Геополимерная композиция с устойчивыми размерами и способ

Геополимерная композиция с устойчивыми размерами и способ

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[01] Настоящее изобретение относится в целом к вяжущим композициям, содержащим геополимеры на основе алюмосиликатов, которые можно использовать для ряда применений. В частности, изобретение относится в целом к указанным вяжущим композициям, обеспечивающим свойства, которые являются желательными с точки зрения времени схватывания, размерной устойчивости в экзотермических условиях, пониженной общей усадки материала при отверждении и прочие другие желательные свойства.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[02] В патенте США №6572698, автор Ко (Ko), предложен активированный алюмосиликатный связующий материал, содержащий алюмосиликаты, сульфат кальция и активатор, содержащий соли щелочных металлов. Алюмосиликаты выбраны из группы, состоящей из доменного шлака, глины, известковой глины и промышленных отходов, таких как зольная пыль, и имеют содержание Al₂O₃ более 5% по массе. Доменный шлак присутствует в количестве менее чем 35% по массе, и в смесь добавляют цементную пыль (CKD) в количестве от 1 до 20% по массе в качестве активатора.

[03] В патенте США №4488909, авторы Галер и др. (Galer et al.), обсуждают вяжущие композиции, содержащие портландцемент, цемент с высоким содержанием оксида алюминия, сульфат кальция и известь. Вяжущая композиция включает портландцемент, цемент с высоким содержанием оксида алюминия, сульфат кальция и известь. Можно добавлять пуццоланы, такие как зольная пыль, монтмориллонитовая глина, диатомитовая земля и пумицит, в количестве до примерно 25%. Цементная композиция включает примерно от 14 до 21 масс.% цемента с высоким содержанием оксида алюминия.

[04] В патенте США №6869474, авторы Перес-Пенья и др. (Perez-Pena et al.) обсуждают вяжущие композиции для получения продуктов на цементной основе, таких как цементные плиты. Этого добиваются путем добавления алканоламина в гидравлический цемент, такой как портландцемент, и образования суспензии с водой в условиях, обеспечивающих начальную температуру суспензии, составляющую по меньшей мере 90°F (32°С). Можно включать дополнительные реакционно-способные материалы, такие как цемент с высоким содержанием оксида алюминия, сульфат кальция и пуццолановый материал, такой как зольная пыль.

[05] В патенте США №7670427, авторы Перес-Пенья и др., обсуждают чрезвычайно быстрое схватывание вяжущих композиций, обладающих прочностью на сжатие на ранней стадии отверждения, для получения продуктов на цементной основе, таких как цементные плиты, которого добиваются путем добавления алканоламина и фосфата и гидравлический цемент, такой как портландцемент, и получения суспензии с водой в условиях, обеспечивающих начальную температуру суспензии, составляющую по меньшей мере 90°F (32°С). Можно включать дополнительные реакционно-способные материалы, такие как цемент с высоким содержанием оксида алюминия, сульфат кальция и пуццолановый материал, такой как зольная пыль.

[06] В опубликованной заявке на патент США №2010-0071597 А1, автор Перес-Пенья, предложены составы, в которых зольную пыль и соли щелочных металлов и лимонной кислоты, такие как цитрат натрия, применяют для получения бетонных смесей. Можно применять гидравлический цемент и гипс в количестве до 25 масс.% состава, хотя их использование и не является предпочтительным. Связующие материалы на основе активированной зольной пыли согласно указанной заявке могут взаимодействовать с традиционными пенообразующими системами, применяемыми для вовлечения воздуха, с образованием тем самым легких плит.

[07] В патенте США №5536310, авторы Брук и др. (Brook et al.), предложена вяжущая композиция, содержащая 10-30 массовых долей (м.д.) гидравлического цемента, такого как портландцемент, 50-80 м.д. зольной пыли и 0,5-8,0 м.д. свободной карбоновой кислоты, такой как лимонная кислота, или ее соли с щелочными металлами, например, цитрата трикалия или цитрата тринатрия, совместно с другими традиционными добавками, включая замедлители схватывания, такие как борная кислота или бура.

