RS20201029A2 - Mikroarmirani beton od recikliranih čeličnih vlakana - Google Patents

Abstract

Mikroarmirani beton od recikliranih čeličnih vlakana poseduje zapreminsku masu G= 2500 kg/m3, poboljšanu duktilnost, veliki koeficijent vodonepro- pusnosti i otpornosti na habanje, odlične osobine ugradljivosti, uz znatne uštede u materijalu i radnoj snazi. Postupak dobijanja betona sastoji se u sledećem: iz zapreminskih sudova (1) precizno razmerene količine frakcija (16, 17, 18, 19) se ubacuju u horizontalnu mešalicu (3) za beton u kojoj se nakon toga sipaju težinski razmereni cement (4) i mineralni dodaci (6) nakon čega se dozira voda (7) i potrebni aditivi (8), a potom vrši mešanje sa raščešljanom recikliranom visokovrednom čeličnom žicom Ø od 0,1 mm do 3 mm, dužine (L) od 5 mm do 50 mm, čistoće preko 97% čelika i 3% gume dobijenom reciklažom automobilskih guma ili otpadne žice iz proizvodnje višežilnih čeličnih kablova, nakon čega se dobija mikroarmiran beton poboljšanih svojstva.

Description

МИКРОАРМИРАНИ БЕТОН ОД РЕЦИКЛИРАНИХ ЧЕЛИЧНИХ ВЛАКАНА

ОБЛАСТ ТЕХНИКЕ

Предмет проналаска уопштено посматрано спада у област грађевинарства, а конкретно се односи на поступак добијања микроармираног бетона од рециклираних челиних влакана.

Према Међународној класификацији патената (МКР) Int.cl. 2018.01 предмет проналаска је разврстан, односно класиран и означен основним класификационим симболом Е04С 5/00 којим су дефинисани елементи арматуре за бетон, односно Е04С 5/01 који обухвата елементе арматуре од метала.

Како је предметним проналаском обухваћено добијање бетона побољшаних карактеристика то он може бити означен и секундарним класификационим симболом Е04С 5/065 који се односи на елементе арматуре за бетон са високом отпорношћу на савијање тј. са основним тродимензионалним пружањем. Пошто се предметни бетон добија кроз одређени технолошки поступак то проналазак може бити означен и додатним класификационим симболом В28С 5/00 који обухвата машине и поступке за производњу мешавине цемента са другим материјалима.

ТЕХНИЧКИ ПРОБЛЕМ

Технички проблем који се решава предметним проналаском састоји се у следећем: како произвести микроармирани бетон за чију арматуру се користи рециклажна високовредна челична жица, који се одликује дуктилношћу, повећаном чврстоћом на притисак, затезање при савијању, великом резидуалном чврстоћом, који поседује запреминску масу Г= 2500 кг/м<3>, велики коефицијент водонепропусности и отпорности на хабање, добре особине уградивости различитим формама, уз знатне уштеде у материјалу и радној снази, а који, у одређеним условима, омогућава супституцију класичних челичних арматурних жица, а самим тим и добијање еластичних бетонских елемената потпуно нових механичких својстава тако да се ефикасно користе за израду носивих елемента мањих статичких висина а при том су погодни и за уградњу бетона у сферичне и друге закривљене и обле форме значајне за креације производа од бетона у индустијском дизајну у посебно припремљеним калупима.

СТАЊЕ ТЕХНИКЕ

Половином 19. века пронађен је армирани бетон који је представљао монолитну целину добијену од агрегата, цемента, воде и челичних шипки. У овој технолошкој конструкцији улога бетона је да прими напрезање на притисак док челичне шипке повећавају својства напрезања на затезање и смицање. Овако добијени бетон повећао је носивост материјала и до неколико десетина пута.

Осим тога овакав бетон је знатно дужег века трајања јер је арматура заштићена од корзије и утицаја температурних промена.

