УЛУЧШЕНИЯ В ВЯЖУЩИХ КОМПОЗИЦИЯХ ИЛИ ИМЕЮЩИЕ ОТНОШЕНИЕ К ВЯЖУЩИМ КОМПОЗИЦИЯМ
IMPROVEMENTS IN BINDING COMPOSITIONS OR RELATED TO BINDING COMPOSITIONS

Настоящее изобретение предлагает вяжущую композицию, способ нанесения данной композиции, способ формирования опорного элемента и бетон, формируемый из данной композиции.
Из-за имеющихся опасений в связи с террористическими атаками на городские сооружения существует желание решить проблему, состоящую в том, что известные вяжущие системы в действительности не обладают достаточно высокой ранней прочностью отверждения, чтобы они подходили для использования группой раннего реагирования для быстрого укрепления поврежденного взрывом сооружения. Системе нужно обеспечить возможность быстрого укрепления сооружения, такого как взлетно-посадочная полоса аэропорта, туннель, мост и/или плотина, которое было под воздействием удара и/или было повреждено взрывчатыми веществами, до того как оно повредится катастрофически.
В горном деле существует желание решить проблему, связанную с тем, как сократить время, затрачиваемое на подготовку открытых разработок, шахт или туннелей, чтобы увеличить производительность рабочего в таком сооружении, не рискуя его безопасностью.
Был проведен поиск пути решения данных проблем.
В соответствии с настоящим изобретением предлагается вяжущая композиция, включающая цементный компонент, включающий (i) ускоритель, (ii) источник сульфата кальция и (iii) эттрингит-образующий цемент; заполнитель; и необязательно воду; в которой цемент имеет минимальный предел прочности при неограниченном сжатии, составляющий 1500 фунтов на квадратный дюйм (10,3 МПа), при испытании в соответствии с ASTM С1140 и/или С1604 через 15 минут после укладки.
В соответствии с настоящим изобретением также предлагается первый способ нанесения композиции в соответствии с настоящим изобретением на поверхность, причем данный способ включает стадии (i) обеспечения композиции; и (ii) нанесения композиции на поверхность; в котором данная композиция включает воду.
В соответствии с настоящим изобретением также предлагается второй способ нанесения композиции в соответствии с настоящим изобретением на поверхность, причем данный способ включает стадии (i) обеспечения композиции; (ii) смешения композиции с водой; и (iii) нанесения смешанной композиции на поверхность.
В соответствии с настоящим изобретением далее предлагается способ формирования бетонного элемента, причем данный способ включает стадию распыления композиции в соответствии с настоящим изобретением, чтобы сформировать элемент.
В соответствии с настоящим изобретением также предлагается бетон, включающий композицию в соответствии с настоящим изобретением.
Композиция в соответствии с настоящим изобретением может быть в форме гунита или торкретбетона. Термин ″торкретбетон″ относится к цементной композиции, которая содержит воду, которую наносят распылением в месте расположения. Обычно водосодержащую цементную композицию получают и затем закачивают в форсунку, где сжатый воздух вводится таким образом, чтобы выбрасывать композицию на основу в месте расположения. Термин ″гунит″ относится к сухой цементной композиции, которую наносят распылением в месте расположения. Обычно сухую цементную композицию выдувают шлангом или трубопроводом в форсунку, куда вводят воду, и влажная (или мокрая) смесь выбрасывается сжатым воздухом на основу в месте расположения.
Гунит или торкретбетон в основном известны при использовании для обеспечения временной опоры в открытых разработках грунта, при бурении шахтного ствола и при строительстве туннелей. Их типично распыляют, чтобы поддерживать грунт, на который оказывается воздействие, до установки постоянной опоры. Постоянная опора может быть в форме бетонных сегментных крепей, стальных опор, анкерных болтов, дополнительной толщины торкретбетона или гунита и комбинаций одного или более этих типов опор или других технических средств, известных специалистам в данной области техники.
В открытых разработках грунта, когда удаляют слой и поскольку недавно обнаженная земля имеет ограниченную продолжительность временной устойчивости, сначала распыляют торкретбетон или гунит для укрепления, и затем для постоянной опоры устанавливают грунтовые гвозди или некоторые другие средства укрепления. При проходке шахтного ствола, по мере того как забой очищен от отбитой породы и перед тем как можно установить кольцо, часто для закрепления наносят покрытие торкретбетона или гунита. При строительстве туннелей на поверхность, на которую оказывается воздействие, часто распыляют торкретбетон или гунит, пока готовится следующая очередь для взрывных работ. Кроме того, на поверхность туннеля часто распыляют торкретбетон или гунит, пока не появится возможность установить анкеры, или стальные кольца, или бетонную тюбинговую крепь. Торкретбетон или гунит являются хорошо зарекомендовавшими себя материалами, которые успешно использовались в течение многих лет для временной стабилизации скальных поверхностей.
