МОДИФИКАТОР БЕТОННЫХ И ЦЕМЕНТНЫХ СМЕСЕЙ И СПОСОБЫ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
CONCRETE AND CEMENT MIXTURE MODIFIER AND METHOD FOR PRODUCTION THEREOF

Данная заявка претендует на преимущества предварительной заявки на патент США, регистрационный №61/037761, поданной 19 марта 2008, включенной в данное описание в качестве ссылки.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к восковым эмульсионным модификаторам для бетонных и цементных смесей и к способам их получения. Модификаторы применимы для уплотняемого катком бетона (RCC), используемого для получения промышленных плит перекрытия, в строительстве плотин и дорог. Данное изобретение также относится к вариантам бетонных смесей с обычным портландцементом или других бетонных смесей для формованных профильных конструкций и вариантам смесей для транспортных путей, обеспечивающим более быструю дегидратацию водной фазы без снижения прочности, и также обеспечивающим более высокую плотность, которые остаются удобоукладываемыми в момент применения. Модификатор по изобретению можно использовать или для начального основания почва/цемент или для конечной/финишной укладки.
Уровень техники
Уплотняемый катком бетон (RCC) представляет собой бетон, укладываемый нетрадиционными способами, которые требуют более сухой или более твердой консистенции. RCC может иметь более широкий интервал важных свойств, чем традиционно укладываемый бетон, например, в нем можно использовать заполнители, неудовлетворяющие стандартным требованиям, его можно укладывать с очень высокой производительностью, и он может быть значительно дешевле.
По определению RCC представляет собой бетон, включающий смесь цемента, песка, заполнителя, такого как гравий, камень, песок и т.п., и воду, имеющий консистенцию, позволяющую укатывать его тяжелым вибрационным дорожным катком, например, десятитонным катком, предназначенным для асфальта и щебеночного основания. RCC обычно смешивают в непрерывном процессе, а не в периодическом, подают тележками или конвейерами, укладывают в слои с использованием бульдозера и окончательно прикатывают вибрационным дорожным катком.
RCC обычно используют для таких применений, как строительство плотин, дорожные покрытия и строительство мостов, где требуется толстый верх, обычно два дюйма, как необходимый элемент для достижения требуемой прочности и усталостной долговечности наружных плит.
Обычный монолитный бетон создают так, чтобы иметь наивысшую текучесть за счет добавления воды и добавок, смесь RCC имеет те же ингредиенты, что и обычный бетон, т.е. цемент, воду и заполнители, но в отличие от обычного бетона он представляет собой более сухую смесь, достаточно твердую для того, чтобы уплотнять ее вибрационными дорожными катками. Давление, применяемое во время фазы уплотнения смеси, предполагает необходимость более высокой возможной начальной плотности для обеспечения лучшей прочности на сжатие. Этого можно достичь снижением уровня воды, однако, если такой уровень ниже уровня гидратации, отвержденный бетон не достигнет оптимальных свойств. Поэтому существующие смеси RCC имеют также содержание воды, которое является лучшим компромиссом между полным затвердеванием и наименьшей осадкой бетона во время применения вибрационных дорожных катков, В промышленности существует потребность в композиции RCC, которая имеет нужное количество воды для достижения корректного уровня гидратации и также имеет наивысшую начальную прочность на сжатие.
Поверхностно-активные вещества снижают потребность в избытке воды, но в то же время делают бетонную смесь укладываемой настолько, как если бы она содержала избыток воды. Когда в бетон вводят поверхностно-активные вещества, результатом является менее пористый и иногда более прочный продукт. Повышение прочности связано с более низким отношением вода/цемент и снижением пористости. Хотя поверхностно-активные вещества улучшают сопротивление проникновению воды, одни поверхностно-активные вещества не обеспечивают достаточного улучшения, такого чтобы рассматривать его как решение проблемы.
Сделаны предположения о повышении ранней прочности продуктов с цементным заполнителем, особенно бетонных блоков, и т.п., посредством добавления к смеси ускорителя, такого как хлорид кальция, триэтаноламин или силикат натрия, или посредством обработки продукта паром или при использовании цемента типа III. Однако добавление указанных ускорителей или использование пара повышает стоимость получения продукта и часто время его получения.
Другой подход предлагает для композиций и способа улучшения ранней прочности продуктов с цементным заполнителем стабилизированную водную эмульсию с поверхностно-активным веществом, таким как соли щелочных металлов жирных кислот, соли щелочных металлов сульфированных жирных кислот, алкилсульфаты щелочных металлов, алкилсульфонаты щелочных металлов, арилсульфонаты щелочных металлов, алкиллаурилсульфонат щелочного металла, соли щелочных металлов алкилированного нафталина, соли щелочных металлов лигносульфоновой кислоты, продукты конденсации этиленоксида и полиалкиленгликолей, глицериды жирных кислот, амиды жирных кислот, полиэтиленсорбитовые эфиры жирных кислот, галогениды четвертичного аммония, сложные эфиры сорбитана, сульфонированные или сульфированные эфиры или амиды жирных кислот и сульфоновая кислота. Результатов достигают с лигносульфонатом натрия в качестве поверхностно-активного вещества, в особенности, с сырым парафином в качестве воскообразного вещества в эмульсии.
