Самовыравнивающаяся цементная композиция с контролируемой скоростью развития прочности и сверхвысокой прочностью при сжатии после затвердения и изделия из нее

Самовыравнивающаяся цементная композиция с контролируемой скоростью развития прочности и сверхвысокой прочностью при сжатии после затвердения и изделия из нее

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

Данная патентная заявка истребует приоритет предварительной заявки на патент США №61/033212, поданной 3 марта 2008, включенной в данное описание при помощи ссылки, и является родственной:

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

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

Предварительной заявке на патент США №61/033264, озаглавленной «СЛОИСТЫЕ БРОНЕПАНЕЛИ НА ОСНОВЕ ЦЕМЕНТА», поданной 3 марта 2008;

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

Предварительной 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

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.

Все в полном объеме включается в данное описание при помощи ссылки.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Это изобретение в целом относится к усовершенствованной цементной композиции, производимой с контролируемым нарастанием прочности из неорганического цементного вяжущего, как правило, гидравлического цемента типа портландцемента; неорганического минерального наполнителя, предпочтительно кварцевого песка со срединным размером частицы 150-450 микрон и соотношением веса 0,80-1,50:1 к цементирующему вяжущему; пуццоланового микронаполнителя, предпочтительно кремнеземной пыли со средним размером частицы около 0,1 микрона; химического самовыравнивающегося агента на основе поликарбоксилированной химической структуры, предпочтительно поликарбоксилированного полиэфира (суперпластификатора), в количестве 0,75-2,5% общего веса продукта, и воды, при этом композиция обладает превосходными реологическими свойствами, является самовыравнивающейся после замешивания, и которая наращивает значительную прочность после затвердения. Цементная сердцевина не включает кварцевую муку, которая, как было установлено, приводит к тому, что композиция цементной сердцевины приобретает слишком густую консистенцию, чтобы ее можно было сформировать в пригодную к применению сердцевину панели при помощи обычного производственного оборудования.

Дополнительный вариант осуществления данного изобретения относится к добавлению к описанной выше цементной композиции для производства взрывоустойчивых цементных панелей соответствующих количеств триэтаноламина (далее - TEA) и винной кислоты, чтобы изменить свойства свежего и отвердевшего цементного раствора для изготовления панелей. Кроме того, может добавляться суперпластификатор. Однако преимуществом данного изобретения является то, что оно позволяет использовать уменьшенные количества суперпластификатора.

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

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

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 или другим сильнымвоздействиям.

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

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

Патент США №5997630, Angelskar, раскрывает TEA и винную кислоту.

Патент США №6119422 B1, Clear, раскрывает ударостойкую цементную строительную панель с прочной конструкцией, с внешней облицовкой из стекловолоконной арматурной сетки, где композитная цементная панель обладает комбинированной сердцевиной с внутренней и внешней облицовками из стекловолоконной сетки.

Патент США №6309457, Guerinet et al., раскрывает самовыравнивающуюся цементную 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 поликарбоксильнокислотного типа и содержащий полиэфирные цепочки. Пример 1 показывает прочность при сжатии 32 МПа (около 4600 psi (фунтов на квадратный дюйм)) по истечении 28 дней.

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.%.

Патент США №6620487, Tonyan et al., описание которого ссылкой полностью включается в настоящее описание, раскрывает армированную, облегченную, стабильную по размерам конструкционную 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 сердцевину из сплошной фазы, которое образуется в результате отверждения водной смеси альфа-полугидрата сульфата кальция, гидравлического цемента, активного пуццоланового вещества и извести, при этом непрерывная 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 непрерывную фазу, армированную стекловолокнами и содержащую достаточно полимерных сфер для улучшениягвоздимости, или изготавливается при отношении воды к реакционноспособным порошкам, которое обеспечивает эффект, сходный с влиянием полимерных сфер, или из их комбинации.

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

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

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

Патент США №6942727, Daczko et al., раскрывает обладающий высокой начальной прочностью 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.

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.%.

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.%.

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.%.

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.%.

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.

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.%.

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.%.

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

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.

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

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.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Данное изобретение относится к усовершенствованной цементной композиции для производства армированной волокнами панели сверхвысокой прочности при сжатии, превосходящей 10000, 15000 или 20000 psi после отверждения цементной композиции с контролируемым нарастанием прочности. Благодаря своей высокой прочности, эти цементные панели могут иметь применения, отличные от взрывоустойчивых панелей. Панели могут быть разработаны с меньшей прочностью и меньшим весом для использования, например, в сооружениях в сейсмоопасных зонах.

В данном изобретении использовали уникальную комбинацию неорганических и органических материалов со специфическими размерными свойствами, которые при смешивании с водой дают превосходные реологические свойства и самовыравнивающееся поведение на стадии свежего замеса, и сверхвысокую прочность при сжатии, по меньшей мере, 10000, 15000 или 20000 psi после 28-дневного отверждения по сравнению с типичным диапазоном 3000-5000 psi, который получают для типичного бетона с наивысшей плотностью и нормальной прочностью.

