FI78307B - Foerfarande foer framstaellning av en haerdbar komposition. - Google Patents

Description

78307

MENETELMÄ KOVETTUVAN SEOKSEN VALMISTAMISEKSI - FÖRFARANDE FÖR FRAMSTÄLLNING AV EN HÄRDBAR KOMPOSITION

Tämän keksinnön kohteena on menetelmä kovettuvan seoksen valmistamiseksi, jossa menetelmässä runkoaine, kuten hiekka, sora ja/tai kuidut, sideaine, joka muodostuu osaksi sementistä ja osaksi masuunikuonasta, masuunikuonan kovettumista edistävä aktivointiaine, joka on alkalihydroksidia, alkalikarbo-naattia, vesilasia tai alkalisulfaattia, sekä mahdolliset lisäaineet yhdistetään veteen.

Keksinnön mukaisesti valmistettavia kovettuvia seoksia ovat varsinkin betonit ja laastit, joissa runkoaineen muodostaa hiekka tai sora, jonka karkeus vaihtelee sovellutuskohteen mukaan. Lisäksi keksintö kattaa levymäisiksi tuotteiksi puristettavat seokset, joissa runkoaineena ovat kuidut, varsinkin jauhetut tai hierretyt puukuidut.

Etenkin betoniseoksissa on perinteisen Portland-sementin ohella alettu viime aikoina lisääntyvässä määrin käyttää sideaineena masuunikuonaa, joka on raakaraudan valmistuksessa syntyvä sivutuote. Masuunikuona muistuttaa kemialliselta koostumukseltaan sementtiä muodostuen pääasiassa kalsiumin, piin, alumiinin ja magnesiumin oksideista. Kuitenkin kuona eroaa oleellisesti sementistä siinä, että piin määrä suhtees-. . sa kalsiumin määrään on siinä huomattavasti suurempi; kun se mentissä suhde CaO/SiOg on suurempi kuin 2, on ko. suhde kuonassa alueella 0,9-1,3.

Eräs merkittävä syy Portland-sementin korvaamiseen masuuni-kuonalla on viimeksimainitun materiaalin halvempi hinta. Kuitenkin masuunikuonan lisääntyvä käyttö on perusteltua myös ____ sen teknisten ominaisuuksien vuoksi. Niinpä kuona vaikuttaa betonin lujuusominaisuuksiin siten, että se sementtiä hitaammin kovettuvana heikentää betonin valun jälkeistä varhaislu-juutta mutta sen jälkeen antaa betonille ainakin saman tai 2 78307 jopa suuremman lujuuden kuin Portland-sementti. Sementtiin verrattuna kuona antaa betonille lisäksi paremman sulfaatin-kestävyyden, kuten myös paremman merivedenkestävyyden etenkin korkeilla kuonapitoisuuksi1la.

Masuunikuonan käytön haittapuolena on ollut jo edellä mainittu hidas kovettuminen Portland-sementtiin verrattuna. Kuonan kovettumista voidaan tosin nopeuttaa erilaisilla akti-vointiaineilla, mutta näistä on ollut merkittävää hyötyä ainoastaan silloin, kun betonissa on käytetty sideaineena yksinomaan kuonaa. Kuonan ja sementin seoksia käytettäessä ak-tivointiaineet ovat osoittautuneet haitallisiksi, sillä ne häiritsevät sementin kovettumista.

Tämän keksinnön tarkoituksena on muodostaa uudenlainen menetelmä betonin tai muun kovettuvan seoksen valmistamiseksi, joka mahdollistaa aktivointiaineen tehokkaan käytön niissä tapauksissa, joissa seokseen sisällytetään samanaikaisesti sekä sementtiä että masuunikuonaa. Tunnusomaista keksinnön mukaiselle menetelmälle on se, että sementti ja masuunikuona saatetaan seokseen eri vaiheissa siten, että ensin masuuni-kuona ja aktivointiaine sekoitetaan veteen ja sen jälkeen seuraavassa vaiheessa seokseen lisätään sementti.

·· Keksinnön mukaisen kuonan ja sementin eriaikaisen lisäyksen ajatuksena on se, että aktivointiaineen annetaan absorboitua kuonaan niin, ettei se sen jälkeen enää vaikuta jälkeenpäin lisättävään sementtiin eikä haittaa sen kovettumista. Mainittu ajatus on tosin toistaiseksi vain olettamus, eikä se sinänsä rajoita keksintöä, mutta sitä tukevat jäljempänä esitettävät koetulokset, jotka osoittavat keksinnön edullisuuden tunnettuun, sementin, kuonan, aktivointiaineen ja veden samanaikaiseen yhdistämiseen verrattuna.

