CZ302999A3 - Beton nebo malta vyztužená přímými ocelovými vlákny - Google Patents

Abstract

Ocelové vlákno (10) pro vyztužení vysokopevnostního betonu nebo malty má délku v rozsahu od 3 mm do 30 mm, tloušťku v rozsahu od 0,08 mmdo 0,30 mm a pevnost v tahu vyšší než 2000 Mpa. Ocelové vlákno (10)je opatřeno kotveními (12, 24), jejichž rozměr ve směru kolmém na podélnou osu , ocelového vlákna (10)je roven nejvýše 50 %tloušťky vlákna Tato kotvení (12,24) zajišťují účinné ukotvení ocelových i [Vláken (10) ve vysokopevnostním betonu bez nepříznivého ovlivnění mísitelnósti vláken (10) s betonovou směsí,

Description

Beton nebo malta vyztužená přímými ocelovými vlákny

Oblast techniky

Vynález se týká betonu nebo malty, které jsou vyztuženy přímými ocelovými vlákny.

Dosavadní stav techniky

Ze stavu techniky je známo vyztužovat betonové konstrukce s vysokou pevností ocelovými vlákny.

BE-A3 1005815 uvádí, že u konvenčních betonů s pevnostmi v tlaku od 30 MPa do 50 MPa nemá smysl dále zvyšovat pevnost ocelových vláken v tahu nad 1300 MPa, protože takové zvýšení pevnosti výztužných prvků v tahu již nedokáže zvýšit pevnost železobetonu v tahu za ohybu. BE-A3 1005815 však také obsahuje poznatek, že u betonů se zvýšenou pevností v tlaku by se úměrně měla zvýšit také pevnost ocelových vláken v tahu.

WO-A1-95/01316 navrhuje přizpůsobení průměrných délek kovových vláken maximální velikosti zrnitých částic obsažených v betonu s vysokou pevností tak, aby kovová vlákna působila jako běžné výztužné prvky ve vysokopevnostním železobetonu. Množství kovových vláken ve vysokopevnostním betonu, vyjádřené v objemových procentech, je poměrně vysoké a pohybuje se mezi 1,0 % a 4,0 % objemu betonu po ztvrdnutí.

DE-A1-33 47 675 se týká umělých kamenů z cementu nebo sádry, vyztužených tenkými vlákny vyrobenými z vysokolegované oceli. Vlákna z vysokolegované oceli jsou na svém povrchu opatřena zdrsňujícími úpravami, aby se zvýšila jejich soudržnost s cementem nebo sádrou. Vlákna mají průměr v rozsahu od 0,05 mm do 0,15 mm a hloubka povrchových zdrsňujících úprav je omezena na 30 % průměru vláken.

DE-A-42 23 804 uvádí, že ocelová výztužná vlákna pro

vyztužování betonu mohou být opatřena prolisy rozdělenými po celé délce vláken.

DE-A-28 32 495 popisuje úpravu vláken spočívající ve zploštění jejich konců.

Úkolem vynálezu je dále optimalizovat geometrii a pevnost ocelových vláken v tahu pevnosti vysokopevnoštního betonu. Úkolem vynálezu je také omezit problémy spojené s nízkou mísitelností při míchání výztuže do betonové směsi pro výrobu vysokopevnoštního betonu, jestliže je procento vyztužení betonu vyšší. Dalším úkolem vynálezu je zlepšit zakotvení ocelových vláken jako výztuže ve vysokopevnostním betonu.

Podstata vynálezu

Tyto úkoly jsou vyřešeny u betonu nebo malty podle vynálezu, vyztuženého ocelovými vlákny majícími délku v rozsahu od 3 mm do 13 mm, tloušťku v rozsahu od 0,08 mm do 0,30 mm a pevnost v tahu větší než 2000 MPá, zejména větší než 2500 MPa nebo dokonce než 3000 MPa. Ocelová vlákna jsou opatřena kotevními úpravami, jejichž rozměry ve směru kolmém na podélnou osu ocelového vlákna jsou nejvýše rovny 50 %, zejména jsou rovny maximálně 25 % a nejvýhodněji maximálně 15 % jeho tloušťky. Podstata vynálezu spočívá v tom, že beton nebo malta je vysokopevnostním betonem nebo maltou a má pevnost v tlaku větší než 75 MPa.

