ГЕОПОЛИМЕРНАЯ КОМПОЗИЦИЯ С УСТОЙЧИВЫМИ РАЗМЕРАМИ И СПОСОБ
GEOPOLYMER COMPOSITION WITH STABLE DIMENSIONS AND METHOD

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[01] Настоящее изобретение относится в целом к вяжущим композициям, содержащим геополимеры на основе алюмосиликатов, которые можно использовать для ряда применений. В частности, изобретение относится в целом к указанным вяжущим композициям, обеспечивающим свойства, которые являются желательными с точки зрения времени схватывания, размерной устойчивости в экзотермических условиях, пониженной общей усадки материала при отверждении и прочие другие желательные свойства.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
2
3
[02] В патенте США №6572698, автор Ко (Ko), предложен активированный алюмосиликатный связующий материал, содержащий алюмосиликаты, сульфат кальция и активатор, содержащий соли щелочных металлов. Алюмосиликаты выбраны из группы, состоящей из доменного шлака, глины, известковой глины и промышленных отходов, таких как зольная пыль, и имеют содержание AlO более 5% по массе. Доменный шлак присутствует в количестве менее чем 35% по массе, и в смесь добавляют цементную пыль (CKD) в количестве от 1 до 20% по массе в качестве активатора.
[03] В патенте США №4488909, авторы Галер и др. (Galer et al.), обсуждают вяжущие композиции, содержащие портландцемент, цемент с высоким содержанием оксида алюминия, сульфат кальция и известь. Вяжущая композиция включает портландцемент, цемент с высоким содержанием оксида алюминия, сульфат кальция и известь. Можно добавлять пуццоланы, такие как зольная пыль, монтмориллонитовая глина, диатомитовая земля и пумицит, в количестве до примерно 25%. Цементная композиция включает примерно от 14 до 21 масс.% цемента с высоким содержанием оксида алюминия.
[04] В патенте США №6869474, авторы Перес-Пенья и др. (Perez-Pena et al.) обсуждают вяжущие композиции для получения продуктов на цементной основе, таких как цементные плиты. Этого добиваются путем добавления алканоламина в гидравлический цемент, такой как портландцемент, и образования суспензии с водой в условиях, обеспечивающих начальную температуру суспензии, составляющую по меньшей мере 90°F (32°С). Можно включать дополнительные реакционно-способные материалы, такие как цемент с высоким содержанием оксида алюминия, сульфат кальция и пуццолановый материал, такой как зольная пыль.
[05] В патенте США №7670427, авторы Перес-Пенья и др., обсуждают чрезвычайно быстрое схватывание вяжущих композиций, обладающих прочностью на сжатие на ранней стадии отверждения, для получения продуктов на цементной основе, таких как цементные плиты, которого добиваются путем добавления алканоламина и фосфата и гидравлический цемент, такой как портландцемент, и получения суспензии с водой в условиях, обеспечивающих начальную температуру суспензии, составляющую по меньшей мере 90°F (32°С). Можно включать дополнительные реакционно-способные материалы, такие как цемент с высоким содержанием оксида алюминия, сульфат кальция и пуццолановый материал, такой как зольная пыль.
[06] В опубликованной заявке на патент США №2010-0071597 А1, автор Перес-Пенья, предложены составы, в которых зольную пыль и соли щелочных металлов и лимонной кислоты, такие как цитрат натрия, применяют для получения бетонных смесей. Можно применять гидравлический цемент и гипс в количестве до 25 масс.% состава, хотя их использование и не является предпочтительным. Связующие материалы на основе активированной зольной пыли согласно указанной заявке могут взаимодействовать с традиционными пенообразующими системами, применяемыми для вовлечения воздуха, с образованием тем самым легких плит.
[07] В патенте США №5536310, авторы Брук и др. (Brook et al.), предложена вяжущая композиция, содержащая 10-30 массовых долей (м.д.) гидравлического цемента, такого как портландцемент, 50-80 м.д. зольной пыли и 0,5-8,0 м.д. свободной карбоновой кислоты, такой как лимонная кислота, или ее соли с щелочными металлами, например, цитрата трикалия или цитрата тринатрия, совместно с другими традиционными добавками, включая замедлители схватывания, такие как борная кислота или бура.
[08] В патенте США №6641658, автор Дуби (Dubey), предложена вяжущая композиция на основе портландцемента, содержащая 35-90% портландцемента, 0-55% пуццоланов, 5-15% цемента с высоким содержанием оксида алюминия и от 1 до 8% нерастворимой ангидритной формы сульфата кальция вместо традиционного растворимого природного гипса/гипса для увеличения выделения теплоты и снижения времени схватывания, даже несмотря на использование больших количеств пуццоланов, например, зольной пыли. Вяжущая композиция может включать легкие агрегаты и наполнители, суперпластификаторы и добавки, такие как цитрат натрия, применяемый в качестве замедлителя схватывания.
[09] В патенте США №7618490 В2, авторы Накасима и др. (Nakashima et al.), предложен распыляемый материал, содержащий один или более материалов, выбранных из сульфоалюмината кальция, алюмосиликата кальция, гидроксида кальция, источника фтора и бетона из портландцемента. Можно добавлять сульфат кальция в безводном виде или в виде гемигидрата гипса.
[010] В патенте США №4655979, авторы Накано и др. (Nakano et al.), предложен способ получения ячеистого бетона с использованием цемента на основе силиката кальция, в состав бетонной смеси можно добавлять замедлитель на основе щелочного металла, цемент на основе сульфоалюмината кальция (CSA) и необязательно сульфат кальция.
4
2
[011] В опубликованной заявке на патент США №2008/0134943 А1, авторы Годфри и др. (Godfrey et al.), предложен материал с заключенными в нем отходами, состоящий из по меньшей мере одной сульфоалюминатной соли щелочноземельного металла и сульфата кальция и необязательно неорганического наполнителя, такого как доменный шлак, летучая топливная зола, мелкодисперсный оксид кремния, известняк и органические и неорганические разжижающие агенты. Предпочтительно по меньшей мере одна сульфоалюминатная соль щелочноземельного металла содержит сульфоалюминат кальция (CSA). Подходящая композиция, например, может содержать по меньшей мере одну сульфоалюминатную соль щелочноземельного металла в комбинации с гипсом и летучей топливной золой (PFA), где примерно 86% частиц гипса имеют размер менее 76 мкм, а примерно 88% частиц PFA имеют размер менее 45 мкм. Один из примеров содержит 75% (70:30 CSA:CaSO⋅2HO); 25% летучей топливной золы; отношение вода/твердые вещества 0,65.
4
3
2
2
3
4
3
[012] В патенте США №6730162, авторы Ли и др. (Li et al.), предложены двойные вяжущие композиции, включающие первую гидравлическую композицию, содержащую от 2,5% до 95 масс.% CAS, где в указанных химических обозначениях C=CaO, S=SiO, A=AlO (другими словами сульфоалюминат кальция), и от 2,5 до 95 масс.% гемигидрата и/или ангидрита сульфата кальция. Сульфоалюминатные цементы или алюмоферритные цементы являются примерами цементов, содержащих CAS. Они также могут включать добавки минеральных наполнителей, выбранные из группы, состоящей из шлака, зольной пыли, пуццолана, ультрадисперсного оксида кремния, мелкодисперсного известняка, побочных продуктов и отходов известковой промышленности.
[013] В опубликованной заявке на патент Китая №101921548 А, авторы Денг и др. (Deng et al.), предложена композиция сульфоалюминатного цемента, полученная из 90-95 масс.% сульфоалюминатного шлака и безводного гипса, кварцевого песка, зольной пыли после сжигания отходов, простого эфира гидроксипропилметилцеллюлозы, редиспергируемых вяжущих порошков и волокон. Сульфоалюминатный шлак и безводный гипс удовлетворяют требованиям стандарта для сульфоалюминатного цемента, т.е. GB 20472-2006.
[014] В опубликованной заявке на патент Кореи №KR 549958 B1, авторы Юнг и др. (Jung et al.), предложена композиция алюминатного цемента, CSA, гипса, цитрата кальция и гидроксикарбоновой кислоты.
[015] В опубликованной заявке на патент Кореи №KR 2009085451 А, автор Но (Noh), предложена композиция порошкового доменного шлака, гипса и CSA. Средний размер частиц гипса может составлять 4 микрона или менее.
[016] В опубликованной заявке на патент Кореи №KR 2009025683 A предложен гидроизоляционный материал порошкового типа, применяемый в бетонах и строительных растворах, который получают путем тонкого измельчения цемента, безводного гипса, порошка оксида кремния, гидроизоляционного порошка, зольной пыли, расширяющегося материала типа сульфоалюмината кальция и неорганического связующего материала.
[017] В опубликованной заявке на патент Кореи №KR 2010129104 А, авторы Ю и др. (Gyu et al.), предложена композиция для смешения торкрет-бетона, содержащая (в масс.%): метакаолин (5-20), сульфоалюминат кальция (5-20), безводный гипс (20-45) и зольную пыль (30-50).
[018] Существует потребность в вяжущих материалах с устойчивыми размерами, содержащих геополимерные композиции, обеспечивающие пониженную усадку после отверждения, улучшенные начальные и конечные температурные характеристики, контролируемое и/или оптимизированное время схватывания, улучшенную прочность и другие свойства, благоприятствующие использованию указанных материалов в строительстве зданий, в формованных вяжущих продуктах и в других применениях, таких как вяжущие структуры, вяжущие структурные элементы и литые вяжущие продукты, а также в способах получения указанных материалов и получения указанных структур, элементов и продуктов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[019] В настоящем изобретении предложены улучшенные геополимерные вяжущие композиции и способы получения указанных композиций, обладающих по меньшей мере одним, а во многих случаях более чем одним крайне желательным свойством, таким как значительно улучшенная размерная устойчивость во время и после отверждения; улучшенные и поддающиеся модификации и времена начального и окончательного схватывания; увеличенный срок службы; модифицированное выделение теплоты при смешении, схватывании и отверждении; и другими улучшенными свойствами, обсуждаемыми в настоящем описании. Во многих, если не во всех, указанных вариантах реализации улучшенные свойства обеспечены в отсутствие значительного (если оно вообще присутствует) снижения прочности на сжатие на ранней стадии отверждения, окончательной прочности на сжатие и других прочностных характеристик. Некоторые варианты реализации фактически обеспечивают неожиданное увеличение прочности на сжатие на ранней стадии отверждения и окончательной прочности на сжатие.
[020] Улучшенные свойства согласно указанным и другим вариантам реализации настоящего изобретения обеспечивают явные преимущества по сравнению с геополимерными связующими материалами, известными в уровне техники, такими как связующие материалы на основе зольной пыли, а также другими вяжущими материалами, которые могут иметь значительное содержание геополимера. В некоторых предпочтительных вариантах реализации геополимерные вяжущие композиции согласно настоящему изобретению получают из растворов или суспензий по меньшей мере воды и одного или более вяжущих реакционно-способных компонентов в сухой или порошковой форме. Вяжущие реакционно-способные компоненты содержат эффективные количества термоактивированных геополимерных алюмосиликатных материалов, таких как зольная пыль; цементов на основе сульфоалюмината кальция; и сульфатов кальция. В растворы также можно добавлять один или более химических активаторов на основе щелочных металлов, таких как соль щелочного металла и лимонной кислоты или основание щелочного металла, в сухой форме, добавляемой в реакционно-способный порошок, или в жидкой, добавляемой в суспензию. Необязательно суспензия или раствор могут включать другие добавки, такие как пластифицирующие агенты, агенты, ускоряющие или замедляющие схватывание, воздухововлекающие агенты, пенообразующие агенты, увлажняющие агенты, легкие или другие заполнители, армирующие материалы или другие добавки, для обеспечения или модификации свойств суспензии и конечного продукта.
[021] Во многих предпочтительных композициях согласно настоящему изобретению вяжущие реакционно-способные компоненты в сухой или порошковой форме содержат от примерно 65 до примерно 97 процентов по массе термоактивированного алюмосиликатного минерала, такого как зольная пыль, от примерно 2 до примерно 30 процентов по массе цемента на основе сульфоалюмината кальция и от примерно 0,2 до примерно 15 процентов по массе сульфата кальция в пересчете на общую массу всех сухих вяжущих реакционно-способных компонентов. В предпочтительных композициях согласно настоящему изобретению вяжущие реакционно-способные компоненты содержат цемент на основе сульфоалюмината кальция в количестве от примерно 1 до примерно 200 частей по массе на 100 частей по массе термоактивированного алюмосиликатного минерала. Сухая масса имеет общепринятое определение как количество в состоянии, не содержащем воду.
[022] В других вариантах реализации можно применять смесь двух или более типов цемента на основе сульфоалюмината кальция и цемента на основе алюмината кальция, и количества и типы цементов на основе сульфоалюмината кальция и цементов на основе алюмината кальция могут изменяться в зависимости от их химического состава и размера частиц (тонкость помола по Блейну). Тонкость помола по Блейну цемента на основе сульфоалюмината кальция в указанных вариантах реализации и других вариантах реализации предпочтительно составляет более чем примерно 3000, более предпочтительно более чем примерно 4000, еще более предпочтительно более 5000 и наиболее предпочтительно более чем примерно 6000.
[023] В некоторых предпочтительных вариантах реализации количество химического активатора на основе щелочного металла составляет от примерно 0,5% до примерно 10% по массе в пересчете на сухую массу вяжущих реакционно-способных материалов. Более предпочтительно диапазон содержания химического активатора на основе щелочного металла составляет от примерно 1% до примерно 6% от общей массы вяжущих реакционно-способных материалов, предпочтительно от примерно 1,25% до примерно 4%, более предпочтительно от примерно 1,5% до примерно 3,5% и наиболее предпочтительно от примерно 1,5% до 2,5%. Цитрат натрия и цитрат калия являются предпочтительными активаторами на основе щелочных металлов и кислот, хотя также можно применять и смесь цитратов натрия и калия. Также можно использовать основания щелочных металлов, такие как гидроксиды щелочных металлов, и силикаты щелочных металлов в зависимости от применения и требований, предъявляемых к указанному применению.
[024] Указанные и другие предпочтительные варианты реализации настоящего изобретения в отличие от геополимерных композиций, содержащих зольную пыль, известных в уровне техники, получают для обеспечения геополимерных вяжущих композиций, обладающих размерной устойчивостью и устойчивостью к растрескиванию при схватывании и схватывающихся в незащемленном и защемленном состоянии. Например, кратковременная свободная усадка согласно конкретным предпочтительным вариантам реализации, как правило, составляет менее чем примерно 0,3%, предпочтительно менее чем примерно 0,2%, более предпочтительно менее чем примерно 0,1% и наиболее предпочтительно менее чем примерно 0,05% (при измерении после начального схватывания в течение 1-4 часов после перемешивания). В указанных предпочтительных вариантах реализации долговременная усадка композиций при отверждении также, как правило, составляет менее чем примерно 0,3%, более предпочтительно менее чем примерно 0,2% и наиболее предпочтительно менее чем примерно 0,1%.
[025] Для дополнительного контроля размерной устойчивости и усадки в указанных вариантах реализации количество цемента на основе сульфоалюмината кальция составляет от примерно 2,5 до примерно 100 частей по массе на 100 частей по массе термоактивированного алюмосиликатного минерала, более предпочтительно от примерно 2,5 до примерно 50 частей по массе на 100 частей по массе термоактивированного алюмосиликатного минерала и наиболее предпочтительно от примерно 5 до примерно 30 частей по массе на 100 частей по массе термоактивированного алюмосиликатного минерала. В вариантах реализации, где контроль размерной устойчивости, определяемой усадкой материала, является крайне важным, количество активатора на основе щелочного металла более предпочтительно находится в диапазоне от примерно 1 до примерно 3% в пересчете на общую сухую массу вяжущих реакционно-способных материалов (т.е. термоактивированного алюмосиликатного минерала, такого как зольная пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция и сульфат кальция), еще более предпочтительно от примерно 1,25% до примерно 2,75% в пересчете на общую массу вяжущих реакционно-способных материалов и наиболее предпочтительно от примерно 1,5% до примерно 2,5% в пересчете на общую сухую массу вяжущих реакционно-способных материалов.
[026] Геополимерные композиции с устойчивыми размерами согласно предпочтительным вариантам реализации настоящего изобретения дополнительно неожиданно снижают максимальное увеличение температуры при отверждении композиции по сравнению с геополимерными вяжущими продуктами, известными в уровне техники. По этой и схожим причинам указанные варианты реализации обладают неожиданной стойкостью к растрескиванию при нагревании. Например, в некоторых предпочтительных вариантах реализации увеличение температуры, как правило, составляет менее чем примерно 50°F (28°С), более предпочтительно менее чем примерно 40°F (22°С) и наиболее предпочтительно менее чем примерно 30°F (17°С).
[027] Указанные и другие предпочтительные варианты реализации настоящего изобретения также обладают неожиданной скоростью нарастания прочности на ранней стадии схватывания. Например, в некоторых из указанных вариантов реализации прочность на сжатие через 4 часа может составлять более чем примерно 1000 psi (6,9 МПа), предпочтительно более чем примерно 1500 psi (10,3 МПа), наиболее предпочтительно более чем примерно 2500 psi (17,2 МПа). В указанных вариантах реализации нарастание прочности на сжатие через 24 часа может составлять более чем примерно 1500 psi (10,3 МПа), более предпочтительно более чем примерно 2500 psi (17,2 МПа) и наиболее предпочтительно более чем примерно 3500 psi (24,1 МПа). Кроме того, в указанных и других предпочтительных вариантах реализации прочность на сжатие через 28 дней может составлять более чем примерно 3500 psi (24,1 МПа), более предпочтительно более чем примерно 4500 psi (31,0 МПа) и наиболее предпочтительно более чем примерно 5500 psi (37,9 МПа). В других вариантах реализации прочность на сжатие композиций может нарастать в период с 1 до 4 часа от примерно 500 psi (3,5 МПа) до примерно 4000 psi (27,6 МПа), более предпочтительно от примерно 1500 до примерно 5000 psi (от 10,3 до 34,5 МПа) через 24 часа и наиболее предпочтительно от примерно 3500 до примерно 10000 psi (от 24,1 до 69 МПа) через 28 дней. Кроме того, геополимерные вяжущие композиции согласно конкретным предпочтительным вариантам реализации также обладают чрезвычайно хорошей устойчивостью во влажных условиях, и конечные значения прочности на сжатие во влажных условиях схожи со значениями прочности на сжатие в сухих условиях. Например, в конкретных вариантах реализации прочность на сжатие при насыщении композиций водой через 28 дней может составлять более чем примерно 3500 psi (24,1 МПа), более предпочтительно более чем примерно 4500 psi (31,0 МПа) и наиболее предпочтительно более чем примерно 5500 psi (37,9 МПа).
[028] Вследствие того, что время схватывания суспензии с получением твердого вещества для геополимеров, активированных щелочными металлами, а также для цементов на основе сульфоалюмината кальция, объединенных с сульфатами кальция, как правило, является относительно коротким, ожидалось, что предпочтительные варианты реализации, в которых объединены все указанные компоненты, будут иметь относительно короткое время схватывания и ограниченный срок службы. Тем не менее, неожиданно времена схватывания, обеспечиваемые в предпочтительных вариантах реализации настоящего изобретения, не ограничены короткими временами схватывания (обычно менее 15 минут), но в них обеспечен значительный контроль взаимодействий, происходящих при схватывании суспензии, что позволяет значительно увеличивать время схватывания суспензии и срок службы.
[029] Например, в некоторых вариантах реализации композицию можно получать для обеспечения короткого времени схватывания, такого как менее чем примерно 10 минут. В других предпочтительных вариантах реализации композицию можно получать для обеспечения продолжительного схватывания от примерно 10 до примерно 30 минут. В других более предпочтительных вариантах реализации состав композиции предпочтительно выбирают для обеспечения времени схватывания от примерно 30 до примерно 60 минут. В других наиболее предпочтительных вариантах реализации композицию можно получать для обеспечения времени схватывания от примерно 60 до примерно 120 минут, от примерно 120 до примерно 240 минут или при желании даже более продолжительного периода времени.
[030] Кроме того, времена схватывания согласно указанным вариантам реализации можно выбирать, и при желании и увеличивать в отсутствие значительного (если оно вообще происходит) ухудшения свойств стойкости к усадке, прочности на сжатие и других прочностных свойств. В результате, указанные варианты реализации неожиданно можно использовать в применениях, где продукты на основе геополимеров и вяжущие продукты с геополимерными компонентами, известные в уровне техники, нельзя использовать вследствие требований, касающихся продолжительного времени схватывания и срока службы и отсутствия неприемлемой усадки или потери прочности.
[031] В конкретных предпочтительных вариантах реализации в композициях согласно настоящему изобретению также нарастает исключительная прочность сцепления с подложкой-субстратом при растяжении. Например, предпочтительная прочность сцепления при растяжении между указанными вариантами реализации и бетонным субстратом предпочтительно составляет более чем примерно 200 psi (1,4 МПа) и наиболее предпочтительно более чем примерно 300 psi (2,1 МПа). В некоторых вариантах реализации значения рН поверхности полностью отвержденных и схватившихся геополимерных вяжущих композиций с устойчивыми размерами согласно настоящему изобретению также улучшены по сравнению с материалами и продуктами на основе портландцемента, которые, как правило, имеют рН поверхности более 12, а чаще более 13. В конкретных предпочтительных вариантах реализации указанные композиции при измерении после 16 часов после нанесения предпочтительно имеют рН менее чем примерно 11, более предпочтительно менее чем примерно 10,5 и наиболее предпочтительно менее чем примерно 10. В указанном контексте рН поверхности измеряют с использованием стандарта испытаний ASTM F-710 (2011).
[032] Во многих предпочтительных вариантах реализации для нарастания прочности и размерной устойчивости геополимерных вяжущих композиций согласно настоящему изобретению не требуются гидравлические цементы на основе силиката кальция, такие как портландцементы. В других вариантах реализации для обеспечения определенных желательных свойств можно включать портландцементы. Тем не менее, неожиданно было обнаружено, что в зависимости от конкретной композиции согласно варианту реализации избыточное количество портландцемента фактически снижало размерную устойчивость композиции во время и после отверждения, а не увеличивало его размерную устойчивость.
[033] В предпочтительных вариантах реализации настоящего изобретения, включающих гидравлические цементы на основе силиката кальция, ограничения количества указанных гидравлических цементов могут быть различными в зависимости от конкретной композиции согласно настоящему изобретению, но могут определяться увеличением усадки по сравнению с усадкой того же варианта реализации, содержащего пониженное количество гидравлического цемента на основе силиката кальция. В конкретных указанных вариантах реализации содержание портландцемента не должно превышать примерно 15 масс.% от массы реакционно-способных порошковых компонентов, в другом предпочтительном варианте реализации оно не должно превышать 10 масс.% от массы реакционно-способных порошковых компонентов, а в другом предпочтительном варианте реализации оно не должно превышать примерно 5 масс.% от массы реакционно-способных порошковых компонентов, а еще в одном предпочтительном варианте реализации реакционно-способные порошковые компоненты содержат несущественное количество портландцемента.
[034] Также неожиданно было обнаружено, что в некоторых вариантах реализации избыточное количество цемента на основе сульфоалюмината кальция может приводить к снижению размерной устойчивости, что определяется увеличением усадки после начального схватывания композиции. Для применений, требующих значительной размерной устойчивости и/или контроля усадки для предотвращения растрескивания, отслаивания и других видов повреждений, количество цемента на основе сульфоалюмината кальция предпочтительно составляет от примерно 10 до примерно 40 частей по массе в сухом виде на 100 частей по массе в сухом виде термоактивированного алюмосиликатного минерала.
[035] В других предпочтительных вариантах реализации неожиданно было обнаружено, что отношение количества сульфата кальция к содержанию цемента на основе сульфоалюмината кальция в композиции может снижать возможные отрицательные эффекты, такие как усадка, вызываемые содержанием цемента на основе сульфоалюмината кальция. В указанных вариантах реализации количество сульфата кальция предпочтительно составляет от примерно 2 до примерно 200 частей по массе на 100 частей по массе цемента на основе сульфоалюмината кальция.
[036] Для наиболее эффективного контроля усадки материала в указанных вариантах реализации количество сульфата кальция составляет от примерно 10 до примерно 100 частей по массе в сухом виде на 100 частей по массе в сухом виде цемента на основе сульфоалюмината кальция, более предпочтительно от примерно 15 до примерно 75 частей по массе в сухом виде на 100 частей по массе в сухом виде цемента на основе сульфоалюмината кальция и наиболее предпочтительно от примерно 20 до примерно 50 частей по массе в сухом виде на 100 частей по массе в сухом виде цемента на основе сульфоалюмината кальция. В тех вариантах реализации, где важно увеличение прочности на сжатие на ранней стадии отверждения, предпочтительное количество сульфата кальция составляет от примерно 10 до примерно 50 частей на 100 частей по массе в сухом виде цемента на основе сульфоалюмината кальция.
[037] В других вариантах реализации настоящего изобретения тип сульфата кальция (главным образом, дигидрат, гемигидрат или ангидрит), добавляемого в композицию, может существенно влиять на нарастание прочности на сжатие не полностью отвержденной композиции на ранней стадии отверждения (т.е. в период менее чем примерно 24 часов). Неожиданно было обнаружено, что различные варианты реализации, в которых применяют главным образом ангидрит сульфата кальция, обладают более высокой прочностью на сжатие на ранних стадиях отверждения по сравнению с вариантами реализации, в которых применяют главным образом форму дигидрата, а в некоторых вариантах реализации могут обладать прочностью на сжатие на ранней стадии отверждения, сравнимой с композициями, в которых применяют главным образом гемигидрат сульфата кальция. В других вариантах реализации можно применять два или более типов сульфата кальция (дигидрат, гемигидрат или ангидрит) совместно, и количества различных типов регулируют для обеспечения улучшенного контроля прочности на сжатие композиции. Аналогично, для регулировки желаемой усадки и других свойств композиции можно применять различные типы и количества сульфата кальция по отдельности или в комбинации.
[038] Если основной проблемой являются характеристики усадки, другие варианты реализации настоящего изобретения включают сульфаты кальция со средним размером частиц, предпочтительно составляющим от примерно 1 до примерно 100 микрон, от примерно 1 до примерно 50 микрон и от примерно 1 до примерно 20 микрон. Указанные варианты реализации обеспечивают неожиданное улучшение стойкости к усадке, а в других вариантах реализации применение сульфата кальция, имеющего частицы, размер которых по меньшей мере находится в предпочтительном диапазоне, может обеспечивать значительный вклад в увеличение скорости нарастания прочности при отверждении композиций.
[039] В других вариантах реализации неожиданно было обнаружено, что по существу не растворимый в воде безводный сульфат кальция (ангидрит) может обеспечивать важные преимущества, несмотря на его низкую растворимость в воде и, как предполагалось ранее, ограниченную, если она вообще присутствует, реакционную способность композиции. Например, неожиданно было обнаружено, что ангидрит обеспечивал значительное улучшение контроля размерной устойчивости за счет снижения усадки при отверждении в указанных и других вариантах реализации по сравнению с композициями, известными в уровне техники. Ангидрит также обеспечивал значительное улучшение кратковременной и долговременной прочности на сжатие по сравнению с композициями, известными в уровне техники, а в некоторых случаях обеспечивал кратковременную и долговременную прочность на сжатие, сравнимую или более высокую по сравнению с композициями, в которых в качестве источника сульфата кальция применяют гемигидрат или дигидрат сульфата кальция. Выбор типа сульфата кальция, применяемого в конкретном варианте реализации, зависит от комбинации скорости нарастания прочности на ранней стадии отверждения и баланса других свойств, таких как время усадки и стойкость к усадке, желательных для конкретного конечного применения.
[040] В других вариантах реализации размер частиц и морфология сульфата кальция значительно и неожиданно влияет на нарастание прочности композиций на ранней стадии отверждения (в период менее чем примерно 24 часа). В указанных вариантах реализации применение сульфата кальция с относительно небольшим размером частиц обеспечивает более быстрое нарастание прочности на сжатие на ранней стадии отверждения. В указанных вариантах реализации предпочтительный средний размер частиц сульфата кальция находится в диапазоне от примерно 1 до 100 микрон, более предпочтительно от примерно 1 до 50 микрон и наиболее предпочтительно от примерно 1 до 20 микрон.
[041] В конкретных вариантах реализации композиции обладают характеристиками самостоятельного выравнивания после первоначального смешения и в то же время обеспечивают одну или более из указанных выше неожиданных рабочих характеристик. Особенность самостоятельного выравнивания материала подходит для различных случаев и применений, таких как самовыравнивающаяся стяжка, верхний слой бетона, производство тонко обработанных бетонных продуктов и панелей, введение суспензии в сильноармированные элементы конструкций и т.д. Композиции согласно указанным вариантам реализации становятся самовыравнивающимися после первоначального смешения с водой реакционно-способного порошка согласно настоящему изобретению в массовом отношении от примерно 0,15 до примерно 0,4, более предпочтительно от 0,17 до 0,35, еще более предпочтительно от 0,20 до 0,30. В качестве альтернативы в других вариантах реализации композиции также могут быть обеспечены в формуемом густом пастообразном виде после первоначального смешения и в то же время обеспечивают одну или более улучшенных рабочих характеристик.
[042] Предпочтительный состав самовыравнивающихся композиций и композиций для ямочного ремонта содержит от примерно 65 до примерно 95 процентов по массе зольной пыли, от примерно 2 до примерно 30 процентов по массе цемента на основе сульфоалюмината кальция и от примерно 0,2 до примерно 15 процентов по массе сульфата кальция. В некоторых вариантах реализации геополимерную вяжущую композицию согласно настоящему изобретению можно распределять по поверхности субстрата, где геополимерный вяжущий связующий материал смешивают в качестве самовыравнивающегося продукта и выливают до достижения эффективной толщины от примерно 0,02 см до примерно 7,5 см.
[043] Физические характеристики указанных продуктов являются хорошими примерами преимуществ указанных вариантов реализации, т.е. размерная устойчивость, стойкость к деформации и физическому растрескиванию и высокая стойкость поверхности к абразии и износу подходят для применения в торговых, промышленных зонах и других районах с интенсивным движением. В зависимости от применения можно минимизировать или избегать проведения любых времязатратных и дорогостоящих способов получения поверхности, таких как дробеструйная обработка, киркование, гидроструйная обработка, откалывание или измельчение.
[044] Согласно другим аспектам настоящего изобретения в различных вариантах реализации обеспечены способы получения вяжущих композиций с устойчивыми размерами, имеющих времена схватывания, которые можно адаптировать для конкретных применений, подходящие значения нарастания прочности на ранней стадии отверждения и окончательной прочности на сжатие и других прочностных характеристик, улучшенное значение рН поверхности, улучшенную прочность сцепления с субстратами при растяжении и обладающих другими преимуществами. В конкретных предпочтительных вариантах реализации указанные способы включают стадии получения неожиданно эффективной синергичной смеси термоактивированных алюмосиликатов, предпочтительно зольной пыли класса С, цемента на основе сульфоалюмината кальция, сульфата кальция и химического активатора на основе щелочного металла.
[045] В конкретных предпочтительных вариантах реализации указанных способов предпочтительные смеси получают с применением компонентов, таких как те, что отмечены выше, с образованием вяжущего реакционно-способного порошка, содержащего термоактивированную зольную пыль класса С, цемент на основе сульфоалюмината кальция и сульфат кальция, выбранный из группы, состоящей из дигидрата сульфата кальция, гемигидрата сульфата кальция и безводного сульфата кальция и их смесей (предпочтительно в тонко измельченной форме, имеющей размер частиц менее чем примерно 300 микрон).
[046] В указанных вариантах реализации в смесь дополнительно добавляют химический активатор, содержащий соль или основание щелочного металла, предпочтительно выбранный из группы, состоящей из солей щелочных металлов и органических кислот, гидроксидов щелочных металлов и силикатов щелочных металлов, в сухом или жидком виде. На последующих стадиях для получения стабильных суспензионных смесей, которые можно использовать для применений, подходящих для геополимерных вяжущих продуктов, добавляют воду и необязательно суперпластификатор, в частности карбоксилированный пластифицирующий материал.
[047] В предпочтительных способах смеси получают при начальной температуре от примерно 0°С до примерно 50°С, более предпочтительно при начальной температуре от примерно 5°С до примерно 40°С, еще более предпочтительно при начальной температуре от примерно 10°С до примерно 35°С, наиболее предпочтительно при температуре окружающей среды, составляющей примерно 25°С. В указанных вариантах реализации начальную температуру смеси в целом измеряют в первую минуту с момента введения вяжущего реакционно-способного порошка; активатора и воды в смесь. Разумеется, температура смеси в целом может изменяться в течение указанной первой минуты, но в указанных предпочтительных вариантах реализации температура суспензии предпочтительно остается в пределах указанного диапазона.
[048] В некоторых предпочтительных вариантах реализации суспензию можно смешивать с использованием относительно небольших количеств энергии и при этом все равно получать тщательно перемешанную композицию. В некоторых из указанных предпочтительных способов суспензию смешивают с использованием количества энергии, эквивалентного количеству, обеспечиваемому низкоскоростными ручными дрелями-смесителями или эквивалентными смесителями, имеющими скорость вращения примерно 250 об./мин или более. Соответственно, геополимерные композиции согласно указанным предпочтительным вариантам реализации можно легко перемешивать, несмотря на использование относительно небольших количеств воды для получения суспензии, применяемой для получения конечной композиции.
[049] Во многих вариантах реализации в суспензию и геополимерную вяжущую композицию в целом можно включать другие добавки, которые не относятся к вяжущему реакционно-способному порошку. Указанные другие добавки включают, например, пластифицирующие агенты, такие как отмеченные выше суперпластификаторы, агенты, ускоряющие схватывание, агенты, замедляющие схватывание, воздухововлекающие агенты, пенообразующие агенты, увлажняющие агенты, агенты, регулирующие усадку, агенты, модифицирующие вязкость (загустители), пленкообразующие редиспергируемые полимерные порошки, пленкообразующие полимерные дисперсии, красители, агенты для защиты от коррозии, смеси, замедляющие взаимодействие щелочей с оксидом кремния, отдельные армирующие волокна и внутренние агенты, способствующие отверждению. Другие добавки могут включать наполнители, такие как один или более песков и/или других агрегатов, легких наполнителей, пуццолановых минералов, минеральных наполнителей и т.д.
[050] Хотя это и обсуждается отдельно выше, каждая из предпочтительных геополимерных композиций и смесей согласно настоящему изобретению обладает по меньшей мере одним и может обладать комбинацией двух или более указанных выше отличительных преимуществ (а также теми, которые будут понятны из дополнительно обсуждения, примеров и данных, приведенных в настоящем описании) по сравнению с геополимерными вяжущими композициями, известными в уровне техники.
[051] Большая часть вариантов реализации настоящего изобретения, если не все, являются экологически сбалансированными, в них применяют геополимеры на основе зольной пыли, содержащие промышленные отходы в качестве основного источника сырья. Это значительно снижает объем углеродного следа с учетом полного срока эксплуатации и энергоемкость производства продукта с учетом полного срока эксплуатации.
[052] Геополимерные вяжущие композиции согласно предпочтительным вариантам реализации настоящего изобретения можно использовать в областях, где применяют другие вяжущие материалы, в частности для применений, для которых важны или необходимы универсальность времени схватывания и срока службы, размерная устойчивость, прочность на сжатие и/или другие прочностные характеристики. Например, их используют для различных применений изделий из бетона, включая бетонные конструкционные панели для полов, плиты, стены, стяжки для стен и пола для установки настилочных материалов, таких как керамическая плитка, природный камень, виниловая плитка, VCT и ковровый настил, верхние слои дорожных покрытий и ремонт мостов, пешеходные дорожки и другие плиты на грунтовом основании, наружную штукатурку и финишный слой штукатурки, самовыравнивающиеся покрытия и защитные стяжки, нанесение цементного раствора и торкрет-бетона для стабилизации грунта и породы в фундаментах, на горных склонах и в щахтах, растворы для ямочного ремонта для заполнения и выравнивания трещин, ям и других неровностей на поверхностях, интерьерную и экстерьерную скульптуру и стенную роспись, а также материалы для ремонта выбоин на дорогах и проезжих частях мостов.
[053] Другие примеры включают применения в заводских изделиях из бетона, а также строительных товарах, таких как цементные плиты, стеновые блоки, кирпичи и дорожная плитка с превосходной устойчивостью к влаге. В некоторых применениях указанные заводские изделия из бетона, такие как цементные плиты, предпочтительно изготавливают в условиях, которые обеспечивают времена схватывания, подходящие для выливания в стационарную или движущуюся форму или на непрерывно движущуюся ленту.
[054] Геополимерные композиции согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения можно применять совместно с различными наполнителями и добавками, включая пенообразующие агенты и воздухововлекающие агенты, для добавления определенных количеств воздуха и получения легких цементных продуктов, включая заводские элементы конструкций, товары для выполнения строительно-ремонтных работ и композиции для ремонта, которые обладают хорошими свойствами расширения и не имеют усадки, например, подходят для ремонта дорог и тротуаров.
[055] Другие преимущества, эффекты и аспекты различных вариантов реализации настоящего изобретения будут обсуждаться далее и проиллюстрированы на прилагаемых фигурах и станут понятными специалистам в данной области техники после изучения более подробного описания, приведенного далее. Если не указано иное, все процентные содержания, отношения и доли, приведенные в настоящем описании, выражены в пересчете на массу.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[056] На фиг.1А приведен график зависимости усадки от времени для примера сравнения 1.
[057] На фиг.1В приведена фотография осадки образца согласно примеру 1.
[058] На фиг.2 приведена фотография осадки образца согласно примеру сравнения 2.
[059] На фиг.3А приведена фотография осадки образца согласно примеру сравнения 3.
[060] На фиг.3В приведен график зависимости усадки от времени для примера сравнения 3.
[061] На фиг.4А приведена фотография, изображающая начальные характеристики текучести и осадки образца композиций, полученных из смесей 1 и 2 согласно примеру 4.
[062] На фиг.4В приведена фотография, изображающая начальные характеристики текучести и осадки образца композиций, полученных из смеси 3 согласно примеру 4.
[063] На фиг.4С приведена фотография, изображающая начальные характеристики текучести и осадки образца композиций, полученных из смеси 4 согласно примеру 4.
[064] На фиг.4D приведена фотография композиций, исследуемых в примере 4, – все бруски, полученные из смесей 1, 2-1 и 2-2, 3-1 и 3-2 и 4-1 и 4-2 (слева направо), потрескались в форме.
[065] На фиг.5А приведена фотография осадки плоских образцов, полученных из смесей 1-2 (слева направо) и 3-4 (слева направо) согласно примеру 5.
[066] На фиг.5В приведен график начальных характеристик текучести и осадки образца согласно примеру 5.
[067] На фиг.5С приведен график увеличения температуры суспензии согласно примеру 5.
[068] На фиг.6А приведен график зависимости усадки от времени согласно примеру 6.
[069] На фиг.6В приведен график увеличения температуры суспензии для композиции согласно настоящему изобретению, полученной в примере 6.
[070] На фиг.7А приведена фотография осадки плоских образцов композиций, полученных из смеси 1 согласно примеру 7.
[071] На фиг.7В приведена фотография осадки плоских образцов композиций, полученных из смесей 2, 3 и 4 согласно примеру 7.
[072] На фиг.7С приведен график усадки композиций согласно настоящему изобретению, полученных в примере 7.
[073] На фиг.7D приведен график увеличения температуры суспензии для композиций согласно настоящему изобретению, полученных в примере 7.
[074] На фиг.8А приведен график усадки композиций согласно настоящему изобретению, полученных в примере 8.
[075] На фиг.8В приведен график увеличения температуры суспензии для композиций согласно настоящему изобретению, полученных в примере 8.
[076] На фиг.9А приведен график усадки композиций согласно настоящему изобретению, полученных в примере 9.
[077] На фиг.9В приведен график увеличения температуры суспензии для композиций согласно настоящему изобретению, полученных в примере 9.
[078] На фиг.10А приведен график усадки композиций согласно настоящему изобретению, полученных в примере 10.
[079] На фиг.10В приведен график увеличения температуры суспензии для композиций согласно настоящему изобретению, полученных в примере 10.
[080] На фиг.11А показаны фотографии осадки плоских образцов композиций согласно примеру 11.
[081] На фиг.11В приведен график усадки композиций согласно настоящему изобретению, полученных в примере 11.
[082] На фиг.11С приведен график увеличения температуры суспензии для композиций согласно настоящему изобретению, полученных в примере 11.
[083] На фиг.12А приведен график усадки композиций согласно настоящему изобретению, полученных в примере 12.
[084] На фиг.12В приведен график увеличения температуры суспензии для композиций согласно настоящему изобретению, полученных в примере 12.
[085] На фиг.13А приведена фотография осадки плоских образцов композиций согласно настоящему изобретению, полученных в примере 13.
[086] На фиг.13В приведен график усадки композиций согласно настоящему изобретению, полученных в примере 13.
[087] На фиг.13С приведен график увеличения температуры суспензии для композиций согласно настоящему изобретению, полученных в примере 13.
[088] На фиг.14 приведен график усадки композиций согласно настоящему изобретению, полученных в примере 14.
[089] На фиг.15А приведен график усадки композиций согласно настоящему изобретению, полученных в примере 15.
[090] На фиг.15В приведен график увеличения температуры суспензии для композиций согласно настоящему изобретению, полученных в примере 15.
[091] На фиг.16А приведены фотографии осадки плоских образцов композиций согласно настоящему изобретению, полученных в примере 16.
[092] На фиг.16В приведен график усадки композиций согласно настоящему изобретению, полученных в примере 16.
[093] На фиг.17А приведены фотографии осадки плоских образцов композиций согласно настоящему изобретению, полученных в примере 17.
[094] На фиг.17В приведен график усадки композиций согласно настоящему изобретению, полученных в примере 17.
[095] На фиг.17С приведен график увеличения температуры суспензии для композиций согласно настоящему изобретению, полученных в примере 17.
[096] На фиг.18А приведен график усадки композиций согласно настоящему изобретению, полученных в примере 18.
[097] На фиг.18В приведен график увеличения температуры суспензии для композиций согласно настоящему изобретению, полученных в примере 18.
[098] На фиг.19А приведен график усадки композиций согласно настоящему изобретению, полученных в примере 13.
[099] На фиг.19В приведен график увеличения температуры суспензии для композиций согласно настоящему изобретению, полученных в примере 19.
[0100] На фиг.20А приведен график усадки композиций согласно настоящему изобретению, полученных в примере 20.
[0101] На фиг.20В приведен график увеличения температуры суспензий для композиций согласно настоящему изобретению, полученных в примере 20.
[0102] На фиг.21А приведен график усадки композиций согласно настоящему изобретению, полученных в примере 21.
[0103] На фиг.21В приведена фотография усадки брусков, полученных из смеси 1 согласно примеру 21, через 4 часа.
[0104] На фиг.21С приведен график усадки материала композиций согласно настоящему изобретению, полученных в примере 21, на очень ранней стадии отверждения (испытание усадки начинали через 1 час).
[0105] На фиг.21D приведен график увеличения температуры суспензии для композиций согласно настоящему изобретению, полученных в примере 21.
[0106] На фиг.22А приведен график усадки композиций согласно настоящему изобретению, полученных в примере 22.
[0107] На фиг.22В приведен график увеличения температуры суспензии для композиций согласно настоящему изобретению, полученных в примере 22.
[0108] На фиг.23 приведен график усадки композиций согласно настоящему изобретению, полученных в примере 23, на очень ранней стадии отверждения (испытание усадки начинали через 1 час).
[0109] На фиг.24 приведен график усадки композиций согласно настоящему изобретению, полученных в примере 27.
[0110] На фиг.25 приведены фотографии кубов (в медных стандартных формах), отлитых из композиций, исследуемых в примере 28.
[0111] На фиг.26 приведен график усадки композиций согласно настоящему изобретению, полученных в примере 29.
[0112] На фиг.27А приведен график усадки композиций согласно настоящему изобретению, полученных в примере 30.
[0113] На фиг.27В приведен график, на котором изображен экзотермический профиль и увеличение температуры суспензии для композиции согласно примеру 30.
[0114] На фиг.28 приведен график, на котором изображен экзотермический профиль и увеличение температуры суспензии для легких композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, полученных в примере 31.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0115] В таблице А показан состав геополимерных вяжущих композиций с устойчивыми размерами согласно некоторым предпочтительным вариантам реализации настоящего изобретения, выраженный в виде содержания отдельных или агрегированных компонентов в массовых долях (м.д.).
[0116] В таблице А показаны геополимерные вяжущие композиции с устойчивыми размерами согласно указанным предпочтительным вариантам реализации настоящего изобретения, которые состоят из двух компонентов – реакционно-способного порошкового компонента А (также известного как «вяжущий реакционно-способный материал», который для задач настоящего изобретения определяют как термоактивированный алюмосиликат, цемент на основе сульфоалюмината кальция, сульфат кальция и любой дополнительный реакционно-способный цемент, если его добавляют к другим перечисленным ингредиентам), и компонента-активатора В. Реакционно-способный порошковый компонент А представляет собой смесь материалов, содержащую термоактивированный алюмосиликатный минерал, содержащий зольную пыль класса С, цемент на основе сульфоалюмината кальция и сульфат кальция. Компонент-активатор В содержит химический активатор на основе щелочного металла или их смеси, который может представлять собой порошок или водный раствор. Реакционно-способный порошковый компонент А и компонент-активатор В, объединенные друг с другом, образуют реакционную смесь для геополимерных вяжущих композиций согласно указанным предпочтительным вариантам реализации настоящего изобретения.
[0117]
ТАБЛИЦА A – Реакционно-способные геополимерные вяжущие композиции согласно некоторым предпочтительным вариантам реализации изобретения
Широкий диапазон
Предпочтительное значение
Наиболее предпочтительное значение
Реакционно-способный порошковый компонент A:
a. Термоактивированный алюмосиликатный минерал, содержащий зольную пыль класса С, м.д.
100
100
100
b. Цемент на основе сульфоалюмината кальция, м.д. на 100 м.д. термоактивированного алюмосиликатного минерала
1-100
2,5-50
5-30
c. Сульфат кальция, м.д. на 100 м.д. цемента на основе сульфоалюмината кальция
2-100
5-75
10-50
Компонент-активатор В, химический активатор на основе щелочного металла, масс.% от общей массы компонента А (т.е. цемента на основе сульфоалюмината кальция и сульфата кальция)
от 1 до 6%
от 1,25 до 4%
от 1,5 до 2,5%
3
[0118] В таблице В приведены составы согласно предпочтительным вариантам реализации, имеющие максимальную плотность (предпочтительно плотность находится в диапазоне от 100 до 160 фунтов на кубический фут (от 1,60 до 2,56 кг/м)), включающие связующий материал, показанный в таблице А и другие ингредиенты.
[0119] Таблица В
ТАБЛИЦА B - Количества ингредиентов
Ингредиент
Широкий диапазон
Предпочтительное значение
Более предпочтительное значение
Реакционно-способный порошковый компонент А:
a. Термоактивированный алюмосиликатный минерал, содержащий зольную пыль класса С, м.д.
100
100
100
d. Цемент на основе сульфоалюмината кальция, м.д. на 100 м.д. термоактивированного алюмосиликатного минерала
2-100
2,5-50
5-30
b. Сульфат кальция, м.д. на 100 м.д. цемента на основе сульфоалюмината кальция
2-100
5-75
10-50
Компонент-активатор В:Химический активатор на основе щелочного металла, масс.% от общей массы компонента А
от 1 до 6%
от 1,25 до 4%
от 1,5 до 2,5%
Суперпластификатор/Реакционно-способный порошковый компонент A (масс.%)
от 0 до 4,0%
0,25-2,5%
0,5-1,5%
Отношение песок/реакционно-способный порошковый компонент А (по массе)
0-4
0,50-3
0,75-1,5
Отношение неорганический минеральный наполнитель/реакционно-способный порошковый компонент А (по массе)
0-2
0-1
0-0,5
Пеногасящий агент/реакционно-способный порошковый компонент А (масс.%)
0-1%
0-0,75%
0-0,50%
Органический регулятор текучести/реакционно-способный порошковый компонент А (масс.%)
0-0,5%
0-0,25%
0-0,15%
Неорганический регулятор текучести/реакционно-способный порошковый компонент А (масс.%)
0-3%
0-2%
0-1%
Красящие пигменты/реакционно-способный порошковый компонент А (масс.%)
0-5%
0-2,5%
0-1%
Агент, подавляющий выцветание/реакционно-способный порошковый компонент А (масс.%)
0-3%
0-2%
0-1%
Пленкообразующий редиспергируемый полимерный порошок/реакционно-способный порошковый компонент А (масс.%)
0-20%
0-10%
0-5%
Пленкообразующая полимерная дисперсия/реакционно-способный порошковый компонент А (масс.%)
0-40%
0-20%
0-10%
Отношение вода/реакционно-способный порошковый компонент А (по массе)
0,17-0,40
0,20-0,35
0,22-0,30
3
[0120] В таблице С приведены предпочтительные легкие составы с низкой плотностью (предпочтительно плотность находится в диапазоне от 10 до 125 фунтов на кубический фут (от 160 до 2000 кг/м)), включающие связующий материал, показанный в таблице А, и другие ингредиенты.
[0121] Таблица С
ТАБЛИЦА C - Количества ингредиентов
Ингредиент
Широкий диапазон
Предпочтительное значение
Более предпочтительное значение
Реакционно-способный порошковый компонент A:
a. Термоактивированный алюмосиликатный минерал, содержащий зольную пыль класса С, м.д.
100
100
100
e. Цемент на основе сульфоалюмината кальция, м.д. на 100 м.д. термоактивированного алюмосиликатного минерала
2-100
2,5-50
5-30
b. Сульфат кальция, м.д. на 100 м.д. цемента на основе сульфоалюмината кальция
2-100
5-75
10-50
Компонент-активатор В:Химический активатор на основе щелочного металла, масс.% от общей массы компонента А
от 1 до 6%
от 1,25 до 4%
от 1,5 до 2,5%
Суперпластификатор/Реакционно-способный порошковый компонент A (масс.%)
от 0 до 4,0%
0,25-2,5%
0,50-1,5%
Отношение песок/реакционно-способный порошковый компонент А (по массе)
0-4
0-2
0-1,0
Отношение неорганический минеральный наполнитель/реакционно-способный порошковый компонент А (по массе)
0-2
0-1
0-0,5
Пеногасящий агент/реакционно-способный порошковый компонент А (масс.%)
0-1%
0-0,75%
0-0,50%
Органический регулятор текучести/реакционно-способный порошковый компонент А (масс.%)
0-0,50%
0-0,25%
0-0,15%
Неорганический регулятор текучести/реакционно-способный порошковый компонент А (масс.%)
0-3%
0-2%
0-1%
Красящие пигменты/реакционно-способный порошковый компонент А (масс.%)
0-5%
0-2,5%
0-1%
Агент, подавляющий выцветание/реакционно-способный порошковый компонент А (масс.%)
0-3%
0-2%
0-1%
Пленкообразующий редиспергируемый полимерный порошок/реакционно-способный порошковый компонент А (масс.%)
0-20%
0-10%
0-5%
Пленкообразующая полимерная дисперсия/реакционно-способный порошковый компонент А (масс.%)
0-40%
0-20%
0-10%
Отношение легкий наполнитель/реакционно-способный порошковый компонент А (по массе)
0-2
0,01-1
0,02-0,75
Отношение вода/реакционно-способный порошковый компонент А (по массе)
0,17-0,40
0,20-0,35
0,22-0,30
3
[0122] В таблице D приведены конкретные предпочтительные составы с низкой или максимальной плотностью (предпочтительно плотность находится в диапазоне от 40 до 160 фунтов на кубический фут (от 640 до 2560 кг/м)), включающие связующий материал, показанный в таблице А, крупный заполнитель и другие ингредиенты.