Известный уровень техники показывает, что введение воска в растворителе в смесь из воды, цемента и заполнителя, используемую для получения продукта из бетона, приводит к тому, что полученный бетон имеет существенно меньшую прочность, чем продукт из бетона, полученный из по существу идентичной композиции без воска. Полагают, что воск покрывает частицы заполнителя и препятствует слипанию цементного теста с заполнителем, вызывая снижение прочности на сжатие. Поэтому применение восков в цементных композициях для применения для RCC ранее не рекомендовалось.
Сущность изобретения
2
В одном воплощении настоящее изобретение относится к водной эмульсии, применяемой для получения цементирующей смеси с начальной прочностью на сжатие, по меньшей мере, 2400 футов/дюйм, которая включает парафиновый углеводородный воск, омыляющийся воск, омыляющий реагент и при необходимости диспергатор.
2
В другом воплощении настоящее изобретение относится к водной эмульсии, применяемой для получения цементирующей смеси с начальной прочностью на сжатие, по меньшей мере, 2400 футов/дюйм, которая включает, по существу, только парафиновый углеводородный воск, омыляющийся воск, омыляющий реагент, диспергатор и воду.
2
В еще одном воплощении настоящее изобретение относится к способу получения водной эмульсии, которая обеспечивает цементирующую композицию с начальной прочностью на сжатие, по меньшей мере, 2400 футов/дюйм, который включает стадии объединения воды, парафинового углеводородного воска, омыляющегося воска и омыляющего реагента, нагревания смеси до температуры от примерно 85°С (185°F) до примерно 96,1°С (205°F) и последующей гомогенизации смеси.
В другом воплощении настоящее изобретение относится к цементирующей композиции, включающей сухой цемент, смешанный с примерно от 49 и до примерно 320 л на кубический метр (1-25 галлонами на кубический ярд) водной эмульсии, которая включает парафиновый углеводородный воск, омыляющийся воск, омыляющий реагент и при необходимости диспергатор.
Осуществление изобретения
Обнаружено, что водоэмульсионные модификаторы по изобретению, которые включают парафиновый воск, омыляющийся воск, омыляющий реагент и при необходимости диспергирующий агент, подмешиваемые в цементные создаваемые смеси, обеспечивают улучшенные свойства и преимущества.
n
2n+2
В одном воплощении парафиновый углеводородный воск имеет температуру плавления в интервале от примерно 50°С до примерно 70°С. В другом воплощении парафиновый углеводородный воск содержит один или несколько углеводородов CH, где n равен целому числу от 18 до 42. Парафиновый воск может составлять от примерно 20 до примерно 60 мас.% эмульсии. В другом воплощении парафиновый воск может составлять от примерно 30 до примерно 50 мас.% эмульсии.
В еще одном воплощении второй воск представляет собой монтан-воск, также известный как горный воск, имеющий температуру плавления в интервале 70°С - 100°С, кислотное число более 25 и число омыления более 85. Второй воск также может быть из класса восков, характеризующихся тем, что имеют как кислотное число, так и число омыления, как, например, карнаубский воск, канделильский воск, мириковый воск, растительный воск и т.п. Второй воск также может представлять собой сочетание любого подмножества таких омыляющихся восков. В одном воплощении второй воск присутствует в эмульсии в количестве примерно от 0,01 до 20 массовых частей на 100 частей парафинового воска, что соответствует примерно от 0,002 до 12 мас.% от массы эмульсии. В другом воплощении второй воск присутствует в количестве от примерно 0,01 до примерно 10 массовых частей на 100 частей парафинового воска, т.е. примерно от 0,002 до 6 мас.% от массы эмульсии. В еще одном воплощении второй воск присутствует в количестве от примерно 0,5 до примерно 7 массовых частей на 100 частей парафинового воска, т.е. примерно от 0,1 до 4,2 мас.% от массы эмульсии. В другом воплощении второй воск присутствует в количестве от примерно 0,02 до примерно 5 массовых частей на 100 частей парафинового воска, что соответствует примерно от 0,004 до 3 мас.% от массы эмульсии.
