SE501129C2 - Sätt att tillverka betongkonstruktioner med ett ytskydd och betongkonstruktion framställd enligt sättet - Google Patents

Description

10 15 20 25 35 5.01 129 Utvecklingen av betongteknologin under de två senaste decenni- erna har möjliggjort en avsevärd breddning av betongens an- vändning. Det är knappast något material som kan ges den stora bredd som betong har. Tryckhàllfastheter 3 - 300 Mpa och den- siteter 300 - 3000 kg/ma kan exemplifiera påståendet. Till detta kommer utvecklingen av armering med fiberteknik och mo- difiering med polymerer. Bindemedlet av portlandscement kan även helt utbytas mot polymerer.

Ytskyddssystem för betongkonstruktioner är numera en etablerad teknik. De nyttjas i följande syften: för att förbättra beständigheten hos utsatta och àldrade betongkonstruktioner, - för att förstärka skyddet hos konstruktioner vars miljö- betingelser förändrats med tiden, - för att i speciella fall kunna minska kravet på täckande betongskiktet vid nyproduktion, - för att som extra skydd ytterligare förbättra beständigheten hos viktiga konstruktionsdelar i extrem aggressiv miljö.

Alla de system som är aktuella i de här sammanhangen är utfor- made för behandling pà hàrdnad betong i samband med reparatio- n. I normala fall används inte tekniken att utöka skyddet re- dan från början vid nyproduktion av betongkonstruktioner i allmänhet. Ändamålet med uppfinningen är att åstadkomma olika typer av ytskikt pá betong vid tillverkningen. Ytskikten fär därvid möjlighet att fullständigt samverka med den underliggande be- tongen. Det är välkänt att det är mycket svårt att lyckas med pågjutningar av betongskikt och i synnerhet tunna sådana på en 10 15 20 25 30 501 129 3 redan hårdnad betong. Skillnader i deformationsförlopp såsom krympning och utveckling av vidhäftning mellan underbetong och ytskikt är sannolika orsaker till dåliga resultat.

Uppfinningen baseras på att framkalla tryckspänningar i ytskikt hos betongkonstruktioner. Dessa tryckspänningar skapas genom deformationsskillnader i ytskiktet och den underliggande betongen. Deformationerna orsakas av krympning och framförallt avses uttorkningskrympning som uppstår efter hårdnandet. Slut- krympning kan betraktas ha nåtts då fuktjämvikt inträtt med omgivningen. Förutsättningen är således att ytskiktet och un- derliggande betongmaterial har olika krympningsstorlek och att krympningen hos ytskiktet är mindre än den underliggande be- tongen. Allmänt kan detta uppfyllas då ytskiktet utgöres av bruk eller betong med höga hàllfastheter eller annat material som inte har efterkrympning och att den underliggande betongen är av lättballasttyp. Lättballasten har låg elesticitetsmodul och ger därför ett begränsat hinder för krympningen.

Ytskikt och betong gjutna "vått i vått" kommer så småningom under inverkan av skillnader i uttorkningskrympning mellan ytmaterial och underliggande betong att ge tryckspänningar i ytskiktet. För att få tryckspänningar i ytskiktet som efter- strävas är kravet att ytmaterialet har mindre krympning än underliggande betong. Dragspänningar uppstår samtidigt i un- derbetongen. Storleken på spänningarna bestämmes av de båda materialens elasticitetsmodul och ytskiktets tjocklek.

Uppskattningsvis är tryckspänningarna i ytskiktet ca 10-15 Mpa och dragspänningarna i underbetongen 1/10 därav. Detta kan man överslagsmässigt komma fram till under förutsättning att man antar att krökning av underbetongen ej uppstår, att krympning- en är ungefär dubbelt så stor i underbetongen, att elastici- tetsmodulen i underbetongen är l/5-l/7 av den i ytskiktet och att verksam tjocklek är ca 10 gånger så stor i underbetongen.

