ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЕ НЕСГОРАЕМЫЕ ГИПСОЦЕМЕНТНЫЕ КОМПОЗИЦИИ С ПОВЫШЕННОЙ УСТОЙЧИВОСТЬЮ К ВОДЕ И ТЕРМОСТОЙКОСТЬЮ ДЛЯ АРМИРОВАННЫХ ЦЕМЕНТНЫХ ЛЕГКИХ КОНСТРУКЦИОННЫХ ЦЕМЕНТНЫХ ПАНЕЛЕЙ
HIGHLY EFFICIENT FIREPROOF GYPSUM-CEMENT COMPOSITION WITH HIGH RESISTANCE TO WATER AND HEAT RESISTANCE FOR REINFORCED CEMENT LIGHT CONSTRUCTION CEMENT PANELS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[001] Настоящее изобретение относится, в целом, к высокоэффективным несгораемым гипсоцементным композициям для применения в производстве легких конструкционных цементных панелей, называемых далее КЦП. Указанные панели обычно применяют в стенах-диафрагмах жилых и коммерческих зданий, системах покрытия пола и кровельного покрытия. Панели обеспечивают несгораемую, огнестойкую сдвигоустойчивую диафрагму, которая является устойчивой к воде и термостойкой и обладает способностью выдерживать сдвигающие и осевые нагрузки. Система, смонтированная на каркасе, в особенности на стальном каркасе, обеспечивает несгораемость, устойчивость к воде, огнестойкость, термостойкость, устойчивость к развитию плесени и высокую удельную прочность и жесткость.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[002] Настоящее изобретение относится в целом к панелям, крепимым к каркасу в жилых и других легких конструкциях. В частности, настоящее изобретение относится к панелям, способным выдерживать боковые усилия, вызванные сильным ветром и сейсмическими нагрузками, в районах, если они требуются согласно строительным нормам. Такие панели, широко известные как стены-диафрагмы, или диафрагмы, должны проявлять сопротивление сдвигу, как показано в общепринятых испытаниях, таких как стандарт ASTM E72-05 (действующий с 2005 года).
[003] Обшивочные панели измеряют для определения нагрузки, которую может выдерживать панель при допустимом изгибе без ее разрушения. Прочность на сдвиг в целом основана на испытании трех идентичных сборных конструкций размером 8X8 футов (2,44×2,44 м), т.е. панелей, закрепленных на каркасе. Один край закреплен на месте, когда прикладывают боковое усилие к свободному концу сборной конструкции до тех пор, пока она не перестанет нести нагрузку и сборная конструкция не разрушится. Измеренный предел прочности на сдвиг варьируется в зависимости от толщины панели и размера и расстояния между гвоздями, применяемыми в сборной конструкции. Например, типичная сборная конструкция, например, номинальная фанера толщиной в 1/2 дюйма (12,7 мм), прикрепленная при помощи гвоздей 8d (см. описание гвоздей ниже) к номинальным деревянным стойкам 2×4 дюйма (50,8×101,6 мм), расположенным на расстоянии 16 дюймов (406,4 мм) друг от друга (расстояние между центрами), причем гвозди расположены на расстоянии 6 дюймов (152,4 мм) друг от друга по периметру и 12 дюймов (304,8 мм) в пределах периметра, как ожидали, показала бы предел прочности на сдвиг в 720 фунтов/фут (1072 кг/м) до разрушения. (Следует отметить, что измеренный предел прочности на сдвиг меняется при изменении размера и расстояния между гвоздями, как указано в тесте ASTM E72.) Указанный предел прочности на сдвиг снижают на коэффициент, например, на три порядка, для того чтобы установить расчетный предел прочности на сдвиг для панели.
[004] В патенте США 6620487, выданном Tonyan и др., включенном в настоящее описание полностью посредством ссылки, описана армированная, легкая, стабильная по размерам конструкционная цементная панель (КЦП), способная, будучи укрепленной на каркасе, выдерживать сдвигающие нагрузки, равные или превышающие сдвигающие нагрузки, обеспечиваемые фанерными панелями или панелями из ориентированно-стружечной плиты. В панелях применяют средний слой из непрерывной фазы, образованной в результате отверждения водной смеси альфа-полугидрата сульфата кальция, гидравлического цемента, активной пуццоланы и извести, причем непрерывная фаза армирована щелочестойкими стекловолокнами и содержит керамические микросферы или смесь керамических и полимерных микросфер, или образуется из водной смеси, имеющей массовое соотношение воды и реактивного порошка от 0,6/1 до 0,7/1, или их комбинацию. По меньшей мере одна внешняя поверхность панелей может содержать отвержденную непрерывную фазу, армированную стекловолокнами и содержащую достаточно полимерных сфер для того, чтобы улучшить гвоздимость, или полученную при соотношении «вода - реакционно-способный порошок», обеспечивающем эффект, сходный с полимерными сферами, или их комбинацию.
[005] В патенте США 6241815, выданном Bonen, включенном в настоящее описание полностью посредством ссылки, также описаны составы, применимые для панелей КЦП.
[006] В патенте США 7445738, выданном Dubey, включенном в настоящее описание посредством ссылки, описаны способ получения многослойных конструкционных цементных панелей (КЦП, или панелей КЦП) и КЦП, полученные по такому способу. После одного из следующего: первоначального нанесения свободно распределенных рубленых волокон или слоя цементного раствора на движущуюся ферму волокна помещают на слой раствора. Заделывающее устройство примешивает недавно помещенные волокна в раствор, после чего добавляют дополнительные слои цементного раствора, а затем рубленые волокна, после чего осуществляют дальнейшее заделывание. Процесс повторяют для каждого слоя панели по желанию.
[007] В заявке на патент США 2009/0011207 A1 на имя Dubey, включенной в настоящее описание посредством ссылки, описана быстроотверждаемая легкая цементная композиция для получения панелей или плит. Указанная цементная композиция содержит 35-60 масс.% цементного реакционно-способного порошка (также называемого вяжущим на основе портландцемента), 2-10 масс.% наполнителя их химически покрытого вспученного перлита, 20-40 масс.% воды, вовлеченного воздуха, например, 10-50 об.%, по влажному продукту, вовлеченного воздуха и необязательные добавки, такие как пластифицирующие агенты, химические ускорители схватывания и химические замедлители схватывания. Легкие цементные композиции могут также необязательно содержать 0-25 масс.% вторичных заполнителей, например, 10-25 масс.% вторичных заполнителей. Типичные заполнители включают одно или более из следующего: вспученная глина, сланцевый заполнитель и пемза. Применяемый указанный цементный реактивный порошок обычно состоит либо из чистого портландцемента, либо из смеси портландцемента и подходящего пуццоланового материала, такого как зола-унос или доменный шлак. Цементный реакционно-способный порошок может также необязательно содержать одно или более из следующего: гипс (натуральный гипс) и высокоглиноземистый цемент (ВГЦ), добавляемое в малых дозах для влияния на характеристики схватывания и гидратации вяжущего.
[008] В патенте США 4304704 (на имя Billings) описан термоизоляционный материал, содержащий перлит, обработанный силиконом, и добавку с гипсом и цементом.
[009] В патенте США 5601919 на имя Symons описан строительный компонент, имеющий средний слой, образованный из одного или более листов натурального волокна, пропитанного жидкой композицией, содержащей термопластичную смолу и катализатор для схватывания смолы и герметизирующего слоя, при этом герметизирующий средний слой может содержать гидравлическое вяжущее и воду, причем вяжущее выбрано из портландцемента или полугидрата сульфата кальция в 15-65 массовых долях и заполнитель может представлять собой вспученный вермикулит или перлит. Вспученный перлит, имеющий размер частиц от 0,05 мм до 3 мм, обрабатывают силиконом для того, чтобы сделать его гидрофобным.
[0010] Остается потребность в усовершенствованных панелях, которые обладают прочностью на сдвиг, необходимой в определенных местах, и которые превосходят по техническим характеристикам применяемые в настоящее время панели на деревянной основе, а также современные конструкционные цементные панели на гипсоцементной основе, обеспечив несгораемую панель с тем же пределом прочности на сдвиг при более низкой массе панели, которая также обладает повышенной устойчивостью к воде и термостойкостью.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0011] Панели согласно настоящему изобретению можно в целом описать как изготовленные из гипсоцементных композиций, армированных стекловолокнами, с добавлением покрытых частиц вспученного перлита вместо известных керамических или полимерных микросфер. Кроме того, панели согласно настоящему изобретению обладают сниженной массой по сравнению с панелями из гидравлического цемента. Панели отвечают вышеперечисленным эксплуатационным требованиям, и их можно отличить от других известных композиций, описанных выше, которые содержат похожие компоненты, но не могут соответствовать всем требуемым эксплуатационным характеристикам конструкционных цементных панелей согласно настоящему изобретению.
[0012] Настоящее изобретение относится к системе для жилых и легких коммерческих зданий, включающей легкую КЦП. Указанную панель получают из смеси неорганического вяжущего и легких заполнителей, которая предназначена для применения в системе, все элементы которой прошли ASTM E-136.
[0013] Композиции цементного раствора КЦП согласно настоящему изобретению, в частности, включают полугидрат сульфата кальция (гипс), гидравлический цемент, такой как портландцемент, кремнеземную пыль, известь, тонкоизмельченный частицы вспученного перлита, которые покрыты оболочкой для придания гидрофобности, суперпластификатор и винную кислоту. В указанных композициях тонкоизмельченный вспученный перлит применяют в качестве либо полной, либо частичной замены для наполнителя из полых керамических микросфер, применяемого в известных составах КЦП для обеспечения легкости, пониженного впитывания влаги, повышенной долговечности во влажном состоянии и улучшенной термостойкости, при этом поддерживая те же значения механических характеристик, таких как долговечность, стойкость к перепадам температур и стабильность размеров, какими обладают известные конструкционные цементные панели.
[0014] Вспученный перлит согласно настоящему изобретению имеет размер частиц от 1 до 150 микронов (микрометров), и на него наносят покрытие, которое делает покрытый перлит гидрофобным. На уровне частичного замещения указанный перлит замещает до половины объема микросфер, а на уровне полного замещения перлит замещает всю фракцию микросфер.
[0015] Настоящая система имеет горизонтальную диафрагму жесткости на каркасе, обычно на тонкостенном металлическом каркасе, который также обычно устойчив к воде. Предпочтительно несущая способность горизонтальной диафрагмы жесткости в системе согласно настоящему изобретению не снижается более чем на 25% (более предпочтительно, не снижается более чем на 20%) при воздействии воды в испытании, согласно которому поддерживают уровень воды в 2 дюйма (51 мм) над панелями, закрепленными на металлическом каркасе размером 10 футов на 20 футов от (3,048 до 6,096 метров), в течение 24 часов. В указанном испытании уровень воды толщиной в 2 дюйма (51 мм) поддерживают путем проверки и восполнения уровня воды с интервалами в 15 минут.
[0016] Предпочтительно система согласно настоящему изобретению не впитывает более 0,7 фунтов на квадратный фут (0,0034 грамма на квадратный метр) воды при воздействии воды в испытании в котором поддерживают уровень воды в 2 дюйма (51 мм) над панелями, закрепленными на металлическом каркасе размером 10 футов на 20 футов (3,048 на 6,096 метра) в течение 24 часов. В указанном испытании уровень воды толщиной в 2 дюйма (51 мм) поддерживают путем проверки и восполнения уровня воды с интервалами в 15 минут.
3
4
[0017] Также комбинирование несгораемых КЦП панелей с металлическим каркасом в результате позволяет получить целую систему, которая предотвращает набухание из-за влаги. Предпочтительно в системе согласно настоящему изобретению диафрагма КЦП шириной 10 футов, длиной 20 футов и толщиной / дюйма, закрепленная на металлическом каркасе размером 10 футов на 20 футов (3,048 на 6,096 метра), не будет набухать более чем на 5% под воздействием уровня воды в 2 дюйма (51 мм), поддерживаемого над поверхностью КЦП, закрепленных на металлическом каркасе, в течение периода 24 часов. В указанном испытании уровень воды толщиной в 2 дюйма (51 мм) поддерживают путем проверки и восполнения уровня воды с интервалами в 15 минут.
[0018] В системе согласно настоящему изобретению могут применяться однослойные или многослойные КЦП. В многослойной КЦП слои могут быть одинаковыми или различными. Например, КЦП может иметь внутренний слой из непрерывной фазы и по меньшей мере один внешний слой непрерывной фазы с каждой противоположной стороны внутреннего слоя, причем по меньшей мере один внешний слой на каждой из противоположных сторон внутреннего слоя содержит более высокую долю стекловолокон, чем внутренний слой. Это дает возможность повысить жесткость, усилить и упрочить панель.
[0019] Система согласно настоящему изобретению более легкая, чем известные конструкционные цементные панели при сохранении того же предела прочности на сдвиг. Таким образом, система согласно настоящему изобретению, включающая горизонтальную диафрагму в виде КЦП толщиной 3/4 дюйма (19 мм) на металлическом каркасе, обеспечивает эффективное использование строительного объема для данной площади застройки, для того чтобы обеспечить максимизацию строительного объема для данной площади застройки. Таким образом, система согласно настоящему изобретению может обеспечить большую высоту здания или даже большее число этажей в районах с ограничениями по высоте зданий.
[0020] Легкость настоящей системы обычно позволяет избежать проблемы постоянной нагрузки, связанной с системами металлической основы для заливки/литого бетона. Меньшая постоянная нагрузка также позволяет строить сопоставимые по размеру конструкции на менее устойчивой почве, обладающей относительно низкой несущей способностью.
1
2
[0021] Кроме того, добавление огнестойкого гипсокартона, такого как гипсокартонный лист типа X, или другого звукоизолирующего материала, может улучшить звукоизоляцию, обеспечиваемую полами или крышами из КЦП. Это может в особенности снизить класс IIC (ударный шум). Обычные материалы для добавления включают панели основания пола (для изготовления пола, несгораемого снизу), внутренние панели марки FIBEROCK (получаемые от US Gypsum Corporation, Чикаго, Иллинойс, США) для получения несгораемого пола, основание пола марки LEVELROCK (получаемое от US Gypsum Corporation, Чикаго, Иллинойс, США) (для получения несгораемого пола) или звукопоглощающую штукатурку (для получения несгораемого пола). Для получения обозначения "Тип X" в соответствии с ASTM С 36, продукт листа гипсокартона должен, что будет продемонстрировано, достигать предела огнестойкости не менее чем за один час для плиты 5/8 дюйма (16 мм) или предела огнестойкости за 3/4 часа для плиты / дюйма (12,7 мм), наложенной в один слой, прибитой гвоздями к каждой стороне элемента несущей нагрузку деревянного каркаса при испытании в соответствии с требованиями ASTM E 119, методов испытания на огнестойкость строительных конструкций и материалов. Акустический потолок также может быть закреплен на нижней стороне балок перекрытия. Потолочные панели крепят к виброизолирующей опоре или подвесной решетке.
[0022] Поскольку толщина панели влияет на ее физические и механические свойства, например, массу, несущую способность, прочность на поперечную деформацию и тому подобное, желаемые свойства могут варьироваться в зависимости от толщины панели. В целом, толщина панели согласно настоящему изобретению может составлять от примерно 0,125 до 4,0 дюйма, более предпочтительная толщина от 0,25 до 2,0 дюймов и более предпочтительная толщина от примерно 0,40 до 1,0 дюйма. Таким образом, например, желаемые свойства, которыми должна обладать панель, обладающая высокой прочностью на сдвиг, с номинальной толщиной 0,75 дюйма (19,1 мм), включают нижеследующее.
[0023] При применении в качестве настила пола в случае практического применения в обшивке пола согласно Критериям приемки АС-318 ICC-ES, типичная панель согласно настоящему изобретению при испытании в соответствии с ASTM E 661, закрепленная на расстоянии 16, 20 или 24 дюймов (406, 508 или 610 мм) по центру, имеет предельную несущую способность более 400 фунтов (182 кг) до воздействия ударного нагружения и предельную несущую способность более 400 фунтов (182 кг) после воздействия ударного нагружения. Максимальный изгиб должен составлять менее 0,125 дюйма (3,2 мм), до и после воздействия ударного нагружения с нагрузкой 200 фунтов (90,9 кг).
[0024] При применении в качестве пола без наката в случае практического применения в обшивке пола согласно Критериям приемки АС-318 ICC-ES, типичная панель согласно настоящему изобретению при испытании в соответствии с ASTM E 661, закрепленная на расстоянии 16, 20 или 24 дюймов (406, 508 или 610 мм) по центру, имеет предельную несущую способность более 550 фунтов (250 кг) до воздействия ударного нагружения и предельную несущую способность более 400 фунтов (182 кг) после воздействия ударного нагружения. Максимальный изгиб до и после воздействия ударного нагружения с нагрузкой 200 фунтов (90,9 кг) должен составлять менее 0,078 дюйма (1,98 мм), 0,094 дюйма (2,39 мм) и 0,108 дюйма (2,74 мм) на расстоянии 16, 20 и 24 дюймов, соответственно.
[0025] В случае практического применения в качестве настила крыши согласно АС 318 ICC-ES, типичная панель согласно настоящему изобретению при испытании в соответствии с ASTM E 661, закрепленная на расстоянии 16,20 или 24 дюймов (406, 508 или 610 мм) по центру, имеет предельную несущую способность более 400 фунтов (182 кг) до воздействия ударного нагружения и предельную несущую способность более 300 фунтов (136 кг) после воздействия ударного нагружения. Максимальный изгиб до и после воздействия ударного нагружения с нагрузкой 200 фунтов (90,9 кг) должен составлять менее 0,438 дюйма (11,1 мм), 0,469 дюйма (11,9 мм), 0,500 дюйма (12,7 мм) и 0,500 дюйма (12,7 мм) на расстоянии 16, 20 24 и 32 дюймов, соответственно.
[0026] B случае практического применения в обшивке пола согласно АС-318 ICC-ES типичная панель согласно настоящему изобретению при испытании в соответствии с ASTM E 330 должна иметь предельную несущую способность для равномерно распределенной нагрузки более 330 футов на квадратный метр и изгибаться не более чем на (расстояние между стойками/360) при допускаемой нагрузке 100 футов на квадратный метр. Указанные требования распространяются как на испытания в сухом состоянии, так и на испытания в мокром состоянии (после 7 дней непрерывного смачивания и последующего испытания в мокром состоянии).
[0027] В случае практического применения в качестве настила крыши согласно АС 318 ICC-ES, панель согласно настоящему изобретению при испытании в соответствии с должна иметь предельную несущую способность для равномерно распределенной нагрузки более 150 футов на квадратный метр и изгибаться не более чем на (расстояние между стойками /240) при допускаемой нагрузке 35 футов на квадратный метр. Указанные требования распространяются как на испытания в сухом состоянии, так и на испытания в мокром состоянии (после 7 дней непрерывного смачивания и последующего испытания в мокром состоянии).
[0028] Панели согласно настоящему изобретению при испытании в соответствии с PS2-04, Раздел 7.4, должны демонстрировать минимальную боковую нагрузку на крепеж в 210 фунтов (95,5 кг) в сухом состоянии и 160 фунтов (72,2 кг) после семи дней непрерывного смачивания и испытания в мокром состоянии.
[0029] Панели согласно настоящему изобретению при испытании в соответствии с ASTM D 1037, Разделами 47-53, должны демонстрировать минимальную нагрузку на вырывание крепежа 20 фунтов (9,1 кг) в сухом состоянии и 15 фунтов (6,8 кг) после семи дней непрерывного смачивания и испытания в мокром состоянии.
[0030] Панели согласно настоящему изобретению при испытании в соответствии с ASTM D 1037, разделами 54-60, должны демонстрировать минимальную нагрузку на сквозное протаскивание крепежа в 200 фунтов (90,9 кг) в сухом состоянии и 150 фунтов (68,2 кг) после семи дней непрерывного смачивания и испытания в мокром состоянии.
[0031] Панель размером 4×8 футов, толщиной 3/4 дюйма (1,22×2,44 м, толщиной 19,1 мм) обычно весит не более 156 фунтов (71 кг) и предпочтительно не более 144 фунтов (65,5 кг).