[0123] Таблица D
ТАБЛИЦА D - Количества ингредиентов
Ингредиент
Широкий диапазон
Предпочтительное значение
Более предпочтительное значение
Реакционно-способный порошковый компонент A:
a. Термоактивированный алюмосиликатный минерал, содержащий зольную пыль класса С, м.д.
100
100
100
f. Цемент на основе сульфоалюмината кальция, м.д. на 100 м.д. термоактивированного алюмосиликатного минерала
2-100
2,5-50
5-30
c. Сульфат кальция, м.д. на 100 м.д. цемента на основе сульфоалюмината кальция
2-100
5-75
10-50
Компонент-активатор В:Химический активатор на основе щелочного металла, масс.% от общей массы компонента А
от 1 до 6%
от 1,25 до 4%
от 1,5 до 2,5%
Суперпластификатор/Реакционно-способный порошковый компонент A (масс.%)
от 0 до 4,0%
0,25-2,5%
0,50-1,5%
Отношение песок/реакционно-способный порошковый компонент А (по массе)
0-4
0,50-3
1-2
Отношение неорганический минеральный наполнитель/реакционно-способный порошковый компонент А (по массе)
0-2
0-1
0-0,5
Пеногасящий агент/реакционно-способный порошковый компонент А (масс.%)
0-1%
0-0,75%
0-0,50%
Органический регулятор текучести/реакционно-способный порошковый компонент А (масс.%)
0-0,50%
0-0,25%
0-0,15%
Неорганический регулятор текучести/реакционно-способный порошковый компонент А (масс.%)
0-3%
0-2%
0-1%
Красящие пигменты/реакционно-способный порошковый компонент А (масс.%)
0-5%
0-2,5%
0-1%
Агент, подавляющий выцветание/реакционно-способный порошковый компонент А (масс.%)
0-3%
0-2%
0-1%
Пленкообразующий редиспергируемый полимерный порошок/реакционно-способный порошковый компонент А (масс.%)
0-20%
0-10%
0-5%
Пленкообразующая полимерная дисперсия/реакционно-способный порошковый компонент А (масс.%)
0-40%
0-20%
0-10%
Отношение крупный заполнитель/реакционно-способный порошковый компонент А (по массе)
0,5-5
0,5-4
1-3
Отношение легкий наполнитель/реакционно-способный порошковый компонент А (по массе)
0-2
0-1
0-0,50
Вода/реакционно-способный порошковый компонент А, части по массе воды на м.д. компонента А
0,20-0,40
0,22-0,35
0,25-0,30
[0124] Долговременная свободная усадка геополимерных вяжущих связующих смесей согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, где измерение усадки начинали в диапазоне от примерно 1 до примерно 4 часов после смешения с образованием водной смеси, составляет примерно 0,3% или менее, предпочтительно менее чем примерно 0,2%, более предпочтительно менее чем примерно 0,1% и наиболее предпочтительно менее чем примерно 0,05%. Как отмечалось выше, синергическое взаимодействие термоактивированного алюмосиликатного минерала, цемента на основе сульфоалюмината кальция, подходящим образом выбранного источника и количества сульфата кальция и подходящим образом выбранного активатора на основе щелочного металла, применяемого в подходящем количестве, согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения помогает минимизировать усадку материала.
[0125] Как известно, что взаимодействие геополимерного алюмосиликатного минерала, такого как зольная пыль, с активатором на основе щелочного металла, таким как цитрат щелочного металла, включает очень высокую скорость реакции, при которой вследствие прохождения экзотермической реакции высвобождается значительное количество теплоты. Указанная высокая скорость экзотермической реакции обеспечивает образование алюмосиликатных соединений, и материал очень быстро загустевает и схватывается (в течение нескольких минут). Аналогично, также известно, что взаимодействие цемента на основе сульфоалюмината кальция с сульфатом кальция включает очень высокую скорость реакции, при которой вследствие прохождения экзотермической реакции высвобождается значительное количество теплоты. В результате указанной быстрой экзотермической реакции образуются продукты гидратации сульфоалюминатного соединения кальция, и материал очень быстро загустевает и схватывается, также в течение нескольких минут. Для некоторых применений очень быстрое время схватывания представляет собой проблему, так как это приводит к сокращению срока службы (срока годности), что вызывает значительные трудности при обработке и нанесении быстро схватываемых материалов в конкретных полевых условиях. Кроме того, большое количество теплоты, вырабатываемое в быстрых экзотермических реакциях, может приводить к нежелательному тепловому расширению и последующему растрескиванию и разрушению материала.
[0126] Специалисты в данной области техники могут ожидать, что если допустить одновременное прохождение двух вышеуказанных быстрых экзотермических реакций схватывания (то есть взаимодействие алюмосиликатного минерала, такого как зольная пыль, с солью щелочного металла и взаимодействие сульфата на основе сульфоалюмината кальция и сульфатом кальция) при смешении алюмосиликатного минерала, активатора на основе щелочного металла, цемента на основе сульфоалюмината кальция и сульфата кальция, полученный материал может обеспечивать нежелательное высвобождение даже еще более высокого количества теплоты и будет нежелательным образом загустевать и схватываться значительно быстрее по сравнению с теми случаями, где две вышеуказанные реакции проходили независимо, а сильное выделение теплоты и быстрое схватывание уже являются нежелательными. В тех вариантах реализации настоящего изобретения, где применяют все четыре реакционно-способных компонента, отмеченные выше, неожиданно было обнаружено, что это не происходит. Если алюмосиликатный минерал, активатор на основе щелочного металла, цемент на основе сульфоалюмината кальция и сульфат кальция смешивают вместе, полученный материал является менее экзотермичным и имеет более продолжительные времена загущения и схватывания по сравнению с любой из известных двухкомпонентных реакционно-способных систем, описанных выше. По-видимому, синергическое взаимодействие между четырьмя указанными исходными сырьевыми материалам обеспечивает неожиданные результаты согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения.
[0127] Еще одним очень неожиданным результатом, обнаруженным в некоторых вариантах реализации настоящего изобретению, является наблюдаемое значительное снижение усадки материала при взаимодействии алюмосиликатного минерала и активатора на основе щелочного металла с цементом на основе сульфоалюмината кальция и сульфатом кальция. Ниже см., например, сравнение примеров четырехкомпонентных реакционно-способных систем согласно настоящему изобретению и систем согласно примерам 1-4, не являющихся объектами изобретения, содержащих только два или три реакционно-способных компонента. Значительное снижение усадки материала происходит даже при включении относительно небольших количеств цемента на основе сульфоалюмината кальция и сульфата кальция в реакционную смесь, содержащую алюмосиликатный минерал и активатор.
[0128] Очень неожиданно было обнаружено, что количество цемента на основе сульфоалюмината кальция в геополимерных вяжущих связующих композициях согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения влияет на степень усадки материала, измеренную после начального схватывания материала. Также неожиданно было обнаружено, что если содержание цемента на основе сульфоалюмината кальция для данного варианта реализации становится выше некоторого значения, происходит увеличение усадки материала после его начального схватывания.
[0129] В таблице D1 приведены количества ингредиентов для некоторых предпочтительных вариантов реализации, в которых отражена способность контролировать усадку композиций после начального схватывания.
[0130] Таблица D1
ТАБЛИЦА D1
Ингредиент
Широкий диапазон
Предпочтительное значение
Более предпочтительное значение
В целом, количество цемента на основе сульфоалюмината кальция на 100 частей по массе термоактивированного алюмосиликатного минерала
1 – 200 частей по массе
от 2.5 до 100 частей по массе
от 5 до 50 частей по массе
Для более эффективного контроля усадки материала, количество цемента на основе сульфоалюмината кальция на 100 частей по массе термоактивированного алюмосиликатного минерала
от 2,5 до 75 частей по массе
от 3,5 до 50 частей по массе
от 5 до 30 частей по массе
Для применений, требующих очень тщательного контроля усадки для предотвращения растрескивания или разрушения, количество цемента на основе сульфоалюмината кальция на 100 частей по массе термоактивированного алюмосиликатного минерала
от 5 до 40 частей по массе
от 5 до 35 частей по массе
от 5 до 30 частей по массе
[0131] Также неожиданно было обнаружено, что количество сульфата кальция, содержащегося в смеси, значительно влияет на степень усадки материала геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения.
[0132] В таблице D2 приведены количества ингредиентов согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, выраженные в виде количества сульфата кальция на 100 частей цемента на основе сульфоалюмината кальция, которые можно применять для контроля усадки материала.
[0133] Таблица D2
ТАБЛИЦА D2
Ингредиент
Широкий диапазон
Предпочтительное значение
Более предпочтительное значение
В целом, количество сульфата кальция на 100 частей по массе цемента на основе сульфоалюмината кальция
от 2 до 200 частей по массе
от 10 до 100 частей по массе
от 20 до 75 частей по массе
Для наиболее эффективного контроля усадки материала геополимерных вяжущих связывающих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, количество сульфата кальция на 100 частей цемента на основе сульфоалюмината кальция
от 2 до 100 частей по массе
от 5 до 75 частей по массе
от 10 до 50 частей по массе
[0134] Было обнаружено, что для данных количеств активатора на основе щелочного металла и других компонентов композиции согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения применение дигидрата сульфата кальция обеспечивает наиболее эффективное контролирование минимизации усадки материала. Применение безводного сульфата кальция (ангидрита) и гемигидрата сульфата кальция также обеспечивает превосходное контролирование снижения усадки материала геополимерных вяжущих связывающих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения. Дигидрат сульфата кальция и безводный сульфат кальция (ангидрит) являются предпочтительными формами сульфата кальция согласно настоящему изобретению. Более предпочтительно сульфат кальция обеспечен в виде мелкодисперсных частиц.
[0135] Неожиданно было обнаружено, что количество активатора на основе щелочного металла значительно влияет на степень усадки материала геополимерных вяжущих связующих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения. В таблице D3 приведены количества ингредиентов, выраженные как количество в % активатора на основе щелочного металла по отношению к массе вяжущих материалов (т.е. термоактивированного алюмосиликатного минерала, цемента на основе сульфоалюмината кальция и сульфата кальция), предпочтительное для обеспечения указанных преимуществ.
[0136] Таблица D3
ТАБЛИЦА D3
Ингредиент
Широкий диапазон
Предпочтительное значение
Более предпочтительное значение
Для наиболее эффективного контроля усадки геополимерных вяжущих связующих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, масс.% активатора на основе щелочного металла относительно общей массы вяжущих материалов (т.е. термоактивированного алюмосиликатного минерала, цемента на основе сульфоалюмината кальция и сульфата кальция)
от 1 до 6% от массы вяжущих материалов
от 1,25% до 4% от массы вяжущих материалов
от 1,5% до 2,5% от массы вяжущих материалов
[0137] Неожиданно было обнаружено, что включение гидравлических цементов на основе силиката кальция, таких как портландцемент, в геополимерные композиции согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения отрицательно влияет на размерную устойчивость полученного материала. Увеличение количества портландцемента, добавляемого в геополимерные композиции согласно указанным вариантам реализации, увеличивает усадку полученных композиций. Увеличение усадки материала в присутствии портландцемента происходит, даже если в указанных вариантах реализации содержатся цемент на основе сульфоалюмината кальция, сульфат кальция и химический активатор на основе щелочного металла. Например, было обнаружено, что включение 15%, 33%, 52% и 74% портландцемента в пересчете на сухую массу от общей массы твердого вяжущего материала (при использовании в настоящем описании «вяжущие материалы» включают сухие компоненты смеси, включая термоактивированный алюмосиликатный минерал, все цементные материалы и сульфат кальция) в реакционно-способные порошковые композиции согласно некоторым вариантам реализации приводило к увеличению свободной усадки материала, измеренной через 8 недель после начального схватывания материала, примерно до 0,15%, 0,23%, 0,31% и 0,48% соответственно.
[0138] Таким образом, в тех вариантах реализации, где приведенная выше степень усадки является проблемой, не желая быть связанными теорией, полагают, что добавление портландцемента отрицательно влияет на синергическое взаимодействие четырех основных реакционно-способных порошков (термоактивированного алюмосиликатного минерала, цемента на основе сульфоалюмината кальция, сульфата кальция и химического активатора нс основе щелочного металла). Таким образом, геополимерные вяжущие композиции согласно тем вариантам реализации, где указанная выше степень усадки является проблемой, предпочтительно не включают количество портландцемента, достаточное для обеспечения указанной нежелательной степени усадки.
[0139] Для получения связующей композиции реакционно-способный порошковый компонент А (термоактивированный алюмосиликатный минерал, цемент на основе сульфоалюмината кальция и сульфат кальция), компонент-активатор В (химический активатор на основе щелочного металла) и воду смешивают с образованием вяжущей суспензии при начальной температуре (температура в течение первой минуты после введения всех ингредиентов в смесь), составляющей от примерно 0°С до примерно 50°С и предпочтительно от примерно 10 до примерно 35°С. В результате происходит реакция геополимеризации, которая приводит к образованию алюмосиликатных геополимерных частиц и схватыванию и отверждению полученного материала. В то же время, происходят реакции гидратации в фазах сульфоалюмината кальция и силиката кальция, приводящие к схватыванию и отверждению полученного материала.
[0140] Для обеспечения свежеприготовленной смеси, подходящей для обработки, и получения прочного и долговечного материала в отвержденном состоянии геополимерные композиции с устойчивыми размерами согласно некоторым предпочтительным вариантам реализации настоящего изобретения имеют очень низкую водопотребность.
[0141] Предпочтительное массовое отношение вода/общее количество твердых веществ в геополимерных вяжущих связующих материалах с устойчивыми размерами согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения в отсутствие крупных заполнителей составляет от примерно 0,04 до примерно 0,25, предпочтительно от примерно 0,04 до примерно 0,20, более предпочтительно от примерно 0,05 до примерно 0,175 и наиболее предпочтительно от примерно 0,05 до примерно 0,15. Предпочтительное отношение вода/общее количество твердых веществ в геополимерных связующих материалах с устойчивыми размерами согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения в присутствии крупного заполнителя предпочтительно составляет менее чем примерно 0,125, более предпочтительно менее чем примерно 0,10 и наиболее предпочтительно менее чем примерно 0,075. Твердые вещества в целом включают вяжущие материалы, заполнители (такие как песок и другие заполнители), наполнители и другие твердые добавки, не содержащие воду.
[0142] Для химической гидратации и реакций геополимеризации алюмосиликатов согласно указанным вариантам реализации обеспечено минимальное количество воды. Предпочтительно в суспензии массовое отношение воды к порошковым вяжущим материалам составляет от примерно 0,17 до примерно 0,40, более предпочтительно от примерно 0,2 до примерно 0,35, еще более предпочтительно от примерно 0,22 до 0,3. Используемые в настоящем описании «вяжущие материалы» определены как термоактивированный алюмосиликатный минерал, цемент на основе сульфоалюмината кальция и сульфат кальция, а также какие-либо дополнительные цементы, которые можно добавлять в реакционную смесь. Количество воды зависит от требований, предъявляемых отдельными материалами, присутствующими в вяжущей композиции.
[0143] Схватывание композиции согласно указанным вариантам реализации характеризуется временами начального и окончательного схватывания, измеряемыми с использованием игл Гилмора, что указано в методике испытания ASTM C266. Время окончательного схватывания также соответствует периоду времени, в течение которого бетонный продукт, например, бетонная панель, затвердевает достаточным образом, чтобы его можно было использовать.
[0144] В целом, реакции геополимеризации с участием термоактивированного алюмосиликатного минерала, такого как зольная пыль, являются экзотермическими. Снова, в некоторых вариантах реализации неожиданно было обнаружено, что зольная пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, сульфат кальция и химический активатор на основе щелочного металла взаимодействуют синергическим образом друг с другом в рамках реакции геополимеризации, что значительно снижает скорость реакции и количество теплоты, высвобождаемой материалом, в котором происходит экзотермическая реакция. Соответствующий выбор типа и количества сульфата кальция, количества цемента на основе сульфоалюмината кальция и соответствующий выбор химического активатора на основе щелочного металла и его количества являются эффективными для снижения и минимизации скорости реакции и количества теплоты, высвобождаемой при прохождении экзотермической реакции.
[0145] В целом, реакция геополимеризации термоактивированного алюмосиликатного минерала, такого как зольная пыль, также происходит с высокой скоростью и приводит к быстрому загустению и схватыванию материала. Как правило, если зольная пыль отдельно взаимодействует с химическим активатором на основе щелочного металла в соответствии с уровнем техники, загустение материала начинается в течение 2-3 минут, и окончательное схватывание происходит менее чем через 10 минут после получения водной смеси.
[0146] В предпочтительных вариантах реализации настоящего изобретения неожиданно было обнаружено, что термоактивированный алюмосиликатный минерал, такой как зольная пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, сульфат кальция и химический активатор на основе щелочного металла взаимодействуют друг с другом синергическим образом в рамках реакции геополимеризации, что значительно увеличивает время загустения и время окончательного схватывания полученного материала. Соответствующий выбор типа и количества сульфата кальция, количества цемента на основе сульфоалюмината кальция и соответствующий выбор химического активатора на основе щелочного металла и его количества увеличивают скорость и время загустения и время окончательного схватывания полученного материала.
[0147] Было обнаружено, что для данного количества активатора на основе щелочного металла в указанных вариантах реализации увеличение количества сульфата кальция приводит к увеличению времени загустения и окончательного схватывания полученных геополимерных вяжущих связующих композиций. Кроме того, было обнаружено, что для данного количества активатора на основе щелочного металла в указанных вариантах реализации увеличение размера частиц сульфата кальция приводит к увеличению времени загустения и окончательного схватывания полученных геополимерных вяжущих связующих композиций. Кроме того, было обнаружено, что среди различных типов сульфата кальция в композициях согласно настоящему изобретению гемигидрат сульфата кальция обеспечивает самое большое увеличение времени загустения и окончательного схватывания полученных геополимерных вяжущих композиций. В геополимерных вяжущих связующих материалах согласно некоторым предпочтительным вариантам реализации время загустения составляет от примерно 20 до примерно 60 минут, а время окончательного схватывания составляет от примерно 30 до примерно 120 минут. Времена загустения и окончательного схватывания подходят для применения в полевых условиях на практике, так как они обеспечивают более продолжительное открытое время, позволяющее проводить обработку геополимерных вяжущих связующих материалов согласно указанным вариантам реализации.
[0148] Используемая в настоящем описании прочность композиции на ранней стадии отверждения характеризуется измерением прочности на сжатие через 3-5 часов отверждения. Для многих применений относительно высокая прочность на сжатие вяжущего материала на ранней стадии отвержения может быть эффективной, так как она позволяет выдерживать более высокие нагрузки в отсутствие избыточной деформации. Достижение высокой прочности на ранней стадии отверждения также повышает безопасность использования и применения изготовленных продуктов. Кроме того, вследствие достижения высокой прочности на ранней стадии отверждения многие материалы и структуры можно предоставлять для движения транспорта и оставлять для воздействия структурных и неструктурных нагрузок уже на ранней стадии отверждения. Как правило, химические реакции, обеспечивающие нарастание прочности в указанных композициях, протекают в течение продолжительных периодов времени после наступления окончательного схватывания.
[0149] Геополимерные вяжущие связующие материалы согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения обеспечивают очень высокое нарастание прочности на сжатие на ранней стадии отверждения и окончательной прочности на сжатие. Например, геополимерные вяжущие связующие материалы согласно некоторым из указанных вариантов реализации обеспечивают нарастание прочности на сжатие через 1-4 часа от примерно 500 psi (3,4 МПа) до примерно 4000 psi (27,6 МПа), от примерно 1500 psi (10,3 МПа) до примерно 5000 (34 МПа) psi через 24 часа и от примерно 3500 (24,1 МПа) до примерно 10000 (69 МПа) psi через 28 дней.
[0150] В указанных вариантах реализации существенное увеличение прочности на сжатие на ранней стадии отверждения происходит, если количество сульфата кальция составляет от примерно 10% до примерно 50% по массе от массы цемента на основе сульфоалюмината кальция. Также неожиданно было обнаружено, что тип сульфата кальция также значительно влияет на нарастание прочности на сжатие на ранней стадии отверждения (≤ 24 часа) геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения. Было обнаружено, что наибольшее увеличение прочности на сжатие на ранней стадии отверждения происходит при применении безводного сульфата кальция (ангидрита).
[0151] В некоторых вариантах реализации было обнаружено, что применение более мелких частиц сульфата кальция приводит к более быстрому нарастанию прочности на ранней стадии отверждения (≤24 часа). Если очень высокая скорость нарастания прочности является желательной, то предпочтительный средний размер частиц сульфата кальция находится в диапазоне от примерно 1 до примерно 30 микрон, более предпочтительно от примерно 1 до примерно 20 микрон и наиболее предпочтительно от примерно 1 до примерно 10 микрон.
[0152] Вяжущая реакционная смесь
[0153] Вяжущая реакционная смесь согласно некоторым предпочтительным вариантам реализации настоящего изобретения содержит реакционно-способный порошковый компонент А и компонент-активатор В, предпочтительные диапазоны содержания которых приведены в таблице А. Реакционно-способный порошковый компонент А содержит термоактивированный алюмосиликатный минерал, цемент на основе сульфоалюмината кальция и сульфат кальция. Компонент-активатор В содержит химический активатор на основе щелочного металла.
[0154] Предпочтительно вяжущая реакционная смесь содержит от примерно 10 до примерно 40 масс.% извести. Тем не менее, указанную известь необязательно добавлять отдельно. Напротив, иногда ее включают в качестве химического компонента термоактивированного алюмосиликатного минерала.
[0155] Помимо термоактивированного алюмосиликатного минерала, цемента на основе сульфоалюмината кальция и сульфата кальция вяжущий реакционно-способный порошок может включать от примерно 0 до примерно 5% необязательных вяжущих добавок, таких как портландцемент. Тем не менее, предпочтительным является отсутствие портландцемента, так как его включение увеличивает усадку материала, что уменьшает размерную устойчивость материала.
[0156] Зольная пыль класса С и другие термоактивированные алюмосиликатные минералы
2
3
[0157] Термоактивированные алюмосиликатные минералы согласно некоторым вариантам реализации выбраны из группы, состоящей из зольной пыли, доменного шлака, термоактивированных глин, сланцев, метакаолина, цеолитов, известковых глин, красного шлама, молотого камня и измельченного необожженного кирпича. Предпочтительно, содержание в них AlO составляет более чем примерно 5% по массе. Как правило, глину или известковую глину применяют после термической активации путем нагревания при температурах от примерно 600° до примерно 850°С. Предпочтительные термоактивированные алюмосиликатные минералы согласно указанным вариантам реализации настоящего изобретения имеют высокое содержание извести (CaO), предпочтительно составляющее более чем примерно 10 масс.%, более предпочтительно более чем примерно 15% и наиболее предпочтительно более чем примерно 20%. Наиболее предпочтительным термоактивированным алюмосиликатным минералом является зольная пыль класса С, например, зольная пыль, производимая на угольных электростанциях. Зольная пыль также может обладать свойствами пуццоланов.
[0158] Согласно ASTM C618 (2008) пуццолановые материалы определены как «кремнийсодержащие или кремний- и алюминийсодержащие материалы, которые сами по себе обладают незначительными вяжущими характеристиками или не имеют их, но в мелкодисперсной форме в присутствии влаги вступают в химическое взаимодействие с гидроксидом кальция при обычной температуре с образованием соединений, обладающих вяжущими характеристиками».
[0159] Зольная пыль является предпочтительным термоактивированным алюмосиликатным минералом в вяжущих реакционных порошковых смесях согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения. Зольная пыль, имеющая высокое содержание оксида кальция и алюмината кальция (такая как зольная пыль класса С согласно стандарту ASTM C618 (2008)), является предпочтительной, что объяснено ниже.
[0160] Зольная пыль представляет собой мелкодисперсный порошковый побочный продукт, образующийся при сгорании угля. Котлы электростанций, в которых сжигают угольную пыль, вырабатывают большую часть коммерчески доступной зольной пыли. Указанная зольная пыль состоит, главным образом, из стекловидных сферических частиц, а также остатков гематита и магнетита, кокса и некоторых кристаллических фаз, образующихся при охлаждении. Структура, состав и свойства частиц зольной пыли зависят от структуры и состава угля и от способов сжигания, при помощи которых получают зольную пыль. Согласно стандарту ASTM C618 (2008) выделяют два основных класса зольной пыли для применения в бетонах – класс С и класс F. Два указанных класса зольной пыли, в целом, получают из различных видов угля, отличающихся способами образования угля в течение различных геологических периодов. Зольную пыль класса F обычно получают при сгорании антрацита или битуминозного угля, тогда как зольную пыль класса С обычно получают из лигнита или суббитуминозного угля.
2
2
3
2
3
2
2
3
2
3
[0161] Стандарт ASTM C618 (2008) проводит различия между зольной пылью класса F и класса C, главным образом, в соответствии с их пуццолановыми свойствами. Соответственно, в стандарте ASTM C618 (2008), основным различием в спецификациях зольной пыли класса F и зольной пыли класса С является минимальный предел содержания SiO+AlO+FeO в композиции. Минимальный предел содержания SiO+AlO+FeO для зольный пыли класса F составляет 70%, а для зольной пыли класса С составляет 50%. Таким образом, зольная пыль класса F обладает более выраженными пуццолановыми свойствами по сравнению с зольной пылью класса С. Хотя это явным образом и не отражено в стандарте ASTM C618 (2008) зольная пыль класса С предпочтительно имеет более высокое содержание оксида кальция (извести).
[0162] Зольная пыль класса С обычно обладает вяжущими свойствами в дополнение к свойствам пуццоланов за счет содержания извести (оксида кальция). Зольная пыль класса F в редких случаях является вяжущей при смешении исключительно с водой. Наличие большого количества оксида кальция наделяет зольную пыль класса С вяжущими свойствами за счет образования гидратов силиката кальция и алюмината кальция при смешении с водой. Как будет видно в приведенных ниже примерах, зольная пыль класса С обеспечивает улучшенные результаты согласно предпочтительным вариантам реализации настоящего изобретения.
[0163] В указанных вариантах реализации термоактивированный алюмосиликатный минерал содержит зольную пыль класса С, предпочтительно от примерно 50 до примерно 100 частей зольной пыли класса С на 100 частей по массе термоактивированного алюмосиликатного минерала, более предпочтительно термоактивированный алюмосиликатный минерал содержит от примерно 75 частей до примерно 100 частей зольной пыли класса С на 100 частей термоактивированного алюмосиликатного минерала.
[0164] В указанных или других предпочтительных вариантах реализации также можно применять и другие типы зольной пыли, такие как зольная пыль класса F. Предпочтительно примерно 50 масс.% термоактивированного алюмосиликатного минерала, входящего в состав вяжущего реакционно-способного порошка, составляет зольная пыль класса С, а оставшуюся часть составляет зольная пыль класса F или любой другой термоактивированный алюмосиликатный минерал. Более предпочтительно от примерно 55 до примерно 75 масс.% термоактивированного алюмосиликатного минерала, входящего в состав вяжущего реакционно-способного порошка, составляет зольная пыль класса С, а оставшуюся часть составляет зольная пыль класса F или любой другой термоактивированный алюмосиликатный минерал. Предпочтительно термоактивированный алюмосиликатный минерал содержит от примерно 90 до примерно 100% зольной пыли класса С, например, 100% зольной пыли класса С.
[0165] Средний размер частиц термоактивированных алюмосиликатных минералов согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения предпочтительно составляет менее чем примерно 100 микрон, более предпочтительно менее чем примерно 50 микрон, еще более предпочтительно менее чем примерно 25 микрон и наиболее предпочтительно менее чем примерно 15 микрон.
[0166] Предпочтительно связующая смесь согласно настоящему изобретению содержит не более чем примерно 5 частей метакаолина на 100 частей термоактивированного алюмосиликатного минерала. Более предпочтительно связующий материал согласно настоящему изобретению не содержит значительные количества метакаолина. Было обнаружено, что присутствие метакаолина увеличивает водопотребность некоторых смесей, таким образом, его применение в геополимерных связующих композициях согласно некоторым предпочтительным вариантам реализации настоящего изобретения является нежелательным.
2
2
2
13
2
2
7
2
3
3
4
2
5
[0167] Минералами, часто встречающимися в составе зольной пыли, помимо прочих являются кварц (SiO), муллит (AlSiO), геленит (CaAlSiO), гематит (FeO), магнетит (FeO). Кроме того, в зольной пыли часто встречаются полиморфные алюмосиликатные минералы, распространенные в горных породах, такие как силлиманит, кианит и андалузит, все из которых имеют молекулярную формулу AlSiO.
[0168] Зольная пыль также может включать сульфат кальция или другой источник сульфатных ионов, которые попадают в смешанную композицию согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения.
[0169] В некоторых предпочтительных вариантах реализации тонкость помола зольной пыли предпочтительно является такой, что менее чем примерно 34% удерживается на сите 325 меш (американская система сит) при исследовании согласно методике ASTM C-311 (2011) («Методика отбора проб и исследования зольной пыли в качестве минеральной примеси бетона на основе портландцемента»). Средний размер частиц материала зольной пыли, подходящей для указанных вариантов реализации, предпочтительно составляет менее чем примерно 50 микрон, более предпочтительно менее чем примерно 35 микрон, еще более предпочтительно менее чем примерно 25 микрон и наиболее предпочтительно менее чем примерно 15 микрон. Указанную зольную пыль предпочтительно выделяют и применяют в сухом виде из-за ее схватывающейся природы.
[0170] Зольная пыль класса С, полученная из суббитуминозного угля имеет типовой состав, приведенный далее в таблице Е. Указанную зольную пыль предпочтительно выделяют и применяют в сухом виде из-за ее схватывающейся природы.
[0171] Таблица Е
ТАБЛИЦА E - Пример подходящей зольной пыли класса С
Компонент
Доля (масс.%)
SiO<sub>2</sub>
20-45
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
10-30
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
3-15
MgO
0,5-8
SO<sub>3</sub>
0,5-5
CaO
15-60
K<sub>2</sub>O
0,1-4
Na<sub>2</sub>O
0,5-6
Потери при прокаливании
0-5
[0172] Предпочтительная подходящая зольная пыль класса F имеет состав, приведенный далее в таблице F.
[0173] Таблица F
ТАБЛИЦА F - Предпочтительная подходящая зольная пыль класса F
Компонент
Доля (масс.%)
SiO<sub>2</sub>
50-70
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
10-40
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
1-10
MgO
0,5-3
SO<sub>3</sub>
0-4
CaO
0-10
K<sub>2</sub>O
0,1-4
Na<sub>2</sub>O
0,1-6
Потери при прокаливании
0-5
[0174] Гидравлические цементы
[0175] Гидравлические цементы для задач настоящего изобретения представляют собой цемент, вступающий в химическую реакцию схватывания при приведении в контакт с водой (гидратация), который не только схватывается (отверждается) под действием воды, но также образует водонепроницаемый продукт.
[0176] Гидравлические цементы включают, но не ограничиваются ими, алюмосиликатные цементы типа портландцемента, цемент на основе сульфоалюмината кальция, цемент на основе алюмината кальция и цементы на основе фторалюмината кальция.
[0177] Цементы на основе сульфоалюмината кальция (CSA)
4
2
6
4
4
3
[0178] Цемент на основе сульфоалюмината кальция является ингредиентом геополимерных связующих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения. Цементы на основе сульфоалюмината кальция (CSA) принадлежат к классу цементов, отличному от цемента на основе алюмината кальция (CAC) или гидравлических цементов на основе силиката кальция, например, портландцемента. Цементы на основе CSA представляют собой гидравлические цементы на основе сульфоалюмината кальция, но не алюминатов кальция, которые являются основой для цемента на основе CAC, или силикатов кальция, которые являются основой портландцемента. Цементы на основе сульфоалюмината кальция получают из клинкеров, включающих йелимит (Ca(AlO)SO или CAŠ) в качестве основной фазы.
2
4
4
2
6
4
4
3
[0179] Другие основные фазы, содержащиеся в предпочтительном цементе на основе сульфоалюмината кальция, могут включать один или более из следующих материалов: силикат дикальция (CS), алюмоферрит тетракальция (CAF) и сульфат кальция (CŠ). Относительно низкие требования к количеству извести для цементов на основе сульфоалюмината кальция по сравнению с портландцементом снижают потребление энергии и выбросы парниковых газов при производстве цемента. Действительно, цементы на основе сульфоалюмината кальция можно изготавливать при температурах примерно на 200°С ниже чем портландцемент, что, таким образом, дополнительно снижает расход энергии и выбросы парниковых газов. Количество фазы йелимита (Ca(AlO)SO или CAŠ), содержащегося в цементах на основе сульфоалюмината кальция, подходящее для некоторых вариантов реализации согласно настоящему изобретению предпочтительно составляет от примерно 20 до примерно 90 масс.%, более предпочтительно от примерно 30 до примерно 75 масс.% и наиболее предпочтительно от примерно 40 до примерно 60 масс.%.
[0180] Предпочтительные композиции согласно настоящему изобретению содержат от примерно 1 до примерно 200 частей, более предпочтительно от примерно 2,5 до примерно 100 частей, еще более предпочтительно от примерно 2,5 до примерно 50 частей и еще более предпочтительно от примерно 5 до примерно 30 частей по массе цемента на основе сульфоалюмината кальция, м.д. на 100 м.д. термоактивированного алюмосиликатного минерала.
4
2
6
4
4
3
[0181] Количество цемента на основе сульфоалюмината кальция, применяемого в композициях согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, регулируют с учетом количества активной фазы йелимита (Ca(AlO)SO или CAŠ), присутствующей в цементе на основе CSA.
[0182] Портландцемент
[0183] Геополимерные композиции с устойчивыми размерами согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, содержащие алюмосиликатный минерал, химический активатор на основе щелочного металла, цемент на основе сульфоалюмината кальция и сульфат кальция, обладают очень низкими значениями усадки материала. Логичным образом, вполне естественно можно ожидать, что если в смесь согласно настоящему изобретению дополнительно включить другой связующий материал с хорошей размерной устойчивостью, то общая усадка материала и размерная устойчивость полученной композиции останется на низком и приемлемом уровне. Например, было определено, что усадка вяжущих композиций на основе только портландцемента примерно на порядок ниже усадки геополимерных связующих материалов, состоящих из зольной пыли, активированной цитратом щелочного металла. Тем не менее, очень неожиданно было обнаружено, что добавление портландцемента в композиции с устойчивыми размерами согласно настоящему изобретению, содержащие алюмосиликатный минерал, химический активатор на основе щелочного металла, цемент на основе сульфоалюмината кальция и сульфат кальция, отрицательно влияет на характеристики усадки полученных композиций. Было обнаружено, что добавление портландцемента в геополимерные композиции согласно настоящему изобретению увеличивает усадку полученных композиций. Наблюдаемая величина усадки увеличивается при увеличении количества портландцемента в полученных композициях. Такой результат является крайне неожиданным и удивительным, и он подчеркивает сложную природу химических взаимодействий, происходящих при включении других типов цементов и/или химических добавок в геополимерные связующие композиции с устойчивыми размерами согласно настоящему изобретению. С учетом указанной информации согласно некоторым предпочтительным вариантам реализации настоящего изобретения портландцемент не включают вообще. Тем не менее, подразумевается, что при желании некоторое количество портландцемента можно применять в некоторых вариантах реализации в тех ситуациях, где некоторое увеличение усадки может быть приемлемым. Практическое ограничение количества портландцемента зависит от уровня приемлемого отрицательного воздействия на усадку, но в некоторых предпочтительных вариантах реализации настоящего изобретения включают не более чем примерно 15 частей по массе портландцемента на 100 частей по массе термоактивированного алюмосиликатного минерала.
[0184] Низкая стоимость и широкая доступность известняка, сланца и других природных материалов сделали портландцемент одним из самых дешевых материалов, широко применяемых за последнее столетие по всему миру.
[0185] Используемый в настоящем описании «портландцемент» представляет собой гидравлический цемент на основе силиката кальция. ASTM C150 определяет портландцемент как «гидравлический цемент (цемент, который не только отверждается при взаимодействии с водой, но также образует водонепроницаемый продукт), получаемый путем измельчения клинкеров, состоящих по существу из гидравлических силикатов кальция, обычно содержащих одну или более форм сульфата кальция в качестве добавки, введенной при измельчении». Используемые в настоящем описании «клинкеры» представляют собой зерна (диаметром от примерно 0,2 до примерно 1,0 дюйма [5-25 мм]) спеченного материала, получаемого в результате нагревания до высокой температуры сырьевой смеси, имеющей предварительно определенный состав.
[0186] Цемент на основе алюмината кальция
[0187] Цемент на основе алюмината кальция (CAC) представляет собой другой тип гидравлического цемента, который может являться компонентом реакционной порошковой смеси согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, где не требуются особенно высокие значения прочности на сжатие, совместно с суспензиями с низким содержанием воды, содержащими существенные количества зольной пыли.
2
2
[0188] Цемент на основе алюмината кальция (CAC) также традиционно называют алюминистым цементом или цементом с высоким содержанием оксида алюминия. Цементы на основе алюмината кальция имеют высокое содержание оксида алюминия, предпочтительно примерно 30-45 масс.%. Цементы на основе алюмината кальция с более высокой степенью чистоты, в которых содержание оксида алюминия может находиться в пределах диапазона с верхним пределом примерно 80 масс.%, также являются коммерчески доступными. Указанные цементы на основе алюмината кальция с более высокой степенью чистоты обычно являются очень дорогими по сравнению с другими цементами. Цементы на основе алюмината кальция, применяемые в композициях согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения являются тонкоизмельченными, что способствует поступлению алюминатов в водную фазу, таким образом, мгновенно может происходить образование эттрингита и гидратов других алюминатов кальция. Площадь поверхности цемента на основе алюмината кальция, подходящего для указанных вариантов реализации, составляет более чем примерно 3000 см/грамм и предпочтительно от примерно 4000 до примерно 6000 см/грамм при измерении при помощи метода определения площади поверхности по Блейну (ASTM C204).
[0189] По всему миру для получения цемента на основе сульфоалюмината кальция применяют несколько способов производства. Предпочтительно основным сырьем, применяемым для производства цемента на основе алюмината кальция, являются боксит и известняк. Один из способов производства цемента на основе алюмината кальция описан далее. Сначала бокситную руду разрушают и сушат, затем измельчают совместно с известняком. Затем сухой порошок, содержащий боксит и известняк, подают во вращающуюся печь. В качестве топлива в печи применяют измельченный малозольный уголь. В печи происходит взаимодействие между бокситом и известняком, расплавленный продукт собирают в нижней зоне печи и выливают в ванну, установленную на дне. Расплавленный клинкер гасят водой для получения гранулята клинкеров, который затем укладывают в штабеля. Полученный гранулят затем измельчают до желаемой тонкости помола с получением конечного цемента.
2
3
2
3
12
7
2
3
2
2
2
2
3
2
2
2
3
2
3
2
2
3
2
3
4
2
3
2
3
6
2
2
3
2
3
6
2
2
[0190] Как правило, в процессе производства цемента на основе алюмината кальция могут образовываться несколько алюминатных соединений кальция. Основным получаемым соединением часто является алюминат монокальция (CaO⋅AlO, также называемый CA). Другие образующиеся алюминатные и силикатные соединения кальция могут включать 12CaO⋅7AlO, также называемый CA, CaO⋅2AlO, также называемый CA, силикат дикальция (2CaO⋅SiO, называемый CS), алюминат-силикат дикальция (2CaO⋅AlO⋅SiO, называемый CAS). Также могут образовываться некоторые другие соединения, содержащие относительно высокое количество оксидов железа. Указанные соединения включают ферриты кальция, такие как CaO⋅FeO, или CF, и 2CaO⋅FeO, или CF, и алюмоферриты кальция, такие как алюмоферрит тетракальция (4CaO⋅AlO⋅FeO или CAF), 6CaO⋅AlO⋅2FeO или CAF) и 6CaO⋅2AlO⋅FeO или CAF). Другие неосновные компоненты, часто содержащиеся в цементе на основе алюмината кальция, включают оксид магния (MgO), оксид титана (TiO), сульфаты и щелочи.
2
3
2
3
12
7
2
3
12
7
[0191] Цементы на основе алюмината кальция часто имеют одну или более из вышеуказанных фаз. Цементы на основе алюмината кальция, содержащие в качестве преобладающих фаз алюминат монокальция (CaO⋅AlOили CA) и/или гептаалюминат додекакальция (12CaO⋅7AlO или CA), являются особенно предпочтительными согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения. Кроме того, фазы алюмината кальция могут быть доступны в кристаллической форме и/или аморфной форме. CIMENTFONDU (или HAC FONDU), SECAR 51 и SECAR 71 являются одними из примеров коммерчески доступных цементов на основе алюмината кальция, содержащих алюминат монокальция (CA) в качестве основной цементной фазы. TERNAL EV является примером коммерчески доступного цемента на основе алюмината кальция, содержащего гептаалюминат додекакальция (12CaO⋅7AlO или CA) в качестве преобладающей цементной фазы.
[0192] Если цементы на основе алюмината кальция (CAC) применяют в настоящем изобретении, они могут отчасти замещать цемент на основе сульфоалюмината кальция. Количество цемента на основе алюмината кальция, вводимого в качестве заменителя, в композиции согласно некоторым вариантам реализации составляет примерно до 49 масс.% от общей массы цемента на основе сульфоалюмината кальция и цемента на основе алюмината кальция.
[0193] Фторалюминат кальция
2
3
2
2
3
2
[0194] Фторалюминат кальция имеет химическую формулу 3CaO⋅3AlO⋅CaF. В целом, фторалюминат кальция получают путем смешения извести, боксита и плавикового шпата в таких количествах, что конечный минерал приобретает состав 3CaO⋅3AlO⋅CaF, и сжигания полученной смеси при температуре 1200°-1400°С. Цементы на основе фторалюмината кальция необязательно можно применять в настоящем изобретении, но в целом для многих вариантов реализации они не являются предпочтительными.
[0195] Сульфат кальция
[0196] Сульфат кальция является ингредиентом геополимерных связующих композиций согласно конкретным вариантам реализации настоящего изобретения. Несмотря на то что сульфат кальция, например, дигидрат сульфата кальция, взаимодействует с водой, он не образует водонепроницаемых продуктов, и для задач настоящего изобретения его не рассматривают как гидравлический цемент. Предпочтительные типы сульфата кальция, подходящие для настоящего изобретения, включают дигидрат сульфата кальция, гемигидрат сульфата кальция и безводный сульфат кальция (иногда называемый ангидрит сульфата кальция). Указанные сульфаты кальция можно получать из природных источников или промышленными методами. При применении, обсуждаемом в настоящем описании, сульфаты кальция могут взаимодействовать синергичным образом с другими основными компонентами вяжущих композиций согласно предпочтительным вариантам реализации настоящего изобретения и тем самым способствуют минимизации усадки материала и при этом наделяют материал другими подходящими свойствами.
[0197] Различные морфологические формы сульфата кальция можно эффективно применять в различных вариантах реализации настоящего изобретения. Было обнаружено, что свойства геополимерных связующих материалов и композитов согласно указанным вариантам реализации настоящего изобретения значительно зависят от применяемого типа сульфата кальция, от его химического состава, размера частиц, морфологии кристаллов и химической и термической обработки. Помимо других свойств характеристики схватывания, скорость нарастания прочности, окончательную прочность на сжатие, характеристики усадки и стойкость к растрескиванию геополимерных связующих материалов согласно указанным вариантам реализации можно регулировать за счет выбора соответствующего источника сульфата кальция для состава. Таким образом, выбор типа сульфата кальция, применяемого в композициях согласно указанным вариантам реализации, основан на балансе свойств, предполагаемых для конечного применения.
[0198] Несмотря на то что все три формы сульфата кальция (главным образом, гемигидрат, дигидрат и ангидрит) подходят для применения в четырехкомпонентных реакционных смесях согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения для обеспечения преимуществ продолжительного времени схватывания и более высокой прочности на сжатие по сравнению с примерами сравнения 1-4, приведенными ниже, содержащими только два или три реакционно-способных компонента, было обнаружено, что три различные формы сульфата кальция обладают различным и неожиданным действием на время схватывания и прочность на сжатие по сравнению друг с другом согласно различным вариантам реализации настоящего изобретения.
[0199] Хорошо известно, что химической формой сульфата кальция с наиболее высокой растворимостью является гемигидрат, формой с относительно более низкой растворимостью является дигидрат и относительно нерастворимой формой является ангидрит. Известно, что все три формы сами по себе схватываются (образуют матрицы дигидратированной химической формы) в водной среде в соответствующих условиях, и, как известно, времена схватывания и прочность на сжатие отвержденных форм соответствуют порядку значений растворимости указанных форм. Например, при прочих равных условиях, при использовании в качестве единственного схватывающегося материала гемигидрат, как правило, имеет самое короткое время схватывания, а ангидрит имеет самое продолжительное время схватывания (как правило, очень продолжительное время схватывания).
[0200] Достаточно неожиданно было обнаружено, что варианты реализации, в которых применяют главным образом или исключительно гемигидрат сульфата кальция, обладают самыми продолжительными временами схватывания, тогда как варианты реализации, в которых применяют главным образом или исключительно ангидрит сульфата кальция, имеют самые короткие времена схватывания. Также неожиданно, что различные варианты реализации, в которых применяют главным образом или исключительно безводный сульфат кальция (ангидрит), обладают более высокой прочность на сжатие на ранней стадии отверждения по сравнению с вариантами реализации, в которых применяют главным образом дигидратированную форму.
[0201] В геополимерных композициях согласно другим вариантам реализации для модификации времени схватывания и прочности на сжатие на ранней стадии отверждения композиций по сравнению с теми вариантами реализации, в которых применяют главным образом или исключительно один тип сульфата кальция, также можно применять смесь двух или более типов сульфата кальция. При использовании указанной смеси применяемые типы сульфата кальция можно изменять в зависимости от их химического состава, размера частиц, формы и морфологии кристаллов и/или обработки поверхности.
[0202] Было обнаружено, что размер частиц и морфология применяемого сульфата кальция значительно влияют на нарастание прочности на ранней стадии отверждения и окончательной прочности геополимерных вяжущих связующих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения. В целом, было обнаружено, что более мелкие частицы сульфата кальция обеспечивают более быстрое нарастание прочности на ранней стадии отверждения. Если желательным является очень быстрое нарастание прочности, предпочтительный средний размер частиц сульфата кальция находится в диапазоне от примерно 1 до примерно 100 микрон, более предпочтительно от примерно 1 до примерно 50 микрон и наиболее предпочтительно от примерно 1 до примерно 20 микрон. Кроме того, также было обнаружено, что сульфаты кальция с более мелкодисперсными частицами снижают усадку материала.
[0203] Кроме того, было обнаружено, что для данного количества цемента на основе сульфоалюмината кальция и других содержащихся компонентов сырья увеличение (но не до избыточного количества) количества сульфата кальция приводит к увеличению прочности на сжатие на ранней стадии отверждения геополимерных связующих материалов согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения. Наиболее значительное увеличение прочности на сжатие на ранней стадии отверждения происходит, если количество сульфата кальция составляет от примерно 10 до примерно 50% по массе от массы цемента на основе сульфоалюмината кальция.
[0204] Также неожиданно было обнаружено, что отношение количества сульфата кальция к цементу на основе сульфоалюмината кальция значительно влияет на степень усадки материала геополимерных композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения. Предпочтительно в указанных вариантах реализации количество сульфата кальция составляет от примерно 5 до примерно 200 частей по массе на 100 частей по массе цемента на основе сульфоалюмината кальция. Для наиболее эффективного контролирования усадки материала геополимерных композиций согласно указанным вариантам реализации количество сульфата кальция составляет от примерно 10 до примерно 100 частей по массе на 100 частей по массе цемента на основе сульфоалюмината кальция, более предпочтительно от примерно 15 до примерно 75 частей по массе на 100 частей по массе цемента на основе сульфоалюмината кальция и наиболее предпочтительно от примерно 20 до примерно 50 частей по массе на 100 частей по массе цемента на основе сульфоалюмината кальция.
[0205] Было обнаружено, что для данных количеств активатора на основе щелочного металла и других компонентов сырья в композиции согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения применение дигидрата сульфата кальция обеспечивает наиболее эффективное контролирование минимизации усадки материала. Применение безводного сульфата кальция (ангидрита) и гемигидрата сульфата кальция также обеспечивало превосходное контролирование снижения усадки материала геополимерных вяжущих связующих композиций согласно указанным вариантам реализации.
[0206] Выбор типа или типов сульфата кальция, применяемого в композициях согласно указанным вариантам реализации основан на желаемой скорости нарастания прочности на ранней стадии отверждения, контроле усадки и балансе других свойств, предполагаемых для конечного применения.
[0207] Часть или полное количество сульфата кальция можно добавлять в качестве добавки цемента на основе сульфоалюмината кальция в композиции согласно многим указанным вариантам реализации. В этом случае количество сульфата кальция, добавляемого в композицию отдельно, снижают эквивалентно количеству, включенному в цемент на основе сульфоалюмината кальция.
[0208] Сульфат кальция также может быть включен в зольную пыль согласно некоторым вариантам реализации композиции. В этом случае можно снижать количество сульфата кальция, добавляемого в композицию отдельно.
[0209] Количество сульфата кальция, добавляемого в композиции согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения отдельно, можно регулировать с учетом доступности сульфатных ионов, обеспечиваемых другими ингредиентами, присутствующими в смеси.
[0210] Пуццоланы
[0211] В качестве необязательных минеральных добавок в композиции согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения можно включать другие необязательные силикатные и алюмосиликатные минералы, представляющие собой пуццоланы, которые сами по себе обладают существенными, незначительными вяжущими свойствами в водной среде или не обладают ими. Различные природные и искусственные материалы называют пуццолановыми материалами, обладающими свойствами пуццоланов. Некоторые примеры пуццолановых материалов включают кварцевую пыль, пемзу, перлит, диатомитовую землю, тонкоизмельченную глину, тонкоизмельченный сланец, тонкоизмельченный кремнистый сланец, тонкоизмельченное стекло, вулканический туф, трасс и рисовую шелуху. Все указанные пуццолановые материалы можно применять по отдельности или объединять в составе вяжущего реакционно-способного порошка согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения.
