

Taulukossa 3 esitetyt seokset sekoitettiin ja esisekoitettiin veden kanssa ai-20 noastaan seuraavalla tavalla:

Verrokkinäyte: Ensin vesi + sementti + sekoitus (5 000 rpm, kaksi minuuttia).

C\J

δ ^ Seos 1: Verrokki (w/c -suhde= 1,00) - Vettä ja sementtiä sekoitettiin nopeu- 9 25 della 5 000 rpm yhden minuutin ajan. Seokseen lisättiin selluloosaa ja sekoi- 0 ^ tusta jatkettiin nopeudella 5 000 rpm kaksi minuuttia.

CC

CL

g Seos 2: Kuivaa selluloosaa 0,100 % sementistä - Selluloosaa ja vettä se- 00 !£ koitettiin nopeudella 5 000 rpm kaksi minuuttia. Seokseen lisättiin sementtiä ^ 30 ja sekoitusta jatkettiin nopeudella 5 000 rpm kaksi minuuttia.

21

Seos 3: Kuivaa selluloosaa 0,05 % sementistä - Selluloosaa ja vettä sekoitettiin nopeudella 10 000 rpm kaksi minuuttia. Seokseen lisättiin sementtiä ja sekoitusta jatkettiin nopeudella 5 000 rpm kaksi minuuttia.

5 Seos 4: Kuivaa selluloosaa 0,05 % sementistä - Selluloosaa ja vettä sekoitettiin nopeudella 5 000 rpm kaksi minuuttia. Seokseen lisättiin sementtiä ja sekoitusta jatkettiin nopeudella 5 000 rpm kaksi minuuttia.

C\J

δ

(M

sj- o o

(M

X

en

CL

CD

OO

in δ

(M

22

Taulukko 3. Labiloidusta sellusta saatuja mikrofibrillaarisia selluloosakuituja (MFC-L1) sisältävien injektiolaastiseosten koostumukset.

MFC-L1

Verrok

Seos 1 Seos 2 Seos 3 Seos 4 ki

Selluloosatuotteen kuivamateriaalipitoisuus (%) — 0,99 0,99 0,99 0,99

Selluloosatuotteen vesipitoisuus (%) — 99,01 99,01 99,01 99,01

Sementti (kg/m3) 756 756 756 756 756

Kokonaisvesi (kg/m3) 756 756 756 756 756

Selluloosatuote sisältäen veden (kg/m3) 0 76,29 76,29 38,15 38,15

Selluloosatuotteen kuiva-aine (kg/m3) 0 0,76 0,76 0,38 0,38

Selluloosatuotteen vesi (kg/m3) 0 75,54 75,54 37,77 37,77

Kuiva selluloosa (% sementistä) 0 0,100 0,100 0,050 0,050

Kuiva selluloosa (% vedestä) 0 0,100 0,100 0,050 0,050 w/c-suhde 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00

Sekoituslämpötila (°C) 25,2 23,5 24 25,6 24,3

Marsh-viskositeetti (s) 31,9 38,5 50,3 38,2 38,8 c\i i- Veden erottuminen (%) - - _ _ _ o

(M

^ aikapisteessä (h) - _ _ _ 9 0 0 Ö öö öö öö öö o ’_____ w 0 8 5,0 2,5 2,0 3,0 3,8 X ’_____ * 1,0 10,0 3iÖ 2^2 3^8 5^0 | 2,0 14,0 5^ 3J 5^2 6^5 LO ------ δ

(M

23

Kuva 8 kuvaa veden erottumisen (kahden tunnin kuluttua) verrokkiseokselle, jonka w/c -suhde on 1,00, ja selluloosakuituja sisältäville seoksille (MFC-L1), joiden w/c -suhde on myös 1,00.

5 Kuva 9 kuvaa Marsh-viskositeettiarvot verrokkiseokselle, jonka w/c -suhde on 1,00, ja selluloosakuituja sisältäville seoksille (MFC-L1), joiden w/c -suhde on myös 1,00.

Kuvio 10 kuvaa Marsh-viskositeettiarvot ja veden erottumisarvot verrokk-10 iseokselle ja selluloosaa sisältäville seoksille (MFC-L1). Kaikkien seosten w/c -suhde on 1,00.

