SK500102015A3

SK500102015A3 - Drátkobetón ultravysokých pevností

Info

Publication number: SK500102015A3
Application number: SK50010-2015A
Authority: SK
Inventors: Josef Fládr; Jan Vodička; Alena Kohoutková; Iva Broukalová
Original assignee: České Vysoké Učení Technické V Praze - Fakulta Stavební
Priority date: 2012-12-17
Filing date: 2013-12-05
Publication date: 2015-08-04
Also published as: CZ2012903A3; CZ304478B6; WO2014094692A4; WO2014094692A1; SK288599B6; DE112013006042T5

Abstract

Drátkobetón ultravysokých pevností s cementovou matricou obsahuje portlandský cement (CEM I podľa EN 197-1), čadičové kamenivo, dva typy kovových vlákien, prímesi a prísady. Množstvo prímesí v objeme je dané výsledkami skúšok medzerovitosti zmesi čadičového kameniva a kovových vlákien vykonaných podľa EN 1097-3. Prísady sú v množstve potrebnom na dosiahnutie požadovanej spracovateľnosti podľa EN 12350-5 a EN 206-1 požadovanej pre konkrétnu aplikáciu. V cementovej matrici je 600 až 1000 kg/m3 portlandského cementu, čadičové kamenivo je zložené z troch frakcií, a to z frakcií 0 - 4, 4 - 8 a 8 - 16, ktorých celková hmotnostná dávka je v rozmedzí 1500 až 2000 kg/m3. Pomer týchto frakcií je určený na základe granulometrie a mineralogického zloženia konkrétneho zdroja čadičového kameniva. Vodný súčiniteľ je v rozmedzí 0,16 až 0,25. Kovové vlákna sú tvorené dvoma typmi vlákien rovnomerne rozptýlenými v objeme stvrdnutého drátkobetónu. Prvý typ kovových vlákien má obdĺžnikový prierez šírky v rozmedzí 0,2 až 0,5 mm, s výškou v rozmedzí 1,5 až 2,0 mm a dĺžku v rozmedzí 25 až 35 mm s ťahovou pevnosťou 350 až 450 MPa. Druhý typ kovových vlákien má kruhový prierez s priemerom v rozmedzí 0,08 - 0,12 mm, ich dĺžka je v rozmedzí 8 až 15 mm a ich ťahová pevnosť je väčšia než 2000 MPa. Súčtová hmotnosť oboch typov kovových vlákien leží v rozmedzí 100 až 280 kg/m3.

Description

Oblasť techniky

Predkladané riešenie týkajúce sa novej skladby drátkobetónu ultravysokých pevností spadá do oblasti kompozitných materiálov s cementovou matricou, u ktorých sa dosahuje ultravysokých charakteristických’pevností v tlaku, vyšších než 120 MPa.

Doterajší stav techniky

Rozvoj drátkobetónových kompozitov s cementovou matricou vedie v súčasnosti k betónom označovaným ako HPC alebo UHPC, teda vysokohodnotné a ultravysokohodnotné betóny, ktoré sa vyznačujú predovšetkým vysokými priemernými pevnosťami v tlaku, a to okolo 200 MPa. Všetko je založené na dosiahnutí plnosti štruktúry kompozitu, čo sa dosahuje hmotnostnými dávkami cementu 600-1000 kg/m³, minimálnymi vodnými súčiniteľmi (0,16-0,25) a ďalej jedným typom drôtikov dĺžky 8-12 mm pri hmotnostnej dávke 100-300 kg/m³. K tomu je nevyhnutné použitie špeciálnych prísad a prímesi. Kamenivo, ako nevyhnutná zložka kompozitu, sa používa vo frakciách s veľkosťou maximálneho zrna 2 alebo 4 mm. Hlavnou nevýhodou tohto riešenia je výrazné sadnutie kovových drôtikov k spodnému povrchu vyrábaného prvku. K tomuto efektu dochádza z toho dôvodu, lebo oceľové vlákna sa nemôžu zachytiť za väčšie zrná kameniva 8 alebo 16 mm. Tým dochádza k výraznej nehomogenite materiálu a tým aj k zhoršeniu vlastností drátkobetónu.

Podstata vynálezu

Vyššie uvedené nevýhody odstraňuje drátkobetón ultravysokých pevností s cementovou matricou, obsahujúci portlandský cement (CEM I podľa EN 197-1), čadičové kamenivo, dva typy kovových vlákien, prímesi a prísady.

