FI126898B - Hydraulista sideainetta käsittävä koostumus - Google Patents

Description

Hydraulista sideainetta käsittävä koostumus

Keksinnön ala

Keksintö koskee hydraulista sideainetta käsittävää koostumusta, joka käsittää amorfisella piidioksidilla ainakin osittain pinnoitettua kiviainesta. Keksintö koskee myös betonia ja laastia, joka käsittää hydraulista sideainetta käsittävää koostumusta, sekä koostumuksen käyttöä betoni ja laastituotteiden valmistuksessa. Keksintö koskee myös menetelmää hydraulista sideainetta käsittävän koostumuksen valmistamiseksi.

Tekniikan tausta

Sementtiä käytetään yleisimmin betonin ja laastin sideaineena kiviainekseen. Veden kanssa kovettuvia sideaineita kuten sementtiä kutsutaan hydraulisiksi sideaineiksi. Tällaisia ovat esimerkiksi Portland-sementti ja sen erilaiset seokset sekä paisuvat sementit, valkoiset sementit ja kalsiumsulfoaluminaattisementti. Nykyään yleisimmin käytetty sementti on Portland-sementti, jonka pääkomponentit ovat trikalsiumsilikaatti (C3S), dikalsiumsilikaatti (C2S), trikalsiumaluminaatti (C3A) ja tetrakalsiumaluminoferriitti (C4AF).

Puristuslujuus on varsinkin betoneista mitattava tärkein yksittäinen ominaisuus. Puristuslujuus kehittyy hydraulisten sideaineiden tapauksessa lähinnä C3S-hydrataatiosta ja yli 90 vuorokauden jälkeen C2S-hydrataatiosta. Näiden kahden kalsiumsilikaatin hydrataatioreaktiot voidaan esittää seuraavasti:

2C3S + 11H —* C3S2H8 + 3CH ja

2C2S + 9H — C3S2H8 + CH Nämä hydrataatioreaktiot ovat eksotermisiä reaktioita, jotka alkavat sementin pinnasta. Pinnan reagoitua vesi pyrkii diffuusion voimalla C-S-H (kalsiumsilikaattihydraatti) geelin huokosten läpi hydratoitumattomien sementtipartikkelien luokse. Hydratoituminen jatkuu hidastuvalla vauhdilla, kunnes joko hydratoitumiseen käytettävissä oleva vesi on kulunut loppuun tai hydratoitumiselle tarvittava tila loppuu. C3S:n merkitys on tärkeä alkulujuuden kehittymisellä, kun puolestaan C2S on merkittävämpi loppulujuuden kehittymisessä.

Hydraulinen sideaine, esimerkiksi Portland-sementti, on rakenteeltaan erilainen kiviaineksen pinnan läheisyydessä kuin kauempana pinnasta. Kiviaineksen pintaan kehittyy ns. transitiovyöhyke betonin tai laastin kovettuessa. Transitiovyöhyke muodostuu todennäköisesti pääosin C-S-H geelistä. Hydratoitumisen alkuvaiheissa transitiovyöhykkeessä on paljon kalsiumhydroksidia ja ettringiittiä. Vapaat kalsiumionit pyrkivät C-S-H geelin huokosten kautta kulkemaan lähelle kiviaineksen ja hydraulisen sideaineen rajapintaa, johon ne saostuvat. Transitiovyöhykkeen syntyminen hidastaa kiviaineksen liittymistä hydraulisen sideaineen avulla lujaksi verkostoksi ja varsinkin täten hidastaa varhaislujuuden kehittymistä.

Alkureaktioiden hidastuminen on yleensä toivottu asia lukuun ottamatta joitakin poikkeuksia kuten esimerkiksi ruiskubetonointia. Portland-sementtiin lisätään hidastamisen takia yleisesti kipsiä. Transitiovyöhykkeestä johtuen C-S-H geeli ei pääse liittämään sementtipartikkeleita ja kiviainesta toisiinsa lujilla sidoksilla ja vahvistamaan rakennetta ja usein tämä näkyykin kovettuneessa betonissa tai laastissa alhaisena lujuutena ja huokoisuutena.

Sementti- ja rakennusteollisuudessa betonirakenteilta vaaditaan hyvää alkulujuutta ja korkeaa rakenteen loppulujuutta. Lujuudella betonin tapauksessa tarkoitetaan käytännössä puristuslujuutta.

Portland-sementtejä on yritetty pitkään kehittää paremmaksi alku- ja loppulujuudeltaan. Esijännitetyt ja paikallaan valetut betonit vaativat usein lähes vuorokauden kovettumis- eli hydratoitumisajan ennen kuin riittävä lujuus on saavutettu esimerkiksi muottien purkamiseen tai seuraavan kerroksen valamiseen. Tämä on myös varsin suuri ongelma siltojen ja teiden valutöissä ja aiheuttaa rakennustyömaille merkittäviä kustannuksia. Varhaislujuuden kasvamista joudutaan odottamaan, jonka seurauksena tuottavuus on heikko.

Betoni ja laasti sisältävät tyypillisesti kiviainesta. Kiviaineksen tilavuusosuus valmiista betonikuutiosta vaihtelee yleensä 60 - 80 % välillä. Tavallisesti pyritään saamaan erikokoisia kiviaineksia betonikuutioon, jolloin pienemmät kivet täyttävät isompien kivien välit. Tällöin saadaan aikaan tiivis, mahdollisimman kiinteä, luja ja homogeeninen kovettunut betonirakenne. Laastissa kiviaines on kooltaan pienempi kuin betonissa ja sen tilavuusosuus on myös pienempi.

Sementin ja veden seosta kutsutaan alalla yleisesti pastaksi.

Pastan ja hienon kiviaineksen seosta kutsutaan laastiksi.

Laastin ja karkean kiviaineksen seosta sanotaan betoniksi.

Laastissa ja betonissa kiviaineksen, veden ja hydraulisen sideaineen osuudet ovat varsin erilaiset, kuten edellä on todettu.

Nykyään laasteissa käytetään yleisesti sementtiä yhdessä kalsiumhydroksidin kanssa tai ilman sitä. Tärkein päämäärä laastilla on lisätä muurauksen puristuslujuutta, jotta laasti voisi kantaa kuormaa jonkin verran (huomattavasti vähemmän kuitenkin kuin betoni) ja antaa homogeenista ulkonäköä. Muita päämääriä ovat muun muassa estää veden imeytyminen rakenteisiin ja vahvistamattomien muurausten tapauksessa antaa minimisidoslujuus muurattavien kappaleiden välille.

Ihanteellisella kovettuneella ja kestävällä betonilla tulisi olla korkea puristuslujuus. Tästä johtuen sen valmistukseen tulisi käyttää mahdollisimman pientä vesi-sementti suhdetta, työstettävyys säilyttäen, ja valita luja kiviaines ja sopiva hydraulinen sideaine käyttötarkoituksen mukaan. Lisäksi karkean ja hienon kiviaineksen suhteutus pitäisi olla sopiva tiiviin rakenteen aikaansaamiseksi, ja ilmamäärän pitäisi olla sopiva betonissa muun muassa pakkasenkestävyyden parantamiseksi. Halkeamia ei saisi syntyä betonituotteen eliniän aikana.

Bleeding-ilmiö eli veden kertyminen betonin päälle johtuu juurivaletun betonin sementin ja kiviaineksen asettumisesta.

Korkealujuusbetoneilla ei juurikaan havaita bleeding-ilmiötä, joten korkealujuusbetoneilla on tärkeä kostuttaa valetun betonin pintaa, jotta läsnä olisi riittävästi vettä halkeamien synnyn estämiseksi sideaineen kovettumisen aikana, ja jotta pintakosteuden häviämisestä johtuvaa plastisen kutistuman aiheuttamia pintahalkeamia ei syntyisi.

Sopiva hydraulinen sideaine Portland-sementtien tapauksessa on luokiteltu seuraaviin viiteen luokkaan käyttötarkoituksen mukaan (ASTM C 150): • Laatu I yleinen Portland sementti • Laatu II kohtuullisen sulfaattimäärän kestävä sementti • Laatu III korkean alkulujuuden omaava sementti • Laatu IV matalan hydratoitumislämpötilan omaava sementti • Laatu V korkean sulfaattimäärän kestävä sementti

On myös mahdollista käyttää näiden edellä mainittujen sementtien seoksia.

Sementtilajit voidaan myös jakaa portlandsementtiin (CEM I), portlandseossementtiin (CEM II A), portlandseossementti (CEM II B) ja masuunikuonasementti (CEM III). Sementtituotteita ovat vastaavasti yleissementti (CEM II A42,5N), rapidsementti (CEM Il A42,5R), pikasementti (CEM I A52,5R), valkosementti (CEM I 52,5N), megasementti (CEM I 42,5R) ja SR-sementti (CEM I 42,5N).

