SE506359C2

SE506359C2 - Betongblandning och betong, sätt för deras framställning samt användning av anjonisk förening däri

Info

Publication number: SE506359C2
Application number: SE9601471A
Authority: SE
Inventors: Kjell Stridh; Ingemar Johansson; Kjell Svedman; Marita Naeslund
Original assignee: Akzo Nobel Surface Chem; Senad Teknikbetong Ab
Priority date: 1996-04-18
Filing date: 1996-04-18
Publication date: 1997-12-08
Also published as: SE9601471L; RU2180326C2; NO984853D0; AU716604B2; EP0894080B1; IL126541A0; DE69701091D1; NO984853L; ZA973271B; CA2248334A1; US6022407A; PL329328A1; CN1216520A; CZ329698A3; ES2142152T3; JP2000508617A; IL126541A; AU2636197A; DE69701091T2; EP0894080A1

Description

506 359 2 etersulfonat, företrädesvis tillsammans med ett salt av ett kondensat av ß-naftalensulfonsyra med formaldehyd, ett sul- fonat av ett kondensat mellan melamin med formaldehyd, ett salt av ett kondensat av sulfonerad kreosotolja med form- aldehyd eller ett ligninsulfonat samt samkondensat därav, i syfte att förbättra utseendet av betongens ytor. Även om en del av de ovan angivna luftporbildande tillsatserna har en positiv inverkan på betongens hållfast- het vid låga densiteter finns ett allmänt önskemål att ytterligare höja betongens homogenitet och därmed dess håll- fasthet, speciellt vid lägre densiteter.

Det har nu överraskande visat sig att en betong med en densitet av 250-2200 kg/ma och en luftporvolym från 15- 90%, företrädesvis från 20-85% och med hög hållfasthet, spe- ciellt vid låga densiteter kan erhållas genom att den gjutes från en pumpbar, vattenhaltig betongblandning med en luft- porvolym av 10-85 volymprocent, som innehåller cement, vatten och en anjonisk ytaktiv förening med två sulfonsyra- grupper med den allmänna formeln (R) :ERF (503192 (I) där R är en alifatisk grupp med 4-20 kolatomer, m är ett tal 1 eller 2, varvid summan av antalet kolatomer i gruppen eller i grupperna R är 6-30, R1 är en aromatisk grupp inne- hållande minst 2 aromatiska ringar och 10-20 kolatomer, och M är en företrädesvis monovalent katjon eller väte. Vanligt- vis innehåller gruppen R1 endast kol och väte, men även syreatomer, exempelvis i form av ketongrupper, kan ingå. I betongblandningen kan dessutom ballast ingå för att reglera densiteten eller som utfyllningsmedel. Den anjoniska föreningen har både en luftporbildande och stabiliserande effekt och tillsättes vanligtvis i en mängd av 0.005 till 1.0% räknat på vikten cement. Vid framställning av betong med låga densiteter, såsom densiteter under 1 600 kg/m? men vanligtvis över 300 kg/nf, vilket i allmänhet motsvarar en luftporvolym av 25-85 volymprocent, tillsättes den anjoniska föreningen vanligtvis i en mängd av 0.1-0.8%, räknat på mängden cement. Man kan med fördel även använda den an- 506 359 3 joniska föreningen vid framställning av betong med högre densiteter än 1 600, till exempel upp till 2200 kg/må. Vid de högre densiteterna kan det bli nödvändigt att tillsätta ballastmaterial, såsom sand och sten. Även gammalt bygg- material, exempelvis i form av malen betong, kan med fördel inkorporeras i betongblandningen enligt uppfinningen.

Eftersom betongen enligt uppfinningen uppvisar osed- vanlig hög hållfasthet och stabilitet även vid gjutning på olika underlag, såsom sågspån, sand och vatten, samt hög reproducerbarhet lämpar sig den mycket väl för att göra lätta betongkonstruktioner utan att nödvändigtvis minska konstruktionens volym. Skumbetongen kan även användas inom mark- och vägbyggnad som lätt utfyllning för att minska eller eliminera sättningar, förbättra stabiliteten eller minska det horisontella trycket mot stödkonstruktioner.

Skumbetongen kan också användas som fyllning kring led- ningar, vid återfyllning av ledningsgravar och hålrum.