[08] В патенте США №6641658, автор Дуби (Dubey), предложена вяжущая композиция на основе портландцемента, содержащая 35-90% портландцемента, 0-55% пуццоланов, 5-15% цемента с высоким содержанием оксида алюминия и от 1 до 8% нерастворимой ангидритной формы сульфата кальция вместо традиционного растворимого природного гипса/гипса для увеличения выделения теплоты и снижения времени схватывания, даже несмотря на использование больших количеств пуццоланов, например, зольной пыли. Вяжущая композиция может включать легкие агрегаты и наполнители, суперпластификаторы и добавки, такие как цитрат натрия, применяемый в качестве замедлителя схватывания.

[09] В патенте США №7618490 В2, авторы Накасима и др. (Nakashima et al.), предложен распыляемый материал, содержащий один или более материалов, выбранных из сульфоалюмината кальция, алюмосиликата кальция, гидроксида кальция, источника фтора и бетона из портландцемента. Можно добавлять сульфат кальция в безводном виде или в виде гемигидрата гипса.

[010] В патенте США №4655979, авторы Накано и др. (Nakano et al.), предложен способ получения ячеистого бетона с использованием цемента на основе силиката кальция, в состав бетонной смеси можно добавлять замедлитель на основе щелочного металла, цемент на основе сульфоалюмината кальция (CSA) и необязательно сульфат кальция.

[011] В опубликованной заявке на патент США №2008/0134943 А1, авторы Годфри и др. (Godfrey et al.), предложен материал с заключенными в нем отходами, состоящий из по меньшей мере одной сульфоалюминатной соли щелочноземельного металла и сульфата кальция и необязательно неорганического наполнителя, такого как доменный шлак, летучая топливная зола, мелкодисперсный оксид кремния, известняк и органические и неорганические разжижающие агенты. Предпочтительно по меньшей мере одна сульфоалюминатная соль щелочноземельного металла содержит сульфоалюминат кальция (CSA). Подходящая композиция, например, может содержать по меньшей мере одну сульфоалюминатную соль щелочноземельного металла в комбинации с гипсом и летучей топливной золой (PFA), где примерно 86% частиц гипса имеют размер менее 76 мкм, а примерно 88% частиц PFA имеют размер менее 45 мкм. Один из примеров содержит 75% (70:30 CSA:CaSO₄⋅2H₂O); 25% летучей топливной золы; отношение вода/твердые вещества 0,65.

[012] В патенте США №6730162, авторы Ли и др. (Li et al.), предложены двойные вяжущие композиции, включающие первую гидравлическую композицию, содержащую от 2,5% до 95 масс.% C₄A₃S, где в указанных химических обозначениях C=CaO, S=SiO₂, A=Al₂O₃ (другими словами сульфоалюминат кальция), и от 2,5 до 95 масс.% гемигидрата и/или ангидрита сульфата кальция. Сульфоалюминатные цементы или алюмоферритные цементы являются примерами цементов, содержащих C₄A₃S. Они также могут включать добавки минеральных наполнителей, выбранные из группы, состоящей из шлака, зольной пыли, пуццолана, ультрадисперсного оксида кремния, мелкодисперсного известняка, побочных продуктов и отходов известковой промышленности.

[013] В опубликованной заявке на патент Китая №101921548 А, авторы Денг и др. (Deng et al.), предложена композиция сульфоалюминатного цемента, полученная из 90-95 масс.% сульфоалюминатного шлака и безводного гипса, кварцевого песка, зольной пыли после сжигания отходов, простого эфира гидроксипропилметилцеллюлозы, редиспергируемых вяжущих порошков и волокон. Сульфоалюминатный шлак и безводный гипс удовлетворяют требованиям стандарта для сульфоалюминатного цемента, т.е. GB 20472-2006.

[014] В опубликованной заявке на патент Кореи №KR 549958 B1, авторы Юнг и др. (Jung et al.), предложена композиция алюминатного цемента, CSA, гипса, цитрата кальция и гидроксикарбоновой кислоты.

[015] В опубликованной заявке на патент Кореи №KR 2009085451 А, автор Но (Noh), предложена композиция порошкового доменного шлака, гипса и CSA. Средний размер частиц гипса может составлять 4 микрона или менее.

[016] В опубликованной заявке на патент Кореи №KR 2009025683 A предложен гидроизоляционный материал порошкового типа, применяемый в бетонах и строительных растворах, который получают путем тонкого измельчения цемента, безводного гипса, порошка оксида кремния, гидроизоляционного порошка, зольной пыли, расширяющегося материала типа сульфоалюмината кальция и неорганического связующего материала.

