Способ изготовления изделий на цементном вяжущем, пучки синтетических волокон, цементный продукт. Волокна цемента


волокно цемента - это... Что такое волокно цемента?

 волокно цемента

Medicine: cement fiber of tooth

Универсальный русско-английский словарь. Академик.ру. 2011.

  • волокно целлюлозы
  • волокно юкки

Смотреть что такое "волокно цемента" в других словарях:

  • Волокно углеродное — – изготавливается из органических материалов, обладает высокой прочностью на растяжение до 3500 МПа. [Терминологический словарь по бетону и железобетону. ФГУП «НИЦ «Строительство» НИИЖБ им. А. А. Гвоздева, Москва, 2007 г. 110 стр.] Волокно… …   Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

  • Волокно — – гибкое протяженное, непрерывное и прочное тело ограниченной длины с малыми поперечными размерами по отношению к длине, применяемое для изготовления волокнистых материалов, предназначенных для армирования полимерных композитов. Примечания …   Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

  • Волокно арамидное — – волокно для армирования полимерных композитов, образуемое из линейных волокнообразующих полиамидов, в которых не менее 85 % амидных групп непосредственно связано с двумя ароматическими кольцами. [ГОСТ 31938 2012] Рубрика термина: Виды… …   Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

  • Волокно асбестовое — – волокно, получаемое путем разделения на тонкие нити минеральных силикатов естественного происхождения, имеющих кристаллическую структуру. [ГОСТ Р 52953 2008] Рубрика термина: Асбест Рубрики энциклопедии: Абразивное оборудование, Абразивы …   Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

  • Волокно базальтовое — Волокно базальтовое; базальтоволокно – волокно для армирования полимерных композитов, образуемое из расплава базальта или габродиабаза. [ГОСТ 31938 2012] Рубрика термина: Виды арматуры Рубрики энциклопедии: Абразивное оборудование, Абразивы …   Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

  • Волокно графитовое — – углеродное волокно, термически стабилизированное при температуре графитизации. [ГОСТ Р 52953 2008] Рубрика термина: Теплоизоляционные свойства материалов Рубрики энциклопедии: Абразивное оборудование, Абразивы …   Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

  • Волокно керамическое — – неорганическое волокно, полученное из оксидов металлов или глины. [ГОСТ Р 52953 2008] Рубрика термина: Теплоизоляционные свойства материалов Рубрики энциклопедии: Абразивное оборудование, Абразивы …   Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

  • Волокно минеральное, полученное искусственным способом — – неорганическое волокно, полученное из расплава горной породы, шлака, стекла, оксидов металлов или глины. [ГОСТ Р 52953 2008] Рубрика термина: Теплоизоляционные свойства материалов Рубрики энциклопедии: Абразивное оборудование, Абразивы …   Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

  • Волокно стеклянное — (стекловолокно) – стекловолокно, волокно круглого или профильного сечения, получаемое из расплавл. стекла. Изготовляется двух видов: непрерывное (диам. 3 100 мкм, дл. > = 20 км) и штапельное (диам. 0,1 20 мкм, дл. 1 50 см). Обладает… …   Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

  • Волокно высокопрочное непрерывное — – для неметаллической арматуры используют высокопрочные минеральные и органические волокна диаметром от 6 микрон до 15 микрон; составляют примерно 80 % массы арматурного стержня. [Терминологический словарь по бетону и железобетону. ФГУП… …   Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

  • Волокно щелочестойкое стеклянное — – обладает относительно высокой стойкостью в среде твердеющего цементного камня за счет введения в состав стекла циркония или титана. [Терминологический словарь по бетону и железобетону. ФГУП «НИЦ «Строительство» НИИЖБ им. А. А. Гвоздева,… …   Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

universal_ru_en.academic.ru

Композиционные материалы с цементным вяжущим

Композиционные материалы с цементным вяжущим

 

Существует целый ряд композиционных строительных материалов, где связующим компонентом являются не смолы, битумы или полимеры, а цемент. Именно такие материалы используют в несущих конструкциях. Второй же компонент, будь-то сталь, асбест, полимерное волокно или стекло, придаёт таким бетонах определённые нужные свойства.

 

Армоцемент

Это железобетон, но усилен он не арматурой, а тонкопроволочными сетками с ячейкой от 6х6 мм до 25х25 мм.  Сетки уложены густо и в несколько слоёв. Возможна комбинация сеток и арматуры. Армоцемент  имеет очень высокую предельную растяжимость. Это легко объяснить: общая площадь сцепления сетки и бетона намного больше, нежели арматуры и бетона.

Сам бетон ― песчаноцементный с мелкозернистой структурой. Толщина проволоки в сетке 0,7-1,2 мм. Армоцемент в конструкциях объёмно занимает в 3-4 раза меньше, чем в аналогичной ситуации обычный железобетон.  Этот материал прочен, вдобавок выдерживает 100 циклов замораживания-оттаивания, огнестоек. В домостроительстве плиты из этого материала применяют в качестве межкомнатных перекрытий, отделения санузла от остальной жилплощади. Мало этого, складчатые панели из армоцемента применяют даже в качестве межэтажных перекрытий.

Но воздействие агрессивных сред и даже просто влаги для него губительны, так как коррозийная стойкость материала не высока. Также желательно, чтобы армоцемент не подвергался ударным нагрузкам, так как происходит расцепление бетона с сеткой с последующим его выкрошиванием.

 

Сталефибробетон

Для производства этого стройматериала бетон заполняют стальными волокнами. Свойства получившегося  материала зависят от свойств металла и размера его волокон, от его процентного содержания в бетоне, от структуры бетона, от соотношения размеров длины волокна и поперечного сечения листа материала.

Прочность материала наиболее часто связывают с прочностью на растяжение. В сталефибробетоне эта прочность зависит от прочности сцепления бетона с волокнами фибры. По мнению специалистов, прочность осевого растяжения (которое измеряется до появления первой трещины) вырастает по сравнению с исходным бетоном примерно в 5 раз.

Трещиностойкость благодаря такому армированию увеличивается примерно в 20 раз, долговечность, зависящая от морозостойкости, примерно в 7 раз.

Огнестойкость сталефибробетона выше всяких похвал. С фиброй даже из низкоуглеродистой стали его прочность не снижается примерно до 500°С, если же фибра из нержавейки, то до 1590°С.

Показатели сопротивления истираемости по сравнению с первоначальным бетоном выше в 2 раза.

 

Асбоцемент

 

Этот стройматериал получают, смешивая асбест, воду и цемент. В результате получается очень прочный каменный материал. Это происходит по той причине, что асбест имеет волокнистую структуру, и при смешении с цементом он прочно сцепливается с раствором, армируя бетон. Асбеста при смешивании должно быть около 20% от массы бетона.

Пластичность волокон асбеста и ещё не схватившегося бетона дают возможность быстро формировать любые изделия в начале процесса. Когда асбоцемент застынет, он становится маловодопроницаемым, морозостойким и химически стойким и потому долговечным. Главный его недостаток ― хрупкость, от ударов он раскалывается.

На Западе асбест считают вредным. Но он существует в двух видах: хризотил и амфибол. Да, второй вреден, особенно для работающих с ним (добывающих и обрабатывающих его), так как у него период полураспада более века, и он накапливается в организме. Хризотил же безвреден, да и разлагается от соляной кислоты в организме очень быстро.

Главные асбоцементные изделия ― это волнистый или плоский шифер и трубы.

 

Фибропенобетон

 

Если при производстве пенобетона в него добавить 1-3% полипропиленового волокна, по-другому ― фибры, в результате получится фибропенобетон. При смешивании волокна равномерно расходятся по всей смеси и при схватывании бетона его армируют. Фибропенобетон хороший теплоизолятор, при этом пропускает пар ― это признаки материала, создающего и удерживающего в помещении нужный микроклимат. Есть ещё целый ряд достоинств:

  • - высокая ударная прочность из-за армирования волокнами;
  • - отсутствие деформаций, трещин, отслаиваний;
  • - морозостоек и не боится воздействия атмосферы и ультрафиолета;
  • - не горюч, экологически чист и долговечен;
  • - его не берут гниль, грибок, насекомые и грызуны.

 

Стеклоцемент

Это композиционный материал, связующим веществом в котором является цемент, а главным компонентом основы ― стекло в виде либо волокон, либо сеток, либо ткани. Часто используется стеклоцемент текстолитовый. В его основе либо стеклоткань, либо прошитые волокна, которые пропитываются водоцементной или же водополимерцементной суспензией. Это водонепроницаемый и негорючий материал,  чаще всего рулонный.

Цементные вяжущие, армированные стекловолокном, предпочтительнее применять в несущих конструкциях небольшой толщины: гофрированных и коробчатых панелях, оболочках, резервуарах и т.д. Тогда при равных с железобетоном несущих возможностях стоимость стеклоцементных в два-три раза ниже, а масса в 5-6 раз меньше.

 

Применение лёгких и прочных материалов из стеклоцемента и фибробетона обусловили их применение в туннельном и шахтном строительстве, в многослойных стеновых перегородках, для подводного строительства, для устройства силосохранилищ, нефтехранилищ, вентиляционных коробов и воздуховодов, водоотводных лотков и т.д.

Еще о композиционных материалах:

 - Декоративные бумажно-слоистые пластики

 - Текстолит

 - Стройматериалы из пластика

 - Металлопластик

 - Гетинакс

 - Древесные слоистые пластики (ДСП)

 - Блоки из опилок и цемента

загрузка...

www.megastroika.biz

Волокнистые добавки для бетона

Бетоны в простейшем виде - это затвердевшие рационально составленные смеси из цемента, песка, щебня и воды. Железобетон - это бетон, армированный стальными прутьями. Сложился и целый мир химических добавок в бетонные смеси, изменяющих свойства последних.

По мере возрастания объемов использования бетона один за другим вскрылись его недостатки. Один из первых заключался в том, что для приготовления подвижной, удобной в применении бетонной смеси воды надо добавлять значительно больше, чем необходимо для гидратации цемента, то есть химического взаимодействия с ним. Не связавшаяся с цементом вода испаряется из бетона, оставляя поры, из-за чего бетон становится не монолитным, а капиллярно-пористым телом, менее прочным, чем он мог бы быть. Другой недостаток бетонов заключается в том, что цементные смеси для них нельзя приготавливать и использовать при отрицательных температурах, потому что замерзает вода.

Были обнаружены у бетона и другие недостатки, но почти каждый из них удавалось устранять добавлением к цементной смеси какого-либо химического вещества. Так сложился мир химических добавок в цементные смеси, насчитывающий сегодня в нашей стране не менее 50 представителей, а за рубежом - и того более.

Самые интересные из добавок, которые можно считать инновационными, - различные волокна: в настоящее время их начали вводить в цементные смеси ради армирования образующихся из них бетонных изделий.

 

Зачем бетону волокна?

 

Зачем понадобились эти волокна в бетонных изделиях?

Всем известно, что бетоны на основе портландцемента, армированные прутковой стальной арматурой, превращаются в железобетон. Но прутковая арматура, повышая прочность железобетонных изделий на растяжение, мало влияет на сопротивление изгибу и трещиностойкость.

Наряду с этим введение арматуры в цементные смеси - так называемые арматурные работы, то есть изготовление из прутков сеток, каркасов, установка их в проектное положение, закрепление, - требует значительных трудовых затрат.

Для устранения этих изъянов традиционного армирования прутковой арматурой еще в 1909 г. российским ученым В.П. Некрасовым было предложено армировать бетон стальными волокнами (второе их название - фибра) и даже был получен первый в мире патент. Фибра равномерно распределяется по всему объему бетонной смеси, что обеспечивает равную прочность всех элементов бетонного изделия. Следствием этого является повышение и прочности на изгиб, и трещиностойкости.

Однако данный патент, как и многие другие российские изобретения, не был замечен, и долгое время армирование стальной фиброй не использовалось.

Лишь через 50 лет, в начале 60-х гг. прошлого века, в Японии независимо от российского патента появилась идея армировать бетон стальной фиброй и было придумано название материала - фибробетон.

Почувствовав колоссальные преимущества такого бетона перед обычным железобетоном, японцы в 1960 г. в рамках Японской ассоциации по цементу учредили Комитет по изучению фибробетона, задачами которого являлись исследование его свойств, подготовка руководящих материалов по его изготовлению и применению.

Такое внимание к этому материалу в Японии было проявлено потому, что уже первые исследования показали: здания, каркас которых возведен из фибробетона, более устойчивы к сейсмическим воздействиям, чем аналогичные здания, построенные из традиционного железобетона. Дополнительно были установлены повышение сопротивления прогибу, снижение водопроницаемости.

А с 1973 г. в Японии началось промышленное производство стальных волокон и, можно сказать, массовое строительство с их использованием не только сейсмостойких зданий, но и других сооружений.

Так, в 1980 г. Японская ассоциация по тоннелестроению опубликовала "Руководство по проектированию и изготовлению сталефибробетона, предназначаемого для отделки тоннелей, для конструкций дорожной одежды и плотин".

Японское общество инженеров гражданского строительства издало "Руководство по подбору состава и приготовлению сталефибробетона".

Все это привело к тому, что в настоящее время в Японии в строительстве используется преимущественно сталефибробетон, а не обычный железобетон.

В больших объемах сталефибробетон стал использоваться в Австралии, Великобритании, Германии, США, Франции. Опыт этих стран также убедительно доказал технико-экономические преимущества применения сталефибробетона в строительстве дорог, тоннелей, морских нефтедобывающих платформ, плотин, устройстве промышленных полов.

Для обеспечения потребностей в сталефибробетоне за рубежом производится около 400 тыс. т строительной фибры.

 

Приключения фибробетона на родине

 

Какова ситуация со сталефибробетоном в нашей стране?

Как известно, пророков в своем отечестве, особенно в России, не бывает. Даже специалисты по железобетону, если что-то и слышали о патенте В.П. Некрасова, о массовом применении сталефибробетона за рубежом, тем не менее никаких усилий по его внедрению в отечестве не предпринимали.

Инициативу проявило руководство ЗАО "Курганстальмост" - предприятие, производившее стальные конструкции для мостов. Побывав в Германии, оно узнало о сталефибробетоне и решило наладить производство фибры для экспорта в эту страну, где спрос на нее был очень высок.

И лишь через некоторое время фибру начали приобретать и российские строители. Чтобы поспособствовать этому, на заводе проводилась исследовательская работа по влиянию фибры на бетон, разрабатывались необходимые для ее использования документы. Так, совместно с Научно-исследовательским, проектно-конструкторским и технологическим институтом бетона и железобетона (НИИЖБ) (г. Москва) были разработаны "Руководящие технические материалы (РТМ 17-01)", содержащие рекомендации по проектированию, изготовлению и применению конструкций из сталефибробетона на основе фрезерованной фибры.

НИИЖБ разработан также Свод правил по проектированию сталефибробетонных конструкций (СП 52-104-2006. Сталефибробетонные конструкции).

Проделанная работа дала неплохие результаты. Курганскую фибру уже применяют в Москве, Санкт-Петербурге, Екатеринбурге, Перми, Тюмени, Уфе, и "география" постоянно расширяется.

Перспективно использование стальной фибры в цементных смесях, предназначенных для ремонта разрушающихся железобетонных изделий. Для этой цели особенно рекомендуется жесткая стальная фибра, получившая название "Эмако Фаст Файбер".

Цементная смесь с такой фиброй позволяет ремонтировать железобетонные конструкции, подверженные ударным воздействиям или высоким динамическим нагрузкам.

Также ее рекомендовано использовать в случаях, когда возникает необходимость усиления железобетонных конструкций без установки дополнительной арматуры.

 

Разновидности фибры

 

Фибру в настоящее время изготавливают разными способами, например рубкой стальной проволоки соответствующего диаметра, резкой стального листа. Последним способом фибру изготавливает ЗАО "Фибробетон" (г. Москва).

Но, по-видимому, наиболее эффективной является фибра фрезерованная, которую изготавливают путем фрезерования стальных заготовок - слябов.

Благодаря высокой температуре в металле во время фрезерования фибра приобретает характерный синеватый оттенок - окисный слой, препятствующий возникновению и развитию коррозии во время хранения на складе и эксплуатации внутри бетона.

Этот вид фибры дешевле других. Еще одним преимуществом является то, что она не образует комков, называемых фигурально "ежами". Так что ее введение в цементные смеси не вызывает затруднений.

Базальтовые волокна

 

Вторым видом волокон, которые уже сравнительно широко используются в качестве арматуры в бетонах на основе портландцемента, являются волокна, а точнее, базальтовые нити. Волокна получают, протягивая через фильеры расплавленный базальт - вулканическую изверженную горную породу, встречающуюся в ряде регионов России. А нить - это несколько волокон, спряденных вместе.

Чтобы не было путаницы, вместо термина "волокно" рекомендовано употреблять термин "элементарное волокно".

Эти волокна получают обычно диаметром около 10 мкм. Прочность волокон на растяжение достигает 100 МПа, модуль упругости 9000 - 11 000 кг/кв. мм, то есть они прочнее той стали, которая используется для изготовления прутковой арматуры.

НИИЖБ, в котором базальтовые волокна изучаются уже несколько лет, рекомендует использовать их для дисперсного армирования тонкостенных конструкций, монолитных полов, несъемной опалубки, ремонта автомобильных бетонных дорог, поврежденных железобетонных конструкций, особенно если повреждения вызваны химической агрессией.

Базальтовые нити применяются в качестве арматуры и в виде базальтовых армированных сеток, которые вырабатываются ажурным перевивочным переплетением из крученых базальтовых комплексных нитей.

Такие сетки в России производит ООО "Конверс Металлодизайн" (г. Москва). Размеры ячейки - 6x5 и 25x25 мм.

Сетка с ячейкой 5x6 мм предназначается для армирования штукатурки, чтобы предотвращать возникновение трещин, разрушений от ударов, для обустройства наливных полов.

Сетки с ячейкой 25x25 мм производит и АО "Судогодское стекловолокно" (г. Судогда, Владимирская область). Предназначаются они для армирования асфальтобетонных покрытий при строительстве и ремонте автомобильных дорог, бетонных взлетно-посадочных полос аэродромов, бетонных дорог, крупногабаритных бетонных сооружений, кладочных растворов при возведении кирпичных стен.

Из базальтовых волокон изготавливают еще базальтовые ткани, предназначаемые для армирования кровельных, гидроизоляционных и теплоизоляционных материалов.

Уникальные волокна под названием "Микрофибра базальтовая с астраленами" изготавливают в г. Санкт-Петербурге. Они представляют собой базальтовые волокна, на которые нанизаны углеродные наночастицы - астралены, аналоги знаменитых ныне фуллеренов, графенов - нанообъектов, за которые были присуждены Нобелевские премии.

Волокна нанофибры обеспечивают армирование бетона, а астралены - повышение прочности.

В заключение отметим, что ныне из базальтовых волокон изготавливают и прутковую арматуру, с успехом заменяющую прутковую стальную арматуру.

Пожалуй, наибольшее количество базальтовых волокон используется для производства теплоизоляционных материалов, например импортных PAROC, ISOROC, ROCKWOOL, WIRED MAT, URSA, российских ИЗОТЕК ЛАЙТ, ИЗОТЕК УЛЬТРА, ППЖ-ГС-200 и др.

 

Молодые да ранние

 

Есть еще один вид волокон, предназначенных для армирования бетона. Они самые "молодые", то есть начали использоваться позднее всех вышеописанных. Возможно, они станут и наиболее широко применяемыми.

Это волокна, получаемые из синтетических полимеров - полиэтилена, полипропилена, полиамидов, полиэфиров, поливинилового спирта. По совокупности свойств или используя часто употребляемый ныне слоган - "по соотношению цена - качество" наиболее выгодными сегодня являются полипропиленовые волокна. Пока они применяются в небольших объемах.

Однако волокна, изготовленные только из полипропилена, сами по себе арматурой быть не могут: не "тянут" по модулю упругости. Он равен лишь 1/4 модуля упругости цементной матрицы. Следовательно, матрица не в состоянии передать статические усилия на волокна. Поэтому-то полипропиленовые волокна и не могут выполнять роль эффективной несущей арматуры для бетонов. Они способны лишь предотвращать поверхностные повреждения и сколы, например, при транспортировке бетонных изделий.

Полипропиленовые волокна могут выполнять и необычную функцию: повышать стойкость бетонных конструкций к пожару. Как известно, под воздействием высокой температуры полипропилен превращается в газ, который выходит из бетона, оставляя в нем поры. Через эти поры из бетона выделяются пары воды, образующиеся в результате теплового воздействия. Если пор нет, то пары воды бетон разрушают.

Для такой цели полипропиленовые волокна используют в ненагруженных бетонных изделиях, например в штукатурках.

Второй причиной, из-за которой полипропиленовые волокна не могут выполнять функцию арматуры, является гидрофобность их поверхности.

Из-за этого волокно не проявляет адгезии к цементной матрице, не сцепляется с ней намертво, как стальная или базальтовая арматура.

Чтобы устранить данный недостаток, было предложено обрабатывать волокно аппретирующим агентом - веществом, молекулы которого прочно сорбируются на поверхности полипропилена и превращают ее в гидрофильную, то есть смачиваемую водой. За счет этого обеспечивается связь между волокном и цементной матрицей, а также на 10 - 15% повышается прочность бетонного изделия.

Такие волокна уже используются и в "серьезных" бетонных изделиях, например, для изготовления взлетно-посадочных полос на аэродромах.