Enligt uppfinningen kan den vattenhaltiga betong- blandningen framställas genom att under omrörning sammanföra en huvudblandning innehållande huvudmängden cement, huvud- mängden vatten och eventuell ballast, och en kompletterande blandning innehållande vatten, cement och den anjoniska föreningen och andra organiska tillsatsmedel. Viktförhållan- det mellan huvudblandningen och den kompletterande bland- ningen är vanligtvis inom intervallet 20:1 till 2:1.

Ett annat lämpligt sätt att framställa skumbetong en- ligt uppfinningen med en densitet under 1 600 kg/mi, före- trädesvis under 800 kg/m3, är att i en diskontinuerlig eller kontinuerlig betongblandare tillsätta vatten, en anjoniska tensid enligt uppfinningen och eventuellt ingående harts och andra organiska tillsatsmedel samt en mindre mängd av ingå- ende cement, vanligtvis 2-40, företrädesvis 5-30 viktprocent av den totala mängden cement (lämpligen i angiven turord- ning). Den erhållna kompositionen omröres under volymökning till en homogen, stabil luftinnehållande betongblandning, varefter resterande cement tillsättes i ett eller flera steg eller kontinuerligt och inblandas under omrörning. Den flyt- 506 359 4 ande, pumpbara skumbetongblandningen är därefter klar för gjutning.

Ytterligare ett förfarande lämpligt för framställning av skumbetong som innehåller ballast är att först sammanföra vatten, den anjoniska ytaktiva föreningen och eventuellt andra organiska tillsatser och därefter tillsätta den er- hållna vätskeblandningen till en blandning av cement och ballast under omrörning som ger höga friktionskrafter mellan ballastkornen, vilket underlättar bildandet av en homogen flytande betongblandning. Densiteten hos betong framställt enligt denna metod är vanligtvis över 800 kg/ma, och före- trädesvis mellan 1200-2100 kg/ma.

Den vattenhaltiga färdiga betongblandningen, klar för gjutning, innehåller vanligtvis per 100 viktdelar cement 30- 80 viktdelar vatten och 0.005-1 viktdelar av den anjoniska ytaktiva föreningen. Mängden ballast bestämmes av vilken densitet som önskas på den gjutna betongen och ligger van- ligtvis inom intervallet 0-5 viktdelar/viktdel cement. Vid framställning av den vattenhaltiga betongblandningen kan även andra tillsatsmedel än den anjoniska ytaktiva förening- en tillsättas, såsom andra luftporbildande tillsatser, exem- pelvis olika typer av hartser; andra typer av anjoniska yt- aktiva föreningar, exempelvis föreningar med formeln I, II, III, IV och V, men som endast har en sulfonatgrupp; och non- joniska föreningar, exempelvis etylenoxidaddukter; hydrofo- berande tillsatser; solubiliserande föreningar, exempelvis etylenglykoler och dess mono- eller dimetyl eller -etyletrar med en molekylvikt av upp till 300; och vattenkvarhållande och smidighetshöjande (plasticizers) tillsatser, exempelvis nonjoniska cellulosaetrar och polyalkylenglykoler med mole- kylvikter över 400.

Den anjoniska föreningen (I) utgöres lämpligen av föreningar där R är en alifatisk grupp med 6-14 kolatomer och R1 är en aromatisk grupp med 10-17 kolatomer och två aromatiska ringar. Exempel på sådana anjoniska föreningar är de med formlerna 506 359 Ü Ü - en, - (III) *<3 so, sosn R; _ 1 ' (v) (R2)n där R3 är en alifatisk grupp med 4-20 kolatomer, M har den ovan angivna betydelsen, R, är en alifatisk grupp med 1-14 kolatomer och n är 0 eller 1, företrädesvis 0. Grupperna R3 och RQ är exempelvis en butylgrupp, en hexylgrupp, en oktyl- grupp, en decylgrupp eller en dodecylgrupp, som kan vara rak eller grenad. Gruppen Rglkan dessutom lämpligen vara en lägre alkylgrupp, såsom en metyl- eller etylgrupp. Summan av antalet kolatomer i grupperna Bg och R2 är företrädesvis från s-24.