Betonilla on tyypillisesti korkea puristuslujuus, mutta alhainen vetolujuus (noin 10 % puristuslujuudesta). Betonituotteiden vetolujuutta vahvistetaan yleisesti terästangoilla ja/tai teräsverkoilla, joilla puolestaan on hyvät vetolujuudet. Erilaisia kuitujakin on käytetty (luonnon ja synteettisiä) betonin vetolujuuden vahvistamisessa.

Yleisesti voidaan sanoa, että betonin puristuslujuus, vetolujuus ja sidelujuus esimerkiksi terästankoon kasvavat, kun jokin lujuusominaisuus kasvaa. Tavallisesti seurataan puristuslujuutta, ja varsin yleisesti käytetään 28 vuorokauden puristuslujuutta mittana kovettuneen betonin loppulujuudelle, vaikka tämän jälkeenkin lujuus vielä yleensä hieman kasvaa.

Betonissa ja laasteissa on mahdollista saavuttaa kiviaineksen välille sidoslujuutta myös niin sanotuilla pozzalaanisilla reaktioilla. Pozzalaanisella reaktiolla tarkoitetaan silikaattimineraalin reagointia pääosin sementistä vapautuvan kalsiumhydroksidin (CH) piidioksidin S1O2 (S) reaktiota veden (H) kanssa, jolloin muodostuu CSH-, CAH-ja CASH-yhdisteitä riippuen pozzalaanisen materiaalin luonteesta.

Pozzalaanisia materiaaleja voivat olla luonnolliset tai keinotekoiset materiaalit, jotka kovettuvat vedessä (eli saostuvat kalsiumin kanssa) kalsiumhydroksidin tai materiaalien, jotka vapauttavat kalsiumhydroksidia (esimerkiksi Portland-sementti), kanssa. Tällaisia keinotekoisesti valmistettuja materiaaleja ovat muun muassa lentotuhka, kuona, piidioksidisumu (mikrosilika) ja metakaoliini. Lentotuhkaa, mikrosilikaa, kuonaa ja metakaoliinia tai luonnon pozzalaaneja (hohkakivet, vulkaanisten lasit, zeoliittit ja piimaat) käytetään tavallisesti yhdessä erittäin korkean puristuslujuuden betoneissa pozzalaanisina lisäaineina; näitä käytetään yleisesti korvaamaan sementin määrää betonissa. Mikrosilikaa voidaan käyttää paitsi sementin korvaamiseen, myös erityisesti alkulujuuden ja loppulujuuden kasvattamiseen. Lisäksi kaikki edellä mainitut pozzalaaniset lisäaineet valmistetaan korkeissa lämpötiloissa, joka tunnetusti vähentää pozzalaanisten lisäaineiden reaktiivisten ryhmien, kuten silanoliryhmien, lukumäärää.

Lentotuhkassa piidioksidia noin 35 % (laatu C) ja noin 52 % (laatu F). Lentotuhka valmistetaan hiilen polton sivutuotteena voimalaitoksista. Laatu C valmistetaan yleensä ruskohiilestä tai epäpuhtaasta kivihiilestä ja laatu F valmistetaan tavallisesti kivihiilestä. Kuonat ovat tyypillisesti rauta- ja terästeollisuuden sivutuotteita ja piidioksidin osuus kuonassa vaihtelee 28 - 38 % välillä. Metakaoliini on 500 - 800°C lämpötilassa valmistettua kalsinoitua kaoliinia. Metakaoliinissa piidioksidin osuus on noin 50 %. Mikrosilika valmistetaan sähkökaariuuneissa. Taulukossa 1 on esitetty näiden pozzalaanisten lisäaineiden ja sementin koostumuksia, jotka voivat vaihdella prosessista ja raaka-aineista riippuen.

Taulukko 1

Nämä pozzalaaniset lisäaineet lisäävät betonin tai laastin puristuslujuutta. Kalsiumhydroksidia vapautuu sementin hydratoitumisen aikana paljon, ja näiden lisäaineiden piidioksidi sitoo sen pääosin kalsiumsilikaattihydraattigeeliksi.

Tunnetuista pozzalaanisista lisäaineista tärkeimmät ovat lentotuhka, kuona, metakaoliini ja mikrosilika. Lentotuhkan ja kuonan pääasiallisena epäkohtana ovat korkeat kalsiumpitoisuudet, koska kalsiumia tulee myös hydraulisen sideaineen (esimerkiksi Portland-sementin) mukana hyvin paljon. Lisäksi niillä on varsin alhainen piidioksidin osuus ja korkea partikkelikoko. Metakaoliinin pääongelmat ovat myös alhainen piidioksidin osuus ja suuri partikkelikoko.

Mikrosilikaa on kutsuttu perinteisesti piidioksidipölyksi, -höyryksi, -sumuksi ja -jauhoksi. Mikrosilika on nykyään yleisesti hyväksytty pozzalaaniseksi lisäaineeksi, joka soveltuu sementin korvausaineeksi ja puristuslujuuden nostamisen lisäysaineeksi. Mikrosilikan lisäys betonipastaan muuttaa sementtipastan rakennetta. Mikrosilikan käyttömäärät tavallisesti vaihtelevat 5-30 % välillä käytetyn sementin painosta laskettuna riippuen loppulujuus- ja työstettävyystavoitteista. Tyypillisesti mikrosilikan kanssa pitää käyttää työstettävyyttä parantavia aineita, kuten lignosulfonaatteja, hydroksyloituja karboksyylihappoja, hiilihydraatteja tai niin sanottuja superplastisoijia, erityisesti polykarboksylaattieetteripohjaisia aineita, koska muutoin jouduttaisiin lisäämään vettä, joka puolestaan heikentäisi lopullista puristuslujuutta. Korkeasta valmistuslämpötilasta johtuen mikrosilikassa on vähemmän reaktiivisia silanoliryhmiä. Mikrosilikalla on myös huomattavasti sementtiä korkeampi hintataso, joka rajoittaa sen käyttöä.

Mikrosilikaa lisätään tyypillisesti muiden pastakomponenttien sekaan jauheena tai liuoksena. Tämä lisäystapa tuo mikrosilikaa kiviaineksen ja hydraulisen sideaineen rajapintaan vain satunnaisesti, jotta sillä on suuri merkitys betonin ja laastin lujuuden kehityksen ja laadukkaan lopputuotteen aikaansaamiseksi.

Edellä esitetyn perusteella voidaan havaita, että on olemassa tarve sementtiä käsittäville koostumuksille, joista valmistettavilla betoni- ja laastituotteilla on parannettu varhaislujuuden kehittyminen, joiden valmistaminen ja käyttö ovat kustannuksiltaan tehokkaita, ja jotka ovat ympäristövaikutuksiltaan edullisia.

Keksinnön yhteenveto

Keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä kuvatut tunnetun tekniikan epäkohdat.

Keksinnön tavoitteena on hydraulista sideainetta käsittävä koostumus, jonka avulla voidaan parantaa betonin ja laastin kestävyyttä erilaisissa kemiallisissa ja fysikaalisissa olosuhteissa.

Keksinnön tavoitteena on myös betoni, jolla on parannetut ominaisuudet.

Keksinnön tavoitteena on myös betonipasta, jolla on parannetut ominaisuudet.

Keksinnön tavoitteena on myös laasti, jolla on parannetut ominaisuudet.

Keksinnön tavoitteena on myös laastipasta, jolla on parannetut ominaisuudet.

Keksinnön tavoitteena on edelleen myös menetelmä hydraulista sideainetta käsittävän koostumuksen valmistamiseksi.

Keksintö koskee hydraulista sideainetta käsittävää koostumusta, joka koostumus käsittää amorfisella piidioksidilla ainakin osittain päällystettyä kiviainesta.

Keksintö koskee myös betonipastaa, joka käsittää hydraulista sideainetta käsittävää koostumusta, kiviainesta ja vettä.

Keksintö koskee myös betonia, joka käsittää hydraulista sideainetta käsittävää koostumusta, kiviainesta ja vettä.

Keksintö koskee myös laastipastaa, joka käsittää hydraulista sideainetta käsittävää koostumusta, kiviainesta ja vettä.

Keksintö koskee myös laastia, joka käsittää hydraulista sideainetta käsittävää koostumusta, kiviainesta ja vettä.