[0212] Наполнители-заполнители, неорганические минеральные наполнители и легкие наполнители
[0213] Несмотря на то что предложенная вяжущая порошковая реакционная смесь определяет быстро схватывающиеся компоненты вяжущей композиции согласно многим вариантам реализации настоящего изобретения, специалисты в данной области техники должны понимать, что в композицию можно включать и другие материалы в зависимости от предполагаемого использования и применения.
[0214] Один или более наполнителей, таких как песок, мелкодисперсный заполнитель, крупный заполнитель, неорганические минеральные наполнители, легкие наполнители, можно применять в качестве компонента геополимерных составов согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения. В указанных вариантах реализации указанные наполнители предпочтительно не являются пуццоланами или термоактивированными алюмосиликатными минералами.
[0215] Предпочтительными неорганическими минеральными наполнителями согласно указанным вариантам реализации являются доломит, известняк, карбонат кальция, измельченная глина, сланец, кремнистый сланец, слюда и тальк. В целом, указанные наполнители имеют мелкодисперсные частицы, где предпочтительный средний диаметр частиц в композициях согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения составляет менее чем примерно 100 микрон, предпочтительно менее чем примерно 50 микрон и наиболее предпочтительно менее чем примерно 25 микрон. Смектитовые глины и палыгорскит, а также их смеси, используемые в существенных количествах, не рассматривают как подходящие неорганические минеральные наполнители для задач настоящего изобретения.
[0216] Используемый в настоящем описании мелкозернистый заполнитель или песок определяют как неорганический каменный материал, как правило, имеющий средний размер частиц менее чем примерно 4,75 мм (0,195 дюйма) (хотя в зависимости от применения можно использовать и другие размеры). Предпочтительно песок согласно настоящему изобретению имеет средний размер частиц от примерно 0,1 мм до примерно 2 мм. Мелкодисперсный песок со средним размером частиц, составляющим примерно 1 мм или менее, является предпочтительным наполнителем согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения.
[0217] Песок, имеющий максимальный диаметр частиц, составляющий примерно 0,6 мм, предпочтительно не более чем примерно 0,425 мм, и средний диаметр частиц в диапазоне от примерно 0,1 до примерно 0,5 мм, предпочтительно от примерно 0,1 мм до примерно 0,3 мм, применяют в других вариантах реализации настоящего изобретения. Примеры предпочтительного мелкодисперсного песка включают QUIKRETE FINE No. 1961 и UNIMIN 5030, преобладающий размер частиц которых находится в диапазоне номеров по американской системе сит #70 - #30 (0,2-0,6 мм).
[0218] Распределение частиц по размерам и количество песка в составе способствует контролированию текучести вариантов реализации, в которые включен песок. Мелкодисперсный песок можно добавлять в геополимерные вяжущие композиции согласно некоторым вариантам реализации при отношении песок/вяжущие материалы (реакционно-способный порошок), составляющем от примерно 0,05 до примерно 4. Если желательно достижение текучести материала, обеспечивающей его самостоятельное выравнивание, наиболее желательное отношение песка к вяжущим материалам в составе находится в диапазоне от примерно 0,50 до примерно 2, наиболее предпочтительно от примерно 0,75 до примерно 1,5.
[0219] Крупный заполнитель определяют как неорганический каменный материал со средним размером частиц по меньшей мере примерно 4,75 мм (0,195 дюйма), например, от примерно 1/4' дюйма до примерно 1-1/2 дюйма (от 0,64 до 3,81 см) (хотя в зависимости от применения можно использовать и другие размеры). Заполнители с размером более чем примерно 1-1/2 дюйма (3,81 см) также можно использовать для некоторых применений, например, для бетонных дорожных покрытий. Форма и текстура частиц крупных заполнителей может иметь различные конфигурации, такие как угловатые формы, формы с грубой текстурой, продолговатые, скругленные или гладкие формы или их комбинацию.
[0220] Предпочтительные крупные заполнители получают из минералов, таких как гранит, базальт, кварц, риолит, андезит, туф, пемза, известняк, доломит, песчаник, мрамор, роговик, халцедон, граувакка, кремнистый сланец и/или гнейс. Крупные заполнители, подходящие для некоторых вариантов реализации настоящего изобретения, предпочтительно соответствуют спецификациям, приведенным в стандартах ASTM C33 (2011) и AASHTO M6/M80 (2008).
[0221] При включении крупных заполнителей в геополимерные вяжущие композиции согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения их предпочтительно применяют при отношении заполнителя к вяжущим материалам (реакционно-способный порошок), составляющем от примерно 0,25 до примерно 5. Некоторые варианты реализации настоящего изобретения содержат крупный заполнитель, где отношение крупного заполнителя к вяжущим материалам составляет от примерно 0,25 до примерно 1. Некоторые другие варианты реализации настоящего изобретения содержат крупный заполнитель, где отношение крупного заполнителя к вяжущим материалам составляет от примерно 1 до примерно 3.
[0222] Легкие наполнители имеют относительную плотность менее чем примерно 1,5, предпочтительно менее чем примерно 1, более предпочтительно менее чем примерно 0,75 и наиболее предпочтительно менее чем примерно 0,5. В некоторых других предпочтительных вариантах реализации настоящего изобретения относительная плотность легких наполнителей составляет менее чем примерно 0,3, более предпочтительно менее чем примерно 0,2 и наиболее предпочтительно менее чем примерно 0,1. В противоположность этому, неорганические минеральные наполнители предпочтительно имеют относительную плотность более чем примерно 2,0. Примерами подходящих легких наполнителей являются пемза, вермикулит, вспученные формы глины, сланец, кремнистый сланец и перлит, вулканический шлак, вспученный шлак, топочный шлак, стеклянные микросферы, синтетические керамические микросферы, полые керамические микросферы, легкие полистирольные гранулы, пластиковые полые микросферы, пористые пластиковые гранулы и т.д. Пористые пластиковые гранулы и полые пластиковые сферы при использовании в композиции согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения применяют в соответствующих массовых количествах с учетом их относительно низкой относительной плотности и конкретного применения.
[0223] При применении легких наполнителей для снижения массы некоторых вариантов реализации настоящего изобретения их можно использовать, например, при отношении наполнителя к вяжущим материалам (реакционно-способный порошок), составляющем от примерно 0,01 до примерно 2, предпочтительно от примерно 0,01 до примерно 1. Комбинация двух или более типов легких наполнителей также может подходить для указанных вариантов реализации настоящего изобретения.
[0224] Несмотря на то что некоторые варианты реализации настоящего изобретения содержат только песок в качестве добавляемого наполнителя, другие варианты реализации содержат песок и неорганические минеральные наполнители и/или легкий наполнитель. В других вариантах реализации в качестве добавляемых наполнителей можно применять неорганический минеральный наполнитель и легкие наполнители. Кроме того, другие варианты реализации включают в качестве добавляемых наполнителей песок, неорганический минеральный наполнитель и легкий наполнитель. Другие варианты реализации содержат только неорганические минеральные наполнители или легкие наполнители и не содержат песок, мелкозернистый заполнитель или крупный заполнитель. Варианты реализации согласно настоящему изобретению, содержащие крупный заполнитель, кроме того могут включать или не включать один или более из следующих наполнителей – песок, легкий наполнитель и неорганический минеральный наполнитель. Другие варианты реализации по существу не содержат какие-либо добавляемые наполнители.
[0225] Химические активаторы на основе щелочных металлов
[0226] Соли и основания щелочных металлов являются подходящими химическими активаторами для активации реакционно-способного порошкового компонента А, содержащего термоактивированный алюмосиликатный минерал, такой как зольная пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция и сульфат кальция. Активаторы на основе щелочных металлов, применяемые в некоторых вариантах реализации настоящего изобретения, можно добавлять в жидкой или твердой форме. Предпочтительные химические активаторы на основе щелочных металлов согласно указанным вариантам реализации настоящего изобретения представляют собой соли металлов и органических кислот. Более предпочтительные химические активаторы на основе щелочных металлов представляют собой соли щелочных металлов и карбоновых кислот. Гидроксиды щелочных металлов и силикаты щелочных металлов относятся к некоторым другим примерам химических активаторов на основе щелочного металла, подходящих для некоторых вариантов реализации настоящего изобретения. В качестве альтернативы гидроксиды щелочных металлов и силикаты щелочных металлов также могут подходить для применения в комбинации с карбоновыми кислотами, такими как лимонная кислота, для обеспечения химической активации порошковой реакционной смеси, содержащей термоактивированный алюмосиликатный минерал, цемент на основе сульфоалюмината кальция и сульфат кальция.
[0227] В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения применение солей щелочных металлов и лимонной кислоты, таких как цитрат натрия или калия, в комбинации с порошковой реакционной смесью, содержащей термоактивированный алюмосиликатный минерал, цемент на основе сульфоалюмината кальция и сульфат кальция, обеспечивает смешанные композиции с относительно хорошей текучестью, которые не очень быстро схватываются после смешения сырья при температуре окружающей среды или при температурах, близких к ней (примерно 20-25°С).
[0228] Количество соли щелочного металла и лимонной кислоты, например, цитрата калия или цитрата натрия, составляет от примерно 0,5 до примерно 10 масс.%, предпочтительно от примерно 1 до примерно 6 масс.%, предпочтительно от примерно 1,25 до примерно 4 масс.%, более предпочтительно от примерно 1,5 до примерно 2,5 масс.% и наиболее предпочтительно примерно 2 масс.% на 100 частей вяжущих реакционно-способных компонентов (т.е. реакционно-способного порошкового компонента А) согласно некоторым вариантам реализации. Таким образом, например, на 100 фунтов вяжущего реакционно-способного порошка композиция может содержать всего от примерно 1,25 до примерно 4 фунтов цитратов калия и/или натрия. Предпочтительными цитратами щелочных металлов являются цитраты калия и цитраты натрия и в частности моногидрат цитрата трикалия и безводный цитрат тринатрия, моногидрат цитрата тринатрия, сесквигидрат двухосновного цитрата натрия, дигидрат цитрата тринатрия, цитрат динатрия и цитрат мононатрия.
[0229] Предпочтительно активатор схватывания не содержит алканоламин. Также предпочтительно активатор не содержит фосфат.
[0230] Замедлители схватывания
[0231] Органические соединения, такие как гидроксилированные карбоновые кислоты, углеводы, сахара и крахмалы, являются предпочтительными замедлителями схватывания согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения. Органические кислоты, такие как лимонная кислота, винная кислота, яблочная кислота, глюконовая кислота, янтарная кислота, гликолевая кислота, малоновая кислота, масляная кислота, яблочная кислота, фумаровая кислота, муравьиная кислота, глутаминовая кислота, пентановая кислота, глутаровая кислота, глюконовая кислота, тартроновая кислота, слизевая кислота, тригидроксибензойная кислота и т.д., являются подходящими замедлителями схватывания в геополимерных вяжущих связующих композициях с устойчивыми размерами согласно некоторым предпочтительным вариантам реализации.
[0232] Глюконат натрия также является подходящим органическим замедлителем схватывания согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения. Органические полимеры на основе целлюлозы, такие как гидроксиэтилцеллюлоза (ГЭЦ), гидроксипропилцеллюлоза (ГПЦ), гидроксипропилметилцеллюлоза (ГПМЦ), этилцеллюлоза (ЭЦ), метилэтилцеллюлоза (МЭЦ), карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ), карбоксиметилэтилцеллюлоза (КМЭЦ), карбоксиметилгидроксиэтилцеллюлоза (КМГЭЦ), являются дополнительными подходящими замедлителями схватывания в некоторых композициях согласно настоящему изобретению.
[0233] Указанные замедлители на основе целлюлозы при добавлении в композиции согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения значительно увеличивают вязкость смеси помимо замедления схватывания. Предпочтительно замедлители схватывания на основе неорганических кислот, такие как бораты или борная кислота, не применяют в значительных количествах согласно некоторым предпочтительным вариантам реализации настоящего изобретения, так как они ухудшают текучесть смеси, вызывают избыточное выцветание и снижают прочность сцепления материала с другими субстратами.
[0234] Другие необязательные агенты, контролирующие схватывание
[0235] Другие необязательные добавки, контролирующие схватывание, включают карбонат натрия, карбонат калия, нитрат кальция, нитрит кальция, формиат кальция, ацетат кальция, хлорид кальция, карбонат лития, нитрат лития, нитрит лития, сульфат алюминия, алюминат натрия, алканоламины, полифосфаты и т.д. Указанные добавки при включении в состав также могут влиять на текучесть геополимерных связующих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения помимо того, что влияют на характеристики схватывания.
[0236] Необязательные материалы, волокна и холсты
[0237] В геополимерные связующие композиции согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения можно включать и другие необязательные материалы и добавки. Они включают по меньшей мере один член группы, состоящей из пленкообразующих редиспергируемых полимерных порошков, пленкообразующих полимерных латексных дисперсий, пеногасящих и противопенных агентов, водоудерживающих добавок, агентов, контролирующих схватывание, органических и неорганических агентов, контролирующих текучесть, агентов, модифицирующих вязкость (загустителей), агентов, контролирующих (подавляющих) выцветание, агентов для защиты от коррозии, увлажняющих агентов, красителей и/или пигментов, дискретных волокон, длинных и непрерывных волокон и армирующих наполнителей, тканевых армирующих наполнителей, волокон поливинилового спирта и/или песка, армированного стекловолокном или других дискретных армирующих волокон.
[0238] В вяжущие композиции для плит, полученных согласно конкретным вариантам реализации настоящего изобретения, можно включать дискретные армирующие волокна различных типов. Холсты, полученные из материалов, таких как стекловолокно с полимерным покрытием и нейлон, являются примерами материалов, которые можно применять для армирования продуктов на цементной основе в зависимости от их функций и применения.
[0239] Предпочтительно геополимерные связующие материалы согласно многим предпочтительным вариантам реализации настоящего изобретения не содержат значительные количества цементной пыли. Цементная пыль (CKD) может образовываться в печи при получении цементных клинкеров. Пыль представляет собой дисперсную смесь не полностью прокаленного и непрореагировавшего подаваемого сырья, клинкерной пыли и золы, обогащенную сульфатами, галогенидами щелочных металлов и другими летучими веществами. Указанные дисперсные материалы захватываются выхлопными газами и собираются в средствах контроля дисперсных материалов, таких как циклоны, мешочные фильтры и электростатические фильтры.
[0240] CKD состоит, главным образом, из карбоната кальция и диоксида кремния, которые являются схожими с сырьем, подаваемым в печь для обжига цемента, но количества щелочей, хлоридов и сульфатов обычно значительно выше в пыли. CKD, полученная при помощи трех различных технологий: в длинных печах, работающих по мокрому способу, в длинных печах, работающих по сухому способу, и в отводах для щелочей с установкой предварительного прокаливания, обладают различными химическими и физическими свойствами. CKD, полученная в длинных печах, работающих по мокрому и сухому способам, состоит из не полностью прокаленных мелкодисперсных материалов, подаваемых в печь, обогащенных сульфатами и хлоридами щелочных металлов. Пыль, собираемая в отводах для щелочей в печах предварительного прокаливания, является более крупной, более прокаленной, а также имеет высокую концентрацию летучих щелочей. Тем не менее, пыль, полученная в отводах для щелочей, содержит высокие количества оксида кальция по массе и имеет низкие значения потерь при прокаливании (ППП). В таблице, приведенной в Adaska et al., Beneficial Uses of Cement Kiln Dust, представленной на 2008 IEEE/PCA 50th Cement Industry Technical Conf., Miami, FL, May 19-22, 2008, показан состав разрушаемых материалов, полученных при помощи трех различных технологий, а также химический состав портландцемента I типа, приведенный для сравнения.
[0241]
ТАБЛИЦА G - Примеры состава CKD, полученной при помощи различных технологий
Компонент
Длинная печь, мокрый способ (% по массе)
Длинная печь, сухой способ (% по массе)
Отвод для щелочей в системе предварительного нагревания/предварительного прокаливания (% по массе)
Типовой портландцемент I типа (% по массе)
SiO<sub>2</sub>
15,02
9,64
15,23
20,5
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
3,85
3,39
3,07
5,4
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
1,88
1,10
2,00
2,6
CaO
41,01
44,91
61,28
63,9
MgO
1,47
1,29
2,13
2,1
SO<sub>3</sub>
6,27
6,74
8,67
3,0
K<sub>2</sub>O
2,57
2,40
2,51
<1
Потери при прокаливании (ППП)
25,78
30,24
4,48
0 – 3
Свободная известь (CaO)
0,85
0,52
27,18
<2
[0242] Суперпластификаторы и воздухововлекающие агенты
[0243] Пластифицирующие агенты (суперпластификаторы) предпочтительно применяют в композициях согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения. Их можно добавлять в сухом виде или в виде водного раствора. Суперпластификаторы могут способствовать уменьшению количества воды, требуемой для получения смеси. Примеры суперпластификаторов включают полинафталинсульфонаты, полиакрилаты, поликарбоксилаты, простые полиэфиры поликарбоксилатов, лигносульфонаты, сульфонаты меламина, казеины и т.д. В зависимости от типа применяемого пластификатора массовое отношение суперпластификатора (в пересчете на сухую массу) к порошковой реакционной смеси предпочтительно составляет примерно 5 масс.% или менее, предпочтительно примерно 2 масс.% или менее, предпочтительно примерно от 0,1 до примерно 1 масс.%.
[0244] Суперпластификаторы, действие которых основано на химии простых полиэфиров поликарбоксилатов, являются наиболее предпочтительными пластифицирующими химическими смесями для некоторых вариантов реализации настоящего изобретения. Суперпластификаторы на основе простых полиэфиров поликарбоксилатов являются наиболее предпочтительными, так как они могут способствовать выполнению различных задач настоящего изобретения, отмеченных выше.
[0245] Воздухововлекающие агенты добавляют в вяжущую суспензию согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения для образования пузырьков воздуха (пены) in situ. Воздухововлекающие агенты предпочтительно представляют собой поверхностно активные вещества, специально применяемые для захвата микроскопических пузырьков воздуха в бетон. В качестве альтернативы, воздухововлекающие агенты применяют для отдельного получения пены, которую затем вводят в смеси для получения композиций согласно некоторым вариантам реализации во время операции смешения для уменьшения плотности продукта. Предпочтительно для отдельного получения пены воздухововлекающий агент (также известный как жидкий пенообразующий агент), воздух и воду смешивают с образованием пены в подходящем устройстве для получения пены. Агент, стабилизирующий пену, такой как поливиниловый спирт, можно добавлять в пену перед ее добавлением в вяжущую суспензию.
[0246] Примеры воздухововлекающих/пенообразующих агентов включают алкилсульфонаты, алкилбензолсульфонаты и олигомеры простых эфиров алкилсульфатов помимо прочих. Подробности общей формулы указанных пенообразующих агентов можно найти в патенте США №5643510, автор Сацех (Sucech), содержание которого включено в настоящую заявку посредством ссылки.
[0247] Можно применять воздухововлекающий агент (пенообразующий агент), такой как агенты, удовлетворяющие стандартам, приведенным в ASTM C260 «Стандартные технические условия для воздухововлекающих добавок к бетону» (1 августа 2006 года). Указанные воздухововлекающие агенты хорошо известны специалистам в данной области техники и описаны в Kosmatka et al "Design and Control of Concrete Mixtures," Fourteenth Edition, Portland Cement Association, в частности в Разделе 8, озаглавленном, "Air Entrained Concrete," (приведено в опубликованной заявке на патент США №2007/0079733 А1).
[0248] Коммерчески доступные воздухововлекающие материалы включают винсоловые древесные смолы, сульфонированные углеводороды, жирные и смоляные кислоты, арилсульфонаты, замещенные алифатическими группами, такие как сульфонированные соли лигнина, и различные другие поверхностно активные материалы, которые обычно имеют форму анионных или неионных поверхностно активных агентов, абиетат натрия, насыщенные или ненасыщенные жирные кислоты и их соли, тенсиды, алкил-арилсульфонаты, фенолэтоксилаты, лигносульфонаты, смоляные мыла, гидроксистеарат натрия, лаурилсульфат, ABS (алкилбензолсульфонаты), LAS (линейные алкилбензолсульфонаты), алкансульфонаты, простые алкилфениловые эфиры полиоксиэтилена, сложные сульфатные эфиры или соли простых алкилфениловых эфиров полиоксиэтилена, сложные фосфатные эфиры или соли простых алкилфениловых эфиров полиоксиэтилена, белковые материалы, алкенилсульфосукцинаты, альфа-олефинсульфонаты, натриевую соль альфа-олефинсульфоната или лаурилсульфат или сульфонат натрия и их смеси.
[0249] Предпочтительно воздухововлекающий (пенообразующий) агент составляет от примерно 0,01 до примерно 1 масс.% от общей массы вяжущей композиции.
[0250] Биополимеры и органические регуляторы текучести
[0251] Сукциногликаны, диутановая камедь, гуаровая камедь, веллановая камедь, ксантановые камеди и органические соединения на основе простых эфиров целлюлозы являются биополимерами, которые выступают в качестве гидроколлоидов и регуляторов текучести согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения. Синтетические органические полимеры, такие как полиакриламиды, акриловые полимеры, набухающие в щелочной среде, ассоциативные акриловые полимеры, сополимеры акрилов/акриламидов, гидрофобно модифицированные полимеры, набухающие в щелочных условиях, органические полимеры, сильно набухающие в воде, можно эффективно применять в качестве регуляторов текучести и загустителей в геополимерных связующих композициях согласно указанным вариантам реализации.
[0252] Регуляторы текучести и загустители ассоциативного и неассоциативного типа можно эффективно применять в геополимерных связующих композициях согласно указанным вариантам реализации. Примеры органических полимеров на основе целлюлозы, подходящие для контролирования текучести геополимерных композиций согласно указанным вариантам реализации настоящего изобретения, включают гидроксиэтилцеллюлозу (ГЭЦ), гидроксипропилцеллюлозу (ГПЦ), гидроксипропилметилцеллюлозу (ГПМЦ), этилцеллюлозу (ЭЦ), метилэтилцеллюлозу (МЭЦ), карбоксиметилцеллюлозу (КМЦ), карбоксиметилэтилцеллюлозу (КМЭЦ), карбоксиметилгидроксиэтилцеллюлозу (КМГЭЦ). Органические регуляторы текучести и загустители, отмеченные выше, растворимы в холодной и горячей воде. Указанные добавки также выступают в качестве водоудерживающих агентов и, таким образом, минимизируют расслаивание материала и выделение жидкостей помимо контролирования текучести материала.
[0253] Неорганические регуляторы текучести
[0254] Геополимерные вяжущие композиции согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения также могут включать неорганические регуляторы текучести, принадлежащие к семейству филлосиликатов. Примеры неорганических регуляторов текучести, особенно подходящих для указанных вариантов реализации, могут включать палыгорскит, сепиолит, смектиты, каолиниты и иллит. Примерами особенно подходящих смектитовых глин являются гекторит, сапонит и монтмориллонит. Для контролирования текучести композиций согласно указанным вариантам реализации также можно применять различные виды бентонитовых глин, как в естественном виде, так и после химической обработки. Указанные добавки также выступают в качестве водоудерживающих агентов и, таким образом, минимизируют расслаивание материала и выделение жидкостей. Неорганические регуляторы текучести можно добавлять в отсутствие или в комбинации с органическими регуляторами текучести.
[0255] Пленкообразующие полимерные добавки
[0256] Предпочтительными пленкообразующими редиспергируемыми полимерными порошками согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения являются латексные порошки. Указанные полимерные порошки являются редиспергируемыми в воде, и их получают путем сушки распылением водных полимерных дисперсий (латекса).
[0257] Латекс представляет собой эмульсионный полимер. Латекс представляет собой полимерную дисперсию на водной основе, широко используемую для промышленных применений. Латекс представляет собой стабильную дисперсию (коллоидную эмульсию) микрочастиц полимера в водной среде. Таким образом, он представляет собой суспензию/дисперсию микрочастиц каучука или пластичного полимера в воде. Латексы могут быть природными или синтетическими.
[0258] Латекс предпочтительно получают из чистого акрилового, стиролового каучука, стирол-бутадиенового каучука, стиролакриловых, винилакриловых или акрилированных этиленвинилацетатных сополимеров, более предпочтительно латекс представляет собой чистый акриловый полимер. Предпочтительно латексный полимер получают по меньшей мере из одного акрилового мономера, выбранного из группы, состоящей из акриловой кислоты, сложных эфиров акриловой кислоты, метакриловой кислоты и сложных эфиров метакриловой кислоты. Например, мономеры, предпочтительно применяемые для эмульсионной полимеризации, включают такие мономеры, как метилакрилат, этилакрилат, метилметакрилат, бутилакрилат, 2-этилгексилакрилат, другие акрилаты, метакрилаты и их смеси, акриловую кислоту, метакриловую кислоту, стирол, винилтолуол, винилацетат, сложные виниловые эфиры карбоновых кислот с содержанием атомов углерода выше чем в уксусной кислоте, например, винилверсатат, акрилонитрил, акриламид, бутадиен, этилен, винилхлорид и т.д., и их смеси.
[0259] Например, латексный полимер может представлять собой сополимер бутилакрилата/метилметакрилата или сополимер 2-этилгексилакрилата/метилметакрилата. Предпочтительно латексный полимер дополнительно получают из одного или более мономеров, выбранных из группы, состоящей из стирола, альфа-метилстирола, винилхлорида, акрилонитрила, метакрилонитрила, уреидометакрилата, винилацетата, сложных виниловых эфиров разветвленных монокарбоновых кислот с третичным атомом углерода, итаконовой кислоты, кротоновой кислоты, малеиновой кислоты, фумаровой кислоты, этилена и С4-С8 сопряженных диенов.
[0260] Агент, подавляющий выцветание
[0261] Водоотталкивающие агенты, такие как силаны, силиконы, силоксаны, стеараты, можно добавлять в вяжущие композиции согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения для снижения вероятности выцветания материала. Выбранные примеры подходящих агентов, подавляющих выцветание, включают октилтриэтоксисилан, метилсиликонат калия, стеарат кальция, бутилстеарат, полимерные стеараты. Указанные агенты, контролирующие выцветание, снижают перенос воды внутри отвержденного материала и, таким образом, минимизируют миграцию солей и других растворимых химических веществ, которые потенциально могут вызывать выцветание. Избыточное выцветание можно приводить к ухудшению внешнего вида, разрушению материала и его повреждению из-за повышенного количества реакций, происходящих вследствие накапливания солей и гидратации солей, а также к снижению прочности на сцепление с другими субстратами и покрытиями поверхности.
[0262] Пеногасящие агенты
[0263] Пеногасящие агенты можно добавлять в геополимерные вяжущие композиции согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения для уменьшения количества вовлеченного воздуха, увеличения прочности материала, увеличения прочности материала на сцепление с другими поверхностями и для получения бездефектной поверхности для применений, в которых внешний вид поверхности является важным критерием. Примеры подходящих пеногасящих агентов, подходящих для геополимерных композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, включают полиэтиленоксиды, полиэфирамин, полиэтиленгликоль, полипропиленгликоль, алкоксилаты, полиалкоксилат, алкоксилаты жирных спиртов, гидрофобные сложные эфиры, трибутилфосфат, алкилполиакрилаты, силаны, силиконы, полисилоксаны, простые полиэфирсилоксаны, ацетиленовые диолы, тетраметилдециндиол, этоксилаты вторичных спиртов, силиконовое масло, гидрофобный оксид кремния, масла (минеральное масло, растительное масло, белое масло), воски (парафиновые воски, сложноэфирные воски, воски на основе жирных спиртов), амиды, жирные кислоты, простые полиэфирные производные жирных кислот и т.д.
[0264] Начальная температура суспензии
[0265] В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения предпочтительно получать суспензию в условиях, которые обеспечивают пониженную начальную температуру связующей суспензионной смеси и увеличение менее чем примерно на 50°F (28°С) до конечной температуры связующей суспензионной смеси, более предпочтительно увеличение менее чем примерно на 40°F (22°С) и наиболее предпочтительно увеличение менее чем примерно 30°F (17°С) для улучшения температурной стабильности и, что более важно, более продолжительные времена загустения и окончательного схватывания от примерно 10 до примерно 240 минут, более предпочтительно от примерно 60 до примерно 120 минут и наиболее предпочтительно от примерно 30 до примерно 60 минут, что позволяет лучше контролировать время обработки для коммерческого применения связующих композиций. Начальная температура суспензии предпочтительно примерно равна комнатной температуре.
[0266] Увеличение начальной температуры суспензии приводит к увеличению скорости увеличения температуры в результате прохождения взаимодействий, что снижает время схватывания. Таким образом, согласно некоторым вариантам реализации предпочтительно избегают использования начальной температуры суспензии от 95°F (35°С) до 105°F (41,1°С) для получения традиционных геополимерных связующих композиций на основе зольной пыли, имеющих быстрые времена загустения и схватывания, так как состав композиции подобран таким образом, чтобы снижать увеличение температуры смеси относительно начальной температуры суспензии. Преимущества термической устойчивости, достигаемой согласно многим вариантам реализации настоящего изобретения, обеспечивающие увеличение времени начального загустения и времени окончательного схватывания, которое в свою очередь обеспечивает улучшенную коммерческую применимость композиции, могут быть некоторым образом нивелированы, если начальная температура суспензии сама по себе является высокой.
[0267] «Начальную температуру» определяют как температуру смеси в целом в течение первой минуты после введения вяжущего реакционно-способного порошка, активатора и воды в состав смеси. Разумеется, температура смеси в целом в течение указанной первой минуты может быть различной, но для обеспечения термической устойчивости она должна оставаться в рамках диапазона начальной температуры, составляющего от примерно 0 до примерно 50°С, более предпочтительно в рамках диапазона начальной температуры, составляющего от примерно 10 до примерно 35°С, еще более предпочтительно в рамках диапазона начальное температуры от примерно 15 до примерно 25°С, предпочтительно она должна быть равна температуре окружающей среды.
[0268] Экзотермический профиль и увеличение температуры материала
[0269] Композиции согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения эффективно обеспечивают умеренное выделение теплоты и низкое увеличение температуры материала на стадии отверждения. В указанных композициях согласно некоторым вариантам реализации максимальное увеличение температуры материала предпочтительно составляет менее чем примерно 50°F (28°С), более предпочтительно менее чем примерно 40°F (22°С) и наиболее предпочтительно менее чем примерно 30°F (17°С). Это предотвращает избыточное тепловое расширение и последующее растрескивание и разрушение материала. Этот аспект становится еще более эффективным при использовании материала для применений в конкретных полевых условиях, при которых используют укладку материала с большой толщиной. Геополимерные вяжущие композиции согласно настоящему изобретению являются эффективными согласно указанному конкретному аспекту, так как они обладают пониженным тепловым расширением и увеличенной устойчивостью к термическому растрескиванию при применении в конкретных полевых условиях.
ПРИМЕРЫ
2
[0270] В примерах, приведенных в настоящем описании, как отмечалось выше, процентные содержания для композиций или конечных смесей выражены в процентах по массе, если явно не указано иное. Приведенные измеренные значения также выражены в виде приблизительных значений, если явно не указано иное, например, примерное содержание в процентах, масса, температура, расстояние или другие свойства. Также, если не указано иное, в качестве компонента вяжущего реакционно-способного порошка применяли цемент на основе сульфоалюмината кальция марки FASTROCK 500, доступный в CTS Cement Company,. FASTROCK 500 имеет средний размер частиц примерно 5 микрон и примерно 95% частиц имеют размер менее чем примерно 25 микрон. Измеренная тонкость помола по Блейну для FASTROCK 500 составляла примерно 6780 см/г. Проводили анализ состава оксидов в FASTROCK 500, результаты которого приведены в таблице АА.
[0271] Таблица АА:
Оксид
Масс.%в FASTROCK 500
Масс.%в зольной пыли класса С
CaO
43,78
24,14
SiO<sub>2</sub>
14,02
36,90
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
25,23
20,12
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
1,05
5,96
SO<sub>3</sub>
8,67
1,19
MgO
3,23
5,44
Na<sub>2</sub>O
1,81
1,73
K<sub>2</sub>O
0,32
0,52
TiO<sub>2</sub>
0,76
1,42
P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
1,18
Потери при прокаливании
1,58
0,52
4
3
2
4
[0272] Основные фазы, содержащиеся в цементе на основе сульфоалюмината кальция FASTROCK 500, применяемом в примерах, включали CAŠ, CS, CAF и CŠ.
2
[0273] Во всех примерах, если не указано иное, зольная пыль представляла собой зольную пыль класса С производства Campbell Powerplant, West Olive, MI. Указанная зольная пыль имела средний размер частиц примерно 4 микрон. Измеренная тонкость помола по Блейну зольной пыли составляла примерно 4300 см/г. Состав оксидов в зольной пыли класса С, применявшейся в указанных примерах, приведен в таблице АА.
[0274] Дигидрат сульфата кальция, включаемый в состав во многих примерах, представлял собой тонкозернистый дигидрат сульфата кальция, называемый в настоящем описании природный гипс или тонкозернистый природный гипс, доступный в United States Gypsum Company. Тонкозернистый природный гипс имел средний размер частиц примерно 15 микрон.
[0275] Безводный сульфат кальция (ангидрит), включаемый в состав в некоторых примерах, представлял собой наполнитель марки SNOW WHITE, доступный в United States Gypsum Company. Наполнитель USG SNOW WHITE представляет собой нерастворимую форму ангидрита, получаемую путем высокотемпературной термической обработки сульфата кальция, как правило, гипса. Он имел очень низкий уровень химически связанной влаги, предпочтительно составлявший примерно 0,35%. Средний размер частиц наполнителя USG SNOW WHITE составлял примерно 7 микрон.
[0276] Гемигидрат сульфата кальция, включаемый в состав в ряде примеров, представлял собой гемигидрат сульфата кальция марки USG HYDROCAL C-Base, доступный в United Stated Gypsum Company. HYDROCAL C-Base представлял собой морфологическую альфа-форму гемигидрата сульфата кальция, имеющую блочную кристаллическую микроструктуру и низкую водопотребность. USG HYDROCAL C-Base имел средний размер частиц примерно 17 микрон.
[0277] Крупнозернистый дигидрат сульфата кальция, иначе называемый в настоящем описании как крупный гипс или крупнозернистый гипс, применявшийся в ряде примеров, приобретали в United States Gypsum Company под коммерческим названием Крупный Гипс марки USG BEN FRANKLIN AG. Гипс марки USG BEN FRANKLIN AG представлял собой крупнозернистый дигидрат сульфата кальция со средним размером частиц от примерно 75 до примерно 80 микрон.
[0278] Тонкозернистый дигидрат сульфата кальция, включаемый в состав в ряде примеров, представлял собой наполнитель марки USG TERRA ALBA F&P производства United States Gypsum Company. Наполнитель USG TERRA ALBA F&P представлял собой высокочистый дигидрат сульфата кальция со средним размером частиц примерно 13 микрон.
[0279] Тонкозернистый песок QUICKRETE Fine-grained No.1961, включаемый состав в некоторых примерах, имел размер частиц, приведенный в таблице ВВ.
[0280]
ТАБЛИЦА BB
Размер сита
Процент просеиваемого песка (%) QUIKRETE FINE GRAIN No. 1961
Процент просеиваемого песка (%) UNIMIN 5030
30 меш
100
40 меш
98
100
50 меш
69
73
70 меш
23
22
100 меш
5
4
140 меш
1
0
200 меш
0
[0281] Песок UNIMIN 5030, включаемый в состав в некоторых примерах, имел размер частиц, приведенный в таблице ВВ.
[0282] Цитрат калия или цитрат натрия представляют собой цитраты щелочных металлов, добавляемые в состав в некоторых примерах вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, которые выступают в качестве химического активатора, модификатора текучести и агента, контролирующего схватывание.
[0283] Время начального схватывания и время окончательного схватывания, приведенные в настоящем описании, измеряли согласно стандарту ASTM C266 (2008) с использованием игл Гилмора.
[0284] Характеристики осадки и текучести вяжущих геополимерных композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения были охарактеризованы в испытании на осадку. В испытании на осадку, используемом в настоящем описании, применяли полый цилиндр с диаметром примерно 5,08 см (2 дюйма) и длиной примерно 10,16 см (4 дюйма), установленный вертикально, один из открытых концов которого был установлен на гладкую пластиковую поверхность. Цилиндр заполняли доверху вяжущей смесью, после чего выравнивали верхнюю поверхность для удаления излишков суспензионной смеси. Затем цилиндр осторожно поднимали вертикально вверх, это позволяло суспензии вытекать через нижнюю часть и распределяться по поверхности пластика с образованием круглого плоского образца. Затем измеряли диаметр плоского образца и записывали как осадку материала. Согласно настоящему описанию композиции с хорошим профилем текучести имели более высокое значение осадки. Текучесть суспензии характеризуется уровнем текучести суспензии по шкале от 1 до 10, где значение 1 соответствует очень плохому профилю текучести, а значение 10 соответствует превосходному профилю текучести.
[0285] Усадка материала (также называемая «усадка») при использовании в настоящем описании охарактеризована путем измерения изменения длины призматического образца согласно стандарту испытаний ASTM C928. Начальное измерение длины проводили через 4 часа после объединения отдельных компонентов сырья, включая воду. Конечное измерение проводили через 8 недель после объединения компонентов, включая воду. Разность между результатами начального и конечного измерений, отнесенная к начальной длине и умноженная на 100%, дает усадку в процентах. Призматические образцы для измерения изменения длины с поперечным сечением 1 дюйм × 1 дюйм (2,5 см × 2,5 см), также называемые в настоящем описании, брусками, получали согласно стандарту ASTM C157 (2008).
[0286] Прочность материалов на сжатие согласно настоящему описанию измеряли согласно методике испытаний ASTM C109 (2008) путем исследования разрушения кубов размером 2 дюйма × 2 дюйма × 2 дюйма (5 см × 5 см × 5 см) при сжатии. Кубы извлекали из медных форм после загустения и отверждения в герметичные пластиковые пакеты до начала исследования. Кубы исследовали с интервалом примерно 4 часа, примерно 24 часа, примерно 7 дней и примерно 28 дней после отливки. В некоторых примерах кубы подвергали насыщению водой в течение 7 дней после завершения 28-дневного отверждения в пластиковых пакетах. Указанные кубы исследовали при сжатии в насыщенном состоянии непосредственно после извлечения их из воды и сушки поверхности.
[0287] Профиль увеличения температуры суспензии согласно настоящему описанию измеряли в полуадиабатических условиях путем помещения суспензии в изотермический контейнер и определения температуры материала с использованием термопары.
[0288] Во многих примерах показаны физические свойства разработанных геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, содержащих термоактивированный алюмосиликатный минерал (зольную пыль), цемент на основе сульфоалюмината кальция, сульфат кальция и химические активаторы на основе щелочных металлов. Тем самым проиллюстрировано влияние включения цемента на основе сульфоалюмината кальция в комбинации с сульфатом кальция и химическим активатором на основе щелочного металла на характеристики усадки материала, прочность на сжатие на ранней стадии отверждения, окончательную прочность на сжатие, экзотермический профиль и характеристики схватывания разработанных геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения.
[0289] Композиции согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения эффективно обеспечивают умеренное выделение теплоты и низкое увеличение температуры материала на стадии отверждения. В указанных композициях максимальное увеличение температуры материала предпочтительно составляет менее чем примерно 50°F (28°С), более предпочтительно менее чем примерно 40°F (22°С) и еще более предпочтительно менее чем примерно 30°F (17°С). Это предотвращает избыточное тепловое расширение и последующее растрескивание и разрушение материала. Этот аспект становится еще более эффективным при использовании материала для применений в конкретных полевых условиях, при которых используют укладку материала с большой толщиной. Геополимерные вяжущие композиции согласно настоящему изобретению, что обсуждается далее, являются эффективными согласно указанному конкретному аспекту, так как они обладают пониженным тепловым расширением и увеличенной устойчивостью к термическому растрескиванию при применении в конкретных полевых условиях.
[0290] Предложенные композиции согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения также обеспечивают продолжительные времена схватывания, что определяет их хорошую пригодность для обработки. Очень короткое время схватывания является проблемой для применений согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, так как короткий срок службы материала (срок годности) приводит к значительным трудностям при обработке быстро схватываемого материала с использованием оборудования и инструментов, применяемых для применений в конкретных полевых условиях.
[0291] Пример 1 - Пример сравнения, известные геополимерные вяжущие композиции
[0292] В следующем примере проиллюстрированы физические свойства вяжущих композиций сравнения, содержащих зольную пыль класса С и цитрат щелочного металла. В качестве результатов исследования приведены характеристики усадки, прочность на сжатие на ранней стадии отверждения и окончательная прочность на сжатие и характеристики схватывания вяжущих композиций, которые показаны в таблице 1. Все три смеси, которые активировали с использованием цитрата калия, содержали различные количества песка. Все три смеси содержали примерно 100 частей по массе зольной пыли класса С и примерно 100 частей по массе всех вяжущих материалов. Другими словами, все вяжущие материалы представляли собой зольную пыль класса С.
[0293]
ТАБЛИЦА 1- Вяжущие композиции, исследуемые в примере сравнения 1
Сырье
Смесь сравнения 1
Смесь сравнения 2
Смесь сравнения 3
Зольная пыль класса С<sup>1</sup> (граммы)
3000
2200
1800
Общее количество вяжущих материалов (граммы)
3000
2200
1800
Песок<sup>2</sup> (граммы)
2250
3300
4500
Вода (граммы)
825
605
495
Цитрат калия (граммы)
120
88
72
Бура (граммы)
15
11
9
Отношение вода/вяжущие материалы
0,275
0,275
0,275
Отношение песок/вяжущие материалы
0,750
1,50
2,50
Цитрат калия/вяжущие материалы, масс.%
4,0%
4,0%
4,0%
Количество буры/вяжущие материалы, масс.%
0,5%
0,5%
0,5%
1 Зольная пыль класса С, Campbell Power Plant, West Olive, MI2 Тонкозернистый технический песок QUIKRETE No. 1961
[0294] На фиг.1А показаны характеристики усадки вяжущих композиций, исследуемых в примере сравнения 1.
[0295] Измерения усадки начинали через 4 часа после смешения сырья и отливки образцов. Можно наблюдать, что композиции на основе зольной пыли, активированные цитратом щелочного металла, имели очень высокий уровень усадки. Было обнаружено, что измеренная максимальная усадка составляла до примерно 0,75% через 8 недель отверждения при примерно 75°F (24°С)/50% отн.вл. Увеличение содержания песка приводило к снижению уровня усадки, но общая усадка все равно оставалась на очень высоком уровне. Указанные высокие уровни усадки материала делают материал полностью непригодным для большинства строительных применений. Следует отметить, что для большинства строительных применений усадку, превышающую примерно 0,10%, рассматривают как высокую и нежелательную.
[0296] Начальные характеристики текучести, осадки и растрескивания на ранней стадии отверждения материала
[0297] В таблице 2 приведены начальные характеристики текучести и осадки вяжущих композиций, исследуемых в примере сравнения 1.
[0298]
ТАБЛИЦА 2 - Текучесть и осадка вяжущих композиций согласно примеру сравнения 1
Текучесть
Осадка (дюймы (см))
Смесь сравнения 1 (песок/вяжущий материал=0,75)
10
9 (23)
Смесь сравнения 2 (песок/вяжущий материал=1,5)
8
7,5 (19)
Смесь сравнения 3 (песок/вяжущий материал=2,5)
2
2 (5)
[0299] Композиция на основе зольной пыли, активированная цитратом щелочного металла обладала хорошим профилем текучести при отношении песок/цемент примерно 0,75. Суспензия незначительно теряла текучесть при увеличении отношения песок/цемент примерно до 1,5. При отношении песок/цемент примерно 2,5 смесь становилась очень густой и не обладала текучестью.
[0300] На фиг.1В показана фотография плоского образца смеси №1 после осадки, исследуемого в примере сравнения 1. В образце после осадки происходило значительное растрескивание в результате сушки. Появление трещин в плоских образцах происходило менее чем примерно за 30 минут после проведения испытания на осадку. Число и размер трещин увеличивались при последующей сушке и отверждении материала.
[0301] Время схватывания
[0302] В таблице 3 показаны характеристики схватывания вяжущих композиций, исследуемых в примере сравнения 1.
[0303]
ТАБЛИЦА 3- Время схватывания вяжущих композиций согласно примеру сравнения 1
Время начального схватывания (ч:мин)
Время окончательного схватывания (ч:мин)
Смесь сравнения 1
0:15
0:16
Смесь сравнения 2
0:14
0:15
Смесь сравнения 3
0:7
0:10
[0304] Вяжущие композиции согласно указанному примеру обладали очень быстрым схватыванием. Все смеси очень быстро загустевали и теряли текучесть в течение менее чем примерно 5 минут после смешения сырья с образованием водной суспензии.
[0305] Прочность на сжатие
[0306] В таблице 4 показана прочность на сжатие вяжущих композиций, исследуемых в примере сравнения 1. Во всех композициях на основе зольной пыли происходило нарастание прочности на сжатие до более чем примерно 7000 psi (48,2 МПа) примерно через 28 дней.
[0307]
ТАБЛИЦА 4 - Прочность на сжатие вяжущих композиций согласно примеру сравнения 1
28 день (psi (МПа))
Смесь 1 (песок/вяжущий материал=0,75)
9259 (63,8)
Смесь 2 (песок/вяжущий материал=1,5)
8069 (55,6)
Смесь 3 (песок/вяжущий материал=2,5)
7766 (53,5)
[0308] Пример 2 - пример сравнения
[0309] В указанном примере исследовали размерную устойчивость и стойкость к растрескиванию на ранней стадии отверждения сравнительных вяжущих композиций, содержащих зольную пыль и цитрат щелочного металла. В таблице 5 показан состав сырья исследуемых смешанных композиций. Смеси, которые активировали с использованием цитрата натрия, содержали различные количества песка. Смеси содержали примерно 100 частей по массе зольной пыли класса С и примерно 100 частей по массе всех вяжущих материалов. Другими словами, все вяжущие материалы представляли собой зольную пыль класса С.
[0310]
ТАБЛИЦА 5 - Смешанные композиции согласно примеру сравнения 2 и примеру сравнения 3
Сырье
Смесь 1, пример сравнения 2
Смесь 1, пример сравнения 3
Зольная пыль класса C<sup>1</sup> (граммы)
3000
3750
Общее количество вяжущих материалов (граммы)
3000
3750
Песок<sup>2</sup> (граммы)
3150
3938
Дигидрат цитрата натрия (граммы)
60
75
Суперпластификатор<sup>3</sup> (граммы)
15
18,75
Вода (граммы)
825
1031
Отношение вода/вяжущие материалы
0,275
0,275
Отношение песок/вяжущие материалы
1,05
1,05
Дигидрат цитрата натрия/вяжущие материалы, масс.%
2,0%
2,0%
Суперпластификатор/вяжущие материалы, масс.%
0,5%
0,5%
1 Зольная пыль класса С, Campbell Power Plant, West Olive, MI2 Тонкодисперсный технический песок QUIKRETE No. 19613 BASF CASTAMENT FS20
[0311] Характеристики растрескивания материала на ранней стадии отверждения
[0312] На фиг.2 показана фотография осадки плоского образца смеси, исследуемой в примере сравнения 2. В образце после осадки происходило значительное растрескивание в результате сушки. Появление трещин в плоских образцах происходило менее чем примерно за 30 минут после проведения испытания на осадку. Число и размер трещин значительно увеличивались при последующей сушке и отверждении материала.
[0313] Прочность на сжатие композиции согласно примеру сравнения 2
[0314] В таблице 5А показана прочность на сжатие смеси согласно примеру сравнения 2. Прочность на сжатие на ранней стадии отверждения композиции была относительно низкой и составляла менее чем примерно 500 psi (3,4 МПа) через 4 часа и менее чем примерно 2000 psi (13,8 МПа) через 24 часа. Как будет показано далее в примерах, в геополимерных композициях согласно вариантам реализации настоящего изобретения происходит значительно более высокое нарастание прочности на сжатие на тех же сроках раннего отверждения при отношениях вода/цемент, эквивалентных тем, что приведены в указанном примере. Как показано в примерах конкретных вариантов реализации настоящего изобретения, прочность на сжатие на ранней стадии отверждения можно легко адаптировать путем регулировки типа и количества сульфата кальция, количества цемента на основе сульфоалюмината кальция и типа и количества активатора на основе щелочного металла, применяемых в композициях согласно вариантам реализации настоящего изобретения.
[0315]
ТАБЛИЦА 5A - Прочность на сжатие согласно примеру 2 - (psi (МПа))
4 часа
24 часа
7 дней
28 дней
Смесь 1
493 (3,4)
1749 (12)
6454 (44,5)
8996 (62)
[0316] Пример 3: пример сравнения
[0317] В указанном примере исследовали размерную устойчивость и стойкость к растрескиванию на ранней стадии отверждения сравнительных вяжущих композиций, содержащих зольную пыль и цитрат щелочного металла. В таблице 5 показан состав сырья исследуемой смешанной композиции.
[0318] Характеристики растрескивания материала на ранней стадии отверждения
[0319] На фиг.3А показана фотография осадки плоского материала смеси, исследуемой в примере сравнения 3. В образце после осадки происходило значительное растрескивание в результате сушки. Появление трещин в плоских образцах происходило менее чем примерно за 30 минут после проведения испытания на осадку.
[0320] Прочность на сжатие композиции согласно примеру сравнения 3
[0321] В таблице 5 В показана прочность на сжатие смеси согласно примеру сравнения 3. Прочность на сжатие на ранней стадии отверждения композиции была относительно низкой и составляла менее чем примерно 500 psi (3,4 МПа) через 4 часа и менее чем примерно 1500 psi (10,3 МПа). Как будет показано далее в примерах вариантов реализации настоящего изобретения, прочность на сжатие на ранней стадии отверждения можно настраивать путем регулировки типа и количества сульфата кальция, типа цемента на основе сульфоалюмината кальция и типа и количества активатора на основе щелочного металла, применяемых в композициях согласно настоящему изобретению.
[0322]
ТАБЛИЦА 5B - Прочность на сжатие смешанных композиций согласно примеру сравнения 3 - (psi (МПа))
4 часа
24 часа
7 дней
28 дней
Смесь 1
484 (3,3)
1441 (10)
6503 (44,8)
8492 (58,6)
[0323] Характеристики усадки
[0324] На фиг.3В показан профиль усадки на очень ранней стадии отверждения вяжущей композиции согласно примеру сравнения 3.
