NO781562L - Fiberarmerte bygningsprodukter. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte til fremstilling av et byggeprodukt hvor et hydraulisk bindemiddel, fortrinnsvis Portland-sement, som matrise blandes med en fiberforsterkning,

og oppfinnelsen vedrører også et slikt fremstilt produkt. Særlig, men ikke utelukkende, vedrører oppfinnelsen fremstilling, av fiberforsterkede byggerplater og sammensetningen av slike byggeplater.

Fiberforsterkede byggeprodukter av den forannevnte

type er kjent. Slike produkter baserer" seg på en matrise som i hovedsaken består av et hydraulisk bindemiddel såsom Portland-sement, smeltesement, flyveaskesement, kalk, gips, diatomerjord, puzzolan og blandinger derav. Fibrene som benyttes kan være organiske eller uorganiske fibre eller en blanding av fibre, og av de hittil anvendte fibre kan nevnes asbest, glassfibre, stålfibre, mineralfibre, cellulosefibre og plastfibre.

Tilgangen av asbestfibre som egner seg for fremstilling av slike fiberforsterkede byggeprodukter er begrenset, og for mange formål er det ønskelig å unngå bruk av asbest som forsterk-ningsfibre. Det er videre en ulempe ved bruk av glassfibre og stålfibre at slike fibre er meget dyre. For å oppnå samme forsterk-ningsgrad blir omkostningene 4-5 ganger så høye som ved bruk av asbest. Dessuten har glassfibre og stålfibre en tendens til de-komponering, selv om dette for stålfibrene bare gjelder i uvesent-lig grad, og bare på overflaten til det fiberforsterkede materialet, mens glassfibrene kontinuerlig dekomponeres som følge av sementens alkaliske natur.

Fra britisk patentskrift nr. 1.130.612 er det kjent

å benytte fibrøse forsterkningskomponenter fremstilt av et strukket og deretter fibrillert plastfilmmateriale, fortrinnsvis en polyole-finfilm. De forannevnte ulemper i forbindelse med asbestfibre, glassfibre og stålfibre har man ikke ved bruk av det nevnte materialet i en mørtel som består av f.eks. Portland-sement og grus,

men på grunn av at materialet har en meget glatt overflate oppnås bare en dårlig binding i matrisen etter herdingen. Den fiberforsterkning som er kjent ifra det britiske patentskrift består av snodde plastgarn med en vekt på 1-1,5 g/m, og kappet til filamenter på ca. 75 mm. Garnet fremstilles som et såkalt.splittfiber-materiale fra et film-plastbånd som etter ekstrudering og kjøling er strukket omtrent 10 ganger den opprinnelige lengde. Strekkingen bevirker at strukturen i plastmaterialet blir mer orientert, med betydelig økning av strekkstyrken i lengderetningen og betydelig redusering av strekkstyrken perpendikulært på lengderetningen.

På grunn av den dårlige tverrstrekkstyrke får materialet en naturlig tendens til splitting. Denne splitting kan eksempelvis tilveiebringes ved en snoing av det strukkede plastfilmbånd om lengdeaksen, og ved mekanisk påvirkning, f.eks. som følge av slag eller støt eller friksjonskrefter fra sten- og gruspartikler under blandingen i en betongblander, slik at filmbåndet splittes opp i flere tynne strenger. Ved den kjente oppsplitting vil opp-'delingen i tynnere strenger alltid skje langs de iboende svekk-linjer eller områder av materialet som er parallelle med båndets strekkretning. De tilveiebragte fibre får derfor rektangulære tverrsnitt, nesten helt glatte overflater, og konstante tverrsnitt over lengden. Dette er årsaken til at det hittil har vært umulig å oppnå en med tilfredsstillende forankring eller vedhefting sammenliknet med de vanlige runde fibre. Den glatte overflaten og det konstante tverrsnitt for fibrene som hittil har vært anvendt er også årsaken til den utilstrekkelige styringen man har over den homogene sprekkfordelingen i det herdede plastfiberforsterkede produkt. Denne ulempe forsterkes ytterligere av det faktum at plastmaterialets tverrkontraksjons-egenskaper er meget høye, stort sett 0,4 - 0,5 sammenliknet med ca. 0,2 for glass og ca. 0,3 for stål. Under strekkingen vil de glatte fibre derfor, så snart de settes under strekk, bli tynnere og derved miste den ønskede intime kontakt med den omgivende matrise"langs mindre eller større områder av omkretsen og langs hele lengden.

