Слоистые бронепанели на основе цемента

Слоистые бронепанели на основе цемента

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

[001] Данная патентная заявка истребует приоритет предварительной заявки на патент США №61/033264, поданной 3 марта 2008, включенной в данное описание при помощи ссылки, и является родственной:

[002] Предварительной заявке на патент США №61/033240, озаглавленной «ПРОЦЕСС ПРОИЗВОДСТВА БРОНЕПАНЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ ЦЕМЕНТА», поданной 3 марта 2008;

[003] Предварительной заявке на патент США №61/033258, озаглавленной «СИСТЕМА БРОНЕПАНЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ ЦЕМЕНТА», поданной 3 марта 2008;

[004] Предварительной заявке на патент США №61/033212, озаглавленной «САМОВЫРАВНИВАЮЩАЯСЯ ЦЕМЕНТНАЯ КОМПОЗИЦИЯ С КОНТРОЛИРУЕМОЙ СКОРОСТЬЮ НАРАСТАНИЯ ПРОЧНОСТИ И СВЕРХВЫСОКОЙ ПРОЧНОСТЬЮ ПРИ СЖАТИИ ПОСЛЕ ОТВЕРЖДЕНИЯ И ИЗДЕЛИЯ, ИЗГОТАВЛИВАЕМЫЕ ИЗ ЭТОЙ КОМПОЗИЦИИ», поданной 3 марта 2008 г.;

[005] Заявке на патент США №61/033061, озаглавленной «ПОДВИЖНАЯ БЛОЧНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ ФИЗИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ», поданной 3 марта 2008 г.;

[006] Заявке на патент США №61/033059, озаглавленной «ПОДВИЖНАЯ БЛОЧНАЯ РАМА ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ПАНЕЛЕЙ ДЛЯ ФИЗИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ», поданной 3 марта 2008 г.

ЗАЯВЛЕНИЕ ОБ ИССЛЕДОВАНИИ, ФИНАНСИРУЕМОМ ИЗ ФЕДЕРАЛЬНОГО БЮДЖЕТА

[007] Исследовательская работа, описанная в данном документе, была поддержана по соглашению о совместных научно-исследовательских работах и конструкторских разработках № CRADA-05-GSL-04 между Инженерно-геологической лабораторией конструкций, Центром инженерных исследований и развития, инженерным корпусом сухопутных войск США и компанией United States Gypsum Company.

[008] все в полном объеме включается в данное описание при помощи ссылки.

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[009] Данное изобретение в целом относится к усовершенствованной бронепанели на основе цемента, обладающей исключительной стойкостью по отношению к баллистическим и взрывным нагрузкам, с уникальной армированной волокном цементной композицией ядра с контролируемым нарастанием прочности и покрытием-армированием с высокими эксплуатационными характеристиками, прикрепленным, по меньшей мере, к одной поверхности панели с цементным ядром.

[0010] Цементное ядро выполнено из неорганического цементного вяжущего, обычно гидравлического цемента, такого как портландцемент, неорганического минерального наполнителя, предпочтительно кварцевого песка со средним размером частиц в 150-450 микрон и весовым соотношением 0,80-1,50:1 к цементному вяжущему; пуццоланового микронаполнителя, предпочтительно кремнеземной пыли со средним размером частиц около 0,1 микрона; 0,75-2,5 вес.% общего веса композиции самовыравнивающего химического агента на органической основе, основанного на поликарбоксилированной химии, предпочтительно поликарбоксилированного полиэфира (суперпластификатора), дополнительных обеспечивающих текучесть добавок алканоламина и кислоты или кислой соли, волокон и воды.

[0011] Смесь для формирования цементного ядра является самовыравнивающейся при смешивании и обладает значительным нарастанием прочности при отверждении. Цементное ядро не включает кварцевую муку, которая, как было установлено, производит цементное ядро, обладающее слишком густой консистенцией для формовки в годное к употреблению ядро панели с помощью традиционного производственного оборудования.

[0012] Композиция цементного ядра используется в комбинации с армированным волокном материалом покрытия, используемым для ламинирования, по меньшей мере, одной поверхности цементного ядра панели. Для ламинирования ядра цементной бронепанели может использоваться множество покрытий. Однако армированные волокном полимерные (FRP) ламинаты являются предпочтительными покрытиями. Армированная стекловолокном смола является особенно предпочтительным FRP. Покрытие (S) наносится на ядро (С) как ламинат с конструкцией SC, SCS или SCSCS.

