FI72965B - Foerfarande foer snabb haerdning av betong vid sprutning av betong. - Google Patents

Description

72965

Menetelmä betonin nopeaksi kovettamiseksi betonin ruiskutuksessa

Esillä olevan keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen menetelmä betonin nopeaksi kovettamiseksi betonin ruiskutuksessa.

Nykyisillä betonimateriaaleilla, joissa tyypillisesti käytetään kiviainesten ja hiekan liimana hydraulisesti kovettuvaa sideainetta 200 - 450 kg/m^, saavutetaan tarvittava purkulu-juus, jota mitataan puristuslujuudella, yleensä noin yhden vuorokauden aikana. Tavanomaisella Portlandsementillä on purkulujuus suuruusluokkaa 10 MPa.

Portlandsementille on tyypillistä ns. kalkkisysteemi, jossa pääasiassa trikalsiumsilikaatti vapauttaa hydratoituessaan kalkkia ja muodostaa dikalsiumsilikaattihydraattia ja vapaata kalsiumhydroksidia. Muunlaisiakin hydraulisia sideaineita tunnetaan, kuten esimerkiksi potsolaanisia sideaineita, joissa päinvastoin kuin Portlandsementissä kalkki sitoutuu kalsiumsilikaattituotteisiin muodostaen tällöinkin dikalsiumsilikaattia. Kolmannen tunnetun sideaineryhmän muodostavat ns. alkaliaktivoidut sideainesysteemit, joissa kalkkia ei vapaudu eikä sitoudu. Tällainen on mm. masuuni-kuonasementtiin ja vastaaviin raakaineisiin perustuva ns. F-sementti, jossa käytetään hyväksi entropiamuutosta lasimai-sesta tilasta kiteiseksi, jolloin samaan aikaan muodostuu silikaattimineraalista kiteinen silikaattihydraattimineraa- li.

Kaikki edellä luetellut nykyiset betonin sideaineet perustuvat silikaattihydraatin muodostumiseen, eli ts. betonin kovettumiseen tarvitaan vettä.

Myöhemmin, yli kymmenen vuotta sitten on tullut tunnetuksi säädellyn sitoutumisajän sementti eli ns. jet-sementti, toiselta nimeltään ultra-rapid-hardening sementti. Jet-sementin 2 72965 klinkkerimateriaalissa on suuri kalsiumaluminaattipitoisuus sekä lisäksi kalsiumaluminaattifluorideja tai -klorideja, tavallisimmin fluorideja. Tällaisella jet-sementillä saavutetaan tarvittava 10 MPa puristuslujuus huoneen lämpötilassa muutamssa tunnissa.

Kun pyritään entistä nopeammin kovettuviin betonimateriaa-leihin voidaan käyttää kohotettua lämpötilaa, joka vaikuttaa tunnetun Arheniuksen lain mukaan siten, että kemiallisten reaktioiden nopeus kasvaa aina kaksinkertaiseksi lämpötilan noustessa 10°C ellei muita rajoittavia tekijöitä ole systeemissä. Betoniteknologiassa onkin ollut tavanomaista ja tyypillistä sekä edelleen kehittyvää käyttää joko valetun tuotteen lämpökäsittelyä tai nykyisin yhä enemmän kuumaa betonimassaa .

Betoniteknologiassa käytetään lisäksi myös kiihdyttimiä. Kiihdyttimillä tarkoitetaan kalkin liukoisuutta lisäävien anionien lisäämistä tuoreen betonimassan mukana olevaan veteen, jolloin kalsiumionien konsentraatiota voidaan nostaa ja näin kalkin aiheuttaman autokatalyyttisen reaktion nopeus kasvaa. Tunnettuja kiihdyttimiä ovat kloridit, formiaatit, nitraatit ja nitriitit, muutamia mainitaksemme.

Betonin valutekniikassa tunnetaan pääasiallisesti kolme tavallisimmin käytettyä menetelmää: 1) Notkean betonin menetelmä, jossa massa on niin notkeaa, että se tiivistyy ja asettuu paikalleen pelkästään kaatamalla ja sitä ehkä hieman liikuttelemalla (täryttä-mällä, jolloin ilmakuplat poistuvat ja massa tiivistyy).