Föreningarna enligt uppfinningen kan lämpligen fram- ställas genom att den aromatiska, osulfonerade kärnan med formeln Rlﬂzm, där R; har den i formel I angivna betydelsen, i ett första steg bringas att reagera med en förening, RCl eller RCOCl, där R har den ovan angivna betydelsen, eller med en alken med 4-20 kolatomer. Den därvid erhållna reak- tionsprodukten (R)mRﬁ§ kan därefter på i och för sig känt sätt sulfoneras, eventuellt i närvaro av ett solubiliser- ingsmedel, såsom dimetyleter eller dietyleter av polyetylen- glykol med en molekylvikt av upp till 300. Normalt kan sul- foneringen utan större besvär utföras till en genomsnittlig, sulfoneringsgrad av ca 1.5-1.95. Praktiska försök har visat att den mindre del som utgöres av monosulfonerade produkter inte behöver separeras från de disulfonerade produkterna utan den erhållna produktblandningen kan användas utan upp- arbetning under förutsättning att den genomsnittliga sulfo- 506 359 neringsgraden är minst 1.5.

Cement är ett hydrauliskt bindemedel, som med till- sats av vatten bildar en pasta och härdar genom hydratise- ring. Härdningen beror i första hand på bildning av kalcium- silikathydrat. Den mest betydelsefulla silikatcementinne- hållande kompositionen är Portlandcementklinker. Vid till- lämpning av uppfinningen användes företrädesvis Portland- cement på grund av dess goda allround-egenskaper. Den inne- håller bland annat trikalciumsilikat, dikalciumsilikat, tri- kalciumaluminat och kalciumaluminiumferrit. Andra exempel på lämpliga cementtyper är Portland slaggcement, Portland fly- gaskecement, Portland pozzolanacement, färgat Portland- cement, vitt Portlandcement, långsamt härdande Portland- cement och snabbt härdande Portlandcement, vilka samtliga är baserade på Portland cementklinker.

Tillsats av syntetiska eller naturliga hartser och derivat därav med molekylvikter av vanligen under 10 000 och ett förtvålningstal av 100-250 bidrar speciellt vid lägre dsnsitetsr, d v s soo-iaoo kg/mz, företrädesvis soo-izoo kg/m2 till att ytterligare öka betongens hållfasthet, vat- tenavvisande egenskaper och homogenitet. Hartserna och deras derivat kan innehålla en eller flera aromatiska och/eller alifatiska grupper med minst 12, företrädevis 16-35 kolatom- er. Grupperna kan vara såväl mättade som omättade. Föredrag- na hartser är sådana med ett syratal från 4-170 och med ett förtvålningstal från 150-175. Exempel på lämpliga hartser är olika hartssyror och blandningar därav, såsom kolofornium, och deras dimeriserade derivat samt helt eller delvis för- tvålade, förestrade och eller hydrerade derivat därav. Exem- pel på lämpliga hydroxylföreningar för förestring är meta- nol, glykol, glycerol och pentaerytritol. Andra exempel är modifierade kolofoniumhartser modifierade med omättade fett- syror, såsom maleinsyra och deras företrädesvis partiellt förestrade derivat samt fenolmodifierade kolofonium. Exempel på lämpliga fenoler är 4-tert-butylfenol, nonylfenol och 4,4'-difenylolpropan (bisfenol A).

Mängden harts som tillsättes betongblandningen enligt 7 506 359 uppfinningen är vanligtvis 0-250%, företrädesvis 10-2001: av disulfonatets vikt.

Föreliggande uppfinning illustreras ytterligare av nedanstående exempel .

Exempel I nedanstående försök. användes följande anjoniska ytaktiva föreningar.

Beteck- Förening Aktivhalt ning anjoniskt material % a Dodecylbensensulfonat 23 . 5 b Lignosulfonat - c Dodecylsulfat 30 d Naftalendisulfonat e Formel II, n=0.13; R,=R2=dodecyl; sulfoneringsgrad 1.85 45 f Formel II, n=0.13; R,=R2=decyl; sulfoneringsgrad 1.85 45 g Formel II, n=0.13; R3=R2=decyl; sulfoneringsgrad 1.85; trietylen- 36.7 glykoldimetyleter 18 . 4% h Formel V, n=0; R3=decyl; sulfoneringsgrad 1.8 45 i Formel IV, n=0; R3=decyl; sulfoneringsgrad 1.75 41 j Formel III, n=0; R3=decyl; sulfoneringsgrad 2.0 44.5 Dessutom kom i försöken följande ballastmaterial och hartser till användning. 506 359 8 Beteckning Produkt k Aquatac 6085-Bl, en glycerolhartssyraester från Bergvik Kemi AB med en aktivhalt av 59 viktprocent 1 Vinsolharts, 17% aktivhalt (Peramin L, Perstorp AB) Sand med en kornstorlek av <1 mm Kalciumsilikat (Merit) Sand med en kornstorlek av <4 mm Sand med en kornstorlek av <8 mm Sand 70/30-blandning av o och p ovan HQUOSH Sand med en kornstorlek av <32 mm Exempel 1 För framställning av skumbetong med våt densitet om- rådet ca 400-1000 kg/nf följdes nedanstående procedur.