For å bøte på dette har det vært foreslått å la oppsplittingen bare skje langs en del av garnlengden og forskjøvet

i fiberbunten, slik at man ved spredingen av bunten oppnår et materiale som kan sammenliknes med en netting med ulike maske-størrelser. Det har vært fremhevet at man på denne måten kan oppnå

en forankring som man ikke kan oppnå med de vanlige runde plastfibre, men det er et faktum at også en slik forsterkning er util-strekkelig. De forholdsmessig få krysspunkter, som forøvrig hver for seg er relativt svake, slik at oppsplittingen"uten"'videre

kan fortsette, er utilstrekkelige til å overvinne innvirkningen av de meget lange områder med helt glatte kløveflater som skyldes

oppsplittingen og til hvilke en sementmatriske ikke kan feste, seg, slik at disse områder derfor heller ikke bidrar til den ønskede virkning. Et slik kjent plastikkfibergarn er vist i fig.

1. '

Den kjente oppsplittingen av fibrene kan skje ved å utsette den strukkede plastfilm for en viss fysisk behandling. Imidlertid danner fibrene koherente bunter av fiberfilamenter selv etter den voldsomme behandling som de utsettes for under blandingen med grus og sten i en betongblander. Tverrsnittet til' de enkelte fibre vil fremdeles være så stort at det vil fore-ligge en viss elastisk bevegelse etterat fibrene er bøyet, hvilket er tilfellet etter en komprimering av en fiberinnehold-ende betongmasse, og dette i seg selv gir en dårlig forankring av fibrene.

Ved hjelp av oppfinnelsen oppnår man forbedringer med hensyn til fiberforsterkningen. I det minste en del av fibrene er fleksible organgiske fibre av polyolefintypen fremstilt ved oppkapping i korte lengder av strukket og fibrert, fortrinnsvis varmestabilisert f ilmmateriale, hvilken f ibrillering tilveiebringes ved mekanisk splitting av det strukne filmmaterialet før blandingen i en oppslemming for å oppnå separate polyolefin-filamenter på ca. 2 til 35 denier, dispergert i oppslemmingen som tillates å herde etter forming eller støping.

Ved fremstillingen av en fiberforsterkning i form av det strukkede filmmateriale, som er strukket i et eller flere trinn, foretas fibriileringen- ved hjelp av ruller med kuttere eller nåler som kutter eller splitter den strukkede film delvis tvers over retningen til de sterke materialkjernene.

Fibrene fibrLlleres derved på en slik måte at de får frynsede kanter, hvilket forbedrer fibrenes binding i matrisen. Det er imidlertid viktig at forsterkningen oppnås ved at fibrene splittes helt opp i enkelte filamenter som dispergeres i oppslemmingen .

Fortrinnsvis er fibrene polypropylenfibre som er i

stand til å motstå direkte eller indirekte påvirkning fra tvaria-sjoner i lys og temperatur, hvilke variasjoner for byggeelementer kan variere fra ca-. -20° og opptil ca. 120°C. Under polypropylenfibre er i denne forbindelse særlig innbefattet rene polypropylenfibre fremstilt på basis av et filmmateriale uten polyetylen, som vanligvis tilsettes for å lette trekkingen og strekkingen av filmmaterialet.

Ifølge oppfinnelsen kan fordelaktig fibermaterialet .dispergeres i en del av bindemidlet, som deretter blandes med resten av matrisematerialet.

På grunn av de frynsede kantene og den ujevne karak-teren til fibrene og de mange fasthengende og meget tynne fibriler er fibrene meget vanskelige å trekke fra hverandre og å fordele jevnt i matrisen. For å oppnå den nødvendige dispergering av fibrene kan blandingen i et første trinn fordelaktig skje i en del av matrisematerialet, f.eks. i en ren Portland-sementmatrise.

Det er en fordel dersom dispergeringen av fibrene skjer i et fett eller meget viskøst fluidum.

Fra betongindustrien er det velkjent at man oppnår

en høy styrke med et lavt vann-sement-forhold mens asbestsement krever et høyt vann-sement-forhold for å oppnå akseptable styrker for produktene.

