Легкие цементирующие композиции и строительные изделия и способы их изготовления

Легкие цементирующие композиции и строительные изделия и способы их изготовления

Реферат

Перекрестная ссылка на родственные заявки

В настоящем изобретении заявлен приоритет патентной заявки США № 11/773,865, поданной 5 июля 2007 г., которая включена в данную заявку путем ссылки.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к легким цементирующим композициям для изготовления панелей на основе цемента и к строительным изделиям. В частности, цементирующие композиции и изделия имеют плотность в диапазоне приблизительно от 40 до 80 фунтов на кубический фут (от 0,64 до 1,28 г/куб.см), предпочтительно приблизительно от 45 до 65 фунтов на кубический фут (от 0,72 до 1,04 г/куб.см).

Уровень техники

В патенте США №6869474, выданном Perez-Pena et al., включенном в данную заявку путем ссылки, обсуждено быстрое схватывание цементирующих композиций для получения изделий на основе цемента, таких как цементные плиты, где схватывания достигают путем добавления алканоламина к гидравлическому цементу, такому как Портландцемент, и образования суспензии с водой в условиях, обеспечивающих первоначальную температуру суспензии, составляющую как минимум 90°F (36°С). Могут быть включены дополнительные реакционноспособные материалы, такие как высокоглиноземистый цемент, сульфат кальция и пуццолановый материал, такой как летучая зола. Чрезвычайно быстрое схватывание позволяет быстрое получение цементирующих изделий. Было найдено, что триэтаноламиновые добавки являются очень мощным катализатором, способным к образованию композиций с относительно короткими конечными временами схватывания, имеющими повышенные уровни летучей золы и гипса, без потребности в глиноземистых цементах. Однако композиции с триэтаноламином также имели относительно низкую прочность на сжатие на ранней стадии отверждения по сравнению с предыдущими композициями цементных плит, содержащих глиноземистые цементы.

В патенте США №6641658, выданном Dubey, включенном в данную заявку путем ссылки, описано быстрое схватывание цементирующей композиции, полезной для получения цементных плит, содержащих в качестве реакционноспособных порошков Портландцемент, пуццолан, высокоглиноземистый цемент и нерастворимый ангидрит сульфата кальция, что обеспечивает уменьшенные времена схватывания по сравнению с цементирующими композициями, известными из уровня техники. Композиция предпочтительно содержит в качестве реакционноспособной порошкообразной смеси 35-90 мас.% Портландцемента, 0-55 мас.% пуццолана, 5-15 мас.% высокоглиноземистого цемента и 1-8 мас.% нерастворимого ангидрита сульфата кальция. Замещение нерастворимого ангидрита сульфата кальция традиционным растворимым гипсом (дигидратом) повышает тепловыделение и уменьшает времена схватывания, несмотря на использование очень больших количеств пуццолановых материалов, предпочтительно летучей золы. Цементирующая композиция может также содержать легкие заполнители и наполнители, плюс добавки, для придания других желательных полезных свойств, такие как суперпластификаторы, ингибиторы схватывания и катализаторы схватывания.

В патенте США №4488909, выданном Galer et al., включенном в данную заявку путем ссылки, описаны цементирующие композиции, способные к быстрому схватыванию. Композиции позволяют высокоскоростное получение устойчивых к действию диоксида углерода цементных плит путем образования, по существу, всего возможного эттрингита в течение приблизительно 20 минут после смешивания композиции с водой. Существенными компонентами цементирующей композиции являются Портландцемент, высокоглиноземистый цемент, сульфат кальция и известь. Пуццоланы, такие как летучая зола, монтмориллонитовые глины, диатомовая земля и пумицит могут быть добавлены в количестве до приблизительно 25%. Цементная композиция содержит приблизительно от 14 до 21 мас.% высокоглиноземистого цемента, который в сочетании с другими компонентами дает возможность образования на ранней стадии эттрингита и других глиноземистых гидратов, ответственных за раннее схватывание цементирующей смеси. В своем изобретении, Galer et al. обеспечили алюминаты при помощи высокоглиноземистого цемента (НАС) и сульфат ионы при помощи гипса с образованием эттрингита, и достигли быстрого схватывания заявленной ими цементирующей смеси.

