СИСТЕМА И СПОСОБ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И НАНЕСЕНИЯ МАТЕРИАЛА НЕ НА ОСНОВЕ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА
SYSTEM AND METHOD FOR MANUFACTURING AND APPLYING A MATERIAL OTHER THAN PORTLAND CEMENT

Перекрестная ссылка на родственную заявку
[001] Настоящая заявка испрашивает приоритет патентной заявки США № 14/705534, поданной 06 мая 2015 г. в Бюро по патентам и товарным знакам США, описание которой во всей своей полноте включается в настоящий документ посредством ссылки.
Область техники
[002] Настоящее изобретение относится к строительным материалам и, более конкретно, к способу изготовления и применения строительных материалов.
Уровень техники
[003] Существующие подходы в областях утилизации отходов, восстановления бетона и строительства могут включать применение торкрет-бетона, который может пневматически наноситься на поверхность при необходимости ремонта или строительства. Указанный торкрет-бетон включает материалы, которые присутствуют в основном бетоне, такие как песок, портландцемент и жидкость. На конкретном рабочем месте указанный торкрет-бетон может присутствовать в форме применения посредством сухого смешивания или влажного смешивания. Выражение "сухое смешивание", как правило, включает пневматический перенос некоторых или всех материалов в сухом состоянии через шланг в сопло, где оператор может регулировать применение жидкости в сухом смешивании в сопле перед нанесением вещества. С другой стороны, выражение "влажное смешивание", как правило, включает перенос предварительно смешанного бетона, включающего жидкость, через перед нанесением.
[004] Некоторые предприятия делали попытки изменения материалов в составе торкрет-бетона в целях получения определенных преимуществ. Соответственно, некоторые подходы могут включать использование геополимеров. Однако указанные материалы часто подвергаются коррозии в результате органического материала, присущего указанным изделиям. Например, Milliken производит разнообразные изделия под товарными знаками GeoSpray™ и GeoSpray™ для изделий линии AMS. Изделие AMS можно наносить в качестве предварительной и/или последующей обработки на изделие GeoSpray™. GeoSpray имеет основу из портландцемента и содержит лишь небольшую часть геополимера. Указанная смесь не является кислотоустойчивой. AMS содержит органические вещества, которые сопротивляются воздействию кислот на бетон на основе портландцемента и вызываемой микробами коррозии, которая возникает в случае материалов на основе портландцемента.
Сущность изобретения
[005] Согласно первому варианту осуществления, предложен способ нанесения строительного материала. Способ может включать смешивание доменного шлакового материала, геополимерного материала, порошка на щелочной основе и песка в дозировочном и смесительном устройстве для получения материала не на основе портландцемента. Способ может также включать перенос материала не на основе портландцемента из дозировочного и смесительного устройства через трубопровод в сопло и объединение переносимого материала не на основе портландцемента с жидкостью в сопле для получения частично ожиженного материала не на основе портландцемента. Способ может дополнительно включать пневматическое нанесение частично ожиженного материала не на основе портландцемента на поверхность.
2
[006] Могут присутствовать один или более из следующих отличительных признаков. Согласно некоторым вариантам осуществления, геополимерный материал представляет собой по меньшей мере один материал из порошкообразной вулканической породы или пемзы. Порошок на щелочной основе может включать силикат. Смешивание может осуществляться как сухое смешивание. Материал не на основе портландцемента может быть неорганическим. Смешивание может осуществляться в мобильном дозировочном и смесительном транспортном средстве. Материал не на основе портландцемента может включать по меньшей мере один материал, такой как глина, гнейс, гранит, липарит, андезит, пикрит, калийный полевой шпат, альбит, пемза или цеолит. Смешивание может включать смешивание в портативной пушке, которая выполнена с возможностью приема материала не на основе портландцемента из дозировочного и смесительного устройства. Компоненты материала не на основе портландцемента могут иметь удельную площадь поверхности по Блейну, составляющую приблизительно от 2500 до 5000 см/г.