Pojmem vysokopevnostní beton nebo malta se rozumí beton nebo malta s pevností v tlaku větší než 75 MPa, například větší než 200 MPa. Pevnost materiálu v tlaku je pevností naměřenou při krychlové zkoušce pevnosti podle normy ASTM-Standard Č.C39-80 na krychli z betonu o délce strany 150 mm, při které se krychle stlačuje mezi dvěma vzájemně rovnoběžnými plochami až do rozdrcení.

Pojem tloušťka ocelového vlákna se týká nejmenšího

9

9 9 9 9

9 9 9

9 999 999 • 9 9 9

9 9 «

99 rozměru příčného průřezu přímého ocelového vlákna v jeho oblastech bez vtisků a jiných kotevních úprav.

Pojem kotvení a kotevní úsek označuje jakoukoliv odchylku od přímého ocelového vlákna s rovnoměrným příčným průřezem, kde tato odchylka napomáhá zlepšit zakotvení nebo udržení ocelového vlákna v betonu. V souvislostech uváděných s řešeními podle vynálezu pojem přímé ocelové vlákno vylučuje normální ohyby, ale nevylučuje malé ohyby, to znamená ohyby s velkým poloměrem zakřivení ocelová vlákna, které zůstaly po odvinutí ocelového drátu z cívky před konečným tažením a/nebo řezáním. Ocelová vlákna s takovými malými ohyby, které jsou důsledkem předchozího navinutí ocelového drátu na zásobní cívku, jsou stále ještě pokládána za přímá ocelová vlákna.

Výhody řešení podle vynálezu se mohou objasnit následovně. Betony mají tak zvanou mezifázovou zónu mezi cementovým pojivém a plnivem a přísadami přidávanými do betonu. Tato meziřázová zóna může být pozorována pomocí snímání vzorku betonu elektronovým mikroskopem (SEM). Tak bylo zjištěno, že důsledkem přítomnosti většího množství vody v sousedství částic plniva se hydratace cementu urychluje v mezifázové zóně, což vede k výskytu hydroxidu vápenatého, smíchaného v mezifázové zóně s vápenato-křemičitými hydráty a ettringitem. Důsledkem toho je mezifázová zóna s poměrně vysokou pórovitostí. Tato mezifázová zóna tak tvoří nejslabší článek struktury betonu a určuje do značné míry jeho celkovou pevnost, která má trvale tendenci být menší než je pevnost vlastního cementového pojivá. Tloušťka mezifázové zóny se pohybuje v rozsahu od asi 50 mikrometrů do asi 100 mikrometrů kolem částic plniva. Podobné mezifázové Oblasti byly pozorovány také kolem ocelových vláken přidávaných do betonu.

V porovnání s běžnými druhy betonů je možno vysokopev·· ·· «··· · ·· ·· • · · · · · · · · · • ♦·· · · ·· · · · · • · · * · · · · ··· ··· • · · · · · · · ··· ··· *· ·· ·· ·♦ nostní betony charakterizovat (a) poměrně nízkým vodním součinitelem, to znamená nízkým poměrem obsahu vody k obsahu cementu, který je menší než 0,45;

(b) přidáním superplastifikátorů, které značně zvyšují zpracovatelnost betonové směsi vzhledem k nízkému vodnímu součiniteli;

(c) přidáním minerálních přísad, například křemičitého prášku, létavého popílku, foukané vysokopecní strusky, práškového paliva, mikrofileru a/nebo pucolánu a/nebo příměsi chemických přísad jako vodního skla nebo povrchově aktivních látek.