[0325] Измерения усадки на очень ранней стадии отверждения начинали через 1 час после смешения сырья и отливки. В композиции на основе зольной пыли, активированной цитратом щелочного металла, наблюдали очень высокий уровень усадки. Было обнаружено, что максимальная измеренная усадка составляла более чем примерно 1% после 8-недельного отверждения при примерно 75°F (24°С)/50% отн.вл. Указанный высокий уровень усадки материала делает его неприемлемым для большинства строительных применений. Для большинства строительных применений усадку более чем примерно 0,10% рассматривают как очень нежелательную.
[0326] Пример 4: Добавление цемента на основе сульфоалюмината кальция в зольную пыль - пример сравнения
[0327] В указанном примере показаны физические свойства вяжущих композиций, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция и цитрат щелочного металла. Исследовали влияние включения цемента на основе сульфоалюмината кальция на усадку и стойкость к растрескиванию вяжущих композиций, содержащих зольную пыль и цитрат щелочного металла.
[0328] В таблицах 6 и 7 показан состав сырья различных вяжущих смесей 1-4, исследуемых в указанном примере. Количество цемента на основе сульфоалюмината кальция, используемого в различных смешанных композициях, составляло от примерно 20 масс.% до примерно 80 масс.% от массы зольной пыли.
[0329]
ТАБЛИЦА 6 - Сравнительные вяжущие реакционно-способные порошковые композиции согласно примеру 4, смеси 1 - 4 (массовые доли)
Сырье
Смесь 1, массовая доля
Смесь 2, массовая доля
Смесь 3, массовая доля
Смесь 4, массовая доля
Зольная пыль класса C
100
100
100
100
Сульфат кальция
0
0
0
0
Цемент на основе сульфоалюмината кальция
20
40
60
80
Общее количество вяжущих материалов
120
140
160
180
1 Зольная пыль класса С, Campbell Power Plant, West Olive, MI2 FASTROCK 500, CTS Cement Company
[0330]
ТАБЛИЦА 7 - Сравнительные вяжущие композиции, смеси 1 - 4 согласно примеру 4
Сырье
Смесь 1
Смесь 2
Смесь 3
Смесь 4
Зольная пыль класса C (граммы)
2500
2143
1875
1667
Сульфат кальция (граммы)
0
0
0
0
Цемент на основе сульфоалюмината кальция (г)
500
857
1125
1333
Общее количество вяжущих материалов (граммы)
3000
3000
3000
3000
Песок (граммы)
2250
2250
2250
2250
Цитрат калия (граммы)
120
120
120
120
Суперпластификатор (граммы)
18
18
18
18
Вода (граммы)
750
750
750
750
Отношение вода/вяжущие материалы
0,25
0,25
0,25
0,25
Отношение песок/вяжущие материалы
0,75
0,75
0,75
0,75
Цитрат калия/вяжущие материалы, масс.%
4,0%
4,0%
4,0%
4,0%
Суперпластификатор/вяжущие материалы, масс.%
0,6%
0,6%
0,6%
0,6%
1 Зольная пыль класса С, Campbell Power Plant, West Olive, MI2 FASTROCK 500, CTS Cement Company3 Тонкодисперсный технический песок QUIKRETE No. 19614 BASF CASTAMENT FS20
[0331] Начальные характеристики текучести, осадки и растрескивания на ранней стадии отверждения материала
[0332] В таблице 8 показаны начальные характеристики текучести и осадки двухкомпонентных смесей, содержащих зольную пыль и цемент на основе сульфоалюмината кальция, исследуемых в примере 4. Все исследуемые смеси имели хорошие характеристики текучести и крупный диаметр плоских образцов, полученных в испытании на осадку.
[0333]
ТАБЛИЦА 8 - Текучесть и осадка сравнительных вяжущих композиций согласно примеру 4
Текучесть
Осадка (дюймы (см))
Смесь сравнения 1
9
9 (23)
Смесь сравнения 2
10
11 (28)
Смесь сравнения 3
10
10 (25,5)
Смесь сравнения 4
10
9,75 (24,75)
[0334] На фиг.4А показана фотография осадки плоских образцов смесей 1 и 2, исследуемых в примере 4. На фиг.4В и 4С показаны фотографии осадки плоских образцов смесей 3 и 4 соответственно, исследуемых в примере 4. Во всех плоских образцах после осадки происходило значительное растрескивание в результате сушки. Появление трещин в плоских образцах начиналось уже через примерно 10 минут после смешения сырья. Число и размер трещин значительно увеличивались при последующей сушке и отверждении материала. В смеси 1, содержащей наименьшее количество цемента на основе сульфоалюмината кальция, наблюдали наименьший уровень растрескивания. Добавление цемента на основе сульфоалюмината кальция в композиции на основе зольной пыли, активированные цитратом щелочного металла, приводило к получению материалов с неустойчивыми размерами, подверженных избыточному растрескиванию при сушке и отверждении.
[0335] Характеристики усадки
[0336] Для определения характеристик усадки исследуемых смесей отливали образцы в форме прямоугольных призм. На фиг.4D показаны фотографии образцов смеси 1, смеси 2 (образцы 2-1 и 2-2), смеси 3 (образцы 3-1 и 3-2) и смеси 4 (образцы 4-1 и 4-2) (слева направо), полученные через 4 часа после отливки образцов в формах. На фиг.4D показано, что все отлитые призматические образцы растрескивались в формах. Все бруски давали значительную усадку и растрескивались в течение нескольких часов после непосредственно отливки в формах (перед извлечением из форм). Измеряли ширину трещин и определяли общее количество усадки указанных смесей, которое составляло более чем примерно 1,0% при возрасте образца примерно 24 часа.
[0337] Пример 5
[0338] Задачей настоящего испытания являлось исследование влияния включения различных количеств дигидрата сульфата кальция (тонкозернистого гипса) в геополимерные связующие композиции согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения.
[0339] В таблицах 9 и 10 показан состав сырья геополимерных вяжущих композиций, исследуемых в указанном примере. Количество цемента на основе сульфоалюмината кальция в смешанных композициях согласно настоящему примеру составляло примерно 40 масс.% от массы зольной пыли. Дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс) добавляли в различных количествах (примерно 25 масс.%, примерно 50 масс.%, примерно 75 масс.% и примерно 100 масс.% от массы цемента на основе сульфоалюмината кальция) в исследуемые смешанные композиции. Отношение вода/вяжущие материалы, применяемое в указанном примере было постоянным и составляло 0,25.
[0340]
ТАБЛИЦА 9 - Пример 5, вяжущие реакционно-способные порошковые композиции, массовые доли
Сырье
Смесь 1, массовая доля
Смесь 2, массовая доля
Смесь 3, массовая доля
Смесь 4, массовая доля
Зольная пыль класса C
100
100
100
100
Дигидрат сульфата кальция
10
20
30
40
Цемент на основе сульфоалюмината кальция
40
40
40
40
Общее количество вяжущих материалов
150
160
170
180
1 Зольная пыль класса С, Campbell Power Plant, West Olive, MI2 Гипс, доступный в USG3 FASTROCK 500, CTS Company
[0341]
ТАБЛИЦА 10 - Пример 5, композиции
Сырье
Смесь 1
Смесь 2
Смесь 3
Смесь 4
Зольная пыль класса C (граммы)
2000
1875
1765
1667
Дигидрат сульфата кальция (граммы)
200
375
529,4
667
Цемент на основе сульфоалюмината кальция (граммы)
800
750
705,9
667
Общее количество вяжущих материалов (граммы)
3000
3000
3000
3000
Песок (граммы)
2250
2250
2250
2250
Дигидрат цитрата калия (граммы)
120
120
120
120
Суперпластификатор (граммы)
18
18
18
18
Вода (граммы)
750
750
750
750
Отношение вода/вяжущие материалы
0,25
0,25
0,25
0,25
Отношение песок/вяжущие материалы
0,75
0,75
0,75
0,75
Цемент на основе сульфоалюмината кальция/зольная пыль, масс.%
40%
40%
40%
40%
Сульфат кальция/цемент на основе сульфоалюмината кальция, масс.%
25%
50%
75%
100%
Цитрат калия/вяжущие материалы, масс.%
4,0%
4,0%
4,0%
4,0%
Суперпластификатор/вяжущие материалы, масс.%
0,6%
0,6%
0,6%
0,6%
1 Зольная пыль класса С, Campbell Power Plant, West Olive, MI2 Гипс, доступный в USG3 FASTROCK 500, CTS Company4 Тонкозернистый технический песок QUIKRETE No. 19615 BASF CASTAMENT FS20
[0342] Начальные характеристики текучести, осадки и растрескивания на ранней стадии отверждения материала
[0343] В таблице 11 показаны начальные характеристики текучести и осадки геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс) и цитрат щелочного металла, исследуемых в примере 5. Совершенно точно можно увидеть, что все исследуемые смешанные композиции обладали хорошими характеристиками самостоятельного выравнивания и текучести, что определяется крупным диаметром плоских образцов в испытании на осадку. Особенно следует отметить то, что указанные высокие значения осадки и характеристик самостоятельного выравнивания можно получать даже при отношении вода/вяжущие материалы, составляющем только лишь примерно 0,25.
[0344]
ТАБЛИЦА 11 - Текучесть и осадка согласно примеру 5
Текучесть
Осадка (дюймы (см))
Смесь 1
10
11 (28)
Смесь 2
9
9 (23)
Смесь 3
8
9 (23)
Смесь 4
10
9 (23)
[0345] На фиг.5А показаны фотографии осадки плоских образцов геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, исследуемых в примере 5. В образцах после осадки согласно указанному примеру не наблюдали растрескивания при сушке, которое происходило в вяжущих смесях согласно примеру сравнения 4, не содержащих дигидрат сульфата кальция (гипс). Таким образом, включение дигидрата сульфата кальция (тонкозернистого гипса) в вяжущую смесь, содержащую зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция и цитрат щелочного металла, обеспечивает геополимерные вяжущие композиции с устойчивыми размерами, обладающие повышенной стойкостью к растрескиванию.
[0346] Характеристики усадки
[0347] На фиг.5В показан график усадки геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, исследуемых в примере 5. Главной задачей этого испытания являлось исследование влияния включения цемента на основе сульфоалюмината кальция в комбинации с сульфатом кальция в виде тонкозернистого дигидрата сульфата кальция на характеристики усадки геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения.
[0348] Измерения усадки начинали примерно через 4 часа после смешения сырья с образованием водной суспензии. Общая продолжительность измерения усадки материала при отверждении материала при примерно 75°F (24°С)/50% отн.вл., составляла примерно 8 недель.
[0349] На основании указанного испытания и фиг.5В можно сделать следующие выводы:
[0350] Включение дигидрата сульфата кальция (тонкозернистого гипса) имело значительное влияние на улучшение стойкости к растрескиванию и размерной устойчивости геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, дополнительно содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция и цитрат щелочного металла. В противоположность усадке брусков согласно примеру сравнения 4 (не содержащих дигидрат сульфата кальция), которые растрескивались еще до извлечения из формы, бруски, которые испытывали на усадку согласно примеру 5, содержащие дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс), были устойчивыми, и в них не наблюдали какие-либо трещины, которые указывали бы на неприемлемую размерную устойчивость, или нежелательную усадку брусков до или после извлечения из формы.
[0351] Измеренная максимальная усадка геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс) и цитрат щелочного металла, была значительно ниже чем в сравнительных вяжущих композициях, содержащих только зольную пыль и цитрат щелочного металла (пример 1). Например, геополимерные вяжущие композиции согласно некоторым вариантам реализации, содержащие зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс) и цитрат щелочного металла, имели максимальную измеренную усадку в диапазоне от примерно 0,07% до примерно 0,13%, для сравнения максимальная усадка смеси сравнения, содержащей только зольную пыль и цитрат щелочного металла (пример 1), составляла примерно 0,75%. Таким образом, можно сделать вывод о том, что добавление дигидрата сульфата кальция в виде тонкозернистого гипса в вяжущие композиции, содержащие зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция и цитрат щелочного металла, способствует очень значительному снижению усадки материала.
[0352] При очень низком количестве дигидрата сульфата кальция (тонкозернистого гипса), составляющем примерно 25 масс.%, измеренная максимальная усадка составляла примерно 0,13% после 8-недельного отверждения при 75°F (24°С)/50% отн.вл. Дополнительное увеличение содержания сульфата кальция (тонкозернистого гипса) в вяжущих композициях согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения приводило к очень значительному снижению усадки материала. При содержании сульфата кальция (тонкозернистого гипса) примерно 50 масс.% измеренная максимальная усадка материала снижалась примерно до 0,08%. Аналогично, при содержании сульфата кальция (тонкозернистого гипса), составляющем примерно 75 масс.% и примерно 100 масс.% измеренная максимальная усадка материала снижалась даже примерно до 0,07%.
[0353] Профиль выделения теплоты и увеличения температуры суспензии
[0354] На фиг.5С показан экзотермический профиль и характеристики увеличения температуры суспензии для геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, исследуемых в примере 5. В вяжущих композициях согласно примеру 5, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс) и цитрат щелочного металла, происходило очень умеренное увеличение температуры. Умеренное выделение теплоты и небольшое увеличение температуры на стадии отверждения материала являются эффективными для предотвращения избыточного теплового расширения и последующего растрескивания и разрушения материала. Этот аспект становится еще более эффективным при использовании материала для применений в конкретных полевых условиях, при которых используют укладку материала с большой толщиной. Геополимерные вяжущие композиции согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, исследуемые в указанном примере, являются крайне эффективными согласно указанному конкретному аспекту, так как они обладают пониженным тепловым расширением и увеличенной устойчивостью к термическому растрескиванию при применении в конкретных полевых условиях.
[0355] Время схватывания
[0356] В таблице 12 показано время схватывания геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, исследуемых в примере 5.
[0357]
ТАБЛИЦА 12 - Время схватывания согласно примеру 5
Время начального схватывания (ч:мин)
Время окончательного схватывания (ч:мин)
Смесь 1
00:18
00:23
Смесь 2
00:20
00:24
Смесь 3
00:24
00:31
Смесь 4
00:25
00:33
[0358] Все вяжущие композиции, исследуемые в примере 5, обладали быстрым схватыванием, где время конечного схватывания составляло от примерно 20 до примерно 40 минут. Предложенные вяжущие композиции согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, содержащие зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс) и цитрат щелочного металла, имели относительно более продолжительные времена схватывания по сравнению со сравнительными вяжущими композициями, содержащими только зольную пыль и цитрат щелочного металла, как видно в примере 1. В сравнительной вяжущей композиции, содержащей зольную пыль и цитрат щелочного металла, согласно примеру 1 время окончательного схватывания составляло примерно 15 минут. Очень короткое время схватывания представляет собой проблему согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения для некоторых применений, так как это приводит к сокращению срока службы (срока годности), что вызывает значительные трудности при обработке и нанесении быстро схватываемых материалов в конкретных полевых условиях.
[0359] В вариантах реализации настоящего изобретения, показанных в указанном примере, неожиданно было обнаружено, что в результате смешения алюмосиликатного минерала, активатора на основе щелочного металла, цемента на основе сульфоалюмината кальция и сульфата кальция взаимодействие было менее экзотермичным по сравнению с двумя отдельными взаимодействиями, а времена загустения и отверждения значительно увеличивались.
[0360] Также было обнаружено, что при взаимодействии алюмосиликатного минерала и активатора на основе щелочного металла с цементом на основе сульфоалюмината кальция и сульфатом кальция происходит значительное снижение усадки материала, что обсуждалось выше в одном из параграфов описания.
[0361] Прочность на сжатие
[0362] В таблице 13 показана прочность на сжатие геополимерных вяжущих композиций, предложенных в некоторых вариантах реализации настоящего изобретения, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс) и цитрат щелочного металла, исследуемых в примере 5.
[0363]
ТАБЛИЦА 13 - Прочность на сжатие согласно примеру 5 - (psi (МПа))
4 часа
24 часа
8 дней
28 дней
Смесь 1
1812 (12,5)
3732 (25,7)
5502 (37,9)
6262 (43,1)
Смесь 2
2418 (16,7)
4314 (29,7)
6241 (43)
5992 (41,3)
Смесь 3
3111 (21,4)
4659 (32,1)
5589 (38,5)
6502 (44,8)
Смесь 4
3469 (23,9)
4778 (32,9)
5519 (38)
5260 (36,3)
[0364] В указанном примере исследовали влияние включения цемента на основе сульфоалюмината кальция в комбинации с сульфатом кальция в виде тонкозернистого гипса на прочность на сжатие на ранней стадии отверждения и окончательную прочность на сжатие в предложенных геополимерных вяжущих композициях согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения. Полученные данные указывали на следующий факт:
[0365] Прочность на сжатие геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения увеличивалась со временем.
[0366] Прочность смеси на сжатие на ранней стадии отверждения (примерно через 4 часа и примерно через 24 часа) увеличивалась при увеличении содержания сульфата кальция (гипса) в вяжущей композиции.
[0367] При использовании дигидрата сульфата кальция в виде тонкозернистого гипса в качестве компонента геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения прочность на сжатие на ранней стадии отверждения материала через 4 часа составляла более 1500 psi (10,3 МПа). Кроме того, прочность на сжатие смеси 3 и смеси 4, содержащих более высокие количества дигидрата сульфата кальция в виде тонкозернистого гипса, через 4 часа составляла более чем примерно 3000 psi (20,7 МПа).
[0368] При использовании сульфата кальция в виде тонкозернистого гипса в качестве компонента исследуемых геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения прочность на сжатие на ранней стадии отверждения материала, т.е. через 24 часа, составляла более чем примерно 3500 psi (24,1 МПа). Кроме того, прочность на сжатие смеси 3 и смеси 4, содержащих более высокие количества сульфата кальция (тонкозернистого гипса), через 24 часа составляла более чем примерно 4500 psi (31 МПа).
[0369] Прочность на сжатие всех геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения через 28 дней была очень высокой и составляла более 5000 psi (34 МПа). Прочность на сжатие через 28 дней для смесей 1-3 составляли примерно 6000 psi (41,4 МПа) или более.
[0370] Пример 6
[0371] Задачей настоящего испытания являлось исследование влияния включения различных количеств дигидрата сульфата кальция (тонкозернистого гипса) в геополимерные связующие композиции согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения.
[0372] В таблице 14 показан состав сырья для геополимерных вяжущих смесей, исследуемых в указанном примере. Количество цемента на основе сульфоалюмината кальция, применяемого в смешанных композициях согласно указанному примеру, составляло 40 масс.% от массы зольной пыли. Дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс) добавляли в различные исследуемые смешанные композиции в различных количествах, составляющих 125 масс.%, 150 масс.%, 175 масс.% и 200 масс.% от массы цемента на основе сульфоалюмината кальция и 50, 60, 70 и 80 масс.% от массы зольной пыли,. Отношение вода/вяжущие материалы, применяемое в указанном примере, было постоянным и составляло 0,25. Также добавляли тонкозернистый технический песок QUIKRETE No. 1961 и суперпластификатор BASF CASTAMENT FS20.
[0373]
ТАБЛИЦА 14 - Композиции, исследуемые в примере 6
Сырье
Смесь 1
Смесь 2
Смесь 3
Смесь 4
Зольная пыль класса C (граммы)
1579
1500
1429
1364
Дигидрат сульфата кальция (граммы)
790
900
1000
1091
Цемент на основе сульфоалюмината кальция (граммы)
632
600
571
546
Общее количество вяжущих материалов (граммы)
3000
2250
3000
3000
Песок (граммы)
2250
3150
2250,0
2250
Цитрат калия (граммы)
120
60
120
120
Суперпластификатор (граммы)
18
18
18
18
Вода (граммы)
750
750
750
750
Отношение вода/вяжущие материалы
0,25
0,25
0,25
0,25
Отношение песок/вяжущие материалы
0,75
0,75
0,75
0,75
Суперпластификатор/вяжущие материалы, масс.%
0,6%
0,6%
0,6%
0,6%
Цитрат калия/вяжущие материалы, масс.%
4%
4%
4%
4%
Цемент на основе сульфоалюмината кальция/зольная пыль, масс.%
40%
40%
40%
40%
Сульфат кальция/цемент на основе сульфоалюмината кальция, масс.%
125%
150%
175%
200%
[0374] Начальные характеристики текучести, осадки и растрескивания на ранней стадии отверждения материала
[0375] В таблице 15 показаны начальные характеристики текучести и осадки геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, сульфат кальция (тонкозернистый гипс) и цитрат щелочного металла, исследуемых в примере 6.
[0376]
ТАБЛИЦА 15 - Текучесть и осадка согласно примеру 6
Текучесть
Осадка (дюймы (см))
Смесь 1
8
8,75 (22,2)
Смесь 2
8
8,5 (21,6)
Смесь 3
8
9 (23)
Смесь 4
8
7 (17,75)
[0377] Все исследуемые смешанные композиции имели хорошие характеристики самостоятельного выравнивания, текучести и крупный диаметр плоских образцов, определяемый в испытании на осадку. Крупный диаметр в испытании на осадку и характеристики самостоятельного выравнивания можно получать даже при отношении вода/вяжущие материалы, составляющем только 0,25.
[0378] В плоских образцах согласно указанному примеру после осадки растрескивание после сушки не происходило в противоположность вяжущим смесям согласно примеру сравнения 4, не содержащим дигидрат сульфата кальция (гипс). Таким образом, можно сделать вывод о том, что включение дигидрата сульфата кальция (тонкозернистого гипса) в вяжущую смесь, содержащую зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция и цитрат щелочного металла, обеспечивает геополимерные вяжущие композиции с устойчивыми размерами, обладающие улучшенной стойкостью к растрескиванию при сушке.
[0379] Характеристики усадки
[0380] На фиг.6А показаны характеристики усадки геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, исследуемых в примере 6. Результаты указанного примера показывают синергическое действие включения цемента на основе сульфоалюмината кальция в комбинации с тонкозернистым дигидратом сульфата кальция и цитратом щелочного металла на характеристики усадки предложенных геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения.
[0381] Измерения усадки начинали примерно через 4 часа после смешения сырья с образованием водной суспензии. Общая продолжительность измерения усадки материала при отверждении материала примерно при 75°F (24°С)/50% отн.вл. составляла примерно 8 недель.
[0382] На основании указанного исследования и фиг.6А можно сделать следующие важные выводы:
[0383] Включение дигидрата сульфата кальция в виде тонкозернистого гипса оказывало значительное влияние на улучшение стойкости к растрескиванию и размерной устойчивости геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция и цитрат щелочного металла. В противоположность усадке брусков согласно примеру сравнения 4 (не содержащих сульфат кальция), которые растрескивались еще до извлечения из формы, бруски, которые использовали в испытании на усадку, согласно примеру 6, содержащие дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс), были полностью устойчивыми, и в них отсутствовали какие-либо трещины до или после извлечения из формы.
[0384] Измеренная максимальная усадка геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс) и цитрат щелочного металла, была значительно ниже по сравнению с вяжущими композициями, содержащими только зольную пыль и цитрат щелочного металла (пример 1). Например, геополимерные вяжущие композиции согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, содержащие зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс) и цитрат щелочного металла, имели максимальную усадку от примерно 0,09% до примерно 0,12%, для сравнения максимальная усадка смеси, содержащей только зольную пыль и цитрат щелочного металла (пример 1), составляла примерно 0,75%. Таким образом, добавление дигидрата сульфата кальция (тонкозернистого гипса) в вяжущие композиции, содержащие зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция и цитрат щелочного металла, способствует значительному снижению усадки материала.
[0385] Увеличение количества гипса до уровня, используемого в указанном примере, приводило к незначительному увеличению максимальной усадки материала. Можно наблюдать, что при количестве гипса примерно 125 масс.% усадка материала составляла примерно 0,09%. Увеличение количества гипса примерно до 200 масс.% приводило к увеличению усадки материала примерно до 0,12%.
[0386] Профиль выделения теплоты и увеличения температуры суспензии
[0387] На фиг.6В показан экзотермический профиль и увеличение температуры суспензии для геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, исследуемых в примере 6. Можно наблюдать, что в вяжущих композициях согласно примеру 6, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс) и цитрат щелочного металла, происходило очень умеренное увеличение температуры.
[0388] Умеренное выделение теплоты и низкое увеличение температуры на стадии отверждения материала эффективно предотвращают избыточное тепловое расширение и последующее растрескивание и разрушение материала. Этот аспект становится еще более эффективным при использовании материала для применений в конкретных полевых условиях, при которых используют укладку материала с большой толщиной. Геополимерные вяжущие композиции согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, исследуемые в указанном примере, являются крайне эффективными согласно указанному конкретному аспекту, так как они обладают пониженным тепловым расширением и увеличенной устойчивостью к термическому растрескиванию при применении в конкретных полевых условиях.
[0389] Время схватывания
[0390] В таблице 16 показано время схватывания геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, исследуемых в примере 6, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс) и цитрат щелочного металла.
[0391]
ТАБЛИЦА 16 - Времена схватывания согласно примеру 6
Время начального схватывания (ч:мин)
Время окончательного схватывания (ч:мин)
Смесь 1
00:29
00:36
Смесь 2
00:31
00:38
Смесь 3
00:33
00:40
Смесь 4
00:30
00:40
[0392] Все вяжущие композиции, исследуемые в указанном примере, имели время окончательного схватывания в диапазоне от примерно 35 до примерно 45 минут. В противоположность этому, сравнительная вяжущая композиция, содержащая зольную пыль и цитрат щелочного металла, согласно примеру 1 имела очень короткое время окончательного схватывания, составляющее примерно 15 минут.
[0393] Прочность на сжатие
[0394] В таблице 17 показана прочность на сжатие на ранней стадии отверждения и окончательная прочность на сжатие геополимерных вяжущих композиций, предложенных в некоторых вариантах реализации настоящего изобретения, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс) и цитрат щелочного металла, согласно примеру 6.
[0395]
ТАБЛИЦА 17 - Прочность на сжатие согласно примеру 6 - (psi (МПа))
4 часа
24 часа
7 дней
28 дней
Смесь 1
3149 (21,7)
4843 (33,4)
5691 (39,2)
6090 (42)
Смесь 2
3410 (23,5)
4667 (32,2)
5967 (41,1)
6546 (45,1)
Смесь 3
3324 (22,9)
4504 (31)
5610 (38,7)
6482 (44,7)
Смесь 4
2797 (19,3)
4280 (29,5)
5662 (39)
5108 (35,2)
[0396] На основании указанного исследования можно сделать следующие выводы:
[0397] Прочность на сжатие геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, исследуемых в указанном примере, увеличивалась со временем.
[0398] Прочность на сжатие материала на ранней стадии отверждения, т.е. через 4 часа, составляла более чем примерно 2500 psi (17,2 МПа) при использовании сульфата кальция в виде тонкозернистого гипса в качестве компонента исследуемых геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения. Кроме того, прочность на сжатие через 4 часа для смесей 1-3 составляла более чем примерно 3000 psi (20,7 МПа).
[0399] Прочность на сжатие материала на ранней стадии отверждения через 24 часа составляла более 4000 psi (27,6 МПа)при использовании сульфата кальция в виде тонкозернистого гипса в качестве компонента исследуемых геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения.
[0400] Прочность на сжатие геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, исследуемых в указанном примере, через 28 дней была очень высокой и составляла более 5000 psi (34 МПа). Прочность на сжатие через 28 дней для смесей 1-3, содержащих сульфат кальция в виде тонкозернистого гипса, составляла более 6000 psi (41,4 МПа).
[0401] Пример 7
[0402] Задачей этого испытания являлось исследование влияния включения различных количеств дигидрата сульфата кальция (тонкозернистого гипса) в геополимерные связующие композиции согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения.
[0403] В указанном примере проводили сравнение смеси сравнения 1, не содержащей дигидрат сульфата кальция, и смесей 2, 3 и 4, содержащих цемент на основе сульфоалюмината кальция и тонкозернистый дигидрат сульфата кальция.
[0404] В указанном примере проводили сравнение смеси сравнения 1, не содержащей дигидрат сульфата кальция, и смесей 2, 3 и 4, содержащих цемент на основе сульфоалюмината кальция и тонкозернистый дигидрат сульфата кальция.
[0405] В таблице 18 показан состав сырья геополимерных вяжущих композиций, исследуемых в указанном примере. Количество цемента на основе сульфоалюмината кальция, применяемого в смешанных композициях согласно указанному примеру, составляло 80 масс.% от массы зольной пыли. Дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс) добавляли в исследуемые смешанные композиции в следующих количествах – 0 масс.%, 10 масс.%, 20 масс.% и 30 масс.% от массы цемента на основе сульфоалюмината кальция, т.е. 0, 8, 16 и 24 масс.% от массы зольной пыли. Отношение вода/вяжущие материалы, используемое в настоящем примере, было постоянным и составляло 0,30. Также добавляли тонкозернистый технический песок QUIKRETE No.1961 и суперпластификатор BASF CASTAMENT FS20.
[0406]
ТАБЛИЦА 18- Композиции согласно примеру 7
Сырье
Смесь сравнения 1
Смесь 2
Смесь 3
Смесь 4
Зольная пыль класса C (граммы)
1667
1596
1532
1472
Дигидрат сульфата кальция (граммы)
0,0
128
245
353
Цемент на основе сульфоалюмината кальция (граммы)
1333
1277
1225
1177
Общее количество вяжущих материалов (граммы)
3000
3000
3000
3000
Песок (граммы)
3150
3150
3150
3150
Дигидрат цитрата натрия (граммы)
60
60
60
60
Суперпластификатор (граммы)
15
15
15
15
Вода (граммы)
900
900
900
900
Отношение вода/вяжущие материалы
0,3
0,3
0,3
0,3
Отношение песок/вяжущие материалы
1,05
1,05
1,05
1,05
Суперпластификатор/вяжущие материалы, масс.%
0,5%
0,5%
0,5%
0,5%
Цитрат натрия/вяжущие материалы, масс.%
2,0%
2,0%
2,0%
2,0%
Цемент на основе сульфоалюмината кальция/зольная пыль, масс.%
80%
80%
80%
80%
Сульфат кальция/цемент на основе сульфоалюмината кальция, масс.%
0%
10%
20%
30%
[0407] Начальные характеристики текучести, осадки и растрескивания на ранней стадии отверждения
[0408] В таблице 19 показаны начальные характеристики текучести и осадки геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс) и цитрат щелочного металла, исследуемых в примере 7.
[0409]
ТАБЛИЦА 19 - Текучесть и осадка согласно примеру 7
Смесь 1
Смесь 2
Смесь 3
Смесь 4
Текучесть
Осадка (дюймы (см))
Текучесть
Осадка (дюймы (см))
Текучесть
Осадка (дюймы (см))
Текучесть
Осадка (дюймы (см))
9
10 (25,5)
9
9 (23)
8
8,75 (22,2)
7
8 (20,3)
[0410] Все исследуемые смешанные композиции обладали хорошей текучестью и имели большой диаметр плоских образцов после осадки в испытании на осадку. Большую осадку и характеристики самостоятельного выравнивания можно получать даже при отношении вода/вяжущие материалы, составляющем только примерно 0,3.
[0411] На фиг.7А показан плоский образец смеси сравнения 1 согласно примеру 7 после осадки, который не содержал дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс), в котором происходило значительное разрушение после сушки. На фиг.7В показаны плоские образцы смесей 2, 3 и 4 геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения согласно примеру 7 после осадки, которые были в превосходном состоянии и в которых растрескивание не происходило.
[0412] Характеристики усадки
[0413] На фиг.7С показаны данные усадки геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, исследуемых в указанном примере.
[0414] Измерения усадки начинали примерно через 4 часа после смешения материалов с получением водной суспензии. Общая продолжительность измерения усадки материала при отверждении материала примерно при 75°F (24°С)/50% отн.вл. составляла примерно 8 недель.
[0415] На основании испытания установили следующее:
[0416] В противоположность усадке брусков согласно примеру сравнения 4 (не содержащих сульфат кальция), которые растрескивались еще до извлечения из формы, бруски, которые испытывали на усадку согласно примеру 7, содержащие сульфат кальция (тонкозернистый гипс), были полностью устойчивыми, и в них не происходило растрескивание до или после извлечения из формы.
[0417] Геополимерные вяжущие композиции согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, содержащие зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс) и цитрат щелочного металла, имели максимальную усадку менее чем примерно 0,07%, для сравнения максимальная усадка сравнительной смешанной композиции, содержащей только зольную пыль и цитрат щелочного металла, (пример 1) составляла примерно 0,75%.
[0418] Измеренная максимальная усадка геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс) и цитрат щелочного металла, (смеси 2, 3 и 4) составляла менее чем примерно 0,07%, для сравнения измеренная максимальная усадка композиции сравнения, содержащей только зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция и цитрат щелочного металла (смесь 1), составляла примерно 0,19%.
[0419] Профиль выделения теплоты и увеличения температуры суспензии
[0420] На фиг.7D показан экзотермический профиль и характеристики увеличения температуры суспензии для геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, исследуемых в примере 7. В вяжущих композициях согласно указанному примеру, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс) и цитрат щелочного металла, происходило умеренное увеличение температуры. Умеренное выделение теплоты и низкое увеличение температуры материала на стадии отверждения эффективно предотвращают избыточное тепловое расширение и последующее растрескивание и разрушение материала. Этот аспект становится еще более эффективным при использовании материала для применений в конкретных полевых условиях, при которых используют укладку материала с большой толщиной. Геополимерные вяжущие композиции согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, исследуемые в указанном примере, являются крайне эффективными согласно указанному конкретному аспекту, так как они обладают пониженным тепловым расширением и увеличенной устойчивостью к термическому растрескиванию при применении в конкретных полевых условиях.
[0421] Время схватывания
[0422] В таблице 20 показано время схватывания геополимерных вяжущих композиций, полученных из смеси сравнения 1 и смесей 2, 3 и 4 согласно настоящему изобретению, исследуемых в примере 7.
[0423]
ТАБЛИЦА 20 - Время схватывания согласно примеру 7
Время начального схватывания (ч:мин)
Время окончательного схватывания (ч:мин)
Смесь 1
00:25
1:05
Смесь 2
00:26
1:06
Смесь 3
00:43
1:15
Смесь 4
00:46
1:20
[0424] Все вяжущие композиции имели очень быстрое время схватывания. Тем не менее, смеси 2, 3 и 4 согласно настоящему изобретению, содержащие зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс) и цитрат щелочного металла, имели относительно более продолжительное время схватывания по сравнению со сравнительными вяжущими композициями, содержащими только зольную пыль и цитрат щелочного металла (пример 1). Время окончательного схватывания геополимерных вяжущих композиций, полученных из смесей 2, 3 и 4, согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, гипс и цитрат натрия, составляло от примерно 60 до примерно 90 минут, для сравнения время окончательного схватывания сравнительной смешанной смеси, содержащей только зольную пыль и цитрат натрия (пример 1), было очень коротким и составляло примерно 15 минут.
[0425] Прочность на сжатие
[0426] В таблице 21 показана прочность на сжатие предложенных геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс) и цитрат щелочного металла, исследуемых в примере 7.
ТАБЛИЦА 21 - Прочность на сжатие согласно примеру 7 - (psi (МПа))
4 часа
24 часа
7 дней
28 дней
Смесь 1
217 (1,5)
489 (3,4)
1461 (10)
4300 (29,6)
Смесь 2
597 (4,1)
1848 (12,7)
3408 (23,5)
5976 (41,2)
Смесь 3
1194 (8,2)
2570 (17,7)
4481 (30,9)
5498 (37,9)
Смесь 4
1546 (10,7)
2961 (20,4)
4044 (27,9)
6504 (44,8)
[0427] Можно сделать следующие выводы:
[0428] Прочность на сжатие геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, исследуемых в указанном примере, увеличивалась со временем.
[0429] Прочность на сжатие на ранней стадии отверждения и окончательная прочность на сжатие сравнительной смешанной композиции, не содержащей сульфат кальция (смесь 1), были ниже по сравнению со значениями для вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, содержащих гипс (смеси 2-4).
[0430] Прочность на сжатие на ранней стадии отверждения (через 4 часа и через 24 часа) геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения увеличивалась при увеличении количества дигидрата сульфата кальция (тонкозернистого гипса) в материале.
[0431] Прочность на сжатие материала на ранней стадии отверждения через 24 часа составляла более чем примерно 1500 psi (10,3 МПа) при использовании дигидрата сульфата кальция (тонкозернистого гипса) в качестве компонента геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения. Прочность на сжатие через 24 часа для смесей 3 и 4 составляла более чем примерно 2500 psi (17,2 МПа).
[0432] Прочность на сжатие через 28 дней для всех геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, содержащих зольную пыль, сульфоалюминат кальция, гипс и цитрат натрия, была очень высокой и составляла более чем примерно 5000 psi (34,5 МПа). Прочность на сжатие через 28 дней для смеси 4, содержащей гипс в количестве примерно 30 масс.% (относительно массы цемента на основе сульфоалюмината кальция), составляла более чем примерно 6000 psi (41,4 МПа).
[0433] Пример 8
[0434] Задачей настоящего испытания являлось исследование влияния включения различных количеств дигидрата сульфата кальция (тонкозернистого гипса) в геополимерные связующие композиции согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения.
[0435] В настоящем примере показаны физические свойства геополимерных вяжущих композиций, предложенных в некоторых вариантах реализации настоящего изобретения, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, тонкозернистый дигидрат сульфата кальция (т.е. гипс или природный гипс) и цитрат щелочного металла. В таблице 22 показан состав сырья геополимерных вяжущих смесей, исследуемых в указанном примере. Количество цемента на основе сульфоалюмината кальция, применяемого в смешанных композициях согласно указанному примеру, составляло примерно 80 масс.% от массы зольной пыли. Гипс добавляли в исследуемые смешанные композиции в следующих количествах - 40 масс.%, 50 масс.%, 60 масс.% и 80 масс.% от массы цемента на основе сульфоалюмината кальция, т.е. 32, 40, 48 и 64 масс.% от массы зольной пыли. Отношение вода/вяжущие материалы, используемое в этом примере, было постоянным и составляло 0,30. Добавляли тонкозернистый технический песок QUIKRETE No.1961 и суперпластификатор BASF CASTAMENT FS20.
[0436]
ТАБЛИЦА 22 - Геополимерные композиции согласно примеру 8
Сырье
Смесь 1
Смесь 2
Смесь 3
Смесь 4
Зольная пыль класса C (граммы)
1415
1364
1316
1230
Дигидрат сульфата кальция (граммы)
453
546
632
787
Цемент на основе сульфоалюмината кальция (граммы)
1132
1091
1053
984
Общее количество вяжущих материалов (граммы)
3000
3000
3000
3000
Песок (граммы)
3150
3150
3150
3150
Дигидрат цитрата натрия (граммы)
60
60
60
60
Суперпластификатор (граммы)
15
15
15
15
Вода (граммы)
900
900
900
900
Отношение вода/вяжущие материалы
0,3
0,3
0,3
0,3
Отношение песок/вяжущие материалы
1,05
1,05
1,05
1,05
Суперпластификатор/вяжущие материалы, масс.%
0,5%
0,5%
0,5%
0,5%
Цитрат натрия/вяжущие материалы, масс.%
2,0%
2,0%
2,0%
2,0%
Цемент на основе сульфоалюмината кальция/зольная пыль, масс.%
80%
80%
80%
80%
Сульфат кальция/цемент на основе сульфоалюмината кальция, масс.%
40%
50%
60%
80%
[0437] Начальные характеристики текучести, осадки и растрескивания на ранней стадии отверждения
[0438] В таблице 23 показаны начальные характеристики текучести и осадки геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс) и цитрат щелочного металла, исследуемых в примере 8.
[0439]
ТАБЛИЦА 23 - Текучесть и осадка согласно примеру 8
Текучесть
Осадка (дюймы (см))
Смесь 1
8
8,5 (21,6)
Смесь 2
8
8,5 (21,6)
Смесь 3
8
8 (20,3)
Смесь 4
8
8 (20,3)
[0440] Все исследуемые смешанные композиции имели хорошие характеристики самостоятельного выравнивания и текучести, а также большой диаметр плоских образцов после осадки в испытании на осадку. Особенно следует отметить, что указанную большую осадку и характеристики самостоятельного выравнивания можно получать даже при отношении вода/вяжущие материалы, составляющем только примерно 0,3.
[0441] Плоские образцы всех четырех смесей, содержащих дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс), после осадки находились в отличном состоянии, и в них не происходило растрескивание.
[0442] Характеристики усадки
[0443] На фиг.8А показаны характеристики усадки геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, исследуемых в примере 8. Измерения усадки начинали примерно через 4 часа после смешения сырья с получением водной суспензии. Общая продолжительность измерения усадки материала при отверждении материала примерно при 75°F (24°С)/50% относительной влажности (отн.вл.) составляла примерно 8 недель.
[0444] На основании указанного исследования и фиг.8А можно сделать следующие важные выводы:
[0445] В противоположность усадке брусков согласно примеру сравнения 4 (не содержащих сульфат кальция), которые растрескивались еще до извлечения из формы, бруски, которые испытывали на усадку согласно примеру 8, содержащие дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс), были полностью устойчивыми, и в них не происходило растрескивание до или после извлечения из формы.
[0446] Геополимерные вяжущие композиции согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, содержащие зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс) и цитрат щелочного металла, имели максимальную усадку от примерно 0,07% до примерно 0,18%, для сравнения максимальная усадка сравнительной смешанной композиции, содержащей только зольную пыль и цитрат щелочного металла (пример 1), составляла примерно 0,75%.
[0447] Увеличение количества дигидрата сульфата кальция (тонкозернистого гипса) сверх определенного уровня приводило к увеличению усадки материала. Например, при количестве гипса примерно 40 масс.% (смесь 1) общая усадка составляла примерно 0,07%, при количестве гипса примерно 60 масс.% (смесь 3) общая усадка увеличивалась примерно до 0,13%, а при количестве гипса примерно 80 масс.% (смесь 4) общая усадка увеличивалась еще больше до примерно 0,18%.
[0448] Если сравнить результаты испытания на усадку, полученные в примере 7 и примере 8, существует предпочтительный диапазон количества дигидрата сульфата кальция (тонкозернистого гипса), который обеспечивает минимальную усадку материала. Полагают, что этот диапазон содержания дигидрата сульфата кальция (тонкозернистого гипса) составляет от примерно 10 до примерно 50 масс.% от массы цемента на основе сульфоалюмината кальция в вяжущих композициях, исследуемых в указанных примерах.
[0449] Профиль выделения теплоты и увеличения температуры суспензии
[0450] На фиг.8В показан экзотермический профиль и характеристики увеличения температуры суспензии для геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, исследуемых в примере 8. В вяжущих композициях согласно указанному примеру, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс) и цитрат щелочного металла, происходило очень умеренное увеличение температуры. Это предотвращает избыточное тепловое расширение и последующее растрескивание и разрушение материала. Этот аспект становится еще более эффективным при использовании материала для применений в конкретных полевых условиях, при которых используют укладку материала с большой толщиной. Геополимерные вяжущие композиции согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, исследуемые в указанном примере, являются крайне эффективными согласно указанному конкретному аспекту, так как они обладают пониженным тепловым расширением и увеличенной устойчивостью к термическому растрескиванию при применении в конкретных полевых условиях.
[0451] Время схватывания
[0452] В таблице 24 показано время схватывания геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, исследуемых в примере 8.
[0453]
ТАБЛИЦА 24 - Время схватывания согласно примеру 7
Время начального схватывания (ч:мин)
Время окончательного схватывания (ч:мин)
Смесь 1
00:44
1:18
Смесь 2
00:45
1:22
Смесь 3
00:52
1:22
Смесь 4
1:02
1:34
[0454] Во всех вяжущих композициях, исследуемых в указанном примере, происходило очень быстрое схватывание. Кроме того, время окончательного схватывания геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, дигидрат сульфата кальция (гипс) и цитрат натрия, в указанном примере составляло от примерно 60 минут до примерно 90 минут, для сравнения время окончательного схватывания сравнительной смешанной композиции, содержащей только зольную пыль и цитрат натрия (пример 1), было очень коротким и составляло примерно 15 минут.
[0455] Прочность на сжатие
[0456] В таблице 25 показана прочность на сжатие геополимерных вяжущих композиций, предложенных в некоторых вариантах реализации настоящего изобретения, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс) и цитрат щелочного металла, исследуемых в примере 8.
[0457]
ТАБЛИЦА 25 - Прочность на сжатие согласно примеру 8 (psi (МПа))
4 часа
24 часа
7 дней
28 дней
Смесь 1
1619 (11,1)
4118 (28,4)
4561 (31,4)
6892 (47,5)
Смесь 2
1776 (12,2)
4336 (29,9)
4603 (31,7)
6148 (42,4)
Смесь 3
1752 (12,1)
4417 (30,5)
5132 (35,4)
7099 (48,9)
Смесь 4
1458 (10)
3277 (22,6)
3714 (25,6)
4678 (32,3)
[0458] В примере исследовали влияние включения цемента на основе сульфоалюмината кальция в комбинации с сульфатом кальция (тонкозернистым гипсом) и цитратом щелочного металла на прочность на сжатие на ранней стадии отверждения и окончательную прочность на сжатие геополимерных вяжущих композиций, предложенных в некоторых вариантах реализации настоящего изобретения. На основании результатов данного исследования можно сделать следующие выводы:
[0459] Прочность на сжатие геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, исследуемых в указанном примере, увеличивалась со временем.
[0460] Прочность на сжатие на ранней стадии отверждения и окончательная прочность на сжатие смешанной композиции, не содержащей сульфат кальция (смесь 1 согласно примеру 7), была ниже по сравнению со значениями для вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, содержащих сульфат кальция (тонкозернистый гипс) (смеси 1-4).
[0461] Если сравнить результаты исследований, полученных в примере 7 и примере 8, можно увидеть, что прочность на сжатие на ранней стадии отверждения (через 4 часа и через 24 часа) для геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения увеличивалась при увеличении количества сульфата кальция (тонкозернистого гипса) в материале.
[0462] Прочность на сжатие на ранней стадии отверждения (через 4 часа и через 24 часа) для геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения при высоком содержании сульфата кальция (тонкозернистого гипса) была очень высокой. Смешанные композиции, содержащие сульфат кальция (тонкозернистый гипс) в количестве примерно 40 масс.%, примерно 50 масс.% и примерно 60 масс.% соответственно имели прочность на сжатие через 4 часа более чем примерно 1500 psi (10,3 МПа) и прочность на сжатие через 24 часа более чем примерно 4000 psi (27,6 МПа).
[0463] Значения прочности на сжатие на ранней стадии отверждения через 4 часа и 24 часа показывают, что некоторые варианты реализации настоящего изобретения обеспечивают значительное нарастание прочности на сжатие на ранней стадии отверждения по сравнению со значениями прочности на сжатие через 4 часа и 24 часа, составляющими примерно 500 psi (3,4 МПа) и 2000 psi (13,8 МПа), для примеров сравнения 2 и 3.
[0464] Прочность на сжатие через 28 дней для всех геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, содержащих зольную пыль, сульфоалюминат кальция, дигидрат сульфата кальция (гипс) и цитрат натрия, была очень высокой и составляла более чем примерно 4500 psi (31 МПа). Вяжущие композиции согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, содержащие дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс) в количестве, составляющем примерно 40 масс.%, примерно 50 масс.% и примерно 60 масс.% соответственно, имели прочность на сжатие через 28 дней, составляющую более чем примерно 6000 psi (41,4 МПа).
[0465] Пример 9
[0466] Задачей настоящего испытания являлось исследование влияния включения различных количеств дигидрата сульфата кальция (тонкозернистого гипса) в геополимерные связующие композиции согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения.
[0467] В таблице 26 показан состав сырья геополимерных вяжущих смесей, исследуемых в указанном примере.
[0468] Количество цемента на основе сульфоалюмината кальция, применяемого в смешанных композициях согласно указанном примеру, составляло 80 масс.% от массы зольной пыли. Дигидрат сульфата кальция в виде тонкозернистого гипса добавляли в исследуемые смешанные композиции в следующих количествах – 0 масс.%, 10 масс.%, 20 масс.% и 30 масс.% от массы цемента на основе сульфоалюмината кальция, т.е. 0, 8, 16 и 24 масс.% от массы зольной пыли. Отношение воды к вяжущим материалам, используемое в указанном примере, было постоянным и составляло 0,25.
[0469]
ТАБЛИЦА 26 - Композиции, исследуемые в примере 9
Сырье
Смесь сравнения 1
Смесь 2
Смесь 3
Смесь 4
Зольная пыль класса C (граммы)
1667
1596
1531
1471
Дигидрат сульфата кальция (граммы)
0
128
245
353
Цемент на основе сульфоалюмината кальция (граммы)
1333
1277
1225
1177
Общее количество вяжущих материалов (граммы)
3000
3000
3000
3000
Песок (граммы)
3150
3150
3150
3150
Дигидрат цитрата натрия (граммы)
60
60
60
60
Суперпластификатор (граммы)
15
15
15
15
Вода (граммы)
750
750
750
750
Отношение вода/вяжущие материалы
0,25
0,25
0,25
0,25
Отношение песок/вяжущие материалы
1,05
1,05
1,05
1,05
Суперпластификатор/вяжущие материалы, масс.%
0,5%
0,5%
0,5%
0,5%
Цитрат натрия/вяжущие материалы, масс.%
2%
2%
2%
2%
Цемент на основе сульфоалюмината кальция/зольная пыль, масс.%
80%
80%
80%
80%
Сульфат кальция/цемент на основе сульфоалюмината кальция, масс.%
0%
10%
20%
30%
[0470] Осадка и растрескивание материала на ранней стадии отверждения
[0471] В таблице 27 показаны начальные характеристики текучести и осадки геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс) и цитрат щелочного металла, исследуемых в примере 9.
[0472]
ТАБЛИЦА 27 - Текучесть и осадка согласно примеру 9
Текучесть
Осадка (дюймы (см))
Смесь сравнения 1
7
9 (23)
Смесь 2
6
7 (17,8)
Смесь 3
5
6,5 (16,5)
Смесь 4
5
6 (15,2)
[0473] Все исследуемые смешанные композиции имели хорошую текучесть и характеристики осадки в испытании на осадку. Особенно следует отметить, что указанную хорошую текучесть и осадку можно получать даже при отношении вода/вяжущие материалы, составляющем только примерно 0,25.
[0474] Все смеси, содержащие дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс), находились в отличном состоянии, и в них не происходило растрескивание.
[0475] Характеристики усадки
[0476] На фиг.9А показаны характеристики усадки геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, исследуемых в примере 9. Основной задачей настоящего испытания являлось исследование влияния включения цемента на основе сульфоалюмината кальция в комбинации с тонкозернистым дигидратом сульфата кальция (гипсом) и цитратом щелочного металла на характеристики усадки геополимерных вяжущих композиций, предложенных в некоторых вариантах реализации настоящего изобретения.
