Конструкционные панели обшивки

Конструкционные панели обшивки

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение в основном касается панелей, которые крепятся к несущему каркасу в жилищном и других видах строительства с применением легких конструкций. Более конкретно, изобретение касается панелей, способных выдерживать боковые силы, создаваемые сильным ветром, и нагрузки при землетрясениях в районах, где это требуется строительным кодексом. Такие панели, обычно широко известные как панели жесткости или диафрагмы жесткости, должны иметь прочность на сдвиг, как показано в общепринятых испытаниях, определяемую как ASTM E72 (Американское общество по испытанию материалов).

Если рассматривать простую конструкцию коробчатого сечения, видно, что сильные боковые силы, действующие на одну сторону коробки (например, давление ветра), заставляют боковые стенки, которые противостоят этой силе, изменять прямоугольную форму на параллелограмм. Не все панели обшивки способны выдерживать такие силы, к тому же они не очень упругие, и некоторые из них разрушаются особенно в тех местах, где панель крепится к каркасу. Когда необходимо показать прочность на сдвиг, панели обшивки измеряются для определения нагрузки, которую может выдержать панель в пределах допустимого прогиба без ее повреждения.

Нормативная характеристика прочности на сдвиг обычно основана на испытании трех идентичных узлов в сборке 8х8 футов (2,44×2,44 м), т.е., панелей, закрепленных на каркасе. Одна кромка закреплена неподвижно, когда боковая сила прикладывается к свободному концу узла до тех пор, пока не прекратится противостояние нагрузке и узел разрушается. Измеряемая прочность на сдвиг будет меняться в зависимости от толщины панели и размера и расстояния между гвоздями, используемыми в узле. Например, типичный узел в сборке, а именно, номинальная обшивочная фанера толщиной 1/2 дюйма (12,7 мм), закрепленная гвоздями сортамента 8 (длина, диаметр) на номинальных деревянных стойках 2×4 дюйма (50,8×101,6 мм), расположенных на расстоянии 16 дюймов (406,4 мм) (межцентрового расстояния), при этом гвозди расположены на расстоянии 6 дюймов (152,4 мм) по периметру и 12 дюймов (304,8 мм) внутри периметра, предположительно будет показывать прочность на сдвиг 720 фунтов/фут (1072 кг/м) перед тем, как происходит разрушение. (Следует отметить, что, как показывает испытание ASTM E72, измеряемая прочность будет меняться с изменением размера гвоздей и расстояния между ними). Этот предел прочности будет снижен на коэффициент запаса прочности, порядка на три, для установления проектной прочности на сдвиг для панели.

Панели обшивки, где требуются нормативные характеристики прочности, обычно выполнены из фанеры или плит с ориентированными волокнами (ПОВ), которые состоят из склеенных кусочков древесины. Эти панели могут обеспечить необходимую прочность на сдвиг, но оба эти вида панелей горят и не выдерживают длительного воздействия воды. Панель, выполненная из гидравлического цемента, будет противостоять действию воды, но она гораздо тяжелее, чем деревянные панели, и имеет недостаточную прочность на сдвиг. Считается, что в настоящее время в наличии нет панели, которая может обеспечить необходимую прочность на сдвиг и при этом не имеет недостатков панелей из фанеры или из плит с ориентированными волокнами (ПОВ).

Поскольку толщина панели влияет на ее физические и механические свойства, т.е. вес, способность выдерживать нагрузку, устойчивость к поперечной деформации и т.д., необходимые свойства варьируются соответственно толщине щита. Так, необходимые свойства, которыми должна обладать панель с нормативными характеристиками прочности, с номинальной толщиной 0,5 дюйма (12,7 мм), включают следующее.

1. При испытании панели, согласно стандарту ASTM 661 и Способу Испытания S-1 Американской ассоциации изготовителей фанеры (АРА) на промежутке, составляющем 16 дюймов (406,6 мм) межцентрового расстояния, панель должна иметь предельную допускаемую нагрузку, превышающую 550 фунтов (250 кг), при статической нагрузке, предельную допускаемую нагрузку, превышающую 400 фунтов (182 кг), при ударной нагрузке и прогиб менее 0,078 дюйма (1,98 мм), как при статической, так и ударной нагрузке, составляющей 200 фунтов (90,9 кг).

2. Устойчивость к поперечной деформации сдвига панели толщиной 0,5 дюйма (12,7 мм), измеренная испытанием по стандарту ASTM E72, с описанным выше размером гвоздей и расстоянием, должна по меньшей мере составлять 720 фунтов/фут (1072 кг/м).