Přísady uvedené v odstavci (c) přinášejí zvýšení vzájemné vazby mezi zrnitým plnivem a cementem s tím výsledkem, že mezifázové zóny se podstatně zmenšují, pokud úplné nezmizí. Křemičitý prášek například přeměňují hydroxidy vápníku v mezifázové zóně na hydráty vápníku a křemíku.

ΗοΙτιηιι Ίί v běžných druzích

Pro zajištění účinného zakotvení nebo zajištění výztuže íutné, aby výztužné prvky byly opatřeny kotevními prvky s dimenzemi, které jsou několikanásobkem tloušůky mezifázové zóny, to znamená několiknásobkem 50 μπι až 100 μπι. Kotevní prvky s menšími dimenzemi nebudou působit stejně účinně, protože nestačí přemostit do potřebné míry mezifázové zóny. Na rozdíl od mezifázové zóny běžného betonu není mezifázová zóna u betonů s vysokou pevností tak měkká nebo tak tlustá jako u běžných betonů nebo se dokonce vůbec nevyskytuje. Výsledkem toho je, že ocelová vlákna opatřená takovými kotevními prvky s malými dimenzemi mají velmi příznivý účinek.

Přídavnou výhodou menších úprav je vyřešení problému se do betonové směsi, protože na tvořeny žádné výrazné ohyby.

dimenzí zakotvení a kotevních zamícháváním ocelových vláken ocelových vláknech nejsou vy5 • 9 ·· 94 ·· • 9 9 · · · 9 4

4 ·· 4 4 4 · • 4 4 · 4 ··· 949

9·· · · • 4 99 ·4 ··

Další výhoda řešení podle vynálezu spočívá v tom, že díky zdokonalenému zakotvení ocelových vláken může být pro požadovanou pevnost betonu snížen objem ocelových vláken, což výrazně redukuje také problém s mísitelností betonové směsi s výztuží. To je velmi důležité, protože objemové procento ocelových vláken v betonu s vysokou pevností je podstatně vyšší a normálně se pohybuje od 1,0 % do 4,0 %, zatímco u normálních betonů je mezi 0,40 % do 1,0 %, přičemž čím je větší procento vyztužení, tím jsou větší problémy s mísitelností .

U řešení podle vynálezu nejsou vytvořené kotevní prvky omezeny na zvláštní formu nebo způsob výroby. Kotevní prvky mohou mít tvar ohybů nebo vln za podmínky, že jejich rozměr ve směru kolmém na podélnou osu ocelového vlákna má omezenou velikost. Kotevní prvky mohou mít také formu mikroskopicky jemného zdrsnění, dosaženého například pomocí kontrolované oxidace nebo pomocí regulované leptací operace.

výhodném provedení vynálezu jsou kotevní prvky tvořeny vtisky, rozmístěnými podél délky ocelového vlákna. Hloubka těchto vtisků se pohybuje v rozsahu od 5 % do 25 % tloušťky ocelového vlákna v místech mimo vtisky. Například se hloubka těchto vtisků pohybuje v rozsahu od 0,01 mm do 0,05 mm. Vtisky jsou výhodně rozmístěny v pravidelných odstupech od sebe po délce ocelového vlákna.

V druhém výhodném provedení vynálezu je ocelové vlákno opatřeno na obou svých koncích zploštěními. Tloušťka těchto zploštělých konců se výhodně pohybuje v rozsahu od 50 % do 85 % tloušťky ocelového vlákna v jeho nezploštělé oblasti. Takové ocelové vlákno má hodnotu prodloužení při přetržení, které výhodně není větší než 4 %.

Pro zajištění potřebné pevnosti v tahu má podle dalšího »· ···· ·* 4 • · · 4 4

4444 4 4«

4 4 4 4 4 » 4 4 4 4

44 » 4 4 ► 4 4 výhodného provedení vynálezu ocelové vlákno obsah uhlíku větší než 0,40 %, zejména větší než 0,82 % nebo větší než 0,96 %.