Данная композиция преодолевает вышеописанные серьезные недостатки современных цементных материалов, используемых для создания особо высокопрочных цементных материалов, и предлагает цементный вяжущий материал, являющийся самовыравнивающимся в свежесмешанном состоянии и чрезвычайно прочным после отверждения.

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 производило неприемлемый композитный материал с очень низкой характеристикой прочности при сжатии.

Цементная композиция не содержит кварцевой муки, которая, как было обнаружено, дает цементную композицию слишком густой консистенции, чтобы ее можно было сформировать в сердцевину панели чрезвычайно высокой прочности при помощи обычного производственного оборудования.

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

Вода использовалась в весовом соотношении 0,22:1,00 относительно цементирующих компонентов. Триэтаноламин и винную кислоту добавляют 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.

Волокнистое армирование может быть распределено по всей непрерывной фазе. Армированная волокном цементная бронепанель имеет чрезвычайно высокую прочность при сжатии для противостояния баллистическим и взрывным нагрузкам, которые могут достигать, по меньшей мере, примерно 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.

Панель может иметь слоистую покрывающую поверхность с одной или обеих сторон цементного ядра. Материал армированного волокнами полимерного (FRP) покрытия обычно на одну или обе стороны цементного ядра. Множество покрытий может быть использовано для ламинирования сердцевины цементной бронепанели. Однако, ламинаты из армированного волокнами полимера (FRP) являются предпочтительными покрытиями. Армированные волокнами смолы, такие как армированные стеклотканью простой полиэфир, полиэтилен, полипропилен, являются особенно предпочтительными FRP. Покрытие (S) помещается на сердцевину (С) в виде ламината конструкционной схемы SC, SCS или SCSCS.

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 A1, заявке на патент США №11/819340 «Армированная эластомерная форма, 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 A1, заявке на патент США №11/819340. Другие FRP также подходят для использования с конструкциями данного изобретения.

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

Способ данного изобретения также самовыравнивающиеся свойства цементной композиции для легкого создания панелей без необходимости в увеличенном использовании воды, которую пришлось бы удалять.

Как было обсуждено ранее, существует необходимость в создании панелей, которые способны заменить ныне доступные панели, которые имеют следующие недостатки: реологические свойства, отсутствия самовыравнивания без использования значительных количеств воды, и которые, 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.

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

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

ФИГ.1 представляет собой вид в перспективе одного из вариантов осуществления армированной волокнами цементной панели согласно данному изобретению.

ФИГ.1A представляет собой вид сбоку панели по ФИГ.1, дополнительно оснащенной полотном армирующего материала так, что панель по ФИГ.1 образует сердцевину из цементного материала, армированного волокнами, а полотно армирующего материала образует облицовку.

ФИГ.2 представляет собой схему соответствующего для выполнения данного процесса производства цементной бронепанели данного изобретения.

ФИГ.3 представляет собой график повышения температуры для смесей из Примера 8, содержащих различные количества винной кислоты.

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

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

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

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

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

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

ФИГ.10 представляет собой график увеличения прочности при сжатии для смесей Примера 10, содержащих различные количества супер пластификатора при постоянных количествах TEA и винной кислоты.

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

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

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

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

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.

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

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

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

ФИГ.19 представляет собой график снижения баллистической скорости относительно поверхностной плотности цементной бронепанели данного изобретения (не слоистой) по сравнению с таковой у конструкционной цементной панели.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

A. ПАНЕЛЬ

Данное изобретение касается армированной волокнами, безусадочной цементной панели. ФИГ.1 демонстрирует вид в перспективе панели 1 данного изобретения.

ФИГ.1A 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 армированную волокнами цементную середину, 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 №61/033,264, озаглавленной «Слоистые бронепанели на основе цемента», поданной 3 марта 2008 г., и включенной в данный документ посредством ссылки во всей своей полноте.

Обычно слой FRP покрытия с помощью клейкого вещества присоединяется к обеим поверхностям цементной сердцевины. Например, армированное волокнами покрытие может быть наслоено на поверхность ядра с помощью эпоксидного клея.

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, самовыравнивающийся 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.

Панель включает непрерывную 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 самовыравнивающегося агента и 6-12% воды.

Факультативно водная смесь включает около 0,005-0,500 вес.% триэтаноламина, из расчета на цементное вяжущее, и факультативно около 0,10-1,80 вес.% винной кислоты, из расчета на компоненты цемента.

Панели данного изобретения, как правило, включают непрерывную фазу цементного материала, в котором армирующие волокна распределены преимущественно равномерно. В панели, представленной на ФИГ.1, непрерывная фаза получается путем отверждения водной смеси цементного материала и армирующих волокон.

B. СОСТАВ

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

Типичные весовые соотношения ингредиентов одного варианта осуществления самовыравнивающихся цементных композиций в соответствии с данным изобретением со сверхвысокой прочностью при сжатии приведены в Таблице 1. Неорганическое цементное вяжущее (гидравлический цемент) и пуццолановый микронаполнитель вместе известны как сухой реакционноспособный порошок.

