NO850819L - Fiberblanding for armeringsformaal, saerlig forsterkning av sementprodukter - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår en fiberblanding til fremstilling av fiberforsterkede konstruksjonsmaterialer, som f.eks. hydraulisk herdnende materialer, særlig et sementma-teriale, hvilket som forsterkningsfibre inneholder polyakrylnitrilfibre og polyvinylalkoholfibre. Oppfinnelsen angår enn videre anvendelse av slike fiberblandinger ved fremstilling av formlegemer etter formgivelsen av herdnende materialer.

Polyakrylnitrilfibrene betegnes nedenfor som PAN-

fibre og polyvinylalkoholfibrene betegnes som PVA-fibre.

Det er alminnelig kjent at det ut fra vandige oppslem-ninger, bestående eksempelvis av asbest og sement, ved hjelp av avvanningsmaskiner, f.eks. Hatschek-maskiner eller ved injek-sjonsmetoden kan fremstilles formede bygningsartikler på forskjellige måter, så som takplater, bølgeplater, rør eller hageartikler. Slike bygningsartikler har i de senere år sikret seg en dominerende plass blant bygningsmaterialer. I de senere år er det imidlertid blitt stadig mer klart at det viktigste rå-stoff for fremstilling av disse produkter, nemlig asbest, av forskjellige grunner så som tilgjengelighet, prisutvikling og på grunn av helsemessige hensyn ikke lenge vil være til for-føyning for denne anvendelse. På denne fortrinnlige egenskapskombinasjon som asbestfibre oppviser, beror ikke bare de kjente utmerkede bruksegenskaper av asbestsement, men de danner også grunnlaget for den over hele verden anvendte Hatschek-avvannings-metode.

Alle de ovenfor nevnte forhold har i de siste år satt i gang en intensiv forskningsvirksomhet som har hatt til oppgave å finne frem til erstatningsfibre som på fullt tilfredsstillende måte kan erstatte asbest i de bestående produksjonsprosesser i forbindelse med avvanningsmetodene. Det viste seg imidlertid meget snart at ingen enkelt fiberart kunne finnes som forenet i seg samtlige positive egenskaper hos asbest.

Det er særlig de følgende egenskaper som utmerker asbest som både utmerket prosess- og som forsterkningsfiber:

- høy spesifikk overflate

- god dispergerbarhet

- utmerket kjemisk bestandighet

- høy sementretensjonsevne

- god banedanningsevne

- høy strekkfasthet

- høy elastisitetsmodul

- lav bruddforlengelse

Som prosesshjelpemiddel viser asbest en meget god for-delingsevne i en vandig sementoppslemning. Under avvannings-trinnet er asbest på grunn av sin gode filtreringsevne og gode sementaffinitet i stand til å holde sementen tilbake i det dan-nede sammensatte materiale. I det hydratiserte sluttprodukt gir den høye strekkfasthet i forbindelse med den høye E-modul og den lave bruddforlengelse en positiv effekt, hvilket resulterer i asbest-sement-produktenes kjente høye bøyningsstrekkfasthet.

Da hverken naturlige eller syntetiske fibre med asbestens egenskapskombinasjon kunne finnes, har forskningsanstrengelsene med sikte på å finne mulige erstatningsprodukter resultert i at det tilsvarende asbestens to hovedfunksjoner må anvendes fiberblandinger for at fibersement skal kunne produseres med disse nye fibre i bestående anlegg (se f.eks. DE-PS 3 002 484, Amiantus). Asbestens filtreringsegenskaper kan simuleres ved tilsetninger av cellulose og/eller syntetiske fibrider i fiberblandingene. For forsterkningsvirkningen tilsettes armeringsfibre. Slike fibre kan være organiske eller uorganiske høy-modulfibre, hvilke vanligvis tilsettes i snittlengder på 4-12 mm.