Основой для традиционного торкретбетона или гунита является портландцемент с добавками или без добавок. Добавки, используемые в традиционном торкретбетоне или гуните, могут быть ускорителями, замедлителями, добавками для снижения отскока и другими материалами, известными специалистам в данной области техники. Традиционный торкретбетон или гунит могут схватываться в течение только нескольких минут, но они относительно медленно затвердевают, требуя 28 дней, чтобы достичь своей наибольшей прочности. Даже через один день они будут только обладать пределом прочности при неограниченном сжатии, равным примерно 1500 фунтов на квадратный дюйм (10,3 МПа). Это означает, что после распыления гунита или торкретбетона существует значительная задержка, пока он затвердевает, до того как он безопасен, чтобы возобновлять работы по разработке грунта поблизости от торкретбетона или гунита. Эта задержка зависит от того, что считать приемлемой прочностью, необходимой для достижения бетону. Это будет зависеть от условий места, но вероятно, будет составлять день или более. Эта временная задержка замедляет работы по разработке грунта и ограничивает применения, в которых могут использоваться торкретбетон или гунит.
Неожиданно было обнаружено, что композиция в соответствии с настоящим изобретением достигает минимального предела прочности при неограниченном сжатии, составляющего 1500 фунт на квадратный дюйм (10,3 МПа), при испытании в соответствии с ASTM C1604, C39 и/или C1140 через 15 мин после укладки. При разработках грунта или при проходке туннелей это короткое время отверждения будет считаться мгновенным, поскольку существует небольшой, но конечный отрезок времени, необходимый для удаления распылительного оборудования с места применения и возобновления разработок грунта или проходки туннелей. Поскольку композиция в соответствии с настоящим изобретением является эффективно и мгновенно отверждаемым строительным покрытием, оно будет применяться за пределами разработок грунта или проходки туннелей. Одним применением является временное укрепление сооружений, поврежденных землетрясениями, запрещенными взрывными устройствами и т.д. Композиция в соответствии с настоящим изобретением может наноситься в качестве покрытия на поврежденное сооружение таким способом, чтобы приводить в стабильное состояние до проведения текущего ремонта или до разрушения конструкции контролируемым способом. Композиция в соответствии с настоящим изобретением может также использоваться для образования конструкционного несущего элемента по месту распылением гунита или торкретбетона для получения несущей конструкции, такой как балка или пилястр.
2
3
4
2
2
3
2
3
2
3
Термин ″эттрингит-образующий цемент″ относится к цементу, который способен к образованию эттрингита. Термин ″эттрингит″ относится к трисульфоалюминату кальция, имеющему 32 молекулы кристаллизационной воды и который имеет формулу 3CaO·AlO·3CaSO·32HO. Эттрингит получают гидратацией вяжущих композиций, содержащих алюминат кальция и сульфат кальция. Британский патент № 1506417 описывает использование композиции, содержащей портландцемент, глиноземистый цемент и сульфат кальция. Содержание патента Великобритании GB 1506417 включается здесь ссылкой во всей своей полноте. В композиции британского патента № 1506417, глиноземистый цемент является в основном CaO·AlO и CaO·2AlO вместе, по меньшей мере, с 15% по массе 12CaO·7AlO, и сульфат кальция может быть любым из доступных форм сульфата кальция, таким как дигидрат, полугидрат или ангидрит.
4
3
2
3
3
4
3
4
3
Эттрингит может быть образован вяжущей композицией, включающей соединение Клейна, которое представляет собой CAS*, в котором С представляет СаО, А представляет AlO и S* представляет SO. Следовательно, в некоторых вариантах осуществления, эттрингит-образующий цемент включает CAS* или смесь цементных компонентов, которые образуют CAS* при использовании. В некоторых вариантах осуществления, эттрингит-образующий цемент может также обеспечиваться смесью высокоглиноземистого цемента и сульфатом кальция или цементом, как описано в патенте США 7150786, выданном Kunbargi, и содержание данного документа включается здесь во всей его полноте.
В некоторых вариантах осуществления эттрингит-образующий цемент может быть цементом, продаваемым как Qwix (Buzzi Unicem USA Inc.) в качестве минеральной добавки для использования с портландцементным бетоном. Анализ ингредиентов Qwix дан в примере 1. Qwix рассматривается как гидравлический вяжущий материал по ASTM C219. С удивлением было обнаружено, что Qwix является пригодным без присутствия портландцемента.