Эттрингит представляет собой соединение алюмосульфата кальция, имеющее формулу Са₆Аl₂(SO₄)₃·32Н₂O или альтернативно 3СаО·Аl₂O₃·3СаSO₄·32Н₂O. Эттрингит образует длинные игольчатые кристаллы и обеспечивает быстрое упрочнение до цементных плит на ранней стадии, так, что они могут быть обработаны сразу после заливки в формы или после непрерывного литья и образования зон.

Сущность изобретения

Целью настоящего изобретения является обеспечение легких цементирующих композиций для изготовления панелей на цементной основе и строительных изделий.

Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение цементирующих композиций и изделий, имеющих плотность в диапазоне приблизительно от 40 до 80 фунтов на кубический фут (от 0,64 до 1,28 г/куб.см), предпочтительно приблизительно от 45 до 65 фунтов на кубический фут (от 0,72 до 1,04 г/куб.см). Предпочтительная прочность на изгиб плит, изготовленных из данной композиции, находится в диапазоне от 400 до 2000 фунт/кв.дюйм (от 2,76 до 13,8 МПа). Наиболее предпочтительная прочность на изгиб находится в диапазоне от 750 до 1750 фунт/кв.дюйм (от 5,17 до 12,1 МПа). Предпочтительный максимальный изгиб плит, измеренных в испытании на изгиб, проведенном согласно ASTM С 947 для образца, проанализированного на участке более 10 дюймов, выполненного из данной композиции, находится в диапазоне от 0,25 до 1,75 дюймов (от 0,64 до 4,5 см). Наиболее предпочтительный максимальный изгиб находится в диапазоне от 0,50 до 1,25 дюймов (от 1,3 до 3,18 см).

Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение легких цементирующих панелей, которые имеют на 1/2 дюйма (1,27 см) толщины основную массу, составляющую предпочтительно менее чем 3,3 фунтов на кв.фут (16,1 кг на кв.см), более предпочтительно менее чем 2,5 фунтов на кв.фут (12,2 кг на кв. см.), и наиболее предпочтительно менее чем 2,1 фунтов на кв.фут (10,25 кг на кв.см).

Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение цементирующих панелей, которые применяют в качестве прочных и способных к адгезии подложек для установки керамической плитки, брусчатки и отделочных слоев штукатурки.

Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение цементирующих панелей, которые имеют хорошую гидрофобность и устойчивость к пропитыванию.

Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение цементирующих изделий, которые имеют хорошую устойчивость к действию влажности и стабильность размеров, что позволяет их применение на влажных участках зданий.

Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение легких цементирующих изделий, стойких к действию бактерий, плесени и росту грибков.

Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение легких цементирующих изделий, которые имеют хорошую морозостойкость.

Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение легких цементирующих изделий, которые являются негорючими.

Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение легких цементирующих изделий, которые имеют существенно улучшенные характеристики для обработки, установки и закрепления.

Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение легких цементирующих панелей, которые имеют существенно улучшенные характеристики по отношению к образованию трещин и задиров, характеристики резания.

Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение цементирующих композиций, которые во влажном состоянии имеют устойчивость текучести, являются стабильными, и не склонны к разделению материалов.

Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение цементирующих композиций, отвечающих за образование прочных связей между цементирующей основой и поверхностью арматурной сеткой в тонких цементирующих панелях во время производства и после него.

Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение цементирующих композиций для эффективной обработки легких цементирующих изделий в условиях коммерческого производства.

Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение способов изготовления легких цементирующих композиций для производства панелей и строительных изделий на цементной основе.

Таким образом, настоящее изобретение относится к, в общем, легкой цементирующей композиции быстрого схватывания для конструкции из панелей или плит.

Цементирующая композиция содержит 35-60 мас.% цементирующего реакционноспособного порошка (который также называют связующим веществом на основе Портландцемента), 2-10 мас.% вспененного и химически покрытого перлитного наполнителя, 20-40 мас.% воды, вовлеченный воздух, например 10-50 об.% вовлеченного воздуха в пересчете на сырую основу, и необязательные добавки, такие как пластификаторы, химические катализаторы схватывания и химические ингибиторы схватывания. Легкие цементирующие композиции могут также необязательно содержать 0-25 мас.% вторичных наполнителей, например 10-25 мас.% вторичных наполнителей. Типичный наполнитель содержит одно или более из вспученного глинистого, сланцевого заполнителя и пемзы.

