FI90054B - Masugnsslaggbetong med hoeg haollfasthet - Google Patents

Description

! 90054

Korkealujuuksinen masuunikuonabetoni - Masugnsslaggbetong med hög hällfasthet 5 Tämä keksintö koskee korkealujuuksista betonimassaa, joka koostuu runkoaineesta ja sen sideaineena sellaisesta seos-sementistä, joka sisältää pääainesosana hienoksi jauhettua hydrataatiokykyistä masuunikuonaa ja aktivaattorina port-landsementtiä, jonka pitoisuus kuiva-aineessa on noin 10 14-50 paino-% masuunikuonasta, nesteytintä sekä vettä. Kek sintö koskee myös menetelmää tällaisen betonimassan valmistamiseksi .

Betonilta vaaditaan useissa yhteyksissä erittäin suurta 15 lujuutta, jolloin se antaa käyttäjälle kustannussäästöjä alentuneen tilavuuden ja sen vuoksi pienentyneen painon ansiosta. Tavoitteena on myös yleisesti saada loppukäyttäjälle aiheutuvat elinkaaren kustannukset pieniksi käyttämällä hyötytilaa antavaa ja kestävää suurilujuuksista beto-20 nia. Rakennuksissa sekä mekaanisen kulutuksen alaisena ja esim. korrodoivassa ympäristössä vaaditaan betonilta tiiviyttä sekä kemiallista kestävyyttä. Tämä on erityisen tärkeää kohteissa, joissa betonin pintakerroksen on suojat-: ; tava betonissa olevaa raudoitusta kemiallisesti kuormitet- 25 tuna. Tällainen tilanne vallitsee useissa teollisuusraken-teissa sekä esim. maantiesilloissa tiesuolan vaikutuksesta.

____ Valmistuksen tai rakennustyön kannalta edellytetään betoni- -·- massan helppoa työstettävyttä, ts. valettavuutta ja tiivis- tettävyyttä sekä riittävän nopeaa lujuudenkehitystä, jotta 30 rakennustöitä tai tuotantoa päästään kohtuullisessa ajassa jatkamaan.

On yleisesti tunnettua, että käyttämällä betoniseoksessa suurta sementtipitoisuutta voidaan saada hyvä mekaaninen 35 lujuus sekä tiivis sisäinen rakenne, ts. pieni huokoisuus. Käyttämällä nesteyttimiä juoksevuuden lisäämiseksi valun ·...· aikana voidaan seoksen vesipitoisuutta pienentää tavanomai sen käytännön mukaan, jolloin saadaan betonille kovettunut 2 90054 matriisi, jolla on suuri lujuus ja tasan jakautunut mikro-huokosrakenne.

Valitettavasti sementin, kuten portlandsementin, käyttöä 5 pienten vesi-sideaine-suhteiden ja lisäksi suurten sementti-määrien kanssa betonimassassa sen mekaanisen lujuuden ja tiiviyden lisäämiseksi rajoittaa massaseoksen juoksevuus ja reaktiivisuus. Kun sementin osuus materiaalissa lisääntyy, kasvaa hydratoitumisen aikana kehittyvän lämmön määrä, mikä 10 johtaa osittain kovettuneessa massassa sisäiseen säröilyyn johtuen lämpölaajenemiseroista kappaleen eri kohtien välillä. Tämä vaikutus korostuu kappaleen paksuuden tai koon kasvaessa kun lämmön siirtyminen pois kappaleen sisäosista vaikeutuu. Runsaasti sementtiä sisältävillä betoniseoksilla 15 on myös taipumusta lisääntyneeseen kutistumaan kovettumisen jälkeen, mikä tyypillisesti johtaa säröihin rakenteessa.

On tunnettua yrittää ratkaista näitä ongelmia, kuten julkaisussa FI-84594, käyttämällä betonimassassa erittäin 20 hienojakoista silikaa, jota syntyy piiraudan ja piin valmistuksen yhteydessä. Tällainen silika on hienoutensa ansiosta varsin aktiivista ja reagoi hydratoitumisen aikana muiden ainesosien kanssa. Erityisesti silika lisää betonin lujuutta ja tiiviyttä sekä nopeuttaa lujuuden saavuttamista, mutta 25 toisaalta sillä em. reaktion vuoksi on taipumusta lisätä kovettumisen lämmöntuottoa ja plastista kutistumaa sekä johtaa säröilyn lisääntymiseen. Suurilla silikapitoisuuksil-la on haittana se, että kohtuullisen juoksevuuden saamiseksi on tarpeen käyttää suuria nesteytinpitoisuuksia tai vaihto toehtoisesti suuria vesipitoisuuksia silikan erittäin suuren ominaispinta-alan vuoksi, mikä taas lisää joko kustannuksia tai vastaavasti huonontaa lujuutta.

Eräs tunnettu keino lämmöntuoton pienentämiseksi ja siten 35 halkeilun vähentämiseksi on käyttää sideaineessa masuunikuo-naa, jolloin tavanomaisesti masuunikuona on jauhettu joko erikseen tai yhdessä portlandsementin kanssa samaan hienouteen kuin sementti. Joissain normeissa tätä nimenomaan 3 90054 edellytetään kuten ilmenee esim. julkaisusta WO-90/09968. Kuonan osuus on tällöin 25-65 % portlandsementin ja masuuni -kuonan muodostamasta sideaineesta. Masuunikuona vaatii hydratoitumisprosessin alkamiseksi vapaata kalkkia tai alka-5 lia. Kuonan hydratoituminen siis progressiivisesti muuntaa vapautuvan kalsiumhydroksidin lujuutta edistäväksi kalsium-silikaattihydraatiksi.

Tavanomaisilla portlandsementin ja kuonan seoksiin perustulo villa betoneilla on huomattavasti alhaisempi lämmmöntuotto ja hitaampi lujuudenkehitys kuin pelkkään portlandsementtiin perustuvilla betoneilla. Masuunikuona edistää betonin kemiallista kestävyyttä. Masuunikuonabetonin etuna on vielä edullinen hinta masuunikuonan halpuuden vuoksi.

