ЛЕГКИЕ ЦЕМЕНТИРУЮЩИЕ КОМПОЗИЦИИ И СТРОИТЕЛЬНЫЕ ИЗДЕЛИЯ И СПОСОБЫ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
LIGHT CEMENTING COMPOSITIONS AND CONSTRUCTION PRODUCTS AND METHODS FOR PRODUCTION THEREOF

Перекрестная ссылка на родственные заявки
В настоящем изобретении заявлен приоритет патентной заявки США № 11/773,865, поданной 5 июля 2007 г., которая включена в данную заявку путем ссылки.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к легким цементирующим композициям для изготовления панелей на основе цемента и к строительным изделиям. В частности, цементирующие композиции и изделия имеют плотность в диапазоне приблизительно от 40 до 80 фунтов на кубический фут (от 0,64 до 1,28 г/куб.см), предпочтительно приблизительно от 45 до 65 фунтов на кубический фут (от 0,72 до 1,04 г/куб.см).
Уровень техники
В патенте США №6869474, выданном Perez-Pena et al., включенном в данную заявку путем ссылки, обсуждено быстрое схватывание цементирующих композиций для получения изделий на основе цемента, таких как цементные плиты, где схватывания достигают путем добавления алканоламина к гидравлическому цементу, такому как Портландцемент, и образования суспензии с водой в условиях, обеспечивающих первоначальную температуру суспензии, составляющую как минимум 90°F (36°С). Могут быть включены дополнительные реакционноспособные материалы, такие как высокоглиноземистый цемент, сульфат кальция и пуццолановый материал, такой как летучая зола. Чрезвычайно быстрое схватывание позволяет быстрое получение цементирующих изделий. Было найдено, что триэтаноламиновые добавки являются очень мощным катализатором, способным к образованию композиций с относительно короткими конечными временами схватывания, имеющими повышенные уровни летучей золы и гипса, без потребности в глиноземистых цементах. Однако композиции с триэтаноламином также имели относительно низкую прочность на сжатие на ранней стадии отверждения по сравнению с предыдущими композициями цементных плит, содержащих глиноземистые цементы.
В патенте США №6641658, выданном Dubey, включенном в данную заявку путем ссылки, описано быстрое схватывание цементирующей композиции, полезной для получения цементных плит, содержащих в качестве реакционноспособных порошков Портландцемент, пуццолан, высокоглиноземистый цемент и нерастворимый ангидрит сульфата кальция, что обеспечивает уменьшенные времена схватывания по сравнению с цементирующими композициями, известными из уровня техники. Композиция предпочтительно содержит в качестве реакционноспособной порошкообразной смеси 35-90 мас.% Портландцемента, 0-55 мас.% пуццолана, 5-15 мас.% высокоглиноземистого цемента и 1-8 мас.% нерастворимого ангидрита сульфата кальция. Замещение нерастворимого ангидрита сульфата кальция традиционным растворимым гипсом (дигидратом) повышает тепловыделение и уменьшает времена схватывания, несмотря на использование очень больших количеств пуццолановых материалов, предпочтительно летучей золы. Цементирующая композиция может также содержать легкие заполнители и наполнители, плюс добавки, для придания других желательных полезных свойств, такие как суперпластификаторы, ингибиторы схватывания и катализаторы схватывания.
В патенте США №4488909, выданном Galer et al., включенном в данную заявку путем ссылки, описаны цементирующие композиции, способные к быстрому схватыванию. Композиции позволяют высокоскоростное получение устойчивых к действию диоксида углерода цементных плит путем образования, по существу, всего возможного эттрингита в течение приблизительно 20 минут после смешивания композиции с водой. Существенными компонентами цементирующей композиции являются Портландцемент, высокоглиноземистый цемент, сульфат кальция и известь. Пуццоланы, такие как летучая зола, монтмориллонитовые глины, диатомовая земля и пумицит могут быть добавлены в количестве до приблизительно 25%. Цементная композиция содержит приблизительно от 14 до 21 мас.% высокоглиноземистого цемента, который в сочетании с другими компонентами дает возможность образования на ранней стадии эттрингита и других глиноземистых гидратов, ответственных за раннее схватывание цементирующей смеси. В своем изобретении, Galer et al. обеспечили алюминаты при помощи высокоглиноземистого цемента (НАС) и сульфат ионы при помощи гипса с образованием эттрингита, и достигли быстрого схватывания заявленной ими цементирующей смеси.
6
2
4
3
2
2
3
4
2
Эттрингит представляет собой соединение алюмосульфата кальция, имеющее формулу СаАl(SO)·32НO или альтернативно 3СаО·АlO·3СаSO·32НO. Эттрингит образует длинные игольчатые кристаллы и обеспечивает быстрое упрочнение до цементных плит на ранней стадии, так, что они могут быть обработаны сразу после заливки в формы или после непрерывного литья и образования зон.
Сущность изобретения
Целью настоящего изобретения является обеспечение легких цементирующих композиций для изготовления панелей на цементной основе и строительных изделий.
Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение цементирующих композиций и изделий, имеющих плотность в диапазоне приблизительно от 40 до 80 фунтов на кубический фут (от 0,64 до 1,28 г/куб.см), предпочтительно приблизительно от 45 до 65 фунтов на кубический фут (от 0,72 до 1,04 г/куб.см). Предпочтительная прочность на изгиб плит, изготовленных из данной композиции, находится в диапазоне от 400 до 2000 фунт/кв.дюйм (от 2,76 до 13,8 МПа). Наиболее предпочтительная прочность на изгиб находится в диапазоне от 750 до 1750 фунт/кв.дюйм (от 5,17 до 12,1 МПа). Предпочтительный максимальный изгиб плит, измеренных в испытании на изгиб, проведенном согласно ASTM С 947 для образца, проанализированного на участке более 10 дюймов, выполненного из данной композиции, находится в диапазоне от 0,25 до 1,75 дюймов (от 0,64 до 4,5 см). Наиболее предпочтительный максимальный изгиб находится в диапазоне от 0,50 до 1,25 дюймов (от 1,3 до 3,18 см).
Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение легких цементирующих панелей, которые имеют на 1/2 дюйма (1,27 см) толщины основную массу, составляющую предпочтительно менее чем 3,3 фунтов на кв.фут (16,1 кг на кв.см), более предпочтительно менее чем 2,5 фунтов на кв.фут (12,2 кг на кв. см.), и наиболее предпочтительно менее чем 2,1 фунтов на кв.фут (10,25 кг на кв.см).
Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение цементирующих панелей, которые применяют в качестве прочных и способных к адгезии подложек для установки керамической плитки, брусчатки и отделочных слоев штукатурки.
Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение цементирующих панелей, которые имеют хорошую гидрофобность и устойчивость к пропитыванию.
Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение цементирующих изделий, которые имеют хорошую устойчивость к действию влажности и стабильность размеров, что позволяет их применение на влажных участках зданий.
Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение легких цементирующих изделий, стойких к действию бактерий, плесени и росту грибков.
Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение легких цементирующих изделий, которые имеют хорошую морозостойкость.
Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение легких цементирующих изделий, которые являются негорючими.
Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение легких цементирующих изделий, которые имеют существенно улучшенные характеристики для обработки, установки и закрепления.
Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение легких цементирующих панелей, которые имеют существенно улучшенные характеристики по отношению к образованию трещин и задиров, характеристики резания.
Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение цементирующих композиций, которые во влажном состоянии имеют устойчивость текучести, являются стабильными, и не склонны к разделению материалов.
Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение цементирующих композиций, отвечающих за образование прочных связей между цементирующей основой и поверхностью арматурной сеткой в тонких цементирующих панелях во время производства и после него.
Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение цементирующих композиций для эффективной обработки легких цементирующих изделий в условиях коммерческого производства.
Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение способов изготовления легких цементирующих композиций для производства панелей и строительных изделий на цементной основе.
Таким образом, настоящее изобретение относится к, в общем, легкой цементирующей композиции быстрого схватывания для конструкции из панелей или плит.
Цементирующая композиция содержит 35-60 мас.% цементирующего реакционноспособного порошка (который также называют связующим веществом на основе Портландцемента), 2-10 мас.% вспененного и химически покрытого перлитного наполнителя, 20-40 мас.% воды, вовлеченный воздух, например 10-50 об.% вовлеченного воздуха в пересчете на сырую основу, и необязательные добавки, такие как пластификаторы, химические катализаторы схватывания и химические ингибиторы схватывания. Легкие цементирующие композиции могут также необязательно содержать 0-25 мас.% вторичных наполнителей, например 10-25 мас.% вторичных наполнителей. Типичный наполнитель содержит одно или более из вспученного глинистого, сланцевого заполнителя и пемзы.
Цементирующий реакционноспособный порошок, применяемый в настоящем изобретении, типично составлен из чистого Портландцемента или из смеси Портландцемента и приемлемого пуццоланового материала, такого как летучая зола или доменный шлак. Цементирующий реакционноспособный порошок может также необязательно содержать одно или более из гипса (натуральный гипс) и высокоглиноземистого цемента (НАС), которые добавляют в небольших дозах для влияния на характеристики схватывания и гидратации связывающего вещества.
Низкую плотность получают при помощи применения (i) вспученного перлита, имеющего специальные характеристики, и (ii) вовлечения воздуха.
Наполнитель из вспененного перлита занимает 7,5-40% объема композита, он предпочтительно состоит из частиц, имеющих средний размер частиц 20-60 микрон в диаметре, предпочтительно, имеет плотность частиц менее чем 0,30 г/куб.см, и покрыт силаном, силоксаном, силиконом или их смесью. Данный наполнитель из вспененного перлита является уникальным в том, что он химически покрыт для придания ему водонепроницаемости и гидрофобности. Дополнительно, покрытый наполнитель из вспененного перлита имеет размер частиц в диапазоне, позволяющем образование эффективной водонепроницаемой структуры частиц с закрытыми порами при нанесении химического покрытия. Применение выбранных покрытых наполнителей из вспененного перлита является важным для того, чтобы позволить получение поддающихся обработке и переработке цементирующих суспензий при низких диапазонах использования воды. Более низкие количества воды в композиции приводят к получению изделия, имеющего превосходные механические свойства и физические характеристики.
Вовлеченный воздух занимает 10-50% объема композиции, в пересчете на сырую основу. Вовлеченность воздуха в композиции в соответствии с настоящим изобретением обеспечивают при помощи приемлемых поверхностно-активных веществ, которые образуют стабильную и однородную структуру воздушных пузырьков в готовом изделии.
Цементирующие композиции в соответствии с настоящим изобретением могут быть применены для получения изделий из сборного бетона, таких как цементные плиты с превосходной устойчивостью к действию влажности для применения во влажных и сухих помещениях в зданиях. Такие изделия из сборного бетона, как цементные плиты, получают в условиях, обеспечивающих быстрое схватывание цементирующей смеси, таким образом, что плиты могут быть обработаны вскоре после того, как цементирующую смесь погружают в стационарную или подвижную форму или над постоянно движущейся конвейерной лентой.
Легкие цементирующие композиции и изделия типично имеют одно или несколько следующих преимуществ:
низкое водопотребление,
текучие и поддающиеся обработке суспензии, которые получают при низких дозировках воды,
низкая плотность,
высокая прочность на сжатие,
превосходная водонепроницаемость,
превосходная стабильность размеров при переменных условиях окружающей среды,
превосходная устойчивость к просачиванию по толщине изделия,
превосходная сила сцепления с готовыми поверхностями, такими как керамическая плитка и цементные строительные растворы,
быстрое схватывание,
прекрасные эстетические качества и внешний вид.
Типично, цементная плита, полученная путем отверждения вышеуказанной композиции, имеет толщину, составляющую от приблизительно 1/4 до 1 дюймов (от 6,3 до 25,4 мм).
Все процентные содержания, соотношения и пропорции в данной заявке являются массовыми, если не указано иное. Также, все средние молекулярные массы являются средневесовыми молекулярными массами, если не указано иное.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 показано возрастание температуры суспензии для смесей, исследованных в Примере 11.
Подробное описание изобретения
Цементирующая композиция
В ТАБЛИЦЕ 1 описаны смеси, которые применяют для образования легких цементирующих композиций в соответствии с настоящим изобретением. Объем, занимаемый химически покрытым перлитом, находится в диапазоне от 7,5 до 40%, а объем, занимаемый вовлеченным воздухом, находится в диапазоне от 10 до 50% от общего объема композиции. Это в существенной степени способствует получению цементных изделий, имеющих желаемую низкую плотность, составляющую приблизительно от 40 до 80 фунтов на куб.фут (от 0,64 до 1,28 г/куб.см), предпочтительно приблизительно от 45 до 65 фунтов на куб. фут (от 0,72 до 1,04 г/куб. см).