Overraskende nok har man funnet at styrken til gjenstander fremstilt på denne måten, med et lavt vann-sement-forhold og med de.nevnte fibre, økes betydelig sammenliknet med asbest-sement gjenstander fremstilt med det nødvendige høye vann-sement-f orhold .

For å forbedre vedheften for de fleksible organiske fibre kan overflaten av dem behandles med et uorganisk finkornet filmmateriale eller en del av bindemidlet før blandingen med matrise .-materialet. Det finkornede filmmaterialet tjener også til å mykgjøre blandingen.slik at man oppnår en jevn dispergering av fibrene.

Ytterligere forbedringer med hensyn til blandingen kan oppnås dersom blandingen av fibrene i matrisemassen skjer med tilsetning av et dispergeringsmiddel.

Dispergeringsmidlet kan tjene til å forbedre fordel- ingen av fibrene, og en del av fibrene kan tjene som dispergeringsmiddel, idet f.eks. cellulosefibre, men også kjemiske blandinger så som metylcellulose, hydroksypropylmetylcellulose, poly-siloksaner, silikonolje, mineraloljer med silikonderivater etc. kan benyttes for å forbedre fiberaffiniteten og unngå sammen-lumping av fibrene og derved forbedre fibrenes tilfeldige orien-tering.

Innblandingen av fibre i en megde opp til ca. 20 volum-% i matrisematerialet kan skje i blandere, fordelaktig uteri røreverk, f.eks. i blandere av vibrasjons-, riste eller tumletypen.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er særlig anvend-bar i en prosess hvori produktet fremstilles i form av plater

på en fiberplatemaskin forsynt med sugeutstyr for avvanning av råplatene under formingsprosessen.

Fiberblandingen medvirker til å oppnå en utmerket behandling av oppslemmingen i formemaskinen.

De andre fibrene består av cellulosefibre og even-tuelt mineralhullfibre eller liknende. I riktig tilsetning kan de, på grunn av sine meget store spesifikke overflater, sikre en jevn fordeling av sementpartiklene i det kompliserte gitter-system som plastfibrene danner, og når vannoverskuddet deretter suges vekk under herdingen og formingen av materialet, vil bære-fibrene danne et filter som hindrer at sementpartiklene trekkes vekk fra overflaten av plastfibrene.

Et forbedret produkt oppnås dersom ifølge oppfinnelsen platene utsettes for en komprimering over en tidsperiode etter formingen.

Oppfinnelsen innbefatter også et fiberforsterket byggeprodukt som består av en matrise • av et hydraulisk bindemiddel, fortrinnsvis Portland-sement, og forsterkede fibre, hvorav i det minste en del innbefatter enkeltfilamenter av polyolefinfibre, fortrinnsvis polypropylenfibre fremstilt på basis av et filmmateriale.med en tykkelse mellom 10 og 60 mikron og strukket i det minste 15 ganger og fibrillert ved hjelp av roterende nåle- eller kutter-ruller, slik at det oppnås et fiber-materiale med en strekkstyrke på 4000-6000 kp/cm 2, en elastisi-tetsmodul på 7-10 x 10 4 kp/cm 2 og en forlengelse på opptil 8%, idet fiberlengden er mellom 5 og 25 mm.

Det har vist seg at fiberne ifølge oppfinnelsen, som følge av deres gode forankring i sementen, er i stand til å abso-bere hele strekkbelastningen når sementen gir seg, og at de samtidig, på grunn av^skjærspenningene langs fiberflåtene, kan tilveiebringe en fordeling av mikrosprekker av slik ekstraordinær finhet at produktet virker som et homogent enkomponent-materiale som opp til brytepunktet har en forlengelse som kan være 10-100 ganger den for uforsterket matrise^materiale. En slik forlengelse har vært umulig å oppnå ved bruk av de hittil kjente plastfiberforsterkede byggematerialer.