Наряду с разработкой аппретирующих агентов в настоящее время проводятся поиски путей повышения модуля упругости органических волокон. И небезуспешно.

Одним из наиболее ярких достижений последнего времени является начало промышленного производства нового полимера - так называемого сверхвысокомолекулярного полиэтилена. Волокно из этого полимера прочнее стали (на растяжение) в 10 раз, полипропилена - в 15 раз. Его модуль упругости при растяжении - около 2500 Н/кв. мм, что намного выше, чем у бетона. Таким образом, это волокно может выполнять роль эффективной арматуры бетонов.

К сожалению, до широкого внедрения волокон из сверхвысокомолекулярного полиэтилена в строительство дело еще не дошло.

(Небезынтересно отметить, что из сверхвысокомолекулярного полиэтилена в настоящее время изготавливают искусственный лед в виде плит, на котором можно без всякого охлаждения кататься при любой температуре. А если возвратиться к строительству, то по таким плитам вследствие низкого коэффициента трения можно передвигать волоком тяжелые грузы. Листы из этого полимера, смонтированные в бункерах, предотвращают зависание сыпучих материалов: цемента, песка. Если им зафутеровать внутреннюю поверхность труб, то сопротивление движению сыпучих сред (песка, цемента, каменного угля) по ним снижается на 25% по сравнению со стальными, а износ полимера при этом в три раза ниже.)

Но нужно возвращаться в настоящее. Пока в строительстве используются лишь волокна с более низким модулем упругости, чем у бетона, как ничем не обработанные, так и аппретированные. И те и другие в России до последнего времени не производились.

И вот недавно российские ученые из холдинга "ИНСИ" (г. Челябинск) разработали полимерное волокно коаксиальной структуры, состоящее из высокомодульной центральной части и активной оболочки, вступающей в химическое взаимодействие с продуктами гидратации портландцемента. Такие волокна, получившие название "ВСМ", способны по-настоящему армировать бетон. К сожалению, в промышленных объемах они пока не производятся. Является коммерческой тайной и химическая сущность этих волокон.

Отметим, что полимерные волокна, но натуральные - льняные применялись на Руси для армирования известковых вяжущих (портландцемента еще не было) много веков назад.

Сейчас для всех видов вяжущих (и портландцемента, и извести, и гипса, а особенно для битума) начинают использоваться тоже натуральные волокна - целлюлозные.

В начале нашего века на Соломбальском целлюлозном комбинате (г. Архангельск) было освоено производство целлюлозы из древесины хвойных пород сульфатным способом. Качество целлюлозы соответствует самым строгим мировым стандартам. Это прежде всего высокие физико-химические показатели: разрывная длина волокон - 10 - 11 км, абсолютное сопротивление продавливанию - 5,3 - 5,6 кгс/кв. см.

Средневзвешенная длина волокон составляет 2,6 мм.

Это волокно предназначено для производства цементно-волокнистых плит, армирования битумов.

В заключение рассказа о волокнах в бетоне отметим, что в 2008 г. "За разработку теории, создание технологий и освоение массового производства эффективных строительных конструкций из фиброармированных бетонов" группе ученых и инженеров была присуждена премия Правительства РФ.

 

Что могут суперпластификаторы

 

Как и в традиционных бетонных смесях с прутковой арматурой, в фибробетонных смесях химические добавки, упомянутые в начале статьи, тоже не будут лишними. Более того, в фибробетоне они "срабатывают" с большим эффектом, особенно те из них, которые влияют на подвижность смесей. Среди таких добавок особенно эффективны так называемые суперпластификаторы, называемые еще суперводоредуцирующими добавками. Эти добавки позволяют при снижении количества воды затворения сохранить необходимую подвижность смеси.

В настоящее время в нашей стране используется несколько видов суперпластификаторов - как российского производства, так и импортных.

С нашей точки зрения, для сталефибробетона следует использовать суперпластификатор "Полипласт СП-1", производимый ООО "Полипласт Новомосковск".

Такая рекомендация основана на том, что "Полипласт СП-1", во-первых, удовлетворяет требованиям ГОСТ 24211-2003 "Добавки для бетонов и растворов. Общие технические условия" к добавкам такого назначения, а во-вторых, не нарушает пассивного состояния стальной арматуры в бетоне. А для стальной фибры это свойство еще значимее, чем для прутковой арматуры, потому что у нее значительно большая суммарная поверхность.

Близкими аналогами данного суперпластификатора являются "Полипласт СП-1Л", "Полипласт СП-4".

При изготовлении железобетонных изделий с большим модулем поверхности (то есть отношением площади поверхности к объему), например перекрытий, необходимо, чтобы вода не испарялась с открытой поверхности слишком быстро и не отсасывалась опалубкой, иначе ее может не хватить для полной гидратации цемента.

Для придания цементным смесям такой способности используются водоудерживающие добавки.

ООО "Полипласт-Новомосковск" разработало добавку, которая является и суперпластификатором, и "водоудержателем". Это "Полипласт СП-2ВУ".

Как уже отмечено, железобетонные работы нередко приходится проводить при отрицательных температурах. Для того чтобы это было возможным, необходимы добавки, понижающие температуру замерзания воды. В настоящее время наиболее употребляемыми добавками такого назначения являются формиат натрия (натриевая соль муравьиной кислоты) и ацетат натрия (натриевая соль уксусной кислоты). Обе добавки не только не нарушают пассивность стали в бетоне, но и являются ингибиторами коррозии.

Эти соли являются отходами, образующимися в некоторых химических синтезах.

ООО "Полипласт-Новомосковск" разработало серию добавок, которые и снижают температуру замерзания воды, и обладают пластифицирующими свойствами. Это "Криопласт СП 15-1", "Крио-пласт СП 15-2".

Железобетон, как и сталефибробетон и вообще фибробетон, отнюдь не является вечным материалом, как его иногда величают. Изделия из него выходят из строя под действием многих причин. Одна из наиболее разрушительных - замерзание и оттаивание воды, содержащейся в порах, других пустотах внутри бетонного изделия.

Чтобы повысить устойчивость бетона к действию этого фактора, разработаны добавки, которые вовлекают в цементную смесь воздух, причем в виде мельчайших пузырьков, которые остаются в затвердевшем бетоне. При наличии таких пузырьков кристаллы льда, образующегося при замерзании воды

в бетоне, врастают в эти пузырьки, и их разрушительное действие уже не столь заметно. Добавки такого действия получили название воздухововлекающих.

Одной из широко применяемых воздухововлекающих добавок является "СДО-Л" (Попутно отметим, что эта добавка позволяет вовлекать так много воздуха, что получается пенобетон.)

ООО "Полипласт Новомосковск" производит воздухововлекающие добавки под названиями "Аэропласт", "Полипласт Р", а ООО "Суперпласт" (г. Владимир) - "Мегалит С-3РВ".

Отметим, что пузырьки воздуха в цементных смесях действуют еще и подобно шарикам в шарикоподшипниках - повышают подвижность цементных смесей.

В последние годы в использовании бетона возникла проблема: резко возросла продолжительность доставки бетонной смеси от места ее изготовления - бетоносмесительного завода до места применения. Проблема порождена автомобильными пробками, увеличением расстояния, на которое приходится перевозить бетоны.

Чтобы, несмотря на все это, бетонная смесь не теряла необходимых свойств, понадобились добавки, названные замедлителями твердения. Другое название - добавки с эффектом повышенной сохраняемости подвижности цементных смесей.

Примерами таких добавок являются "Лигнопан Б-1", производимая ЗАО "Биотех" (г. Москва), "Линамикс-П120", "Линамикс СП-180", "Линамикс ПК", "Линамикс РС", изготавливаемые ООО "Полипласт-Новомосковск", "Мегалит С-3 РС", изготовителем которой является ООО "Суперпласт" (г. Владимир).

Эти добавки не только повышают сохраняемость подвижности бетонных смесей, но и являются эффективными пластификаторами, не нарушают пассивность стальной арматуры.

И в заключение отметим добавки, называемые ускорителями процесса твердения цементных смесей. Их ассортимент в настоящее время весьма обширен, поэтому отметим лишь те из них, которые наряду с ускоряющим действием оказывают другое положительное воздействие на цементные смеси и не вызывают нарушение пассивности стальной арматуры.

prom-nadzor.ru

Применение синтетического полимерного волокна для увеличения эффективности ремонтно-изоляционных работ

Традиционным методом при ликвидации зон поглощения является применение различных наполнителей, 6ыстросхватывающихся тампонажных материалов. Однако в большинстве случаев эту проблему удаётся решить только ценой неоправданных затрат, средств и времени.

В связи с этим разработана технология РИР с использованием цементоволокнистых материалов. Технология РИР с использованием цементоволокнистых материалов включает в себя использование цементного раствора, содержащего в себе волокнистый наполнитель. В качестве наполнителя используется волокно строительное микроармирующее (далее по тексту - волокно), которое позволяет увеличить эффективность мероприятий по герметизации нарушений, а также цементированию дополнительных колонн, хвостовиков и доподъему цемента за обсадной колонной при проведении работ в условиях поглощений.

Волокно представляет собой полимерные фибриллированные (высокоориентированные) фибры, изготовленные из термопластичных полимеров. Волокно имеет цилиндрическую форму. Общий вид и строение волокна представлены на рис. 1.

Цементные композиции с добавкой волокна отличаются специфическими свойствами: высокой подвижностью при закачивании в кольцевое пространство, высоким кольматирующим эффектом, при этом обеспечивается высокая трещинностойкость. Волокна в тампонажном камне, во-первых, уменьшают образование и распространение трещин усадки при твердении; во-вторых, они не позволяют образовываться и распространяться трещинам, обеспечивая перенос растягивающих напряжений через трещину, волокна, произвольно распределенные в цементном камне, перехватывают микротрещины во время их образования и сдерживают тенденцию их увеличения. Данный метод позволяет обеспечить повышение эксплуатационных показателей заколонного слоя, улучшая его физико-технические показатели и эффективность ремонтно-изоляционных работ.

Технологический процесс производства волокна предусматривает направленную физическую, химическую и композитную модификацию с целью придания механической прочности волокну [1] и химической реакционной активности поверхности (оболочке) волокна к продуктам гидратации цемента. Эта наиболее существенная составляющая волокна определяет функциональное действие направленной кристаллизации цементного камня. Модификация полимера производится различными видами органических и неорганических соединений. Это придаёт поверхности волокна свойства, необходимые для равномерного диспергирования волокон в объёме цементного раствора и химического и механического взаимодействия волокна с дисперсными частицами новообразований, формирующихся при гидратации цемента.

Разработанный технологический процесс производства волокна обеспечивает наиболее плотную наполняемость поверхности и концентрацию молекулярных кластеров в привитом слое. Органические модификаторы оболочки содержат активные функциональные группы, имеющие гидрофильную «головку» (одну или несколько полярных групп типа гидро-, карбокси- и амино групп -ОН, -СООН, -Nh3, -S03H, -0S03H, -СООН и т.д.), способные реагировать с клинкерными минералами и продуктами их гидратации, и гидрофобный якорный «хвост», встроенный в основную углеводородную цепь. Вводимые органические и минеральные вещества в расплав полимера оболочки изменяют состав его функциональных групп, образуют дополнительные боковые цепи и сшивки, изменения полярности и фазового состава поверхности. Располагаясь на поверхностях волокна в инициированном состоянии, затравки направленно воздействуют на процесс гидратации, формируя фибриллярные структуры и сростки кристаллогидратов вдоль волокна (рис. 2).

Эти межфазные системы составляют основу образующихся контактных зон, повышают концентрацию кристаллогидратов вблизи поверхности раздела фаз (волокно-цементный камень), что обеспечивает прочное сцепление волокна в цементных системах [2].

Важной частью проблемы создания новых цементных композиционных материалов является получение информации о межфазном физико-химическом взаимодействии цементной матрицы с поверхностью волоконного наполнителя, а также вопрос о влиянии этого взаимодействия на механические характеристики цементных композиционных материалов в целом. Интегральная прочность цементного композита в присутствии волокна определяется рядом факторов, где существенное значение приобретает величина адгезии матрицы к поверхности волокна и величина когезии межфазного слоя новообразований. При достаточно высокой концентрации и удельной поверхности волокон и также при соответствующей толщине и соответствующем минералогическом составе этого слоя начинает играть роль третья фазовая составляющая со своей зависимостью напряженно-деформационных характеристик. Теория межфазных явлений в цементных системах может рассматриваться как совокупность трех основных частей - адсорбции продуктов гидратации на поверхностях, адгезии новообразований к этим поверхностям и минералогического состава и свойств межфазного слоя на границе раздела цементная матрица - волокно. Параметры структурно дисперсного распределения волокна в объеме цементной матрицы определены в зависимости от концентрации волокна в объеме и геометрическими параметрами самих волокон [3]. Так как волокна, являющиеся носителя ми активных центров, имеют протяженную структуру и распределены в объеме цемента равномерно, то при оптимальной дозировке обеспечивают многоуровневую компоновку структуры, запуская механизм самоармирования.

Сущность применения технологии РИР с использованием цементоволокнистых материалов заключается в том, что тампонажный раствор с волокном образует подвижную смесь, которая способна проникать в поры и трещины пласта под избыточным давлением. В то же время фиброцементный раствор не растекается в порах и трещинах, создавая в устье полостей прочный тампон, что обеспечивает экономное расходование тампонажного раствора и сокращение потерь на поглощение пористыми пластами тампонажного раствора на 25-35%. При закачке в пористую среду волокно не оказывает существенного влияния на давление закачки. Волокна ориентированы вдоль закачиваемого потока и практически не оказывают сопротивления при закачке, в то время как при резкой смене направления движения потока волокна оказывают значительное сопротивление (до 10 МПа) в течение времени (обычно до 10 с), необходимого для переориентации волокон, что и обуславливает тампонирование крупных каналов, трещин и пор. Это также наглядно иллюстрируется истечением фиброцементного раствора через крупную металлическую сетку с размером ячейки 1,5x1,5 мм (рис. 3).

Как видно из рис. 3, цементный раствор свободно протекает через сетку, а фиброцементный раствор задерживается на сетке, причём не за счёт механического забивания волокнами ячеек сетки, а за счёт структурной прочности фиброцементного раствора вследствие армирования цементного раствора волокном. В конечном счёте закупоривающая способность раствора с волокном в 3,5 раза выше, чем без волокна.

Для оценки физико-механических характеристик фиброцементного раствора в лабораторных условиях по стандартной методике согласно ГОСТ 26798.1-96 при температуре 20 ±2 °С и атмосферном давлении были определены прочностные свойства балочек из цементного камня модифицированным волокном длиной 6, 12, 18 мм диаметром 22-35 мкм. Результаты испытаний представлены в табл. 1.

Таблица 1. Физико-механические характеристики цементного раствора с добавкой волокна. Видыкомпо-нентовв рас-твореКоли-чествокомпо-нентов, кгРас-текае-мость, ммВодо-отда-ча,млза 30минПлот-ность,кг/м3Услов-наявяз-кость,сВремяотверждения,ч/минМеханическая прочность образцовпри хранении в пресной воде, МПаначало ч/минконец ч/мин2 сут7 сут28 сутизгибсжатиеизгибсжатиеизгибсжатие
ЦементВода1,20,6230177,351840606/508/304,0310,964,517,04,7721,33
ЦементВодаBCM-II-61,20,60,006225170,371840716/08/504,2411,064,7718,154,8823,66
ЦементВодаBCM-II-121,20,60,006220151,4418451195/508/254,5111,494,9418,635,4324,26
ЦементВодаBCM-II-181,20,60,006220141,981860-6/208/404,7812,775,119,985,6825,08

Данные, полученные в результате исследований, позволяют констатировать, что тампонажный камень, полученный при добавлении в цементный раствор волокна, характеризуется повышенной на 15-20% прочностью при изгибе и сжатии по сравнению с тампонажным камнем из раствора без волокна. Раствор, модифицированный волокном, характеризуется стабильной однородностью, обладает высокой седиментационной устойчивостью и пониженной водоотдачей.

Таблица 2. Результаты ремонтно-изоляционных работ, проведённых с использованием цементного раствора с добавкой волокна. № п.п.Номер скв., НГДУДата РИРЦель ремонтаКраткое описание работРезультат1234561234567
10268 Джалиль-нефть27.01.2012цементирование доп. колонныВ скважину была спущена доп. колонна диаметром 120 мм, которая перекрывала несколько нарушений целостности э/к с диаметром 168 мм (стенка 8 мм), чтобы предотвратить уход цемента в нарушения приготовили 5,5 м3 цементного раствора из 7 т цемента с добавкой волокна BCM-II-12 длиной 12 мм из расчёта 1 кг на 1 т цемента. После закачивания 1,5 м3 цементного раствора получили «СТОП», предположительно из-за того, что структурированный фиброцементный раствор ввиду переориентации потока не преодолел проходные отверстия обратного клапана, установленного внизу дополнительной колонны.Отрицательный
815 Альметьев-нефть31.03.2012герметизация нарушенияНарушение в кондукторе было на глубине 36-39 м. Было проведено 4 безуспешных цементажа. Удельная приёмистость до РИР оставляла 3,75 м3/(ч-МПа). Закачали раствор из 7,5 т цемента и 15 кг волокна длиной 12-18 мм. После закачки 4 м3 цементного раствора получили «СТОП». После 03Ц падение давления при опрессовке с 4 до 1 МПа за 30 минут. В дальнейшем тампонажные работы в интервале 36-39 м не проводились и работы признаны успешными.Положительный
815 Альметьев-нефть7-8. 04.2012герметизация нарушенияНарушение в кондукторе было на глубине 56-57 м. Был проведён безуспешный цементаж, после которого удельная приёмистость составляла 20 м3/(Ч'МПа). Закачали раствор из 7,5 т цемента и 15 кг волокна длиной 12-18 мм. После 03Ц падение давления при опрессовке с 4 до 0,8 МПа за 30 мин. Исследовали скважину Т, АКЦ, ГГК в интервале 5-87 м, влияние цементной заливки отмечалось во всем интервале исследования, заколонные перетоки данным исследованием не выявлены. В дальнейшем тампонажные работы в интервале 56-57 м не проводились и работы признаны успешными.Положительный
1412 Елховнефть03.2012герметизация нарушенияНарушение в э/к диаметром 146 мм было в интервале 245-250 м. Нарушение принимало при 0 МПа. Закачали цементный раствор из 15 т цемента с добавкой 15 кг волокна BCM-II-18 длиной 18 мм. После РИР приёмистость снизилась в 6,5 раз.Положительный
1608 Елховнефть03.2012герметизация нарушенияНарушение в э/к диаметром 146 мм было в интервале 1195,4-1196,5 м. Уделыая приёмистость нарушения составляла 7,5 м3/(ч-МПа). Закачали цементный раствор из 8 т цемента с добавкой 8 кг волокна ВСМ—11-12 длиной 12 мм. После РИР колонна герметична.Положительный
18861 Лениногорск нефть13.04.2012герметизация нарушенияНарушение в э/к диаметром 146 мм было в интервале 397-399 м. Удельная приёмистость нарушения составляла 3,1 м3/(ч-МПа). Закачали цементный раствор из 7 т цемента с добавкой 7 кг волокна BCM-II-12 длиной 12 мм. В результате удельная приёмистость с 3,1 снизилась до 0,7. Повторно провели закачку 0,3 м3 цементного раствора и получили «СТОП», колонна герметична.Положительный
2541 Бавлынефть27.04.12герметизация нарушенияНарушение в э/к диаметром 146 мм было в интервале 88,8-95,6 м, ранее его пытались герметизировать закачкой жидкого стекла и хлористого кальция с закреплением цементом, в одо на бухающего полимера, результат не был получен. Удельная приёмистость до РИР составляла 18 м3/(ч-МПа). В нарушение был закачан цементный раствор из 7,5 т цемента с добавлением 8 кг волокна BCM-II-12 длиной 12 мм. После закачивания всего цементного раствора в скважину получили «СТОП». После опрессовки э/к падение давления с 5 до 0 МПа за 2 мин, приёмистость снизилась в 18 раз.Положительный

В процессе испытаний было проведено 7 мероприятий с применением технологии в 6 скважинах ОАО «Татнефть». Технологию использовали в основном для герметизации нарушений с большой приёмистостью. Результаты промысловых испытаний приведены в табл. 2. Успешность работ составила 85 %. Причём в среднем на скважину было израсходовано около 8 т цемента, что примерно в два раза меньше по сравнению со штатными технологиями ликвидации зон поглощений. В скважине № 10268 НГДУ «Джалильнефть» работы по цементированию дополнительной колонны были признаны безуспешными предположительно из-за того, что структурированный фиброцементный раствор ввиду переориентации потока не преодолел проходные отверстия обратного клапана, установленного внизу дополнительной колонны, что обусловлено использованием в цементном растворе волокна с большой длиной BCM-II-12.

Исходя из результатов промысловых испытаний, следует, что при проведении работ при поглощениях длину волокна следует подбирать в зависимости от величины поглощения:

  • при удельной приёмистости 3-5 м3/(ч-МПа) используют волокно марки BCM-II-6, длина волокон которой составляет б мм;
  • при удельной приёмистости 5-8 м3/(ч-МПа) используют волокно марки BCM-II-12, длина волокон которой составляет 12 мм;
  • при удельной приёмистости > 8 м3/(ч-МПа) используют волокно марки BCM-II-18, длина волокон которой составляет 18 мм.

