PL197724B1

PL197724B1 - Beton składający się z utwardzonej matrycy cementowej, w której rozproszone są włókna metalowe, zastosowanie betonu, utwardzona matryca cementowa, premiks do wytwarzania betonu i zastosowanie premiksu

Info

Publication number: PL197724B1
Application number: PL340645A
Authority: PL
Inventors: Marcel Cheyrezy; Jérome Dugat; Bernard Clavaud; Gilles Orange; Laurent Frouin
Original assignee: Bouygues Travaux Publics; Lafarge Sa; Rhodia Chimie Sa
Priority date: 1997-11-27
Filing date: 1998-11-27
Publication date: 2008-04-30
Also published as: CA2312033C; CZ20001851A3; ATE214042T1; CA2312033A1; PT1034148E; KR20010032582A; DE69804134T2; KR100578589B1; CN1283169A; JP3855511B2; TR200002094T2; EP1034148A1; RU2227127C2; CZ301900B6; MX219113B; BR9814908A; TW567176B; EP1034148B9; AR014046A1; IN1998DE03581A

Abstract

1. Beton sk ladaj acy si e z utwardzonej matrycy cementowej, w której rozproszone s a w lókna metalowe, znamienny tym, ze oprócz w lókien zawiera równie z: (a) cement, (b) cz astki kruszywa o rozmiarach ziaren D max wynosz acych najwy zej 2 mm, korzystnie najwy- zej 1 mm, (c) cz astki uzyskane w reakcji pucolanowej o elementarnych rozmiarach ziaren wynosz acych najwy zej 1 µm, korzystnie najwy zej 0,5 µm, (d) sk ladniki zdolne do polepszania odporno sci matrycy na obciazenia dynamiczne, które wy- brane s a spo sród substancji o cz astkach w kszta lcie igie l lub p latków o srednich wymiarach wynosz a- cych najwy zej 1 mm obecne w proporcjach obj eto sciowych wynosz acych 2,5% do 35% po laczonej obj eto sci cz astek kruszywa (b) oraz cz astek pochodz acych z reakcji pucolanowej (c), (e) przynajmniej jeden srodek dysperguj acy, przy czym (1) w lókna posiadaj a d lugosc jednostkow a l wynosz ac a przynajmniej 2 mm oraz stosunek l/d wynosz acy przynajmniej 20, gdzie d oznacza srednic e tych w lókien, (2) stosunek R sredniej d lugo sci w lókien L do maksymalnych rozmiarów ziaren kruszywa D max wynosi przynajmniej 10, (3) ilo sc w lókien jest tak dobrana, ze po utwardzeniu betonu zajmuj a one obj eto sc mniejsz a ni z 4%, korzystnie mniejsz a ni z 3,5% ca lkowitej objeto sci tego betonu. PL PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Niniejszy wynalazek dotyczy betonu składającego się z utwardzonej matrycy cementowej, w której rozproszone są włókna metalowe, zastosowania betonu, utwardzonej matrycy cementowej, premiksu do wytwarzania betonu i zastosowania premiksu.

Ulepszony beton wzmacniany włóknami metalowymi umożliwia w szczególności wytwarzanie elementów struktur inżynierii lądowej i jest przeznaczony do konstrukcji budynków oraz struktur autostrad, które odznaczają się własnościami przewyższającymi własności elementów dotychczas stosowanych w tej dziedzinie. W szczególności celem niniejszego wynalazku jest uzyskanie takich własności betonów strukturalnych, że będą one jednocześnie odporne na obciążenia dynamiczne oraz ciągliwe.

Jak wykazuje analiza strukturalna betonów, ich własności mechaniczne są blisko związane z obecnością defektów strukturalnych. W betonach tych, podczas działania obciążeń mechanicznych, zaobserwować można kilka typów defektów, które dadzą się rozróżnić według ich rozmiarów.

W najmniejszej skali obserwowany jest w betonie defekt nazywany mikroporowatoś cią . Skł adają się nań nazywane mikrokapilarami pory, które źródło swoje mają w przestrzeniach międzyziarnowych obecnych początkowo w świeżej paście. Ich rozmiary rozciągają się od 50 nm do kilku μm.

Na wyższym poziomie obserwowane są defekty zwane mikropęknięciami. Mikropęknięcia posiadają rozmiary od 1 do kilkuset μm. Są one niekoalescentne, co oznacza, że nie tworzą ciągłej ścieżki przez całą strukturę. Są one głównie spowodowane heterogeniczną naturą betonu, w którym kruszywo posiada inne własności mechaniczne oraz fizyczne niż spoiwo cementowe. Mikropęknięcia powstają pod obciążeniem mechanicznym. Ten rodzaj defektu stanowi zasadniczą przyczynę złych własności betonu pod obciążeniem, jak też i jego kruchej natury.

W najwyższej, ostatecznej skali obserwuje się defekty zwane makropęknięciami. Wielkość tych pęknięć waha się od kilkuset μm do kilku mm. Pęknięcia te są koalescentne.

Obserwuje się również defekty większe, o rozmiarach wielu milimetrów. Stanowią one jednak wynik złego przygotowania betonu (np. bąble powietrza, wady zalewania, etc.).

Sugerowane są takie rozwiązania, które albo prowadzą do zmniejszenia częstości występowania różnych defektów, albo też do ograniczenia ich wpływu na własności mechaniczne betonu.

W celu poprawienia własności mechanicznych betonów proponowano zastąpienie obecnego w matrycy cementowej piasku innymi składnikami o lepszych osiągach. W takim przypadku koszt betonu rośnie jednak do poziomu niemożliwego do powszechnego zaakceptowania w inżynierii lądowej, a to z powodu ograniczeń finansowych, z którymi boryka się ta dziedzina.

Proponowano również wprowadzenie do tworzącej beton kompozycji kruszyw o wysokim stopniu twardości. W tym przypadku jednak również te ilości owych kruszyw, charakteryzujących się wysokimi kosztami, które pozwalały osiągnąć pożądany cel w ogromnym stopniu podnosiły koszty wytwarzania betonu.

Zaproponowano również polepszenie niektórych własności mechanicznych betonu, nieraz w stopniu spektakularnym, poprzez wprowadzenie do niego wysokiej zawartości włókien wzmacniających, wynoszącej zazwyczaj od 10 do 15% objętościowych. Tak wysokie zawartości mają jednak nie tylko istotny wpływ na zwiększenie kosztów wytwarzania betonu, lecz również w tak znaczny sposób utrudniają procesy mieszania, homogenizacji oraz możliwie również i wylewania, że nie mogą być stosowane w inżynierii lądowej, zwłaszcza w warunkach placu budowy.

Do pewnego stopnia jest również możliwa kontrola stopnia porowatości na drodze obniżenia stosunku ilości wody do cementu, a także poprzez użycie plastyfikatorów. Użycie drobno rozdrobnionych wypełniaczy, w szczególności wypełniaczy uzyskanych w reakcji pucolanowej, również pozwoliło zmniejszyć rozmiary mikroporów.

Jednak organizacja szkieletu kruszywa stosowanymi zazwyczaj sposobami nie pozwala uzyskać betonów o zadowalających własnościach reologicznych w warunkach operacyjnych dopuszczalnych przez inżynierię lądową (źle rozprowadzone włókna, defekty mikrostruktury, itd.).

Samo zjawisko powstawania mikropęknięć zostało w znacznym stopniu ograniczone poprzez:

- polepszenie jednorodności betonu, na przykład poprzez ograniczenie rozmiarów ziaren kruszywa do 800 μm,

- poprawienie kompaktowości materiału (optymalizacja kruszywa jak również opcjonalne prasowanie w fazie poprzedzającej twardnienie oraz w fazie twardnienia),

- obróbkę cieplną po stwardnieniu.

PL 197 724 B1

Co się tyczy makropęknięć, problem ten kontrolować można, jednak z towarzyszeniem wszystkich wymienionych powyżej trudności, stosując włókna metalowe.

Jako dokument ilustrujący dotychczasowy stan wiedzy wymienić można opis zgłoszenia patentowego WO-A-95/01316, przedmiotem którego jest wzmocniony włóknami metalowymi beton, w którym zawartość włókien jest kontrolowana, zaś rozmiary włókien znajdują się w ściśle zdefiniowanych proporcjach w odniesieniu do rozmiarów cząstek kruszywa.

Wymieniony beton, wzmacniany włóknami metalowymi zawiera cement, cząstki kruszywa, drobne cząstki z reakcji pucolanowej oraz włókna metalowe. Cząstki kruszywa muszą mieć maksymalny rozmiar D wynoszący najwyżej 800 μm, włókna zaś muszą mieć długość jednostkową l wynoszącą od 4 do 20 mm, zaś stosunek R pomiędzy średnią długością włókien l a rozmiarem D musi wynosić co najmniej 10, przy czym zawartość włókien ma być tak dobrana, żeby po stwardnieniu włókna te zajmowały objętość wynoszącą od 1% do 4% całkowitej objętości betonu.

Uzyskany tym sposobem beton charakteryzuje się własnościami ciągliwymi oraz poddaje się utwardzaniu w pseudozgniocie.

W dalszym ciągu istnieje jednak potrzeba usunięcia wymienionych uprzednio defektów, zwłaszcza mikropęknięć lub też znacznego ograniczenia ich wpływu na własności betonu, ponieważ, jak widać, przedstawione prace dotyczące dotychczas stosowanych sposobów prowadzą głównie do unikania makropęknięć, a nie mikropęknięć. Mikropęknięcia stabilizują się jedynie w nieznacznym stopniu, pod obciążeniem zaś tworzą się dalej.

Celem niniejszego wynalazku jest dostarczenie betonu wzmacnianego włóknami metalowymi, charakteryzującego się własnościami polepszonymi w stosunku do używanych dotychczas, podobnych betonów.

Polepszone własności powinny być rozumiane jako takie własności mechaniczne, które przewyższają własności znanych betonów wzmacnianych włóknami, jak również takie własności, które są co najmniej takie same jak własności znanych betonów wzmacnianych włóknami, lecz są one osiągalne na skalę przemysłową, w sposób stały oraz powtarzalny.

Kolejnym celem niniejszego wynalazku jest podwyższenie wartości naprężeń, przy których pojawiają się w betonie pierwsze zniszczenia (np. mikropęknięcia), a przez to rozszerzenie zakresu stosowalności betonu, w szczególności zaś przedziału liniowych własności sprężystych betonu.

Jeszcze innym celem niniejszego wynalazku jest polepszenie, poprzez kontrolę rozprzestrzeniania się mikropęknięć, umocnienia betonu przez zgniot poza pierwsze zniszczenia. Celem niniejszego wynalazku jest więc zwiększenie zakresu stosowalności betonu poza pierwsze zniszczenia na drodze polepszenia własności ciągliwych tego betonu.

Wynalazek ma poprawić, za pomocą efektu synergicznego pomiędzy matrycą cementową a włóknami, zachowanie się betonu zarówno jeżeli chodzi o wygląd mikropęknięć, jak i rozprzestrzenianie się makropęknięć.

Określenie „matryca cementowa” powinno być rozumiane jako oznaczające utwardzoną kompozycję cementową, niezależną od włókien.

Jeszcze innym zadaniem niniejszego wynalazku, szczególnie istotnym przy wytwarzaniu struktur betonowych, które z powodu swoich rozmiarów lub też warunków panujących na placu budowy, nie mogą być poddane obróbce cieplnej, jest uzyskać w warunkach lepszych niż w dotychczas stosowanych rozwiązaniach, w szczególności zaś w temperaturach bliskich temperaturze pokojowej (20°C) betonu o własnościach mechanicznych (we wspomnianym powyżej znaczeniu) co najmniej takich samych, jakie w przypadku najlepiej znanych betonów wzmacnianych włóknami uzyskać można było jedynie za pomocą obróbki cieplnej.

Dodatkowo, wynalazek dostarcza matrycy cementowej, dzięki której można wytwarzać stanowiący przedmiot niniejszego wynalazku beton, jak również premiksy, które obejmują całość lub część składników potrzebnych do wytworzenia owej matrycy lub betonu.

Przedmiotem wynalazku jest beton składający się z utwardzonej matrycy cementowej, w której rozproszone są włókna metalowe, charakteryzujący się tym, że oprócz włókien zawiera również:

(a) cement, (b) cząstki kruszywa o rozmiarach ziaren Dmax wynoszących najwyżej 2 mm, korzystnie najwyżej 1 mm, (c) cząstki uzyskane w reakcji pucolanowej o elementarnych rozmiarach ziaren wynoszących najwyżej 1 μιτι, korzystnie najwyżej 0,5 μm,

PL 197 724 B1 (d) składniki zdolne do polepszania odporności matrycy na obciążenia dynamiczne, które wybrane są spośród substancji o cząstkach w kształcie igieł lub płatków o średnich wymiarach wynoszących najwyżej 1 mm obecne w proporcjach objętościowych wynoszących 2,5% do 35% połączonej objętości cząstek kruszywa (b) oraz cząstek pochodzących z reakcji pucolanowej (c), (e) przynajmniej jeden środek dyspergujący, przy czym (1) włókna posiadają długość jednostkową l wynoszącą przynajmniej 2 mm oraz stosunek l/d wynoszący przynajmniej 20, gdzie d oznacza średnicę tych włókien, (2) stosunek R średniej długości włókien L do maksymalnych rozmiarów ziaren kruszywa Dmax wynosi przynajmniej 10, (3) ilość włókien jest tak dobrana, że po utwardzeniu betonu zajmują one objętość mniejszą niż 4%, korzystnie mniejszą niż 3,5% całkowitej objętości tego betonu.

Korzystnie odporność matrycy cementowej na obciążenia dynamiczne wynosi przynajmniej

J/m², korzystnie przynajmniej 20 J/m².

Korzystnie cząstki (d) posiadają średni rozmiar wynoszący przynajmniej 500 μm.

Korzystnie cząstki (d) obecne są w proporcjach objętościowych znajdujących się w zakresie od 5% do 25% w odniesieniu do połączonych objętości cząstek kruszywa (b) oraz cząstek uzyskanych w reakcji pucolanowej (c).

Korzystnie cząstki (d) lub cząstki wzmacniające w kształcie igieł wybrane są spośród włókien wolastonitu, włókien boksytu, włókien mulitu, włókien tytanianu potasowego, włókien węglika krzemu, włókien celulozy lub pochodnych celulozy, włókien węglowych, włókien fosforanu wapniowego, w szczególności włókien hydroksyapatytu HAP, włókien węglanu wapniowego lub też produktów pochodnych uzyskanych poprzez zmielenie wymienionych włókien lub mieszanin wymienionych włókien.

Korzystnie cząstkami (d) są włókna wolastonitu.

Korzystnie cząstki w kształcie igieł (d) posiadają stosunek długości do średnicy wynoszący przynajmniej 3, korzystnie zaś wynoszący przynajmniej 5.

Korzystnie cząstki w kształcie płatków (d) lub cząstki wzmacniające wybrane są spośród płatków miki, płatków talku, płatków mieszanych krzemianów, czyli gliny, płatków wermikulitu, płatków tlenku glinu, płatków mieszanych glinianów lub krzemianów oraz mieszanin wymienionych płatków.