ТАБЛИЦА 1
Легкие цементирующие композиции
Ингредиент
Мас.%
Об.%
Связывающий агент на основе Портландцемента (цементирующий реакционноспособный порошок)
35-60
10-25
Химически покрытый перлит
2-10
7,5-40
Вспученный глинистый и сланцевый заполнитель
0-25
0-15
Вода
20-40
20-40
Вовлеченный воздух
-
10-50
Цементирующая композиция предпочтительно содержит:
цементирующий реакционноспособный порошок, содержащий Портландцемент и необязательно пуццолановый материал (35-60 мас.%) (типичная смесь содержит 100 частей Портландцемента; 30 частей летучей золы; 3 части натурального гипса;
вспученный и химически покрытый перлитный наполнитель (2-10 мас.%),
вовлеченный воздух (10-50% от объема композита, % от объема композита является об.% суспензии в пересчете на сырую основу),
воду (20-40 мас.%),
необязательные добавки, такие как пластификаторы, катализаторы, ингибиторы и
необязательные вторичные наполнители (10-25 мас.%), например вспученный глинистый, сланцевый заполнитель и пемзу;
при этом общее содержание вспученного и химически покрытого перлитного наполнителя и вторичных наполнителей, например вспученного глинистого, сланцевого заполнителя и/или пемзы, составляет, по меньшей мере, 20 мас.%.
Химически покрытый наполнитель из вспененного перлита
Наполнитель из вспененного перлита составляет 2-10 мас.%, 7,5-40 об.% суспензии цементирующей композиции. Наполнитель из вспененного перлита состоит из частиц, имеющих средний диаметр частиц типично 20-500 микрон или 20-250 микрон, предпочтительно 20-150 микрон, более предпочтительно 20-90 микрон, и наиболее предпочтительно 20-60 микрон, эффективная плотность частиц составляет предпочтительно менее чем 0,50 г/куб.см, более предпочтительно менее чем 0,40 г/куб.см и наиболее предпочтительно менее чем 0,30 г/куб.см, и химически обработанных силановым, силоксановым, силиконовым покрытиями или их смеси. Такой наполнитель из вспененного перлита является уникальным в том, что он химически покрыт для придания ему водонепроницаемости и гидрофобности.
Дополнительно, размер частиц покрытого наполнителя из вспененного перлита позволяет образование эффективной водонепроницаемой структуры частиц с закрытыми порами при нанесении химического покрытия. Применение выбранного покрытого наполнителя из вспененного перлита является важным для того, чтобы позволить получение способных к обработке и переработке цементирующих суспензий при низких диапазонах использования воды. Более низкое содержание воды в композиции приводит к получению изделия, имеющего превосходные механические свойства и физические характеристики. Наиболее предпочтительными соединениями для химического покрытия для получения водонепроницаемых и гидрофобных перлитных частиц являются алкилалкоксисиланы. Октилтриэтоксисилан представляет собой наиболее предпочтительный алкилалкоксисилан для покрытия перлита для применения в цементирующих композициях в соответствии с настоящим изобретением.
Одним из наиболее предпочтительных коммерчески доступных химически покрытых перлитных наполнителей является SIL-CELL 35-23, доступный от Silbrico Corporation. SIL-CELL 35-23 перлитные частицы являются химически покрытым алкилалкоксисилановым соединением. Другим предпочтительным химически покрытым перлитным наполнителем является SIL-CELL 35-34, доступный от Silibrico Corporation. SIL-CELL 35-34 перлитные частицы являются также полезными в цементирующих композициях в соответствии с настоящим изобретением и покрыты кремнийорганическим соединением. DICAPERL 210 и DICAPERL 220 являются еще двумя коммерческими покрытыми перлитными наполнителями, которые производит Grefco Minerals Inc., которые являются предпочтительными в настоящем изобретении. DICAPERL 210 перлит, с алкилалкоксисилановым соединением, является особенно предпочтительным в цементирующих композициях в соответствии с настоящим изобретением. DICAPERL 220 перлит, покрытый кремнийорганическим соединением, также является полезным в композициях в соответствии с настоящим изобретением.
Другим очень полезным свойством перлитного наполнителя в соответствии с настоящим изобретением является то, что они проявляют пуццолановые характеристики благодаря небольшим размерам частиц и химической природе кремнезема. Благодаря их пуццолановым свойствам, выбранные перлитные наполнители в соответствии с настоящим изобретением улучшают химическую стойкость цементирующих композиций при разработке усовершенствованных поверхностей и улучшенного сцепления с цементирующими агентами связывания и другими ингредиентами, присутствующими в смеси.
Другие чрезвычайно важные преимущества возникают вследствие небольшого размера частиц перлитного наполнителя в соответствии с настоящим изобретением. Данное усовершенствование относится к возможности производства и эксплуатационным характеристикам армированных цементных плит, которые получают при помощи перлитных композиций в соответствии с настоящим изобретением. Выбранные перлитные наполнители в соответствии с настоящим изобретением увеличивают общее количество очень мелкодисперсных частиц (менее 75 микрон), присутствующих в композиции. Наличие высокого содержания мелкодисперсных частиц в композиции является чрезвычайно полезным при быстрой обработке армированной цементной плиты, это способствует усилению сцепления между цементирующей суспензией и арматурной сеткой. Повышенной сцепление между цементирующей суспензией и арматурной сеткой приводит к уменьшению случаев расслаивания арматуры, ускорению обработки цементной плиты и улучшению переработки продукции.
Цементирующий реакционноспособный порошок (связывающее вещество на основе Портландцемента)
Цементирующий реакционноспособный порошок (который также называют связывающим веществом на основе Портландцемента), который применяют в настоящем изобретении, типично состоит из чистого Портландцемента или из смеси Портландцемента и приемлемого пуццоланового материала, такого как летучая зола или доменный шлак.
Цементирующий реакционноспособный порошок содержит Портландцемент, и также может содержать высокоглиноземистый цемент, сульфат кальция и минеральную добавку, предпочтительно летучую золу, с образованием суспензии с водой. Цементирующий реакционноспособный порошок не содержит инертных веществ, таких как заполнитель.
Если цементирующий реакционноспособный порошок в соответствии с настоящим изобретением содержит только Портландцемент и летучую золу, то цементирующий реакционноспособный порошок предпочтительно содержит 40-90 мас.% Портландцемента и 10-60 мас.% летучей золы, или 40-80 мас.% Портландцемента и 20-60 мас.% летучей золы, где мас.% рассчитан, исходя из суммарного количества Портландцемента и летучей золы.
Цементирующий реакционноспособный порошок может также необязательно содержать один или несколько ингредиентов, таких как гипс (натуральный гипс) или высокоглиноземистый цемент, который добавляют в небольших дозах для того, чтобы повлиять на характеристики схватывания и гидратации данного связывающего агента. Если присутствуют такие другие ингредиенты, то цементирующий реакционноспособный порошок может содержать 40-80 мас.% Портландцемента, 0-20 мас.% высокоглиноземистого цемента, 0-7 мас.% сульфата кальция и 0-55 мас.% летучей золы, из расчета на массу данных компонентов.
Таким образом, смесь цементирующего реакционноспособного порошка цементирующей композиции может содержать очень высокие концентрации минеральных добавок, таких как пуццолановые материалы, до 55 мас.% реакционноспособной порошкообразной смеси. Повышение содержания минеральных добавок, например летучей золы, может способствовать существенному снижению стоимости изделия. Дополнительно, применение пуццолановых материалов в композиции способствует увеличению срока службы изделия вследствие пуццолановых реакций.
Реакционноспособная порошкообразная смесь цементирующей композиции может не содержать добавленной извести. Уменьшенное содержание извести помогает понизить щелочность цементирующего матрикса и таким образом увеличить длительность срока службы изделия.
Гидравлический цемент
Гидравлические цементы, в частности Портландцемент, составляют значительное количество композиций в соответствии с настоящим изобретением. Должно быть понятно, что, как используют в данной заявке, термин "гидравлический цемент" не включает гипс, который не набрал прочности под воздействием воды, хотя типично некоторое количество гипса входит в состав Портландцемента.
2
3
2
2
2
3
3
2
3
2
3
4
Стандартная спецификация для Портландцемента ASTM С 150 определяет Портландцемент как гидравлический цемент, полученный путем распыления клинкера, состоящего, по существу, из затвердевающих в воде силикатов кальция, обычно содержащих одну или более форм сульфата кальция в качестве молотой добавки. Более обобщенно, другие гидравлические цементы могут быть замещены Портландцементом, например цементами на основе сульфо-алюмината кальция. Для изготовления Портландцемента, гомогенную смесь известняка и глины прокаливают в печи для обжига и сушки с образованием Портландцементного клинкера. В клинкере присутствуют четыре основные фазы Портландцемента - трикальций силикат (3CaO·SiO, который также имеет название СS), дикальций силикат (2CaO·SiO, под названием CS), трикальций алюминат (3СаО·АlО или СА) и тетракальций алюминоферрит (4СаО·АlO·FеO или CAF). Полученный в результате клинкер, содержащий вышеуказанные соединения, перемалывают с сульфатами кальция до желательной дисперсности с получением Портландцемента.
2
2
Другие соединения, присутствующие в малых количествах в Портландцементе, включают двойные соли сульфатов щелочных металлов, оксид кальция и оксид магния. Если должны быть получены цементные плиты, то Портландцемент будет типично находиться в форме очень мелкодисперсных частиц, так, что площадь поверхности частиц превышает 4000 см/г и типично составляет 5000-6000 см/г согласно измерениям площади поверхности, проведенным способом Блейна (ASTM С 204). Из различных признанных классов Портландцемента, Портландцемент ASTM тип III является наиболее предпочтительным цементирующим реакционноспособным порошком цементирующих композиций в соответствии с настоящим изобретением. Это вызвано его относительно быстрой реакционноспособностью и быстрым нарастанием прочности на ранней стадии.
В настоящем изобретении, необходимость в применении Портландцемента типа III минимизирована и относительно быстрое нарастание прочности на ранней стадии может быть получено при применении других цементов вместо Портландцемента типа III. Другие признанные типы цементов, которые могут быть применены для замещения или дополнения Портландцемента типа III в композиции в соответствии с настоящим изобретением, включают Портландцемент типа I или другие гидравлические цементы, включая белый цемент, бесклинкерные шлаковые цементы, такие как шлакопортландцемент, пуццолановые цементы с добавками, расширяющиеся цементы, сульфоалюминатные цементы и скважинные цементы.
Минеральные добавки
Цементирующая реакционноспособная порошковая смесь цементирующей композиции может содержать высокие концентрации минеральных добавок, таких как пуццолановые материалы и/или непуццолановые заполнители, например карбонат кальция, слюду, тальк и т.д.
ASTM C618-97 определяет пуццолановые материалы как "кремнистые или кремнисто-глиноземные материалы, которые сами по себе имеют малую цементообразующую способность или вообще ее не имеют, но будут, в мелкодисперсной форме и в присутствии влаги, химически реагировать с гидроксидом кальция при обычных температурах с образованием соединений, имеющих цементирующие свойства". Различные натуральные и искусственные материалы были названы пуццолановыми материалами, обладающими пуццолановыми свойствами. Некоторые примеры пуццолановых материалов включают пемзу, диатомовую землю, тонкий кремнеземный порошок, туф, трас, рисовую шелуху, метакаолин, мелкогранулированный доменный шлак и летучую золу. Все данные пуццолановые материалы могут быть применены или по отдельности, или в объединенной форме в составе цементирующего реакционноспособного порошка в соответствии с настоящим изобретением.
Летучая зола является предпочтительным пуццоланом в цементирующей реакционноспособной порошковой смеси в соответствии с настоящим изобретением. Летучие золы, содержащие высокие концентрации оксида кальция и алюмината кальция (такие как летучие золы класса С стандарта ASTM C618) являются предпочтительными, как объяснено ниже в данной заявке. Также могут быть включены другие минеральные добавки, такие как карбонат кальция, глины и крошка слюды.