В случае использования пакеров с малым диаметром проходного сечения и цементирования летучек работы необходимо проводить с волокном марки BCM-II-3, длина волокон которой составляет 3 мм.

Таким образом, проведённые исследования по отработке технологии по использованию тампонажного цементного раствора с добавлением волокна показали перспективность данной технологии, успешность которой составила 85%.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Перепелкин К.Е. Армирующие волокна и волокнистые полимерные композиты: СПб.: Научные основы и технологии, 2009. - 379 с.
  2. Добавки в бетон: Справочное пособие / B.C. Рамачандран, Р.Ф. Фельдман, М. Коллепарди и др.; под ред. B.C. Рамачандрана. - М.: Стройиздат, 1988. - 575 с.
  3. Рабинович Ф.Н. Композиты на основе дисперсно-армированных бетонов.- М.: Ассоциация строительных вузов, 2004. - 560 с.

www.volokno.su

Способ изготовления изделий на цементном вяжущем, пучки синтетических волокон, цементный продукт

 

Пучки синтетических волокон предназначены для использования в бетоне, растворе и цементе, пучки включают около 10-10000 элементарных волокон на пучок, элементарные волокна в основном состоят из полиолефина, такого как полипропилен или полиэтилен, производство полиолефина, сложного полиэфира, полиамида или их смесей и имеют длину около 1 до около 30 мм, средний поперечный размер от около 5 до около 50 мкм и отношение длина/диаметр от около 10 до около 1000, отдельные элементарные волокна имеют поверхностное натяжение, которое допускает образование гомогенной дисперсии элементарных волокон в бетоне растворе или пасте обычным смешением при помощи обычного смешивающего оборудования; бетоны на основе цемента, растворы и пасты включают пучки волокон, и способ получения пучков волокон и материалов на основе цемента. 3 с. и 22 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение касается способов получения пучков волокон и материалов на основе цемента.

В течение длительного времени известно и практикуется использование различных типов волокон для придания бетона дополнительной прочности при растяжении и для усиления против ударных повреждений и распространения трещин. Также известно, что обычная арматура и грубые волокна могут уменьшить большее видимое растрескивание, которое происходит в бетоне, но только очень тонкие волокна реально могут снижать развитие более мелких трещин. Однако волокна, которые обычно используются в бетоне, например синтетические волокна из материалов, таких как полипропилен, являются относительно грубыми, что связано при использовании обычной технологии и обычного оборудования смешения с трудностью достижения удовлетворительного диспергирования в бетоне очень тонких волокон, и в особенности волокон с большим отношением длина/диаметр. Фактически также трудно получить однородную дисперсию даже относительно грубых волокон в бетоне. В общем, такие волокна получают в виде отдельных волокнистых лент, которые в процессе интенсивного перемешивания разрушаются на отдельные элементарные волокна, которые диспергируются в бетоне оставаясь по-прежнему относительно грубыми. Эта система не всегда является приемлемой и не всегда происходит разрушение волокнистой ленты на отдельные элементарные волокна, на практике обычно не достигается требуемой для этого интенсивности перемешивания. Даже при эффективном разделении волокна по-прежнему являются достаточно грубыми, чтобы достичь максимальной эффективности в качестве ингибиторов растрескивания, в особенности против микрорастрескивания.

Бетон имеет склонность к самовозникающему растрескиванию, и так как бетон является хрупким материалом, то при относительно низких напряжениях происходит легкое распространение трещин. Распространение прогрессивного растрескивания приводит к падению прочности бетона, причем падение более быстрое, чем можно было ожидать исходя из прочностных характеристик бетона.

Обычно предполагается, что расхождение между реальной и теоретической прочностями бетона может быть объяснено присутствием разрывов. При этом бетон не растрескивается, как это происходит при напряжении, а скорее при напряжении он слабеет из-за того, что уже содержит трещины. Эти трещины и разрывы отличаются размерами, так что шкала является очень важной при определении механизмов разлома, при этом реальная прочность является величиной статистической вероятности, которая зависит от распределения трещин в материале. Поэтому ингибированием появления и распространения трещин можно увеличить эффективную прочность бетона и предотвратить разрушению, т. е. образование крупномасштабных трещин и разломов. Самовозникающие неструктурные трещины возникают в больших массах свежесмешанного бетона, что связано с легкостью образования узких трещин, и при напряжениях, возникающих в процессе изменения размеров таких относительно больших структур, происходит соответствующее распространение трещин. Бетонные блоки для мощения обычно имеют размеры около 3 м на 10 м и толщиной 200 мм; узкие трещины в таком бетоне могут легко распространяться с получением слабой связи, которая последовательно приводит к разлому. Ясно видимое растрескивание часто является единственной формой растрескивания, которое определяется как важное, но это является следствием развития мелких и поэтому невидимых трещин.

ЕР-А-О 235 577 представляет агломераты волокон, имеющих улучшенную диспергируемость в вязких органических и неорганических матрицах, т. е. в матрицах на основе цемента, и включающих акрильные штапельные волокна, причем каждое волокно имеет диаметр менее чем 50 мкм и длину более чем 3 мм, волокна соединены друг с другом при помощи когезионно-сшивающего агента, который растворяется, набухает или плавится в армируемой волокном матрице. Когезионно-сшивающий агент, т. е. поливиниловый спирт, вводится в количестве 1 30 по массе волокон. Предпочтительно волокна имеют высокие модули упругости.

ЕР-А-0 225 404 представляет способ получения армированных волокон формованных цементных тел, который включает диспергирование полос, имеющих большое количество волокон, в неотвержденный цементный материал и после этого твердения материала, причем по крайней мере из полос импрегнируется в связующее таким образом, чтобы ослабла связь между отдельными волокнами в ленте, и таким образом, чтобы когда полоса диспергируется в цементном материале, волокна освобождались друг от друга. Связующее, т. е. эпоксидная смола, используется в таком количестве, чтобы отношение полос к связующем находилось от 5 5 до 9 1 по объему. Ранее известные применения волокон в бетоне были направлены на сочетание с обычной арматурой, при этом волокна с высокими модулями упругости использовались для улучшения показателей прочности при растяжении. Хотя это возможно в случае материалов с высоким содержанием цемента, но мало эффективно в случае обычных бетонов, даже при использовании стальных волокон, имеющих прекрасные механические характеристики. Это может быть связано со следующим: а/. Объем требуемых волокон может быть настолько большим, что делает невозможным размещение волокон в цементной фазе бетона.

в/. Преимущества введения волокон могут проявляться только после разрушения матрицы и в этом случае могут быть описаны как прогрессивное разрушение, а не как удобная прочность.

с/. Стоимость и сложность в использовании не всегда оправдывает применение.

d/. Пространственная ориентация волокон при предварительном смещении и использовании волокон в самом материале часто оказываются недостаточными для армирования.

Становится все более очевидным, что наиболее важная цель волокон заключается в улучшении характеристик самого бетона, а не в независимом действии как арматура. Однако усиление легко измерить, и хотя другие преимущества, т. е. упрочнение самого бетона, могут быть отмечены как значительные, трудность измерения и количественного определения их могут являться фактором, снижающим оценку этих применений волокна в бетоне.

Сейчас найдено, что возможно использовать очень незначительные количества очень тонких синтетических волокон, например, полипропиленовых волокон, для улучшения характеристик и функциональности бетона и растворов, в особенности для предотвращения развития растрескивания, вызванного изменениями размеров, происходящими внутри бетона, и для достижения контроля этого растрескивания на микроуровне, до того как растрескивание разовьется до трещин видимого размера. Волокна при этом служат для улучшения внутренней прочности бетона, в особенности для предотвращения развития самовозникающего растрескивания выше микроуровня, так же, как и для предотвращения распространения растрескивания, и вместе с тем для обеспечения отдельного независимого армирования. Волокна вводятся в бетон или раствор в форме пучков волокна, которые, как было объяснено ниже, допускают получение требуемой гомогенности распределения коротких волокон в материале.

Поэтому один аспект данного изобретения относится к пучкам синтетических волокон, предназначенных для использования в бетоне, растворе или цементе, причем пучки включают 10 10000 элементарных волокон на пучок, элементарные волокна в основном состоят из полиолефина, такого как полипропилен или полиэтилен, производные полиолефина, сложного полиспирта или их смесей и имеют длину 1 до 30 мм, средний поперечный размер 5 30 мкм и отношение длина/диаметр 100 1000, элементарные волокна в каждом пучке соединены друг с другом при помощи смачивающего агента, причем смачивающий агент обеспечивает каждому элементарному волокну поверхностное натяжение, которое способствует гомогенному распределению волокон в бетоне, растворе или пасте при использовании обычного смешения в обычном оборудовании смешения бетонных смесей.

Другой аспект изобретения относится к материалам на основе цемента, включающим небольшие количества вышеназванных волококон, поэтому этот аспект относится к бетону на основе цемента, раствору или пасте, имеющим в основном гомогенно распределенные синтетические волокна, включающие полиолефин, такой как полипропилен или полиэтилен, производные полиолефина, сложный полиэфир или их смесь и имеющие длину 1 30 мм, средний поперечный размер 5 30 мкм и отношение длина/диаметр 100 1000, причем поверхность волокон включает смачивающий агент и причем волокна присутствуют в количестве менее 1 по массе цементного материала бетона, раствора или пасты. Использование далее выражения "материал изобретения" относится к таким материалам.

В дальнейшем аспекте изобретение относится к способу получения вышеназванных материалов на основе цемента, причем способ включает: введение в бетон, раствор или в цементную смесь, к которым вода добавлена, в количестве менее, чем 1 по массе цементного материала, пучков синтетических волокон, включающих 10 10000 элементарных волокон на пучок, причем элементарные волокна включают полиолефин, такой как полипропилен или полиэтилен, производные полиолефина, сложный полиэфир или смесь их, причем волокно имеет длину 1 30 мм, средний поперечный размер 5 30 мм и отношение длина/диаметр 100 1000, элементарные волокна в каждом пучке связаны друг с другом при помощи смачивающего агента, причем смачивающий агент обеспечивает каждому элементарному волокну поверхностное натяжение, которое допускает получение в основном гомогенного распределения волокон в смеси при помощи использования обычного смешения в обычном оборудовании смешения - перемешивание полученной смеси в течение периода времени по крайней мере 20 с до получения смеси бетона, раствора или пасты, в которых отдельные элементарные волокна в основном гомогенно распределены; отлив смеси бетона, раствора или пасты для придания требуемой конфигурации, произвольно с введением в процессе отлива дополнительных тел, таких как арматура.

Изобретение относится также к получению пучков синтетического волокна для использования их в бетоне, растворе или цементе, причем пучки включают 10 1000 элементарных волокон на пучок, элементарные волокна в основном состоят из полиолефина, сложного полиэфира или смеси их, причем способ включает: плавление исходного материала для получения волокон до получения расплава; прядение расплава в штапельные пучки элементарных волокон, упрочнение пучков элементарных волокон; сушку и фиксацию пучков элементарных волокон, так что бы упрочненное волокно после фиксации имело средний поперечный размер 5 30 мкм; обработку пучков элементарных волокон смачивающим агентом таким образом, чтобы элементарные волокна в каждом пучке были связаны друг с другом и таким образом чтобы элементарные волокна имели поверхностное натяжение, которое допускало получение в основном гомогенного распределения волокон в бетоне, растворе или пасте при использовании обычного смешения обычным оборудованием получения смесей бетона; резку пучков элементарных волокон на длину 1 30 мм таким образом, чтобы отдельные элементарные волокна имели отношение длина/диаметр 100 1000.

Сейчас найдено, что из-за того, что они первоначально присутствуют в форме пучков волокна, очень тонкие волокна, описанные выше (далее обозначенные, как "волокна изобретения"), имеют способность эффективно диспергироваться во всех типах бетона, растворов или цементов при использовании всех типов существующих обычных смесителей, включая вращающиеся барабаны автомобилей для перевозки и приготовления бетона. Из-за способности хорошо диспергироваться, даже при очень низких скоростях введения, волокна изобретения могут дать много преимуществ в характеристиках и функциональности бетона и других материалов на основе цемента. Среди этих преимуществ будут следующие: ингибирование растрескивания, которое является следствием пластической усадки, пластического оседания, ранней термической усадки, химической усадки и карбонизации;ингибирование растрескивания, которое является следствием усадки при сушке, циклических нагрузок, обратного движения влаги и термических изменений;возможность устранить необходимость использовать стальную сетку для контроля проблем, вызванных самовозникающим растрескиванием;улучшения в долговечности, что связано с предотвращением растрескивания и уменьшением абсорбции воды и как результат с увеличенной внутренней прочностью;снижение повреждений в результате замораживания, что связано со снижением проницаемости и увеличенным сопротивлением растрескиванию, как результат увеличенной прочности бетона и внутренних зерен и как результат увеличенного сопротивления распространению растрескивания;увеличение сопротивления к ударным и истирающим повреждениям;более высокая адгезия влажного бетона и придание тиксотропной реологии, приводящая к:большой гомогенности и консистенции бетона с большей однородностью и надежностью характеристик;облегчению перекачки, расположения и достижения финишных свойств поверхности и предотвращение седиментации и оседания,сниженной тенденции для образования растрескивания под действием пластической усадки как результат снижения седиментации;преимуществам при расположении бетона как наклонной плоскости, так как материал имеет незначительную склонность к постоянному движению, которая в противном случае приводит к увеличенной склонности к растрескиванию;лучшее сопротивление действию пламени, так как синтетические волокна плавятся при высоких температурах, и это достигается переносом супернагретого пара, генерированного внутри бетона, по большому числу капилляров;лучшее сопротивление к снижению качества под действием кокррозионноактивных химических веществ, что связано со снижением проницаемости этих веществ в бетон.

Увеличением эффективности смесителя и предотвращением образования частиц заполнителя с соответствующей седиментацией получен более консистентный и более гомогенный бетон.

Когезивность, обеспеченная волокнами изобретения, служит для улучшения поверхностных свойств бетона. Достигается текстурирование поверхности с достижением отсутствия скольжения по поверхности и достигаемый эффект не снижается при последующей осадке, что связано с тиксотропной характеристикой, обеспеченной волокном.

Волокна не портят поверхностные свойства бетона и они сами не видимы в бетоне невооруженным глазом. Тиксотропный эффект также может представлять интерес исходя из возможности получения новых и более интересных финишных поверхностей и эффектов, включая декоративные поверхности отлитого и пред-отлитого бетона.

Все более общей практикой становится использование в бетоне и других цементных материалах более высокого содержания цемента с целью увеличения их долговечности. Однако это приводит к повышению тенденции у самовозникающему растрескиванию, а из-за того, что эти материалы являются хрупкими, к более высокому распространению растрескивания. Как отмечалось выше, волокна изобретения имеют способность эффективно диспергироваться во всех типах бетонов и растворов, поэтому из-за способности волокон предотвращать растрескивание возможно прямое и непрямое улучшение долговечности бетона и материалов на основе цемента.

Кроме того, увеличивается применение пуццоланового материала; когда этот материал является очень мелкодисперсным, таким как микрокремнезем, он может снизить скорость схватывания и скорость миграции воды и привести к увеличению пластического растрескивания.

При меньшей дисперсности пуццоланового материала, такого как зола-унос, снижается скорость увеличения прочности и увеличивается период, в течение которого бетон и другие цементные материалы являются слабыми и чувствительными к пластическому растрескиванию и к растрескиванию при ранней усадке. Применение цемента с добавками печного шлака имеет аналогичный эффект на развитие прочности на ранних сроках созревания. Известно также, что при добавлении к бетону и цементным материалам полимерных эмульсий увеличивается чувствительность к растрескиванию на ранних сроках созревания.

Добавление (во всех этих случаях) небольших количеств тонких волокон изобретения оказывается эффективным для снижения тенденции материала к растрескиванию и создает более высокий потенциал этих материалов.

Цементы с высоким содержанием алюминия страдают от высокого экзотермического роста температуры, которое также приводит к проблеме растрескивания и ограничивает эффективность этих материалов. Волокна изобретения являются эффективными для контроля такого растрескивания и увеличения функциональности этих цементов.

Цементы, которые предназначены для твердения в условиях длительной усадки при сушке, также как кальций-сульфо-алюминаты, не испытывают затруднений от пластического растрескивания и от растрескивания на ранней сушке. Волокна изобретения представляют интерес для этих цементов исходя из возможности обеспечения сохранения способности сопротивления растрескиванию на ранних сроках и на более поздних сроках созревания цементов.

Волокна изобретения вводятся в бетон или другие материалы на основе цемента в форме вышеупомянутых пучков волокна, которое может состоять в основном из полиолефина, производного полиолефина, сложного полиэфира, полиамида или их смесей. Обычно волокна состоят из полиолефина, такого как полипропилен или полиэтилен. Полипропилен является хорошо известным материалом для синтетических волокон и уже в течение длительного времени используется для этой цели, что прежде всего обусловлено его сопротивлением к действию кислот и оснований, а также его прочностными свойствами, низкой плотностью и низкой стоимостью.

Хотя всегда существуют некоторые варианты в числе элементарных волокон в пучке, обычно это число включает около 50 5000 элементарных волокон на пучок, также как около 100 2000 элементарных волокон на пучок, в особенности около 500 1500 элементарных волокон на пучок, так же как около 1000 элементарных волокон на пучок.

В противоположность тонким волокнам, которые например, используются для получения ковровой нити, волокна изобретения предпочтительно в основном являются незакрученными, что необходимо для облегчения их диспергирования в бетоне и других материалах на основе цемента.

Отдельные элементарные волокна обычно имеют длину около 3 30 мкм, т. е. около 5 25 мм, в особенности около 6 18 мм и средний поперечный размер около 3 30 мкм, также как около 5 25 мкм, особенно около 10 20 мкм.

Отношения между длиной и диаметром отдельных элементарных волокон обычно находится между около 200 800, в особенности около 400 700, также как около 600. Хотя отношение длины к диаметру по крайней мере равное 100 рассматривается как минимально требуемое для достижения эффективности при использовании волокон в бетоне и материалах на основе цемента, ранее существовали трудности достижения хорошей диспергируемости даже для волокон с более низкими отношениями длина/диаметр. Более того, что для диспергирования волокон с отношением длина/диаметр равным только 100 часто требуется специальное оборудование для смешения и использования специальных добавок для достижения гомогенности смеси. Отдельные элементарные волокна, соответствующие данному изобретению, поэтому имеют более высокое отношение длина-диаметр по сравнению с волокнами, которые обычно используются в бетоне, и имеют преимущества перед ним. Иначе, волокна, соответствующие данному изобретению, в форме пучков волокна могут быть легко диспергированы в бетоне, даже когда отдельные элементарные волокна имеют отношение длина/диаметр около 1000.

Факт, что волокна изобретения имеют способность легко диспергироваться в цементных смесях за обычное время смешения и с использованием обычной технологии и оборудования смещения, как предполагается будет следствием того, что:1) Диспергируемость компонентов обусловлена пучками волокон в цементной смеси, в которой уже добавлена вода.

2) Легкое разделение пучков на подпучки и отдельные элементарные волокна за время смешения или перемешивания. Отдельные элементарные волокна имеют поверхностное натяжение, которое обеспечивает их гомогенное диспергирование в бетоне, растворе или пасте при помощи обычного смешения на обычном оборудовании смешения. Поэтому поверхность элементарных волокон является в основном гидрофильной, что обеспечивает легкость диспергирования в воде или в смесях, содержащих воду, т.е. в бетоне, растворах или цементных смесях, к которым вода уже добавлена. Приемлемое поверхностное натяжение для волокон составляет около 65 80 дин/cм2, также около 70 75 дин/см2, в особенности около 72 74 дин/см2.

Требуемое поверхностное натяжение обычно достигается обработкой пучков элементарных волокон смачивающим агентом.

Как дополнительная поверхностная обработка пучки волокон произвольно могут быть отработаны электрической обработкой, известной как коронная обработка. Эта процедура более детально будет представлена ниже.

Вышеописанные волокна обычно получают следующим образом.

Первый этап получения пучков волокон представляет собой плавления исходного материала для получения волокон. Часто это происходит в экструдере, хотя и не является полностью необходимым. Температура, используемая для плавления составляющего волокна, зависит от материала, используемого для данного волокна.

Тип прядильного оборудования, используемый для прядения расплава в штапельные пучки элементарных волокон, не является критическим, так могут быть использованы как "короткое прядение", так и "длинное прядение". Короткое прядение является одноэтапным способом, в котором пучки волокон, как кручение, так и вытяжка волокон, происходят в одной операции, в то время как в длинном прядении или обычном прядении расплава, как это известно, используется двухстадийный способ, в котором на первом этапе выполняется экструзия расплава и соответственно прядение пучков волокон, а на втором этапе происходит вытяжка штапельных волокон.

После вытяжки волокна охлаждают, причем охлаждение проводят обычно в потоке воздуха, который раздувает волокна.

Пучки волокна которые обычно включают несколько сотен волокон, подвергают вытяжке. Вытяжка обычно выполняется при использовании ряда валков и печи с горячи воздухом или жидкими средами, такими как горячая вода или масло, причем одновременно несколько пучков элементарных волокон подвергаются вытяжке. Пучки элементарных волокон первоначально проходят через один ряд валков, за которыми следует проход через печь с горячим воздухом или горячей жидкостью, и затем проход через второй ряд валков. Горячие валки обычно имеют температуру около 80 140oC. Скорость второго ряда валков выше скорости валков первого ряда, поэтому нагретые пучки элементарных волокон вытягиваются в соответствии с отношением между скоростями валков первого и второго ряда (отношение названо отношением вытяжки или отношением упрочнения).

