NO831591L

NO831591L - Additiv for hydrauliske sementblandinger.

Info

Publication number: NO831591L
Application number: NO831591A
Authority: NO
Inventors: Anthony Philip Rosskopf
Original assignee: Martin Marietta Corp
Priority date: 1981-09-14
Filing date: 1983-05-05
Publication date: 1983-05-05
Also published as: KR890002885B1; AU8957782A; FI831620A0; ES515696A0; NZ201882A; ES8403842A1; FI69825C; US4373956A; AR227750A1; FI69825B; DE3268563D1; JPS5879853A; BR8207857A; EP0077129A1; ZA826542B; JPS623792B2; PT75539A; FI831620L; MX157328A; DK215183D0

Abstract

Hydraulisk sementblanding innbefattende hydraulisk sement, aggregat, tilstrekkelig vann til å bevirke hydraulisk størkning av sementen, og et additiv omfattende en blanding av et alkali- eller jordalkali-eller ammoniumsalt av tiocyansyre, slik som natrium-, kalium-, litium-, kalsium- eller magnesiumtiocyanat, og et alkanolamin, slik som trietanolamin, idet additivet er tilstede i en mengde som er tilstrekkelig til å øke herdningshastigheten og trykkfastheten til den herdede blanding. Generelt er additivet tilstede i en total mengde på opptil ca. 2,5 vekt-% basert på vekten av sementen, vanligvis i en mengde på mellom ca. 0,05 og ca. 2,55 vekt-% basert på vekten av sementen, fortrinnsvis i en mengde i området fra ca. 0,4 til ca. 0,6 vekt-%.

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører additivsammensetninger, eller kjent som tilsetningsstoffer, for inkorporering i hydrauliske sementblandinger, f.eks., hydrauliske sementbetonger, mørtler, slemmingsmørtler, sementlimblandinger, betongblokkblandinger og tørre blandinger for fremstilling av slike betonger, mørtler og slemmingsmørtler, spesielt for å akselerere deres herdnings- og størkningshastighet.

En rekke forskjellige teknikker har blitt.benyttet for å akselerere herdingen av hydrauliske sementblandinger. Disse teknikker benyttes på grunn av omstendigheter eller forhold som i urimelig grad forlenger den tid som er nødvendig for herding av slike blandinger i gitte anvendelser. Hydrati-seringshastigheten for portlandsement er meget avhengig av f.eks. temperatur slik at betongen inneholdende dette materialet ofte vil herde ved en langsommere hastighet enn det som er ønsket under vintersesongen med mindre det foretas foranstaltninger for å akselerere herdeprosessen.

Blant de forskjellige teknikker som benyttes for dette formål, er økningen av andelen av portlandsement i blandingen; bruken av den hurtigste størknetype av tilgjengelig sement; oppvarming av vannet og andre komponenter i betongen; og bruken av kjemiske injeksjonsstoffer som virker, kataly-

tisk eller på annen måte, til å øke hastigheten ved hvil-

ken betongen herdner.

En rekke kjemiske midler som tjener til å akselerere betongens herdningshastighet er kjent innen teknikken. Spesielt er kalsiumklorid kjent som en effektiv og økonomisk akselerator. Ved bruk er dette additiv imidlertid kjent for å ha visse ulemper, spesielt dets tendens under visse forhold til å fremme korrosjon av metall som er innleiret deri,

eller i kontakt med, den kalsiumkloridholdige betong. Andre midler slik som alkanolaminer, urea, natriumtiosulfat, aldehyder av lav molekylvekt og deres polymerer, salter av salpetersyrling og salpetersyre, og kalsiumformiat, fremmer ikke korrosjon av metall, men har en mindre utpreget

effekt når det å akselerere herdningshastigheten til betong, og aldehyder er kjent for å utvikle damper som har vært betydelig uheldige.

Det foreligger derfor et kontinuerlig behov innen teknikken for forbedrede størkningsakselererende midler. Spesielt er det et behov for nye størkningsakselererende midler som hurtig kan akselerere størkningshastigheten for portlandsementblandinger som ikke fremmer korrosjon av metall innleiret i eller i kontakt med den kalsiumkloridholdige betong. I tillegg er det naturligvis et kontinuerlig ønske innen teknikken for injeksjonsstoffer som kan gi andre fordeler, slik som reduksjon av vanninnholdet i blandingen og forbedret trykkfasthet til den herdede betong.