15

Yhteenvedonomaisesti voidaan todeta, että silikaa sisältävillä pelkkään portlandsementtiin perustuvilla betoneilla saadaan suuria lujuuksia (yli 100 MPa, kun ne tavanomaisilla portlandsementtibetoneilla ovat enintään n. 70-80 MPa ja 20 käytännössä yleensä enintään 40 MPa), mutta lämmöntuoton vuoksi kappalepaksuudet ovat rajoitetut halkeilun välttämiseksi, niiden korroosionkestävyys ei kaikissa olosuhteissa ole erityisen hyvä ja sideaineen hinta on varsin korkea raaka-aineiden korkean hinnan ja nesteyttimen suuren määrän 25 vuoksi. Huomattavasti masuunikuonaa sisältävään sideaineeseen perustuville betoneille taas on ominaista hyvä korroosionkestävyys, soveltuvuus paksuiksikin kappaleiksi pienen lämmöntuoton ansiosta sekä edullinen hinta, mutta haittana on alhainen tai tavanomainen lujuus (normaalisti n. 30 10-70 MPa) ja hidas lujuudenkehitys.

Patenttihakemuksessa JP-62036059, Denki Kagaku Kogyo KK, on ehdotettu betonin sideaineeksi seossementtiä, joka koostuu hienojakoisesta masuunikuonasta, erittäin hienosta :35 silikapölystä, sementistä ja muusta mahdollisesta aktivaat-torista sekä korkealuokkaisesta nesteyttimestä, Etuina esitetään pieni kutistuma, hyvä kemiallinen kestävyys sekä suuri lujuus. Julkaisun betonimassan sideaineessa on silikaa 4 9 G O 5 4 pääasiassa 20 % ja kaikissa seoksissa, joiden puristuslujuus tulee lähelle 100 MPa tai ylittää sen, on lisäksi 8-10 % kipsiä tai muuta alkaliaktivaattoria. Vesi-sideaine-suhteek-si mainitaan 0,125-0,30. Silikan ja veden perusteella voi-5 daan todeta, ettei kyse ole varsinaisesti valubetonista, vaan lähinnä laastista. Alkalilla saadaan lujuudenkehitys nopeaksi, mutta karbonatisoitumisriski lisääntyy. Alkaliak-tivoinnilla on ainakin myöhemmin tässä hakemuksessa todetuissa tapauksissa taipumusta johtaa mikrohalkeiluun.

10

Julkaisussa WO-90/09968, Slag Sand Pty. Ltd., on ehdotettu sellaista edellä kuvatun tyyppistä seossementtiä betonin sideaineeksi, joka koostuisi erittäin hienojakoisesta ma-suunikuonasta, jossa raekokojakautuma on pääasiassa välillä 15 12-1 μιη, ja aktivaattorina portlandsementtiä, jota on n.

15-45 paino-% sideaineen masuunikuonasta laskettuna. Lisäksi julkaisussa on kuvattu tällainen seos, jossa on vielä 10 paino-% silikaa sekä nesteytintä. Tällä menettelyllä on päädytty parhaimmillaan puristuslujuuteen 84 MPa, joka ei 20 ole erityisen hyvä arvo parhaisiin betoneihin verrattuna.

Syynä tähän saattaa olla julkaisusta ilmenevä suhteellisen suuri vesi-sideaine-suhde W/C 0,40-0,55, johon taas lienee syynä käytettyjen komponenttien varsin pieni raekoko kaiken kaikkiaan. Pieni raekokohan, ts. suuri ominaispinta-ala, ;.25 lisää yleisesti hyväksyttyjen oppien ja tiedon mukaan betonimassassa tarvittavan veden määrää, ts. vesi-sideaine-suhdetta. Tämä sideaine on myös suhteellisen kallis juuri " sideainekomponenttien tämän hienouden vuoksi, koska erittäin hienoksi jauhettaessa nousevat sen edellyttämät energia- ja 30 aikakustannukset jyrkästi. Kutistuman pienuuden ja korroosionkestävyyden suhteen tuloksena oleva betoni lienee hyvä ja lujuudenkehityksen kannalta kohtuullinen.

Edellä mainituissa julkaisuissa on selvästikin pyritty .35 soveltamaan sitä sekä betoni- että pigmenttitekniikassa tunnettua periaatetta, että massaseoksen juoksevaksi tekemiseksi tarvittavan nestemäärän pienentäminen on mahdollista täyttämällä partikkelien välitilat nesteen sijasta pienem- 5 90054 millä partikkeleilla. Mainituissa julkaisuissa muodostaa silika tämän pienistä partikkeleista koostuvan välitilat täyttävän seososuuden. Asiaa on käsitelty myös teoreettisesti. Jatkuvien partikkelikokojakautumien pakkautumisen opti-5 mointiin on Andreasen (1930) kehittänyt teorian, jossa kumulatiivista raekokojakautumaa kuvataan eksponenttiyhtä-löllä 10 Dn Y = - DLn 15 Teorian mukaan optimaalinen pakkautuminen saavutetaan kun n = 0,33-0,5.

Teoriaa on edelleen kehitelty ottamalla mukaan minimipartik-kelikoko (J.F. Funk, D.R. Dinger, J.E. Funk Jr.: Coal Grin-20 ding and Particle Size Distribution Studies for Coal-Water Slurries at High Solids Content. Final Report Empire State Electric Energy Research Corporation, 1980), jolloin on päädytty myöhemminkin tässä hakemuksessa käsiteltävään yhtälöön 25

Dn - Dsn Y = - "· DLn - Dsn 30 '··*' Tällöin optimaalinen pakkautuminen saavutetaan, kun n = 0,37 ns. Alfredin jakautumassa (D.R. Dinger et ai.: Rheology of high solids coal-water mixtures: Co-Al 4th Int. Symp.

35 Coal Slurry Combustion, Orlando, 10-12 May 1982, Pittsburg, .: Pittsburg Energy Technology Center, Vol. 4, 13 s.). Näiden teorioiden mukaan olisi seoksen nesteyttämiseksi tarpeellinen nestemäärä siis minimissään, kun n on alueella 0,33-0,5 ja erityisesti noin 0,37 riippumatta itse raekoosta.

6 90054

Yhdellä jauhatusmenetelmällä luontaisesti jauhetuissa jauheissa, tässä tapauksessa masuunikuonassa, vaihtelee em. eksponentin n arvo likimain välillä 0,3-0,8, kuten kuviosta 1 on todettavissa. Tavanomaisella jauhatuksella siis pääs-5 tään helposti teorian mukaiseen optimaaliseen raekokojakautumaan.