3. Панель толщиной 1/2 дюйма, размером 4х8 футов, (толщиной 12,7 мм, размером 1,22х2,44 м) должна иметь вес не более 99 фунтов (44,9 кг), и предпочтительно, не более 85 фунтов (38,6 кг).

4. Панель должна быть пригодной для резки дисковыми пилами, которые используются для резки дерева.

5. Панель должна быть пригодной для крепления к каркасу гвоздями или винтами.

6. Панель должна обладать обрабатываемостью, чтобы в панели можно было выполнить края для шпунтового соединения.

7. Панель должна обладать способностью сохранять размеры под воздействием воды, т.е., как можно меньше расширяться, предпочтительно, менее, чем на 0,1%, как было определено испытанием ASTM С 1185.

8. Панель не должна быть биодеструктивной или привлекать насекомых и способствовать появлению гнили.

9. Панель должна обеспечивать подложку, обладающую склеиваемостью, для систем наружной отделки.

10. Панели не должны быть горючими, как определено испытанием ASTM E136.

11. После выдерживания для отверждения в течение 28 дней предел прочности при изгибе панели толщиной 0,5 дюйма (12,7 мм), имеющей плотность в сухом состоянии не более 65 фунтов/фут (1041 кг/м), после пропитки в воде в течение 48 часов должен быть по меньшей мере 1700 фунтов на кв. дюйм (11,7 МПа), предпочтительно, по меньшей мере 2500 фунтов на кв. дюйм (17,2 МПа) согласно измерению ASTM С 947. Панель должна сохранять по меньшей мере 75% своей прочности в сухом состоянии.

Очевидно, что панели из фанеры и из ПОВ обладают некоторыми, но не всеми указанными эксплуатационными характеристиками. Таким образом, существует необходимость в улучшенных панелях, которые обладают нормативными характеристиками прочности на сдвиг, необходимыми в некоторых местностях, и которые превышают возможности используемых в настоящее время панелей на основе дерева, благодаря тому, что они не горят и обладают стойкостью к воде.

Панели и конструкции предшествующего уровня техники на основе гидравлического цемента также не обладали сочетанием низкой плотности, гвоздимости и способности поддаваться резке пилой, что необходимо для разрезания панели или ее крепления (гвоздями или винтами) обычными плотницкими инструментами.

Панели по настоящему изобретению могут быть в основном описаны как составы на основе гипса-цемента, армированные стекловолокнами и, при добавлении микросфер, имеющие уменьшенный вес по сравнению с панелями на основе гидравлического цемента. Панели удовлетворяют эксплуатационным требованиям, перечисленным выше, и отличаются от других составов, которые описаны ниже и которые содержат такие же компоненты, но не способны обеспечить требующиеся эксплуатационные характеристики.

Составы на основе ангидритового цемента в основном описаны в патентах США №№5685903, 5858083 и 5958131. В каждом патенте добавляются пуццолановые материалы, в патентах №5685903 и №5858083 добавляется тонкий кремнеземный порошок, и в патенте №5958131 добавляется метакаолин. Предлагаются составы заполнителей и добавочные волокна, но панели, отвечающие требованиям согласно изобретению, не описываются.

Несмотря на то что стекловолокна использовались для армирования цемента, известно, что со временем они теряют свою прочность, поскольку на стекло отрицательно воздействует известь, находящаяся в выдержанном цементе. Это может быть до некоторой степени отсрочено нанесением покрытия на стекловолокна или использованием специального стекла, стойкого к щелочи. Были предложены другие волокна для армирования цемента, например металлические волокна, древесные и другие целлюлозные волокна, углеродные волокна или полимерные волокна.

Панели и конструкции на основе цемента также содержали легкие частицы стекла, керамики и полимеров для уменьшения веса, но за счет уменьшения прочности. Предлагались другие заполнители, но они не обладают преимуществами легких частиц.

В патенте США №4379729 в панелях используются три слоя, предназначенные заменить дерево на опалубочные формы. Наружные два слоя составляют армированный стекловолокном цемент, а средним слоем является цемент, содержащий полые шарики. Хотя такие панели подвергаются статическим нагрузкам, они не должны отвечать строительным нормам, действующим там, где ожидаются сильные ветры и землетрясения.

В Российском патенте №SU 1815462 также используются три слоя для создания трубы, а не панели. Снова наружные слои выполнены из армированного стекловолокном цемента, в то время как средний слой содержит как стекловолокно, так и стеклянные шарики.