Korzystnie cząstkami w kształcie płatków (d) są płatki miki.

Korzystnie przynajmniej niektóre z cząstek wzmacniających (d) posiadają na powierzchni organiczną powłokę polimerową, która zawiera lateks i jest wytworzona z jednego z wymienionych związków: alkohol poliwinylowy, silany, silikoniany, żywice siloksanowe, poliorganosiloksany lub też produkty reakcji pomiędzy (i) przynajmniej jednym kwasem karboksylowym zawierającym od 3 do 22 atomów węgla, (ii) przynajmniej jedną wielofunkcyjną aminą lub podstawioną aminą alifatyczną lub aromatyczną zawierającą od 2 do 25 atomów węgla oraz (iii) środkiem sieciującym, będącym rozpuszczalnym w wodzie kompleksem metalu zawierającym przynajmniej jeden metal wybrany z grupy obejmującej: cynk, glin, tytan, miedź, chrom, żelazo, cyrkon oraz ołów.

Korzystnie średnie naprężenie wiążące włókna metalu w utwardzonej matrycy cementowej wynosi przynajmniej 10 MPa, korzystnie przynajmniej 15 MPa.

Korzystnie włóknami metalu są włókna stalowe.

Korzystnie włókna metalu posiadają zmienną geometrię.

Korzystnie włóknami metalu są włókna, które poddane zostały trawieniu.

Korzystnie włóknami metalu są włókna, na które naniesiona została warstwa związku mineralnego, korzystnie krzemionki lub fosforanu metalu.

Korzystnie włókna metalu posiadają długość w zakresie od 10-30 mm.

Korzystnie matryca cementowa zawiera dodatkowo przynajmniej jeden z następujących związków: związki krzemionki zawierające głównie krzemionkę, wytrącany węglan wapniowy, alkohol poliwinylowy w roztworach wodnych, lateks lub też mieszaninę wymienionych związków.

Korzystnie związkiem krzemionki jest wytrącana krzemionka, o zawartości od 0,1 do 5% wagowych w przeliczeniu na suchy materiał oraz w odniesieniu do całkowitej masy betonu.

Korzystnie wytrącana krzemionka wprowadzona jest do kompozycji w postaci zawiesiny wodnej.

Korzystnie zawiesina wodna posiada:

- zawartość stałą wynoszącą od 10% do 40% wagowych,

- lepkość mniejszą od 4 x 10^-2 Pa · s, mierzoną przy prędkości ścinania 50 s-1,

- ilość krzemionki zawartej w cieczy supernatantu, po odwirowaniu przez 30 minut przy 7500 obrotach na minutę, wynoszącą więcej niż 50% wagowych całej krzemionki zawartej w zawiesinie.

PL 197 724 B1

Korzystnie stosunek l/d dla włókien wynosi najwyżej 200.

Korzystnie cząstki kruszywa (b) stanowią przesiane lub zmielone piaski lub mieszaniny piasków, które korzystnie mogą zawierać piaski krzemionkowe, w szczególności zaś mączkę kwarcytową.

Korzystnie wymienione cząstki kruszywa (b) obecne są w ilości wynoszącej od 20 do 60% wagowych, korzystnie zaś wynoszącej od 25 do 50% wagowych, w odniesieniu do matrycy cementowej.

Korzystnie cząstki uzyskane w reakcji pucolanowej (c) obejmują cząstki wybrane spośród związków krzemiankowych, w szczególności takich jak pył krzemionkowy z dymu, popiół lotny lub żużel wielkopiecowy.

Korzystnie beton jest wstępnie rozciągnięty.

Korzystnie beton jest rozciągnięty na końcowym etapie.

Korzystnie beton posiada wytrzymałość na bezpośrednie rozciąganie wynoszącą przynajmniej 12 MPa.

Korzystnie beton posiada umowną wytrzymałość na zginanie określaną w próbie zginania czteropunktowego wynoszącą przynajmniej 25 MPa.

Korzystnie beton posiada wytrzymałość na ściskanie, wynoszącą przynajmniej 150 MPa.

Korzystnie beton posiada energię pękania wynoszącą przynajmniej 2500 J/m².

Przedmiotem wynalazku jest również zastosowanie betonu określonego powyżej do wytwarzania elementów struktur inżynierii lądowej, przy czym beton po zastygnięciu poddano dojrzewaniu w temperaturze bliskiej temperaturze pokojowej, korzystnie w temperaturze 20°C.

Przedmiotem wynalazku jest także zastosowanie betonu określonego powyżej do wytwarzania elementów struktur inżynierii lądowej, przy czym beton po zastygnięciu poddano obróbce cieplnej w temperaturze pomi ę dzy 60°C a 100°C, pod ciś nieniem atmosferycznym.

Korzystnie czas trwania obróbki cieplnej wynosi od 6 godzin do 4 dni, korzystnie od 6 godzin do 72 godzin.

Przedmiotem wynalazku jest również utwardzona matryca cementowa, charakteryzująca się tym, że zawiera:

(a) cement, (b) cząstki kruszywa o rozmiarach ziaren Dmax wynoszących najwyżej 2 mm, korzystnie najwyżej 1 mm, (c) cząstki uzyskane w reakcji pucolanowej o elementarnych rozmiarach ziaren wynoszących najwyżej 1 μm, korzystnie najwyżej 0,5 μm, (d) składniki zdolne do polepszania odporności matrycy na obciążenia dynamiczne, które wybrane są spośród substancji o cząstkach w kształcie igieł lub płatków o średnich wymiarach wynoszących najwyżej 1 mm obecne w proporcjach objętościowych wynoszących 2,5% do 35% połączonej objętości cząstek kruszywa (b) oraz cząstek pochodzących z reakcji pucolanowej (c), (e) przynajmniej jeden środek dyspergujący.

Korzystnie odporność matrycy na obciążenia dynamiczne wynosi co najmniej 15 J/m², korzystnie co najmniej 20 J/m².

Przedmiotem wynalazku jest również premiks do wytwarzania betonu, charakteryzujący się tym, że zawiera oprócz metalowych włókien:

(a) cement, (b) cząstki kruszywa o rozmiarach ziaren Dmax wynoszących najwyżej 2 mm, korzystnie najwyżej 1 mm, (c) cząstki uzyskane w reakcji pucolanowej o elementarnych rozmiarach ziaren wynoszących najwyżej 1 μm, korzystnie najwyżej 0,5 μm, (d) składniki zdolne do polepszania odporności matrycy na obciążenia dynamiczne, które wybrane są spośród substancji o cząstkach w kształcie igieł lub płatków o średnich wymiarach wynoszących najwyżej 1 mm obecne w proporcjach objętościowych wynoszących 2,5% do 35% połączonej objętości cząstek kruszywa (b) oraz cząstek pochodzących z reakcji pucolanowej (c), (e) przynajmniej jeden środek dyspergujący, przy czym (1) włókna posiadają długość jednostkową l wynoszącą przynajmniej 2 mm oraz stosunek l/d wynoszący przynajmniej 20, gdzie d oznacza średnicę tych włókien, (2) stosunek R średniej długości włókien L do maksymalnych rozmiarów ziaren kruszywa Dmax wynosi przynajmniej 10,

PL 197 724 B1 (3) ilość włókien jest tak dobrana, że po utwardzeniu betonu zajmują one objętość mniejszą niż 4%, korzystnie mniejszą niż 3,5% całkowitej objętości tego betonu.

Przedmiotem wynalazku jest także zastosowanie w/w premiksu do wytwarzania betonu.

Korzystnie składniki premiksu wraz z włóknami miesza się z wodą, przy czym ilość wody wyrażona w % wagowych w odniesieniu do łącznej masy cementu (a) i cząstek uzyskanych w reakcji pucolanowej (c) mieści się w zakresie 8-24%.

Korzystnie ilość wody wyrażona w % wagowych w odniesieniu do łącznej masy cementu (a) i czą stek uzyskanych w reakcji pucolanowej (c) mieś ci się w zakresie 13-20%.

Przedmiotem wynalazku jest również beton składający się z utwardzonej matrycy cementowej, w której rozproszone są włókna metalowe, charakteryzujący się tym, że oprócz włókien zawiera również:

(a) cement, (b) cząstki kruszywa, (c) cząstki uzyskane w reakcji pucolanowej o elementarnych rozmiarach ziaren wynoszących najwyżej 1 μm, korzystnie najwyżej 0,5 μm, (d) składniki zdolne do polepszania odporności matrycy na obciążenia dynamiczne, które wybrane są spośród substancji o cząstkach w kształcie igieł lub płatków o średnich wymiarach wynoszących przynajmniej 1 mm oraz są obecne proporcjach objętościowych wynoszących od 2,5% do 35% połączonej objętości cząstek kruszywa (b) oraz cząstek pochodzących z reakcji pucolanowej (c), (e) przynajmniej jeden środek dyspergujący, przy czym:

(1) włókna posiadają długość jednostkową l wynoszącą przynajmniej 2 mm oraz stosunek l/d wynoszący przynajmniej 20, gdzie d oznacza średnicę tych włókien, (2) stosunek R średniej długości włókien L do rozmiarów ziaren D75 kombinacji składników (a), (b), (c) i (d) wynosi przynajmniej 5, korzystnie przynajmniej 10, (3) ilość włókien jest tak dobrana, że po utwardzeniu betonu zajmują one objętość mniejszą niż 4%, korzystnie mniejszą niż 3,5% całkowitej objętości tego betonu.

(4) kombinacja składników (a), (b), (c) oraz (d) posiada rozmiar D75 ziaren wynoszący najwyżej 2 mm, korzystnie najwyżej 1 mm, zaś rozmiar D₅₀ ziaren wynoszący najwyżej 200 μm, korzystnie najwyżej 150 μιτι.

Korzystnie odporność matrycy cementowej na obciążenia dynamiczne wynosi przynajmniej 15 J/m², korzystnie przynajmniej 20 J/m².

Korzystnie cząstkami (d) są włókna wolastonitu.

Korzystnie cząstki w kształcie płatków (d) lub cząstki wzmacniające - wybrane są spośród płatków miki, płatków talku, płatków mieszanych krzemianów, czyli gliny, płatków wermikulitu, płatków tlenku glinu, płatków mieszanych glinianów lub krzemianów oraz mieszanin wymienionych płatków.

Korzystnie cząstkami w kształcie płatków (d) są płatki miki.

PL 197 724 B1

Korzystnie włóknami metalu są włókna stalowe.

Korzystnie włókna metalu posiadają zmienną geometrię.

Korzystnie włóknami metalu są włókna, które poddane zostały trawieniu.

Korzystnie włókna metalu posiadają długość w zakresie od 10-30 mm.

Korzystnie zawiesina wodna posiada:

- zawartość stałą wynoszącą od 10% do 40% wagowych,

Korzystnie stosunek l/d dla włókien wynosi najwyżej 200.

Korzystnie maksymalny rozmiar ziaren Dmax cząstek kruszywa (b) wynosi najwyżej 6 mm.

Korzystnie procentowa zawartość wagowa wody W, w odniesieniu do połączonych ciężarów cementu (a) oraz cząstek uzyskanych w reakcji pucolanowej (c), znajduje się w zakresie 13-20%.

Korzystnie beton jest wstępnie rozciągnięty.

Korzystnie jest on rozciągnięty na końcowym etapie.

Korzystnie beton posiada energię pękania wynoszącą przynajmniej 2500 J/m².

Przedmiotem wynalazku jest również zastosowanie betonu określonego powyżej do wytwarzania elementów struktur inżynierii lądowej, przy czym beton po zastygnięciu poddano obróbce cieplnej w temperaturze pomiędzy 60°C a 100°C, pod ciśnieniem atmosferycznym.

Przedmiotem wynalazku jest także utwardzona matryca cementowa, charakteryzująca się tym, że zawiera:

(a) cement, (b) cząstki kruszywa, (c) cząstki uzyskane w reakcji pucolanowej o elementarnych rozmiarach ziaren wynoszących najwyżej 1 μm, korzystnie najwyżej 0,5 μm, (d) składniki zdolne do polepszania odporności matrycy na obciążenia dynamiczne, które wybrane są spośród substancji o cząstkach w kształcie igieł lub płatków o średnich wymiarach wynoszących przynajmniej 1 mm oraz są obecne proporcjach objętościowych wynoszących od 2,5% do 35% połączonej objętości cząstek kruszywa (b) oraz cząstek pochodzących z reakcji pucolanowej (c),

PL 197 724 B1 (e) przynajmniej jeden środek dyspergujący.

Przedmiotem wynalazku jest także premiks do wytwarzania betonu, charakteryzujący się tym, że zawiera oprócz metalowych włókien:

(a) cement, (b) cząstki kruszywa, (c) cząstki uzyskane w reakcji pucolanowej o elementarnych rozmiarach ziaren wynoszących najwyżej 1 μιτι, korzystnie najwyżej 0,5 μm, (d) składniki zdolne do polepszania odporności matrycy na obciążenia dynamiczne, które wybrane są spośród substancji o cząstkach w kształcie igieł lub płatków o średnich wymiarach wynoszących przynajmniej 1 mm oraz są obecne proporcjach objętościowych wynoszących od 2,5% do 35% połączonej objętości cząstek kruszywa (b) oraz cząstek pochodzących z reakcji pucolanowej (c), (e) przynajmniej jeden środek dyspergujący, przy czym (1) włókna posiadają długość jednostkową l wynoszącą przynajmniej 2 mm oraz stosunek l/d wynoszący przynajmniej 20, gdzie d oznacza średnicę tych włókien, (2) stosunek R średniej długości włókien L do rozmiarów ziaren D75 kombinacji składników (a), (b) , (c) i (d) wynosi przynajmniej 5, korzystnie przynajmniej 10, (3) ilość włókien jest tak dobrana, że po utwardzeniu betonu zajmują one objętość mniejszą niż 4%, korzystnie mniejszą niż 3,5% całkowitej objętości tego betonu.

(4) kombinacja składników (a), (b), (c) oraz (d) posiada rozmiar D75 ziaren wynoszący najwyżej 2 mm, korzystnie najwyżej 1 mm, zaś rozmiar D₅₀ ziaren wynoszący najwyżej 200 μτ, korzystnie najwyżej 150 μιτι.

Korzystnie ilość wody wyrażona w % wagowych w odniesieniu do łącznej masy cementu (a) cząstek uzyskanych w reakcji pucolanowej (c) mieści się w zakresie 13-20%.

Tak więc dzięki nowemu zaprojektowaniu szkieletu kruszywa, jak również dzięki jego związkowi z włóknami wzmacniającymi, niniejsze podejście rozwiązuje problem, który wprowadzony został przez wspomniany powyżej kompromis pomiędzy własnościami reologicznymi i mechanicznymi.

Własności betonu stanowiącego przedmiot niniejszego wynalazku nie zmienią się w sposób istotny jeżeli w matrycy użyte zostaną również cząstki kruszywa o rozmiarach ziaren większych niż mm, jednak muszą one być użyte w proporcjach nie przekraczających 25% całkowitej objętości kombinacji składników (a) + (b) + (c) + (d).

