LV15187B - Putubetons ar samazinātu rukumu - Google Patents

Abstract

zgudrojumsattiecas uz vieglo putubetonu sastāvu. Lai putubetonam samazinātu sarukumu, tā sastāvā ietvertas pucolāna mikropildvielas, plastificējošas piedevas ūdens-cementa attiecības samazināšanai un porainas granulas. Tiek iegūts putubetons ar 4 reizes mazāku žūšanas rukumu.

Description

IZGUDROJUMA APRAKSTS [001] Izgudrojums attiecas uz būvniecības jomu, un tā pielietošanas siera ir vieglie konstruktīvie un/vai siltumizolācijas putubetoni. Putubetona sastāvā ir izmantotas mikropildvielas, plastificējošas piedevas ūdens-cementa attiecības samazināšanai, polimēra šķiedras un porainas minerālas granulas, kā rezultātā tiek iegūts materiāls ar labāku stiprībasblīvuma attiecību (īpatnējo stiprību) un 4 reizes mazāku rukumu, salīdzinot ar tradicionālo putubetonu. Tas samazina plaisu risku un būtiski paplašina putubetona izmantošanas iespējas gan saliekamos elementos, gan monolītajā būvniecībā.

[002] Putubetons ir viegli iestrādājams un perspektīvs materiāls mūsdienu būvniecībā, jo pastāv iespējas izgatavot putubetonus ar plašu blīvumu diapazonu (no 100 līdz 1000 kg/m³) atkarībā no pielietošanas. Rukums ir putubetona negatīva īpašība, kas būtiski ierobežo tā plašu pielietošanu. Ir zināmi pētījumi [1], kas liecina par to, ka putubetona rukums žūšanas laikā var sasniegt 4 mm/m un vairāk. Rukuma problēmas novēršanai izmanto dažādas piedevas, kuras iestrādā putubetona matricā.

[003] Piemēram, ir zināms putubetons, kura rukuma samazināšanai izmanto dažādas minerālās un organiskās šķiedras. Izmantojot bazalta un polipropilēna šķiedras, putubetona rukums samazinās līdz 50 %, bet azbesta šķiedras uzrādīja rukuma samazinājumu par 90 %, salīdzinot ar putubetonu bez piedevām [1]. Šī putubetona trūkums ir azbesta lietošana, kas Eiropas Savienības valstīs ir aizliegta [2]. Papildus tam, šī materiāla trūkums ir spiedes stiprība - 0,7 MPa.

[004] Ir zināms konstruktīvais putubetons ar glikola komponentēm (propilēnglikols, trietilglikols un dipropilēnglikola tetrabutils) un izdedžu pelniem [3], kas tika izmantoti rukuma samazināšanai. Neskatoties uz to, ka dipropilēna glikola tetrabutils ir efektīva pretrukuma piedeva, tā negatīvi ietekmē putubetona maisījuma iestrādājamību un stabilitāti. Pelnu izmantošana, aizstājot ar to portlandcementu un smilti, ari samazina putubetona rukumu, bet mazākā mērā, salīdzinot ar glikola savienojumiem: vidēji par 35-40 % [3]. Šī materiāla trūkums ir lielā ūdens absorbcija, vidēji 10 %.

[005] Ir zināms putubetons, kurā rukuma samazināšanai izmanto krizotila azbesta šķiedras (2 % no cementa masas) [4]. Šī piedeva samazina rukuma deformācijas līdz 50 %, tomēr azbesta izmantošana Eiropas Savienības valstīs ir aizliegta [2].

[006] Ir zināms patents [5] par zema blīvuma augstas stiprības šūnu betonu, kura sastāvā ietilpst cements, viegla pildviela, superplastifikators, putu veidojoša un rukuma samazinoša piedeva. Šī izgudrojuma trūkums ir saistīts ar to, ka nav paredzēts izmantot efektīvas pucolāna piedevas, kas var stabilizēt maisījumu un spēj lokalizēt sārma pildvielu reakcijas gadījumos, ja izmanto amorfo silikātu pildvielas.

[007] Vairākos pētījumos ir atzīmēta dažāda tipa pucolāna piedevu (mikrosilīciju, elektrofiltru pelni utt.) pozitīvā loma cementu kompozītu fizikāli mehānisko īpašību un mikrostruktūras uzlabošanā. Piemēram, pastāv efektīvs zema blīvuma putubetons [6], kurš iegūts ar portlandcementu kā sasaistes materiālu un pareizā proporcijā pievienotiem sīkiem domnu izdedžiem kā pucolāna piedevām. Dotā materiāla trūkums ir rukuma un plaisu risks, jo to samazināšanai tika piedāvāts izmantot tikai polimēra šķiedras un smalko sārņu piedevu līdz 20 % no cementa.