Vatten, en anjonisk ytaktiv förening, harts och 17% av total mängd Portland-cement enligt nedanstående tabell I till- sattes i en cylindrisk blandare med en volym av ca 200 liter. Komponenterna omrördes vid ett varvtal av 250 v/min under 30 sek, och bildade en skumbetongblandning med en volym av ca 130 liter. Därefter tillsattes resterande mängd Portlandcement kontinuerligt inom 70 sek. under omrörning vid ett varvtal av 110 v/min. Omrörningen pågick därefter i ytterligare 320 sek. Den flytande pumpbara betongblandningen hälldes därefter i formarför olika tester, varefter betongen fick härda vid rumstemperatur. 506 359 9 Tabell 1 Test Tensid Vatten Cement Harts Ballast vikt- vikt- Typ Vikt- del del Typ Vikt- Typ Vikt- del del del A a 5.44 200 286 - - B a 5.44 200 286 k 2.10 - C b 1.22 200 286 - - D c 4.06 200 286 k 0.7 - E d 1.22 200 286 - '- 1 -e 2.71 200 286 k 0.70 - 2 f 2.71 200 286 k 0.70 - 3 f 2.71 200 286 k 2.10 - 4 f 2.60 200 286 - - e 2.00 200 286 - - 6 f 1.62 200 286 k 0.70 - 7 g 2.96 200 286 k 0.70 - 8 f 1.62 200 286 1 0.52 - k 0.53 9 f 1.95 163 214 k 0.53 - g 1. 17 163 214 k 0. 53 ~ 1 0.78 11 f 2.70 222 360 k 0.70 m 200 12 f 2.70 229 340 k 0.70 n 185 13 f 3.24 257 463 k 0.84 m 240 14 f 3.24 257 463 k 0.84 n 240 metern i härdat tillstånd. Följande resultat erhölls.

Betongblandningens våta och betongens torra densitet bestämdes, liksom tryckhållfasthet efter 28 dygn enligt SS 137126 med 5 mm intrångsdjup om inget annat anges, de våta och torra luftvolymhalterna och den genomsnittliga pordia- 506 359 Tabell 2 Test Densitet, kg/m2 Luftporhalt, Tryckhåll- Pordia- % fasthet, meter, Våt Torr Våt Torr "fa mm A Skummar ej upp B Skummar ej upp C Skummar ej upp D Skummar ej upp E Skummar ej upp 1 473 349 72 81 2.80 . 2 485 358 71 80 3.00 . 3 502 371 70 80 3.18 . 4 470 346 72 81 2.06 . 445 328 73 82 1.11 .5 6 536 395 68 78 3.31 1.2 7 470 347 72 81 2.67 . 8 466 343 72 81 1.74 . 9 430 306 74 83 0.87 . 427 304 74 83 0.96 . 11 808 672 57 68 12 J” . 12 815 660 56 68 24.61* _ 13 944 806 51 62 23.61* 1. 14 985 841 49 61 41.2” 0.8 ' 25 mm inträngning Av resultatet framgår att betong framställd enligt uppfinningen gav betong med höga luftporvolymer och höga hållfastheter. Betongblandningen, framställd med tillsats- medel utanför uppfinningen enligt testerna A-E, gick ej att skumma upp och stabilisera.

Exempel 2 Flytande betongblandningar framställdes på samma sätt som i Exempel 1 men med det undantaget att ingredienserna och 30% av Portlandcementen blandades i en laboratoriebland- are med en volym av ca 60 liter och ett varvtal av 470 varv/min i 45 sek. Resterande mängd Portlandcement tillsat- 33 ll 506 359 tes därefter under 45 sek vid 300 varv/min följt av ytter- ligare omrörning under 345 sek vid ovan nämnda varvtal.