Keksintö koskee myös menetelmää hydraulista sideainetta käsittävän koostumuksen valmistamiseksi, joka menetelmä käsittää vaiheet, missä vesiliukoinen silikaatti saatetaan reagoimaan happaman aineen läsnä ollessa kiviaineksen kanssa, jolloin muodostuu amorfisella piidioksidilla ainakin osittain pinnoitettu kiviaines, ja amorfisella piidioksidilla ainakin osittain pinnoitettu kiviaines sekoitetaan hydraulisen sideaineen kanssa.

Keksinnön mukainen koostumus soveltuu käytettäväksi erityisesti betonissa ja laastissa, ja koostumuksen avulla voidaan parantaa betonin ja laastin kestävyyttä erilaisissa kemiallisissa ja fysikaalisissa olosuhteissa. Koostumus parantaa valmiin betonin ja laastin varhais- ja loppupuristuslujuutta. Tämän lisäksi muun muassa jäätymis - sulamiskestävyys parantuu ja karbonoituminen hidastuu sekä teräsraudoituksen korroosiokestävyys lisääntyy.

Keksinnön mukaisen koostumuksen sisältämässä amorfisella piidioksidilla ainakin osittain päällystetyssä kiviaineksessa käytettävän kiviaineksen pinta tehdään reaktiiviseksi saostamalla kiviaineksen pintaan amorfinen piidioksidipartikkelikerros. Lisäksi tähän kerrokseen voidaan myös liittää hydraulisen sideaineen kerros.

Keksintö koskee lisäksi menetelmää hydraulista sideainetta käsittävän koostumuksen hyödyntämiseksi betoni - tai laastimassan valmistamisessa.

Keksinnön mukaiselle hydraulista sideainetta käsittävälle koostumukselle, betonille, laastille, menetelmälle hydraulista sideainetta käsittävän koostumuksen valmistamiseksi ja koostumuksen käytölle on tunnusomaista se, mitä esitetty patenttivaatimuksissa.

Keksinnön yksityiskohtainen kuvaus

Yllättäen havaittiin, että keksinnön mukainen hydraulista sideainetta käsittävä koostumus, joka käsittää amorfisella piidioksidilla ainakin osittain päällystettyä kiviainesta, kuten kiviainespartikkeleita, soveltuu erinomaisesti betonin ja laastin valmistukseen ja antaa selvän parannuksen verrattuna tunnettuihin sementtikoostumuksiin kuten esimerkiksi mikrosilikaa sisältäviin koostumuksiin. Tämän johtuu siitä, että kiviainespartikkeleiden pinnalle saostettu amorfinen piidioksidi kiinnittyy kiviainespartikkeleiden ja hydraulisen sideaineen rajapintaan, jossa vahva kiinnittyminen hydraulisen sideaineen ja kiviainespartikkeleiden pintaan tarjoaa edellytykset nopealle alkulujuuden kehittymiselle, korkeille lujuusominaisuuksille ja hyvälle lopputuotteen kestävyydelle.

Keksinnön mukaisen koostumuksen etujen uskotaan johtuvan sekä kalsiumin kanssa erittäin reaktiivisen amorfisen piidioksidin sijainnista kiviainespartikkeleiden pinnassa, että suuremmasta amorfisen piidioksidin ominaispinta-alasta, joka johtuu mm pienemmästä partikkelikoosta ja vähemmästä agglomeroitumisesta. Ennen kaikkea edut johtuvat siitä, että amorfisen piidioksidin pinnassa on enemmän reaktiivisia silanoliryhmiä kuin esimerkiksi mikrosilikoilla, jotka on valmistettu silanolirymiä tuhoavissa korkeissa lämpötiloissa.

Amorfinen piidioksidi, joka muodostaa ainakin osittain tai kokonaan päällystetyn pinnan kiviaineksen päälle, voidaan valmistaa kiviaineksen pinnalle ilman korkeita lämpötiloja. Kiviaineksen pintaan saostetaan suoraan vesiliukoisesta silikaatista happaman aineen läsnäollessa amorfista (ei-kiteistä) piidioksidia, joka käsittää pienikokoisia piidioksidista koostuvia partikkeleita. Näin saatu rakenne poistaa nykyisin käytössä olevien keinotekoisten pozzalaanisten lisäaineiden puutteita. Hydraulisten sideaineiden ja pozzalaanisten lisäaineiden pinnassa on reaktiivisia hydroksyyliryhmiä, jotka kiinnittävät hydraulisen sideaineen kiviainekseen. Saostetussa piidioksidissa on näitä reaktiivisia ryhmiä selvästi enemmän kuin kuumentamalla valmistetuissa pozzalaanisissa lisäaineissa.

Betoni - ja laastituotteiden tapauksessa myös kovettuneiden lopputuotteiden elinikää ja kestävyyttä voidaan parantaa erityisesti rakenteen huokoisuuden pienentymisen kautta. Pieni huokoisuus parantaa sulfaattikemikaalien hyökkäyksen kestoa ja teräsmateriaalin korroosionkestävyyttä ja jäätymis - sulamiskestävyyttä. Tästä syystä kovettuneen betoni - tai laastirakenteen puristuslujuuden ohella rakenteen huokoisuus kuvaa varsin hyvin kestävyyttä erilaisissa kemiallisissa ja fysikaalisissa olosuhteissa.

Hydraulista sideainetta käsittävät koostumukset

Keksinnön mukaiset hydraulista sideainetta käsittävät koostumukset käsittävät amorfisella piidioksidilla ainakin osittain päällystettyä kiviainesta. Kiviaines käsittää kiviainespartikkeleita. Kiviaines voi käsittää yhtä tai useampaa kiviainesta, ts. kiviainesten seoksia. Päällystämisellä tarkoitetaan tässä sitä, että kiviainespartikkelit on päällystetty tai pinnoitettu vähintään osittain tai kokonaan amorfisella piidioksidilla.

Amorfinen piidioksidi tarkoittaa tässä piihappoja, piihappo-oligomeereja, kolloidista piidioksidia, polysilikaatteja, kolloidisia polysilikaatteja, piidioksidimikrogeeli-mikrogeeliä, kolloidisia piidioksidimikrogeeleja, piidioksidisooleja, kolloidisia piidioksidisooleja, piidioksidigeelejä, edellä mainittujen alumiinisilikaatteja, ja kaikkien näiden seoksia. Amorfinen piidioksidi on edullisesti saostettu amorfinen piidioksidi.

Amorfinen piidioksidi käsittää tässä piidioksidipartikkeleita, joiden keskimääräinen partikkelikoko on enintään 100 pm, edullisesti välillä 0,01-20 pm, erityisen edullisesti välillä 0,01 -0,5 pm, ja vielä edullisemmin välillä 0,1 - 0,01 pm.

Kiviaines valitaan magmakivilajien, sedimenttikivilajien, metamorfisisten kivilajien ja teollisuuden sivutuotteiden ja niiden seosten joukosta.

Edullisesti kiviaines valitaan karbonaatti mineraalien, silikaattimineraalien ja teollisuuden sivutuotteiden ja niiden seosten joukosta.

Sopivia karbonaattimineraaleja ovat kalsiitti ja magnesiittia; sopivia silikaattimineraaleja ovat jalosilikaatit, borosilikaatit, rengassilikaatit, ketjusilikaatit, nauhasilikaatit, verkkosilikaatit ja hohkasilikaatit; ja sopivia teollisuuden sivutuotteita ovat mm kuona, kipsi, sivukivi, kalsiumkarbonaatti ja lentotuhka.

Esimerkkejä sopivista kiviaineksista ovat yleisesti hiekat, sorat, moreenit, kalliokiviainekset, kalkkikivi, dolomiitti, kaoliini, basaltti, gneissi, graniitti, hiekkakivi, serpentiniitti, perliitti, magnetiitit, magnesiumkarbonaatit, magnesiumkalsium-karbonaatit, silikaattimineraalit, betonimurske, tiilimurske, kalsiumkarbonaatti, saostettu kalsiumkarbonaatti, jauhettu kalsiumkarbonaatti, savi, lentotuhka, kipsi, masuunikuona, jauhettu masuunikuona, rauta- ja terästeollisuuden kuonat, kivilouhosten hieno kiviaines, kaivosten sivukivi, kaivosten rikastushiekka, humuspitoiset kiviainekset, epäpuhtaat kiviainekset ja luonnon pozzalaanit (hohkakivet, vulkaanisten lasit, zeoliittit ja piimaat).

Kivilouhosten hieno kiviaines tarkoittaa keskimääräiseltä partikkelikooltaan alle 10 mm kiviainesta.

Epäpuhtailla kiviaineksilla tarkoitetaan kiviaineksia, joiden päämineraalin pitoisuus on huomattavasti vähemmän kuin 99 %. Tästä esimerkkinä on esimerkiksi alle 92 %:n kvartsikiviaines.