Yhteenveto esimerkkien 1 ja 2 tuloksista: 15 Käytännön kokeet osoittivat, että mikrofibrillaariset selluloosakuidut vähensivät injektiolaastin veden erottumista ja lisäsivät sen viskositeettia. Marsh-vis-kositeetin suhteellinen lisääntyminen oli pienempi kuin veden erottumisen suhteellinen väheneminen, esimerkiksi 17 % vs. 50 % (teknistä MFC-val-mistetta 0,263 % sementistä, kun w/c -suhde on 1,00) ja esimerkiksi 20 % 20 vs. 63 % (MFC-L1 -valmistetta 0,05 % sementistä, kun w/c -suhde on 1,00).

Veden erottumiskokeet osoittivat, että mikrofibrillaariset selluloosakuidut vä- hensivät veden erottumista laastista, jonka w/c -suhde oli 1,00, verrokki- δ ^ seoksen tasolle, jossa oli matalampi w/c -suhde. Esimerkiksi selluloosakuidut 9 25 (tekninen MFC), joiden määrä oli 0,34 painoprosenttia kuivasta sementistä ja o ^ jossa seoksen w/c -suhde oli 1,00, saivat aikaan suurin piirtein yhtä matalan

X

£ veden erottumisen kuin verrokkiseos, jonka w/c -suhde oli 0,75.

CD

00 00 !£ Marsh-viskositeettikokeisiin perustuen voidaan päätellä, että mikrofibrillaari- ^ 30 set selluloosakuidut lisäsivät viskositeettia laastissa, jonka w/c -suhde oli 1,00, verrokkiseoksen tasolle, jonka w/c -suhde oli matalampi. Marsh-visko-siteetin lisääntyminen riippuu lisättyjen selluloosakuitujen määrästä. Jos li- 24 sätty nanoselluloosamäärä ei ole tarpeeksi suuri, viskositeetin lisääntyminen on pientä.

Esimerkki 3 5

Mikrofibrillaarisen selluloosan valmistus labiloidusta sellusta laastin valmistuksen aikana.

Mikrofibrillaarinen selluloosalisäaine voidaan valmistaa labiloidusta sellusta 10 märän sementtipitoisen formulaation valmistuksen aikana laitteistolla, jota tyypillisesti käytetään teollisuudessa. Esimerkiksi suurnopeussekoittimia, kuten Desoi AKM-70D, käytetään yleisesti injektiolaastien homogenisoi-miseksi. Tämä esimerkki esittää, kuinka tämän tyyppisiä sekoittimia voidaan käyttää keksinnön mukaisesti labiilin sellun fibrilloimiseksi erittäin tehokkaaksi 15 lisäaineeksi.

Koesuunnitelma ja -tulokset

Koostumukset ja koetulokset injektiolaastien seoksille, joissa käytettiin ke- 20 miallisesti modifioitua sellua, toisin sanoen samaa sellua, jota käytettiin MFC- L1 :n valmistamiseksi, ilman esidispergointia ja esidispergoinnin kanssa, on esitetty taulukossa 4 ja kuvioissa 11 ja 12. Referenssinäyte ilman selluloosaa on myös sisällytetty tuloksiin, o

CM

9 25 o

CM

X

cc

CL

CD

00 00

LO

δ

CM

25

Taulukko 4. Injektiolaastikoostumukset ilman labiilia kemiallisesti modifioitua sellua (MFC-L1-valmisteen esiaste) ja sen kanssa sekä ilman esidispergointia että esidispergoinnin kanssa.

Verrokki Seos 1 Seos 2

Esidispergointi (10 000 rpm) - ei kyllä

Selluloosatuotteen kuivamateriaalipitoisuus - 2,68 1,00 (%)

Selluloosatuotteen vesipitoisuus (%) - 97,32 99,00

Sementti (kg/m3) 756 756 756

Kokonaisvesi (kg/m3) 756 756 756

Selluloosatuote sisältäen veden (kg/m3) 0 36,65 98,25

Selluloosatuotteen kuiva-aine (kg/m3) 0,00 0,98 0,98

Selluloosatuotteen vesi (kg/m3) 0,00 35,67 97,27

Kuiva selluloosa (% sementistä) 0,00 0,130 0,130

Kuiva selluloosa (% vedestä) 0,000 0,130 0,130 w/c -suhde 1,00 1,00 1,00

Sekoituslämpötila (°C) 25,2 23 23,1

Marsh-viskositeetti (s) 31,9 32,12 37,9

Veden erottuminen (%) - - - c\i aikapisteessä (h) - - - w oo öö ö ö o 08 ÖÖ 1Ö2 2,5 ° TO 1ÖÖ 17 3 E ÖÖ HÖ 20 4,9

CD

OO

1^2 5 Kuva 11 kuvaa veden erottumisen (kahden tunnin kuluttua) verrokkiseok- ° selle, jonka w/c -suhde on 1,00, ja labiilia sellua sisältävälle seokselle (seos 26 1, MFC-L1-esiaste) ja MFC-L1-valmisteseokselle, joka on fibrilloitu käyttämällä Desoi AKM-70D -sekoitinta (seos 2), joiden w/c -suhde on myös 1,00.