Вторая печь или жидкость и третий ряд валков также могут быть использованы (двухэтапная вытяжка), причем третий ряд валков имеет более высокую скорость по сравнению со вторым рядом. В этом случае отношения вытяжки рано отношению между скоростями последнего и первого рядов валков. Аналогично, можно использовать добавление рядов валков и печей или жидкостей.

Волокна данного изобретения обычно вытягивают при использовании отношения вытяжки 1,5 1 8 1, обычно около 2:1 6:1; предпочтительно около 2,5:1 - 4: 1, в особенности около 2,5 1 3,5 1, что приводит к получению допустимого диаметра или среднего поперечного размера, как было объяснено выше. Пучки элементарных волокон затем сушат и фиксируют. Процесс вытяжки может вызвать напряжения в волокнах, поэтому вытянутые пучки могут быть отредактированы при помощи нагрева, который также служит для сушки волокон. Обычно это выполняется пропусканием пучков элементарных волокон через печь, в которой волокна усаживаются.

Как отмечалось выше, пучки элементарных волокон последовательно обрабатываются смачивающим агентом таким образом, чтобы получить требуемое поверхностное натяжение элементарных волокон, т. е. поверхностное натяжение около 65 80 дин/см также как около 70 75 дин/см2, особенности около 72 74 дин/см2. Обработка обычно связана с пропусканием пучков через серию так называемых "смачивающих валков", на которые обеспечивают подачу смачивающего агента. Кроме обеспечения легкости диспергирования отдельных элементарных волокон в цементной смеси смачивающий агент служит также для удержания элементарных волокон вместе в пучки в течение незначительного периода времени, когда происходит манипулирование пучков перед его введением в смесь. Обычно смачивающий агент выбирается из смачивающих агентов, обычно используемых для придания синтетических волокнам гидрофильности, таких как агенты, используемые для замасливания в производстве нетканых материалов. Такие смачивающие агенты являются промышленно доступными и обычно являются составами, включающие соединения, обычно используемые как эмульгаторы, поверхностно активные вещества и моющие средства, и также могут включать смеси этих веществ. Примерами таких соединений являются сложные эфиры жирных кислот и глицида, амиды жирных кислот, полигликолевые сложные эфиры, полиэтоксилированные амиды, неионные поверхностно активные вещества и катионные поверхностно активные вещества.

Специальные примеры соединений, которые могут быть использованы в качестве смачивающих агентов или в качестве составляющих смачивающих агентов, являются полиэтилен гликоль-лаурил простой эфир, имеющий формулуCh4(Ch3)11-O-(Ch3Ch3O)-H,глицерол моностеарат, который имеет формулу(C17h45(COOCh3CHOHCh3OH,эрукамид, который имеет формулуC21h51CONh3, амид стеариновой кислоты, который имеет формулуCh4(Ch3)16CONh3,триалкил-фосфат, имеющий формулу R Cnh3n+1,лаурил-фосфат-амин сложный эфир, имеющий формулу,лаурил-фосфат-натриевая соль, имеющая формулу,или этилендиамин-полиэтилен гликоль, имеющий формулуCh3N(Ch3Ch3)пH)2Ch3N((Ch3Ch3O)пH)2Примером предпочтительного смачивающего агента является фирма "Nissin Kagaky Kenkyosho Ltd" (Япония), который включает натриевую соль сульфоянтарной кислоты бис (2-этилгексил) сложного эфира и также содержит изопропиловый спирт, силоксаны, силиконы, кремний и сорбитан моностеарат.

Кроме обработки смачивающим агентом пучки волокон произвольно могут подвергаться обработке коронным разрядом, которая является электрической обработкой и которая широко используется при производстве синтетических волокон. Обработка заключается в воздействии на пучки волокон мощным электрическим разрядом от специального электрода. Для получения электронной с энергией достаточной для проникновения на поверхность волокон, требуется высокое напряжение (25 кВ и 20 кГц).

Когда электроды с большой скоростью ударяют полимерную цепь, многие из этих цепей разрываются, что обеспечивает образование в присутствии озона (O3) воздуха карбонильных групп. Образование карбонильных групп делает поверхность волокон полярными и более легко диспергируемыми в водных смесях.

Произвольно обработка коронным разрядом проводится до применения смачивающего агента.

После обработки смачивающим агентом, пучки элементарных волокон спонтанно могут разделяться на более мелкие пучки, причем каждый из этих новых пучков включает часть элементарных волокон из первоначального пучка. Поэтому затем пучки элементарных волокон обычно включают около 50 5000 элементарных волокон на пучок, так же, как около 100 2000 элементарных волокон на пучок, в особенности около 500 15000 элементарных волокон на пучок, также как 1000 элементарных волокон на пучок. Нужно помнить, что всегда существует естественная вариация в количестве элементарных волокон на каждом пучке.

Затем пучки волокон поступают на резку, где волокна режут на требуемую длину. Резка обычно осуществляется при пропускании пучков через диск, снабженный радиально расположенными ножами. Волокна прижимаются между диском и опорным валком и разрезаются на требуемую длину, которая равна расстоянию между ножами. Как было объяснено выше, пучки волокон режут таким образом, чтобы волокна имели длину около 1 30 мм, обычно около 3 39 мм, т. е. около 5 25 мм и в особенности около 6 18 мм, причем это обеспечивает необходимое отношение длина-диаметр, как это было объяснено выше.

Пучки элементарных волокон, полученные вышеназванным способом, предназначаются, как это было объяснено, для использования в бетоне, растворах или цементах; отдельные элементарные волокна имеют способность эффективно диспергироваться во всех типах бетонов, растворов или цементах при использовании всех типов существующих обычных смесителей. Соответственно, изобретение также относится, как это отмечалось ранее, бетону на основе цемента, растворам или пастам, имеющим в основном гомогенное распределение в своем объеме вышеописанных волокон, причем волокна присутствуют в количестве менее чем около 1% по массе цементного материала бетона, раствора или пасты.

В данном контексте, термин "цемент" использован для обозначения всех цементов портландцементного типа, включая белый портландцемент, низкощелочный цемент, сульфатостойкий цемент портландшлакоцемент и портланд пуццолановый цемент и включая огнеупорные цементы или типа алюмината, такие как цементы с высоким содержанием алюминия и кальций сульфоалюминатные цементы, шлакоцементы, пуццолановые цементы гипсы, включающие геми и аноиидpидные версии, оксихлорид магния и хлорид магния и другие аналогичные неорганические цементные системы, как гидравлические, так и негидравлические, или комбинации вышеназванных веществ, произвольно с добавками различных полимеров. Термин "паста" относится к смеси цемента и воды.

Термин "раствор", использованный в данном контексте, относится к смеси, включающей цемент и частицы, такие как песок и дробленные камни, включающие специальные легкие заполнители, причем частицы проходят через сито с размерами ячейки 2,4 мм.

Использованный термин "бетон" относится к растворам или пастам, содержащим более крупный заполнитель. Термин "цементные материалы" относится к содержимому вышеназванных цементных материалов бетона, раствора или пасты.

Для специалиста ясно, что термин "в основном гомогенно распределенное" относится к факту, что волокна изобретения в основном гомогенно распределены внутри фазы раствора материала изобретения, так как ясно, что волокна не могут быть распределены внутри крупного заполнителя бетона.

Бетон или другие цементные материалы могут быть рассмотрены как или полученные на месте, или как предизготовленные, причем полученные на месте представляют собой изделия, полученные отливом на месте. Отлитые на месте представляют обычно тип быстро смешивающих бетонов, хотя они могут быть смешаны на месте.

Раствор или бетон, включающие волокна изобретения, обычно имеют содержание цемента в диапазоне около 200 1200 кг/см3.

Обычный бетон для отлива на месте, в который обычно вводятся волокна изобретения, обычно имеет содержание цемента около 200 600 кг/м3, в особенности около 250 450 кг/м3 в то время как пред-изготовленный бетон, использующий волокна изобретения, обычно имеет содержание цемента около 300 500 кг/м3.

Раствор обычно имеет содержание цемента около 400 1200 кг/м3 в особенности около 600 1000 кг/м3. Специальные высокопрочные бетоны и растворы могут иметь содержание цемента около 500 1200 кг/м3, обычно около 500 1000 кг/м3.

Отношение вода/цемент материала, соответствующего данному изобретению, обычно находятся в диапазоне около 0,25 0,8 по массе. Бетон для отлива на месте обычно имеет отношение вода/цемент около 0,4 0,6, в то время как отношение вода/цемент пред-изготовленного бетона обычно составляет около 0,25 0,35 при компактном уплотнении и около 0,4 0,6 для уплотнения вибрацией. Однако, введение волокон изобретения в цементные материалы, имеющие отношение вода/цемент менее чем 0,25, т. е. в плотные материалы, содержащие ультрамелкий микрокремнезем, также представляет определенный интерес.

Бетон, соответствующий изобретению, обычно содержит фазу раствора по крайней мере 0,2 по массе. Пропорция фазы раствора обычном бетоне обычно ограничена максимумом около 0,6, что связано с фактом, что тенденция бетона к растрескиванию увеличивается с увеличением количества раствора. Однако, т. к. введение волокон изобретения в бетон приводит к снижению тенденции к растрескиванию, становится возможным получение бетонов с увеличенной фазой раствора по сравнению с обычно используемыми бетонами без опасности интенсивного растрескивания. Отсюда, бетон, соответствующий изобретению, может включать относительно большую фазу раствора, до 0,8 или даже еще больше.

Волокна изобретения обычно присутствуют в материале в количестве около 0,05 0,5 в особенности около 0,1 0,3 также как 0,15 0,25 по массе цементного материала.

Для обычного бетона для отлива на месте, имеющего содержание цемента около 250 400 кг/м3, поэтому содержание волокон будет менее чем около 4 кг/м3, обычно около 0,1 2,0 кг/м3, также как около 0,3 1,0 кг/м3, в особенности около 0,4 0,8 кг/м3, т. е. около 0,5 - 0,7 кг/м3.

Бетон или раствор, соответствующие изобретению, могут содержать добавки снижающие водопотребность, увеличивающие удобоукладываемость, изменяющие реологию, снижающие проницаемость, воздухововлечение или ускоряющие реакцию цемента с водой. Они могут также содержать различные типы органических полимеров, вводимых в виде твердых веществ или в виде водных эмульсий, включая бетон, импрегнированный полимером или полимерцементный бетон. Кроме того, они могут содержать арматуру, включая или стержни или сетки, включая ферроцементы или металлические сетки, или в виде дополнительных волокон, т. е. металлов, стекла или синтетического материала.

Как объяснялось выше, было найдено, что введение даже небольшого количества волокон изобретения обеспечивает цементному материалу различные преимущества. То, что такие преимущества получаются при введении таких небольших количеств волокон объясняется их незначительными размерами, вместе с фактом, что они имеют способность гомогенно диспергироваться в материале. Пучки волокон изобретения, имеющие, например, 300 х 1016 отдельных 12 мм длиной элементарных волокон на один кг, можно получить, при введении в цементный материал со скоростью, например, 0,6 кг пучков волокон на м3, около 2000 кг волокон нам3. В этом свете ясно, что даже небольшие количества волокон изобретения могут обеспечить существенные преимущества при введении в цементный материал.

Как объяснялось выше, цементный материал изобретения может быть получен добавлением к бетону, раствору или пасте, к которым уже добавлена вода в количестве менее чем 1% по массе цементного материала, пучков волокон, соответствующих изобретению, смешением полученной смеси в течение периода по крайней мере 20 секунд до получения смесей бетона, раствора или пасты в основном гомогенными распределением волокон, и смесей бетона, раствора или пасты для получения требуемой конфигурации, произвольно с введением в процессе заливки дополнительных тел, таких как арматура. Пучки волокон обычно вводятся в количестве около 0,05 0,5 в особенности около 0,1 0,3 также как около 0,15 0,25 по массе цементного материала.

Так как отдельные элементарные волокна пучков волокон легко диспергируются во всех типах бетонов или материалов на основе цемента, период смешения зависит от требований на получение высококачественного бетона, а не от требований на диспергирование волокон. Пучки волокон, соответствующие изобретению, можно использовать для всех форм смесителей, включая вращающий барабан и лопастный смеситель и в особенноcсти автомобиль для перевозки и смещения бетона, кроме того, не требуются специальные приспособления или специального оборудование.

В случае введения волокон в предизготовленный бетон, смешение которого выполнено в педальном смесителе, смешение проводится за период по крайней мере 20 с, обычно по крайней мере около 30 с, до получения смесей бетона, раствора или пасты с гомогенным в основном распределением отдельных элементарных волокон. В случае бетона для заливки на месте смесь раствора или цемента, к которой добавляют пучки волокон, смешивается в барабанном смесителе, причем смешение обычно проводят в течение периода по крайней мере около 2 мин до получения смеси бетона, раствора или пасты, в которых отдельные элементарные волокна в основном распределены гомогенно.

Пучки волокон изобретения часто добавляются к смесям бетона в смесители на автомобиле, причем автомобильный смеситель имеет приспособление, состоящее из спирали внутри барабана. При вращении барабана смешанный материал падает на дно спирали и это продолжает смешивающее действие. Пучки волокон могут быть добавлены к уже смешанному бетону и хорошее диспергирование можно достичь в барабанном смесителе, вращающимся, например, со скоростью 15 оборотов в минуту в течение периода, например 3 мин.

Автомобильный смеситель может быть предназначен или для смешения или для перемешивания. В некоторых системах бетон смешивается и поступает в барабан автомобильного смесителя, в этом случае автомобиль используется только для перемешивания уже смешанного бетона, в других системах материалы бетона поступают в барабан автомобильного смесителя и автомобильный смеситель выполняет перемешивание материалов.

Существует возможность перемещать пучки волокон с сухи цементом или сухой смесью бетона, т. е. предварительно смешанная смесь сухих материалов требует только добавления воды, но в присутствии воды, предполагают, что по крайней мере, существуют преимущества добавления пучков волокон к влажной смеси или к смеси, к которой вода уже добавлена, что связано в основном с гидрофильными поверхностями свойствами волокон. Смешанные бетон, раствор или паста, включающие волокна изобретения, гомогенно в основном диспергированных в них, могут быть залиты соответствующим образом для получения требуемой конфигурации. Материал может быть уплотнен простой выдержкой или под действием гравитации или разглаживанием, заливкой водой, тампированием, вибрацией, давлением, водной экстракцией, вакуумированием, экструзией, перекачкой, распылением, сухим размещением, прокаткой или комбинацией этих способов. Если требуется или если необходимо, то в процессе заливки в материал можно ввести дополнительные места, такие как арматуру. Материалы, полученные в соответствии с изобретением, могут быть использованы для мощения, фундаментов, дорог, полов, опор мостов, бетонных зданий, структурного бетона, поддерживающих стен, плотин как в мирных, так и в военных целях, также и пред-изготовленный бетон можно использовать для получения облицовочных панелей, полов, балок, труб, секций тоннелей и т.п.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами, которые не ограничивают всю сферу изобретения.

Пример 1. Получение пучков волокон.

Получение пучков волокон включает следующие этапы:плавление исходного материала и волокон до получения расплава;прядение расплава в штапельный пучок элементарных волокон;вытяжка пучка элементарных волокон;сушка и фиксирование пучка элементарных волокон;обработка пучка элементарных волокон смачивающим агентом;резка пучков элементарных волокон.

Волокна состояли из гомополимерного изотактического полипропилена Petrofina 10060 фирмы "Petrofina" (Бельгия), имеющего температуру плавления около 160oC и индекс потока расплава 35. Полипропилен расплавили и пряли при 280oC, используя фильеру с 22800 отверстиями и при скорости 22,5 м/мин. Пучок элементарных волокон затем пропустили через ванную с горячей водой, имеющей температуру 100oC и подвергли вытяжке при скорости 60,7 м/мин, что дало отношение вытяжки 2,7. Сушку и фиксирование пучка элементарных волокон выполнили при пропускании пучка через печь, имеющую температуру 150oC при скорости 54,2 м/мин, после этого волокна усадили на около 12% со снижением напряжения, возникающие при вытяжке волокон. Волокна обеспечили требуемы поверхностным натяжением обработкой пучка смачивающим агентом SW-T ("Nissin Kagaku Kenkyosho Ltd" Япония, см. выше) пропусканием через пару промазочных валков. На заключительном этапе, пучки элементарных волокон резали на длину 12 мм.

Финишные волокна, состоящие из 1000 отдельных элементарных волокон на пучок, имели содержание влаги менее, чем 17 и содержали 0,5% смачивающего агента. Отдельные элементарные волокна имели 2,8 dtex, что эквивалентно диаметру около 20 мкм, давая для волокон отношение длина/диаметр около 600.

Пример 2. Получение бетонной балки.

Бетонную балку получили из заводской предварительно смешанной бетонной смеси, состоящей из быстротвердеющего портландцемента, стандартных заполнителей песка и гравия, прошедших через сито с ячейкой 20 мм, в отношении 2:3: 6, причем смесь имела содержание цемента 400 кг цемента/м3. Бетонную смесь смешали с водой, имеющей температуру 20oC, также и с пучками волокон примера 1. Отношение вода/цемент было 0,6, и пучки волокон вводили в количестве 0,2 по массе цемента. Бетон смешали в смесителе типа вращающая бочка емкостью 100 л, используя скорость вращения 25 оборотов/мин при общем времени смешения 4 минуты, причем пучки волокон вводили после первых 2 минут смешения. Отдельные элементарные волокна были в основном гомогенно разделены в смеси к концу периода смешения. Бетонные балки квадратного сечения 150 на 150 мм и длиной 550 мм получили при заливке смеси во многосекционную форму и уплотнения руками.

Для целей сравнения также были получены другие балки, но без введения волокон,Пример 3. Испытания на изгиб.

Были выполнены лаборатоpные испытания балки, полученной в примере 2, причем испытывали как балки с 0,2 волокон, так и балки без волокон. Балки подвергались стандартному испытанию на изгиб по методике 4-точечного изгиба, с расстоянием между внешними валками 450 мм и внутренними валками 150 мм. Результаты этих испытаний приведены ниже.

Модули на разрыв, МПа:Без волокон 2,83Без волокон 2,310,2 волокон 3,170,2 волокон 3,22Видно, что модули на разрыв существенно выше для балок, которые содержат волокна примера 1. Также модули на разрыв балок с волокнами имеют более низкие значения.

Пример 4. Испытания на циклическую нагрузку.

Бетонные балки получили по примеру 2 и подвергли 4-точечному испытанию на изгиб, как в примере 3 со следующими исключениями:балки не подвергли ранней сушки;нагрузку сохраняли ниже модуля разрыва; повторяющая нагрузка составляет 2000 цикло/ч. Нагрузка увеличилась после 4000 циклов для уменьшения периода испытаний. Результаты представлены в таблице.

Испытания показали существенные улучшения как в уровнях напряжений, так и в сопротивлении усталости балок с волокнами. Комбинация увеличенных уровней напряжений и количества циклов до разрушения бетона, содержащего волокна, показывали существенные улучшения усталостного сопротивления.

Пример 5. Получение бетона для заливки на месте (монолитного) бетона, содержащего волокна изобретения.

Пучки волокон примера 1 ввели в количестве 0,2 мас. цементного материала в различные типа бетонов, включая монолитный бетон, при использовании обычного немодифицированного смесительного оборудования и без введения дополнительных добавок;Типы бетонов представлены ниже:а) 30 МПа бетон с содержанием цемента 300 кг/м3 и с 20 мм заполнителем, с отношением вода/цемент как 0,56 и с подвижностью 50 мм;б) 30 МПа бетон по п. а), но с содержанием цемента 320 кг на м3 с отношением вода/цемент 0,652 и с введением воздухововлекающего агента;в) 30 МПа бетон по п. а), но бетон получен на основе обычного портландцемента содержанием 210 кг на м3 и на основе пульверизованной золы-унос содержанием 105 кг/м3;г) 30 МПа бетон с содержанием цемента 350 кг/м3 c равными пропорциями 10 мм заполнителя и песка, с отношением вода/цемент как 0,58 и подвижностью 100 мм;д) 40 МПа бетон с содержанием цемента 400 кг/м3 с 10 мм заполнителем, отношение вода/цемент как 0,50 и подвижностью 100 мм.

Все вышеназванные бетоны были смешаны в автомобильном смесителе фирмы "Mulder" и "Stotherts 8 Pilt", объем смесителя составил 6 м3 бетона. Во всех случаях за период смешения 3 минуты и при скорости вращения барабана 15 оборотов в минуту достигли полной диспергируемости волокон. Полную диспергируемость достигли даже тогда, когда волокна вводили в уже перемешанный бетон непосредственно в барабан автомобиля.

Пример 6. Получение пред-изготовленного сборного бетона, содержащего волокна изобретения.

Были получены следующие материалы из сборного бетона, содержащего волокна изобретения, введенные как в примере 1 в количестве 0,2 мас. цементного материала:a) 40 МПа бетон, содержащий 400 кг цемента на м3, равные пропорции 5 мм гравия и песка и с отношением вода/цемент как 0,31;б) 40 МПа бетон, содержащий 350 кг цемента на м3, равные пропорции 10 мм гравия и песка и с отношением вода/цемент как 0,30. Полное диспергирование достигли в обоих случаях при перемешивании в течение 1 мин в лопастном смесителе.