[0013] Панели, выполненные с усовершенствованной цементной композицией, обладают значительной прочностью для сопротивления взрывам и баллистическим ударам, со стальными волокнами или стальным армированием или без них.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0014] Армированные волокном цементные композиции, содержащие гидравлический цемент, неорганические минеральные наполнители и пуццоланы, равно как химические добавки, такие как пластификаторы и водные диспергаторы, использовались в строительной промышленности для создания внешних и внутренних стен жилых и/или коммерческих сооружений. Однако недостатком таких традиционных панелей является то, что они не обладают достаточной прочностью при сжатии, чтобы обеспечивать высокую степень сопротивления баллистическим и взрывным нагрузкам.

[0015] Современная практика производства сверхпрочных цементных композиций для достижения сверхвысокой прочности материала полагается на эффективное уплотнение частиц и чрезвычайно низкую дозировку воды. Из-за сырья, используемого для достижения плотной упаковки частиц, и чрезвычайно низкого использования воды в этих композициях цементные смеси обладают чрезвычайно жесткими реологическими свойствами с тестоподобной консистенцией в свежезамешанном состоянии. Жесткая консистенция делает эти смеси крайне неудобными для укладывания и чрезвычайно сложными для обработки в традиционных производственных процессах изготовления тонких изделий на основе цемента и композитных материалов.

[0016] Патент США №4158082 A, Belousofsky, раскрывает слоистую конструкцию на основе цемента с покрытием из стекловолокна, которая является ударостойкой и может использовать портландцементы.

[0017] Патент США №4793892, Miller, раскрывает аппарат для производства бетонной панели с цементным ядром и стекловолоконной облицовкой, использующей портландцемент.

[0018] Патент США №4948429 A, Arfaei, раскрывает цементную композицию, содержащую портландцемент, песок, кремнеземную пыль и полиэфир.

[0019] Патент США №5724783, Mandish, раскрывает строительную панель и сборочную систему, состоящую из панельных слоев из портландцемента, прикрепленных к панельному каркасу несколькими слоями.

[0020] Патент США №6119422 B1, Clear, раскрывает удароустойчивую цементную строительную панель с прочной конструкцией, с внешней облицовкой из стекловолоконной арматурной сетки, где композитная цементная панель обладает агрегатным ядром с внутренней и внешней облицовками из стекловолоконной сетки.

[0021] Патент США №6176920, Murphy, раскрывает способ создания цементной многослойной панели с использованием процесса сглаживания, сдвига и разравнивания.

[0022] Патент США №6309457 B1, Guerinet et al., раскрывает самовыравнивающуюся цементую композицию, которая включает портландцемент, кварцевый песок с максимальным размером 10 мм или 0-5 мм или смесь с размером от 0-0,4 мм до 0-5 мм, мелкие минеральные заполнители, такие как зольная пыль или кварцевая мука, имеющая размеры меньше 200 микрон, предпочтительно меньше 100 микрон; первый пластификатор, который является растворимым в воде или диспергируемым в воде органическим соединением, содержащим, по меньшей мере, одну аминоди(алкенфосфиновую) группу, и второй растворимый в воде или диспергируемый в воде пластификатор поликарбоксильно-кислотного типа и содержащий полиэфирные цепочки. Пример 1 показывает прочность при сжатии 32 МПа (около 4600 psi (фунтов на квадратный дюйм)) по истечении 28 дней.

[0023] Патент США №6437027, Isomura et al., раскрывает цементную композицию, содержащую портландцемент, кварцевый песок размером меньше 5 мм и поликарбоксилатный полиэфир в количестве 0,01-2,5 вес.%.

[0024] Патент США №6620487, Tonyan et al., описание которого ссылкой полностью включается в настоящее описание, раскрывает армированную, облегченную, стабильную по размерам конструктивную цементную панель (SCP's или SCP-панели), которая при закреплении на раме способна сопротивляться сдвигающей силе, равной или превышающей сдвиговые силы, предусматриваемые фанерой или ориентированно-стружечными панелями. Панели задействуют ядро из сплошной фазы, которое образуется в результате отверждения водной смеси альфа-полугидрата сульфата кальция, гидравлического цемента, активного пуццоланового вещества и извести, при этом сплошная фаза армируется устойчивыми к щелочам стекловолокнами и содержит керамические микросферы или смесь керамических и полимерных микросфер или образуется из водной смеси с весовым отношением воды к реактивному порошку от 0,6:1 до 0,7:1 или из их комбинации. По меньшей мере, одна внешняя поверхность панелей может включать затвердевшую сплошную фазу, армированную стекловолокнами и содержащую достаточно полимерных сфер для улучшения способности к забиванию гвоздей, или изготавливается при отношении воды к реактивным порошкам, которое обеспечивает эффект, сходный с влиянием полимерных сфер, или из их комбинации.