Kuva 12 kuvaa Marsh-viskositeettiarvot verrokkiseokselle, jonka w/c -suhde 5 on 1,00, ja labiilia sellua sisältävälle seokselle (seos 1, MFC-L1-esiaste) ja MFC-L1-valmisteseokselle, joka on fibrilloitu käyttämällä Desoi AKM-70D -sekoitinta (seos 2), joiden w/c -suhde on myös 1,00.

Esidispergoinnissa kuiva-aineen (kuivan labiilin sellun) pitoisuus oli 1 % ve-10 dessä. Esidispergointi suoritettiin suurnopeussekoittimella (Desoi AKM-70D) nopeudella 10 000 rpm. Saatua esidispergoitua sellua, jonka kuiva-ainepitoisuus oli 1 %, käytettiin injektiolaastin valmistamisessa.

Sementin, veden ja selluloosan (esisekoitettu tai esisekoittamaton) sekoitus 15 suoritettiin nopeudella 5 000 rpm. Vesi lisättiin ensin, sitten selluloosa lyhyellä esisekoituksella (alle 5 s) ja sitten sementti. Sementin sekoitusaika oli kaksi minuuttia.

Kokeet osoittivat, että esidispergoitu labiili kemiallisesti modifioitu sellu vä-20 hensi injektiolaastin veden erottumista ja lisäsi sen Marsh-viskositeettia. Ilman esidispergointia veden erottuminen ei vähentynyt eikä Marsh-viskosi-teetti lisääntynyt.

C\J

δ

CM

Veden erottumiskokeet osoittivat, että esidispergoituna labiili kemiallisesti 0 ^ 25 modifioitu sellu vähensi veden erottumista 65 prosentilla laastista, jonka w/c -

CM

suhde oli 1,00.

1 5 CC

CL

CD

oo Perustuen Marsh-viskositeettikokeisiin voidaan päätellä, että esidispergoitu LT) ^ labiili kemiallisesti modifioitu sellu lisäsi laastin, jonka w/c -suhde oli 1,00, o 30 viskositeettia noin 19 prosentilla.

27

Kuten yllä olevista esimerkeistä voidaan havaita, tulokset olivat huomattavasti parempia järjestettäessä keksinnön mukainen sekoitusteho ja sementin ominaisuudet paranivat olennaisesti nanoselluloosan sekoituksen sementtiin parantuessa. Nyt esitetty keksintö esittää uuden, teolliseen käyttöön soveltu-5 van menetelmän ja laitteiston sekoittaa lisäaine tasaisesti sementtimäiseen koostumukseen, kuten esimerkiksi betonimassan ja/tai sementin joukkoon.

Nanoselluloosan tasainen lisääminen sementtimäiseen koostumukseen, kuten esimerkiksi betonimassan ja/tai sementin joukkoon, on erityisen tärkeää, 10 sillä epätasainen sekoitus aiheuttaa tilanteen, jossa betonimassan ja/tai sementin heikoin kohta määrää betonin vahvuuden.

Nyt esitetyn teollisesti toteutettavan menetelmän ja laitteiston johdosta on mahdollista sekoittaa nanoselluloosaa sementtimäiseen koostumukseen si-15 ten, että esimerkiksi valmistetun betonimassan ominaisuudet voivat parantua oleellisesti.

Keksintö ei rajoitu pelkästään kuvissa 1-12 ja edellä olevassa selostuksessa esitettyihin esimerkkeihin, vaan sen sijaan keksinnölle on tyypillistä se, mikä 20 on esitetty seuraavissa patenttivaatimuksissa.

