NO832409L - Hurtig herdnings-akseleratorer for sementholdige komposisjoner - Google Patents

Description

Beskrivelse

HURTIGHERDNINGS- AKSELERATORER

FOR SEMENTHOLDIGE KOMPOSISJONER

Teknisk område:

Denne oppfinnelse angår herdningsakseleratorer for sementholdige komposisjoner, spesielt "shotcrete". Oppfinnelsen angår enn videre de sementholdige komposisjoner som inneholder disse akseleratorer.

Bakgrunnsteknikk:

Angivelse av teknikkens stand

Akseleratorer som anvendes i hurtigherdnende sementholdige komposisjoner, såsom "shotcrete", består vanligvis av natriumaluminat, natriumkarbonat, kombinasjoner av disse to eller natriumsilikat. Alle disse akseleratorer er imidlertid etsende og forårsaker forbrenninger og dermatitt hos dem som arbeider med sement inneholdende disse akseleratorer. Akseleratorer som utelukkende er basert på natriumaluminat, bibringer den sementholdige blanding en meget langsom slutt-herdning, selv om de gir en god begynnelsesherdning. Natriumaluminat nedsetter også resistensen hos mørtel og betong mot sulfat og kjemisk angrep. Natriumkarbonat-akseleratorer har dårlige egenskaper når det gjelder begynnelsesherdning, og skjønt de vil redusere tørke-sammentrekningen, reduserer de også bruddfastheten hos den resulterende betong. Likeledes oppviser betong som inneholder natriumsilikat-akseleratorer, lav bruddfasthet.

Jern(III)-salter er blitt undersøkt som potensielle akseleratorer for sementholdige komposisjoner. Rosenburg, T.I. et al, "Investigation of Trivalent Iron Salts as Admixtures Accelerating the Hardening of Concrete", Intl. Symp. Admix. Mortar & Concr. Belg 67; Report 111-1 V/10, sider 169-180, rapporterer at jern(III)-sulfat, jern(III)-klorid og jern(III)-nitrat akselererer begynnelsesherdningen hos sement. Skjønt en akselerert begynnelsesherdning hos en sement kan avpasses slik at sementen godt kan sprøytepåføres, slik de angir, kan en slik sement neppe tjene noe nyttig for-mål på grunn av den lange sluttherdning som er påkrevet for

sementen, og den langsomme fasthetsutvikling.

Atskillige patenter beskriver hurtigherdnings-akseleratorer for sement. Eksempelvis beskriver US 4 066 469

til Shiel et al en ultra-hurtig herdnende portlandsement som inneholder minst ett syresalt, forskjellig fra fosfor-syrling-salt, av et alkalimetall, ammonium eller en organisk base, eksempelvis et amin, og sement som er malt til 3 000-7 000 cm<2>/g. US 2 918 385 til Arpin et al beskriver en hurtigherdnende sement bestående av portlandsement, kaolin og vannfritt kalsiumsulfat. US 3 782 991 til Burge, skjønt rettet på et additiv til å forbedre kvaliteten av en serrient-blanding, angir som herdningsakseleratorer alkanolaminer, alkalisilikater og alkaliske eller alkali-reagerende forbindelser såsom hydroksyder, karbonater og natriumaluminat.

US 2 995 454 til Handl lærer et tørt bindemiddel for sement som består av anhydritt, et alkalimetallsilikat og et ikke-alkalimetall-salt, eksempelvis aluminium, jern, kopper, sink, mangan, krom eller nikkel. US 3 864 141 til Uchikawa et al beskriver en fremgangsmåte til regulering av herdningstiden for hydraulisk sement med anhydritt med eller uten hemi-hydrat og organiske forbindelser såsom sukkere, karboksyl-syrer, ligninsulfonater etc. og uorganiske forbindelser såsom vannoppløselige fosfater, natriumhydrogenkarbonat kan tilsettes .

