FI65771C - Foerfarande foer att goera betong vaederleksbestaendigt - Google Patents

Description

65771

Menetelmä betonin tekemiseksi säänkestäväksi Tämä keksintö kohdistuu menetelmään betonin tekemiseksi säänkestäväksi ja erityisesti sellaiseen menetelmään, jossa betonin huokosiin imeytyneelle vedelle järjestetään mahdollisuus laajeta veden jäätyessä.

Betoniteollisuudessa aiheuttaa jäätyvän veden paisuminen pulmia varsinkin vesirakenteiden yhteydessä. Betonin huokosiin imeytynyt ja jäätynyt vesi aikaansaa mik-rohalkeamia, jotka ajan mittaan pienentävät betonin lujuutta. Vasta viime aikoina on tästä mikroprosessista saatu todelliselta vaikuttava kuva, mutta tyydyttäviä keinoja haittojen estämiseksi ei ole tähän mennessä tunnettu.

Jäätyvän veden aiheuttamien haittojen estämiseksi on betoniin tavalla tai toisella aikaansaatava mikrohuoko-sia, jotka eivät täyty betonin huokosiin imeytyneellä vedellä, mutta jotka sallivat jäätyvän veden paisua niihin. Huokoset on toisin sanoen saatava toimimaan puskureina .

Erään tähän mennessä käytetyn keinon mukaan on kovettuvaan betoniin muodostettu suljettuja ilmakuplia. Tätä varten lisätään betonimassaan pinta-aktiivista ainetta, jonka ansiosta veden pintajännitys laskee, jolloin betoniin syntyy ilmakuplia.

Tämän tunnetun menetelmän haittana voidaan esittää seu-raavaa: - huokoset ovat turhan suuret betonin kapillaareihin nähden ja aiheuttavat betonin lujuuden vähenemistä, - ilmakuplat eivät pysy homogeenisesti jakautuneina ja niiden määrä vähenee kuljetuksen aikana, 2 65771 - kuplien muodostukseen käytetty lisähuokostusaine absorboituu osittain sementin lisäaineena nykyään yhä tavallisemmin käytetyn lentotuhkan hiileen betonimassan valmistus- ja kuljetus-vaiheessa. Täten oikean lisähuokosmäärän saaminen betoniin on osoittautunut erittäin vaikeaksi.

Mainittua haittaa on kuitenkin pystytty pienentämään kehittämällä tarkoituksenmukaisia mikrohuokostimia. Tällainen on esimerkiksi kaupan oleva, muovirakkuloista koostuva Kleenopor SA-8. Muovirakkuloiden halkaisija vastaa betonissa olevien kapillaarien mittoja, joten ylisuuria tyhjätiloja ei synny.

Tämän ja samankaltaisten mikrohuokostimien haittana voidaan kuitenkin esittää seuraavaa: - aine on hyvin kallis, - muovirakkulat ovat erittäin keveitä ja vaaditaan erikoistoimenpiteitä niiden sekoittamiseksi betonimassaan, - muovirakkuloiden pinta on heikko, joten rakkuloiden rikkoutumisen välttämiseksi on sekoitus suoritettava tarkalleen määrätyssä järjestyksessä, - muovirakkuloiden kalvo kestää korkeintaan +70°C:n lämpötilan, minkä takia rakkulat eivät sovellu nykyisin yhä tavallisemmiksi tulleisiin ns. kuumabetoniprojekteihin, joissa betoni-massan lämpötila on +80°C.

Suomalaisesta patentista FI-790 152 tunnetaan menetelmä, jonka tarkoitus sanallisen ilmaisumuodon mukaan on kompensoida tavanmukaisessa betonimassassa aina tapahtuvaa kutistumista sisällyttämällä massaan hienoksijauhettua kumia, hiukkaskoon ollessa korkeintaan 10 ^um. Kumihiukkasilla ei kuitenkaan voida poistaa mikroskooppista kutistumaa. Se voidaan poistaa vain kemiallisesti ts. lisäaineilla, jotka kemiallisesti torjuvat kutistumis-prosessin syntymisen.