Det finnes vel knapt noen syntesefiber som ikke er blitt utprøvet som sementforsterkningsfiber for dette anvendelses-formål. De fleste fibre er imidlertid blitt funnet utilfreds-stillende av forskjellige grunner, så som utilstrekkelig kjemisk bestandighet, dårlig sementaffinitet, utilstrekkelige mekaniske egenskaper eller på grunn av for høy pris. Av det samlede fiber-tilbud har hittil bare to syntesefibertyper vist seg å tilfreds-stille fordringene til en sementarmeringsfiber. En av fibrene ble utviklet på basis av polyakrylnitril og er brakt i handelen, f.eks. av firma Hoechst (BRD) under handelsnavnet "Dolan 10"

(se også sveitisk patentsøknad 1 919/81-8). Den annen fiber er

oppbygget på basis av polyvinylalkohol og er tilgjengelig fra firma Kurarai, Japan, under handelsnavnet "Kuralon" (DE-PS

28 50 337). De viktigste egenskaper av disse fibre er angitt i tabell I.

En sammenligning mellom de tekstilmekaniske egenskaper av PVA- og PAN-fibrene viser at PVA-fibre oppviser de beste mekaniske egenskaper. Blir nå 6 mm fibre av disse to typer for-delt i en vandig sementoppslemning og forarbeidet til små fibersementplater ved hjelp av en filterpresse, så fremgår det av de målte fastheter av platene at de beste fiberegenskaper også gir sluttproduktet høyere fasthet (tabell 2).

TABELL 2

Fasthetsverdier for små fibersementplater fremstilt av Portlandsement og høymodulfibrene på basis av PVA og PAN ved hjelp av en filterpresse Tekstilmekaniske egenskaper av de anvendte fibre

Bruddarbeidet er en meget viktig materialteknologisk egenskap. Det gir opplysninger om produktets sprøhet henholdsvis slagseighet. I praksis kan dette gi seg slike utslag som at eksempelvis ved legging av takplater med forskjellig høye verdier for bruddarbeide, men med identiske bøyningsfastheter så kan den belastning som taktekkeren utøver, i ett tilfelle resultere i at platene uten forvarsel plutselig brekker (sprøbrudd), mens belastningen i et annet tilfelle derimot oppfanges av en høyere gjennombøyning.

Analyse av resultatene viser at PVA-fibrene med de bedre tekstilmekaniske egenskaper ikke bare er i stand til

å gi fibersementplatene en høyere bøyningsstrekkfasthet, men at også bruddarbeidet ligger svært meget høyere enn i tilfellet med PAN-fibrene. Bruddarbeidet er ved disse forsøk de-finert som arealet under spennings-forlengelse-kurven til det punkt hvor den maksimale bøyningsstrekkfasthet nåes, d.v.s. platen undergår brudd (fig. 1).

Med kunnskap om sammenhengen mellom fiberdataene og

de resulterende produktegenskaper hos fibersementplater ville det være enkelt å fremstille fibersementprodukter som det stilles meget høye krav til med hensyn til bøyningsfasthet, slagseighet og bruddarbeide, utelukkende under anvendelse av PVA-fibre. Denne løsning motvirkes imidlertid av den høye pris på PVA-fibre. På grunn av de høye råmaterialkostnader, forbundet med en meget kostbar trådfremstillingsprosess, ligger kostnadene for fremstillingen av PVA-fibre ca. 50-100% høyere enn for PAN-fibre. Tar man dertil i betraktning at asbestprisen for tiden bare er en brøkdel av prisen på syn-tesefibre, så er det åpenbart at fiberprisen må tillegges en avgjørende betydning, for at fibersementprodukter over-hodet skal kunne fremstilles industrielt. Det vil altså for fibersementindustrien i høy grad være ønskelig å finne en fiber med de beskrevne PVA-fibrenes egenskaper, men som har en tolerabel pris, d.v.s. ikke er vesentlig dyrere enn PAN-fibrene.

I henhold til den for fiberarmerte komposittmaterialer gyldige blandingsregel skulle man vente i tilfellet av fiberblandinger at de fastheter, henholdsvis det bruddarbeide som resulterer for det forsterkede materiale, følger blandings-forholdet lineært og proporsjonalt (jfr. "Fiber-Reinforced Cement Composites", Technical Report 51.067, The Concrete Society, Terminal House, Grosvenor Gardens, London 1973 og

H. Krenchel "Fiber Reinforcement", Akademisk Forlag, København, 1964).

Det ble nå overraskende funnet at en meget høy andel av PVA-fibre kan erstattes med billige PAN-fibre uten at fiber-sementproduktets positive egenskaper behøver å forringes.

Blandingen ifølge oppfinnelsen av PVA- og PAN-fibre erkarakterisert vedat den inneholder minst mulig av, dog minst 10% PVA-fibre.