Летучая зола является мелкодисперсным порошкообразным побочным продуктом, образованным путем сжигания угля. На электростанциях используют паровые котлы, в которых сжигают распыленный уголь с получением наиболее коммерчески доступных летучих зол. Такие летучие золы состоят главным образом из стекловидных сферических частиц, а также из остатков гематита и магнетита, древесного угля и некоторых кристаллических фаз, образованных во время охлаждения. Структура, состав и свойства частиц летучей золы зависят от структуры и состава угля и процессов горения, при которых образуется летучая зола. Стандарт ASTM C618 признает два основных класса летучей золы для применения в бетоне - класс С и класс F. Эти два класса летучей золы получают из различных видов угля, которые возникают в результате различий в процессах образования угля в различные геологические периоды времени. Летучую золу класса F обычно получают при сжигании антрацита или битуминозного угля, в то время как летучую золу класса С обычно получают из лигнита или суббитуминозного угля.
2
2
3
2
3
2
2
3
2
3
Стандарт ASTM C618 различает летучие золы класса F и класса С, в основном, в соответствии с их пуццолановыми свойствами. Соответственно, в стандарте ASTM C618, основной характеристической разницей между летучей золой класса F и летучей золой класса С является нижний предел содержания SiO+АlО+FеО в композиции. Нижний предел содержания SiO+АlО+FеО в летучих золах класса F составляет 70% и в летучих золах класса С - 50%. Таким образом, летучие золы класса F являются более пуццолановыми, чем пуццолановые летучие золы класса С. Хотя это ясно не указано в стандарте ASTM C618, летучие золы класса С типично имеют высокое содержание оксида кальция. Наличие высокого содержания оксида кальция придает летучим золам класса С цементирующие свойства, что приводит к образованию гидратов силиката кальция и алюмината кальция при смешивании с водой. Как можно будет увидеть в примерах, приведенных в данной заявке ниже, было найдено, что летучая зола класса С обеспечивает превосходные результаты, в особенности в предпочтительных композициях, в которых не применяют высокоглиноземистый цемент и гипс.
Массовое соотношение пуццоланового материала и Портландцемента в цементирующей реакционноспособной порошковой смеси, применяемой в цементирующей композиции в соответствии с настоящим изобретением, может составлять приблизительно от 0/100 до 150/100, предпочтительно от 25/100 до 125/100. Например, типичная цементирующая реакционноспособная порошковая смесь содержит приблизительно от 10 до 60 мас.% летучей золы и от 40 до 90 мас.% Портландцемента.
Высокоглиноземистый цемент
Высокоглиноземистый цемент (НАС) является другим типом гидравлического цемента, который может образовывать компонент реакционноспособной порошкообразной смеси некоторых осуществлений в соответствии с настоящим изобретением.
2
2
Высокоглиноземистый цемент также, в общем, называют алюминатным цементом или глиноземистым цементом. Как подразумевает название, высокоглиноземистые цементы имеют высокое содержание глинозема, приблизительно 36-42 мас.% является типичным. Также коммерчески доступными являются высокоглиноземистые цементы высокой чистоты, в которых содержание глинозема может находиться в диапазоне до 80 мас.%. Такие высокоглиноземистые цементы высокой чистоты имеют тенденцию к высокой стоимости по сравнению с другими цементами. Высокоглиноземистые цементы, применяемые в композициях некоторых осуществлений настоящего изобретения, тонко перемолоты для облегчения ввода алюминатов в водную фазу таким образом, что может происходить быстрое образование эттрингита и других гидратов алюмината кальция. Площадь поверхности высокоглиноземистого цемента, который может быть применен в некоторых осуществлениях композиции в соответствии с настоящим изобретением, будет превышать 3000 см/г и типично приблизительно составит от 4000 до 6000 см/г согласно измерениям площади поверхности, проведенным способом Блейна (ASTM С 204).
Появилось несколько способов производства высокоглиноземистого цемента. Типично, основным сырьем для производства высокоглиноземистого цемента являются боксит и известняк. Один из способов производства, который применяют в США для получения высокоглиноземистого цемента, описан следующим образом. Сначала бокситовую руду дробят и высушивают, а затем перемалывают с известняком. Сухой порошок, содержащий боксит и известняк, затем подают в барабанную печь. Распыленный малозольный уголь применяют в печи в качестве топлива. Реакция между бокситом и известняком происходит в печи, а расплавленный продукт собирается в нижнем конце печи и выливается в ковш, установленный на дне. Расплавленный клинкер гасят водой с образованием гранулятов клинкера, которые затем направляют в резерв. Затем гранулят перемалывают до желательной дисперсности с образованием целевого цемента.
12
7
2
2
2
2
4
2
2
2
3
Во время процесса производства высокоглиноземистого цемента образуется несколько соединений алюмината кальция. Основным образующимся соединением является алюминат монокальция (СА). Остальные образующиеся алюминаты кальция и силикаты кальция включают CA, CA, CS, CAS. Также образуются несколько других соединений, содержащих относительно высокие концентрации оксидов железа. Они включают ферриты кальция, такие как CF и CF, и алюмоферриты кальция, такие как CAF, CeAF и CeAF. Другие второстепенные составляющие, присутствующие в высокоглиноземистом цементе, включают оксид магния (MgO), оксид титана (TiO), сульфаты и щелочи. Необходимо отметить, что трикальций алюминат (СА), входящий в состав обычного Портландцемента, не найден в высокоглиноземистых цементах.
Сульфат кальция
Различные формы сульфата кальция, которые, как показано ниже, могут быть применены в настоящем изобретении, обеспечивают сульфат-ионы для образования эттрингита и других гидратов сульфо-алюминатов кальция:
4
2
Дигидрат - CaSO·2HO (традиционно известный как гипс).
4
2
Полугидрат - CaSO·½HO (традиционно известный как штукатурный гипс).
4
Ангидрид - CaSO (также имеющий название безводного сульфата кальция).
2
2
Натуральный гипс является гипсом относительно низкой чистоты и является предпочтительным вследствие экономических причин, хотя можно применять гипс более высокой степени чистоты. Натуральный гипс получают из карьерного гипса и перемалывают в относительно небольшие по размеру частицы таким образом, что удельная площадь поверхности превышает 2000 см/г и типично составляет приблизительно от 4000 до 6000 см/г согласно измерениям площади поверхности, проведенным способом Блейна (ASTM С 204). Тонкодисперсные частицы легко растворяются и обеспечивают гипс, необходимый для образования эттрингита. Синтетический гипс, который получают в качестве побочного продукта в различных областях промышленности, также может быть применен в качестве предпочтительного сульфата кальция в настоящем изобретении. Две другие формы сульфата кальция, а именно полугидрат и ангидрит, также могут быть применены в настоящем изобретении вместо гипса, т.е. дигидратной формы сульфата кальция.
Воздухововлекающие агенты (пенообразователи)
Если желательно получить легкие изделия, такие как легкие цементные плиты, то в композицию для облегчения изделия могут быть добавлены воздухововлекающие агенты (пенообразователи). Воздухововлекающие агенты являются, в общем, приемлемыми поверхностно-активными веществами, которые образуют стабильную и однородную структуру воздушных пузырьков в готовом изделии. Соответственно суспензия содержит приемлемый воздухововлекающий агент или пенообразователь в таких количествах, чтобы получать желательную степень вовлечения воздуха.
Типично воздухововлекающие агенты или пенообразователи являются поверхностно-активными веществами, обеспеченными в количествах от приблизительно 0,015 до 0,03 мас.%, из расчета на общую массу суспензии. Более предпочтительно, масса данных поверхностно-активных веществ находится в диапазоне от 0,002 до 0,02 мас.%, из расчета на общую массу суспензии. Например, натрий алкилэфирсульфат, аммоний алкилэфирсульфат, натрий альфаолефинсульфонат (AOS), натрий децетсульфат, аммоний децетсульфат, натрий лауретсульфат или натрий додецилбензолсульфонат являются приемлемыми воздухововлекающими и пенообразующими поверхностно-активными веществами, которые могут быть применены в цементирующих композициях в соответствии с настоящим изобретением.
В цементирующих композициях в соответствии с настоящим изобретением, внешне полученную пену предпочтительно применяют для уменьшения плотности суспензии и изделия. Пену получают с использованием приемлемых поверхностно-активных веществ (пенообразователей) с водой и воздухом в надлежащих соотношениях в сочетании с оборудованием для пенообразования. Полученную таким образом пену затем вводят непосредственно во влажную смесь во время операции смешивания при получении цементирующей суспензии.
Алканоламины
2
2
3
2
2
2
2
2
2
В настоящем изобретении, различные виды алканоламинов могут быть использованы по отдельности или в комбинации для ускорения схватывания цементирующей композиция в соответствии с настоящим изобретением. Алканоламины представляют собой аминоспирты, которые имеют строгую щелочную и катионную активность. Триэтаноламин [N(СН-СНOН)] является предпочтительным алканоламином. Однако другие алканоламины, такие как моноэтаноламин [NH(CH-CHOH)], диэтаноламин [NH(CH-CHOH)] могут быть использованы вместо триэтаноламина (TEA) или применены в комбинации с TEA.
Добавление алканоламина по отдельности или вместе с фосфатом (описано ниже) имеет значительное влияние на скорость схватывания цементирующих композиций в соответствии с настоящим изобретением при ее начале при повышенных температурах, например температуре суспензии, превышающей 90°F (32°С). Типично суспензия имеет первоначальную температуру, составляющую приблизительно 90-150°F (32-66°C).
При применении без фосфата, дозировка алканоламина, предпочтительно триэтаноламина, которую применяют в качестве катализатора в суспензии, типично составляет приблизительно от 0,025 до 4,0 мас.%, от 0,05 до 2 мас.%, от 0,05 до 1 мас.%, от 0,05 до 0,40 мас.%, от 0,05 до 0,20 мас.% или от 0,05 до 0,10 мас.% из расчета на массу цементирующего реакционноспособного порошка.
Таким образом, например, на каждые 100 фунтов цементирующего реакционноспособного порошка присутствует приблизительно от 0,025 до 4,0 фунтов алканоламина в смеси.
Фосфаты
При желании, фосфаты необязательно могут быть применены вместе с алканоламином, например триэтаноламином, в качестве катализатора. Такими фосфатами могут быть один или более из натрий триметафосфата (STMP), калий триполифосфата (КТРР) и натрий триполифосфата (STPP).
Дозировка фосфата составляет приблизительно от 0 до 1,5 мас.%, или от 0,15 до 1,5 мас.%, или приблизительно от 0,3 до 1,0 мас.%, или приблизительно от 0,5 до 0,75 мас.% из расчета на цементирующие реакционноспособные компоненты в соответствии с настоящим изобретением. Таким образом, например, на 100 фунтов цементирующего реакционноспособного порошка может приходиться приблизительно от 0 до 1,5 фунтов фосфата.
Степень скорости схватывания, полученной путем добавления соответствующей дозы фосфата в условиях, при которых температура цементного раствора превышает 90°F (32°С) позволяет значительно уменьшить количество алканоламина при отсутствии высокоглиноземистого цемента.
Ингибиторы
Применение ингибиторов схватывания в качестве компонента в композициях в соответствии с настоящим изобретением является особенно полезным в ситуациях, когда первоначальные температуры суспензии, которые используют для образования изделий на основе цемента, являются особо высокими, типично превышающими 100°F (38°С). При таких относительно высоких первоначальных температурах суспензий, ингибиторы, такие как цитрат натрия или лимонная кислота, способствуют синергетическому физическому взаимодействию и химической реакции между различными реакицонноспособными компонентами в композициях, что приводит к благоприятному ответному повышению температуры цементного раствора и быстрому схватыванию. Без добавления ингибиторов загустевание реакционноспособной порошкообразной смеси в соответствии с настоящим изобретением может происходить очень быстро, вскоре после добавления воды к смеси. Быстрое загустевание смеси, которое также называют "ложным схватыванием", является нежелательным, поскольку препятствует надлежащему и полному образованию эттрингита, затрудняя нормальное образование гидратов силиката кальция на поздних стадиях и приводя к развитию чрезвычайно бедной и слабой микроструктуры отвержденного цементирующего строительного раствора.