Tar man hänsyn till krökningen minskas samtliga spänningar då tvånget minskas. Maximala tryckspänningen i ytskiktet minskas 10 15 20 25 30 00 I 11 501 129 4 med något mer än 20 % och maximala dragspänningen i underbe- tongen med mindre än 10 %. Den största utböjningen blir cirka 1/400 av spännvidden då denna är 1,2 m.

Inom ytskiket kommer krympspänningarna att få olika storlek.

Skillnaden orsakas av separation av ballastpartiklarna så att det inom skiktet uppstår olika volymandelar ballast, låg halt i den övre delen. Minskas volymhalten från 0,7 till 0,35, dvs en halvering ökar krympningen med nära fyra gånger. Beräkning- en är gjord med Picketts formel vilken lyder: E = EP-(1 - g)“, där Gp är cementpastans krympning, g är volymandelen ballast och m = 1,7 för kvartsmaterial och liknande. Resultatet kan då bli att det mindre krympande ytterskiktet verksamma tjocklek blir tunnare, tryckspänningarna större och krökningen mindre.

Det viktigaste är att i första hand undvika att draghållfast- heten i bruksstadiet överskrides i ytskiktet. I andra hand underlätta att redan bildade sprickor får reducerad sprickvidd eller t o m möjlighet att tillslutas. Lättballastbetongens elasticitetsmodul är 6000-7000 Mpa och dess krympning slut- krympning vid 50 % relativ luftfuktighet är 0,9 B.

Det finns flera skäl till att åstadkomma tryck i det yttre skiktet på material och i synnerhet ett sprött material som betong. En direkt parallell är effekten av härdning på glas som också är ett sprött material. Defekter i ytan såsom repor eller mikrosprickor är helt avgörande för materialbrott genom de mycket höga spänningarna som uppstår i sprickändarna och hàllfastheten med avseende på yttre belastning. Härdningspro- cessen ger tryckspänningar i glasytskiktet. Man motverkar då dragspänningar och minskar risken för att sk spröda brott upp- står.

I betongmaterial kommer inte spänningarna i ytskiktet bli så stora som i glasytskikt där spänningar på upp till 140 Mpa kan uppstå efter härdningen. Målet är emellertid inte detsamma med 10 15 20 25 30 35 501 129 5 betongmaterial även om likheter finns. För betongkonstruktio- ner kan följande åstadkommas med tunna ytskikt: Allmänna krav som vanligen förekommer och kan ställas på ytor är följande: - God beständighet mot angrepp från omgivande miljö.

- God kemisk beständighet.

- Motståndsförmåga mot temperaturdifferenser och temperatur chocker.

- Gott nötningsmotstånd.

- Por- och sprickfria ytor.

- Flexibilitet i färg och struktur.

Tekniska effekter: Hög hállfasthet i allmänhet, god beständig- het mot fysikalisk-kemisk påverkan, såsom salt-frostspräng- ning, hög slitstyrka, stort motstånd mot slag och höga punkt- laster, uppfyllande av höga hygieniska krav, stort motstånd mot sura angrepp och saltpåverkan och låg permeabilitet med avseende på klorider och koldioxid är vanliga egenskaper som numera är aktuella för betongkonstruktioner.

Estetiska effekter: Stor frihet att färgsätta ytor med lång varaktighet, bl a genom pigmentinfärgning, goda möjligheter att skapa ytstrukturer, såsom reliefer, släta ytor med hög glans (utan slipning) och att skapa flexibla ytor med mosaik- teknik.

Material som särskilt lämpar sig att kombinera är för ytskikt cementbundna bruk med låga vattenbindemedelstal, ekvivalent bindemedelshållfasthet i allmänhet över 70 Mpa. Som underlig- gande betong är lättballastbetong med tät struktur särskilt anpassad, exempelvis X-betong. Denna betongtyp är en konstruk- tionsbetong med cirka hälften av densiteten hos normalbetong, hållfastheten i området 10 - 20 Mpa, innehåller hög luftporvo- lym i cementpastan, har hydrofoba egenskaper och är diffusion- 10 15 20 25 30 35 501 129 6 söppen med avseende pà vattenånga. Uttorkningskrympningen är vidare omkring tre gånger större än för den högvärdiga betong med särskilt höga hàllfastheter som kan väljas till ytskiktet.