[0477] Измерения усадки начинали примерно через 4 часа после смешения сырья с получением водной суспензии. Общая продолжительность измерения усадки материала при отверждении материала примерно при 75°F (24°С)/50% отн.вл. составляла примерно 8 недель.
[0478] На основании указанного исследования и фиг.9А можно сделать следующие выводы:
[0479] В противоположность усадке брусков согласно примеру сравнения 4 (не содержащих сульфат кальция), которые растрескивались еще до извлечения из формы, бруски, которые испытывали на усадку согласно примеру 9, содержащие дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс), были устойчивыми, и в них не происходило растрескивание до или после извлечения из формы.
[0480] Геополимерные вяжущие композиции согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения (пример 9), содержащие зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс) и цитрат щелочного металла, имели максимальную усадку менее чем примерно 0,07%, для сравнения максимальная усадка сравнительной смешанной композиции, содержащей только зольную пыль и цитрат щелочного металла (пример 1), составляла примерно 0,75%.
[0481] Смешанные композиции, содержащие зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, сульфат кальция (тонкозернистый гипс) и цитрат щелочного металла (смеси 2, 3 и 4), имели максимальную усадку менее чем примерно 0,07%, тогда как максимальная усадка смеси сравнения 1, содержащей зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, цитрат щелочного металла, но не содержащей сульфат кальция (гипс), была очень высокой и составляла примерно 0,17%.
[0482] Профиль выделения теплоты и увеличения температуры суспензии
[0483] На фиг.9В показан экзотермический профиль и характеристики увеличения температуры суспензии для геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, исследуемых в примере 9. В вяжущих композициях согласно указанному примеру, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс) и цитрат щелочного металла, происходило только очень умеренное увеличение температуры. Кроме того, уменьшение отношения воды к вяжущим материалам от примерно 0,30 до примерно 0,25 (если сравнивать результаты примеров 7 и 9) не приводило к сколько-нибудь значимым изменениям профиля увеличения температуры.
[0484] Умеренное выделение теплоты и низкое увеличение температуры на стадии отверждения материала значительно способствуют предотвращению избыточного теплового расширения и последующего растрескивания и разрушения материала. Этот аспект становится еще более эффективным при использовании материала для применений в конкретных полевых условиях, при которых используют укладку материала с большой толщиной. Геополимерные вяжущие композиции согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, исследуемые в указанном примере, являются крайне эффективными согласно указанному конкретному аспекту, так как они обладают пониженным тепловым расширением и увеличенной устойчивостью к термическому растрескиванию при применении в конкретных полевых условиях.
[0485] Время схватывания
[0486] В таблице 28 показано время схватывания геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации, исследуемых в примере 9.
[0487]
ТАБЛИЦА 28 - Времена схватывания согласно примеру 9
Время начального схватывания (ч:мин)
Время окончательного схватывания (ч:мин)
Смесь сравнения 1
00:19
00:30
Смесь 2
00:20
00:45
Смесь 3
00:25
00:48
Смесь 4
00:25
00:50
[0488] Все вяжущие композиции, исследуемые в указанном примере, обладали быстрым схватыванием. Время окончательного схватывания геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс) и цитрат натрия, в указанном примере составляло более чем примерно 45 минут, для сравнения время окончательного схватывания сравнительной смешанной композиции, содержащей только зольную пыль и цитрат натрия (пример 1), было очень коротким и составляло примерно 15 минут. Смесь сравнения №1, не содержащая сульфат кальция (гипс), имела значительно более короткое время схватывания по сравнению со смесями 2-4 согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, содержащими дигидрат сульфата кальция (гипс). Очень короткое время схватывания является проблемой для некоторых вариантов реализации настоящего изобретения.
[0489] Прочность на сжатие
[0490] В таблице 29 показана прочность на сжатие геополимерных вяжущих композиций, предложенных к некоторых вариантах реализации настоящего изобретения, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс) и цитрат щелочного металла, исследуемых в примере 9.
[0491]
ТАБЛИЦА 29 - Прочность на сжатие согласно примеру 9 (psi (МПа))
4 часа
24 часа
7 дней
28 дней
Смесь 1
378 (2,6)
953 (6,6)
2404 (16,6)
4694 (32,4)
Смесь 2
1063 (7,3)
2773 (19,1)
5493 (37,9)
6678 (46)
Смесь 3
1758 (12,1)
3698 (25,5)
5346 (36,9)
7437 (51,3)
Смесь 4
2241 (15,5)
4221 (29,1)
5895 (40,6)
7697 (53)
[0492] На основании указанного исследования можно сделать следующие выводы:
[0493] Прочность на сжатие геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, исследуемых в указанном примере, увеличивалась со временем.
[0494] Прочность на сжатие на ранней стадии отверждения и окончательная прочность на сжатие смешанной композиции, не содержащей гипс (смесь 1), были ниже по сравнению со значениями для вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, содержащих гипс (смеси 2-4).
[0495] Прочность на сжатие на ранней стадии отверждения (через 4 часа и 24 часа) геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения увеличивалась при увеличении содержания сульфата кальция (тонкозернистого гипса) в материале.
[0496] Прочность на сжатие материала через 4 часа составляла более чем примерно 1000 psi (6,9 МПа) при использовании сульфата кальция (тонкозернистого гипса) в геополимерных вяжущих композициях согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, исследуемых в указанном примере. Кроме того, прочность на сжатие через 4 часа для смеси 3 и смеси 4, содержащих сульфат кальция (тонкозернистый гипс), составляла более чем примерно 1500 psi (10,3 МПа) и примерно 2000 psi (13,8 МПа) соответственно. В противоположность этому, в отсутствие дигидрата сульфата кальция (гипса) прочность на сжатие материала примерно через 4 часа была относительно очень низкой и составляла менее чем примерно 400 psi (2,8 МПа) (смесь 1).
[0497] Прочность на сжатие материала через 24 часа составляла более чем примерно 2500 psi (17,2 МПа) при использовании дигидрата сульфата кальция (тонкозернистого гипса) в геополимерных вяжущих композициях согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, исследуемых в указанном примере. Кроме того, прочность на сжатие через 24 часа для смеси 3 и смеси 4, содержащих дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс), составляла более чем примерно 3500 psi (24,1 МПа). В противоположность этому в отсутствие гипса прочность на сжатие материала примерно через 24 часа составляла менее чем примерно 1000 psi (6,9 МПа) (смесь 1).
[0498] Значения прочности на сжатие на ранней стадии отверждения через 4 часа и 24 часа показывают, что некоторые варианты реализации настоящего изобретения обеспечивают значительное нарастание прочности на сжатие на ранней стадии отверждения по сравнению со значениями прочности на сжатие через 4 часа и 24 часа, составляющими примерно 500 psi (3,4 МПа) и 2000 psi (13,8 МПа), для примеров сравнения 2 и 3.
[0499] Прочность на сжатие через 28 дней для всех геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, содержащих зольную пыль, сульфоалюминат кальция, дигидрат сульфата кальция (гипс) и цитрат натрия, была очень высокой и составляла более чем примерно 6000 psi (41,4 МПа).
[0500] Пример 10
[0501] Задачей настоящего испытания являлось исследование влияния включения различных количеств дигидрата сульфата кальция (тонкозернистого гипса) в геополимерные связующие композиции согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения.
[0502] В таблице 30 показан состав сырья геополимерных вяжущих смесей, исследуемых в указанном примере. Количество цемента на основе сульфоалюмината кальция, используемого в смешанных композициях согласно указанному примеру, составляло 80 масс.% от массы зольной пыли. Дигидрат сульфата кальция в виде тонкозернистого гипса добавляли в исследуемые смешанные композиции в следующих количествах – 40 масс.%, 50 масс.%, 60 масс.% и 80 масс.% от массы цемента на основе сульфоалюмината кальция. Дигидрат сульфата кальция составлял 32, 40, 48 и 64 масс.% от массы зольной пыли. Отношение воды к вяжущим материалам, используемое в этом примере, было постоянным и составляло 0,25. В качестве песка применяли тонкозернистый технический песок QUIKRETE No.1961, а в качестве суперпластификатора использовали BASF CASTAMENT FS20.
[0503]
ТАБЛИЦА 30 - Композиции согласно примеру 10
Сырье
Смесь 1
Смесь 2
Смесь 3
Смесь 4
Зольная пыль класса C (граммы)
1415
1364
1316
1230
Дигидрат сульфата кальция (граммы)
453
546
632
787
Цемент на основе сульфоалюмината кальция (граммы)
1132
1091
1053
984
Общее количество вяжущих материалов (граммы)
3000
3000
3000
3000
Песок (граммы)
3150
3150
3150
3150
Дигидрат цитрата натрия (граммы)
60
60
60
60
Суперпластификатор (граммы)
15
15
15
15
Вода (граммы)
750
750
750
750
Отношение вода/вяжущие материалы
0,25
0,25
0,25
0,25
Отношение песок/вяжущие материалы
1,05
1,05
1,05
1,05
Суперпластификатор/вяжущие материалы, масс.%
0,5%
0,5%
0,5%
0,5%
Цитрат натрия/вяжущие материалы, масс.%
2,0%
2,0%
2,0%
2,0%
Цемент на основе сульфоалюмината кальция/зольная пыль, масс.%
80%
80%
80%
80%
Сульфат кальция/цемент на основе сульфоалюмината кальция, масс.%
40%
50%
60%
80%
[0504] Осадка и растрескивание материала на ранней стадии отверждения
[0505] В таблице 31 показаны начальные характеристики текучести и осадки геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, сульфат кальция (тонкозернистый гипс) и цитрат щелочного металла, исследуемых в примере 10.
[0506]
ТАБЛИЦА 31 - Текучесть и осадка согласно примеру 10
Текучесть
Осадка (дюймы (см))
Смесь 1
6
6,25 (15,9)
Смесь 2
5
6 (15,2)
Смесь 3
5
6 (15,2)
Смесь 4
5
6 (15,2)
[0507] Все исследуемые смешанные композиции обладали хорошей текучестью и характеристиками осадки в испытании на осадку. Особенно следует отметить, что указанную хорошую текучесть и характеристики осадки можно получать даже при отношении вода/вяжущие материалы, составляющем только примерно 0,25.
[0508] Все смеси, содержащие дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс), находились в отличном состоянии, и в них не происходило растрескивание.
[0509] Характеристики усадки
[0510] На фиг.10А показаны характеристики усадки геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, исследуемых в примере 10.
[0511] Измерения усадки начинали примерно через 4 часа после смешения сырья с получением водной суспензии. Общая продолжительность измерения усадки материала при отверждении материала примерно при 75°F (24°С)/50% отн.вл. составляла примерно 8 недель.
[0512] На основании указанного исследования и фиг.10А можно сделать следующие важные выводы:
[0513] В противоположность усадке брусков согласно примеру сравнения 4 (не содержащих сульфат кальция), которые растрескивались еще до извлечения из формы, бруски, которые испытывали на усадку согласно примеру 10, содержащие дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс), были полностью устойчивыми, и в них не происходило растрескивание до или после извлечения из формы.
[0514] Геополимерные вяжущие композиции согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, содержащие зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс) и цитрат щелочного металла, имели максимальную усадку менее от примерно 0,08% до примерно 0,14%, для сравнения максимальная усадка сравнительной смешанной композиции, содержащей только зольную пыль и цитрат щелочного металла (пример 1), составляла примерно 0,75%.
[0515] Смешанные композиции, содержащие зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс) и цитрат щелочного металла, имели максимальную усадку менее от примерно 0,08% до примерно 0,14%. В противоположность этому максимальная усадка смеси сравнения 1 в примере 9, содержащей зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, цитрат щелочного металла, но не содержащей дигидрат сульфата кальция (гипс), составляла примерно 0,17%.
[0516] Профиль выделения теплоты и увеличения температуры суспензии
[0517] На фиг.10В показан экзотермический профиль и характеристики увеличения температуры суспензии для геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, исследуемых в примере 10. В вяжущих композициях согласно указанному примеру, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс) и цитрат щелочного металла, происходило только очень умеренное увеличение температуры. Кроме того, уменьшение отношения воды к вяжущим материалам от примерно 0,30 до примерно 0,25 (если сравнивать результаты примеров 8 и 10) не приводило к сколько-нибудь значимым изменениям характеристик увеличения температуры.
[0518] Умеренное выделение теплоты и низкое увеличение температуры материала на стадии отверждения эффективно способствуют предотвращению избыточного теплового расширения и последующего растрескивания и разрушения материала. Этот аспект становится еще более эффективным при использовании материала для применений в конкретных полевых условиях, при которых используют укладку материала с большой толщиной. Геополимерные вяжущие композиции согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, исследуемые в указанном примере, являются крайне эффективными согласно указанному конкретному аспекту, так как они обладают пониженным тепловым расширением и увеличенной устойчивостью к термическому растрескиванию при применении в конкретных полевых условиях.
[0519] Время схватывания
[0520] В таблице 32 показано время схватывания геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, исследуемых в примере 10.
[0521]
ТАБЛИЦА 32 - Время схватывания согласно примеру 10
Время начального схватывания (ч:мин)
Время окончательного схватывания (ч:мин)
Смесь 1
00:31
00:51
Смесь 2
00:33
00:56
Смесь 3
00:34
00:57
Смесь 4
00:35
1:02
[0522] Все вяжущие композиции, исследуемые в указанном примере, обладали быстрым схватыванием. Время окончательного схватывания геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, гипс и цитрат натрия, в указанном примере составляло более чем примерно 50 минут, для сравнения время окончательного схватывания сравнительной смешанной композиции, содержащей только зольную пыль и цитрат натрия (пример 1), было очень коротким и составляло примерно 15 минут. Кроме того, смесь сравнения 1 согласно примеру 9, не содержащая гипс, обладала значительно более коротким временем схватывания по сравнению со смесями 1-4 согласно примеру 10, содержащими гипс.
[0523] Прочность на сжатие
[0524] В таблице 33 показана прочность на сжатие геополимерных вяжущих композиций, предложенных в некоторых вариантах реализации настоящего изобретения, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс) и цитрат щелочного металла, исследуемых в примере 10.
[0525]
ТАБЛИЦА 33 - Прочность на сжатие согласно примеру 10 - (psi (МПа))
4 часа
24 часа
7 дней
28 дней
Смесь 1
2528 (17,4)
4894 (33,7)
6232 (43)
6985 (48,2)
Смесь 2
2381 (16,4)
4405 (30,4)
5742 (39,6)
7167 (49,4)
Смесь 3
2340 (16,1)
4367 (30,1)
5741 (39,6)
7117 (49,1)
Смесь 4
2075 (14,3)
4840 (33,4)
5602 (38,6)
7812 (53,9)
[0526] На основании указанного исследования можно сделать следующие важные выводы:
[0527] Прочность на сжатие геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, исследуемых в указанном примере, увеличивалась со временем.
[0528] Прочность на сжатие на ранней стадии отверждения (через 4 часа и 24 часа) для геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения увеличивалась при увеличении содержания сульфата кальция (тонкозернистого гипса) в материале.
[0529] Прочность на сжатие материала через 4 часа составляла более чем примерно 2000 psi (13,8 МПа) при использовании дигидрата сульфата кальция (тонкозернистого гипса) во всех четырех геополимерных вяжущих композициях согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, исследуемых в указанном примере. Действительно, прочность на сжатие примерно через 4 часа для смесей 1-3, содержащих дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс), составляла более чем примерно 2500 psi (17,2 МПа). С другой стороны, в отсутствие гипса прочность на сжатие материала примерно через 4 часа была относительно очень низкой и составляла менее чем примерно 400 psi (2,8 МПа) (смесь сравнения 1 в примере 9).
[0530] Прочность на сжатие материала через 24 часа составляла более чем примерно 4000 psi (27,6 МПа) при использовании дигидрата сульфата кальция (тонкозернистого гипса) во всех четырех геополимерных вяжущих композициях согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, исследуемых в указанном примере. С другой стороны, в отсутствие дигидрата сульфата кальция (гипса) прочность на сжатие материала примерно через 24 часа была относительно очень низкой и составляла менее чем примерно 1000 psi (6,9 МПа) (смесь сравнения 1 в примере 9).
[0531] Прочность на сжатие через 28 дней для всех геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, содержащих зольную пыль, сульфоалюминат кальция, сульфат кальция (гипс) и цитрат натрия, также была очень высокой и составляла более чем примерно 7000 psi (48,3 МПа).
[0532] Пример 11
[0533] Задачей настоящего испытания являлось исследование влияния включения различных количеств цитрата щелочного металла в геополимерные связующие композиции согласно указанному варианту реализации.
[0534] В таблице 34 показан состав сырья геополимерных вяжущих смесей, исследуемых в примере 11.
[0535] Количество цемента на основе сульфоалюмината кальция, используемого в смешанных композициях согласно указанному примеру, составляло 80 масс.% от массы зольной пыли. Количество добавляемого дигидрата сульфата кальция в виде тонкозернистого гипса составляло 30 масс.% от массы цемента на основе сульфоалюмината кальция. Дигидрат сульфата кальция составлял 24 масс.% от массы зольной пыли. Цитрат щелочного металла в виде цитрата натрия добавляли в исследуемые вяжущие композиции в следующих количествах – 2,00 масс.%, 1,25 масс.%, 0,50 масс.% и 0,00 масс.% от общей массы вяжущих материалов. Отношение воды к вяжущим материалам, используемое в указанном исследовании, было постоянным и составляло 0,275. В качестве песка применяли тонкозернистый технический песок QUIKRETE No.1961, а в качестве пластификатора использовали BASF CASTAMENT FS20.
[0536]
ТАБЛИЦА 34 - Композиции согласно примеру 11
Сырье
Смесь 1
Смесь 2
Смесь 3
Смесь 4
Зольная пыль класса C<sup></sup>(граммы)
1593
1593
1593
1593
Дигидрат сульфата кальция (граммы)
382
382
382
382
Цемент на основе сульфоалюмината кальция (граммы)
1275
1275
1275
1275
Общее количество вяжущих материалов (граммы)
3250
3250
3250
3250
Песок (граммы)
3413
3413
3413
3413
Дигидрат цитрата натрия (граммы)
65
40,63
16,25
0
Суперпластификатор (граммы)
16,25
16,25
16,25
16,25
Вода (граммы)
894
894
894
894
Отношение вода/вяжущие материалы
0,275
0,275
0,275
0,275
Отношение песок/вяжущие материалы
1,05
1,05
1,05
1,05
Суперпластификатор/вяжущие материалы, масс.%
0,5%
0,5%
0,5%
0,5%
Цитрат натрия/вяжущие материалы, масс.%
2%
1,25%
0,5%
0%
Цемент на основе сульфоалюмината кальция/зольная пыль, масс.%
80%
80%
80%
80%
Сульфат кальция/цемент на основе сульфоалюмината кальция, масс.%
30%
30%
30%
30%
[0537] Начальные характеристики текучести, осадки и растрескивания на ранней стадии отверждения материала
[0538] В таблице 35 показаны начальные характеристики текучести и осадки геополимерных вяжущих композиций согласно указанному варианту реализации, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, сульфат кальция (тонкозернистый гипс) и цитрат щелочного металла в различных количествах, исследуемых в примере 11.
[0539]
ТАБЛИЦА 35 - Текучесть и осадка согласно примеру 11
Текучесть
Осадка (дюймы (см))
Смесь 1
9
8,75 (22,2)
Смесь 2
9
9,5 (24)
Смесь 3
9
9,0 (23)
Смесь 4
10
10,5 (26,7)
[0540] Все исследуемые смешанные композиции обладали хорошей текучестью и имели крупный диаметр плоских образцов в испытании на осадку. Следует отметить, что указанную крупную осадку и характеристики самостоятельного выравнивания получали даже при отношении вода/вяжущие материалы, составляющем только примерно 0,275.
[0541] На фиг.11А показаны фотографии плоских образцов вяжущих смешанных композиций после осадки, исследуемых в примере 11. Плоские образцы смеси 1, содержащей примерно 2% цитрата натрия, после осадки не содержали трещин, которые могли бы указывать на размерную неустойчивость или неприемлемую усадку. С другой стороны, после осадки в плоских образцах смесей 2, 3 и 4, содержащих примерно 1,25%, 0,5% и 0% цитрата натрия соответственно, в результате сушки появлялось небольшое количество микротрещин. Таким образом, в указанном эксперименте показано, что уменьшение количества цитрата щелочного металла в композиции ниже определенного значения может приводить к увеличению возможного растрескивания геополимерных вяжущих композиций, содержащих зольную пыль, сульфоалюминат кальция и гипс.
[0542] Характеристики усадки
[0543] На фиг.11В показаны характеристики усадки геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, исследуемых в примере 11. Основной задачей этого испытания являлось исследование влияния различных количеств цитрата щелочного металла на характеристики усадки геополимерных вяжущих композиций, предложенных в указанном варианте реализации.
[0544] Измерения усадки начинали примерно через 4 часа после смешения сырья с получением водной суспензии. Общая продолжительность измерения усадки материала при отверждении материала примерно при 75°F (24°С)/50% отн.вл. составляла примерно 8 недель.
[0545] На основании указанного исследования и фиг.11В можно сделать следующие важные выводы. Измеренная максимальная усадка при содержании цитрата натрия примерно 2,0% была наименьшей и составляла примерно 0,06%. Уменьшение количества цитрата натрия приводило к увеличению максимальной усадки материала. Например, при содержании цитрата натрия примерно 1,25% измеренная максимальная усадка составляла примерно 0,14%, тогда как при содержании цитрата натрия примерно 0,5% измеренная максимальная усадка увеличивалась примерно до 0,23%.
[0546] Геополимерные вяжущие композиции согласно указанному варианту реализации, содержащие зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс) и цитрат щелочного металла, имели максимальную усадку от примерно 0,06% до примерно 0,24%, для сравнения максимальная усадка сравнительной смешанной композиции, содержащей только зольную пыль и цитрат щелочного металла (пример 1), составляла примерно 0,75%.
[0547] Профиль выделения теплоты и увеличения температуры суспензии
[0548] На фиг.11С показан экзотермический профиль и характеристики увеличения температуры суспензии для геополимерных вяжущих композиций согласно указанному варианту реализации, исследуемых в примере 11. В вяжущих композициях согласно указанному примеру, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс) и цитрат щелочного металла, происходило только очень умеренное увеличение температуры. Умеренное выделение теплоты и низкое увеличение температуры материала на стадии отверждения значительно предотвращают избыточное тепловое расширение и последующее растрескивание и разрушение материала. Этот аспект становится еще более эффективным при использовании материала для применений в конкретных полевых условиях, при которых используют укладку материала с большой толщиной. Геополимерные вяжущие композиции согласно варианту реализации, исследуемому в указанном примере, являются крайне эффективными согласно указанному конкретному аспекту, так как они обладают пониженным тепловым расширением и увеличенной устойчивостью к термическому растрескиванию при применении в конкретных полевых условиях.
[0549] Время схватывания
[0550] В таблице 36 показано время схватывания геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, приведенному в примере 11.
[0551]
ТАБЛИЦА 36 – Времена схватывания согласно примеру 11
Время начального схватывания (ч:мин)
Время окончательного схватывания (ч:мин)
Смесь 1
00:38
1:09
Смесь 2
00:59
1:30
Смесь 3
1:15
2:20
Смесь 4
1:20
2:25
[0552] Все вяжущие композиции согласно указанному примеру обладали очень быстрым схватыванием. Время окончательного схватывания уменьшалось при увеличении содержания цитрата натрия. Например, смешанные композиции, содержащие примерно 0% и примерно 0,5% цитрата натрия (смесь 4 и смесь 3) имели время окончательного схватывания примерно 2 часа, тогда как смешанная композиция, содержащая примерно 2,0% цитрата натрия, имела время окончательного схватывания, составляющее только примерно 1 час.
[0553] Пример 12
[0554] Задачей настоящего испытания являлось исследование влияния включения различных количеств цитрата щелочного металла в геополимерные связующие композиции согласно указанному варианту реализации.
[0555] В таблице 37 показан состав сырья геополимерных вяжущих композиций, исследуемых в указанном примере.
[0556] Количество цемента на основе сульфоалюмината кальция, используемого в смешанных композициях согласно указанном примеру, составляло 80 масс.% от массы зольной пыли. Количество добавляемого дигидрата сульфата кальция в виде тонкозернистого гипса составляло 30 масс.% от массы цемента на основе сульфоалюмината кальция и 24 масс.% от массы зольной пыли. В исследуемые вяжущие композиции добавляли следующие количества цитрата натрия – 2,00 масс.%, 3,00 масс.%, 4,00 масс.% и 5,00 масс.% от общей массы вяжущих материалов. В качестве песка применяли тонкозернистый технический песок QUIKRETE No.1961, а в качестве суперпластификатора использовали BASF CASTAMENT FS20.
[0557]
ТАБЛИЦА 37 - Геополимерные вяжущие композиции согласно примеру 12
Сырье
Смесь 1
Смесь 2
Смесь 3
Смесь 4
Зольная пыль класса C (граммы)
1593
1593
1593
1593
Дигидрат сульфата кальция (граммы)
382
382
382
382
Цемент на основе сульфоалюмината кальция (граммы)
1275
1275
1275
1275
Общее количество вяжущих материалов (граммы)
3250
3250
3250
3250
Песок (граммы)
3413
3413
3413
3413
Дигидрат цитрата натрия (граммы)
65
98
130
163
Суперпластификатор (граммы)
16,25
16,25
16,25
16,25
Вода (граммы)
893
893
893
893
Отношение вода/вяжущие материалы
0,275
0,275
0,275
0,275
Отношение песок/вяжущие материалы
1,05
1,05
1,05
1,05
Суперпластификатор/вяжущие материалы, масс.%
0,5%
0,5%
0,5%
0,5%
Цитрат натрия/вяжущие материалы, масс.%
2%
3%
4%
5%
Цемент на основе сульфоалюмината кальция/зольная пыль, масс.%
80%
80%
80%
80%
Сульфат кальция/цемент на основе сульфоалюмината кальция, масс.%
30%
30%
30%
30%
[0558] Начальные характеристики текучести, осадки и растрескивания на ранней стадии отверждения материала
[0559] В таблице 38 показаны начальные характеристики текучести и осадки геополимерных вяжущих композиций согласно указанному варианту реализации, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс) и различные количества цитрата щелочного металла, исследуемых в примере 12.
[0560]
ТАБЛИЦА 38 - Текучесть и осадка согласно примеру 12
Текучесть
Осадка (дюймы (см))
Смесь 1
9
8,75 (22,2)
Смесь 2
9
9 (23)
Смесь 3
10
10 (25,4)
Смесь 4
10
10 (25,4)
[0561] Все исследуемые смешанные композиции обладали хорошим самостоятельным выравниванием, текучестью и имели крупный диаметр плоских образцов в испытании на осадку даже при отношении вода/вяжущие материалы, составляющем только примерно 0,275.
[0562] Все плоские образцы смесей после осадки, исследуемых в примере 12, имели хорошую текучесть. Кроме того, из всех четырех смешанных композиций, содержащих различные количества цитрата натрия, получали плоские образцы, которые после осадки не содержали трещины. Эти результаты противоположны тем, что получены для некоторых плоских образцов согласно примеру 11, которые содержали более низкие количества цитрата натрия, и в которых появлялись трещины.
[0563] Характеристики усадки
[0564] На фиг.12А показаны характеристики усадки геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, исследуемому в примере 12.
[0565] Измерения усадки начинали примерно через 4 часа после смешения сырья с получением водной суспензии. Общая продолжительность измерения усадки материала при отверждении материала примерно при 75°F (24°С)/50% отн.вл. составляла примерно 8 недель.
[0566] На основании указанного примера и фиг.12А можно сделать следующие выводы: Измеренная общая усадка при содержании цитрата натрия примерно 2% и примерно 3% была наименьшей и составляла примерно 0,06%. Увеличение содержания цитрата натрия приводило к увеличению максимальной усадки материала. Например, при содержании цитрата натрия примерно 3% измеренная максимальная усадка составляла примерно 0,14%, тогда как при содержании цитрата натрия примерно 4% измеренная максимальная усадка увеличивалась примерно до 0,23%.
[0567] Сравнение результатов испытания на усадку, полученных в примере 11 и примере 12, показывает, что согласно одному из вариантов реализации существует предпочтительный диапазон содержания цитрата щелочного металла, при котором усадка материала геополимерных вяжущих композиций согласно указанному варианту реализации, содержащих зольную пыль, сульфоалюминат кальция и сульфат кальция, является минимальной. Указанное предпочтительное количество цитрата щелочного металла согласно указанному варианту реализации составляет от примерно 1% до примерно 4% и более предпочтительно от примерно 2% до примерно 3%.
[0568] Профиль выделения теплоты и увеличения температуры суспензии
[0569] На фиг.12А показан экзотермический профиль и характеристики увеличения температуры суспензии для геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, исследуемому в примере 12. В вяжущих композициях согласно указанному примеру, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс) и цитрат щелочного металла, происходило очень умеренное увеличение температуры. Увеличение количества цитрата натрия приводило к повышению максимального увеличения температуры, но увеличение в целом все равно оставалось на очень низком незначительном уровне. В указанном варианте реализации умеренное выделение теплоты и низкое увеличение температуры материала на стадии отверждения значительно способствовали предотвращению избыточного теплового расширения и последующего растрескивания и разрушения материала. Этот аспект является особенно эффективным при использовании материала для применений в конкретных полевых условиях, при которых используют укладку материала с большой толщиной. Геополимерные вяжущие композиции согласно варианту реализации, исследуемому в указанном примере, являются крайне эффективными согласно указанному конкретному аспекту, так как они обладают пониженным тепловым расширением и увеличенной устойчивостью к термическому растрескиванию при применении в конкретных полевых условиях.
[0570] Время схватывания
[0571] В таблице 39 показано время схватывания геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, исследуемому в примере 12.
[0572]
ТАБЛИЦА 39 – Время схватывания согласно примеру 12
Время начального схватывания (ч:мин)
Время окончательного схватывания (ч:мин)
Смесь 1
00:40
1:10
Смесь 2
00:30
1:12
Смесь 3
00:36
1:05
Смесь 4
00:35
0:58
[0573] Увеличение количества цитрата натрия от примерно 2% до примерно 5% в сколько-нибудь значительной степени не изменяло время окончательного схватывания исследуемых смешанных композиций. Время окончательного схватывания четырех геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, исследуемому в указанном примере, находилось в диапазоне от примерно 60 минут до примерно 110 минут.
[0574] Прочность на сжатие
[0575] В таблице 40 показана прочность на сжатие геополимерных вяжущих композиций, предложенных согласно варианту реализации, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс) и различные количества цитрата щелочного металла, исследуемых в примере 12.
[0576]
ТАБЛИЦА 40 – Прочность на сжатие согласно примеру 12 - (psi (МПа))
4 часа
24 часа
7 дней
28 дней
Смесь 1
2182 (15)
4038 (27,8)
4829 (33,3)
6799 (46,9)
Смесь 2
2082 (14,4)
4216 (29,1)
5551 (38,3)
8008 (55,2)
Смесь 3
2361 (16,3)
3954 (27,3)
4859 (33,5)
7460 (51,4)
Смесь 4
2474 (17,1)
3790 (26,1)
5740 (39,6)
6920 (47,7)
[0577] На основании исследования этого варианта реализации можно сделать следующие важные выводы:
[0578] Прочность на сжатие геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, исследуемому в указанном примере, увеличивалась со временем.
[0579] Прочность на сжатие на ранней стадии отверждения (через 4 часа и 24 часа) различных геополимерных вяжущих композиций согласно указанному варианту реализации была по существу одинаковой для различных количеств цитрата натрия, исследуемых в указанном примере.
[0580] Было обнаружено, что прочность на сжатие материала на ранней стадии отверждения через 4 часа для различных геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, исследуемому в указанном примере, содержащих различные количества цитрата натрия, составляла более чем примерно 2000 psi (13,8 МПа).
[0581] Было обнаружено, что прочность на сжатие материала на ранней стадии отверждения через 24 часа для различных геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, исследуемому в указанном примере, содержащих различные количества цитрата натрия, составляла примерно 4000 psi (27,6 МПа).
[0582] Было обнаружено, что прочность на сжатие материала через 28 дней для различных геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, исследуемому в указанном примере, содержащих различные количества цитрата натрия, составляла более чем примерно 6000 psi (41,4 МПа).
[0583] Пример 13
[0584] Задачей настоящего испытания являлось исследование влияния включения безводного сульфата кальция (ангидрита) в геополимерные связующие композиции согласно указанному варианту реализации.
[0585] В таблице 41 показан состав сырья геополимерных вяжущих смесей согласно указанному примеру.
[0586] Количество цемента на основе сульфоалюмината кальция FASTROCK 500, используемого в смешанных композициях согласно указанному примеру, составляло 80 масс.% от массы зольной пыли. Ангидрит, используемый в указанном исследовании, приобретали в United States Gypsum Company как наполнитель под торговой маркой USG SNOW WHITE. Ангидрит добавляли в исследуемые смешанные композиции в следующих количествах – 0 масс.%, 10 масс.%, 20 масс.% и 30 масс.% от массы цемента на основе сульфоалюмината кальция. Ангидрит добавляли в количестве, составляющем 0, 8, 16 и 24 масс.% от массы зольной пыли класса С. В качестве химического активатора в вяжущие композиции согласно настоящему изобретению добавляли цитрат натрия (цитрат щелочного металла). Отношение воды к вяжущим материалам было постоянным и составляло 0,30.
[0587]
Таблица 41  Геополимерные вяжущие композиции согласно примеру 13
Сырье
Смесь сравнения 1
Смесь 2
Смесь 3
Смесь 4
Зольная пыль класса C (граммы)
1666
1595
1530
1470
Безводный сульфат кальция (ангидрит) (граммы)
0
128
245
353
Цемент на основе сульфоалюмината кальция (граммы)
1333
1277
1224,5
1176,5
Общее количество вяжущих материалов (граммы)
3000
3000
3000
3000
Песок (граммы)
3150
3150
3150
3150
Дигидрат цитрата натрия (граммы)
60
60
60
60
Суперпластификатор (граммы)
15
15
15
15
Вода (граммы)
900
900
900
900
Отношение вода/вяжущие материалы
0,30
0,30
0,30
0,30
Отношение песок/вяжущие материалы
1,05
1,05
1,05
1,05
Суперпластификатор/вяжущие материалы, масс.%
0,5%
0,5%
0,5%
0,5%
Цитрат натрия/вяжущие материалы, масс.%
2,0%
2,0%
2,0%
2,0%
Цемент на основе сульфоалюмината кальция/зольная пыль, масс.%
80%
80%
80%
80%
Сульфат кальция/цемент на основе сульфоалюмината кальция, масс.%
0%
10%
20%
30%
[0588] Начальные характеристики текучести, осадки и растрескивания на ранней стадии отверждения материала
[0589] В таблице 42 показаны начальные характеристики текучести и осадки геополимерных вяжущих композиций согласно указанному варианту реализации, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, ангидрит и цитрат щелочного металла, исследуемых в примере 13.
[0590]
ТАБЛИЦА 42 - Текучесть и осадка согласно примеру 13
Текучесть
Осадка (дюймы (см))
Смесь 1
10
10,5 (26,7)
Смесь 2
10
11 (28)
Смесь 3
10
10,25 (26)
Смесь 4
10
10 (25,4)
[0591] Все исследуемые смешанные композиции имели хорошие характеристики самостоятельного выравнивания, текучесть и крупный диаметр плоских образцов в испытании на осадку.
[0592] На фиг.13А показаны фотографии осадки плоских образцов смесей, исследуемых в примере 13. Можно увидеть, что все четыре исследуемые смешанные композиции имели хорошую текучесть. Также можно увидеть, что после осадки в плоских образцах смеси 1, не содержащих ангидрит, начиналось значительное растрескивание в результате сушки. Тем не менее, для геополимерных вяжущих композиций согласно указанному варианту реализации, содержащих ангидрит (смеси 2, 3 и 4) плоские образцы после осадки находились в отличном состоянии, и в них не происходило растрескивание. Таким образом, можно сделать вывод о том, что добавление ангидрита в геополимерные вяжущие композиции согласно указанному варианту реализации обеспечивает связующие материалы с устойчивыми размерами, обладающие превосходной стойкостью к растрескиванию после сушки.
[0593] Характеристики усадки
[0594] На фиг.13В показаны характеристики усадки геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, исследуемому в примере 13.
[0595] На основании указанного исследования и фиг.13В можно сделать следующие важные выводы:
[0596] Включение ангидрита оказывало значительное влияние на улучшение стойкости к растрескиванию и размерной устойчивости геополимерных вяжущих композиций согласно указанному варианту реализации, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция и цитрат щелочного металла. В противоположность усадке брусков согласно примеру сравнения 4 (не содержащих сульфат кальция), которые растрескивались еще до извлечения из формы, бруски, которые испытывали на усадку согласно примеру 13, содержащие безводный сульфат кальция (ангидрит), были устойчивыми, и в них не происходило растрескивание до или после извлечения из формы.
[0597] Геополимерные вяжущие композиции согласно указанному варианту реализации, содержащие зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, ангидрит и цитрат щелочного металла, имели максимальную усадку от примерно 0,05% до примерно 0,2%, для сравнения максимальная усадка сравнительной смешанной композиции, содержащей только зольную пыль и цитрат щелочного металла (пример 1), составляла примерно 0,75%. Таким образом, можно сделать вывод о том, что добавление безводного сульфата кальция (ангидрита) в вяжущие композиции, содержащие зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция и цитрат щелочного металла, может способствовать очень значительному уменьшению усадки материала.
[0598] Измеренная максимальная усадка смешанной композиции на основе зольной пыли, содержащей ангидрит в количестве примерно 10 масс.% от массы цемента на основе сульфоалюмината кальция, составляла примерно 0,05%; в противоположность этому общая усадка смеси 1, содержащей зольную пыль и цемент на основе сульфоалюмината кальция, но не содержащей безводный сульфат кальция (ангидрит), составляла примерно 0,2%. Этот результат показывает, что включение безводного сульфата кальция (ангидрита) в геополимерные вяжущие композиции согласно указанному варианту реализации способствует значительному уменьшению усадки материала.
[0599] Измерения усадки начинали примерно через 4 часа после смешения сырья с получением водной суспензии. Общая продолжительность измерения усадки материала при отверждении материала примерно при 75°F (24°С)/50% отн.вл. составляла примерно 8 недель.
[0600] Профиль выделения теплоты и увеличения температуры суспензии
[0601] На фиг.13С показан экзотермический профиль и характеристики увеличения температуры суспензии для геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, исследуемому в примере 13. В вяжущих композициях согласно указанному примеру, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, ангидрит и цитрат щелочного металла, происходило лишь умеренное увеличение температуры. Умеренное выделение теплоты и низкое увеличение температуры материала на стадии отверждения значительно способствуют предотвращению избыточного теплового расширения и последующего растрескивания и разрушения материала. Этот аспект является особенно эффективным при использовании материала для применений в конкретных полевых условиях, при которых используют укладку материала с большой толщиной. Геополимерные вяжущие композиции согласно указанному варианту реализации, исследуемому в указанном примере, являются крайне эффективными согласно указанному конкретному аспекту, так как они обладают пониженным тепловым расширением и увеличенной устойчивостью к термическому растрескиванию при применении в конкретных полевых условиях.
[0602] Время схватывания
[0603] В таблице 43 показано время схватывания геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, исследуемому в примере 13.
[0604]
ТАБЛИЦА 43 – Время схватывания согласно примеру 13
Время начального схватывания (ч:мин)
Время окончательного схватывания (ч:мин)
Смесь 1
00:28
00:43
Смесь 2
00:21
00:41
Смесь 3
00:24
00:45
Смесь 4
00:25
00:46
[0605] Время окончательного схватывания геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, ангидрит и цитрат натрия, в указанном примере составляло более 40 минут, для сравнения время окончательного схватывания сравнительной смешанной композиции, содержащей только зольную пыль и цитрат натрия (пример 1), было очень коротким и составляло примерно 15 минут. Таким образом, можно сделать вывод о том, что добавление смеси цемента на основе сульфоалюмината кальция и ангидрита в смесь зольной пыли и цитрата щелочного металла способствует увеличению продолжительности схватывания и отверждения материала и делает материал более удобным для использования.
[0606] Прочность на сжатие
[0607] В таблице 44 показана прочность на сжатие геополимерных вяжущих композиций, предложенных в указанном варианте реализации, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, ангидрит и цитрат щелочного металла, исследуемых в примере 13.
[0608]
ТАБЛИЦА 44 – Прочность на сжатие согласно примеру 13 - (psi (МПа))
4 часа
24 часа
7 дней
28 дней
Смесь 1
214 (1,5)
562 (3,9)
1202 (8,3)
4414 (30,4)
Смесь 2
1992 (13,7)
3484 (24)
4213 (29)
6945 (47,9)
Смесь 3
3273 (22,6)
4477 (30,9)
6165 (42,5)
7560 (52,1)
Смесь 4
2971 (20,5)
5018 (34,6)
6739 (46,5)
9020 (62,2)
[0609] На основании указанного исследования можно сделать следующие выводы:
[0610] Прочность на сжатие геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, исследуемому в указанном примере, увеличивалась со временем.
[0611] Прочность на сжатие на ранней стадии отверждения и окончательная прочность на сжатие смешанной композиции, не содержащей ангидрит (смесь 1), была ниже по сравнению со значениями для вяжущих композиций согласно указанному варианту реализации, содержащих ангидрит (смеси 2-4).
[0612] Прочность на сжатие на ранней стадии отверждения (через 4 часа и 24 часа) для геополимерных вяжущих композиций согласно указанному варианту реализации увеличивалась при увеличении количества ангидрита в материале.
[0613] Прочность на сжатие материала через 4 часа составляла более чем примерно 2000 psi (13,8 МПа) при использовании ангидрита в геополимерных вяжущих композициях согласно указанному варианту реализации. Кроме того, прочность на сжатие через 4 часа для смеси 3 и смеси 4, содержащих ангидрит, составляла примерно 3000 psi (20,7 МПа). В противоположность этому, в отсутствие ангидрита в смешанной композиции прочность на сжатие материала через 4 часа для смеси 1 составляла менее чем примерно 300 psi (2,1 МПа).
[0614] Применение ангидрита в геополимерных вяжущих композициях согласно указанному варианту реализации обеспечивает более высокую прочность на сжатие через 4 часа по сравнению с гипсом. Такой вывод можно сделать на основании сравнения результатов испытания прочности на сжатие, полученных в примере 13 и примере 7.
[0615] Прочность на сжатие материала на ранней стадии отверждения через 24 часа составляла более чем примерно 3000 psi (20,7 МПа) при использовании ангидрита в геополимерных вяжущих композициях согласно указанному варианту реализации. Кроме того, прочность на сжатие примерно через 24 часа для смеси 3 и смеси 4, содержащих ангидрит, составляла более чем примерно 4000 psi (27,6 МПа) и примерно 5000 psi (34,5 МПа) соответственно. С другой стороны, в отсутствие ангидрита в смешанной композиции прочность на сжатие материала примерно через 24 часа для смеси 1 была относительно низкой и составляла менее чем примерно 600 psi (4,1 МПа).
[0616] Прочность на сжатие через 28 дней для всех геополимерных вяжущих композиций согласно указанному варианту реализации, содержащих зольную пыль, сульфоалюминат кальция, ангидрит и цитрат натрия, также была очень высокой и составляла более чем примерно 6000 psi (41,4 МПа). При более высоком содержании ангидрита в композициях (смесь 3 и смесь 4) согласно указанному варианту реализации прочность на сжатие примерно через 28 дней составляла более чем примерно 7000 psi (48,3 МПа). Для сравнения прочность на сжатие материала, не содержащего ангидрит (смесь 1), примерно через 28 дней составляла только примерно 4500 psi (31 МПа).
[0617] Таким образом, очень неожиданно было обнаружено, что применение нерастворимого безводного сульфата кальция (ангидрита или обожженного намертво ангидрита) обеспечивало ускоренное схватывание, увеличенную скорость нарастания прочности на сжатие и более высокую окончательную прочность на сжатие по сравнению со значениями, полученными при использовании относительно более растворимого дигидрата сульфата кальция (см. пример 7).
[0618] Другим неожиданным отличительным признаком вариантов реализации настоящего изобретения является зависимость характеристик схватывания и прочности на сжатие от типа сульфата кальция, используемого в композициях согласно настоящему изобретению, что показано в примерах 13-18.
[0619] Пример 14: безводный сульфат кальция (ангидрит)
[0620] Задачей настоящего испытания являлось исследование влияния включения безводного сульфата кальция (ангидрита) в геополимерные связующие композиции согласно указанному варианту реализации.
[0621] В таблице 45 показан состав сырья геополимерных вяжущих смесей, исследуемых в указанном примере. Количество цемента на основе сульфоалюмината кальция, используемого в смешанных композициях согласно указанному примеру, составляло 80 масс.% от массы зольной пыли. Безводный сульфат кальция (ангидрит) добавляли в исследуемые смешанные композиции в следующих количествах – 40 масс.%, 50 масс.%, 60 масс.% и 80 масс.% от массы цемента на основе сульфоалюмината кальция. Количество используемого ангидрита составляло 32, 40, 48 и 64 масс.% от массы зольной пыли класса С. Отношение воды к вяжущим материалам, используемое в указанном исследовании, было постоянным и составляло 0,3.
[0622]
ТАБЛИЦА 45 - Геополимерные вяжущие композиции согласно примеру 14
Сырье
Смесь 1
Смесь 2
Смесь 3
Смесь 4
Зольная пыль класса C<sup></sup>(граммы)
1415
1364
1316
1229,5
Безводный сульфат кальция (ангидрит)<sup></sup>(граммы)
453
545,5
632
787
Цемент на основе сульфоалюмината кальция (граммы)
1133
1091
1053
984
Общее количество вяжущих материалов (граммы)
3000
3000
3000
3000
Песок (граммы)
3150
3150
3150
3150
Дигидрат цитрата натрия (граммы)
60
60
60
60
Суперпластификатор (граммы)
15
15
15
15
Вода (граммы)
900
900
900
900
Отношение вода/вяжущие материалы
0,30
0,30
0,30
0,30
Отношение песок/вяжущие материалы
1,05
1,05
1,05
1,05
Суперпластификатор/вяжущие материалы, масс.%
0,5%
0,5%
0,5%
0,5%
Цитрат натрия/вяжущие материалы, масс.%
2,0%
2,0%
2,0%
2,0%
Цемент на основе сульфоалюмината кальция/зольная пыль, масс.%
80%
80%
80%
80%
Сульфат кальция/цемент на основе сульфоалюмината кальция, масс.%
40%
50%
60%
80%
[0623] Начальные характеристики текучести, осадки и растрескивания на ранней стадии отверждения материала
[0624] В таблице 46 показаны начальные характеристики текучести и осадки геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, ангидрит и цитрат щелочного металла, исследуемых в примере 14.
[0625]
ТАБЛИЦА 46 - Текучесть и осадка согласно примеру 14, примерные значения
Текучесть
Осадка (дюймы (см))
Смесь 1
9
9,75 (24,8)
Смесь 2
8
9,75 (24,8)
Смесь 3
8
9,5 (24)
Смесь 4
6
7,25 (18,4)
[0626] Все исследуемые смешанные композиции обладали хорошими характеристиками самостоятельного выравнивания, текучестью и имели крупный диаметр плоских образцов в испытании на осадку.
[0627] Все четыре смешанные композиции, исследуемые в примере 14, обладали хорошей текучестью. Плоские образцы смесей, содержащих ангидрит, после осадки находились в отличном состоянии, и в них не происходило растрескивание. Таким образом, добавление ангидрита в геополимерные вяжущие композиции согласно указанному варианту реализации обеспечивало композиции с устойчивыми размерами, обладающие повышенной стойкостью к растрескиванию после сушки.
[0628] Характеристики усадки
[0629] На фиг.14 показаны характеристики усадки геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, исследуемому в примере 14.
[0630] Измерения усадки начинали примерно через 4 часа после смешения сырья с получением водной суспензии. Общая продолжительность измерения усадки материала при отверждении материала примерно при 75°F (24°С)/50% отн.вл. составляла примерно 8 недель.
[0631] На основании указанного исследования и фиг.14 можно сделать следующие важные выводы:
[0632] В противоположность усадке брусков согласно примеру сравнения 4 (не содержащих сульфат кальция), которые растрескивались еще до извлечения из формы, бруски, которые испытывали на усадку согласно примеру 14, содержащие ангидрит, были устойчивыми, и в них не происходило растрескивание до или после извлечения из формы.
[0633] Геополимерные вяжущие композиции согласно указанному варианту реализации, содержащие зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, ангидрит и цитрат щелочного металла, обладали максимальной усадкой менее чем примерно 0,17%, для сравнения максимальная усадка сравнительной смешанной композиции, содержащей только зольную пыль и цитрат щелочного металла (пример 1), составляла примерно 0,75%.
[0634] Измеренная максимальная усадка смешанной композиции на основе зольной пыли, содержащей ангидрит в количестве примерно 40 масс.% от массы цемента на основе сульфоалюмината кальция, составляла примерно 0,2%. В противоположность этому, общая усадка смеси сравнения 1 в примере 13, содержащей зольную пыль и цемент на основе сульфоалюмината кальция, но не содержащей ангидрит, составляла примерно 0,2%. Это указывает на то, что включение ангидрита в геополимерные вяжущие композиции согласно указанному варианту реализации является одним из способов значительного уменьшения усадки материала.
[0635] Увеличение количества ангидрита выше определенного уровня приводило к увеличению усадки материала. Например, при количестве ангидрита примерно 10 масс.% (смесь 2 в примере 13) измеренная максимальная усадка составляла примерно 0,05%, тогда как при содержании ангидрита примерно 80 масс.% (смесь 4 в примере 14) измеренная максимальная усадка увеличивалась примерно до 0,17%.
[0636] Если сравнивать результаты испытания на усадку, полученные в примере 13 и примере 14, то существует предпочтительный диапазон количества ангидрита, в котором усадка материала является минимальной. Указанный предпочтительный диапазон содержания ангидрита составляет более 0, но примерно 40 масс.% или менее от массы цемента на основе сульфоалюмината кальция.
[0637] Время схватывания
[0638] В таблице 47 показано время схватывания геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, приведенному в примере 14.
[0639]
ТАБЛИЦА 47 – Время схватывания согласно примеру 14
Время начального схватывания (ч:мин)
Время окончательного схватывания (ч:мин)
Смесь 1
00:24
00:46
Смесь 2
00:24
00:46
Смесь 3
00:23
00:46
Смесь 4
00:24
00:47
[0640] Преимущественно, время окончательного схватывания геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, ангидрит и цитрат натрия, в указанном примере составляло более чем примерно 40 минут, для сравнения время окончательного схватывания сравнительной смешанной композиции, содержащей только зольную пыль и цитрат натрия (пример 1), было очень коротким и составляло примерно 15 минут.