Основной функцией ингибитора в композиции является предотвращение слишком быстрого загустевания суспензионной смеси, таким образом, способствуя синергетическому физическому взаимодействию и химической реакции между различными реакционноспособными компонентами. Другие вторичные преимущества от добавления ингибитора в композицию включают уменьшение количества суперпластификатора и/или воды, необходимого для получения консистенции суспензионной смеси, поддающейся обработке. Все вышеуказанные преимущества достигают благодаря подавлению ложного схватывания. Примеры некоторых полезных ингибиторов схватывания включают цитрат натрия, лимонную кислоту, тартрат калия, тартрат натрия и т.п. В композициях в соответствии с настоящим изобретением, цитрат натрия является предпочтительным ингибитором схватывания. Дополнительно, поскольку ингибиторы схватывания препятствуют слишком быстрому загустеванию смеси, их добавление играет важную роль и является полезным при образовании хороших кромок во время процесса производства цементирующих плит. Массовое соотношение ингибитора схватывания и цементирующей реакционноспособной порошковой смеси, в общем, составляет менее чем 1,0 мас.%, предпочтительно приблизительно 0,04-0,3 мас.%.
Неорганические вторичные катализаторы схватывания
В комбинации с приведенными выше в данной заявке алканоламинами и необязательными фосфатами могут быть добавлены другие неорганические катализаторы схватывания в качестве неорганических вторичных катализаторов схватывания в цементирующих композициях в соответствии с настоящим изобретением.
Ожидают, что добавление таких неорганических вторичных катализаторов схватывания может вызывать только небольшое уменьшение времени схватывания по сравнению с уменьшением, которого достигают благодаря добавлению комбинации алканоламинов и необязательных фосфатов. Примеры таких неорганических вторичных катализаторов схватывания включают карбонат натрия, карбонат калия, нитрат кальция, нитрит кальция, формиат кальция, ацетат кальция, хлорид кальция, карбонат лития, нитрат лития, нитрит лития, сульфат алюминия и т.п. Применения хлорида кальция необходимо избегать, если проблемой является коррозия крепежей цементных плит.
Массовое соотношение вторичного неорганического катализатора схватывания и цементирующей реакционноспособной порошковой смеси типично составит менее чем 2 мас.%, предпочтительно приблизительно от 0,0 до 1 мас.%. Иными словами, на 100 фунтов цементирующего реакционноспособного порошка приходится типично менее 2 фунтов, предпочтительно приблизительно от 0,0 до 1 фунтов, вторичного неорганического катализатора схватывания. Такие вторичные неорганические катализаторы схватывания могут быть применены по отдельности или в комбинации.
Другие химические добавки и ингредиенты
Другие добавки, включая пластификаторы, такие как суперпластификаторы, агенты, контролирующие усадку, модификаторы вязкости суспензии (загустители), красители и внутренние отверждающие средства, могут быть включены по желанию в зависимости от эксплуатационных возможностей и применения цементирующей композиции в соответствии с настоящим изобретением.
Химические добавки, такие как пластификаторы (суперпластификаторы), могут быть включены в композиции в соответствии с настоящим изобретением и добавлены в сухой форме или в форме раствора. Суперпластификаторы способствуют уменьшению водопотребления смеси. Примеры суперпластификаторов включают полинафталинсульфонаты, полиакрилаты, поликарбоксилаты, лигносульфонаты, меламинсульфонаты и т.п.
В зависимости от вида используемых суперпластификаторов, массовое соотношение суперпластификатора (в расчете на массу сухого порошка) и реакционноспособного цементирующего порошка типично составит приблизительно 2 мас.% или менее, предпочтительно приблизительно от 0,1 до 1,0 мас.%, более предпочтительно приблизительно от 0,0 до 0,50 мас.%, и наиболее предпочтительно приблизительно от 0,0 до 0,20 мас.%. Таким образом, например, если суперпластификатор присутствует в диапазоне от 0,1 до 1,0 мас.%, на каждые 100 фунтов цементирующего реакционноспособного порошка в смеси может приходиться приблизительно от 0,1 до 1 фунта суперпластификатора.
Другие химические примеси, такие как агенты, контролирующие усадку, красители, модификаторы вязкости (загустители) и внутренние отверждающие средства, могут быть также по желанию добавлены в композиции в соответствии с настоящим изобретением.
Заполнители, наполнители и сетчатые холсты под штукатурку
В то время как описанная в данной заявке цементирующая реакционноспособная порошкообразная смесь определяет компоненты быстрого схватывания цементирующей композиции в соответствии с настоящим изобретением, специалистам в данной области техники будет понятно, что другие материалы могут быть включены в композиции в зависимости от целевого использования и применения.
Например, для применения цементных плит желательным является получение легких плит, без чрезмерности, которые бы содержали желательные механические свойства изделия. Этой цели достигают путем добавления легких заполнителей и легких наполнителей. Примеры полезных легких заполнителей и наполнители включают доменный шлак, вулканический туф, пемзу, вспученные формы глины, сланец, полые керамические сферы, полые пластиковые сферы, вспученные пластиковые гранулы и т.п. Для получения цементных плит, особенно полезными являются вспученный глинистый и сланцевый заполнители. Вспученные пластиковые гранулы и полые пластиковые сферы при применении в композиции применяют в очень малых количествах по массе из-за их чрезвычайно низкой объемной плотности.
Пемза, которую применяют в качестве легкого заполнителя, представляет собой гидратированный заполнитель (наполнитель) и не является цементом. Наоборот, пемза, которую применяют в качестве пуццолановой минеральной добавки (описана в приведенном выше разделе данной заявки под названием "Минеральные добавки"), представляет собой негидратированную форму и подпадает под определение ASTM С618-97 пуццолановых материалов как "кремнистые или кремнисто-глиноземистые материалы, которые сами по себе имеют малые цементообразующие свойства или не имеют их, но будут, в мелкодисперсной форме и в присутствии влаги, химически реагировать с гидроксидом кальция при обычных температурах с образованием соединений, имеющих цементирующие свойства".
В зависимости от выбора легкого заполнителя или выбранного наполнителя массовое соотношение легкого заполнителя или наполнителя и реакционноспособной порошкообразной смеси может составлять приблизительно от 1/100 до 200/100, предпочтительно приблизительно от 2/100 до 125/100. Например, для создания легких цементных плит, массовое соотношение легкого заполнителя или наполнителя и цементирующей реакционноспособной порошковой смеси может составлять приблизительно от 2/100 до 125/100.
Однако, как упоминалось в данной заявке выше, предпочтительно общее содержание вспученного и химически покрытого перлитного наполнителя и вторичного наполнителя, например вспученного глинистого, сланцевого заполнителя и/или пемзы, составляет, по меньшей мере, 20 мас.%.
Содержание влаги в заполнителях неблагоприятным образом влияет на время схватывания цементирующих смесей. Таким образом, заполнители и наполнители, имеющие низкое содержание влаги, являются предпочтительными в настоящем изобретении.
Отдельные армирующие волокна различных типов могут быть также включены в цементирующие композиции в соответствии с настоящим изобретением. Сетчатые холсты под штукатурку, выполненные из материалов, таких как стекловолокна с полимерным покрытием и полимерные материалы, такие как полипропилен, полиэтилен и нейлон, могут быть применены для армирования изделий на основе цемента в зависимости от их функции и применения. Цементные плиты, полученные в соответствии с настоящим изобретением, являются типично армированными сетчатыми холстами под штукатурку, выполненными из стекловолокна с полимерным покрытием.
Изготовление сборных железобетонных изделий, таких как цементные плиты
Сборные железобетонные изделия, такие как цементные плиты, получают наиболее эффективным образом в непрерывном процессе, в котором реакционноспособную порошкообразную смесь смешивают с заполнителями, наполнителями и другими ингредиентами, с последующим добавлением воды и других химических добавок непосредственно перед помещением смеси в пресс-форму или над непрерывной отливочной и формовочной лентой.
Благодаря быстрому схватыванию цементирующей смеси смесь сухих компонентов цементирующей смеси с водой обычно получают непосредственно перед операцией отливки. Вследствие образования гидратов соединений алюминатов кальция и потребления связанной воды в значительных количествах, изделия на основе цемента становятся жесткими и легко могут быть разрезаны, обработаны и уложены для дальнейшего отверждения.
Таким образом, цементирующую реакционноспособную композицию в соответствии с настоящим изобретением объединяют с приемлемым количеством воды для гидратирования цементирующего реакционноспособного порошка и быстрого образования эттрингита и других гидратов соединений алюмината кальция. В общем, количество добавленной воды будет превышать теоретически необходимое для гидратации цементирующего реакционноспособного порошка. Такое повышенное водопотребление позволяет облегчить обрабатываемость цементирующей суспензии. Типично, массовое соотношение воды и цементирующей реакционноспособной порошкообразной смеси составляет приблизительно от 0,20/1 до 0,80/1, предпочтительно приблизительно от 0,45/1 до 0,65/1. Количество воды зависит от потребностей отдельных материалов, присутствующих в цементирующей композиции.
Эттрингит и другие гидраты соединений алюминатов кальция образуются очень быстро в процессе гидратации, таким образом, придавая характеристики быстрого схватывания и твердости смесям, полученным из реакционноспособной порошкообразной смеси цементирующей композиции в соответствии с настоящим изобретением. При получении изделий на цементной основе, таких как цементные плиты, главным образом, образование эттрингита и других гидратов соединений алюмината кальция, дает возможность обработки цементных плит в течение нескольких минут после смешивания цементирующей композиции в соответствии с настоящим изобретением с приемлемым количеством воды.
Схватывание композиции характеризуется первоначальным и конечным временами схватывания, согласно измерениям при помощи игл Гилмора, указанных в процедуре испытаний ASTM C266, а также высокой первоначальной прочностью на сжатие. Конечное время схватывания также соответствует времени, когда изделие на цементной основе, например цементная плита, было отверждено в достаточной степени таким образом, что может быть обработано. Специалистам в данной области техники будет понятно, что реакции схватывания продолжаются в течение продолжительных периодов времени после достижения конечного времени схватывания.
Суспензию типично получают в условиях, которые обеспечивают первоначально высокую температуру суспензии. Первоначальная температура цементного раствора должна составлять, по меньшей мере, приблизительно 40°F (4,4°С). Например, первоначальная температура цементного раствора может составлять, по меньшей мере, приблизительно 90°F (32°С). Температуры суспензий в диапазоне от 90°F до 150°F (от 32° до 66°С) приводят к получению очень коротких времен схватывания. В общем, в данном диапазоне, повышение первоначальной температуры суспензии повышает скорость возрастания температуры при протекании реакции и уменьшает время схватывания. Таким образом, первоначальная температура цементного раствора, составляющая 95°F (35°С), является предпочтительной по сравнению с первоначальной температурой суспензии, составляющей 90°F (32°С), температура, составляющая 100°F (38°С), является предпочтительной по сравнению с 95°F (35°С), температура, составляющая 105°F (41°С), является предпочтительной по сравнению с 100°F (38°С), температура, составляющая 110°F (43°С), является предпочтительной по сравнению с 105°F (41°С) и т.д. Считают, что преимущества повышения первоначальной температуры суспензии уменьшаются при достижении верхнего порога широкого температурного диапазона.
Как будет понятно специалистам в данной области техники, первоначальная температура суспензии может быть достигнута более чем одним способом. Возможно, наиболее традиционным способом является нагревание одного или более компонентов суспензии. В примерах изобретатели настоящего изобретения обеспечили воду, нагретую до такой температуры, что при добавлении сухих реакционноспособных порошков и нереакционноспособных твердых веществ, полученная в результате суспензия находится при желаемой температуре. Альтернативно, при желании, твердые тела могут быть обеспечены при температурах, превышающих температуру окружающей среды. Использование пара, обеспечивающее нагревание суспензии, является другим возможным способом, который может быть принят. Хотя и не предпочтительно, суспензия может быть получена при температурах окружающей среды и быстро нагрета для повышения температуры до приблизительно 90°F или выше, если могут быть достигнуты преимущества настоящего изобретения. Первоначальная температура цементного раствора составляет предпочтительно приблизительно от 120°F до 130°F (от 49°C до 54°С).
ПРИМЕР 1
В следующих примерах проиллюстрировано получение легких цементных плит в процессе коммерческого производства, используя цементирующие композиции в соответствии с настоящим изобретением. Примененное сырье содержало цементирующий реакционноспособный порошок Портландцемента типа III, летучую золу класса F и дигидрат сульфата кальция (натуральный гипс), химически покрытый перлит, вспученный глинистый и сланцевый заполнитель, и добавленные жидкости. Жидкости, например, триэтаноламин, представляли собой примеси, добавленные в виде водных растворов. Дополнительно, цитрат натрия и суперпластификатор на основе сульфонированного нафталина добавляли для контроля текучести смесей. Данные примеси добавляли в массовом процентном содержании от общего количества реакционноспособного порошка.