2) Jäykän betonin menetelmä, jossa käytetään ulkoisia kiih-tyvyysvoimia, kuten hydraulista tärytystä tai massa mukana liikuteltavia erillisiä tärysauvoja, jotka aiheuttavat tiksotrooppisessa materiaalissa tiivistymistä.

3) Ekstruusiomenetelmä, jossa betonimassa tiivistetään eks-truusioruuvien avulla kompaktiin muotoon. Ektruusio- 3 72965 menetelmällä valmistetaan tällä hetkellä pääasiassa ontelolaattoja sekä jossain määrin pilareita ja palkkeja esijännitettyjen terästen ympärille.

Neljäs, pohjoismaissa varsin harvoin käytetty menetelmä on ruiskutus, jossa betonimateriaalin kineettistä energiaa ja törmäyksestä kiinteään seinämään saatua impulssivoimaa käytetään tiivistämisessä hyväksi. Ruiskutusmenetelmää käytetään tietyissä ferrobetonituotteiden, kupolirakenteiden ja louhintatöiden suojauksessa hyväksi silloin kun valamista ei voida suorittaa.

Betonin karbonoiminen yleensä on tunnettua jo vuosilta 1870, US-patenttijulkaisu 109 669 (Rowland), ja 1872, US-patentti-julkaisu 128 980. Näissä julkaisuissa on selostettu karbo-nointi-hiilidioksidikaasun liuotusta betonin sekoitusveteen. Myöhemmältä ajalta tunnetaan edelleen amerikkalaisia patentteja, mm. 2 496 895, 3 149 986, 3 468 993 ja 3 492 385. Em. patenteissa puristetaan betonia hiilidioksidin läsnäollessa ja käsitellään betonia erilaisissa kammioissa joko tyhjiön kanssa tai ilman sitä.

FI-kuulutusjulkaisussa 66139 (Roman Malinowski) käsitellään valetun betonituotteen karbonointia yhdessä tyhjiön kanssa lähinnä imubetonilattioille tai vastaaville tuotteille.

Missään näissä patenteissa ei kuitenkaan ole käsitelty ruiskutus- ja karbonointimenetelmän käyttämistä yhtä aikaa, kuten esillä olevassa keksinnössämme.

Tässä keksinnössämme yhdistetään ruiskutustekniikka ja ns. karbonointitekniikka edullisesti siten, että käytetään yksipuolista muottia ja muotin nopeata purkua hyväksi. Läm-pöeristetyn rakenteen ollessa kyseessä suoritetaan ruiskutus suoraan lämpöeristeen pintaan ja vastaavasti yleensä rakenteen pinnoituksessa suoritetaan suora nopeasti kovettuva pintaruiskutus.

4 72965

On yleisesti tunnettua, että betonimateriaali, josta hydra-taatioreaktioiden seurauksena edellä kerrotun mukaisesti on vapautunut kalsiumhydroksidia, voidaan esimerkiksi hiilidioksidin avulla karbonoida siten, että vapaa kalsiumhydroksidi muodostaa erittäin nopean reaktion avulla hiilidioksidin kanssa kalsiumkarbonaattia, mikä johtaa betonimateriaalin nopeaan esijäykistymiseen.

Näitä kokeita on joskus yritetty suorittaa mm. sulkuni Uoteissa siten, että betonin sekoitusmyllyyn johdetaan hiilidioksidia. Tämä tavallisimmin johtaa kuitenkin massan liian nopeaan jäykistymiseen.

Nyt olemme havainneet, että on edullista suorittaa karbo-nointi betonimassalle, joka on ehtinyt hydratoitua tietyn asteen usein edullisesti hidastettuna siten, että huolimatta hydrataation ja kalkin vapautumisen edistymisestä ei varsinaista kiteytymistä vielä ole ehtinyt tapahtua; ja suorittaa karbonointi sellaisen ruiskutuksen yhteydessä, jossa massa ruiskutetaan kaasun paineen avulla siten, että massa törmää muottimateriaaliin ja siinä jo olevaan massaan riittävällä nopeudella. Massalle betoniruiskussa nopeutta antavana ajo-aineena käytetään tällöin kaasua, joka sisältää tai on pelkästään hiilidioksidia. Hiilidioksidin pitoisuus ajoaineessa on siten sopivimmin 20...100 %, edullisesti n. 100 %.

