Экструдируемое промышленное изделие (варианты) и способ его изготовления (варианты)

Экструдируемое промышленное изделие (варианты) и способ его изготовления (варианты)

Реферат

 

Изобретение относится к методам и системам, предназначенным для изготовления промышленных изделий из гидравлически отвержденных смесей, содержащих армирующие нити, например непрерывные волокна. Способ изготовления промышленного изделия из водоотверждаемого материала включает смешивание вместе гидравлически отверждаемого связующего вещества, материала-заполнителя, вещества, меняющего реологические характеристики, и воды в относительных концентрациях. При этом получают гидравлически отвержденную смесь, обладающую текучестью при экструзии ее под давлением через фильеру и немедленно приобретающую устойчивость после выхода из фильеры. Одновременно с экструзией этой смеси под давлением через фильеру в нее непрерывно укладывают волокна. При этом осуществляют непрерывную и одновременную навивку с помощью средства укладки как минимум, одного волокна для получения изделия, содержащего, по меньшей мере, одно навитое волокно. Используют средство укладки, выполненное с возможностью непосредственного ввода и одновременной навивки одного или ряда волокон в гидравлически отверждаемую смесь с различной глубиной, углом навивки и концентрацией волокон внутри изделия. Затем отверждают экструдированную гидравлически отверждаемую смесь с образованием гидравлически отверждаемой матрицы для промышленного изделия. Экструдированное промышленное изделие содержит гидравлически отверждаемую матрицу, образованную из гидравлически отверждаемой смеси, включающей гидравлически отверждаемое связующее вещество, как минимум, один материал - заполнитель и воду. Изделие содержит также, как минимум, два волокна, включенные в гидравлически отверждаемую матрицу и выполненные непрерывными и достаточно гибкими. Как минимум, два непрерывных гибких волокна уложены в гидравлически отверждаемую смесь в перекрестной ориентации. Описаны также варианты экструдированного проиышленного изделия и варианты способа его изготовления. Изобретение позволяет изготавливать гидравлически отверждаемые изделия, армированные непрерывными волокнами, имеющие высокую прочность и ударную вязкость. 6 с. и 73 з.п.ф-лы, 33 ил., 47 табл.

1. Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится к методам и системам, предназначенным для изготовления промышленных изделий из гидравлически отверждаемых смесей, содержащих армирующие нити (например, непрерывные волокна). Более конкретно, настоящее изобретение относится к методам и системам, предназначенным для экструзии гидравлически отверждаемых смесей, осуществляемой с целью придания им требуемой формы изделий, при одновременном размещении армирующих волокон в структурной матрице экструдированных изделий. Состав гидравлически отверждаемых смесей рассчитывается с помощью метода микроструктурной инженерии и обеспечивает такие реологические характеристики, которые способствуют высокой текучести смесей под давлением и немедленному приобретению формоустойчивости после завершения экструзии, даже несмотря на то, что смесь в это время будет находиться в сыром, или неотвержденном, состоянии. Армирующие волокна в составе гидравлически отверждаемой матрицы повышают прочность на растяжение, на изгиб, на разрыв под действием внутреннего давления (в случае труб или других пустотелых изделий), модуль упругости, относительное удлинение и деформацию при разрушении экструдированных изделий.

2. Применяемая технология Гидравлически отверждаемые материалы, такие как материалы, содержащие гидравлически отверждаемый связующий материал типа гидравлического цемента или гипса (ниже именуются "гидравлически отверждаемыми", "гидравлическими" или "цементными" составами, материалами или смесями), использовались в течение тысячелетий, чтобы возводить, как правило, крупные, объемные сооружения, являющиеся стойкими, прочными и относительно недорогими. Гидравлический цемент является гидравлически отверждаемым связующим материалом, получаемым на базе известняка и глины, а гипс является природным минералом. Ресурсы этих материалов практически неистощимы.