Цементирующий реакционноспособный порошок, применяемый в настоящем изобретении, типично составлен из чистого Портландцемента или из смеси Портландцемента и приемлемого пуццоланового материала, такого как летучая зола или доменный шлак. Цементирующий реакционноспособный порошок может также необязательно содержать одно или более из гипса (натуральный гипс) и высокоглиноземистого цемента (НАС), которые добавляют в небольших дозах для влияния на характеристики схватывания и гидратации связывающего вещества.

Низкую плотность получают при помощи применения (i) вспученного перлита, имеющего специальные характеристики, и (ii) вовлечения воздуха.

Наполнитель из вспененного перлита занимает 7,5-40% объема композита, он предпочтительно состоит из частиц, имеющих средний размер частиц 20-60 микрон в диаметре, предпочтительно, имеет плотность частиц менее чем 0,30 г/куб.см, и покрыт силаном, силоксаном, силиконом или их смесью. Данный наполнитель из вспененного перлита является уникальным в том, что он химически покрыт для придания ему водонепроницаемости и гидрофобности. Дополнительно, покрытый наполнитель из вспененного перлита имеет размер частиц в диапазоне, позволяющем образование эффективной водонепроницаемой структуры частиц с закрытыми порами при нанесении химического покрытия. Применение выбранных покрытых наполнителей из вспененного перлита является важным для того, чтобы позволить получение поддающихся обработке и переработке цементирующих суспензий при низких диапазонах использования воды. Более низкие количества воды в композиции приводят к получению изделия, имеющего превосходные механические свойства и физические характеристики.

Вовлеченный воздух занимает 10-50% объема композиции, в пересчете на сырую основу. Вовлеченность воздуха в композиции в соответствии с настоящим изобретением обеспечивают при помощи приемлемых поверхностно-активных веществ, которые образуют стабильную и однородную структуру воздушных пузырьков в готовом изделии.

Цементирующие композиции в соответствии с настоящим изобретением могут быть применены для получения изделий из сборного бетона, таких как цементные плиты с превосходной устойчивостью к действию влажности для применения во влажных и сухих помещениях в зданиях. Такие изделия из сборного бетона, как цементные плиты, получают в условиях, обеспечивающих быстрое схватывание цементирующей смеси, таким образом, что плиты могут быть обработаны вскоре после того, как цементирующую смесь погружают в стационарную или подвижную форму или над постоянно движущейся конвейерной лентой.

Легкие цементирующие композиции и изделия типично имеют одно или несколько следующих преимуществ:

низкое водопотребление,

текучие и поддающиеся обработке суспензии, которые получают при низких дозировках воды,

низкая плотность,

высокая прочность на сжатие,

превосходная водонепроницаемость,

превосходная стабильность размеров при переменных условиях окружающей среды,

превосходная устойчивость к просачиванию по толщине изделия,

превосходная сила сцепления с готовыми поверхностями, такими как керамическая плитка и цементные строительные растворы,

быстрое схватывание,

прекрасные эстетические качества и внешний вид.

Типично, цементная плита, полученная путем отверждения вышеуказанной композиции, имеет толщину, составляющую от приблизительно 1/4 до 1 дюймов (от 6,3 до 25,4 мм).

Все процентные содержания, соотношения и пропорции в данной заявке являются массовыми, если не указано иное. Также, все средние молекулярные массы являются средневесовыми молекулярными массами, если не указано иное.

Краткое описание чертежей

На Фиг.1 показано возрастание температуры суспензии для смесей, исследованных в Примере 11.

Подробное описание изобретения

Цементирующая композиция

В ТАБЛИЦЕ 1 описаны смеси, которые применяют для образования легких цементирующих композиций в соответствии с настоящим изобретением. Объем, занимаемый химически покрытым перлитом, находится в диапазоне от 7,5 до 40%, а объем, занимаемый вовлеченным воздухом, находится в диапазоне от 10 до 50% от общего объема композиции. Это в существенной степени способствует получению цементных изделий, имеющих желаемую низкую плотность, составляющую приблизительно от 40 до 80 фунтов на куб.фут (от 0,64 до 1,28 г/куб.см), предпочтительно приблизительно от 45 до 65 фунтов на куб. фут (от 0,72 до 1,04 г/куб. см).