[0032] Типичные композиции для вариантов реализации панелей согласно настоящему изобретению, которые обеспечивают комбинацию низкой плотности, усиленной прочности на изгиб и гвоздимости/обрабатываемость резанием, содержат неорганическое вяжущее вещество (примеры - гипсоцемент, портландцемент или другие гидравлические цементы), включая распределенные по всей толщине панели выбранные стекловолокна, легкие наполнители или покрытый вспученный перлит и суперпластификатор/качественные пластифицирующие добавки (примеры - полинафталин-сульфонаты, полиакрилаты и т.д.). Полые стеклянные или керамические микросферы могут необязательно применяться с покрытым оболочкой вспученным перлитом, несмотря на то, что применение покрытых частиц вспученного перлита является предпочтительным.
[0033] Панели могут представлять собой однослойные панели или многослойные панели. Типичную панель изготавливают из смеси воды и неорганического вяжущего с выбранными стекловолокнами, легкими керамическими микросферами и суперпластификатором, распределенными в смеси. Другие добавки, такие как добавки - ускорители схватывания и добавки - замедлители схватывания, добавки, регулирующие вязкость, могут необязательно быть добавлены к смеси для соответствия требованиям конкретного способа изготовления.
[0034] Однослойная или многослойная панель может также поставляться в комплекте с листом сетки, например сетки из стекловолокна, если требуется.
[0035] Согласно вариантам реализации, включающим несколько (два или более) слоев, состав слоев может быть одинаковым или различным. Например, многослойная панельная конструкция может быть выполнена по меньшей мере с одним внешним слоем, обладающим улучшенной гвоздимостью и обрабатываемость резанием или способностью к обработке путем надреза и разлома. Это обеспечивается путем применения более высокого соотношения воды к реактивному порошку (определение дано ниже) при установлении связи между внешними слоями и средним слоем панели. Малая толщина оболочки в сочетании с малым содержанием полимера может увеличить гвоздимость, при этом панель не обязательно не пройдет тест на несгораемость. Конечно, высокое содержание полимера приведет к тому, что продукт не пройдет тест на несгораемость.
[0036] Стекловолокна можно применять отдельно или в комбинации с другими типами несгораемых волокон, таких как стальные волокна.
[0037] Как описано выше, существует потребность в легкой, несгораемой стене-диафрагме, системах покрытия пола и кровельных покрытий для замены деревянных или металлических каркасов, обшитых панелями из ОСП, или известных конструкционных цементных панелей.
3
4
[0038] Другим преимуществом является то, что более легкие конструкционные панели согласно настоящему изобретению могут также обеспечивать предел огнестойкости в 2 часа в соответствии с ASTM E-119 путем применения, например, КЦП толщиной / дюйма или КЦП толщиной 1 дюйм на металлическом каркасе с листом гипсокартона типа X со стороны металлического каркаса, противоположной стороне, на которой лежит КЦП, с достижением улучшенной термостойкости по сравнению с известными КЦП.
[0039] Согласно настоящему изобретению достигается комбинация низкой плотности и пластичности, требуемых для эксплуатации панели, и гвоздимости с хорошими характеристиками текучести, устойчивостью к воде и улучшенными термическими свойствами, путем применения покрытых частиц вспученного перлита, равномерно распределенных по всей толщине панели. Таким образом, предложена панель с более низким отношением воды к реакционно-способному порошку (определение дано ниже), которое обеспечивает значительное снижение массы полученной в результате панели и повышенную прочность по сравнению с панелями, изготовленными с применением полых керамических микросфер или смесей керамических микросфер и полимерных сфер. Применение покрытого вспученного перлита также способствует получению панели, которая может легко пройти испытание на несгораемость, фактически устраняя источник несгоревшего углерода или органического вещества в панели от легких наполнителей, подобных керамическим микросферам или полимерным сферам.
[0040] Для применения в строительстве усовершенствованные КЦП должны соответствовать стандартам строительных норм и правил, касающимся сопротивления сдвигу, несущей способности, вызванного водой расширения, устойчивости к воде, стойкости в цикле замерзание/оттаивание, долговечности и устойчивости к горению, измеряемых при помощи признанных испытаний, таких как стандарты ASTM Е72, ASTM E 661, ASTM C 1704 и ASTM C 1185 или аналогичных, которые применяют к листам фанеры. Панели также испытывают в соответствии с ASTM E-136 на несгораемость - фанера не соответствует критериям этого испытания.
[0041] Усовершенствованная панель КЦП должна допускать возможность пиления циркулярными пилами, применяемыми для пиления дерева.
[0042] Усовершенствованная КПЦ должна иметь стабильные размеры при контакте с водой. Она должна расширяться менее чем на 0,1% в продольном или поперечном направлении, по измерениям при помощи ASTM C 1185, а набухание в толщину должно быть менее 3% по измерениям при помощи ASTM D 1037, Метод B.
[0043] Водопоглощение панелей согласно настоящему изобретению не должно превышать 15% по массе при испытании через 28 дней после изготовления в соответствии с ASTM C 1704.
[0044] При испытании в соответствии с методом по ASTM C 1704, образцы панелей согласно настоящему изобретению в мокром состоянии должны сохранять минимум 70% от максимальной несущей способности и максимального изгиба по сравнению с сухим контрольным образцом панели. Приведение образцов в мокрое состояние осуществляют путем погружения образцов в воду температурой 70±5°F (21±3°С) на 48±2 часов и последующего высушивания образцов до тех пор, пока на поверхности образца не будет видно никакой свободной влаги, до непосредственного начала испытания.
[0045] Усовершенствованная КЦП согласно настоящему изобретению должна сохранять минимум 75% от контрольного значения прочности после 50 циклов замерзания - оттаивания, как определили, применяя раздел, применимый к замерзанию - оттаиванию панелей, в соответствии с ASTM C 1185.
[0046] Панели согласно настоящему изобретению должны демонстрировать минимальное сохранение в 75% от максимальной несущей способности и максимального изгиба при испытании по ASTM C 1185, в соответствии с разделом, применимым к долговечности, с началом смачивания через 28 дней после изготовления.
[0047] Усовершенствованная КЦП должна обеспечивать обладающее адгезивностью основание для систем внешней отделки.
[0048] Усовершенствованная КЦП должна быть несгораемой, как определено ASTM E 136, без необходимости учитывать сгораемые компоненты известных в данной области техники наполнителей в виде микросфер.
[0049] Усовершенствованная КЦП согласно настоящему изобретению должна достигать распространения пламени в 0 и максимальной выработки дыма в 5, определенной по методу ASTM E 84.
2
[0050] В случае практического применения в обшивке пола панели, закрепленной на расстоянии 16, 20 или 24 дюймов (406, 508 или 610 мм) по центру, момент нагрузки КЦП, определенный по методу ASTM C1704, составляет по меньшей мере 1450 фунт-сил-дюйм как в продольном, так и в поперечном направлении в сухом состоянии и составляет по меньшей мере 1015 фунт-сил-дюйм как в продольном, так и в поперечном направлении в мокром состоянии. Указанные значения момента нагрузки соответствуют требованиям, установленным в Критериях приемки АС-318 ICC-ES и в стандарте ASTM C-1705. Приведение панелей в мокрое состояние описано в параграфе [0044]. Жесткость на изгиб сухих образцов должна составлять 223000 фунт-сил-дюйм как в продольном, так и в поперечном направлении, как определено по методу ASTM С 1704.
2
2
2
2
[0051] В случае практического применения в качестве настила крыши панели, закрепленной на расстоянии 16, 20 или 24 дюймов (406, 508 или 610 мм) по центру, момент нагрузки КЦП, определенный по методу ASTM C 1704, составляет по меньшей мере 1007 фунт-сил-дюйм как в продольном, так и в поперечном направлении в сухом состоянии и составляет по меньшей мере 705 фунт-сил-дюйм как в продольном, так и в поперечном направлении в мокром состоянии. Значения соответствуют минимальным значениям момента нагрузки, установленным в Критериях приемки AC-318 ICC-ES. Приведение панелей в мокрое состояние описано в параграфе [0044]. Жесткость на изгиб сухих образцов должна составлять 129051 фунт-сил-дюйм как в продольном, так и в поперечном направлении, как определено по методу ASTM C 1704. На расстоянии 32 дюймов (813 мм) по центру панель должна обеспечивать момент нагрузки в сухом состоянии 1450 фунт-сил-дюйм, момент нагрузки в мокром состоянии 1015 фунт-сил-дюйм и жесткость на изгиб сухих образцов 223000 фунт-сил-дюйм.
[0052] Для практического применения в качестве настила крыши панели согласно настоящему изобретению следует испытывать на протяжении 25 циклов согласно Разделу 15 ASTM C 1185 минимум через 28 дней после изготовления. По завершении части испытаний теплотой излучения в первом цикле панель должна сохранять минимум 75% от максимального значения несущей способности и максимального значения изгиба, установленных путем испытаний на изгиб, по сравнению с контрольными образцами панелей.
[0053] Панели согласно настоящему изобретению должны также обеспечивать значение устойчивости к развитию плесени 10 при испытании в соответствии с ASTM D 3273 и значение устойчивости к развитию плесени 1 или менее при испытании в соответствии с ASTM G 21.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0054] ФИГ.1 представляет собой вид в перспективе однослойной КЦП согласно настоящему изобретению.
[0055] ФИГ.2 представляет собой фрагмент поперечного разреза системы многослойной КЦП согласно настоящему изобретению.
[0056] ФИГ.3 представляет собой схематичное изображение в вертикальном разрезе устройства, подходящего для выполнения процесса изготовления КЦП согласно настоящему изобретению.
[0057] ФИГ.4 представляет собой вид в перспективе устройства для подачи цементного раствора того типа, который применяют в процессе изготовления КЦП согласно настоящему изобретению.
[0058] ФИГ.5 вид сверху заделывающего устройства, подходящего для применения в процессе изготовления КЦП согласно настоящему изобретению.
[0059] ФИГ.6 представляет собой столбчатую диаграмму, иллюстрирующую осадку конуса составов, полученных с применением керамических микросфер, по сравнению с частичным и полным замещением микросфер вспученным перлитом согласно настоящему изобретению.
[0060] ФИГ.7 представляет собой столбчатую диаграмму плотности цементного раствора составов, полученных с применением керамических микросфер и частичным или полным замещением микросфер вспученным перлитом согласно настоящему изобретению.
[0061] ФИГ.8 представляет собой столбчатую диаграмму начала схватывания составов, полученных с применением керамических микросфер и частичным или полным замещением микросфер вспученным перлитом согласно настоящему изобретению.
[0062] ФИГ.9 представляет собой столбчатую диаграмму, иллюстрирующую прочность на сжатие на 28 день составов, полученных с применением керамических микросфер, и составов с частичным или полным замещением микросфер вспученным перлитом согласно настоящему изобретению.
[0063] ФИГ.10 представляет собой набор графиков, представляющих осадку конуса как функцию времени и осадку конуса как процентную долю исходного значения осадки конуса в зависимости от времени для составов, содержащих микросферы и вспученный перлит согласно настоящему изобретению в качестве полного заменителя микросфер при меняющихся дозах винной кислоты.
[0064] ФИГ,11 представляет собой набор столбчатых диаграмм характеристик при изгибе через 14 дней после изготовления панелей с применением керамических микросфер и полным или частичным замещением керамических микросфер вспученным перлитом согласно настоящему изобретению.
[0065] ФИГ.12 представляет собой набор столбчатых диаграмм для характеристик при изгибе через 28 дней после изготовления панелей с применением керамических микросфер и полным или частичным замещением керамических микросфер вспученным перлитом согласно настоящему изобретению.
[0066] ФИГ 13 представляет собой столбчатую диаграмму MOR (предел прочности на изгиб) после 48-часового смачивания панелей, изготовленных с применением керамических микросфер и полным или частичным замещением керамических микросфер вспученным перлитом согласно настоящему изобретению.
[0067] ФИГ.14 представляет собой столбчатую диаграмму АМОЕ (модуль упругости) после 48-часового смачивания панелей, изготовленных с применением керамических микросфер и полным или частичным замещением керамических микросфер вспученным перлитом согласно настоящему изобретению.
[0068] ФИГ.15 представляет собой столбчатую диаграмму сопротивление сдвигу крепежа в сухом состоянии для образцов из панелей, изготовленных с применением керамических микросфер и полным или частичным замещением керамических микросфер вспученным перлитом согласно настоящему изобретению.
[0069] ФИГ.16 представляет собой столбчатую диаграмму сопротивление сдвигу крепежа в мокром состоянии для образцов из панелей, изготовленных с применением керамических микросфер и полным или частичным замещением керамических микросфер вспученным перлитом согласно настоящему изобретению.
[0070] ФИГ.17 представляет собой столбчатую диаграмму несущей способности образцов из панелей, изготовленных с применением керамических микросфер и полным или частичным замещением керамических микросфер вспученным перлитом согласно настоящему изобретению.
[0071] ФИГ.18 представляет собой столбчатую диаграмму предела усадки осадки для панелей, изготовленных с применением керамических микросфер и полным или частичным замещением керамических микросфер вспученным перлитом согласно настоящему изобретению.
[0072] ФИГ.19 представляет собой столбчатую диаграмму водопоглощения для образцов из панелей, изготовленных с применением керамических микросфер и полным или частичным замещением керамических микросфер вспученным перлитом согласно настоящему изобретению.
[0073] ФИГ.20 представляет собой столбчатую диаграмму для линейного расширения для образцов из панелей, изготовленных с применением керамических микросфер с частичным и полным замещением керамических микросфер вспученным перлитом согласно настоящему изобретению.
[0074] ФИГ.21 представляет собой график для кривых зависимости температуры от времени для образцов панелей, изготовленных с применением керамических микросфер и полным и частичным замещением керамических микросфер вспученным перлитом согласно настоящему изобретению, подвергнутым воздействию температуры в 500°C.
[0075] ФИГ.22 представляет собой график для кривых зависимости температуры от времени для панелей, изготовленных с применением керамических микросфер и полным и частичным замещением керамических микросфер вспученным перлитом согласно настоящему изобретению, испытанных на небольших горизонтальных печах.
[0076] ФИГ.23 представляет собой график осадки конуса в дюймах как функцию времени для цементных композиций согласно настоящему изобретению, содержащих покрытый перлит, по сравнению с аналогичными композициями, содержащими не покрытый оболочкой перлит.
[0077] ФИГ.24 представляет собой график плотности как функцию времени для цементных композиций согласно настоящему изобретению, содержащих покрытый перлит, по сравнению с аналогичными композициями, содержащими не покрытый оболочкой перлит.
[0078] ФИГ.25 представляет собой столбчатую диаграмму осадки конуса как функцию времени для композиций согласно настоящему изобретению, содержащих керамические микросферы, по сравнению с покрытым перлитом согласно настоящему изобретению, изготовленных с применением сходных доз суперпластификатора.
[0079] ФИГ.26 представляет собой фотографию легкого покрытого вспученного перлита, применяемого в панели согласно настоящему изобретению.
[0080] ФИГ.27 представляет собой фотографию измельченных частиц перлита, показывающая ячеистую микроструктуру перлита согласно настоящему изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0081] ФИГ.1 представляет собой схематичное изображения вида в перспективе однослойной КЦП 20 согласно настоящему изобретению. Основные исходные материалы, применяемые для получения таких КПЦ, представляют собой неорганическое вяжущее, например, альфа-полугидрат сульфата кальция, гидравлический цемент и пуццолановые материалы, легкий заменитель в виде покрытого вспученного перлита и, необязательно, дополнительные керамические микросферы или стеклянные микросферы, а также суперпластификатор, например, полинафталин-сульфонаты и/или полиакрилаты, воду и необязательные добавки.
[0082] При необходимости панель может состоять из одного слоя, как показано на ФИГ.1. Тем не менее, панель обычно изготавливают способом, при котором наносят множественные слои, которые, в зависимости от того, как наносят и отверждают слои, а также имеют ли слои одинаковый или различный состав, могут или не могут сохранять отчетливую границу между слоями в конечном продукте панели. Многослойная структура панели 21, имеющей слои 22, 24, 26 и 28, показана на ФИГ.2. В многослойной структуре состав слоев может быть одинаковым или различным. Обычная толщина слоя (слоев) варьирует от примерно 1/32 до 1,0 дюйма (примерно от 0,75 до 25,4 мм). В случае, если применяют только один внешний слой, он обычно составляет менее 3/8 от общей толщины панели.
Полугидрат сульфата кальция
4
2
4
2
[0083] Полугидрат сульфата кальция, который можно применять в панелях согласно настоящему изобретению, получают из гипса, минерала, встречающегося в природе (полугидрат сульфата кальция CaSO·2HO). Если не указано иное, «гипс» относится к дигидратной форме сульфата кальция. После добычи сырой гипс подвергают термической обработке с получением способного к отверждению сульфата кальция, который может быть безводным, но чаще представляет собой полугидрат CaSO·1/2HO. Для известных случаев конечного применения сульфат кальция, способный к отверждению, реагирует с водой с отверждением, образуя дигидрат (гипс). Полугидрат имеет две общепринятых модификации, называемых альфа-полугидрат и бета-полугидрат. Их выбирают для различных применений на основании их физических свойств и стоимости. Обе формы реагируют с водой с образованием дигидрата сульфата кальция. После гидратации альфа-полугидрат характеризуется образованием кристаллов гипса, стороны которых имеют прямоугольную форму, а бета-полугидрат характеризуется образованием кристаллов гипса игольчатой формы, обычно с большим аспектным отношением. Согласно настоящему изобретению могут применяться любая из или обе формы альфа и бета в зависимости от желаемой механической характеристики. Бета-полугидрат образует менее плотные микроструктуры и предпочтителен для продуктов с низкой плотностью. Альфа-полугидрат образует менее плотные микроструктуры, обладающие более высокой прочностью и плотностью, чем те, которые образует бета-полугидрат. Таким образом, альфа-полугидрат может быть заменен бета-полугидратом для повышения прочности и плотности или их можно комбинировать для регулировки свойств.
[0084] Типичный вариант реализации для неорганического связующего, применяемого для получения панелей согласно настоящему изобретению, включает гидравлический цемент, такой как портландцемент, высокоалюминатный цемент, портландцемент с примесью пуццоланы или их смеси.
[0085] Другой типичный вариант реализации для неорганического связующего применяемого для получения панелей согласно настоящему изобретению, включает смесь, содержащую альфа-полугидрат сульфата кальция, гидравлический цемент, пуццолану и известь. Гидравлический цемент
[0086] ASTM (Американское общество специалистов по испытаниям и материалам) определяет «гидравлический цемент» следующим образом: цемент, который схватывается и затвердевает путем взаимодействия с водой и может делать это под водой. Существует несколько типов гидравлического цемента, которые применяют в строительстве. Примеры гидравлических цементов включают портландцемент, шлаковые цементы, такие как шлакопортландцемент и сульфатно-шлаковые цементы, цемент на основе сульфоалюмината кальция, расширяющиеся цементы, белый цемент и быстросхватывающиеся и быстротвердеющие цементы. Несмотря на то, что полугидрат сульфата кальция схватывается и отверждается путем химического взаимодействия с водой, он не включен в широкое определение гидравлических цементов в контексте настоящего изобретения. Все вышеупомянутые гидравлические цементы можно применять для получения панелей согласно настоящему изобретению.