Kumihiukkaset ovat vain mekaanisia esteitä välttämättömän kutistumisprosessin aiheuttamalle tilavuuden supistuspyrki-mykselle. On siis tärkeätä, että kutistuma syntyy, jotta kumihiukkaset puristuisivat ja "kompensoiva" mekanismi toimisi hakemuksen mukaisesti.

3 65771

Kumihiukkasilla voidaan siis korkeintaan pienentää kutistumaa geometrisesta, koska ne puristuvat ts. synnyttävät tilavuuden supistumista vastustavia voimia. Kemiallinen kutistumispro-sessi jatkuu vastustamattomana kunnes tasapainotilanne saavutetaan kumihiukkasten sisäisten voimien ja niiden kutistumis-prosessin ansiosta syntyneiden pintavoimien välillä. Hakemuksen kohde siis aiheuttaa sen, että kovettuvassa betonissa syntyy sisäinen jännitystila, jonka vaikutuksesta sitovat ainekset pyrkivät erkanemaan toisistaan. On odotettavissa, että kumihiukkaset näin ollen synnyttävät alkuhalkeamia kovettuvassa betonissa. Kovettumisen jälkeen betonissa siis saattaa olla mikrohalkeamia ja se on sisäisessä jännitystilassa kumihiukkasten puristuksen takia. Kumihiukkasilla ei enää ole käyttötarkoitusta, koska ne jo ovat melkoisessa puristuksessa ts. ne ovat menettäneet suurimman osan elastisuudestaan.

Amerikkalaisen patentin US-4 035 192 tavoitteena on "notkean" ja iskuenergiaa absorboivan betonin aikaansaaminen lisäämällä massaan kumihiukkasia joiden koko on noin 250-850 ^um. Tavoitteena ei ole säänkestävän betonin aikaansaaminen.

Kumihiukkasten on oltava mahdollisimman suuria ilman että betonin lujuus merkittävästi pienenee. Betonin lujuuden ylläpitämiseksi on kuitenkin varmistuttava, että tartunta kumihiukkasten ja muun massan välillä on luotettava. Tästä syystä käsitellään kumihiukkasia etukäteen tartuttamalla niihin kuumaa sementtiä tai tartuttamalla sementtiä kumihiukkasia ympäröivään kovettuvaan muovikerrokseen. Kumihiukkaset ts. varustetaan jäykällä kuorella, mikä vastustaa niiden elastisuutta, eivätkä ne tällöin voi edullisesti toimia puskurina jäätyvälle vedelle. Tämä on luonnollista, koska ne eivät ole siihen tehtävään tarkoitetut. Myös suuri halkaisija 250-850 ^um on selvä osoitus siitä, että ei ole kysymys liikkuvan ja jäätyvän veden aiheuttamien haittojen estämisestä, koska näillä ulottuvaisuuksilla ei juuri kapillaarivaikutusta synny.

Itävaltalaisen patentin AT-311 863 tavoitteena on nimenomaan säänkestävän betonin aikaansaaminen. Tavoite saavutetaan 4 65771 sekoittamalla betoniiin kovapolyuretaanivaahtoa.

Betonin säänkestävyyden parantaminen perustuu tekniikan tason mukaan siihen, että betoniiin on tavalla tai toisella aikaansaatava mikrohuokosia, joiden tilavuusmäärän on oltava 4-5 %. Näihin huokosiin betoniin imeytynyt vesi pääsee jäätyessään laajentumaan. Tavoite on tunnettu esimerkiksi Kleenopor-ai-neen kautta, joka betoniin sekoitettavien pienten kaasutäyt-teisten rakkuloiden muodossa aikaansaa juuri tavoiteltuja huokosia. Polyuretaanivaahto toimii tässä aivan samalla tavalla.

Polyuretaanivaahdon eräs huono ominaisuus on sen suuri hauraus. Kennot rikkoutuvat hyvin herkästi mekaanisesta vaikutuksesta. Polyuretaanivaahdon hauraus tarkoittaa myös sitä, että suljettu kenno ei ole elastinen. Sen ominaisuus tässä mielessä on verrattavissa suljettuun lasipalloon. Näin ollen suljettu polyuretaanivaahdon kenno ei toimi elastisen kumihiukkasen tavoin, vaan rikkoutuu hauraan aineen kaltaisesti jos paine on riittävän suuri. Alle tämän paineen kenno ei sanottavasti jousta.