Эттрингит-образующий цемент может присутствовать в количестве от 20% по массе, например, от 30% по массе, предпочтительно, до 80% по массе, например, до 60% по массе, например, до 50% по массе.
Термин ″высокоглиноземистый цемент″ относится к цементу, который также известен как кальциево-алюминатный цемент, и может быть цементом, который при сравнении с портландцементом имеет относительно высокое содержание оксида алюминия, в котором оксид алюминия присутствует в виде реакционно-способного алюмината кальция, и/или в виде реакционно-способного сульфоалюмината кальция, и/или в виде аморфного стекла. Специалист в данной области техники будет способен определить подходящий высокоглиноземистый цемент, в зависимости от других компонентов цементной композиции. Высокоглиноземистый цемент может обеспечиваться высокоглиноземистым цементом, иногда называемым Ciment Fondu, который обычно содержит от примерно 40 до примерно 80% по массе фаз алюмината кальция (или от 40 до 50% алюмината кальция (СА)).
2
3
4
4
2
3
2
3
12
7
12
2
3
7
В некоторых вариантах осуществления высокоглиноземистый цемент может иметь молярное соотношение С:А (оксида кальция (СаО) к алюминату (AlO)) более чем 1:1. Например, высокоглиноземистый цемент может включать CAF (тетракальцийалюминоферрит ((СаО)·AlO·FeO) и СА ((СаО)·(AlO)).
2
3
,
12
7
4
11
7
2
2
3
Термин ″алюминат кальция″ относится к любому алюминат-содержащему цементу, такому как СА, СА, САСА, CAF и СА, CaF, сульфоалюминату кальция и ферроалюминату кальция и их аналогам; в котором С представляет СаО и А представляет AlO. Специалист в данной области техники будет способен определить подходящий алюминат кальция, в зависимости от других компонентов цементной композиции.
Термин ″источник сульфата кальция″ относится к любому источнику сульфата кальция, который является подходящим для формирования вяжущей композиции. Специалист в данной области техники будет способен определить подходящий источник сульфата кальция. Например, подходящий источник сульфата кальция включает бета ангидрит, гипс или полугидрат; типично бета ангидрит используют необязательно в комбинации с гипсом и/или полугидратом. В некоторых вариантах осуществления источник сульфата кальция может присутствовать в количестве от примерно 1% по массе, предпочтительно, от примерно 2% по массе, предпочтительно, до примерно 70% по массе, предпочтительно, до примерно 60% по массе, более предпочтительно, до примерно 50% по массе.
4
3
3
2
3
4
Термин ″сульфоалюминат кальция″ относится к чистому сульфоалюминату кальция, формулой которого является CAS*, где С и А определены выше, и S* представляет SO. Он иногда известен как соединение Клейна и может также записываться как 3СаО·3AlO·CaSO.
В некоторых вариантах осуществления цементная композиция может быть обеспечена как цементная композиция из двух частей, в которой первая часть включает эттрингит-образующий цемент, источник сульфата кальция, необязательно суспендирующий агент, необязательно замедлитель схватывания и необязательно воду, и вторая часть включает ускоритель и воду.
2
3
2
Термин ″ускоритель″ относится к агенту, который ускоряет схватывание цементной композиции, например, который может способствовать образованию зародышей эттрингита. В некоторых вариантах осуществления ускоритель может быть добавкой, способствующей образованию зародышей кристаллизации. В некоторых вариантах осуществления ускоритель может быть солью лития, например карбонатом лития (LiCO), галидом лития (например, LiCl) или такой же другой подходящей солью лития, известной специалисту в данной области техники. Ускоритель может присутствовать в количестве от примерно 0,01% по массе до примерно 5% по массе.
В некоторых вариантах осуществления цементный компонент может включать (i) ускоритель, (ii) источник сульфата кальция и (iii) эттрингит-образующий цемент, необязательно (iv) воду и (v) один или более дополнительных ингредиентов, таких как:
(а) суспендирующий агент;
(b) замедлитель схватывания;
(с) добавка для снижения отскока;
(d) стабилизирующий агент; и/или
(е) добавка.
В некоторых вариантах осуществления цементная композиция может состоять в основном из цементного компонента, состоящего в основном из (i) ускорителя, (ii) источника сульфата кальция и (iii) эттрингит-образующего цемента, необязательно (iv) воды и (v) одного или более дополнительных ингредиентов; заполнителя и необязательно воды. В некоторых вариантах осуществления цементная композиция может состоять из цементного компонента, состоящего из (i) ускорителя, (ii) источника сульфата кальция и (iii) эттрингит-образующего цемента, необязательно (iv) воды и (v) одного или более дополнительных ингредиентов; заполнителя и необязательно воды. В некоторых вариантах осуществления цементная композиция может в значительной степени быть свободной, например, от портландцемента.