Иако побољшаних карактеристика, мора се констатовати да ниједан материјал није савршен нити је у потпуности отпоран на спољашњи утицај па се карактеристике бетона непрекидно побољшавају. Данас је добро познато да на трајност бетонских конструкција утичу; запреминска маса, упијање воде, водонепропустивост, отпорност на дејство мраза и елиминисање појава пукотина. Као алтернатива коришћењу челичних арматурних шипки или мрежа јавило се микроармирање бетона. За ојачање бетона микроарматуром користе се различити типови влакана, чија суштина употребе, представља у значајној мери елиминацију проблема коризије. Употреба влакана уместо раније коришћених шипки и жице од челика донела је и друга побољшања која су довела до тога да се, у великој мери, бетони са микроарматуром користе уместо класично армираних бетона. Каснијим испитивањима, употребом различитих влакана (од челика, стакла, синтетичких и природних материјала) дошло се до сазнања да се њиховим коришћењем спречава скупљање бетона, настанак пукотина, побољшава отпорност на температурне циклусе и постиже боља кохезија бетонске смесе.

Данас се микроармирани бетони широко користе у случајевима када није потребна велика чврстоћа и кад нису у питању значајна оптерећења.

Имајући све ово у виду проналазачи су успели да дођу до микроармираног бетона који поседује све напред наведене позитивне особине, при чему је коришћењем сировина које се јављају као нуспродукт прераде гума добијен изузетно квалипружа веће могућности у изради савремено дизајнираних грађевинских објеката.

Прегледом доступне домаће и стране патентне документације пронађено је следеће: У америчком патенту US9139473B2 објављеном 15. 6. 2015. под називом „Композитни материјали од бетона ојачаног стакленим влакнима и повезане методе" су приказане методе припреме и примене композитних материјала од бетона који је ојачан стакленим влакнима са могућношћу торкретирања. Поред везива-цемента и насумично оријентисаних стаклених влакана за предметне бетоне се примењују две фракције агрегата, при чему барем једну фракцију представљају заобљена зрна. Добијена мешавина свежег композитног материјала се може наносити торкретирањем и очврсли бетон поседује чврстоћу при зетазању савијањем од барем 16 МРа примењујући 4% м/м стаклених влакана.

У кинеском патенту CN107721317A објављеном 17. 11. 2017. под називом „Бетони са мешавином базалтних и поливинил-алкохол влакнима и начин припреме" приказани су бетони ојачани хибридном мешавином базалтних и поливил-алкохолних влакана. Дозирањем 0,05% V/V базалтних и 0,05% V/V поливинил-алкохолних влакана и специјалним начином припреме. Резултирајући бетон поседује већу жилавост и отпорност према појави прслина, при чему су унапређене и његове механичке карактеристике и продужен век експлоатације.

У америчком патенту US 2020/131770 А1 објављеном 30. 4. 2020. под називом „Побољшани бетон ојачан влакнима" приказан је бетон армиран влакнима који имају више крака. На тај начин структура бетона добила је нову дводимензионалну и тродимензионалну структуру. У бетон су уграђена влакна са више крака међусобно оријентисаних између 45-135°. Влакна су таквог облика да им се слободни крајеви могу фиксирати ради добијања више димензионалне структуре бетона. Осим тога влакна су изведена тако да су делимично обложена полимерним материјалом попут полипропилена.

У аустралијском пријави број AU 2020/101096 А4 објављеној 23. 7. 2020. Приказан је проналазак под називом „Начин припреме бетона ојачаног челичним влакнима ултрависоких перформанси добијених из вишечврсног отпада". Овај бетон према проналаску садржи 35 -50 мас.% цементног материјала, 35-50 мас.% агрегата, 0-3 мас.% средстава за редукцију воде, 5 -8 мас.% челичних влакана и 7-9 мас.% воде. Поступак добијња се састоји у томе што се шљака, топло брушена шљака БОФ, шљака за рафинисање и гипс који се добро умешају како би се добио цементни материјал који се потом ојачава челичним влакнима високих перформанси а тако добијена синергетска смеша се обликује и очвршћује након чега се добија армирани бетон чврстоће на притисак од 100 МПа-160 МПа и чврстоће на савијање од 35 МПа-45 МПа у стандардним условима очвршћавања од 28 дана.