В патенте США №4259824 скорее описана толстостенная блочная секция, а не панель с нормативными характеристиками прочности на сдвиг. Считается целесообразным использование различных заполнителей, включая стекловолокна.

В патенте США №5154874 описан шит из гипса, включающий бумажные волокна.

В Канадском патенте №СА 2192724 описана панель из гипсового цемента. Панель содержит от 10 до 35 вес.% древесины или бумажных волокон, но не стекловолокон. Подобно этому в патенте США №5371989 описан щит из гипса, который имеет стекловолокнистые маты на наружных поверхностях.

В Международной Публикации №WO 93/10972 описана внутренняя панель, которая включает заполнители низкой плотности, окруженные цементом и расположенные внутри сплошной фазы пеноцемента. Панели могут содержать стекловолокна.

Целлюлозные или стекловолокна предложены для замены асбестовых волокон в цементных панелях в патенте США №4808229.

В Японском патенте №JP 62-238734A предлагается слоистая панель. Микросферы используются внутри панели, а на наружных поверхностях используется цемент, армированный углеродными волокнами или волокнами из пластика.

В патенте США №4504320 описан армированный стеклом портландцемент, который включает летучую золу (ценосферы) и тонкую кремнеземную пыль.

Из вышеизложенного следует, что армирование цемента волокнами уже использовалось и для уменьшения веса использовались микросферы из стекла, керамики и полимеров. Другие примеры можно найти в Японских патентах №№JP-2641707 B2, JP 53-034819, JP 54-013535 и JP 94-096473 B2, Шведском патенте №SE 8603488 и патенте Великобритании №GB 1493203.

Несмотря на все попытки, предпринимаемые для армирования цемента, на что указывают различные патенты и патентные заявки, указанные выше, ни одна из имеющихся в наличии в настоящее время панелей не способна заменить панели из фанеры или ПОВ в тех случаях, где они должны отвечать строительным нормам, предъявляемым к прочности на нагрузки сдвига, или иметь характеристики, необходимые для обработки, т.е. годиться для резки и прибивания гвоздями. Ниже описана панель из гипсового цемента, способная удовлетворить и даже превзойти требования к нагрузкам сдвига, которые сейчас возможны только в панелях из фанеры или ПОВ.

Настоящее изобретение достигает сочетания низкой плотности и пластичности, необходимых для обработки панелей и их крепления гвоздями, одним из следующих трех способов:

1. Использованием легких керамических микросфер, равномерно распределенных по всей толщине панели.

2. Использованием смеси легких керамических и полимерных микросфер по всей толщине панели или, в качестве альтернативы, регулированием количества воды, используемой при формировании панели для обеспечения эффекта, подобного тому, который получается от полимерных микросфер, или комбинацией того и другого.

3. Созданием многослойной панельной структуры, содержащей по меньшей мере один наружный слой, обладающей улучшенной пригодностью для прибивания гвоздями (гвоздностью) и резки. Это обеспечивается использованием более высокого соотношения воды к реакционноспособному порошку (определяемого ниже) при изготовлении наружного слоя/слоев относительно сердцевины панели или включением легких полимерных микросфер в значительных количествах в наружном слое/слоях относительно сердцевины панели, в то время как внутренняя сердцевина соответствует описанным выше панелям.

Первым вариантом реализации настоящего изобретения является легкая, обладающая стабильностью размеров панель, армированная устойчивыми к щелочи стекловолокнами и содержащая керамические микросферы. В панели стекловолокна и керамические микросферы распределены равномерно по сплошной фазе, содержащей выдержанный водный раствор реакционноспособных порошков, т.е., альфа-полугидрат сульфата кальция, гидравлический цемент, известь и активный пуццолан. Вторым вариантом реализации настоящего изобретения является легкая, обладающая стабильностью размера панель, армированная устойчивыми к щелочи стекловолокнами и содержащая микросферы, которыми могут быть смесь керамических и полимерных микросфер, равномерно распределенных по сплошной фазе на всю толщину панели. В качестве альтернативы, соотношение воды к реакционноспособному порошку может быть увеличено для достижения эффекта, подобного добавлению полимерных микросфер, которые могут быть заменены целиком или частично. Третьим вариантом реализации настоящего изобретения является легкая, обладающая стабильностью размеров панель, армированная устойчивыми к щелочи стекловолокнами, с использованием многослойной структуры, в которой сердцевина имеет один или два обращенных наружу слоя. В этом примере реализации наружный слой/слои включает легкие полимерные микросферы в значительных количествах во второй сплошной фазе, армированной стекловолокнами, при этом наружный слой/слои, расположенные на сердцевине, имеют либо керамические микросферы, либо смесь керамических и полимерных микросфер, равномерно распределенных по сплошной фазе, причем такая смесь по выбору определяется соотношением воды к реакционноспособным порошкам и армирована устойчивыми к щелочи стекловолокнами. В качестве альтернативы наружный слой/слои могут быть выполнены с более высоким соотношением воды к реакционноспособным порошкам, чем то, которое используется в середине панели для достижения эффекта, подобного добавлению полимерных микросфер, которые могут быть заменены целиком или частично.