Гидравлически отверждаемые материалы обычно образуются путем смешивания гидравлически отверждаемого связующего материала с целью получения гидравлически отверждаемой смеси, при затвердевании которой образуется, например, бетон. Обычно свежезамешанная гидравлически отверждаемая смесь является практически невязкой суспензией, полутекучей и поддающейся ручному перемешиванию и формообразованию. Благодаря жидкому состоянию смеси, формование гидравлически отверждаемой смеси обычно производится путем заливки смеси в форму (опалубку), уплотнения для устранения больших воздушных пробок и последующего отверждения.

Из-за высокой степени текучести, требуемой для возможности обработки обычных гидравлически отверждаемых смесей, область использования бетона и других гидравлически отверждаемых материалов, в основном, ограничивается созданием изделий простой формы, как правило, являющихся большими, тяжелыми и объемистыми, причем для сохранения формы материала в течение достаточного для затвердевания времени требуется приложение механических сил. Другой аспект традиционных гидравлически отверждаемых смесей или суспензий связан с практическим отсутствием формоустойчивости, из-за чего для придания изделиям окончательной формы смесь заливается в свободный объем, ограниченный поддерживаемыми извне стенками или перегородками. Проблема низкой формоустойчивости усложняется за счет большой продолжительности схватывания и отверждения большинства видов бетона. Для приобретения большинством цементных смесей достаточной прочности, позволяющей удалять опалубку без повреждения изделия, требуется несколько дней, а для предотвращения появления дефектов в структурной матрице необходимо осуществлять влажное отверждение в течение нескольких недель.

Применение гидравлически отверждаемых материалов также ограничивается в связи с прочностными характеристиками бетона, а именно в связи с высоким соотношением прочности на сжатие и прочности на растяжение, которое, как правило, составляет около 10:1. Тем не менее, прочностные ограничения бетона зачастую можно обойти за счет отливки массивных конструкций огромных размеров. Это возможно благодаря чрезвычайно низкой стоимости большинства видов бетона. Прочность таких массивных конструкций на растяжение и изгиб можно увеличить за счет широкого применения больших металлических армирующих прутьев, называемых "арматурой". Аналогично, на "микроскопическом" уровне включение в состав гидравлически отверждаемой структурной матрицы относительно небольших нарезанных или прерывающихся волокон позволяет существенно повысить, например, прочность и относительное удлинение, а также ударную вязкость отвержденных гидравлически отверждаемых изделий. Благодаря тщательному перемешиванию волокон внутри сырой гидравлически отверждаемой смеси создается возможность для хорошей связи волокон с гидравлически отверждаемой матрицей и сведения к минимуму количества структурных дефектов матицы.

Уже предпринимались попытки вводить в цементную структурную матрицу длинные волокна в виде матов, шнуров, проволочного каркаса, пряжи или нитей, но существенного повышения прочности и ударной вязкости изделий достичь не удалось. Одним из таких методов является технология "укладки", по которой соответствующий источник непрерывных волокон (такой как мат или шнур) укладывается в требуемой конфигурации, обычно внутри опалубки или технологической формы, после чего соответствующая гидравлически отверждаемая смесь заливается в опалубку или форму и уплотняется, чтобы обеспечить пропитку и обволакивание непрерывных волокон. Однако из-за невозможности полной консолидации гидравлически отверждаемой смеси внутри промежутков между непрерывными волокнами, особенно в тех случаях, когда непрерывные волокна или нити расположены относительно близко друг к другу, затвердевшая гидравлически отверждаемая конструкция будет обычно иметь структурную матрицу со значительным количеством или объемом нежелательных пустот или дефектов. Во многих случаях полное удаление нежелательных пустот и консолидация гидравлически отверждаемой смеси оказываются невозможными даже за счет приложения давления или виброуплотнения гидравлически отверждаемого материала с наполнителем в виде непрерывных волокон. Обычно неудовлетворительное состояние и низкая прочность цементных смесей, заполняемых непрерывными волокнами по методу укладки, не позволяют использовать то увеличение прочностных характеристик, которое должно было быть обеспечено за счет включения непрерывных волокон в цементный раствор.