Пример 7. Бетон для мощения, содержащий волокна изобретения.

30 МПа бетон, содержащий около 300 кг цемента на м3, 20 мм заполнитель, с отношением вода/цемент как 0,55 и содержащий 0,2 мас. цементного материала волокон, соответствующих изобретению, введенных в форме пучков волокон примера 1. На ширине 2,5 м разместили бетон для мощения толщиной 200 мм. После 2 мес не наблюдали растрескивания и не было предположений о начале растрескивания.

Аналогичный результат был получен 9 мес ранее с бесконечной полосой длиной 20 м.

Пример 8. Практический опыт с бетоном, полученный с волокнами изобретения:а) участок дороги длиной 80 м, шириной 5 м и градиентом около 1 к 15 покрыли бетоном толщиной 200 мм с использованием 0,7 кг волокон примера 1 на м3. Бетон имел прочность 30 МПа, вовлеченный воздух и общее содержание цемента 330 кг/м3, включая 25 печного шлака.

За один день покрыли 80 м непрерывной полосой. Не использовали стыков для контроля усадки. Верхняя часть бетона получила утолщение.

После нескольких недель приблизительно в центральной точке и по центральной линии стыков наблюдали легкие разломы. После эксплуатации в течение года в условиях непрерывного движения тяжелого транспорта отсутствовали дальнейшие ухудшение или распространение растрескивания. Центральная трещина не была открытой, также как отсутствовали вертикальные перемещения по любой стороне трещины, фактически трещина была видимой только при тщательном осмотре. Эти и другие применения показывают, что возможно получение непрерывных полос длиной до 50 м без необходимости применения стыков контролируемых усадку с помощью бетона, включающего волокна изобретения и без стальной арматуры.

в) Волокна изобретения использовались для полов заводов. Бетон залили в две опалубки, каждую на один день, первая имела площадь 2300 м2 и вторая имела площадь 3200 м2, причем бетон являлся стандартным 30 МПа бетоном, содержащим 330 кг обычного портландцемента на м3. Бетон содержал волокна примера 1 в количестве 0,6 кг/м3. Поверхность залили и на следующий день обработали силикатом натрия как поверхностного отвердителя. Бетон толщиной 150 мм вылили на полиэтиленовый барьер. Два дня после заливки, в бетоне вырезали цилиндры через каждый 7 м на глубину 50 мм для контроля длительной усадки. После нескольких месяцев эксплуатации вырезанные контрольные стыки были открыты, но растрескивание бетона отсутствовало. Из-за холодной погоды которая наступила после заливки бетона, фабрика обогревалась газом в течение 48 ч и при этом отсутствовало растрескивание.

с) Более 4 т волокон изобретения было использовано в работе по созданию защиты от моря для защиты низменных участков земли в Великобритании, которые подвергались наводнению. Использовали две марки бетона, 30 и 40 МПа; обе марки имели высокое замещение цемента для контроля содержания щелочи. Серьезное пластическое растрескивание всегда наблюдалось в бетонах для за щиты от моря, что связано с жесткими условиями эксплуатации. Было найдено, что введение 0,9 кг волокон примера 1 привело к значительному снижению растрескивания и полученные результаты оказались очень удовлетворительными.

д) Бетон, содержащий волокна изобретения, использовали для заливки места парковки автомобилей площадью 100000 м2. 150 мм толщиной бетонные плиты были получены с введением в их нижнюю часть стальной сетки, но без выделения стальной сетки в верхнюю часть, причем вместе с тем бетон получили с использованием 0,9 кг пучков волокон примера 1 на 1 м3. Бетон имел прочность 30 МПа; 330 кг содержание цемента на 1 м3; воздухововлекающие добавки и 25 замена цемента на шлак. Получение таких больших бетонных плит, которые имеют размеры 8 х 16 м, обычно представляет сложную задачу, т.к. и использование в нижней части стальной сетки ограничивает полную усадку плиты и соответственно приводит к увеличению усадочного напряжения в бетоне. Однако в бетонных плитах, содержащих волокна изобретения, отсутствовало растрескивание и общий полученный результат был превосходным.

е) Бетон использовали для заливки заводского пола площадью более 6000 м3 и толщиной 150 мм, используя вырезанные стыки для контроля усадки. Используя стандартный суперпластификатор для снижения отношения вода/цемент до значения ниже 0,5, получили бетон и высокопрочный бетон, содержащий микрокремнезем и содержанием цемента 350 кг/м3. Волокна примера 1 использовались в количестве 0,6 кг/м3.

Было найдено, что достигаемая прочность куба была существенно выше, чем ожидалось. Результаты были превосходными и указывали на то, что комбинация высокопрочного бетона, который обычно более склонен к растрескиванию с эффектом волокон ингибировать, растрескивание является превосходной комбинацией.

1. Способ изготовления изделий на цементном вяжущем, включающий приготовление бетонной смеси, или строительного раствора, или цементной пасты, затворенных водой, в которые вводят обработанные агентом пучки синтетических волокон, содержащих 10 10000 элементарных волокон, полученных из полиолефина, например полипропилена или полиэтилена, полиэстера или их смеси, перемешивание приготовленной смеси в течение по меньшей мере 20 с, заливку ее для получения заданной конфигурации изделий с возможным введением арматуры в процессе заливки, отличающийся тем, что используют пучки из элементарных волокон, имеющих длину 1 30 мм, средний поперечный размер 5-30 мкм и отношение длины к диаметру 100 1000, при этом элементарные волокна в пучке удерживают путем обработки смачивающим агентом, обеспечивающим поверхностное натяжение каждому элементарному волокну, достаточное для гомогенного диспергирования в бетонной смеси, или строительном растворе, или цементной пасте при перемешивании, причем пучки волокон вводят в количестве менее 1% от массы вяжущего.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перемешивание приготовленной бетонной смеси, или строительного раствора, или цементной пасты, в которую введены пучки синтетических волокон, производят в лопастном смесителе в течение по крайней мере 20 с, обычно по крайней мере 30 с.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при использовании монолитного метода перемешивание приготовленной бетонной смеси, или строительного раствора, или цементной пасты, в которую введены пучки синтетических волокон, производят в барабанном смесителе в течение по крайней мере 2 мин.

4. Способ по пп. 1 3, отличающийся тем, что пучки синтетических волокон вводят в бетонную смесь, или строительный раствор, или цементную пасту в количестве 0,05 0,5% в особенности 0,1 0,3% также как 0,15 0,25% от массы вяжущего.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что смешивающий агент выбран из группы: сложный эфир глициридов и жирных кислот, амиды жирных кислот, полигликолевые сложные эфиры, полиэтоксилированные амиды, неионные поверхностно-активные вещества, катионные поверхностно-активные вещества и смеси двух последних веществ.

6. Способ по пп. 1 5, отличающийся тем, что приготовленная бетонная смесь, или строительный раствор, или цементная паста имеют отношение вода: цемент 0,25 0,8 по массе.

7. Способ по пп. 1 6, отличающийся тем, что при получении сборных изделий бетонная смесь, или строительный раствор, или цементная паста имеют отношение вода: цемент 0,25 0,35 по массе и уплотняются давлением или отношение 0,4 0,6 по массе и при заливке уплотняюся вибрацией.

8. Способ по пп. 1 6, отличающийся тем, что при использовании монолитного метода бетонная смесь, строительный раствор, цементная паста имеют отношение вода: цемент 0,4 0,8 по массе.

9. Способ по пп. 1 8, отличающийся тем, что перед обработкой смачивающим агентом синтетических волокон подвергают обработке коронным разрядом.

10. Пучки синтетических волокон для использования в бетонной смеси, строительном растворе и цементной пасте, включающие 10 10000 элементарных волокон, полученных из полиолефина, например полипропилена или полиэтилена, полиэстера или их смеси, и обработанные для удерживания их в пучке, отличающиеся тем, что пучки содержат элементарные волокна, имеющие длину 1 - 30 мм, средний поперечный размер 5 30 мкм и отношение длины к диаметру 100 - 1000, и обработаны смачивающим агентом, обеспечивающим поверхностное натяжение каждому элементарному волокну, достаточное для гомогенного диспергирования в бетонной смеси, или строительном растворе, или цементной пасте при перемешивании.

11. Пучки синтетических волокон по п. 10, отличающиеся тем, что агент выбран из группы: сложный эфир глициридов и жирных кислот, амиды жирных кислот, полигликолевые сложные эфиры, полиэтоксилированные амиды, неионные поверхностно-активные вещества, катионные поверхностно-активные вещества и смеси двух последних веществ.

12. Пучки синтетических волокон по пп. 10 и 11, отличающиеся тем, что элементарные волокна выполнены в основном неизвитыми.

13. Пучки синтетических волокон по пп. 10 12, отличающиеся тем, что элементарные волокна имеют длину 3 30 мм, также как 5 25, в особенности 6 18 мм.

14. Пучки синтетических волокон по пп. 10 13, отличающиеся тем, что элементарные волокна имеют средний поперечный размер 5 25 мкм, в особенности 10 20 мкм.

15. Пучки синтетических волокон по пп. 10 14, отличающиеся тем, что элементарные волокна выполнены из полипропилена.

16. Пучки синтетических волокон по пп. 10 15, отличающиеся тем, что содержат элементарных волокон 50 5000 на пучок, также как 100 2000 на пучок, также как около 1000 элементарных волокон на пучок.

17. Пучки синтетических волокон по пп. 10 16, отличающиеся тем, что элементарные волокна имеют отношение длины к диаметру 200 800, в особенности 400 700, также как около 600.

18. Пучки синтетических волокон по пп. 10 17, отличающиеся тем, что перед обработкой смачивающим агентом пучки подвергают обработке коронным разрядом.

19. Цементный продукт, полученный из бетонной смеси, или строительного раствора, или цементной пасты, содержащий распределение синтетического волокна из полиолефина, например полипропилена или полиэтилена, полиэстера или их смеси, полученный путем приготовления бетонной смеси, или строительного раствора, или цементной пасты, затворенных водой, в которые вводят указанные волокна в виде пучков, обработанных агентом, содержащих 10 1000 элементарных волокон, перемешивания приготовленной смеси в течение по меньшей мере 20 с, заливки ее для получения заданной конфигурации изделий с возможным введением арматуры в процессе заливки, отличающийся тем, что используют пучки из элементарных волокон, имеющих длину 1 30 мм, средний поперечный размер 5 30 мкм и отношение длины к диаметру 100 1000, при этом элементарные волокна в пучке удерживают путем обработки смачивающим агентом, обеспечивающим поверхностное натяжение каждому элементарному волокну, достаточное для гомогенного диспергирования в бетонной смеси, или строительном растворе, или цементной пасте при перемешивании, причем пучки волокон вводят в количестве менее 1% от массы вяжущего.

20. Цементный продукт по п. 19, отличающийся тем, что получен из бетонной смеси, содержащей фазу раствора 0,2 0,8 по массе.

21. Цементный продукт по п. 19, отличающийся тем, что получен из бетонной смеси или строительного раствора с содержанием цемента 200 1200 кг/м3.

22. Цементный продукт по п. 21, отличающийся тем, что выполнен в виде монолитного бетона из бетонной смеси или строительного раствора с содержанием цемента 200 600 кг/м3, в особенности 260 450 кг/м3.

23. Цементный продукт по п. 21, отличающийся тем, что при получении сборных бетонных изделий используют бетонную смесь или строительный раствор с содержанием цемента 300 500 кг/м3.

24. Цементный продукт по п. 21, отличающийся тем, что выполнен из строительного раствора с содержанием цемента 400 1200 кг/м3, в особенности 600 1000 кг/м3.

25. Цементный продукт по п. 21, отличающийся тем, что выполнен из высокопрочного бетона и раствора с содержанием цемента 500 1200 кг/м3, в особенности 500 1000 кг/м3.

Рисунок 1

www.findpatent.ru

легкие цементные панели, армированные волокном - патент РФ 2414351

Изобретение относится к легкой армированной волокном цементной панели (варианты) и способу ее изготовления. Изобретение может найти применение в строительной индустрии. Технический результат - повышение изломостойкости при изгибе. Армированная легкая размерно-стабильная панель, имеющая удельный вес 60-85 фунтов/фут3 - 961-1360 кг/м3 и прочность на изгиб от около 750 до 1180 psi включает: непрерывную фазу, полученную от отверждения водной смеси цементной композиции, при этом цементная композиция включает, исходя из сухой основы, 35-70% мас. реактивного порошка, 20-50% мас. легкого наполнителя, 0% стеклянных волокон и 0,5-5,0% мас. поливинилспиртовых волокон, причем непрерывная фаза армирована поливинилспиртовыми волокнами и содержит легкий наполнитель, имеющий частицы с удельным весом от 0,02 до 1,00 г/мл и средний размер диаметра частиц от 50 до 250 мкм и/или размер диаметра частиц находится в интервале от 10 до 500 мкм, где поливинилспиртовые волокна имеют диаметр от около 10 до 400 мкм (микрометров) и длину от около 0,1 до 1 дюйма (от 2,5 до 25,4 мм) и модуль упругости волокна 20-50 ГПа. В другом варианте армированная легкая размерно стабильная панель имеет удельный вес - 60-75 фунтов, диаметр поливинилспиртовых волокон - от около 10 до 400 мкм. Способ изготовления указанной панели включает размещение в форме для панели водной смеси цементной композиции, содержащей, из расчета на сухую массу, от 40 до 95% мас. цемента, при этом непрерывная фаза указанной композиции равномерно армирована поливинилспиртовыми волокнами и содержит равномерно распределенный легкий наполнитель, имеющий частицы с удельным весом от 0,02 до 1,00 г/л, причем поливинилспиртовые волокна имеют диаметр от около 10 до 400 мкм (микрометров), длину от около 0,1 до 1 дюйма (от 2,5 до 25,4 мм) и измеренный модуль упругости 20-50 ГПа, и отверждение водной смеси для формирования панели. Изобретение развито в зависимых пунктах формулы изобретения. 3 н. и 26 з.п. ф-лы, 13 табл., 9 ил.

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение в общем относится к легким панелям, пригодным для применения в качестве кровельных элементов, рамочных и обшивочных элементов, стеновых элементов и подстилочных элементов для монтажа законченных полов в жилых и других конструктивных типах зданий, имеющих значительно улучшенную изломостойкость при изгибе благодаря использованию волокон из поливинилового спирта (ПВС), обладающих исключительными свойствами при армировании. Более конкретно изобретение относится к панелям, которые могут выдерживать ударные нагрузки, вызываемые градом или другими объектами.

Технический уровень изобретения

Цементные панели использовались в строительной промышленности для изготовления внутренних и наружных стен жилых и/или коммерческих сооружений. Преимущества таких панелей включают влагостойкость, сравнимую с влагостойкостью стандартных стеновых плит на основе гипса. Однако недостатком таких общеизвестных панелей является их недостаточная изломостойкость при изгибе в такой степени, что такие панели могут быть сравнимы с панелями (если они не прочнее) на основе древесины, такими как панели из клееной фанеры или из ориентированных древесных вставок (ОДВ).

Строительные конструкции во время своего срока службы подвергаются самым различным ударным нагрузкам (например, повреждениям градом или повреждениям от падающих на здания объектов во время торнадо или урагана). Не все обшивочные панели зданий имеют достаточную прочность, чтобы выдержать такие ударные нагрузки. Там, где необходимо продемонстрировать стойкость к ударной нагрузке, обшивочные панели испытываются для определения ударной нагрузки, которую может выдержать панель без возникновения дефектов.

Изломостойкость при изгибе, определяемая в данном описании, измеряется как равная общей площади при нагрузке на изгиб, зависящей от кривой прогиба гибкого образца, нагруженного для четырехточечного изгиба.

Изломостойкость при изгибе определяется как общая площадь при нагрузке, зависящая от кривой прогиба гибкого образца, нагруженного для четырехточечного изгиба в соответствии с методом испытаний по ASTM C947.

Панели на основе древесины, достигающие значительной изломостойкости при изгибе, обычно являются панелями из клееной фанеры или из ориентированных древесных вставок, состоящих из кусков дерева, которые склеены между собой. Такие панели могут обеспечивать изломостойкость при изгибе, но каждая является горючей и ни одна из них не является долговечной, когда она подвергается воздействию воды. Панели, изготовленные из гидравлического цемента, являются водостойкими, но они гораздо тяжелее древесных панелей и обладают недостаточной изломостойкостью при изгибе. Полагают, что в настоящее время не имеется панели, которая обладала бы изломостойкостью при изгибе, как у панели по настоящему изобретению, при этом, не имея недостатков, присущих панелям из клееной фанеры или из ориентированных древесных вставок.

Кроме того, потребность в цементных панелях с конфигурациями, которые ведут себя в строительных конструкциях таким же образом, как панели из клееной фанеры или из ориентированных древесных вставок, означает, что такие панели могут крепиться гвоздями, резаться и обрабатываться с использованием обычных пил и других обычных инструментов плотников. Желательно также, чтобы цементные строительные панели имели низкий удельный вес, чтобы легче было обращаться с ними.

Панели должны резаться циркулярными пилами, используемыми для резки дерева.

Панели должны прикрепляться к рамам гвоздями или шурупами.

Панели должны быть стабильными по размерам при воздействии на них воды, т.е. расширяться как можно меньше, предпочтительно меньше 0,1% при измерении по ASTM C 1185.

Панели не должны биодеградироваться или подвергаться воздействию насекомых или гниению.

Панели должны обеспечивать связываемую основу для систем внешней отделки.

После отверждения в течение 28 дней прочность на изгиб панели толщиной 0,5 дюйма (12,7 мм), имеющей удельный вес от 60 фунт/фут3 (961 кг/м3) до 75 фунт/фут3 (1200 кг/м3 ), составляет по меньшей мере 750 psi (5,2 МПа) и предпочтительно больше 1000 psi (6,9 МПа), как измерено по ASTM C 947.

Должно быть ясно, что доступные в настоящее время продукты и композиты на основе цемента и древесины соответствуют некоторым, но не всем, приведенным выше характеристикам. В частности, имеется потребность в улучшенных панелях на основе цемента, которые будут легкими, иметь повышенную изломостойкость при изгибе и превосходить возможности используемых в настоящее время панелей на основе цемента и древесины в отношении негорючести и водостойкости.

Хотя стеклянные волокна используются для армирования цемента, они, как известно, со временем теряют прочность, так как стекло подвергается воздействию извести, присутствующей в отвержденном цементе. Это в некоторой степени можно нейтрализовать нанесением покрытия на стеклянные волокна или использованием специального стекла, стойкого к щелочам. Были предложены другие волокна для армирования цемента, такие как металлические волокна, древесные и другие целлюлозные волокна, углеродные или полимерные волокна. В колонке 10, строках 1-6 говорится: «Хотя они не обеспечивают прочность, эквивалентную стеклянным волокнам, имеется возможность включить некоторые полимерные волокна в панели по изобретению. Такие полимерные волокна, например, полипропиленовые, полиэтиленовые, полиакрилнитриловые и волокна из поливинилового спирта менее дорогие, чем стеклянные волокна, устойчивые к щелочам и не подвержены воздействию извести».

В патенте США № 6241815 Бонена (Bonen), представленном в данном описании в качестве ссылки, раскрыта композиция для использования в строительных материалах, которая может заменить высококачественный бетон, заделочные материалы, связующие компаунды и т.п., например, в таких как несущие блоки или панели, которая содержит схватываемый сульфат кальция, предпочтительно полугидрат, портландцемент, мелкодисперсный пуццолановый материал, известь и заполнитель, необязательно включающий другие добавки. Отношение объема заполнителя к объему вместе взятых сульфата кальция, портландцемента, пуццоланового материала и извести (цементного связующего) равно или больше 2/1. Панели, изготовленные из данной композиции, используются особенно тогда, когда они подвержены воздействию воды, так как имеют хорошую стабильность размеров.

В патенте США 4199366 А Шеффера и др. (Schaefer) раскрыт армированный волокнами похожий на цемент материал, имеющий короткие волокна из поливинилового спирта в количестве по меньшей мере 2% объемных от общего объема материала. Такие волокна имеют удлинение до разрыва от около 4 до 8% и модуль больше 130 г/dtex. Также раскрыт способ получения материала. В патенте США 4306911А Гордона и др. (Gordon) раскрыт способ изготовления гидравлически получаемого схватываемого материала, армированного волокнами. В патенте США 4339273А Мейера и др. (Meier) раскрыты способ получения гидравлически схватываемой композиции, армированной волокном, полученная композиция и ее применение. В патенте США 5298071A Вондрана (Vondran) раскрыта волоконногидратируемая цементная композиция, содержащая равномерную дисперсию измельченного волокна в гидратируемом цементном порошке. В патенте США 6528151 В1 Шаха и др. (Shah) раскрыт экструдированный цементный матричный композит, армированный волокном и изготовленный смешиванием цемента, воды, растворимого в воде связующего и сравнительно коротких прерывистых армирующих волокон, предпочтительно коротких волокон из поливинилового спирта, для обработки экструдируемой смеси, последующей экструзией смеси в заданной форме и отверждением цемента. В патенте США 6723162 В1 Чейрези и др. (Cheyrezy) раскрыты бетон, содержащий органические волокна, диспергированные в цементной матрице, бетонная цементная матрица и премиксы. В некоторых примерах патента используются волокна из поливинилового спирта. В патенте США 2002/0019464 А1 Ли и др. (Li) раскрыты цементные композиты, армированные короткими волокнами, которые являются самоуплотняющимися и могут быть изготовлены добавлением гидрофильных полимерных волокон к цементной композиции, содержащей полимерный загуститель и суперпластификатор. В «Fracture Toughness of Microfiber Reinforced Cement Composites , Nelson et al., J. Mat.Civil. Eng., Sept./Oct. 2002, раскрыты результаты испытаний на изломостойкость при изгибе, проводимых на тонких пленках из цементных композитов, армированных полипропиленовыми (ПП), поливинилспиртовыми (ПВС) и тонкими целлюлозными волокнами в воздушно-сухих условиях. Однако цементные продукты по этим ссылкам имеют высокий удельный вес. Другими словами, отражающие уровень техники современные панели на основе цемента, армированные волокнами из ПВС, как указано в приведенных ссылках, являются панелями с высоким удельным весом, а не легкими панелями.