U druhého výhodného provedení vynálezu je vyřešen také způsob zlepšování mísitelnosti ocelových vláken v betonové směsi pro výrobu vysokopevnostního betonu, jehož pevnost v tlaku je větší než 75 MPa, přičemž podstata tohoto řešení spočívá v tom, že se připraví ocelová vlákna, mající délky v rozsahu od 3 mm do 30 mm a tloušťky v rozsahu od 0,08 mm do 0,30 mm, a na těchto ocelových vláknech se vytvoří kotevní oblasti mající rozměr ve směru kolmém na podélnou osu ocelových vláken rovný maximálně 50 % tloušťky ocelových vláken.

Vynálezem je vyřešen také způsob přizpůsobení kotvení ocelového vlákna dimenzím oblasti rozhraní mezi ocelí a vysokopevnostním betonem nebo maltou. Podstata vynálezu u tohoto způsobu spočívá v tom, se připraví ocelová vlákna, mající délky v rozsahu od 3 mm do 30 mm, tloušťky v rozsahu od 0,08 mm do 0,30 mm a pevnost v tahu větší než 2000 MPa, a ocelová vlákna se opatří kotveními, jejichž rozměr ve směru kolmém na podélnou osu ocelového vlákna je roven maximálně 50 % jejich tloušťky.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude blíže objasněn pomocí příkladů provedení zobrazených na výkresech, kde znázorňují obr. l(a) celkový pohled na ocelové vlákno, opatřené podél své délky vtisky, obr. l(b) zvětšený pohled na část délky vlákna, opatřenou vtiskem, obr. 2 schematický boční pohled na postup výroby ocelového vlákna s vytvořenými vtisky, obr. 3(a) boční pohled a obr. 3(b) pohled shora na ocelové vlákno se zploštělými konci a obr. 4 schematické zobrazení, jak může být vyráběno ocelové vlákno se zploštělými konci.

Příkladná provedení vynálezu

V prvním příkladném provedení je na obr. l(a) zobrazeno ocelové vlákno 10 opatřené vtisky 12., které jsou rozmístěny rovnoměrně podél jeho délky v pravidelných odstupech od sebe. Obr. l(b) znázorňuje příkladné vytvoření vtisku 12 ve zvětšeném měřítku. Ocelové vlákno 10 má například délku 13 mm a průměr svého kruhového průřezu v oblastech mimo vtisky 12 rovný 0,20 mm. Vtisky 12 mají ve svém podélném směru délku a rovnou 0,50 mm a hloubka b vtisku 12 je v tomto příkladu 0,010 mm (= ΙΟμιη). Vtisky 12 jsou vytvořeny jak na horní straně, tak také na spodní straně ocelového vlákna 10. Vzdálenost či rozteč c mezi dvěma sousedními vtisky 12 na horní straně i na spodní straně ocelového vlákna 10 je kolem 1,50 mm.

Obr. 2 znázorňuje příklad výroby ocelového vlákna 10. opatřeného vtisky 12. V tomto příkladu se ocelový drát 14 táhne pomocí navíjecího bubnu 16 (koncovým) redukčním průvlakem 18. Ocelový drát 14 je po dosažení svého konečného průměru dále veden ke dvěma kladkám 20, které jsou obě opatřeny na svých obvodových plochách vystupujícími oblastmi 21 pro vytváření vtisků 12 do obvodových ploch ocelového drátu 14. Tyto dvě kladky 20 také zajišťují při svém otáčení potřebnou odtahovací sílu pro vedení ocelového drátu 14 z navíjecího bubnu 16 k odřezávacímu nástroji 22. kterým je ocelový drát 14 dělen na jednotlivá ocelová vlákna 10 se stejnými délkami.