Термин ″% по массе″ для ингредиента цементной композиции относится к проценту по массе от суммарного содержания твердого вещества цементного компонента.
Термин ″суспендирующий агент″ относится к любому агенту, который способен суспендировать порошкообразный нерастворимый ингредиент цементного компонента в воде; другими словами, суспендирующий агент уменьшает осаждение порошкообразного нерастворимого ингредиента цементного компонента, когда он добавлен к воде. Специалист в данной области техники будет способен определить подходящий суспендирующий агент в зависимости от других компонентов цементной композиции. Например, суспендирующий агент может быть целлюлозным эфиром; полимером, таким как полиакриламид, полиэтиленоксид и/или полиакрилат; смолой, такой как анионный полисахарид (например, велановая камедь), гуаровая смола, ксантановая смола и/или акациевая смола; крахмалом, гекторитом, бентонитом, тонко диспергированным аморфным оксидом кремния и/или аттапульгитом. В некоторых вариантах осуществления суспендирующий агент может присутствовать в количестве от 0,1% по массе, предпочтительно, от 0,2% по массе, предпочтительно, до 25% по массе, более предпочтительно, до 15% по массе, более предпочтительно, до 10% по массе.
Термин ″замедлитель схватывания″ относится к любому агенту, который способен к замедлению скорости схватывания цементного компонента. Специалист в данной области техники будет способен определить подходящий замедлитель схватывания в зависимости от других компонентов цементной композиции. Например, замедлитель схватывания может быть полисахаридом, карбоновой кислотой, солью карбоновой кислоты (такой как глюконат натрия), глюкозой, фруктозой, лактозой и/или сахарозой. В некоторых вариантах осуществления замедлитель схватывания может присутствовать в количестве от 0,1% по массе, предпочтительно, от 0,2% по массе, предпочтительно, до 10% по массе, более предпочтительно, до 5% по массе.
Термин ″стабилизирующий агент″ относится к агенту, который помогает увеличить длительную прочность бетона, полученного из композиции в соответствии с настоящим изобретением. В некоторых применениях настоящего изобретения может потребоваться длительная прочность бетона. Подходящим стабилизирующим агентом является источник реакционно-способного диоксида кремния. Термин ″реакционно-способный диоксид кремния″ относится к любому источнику реакционно-способного диоксида кремния, который является подходящим для получения вяжущей композиции. Специалист в данной области техники будет способен определить подходящий источник реакционно-способного диоксида кремния. Например, подходящий источник реакционно-способного диоксида кремния включает измельченный гранулированный доменный шлак (GGBFS), пуццолан, измельченную зольную пыль, возогнанный диоксид кремния или другие стекловидные смеси извести и диоксида кремния; типично GGBFS используют, необязательно в сочетании с пуццоланом, измельченной зольной пылью, возогнанным оксидом кремния или другими стекловидными смесями извести и диоксида кремния. В некоторых вариантах осуществления источник реакционно-способного диоксида кремния может присутствовать в количестве от 1% по массе, предпочтительно, от 5% по массе, более предпочтительно, от 10% по массе, предпочтительно, до 70% по массе, предпочтительно, до 60% по массе, более предпочтительно, до 50% по массе.
Термин ″пуццолан″ относится к кремнистой золе, которая может быть неглиноземистым цементом. Специалист в данной области техники будет способен определить подходящий пуццолан в зависимости от других компонентов цементной композиции. Например, пуццолан может быть доменным шлаком, зольной пылью (зольной пылью, например, класса С или класса F), реакционно-способной глиной (такой как метакаолин) и/или возогнанным оксидом кремния.
Термин ″добавка для снижения отскока″ относится к любому агенту, который способен увеличить когезию цементной композиции, чтобы заполнитель объединить с цементной композицией, с тем  чтобы он не отделялся, при распылении цементной композиции; или к агенту, который обеспечивает композиции практически мгновенную гелевую структуру или схватывание (например, силикат или алюминат щелочного металла; полиакриламид; целлюлозный эфир; сульфат алюминия; диоксид кремния в виде микрочастиц и т.д.). Специалист будет способен определить подходящую добавку для снижения отскока в зависимости от области использования вяжущей композиции и/или от других добавок данной композиции.