[008] Ir zināms betons, kuram kā minerālo piedevu izmanto metakaolīnu, kas ir smalki samalti kalcinēti kaolīna māli. Šī minerālā piedeva uzlabo betona stiprību un iestrādājamības īpašības, vienlaikus paaugstinot izturību pret agresīvu vidi [7]. Pastāv cementbetons, kuram kā aktīvu pucolāna piedevu izmanto mikrosilīciju, kam raksturīgas sfēriskas un smalkas daļiņas (izmērā līdz 0,1 pm) un metakaolīnu. Salīdzinot ar portlandcementa daļiņām, tas ir apmēram simts reizes mazākas, kas nodrošina labāku cementa pildvielu pakojumu un samazina tukšumus cementa matricā. Notiekot reakcijai starp amorfu silīcija dioksīdu un kalcija hidroksīdu, notiek papildu cementējošs efekts - betona sastāvā esošais S1O2 tiek palielināts, palielinoties betona saistīšanās spējai [8].

[009] Ir zināms putubetons, kurā cements tiek aizstāts ar mikrosilīciju un siltumelektrostaciju izdedžu pelnu kombināciju. Šim putubetonam ir augstāka spiedes stiprības-blīvuma attiecība, salīdzinot ar putubetona sastāviem, kas izgatavoti, izmantojot smiltis un/vai pelnus kā materiāla sastāvdaļas [9]. Dotā materiāla trūkums ir rukuma un plaisu risks, jo, piemēram, nav informācijas par materiāla rukumu un pretrukuma piedevām.

[010] Ņemot vērā, ka putubetona stiprība ir gandrīz desmit reižu mazāka nekā parastajam betonam, kā piedevu izmanto polipropilēna šķiedras, kas strukturē materiālu un paaugstina deformāciju līdz sabrukšanai. Tomēr šīm šķiedrām piemīt samērā zems elastības modulis (3500-8000 MPa), tāpēc polipropilēna šķiedru vietā izmanto stikla šķiedras (ar augstākiem fizikāli-mehāniskiem rādītājiem), uzlabojot putubetona rukuma īpašības, salīdzinot ar polipropilēna šķiedrām. Tomēr jāatzīmē, ka stikla šķiedru klātbūtne putubetonā pasliktina ilgizturības īpašības (ūdens absorbcijas spējas dēļ). Ja putubetonam ar stikla šķiedrām ūdens absorbcija ir 9-10 % robežās, tad paraugiem ar polipropilēna šķiedrām attiecīgi 7-7,5 % [10]. [011] Ir zināms betons, kurā kā rukuma samazinošas pildvielas izmanto vieglas un porainas pildvielas, kas uzņemot sevī ūdeni un tad atdodot to cementa cietēšanas laikā, nodrošina betona kopšanu no iekšienes (no angļu valodas internal curing) un veicinot pilnīgāku cementa hidratācijas procesu [11]. Betons šajā gadījumā tiek pasargāts no pārlieku straujas izžūšanas, mazinās deformāciju līmenis un plaisu rašanās betona agrā vecumā.

[012] Ir zināms vieglbetons, kura iegūšanai izmanto putustikla granulas un otrreizējo putupolistirolu [12]. Fizikāli mehānisko īpašību uzlabošanai pievieno pucolāna piedevu metakaolīnu, kas ir putustikla granulu ražošanas blakusprodukts (otrreizēji pārstrādāts smalki disperse materiāls ar bēruma blīvumu līdz 0,7 g/cm³). Šis materiāls izvēlēts par prototipu. Kā prototipa trūkumu var atzīmēt zemo stiprību: no 0,4 līdz 0,75 MPa. Vēl viens trūkums ir ciešais kontakts starp porainām pildvielām, un līdz ar to samazināta maisījuma plūstamība.

[013] Šī izgudrojuma mērķis ir radīt putubetonu, kura sastāvā ietvertas vieglas un porainas pildvielas - putustikla vai keramzīta granulas, kas kopā ar modificējošām piedevām un mikrošķiedrām uzlabo materiāla fizikāli-mehāniskās īpašības un vienlaikus būtiski samazina materiāla žūšanas rukumu. Izgudrojuma autori uzsver, ka pievienojot putubetona maisījumam vienlaikus gan pucolāna piedevas (metakaolīnu un mikrosilīciju), gan polimēra šķiedras, gan porainas pildvielas, tiek iegūti optimāli spiedes stiprības-blīvuma attiecības rādītāji, tiek samazināts rukums un ūdens absorbcijas spēja, kā rezultātā uzlaboti putubetona ilgmūžības rādītāji.