Ved oppsplitting ved hjelp av en kuttervalse eller en nålevalse av plastfilmmateriale som er strukket nær bruddgrensen vil plastfilmen splittes opp i mindre strimler og enheter med litt varierende bredder, vanligvis mellom 3 og 7 ganger plast-filmens tykkelse. Fig. 2 viser et tverrsnitt gjennom en slik fiber-bunt. Under oppsplittingen er det vesentlig at skjæringen skjer på steder som ikke samsvarer med de iboende svakeste områder i materialet. Under oppskjæringen skjæres plastfilmen litt tilfeldig og ofte i retninger som avviker fra strekkretningen. Dette skyldes sannsynligvis at det skjer en sideforskyvning under på-virkningen av en eller flere nåler eller kniver. Som følge herav får man ofte en overskjæring av de sterke kjernene eller årene i materialet. Dette medvirker en viss oppfrynsing av skjæreområd-ene, og dessuten får man variasjon for tverrsnittet til de enkelte fibrene i lengderetningen. Begge deler går frem og fig. 3 og 4.

De fine fibriler og oppfrynsingen kan man se overalt i kutteområdene, og det går også frem at de to kutteområdene ikke er helt parallelle slik tilfellet er med den naturlige oppsplittede strukkede film, men at de stikker ut og inn tilfeldig for "hver enkelt fiber. Disse ujevnheter er årsaken til den særlig fine forankring og mekaniske sammenbinding av fibrene i byggematerialet ifølge oppfinnelsen.

Oppsplittingen av et plastfilmmateriale ved hjelp av kniv- eller nåleruller er kjent i og for seg, men det er nytt å skjære over for derved å dele opp materialet, og således oppnå enkeltfilamenter, og å bruke disse uglatte fibre med ujevne tverrsnitt og de ovenfor nevnte egenskaper som plastfiberforsterkning i form av enkeltfilamenter i et byggemateriale. Grunnen til dette er sannsynligvis at plastfibre av de nevnte typer som følge av deres spesielle egenskaper er meget vanskeligere å fordele i et sementmateriale enn glatte plastfibermaterieler som man hittil har brukt.

Man har^uten hell forsøkt å dispergere polyolefinfibre i vann i samsvar med de vanlige prosedyrer som benyttes når man f.eks. dispergerer asbestfibre for fremstilling av asbest-sement, eller i samsvar med normal prosedyre for cellulosefibre. Jo større agiteringen er, desto mer filtrer fibrene seg i hverandre. Når man imidlertid benytter en blanding av fibre som innbefatter bærefibre, f.eks. cellulosefibre, har det vist seg at man kan oppnå en normal dispergering selv uten tilsetingen av disperger-ingsadditiver. Overraskende nok har det vist seg at når det benyttes et fett eller meget viskøst fluidum kan man oppnå en perfekt dispergering på en relativ enkel måte.

De fiberforsterkede materialer ifølge oppfinnelsen har vært underkastet grundige forsøk i laboratorier og i prak-tisk bruk og har vært sammenliknet med f.eks. vanlige asbest-forsterkede sementprodukter fremstilt på samme måte. Med samme kompresjon har man strekkspenningsverdier på samme nivå, men når det gjelder bruddforlengelsen og slagmotstandsevne har man funnet at denne er betydelig høyere for de nye materialer, eksempelvis 3 til 5 ganger de verdier man har for asbestforsterk-ede sementprodukter. Fig. 5 viser kurver oppnådd ved bøyeforsøk med ulike materialer.

Kurve I viser en uforsterket sementmatrise. Kurve II viser en sementmatriske forsterket med glatte polypropylengarn

og kurve III viser et produkt forsterket i samsvar med foreligg-ende oppfinnelse.

I diagrammene er ordinaten<^ kantbøyespenning, abscissen kantstrekningen i strekksonen og kompre-sjonssonen (begge vist som positive), henholdsvis &.og £" .

Ifølge en modifikasjon av oppfinnelsen er polypropylenfibrene sammensatt av to fiberstørrelse, hvis lengdeforhold er ca 1:3. Ved bruk av ulike-fiberstørrelser oppnås en forbedret dispergering av fibrene på en sammenfiltret måte, eksempelvis med en blanding som innbefatter 6 mm og 18 mm fibre.

Andre fibertyper, særlig cellulosef ibre .og/eller mineralfibre tilsettes for å forbedre oppslemmingens filtrerings- karakteristikk, d.v.s. som foran nevnt for å tilveiebringe en

filterdannende basis i oppslemmingen slik at plater kan fremstilles på en vanlig plateformemaskin hvor et oppslemmingslag legges ned på en sikt eller en filt med samtidig sugeawanning. Disse relativt fine fibre tjener som en sterk binding av matrisemassen.