В попытке улучшить размещение непрерывных нитей в цементной матрице некоторые исследователи применяли обычные методы навивки нитей, по которым непрерывные нити оборачиваются вокруг ранее отформованной сырой цементной смеси, вращаемой на крепежной оправке, и врезаются в эту смесь. См. F. Strabo et al., "Nye Formgivningsmetoder til Fiberbeton," Byggeteknik Institut, April 1987 (Ф. Страбо и др., "Новый метод формообразования бетона с волоконным наполнителем". Датский технологический институт, апрель 1987 г.). Одним из преимуществ этого метода является возможность укладки в цементный материал различных волокон в самой различной концентрации, а также под различными углами относительно продольной оси труб или цилиндров, на которые наматываются волокна. С помощью обычных методов навивки нитей оказалось возможным осуществить спиральную (винтовую) и перекрестную навивку волокон. Можно ожидать, что изменение концентрации и (или) ориентации непрерывных волокон позволит существенно повлиять на прочность, вязкость и другие требуемые характеристики конечного отвержденного цементного изделия.

Как правило, навивка непрерывных волокон (нитей) используется для повышения прочности пустотелых цилиндров или труб на разрыв под действием внутреннего давления, что позволяет существенно повысить внутреннее давление, которое такие цилиндры или трубы смогут выдерживать без повреждения или разрушения. Влияние намотки нитей на прочность под внутренним давлением повышается в случае намотки нитей с перекрещиванием или нахлестом, при относительно большом значении угла относительно продольной оси цилиндра или трубы и при относительно высокой концентрации в материале, в который они помещаются.

Хотя метод намотки нитей, указанный в работе Страбо и др., существенно повышает качество конечных цементных изделий, этот метод оказался трудоемким и дорогостоящим и явился экономически неэффективным для крупномасштабного изготовления таких цементных материалов с армированием путем навивки волокон. Кроме того, качество поверхности таких цементных материалов с навитыми волокнами, как правило, было неудовлетворительным в силу эффекта прорезания волокнами поверхности и внутреннего объема сырого цементного материала. Для эффективной консолидации цементного материала, в который были врезаны волокна, часто требовалось ручное заглаживание поверхности или другие трудоемкие операции.

Понятно, что ни метод укладки, ни традиционные методы навивки нитей не смогут обеспечить непрерывный технологический процесс формования гидравлически отверждаемых материалов с целью изготовления недорогих изделий массового производства. Некоторые исследователи пытались производить экструзию цементных материалов с целью обеспечения непрерывного изготовления таких цементных изделий, как, например, трубы или стержни. См. патенты Соединенных Штатов Америки N 3857715 на имя Humphrey (Хэмпфри) и N 5588443 на имя Bache et al. (Бэйк и др.). Однако, хотя в этих патентах заявляется, что описываемые в них материалы можно экструдировать с применением традиционных экструдеров и матриц, такие опыты по экструзии проводились только в лаборатории и только в экспериментальных условиях. До настоящего времени не было разработано никаких работоспособных технологических процессов для непрерывной экструзии цементной смеси, за исключением экструзии плоских плит или листов. См., например, патенты Соединенных Штатов Америки N 5047086 на имя Hayakawa et al. (Хаякава и др.), 4613627 на имя Sherman et al. (Шерман и др.) и 4655981 на имя Nielsen et al. (Нильсен и др.). Кроме того, материалы, описываемые в вышеуказанных патентах, не обладают формоустойчивостью и, следовательно, пригодны только для экструзии плоских плит или толстых листов, которые опираются на конвейерную ленту или платформу до тех пор, пока они не затвердеют.

В силу компромисса между удобоукладываемостью (или формуемостью, обеспечивающей возможность экструзии) и формоустойчивостью при горизонтальной экструзии, осуществляемой традиционными методами, толщина стенки цементных материалов в случае изготовления пустотелых предметов (например, труб) должна составлять, как правило, около 25% от сечения полости, тогда как типичные предметы, изготавливаемые методом вертикальной экструзии, могут иметь соотношение толщины стенки к сечению полости, доходящее примерно до 1:16.