Akseleratorene i henhold til den foreliggende oppfinnelse består av et alkalimetallkarbonat og et uorganisk salt av treverdig jern. Denne blanding av akseleratorer virker uventet sammen slik at det oppnås begynnelses- og slutt-hérdningstider som er kortere enn hva man ville vente ut fra gjennomsnittet av herdningstidene for de to komponenter hver for seg. Enn videre er akseleratorene ikke-etsende, og de sementholdige komposisjoner inneholdende disse akseleratorer oppnår i alminnelighet en begynnelses- og slutt-herdning på mindre enn ca. 10 minutter, og den resulterende hurtigherdnende betong har en høyere fasthet enn hurtigherdnende betong inneholdende tidligere kjente akseleratorer. Beskrivelse av oppfinnelsen: Hurtigherdnings-akseleratorene for sementholdige komposisjoner består av et alkalimetallkarbonat og et uorganisk salt av treverdig jern. Akseleratorene er særlig egnet når det er ønskelig å oppnå både en begynnelses- og en slutt-herdning i den sementholdige komposisjon i løpet av ca. 10 minutter etter vanntilsetning til den sementholdige komposisjon. Akseleratorene er således spesielt egnet ved fremstilling av "shotcrete" eller hånd-påført mørtel. Dessuten har herdnede sementholdige komposisjoner inneholdende disse akseleratorer forbedrede fasthetsegenskaper sammenlignet med hurtigherdnende sementholdige komposisjoner i hvilke det anvendes akseleratorer bestående av natriumkarbonat og natriumaluminat. Da akseleratorene er ikke-etsende, blir dessuten risikoen for forbrenninger og dermatitt hos de per-soner som håndterer den sementholdige komposisjon, sterkt redusert sammenlignet med sementholdige komposisjoner inneholdende konvensjonelle hurtigherdnings-akseleratorer, eksempelvis natriumkarbonat og natriumaluminat.

Anvendt alene brakte ingen av komponentene den sementholdige komposisjon til å oppnå en begynnelsesherdning i løpet av tre minutter og en sluttherdning i løpet av ni minutter, som beskrevet i ASTM C-266-77, "Time of Setting of Hydraulic Cement by Gillmore Needles", og foreslått ASTM Committee C 09.03.08.07, "Compatibility of Shotcrete

Accelerators and Portland Cement by Use of Gillmore Needles". Begge referanser inkorporeres heri. Anvendt alene vil alkalimetallkarbonatene ikke bevirke en begynnelsesherdning i løpet av tre minutter, og de vil ikke bevirke en sluttherdning i løpet av ni minutter. Skjønt salter av treverdig jern, eksempelvis jern(III)-sulfat, anvendt alene vil bevirke en begynnelsesherdning i løpet av tre minutter,

vil sluttherdningen være meget lengre enn ni minutter. Når imidlertid begge komponenter anvendes sammen som en akselerator, samvirker de uventet, som vist på fig. 1 og 2, slik at det oppnås begynnelses- og slutt-herdninger som ikke bare er innenfor de foreskrevne tider, men som i alminnelighet er kortere enn de herdningstider som man ville

vente ved enkelt å ta gjennomsnittet av herdningstidene for komponentene hver for seg.

Kort beskrivelse av tegningsfigurene:

Fig. 1 er en semilogaritmisk grafisk fremstilling av herdningstidene for portlandsement inneholdende forskjellige tilblandinger av natriumkarbonat og/eller jern(III)-sulfat. Fig. 2 er en lineær grafisk fremstilling av begynnelses-herdningstidene på fig. 1.

Utførelsesformer av oppfinnelsen:

Akseleratorene i henhold til den foreliggende oppfinnelse kan anvendes i sementholdige komposisjoner hvor hurtig begynnelses- og slutt-herdning ønskes. Slike komposisjoner innbefatter hydrauliske sementer, mørteler og betonger. Sementen kan enten være portlandsement eller en sement med høyt aluminiuminnhold, for eksempel sement som anvendes i varmefaste materialer. På grunn av den hurtige herdning som oppnås med disse akseleratorer, må den sementholdige komposisjon brukes hurtig etter fremstillingen og vil derfor i alminnelighet bli anvendt som en hånd-påført mørtel eller som en tørr-prosess-"shotcrete". Det største anvendelses-område vil bli funnet ved tørr-prosess-"shotcrete".