Obecność tej klasy kruszywa w takich proporcjach może być uznana jako wypełniacz, który nie tak długo nie zmienia własności mechanicznych materiału jak:

- rozmiar D₅₀ ziaren kombinacji składników (a), (b), (c) oraz (d) wynosi najwyżej 200 μm, korzystnie najwyżej 150 μηι oraz

- stosunek R średniej długości włókien L do rozmiaru D75 ziaren kombinacji składników (a), (b), (c) oraz (d) wynosi co najmniej 5, korzystnie zaś co najmniej 10.

Rozmiary D75 oraz D50 ziaren oznaczać mają rozmiary siatek, przez które przechodzi, odpowiednio, 75% oraz 50% całkowitej objętości cząstek.

Odporność na obciążenia dynamiczne wyrażona jest albo za pomocą naprężenia (współczynnik intensywności naprężeń: Kc) albo też za pomocą energii (krytyczna prędkość uwalniania energii odkształcania: Gc) przy zastosowaniu formalizmu mechaniki pękania liniowego.

Metody pomiarowe stosowane do oznaczenia odporności matrycy cementowej na obciążenia dynamiczne przedstawione zostaną poniżej w tej części opisu, która dotyczy przykładów.

Odporność matrycy cementowej na obciążenia dynamiczne uzyskuje się poprzez dodanie do kompozycji cementowej cząstek (d) o średnim rozmiarze ziaren wynoszącym najwyżej 1 mm, korzystnie wynoszącym najwyżej 0,5 μm, które mają postać igieł lub płatków. Obecne są one w proporcjach objętościowych pozostających w zakresie 2,5-35%, w szczególności zaś w zakresie 5-25%, w odniesieniu do połączonych objętości cząstek kruszywa (b) oraz cząstek uzyskanych w reakcji pucolanowej (c).

PL 197 724 B1

Z powodu ich funkcji, mającej poprawić odporność matrycy cementowej na obciążenia dynamiczne, wymienione cząstki będą w dalszej części niniejszego opisu nazywane „cząstkami wzmacniającymi”.

Określenie „rozmiar” w odniesieniu do cząstek wzmacniających oznaczać ma wartość ich największego wymiaru (w szczególności długość w przypadku cząstek o geometrii igłowej).

Mogą to być produkty naturalne lub też syntetyczne.

Cząstki wzmacniające w postaci igieł mogą być wybrane spośród włókien szpatu tabliczkowego, włókien boksytu, włókien mulitu, włókien tytanianu potasowego, włókien węglika krzemu, włókien celulozy lub pochodnych celulozy, takich jak octan celulozy, włókien węglowych, włókien węglanu wapniowego, włókien hydroksyapatytu lub innych fosforanów wapniowych lub też produktów pochodnych uzyskanych poprzez zmielenie wymienionych włókien lub mieszanin wymienionych włókien.

Dobre wyniki uzyskuje się z włóknami szpatu tabliczkowego. Obecność włókien szpatu tabliczkowego w matrycy cementowej prowadzi do obniżenia stopnia jej mikroporowatości. Ten zaskakujący efekt jest szczególnie wyraźny w przypadku betonów, które dojrzewały w temperaturze 20°C (spójrz poniżej).

Cząstki wzmacniające w postaci płatków mogą być wybrane spośród płatków miki, płatków talku, płatków mieszanych krzemianów (glina), płatków wermikulitu, płatków tlenku glinu, płatków mieszanych glinokrzemianów oraz mieszanin wymienionych płatków.

Dobre wyniki uzyskuje się stosując płatki miki.

W stanowiącej przedmiot niniejszego wynalazku kompozycji betonu możliwe jest stosowanie kombinacji różnych wymienionych postaci lub typów cząstek wzmacniających.

Co najmniej niektóre z owych cząstek wzmacniających mogą mieć na powierzchni organiczną powłokę polimerową, która zawiera lateks i jest wytworzona z jednego z wymienionych związków: alkohol poliwinylowy, silany, silikoniany, żywice siloksanowe, poliorganosiloksany lub też produkty reakcji pomiędzy (1) co najmniej jednym kwasem karboksylowym zawierającym od 3 do 22 atomów węgla, (2) co najmniej jedną wielofunkcyjną aminą lub podstawioną aminą alifatyczną lub aromatyczną zawierającą od 2 do 25 atomów węgla oraz (3) środkiem sieciującym, będącym rozpuszczalnym w wodzie kompleksem metalu zawierającym co najmniej jeden metal wybrany z grupy obejmującej: cynk, glin, tytan, miedź, chrom, żelazo, cyrkon oraz ołów, produkty, które są bardziej szczegółowo opisane w zgłoszeniu nr EP-A-0 372 804. Grubość tej powłoki może się wahać pomiędzy 0,01 μm a 10 μm, korzystnie pomiędzy 0,1 μm a 1 μm.

Lateksy wybrane być mogą z grupy obejmującej lateksy styrenowo-butadienowe, lateksy akrylowe, lateksy styrenowo-akrylowe, lateksy metakrylowe oraz lateksy karbonylowane i fosforanowane. Korzystnie jest użyć lateksy wyposażone w grupy funkcyjne, które kompleksują wapń.

Polimeryczna powłoka organiczna wytworzona może być poprzez potraktowanie cząstek wzmacniających jednym ze zdefiniowanych powyżej związków w złożu fluidalnym lub też przy użyciu mieszalnika typu FORBERG.

Korzystne jest użycie następujących związków: poliorganosiloksanu H240, żywic siloksanowych Manolox 403/60/WS i WB LS 14 oraz Rhadosil 878, 865 i 1830 PX, wszystkie do nabycia w firmie Rhodia-Chimie, jak również silikonianu potasowego.

Ten rodzaj obróbki jest szczególnie polecany dla cząstek wzmacniających, które są substancjami występującymi w naturze.

Jeżeli chodzi o włókna metalowe to mogą to być włókna metalowe wybrane z grupy obejmującej włókna stalowe, takie jak włókna stalowe o wysokiej wytrzymałości, amorficzne włókna stalowe lub też kwasoodporne włókna stalowe. Opcjonalnie włókna stalowe powlekać można metalami nieżelaznymi, takimi jak miedź, cynk, nikiel (lub ich stopy).

Długość jednostkowa l włókien metalowych wynosi co najmniej 2 mm, korzystnie zaś znajduje się w zakresie od 10 do 30 mm. Stosunek l/d wynosi co najmniej 20, korzystnie zaś wynosi do 200, przy czym d oznacza średnicę włókien.

Stosować można włókna o zmiennej geometrii: mogą to być włókna karbikowate, pofałdowane lub też zakończone haczykami. Zmieniać się może również szorstkość włókien oraz/lub można używać włókien o zmiennym przekroju poprzecznym, przy czym włókna te wytwarzane mogą być każdym stosownym sposobem, włącznie z zaplataniem lub skręcaniem kilku drutów metalowych tworzących razem zespół.

Zawartość włókien ma być tak dobrana, aby po zastygnięciu betonu włókna zajmowały objętość wynoszącą mniej niż 4%, korzystnie zaś mniej niż 3,5% całkowitej jego objętości.

PL 197 724 B1

Korzystnie, przeciętne naprężenia wiążące włókna w utwardzonej matrycy cementowej wynosić muszą co najmniej 10 MPa, jeszcze korzystniej co najmniej 15 MPa. Naprężenie to wyznaczone jest za pomocą testu polegającego na wyciąganiu pojedynczego, osadzonego w bloku betonowym włókna, tak jak to zostanie opisane poniżej.

Zaobserwowano, że stanowiące przedmiot niniejszego wynalazku betony, charakteryzujące się zarówno naprężeniami wiążącymi włókna o tych wartościach, jak i wysoką odpornością matrycy na obciążenia dynamiczne (korzystnie wynoszącą co najmniej 15 J/m²), poprzez efekt synergiczny pomiędzy tymi dwoma własnościami, wykazują nadzwyczajne osiągi mechaniczne.

Poziom wiązania włókno-matryca kontrolować można kilkoma sposobami, które stosuje się oddzielnie lub też jednocześnie.

Według pierwszego sposobu, związanie włókien w matrycy cementowej osiągnięte być może poprzez obróbkę powierzchniową tych włókien. Ta obróbka włókien może być prowadzone jednym z następujących sposobów:

- trawienie włókien

- powlekanie włókien związkiem mineralnym, w szczególności poprzez naniesienie na powierzchnię krzemionki lub fosforanu metalu.

Trawienie może być prowadzone, na przykład, poprzez wprowadzenie włókna w kontakt z kwasem, a następnie zobojętnienie.

Krzemionkę nanosić można wprowadzając włókno w kontakt ze związkami krzemu, takimi jak silany, silikoniany lub zole krzemiankowe.

Fosforan metalu wprowadza się zazwyczaj na powierzchnię za pomocą procesu fosforanowania, który obejmuje wprowadzenie wstępnie zakwaszonego metalu do roztworu wodnego zawierającego fosforan metalu, korzystnie fosforan manganu lub też fosforan cynku, a następnie przesączenie roztworu w celu odzyskania włókien. W następnej kolejności włókna te są przepłukiwane, zobojętniane oraz ponownie przepłukiwane. Inaczej niż w normalnym procesie fosforanowania, tak uzyskane włókna nie muszą być poddane obróbce wykańczającej typu smarowania, mogą za to być opcjonalnie impregnowane dodatkami, które albo zapewniają ochronę przeciwkorozyjną, albo też ułatwiają ich przeróbkę z medium cementowym.

Niezależnie od typu użytego procesu fosforanowania w tym przedmiocie odnieść się można do obróbki opisanej w artykule „The Phosphatizing of Metals” („Fosforanowanie metali”) autorstwa G. Lorina, opublikowanym w roku 1973 przez wydawnictwo Pub. Eyrolles.

Według drugiego sposobu, naprężenia wiążące włókna w matrycy cementowej uzyskać można wprowadzając do kompozycji co najmniej jeden z następujących związków: związki krzemionki zawierające głównie krzemionkę, rozdrobniony węglan wapniowy, alkohol poliwinylowy w roztworach wodnych, lateks lub też mieszaninę wymienionych związków.

Określenie „związki krzemionki zawierające głównie krzemionkę” ma w tym przypadku oznaczać produkty syntetyczne wybrane spośród wytrącanych postaci krzemionki, zoli krzemionkowych, pirogenicznych typów krzemionki (w rodzaju Aerosilu), glinokrzemianów (na przykład sprzedawanego przez firmę Rhodia Chimie Tixosilu 28), jak również produktów typu gliny (naturalnych lub pochodnych), takich jak smektyty, krzemiany magnezu, sepiolity czy montmorylonity.

Korzystne jest użycie co najmniej jednego rodzaju krzemionki wytrącanej.

Określenie „wytrącana krzemionka” oznaczać ma tutaj krzemionkę uzyskaną poprzez wytrącanie się ze środowiska reakcji krzemianu metalu alkalicznego z kwasem, generalnie kwasem nieorganicznym, przy odpowiednim odczynie pH środowiska wytrącania, w szczególności przy odczynie zasadowym, obojętnym lub lekko kwaśnym; przy czym do wtrącenia krzemionki użyty może być każdy sposób (dodanie kwasu do roztworu krzemianowego, całkowite lub częściowe jednoczesne dodanie kwasu lub krzemianu do wody lub roztworu osadu krzemianowego, etc.) zaś szczegółowo wybrany sposób zależy od rodzaju krzemionki, która ma być uzyskana. Po etapie wytrącania generalnie następuje etap wydzielania krzemionki z mieszaniny reakcyjnej przy użyciu któregokolwiek ze znanych sposobów, na przykład przy użyciu prasy filtracyjnej lub też filtra próżniowego, po czym zbierany jest placek filtracyjny, który jest odmywany w miarę potrzeby. Placek ten może być po rozdrobnieniu opcjonalnie wysuszony przy użyciu któregokolwiek ze znanych sposobów, szczególnie przy zastosowaniu suszenia rozpryskowego, a następnie, opcjonalnie, mielony oraz/lub zaglomerowany.

Generalnie ilość wprowadzonej krzemionki wynosi od 0,1 do 5% wagowych, wyrażonych dla materiału suchego w odniesieniu do całego ciężaru betonu. Przy zawartościach powyżej 5% podczas przygotowania zaprawy pojawiają się zazwyczaj problemy reologiczne.

PL 197 724 B1

Korzystnie jest wprowadzać wytrącaną krzemionkę do kompozycji w postaci zawiesiny w wodzie. W szczególności może to być wodna zawiesina krzemionki charakteryzująca się:

- zawartością stałą wynoszącą od 10% do 40% wagowych,

- lepkością mniejszą od 4 x 10^-2 Pa · s, mierzoną przy prędkości ścinania 50 s-1,

- ilością krzemionki zawartej w cieczy supernatantu, po odwirowaniu przez 30 minut przy 7500 obrotach na minutę, wynoszącą więcej niż 50% wagowych całej krzemionki zawartej w zawiesinie.

Powyższa zawiesina jest bardziej szczegółowo przedstawiona w opisie zgłoszenia patentowego nr. WO-A-96/01787. Zawiesina krzemionki Rhoximat CS 60, rozprowadzana przez firmę Rhodia Chimie, szczególnie nadaje się do tego typu betonu.

Cementem (a) w stanowiącej przedmiot niniejszego wynalazku kompozycji jest korzystnie cement portlandzki, taki jak cementy portlandzkie CPA PMES, HP, HPR, CEM I PMES, 52,5 lub 52, 5R lub też HTS (o wysokiej zawartości krzemionki).

Cząstkami kruszywa (b) są zazwyczaj przesiane lub przemielone piaski lub też mieszaniny piasków, które mogą korzystnie zawierać piaski krzemionkowe, w szczególności zaś mączkę kwarcytową.

Maksymalny rozmiar ziaren D100 lub Dmax dla tych cząstek korzystnie wynosi najwyżej 6 mm.

Cząstki kruszywa generalnie obecne są w ilości wynoszącej od 20 do 60% wagowych matrycy cementowej, korzystnie zaś wynoszącej od 25 do 50% wagowych wymienionej matrycy.

Drobne cząstki uzyskane w reakcji pucolanowej (c) posiadają elementarny rozmiar ziarna wynoszący co najmniej 0,1 μm, najwyżej zaś 1 μm, korzystnie najwyżej 0,5 μm. Mogą one być wybrane spośród związków krzemionki, w szczególności takich jak pył krzemionkowy z dymu, popiół lotny, żużel wielkopiecowy oraz pochodne typu gliny, takie jak kaolin. Krzemionką może być pył krzemionkowy z dymu, pochodzący z przetwórstwa cyrkonu raczej niż pochodzący z przetwórstwa krzemu.

Stosunek wagowy wody do cementu, konwencjonalny w technologii betonu, może się zmieniać, kiedy używane są substytuty cementu, w szczególności cząstki pochodzące z reakcji pucolanowej. Dla potrzeb niniejszego wynalazku został więc zdefiniowany stosunek wagowy ilości wody W w odniesieniu do połączonego ciężaru cementu oraz cząstek pochodzących z reakcji pucolanowej. Tak zdefiniowany stosunek ten wynosi w przybliżeniu od 8% do 24%, korzystnie w przybliżeniu od 13% do 20%. Jednak w opisie przykładów używana jest konwencjonalna wartość stosunku wody do cementu.