Erityisen edullisesti kiviaines valitaan kuonan, kipsin, lentotuhkan, kalsiumkarbonaatin, kaivosten sivukiven, kivilouhosten hienon kiviaineksen, kaivosten rikastushiekan, humuspitoisen kiviaineksen, epäpuhtaan kiviaineksen, saven, kipsi, soran, moreenin, hiekan ja edellä mainittujen seosten joukosta.

Kiviaines voidaan jakaa karkeaan ja hienoon ainekseen. Karkeasti voidaan sanoa, että 6 mm suurempi kiviaines on karkeaa ja tätä pienempi kiviaines on hienoa. ASTM C-637 standardi määrittelee karkean ja hienon kiviaineksen rajaksi 2,36 mm.

Keksinnönmukaisessa koostumuksessa kiviainespartikkeleiden keskimääräinen partikkelikoko (raekoko) on enintään 10 mm, edullisesti enintään 6 mm, erityisen edullisesti 0,01-0,5 mm.

Kiviainesten ominaispaino on tyypillisesti 2,6 - 2,8. Säteilykohteissa, kuten ydinvoimaloiden betonissa, käytetään yleisesti ominaispainoltaan raskaampaa kiviainesta.

Tavoiteltaessa erittäin korkean puristuslujuuden (138 MPa/20 000 psi - 207 MPa/30 000 psi) betonia kiviaineksen koko pitäisi olla pienempi kuin 9,5 mm.

Hydraulista sideainetta käsittävä koostumus käsittää vähintään yhtä hydraulista sideainetta, joka valitaan sementtien ja geopolymeerien joukosta. Sementti voi olla yhtä tai useampaa sementtien joukosta valittua sementtiä. Esimerkkejä sopivista sementeistä ovat Portland-sementti, sen erilaiset seokset, paisuvat sementit, valkoiset sementit ja kalsiumsulfoaluminaattisementti. Sementti voidaan korvata osittain tai kokonaan geopolymeerillä.

Hydraulista sideainetta käsittävä koostumus voi käsittää 50 - 1000 kg/m3, edullisesti 100-600 kg//m3 hydraulista sideainetta, edullisesti sementtiä, laskettuna betonikuutiota kohden.

Hydraulista sideainetta käsittävä koostumus voi valinnaisesti käsittää yhtä tai useampaa seosainetta. Seosaineet valitaan masuunikuonan, lentotuhkan, kuonan, mikrosilikan, metakaoliinin ja luonnon pozzalaanien (hohkakivet, vulkaanisten lasit, zeoliittit ja piimaat) joukosta; näitä käytetään yleisesti korvaamaan sementin määrää betonissa. Seosaineella voidaan korvata 5-80 p% hydraulisesta sideaineesta, esimerkiksi sementistä, edullisesti 10-60 %, erityisen edullisesti 20 - 50 %.

Hydraulista sideainetta käsittävä koostumus voi käsittää 20-500 kg/m3, edullisesti 50-150 kg/m3 seosainetta, laskettuna betonikuutiota kohti.

Hydraulista sideainetta käsittävä koostumus voi valinnaisesti käsittää yhtä tai useampaa lisäainetta, joka valitaan notkistimien, nesteyttimien, huokostusaineiden, kiihdyttimien, hidastimien, tiivistysaineiden, injektioaineiden, ja pakkasessa tai veden alle valettavissa betonimassoissa tarvittavien erikoisaineiden joukosta.

Hydraulista sideainetta käsittävä koostumus käsittää vettä 4-90 p%. Jos koostumus on kuiva jauhe se voi sisältää 4-20 p% vettä ja jos koostumus on liete, se voi sisältää 20-90 p% vettä.

Menetelmä amorfisella piidioksidilla päällystetyn kiviaineksen valmistamiseksi

Hydraulista sideainetta käsittävän koostumuksen sisältäviä amorfisella piidioksidilla päällystettyä kiviainesta, kuten kiviainespartikkeleita, voidaan valmistaa saostamalla vesiliukoisista silikaateista happaman aineen läsnä ollessa amorfinen piidioksidikerros kiviainespartikkelin pintaan. Näin saadaan rajapintaan luja sidos hydraulisen sideaineen ja/tai pozzalaanisten materiaalien sekä kiviainespartikkelin välille. Tämä auttaa kovettamaan laastin tai betonin lujaksi rakenteeksi.

Seuraavassa on havainnollistettu natriumsilikaatin reaktiota hapon, rikkihapon (a) ja hiilidioksidin (b) kanssa:

Na20 x 2,5 S1O2 + H2SO4 <-»· 2,5 S1O2 + Na2S04 + H2O (a)

Na20 x 2,5 S1O2 + CO2 «->· 2,5 S1O2 + Na2CC>3 (b) Näissä reaktiokaavoissa on käytetty 2,5 moolisuhteista natriumsilikaattia. Kaikki muutkin moolisuhteiset vesiliukoiset silikaatit (natrium-, kalium- ja litiumsilikaatti) soveltuvat amorfisen piidioksidipartikkelikerroksen synnyttämiseen.

Reaktioseokseen lisätään hapanta vesiliukoista ainetta. Sopivia happamia aineita ovat epäorgaaniset happihapot, epäorgaaniset vetyhapot, karboksyylihapot, C02-kaasu (muuttuu hiilihapoksi vedessä) ja NOx sekä SOx-kaasut. Edullisesti käytetään rikkihappoa tai C02-kaasua. Happamat aineet saavat aikaan yhdessä vesiliukoisen silikaatin kanssa piidioksidin tai piidioksidimikrogeelin saostumisen kiviaineksen pintaan.

Vesiliukoiset silikaatit valitaan alkalimetallisilikaattien, edullisesti natrium- litium- ja kaliumsilikaattien joukosta.

Natrium-, kalium- ja litiumsilikaatteja voidaan valmistaa sinänsä tunnetuilla menetelmillä.

Amorfisella piidioksidilla päällystettyjä kiviainespartikkeleita voidaan valmistaa neljällä vaihtoehtoisella menetelmällä a-d.

Menetelmässä (a) amorfisella piidioksidilla päällystettyjä kiviainespartikkeleita valmistetaan sekoittamalla vettä ja vesiliukoista silikaattia 10-200°C lämpötilassa happaman aineen kanssa siten, että vesiliuoksen pH on alueella 0-10, edullisesti käytetään voimakasta sekoitusta. Näin valmistettu liuos sekoitetaan kiviaineksen kanssa, jolloin amorfinen piidioksidi saostuu kiviaineksen pintaan.

Vaihtoehtoisessa menetelmässä (b) piidioksidi saostetaan suoraan kiviaineksen pintaan sekoittamalla kiviainesta ja vettä vesiliukoisen silikaatin kanssa 10-200°C lämpötilassa happaman aineen läsnä ollessa siten, että vesiliuoksen pH on alueella 0-10. Tämä menetelmä soveltuu erityisesti muille kiviaineksille kuin karbonaattikiville. Kiviaines voidaan käsitellä happamalla aineella (esimerkiksi hiilidioksidilla tai rikkihapolla) ennen kuin ne sekoitetaan liukoisen silikaatin kanssa. Toisaalta hapan aine ja vesiliukoinen silikaatti voidaan annostella kiviainekseen sekoituksessa oleellisesti samanaikaisesti tai ensin silikaatti ja tämän jälkeen hapan aine.

Vaihtoehtoisessa menetelmässä (c) amorfisen piidioksidin kiinnittämiseksi kiviaineksen pintaan pyritään pääsääntöisesti saamaan piidioksidi ja kiviaines varautumaan hyödyntämällä niiden erilaisia isoelektrisiä pisteitä (IEP). Al203:n ja CaCC>3:n IEP - pisteet ovat emäksisellä puolella, kun taas SiC>2:n IEP on happamalla puolella. Erilaiset IEP - pisteet saavutetaan siis käyttämällä happoja ja emäksiä pH-säätöön.

Vaihtoehtoisessa menetelmässä (d) amorfisen piidioksidin kiinnittämiseksi kiviaineksen pintaan voidaan käyttää kiviaineksen pinnan osittaista liuottamista emäksen avulla ja tätä seuraavaa saostamista happaman aineen avulla. Emäksellä voidaan liuottaa kiviaineksen pinnasta osa liukoisen silikaatin muotoon ennen kuin se saostetaan piidioksidikerrokseksi happamilla aineilla. Edullisesti osittain liuotettava kiviaines on yli 30 %:sta S1O2 - pitoisuudeltaan, esimerkiksi kvartsihiekkaa. Tässä tapauksessa vain kiven pintakerros on liukoisessa muodossa ja sisäkerros on edelleen kiteisenä kivenä liuotuksen jälkeen, jolloin kivipinnan liukoisesta silikaattikerroksesta voidaan saostaa piidioksidikerros. Näin saatu materiaali voidaan suoraan käyttää betoni - tai laastipastoissa.