Betongblandningarnas sammansättning var följande.

Tabell 3 Test Tensid Vatten, Cement, Harts Typ Viktdel viktdel viktdel Typ Vik-l-ßel 1 h 2.40 200 286 - 2 f 2.70 200 286 - 3 h 2.40 200 286 k 0.70 4 i 2.70 200 286 - s Ai 2.70 zoo 286 k 0.70 6 f 2.70 200 286 k 0.70 7 j 2.60 200 286 k 0.70 Den erhållna betongblandningen och den härdade betongens egenskaper bestämdes på samma sätt som i Exempel 1. Följande resultat erhölls.

För- Densitet, kg/m3 Luftporvolym, % Hållfasb- Pordia- sök våt Torr våt Torr het, Mæa. meter, mm 1 416 307 0.75 0.83 0.86 1.0 2 424 313 0.75 0.83 0.89 1.5 3 438 323 0.74 0.82 0.96 1.2 4 451 332 0.73 0.82 0.86 0.8 474 350 0.72 0.81 1.40 1.0 6 486 358 0.71 0.80 1.78 1.5 7 660 487 0.60 0.73 5.96 1.5 Av resultaten framgår att skumbetong med torrdensi- teter av ca 300 kg/mf kunde framställas med tillfredsställ- ande hållfastheter. Närvaro av harts gav en högre densitet och en motsvarande högre hållfasthet.

Exempel 3 Skumbetong innehållande ballast framställdes genom att i en planblandare med en volym av 150 liter sammanföra Portland-cement och ballastmaterial och därefter tillsätta en vätskeblandning innehållande en anjonisk ytaktiv förening 506 359 12 och harts enligt tabell 4 vid ett varvtal av 41 varv/min under 7 minuter. I ett av försöken användes emellertid en fallblandare med en volym av 3000 liter, varvid blandningen ägde rum under 3 min vid ett varvtal av 10 varv/min.

Tabell 4 För- Tensid Vatten Cement Harts Ballast sök vikt- vikt- Typ Vikt- del del Typ Vikt- Typ Vikt- del del del A b 1.00 175 420 - o 1000 1 f 3.73 253 506 - p 655 2 f 3.62 245 490 - p 859 3 f 0.06 220 420 - q 1410 4 f 0.12 210 420 k 0.06 q 1410 f 0.15 173 322 - r 1674 Den erhållna betongblandningen och den härdade be- tongens egenskaper bestämdes enligt kubhållfasthet SS 137210 medan övriga egenskaper fastställdes på samma sätt som i Exempel 1. Följande resultat erhölls.

Tabell 5 För- Densitet, kg/ma Luftporvolym, % Kubhâll- Pordia- sök fasthet, meter, Våt Torr Våt Torr MPa mm A Skummade ej upp 1 1420 1290 34 45 7.5 0.2 2 1600 1474 27 38 11.0 0.2 3 1970 1859 ll 21 19.51) 0.2 4 2035 1930 12 21 26.0 0.2 2170 2077 15 22 30.2 0.2 '7 dygnsvärde Av resultaten framgår att betongblandningarna 1-5 enligt uppfinningen skummade upp och gav en härdad skum- betong med hög hållfasthet.

Claims

10 20 25 30 35 506 559 P A T E N T K R Ä V

1. Pumpbar vattenhaltig betongblandning med en luftpor- volym av 10-85 volymprocent och innehållande en anjonisk yt- aktiv förening, kännotccknat därav, att den anjoniska yt- aktiva föreningen utgöres av en förening med formeln (R)m'R1'(S°3M)2 (I) där R är en alifatisk grupp med 4-20 kolatomer, m är ett tal 1 eller 2, varvid summan av antalet kolatomer i gruppen eller grupperna R är 6-30, R1 är en aromatisk grupp, inne- hållande minst 2 aromatiska ringar och 10-20 kolatomer, och M är en katjon eller väte.

2. Betongblandning enligt krav 1, kännotecknat därav, att den anjoniska föreningen har en struktur där R har 6-14 kolatomer och R1 har 10-17 kolatomer och två aromatiska ringar och att betongblandningen har en luftporvolym av 20- 85 volymprocent.