Tämän keksinnön mukaisella menetelmällä on pystytty aikaansaamaan asetettu tavoite ja eliminoimaan edellä mainitut haitat ja menetelmän pääasiallisimmat tunnusmerkit ilmenevät oheisesta patenttivaatimuksesta 1.

Keksinnön mukaisesti sekoitetaan betonimassaan kokeilujen kautta löydetty sopiva määrä mikrokokoa olevaa kumijauhetta, joka edullisesti on jauhettu käytetyistä autonrenkaista. Jauhettava kumi voi olla luonnonkumia tai syn- 5 65771 teettistä kumia tai edullisesti näiden eri seoksia. Edullisen seoksen muodostaa 30 % luonnonkumia ja 70 * synteettistä kumia, esimerkiksi styreenibutadieenin ja polybutadieenin muodossa.

Kumijauhetta käytetään tarkoin tarpeen mukaan optimoitua määrää, joka on välillä noin 0,2 ja 2 paino-% sideaineen määrästä. Jauheen hiukkaskoon optimi löytyy väliltä 10 ja 250 yum.

Käytetystä kumista, erityisesti käytetyistä autonrenkaista valmistetun kumijauheen sekoittaminen betonimassoihin on kylläkin aikaisemmin tunnettua mutta ei samassa tarkoituksessa eikä samalla tuloksella.

Sveitsiläisen julkaisun CH-602 515 tavoitteena on kevyemmän betonin aikaansaaminen sekoittamalla betonimassaan fillerinä 10-90 % muovia ja/tai kumijätettä, joka ulot-tuvuusmitöiltään on makroskooppista. Tärkein pyrkimys on riittävän tartunnan aikaansaaminen fillerin ja muiden komponenttien välillä betonin lujuuden säilyttämiseksi sekä kovettumisvaiheessa että lopullisesti kovettuneena.

Saksalaisen julkaisun DE 1 Oli 803 tavoitteena on kevyen jälkivalubetonin aikaansaaminen, erikoisesti alustoja ja lattioita varten. Muodostetulla betonilla tulee olla parannettuja lämmön- ja ääneneristysominaisuuksia ja sen tulee entistä paremmin hylätä kosteutta. Tämä aikaansaadaan sekoittamalla betonimassaan fillerinä makroskooppista suuruusluokkaa olevaa kumia. Mineraalisten lisä-kuitujen avulla rasitukset tasoitetaan kolmiulotteisiksi.

Brittiläisen julkaisun GB 1 362 614 tavoitteena on kevyen laastin tai betonin aikaansaaminen jolla on parannettuja lämmön- ja ääneneristysominaisuuksia. Tämä aikaansaadaan sekoittamalla massaan fillerinä mm. vähintään 50 % 6 65771 käytetyistä autonrenkaista jauhettua kumia, jonka rae-suuruus on korkeintaan 10 mm.

Suomalaisen hakemuksen FI 790152 tavoitteena on betoni-massojen kutistumisen kompensointi. Tähän pyritään sekoittamalla betonimassaan käytetyistä autonrenkaista jauhettua kumia, jonka hiukkaskoko on korkeintaan 10 ^um ja määrä korkeintaan 35 % vahvistekuitumäärästä. Kohde edellyttää siis myös vahvistekuitujen käyttämistä, jolloin kumin määrän suhde kuitujen määrään on tärkeä.

Missään näistä tunnetuista menetelmistä ei ole kuitenkaan käsitelty betonin huokosiin imeytyneen veden jäätymisestä aiheutuvia ongelmia ja niiden ratkaisemista ja vain suomalaisen hakemuksen FI 790152 mukaisessa menetelmässä on käytetty mikrokokoista kumijauhetta, alle 10 ^uro, joka kuitenkin on pienempää kuin esillä olevassa menetelmässä, mutta siinä on kumijauheen lisäksi käytetty vahvistekui-tuja ja menetelmän tarkoituksena on kompensoida betonin normaali kutistuminen.