C\J

δ

(M

sj- o o

(M

X

en

CL

CD

00 00 in δ

(M

Claims

1. Menetelmä lisäaineen lisäämiseksi sementtimäiseen koostumukseen, tunnettu siitä, että menetelmässä 5. muodostetaan nestevirtaus (A), syötetään järjestelmään lisäainetta (9), annostellaan mainittuun nestevirtaukseen (A) mainittua lisäainetta (9) syöttämällä sitä nestevirtaukseen (A) olennaisesti poikittain mainitun nestevirtauksen virtaussuuntaan nähden siten, että nopeus, jolla 10 lisäainetta (9) syötetään nestevirtaukseen (A), on vähintään kolme kertaa, edullisesti vähintään viisi kertaa nestevirtauksen (A) virtausnopeus, jolloin mainittua lisäainetta sekoittuu nestevirtauksen olennaisesti koko poikkipinta-alalle, jolloin muodostuu seos, joka käsittää mainittua lisäainetta sekä nestettä, ja 15 - lisätään muodostettua seosta sementtimäiseen koostumukseen lisä aineeksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu lisäaine (9) käsittää nanoselluloosaa. 20

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että menetelmässä mainittua nanoselluloosaa johdetaan syöttölinjan (9b) avulla mainittuun nestevirtaukseen (A), jolloin nanoselluloosan kuiva-ainepitoisuus mainitulla syöttölinjalla (9b) on alle 10 %. 25

^ 4. Patenttivaatimuksen 2 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että O ^ nanoselluloosan pitoisuus valmiissa sementissä on enintään 2 p-%:ia, edulli- o semmin enintään 0,2 p-%:ia ja edullisimmin enintään 0,05 p-%:ia. o (M g 30

5. Jonkun edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että menetelmässä syötetään mainittua lisäainetta (9) nestevirtaukseen g (A) injektointinesteen avulla. tn

° 6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä että 35 menetelmässä käytetään injektointinestettä, joka käsittää samaa ainetta kuin nestevirtauksen (A) neste ja on edullisesti nestevirtauksesta (A) otettua sivu-virtausta, joka johdetaan takaisin nestevirtaukseen (A).

7. Jonkin patenttivaatimuksen 1—6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä 5 että menetelmässä sementtimäisenä koostumuksena käytetään betoni- massaa.

8. Jonkin patenttivaatimuksen 1—7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä että menetelmässä nestevirtauksena käytetään vesivirtausta. 10

9. Laitteisto lisäaineen lisäämiseksi sementtimäiseen koostumukseen, tunnettu siitä, että laitteisto käsittää - nesteen virtauskanavan (B), - elimet (3a) lisäaineen syöttämiseksi mainittuun nesteen virtauskana- 15 vaan (B), - mainitussa virtauskanavassa (B) annostelukohdan (3), jossa on virtauskanavaan (B) avautuva yksi tai useampi syöttöelin (3a), joka on suunnattu olennaisesti poikittain nesteen virtauskanavaan (B) tarkoitetun nestevirtauksen (A) virtaussuuntaan nähden ja järjestetty syöt- 20 tämään mainittua lisäainetta siten, että nopeus, jolla lisäainetta (9) syötetään nestevirtaukseen (A), on vähintään kolme kertaa, edullisesti vähintään viisi kertaa nestevirtauksen (A) virtausnopeus, jolloin lisäainetta sekoittuu annostelukohdassa virtauksen olennaisesti koko poikkipinta-alalle lisäainetta ja nestettä käsittävän seoksen 25 muodostamiseksi, ja ^ - sekoituselimet seoksen sekoittamiseksi sementtimäiseen koostumuk- o ^ seen, o

° 10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että laitteisto g 30 sisältää injektionesteen syöttökanavan (3b) injektionesteen syöttämiseksi. CL CD

11. Patenttivaatimuksen 9 tai 10 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että tn laitteisto käsittää lisäaineen annostelusäiliön (9a), jolloin mainittu yksi tai ° useampi syöttöelin (3a) on yhdistetty lisäaineen annostelusäiliöön (9a). 35

12. Patenttivaatimuksen 9, 10 tai 11 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että lisäaine käsittää nanoselluloosaa.

13. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 9-12 mukainen laitteisto, tunnettu 5 siitä, että laitteisto käsittää lisäaineen annosteluyksikön (9c), joka on järjestetty määrittelemään annosteltavan lisäaineen (9) määrän ennalta määriteltyjen parametrien perusteella, jotka käsittävät ainakin yhden seuraavista tavoitearvoista: annostelukohtaan 3 syötettävän lisäaineen tavoitekiintoainepitoisuus, 10 - annostelukohtaan 3 syötettävän nanoselluloosan tavoitemäärä, ja valmistettavan sementtimäiseen koostumukseen tavoitteena oleva lisäainepitoisuus.

14. Sementtimäinen koostumus, edullisimmin betonimassa, joka käsittää 15 jollain patenttivaatimuksen 1-8 mukaisella menetelmällä tai patenttivaatimuksen 9-13 mukaisella laitteistolla lisättyä lisäainetta (9). C\J δ (M sj- o o (M X en CL CD 00 00 in δ (M