В патентной заявке США с серийном номером 10/666294, приведенной в данном описании в качестве ссылки, раскрыт многослойный способ изготовления строительных цементных панелей (СЦП или СЦП панелей) и СЦП, изготовленные по указанному способу. После одного из первоначальных осаждений свободно распределенных рубленых волокон или слоя суспензии на подвижную ленту, волокна осаждаются на слой суспензии. Также в ней раскрыта строительная цементная панель (СЦП), изготовленная по указанному способу, и устройство, приемлемое для изготовления строительных цементных панелей в соответствии с указанным способом.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение относится к цементной композиции, армированной волокнами из поливинилового спирта (ПВС), для получения чрезвычайно прочных легких композитов на основе цемента. Указанная композиция является смесью неорганического связующего, легких наполнителей и предпочтительных типов ПВС волокон. Оказалось, что комбинация материалов по изобретению способствует получению легких композитов на основе цемента, обладающих значительной изломостойкостью (способностью к поглощению энергии). Для композитов по изобретению достигнутая изломостойкость на несколько порядков выше изломостойкости композитов, армированных другими видами волокон, такими как из устойчивого к щелочам стекла, углерода или стали. ПВС волокна выбирают таким образом, чтобы они имели предпочтительные свойства и параметры, которые приведут к хорошим эксплуатационным характеристикам композита. Такие предпочтительные виды ПВС волокон могут использоваться в сочетании с другими типами волокон, такими как из устойчивого к щелочам стекла, углерода, стали или другие полимерные волокна. Композиты на основе цемента, изготовленные с использованием состава, раскрытого в изобретении, могут быть предназначены для применения в строительных конструкциях. Раскрытый состав и полученные композиты особенно полезны в применениях, где их повреждения, вызванные ударными нагрузками (например, повреждения градом), представляют собой большую проблему. Некоторые примеры потенциальных областей применения включают кровельные черепицы и наружные сайдинговые обшивки для зданий.

Типичные композиции для вариантов осуществления панелей по настоящему изобретению, которые достигают сочетания низкого удельного веса, повышенной прочности на изгиб и возможности применения гвоздей, включают неорганическое связующее (примеры: гипсоцемент, портландцемент и другие гидравлические цементы), имеющее распределенные по всей толщине панели выбранные ПВС волокна, легкие наполнители (примеры: полые стеклянные, полые керамические, пластмассовые микрошарики и/или перлитовые образования) и суперпластификатор/значительные добавки, понижающие влагосодержание (примеры: полинафталинсульфонаты, полиакрилаты и т.д.).

Панели могут быть однослойными или многослойными. Однослойная или многослойная панель может быть также снабжена пленкой из сетки, например стекловолоконной сеткой, если требуется. Типичную панель изготавливают из смеси воды и неорганического связующего с выбранными ПВС волокнами, легкими керамическими и/или полимерными микрошариками, и суперпластификатором, распределенным во всей смеси. Могут быть введены в смесь, но не обязательно, и другие добавки, такие как ускоряющие и замедляющие примеси, добавки для управления вязкостью в соответствии с требованиями применяемого производственного способа.

Важнейшей особенностью цементных панелей по изобретению является то, что они легкие. Предпочтительно удельный вес цементных панелей по изобретению составляет менее 85 фунт/фут3 или более предпочтительно удельный вес цементных панелей по изобретению составляет менее 70 фунт/фут3. В настоящем изобретении в легких цементных панелях используют ПВС волокна для изготовления панелей, обладающих предпочтительными свойствами.

Предпочтительные волокна могут использоваться одни или в комбинации с другими типами волокон, такими как из устойчивого к щелочам стекла, углеродные, стальные или другие полимерные волокна.

Изломостойкость при изгибе композита обычно больше 2,25 Дж в соответствии со способом определения, раскрытым в данном описании. Кроме того, панель может служить в качестве панели, работающей на сдвиг, при объемной доле волокон по меньшей мере 2%.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показан схематично вид сбоку однослойной панели по настоящему изобретению.

На фиг.2 представлены данные, показывающие влияние типа волокон и объемной доли волокон на изломостойкость при изгибе легких композитов на основе цемента, армированного волокном.

На фиг.3 представлены данные, показывающие влияние типа волокон (при 2% объемной доле волокон) на изломостойкость при изгибе легких композитов на основе цемента, армированного волокном.

На фиг.4 представлены данные, показывающие влияние типа волокон и объемной доли волокон на прочность на изгиб легких композитов на основе цемента, армированного волокном.

На фиг.5 представлены данные, показывающие влияние типа волокон и объемной доли волокон на латеральное крепежное сопротивление легких композитов на основе цемента, армированного волокном.

На фиг.6 представлены данные, показывающие влияние типа волокон и объемной доли волокон на максимальный прогиб легких композитов на основе цемента, армированного волокном.

На фиг.7 представлены данные, показывающие влияние типа волокон на максимальный прогиб легких композитов на основе цемента, армированного волокном.

На фиг.8 представлены данные, показывающие влияние типа волокон на вязкость легких композитов на основе цемента, армированного волокном.

На фиг.9 представлены данные, показывающие влияние типа волокон на прочность на изгиб легких композитов на основе цемента, армированного волокном.

Подробное описание изобретения

Как было описано выше, имеется потребность в строительных панелях, которые являются легкими по весу и могут заменить существующие в настоящее время доступные панели на основе цемента и древесины, для обеспечения повышенной прочности, обеспечивающей стойкость к дефектам, вызываемым ударами града или других объектов, переносимых сильными ветрами. Панели и продукты на основе древесины обычно обеспечивают соответствующую изломостойкость при изгибе, но не являются стабильными по размерам, когда они подвергаются воздействию воды, гниению или насекомых. В настоящее время доступные панели и продукты на основе цемента имеют следующие недостатки: большой удельный вес, низкую изломостойкость при изгибе при эксплуатации, нестабильность в условиях замораживание-оттаивание, что приводит к расслоению панели, плохую стойкость к плесени, грибку и к нападению термитов, и плохую влагостойкость панелей, армированных целлюлозными волокнами.

Кроме того, когда используются панели на основе древесины или панели на основе цемента, армированные целлюлозными волокнами, их нужно защищать от воздействия влаги нанесением водостойкого покрытия или дополнительными водостойкими панелями поверх них, что еще больше повышает их цену. В противоположность этому панели по изобретению являются водостойкими и стабильными по размерам. Панели могут разрезаться инструментами, используемыми для деревянных панелей, и закрепляться на рамах гвоздями или шурупами. Там, где нужно, необязательно использование конструкции шпунт и канавка.

Основными используемыми исходными материалами для изготовления панелей по изобретению являются неорганическое связующее, например, альфа-полугидрат сульфата кальция, гидравлический цемент и пуццолановые материалы, отобранные ПВС волокна, легкие наполнители, например, перлит, керамические и/или полимерные микрошарики, суперпластификатор, например, полинафталинсульфонаты и/или полиакрилаты, вода и необязательно добавки.

Полугидрат сульфата кальция

Полугидрат сульфата кальция, который может использоваться в панелях по изобретению, получают из гипсовой руды встречающегося в природе минерала (дигидрата сульфата кальция: CaSO4·2h3O). Если не указано иначе, то термин «гипс» будет относиться к дигидратной форме сульфата кальция. После добычи исходный гипс термически обрабатывают для образования схватываемого сульфата кальция, который может быть безводным, но чаще является полугидратом, CaSO4·1/2h3O. В известных конечных применениях проводят реакцию схватываемого сульфата кальция с водой, что вызывает его затвердевание с образованием дигидрата (гипса). Полугидрат имеет две известные морфологии, называемые альфа-полугидрат и бета-полугидрат. Их выбирают для различных областей применения в зависимости от их физических свойств и стоимости. Обе формы вступают в реакцию с водой с образованием дигидрата сульфата кальция. При гидратации альфа-полугидрат отличается тем, что образуются кристаллы гипса с прямоугольными сторонами, а при гидратации бета-полугидрата образуются игольчатые кристаллы гипса, обычно с большим отношением длины к толщине. В настоящем изобретении одна из форм альфа и бета или обе формы могут использоваться в зависимости от заданных механических свойств. Бета-полугидрат образует менее плотные микроструктуры и является предпочтительным для продуктов с низким удельным весом. Альфа-полугидрат образует более плотные микроструктуры, имеющие более высокие прочность и удельный вес, чем у микроструктур, образованных бета-полугидратом. Таким образом бета-полугидрат может быть заменен альфа-полугидратом для повышения прочности и удельного веса или они могут применяться вместе для доведения до указанных свойств.

Конкретный вариант осуществления для неорганического связующего, используемого для изготовления панелей по настоящему изобретению, включает гидравлический цемент, такой как портландцемент, высокоглиноземистый цемент, портландцемент с примесью пуццолана или их смеси.

Другой конкретный вариант осуществления для неорганического связующего, используемого для изготовления панелей по настоящему изобретению, включает смесь, содержащую альфа-полугидрат сульфата кальция, гидравлический цемент, пуццолан и известь.

Гидравлический цемент

ASTM дает следующее определение «гидравлическому цементу»: цемент, который схватывается и затвердевает при химическом взаимодействии с водой и может проявлять данное свойство под водой. Имеется несколько типов гидравлических цементов, которые используются в строительстве и домостроительной промышленности. Примеры гидравлических цементов включают портландцемент, шлаковый цемент, такой как доменный шлаковый цемент и сверхсульфатированные цементы, цемент на основе сульфоалюмината кальция, высокоглиноземистый цемент, расширяющиеся цементы, белый цемент и быстро схватывающиеся и затвердевающие цементы. Хотя полугидрат сульфата кальция схватывается и затвердевает при химическом взаимодействии с водой, он не подпадает под широкое определение гидравлических цементов в контексте данного изобретения. Все указанные выше гидравлические цементы могут использоваться для изготовления панелей по изобретению.

Наиболее популярное и широко применяемое семейство тесно связанных гидравлических цементов известно как портландцемент. ASTM определяет «портландцемент» как гидравлический цемент, изготовленный измельчением клинкера, состоящего по существу из гидравлических силикатов кальция, обычно содержащих одну или несколько форм сульфата кальция в качестве добавки, введенной при измельчении. Для изготовления портландцемента тщательно размешанную смесь известняка, глинистых пород и глины обжигают в печи с получением клинкера, который затем подвергают дальнейшей обработке. В результате получают следующие четыре основные фазы портландцемента: трикальцийсиликат (3CaO·SiO 2, также обозначаемый C3S), дикальцийсиликат (2CaO·SiO2, обозначаемый C2S), трикальцийалюминат (3CaO·Al2O3 или C3A) и тетракальцийалюмоферрит (4CaO·Al2O3 ·Fe2O3 или C4AF). Другие соединения, присутствующие в небольших количествах в портландцементе, включают сульфат кальция и другие двойные соли сульфатов щелочных металлов, оксид кальция и оксид магния. Из других известных классов портландцемента предпочтительным для изготовления панелей по изобретению является портландцемент типа III (классификация ASTM), так как из-за своей мелкодисперсности, как оказалось, он обеспечивает более высокую прочность. Другие признанные классы гидравлических цементов включают шлаковые цементы, например, такой как доменный шлаковый цемент и суперсульфированные цементы, кальцийсульфоалюминатный цемент, высокоглиноземистый цемент, расширяющийся цемент, белый цемент, быстро схватывающиеся и затвердевающие цементы, такие как цемент с регулируемым схватыванием и ОБР цемент, и другие типы портландцемента также могут быть с успехом использованы для изготовления панелей по настоящему изобретению. Шлаковые цементы и кальцийсульфоалюминатный цемент имеют низкую щелочность и также подходят для изготовления панелей по настоящему изобретению.

ПВС волокна

Существенные различия в механических свойствах композитов возникают при использовании различных разновидностей ПВС волокон. Поэтому в настоящем изобретении выбраны ПВС волокна, обладающие характеристиками, которые, как полагают, приводят к композитам с хорошими свойствами. В таблице 1 приведены такие свойства.

Таблица 1
Свойства волокна Величина
Предпочтительный диаметр 10-400 мкм
Более предпочтительный диаметр 10-100 мкм
Наиболее предпочтительный диаметр 10-50 мкм
Предпочтительная длина волокна от 0,1 до 1,0 дюйма
Более предпочтительная длина волокна от 0,2 до 0,75 дюйма
Наиболее предпочтительная длина волокна от 0,20 до 0,5 дюйма (например, 0,25 дюйма)
Предпочтительный модуль упругости волокна от 20 до 50 ГПа
Более предпочтительный модуль упругости волокна от 30 до 50 ГПа

Волокна из поливинилового спирта (ПВС) являются полимерами общей формулы (-Ch3-CH(OH)-)-)n, с молекулярной массой, например, от 13000 до 100000, и удельным весом, например, от 1,23 до 1,30 г/куб.см, и обычно изготавливаются, как известно в данной области техники.

Предпочтительные коммерчески доступные ПВС волокна перечислены в таблице 2.

Таблица 2
Предпочтительные коммерчески доступные ПВС волокна KURALON REC15KURALON REC100LKURALON RM182KURALON RE182KURALON RBW203KURALON RKW1502KURALON RMS182KURALON RMh282KURALON RKW182KURALON RFS602KURALON RF350
Более предпочтительные коммерчески доступные ПВС волокна KURALON REC15KURALON REC100LKURALON RMS182KURALON RFS602KURALON RKW1502
ПВС волокна KURALON доступны у фирмы Kuraray Co., Ltd, Kurashiki, Япония

ПВС волокна в соответствии с настоящим изобретением добавляются в цементоподобную подложку в количестве, которое обеспечивает содержание по меньшей мере 0,50% объемных, предпочтительно от 0,50 до 3,00% объемных указанных волокон в полученном продукте. Содержание смеси волокон меньше 0,50% объемных не обеспечивает материал с требуемыми характеристиками. Содержание смеси волокон выше 3,00% объемных делает изготовление требуемых продуктов очень дорогим без какого-либо значительного улучшения прочности продуктов на изгиб или на удар. Длина отдельных волокон может быть одинакова или различна.

ПВС волокна равномерно распределены в цементном материале. Волокна могут быть из одной нити ПВС или из многонитевых прядей ПВС. Сечение волокон может приобретать различные формы, особенно в результате физических и химических изменений в процессе изготовления. Например, могут быть изменены материал раствора для формования, ванна для осаждения и фильеры. Таким образом облегчается изготовление круглых волокон, многодольных волокон, полых волокон, пористых волокон и т.д. Наружной поверхности волокна можно придать шероховатость, расщепить ее или свойлачивать последующей физической обработкой.

ПВС волокна могут быть легко химически модифицированы ввиду своей высокой химической активности. За счет реакций присоединения или реакций с участием свободных радикалов в них могут быть введены различные функциональные группы, такие как карбоксильные, амидные, нитриловые, фосфатные, сульфатные и т.д. На волокна или в волокна могут быть введены осветлители или адгезивы чисто физическими средствами, и они могут способствовать закреплению ПВС волокон в цементоподобном материале. Способами, описанными выше, ПВС волокна можно сделать сгораемыми, гидрофобными или сшитыми. Все ПВС волокна, модифицированные таким образом, могут подходить для применения в качестве наполнителей в настоящем изобретении.

В соответствии со способом по настоящему изобретению в цементоподобный материал могут быть добавлены только ПВС волокна или ПВС волокна вместе только со стеклянными волокнами, или в комбинации с другими синтетическими или натуральными волокнами. К армирующему материалу могут добавляться помимо армирующих волокон также такие активаторы, как целлюлозные отходы, древесные опилки, волокнистые продукты (например, из полипропилена) и другие наполнители.

Другие возможные волокна

Стеклянные волокна обычно используются в качестве изоляционного материала, но они также могут использоваться как армирующий материал с различными матрицами. Сами волокна обеспечивают прочность на растяжение материалов, которые иначе могут быть подвержены хрупкому разрушению. Волокна могут рваться при нагрузке, но обычный вид разрушения композитов, содержащих стеклянные волокна, возникает от деградации и нарушения сцепления между волокнами и материалом непрерывной фазы.

Таким образом такое сцепление важно, если армирующие волокна должны сохранять способность к увеличению пластичности и повышать прочность композита со временем. Оказалось, что цементы, армированные стеклянными волокнами, все же теряют прочность по истечении времени, что приписывалось воздействию на стекло извести, которая образуется при отверждении цемента. Одним возможным способом преодоления такого воздействия является нанесение на стеклянные волокна защитного слоя, например, такого как полимерный слой. Обычно такие защитные слои могут противостоять воздействию извести, но оказалось, что прочность панелей по изобретению уменьшалась и поэтому защитные слои не являются предпочтительными. Более дорогим способом ограничения воздействия извести является использование специальных устойчивых к щелочам стеклянных волокон (УЩ стеклянных волокон), например, волокон 350Y фирмы Nippon Electric Glass (NEG). Такие волокна, как оказалось, обеспечивают высокую прочность сцепления с матрицей и являются, таким образом, предпочтительными для панелей по изобретению. Стеклянные волокна являются однонитевыми, имеющими диаметр от около 5 до 25 мкм (микрометров) и обычно от около 10 до 15 мкм. Нити обычно объединены в пряди из 100 нитей, которые могут быть связаны в жгуты, содержащие около 50 прядей. Пряди или жгуты обычно нарезают на подходящие нити и пряди из нитей, например, длиной от около 0,25 до 3 дюймов (от 6,3 до 76 мм), предпочтительно от 1 до 2 дюймов (от 25 до 50 мм).

Также можно вводить другие полимерные волокна в панели по изобретению. Такие полимерные волокна, например, полипропиленовые, полиэтиленовые, полиэтиленовые высокой плотности, полиакрилонитриловые, полиамидные, полиимидные и/или арамидные волокна являются менее дорогими, чем устойчивые к щелочам стеклянные волокна и не подвержены воздействию извести. Углеродные или стальные волокна также являются потенциальными добавками.

Пуццолановые материалы

Как указано выше, большинство портландцементов и других гидравлических цементов образуют известь во время гидратации (отверждения). Желательно провести реакцию с известью, чтобы уменьшить ее воздействие на стеклянные волокна. Также известно, что при наличии полугидрата сульфата кальция он реагирует с трикальцийалюминатом в цементе с образованием эттрингита, который может привести к нежелательному растрескиванию отвержденного продукта. Это часто называется в данной области «сульфатной атакой». Такие реакции могут быть предотвращены добавлением «пуццолановых» материалов, которые определяются в ASTM C618-97 как « кремнийсодержащие или кремнийсодержащие и алюминийсодержащие материалы, которые сами по себе представляют мало ценности или никакой ценности в отношении содержания цемента, но в мелкоизмельченной форме и в присутствии влаги вступают в химическую реакцию с гидроксидом кальция при обычных температурах с образованием соединений, обладающих цементными свойствами». Одним часто используемым пуццолановым материалом является кремнеземистая пыль, мелкодисперсный аморфный кремнезем, являющийся продуктом в производстве металлического кремния и феррокремниевого сплава. Характерно, что он имеет высокое содержание кремнезема и низкое содержание глинозема. Были указаны различные природные и искусственно полученные материалы, как имеющие пуццолановые свойства, включая пемзу, перлит, диатомовую землю, туф, трасс, метакаолин, микрокремнезем, измельченный гранулированный доменный шлак и зольную пыль. Хотя кремнеземная пыль является особенно удобным пуццоланом для использования в панелях по изобретению, могут быть использованы и другие пуццолановые материалы. В противоположность кремнеземной пыли метакаолин, измельченный гранулированный доменный шлак и распыленная зольная пыль имеют гораздо более низкое содержание кремнезема и большие количества глинозема, но могут являться эффективными пуццолановыми материалами. Когда используют кремнеземную пыль, она состоит от около 5 до 20% мас., предпочтительно от 10 до 15% мас. из реактивных порошков (примеры реактивных порошков: только гидравлический цемент, смеси гидравлического цемента и пуццолана, или смеси гидравлического цемента, альфа-полугидрата сульфата кальция, пуццолана и извести). Если их заменяют другими пуццоланами, то используемые количества выбирают таким образом, чтобы обеспечить химические свойства, аналогичные действию кремнеземной пыли.

Легкие наполнители/микрошарики

Легкие цементные панели по настоящему изобретению обычно имеют удельный вес от 60 до 85 фунт/фут3, предпочтительно от 60 до 75 фунт/фут3. В противоположность этому конкретные цементные панели имеют удельный вес от 90 до 145 фунт/фут 3.