Siten keksinnön tavoitteena on ollut kehittää masuunikuonaa sisältävä betonimassa, jonka ominaisuuksia olisivat nopea 10 kovettuminen, tiiviys, korroosionkestävyys ja korkea lujuus sekä edullinen hinta. Siten tavoitteena on ollut saada aikaan runsaasti masuunikuonaa sisältävä betonin sideaineeksi käytettävä seossementti, jolla saadaan betonille parhaita muita sementtejä vastaavat lujuusarvot, mutta jolla masuuni-15 kuonan ansiosta on pieni lämmöntuotto, jolloin betoni soveltuu massiivisiinkin käyttökohteisiin. Lisäksi keksinnön tavoitteena on saada aikaan tällainen seossementti, jonka avulla betonimassalle saadaan hyvä notkeus pienellä vesi-si-deaine-suhteella ja tavanomaisilla nesteytinmäärillä, jol-20 loin betonimassa on helposti työstettävissä ja tulokseksi saadaan tiivis ja erittäin luja rakenne. Lisäksi keksinnön tavoitteena on saada aikaan tämän tyyppinen seossementti, jolla on hyvä korroosionkestävyys ja joka on hinnaltaan edullinen.

.Ϋ- 25

Edellä kuvatut ongelmat saadaan ratkaistua ja määritellyt tavoitteet saavutettua keksinnön mukaisella seossementillä, jolle on tunnusomaista se, mitä on määritelty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa, sekä menetelmällä, jolle on 30 tunnusomaista se, mitä on määritelty patenttivaatimuksen 7 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön erityisenä etuna on se, että sen mukaisella seos-sementillä, joka sisältää runsaasti masuunikuonaa ja jolla 35 on siitä aiheutuvat edellä kuvatut hyvät ominaisuudet, pieni lämmönkehitys ja siten vähäinen mikrohalkeilutaipumus sekä korroosionkestävyys, tiiviys ja siten hidas karbonatisoitu-minen, saadaan syntymään betonia, jonka lujuus vastaa par- 7 90054 häitten portlandsementtiin perustuvien betonien lujuutta. Samalla kuitenkin sideaine on edullisempaa sekä masuunikuo-nan itsensä että yksinkertaisen ja edullisen valmistusmenetelmän vuoksi. Keksinnön mukainen seossementti on myös hyvin 5 tiivistettävää ja on helposti käytettävää, vaikka vesi-side-aine-suhde on pieni.

Seuraavassa keksintöä kuvataan yksityiskohtaisemmin oheisiin kuvioihin viittaamalla.

10

Kuvio 1 esittää taulukkona erilaisia masuunikuonan yhdistelmiä sisältäen keksinnön mukaisia sideaineseoksia.

Kuvio 2 esittää erilaisia masuunikuonan raekokojakautumia 15 kumulatiivisina käyrinä.

Kuvio 3 kuvaa keksinnön mukaisen seossementin kiinteiden komponenttien yhteiset ja erilliset kumulatiiviset raekokojakautumat.

20

Kuvio 4 esittää tekniikan tason ja keksinnön mukaisen ma-suunikuonajauheen eräät raekokojautumat.

Kuvio 5 esittää kuvion 1 mukaisten massojen vedentarpeen 25 ominaispinta-alan funktiona.

Kuvio 6 esittää kuvion 1 mukaisten massojen vedentarpeen partikkelikokojakautuman muodon funktiona.

30 Kuvio 7 esittää mm. kuvion 1 keksinnön mukaisiin seossement-teihin perustuvien betonien lujuudenkehityksen.

Kuvio 8 esittää keksinnön mukaisiin seossementteihin perus-tuvien betonien sekä tekniikan tason mukaisten betonien 35 puristuslujuuden kehitystä vesi-sideaine-suhteen funktiona.

Kuvio 9 kuvaa betonien lujuudenkehityksen riippuvuutta seos-sementin masuunikuonakomponentin ominaispinta-alasta.

8 90054

Yllättäen on nyt huomattu ja kokeellisen tutkimuksen tulosten perusteella varmistettu, että hienojauhettu masuunikuona soveltuu hyvin korkealujuusbetonin sideaineeksi. Masuunikuo-5 nan hienojauhatuksella ja raekokojakautuman keksinnön mukaisella optimoinnilla voidaan vaikuttaa masuunikuonan kovettu-misominaisuuksiin ja massan veden tarpeeseen.

Siten on nyt todettu, että betonimassan vedentarve ei ylei-10 sesti hyväksyttyjen oppien mukaisesti kaikissa tilanteissa noudatakaan yksioikoisesti raekokoa, ts. sideaineen kiinteiden komponenttien ominaispinta-alaa. Kuten edellä ja mm. mainituissa viitejulkaisuissa on selostettu, katsotaan yleisesti, että vedentarve kasvaa, kun raekoko pienenee.

15 Tämä tekniikan tasoon perustuva riippuvuus on piirretty kuvioon 5 yhtenäiseksi käyräksi. Keksinnön mukaisen massan vedentarve poikkeaa ratkaisevasti tunnettujen massojen vedentarpeesta, kuten kuvion 5 pisteistä E4, B3 ja B4, jotka edustavat eräitä keksinnön mukaisia sideainekokoomuksia, 20 on nähtävissä. Optimoimalla tällä tavoin ja myöhemmin tarkemmin kuvattavalla tavalla masuunikuonajauheen raekokojakautuma voidaan käyttää hienojauhettua masuunikuonaa lisäämättä betonimassan veden tarvetta. Masuunikuonabetonin lisäaineena on tällöin käytettävä notkistavia lisäaineita.

25

Kuvion 1 taulukossa on kuvattu kokeissa tutkittujen erilaisten masuunikuonatyyppien seosten suhteet. Masuunikuonakom-ponentti "hieno" tarkoittaa suihkumyllyllä jauhettua ja Alpinen lajittimella saatua erittäin hienoa masuunikuonaa, 30 jonka ominaispinta-ala on luokkaa 1200 m^/kg laskettuna raekokojakautumasta, joka on määritelty röntgensedimentaa-tiomenetelmällä (Sedigraf). Tämä raekokojakautuma on myös esitetty kuviossa 2 käyränä A4. Muut masuunikuonakomponentit ovat kaupallisesti saatavia jauheita ja niiden lasketut 35 ominaispinta-alat on esitetty taulukossa (kuvio 1). Kaksi suhteellisen hienoa jauhetta on kuvattu myös raekokojakautumiltaan käyrinä Ai ja B1 kuviossa 2.