[017] В опубликованной заявке на патент Кореи №KR 2010129104 А, авторы Ю и др. (Gyu et al.), предложена композиция для смешения торкрет-бетона, содержащая (в масс.%): метакаолин (5-20), сульфоалюминат кальция (5-20), безводный гипс (20-45) и зольную пыль (30-50).

[018] Существует потребность в вяжущих материалах с устойчивыми размерами, содержащих геополимерные композиции, обеспечивающие пониженную усадку после отверждения, улучшенные начальные и конечные температурные характеристики, контролируемое и/или оптимизированное время схватывания, улучшенную прочность и другие свойства, благоприятствующие использованию указанных материалов в строительстве зданий, в формованных вяжущих продуктах и в других применениях, таких как вяжущие структуры, вяжущие структурные элементы и литые вяжущие продукты, а также в способах получения указанных материалов и получения указанных структур, элементов и продуктов.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[019] В настоящем изобретении предложены улучшенные геополимерные вяжущие композиции и способы получения указанных композиций, обладающих по меньшей мере одним, а во многих случаях более чем одним крайне желательным свойством, таким как значительно улучшенная размерная устойчивость во время и после отверждения; улучшенные и поддающиеся модификации и времена начального и окончательного схватывания; увеличенный срок службы; модифицированное выделение теплоты при смешении, схватывании и отверждении; и другими улучшенными свойствами, обсуждаемыми в настоящем описании. Во многих, если не во всех, указанных вариантах реализации улучшенные свойства обеспечены в отсутствие значительного (если оно вообще присутствует) снижения прочности на сжатие на ранней стадии отверждения, окончательной прочности на сжатие и других прочностных характеристик. Некоторые варианты реализации фактически обеспечивают неожиданное увеличение прочности на сжатие на ранней стадии отверждения и окончательной прочности на сжатие.

[020] Улучшенные свойства согласно указанным и другим вариантам реализации настоящего изобретения обеспечивают явные преимущества по сравнению с геополимерными связующими материалами, известными в уровне техники, такими как связующие материалы на основе зольной пыли, а также другими вяжущими материалами, которые могут иметь значительное содержание геополимера. В некоторых предпочтительных вариантах реализации геополимерные вяжущие композиции согласно настоящему изобретению получают из растворов или суспензий по меньшей мере воды и одного или более вяжущих реакционно-способных компонентов в сухой или порошковой форме. Вяжущие реакционно-способные компоненты содержат эффективные количества термоактивированных геополимерных алюмосиликатных материалов, таких как зольная пыль; цементов на основе сульфоалюмината кальция; и сульфатов кальция. В растворы также можно добавлять один или более химических активаторов на основе щелочных металлов, таких как соль щелочного металла и лимонной кислоты или основание щелочного металла, в сухой форме, добавляемой в реакционно-способный порошок, или в жидкой, добавляемой в суспензию. Необязательно суспензия или раствор могут включать другие добавки, такие как пластифицирующие агенты, агенты, ускоряющие или замедляющие схватывание, воздухововлекающие агенты, пенообразующие агенты, увлажняющие агенты, легкие или другие заполнители, армирующие материалы или другие добавки, для обеспечения или модификации свойств суспензии и конечного продукта.

[021] Во многих предпочтительных композициях согласно настоящему изобретению вяжущие реакционно-способные компоненты в сухой или порошковой форме содержат от примерно 65 до примерно 97 процентов по массе термоактивированного алюмосиликатного минерала, такого как зольная пыль, от примерно 2 до примерно 30 процентов по массе цемента на основе сульфоалюмината кальция и от примерно 0,2 до примерно 15 процентов по массе сульфата кальция в пересчете на общую массу всех сухих вяжущих реакционно-способных компонентов. В предпочтительных композициях согласно настоящему изобретению вяжущие реакционно-способные компоненты содержат цемент на основе сульфоалюмината кальция в количестве от примерно 1 до примерно 200 частей по массе на 100 частей по массе термоактивированного алюмосиликатного минерала. Сухая масса имеет общепринятое определение как количество в состоянии, не содержащем воду.