Во всех трех вариантах реализации изобретения, когда панель прикреплена к каркасу, как показало испытание ASTM E72, она способна отвечать требованиям, предъявляемым строительными нормами в отношении нагрузок сдвига, или превосходить их, согласно чему панели должны выдерживать сильные ветры или землетрясения. Панели также могут использоваться в качестве черного пола или основания пола. В таких случаях применения в панелях предпочтительно используется шпунтовое соединение.

При изготовлении панели первого варианта реализации изобретения, керамические микросферы используются в качестве легких наполнителей. Эти микросферы равномерно распределены по всей толщине панели. В составе сухими ингредиентами являются реакционноспособные порошки (от 20 до 55 вес.% гидравлического цемента, от 35 до 75 вес.% альфа-полугидрата сульфата кальция, от 5 до 25 вес.% пуццолана, от 0,2 до 3,5 вес.% извести, по сухому веществу), керамические микросферы и устойчивые к щелочи стекловолокна, а мокрыми ингредиентами являются вода и суперпластификатор. Сухие ингредиенты и мокрые ингредиенты соединяются для получения панели по первому варианту реализации изобретения. Из общего веса сухих ингредиентов панель согласно изобретению предпочтительно формуется из приблизительно от 49 до 56 вес.% реакционноспособных порошков, от 35 до 42 вес.% керамических микросфер и от 7 до 12 вес.% устойчивых к щелочи стекловолокон. В широком диапазоне, панель согласно изобретению формуется из приблизительно от 35 до 58 вес.% реакционноспособных порошков, от 34 до 49 вес.% керамических микросфер и от 6 до 17 вес.% устойчивых к щелочи стекловолокон в зависимости от общего количества сухих ингредиентов. Количества воды и суперпластификатора, добавляемые к сухим ингредиентам, достаточны для получения требующейся текучести жидкого цементного раствора, необходимой с точки зрения обработки для любого конкретного процесса изготовления. Типичные нормы добавления воды составляют от 35 до 60% от веса реакционноспособных порошков (вода к порошкам 0,35-0,6/1), а нормы добавления суперпластификатора составляют от 1 до 8% от веса реакционноспособных порошков. Стекловолокнами являются мононити, имеющие диаметр приблизительно от 5 до 25 микрон (микрометров), обычно приблизительно от 10 до 15 микрон (микрометров). Мононити связаны в пучки несколькими способами. В одной типичной конфигурации 100 прядей волокна объединены в стеклянные жгутики, содержащие около 50 прядей. Возможны другие варианты. Длина стекловолокон предпочтительно будет приблизительно от 1 до 2 дюймов (25-50 мм); и ширина приблизительно от 0,25 до 3 дюймов (6,3-76 мм), а расположение волокон в плоскости панели будет хаотичным.