ТАБЛИЦА 1
Легкие цементирующие композиции
Ингредиент	Мас.%	Об.%
Связывающий агент на основе Портландцемента (цементирующий реакционноспособный порошок)	35-60	10-25
Химически покрытый перлит	2-10	7,5-40
Вспученный глинистый и сланцевый заполнитель	0-25	0-15
Вода	20-40	20-40
Вовлеченный воздух	-	10-50

Цементирующая композиция предпочтительно содержит:

цементирующий реакционноспособный порошок, содержащий Портландцемент и необязательно пуццолановый материал (35-60 мас.%) (типичная смесь содержит 100 частей Портландцемента; 30 частей летучей золы; 3 части натурального гипса;

вспученный и химически покрытый перлитный наполнитель (2-10 мас.%),

вовлеченный воздух (10-50% от объема композита, % от объема композита является об.% суспензии в пересчете на сырую основу),

воду (20-40 мас.%),

необязательные добавки, такие как пластификаторы, катализаторы, ингибиторы и

необязательные вторичные наполнители (10-25 мас.%), например вспученный глинистый, сланцевый заполнитель и пемзу;

при этом общее содержание вспученного и химически покрытого перлитного наполнителя и вторичных наполнителей, например вспученного глинистого, сланцевого заполнителя и/или пемзы, составляет, по меньшей мере, 20 мас.%.

Химически покрытый наполнитель из вспененного перлита

Наполнитель из вспененного перлита составляет 2-10 мас.%, 7,5-40 об.% суспензии цементирующей композиции. Наполнитель из вспененного перлита состоит из частиц, имеющих средний диаметр частиц типично 20-500 микрон или 20-250 микрон, предпочтительно 20-150 микрон, более предпочтительно 20-90 микрон, и наиболее предпочтительно 20-60 микрон, эффективная плотность частиц составляет предпочтительно менее чем 0,50 г/куб.см, более предпочтительно менее чем 0,40 г/куб.см и наиболее предпочтительно менее чем 0,30 г/куб.см, и химически обработанных силановым, силоксановым, силиконовым покрытиями или их смеси. Такой наполнитель из вспененного перлита является уникальным в том, что он химически покрыт для придания ему водонепроницаемости и гидрофобности.

Дополнительно, размер частиц покрытого наполнителя из вспененного перлита позволяет образование эффективной водонепроницаемой структуры частиц с закрытыми порами при нанесении химического покрытия. Применение выбранного покрытого наполнителя из вспененного перлита является важным для того, чтобы позволить получение способных к обработке и переработке цементирующих суспензий при низких диапазонах использования воды. Более низкое содержание воды в композиции приводит к получению изделия, имеющего превосходные механические свойства и физические характеристики. Наиболее предпочтительными соединениями для химического покрытия для получения водонепроницаемых и гидрофобных перлитных частиц являются алкилалкоксисиланы. Октилтриэтоксисилан представляет собой наиболее предпочтительный алкилалкоксисилан для покрытия перлита для применения в цементирующих композициях в соответствии с настоящим изобретением.

Одним из наиболее предпочтительных коммерчески доступных химически покрытых перлитных наполнителей является SIL-CELL 35-23, доступный от Silbrico Corporation. SIL-CELL 35-23 перлитные частицы являются химически покрытым алкилалкоксисилановым соединением. Другим предпочтительным химически покрытым перлитным наполнителем является SIL-CELL 35-34, доступный от Silibrico Corporation. SIL-CELL 35-34 перлитные частицы являются также полезными в цементирующих композициях в соответствии с настоящим изобретением и покрыты кремнийорганическим соединением. DICAPERL 210 и DICAPERL 220 являются еще двумя коммерческими покрытыми перлитными наполнителями, которые производит Grefco Minerals Inc., которые являются предпочтительными в настоящем изобретении. DICAPERL 210 перлит, с алкилалкоксисилановым соединением, является особенно предпочтительным в цементирующих композициях в соответствии с настоящим изобретением. DICAPERL 220 перлит, покрытый кремнийорганическим соединением, также является полезным в композициях в соответствии с настоящим изобретением.