Даже после полного отверждения типичные цементные материалы, включая те, что описаны в вышеупомянутых патентах на экструзионные процессы, имеют относительно низкую прочность на растяжение и изгиб в сравнении с другими материалами, такими как бумага, металл или пластмасса. Кроме того, в этих патентах не описываются способы непрерывного армирования экструзионных цементных изделий методом параллельной укладки или навивки волокон. Таким образом, даже эти материалы, поддающиеся экструзии, смогут применяться главным образом только для изготовления крупных, массивных и тяжелых предметов. Поэтому значительным усовершенствованием в данной отрасли техники явилась бы возможность изготовления из гидравлически отверждаемых материалов разнообразных изделий сложной формы или с точными допусками, что, в частности, обусловлено чрезвычайно низкой стоимостью гидравлически отверждаемых материалов в сравнении с большинством других материалов. Еще более значительным достижением в данной отрасли техники явилась бы возможность изготовления гидравлически отверждаемых изделий, армированных непрерывными волокнами, что позволит увеличить их прочность и ударную вязкость, так что такие изделия смогли бы заменить изделия из обычных материалов, таких как пластмасса, металл, древесина или глина, которые в настоящее время применяются для изготовления таких изделий, как, например, трубы, оконные рамы, бруски, молдинги, стержни и т.п.

Из-за усилившегося в последнее время понимания вреда, наносимого окружающей среде за счет массового применения пластмассы, металла и древесины для изготовления огромного количества изделий как длительного пользования, так и разового применения, имеет место насущная необходимость найти пригодные для замены таких изделий экологически безвредные заменяющие материалы. Одним из экологически безвредных заменителей могли бы стать гидравлически отверждаемые материалы. Несмотря на ощутимое давление и давно осознаваемую необходимость, до настоящего времени практически не существовало технологии для экономичного и эффективного производства цементных материалов, которые смогли бы заменить пластмассу, металл или древесину при изготовлении самых разнообразных изделий.

Гидравлически отверждаемые материалы являются экологически безвредными, так как они в основном состоят из заполнителей в виде природных геологических материалов, таких как песок и глина, которые связываются воедино продуктами реакции гидравлически отверждаемого связующего и воды и которые в сущности являются "камнеподобными" со структурной и, в особенности, химической точки зрения. Гидравлически отверждаемые материалы имеют в основном тот же химический и структурный состав, что и земля, в которую отходы таких материалов в конечном счете могут быть захоронены.

Кроме того, пластмассы, металл и древесина намного дороже, чем типичные гидравлически отверждаемые материалы (включая цементные материалы). Поскольку никакая рациональная хозяйственная организация не стала бы игнорировать экономический эффект, который непременно был бы получен в результате замены пластмассовых, металлических или древесных материалов существенно более дешевыми гидравлически отверждаемыми материалами, отсутствие таких изделий можно объяснить лишь явным отсутствием технологии, которая позволила бы выполнить такую замену.

Учитывая вышеизложенное, усовершенствованием современного уровня данной отрасли техники явились бы составы, методы и устройства, которые обеспечили бы возможность одновременной укладки непрерывных волокон во время экструзии гидравлически отверждаемых материалов для изготовления изделий и фасонных профилей, что ранее было невозможным из-за связанных с прочностью и формуемостью ограничений, присущих известным в настоящее время гидравлически отверждаемым составам.

Другим достижением в данной отрасли техники явились бы составы, методы и устройства для экструзии и укладки непрерывных волокон в гидравлически отверждаемые изделия, у которых соотношение прочности на растяжение и прочности на сжатие увеличено по сравнению с традиционными гидравлически отверждаемыми материалами.

Существенным достижением в данной отрасли техники явились бы составы, методы и устройства, которые дали бы возможность осуществлять непрерывную экструзию гидравлически отверждаемой смеси с одновременной укладкой непрерывных волокон так, чтобы экструдированные изделия или профили немедленно приобретали формоустойчивость (т.е. достаточную прочность для сохранения своей формы без внешней поддержки) в сыром состоянии после выхода из экструзионной фильеры.