2,,
3
2
2
2
3
3
2
3
2
3
4
[0087] Наиболее популярный и распространенный цемент в группе родственных гидравлических цементов известен как портландцемент. В стандарте ASTM C 150 «портландцемент» определен как гидравлический цемент, получаемый путем тонкого измельчения клинкера, состоящий преимущественно из гидравлических силикатов кальция, обычно содержащий одну или более форм сульфата кальция в качестве неотъемлемого компонента. Для производства портландцемента однородную смесь извести, аргиллитовой породы и глины раскаляют в печи для получения клинкера, который затем подвергают дальнейшей обработке. В результате получают следующие четыре основных фазы портландцемента: трехкальциевый силикат (CaO·SiO также называемый CS), двухкальциевый силикат (2CaO·SiO, называемый CS), трехкальциевый алюминат (3CaO·AlO или CA) и четырехкальциевый алюмоферрит (4CaO·AlO·FeO или CAF). Другие соединения, присутствующие в портландцементе в небольших количествах, включают сульфат кальция и другие двойные соли щелочных сульфатов, оксид кальция и оксид магния. Из различных общеизвестных классов портландцемента, портландцемент типа III (по классификации ASTM) является предпочтительным для изготовления панелей согласно настоящему изобретению, поскольку из-за тонкости помола он, как было обнаружено, обеспечивает большую прочность. Другие общеизвестные классы гидравлических цементов включают шлаковые цементы, такие как шлакопортландцемент и сульфатно-шлаковые цементы, цемент на основе сульфоалюмината кальция, расширяющиеся цементы, белый цемент и быстросхватывающиеся и быстротвердеющие цементы, такие как цемент с нормированным сроком схватывания и цемент VHE, и другие типы портландцемента также могут быть успешно использованы для изготовления панелей согласно настоящему изобретению. Шлаковые цементы и цемент на основе сульфоалюмината кальция обладают низкой щелочностью и также являются подходящими для изготовления панелей согласно настоящему изобретению.
[0088] Следует понимать, что в настоящем контексте термин "гидравлический цемент" не включает гипс, прочность которого не нарастает под водой, несмотря на то, что обычно портландцемент содержит какой-либо гипс.
2
2
[0089] При изготовлении цементных панелей портландцемент обычно находится в виде очень тонких частиц, таких, что удельная поверхность частицы составляет более 4000 см/грамм и обычно от 5000 до 6000 см/грамм, согласно измерениям по методу удельной поверхности по Блейну (ASTM C 204). Из различных общеизвестных классов портландцемента обычно наиболее предпочтителен в цементном реакционно-способном порошке цементных композиций портландцемент типа III из-за его относительно более быстрой реактивности и интенсивного раннего нарастания прочности.
[0090] Согласно настоящему изобретению необходимость применения портландцемента типа III сведена к минимуму и относительно быстрое раннее нарастание прочности может быть обеспечено с применением других цементов вместо портландцемента типа III. Другие признанные типы цементов, которые могут применяться для замены или дополнения портландцемента типа III в композиции согласно настоящему изобретению, включают портландцемент типа I или другие гидравлические цементы, включая белый цемент, шлаковые цементы, такие как шлакопортландцемент, цементы, смешанные с пуццоланой, расширяющиеся цементы, сульфоалюминатные цементы и тампонажные цементы.
Волокна
[0091] Стекловолокна традиционно применяют как изоляционный материал, но их также применяют в качестве армирующих материалов с различными матрицами. Сами волокна обеспечивают прочность на растяжение материалам, которые в противном случае могут быть подвержены хрупкому разрушению. Волокна могут рваться под нагрузкой, но обычный характер разрушения композитов, содержащих стекловолокна, вызван изнашиванием и разрушением связи между волокнами и материалом непрерывной фазы. Таким образом, такие связи важны, если от армирующих волокон требуется сохранять вязкость и увеличивать прочность композита с течением времени. Обычно применяют щелочестойкие стекловолокна (ЩС стекловолокна), например Nippon Electric Glass (NEG) 350Y. Такие волокна, как обнаружено, обеспечивают превосходную прочность адгезии с матрицей и, таким образом, являются предпочтительными для панелей согласно настоящему изобретению.
[0092] Стекловолокна обычно представляют собой моноволокна с диаметром от примерно 5 до 25 микронов (микрометров), чаще с диаметром от примерно 10 до 15 микронов (микрометров). Волокна обычно соединены в пряди по 100 волокон, которые могут быть связаны в пучки, содержащие примерно 50 прядей. Пряди или пучки в общем случае режут на подходящие нити и пучки нитей, например, от примерно 0,25 до 3 дюймов (от 6,3 до 76 мм) диной, обычно от 0,25 до 2 дюймов (от 6,3 до 50 мм) или от 1 до 2 дюймов (от 25 до 50 мм) длиной. Волокна характеризуются хаотичной направленностью, обеспечивая изотропное механическое поведение в плоскости панели.
[0093] Также возможно включать другие несгораемые волокна в панели согласно настоящему изобретению, например, стальные волокна также потенциально могут быть добавлены.
[0094] Для обеспечения несгораемости какой-либо вариант реализации может характеризоваться отсутствием полимерных волокон.
Пуццолановые материалы
[0095] Как упоминалось выше, большинство портландцементов и других гидравлических цементов образуют известь во время гидратации (отверждения). Желательно обеспечить вступление извести в реакцию для того, чтобы уменьшить атаку на стекловолокна. Также известно, что, если присутствует полугидрат сульфата кальция, он реагирует с трехкальциевым алюминатом в цементе с образованием эттрингита, что может привести к нежелательному возникновению трещин в отвержденном продукте. Это явление в данной области техники часто называют «сульфатной коррозией». Такие реакции можно предупредить путем добавления «пуццолановых» материалов, которые определены в стандарте ASTM C618-97 как "…кремнистые или кремнистые и алюминатные материалы, которые сами по себе обладают малой или не обладают никакой цементирующей ценностью, но в тонкоизмельченном виде и в присутствии влаги вступают в химическую реакцию с гидроксидом кальция при нормальных температурах с образованием соединений, обладающих цементирующими свойствами." Одним из часто применяемых пуццолановых материалов является кремнеземная пыль, тонкоизмельченный аморфный кремнезем, который является продуктом производства металлического кремния и сплава кремния с железом. Обычно она характеризуется высоким содержанием кремнезема и низким содержанием окиси алюминия. О различных натуральных и искусственных материалах говорят как об имеющих пуццолановые свойства, включая пемзу, перлит, диатомовую землю, туф, трасс, метакаолин, микрокремнезем, измельченный гранулированный доменный шлак и золу-унос. Кремнеземная пыль является пуццоланой, особенно удобной для применения в панелях согласно настоящему изобретению, но могут применяться другие пуццолановые материалы. По сравнению с кремнеземной пылью, метакаолин, измельченный гранулированный доменный шлак и измельченная зола-унос характеризуются намного меньшим содержанием кремнезема и большими количествами окиси алюминия, но могут быть эффективными пуццолановыми материалами. При применении кремнеземной пыли она составляет от примерно 5 до 30 масс.%, предпочтительно от 10 до 15 масс.% реакционно-способных порошков (т.е., гидравлического цемента, альфа-полугидрата сульфата кальция, кремнеземной пыли-уноса и извести). При замене другими пуццоланами применяемые количества будут выбраны так, чтобы обеспечить химические свойства, схожие со свойствами кремнеземной пыли.
[0096] Смесь цементных реакционно-способных порошков цементной композиции может содержать большие количества минеральных добавок, таких как пуццолановые материалы и/или непуццолановые наполнители, например, карбонат кальция, слюду, тальк и т.д.
[0097] В стандарте ASTM C618-97 пуццолановые материалы определены как «кремнистые или кремнистые и алюминатные материалы, которые сами по себе обладают малой или не обладают никакой цементирующей ценностью, но в тонкоизмельченном виде и в присутствии влаги вступают в химическую реакцию с гидроксидом кальция при нормальных температурах с образованием соединений, обладающих цементирующими свойствами». О различных натуральных и искусственных материалах говорят как об имеющих пуццолановые свойства. Некоторые примеры пуццолановых материалов включают пемзу, диатомовую землю, кремнеземную пыль, туф, трасс, рисовую шелуху, метакаолин, измельченный гранулированный доменный шлак и золу-унос. Все эти пуццолановые материалы могут применяться либо по отдельности, либо в составе цементного реакционно-способного порошка согласно настоящему изобретению.
[0098] Пемза, применяемая в качестве пуццолановой минеральной добавки, находится в негидратированной форме и подпадает под определение в стандарте ASTM C618-97 пуццолановых материалов как «кремнистых или кремнистых и алюминатных материалов, которые сами по себе обладают малой или не обладают никакой цементирующей ценностью, но в тонкоизмельченном виде и в присутствии влаги вступают в химическую реакцию с гидроксидом кальция при нормальных температурах с образованием соединений, обладающих цементирующими свойствами»
[0099] 3ола-унос является предпочтительной пуццоланой в смеси цементного реакционно-способного порошка согласно настоящему изобретению. Зола-унос, характеризующаяся высоким содержанием оксида кальция и алюмината кальция (такая как зола-унос класса C по стандарту ASTM C618), предпочтительна, как поясняется ниже. Также могут быть включены другие минеральные добавки, такие как карбонат кальция, глины и дробленая слюда.
[00100] 3ола-унос представляет собой тонкоизмельченный побочный продукт, образованный во время сжигания угля. Котлы энергетических установок электростанция, сжигающие измельченный уголь, производят наиболее коммерчески доступную золу-унос. Эта зола-унос состоит, главным образом, из стекловидных сферических частиц, а также осадков гематита и магнетита, сажи и некоторых кристаллических фаз, образовавшихся во время охлаждения. Структура, состав и свойства частиц золы-уноса зависят от структуры и состава угля и процессов сжигания, посредством которых образуется зола. По стандарту ASTM С618 признают два основных класса золы для применения в производстве бетона - класс C и класс F. Зола этих двух классов происходит от различных типов угля, которые являются результатом различий в процессах образовании угля, происходивших в соответствующие геологические периода. Золу класса F обычно получают при сгорании антрацита или битуминозного угля, а золу класса C обычно получают из лигнита или полубитуминозного угля.
2
2
3
2
3
[00101] По стандарту ASTM C618 различают золу-унос класса F и класса С главным образом в соответствии с их пуццолановыми свойствами. Соответственно, по стандарту основное различие в технических характеристиках золы-уноса класса F и золы-уноса класса C состоит в том, что минимальное содержание SiO+AlO+FeO для золы-уноса класса F составляет 70%, а для золы-уноса класса С составляет 50%. Таким образом, зола-унос класса F является в большей мере пуццолановой, чем зола-унос класса C. Хотя это явно не сказано в стандарте ASTM C618, зола-унос класса С обычно характеризуется высоким содержанием оксида кальция. Наличие высокого содержания оксида кальция наделяет золу-унос класса C цементирующими свойствами, приводящими к образованию гидратов силиката кальция и алюмината кальция при смешивании с водой. Как будет видно из нижеприведенных примеров, зола-унос класса C, как было обнаружено, обеспечивает лучшие результаты, в особенности в предпочтительных составах, в которых цемент с высоким содержанием окиси алюминия и гипс не применяются.
Покрытый оболочкой химическим способом вспученный перлит
[00102]Легкие панели, применяемые в системах согласно настоящему изобретению, обычно обладают плотностью от 50 до 100 фунтов на кубический фут, предпочтительно от 65 до 85 фунтов на кубический фут, более предпочтительно от 70 до 80 фунтов на кубический фут. Для сравнения, обычные панели на основе портландцемента без древесного волокна имеют плотность в диапазоне от 95 до 110 фунтов на кубический фут, в то время как плотность панелей на основе портландцемента с древесными волокнами будет примерно такой же, как у КЦП (от примерно 65 до 85 фунтов на кубический фут).
3
3
3
[00103] Для обеспечения достижения этих низких плотностей в панели включены легкие покрытые оболочкой частицы наполнителя в виде вспученного перлита. Содержание наполнителя в виде вспученного перлита составляет примерно 2-10 масс.%, примерно 7,5-40 об.% в цементной композиции цементного раствора (в пересчете на сырую массу). Частицы наполнителя в виде вспученного перлита имеют медианный диаметр частиц обычно 20-500 микронов или от 20 до 250 микронов, предпочтительно 20-150 микронов, более предпочтительно 20-90 микронов и наиболее предпочтительно 20-60 микронов. Также наполнитель в виде частиц вспученного перлита имеет эффективную плотность частиц (удельный вес) предпочтительно менее 0,50 г/см, более предпочтительно менее чем 0,40 г/см и наиболее предпочтительно 0,30 г/см.
[00104] Частицы вспученного перлита выполняют важную функцию в составе панелей согласно настоящему изобретению, которое в противном случае было бы тяжелее, чем желательно для строительных панелей.
[00105] Частицы вспученного перлита покрыты гидрофобной оболочкой. Обычно на частицы вспученного перлита наносят химическим способом оболочки из силана, силоксана или силикона.
[00106] Снимок покрытых оболочкой частиц перлита согласно настоящему изобретению, полученный с помощью электронного микроскопа, показан на Фиг.26. Частицы перлита согласно настоящему изобретению не полностью полые, а имеют ячеистую внутреннюю микроструктуру, как показано на снимке, полученном с помощью электронного микроскопа, на Фиг.27. Ячеистую микроструктуру фактически создают тонкие стенки, которые хаотично расположены в полом пространстве частицы перлита. Многочисленные стенки, находящиеся в частице перлита, пересекаются друг с другом произвольно и таким образом делят общий объем частицы на небольшие секции. Указанная ячеистая микроструктура обеспечивает несколько преимуществ частицы перлита и цементной композиции согласно настоящему изобретению. Важные преимущества, обеспечиваемые ячеистой микроструктурой, включают:
1. Пониженное водопоглощение частицы: Поскольку частица внутри разделена на небольшие секции из-за своей ячеистой структуры, движение воды из одной секции в другую внутри частицы затруднено внутренними стенками. В результате абсолютное водопоглощение частицы перлита очень значительно снижается. Частицы перлита с более низким водопоглощением имеют преимущество согласно настоящему изобретению, поскольку они обеспечивают снижение водопотребности цементного раствора и улучшают механические свойства и повышают долговечность конечного продукта.
2. Повышенные жесткость и прочность частиц: стенки ячеек внутри частицы обеспечивают значительное повышение жесткости и прочности частиц. В результате частицы перлита менее подвержены разрушению во время производства, транспортировки и перемещения на различных этапах периода своего существования. Кроме того, относительно высокие жесткость и прочность частиц также чрезвычайно полезны при различных операциях смешивания для получения цементных растворов, при котором частицы подвергаются интенсивному воздействию сдвигающего усилия и дроблению. Высокие жесткость и прочность частиц помогают сохранить целостность частиц в агрессивных условиях смешивания.
[00107] В результате частицы перлита способны сохранять свои легкость и низкое водопоглощение при применении в производстве цементных панелей. Следует отметить, что при дроблении и разрушении частиц перлита плотность частиц значительно повышается, что отрицательно сказывается на легкости и низком водопоглощении.
3
[00108] Перлит может быть покрыт оболочкой из силикона, силана или силоксана, таких как диметилсиликон, диметилдихлорсилан или полидиметилсилоксан. При необходимости можно применять оболочки из титанатов или цирконатов. Обычно оболочки обеспечивают в количестве от 0,01 до 3%, более часто от 0,01 до 2%, по массе из расчета массы без оболочки частицы перлита. Оболочки на перлите обычно представляют собой гидрофобные пленкообразующие соединения с поперечными связями. Типичные силиконы представляют собой органофункциональные силаны с общей формулой R-SiX, причем R выбран из группы, состоящей из алкокси- и ацетокси-, таких как акрилат, метакрилат, глицидокси-, эпокси-, пропокси-, эпоксициклогексан и винил и X выбран из группы, состоящей из галогена, алкокси- и ацетокси-.
[00109] Кроме того, размер наполнителя в виде покрытой оболочкой частицы вспученного перлита создает возможность образования эффективной водонепроницаемой закрытой частицы путем нанесения химической оболочки. Применение выбранного наполнителя в виде покрытого оболочкой вспученного перлита важно для обеспечения получения пригодных для работы и обрабатываемых цементных растворов при низком расходе воды. Более низкое содержание воды в композиции обусловливает получение продукта, имеющего лучшие механические свойства и физические характеристики. Наиболее предпочтительными компонентами химической оболочки для того, чтобы сделать частицы перлита водонепроницаемыми и водоотталкивающими, являются алкилалкоксисиланы. Октилтриэтоксисилан представляет наиболее предпочтительный алкилакоксисилан для покрытия перлита оболочкой для применения в цементных композициях согласно настоящему изобретению.
[00110] Один из предпочтительных коммерчески доступных наполнителей в виде покрытого оболочкой химическим путем перлита представляет собой SIL-CELL 35-23, получаемый от Silbrico Corporation. Частицы перлита SIL-CELL 35-23 химическим способом покрыты оболочкой из соединения алкиалкоксисилан. Другой предпочтительный наполнитель в виде покрытых оболочкой химическим способом частиц перлита представляет собой SIL-CELL 35-34, получаемый от Silbrico Corporation. Частицы перлита SIL-CELL 35-34 также применимы в цементных композициях согласно настоящему изобретению и покрыты соединением силикон. DICAPERL 2010 и DICAPERL 2020 представляют собой другие коммерческие наполнители в виде покрытого оболочкой перлита, выпускаемые Grefco Minerals Inc., которые также предпочтительны согласно настоящему изобретению. Перлит DICAPERL 2010 с соединением алкилалкоксисилан особенно предпочтителен в цементных композициях согласно настоящему изобретению. Перлит DICAPERL 2020, покрытый соединением силикон, также применим в композициях согласно настоящему изобретению.
[00111] Другим весьма полезным свойством перлитовых наполнителей согласно настоящему изобретению является то, что они обнаруживают пуццолановые свойства в силу своего небольшого размера частиц и химической природы, основанной на кремнеземе. Из-за своего пуццоланового поведения выбранные перлитовые наполнители согласно настоящему изобретению улучшают химическую стойкость и устойчивость к воде цементных композитов, при этом формируя поверхность раздела и усиленное связывание с цементными вяжущими и другими ингредиентами, присутствующими в смеси.
[00112] Малый размер частиц перлита в наполнителе согласно настоящему изобретению также обусловливает еще одно чрезвычайно важное преимущество. Выбранные перлитовые наполнители согласно настоящему изобретению увеличивают общее количество очень тонких частиц (менее 75 микронов), присутствующих в композиции. Наличие высокого содержания тонких частиц в композиции чрезвычайно полезно для быстрой обработки армированных волокнами конструкционных цементных панелей, поскольку оно способствует укреплению связи между цементным раствором и армирующим волокном. Укрепление связи между цементным раствором и армирующим волокном приводит к более высоким темпам обработки панелей и лучшему восстановлению продукта.
Дополнительные легкие наполнители/ Микросферы
[00113] Будучи применены в качестве легких наполнителей, микросферы способствуют снижению средней плотности продукта. В случае если микросферы полые, их иногда называют микрошариками.
[00114] Микросферы либо сами по себе являются несгораемыми, либо, если являются сгораемыми, добавляются в весьма небольших количествах для того, чтобы не сделать панель КЦП сгораемой. Обычными легкими наполнителями для включения в смеси, применяемые для изготовления панелей согласно настоящему изобретению выбраны из группы, состоящей из керамических микросфер, полимерных микросфер, стекланных микросфер и/или ценосфер золы-уноса.
2
3
[00115] Керамические микросферы можно производить из различных материалов с применением различных способов производства. Несмотря на то, что в качестве компонента наполнителя в панелях согласно настоящему изобретению могут применяться различные керамические микросферы, предпочтительные керамические микросферы согласно настоящему изобретению производятся как побочный продукт сжигания угля и являются компонентом золы-уноса, обнаруживаемой в топимых углем эгнергетических котлах, например, EXTENDOSPHERES-SG, выпускаемая Kish Company Inc., Mentor, Ohio, или керамические микросферы FILLITE, выпускаемые в Tolsa., Suwanee, Georgia USA. В химическом составе предпочтительных керамических микросфер согласно настоящему изобретению преобладают диоксид кремния, составляющий от примерно 50 до 75 масс.%, и окись алюминия (AlO) в пределах от 15 до 40 масс.%, при этом содержание других веществ составляет до 35 масс.%. Предпочтительными керамическими микросферами согласно настоящему изобретению являются полые внутри сферические частицы с диаметром в диапазоне от 10 до 500 микронов (микрометров), толщина оболочки обычно составляет примерно а shell 10% от диаметра сферы, а плотность частиц предпочтительно составляет от примерно 0,50 до 0,80 г/мл. Прочность при сдавливании предпочтительных керамических микросфер согласно настоящему изобретению составляет более 1500 psi (10,3 мПа) и предпочтительно более 2500 psi (17,2 мПа).