При изготовлении панели по второму варианту реализации изобретения смесь керамических микросфер и полимерных микросфер используется в качестве легких наполнителей. Было обнаружено, что включение полимерных микросфер в панели помогает достигать сочетания низкой плотности и лучшей гвоздимости, что необходимо для разрезания панели или прикрепления ее (гвоздями или винтами) обычными плотницкими инструментами. Поскольку соотношение воды к реакционноспособным порошкам также влияет на плотность и гвоздимость, оно может быть отрегулировано для обеспечения эффекта, подобного эффекту полимерных микросфер, хотя полимерные микросферы могут быть включены, и нет потребности в их полной замене при регулировании соотношения воды к реакционноспособным порошкам. Было также обнаружено, что реологические свойства цементного раствора значительно улучшаются использованием в составе сочетания керамических и полимерных микросфер. Поэтому во втором примере реализации изобретения сухими ингредиентами состава являются реакционноспособные порошки, описанные выше (т.е. гидравлический цемент, альфа-полугидрат сульфата кальция, пуццолан и известь), керамические микросферы, полимерные микросферы и устойчивые к щелочи стекловолокна, а мокрыми ингредиентами состава являются вода и суперпластификатор. Сухие ингредиенты и мокрые ингредиенты соединяются для получения панели согласно изобретению. Керамические и полимерные микросферы равномерно распределяются в матрице по всей толщине панели. Для достижения способности хорошего крепления и пригодности к резке объемная доля полимерных микросфер в панели предпочтительно составляет от 7 до 15% от общего объема сухих ингредиентов. Из общего веса сухих ингредиентов панель согласно изобретению предпочтительно формуется из приблизительно от 54 до 65 вес.% реакционноспособных порошков, от 25 до 35 вес.% керамических микросфер, от 0,5 до 0,8 вес.% полимерных микросфер и от 6 до 10 вес.% устойчивых к щелочи стекловолокон. В широком диапазоне, панель согласно изобретению формуется из приблизительно от 42 до 68 вес.% реакционноспособных порошков, от 23 до 43 вес.% керамических микросфер до 1,0 вес.% полимерных микросфер, предпочтительно от 0,2 до 1,0 вес.%, и от 5 до 15 вес.% устойчивых к щелочи стекловолокон в зависимости от общего количества сухих ингредиентов. Количества воды и суперпластификатора, добавляемые к сухим ингредиентам, регулируются для получения требующейся текучести жидкого цементного раствора, необходимой из соображений обработки для любого конкретного процесса изготовления. При необходимости может использоваться добавочная вода вместо полимерных микросфер для обеспечения эффекта воздействия на плотность и гвоздимость подобно тому, которое обеспечивают полимерные микросферы, или могут использоваться как полимерные сферы, так и добавочная вода. Типичные нормы добавления воды составляют от 35 до 70% от веса реакционноспособных порошков, а нормы добавления суперпластификатора составляют от 1 до 8% от веса реакционноспособных порошков. Если используется добавочная вода, соотношение воды к реакционноспособным порошкам будет превышать 0,6/1 (>60% воды на основе реакционноспособных порошков), предпочтительно >0,6/1 до 0,7/1, более предпочтительно, от 0,65/1 до 0,7/1. Когда соотношение воды к реакционноспособным порошкам отрегулировано для замены полимерных сфер, состав будет отрегулирован соответственно для получения водных растворов, имеющих подходящую консистенцию для образования панели согласно изобретению.

Стекловолокнами являются мононити, имеющие диаметр приблизительно от 5 до 25 микрон (микрометров), обычно приблизительно от 10 до 15 микрон (микрометров). Как указывалось выше, мононити могут быть связаны в пучки несколькими способами, например, как 100 прядей волокон, которые могут быть объединены в стеклянные жгутики, содержащие приблизительно 50 прядей. Длина стекловолокон предпочтительно составляет приблизительно от 1 до 2 дюймов (25-50 мм) и ширина приблизительно от 0,25 до 3 дюймов (6,3-76 мм), а расположение волокон в плоскости панели будет хаотичным.