Koska aktivointiaine kiinnittyy vedessä välittömästi kuonaan, -· voitaisiin sementti tuoda seokseen heti sen jälkeen, kun kuo- nan, aktivointiaineen ja veden seos on saatu homogeeniseksi, eli käytännössä n. 5 sek kuluttua sekoitushetkestä. Sopivim- 3 78307 min sementti lisätään n. 15 sek-3 min sen jälkeen, kun kuona ja aktivointiaine on sekoitettu veteen. Hiekka, sora, puukui-dut tms. runkoaines olisi mahdollista tuoda seokseen samanaikaisesti sementin kanssa, mutta mieluimmin ko. ainekset lisätään vasta sitten, kun kuona ja sementti ovat sekoittuneet vedessä keskenään, esim. muutama minuutti sementin lisäyksen jälkeen. Takarajana runkoaineen lisäykselle on sideaineiden eli kuonan ja sementin kovettumisprosessin alkaminen n. 30-60 min kuluttua siitä, kun ne on yhdistetty veteen.

Masuunikuonan ja sementin keskinäinen suhde keksinnön mukaisesti valmistettavissa seoksissa voi vaihdella rajoissa 10-78 % kuonaa ja 90-22 % sementtiä. Kuitenkin seoksissa on yleensä kannattavaa pyrkiä mahdollisimman suureen kuonan osuuteen.

Keksinnön erään edullisen sovellutuksen mukaan seokseen käytetään masuuni kuonaa, joka on jauhettu suurempaan hienouteen kuin käytettävä sementti. Masuunikuonan ominaispinta-ala voi olla esim. suurempi kuin 500 m* /kg tai jopa suurempi kuin 1000 m*/kg, kun taas käytettävällä sementillä ominaispin-ta-ala jää tyypillisesti pienemmäksi kuin 500 m*/kg. Masuuni-kuonan korkea-asteisella jauhatuksella kyetään parantamaan saatavan betonin tai kuitulevyn lujuutta, erityisesti sen varhaislujuutta.

Niistä lisäaineista, joita voidaan käyttää keksinnön mukaisessa menetelmässä, on mainittava erityisesti notkistimet, jotka pinta-aktiivisina aineina parantavat saatavan seoksen valettavuutta. Edullisiksi notkistimiksi on havaittu sulfo-noidut polyelektrolyytit, varsinkin vesiliuoksena käytettävä 1ignosulfonaatti, joka voidaan sekoittaa veteen samanaikaisesti masuunikuonan ja aktivointiaineen kanssa.

4 78307

Keksintöä valaistaan seuraavassa suoritusesimerkeillä, joissa on vertailtu keksinnön mukaisella eriaikaisella sekoituksella ja tunnetulla samanaikaisella sekoituksella saatujen betonien (esim. 1-3), laastien (esim. 4) ja lastulevyjen (esim. 5) lujuusarvoja. Esimerkit eivät kuitenkaan rajoita keksintöä, jonka sovellutukset voivat vaihdella jäljempänä esitettyjen patenttivaatimusten puitteissa.

Esimerkki 1

Mikrobetonia valmistettiin laboratoriomittakaavassa kahdessa erässä käyttäen kummassakin samoja materiaalikomponentteja samoissa keskinäisissä suhteissa siten, että toisessa tapauksessa (koe 1) kaikki komponentit sekoitettiin samanaikaisesti ja toisessa tapauksessa (koe 2) keksinnön mukaisesti vaiheittain. Materiasiikomponentteina olivat RHPC-sementti (Rapid Hardening Portland Cement), jonka hienous oli 450 m* /kg, masuunikuona, jonka hienous oli 1200 m2/kg, silika, joka muodostui yli 90 %:sti hienoista, amorfisista SiO^-partikke-leista, aktivointiaine, jona oli 50 % NaOH-vesi1iuos, notkistin, jona oli 25 % 1ignosulfaatin vesiliuos, vesi sekä hiekka, jossa maksimihiukkaskoko oli 5 mm.