Stanowiący przedmiot niniejszego wynalazku beton zawiera również co najmniej jeden środek dyspergujący (e). Tym środkiem dyspergującym jest generalnie plastyfikator. Plastyfikator ten wybrany być może z grupy związków obejmującej: lignosulfoniany, kazeinę, polinaftaleny, w szczególności polinaftalenosulfoniany metali alkalicznych, pochodne formaldehydu, poliakrylany metali alkalicznych, polikarboksylany metali alkalicznych oraz szczepione politlenki etylenu.

Generalnie, stanowiąca przedmiot niniejszego wynalazku kompozycja zawiera od 0,5 do 2,5 części wagowych plastyfikatora na 100 części wagowych cementu.

Do betonu stanowiącego przedmiot niniejszego wynalazku dodawać można również i inne dodatki, na przykład środek przeciwspieniający. Dla przykładu, używać można środki przeciwspieniające wytworzone w oparciu o polidimetylosiloksan lub glikol propylenowy.

Pośród tego typu środków w szczególności wymienić należy silikony w postaci roztworów lub w postaci ciał stałych lub też, korzystnie, w postaci żywicy, oleju lub emulsji, korzystnie w wodzie. Najbardziej szczegółowo nadają się do tego celu silikony zawierające zasadniczo powtarzające się jednostki M (RSiO0,5) oraz powtarzające się jednostki D (R2SiO). We wzorach tych rodniki R, które mogą być zarówno jednakowe jak i różne, wybrane są z grupy obejmującej atom wodoru oraz zawierające od 1 do 8 atomów węgla rodniki alkilowe, przy czym zalecany jest rodnik metylowy. Liczba powtarzających się jednostek wynosi korzystnie od 30 do 120.

Zawartość takiego środka w kompozycji wynosi, generalnie, najwyżej 5 części wagowych na 100 części cementu.

Wszystkie rozmiary ziaren mierzone są przy użyciu transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM) lub też skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM).

Matryca zawierać może również i inne dodatki, jeżeli tylko nie wpływają one na spodziewane własności betonu.

Beton wytwarzany może być każdym sposobem znanym specjalistom w tej dziedzinie, w szczególności poprzez zmieszanie składników stałych z wodą, formowanie (zalewanie, wtryskiwanie, pompowanie, wytłaczanie, kalandrowanie) a następnie twardnienie.

Dla przykładu, w celu wytworzenia betonu składniki matrycy oraz włókna wzmacniające ulegają zmieszaniu z odpowiednią ilością wody.

PL 197 724 B1

Korzystnie jest przestrzegać następującej kolejności mieszania:

- zmieszanie proszkowych składników matrycy (na przykład przez 2 minuty),

- wprowadzenie wody oraz części, na przykład połowy, dodatków,

- mieszanie (na przykład przez 1 minutę),

- wprowadzenie pozostałej części dodatków,

- mieszanie (na przykład przez 3 minuty),

- wprowadzenie włókien wzmacniających i składników dodatkowych,

- mieszanie (na przykład przez 2 minuty).

Beton poddany jest następnie dojrzewaniu w temperaturze wynoszącej od 20°C do 100°C przez okres czasu potrzebny do uzyskania pożądanych własności mechanicznych.

Stwierdzono niespodziewanie, że dobre wyniki uzyskuje się prowadząc dojrzewanie w temperaturze bliskiej temperatury pokojowej, a to dzięki odpowiedniemu doborowi składników kompozycji betonu.

W tym przypadku beton pozostawiony został do dojrzewania w temperaturze, dla przykładu bliskiej 20°C.

Proces dojrzewania obejmować może również obróbkę cieplną utwardzonego betonu w temperaturze pomiędzy 60°C a 100°C i pod normalnym ciśnieniem.

Wytworzony beton może być w szczególności poddany obróbce cieplnej w temperaturze pomiędzy 60°C a 100°C oraz przez okres czasu wynoszący od 6 godzin do 4 dni, przy czym optymalny okres czasu wynosi około 2 dni, zaś obróbka ta rozpoczyna się po zakończeniu fazy zastygania mieszaniny lub też co najmniej 1 dzień po rozpoczęciu zastygania. Generalnie, w wymienionym powyżej zakresie temperatur wystarczające są czasy obróbki wynoszące od 6 do 72 godzin.

Obróbka cieplna prowadzona jest w środowisku suchym lub mokrym lub też w cyklach oscylujących pomiędzy tymi dwoma środowiskami, na przykład 24 godziny w środowisku mokrym, a następnie 24 godziny w środowisku suchym.

Takiej obróbce cieplnej poddawane są betony, które zakończyły fazę zastygania, to znaczy korzystnie te, które poddane zostały starzeniu przez co najmniej 1 dzień lub jeszcze lepiej poddane zostały starzeniu przez co najmniej 7 dni.

Jeżeli beton poddany jest wymienionej powyżej obróbce cieplnej, użyteczny może być dodatek sproszkowanego kwarcytu.

Beton może być poddany wstępnemu rozciąganiu przy użyciu podwiązanych drutów lub podwiązanych cięgien lub też poddany rozciąganiu w dalszej fazie przy użyciu pojedynczych niezwiązanych cięgien, lin lub prętów osłonowych, przy czym liny te składają się z zespołów drutów lub z cięgien.

Operacje wstępnego naprężania, poprzez rozciąganie, czy to wstępne, czy też zastosowane w dalszych fazach, są szczególnie przydatne do produktów wytworzonych z betonu stanowiącego przedmiot niniejszego wynalazku.

Spowodowane jest to faktem, że wstępnie naprężające metal liny posiadają zawsze bardzo wysoką wytrzymałość na zerwanie, która jest źle użyta z tego mianowicie powodu, że kruchość zawierającej je matrycy nie pozwala na optymalizację rozmiarów elementu wykonanego z betonu strukturalnego.

W dziedzinie betonów o wysokich osiągach uczyniony już został pewien postęp; w przypadku betonu stanowiącego przedmiot niniejszego wynalazku materiał jest w sposób homogeniczny wzmocniony włóknami metalowymi, które pozwalają mu osiągnąć wysoką sprawność mechaniczną w połączeniu z ciągliwością. Wstępne naprężanie tego materiału przy użyciu lin lub cięgien, niezależnie od sposobu jego przeprowadzenia, jest w tej sytuacji prowadzone niemal w pełnym zakresie, przyczyniając się do wytworzenia wstępnie naprężonych elementów betonowych, które są bardzo wytrzymałe, zarówno na rozciąganie, jak i na zginanie, są więc one zoptymalizowane.

Uzyskane dzięki temu wzrostowi wytrzymałości mechanicznej zmniejszenie objętości pozwala na wytwarzanie bardzo lekkich elementów prefabrykowanych. Jako konsekwencja pojawia się możliwość wytwarzania elementów betonowych o dużej rozpiętości, które dają się łatwo transportować, ponieważ są lekkie, w szczególności nadaje się to doskonale do konstruowania dużych struktur, w których szeroko stosowane jest rozciąganie. W przypadku tego typu struktur niniejsze rozwiązanie dostarcza szczególnie korzystnych oszczędności w zakresie czasu trwania montażu na placu budowy.

Dodatkowo, w przypadku utwardzania termicznego użycie rozciągania, czy to wstępnego, czy też zastosowanego w dalszych fazach, w istotny sposób obniża skurcz.

Własność ta jest szczególnie pożądana, zaś wszystkie przedstawione powyżej zalety związane są z bardzo niską przepuszczalnością produktu - wysoce pożądaną jeżeli chodzi o trwałość struktur

PL 197 724 B1 i ich użytkowanie w długich odcinkach czasu - co oznacza, że materiał ten może być w sposób równoważny stosowany do zastępowania struktur wytworzonych ze stali.

Betony wytworzone sposobem według niniejszego wynalazku generalnie charakteryzują się bezpośrednią wytrzymałością na rozciąganie Rt wynoszącą co najmniej 12 MPa.

Mogą one również charakteryzować się wytrzymałością giętną Rf przy zginaniu czteropunktowym wynoszącą co najmniej 25 MPa, wytrzymałością na ściskanie Rc, wynoszącą co najmniej 150 MPa oraz energią pękania wynoszącą co najmniej 2500 J/m².

Niniejszy wynalazek odnosi się również do matrycy cementowej użytej do wytworzenia oraz zastosowania zdefiniowanego powyżej betonu.

Wreszcie, niniejszy wynalazek odnosi się do premiksów obejmujących wszystkie lub niektóre ze składników potrzebne do wytworzenia zdefiniowanych powyżej betonu oraz matrycy.

Krótki opis rysunków

Figura 1 jest wykresem uzyskanym w testach zginania, na którym wartości naprężenia (wyrażone w MPa) podane są na osi y, zaś wartości ugięcia (wyrażone w mm) podane są na osi x, dla próbek betonu o stosunku W/C wynoszącym 0,24, które dojrzewały w temperaturze 20°C i które zawierają wolastonit (krzywe 12.1, 12.2 oraz 12.3) lub które wolastonitu nie zawierają (krzywe 11.1, 11.2 oraz 11.3).

Figura 2 jest wykresem podobnym do fig. 1, lecz dla próbek betonu o tym samym składzie, które poddane zostały obróbce cieplnej w temperaturze 90°C i które zawierają wolastonit (krzywe 10.1,

10.2 oraz 10.3) lub które wolastonitu nie zawierają (krzywe 9.1, 9.2 oraz 9.3).

Figura 3 jest wykresem przedstawiającym wyniki testu rozciągania próbek betonu, w odniesieniu do włókien stalowych nie poddanych obróbce powierzchniowej, o stosunku W/C wynoszącym 0,20, które poddane zostały obróbce cieplnej w temperaturze 90°C i które zawierają wytrącaną krzemionkę (krzywe 20.1, 20.2 oraz 20.3) lub które wytrącanej krzemionki nie zawierają (krzywe 20.4 oraz 20.5).

Figura 4 jest wykresem przedstawiającym wyniki testu zginania trzech próbek betonu o stosunku W/C wynoszącym 0,25, które poddane zostały obróbce cieplnej w temperaturze 90°C, z których dwie zawierają włókna stalowe poddane obróbce powierzchniowej (krzywe 16.1 oraz 16.2), zaś jedna zawiera włókna stalowe nie poddane obróbce powierzchniowej (krzywa 15.1). Na osi y odłożone są wartości naprężenia zginającego (wyrażonego w MPa), na osi zaś x odłożone są wartości ugięcia (wyrażonego w mm).

Figury od 5 do 7 przedstawiają porowatość próbek betonu, która wyznaczona została metodą intruzji rtęci: na osi y odłożone są wartości objętości skumulowanej (wyrażonej w ml/g), zaś na osi x odłożone są średnice porów (wyrażone w mikrometrach).

Figura 5 odpowiada próbce betonu (przykład 1), która poddana została dojrzewaniu w temperaturze 20°C.

Figura 6 odpowiada próbce betonu (przykład 2), która poddana została obróbce cieplnej w temperaturze 90°C.

Figura 7 odpowiada zawierającej wolastonit próbce betonu (przykład 3), która poddana została dojrzewaniu w temperaturze 20°C.

Figura 8 jest wykresem przedstawiającym wyniki analizy, przeprowadzonej metodą nuklearnego rezonansu jądrowego jąder ²⁹Si, próbki stanowiącego przedmiot niniejszego wynalazku betonu zawierającego wolastonit, który poddany został dojrzewaniu w temperaturze 20°C (krzywa 23) w porównaniu do dwóch próbek tego samego betonu, o tym samym składzie lecz nie zawierającego wolastonitu, z których jedna poddana została obróbce cieplnej w temperaturze 90°C (krzywa 22), druga zaś poddana została dojrzewaniu w temperaturze 20°C (krzywa 24). Stwierdzić można, że pomiędzy krzywymi 22 a 23 jest niewielka różnica dotycząca pików Q2. Piki te, odnoszące się do podwójnych wiązań rodników SiO4, posiadają tym wyższą intensywność, im dłuższe są łańcuchy hydratowe. Można więc wnioskować, że dodanie wolastonitu umożliwia uzyskanie w temperaturze 20°C rozwoju łańcucha hydratowego o tych samych rozmiarach co uzyskane na drodze obróbki cieplnej, w temperaturze 90°C, kompozycji nie zawierającej wolastonitu.

Figura 9 jest wykresem przedstawiającym wyniki testów związania drutów stalowych poddanych i nie poddanych obróbce. Na osi y odłożone są wartości siły ciągnącej (wyrażonej w kN), na osi x zaś odłożone są wartości przemieszczenia włókien (wyrażone w mm).

Figura 10 jest wykresem przedstawiającym wyniki testów związania drutów stalowych o różnych średnicach. Na osi y odłożone są wartości siły ciągnącej (wyrażonej w kN), na osi x zaś odłożone są wartości przemieszczenia włókien (wyrażone w mm).

PL 197 724 B1

Figura 11 jest wykresem przedstawiającym wyniki testów związania drutów stalowych zakotwiczonych w betonie na różnej długości. Na osi y odłożone są wartości naprężenia odwiązującego (wyrażonego w MPa), na osi x zaś odłożone są wartości długości zakotwiczenia (wyrażone w mm).

Figura 12 jest wykresem przedstawiającym wyniki testów związania prowadzonych na próbkach betonu stanowiącego przedmiot niniejszego wynalazku, w obecności lub też pod nieobecność środka przeciwspieniającego. Na osi y odłożone są wartości naprężenia (wyrażonego w MPa), na osi zaś x odłożone są wartości ugięcia (wyrażonego w mm) dla próbek betonu o stosunku W/C wynoszącym 0,24.

Figura 13 przedstawia krzywe rozkładu rozmiaru ziaren sumy składników (a) + (b) + (c) + (d) dla różnych betonów według niniejszego wynalazku.

Figury 14 oraz 15 przedstawiają własności betonów o różnych rozkładach rozmiarów ziaren.

Figura 16 jest wykresem przedstawiającym efekt synergii pomiędzy obecnością związanych włókien a matrycą o wysokiej odporności na obciążenia dynamiczne.

Należy zwrócić uwagę na fakt, że istotną cechą niniejszego wynalazku jest wytworzenie betonów, które charakteryzują się polepszonymi własnościami, lecz które zawierają znacznie mniejszą ilość włókien metalowych niż w wielu rozwiązaniach poprzednio proponowanych w tej dziedzinie. W rzeczywistości, według niniejszego wynalazku, ilości włókien metalowych wynoszące mniej niż 4%, korzystnie zaś wynoszące mniej niż 3,5% objętości betonu po jego zastygnięciu, możliwie również, jak to zostało pokazane w powyższych przykładach, wynoszące jedynie 2% objętości betonu po jego zastygnięciu, są wystarczające do uzyskania betonu o polepszonych własnościach mechanicznych. Ten niespodziewany efekt spowodowany jest, jak można przypuszczać, doborem składników kompozycji betonu oraz ich proporcjami w tej kompozycji.

Przedstawione dalej przykłady mają zilustrować niniejszy wynalazek nie ograniczając go w żaden sposób.