Silikaattipitoisia mineraaleja kuten kvartsihiekkaa voidaan liuottaa vahvan emäksen kuten natriumhydroksidin, litiumhydroksidin tai kaliumhydroksidin avulla yli 100°C lämpötilassa ja muutaman (enintään 10 bar) baarin paineessa liukoisiksi silikaateiksi. Tämä liuotus tapahtuu natriumhydroksidin tapauksessa seuraavan reaktioyhtälön mukaisesti kvartsihiekasta: 2,5 S1O2 + 2 NaOH <-► Na20x2,5SiC>2 + H2O. Tämä reaktioyhtälö pätee silloin, kun tehdään 2,5 moolisuhteista natriumsilikaattia. Kvartsin sekä NaOH, KOH tai LiOH annossuhteilla saadaan luonnollisesti muita liukoisia silikaatteja erilaisilla moolisuhteilla.

Edellä mainituissa valmistusvaiheissa voidaan käyttää yleisesti tunnettuja muitakin saostusolosuhteita, kuten esimerkiksi lämpötilaa, painetta ja erilaisia piidioksidin rakenteeseen vaikuttavia aineita tai kemikaaleja.

Riittävän sekoitusintensiteetin varmistaminen on edullista keksinnön mukaisen rakenteen aikaansaamiseksi, erityisesti jotta saostetulle piidioksidille saadaan pieni partikkelikoko.

Kostean käsitellyn kiviaineksen pintaan voidaan kiinnittää hydraulisen sideaineen kerros sekoittamalla tätä kuivan hydraulisen sideaineen (esimerkiksi sementin) kanssa. Tällöin saadaan kuiva käsitelty kiviaines, jossa on käsitellyn kiviaineksen piidioksidipinnan kanssa aiankin osittain reagoinut sementtipinta.

Liukoisten silikaattien ja happojen reaktion sivutuotteena syntyvät suolat voivat betoni -ja laastipastoissa vaikuttaa kovettumista kiihdyttävästi tai hidastavasti. Esimerkkeinä tällaisista varhaislujuutta parantavista suoloista ovat kalsiumkloridi, emäksiset aineet (natriumhydroksidi, kaliumhydroksidi, ammoniakki, natriumkarbonaatti, kaliumkarbonaatti, natriumsilikaatti, kaliumsilikaatti ja litiumsilikaatti) nitraattisuolat, nitriittisuolat ja karboksylaatit. Klooria, rikkiä, magnesiumia ja ammoniumia sisältäviä suoloja ei haluta betonirakenteeseen niiden terästä ruostuttavien tai betonia hajottavien ominaisuuksien tähden. Keksinnön mukaisen tuotteen tapauksessa on edullista, että piidioksidin saostamisen kiviainekseen jälkeen suolat poistetaan kiviaineksesta. Millä tahansa edellä mainitulla menetelmillä valmistetuista tuotteista poistetaan edullisen suoritusmuodon mukaan sivutuotteena syntynyt suola sinänsä tunnetuilla tavoilla, sopivasti suodattamalla, sihtaamalla tai keskipakoisvoiman avulla, jonka jälkeen se on valmis käytettäväksi hydraulisena sideaineena sementtituotteissa, jotka soveltuvat betonin ja laastin valmistukseen.

Menetelmä hydraulista sideainetta käsittävän koostumuksen valmistamiseksi

Menetelmä keksinnön mukaisen hydraulista sideainetta käsittävän koostumuksen valmistamiseksi käsittää vaiheet, missä vesiliukoinen silikaatti saatetaan reagoimaan happaman aineen läsnä ollessa kiviaineksen kanssa, jolloin muodostuu amorfisella piidioksidilla ainakin osittain pinnoitettu kiviaines, ja amorfisella piidioksidilla ainakin osittain pinnoitettu kiviaines sekoitetaan hydraulisen sideaineen kanssa.

Pinnoitettu kiviaines sisältää edullisesti vettä 4-20 p-%.

Vesiliukoinen silikaatti valitaan alkalimetallisilikaattien joukosta, edullisesti Na, K tai Li-silikaattien joukosta.

Reaktio suoritetaan happaman aineen läsnä ollessa, joka hapan aine valitaan epäorgaanisten happihappojen, epäorgaanisten vetyhappojen, karboksyylihappojen, C02-kaasun ja SOx sekä NOx-kaasujen joukosta. Edullisesti käytetään rikkihappoa tai C02-kaasua.

Hydraulinen sideaine valitaan sementtien ja geopolymeerien joukosta. Sementti voi olla yhtä tai useampaa sementtien joukosta valittua sementtiä. Esimerkkejä sopivista sementeistä ovat Portland-sementti, sen erilaiset seokset, paisuvat sementit, valkoiset sementit ja kalsiumsulfoaluminaattisementti. Sementti voidaan korvata osittain tai kokonaan geopolymeerillä.

Hydraulisen sideaineen kanssa voidaan valinnaisesti lisätä yhtä tai useampaa seosainetta. Seosaineet valitaan masuunikuonan, lentotuhkan, kuonan, mikrosilikan, metakaoliinin ja luonnon pozzalaanien (hohkakivet, vulkaanisten lasit, zeoliittit ja piimaat) joukosta; näitä käytetään yleisesti korvaamaan sementin määrää betonissa.

Hydraulisen sideaineen kanssa voidaan valinnaisesti lisätä yhtä tai useampaa lisäainetta, joka valitaan notkistimien, nesteyttimien, huokosaineiden, kiihdyttimien, hidastimien, tiivistysaineiden, injektioaineiden, ja pakkasessa tai veden alle valettavissa betonimassoissa tarvittavien erikoisaineiden joukosta. Tällöin saadaan kuiva käsitelty kiviaines, jossa on piidioksidi- tai piidioksidimikrogeelipinnan silanoliryhmien kanssa esireagoinut sementtipinta. Tämä tuote jatkaa hydraulisena sideaineen reaktioita valmistettaessa lopullista betoni- tai laastiseosta.

Erään edullisen suoritusmuodon mukaan piidioksidilla pinnoitettu kiviaines valmistetaan betonin tai laastin sekoitusaseman lähellä tai piidioksidilla pinnoitettu kiviaines kuljetetaan kosteana sekoitusasemalle. Pinnoitettu kiviainesta voidaan myös kuivattaa tarvittaessa.

Keksinnön mukaista hydraulista sideainetta käsittävää koostumusta voidaan käyttää kaikissa betoni - ja laastisovelluksissa, vahvistetuissa tai vahvistamattomissa rakenteissa, yhdessä hydraulisten sideaineiden ja pozzalaanisten aineiden kanssa. Esimerkkejä näistä sovelluksista ovat betoniharkot, betoniputket, betoni ratapölkyt, betoniset kattotiilet, ontelolaatat, paikallaan valettu betoni, betonielementit, esijännitettybetoni, valmiiksi sekoitettu betoni, betonitiet, padot, sillat, rakennuselementit, kalkkikivitiilet, kalkkikiviharkot, soraharkot, muurauslaastit, tulisijalaastit, kuivabetonit, kuivalaastit, kalkkilaastit, sementtilaastit, kalkkisementtilaastit, Densit-laastit ja rappauslaastit. Esimerkiksi ontelolaattatehtailla ja elementtitehtailla, parempi varhaislujuus parantaa tehtaiden tuottavuutta, kun ontelolaattojen kovettumisaika lyhenee.

Keksinnön mukaista hydraulista sideainetta käsittävää koostumusta voidaan käyttää betoni- ja laastipastojen valmistukseen, joita edelleen voidaan käyttää betoni- ja laastituotteiden tuottamiseksi, sekä lattialaattojen ja seinälaattojen saumausaineiden ja betonilattioiden ja-seinien tiivistysaineiden valmistukseen.

Betoni pasta

Keksinnön mukainen betonipasta käsittää hydraulista sideainetta käsittävää koostumusta enintään 800 kg/m3, edullisesti 20 - 200 kg/m3, erityisen edullisesti 50-150 kg/m3 (laskettuna betonikuutiota kohti). Lisäksi betonipasta sisältää kiviainesta, jonka raekoko on enintään 20 mm, edullisesti enintään 10 mm ja erityisen edullisesti enintään 6 mm. Lisäksi betonipasta voi sisältää valinnaisesti yhtä tai useampaa lisäainetta, joka valitaan notkistimien, nesteyttimien, huokostusaineiden, kiihdyttimien, hidastimien, tiivistysaineiden, injektioaineiden, ja pakkasessa tai veden alle valettavissa betonimassoissa tarvittavien erikoisaineiden joukosta. Lisäksi betonipasta voi sisältää valinnaisesti betoneissa yleisesti käytettyjä lisäsementtejä, lisäkiviainesta ja muita lisäaineita. Mikäli tuote on kuiva (kuivabetoni), siihen tarvitaan lisävettä työstettävyyden ja loppulujuus-tavoitteiden aikaan saamiseksi; jos tuote on liete ei lisävettä välttämättä tarvita.