Другим очень полезным свойством перлитного наполнителя в соответствии с настоящим изобретением является то, что они проявляют пуццолановые характеристики благодаря небольшим размерам частиц и химической природе кремнезема. Благодаря их пуццолановым свойствам, выбранные перлитные наполнители в соответствии с настоящим изобретением улучшают химическую стойкость цементирующих композиций при разработке усовершенствованных поверхностей и улучшенного сцепления с цементирующими агентами связывания и другими ингредиентами, присутствующими в смеси.

Другие чрезвычайно важные преимущества возникают вследствие небольшого размера частиц перлитного наполнителя в соответствии с настоящим изобретением. Данное усовершенствование относится к возможности производства и эксплуатационным характеристикам армированных цементных плит, которые получают при помощи перлитных композиций в соответствии с настоящим изобретением. Выбранные перлитные наполнители в соответствии с настоящим изобретением увеличивают общее количество очень мелкодисперсных частиц (менее 75 микрон), присутствующих в композиции. Наличие высокого содержания мелкодисперсных частиц в композиции является чрезвычайно полезным при быстрой обработке армированной цементной плиты, это способствует усилению сцепления между цементирующей суспензией и арматурной сеткой. Повышенной сцепление между цементирующей суспензией и арматурной сеткой приводит к уменьшению случаев расслаивания арматуры, ускорению обработки цементной плиты и улучшению переработки продукции.

Цементирующий реакционноспособный порошок (связывающее вещество на основе Портландцемента)

Цементирующий реакционноспособный порошок (который также называют связывающим веществом на основе Портландцемента), который применяют в настоящем изобретении, типично состоит из чистого Портландцемента или из смеси Портландцемента и приемлемого пуццоланового материала, такого как летучая зола или доменный шлак.

Цементирующий реакционноспособный порошок содержит Портландцемент, и также может содержать высокоглиноземистый цемент, сульфат кальция и минеральную добавку, предпочтительно летучую золу, с образованием суспензии с водой. Цементирующий реакционноспособный порошок не содержит инертных веществ, таких как заполнитель.

Если цементирующий реакционноспособный порошок в соответствии с настоящим изобретением содержит только Портландцемент и летучую золу, то цементирующий реакционноспособный порошок предпочтительно содержит 40-90 мас.% Портландцемента и 10-60 мас.% летучей золы, или 40-80 мас.% Портландцемента и 20-60 мас.% летучей золы, где мас.% рассчитан, исходя из суммарного количества Портландцемента и летучей золы.

Цементирующий реакционноспособный порошок может также необязательно содержать один или несколько ингредиентов, таких как гипс (натуральный гипс) или высокоглиноземистый цемент, который добавляют в небольших дозах для того, чтобы повлиять на характеристики схватывания и гидратации данного связывающего агента. Если присутствуют такие другие ингредиенты, то цементирующий реакционноспособный порошок может содержать 40-80 мас.% Портландцемента, 0-20 мас.% высокоглиноземистого цемента, 0-7 мас.% сульфата кальция и 0-55 мас.% летучей золы, из расчета на массу данных компонентов.

Таким образом, смесь цементирующего реакционноспособного порошка цементирующей композиции может содержать очень высокие концентрации минеральных добавок, таких как пуццолановые материалы, до 55 мас.% реакционноспособной порошкообразной смеси. Повышение содержания минеральных добавок, например летучей золы, может способствовать существенному снижению стоимости изделия. Дополнительно, применение пуццолановых материалов в композиции способствует увеличению срока службы изделия вследствие пуццолановых реакций.

Реакционноспособная порошкообразная смесь цементирующей композиции может не содержать добавленной извести. Уменьшенное содержание извести помогает понизить щелочность цементирующего матрикса и таким образом увеличить длительность срока службы изделия.

Гидравлический цемент

Гидравлические цементы, в частности Портландцемент, составляют значительное количество композиций в соответствии с настоящим изобретением. Должно быть понятно, что, как используют в данной заявке, термин "гидравлический цемент" не включает гипс, который не набрал прочности под воздействием воды, хотя типично некоторое количество гипса входит в состав Портландцемента.