Fiberblandingene ifølge oppfinnelsen skal nå belyses nærmere ved hjelp av de følgende praktiske forsøkseksempler.

Som egnede fibre for blandinger av PAN- og PVA-fibre kan det anvendes høymodul-polyakrylnitrilfibre som oppviser en E-modul på minst 13,0 cN/dteks, en bruddforlengelse på høyst 16% og en strekkfasthet på minst 6 cN/dteks.

Egnede polyvinylalkoholfibre er høymodulfibre med føl-gende spesifikasjoner: E-modul på minst 175 cN/dteks, bruddforlengelse på mak-simalt 15% og en strekkfasthet på minst 10 cN/dteks.

Begge fiberarter kan anvendes med ensartede titer-verdier eller som blandinger av fibre med forskjellige titer-verdier. Fortrinnsvis anvendes imidlertid fibre i området 0,5 - 5,0 dteks. Fibrene kan enten kuttes til nøyaktige, ensartede lengder, eller de kan foreligge malt eller blandet i forskjellige lengder. Fortrinnsvis anvendes PVA-fibrene i lengder på 4 - 15 mm og PAN-fibrene i lengder på 2 - 12 mm.

De følgende eksempler vil vise at det er spesielt for-delaktig hvis de anvendte PVA-fibre er ca. 1/3 lengre enn de tilblandede PAN-fibre.

Som mulige fremstillingsmåter for konstruksjonsdeler hvor fiberblandingene ifølge oppfinnelsen anvendes, kan det eksempelvis anvendes avvanningsmetoder ved hjelp av rund-eller langviremaskiner, men også monostrenganlegg, injek-sjonsanlegg eller filterpresser.

Blandinger som er egnet for forarbeidelsen i de nevnte anlegg, inneholder i en vandig suspensjon foruten fiberblandingene ifølge oppfinnelsen også et bindemiddel, som f.eks. sement og eventuelt ytterligere fibrøse materialer med filteregenskaper, såvel som forskjellige fyll- eller tilslagsstoffer.

Egnet som bindemiddel er hydrauliske uorganiske bindemidler så som sement, gips, jordalkalimetallsilikater eller jordalkalimetallaluminater. Det kan imidlertid også anvendes organiske bindemidler så som syntetiske harpikser. Som fyll-

og tilslagsstoffer kan det eksempelvis anvendes kvartssand, høyovnsslagger, flyveaske, puzzolaner, glimmer, steinmel.

Som hjelpefibre som tjener til å holde tilbake bindemiddel og fyllstoffer på viren, kan det anvendes cellulosefibre i form av sulfatcellulose, slipmasse, termomekanisk masse og/eller syntetiske fibrider på basis av syntetiske harpikser, som f.eks. polyetylen. Retensjonsevnen kan dessuten forbedres ytterligere ved anvendelse av flokkuleringsmidler, eksempelvis på basis av polyakrylamider.

Produkter som kan fremstilles med disse blandinger

på awanningsanleggene, er eksempelvis flate plater, bølge-plater, rør eller formede artikler som f.eks. hageartikler.

PVA-/PAN-fiberblandingene ifølge oppfinnelsen skal i

det følgende forklares nærmere ved hjelp av noen anvendelses-eksempler.

aj Fremstilling av fibersementplater for forsøks- formål

Forsøkene ble utført på en rundvire-avvanningsmaskin, type Hatschek.

I en separat masseløser (pulper) ble fibersement-oppslemningene fremstilt med et faststoffinnhold på 80 g/l og deretter pumpet kontinuerlig til massebingen for en Hatschek-maskin.

Før tilførselen til massebingen ble det dessuten til-dosert 200 ppm av et flokkuleringsmiddel av typen polyakryl-amid for forbedring av sementretensjonen. På maskinen ble det med 22 omdreininger av formatvalsen fremstilt plater på ca.

6 mm, hvilke ble presset til en tykkelse på 4, 8 mm mellom oljede plater i 60 minutter i en stabelpresse ved et spesi-fikt presstrykk på 250 bar. Av alle varianter ble det også fremstilt og utprøvet upressede prøver. Herdningen av fibersementplatene foregikk over 25 døgn i et fuktighetskammer med 100% relativ fuktighet ved 20°C. Etter at platene i tillegg var blitt lagret i 3 dager under vann, ble de testet i våt tilstand.