En annen bruk av akseleratorer er å overvinne retardasjon forårsaket av styrkeforbedrende tilstningsstoffer. Mange tilsetningsstoffer som benyttes for å oppnå forbedret trykkfasthet, er også kjent for å virke som størkningsretarder-ende midler, og slike tilsetningsstoffer gjør den kjemiske hydratiseringsprosess langsommere slik at betongen forblir plastisk og bearbeidbar i lengre tid enn betong uten et slikt•retarderingsmiddel. Mens tilsetningsstoffer som har størkningsretarderende- og trykkfasthets-forbedrende egenskaper i og for seg er nyttige, er det ofte tilfeller der forbedret trykkfasthet er ønsket, men der eventuell betydelig retardasjon av herdningshastigheten for sement- eller betongblandingen ville være uønsket. I et slikt tilfelle er det ønskelig å overvinne den uønskede retardasjonseffekt ved å bruke akseleratorer som overkommer tendensen for retardasjon.

Det foreligger således et behov for additivsammensetninger, eller tilsetningsstoffer, for inkorporering i hydrauliske sementblandinger, hvilke additiver vil gi forbedret trykkfasthet og/eller akselerert herdnings- og størkningshastig-het for de resulterende sementprodukter, mens de ikke har uheldige effekter på de hydrauliske blandingene, slik som urimelig innblanding av luft, eller bevirker uønskede damper eller korroderende effekter, eller minsket styrke i senere tid.

Foreliggende oppfinnelse angår en additivsammensetning

eller tilsetningsstoff for inkorporering i hydrauliske sementblandinger, slik som betonger, mørtler, slemmings-mørtler, sementlimblandinger, ikke-plastiske sementblandinger, og tørre blandinger for fremstilling av betonger, mørtler og slemmingsmørtler og de således forbedrede sementblandinger og fremgangsmåte for inkorporering av additivsammensetningen.

For oppfinnelsens formål er det ment at betegnelsen "hydraulisk sement" skal innbefatte alle sementholdige sammensetninger som kan størkne og herdne ved innvirkning av vann, slik som portlandsementer, sulfatbestandige sementer, slaggsementer, puzzolaniske sementer og sementer med høyt aluminiumoksydinnhold, siden additivsammensetningen eller tilsetningsstoffet ifølge oppfinnelsen kan inkorporeres i alle hydrauliske sementblandinger. Den foretrukne bruk av foreliggende sammensetning eller tilsetningsstoff er imidlertid i portlandsementblandinger. Også for foreliggende oppfinnelses formål er det ment at betegnelsen "portlandsement" skal innbefatte alle sementholdige sammensetninger som har et høyt innhold av trikalsiumsilikat og således er portlandsement eller er kjemisk like eller analoge med og således sement av portlandtype, hvis spesifikasjon er angitt i American Society for Testing Materials specification (ASTM) C-150-80. Dette ville inkludere sementer hvori flyveaske, slik som fra damp- eller kraftstasjoner, kalksten, puzzolanaslagg, slik som fra masovner, eller blandinger av disse, er inkorporert eller anses for å være portlandsementer, eller portlandblandede sementer slik som de i ASTM C-595-79.

Generelt omfatter oppfinnelsen en hydraulisk sementblanding innbefattende hydraulisk sement, aggregat, tilstrekkelig vann til å bevirke hydraulisk størkning av sementen og et additiv omfattende en blanding av et alkali- eller jordalkali- eller ammoniumsalt av tiocyansyre og et alkanolamin, idet additivet er tilstede i en mengde som er tilstrekkelig til å øke herdningshastigheten, bearbeidbarheten og trykkfastheten til den herdede blanding. Additivet velges fortrinnsvis fra gruppen omfattende natrium-, kalium-, litium-, kalsium-, magnesium- eller ammoniumtiocyanat, i kombinasjon med trietanolamin, og er tilstede i en total mengde på opptil ca. 2,5 vekt-% basert på vekten av sementen, vanligvis i en mengde på mellom ca. 0,1 og ca. 2,55 vekt-% basert på vekten av sementen, fortrinnsvis i en mengde i området fra ca. 0,4 til ca. 0,6 vekt-%. Bruk av additivet er nyttig for byggingsegenskapene til hydrauliske sementblandinger idet det resulterer i produkter som har en akselerert herdnings- og størkningshastighet i forhold til lignende blandinger fremstilt uten additivet, uten å forårsake de korrosjonsproblemer som foreligger med klorid-akseleratorer, slik som kalsiumklorid. Videre, bruk av dette additiv i portlandsementer i de foretrukne områder resulterer i almin-nelighet i en økning i trykkfastheten til de herdede hydrauliske sementblandingene.