В ТАБЛИЦЕ 2 приведена конкретная композиция, которую применяли для получения легких цементных панелей толщиной 0,5 дюймов (1,27 см), имеющих плотность приблизительно 56 фунтов на кубический фут (фунт/куб. фут) (0,9 г/куб.см).
ТАБЛИЦА 2
Легкая цементирующая композиция Примера 1
Ингредиент
Мас.%
Об.%
Связующее вещество на основе Портландцемента (цементирующий реакционноспособный порошок)<sup>1</sup>
47,8
14,4
Химически покрытый перлит
4,8
17,2
Вспученный глинистый и сланцевый заполнитель
21,5
12,9
Общее содержание жидкости<sup>2</sup>
25,8
23,1
Вовлеченный воздух<sup>3</sup>
-
32,5
1. Портландцемент - 100 мас. частей; летучая зола 30 мас. частей; натуральный гипс - 3 мас. части.
2. Общее содержание жидкости представляет собой комбинацию воды и следующих химических добавок, которые добавляют к воде с образованием раствора:
Сульфат алюминия - 0,10 мас.% из расчета на массу связующего вещества на основе Портландцемента
Триэтаноламин - 0,30 мас.% из расчета на массу связующего вещества на основе Портландцемента
Суперпластификатор на основе сульфоната нафталина - 0,30 мас.% из расчета на массу связующего вещества на основе Портландцемента
Цитрат натрия - 0,20 мас.% из расчета на массу связующего вещества на основе Портландцемента
3. Вовлеченный воздух в композите обеспечивали путем использования поверхностно-активного вещества на основе натрий альфаолефинсульфоната (AOS). Поверхностно-активное вещество добавляли в дозировке 0,009 мас.% от общей массы изделия.
Химически покрытый перлит представлял собой перлит торговой марки SILBRICO, модель SIL-CELL 35-23, имеющий средний диаметр частиц 40 микрон и алкилалкоксисилановое покрытие.
Вовлеченный воздух вводили в плиту при помощи пены поверхностно-активного вещества, которую получали отдельно и добавляли непосредственно к влажной цементирующей суспензии в шламомешалке. Натрий альфаолефинсульфонатное (AOS) поверхностно-активное вещество в растворе на водной основе использовали для получения пены. Концентрация поверхностно-активного вещества в растворе на водной основе составляла 0,90 мас.%. Необходимо отметить, что комбинация вовлеченного воздуха, перлита и вспученного глинистого заполнителя в композиции определяла достижение целевой низкой плотности суспензии.
Производимые цементные плиты были армированы снаружи при помощи устойчивых к действию щелочи, покрытых ПВХ стекловолоконных сеток, включенных в цементирующую суспензию. Арматурная сетка была произведена Saint-Gobain Technical Fabrics.
Композицию, включенную в пример, составляли, используя массовое соотношение воды к цементу (цементирующему реакционноспособному порошку) 0,54:1 и массовое соотношение вспученного сланцевого заполнителя к цементирующему реакционноспособному порошку 0,45:1. Используемые ингредиенты сухого реакционноспособного порошка, перлит и заполнитель смешивали с водой в условиях, которые обеспечивали первоначальную температуру суспензии выше температуры окружающей среды. Использовали горячую воду, имеющую температуру, при которой получали суспензию, имеющую первоначальную температуру в диапазоне от 125°F до 140°F (от 51,7°C до 60,0°С).
Дозировки различных химических добавок (триэтаноламина, цитрата натрия, сульфата алюминия и суперпластификатора на основе сульфоната нафталина) регулировали таким образом, чтобы достичь желаемой текучести и характеристик быстрого схватывания.
Произведенные цементные плиты были твердыми и могли быть обработаны в течение 10 минут после получения и образования плиты.
Механические испытания проводили для характеристики физических свойств произведенных легких цементных плит.
Прочность на изгиб измеряли в соответствии с испытаниями, проведенными согласно ASTM С 947.
Максимальный изгиб измеряли при помощи изгибающей нагрузки по сравнению с графиком изгиба, полученным для образца, испытанного на изгиб согласно ASTM С 947. Максимальный изгиб представляет собой смещение образца на места средней трети нагрузки, отвечающие пиковой нагрузке.
Сопротивление вырыванию гвоздя измеряли в соответствии с испытаниями, проведенными согласно ASTM D1037.
Через два дня после изготовления плиты испытывали на эксплуатационные характеристики при изгибе согласно ASTM C947. В ТАБЛИЦЕ 3 приведены эксплуатационные характеристики при изгибе испытанных плит. Результаты, показанные в таблице, демонстрируют, что панели имеют превосходную прочность на изгиб и пластичность при изгибе.
ТАБЛИЦА 3
Эксплуатационные характеристики при изгибе цементных плит, полученных с применением легкой цементирующей композиции Примера 1
Ориентация образца
Прочность при изгибе (фунт/кв.дюйм)
Максимальный изгиб (дюймов)
Направление прибора
1262
0,99
Поперечное направление прибора
1138
0,94
В ТАБЛИЦЕ 4 показаны характеристики сопротивления вырыванию гвоздя произведенных панелей. Панели испытывали на сопротивление вырыванию гвоздя в соответствии со способом испытаний D 1037 с использованием кровельного гвоздя с диаметром головки 0,375 дюймов (10 мм) и диаметром ножки 0,121 дюйм (3 мм).
Данные, приведенные в ТАБЛИЦЕ 4, показывают удовлетворительное сопротивление вырыванию гвоздя панелей в соответствии с настоящим изобретением.
ТАБЛИЦА 4
Сопротивление вырыванию гвоздя цементных плит, полученных с применением композиции Примера 1
Ориентация образца
Сопротивление вырыванию гвоздя (фунтов)
Лицевой стороной вверх
135
Лицевой стороной вниз
133
ПРИМЕР 2
В следующем Примере проиллюстрировано получение легких цементных плит при процессе коммерческого производства, используя цементирующую композицию в соответствии с настоящим изобретением. Использованное сырье содержало цементирующий реакционноспособный порошок Портландцемента типа III, летучую золу класса F и дигидрат сульфата кальция (натуральный гипс), химически покрытый перлит, вспученный глинистый и сланцевый заполнитель и добавленные жидкости. Жидкости, например триэтаноламин, представляли собой примеси, добавленные в виде водных растворов. Дополнительно, цитрат натрия и пластификатор на основе сульфонированного нафталина добавляли для контроля текучести смесей. Данные примеси добавляли в массовом процентном содержании от общего количества реакционноспособного порошка.
В ТАБЛИЦЕ 4 приведена конкретная композиция, которую применяли для производства легких цементных панелей толщиной 0,5 дюймов, имеющих плотность приблизительно 60 фунтов на кубический фут (фунт/куб. фут) (0,96 г/куб.см),
ТАБЛИЦА 4
Легкая цементирующая композиция Примера 2
Ингредиент
Mac.%
Об.%
Связующее вещество на основе Портландцемента (цементирующий реакционноспособный порошок)<sup>1</sup>
47,8
15,2
Химически покрытый перлит
5,7
21,9
Вспученный глинистый и сланцевый заполнитель
16,7
10,6
Общее содержание жидкости<sup>2</sup>
29,7
28,1
Вовлеченный воздух<sup>3</sup>
-
24,2
1. Портландцемент - 100 мас. частей; летучая зола 30 мас. частей; натуральный гипс - 3
мас. части.
2. Общее содержание жидкости представляет собой комбинацию воды и следующих химических добавок, которые добавляют к воде с образованием раствора:
Сульфат алюминия - 0,10 мас.% из расчета на массу связующего вещества на основе Портландцемента
Триэтаноламин - 0,30 мас.% из расчета на массу связующего вещества на основе Портландцемента
Суперпластификатор на основе сульфоната нафталина - 0,30 мас.% из расчета на массусвязующего вещества на основе Портландцемента
Цитрат натрия - 0,20 мас.% из расчета на массу связующего вещества на основе Портландцемента
3. Вовлеченный воздух в композите обеспечивали путем использования поверхностно-активного вещества на основе натрий альфаолефинсульфоната (AOS). Поверхностно-активное вещество добавляли в дозировке 0,005 мас.% от общей массы изделия.
Химически покрытый перлит представлял собой перлит торговой марки SILBRICO, модель SIL-CELL 35-23 имеющий средний диаметр частиц 40 микрон и алкилалкоксисилановое покрытие. Вовлеченный воздух вводили в плиту при помощи пены поверхностно-активного вещества, которую получали отдельно и добавляли непосредственно к влажной цементирующей суспензии в шламомешалке. Натрий альфаолефинсульфонатное (AOS) поверхностно-активное вещество в растворе на водной основе использовали для получения пены. Концентрация поверхностно-активного вещества в растворе на водной основе составляла 0,90 мас.%. Необходимо отметить, что комбинация вовлеченного воздуха, перлита и вспученного глинистого заполнителя в композиции определяла достижение целевой низкой плотности суспензии.
Производимые цементные плиты были армированы снаружи при помощи устойчивых к действию щелочи, покрытых ПВХ стекловолоконных сеток, включенных в цементирующую суспензию. Арматурная сетка была произведена Saint-Gobain Technical Fabrics.
Композицию, включенную в пример, составляли, используя массовое соотношение воды к цементу (цементирующему реакционноспособному порошку) 0,62:1 и массовое соотношение вспученного сланцевого заполнителя к цементирующему реакционноспособному порошку 0,35:1. Используемые ингредиенты сухого реакционноспособного порошка, перлит и заполнитель смешивали с водой при условиях, которые обеспечивали первоначальную температуру суспензии выше температуры окружающей среды. Использовали горячую воду, имеющую температуру, при которой получали суспензию, имеющую первоначальную температуру в диапазоне от 125°F до 140°F (от 51,7°C до 60,0°С). Дозировки химических добавок (триэтаноламина, цитрата натрия, сульфата алюминия и суперпластификатора на основе сульфоната нафталина) регулировали таким образом, чтобы достичь желаемой текучести и характеристик быстрого схватывания.
Произведенные цементные плиты были твердыми и могли быть обработаны в течение 10 минут после получения и образования плиты.
Механические испытания проводили для характеристики физических свойств произведенных легких цементных плит. Прочность на изгиб измеряли в соответствии с испытаниями, проведенными согласно ASTM С 947. Максимальный изгиб измеряли при помощи изгибающей нагрузки по сравнению с графиком изгиба, полученным для образца, испытанного на изгиб согласно ASTM С 947. Максимальный изгиб представляет собой смещение образца на места средней трети нагрузки, отвечающим пиковой нагрузке. Сопротивление вырыванию гвоздя измеряли в соответствии с испытаниями, проведенными согласно ASTM D1037.
Через два дня после изготовления плиты испытывали на эксплуатационные характеристики при изгибе согласно ASTM C947. В ТАБЛИЦЕ 5 показаны эксплуатационные характеристики при изгибе испытанных плит. Результаты, показанные в таблице, демонстрируют, что панели имеют превосходную прочность на изгиб и пластичность при изгибе.
ТАБЛИЦА 5
Эксплуатационные характеристики при изгибе цементных плит, полученных с применением легкой цементирующей композиции Примера 2
Ориентация образца
Прочность при изгибе (фунт/кв.дюйм)
Максимальный изгиб (дюймов)
Направление прибора
1249
0,94
Поперечное направление прибора
1111
0,95
В ТАБЛИЦЕ 6 показано характеристики сопротивления вырыванию гвоздя произведенных панелей. Панели испытывали на сопротивление вырыванию гвоздя в соответствии со способом испытаний D 1037 с использованием кровельного гвоздя с диаметром головки 0,375 дюймов (9,5 мм) и диаметром ножки 0,121 дюйм (3 мм).
Данные, приведенные в ТАБЛИЦЕ 6, показывают удовлетворительное сопротивление вырыванию гвоздя панелей в соответствии с настоящим изобретением.