Другим усовершенствованием в данной отрасли техники явилась бы возможность использования таких составов, методов и устройств для непрерывной укладки в экструдируемую гидравлически отверждаемую смесь длинных волокон, где волокна используются в различной желательной концентрации.

Кроме того, значительным достижением в данной отрасли техники явилась бы возможность укладки в гидравлически отверждаемую смесь непрерывных волокон с разнообразной ориентацией или под различными углами относительно продольной оси экструдируемого изделия.

Другим существенным усовершенствованием в данной отрасли техники явилась бы возможность использования таких составов, методов и устройств для экструзии формоустойчивых труб и цилиндров с существенно увеличенной прочностью на разрыв под действием внешнего или внутреннего давления.

Еще одним значительным достижением в данной отрасли техники явилась бы возможность осуществления с помощью таких составов, методов и устройств эффективной консолидации или уплотнения гидравлически отверждаемой смеси вокруг непрерывно укладываемых волокон и между ними, что позволит свести к минимуму количество и объем внутренних пустот или дефектов и, тем самым, получить застывшую гидравлически отверждаемую структурную матрицу, которая будет обладать в основном однородной структурой и равномерной высокой прочностью.

Другим усовершенствованием в данной отрасли техники явилась бы возможность применения таких составов, методов и устройств для экструзии гидравлически отверждаемых изделий с непрерывно уложенными волокнами, которые имели бы существенно более высокое качество поверхности с существенным сокращением концентрации поверхностных дефектов в сравнении с известными методами изготовления цементных материалов с навитыми волокнами.

Еще одним достижением в данной отрасли техники явилась бы возможность применения таких составов, методов и устройств для получения разнообразных тонкостенных гидравлически отверждаемых изделий, включая изделия с весьма жесткими допусками или точными размерами.

Значительным достижением в данной отрасли техники явились бы составы, методы и устройства, которые можно было бы применять для экструзии гидравлически отверждаемых изделий с непрерывно уложенными волокнами, которые могли бы заменить изделия, изготавливаемые в настоящее время из традиционных материалов, таких как пластмасса, глина, металл или древесина.

Другим достижением в данной отрасли техники явилась бы возможность придания гидравлически отверждаемым составам реологических характеристик и пластичности, аналогичных характеристикам глины, что позволит выполнять экструзию таких составов с применением экструзионных устройств, предназначенных для глины.

С точки зрения практики, существенным достижением явилась бы возможность применения таких составов, методов и устройств для непрерывного изготовления разнообразных гидравлически отверждаемых изделий при такой себестоимости массового производства (т. е. изготовления в больших объемах или количествах), которая сопоставима с себестоимостью изготовления таких изделий из пластмассы, глины, металла или древесины, или даже будет ниже этой себестоимости.

Такие составы, методы и устройства раскрываются здесь и являются предметом настоящей патентной заявки.

Краткое описание изобретения Настоящее изобретение относится к новым гидравлически отверждаемым составам, методам и устройствам, применяемым для экструзии гидравлически отверждаемых составов с одновременной укладкой непрерывных волокон с целью формования разнообразных изделий. Такие волокна могут укладываться продольно и (или) навиваться под углом к продольной оси. Предпочтительные гидравлически отверждаемые составы могут быть описаны как многокомпонентные многомерные микрокомпозиты с волоконным армированием. За счет тщательно продуманного включения разнообразных материалов (включая гидравлически отверждаемые связующие материалы, неорганические заполнители, реагенты для модификации реологических характеристик и волокна), придающих изделию различные, но синэргетические (т.е. взаимоусиливающие) свойства, можно создать уникальный класс микрокомпозитов, обладающих выдающимися характеристиками прочности, вязкости, экологической нейтральности, технологичности для массового производства и низкой себестоимости.

Такие составы можно применять для экструзии разнообразных фасонных профилей, начиная от самых простых и кончая изделиями с жесткими допусками и тонкими стенками. Благодаря непрерывному характеру обоих технологических процессов - экструзии и укладки волокон - такие изделия можно изготавливать с высокой экономической эффективностью и низкой себестоимостью. Кроме того, гидравлически отверждаемые материалы по настоящему изобретению экологически нейтральны и состоят из материалов, которые практически имеют те же свойства и характеристики, которые присущи земле.