Термин ″добавка″ относится к любой дальнейшей добавке, требуемой для надлежащего функционирования цементной композиции. Специалист в данной области техники будет способен определить подходящую добавку в зависимости от других компонентов цементной композиции. Например, добавка может быть замедлителем, препятствующим вымыванию (например, природным или синтетическим полимером), для капсулирования частиц цементной композиции, регулятором схватывания (например, карбонатом щелочного металла, таким как карбонат натрия), гелеобразующим агентом и/или антипенным веществом. В некоторых вариантах осуществления добавка может присутствовать в количестве от 0,02% по массе, предпочтительно, от 0,2% по массе, предпочтительно, до 10% по массе, более предпочтительно, до 5% по массе.
Термин ″заполнитель″ относится к любому заполнителю, подходящему для формирования бетона, который является нереакционно-способным и который служит для уменьшения усадки и затрат. Например, заполнитель может быть песком или дробленым известняком. Специалисту будет известен подходящий заполнитель в зависимости от использования цементной композиции в соответствии с настоящим изобретением по назначению. В некоторых вариантах осуществления массовое соотношение заполнителя к цементному компоненту составляет от примерно 1:1, например, от примерно 2:1 до примерно 6:1, например, до примерно 4:1, например, до примерно 3:1. В некоторых вариантах осуществления заполнитель может быть фракционированным заполнителем, таким чтобы график логарифма размера частиц от процента наполнителя был практически линейным. Преимущество градуированного заполнителя состоит в том, что он сводит до минимума количество воды, требуемой для формирования бетона с минимальной пористостью. В некоторых вариантах осуществления заполнитель может быть градуированным заполнителем, имеющим размер частиц от примерно 10 микрон, например, от примерно 15 микрон, до примерно 30 мм, например, до примерно 26 мм, например, до примерно 12 мм. Как известно специалисту, размер частиц для заполнителя, используемого в торкретбетоне, может быть больше, чем для гунита. Размер частиц можно определить, используя лазерный анализатор размера частиц или путем просеивания.
Термин ″распыляемый″ используют, чтобы указать, что композиция в соответствии с настоящим изобретением может распыляться, например, с использованием оборудования, обычно используемого для распыления цементной композиции из торкретбетона или гунита. В некоторых вариантах осуществления цементный компонент и заполнитель могут иметь размер частиц, подходящий для нанесения распылением, например, максимальный размер частиц, который составляет не более чем примерно 30 мм, или не более чем примерно 25 мм, или не более чем примерно 12 мм.
В некоторых вариантах осуществления стадия нанесения композиции в способах нанесения композиции включает распыление композиции, например, со сжатой текучей средой, например со сжатым газом, таким как воздух.
В некоторых вариантах осуществления поверхность, на которую наносят композицию, в способах нанесения композиции представляет собой шахту, туннель или поверхность конструкции здания.
В некоторых вариантах осуществления композиция в соответствии с настоящим изобретением включает воду или стадия (ii) второго способа настоящего изобретения включает подаваемую воду в массовом соотношении воды к твердому веществу цемента от примерно 0,25:1, например, от примерно 0,4:1, например, от примерно 0,45 или от примерно 0,48 до примерно 0,8:1, например, до примерно 0,6:1, например, до примерно 0,55:1 или до примерно 0,53:1. Термин ″твердое вещество цемента″ относится к неводному содержимому композиции в соответствии с настоящим изобретением.
В некоторых вариантах осуществления бетон в соответствии с настоящим изобретением может включать один или более конструкционных элементов. В некоторых вариантах осуществления способ формирования в соответствии с настоящим изобретением может включать распыление композиции на конструкционный элемент. В некоторых вариантах осуществления способ формирования в соответствии с настоящим изобретением может включать формирование бетонного элемента в шаблоне. В некоторых вариантах осуществления способ формирования в соответствии с настоящим изобретением может включать стадию укладки конструкционного элемента в шаблон.
Термин ″конструкционный элемент″ относится к любому элементу, который является подходящим для поддерживания или усиления бетона. Например, подходящий конструкционный элемент может быть сформован из полимера или металла (например, стали).
Настоящее изобретение теперь иллюстрируется со ссылкой на следующие примеры, которые не имеют намерения ограничить содержание заявленного изобретения.
Пример 1
Гунитовая смесь была составлена из следующих ингредиентов:
- три части по массе мелкого песка; и
- одна часть коммерчески доступного гидравлического цемента, называемого Qwix, доступного от Buzzi Unicem USA Inc.