[022] В других вариантах реализации можно применять смесь двух или более типов цемента на основе сульфоалюмината кальция и цемента на основе алюмината кальция, и количества и типы цементов на основе сульфоалюмината кальция и цементов на основе алюмината кальция могут изменяться в зависимости от их химического состава и размера частиц (тонкость помола по Блейну). Тонкость помола по Блейну цемента на основе сульфоалюмината кальция в указанных вариантах реализации и других вариантах реализации предпочтительно составляет более чем примерно 3000, более предпочтительно более чем примерно 4000, еще более предпочтительно более 5000 и наиболее предпочтительно более чем примерно 6000.

[023] В некоторых предпочтительных вариантах реализации количество химического активатора на основе щелочного металла составляет от примерно 0,5% до примерно 10% по массе в пересчете на сухую массу вяжущих реакционно-способных материалов. Более предпочтительно диапазон содержания химического активатора на основе щелочного металла составляет от примерно 1% до примерно 6% от общей массы вяжущих реакционно-способных материалов, предпочтительно от примерно 1,25% до примерно 4%, более предпочтительно от примерно 1,5% до примерно 3,5% и наиболее предпочтительно от примерно 1,5% до 2,5%. Цитрат натрия и цитрат калия являются предпочтительными активаторами на основе щелочных металлов и кислот, хотя также можно применять и смесь цитратов натрия и калия. Также можно использовать основания щелочных металлов, такие как гидроксиды щелочных металлов, и силикаты щелочных металлов в зависимости от применения и требований, предъявляемых к указанному применению.

[024] Указанные и другие предпочтительные варианты реализации настоящего изобретения в отличие от геополимерных композиций, содержащих зольную пыль, известных в уровне техники, получают для обеспечения геополимерных вяжущих композиций, обладающих размерной устойчивостью и устойчивостью к растрескиванию при схватывании и схватывающихся в незащемленном и защемленном состоянии. Например, кратковременная свободная усадка согласно конкретным предпочтительным вариантам реализации, как правило, составляет менее чем примерно 0,3%, предпочтительно менее чем примерно 0,2%, более предпочтительно менее чем примерно 0,1% и наиболее предпочтительно менее чем примерно 0,05% (при измерении после начального схватывания в течение 1-4 часов после перемешивания). В указанных предпочтительных вариантах реализации долговременная усадка композиций при отверждении также, как правило, составляет менее чем примерно 0,3%, более предпочтительно менее чем примерно 0,2% и наиболее предпочтительно менее чем примерно 0,1%.

[025] Для дополнительного контроля размерной устойчивости и усадки в указанных вариантах реализации количество цемента на основе сульфоалюмината кальция составляет от примерно 2,5 до примерно 100 частей по массе на 100 частей по массе термоактивированного алюмосиликатного минерала, более предпочтительно от примерно 2,5 до примерно 50 частей по массе на 100 частей по массе термоактивированного алюмосиликатного минерала и наиболее предпочтительно от примерно 5 до примерно 30 частей по массе на 100 частей по массе термоактивированного алюмосиликатного минерала. В вариантах реализации, где контроль размерной устойчивости, определяемой усадкой материала, является крайне важным, количество активатора на основе щелочного металла более предпочтительно находится в диапазоне от примерно 1 до примерно 3% в пересчете на общую сухую массу вяжущих реакционно-способных материалов (т.е. термоактивированного алюмосиликатного минерала, такого как зольная пыль, цемент на основе сульфоалюмината кальция и сульфат кальция), еще более предпочтительно от примерно 1,25% до примерно 2,75% в пересчете на общую массу вяжущих реакционно-способных материалов и наиболее предпочтительно от примерно 1,5% до примерно 2,5% в пересчете на общую сухую массу вяжущих реакционно-способных материалов.

[026] Геополимерные композиции с устойчивыми размерами согласно предпочтительным вариантам реализации настоящего изобретения дополнительно неожиданно снижают максимальное увеличение температуры при отверждении композиции по сравнению с геополимерными вяжущими продуктами, известными в уровне техники. По этой и схожим причинам указанные варианты реализации обладают неожиданной стойкостью к растрескиванию при нагревании. Например, в некоторых предпочтительных вариантах реализации увеличение температуры, как правило, составляет менее чем примерно 50°F (28°С), более предпочтительно менее чем примерно 40°F (22°С) и наиболее предпочтительно менее чем примерно 30°F (17°С).