Стандартная спецификация для Портландцемента ASTM С 150 определяет Портландцемент как гидравлический цемент, полученный путем распыления клинкера, состоящего, по существу, из затвердевающих в воде силикатов кальция, обычно содержащих одну или более форм сульфата кальция в качестве молотой добавки. Более обобщенно, другие гидравлические цементы могут быть замещены Портландцементом, например цементами на основе сульфо-алюмината кальция. Для изготовления Портландцемента, гомогенную смесь известняка и глины прокаливают в печи для обжига и сушки с образованием Портландцементного клинкера. В клинкере присутствуют четыре основные фазы Портландцемента - трикальций силикат (3CaO·SiO₂, который также имеет название С₃S), дикальций силикат (2CaO·SiO₂, под названием C₂S), трикальций алюминат (3СаО·Аl₂О₃ или С₃А) и тетракальций алюминоферрит (4СаО·Аl₂O₃·Fе₂O₃ или C₄AF). Полученный в результате клинкер, содержащий вышеуказанные соединения, перемалывают с сульфатами кальция до желательной дисперсности с получением Портландцемента.

Другие соединения, присутствующие в малых количествах в Портландцементе, включают двойные соли сульфатов щелочных металлов, оксид кальция и оксид магния. Если должны быть получены цементные плиты, то Портландцемент будет типично находиться в форме очень мелкодисперсных частиц, так, что площадь поверхности частиц превышает 4000 см²/г и типично составляет 5000-6000 см²/г согласно измерениям площади поверхности, проведенным способом Блейна (ASTM С 204). Из различных признанных классов Портландцемента, Портландцемент ASTM тип III является наиболее предпочтительным цементирующим реакционноспособным порошком цементирующих композиций в соответствии с настоящим изобретением. Это вызвано его относительно быстрой реакционноспособностью и быстрым нарастанием прочности на ранней стадии.

В настоящем изобретении, необходимость в применении Портландцемента типа III минимизирована и относительно быстрое нарастание прочности на ранней стадии может быть получено при применении других цементов вместо Портландцемента типа III. Другие признанные типы цементов, которые могут быть применены для замещения или дополнения Портландцемента типа III в композиции в соответствии с настоящим изобретением, включают Портландцемент типа I или другие гидравлические цементы, включая белый цемент, бесклинкерные шлаковые цементы, такие как шлакопортландцемент, пуццолановые цементы с добавками, расширяющиеся цементы, сульфоалюминатные цементы и скважинные цементы.

Минеральные добавки

Цементирующая реакционноспособная порошковая смесь цементирующей композиции может содержать высокие концентрации минеральных добавок, таких как пуццолановые материалы и/или непуццолановые заполнители, например карбонат кальция, слюду, тальк и т.д.

ASTM C618-97 определяет пуццолановые материалы как "кремнистые или кремнисто-глиноземные материалы, которые сами по себе имеют малую цементообразующую способность или вообще ее не имеют, но будут, в мелкодисперсной форме и в присутствии влаги, химически реагировать с гидроксидом кальция при обычных температурах с образованием соединений, имеющих цементирующие свойства". Различные натуральные и искусственные материалы были названы пуццолановыми материалами, обладающими пуццолановыми свойствами. Некоторые примеры пуццолановых материалов включают пемзу, диатомовую землю, тонкий кремнеземный порошок, туф, трас, рисовую шелуху, метакаолин, мелкогранулированный доменный шлак и летучую золу. Все данные пуццолановые материалы могут быть применены или по отдельности, или в объединенной форме в составе цементирующего реакционноспособного порошка в соответствии с настоящим изобретением.

Летучая зола является предпочтительным пуццоланом в цементирующей реакционноспособной порошковой смеси в соответствии с настоящим изобретением. Летучие золы, содержащие высокие концентрации оксида кальция и алюмината кальция (такие как летучие золы класса С стандарта ASTM C618) являются предпочтительными, как объяснено ниже в данной заявке. Также могут быть включены другие минеральные добавки, такие как карбонат кальция, глины и крошка слюды.