9 9G054

Tehtiin koesarja, jolla tutkittiin portlandsementillä aktivoidun masuunikuonan partikkelikokojakautuman vaikutusta notkistetun betonimassan vedentarpeeseen, lujuudenkehitysno-peuteen ja loppulujuuteen. Veden tarve määriteltiin hakemal-5 la se vesimäärä, joka tekee massasta hyvin työstettävän.

Koesarjassa pyrittiin vakiokäsiteltävyyteen valun ja tiivistyksen kannalta. Massojen notkeus määritettiin Haegermanin pöydällä. Rinnakkaiskokeina selvitettiin myös muiden akti-vaattoreiden kuin portlandsementin, kuten natriumhydroksidin 10 ja kaliumhydroksidin, portlandsementtien määrän ja laadun sekä aluminaattisementtien vaikutusta masuunikuonabetonin mikrohalkeiluun. Tutkittiin myös betonin suhteituksen, lämpökäsittelyn, autoklaavikäsittelyn ja erilaisten sekoi-tustekniikoiden, pinta-aktiivisuutta vähentävien aineiden 15 ja masuunikuonan koostumuksen vaikutusta mikrohalkeiluun. Seuraavassa on saaduista koetuloksista esitetty ne, joilla on keksinnön ymmärtämisen kannalta oleellinen merkitys.

Muut vaikutukset ohitetaan toteamuksilla parhaasta tuloksesta, mikäli sellainen on ollut selvästi todettavissa.

20

Edellä mainitun masuunikuonajauheen partikkelikokojakautuman merkitystä vedentarpeen kannalta selvitettiin mm. yhtälön (1) avulla, jolloin koesarjan materiaalien arvot Ds, DL ja n ovat löydettävissä kuvion 1 taulukosta: : 25

Dn - Dsn <d y = - °Ln - °sn 30 jossa Y = Kumulatiivinen tilavuusosuus D Partikkelikoko, pm : Ds = Minimikoko, pm DL = Maksimikoko, pm n Jakautuman muototekijä.

Edellä kuvatun masuunikuonakomponenttiin kohdistuneen koesarjan lisäksi tehtiin parhaaksi todetun masuunikuonaseoksen osalta lisäkoesarja silikan vaikutuksen selvittämiseksi *: 35 10 90054 sekä kokeet mm. tavanomaisella portlandsementillä vastaavissa olosuhteissa vertailuarvojen saamiseksi. Käytetyn vedettömän amorfisen silikan (Si02) likimääräinen raekokojakautuma on kuvattu kuvioon 3 käyränä S ja sen ominaispinta-ala on 5 vähintään 20 000 m2/kg. Siitä on todettava, että näin hienon jauheen raekoon määrittelyssä törmätään jo partikkelien pinnan ja muodon tiettyyn epämääräisyyteen, joten tätä käyrää ei pidä tulkita varsinaiseksi raekokojakautuman määrittelyksi.

10

Kuvioon 3 on kuvattu myös käytetyn portlandsementin raekokojakautuma käyränä P.

Ensimmäinen koesarjan betonien koostumus on seuraava: 15

Sideaineet:

Kuona 83 %

Portlandsementti 17 % 20 Runkoaine:

Filleri 6,25 % 0,1-0,6 mm 12,5 % 0,5-1,2 mm 15 % ...T 1-2 mm 13,75 % . --25 2-3 mm 11,25 % 3-5 mm 13,75 % 5-10 mm 27,5 %

Sideaine-runkoaine-suhde 1:4 30

Nesteytin:

Scancem SP 62 / Mighty 150 - 2 % (joissain kokeissa myös 3 % : ' tai 4 %) sideaineen määrästä. Pääasiassa vaikuttavana ainee- : na nesteyttimessä on kondensoitu naftaleenisulfonaatti.

-35 Kuiva-ainepitoisuus 42 %. Veden osuus laskettiin kokonais- vesimäärästä.

Keksinnön mukaisten masuunikuonaseosten tekniikan tasosta eroavat vedentarpeet ilmenevät kuvioista 5 ja 6. Kuviossa 11 90054 seokset E4, B3 ja B4 eroavat huomattavasti tavanomaisista seoksista, joiden vesi-sideaine-suhde kasvaa voimakkaasti ominaispinta-alan kasvaessa, kuten kuvioon on käyrällä "Tekniikan taso" merkitty. Keksinnön mukaisten seosten 5 vesi-sideaine-suhde on siis huomattavasti alhaisempi kuin vastaavan ominaispinta-alan omaavan tekniikan tasoa edustavan jauheen. Vertailun vuoksi voidaan todeta, että julkaisussa WO-90/09968 esitetty masuunikuona vastaa tässä koesarjassa varsin tarkkaan sideaineseosta AI. Kuten huomataan, 10 sijaitsee kyseisen massan vedentarve täysin keksinnöstä poikkeavalla kohdalla, mutta lähellä kyseisestä julkaisusta ilmenevää kohtaa, kuten jo edellä on arveltu. Kuviosta 6 näkyy, että massojen vedentarve noudattaa erittäin hyvin yhtälön (1) muototekijää n. Kun tämä muototekijä n on arvol-15 taan pieni positiivinen luku, ts. < n. 0,2, saavutetaan kohtuullinen vesi-sideaine-suhde 0,3. Kun muototekijä tulee nollaksi ja edelleen negatiiviseksi, tässä tapauksessa lähelle arvoa -0,2, putoaa vesi-sideaine-suhde lukuun n. 0,27.