Množstvo prímesi v objeme je dané výsledkami skúšok medzerovitosti zmesi čadičového kameniva a kovových vlákien vykonaných podľa EN 1097-3 a požadovanou spracovateľnosťou. Zložky zmesi musia súvisle vyplniť objem betónového prvku. Prísady sú pridávané v množstve potrebnom na dosiahnutie požadovanej spracovateľnosti, podľa reálnej aplikácie. Spracovateľnosť by mala byť určená podľa EN 12350-5 a EN 206-1. Podstatou nového riešenia je, že cementová matrica obsahuje 600 až 1000 kg/m³portlandského cementu, čadičové kamenivo je zložené z troch frakcií, a to z frakcií 0-4, 4-8 a 8-16, vodný súčiniteľ je v rozmedzí 0,16 až 0,25 a v objeme stvrdnutého drátkobetónu sú rovnomerne rozptýlené dva typy kovových vlákien. Celková hmotnostná dávka frakcií čadičového kameniva je v rozmedzí 1500 až 2000 kg/m³ a pomer týchto frakcií je určený na základe granulometrie a mineralogického zloženia konkrétneho zdroja čadičového kameniva. Čo sa týka kovových vlákien, prvý typ kovových vlákien má obdĺžnikový prierez o šírke v rozmedzí 0,2 až 0,5 mm, o výške v rozmedzí 1,5 až 2,0 mm a ich dĺžka leží v rozmedzí 25 až 35 mm. Ťahová pevnosť prvého typu kovových vlákien je 350 až 450

PCT/CZ2013/000161

MPa. Druhý typ kovových vlákien má kruhový prierez o priemere v rozmedzí 0,08 až 0,12 mm, ich dĺžka je v rozmedzí 8 až 15 mm a ich ťahová pevnosť je väčšia než 2000 MPa. Súčtová hmotnosť oboch typov kovových vlákien leží v rozmedzí 100 až 280 kg/m³.

Zásluhou použitia hrubého kameniva so zrnami o veľkosti až 16 mm a dvoch rôznych druhov drôtikov v zmesi dochádza k eliminácii problému s nehomogenitou zmesi.

Prvý typ drôtikov zaisťuje homogenitu zmesi drátkobetónu tým, že bráni sadaniu druhého typu drôtikov ku dnu formy. Druhý typ drôtikov zvyšuje pevnosť betónu (v tlaku, v ťahu a v ťahu za ohybu). Ultravysoká pevnosť betónu nemôže byť dosiahnutá bez druhého typu drôtikov, zatiaľ čo prvý typ je nevyhnutný na dosiahnutie homogenity zmesi.

Pomer prvého a druhého typu kovových vlákien je výhodne v rozmedzí 0,5:1,5 až

1,5:0,5.

Veľmi výhodné je, ak sú kovové vlákna získavané z odpadu. Prvý typ kovových vlákien je výhodne vyrobený z odpadových kovových pásikov a druhý typ kovových vlákien z nastrihaných kordových drôtov získaných pri recyklácii pneumatík.

Prímesi sú obvykle v rozmedzí 5 až 15% objemu vyrábaného drátkobetónu.

Nové riešenie teda spočíva v návrhoch štruktúry cementového kompozitu, to jest drátkobetónu, s využitím dvoch rozdielnych typov kovových vlákien. Význam nového riešenia výrazne vzrastie, ak sú kovové vlákna získané výhradne z odpadu. Dôsledkom použitia rozptýlených kovových vlákien dvoch rozdielnych typov je nielen spevnenie štruktúry drátkobetónu, ale i zaistenie rovnomerného rozptýlenia hrubých zŕn použitého kameniva. Nutnou podmienkou pre návrh zloženia tohto drátkobetónu je použitie čadičového kameniva v zložení bežných frakcií 0-4, 4-8, 8-16. Hmotnostný pomer frakcií závisí od požadovaných charakteristík stvrdnutého drátkobetónu.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Návrh zloženia drátkobetónu sa uskutočňuje podľa požiadaviek na pevnosť v tlaku, prípadne i v ťahu. Hmotnostné dávky kameniva sa pohybujú v rozmedzí 1500-2000 kg/m³v závislosti od použitých hmotnostných dávok kovových vlákien. Súčtová hmotnosť oboch typov kovových vlákien sa pohybuje v rozmedzí 100 - 280 kg/m³. Kovové vlákna prvého typu majú obdĺžnikový prierez o rozmere 0,2-0,5 mm / 1,5-2 mm a dĺžke 25-35 mm pri ťahovej pevnosti 350-450 MPa a sú vyrobené z odpadových kovových pásikov. Kovové vlákna druhého typu majú kruhový prierez o priemere 0,08-0,12 mm, dĺžku 8-15 mm a ich pevnosť je väčšia než 2000 MPa. Tento druhý typ vlákien je získaný výhodne pri recyklácii pneumatík. Hmotnostný pomer uvedených typov kovových vlákien pri dávkovaní je v rozmedzí 0,5:1,5 až 1,5:0,5, spravidla potom 1:1, a tieto kovové vlákna sú vždy rovnomerne rozptýlené v stvrdnutom drátkobetóne.