Laasti pasta

Keksinnön mukainen laastipasta käsittää vähintään yhden osan hydraulista sideainetta, edullisesti sementtiä, josta vähintään 5 p-% käsittää hydraulista sideainetta käsittävää koostumusta. Lisäksi laastipasta sisältää kiviainesta, jonka raekoko on enintään 10 mm ja edullisesti 1-3 mm ja erityisen edullisesti 0,01-0,5 mm. Lisäksi laastipasta voi sisältää yhtä tai useampaa kalsiumoksidia, sementtiä, vesiliukoisia silikaatteja (Na, K, Li), tai polymeeriä. Lisäksi laastipasta voi sisältää valinnaisesti yhtä tai useampaa lisäainetta, joka valitaan notkistimien, nesteyttimien, huokostusaineiden, kiihdyttimien, hidastimien, tiivistysaineiden, injektioaineiden, ja pakkasessa tai veden alle valettavissa betonimassoissa tarvittavien erikoisaineiden joukosta. Laastipasta voi tyypillisesti sisältää 1 osan sementtiä, josta vähintään 5 p-% käsittää hydraulista sideainetta käsittävää koostumusta, 3 osaa kalsiumoksidia, 9 osaa hiekkaa. Laastiin lisätään ennen käyttöä vettä, jotta työstettävyys säilyy hyvänä. Laastipastan koostumusta voidaan varioida riippuen siitä onko laasti muuraus-rappaus-, tulisija-, kuiva-, julkisivu-, seinä-, lattia-, laatoitus-, saumaus-, korjaus- tai rouhepinnoituslaasti. Laastisovellukset valitaan muurauslaastien, tulisijalaastien, kuivalaastien, kalkkilaastien, sementtilaastien, kalkkisementtilaastien, Densit-laastien, julkisivu-, seinä-, lattia-, laatoitus-, saumaus-, korjaus-, rappaus- ja rouhepinnoituslaastien joukosta.

Keksinnön mukaista hydraulista sideainetta käsittävää koostumusta voidaan käyttää yhdessä (osittain tai kokonaan) sementtien kuten esimerkiksi Portland - sementin ja sen erilaisten seosten sekä paisuvien sementtien, valkoisten sementtien, kalsiumsulfoaluminaattisementtien ja näiden seosten kanssa.

Keksinnön mukaisen tuotteen kanssa voidaan käyttää yleisesti betonissa tai laastissa käytettäviä lisäaineita, kuten työstettävyyttä parantavia (esimerkiksi superplastsoijia kuten polykarboksylaattieettereitä ja lignosulfonaatteja) aineita, hidastimia, vaahdonestoaineita, ilman muodostajia, dispergointiaineita, kutistuman estoaineita, kiihdyttymiä, jäätymisenestoaineita ja härmänmuodostumisenestokemikaaleja.

Keksinnön edut

Metallikationin (M), kuten Portland-sementin kalsiumin, ja kiviainespartikkelin pinnalle saostetun amorfisen piidioksidin pinnan hydroksyyliryhmän (silanoliryhmä) uskotaan muodostavan kovalenttisen sidoksen seuraavan reaktioyhtälön mukaisesti:

SisOH + (H20)xMy+ ~ Sis0M(y-1)+(H20)x-1 + H2O + H+.

Erityisen tärkeää on saostetun piidioksidin sijainti kiviaineksen pinnassa. Kiviaineksen pinta on rajapinta, jossa reaktiivinen piidioksidikerros ohentaa transitiovyöhykettä ja/tai tekee se huokoisemmaksi, näin mahdollistaen hydraulisen sideaineen kiinnittymiseen kiviainekseen lujilla kalsiumsilikaatin tapaisilla sidoksilla. Partikkelikooltaan pienet, edullisesti alle 0,1 pm, kiviaineksen pintaan kiinnittyneet amorfiset piidioksidipartikkelit lisäävät reaktiivista pinta-alaa saadaan lisättyä.

Alalla tyypillisesti käytettävä mikrosilika on suurempaa partikkelikooltaan. Lisäksi sen valmistusmenetelmässä syntyvän piidioksidin pinnassa on vähemmän reaktiivisia silanoliryhmiä, koska valmistuksessa käytetään usean sadan asteen lämpötiloja, saostamalla valmistettu - ei, koska muutoin reaktiivisten siloniryhmien määrä pienenee. Näistä syistä johtuen amorfisella piidioksidilla päällystetyn kiviaineksen tehokkuus on selvästi parempi, kuten tämän hakemuksen esimerkit osoittavat.

Mikrosilikaa lisätään tyypillisesti muiden pastakomponenttien sekaan jauheena tai liuoksena. Tämä lisäystapa tuo mikrosilikaa kiviaineksen ja hydraulisen sideaineen rajapintaan vain satunnaisesti, päinvastoin kuin esillä olevan keksinnön ratkaisussa.

Keksinnön edut perustuvat, mm erityisesti betoni- ja laastisovelluksissa piidioksidin pieneen partikkelikoon ja hydroksyyliryhmien (silanoliryhmien) suureen lukumäärään ja näiden hyödyntämiseen kiviaineksen ja sementin rajapinnassa ts transitiovyöhykkeessä. Piidioksidilla pinnoitettu kiviaines, sen muoto ja reaktiivisuus ovat avainasemassa keksinnön hyödyllisiä vaikutuksia arvioitaessa.

Nykyisten betonien ja laastien rajapinta sideaineen kanssa on heikko, koska kiviaines ei itsessään yleensä ole reaktiivinen. Keksinnön mukaisella koostumuksella reaktiivisella kiviaineksen pinnalla mahdollistetaan kovettuneen betonin tai laastin kemiallisten ja fysikaalisten ilmiöiden kulutusta paremmin kestävän kovettuneen rakenteen aikaansaaminen, jonka elinikä on huomattavasti pitempi kuin nykyään käytössä olevilla tuotteilla yleensä on.

Keksinnön mukaisen koostumuksen piidioksidilla pinnoitettu kiviaines aikaansaa hydraulisten sideaineiden tapauksessa korkeamman puristuslujuuden ja sitä voidaan käyttää paremmin ympäristöolosuhteiden fysikaalisia ja kemiallisia muutoksia kestävien rakenteiden valmistukseen. Transitiovyöhykkeessä syntyvä C-S-H geeli pääsee liittämään sementtipartikkeleita ja kiviainesta toisiinsa lujilla sidoksilla ja vahvistamaan rakennetta. Tämä näkyy kovettuneessa betonissa tai laastissa korkeana puristuslujuutena ja alhaisena huokoisuutena. Tämä kiinnittyminen ja lujittuminen tapahtuu kiviaineksen pintaan saostettujen silanoliryhmien kautta. Reaktiivinen kiviainespinta luo siis uusia lujia sidoksia kivipintaan asti, ja tällä tavoin ohentaa transitiovyöhykettä tai luo transitiovyöhykkeeseen huokoisuutta, jotka kovettumisvaiheessa auttavat hydraulisesta sideaineesta muodostuvan Ca(OH)2:n reagointia silanoliryhmien kanssa. Tämä piidioksidin kolloidaaninen partikkelikoko on oletettavasti edullista, jotta saadaan silanoliryhmät tarpeeksi pitkälle työntymään transitiovyöhykkeeseen. Liukoisen silikaatin käytöllä, jossa on vain lähinnä piihappoa ja sen yksinkertaisia polymeerirakenteita, ei kokonsa puolesta pysty vaikuttamaan transitiovyöhykkeeseen yhtä voimakkaasti kuin piidioksidipartikkelit kiviaineksen pinnassa jo pienellä lisäysmäärillä. Tämän lisäksi koostumus parantaa betonin ja laastin jäätymis - sulamiskestävyyttä, hidastaa karbonoitumista ja parantaa teräsraudoituksen korroosionkestävyyttä betonissa ja laastissa parantuvat johtuen pienistä huokosista, huokosten lukumäärän pienentymisestä ja huokosten tukkeutumisesta.