[00116] Предпочтение, отдаваемое керамическим микросферам для панелей согласно настоящему изобретению, обусловлено, в основном, тем, что они примерно в 3-10 раз прочнее, чем большинство микросфер из синтетического стекла. Кроме того, предпочтительные керамические микросферы согласно настоящему изобретению термостойки и обеспечивают повышенную стабильность размеров панели согласно настоящему изобретению. Керамические микросферы находят себе практическое применение в разнообразных других качествах, таких как клеящие вещества, герметизирующие материалы, уплотнители, кровельные составы, ПВХ покрытия пола, краски, промышленные Покрытия и пластиковые композиты с высокой термостойкостью. Несмотря на то, что они являются предпочтительными, следует понимать, что микросферы не обязательно должны быть полыми и сферическими, поскольку именно плотность и прочность на сжатие частиц обеспечивает низкую массу и важные физические свойства панели согласно настоящему изобретению. В качестве альтернативы могут применяться пористые частицы неправильной формы, при условии что полученные панели будут соответствовать желаемым характеристикам.
[00117] Полимерные микросферы, в случае присутствия, обычно представляют собой полые сферы с оболочкой из полимерных материалов, таких как полиакрилонитрил полиметакрилонитрил, поливинилхлорид или их смеси. Оболочка может содержать газ, применяемый для расширения полимерной оболочки во время производства. На внешней поверхности полимерных микросфер может иметься некоторое инертное покрытие, такое как карбонат кальция, оксиды титана, слюда, диоксид кремния и тальк. Полимерные микросферы обладают плотностью частиц предпочтительно от примерно 0,02 до 0,15 г/мл и диаметром в диапазоне от 10 до 350 микронов (микрометров). Присутствие полимерных микросфер может облегчить одновременное достижение низкой плотности панели и повышенной возможности пиления и гвоздимости.
[00118] Другие легкие наполнители, например стеклянные микросферы, полые алюмосиликатные ценосферы или микросферы, полученные из золы-уноса, также являются подходящими для включения в смеси в комбинации с или вместо керамических микросфер, применяемых для изготовления панелей согласно настоящему изобретению.
[00119] Стеклянные микросферы обычно изготовлены из щелочеустойчивых стеклянных материалов и могут быть полыми. Обычные стеклянные микросферы могут быть получены от GYPTEK INC., Suite 135, 16 Midlake Blvd SE, Calgary, AB, T2X 2X7, CANADA.
Другие химические добавки и ингредиенты
[00120] Другие добавки, включая пластифицирующие агенты, такие как суперпластификатор, вещества, регулирующие усадку, модификаторы вязкости цементного раствора (загустители), красители и агенты внутреннего отверждения, могут быть включены по желанию, в зависимости от обрабатываемости и применения цементной композиции согласно настоящему изобретению.
[00121] Химические добавки, такие как пластифицирующие агенты (суперпластификаторы), могут быть включены в композиции согласно настоящему изобретению и добавлены в сухой форме или в форме раствора. Суперпластификаторы способствуют снижению водопотребности смеси. Примеры суперпластификаторов включают полинафталин-сульфонаты, полиакрилаты, поликарбоксилаты, лигносульфонаты, сульфонаты меламина и тому подобное.
[00122] B зависимости от типа применяемого пластификатора массовое отношение суперпластификатора (в пересчете на сухое вещество) к реакционно-способному цементному порошку обычно составляет примерно 2 масс.% или менее, предпочтительно от примерно 0,1 до 1,0 масс.%, более предпочтительно от примерно 0,0 до 0,50 масс.% и наиболее предпочтительно от примерно 0,0 до 0,20 масс.%. Так, например, в случае если пластификатор присутствует в количестве от 0,1 до 1,0 масс.% на каждые 100 фунтов цементного реакционно-способного порошка в смеси, может присутствовать от примерно 0,1 до 1 фунта суперпластификатора.
[00123] Другие химические добавки, такие как вещества, регулирующие усадку, красители, модификаторы вязкости цементного раствора (загустители) и агенты внутреннего отверждения могут также быть добавлены в композиции согласно настоящему изобретению по желанию.
[00124] Наполнители
[00125] Цементная реакционно-способная порошковая смесь согласно настоящему изобретению определяет быстросхватывающийся компонент цементной композиции согласно настоящему изобретению, но специалистам в данной области техники понятно, что в композицию могут быть включены другие материалы в зависимости от ее предполагаемого использования и применения.
[00126] В зависимости от количества применяемого покрытого оболочкой вспученного перлита и выбора дополнительного легкого заменителя массовое отношение легкого заменителя к реакционно-способной порошковой смеси может обычно составлять 2-90%, предпочтительно 4-50% и более предпочтительно 8-40%.
[00127] Влагосодержание наполнителей негативно влияет на время схватывания цементных смесей. Таким образом, наполнители с низким содержанием воды предпочтительны согласно настоящему изобретению.
[00128] Изготовление КЦП
[00129] Компоненты, применяемые для изготовления устойчивых к сдвигу панелей согласно настоящему изобретению, включают гидравлический цемент, альфа-полугидрат сульфата кальция, активную пуццолану, такую как кремнеземная пыль, известь, покрытые оболочкой частицы вспученного гидрофобного перлита, с необязательным включением или без включения полых керамических и стеклянных микросфер щелочеустойчивых стекловолокон, суперпластификатора (например, соли натрия или полинафталин-сульфоната), и воду. Обычно присутствуют как гидравлический цемент, так и альфа-полугидрат сульфата кальция. Долговечность композита подвергается риску, если альфа-полугидрат сульфата кальция не присутствует наряду с диоксидом кремния. Устойчивость к воде/влаге подвергается риску в том случае, если не присутствует портландцемент. В композицию могут быть добавлены в небольших количествах ускорители и/или замедлители схватывания для регулирования характеристик схватывания сырого (т.е., неотвержденного) материала. Типичные неограничивающие примеры добавок включают ускорители схватывания для гидравлического цемента, такие как хлорид кальция, ускорители схватывания для альфа-полугидрата сульфата кальция, такие как гипс, замедлители схватывания, такие как диэтилентриаминпента-уксусная кислота (ДТПК), тартаровая кислота или щелочная соль тартаровой кислоты (например, тартрат калия), агенты, уменьшающие усадку, такие как гликоли. КЦП согласно настоящему изобретению не содержат добавленных вспенивающих агентов и не содержат вовлеченного воздуха.
[00130] Панели согласно настоящему изобретению содержат непрерывную фазу, в которой равномерно распределены щелочеустойчивые стекловолокна и легкий наполнитель, например, микросферы. Непрерывную фазу получают путем отверждения водной смеси реакционно-способных порошков, т.е. смеси гидравлического цемента, альфа-полугидрата сульфата кальция, пуццоланы и извести), предпочтительно содержащей суперпластификатор и/или другие добавки.
[00131] В ТАБЛИЦЕ 1 представлены массовые доли ингредиентов в реакционно-способном порошке (неорганическое вяжущее) согласно настоящему изобретению, например гидравлического цемента, альфа-полугидрата сульфата кальция, пуццоланы и извести, на основании сухой массы 100 частей реактивного порошка.
[00132] В ТАБЛИЦЕ 1А перечислены массовые доли ингредиентов в цементных композициях, которые следует смешать с водой для получения цементных растворов для формирования панелей согласно настоящему изобретению, например, реакционно-способных порошков, наполнителя в виде покрытого оболочкой вспученного перлита и стекловолокон, на основании сухой массы 100 частей реакционно-способного порошка.
[00133] В ТАБЛИЦЕ 1 В перечислены массовые доли ингредиентов в цементных композициях, которые следует смешать с водой для получения цементных растворов для формирования панелей согласно настоящему изобретению, например, реакционно-способных порошков, покрытого оболочкой вспученного перлита и стекловолокон для случая,
ТАБЛИЦА 1A
Массовая доля цементной композиции (%, в пересчете на сухое вещество)
Цементная композиция
Широкая (%, в пересчете на сухое вещество)
Обычная (%, в пересчете на сухое вещество)
Предпочтительная (%, в пересчете на сухое вещество)
Реакционно-способный порошок
60-95
70-93
80-90
Покрытый оболочкой вспученный перлит
3-25
4-20
7-15
Стекловолокна
3-16
4-10
5-8
когда керамические микросферы также применяют в качестве наполнителя, на основании сухой массы 100 частей реакционно-способного порошка.
[00134]
ТАБЛИЦА 1
Массовая доля реактивного порошка (%, в пересчете на сухое вещество)
Реакционно-способный порошок
Массовая доля (%, в пересчете на сухое вещество)
Широкая
Обычная
Предпочтительная
Альфа-полугидрат сульфата кальция
от 25 до 75
35-70
45-65
Гидравлический цемент
от 10 до 75
15-60
20-50
Известь
от 0 до 3.5
0,2-3,5
0,75-1,25
Пуццолана
от 5 до 30
7,5-25
10-20
[00135]
ТАБЛИЦА 1B
Массовая доля цементной композиции (%, в пересчете на сухое вещество)
Цементная композиция
Широкая (%, в пересчете на сухое вещество)
Обычная (%, в пересчете на сухое вещество)
Предпочтительная (%, в пересчете на сухое вещество)
Реакционно-способный порошок
50-95
65-90
70-85
Покрытый оболочкой вспученный перлит
1-20
2-15
2-6
Керамические микросферы
1-25
5-22
10-20
Стекловолокна
3-16
4-10
5-8
[00136] Известь не требуется во всех составах согласно настоящему изобретению, но было обнаружено, что добавление извести обеспечивает лучшее качество панелей, и обычно ее добавляют в количестве более примерно 0,2 масс.%. Так, в большинстве случаев, количество извести в реакционно-способных порошках составляет от примерно 0,2 до 3,5 масс.%.
[00137] Согласно вариантам реализации настоящего изобретения в общем случае достаточно несгораемого покрытого оболочкой вспученного перлита, который не содержит фактически несгоревшего углерода и содержит мало полых керамических микросфер, содержащих несгоревший углерод, или не содержит их, для того, чтобы обеспечить сгораемость КЦП.
[00138] Согласно вариантам реализации настоящего изобретения композиции цементного раствора согласно настоящему изобретению не содержат вспенивающих агентов и цементный раствор не требует применения вовлеченного воздуха для снижения плотности панели.
[00139] Панель может быть изготовлена в один слой или в виде множественных слоев. Обычная дозировка воды находится в диапазоне от 35 до 70% по массе реакционно-способных порошков и, в особенности, от более 60% до 70%, когда отношение воды к реакционно-способным порошкам урегулировано так, чтобы понизить плотность панели и улучшить гвоздимость, а типичная дозировка суперпластификатора находится в диапазоне от 1 до 8% по массе реакционно-способных порошков. Предпочтительная толщина внешнего слоя (слоев) находится в диапазоне от 1/32 до 4/32 дюйма (от 0,8 до 3,2 мм), и толщина внешнего слоя при использовании только одного внешнего слоя составляет менее 3/8 от общей толщины панели.
[00140] Согласно многослойным вариантам реализации с одним или более средними слоями и расположенными с противоположных сторон внешними слоями как средний, так и внешний слой (слои) согласно настоящему варианту реализации настоящего изобретения по отдельности имеют такой состав, какой описан выше, например, в ТАБЛИЦАХ 1, 1A и 1B.
[00141] По желанию, по меньшей мере один внешний слой содержит более высокую долю стекловолокон, чем внутренний слой. По желанию, по меньшей мере один внешний слой обладает усиленной гвоздимостью, обусловленной повышением отношения воды к цементу во внешнем слое (слоях) по отношению к внутреннему слою (слоям) и/или изменением количества наполнителя и/или добавлением некоторого количества полимерных микросфер во внешний слой (слои) по отношению к внутреннему слою (слоям). Количество полимерных микросфер при этом слишком мало для того, чтобы панель оставалась несгораемой.
[00143] Изготовление панели согласно настоящему изобретению
[00144] Реакционно-способные порошки, например, смесь гидравлического цемента, альфа-полугидрата сульфата кальция, пуццолана и извести), и легкий наполнитель, например, покрытые частицы вспученного перлита, смешивают в сухом состоянии в подходящем смесителе.
[00145] Затем воду, суперпластификатор (например, поликарбоксилированный эфир) и пуццолан (например, микрокремнезем или метакаолин) смешивают в другом смесителе в течение 1-5 минут. В случае необходимости на данном этапе добавляют ингибитор (например, виннокислый калий) для управления характеристиками затвердевания цементного раствора. В смеситель, содержащий сырые ингредиенты, добавляют сухие ингредиенты и смешивают в течение 2-10 минут для формирования мягкого гомогенного цементного раствора.
[00146] Затем цементный раствор комбинируют со стекловолокном, любым известным способом для получения однородной цементной смеси. Затем формируют цементирующие панели путем заливки цементного раствора, содержащего волокна, в соответствующую литейную форму с заданными формой и размерами. В случае необходимости литейную форму подвергают вибрации для достижения хорошего затвердевания материала в литейной форме. Панели придают необходимые поверхностные отделочные характеристики путем использования соответствующего выглаживающего бруса или кельмы.
[00147] Один из многочисленных способов изготовления многослойных конструкционных цементирующих панелей (КЦП) состоит в следующем следующие. Реакционно-способные порошки (например, смесь гидравлического цемента, альфа-полугидрата сульфата кальция, пуццолана и извести) и легкий наполнитель, содержащий покрытые частицы вспученного перлита, смешивают в сухом состоянии в подходящем смесителе. Затем, воду, суперпластификатор (например, поликарбоксилированный эфир) и пуццолан (например, микрокремнезем или метакаолин) смешивают в другом смесителе в течение 1-5 минут. В случае необходимости на данном этапе добавляют ингибитор (например, виннокислый калий) для управления характеристиками затвердевания цементного раствора. Сухие и влажные ингредиенты перемешивают вместе в смесителе меньше 10 минут для формирования мягкого гомогенного цементного раствора.
[00148] Цементный раствор может быть комбинирован со стекловолокном различными способами для получения однородной смеси. Стекловолокно обычно подается в форме пучков, которые рубят на короткие фрагменты. Согласно предпочтительному варианту реализации цементный раствор и рубленное стекловолокно одновременно распыляют в литейную форму панели. Предпочтительно распыление выполняют множественными проходами для изготовления тонких слоев, предпочтительно до примерно 0,25 дюйма (6,3 мм) толщиной, которые формируются в однородную не имеющую конкретного рельефа панель толщиной 0,25-1 дюйма (6,3-25,4 мм). Например, в одном случае применения панель размером 3×5 футов (0,91×1,52 м) была изготовлена за шесть проходов распылителя в продольном и поперечном направлениях. При осаждении каждого слоя может быть использован накатывающий ролик для достижения плотного контакта цементного раствора и стекловолокна. Слои могут быть выровнены выглаживающим брусом или другим подходящим средством, примененным после этапа накатывания. Обычно для распыления цементного раствора используют сжатый воздух. При выбрасывании из распыляющей форсунки цементный раствор смешивается со стекловолокном, нарубленным из шнура рубильным механизмом, установленном на распылителе. Однородная смесь цементного раствора и стекловолокна осаждается в литейную форму панели, как описано выше.
[00149] В случае необходимости слои наружной поверхности панели могут содержать полимерные микросферы или сформированы иным образом, так что соединительные элементы, используемые для соединения панели к каркасу, могут быть легко введены в панель, если количество полимерных сфер не содержит несгоревший углерод в количествах, которые могут сделать готовую панель горючей. Предпочтительная толщина таких слоев составляет примерно от 1/32 дюйма до 4/32 дюйма (0,8-3,2 мм). Та же процедура, описанная выше, путем использования которой изготовляют средний слой панели, может быть использована для применения наружных слоев панели.
[00150] Другой способ изготовления панелей согласно настоящему изобретению с использованием этапов способа, описанных в патенте США №7,445,738, включен по ссылке в настоящую заявку. В патенте США №7,445,738 описано, как после свободного нанесения одного из исходных слоев рубленых волокон или цементного раствора на перемещающееся полотно, волокна осаждаются на слой цементного раствора. Устройство для заделывания уплотняет волокна, только что осажденные в цементный раствор, после чего добавляют дополнительные слои цементного раствора и затем рубленые волокна, сопровождаемые дальнейшим заделыванием. В случае необходимости процесс повторяют для каждого слоя панели. После завершения панель имеет больше равномерно распределенные элементы волокон, что приводит к относительному повышению прочности панелей без необходимости использования толстых слоев усиливающих волокон в отличие от известных способов изготовления цементирующих панелей.
[00151] В частности, в патенте США №7,445,738 описан многоэтапный способ изготовления многослойных конструкционных цементных панелей, содержащий этапы, на которых: (a) берут перемещающееся полотно, наносят на полотно одно из (b) первого слоя разрыхленных волокон и (c) слоя выполненного с возможностью затвердевания цементного раствора, (d) наносят на указанный цементный раствор второй слой разрыхленных волокон, (e) заделывают второй слой волокон в указанный цементный раствор и (f) повторяют нанесение цементного раствора на этапах (c) и (d) до получения необходимого количества слоев выполненного с возможностью затвердевания усиленного волокном цементного раствора в панели.
[00152] На фиг.3 схематически показан вид сверху устройства, которое является подходящим для осуществления способа, описанного в патенте США №7,445,738. На фиг.3 схематически показана поточная линия 310 для изготовления конструкционных панелей. Поточная линия 310 содержит несущий каркас или формирующий стол 312, имеющий несколько ног 313 или другие опоры. Вдоль несущего каркаса 312 расположен перемещающийся носитель 314, такой как бесконечная резиновая транспортерная лента с мягкой водонепроницаемой поверхностью, однако также может быть использована лента с пористой поверхностью. Как известно, несущий каркас 312 может быть выполнен в форме по меньшей мере одного подобного столу сегмента, который может содержать указанные ноги 313. Несущий каркас 312 также содержит основной ведущий ролик 316, расположенный в дальнем конце 318 каркаса, и ведомый ролик 320, расположенный в ближнем конце 322 каркаса. Кроме того, по меньшей мере одно отслеживающее и/или натягивающее ленту устройство 324 предпочтительно используется для поддержания необходимого натяжения и позиционирования носителя 314 на роликах 316, 320.
[00153] Кроме того, согласно предпочтительному варианту реализации полотно 326, выполненное из крафт-бумаги, прокладочной бумаги и/или материала других видов для изготовления несущего полотна, предназначенного для поддерживания цементного раствор до отверждения, как известно из уровня техники, может быть размещено на носителе 314 для его защиты и/или поддерживания его в чистом состоянии. Однако, также предполагается, что панели, изготовленные с использованием указанной линии 310, формируются непосредственно на носителе 314. В последнем случае может быть использован по меньшей мере один моечный агрегат 328 для промывания ленты. Носитель 314 перемещается вдоль несущего каркаса 312 посредством комбинации двигателей, шкивов, лент или цепей, которые приводят в действие основной ведущий ролик 316, как известно из уровня техники. Предполагается, что скорость носителя 314 может изменяться в зависимости от конкретного случая применения.
[00154] В устройстве, показанном на фиг.3, изготовление конструкционной цементной панели начинается с этапа, на котором выполняют одно из следующего: наносят на полотно 326 слой сыпучих рубленых волокон 330 или слой цементного раствора. Преимущество нанесения волокон 330 перед нанесением в первую очередь цементного раствора состоит в том, что волокна будут замоноличены в наружной поверхности готовой панели. В настоящей линии 310 могут быть предусмотрены различные подающие и рубящие волокно устройства, однако согласно предпочтительному варианту выполнения в системе используется по меньшей мере один держатель 331, поддерживающий несколько катушек 332 со шнуром из стекловолокна, причем из каждой из указанных катушек шнур 334 из волокна подается в рубящую станцию или рубящее устройство, также поименованное как резак 336.