[027] Указанные и другие предпочтительные варианты реализации настоящего изобретения также обладают неожиданной скоростью нарастания прочности на ранней стадии схватывания. Например, в некоторых из указанных вариантов реализации прочность на сжатие через 4 часа может составлять более чем примерно 1000 psi (6,9 МПа), предпочтительно более чем примерно 1500 psi (10,3 МПа), наиболее предпочтительно более чем примерно 2500 psi (17,2 МПа). В указанных вариантах реализации нарастание прочности на сжатие через 24 часа может составлять более чем примерно 1500 psi (10,3 МПа), более предпочтительно более чем примерно 2500 psi (17,2 МПа) и наиболее предпочтительно более чем примерно 3500 psi (24,1 МПа). Кроме того, в указанных и других предпочтительных вариантах реализации прочность на сжатие через 28 дней может составлять более чем примерно 3500 psi (24,1 МПа), более предпочтительно более чем примерно 4500 psi (31,0 МПа) и наиболее предпочтительно более чем примерно 5500 psi (37,9 МПа). В других вариантах реализации прочность на сжатие композиций может нарастать в период с 1 до 4 часа от примерно 500 psi (3,5 МПа) до примерно 4000 psi (27,6 МПа), более предпочтительно от примерно 1500 до примерно 5000 psi (от 10,3 до 34,5 МПа) через 24 часа и наиболее предпочтительно от примерно 3500 до примерно 10000 psi (от 24,1 до 69 МПа) через 28 дней. Кроме того, геополимерные вяжущие композиции согласно конкретным предпочтительным вариантам реализации также обладают чрезвычайно хорошей устойчивостью во влажных условиях, и конечные значения прочности на сжатие во влажных условиях схожи со значениями прочности на сжатие в сухих условиях. Например, в конкретных вариантах реализации прочность на сжатие при насыщении композиций водой через 28 дней может составлять более чем примерно 3500 psi (24,1 МПа), более предпочтительно более чем примерно 4500 psi (31,0 МПа) и наиболее предпочтительно более чем примерно 5500 psi (37,9 МПа).

[028] Вследствие того, что время схватывания суспензии с получением твердого вещества для геополимеров, активированных щелочными металлами, а также для цементов на основе сульфоалюмината кальция, объединенных с сульфатами кальция, как правило, является относительно коротким, ожидалось, что предпочтительные варианты реализации, в которых объединены все указанные компоненты, будут иметь относительно короткое время схватывания и ограниченный срок службы. Тем не менее, неожиданно времена схватывания, обеспечиваемые в предпочтительных вариантах реализации настоящего изобретения, не ограничены короткими временами схватывания (обычно менее 15 минут), но в них обеспечен значительный контроль взаимодействий, происходящих при схватывании суспензии, что позволяет значительно увеличивать время схватывания суспензии и срок службы.

[029] Например, в некоторых вариантах реализации композицию можно получать для обеспечения короткого времени схватывания, такого как менее чем примерно 10 минут. В других предпочтительных вариантах реализации композицию можно получать для обеспечения продолжительного схватывания от примерно 10 до примерно 30 минут. В других более предпочтительных вариантах реализации состав композиции предпочтительно выбирают для обеспечения времени схватывания от примерно 30 до примерно 60 минут. В других наиболее предпочтительных вариантах реализации композицию можно получать для обеспечения времени схватывания от примерно 60 до примерно 120 минут, от примерно 120 до примерно 240 минут или при желании даже более продолжительного периода времени.

[030] Кроме того, времена схватывания согласно указанным вариантам реализации можно выбирать, и при желании и увеличивать в отсутствие значительного (если оно вообще происходит) ухудшения свойств стойкости к усадке, прочности на сжатие и других прочностных свойств. В результате, указанные варианты реализации неожиданно можно использовать в применениях, где продукты на основе геополимеров и вяжущие продукты с геополимерными компонентами, известные в уровне техники, нельзя использовать вследствие требований, касающихся продолжительного времени схватывания и срока службы и отсутствия неприемлемой усадки или потери прочности.