Andra material än typen cementbundna kan väljas, exempelvis härdplaster såsom epoxi och uretan samt kombinationer mellan polymerer och cement. Dessa är av typen som motsvarar modifie- rad polymerbetong i vilka hydrauliska bindemedel samverkar med polymerdispersioner exempelvis baserade pá akrylat och styren- butadien.

De ytskikt som bestár av enbart härdplaster väljes lämpligen med liten tjocklek, från 100 pm till 1 - 2 mm. Fördelen med att polymerskiktet anbringas i samband med betongens gjutning är att polymerskiktet blir fullständigt tätt. Porbildning som bildar genomgående kanaler i polymerskiktet inträffar då skik- tet appliceras pá hàrdnade betongytor. Polymertyperna skall vara kompatibla med icke hårdnad betong.

De hydrauliska bindemedlen baseras dels på portlandscement som kan betraktas som kalciumsilikatcement och dels pà kalciumalu- minatcement. Särskilt portlandscement tillsättes numera olika tillsatsmedel och tillsatsmaterial för att ändra på egenska- perna i både det färska som det hàrdnade stadiet. I den moder- na betongen är det främst bindemedlet som har förändrats genom att införa kombinationer av tillsatsmedel och tillsatsmateri- al. Med tillsatsmedel menas ämnen som i liten mängd kan ändra de kemiska och fysikaliska egenskaperna. Till dessa hör exem- pelvis dispergerande som även kallas plasticerande och vatten- reducerande, accelererande, retarderande, luftporbildande, tätande och hydrofoberande. Tillsatsmaterial är de som samver- kar med portlandscementet som bindemedel, såsom puzzolaner (mikrosilika och flygaska) och latenthydrauliska bindemedel (granulerade slagger).

För att i stället använda cementpasta med låga vattencementtal och pà sätt få liten uttorkningskrympning efter en längre tids 10 15 20 25 30 501 129 7 uttorkning kan man använda expansiva portlandscement i det övre skiktet. Denna typ av cement ger svällning i hárdnat tillstànd under de första 14 dagarna vid tillförsel av extra vatten utifrån pà ytan. Pà så sätt byggs tryckspänningar upp i det övre skiktet även under den första härningstiden innan ut- torkning hinner utvecklas. Man är därmed helt oberoende av uttorkning eller när uttorkning kan ske för att tryckspänning skall bildas i överskiktet. Svällningen ástadkoms i dessa ce- menttyper genom bildning av ettringit under hydratationspro- cessen eller liknande hydratationsprodukter. Expansionens storlek kan regleras med tillsatsmängden av expansiv cement eller expanderande komponent. Det finns även andra system som kan framkalla svällning tillsammans med portlandscement såsom tillsats av gips i större mängd.

Dà ytskikten har relativt liten tjocklek skall partikelstorle- ken pá ballastmaterialet begränsas. Maximal stenstorlek bör inte överstiga halva skikttjockleken. Är den största stenstor- leken 2 mm skall skikttjockleken som regel minst vara 4 mm. De mineral eller bergarter som är lämpliga för bruk till ytskikt är desamma som normalt brukas i vanlig betong, samma krav med avseende pà exempelvis beständighet, hàllfasthet och slitstyr- ka. För ytskikt är det viktigt att ballastens färg samverkar med den färg som ytskiktet skall ha. I regel skall ballasten vara ljus dä ytskiktet skall ha ljus nyans. Pigment som till- satts bindemedlet och därtill anpassat ballastmaterial möjlig- gör stor variation i ytskiktskulör.