Используемый песок соответствовал ACI 506R-05 и был просеян через сито США # 16. Полуколичественный анализ гидравлического цемента дифракцией рентгеновских лучей показал, что он содержит примерно 40% соединения Клейна. Подробный РСА/РФА/оптическая эмиссионная спектроскопия с индуктивно-связанной плазмой анализ гидравлического цемента Qwix показал, что он содержит (где проценты являются массовыми):
Таблица 1
Образец ID
Buzzi Qwix
% SiO<sub>2</sub>
9,71
% Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
21,25
% Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
2,48
% CaO
43,79
% MgO
0,88
% Na<sub>2</sub>O
<0,01
% K<sub>2</sub>O
0,27
% P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
0,07
% TiO<sub>2</sub>
0,53
% SO<sub>3</sub>
19,78
ч./млн V
17
ч./млн Cr
47
ч./млн Mn
147
ч./млн Co
<1
ч./млн Ni
10
ч./млн Cu
5
ч./млн Zn
83
ч./млн As
56
ч./млн Rb
146
ч./млн Sr
803
ч./млн Zr
15
ч./млн Mo
<1
ч./млн Cd
1
ч./млн Sb
9
ч./млн Ba
18
ч./млн Pb
35
% золы
98,32
ч./млн Li
151
% свободной извести
0,32
Следующие испытания были проведены с использованием Qwix в качестве цемента:
Таблица 2
Массовое соотношение песок:цемент
Скорость воды (галлон)
W:CM
Испытание #1
1:1
0,6
0,288
Испытание #2
2:1
0,6
0,389
Испытание #3
2:1
0,8
0,429
Испытание #2 повтор
2:1
0,6
0,370
Испытание #4
3:1
0,4
0,487
Испытание #5
3:1
0,6
0,491
Испытание #6
3:1
0,8
0,522
Испытание #7
3:1
0,9
0,490
Испытание #8
4:1
0,8
0,583
В таблице 2 аббревиатура ″W:CM″ относится к массовому соотношению между водой и твердым веществом цемента. Каждую испытываемую смесь распыляли, используя торкрет-установку Reed Sova, на испытательный стенд. При приготовлении и испытании образцов из торкретбетонного испытательного стенда следовали процедуре ASTM C1140. Испытательный стенд был сконструирован из 3/4 дюймовой (1,9 см) фанеры и имел размеры 24 дюйма (61 см) ×  24 дюйма (61 см) × 4 дюйма (10,2 см) глубиной. Стенд заполняли до минимальной глубины в четыре дюйма. Из цилиндров, имеющих диаметр, равный 2 дюймам (5,1 см), и высоту, равную 4 дюймам (10,2 см), удаляли сердцевину и извлекали ее из испытательных стендов, согласно ASTM C1604, и проводили испытание прочности на сжатие через 15 минут выдерживания, согласно ASTM C39. Были достигнуты прочности на сжатие, равные 6542 фунта на квадратный дюйм (45,1 МПа) и 7032 фунта на квадратный дюйм (48,4 МПа). Измеренное время представляло собой продолжительность времени от начала распыления в боксе. Поскольку заполнение бокса занимало 3-4 минуты, некоторое количество сердцевины могло уже иметь выдержку, равную 11 минутам, на момент испытания.
Пример 2
Композиции в соответствии с настоящим изобретением готовили, чтобы измерить время до схватывания, и сравнивали с известными рецептурами.
Композиции, использованные в примере 2, внесены в таблицу 3:
Таблица 3
Цемент
Начало схватывания (мин)
Конец схватывания (мин)
Обычный портландцемент
138
222
CTS Rapid Set
12
14
Qwix (с высоким w:cm)
3,5
5,5
Qwix (с низким w:cm)
2,0
4,5
Китайский CSA (клинкерный)
60
178
Hydrostone
10
12
Гидравлический цемент Qwix был таким, как подробно описано в примере 1. ОПЦ был США тип 1. CTS Rapid Set является CSA цементом, производимым компанией CTS, содержащим некоторое количество примешанного ОПЦ. Китайский CSA является кальций-сульфоалюминатным цементом, который производят в Китае и продают как CSA высокопрочный материал. Он не содержит какого-либо дополнительно добавленного сульфата кальция. Единственным сульфатом в данном цементе является часть соединения Клейна. Hydrostone является штукатуркой (т.е. сульфатом кальция полугидратом) на основе цемента U.S. Gypsum.
Данные по времени схватывания получали, следуя ASTM C1398. Пропорции смеси были такими, как изложено в таблицах 4 и 5 (где ″w:c″ относится к массовому соотношению вода:цемент, и ″s:c″ относится к массовому соотношению песок:цемент):
Таблица 4
Компонент (г)
Qwix (с высоким w:cm)
Qwix (с низким w:cm)
Цемент
510
510
Песок
1536
1536
Вода
229,5
204
w:c
0,45
0,40
s:c
3
3
Таблица 5
Компонент (г)
CTS Rapid Set
Hydrostone
Цемент
510
443
Песок
1536
1330
Вода
204
111
w:c
0,40
0,25
s:c
3
3
Китайский CSA получали таким же путем, что и CTS смесь, т.е. массовое соотношение песка к цементу составляло от 3 до 1, и W:C составляло 0,3. Таким образом, можно видеть, что время схватывания для композиций в соответствии с настоящим изобретением является очень коротким.