Cement, prísady a prímesi sú dávkované podľa bežných postupov s cieľom dosiahnutia plnej štruktúry drátkobetónu, ktorá je nositeľom ultravysokých pevností a zaisťuje vhodnú spracovateľnosť čerstvého drátkobetónu bežnými hutniacimi prostriedkami. V cementovej matrici je portlandský cement v množstve 600 až 1000 kg/m³. Čadičové kamenivo je zložené z troch frakcií, a to z frakcií 0-4, 4-8 a 8-16, ktorých celková

PCT/CZ2013/000161 hmotnostná dávka je v rozmedzí 1500 až 2000 kg/m³. Pomer týchto frakcií je určený tak, aby vyhovoval zvolenej ideálnej krivke zrnitosti. Vodný súčiniteľ je v rozmedzí 0,16 až 0,25.

Ďalej sú uvedené príklady zloženia predmetného drátkobetónu, a to vrátane nameraných priemerných pevností v tlaku a v priečnom ťahu.

1. Príklad receptúry vysokohodnotného betónu:

Označenie		Cl
Jednotka		kg/m³
Cement		650

Kamenivo	0/4	400
4/8	400
8/16	800

Vlákna	Dramix	140
Fibrex	140

Mikrosilika		40
Superplastifikátor		30

Výsledky tlakových pevností

Vzorka	Rozmer (mm)	Hmotnosť (kg)	Objemová hmotnosť (kg/m³)	Sila (kN)	Pevnosť (MPa)
Cl.l	98,5 100 100	2,885	2929	1440	146,2
C1.2	99 100 100	2,800	2828	1420	143,4
C1.3	100 100 100	2,840	2840	1430	143,0
C1.4	99,5 100 100	2,840	2854	1425	143,2
C1.5	99 100 100	2,850	2879	1460	147,5
C1.6	100 100 100	2,835	2835	1420	142,0
Priemer	2,84	2862,9		144,0

PCT/CZ2013/000161

Výsledky pevností v priečnom ťahu

Vzorka	Rozmer (mm)	Hmotnosť (kg)	Objemová hmotnosť (kg/m³)	Sila (kN)	Pevnosť (MPa)
Cl.l	149,5 150 150	9,312	2768	560	15,9
0.2	149 150 150	9,415	2808	560	16,0
C1.3	148 150 150	9,365	2812	530	15,2
Priemer	9,36	2796,3		15,7

Výsledná tlaková pevnosť výrazne prekračuje hodnotu 60 MPa, čo je minimálna hranica pre vysokopevnostný drátkobetón, preto je možné tento materiál označiť ako vysokopevnostný materiál. Obidve hodnoty pevností prekračujú bežné pevnosti betónu približne šesťnásobne, z toho vyplýva ich využitie v extrémne namáhaných prvkoch, ako sú stĺpy výškových budov, piliere a mostovky v mostnom staviteľstve.

2. Príklad receptúry vysokohodnotného betónu:

Označenie		PI
Jednotka		kg/m³
Cement		800

Kamenivo	0/4	420
4/8	460
8/16	960

Vlákna	Dramix	140
Fibrex	140

Mikrosilika		160
Superplastifikátor		30

PCT/CZ2013/000161

Výsledky tlakových pevností

Vzorka	Rozmer (mm)	Hmotnosť (kg)	Objemová hmotnosť (kg/m³)	Sila (kN)	Pevnosť (MPa)
Pl.l	100	2,774	2774	1680	168,0
100
100
P1.2	100,5	2,787	2773	1730	172,1
100
100
P1.3	102,5	2,836	2767	1910	186,3
100
100
Priemer	2,80	2771,3	175,5

Výsledná tlaková pevnosť prekračuje hodnotu 150 MPa, čo je minimálna hranica pre ultravysokopevnostný drátkobetón, preto je možné tento materiál označiť ako ultravysokopevnostný materiál. Tento materiál je svojimi vlastnosťami určený do extrémne tlakovo namáhaných prvkov alebo veľmi štíhlych prvkov, ktoré môžu byť požadované pri riešení objektu. Zároveň je tento materiál svojim zložením veľmi odolný proti zmrazovacím cyklom a klimatickému namáhaniu.