[00155] Резак 336 содержит вращающийся лопастной ролик 338, из которого проходят в радиальном направлении лезвия 340, проходящие поперек ширины носителя 314 и расположенные с возможностью вращения в плотном контакте с упорным роликом 342. Согласно предпочтительному варианту реализации лопастной ролик 338 и упорный ролик 342 расположены относительно близко сближенными, так что вращение лопастного ролика 338 также вызывает вращение упорного ролика 342, однако также может быть использована обратная кинематическая схема. Кроме того, упорный ролик 342 предпочтительно покрыт упругим упорным материалом, о который лезвия 340 рубят шнуры 334 на короткие фрагменты. Расстояние между наружными краями лезвий 340, расположенных на ролике 338, определяет длину рубленых волокон. Как показано на фиг.3, резак 336 расположен над носителем 314 рядом с ближним концом 322 для максимизации продуктивного использования длины поточной линии 310. Поскольку шнуры 334 из стекловолокна являются рублеными, волокна 330 свободно падают на полотно 326 носителя.
[00156] Затем, станция, подающая цементный раствор, или питатель 344 цементного раствора принимают цементный раствор 346 из удаленного смешивающего устройства 347, такого как бункер, бак или тому подобное. Также предполагается, что процесс может начинаться с первоначального нанесения цементного раствора на носитель 314. Цементный раствор предпочтительно состоит из изменяющихся количеств портланд-цемента, гипса, наполнителя, воды, ускорителей, смягчителей, пенообразователей, наполнителей и/или других ингредиентов, описанных выше в настоящей заявке и в перечисленных выше патентах, которые включены по ссылке в настоящую заявку, для изготовления конструкционных цементных панелей. Пропорции указанных ингредиентов, включая удаление некоторых из вышеуказанных ингредиентов или добавление других ингредиентов, могут быть изменены в зависимости от конкретного случая применения.
[00157] Не смотря на то, что в настоящем изобретении могут быть использованы питатели 344 цементного раствора, имеющие различные конструкции, которые равномерно наносят тонкий слой цементного раствора 346 на перемещающийся носитель 314, предпочтительный питатель 344 содержит основной дозирующий ролик 348, расположенный поперек направления перемещения носителя 314. Дополнительный или опорный ролик 350 расположен параллельно рядом с дозирующим роликом 348 для формирования зазора 352 между ними. Пара боковых стенок 354, предпочтительно выполненных из неприлипающего материала, такого как Teflon или ему подобного, препятствуют выходу цементного раствора 346, влитого в область 352, из боковых сторон питателя 344.
[00158] Питатель 344 укладывает ровный, относительно тонкий слой цементного раствора 346 на перемещающийся носитель 314 или полотно 326 носителя. Подходящие толщины слоя находятся в диапазоне примерно 0,05-0,20 дюйма (1,27-5,08 мм). Однако, при четырех слоях, которые являются предпочтительными в предпочтительной конструкционной панели, изготовленной способом согласно настоящему изобретению, и подходящей толщине строительной панели, составляющей примерно 0,5 дюйма (12,7 мм), особенно предпочтительная толщина слоя цементного раствора составляет примерно 0,125 дюйма (3,175).
[00159] Как показано на фиг.3 и 4, для достижения толщины слоя цементного раствора, как описано выше, питатель 344 цементного раствора имеет некоторые особенности. Во-первых, для достижения однородного нанесения цементного раствора 346 по всему полотну 326 указанный цементный раствор доставляют в питатель 344 посредством рукава 356, расположенного в известном снабженном возвратно-поступательным тросовым приводом для бокового перемещения дозаторе 358 с гидравлической подачей. Таким образом, цементный раствор из рукава 356 протекает в питатель 344 при возвратно-поступательном перемещении в поперечном направлении для заполнения резервуара 359, образованного роликами 348, 350 и боковыми стенками 354. Вращение дозирующего ролика 348 вытягивает слой цементного раствора 346 из резервуара.
[00160] Кроме того, отслеживающий толщину или управляющий толщиной ролик 360 расположен немного выше и/или ниже по ходу транспортера вертикальной центральной линии основного дозирующего ролика 348 для регулирования толщины цементного раствора 346, извлеченного из резервуара питателя 357 на наружную поверхность 362 основного дозирующего ролика 348. Также, управляющий толщиной ролик 360 обеспечивает возможность укладки цементных растворов, имеющих различные и постоянно изменяющиеся вязкости. Основной дозирующий ролик 348 вращается в направлении "T" перемещения носителя 314 и полотна носителя 326, причем основной дозирующий ролик 348, опорный ролик 350, а также управляющий толщиной ролик 360 вращаются в одном и том же направлении, в результате чего снижается опасность преждевременного затвердевания цементного раствора на соответствующих перемещающихся наружных поверхностях. Поскольку цементный раствор 346, уложенный на наружную поверхность 362, перемещается в направлении к полотну 326 носителя, поперечный скребок 364, расположенный между основным дозирующим роликом 348 и полотном 326, обеспечивает полную укладку цементного раствора 346 на полотно носителя и не пропускает раствор обратно в зазор 352 и резервуар 359 питателя. Скребок 364 также поддерживает основной дозирующий ролик 348 в чистом состоянии без преждевременно затвердевших фрагментов цементного раствора и обеспечивает относительную однородность полосы стекающего цементного раствора.
[00161] Вторая рубящая станция или резак 366, предпочтительно идентичный резаку 336, расположен ниже по ходу транспортера питателя 344 и предназначен для укладки второго слоя волокон 368 на цементный раствор 346. Согласно предпочтительному варианту реализации резак 366 перемещается посредством тросов 334, соединенных с тем же самым держателем 331, который приводит в действие резак 336. Однако, предполагается, что могут быть использованы отдельные держатели 331 для привода каждого индивидуального резака в зависимости от конкретного случая применения.
[00162] Как показано на фиг.3 и 5, устройство для заделывания, в целом обозначенное позиционным номером 370, взаимодействует с цементным раствором 346 и перемещающимся носителем 314 поточной линии 310 для закатывания волокон 368 в цементный раствор 346. Не смотря на то, что может быть использовано большое количество известных устройств для заделывания, включая помимо прочего вибраторы, кулачковые ролики и т.п., согласно предпочтительному варианту реализации устройство 370 для заделывания содержит по меньшей мере пару в целом параллельных валов 372, смонтированных поперечно по отношению к направлению "Т" перемещения полотна 326 вдоль каркаса 312. Каждый вал 372 снабжен несколькими дисками 374, имеющими относительно большой диаметр, которые в разделены в осевом направлении на валу дисками 376, имеющими уменьшенный диаметр.
[00163] В ходе изготовления конструкционной цементирующей панели валы 372 и диски 374, 376 вращаются вместе вокруг продольной оси вала. Как известно, один или оба из валов 372 могут быть ведущими, и если ведущим является только один из них, другой вал может получать от него момент вращения посредством ленточной, цепной, зубчатой передач или другими известными способами передачи момента для поддерживания соответствующего направления и скорости ведущего вала. Соответствующие диски 374, 376, установленные на расположенных рядом предпочтительно параллельных валах 372, взаимно перекрываются друг с другом для оказания "смешивающего" или "массирующего" действия на цементный раствор, в результате чего предварительно уложенные волокна 368 заделываются в цементный раствор. Кроме того, тесная сближенность и перемещение дисков 372, 374 относительно друг друга препятствуют наращиванию на них цементного раствора 346 и фактически создают эффект "самоочистки", которое существенно сокращает время простоя поточной линии из-за необходимости удаления преждевременно затвердевших фрагментов цементного раствора.
[00164] Взаимно перекрывающиеся отношения дисков 374, 376, расположенных на валах 372, также включают взаимодействие расположенных рядом периферийных областей противоположных разделительных дисков 376, имеющих уменьшенный диаметр, и основных дисков 374, имеющих относительно большой диаметр, которое также способствует самоочистке указанных дисков. Поскольку диски 374, 376 вращаются относительно друг друга в непосредственной близости (но предпочтительно в одном и том же направлении), частицы цементного раствора не могут быть захвачены устройством и отвердеть раньше времени. С использованием двух наборов дисков 374, смещенных относительно друг друга в боковом направлении, цементный раствор 346 подвергается многократным актам разрывания, которые создают эффект "смешивания" и таким образом дополнительно заделывают волокна 368 в цементный раствор 346.
[00165] После заделывания волокон 368 или, иными словами, после прохождения перемещающегося полотна 326 носителя мимо заделывающего устройства 370 первый слой 377 конструкционной цементной панели является завершенным. Согласно предпочтительному варианту реализации высота или толщина первого слоя 377 находится в диапазоне примерно 0,05-0,20 дюйма (1,27-5,08 мм). Было выяснено, что первый слой с толщиной в указанном диапазоне приобретает необходимую прочность и жесткость при его комбинировании с подобными слоями в конструкционной цементной панели. Однако, могут быть использованы другие толщины в зависимости от конкретного случая применения.
[00166] Для изготовления конструкционной цементной панели заданной толщины необходимы дополнительные слои. Для этого второй питатель 378 цементного раствора, по существу идентичный питателю 344, взаимодействует с перемещающимся полотном 314 носителя и предназначен для нанесения дополнительного слоя 380 цементного раствора 346 на существующий слой 377.
[00167] Кроме того, дополнительный резак 382, по существу идентичный резакам 336 и 366, установлен на каркасе 312 для укладывания третьего слоя волокон 384, поданных с держателя (не показан), установленного над каркасом 312 подобно держателю 331. Волокна 384 укладывают на слой 380 цементного раствора и заделывают с использованием второго заделывающего устройства 386. Подобное по конструкции и расположению заделывающему устройству 370, второе заделывающее устройство 386 установлено немного выше перемещающегося полотна носителя 314 таким образом, чтобы первый слой 377 не был нарушен. В результате второй слой 380 цементного раствора и замоноличенных волокон является завершенным.
[00168] Как показано на фиг.3, для нанесения каждого последовательного слоя выполненного с возможностью затвердевания цементного раствора и волокон используется дополнительная станция 378, 402 питателя цементного раствора, с расположенными ниже по ходу транспортера резаком 382, 404 и заделывающим устройством 386, 406, установленными на поточной линии 310. Согласно предпочтительному варианту реализации для изготовления конструкционной цементной панели используются четыре полных слоя (например, панель 21, показанная на фиг.2). После укладки четырех слоев выполненного с возможностью затвердевания цементного раствора с замоноличенными в него волокнами, как описано выше, выполняют профилирование верхней поверхности 396 панели с использование формующего устройства 394, предпочтительно установленного на каркасе 312. Указанные формующие устройства 394 являются известными в области изготовления цементных растворов/панелей и обычно представляют собой пружинные или вибрирующие пластины, которые соответствуют высоте и форме многослойной панели для достижения необходимых размеров.
[00169] Изготовленная панель содержит несколько слоев (например, слоев 22, 24, 26, 28 в панели 21, показанной на фиг.2), которые после затвердевания формируют целостную, армированную волокном массу. Если укладка и размещение волокон в каждом слое осуществлены и поддерживаются в пределах заданных параметров, показанных и описанных ниже, расслаивание завершенной панели фактически является невозможным.
[00170] С этого момента слои цементного раствора начинают затвердевать, и соответствующие панели отделяют друг от друга резаком 398, который согласно предпочтительному варианту реализации является водоструйным резаком. Другие резаки, включая перемещающиеся лезвия, также считаются подходящими для этой операции, при условии, что они создают соответственно ровные края в настоящем панельном композите. Резак 398 расположен относительно линии 310 и каркаса 312 таким образом, что могут быть изготовлены панели необходимой длины, которая может отличаться от длины панелей, изготовление которых показано на фиг.3. Поскольку скорость полотна 314 носителя является относительно небольшой, резак 398 может быть смонтирован с возможностью разрезания перпендикулярно к направлению перемещения полотна 314. При повышенных скоростях изготовления указанные резаки, как известно, монтируются на поточной линии 310 под углом к направлению перемещения полотна. После разрезания отделенные панели 321 складывают для дополнительной обработки, упаковки, хранения и/или отгрузки, как известно из уровня техники.
[00171] Ниже указаны количества волокна и слоев цементного раствора, объемные доли волокон в панели и толщина каждого слоя цементного раствора, а также диаметр волокна, которые влияют на эффективность заделывания волокна. Учитывались следующие параметры:
T
[00172] v= Полный объем композита
s
[00173] v= Полный объем цементного раствора в панели
f
[00174] v= Полный объем волокна в панели
f,l
[00175] v= Полный объем волокна на один слой
T,l
[00176] v= Полный объем композита на один слой
s,l
[00177] v= Полный объем цементного раствора на один слой
l
[00178] N= Общее количество слоев цементного раствора; Общее количество слоев волокна у
f
[00179] V= Полная объемная доля волокна в панели
f
[00180] d= Эквивалентный диаметр отдельного волокна
f
[00181] l= Длина отдельного волокна
[00182] t= Толщина панели
l
[00183] t= Полная толщина одного слоя, содержащего цементный раствор и волокно
s,l
[00184] t= Толщина отдельного слоя цементного раствора
f,l
f1,1
f2,1
[00185] n, n, n= Общее количество волокон в слое волокна
[00186] , , = Полная расчетная площадь поверхности волокон, содержащихся в слое волокна
[00187] , = Расчетная доля площади поверхности волокна для слоя волокна
[00188] Может быть предположено, что панель состоит из равного количества слоев волокна и цементного раствора. Расчетная доля  площади поверхности волокна в слое массива волокна, уложенном поверх отдельного слоя цементного раствора, определяется из следующей математической зависимости:
[00189] ,
f
f
l
s,l
[00190] где V - полная объемная доля волокна в панели, t - полная толщина панели, d - диаметр пряди волокна, N - общее количество слоев волокна, и t - толщина отдельного слоя используемого цементного раствора.
[00191] Соответственно, для достижения высокой эффективности заделывания волокна необходимо поддерживать долю площади поверхности волокна ниже некоторого критического значения. Путем изменения по меньшей мере одной переменной, присутствующей в уравнениях, может быть получена расчетная доля площади поверхности волокна, позволяющая достичь хорошей эффективности заделывания волокна.
[00192] Определены различные переменные, которые влияют на величину расчетной доли площади поверхности волокна, и предложены способы расчета величины "расчетной доли площади поверхности волокна" для достижения хорошей эффективности заделывания волокна. Указанные способы включают изменение по меньшей мере одной из следующих переменных для поддержания расчетной доли площади поверхности волокна ниже критического порогового значения: количество отдельных слоев волокон и цементного раствора, толщины различных слоев цементного раствора и диаметр пряди волокна.
[00193] Предпочтительные величины расчетной доли  площади поверхности волокна являются следующими:
[00194] Предпочтительная расчетная доля площади поверхности волокна, <0,65
[00195] Более предпочтительная расчетная доля площади поверхности волокна, <0,45
f
[00196] Для расчетной объемной доли V волокна в панели достижение вышеуказанных предпочтительных величин расчетной доли площади поверхности волокна можно добиться путем подбора по меньшей мере одной из следующих переменных: общего количества отдельных слоев волокна, толщины отдельных слоев цементного раствора и диаметра пряди волокна. В частности, желательные диапазоны для указанных переменных, содержащие предпочтительные величины расчетной доли площади поверхности волокна, являются следующими:
s,l
[00197] Толщина отдельных слоев цементного раствора в многослойной конструкционной цементной панели, t
s,l
[00198] Предпочтительная толщина отдельных слоев цементного раствора, t≤0,30 дюйма (7,62 мм)
s,l
[00199] Более предпочтительная толщина отдельных слоев цементного раствора, t≤0,20 дюйма (5,08 мм)
s,l
[00200] Наиболее предпочтительная толщина отдельных слоев цементного раствора, t 0,08 дюйма (2,032 мм)
l
[00201] Количество отдельных слоев волокна в многократном слое панели конструкционной цементной панели, N
l
[00202] Предпочтительное количество отдельных слоев волокна, N≥4
l
[00203] Наиболее предпочтительное количество отдельных слоев волокна, N≥6
f
[00204] Диаметр пряди волокна, d
f
[00205] Предпочтительный диаметр пряди волокна, d≥30 текс
f
[00206] Наиболее предпочтительный диаметр пряди волокна, d≥70 текс
СВОЙСТВА
[00207] Система на основе металлического каркаса для изготовления строительных цементирующих панелей согласно настоящему изобретению предпочтительно имеет по меньшей мере одно из свойств, перечисленных в Таблицах 2A-2F. Свойства указаны для панелей толщиной больше 1/2 дюйма (12,7 мм) для случаев применения, показанных в Таблицах 2A-2F.
[00208] ТАБЛИЦЫ
ТАБЛИЦА 2A
РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СОСРЕДОТОЧЕННОЙ НАГРУЗКИ СОГЛАСНО СТАНДАРТУ E 661 ASTM
Физические характеристики
Единица
Необходимое значение
Типичные значения/Диапазон
Примечания
Черный пол
Минимальная статическая сосредоточенная нагрузка. Для номинальных значений пролета 16'' (406,4 мм), 20'' (508 мм) или 24'' (609,6 мм) по осям.
кг (фунт-сила)
Перед воздействием: 182(400) После воздействия: 182(400)
Перед воздействие м: 182-318 (400-700) После воздействия: 182-318 (400-700)
Воздействие осуществлялось согласно Разделу 7.5 стандарта E661 ASTM с использованием момента 75 фут-фунт-сила. Критерий максимального отклонения применяется к статической сосредоточенной нагрузке до и после воздействия. Критерий минимальной нагрузки и максимального отклонения применяется для сухих и влажных условий испытаний. Влажные условия испытания состоят в 7-цневном непрерывном смачивании с последующим выполнение испытания во влажном состоянии.
Максимальное отклонение под нагрузкой менее 91 Кг (200 фунтов). Для номинальных значений пролета 16'' (406,4 мм), 20'' (508 мм) или 24'' (609,6 мм) по осям.
мм (дюймов)
3,2 (0,125)
<3,2 (0,125)
Балочное перекрытие
Минимальная статическая сосредоточенная нагрузка.
кг (фунт-сила)
Перед воздействие м: 250 (550) После воздействия: 182 (400)
Перед воздействием: 250-455 (550-1000) После воздейтвия: 182-318 (400-700)
Воздействие осуществлялось согласно Разделу 7.5 стандарта E661 ASTM с использованием момента 75 фут-фунт-сила. Критерий максимального отклонения применяется к статической сосредоточенной нагрузке до и после воздействия. Критерий минимальной нагрузки и максимального отклонения применяется для
Для номинальных значений пролета 16'' (406,4 мм), 20'' (508 мм) или 24'' (609,6 мм) между осями.
Максимальное отклонение под нагрузкой менее 91 Кг (200 фунтов). Для номинальных значений пролета 16'' (406,4 мм), 20'' (508 мм) или 24" (609,6 мм) по осям.
мм (дюймов)
2,0 (0,078) 2,4 (0,094) 2,7 (0,108)
<2,0 (0,078) <2,4 (0,094) <2,7 (0,108)
сухих и влажных условий испытаний. Влажные условия испытания состоят в 7-дневном непрерывном смачивании с последующим выполнение испытания во влажном состоянии.
Настил крыши
Минимальная статическая сосредоточенная нагрузка. Для номинальных значений пролета 16'' (406,4 мм), 20'' (508 мм) или 24'' (609,6 мм) по осям.
кг (фунт-сила)
Перед воздействием: 182(400) После воздействия: 136(300)
Перед воздействием: 182-318(400-700) После воздействия: 136-227(300-500)
Воздействие осуществлялось согласно Разделу 7.5 стандарта E661 ASTM с использованиеммомента 75 фут-фунт-сила для диапазонов пролетов до 24'' (609,6 мм) по осям и момента 90 фут-фунт-сила для номинального значения пролета 32'' (812,8 мм) по осям. Критерий максимального прогиба применяется к статической сосредоточенной нагрузке до и после воздействия. Критерий минимальной нагрузки и максимального отклонения применяется для сухих и влажных условий испытаний. Влажные условия испытания состоят в 7-дневном непрерывном смачивании с последующим выполнение испытания во влажном состоянии.