ИЗЛАГАЊЕ СУШТИНЕ ПРОНАЛАСКА

Суштина проналаска огледа се у томе што је према идеји проналазача, дефинисано добијање микроармираног бетона за чије се добијање микроарматуре користи рециклажна високовредна челична жица добијена као нус-продукт рециклаже аутомобилских гума или отпадна жица из производње вишежилних челичних каблова која је углавном представљала отпад који се претопљен користио у индустрији за прераду челика.

Суштину проналаска представља и то што се армирањем бетона са микроармиратуром од рециклираних челичних жица добија бетон знатно бољих физичкомеханичких особина: повећане дуктилности, чврстоће на притисак, затезање при савијању, веће резидуалне чврстоће, знатно отпорнији на динамичке утицаје, са повећаним коефицијентом водонепропусности и отпорности на хабање.

Суштину проналаска представља и то што се предметним бетоном знатно побољшава уградљивост, јер нема лезија од укрштања арматурних склопова, већ се ливење врши монолитизацијом у пуном профилу пресека бетонираног елемента, а самим тим се добија већа конзинстенција пуноће уграђене бетонске масе, без ваздушних лезија. Ове особине омогућавају уградњу бетона у сферичне форме, посебно у свим облицима закривљених форми, креираних према крајњем индустријском дизајну у посебно припремљеним калупима.

Новост проналаска огледа се и у томе што се применом рециклажних челичних влакана, различитих дебљина и различитих дужина у једном склопу, добија потпуно нова прерасподела напона у самом елементу која је хармонична. Посебно се наглашава да су конструктивни елементи применом овог микроармираног бетона повећане дуктилности и отпорности на све динамичке утицаје, а посебно на сеизмичке утицаје.

Новост проналаска представља и то што се повећањем чврстоће бетона на затезање (мин. 15 МПа), добијају еластични бетонски елементи потпуно нових механичких својстава који омогућавају израду носивих елемената мањих статичких висина, при чему елементи плочастих носача изузетно танких дебљина мин. 4 цм, исказују ефекте 50% повећаних носивости (тј. адекватно дебљини микроармираног бетона од 5 цм, одговара дебљина бетона 10 цм код класично армираних плочастих конструкција).

Свакако да значајну суштину проналаска представља то што се његовим коришћењем, под одређеним условима постиже супституција класичне арматуре, тако да се остварује знатна уштеда у времену и радној снази од момента справљања до момента уградње. (На пример за количину класичне челичне арматуре од 100 кг/м<3>бетона, уштеда је у времену 5,5 НЧ, тј. за два радника бруто уштеда у времену је 2,75 ч/м<3>бетона и два радника мање за израду елемента.)

У односу на до сада позната техничка решења, предметни проналазак има више предности од којих се најзначајније наводе и то:

- знатно проширен опсег примене овако армираног бетона,

- нижа капитална улагања,

- знатне уштеде у материјалу и радној снази,

- додатно смањење времена рада на терену, а повећано време рада у погону, што посебно у високосеријској производњи објективно смањује трошкове за сса~7% укупне вредности изграђеног монтажног објекта,

- укупна уштеда применом рециклажне челичне жице у односу на коришћење класичних армираних челичних жица у бетону износи 60 евра/м<3>,

- повећана отпорност на механичке и динамичке утицаје при експлоацији, чиме се продужава век трајања,

- при значајном смањењу порозности цементне матрице (услед ниског водо- везивног фактора и повећане густине паковања) и истовременом повећању отпорности према појави прслина услед скупљања (због присуства челичних влакана са високим модулом еластичности), отпорност на агресивна дејства средине, ових микроармираних бетона је значајно унапређена, - повећана жилавост и отпорност на механичке ударе омогућава бржу и једноставнију манипулација са готовим елементима,

- решење доприноси одрживом развоју и значајном смањењу емисије штетних гасова, не само због тога што сеуместо нове арматуре користи рециклирани материјал, него и услед повећаног века експлоатације у поређењу са класичним армиранобетонским решењем.