[0025] Патент США №6849118 В2, Kerkar et al., раскрывает цементную композицию, содержащую портландцемент, кварцевый песок размером от 0 до 6 мм и поликарбоксилат (ADVA® пластификатор).

[0026] Патент США №6858074 В2, Anderson et al., раскрывает цементную композицию, содержащую портландцемент, кварцевый песок, кремнеземную пыль, катализатор, замедлитель и поликарбоксилатный диспергатор широкого диапазона, уменьшающий содержание воды.

[0027] Патент США №6875801 В2, Shendy et al., раскрывает цементную композицию, содержащую портландцемент, пески, кремнеземную пыль и поликарбоксилат в количестве 0-2 вес.%.

[0028] Патент США №6942727, Daczko et al., раскрывает особо рано затвердевающий цементный компонент, который включает портландцемент, мелкий заполнитель, такой как кварцевый песок, причем мелкий заполнитель - это материалы, которые почти полностью проходят через сито номер 4, крупнозернистый заполнитель, такой как песок, причем крупнозернистый заполнитель - это материалы, преимущественно задерживаемые на сите номер 4; кремнеземный пылевой пуццолан, 0,025-0,7% поликарбоксилатного диспергатора, который может быть полиэфиром, в пересчете на сухой вес цемента, и конструктивные синтетические волокна. Этот цементный компонент может быть использован для производства стенных панелей. Цементный компонент может показывать 24 часовую прочность при сжатии больше 10000 psi, однако эти композиции не содержат пуццолана.

[0029] Публикация заявки на патент США №2002/0004559, Hirata et al., раскрывает цементную композицию, содержащую портландцемент, пески, кремнеземную пыль и полиэфиры в количестве больше 0,5 вес.%, например 2 вес.%.

[0030]Публикация заявки на патент США №2004/0149174, Farrington et al., раскрывает цементную композицию, содержащую портландцемент, пески, кремнеземную пыль и поликарбоксилат в количестве 0,01-0,2 вес.%.

[0031]Публикация заявки на патент США №2004/0198873, Bury et al., раскрывает цементную композицию, содержащую портландцемент, кварцевый песок, кремнеземную пыль и поликарбоксилат в количестве 0,02-2 вес.%.

[0032] Публикация заявки на патент США №2004/0211342, Sprouts et al., раскрывает цементную композицию, содержащую портландцемент, кварцевый песок, кремнеземную пыль и поликарбоксилат в количестве 0,1-2 вес.%.

[0033] Публикация заявки на патент США №2004/0231567, Dulzer et al., раскрывает цементную композицию, содержащую портландцемент, песок, кремнеземную пыль и поликарбоксилат в количестве 0,1-10 вес.% всего сухого цементного вяжущего.

[0034] Публикация заявки на патент США №2005/0139308, Aldea, раскрывает систему и способ, использующие цементный материал, армированный FRP, или композит, который может содержать портландцемент, зольную пыль, кремнеземную пыль, смолы, песок, стекловолокно, смолы, воду, катализаторы, наполнители, замедлители схватывания, диспергирующие агенты; включает несколько слоев и затирку для выравнивания между слоями и может быть использован для усиления конструкций против землетрясений и взрывов. У Aldea слои наносятся на месте затиркой, но не наносятся для образования свободно стоящих панелей, которые могут быть прикреплены к раме. Конструкция, выполненная у Aldea, имеет два бетонных слоя, соединенных со стекловолоконной арматурной сеткой.

[0035] Публикация заявки на патент США №2005/0239924, Lettkeman et al., раскрывает цементную композицию, содержащую портландцемент, мелкие пески, кремнеземную пыль и поликарбоксилат в количестве 0,05-2,5 вес.%.

[0036] Публикация заявки на патент США №2005/0274294, Brower et al., раскрывает цементную композицию, содержащую портландцемент, мелкие пески, кремнеземную пыль и поликарбоксилат в количестве 1-4 вес.%.

[0037] Публикация заявки на патент США №2006/0174572, Tonyan et al, описание которой ссылкой полностью включается в настоящее описание, раскрывает негорючие армированные облегченные цементные панели и систему металлической рамы для стен жесткости.

[0038]Публикация заявки на патент США №2006/0281836, Kems et al., раскрывает цементную композицию, содержащую портландцемент, мелкие пески, кремнеземную пыль и поликарбоксилат.