20 Kuvioon 3 on piirretty koesarjasta vesi-sideaine-suhteen kannalta parhaaksi todetun masuunikuonaseoksen B4 kumulatiivinen raekokojakautuma. Seokset B4 ja AI ilmenevät myös kuviosta 2, jossa on periaatteesa samat riippuvuudet kuin kuviossa 3. Tämä keksinnön mukainen seos B4, joka on tämän 25 hetken tiedon mukaan paras seos ja tekniikan tason mukainen lähimmäksi tuleva jauhe AI on kuvattu myös tilavuusosuus-jakautumana kuviossa 4 niiden välisen eron selventämiseksi. Kuvioon 4 on kuvattu myös toiset keksinnön mukaiset seokset E4 ja B3. Vaikka näiden ero jakautumaan AI nähden ei näy-30 tä kovin suurelta, on se kuvioista 5 ja 6 ilmenevien tulos-ten mukaan ratkaiseva. Jo tässä yhteydessä voidaan todeta, että keksinnön mukaista raekokojakautumaa ei voida saavuttaa millään tunnetulla jauhatustavalla, vaan se on saatavissa ainoastaan erilaisia jauheita sekoittamalla. Tämä jakautuman • 35 kaksihuippuisuus näkyy kuvion 4 jakautumasta. Keksinnön mukaisen masuunikuonan raekokojakautuman raja-arvot ovat edellä olevan perusteella seuraavat: i2 90054

Raekokoalue Osuus kuonassa Raekoko Kumulat. til.% B4: E4: 5 >125 pm < 10 % < 125 pm n.100 n.93 125-50 2-15 % <50 98 83 50-20 9-21 % <20 85 65 20-10 10-24 % <10 70 50 10-5 11-27 % < 5 57 35 10 5-2 19-39 % < 2 20 12 2-1 5-18 % <1 8 4 1-0,5 1-9 % <0,5 21

Yhteenvedonomaisesti edellisen perusteella voidaan keksinnön 15 pääperiaatteeksi todeta se, että betonimassan vedentarve määräytyy jakautuman muodosta, mutta on riippumaton jauheen hienoudesta. Ts. jos jauheen tai jauheseoksen muototekijä on sama, on massan vedentarve sama, olipa jauhe tai seos hieno tai karkea. Tämä näkyy selvästi siitä, että kuvion 1 20 seoksilla B4 ja E4 on sama muototekijä -0,15 ja sama vedentarve (vrt. kuvio 6), vaikka niiden ominaispinta-alat 843 m^/kg ja 584 m^/kg eroavat oleellisesti toisistaan. Masuu-nikuonajauheen optimijakautuma on siis muototekijän arvoilla <+0,2, mieluiten negatiivinen ja edullisimmin <-0,2, jolloin - 25 jakautuman muoto tulee edellä taulukoidun tyyppiseksi ja .! ilmoitetulle raekokoalueelle. Raekokoalue määräytyy suureis ta Dl ja Dg, joiden suuruudet ovat väleillä 0,7-1,5 pm, edullisesti n. 1 pm ja vastaavasti n. 30-120 pm. Oletetaan, että tulos aiheutuu siitä, että näin menetellen eliminoituu 30 jauheen ja veden seoksen sisäinen kitka, millä vedentarve minimoituu. Masuunikuonan suhteellisen suuri passiivisuus mahdollistaa tämän kun partikkelit betonimassan sekoituksen jälkeen ehtivät valun aikana toteuttaa keskinäisen liukumisen ja pakkautumisen. Sillä taas saadaan hyvä lujuus kuten 35 jäljempänä selostetaan.

Saman keksinnöllisen periaatteen mukaan on aktivaattorina toimivan portlandsementin raekokojakautuma sovitettu koko- i3 90 054 naisuudessaan masuunikuonajauheen jakautumaa karkeammaksi, kuten näkyy kuviosta 3 käyränä P. Siten keksinnön mukaan noudatetaan sitä periaatetta, että mitä aktiivisempi komponentti on, sitä karkeampaa sen tulee olla ja mitä passii-5 visempi jokin komponentti on, sitä hienompaa sen tulee olla partikkelien liukumisen ja pakkautumisen aikaansaamiseksi ja tasaisen ja sopivan reaktionopeuden aikaansaamiseksi.

Kuviosta 7 näkyy edellä kuvatun tyyppisen betonimassan 10 lujuudenkehitys kun masuunikuonajauheen seokset ovat tyyppiä Bl - B4 ja El - E4. On todettavissa, että mitä pienempi jauheseoksen muototekijä n on, ts. mitä pienempi on betoni-massan vesi-sideaine-suhde, sitä ylempänä lujuudenkehittyrni-sen käyrä kulkee. Betonin puristuslujuus siis suhtautuu 15 eri seoksilla seuraavasti: B4 > B3 > B2 > Bl ja E4 > E3 > E2 > El. Lujuuden kannalta parhaan seoksen B4, joka oli paras myös vedentarpeen suhteen, puristuslujuus 90 vuorokauden iässä (loppulujuus) oli noin 95 MPa, joka on suhteellisen hyvä arvo runsaasti masuunikuonaa sisältävälle be-20 tonille. Kaikkien muiden seosten perusteella tehtyjen betonien puristuslujuus 90 vuorokauden iässä oli alle 90 MPa ja seoksella AI noin 86 MPa. Alhaisin loppulujuus n. 60 MPa on seoksella El. Loppulujuuksissa on siis paikoitellen selviä eroja, jotka eivät korreloi vedentarpeen kanssa, 25 mutta paikoitellen erot ovat suhteellisen pieniä vaikkakin selvästi ja kiistatta todettavia. Seokset, joilla on pienin vesi-sideaine-suhde, ovat loppulujuuksiltaan parhaita. Lujuudenkehitys taas korreloi pääasiassa ominaispinta-alan kanssa, jolloin nopein lujuudenkehitys kokeiden perusteella 30 esiintyy ominaispinta-alavälillä n. 750-950 m^/kg ja parhaimmillaan ominaispinta-alalla n. 850 m^/kg (kuvio 9).

Betonikokeissa etsittiin hyvää betonimassan koostumusta pyrkien nopeaan kovettumiseen, suureen loppulujuuteen ja 35 tiiviyteen. Perussideaineena käytettiin ensimmäisen koesarjan perusteella saatua masuunikuonaa, jonka raekokojakautuma oli B4. Lisäksi tehtiin kokeet, joissa masuunikuonan osuudet olivat 70 % ja 87 % ja portlandsementin osuudet vastaavasti i4 9 0 0 5 4 30 % ja 13 % sideaineesta. Edellisen lujuusarvot vastasivat läheisesti ensimmäisen koesarjan mukaisen betonin lujuusar-voja, mutta jälkimmäisen olivat hieman alempia, kuten kuviosta 7 ja kuvion 8 käyristä 3 ja 5 on todettavissa.