Применяя метод микроструктурной инженерии, гидравлически отверждаемой смеси можно придать требуемые реологические характеристики (включая удобоукладываемость, предел текучести, вязкость и сырую прочность) и окончательную прочность в отвержденном состоянии. Кроме того, смеси можно заранее придать такие характеристики, как высокая плотность упаковки частиц, ударная вязкость, прочность на растяжение и удлинение при разрыве. Более того, за счет укладки волокон, обладающих требуемыми характеристиками прочности и гибкости, с применением практически бесконечного числа сочетаний различных ориентаций и концентраций можно обеспечить непрерывное изготовление армированных изделий с еще более высокими показателями прочности, долговечности, гибкости и ударной вязкости.

Обычная проблема, присущая типичным гидравлически отверждаемым смесям, а именно компромисс между хорошей удобоукладываемостью и высокой сырой прочностью, решается за счет создания гидравлически отверждаемой смеси с относительно высоким пределом текучести и кажущейся низкой вязкостью, проявляющейся под действием высокого давления и напряжений сдвига в процессе экструзии. Благодаря этому настоящее изобретение обеспечивает хорошую удобоукладываемость (т.е. высокую пластичность) во время экструзии с немедленным приобретением формоустойчивости после завершения этого процесса.

Формуемость при экструзии и высокая сырая прочность (т.е. формоустойчивость) гидравлически отверждаемых смесей по настоящему изобретению обеспечиваются за счет сочетания ранее считавшихся несовместимыми методов оптимизации упаковки частиц и создания дефицита воды, что позволяет создать материал с относительно высокой жесткостью и высоким пределом сдвига, но обладающий хорошей удобоукладываемостью под действием высокого давления и высоких напряжений сдвига, характерных для процесса экструзии. За счет выбора заполнителей с различными тщательно отобранными параметрами, такими как диаметры частиц, гранулометрическое распределение частиц ("ГРЧ") и плотность упаковки, создается возможность сокращения промежуточного пространства между частицами, так как пространство между крупными частицами заполняется мелкими частицами, а пространство между этими мелкими частицами, в свою очередь, заполняется еще более мелкими частицами. Таким образом можно достичь плотности упаковки частиц в диапазоне примерно от 65% до столь высокого значения, как примерно 99%. Это означает что в объем сухой гидравлически отверждаемой смеси будет входить примерно от 65% до 99% твердых материалов и всего примерно от 35% до 1% межзеренного пространства, или пустот.

За счет тщательного дозирования воды, добавляемой в гидравлически отверждаемую смесь, можно создать смесь с точно выбранной степенью "дефицитности воды". (Как подробнее описывается ниже, следует понимать, что вода добавляется в гидравлически отверждаемую смесь по двум основным причинам: (1) для химической реакции ("гидратации") с гидравлически отверждаемым связующим и (2) для заполнения пустот между частицами с целью снижения трения между частицами и их смазывания, что необходимо для придания смеси адекватной пластичности и когезии. Если количество воды будет недостаточным, то трение между частицами увеличивается, что приводит к увеличению жесткости материала. В зависимости от концентрации воды или других добавок (таких как дисперсанты, которые могут вводиться для смазывания или обеспечения дисперсии частиц), специалист в данной отрасли может тщательно контролировать реологические характеристики с целью обеспечения требуемого уровня удобоукладываемости (пластичности) под давлением.

Следует понимать, что для заполнения промежуточных пустот в смеси с повышенной плотностью упаковки частиц потребуется намного меньше воды. Следовательно, предпочтительно еще до добавления воды определить количество воды, требуемой для обеспечения требуемого уровня дефицитности воды, причем это количество воды в основном будет зависеть от эффективности упаковки частиц и предполагаемой степени сжатия в процессе экструзии.