[0039] Публикация заявки на патент США №2007/0125273, Pinto, раскрывает цементную композицию, содержащую портландцемент, мелкие пески, кремнеземную пыль и поликарбоксилат в количестве 1-2 вес.%.

[0040]Публикация заявки на патент США №2007/0175126, Tonyan et al., включенная в данный документ ссылкой во всей своей полноте, раскрывает конструктивную цементную панель.

[0041] Публикация заявки на патент США №2007/0228612 A, Durst et al., включенная в данный документ ссылкой, раскрывает взрывоустойчивый бетон, также пригодный для ограничения проникновения баллистических фрагментов.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0042] Данное изобретение относится к слоистой панели, имеющей цементное ядро, изготовленное из уникальной комбинации неорганических и органических материалов со специфическими свойствами размера. Данная комбинация неорганических и органических материалов при смешивании с водой дает превосходные реологические свойства, самовыравнивающееся поведение в свежесмешанном состоянии. Данная комбинация неорганических и органических материалов при смешивании с водой также дает чрезвычайно высокую прочность при сжатии, по меньшей мере, в 10000, 15000 или 20000 psi после отверждения цементной композиции с контролируемым набором прочности после 28-дневного отверждения по сравнению с обычным диапазоном в 3000-5000 psi, полученным типичным полностью отвердевшим бетоном нормальной прочности.

[0043] Данное изобретение касается панели, содержащей ядро, имеющее сплошную фазу цементной композиции и армирующий слой, по меньшей мере, на одной стороне ядра. Основными ингредиентами материала ядра являются: 25-45 вес.% - неорганическое цементное вяжущее (например, портландцемент), 35-65 вес.% - неорганический минеральный наполнитель (например, кварцевый песок), имеющий размер частицы от около 150 до 450 микрон, 5-15 вес.% - пуццолановый микронаполнитель (например, кремнеземная пыль), 0,75-2,5 вес.% - самовыравнивающий химический агент (например, карбоксилированный полиэфир) и 6-12 вес.% - вода, и отсутствие кварцевой муки. Композиция также может иметь алканоламиновые и кислотные (или кислосолевые) жидкие добавки, чтобы увеличить время схватывания для окончательного отверждения.

[0044] Цементная композиция не включает кварцевую муку, которая, как было обнаружено, производит цементную композицию, которая имеет слишком густую консистенцию для формовки в ядро панели с чрезвычайно высокой прочностью с помощью традиционного производственного оборудования.

[0045] Дальнейший вариант осуществления данного изобретения относится к добавлению к вышеописанной цементной композиции соответствующих количеств алканоламина, например триэтаноламина (здесь и далее - TEA) и кислоты или кислой соли, например винной кислоты, при производстве взрывостойких цементных панелей для модификации свойств свежего и отвердевшего цементного теста для создания панелей. Как правило, цементные смеси содержат в качестве цементирующих компонентов портландцемент и кремнеземную пыль в относительном весовом отношении 0,85:0,15 и кварцевый песок в качестве наполнителя в весовом отношении 1,05:1,00 относительно цементирующих компонентов.

[0046] Вода использовалась в весовом отношении 0,22:1,00 относительно цементирующих компонентов. Триэтаноламин и винная кислота добавляются для управления текучестью смеси с типичной дозировкой TEA около 0,045 вес.% на основе веса портландцемента и типичной дозировкой винной кислоты менее 0,040 вес.% на основе общего веса цементирующих компонентов. Кроме того, может добавляться суперпластификатор. Однако преимущество данного изобретения заключается в том, что оно позволяет использовать уменьшенные количества суперпластификатора.

[0047] Волокнистое армирование может быть распределено по всей сплошной фазе. Армированная волокном цементная бронепанель имеет чрезвычайно высокую прочность при сжатии для противостояния баллистическим и взрывным нагрузкам, которые могут достигать до, по меньшей мере, 10000 psi. Эти цементные панели благодаря своей высокой прочности могут иметь и другие применения, кроме взрывостойких панелей. Типичными армирующими волокнами являются стойкие к щелочи стекловолокна. Панели могут быть разработаны с меньшей прочностью и меньшим весом для использования, например, в сооружениях в сейсмоопасных зонах.

[0048] Слоистое покрытие поверхности располагается на одной или обеих сторонах цементного ядра. Множество покрытий может быть использовано для ламинирования ядра цементной бронепанели. Однако ламинаты из армированного волокнами полимера (FRP) являются предпочтительными покрытиями. Армированные волокнами смолы, такие как тканый усиленный волокнами полиэфир, полиэтилен, полипропилен, являются особенно предпочтительными FRP. Покрытие (S) помещается на ядро (С) в виде ламината конструкционной схемы SC, SCS или SCSCS.