Омыление таких восков, как известно из уровня техники, можно осуществить посредством объединения воска с сильно щелочным материалом, таким как гидроксид аммония или гидроксид щелочного металла, такой как гидроксид калия, гидроксид натрия или гидроксид лития. Необходимое количество омыляющего реагента можно вычислить на основании числа омыления воска. Для примера, число омыления, деленное на 1000, равняется граммам гидроксида калия, добавляемым на грамм воска. В случае монтан-воска на одну часть монтан-воска требуется гидроксида калия по меньшей мере 0,1 масс. часть, т.е 0,0002 мас.% (или по меньшей мере 1,2 мас.%) от эмульсии, или гидроксида натрия менее 1 масс. части, т.е. менее чем 12 мас.% или менее чем 0,002 мас.% от эмульсии или гидроксида аммония более 0,1 массовой части, т.е. более чем 0,0002 мас.% или более чем 1,2 мас.% от эмульсии. Фактическое требуемое количество гидроксида щелочного металла или аммония может быть легко определено специалистами в данной области техники.
В некоторых воплощениях настоящего изобретения может быть применим диспергирующий вспомогательный агент или модификатор текучести. Такие диспергирующие агенты представляют собой сильные липофильные вещества, которые являются, следовательно, хорошими противовспенивателями. Одним из таких диспергирующих агентов является поли(окси-1,2-этандиил),альфа-фенил-омега-гидроксистеарат.В качестве диспергатора/поверхностно-активного вещества также может быть использована соль полинафталинсульфоновой кислоты. Соль можно получить взаимодействием полинафталинсульфоновой кислоты и омыляющего реагента. Одной из коммерчески доступных полинафталинсульфоновых кислот является DISAL GPS, которую можно получить от Handy Chemical, Монреаль, Квебек, Канада. Кальциевые соли полинафталинсульфонаты, также доступные от Handy Chemical, Монреаль, Квебек, Канада, также можно использовать в качестве диспергирующего агента. В одном воплощении диспсргатор/поверхностно-активное вещество может составлять от примерно 0,1 до примерно 5 мас.% эмульсии. В другом воплощении диспергатор/поверхностно-активное вещество может составлять от примерно 0,25 до примерно 5 мас.% эмульсии.
2
2
В одном воплощении отношение сухой цементной смеси и эмульсии по изобретению составляет от примерно 3,8 и до примерно 94,6 л на кубический метр (1-25 галлонов на кубический ярд) смеси. В другом воплощении отношение сухой цементной смеси и эмульсии по изобретению составляет от примерно 3,8 и до примерно 26,6 л на кубический метр (1-7 галлонов на кубический ярд) смеси. При смешивании с цементом, заполнителями и песком эмульсия по изобретению обеспечивает начальную прочность на сжатие, по меньшей мере, 2400 футов/дюйм, что ускоряет в дальнейшем затвердевание до проектной прочности, которая обычно составляет, по меньшей мере, 5000 футов/дюйм.
В одном воплощении восковой эмульсионный модификатор по изобретению смешивают с цементной смесью, обычно портландцементом и летучей золой класса 1. В другом воплощении восковой эмульсионный модификатор по изобретению не применяют к поверхности цементной композиции.
В одном воплощении полагают, что в системах на основе цемента восковой эмульсионный модификатор по изобретению, когда его подмешивают в бетонные смеси, обеспечивает смазывающую способность, допускающую большее уплотнение, результатом чего является более высокая плотность при эквивалентных усилиях уплотнения. Уменьшение отношения вода/цемент в вариантах с цементом приводит к большей прочности, по меньшей мере, >40% за 7 дней, снижению оптимального содержания влаги, по меньшей мере, на >35%, существенному повышению плотности за счет сокращения воздушных пустот, обычно присутствующих в таких смешанных системах, что известно по опыту. Преимущества таких систем, в которые введен восковой эмульсионный модификатор, по изобретению включают более высокую плотность уплотнения или ту же самую плотность при меньшем усилии уплотнения, меньшую потребность в воде для уплотнения, меньшие потребности в цементе для получения эквивалентной прочности (>2%) и улучшенную технологичность. Другие преимущества включают меньшие расходы на транспортировку в результате транспортировки меньшего количества воды и пониженную проницаемость из-за уменьшения взаимосвязанных воздушных пустот, что улучшает водонепроницаемость. Преимущества дополнительно включают эстетические преимущества, такие как внешний вид поверхности RCC, включающего восковые эмульсионные модификаторы по изобретению.
В другом воплощении добавление воскового эмульсионного модификатора по изобретению приводит в конечных вариантах укладки смесей RCC к, по меньшей мере, >20% нарастанию прочности за 7 дней и, по меньшей мере, >10% за 28 дней. Включение воскового эмульсионного модификатора по изобретению в такие смеси позволяет уменьшить содержание цемента для получения эквивалентной прочности, что позволяет уменьшить толщину укладки при применении тех же самых расчетных нагрузок.