Ifølge et vesentlig trekk ved oppfinnelsen kan fordelaktig matrisematerialet innbefatte et finkornet uorganisk fyllmateriale innenfor det størrelsesområde hvor 85% er mindre enn -1 mikron.

Det finkornede materialet har som tidligere nevnt en viktig funksjon under fremstillingen av oppslemmingen for fremstilling av produktet derved at det bevirker en mykgjøring av massen og i noen tilfeller også tjener som et temperaturreguler-ende additiv som holder reaksjonstemperaturen innenfor visse grenser. I det ferdige produkt tjener det finkornede filmmaterialet f.eks. puzzolan eller finkornet slagg, til å reagere med og kontrollere den frie kalk som alltid foreligger i produktet, og videre forbedrer det produktets styre.

Claims (12)

1. Fremgangsmåte til fremstilling av et byggeprodukt ved blanding av et hydraulisk bindemiddel, fortrinnsvis Portland-sement, som matrise' med en fiberforsterkning, karakterisert ved at i det minste en del av fibrene er fleksible organiske fibre av polyolefintypen fremstilt ved oppkapping i korte lengder av strukket og fibrillert, fortrinnsvis varmestabilisert filmmateriale, hvilken fibrillering tilveiebringes ved mekanisk splitting av det strukkede filmmaterialet før ibland-ingen i en oppslemming, for derved å oppnå enkeltpolyolefin-filamenter på mellom ca. 2 til 35 denier dispergert i oppslemmingen, som tillates å herde etter forming eller støping.

2. Fremgangsmåte til fremstilling av et byggeprodukt ifølge krav 1, karakterisert ved at fibrene er polypropylenfibre.

3. Fremgangsmåte til fremstilling av et byggeprodukt ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at fibermaterialet dispergeres i en del av bindemidlet, som deretter blandes med resten av matriskematerialet. k

4. Fremgangsmåte til fremstilling av et byggeprodukt ifølge kravene 1, 0. eller 3, karakterisert ved at overflaten til de fleksible organiske fibre behandles med et uorganisk finkornet filmmateriale eller bindemidlet før blandingen med matrisematerialet.

5. Fremgangsmåte til fremstilling av et byggeprodukt ifølge krav 1,2,3 eller 4, karakterisert ved at innblandingen av fibrene i matrisemassen skjer med tilsetning av et dispergeringsmiddel.

6. Fremgangsmåte til fremstilling av et byggeprodukt ifølge et eller flere av de foregående krav, karakterisert ved at produktet fremstilles i form av plater på et fiberplateformeanlegg utstyrt med sugeutstyr for avvanning av råplatene under formingen.

7. Fremgangsmåte til fremstilling av et byggeprodukt ifølge krav 6, karakterisert ved at platene utsettes for en komprimering under en tidsperiode etter -formingen.

8. Firberforsterket byggeprodukt fremstilt ifølge et eller flere av de foregående krav og bestående av en matrise <-av et hydraulisk bindemiddel, fortrinnsvis Portland-sement, og forsterkende fibre, karakterisert ved at i det minste en del av fibrene innbefatter enkeltfilamenter av polyolefinfibre, fortrinnsvis polypropylenfibre fremstilt på basis av et filmmateriale med en tykkelse på mellom 10 og 60 mikron og strukket i det minste 15 ganger samt fibrillert ved hjelp av roterende nåle- eller kniveruller for oppnåelse av et fiber-materiale med en strekkstyrke på 4000 - 6000 kp/cm 2, en elastisi-4 2 tetsmodul på 7-10 x 10 kp/cm og en forlengelse opp til 8%, med en fiberlengde mellom 5 og 25 mm.

9. Fiberforsterket byggeprodukt ifølge krav 8, karakterisert ved at polypropylenfibrene er sammensatt av to fiberstørrelser hvis lengdeforhold er ca. 1:3.

10. Fiberforsterket byggeprodukt ifølge krav 8 eller 9, karakterisert ved at en del av fibrene er cellulosefibre.

11. Fiberforsterket byggeprodukt ifølge krav 8,9 eller 10, karakterisert ved at en del av fibrene er uorganiske mineralfibre.

12. Fiberforsterket byggeprodukt ifølge krav 8,9,ld eller 11, karakterisert ved at matrisematerialet innbefatter et finkornet uorganisk filmmateriale innenfor et stø rrelsesområde hvor 85% er mindre enn 1 mikron.