ТАБЛИЦА 6
Сопротивление вырыванию гвоздя цементных плит, полученных с применением композиции Примера 2
Ориентация образца
Сопротивление вырыванию гвоздя (фунтов)
Лицевой стороной вверх
136
Лицевой стороной вниз
139
ПРИМЕР 3
Армированные сеткой цементирующие панели ПРИМЕРА 2 испытывали на предмет устойчивости в качестве подложки для связывания керамической плитки. Каменную плитку связывали с цементными панелями ПРИМЕРА 2, используя модифицированный латексом цементирующий мелкодисперсный строительный раствор, который соответствовал стандарту ANSI A118.4. LATICRETEf 317 Floor N' Wall. Мелкодисперсный строительный раствор LATICRETE 317 Floor N' Wall смешивали с суперэластичной добавкой LATICRETE 333 для получения мелкодисперсного строительного раствора для сцепления плитки и цементной плиты. Полученные образцы отверждали в течение 28 дней и испытывали согласно стандарту ANSI A118.10 для характеристики прочности связи при сдвиге. В ТАБЛИЦЕ 7 показана прочность связи при сдвиге испытуемого образца. Как можно наблюдать из полученных данных, образец имел прочность связи при сдвиге 241 фунт/кв.дюйм (1,66 МПа), что далеко превосходит минимальную требуемую прочность связи при сдвиге, составляющую 50 фунт/кв.дюйм (0,34 МПа) согласно стандарту ANSI A118.10. Данное испытание демонстрирует, что цементирующие композиции и изделия в соответствии с настоящим изобретением имеют чрезвычайно хорошую прочность связи при сдвиге при применении с керамической плиткой и цементным строительным раствором.
ТАБЛИЦА 7
Прочность на сдвиг цементной плиты для керамической плитки и цементного строительного раствора
Идентификация цементной плиты
Прочность на сдвиг (фунт/кв.дюйм)
Цементная плита Примера 2 (плотность 60 фунтов на куб. фут)
241
ПРИМЕР 4
Армированные сеткой цементирующие панели ПРИМЕРА 2 испытывали на водонепроницаемость путем характеристики их возможности препятствовать просачиванию воды через толщину панели, если верхнюю поверхность панели подвергали воздействию гидростатического давления, составляющему 24 дюйма (61 см). Пластиковую полую трубку длиной 24 дюйма (61 см) с внутренним диаметром 2 дюйма (5,1 см) адгезионно монтировали к верхней поверхности панели. Трубку наполняли водой до высоты 24 дюйма (61 см). Через 48 часов нижнюю поверхность панели контролировали для проверки влажности или образования капель воды. Через 48 часов на нижней поверхности панели не наблюдали признаков влажности или образования капель воды. Данный результат, таким образом, демонстрирует водонепроницаемые характеристики панели в соответствии со стандартом ANSI A118.10. Особо стоит отметить, что панели в соответствии с настоящим изобретением проявляют характеристики водонепроницаемости, несмотря на чрезвычайно высокую пористость. Фактически, это силановое химическое покрытие частиц SIL-CELL 35-23 обеспечивает гидрофобность цементирующей основы и устойчивость к проникновению воды через толщину изделия.
ПРИМЕР 5
Армированные сеткой цементирующие панели Примера 2 испытывали на предмет их стабильности и износоустойчивости при повторном замораживании и таянии. Панели подвергали множеству циклов замораживания-таяния согласно стандарту ASTM С 1185. Один цикл замораживания-таяния состоял в следующем: i. хранении образцов при 4°С в течение 1 часа, ii. охлаждении образцов до температуры -17°С в течение следующего 1 часа, iii. хранении образцов при -17°С в течение еще одного 1 часа и наконец, iv. таянии образцов до температуры 4°С в течение следующего одного часа. Всего панели подвергали 300 циклам замораживания-таяния. В испытанных панелях не возникали трещины, расслоение или другие виды повреждений после окончания 300 циклов замораживания-таяния. Данные испытания, таким образом, продемонстрировали превосходную стабильность и износоустойчивость при замораживании-таянии панелей в соответствии с настоящим изобретением.
ПРИМЕР 6
Армированные сеткой цементирующие панели Примера 2 испытывали на предмет их устойчивости к росту плесени согласно ASTM D3273, росту грибков согласно ASTM G21 и росту бактерий согласно ASTM G22. В ТАБЛИЦЕ 8 подытожены результаты, полученные в результате исследований. Из результатов, приведенных в ТАБЛИЦЕ 8 можно четко наблюдать, что цементные композиции и изделия в соответствии с настоящим изобретением в действительности имеют чрезвычайно хорошее сопротивление к росту плесени, грибков и бактерий.
ТАБЛИЦА 8
Устойчивость к плесени, устойчивость к бактериям, устойчивость к грибкам цементных панелей Примера 2
Свойство
ASTM стандарт
Результат
Устойчивость к плесени
ASTM D3273
10 (Отсутствие роста)
Устойчивость к бактериям
ASTM G21
0 (Отсутствие роста)
Устойчивость к грибкам
ASTM G22
0 (Отсутствие роста)
ПРИМЕР 7
В следующем Примере проиллюстрировано получение легких цементных плит, имеющих плотность приблизительно 50 фунтов на кубический фут (фунт/куб. фут) (0,8 г/куб.см) в процессе коммерческого производства, используя цементирующую композицию в соответствии с настоящим изобретением. Примененное сырье содержало цементирующий реакционноспособный порошок Портландцемента типа III, летучую золу класса F и дигидрат сульфата кальция (натуральный гипс), химически покрытый перлит, вспученный глинистый и сланцевый заполнитель и добавленные жидкости. Жидкости, например триэтаноламин, представляли собой примеси, которые добавляли в виде водных растворов. Дополнительно, цитрат натрия и пластификатор на основе сульфонированного нафталина добавляли для контроля текучести смесей. Эти примеси добавляли в массовом процентном содержании от общего количества реакционноспособного порошка.
В ТАБЛИЦЕ 9 приведена конкретная композиция, которую применяли для получения легких цементных панелей толщиной 0,5 дюйма (1,27 см), имеющих плотность приблизительно 50 фунтов на куб. фут (0,8 г/куб.см).
ТАБЛИЦА 9
Легкая цементирующая композиция Примера 7
Ингредиент
Мас.%
Об. %
Связующее вещество на основе Портландцемента (цементирующий реакционноспособный порошок)<sup>1</sup>
47,8
12,7
Химически покрытый перлит
5,7
18,2
Вспученный глинистый и сланцевый заполнитель
16,7
8,9
Общее содержание жидкости<sup>2</sup>
29,7
23,4
Вовлеченный воздух<sup>3</sup>
-
36,8
1. Портландцемент - 100 мас. частей; летучая зола 30 мас. частей; натуральный гипс - 3 мас. части.
2. Общее содержание жидкости представляет собой комбинацию воды и следующих химических добавок, которые добавляют к воде с образованием раствора:
Сульфат алюминия - 0,10 мас.% из расчета на массу связующего вещества на основе Портландцемента
Триэтаноламин - 0,30 мас.% из расчета на массу связующего вещества на основе Портландцемента
Суперпластификатор на основе сульфоната нафталина - 0,30 мас.% из расчета на массу связующего вещества на основе Портландцемента
Цитрат натрия - 0,20 мас.% из расчета на массу связующего вещества на основе Портландцемента
3. Вовлеченный воздух в композите обеспечивали путем использования поверхностно-активного вещества на основе натрий альфаолефинсульфоната (AOS). Поверхностно-активное вещество добавляли в дозировке 0,007 мас.% от общей массы изделия.
Химически покрытый перлит представлял собой перлит торговой марки SILBRICO, модель SIL-CELL 35-23, имеющий средний диаметр частиц 40 микрон и алкилалкоксисилановое покрытие. Вовлеченный воздух вводили в плиту при помощи пены поверхностно-активного вещества, которую получали отдельно и добавляли непосредственно к влажной цементирующей суспензии в шламомешалке. Натрий альфаолефинсульфонатное (AOS) поверхностно-активное вещество в растворе на водной основе использовали для получения пены. Концентрация поверхностно-активного вещества в растворе на водной основе составляла 0,90 мас.%. Необходимо отметить, что комбинация вовлеченного воздуха, перлита, вспученного глинистого заполнителя в композиции определяла достижение целевой низкой плотности суспензии.
Производимые цементные плиты были армированы снаружи при помощи устойчивых к действию щелочи, покрытых ПВХ стекловолоконных сеток, включенных в цементирующую суспензию. Арматурная сетка была произведена Saint-Gobain Technical Fabrics.
Композицию, включенную в пример, составляли, используя массовое соотношение воды к цементу (цементирующему реакционноспособному порошку) 0,62:1 и массовое соотношение вспученного сланцевого заполнителя к цементирующему реакционноспособному порошку 0,35:1. Используемые ингредиенты сухого реакционноспособного порошка, перлит и заполнитель смешивали с водой при условиях, которые обеспечивали первоначальную температуру суспензии выше температуры окружающей среды. Использовали горячую воду, имеющую температуру, при которой получали суспензию, имеющую первоначальную температуру в диапазоне от 125°F до 140°F (от 51,7°C до 60,0°С). Дозировки химических добавок (триэтаноламина, цитрата натрия, сульфата алюминия и суперпластификатора на основе сульфоната нафталина) регулировали таким образом, чтобы достичь желаемой текучести и характеристик быстрого схватывания.
Произведенные цементные плиты были твердыми и могли быть обработаны в течение 10 минут после получения и образования плиты.
Механические испытания проводили для характеристики физических свойств произведенных легких цементных плит. Прочность на изгиб измеряли в соответствии с испытаниями, проведенными согласно ASTM С 947. Максимальный изгиб измеряли при помощи изгибающей нагрузки по сравнению с графиком изгиба, полученным для образца, испытанного на изгиб согласно ASTM С 947. Максимальный изгиб представляет собой смещение образца на места средней трети нагрузки, отвечающие пиковой нагрузке. Сопротивление вырыванию гвоздя измеряли в соответствии с испытаниями, проведенными согласно ASTM D1037.
Через два дня после изготовления плиты испытывали на эксплуатационные характеристики при изгибе согласно ASTM C947. В ТАБЛИЦЕ 10 показаны эксплуатационные характеристики при изгибе испытанных плит. Результаты, показанные в таблице, демонстрируют, что панели имеют превосходную прочность на изгиб и пластичность при изгибе.
ТАБЛИЦА 10
Эксплуатационные характеристики при изгибе цементных плит, полученных с применением легкой цементирующей композиции Примера 7
Ориентация образца
Прочность при изгибе (фунт/кв.дюйм)
Максимальный изгиб (дюймов)
Направление прибора
1199
1,07
Поперечное направление прибора
1254
1,04
В ТАБЛИЦЕ 11 показаны характеристики сопротивления вырыванию гвоздя произведенных панелей. Панели испытывали на сопротивление вырыванию гвоздя в соответствие со способом испытаний D 1037 с использованием кровельного гвоздя с диаметром головки 0,375 дюймов (9,5 мм) и диаметром ножки 0,121 дюймов (3 мм). Данные, приведенные в ТАБЛИЦЕ 6, показывают удовлетворительное сопротивление вырыванию гвоздя панелей в соответствии с настоящим изобретением.
ТАБЛИЦА 11
Сопротивление вырыванию гвоздя цементных плит, полученных с применением композиции Примера 7
Ориентация образца
Сопротивление вырыванию гвоздя (фунтов)
Лицевой стороной вверх
129
Лицевой стороной вниз
126
ПРИМЕР 8
Характеристики износостойкости панелей толщиной 1/2 дюймов (1,27 см) Примера 7 испытывали при помощи ASTM C627 испытания полов по Робинсону, который включен в данную заявку путем ссылки. Образец пола для испытаний получали на панелях из клееной фанеры толщиной 23/32 дюймов (1,83 см), расположенных на деревянных ребрах, центры которых расположены на расстоянии 16 дюймов. Цементные панели толщиной 1/2 дюймов (1,27 см) присоединяли к клееной фанере при помощи модифицированного латексом мелкодисперсного строительного раствора и механических креплений (деревянных шурупов длиной 1-5/8 дюймов (4,13 см)), центры которых расположены на расстоянии 8 дюймов (20 см). Керамическую плитку толщиной два дюйма затем клали на цементную плиту при помощи модифицированного латексом мелкодисперсного строительного раствора с последующей заливкой ребер плитки через 24 часа после установки керамической плитки. Образец пола затвердевал в течение 28 дней, начиная со дня производства, перед началом выполнения испытаний.
Во время выполнения испытаний пола по Робинсону, колеса различной твердости с разной нагрузкой последовательно перемещали над готовой поверхностью плитки, где каждое колесо совершало 900 оборотов. После завершения каждого цикла, плитку исследовали на предмет обнаружения несцементированных мест, разломов или сколов. Раствор был исследован на предмет обнаружения вздутий, трещин или порошкообразования.