Летучая зола является мелкодисперсным порошкообразным побочным продуктом, образованным путем сжигания угля. На электростанциях используют паровые котлы, в которых сжигают распыленный уголь с получением наиболее коммерчески доступных летучих зол. Такие летучие золы состоят главным образом из стекловидных сферических частиц, а также из остатков гематита и магнетита, древесного угля и некоторых кристаллических фаз, образованных во время охлаждения. Структура, состав и свойства частиц летучей золы зависят от структуры и состава угля и процессов горения, при которых образуется летучая зола. Стандарт ASTM C618 признает два основных класса летучей золы для применения в бетоне - класс С и класс F. Эти два класса летучей золы получают из различных видов угля, которые возникают в результате различий в процессах образования угля в различные геологические периоды времени. Летучую золу класса F обычно получают при сжигании антрацита или битуминозного угля, в то время как летучую золу класса С обычно получают из лигнита или суббитуминозного угля.

Стандарт ASTM C618 различает летучие золы класса F и класса С, в основном, в соответствии с их пуццолановыми свойствами. Соответственно, в стандарте ASTM C618, основной характеристической разницей между летучей золой класса F и летучей золой класса С является нижний предел содержания SiO₂+Аl₂О₃+Fе₂О₃ в композиции. Нижний предел содержания SiO₂+Аl₂О₃+Fе₂О₃ в летучих золах класса F составляет 70% и в летучих золах класса С - 50%. Таким образом, летучие золы класса F являются более пуццолановыми, чем пуццолановые летучие золы класса С. Хотя это ясно не указано в стандарте ASTM C618, летучие золы класса С типично имеют высокое содержание оксида кальция. Наличие высокого содержания оксида кальция придает летучим золам класса С цементирующие свойства, что приводит к образованию гидратов силиката кальция и алюмината кальция при смешивании с водой. Как можно будет увидеть в примерах, приведенных в данной заявке ниже, было найдено, что летучая зола класса С обеспечивает превосходные результаты, в особенности в предпочтительных композициях, в которых не применяют высокоглиноземистый цемент и гипс.

Массовое соотношение пуццоланового материала и Портландцемента в цементирующей реакционноспособной порошковой смеси, применяемой в цементирующей композиции в соответствии с настоящим изобретением, может составлять приблизительно от 0/100 до 150/100, предпочтительно от 25/100 до 125/100. Например, типичная цементирующая реакционноспособная порошковая смесь содержит приблизительно от 10 до 60 мас.% летучей золы и от 40 до 90 мас.% Портландцемента.

Высокоглиноземистый цемент

Высокоглиноземистый цемент (НАС) является другим типом гидравлического цемента, который может образовывать компонент реакционноспособной порошкообразной смеси некоторых осуществлений в соответствии с настоящим изобретением.

Высокоглиноземистый цемент также, в общем, называют алюминатным цементом или глиноземистым цементом. Как подразумевает название, высокоглиноземистые цементы имеют высокое содержание глинозема, приблизительно 36-42 мас.% является типичным. Также коммерчески доступными являются высокоглиноземистые цементы высокой чистоты, в которых содержание глинозема может находиться в диапазоне до 80 мас.%. Такие высокоглиноземистые цементы высокой чистоты имеют тенденцию к высокой стоимости по сравнению с другими цементами. Высокоглиноземистые цементы, применяемые в композициях некоторых осуществлений настоящего изобретения, тонко перемолоты для облегчения ввода алюминатов в водную фазу таким образом, что может происходить быстрое образование эттрингита и других гидратов алюмината кальция. Площадь поверхности высокоглиноземистого цемента, который может быть применен в некоторых осуществлениях композиции в соответствии с настоящим изобретением, будет превышать 3000 см²/г и типично приблизительно составит от 4000 до 6000 см²/г согласно измерениям площади поверхности, проведенным способом Блейна (ASTM С 204).

Появилось несколько способов производства высокоглиноземистого цемента. Типично, основным сырьем для производства высокоглиноземистого цемента являются боксит и известняк. Один из способов производства, который применяют в США для получения высокоглиноземистого цемента, описан следующим образом. Сначала бокситовую руду дробят и высушивают, а затем перемалывают с известняком. Сухой порошок, содержащий боксит и известняк, затем подают в барабанную печь. Распыленный малозольный уголь применяют в печи в качестве топлива. Реакция между бокситом и известняком происходит в печи, а расплавленный продукт собирается в нижнем конце печи и выливается в ковш, установленный на дне. Расплавленный клинкер гасят водой с образованием гранулятов клинкера, которые затем направляют в резерв. Затем гранулят перемалывают до желательной дисперсности с образованием целевого цемента.