КРАТАК ОПИС СЛИКА НАЦРТА

У циљу лакшег разумевања проналаска, проналазач се позива на приложене нацрте пријаве и где:

- Слика 1, представља шематски приказ бетонске греде армиране рециклажним челичним влакнима у попречном пресеку;

- Слика 2, представља шематски приказ бетонске греде сломљене савијањем; - Слика 3, представља шематски приказ бетонске греде сломљене притиском; - Слика 4, представља шематски приказ напукле бетонске греде чије делове држе микроарматурна челична влакна;

- Слика 5, представља технолошку шему поступка добијања микроармираног бетона од рециклираних челичних влакана.

ДЕТАЉАН ОПИС ПРОНАЛАСКА

У жељи да на једноставан начин побољшају технолошка својства бетона (дуктилност, чврстоћу при савијању, жилавост, отпорност на замор, ударну чврстоћу, повећање опсега примене и др.), а да при том дођу до бетона који је економски исплативији за производњу, а самим тим и конкурентнији, проналазачи су се одлучили за микроармирани бетон од рециклираних челичних влакана добијених прерадом отпадних гума за возила. Ова влакна, добијају се кроз технолошки поступак добро познат у стању технике, због чега њихова сепарација и прочишћавање нису предмет заштите проналаска и на технолошкој шеми су приказани само ради доказа о изводљивости. Челична влакна, за армирање према проналаску, су пречника 0,1-3 мм, а дужине од 5- 50 мм. и својом дистрибуцијом у смеси бетона чине мрежу која одолева сили гравитације и целу смесу доводи до равномерног слегања. Количина микроарматуре условљена је наменом микроармираног бетона, па је и састав бетонске смеше изражен у масеним процентима такође завистан од намене и врсте микроармираног бетона. Бетон, према проналаску, подразумева композите базиране на употреби агрегата и везива (при чему се у овом примеру извођења проналаска ради о цементу). Количина арматурних влакана, зависно од употребе бетона, значајно варира и кређе се у распону од 0,1% па све до 8% у односу на укупну запремину бетона. Познато је да уобичајене количине челичних влакана варирају од 20-50 кг/м<3>свеже уграђеног бетона. Челична влакна добијена након сепарације из прерађених аутомобилских гума тако су дизајнирана да ојачавају бетон и дуготрајно појачавају позитивне ефекте код објеката изложених великим оптеређењима.

Поступак добијања бетона, према проналаску, састоји се у следеђем: по дефинисаној рецептури, која зависи од врсте елемената који се уграђују у објекат (сендвич АБ зидни елементи, зидна платна, ограде, блокови за зидање - сувомонтажно и зидање са малтерима, бетонске плоче за облагање подова и зидова, амбијентална галантерија и др.), врши се пуњење запреминских судова 1 са дозаторима првом, другом, тређом и четвртом фракцијом 16, 17, 18, 19, након чега се прецизно размерене количине покретном траком 2 убацују у хоризонталну мешалицу 3 за бетон. Фракције су тако разврстане да фракцију 16 чини агрегат 0-4 мм, фракцију 17 агрегат 4-8 ммм, фракцију 18 агрегат 8-11 мм и ифракцију 19 агрегат 11-16 мм. Тежинска размера цемента 4 из дозатора 5 покретном траком 6 сипа се у хоризонталну мешалицу 3 где се врши суво мешање са претходно убаченим фаркцијама, којима се из дозатора 7, након прецизног размеравања додају минерални додаци 8. Након тога се дозирају вода 21 и потребни адитиви 9 и убацују у хоризонталну мешалицу 3, где се врши даље мешање