[0049] Покрытие может наноситься на одну или более сторон панели или полностью покрывать панель, например, прямоугольная панель может быть покрыта с обеих сторон и всех четырех ребер. Кроме того, эластичный материал для покрытия панелей может быть такого типа, который описан в публикации заявки на патент США 2009-0004430 А1, заявке на патент США №11/819340 «Армированная эластомерная конфигурация, приспособленная к требованиям пользователя для защиты конструкции, и конструкция, созданная из нее», поданной 27 июня 2007 г., включенной в данный документ путем ссылки. Способы нанесения эластомерных материалов на панель также приводятся в публикации заявки на патент США №2009-0004430 А1, заявке на патент США №11/819340. Другие FRP также подходят для использования с конструкциями данного изобретения.

[0050] Данный продукт преодолевает вышеописанные недостатки современных цементных материалов, используемых для создания чрезвычайно плотных цементных материалов, и предлагает цементный вяжущий материал, являющийся самовыравнивающимся в свежесмешанном состоянии и чрезвычайно прочным после отверждения.

[0051] Данное изобретение предусматривает самовыравнивающие свойства цементной композиции для легкой формовки панелей без необходимости увеличения количества воды, которую затем нужно было бы удалять.

[0052] Самовыравнивающееся поведение свежесмешанного цементного материала в данном документе определяется как характерное свойство, которое позволяет материалу течь и стремиться к горизонтальному уровню без помощи внешних колебаний или энергии. Попытки в известном уровне техники достичь самовыравнивания требовали использования в смесях избыточной воды, что производит неприемлемый композитный материал с очень низкой характеристикой прочности при сжатии.

[0053] Цементная бронепанель может быть прикреплена, по меньшей мере, к одной стороне конструкции рамы, такой как металлическая рама.

[0054] В варианте осуществления данного изобретения одна или более цементных панелей монтируются на раму с помощью креплений, таких как Z-скобы или Н-скобы, где цементные панели вставляются в паз, образуемый креплениями, которые на одной стороне присоединены к металлической раме. Цементные панели монтируются, по меньшей мере, на одной поверхности металлической рамы.

[0055] Как было обсуждено ранее, существует необходимость в создании панелей, которые способны заменить ныне доступные цементные панели, которые имеют следующие недостатки: недостаточные реологические свойства, необходимость значительных количеств воды для обеспечения самовыравнивания, и после того как превращены в цементные панели, имеют недостаточную прочность при сжатии для противостояния баллистическим и взрывным нагрузкам, низкую характеристику прочности и недостаточное удобство обращения во время установки.

[0056] Все процентные отношения и соотношения являются весовыми, если только не указано обратное.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

[0057] ФИГ.1 представляет собой схему перспективного вида одного из вариантов осуществления армированной волокнами цементной панели согласно данному изобретению.

[0058] ФИГ.1А представляет собой вид сбоку панели по ФИГ.1, дополнительно оснащенной полотном армирующего материала так, что панель по ФИГ.1 образует ядро из цементного материала, армированного волокнами, а полотно армирующего материала образует облицовку.

[0059] ФИГ.1В представляет собой вид сбоку многослойной панели, включающей в себя две цементные панели по ФИГ.1, выполняющие роль двух ядер, оснащенных полотном армирующего материала между двумя противоположными внутренними поверхностями обоих ядер, а также полотнами армирующего материала соответственно на двух противоположных внешних поверхностях обоих ядер.

[0060] ФИГ.2 представляет собой схему соответствующего аппарата для выполнения данного процесса производства цементной бронепанели данного изобретения.

[0061] ФИГ.3 представляет собой график повышения температуры для смесей из Примера 8, содержащих изменяющиеся количества винной кислоты.

[0062] ФИГ.4 представляет собой график увеличения прочности при сжатии для смесей из Примера 8, содержащих изменяющиеся количества винной кислоты.

[0063] ФИГ.5 представляет собой график потери подвижности для смесей из Примера 9, содержащих изменяющиеся количества винной кислоты и постоянные количества суперпластификатора и триэтаноламина.

[0064] ФИГ.6 представляет собой график поведения повышения температуры для смесей из Примера 9, содержащих изменяющиеся количества винной кислоты и постоянные количества суперпластификатора и триэтаноламина.

[0065] ФИГ.7 представляет собой график увеличения прочности при сжатии для смесей из Примера 9, содержащих изменяющиеся количества винной кислоты и постоянные количества суперпластификатора и триэтаноламина.