Przykłady

Składniki

W celu nadania dokonywanym porównaniom pełnej wartości w przykładach zawsze używano tych samych składników, które podane są poniżej:

Cement portlandzki (a): typ HTS (o wysokiej zawartości krzemionki) z firmy Lafarge (Francja).

Piasek (b): piasek kwarcytowy BE31 z firmy Sifraco (Francja).

Mączka kwarcytowa (b): klasy C400 z 50% zawartością ziaren mniejszych niż 10 mikronów z firmy Sifraco (Francja) lub klasy C500 z 50% zawartością ziaren mniejszych niż 5 mikronów z firmy Sifraco (Francja).

Krzemionka szklista (c): rozdrobniona krzemionka termiczna pochodząca z procesu wytwarzania cyrkonu, typu „MST”, o powierzchni „BET” wynoszącej 18 m²/g, z firmy S.E.P.R. (Francja).

Cząstki wzmacniające typu igłowego d): wolastonit (CaSiO3).

Użyty produkt udostępniony jest przez firmę Nyco (Nyco Minerals Inc. Willsboro, New York, USA) pod nazwą handlową NYAD G, zaś jego charakterystyka jest następująca:

- rozmiar l = średnio 300 mikronów (od 50 do 500 mikronów) d = 20 mikronów;

- czynnik kształtu: l/d = 15;

- rozkład rozmiarów ziaren:

< 100 US Mesh (%): 99 < 200 US Mesh (%): 87 < 325 US Mesh (%): 65

- względna gęstość: 2,9.

Cząstki wzmacniające typu „zmielonego” wolastonitu (d): użytym produktem jest wolastonit NYCO 1250.

Wolastonit NYCO 1250 posiada średni rozmiar ziaren (D50) wynoszący 8 mikronów, przy czynniku kształtu (l/d) wynoszącym 3 oraz przy następujących rozmiarach ziaren:

< 20 mikronów (%): 100 < 10 mikronów (%): 96.

Cząstki wzmacniające typu płatkowego (d): mika (muskowit: uwodornione krzemiany Al i K).

Użyty produkt udostępniony jest przez firmę Kaolins d'Arvor, 56270 Ploemeur, Francja pod nazwą handlową Micarvor MG 160, zaś jego charakterystyka jest następująca:

- rozmiar l = średnio 75 mikronów (od 10 do 200 mikronów)

- grubość płatków: kilka mikronów;

PL 197 724 B1

- rozkład rozmiarów ziaren:

< 0,160 mm (%): 98 < 0,040 mm (%): 30

- względna gęstość : 2,75.

Domieszki: ciekły środek dyspergujący X 404 z firmy Mapei (Wiochy) lub SSP104, wytwarzany przes firmę Takemoto Oil (Japonia) a rozprowadzany przez firmę Mitsubishi, lub OPTIMA 100, wytwarzany i rozprowadzany przez firmę Chryso.

- RHOXIMAT B 36, środek dyspergujący proszki, rozprowadzany przez firmę Rhodia Chimie;

- RHOXIMAT 6352DD, środek przeciwspieniający, rozprowadzany przez firmę Rhodia Chimie;

- RHOXIMAT CS60SL, zawiesina krzemionki, rozprowadzana przez firmę Rhodia Chimie.

Włókna: włóknami metalowymi są włókna stalowe o długości wynoszącej 13 mm, o średnicy wynoszącej 200 mikronów oraz o wytrzymałości na rozciąganie wynoszącej 2800 MPa, rozprowadzane przez firmę Bekaert (Belgia). Jeżeli są one obecne w betonie to wprowadzane są w ilości wynoszącej 2% objętościowych, tzn. przy względnym ciężarze w stosunku do cementu wynoszącym 0,222.

Wytwarzanie próbek betonu do testów

Sposób operacyjny użyty w przykładach do wytwarzania próbek betonu do testów polegał na użyciu mieszalnika o wysokiej turbulencji z obrotowym pojemnikiem, 5-litrowego typu EIRICH R02 lub 75-litrowego typu EIRICH R08 lub też mieszalnika o niskiej naprężeniach ścinających typu HOBART lub PERRIER.

Średnio, we wszystkich przykładach, ilość wprowadzonego powietrza jest mniejsza niż 3,5%.

Dojrzewanie

Dla przeprowadzenia testów zastosowano dwa sposoby obróbki utwardzonego betonu, jeden polegający na dojrzewaniu w temperaturze 20°C, drugi zaś polegający na obróbce cieplnej w temperaturze 90°C.

Dojrzewanie w temperaturze 20°C: próbki do testów wyjęte są z forem 48 godzin po zalaniu. Są one następnie poddane obróbce polegającej na przechowaniu ich przez okres czasu wynoszący minimum 14 dni pod wodą o temperaturze 20°C. Następnie, po upływie 26 dni od zalania, próbki są poddane obróbce skrawaniem (jeżeli jest to konieczne, w zależności od rodzaju testu), zaś same testy przeprowadzane są po upływie 28 dni od zalania.

Obróbka cieplna w temperaturze 90°C: próbki do testów wyjęte są z forem 48 godzin po zalaniu. Są one następnie poddane obróbce cieplnej polegającej na przechowaniu ich w piecu o temperaturze 90°C przez okres czasu wynoszący 24 godziny w powietrzu mokrym, a następnie przez okres czasu wynoszący 24 godziny w powietrzu suchym. Następnie, po upływie 6 dni od zalania, próbki poddane są opcjonalnej obróbce skrawaniem, zaś same testy przeprowadzane są po upływie 7 dni od zalania.

Pomiary

Dokonywane są pomiary własności mechanicznych matrycy, w szczególności zaś jej odporności na obciążenia dynamiczne, jak również własności mechanicznych, w próbach zginania, rozciągania oraz ściskania, gotowego produktu zawierającego włókna metalowe. Próby te dokonywane są na próbkach o wymiarach dostosowanych do indywidualnych potrzeb testu.

Odporność na obciążenia dynamiczne

Sposoby pomiaru odporności na obciążenia dynamiczne są następujące.

Próby te są próbami zginania trzypunktowego próbek pryzmatycznych z karbem o wymiarach 40 x 40 x 250 lub 70 x 70 x 280, tzn. o geometrii SENB (procedura ASTM-E 399-83). Na tych pryzmatach wykonuje się na sucho, przy użyciu piły frezowej z diamentowym dyskiem (dysk precyzyjny z ciągłym wieńcem), karb o profilu V. Względna głębokość karbu a/w wynosi 0,4 (gdzie a oznacza głębokość karbu, zaś w oznacza wysokość próbki).

Wartość krytycznego współczynnika intensywności naprężeń Kc uzyskana jest z obciążenia przy pękaniu F oraz z długości pęknięcia a w punkcie niestabilności (próba prowadzona jest za pomocą uniwersalnego urządzenia testującego SCHENCK, przy kontrolowanym przemieszczeniu przebiegającym z prędkością 10^-2 mm/s):

F1

KC = 3/2-- uaY ^C dw ² gdzie:

l oznacza odległość pomiędzy punktami podparcia (osadzenie próby zginania) = 200 mm,

PL 197 724 B1 d oraz w oznaczają, odpowiednio, głębokość oraz wysokość próbki, a oznacza długość karbu w momencie pęknięcia, Y jest parametrem kształtu, który zależy od długości szczeliny (a = a/w).

W zginaniu trzypunktowym korzystnie jest stosować następujący sposób obliczania parametru Y (J. E. Srawley, International Journal of Fracture (1976), Tom 12, strony 475 do 476):

_γ = 1,99 -α(1 -α )(2,15 - 3,93α + 2,7 α²) = (1 + 2α)(1-α)^3/2

W przypadku zachowań nieliniowych (własności ciągliwe) wartość siły F użyte do szacowania odporności na obciążenia dynamiczne odpowiadają końcowi liniowej zależności siła-przemieszczenie; punkt niestabilności odpowiada wówczas tworzeniu się szczeliny.

Krytyczna prędkość uwalniania energii odkształcenia Gc może być uzyskana z krzywych siłaprzemieszczenie, jeżeli usunięte zostaną wpływy niepożądanych odkształceń, zaś rozproszona energia wyrażona jest za pomocą przekroju wiązadła: (w-a)xd.

W płaskim stanie odkształcenia obowiązuje prosta zależność pomiędzy Kc a Gc:

Kc²(1 - υ²) E gdzie:

E oznacza moduł sprężystości, zaś ν oznacza współczynnik Poissona.

Wartość E uzyskuje się doświadczalnie, w oparciu o wyznaczenie częstości podstawowej (metoda GRINDOSONIC), podczas wibracji pryzmatycznej próbki podpartej w dwóch miejscach.

Związanie

W odniesieniu do pomiarów związania włókien metalowych w matrycy cementowej naprężenia wyznaczane są w próbie polegającej na wyciąganiu pojedynczego włókna osadzonego w bloku cementowym.

Próby te prowadzone są na ciągłym drucie stalowym o średnicy 200 μm.

Jeżeli druty te podlegają obróbce, to najpierw poddawane są dokładnemu odtłuszczaniu (alkohol/aceton), następnie zaś zakwaszeniu (rozcieńczony kwas solny). Następnie prowadzona jest obróbka typu fosforanującego (fosforanowanie manganowe lub cynkowe). Szczególną uwagę należy poświęcić etapom wykańczającym: zobojętnianiu, przepłukiwaniu oraz suszeniu.

Druty osadzone są w blokach betonu o wymiarach 4 x 4 x 4. Użytą kompozycją jest ta sama, która była użyta do wytworzenia próbek do badań wytrzymałościowych (zginanie, ściskanie oraz rozciąganie): jest to kompozycja, w której stosunek wody do cementu ustalony został na poziomie wynoszącym 0,25.

Druty osadzone na długości 10 mm wyciągane są z prędkością wynoszącą 0,1 mm/min za pomocą uniwersalnej maszyny testującej (SCHNECK).

Przyłożoną siłę mierzy się przy użyciu odpowiedniego czujnika siły, zaś przemieszczenie drutu (w odniesieniu do próbki) przy użyciu czujnika ekstensometrycznego.

Średnie naprężenie wiążące wyznaczane jest z następującego uproszczonego wzoru:

^Td = max

Πφζ w którym Fmax oznacza największą zmierzoną siłę, φ oznacza średnicę drutu, zaś le oznacza długość jego osadzenia.

Wytrzymałość na zerwanie: Rt

Wartość tę otrzymuje się przez bezpośrednie rozciąganie próbek w kształcie wiosełka, wyciętych z pryzmatów o wymiarach 70 x 70 x 280, posiadających odcinek o przekroju 70 x 50 mm pracujący na długości 50 mm. Dokładnie wycentrowane próbki są w sposób sztywny zamontowane w szczękach typu UTS z jednym stopniem swobody.

max x 50

PL 197 724 B1 gdzie Fmax oznacza maksymalną siłę (pik) przy pęknięciu mającym miejsce w centralnej części odcinka 50 x 70. Próbka zamontowana jest w szczękach testującej maszyny rozciągającej za pomocą kleju oraz nitów.

Wytrzymałość na zginanie: Rf

Wartość Rf otrzymuje się w próbie czteropunktowego zginania pryzmatycznych próbek o wymiarach 70 x 70 x 280 mm, zamontowanych na podporach kulistych, według norm NFP 18-411, NFP 18-409 oraz ASTM C 1018.

^Rf = 3/2

Fmax(l - l') dw² gdzie Fmax oznacza maksymalną siłę (pik siły) w N, l = 210 mm, l' = 1/3 oraz d = w = 70 mm. Wytrzymałość na ściskanie: Rc

Wartość Rf otrzymuje się w próbie bezpośredniego ściskania oszlifowanych próbek cylindrycznych o wymiarach: średnica 70 mm, wysokość 140 mm.

4F nd² gdzie F oznacza maksymalną siłę w N podczas pęknięcia, zaś d oznacza średnicę próbek (70 mm).

Energia pęknięcia Wf

Wartość Wf uzyskuje się poprzez wyznaczenie całkowitej powierzchni pod krzywą siła - ugięcie w teście czteropunktowego zginania pryzmatów o wymiarach 70 x 70 x 280 mm. Mierzone ugięcie poddane jest korekcie w celu wyznaczenia rzeczywistego przemieszczenia próbki:

^WF jF5ę dw gdzie F oznacza przyłożoną siłę, δ_C oznacza rzeczywiste przemieszczenie (skorygowane ugięcie), zaś dw oznacza przekrój poprzeczny próbki.

P r z y k ł a d y od 1 do 17: wpływ elementów wzmacniających (d)

Dla porównania przedstawione zostały wyniki uzyskane dla betonów, w których zawartość składników kompozycji zmieniała się lub, jak w niektórych z nich, cześć składników została pominięta, w szczególności włókna, tak aby przedstawić niespodziewane korzyści wynikające z użycia kombinacji składników betonów stanowiących przedmiot niniejszego wynalazku.

Wyniki dla przykładów od 1 do 17 pokazane są w poniższej tabeli 1, która przedstawia skład wytworzonych próbek betonu oraz ich odpowiednie parametry.

Ilości elementów wzmacniających (d) podane są w procentach objętościowych w stosunku do łącznej objętości cząstek kruszywa (b) i cząstek z reakcji pucolanowej (c).

Ilości pozostałych składników betonu (a, b, c, domieszki, woda) wyrażone są w procentach wagowych.

Domieszką użytą w przykładach od 1 do 17 jest środek dyspergujący.

Użytym piaskiem jest piasek BE31, dla którego rozkład rozmiarów ziaren podany jest w przykładzie 24.