Pelkän hiilidioksidiajoaineen avulla ei kuitenkaan saada riittävästi hiilidioksidia tunkeutumaan betonimassan sisään. Toisena uutena havaintona on todettu, että tuomalla betoni-massaan aktiivisesti ainakin jonkin verran hiilidioksidia ennen ruiskutusta samalla kun estetään betonimassan nopea esijäykistyminen voidaan sen hiilidioksidipitoisuutta kohottaa ja säätää halutulla tavalla. Mikäli hiilidioksidi tuodaan massaan käyttämällä hiilidioksidikaasun ylipainetta, tulee tällöin sekoituslämpötilaa alentaa 5...10°C huoneenlämpötilan alapuolelle. Toisaalta hiilidioksidi voidaan tuoda tuoreeseen betonimassaan muodostamalla siihen oleellisesti pinta-aktiivisesta aineesta, vedestä ja hiilidioksidista koostuva vaahto ennen ruiskutusta.

5 72965 Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle menetelmälle on pääasiallisesti tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Hiilidioksidivaahto voidaan joko muodostaa betonimassasta täysin erikseen, jolloin se sekoitetaan pumppu- ja ruisku-laitteiston letkussa betonimassaan vähän ennen ruiskutusta, tai se voidaan muodostaa lisäämällä pinta-aktiivisia aineita betonimassaan ja johtamalla sen jälkeen osa ajoaine-hiili-dioksidista sekoittaen siihen.

Ruiskutuslaitteessa ajoaine ja pumpattava betonimassa sekoitetaan joko mekaanisella sekoituslaitteella, jolla on ulkoinen käyttövoima, tai staattisella sekoittimella, jossa käytetään hyväksi pumpattavien aineiden ja ajokaasun kineettistä energiaa.

Keksinnön mukaan poistetaan edullisesti betonimassasta ilma vakuumikäsittelyn avulla ennen hiilidioksidin tuontia massaan. Hydrataatioreaktion vapaan kalkinmuodostuksen maksimoimiseksi lisätään betonimassaan edelleen tunnettuja hidastimia, jotka ehkäisevät materiaalin kiteytymisen vaikka hyd-rataatio on jo edennyt varsin pitkälle. Vapaan kalkin muodostuksen maksimoimiseksi lisätään betonimassaan myös kiih-dyttimiä, joilla nostetaan kalsiumin liukoisuutta sekoitus-vedessä .

Betonimassan vesi/sementti-suhteen pitämiseksi alhaisena käytetään tunnettuja notkistimia kuten lignosulfonaatteja, naftaleenisulfonaattikondensaatteja tai melamiiiniformalde-hydikondensaattien sulfonaatteja.

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja. Niinpä hiilidioksidihuokosten määrä voidaan haluttaessa korottaa ainakin 70 tilavuusprosenttiin. Hiilidioksidin määrällä voidaan taasen säädellä betonimassan lujuuden ja pH:n kehitystä. pH:n alentaminen on tarpeen esimerkiksi käytettäessä alkalisessa ympäristössä syöpyvää kuitu- tai verkko-vahvistusta, kuten lasikuitua. Keksinnön mukaan ruiskutettu 6 72965 betonituote saavuttaa lisäksi välittömästi ruiskutuksen jälkeen tuotteelta yleensä vaadittavan käsiteltävyyden.

Keksintöä ryhdytään seuraavissa suoritusesimerkeissä lähemmin tarkastelemaan viitaten oheisiin kuvioihin.

Kuvio 1 esittää penetrometri-käyrän, josta ilmenee keksinnön mukaisesti ruiskutetun massan kestämä paino grammoina ajan funktiona.

Kuvio 2 esittää puolestaan massasta valmistetun koeprisman katkaisupinnan, jolle on suoritettu fenoftaleenikoe.

Esimerkki 1

Portland-sementtiä, jonka trikalsiumsilikaattipitoisuus oli 62 %, käytettiin betonin valmistamiseen. Sementin määrä betonimassassa oli 400 kg/m3 ja veden ja sementin välinen suhde 0,4. Massassa käytettiin notkistimena 1 p-% naftaleeni-formaldehydi-sulfonaattikondensaattia. Materiaalin loppuosa koostui hiekasta, jonka raekoko oli < 1 mm.