[031] В конкретных предпочтительных вариантах реализации в композициях согласно настоящему изобретению также нарастает исключительная прочность сцепления с подложкой-субстратом при растяжении. Например, предпочтительная прочность сцепления при растяжении между указанными вариантами реализации и бетонным субстратом предпочтительно составляет более чем примерно 200 psi (1,4 МПа) и наиболее предпочтительно более чем примерно 300 psi (2,1 МПа). В некоторых вариантах реализации значения рН поверхности полностью отвержденных и схватившихся геополимерных вяжущих композиций с устойчивыми размерами согласно настоящему изобретению также улучшены по сравнению с материалами и продуктами на основе портландцемента, которые, как правило, имеют рН поверхности более 12, а чаще более 13. В конкретных предпочтительных вариантах реализации указанные композиции при измерении после 16 часов после нанесения предпочтительно имеют рН менее чем примерно 11, более предпочтительно менее чем примерно 10,5 и наиболее предпочтительно менее чем примерно 10. В указанном контексте рН поверхности измеряют с использованием стандарта испытаний ASTM F-710 (2011).

[032] Во многих предпочтительных вариантах реализации для нарастания прочности и размерной устойчивости геополимерных вяжущих композиций согласно настоящему изобретению не требуются гидравлические цементы на основе силиката кальция, такие как портландцементы. В других вариантах реализации для обеспечения определенных желательных свойств можно включать портландцементы. Тем не менее, неожиданно было обнаружено, что в зависимости от конкретной композиции согласно варианту реализации избыточное количество портландцемента фактически снижало размерную устойчивость композиции во время и после отверждения, а не увеличивало его размерную устойчивость.

[033] В предпочтительных вариантах реализации настоящего изобретения, включающих гидравлические цементы на основе силиката кальция, ограничения количества указанных гидравлических цементов могут быть различными в зависимости от конкретной композиции согласно настоящему изобретению, но могут определяться увеличением усадки по сравнению с усадкой того же варианта реализации, содержащего пониженное количество гидравлического цемента на основе силиката кальция. В конкретных указанных вариантах реализации содержание портландцемента не должно превышать примерно 15 масс.% от массы реакционно-способных порошковых компонентов, в другом предпочтительном варианте реализации оно не должно превышать 10 масс.% от массы реакционно-способных порошковых компонентов, а в другом предпочтительном варианте реализации оно не должно превышать примерно 5 масс.% от массы реакционно-способных порошковых компонентов, а еще в одном предпочтительном варианте реализации реакционно-способные порошковые компоненты содержат несущественное количество портландцемента.

[034] Также неожиданно было обнаружено, что в некоторых вариантах реализации избыточное количество цемента на основе сульфоалюмината кальция может приводить к снижению размерной устойчивости, что определяется увеличением усадки после начального схватывания композиции. Для применений, требующих значительной размерной устойчивости и/или контроля усадки для предотвращения растрескивания, отслаивания и других видов повреждений, количество цемента на основе сульфоалюмината кальция предпочтительно составляет от примерно 10 до примерно 40 частей по массе в сухом виде на 100 частей по массе в сухом виде термоактивированного алюмосиликатного минерала.

[035] В других предпочтительных вариантах реализации неожиданно было обнаружено, что отношение количества сульфата кальция к содержанию цемента на основе сульфоалюмината кальция в композиции может снижать возможные отрицательные эффекты, такие как усадка, вызываемые содержанием цемента на основе сульфоалюмината кальция. В указанных вариантах реализации количество сульфата кальция предпочтительно составляет от примерно 2 до примерно 200 частей по массе на 100 частей по массе цемента на основе сульфоалюмината кальция.

[036] Для наиболее эффективного контроля усадки материала в указанных вариантах реализации количество сульфата кальция составляет от примерно 10 до примерно 100 частей по массе в сухом виде на 100 частей по массе в сухом виде цемента на основе сульфоалюмината кальция, более предпочтительно от примерно 15 до примерно 75 частей по массе в сухом виде на 100 частей по массе в сухом виде цемента на основе сульфоалюмината кальция и наиболее предпочтительно от примерно 20 до примерно 50 частей по массе в сухом виде на 100 частей по массе в сухом виде цемента на основе сульфоалюмината кальция. В тех вариантах реализации, где важно увеличение прочности на сжатие на ранней стадии отверждения, предпочтительное количество сульфата кальция составляет от примерно 10 до примерно 50 частей на 100 частей по массе в сухом виде цемента на основе сульфоалюмината кальция.