Akseleratoren inkorporeres i en sementholdig komposisjon i en mengde som bevirker at den sementholdige komposisjon oppnår en begynnelses- og en slutt-herdning som øns-. ket for den spesielle anvendelse av den sementholdige komposisjon. I alminnelighet tilsettes akseleratoren i en mengde som er tilstrekkelig for oppnåelse av en sluttherdning av den sementholdige komposisjon innen ca. 60 minutter og mer foretrukket innen 30 minutter og helst innen ca. 10 minutter. I alminnelighet vil akseleratoren bli anvendt i en mengde på fra ca. 0,5 vekt% til ca. 10 vekt% av den sementholdige komposisjon, fortrinnsvis i en mengde på fra ca. 1 til ca. 5 vekt%,og mer foretrukket fra ca. 3 til ca. 4 vekt% av den sementholdige komposisjon.

De foretrukne alkalimetallkarbonater er natrium- og kaliumkarbonater. Natriumkarbonat er det mest foretrukne.

Da alkalimetallkarbonat først og fremst er ansvarlig for sluttherdningen av den sementholdige komposisjon, bør det anvendes i en mengde som er tilstrekkelig, i forbindelse med jern(III)-saltet, til at sluttherdningen finner sted innen ca. 60 minutter, mer foretrukket innen ca. 30 minutter og helst innen ca. 10 minutter etter vanntilsetningen tilden sementholdige komposisjon. I alminnelighet vil alkalimetallkarbonatet utgjøre fra ca. 20 til ca. 80% av akseleratoren, og mer foretrukket vil den utgjøre mindre enn ca. 50% av akseleratoren, mens fra ca. 30 til ca. 40%

er det mest foretrukne.

De foretrukne uorganiske salter av treverdig jern er jern(III)-syresalter, eksklusive jern (III)-fosfat, såsom jern(III)-sulfat, jern(III)-klorid og jern(III)-nitrat. Jern(III)-sulfat og jern(III)-klorid er mer foretrukket.

Da jern(III)-klorid (såvel som jern(III)-nitrat) kan være korrosivt overfor armeringsmateriale, er jern(III)-sulfat mest foretrukket. Jern(III)-komponenten anvendes i en mengde som er tilstrekkelig, når den anvendes i forbindelse med alkalimetallkarbonatet, til å bringe den sementholdige komposisjon til å oppnå en begynnelsesherdning innen ca. 10 minutter og mer foretrukket innen ca. 3 minutter. Da jern(III)-komponenten er ansvarlig for redusering av alkali-niteten av natriumkarbonatet og, i en langt mindre gard, de alkaliske reaksjonsprodukter som dannes under hydratiserin-gen og herdningen av den sementholdige komposisjon, blir den dessuten anvendt i en mengde som er tilstrekkelig for oppnåelse av en ønsket pH. Den mengde som anvendes av jern (III)-saltet for oppnåelse av en bestemt pH, vil være avhengig av det spesielle salt og den spesielle sement. For eksempel, for oppnåelse av en pH på ca. 7 for en akselerator anvendt i en Type 1 Portland cement "shotcrete" utgjør jern(III)-sulfat ca. 60% av akseleratoren. I alminnelighet utgjør jern(III)-komponenten i akseleratoren fra ca. 80 til ca.

20% av akseleratoren og mer foretrukket minst 50%, og mest foretrukket fra ca. 60 til ca. 70%, av akseleratoren.