Пример 3
В данном примере композицию по настоящему изобретению использовали для обработки поврежденных конструкций здания в форме балок.
Десять стандартных свободно опирающихся балок использовали после 28 дней отверждения. Балки были сканированы, и фактическое положение арматурной стали было определено и отмечено. Все балки были повреждены парами в различной степени, с использованием пневматического молотка Kango. Одна поврежденная балка из каждой пары затем обрабатывалась путем распыления смеси гунита, которая представляла собой смесь цемента Quickcem, который является смесью китайского CSA и ОПЦ, и песка (изготовленного Hanson). Поврежденные и обработанные распылением поврежденные балки испытывали в 4 точках изгиба.
Поврежденные балки разрушались в границах поврежденной площади. Обработанные распылением поврежденные балки разрушались вне границ отремонтированной площади, показывая, что композиция в соответствии с настоящим изобретением помогает укрепить поврежденную балку.
Пример 4
В следующем примере гранулометрический состав заполнителя, используемого в примерах, был определен путем просеивания, и полученные результаты показаны в таблицах 6-9 для различных гранулометрических составов песка:
Таблица 6
CAER песок
Границы гранулометрических составов согласно Американскому институту бетона
Гранулометрический состав № 1
Гранулометрический состав № 2
Размер сита
Удерживаемая масса (г)
Удерживаемый %
Совокупная проходимость %
Совокупное удерживание %
Совокупная проходимость %
Совокупное удерживание %
1 и 1/2
0
100
0
0
0
1
0
0
100
0
0
0
3/4
0
0
100
0
0
0
1/2
0
0
100
0
0
100
3/8
12,1
0,4
99,6
0,4
100
90-100
#4
67,8
2,3
97,3
2,7
95-100
70-85
#8
333,9
11,1
86,2
13,8
80-98
50-70
#16
429,0
14,3
71,9
28,1
50-85
35-55
#30
1164,7
38,8
33,1
66,9
25-60
20-35
#50
752,0
25,1
8,0
92,0
10-30
8-20
#100
201,7
6,7
1,3
98,7
2.10
2-10
#200
17,1
0,6
0,7
99,3
Pan
19,7
0,7
00
99,9
2998,0
99,9
Таблица 7
Удерживаемая масса
Удерживаемый %
Совокупная проходимость %
12,1
0,4
99,6
67,8
2,3
97,3
333,9
11,1
86,2
429,0
14,3
71,9
1164,7
38,8
33,0
752,0
25,1
8,0
201,7
6,7
1,2
17,1
0,6
0,7
19,7
0,7
0,0
2998,0
100,0
Таблица 8
Границы гранулометрических составов согласно Американскому институту бетона
Гранулометрический состав № 1
Гранулометрический состав № 2
Размер сита
Размер сита (мм)
Совокупная проходимость %
Совокупная проходимость %
1,5
38,10
0
0
1
25,40
0
0
3/4
19,00
0
0
1/2
12,70
0
100
3/8
9,51
100
95,0
#4
4,76
97,5
77,5
#8
2,38
89,0
60,0
#16
1,19
67,5
45,0
#30
0,595
42,5
27,5
#50
0,297
20,0
14,0
#100
0,149
6,0
6,0
#200
0,074
Pan
Pan
Таблица 9
Крупнозернистый #2
Тонкий #1
CAER песок
100
100
100,0
100
100
100
99,6
99,6
95
100
97,3
97,3
80
98
86,2
86,2
50
85
71,9
71,9
25
60
33,1
33,0
10
30
8,0
8,0
2
10
1,3
1,2
0
3
0,7
0,7
0,0
0,0
Пример 5
В следующем примере прочность на сжатие цилиндров из бетона, полученных в соответствии с ASTM процедурой С1140, описанной в примере 1, определяли, используя цемент Qwix и либо крупнозернистый, либо тонкий песок, как подробно описано в примере 4.