Kokeessa 2 komponenttien sekoitusjärjestys oli se, että masuunikuona ja silika sekoitettiin ensin veteen, jonka määrä oli 28 % kuonan määrästä, 1 min sen jälkeen lisättiin notkistin, 1 min notkistimen lisäämisen jälkeen lisättiin aktivaat-tori, 1 min aktivaattorin lisäämisen jälkeen lisättiin sementti lietettynä veteen siten, että tässä vaiheessa lisätyn veden määrä oli 32 % sementin määrästä, ja lopuksi 1 min sementin lisäyksen jälkeen lisättiin hiekka.

Seuraavassa taulukossa komponenttien määrät on esitetty kiloina/m3 valmista betonia, lukuunottamatta vettä, jonka määrä on annettu prosentteina sideaineen, ts. sementin ja kuonan yhteenlasketusta määrästä. Lisäksi taulukossa on esitetty kokeissa saatujen betonien puristuslujuudet (MN/m* ) sen * li 78307 jälkeen, kun betonia oli pidetty 5, 7 ja 14 tuntia lämpö tilassa +50°C.

K0E_1___________K0E_2___________ RHPC-sementti (kg/m3 ) 370 370

Kuona 150 150

Silika 20 20

Aktivaattori 9 9

Notkistin 7 7

Hiekka 1518 1518

Vesi (¾ sideain.) 32 32

Puristuslujuus (MN/m3 ) 5 h 9,5 25,0 7 h 25,2 34,8 14 h 43,2 49,1

Esimerkki_ 2 -- Valmistettiin kaksi ontelolaattaa käyttäen kumpaankin samoja materiaalikomponentteja samoissa keskinäisissä suhteissa siten, että toisen laatan valmistuksessa (koe 1) kaikki komponentit sekoitettiin samanaikaisesti ja toisen laatan yhteydessä (koe 2) keksinnön mukaisesti vaiheittain. Komponentit olivat samoja kuin esimerkissä 1, paitsi että esimerkin 1 mukaisen hiekan asemesta käytettiin erittäin hienojakoista täytehiekkaa, jonka hiukkaskoko oli 0-1 mm, hiekkaa, jonka hiukkaskoko oli 0-8 mm, sekä pieniä kiviä, joiden koko oli 6-12 mm.

Kokeessa 2 sekoitettiin masuunikuona, silika, aktivaattori, hienojakoinen täytehiekka, karkeampi hiekka ja pienet kivet samanaikaisesti veteen. 1 min tämän jälkeen lisättiin notkis- 6 78307 tin ja 1 min notkistimen lisäämisen jälkeen lisättiin kuiva sementti, minkä jälkeen betoniseos oli valmis valettavaksi.

Seuraavassa taulukossa on esitetty komponenttien määrät ja saatujen betonien puristuslujuudet samaan tapaan kuin esimerkissä 1. Puristuslujuudet on mitattu 100x100x100 mm:n suuruisista koekappaleista, jotka valettiin laattojen ohella ja joita oli pidetty 5 tai 8 tuntia lämpötilassa +50°C.

_________________K0E_1___________K0E_2___________ RHPC-sementti (kg/m3 ) 250 250

Kuona —"— 100 100

Silika 15 15

Aktivaattori -"- 8 8

Notkistin -"- 4 4

Hiekka 0-1 mm 218 218

Hiekka 0-8 mm 1159 1159

Kivet 6-12 mm 626 626

Vesi (% sideain.) 34 34

Puristuslujuus (MN/m* ) 5 h 13,0 17,0 8 h 26,0 37,6

Esimerkki 3

Julkisivubetöniä valmistettiin kuudessa erässä käyttäen kolmea erilaista materiaalikoostumusta siten, että kunkin kohdalla betoniseos muodostettiin sekä kaikkien komponenttien samanaikaisella sekoituksella (kokeet 1-3) sekä keksinnön mukaisella komponenttien vaiheittaisella sekoituksella (kokeet 4-6). Komponentit olivat samat kuin esimerkissä 2 ja komponenttien sekoitusjärjestys kokeissa 4-6 oli se, että 78307 masuunikuona, silika, aktivaattori, hienojakoinen täytehiekka (0-1 mm), karkeampi hiekka (0-8 mm) ja kivet (8-16 mm) sekoitettiin veteen samanaikaisesti, 1 min sen jälkeen lisättiin notkistin ja 1 min notkistimen lisäämisen jälkeen lisättiin kuiva RHPC-sementti· Komponenttien määrät eri kokeissa ja saatujen betonien puristuslujuudet on esitetty seuraavassa taulukossa samaan tapaan kuin esimerkeissä 1 ja 2. Puristus-lujuudet on saatu kussakin tapauksessa kolmen mittauksen keskiarvona 100x100x100 mm:n suuruisesta kappaleesta, jota on pidetty 8, 15 tai 24 tuntia lämpötilassa +40°C.