Som kjent for fagfolk på området kan mange faktorer

ha betydning for doseringsmengden av akselerator, eksempelvis temperaturen, kilden for og arten av sementen, vann-

innholdet i tilslagsmaterialet og det ønskede sluttresul-tat. For eksempel må doseringsmengden av akseleratoren, for opprettholdelse av en gitt grad av akselerering, i alminnelighetøkes når temperaturen nedsettes. Den bevirkede akselerering hos en sement forårsaket av en gitt doserings-mengde av en akselerator kan dessuten være mindre ved en langsommere herdnende sementtype enn ved en hurtigere herdnende sementtype. Det kan således være ønskelig, slik det ofte gjøre med "shotcrete", å teste forlikeligheten av an-delen og doseringsmengden av akseleratorene i henhold til oppfinnelsen i forbindelse med de spesielle sementholdige komposisjoner som anvendes. Foreslått ASTM-test, "Compatibility of Shotcrete Accelerators and Portland Cement by Use of Gilmore Needles" er en metode til testing av denne forlikelighet.

De sementholdige komposisjoner er ikke kritiske, og egnede sammensetninger er kjent for fagfolk på området.

I tillegg til akseleratoren vil den sementholdige komposisjon i alminnelighet inneholde fra ca. 1.0 til ca. 35% sement og fra ca. 65 til ca. 90% tilslagsmateriale. Tilstrekkelig vann tilsettes for oppnåelse av et sement/vann-forhold på fra ca. 0,28 til ca. 0,60.

EKSEMPLER

Eksempel 1:

Femten prøver av Type 1 portlandsement ble fremstilt under anvendelse av forskjellige mengder av natriumkarbonat og jern(III)-sulfat. Hver prøve inneholdt Type 1 portlandsement, som beskrevet i ASTM C-150, som inkorporeres heri ved referanse. Mengden av akselerator varierte fra ca. 1 til ca. 3 vekt% av sementblandingen, og akseleratorenes komponenter var som følger (gitt som vekt% av samlet akselerator) :

Vann ble tilsatt i en mengde tilstrekkelig til å gi et vann/sement-forhold på ca. 0,30.

Begynnelses- og slutt-herdningstiden for hver prøve

ble målt i henhold til ASTM-test C-266-77, "Time of Setting of Hydraulic Cement by Gillmore Needles". Resultatene er gitt på fig. 1 og fig. 2, som er en lineær fremstilling av de begynnelses-herdningstider som er gitt på fig. 1.

Resultatene viser at denne blanding uventet virker sammen slik at det oppnås en sluttherdningstid som er kortere enn den tid som er påkrevet når hvilken som helst av komponentene anvendes alene, og slik at det oppnås både slutt-

og begynnelses-herdningstider, når katalysatorblandingen utgjør mer enn ca. 1 vekt% av sementen, som er kortere enn hva man ville vente ved proporsjonalt å ta gjennomsnittet av de individuelle herdningstider for komponentene. Komponentene i akseleratorene ved denne oppfinnelse virker således sammen på en synergisk måte.

Eksempel 2:

For bestemmelse av herdningstidene og fasthetsutviklin-gen ble flere prøver av en betongblanding under anvendelse av akseleratorene i henhold til foreliggende oppfinnelse fremstilt og anvendt som en tørr-prosess-"shotcrete". Dessuten ble sammenligningsprøver av den samme betongblanding, uten akselerator og inneholdende en tidligere kjent akselerator av natriumkarbonat og natriumaluminat, også anvendt som tørr-prosess-"shotcrete". Den betongblanding som ble anvendt i hver prøve, ble fremstilt i henhold til ACI (American Cement Institute) 506.2-77 og hadde den følgende sammensetning:

Sammensetningen og mengden av akseleratoren i hver prøve var som følger:

Hver prøve av tørr "shotcrete" ble blandet i en kontinuerlig volumetrisk blandemaskin og mikser som var kalibrert til å levere tørr betong i overensstemmelse med ASTM Specifi-cation C-685-80, "Concrete Made By Volumetric Batching and Continuous Mixing". Den tørre "shotcrete" ble befordret gjen-nom en slange ved hjelp av en kontinuerlig matepistol, idet vann ble injisert i blandingen ved dysen i overensstemmelse med vanlig praksis. Skjønt sement/vann-forholdet ikke kan reguleres nøyaktig, ble de to, i den grad det var mulig, tilsatt sammen for oppnåelse av et sement/vann-forhold på ca. 0,3. Hver prøve av "shotcrete" ble pistolbefordret inn i 18"x18"x6" vertikalt monterte stålformer. Umiddelbart etter anvendelsene av "shotcrete"-materialene ble måling av herd- . ningstidene startet og utført i henhold til ASTM C-403-77, "Test for Time of Setting of Concrete Mixtures by Penetration Resistancé". Dessuten ble fastheten av den resulterende betong målt med intervaller på 0,33, 1, 3, 7, 28 og 56 dager. Standardkjerner, som målte 3" i diameter og 6" i høyde, ble tatt umiddelbart før hvert test-intervall. Både kjerne-tagningen og testingen av fastheten ble utført i henhold til ASTM C-42-77, "Obtaining and Testing Drilled Cores and Sawed Beams of Concrete".