Det er derfor et formål med foreliggende oppfinnelse å til-veiebringe forbedrede hydrauliske sementblandinger.

Det er et annet formål med foreliggende oppfinnelse å til-veiebringe forbedrede hydrauliske sementblandinger, slik som portlandsementblandinger, inkludert betong, mørtel og slemmingsmørtelblandinger, sementlimblandinger, ikke-plastiske sementblandinger og tørre blandinger, hvilke innbefatter en additivsammensetning eller tilsetningsstoff som på fordelaktig måte vil akselerere sementblandingens herdnings-og størkningshastighet og/eller øke den tidlige trykkfasthet.

Alkali- og jordalkalisaltene av tiocyansyre med følgende generelle formel:

hvor R representerer et alkali- eller jordalkalimetall,

slik som natrium, kalium, litium, kalsium eller magnesium, eller ammonium og X er 1 avhengig av om R er et alkali-metall eller ammonium, og X er 2 når R er et jordalkalimetall. Tiocyanatsalter er også varierende kjent som sulfocyanat-, sulfocyanid-, rhodanat- og rhodanidsalter. Tiocyanatsalter er kommersielt tilgjengelige produkter og har kjent nyttevirkning innen farge- og trykke- og tekstil-industrien, samt som et oppløsningsmiddel for cellulose og polyakrylat.

Alkanolamin er det generiske navn for en gruppe forbindelser hvori nitrogen er festet direkte til karbonet i en alkyl-alkohol. Etanolamin, dietanolamin og trietanolamin, alene og i forskjellige blandinger, er velkjente eksempler på alkanolaminer. For foreliggende søknads formål er betegnelsen alkanolamin ment å bety en av alkanolaminene per se samt som et blandet alkanolamin. Trietanolamin, også kjent som tri-(2-hydroksyetyl)amin med formelen (HOCH2CH2)er et kommersielt tilgjengelig produkt og har kjent nyttevirkning i detergenter og som en sementakselerator.

Ved utførelse av foreliggende oppfinnelse benyttes tiocyanatsaltet og alkanolaminet i kombinasjon og inkorporeres i hydrauliske sementblandinger, slik som portlandsementbetonger og mørtler, sementbetonger og mørtler med høyt aluminiumoksydinnhold, og tørre blandinger for fremstilling av slike betonger og mørtler i mengde tilstrekkelig til å akselerere den hydrauliske sementblandings herdnings- og størknings-hastighet. Generelt vil kombinasjonen bli inkorporert i sementblandingen i total mengde på opptil ca. 2,55 vekt-% basert på vekten av sementen, vanligvis i området 0,1-2,55 vekt-%. Tiocyanatsaltet er fortrinnsvis tilstede i en mengde på mellom 0,1 og 2,5 vekt-%, basert på vekten av sementen, idet alkanolaminet er tilstede i en mengde på mellom 0,001 og 0,05 vekt-%, basert på vekten av sementen. En ytterligere foretrukken mengde tiocyanatsalt er 0,25-1,5 vekt-%, basert på vekten av sementen, og en ytterligere foretrukken mengde av alkanolamin er fra ca. 0,01 til 0,04 vekt-%, basert på vekten av sementen. Additivet ifølge foreliggende oppfinnelse inkorporeres i hydrauliske sementblandinger fortrinnsvis ved at det tilsettes til en del av blandevannet som benyttes for blanding av hydraulisk sement og aggregat. Additivet kan imidlertid inkorporeres på en hvilken som helst annen konvensjonell måte inkludert tilsetning til tørrblandingen før vannet inkorporeres deri.