Ytskiktets struktur bestäms av formmaterialet. Avgjutningen blir en replik av formens yta. Vid användning av de flesta formmaterial för betonggjutning maste formmaterialet beläggas med någon typ av släppmedel, formolja. I mànga fall har form- oljan negativ inverkan pá betongytan sásom missfärgning och problem i samband med senare ytbehandling. Polymermodifierade bindemedel och särskilt skikt av härdplaster fordrar speciella släppmedel. Valet av formmaterial är i dessa fall viktigt. 10 15 20 25 30 501 129 8 Allmänt krav är att undvika all form av formoljor som kan på- verka ytorna.

Vid tillverkningen av byggelement användes konventionell be- tonggjutningsteknik. Ytskiktet lägges ut i formen och vibreras exempelvis med formvibratorer för att kompaktera materialet, uppnå jämn tjocklek och driva ut eventuella luftblåsor. Genom att skikttjockleken är liten får man helt porfria ytor. Under- liggande betong, lättballastbetong, gjutes lämpligen omedel- bart efter det att ytskiktsutläggningen är klar.

Såväl ytskiktet som underliggande betong kan förstärkas med konventionella material. Fiberarmering och vanlig armering i underbetongen. Under gjutning av betongskiktet kan problem uppstå med genomslag av underbetong vid vibrering särskilt vid tunna ytskikt. Då betongen som valts som underbetong har unge- fär hälften av ytskiktsmaterialets densitet undvikes genom- slag. Vidare kan strös ut extra fiber på det nygjutna ytskik- tets yta som både förstärker och utgör bärskikt för tyngd av konventionell armering utan att använda distansmellanlägg för att säkra en bestämt täckskiktstjocklek.

Ytskiktet sammansättes alltefter de krav som gäller, exempel- vis slitstark yta, som tål höga punktlaster. Ytan skall dess- utom ha en bestämd färg. Genom att utnyttja sk superplastice- rande tillsatsmedel kan bruk med mycket lösa konsistenser med förmåga att flyta ut under gjutningen åstadkommas. Ballastpar- tiklarna i bruket kan tillåtas separera så att volymandelen partiklar i botten är större än genomsnittet för skiktet. Det- ta är till fördel för ythårdhet och slitstyrka. överdelen hos skiktet blir i stället fattig på ballastpartiklar. Detta sepa- rationsskikt som består i huvudsak av pasta ger en successiv övergång till överbetongen utan en skarp gräns mellan de två materialen. Spänningsgradienterna i övergången blir därmed mindre. I extremfall kan detta skikt vara spärrskikt för att öka slagmotståndet. Ett dubbelskikt kan gjutes i sådana fall och för att förstärka effekten av mellanskiktet och öka mot- 10 15 20 25 501 129 9 ståndet för slag och stötar. Någon typ av polymerdispersion tillsattas i det första lagret bruk. Samma teknik ligger i princip till grund för konstruktionen av skottsäkra glas.

Ytskikt där särskilda krav finns för brandmotstànd skall ha så litet ángmotstànd som möjligt för att undvika àngexplosion och tidig avspjälkning av ytskiktet. Luftporbildare i bruket, gas- öppna ballastmaterial eller hàlrumsbruk dvs bruk med under- skott på cementpasta kan vara en möjlig lösning då täta yt- skikt måste undvikas.

Exempel pà material och sammansättning för bruk i ytskikt. 1. portlandscement : sand, dm, = 2 mm, (viktsdelar) = 1:1-5 vattencementtal = 0,2-0,5 plasticerande tillsatsmedel/flytmedel (naftalen-, melamin- eller lignosulfonatbaserat) 0,2-4 % av cementmängden. 2. portlandscement 1,0 (viktsdelar) mikrosilika 0,05-0,40 " sand 1-5 " flytmedel 1,5-4 % av cementmängden vattenbindemedelstal 0,25-0,5 3. portlandscement 0,2 - 0,8 (viktsdelar) mald granulerad slagg 0,8 - 0,2 " sand 1 - 5 “ lflytmedel 0,5 - 2 % av cementmängden vattenbindemedelstal 0,25 - 0,5 4. portlandscement 0,60 - 0,95 (viktsdelar) flygaska 0,40 - 0,05 " sand 1 - 5 " flytmedel 1,5 - 3 % av cementmängden vattenbindemedelstal 0,25 - 0,5 5. Ovanstående med kombinationer av mikrosilika och flygaska 10 15 20 25 30 501 129 10 med sinsemellan alla inbördes halter möjliga. Andra typer av puzzolaner såsom trass eller santorinjord kan även an vändas.