Таблица 10 показывает прочность на сжатие образцов, полученных с использованием крупнозернистого цемента с массовым соотношением песок:цемент, равным 2:1, и с указанным количеством воды:
Таблица 10
Прочность на сжатие (фунты на квадратный дюйм)
Образец ID
Крупнозернистый 2:1 (0,60 галлон)
Крупнозернистый 2:1 (0,82 галлон)
Крупнозернистый 2:1 (1,10 галлон)
Время отверждения (часы)
0,25
5100
3917,5
1551,5
0,5
5589
5270,5
2788,5
1
6065
6479,5
3830
3
7475,5
7806
4576
5
8582,5
7072
4944,5
6
7783
8307
4763
24
8192
9222
6113,5
Время отверждения (дни)
7
9829
28
8237
56
112
Таблицы 11 и 12 показывают прочность на сжатие образцов, приготовленных из тонкого цемента и указанного количества воды:
Таблица 11
Прочность на сжатие (фунты на квадратный дюйм)
Образец ID
Тонкий 2:1 (0,6 галлон)
Тонкий 2:1 (0,82 галлон)
Тонкий 1:1 (0,6 галлон)
массовое соотношение П:Ц
2:1
2:1
1:1
массовое соотношение В:Ц
0,389
0,429
0,288
Время отверждения (часы)
0,25
5200,5
3015,0
7174,5
0,5
5487,5
4112
6937,0
1
5927
5339,5
7561,0
3
7915
6289,5
10039,5
5
9246
нет данных
9988,0
6
9117
7007,5
9809,0
24
9980,5
8393
10962,5
Время отверждения (дни)
7
9694
9837,0
28
9876
11202,5
56
10019
10782,5
112
Таблица 12
Прочность на сжатие (фунты на квадратный дюйм)
Образец ID
Тонкий 3:1 (0,6 галлон)
Тонкий 4:1 (0,8 галлон)
Тонкий 3:1 (0,8 галлон)
Тонкий 3:1 (0,4 галлон)
массовое соотношение П:Ц
3:1
4:1
3:1
3:1
массовое соотношение В:Ц
0,491
0,583
0,522
0,487
Время отверждения (часы)
0,25
6787,0
5036,0
4666,0
6738,0
0,5
7171,0
5328,0
5408,5
7302,5
1
7331,5
6529,5
5910,5
7158
3
9209,0
7235,5
6797,5
7623
5
8607,5
7638,5
6629,5
7624
6
9715,0
7721.5
7371,5
7818
24
10577,0
8984,0
7268,5
10229
Время отверждения (дни)
7
8406,0
7020
9229,5
10310
28
6795,5
9240
8345
9390
56
11070
11230
8530
9240
112
9900
Таблицы 11 и 12 показывают прочность на сжатие образцов, приготовленных из тонкого цемента и указанного количества воды:
Таблица 13
Прочность на сжатие (фунты на квадратный дюйм)
13,1
13,2
Образец ID
Тонкий 3:1 пирогенный кремнезем (0,6 галлона)
Тонкая 3:1 зольная пыль (0,6 галлона)
Стабилизирующий агент
Пирогенный кремнезем - 5% по массе от твердого вещества цемента
Зольная пыль - 25% по массе от твердого вещества цемента
массовое соотношение П:Ц
3:1
3:1
массовое соотношение В:Ц
0,473
0,543
Время отверждения (часы)
0,25
5425,0
4335,0
0,5
6405
5190
1
6445
6235
3
7875
7250
5
8585
8035
6
8205
7915
24
10005
9435
Время отверждения (дни)
7
8925
8455
28
10335
8020
56
10265
9235
112
Пример 6
В следующем примере изучали влияние ускорителя карбоната лития в исследовании пасты, где не использовался заполнитель. Затвердевание цемента контролировали путем определения первичного пика эттрингита дифракцией рентгеновских лучей. Считается, что эттрингит является основным минералом, формирующим прочность.
Сравнительное испытание проводили с 70% китайского CSA, использованного в примере 3, 30% ангидрита и водой при массовом соотношении вода:цемент, равном 0,3:1. Пик эттрингита не был обнаружен в течение периода испытания, который составлял 1300 секунд, или примерно 20 минут.
2
3
В первом испытании 0,1 масс.% LiCO добавляли в виде порошка к смеси CSA/ангидрит, и отчетливый пик эттрингита получали в пределах 1300 секунд.
2
3
2
3
Во втором испытании LiCO растворяли в воде, используемой для гидратирования цемента, в стехиометрической пропорции конечной пасты, и снова пик эттрингита наблюдали примерно через то же самое время, что и в первом испытании, где LiCO использовали в виде порошкообразной добавки.
2
3
В третьем испытании 0,1 масс.% LiCO добавляли в виде порошка к цементу Qwix, как было использовано в примере 1. Отчетливый пик эттрингита получали в пределах 140 секунд, показывая, что цемент Qwix схватывается практически мгновенно.
Таким образом, ясно, что соль лития можно добавлять в качестве ускорителя в момент впрыскивания, используя водяную суспензию, если срок доставки меньше, чем время схватывания цементного теста без ускорителя.