[037] В других вариантах реализации настоящего изобретения тип сульфата кальция (главным образом, дигидрат, гемигидрат или ангидрит), добавляемого в композицию, может существенно влиять на нарастание прочности на сжатие не полностью отвержденной композиции на ранней стадии отверждения (т.е. в период менее чем примерно 24 часов). Неожиданно было обнаружено, что различные варианты реализации, в которых применяют главным образом ангидрит сульфата кальция, обладают более высокой прочностью на сжатие на ранних стадиях отверждения по сравнению с вариантами реализации, в которых применяют главным образом форму дигидрата, а в некоторых вариантах реализации могут обладать прочностью на сжатие на ранней стадии отверждения, сравнимой с композициями, в которых применяют главным образом гемигидрат сульфата кальция. В других вариантах реализации можно применять два или более типов сульфата кальция (дигидрат, гемигидрат или ангидрит) совместно, и количества различных типов регулируют для обеспечения улучшенного контроля прочности на сжатие композиции. Аналогично, для регулировки желаемой усадки и других свойств композиции можно применять различные типы и количества сульфата кальция по отдельности или в комбинации.

[038] Если основной проблемой являются характеристики усадки, другие варианты реализации настоящего изобретения включают сульфаты кальция со средним размером частиц, предпочтительно составляющим от примерно 1 до примерно 100 микрон, от примерно 1 до примерно 50 микрон и от примерно 1 до примерно 20 микрон. Указанные варианты реализации обеспечивают неожиданное улучшение стойкости к усадке, а в других вариантах реализации применение сульфата кальция, имеющего частицы, размер которых по меньшей мере находится в предпочтительном диапазоне, может обеспечивать значительный вклад в увеличение скорости нарастания прочности при отверждении композиций.

[039] В других вариантах реализации неожиданно было обнаружено, что по существу не растворимый в воде безводный сульфат кальция (ангидрит) может обеспечивать важные преимущества, несмотря на его низкую растворимость в воде и, как предполагалось ранее, ограниченную, если она вообще присутствует, реакционную способность композиции. Например, неожиданно было обнаружено, что ангидрит обеспечивал значительное улучшение контроля размерной устойчивости за счет снижения усадки при отверждении в указанных и других вариантах реализации по сравнению с композициями, известными в уровне техники. Ангидрит также обеспечивал значительное улучшение кратковременной и долговременной прочности на сжатие по сравнению с композициями, известными в уровне техники, а в некоторых случаях обеспечивал кратковременную и долговременную прочность на сжатие, сравнимую или более высокую по сравнению с композициями, в которых в качестве источника сульфата кальция применяют гемигидрат или дигидрат сульфата кальция. Выбор типа сульфата кальция, применяемого в конкретном варианте реализации, зависит от комбинации скорости нарастания прочности на ранней стадии отверждения и баланса других свойств, таких как время усадки и стойкость к усадке, желательных для конкретного конечного применения.

[040] В других вариантах реализации размер частиц и морфология сульфата кальция значительно и неожиданно влияет на нарастание прочности композиций на ранней стадии отверждения (в период менее чем примерно 24 часа). В указанных вариантах реализации применение сульфата кальция с относительно небольшим размером частиц обеспечивает более быстрое нарастание прочности на сжатие на ранней стадии отверждения. В указанных вариантах реализации предпочтительный средний размер частиц сульфата кальция находится в диапазоне от примерно 1 до 100 микрон, более предпочтительно от примерно 1 до 50 микрон и наиболее предпочтительно от примерно 1 до 20 микрон.

[041] В конкретных вариантах реализации композиции обладают характеристиками самостоятельного выравнивания после первоначального смешения и в то же время обеспечивают одну или более из указанных выше неожиданных рабочих характеристик. Особенность самостоятельного выравнивания материала подходит для различных случаев и применений, таких как самовыравнивающаяся стяжка, верхний слой бетона, производство тонко обработанных бетонных продуктов и панелей, введение суспензии в сильноармированные элементы конструкций и т.д. Композиции согласно указанным вариантам реализации становятся самовыравнивающимися после первоначального смешения с водой реакционно-способного порошка согласно настоящему изобретению в массовом отношении от примерно 0,15 до примерно 0,4, более предпочтительно от 0,17 до 0,35, еще более предпочтительно от 0,20 до 0,30. В качестве альтернативы в других вариантах реализации композиции также могут быть обеспечены в формуемом густом пастообразном виде после первоначального смешения и в то же время обеспечивают одну или более улучшенных рабочих характеристик.