Begynnelses- og slutt-herdningstidene for de enkelte prøver er gitt i Tabell 1, og den fasthet som de enkelte prøver utviklet, er gitt i Tabell 2.

Claims (16)

1. Tørr blanding til bruk i en "shotcrete"-prosess for oppnåelse av hurtig herdning, omfattende hydraulisk sement og herdningsakseleratorer omfattende et alkalimetallkarbonat og et uorganisk salt av treverdig jern, eksklusive jern(III)-fosfat, hvilke akseleratorer er tilstede i slike andeler at de etter vanntilsetning samvirker og bevirker en begynnelsesherdning innen høyst ca. 10 minutter og en sluttherdning innen høyst ca. 6 0 minutter.

2. Blanding ifølge krav 1, i hvilken alkalimetallkarbonatet er valgt fra gruppen bestående av natriumkarbonat og kaliumkarbonat.

3. Blanding ifølge krav 1, i hvilken det uorganiske salt av treverdig jern er valgt fra gruppen bestående av jern(III)-klorid og jern(III)-nitrat.

4. Blanding ifølge krav 1, i hvilken det uorganiske salt av treverdig jern er jern(III)-sulfat.

5. Blanding ifølge krav 1, i hvilken de nevnte akseleratorer utgjør fra ca. 0,5 til ca. 10 vekt% av blandingen.

6. Blanding ifølge krav 1, i hvilken akseleratorene samvirker slik at de bevirker en begynnelsesherdning innen høyst ca. 3 minutter og en sluttherdning innen høyst ca. 10 minutter .

7. Blanding som angitt i krav 1 for anvendelse med hånd-påført mørtel.

8. Fremgangsmåte til å blande og påføre en hurtigherdnende sementholdig komposisjon, omfattende at man blander med tørre ingredienser omfattende hydraulisk sement, herdningsakseleratorer omfattende et alkalimetallkarbonat og et uorganisk salt av treverdig jern, eksklusive jern(III)-fosfat, og tilsetter vann til nevnte blanding umiddelbart før påfø-ringer derav slik at kjemisk reaksjon mellom akselerator-komponentene i det vesentlige hindres.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 8, i hvilken akseleratorene er tilstede i slike andeler at de etter vanntilsetning samvirker og bevirker en begynnelsesherdning innen høyst ca.

10 minutter og en sluttherdning innen høyst ca. 60 minutter.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 8, i hvilken alkalimetallkarbonatet velges fra gruppen bestående av natriumkarbonat og kaliumkarbonat.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 8, i hvilken det uorganiske salt av treverdig jern velges fra gruppen bestående av jern(III)-klorid og jern(III)-nitrat.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 8, i hvilken det uorganiske salt av treverdig jern er jern(III)-sulfat.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 8, i hvilken herdningsaksele-ratorene utgjør fra ca. 0,5 til ca. 10 vekt% av blandingen.

14. ' Fremgangsmåte ifølge krav 8, i hvilken akseleratorene samvirker slik at de bevirker en begynnelsesherdning innen høyst ca. 3 minutter og en sluttherdning innen høyst ca. 10 minutter.

15. Fremgangsmåte ifølge krav 8, i hvilken den sementholdige komposisjon er en "shotcrete".

16. Fremgangsmåte ifølge krav 8, i hvilken den sementholdige komposisjon er en håndpåført mørtel.