Keksinnön mukainen menetelmä perustuu siis siihen,että aikaisemmin käytetyt ilmakuplat ja muovirakkulat korvataan mikrokokoa olevilla kumijauhehiukkasilla. Betoni-massaan sekoitetaan tarpeen mukaan tarkoin optimoitu määrä, 0,2-2 % sideaineen määrästä, jauhettua kumia, erityisesti käytetyistä autonrenkaista valmistettua kumijauhet-ta. Käytetty kumi on näin ollen yleensä luonnon- ja synteettisen kumin seos ja sisältää edullisesti esimerkiksi 30 % luonnonkumia ja 70 % synteettistä kumia, esimerkiksi styreenibutadieeniä ja polybutadieeniä. Kumijauheella saadaan betoniin ne tilat, joihin betonissa jäätyvän veden paine pääsee purkautumaan. Jään sulaessa kokoonpuristunut elastinen kumi työntää jälleen veden pois ja on valmis taas paineen vaikutuksesta puristumaan kokoon. Optimi hiukkas-koolle löytyy alueelta 10-250 ^um. Kumihiukkaset muodostavat kovettuneeseen betoniin tasapintaisia, suljettuja mikrohuokosia. Tasapintaisuus on tärkeä dislokaatioiden siirtymisen estämiseksi.

7 65771

Sulkeutuneisuus on tärkeä, jotta huokoset toimisivat puskureina jäätyessään paisuvalle vedelle.

Betonin säänkestävyys jäätymislaajeneman suhteen ilmaistaan betoniteknologiassa ns. jäätymislaajenemaluvulla. Jäätymislaajenema ilmoittaa vesisäilytyksessä olleen koekappaleen pituudenmuutoksen jäädytysvaiheessa verrattuna lämpötilakertoimen mukaan laskettuun pituudenmuutok-seen. Mitä negatiivisempi tämä luku on sitä paremmin betoni kestää jäätyvän veden aiheuttamia rasituksia.

Sen ollessa positiivinen betonisessa koekappaleessa vallitsee vetojännitystila ts. halkeilulle altis jännitystila.

Kaikissa menetelmän mukaan valmistetuissa ja tarkistetuissa koekappaleissa jäätymislaajenemaluku on ollut negatiivinen, joista seuraavassa pari esimerkkiä:

Esimerkki 1

Kumijauhemäärä: 0,5 paino-% sideainemäärästä

Rakeisuus: noin 100 yum Jäätymislaajenema: - 27 ^,um/m

Esimerkki 2

Kumijauhemäärä: 1,5 paino-% sideainemäärästä

Rakeisuus: 80-200 yllin Jäätymislaajenema: - 42 yum/m

Keksinnön mukaisen menetelmän olennaisia etuja ovat seu-raavat:

Kumijauheella sekoitettu betonimassa kestää luonnollisesti ns. kuumabetonin vaatiman lämpötilan 80°. Menetelmä on helppo toteuttaa koska jauhettu kumi on helposti juoksevaa eikä paakkumaista ja voidaan sen takia annos- 8 65771 telia suoraan betoniin. Kumijauheen valmistaminen on myös yksinkertaista. Käytöstä poistetuista autonrenkaista kuoritaan kumiosa irti tunnetulla menetelmällä ja jauhetaan sopivaan halkaisijasuuruuteen. Jauhaminen voidaan tarvittaessa suorittaa alhaisessa lämpötilassa jauhatusenergiatarpeen minimoimiseksi. Keksinnön mukaisen menetelmän suurimpia etuja on näin ollen sen yksinkertaisuus ja ennenkaikkea sen alhainen hinta, johon olennaisesti vaikuttaa se, että raaka-aineena käytetään jätetavaraa.

Claims (5)

65771

1. Menetelmä betonin tekemiseksi säänkestäväksi järjestämällä betonin huokosiin imeytyneelle vedelle mahdollisuus laajeta veden jäätyessä, tunnettu siitä, että betonimassaan sekoitetaan kumijauhetta, jonka hiukkaskoko on välillä 10-250 ^um.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kumijauhetta lisätään 0,2-2 paino-% sideainemäärästä laskettuna.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kumijauhe on jauhettu käytetyistä autonrenkaista.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kumijauhe on luonnonkumia tai synteettistä kumia tai näiden seosta.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kumijauhe on seos, joka sisältää 30 % luonnonkumia ja 70 % synteettistä kumia, joka on esimerkiksi styreenibuta-dieenin ja polybutadieenin seosta.