ТАБЛИЦА 2C
МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Физические характеристики
Способ испытания
Единица
Минимальное значение
Типичные значения /Диапазон
Примечания
Напольный настил
Момент нагрузки в сухом состоянии. Для номинальных значений пролета 16'' (406,4 мм), 20'' (508 мм) или 24'' (609,6 мм) по осям.
ASTM C1704
Н·м/м (фунт·дюйм/фут)
537 (1450)
667-927(1800-2500)
Критерии для минимального момента нагрузки в сухом и влажном состояниях и минимальной жесткости на изгиб в сухом состоянии применяют к образцам для испытания с напряжением, приложенным параллельно и перпендикулярно продольному размеру образца. Влажные условия испытания состоят в 48-часовом смачивании с последующим выполнением испытания во влажном состоянии.
Момент нагрузки во влажном состоянии Для номинальных значений пролета 16'' (406,4 мм), 20'' (508 мм) или 24'' (609,6 мм) по осям.
ASTM C1704
H·м/м (фунт·дюйм/фут)
376(1015)
482-667 (1300-1800)
Жесткость на изгиб в сухом состоянии. Для номинальных значений пролета 16'' (406,4 мм), 20'' (508 мм) или 24'' (609,6 мм) по осям.
ASTM C1704
Н·м<sup>2</sup>/м (фунт·кв.дюйм/фут)
2100 (223000)47
3295-5178(350000-550000)
Момент нагрузки в сухом состоянии. Для номинальных значений пролета 16''(406,4 мм), 20''(508 мм), 24'' (609,6 мм) по осям. Для номинальных значений пролета 32''(812,8 мм) по осям.
ASTM C1704
Н·м/м (фунт·дюйм/фут)
373(1007)537 (1450)
For<24'': 463-630 (1250-1700) For 32'': 667-927(1800-2500)
Критерии для минимального момента нагрузки в сухом и влажном состояниях и минимальной жесткости на изгиб в сухом состоянии применяют к образцам для испытания с напряжением, приложенным параллельно и перпендикулярно продольному размеру образца. Влажные условия испытания состоят в 48-часовом смачивании с последующим выполнением испытания во влажном состоянии.
Момент нагрузки во влажном состоянии. Для номинальных значений пролета 16'' (406,4 мм), 20'' (508 мм), 24'' (609,6 мм) по осям. Для номинальных значений пролета 32'' (812,8 мм) по осям.
ASTM С 1704
Н·м/м (фунт·дюйм/фут)
261 (705)376(1015)
Для <24'' (609,6 мм): 334-463(900-1250) Для 32" (812,8 мм): 482-667(1300-1800)
Жесткость на изгиб в сухом состоянии. Для номинальных значений пролета 16'' (406,4 мм), 20''(508 мм) или 24'' (609,6 мм) по осям. Для номинальных значений пролета 32''(812,8 мм) по осям.
ASTM C1704
H·м<sup>2</sup>/м (фунт·кв.дюйм/фут)
1215 (129051)2100(223000)
Для <24'' (609,6 мм): 1930-2966 (205000-315000) Для 32'' (812,8 мм): 3295-5178 (350000-550000)
ТАБЛИЦА 2B
РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДЛЯ РАВНОМЕРНОЙ НАГРУЗКИ СОГЛАСНО СТАНДАРТУ Е330 ASTM
Физические характеристики
Единица
Необходимо е значение
Типичные значения /Диапазон
Примечания
Напольный настил
Минимальная окончательная равномерная нагрузка Для номинальных значений пролета 16'' (406,4 мм), 20'' (508 мм) или 24'' (609,6 мм) по осям.
кПа (фунтов на кв. фут)
15,8 (330)
>15,8(330)
Критерий минимальной нагрузки и максимального отклонения применяется для сухих и влажных условий испытаний. Влажные условия испытания состоят в 7-дневном непрерывном смачивании с последующим выполнение испытания во влажном состоянии. Критерий максимального отклонения соответствует отклонению (пролет/360)
Максимальное отклонение в 4,8 кПа (100 фунтов на кв. фут) Для номинальных значений пролета по осям: 16'' 20'' 24''
мм (дюймов)
1,1(0,044) 1,3(0,053) 1,7(0,067)
<1,1 (0,044) <1,3 (0,053) <1,7 (0,067)
Настил крыши
Минимальная окончательная равномерная нагрузка Для номинальных значений пролета 16''(406,4 мм), 20''(508 мм) или 24''(609,6 мм) или 32''(812,8 мм) по осям.
кПа (фунтов на кв. фут)
7,2(150)
>7,2 (150)
Критерий минимальной нагрузки и максимального отклонения применяется для сухих и влажных условий испытаний. Влажные условия испытания состоят в 7-дневном непрерывном смачивании с последующим выполнение испытания во влажном состоянии. Критерий максимального
Максимальное отклонение при 1,7 кПа (35 фунтов на кв. фут) Для номинальных значений пролета 16''(406,4 мм), 20''(508 мм) или 24''(609,6 мм) или 32''(812,8 мм) по осям.
мм (дюймов)
1,7(0,067) 2,0 (0,080) 2,5 (0,100) 3,4 (0,133)
<1,7(0,067) <2,0(0,080) <2,5(0,100) <3,4(0,133)
отклонения соответствует отклонению (пролет/240)
ТАБЛИЦА 2D
КРЕПЕЖНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Физические характеристики
Способ испытания
единица
минимальное значение
Типичные значения /Диапазон
Примечания
Сопротивление поперечной нагрузке В сухом состоянии Во влажном состоянии
АРА PS2-04, Раздел 7.4
кг(фунт)
96(210) 73 (160)
159-227 (350-500) 91-159 (200-350)
Поперечные нагрузки должны быть определены в машинном направлении и в направлении, поперечном машинному. Влажные условия испытания состоят в 7-дневном непрерывном смачивании с последующим выполнение испытания во влажном состоянии.
Прочность на разрыв В сухом состоянии Во влажном состоянии
ASTM D103 7, Раздел 54-60
кг(фунт)
91(200) 68(150)
227-45 (500-1000) 170-341 (375-750)
ТАБЛИЦА 2E
ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Физические характеристики
Способ испытания
Единица
Минимальное значение
Типичные значения /Диапазон
Примечания
Линейное расширение
ASTM C1185
%
0,1 макс.
<0,1
Толщина набухания
ASTM D1037, способ В
%
3 макс.
<1
Водопоглощение
ASTM C1704
%
15 макс.
4-12
Замораживание/оттаивание
ASTM C1185
%
75 миним.
>90
Критерии характеристики основаны на сохранении прочности, выраженном в процентах, после 50 циклов замораживания-размораживания
Долговечность
ASTM C1185
%
75 мин.
80-120
Критерии характеристики основаны на выраженном в процентах сохранении прочности после 56-дневного выдерживания в воде при 140°F (60°C)
Водоустойчивость
ASTM C1185
%
70 мин.
70-85
Критерии характеристики основаны на выраженном в процентах сохранении прочности после 48-часового. выдерживания в воде при комнатной температуре
Формуемость
ASTM D 3273
10 мин.
10
ТАБЛИЦА 2FГОРЮЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Физические характеристики
Способ испытания
Единица
Целевое значение
Типичные значения/Диапазон
Примечания
Негорючесть
ASTM E136
Повышение температуры
<30°C(54°F)
<30°C(54°F)
Критерии характеристики основаны на поверхности и внутри испытательных образцов
Потери веса
<50%
<50%
Воспламенение?
Не воспламеняется
Не воспламеняется
Поверхностное горение
ASTM E84
Распространение пламени
0
0
Дымообразование
<5
<5
[00209] Панели согласно настоящему изобретению обычно имеют номинальный предел прочности при поперечном сдвиге (предел прочности при сдвиге) по меньшей мере 200 фунтов на линейный фут (297 кг/м), предпочтительно 720 фунтов на линейный фут (1072 кг/м). Система, содержащая строительную цементирующую панель толщиной 3/8-3/4 дюйма (9-19 мм), например 1/2 дюйм (12,5 мм), механическим способом и/или посредством адгезива закрепленную по бокам посредством металлического обрамления, при испытании согласно стандарту E-72, ASTM, обычно имеет номинальную стенную прочность на сдвиг (также известную как номинальный предел прочности при поперечном сдвиге) 200-1200, или 400-1200, или 800-1200 фунтов на линейный фут (297-1786, или 595-1786, или 1190-1786 кг/м). Работающие на сдвиг панели согласно настоящему изобретению обычно показывают номинальный предел прочности при поперечном сдвиге (предел прочности при сдвиге) 720 фунтов/фут (1072 кг/м) перед отказом. Например, при использовании для стен номинальный предел прочности при поперечном сдвиге панель толщиной 0,5 дюйма (12,7 мм), измеренная согласно испытательному стандарту ASTM E72 с использованием соответствующих металлических стержней, соединительных элементов, разделительных стоек и разделяющих соединительных элементов, обычно составляет по меньшей мере 720 фунтов на линейный фут (1072 кг/м).
[00210] Номинальный предел прочности при поперечном сдвиге измеряют для определения нагрузки, которую панель может выдержать в пределах допустимого отклонения без разрушения. Номинальное значение сдвига в целом основано на испытании трех идентичных узлов размером 8x8 футов (2,44×2,44 м), т.е. панелей, закрепленных в каркасе. Один край остается неподвижным, в то время как поперечная сила действует на свободный конец сборной конструкции, пока она не перестанет выдерживать приложенную нагрузку и разрушится. Измеренный предел прочности при сдвиге изменяется в зависимости от толщины панели, а так же от размера и расстояния между гвоздями, используемыми в указанной сборной конструкции. Например, типичная сборная конструкция, например, имеющая номинальную толщину 1/2 дюйма (12,7 мм) толстая фанера, прикрепленная гвоздями 8d (описание гвоздя приведено ниже) к имеющим номинальный размер 2×4 дюйма (50,8×101,6 мм) деревянным стойкам, расположенным на расстоянии 16 дюймов (406,4 мм) друг от друга (по центральным линиям), причем гвозди расположены на расстоянии 6 дюймов (152,4 мм) друг от друга по периметру и 12 дюймов (304,8 мм) друг от друга внутри периметра, как ожидается, может показать предел прочности при сдвиге 720 фунтов/футов (1072 кг/м) до разрушения. (Следует отметить, что измеренная прочность изменяется при изменении размеров гвоздей и расстояния между ними, как предусмотрено методом ASTM E72). Указанный предел прочности следует уменьшить на коэффициент запаса прочности, например коэффициент 3, для задания расчетного предела прочности панели при сдвиге.
ПРИМЕРЫ
[00211] В следующих примерах показаны характеристики и преимущества использования тонкослойного вспученного перлита в качестве частичной или полной замены полым керамическим микросферам в типичном составе конструкционной цементной панели. Все смеси содержат, в пересчете на сухое вещество, цементный связующий материал на основе реакционно-способного порошка, состоящий из альфа-полугидрата сульфата кальция, портланд-цемента, микрокремнезема и извести в пропорциях 65%, 22%, 12% и 1% соответственно по весу от всего цементного связующего вещества. В известных составах конструкционной цементной панели, содержащих только керамические микросферы, соотношение наполнителя на основе полых микросфер к связующему веществу обычно составляет 0,44:1,00 по весу.
[00212] В составе согласно настоящему изобретению с тонкоизмельченным вспученным перлитом и дополнительными керамическими микросферами, соотношения между перлитом, керамическими микросферами и связующим веществом составляет 0,053:0,20:1,00 по весу. В предпочтительном составе согласно настоящему изобретению, в котором использован только тонкоизмельченный наполнитель на основе вспученного перлита, соотношение перлита и связующего вещества находится в пределах примерно 0,07-0,15:1,00 по весу. Примеры приведены для демонстрации характеристик и преимуществ, полученных при использовании тонкоизмельченного вспученного перлита в качестве частичной или полной замены полых керамических микросфер в известных составах конструкционной цементной панели. В данном случае используется перлит марки SIL-CELL 35-23 в форме частиц, имеющийся в продаже в компании Silbrico Hodgkins, штат Иллинойс, 60525, который покрыт компаундом на основе алко-алкоксисилана. Все смеси, описанные здесь и используемые в следующих примерах, содержат цементное связующее вещество на основе реакционно-способных порошков в пересчете на сухой материал, альфа-полугидрат сульфата кальция, портландцемент, микрокремнезем и известь в соотношении 65%, 22%, 12% и 1% соответственно по весу от всего цементного связующего вещества.
[00213] В отличие от известных составов конструкционной цементной панели, в которых вода использовалась в весовом соотношении 0,57:1,00 с цементным связующим веществом, весовое соотношение воды с реакционно-способным порошковым цементным связующим веществом согласно настоящему изобретению составляет 0,47:1,00 для состава из перлита и керамических микросфер и 0,44:1,00 для предпочтительного состава, в котором используется покрытый тонкоизмельченный вспученный перлит и отсутствует наполнитель на основе керамических микросфер. Химические добавки, такие как суперпластификатор (поликарбоксилат эфир) для управления водопотребностью и винная кислота для управления усадкой, варьировались в соответствии с задачами конкретного эксперимента.
[00214] В Примерах показано, как составы на основе перлита ведут себя в отношении функциональных требований и как они могут быть доведены до уровня исходного состава или улучшены по сравнению с ним путем использования керамических микросфер для достижения некоторых свойств. Экспериментальные процедуры, относящиеся к каждому примеру, кратко описаны вместе с примером. Везде, где используется термин "перлит", он обозначает вспученный перлит с размером частиц в пределах 1-150 мкм и средним размером частиц примерно 20-60 мкм, например, 40 мкм, покрытых силаном. Сокращение "МС" используется для обозначения керамических микросфер.
Пример 1
[00215] В данном примере показаны свойства цементного раствора смесей, содержащих различные количества перлита в качестве наполнителя по сравнению с исходной смесью, в которой используются керамические микросферы (МС). Типичными интересующими свойствами цементного раствора являются: осадка, плотность цементного раствора, время схватывания и предел прочности при сжатии в различном возрасте (7, 14 и 28 дней). Все ингредиенты смеси были предварительно подготовлены в герметичных полиэтиленовых пакетах для лабораторных условий при температуре 75-80°F (23,9-26,7°C) в течение по меньшей мере 24 часов до смешивания, с последующим смешиванием с использованием смесителя Хобарта на средней скорости для достижения однородной дисперсии. Соотношения ингредиентов в сухих порошках, содержащих цементное связующее вещество и наполнители, указаны выше под заголовками Примеров. Суперпластификатор был добавлен в пропорциях 0,41% по весу от цементного связующего вещества для смесей МС, 0,47% для частичных смесей на основе перлита и 0,53-0,56% для смесей, полностью состоящих из перлита. Винная кислота была добавлена в различных пропорциях в зависимости от конкретного эксперимента.
[00216] Осадка была измерена путем заполнения латунного цилиндра высотой 4 дюйма (10,2 см) и диаметром 2 дюйма (5,1 см) рассматриваемой смесью с выравниванием смеси по верхнему краю цилиндра для удаления лишнего материала, последующим вертикальным подъемом цилиндра в пределах 5 секунд для обеспечения возможности распространения цементного раствора и измерением диаметра образовавшегося оползня цементного раствора. Плотность цементного раствора была измерена путем заполнения цилиндра из пластика высотой 6 дюймов (15,2 см) и диаметром 3 дюйма (7,6 см) смесью с выравниванием смеси по верхнему краю цилиндра для удаления лишнего материала и взвешиванием количества материала в цилиндре. При известном объеме цилиндра была вычислена плотность цементного раствора. Сроки начала и конца схватывания были определены с использованием игл Гилмора по методу ASTM C266, в то время как предел прочности при сжатии был определен с использованием кубиков со стороной 2 дюйма (5,1 см) по методу ASTM C109.
[00217] Осадка смесей, описанных в данном примере для различных дат заливки, показана на фиг.6. В частности, на фиг.6 показана осадка составов, подготовленных с применением керамических микросфер, частичным использованием перлита вместо керамических микросфер и полным использованием перлита (МС= микросфера, Часть = частичный перлит, Полный = полный перлит). Доля винной кислоты в процентах по весу от цементных связующих веществ выражена значениями над столбиками.
[00218] По первым двум столбиком можно сравнить осадку смесей с керамическими микросферами (МС) и с частичным перлитом (Часть).
[00219] По остальным столбикам можно сравнивать осадку смесей с керамическими микросферами (МС) и полным перлитом (Полный) для каждой из различных дат заливки. В целом замечено, что составы перлита могут быть доведены до той же степени первоначальной текучести и удобоукладываемости, которые присущи составам с МС, без необходимости чрезмерного регулирования количества химических добавок (изменения текучести в зависимости от времени будут описаны в Примере 2). Удобоукладываемые смеси могут быть изготовлены путем комбинирования соотношений цементного связующего вещества и добавок, описанных в настоящей заявке.
3
Плотность цементных растворов, показанных на фиг.6, показана на фиг.7. В частности, на фиг.7 показаны плотности составов цементного раствора, подготовленных с использованием керамических микросфер, частичным использованием перлита и полным применением перлита (МС = микросферы, Часть = частичный перлит, Полный = полный перлит). Доля винной кислоты в процентах по весу от цементных связующих веществ выражена значениями над столбиками. Из чертежа видно, что комбинированием соотношений цементного связующего вещества и добавок, описанных в настоящей заявке, могут быть составлены смеси, плотность которых находится в том же диапазоне, что и плотность исходной смеси с наполнителем МС. При коммерческом изготовлении конструкционных цементных панелей обычно используют цементные растворы с плотностью в пределах 78-83 фунтов/куб. фут (1249,44-1329,53 кг/м).
[00220] Времена схватывания обычно оцениваются временем начала схватывания и временем конца схватывания с использованием игл Гилмора по методу ASTM C266. В целях сравнения на фиг.8 показано только начало схватывания для смесей, указанных на фиг.6 и 7. В частности, на фиг.8 показано начало схватывания составов, подготовленных, с использованием керамических микросфер, частичного перлита и полного перлита (МС = микросфера, Часть = частичный перлит, Полный = полный перлит). Доля винной кислоты в процентах по весу от цементных связующих веществ выражена значениями над столбиками.
[00221] В целом, смеси, содержащие перлит (особенно полный перлит) имели тенденцию схватываться быстрее по сравнению со смесями МС, если дозировка винной кислоты в процентах по весу от связующих цементных веществ оставалась постоянной. Однако фактическое время схватывания может быть изменено путем регулирования доли винной кислоты.
[00222] Предел прочности при сжатии кубиков обычно оценивается для различных возрастов после первоначальной заливки (7, 14 и 28 дней). В целях сравнения на фиг.9 показан только 28-дневный предел прочности при сжатии для смесей, показанных на фиг.6-8. В частности, на фиг.9 показан 28-дневный предел прочности при сжатии для составов, подготовленных с использованием керамических микросфер, частичного перлита и полного перлита (МС= микросфера, Часть = частичный перлит, Полный = полный перлит). Дни на фиг.6-9 отражают следующую дозировку винной кислоты как процент по весу от связующих цементных веществ, показанных значениями над столбиками.
2
[00223] Прочность смеси с частичным перлитом находится в тех же пределах, как и прочность смеси с МС. Смеси с полным использованием перлита показали повышенную изменчивость результатов измерений и в некоторых случаях более высокую по сравнением с соответствующей контрольной смесью. Целевой предел прочности при сжатии для цементного раствора для конструкционной цементной -у панели при возрасте 28 дней составил 2500 фунтов на кв. дюйм (175,77 кГ/см), который превышен всеми смесями, описанными в настоящей заявке.
[00224] В целом, как показано в данном примере, обычно измеренные свойства цементного раствора (осадка, плотность, время схватывания и предел прочности при сжатии) для составов, содержащих покрытый наполнитель на основе вспученного перлита согласно настоящему изобретению, или в качестве частичной или полной замены для традиционного используемого наполнителя на основе МС, могут быть отрегулированы таким образом, чтобы обеспечивать те же свойства, что и у составов, традиционно используемых для изготовления конструкционных цементных панелей. Для приспособления конкретной смеси с перлитом к фактическим условиям изготовления требуется минимальная регулировка доли суперпластификатора и винной кислоты.