T a b e l a 1

Przykład nr	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
Cement portlandzki (a)	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1
Krzemionka szklista (c)	0,325	0,325	0,325	0,325	0,325	0,325	0,325	0,325	0,325	0,325
Mączka kwarcytowa (b)	0,300	0,300	0,300	0,300	0,300	0,300	0,300	0,300	0,300	0,300
Wolastonit igłowy (d)	0	0	0,39	0,39	0	0,240	0	0	0	0,240
Mika (d)	0	0	0	0	0	0	0,220	0	0	0

PL 197 724 B1 cd. tabeli 1

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
Wolastonit mielony (d)	0	0	0	0	0	0	0	0,150	0	0
Piasek (b)	1,430	1,430	1,070	1,070	1,430	1,215	1,215	1,29	1,430	1,215
Środek dyspergujący	0,01	0,01	0,02	0,02	0, 02	0,02	0,02	0,02	0,01	0,02
Woda	0,200	0,200	0,270	0,270	0,250	0,250	0,300	0,250	0,240	0,240
Włókna nieobrobione (% obj.)	0	0	0	0	0	0	0	0	2	2
Włókna obrobione (% obj.)
Temp. Dojrzewania (°C)	20	90	90	90	90	90	90	90	90	90
Odp. na obc. dyn. G (J/m²)	9	10	20	22					10	27
Wytrz. na zginanie (MPa)	16,6	16,5	11,1	14,3					21,3	28,7
Wytrz. na rozciąganie (MPa)	7,1	6,7	6,0	6,7					10,8	13,0
Wytrz. na ściskanie (MPa)		198,2		201,8					182,3	180,3

T a b e l a 1 (kontynuacja)

Przykład nr	11	12	13	14	15	16	17
Cement portlandzki (a)	1	1	1	1	1	1	1
Krzemionka szklista (c)	0,325	0,325	0,325	0,325	0,325	0,325	0,325
Mączka kwarcytowa (b)	0,300	0,300	0,300	0,300	0,300	0,300	0,300
Wolastonit igłowy (d)	0	0,240	0	0	0	0	0,240
Mika (d)	0	0	0	0220	0	0	0
Wolastonit mielony (d)	0	0	0	0	0	0	0
Piasek (b)	1,430	1,215	1,430	1,215	1,430	1,430	1,245
Środek dyspergujący	0,012	0,015	0,015	0,015	0,015	0,015	0,015
Woda	0,240	0,240	0,300	0,300	0,250	0,250	0,250
Włókna nieobrobione (% obj.)	2	2	2	2	2	0	0
Włókna obrobione (% obj.)	0	0	0	0	0	2	2
Temperatura Dojrzewania (°C)	20	20	90	90	90	90	90
Odp. na obciążenia dyn. G (J/m²)	10	26	9	24	12	12	29
Wytrzymałość na zginanie (MPa)	18,5	25,1	14	25	19	26	34
Wytrzymałość na rozciąganie (MPa)	7,7	11,1

N.B.: W Tabeli I, ilości składników kompozycji wyrażone są w częściach wagowych, przy czym ilość cementu stanowi odnośnik i, jako miara, wynosi jedną część wagową. Nie dotyczy to włókien, których ilość, o ile są obecne, podana jest w procentowym udziale w całkowitej objętości kompozycji, D₅₀ = 75 pm, D₇₅ = 350 pm

Porównanie przykładów 1 i 2 (próbki bez wolastonitu) z przykładami 3 i 4 (próbki z 17% zawartością wolastonitu iglastego) wykazuje niemal dwukrotne zwiększenie odporności nie zawierającego włókien metalowych betonu na obciążenia dynamiczne. Podobne wyniki uzyskuje się przez porównanie przykładu 5 (próbka bez wolastonitu) z przykładem 6 (próbka z 10% zawartością wolastonitu iglastego), znów dla betonu nie zawierającego włókien. Taka poprawa odporności na obciążenia dynamiczne (dodanie wolastonitu) zależy od jakości oraz natury cementu.

Odporność na obciążenia dynamiczne betonu zawierającego włókna metalowe, lecz nie zawierającego wolastonitu, wynosi 10 J/m² i wzrasta do 27 J/m² po dodaniu 10% wolastonitu (przykład 10).

PL 197 724 B1

Całkowita energia pękania jest wynikiem skumulowania energii wydatkowanej przez matrycę (odporność na obciążenia dynamiczne Gc) oraz energii rozproszonej przez włókna metalowe.

Można stwierdzić, że obecność iglastych cząstek wzmacniających, w szczególności zaś cząstek wolastonitu, w matrycy cementowej o szczególnie niskiej porowatości wspomaga przenoszenie obciążeń pomiędzy włóknami a betonem umożliwiając tym samym, na zasadzie efektu synergicznego, optymalnie wykorzystać włókna obecne w betonie w małych ilościach względem betonu i tym samym podnieść ciągliwość materiału.

Ta kombinacja porowatości matrycy cementowej z obecnością cząstek wzmacniających o geometrii iglastej lub płatkowej oraz małej ilości włókien metalowych stanowi istotny i nowy aspekt niniejszego wynalazku.

Anizotropowe cząstki wzmacniające odgrywają więc zasadniczą rolę w kontrolowaniu mikropęknięć oraz w przenoszeniu obciążeń pomiędzy matrycą a włóknami metalowymi. Obserwuje się także polepszenie własności mechanicznych materiału podczas zginania, rozciągania oraz ściskania.

Użycie cząstek wzmacniających typu miki, o geometrii płatowej (przykład 7), powoduje również istotny wzrost odporności na obciążenia dynamiczne.

Użycie cząstek wzmacniających typu zmielonego wolastonitu (przykład 8) posiada dodatni wpływ na odporność matrycy na obciążenia dynamiczne, lecz w mniejszym stopniu niż w przypadku wolastonitu o geometrii iglastej.

Wprowadzenie iglastych cząstek wzmacniających prowadzi do istotnego wzrostu odporności na obciążenia dynamiczne; wzrost ten jest mniejszy, jeżeli czynnik iglastości (lub kształtu) obniża się.

Podobne obserwacje dotyczą i innych własności mechanicznych. Tak więc, użycie wolastonitu iglastego w istotny sposób polepsza wytrzymałość na zginanie: porównaj przykład 11 (nie zawierający wolastonitu iglastego) z przykładem 12 (zawierającym wolastonit iglasty). To samo dotyczy wzmocnień typu miki: porównaj przykład 13 (nie zawierający miki) z przykładem 14 (zawierającym mikę).

Generalnie, obróbka cieplna w temperaturze 90°C ma korzystny wpływ na wytrzymałość na zginanie, która wzrasta.

Jednak nawet przy dojrzewaniu w temperaturze 20°C ma miejsce wzrost wytrzymałości na zginanie, jeżeli dodamy wolastonitu iglastego (porównaj przykład 12 z przykładem 11, gdzie przykład 11 dotyczy kompozycji bez wolastonitu iglastego).

Co więcej, dodanie wolastonitu iglastego w istotny sposób polepsza wytrzymałość na rozciąganie zarówno przy dojrzewaniu w temperaturze 20°C, jak i przy obróbce cieplnej w temperaturze 90°C: w tym miejscu porównać można przykłady 11 oraz 15, nie zawierające wolastonitu iglastego (próbki kontrolne), z zawierającymi odpowiednio 17% i 10% wolastonitu iglastego przykładami 12 oraz 17.

Średnio, jako wynik dodania wolastonitu, obserwuje się 25% wzrostu naturalnej wytrzymałości na rozciąganie wzmacnianego włóknami betonu.

We wszystkich powyższych przykładach dla kompozycji betonu o wartościach W/C niższych niż 0,27 uzyskuje się wytrzymałości na ściskanie przewyższające 150 MPa. Co więcej, wprowadzenie wolastonitu polepsza jednorodność własności mechanicznych betonu.

Ten korzystny aspekt zilustrowany jest wykresami przedstawionymi na fig. 1, które pokazują, jak zostało nadmienione uprzednio, wyniki testów zginania przeprowadzanych na trzech próbkach, które są identyczne we wszystkich punktach z wyjątkiem obecności lub też nieobecności cząstek wzmacniających typu wolastonitu iglastego. Nie zawierające wolastonitu kompozycje, według przykładu 11, charakteryzują się krzywymi, które są w znacznym stopniu przesunięte wobec siebie (krzywe 11.1,

11.2 oraz 11.3), co odpowiada dużemu rozrzutowi wyników zginania. W odróżnieniu od tego, w przypadku kompozycji zawierających wolastonit, a mianowicie 10% wolastonitu iglastego według przykładu 12, trzy uzyskane krzywe (krzywe 12.1, 12.2 oraz 12.3) znajdują się bardzo blisko siebie będąc niemal współbieżnymi co oznacza, że rozrzut własności mechanicznych materiału został prawie całkowicie wyeliminowany.

Te same obserwacje dotyczą wykresów przedstawionych na fig. 2, odnoszących się do próbek betonu nie zawierających wolastonitu, według przykładu 9 (krzywe 9.1, 9.2 oraz 9.3) i do próbek betonu zawierających wolastonit, według przykładu 10 (krzywe 10.1, 10.2 oraz 10.3), gdzie testowanymi betonami były zawierające włókna betony o wartości W/C wynoszącej 0,24, które poddane zostały obróbce cieplnej w temperaturze 90°C.

Przykład 17 odnosi się do betonu zawierającego zarówno wolastonit iglasty, jak i poddane obróbce włókna. Zobaczyć można, że dla tego betonu uzyskano najlepsze osiągi, jeżeli chodzi o odporność na obciążenia dynamiczne oraz wytrzymałość na zginanie. Jest on lepszy zarówno od betonu

PL 197 724 B1 z przykładu 10, który zawiera wolastonit igłowy oraz nie poddane obróbce włókna, jak i od betonu z przykładu 16, który zawiera włókna poddane obróbce i nie zawiera wolastonitu igłowego.

Tak więc, połączenie związanych włókien oraz matrycy o wysokiej odporności na obciążenie dynamiczne rzeczywiście prowadzi do polepszonych osiągów.

Z krzywych przedstawionych na fig. 5 (przykład 1), fig. 6 (przykład 2) oraz fig. 7 (przykład 3) wynika jasno, że w przypadku próbek betonu nie zawierającego wolastonitu niski stopień porowatości osiągnąć można wyłącznie poprzez poddanie betonu obróbce cieplnej. Z drugiej strony, dodanie do kompozycji tych betonów cząstek wzmacniających typu wolastonitu prowadzi niespodziewanie do niskiej porowatości także i w przypadku betonów, które poddane zostały dojrzewaniu w temperaturze 20°G. Dodanie wolastonitu umożliwia wiec osiągnięcie dobrego zagęszczenia (obniżonej porowatości) betonu i to nawet w przypadku normalnych warunków dojrzewania w temperaturze 20°C.

P r z y k ł a d y 18 - 23: wpływ rodzaju włókien

Przedstawione powyżej przykłady 15 oraz 16 ilustrowały już wpływ polepszonej obróbki włókien. Fig. 4 przedstawia polepszenie związania włókno/matryca uzyskane poprzez obróbkę powierzchniową (fosforanowanie) włókien (krzywe 16.1 oraz 16.2) w porównaniu do włókien nie obrabianych (krzywa 15.1), gdzie włókna wprowadzane były do matrycy w sposób zdefiniowany w tabeli 1, w przykładzie 15 (włókna niepoddane obróbce) oraz w przykładzie 16 (włókna poddane obróbce).

P r z y k ł a d 18: poddane obróbce lub nie poddane obróbce pręty

Niniejszy przykład odnosi się do testów związania prętów, generalnie prowadzonych przy użyciu przedstawionych powyżej sposobów z tą jedynie różnicą, że druty stalowe zastąpiono stalowymi prętami o średnicy d = 5 mm. Wymienione pręty wprowadzane są do próbek betonów nie zawierających włókien. Skład betonu, w częściach wagowych, jest następujący:

Cement portlandzki HTS: 1

Krzemionka szklista MTS: 0,325

Mączka kwarcytowa C400: 0,300

Piasek BE31: 1,43

Środek dyspergujący (zawartość stała): 0,02

Woda: 0,25

Próby związania prowadzone były na prętach, z których jeden wytworzony został ze stali nie poddanej obróbce, drugi zaś ze stali poddanej fosforanowaniu manganowemu, zgodnie z wymienioną powyżej generalną recepturą, z tą jedynie różnicą, że obróbce poddane były nie druty stalowe, a stalowe pręty. W przypadku pręta nie poddanego obróbce średnie zmierzone naprężenie wiążące wynosiło 10 MPa, podczas gdy dla pręta fosforanowanego wynosiło ono 15 MPa.

P r z y k ł a d 19: poddane obróbce lub nie poddane obróbce druty stalowe

Niniejszy przykład odnosi się do testów związania drutów stalowych - nie zaś prętów - generalnie prowadzonych przy użyciu przedstawionych powyżej sposobów. Wymienione druty wprowadzane są do próbek betonów nie zawierających włókien o składzie tym samym co w przykładzie 18. Próby związania prowadzone były na drutach, z których jeden wytworzony został ze stali nie poddanej obróbce, drugi zaś ze stali poddanej fosforanowaniu cynkowemu, zgodnie z wymienioną powyżej generalną recepturą. Wyniki przedstawione są na fig. 9. Z tego przykładu jasno wynika, że prowadzona obróbka powierzchniowa (fosforanowanie) prowadzi do wysokich wartości związania; naprężenie ścinające wzrasta z 10 MPa dla drutu standardowego do 25 MPa w przypadku drutu poddanego obróbce.

P r z y k ł a d 20: użycie wytrącanej krzemionki w celu polepszenia związania

Niniejszy przykład ma na celu zilustrowanie poprawy związania włókno/matryca uzyskane poprzez modyfikację składu matrycy cementowej z przykładu 18 poprzez wprowadzenie wytrącanej krzemionki, gdzie wymieniona matryca użyta jest w betonie zawierającym włókna metalowe, nie poddane obróbce powierzchniowej, charakteryzującym się wartością W/C wynoszącą 0,2, który poddany został obróbce cieplnej w temperaturze 90°C przez okres czasu wynoszący 24 godziny plus 24 godziny. Wyniki zostały przedstawione na fig. 3, na wykresie powtarzającym krzywe uzyskane w próbie rozciągania próbek o wymiarach 7 x 7 x 28 cm, wykonanych z betonu zawierającego 2% objętościowe niepoddanych obróbce włókien stalowych, którego matryca została lub też nie została zmodyfikowana poprzez dodanie takiej ilości zawiesiny krzemionki RHOXIMAT CS 960 SL firmy Rhodia Chimie, aby odpowiadała ona 1,9% wagowej zawartości w odniesieniu do cementu (tzn. 0,65% wagowej zawartości w odniesieniu do betonu).

Figura 3 przedstawia naprężenie w momencie pęknięcia, wyrażone w PMa, które jest odłożone na osi y oraz przemieszczenie, wyrażone w mm, które jest odłożone na osi x. Krzywe (20.1, 20.2 oraz

PL 197 724 B1

20.3) przedstawiają wyniki dla trzech próbek zawierających krzemionkę, zaś krzywe (20.4 oraz 20.5) przedstawiają wyniki dla dwóch identycznych próbek, które krzemionki nie zawierają. Jak widać, rozrzut wyników jest w znacznym stopniu ograniczony. Co więcej, w istotny sposób zwiększa się energia rozproszona po przyłożeniu maksymalnego naprężenia.

P r z y k ł a d 21: wpływ średnicy włókna

Niniejszy przykład ma na celu zilustrowanie wpływu średnicy włókna na związanie włókno/matryca. Skład matrycy cementowej jest taki sam jak w przykładach 18 oraz 19. Do tej matrycy wprowadzono druty stalowe o średnicy 100 oraz 200 μm i zakotwiczono je w tej matrycy na głębokości 5 mm. Wyniki przedstawione są na fig. 10. Dla głębokości zakotwiczenia wynoszącej 5 mm związanie jest w oczywisty sposób silniejsze kiedy średnica drutu wzrasta z 0,1 mm do 0,2 mm.

P r z y k ł a d 22: wpływ głębokości zakotwiczenia włókna

Niniejszy przykład ma na celu zilustrowanie wpływu głębokości zakotwiczenia włókna na związanie włókno/matryca. Skład matrycy cementowej jest taki sam jak w przykładach 18 oraz 19. Do tej matrycy wprowadzono druty stalowe o średnicy 100 oraz 200 μm i zakotwiczano je w tej matrycy na różnych głębokościach. Wyniki przedstawione są na fig. 11. Dla drutu o danej charakterystyce, poziom związania (naprężenie wiążące) jest stały dla głębokości zakotwiczenia w zakresie od 5 mm do 15 mm.