В третьем варианте реализации изобретения создается многослойная структура в панели, где середина имеет расположенный на ней по меньшей мере один наружный слой, имеющий улучшенную гвоздимость (способность крепления). Это достигается включением существенных количеств полимерных микросфер в наружных слоях или использованием более высокого соотношения воды к реакционноспособным порошкам, чем то, которое используется при изготовлении середины, или комбинацией того и другого. Слой середины панели содержит полые керамические микросферы, равномерно распределенные по толщине слоя или, в некоторых примерах реализации, смесь керамических и полимерных микросфер. Как во втором варианте реализации, соотношение воды к реакционноспособным порошкам в середине может быть отрегулировано для обеспечения эффекта, подобного тому, который обеспечивают полимерные микросферы. Однако середина должна быть выполнена более прочной, чем наружные слои и в общем, количество используемых полимерных сфер или соотношение воды к реакционноспособным порошкам будут выбираться такими, чтобы середина панели обладала лучшей гвоздимостью, чем та, которая имеет только керамические микросферы, но обеспечивает подходящую прочность на сдвиг. Сухими ингредиентами слоя середины являются реакционноспособные порошки, описанные выше (т.е. гидравлический цемент, альфа-полугидрат сульфата кальция, пуццолан и известь), микросферы (только керамические или смесь керамических и полимерных микросфер) и устойчивые к щелочи стекловолокна, а мокрыми ингредиентами слоя середины являются вода и суперпластификатор. Сухие ингредиенты и мокрые ингредиенты объединяются для получения слоя середины панели согласно изобретению. Из общего веса сухих ингредиентов слой середины панели согласно изобретению предпочтительно формуется из приблизительно от 49 до 56 вес.% реакционноспособных порошков, от 35 до 42 вес.% керамических микросфер и от 7 до 12 вес.% устойчивых к щелочи стекловолокон или, в качестве альтернативы, из приблизительно от 54 до 65 вес.% реакционноспособных порошков, от 25 до 35 вес.% керамических микросфер, от 0,5 до 0,8 вес.% полимерных микросфер и от 6 до 10 вес.% устойчивых к щелочи стекловолокон. В широком диапазоне наружный слой/слои многослойной панели или слой середины панели согласно изобретению формуется из приблизительно от 35 до 58 вес.% реакционноспособных порошков, от 34 до 49 вес.% керамических микросфер и от 6 до 17 вес.% устойчивых к щелочи стекловолокон в зависимости от общего количества сухих ингредиентов или, в качестве альтернативы, из приблизительно от 42 до 68 вес.% реакционноспособных порошков, от 23 до 43 вес.% керамических микросфер, до 1,0 вес.% полимерных микросфер, предпочтительно, от 0,2 до 1,0 вес.%, и от 5 до 15 вес.% устойчивых к щелочи стекловолокон. Количества воды и суперпластификатора, добавляемые к сухим ингредиентам, регулируются для получения требующейся текучести жидкого цементного раствора, необходимой из соображений обработки для любого конкретного процесса изготовления. Обычные нормы добавления воды составляют от 35 до 70% от веса реакционноспособных порошков, а нормы добавления суперпластификатора составляют от 1 до 8% от веса реакционноспособных порошков.

Сухими ингредиентами наружного слоя/слоев являются реакционноспособные порошки (гидравлический цемент, альфа-полугидрат сульфата кальция, пуццолан и известь), керамические микросферы, полимерные микросферы и устойчивые к щелочи стекловолокна, а мокрыми ингредиентами наружного слоя/слоев будет вода и суперпластификатор. Сухие ингредиенты и мокрые ингредиенты соединяются для получения наружного слоя/слоев панели согласно изобретению. В наружном слое/слоях панели, где полимерные микросферы включены в значительных количествах для обеспечения хорошей крепежной способности и пригодности для резки, объемная доля полимерных микросфер в наружных слоях панели предпочтительно составляет от 7 до 15% от общего объема сухих ингредиентов. Из общего веса сухих ингредиентов, наружные слои панели согласно изобретению формуются предпочтительно из приблизительно от 54 до 65 вес.% реакционноспособных порошков, от 25 до 35 вес.% керамических микросфер, от 0,5 до 0,8 вес.% полимерных микросфер и от 6 до 10 вес.% устойчивых к щелочи стекловолокон. В широком диапазоне, наружный слой/слои будут формоваться из приблизительно от 42 до 68 вес.% реакционноспособных порошков, от 23 до 43 вес.% керамических микросфер, до 1,0 вес.% полимерных микросфер и от 5 до 15 вес.% устойчивых к щелочи стекловолокон в зависимости от общего количества сухих ингредиентов. Количества воды и суперпластификатора, добавляемые к сухим ингредиентам, будут регулироваться для получения требующейся текучести жидкого цементного раствора, необходимой из соображений обработки для любого конкретного процесса изготовления. Типичные нормы добавления воды будут составлять от 35 до 70% от веса реакционноспособных порошков (свыше 60%, если требуется улучшить гвоздимость), а нормы добавления суперпластификатора будут составлять от 1 до 8% от веса реакционноспособных порошков. Предпочтительная толщина наружного слоя/слоев составляет от 1/32 до 4/32 дюйма (0,8-3,2 мм). Если используется только один наружный слой, он должен быть меньше 3/8 от общей толщины панели.

Как в слое середины, так и в наружном слое/слоях стекловолокна представляют собой мононити, имеющие диаметр приблизительно от 5 до 25 микрон (микрометров), обычно приблизительно от 10 до 15 микрон (микрометров). Мононити могут быть связаны в пучки несколькими способами, например, в виде 100 прядей волокон, объединенных в жгутики, содержащие около 50 прядей. Длина волокна будет предпочтительно составлять приблизительно от 1 до 2 дюймов (25-50 мм) и в ширину приблизительно от 0,25 до 3 дюймов (6,3-76 мм), а расположение волокон в плоскости панели будет хаотичным.