5 Portlandsementillä aktivoidussa masuunikuonabetonissa oli mikrohalkeamia vähän tai ei ollenkaan. Seosaineena käytetyn portlandsementin määrä vaikutti mikrohalkeamien määrään. Syyksi arvioitiin, että sitoessaan kalkkia portlandsementillä aktivoitu masuunikuona muodostaa kovettuessaan rakenteel-10 taan saman tyyppisiä kovettumistuotteita kuin portlandse- mentti. Seosaineena käytetyn portlandsementin kovettumisno-peuden taas ei todettu vaikuttavan halkeamien määrään. Betonin vähäisen mikrohalkeilun ja tiiviyden sekä nopean lujuudenkehityksen kannalta katsottiin, että portlandsemen-15 tin osuus hienojauhetun kuonan määrästä saa olla vähintään suuruusluokkaa kolmannes, ts. koko sideainemäärästä n. 20 %. Suuremmilla pitoisuuksilla vedentarve alkaa myös lisääntyä. Puristuslujuustulokset ensimmäisten viikkojen aikana olivat merkittävästi suurempia, kun seosaineena käytettiin 20 hyvin nopeasti kovettuvaa sementtiä (P 40/3) kuin käytettäessä seosaineena nopeasti (P 40/7) tai normaalisti (koesarja P 40/28) kovettuvaa portlandsementtiä. Alkaliaktivoidulla sekä alkali-portlandsementti-yhteisaktivoidussa masuunikuonabetonissa esiintyi taas runsaasti mikrohalkeilua.

25 Lämpökäsittelyn todettiin kiihdyttävän hienoimpien massojen lujuudenkehitystä kohtalaisesti, mutta karkeimpien massojen vain vähän. Notkistamattomien massojen vesi-sideaine-suhde oli yli 0,4 ja saatu loppulujuus oli vaatimaton verrattuna 30 notkistettujen massojen edellä käsiteltyihin arvoihin.

Koska tunnetusti silika lisää portlandsementin lujuutta, testattiin seuraavaksi sen lisäyksen vaikutusta. Monissa sovellutuksissa (kuten em. JP-julkaisussa) silikaa käytetään 35 lähinnä täyteaineena tiiviisti pakkautuneen raerakenteen muodostamiseksi, jolloin silikaa voi olla esim. 20 % sideaineesta. Tunnetaan myös silikapitoisuudet 4-15 % kuonan perusteella laskettuna (FI-881714). Koska portlandsementistä 15 90054 sen kovettuessa syntyy noin viidesosa sementin määrästä kalsiumhydroksidia ja silika kuluttaa sitä omaan kovettumis-reaktioonsa likimain oman painonsa verran, niin ottaen lisäksi huomioon se, että kumpikaan mainituista ainesosista 5 ei reagoi täydellisesti, päädyttiin siihen, että silikaa käytetään n. 1/4 portlandsementin määrästä. Tällöin seosse-mentin parhaaksi katsottu koostumus on masuunikuonaa 70 %, portlandsementtiä 24 % ja silikaa 6 %, jonka seoksen kumulatiivinen tilavuusosuusjakautuma raekoon funktiona on esitet-10 ty käyränä I kuviossa 3. Tässä raekoko-aktiivisuus-suhteitus on edellä kuvatun keksinnöllisen ajatuksen mukainen, ts. vähiten aktiivinen seossementin komponentti on myös hienointa. Silikan ominaispinta-ala on tyypillisesti yli 20 000 m2/kg, jolloin päädytään tasaisesti etenevään ja keskenään 15 vuorovaikutuksessa olevien kovettuvien komponenttien yhdistelmään. Silikan määrä sinänsä on tavanomaisella alueella, kuten esim ilmenee patenttihakemuksesta FI-881714. Silikan todettiin toimivan massan tietynlaisena notkistime-na ja voiteluaineena, joten normaalin tavallisesta runkoai-20 neesta valmistetun keksinnön mukaista masuunikuonaa sisältävän betonin vesi-sideaine-suhde voitiin laskea jopa arvoon 0,20.

Tulokset on esitetty kuvioissa 7 ja 8 sekä lujuudenkehityk-25 sen että vesi-sideaine-suhteen funktiona. Silika siis odotetusti lisää betonin lujuutta ja lisäksi pienentää veden-tarvetta. Paras loppulujuus 90 vuorokauden iässä, lähes 120 MPa, saavutetaan edellä määritellyllä 6 % silikaa sisältävällä seoksella kun vesi-sideaine-suhde on 0,24 (käyrä 1).

30 Saman seoksen lujuudet 28 vuorokauden iässä on kuvattu käyrällä 2. Käyrästöihin on myös lisätty 9 % silikaa, 30 % portlandsementtiä ja siten 61 % masuunikuonaa B4 sisältävän seoksen puristuslujuus, kun vesi-sideaine-suhde on 0,27, kuvattuna pisteellä 6. Tämän betonin ko. arvo ei kuitenkaan 35 näytekappaleen erilaisen koon vuoksi ole täysin vertailukelpoinen muiden tulosten kanssa. Vertailun vuoksi on kuvioon 8 myös merkitty kahden muun pelkkään masuunikuonaseokseen B4 ja portlandsementtiin perustuvan betonin lujuuskäyrät 3 ie 90054 ja 5. Samoin kuvioon 8 on merkitty perinteisen tekniikan tason mukaisen pelkkään portlandsementtiin perustuvan betonin lujuuskäyrät 4 ja 7. Keksinnön mukaisten silikaa 6 % sisältävien betonien lujuudenkehitys on piirretty käyrinä 5 8 ja 9 myös kuvioon 7. On todettavissa, että keksinnön mukaiseen seossementtiin perustuvan betonin lujuus ja tiiviys on huomattavan hyvä verrattuna tekniikan tason mukaisiin betoneihin.

10 Massan työstettävyyden suhteen havaittiin, että valmistettaessa hienojauhetusta masuunikuonasta korkealujuusbetonia hyvin pienellä vesi-sideaine-suhteella (<0,25) massan koheesio on pieni, mutta massan viskositeetti kasvaa nopeasti muodonmuutosnopeuden kasvaessa. Masuunikuonasta valmistet-15 tu betonimassa soveltuu sekoitettavaksi pakkosekoittimen ja erityisesti tappimyllyn tyyppisellä sekoittimella. Massan tehokas sekoitus tämän tyyppisellä sekoittimella nostaa merkittävästi masuunikuonabetonin varhais- ja myöhäislujuutta. Massa soveltuu tärytys- ja leikkaustiivistykseen.