U druhého výhodného příkladného provedení na obr. 3(a) a 3(b) je zobrazeno přímé ocelové vlákno 10 se zploštělými konci 24.. Zploštělé konce 24 zajišťují zakotvení ocelového vlákna 10 ve vysokopevnostním betonu. Ocelové vlákno 10 podle tohoto příkladného provedení je Výhodné tím, že nemá žádné vruby, protože vruby mohou vyvolávat ve výztužném prvku kon·· ·«·· · <ft ·· ·Φ 99

9 9 9 9 9 9 9 9 9

9 99 9 9 99 9 9 9

centrace tahového napětí v betonu a tyto koncentrace by mohly vést k vzniku trhlin. Přechod ocelového vlákna 10 z okrouhlého tvaru příčného průřezu do zploštělého konce 24 nemá být náhlý, ale pozvolný a plynulý. Ocelové vlákno 10 má v příkladném provedení následující rozměry: délku 13 mm, průměr kruhové části příčného průřezu 0,20 mm, tloušťku d zploštělého konce 24 0,15 mm a délku e zploštělého konce 24 včetně přechodového úseku 1,0 mm.

Obr. 4 znázorňuje, jak může být ocelové vlákno 10 se zploštělými konci 24 vyráběno pomocí dvou válců 26, které vytvářejí zploštění ocelového drátu 14 a současně řežou ocelový drát 14 na jednotlivá ocelová vlákna 10.

Protože ocelové vlákno 10 podle tohoto druhého příkladného provedení bude zakotveno ve vysokopevnostní betonu jen svými zploštělými konci 24 a nikoliv podél celé své délky jako tomu bylo v prvním příkladném provedení, je výhodné zvýšit potenciál tvárné energie v ocelovém vláknu 10 pomocí vhodného tepelného zpracování pro zvýšení prodloužení ocelového vlákna 10 při přetržení. Toto tepelné zpracování je známé z techniky zušlechťování kovů. Tepelné zpracování se může provádět průchodem ocelového drátu 14 vysokofrekvenční indukční cívkou nebo indukční cívkou se středními frekvencemi, mající délku přizpůsobenou rychlosti pohybu ocelového drátu 14 a jeho teplotě, která se má pohybovat kolem více než 400°C. Ocelový drát při takovém zpracování do určité míry ztrácí svou pevnost v tahu (o asi 10 % až 15 %), avšak současně je pozorováno zvýšení prodloužení při přetržení. Tímto způsobem je možno zvýšit plastické prodloužení o více než 5 % a dokonce o více než 6 %.

Materiálové složení ocelového vlákna 10 se může měnit v širokých mezích. Běžně se u néj vyskytuje minimální obsah uhlíku kolem 0,40 %, například nejméně 0,80 % nebo dokonce » «·♦· 4 · • · · ·

I 4 » 4

444

0,96 %, obsah manganu se pohybuje od 0,20 % do 0,90 % a křemík je obsažen v množství od 0,10 % do 0,90 %. Obsah síry a fosforu je udržován pod 0,03 %. Do směsi se mohou přidat další prvky, například chrom (do 0,2 až 0,4 %), bor, kobalt, nikl, vanad a další látky, aby se snížil stupeň redukce potřebný pro dosažení zvláštní pevnosti v tahu.

Ocelové vlákno může být opatřeno povlakem, zejména kovovým povlakem. Jeho povrch může být opatřen například povlakem ze slitiny mědi pro zvýšení tažnosti nebo může být opatřen povlakem ze zinkové nebo hliníkové slitiny, aby se zvýšila odolnost vláken proti korozi.

Ocelové vlákno podle vynálezu nemá přesně vymezenou pevnost v tahu. U ocelových vláken s tloušťkou 0,20 mm se může dosáhnout pevnosti v tahu, pohybující se od středních hodnot kolem 2000 MPa k vyšším hodnotám dosahujícím 3500 MPa, 4000 MPa nebo dokonce větším. Je však výhodné přizpůsobit pevnost vláken v tahu jak pevnosti vysokopevnostního betonu v tlaku, tak také kvalitě jejich zakotvení ve vysokopevnostníin betonu. Čím je vyšší stupeň zakotvení v betonu, tím je užitečnější zvyšování pevnosti vlastních ocelových vláken v tahu.