В другом аспекте, изобретением является способ изготовления описанных здесь панелей, обладающих прочностью к сдвигу. Приготовляют водный раствор из реакционноспособных порошков (т.е. альфа-полугидрата сульфата кальция, гидравлического цемента, активного пуццолана и извести) и микросфер (только керамических или смеси керамических и полимерных микросфер) и затем укладывают тонкими слоями в форму для панели, при этом раствор соединяется с короткими рублеными стекловолокнами, и получают равномерно смешанный материал середины. В третьем варианте реализации изобретения все слои (т.е. середина и один или два наружных слоя) панели формуются, используя ту же технологию. Водный раствор для слоя середины содержит либо только керамические микросферы, либо смесь керамических и полимерных микросфер, раствор для наружных слоев содержит полимерные микросферы в больших количествах, чем для середины для обеспечения наружных слоев, которые обладают хорошей гвоздимостью, при этом обеспечивая слою середины требуемую прочность на сдвиг.

Фигуры 1А и 1В являются диаграммами результатов испытаний Примера 6.

Фигура 2 является столбцовой диаграммой результатов испытаний Примера 7.

Фигура 3 показывает панель со шпунтовым соединением.

Фигура 4 показывает размеры шпунта и канавки панели толщиной 3/4 дюйма (19,1 мм).

Как указывалось, существует необходимость создания панелей, которые заменяют панели из фанеры и панели из плит с ориентированными волокнами там, где необходимо соблюдать строительные нормы, требующие прочности на сдвиг, который происходит в результате нагрузок от сильных ветров и землетрясений. Так, где такая характеристика не нужна, могут использоваться обычные панели обшивки, как например гипсовая обшивка с облицовкой из строительного картона, гипсовая обшивка с облицовкой из стеклянной сетки и не конструкционные панели на основе цемента, поскольку эти панели не предназначены для сопротивления силам сдвига. Панели из фанеры и ПОВ могут обеспечивать необходимую характеристику прочности на сдвиг, но они не обладают стабильностью размеров, когда находятся под воздействием воды, и могут загнивать или привлекать насекомых. Кроме того, когда используются панели из фанеры и ПОВ, их необходимо защищать от влаги нанесением дополнительных водостойких панелей поверх них, что требует больших дополнительных затрат. Затем может быть нанесен наружный отделочный слой. В отличие от них панели согласно изобретению являются водостойкими, несгораемыми, обладают стабильностью размеров и достаточной прочностью, чтобы заменить два слоя, требующиеся, когда используются панели обшивки из фанеры или ПОВ, и наружный слой отделки, как, например, наружная штукатурка, может быть непосредственно нанесен на новые панели. Панели могут разрезаться инструментами, которые используются для деревянных панелей, и крепиться к каркасу гвоздями или винтами. При необходимости возможна конструкция шпунтового соединения. Главными исходными материалами, используемыми для изготовления панелей изобретения, являются альфа-полугидрат сульфата кальция, цемент, пуццолановые материалы, устойчивые к щелочи стекловолокна, керамические микросферы и полимерные микросферы.

Полугидрат сульфата кальция

Полугидрат сульфата кальция, используемый в панелях по изобретению, делается из гипсовой руды, природного минерала (дигидрат сульфата кальция CaSO₄·2H₂О). Если не употреблять другого термина, "гипс" относится к сульфату кальция в виде дигидрата. После добычи сырой гипс подвергается термической обработке для образования отверждающегося сульфата кальция, который может быть безводным, но обычно является полугидратом, CaSO₄·1/2H₂О. Полугидрат имеет две признанные морфологии, называемые альфа-полугидрат и бета-полугидрат. Они выбираются для применения в различных целях, в зависимости от их физических свойств и стоимости. Обе формы вступают в реакцию с водой, образуя дигидрат сульфата кальция. Бета-полугидрат образует менее плотные микроструктуры и предпочтителен для продуктов с низкой плотностью. Альфа-полугидрат образует более плотные микроструктуры, имеющие большую прочность и плотность, чем микроструктуры, образованные бета-полугидратом. Альфа-полугидрат предпочтителен для панелей обшивки изобретения, поскольку было обнаружено, что смеси реакционноспособных порошков, содержащие альфа-полугидрат сульфата кальция, гидравлический цемент, пуццолан и известь в количествах согласно изобретению, дают панели, имеющие увеличенную продолжительность срока службы.