P r z y k ł a d 23: dodatek środka przeciwspieniającego

Jeden ze sposobów zwiększenia stopnia związania polega na dodaniu do kompozycji betonu środka przeciwspieniającego. Powtórzono więc przykład 16 dodając 1% środka przeciwspieniającego w postaci stałej (proszku). Wyniki przedstawione są na fig. 12. Z powodu uzyskania powierzchni międzyfazowej włókno/matryca o lepszej jakości obserwowany jest wzrost maksymalnego naprężenia (pik), a w szczególności wyższa energia pękania.

P r z y k ł a d y 25-29: wpływ rozmiarów ziaren składników betonu

Ze składników (a), (b), (c) oraz (d) o różnych rozkładach wielkości ziaren przygotowano pięć rodzajów betonu stanowiących przedmiot niniejszego wynalazku. Owe rozkłady wielkości ziaren przedstawione są na fig. 13. Stwierdzić można, że dla 5 betonów składniki (a), (b), (c) oraz (d) spełniają następujące warunki: rozmiar cząstek D75 jest zawsze mniejszy niż 2 mm zaś rozmiar cząstek D50 jest zawsze mniejszy niż 150 μm. Rozkład wielkości ziaren różni się wartością maksymalnego rozmiaru ziaren D₁₀₀ lub D_max, który zmienia się pomiędzy 500 μm a 6 mm.

Wytworzone zostały betony o wymienionych 5 rozkładach wielkości ziaren. Ich składy podane są w tabeli 2. Skład wyrażony jest w procentach objętościowych w odniesieniu do całości kompozycji.

T a b e l a 2

Przykład	25	26	27	28	29
Dmax (mm)	0,6	1	2,5	4	6
Cement HTS (a)	23	23	23	22	23
Krzemionka MST (c)	10	10	10	10	10
Kwarc C500 (b)	7	7	7	7	7
Piasek BE31 (b) (*)	37	14	13	8	11
Piasek MI 0.4/1.3 (b) (*)	0	24	0	0	0
Piasek BB 0.5/2.5 (b) (*)	0	0	25	10	7
Piasek BB 2/4 (b) (*)	0	0	0	21	0
Piasek SK 3/6 (b) (**)	0	0	0	0	20
Wolastonit NYADG (d)	5	5	5	5	5
Włókna BEKAERT	2	2	2	2	2
Środek dyspergujący OPTIMA 100	3	3	3	3	3
Woda	13	12	12	12	12

(*) SIFRACO (**) SILICA and KAOLIN

PL 197 724 B1

Różne rozkłady rozmiarów ziaren uzyskano zmieniając rodzaj oraz ilość piasku. Dla trzech próbek każdego betonu od 25 do 29 wyniki badań wytrzymałościowych na ściskanie oraz wyniki badań wytrzymałościowych na zginanie trzypunktowe przedstawione są na fig. 14 oraz 15.

Można zobaczyć, że niezależnie od rozkładu wielkości ziaren, w szczególności zaś niezależnie od wartości Dmax, wytrzymałość na ściskanie pozostaje wyższa niż 150 MPa, natomiast wytrzymałość na zginanie pozostaje wyższa niż 30 MPa.

P r z y k ł a d y 30-33: efekt synergii pomiędzy odpornością matrycy na obciążenia dynamiczne a stopniem związania włókna

Jak już wskazywano w przykładzie 17, pomiędzy obecnością związanych włókien a matrycą o wysokiej odporności na obciążenia dynamiczne zachodzi efekt synergiczny.

Synergię tę ilustrują przykłady od 30 do 33. Podstawowa formuła tych przykładów podana jest w tabeli 3.

W przykładzie 30 włóknami są włókna stalowe, zaś wolastonit jest nieobecny.

W przykładzie 31 włóknami są włókna stalowe, a wolastonit jest obecny.

W przykładzie 32 włóknami są włókna stalowe poddane powierzchniowej obróbce cynkowo-fosforanowej, zaś wolastonit jest nieobecny.

W przykładzie 33 włóknami są włókna stalowe poddane powierzchniowej obróbce cynkowo-fosforanowej, a wolastonit jest obecny.

Wymienione betony poddane są obróbce cieplnej w temperaturze 90°C.

Stanowiące przykłady 30-33 betony poddane są próbom zginania trzypunktowego, których wyniki przedstawione są na fig. 16 jako krzywe 30 do 33, zaś wartości kluczowe podane są w tabeli 3, w której składy wyrażone są w procentach wagowych w odniesieniu do cementu.

T a b e l a 3

Przykład nr	30	31	32	33
Cement portlandzki (a)	1	1	1	1
Krzemionka szklista (c)	0,325	0,325	0,325	0,325
Mączka kwarcytowa (b)	0,3	0,3	0,3	0,3
Wolastonit igłowy (d)	0	0,24	0	0,24
Piasek (b)	1,43	1,215	1,43	1,215
Środek dyspergujący (z. stała)	0,018	0,018	0, 018	0,018
Woda (W/C)	0,240	0,240	0,300	0,300
Włókna nieobrobione (% obj.)	2	2	2	2
Włókna obrobione (% obj.)	0	0	0	0
Obróbka cieplna (°C)	90	90	90	90
Naprężenie płynięcia (MPa)	16	28	29	36
Naprężenie maksymalne (MPa)	25	35	37,5	50
Odchylenie piku (mm)	0,8	0,8	1	1,2

Najlepsze własności mechaniczne uzyskane zostały dla przypadku włókien poddanych obróbce oraz matrycy zawierającej wolastonit w przykładzie 33. Należy również podkreślić, że dodatkowo obserwuje się efekt utwardzania w zgniocie oraz że mechanizm zniszczenia jest wieloszczelinowy (sieć równoległych mikropęknięć), nie zaś jednoszczelinowy.

Claims

1. Beton składający się z utwardzonej matrycy cementowej, w której rozproszone są włókna metalowe, znamienny tym, że oprócz włókien zawiera również:

(a) cement, (b) cząstki kruszywa o rozmiarach ziaren Dmax wynoszących najwyżej 2 mm, korzystnie najwyżej 1 mm, (c) cząstki uzyskane w reakcji pucolanowej o elementarnych rozmiarach ziaren wynoszących najwyżej 1 μιτι, korzystnie najwyżej 0,5 μm, (d) składniki zdolne do polepszania odporności matrycy na obciążenia dynamiczne, które wybrane są spośród substancji o cząstkach w kształcie igieł lub płatków o średnich wymiarach wynoszących najwyżej 1 mm obecne w proporcjach objętościowych wynoszących 2,5% do 35% połączonej objętości cząstek kruszywa (b) oraz cząstek pochodzących z reakcji pucolanowej (c), (e) przynajmniej jeden środek dyspergujący, przy czym (1) włókna posiadają długość jednostkową l wynoszącą przynajmniej 2 mm oraz stosunek l/d wynoszący przynajmniej 20, gdzie d oznacza średnicę tych włókien, (2) stosunek R średniej długości włókien L do maksymalnych rozmiarów ziaren kruszywa Dmax wynosi przynajmniej 10, (3) ilość włókien jest tak dobrana, że po utwardzeniu betonu zajmują one objętość mniejszą niż 4%, korzystnie mniejszą niż 3,5% całkowitej objętości tego betonu.

2. Beton według zastrz. 1, znamienny tym, że odporność matrycy cementowej na obciążenia dynamiczne wynosi przynajmniej 15 J/m², korzystnie przynajmniej 20 J/m².

3. Beton według zastrz. 1, znamienny tym, że cząstki (d) posiadają średni rozmiar wynoszący przynajmniej 500 μm.

4. Beton według zastrz. 1, znamienny tym, że cząstki (d) obecne są w proporcjach objętościowych znajdujących się w zakresie od 5% do 25% w odniesieniu do połączonych objętości cząstek kruszywa (b) oraz cząstek uzyskanych w reakcji pucolanowej (c).

5. Beton według zastrz. 1, znamienny tym, że cząstki (d) lub cząstki wzmacniające w kształcie igieł wybrane są spośród włókien wolastonitu, włókien boksytu, włókien mulitu, włókien tytanianu potasowego, włókien węglika krzemu, włókien celulozy lub pochodnych celulozy, włókien węglowych, włókien fosforanu wapniowego, w szczególności włókien hydroksyapatytu HAP, włókien węglanu wapniowego lub też produktów pochodnych uzyskanych poprzez zmielenie wymienionych włókien lub mieszanin wymienionych włókien.

6. Beton według zastrz. 5, znamienny tym, że cząstkami (d) są włókna wolastonitu.

7. Beton według zastrz. 1, znamienny tym, że cząstki w kształcie igieł (d) posiadają stosunek długości do średnicy wynoszący przynajmniej 3, korzystnie zaś wynoszący przynajmniej 5.

8. Beton według zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 4, znamienny tym, że cząstki w kształcie płatków (d) lub cząstki wzmacniające wybrane są spośród płatków miki, płatków talku, płatków mieszanych krzemianów czyli gliny, płatków wermikulitu, płatków tlenku glinu, płatków mieszanych glinianów lub krzemianów oraz mieszanin wymienionych płatków.

9. Beton według zastrz. 8, znamienny tym, że cząstkami w kształcie płatków (d) są płatki miki.

10. Beton według zastrz. 1, znamienny tym, że przynajmniej niektóre z cząstek wzmacniających (d) posiadają na powierzchni organiczną powłokę polimerową, która zawiera lateks i jest wytworzona z jednego z wymienionych związków: alkohol poliwinylowy, silany, silikoniany, żywice siloksanowe, poliorganosiloksany lub też produkty reakcji pomiędzy (i) przynajmniej jednym kwasem karboksylowym zawierającym od 3 do 22 atomów węgla, (ii) przynajmniej jedną wielofunkcyjną aminą lub podstawioną aminą alifatyczną lub aromatyczną zawierającą od 2 do 25 atomów węgla oraz (iii) środkiem sieciującym, będącym rozpuszczalnym w wodzie kompleksem metalu zawierającym przynajmniej jeden metal wybrany z grupy obejmującej: cynk, glin, tytan, miedź, chrom, żelazo, cyrkon oraz ołów.

11. Beton według zastrz. 1, znamienny tym, że średnie naprężenie wiążące włókna metalu w utwardzonej matrycy cementowej wynosi przynajmniej 10 MPa, korzystnie przynajmniej 15 MPa.

12. Beton według zastrz. 1, znamienny tym, że włóknami metalu są włókna stalowe.

13. Beton według zastrz. 1, znamienny tym, że włókna metalu posiadają zmienną geometrię.

14. Beton według zastrz. 1, znamienny tym, że włóknami metalu są włókna, które poddane zostały trawieniu.

PL 197 724 B1

15. Beton według zastrz. 1, znamienny tym, że włóknami metalu są włókna, na które naniesiona została warstwa związku mineralnego, korzystnie krzemionki lub fosforanu metalu.

16. Beton według zastrz. 1, znamienny tym, że włókna metalu posiadają długość w zakresie od 10 do 30 mm.

17. Beton według zastrz. 1, znamienny tym, że matryca cementowa zawiera dodatkowo przynajmniej jeden z następujących związków: związki krzemionki zawierające głównie krzemionkę, wytrącany węglan wapniowy, alkohol poliwinylowy w roztworach wodnych, lateks lub też mieszaninę wymienionych związków.

18. Beton według zastrz. 17, znamienny tym, że związkiem krzemionki jest wytrącana krzemionka, o zawartości od 0,1 do 5% wagowych w przeliczeniu na suchy materiał oraz w odniesieniu do całkowitej masy betonu.

19. Beton według zastrz. 18, znamienny tym, że wytrącana krzemionka wprowadzona jest do kompozycji w postaci zawiesiny wodnej.

20. Beton według zastrz. 19, znamienny tym, że zawiesina wodna posiada:

- zawartość stałą wynoszącą od 10% do 40% wagowych,

21. Beton według zastrz. 1, znamienny tym, że stosunek l/d dla włókien wynosi najwyżej 200.

22. Beton według zastrz. 1, znamienny tym, że cząstki kruszywa (b) stanowią przesiane lub zmielone piaski lub mieszaniny piasków, które korzystnie mogą zawierać piaski krzemionkowe, w szczególności zaś mączkę kwarcytową.

23. Beton według zastrz. 1, znamienny tym, że wymienione cząstki kruszywa (b) obecne są w ilości wynoszącej od 20 do 60% wagowych, korzystnie zaś wynoszącej od 25 do 50% wagowych, w odniesieniu do matrycy cementowej.

24. Beton według zastrz. 1, znamienny tym, że cząstki uzyskane w reakcji pucolanowej (c) obejmują cząstki wybrane spośród związków krzemiankowych, w szczególności takich, jak pył krzemionkowy z dymu, popiół lotny lub żużel wielkopiecowy.

25. Beton według zastrz. 1, znamienny tym, że jest on wstępnie rozciągnięty.

26. Beton według zastrz. 1, znamienny tym, że jest on rozciągnięty na końcowym etapie.

27. Beton według zastrz. 1, znamienny tym, że posiada on wytrzymałość na bezpośrednie rozciąganie wynoszącą przynajmniej 12 MPa.

28. Beton według zastrz. 1, znamienny tym, że posiada on umowną wytrzymałość na zginanie określaną w próbie zginania czteropunktowego wynoszącą przynajmniej 25 MPa.

29. Beton według zastrz. 1, znamienny tym, że posiada on wytrzymałość na ściskanie, wynoszącą przynajmniej 150 MPa.

30. Beton według zastrz. 1, znamienny tym, że posiada on energię pękania wynoszącą przynajmniej 2500 J/m².

31. Zastosowanie betonu określonego w zastrz. 1 do wytwarzania elementów struktur inżynierii lądowej, przy czym beton po zastygnięciu poddano dojrzewaniu w temperaturze bliskiej temperaturze pokojowej, korzystnie w temperaturze 20°C.

32. Zastosowanie betonu określonego w zastrz. 1 do wytwarzania elementów struktur inżynierii lądowej, przy czym beton po zastygnięciu poddano obróbce cieplnej w temperaturze pomiędzy 60°C a 100°C, pod ciśnieniem atmosferycznym.

33. Zastosowanie według zastrz. 32, znamienne tym, że czas trwania obróbki cieplnej wynosi od 6 godzin do 4 dni, korzystnie od 6 godzin do 72 godzin.

34. Utwardzona matryca cementowa, znamienna tym, że zawiera:

(a) cement, (b) cząstki kruszywa o rozmiarach ziaren Dmax wynoszących najwyżej 2 mm, korzystnie najwyżej 1 mm, (c) cząstki uzyskane w reakcji pucolanowej o elementarnych rozmiarach ziaren wynoszących najwyżej 1 pm, korzystnie najwyżej 0,5 pm, (d) składniki zdolne do polepszania odporności matrycy na obciążenia dynamiczne, które wybrane są spośród substancji o cząstkach w kształcie igieł lub płatków o średnich wymiarach wynoszących najwyżej 1 mm obecne w proporcjach objętościowych wynoszących 2,5% do 35% połączonej objętości cząstek kruszywa (b) oraz cząstek pochodzących z reakcji pucolanowej (c),

PL 197 724 B1 (e) przynajmniej jeden środek dyspergujący.