20

Kuten jo edellä tässä selityksessä on todettu, on keksinnön mukainen masuunikuonakomponentti valmistettavissa sekoittamalla kahta eri karkeutta edustavaa masuunikuonajauhetta. Toinen kuonaosuus on tavanomaista jauhetta, jonka ominais-25 pinta-ala on alle n. 600 m2/kg, edullisesti suuruusluokkaa n. 400 m2/kg, sekä erikoishienoa jauhetta, jonka ominaispin-ta-ala on vähintään suuruusluokkaa n. 900 m2/kg ja tyypillisesti suuruusluokkaa n. 1200 m2/kg. Erikoishienoa jauhetta on seoksessa n. 30-50 tilavuus-%, edullisesti n. 40 tila-30 vuus-%, masuunikuonajauheesta. Tällöin päästään kuvioista 2-4 ilmeneviin keksinnön mukaisiin masuunikuonaseoksiin, erityisesti seokseen B4, joita yhtälö (1) approksimoi.

Kapillaarinen vedenläpäisevyys ja kaasunläpäisevyys oli 35 erittäin pieni sekä portlandsementistä valmistetuissa ver-tailubetoneissa että niissä masuunikuonabetoneissa, joissa kuonan osuus sideaineesta oli 70 % ja vesi-sideainesuhde 0,20-0,28. Nämä koebetonit karbonatisoituvat hieman nopeam- i7 9 O O S 4 min kuin portlandsementistä valmistettu vertailubetoni. Niiden kestävyys happamessa liuoksessa oli ratkaisevasti parempi kuin portlandsementistä valmistetun vertailubetonin kestävyys.

5

Voimakas lämpökäsittely (lämpötila 60-75°C) on edullista varhaislujuuden kannalta ja se ei juuri aiheuta loppulujuuden katoa. Lämpökäsiteltynä hienojauhetusta masuunikuonasta valmistetun betonin lujuudenkehitys varhaisiässä on samaa 10 luokkaa kuin nopeasti kovettuvasta portlandsementistä valmistetun korkealujuusbetonin lujuudenkehitys.

Soveltuvia käyttökohteita keksinnön mukaisille betoneille ovat talonrakennuksen kantavat rakenteet ja erityisesti 15 teollisuusrakenteet kemiallisesti rasittavissa olosuhteissa ja tienpinnoitebetoni. Hienojauhetusta masuunikuonasta valmistettujen jäykkien massojen soveltuvia käyttökohteita ovat lisäksi sään ja kemiallisten rasitusten kohteiksi joutuvat betonikivet, kattotiilet ja kunnallistekniset 20 betonituotteet.

Claims (9)

18 90054

1. Korkealujuuksinen betonimassa, joka koostuu runkoaineesta ja sen sideaineena sellaisesta seossementistä, joka sisältää pääainesosana hienoksi jauhettua hydrataatiokykyis- 5 tä masuunikuonaa ja aktivaattorina portlandsementtiä, jonka pitoisuus kuiva-aineessa on noin 15-50 paino-% masuunikuo-nasta, nesteytintä sekä vettä, tunnettu siitä, että mainittu hienoksi jauhettu masuunikuona on raekokojakautumaltaan sellainen, että sitä kuvaavassa yhtälössä 10 D” - Dsn (1) Y = - DLn - Dsn 15 jossa Y = Kumulatiivinen tilavuusosuus D = Partikkelikoko, μπι Ds = Minimikoko, μπι Dl = Maksimikoko, μπι 20 n Jakautuman muototekijä, muototekijällä on arvo, joka on ainakin < + 0,2, tyypillisesti negatiivinen luku ja edullisimmin < - 0,2, ja että portlandsementin raekokojakautuma on tällaisen masuunikuonan .-25 raekokojakautumaan verrattuna suuremman raekoon puolella.

2. Betongmassa enligt patentkrav 1, kännetecknad av att dess masugnsslagg innehäller relativt en större andel inom 15 kornstorleksomrädet >2 - <5 μπι samt i sin bestäende fördel-ning dessutom följande andelar: kornstorlek Ιμτα) andel i slaaaet > 20, < 50 9 - 21 % 20 > 5, < 10 11 - 27 % > 1, < 2 5 - 18 %

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen betonimassa, tunnettu siitä, että sen masuunikuona sisältää suhteellisesti suurimman osuuden raekokovälillä >2 - <5 μπι sekä jatkuvassa jakau- "30 tumassaan lisäksi seuraavat osuudet: raekoko (μπι) osuus kuonassa > 20, < 50 9 - 21 % > 5, < 10 11 - 27 % ::35 > 1, < 2 5 - 18 % V*: 3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen betonimassa, tunnettu siitä, että sideaineena oleva seossementti lisäksi sisältää vedetöntä amorfista erittäin hienojakoista silikaa, 40 jonka raekoko on oleellisesti pienempi kuin mainitun ma- i9 90054 suunikuonakomponentin, ja että silikaa on seossementin kuiva-aineesta 2-9 %, edullisesti noin 6 %.

3. Betongmassa enligt patentkrav 1 eller 2, kännetecknad av att blandcementen som fungerar som bindemedel dessutom ."25 innehäller vattenfri, amorf, ytterst finfördelad silika, vars kornstorlek fördelaktigt är mindre än kornstorleken i nämnda masugnsslaggkomponent, och att silika utgör 2-9 %, fördelaktigt c. 6 % av blandcementens torrsubstans. : 3¾ 4. Betongmassa enligt patentkrav 3, kännetecknad av att i nämnda blandcements torrsubstans utgörs 60-80 %, fördelaktigt c. 70 % av masugnsslagg, 13-35 %, fördelaktigt c. 24 %, av snabbt stelnande portlandscement, och att förhällandet vatten-bindemedel i massan är inom omrädet c. 0,2-0,3, för-3;5 delaktigt c. 0,25.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen betonimassa, tunnettu 5 siitä, että mainitun seossementin kuiva-aineesta on 60-80 %, edullisesti noin 70 %, masuunikuonaa, 13-35 %, edullisesti noin 24 %, nopeasti kovettuvaa portlandsementtiä ja että massan vesi-sideaine-suhde on alueella noin 0,2-0,3, edullisesti noin 0,25. 10

5. Betongmassa enligt patentkrav 3, kännetecknad av att silikans specifika yta är minst av storleksordningen 20 000 22 90054 m2/kg och den genomsnittliga specifika ytan i masugnsslagg-blandningen är mellan c. 790-950 m2/kg.