Для обеспечения получения панелей с такими низкими удельными весами используют частицы легких наполнителей. Такие частицы обычно имеют средний диаметр от 50 до 250 мкм и/или имеют диаметры, находящиеся в диапазоне от 10 до 500 мкм. Они также обычно имеют удельный вес в диапазоне от 0,02 до 1,00. Микрошарики выполняют важную задачу в панелях по изобретению, которые иначе были бы тяжелее, чем это требуется для строительных панелей. Микрошарики, используемые как легкие наполнители, помогают снизить средний удельный вес продукта. Когда микрошарики являются полыми, их иногда называют микробаллончиками.

Конкретные легкие наполнители для введения в смеси, используемые для изготовления панелей по настоящему изобретению, выбираются из группы, состоящей из керамических, полимерных микрошариков, перлита, стеклянных микрошариков и/или пеношариков из зольной пыли.

Керамические микрошарики могут быть изготовлены из различных материалов с использованием разных производственных способов. Хотя могут быть использованы разные керамические микрошарики в качестве наполняющего компонента в панелях по изобретению, предпочтительные керамические микрошарики по изобретению изготавливают как побочный продукт при сжигании каменного угля и являются компонентом зольной пыли, обнаруживаемым при использовании угля в качестве топлива, например, такими керамическими микрошариками, как Extendospheres-SG, производимые фирмой Kish Company Inc., Mentor, Ohio или FILLITE® BRAND, производимые фирмой Trelleborg Fillite Inc., Norcross, Georgia USA. Химия предпочтительных керамических микрошариков по изобретению в основном относится к кремнезему (SiO2 ) в диапазоне от около 50 до 75% мас., и глинозему (Al2 O3) в диапазоне от около 15 до 40% мас., и до 35% мас. других материалов. Предпочтительными керамическими микрошариками по изобретению являются полые сферические частицы диаметром от 10 до 500 мкм (микрометров), при толщине оболочки обычно около 10% диаметра шарика и удельный вес частицы предпочтительно от около 0,50 до 0,80 г/мл. Прочность на раздавливание предпочтительных керамических микрошариков по изобретению больше 1500 psi (10,3 МПа) и предпочтительно больше 2500 psi (17,2 МПа).

Предпочтение к керамическим микрошарикам для панелей по изобретению в основном вызвано тем фактом, что они от трех до десяти раз прочнее большинства микрошариков из синтетического стекла. Кроме того, предпочтительные керамические микрошарики по изобретению являются термически стабильными и придают повышенную размерную стабильность панелям по изобретению. Керамические микрошарики находят применение в целом ряду других областей, таких как адгезивы, герметики, замазки, кровельные компаунды, ПВХ полы, краски, промышленные покрытия и стойкие при повышенных температурах пластмассовые композиты. Хотя они являются предпочтительными, но следует понимать, что необязательно, чтобы шарики были полыми и сферическими, так как только удельный вес и прочность на сжатие керамических частиц придают панели по изобретению малую массу и важные физические свойства. Альтернативно, их можно заменить пористыми частицами неодинаковой формы при условии, что полученные панели будут соответствовать заданным характеристикам.

Полимерные микрошарики предпочтительно также являются полыми с оболочкой, изготовленной из полимерных материалов, таких как полиакрилнитрил, полиметакрилнитрил, поливинилхлорид или поливинилиденхлорид, или их смеси. В оболочке может содержаться газ, используемый для расширения полимерной оболочки при изготовлении. Наружная поверхность полимерных микрошариков может иметь некоторый тип инертного покрытия, такого как карбонат кальция, оксиды титана, слюда, кремнезем и тальк. Полимерные микрошарики имеют удельный вес предпочтительно от около 0,02 до 0,15 г/мл и диаметр в диапазоне от 10 до 350 мкм. Присутствие полимерных микрошариков облегчает одновременное достижение двух целей: низкого удельного веса панелей и их повышенной способности к резке и прикреплению гвоздями. Хотя все панели по изобретению могут быть разрезаны с использованием обычных инструментов плотника, включение в них полимерных шариков уменьшает их стойкость к забиванию гвоздей. Это ценное свойство, когда гвозди забиваются вручную. Когда используется пневматическое оборудование для забивания гвоздей, стойкость панели к гвоздям имеет меньшее значение, так что прочность панели может быть выше, чем прочность панелей, которые должны быть прибиты гвоздями вручную. Кроме того, когда используется смесь керамических и полимерных микрошариков в определенных пропорциях, реализуются синергические эффекты в виде улучшенных реологических свойств суспензии и повышения прочности панели на изгиб в сухом состоянии.

Другие легкие наполнители, например, стеклянные микрошарики, перлитовые или полые глиноземно-силикатные ценошарики или микрошарики, полученные из зольной пыли, также являются подходящими для ввода их в используемые смеси вместе с керамическими микрошариками или вместо последних, для изготовления панелей по настоящему изобретению.

Стеклянные микрошарики обычно изготавливают из стеклянных материалов, устойчивых к щелочам, и они могут быть полыми. Конкретные микрошарики могут быть приобретены у фирмы GYPTEK INC., Suite 135, 16 Midlake Blvd SE, Calgary, AB, T2X 2X7, CANADA.

В первом варианте осуществления изобретения используют только керамические микрошарики по всей толщине панели. Панель содержит предпочтительно от около 35 до 42% мас. керамических микрошариков, равномерно распределенных по толщине панели.

Во втором варианте осуществления изобретения смесь легких керамических и полимерных микрошариков используют по всей толщине панели. Чтобы получить заданные свойства, объемная доля полимерных микрошариков в панели по второму варианту осуществления изобретения будет составлять предпочтительно диапазон от 7 до 15% от общего объема сухих ингредиентов, где сухими ингредиентами композиции являются реактивные порошки (примеры реактивных порошков: только гидравлический цемент, смесь гидравлического цемента и пуццолана или смесь гидравлического цемента, альфа-полугидрата сульфата кальция, пуццолана и извести), керамические микрошарики, полимерные микрошарики и устойчивые к щелочам стеклянные волокна. Количество полимерных микрошариков может быть изменено регулировкой соотношения вода и реактивный порошок, как это требуется для достижения аналогичного эффекта. Типовая водная смесь имеет отношение воды к реактивным порошкам от более 0,3/1 до 0,7/1.

Композиции

Компонентами, используемыми для панелей по изобретению, стойких к деформации сдвига, являются ПВС волокна, гидравлический цемент, альфа-полугидрат сульфата кальция, активный пуццолан, такой как кремнеземная пыль, известь, керамические, полимерные микрошарики, суперпластификатор (например, натриевая соль полинафталинсульфоната) и вода. К композиции могут быть добавлены небольшие количества ускорителей и/или замедлителей для управления характеристиками схватывания сырого (т.е. неотвержденного) материала. Конкретные неограничивающие добавки включают ускорители для гидравлического цемента, такие как хлористый кальций, ускорители для альфа-гидрата сульфата кальция, такой как гипс, замедлители, такие как ДТПК (диэтилентриаминпентуксусная кислота), винная кислота или соль щелочного металла и винной кислоты (например, тартрат калия), агенты, препятствующие усадке, такие как гликоли, и захваченный воздух.

Панели по изобретению включают непрерывную фазу, в которой равномерно распределены ПВС волокна и микрошарики. Непрерывная фаза образуется при затвердевании водной смеси реактивных порошков (примеры реактивных порошков: только гидравлический цемент, смесь гидравлического цемента и пуццолана или смесь гидравлического цемента, альфа-полугидрата сульфата кальция, пуццолана и извести), включающей суперпластификатор и/или другие добавки.

Конкретные широкие массовые пропорции вариантов осуществления указанных реактивных порошков (неорганическое связующее) в изобретении берут из расчета на сухую массу реактивных порошков, как показано в таблицах 3 и 4. В таблице 5 и 5А перечислены конкретные диапазоны реактивных порошков (неорганическое связующее), легкого наполнителя, суперпластификатора и воды в композициях по настоящему изобретению.

Таблица 3
Реактивный порошок Доля в % мас.
Широкий диапазон Конкретный диапазон
Гидравлический цемент70-100 100
Пуццолан0-30 0
Таблица 4
Реактивный порошок Доля в % мас.
Широкий диапазон Конкретный диапазон
Гидравлический цемент2-55 25-40
Альфа-полугидрат сульфата кальция 35-7545-65
Пуццолан 5-25 10-15
Известь до 3,5 0,75-1,25
Таблица 5
Конкретные композиции легких цементных смесей
ИнгредиентМин. - Макс. диапазон (% мас.)
Неорганическое связующее 30-60
Легкий наполнитель10-40
Суперпластификатор 0,5-4,0
Вода 15-40
Таблица 5А
Типовая композиция цементной смеси (на сухой основе) Доля в % мас.Доля в % мас.
Реактивный порошок 35-7035-68
Легкий наполнитель 20-50 23-49
Стеклянные волокна0-20 0-17
ПВС волокна0,5-5,0 0,75-3,0

Известь не требуется во всех композициях по изобретению, но добавление извести может обеспечить панели очень высокое качество. Конкретное количество извести в реактивных порошках составляет от около 0,2 до 3,5% мас.

В первом варианте осуществления изобретения сухими ингредиентами композиции будут являться реактивные порошки (примеры реактивных порошков: только из гидравлического цемента; смеси гидравлического цемента и пуццолана; или смеси гидравлического цемента, альфа-полугидрата сульфата кальция, пуццолана и извести), ПВС волокна, керамические микрошарики и необязательно устойчивые к щелочам стеклянные волокна, и влажными ингредиентами композиции будут вода и суперпластификатор. Сухие ингредиенты и влажные ингредиенты объединяют для получения панели по изобретению. ПВС волокна и керамические микрошарики равномерно распределяются в матрице по всей толщине панели. Из расчета на общую массу сухих ингредиентов панель по изобретению состоит примерно из 49 до 56% мас. реактивных порошков, от 0,75 до 3,0% мас. ПВС волокон, от 35 до 42% мас. керамических шариков и от 0 до 12% мас. устойчивых к щелочам стеклянных волокон. В широком диапазоне панель по изобретению формируют из 35-58% мас. реактивных порошков, из 0,5-5% мас. ПВС волокон, из 34-49% мас. керамических микрошариков и из 0-17% мас. устойчивых к щелочам стеклянных волокон, из расчета на общую массу сухих ингредиентов. Количество воды и суперпластификатора, добавляемых к сухим ингредиентам, будет достаточным для получения суспензии заданной текучести, нужной для удовлетворения требований обработки в любом конкретном способе изготовления. Конкретная скорость добавления воды составляет диапазон от 35 до 60% от массы реактивных порошков и скорость добавления суперпластификатора составляет диапазон от 1 до 8% от массы реактивных порошков.

Возможными стеклянными волокнами являются мононити диаметром от около 5 до 25 мкм, предпочтительно от около 10 до 15 мкм. Мононити обычно объединяют в пряди по 100 мононитей, которые могут быть соединены в жгуты, состоящие приблизительно из 50 прядей. Длина стеклянных волокон предпочтительно от около 1 до 2 дюймов (25-50 мм) и обычно приблизительно от 0,25 до 3 дюймов (6,3-76 мм). Стеклянные волокна и ПВС волокна имеют произвольную ориентацию, обеспечивающую изотропные механические свойства в плоскости панели.

Второй вариант осуществления изобретения содержит ПВС волокна со смесью керамических и полимерных микрошариков, равномерно распределенных по всей толщине панели. Включение полимерных микрошариков в панель помогает достигнуть комбинации низкого удельного веса и пластичности, требуемой для того, чтобы панель можно было резать или прикреплять (гвоздями или шурупами) с помощью обычных инструментов плотника. Кроме того, реологические свойства суспензии значительно улучшаются, когда используют комбинацию полых керамических и полимерных микрошариков в качестве части композиции. Соответственно во втором варианте осуществления изобретения сухими ингредиентами композиции являются реактивные порошки (гидравлический цемент, альфа-полугидрат сульфата кальция, пуццолан и известь), керамические, полимерные микрошарики и необязательно устойчивые к щелочам стеклянные волокна, и влажными ингредиентами композиции являются вода и суперпластификатор. Сухие ингредиенты и влажные ингредиенты объединяют для изготовления панели по изобретению. Для достижения хороших крепежных и режущих способностей объемная доля полимерных микрошариков в панели предпочтительно составляет диапазон от 7 до 15% от общего объема сухих ингредиентов. Из общей массы сухих ингредиентов панель по изобретению состоит из около 54-65% мас. реактивных порошков, из 0,75-3,00% мас. ПВС волокон, из 25-35% мас. керамических микрошариков, из 0,5-0,8% мас. полимерных микрошариков и из 0-10% мас. устойчивых к щелочам стеклянных волокон. В широком диапазоне панель по изобретению состоит из 42-68% мас. реактивных порошков, из 0,50-5,00% мас. ПВС волокон, из 23-43% мас. керамических волокон, из расчета на общую сухую массу ингредиентов. Количество воды и суперпластификатора, добавляемых к сухим ингредиентам, должно быть доведено до обеспечения заданной текучести суспензии, требуемой для удовлетворения соображений обработки для какого-либо определенного производственного способа. Конкретная скорость добавления воды составляет диапазон от 35 до 70% от массы реактивных порошков, но может быть больше 60-70%, предпочтительно от 65 до 75%, когда требуется использовать отношение воды к реактивным порошкам для уменьшения удельного веса панели и улучшения скрепляемости гвоздями. В связи с тем, что отношение воды к реактивным порошкам может быть подстроено для обеспечения такого же эффекта, как и от полимерных микрошариков, может быть использован один из эффектов или их комбинация. Количество суперпластификатора будет составлять от 1 до 8% от массы реактивных порошков.

Возможными стеклянными волокнами являются мононити диаметром от около 5 до 25 мкм, предпочтительно от около 10 до 15 мкм. Их обычно связывают в пряди и жгуты, как описано выше. Длина стеклянных волокон предпочтительно составляет от около 1 до 2 дюймов (25-50 мм) и обычно от около 0,25 до 3 дюймов (6,3-76 мм). Волокна имеют произвольную ориентацию, обеспечивающую изотропные механические свойства в плоскости панели.

Во втором варианте осуществления изобретения введение полимерных микрошариков в количествах, указанных выше, в качестве частичной замены керамических микрошариков помогает улучшить прочность на изгиб композиции в сухом состоянии. Кроме того, частичная замена керамических микрошариков полимерными микрошариками уменьшает отношение воды к реактивным порошкам, требуемое для достижения заданной текучести суспензии. Суспензия, содержащая смесь керамических и полимерных микрошариков, будет иметь очень высокие свойства в состоянии текучести (обрабатываемость) по сравнению с суспензией, содержащей только керамические микрошарики. Это представляет собой особую важность, когда промышленная обработка панелей по изобретению требует использования суспензий с высокими свойствами в состоянии текучести.

Изготовление панели по изобретению

Реактивные порошки (примеры реактивных порошков: только гидравлический цемент, смесь гидравлического цемента и пуццолана или смесь гидравлического цемента, альфа-полугидрата сульфата кальция, пуццолана и извести), рубленые ПВС волокна и легкий наполнитель, например, микрошарики, смешивают в сухом состоянии в подходящем смесителе. Обычно ПВС волокна доступны в рубленом виде и добавляют непосредственно к сухим ингредиентам или непосредственно к жидкой суспензии в рубленом виде. Обычно ПВС волокна не нарубаются из жгутов, как это делается в случае стеклянных волокон.

Затем воду, суперпластификатор (например, натриевая соль полинафталинсульфоната) и пуццолан (например, кремнеземная пыль или метакаолин) смешивают в другом смесителе в течение 1-5 минут. Если требуется, на данной стадии добавляют замедлитель (например, тартрат калия) для управления характеристиками схватывания суспензии. Сухие ингредиенты добавляют в смеситель, содержащий влажные ингредиенты, и смешивают в течение 2-10 минут с получением гладкой однородной суспензии.

Суспензия, содержащая ПВС волокна, затем может быть соединена, но необязательно, со стеклянными или другими волокнами различными способами с целью получения равномерной смеси в виде суспензии. Затем формируют цементные панели заливкой суспензии, содержащей волокна, в соответствующую форму требуемой конфигурации и размера. Если необходимо, обеспечивают вибрацию формы для получения хорошего уплотнения материала в форме. Панель подвергают требуемой поверхностной обработке посредством соответствующего разравнивающего бруса или лопатки.

Другие способы осаждения смеси в виде суспензии, ПВС волокон и необязательно стеклянных или других волокон могут быть применены специалистом в технике производства панелей. Например, вместо того, чтобы использовать общий способ для изготовления каждой панели, лучше аналогичным образом изготовить сплошной лист, который после достаточного схватывания материала можно будет разрезать на панели требуемого размера.

Во многих областях применения, например в сайдингах, панели будут прибиваться гвоздями или прикрепляться шурупами к вертикальной раме. В некоторых применениях, например, таких, где панели используются в качестве структурного нижнего настила или опоры для настила, их предпочтительно будут изготавливать в виде конструкции со шпунтом и канавкой, которые получают формованием краев панели во время литья или перед использованием вырезанием шпунта и канавки с помощью строгального инструмента.

Другой отличительной особенностью настоящего изобретения является то, что полученная цементная панель сконструирована таким образом, что ПВС волокна и возможные стеклянные или другие волокна равномерно распределены по всей ее толщине. Процент волокон по отношению к объему суспензии предпочтительно составляет приблизительно от 0,5 до 3%, например, 1,5%.

Панели по настоящему изобретению обычно имеют одно или несколько следующих свойств.

Прочность на изгиб обычно составляет по меньшей мере 750 psi (5,2 МПа) и предпочтительно больше 1000 psi (6,9 МПа).

Изломостойкость при изгибе обычно составляет по меньшей мере 2,25 Дж, отображаемых всей площадью при нагрузке в зависимости от кривой изгиба для образца шириной 4 дюйма (102 мм), длиной 12 дюймов (305 мм), толщиной 0,5 дюйма (12,7 мм), нагруженного на протяжении 10 дюймов (254 мм) для 4-точечного изгиба в соответствии с методикой испытания по ASTM C947.

Латеральное крепежное сопротивление составляет обычно по меньшей мере 300 фунтов для панели толщиной 0,5 дюйма (12,7 мм), измеренное в соответствии с модифицированным вариантом по ASTM D 1761, как описано R.Tuomi and W.McCutcheon, ASCE Structural Division Journal, July 1978.

ПРИМЕРЫ

В таблице 6 приведены свойства шести исследуемых волокон.

Таблица 6
Исследованные волокна
Материал волокна Коммерческое название волокна Фирма-производитель волокна Длина волокна (дюймы) Диаметр волокна (микроны) Удельный вес волокна
Поливиниловый спирт KURALON RF350×12 Kuraray Co., Ltd. 0,50200,0 1,30
Поливиниловый спиртKURALON REC15×12 Kuraray Co., Ltd. 0,50 40,01,30
Устойчивое к щелочам стеклянное волокно NEG ACS 13H-350Y Nippon Electric Glass Co. 0,5013,0 2,76
Углеродное волокноFORTAFIL 143Fortafil Fibers 0,25 7,01,80
Стальное микроволокно CW2-3750U International Steel Wool 0,38125,0 7,85
Акриловое волокно (полимерное) DOLANIT Type 18 Fisipe Barcelona, S.A. 0,2427 1,18
Полипропиленовое волокно (полимерное) STEALTHSyntetic Industries 0,50 20 0,91

Все исследованные волокна имели длину, равную 0,5 дюйма (12,7 мм) или меньше, и диаметр, равный 200 мкм или меньше. Исследованные композиции смесей получали объединением следующих ингредиентов: армирующие волокна, неорганическое связующее, легкие наполнители, суперпластификатор и вода. Всего исследовали 19 смесей. Заданный удельный вес исследуемых смесей была 70 фунт/фут3. Объемная доля волокон в смеси была различной и исследовали различные волокна с их объемной долей от 0,5 до 2,0%.

Композиция смесей по изобретению

В таблице 7 описаны заданные композиции смесей для таких примеров. Массовые доли различных ингредиентов, указанные в данной таблице, относятся к влажной суспензии без волокон. В таблицах 8 и 8А указаны действительные композиции для влажной суспензии в комбинации с ПВС волокнами для указанных примеров.

Таблица 7
Заданная легкая цементная композиция смеси в примерах
Ингредиент (% мас.)
Неорганическое связующее1,2 43,3
Легкий наполнитель3,4 26,2
Суперпластификатор 51,9
Вода 28,6
Всего 100%
ВолокнаТакие, как описано в другом месте настоящего описания
1. Неорганическое связующее, используемое в примерах: гипсоцементная композиция со следующим составом: полугидрат сульфата кальция - 58%, портландцемент - 29%, кремнеземная пыль - 12%, известь - 1 %
2. Другие неорганические связующие, например, приведенные ниже, могут быть использованы как часть изобретения:а. Только портландцементb. Смесь портландцемента и пуццоланового материала (материалов) (примеры: шлак, кремнеземная пыль, метакаолин)
3. Легкий наполнитель, используемый в примерах: полые керамические микрошарики
4. Другие легкие наполнители, например, приведенные ниже, могут быть использованы как часть данного изобретения:а. Расширяющийся перлитb. Полые пластмассовые микрошарикис. Расширяющиеся полистирольные бусинки
5. Суперпластификатор, используемый в примерах: полинафталинсульфонат
Другие добавки, такие как ускоряющие и замедляющие примеси, добавки для управления вязкостью, могут быть введены при необходимости, для удовлетворения требований применяемого производственного процесса

Панель изготавливали, как описано выше в разделе «Изготовление панели по изобретению».