У претходном поступку припреме, материјал добијен након прераде отпадних гума за возила који садржи челична влакна, гуму и остале нечистође допрема се до тракастог дозатора 10 са сепаратором за рециклирање где се најпре врши рашчешљавање и одвајање високовредних челичних жица Ø од 0,1 мм до 3 мм, дужине (Л) од 5 мм до 50 мм, чистође преко 97% челика и 3% гуме, а затим, прочишђавање од присутности гуме, тканина или пластике сепаратором, тако да у финално прерађеним челичним влакнима има максимално 0,1% до 1,5% паразитског садржаја. Овако пречишђена влакна 12 покретном траком 11 транспортују се и слободним падом уносе у хоризонталну мешалицу 3, и мешају са претходно припремљеном смешом. Цео процес мешања трае око до ллинута, након чега се до иа микроармирани етон следећих својстава:

- чврстоћа при притиску мин.35 МРа (најчешће 50 до 150 МРа), након 28 дана; - чврстоћа на затезање при савијању мин.15 МРа (најчешће 20 до 65 МРа), након 28 дана;

- чврстоћа након 24 часа 70% коначне чврстоће;

- запреминске масе Г= 2500 кг/м<3>;

- коефициент водонепропусности мин V-lll према SRPS EN 206-1;

- коефициент отпорности на хабање према Капоновој методи <20 mm;

- уградљивост бетона - одлична.

Овако добијени микроармирани бетон је спреман за уградњу, па се из хоризонталне мешалице 3 у погонској производњи истаче у колица - монореју 13 или директно у киблу 14, а за уградњу у објекат на лицу места у миксер 15 претходно постављен на место извођења радова. Након транспорта бетона, исти се уграђује у припремљене оплате или калупе 20 који могу бити: челични и ПВЦ калупи за узимање узорка за контролу квалитета, специјални челични калупи за високосеријску производњу, дрвени или пластични калупи за уникатне производе, оплате монтажних елемената, челични сферични калупи за монтажне елемент или оплате за ливење микроармираних бетонских конструкција на лицу места, односно за моделирање.

Приликом уградње непрестано се користи вибрирање и то у калупима већих димензија игло вибраторима, а за високосеријску производњу елемената вибрирање се врши оплатним вибростоловима са вибрацијом и оплатним вибраторима. При уградњи је веома важно водити рачуна о оријентацији микроарматуре тако да влакна буду равномерно расподељена. Посебну пажњу треба посветити приликом уградње горње површине микроармираног бетона како би се избегло да челична влакна остану делимично откривена ван запремине бетона. Уградња овако припремљеног микроармираног бетона врши се на темпаратури амбијента од 5-30° Ц. Након уградње врши се припрема и неговање бетона, одржавањем влажности амбијента 90%, методом покривања влажним геофилцом, или влажењем простора воденим распршивачима. Веома је важно да сви радници имају адекватну ХТЗ опрему, пре свега кожне или дебље гумиране заштитне рукавице и при мешању заштитне наочаре.

Вађење елемената из калупа или ослобађење микроармираних елемената из оплате се врши након 24 часа. Транспорт готових елемената се врши 48 сати од момента ливења.

У току ливења микроармираних бетона, из уграђеног бетона се узима три узорка коцки и три узорка призми у припремљене калупе. Испитивање чврстоће бетона на притисак ломљењем коцки и призми у преси, врши се након 24 часа два узорка, након 14 дана два узорка и након 28 дана два узорка.