Betegnelsen aggregat er ment å innbefatte både fint aggre-at, slik som sand, og grovt aggregat slik som knust sten eller grus, slik det er vanlig i teknikken. For mørtler kan aggregatet generelt være sand eller et annet fint aggregat som tilfredsstiller kravene ifølge ASTM standard C-33-80. Den nøyaktige størrelsen, renheten, kvaliteten og mengden eller områder derav, for de fine og grove aggregatene vil variere avhengig av den ønskede bruk og egenskaper hos mørtelen eller betongen. For de mest vanlige anvendelser, selv om det ikke skal begrenses til dette, vil størrelsen for det fine aggregatet være innen det brede området fra ca. +4 mesh til -100 mesh U.S. Standard Sieve (ASTM C-ll-70), mens størrelsen på det grove aggregat vil være innen det brede området fra 7,6 cm til 4 mesh. Det grove aggregatet vil vanligvis være av mineralsk opprinnelse, slik som grus eller knust bergart, men kan i noen tilfeller bestå i det minste delvis av sortert metallmateriale slik som jernspon, eller fremstilt aggregat, slik som slagg.

Videre, generelt for tørre mørtelblandinger vil mengdefor-holdet for fint aggregat til sement være i området fra ca. 25 til ca. 75 vekt-%, basert på vekten av sementblandingen, avhengig av aggregatets natur og de ønskede egenskaper og bruk for blandingen.

For både mørtler og sementer bør mengden av benyttet vann vanligvis være tilstrekkelig til å bevirke hydraulisk størk-ning av sementen som er tilstede i blandingen og til å

gi egnet bearbeidbarhet. Dette kan stort sett varieres fra ca. 20 til 60 vekt-% av sementen i blandingen for mørtlene og fra ca. 25 til 70 vekt-% av sementen i blandingen for betongene. De nøyaktige mengder av vann vil avhenge av sluttanvendelsen for sementblandingen samt aggregatet og andre tilstedeværende tilsetningsstoffer i blandingen.

I den hensikt å illustrere de fordelaktige resultatene som kan oppnås ved utførelse av foreliggende oppfinnelse, ble alminnelige sementblandinger fremstilt og sammenlignet med lignende blandinger hvori forskjellige tiocyanatsalter og trietanolamin, både alene og sammen, var inkorporert i forskjellige doseringer. Den samme type og kvalitet av sement ble benyttet i hver blanding og andelen og typen av benyttet aggregat var i det vesentlige den samme. En tilstrekkelig mengde vann ble tilsatt til hver blanding for å bevirke hydraulisk størkning av sementblandingen og for å frembringe sementblandinger av vesentlig samme konsistens. Testene fra hvilke resultatene ble avledet var de som er vanlig benyttet og standardisert i ASTM-standardene for testing av sement og/eller betongblandinger, inkludert ASTM-standard C-39-72 (1979), C-143-78, C-231-78, C-403-77, som alle inkorporeres heri ved henvisning. I tillegg og for det formål ytterligere å illustrere oppfinnelsen, ble det foretatt sammenligninger med kalsiumklorid (CaCl2),

som er kjent og kommersielt tilgjengelig som et akselererende tilsetningsstoff og kalsiumlignosulfonat som er et kjent, retarderende, vannreduserende tilsetningsstoff.

Resultatene vist i tabellene I-IV illustrerer generelt bruken av tilsetningsstoffet ifølge foreliggende oppfinnelse i to type I-portlandsementblandinger (hvor sementen var fra to forskjellige fabrikanter) for dannelse av betonger. For hensiktsmessighetens skyld ble testene foretatt som

en serie tester hvori, ved sammenligning med en vanlig

(intet tilsetningsstoff) betong, doseringene ble variert og sammenligninger ble foretatt med tidligere kjente akseleratorer og et retarderende, styrkeforøkende tilsetningsstoff. Forholdet mellom fint aggregat og grovt aggregat var mellom 0,4 6 og 0,49, mengden av sement var 24 9 kg/m<3>betong og konsistensene til betongene (målt som "slump" ifølge ASTM C-143-78) var slik at de hadde slumper på

12,7 cm ± 1,3 cm.