_KOE 1 KOE 2 KOE 3 KOE 4 KOE 5 KOE 6 RHPC-sementti (kg/m3 ) 127 101 76 127 101 76

Kuona -"- 108 133 160 108 133 160

Silika -"- 12 10 7 12 10 7

Aktivaattori % kuonan määrästä 3 3,5 4 3 3,5 4

Notkistin -"- 111111

Hiekka 0-1 mm (kg/m3 ) 220 220 220 220 220 220

Hiekka 0-8 mm 721 721 721 721 721 721

Kivet 8-16 mm -"- 1010 1010 1010 1010 1010 1010

Vesi (% sideain. ) 0,65 0,62 0,59 0,65 0,62 0,59

Puristuslujuus (MN/m* ) 8 h 4,0 4,5 3,0 7,5 7,2 7,6 15 h 6,5 5,5 5,1 10,9 9,1 10,0 24 h 10,3 10,0 10,5 15,2 14,5 16,0 E£im££kki_4

Laastia valmistettiin kahdessa erässä käyttäen kummassakin samoja materiaa 1ikomponentteja samoissa keskinäisissä suhteissa siten, että toisessa tapauksessa (koe 1) kaikki kompo- 78307 nentit sekoitettiin samanaikaisesti ja toisessa tapauksessa (koe 2) keksinnön mukaisesti vaiheittain. Laastin komponentit olivat samoja kuin esimerkin 1 mukaisessa mikrobetonissa. Komponenttien sekoitusjärjestys kokeessa 2 oli se, että masuunikuona ja silika sekoitettiin ensin veteen, jonka määrä oli 37,7 % kuonan määrästä, 1 min sen jälkeen lisättiin notkistin, 1 min notkistimen lisäyksen jälkeen lisättiin akti-vaattori, 1 min aktivaattorin lisäämisen jälkeen lisättiin sementti veteen lietettynä niin, että tässä vaiheessa lisätyn veden määrä oli 37,7 % sementin määrästä, ja lopuksi 1 min sementin lisäämisen jälkeen lisättiin hiekka. Komponenttien määrät ja saatujen laastien puristuslujuudet kovettumispro-sessin aikana on esitetty seuraavassa taulukossa samaan tapaan kuin edellisissä esimerkeissä. Puristuslujuudet on kussakin tapauksessa saatu kolmen mittauksen keskiarvona prismamaisesta kappaleesta, jonka mitat olivat 4x4x16 cm. Mittaukset tehtiin sen jälkeen, kun laastia oli pidetty 2, 5 ja 12 tuntia lämpötilassa +50°C.

78307 _____________________________ΚΟΕ_1___________Κ0Ε_2___________ RHPC-sementti (g/annos) 250 250

Kuona 250 250

Si1ikä 25 25

Aktivaattori % kuonan määrästä 3 3

Notkistin 1,2 1,2

Hiekka (g/annos) 1500 1500

Vesi (% sideain.) 0,377 0,377

Puristuslujuus (MN/m* ) 2 h 0 1,5 5 h 0 14,7 12 h 57,5 66,9

Esimerkki_5

Valmistettiin kaksi sideaineella vahvistettua lastulevyä käyttäen kumpaankin samoja materiaalikomponentteja samoissa keskinäisissä suhteissa siten, että toisen levyn yhteydessä (koe 1) kaikki komponentit sekoitettiin samanaikaisesti ja toisen levyn yhteydessä (koe 2) komponentit sekoitettiin keksinnön mukaisesti vaiheittain. RHPC-sementin, masuunikuonan, aktivaattorin ja notkistimen osalta komponentit olivat samoja kuin esimerkissä 1. Hiekkaa tai silikaa ei lastulevyihin käytetty, vaan sen sijaan runkoaineena olivat puukuidut, jotka olivat kuusta. Komponenttien sekoitusjärjestys kokeessa 2 oli se, että masuunikuona sekoitettiin ensin veteen, 1 min tämän jälkeen lisättiin notkistin, 1 min notkistimen lisäämisen jälkeen lisättiin aktivaattori, 1 min aktivaattorin lisäämisen jälkeen lisättiin sementti kuivana ja 1 min sementin lisäämisen jälkeen lisättiin puukuidut. 9 min puukuitujen lisäämisen jälkeen saatu seos puristettiin levyksi puristus- 10 78307 paineella 34 kg/cm* lämpötilassa 95°C puristusajan ollessa 5 min. Samalla tavalla tapahtui levyn puristus kokeessa 1.