Ihanteellisella kovettuneella ja kestävällä betonilla tulisi olla korkea puristuslujuus. Tästä johtuen sen valmistukseen tulisi käyttää mahdollisimman pientä vesi-sementti suhdetta mutta samalla säilyttäen työstettävyyden, ja valita luja kiviaines ja sopiva hydraulinen sideaine käyttötarkoituksen mukaan. Lisäksi karkean ja hienon kiviaineksen suhteutus pitäisi olla sopiva tiiviin rakenteen aikaansaamiseksi, ja ilmamäärän pitäisi olla sopiva betonissa muun muassa pakkasenkestävyyden parantamiseksi. Halkeamia ei saisi syntyä betonituotteen eliniän aikana. Tämä kaikki voidaan aikaansaada keksinnönmukaista sementtiä käsittävää koostumusta käyttäen.

On tärkeätä huomata tässä yhteydessä, että nykyään betoneissa ja laasteissa yleisesti käytettyjä kiviaineksia ei pidetä reaktiivisena, mutta tässä keksinnössä käytetty kiviaines on reaktiivinen.

Esimerkit

Seuraavat esimerkit havainnollistavat keksinnön mukaisia suoritusmuotoja kuten edellä on kuvattu, eikä niiden tarkoituksena ole rajoittaa keksintöä millään tavoin.

Mikrosilika antaa paremmat tuoteominaisuudet kuin lentotuhka ja kuona, johtuen käytännössä korkeammasta piidioksidin määrästä. Tämän vuoksi seuraavissa käytetään vertailuaineina mikrosilikaa Portland - sementin kanssa ja pelkkää Portland - sementtiä.

Esimerkeissä käytetty Microsilica® 920U (Elkem AS) on amorfinen piidioksidi, joka koostuu mikronin kymmenysosan kokoisista alkeispiidioksidipartikkeleista (noin 0,15 pm), jotka edelleen muodostavat 0,1 - 1 pm kokoisia primääriagglomeraatteja. Mikrosilika koostuu myös 5 - 50 pm kokoisista sekundäärisistä agglomeraateista.

Esimerkkien taulukoissa silika tarkoittaa kuivapainona joko mikrosilikaa tai keksinnön mukaan tehtyä reaktiivista kiviainesta, ellei toisin mainittu.

Esimerkki 1. Amorfisen piidioksidin saostus kiviainespartikkelien pinnalle ja piidioksidilla pinnoitettuja kiviainespartikkeleita sisältävien laastien valmistus

Piidioksidipartikkeliliuos (keskimääräinen partikkelikoko 58 nm) valmistettiin seuraavasti. Laimennettua natriumsilikaattiliuosta (2 p-%) vedessä sekoitettiin ja samalla hiilidioksidia kuplitettiin tähän liuokseen siten, että muutaman minuutin kuluttua saavutettiin neutraali pH-taso (pH=7). Tähän liuokseen lisättiin tasaisesti alle 6 mm kokoista kalkkikiveä taulukon 2 mukainen määrä. Sekoittamista jatkettiin muutama min, hiilidioksidin annostelu lopetettiin ja aloitettiin samanaikainen rikkihapon annostelu kunnes pH oli välillä 6,8-7,2. Tämän jälkeen käsitelty kiviaines sihdattiin liuoksesta erilleen ja pestiin vedellä. Kiviaineksen pinnassa oli sihtauksen jälkeen 5 p-% kosteutta, joka huomioitiin pastan kokonaisvesimäärässä. Tätä näytettä kutsutaan Kivi A-näytteeksi.

Kivi B - näyte valmistettiin kuin Kivi A, mutta käsiteltyä kiviainesta ei sihdattu.

Kivi C-näytteen valmistus oli samanlainen kuin Kivi A-näytteen tapauksessa, mutta tässä tapauksessa pH säädettiin neutraaliin pH=7 rikkihapon avulla ennen sihtaamista.

Laastipastat valmistettiin kivi A, kivi B ja kivi C näytteistä, sekä vertailuina käytettiin vastaavia laastipastoja ilman silikaa (kontrolli) ja mikrosilikalaastipastaa (mikrosilika). Seuraavassa Taulukossa 2 on esitetty laastipastojen koostumukset.

Taulukko 2

Kontrolli, mikrosilika, Kivi A, Kivi B ja Kivi C pastoissa on käytetty samaa alle 6 mm kokoista kalkkikiveä. Superplastisoija (notkistin) on käytetty Kontrolli, Mikrosilika -, Kivi A -, Kivi B - ja Kivi C- näytteissä 4 - 7 grammaa työstettävyyden säätämiseksi samaksi kuin kontrollinäytteessä. Superplastisoijan mukana tullut vesimäärä on vähennetty lisättävän veden määrästä samoin kuin Kivi näytteistä A, B ja C, jotta vesi/sementti suhde on säilynyt vakiona. Kaikissa tämän hakemuksen esimerkeissä on käytetty yleistä Portland-sementti (laatu I), ellei toisin ole mainittu.

Taulukon 2 pastat tärytettiin ja kovetettiin 50°C:ssa uunissa 6 tuntia, jonka jälkeen näistä tehtiin puristustestit. Puristuslujuuksien keskiarvotulokset on esitetty seuraavassa Taulukossa 3.

Taulukko 3

Esimerkki 2. Amorfisen piidioksidin saostus kalkkikivipartikkelien pinnalle ja piidioksidilla pinnoitettuja kiviainespartikkeleita sisältävien betonien valmistus

Laimennettua natriumsilikaattiliuosta (2 p-%) vedessä sekoitettiin voimakkaasti kierrättäen liuosta sekoittajan läpi. Samalla annosteltiin rikkihappoliuosta kierrätyspumpun imupuolelle siten, että muutaman minuutin kuluttua saavutettiin neutraali pH-taso pH=7. Tähän kierrätykseen lisättiin tasaisesti kalkkikiviainesta (keksimääräinen partikkelikoko alle 10 mm). Tämän jälkeen kalkkikiviaines, jonka pintaan on saostettu piidioksidipartikkeleita (partikkelikoko 78 nm) (Si-kivi), sihdattiin liuoksesta erilleen. OPC-Kivi valmistettiin yllä olevan mukaisesti, sillä poikkeuksella, että sihtauksen jälkeen kostea (7 % kosteutta) Si-kivi ravisteltiin sementissä (laatu I).

Si-kivestä ja OPC-kivestä sekoitettiin Si - kivi - ja OPC - kivipastalietteitä (betonipastoja) betonisekoittajassa Taulukossa 4 esitetyn mukaisesti. Vertailuina käytettiin kontrollia ilman silikaa ja mikrosilikaa sisältävää kivipastalietettä. Kivipastalietteiden vesimäärä vähennettiin kokonaisvesimäärästä, jotta vesi/sementti suhde olisi vakio. Kiinnittyneen sementin määrä vähennettiin lisättävän sementin määrästä OPC-kivi pastassa.

Taulukko 4

Kiviaines on kalkkikiveä kaikissa näissä pastoissa. Silika tarkoittaa kuivapainona joko mikrosilikaa tai keksinnön mukaan tehtyä reaktiivista kiviainesta riippuen mikrosilika -vai reaktiivinen kiviainessarake (Si-kivi tai OPC-kivi) on kyseessä. Kokonaisvesimäärä sisältää lisäveden ja sekä superplastisoijan sisältämän veden.

Taulukon 4 betonipastat tärytettiin ja kovetettiin huoneen lämpöisessä vedessä, jonka jälkeen näistä tehtiin puristustesti. Puristuslujuuksien keskiarvotulokset on esitetty Taulukossa 5.

Taulukko 5

Esimerkki 3. Amorfisen piidioksidin saostus kvartsikivipartikkelien pinnalle

Keksinnön mukainen päällystetty kivinäyte valmistettiin osittain liuottamalla. Kvartsihiekkaa liuotettiin osittain natriumhydroksidissa (170°C, 8 baarin paine) 20 minuuttia painereaktorissa. Kvartsihiekka sisälsi kvartsia noin 90 p-% ja keskimääräinen partikkelikoko oli alle 10 mm. Painereaktorista otettiin ulos osittain pinnastaan liuennut kvartsihiekan ja syntyneen natriumsilikaatin seos, jota sitten sekoitettiin tasaisessa sekoituksessa. Tämän seoksen pH laskettiin C02:n avulla pH 8:aan, jonka jälkeen syntynyt hienojakoinen natriumkarbonaatti sihdattiin erilleen kvartsihiekasta, jonka pintaan oli saostettu piidioksidia. Tätä pinnoitettua näytettä kutsutaan hiekaksi (Hiekka). Kontrollinäytteessä käytettiin samaa kvartsihiekkaa pastassa sellaisenaan kuin edellä kuvatussa paineliuotuksessa käytettiin lähtöaineena. Taulukossa 6 on esitetty kontrollista ja Hiekasta tehdyt kvartsipastakoostumukset ja niiden ominaisuuksia. Pastat tärytettiin ja kovetettiin huoneen lämpöisessä vedessä, jonka jälkeen näistä tehtiin puristuslujuus- ja huokoisuusmittaukset.