3. Betongblandning enligt krav 1 eller 2, kännetecknat därav, att den anjoniska föreningen har någon av nedanstå- ende formler R; S03!! (Rz), S03!! -- o -ﬂ (II) n, so3u (az), som -cnz ->® (III) R, so,u (az), scan ß so, scan (R2) n där Eg är en alifatisk grupp med 4-20 kolatomer, M har den ovan angivna betydelsen, R, är en alifatisk grupp med 1-14 kolatomer och n är 0 eller 1. 10 20 25 30 506 359 14

4. Betongblandning enligt något av kraven 1-3, känne- tecknat därav, att den innehåller 100 viktdelar cement, 0.005-1 viktdelar av den anjoniska föreningen enligt något av kraven 1-3, 40-80 viktdelar vatten, 0-500 viktdelar ballast, och 0-250, företrädesvis 10-200 viktprocent, räknat på viktmängden av den anjoniska föreningen av ett harts med en molekylvikt av under 10 000 och ett förtvål- ningstal av 100-250.

5. Betongblandning enligt något av kraven 1-4, känne- tecknat därav, att den anjoniska föreningen har formeln (II).

6. Betong med en densitet av 250-2200 kg/ma, känne- tecknat därav, att den har en luftporvolym av 15-90% och är erhållen genom att låta en betongblandning enligt något av kraven 1-5 hårda.

7. Betong enligt krav 1, kännetecknat därav, att den har en densitet av 300 - 1 600 kg/nf och att halten av hartser är 10-200 viktprocent av den anjoniska föreningen.

8. Användning av en anjonisk förening med den allmänna formeln (R)m'R1'(S0aM)2 (I) där R är en alifatisk grupp med 4-20 kolatomer, m är ett tal 1 eller 2, varvid summan av antalet kolatomer i gruppen eller i grupperna R är 6-30, R1 är en aromatisk grupp inne- hållande minst 2 aromatiska ringar och 10-20 kolatomer, och M är en katjon eller väte, vid framställning av betong med en luftporvolym av 15-90, företrädesvis 20-85 volymprocent med hög hållfasthet och jämn densitet. 506 359 15

9. Användning enligt krav 8, kännetecknat därav, att den anjoniska föreningen har formeln R: 0:14 (RM SÛsM Q ~°f® R: SÛJH (Rån ÖJ! - en, -Ü (III) ' Ü m” (V) '(Rz)a där R, är en alifatisk grupp med 4-20 kolatomer, M har den ovan angivna betydelsen, EQ är en alifatisk grupp med 1-14 kolatomer och n är 0 eller 1.

10. Användning enligt krav 8 och 9, kännetecknat därav, att betongen har en densitet från 300 - 1 600 kg/ms och att den anjoniska föreningen har formeln (II).

11. Användning enligt krav 8 och 9, kännetecknat därav, att den anjoniska föreningen användes i kombination med ett harts med en molekylvikt av under 10 000 och ett förtvålningstal av 100-250, varvid mängden harts är 10-200 viktprocent av den anjoniska föreningen.

12. Sätt vid framställning av en pumpbar vattenhaltig betongblandning med en luftporvolym av 10-85 volymprocent, kännetecknat därav, att man i en betongblandare a) inför vatten, en anjonisk ytaktiv förening enligt något av kraven 1-3 och eventuellt andra organiska tillsatsmedel samt 2-40 viktprocent cement, räknat på totala mängden cement, b) omrör de tillsatta ingredienserna under indragning av luft till en homogen, stabil, luftinnehållande betong- -blandning, och 506 359 16 c) därefter tillsätter i ett eller flera steg eller kontinuerligt under omrörning den resterande mängden cement.

13. Sätt vid framställning av en betong med en luftporhalt av 15-90, företrädesvis 20-85 volymprocent, kännetecknat därav, att den gjutes från en pumpbar, vattenhaltig betongblandning som erhållits genom att vid blandningens beredning tillsätta en anjonisk förening enligt krav 1-3 i en mängd av 0.005-1 viktprocent, räknat på vikten cement, som stabiliserande och luftporbíldande medel.

14. Sätt enligt krav 13, kännetecknat därav, att betong- blandningen är framställd i enlighet med krav 12.