Ocelová vlákna podlé vynálezu mohou být spolu slepována pomocí vhodného lepidla, které ztrácí svoji lepicí schopnost po smíchání s dalšími složkami vysokopevnostní betonové směsi. Použití takového lepidla zvyšuje mísitelnost směsi, jak je to popsáno v US-PS 4 224 377. V souvislosti s řešením podle vynálezu však není tato metoda nutná.

Claims (12)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Beton nebo malta vyztužená přímými ocelovými vlákny, ve kterém mají ocelová vlákna (10) délku v rozsahu od 3 mm do 13 mm a tloušťku v rozsahu od 0,08 mm do 0,30 mm, ocelová vlákna (10) jsou opatřena kotevními prvky, jejichž rozměry ve směru kolmém na podélnou osu ocelového vlákna (10) jsou nejvýše rovny 50 % jeho tloušťky, vyznačující se tím, že beton nebo malta má pevnost v tlaku větší než 75 MPa.
2. 2. Beton nebo malta podle nároku 1, vyznačující se tím, že rozměry kotevních prvků ve směru kolmém na podélnou osu ocelového vlákna (10) jsou rovny maximálně 25 % jeho tloušťky.
3. 3. Beton nebo malta podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že rozměry kotevních prvků ve směru kolmém na podélnou osu ocelového vlákna (10) jsou rovny maximálně 15 % jeho tloušťky.
4. 4. Beton nebo malta podle nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že kotevní prvky jsou tvořeny vtisky (12) rozmístěnými po délce vláken.
5. 5. Beton nebo malta podle nároku 4, vyznačující s e t í m , že vtisky (12) mají hloubku v rozsahu od 0,01 mm do 0,05 mm.
6. 6. Beton nebo malta podle nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že kotevní prvky jsou tvořeny zploštěními na obou koncích vláken (10).

   ·· ···· • · • «·* • · » * • 0 · · t · » • · · 4» ·
7. 7. Beton nebo malta podle nároku 6, vyznačující se t í m , že ocelová vlákna (10) mají celkové prodloužení při přetržení větší než 4 %.
8. 8. Beton nebo malta podle nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že ocelová vlákna (10) mají obsah uhlíku větší než 0,40 %.
9. 9. Beton nebo malta podle nároku 8, vyznačující s etí m , že ocelová vlákna (10) mají obsah manganu mezi 10 % a 90 % a obsah křemíku mezi 0,10 % a 0,90 %.
10. 10. Způsob zlepšování mísitelnosti ocelových vláken v betonové směsi pro výrobu vysokopevnostního betonu, jehož pevnost v tlaku je větší než 75 MPa, vyznačuj ící se t í m , že se připraví ocelová vlákna (10), mající délky v rozsahu od 3 mm do 30 mm a tloušťky v rozsahu od 0,08 mm do 0,30 mm, a na těchto ocelových vláknech (10) se vytvoří kotevní oblasti mající rozměr ve směru kolmém na podélnou osu ocelových vláken rovný maximálně 50 % tloušťky ocelových vláken (10).
11. 11. Způsob podle nároku 10, vyznačující se tím, že se připraví ocelová vlákna (10) s pevností v tahu nejméně 2000 MPa.
12. 12. Způsob přizpůsobení kotvení ocelového vlákna dimenzím oblasti rozhraní mezi ocelí a vysokopevnostním betonem nebo maltou, vyznačující se tím, že se připraví ocelová vlákna (10), mající délky v rozsahu od 3 mm do 30 mm, tloušťky v rozsahu od 0,08 mm do 0,30 mm a pevnost v tahu větší než 2000 MPa, a ocelová vlákna (10) se opatří kotveními, jejichž rozměr ve směru kolmém na podélnou osu ocelového vlákna (10) je roven maximálně 50 % jejich tloušťky.