[0066] ФИГ.8 представляет собой график потери подвижности для смесей из Примера 10, содержащих изменяющиеся количества суперпластификатора при постоянных количествах TEA (триэтаноламин) и винной кислоты.

[0067] ФИГ.9 представляет собой график поведения повышения температуры для смесей Примера 10, содержащих изменяющиеся количества суперпластификатора при постоянных количествах TEA и винной кислоты.

[0068] ФИГ.10 представляет собой график увеличения прочности при сжатии для смесей Примера 10, содержащих изменяющиеся количества суперпластификатора при постоянных количествах TEA и винной кислоты.

[0069] ФИГ.11 представляет собой график потери подвижности для смесей Примера 11, содержащих изменяющиеся количества винной кислоты и постоянные количества суперпластификатора и TEA.

[0070] ФИГ.12 представляет собой график поведения повышения температуры для смесей Примера 11, содержащих изменяющиеся количества винной кислоты и постоянные количества суперпластификатора и TEA.

[0071] ФИГ.13 представляет собой график увеличения прочности при сжатии для смесей Примера 11, содержащих изменяющиеся количества винной кислоты и постоянные количества суперпластификатора и TEA.

[0072] ФИГ.14 представляет собой график снижения баллистической скорости относительно плотности цементной панели для стандартных армированных цементных бронепанелей в сравнении с цементными бронепанелями данного изобретения.

[0073] ФИГ.15 представляет собой график снижения баллистической скорости относительно плотности цементной панели для двух, трех и четырех панелей для панелей, которые имеют облицовочный слой слоистого покрытия из армированного волокнами пластика, в сравнении с панелью без облицовочного слоя покрытия из армированного волокнами пластика.

[0074] ФИГ.16 представляет собой график, демонстрирующий осадку смесей Примера 13.

[0075] ФИГ.17 представляет собой график потери подвижности для смеси 1 Примера 13.

[0076] ФИГ.18 представляет собой время схватывания (начальное и конечное), измеренное для этих смесей Примера 13 при помощи игл Гилмора.

[0077] ФИГ.19 представляет собой график снижения баллистической скорости относительно поверхностной плотности цементной бронепанели данного изобретения (неслоистой) по сравнению с таковой у конструктивной цементной панели.

ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

[0078] А. ПАНЕЛЬ

[0079] Данное изобретение касается армированной волокнами безусадочной цементной щитовой панели. ФИГ.1 демонстрирует перспективный вид панели 1 данного изобретения.

[0080] ФИГ.1А демонстрирует вид сбоку панели 1 ФИГ.1, также снабженной листами армирующего материала 2 на противоположных внешних поверхностях цементной панели 1. Таким образом, панель 1 ФИГ.1 образует армированное волокнами цементное ядро, а листы 2 армирующего материала образуют облицовку на противоположных сторонах ядра. Типичные материалы армирующих листов включают усиленный волокнами полимер (FRP) или другой материал, как описано в заявке на патент США №61/033264, озаглавленной «Слоистые бронепанели на основе цемента», поданной 3 марта 2008 г. и включенной в данный документ посредством ссылки во всей своей полноте.

[0081] Обычно слой FRP покрытия с помощью клеящего вещества присоединяется к обеим поверхностям цементного ядра. Например, армированное волокнами покрытие может быть наслоено на поверхность ядра эпоксидным клеем.

[0082] На ФИГ.1В показан вид сбоку многослойной панели, включающей в себя две цементные панели 1 по ФИГ.1, играющие роль двух ядер, оснащенных полотном армирующего материала между двумя противоположными внутренними поверхностями двух ядер, а также полотнами армирующего материала соответственно на двух противоположных внешних поверхностях двух ядер.

[0083] Основными исходными материалами, используемыми для производства панелей данного изобретения, являются неорганическое цементное вяжущее, например гидравлический цемент, такой как портландцемент, неорганический минеральный наполнитель, предпочтительно такой, как кварцевый песок, пуццолановый микронаполнитель, такой как кремнеземная пыль, самовыравнивающий агент, выбранный из соединения на основе поликарбоксилата, в частности полиэфиры и вода, и армирующие волокна, такие как стекловолокна, и какие-либо необязательные добавки, которые могут быть добавлены к цементному тесту до того, как тесту придается форма плиты.