Forsøkene, ved hvilke fibersementplater bestående bare av fiberblandingen ifølge oppfinnelsen og sement, d.v.s. uten filterhjelpestoffer, er utført på en filterpresse.

b) Anvendte blandinger

For fremstilling på filterpresse:

Som fiberblandinger ble de følgende varianter anvendt:

De tekstiltekniske egenskaper av de anvendte fibre var:

- PAN

Titer, 1,5 dteks, strekkfasthet 7,2 cN/dteks,

E-modul 140 cN/dteks, bruddforlengelse 9%

- PVA

Titer, 2 dteks, strekkfasthet 12,5 cN/dteks

E-modul 250 cN/dteks, bruddforlengelse 6,5%

PAN-fibre og PVA-fibre ble anvendt i forskjellige kom-binasjoner i lengder på 4 og 6 mm.

For forsøkene på filterpressen ble blandinger, som bare bestod av Portlandsement og PVA/PAN-fibrene, fremstilt i vann.

c) Utprøvning av fibersementplatene

Utprøvningen av forsøksplatene ble utført ved hjelp av

en Wolpert prøvemaskin med trepunkt-opplagring under anvendelse av plater på 25 x 25 cm. Opplagringsavstanden var 167 mm og prøvehastigheten 26 mm/Min. Bedømmelsen av resultatene ble foretatt ved hjelp av en tilsluttet regnemaskin.

d) Resultater

Resultatene er angitt i tabellene 3-7.

Claims (13)

1. Blanding av polyakrylnitril- og polyvinylalkoholfibre som armeringsfibre for konstruksjonsmateriale som herdner etter formgivelsen, særlig for hydraulisk herdnende materialer, karakterisert ved at fiberblandingen inneholder 50 - 90% polyakrylnitrilfibre og 50 - 10% polyvinyl-alkoholf ibre.

2. Blanding ifølge krav 1, karakterisert ved at PAN-fibrene oppviser en E-modul på minst 130 cN/dteks, en bruddforlengelse på hø yst 16% og en fasthet på minst 6 cN/dteks.

3. Blanding ifølge krav 1, karakterisert ved at PVA-fibrene oppviser en E-modul på minst 175 cN/dteks, en bruddforlengelse på høyst 15% og en fasthet på minst 10 cN/dteks.

4. Blanding ifølge ett eller flere av de foregående krav, karakterisert ved at de anvendte PVA- og PAN-fibre oppviser en titer på 0,5 - 10 dteks.

5. Blanding ifølge ett eller flere av kravene 1-3, karakterisert ved at lengden av PAN-fibrene ligger i området 2-12 mm.

6. Blanding ifølge ett eller flere av kravene 1-3, karakterisert ved at lengden av PVA-fibrene ligger i området 4-15 mm.

7. Blanding ifølge ett eller flere av de foregående krav, karakterisert ved at det foretrukne forhold mellom snittlengdene for PVA-, respektive PAN-fibrene er 4:3 til 3:2.

8. Blanding ifølge ett eller flere av de foregående krav, karakterisert ved at armeringsfiberblandingen dessuten inneholder tilslagsmaterialer, så som cellulosefibre og/eller syntetisk masse (pulp) som prosesshjelpemidler.

9. Blanding ifølge krav 8, i kombinasjon med fyllstoffer/ tilslagsmaterialer, så som kvartssand, amorf kiselsyre, høy-ovnsslagger, flyveaske, puzzolaner, kalkstein og glimmer.

10. Anvendelse av blandingen ifølge ett eller flere av de foregående krav, for forsterkning av hydrauliske bindemidler, så som sement, gips, jordalkalimetallsilikater eller jordalkalimetallaluminater.

11. Anvendelse ifølge krav 10, for fremstilling av fiberforsterkede formdeler, som f.eks. plater, bølgeplater eller rør, hvorved det med samtlige blandingsbestanddeler fremstilles en fortynnet vandig oppslemning og denne anbringes i den ønskede form og deretter bringes til å herdne.

12. Formdeler, som f.eks. plater, bø lgeplater eller rør, fremstilt under anvendelse av en armeringsfiberblanding ifølge ett eller flere av kravene 1-9.

13. Formdeler ifølge krav 12, karakterisert ved at de inneholder 1-5%, fortrinnsvis 1,5 - 2,5% av armeringsfiberblandingen.