[014] Putubetona izgatavošana tika veikta turbulences tipa maisītājā pēc aerācijas maisīšanas tehnoloģijas (no angļu valodas mixed foaming), t.i. gaisa šūnu iesaistīšana notiek vienlaicīgi ar sastāva maisīšanu. Turbulences režīms dod iespēju efektīvi samaisīt mikropildvielas un iegūt viendabīgu poru struktūru. Putubetona izgatavošanas secība ir sekojoša: turbulences maisītājā sākotnēji tiek iepildīts ūdens ar superplastifikatora piedevu, tad maisīšanas laikā tiek pievienots cements, minerālas piedevas un tiek maisīts 3 minūtes ar ātrumu 300-400 min¹. Pēc tam tiek pievienota putas veidojoša piedeva un tika maisīts vēl 2 minūtes paātrinātā režīmā (800-1000 min’¹), kopējais maisīšanas laiks ir 5 minūtes.

[015] Šim nolūkam tiek piedāvāts putubetona sastāvs, kas satur portlandcementu 40-45 % (masas %), smilts, frakcijas 0/1 mm 22-26 %, ūdens 25-30 %, sintētisku putu veidotāju 0,250,35 %, polipropilēna mikrošķiedras 0,18-0,22 %, metakaolīnu 2,7-3,3 %, un mikrosilīciju 1,6-2,0 %. Putubetona sastāvam tika pievienotas porainas minerāla granulas (keramzīta vai putustikla) daudzumā, kas aizvieto līdz 50 %, no putubetona apjoma, skaitot pēc absolūta tilpuma.

[016] Visi izgatavotie laboratorijā dotās receptūras putubetona maisījumi tiek raksturoti ar plūstošu un stabilu svaiga putubetona maisījumu un samazinātu segregācijas risku. Savukārt, divu stadiju pārmaisīšana dod iespēju efektīvi disperģēt mikrodaļiņas.

[017] Izgudrojums ir skaidrots ar sekojošiem zīmējumiem:

1. zīm. Rukumu mērījumu rezultāti.

2. zīm. Paraugs ar putustikla granulām pēc 30 sasaldēšanas-atkausēšanas cikliem.

[018] Piedāvātais izgudrojums ir aplūkots 1. un 2. piemēros.

[019] Putubetona references sastāvs satur portlandcementu 41 % (masas %), smilts, frakcijas 0/1 mm 24 %, ūdens 27 %, sintētisku putu veidotāju 0,3 %, polipropilēna mikrošķiedras 0,2%, metakaolīnu 3,0 %, un mikrosilīciju 1,8 %. Izgudrojuma putubetonam ir iespējami sekojoši realizācijas varianti: sastāvs ar keramzītu un sastāvs ar putustiklu.

[020] 1. piemērs: references sastāvam tika pievienotas keramzīta granulas, frakcija 2-8 mm, bēruma blīvums 450 kg/m³ daudzumā no 1,5 masas daļas no references putubetona masas.

[021] 2. piemērs: references sastāvam tika pievienotas putustikla granulas, frakcija 2-8 mm, bēruma blīvums 190-200 kg/m³ daudzumā no 0,85 masas daļas no references putubetona masas.

[022] Tika izgatavoti paraugkubi (10x10x10 cm) stiprības kontrolei un prizmas (25x25x285 mm) rukuma mikrodeformāciju kontrolei. Paraugi 28 dienas tika uzglabāti mitros cietēšanas apstākļos pie gaisa relatīva mitruma >80% un temperatūras +20 °C. Kubi tika pārbaudīti uz spiedi 28 dienu vecumā, spiedes stiprības rādītāji ir sekojoši:

References sastāvs (REF): blīvums 580 kg/m³ un stiprība spiedē 2,4 MPa;

Sastāvs ar keramzīta granulām: blīvums 630 kg/m³ un stiprība spiedē 2,3 MPa;

Sastāvs ar putustikla granulām: blīvums 370 kg/m³ un stiprība spiedē 1,8 MPa.

[023] Paraugi-prizmas pēc 28 dienu izturēšanas mitros cietēšanas apstākļos (pie RH>80%) tika uzglabāti laboratorijas telpā gaisa-sausā vidē, t.i., tika pakļauti ekstremāliem rukuma apstākļiem, jo gaisa relatīvais mitrums svārstījās no 45 līdz 60 %. Rukuma deformācijas tika mērītas laikā gaitā paraugiem starp speciāli iestrādātiem atbalstpunktiem paraugu malās, izmantojot speciālu statīvu un digitālo mikrodeformāciju indikatoru (mērījumu precizitāti 1 um). Rukumu mērījumu rezultāti, kas veikti 28 un 150 dienu vecumā, ir apkopoti 1. zīm.