[007] Согласно еще одному варианту осуществления, предложена система для применения строительного материала. Система может включать дозировочное и смесительное устройство, выполненное с возможностью дозировки и смешивания доменного шлакового материала, геополимерного материала, порошка на щелочной основе и песка для получения материала не на основе портландцемента. Система может также включают трубопровод, выполненный с возможностью переноса материала не на основе портландцемента из дозировочного и смесительного устройства. Система может дополнительно включать сопло, выполненное с возможностью приема материала не на основе портландцемента и объединения переносимого материала не на основе портландцемента с жидкостью для получения частично ожиженного материала не на основе портландцемента, причем данное сопло выполнено с дополнительной возможностью пневматического нанесения частично ожиженного материала не на основе портландцемента на поверхность.
2
[008] Могут присутствовать один или более из следующих отличительных признаков. Согласно некоторым вариантам осуществления, геополимерный материал может представлять собой по меньшей мере один материал из порошкообразной вулканической породы или пемзы. Порошок на щелочной основе может включать силикат. Смешивание может осуществляться как сухое смешивание. Материал не на основе портландцемента может быть неорганическим. Смешивание может осуществляться в мобильном дозировочном и смесительном транспортном средстве. Материал не на основе портландцемента может включать по меньшей мере один материал, такой как глина, гнейс, гранит, липарит, андезит, пикрит, калийный полевой шпат, альбит, пемза или цеолит. Смешивание может включать смешивание в портативной пушке, которая выполнена с возможностью приема материала не на основе портландцемента из дозировочного и смесительного устройства. Компоненты материала не на основе портландцемента могут иметь удельную площадь поверхности по Блейну, составляющую приблизительно от 2500 до 5000 см/г.
[009] Согласно еще одному варианту осуществления, предложен строительный материал не на основе портландцемента. Строительный материал не на основе портландцемента включает доменный шлаковый материал, порошкообразную вулканическую породу, порошок на щелочной основе и песок. Согласно некоторым вариантам осуществления, порошок на щелочной основе может представлять собой силикат.
[0010] Подробности одного или нескольких вариантов осуществления представлены на сопровождающих чертежах и приведенном ниже описании. Другие отличительные признаки и преимущества становятся очевидными из описания, чертежей и формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
[0011] Фиг. 1 представляет вид сбоку мобильной системы, выполненной с возможностью дозировки, смешивания и нанесения материала не на основе цемента согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
[0012] фиг. 2 представляет задний вид сбоку мобильной системы, выполненной с возможностью дозировки, смешивания и нанесения материала не на основе цемента согласно варианту осуществления настоящего изобретения; и
[0013] фиг. 3 представляет технологическую схему, описывающую операции, присущие способу нанесения материала не на основе цемента согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
[0014] Аналогичные условные обозначения на различных чертежах могут относиться к аналогичным элементам.
Подробное описание вариантов осуществления
[0015] Варианты осуществления настоящего изобретения относятся к строительному материалу, содержащему активируемое щелочью связующее вещество (т. е. вещество не на основе портландцемента), а также к системе и способу для его изготовления и применения. Хотя многие из примеров, включенных в настоящий документ, обсуждаются в контексте восстановления бетона, следует отметить, что строительный материал, описанный в настоящем документе, может использоваться в любом подходящем приложении. Некоторые из указанных способов могут включать, но не ограничиваются ими, способы утилизации отходов, любые бетонные конструкции, подвергающиеся воздействию кислот, и т. д.
[0016] Рассмотрим фиг. 1, которая представляет мобильное дозировочное и смесительное транспортное средство 100, имеющее ряд контейнеров, отсеков и устройств, связанных с ним. Согласно некоторым вариантам осуществления, транспортное средство 100 может включать первый контейнер 102, который может быть выполнен с возможностью содержания песка или других материалов. Блок хранения 104 может быть выполнен с возможностью содержания воды или других жидкостей. Транспортное средство 100 может дополнительно включать дозировочное и смесительное устройство 106, которое может включать ряд компонентов, некоторые из которых могут включать, но не ограничиваются ими, второй контейнер 108, вспомогательный подающий механизм 110 и портативную пушку 212. Как представлено на фиг. 2, портативная пушка 212 может присоединяться к соплу 214 через трубопровод или шланг 216.
[0017] Согласно некоторым вариантам осуществления, мобильное дозировочное и смесительное транспортное средство 100 может быть выполнено с возможностью дозировки, смешивания и применения строительного материала не на основе портландцемента. Указанный материал может дозироваться и смешиваться в транспортном средстве (например, внутри дозировочного и смесительного устройства 106) или перед помещением во второй контейнер 108. Указанный материал может переноситься в сопло 214, где он может смешиваться с жидкостью из блока хранения 104 перед нанесением на требуемую поверхность для строительства или ремонта. Конкретные признаки строительного материала не на основе портландцемента ниже обсуждаются более подробно в настоящем документе.