Пример 2. Динамика потери текучести цементного раствора
[00225] Одним из критических свойств материала при изготовлении конструкционных цементных панелей является потеря текучести цементного раствора. Обычно, на первоначальных этапах формующей линии, на которых смешивают и формуют цементный раствор, необходимо, чтобы цементный раствор имел относительно высокую текучесть, в то время как на последних этапах формующей линии, когда конструкционная цементная панель разрезана и передана на тележку, от материала требуется твердость и очень низкая текучесть (предпочтительно материал уже должен схватиться). Таким образом, желательными являются смеси, отличающиеся повышенными скоростями потери текучести.
[00226] В данном примере были оценены пять смесей (2 с МС и 3 с полным перлитом) при различном содержании винной кислоты. Пропорция цементных связующих веществ для этих смесей была выбрана как описано выше, и суперпластификатор был добавлен с содержанием 0,45% и 0,56% по весу от цементного связующего вещества для смесей с МС и полным перлитом соответственно. Винная кислота была добавлена в пропорции 0,008% и 0,02% по весу от цементного связующего вещества для двух смесей с МС и в пропорции 0,01%, 0,02% и 0,03% по весу от цементного связующего вещества для смесей с полным перлитом. Для указанных пяти смесей были измерены потеря текучести и начало схватывания, и поведение указанных характеристик представлено на фиг.10a, 10b. В частности, на фиг.10a и 10b показана динамика потери текучести смесей с МС и с полным перлитом при различных пропорциях винной кислоты (точки данных на абсциссе представляют время начала схватывания цементных растворов).
[00227] На фиг.10a показана динамика осадки в зависимости от времени для каждой смеси, в то время как на фиг.10b показана осадка в процентах от ее первоначального значения в зависимости от времени для каждой смеси. Указанные точки данных на абсциссе (т.е., при осадке =0) представляют время начала схватывания. Из чертежа понятно, что смеси на основе полного перлита имели тенденцию схватываться немного быстрее по сравнению со смесями на основе МС при одинаковых содержаниях винной кислоты. Более значительным является то, что смеси на основе полного перлита теряли текучесть быстрее в отличие от смесей на основе МС, и указанная потеря текучести оказалась почти нечувствительна к количеству добавленной винной кислоты. Указанная более высокая скорость потери текучести является предпочтительной для изготовления панелей, как описано выше, поскольку она обеспечивает повышенную первоначальную текучесть для формирования и заделывания волокна с последующим быстрым схватыванием материала на конечных этапах. Кроме того, более высокая скорость потери текучести также обеспечивает возможность достижения высоких темпов производства.
Пример 3. Характеристики гибкости усиленных волокном панелей
[00228] В данном примере усиленные стекловолокном цементные панели были изготовлены с использованием составов на основе частичного и полного перлита для оценки изгибных характеристик панели. Сухой порошок, состоящий из цементного связующего вещества и наполнителя (на основе СМ, частично на основе перлита или полностью на основе перлита), был смешан согласно соотношениям, приведенным в разделе "Описание". Рубленое ЩС стекловолокно было добавлено в смесь, так что результирующее содержание волокна в панели составляло 2,5% по объему. Панели были изготовлены с использованием оборудования XY, которое доставляет цементный раствор посредством распыляющего сопла и в то же время также дозирует рубленое стекловолокно с использованием резака, соединенного с распыляющим соплом для цементного раствора. Расход цементного раствора и скорость рубки волокна были откалиброваны таким образом, что результирующее содержание волокна в продукте составило 2,5% по объему. Были изготовлены панели размером 3x6 футов (0,91×1,8 м), которые были разрезаны в сыром состоянии на образцы размером 6×12 дюймов (15,2×30,5 см). Полученные резанием из панелей образцы для испытания были выдержаны во влажных условиях до испытания в течение 14 или 28 дней согласно методу ASTM С 1185. Каждый из тестовых наборов состоял из 6 одинаковых образцов. В общей сложности для дублирования были выполнены два цикла изготовления панелей.
[00229] Изгибные характеристики строительных панелей характеризуются двумя основными параметрами: прочностью и жесткостью. Различные смеси сравнивались на основе предела прочности при разрыве (ППР) и кажущегося модуля упругости (КМУ) путем изменения толщины изготовленных панелей, поскольку указанные параметры являются нормализованными относительно размеров образца для испытания. На фиг.11a, 11b показаны ППР и КМУ для 14-дневных панелей, изготовленных в двух циклах. В частности, на фиг.11а и 11b показаны изгибные характеристики 14-дневных панелей, изготовленных с использованием керамических микросфер, частичного перлита и полного перлита (МС = полностью с микросферами, Часть = частично с перлитом, Полный = полностью на основе перлита).
2
3
2
2
4
[00230] На фиг.12a, 12b показаны ППР и КМУ для 28-дневных панелей, изготовленных в двух циклах. В частности, на фиг.12a и 12b показаны изгибные характеристики 28-дневных панелей, изготовленных с использованием керамических микросфер, частичного перлита и полного перлита (МС= полностью с микросферами, Часть = частично с перлитом, Полный = полностью на основе перлита). Для массива данных был задан доверительный интервал 95%, также показанный на столбиках. Из чертежей видно, что может быть достигнута подобная или более высокая прочность на изгиб (ППР) панелей как при частичной, так и при полной замене МС перлитом в смесях. Данные результаты указывают, что цементная матрица и волокна обеспечивают улучшение адекватных граничных свойств и поведения композита при использовании перлита в качестве наполнителя. Несколько большее изменение наблюдалось в результатах испытания в отношении изгибной жесткости (КМУ). В целом, смеси на основе перлита показали КМУ в том же диапазоне, что и смеси на основе МС, которые показали одинаковую матричную жесткость для всех испытанных смесей. Данные результаты показывают, что составы, содержащие перлит в качестве наполнителя или в качестве частичной или полной замены МС, могут быть использованы для изготовления панелей, имеющих подобные изгибные характеристики. Для сравнения, минимальными техническими требованиями для напольных покрытий являются следующие: 1288 фунтов на квадратный дюйм (90,56 кГ/см) для ППР, что соответствует минимальному моменту нагрузки 1450 фунт-сил на дюйм/фут для панели / дюйма, как установлено в приемных критериях ICC-ES AC-318 и стандарте ASTM С 1705. Минимальные технические требования для КМУ составляют 529 кфунт/дюйм, что соответствует жесткости при изгибе 223000 фунт-сил на дюйм/фут для панели % дюйма, как установлено в приемных критериях ICC-ES АС-318 и стандарте ASTM С 1705. Все протестированные пробы превышают указанные требования.
Пример 4. Прочность во влажном состоянии
[00231] Из панелей, описанных в Примере 3, также были получены образцы для испытания на прочность во влажном состоянии. Это испытание охватывает выдерживание образцов для испытания размером 6×12 дюймов (152,4×304,8 мм) в воде при комнатной температуре в течение 48 часов после 28-дневной выдержки с последующим испытанием на изгиб по методу ASTM С 1185. Затем вычисляют отношение прочности на изгиб во влажном состоянии к прочности на изгиб в сухом состоянии, причем технические требования для типичной панели для напольного покрытия предусматривают запас прочности как минимум 70%. На фиг.13 показана ППР во влажном состоянии для различных смесей в двух испытательных циклах. В частности, на фиг.13 показана ППР после 48-часового смачивания панелей, изготовленных с использованием керамических микросфер, частичным использованием перлита и с полным перлитом (МС = полностью с микросферами, Часть = частично с перлитом, Полный = полностью на основе перлита).
[00232] Из чертежей видно, что панели с перлитом постоянно показывают более высокий ППР чем контрольные панели (различие составляет почти 10-20%). Запас прочности во влажном состоянии для данных панелей, вычисленный как (Среднее значение ППР панели во влажном состоянии)/(Среднее значение ППР 28-дневной панели в сухом состоянии) ×100%, для 6 оцененных панелей показан в Таблице 3. В данной таблице показано, что панели, состав которых содержит покрытый перлит, имеют повышенный запас прочности в мокром состоянии, что указывает на повышенную гидрофобность панелей, изготовленных на основе перлитных составов. Повышенный запас прочности в частности предпочтителен для панелей, подверженных действию влажных условий, таких, например, как во время транспортировки и сборки на стройплощадке.
[00233] На фиг.14 показан КМУ после 48-часового смачивания панелей, изготовленных с использованием керамических микросфер, частичного перлита и полного перлита (МС= полностью с микросферами, Часть = частично с перлитом, Полный = полностью на основе перлита). Не смотря на то, что это не входит в технические требования к изделиям, запас жесткости, основанный на значениях КМУ во влажном состоянии, показанных на фиг.14, также был вычислен и показан в Таблице 4. Из чертежей видно, что смеси на основе перлита обеспечивают повышенные значения запаса жесткости по сравнению со смесями на основе МС.
[00234]
Таблица 3
Запас прочности на изгиб (ППР) во влажном состоянии панелей, изготовленных с использованием керамических микросфер, частичного перлита и с полным перлитом
Тип панели
Первая партия
Вторая партия
МС
77%
83%
Частично с перлитом
87%
94%
Полностью с перлитом
88%
93%
[00235] Как показано в Таблице 3, во влажном состоянии все значения запаса прочности на изгиб для составов согласно настоящему изобретению превышают 70%, которые являются минимальными техническими требованиями, установленными в Приемных Критериях ICC-ES AC-318 и Стандарте ASTM C1705.
[00236]
Таблица 4
Запас жесткости на изгиб (КМУ) во влажном состоянии панелей, изготовленных с использованием керамических микросфер, частичного перлита и с полным перлитом
Тип панели
Первая партия
Вторая партия
МС
89%
98%
Частично с перлитом
107%
121%
Полностью с перлитом
108%
115%
Пример 5. Прочность при замораживании/размораживании
[00237] Из панелей, изготовленных во время первого цикла изготовления, также были получены образцы для испытания на замораживание - размораживание по методу ASTM C1185. Это испытание включает первоначальное выдерживание образцов (6×12 дюймов) (15,2×30,5 см) в воде при комнатной температуре в течение 48 часов, после чего образцы герметизируют и подвергают 50 циклам попеременного замораживания и размораживания, затем выдерживают при температурно-временном режиме, указанном в методике испытания, затем снова в течение 48 часов выдерживают в воде, после чего проводят испытания на изгиб. Затем сравнивают прочность после 50 циклов замораживания-размораживания с прочностью контрольных образцов, которые подвергались только 48-часовому смачиванию в воде при комнатной температуре (Пример 4). Вычисленные значения запаса прочности и жесткости показаны в Таблице 5-1. Указанные значения в целом являются превосходными и составляют приблизительно 100% или больше, что указывает на отсутствие потери характеристик. Запас прочности для типичных коммерческих технических требований, который составляет 75%, значительно превышен для плит на основе всех смесей.
[00238] Как показано в Таблице 5-1, значения запаса прочности на изгиб во влажном состоянии для всех составов согласно настоящему изобретению превышают 75%, т.е., превышают минимальные технические требования, установленные в Приемных Критериях ICC-ES AC-318 и стандарте ASTM C1705.
Таблица 5-1
Запас прочности на изгиб (ППР) и жесткости (КМУ) после 50 циклов замораживания - размораживания для панелей, изготовленных с использованием керамических микросфер, частичного перлита и с полным перлитом
Тип панели
Запас ППР
Запас КМУ
МС
116%
110%
Частично с перлитом
104%
103%
Полностью с перлитом
105%
96%
Пример 6. Долговечность цементного камня
Таблица 6-1
Запас прочности на изгиб (ППР) и жесткости (КМУ) после 56-дневного вымачивания при 140°F (60°C) для панелей, изготовленных с использованием керамических микросфер, частичного перлита и с полным перлитом
Тип панели
Запас ППР
Запас КМУ
МС
119%
108%
Частично с перлитом
106%
97%
Полностью с перлитом
98%
93%
[00240] Испытательные образцы были получены из панелей первого цикла изготовления для испытания долговечности цементного камня по методу ASTM С 1185. Это испытание включает вымачивание образцов (6×12 дюймов) (15,2×30,5 см) при температуре 140°F (60°C) в течение 56 дней с последующим испытанием на изгиб. Затем прочность после завершения горячего смачивания сравнивают с прочностью контрольных образцов, которые подвергались только 48-часовому вымачиванию при комнатной температуре (Пример 4). Для рассматриваемых панелей вычисленные значения запаса прочности и жесткости показаны в Таблице 6-1. Значения запаса прочности в целом являются превосходными и превышают 90%. Для запаса прочности типичное значение согласно техническим требования составляет 75%, что значительно превышается измеренными значениями для плит на основе всех смесей, включая перлитные.
[00241]
[00242] Как показано в Таблице 6-1, значения запаса прочности на изгиб для составов согласно настоящему изобретению превышают 75%, т.е., превышают минимальные технические требования, установленные в Приемных Критериях ICC-ES АС-318 и стандарте ASTM C1705.
Пример 7. Сопротивление сдвигу крепежа
1
1
1
1
4
2
4
2
[00243] Из панелей второго цикла изготовления были получены образцы размером 4×12 дюйма (10,2×30,5 см) для испытания на сопротивление сдвигу крепежа, в котором измеряется сопротивление края панели резанию при боковом сдвиге соединительного элемента. Эта характеристика является ключевой для поведения диафрагмы жесткости напольных панелей. Согласно заданной процедуре, принятой в настоящей заявке для оценки указанной характеристики, сверлят отверстие диаметром / дюйма (0,64 см) в образце для испытания с интервалом / дюйма (1,3 см) на расстоянии 4 дюйма (10,2 см) от края образца. Затем к образцу монтируют стальную пластину, имеющую стойку диаметром / дюйма (0,64 см), вставляя указанную стойку в отверстие в образце. Затем указанную сборную конструкцию из стальной плиты и образца раздвигают для вынужденного разрушения образца на расстояние / дюйма (1,3 см). Максимальную нагрузку, зарегистрированную во время процесса растрещинивания, используют как сопротивление сдвигу крепежа. Это испытание было выполнено на образцах в сухом и влажном состояниях (после 48-часового смачивания). Результаты этого испытания показаны на фиг.15 для сухих образцов и на фиг.16 для влажных образцов. Каждый тестовый набор состоял из 10 одинаковых образцов. На фиг.15 показано сопротивление сдвигу крепежа в сухом состоянии для образцов, полученных из панелей, изготовленных с использованием керамических микросфер, с частичным перлитом и полным перлитом. На фиг.16 показано сопротивление сдвигу крепежа во влажном состоянии для образцов, полученных из панелей, изготовленных с использованием керамических микросфер, с частичным перлитом и полным перлитом.
[00244] На фиг.15 и 16 может быть замечено общее изменение в результатах испытания, вызванное изменением толщины образцов, что непосредственно повлияло на измеренную нагрузку. На графиках также указана средняя толщина образца. Однако, с учетом доверительного интервала 95% может быть замечено, что совокупные наборы по существу являются одинаковыми. В среднем, смесь с полным перлитом показывает самое высокое сопротивление сдвигу крепежа, несмотря на то, что является более тонкой по сравнению со смесями на основе МС. Минимальные коммерческие технические требования для данной характеристики составляют 210 фунтов (в сухом состоянии) и 160 фунтов (во влажном состоянии) в соответствии с минимальными техническими требованиями, установленными в Приемных Критериях ICC-ES AC-318 и стандарте ASTM C1705.
[00245] Результаты для смесей на основе перлита приведены ниже в Таблице 7-1 вместе с соответствующими данными, относящимися к известным легким цементным панелям, приготовленным на основе состава, указанного в Таблице 7-2. Из-за различия в толщине между образцами, значения LFR были нормализованы к толщинам 0,75 дюйма (17,37 мм), как показано в Таблице. В отношении указанной характеристики перлитные составы для конструкционной цементной панели согласно настоящему изобретению показывают четырехкратное превосходство над составами для легких цементных панелей. Одной из основных причин такого превосходства является тип и распределение стекловолокна в продуктах. В случае конструкционной цементной панели свернутые и в случайном порядке рассеянные армирующие волокна обеспечивают более высокую эффективность сдерживания роста трещин во всех направлениях по толщине панели по сравнению с известным ориентированным поверхностным армированием в легких цементных панелях. Различия в конструкции средних слоев между этими двумя продуктами также играют роль в этом различии, поскольку по своему составу конструкционная цементная панель согласно настоящему изобретению является более плотным продуктом. Отношение воды к цементирующем} материалу в сравнении с известной легкой цементной панелью, приведенное в Таблицах 7-1 и 7-2, составляет 0,62.
[00246] Таблица 7-1
Сухой LFR (фунты)
Толщина образца (дюймы)
Нормализованный LFR (фунты)
Состав конструкционной цементной панели - частично перлит
577
0,75
577
Состав конструкционной цементной панели - полностью перлит
636
0,77
562
Легкая цементная панель уровня техники (показанная в Таблице 7-2)
92
0,50
138
[00247]
ТАБЛИЦА 7-2
Ингредиент
Вес, %
Объем, %
Основанное на портландцементе связующее вещество (цементирующий реакционно-способный порошок)<sup>1</sup>
48,3
15,4
Химически покрытый перлит<sup>2</sup>
4,8
18,4
Керамзит и сланцевая глина
16,9
10,7
Всего жидкости<sup>3</sup>
30,0
28,4
Захваченный воздух<sup>4</sup>
-
27,2
1
Портландцемент - 100 частей по весу, зольная пыль - 30 частей по весу и натуральный гипс - 3 частей по весу.
2
Перлит марки Sil-Cel 35-23: Силан, покрытый частицами со средним размером примерно 40 мкм.
3
Всего жидкости в водном растворе сульфата алюминия - 0,10% по весу; триэтаноламин - 0,40% по весу; пластификатор на основе сульфата нафталина - 0,3 0% по весу; и лимоннокислый натрий - 0,20% по весу, причем все весовые проценты приведены к весу связующего вещества на основе на портланд-цемента.
4
Захваченный воздух в композите обеспечивается добавлением поверхностно-активного вещества на основе альфа-сульфоната олефина натрия в количестве 0,0069% по отношению к полному весу.
Пример 8. Прочность при смятии
[00248] Как дополнительно описано ниже в Примере 14, для мелкомасштабного испытания на возгорание были изготовлены усиленные волокнами панели из составов с использованием МС, частичным использованием перлита и полным использованием перлита. Из этих же панелей размером 6×6 дюймов (152×15,2 см) были получены образцы для испытания для оценки прочности при смятии. В этом испытании квадратный стальной блок размером 2×2 дюйма (5,1×5,1 см) с плоскими концами был расположен в центре образца размером 6×6 дюймов (15,2×15,2 см). С использованием универсального испытательного стенда, стальной блок и образец для испытания были предварительно нагружены силой приблизительно 5 фунтов (2,27 кг). Затем стальной блок вдавливали в образец со скоростью 0,012 дюйм/мин (0,3 мм/мин) с одновременным измерением прогиба. Испытание было завершено, когда прогиб образца достиг 0,10 дюйма (25,4 см) при сжатии. После завершения испытания образец был удален, и толщина прессованной и непрессованной областей была измерена для определения "остаточного прогиба".
[00249] Допустимая нагрузка (в фунтах) для различных испытанных образцов показана на фиг.17 при различных уровнях прогиба. На фиг.17 показана допустимая нагрузка для образцов, полученных из панелей, изготовленных с использованием керамических микросфер, частично перлита и полностью перлита.