All testingen i tabellene I, III og IV ble foretatt ved 21°C ± 1°C, mens den i tabell II ble foretatt ved 10°C ± 1°C. Alle de viste data er gjennomsnittsresultatet av to tester.

I hver serie er størkningshastigheten vist i forhold til den alminnelige blanding i serien, eller den første alminnelige blanding når det er mer enn en. Den faktiske størk-ningshastighet for den alminnelige blanding er vist i parentes. Når to alminnelige blandinger benyttes, tjener den andre til å bekrefte den første alminnelige blanding.

I tabellene er TEA et eksempel på en kommersielt tilgjengelig alkanolamin, nemlig trietanolamin, en NaSCN er et eksempel på et tiocyanat, spesielt natriumtiocyanat, CaLS er et kommersilet tilgjengelig kalsiumlignosulfonat, som er et kjent vannreduserende, styrkeforøkende tilsetningsstoff som har størkningsretarderende egenskaper, og Na2S20^er natriumtiosulfat som er en kjent "ikke-klorid"-akselerator.

Som det fremgår fra tabell I, gir bruken av tilsetningsstoffet ifølge foreliggende oppfinnelse, nemlig kombinasjonen av et tiocyanatsalt og et alkanolamin, en akselerert størk-ningshastighet og en forøket en dags styrkegevinst, mot hver komponent alene. Videre, kombinasjonen kan frembringe omtrent den samme akselerasjon av størknings- og herdningshastigheten og tidlig (en dag) trykkfasthet som tilfellet var med kalsiumklorid ved en dosering på 1 vekt-% basert på vekten av sement, sammenlignet med alminnelig betong hvori intet additiv ble benyttet. Dette kommer spesielt til uttrykk i tabell I, serie C, som ble foretatt ved 21°C ± 1°C og tabell II som ble foretatt ved 10°C ± 1°C. Ved kaldere vær er størkningshastigheten vanligvis lengre og behovet for en akselerator er større. Når tilsetningsstoffet ifølge foreliggende oppfinnelse benyttes med et størkningsretarderende, styrkeforøkende tilsetningsstoff slik som kalsiumlignosulfonat som vist i tabell III, kan størkningsretarderingstrekket overkommes uten på skadelig måte å påvirke betongens hydrauliske styrke. Testene vist i tabell IV viser tiocyanatsaltkomponenten i kombinasjon med kjente akseleratorer og resultatene er ikke på langt nær så nyttige som de som oppnås med kombinasjonen av tiocyanatsalt og alkanolamin slik det læres i foreliggende oppfinnelse.

Det er innen foreliggende oppfinnelses ramme å innbefatte, i sementblandinger fremstilt som her angitt, andre additiver som innen teknikken er kjent for de uttrykte formål for hvilke de normalt benyttes. Slike andre additiver kan f.eks. være luftinnblandingsmidler, luftuttakende midler, puzzolaniske materialer, flyveaske, fargestoffer, vannavstøtende midler, styrkeforøkende tilsetningsstoffer og lignende. Akseleratorene ifølge foreliggende oppfinnelse kan også benyttes i forbindelse med en kombinasjon av slike sementadditiver for å frembringe ønskede foran-dringer i de fysikalske egenskapene til den betong som fremstilles.

Det er også innen oppfinnelsens ramme å benytte tilsetningsstoffet ifølge oppfinenlsen sammen med kjente størk-ningsretarderende midler, slik som lignosulfonater, sukkere, glykosakkarider og lignende, eller kombinasjoner derav for oppnåelse av forbedring av i den herdede blandings trykkfasthet, men med mindre retarderende effekt enn det som ville være resultatet fra slike størkningsretarderende midler. Akseleratorene ifølge foreliggende oppfinnelse og nevnte kjente størkningsretarderende midler kan også benyttes sammen med konvensjonelle størkningsakseleratorer som nevnt ovenfor for oppnåelse av en ønsket kombinasjon av nyttevirkninger.

Mens foreliggende oppfinnelse er blitt beskrevet under henvisning til visse foretrukne utførelser derav, vil en fag-mann innen teknikken forstå at forskjellige endringer og modifikasjoner og erstatninger kan foretas uten å avvike fra oppfinnelsens kjerne. Det er derfor ment at oppfinnelsen bare skal begrenses av omfanget av de krav som følger.