Taulukko 6

Esimerkki 4. Amorfisen piidioksidin saostus masuunikuonapartikkelien pinnalle Tässä esimerkissä on kiviaineksena käytetty masuunikuonaa (partikkelikoko alle 250 pm). Si-kuona1 näytteessä on saostettu piidioksidipartikkeleita kuonan pintaan. Laimennettua natriumsilikaattiliuosta (2 p-%) sekoitettiin voimakkaasti kierrättäen liuosta sekoittajan läpi muutaman minuutin ajan yhdessä kuonakiviaineksen kanssa. Samalla rikkihappoliuosta annosteltiin kierrätyspumpun imupuolelle siten, että muutaman minuutin kuluttua saavutettiin neutraali pH=7 pH-taso. Tämän jälkeen käsitelty kuonakiviaines sihdattiin liuoksesta erilleen.

Si-kuona2 näyte on valmistettu samalla tavalla kuin Si-kuona1 näyte, mutta tässä pH:n säätä pH=7 on tehty hiilidioksidilla. Näytteistä määritettiin kuiva-ainepitoisuus.

Taulukossa 7 on esitetty vertailuna kontrollin (ilman piidioksidia), kuonan ja tässä esimerkissä valmistettujen näytteiden antama 28 vuorokauden lujuus, kun niitä on käytetty betonipastassa mikrofillereinä.

Silika taulukossa 7 tarkoittaa kuonaa, Si-kuona1 :ä tai Si-kuona2:a.

Taulukko 7

Claims (22)

1. Hydraulista sideainetta käsittävä koostumus, tunnettu siitä, että koostumus käsittää amorfisella piidioksidilla ainakin osittain päällystettyä kiviainesta ja hydraulista sideainetta, ja seosainetta tai näiden yhdistelmää, ja amorfisella piidioksidilla ainakin osittain päällystetty kiviaines käsittää piidioksidipartikkeleita, joiden keskimääräinen partikkelikoko on enintään 100 pm.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen hydraulista sideainetta käsittävä koostumus, tunnettu siitä, että amorfisella piidioksidilla ainakin osittain päällystetty kiviaines käsittää kiviainespartikkeleita, joiden keskimääräinen partikkelikoko on enintään 10 mm.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen hydraulista sideainetta käsittävä koostumus, tunnettu siitä, että amorfisella piidioksidilla ainakin osittain päällystetty kiviaines käsittää piidioksidipartikkeleita, joiden keskimääräinen partikkelikoko on välillä 0,01-20 pm, edullisesti välillä 0,01 -0,5 pm, ja vielä edullisemmin välillä 0,1 - 0,01 pm.

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen hydraulista sideainetta käsittävä koostumus, tunnettu siitä, että kiviaines valitaan magmakivilajien, sedimenttikivilajien, metamorfisten kivilajien ja teollisuuden sivutuotteiden ja niiden seosten joukosta.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen hydraulista sideainetta käsittävä koostumus, tunnettu siitä, että kiviaines valitaan kuonan, kipsin, lentotuhkan, kalsiumkarbonaatin, kaivosten sivukiven, kivilouhosten hienon kiviaineksen, kaivosten rikastushiekan, humuspitoisen kiviaineksen, epäpuhtaan kiviaineksen, saven, soran, moreenin, hiekan ja edellä mainittujen seosten joukosta.

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen hydraulista sideainetta käsittävä koostumus, tunnettu siitä, että koostumus käsittää hydraulista sideainetta, joka valitaan sementtien ja geopolymeerien joukosta.

7. Jonkin patenttivaatimuksen 1-6 mukainen hydraulista sideainetta käsittävä koostumus, tunnettu siitä, että seosaine valitaan masuunikuonan, lentotuhkan, kuonan, mikrosilikan, metakaoliinin ja luonnon pozzalaanien joukosta.

8. Jonkin patenttivaatimuksen 1-7 mukainen hydraulista sideainetta käsittävä koostumus, tunnettu siitä, että koostumus käsittää lisäainetta, joka valitaan notkistimien, nesteyttimien, huokostusaineiden, kiihdyttimien, hidastimien, tiivistysaineiden, injektioaineiden, pakkasessa tai veden alle valettavissa betonimassoissa tarvittavien erikoisaineiden, ja näiden seosten joukosta.

9. Jonkin patenttivaatimuksen 1-8 mukainen hydraulista sideainetta käsittävä koostumus, tunnettu siitä, että koostumus käsittää piidioksidipinnan kanssa ainakin osittain reagoineen sementtipinnan.

10-Betonipasta, tunnettu siitä, että se käsittää jonkin patenttivaatimuksen 1-9 mukaista hydraulista sideainetta käsittävää koostumusta.

11. Laastipasta, tunnettu siitä, että se käsittää jonkin patenttivaatimuksen 1 -9 mukaista hydraulista sideainetta käsittävää koostumusta.

12. Menetelmä jonkin patenttivaatimuksen 1- 9 mukaisen hydraulista sideainetta käsittävän koostumuksen valmistamiseksi, tunnettu siitä, että menetelmä käsittää vaiheet, missä vesiliukoinen silikaatti saatetaan reagoimaan happaman aineen läsnä ollessa kiviaineksen kanssa, jolloin muodostuu amorfisella piidioksidilla ainakin osittain pinnoitettu kiviaines, ja amorfisella piidioksidilla ainakin osittain pinnoitettu kiviaines sekoitetaan hydraulisen sideaineen ja seosaineen tai niiden yhdistelmän kanssa.

13. Patenttivaatimuksen 12 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vesiliukoinen silikaatti valitaan natrium-, kalium- ja litiumsilikaatin joukosta.

14. Patenttivaatimuksen 12 tai 13 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hapan aine valitaan epäorgaanisten happihappojen, epäorgaanisten vetyhappojen, karboksyylihappojen, CCte-kaasun ja SOx sekä NOx-kaasujen joukosta, edullisesti käytetään rikkihappoa tai C02-kaasua.

15. Jonkin patenttivaatimuksen 12-14 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kiviaines valitaan magmakivilajien, sedimenttikivilajien, metamorfisten kivilajien ja teollisuuden sivutuotteiden ja niiden seosten joukosta.

16. Jonkin patenttivaatimuksen 12-15 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kiviaines valitaan kuonan, kipsin, lentotuhkan, kalsiumkarbonaatin, kaivosten sivukiven, kivilouhosten hienon kiviaineksen, kaivosten rikastushiekan, humuspitoisen kiviaineksen, epäpuhtaan kiviaineksen, saven, soran, moreenin, hiekan ja edellä mainittujen seosten joukosta.

17. Jonkin patenttivaatimuksen 12-16 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hydraulinen sideaine valitaan sementtien ja geopolymeerien joukosta.

18. Jonkin patenttivaatimuksen 12-17 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että seosaine valitaan masuunikuonan, lentotuhkan, kuonan, mikrosilikan, metakaoliinin ja luonnon pozzalaanien joukosta.

19. Jonkin patenttivaatimuksen 12-18 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sekoituksessa käytetään lisäainetta, joka valitaan notkistimien, nesteyttimien, huokostusaineiden, kiihdyttimien, hidastimien, tiivistysaineiden, injektioaineiden, pakkasessa tai veden alle valettavissa betonimassoissa tarvittavien erikoisaineiden, ja näiden seosten joukosta.

20. Jonkin patenttivaatimuksen 1-9 mukaisen hydraulista sideainetta käsittävän koostumuksen käyttö betoni - ja laastisovelluksissa.

21. Patenttivaatimuksen 20 mukainen käyttö, tunnettu siitä, että betonisovellukset valitaan betoniharkkojen, betoniputkien, betoniratapölkkkyjen, betonisten kattotiilien, ontelolaattojen, paikallaan valetun betonin, betonielementtien, esijännitetyn betonin, valmiiksi sekoitetun betonin, betoniteiden, betonipatojen, betonisiltojen, rakennuselementtien ja kuivabetonin joukosta.

22. Patenttivaatimuksen 20 mukainen käyttö, tunnettu siitä, että laastisovellukset valitaan muurauslaastien, tulisijalaastien, kuivalaastien, kalkkilaastien, sementtilaastien, kalkkisementtilaastien, Densit-laastien, julkisivu-, seinä-, lattia-, laatoitus-, saumaus-, korjaus-, rappaus- ja rouhepinnoituslaastien joukosta. Patentkrav