Pinta-aktiivisesta aineesta, vedestä ja hiilidioksidista muodostettiin vaahto ja se sekoitettiin pumppu- ja ruisku-laitteiston letkussa betonimassaan vähän ennen ruiskutusta, siten että hiilidioksidihuokosten määrä oli n. 70 tilavuusprosenttia massasta. Ruiskutuslaitteessa ajoaine-hiilidioksi-di ja pumpattava betonimassa sekoitettiin mekaanisella se-koituslaitteella.

Pinta-aktiivisena aineena voidaan käyttää mitä tahansa vaah-tobetonin valmistuksessa käytettävää, tai muuta lisähuokois-tusainetta. Esimerkkeinä mainittakoon synteettiset tensidit, luonnolliset ja synteettiset hartsit ja hartsisaippuat, sekä sulfonoitujen Öljyjen tai rasvahappojen alkalimetallisuolat. Pinta-aktiivinen aine voi myös sisältää vaahdon stabilointiaineita, kuten proteiineja (esim. perunaproteiinia) tai sentapaisia aineita. Käytettävä ainemäärä valitaan halutun vaahtomäärän ja pinta-aktiivisen aineen mukaan, tavallisesti pinta-aktiivista ainetta tarvitaan 0,05...5 % veden painosta. Nämä eivät kuitenkaan ole ehdottomia raja-arvoja.

7 72965

Betonilaastia, joiden huokosiin oli edellä esitetyllä menetelmällä tuotettu hiilidioksidikaasua (CO2), ruiskutettiin betonilaastipumpulla 10 Bar:n paineessa ja 20eC:n lämpötilassa käyttäen ajoaineena hiilidioksidikaasua. Ruiskutus suoritettiin koeprismoihin ja solupolystyreenilaattaan, jossa oli polyetyleenipinnoitettu lasikuituverkko.

Ruiskutetusta massasta otettiin näyte penetrometrikoetta varten, jonka avulla seurattiin massan kovettumista. Kuviossa 1 esitetään penetrometri-käyrä, josta ilmenee massan kestämä paino grammoina C g -10 2) ajan funktiona. Penetrometrin lukemasta nähdään, että purkuun tarvittava alkujäykkyys on saavutettu jo noin 5 min kuluttua ja 5,5 tunnin lujuus prismassa oli jo 28 MPa. (Penetrometrin skaala on suhteellinen). Heti kokeen alkaessa massa kesti painon 1-102 g (= 100 g).

Käytännössä edellä mainittu ilmeni siten, että ruiskutettu massa jäykistyi heti ruiskutuksen jälkeen. Mitään massan valumista ei tapahtunut. Näin ollen ruiskutettu betonituote on välittömästi ruiskutuksen jälkeen saavuttanut tuotteelta yleensä vaadittavan käsiteltävyyden. Vastaava käsiteltävyys saavutetaan tavallisella nopeasti kovettuvasta semenetistä valmistetulla betonilla noin kolmen tunnin kuluttua sekoituksesta .

Koeprismat pidettiin 28 vuorokautta ilmastoidussa huoneessa. Tämän jälkeen yksi prisma katkaistiin ja katkaistulle pinnalle suoritettiin fenoftaleenikoe, jossa ilmeni selvästi karbonoituminen (kuvio 2). Oheisesta murretun prisman kuvasta nähdään, että priman sisäosassa pH on n. 10 ja ulkokuoressa n. 8, koska käytetty väri-indikaattori muuttaa väriä pH-arvossa 8...10,0.

Koe osoitti, että menetelmällä on mahdollista alentaa betonin pH nopeasti riittävän alhaiseksi esimerkiksi lasikuidun alkaalikorroosion eliminoimista varten.

Kuten yllä mainittiin voidaan keksinnön puitteissa tietenkin ajatella edellä kuvatusta suoritusesimerkistä poikkeaviakin ratkaisuja, kuten seuraavissa esimerkeissä esitetään.

8 72965

Esimerkki 2

Edellisestä esimerkistä poiketen korvattiin käytetystä hiekasta 1/10 dolomiittikivellä, raekoko 0...0,5 mm. Massaa esikäsiteltiin hidastimella, jona käytettiin natriumgluko-naattia 0,1 % massan painosta. Sanottua massaa sekoitettiin ja seisotettiin ennen ruiskutusta tavanomaisen 2 minuutin sijasta 20 minuuttia, minkä tarkoituksena oli vapauttaa hyd-rataatiosta muodostuvaa vapaata kalkkia tavanomaista enemmän. Tämän jälkeen suoritettiin ruiskutus ja karbonointi kuten edellä on selostettu. Massan kovettumista ilmaiseva penetraatiokäyrä muistutti edellisessä esimerkissä saatua käyrää.