Claims

Hydraulisk sementblanding, karakterisert ved at den omfatter en hydraulisk sement,

aggregat i en mengde på opptil 80 vekt-% basert på nevnte sementblandings totalvekt, tilstrekkelig vann til å bevirke hydraulisk størkning av sementen, og et additiv omfattende en blanding av et alkali- og/eller joirdalkali- eller ammoniumsalt av tiocyansyre i en mengde på mellom 0,05 og 2,5 vekt-% basert på vekten av sementen og et alkanolamin,

i en mengde på mellom 0,001 og 0,05 vekt-% basert på vekten av sementen, hvorved nevnte sementblandings herdningshastighet akselereres og den herdnede blandings tidlige trykkfasthet økes.
2. Hydraulisk sementblanding ifølge krav 1, karakterisert ved at den hydrauliske sement omfatter portlandsement.
3. Hydraulisk sementblanding ifølge krav 1, karakterisert ved at nevnte tiocyanatsalt er tilstede i.en mengde på mellom 0,5 og 1,5 vekt-% basert på vekten av sementen og at nevnte alkanolamin er tilstede i en mengde på mellom 0,01 og 0,4 vekt-% basert på vekten av sementen.
4. Hydraulisk sementblanding ifølge krav 1, karakterisert ved at nevnte salt av tiocyansyre er natriumtiocyanat.
5. Hydraulisk sementblanding ifølge krav 1, karakterisert ved at nevnte salt av tiocyansyre er kaliumtiocyanat.
6. Hydraulisk sementblanding ifølge krav 1, karakterisert ved at nevnte salt av tiocyansyre er kalsiumtiocyanat.
7. Hydraulisk sementblanding ifølge krav 1, karakterisert ved at nevnte salt av tiocyansyre er magnesiumtiocyanat.
8. Hydraulisk sementblanding ifølge krav 1, karakterisert ved at nevnte aggregat er tilstede i en mengde fra 20 til 80 vekt-%.
9. Hydraulisk sementblanding ifølge krav 1, karakterisert ved at nevnte alkanolamin omfatter tietanolamin.
10. Fremgangsmåte for akselerering av herdingen til hydrauliske sementblandinger som innbefatter hydraulisk sement, aggregat i en mengde på opptil 80 vekt-% basert på nevnte sementblandings totalvekt, og tilstrekkelig vann til å bevirke hydraulisk størkning av sementen, karakterisert ved at man tilsetter et additiv omfattende en blanding av et alkali-, jordalkali- eller ammoniumsalt av tiocyansyre i en mengde på mellom 0,05 og 2,5 vekt-% basert på vekten av sementen og et alkanolamin i en mengde på mellom 0,001 og 0,05 vekt-% basert på vekten av sementen, hvorved sementblandingens herdningshastighet akselereres og den herdede blandings tidlige trykkfasthet økes.
11. Fremgangsmåte ifølge krav 10, karakterisert ved at nevnte hydrauliske sement omfatter portlandsement.
12. Fremgangsmåte ifølge krav 10, karakterisert ved at nevnte tiocyanatsalt er tilstede i en mengde på mellom 0,05 og 1,5 vekt-% basert på vekten av sementen og at nevnte alkanolamin er tilstede i en mengde på mellom 0,01 og 0,04 vekt-% basert på vekten av sementen.
13. Fremgangsmåte ifølge krav 10, karakterisert ved at nevnte salt av tiocyansyre er natriumtiocyanat.
14. Fremgangsmåte ifølge krav 10, karakterisert ved . at nevnte salt av tiocyansyre er kaliumtiocyanat.
15. Fremgangsmåte ifølge krav 10, karakterisert ved at nevnte salt av tiocyansyre er kalsiumtiocyanat.
16. Fremgangsmåte ifølge krav 10, karakterisert ved at nevnte salt av tiocyansyre er magnesiumtiocyanat.
17. Fremgangsmåte ifølge krav 10, karakterisert ved at nevnte aggregat er tilstede i en mengde fra 20 til 80 vekt-%.
18. Fremgangsmåte ifølge krav 10, karakterisert ved at nevnte alkanolamin omfatter trietanolamin.