O,2S'viktsandelar av cementmängden eller slaggmängden. För ljusa nyanser skall väljas vitt portlandscement och vit mikrosilika.

Slagg ger i allmänhet ljusa bruk och kan därför inga 6. Ovanstående med färgpigment från 0,05 - utan problem för att uppnå ljusa nyanser. En del tillsats medel kan ge färgförändringar såsom naftalen- och lignosul fonattyperna. 7. Ballastmaterial med andra densiteter än normala kvartsberg- arter. Mängderna omräknas till motsvarande volymer utan andra ändringar i sammansättningen. 8. Polymerdispersioner tillsättes till recepten exempel 1 - 7 med polymermängd som motsvarar 2 - 15 % av vikten bindeme- del.

Exempel på ytskikt av polymerer eller härdplaster är epoxi, uretan och polyester. För att kombinera dessa med färsk betong som således inte hårdnat bör gälla samma principer för funk- tionen nämligen att ytskiktet skall ha full vidhäftning i bruksksstadiet mot betongen och att tryckspänningar utvecklas.

Eftersom krympning av polymerskikten framförallt är knutet till polymerisationen är krympningen i senare skede försumbar.

Epoxi har dessutom knappast någon krympning vid polymeriserin- gen till skillnad från exempelvis polyestertyper.

Exempel pá lättballastbetong finns dokumenterade i SE-C- 8305474 (publiceringsnummer: 453 181).

Claims (5)

10 15 20 25 30 35 501 129 PÅTENTKRAV

1. Sätt att tillverka betongkonstruktioner med ett ytskydd pà bakomliggande underbetong, genom att gjuta denna och minst ett ytskikt väsentligen "vått i vått", k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att ytskiktet, som består av cementbundet bruk med làgt vattenbindemedelstal och en bindemedelshàllfasthet av över 70 Mpa gjutes i botten pá en form, att underbetongen, som består av en lättballastbetong med företrädesvis tät struktur och en hàllfasthet i området 10- 20 Mpa, gjutes ovanpå ytskiktet, och att i huvudsak under materialens uttorkning ytskiktet krym- per mindre än underbetongen, så att tryckspänningar skapas genom deformationsskillnader i sagda ytskikt och underbe- tong.

2. Sätt enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att ballastpartiklarna i ytskiktet separeras, så att den övre, närmast underbetongen belägna skiktdelen har lägre volymandelar ballast än den nedre, närmast formen belägna skiktdelen, varvid den övre, inre skiktdelen utgör successiv övergång till underbetongen.

3. Sätt enligt patentkrav 2, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att mellan ytskiktet och underbetongen anbringas minst ett spärrskikt av väsentligen samma sammansättning som ytskik- tet.

4. Sätt enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att underbetongens uttorkningskrympning är ca. två gånger större än motsvarande krympning i ytskiktet. 10 15 501 129 |2

5. Betongkonstruktion med ytskydd i form av ett ytskikt, som är integrerat med underbetongen genom att denna och ytskik- tet är framställda väsentligen genom ett "vått i vått"- förfarande, k ä n n e t e c k n a d att ytskiktet som, består* av' cementbundet bruk med lågt vattenbindemedelstal och bindemedelshållfasthet av över 70 som består av en lättballastbetong d ä r a v, Mpa och underbetongen, med företrädesvis tät struktur och en hàllfasthet i området 10 - 20 Mpa, är framställda av materialkompositioner där ytskiktet har mindre krympning, krympning, varvid tryckspänningar genom deformationsskillnader är i synnerhet uttorknings- än underbetongen, inbyggda i sagda ytskikt och betongunderlag.