[0018] Согласно некоторым вариантам осуществления, строительный материал не на основе портландцемента, описанный в настоящем документе, может иметь более высокие значения прочности по сравнению с существующими материалами, высокое сопротивление и отсутствие способности реагирования с неорганическими и органическими кислотами, а также высокие значения начальной прочности. Материал может представлять собой сухую смесь доменного шлакового материала, геополимерного материала, порошка на щелочной основе и песка в дозировочном и смесительном устройстве для получения материала не на основе портландцемента.
[0019] Согласно некоторым вариантам осуществления, строительный материал не на основе портландцемента может включать геополимерный материал разнообразных типов. Некоторые из указанных типов могут включать, но не ограничиваются ими, пуццолановый материал, который может реагировать с сольной щелочью, и его смесь с песком и/или гравий. Согласно некоторым вариантам осуществления, пуццолановый материал может включать активные силикаты, такие как шлаковый песок или летучая зола. Могут также использоваться природные материалы, такие как вулканические породы или некоторые другие материалы, однако указанные материалы могут оказаться более желательными, если они используются в форме мелких частиц как очень тонкий порошок. Термин "летучая зола", используемый в настоящем документе, может означать не встречающийся в природе пуццолан.
[0020] Согласно некоторым вариантам осуществления, строительный материал не на основе портландцемента может включать любое число пуццолановых материалов, некоторые из которых могут включать, но не ограничиваются ими, такие материалы, как тонкоизмельченная глина, гнейс, гранит, липарит, андезит, пикрит, калийный полевой шпат, альбит, пемза, цеолит и т. д., а также их смеси.
2
2
3
Указанные материалы могут использоваться в измельченной форме, прокаленной и/или непрокаленной. В качестве дополнения и/или в качестве альтернативы, все исходные материалы, содержащие в достаточных количествах реационно-способный (например, метастабильный, стеклообразный) SiO и AlO, включая, но не ограничиваясь ими, пуццоланы, шлаки, могут также оказываться подходящими согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.
[0021] Согласно некоторым вариантам осуществления, строительный материал не на основе портландцемента может включать порошкообразный материал на щелочной основе и/или разнообразные жидкости для смешивания. Некоторые возможные жидкости для смешивания могут включать, но не ограничиваются ими, растворимое стекло на основе силикатов калия и натрия, гидроксиды щелочных металлов и т. д.
2
2
3
[0022] Согласно некоторым вариантам осуществления, в реакции между компонентами, содержащими SiO и AlO, и щелочными жидкостями для смешивания могут образовываться алюмосиликаты, имеющие трехмерную структуру. Указанные каркасные структуры допускают изготовление строительных материалов, для соединения которых не требуется портландцемент.
3
2
2
[0023] В процессе работы ингредиенты могут тщательно дозироваться и смешиваться (например, полностью или частично в транспортном средстве 100), а затем переноситься в портативную пушку 212. Строительный материал не на основе портландцемента может переноситься посредством сжатого воздуха через трубопровод 216 в сопло 214. Согласно одному конкретному варианту осуществления, силикат калия, имеющий содержание твердого вещества 48%, плотность 1,52 г/см, массовое соотношение SiO/KO 1,14 и некоторое количество жидкости можно дозировать и тщательно смешивать внутри сопла 214 в течение короткого периода времени (составляющего, например, менее чем 1 секунду) перед тем, как частично ожиженная смесь может пневматически наноситься на заданную поверхность.
[0024] Варианты осуществления, включенные в настоящий документ, могут включать смесь, содержащую некоторые или все из следующих материалов: шлак (например, не встречающийся в природе пуццолан в качестве основы), летучая зола (например, не встречающийся в природе пуццолан и необязательные добавки в рецептуре), геополимер (например, природный пуццолан и необязательный измельченный вулканический материал), щелочной материал (например, порошок или жидкость), другие жидкости, включая воду (необязательно), а также песок/гравий. Примеры конкретных смесей представлены ниже, однако следует отметить, что конкретные смеси, представленные в настоящем документе, приводятся исключительно в качестве примера. Многочисленные дополнительные и альтернативные варианты осуществления также находятся в пределах объема настоящего изобретения.