Esimerkki 3

Esimerkin 1 mukaiseen betonimassaan johdettiin hiilidioksidi-ilmakehässä ylipaineen avulla hiilidioksidikaasua sekoittaen. Sekoitusaika oli 7 minuuttia, ja lämpötilaa pidettiin 5...10°C alle huoneenlämpötilan (eli 10 ... 15°C:ssa). Näin valmistettu hiilidioksidipitoinen massa oli käsiteltävissä noin 1 tunnin ajan. Massa ruiskutettiin esimerkissä 1 kuvatulla tavalla. Massan kovettumista seurattiin penetrometri-laitteella. Tämän kokeen penetrometri-käyrä muistutti kuvion 1 käyrää, sillä erotuksella, että varsinainen kovettuminen tapahtui n. tuntia aikaisemmin kuin esimerkissä 1.

Claims (12)

72965

1. Menetelmä betonin nopeaksi kovettamiseksi betonin ruiskutuksessa, jossa menetelmässä käytetään sellaisiin klinkke-reihin perustuvaa sementtiä, jotka vapauttavat hydrataatio-reaktion vaikutuksesta kalsiumhydroksidia, tunnettu siitä, että tuoreeseen betonimassaan tuodaan aktiivisesti ainakin 'jonkin verran hiilidioksidia ennen massan ruiskutusta samalla kun estetään betonimassan nopea esijäykistyminen, ja massa ruiskutetaan käyttämällä ajoaineena hiilidioksidia , jolloin betonimassaan kerääntynyt hiilidioksidi saa aikaan betonin nopean kovettumisen ja emäksisyyden alentumisen 28 vuorokauden kuluessa edullisesti ainakin n. pH-arvoon 10.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että hiilidioksidi tuodaan tuoreeseen betonimassaan muodostamalla siihen oleellisesti pinta-aktiivisesta aineesta, vedestä ja hiilidioksidista koostuva vaahto ennen massan ruiskutusta.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että hiilidioksidivaahto muodostetaan betoni-massaan lisäämällä siihen ennen ruiskutusta pinta-aktiivisia aineita, ja johtamalla osa ajoaine-hiilidioksidista ruiskutuksen aikana sekoittaen betonimassaan.

4. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että hiilidioksidivaahto muostetaan betonimassasta erikseen, jolloin se sekoitetaan ruiskutuksessa käytettävän pumppu- ja ruiskulaitteiston letkussa betonimassaan vähän ennen ruiskutusta.

5. Jonkin patenttivaatimuksen 2-4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käytetään pinta-aktiivista ainetta, joka myös sisältää vaahdon stabilointiainetta. 10 72965

6. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ajoaine ja pumpattava betonimassa sekoitetaan ruiskutuslaittessa mekaanisella sekoituslaitteella tai staattisella sekoittimellä.

7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että betonimassasta poistetaan ilma vakuumikäsittelyn avulla ennen hiilidioksidin tuontia massaan .

8. Jonkin patenttivaatimuksen 1-7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hydrataatioreaktion vapaan kal-kinmuodostuksen maksimoimiseksi käytetään betonimassaan tunnettuja hidastimia, jotka ehkäisevät materiaalin kiteytymisen vaikka hydrataatio on jo edennyt varsin pitkälle.

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että betonimassaa sekoitetaan ja seisotetaan ennen ruiskutusta noin 20 minuuttia.

10. Jonkin patenttivaatimuksen 1-7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että betonimassan esijäykistymisen hidastamiseksi sen sekoituslämpötilaa pidetään 5...10°C alle huoneenlämpötilan.

11. Jonkin patenttivaatimuksen 1-10 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vapaan kalkin muodostuksen maksimoimiseksi lisätään betonimassaan myös kiihdyttimiä, joilla nostetaan kalsiumin liukoisuutta sekoitusvedessä.

12. Jonkin patenttivaatimuksen 1-11 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vesi/sementti-suhteen pitämiseksi alhaisena käytetään betonimateriaalissa tunnettuja notkistimia, kuten lignosulfonaatteja, naftaleenisulfonaatti-kondensaatteja tai melamiiniformaldehydikondensaattien sul- fonaatteja. 11 72965