[0641] Прочность на сжатие
[0642] В таблице 48 показана прочность на сжатие геополимерных вяжущих композиций, предложенных в варианте реализации, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, ангидрит и цитрат щелочного металла, исследуемых в примере 14.
[0643]
ТАБЛИЦА 48 – Прочность на сжатие согласно примеру 14 - (psi (МПа))
4 часа
24 часа
6 дней
28 дней
Смесь 1
3205 (22,1)
4677 (32,2)
5853 (40,4)
8848 (61)
Смесь 2
2489 (17,2)
5066 (34,9)
5637 (38,9)
8121 (56)
Смесь 3
2603 (17,9)
4322 (29,8)
5520 (38,1)
7222 (49,8)
Смесь 4
2317 (16)
4478 (30,9)
6267 (43,2)
8254 (56,9)
[0644] На основании указанного исследования можно сделать следующие важные выводы: Прочность на сжатие геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, исследуемому в указанном примере, увеличивалась со временем.
[0645] Прочность на сжатие на ранней стадии отверждения и окончательная прочность на сжатие сравнительной смешанной композиции, не содержащей ангидрит (смесь сравнения 1 согласно примеру 13), была ниже значений для смесей, содержащих ангидрит (смеси 1-4 в примере 14).
[0646] Прочность на сжатие материала через 4 часа составляла более чем примерно 2000 psi (13,8 МПа) при использовании ангидрита в геополимерных вяжущих композициях согласно указанному варианту реализации. Кроме того, прочность на сжатие через 4 часа смеси 1, содержащей ангидрит в количестве примерно 40%, составляла более чем примерно 3000 psi (20,7 МПа). В противоположность этому, в отсутствие ангидрита в сравнительной смешанной композиции прочность на сжатие материала через 4 часа для смеси сравнения 1 в примере 13 была относительно очень низкой и составляла менее чем примерно 300 psi (2,1 МПа).
[0647] Применение ангидрита в геополимерных вяжущих композициях согласно указанному варианту реализации обеспечивает более высокую прочность на сжатие через 4 часа по сравнению с гипсом. Такой вывод можно сделать на основании сравнения результатов испытания прочности на сжатие, полученных в примере 14 и примере 8.
[0648] Прочность на сжатие материала на ранней стадии отверждения через 24 часа составляла более чем примерно 4000 psi (27,6 МПа) при использовании ангидрита в геополимерных вяжущих композициях согласно указанному варианту реализации. С другой стороны, в отсутствие ангидрита в смешанной композиции прочность на сжатие материала через 24 часа для смеси сравнения 1 в примере 13 была относительно очень низкой и составляла менее чем примерно 600 psi (4,1 МПа).
[0649] Прочность на сжатие через 28 дней для всех геополимерных вяжущих композиций согласно указанному варианту реализации, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, ангидрит и цитрат натрия, также была очень высокой и составляла более чем примерно 7000 psi (48,3 МПа). Для сравнения прочность на сжатие материала через 28 дней для смеси сравнения 1 в примере 13 в отсутствие ангидрита составляла только примерно 4500 psi (31 МПа).
[0650] Как обсуждалось выше в описании, исследование композиций в указанном примере показывает, что взаимодействие ангидрита с алюмосиликатным минералом, цементом на основе сульфоалюмината кальция и активатором на основе щелочного металла приводит к более быстрому схватыванию, увеличению скорости нарастания прочности на сжатие материала и увеличению окончательной прочности на сжатие по сравнению со значениями, полученными при использовании дигидрата сульфата кальция в других примерах.
[0651] Пример 15: гемигидрат сульфата кальция
[0652] Задачей настоящего испытания являлось исследование влияния включения различных количеств гемигидрата сульфата кальция в геополимерные связующие композиции согласно указанному варианту реализации.
[0653] В таблице 49 показан состав сырья геополимерных вяжущих смесей, исследуемых в указанном примере.
[0654] Количество цемента на основе сульфоалюмината кальция, используемого в смешанных композициях согласно указанному примеру, составляло 80 масс.% от массы зольной пыли. Гемигидрат сульфата кальция, используемый в указанном исследовании, приобретали в United States Gypsum Company под торговой маркой HYDROCAL C-Base. HYDROCAL C-Base представляет собой морфологическую альфа-форму гемигидрата сульфата кальция. Гемигидрат сульфата кальция добавляли в исследуемые смешанные композиции в следующих количествах – 0 масс.%, 10 масс.%, 20 масс.% и 30 масс.% от массы цемента на основе сульфоалюмината кальция. Содержание гемигидрата сульфата кальция составляло 0, 8, 16 и 24 масс.% от массы зольной пыли. Цитрат натрия (цитрат щелочного металла), который добавляли в вяжущие композиции согласно настоящему изобретению, выступал в качестве химического активатора, модификатора текучести и агента, контролирующего схватывание. Отношение воды к вяжущим материалам, используемое в настоящем исследовании, было постоянным и составляло 0,30. В качестве песка использовали тонкозернистый технический песок QUIKRETE No.1961, а в качестве суперпластификатора применяли BASF CASTAMENT FS20.
[0655]
ТАБЛИЦА 49 - Геополимерные вяжущие композиции согласно примеру 15
Сырье
Смесь сравнения 1, масса (граммы)
Смесь 2, масса (граммы)
Смесь 3, масса (граммы)
Смесь 4, масса (граммы)
Зольная пыль класса C (граммы)
1668
1596
1531
1471
Гемигидрат сульфата кальция (граммы)
0
128
245
353
Цемент на основе сульфоалюмината кальция (граммы)
1333
1277
1224,5
1176,5
Общее количество вяжущих материалов (граммы)
3000
3000
3000
3000
Песок (граммы)
3150
3150
3150
3150
Дигидрат цитрата натрия (граммы)
60
60
60
60
Суперпластификатор (граммы)
15
15
15
15
Вода (граммы)
900
900
900
900
Отношение вода/вяжущие материалы
0,30
0,30
0,30
0,30
Отношение песок/вяжущие материалы
1,05
1,05
1,05
1,05
Суперпластификатор/вяжущие материалы, масс.%
0,50%
0,50%
0,50%
0,50%
Цитрат натрия/вяжущие материалы, масс.%
2%
2%
2%
2%
Цемент на основе сульфоалюмината кальция/зольная пыль, масс.%
80%
80%
80%
80%
Гемигидрат сульфата кальция/цемент на основе сульфоалюмината кальция, масс.%
0%
10%
20%
30%
[0656] Начальные характеристики текучести, осадки и растрескивания на ранней стадии отверждения материала
[0657] В таблице 50 показаны начальные характеристики текучести и осадки геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, гемигидрат сульфата кальция и цитрат щелочного металла, исследуемых в примере 15.
[0658]
ТАБЛИЦА 50 - Текучесть и осадка согласно примеру 15
Текучесть
Осадка (дюймы (см))
Смесь 1
11
10,5 (26,7)
Смесь 2
10
9 (23)
Смесь 3
8
8 (20,3)
Смесь 4
8
8 (20,3)
[0659] Все исследуемые смешанные композиции обладали хорошими характеристиками самостоятельного выравнивания, текучестью и имели крупный диаметр плоских образцов в испытании на осадку.
[0660] Все смеси обладали хорошей текучестью и характеристиками самостоятельного выравнивания. Плоские образцы смесей, содержащих гемигидрат сульфата кальция, после осадки находились в отличном состоянии, и в них не происходило растрескивание. Таким образом, добавление гемигидрата сульфата кальция в геополимерные вяжущие композиции согласно указанному варианту реализации, содержащие цемент на основе сульфоалюмината кальция, зольную пыль и цитрат щелочного металла, обеспечивает композиции с устойчивыми размерами, обладающие повышенной стойкостью к растрескиванию после сушки.
[0661] Характеристики усадки
[0662] На фиг.15А показаны характеристики усадки геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, исследуемому в примере 15.
[0663] Измерения усадки начинали примерно через 4 часа после смешения сырья с получением водной суспензии. Общая продолжительность измерения усадки материала при отверждении материала примерно при 75°F (24°С)/50% отн.вл. составляла примерно 8 недель.
[0664] На основании указанного исследования и фиг.15А можно сделать следующие важные выводы:
[0665] В противоположность усадке брусков согласно примеру сравнения 4 (не содержащих сульфат кальция), которые растрескивались еще до извлечения из формы, бруски, которые испытывали на усадку согласно примеру 15, содержащие гемигидрат сульфата кальция, были устойчивыми, и в них не происходило растрескивание до или после извлечения из формы.
[0666] Геополимерные вяжущие композиции согласно указанному варианту реализации, содержащие зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, гемигидрат сульфата кальция и цитрат щелочного металла, имели измеренную максимальную усадку в диапазоне от примерно 0,08% до примерно 0,16%, для сравнения измеренная максимальная усадка сравнительной смешанной композиции, содержащей только зольную пыль и цитрат щелочного металла (пример 1), составляла примерно 0,75%.
[0667] Измеренная максимальная усадка смешанной композиции на основе зольной пыли, содержащей гемигидрат сульфата кальция в количестве примерно 10 масс.% от массы цемента на основе сульфоалюмината кальция, составляла примерно 0,08%. В противоположность этому, общая усадка для смеси сравнения 1, содержащей зольную пыль и цемент на основе сульфоалюмината кальция, но не содержащей гемигидрат сульфата кальция, составляла примерно 0,2%. Это указывает на то, что включение гемигидрата сульфата кальция в геополимерные вяжущие композиции согласно указанному варианту реализации значительно снижает усадку материала.
[0668] Профиль выделения теплоты и увеличения температуры суспензии
[0669] На фиг.15В показан экзотермический профиль и характеристики увеличения температуры суспензии для геополимерных вяжущих композиций согласно указанному варианту реализации, исследуемому в примере 15. В вяжущих композициях согласно указанному примеру, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, гемигидрат сульфата кальция и цитрат щелочного металла, происходило только очень умеренное увеличение температуры. Умеренное выделение теплоты и низкое увеличение температуры материала на стадии отверждения способствуют предотвращению избыточного теплового расширения и последующего растрескивания и разрушения материала. Этот аспект становится еще более эффективным при использовании материала для применений в конкретных полевых условиях, при которых используют укладку материала с большой толщиной. Геополимерные вяжущие композиции согласно указанному варианту реализации, исследуемому в указанном примере, являются крайне эффективными согласно указанному конкретному аспекту, так как они обладают пониженным тепловым расширением и увеличенной устойчивостью к термическому растрескиванию при применении в конкретных полевых условиях.
[0670] Время схватывания
[0671] В таблице 51 показано время схватывания геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, исследуемому в примере 15.
[0672]
ТАБЛИЦА 51 – Времена схватывания согласно примеру 15
Время начального схватывания (ч:мин)
Время окончательного схватывания (ч:мин)
Смесь сравнения 1
00:25
00:40
Смесь 2
00:39
1:29
Смесь 3
1:01
1:38
Смесь 4
1:12
1:46
[0673] Время окончательного схватывания геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, гемигидрат сульфата кальция и цитрат натрия, в указанном примере составляло более чем примерно 90 минут, для сравнения время окончательного схватывания сравнительной смешанной композиции, содержащей только зольную пыль и цитрат натрия (пример 1), было очень коротким и составляло примерно 15 минут.
[0674] Как обсуждалось выше в описании, сравнение результатов исследований, полученных в указанном примере, а также времен отверждения, полученных в примере 13 и примере 7, показывает, что гемигидрат сульфата кальция неожиданно обладает более высокой активностью по сравнению с ангидритом и гипсом в отношении увеличения продолжительности времени схватывания композиций, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция и цитрат щелочного металла.
[0675] Прочность на сжатие
[0676] В таблице 52 показана прочность на сжатие геополимерных вяжущих композиций, предложенных в варианте реализации, исследуемом в примере 15.
[0677]
ТАБЛИЦА 52 – Примерная прочность на сжатие согласно примеру 15 - (psi (МПа))
4 часа
24 часа
7 дней
28 дней
Смесь сравнения 1
238 (1,6)
532 (3,7)
1708 (11,8)
3879 (26,7)
Смесь 2
1396 (9,6)
3482 (24)
4416 (30,4)
5571 (38,4)
Смесь 3
3096 (21,3)
4517 (31,1)
6570 (45,3)
7181 (49,5)
Смесь 4
3418 (23,6)
4931 (34)
6913 (47,7)
7267 (50,1)
[0678] На основании указанного исследования можно сделать следующие выводы:
[0679] Прочность на сжатие геополимерных вяжущих композиций согласно указанному варианту реализации увеличивалась со временем.
[0680] Прочность на сжатие на ранней стадии отверждения и окончательная прочность на сжатие смешанной композиции, не содержащей гемигидрат сульфата кальция (смесь 1), были ниже по сравнению со значениями для вяжущих композиций согласно указанному варианту реализации, содержащих гемигидрат сульфата кальция (смеси 2-4).
[0681] Прочность на сжатие на ранней стадии отверждения (примерно через 4 часа и примерно через 24 часа) для геополимерных вяжущих композиций согласно указанному варианту реализации увеличивалась при увеличении количества гемигидрата сульфата кальция в материале.
[0682] Прочность на сжатие материала через 4 часа составляла более чем примерно 1000 psi (6,9 МПа) при использовании гемигидрата сульфата кальция в геополимерных вяжущих композициях согласно указанному варианту реализации. Кроме того, прочность на сжатие через 4 часа для смеси 3 и смеси 4, содержащих гемигидрат сульфата кальция, составляла более чем примерно 3000 psi (20,7 МПа). С другой стороны, в смешанной композиции, не содержащей гемигидрат сульфата кальция, прочность на сжатие материала через 4 часа была очень низкой, т.е. составляла менее чем примерно 300 psi (2,1 МПа) для смеси 1.
[0683] Применение гемигидрата сульфата кальция в геополимерных вяжущих композициях согласно указанному варианту реализации обеспечивает более высокую прочность на сжатие через 4 часа по сравнению с гипсом. Такой вывод можно сделать на основании сравнения результатов исследования прочности на сжатие, полученных в примере 15 с теми, что получены в примере 7.
[0684] Прочность на сжатие материала примерно через 24 часа составляла более чем примерно 3000 psi (20,7 МПа) при использовании гемигидрата сульфата кальция в геополимерных вяжущих композициях согласно указанному варианту реализации. Кроме того, прочность на сжатие примерно через 24 часа для смеси 3 и смеси 4, из которых получали геополимерные вяжущие композиции согласно указанному варианту реализации, содержащих зольную пыль, сульфоалюминат кальций, ангидрит и цитрат натрия, а также гемигидрат сульфата кальция, составляла более чем примерно 4000 psi (27,6 МПа). В противоположность этому, в сравнительной смешанной композиции, не содержащей гемигидрат сульфата кальция, прочность на сжатие материала примерно через 24 часа была относительно низкой и составляла менее чем примерно 600 psi (4,1 МПа) для смеси 1.
[0685] Прочность на сжатие примерно через 28 дней для всех геополимерных вяжущих композиций согласно указанному варианту реализации, содержащих зольную пыль, сульфоалюминат кальций, ангидрит и цитрат натрия, также была очень высокой и составляла более чем примерно 5000 psi (34,5 МПа). При более высоком содержании гемигидрата сульфата кальция в композициях (смесь 3 и смесь 4) согласно указанному варианту реализации прочность на сжатие через 28 дней составляла более чем примерно 7000 psi (48,2 МПа). Для сравнения, было обнаружено, что прочность на сжатие материала сравнения, не содержащего гемигидрат сульфата кальция (смесь 1), составляла менее чем примерно 4000 psi (27,6 МПа).
[0686] Пример 16
[0687] Задачей настоящего испытания являлось исследование влияния включения различных количеств гемигидрата сульфата кальция в геополимерные связующие композиции согласно указанному варианту реализации.
[0688] В таблице 53 показан состав сырья геополимерных вяжущих смесей, исследуемых в указанном примере. Цемент на основе сульфоалюмината кальция марки FASTROCK 500, доступный в CTS Cement Company, снова использовали в качестве компонента вяжущего реакционно-способного порошка. Количество цемента на основе сульфоалюмината кальция, используемого в смешанных композициях согласно указанному примеру, составляло 80 масс.% от массы зольной пыли класса С. Гемигидрат сульфата кальция, USG HYDROCAL C-Base, добавляли в исследуемые смешанные композиции в следующих количествах – 40 масс.%, 50 масс.%, 60 масс.% и 80 масс.% от массы цемента на основе сульфоалюмината кальция. Количество используемого гемигидрата сульфата кальция составляло 32, 40, 48 и 64 масс.% от массы зольной пыли. Отношение воды к вяжущим материалам, используемое в указанном исследовании, было постоянным и составляло 0,30. В качестве песка использовали тонкозернистый технический песок QUIKRETE No.1961, а в качестве суперпластификатора применяли BASF CASTAMENT FS20.
ТАБЛИЦА 53 - Геополимерные вяжущие композиции согласно примеру 16
Сырье
Смесь 1
Смесь 2
Смесь 3
Смесь 4
Зольная пыль класса C (граммы)
1415
1364
1316
1230
Гемигидрат сульфата кальция (граммы)
453
546
633
787
Цемент на основе сульфоалюмината кальция (граммы)
1132
1091
1053
984
Общее количество вяжущих материалов (граммы)
3000
3000
3000
3000
Песок (граммы)
3150
3150
3150
3150
Дигидрат цитрата натрия (граммы)
60
60
60
60
Суперпластификатор (граммы)
15
15
15
15
Вода (граммы)
900
900
900
900
Отношение вода/вяжущие материалы
0,30
0,30
0,30
0,30
Отношение песок/вяжущие материалы
1,05
1,05
1,05
1,05
Суперпластификатор/вяжущие материалы, масс.%
0,5%
0,5%
0,5%
0,5%
Цитрат натрия/вяжущие материалы, масс.%
2%
2%
2%
2%
Цемент на основе сульфоалюмината кальция/зольная пыль, масс.%
32%
80%
80%
80%
Сульфат кальция/цемент на основе сульфоалюмината кальция, масс.%
40%
50%
60%
80%
[0689] Начальные характеристики текучести, осадки и растрескивания на ранней стадии отверждения материала
[0690] В таблице 54 показаны начальные характеристики текучести и осадки геополимерных вяжущих композиций согласно указанному варианту реализации, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, гемигидрат сульфата кальция и цитрат щелочного металла, исследуемых в примере 16.
[0691]
ТАБЛИЦА 54 - Текучесть и осадка согласно примеру 16, примерные значения
Текучесть
Осадка (дюймы (см))
Смесь 1
9
8,25 (21)
Смесь 2
9
8,25 (21)
Смесь 3
9
8 (20,3)
Смесь 4
8
7,75 (19,7)
[0692] Все исследуемые смешанные композиции обладали хорошими характеристиками самостоятельного выравнивания, текучестью и имели крупный диаметр плоских образцов в испытании на осадку.
[0693] На фиг.16А показаны фотографии осадки плоских образцов смесей, исследуемых в примере 16. Все смеси обладали хорошей текучестью и характеристиками самостоятельного выравнивания. Также можно увидеть, что в смесях 2, 3 и 4, содержащих гемигидрат сульфата кальция, в плоских образцах после усадки появлялось некоторое количество микротрещин. Таким образом, можно сделать вывод о том, что добавление больших количеств гемигидрата сульфата кальция в смеси, содержащие цемент на основе сульфоалюмината кальция, зольную пыль и цитрат щелочного металла, обеспечивает вяжущие композиции, обладающие относительно сниженной устойчивостью к образованию микротрещин после сушки.
[0694] Характеристики усадки
[0695] На фиг.16В показаны характеристики усадки геополимерных вяжущих композиций согласно указанному варианту реализации, исследуемых в примере 16, содержащих цемент на основе сульфоалюмината кальция в комбинации с гемигидратом сульфата кальция и цитратом щелочного металла.
[0696] Измерения усадки начинали примерно через 4 часа после смешения сырья с получением водной суспензии. Общая продолжительность измерения усадки материала при отверждении материала примерно при 75°F (24°С)/50% отн.вл. составляла примерно 8 недель.
[0697] На основании указанного исследования и фиг.16С можно сделать следующие выводы:
[0698] Геополимерные вяжущие композиции согласно указанному варианту реализации, содержащие зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, гемигидрат сульфата кальция и цитрат щелочного металла, имели измеренную максимальную усадку менее чем примерно 0,44%, для сравнения измеренная максимальная усадка сравнительной смешанной композиции, содержащей только зольную пыль и цитрат щелочного металла (пример 1), составляла примерно 0,75%.
[0699] Увеличение количества гемигидрата сульфата кальция приводило к увеличению усадки материала. Например, при содержании гемигидрата сульфата кальция примерно 10 масс.% (смесь 1 в примере 15) общая усадка составляла примерно 0,08%. При содержании гемигидрата сульфата кальция примерно 80 масс.% (смесь 4 в примере 16) общая усадка материала увеличивалась очень значительно примерно до 0,44%.
[0700] На основании сравнения результатов исследования усадки, полученных в примере 15 и примере 16, можно сделать вывод о том, что существует предпочтительный диапазон содержания гемигидрата сульфата кальция, при котором усадка материала является минимальной. Указанный предпочтительный диапазон содержания гемигидрата сульфата кальция составляет более чем примерно 0% и примерно 40 масс.% или менее от массы цемента на основе сульфоалюмината кальция.
[0701] Время схватывания
[0702] В таблице 55 показано время схватывания геополимерных вяжущих композиций согласно указанному варианту реализации, исследуемых в примере 16.
[0703]
ТАБЛИЦА 55 – Примерное время схватывания согласно примеру 16
Время начального схватывания (ч:мин)
Время окончательного схватывания (ч:мин)
Смесь 1
1:12
2:11
Смесь 2
1:14
2:13
Смесь 3
1:20
2:12
Смесь 4
1:18
2:13
[0704] Во всех вяжущих композициях, исследуемых в указанном примере, происходило быстрое схватывание. Время окончательного схватывания геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, гемигидрат сульфата кальция и цитрат натрия, в указанном примере составляло примерно 120 минут, для сравнения время окончательного схватывания сравнительной смешанной композиции, содержащей только зольную пыль и цитрат натрия (пример 1), было очень коротким и составляло примерно 15 минут.
[0705] Сравнение результатов исследования, полученных в указанном примере, и тех, что получены в примере 15 и примере 8, указывает на то, что гемигидрат сульфата кальция обладает более высокой активностью по сравнению с ангидритом и гипсом в отношении увеличения продолжительности времени схватывания смешанных композиций, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция и цитрат щелочного металла.
[0706] Применение гемигидрата сульфата кальция в качестве формы сульфата кальция обеспечивало значительно более продолжительное время схватывания по сравнению с временами схватывания, достигаемыми при использовании дигидрата сульфата кальция (см. пример 7). Как обсуждалось выше в описании, такой результат являлся неожиданным, так как из уровня техники хорошо известно, что гемигидрат сульфата кальция представляет собой материал с очень коротким временем схватывания. Добавление гемигидрата сульфата кальция в некоторые варианты реализации композиций согласно настоящему изобретению обеспечивало увеличенную продолжительность времени схватывания по сравнению с вариантами реализации, в которые добавляли дигидрат сульфата кальция и безводный сульфат кальция.
[0707] Прочность на сжатие
[0708] В таблице 56 показана прочность на сжатие геополимерных вяжущих композиций, предложенных в указанном варианте реализации, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, гемигидрат сульфата кальция и цитрат щелочного металла, исследуемых в примере 16.
[0709]
ТАБЛИЦА 56 – Прочность на сжатие согласно примеру 16 - (psi (МПа))
4 часа
24 часа
7 дней
28 дней
Смесь 1
2714 (18,7)
5374 (37,1)
6971 (48,1)
8142 (56,1)
Смесь 2
2299 (15,9)
5385 (37,1)
6722 (46,3)
8061 (55,6)
Смесь 3
1940 (13,4)
4921 (33,9)
6820 (47)
7684 (53)
Смесь 4
1536 (10,6)
4420 (30,5)
6721 (46,3)
8911 (61,4)
[0710] На основании указанного исследования можно сделать следующие важные выводы:
[0711] Прочность на сжатие геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, исследуемому в указанном примере, увеличивалась со временем.
[0712] Прочность на сжатие на ранней стадии отверждения и окончательная прочность на сжатие смешанной композиции, не содержащей гемигидрат сульфата кальция (смесь 1 в примере 15), были ниже по сравнению со значениями для вяжущих композиций согласно указанному варианту реализации, содержащих гемигидрат сульфата кальция (смеси 1-4 в примере 16).
[0713] Прочность на сжатие материала примерно через 4 часа составляла более чем примерно 1500 psi (10,3 МПа) при использовании гемигидрата сульфата кальция в геополимерных вяжущих композициях согласно указанному варианту реализации. Кроме того, прочность на сжатие через 4 часа для смеси 1, содержащей гемигидрат сульфата кальция в количестве примерно 40%, составляла более чем примерно 2500 psi (17,2 МПа). В противоположность этому, в сравнительной смешанной композиции, не содержащей гемигидрат сульфата кальция (смесь 1 в примере 15), прочность на сжатие материала через 4 часа была относительно очень низкой и составляла менее чем примерно 300 psi (2,1 МПа).
[0714] Применение гемигидрата сульфата кальция в геополимерных вяжущих композициях согласно указанному варианту реализации обеспечивает более высокую прочность на сжатие через 4 часа по сравнению с гипсом. Это подтверждается путем сравнения результатов исследования прочности на сжатие, полученных в примере 16, с теми, что получены в примере 8.
[0715] Прочность на сжатие материала примерно через 24 часа составляла более чем примерно 4000 psi (27,6 МПа) при использовании гемигидрата сульфата кальция в геополимерных вяжущих композициях согласно указанному варианту реализации. С другой стороны, в сравнительной смешанной композиции, не содержащей гемигидрат сульфата кальция (смесь 1 в примере 15), прочность на сжатие материала примерно через 24 часа была относительно низкой и составляла менее чем примерно 600 psi (4,1 МПа).
[0716] Прочность на сжатие через 28 дней для всех геополимерных вяжущих композиций согласно указанному варианту реализации, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, гемигидрат сульфата кальция и цитрат натрия, была очень высокой, т.е. составляла более чем примерно 7000 psi (48,3 МПа). Для сравнения прочность на сжатие через 28 дней материала сравнения, не содержащего гемигидрат сульфата кальция (смесь 1 в примере 15), составляла менее чем примерно 4000 psi (27,6 МПа).
[0717] Пример 17: Крупнозернистый дигидрат сульфата кальция
[0718] Задачей настоящего испытания являлось исследование влияния включения крупнозернистого дигидрата сульфата кальция в геополимерные связующие композиции согласно указанному варианту реализации.
[0719] В таблице 57 показан состав сырья геополимерных вяжущих смесей, исследуемых в указанном примере. Количество цемента на основе сульфоалюмината кальция, используемого в смешанных композициях согласно указанному примеру, составляло 80 масс.% от массы зольной пыли класса С. Крупнозернистый дигидрат сульфата кальция, иначе называемый в настоящем описании крупный гипс, приобретали в United States Gypsum Company, где он был доступен под торговой маркой USG Ben Franklin AG Coarse Gypsum. Крупный гипс добавляли в различные исследуемые смешанные композиции в различных количествах – 0 масс.%, 10 масс.%, 20 масс.% и 30 масс.% от массы цемента на основе сульфоалюмината кальция FASTROCK 500. Количество добавляемого гипса составляло 0, 8, 16 и 24 масс.% от массы зольной пыли. В качестве песка применяли тонкозернистый технический песок QUIKRETE No.1961, а в качестве суперпластификатора использовали BASF CASTAMENT.
[0720]
Таблица 57 - Геополимерные вяжущие композиции согласно примеру 17
Сырье
Смесь сравнения 1
Смесь 2
Смесь 3
Смесь 4
Зольная пыль класса C (граммы)
1668
1596
1531
1471
Дигидрат сульфата кальция (граммы)
0
128
245
353
Цемент на основе сульфоалюмината кальция (граммы)
1333
1277
1225
1177
Общее количество вяжущих материалов (граммы)
3000
3000
3000
3000
Песок (граммы)
3150
3150
3150
3150
Дигидрат цитрата натрия (граммы)
60
60
60
60
Суперпластификатор (граммы)
15
15
15
15
Вода (граммы)
900
900
900
900
Отношение вода/вяжущие материалы
0,30
0,30
0,30
0,30
Отношение песок/вяжущие материалы
1,05
1,05
1,05
1,05
Суперпластификатор/вяжущие материалы, масс.%
0,5%
0,5%
0,5%
0,5%
Цитрат натрия/вяжущие материалы, масс.%
2%
2%
2%
2%
Цемент на основе сульфоалюмината кальция/зольная пыль, масс.%
80%
80%
80%
80%
Сульфат кальция/цемент на основе сульфоалюмината кальция, масс.%
0%
10%
20%
30%
[0721] Начальные характеристики текучести, осадки и растрескивания на ранней стадии отверждения материала
[0722] В таблице 58 показаны начальные характеристики текучести и осадки геополимерных вяжущих композиций согласно указанному варианту реализации, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, крупнозернистый гипс и цитрат щелочного металла, исследуемых в примере 17.
[0723]
ТАБЛИЦА 58 – Текучесть и осадка согласно примеру 17
Текучесть
Осадка (дюймы (см))
Смесь 1
10
11 (28)
Смесь 2
10
9,75 (24,8)
Смесь 3
10
10,25 (26)
Смесь 4
10
10,5 (26,7)
[0724] Все исследуемые вяжущие композиции обладали хорошей текучестью и имели крупный диаметр плоских образцов в испытании на осадку.
[0725] На фиг.17А показаны фотографии осадки плоских образцов геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, исследуемому в примере 17. Смесь сравнения 1 не содержала сульфат кальция (крупнозернистый гипс), и в ее плоском образце после осадки происходило значительное растрескивание в результате сушки. Тем не менее, плоские образцы смесей, содержащих крупнозернистый гипс, после осадки находились в отличном состоянии, и в них не происходило растрескивание. Таким образом, можно увидеть, что добавление крупнозернистого гипса в вяжущие смеси, содержащие цемент на основе сульфоалюмината кальция, зольную пыль и цитрат щелочного металла, обеспечивало геополимерные вяжущие композиции с устойчивыми размерами, а также умеренное выделение теплоты и низкое увеличение температуры материала на стадии отверждения для предотвращения теплового расширения и последующего растрескивания и разрушения материала после сушки.
[0726] Характеристики усадки
[0727] На фиг.17В показаны характеристики усадки геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, исследуемому в примере 17.
[0728] Измерения усадки начинали примерно через 4 часа после смешения сырья с получением водной суспензии. Общая продолжительность измерения усадки материала при отверждении материала примерно при 75°F (24°С)/50% отн.вл. составляла примерно 8 недель.
[0729] На основании результатов этого исследования и фиг.17В можно сделать следующие важные выводы:
[0730] В противоположность усадке брусков согласно примеру сравнения 4 (не содержащих сульфат кальция), которые растрескивались еще до извлечения из формы, бруски, которые испытывали на усадку согласно примеру 17, содержащие крупнозернистый гипс (смеси 2, 3 и 4), были устойчивыми, и в них не происходило растрескивание до или после извлечения из формы.
[0731] Геополимерные вяжущие композиции согласно указанному варианту реализации, содержащие зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, крупнозернистый гипс и цитрат щелочного металла, имели максимальную усадку в диапазоне от примерно 0,11% до примерно 0,16%, для сравнения максимальная усадка сравнительной смешанной композиции, содержащей только зольную пыль и цитрат щелочного металла (пример 1), составляла примерно 0,75%.
[0732] Смешанные композиции, полученные из смесей 2, 3 и 4, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, сульфат кальция (крупнозернистый гипс) и цитрат щелочного металла, имели максимальную усадку в диапазоне от примерно 0,11% до примерно 0,16%, тогда как максимальная усадка смеси сравнения 1, содержащей зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция и цитрат щелочного металла, но не содержащей сульфат кальция (гипс), составляла примерно 0,24%.
[0733] Увеличение содержания крупнозернистого гипса в диапазоне, исследуемом в указанном примере, приводило, в целом, к снижению усадки материала. Например, при содержании крупнозернистого гипса примерно 10 масс.% измеренная максимальная усадка составляла примерно 0,16%, тогда как при содержании крупнозернистого гипса примерно 30 масс.% измеренная максимальная усадка уменьшалась примерно до 0,11%.
[0734] Сравнение результатов исследования усадки, полученных в примере 7 и в примере 17, указывает на то, что применение гипса с более мелким размером частиц обеспечивает более низкую усадку. Например, при использовании крупнозернистого гипса в примере 17 в количестве примерно 30 масс.% максимальная усадка составляла примерно 0,11%; с другой стороны при использовании такого же количества тонкозернистого гипса, составляющего примерно 30 масс.%, в примере 7 максимальная усадка составляла только примерно 0,06%.
[0735] Профиль выделения теплоты и увеличения температуры суспензии
[0736] На фиг.17С показан экзотермический профиль и характеристики увеличения температуры суспензии для геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, исследуемому в примере 17. В вяжущих композициях согласно примеру 17, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, крупнозернистый гипс и цитрат щелочного металла, происходило только очень умеренное увеличение температуры. Кроме того, сравнение результатов исследования увеличения температуры, полученных в примере 17 и в примере 7, указывает на то, что применение крупнозернистого гипса обеспечивает относительно более низкое увеличение температуры по сравнению с тем, которое достигали при использовании тонкозернистого гипса. Умеренное выделение теплоты и низкое увеличение температуры материала на стадии отверждения значительно способствует предотвращению избыточного теплового расширения и последующего растрескивания и разрушения материала. Этот аспект становится еще более эффективным при использовании материала для применений в конкретных полевых условиях, при которых используют укладку материала с большой толщиной. Геополимерные вяжущие композиции согласно варианту реализации, исследуемому в указанном примере, являются крайне эффективными согласно указанному конкретному аспекту, так как они обладают пониженным тепловым расширением и увеличенной устойчивостью к термическому растрескиванию при применении в конкретных полевых условиях.
[0737] Время схватывания
[0738] В таблице 59 показано время схватывания геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, исследуемому в примере 17.
[0739]
ТАБЛИЦА 59 – Время схватывания согласно примеру 17
Время начального схватывания (ч:мин)
Время окончательного схватывания (ч:мин)
Смесь сравнения 1
00:23
00:45:
Смесь 2
00:27
00:57
Смесь 3
00:32
00:59
Смесь 4
00:30
00:59
[0740] Во всех вяжущих композициях, исследуемых в указанном примере, происходило быстрое схватывание. Время окончательного схватывания геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, крупнозернистый гипс и цитрат натрия, в указанном примере составляло примерно 60 минут, для сравнения время окончательного схватывания сравнительной смешанной композиции, содержащей только зольную пыль и цитрат натрия (пример 1), было очень коротким и составляло примерно 15 минут.
[0741] Прочность на сжатие
[0742] В таблице 60 показана прочность на сжатие геополимерных вяжущих композиций, предложенных в указанном варианте реализации, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, крупнозернистый гипс и цитрат щелочного металла, исследуемых в примере 17.
[0743]
ТАБЛИЦА 60 – Примерная прочность на сжатие согласно примеру 17 - (psi (МПа))
4 часа
24 часа
7 дней
28 дней
Смесь сравнения 1
206 (1,4)
568 (3,9)
1445 (10)
3965 (27,3)
Смесь 2
266 (1,8)
1037 (7,1)
2489 (17,2)
4321 (29,8)
Смесь 3
346 (2,4)
1683 (11,6)
3242 (22,4)
5708 (39,4)
Смесь 4
400 (2,8)
1833 (12,6)
3727 (25,7)
5523 (38,1)
[0744] На основании указанного исследования можно сделать следующие выводы:
[0745] Прочность на сжатие геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, исследуемому в указанном примере, увеличивалась со временем.
[0746] Прочность на сжатие на ранней стадии отверждения и окончательная прочность на сжатие смешанной композиции, не содержащей гипс (смесь 1), были ниже по сравнению со значениями для вяжущих композиций согласно указанному варианту реализации, содержащих крупнозернистый гипс (смеси 2-4).
[0747] Прочность на сжатие на ранней стадии отверждения (примерно через 4 часа и примерно через 24 часа) геополимерных вяжущих композиций согласно указанному варианту реализации увеличивалась при увеличении содержания крупнозернистого гипса в материале. Тем не менее, увеличение прочности на сжатие через 4 часа, которого добивались при увеличении содержания крупнозернистого гипса, было номинальным и не являлось очень значительным.
[0748] Прочность на сжатие материала на ранней стадии отверждения через 24 часа составляла более чем примерно 1000 psi (6,9 МПа) при использовании крупнозернистого гипса в геополимерных вяжущих композициях согласно указанному варианту реализации.
[0749] Прочность на сжатие через 28 дней для всех геополимерных вяжущих композиций согласно указанному варианту реализации, содержащих зольную пыль, сульфоалюминат кальция, крупнозернистый гипс и цитрат натрия, была относительно высокой, т.е. составляла более чем примерно 4000 psi (27,6 МПа). Кроме того, прочность на сжатие через 28 дней для смешанных композиций, содержащих крупнозернистый гипс в количестве примерно 20 масс.% и примерно 30 масс.% (смеси 3 и 4), была особенно высокой и составляла более чем примерно 5000 psi (34,5 МПа).
[0750] При сравнении результатов исследования, полученных в примере 17 и в примере 7, можно увидеть, что применение более мелкозернистого гипса обеспечивает более быстрое нарастание прочности на сжатие материала через 4 часа и 24 часа и относительно более высокую прочность на сжатие материала через 28 дней.
[0751] Пример 18: крупнозернистый дигидрат сульфата кальция
[0752] Задачей настоящего испытания являлось исследование влияния включения крупнозернистого дигидрата сульфата кальция в геополимерные связующие композиции согласно настоящему изобретению.
[0753] В таблице 61 показан состав сырья геополимерных вяжущих смесей, исследуемых в указанном примере. Количество цемента на основе сульфоалюмината кальция, используемого в смешанных композициях согласно указанному примеру, составляло 80 масс.% от массы зольной пыли. Крупный гипс добавляли в различные исследуемые смешанные композиции в различных количествах (40 масс.%, 50 масс.%, 60 масс.% и 80 масс.% от массы цемента на основе сульфоалюмината кальция). Количество добавляемого гипса составляло 32, 40, 48 и 64 масс.% от массы зольной пыли класса С. В качестве песка использовали тонкозернистый технический песок QUIKRETE No.1961, а в качестве суперпластификатора применяли BASF CASTAMENT.
[0754]
ТАБЛИЦА 61 - Геополимерные вяжущие смешанные композиции согласно примеру 18
Сырье
Смесь 1
Смесь 2
Смесь 3
Смесь 4
Зольная пыль класса C (граммы)
1415
1364
1316
1230
Дигидрат сульфата кальция (граммы)
453
546
632
787
Цемент на основе сульфоалюмината кальция (граммы)
1133
1091
1053
984
Общее количество вяжущих материалов (граммы)
3000
3000
3000
3000
Песок (граммы)
3150
3150
3150
3150
Дигидрат цитрата натрия (граммы)
60
60
60
60
Суперпластификатор (граммы)
15
15
15
15
Вода (граммы)
900
900
900
900
Отношение вода/вяжущие материалы
0,30
0,30
0,30
0,30
Отношение песок/вяжущие материалы
1,05
1,05
1,05
1,05
Суперпластификатор/вяжущие материалы, масс.%
0,5%
0,5%
0,5%
0,5%
Цитрат натрия/вяжущие материалы, масс.%
2%
2%
2%
2%
Цемент на основе сульфоалюмината кальция/зольная пыль, масс.%
80%
80%
80%
80%
Сульфат кальция/цемент на основе сульфоалюмината кальция, масс.%
40%
50%
60%
80%
[0755] Начальные характеристики текучести, осадки и растрескивания на ранней стадии отверждения материала
[0756] В таблице 62 показаны начальные характеристики текучести и осадки геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, крупнозернистый гипс и цитрат щелочного металла, исследуемых в примере 18.
[0757]
ТАБЛИЦА 62 - Текучесть и осадка согласно примеру 18
Текучесть
Осадка (дюймы (см))
Смесь 1
10
10 (25,4)
Смесь 2
10
10 (25,4)
Смесь 3
10
10 (25,4)
Смесь 4
10
9,75 (24,8)
[0758] Все исследуемые смешанные композиции обладали хорошей текучестью и имели крупный диаметр плоских образцов в испытании на осадку.
[0759] После осадки плоские образцы всех четырех смешанных композиций согласно указанному примеру, содержащих крупнозернистый гипс, находились в отличном состоянии, и в них не происходило растрескивание. В противоположность этому, в смешанной композиции, не содержащей сульфат кальция (гипс) (смесь сравнения 1 в примере 17), происходило очень значительное растрескивание в результате сушки. Таким образом, включение крупнозернистого гипса в вяжущие смеси, содержащие цемент на основе сульфоалюмината кальция, зольную пыль и цитрат щелочного металла, обеспечивает геополимерные вяжущие композиции с устойчивыми размерами, обладающие повышенной стойкостью к растрескиванию после сушки.
[0760] Характеристики усадки
[0761] На фиг.18А показаны характеристики усадки геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, исследуемому в примере 18.
[0762] Измерения усадки начинали примерно через 4 часа после смешения сырья с получением водной суспензии. Общая продолжительность измерения усадки материала при отверждении материала примерно при 75°F (24°С)/50% отн.вл. составляла примерно 8 недель.
[0763] На основании указанного исследования и фиг.18А можно сделать следующие важные выводы:
[0764] В противоположность усадке брусков согласно примеру сравнения 4 (не содержащих сульфат кальция), которые растрескивались еще до извлечения из формы, бруски, которые испытывали на усадку согласно примеру 18, содержащие сульфат кальция (крупнозернистый гипс), были устойчивыми, и в них не происходило растрескивание до или после извлечения из формы, которое указывало бы на неприемлемую размерную устойчивость или нежелательную усадку.
[0765] Геополимерные вяжущие композиции согласно указанному варианту реализации, содержащие зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, крупнозернистый гипс и цитрат щелочного металла, имели максимальную усадку примерно 0,09%, для сравнения максимальная усадка сравнительной смешанной композиции, содержащей только зольную пыль и цитрат щелочного металла (пример 1), составляла примерно 0,75%. Таким образом, можно сделать вывод о том, что добавление крупнозернистого гипса в вяжущие композиции, содержащие зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция и цитрат щелочного металла, способствует очень значительному уменьшению усадки материала.
[0766] Можно увидеть, что геополимерные вяжущие композиции согласно указанному варианту реализации, содержащие зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, крупнозернистый гипс и цитрат щелочного металла, исследуемые в указанном примере, имели максимальную усадку примерно 0,09%. В противоположность этому, максимальная усадка смеси сравнения 1 в примере 17, содержащей зольную пыль и цемент на основе сульфоалюмината кальция, но не содержащей крупнозернистый гипс, составляла примерно 0,24%.
[0767] Увеличение количества крупного гипса в диапазоне, исследуемом в указанном примере, не приводило к сколько-нибудь значимым изменениям характеристик усадки материала. Например, измеренная максимальная усадка различных смешанных композиций, имевших диапазон содержания крупнозернистого гипса от примерно 40 масс.% до примерно 80 масс.%, оставалась постоянной и составляла примерно 0,09%.
[0768] Сравнение результатов исследования усадки, полученных в примере 8 (тонкозернистый гипс) и в примере 18, указывает на то, что при использовании высоких количеств сульфата кальция (>50 масс.%) в смешанных композициях крупнозернистый гипс является более эффективным для уменьшения общей усадки материала.
[0769] Профиль выделения теплоты и увеличения температуры суспензии
[0770] На фиг.18В показан экзотермический профиль и характеристики увеличения температуры суспензии для геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, исследуемому в примере 18. Сравнение результатов исследования увеличения температуры, полученных в примере 18 и в примере 8, указывает на то, что использование крупнозернистого гипса обеспечивает уменьшенное увеличение температуры по сравнению с тем, которого добивались при использовании тонкозернистого гипса. Умеренное выделение теплоты и низкое увеличение температуры материала на стадии отверждения значительно способствуют предотвращению избыточного теплового расширения и последующего растрескивания и разрушения материала. Этот аспект также является эффективным при использовании материала для применений в конкретных полевых условиях, при которых используют укладку материала с большой толщиной. Геополимерные вяжущие композиции согласно вариантам реализации, исследуемым в указанном примере, являются крайне эффективными согласно указанному конкретному аспекту, так как они обладают пониженным тепловым расширением и увеличенной устойчивостью к термическому растрескиванию при применении в конкретных полевых условиях.
[0771] Время схватывания
[0772] В таблице 63 показано время схватывания геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, исследуемому в примере 18.
[0773]
ТАБЛИЦА 63 – Время схватывания согласно примеру 18
Время начального схватывания (ч:мин)
Время окончательного схватывания (ч:мин)
Смесь 1
00:40
1:20
Смесь 2
00:36
1:15
Смесь 3
00:40
1:10
Смесь 4
00:46
1:15
[0774] Время окончательного схватывания геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, исследуемому в указанном примере, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, крупнозернистый гипс и цитрат натрия, составляло примерно 70 минут, для сравнения время окончательного схватывания сравнительной смешанной композиции, содержащей только зольную пыль и цитрат натрия (пример 1), было очень коротким и составляло примерно 15 минут.
[0775] Прочность на сжатие
[0776] В таблице 64 показана прочность на сжатие геополимерных вяжущих композиций, предложенных в варианте реализации, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, крупнозернистый гипс и цитрат щелочного металла, исследуемых в примере 18.
[0777]
ТАБЛИЦА 64 – Прочность на сжатие согласно примеру 18 - (psi (МПа))
4 часа
24 часа
7 дней
28 дней
Смесь 1
498 (3,4)
2090 (14,4)
4128 (28,5)
4172 (28,8)
Смесь 2
539 (3,7)
2094 (14,4)
3602 (24,8)
4387 (30,2)
Смесь 3
561 (3,9)
2408 (16,6)
3456 (23,8)
4622 (31,9)
Смесь 4
542 (3,7)
2285 (15,8)
3270 (22,5)
4143 (28,6)
[0778] На основании указанного исследования можно сделать следующие важные выводы:
[0779] Прочность на сжатие геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, исследуемых в указанном примере, увеличивалась со временем.
[0780] Прочность на сжатие на ранней стадии отверждения и окончательная прочность на сжатие для сравнительной смешанной композиции, не содержащей гипс (смесь 1), были ниже по сравнению со значениями для вяжущих композиций согласно указанному варианту реализации, содержащих крупнозернистый гипс (смеси 2-4).
[0781] Сравнение результатов исследования, полученных в примере 18 и в примере 8, указывает на то, что использование гипса с более мелкими зернами обеспечивает ускоренное нарастание прочности на сжатие материала через 4 часа. Например, можно увидеть, что при использовании тонкозернистого гипса в смешанных композициях согласно примеру 8 прочность на сжатие материала, достигаемая через 4 часа, составляла более чем примерно 1500 psi (10,3 МПа) (смеси 1-4 в примере 8).
[0782] Прочность на сжатие на ранней стадии отверждения материала через 24 часа составляла более чем примерно 2000 psi (13,8 МПа) при использовании крупнозернистого гипса в качестве компонента геополимерных вяжущих композиций согласно указанному варианту реализации. На основании сравнения результатов исследования, полученных в примере 18 и в примере 8, можно сделать вывод о том, что использование гипса с более мелкими зернами обеспечивает ускоренное нарастание прочности на сжатие материала через 24 часа. Например, можно увидеть, что при использовании тонкозернистого гипса в смешанных композициях согласно примеру 8 прочность на сжатие материала, достигаемая через 24 часа, составляла более чем примерно 4000 psi (27,6 МПа) (смеси 1, 2 и 3 в примере 8).
[0783] Прочность на сжатие через 28 дней для всех геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, содержащих зольную пыль, сульфоалюминат кальция, крупнозернистый гипс и цитрат натрия, согласно указанному примеру составляла менее чем примерно 5000 psi (34,5 МПа). На основании сравнения результатов исследования, полученных в примере 18 и в примере 8, можно увидеть, что использование сульфата кальция (тонкозернистого гипса) обеспечивает относительно более высокую прочность на сжатие материала через 28 дней. Например, при использовании сульфата кальция (тонкозернистого гипса) в смешанных композициях согласно примеру 8 прочность на сжатие материала, достигаемая через 28 дней, составляла более чем примерно 6000 psi (41,4 МПа) (смеси 1-3 в примере 8).
[0784] Пример 19
[0785] Задачей настоящего испытания являлось исследование влияния включения различных количеств высокочистого тонкозернистого дигидрата сульфата кальция в геополимерные композиции согласно вариантам реализации настоящего изобретения.
[0786] В таблице 65 показан состав сырья геополимерных вяжущих смесей, исследуемых в указанном примере.
[0787] Количество цемента на основе сульфоалюмината кальция, используемого в смешанных композициях согласно указанному примеру, составляло 80 масс.% от массы зольной пыли. Тонкозернистый дигидрат сульфата кальция, используемый в указанном исследовании, приобретали в USG Company под торговой маркой USG TERRA ALBA F&P. Дигидрат сульфата кальция добавляли с исследуемые смешанные композиции в следующих количествах – 0 масс.%, 10 масс.%, 20 масс.% и 30 масс.% от массы цемента на основе сульфоалюмината кальция. Количество добавляемого дигидрата сульфата кальция составляло 0, 8, 16 и 24 масс.% от массы зольной пыли класса С. Отношение воды к вяжущим материалам, используемое в указанном исследовании, было постоянным и составляло 0,30. В качестве песка использовали тонкозернистый технический песок QUIKRETE No.1961, а в качестве суперпластификатора применяли BASF CASTAMENT.
[0788]
ТАБЛИЦА 65 - Геополимерные вяжущие смешанные композиции согласно примеру 19
Сырье
Смесь сравнения 1
Смесь 2
Смесь 3
Смесь 4
Зольная пыль класса C (граммы)
16677
1596
1531
1471
Дигидрат сульфата кальция (граммы)
0
128
245
353
Цемент на основе сульфоалюмината кальция (граммы)
1333
1277
1224,5
1176
Общее количество вяжущих материалов (граммы)
3000
3000
3000
3000
Песок (граммы)
3150
3150
3150
3150
Дигидрат цитрата натрия (граммы)
60
60
60
60
Суперпластификатор (граммы)
15
15
15
15
Вода (граммы)
900
900
900
900
Отношение вода/вяжущие материалы
0,30
0,30
0,30
0,30
Отношение песок/вяжущие материалы
1,05
1,05
1,05
1,05
Суперпластификатор/вяжущие материалы, масс.%
0,5%
0,5%
0,5%
0,5%
Цитрат натрия/вяжущие материалы, масс.%
2%
2%
2%
2%
Цемент на основе сульфоалюмината кальция/зольная пыль, масс.%
80%
80%
80%
80%
Сульфат кальция/цемент на основе сульфоалюмината кальция, масс.%
0%
10%
20%
30%
[0789] Начальные характеристики текучести, осадки и растрескивания на ранней стадии отверждения материала
[0790] В таблице 66 показаны начальные характеристики текучести и осадки геополимерных вяжущих композиций согласно указанному варианту реализации, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, тонкозернистый дигидрат сульфата кальция и цитрат щелочного металла, исследуемых в примере 19.