Seuraavassa taulukossa on esitetty materiaalikomponenttien määrät, saatujen levyjen taivutusvetolujuudet mitattuina puristuksen jälkeen kolme ja seitsemän päivää lämpötilassa 20°C säilytetyistä levyistä sekä kolme ja seitsemän päivää säilytettyjen levyjen prosentuaalinen turpoama pidettäessä niitä vedessä kahden tunnin ajan.

______________________________KOE_l_____K0E_2________________ RHPC-sementti (g/annos) 240 240

Kuona 2142 2142

Aktivaattori (¾) kuonan määrästä 5 5

Notkistin 1,7 1,7

Puuikuidut (g/annos) 1020 1020

Vesi 762 762

Taivutusvetolujuus (N/mm2 ) 3 vrk 1,9 7,9 7 vrk 2,3 11,3

Turpoaminen vedessä (¾) 3 vrk - 4,3 7 vrk _ 4,0

Kokeessa 1 turpoamista ei voitu mitata, sillä levyt eivät pysyneet koossa.

Alan ammattimiehelle on selvää, että keksinnön erilaiset sovellutusmuodot eivät rajoitu edellisiin esimerkkeihin vaan 78307 voivat vaihdella oheisten patenttivaatimusten puitteissa. Niinpä esimerkiksi puukuitujen asemesta voidaan käyttää muita orgaanisia tai epäorgaanisia kuituja, kuten metalli-, muovi-tai lasikuituja. Valmistettavat seokset voivat edelleen sisältää silikan ohella muita putsolaaneja, kuten lento-tuhkaa, turvetuhkaa tai hienoksi jauhettua kvartsihiekkaa.

Claims (9)

12 78307

1. Menetelmä kovettuvan seoksen valmistamiseksi, jossa menetelmässä runkoaine, kuten hiekka, sora ja/tai kuidut, sideaine, joka muodostuu osaksi sementistä ja osaksi masuunikuo-nasta, masuunikuonan kovettumista edistävä aktivointiaine, joka on aikaiihydroksidia, alkalikarbonaattia, vesilasia tai alkalisulfaattia, sekä mahdolliset lisäaineet yhdistetään veteen, tunnettu siitä, että sementti ja masuunikuona saatetaan seokseen eri vaiheissa siten, että ensin masuuni-kuona ja aktivointiaine sekoitetaan veteen ja sen jälkeen seuraavassa vaiheessa seokseen lisätään sementti.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sementin lisäys tapahtuu aikaisintaan 5 sek sen jälkeen, kun sekä masuunikuona että aktivointiaine on yhdistetty veteen.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sementti lisätään 15 sek-3 min sen jälkeen, kun masuunikuona ja aktivointiaine on yhdistetty veteen.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, t u n n e t t u siitä, että menetelmällä valmistetaan beto-niseos käyttämällä runkoaineena hiekkaa, joka tuodaan seokseen sementin lisäyksen jälkeen.

5. Jonkin patenttivaatimuksista 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että runkoaineena käytetään puukui-tuja, jolloin seos soveltuu puristettavaksi levyksi.

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että masuunikuonan ja semenetin keskinäinen suhde seoksessa on rajoissa 10-78 % kuonaa ja 90-22 % sementtiä. 78307

7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että seokseen käytettävä masuunikuona on jauhettu suurempaan hienouteen kuin sementti.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että masuunikuonan ominaispinta-ala on suurempi kuin 500 m*/kg ja sopivimmin suurempi kuin 1000 m*/kg.

9. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että seoksessa käytetään notkistimena sulfonoitua polyelektrolyyttiä, kuten lignosulfonattia, joka yhdistetään veteen ennen sementin lisäämistä. 14 78307