[0025] Согласно одному конкретному примеру, строительный материал не на основе портландцемента может представлять собой следующую смесь:
Таблица 1
1 ч. измельченного гранулированного доменного шлака
0,13 ч. порошкообразной вулканической породы (в качестве альтернативы, летучей золы или смеси)
0,61 ч. силиката калия, массовое соотношение 1,14
1,35 ч. песка и/или гравия
2
[0026] Согласно некоторым вариантам осуществления, компоненты смеси могут иметь удельную поверхность по Блейну, составляющую приблизительно от 2500 до 5000 см/г.
[0027] Согласно еще одному примеру, строительный материал не на основе портландцемента может представлять собой следующую смесь:
Таблица 2
Части
Доменный шлак
0,5-1
Летучая зола
0-0,5
Пуццолан
0-0,5
Песок/гравий
1-2
Жидкий или порошкообразный силикат калия или натрия (массовое соотношение от 1,0 до 3,5)
0,2-2
[0028] Согласно еще одному примеру, строительный материал не на основе портландцемента может представлять собой следующую смесь:
Таблица 3
Рецептура 1 (части)
Рецептура 2 (части)
Рецептура 3 (части)
Доменный шлак(измельченный гранулированный доменный шлак)
1
1
Летучая зола
0,2
0,2
0,1
Пуццолановая вулканическая зола
0,2
0,3
Измельченная пуццолановая пемза
0,2
Сухой силикат натрия (массовое соотношение 2,1, Na<sub>2</sub>O 27,5%)
0,7
Силикат калия (SC 52%, плотность 1,65 г/см3, массовое соотношение 1)
0,6
0,6
Песок
1,35
1,35
1,35
Вода
0,55
2
[0029] Варианты осуществления строительного материала не на основе портландцемента произвели неожиданный результат, поскольку продолжительность реакции щелочных ингредиентов с порошкообразной породой была достаточной для создания клейкого соединения. Посредством многочисленных исследований было обнаружено, что указанное соединение образуется чрезвычайно хорошо на вертикальной поверхности, создает прочную связь и затвердевает в течение 3 суток, причем прочность при сжатии превышает 50 Н/мм (8000 фунтов на квадратный дюйм).
[0030] Терминология, используемая в настоящем документе, предназначена для цели описания конкретных вариантов осуществления только и не предназначена для ограничения настоящего изобретения. При использовании в настоящем документе формы единственного числа, которым предшествуют неопределенные и определенные артикли, также предназначены для обозначения множественного числа, если четко не определено другое условие. Кроме того, следует понимать, что термины "включать" и/или "включающий" при использовании в настоящем описании означают, что присутствуют заявленные отличительные признаки, целые числа, стадии, операции, элементы и/или компоненты, но не препятствуют тому, чтобы присутствовали или были добавлены в единственном или множественном числе другие отличительные признаки, целые числа, стадии, операции, элементы, и/или компоненты, и/или соответствующие группы.
[0031] Соответствующие структуры, материалы, действия и эквиваленты всех средств или стадий, включая функциональные элементы, представленные ниже в формуле изобретения, предназначены для включения любых структур, материалов или действий для осуществления функции в сочетании с другими заявленными элементами, которые определены конкретно. Описание настоящего изобретения представлено для целей иллюстрации и описания, но не предназначено как исчерпывающее или ограничивающее настоящее изобретение описанной формой. Для обычного специалиста в данной области техники понятно, что могут быть произведены многочисленные модификации и вариации без выхода за пределы объема и идеи настоящего изобретения. Вариант осуществления был выбран и описан, чтобы наилучшим образом объяснить принципы настоящего изобретения и его практическое применение, а также позволить другим обычным специалистам в данной области техники понимать настоящее изобретение в отношении разнообразных вариантов осуществления с разнообразными модификациями, которые являются подходящими для конкретного предусмотренного применения.
[0032] Таким образом, после подробного описания настоящего изобретения в данной заявке посредством ссылки на соответствующие варианты осуществления становится очевидным, что являются возможными модификации и вариации без выхода за пределы объема настоящего изобретения, как определено в прилагаемой формуле изобретения.