Таблица 8
Ингредиент Композиция смеси (% мас.)
Пример 2А (волокон 0,5% объемных) Пример 2В (волокон 1,0% объемных) Пример 2С (1,5% объемных) Пример 2D (2,0% объемных)
ПВС волокна0,6 1,2 1,72,3
Неорганическое связующее 43,9 43,643,4 43,1
Легкие керамические шарики 26,526,4 26,226,1
Суперпластификатор 2,0 2,02,0 1,9
Вода 27,0 26,826,7 26,5
Всего 100,0 100,0100,0 100,0
Таблица 8А
Ингредиент Композиция смеси (% мас.)
Пример 1А (волокон 0,5% объемных) Пример 1В (волокон 1,0% объемных) Пример 1С (волокон 1,5% объемных) Пример 1D (волокон 2,0% объемных) Пример 1F (волокон 3,0% объемных)
Неорганическое связующее 43,943,6 43,443,1 42,6
Легкие керамические шарики 26,526,4 26,226,1 25,8
Суперпластификатор 2,0 2,02,0 1,91,9
Вода 27,026,8 26,726,5 26,2
ПВС волокна0,6 1,2 1,72,3 3,5
Всего 100,0 100,0100,0 100,0 100,0

Результаты

В таблице 9 приведены результаты исследования композиций. В таблице 9 указаны данные о свойствах легких цементных композиций, армированных волокном. Данные для примеров 2A-2D относятся к композитам по настоящему изобретению, в которых использовали ПВС волокна Kuralon Rec15×12 (также обозначаемые PVA-2). Композиционные панели толщиной 0,5 дюйма изготавливали смешиванием различных ингредиентов в смесителе Хобарта (Hobart) и заливкой полученной смеси в форму. Ориентация волокон в панелях была трехмерная произвольная для всех исследуемых композиций смесей. Результаты исследований также показаны на фиг.2-5. Затем следует обсуждение результатов.

Таблица 9
ПримерВолокно Объемная доля волокон (%)Заданный удельный вес суспензии (фунт/фут3) Изломостойкость (Дж) Прочность на изгиб (psi) Максимальная стрела прогиба (дюймы) Латеральное крепежное сопротивление (фунты)
ПВС волокна KURALON RF350×12 (PVA-1) 0,5070,0 0,1561 0,02880
1B ПВС волокна KURALON RF350×12 (PVA-1) 1,0070,0 0,1687 0,030111
1C ПВС волокна KURALON RF350×12 (PVA-1) 1,5070,0 2,4812 0,057184
1D ПВС волокна KURALON RF350×12 (PVA-1) 2,0070,0 3,6827 0,104191
1E ПВС волокна KURALON RF350×12 (PVA-1) 2,5070,0 5,6891 0,241282
1F ПВС волокна KURALON RF350×12 (PVA-1) 3,0070,0 6,71035 0,201292
2A ПВС волокна KURALON REC15×12 (PVA-2) 0,5070,0 1,8665 0,048145
2B ПВС волокна KURALON REC15×12 (PVA-2) 1,0070,0 4,3850 0,160335
2C ПВС волокна KURALON REC15×12 (PVA-2) 1,5070,0 7,81050 0,197382
2D ПВС волокна KURALON REC15×12 (PVA-2) 2,0070,0 11,61181 0,342533
3A Устойчивые к щелочам стеклянные волокна ACS 13H-350Y 0,5070,0 0,7447 0,035-
3B Устойчивые к щелочам стеклянные волокна ACS 13H-350Y 1,0070,0 0,8610 0,092-
3C Устойчивые к щелочам стеклянные волокна 2,0070,0 2,21065 0,108-
4A Углеродные волокна 0,5070,0 0,3847 0,043246
Углеродные волокна 1,0070,0 0,3790 0,057328
Углеродные волокна 1,5070,0 0,3899 0,066337
4D Углеродные волокна 2,0070,0 0,3874 0,045422
5A Стальные микроволокна 0,5070,0 0,1484 0,031-
5B Стальные микроволокна 1,0070,0 0,1629 0,028-
5C Стальные микроволокна 1,5070,0 0,2838 0,051-
5D Стальные микроволокна 2,0070,0 0,3952 0,052-

Гибкие панельные образцы шириной 4 дюйма (102 мм) и длиной 12 дюймов (305 мм) нагружали для 4-точечного изгиба на протяжении 10 дюймов (254 мм) в соответствии с методикой испытаний по ASTM C947. Нагрузку прикладывали при постоянной скорости смещения 0,5 дюйма/мин (12,7 мм/мин). Записывали зависимость изгибающей нагрузки от смещения. Прочность композита рассчитывали как всю площадь при нагрузке в зависимости от кривой прогиба, пока не возникнет дефект в образце.

В таблице 9, а также на фиг.2 и 3 показаны величины изломостойкости при изгибе, полученные для различных исследуемых композитов. Могут быть сделаны следующие важные наблюдения.

Композиты, армированные углеродными волокнами и стальными микроволокнами, являются чрезвычайно хрупкими, что показано их низкими величинами изломостойкости.

Композиты, армированные устойчивыми к щелочам стеклянными и ПВС RF350 волокнами, имеют изломостойкость немного лучше по сравнению с изломостойкостью композитов, армированных углеродными волокнами и стальными микроволокнами.

Свойства изломостойкости композитов, армированных ПВС волокнами KURALON REC15×12 (PVA-2), являются особо важными. Оказалось, что композиты, армированные ПВС волокнами REC15, имеют значения изломостойкости, которые на несколько порядков величины больше изломостойкости композитов, армированных другими типами волокон.

В частности, при 2% объемной доле волокон композиты, армированные ПВС волокнами REC15, поглощают приблизительно в 5 раз больше энергии, чем композиты, армированные устойчивыми к щелочам стеклянными волокнами, приблизительно в 35 раз больше энергии, чем композиты, армированные углеродными волокнами, и приблизительно в 40 раз больше поглощают энергии, чем композиты, армированные стальными микроволокнами (фиг.3).

Прочность на изгиб

Гибкие панельные образцы шириной 4 дюйма (102 мм) и длиной 12 дюймов (305 мм) нагружали для 4-точечного изгиба на протяжении 10 дюймов (254 мм) в соответствии с методикой испытания по ASTM C947. Нагрузку прикладывали с постоянной скоростью смещения 0,5 дюйма/мин (12,7 мм/мин). Записывали зависимость изгибающей нагрузки от смещения. Прочность на изгиб композита рассчитывали в соответствии с методикой испытания по ASTM C947.

В таблице 9, а также на фиг.4 показаны данные по прочности на изгиб различных исследуемых композиций смесей. Композиты, армированные ПВС волокнами REC15, имеют наибольшую прочность на изгиб.

Латеральное крепежное сопротивление

Латеральное крепежное сопротивление композита измеряли в соответствии с модифицированным вариантом по ASTM D 1761, как описано R.Tuomi and W. McCutcheon, ASCE Structural Division Journal, July 1978. В качестве крепежной детали для проведения испытания был выбран шуруп длиной 1,5/8 дюйма (41,3 мм).

В таблице 9, а также на фиг.5 показаны результаты испытания латерального крепежного сопротивления отрыву различных композитов. Латеральное крепежное сопротивление количественно определяет латеральное сопротивление отрыву, которое крепежные детали обеспечивают панели. Использовали шурупы длиной 1,5/8 дюйма (41,3 мм) для определения латерального крепежного сопротивления композитов. На фигуре можно видеть, что композиты, армированные ПВС волокнами REC15, имеют наибольшее латеральное крепежное сопротивление. Разница в свойствах композитов, армированных двумя различными типами ПВС волокон (ПВС волокна REC15 в сравнении с ПВС волокнами RF350), показательна. С одной стороны, композиты, армированные ПВС волокнами REC15, проявляют себя чрезвычайно хорошо. Свойства композитов, армированных ПВС волокнами RF350, неудовлетворительны.

Максимальная стрела прогиба

В таблице 9, а также на фиг.6 и 7 представлены данные, показывающие влияние типа волокон и объемной доли волокон на максимальную стрелу прогиба легких композитов на основе цемента, армированного волокнами. Величины максимальной стрелы прогиба, показанные в таблице 9, измеряли с использованием испытания на изгиб, проводимого по стандарту ASTM C947, и указанные величины представляют собой отклонение изгиба образца под нагрузочными точками, соответствующими пиковой нагрузке, наблюдаемой во время режима испытания.

Из фиг.6 и 7 можно ясно видеть, что композиты, армированные ПВС волокнами, имеют максимальную стрелу прогиба больше. Это замечание и механические свойства композитов означают тот факт, что композиты, армированные ПВС волокнами, имеют большую способность к деформации (т.е. большую пластичность) и, следовательно, большую изломостойкость. Из полученных результатов можно легко сделать вывод, что в композитах, армированных углеродными волокнами и стальными микроволокнами, пластичность не улучшается даже при повышении объемной доли волокон в композите. Композиты, армированные углеродными волокнами и стальными микроволокнами, даже при 2% объемной доле волокон имеют максимальные величины стрелы прогиба меньше 0,07 дюйма. Эти результаты в сочетании с величинами изломостойкости композитов означают, что композиты, армированные углеродными волокнами и стальными микроволокнами, являются чрезвычайно хрупкими по своим механическим свойствам в сравнении с композитами, армированными ПВС волокнами.

Сравнение выбранных ПВС волокон с акриловыми волокнами и полипропиленовыми волокнами

Использование выбранного ПВС волокна в композите сравнивали с использованием акриловых волокон или полипропиленовых волокон, применяя вышеописанные материалы и методики кроме замены акриловых волокон или пропиленовых волокон волокнами вышеприведенных примеров.

В таблице 10, а также на фиг.8 представлены данные, показывающие влияние типа волокон на изломостойкость легких композитов на основе цемента, армированного волокном. Из результатов, приведенных в таблице 10 и на фиг.8, можно ясно видеть, что другие типы полимерных волокон не обеспечивают повышение вязкости композитов, равное вязкости, обеспечиваемой ПВС волокнами.

В таблице 11, а также на фиг.9 представлены данные, показывающие влияние типа волокна на прочность на изгиб легких композитов на основе цемента, армированного волокном. Из результатов, приведенных в таблице 11 и на фиг.9, можно видеть, что другие типы полимерных волокон не дают повышение прочности на изгиб композитов, равное повышению, которое обеспечивают ПВС волокна.

Таблица 10
№ примераВолокно Объемная доля волокон (%)Заданный удельный вес суспензии (фунт/фут3) Вязкость (Дж)
2DПВС волокно KURALON REC15×12 (PVA-2) 2,0070,0 11,6
6 Акриловое волокно тип 182,00 70,03,0
7 Полипропиленовое волокно Stealth 2,0070,0 2,6
Таблица 11
№ примераВолокно Объемная доля волокон (%)Заданный удельный вес суcпензии (фунт/фут3) Прочность на изгиб (psi)
2DПВС волокно KURALON REC15×12 (PVA-2) 2,0070,0 1181
6 Акриловое волокно DOLANIT тип 182,00 70,0 464
7 Полипропиленовое волокно STEALTH2,00 70,0 432

Предпочтительные свойства ПВС волокон по изобретению

На основе представленных данных становится ясно, что значительная разница в механических свойствах композитов возникает из-за применения различных видов ПВС волокон. Поэтому были определены и приведены в таблице 1 предпочтительные параметры и свойства ПВС волокон, которые привели к хорошим свойствам композитов. Также в таблице 2 перечислены некоторые коммерчески доступные волокна, являющиеся предпочтительными для настоящего изобретения. Эти предпочтительные виды волокон могут использоваться в сочетании с другими типами волокон, такими как устойчивые к щелочам стеклянные волокна, углеродные, стальные или другие полимерные волокна.

Хотя были показаны и описаны конкретные воплощения настоящего изобретения, специалистам в данной области будет очевидно, что в них могут быть внесены изменения и модификации без отступления от изобретения в его более широких аспектах, как изложено в нижеприведенной формуле изобретения.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Армированная легкая размерно-стабильная панель, имеющая удельный вес 60-85 фунтов/фут3 (961-1360 кг/м 3) и прочность на изгиб от около 750 до 1180 psi и включающая: непрерывную фазу, полученную от отверждения водной смеси цементной композиции, при этом цементная композиция включают, исходя из сухой основы, 35-70 мас.% реактивного порошка, 20-50 мас.% легкого наполнителя, 0% стеклянных волокон и 0,5-5,0 мас.% поливинилспиртовых волокон, причем непрерывная фаза армирована поливинилспиртовыми волокнами и содержит легкий наполнитель, имеющий частицы с удельным весом от 0,02 до 1,00 г/мл и средний размер диаметра частиц от 50 до 250 мкм, и/или размер диаметра частиц находится в интервале от 10 до 500 мкм, где поливинилспиртовые волокна имеют диаметр от около 10 до 400 мкм (микрометров), и длину от около 0,1 до 1 дюйма (от 2,5 до 25,4 мм), и модуль упругости волокна 20-50 ГПа.

2. Панель по п.1, отличающаяся тем, что непрерывная фаза равномерно армирована поливинилспиртовыми волокнами, легкий наполнитель равномерно распределен и панель имеет прочность на изгиб по меньшей мере 750 psi (5,2 МПа).

3. Панель по п.1, отличающаяся тем, что имеет прочность на изгиб по меньшей мере 1000 psi (6,9 МПа).

4. Панель по п.1, отличающаяся тем, что имеет изломостойкость при изгибе по меньшей мере 2,25 Дж, отображающих общую площадь при нагрузке в зависимости от кривой прогиба для образца шириной 4 дюйма (102 мм), длиной 12 дюймов (305 мм), толщиной 0,5 дюйма (12,7 мм), нагруженного на протяжении 10 дюймов (254 мм) для 4-точечного изгиба в соответствии с методикой испытания по ASTM C947.

5. Панель по п.1, отличающаяся тем, что имеет латеральное крепежное сопротивление по меньшей мере 300 фунтов при толщине панели 0,5 дюйма (12,7 мм).

6. Панель по п.1, отличающаяся тем, что водная смесь цементной композиции включает, исходя из сухой основы, от 35 до 75 мас.% альфа полугидрата сульфата кальция, от 20 до 55 мас.% гидравлического цемента, от 0,0 до 3,5 мас.% извести и от 5 до 25 мас.% активного пуццолана, при этом непрерывная фаза равномерно армирована поливинилспиртовыми волокнами и содержит равномерно распределенные керамические микрошарики, имеющие средний диаметр от около 10 до 500 мкм (микрометров).

7. Панель по п.1, отличающаяся тем, что водная смесь реактивных порошков включает гидравлический цемент.

8. Панель по п.1, отличающаяся тем, что водная смесь реактивных порошков включает, исходя из сухой основы, 70-100 мас.% гидравлического цемента и 0-30 мас.% по меньшей мере одного пуццолана.

9. Панель по п.1, отличающаяся тем, что имеет толщину от около 1/4 до 1 дюйма (от 6,3 до 25,4 мм).

10. Панель по п.1, отличающаяся тем, что при толщине 0,5 дюйма (12,7 мм) имеет изломостойкость при изгибе по меньшей мере около 2,25 Дж, отображающую общую площадь при нагрузке в зависимости от кривой прогиба для образца шириной 4 дюйма (102 мм), длиной 12 дюймов (305 мм) и толщиной 0,5 дюйма (12,7 мм), нагруженного на протяжении 10 дюймов (254 мм) для 4-точечного изгиба, в соответствии с методикой испытания по ASTM C947.

11. Панель по п.1, отличающаяся тем, что легкий наполнитель включает полые керамические шарики, содержащие от около 50 до 75 мас.% кремнезема, от около 15 до 40 мас.% глинозема и до 35 мас.% других материалов.

12. Панель по п.1, отличающаяся тем, что легкий наполнитель включает полимерные микрошарики, содержащие по меньшей мере один компонент из группы, состоящей из полиакрилонитрила, полиметакрилонитрила, поливинилхлорида и поливинилиденхлорида, и необязательно имеющие покрытие по меньшей мере из одного порошка, выбранного из группы, состоящей из карбоната кальция, оксида титана, слюды, кремнезема и талька.

13. Панель по п.1, отличающаяся тем, что поливинилспиртовые волокна имеют диаметр от около 10 до 100 мкм (микрометров), и длину от около 0,2 до 0,5 дюймов (от 5,1 до 12,7 мм), и модуль упругости 30-50 МПа.

14. Панель по п.1, отличающаяся тем, что имеет прочность на изгиб по меньшей мере 1000 psi (6,9 МПа) и удельный вес от 60 фунт/фут3 (961 кг/м3) до 75 фунт/фут 3 (1200 кг/м3).

15. Панель по п.1, отличающаяся тем, что краям придана форма, позволяющая соседним панелям обеспечивать конструкцию шпунта и канавки.

16. Панель по п.1, отличающаяся тем, что гидравлическим цементом является портландцемент.

17. Панель по п.1, отличающаяся тем, что поливинилспиртовые волокна составляют по меньшей мере 0,5% по объему от водной смеси из расчета на влажную массу.

18. Панель по п.1, отличающаяся тем, что поливинилспиртовые волокна составляют приблизительно 1-3% по объему от водной смеси из расчета на влажную массу.

19. Панель по п.1, отличающаяся тем, что поливинилспиртовые волокна составляют приблизительно 1-2% по объему от водной смеси из расчета на влажную массу.

20. Панель по п.1, отличающаяся тем, что имеет разломостойкость при изгибе по меньшей мере 4,3 Дж, отображающих общую площадь при нагрузке в зависимости от кривой прогиба для образца шириной 4 дюйма (102 мм), длиной 12 дюймов (305 мм), толщиной 0,5 дюйма (12,7 мм0, нагруженного на протяжении 10 дюймов 9254 мм) для 4-точечного изгиба в соответствии с методикой испытания по ASTM C947, при этом поливинилспиртовые волокна имеют диаметр от около 10 до 50 мкм (микрометров), и длину от около 0,1-до 1 дюйма (от 2,5 до 25,4 мм), и модуль упругости волокна около 40-50 ГПа, и поливинилспиртовые волокна составляют приблизительно 1,2% по объему от водной смеси из расчета на влажную массу.

21. Панель по п.1, отличающаяся тем, что поливинилспиртовые волокна составляют 0,75-5% по массе от реактивного порошка.

22. Способ изготовления панели по п.1, включающий: размещение в форме для панели водной смеси цементной композиции, содержащей из расчета на сухую массу от 40 до 95 мас.% цемента, при этом непрерывная фаза равномерно армирована поливинилспиртовыми волокнами и содержит равномерно распределенный легкий наполнитель, имеющий частицы с удельным весом от 0,02 до 1,00 г/л, причем поливинилспиртовые волокна имеют диаметр от около 10 до 400 мкм (микрометров), длину от около 0,1 до 1 дюйма (от 2,5 до 25,4 мм) и измеренный модуль упругости 20-50 ГПа, и отверждение водной смеси для формирования панели.

23. Способ по п.22, отличающийся тем, что легкий наполнитель включает равномерно распределенные полимерные шарики, имеющие средний диаметр от около 10 до 350 мкм.

24. Способ по п.22, отличающийся тем, что легкий наполнитель включает полые полимерные микрошарики, содержащие по меньшей мере один компонент из группы, состоящей из полиакрилонитрила, полиметакрилонитрила, поливинилхлорида и поливиниленхлорида, и необязательно с нанесенным покрытием из порошков, выбранных из группы, состоящей из карбоната кальция, оксида титана, слюды, кремнезема и талька.

25. Способ по п.22, отличающийся тем, что поливинилспиртовые волокна являются мононитями, имеющими диаметр от около 5 до 25 мкм и длину от около 0,25 до 1 дюйма (от 6 до 25,4 мм).

26. Способ по п.21, отличающийся, тем, что поливинилспиртовые волокна являются мононитями.

27. Способ по п.21, отличающийся тем, что водная смесь имеет отношение воды к цементной композиции от более 0,3/1 до 0,7/1.

28. Армированная легкая размерно-стабильная панель, имеющая удельный вес 60-75 фунтов/фут3 (961-1200 кг/м 3) и прочность на изгиб от около 750 до 1180 psi и включающая: непрерывную фазу, полученную от отверждения водной смеси цементной композиции, при этом цементная композиция включает исходя из сухой основы 35-70 мас.% реактивного порошка, 20-50 мас.% легкого наполнителя, 0% стеклянных волокон и 0,5-5,0 мас.% поливинилспиртовых волокон, причем непрерывная фаза армирована поливинилспиртовыми волокнами и содержит легкий наполнитель, имеющий частицы с удельным весом от 0,02 до 1,00 г/мл и средний размер диаметра частиц от 50 до 250 мкм, и/или размер диаметра частиц находится в интервале от 10 до 400 мкм, где поливинилспиртовые волокна имеют диаметр от около 10 до 400 мкм (микрометров), и длину от около 0,1 до 1 дюйма (от 2,5 до 25,4 мм), и модуль упругости волокна 20-50 ГПа.

29. Панель по п.28, отличающаяся тем, что поливинилспиртовые волокна составляют 0,75-5% по массе от реактивного порошка.

www.freepatent.ru


Смотрите также