U receptúry PI nebola experimentálne overovaná ťahová pevnosť. V priebehu celého výskumu sa potvrdil predpoklad, že ťahová pevnosť zodpovedá 1/10 pevnosti tlakovej. Tento pomer splňuje aj vzorová receptúra Cl. Pre zmes PI je možné predpokladať hodnotu ťahovej pevnosti v rozmedzí 16,0 až 19,5 MPa.

Priemyselná využiteľnosť

Ultravysoké pevnosti drátkobetónu, ktorý je predmetom uvedeného riešenia, predurčujú jeho využitie v betónovom staviteľstve. Jeho aplikácia v reálnych konštrukciách jednoznačne povedie k výraznej subtílnosti konštrukcií oproti konštrukciám betónovaným z bežných štandardných betónov a z betónov vysokých pevností a k ich vyššej životnosti. Využitie drátkobetónu sa predpokladá predovšetkým pre konštrukcie, ktoré nie je možné za súčasných podmienok realizovať, t.j. mimoriadne staticky náročné a zložité detaily betónových konštrukcií z pohľadu ich vystužovania ako betonárskou, tak i predpätou výstužou, a konštrukcie vystavené extrémnym podmienkam prostredia.

K priemyselnému využitiu drátkobetónu prispieva spôsob jeho výroby, ktorý je možné uskutočniť bežným strojným vybavením betonární.

PCT/CZ2013/000161

Významné sú tiež veľmi malé pretvorenia zo zmršťovania a dotvarovania, plynúce zo skladby štruktúry pri použití kovových vlákien, ktoré stužujú štruktúru vyrobeného drátkobetónu.

Vzhľadom na to, že oceľové vlákna použité v tomto vynáleze môžu byť získané z odpadných materiálov, konkrétne z odpadových oceľových pásikov z oceliarní a kordových drôtov z použitých pneumatík, materiál prináša tiež významné ekonomické úspory a ekologické výhody.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Drátkobetón ultravysokých pevností s cementovou matricou, obsahujúci portlandský cement CEM I podľa EN 197-1, čadičové kamenivo, dva typy kovových vlákien, prímesi a prísady, kde množstvo prímesí v objeme je dané výsledkami skúšok medzerovitosti zmesi čadičového kameniva a kovových vlákien vykonaných podľa EN 1097-3 a prísady sú v množstve potrebnom na dosiahnutie spracovateľnosti podľa EN 12350-5 a EN 206-1 požadovanej pre konkrétnu aplikáciu, vyznačujúci sa tým, že v cementovej matrici je 600 až 1000 kg/m³ portlandského cementu, čadičové kamenivo je zložené z troch frakcií, a to z frakcií 0-4, 4-8 a 8-16, ktorých celková hmotnostná dávka je v rozmedzí 1500 až 2000 kg/m³, a kde pomer týchto frakcií je určený na základe granulometrie a mineralogického zloženia konkrétneho zdroja čadičového kameniva, vodný súčiniteľ je v rozmedzí 0,16 až 0,25 a kovové vlákna sú tvorené dvoma typmi vlákien rovnomerne rozptýlenými v objeme stvrdnutého drátkobetónu, kde prvý typ kovových vlákien má obdĺžnikový prierez o šírke v rozmedzí 0,2 až 0,5 mm, výške v rozmedzí 1,5 až 2,0 mm a dĺžku v rozmedzí 25 až 35 mm s ťahovou pevnosťou 350 až 450 MPa a druhý typ kovových vlákien má kruhový prierez o priemere v rozmedzí 0,08-0,12 mm, ich dĺžka je v rozmedzí 8 až 15 mm a ich ťahová pevnosť je väčšia než 2000 MPa, a kde súčtová hmotnosť oboch typov kovových vlákien leží v rozmedzí 100 až 280 kg/m³ a pomer prvého a druhého typu kovových vlákien je v rozmedzí 0,5:1,5 až 1,5:0,5.
2. Drátkobetón podľa nároku 1 vyznačujúci sa tým, že dávka prímesí je v rozmedzí 5 až 15% objemu vyrábaného drátkobetónu.
3. Drátkobetón podľa nárokov 1 a 2 vyznačujúci sa tým, že prvý typ kovových vlákien je vyrobený z odpadových kovových pásikov a druhý typ kovových vlákien je z nastrihaných kordových drôtov, získaných pri recyklácii pneumatík.