Соответствующая полученная гидравлически отверждаемая смесь помещается в экструдер и подвергается воздействию давления. Возникающее сжатие способствует увеличению плотности упаковки за счет прижатия частиц друг к другу, что, в свою очередь, приводит к сокращению объема промежуточных пустот между отдельными частицами смеси. При этом "эффективный" уровень дефицитности воды снижается, что приводит к увеличению количества воды, используемой для смазки частиц (а также для смазки гидравлически отверждаемой смеси во время ее движения через фильеру экструдера), в результате чего гидравлически отверждаемая смесь приобретает повышенную формуемость и способность к течению. Более того, сжатие смеси во время экструзии также приводит к появлению между смесью и матрицей экструдера тонкой пленки воды, которая служит для смазки поверхности раздела между смесью и матрицей. Кроме того, матрицу экструдера можно нагреть, чтобы создать эффект "паровой подушки" или барьера между подвергаемой экструзии гидравлически отверждаемой смесью и матрицей экструдера, что снижает трение и облегчает экструзию. После этого образовавшиеся внутренние капилляры, или мениски, возникающие при сжатии смеси, создают внутренние силы сцепления, обеспечивающие повышение формоустойчивости смеси после экструзии.

Высокий уровень формуемости и текучести смеси, находящейся под давлением, позволяет производить экструзию смеси через фильеру для придания смеси требуемой формы изделия или фасонного профиля. Обеспечение возможности экструзии гидравлически отверждаемой смеси и высокой формоустойчивости производится одним из двух способов. Во-первых, поскольку поведение большинства гидравлически отверждаемых смесей по настоящему изобретению примерно соответствует поведению жидкости Бингэма, или псевдопластичного тела, вязкость смеси будет снижаться после превышения критического напряжения сдвига, приложенного в виде давления. Другими словами, гидравлически отверждаемые смеси по настоящему изобретению обычно испытывают "разжижение при сдвиге" по мере возрастания давления (и следовательно, напряжений сдвига), например, в экструдере, рассчитанном на высокое давление. Таким образом, за счет приложения высокого давления (и создания соответствующего напряжения сдвига) можно обеспечить экструзию большинства гидравлически отверждаемых смесей по настоящему изобретению.

Вместо приложения высокого давления или в дополнение к этому, может также оказаться предпочтительным разработать такой состав гидравлически отверждаемой смеси, который обеспечит минимальное возможное соотношение вязкости к пределу текучести. По мере снижения вязкости уменьшается величина напряжения сверх предела текучести материала, необходимая для обеспечения течения смеси. Эта стратегия особенно полезна в тех случаях, когда экструзию желательно проводить при сниженном давлении.

По завершении экструзии смесь более не подвергается воздействию сил сжатия и сдвига, действующих в экструдере, в результате чего смесь приобретает повышенную жесткость, вязкость, когезию, формоустойчивость и сырую прочность. Величина сырой прочности, обеспечиваемой с помощью составов, методов и устройств по настоящему изобретению, намного превышает прочность, достигаемую при применении известных цементных составов, методов и устройств.

Кроме гидравлически отверждаемого связующего, воды и наполнителей, гидравлически отверждаемые составы по настоящему изобретению также могут включать другие компоненты, такие как реагенты для модификации реологических характеристик, дисперсанты и короткие волокна. Реагенты для модификации реологических характеристик могут добавляться для повышения предела текучести, силы сцепления (когезии) и пластичности гидравлически отверждаемой смеси, тогда как дисперсанты могут добавляться для сохранения свойств текучести смеси при сокращении концентрации воды. Волокна обычно добавляются для повышения ударной вязкости конечного отвержденного изделия, а также его прочности на растяжение, изгиб и иногда даже на сжатие.