[0084] Панель включает сплошную фазу, получаемую путем отверждения водной смеси цементной композиции и армирующих волокон, таких как стекловолокна; панель включает 25-45 вес.% - неорганического цементного вяжущего, 35-65 вес.% - неорганического минерального наполнителя 150-450 микрон, 5-15 вес.% - пуццоланового наполнителя и 0,75-2,5 вес.% - суперпластифицирующего самовыравнивающего агента и 6-12% воды.

[0085] Факультативно водная смесь включает около 0,005-0,500 вес.% триэтаноламина, из расчета на цементное вяжущее, и факультативно около 0,10-1,8 вес.% винной кислоты, из расчета на компоненты цемента.

[0086] Панели данного изобретения, как правило, включают сплошную фазу цементного материала, в котором армирующие волокна распределены преимущественно равномерно. В панели с ФИГ. 1 сплошная фаза получается из отверждения водной смеси цементного материала и армирующих волокон.

В. СОСТАВ

[0087] Компоненты, используемые для производства панелей данного изобретения, более подробно описываются ниже.

[0088] Типичные весовые соотношения ингредиентов одного варианта осуществления самовыравнивающихся цементных композиций со сверхвысокой прочностью при сжатии данного изобретения показаны в Таблице 1. Неорганическое цементное вяжущее (гидравлический цемент) и пуццолановый микронаполнитель вместе известны как сухой реактивный порошок.

[0089]

ТАБЛИЦА 1
Класс ингредиента	Предпочтительный ингредиент	Типичный диапазон минимума (вес.% всей композиции, включая воду)	Типичный диапазон максимума (вес.% всей композиции, включая воду)	Типичный состав (вес.% всей композиции, включая воду)
Неорганическое цементное вяжущее	Портландцемент	25,0	45,0	37,0
Неорганический минеральный наполнитель, средний размер частицы 150-450 микрон	Кварцевый песок	35,0	65,0	45,7
Пуццолановый микронаполнитель	Кремнеземная пыль, средний размер частиц около 0,1 микрона	5,0	15,0	6,5
Самовыравнивающий химический агент на органической основе (суперпластификатор)	Химическая смесь на основе поликарбоксилата	0,75	4,5	1,3
Вода		6,0	12,0	9,6

[0090] Соотношения ингредиентов сухой композиции, которые включают неорганическое цементное вяжущее и пуццолановый микронаполнитель, в дальнейшем также называемые сухим реактивным порошком, и неорганического минерального наполнителя показаны в ТАБЛИЦЕ 1А.

[0091]

ТАБЛИЦА 1А
Состав в расчете на сухой вес
Ингредиенты	Предпочтительный ингредиент	Минимальный типичный вес.% (в пересчете на сухое вещество)	Максимальный типичный вес.% (в пересчете на сухое вещество)	Типичный вес.% состава (в пересчете на сухое вещество)
Неорганический гидравлический цемент (вяжущее)	Портландцемент	25,0	55,0	41,5
Неорганический минеральный наполнитель (средний размер частиц 150-450 микрометров)	Кварцевый песок	30,0	60,0	51,2
Пуццолановый микронаполнитель	Кремнеземная пыль	2,0	15,0	7,3
Примечание: неорганический гидравлический цемент и пуццолановый микронаполнитель, соединенные вместе, называются сухим реактивным порошком

[0092] Пуццолановый микронаполнитель

[0093] Пуццолановые материалы определены в ASTM C618-97 как «кремнистые или кремнеземные и глиноземные материалы, которые сами по себе обладают слабой или нулевой цементирующей ценностью, но будут в мелкоизмельченной форме и в присутствии влаги химически реагировать с гидроксидом кальция при обычных температурах до образования соединений, обладающих цементирующими свойствами». Одним часто используемым пуццолановым материалом является кремнеземная пыль, мелкоизмельченный аморфный кремнезем, который является продуктом производства металлического кремния и сплава металла с кремнием. Он характеризуется высоким содержанием кремнезема и низким содержанием глинозема.

[0094] Пуццолановый материал обычно имеет средний размер частиц, указанный в ТАБЛИЦЕ 2

[0095]

ТАБЛИЦА 2
Пуццолановый наполнитель
Например, кремнеземная пыль, метакаолин, вулканический пепел, пемза
Средний размер частиц (микроны)	Тип диапазона
≤50	Широкий
≤10	Предпочтительный
≤1,0	Более предпочтительный
≤0,1	Наиболее предпочтительный