ТАБЛИЦА 1
Класс ингредиента	Предпочтительный ингредиент	Типичный минимум диапазона значений (вес.% от всей композиции, включая воду)	Типичный максимум диапазона значений (вес.% от всей композиции, включая воду)	Типичный состав (вес.% от 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
Самовыравнивающийся химический агент на органической основе(суперпластификатор)	Химическая смесь на основе поликарбоксилата	0,75	4,5	1,3
Вода		6,0	12,0	9,5

Соотношения ингредиентов сухой композиции, которые включают неорганическое цементное вяжущее и пуццолановый микронаполнитель, в дальнейшем также называемые сухим реакционноспособным порошком, и неорганического минерального наполнителя приведены в ТАБЛИЦЕ 1 А.

ТАБЛИЦА 1А
Состав в пересчете на сухое вещество
Ингредиенты	Предпочтительный ингредиент	Типичный минимум, вес.% (в пересчете на сухое вещество)	Типичный максимум, вес.% (в пересчете на сухое вещество)	Типичный состав, вес.% (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 реакционноспособным порошком

Пуццолановый микронаполнитель

Пуццолановые материалы определены в ASTM С618-97 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.

Пуццолановый материал обычно имеет средний размер частиц, указанный в ТАБЛИЦЕ 2.

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

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.

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.

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.

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. При использовании кремнеземной пыли, она будет составлять от около 5 до 20 вес.%, предпочтительно от 10 до 15 вес.% реакционноспособных порошков (примеры реакционноспособных 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.

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.

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.

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.

ТАБЛИЦА 2A
Весовое соотношение пуццоланового наполнителя к неорганическому гидравлическому цементу
Соотношение	Тип предпочтительности
0,05-0,30	Предпочтительный
0,10-0,25	Более предпочтительный
0,15-0,20	Наиболее предпочтительный

Неорганическое цементное вяжущее (неорганический гидравлический цемент)

Предпочтительные неорганические цементные вяжущие выбираются из различных классов портландцементов, при этом из доступных в продаже наиболее предпочтительными в настоящей композиции являются имеющие более крупный размер частиц. Тонкость помола по Блейну портландцемента, используемого в цементных композициях данного изобретения, как правило, варьирует от 2000 до 6000 см²/г.

Было обнаружено, что относительно более низкая потребность в воде портландцементов с более крупным размером частиц приводит к тому, что смеси имеют более высокую плотность материала и улучшенную характеристику прочности при сжатии материала.

Неорганический минеральный наполнитель

Предпочтительный неорганический минеральный наполнитель представляет собой кварцевые пески, которые обладают специфическими распределениями размера частицы, как описано ниже. Эти наполнители выполняют несколько чрезвычайно важных функций в композиции данного изобретения.

Стабильность размеров конечного продукта, выполненного с применением цементной композиции данного изобретения, значительно улучшается при использовании неорганического минерального наполнителя. Чистые портландцементные композиции имеют тенденцию к высокой нестабильности размеров под действием изменяющихся гидротермических условий. Минеральные наполнители, такие как кварцевые пески, помогают улучшить стабильность размеров материала без ухудшения механической характеристики материалов.

Чистые композиции портландцемента чрезвычайно склонны к усадке и сопутствующему развитию трещин вследствие ограниченной пластичной усадки материала при затвердевании. Эффект ограниченной пластичной усадки становится еще более сильным для композиций, имеющих очень низкое содержание воды, особенно в присутствии пуццолановых материалов типа кремнеземной пыли. Было обнаружено, что кварцевый песок играет важную роль в контролировании, а в некоторых случаях устранении, развития трещин вследствие ограниченной пластичной усадки.

Было обнаружено, что правильный выбор диапазона размера частиц неорганического минерального наполнителя является действенным в обеспечении более плотной упаковки частиц в цементной смеси данного изобретения. Более плотная упаковка приводит к менее значительным трещинам в конечном материале, а это, в свою очередь, в конечном счете, улучшает механическую характеристику и прочность при сжатии композитного материала.

Было обнаружено, что размер частиц неорганического минерального наполнителя и общее количество наполнителя, используемого в цементной смеси, существенно способствует самовыравнивающимся характеристикам смеси. Было обнаружено, что, если неорганический минеральный наполнитель обладает очень небольшим средним размером частиц, то материал будет иметь неудовлетворительные реологические свойства без поведения самовыравнивания. Кроме того, было обнаружено, что, если количество неорганического минерального наполнителя слишком велико, то есть достигает критического предела, то минерал также будет иметь неудовлетворительные реологические свойства и отсутствие поведения самовыравнивания.

Распределение размера частиц неорганического наполнителя, которое, как было обнаружено, приводит к самовыравнивающимся свойствам и особой высокопрочности при сжатии, показано в ТАБЛИЦЕ 2 В.

ТАБЛИЦА 2B

Размер частиц неоргани