Примеры
2
В таблице 1 приводится композиция модификатора, используемого в примерах. При типичном получении воду и водорастворимые компоненты объединяют, затем нагревают до температуры примерно от 85°С (185°F) до 96,1°С (205°F). Соединяют воски и также нагревают до температуры примерно от 85°С (185°F) до 96,1°С (205°F). Затем водную и восковую смеси объединяют, и полученную смесь помещают в гомогенизатор. Гомогенизация предпочтительна для того, чтобы достичь распределения мицелл по диаметрам в интервале примерно от 0,6 мкм до 1,8 мкм. Однако распределение мицелл по диаметрам может колебаться примерно от 0,5 мкм до 2,5 мкм. Такого уровня гомогенизации можно добиться, например, используя гомогенизатор с двумя насадками, работающий при давлении примерно от 2000 до 4000 футов/дюйм.
Таблица 1
Композиция модификатора
Компонент
Массовый процент (мас.%)
Парафиновый воск
38,68
Монтано-воск
1,00
Диспергатор DISAL<sup>1</sup>
1,00
45% води. р-р КОН
0,25
Вода
59,07
<sup>1</sup>DISAL представляет собой диспергатор полинафталинсульфоновую кислоту, доступный от Handy Chemical, Монреаль, Квебек, Канада
Таблица 2 представляет типичный вариант смеси RCC, включающей восковой эмульсионный модификатор по изобретению.
Таблица 2
Вариант смеси RCC на 1 ярд<sup>3</sup>
Материал
кг (фунты)
Цемент типа 1
136 (300)
Летучая зола класса С
56,7 (125)
Песок для бетонной смеси
572,9 (1263)
Недробленый гравий, размер 57
995,6 (2195)
Вода
49,4 (109)
Восковой эмульсионный модификатор по изобретению
9,64 (21,25)
Таблица 3 иллюстрирует то, что восковой эмульсионный модификатор по изобретению обеспечивает более высокую плотность при эквивалентных усилиях уплотнения. Уменьшение отношения вода/цемент в вариантах почва/цемент приводит к большей прочности - >40% за 7 дней, уменьшению оптимального содержания влаги >35%, существенному повышению плотности за счет снижения воздушных пустот, обычно известных по опыту для таких систем смесей. (ALDOT 416-05, почва-цемент).
Когда используют эмульсию по изобретению, количество воды, содержащейся в эмульсии, вычитают из начального количества воды из композиции без эмульсии. Смешивание продолжают до тех пор, пока смесь не станет однородной по консистенции, и произойдет гидратация, отмечаемая по визуальному изменению консистенции смеси.
Таблица 3
Укладка цемента на почву по ALDOT 416-05
Метод A ASTM D 558
Контроль
С добавкой
Максимальная/Исправленная плотность (фунт/фут<sup>3</sup>)
121,1
126,4
Оптимальное/Исправленное содержание влаги, %
11,4
8,4
Цемент, почва, ALDOT 416-05
Срок, дни
Нагрузка, фунт
Диам. цил., дюйм
Площадь, дюйм<sup>2</sup>
Коррекция
Прочность, фунт/дюйм<sup>2</sup>
Контроль, среднее из 3 образцов
7
нет данных
нет данных
нет данных
нет данных
620
С восковым эмульсионным модификатором по изобретению, среднее из 3 образцов
7
12,150
3,99
12,51
0,91
880
Таблица 4 показывает варианты смесей, используемые при оценке прочности на сжатие, результаты которой представлены в таблице 5.
Таблица 4
Оценка прочности на сжатие вариантов испытываемых смесей
Смесь, фунт на ярд<sup>3</sup>
фунты
фунты
Оценка осадки/прочности по ASTM
Контроль
С добавкой
Цемент
300
285
Летучая зола, класс С
125
119
Песок для бетонной смеси
1263
1263
Гравий №57, без доводки влаги
2195
2195
Вода
148,5
132,5
Восковой эмульсионный модификатор по изобретению
21,25
Таблица 5
Прочность на сжатие по ASTM С 1176
ASTM C 1176
Цилиндры для испытания, (6×12 дюймов), ASTM С 31
Среднее из двух образцов
Контроль
С добавкой
Срок 7 дней
Прочность на сжатие, фунт/дйюм<sup>2</sup>
1970
2405
Срок 28 дней
Прочность на сжатие, фунт/дюйм<sup>2</sup>
3035
3475
Хотя настоящее изобретение описано и иллюстрировано ссылками на определенные воплощения и примеры, специалистам в данной области техники следует иметь в виду, что само изобретение включает варианты, которые нет необходимости иллюстрировать в данном описании. По этой причине с целью определения истинного объема настоящего изобретения следует обращаться только к прилагаемой формуле изобретения.