Ради доказа корисности проналаска дат је приказ економских ефеката остварених применом предметног микроармираног бетона:

- уштеда у материјалу (тржишна цена рециклажних челичних влакана је 0,20 €/кг, а тржишна вредност класичне арматуре је 0,54 €/кг, што за пропорцијалну количину уштеда у цени арматуре и бетона износи око 30%);

- уштеда у радној снази (тржишна цена бруто НЧ је 9 евра/Нч, што чини умањење цене у односу на класичну арматуру од 45 €/м<3>бетона);

- укупна уштеда у примени рециклажне челичне жице у микроармираном бетону је 60 €/м<3>уграђеног бетона;

- примена микроармираног бетона омогућава израду елеманата у монтажној градњи, која додатно смањује време рада на терену, а повећава време рада у погону, што, посебно у високо-серијској производњи објективно смањује трошкове за око 7% укупне вредности изграђеног монтажног објекта и

- укупан економски ефекат применом предметног микроармираног бетона износи 70-100 €/м<3>.

НАЧИН ИНДУСТРИЈСКЕ ИЛИ ДРУГЕ ПРИМЕНЕ ПРОНАЛАСКА

Индустријски или други начин добијања микроармираног бетона од рециклираних челичних влакна добијених приликом прераде употребљаваних аутомобилских гума, према овом проналаску, апсолутно је могућ применом поступка наведеном у овом опису.

Стручњаци из области грађевинарства могу без икаквих проблема спровести поступак производње микроармираног бетона на основу нацрта и описа предметног проналаска, примењујући важеће и обавезујуће прописе из ове области.

У складу са резултатима огледних испитивања примена микроармираног бетона, према проналаску, препоручује се за израду: сендвич АБ зидних елементата, зидних платана, ограда, блокова за зидање - сувомонтажних и зиданих са малтерима, бетонских плоча за облагање подова и амбијенталне галантерије.

Примена проналаска се посебно препоручује у случајевима израде бетона закривљених, облих, сферичних и других неправилних форми, где је немогуће користити арматуру од челичних шипки. Посебно се наглашава да овакав бетон има низ предности када је потребно користити технику пумпања бетона, уз напомену, да могућност постизања флексибилних форми пружа велике могућности дизајнерима, што је зна- чајно у савремениој архитектури.

Claims (3)

ПАТЕНТНИ ЗАХТЕВИ

1. Поступак добијања микроармираног бетона од рециклираних челичних влакана, назначен тиме, што се из запреминских судова (1) прецизно размерене количине прве, друге, треће и четврте фракције (16, 17, 18, 19), покретном траком (2) убацују у хоризонталну мешалицу (3) за бетон, након чега се тежински размерени цемент (4) из дозатора (5) покретном траком (6) такође сипа у хоризонталну мешалицу (3), где се врши суво мешање са претходно убаченим фаркцијама, а потом се из дозатора (7) додају минерални додаци (8), вода (21) и потребни адитиви (9), где се даље хомогенизују мешањем, а потом се у хоризонталну мешалицу (3) додају пречишћена челична влакна (12) и са претходним садржајем мешају 5-7 минута, након чега се добија микроармирани бетон чврстоће при притиску мин. 35 МРа, чврстоће на затезање при савијању мин. 15 МРа, чврстоће након 24 часа 70% коначне чврстоће, запреминску масу Г= 2500 кг/м<3>, коефициента водонепропусности мин V-lll према SRPS EN 206-1 и коефициента отпорности на хабање према Капоновој методи <20 mm.

2. Микроармирани бетон од рециклираних челичних влакана, према захтеву 1, назначен тиме, што се пречишћена челична влакна (12) добијају рашчешаљавањем и одвајањем високовредних челичних жица 0 од 0,1 мм до 3 мм, дужине (Л) од 5 мм до 50 мм, чистоће преко 97% челика и 3% гуме, које се затим пречишћавају од присутности гуме, тканина или пластике сепаратором тако да садрже максимално 0,1% до 1,5% паразитских садржаја.

3. Микроармирани бетон од рециклираних челичних влакана, према захтеву 1, назначен тиме, што је оријентација микроарматуре изведена тако да су пречишћена челична влакна (12) равномерно расподељена, при чему горње површине микроармираног бетона мора да буде глатка и без делимично откривених крајева.