[00250] На фиг.17 также показаны результаты испытаний фактической коммерческой панели, изготовленной на заводе (с использованием МС), которые приведены для сравнения. Каждый столбик соответствует среднему числу для 5 образцов. В целом, смеси на основе перлита показали результаты, аналогичные результатам для смесей на основе МС, особенно в случае с частичным перлитом. Для случая с полным перлитом заметно большее изменение в результате испытаний, отраженное сравнительно более высокими значениями сниженных прогибах и сравнительно низким значением при более высоких прогибах. Остаточный прогиб, измеренный на указанных образцах, показан на фиг.18, из которого видно, что все испытательные панели (за исключением заводской панели) показали остаточный прогиб в одном и том же диапазоне. Таким образом, из результатов измерений очевидно, что смеси на основе перлита (частичные, или полные) обеспечивают уровни допустимой нагрузки, подобные уровням смесей с МС.
Пример 9. Водопоглощение
[00251] Панели, изготовленные во время второго цикла, были испытаны на водопоглощение. Водопоглощение оценивалось на образцах размером 4×4 дюйма (10,2×10,2 см), отпиленных от панелей в сыром состоянии. Эти образцы для испытания (6 штук в наборе) были размещены в воде при комнатной температуре, и их вес отслеживался в течение 21-дневного периода смачивания. Прирост веса в процентах от начального веса был зарегистрирован как водопоглощение. На фиг.19 показана эта характеристика для трех оцененных смесей, причем водопоглощение показано для образцов, полученных из панелей, изготовленных с использованием керамических микросфер, частично перлит и полностью перлита. На фиг.19 показано, что смеси на основе перлита поглощали значительно меньше воды по сравнению со смесью на основе микросфер (смесь с МС) в ходе испытания. Поглощение за первый час, которое является показательным для тенденции поглощения воды при контакте, составило 5,0% (МС), 3,1% (Часть) и 2,5% (Полностью). Поглощение за 48 часов составило 8,0% (МС), 5,6% (Часть) и 4,7% (Полностью). Таким образом, за первые 2 дня после контакта с водой водопоглощение для смеси на основе полного перлита составило 50-60% от водопоглощения для смеси с МС. Типичное значение технических требований для водопоглощения за 48 часов составляет 15% максимум в соответствии с минимальными техническими требованиями, установленными в Приемных Критериях ICC-ES AC-318 и стандарте ASTM C1705.
Пример 10. Линейное расширение
[00252] Образцы размером 6×12 дюймов (15,2×30,5 см) были получены из панелей, изготовленных во время циклов изготовления, для испытания линейного расширения по измененной методике испытаний ASTM C1185. Каждый образец для испытания был смонтирован с латунными стойками, установленными попарно на расстоянии 10 дюймов (254 мм) друг от друга на каждой из верхней и нижней поверхностей образца в качестве контрольных точек для измерения изменений длины. Среднее изменение длины, измеренное между верхней и нижней поверхностями образца было зарегистрировано как изменение длины данного конкретного образца. Образцы сначала были уравновешены в сушильном шкафу при температуре 130°F (54°C), пока не достигли стабильной длины (после сжатия), затем погружены в воду при комнатной температуре, пока их длина не стабилизировалась вновь (после расширения). Затем было вычислено линейное расширение как разница длин между сжатым и расширенным положениями, выраженная в процентах от первоначальной длины образца (10 дюймов) (25,4 см). В этом примере каждый набор тестов состоял из 5-6 дубликатов образцов.
[00253] Линейное расширение для оцененных смесей показано на фиг.20. В частности, на фиг.20 показано линейное расширение для образцов, полученных из панелей, изготовленных с использованием керамических микросфер, частично перлита и полностью перлита. На фиг.20 в целом видно, что образцы для смесей на основе перлита имеют повышенную тенденцию к набуханию по сравнению с образцами для смесей с МС. Согласно типовым техническим требованиям, установленным в Приемных Критериях ICC-ES AC-318 и стандарте ASTM C1705, линейное расширение образцов должно составлять максимум 0,10%. Согласно результатам испытания линейное расширение измерялось как разница в процентах длины образца при переходе от равновесных условий при 73±4°F и относительной влажности 30±2% к равновесным условиям при 73±6°F и относительной влажности 90±5%.
[00254] Поскольку условия, в которых образцы находились в данном испытании, были значительно более жесткими по сравнению с описанными в ASTM C1185, смеси, рассмотренные в данном исследовании, как ожидается, должны показать значения расширения ниже представленных на фиг.20, если их испытывать в условиях, описанных в ASTM C1185.
Пример 11. Негорючесть
[00255] В данном примере продемонстрированы характеристики негорючести предложенных составов. Образцы для испытания цементного раствора на основе составов с МС, частично с перлитом и полностью с перлитом, описанные выше в параграфах в начале раздела "Примеры", были подготовлены к испытанию по методу ASTM Е 136. Указанные образцы были снабжены термопарами (внутренними и наружными), размещены в печи при температуре 750°C и нагреты. Регистрировались максимальное увеличение внутренней и наружной температур, а также изменение веса и длительность горения образцов. Результаты указанных испытаний приведены в Таблице 11-1. Для смеси с частичным перлитом были исследованы два варианта: один с обычным количеством суперпластификатора, используемого во всех других оценках для этой смеси, и другой с повышенным количеством суперпластификатора. Требования ASTM E136 для негорючести являются следующими: a) никакая из зарегистрированных температур не должна превышать более чем на 30°C стабилизированную температуру 750°C; b) потери веса должны составлять не более 50%; и с) не должно наблюдаться воспламенение образца после первых 30 секунд. Все испытанные составы соответствуют требованиям негорючести. Однако, рост температуры оказался ниже для смесей на основе перлита по сравнению со смесями, содержащими только микросферы (МС). Например, среднее значение роста внутренней температуры для указанных 3 образцов в каждом наборе составило: 19,7°F (-6.83°C) (для МС), 17,3°F (-9,17°C) (для частичного перлита при пониженном содержании суперпластификатора) и 15,0°F (-9,44°C) (для полного перлита). Улучшенные характеристики негорючести смесей на основе перлита по сравнению со смесями на основе МС можно объяснить отсутствием органического материала, обычно присутствующего в некотором количестве в МС (регистрируемые как потери при прокаливании). Также, составы на основе перлита, в частности с полным перлитом, обеспечивают дополнительное преимущество относительно указанной характеристики негорючести.
[00256] Составы согласно настоящему изобретению отвечают требованиям Приемных Критериев ICC-ES АС-318 и Стандарта ASTM C1705.
[00257] Поскольку условия, в которых образцы были подвергнуты в данном испытании, были значительно суровее по сравнению с описанными в ASTM С 1185, смеси согласно настоящему изобретению, как ожидается, должны показать значения расширения ниже чем представленных на фиг.20 в случае их испытания по методу ASTM С 1185.
ТАБЛИЦА 11-1
Технические требования согласно ASTM Е 136 к характеристикам негорючести образцов для испытания, изготовленных с использованием керамических микросфер (МС), частичным использованием (половина перлита и половина микросфер по весу) и полным использованием перлита.
Образец
Потеря веса, %
Температура (°F)
Горение (секунды)
Годен/Отказ
Исходная Температура печи
Внутри образца
На поверхности образца
Макс.
Прирост
макс.
Прирост
Контрольная смесь, микросферы, порошок марки BASF весу от цемента (10,4 фунта/MSF) Vfelflux РСЕ 267L 0,41% по
Контрольный
24,0
751
771
20
759
8
0
Годен
Контрольный
23,4
750
770
20
760
10
0
Годен
Контрольный
23,5
751
770
19
763
12
0
Годен
Частичная смесь перлита, BASF Melflux РСЕ 267L 0,465% по весу от цемента (14,0 фунт/MSF)
1
25,5
751
773
22
762
11
0
Годен
2
24,3
751
767
746
756
5
0
Годен
3
24,8
751
765
14
755
4
0
Годен
Частичная смесь перлита, BASF Melflux РСЕ 267L 0,56% по весу от цемента (17,2 фунт/MSF)
1
24,5
750
775
25
762
12
0
Годен
2
24,3
750
770
20
761
11
0
Годен
3
24,0
750
777
27
759
9
0
Годен
Смесь с полным перлитом, BASF Melflux фунт/MSF) РСЕ 267L 0,53% по весу от цемента (18,0
Пример 12. Высокотемпературная усадка
[00258] Из панелей, изготовленных во время первого цикла, также были получены образцы для испытания на высокотемпературную усадку. В данном испытании образцы диаметром 4 дюйма (10,2 см), отрезанные от панелей, были размещены в муфельной печи с первоначальной комнатной температурой. Затем печь нагрели до 850°C, для чего обычно требуется примерно 35-40 минут. Затем указанная температура поддерживалась еще в течение примерно 30 минут при полном времени испытания 60-70 минут. Диаметр образца вдоль двух перпендикулярных направлений был измерен до и после испытания, и изменение в процентах к среднему диаметру было принято как "высокотемпературная усадка". Для сравнения, максимальная усадка 5% определена для гипсовых панелей марки Type X FIRECODE. Испытания проводились попарно, причем каждая пара содержала образец на основе смеси с МС и образец на основе смеси с перлитом (частичной или полной). Испытания также проводились в двух отдельных печах, помеченных как PSL и CSL, для анализа воспроизводимости. Результаты усадки и потери веса показаны в Таблице 12-1. В целом замечено, что смеси на основе перлита показали повышенную усадку и потерю веса по сравнению со смесями МС, причем усадка и потеря веса увеличивались при увеличении содержания перлита. Общие значения усадки для смесей с перлитом являются приемлемыми для коммерческого диапазона характеристик, определенного для гипсовых панелей, и также важно то, что по завершении испытания образцы показывали равномерное изменение в объеме и оставались твердыми.
[00259] Таблица 12-1
Таблица 12-1
Характеристики высокотемпературной усадки образцов конструкционной цементной панели, изготовленных с использованием керамических микросфер, частичного перлита и с полным перлитом
Печь
Тип смеси
Средняя усадка, %
Средняя потеря веса, %
ПЕЧЬ PSL
МС
0,74
18,1
Частичный перлит
1,15
22,3
ПЕЧЬ CSL
МС
0,86
18,2
Частичный перлит
1,05
21,7
ПЕЧЬ PSL
МС
0,98
18,8
С полным перлитом
1,92
23,9
ПЕЧЬ CSL
МС
0,84
17,8
С полным перлитом
2,05
23,3
[00260] Таблица 12-2. Характеристики высокотемпературной усадки образцов, полученных из конструкционных цементных панелей, изготовленных с частичным и полным использованием покрытого перлита, показанных в Таблице 12-1, в сравнении с известными легкими цементными панелями, показанным в Таблице 7-2
Тип смеси
Печь
Количество образцов
Средняя усадка, %
КЦП - Частичный Перлит
ПЕЧЬ PSL
3
1,15
КЦП - Частичный Перлит
ПЕЧЬ CSL
3
1,05
КЦП - С полным перлитом
ПЕЧЬ PSL
3
1,92
КЦП - С полным перлитом
ПЕЧЬ CSL
3
2,05
Известная легкая
цементная панель с
ПЕЧЬ PSL
6
2,58
покрытым перлитом
Пример 13. Теплопередача
[00261] Из панелей, изготовленных во время второго цикла, также были получены образцы для испытания на теплопередачу. В данном испытании термопара была "зажата" между двумя дисками диаметром 4 дюйма (10,2 см) из рассматриваемого продукта. Затем указанная сборная конструкция была размещена в муфельной печи, нагретой до 500°C, в течение 120 минут. Температурно-временные данные, измеренные термопарой, были оценены для определения поведения продукта и характеристик. Температурно-временные графики этих испытаний показаны на фиг.21, на котором показаны две дублирующие кривые для каждой смеси. Очевидно, что все смеси показали один и тот же рельеф, согласно которому повышение температуры замедляется при достижении примерно 125°C. После этой плоской части графика температура снова растет до заключительного равновесного состояния фоновой температуры печи. Образцы, изготовленные из смесей на основе перлита, проходят дальше вдоль указанной плоской части графика и таким образом указывают на эффективную задержку роста температуры в образце. Длительность указанной задержки может быть увеличена путем увеличения количества покрытого вспученного перлита в составе смеси. Для характеризования указанной задержки было сравнено время, необходимое для достижения 250°C. Для различных смесей время, необходимое для достижения 250°C, составляло 35 мин для смесей, содержащих МС, 39 мин для смесей с частичным перлитом и 50 мин для смесей с полным перлитом. Составы с перлитом, в частности составы с полным перлитом, являются более эффективными при задержке теплопередачи через образец, что является важным для настильных и стеновых конструкций, подверженных действию высоких температур.
Пример 14. Мелкомасштабное испытание горизонтальной печи
1
4
[00262] Усиленные волокном панели из смесей на основе микросфер (МС) без перлита, с половиной микросфер и половиной перлита (Часть), и с перлитом без микросфер (Полный) были изготовлены для мелкомасштабного испытания горизонтального печи. В данном испытании были смонтированы мелкомасштабные напольные конструкции размером 4x5 футов (1,2×1,5 м) с использованием 16 тонких стальных стоек длиной 9 9/ дюйма (23,5 см) в качестве деталей каркаса. Верхние стойки были покрыты одним слоем испытуемой панели, в то время как нижние стойки были покрыты одним слоем гипсовой панели толщиной 5/8 дюйма (1,6 см). Панели были прикреплены к стойкам посредством винтов-саморезов с рожковыми головками размером 1-5/8×8 дюймов (4,1×20,3 см), расположенными на расстоянии 8 дюймов (20,3 см) друг от друга. На верхней стороне испытательных панелей были монтированы три термопары для регистрации теплопередачи сквозь панель. Вся собранная напольная конструкция была размещена в печи, где она подверглась действию температурно-временных условий по методу ASTM E119 с нижней стороны, и повышение температуры измерялось посредством термопар.
[00263] Результаты данных испытаний представлены на фиг.22, на котором показан усредненный температурно-временной график для термопар, установленных на поверхностях панели. В частности, на фиг.22 показаны температурно-временные кривые для смесей с МС, с частичным перлитом и с полным перлитом для панелей, испытанных в маломасштабной горизонтальной печи. На графике для сравнения также показана кривая испытания фактической коммерческой панели заводского изготовления (в которой использованы только МС). В целом, очевидно, что панели из перлита являются более эффективными в задержке теплопередачи, и указанная задержка может быть увеличена путем увеличения количества перлита. Указанная задержка проявляется в удлинении плоской части графика в интервале температур 200-250°F (93,3-121°C). Для характеристики температурно-временной инерции термопар были определены два временных параметра:
[00264] время, необходимое для достижения усредненной температурой всех термопар значения 325°F (163°C); и время, необходимое для достижения первой отдельной термопары 400°F (204°C). Эти времена подытожены в Таблице 14-1, показывающей, что смеси на основе перлита способствуют увеличению времени, необходимого для достижения указанных температур. В частности, смеси с полным перлитом, замещающим керамические микросферы в панели, увеличивают это время на дополнительные 25-30% в отличие от смесей, содержащих только керамические микросферы. Такое поведение отражает поведение, замеченное в испытании на теплопередачу (Пример 13), в котором смеси с керамическими микросферами, полностью замещенными покрытым вспученным перлитом, имели большой резерв для задержки подъема температуры в материале. Данный пример еще раз доказывает дополнительные преимущества состава с перлитом для высокотемпературных условий фактической напольной сборной конструкции.
ТАБЛИЦА 14-1
Время, необходимое для достижения заданных предельных температур
Панель
Время для достижения:
Средняя температура 325 Т
Индивидуальная температура 400°F
МС
114 мин
126 мин
Частичный перлит
124 мин
138 мин
С полным перлитом
146 мин
160 мин
Пример 15. Сравнение составов цементного раствора, изготовленного с использованием покрытого и непокрытого перлита
[00266] Среди различных свойств цементного раствора в свежем состоянии одним из критических для изготовления конструкционных цементных панелей является осадка. Осадкой называется мера текучести цементного раствора, которая должна поддерживаться в заданных пределах, предпочтительно 5-9 дюймов при измерении способом, описанным в Примере 1. Цементный раствор с осадкой в этом диапазоне является оптимальным для перекачки и размещения на поточной линии, надлежащий растекаемости по формующей ленте, надлежащего смачивания стекловолокна и адекватного разравнивания рейкой для управления профилем и толщиной. Эксперимент проводился для выявления различий в поведении между цементными растворами, изготовленными с покрытыми силаном перлитами и непокрытыми перлитами. В данном примере были подготовлены две смеси с идентичными соотношениями, единственное различие между которыми состояло в типе перлита. Весовое отношение перлита к связующему веществу составляло 0,115:1,00, в то время как весовое отношение воды к связующему веществу составляло 0,45:1,00. Суперпластификатор на основе эфира поликарбоксилата также использовался в пропорции 0,41% по весу от цементного связующего вещества. Обе смеси были изготовлены с весовым соотношением винной кислоты и цементного связующего вещества 0,061, и обе смеси достигли конца схватывания примерно через 45-50 минут.
[00267] На фиг.23 показана осадка, и на фиг.24 показана плотность цементных растворов, изготовленных с покрытыми и непокрытыми перлитами. Различие в текучести отчетливо проявляется в первоначальной осадке, в которой смесь с покрытым перлитом продемонстрировала текучесть в верхней области предпочтительного диапазона, в то время как смесь с непокрытым перлитом показала весьма небольшую текучесть. Через некоторое время цементный раствор с непокрытым перлитом постепенно превратился в густую нетекучую смесь, в то время как цементный раствор с покрытым перлитом поддерживал свою текучесть на приемлемом уровне. Также с течением времени цементный раствор с непокрытым перлитом претерпел увеличение плотности, которое произошло из-за поглощения воды перлитами. Этот пример продемонстрировал преимущества наличия покрытия водоотталкивающего средства на перлите, в результате чего улучшаются общие технологические свойства цементного раствора для изготовления конструкционных цементных панелей.
Пример 16. Водопотребность смесей, изготовленных с Перлитом и керамическими микросферами
[00268] Составы для КЦП, изготовленные с использованием керамических микросфер или покрытого перлита в качестве наполнителя, существенно отличаются друг от друга. Различие в плотностях частиц между указанными двумя наполнителями приводит к различному объемному потреблению другого сырья для поддерживания той же плотности продукта и свойств цементного раствора. Это дополнительно зависит от водоотталкивающего покрытия перлита, которое влияет на взаимодействие между частицами и общие реологические свойства. Одно неожиданное, но важное открытие настоящего изобретения состоит в водопотребности смесей на основе перлита. Описанный в Пример 1 состав для конструкционной цементной панели содержал в качестве наполнителя керамические микросферы, отношение которых к связующему веществу составляло 0,44:1,00 по весу, отношение воды к цементному связующему веществу составляло 0,57:1,00, и пропорция суперпластификатора составляла 0,41% по весу от цементного связующего вещества (для смеси с МС). Отдельные составы, содержащие наполнители перлита, были подготовлены с перлитом к отношениям связующего вещества 0,092, 0,105 и 0,115 по весу, отношение воды к цементному связующему веществу составляло 0,45:1,00 и доля суперпластификатора составляла 0,39% по весу от цементного связующего вещества. Фокус настоящего обсуждения концентрируется на текучести указанных смесей, которую индицирует их осадка, показанная на фиг.25. Примерно при той же пропорции суперпластификатора относительно цементного связующего вещества, по существу более текучие смеси могут быть сформированы с использованием перлита, содержание которого сравнимо с содержанием микросфер. Водоотталкивающее покрытие на частицах перлита, очевидно, способствует дисперсии частиц в цементном растворе, что позволяет повысить текучесть при уменьшенном соотношении воды и цементного связующего вещества. Этот результат был объяснен в предыдущем примере, в котором сопоставлены реологические свойства смесей, изготовленных с покрытым и непокрытым перлитом. Относительно керамических микросфер, это означает, что составы с перлитом могут быть изготовлены с использованием значительно меньшего отношения воды к связующему веществу, что в свою очередь является предпочтительным для прочности и долговечности цементной матрицы.
[00269] Для специалистов в области цементных панелей, включая усиленные волокном конструкционные цементные панели, гипсовые стеновые плиты и гипсоцементные плиты, является очевидным, что в описанных выше вариантах реализации могут быть сделаны различные изменения и модификации без отступления от идеи и объема настоящего изобретения.