Испытанный пол не проявил каких-либо дефектов плитки или цементного раствора после проведения 11 циклов испытаний. Пол, подпадающий под 12-й цикл, таким образом, получил рейтинг "Умеренно коммерческого" согласно ТСА 2007 Handbook for Ceramic Tile Installation, опубликованного Tile Council of North America (TCNA).
ПРИМЕР 9
В данном примере продемонстрирована эффективность и влияние нанесенного химического покрытия на выбранные перлитные наполнители в соответствии с настоящим изобретением.
Были исследованы три различных типа перлитного наполнителя:
1. Перлит SIL-CELL 35-ВС: Данный перлитный наполнитель имеет объемную плотность, составляющую приблизительно 8 фунтов на куб. фут (0,13 г/куб.см), средний размер частиц 40 микрон, и не имеет покрытия, нанесенного на поверхность частиц.
2. Перлит SIL-CELL 35-23: Данный перлитный наполнитель имеет объемную плотность, составляющую приблизительно 8 фунтов на куб. фут (0,13 г/куб.см), средний размер частиц 40 микрон, и силановое покрытие, нанесенное на поверхность частиц. По существу, перлит SIL-CELL 35-23 аналогичен перлиту SIL-CELL 35-BC, но дополнительно имеет силановое покрытие, нанесенное на поверхность частиц.
3. Перлит SIL-CELL 35-34: Данный перлитный наполнитель имеет объемную плотность, составляющую приблизительно 8 фунтов на куб. фут (0,13 г/куб.см), средний размер частиц 40 микрон, и силиконовое покрытие, нанесенное на поверхность частиц. По существу, перлит SIL-CELL 35-34 аналогичен перлиту SIL-CELL 35-BC, но дополнительно имеет силиконовое покрытие, нанесенное на поверхность частиц.
Все три исследованных перлитных наполнителя были произведены Silbrico Corporation. В ТАБЛИЦЕ 12 показаны композиции смесей, содержащих указанные выше перлитные наполнители.
ТАБЛИЦА 12
Пропорции смешивания перлитных смесей, исследованных в Примере 9
Ингредиент
Смесь №1 (мас.%)
Смесь №2 (мас.%)
Смесь №3 (мас.%)
Портландцемент типа III
36,3
36,3
36,3
Летучая зола класса С
10,9
10,9
10,9
Натуральный гипс
1,1
1,1
1,1
Вспученный сланцевый заполнитель
16,9
16,9
16,9
Вспученный перлит
5,8 (SIL-CELL 35-BC)
5,8 (SIL-CELL 35-23)
5,8 (SIL-CELL 35-34)
Вода
29,0
29,0
29,0
В данном исследовании не применяли жидких добавок и вовлеченного воздуха. Все материалы смешивали вместе при условиях окружающей среды при комнатной температуре 70°F (21°С). В ТАБЛИЦЕ 13 подытожены результаты, полученные при исследовании. Важные результаты и заключения обсуждены ниже:
- Смесь №1 с непокрытым перлитом (SIL-CELL 35-ВС) привела к получению суспензии, имеющей чрезвычайно плотную консистенцию. С другой стороны, Смеси №2 и №3 с покрытым перлитом привели к получению суспензий, имеющих текучую консистенцию. Непокрытый наполнитель SIL-CELL 35-ВС поглощает большие количества воды смеси, таким образом, уменьшая количество воды, присутствующее в цементной пасте. Это придает суспензии чрезвычайную плотность и делает ее менее обрабатываемой. С другой стороны, SIL-CELL 35-23 и SIL-CELL 35-34 перлитные частицы имеют гидрофобные химические покрытия на поверхностях частиц. Такие покрытия в значительной степени уменьшают количество воды, которое поглощают частицы сами по себе. Таким образом, суспензии (Смеси №2 и №3) с такими двумя покрытыми перлитными наполнителями имеют значительно улучшенную консистенцию и обладают превосходными характеристиками текучести благодаря более высокому содержанию воды в цементной пасте.
- Смесь №1 с непокрытым перлитом (SIL-CELL 35-ВС) привела к получению суспензии, имеющей наиболее высокую плотность суспензии. С другой стороны. Смеси №2 и №3 с покрытыми перлитными наполнителями привели к получению суспензий, имеющих плотность суспензий, значительно ниже, чем у Смеси №1 с непокрытым перлитом. Стоит отметить, что все три исследованные в данном Примере смеси содержали одинаковое количество перлитного наполнителя, хотя полученные суспензии для трех смесей в конце имели очень разные плотности. Поглощение воды непокрытым перлитным наполнителем (SIL-CELL 35-ВС) в Смеси №1 повышало массу и плотность перлитного наполнителя во время смешивания. Повышенная плотность SIL-CELL 35-ВС перлитного наполнителя благодаря поглощению воды, таким образом, привела к относительно высокой плотности суспензии для Смеси №1. С другой стороны, поглощение воды покрытыми перлитными наполнителями (SIL-CELL 35-23 и SIL-CELL 35-34) было минимальным, таким образом, масса и плотность покрытых перлитных наполнителей не увеличились заметно во время смешивания. Чрезвычайно низкое поглощение воды перлитных наполнителей SIL-CELL 35-23 и SIL-CELL 35-34 и, следовательно, их более низкая эффективная плотность, таким образом, в конечном счете привели к более низким плотностям суспензий для Смесей №2 и №3.
- Было найдено, что эффективная плотность частиц непокрытого перлитного наполнителя, т.е. перлита SIL-CELL 35-ВС, составляла 0,45 г/куб.см. Наоборот, было найдено, что покрытые перлитные наполнители имели значительно более низкую эффективную плотность частиц. Например, было найдено, что покрытый силаном перлитный наполнитель SIL-CELL 35-23 имел эффективную плотность частиц, составляющую 0,25 г/куб.см.
- При сравнении результатов для плотностей суспензий для трех смесей и трех перлитных наполнителей, исследованных в данном Примере, можно легко увидеть, что количество перлитного наполнителя, необходимого для достижения любой целевой плотности суспензии, будет наиболее высоким для композиций, в которых применяли непокрытый перлитный наполнитель (т.е. перлит SIL-CELL 35-ВС).
ТАБЛИЦА 13
Результаты для смесей, исследованных в Примере 9
Свойство
Смесь №1 (SIL-CELL 35-ВС - непокрытые перлитные частицы)
Смесь №2 (SIL-CELL 35-23 - покрытые силаном перлитные частицы)
Смесь №3 (SIL-CELL 35-34 - покрытые силиконом перлитные частицы)
Консистенция суспензии
Чрезвычайно плотная
Текучая
Текучая
Плотность суспензии (фунт/куб.фут)
91,5
79,3
76,7
Рассчитанная эффективная плотность частиц перлитного наполнителя (г/куб.см)
0,45
0,25
0,23
ПРИМЕР 10
В данном Примере показано влияние размера частиц, покрытых перлитом, на свойства смеси. Были исследованы два различных перлитных наполнителя:
1. Перлит SIL-CELL 35-23: Данный перлитный наполнитель имеет объемную плотность приблизительно 8 фунтов на куб. фут (0,13 г/куб.см), средний размер частиц 40 микрон, и силановое покрытие, нанесенное на поверхность частиц.
2. Обработанный силиконом перлитный наполнитель из вспученного перлита для каменной кладки (Ryolex Silicone-Treated Masonry Fill Perlite): Данный перлитный наполнитель имеет объемную плотность приблизительно 7 фунтов на куб. фут (0.11 г/куб.см), средний размер частиц 1180 микрон, и силиконовое покрытие, нанесенное на поверхность частиц.
Оба исследованных перлитных наполнителя были произведены Silbrico Corporation. В ТАБЛИЦЕ 14 показаны композиции исследованных смесей, содержащих вышеуказанные перлитные наполнители.
ТАБЛИЦА 14
Пропорции смешивания перлитных смесей, исследованных в Примере 10
Ингредиент
Смесь. №1 (мас.%)
Смесь №2 (мас.%)
Портландцемент типа III
36,3
36,3
Летучая зола класса С
10,9
10,9
Натуральный гипс
1,1
1,1
Вспученный сланцевый заполнитель
16,9
16,9
Покрытый вспученный перлит
5,8 (SIL-CELL 35-BC)
5,8 (обработанный силиконом наполнитель из вспученного перлита для каменной кладки)
Вода
29,0
29,0
В данном исследовании не применяли жидких добавок и вовлеченного воздуха.
Все материалы смешивали вместе при условиях окружающей среды при комнатной температуре 70°F (21°С). В ТАБЛИЦЕ 15 подытожены результаты, полученные при исследовании. Важные результаты и заключения обсуждены ниже:
- Смесь №2 с покрытым перлитным наполнителем, имеющим частицы большего размера (обработанный силиконом наполнитель из вспученного перлита для каменной кладки), привела к получению суспензии, имеющей чрезвычайно плотную консистенцию. С другой стороны, Смесь №1 с покрытым перлитным наполнителем, имеющим частицы меньшего размера (SIL-CELL 35-23) привела к получению суспензии, имеющей текучую консистенцию. Считают, что перлитные частицы большего размера имеют тенденцию к непрочности и склонны к разламыванию во время смешивания. Разламывание перлитных частиц во время смешивания повышает поглощение воды частицами, таким образом, уменьшая содержание воды в цементной пасте. Это придает суспензии чрезвычайную плотность и делает ее менее обрабатываемой. С другой стороны, перлитные частицы SIL-CELL 35-23 являются значительно более прочными по сравнению с ними благодаря малым размерам и ячеистой структуре с закрытыми порами. Перлитные частицы, имеющие меньшие размеры, являются поэтому более толерантными к повреждениям, вызванным механическим перемешиванием и смешиванием. Такие свойства сохраняют низкое поглощение воды перлитными частицами и повышают содержание воды в цементной пасте. Таким образом, суспензии с перлитным наполнителем меньшего размера (SIL-CELL 35-23) имеет значительно лучшую консистенцию и обладает превосходными характеристиками текучести благодаря большему содержанию воды в цементной пасте.
- Смесь №2 с покрытым перлитным наполнителем, имеющим частицы большего размера (обработанный силиконом наполнитель из вспученного перлита для каменной кладки), привела к получению смеси, имеющей очень высокую плотность суспензии. Наоборот, Смесь №1 с покрытым перлитным наполнителем, имеющим частицы меньшего размера (SIL-CELL 35-23) привела к получению смеси, имеющей значительно более низкую плотность суспензии. Стоит отметить, что обе исследованные в данном Примере смеси имели одинаковое количество перлитного наполнителя по массе, хотя полученные суспензии для двух смесей в конце имели очень разные плотности. Разламывание частиц и высокое поглощение воды перлитными частицами большего размера (обработанный силиконом наполнитель из вспученного перлита для каменной кладки) считают основными причинами, которые привели к более высокой плотности суспензии для Смеси №2.
- Было найдено, что эффективная плотность частиц перлитного наполнителя, имеющего частицы меньшего размера (т.е. SIL-CELL 35-23) составляла 0,25 г/куб.см. Наоборот, было найдено, что перлитный наполнитель, имеющий частицы большего размера (обработанный силиконом наполнитель из вспученного перлита для каменной кладки), имел более высокую эффективную плотность частиц, составляющую 0,80 г/куб.см. Считают, что разламывание частиц и более высокое поглощение воды перлитного наполнителя, имеющего частицы большего размера, примененного в Смеси №2, приводило к значительно более высокой эффективной плотности частиц обработанного силиконом наполнителя из вспученного перлита для каменной кладки.
- При сравнении результатов для плотностей суспензий для двух смесей, исследованных в данном Примере, можно легко заметить, что количество перлитного наполнителя, необходимое для достижения любой целевой плотности суспензии, будет наиболее высоким для композиций, в которых применяли перлитный наполнитель, имеющий частицы большего размера (т.е. обработанный силиконом наполнитель из вспученного перлита для каменной кладки).
ТАБЛИЦА 15
Результаты для смесей, исследованных в Примере 10
Свойство
Смесь №1 (SIL-CELL 35-23 - покрытые силаном перлитные частицы)
Смесь №2 (Обработанный силиконом наполнитель из вспученного перлита для каменной кладки - покрытые силиконом перлитные частицы)
Консистенция суспензии
Текучая
Чрезвычайно плотная
Плотность суспензии (фунтов на куб. фут)
79,3
96,8
Рассчитанная эффективная плотность частиц перлитного наполнителя (г/куб.см)
0,25
0,80
ПРИМЕР 11
В данном Примере показаны характеристики быстрого схватывания цементирующих композиций в соответствии с настоящим изобретением. Были исследованы смеси, содержащие различные типы перлитного наполнителя:
1. Перлит SIL-CELL 35-ВС: Данный перлитный наполнитель имеет объемную плотность приблизительно 8 фунтов на куб. фут (0,13 г/куб.см), средний размер частиц 40 микрон, и не имеет покрытия, нанесенного на поверхность частиц.