[0096] В одном варианте осуществления данного изобретения кремнеземная пыль, мелкоизмельченный аморфный кремнезем, который является продуктом реакции при производстве металлического кремния и сплава металла с кремнием, является предпочтительным пуццолановым микронаполнителем. Средний размер частиц кремнеземной пыли является чрезвычайно маленьким, то есть около 0,1 микрона, или почти в сто раз меньше, чем средний размер частиц зерен портландцемента. В самом общем варианте осуществления средний размер частиц пуццоланового материала должен быть менее чем около 50 микрон с типичным размером частиц в 10 микрон или меньше, и с более типичным средним размером частиц в 1,0 микрона или меньше. В предпочтительном варианте осуществления средний размер частиц пуццоланового материала равен 0,1 микрона или меньше, что, как было обнаружено, обеспечивает оптимальную упаковку частиц, пуццолановую реакцию и развитие прочности при сжатии. Добавление в композицию неорганического пуццоланового микронаполнителя выполняет в этой композиции две критически важные функции.

[0097] Мелкий размер частиц пуццоланового микронаполнителя играет критически важную роль в заполнении пустот изменяющихся размеров между большими частицами, присутствующими в смеси. Без этих частиц наполнителя эти пустоты были бы или незаполненными с образованием воздушных пустот, или заполнились бы водой. Эти пустоты, в конечном счете, приведут к снижению как плотности, так и прочности при сжатии финального материала. Микронаполнители, заполняющие эти пустоты, дают значительно более плотную микроструктуру и усиливают характеристику прочности при сжатии материала.

[0098] Пуццолановый наполнитель с кремнеземной пылью также реагирует с гидроксидом кальция, полученным в результате гидратации портландцемента. Эта реакция приводит к образованию гидрата силиката кальция, который является стойким и чрезвычайно прочным соединительным материалом, улучшающим прочность и стойкость отвердевшей композиции на основе цемента.

[0099] К материалам, обладающим пуццолановыми свойствами, отнесли разнообразные природные и искусственные материалы, включая пемзу, перлит, диатомит, туф, трасс, метакаолин, микрокремнезем, донный доменный гранулированный шлак и золу-унос. Хотя кремнеземная пыль является чрезвычайно удобным пуццоланом для использования в панелях данного изобретения, могут быть использованы и другие пуццолановые материалы. В отличие от кремнеземной пыли метакаолин, донный доменный гранулированный шлак и порошкообразная зола-унос имеют значительно более низкое содержание кремнезема и большие количества глинозема, но могут быть эффективными пуццолановыми материалами. Когда используется кремнеземная пыль, она будет составлять от около 5 до 20 вес.%, предпочтительно от 10 до 15 вес.% реактивных порошков (примеры реактивных порошков: только гидравлический цемент; смеси гидравлического цемента и пуццолана; или смеси гидравлического цемента, кальция сульфата альфа-гемигидрата, пуццолана и извести). Если вместо этого используются другие пуццоланы, используемые количества должны быть выбраны так, чтобы обеспечить химическое действие, подобное кремнеземной пыли.

[00100] Кремнеземная пыль достаточно отличается от других мелкозернистых неорганических минеральных наполнителей, таких как кварцевая мука, определяемая в CAS (Химическая реферативная служба) №87347-84-0 как диоксид кремния, производимая путем измельчения чистого кварцевого песка в очень мелкий порошок. Кварцевая мука обычно используется как дешевый наполнитель в бетонных композициях и пластмассах.

[00101] Кремнеземная пыль, определяемая CAS №67256-35-3, производится совершенно другим путем реакцией тетрахлорида кремния в водородно-кислородном пламени, которое имеет избыток кислорода. Получающееся в результате твердое вещество является очень легким, мягким, текучим пуццолановым материалом, который использовался в цементных композициях для улучшения прочности при сжатии, прочности связи и прочности на истирание.

[00102] Было обнаружено, что соотношение пуццоланового микронаполнителя к неорганическому цементному вяжущему является широко пригодным в диапазоне от 0,05 до 0,30, например от 5 весовых частей до 30 весовых частей пуццоланового наполнителя к от 95 до 70 весовых частей цементного вяжущего. Было обнаружено, что более предпочтительным соотношением является от 0,10 до 0,25, а наиболее предпочтительным соотношением - от 0,15 до 0,20, которое дает оптимальное свойство самовыравнивания, эффективность упаковки, пуццолановую реакцию и развитие контролируемой прочности при сжатии в окончательно отвержденной композиции. В ТАБЛИЦЕ 2А приведены диапазоны соотношений пуццоланового наполнителя к неорганическому гидравлическому цементу.

[00103]

ТАБЛИЦА 2А
Весовое соотношение пуццоланового наполнителя к неорганическому гидравлическому цементу
Соотношение	Тип предпочтительности
0,05-0,30	Предпочтительный
0,10-0