[0791]
ТАБЛИЦА 66 – Текучесть и осадка согласно примеру 19
Текучесть
Осадка (дюймы (см))
Смесь 1
10
11,25 (28,6)
Смесь 2
10
10,25 (28,6)
Смесь 3
10
10,5 (26,7)
Смесь 4
10
10,5 (26,7)
[0792] Все исследуемые смешанные композиции обладали хорошей текучестью и имели крупный диаметр плоских образцов в испытании на осадку.
[0793] После осадки в плоском образце смеси сравнения 1, не содержащей сульфат кальция, происходило значительное растрескивание в результате сушки. Тем не менее, для смесей, содержащих тонкозернистый дигидрат сульфата кальция плоские образцы после осадки находились в отличном состоянии, и в них не происходило растрескивание. Таким образом, добавление тонкозернистого дигидрата сульфата кальция в вяжущие смеси, содержащие цемент на основе сульфоалюмината кальция, зольную пыль и цитрат щелочного металла, обеспечивает композиции с устойчивыми размерами, обладающие повышенной стойкостью к растрескиванию после сушки.
[0794] Характеристики усадки
[0795] На фиг.19А показаны характеристики усадки геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, исследуемому в примере 19.
[0796] Измерения усадки начинали примерно через 4 часа после смешения сырья с получением водной суспензии. Общая продолжительность измерения усадки материала при отверждении материала примерно при 75°F (24°С)/50% отн.вл. составляла примерно 8 недель.
[0797] На основании указанного исследования и фиг.19С можно сделать следующие важные выводы:
[0798] В противоположность усадке брусков согласно примеру сравнения 4 (не содержащих дигидрат сульфата кальция), которые растрескивались еще до извлечения из формы, бруски, которые испытывали на усадку согласно примеру 19, содержащие тонкозернистый дигидрат сульфата кальция, были полностью устойчивыми, и в них не происходило растрескивание до или после извлечения из формы.
[0799] Геополимерные вяжущие композиции согласно варианту реализации, содержащие цемент на основе сульфоалюмината кальция и тонкозернистый дигидрат сульфата кальция, исследуемые в указанном примере, имели максимальную усадку в диапазоне от примерно 0,06% до примерно 0,08%, для сравнения максимальная усадка смеси сравнения, содержащей только зольную пыль и цитрат щелочного металла (пример 1), составляла примерно 0,75%.
[0800] Геополимерные вяжущие композиции (смеси 2, 3 и 4) согласно указанному варианту реализации, содержащие цемент на основе сульфоалюмината кальция и тонкозернистый дигидрат сульфата кальция, имели максимальную усадку от примерно 0,06% до примерно 0,08%; с другой стороны максимальная усадка смеси сравнения 1, содержащей зольную пыль и цемент на основе сульфоалюмината кальция, но не содержащей тонкозернистый сульфат кальция, была относительно очень высокой и составляла примерно 0,24%.
[0801] Увеличение количества тонкозернистого дигидрата сульфата кальция в диапазоне, исследуемом в указанном примере, приводило к уменьшению общей усадки материала. Например, при содержании тонкозернистого дигидрата сульфата кальция примерно 10 масс.% измеренная максимальная усадка составляла примерно 0,08%, тогда как при содержании тонкозернистого дигидрата сульфата кальция примерно 30 масс.% измеренная максимальная усадка уменьшалась примерно до 0,06%.
[0802] Сравнение результатов исследования усадки, полученных в примере 7, примере 17 и примере 19, указывает на то, что использование тонкозернистого дигидрата сульфата кальция (тонкозернистого дигидрата сульфата кальция) обеспечивает уменьшение общей усадки. Например, при использовании крупнозернистого дигидрата сульфата кальция в количестве примерно 30 масс.% в примере 17 максимальная усадка составляла примерно 0,11%, с другой стороны при использовании тонкозернистого дигидрата сульфата кальция в количестве примерно 30 масс.% в примере 19 максимальная усадка составляла только примерно 0,06%.
[0803] Профиль выделения теплоты и увеличения температуры суспензии
[0804] На фиг.19В показан экзотермический профиль и характеристики увеличения температуры суспензии для геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, исследуемому в примере 19. В вяжущих композициях согласно примеру 19, содержащие зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, тонкозернистый дигидрат сульфата кальция и цитрат щелочного металла, происходило лишь очень умеренное увеличение температуры. Умеренное выделение теплоты и низкое увеличение температуры материала на стадии отверждения значительно способствовали предотвращению избыточного теплового расширения и последующего растрескивания и разрушения материала. Этот аспект особенно важен при использовании материала для применений в конкретных полевых условиях, при которых используют укладку материала с большой толщиной. Геополимерные вяжущие композиции согласно указанному варианту реализации, исследуемому в указанном примере, являются крайне эффективными согласно указанному конкретному аспекту, так как они обладают пониженным тепловым расширением и увеличенной устойчивостью к термическому растрескиванию при применении в конкретных полевых условиях.
[0805] Время схватывания
[0806] В таблице 67 показано время схватывания геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, исследуемому в примере 19.
[0807]
ТАБЛИЦА 67 – Время схватывания согласно примеру 19
Время начального схватывания (ч:мин)
Время окончательного схватывания (ч:мин)
Смесь 1
00:35
1:24
Смесь 2
00:49
1:12
Смесь 3
00:41
1:21
Смесь 4
00:29
1:00
[0808] Все вяжущие композиции, исследуемые в указанном примере, обладали быстрым схватыванием. Время окончательного схватывания геополимерных вяжущих композиций согласно указанному варианту реализации составляло от примерно 60 до примерно 90 минут, для сравнения время окончательного схватывания сравнительной смешанной композиции, содержащей только зольную пыль и цитрат натрия (пример 1), было очень коротким и составляло примерно 15 минут.
[0809] Прочность на сжатие
[0810] В таблице 68 показана прочность на сжатие геополимерных вяжущих композиций, предложенных в варианте реализации, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, тонкозернистый дигидрат сульфата кальция и цитрат щелочного металла, исследуемых в примере 19.
[0811]
ТАБЛИЦА 68 – Прочность на сжатие согласно примеру 19 - (psi (МПа))
4 часа
24 часа
7 дней
28 дней
Смесь 1
225 (1,6)
555 (3,8)
1586 (10,9)
3707 (25,6)
Смесь 2
752 (5,2)
2510 (17,3)
4677 (32,2)
4646 (32)
Смесь 3
1427 (9,8)
2892 (19,9)
5128 (35,4)
5191 (35,8)
Смесь 4
1862 (12,8)
3737 (25,8)
4886 (33,7)
6084 (41,9)
[0812] На основании указанного исследования можно сделать следующие важные выводы:
[0813] Прочность на сжатие смешанных композиций увеличивалась со временем.
[0814] Прочность на сжатие на ранней стадии отверждения и окончательная прочность на сжатие вяжущих композиций, не содержащих тонкозернистый дигидрат сульфата кальция (смесь 1), были ниже по сравнению со значениями для геополимерных вяжущих композиций согласно указанному варианту реализации, содержащих тонкозернистый дигидрат сульфата кальция (смеси 2-4).
[0815] Прочность на сжатие на ранней стадии отверждения (примерно через 4 часа и примерно через 24 часа) для геополимерных вяжущих композиций согласно указанному варианту реализации существенно увеличивалась с увеличением содержания тонкозернистого дигидрата сульфата кальция в композиции. На основании сравнения результатов исследования, полученных в примере 19, примере 17 и примере 7, можно сделать вывод о том, что использование тонкозернистого дигидрата сульфата кальция обеспечивает ускоренное нарастание прочности на сжатие материала через 4 часа.
[0816] Прочность на сжатие материала через 24 часа составляла более чем примерно 2500 psi (17,2 МПа) при использовании тонкозернистого дигидрата сульфата кальция в геополимерных вяжущих композициях согласно указанному варианту реализации. На основании сравнения результатов исследования, полученных в примере 19, примере 17 и примере 7, можно сделать вывод о том, что использование тонкозернистого дигидрата сульфата кальция обеспечивает ускоренное нарастание прочности на сжатие материала на ранней стадии отверждения.
[0817] Прочность на сжатие через 28 дней для всех геополимерных вяжущих композиций согласно указанному варианту реализации, содержащих зольную пыль, сульфоалюминат кальция, тонкозернистый дигидрат сульфата кальция и цитрат натрия, была относительно высокой и составляла более чем примерно 4500 psi (31 МПа). Кроме того, прочность на сжатие через 28 дней для геополимерных смешанных композиций согласно указанному варианту реализации, содержащих тонкозернистый дигидрат сульфата кальция в количестве примерно 20 масс.% и примерно 30 масс.% (смеси 3 и 4), также была очень высокой и составляла более чем примерно 5000 psi (34,5 МПа).
[0818] Пример 20
[0819] Задачей настоящего испытания являлось исследование влияния включения различных количеств высокочистого тонкозернистого дигидрата сульфата кальция в геополимерные связующие композиции согласно настоящему изобретению.
[0820] В таблице 69 показан состав сырья геополимерных вяжущих смесей, исследуемых в указанном примере. Количество цемента на основе сульфоалюмината кальция, используемого в смешанных композициях согласно указанному примеру, составляло 80 масс.% от массы зольной пыли. Тонкозернистый дигидрат сульфата кальция, используемый в указанном исследовании, приобретали в USG Company под торговой маркой USG Terra Alba F&P. Дигидрат сульфата кальция добавляли в исследуемые смешанные композиции в следующих количествах – 40 масс.%, 50 масс.%, 60 масс.% и 80 масс.% от массы цемента на основе сульфоалюмината кальция. Количество добавляемого дигидрата сульфата кальция составляло 32, 40, 48 и 64 масс.% от массы зольной пыли класса С. В качестве химического активатора в вяжущие композиции согласно настоящему изобретению добавляли цитрат натрия. Отношение воды к вяжущим материалам, используемое в указанном исследовании, было постоянным и составляло 0,30. В качестве песка применяли тонкозернистый технический песок QUIKRETE No.1961, а в качестве суперпластификатора использовали BASF CASTAMENT.
[0821]
ТАБЛИЦА 69 - Геополимерные вяжущие композиции согласно примеру 20
Сырье
Смесь 1
Смесь 2
Смесь 3
Смесь 4
Зольная пыль класса C (граммы)
1415
1364
1316
1230
Дигидрат сульфата кальция (граммы)
453
545,5
632
787
Цемент на основе сульфоалюмината кальция (граммы)
1132
1091
1053
984
Общее количество вяжущих материалов (граммы)
3000
3000
3000
3000
Песок (граммы)
3150
3150
3150
3150
Дигидрат цитрата натрия (граммы)
60
60
60
60
Суперпластификатор (граммы)
15
50
15
15
Вода (граммы)
900
900
900
900
Отношение вода/вяжущие материалы
0,30
0,30
0,30
0,30
Отношение песок/вяжущие материалы
1,05
1,05
1,05
1,05
Суперпластификатор/вяжущие материалы, масс.%
0,5%
0,5%
0,5%
0,5%
Цитрат натрия/вяжущие материалы, масс.%
2,0%
2,0%
2,0%
2,0%
Цемент на основе сульфоалюмината кальция/зольная пыль, масс.%
80%
80%
80%
80%
Сульфат кальция/цемент на основе сульфоалюмината кальция, масс.%
40%
50%
60%
80%
[0822] Начальные характеристики текучести, осадки и растрескивания на ранней стадии отверждения
[0823] В таблице 70 показаны начальные характеристики текучести и осадки геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, тонкозернистый дигидрат сульфата кальция и цитрат щелочного металла, исследуемых в примере 20.
[0824]
ТАБЛИЦА 70 – Текучесть и осадка согласно примеру 20
Текучесть
Осадка (дюймы (см))
Смесь 1
10
10,75 (27,3)
Смесь 2
10
9,75 (24,8)
Смесь 3
10
9,5 (24)
Смесь 4
10
10 (25,4)
[0825] Все исследуемые смешанные композиции обладали хорошей текучестью и имели крупный диаметр плоских образцов в испытании на осадку. Особенно следует отметить, что указанная крупная осадка и характеристики самостоятельного выравнивания можно было получать даже при отношении вода/вяжущие материалы только лишь примерно 0,3.
[0826] После осадки плоские образцы, полученные из смесей 1-4, находились в отличном состоянии в результате сушки, и в них не происходило растрескивание. Таким образом, добавление тонкозернистого дигидрата сульфата кальция в вяжущие смеси, содержащие цемент на основе сульфоалюмината кальция, зольную пыль и цитрат щелочного металла, обеспечивает композиции с устойчивыми размерами, обладающие повышенной стойкостью к растрескиванию после сушки.
[0827] Характеристики усадки
[0828] На фиг.20А показаны характеристики усадки геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, исследуемому в примере 20.
[0829] Измерение усадки начинали примерно через 4 часа после смешения сырья с получением водной суспензии. Общая продолжительность измерения усадки материала при отверждении материала примерно при 75°F (24°С)/50% отн.вл. составляла примерно 8 недель. На основании указанного исследования и фиг.20С можно сделать следующие важные выводы:
[0830] В противоположность усадке брусков согласно примеру сравнения 4 (не содержащих дигидрат сульфата кальция), которые растрескивались еще до извлечения из формы, бруски, которые испытывали на усадку согласно примеру 20, содержащие тонкозернистый дигидрат сульфата кальция, были устойчивыми, и в них не происходило растрескивание до или после извлечения из формы.
[0831] Геополимерные вяжущие композиции согласно варианту реализации, содержащие цемент на основе сульфоалюмината кальция и тонкозернистый дигидрат сульфата кальция, исследуемые в указанном примере, имели измеренную максимальную усадку от примерно 0,14% до примерно 0,23%, для сравнения измеренная максимальная усадка смеси сравнения, содержащей только зольную пыль и цитрат щелочного металла (пример 1), составляла примерно 0,75%.
[0832] Увеличение количества тонкозернистого дигидрата сульфата кальция в диапазоне, исследуемом в указанном примере, приводило к увеличению усадки материала. Например, при содержании тонкозернистого дигидрата сульфата кальция примерно 40 масс.% измеренная максимальная усадка материала составляла примерно 0,14%. Измеренная максимальная усадка материала увеличивалась примерно до 0,23% при содержании тонкозернистого дигидрата сульфата кальция примерно 80 масс.%.
[0833] Профиль выделения теплоты и увеличения температуры суспензии
[0834] На фиг.20В показан экзотермический профиль и характеристики увеличения температуры суспензии геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, исследуемому в примере 20. Можно отметить, что в вяжущих композициях согласно примеру 20, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, тонкозернистый дигидрат сульфата кальция и цитрат щелочного металла, происходило лишь очень умеренное увеличение температуры. Умеренное выделение теплоты и низкое увеличение температуры материала на стадии отверждения значительно способствуют предотвращению избыточного теплового расширения и последующего растрескивания и разрушения материала. Этот аспект важен при использовании материала для применений в конкретных полевых условиях, при которых используют укладку материала с большой толщиной. Геополимерные вяжущие композиции согласно варианту реализации, исследуемому в указанном примере, являются крайне эффективными согласно указанному конкретному аспекту, так как они обладают пониженным тепловым расширением и увеличенной устойчивостью к термическому растрескиванию при применении в конкретных полевых условиях.
[0835] Время схватывания
[0836] В таблице 71 показано время схватывания геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, исследуемому в примере 20.
[0837]
ТАБЛИЦА 71 – Время схватывания согласно примеру 20
Время начального схватывания (ч:мин)
Время окончательного схватывания (ч:мин)
Смесь 1
00:49
1:38
Смесь 2
1:08
1:32
Смесь 3
1:04
1:30
Смесь 4
1:11
1:58
[0838] Все вяжущие композиции, исследуемые в указанном примере, обладали быстрым схватыванием. Также, время окончательного схватывания геополимерных вяжущих композиций согласно указанному варианту реализации составляло от примерно 90 до примерно 120 минут, для сравнения время окончательного схватывания сравнительной смешанной композиции, содержащей только зольную пыль и цитрат натрия (пример 1), было очень коротким и составляло примерно 15 минут.
[0839] Прочность на сжатие
[0840] В таблице 72 показана прочность на сжатие геополимерных вяжущих композиций, предложенных в варианте реализации, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, тонкозернистый дигидрат сульфата кальция и цитрат щелочного металла, исследуемых в примере 20.
[0841]
ТАБЛИЦА 72 – Прочность на сжатие согласно примеру 20 - (psi (МПа))
4 часа
24 часа
7 дней
28 дней
Смесь 1
2351 (16,2)
4077 (28,1)
5317 (36,7)
7221 (49,8)
Смесь 2
2440 (16,8)
4020 (27,7)
5626 (38,8)
7255 (50)
Смесь 3
2213 (15,3)
3804 (26,2)
6187 (42,7)
6140 (42,3)
Смесь 4
1661 (11,5)
3933 (27,1)
4911 (33,9)
5669 (39,1)
[0842] На основании указанного исследования можно сделать следующие важные выводы:
[0843] Прочность на сжатие исследуемых смешанных композиций увеличивалась со временем.
[0844] Прочность на сжатие на ранней стадии отверждения (примерно через 4 часа и примерно через 24 часа) для геополимерных вяжущих композиций согласно указанному варианту реализации, содержащих тонкозернистый дигидрат сульфата кальция, исследуемых в указанном примере (смеси 1-4), значительно превышали значения для сравнительной смешанной композиции, не содержащей тонкозернистый дигидрат сульфата кальция (смесь 1 в примере 19).
[0845] Прочность на сжатие на ранней стадии/раннем этапе отверждения (через 4 часа и 24 часа после смешения) для геополимерных вяжущих композиций согласно указанному варианту реализации была очень высокой и оставалась относительно постоянной при увеличении содержания тонкозернистого дигидрата сульфата кальция в композиции.
[0846] На основании сравнения результатов исследования, полученных в примере 20 и примере 18, очевидно, что использование тонкозернистого дигидрата сульфата кальция обеспечивает ускоренное нарастание прочности на сжатие материала через 4 часа. Например, можно увидеть, что при использовании тонкозернистого дигидрата сульфата кальция в смешанных композициях согласно указанному примеру прочность на сжатие материала, достигаемая через 4 часа, составляла более чем примерно 2000 psi (13,8 МПа) (смеси 1-3 в примере 20). В противоположность этому, прочность на сжатие через 4 часа для смешанных композиций, содержащих такое же количество крупнозернистого гипса, составляла менее чем примерно 600 psi (4,1 МПа), как показано для смесей 1-3 в примере 18.
[0847] Прочность на сжатие через 24 часа для геополимерных вяжущих композиций согласно указанному варианту реализации, исследуемому в указанном примере, составляла более чем примерно 3500 psi (24,1 МПа) при использовании тонкозернистого дигидрата сульфата кальция. Использование тонкозернистого дигидрата сульфата кальция в смешанных композициях согласно примеру 20 обеспечивало прочность на сжатие материала через 24 часа, составляющую более чем примерно 3500 psi (24,1 МПа) (смеси 1-4 в примере 20); тогда как смешанные композиции, содержащие такие же количества крупнозернистого гипса, обеспечивали прочность на сжатие через 24 часа, составляющую менее чем примерно 2500 psi (17,2 МПа) для смесей 1-4 в примере 18.
[0848] Прочность на сжатие через 28 дней для геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, содержащих зольную пыль, сульфоалюминат кальций, тонкозернистый дигидрат сульфата кальция и цитрат натрия, исследуемых в указанном примере, составляла более чем примерно 5000 psi (34,5 МПа). Кроме того, для смесей 1-3 в примере 20 прочность на сжатие материала примерно через 28 дней составляла более чем примерно 6000 psi (41,4 МПа). Сравнение результатов исследования, полученных в примере 20 и примере 18, показывает, что использование тонкозернистого дигидрата сульфата кальция обеспечивает относительно более высокую прочность на сжатие материала примерно через 28 дней. Например, использование тонкозернистого дигидрата сульфата кальция в смешанных композициях согласно примеру 20 обеспечивало прочность на сжатие материала примерно через 28 дней, составляющую более чем примерно 7000 psi (48,3 МПа).
[0849] Пример 21
[0850] В указанном примере исследовали влияние включения низких количеств цемента на основе сульфоалюмината кальция (примерно 20 частей от массы зольной пыли) в комбинации с сульфатом кальция и цитратом щелочного металла.
[0851] В таблице 73 показан состав сырья геополимерных вяжущих смесей, исследуемых согласно указанному примеру. В качестве компонента вяжущего реакционно-способного порошка в указанном исследовании использовали цемент на основе сульфоалюмината кальция марки FASTROCK 500, доступный в CTS Cement Company. Количество цемента на основе сульфоалюмината кальция, используемого в смешанных композициях согласно указанному примеру, составляло 0, 5, 10, 15 и 20 масс.% от массы зольной пыли класса С. Тонкозернистый дигидрат сульфата кальция, называемый в настоящем описании гипс, используемый в указанном исследовании, приобретали в United States Gypsum Company. Количество гипса, добавляемого в различные исследуемые смешанные композиции, составляло 50% от массы цемента на основе сульфоалюмината кальция. Количество добавляемого гипса составляло 0, 2,5, 5, 7,5 и 10 масс.% от массы зольной пыли. В качестве песка применяли тонкозернистый технический песок QUIKRETE No.1961, а в качестве суперпластификатора использовали BASF CASTAMENT. Также, в качестве пеногасящего агента и увлажняющего агента использовали поверхностно активный агент SURFYNOL 500S, доступный в Air Products, Inc.
[0852]
ТАБЛИЦА 73 - Смешанные композиции согласно примеру 21
Сырье
Смесь 1
Смесь 2
Смесь 3
Смесь 4
Смесь 5
Зольная пыль класса C (граммы)
5250
4884
5000
4286
4423
Дигидрат сульфата кальция (граммы)
0
122
250
321
442
Цемент на основе сульфоалюмината кальция (граммы)
0
244
500
643
885
Общее количество вяжущих материалов (граммы)
5250
5250
5750
5250
5750
Песок (граммы)
5513
5513
6038
5513
6038
Дигидрат цитрата натрия (граммы)
105
105
115
105
115
Суперпластификатор (граммы)
0
26,25
28,75
26,25
28,75
Пеногасящий и увлажняющий агент (граммы)
10,5
10,5
10,5
10,5
11,5
Вода (граммы)
1444
1444
1581
1444
1581
Отношение вода/вяжущие материалы
0,275
0,275
0,275
0,275
0,275
Отношение песок/вяжущие материалы
1,05
1,05
1,05
1,05
1,05
Суперпластификатор/вяжущие материалы, масс.%
0
0,5%
0,5%
0,5%
0,5%
Цитрат натрия/вяжущие материалы, масс.%
2%
2%
2%
2%
2%
Цемент на основе сульфоалюмината кальция/зольная пыль, масс.%
0%
5%
10%
15%
20%
Сульфат кальция/цемент на основе сульфоалюмината кальция, масс.%
0%
50%
50%
50%
50%
[0853] Начальные характеристики текучести, осадки и растрескивания на ранней стадии отверждения материала
[0854] В таблице 74 показаны начальные характеристики текучести и осадки геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, сульфат кальция (тонкозернистый гипс) и цитрат щелочного металла, исследуемых в примере 21.
[0855]
ТАБЛИЦА 74 – Текучесть и осадка согласно примеру 21
Текучесть
Осадка (дюймы (см))
Смесь 1
8
8,5 (21,6)
Смесь 2
10
12 (30,5)
Смесь 3
10
12 (30,5)
Смесь 4
10
11,5 (29,2)
Смесь 5
10
12 (30,5)
[0856] Все смешанные композиции согласно указанному варианту реализации (смеси 2-5) обладали хорошим самостоятельным выравниванием, текучестью и имели крупный диаметр плоских образцов в испытании на осадку. Особенно следует отметить, что указанную большую осадку и характеристики самостоятельного выравнивания можно получать даже при очень низком отношении вода/вяжущие материалы, составляющем примерно 0,275. Для стандартных материалов на основе портландцемента или на основе гипса указанную текучесть и характеристики самостоятельного выравнивания можно получать только при отношении вода/вяжущие материалы, составляющем более чем примерно 0,45.
[0857] После осадки в плоских образцах смешанных композиций согласно указанному варианту реализации (смеси 2-5), исследуемых в указанном примере, не происходило растрескивание в результате сушки. Таким образом, можно сделать вывод о том, что включение даже низких количеств (примерно 20 масс.% от массы зольной пыли) цемента на основе сульфоалюмината кальция и дигидрата сульфата кальция (тонкозернистого гипса) в вяжущую смесь, содержащую зольную пыль и цитрат щелочного металла, обеспечивает геополимерные вяжущие композиции с устойчивыми размерами, обладающие повышенной стойкостью к растрескиванию после сушки.
[0858] Характеристики усадки
[0859] На фиг.21А показаны характеристики усадки геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, исследуемому в примере 21. Для смесей 2-5 измерение усадки начинали примерно через 4 часа после смешения сырья с получением водной суспензии. В случае смеси сравнения 1 бруски после 4-часового испытания на осадку разрушались в формах вследствие избыточной усадки материала, что видно на фиг.21В. Данные усадки, приведенные на фиг.21А для смеси сравнения 1, указывают на то, что для брусков, которые извлекали из формы примерно через 1 час, усадка материала происходила на очень ранней стадии отверждения, и измерения усадки начинали в это же время. На фиг.21С показана усадка материала на очень ранней стадии отверждения для всех пяти смесей, которые извлекали из формы через 1 час, где измерение усадки начинали в это же время. Общая продолжительность измерения усадки материала при отверждении материала примерно при 75°F (24°С)/50% отн.вл. составляла примерно 8 недель.
[0860] На основании указанного исследования и фиг.21А и 21В можно сделать следующие важные выводы:
[0861] Включение даже очень небольших количеств (примерно 20 масс.% от массы зольной пыли) цемента на основе сульфоалюмината кальция оказывало значительное влияние на улучшение размерной устойчивости и стойкости к последующему растрескиванию геополимерных вяжущих композиций согласно указанному варианту реализации, содержащих зольную пыль, дигидрат сульфата кальция и цитрат щелочного металла. В противоположность усадке брусков через 4 часа для смеси сравнения 1, не содержащей цемент на основе сульфоалюмината кальция и тонкозернистый дигидрат сульфата кальция (гипс), которые растрескивались еще до извлечения из формы, бруски, которые испытывали на усадку, полученные из смесей 2-5, содержащих цемент на основе сульфоалюмината кальция и тонкозернистый дигидрат сульфата кальция (гипс), были устойчивыми и не растрескивались до или после извлечения из формы.
[0862] Геополимерные вяжущие композиции согласно указанному варианту реализации, содержащие зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, тонкозернистый дигидрат сульфата кальция (гипс) и цитрат щелочного металла, имели максимальную усадку менее чем примерно 0,10%, для сравнения максимальная усадка смеси сравнения 1 в примере 21, содержащей только зольную пыль и цитрат щелочного металла, составляла более чем примерно 0,5%. Следует отметить, что максимальная измеренная усадка смеси 2, содержащей 5 частей цемента на основе сульфоалюмината кальция, составляла только примерно 0,07%, тогда как значение для смеси 3, содержащей примерно 10 частей цемента на основе сульфоалюмината кальция, составляла только примерно 0,05%. Таким образом, добавление даже небольших количеств цемента на основе сульфоалюмината кальция и тонкозернистого дигидрата сульфата кальция (гипса) в вяжущие композиции, содержащие зольную пыль и цитрат щелочного металла, способствует очень значительному уменьшению усадки материала.
[0863] Профиль выделения теплоты и увеличения температуры суспензии
[0864] На фиг.21D показан экзотермический профиль и характеристики увеличения температуры суспензии для геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, исследуемому в примере 21. В вяжущих композициях согласно примеру 21, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, тонкозернистый дигидрат сульфата кальция (гипс) и цитрат щелочного металла, происходило только очень умеренное увеличение температуры. Умеренное выделение теплоты и низкое увеличение температуры материала на стадии отверждения значительно способствуют предотвращению избыточного теплового расширения и последующего растрескивания и разрушения материала. Этот аспект является эффективным при использовании материала для применений в конкретных полевых условиях, при которых используют укладку материала с большой толщиной. Геополимерные вяжущие композиции согласно варианту реализации, исследуемому в указанном примере, являются крайне эффективными согласно указанному конкретному аспекту, так как они обладают пониженным тепловым расширением и увеличенной устойчивостью к термическому растрескиванию при применении в конкретных полевых условиях.
[0865] Время схватывания
[0866] В таблице 75 показано время схватывания геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, исследуемому в примере 21.
[0867]
ТАБЛИЦА 75 – Время схватывания согласно примеру 21
Время начального схватывания (ч:мин:с)
Время окончательного схватывания (ч:мин:с)
Смесь 1
00:13
00:30
Смесь 2
00:35
00:47
Смесь 3
00:43
00:50
Смесь 4
00:38
00:53
Смесь 5
00:33
1:00
[0868] Все вяжущие композиции, исследуемые в указанном примере, обладали очень быстрым схватыванием, где время окончательного схватывания составляло от примерно 45 до примерно 60 минут. Также можно увидеть, что вяжущие композиции, предложенные в указанном варианте реализации, содержащие зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, тонкозернистый дигидрат сульфата кальция (гипс) и цитрат щелочного металла, имели относительно более продолжительные времена схватывания (как начального, так и конечного) по сравнению со сравнительной вяжущей композицией, содержащей только зольную пыль и цитрат щелочного металла (смесь 1 в примере 21).
[0869] Прочность на сжатие
[0870] В таблице 76 показана прочность на сжатие геополимерных вяжущих композиций, предложенных в варианте реализации, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, тонкозернистый дигидрат сульфата кальция (гипс) и цитрат щелочного металла, исследуемых в примере 21.
[0871]
ТАБЛИЦА 76 – Прочность на сжатие согласно примеру 21 - (psi (МПа))
4 часа
24 часа
7 дней
28 дней
Смесь 1
589 (4,1)
1522 (10,5)
4775 (32,9)
7095 (48,9)
Смесь 2
561 (3,9)
1065 (7,3)
2781 (19,2)
4134 (28,5)
Смесь 3
800 (5,5)
1384 (9,5)
2284 (15,7)
5919 (40,8)
Смесь 4
1050 (7,2)
1692 (11,7)
2782 (19,2)
4676 (32,2)
Смесь 5
1222 (8,4)
2116 (14,6)
3829 (26,4)
4875 (33,6)
[0872] На основании указанного исследования можно сделать следующие выводы:
[0873] Прочность на сжатие геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, исследуемому в указанном примере, увеличивалась со временем.
[0874] Прочность на сжатие материала на ранней стадии отверждения через 4 часа составляла более чем примерно 1000 psi (6,9 МПа) при использовании цемента на основе сульфоалюмината кальция и тонкозернистого дигидрата сульфата кальция (гипса) в качестве компонентов геополимерных вяжущих композиций согласно указанному варианту реализации.
[0875] Прочность на сжатие материала на ранней стадии отверждения через 24 часа составляла более чем примерно 2000 psi (13,8 МПа) при использовании цемента на основе сульфоалюмината кальция и тонкозернистого дигидрата сульфата кальция (гипса) в качестве компонентов исследуемых геополимерных вяжущих композиций согласно указанному варианту реализации.
[0876] Прочность на сжатие примерно через 28 дней для всех геополимерных вяжущих композиций согласно указанному варианту реализации, исследуемых в указанном примере, составляла более чем примерно 4000 psi (27,6 МПа).
[0877] Пример 22
[0878] В указанном примере исследовали физические свойства геополимерных вяжущих композиций, предложенных в указанном варианте реализации, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, тонкозернистый сульфат кальция, активированных гидроксидом щелочного металла (гидроксид натрия) или смесью гидроксида щелочного металла (гидроксид натрия) и соединения щелочного металла и кислоты (лимонной кислоты).
[0879] В таблице 77 показан состав сырья геополимерных вяжущих смесей, исследуемых в указанном примере. Количество цемента на основе сульфоалюмината кальция, используемого в смешанных композициях согласно указанному примеру, составляло 20 масс.% от массы зольной пыли. Количество гипса, добавляемого в различные исследуемые смешанные композиции, составляло 50% от массы цемента на основе сульфоалюмината кальция и 10 масс.% от массы зольной пыли класса С. В качестве химического активатора в вяжущие композиции согласно указанному варианту реализации добавляли смесь гидроксида натрия и лимонной кислоты. Две исследуемые смеси (смесь 2 и смесь 3) содержали только гидроксид натрия в качестве химического активатора и не содержали лимонную кислоту. Аналогично, одна смесь (смесь 1) содержала только лимонную кислоту для химической активации и не содержала гидроксид натрия. В качестве пеногасящего и увлажняющего агента использовали поверхностно активный агент SURFYNOL 500S, доступный в Air Products, Inc. В качестве песка применяли тонкозернистый технический песок QUIKRETE No.1961, а в качестве суперпластификатора использовали BASF CASTAMENT FS20.
[0880]
ТАБЛИЦА 77 - Смешанные композиции согласно примеру 22
Сырье
Смесь 1
Смесь 2
Смесь 3
Смесь 4
Смесь 5
Зольная пыль класса C (граммы)
4039
4039
4039
4039
4039
Дигидрат сульфата кальция (граммы)
404
404
404
404
404
Цемент на основе сульфоалюмината кальция (граммы)
808
808
808
808
808
Общее количество вяжущих материалов (граммы)
5250
5250
5250
5250
5250
Песок (граммы)
5513
5513
5513
5513
5513
Моногидрат лимонной кислоты (граммы)
105
0
0
105
105
Гидроксид натрия (граммы)
0
52,5
157,5
52,5
157,5
Суперпластификатор (граммы)
26,25
26,25
26,25
26,25
26,25
Пеногасящий и увлажняющий агент (граммы)
10,50
10,50
10,50
10,50
10,50
Вода (граммы)
1444
1444
1444
1444
1444
Отношение вода/вяжущие материалы
0,275
0,275
0,275
0,275
0,275
Отношение песок/вяжущие материалы
1,05
1,05
1,05
1,05
1,05
Суперпластификатор/вяжущие материалы, масс.%
0,5%
0,5%
0,5%
0,5%
0,5%
Цемент на основе сульфоалюмината кальция/зольная пыль, масс.%
20%
20%
20%
20%
20%
Сульфат кальция/цемент на основе сульфоалюмината кальция, масс.%
10%
10%
10%
10%
10%
[0881] Начальные характеристики текучести и осадки
[0882] В таблице 78 показаны начальные характеристики текучести и осадки геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, исследуемому в примере 22.
[0883]
ТАБЛИЦА 78 – Текучесть и осадка согласно примеру 22
Текучесть
Осадка (дюймы (см))
Смесь 1
1
2 (5)
Смесь 2
10
10,5 (26,7)
Смесь 3
7
7,25 (14,4)
Смесь 4
11
11,75 (29,8)
Смесь 5
8
8,25 (21)
[0884] Следует отметить, что в случае смеси 1, содержащей лимонную кислоту, но не содержащей гидроксид натрия, смешанный материал был очень густым и совсем не поддавался обработке после смешения. С другой стороны, смешанные композиции, содержащие гидроксид натрия (смесь 2 и смесь 3) или смесь гидроксида натрия и лимонной кислоты (смесь 4 и смесь 5), легко поддавались обработке, на что также указывал относительно крупный диаметр плоских образцов в испытании на осадку. Особенно следует отметить, что указанную хорошую возможность обработки можно получать даже при очень низком отношении вода/вяжущие материалы, составляющем примерно 0,275. Для традиционных материалов на основе портландцемента или на основе гипса указанную текучесть и характеристики самостоятельного выравнивания можно получать только при отношении вода/вяжущие материалы, составляющем более чем примерно 0,45.
[0885] Характеристики усадки
[0886] На фиг.22А показаны характеристики усадки геополимерных вяжущих композиций согласно примеру 22.
[0887] Измерения усадки начинали примерно через 4 часа после смешения сырья с получением водной суспензии. Общая продолжительность измерения усадки материала при отверждении материала примерно при 75°F (24°С)/50% отн.вл. составляла примерно 8 недель.
[0888] На основании указанного исследования и фиг.22А можно сделать следующие важные выводы:
[0889] Смешанные композиции, содержащие только гидроксид натрия в качестве химического активатора (смесь 2 и смесь 3), имели очень низкую усадку, составляющую менее чем примерно 0,1%. Следует отметить, что максимальная усадка смеси 2, содержащей только 1% гидроксида натрия, составляла менее чем примерно 0,05%. Максимальная усадка для смеси 3, содержащей гидроксид натрия в количестве примерно 3%, увеличивалась примерно до 0,09%.
[0890] Вяжущие композиции согласно указанному варианту реализации, содержащие смесь гидроксида натрия и лимонной кислоты в качестве химического активатора (смесь 4 и смесь 5), также имели очень низкую усадку. Максимальная усадка смеси 3, содержащей лимонную кислоту и гидроксид натрия в количестве примерно 1%, составляла только лишь примерно 0,05%. Максимальная усадка смеси 5, содержащей лимонную кислоту и гидроксид натрия в количестве примерно 3%, увеличивалась примерно до 0,25%.
[0891] Профиль выделения теплоты и увеличения температуры суспензии
[0892] На фиг.22В показан экзотермический профиль и характеристики увеличения температуры суспензии для геополимерных вяжущих композиций согласно примеру 22. В вяжущих композициях согласно указанному примеру (смеси 2-5) происходило очень низкое увеличение температуры. Смесь 1, содержащая только лимонную кислоту (и не содержащая гидроксид натрия), загустевала после смешения и имела очень низкую реакционную способность, на что указывало очень низкое увеличение температуры. Умеренное выделение теплоты и низкое увеличение температуры материала на стадии отверждения значительно способствовали предотвращению избыточного теплового расширения и последующего растрескивания и разрушения материала. Этот аспект важен при использовании материала для применений в конкретных полевых условиях, при которых используют укладку материала с большой толщиной. Геополимерные вяжущие композиции согласно варианту реализации, исследуемому в указанном примере, являются крайне эффективными согласно указанному конкретному аспекту, так как они обладают пониженным тепловым расширением и увеличенной устойчивостью к термическому растрескиванию при применении в конкретных полевых условиях.
[0893] Время схватывания
[0894] В таблице 79 показано время схватывания геополимерных вяжущих композиций согласно примеру 22.
ТАБЛИЦА 79 – Время схватывания согласно примеру 22
Время начального схватывания (ч:мин)
Время окончательного схватывания (ч:мин)
Смесь 1
Мягкая
>3 часов
Смесь 2
00:31
00:42
Смесь 3
00:10
00:16
Смесь 4
00:47
00:57
Смесь 5
00:38
00:43
[0895] Все вяжущие композиции согласно указанному варианту, исследуемому в указанном примере (смеси 2-5), обладали очень быстрым схватыванием, где время окончательного схватывания составляло от примерно 15 до примерно 60 минут. Смешанные композиции, содержащие гидроксид натрия в количестве примерно 1% (смесь 2 и смесь 4), имели относительно более продолжительное время схватывания (и открытое время) по сравнению со смешанными композициями, содержащими гидроксид натрия в количестве примерно 3% (т.е. смесь 3 и смесь 4). Очень короткое время схватывания является проблемой для некоторых применений, так как сокращение срока службы (срока годности) материала создает значительные сложности для обработки быстро схватываемого материала при применении в конкретных полевых условиях.
[0896] Прочность на сжатие
[0897] В таблице 80 показана прочность на сжатие геополимерных вяжущих композиций, предложенных в варианте реализации, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, сульфат кальция (тонкозернистый гипс) и химические активаторы на основе щелочного металла, исследуемых в примере 22.
[0898]
ТАБЛИЦА 80 – Прочность на сжатие согласно примеру 22 - (psi (МПа))
4 часа
24 часа
7 дней
28 дней
Смесь 1
-
-
-
-
Смесь 2
1936 (13,3)
2820 (19,4)
4346 (30)
6207 (42,8)
Смесь 3
1310 (9)
1635 (11,3)
4326 (29,8)
6330 (43,6)
Смесь 4
1343 (9,3)
2143 (14,8)
3971 (27,4)
5516 (38)
Смесь 5
1593 (11)
4270 (29,4)
6887 (47,5)
9513 (65,6)
[0899] На основании указанного исследования можно сделать следующие важные выводы:
[0900] Прочность на сжатие геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, исследуемому в указанном примере, увеличивалась со временем.
[0901] Прочность на сжатие материала на ранней стадии отверждения через 4 часа составляла более чем примерно 1000 psi (6,9 МПа) при использовании цемента на основе сульфоалюмината кальция и гипса в качестве компонентов геополимерных вяжущих композиций согласно указанному варианту реализации. Такие результаты получали и при использовании гидроксида натрия отдельно в качестве химического активатора (смесь 2 и смесь 3) и при использовании смеси гидроксида натрия и лимонной кислоты в качестве химического активатора (смесь 4 и смесь 5).
[0902] Прочность на сжатие материала на ранней стадии отверждения через 24 часа составляла более чем примерно 2000 psi (13,8 МПа) при использовании цемента на основе сульфоалюмината кальция и гипса в качестве компонентов исследуемых геополимерных вяжущих композиций согласно указанному варианту реализации. Такие результаты получали и при использовании гидроксида натрия отдельно в качестве химического активатора (смесь 2 и смесь 3) и при использовании смеси гидроксида натрия и лимонной кислоты в качестве химического активатора (смесь 4 и смесь 5).
[0903] Прочность на сжатие через 28 дней для всех геополимерных вяжущих композиций согласно указанному варианту реализации, исследуемых в указанном примере, составляла более чем примерно 5000 psi (34,5 МПа). И снова такие результаты получали и при использовании гидроксида натрия отдельно в качестве химического активатора (смесь 2 и смесь 3) и при использовании смеси гидроксида натрия и лимонной кислоты в качестве химического активатора (смесь 4 и смесь 5).
[0904] Пример 23
[0905] В указанном примере показано влияние включения различных количеств цемента на основе сульфоалюмината кальция (20 массовых долей, 40 массовых долей, 60 массовых долей и 80 массовых долей от массы зольной пыли) в комбинации с дигидратом сульфата кальция, который добавляли в количестве 6, 12, 18 и 24 масс.% от массы зольной пыли, на характеристики усадки на очень ранней стадии отверждения геополимерных вяжущих композиций согласно указанному изобретению. Исследуемые композиции перечислены в таблице 81. В качестве песка применяли тонкозернистый технический песок QUIKRETE No.1961, а в качестве суперпластификатора использовали BASF CASTAMENT FS20.
[0906]
ТАБЛИЦА 81 - Состав смесей геополимерных вяжущих реакционно-способных порошковых композиций согласно примеру 23
Сырье
Смесь 1
Смесь 2
Смесь 3
Смесь 4
Зольная пыль класса C (граммы)
3175
2632
2247
1961
Дигидрат сульфата кальция (граммы)
191
312
404,5
471
Цемент на основе сульфоалюмината кальция (граммы)
635
1053
1348
1569
Общее количество вяжущих материалов (граммы)
4000
4000
4000
4000
Песок (граммы)
4200
4200
4200
4200
Дигидрат цитрата натрия (граммы)
80
80
80
80
Суперпластификатор (граммы)
20
20
20
20
Пеногасящий и увлажняющий агент (граммы)
0
0
0
0
Вода (граммы)
1200
1200
1200
1200
Отношение вода/вяжущие материалы
0,30
0,30
0,30
0,30
Отношение песок/вяжущие материалы
1,05
1,05
1,05
1,05
Суперпластификатор/вяжущие материалы, масс.%
0,5%
0,5%
0,5%
0,5%
Цитрат натрия/вяжущие материалы, масс.%
2%
2%
2%
2%
Цемент на основе сульфоалюмината кальция/зольная пыль, масс.%
20%
40%
60%
80%
Сульфат кальция/цемент на основе сульфоалюмината кальция, масс.%
30%
30%
30%
30%
[0907] Характеристики усадки на очень ранней стадии отверждения
[0908] На фиг.23А показаны характеристики усадки на очень ранней стадии отверждения геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, исследуемому в примере 23.
[0909] Исследование усадки на очень ранней стадии отверждения проводили согласно описанию, приведенному в параграфе [0277], но измерение начинали примерно через 1 час после смешения сырья с получением водной суспензии. Главной задачей настоящего испытания являлось исследование влияния включения различных количеств цемента на основе сульфоалюмината кальция (от примерно 20 до примерно 80 массовых долей относительно массы зольной пыли) и тонкозернистого дигидрата сульфата кальция на характеристики усадки на очень ранней стадии отверждения геополимерных вяжущих композиций согласно указанному варианту реализации.
[0910] Из фиг.23А и таблицы 82 можно увидеть, что величина усадки на очень ранней стадии отверждения увеличивалась при увеличении содержания цемента на основе сульфоалюмината кальция в композициях согласно настоящему изобретению. Это было очень неожиданным результатом.
[0911] В таблице 82 сведены значения усадки в процентах для брусков, полученных с использованием смесей согласно примеру 23, как показано на фиг.23А.
[0912]
ТАБЛИЦА 82
массовые доли цемента на основе сульфоалюмината кальция в смеси
Усадка на очень ранней стадии отверждения согласно примеру 23 (в процентах)
измерение через 4 часа
измерение через 8 часов
измерение через 24 часа
Смесь 1
20
0,02
0,03
0,05
Смесь 2
40
0,06
0,08
0,09
Смесь 3
60
0,09
0,12
0,13
Смесь 4
80
0,13
0,16
0,17
[0913] Вышеуказанные результаты представляют собой особенно важный аспект настоящего изобретения. Указанные результаты являются крайне неожиданными и отражают усадку на очень ранней стадии отверждения вяжущих композиций согласно указанному варианту реализации, которая увеличивается при увеличении содержания цемента на основе сульфоалюмината кальция в композиции. Указанные результаты позволяют предположить, что если основной задачей применения является минимизация величины усадки на очень ранней стадии отверждения и общей усадки материала, то эффективным является поддержание относительно низкого содержания цемента на основе сульфоалюмината кальция в композициях согласно указанному и схожим вариантам реализации (предпочтительно примерно 20 массовых долей или менее). Несмотря на то что причины, определяющие такие значения усадки материала на очень ранней стадии отверждения, до конца не понятны, полагают, что раннюю усадку можно связать с химической и собственной усадкой, возникающими в результате удаления влаги или изменений объема, свойственных реакционно-способным материалам.
[0914] Другим основным преимуществом поддержания низкого содержания цемента на основе сульфоалюмината кальция и сульфата кальция в композициях согласно указанному варианту реализации и схожим вариантам реализации является значительное снижение возможности возникновения выцветания. Следует отметить, что высокая степень выцветания материала является проблемой не только для его внешнего вида, но также может приводить к разрушению материала и его повреждению на более поздних стадиях вследствие реакций расширения, которые могут происходить путем химических взаимодействий и гидратации солей, содержащихся в отвержденном материале.
[0915] Еще одним основным преимуществом поддержания низкого содержания цемента на основе сульфоалюмината кальция и сульфата кальция в композициях согласно указанному варианту реализации, является значительное снижение стоимости сырья.
[0916] Пример 24
[0917] В указанном примере приведены характеристики прочности сцепления при растяжении для зольной пыли, цемента на основе сульфоалюмината кальция, тонкозернистого дигидрата сульфата кальция (т.е. гипса или природного гипса) и соли щелочного металла. В целом, исследовали четыре смешанные композиции.
[0918] В таблице 83 смесь 1 представляет собой геополимерную вяжущую композицию согласно настоящему изобретению, не содержащую пленкообразующий редиспергируемый полимерный порошок. С другой стороны, смеси 2-4 представляют собой геополимерные вяжущие композиции согласно настоящему изобретению, содержащие различные количества пленкообразующего редиспергируемого полимерного порошка. Пленкообразующий редиспергируемый полимерный порошок под коммерческой торговой маркой VINNAPAS 5025L (сополимер винилацетата/этилена), полученный в WACKER Polymers, использовали в последних трех смешанных композициях. Использовали тонкозернистый технический песок QUIKRETE No.1961, а также суперпластификатор BASF CASTAMENT FS20 и пеногасящий агент SURFYNOL 500S, доступный в Air Products, Inc.
[0919]
ТАБЛИЦА 83 - Смешанные композиции согласно примеру 24
Сырье
Смесь 1
Смесь 2
Смесь 3
Смесь 4
Зольная пыль класса C (граммы)
4039
4039
4423
4039
Дигидрат сульфата кальция (граммы)
404
404
442
404
Цемент на основе сульфоалюмината кальция (граммы)
808
808
885
808
Общее количество вяжущих материалов (граммы)
5250
5250
5750
5250
Песок (граммы)
5513
5513
6033
5513
Дигидрат цитрата натрия (граммы)
105
105
115
105
Суперпластификатор (граммы)
26,25
26,25
28,75
26,25
Пеногасящий и увлажняющий агент
10,5
10,5
11,5
10,5
Редиспергируемый полимерный порошок (граммы)
0,0
26,25
57,5
78,75
Вода (граммы)
1444
1444
1581
1444
Отношение вода/вяжущие материалы
0,275
0,275
0,275
0,275
Отношение песок/вяжущие материалы
1,05
1,05
1,05
1,05
Суперпластификатор/вяжущие материалы, масс.%
0,5%
0,5%
0,5%
0,5%
Цитрат натрия/вяжущие материалы, масс.%
2%
2%
2%
2%
Цемент на основе сульфоалюмината кальция/зольная пыль, масс.%
20%
20%
20%
20%
Сульфат кальция/цемент на основе сульфоалюмината кальция, масс.%
30%
30%
30%
30%
[0920] Прочность сцепления при растяжении
[0921] Исследовали прочности сцепления при растяжении жидкого субстрата на основе портландцемента и геополимерных вяжущих композиций, как указано в таблице 102. Сначала кубические формы размером примерно 2 дюйма х 2 дюйма х 2 дюйма (5 см х 5 см х 5 см) заполняли наполовину (1”) жидким раствором на основе портландцемента. Материал оставляли для отверждения и упрочнения в герметичных пластиковых пакетах по меньшей мере примерно на 28 дней после отливки. После завершения примерно 28-дневного отверждения верхнюю поверхность раствора портландцемента грунтовали акриловым грунтом. Затем геополимерные вяжущие композиции согласно указанному варианту реализации, приведенные в таблице 84, выливали в формы до верхней границы. Верхнюю поверхность добавленного материала разравнивали для создания ровной поверхности. Затем образцы оставляли отверждаться до наступления времени испытания. После завершения отверждения исследуемый образец извлекали из формы, и стальные анкерные блоки размером примерно 2 дюйма х 2 дюйма (5 см х 5 см) прикрепляли при помощи эпоксидного клея к верхней и нижней поверхностям образца. Затем к образцам прикладывали растягивающее усилие на подходящем стенде для испытания (MTS Testing Machine) и определяли значение нагрузки для окончательного разрушения связи. Напряжение разрушения рассчитывали путем деления нагрузки, приведшей к разрушению, на площадь поверхности между жидким субстратом на основе портландцемента и геополимерным вяжущим материалом. Для каждой смеси, исследуемой в указанном примере, проводили испытания разрушения пяти образцов.