[024] Rukuma noteikšanas rezultāti (1. zīm.) liecina par to, ka putubetona sastāviem ar porainām pildvielām ir vismaz 3-4 reizes mazāks žūšanas rukums 28 dienu vecumā, kā arī ilgstošas uzglabāšanas periodā sausa gaisa apstākļos 150 dienu vecumā. Attiecīgi par 70 % tiek samazināts rukums paraugu 28 dienu vecumā un par 87 % - 150 dienu vecumā (ar keramzīta granulām), savukārt, sastāviem ar putustikla granulām - par 75 % un 97 % (28 un 150 dienu veciem paraugiem) attiecībā pret references sastāviem.

[025] Betona sastāvos tika izmantota kompozīta pucolāna mikropiedeva, kas satur mikrosilTciju un metakaolīna blakusproduktus, tas dod iespēju iegūt plūstošu un stabilu svaiga putubetona maisījumu (samazināt masas sēšanās un segregācijas risku), uzlabot sacietējošas cementa pastas mikrostruktūru (šādā veidā sasniegt labāku stiprības-blīvuma attiecību), kā arī lokalizēt sārma-silīciju reakciju (AAR) risku, kas potenciāli var attīstīties ekspluatācijas laikā mitrā vidē [13].

[026] Papildus veiktie salturības testi liecina par to, ka iegūtie putubetona sastāvi ar putustikla un keramzīta granulām uzrādīja apmierinošus ilgizturības rādītājus - izturību pret sasaldēšanas un atkausēšanas cikliem (ne mazāk par 30 cikliem) (2. zīm.). Lai minimizētu sārma-silīciju reakciju risku, tomēr nav ieteicams izmantot putubetonu ar putustikla granulām ekstremāli mitros apstākļos.

INFORMĀCIJAS AVOTI [027]

1. Kudyakov A.I., Steshenko A.B., Heat Insulating Reinforced Air Hardened Foamed Concrete. Vestnik TSUAB. English version appendix to N 4, 2013, NN 1-3, 2014

2. Direktīva 1999/77/EK

3. Chindrapasirt, P. &Rattanasak, U. Shrinkage behavior of structural foam lightweight concrete containing glycol compounds and fly ash // In: Materials and design, 32, 2011, pp.723-727.

4. Kudyakov A.I., Steshenko A.B., Shrinkage deformation of cement foam concrete // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2015, 71, pp.012019012019

5. Low shrinkage, high strength cellular lightweight concrete. US patent US 20020117086 Al. Low shrinkage, high strength cellular lightweight concrete

6. Pan, Z., Li, H. & Liu, W. Preparation and characterization of super low density foamed concrete from Portland cement and admixtures // In: Construction and Building Materials, Vol.72, 2014, pp.256-261

7. Cementitious materials of concrete. Developed by Committee E-701, Materials for Concrete. Construction. ACI Education Bulletin E3-01-83

8. Ding T.J., Li Z., Effects of metakaolin and silica fume on properties of concrete // In: ACI materials journal, 2002, pp.393-398

9. Hilal A. A., at el. The Use of Additives to Enchance Properties of Pre-Formed Foamed Concrete // In: International Journal of Engineering and Technology, 2015, pp.286293

10. Rosian F.A., at el. Effects of Various Additives on Drying Shrinkage, Compressive and Flexural Strength of Lightweight Foamed Concrete (LFC) // In: Advanced Materials Research, 626, 2013, pp.594-604

11. Schlitter J., at el. Development of internally cured concrete for increased service life, joint transportation research program, 2010

12. Seputyte-Jucike, J., Sinica, M., The effect of expanded glass and polystyrene waste on the properties of lightweight aggregate concrete // In: Engineering Structures and Technologies, 2016, Vol.8, Iss.l, pp.31-40.

13. Bumanis, G., Bajare, D., Loes, J., Koņakins, A. Alkali-Silica Reactivity of Expanded Glass Granules in Structure of Lightweight Concrete. IOP Conference Series: MaterialsScienceandEngineering, 2013, Vol.47, Iss.l, pp.012022-012022.

Claims (3)

1. PRETENZIJAS

   1. Putubetons, kas ietver putustikla granulas un pucolāna piedevu, atšķiras ar to, ka pucolāna mikropiedeva ir mikrosilīcija un metakaolīna ražošanas blakusprodukts.
2. 2. Putubetons saskaņā ar 1. pretenziju, kas atšķiras ar to, ka papildus ietver polimēra šķiedras.
3. 3. Putubetona saskaņā ar 1. vai 2. pretenziju izgatavošanas paņēmiens atšķiras ar to, ka putubetona samaisīšana notiek turbulences režīmā superplastifikatora klātbūtnē divās stadijās: i) mērenā ātruma režīmā (300-400 min'¹) un ii) intensīvā režīmā (800-1000 min'¹) pēc putas veidojošās piedevas pievienošanas.