35. Utwardzona matryca cementowa według zastrz. 34, znamienna tym, że odporność matrycy na obciążenia dynamiczne wynosi co najmniej 15 J/m², korzystnie co najmniej 20 J/m².

36. Premiks do wytwarzania betonu, znamienny tym, że zawiera oprócz metalowych włókien:

(a) cement, (b) cząstki kruszywa o rozmiarach ziaren D75 wynoszących najwyżej 2 mm, korzystnie najwyżej 1 mm, (c) cząstki uzyskane w reakcji pucolanowej o elementarnych rozmiarach ziaren wynoszących najwyżej 1 pm, korzystnie najwyżej 0,5 pm, (d) składniki zdolne do polepszania odporności matrycy na obciążenia dynamiczne, które wybrane są spośród substancji o cząstkach w kształcie igieł lub płatków o średnich wymiarach wynoszących najwyżej 1 mm obecne w proporcjach objętościowych wynoszących 2,5% do 35% połączonej objętości cząstek kruszywa (b) oraz cząstek pochodzących z reakcji pucolanowej (c), (e) przynajmniej jeden środek dyspergujący, przy czym (1) włókna posiadają długość jednostkową l wynoszącą przynajmniej 2 mm oraz stosunek l/d wynoszący przynajmniej 20, gdzie d oznacza średnicę tych włókien, (2) stosunek R średniej długości włókien L do maksymalnych rozmiarów ziaren kruszywa Dmax wynosi przynajmniej 10, (3) ilość włókien jest tak dobrana, że po utwardzeniu betonu zajmują one objętość mniejszą niż 4%, korzystnie mniejszą niż 3,5% całkowitej objętości tego betonu.

37. Zastosowanie premiksu określonego w zastrz. 36 do wytwarzania betonu.

38. Zastosowanie według zastrz. 37, znamienne tym, że składniki premiksu wraz z włóknami miesza się z wodą, przy czym ilość wody wyrażona w % wagowych w odniesieniu do łącznej masy cementu (a) i cząstek uzyskanych w reakcji pucolanowej (c) mieści się w zakresie 8-24%.

39. Zastosowanie według zastrz. 38, znamienne tym, że ilość wody wyrażona w % wagowych w odniesieniu do łącznej masy cementu (a) i cząstek uzyskanych w reakcji pucolanowej (c) mieści się w zakresie 13-20%.

40. Beton składający się z utwardzonej matrycy cementowej, w której rozproszone są włókna metalowe, znamienny tym, że oprócz włókien zawiera również:

(a) cement, (b) cząstki kruszywa, (c) cząstki uzyskane w reakcji pucolanowej o elementarnych rozmiarach ziaren wynoszących najwyżej 1 pm, korzystnie najwyżej 0,5 pm, (d) składniki zdolne do polepszania odporności matrycy na obciążenia dynamiczne, które wybrane są spośród substancji o cząstkach w kształcie igieł lub płatków o średnich wymiarach wynoszących przynajmniej 1 mm oraz są obecne proporcjach objętościowych wynoszących od 2,5% do 35% połączonej objętości cząstek kruszywa (b) oraz cząstek pochodzących z reakcji pucolanowej (c), (e) przynajmniej jeden środek dyspergujący, przy czym:

(1) włókna posiadają długość jednostkową l wynoszącą przynajmniej 2 mm oraz stosunek l/d wynoszący przynajmniej 20, gdzie d oznacza średnicę tych włókien, (2) stosunek R średniej długości włókien L do rozmiarów ziaren 075 kombinacji składników (a), (b), (c) i (d) wynosi przynajmniej 5, korzystnie przynajmniej 10, (3) ilość włókien jest tak dobrana, że po utwardzeniu betonu zajmują one objętość mniejszą niż 4%, korzystnie mniejszą niż 3,5% całkowitej objętości tego betonu.

(4) kombinacja składników (a), (b), (c) oraz (d) posiada rozmiar D75 ziaren wynoszący najwyżej 2 mm, korzystnie najwyżej 1 mm, zaś rozmiar D50 ziaren wynoszący najwyżej 200 pm, korzystnie najwyżej 150 pm.

41. Beton według zastrz. 40, znamienny tym, że odporność matrycy cementowej na obciążenia dynamiczne wynosi przynajmniej 15 J/m², korzystnie przynajmniej 20 J/m².

42. Beton według zastrz. 40 albo 41, znamienny tym, że cząstki (d) posiadają średni rozmiar wynoszący przynajmniej 500 pm.

43. Beton według zastrz. 40, znamienny tym, że cząstki (d) obecne są w proporcjach objętościowych znajdujących się w zakresie od 5% do 25% w odniesieniu do połączonych objętości cząstek kruszywa (b) oraz cząstek uzyskanych w reakcji pucolanowej (c).

44. Beton według zastrz. 40, znamienny tym, że cząstki (d) lub cząstki wzmacniające w kształcie igieł wybrane są spośród włókien wolastonitu, włókien boksytu, włókien mulitu, włókien tytanianu

PL 197 724 B1 potasowego, włókien węglika krzemu, włókien celulozy lub pochodnych celulozy, włókien węglowych, włókien fosforanu wapniowego, w szczególności włókien hydroksyapatytu HAP, włókien węglanu wapniowego lub też produktów pochodnych uzyskanych poprzez zmielenie wymienionych włókien lub mieszanin wymienionych włókien.

45. Beton według zastrz. 44, znamienny tym, że cząstkami (d) są włókna wolastonitu.

46. Beton według zastrz. 40, znamienny tym, że cząstki w kształcie igieł (d) posiadają stosunek długości do średnicy wynoszący przynajmniej 3, korzystnie zaś wynoszący przynajmniej 5.

47. Beton według zastrz. 40, znamienny tym, że cząstki w kształcie płatków (d) lub cząstki wzmacniające - wybrane są spośród płatków miki, płatków talku, płatków mieszanych krzemianów czyli gliny, płatków wermikulitu, płatków tlenku glinu, płatków mieszanych glinianów lub krzemianów oraz mieszanin wymienionych płatków.

48. Beton według zastrz. 47, znamienny tym, że cząstkami w kształcie płatków (d) są płatki miki.

49. Beton według zastrz. 40, znamienny tym, że przynajmniej niektóre z cząstek wzmacniających (d) posiadają na powierzchni organiczną powłokę polimerową, która zawiera lateks i jest wytworzona z jednego z wymienionych związków: alkohol poliwinylowy, silany, silikoniany, żywice siloksanowe, poliorganosiloksany lub też produkty reakcji pomiędzy (i) przynajmniej jednym kwasem karboksylowym zawierającym od 3 do 22 atomów węgla, (ii) przynajmniej jedną wielofunkcyjną aminą lub podstawioną aminą alifatyczną lub aromatyczną zawierającą od 2 do 25 atomów węgla oraz (iii) środkiem sieciującym, będącym rozpuszczalnym w wodzie kompleksem metalu zawierającym przynajmniej jeden metal wybrany z grupy obejmującej: cynk, glin, tytan, miedź, chrom, żelazo, cyrkon oraz ołów.

50. Beton według zastrz. 40, znamienny tym, że średnie naprężenie wiążące włókna metalu w utwardzonej matrycy cementowej wynosi przynajmniej 10 MPa, korzystnie przynajmniej 15 MPa.

51. Beton według zastrz. 40, znamienny tym, że włóknami metalu są włókna stalowe.

52. Beton według zastrz. 40, znamienny tym, że włókna metalu posiadają zmienną geometrię.

53. Beton według zastrz. 40, znamienny tym, że włóknami metalu są włókna, które poddane zostały trawieniu.

54. Beton według zastrz. 40, znamienny tym, że włóknami metalu są włókna, na które naniesiona została warstwa związku mineralnego, korzystnie krzemionki lub fosforanu metalu.

55. Beton według zastrz. 40, znamienny tym, że włókna metalu posiadają długość w zakresie od 10 do 30 mm.

56. Beton według zastrz. 40, znamienny tym, że matryca cementowa zawiera dodatkowo przynajmniej jeden z następujących związków: związki krzemionki zawierające głównie krzemionkę, wytrącany węglan wapniowy, alkohol poliwinylowy w roztworach wodnych, lateks lub też mieszaninę wymienionych związków.

57. Beton według zastrz. 56, znamienny tym, że związkiem krzemionki jest wytrącana krzemionka, o zawartości od 0,1 do 5% wagowych w przeliczeniu na suchy materiał oraz w odniesieniu do całkowitej masy betonu.

58. Beton według zastrz. 57, znamienny tym, że wytrącana krzemionka wprowadzona jest do kompozycji w postaci zawiesiny wodnej.

59. Beton według zastrz. 58, znamienny tym, że zawiesina wodna posiada:

- zawartość stałą wynoszącą od 10% do 40% wagowych,

60. Beton według zastrz. 40, znamienny tym, że stosunek l/d dla włókien wynosi najwyżej 200.

61. Beton według zastrz. 40, znamienny tym, że maksymalny rozmiar ziaren Dmax cząstek kruszywa (b) wynosi najwyżej 6 mm.

62. Beton według zastrz. 40, znamienny tym, że cząstki kruszywa (b) stanowią przesiane lub zmielone piaski lub mieszaniny piasków, które korzystnie mogą zawierać piaski krzemionkowe, w szczególności zaś mączkę kwarcytową.

63. Beton według zastrz. 40, znamienny tym, że wymienione cząstki kruszywa (b) obecne są w ilości wynoszącej od 20 do 60% wagowych, korzystnie zaś wynoszącej od 25 do 50% wagowych, w odniesieniu do matrycy cementowej,

64. Beton według zastrz. 40, znamienny tym, że cząstki uzyskane w reakcji pucolanowej (c) obejmują cząstki wybrane spośród związków krzemiankowych, w szczególności takich jak pył krzemionkowy z dymu, popiół lotny lub żużel wielkopiecowy.

PL 197 724 B1

65. Beton według zastrz. 40, znamienny tym, że procentowa zawartość wagowa wody W, w odniesieniu do połączonych ciężarów cementu (a) oraz cząstek uzyskanych w reakcji pucolanowej (c), znajduje się w zakresie 13-20%.

66. Beton według zastrz. 40, znamienny tym, że jest on wstępnie rozciągnięty.

67. Beton według zastrz. 40, znamienny tym, że jest on rozciągnięty na końcowym etapie.

68. Beton według zastrz. 40, znamienny tym, że posiada on wytrzymałość na bezpośrednie rozciąganie wynoszącą przynajmniej 12 MPa.

69. Beton według zastrz. 40, znamienny tym, że posiada on umowną wytrzymałość na zginanie określaną w próbie zginania czteropunktowego wynoszącą przynajmniej 25 MPa.

70. Beton według zastrz. 40, znamienny tym, że posiada on wytrzymałość na ściskanie, wynoszącą przynajmniej 150 MPa.

71. Beton według zastrz. 40, znamienny tym, że posiada on energię pękania wynoszącą przynajmniej 2500 J/m².

72. Zastosowanie betonu określonego w zastrz. 40 do wytwarzania elementów struktur inżynierii lądowej, przy czym beton po zastygnięciu poddano dojrzewaniu w temperaturze bliskiej temperaturze pokojowej, korzystnie w temperaturze 20°C.

73. Zastosowanie betonu określonego w zastrz. 40 do wytwarzania elementów struktur inżynierii lądowej, przy czym beton po zastygnięciu poddano obróbce cieplnej w temperaturze pomiędzy 60°C a 100°C, pod ciśnieniem atmosferycznym.

74. Zastosowanie według zastrz. 73, znamienne tym, że czas trwania obróbki cieplnej wynosi od 6 godzin do 4 dni, korzystnie od 6 godzin do 72 godzin.

75. Utwardzona matryca cementowa, znamienna tym, że zawiera:

(a) cement, (b) cząstki kruszywa, (c) cząstki uzyskane w reakcji pucolanowej o elementarnych rozmiarach ziaren wynoszących najwyżej 1 μm, korzystnie najwyżej 0,5 μm, (d) składniki zdolne do polepszania odporności matrycy na obciążenia dynamiczne, które wybrane są spośród substancji o cząstkach w kształcie igieł lub płatków o średnich wymiarach wynoszących przynajmniej 1 mm oraz są obecne proporcjach objętościowych wynoszących od 2,5% do 35% połączonej objętości cząstek kruszywa (b) oraz cząstek pochodzących z reakcji pucolanowej (c), (e) przynajmniej jeden środek dyspergujący.

76. Utwardzona matryca cementowa według zastrz. 75, znamienna tym, że odporność matrycy na obciążenia dynamiczne wynosi co najmniej 15 J/m², korzystnie co najmniej 20 J/m².

77. Premiks do wytwarzania betonu, znamienny tym, że zawiera oprócz metalowych włókien:

(a) cement, (b) cząstki kruszywa, (c) cząstki uzyskane w reakcji pucolanowej o elementarnych rozmiarach ziaren wynoszących najwyżej 1 μm, korzystnie najwyżej 0,5 μm, (d) składniki zdolne do polepszania odporności matrycy na obciążenia dynamiczne, które wybrane są spośród substancji o cząstkach w kształcie igieł lub płatków o średnich wymiarach wynoszących przynajmniej 1 mm oraz są obecne proporcjach objętościowych wynoszących od 2,5% do 35% połączonej objętości cząstek kruszywa (b) oraz cząstek pochodzących z reakcji pucolanowej (c), (e) przynajmniej jeden środek dyspergujący, przy czym (1) włókna posiadają długość jednostkową l wynoszącą przynajmniej 2 mm oraz stosunek l/d wynoszący przynajmniej 20, gdzie d oznacza średnicę tych włókien, (2) stosunek R średniej długości włókien L do rozmiarów ziaren D75 kombinacji składników (a), (b), (c) i (d) wynosi przynajmniej 5, korzystnie przynajmniej 10, (3) ilość włókien jest tak dobrana, że po utwardzeniu betonu zajmują one objętość mniejszą niż 4%, korzystnie mniejszą niż 3,5% całkowitej objętości tego betonu.

(4) kombinacja składników (a), (b), (c) oraz (d) posiada rozmiar D75 ziaren wynoszący najwyżej 2 mm, korzystnie najwyżej 1 mm, zaś rozmiar D₅₀ ziaren wynoszący najwyżej 200 μm, korzystnie najwyżej 150 μm.

78. Zastosowanie premiksu określonego w zastrz. 77 do wytwarzania betonu.

79. Zastosowanie według zastrz. 78, znamienne tym, że składniki premiksu wraz z włóknami miesza się z wodą, przy czym ilość wody wyrażona w % wagowych w odniesieniu do łącznej masy cementu (a) i cząstek uzyskanych w reakcji pucolanowej (c) mieści się w zakresie 8-24%.

PL 197 724 B1

80. Zastosowanie według zastrz. 79, znamienne tym, że ilość wody wyrażona w % wagowych w odniesieniu do łącznej masy cementu (a) i cząstek uzyskanych w reakcji pucolanowej (c) mieści się w zakresie 13-20%.