5. Patenttivaatimuksen 3 mukainen betonimassa, tunnettu siitä, että silikan ominaispinta-ala on vähintään suuruusluokkaa 20 000 m2/kg ja masuunikuonaseoksen keskimääräinen ominaispinta-ala on välillä n. 750-950 m2/kg. 15

6. Betongmassa enligt patentkrav 1, kännetecknad av att 5 den kumulativa kornstorleksfördelningen i masugnsslaggbland-ningen är ungefär följande: kumulat iv kornstorlek (μιη) volvmandel (%) < 125 > 93 10 < 50 > 83 <20 >65 <10 >50 <5 >35 <2 >12 15 < 1 >4 <0,5 >1 varvid minimistorleken Ds är mellan c. 0,7-1,5 μπι, fördelak-tigt c. 1 μιη och maximistorleken DL är mellan 30-120 μιη. 20

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen betonimassa, tunnettu siitä, että masuunikuonaseoksen kumulatiivinen raekokojakautuma on likimain seuraava: 20 kumulatiivinen raekoko (μιη) tilavuusosuus (%) < 125 > 93 <50 >83 <20 >65 -35 <10 >50 <5 >35 <2 >12 < 1 >4 <0,5 >1 : 30 jolloin minimikoko Ds on välillä n. 0,7-1,5 μπι, edullisesti n. 1 /xm, ja maksimikoko DL välillä 30-120 μιη.

7. Förfarande för tillverkning av betongmassan med hög hällfasthet eller nägon av dess komponenter enligt nägot av patentkrav 1-6, vilken bestär av ballastmaterial och som dess bindemedel blandcement, som innehäller malet hydraters- 25 bart masugnsslagg som huvudkomponent och portlandcement som aktivator, samt av fluidiseringsmedel och vatten, känne-tecknat av att för att erhälla en kornstorleksfördelning av förutbestämd typ för masugnsslaggandelen har slaggandelen i blandcementen tillverkats genom att blanda vanligt slaggpul-30 ver med en specifik yta under c. 600m2/kg, fördelaktigt i storleksordningen 400 m2/kg, och extra finfördelat slaggpul-ver, vars specif ika yta är minst c. 900 m2/kg, fördelaktigt i storleksordningen 1200 m2/kg, i ett förhällande som ger en masugnsslaggblandning innehällande c. 30-50 volym-% av nämn-35 da extra finfördelade puiver, fördelaktigt c. 40 volym-%.

7. Menetelmä jonkin patenttivaatimuksista 1-6 mukaisen 35 korkealujuuksisen betonimassan tai sen ainesosien valmistamiseksi, joka massa koostuu runko-aineesta ja sen sideaineena seossementistä, joka sisältää pääainesosana jauhettua hydrataatiokykyistä masuunikuonaa ja aktivaattorina port- 2o 90054 landsementtiä, sekä nesteyttimestä ja vedestä, tunnettu siitä, että masuunikuonaosuuden raekokojakautuman saamiseksi ennalta määrätyn tyyppiseksi seossementtiin käytettävä kuo-naosuus on tehty sekoittamalla tavanomaista kuonajauhetta, 5 jonka ominaispinta-ala on alle n. 600 m2/kg, edullisesti luokkaa 400 mz/kg, ja erikoishienoa kuonajauhetta, jonka ominaispinta-ala on vähintään n. 900 m2/kg, edullisesti luokkaa 1200 m2/kg, sellaisessa suhteessa, että masuunikuonaseoksessa on mainittua erikoishienoa jauhetta n. 30-50 tilavuus-%, 10 edullisesti noin 40 tilavuus-%.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainituista kahdesta erilaisesta jauhekomponen-tista muodostuvan masuunikuonaseoksen keskimääräinen omi- 15 naispinta-ala on välillä n. 750-950 m2/kg ja edullisesti suuruusluokkaa 850 m2/kg ja että tähän seossementtiin on edelleen lisätty hienojakoista silikaa.

9. Patenttivaatimuksen 7 mukainen menetelmä, tunnettu 20 siitä, että betonimassan ainesosat sekoitetaan käyttöä varten erityisen tehokkaalla sekoittimella, kuten tappimyl-: lyllä, homogeenisen massan saamiseksi. Q5 1. Betongmassa med hög hällfasthet, bestäende av ett ballastmaterial och som bindemedel ett blandcement som innehäller finmalet hydraterbart masugnsslagg som huvud-komponent och portlandcement som aktivator, vars torrsubs-tanshalt utgörs av c. 15-50 vikt-% av masugnsslagg, fluidi-: 3¾ seringsmedel samt vatten, kannetecknad av att nämnda fin-malda masugnsslagg har en kornstorleksfördelning i vars ekvation Dn - Dsn .3:5 (1) Y = - Dl” - Ds" 21 90054 i vilken Y = Kumulativ volymandel D = Partikelstorlek, μιη Ds = Minimistorlek, μαί Dl = Maximistorlek, μια 5 n = Formfaktor av fördelningen formfaktorn uppvisar ett värde som är ätminstone < + 0,2, typiskt ett negativt tai och företrädesvis < - 0,2, och att kornstorleksfördelningen i portlandcementet jämfört med 10 kornstorleksfördelningen i ett dylikt masugnsslagg är närma-re den större kornstorleken.

8. Förfarande enligt patentkrav 7, kännetecknat av att den genomsnittliga specifika ytan av masugnsslaggblandningen av 23 9 0 054 nämnda tvä oiikä pulverkomponenter är me11an c. 750-950 m2/kg, fördelaktigt i storleksordningen 850 m2/kg, och att tili denna blandcement vidare tillsatts finfördelad silika. 5

9. Förfarande enligt patentkrav 7, kannetecknat av att be- tongmassans komponenter före användningen omrors med en hög-effektiv omrorare, exempelvis en kvarn med tappar, för att ästadkomma en homogen massa.