Гидравлический цемент

ASTM дает следующее определение "гидравлического цемента":

цемент, который схватывается и твердеет от химического взаимодействия с водой и способен это делать под водой. Существует несколько типов гидравлических цементов, которые используются в строительной промышленности и в промышленности строительных материалов. Примеры гидравлических цементов включают портландцемент, шлаковые цементы, как, например, доменный шлакопортландцемент, и суперсульфатные цементы, цемент на основе сульфоалюмината кальция, глиноземистый цемент, расширяющиеся цементы, белый цемент и быстросхватывающиеся и быстротвердеющие цементы. Несмотря на то, что полугидрат сульфата кальция схватывается и твердеет от химического взаимодействия с водой, он не включен в широкий спектр определения гидравлических цементов в контексте этого изобретения. Все из указанных гидравлических цементов могут использоваться для изготовления панелей по этому изобретению. Наиболее популярная и широко используемая группа гидравлических цементов, имеющих схожие свойства, известна как портландцемент. ASTM определяет "портландцемент" как гидравлический цемент, получаемый пульверизацией клинкера (полуфабриката для получения цемента), состоящего в основном из гидравлических силикатов кальция, обычно содержащих одну или более форм сульфата кальция как добавку совместного помола. Для изготовления портландцемента тщательно измельченная смесь известняка, глинистой породы и глина сжигаются в печи для получения клинкера, который затем подвергается дальнейшей обработке. В результате получают следующие четыре основных фазы портландцемента: трехкальциевый силикат (3CaO·SiO₂, также называющийся С₃S), двухкальциевый силикат (2CaO·SiO₂, называющийся C₂S), трехкальциевый алюминат (3СаО·Al₂О₃ или С₃А), четырехкальциевый алюмоферрит (4СаО·Al₂O₃·Fe₂O₃ или C₄AF).

Другие соединения, присутствующие в небольших количествах в портландцементе, включают сульфат кальция и другие двойные соли щелочных сульфатов, оксид кальция и оксид магния. Из различных признанных классов портландцемента Тип III (быстротвердеющий) портландцемент (по классификации ASTM) является предпочтительным для изготовления панелей согласно изобретению, так как оказалось, что благодаря его мелкозернистости он обеспечивает большую прочность. Другие признанные классы гидравлических цементов, включая такие шлаковые цементы, как доменный шлакопортландцемент, суперсульфатные цементы, цемент на основе сульфоалюмината кальция, глиноземистый цемент, расширяющиеся цементы, белый цемент, быстросхватывающиеся и быстротвердеющие цементы, как, например, цемент с регулируемым схватыванием, и другие типы портландцемента, могут быть также успешно использованы для изготовления панелей изобретения. Шлаковые цементы и цементы на основе сульфоалюмината кальция имеют низкое содержание щелочи и также являются предпочтительными для изготовления панелей изобретения.

Волокна

Стекловолокна обычно используются как изоляционный материал, но они также использовались как армирующие материалы с различными матрицами. Сами по себе волокна обеспечивают материалам прочность при растяжении, которые в противном случае подвергались бы хрупкому разрушению. Волокна могут ломаться при нагрузке, но обычный режим разрушения композиционных материалов, содержащих стекловолокна, происходит от ухудшения свойств и нарушения связи между волокнами и материалом сплошной фазы. Таким образом, такие связи имеют важное значение, если армирующие волокна должны сохранять способность увеличения пластичности и укреплять композиционный материал в течение срока службы. Было обнаружено, что цементы, армированные стекловолокном, действительно теряют прочность со временем, что приписывалось воздействию на стекло извести, получающейся при выдерживании цемента. Одним возможным способом преодоления такого воздействия является покрытие стекловолокон защитным слоем, например, полимерным слоем. В общем, такие защитные слои могут противостоять воздействию извести, но оказалось, что прочность в панелях по изобретению уменьшается, и таким образом, защитные слои не целесообразны. Более дорогостоящим способом ограничения воздействия извести является использование специальных устойчивых к щелочи стекловолокон (ЩУ стекловолокон), таких как, например, стекловолокна фирмы Nippon Electric Glass (NEG) 350Y. Такие волокна, как было обнаружено, обеспечивают превосходную силу сцепления матрице и поэтому являются предпочтительными для панелей согласно изобретению. Стекловолокна представляют собой мононити