[042] Предпочтительный состав самовыравнивающихся композиций и композиций для ямочного ремонта содержит от примерно 65 до примерно 95 процентов по массе зольной пыли, от примерно 2 до примерно 30 процентов по массе цемента на основе сульфоалюмината кальция и от примерно 0,2 до примерно 15 процентов по массе сульфата кальция. В некоторых вариантах реализации геополимерную вяжущую композицию согласно настоящему изобретению можно распределять по поверхности субстрата, где геополимерный вяжущий связующий материал смешивают в качестве самовыравнивающегося продукта и выливают до достижения эффективной толщины от примерно 0,02 см до примерно 7,5 см.

[043] Физические характеристики указанных продуктов являются хорошими примерами преимуществ указанных вариантов реализации, т.е. размерная устойчивость, стойкость к деформации и физическому растрескиванию и высокая стойкость поверхности к абразии и износу подходят для применения в торговых, промышленных зонах и других районах с интенсивным движением. В зависимости от применения можно минимизировать или избегать проведения любых времязатратных и дорогостоящих способов получения поверхности, таких как дробеструйная обработка, киркование, гидроструйная обработка, откалывание или измельчение.

[044] Согласно другим аспектам настоящего изобретения в различных вариантах реализации обеспечены способы получения вяжущих композиций с устойчивыми размерами, имеющих времена схватывания, которые можно адаптировать для конкретных применений, подходящие значения нарастания прочности на ранней стадии отверждения и окончательной прочности на сжатие и других прочностных характеристик, улучшенное значение рН поверхности, улучшенную прочность сцепления с субстратами при растяжении и обладающих другими преимуществами. В конкретных предпочтительных вариантах реализации указанные способы включают стадии получения неожиданно эффективной синергичной смеси термоактивированных алюмосиликатов, предпочтительно зольной пыли класса С, цемента на основе сульфоалюмината кальция, сульфата кальция и химического активатора на основе щелочного металла.

[045] В конкретных предпочтительных вариантах реализации указанных способов предпочтительные смеси получают с применением компонентов, таких как те, что отмечены выше, с образованием вяжущего реакционно-способного порошка, содержащего термоактивированную зольную пыль класса С, цемент на основе сульфоалюмината кальция и сульфат кальция, выбранный из группы, состоящей из дигидрата сульфата кальция, гемигидрата сульфата кальция и безводного сульфата кальция и их смесей (предпочтительно в тонко измельченной форме, имеющей размер частиц менее чем примерно 300 микрон).

[046] В указанных вариантах реализации в смесь дополнительно добавляют химический активатор, содержащий соль или основание щелочного металла, предпочтительно выбранный из группы, состоящей из солей щелочных металлов и органических кислот, гидроксидов щелочных металлов и силикатов щелочных металлов, в сухом или жидком виде. На последующих стадиях для получения стабильных суспензионных смесей, которые можно использовать для применений, подходящих для геополимерных вяжущих продуктов, добавляют воду и необязательно суперпластификатор, в частности карбоксилированный пластифицирующий материал.

[047] В предпочтительных способах смеси получают при начальной температуре от примерно 0°С до примерно 50°С, более предпочтительно при начальной температуре от примерно 5°С до примерно 40°С, еще более предпочтительно при начальной температуре от примерно 10°С до примерно 35°С, наиболее предпочтительно при температуре окружающей среды, составляющей примерно 25°С. В указанных вариантах реализации начальную температуру смеси в целом измеряют в первую минуту с момента введения вяжущего реакционно-способного порошка; активатора и воды в смесь. Разумеется, температура смеси в целом может изменяться в течение указанной первой минуты, но в указанных предпочтительных вариантах реализации температура суспензии предпочтительно остается в пределах указанного диапазона.

[048] В некоторых предпочтительных вариантах реализации суспензию можно смешивать с использованием относительно небольших количеств энергии и при этом все равно получать тщательно перемешанную композицию. В некоторых из указанных предпочтительных способов суспензию смешивают с использованием количества энергии, эквивалентного количеству, обеспечиваемому низкоскоростными ручными дрелями-смесителями или эквивалентными смесителями, имеющими скорость вращения примерно 250 об./мин или более. Соответственно, геополимерные композиции согласно указанным предпочтительным вариантам реализации можно легко перемешивать, несмотря на использование относительно небольших количеств воды для получения суспензии, применяем