[0922] В таблице 84 показана средняя прочность сцепления при растяжении для четырех геополимерных смешанных композиций, исследуемых в указанном примере. Все образцы отверждались в течение 8 дней, после чего исследовали прочность сцепления при растяжении. Можно увидеть, что все четыре исследуемые смеси имели очень высокую прочность сцепления при растяжении. Особенно следует отметить, что прочность сцепления при растяжении для всех четырех геополимерных вяжущих композиций, исследуемых в указанном примере, составляла более чем примерно 200 psi (1,4 МПа).
[0923]
<u>ТАБЛИЦА 84 -</u> Прочность сцепления при растяжении для геополимерных вяжущих композиций согласно указанному варианту реализации
№смеси
Средняя прочность сцепления при растяжении (psi (МПа))
Смесь 1
298 (2,1)
Смесь 2
239 (1,6)
Смесь 3
233 (1,6)
Смесь 4
277 (1,9)
[0924] Прочность сцепления при растяжении геополимерной вяжущей композиции, не содержащей редиспергируемый полимерный порошок (смесь 1), была очень высокой - примерно 298 psi (2,1 МПа). Такой результат был очень неожиданным, так как такую высокую прочность сцепления при растяжении, как правило, невозможно достичь при использовании других коммерчески доступных материалов на основе портландцемента, не содержащих полимеры. Следует отметить, что добавление редиспергируемого полимерного порошка (смеси 2-4) в геополимерные вяжущие композиции согласно указанному варианту реализации не приводило к сколько-нибудь значимым изменениям или увеличению прочности сцепления при растяжении. Этот результат демонстрирует очень важный аспект композиций согласно настоящему изобретению, заключающийся в том, что для увеличения прочности сцепления с другими субстратами при растяжении в геополимерных вяжущих композициях согласно указанному варианту реализации не требуются редиспергируемые полимерные порошки. Прочность сцепления при растяжении является очень важной эксплуатационной характеристикой при использовании материала при ремонтных работах для сцепления с другими субстратами. Качество сцепления, в конечном счете, определяет надежность и износостойкость после проведения ремонтных работ при непродолжительных и долгосрочных нагрузках. Слабое сцепление с субстратом может приводить к расслаиванию, растрескиванию и иному разрушению.
[0925] Вышеуказанные результаты определяют очень важный аспект настоящего изобретения, так как они указывают на то, что для достижения удовлетворительной прочности сцепления из геополимерных композиций согласно указанному варианту реализации необязательно можно исключать дорогостоящие полимеры. Это делает геополимерные вяжущие композиции согласно указанному варианту реализации единственными в своем роде и крайне конкурентоспособными с другими коммерчески доступными вяжущими продуктами для ремонтных работ, полученными на основе других технологий неорганических связующих материалов, с экономической точки зрения.
[0926] Проводили дополнительные исследования прочности сцепления при растяжении с использованием геополимерных композиций согласно указанному варианту реализации, содержащих другие типы редиспергируемых полимерных порошков, таких как акриловый полимер, сополимер стирола и акрилата, сополимер стирола и бутадиена и другие. Результаты прочности сцепления при растяжении для указанных композиций были очень высокими и схожими с результатами, приведенными выше в указанном примере.
[0927] Пример 25
[0928] В указанном примере приведены физические свойства геополимерных вяжущих композиций, предложенных в указанном варианте реализации, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, тонкозернистый ангидрит и цитрат щелочного металла. Одной из главных задач настоящего испытания являлось исследование влияния включения низких количеств цемента на основе сульфоалюмината кальция (≤ примерно 40 массовых долей от массы зольной пыли) в комбинации с тонкозернистым ангидритом на прочность на сжатие геополимерных композиций согласно указанному варианту реализации.
[0929] Количество цемента на основе сульфоалюмината кальция, используемого в смешанных композициях согласно указанному примеру, составляло 5, 10, 20, 30 и 40 масс.% от массы зольной пыли. В указанном исследовании использовали наполнитель USG SNOW WHITE, тонкозернистый безводный сульфат кальция (ангидрит). Количество наполнителя SNOW WHITE, добавляемого в различные исследуемые смешанные композиции, составляло 50% от массы цемента на основе сульфоалюмината кальция. Количество добавляемого ангидрита составляло 2,5, 5, 10, 15 и 20 масс.% от массы зольной пыли. Использовали тонкозернистый технический песок QUIKRETE No.1961, суперпластификатор BASF CASTAMENT FS20, пеногасящий и увлажняющий агент SURFYNOL 500S производства Air Products, Inc., и гидроколлоид сукциногликана AXILAT RH 200 XP, доступный в Momentive Specialty Chemicals. В таблице 85 показаны композиции, исследуемые в указанном примере.
[0930]
ТАБЛИЦА 85 - Геополимерные вяжущие реакционно-способные порошковые композиции согласно примеру 25, массовые доли
Сырье
Смесь 1
Смесь 2
Смесь 3
Смесь 4
Смесь 5
Зольная пыль класса C
4419
4130
3846
3276
2969
Ангидрит
111
207
385
491
594
Цемент на основе сульфоалюмината кальция
221
413
769
983
1188
Общее количество вяжущих материалов (граммы)
4750
4750
5000
4750
4750
Песок
5938
5938
6250
5938
5938
Дигидрат цитрата натрия
95
95
100
95
95
Моногидрат лимонной кислоты
35,6
35,6
37,5
35,6
35,6
Суперпластификатор
11,9
11,9
12,5
11,9
11,9
Пеногасящий и увлажняющий агент<sup>6</sup>
9,5
9,5
10
9,5
9,5
Модификатор текучести
0,36
0,36
0,38
0,36
0,36
Вода
1188
1188
1250
1188
1188
Отношение вода/вяжущие материалы
0,25
0,25
0,25
0,25
0,25
Отношение песок/вяжущие материалы
1,25
1,25
1,25
1,25
1,25
Суперпластификатор/вяжущие материалы, масс.%
0,25%
0,25%
0,25%
0,25%
0,25%
Цитрат натрия/вяжущие материалы, масс.%
2%
2%
2%
2%
2%
Цемент на основе сульфоалюмината кальция/зольная пыль, масс.%
5%
10%
20%
30%
40%
Сульфат кальция/цемент на основе сульфоалюмината кальция, масс.%
50%
50%
50%
50%
50%
[0931] Прочность на сжатие и время схватывания
[0932] В таблице 86 показана прочность на сжатие геополимерных вяжущих композиций, предложенных в варианте реализации, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, тонкозернистый ангидрит и цитрат щелочного металла, исследуемых в примере 25.
[0933]
ТАБЛИЦА 86 – Прочность на сжатие согласно примеру 25 - (psi (МПа))
4 часа
24 часа
7 дней
28 дней
28 дней+7 дней насыщения влагой
Смесь 1
1532 (10,6)
2173 (15)
5343 (36,8)
7002 (48,3)
6457 (44,5)
Смесь 2
2251 (15,5)
2891 (19,9)
5622 (38,8)
8293 (57,2)
5097 (35,1)
Смесь 3
3043 (21)
5043 (34,8)
5752 (39,7)
8499 (58,6)
7794 (53,7)
Смесь 4
3748 (25,8)
6208 (42,8)
6965 (48)
7239 (49,9)
6880 (47,4)
Смесь 5
4386 (30,2)
6563 (45,3)
8826 (60,9)
9273 (63,9)
9299 (64,1)
[0934] Значения прочности на сжатие геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, содержащих ангидрит, полученные в указанном примере, значительно превышают значения для схожих композиций (отмеченных в предыдущих примерах), содержащих дигидрат сульфата кальция. Это демонстрирует неожиданные преимущества использования нерастворимого безводного сульфата кальция (ангидрита или обожженного намертво ангидрита) по сравнению с дигидратом сульфата кальция, обсуждаемые в описании настоящего изобретения.
[0935] Прочность на сжатие материала на ранней стадии отверждения через 4 часа составляла более чем примерно 1500 psi (10,3 МПа) для смеси 1 и смеси 2, содержащих более низкие количества цемента на основе сульфоалюмината кальция и ангидрита; и более чем примерно 3000 psi (20,7 МПа) для смесей 3-5, содержащих более высокие количества цемента на основе сульфоалюмината кальция и ангидрита.
[0936] Прочность на сжатие материала на ранней стадии отверждения через 24 часа составляла более чем примерно 2000 psi (13,8 МПа) для смеси 1 и смеси 2, содержащих более низкие количества цемента на основе сульфоалюмината кальция и ангидрита; и более чем примерно 5000 psi (34,5 МПа) для смесей 3-5, содержащих более высокие количества цемента на основе сульфоалюмината кальция и ангидрита.
[0937] Прочность на сжатие через 28 дней для всех геополимерных вяжущих композиций согласно указанному варианту реализации, содержащих цемент на основе сульфоалюмината кальция и ангидрит, исследуемых в указанном примере, составляла более чем примерно 7000 psi (48,3 МПа).
[0938] Дополнительно следует отметить, что в геополимерных вяжущих композициях согласно указанному варианту реализации, содержащих ангидрит, происходило относительно более быстрое схватывание по сравнению со схожими композициями (отмеченными в предыдущих примерах), содержащими дигидрат сульфата кальция. Время окончательного схватывания пяти смешанных композиций, исследуемых в указанном примере, находилось в диапазоне от примерно 25 до примерно 35 минут.
[0939] Геополимерные вяжущие композиции согласно настоящему изобретению, содержащие ангидрит, отмеченные в указанном примере, особенно подходят для применений, в которых существенным требованием является быстрое схватывание и быстрое нарастание прочности.
[0940] Пример 26
[0941] В указанном примере приведена геополимерная вяжущая композиция согласно настоящему изобретению, особенно подходящая для применения в качестве самовыравнивающейся стяжки, наносимой поверх различных субстратов, таких как бетон, древесина и т.д. В частности композиции, схожие с той, что описана в указанном примере, особенно подходят для сглаживания и выравнивания изготовленных бетонных поверхностей, которые являются неровными и неплоскими.
[0942] В таблице 87 показан состав материала согласно указанному варианту реализации, который использовали поверх изготовленной бетонной плиты для создания гладкой поверхности.
[0943]
ТАБЛИЦА 87 - Композиции согласно примеру 26
Сырье
М.д.
Масса (граммы)
Зольная пыль класса C<sup>1</sup>
100
8367
Дигидрат сульфата кальция<sup>2</sup>
10
837
Цемент на основе сульфоалюмината кальция<sup>3</sup>
20
1673
Общее количество вяжущих материалов
130
10877
Песок<sup>4</sup>
11421
Дигидрат цитрата натрия
217,5
Безводная лимонная кислота
54
Суперпластификатор<sup>5</sup>
54
Пеногасящий и увлажняющий агент<sup>6</sup>
22
Модификатор текучести<sup>7</sup>
0,87
Смектитовая глина<sup>8</sup>
16,3
Вода
2991
Отношение вода/вяжущие материалы
0,275
Отношение песок/вяжущие материалы
1,0
Суперпластификатор/вяжущие материалы, масс.%
0,5%
Цитрат натрия/вяжущие материалы, масс.%
2%
Цемент на основе сульфоалюмината кальция/зольная пыль, масс.%
20%
Сульфат кальция/цемент на основе сульфоалюмината кальция, масс.%
50%
1 Зольная пыль класса С, Campbell Power Plant, West Olive, MI2 Гипс USG3 FASTROCK 500, CTS Company4 Песок UNIMIN 50305 BASF CASTAMENT FS206 SURFYNOL 500S7 MOMENTIVE AXILAT RH 100 XP8 Глина BENTONE CT HECTORITE
[0944] Размер бетонной панели, поверх которой наносили геополимерное покрытие, составлял примерно 22 фута × 11,5 фута (6,7 м ×  3,5 м). Сначала поверхность плиты подметали для удаления пыли и грязи, налипших на поверхность плиты. После этого поверхность плиты грунтовали с использованием акрилового грунта для полов. Материалы, приведенные в таблице 87, смешивали в барабане с использованием ручной дрели-смесителя. Две партии, имевшие состав, указанный в таблице 26, смешивали за один раз в барабанном смесителе с использованием ручной дрели-смесителя. Сначала в барабанный смеситель выливали воду, после чего добавляли сухую порошковую смесь. Время смешения материала, требуемое для получения геополимерной суспензии согласно указанному варианту реализации, не содержащей комков, составляло от примерно 2 до примерно 3 минут. Затем барабанный смеситель перемещали в зону использования и геополимерную суспензию выливали поверх бетонной плиты. Способ смешения, такой как описано выше, повторяли 13 раз для получения количества суспензии, достаточного для покрытия всей поверхности бетонной плиты. Геополимерная суспензия растекалась и выравнивалась очень легко. Для дополнительного перемещения и продвижения материала в зоне бетонирования использовали разравнивающий брус.
[0945] Поверхность бетонирующего материала затем затирали с использованием стальной гладилки для создания ровной и гладкой поверхности. Эффективная толщина бетонирующего материала находилась в диапазоне от примерно 1 дюйма до величины выступа кромки (примерно 1/16 дюйма) в зависимости от участка на поверхности плиты. Эффективную толщину бетонирующего материала на поверхности плиты измеряли в момент нанесения материала поверх плиты, повторное измерение проводили примерно через 2 часа. Значение толщины по существу не изменялось с момента бетонирования по прошествии примерно 2 часов. Общая длина материала от кромки до кромки в зоне бетонирования составляла примерно 22 фута (6,7 м). Следует отметить, что тонкая кромка на границе бетонирующего материала образовывалась очень легко. Было обнаружено, что сцепление клинообразного материала и субстрата примерно через 2 часа после бетонирования, становилось исключительно высоким. Следует отметить, что после удаления малярного скотча с границы тонкой кромки примерно через 2 часа на тонкой кромке не происходило растрескивание или расслаивание. Поверхность плиты была сухой, и по ней можно было ходить примерно через 2 часа после бетонирования. На момент последнего осмотра, который проводили через несколько месяцев после бетонирования, на полу по существу отсутствовали трещины и дефекты.
[0946] рН поверхности покрытия пола из геополимерного связующего материала измеряли согласно процедуре испытания ASTM F710-11 через различные временные интервалы. Для измерения рН поверхности использовали систему определения рН бетона EXTECH PH150-C EXSTICK. В таблице 88 показаны измеренные значения рН для поверхности покрытия пола:
[0947]
ТАБЛИЦА 88 – pH поверхности покрытия пола из геополимерного материала согласно примеру 26 в различные моменты времени после бетонирования
Возраст пола
pH
16 часов
10,4
48 часов
9,9
1 неделя
9,7
4 недели
9,7
[0948] Геополимерные связующие материалы с устойчивыми размерами согласно указанному варианту реализации с учетом относительно низкого рН хорошо совместимы с большинством коммерчески доступных адгезивов, подходящих для напольных покрытий, таких как акриловые и каучуковые адгезивы. За счет наличия среды с низким рН, обеспечиваемой геополимерным связующим материалом с устойчивыми размерами, значительное химическое разрушение адгезивов для напольных покрытий не происходит, кроме того, отсутствует неусточивость, вызванная побочными реакциями с геополимерной композицией. В результате, материалы для покрытия полов, такие как виниловые листы, композитная виниловая плитка (VCT) и ковровые покрытия, можно успешно закреплять поверх геополимерных связующих материалов с устойчивыми размерами согласно указанному варианту реализации для обеспечения износостойкости и надежности.
[0949] Прочность сцепления применяемых геополимерных покрытий с бетонным субстратом при растяжении измеряли согласно процедуре испытания ASTM C1583 (2004) через шесть недель. Измеренные значения прочности при растяжении составляли более чем примерно 300 psi (2,1 МПа), что демонстрировало отличное нарастание прочности сцепления материала геополимерного покрытия с бетонным субстратом.
[0950] При использовании в качестве материала для ремонтных работ или самовыравнивающегося покрытия геополимерные композиции с устойчивыми размерами согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения требуют минимальной подготовки субстрата для успешного нанесения. В зависимости от применения можно минимизировать или избегать использования времязатратных и дорогостоящих способов подготовки субстрата, таких как дробеструйная обработка, киркование, гидроструйная обработка, откалывание или измельчение, для получения поверхности, подходящей для нанесения самовыравнивающегося геополимерного связывающего покрытия на изготовленный субстрат. Геополимерное покрытие можно наносить непосредственно на субстрат, с которого удалили пыль и грязь, или в качестве альтернативы его можно наносить на субстрат, загрунтованный соответствующим образом с использованием подходящего грунта для полов.
[0951] Вяжущую композицию можно распределять по поверхности субстрата, где вяжущий материал является самовыравнивающимся, и его наносят с эффективной толщиной от примерно 0,02 до примерно 7,5 см. При использовании в качестве материала для ямочных ремонтных работ или самовыравнивающегося покрытия, наносимого поверх изготовленного субстрата, геополимерные композиции с устойчивыми размерами согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения можно легко наносить с очень небольшой толщиной, соответствующей толщине тонкого слоя покрытия или тонкой кромки. Толщина тонкого слоя покрытия или тонкой кромки в настоящем описании относится к толщине наносимого материала, составляющей менее чем примерно 1/4 дюйма (0,635 см) и более предпочтительно, находящейся в диапазоне от примерно 1/8 дюйма до примерно 1/128 дюйма (от 0,32 см до 0,02 см).
[0952] Геополимерные композиции с устойчивыми размерами согласно некоторым предпочтительным вариантам реализации настоящего изобретения обеспечивают исключительное нарастание прочности сцепления с подложкой-субстратом при растяжении. Предпочтительная прочность сцепления геополимерного материала согласно настоящему изобретению с бетонным субстратом при растяжении составляет более чем примерно 200 psi (1,4 МПа) и наиболее предпочтительно более чем примерно 300 psi (2,1 МПа).
[0953] Важные отличительные аспекты геополимерных связующих композиций согласно настоящему изобретению, выявленные в указанном примере, приведены далее:
[0954] Очень низкая энергия смешения, требуемая для обеспечения хорошего смешения геополимерного связующего материала даже при использовании дрелей-смесителей с низкой скоростью в об./мин. Особенно следует отметить, что, несмотря на использование очень малых количеств воды в составе, геополимерный материал согласно указанному варианту реализации можно очень легко смешивать. В традиционных вяжущих составах, доступных в промышленности, для упрощения смешения и получения поддающейся обработке самовыравнивающейся смешанной суспензии используют примерно двукратное количество воды.
[0955] Минимальные требования к подготовке субстрата для осуществления эффективного бетонирования с использованием материалов геополимерных связующих покрытий согласно указанному варианту реализации. При получении поверхности, подходящей для бетонирования, отсутствует необходимость использования времязатратных и дорогостоящих способов подготовки субстрата, таких как дробеструйная обработка, киркование, гидроструйная обработка, откалывание или измельчение. Геополимерный материала можно наносить непосредственно на субстрат, с которого удалили пыль и грязь, или в качестве альтернативы его можно наносить на субстрат, надлежащим образом загрунтованный с использованием подходящего грунта для полов.
[0956] Возможность получения тонкой кромки геополимерного связующего материала согласно указанному варианту реализации.
[0957] Исключительное сцепление геополимерного связующего покрытия согласно указанному варианту реализации и бетонного субстрата.
[0958] По материалу геополимерного связующего покрытия согласно указанному варианту реализации можно ходить уже примерно через 2 часа после бетонирования.
[0959] Очень высокая устойчивость геополимерного связующего покрытия согласно указанному варианту реализации к повреждениям, таким как расслаивание и растрескивание.
[0960] Возможность нанесения геополимерного связующего материала согласно указанному варианту реализации с различной толщиной.
[0961] Возможность нанесения различных видов покрытий на поверхность геополимерного связующего материала.
[0962] Возможность смешения материала геополимерного связующего покрытия с использованием коммерчески доступных растворомешалок непрерывного действия и других типов бетоно- и растворомешалок периодического действия.
[0963] Пример 27
[0964] В таблице 89 показан состав сырья вяжущих смесей, исследуемых в указанном примере.
[0965] Количество цемента на основе сульфоалюмината кальция, используемого в смешанных композициях согласно указанному примеру, составляло 25 масс.% от массы зольной пыли. Тонкозернистый дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс), используемый в указанном исследовании, добавляли в количестве 50 масс.% от массы цемента на основе сульфоалюмината кальция, то есть 12,5 масс.% от массы зольной пыли класса С. Количество добавляемого портландцемента составляло 25, 67, 150 и 400 масс.% от массы зольной пыли, то есть примерно 15 масс.%, 33 масс.%, 52 масс.% и 74 масс.% от общей массы вяжущих материалов соответственно. Вяжущие материалы в целом включали зольную пыль класса С, дигидрат сульфата кальция, сульфоалюминат кальция и портландцемент. Отношение воды к общей массе вяжущих материалов было постоянным и составляло примерно 0,3 для всех исследуемых смесей. Добавляли портландцемент St. Mary’s Type III, Detroit, MI. Также использовали тонкозернистый технический песок QUIKRETE No.1961 и суперпластификатор BASF CASTAMENT FS20.
[0966]
ТАБЛИЦА 89 - Геополимерные вяжущие композиции согласно примеру 27
Сырье
Смесь 1
Смесь 2
Смесь 3
Смесь 4
Зольная пыль класса C (граммы)
2923
1959
1391
744
Дигидрат сульфата кальция (граммы)
365
245
174
93
Цемент на основе сульфоалюмината кальция (граммы)
731
490
348
186
Портландцемент типа III (граммы)
731
1306
2087
2977
Общее количество вяжущих материалов (граммы)
4750
4000
4000
4000
Песок (граммы)
4750
4000
4000
4000
Дигидрат цитрата натрия (граммы)
87,7
58,8
41,7
22,3
Суперпластификатор (граммы)
23,75
20
20
20
Вода (граммы)
1425
1200
1200
1200
Отношение вода/вяжущие материалы
0,30
0,30
0,30
0,30
Отношение песок/вяжущие материалы
1,0
1,0
1,0
1,0
Суперпластификатор/вяжущие материалы, масс.%
0,5%
0,5%
0,5%
0,5%
Цитрат натрия/зольная пыль, масс.%
3%
3%
3%
3%
Цемент на основе сульфоалюмината кальция/зольная пыль, масс.%
25%
25%
25%
25%
Сульфат кальция/цемент на основе сульфоалюмината кальция, масс.%
50%
50%
50%
50%
Портландцемент/вяжущие материалы, масс.%
15%
33%
52%
74%
[0967] Начальные характеристики текучести и осадки
[0968] В таблице 90 показаны начальные характеристики текучести и осадки вяжущих композиций, содержащих зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, гипс, портландцемент и цитрат щелочного металла, исследуемых в примере 27.
[0969]
ТАБЛИЦА 90 – Текучесть и осадка согласно примеру 27
Текучесть
Осадка (дюймы (см))
Смесь 1
7
7 (17,8)
Смесь 2
6
5,5 (14)
Смесь 3
5
5 (12,7)
Смесь 4
4
4,5 (11,4)
[0970] Все исследуемые смешанные композиции обладали плохой текучестью, что определялось получением густой суспензии и небольшим диаметром плоского образца в испытании на осадку. Текучесть материала уменьшалась при увеличении содержания портландцемента в композициях.
[0971] Густая и очень вязкая консистенция плоских образцов после осадки также становится очевидной из значений осадки, приведенных в таблице 90. Смешанные суспензии становились более вязкими при увеличении количества портландцемента в композициях.
[0972] Характеристики усадки
[0973] На фиг.24 показаны характеристики усадки геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, исследуемому в примере 27. Измерения усадки начинали примерно через 2-1/5 часа после смешения сырья с получением водной суспензии. Общая продолжительность измерения усадки материала при отверждении материала примерно при 75°F (24°С)/50% отн.вл. составляла примерно 8 недель.
[0974] На основании указанного исследования и фиг.24 можно сделать следующие важные выводы:
[0975] Включение портландцемента значительно увеличивало усадку исследуемых вяжущих композиций. Значения окончательной усадки для различных исследуемых смесей приведены в таблице 91. Можно увидеть, что окончательная усадка смеси 1, содержащей примерно 15% портландцемента, составляла примерно 0,15%. Окончательная усадка увеличивалась примерно до 0,23% для смеси 2, содержащей примерно 33% портландцемента. Окончательная усадка увеличивалась примерно до 0,3% для смеси 3, содержащей примерно 50% портландцемента. Наконец, для смеси 4, содержащей примерно 75% портландцемента, измеренная усадка была максимальной и составляла примерно 0,5%.
[0976]
ТАБЛИЦА 91 – Значения окончательной усадки смешанных композиций, исследуемых примерно через 8 недель
Номер смеси
Окончательная усадка через 8 недель (%)
Смесь 1
0,15%
Смесь 2
0,23%
Смесь 3
0,31%
Смесь 4
0,48%
[0977] Как подробно обсуждалось в приведенном выше описании, в указанном примере показан неожиданный результат, полученный при добавлении портландцемента в варианты реализации настоящего изобретения, где портландцемент отрицательно влияет на характеристики усадки композиций. Величина усадки, как показано в настоящем примере, увеличивается пропорционально увеличению содержания портландцемента в композициях.
[0978] Добавление портландцемента в вяжущие композиции согласно вариантам реализации настоящего изобретения, содержащие зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, сульфат кальция и цитрат щелочного металла, очень значительно увеличивает усадку материала.
[0979] С учетом вышеуказанных факторов добавление портландцемента в геополимерные композиции с устойчивыми размерами согласно вариантам реализации настоящего изобретения не рекомендовано.
[0980] Пример 28
[0981] В таблице 92 показан состав сырья вяжущих смесей согласно указанному примеру.
[0982] Количество цемента на основе сульфоалюмината кальция, используемого в смешанных композициях согласно указанному примеру, составляло 20 масс.% от массы зольной пыли. Тонкозернистый дигидрат сульфата кальция (тонкозернистый гипс), используемый в настоящем исследовании, добавляли в количестве примерно 50 масс.% от массы цемента на основе сульфоалюмината кальция и 10 масс.% от массы зольной пыли класса С. В составе смеси 1 отсутствовала бура, тогда как в состав смесей 2-4 в качестве химической добавки, контролирующей схватывание, входила бура. Использовали тонкозернистый технический песок QUIKRETE No.1961, суперпластификатор BASF CASTAMENT FS20, WACKER Vinnapas 5025L (Wacker Polymers) и пеногасящий агент Surfynol 500S производства Air Products.
[0983]
ТАБЛИЦА 92 - Геополимерные вяжущие композиции согласно примеру 28
Сырье
Смесь 1
Смесь 2
Смесь 3
Смесь 4
Зольная пыль класса C (граммы)
4039
4039
4039
4039
Дигидрат сульфата кальция (граммы)
404
404
404
404
Цемент на основе сульфоалюмината кальция (граммы)
808
808
808
808
Общее количество вяжущих материалов (граммы)
5250
5250
5250
5250
Песок (граммы)
5513
5513
5513
5513
Дигидрат цитрата натрия (граммы)
105
105
105
105
Суперпластификатор (граммы)
26,25
26,25
26,25
26,25
Бура (граммы)
0,0
39,4
39,4
52,5
Пленкообразующий редиспергируемый полимерный порошок<sup>6</sup> (граммы)
0,0
26,25
26,25
0,0
Пеногасящий агент<sup>7</sup> (граммы)
5,25
5,25
5,25
5,25
Вода (граммы)
1575
1575
1575
1575
Отношение вода/вяжущие материалы
0,30
0,30
0,30
0,30
Отношение песок/вяжущие материалы
1,05
1,05
1,05
1,05
Суперпластификатор/вяжущие материалы, масс.%
0,5%
0,5%
0,5%
0,5%
Цитрат натрия/вяжущие материалы, масс.%
2%
2%
2%
2%
Цемент на основе сульфоалюмината кальция/зольная пыль, масс.%
20%
20%
20%
20%
Сульфат кальция/цемент на основе сульфоалюмината кальция, масс.%
50%
50%
50%
50%
Бура/вяжущие материалы, масс.%
0%
0,75%
0,75%
1,0%
Пленкообразующий редиспергируемый полимерный порошок/вяжущие материалы, масс.%
0%
0,5%
0,5%
0%
Пеногасящий агент/вяжущие материалы, масс.%
0,1%
0,1%
0,1%
0,1%
[0984] Характеристики выцветания
[0985] На фиг.25 показаны фотографии смесей, исследуемых в указанном примере, отлитых в форме кубов в медных кубических формах. На фотографиях, изображенных на фигуре вида верхняя поверхность отлитых кубов. Можно увидеть, что в смесях, содержащих буру (смеси 2, 3 и 4) происходило избыточное выцветание верхней поверхности кубов, вызванное выщелачиванием солей, содержащихся в материале. В то же время в кубах, полученных из смеси 1, не содержащей буру, выцветание по существу отсутствовало. Избыточное выцветание может приводить к ухудшению внешнего вида, разрушению материала и повреждению в результате реакций расширения, протекающих вследствие гидратации солей, и к уменьшению прочности сцепления с другими субстратами и покрытиями, наносимыми на поверхность.
[0986] Характеристики сцепления
[0987] Также было обнаружено, что геополимерные связующие композиции с устойчивыми размерами согласно указанному варианту реализации, содержащие буру, борат или борную кислоту, добавляемые в качестве дополнительного компонента, обеспечивают плохое сцепление с другими материалами и субстратами, такими как бетон. Таким образом, предпочтительно композиции согласно настоящему изобретению не содержат буру, бораты или борную кислоту.
[0988] Пример 29: Зольная пыль класса С и минерал на основе алюмосиликата кальция с низким содержанием извести (зольная пыль класса F)
[0989] В таблице 93 показан состав сырья геополимерных вяжущих смесей, исследуемых в указанном примере.
[0990] В указанном примере исследовали влияние включения минерала на основе алюмосиликата кальция с низким содержанием извести (зольной пыли класса F производства Headwaters Resources) в комбинации с зольной пылью класса С на физические свойства геополимерных композиций согласно настоящему изобретению. Количество добавляемой зольной пыли класса С составляло 76, 38, 18 и 76 массовых долей, тогда как в смеси 2 и 3 добавляли 38 и 58 массовых долей зольной пыли класса F, при этом зольную пыль класса С добавляли в количестве 38 и 18 массовых долей соответственно. Добавляли 8 массовых долей дигидрата сульфата кальция и 16 массовых долей сульфоалюмината кальция. Также добавляли тонкозернистый технический песок QUIKRETE No.1961, суперпластификатор BASF CASTAMENT FS20 и пеногасящий агент SURFYNOL 500S.
[0991]
ТАБЛИЦА 93 - Композиции, исследуемые в примере 29
Сырье
Смесь 1
Смесь 2
Смесь 3
Смесь 4
Зольная пыль класса C (граммы)
3420
1710
810
0
Дигидрат сульфата кальция (граммы)
360
360
360
360
Цемент на основе сульфоалюмината кальция (граммы)
720
720
720
720
Зольная пыль класса F (граммы)
0
1710
2610
3420
Общее количество вяжущих материалов (граммы)
4500
5000
4500
4500
Песок (граммы)
4725
4725
4725
4725
Дигидрат цитрата натрия
90
90
90
90
Суперпластификатор (граммы)
22,5
22,5
22,5
22,5
Пеногасящий агент (граммы)
9
9
9
9
Вода (граммы)
1080
1080
1080
1080
Отношение вода/вяжущие материалы
0,24
0,24
0,24
0,24
Зольная пыль класса F/общее количество зольной пыли, масс.%
0%
50%
76%
100%
Суперпластификатор/вяжущие материалы, масс.%
0,5%
0,5%
0,5%
0,5%
Цитрат натрия/вяжущие материалы, масс.%
2%
2%
2%
2%
Цемент на основе сульфоалюмината кальция/общее количество зольной пыли, масс.%
21%
21%
21%
21%
Сульфат кальция/цемент на основе сульфоалюмината кальция, масс.%
50%
50%
50%
50%
[0992] Характеристики осадки и текучести материала
[0993] В таблице 94 показаны начальные характеристики текучести и осадки геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, исследуемому в примере 29.
ТАБЛИЦА 94 – Текучесть и осадка согласно примеру 29
Текучесть
Осадка (дюймы (см))
Смесь 1
10
10,75 (27,3)
Смесь 2
10
10,25 (26)
Смесь 3
10
10 (25,4)
Смесь 4
10
10,50 (26,7)
[0994] Все исследуемые смешанные композиции обладали хорошей текучестью и осадкой в испытании на осадку. Особенно следует отметить, что такую хорошую текучесть и характеристики осадки можно получать даже при отношении вода/вяжущие материалы, составляющем только лишь примерно 0,24.
[0995] Характеристики усадки
[0996] На фиг.26 показаны характеристики усадки геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, исследуемому в примере 29. Главной задачей этого испытания являлось исследование влияния включения термоактивированного алюмосиликатного минерала с низким содержанием извести (зольной пыли класса F) на характеристики усадки геополимерных вяжущих композиций, предложенных в указанном варианте реализации.
[0997] Измерения усадки начинали примерно через 4 часа после смешения сырья с получением водной суспензии. Общая продолжительность измерения усадки материала при отверждении материала примерно при 75°F (24°С)/50% отн.вл. составляла примерно 8 недель.
[0998] На основании указанного исследования и фиг.26 можно сделать следующие выводы:
[0999] Усадка материала была наименьшей в композиции, которая содержала только термоактивированный алюмосиликатный минерал с высоким содержанием извести, т.е. зольную пыль класса С (смесь 1).
[01000] Усадка материала увеличивалась при увеличении содержания в композиции термоактивированного алюмосиликатного минерала с низким содержанием извести. Общая усадка смеси 1, не содержащей термоактивированный алюмосиликатный минерал с низким содержанием извести, составляла примерно 0,04%. Можно увидеть, что общая усадка смеси 2, содержащей примерно 50% термоактивированного алюмосиликатного минерала с низким содержанием извести, увеличивалась примерно до 0,07%. Общая усадка материала смеси 3 увеличивалась примерно до 0,1% при 76% содержании термоактивированного алюмосиликатного минерала с низким содержанием извести. Общая усадка материала смеси 4, содержащей примерно 100% термоактивированного алюмосиликатного минерала с низким содержанием извести, была значительно выше и составляла примерно 0,18%.
[01001] Время схватывания
[01002] В таблице 95 показано время схватывания геополимерных вяжущих композиций согласно варианту реализации, исследуемому в примере 29.
[01003]
ТАБЛИЦА 95 - Примерное время схватывания согласно примеру 29
Время начального схватывания (ч:мин)
Время окончательного схватывания (ч:мин)
Смесь 1
00:23
00:35
Смесь 2
00:38
00:52
Смесь 3
00:53
01:22
Смесь 4
01:23
02:11
[01004] Обнаружили, что времена начального и окончательного схватывания композиций, исследуемых в указанном примере, увеличивались при увеличении количества термоактивированного алюмосиликатного минерала с низким содержанием извести в составе. Можно увидеть, что время окончательного схватывания смеси 4, содержащей примерно 100% термоактивированного алюмосиликатного минерала с низким содержанием извести, значительно увеличивалось и составляло более чем примерно 2 часа.
[01005] Прочность на сжатие
[01006] В таблице 96 показана прочность на сжатие геополимерных вяжущих композиций, предложенных в указанном варианте реализации, исследуемых в примере 29.
[01007]
ТАБЛИЦА 96 – Прочность на сжатие согласно примеру 29 - (psi (МПа))
4 часа
24 часа
7 дней
28 дней
Смесь 1
2148 (14,8)
3111 (21,4)
5004 (34,5)
7579 (52,3)
Смесь 2
1469 (10,1)
2784 (19,2)
3709 (25,6)
4418 (30,5)
Смесь 3
888 (6,1)
2123 (14,6)
2284 (15,7)
2394 (16,5)
Смесь 4
280 (1,9)
1628 (11,2)
1798 (12,4)
1843 (12,7)
[01008] На основании указанного исследования можно сделать следующие выводы:
[01009] Прочность на сжатие геополимерных вяжущих композиций, содержащих смесь термоактивированных алюмосиликатных минералов с высоким и низким содержанием извести, увеличивалась со временем.
[01010] Прочность на сжатие на ранней стадии отверждения и окончательная прочность на сжатие смешанных композиций уменьшались при увеличении количества алюмосиликатного минерала с низким содержанием извести в композиции.
[01011] Прочность на сжатие на ранней стадии отверждения и окончательная прочность на сжатие смеси 2, содержащей примерно 50% алюмосиликатного минерала с низким содержанием извести, были удовлетворительными, и значение прочности на сжатие через 28 дней составляло более чем примерно 4200 psi (29 МПа).
[01012] Прочность на сжатие на ранней стадии отверждения и окончательная прочность на сжатие смеси 4, содержащей примерно 100% алюмосиликатного минерала с низким содержанием извести, были относительно низкими и неудовлетворительными для многих применений, подразумеваемых как часть настоящего изобретения.
[01013] Пример 30
[01014] В указанном примере приведена геополимерная вяжущая композиция согласно настоящему изобретению, особенно подходящая для применения в качестве самовыравнивающейся стяжки, наносимой поверх различных субстратов, таких как бетон, древесина и т.д. В частности, композиции, схожие с той, что описана в указанном примере, особенно подходят для разглаживания и разравнивания изготовленных бетонных поверхностей, которые являются неровными и неплоскими.
[01015] В таблице 97 показан состав материала согласно указанному варианту реализации:
ТАБЛИЦА 97 - Композиция согласно примеру 30
Сырье
Масса (граммы)
Зольная пыль класса C<sup>1</sup>
2115
Дигидрат сульфата кальция<sup>2</sup>
212
Цемент на основе сульфоалюмината кальция<sup>3</sup>
423
Общее количество вяжущих материалов
2750
Песок<sup>4</sup>
3163
Моногидрат трехосновного цитрата калия
55,0
Безводная лимонная кислота
13,8
Глюконат натрия
7,44
Суперпластификатор<sup>5</sup>
13,8
Пеногасящий и увлажняющий агент<sup>6</sup>
5,5
Модификатор текучести<sup>7</sup>
0,11
Смектитовая глина<sup>8</sup>
0,275
Вода
825
Отношение вода/вяжущие материалы
0,30
Отношение песок/вяжущие материалы
1,15
Суперпластификатор/вяжущие материалы, масс.%
0,5%
Цитрат калия/вяжущие материалы, масс.%
2%
Цемент на основе сульфоалюмината кальция/зольная пыль, масс.%
20%
Сульфат кальция/цемент на основе сульфоалюмината кальция, масс.%
50%
1 Зольная пыль класса С, Campbell Power Plant, West Olive, MI2 Наполнитель USG TERRA ALBA - тонкозернистый дигидрат сульфата кальция3 FASTROCK 500, CTS Company4 Песок UNIMIN 50305 BASF CASTAMENT FS206 SURFYNOL 500S7 MOMENTIVE AXILAT RH 100 XP8 Глина BENTONE CT HECTORITE
[01016] Смешанные композиции, исследуемые в указанном примере, имели хорошую текучесть, а осадка, полученная в испытании на осадку, составляла 10-1/4 дюйма (26 см). После осадки плоский образец указанной смешанной композиции в результате сушки оставался в отличном состоянии, и в нем не происходило растрескивание.
[01017] Характеристики усадки
[01018] На фиг.27А показаны характеристики усадки геополимерной вяжущей композиции согласно варианту реализации настоящего изобретения, исследуемому в примере 29.
[01019] Измерения усадки начинали примерно через 4 часа после смешения сырья с получением водной суспензии. Общая продолжительность измерения усадки материала при отверждении материала примерно при 75°F (24°С)/50% отн.вл. составляла примерно 8 недель.
[01020] На основании указанного исследования и фиг.27А можно сделать следующие важные выводы:
[01021] В противоположность усадке брусков согласно примеру сравнения 4 (не содержащих сульфат кальция), которые растрескивались еще до извлечения из формы, бруски, которые испытывали на усадку согласно примеру 29, содержащие дигидрат сульфата кальция, были полностью устойчивыми, и в них не происходило растрескивание до или после извлечения из формы.
[01022] Геополимерная вяжущая композиция согласно варианту реализации настоящего изобретения, содержащая зольную пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция, дигидрат сульфата кальция и цитрат щелочного металла, исследуемая в указанном примере, имела максимальную усадку только лишь примерно 0,04%, для сравнения максимальная усадка сравнительной смешанной композиции, содержащей только зольную пыль и цитрат щелочного металла (пример 1), составляла примерно 0,75%.
[01023] Профиль выделения теплоты и увеличения температуры суспензии
[01024] На фиг.27В показан экзотермический профиль и характеристики увеличения температуры суспензии для геополимерной вяжущей композиции согласно варианту реализации настоящего изобретения, исследуемому в примере 29. В указанной вяжущей композиции происходило лишь очень умеренное увеличение температуры, где максимальная температура суспензии достигала только 108°F (42°С).
[01025] Умеренное выделение теплоты и низкое увеличение температуры материала на стадии отверждения способствуют предотвращению избыточного теплового расширения и последующего растрескивания и разрушения материала. Этот аспект становится еще более эффективным при использовании материала для применений в конкретных полевых условиях, при которых используют укладку материала с большой толщиной. Геополимерная вяжущая композиция согласно указанному варианту реализации настоящего изобретения является крайне эффективной согласно указанному конкретному аспекту, так как она обладает пониженным тепловым расширением и увеличенной устойчивостью к термическому растрескиванию при применении в конкретных полевых условиях.
[01026] Время схватывания
[01027] В таблице 98 показано время схватывания геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, исследуемых в примере 29. Полученные результаты указывают на то, что варианты реализации настоящего изобретения особенно подходят для применения в качестве самовыравнивающихся стяжек.
[01028]
ТАБЛИЦА 98 - Время схватывания согласно примеру 30
Время начального схватывания (ч:мин)
Время окончательного схватывания (ч:мин)
1:02
1:18
[01029] Прочность на сжатие
[01030] В таблице 99 показана прочность на сжатие геополимерной вяжущей композиции, предложенной в варианте реализации настоящего изобретения, исследуемом в указанном примере. Указанные результаты показывают, что геополимерные композиции согласно настоящему изобретению подходят для применения в качестве самовыравнивающихся стяжек.
ТАБЛИЦА 99 - Прочность на сжатие согласно примеру 30 (psi (МПа))
4 часа
24 часа
7 дней
28 дней
Смесь 1
2231 (15,4)
3954 (27,3)
4173 (28,8)
4890 (33,7)
[01031] Пример 31
[01032] В указанном примере показаны отличительные характеристики и механические свойства легких геополимерных связующих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения.
[01033] В таблице 100 показан состав сырья легких геополимерных вяжущих смесей, исследуемых в указанном примере.
[01034]
ТАБЛИЦА 100 - Композиции, исследуемые в примере 31
Сырье
Смесь 1
Смесь 2
Смесь 3
Зольная пыль класса C<sup>1</sup> (граммы)
4923
5577
6154
Дигидрат сульфата кальция<sup>2</sup> (граммы)
492
558
615
Цемент на основе сульфоалюмината кальция<sup>3</sup> (граммы)
985
1115
1231
Общее количество вяжущих материалов (граммы)
6400
7250
8000
Легкий наполнитель<sup>4</sup> (граммы)
2016
1740
1480
Моногидрат цитрата калия
128
145
160
Суперпластификатор<sup>5</sup> (граммы)
32,00
36,25
40,00
Пеногасящий и увлажняющий агент<sup>6</sup>
12,8
18,1
16,0
Модификатор текучести<sup>7</sup>
0,38
0,44
0,48
Карбонат лития
16
18,1
20
Краситель<sup>8</sup>
4,8
5,44
6
Вода (граммы)
2045
750
2040
Отношение вода/вяжущие материалы
0,32
0,28
0,255
Отношение легкий наполнитель/вяжущие материалы
0,315
0,24
0,185
Суперпластификатор/вяжущие материалы, масс.%
0,5%
0,5%
0,5%
Цитрат калия/вяжущие материалы, масс.%
2%
2%
2%
Цемент на основе сульфоалюмината кальция/зольная пыль, масс.%
20%
20%
20%
Сульфат кальция/цемент на основе сульфоалюмината кальция, масс.%
50%
50%
50%
1 Зольная пыль класса С, Campbell Power Plant, West Olive, MI2 Наполнитель USG TERRA ALBA - тонкозернистый дигидрат сульфата кальция3 FASTROCK 500, CTS Company4 Полые микросферы из переработанного стекла Poraver 0,04-0,125 мм5 BASF CASTAMENT FS206 SURFYNOL 500S7 MOMENTIVE AXILAT RH 100 XP8 Пигмент на основе оксида железа Yipin Black S350M
[01035] Измеренная плотность легких геополимерных композиций, исследуемых в указанном примере, приведена далее:
Смесь 1: 96 pcf (фунтов на кубический фут)
Смесь 2: 101 pcf
Смесь 3: 105 pcf
[01036] Характеристики осадки и растрескивания на ранней стадии отверждения материала
[01037] В таблице 101 показаны характеристики осадки легких геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, исследуемых в указанном примере.
[01038]
ТАБЛИЦА 101 - Текучесть и осадка согласно примеру 31
Осадка (дюймы (см))
Смесь 1
9-5/8” (24,4)
Смесь 2
8-3/4” (22,2)
Смесь 3
8” (20,3)
[01039] Все исследуемые смешанные композиции обладали хорошей текучестью и характеристиками осадки в испытании на осадку. Особенно следует отметить, что указанную хорошую текучесть и характеристики осадки можно получать даже при отношении вода/вяжущие материалы, составляющем только примерно 0,255.
[01040] После осадки плоские образцы всех смесей, исследуемых в указанном примере, находились в отличном состоянии, и в них не происходило растрескивание.
[01041] Профиль выделения теплоты и увеличения температуры суспензии
[01042] На фиг.28 показан экзотермический профиль и характеристики увеличения температуры суспензии для легких геополимерных вяжущих композиций согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, исследуемых в примере 31. Можно увидеть, что в указанных композициях происходило очень низкое увеличение температуры. Умеренное выделение теплоты и низкое увеличение температуры материала на стадии отверждения значительно способствовали предотвращению избыточного теплового расширения и последующего растрескивания и разрушения материала. Этот аспект становится еще более эффективным при использовании материала для применений в конкретных полевых условиях, при которых используют укладку материала с большой толщиной. Геополимерные вяжущие композиции согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, исследуемые в указанном примере, являются крайне эффективными согласно указанному конкретному аспекту, так как они обладают пониженным тепловым расширением и увеличенной устойчивостью к термическому растрескиванию при применении в конкретных полевых условиях.
[01043] Время схватывания
[01044] В таблице 102 показано время схватывания легких геополимерных вяжущих композиций согласно вариантам реализации настоящего изобретения, исследуемым в указанном примере. Можно увидеть, что все вяжущие композиции, исследуемые в указанном примере, обладали быстрым схватыванием, где время окончательного схватывания находилось в диапазоне от 1 до 2 часов.
[01045]
ТАБЛИЦА 102 - Время схватывания согласно примеру 31
Время начального схватывания (ч:мин)
Время окончательного схватывания (ч:мин)
Смесь 1
1:22
1:55
Смесь 2
1:08
1:28
Смесь 3
1:03
1:11
[01046] Прочность на сжатие
[01047] В таблице 103 показана прочность на сжатие легких геополимерных вяжущих композиций согласно вариантам реализации настоящего изобретения, исследуемым в примере 31.
[01048]
ТАБЛИЦА 103 - Прочность на сжатие согласно примеру 31 (psi (МПа))
4 часа
24 часа
7 дней
28 дней
Смесь 1
1110 (7,7)
2761 (19)
3466 (23,9)
4044 (27,9)
Смесь 2
1478 (10,2)
3232 (22,3)
4873 (33,6)
5653 (39)
Смесь 3
2250 (15,5)
4227 (29,1)
4432 (30,6)
5735 (39,5)
[01049] На основании указанного исследования можно сделать следующие выводы:
[01050] Прочность на сжатие на ранней стадии отверждения и окончательная прочность на сжатие легких геополимерных композиций согласно настоящему изобретению являются относительно очень высокими и сравнимы со значениями для некоторых композиций согласно настоящему изобретению с максимальной плотностью (если сравнивать результаты, полученные в примере 30 и в примере 31).
[01051] Следует отметить, что прочность на сжатие через 4 часа для легких геополимерных композиций согласно настоящему изобретению, исследуемых в указанном примере, составляют более чем примерно 1000 psi (6,9 МПа).
[01052] Также следует отметить, что прочность на сжатие через 24 часа для легких геополимерных вяжущих композиций согласно настоящему изобретению составляла более чем примерно 2500 psi (17,2 МПа).
[01053] Также очень важно отметить, что прочность на сжатие через 28 дней для легких геополимерных вяжущих композиций согласно настоящему изобретению является очень высокой, то есть оставляет более чем примерно 4000 psi (27,6 МПа).
[01054] Геополимерные композиции согласно некоторым предпочтительным вариантам реализации настоящего изобретения, приведенным в примерах, можно применять в ряде коммерческих продуктов. В частности композиции можно применять в качестве:
[01055] Продуктов для дорожных ремонтных работ и ямочного ремонта дорог, дорожного полотна и тротуаров, на что указывают некоторые свойства, описанные в примерах 5, 24, 25, 30 и 31;
[01056] Кирпичей и синтетического камня, на что указывают некоторые свойства, описанные в примерах 5, 6, 9, 12 и 14;
[01057] Материалов для ремонта стен, полов и потолков, а также связующих растворов, штукатурки и покрытий для плит, на что указывают некоторые свойства, описанные в примерах 5, 24 и 33;
[01058] Кровельных материалов, на что указывают некоторые свойства, описанные в примерах 5, 26, 30 и 31;
[01059] Продуктов из торкрет-бетона, которые представляют собой распыляемые вяжущие продукты, применяемые для стабилизации укрепления грунта и горных пород, а также в качестве облицовочных материалов, на что указывают некоторые свойства, описанные в примерах 5, 25 и 30;
[01060] Структур, испытывающих весовую нагрузку, на что указывают некоторые свойства, описанные в примерах 25, 30 и 31;
[01061] Скульптуры и архитектурных обломов, на что указывают некоторые свойства, описанные в примерах 5-22, 29, 30 и 31;
[01062] Самовыравнивающихся стяжек, на что указывают некоторые свойства, описанные в примерах 5, 7, 9, 13, 15, 19, 21, 22, 24, 26, 30 и 31.
Несмотря на то что были описаны предпочтительные варианты реализации настоящего изобретения, специалистам в области техники, к которой относится настоящее изобретение, следует понимать, что можно осуществлять модификации и дополнения настоящего изобретения, не выходя за рамки его объема.