Во время процесса производства высокоглиноземистого цемента образуется несколько соединений алюмината кальция. Основным образующимся соединением является алюминат монокальция (СА). Остальные образующиеся алюминаты кальция и силикаты кальция включают C₁₂A₇, CA₂, C₂S, C₂AS. Также образуются несколько других соединений, содержащих относительно высокие концентрации оксидов железа. Они включают ферриты кальция, такие как CF и C₂F, и алюмоферриты кальция, такие как C₄AF, CeAF₂ и CeA₂F. Другие второстепенные составляющие, присутствующие в высокоглиноземистом цементе, включают оксид магния (MgO), оксид титана (TiO₂), сульфаты и щелочи. Необходимо отметить, что трикальций алюминат (С₃А), входящий в состав обычного Портландцемента, не найден в высокоглиноземистых цементах.

Сульфат кальция

Различные формы сульфата кальция, которые, как показано ниже, могут быть применены в настоящем изобретении, обеспечивают сульфат-ионы для образования эттрингита и других гидратов сульфо-алюминатов кальция:

Дигидрат - CaSO₄·2H₂O (традиционно известный как гипс).

Полугидрат - CaSO₄·½H₂O (традиционно известный как штукатурный гипс).

Ангидрид - CaSO₄ (также имеющий название безводного сульфата кальция).

Натуральный гипс является гипсом относительно низкой чистоты и является предпочтительным вследствие экономических причин, хотя можно применять гипс более высокой степени чистоты. Натуральный гипс получают из карьерного гипса и перемалывают в относительно небольшие по размеру частицы таким образом, что удельная площадь поверхности превышает 2000 см²/г и типично составляет приблизительно от 4000 до 6000 см²/г согласно измерениям площади поверхности, проведенным способом Блейна (ASTM С 204). Тонкодисперсные частицы легко растворяются и обеспечивают гипс, необходимый для образования эттрингита. Синтетический гипс, который получают в качестве побочного продукта в различных областях промышленности, также может быть применен в качестве предпочтительного сульфата кальция в настоящем изобретении. Две другие формы сульфата кальция, а именно полугидрат и ангидрит, также могут быть применены в настоящем изобретении вместо гипса, т.е. дигидратной формы сульфата кальция.

Воздухововлекающие агенты (пенообразователи)

Если желательно получить легкие изделия, такие как легкие цементные плиты, то в композицию для облегчения изделия могут быть добавлены воздухововлекающие агенты (пенообразователи). Воздухововлекающие агенты являются, в общем, приемлемыми поверхностно-активными веществами, которые образуют стабильную и однородную структуру воздушных пузырьков в готовом изделии. Соответственно суспензия содержит приемлемый воздухововлекающий агент или пенообразователь в таких количествах, чтобы получать желательную степень вовлечения воздуха.

Типично воздухововлекающие агенты или пенообразователи являются поверхностно-активными веществами, обеспеченными в количествах от приблизительно 0,015 до 0,03 мас.%, из расчета на общую массу суспензии. Более предпочтительно, масса данных поверхностно-активных веществ находится в диапазоне от 0,002 до 0,02 мас.%, из расчета на общую массу суспензии. Например, натрий алкилэфирсульфат, аммоний алкилэфирсульфат, натрий альфаолефинсульфонат (AOS), натрий децетсульфат, аммоний децетсульфат, натрий лауретсульфат или натрий додецилбензолсульфонат являются приемлемыми воздухововлекающими и пенообразующими поверхностно-активными веществами, которые могут быть применены в цементирующих композициях в соответствии с настоящим изобретением.

В цементирующих композициях в соответствии с настоящим изобретением, внешне полученную пену предпочтительно применяют для уменьшения плотности суспензии и изделия. Пену получают с использованием приемлемых поверхностно-активных веществ (пенообразователей) с водой и воздухом в надлежащих соотношениях в сочетании с оборудованием для пенообразования. Полученную таким образом пену затем вводят непосредственно во влажную смесь во время операции смешивания при получении цементирующей суспензии.

Алканоламины

В настоящем изобретении, различные виды алканоламинов могут быть использованы по отдельности или в комбинации для ускорения схватывания цементирующей композиция в соответствии с настоящим изобретением. Алканоламины представляют собой аминоспирты, которые имеют строгую щелочную и катионную акт