Более конкретно, реагенты для модификации реологических характеристик повышают "псевдопластичность" в смысле сохранения формы смеси после прессования или экструзии. К числу пригодных реагентов для модификации реологических характеристик относятся различные материалы на основе целлюлозы, крахмала и белка, которые могут быть ионными и неионными и которые действуют посредством желатинирования (загущения) воды и связывания отдельных частиц гидравлически отверждаемого связующего и других частиц в составе гидравлически отверждаемой смеси. За счет повышения "псевдопластичности" консистенции гидравлически отверждаемой смеси, реагент для модификации реологических характеристик также способствует экструзии изделий с высокой формоустойчивостью. (Можно также добавлять полугидрат гипса, который способствует повышению формоустойчивости посредством быстрой реакции с водой, что способствует быстрому сокращению объема капиллярной воды, присутствующей в гидравлически отверждаемой смеси. Таким образом, в некоторых случаях полугидрат гипса может выполнять роль реагента для модификации реологических характеристик).

Дисперсанты, напротив, снижают вязкость и предел текучести смеси за счет дисперсии отдельных частиц гидравлически отверждаемого связующего. Это позволяет сократить концентрацию воды при сохранении достаточной удобоукладываемости, что дает возможность повысить степень дефицитности воды. К числу пригодных дисперсантов относятся любые материалы, которые могут адсорбироваться поверхностью частиц гидравлически отверждаемого связующего и обеспечивают дисперсию частиц, что обычно осуществляется за счет создания отрицательного электрического заряда на поверхности частиц или в прилегающем двойном коллоидном слое. Такие наполнители, как каолин, слюда, карбонат кальция или бентонит также в существенной степени диспергируются при применении дисперсанта.

Однако в тех случаях, когда одновременно применяют дисперсант и реагент для модификации реологических характеристик, обычно предпочтительно сначала вводить дисперсант, а уже затем реагент для модификации реологических характеристик, что позволит обеспечить благоприятное воздействие обоих компонентов. В противном случае, если реагент для модификации реологических характеристик будет адсорбирован частицами связующего, он образует на поверхности защитный коллоидальный слой, препятствующий адсорбции дисперсанта частицами, что снизит дисперсионный эффект дисперсанта внутри гидравлически отверждаемой смеси.

Кроме добавления заполнителей с различными диаметрами, формами, размерами и характеристиками (т.е. удельным весом, насыпной плотностью и морфологией), может оказаться желательным добавление заполнителей с различными прочностными и теплоизоляционными свойствами. Таким способом можно обеспечить оптимизацию гидравлически отверждаемой смеси как с точки зрения требуемой реологии, или характеристик текучести, используемых в процессе экструзии, так и с точки зрения окончательных характеристик отвержденного материала.

И наконец, основной признак новизны настоящего изобретения заключается в создании возможности введения нитей, или непрерывных волокон, в структурную матрицу экструдируемого изделия, что осуществляется в процессе экструзии. Введение непрерывных волокон в процессе экструзии связано с укладкой волокон в смесь, которая обволакивает волокна и затягивает их в гидравлически отверждаемую смесь в направлении, в котором осуществляется выдавливание, т.е. экструзия смеси. В результате приложения к смеси внутреннего давления, возникающего в процессе экструзии, смесь консолидируется или уплотняется, что сводит к минимуму объем внутренних пустот или дефектов внутри смеси и максимизирует площадь контакта между волокнами и гидравлически отверждаемой смесью. Увеличение площади контакта между волокнами и матрицей позволяет более надежно закрепить волокна внутри гидравлически отверждаемой структурной матрицы.

Различные варианты реализации устройства для непрерывной укладки волокон в экструдируемую гидравлически отверждаемую смесь позволяют размещать волокна в различной конфигурации или ориентации. В число таких конфигураций входят параллельная укладка, спиральная укладка, перекрестная укладка или их сочетание. При "параллельной конфигурации" волокна укладываются примерно параллельно продольной оси или направлению экструзии гидравлически отверждаемого изделия. В отличие от этого, при "спиральной конфигурации" и "перекрестной конфигурации" (которая является разновидностью спиральной конфигурации) укладка волокон производится под углом к продольной оси, составляющим обычно от 5^o (минимально) до 90^o (максимально). Этот угол может именоваться ниже "углом смещения", "углом навивки" или "углом спирали". (В зависимости от направления вращения устройства для укладки волокон, т.е. по часовой стрелке или против часовой стрелки, угол может быть положительным или отрицательным, но его абсолютная величина не будет превышать 90^o, т