2. Перлит SIL-CELL 35-23: Данный перлитный наполнитель имеет объемную плотность приблизительно 8 фунтов на куб. фут (0,13 г/куб.см), средний размер частиц 40 микрон, и силановое покрытие, нанесенное на поверхность частиц. По существу, перлит SIL-CELL 35-23 аналогичен перлиту SIL-CELL 35-BC, но дополнительно содержит силановое покрытие, нанесенное на поверхность частиц.
3. Перлит SIL-CELL 35-34: Данный перлитный наполнитель имеет объемную плотность от приблизительно 8 фунтов на куб. фут (0,13 г/куб.см), средний размер частиц 40 микрон, и силиконовое покрытие, нанесенное на поверхность частиц. По существу, SIL-CELL 35-34 аналогичен перлиту SIL-CELL 35-BC, но дополнительно содержит силиконовое покрытие, нанесенное на поверхность частиц.
Все три исследованных перлитных наполнителя были произведены Silbrico Corporation. В ТАБЛИЦЕ 16 показаны композиции смесей, содержащие вышеуказанные перлитные наполнители. Необходимо отметить, что количество перлита и общее количество жидкостей, которые добавляют к различным смесям, регулировали для достижения постоянной плотности суспензии и постоянной усадки суспензии в исследованных смесях.
ТАБЛИЦА 16
Пропорции смешивания перлитных смесей, исследованных в Примере 11
Ингредиент
Смесь №1 (мас.%)
Смесь №2 (мас.%)
Смесь №3 (мас.%)
Портландцемента типа III
28,9
36,4
36,4
Летучая зола класса С
8,7
10,9
10,9
Натуральный гипс
0,9
1,1
1,1
Вспученный сланцевый заполнитель
13,5
17,1
16,9
Вспученный перлит
9,6 (SIL-CELL 35-BC)
5,6 (SIL-CELL 35-23)
5,0 (SIL-CELL35-34)
Общее содержание жидкости<sup>1</sup>
38,5
29,0
29,2
1. Общее содержание жидкости представляет собой комбинацию воды и следующих химических добавок, которые добавляют к воде с образованием раствора:
Сульфат алюминия - 0,00 мас.% из расчета на массу связующего вещества на основе Портландцемента, содержащего Портландцемент, летучую золу и натуральный гипс
Триэтаноламин - 0,40 мас.% из расчета на массу связующего вещества на основе Портландцемента, содержащего Портландцемент, летучую золу и натуральный гипс
Суперпластификатор на основе сульфоната нафталина - 0,10 мас.% из расчета на массу связующего вещества на основе Портландцемента, содержащего Портландцемент, летучую золу и натуральный гипс
Цитрат натрия - 0,15 мас.% из расчета на массу связующего вещества на основе Портландцемента, содержащего Портландцемент, летучую золу и натуральный гипс.
Все материалы смешивали вместе в условиях достижения первоначальной температуры смеси, составляющей приблизительно 125°F (52°С). Ответное повышение температуры суспензии для исследованных смесей регистрировали и привели на ФИГ 1. В ТАБЛИЦЕ 17 подытожены результаты, полученные при исследовании. Конечные времена схватывания определяли при помощи игл Гиллмора согласно ASTM C266.
ТАБЛИЦА 17
Результаты для смесей, исследованных в Примере 11
Свойство
Смесь №1 (SIL-CELL 35-ВС)
Смесь №2 (SIL-CELL 35-23)
Смесь №3 (SIL-CELL 35-34)
Консистенция суспензии
Текучая
Текучая
Текучая
Первоначальная усадка (дюймов)
4-1/2"
4-1/2"
4-1/2"
Максимальное возрастание температуры (°F)
154,5
168,8
165,1
Конечное время схватывания (минут)
>120,0
6,0
7,0
Важные результаты и выводы из исследования обсуждены ниже:
Ответное повышение температуры для смесей, содержащих покрытые перлитные наполнители (Смесь 2 и Смесь 3), было более высоким, чем повышение температуры для непокрытого перлитного наполнителя (Смесь 1).
Смеси, содержащие покрытые перлитные наполнители (Смесь 2 и Смесь 3), имели очень короткое и быстрое время схватывания. Конечные времена схватывания для данных двух смесей находились в диапазоне от 6 до 7 минут. Наоборот, смесь с непокрытым перлитом (Смесь 1) имела чрезвычайно низкое схватывание. Конечное время схватывания для данной смеси не было достигнуто даже через 2 часа после отливки суспензии.
С точки зрения коммерческого производства, смеси, содержащие покрытые перлитные наполнители, являются предпочтительными (SIL-CELL 35-23 и SIL-CELL 35-34), поскольку данные смеси будут обеспечивать быструю обработку изделия и превосходную прочность и износостойкость изделия благодаря низкому использованию воды в композиции.
ПРИМЕР 12
В данном Примере продемонстрировано влияние добавления вторичного наполнителя, такого как вспученный глинистый/сланцевый заполнитель, на физические свойства готового изделия. Две исследованные смеси показаны в ТАБЛИЦЕ 18.
ТАБЛИЦА 18
Легкие цементирующие композиции Примера 12
Ингредиент
Смесь №1
Смесь №2
Связующее вещество на основе Портландцемента (цементирующий реакционноспособный порошок)<sup>1</sup>, мас.%
59,0
48,3
Химически покрытый перлит, мас.%
5,6
5,7
Вспученный сланцевый заполнитель, мас.%
0,0
16,9
Общее содержание жидкости<sup>2</sup>, мас.%
35,4
29,0
Вовлеченный воздух<sup>3</sup>, об.%
26,6
25,3
1. Портландцемент - 100 мас. частей
2. Общее содержание жидкости представляет собой комбинацию воды и следующих химических добавок, которые добавляют к воде с образованием раствора:
Кальцинированная сода - 0,20 мас.% из расчета на массу связующего вещества на основе Портландцемента
Триэтаноламин - 0,00 мас.% из расчета на массу связующего вещества на основе Портландцемента
Суперпластификатор на основе сульфоната нафталина - 0,50 мас.% из расчета на массу связующего вещества на основе Портландцемента
Цитрат натрия 0,05 мас.% из расчета на массу связующего вещества на основе Портландцемента
3. Поверхностно-активное вещество на основе алкилэфирсульфата (WITCOLATE 1276). Поверхностно-активное вещество добавляли в дозировке 0,008 мас.% от общей массы изделия.
Использованное сырье содержало цементирующий реакционноспособный порошок Портландцемента типа III, химически покрытый перлит, вспученный сланцевый заполнитель и добавленные жидкости. Жидкости, например цитрат натрия, представляли собой примеси, добавленные в виде водных растворов. Дополнительно, карбонат натрия и суперпластификатор на основе сульфонированного нафталина добавляли, чтобы проконтролировать текучесть смесей. Данные примеси добавляли в массовом процентном содержании от общего количества реакционноспособного порошка.
В ТАБЛИЦЕ 18, может быть отмечено, что Смесь №1 не содержала вспученных сланцевых заполнителей. В то же время Смесь №2 содержала вспученный сланцевый заполнитель в дополнение к покрытому перлитному наполнителю.
Применяя композиции, приведенные в ТАБЛИЦЕ 18, были получены легкие цементные панели толщиной 1/2 дюймов (1,3 см), имеющие плотность приблизительно 60 фунтов на кубический фут (фунт/куб, фут) (0,96 г/куб.см).
Химически покрытый перлит представлял собой перлит торговой марки SILBRICO, модель SIL-CELL 35-23, имеющий средний диаметр частиц 40 микрон и алкилалкоксисилановое покрытие. Вовлеченный воздух был введен в плиту при помощи пены поверхностно-активного вещества, которую получали отдельно и добавляли непосредственно к влажной цементирующей суспензии в шламомешалке. Алкилэфирсульфатное поверхностно-активное вещество в растворе на водной основе использовали для получения пены. Концентрация поверхностно-активного вещества в растворе на водной основе составляла 1,00 мас.%. Необходимо отметить, что комбинация вовлеченного воздуха, перлита и вспученного глинистого заполнителя в композиции определяла достижение целевой низкой плотности суспензии.
Производимые цементные плиты были армированы снаружи при помощи устойчивой к воздействию щелочей, покрытой ПВХ стекловолоконной сетки, включенной в цементирующую суспензию. Арматурная сетка была произведена ССХ Inc.
Композицию, включенную в пример, составляли, используя массовое соотношение воды к цементу (цементирующему реакционноспособному порошку) 0,60:1. В Смеси №2, использовали массовое соотношение вспученного сланцевого заполнителя к цементирующему реакционноспособному порошку 0,35:1. Смесь №1 не содержала вспученного глинистого заполнителя. Используемые ингредиенты сухого реакционноспособного порошка, перлит и заполнитель смешивали с водой в условиях окружающей среды. Все сырье, включая воду, использовали при комнатной температуре для достижения температуры суспензии, составляющей приблизительно 70°F (21°С). Дозировки химических добавок (нитрат натрия, карбонат натрия и суперпластификатор на основе сульфоната нафталина) регулировали таким образом, чтобы достичь желаемой текучести и характеристик быстрого схватывания.
Механические испытания проводили для характеристики физических свойств произведенных легких цементных плит. Прочность на изгиб измеряли в соответствии с испытаниями, проведенными согласно ASTM С 947. Максимальный изгиб измеряли при помощи изгибающей нагрузки по сравнению с графиком изгиба, полученным для образца, испытанного на изгиб согласно ASTM С 947. Максимальный изгиб представляет собой смещение образца на места средней трети нагрузки, отвечающим пиковой нагрузке.
Через семнадцать дней после изготовления плиты испытывали на эксплуатационные характеристики при изгибе согласно ASTM C947. В ТАБЛИЦЕ 19 приведены эксплуатационные характеристики при изгибе испытанных плит в сухих и влажных условиях. Результаты, показанные в таблице, демонстрируют, что панели имеют удовлетворительную прочность на изгиб и эластичность при изгибе. Дополнительно, панели в условиях пропитывания продемонстрировали удовлетворительную механическую прочность.
ТАБЛИЦА 19
Эксплуатационные характеристики при изгибе цементных плит, полученных с применением легкой цементирующей композиции Примера 12
Идентификация смеси
Испытано в сухом состоянии
Испытано во влажном состоянии<sup>1</sup>
Прочность при изгибе (фунт/кв.дюйм)
Максимальный прогиб (дюймов)
Прочность при изгибе (фунт/кв.дюйм)
Максимальный прогиб (дюймов)
Смесь №1
930
0,74
925
0,88
Смесь №2
1122
0,79
1044
0,91
1. Образцы пропитывали в воде при 70°F (21°С) в течение 48 часов перед проведением испытаний.
В ТАБЛИЦЕ 20 показана стабильность панелей в условиях пропитывания. Панели пропитывали водой в течение 48 часов. Толщину панелей измеряли до и после пропитывания. Из ТАБЛИЦЫ 20 можно увидеть, что панель без вспученного сланцевого заполнителя (Смесь №1) была вспучена немного больше, чем панель, содержащая заполнитель (Смесь №2). Толщина разбухания панели, не содержащей заполнитель (Смесь №1), составляла 0,27%, с другой стороны, толщина разбухания для панели, содержащей вспученный сланцевый заполнитель, составляла 0,12%. Данный результат демонстрирует улучшение стабильности размеров панелей, обеспеченное включением вспученного глинистого заполнителя в легкие цементирующие композиции в соответствии с настоящим изобретением, содержащие покрытый перлит.
ТАБЛИЦА 20
Характеристика толщины разбухания и стабильности размеров панелей в соответствии с настоящим изобретением
Идентификация смеси
Толщина разбухания (%)
Смесь №1
0,27
Смесь №2
0,12
1. Образцы пропитывали в воде при 70°F в течение 48 часов перед проведением испытаний.
Хотя описаны предпочтительные осуществления для реализации настоящего изобретения, специалистам в данной области техники, которым адресована данная заявка, будет понятно, что могут быть осуществлены модификации и дополнения настоящего изобретения без отклонения от сути и объема настоящего изобретения.