ВЫСОКОПРОЧНЫЙ ЦЕМЕНТ НА ФОСФАТНОЙ ОСНОВЕ, ИМЕЮЩИЙ НИЗКУЮ ЩЕЛОЧНОСТЬ

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Цементы широко применяют в качестве строительных материалов по многим причинам. Их можно формовать или отливать почти в любую форму. Жидкую цементную суспензию можно отливать в формы, получая такие продукты как бетонные блоки. Суспензия также подходит для изготовления наливных цементных полов или стен. Известны композиции для устройства полов, которые являются самовыравнивающимися и со временем развивают большую прочность.

Типичная композиция цементного связующего материала включает силикатный цемент, такой как портландцемент, песок или другой наполнитель, воду и добавки, специфические для предполагаемого использования. Например, если указанным использованием является устройство наливных полов, добавки могут включать пластификаторы, чтобы сделать пол самовыравнивающимся. Можно применять замедлители схватывания с получением длительного открытого времени для обработки поверхности для получения гладкой прочной поверхности. Для увеличения прочности схватывающейся смеси во влажном состоянии можно добавлять гипс.

Введение воды в цементные материалы инициирует химические реакции гидратации. В ходе экзотермической реакции вода химически связывается с цементными материалами, образуя кристаллы, форма которых зависит от исходного материала. Часто ряд цементных материалов используют для получения композиции, имеющей кристаллы определенной формы или приобретающей определенные прочностные характеристики. Когда образуются гидратированные кристаллы, они превращаются в матрицу из переплетенных кристаллов. Прочность кристаллической матрицы зависит от того, насколько легко кристаллы отделяются друг от друга.

Медленно высыхающий цемент увеличивает затраты и время, требующиеся для строительства. Некоторые субподрядчики, например, не могут работать после заливки пола, поскольку последний имеет недостаточную прочность, чтобы выдерживать вес рабочих и их оборудования. В указанной области техники существует потребность в цементной композиции, которая быстро затвердевает и быстро набирает прочность.

Другим недостатком большинства цементных композиций является их высокая щелочность. Высоко щелочные цементные суспензии обладают раздражающим действием при контакте с кожей. Они также могут вызывать разложение клеев для плитки или коврового покрытия. Существует дополнительная потребность в цементных композициях, имеющих более низкий pH, так чтобы указанная композиция лучше подходила для использования человеком и была лучше совместима с продуктами, контактирующими с указанной композицией.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Смесь для получения высокопрочного фосфатного цемента включает дигидроортофосфат калия, оксид металла группы IIA в количестве от примерно 20 до примерно 100 частей на 100 частей дигидроортофосфата калия и дигидроортофосфат кальция в количестве от примерно 3 до примерно 30 частей на 100 частей дигидроортофосфата калия. Продукты изготовлены из фосфатного цемента, имеющего pH менее примерно 9, и продукт имеет прочность на сжатие выше 13,5 мегапаскалей (2000 фунтов/кв. дюйм) через 24 часа.

Смесь на основе фосфата согласно настоящему изобретению при смешивании с водой демонстрирует очень быстрое схватывание. Время схватывания цемента можно варьировать от мгновенного схватывания до нескольких часов с момента смешивания путем варьирования соотношений исходных материалов. Такая гибкость времени схватывания делает указанную смесь в высшей степени подходящей для множества применений.

Твердость цемента также варьируют путем выбора соотношений исходных материалов. Были получены цементные смеси, которые развивали прочность на сжатие, превышающую 41 мегапаскаль (6000 фунтов/кв., дюйм) через 2 часа после смешивания исходных материалов.

Другим преимуществом композиции согласно настоящему изобретению является возможность регулировать pH отвержденного материала. Можно получить отвержденный цемент, имеющий pH от примерно 7,0 до 9,0, предпочтительно от примерно 7,0 до 8,0. Улучшенный контроль pH приводит к меньшей коррозионной активности, лучшей совместимости с другими строительными материалами и делает цемент более удобным в использовании.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На Фигуре 1 представлен график по данным из Таблицы 1, показывающий влияние количеств MCP (дигидроортофосфат кальция) и MgO на pH высушенного цемента;

На Фигуре 2 представлен график по данным из Таблицы 1, показывающий влияние количеств MCP и MgO на прочность на сжатие через 24 часа;

На Фигуре 3 представлен график по данным из Таблицы 1, показывающий влияние количеств MCP и MgO на прочность на сжатие через 7 дней во влажном состоянии; и

На Фигуре 4 представлен график по данным из Таблицы 1, показывающий влияние количеств MCP и MgO па прочность на сжатие через 7 дней.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к сухой смеси на фосфатной основе. В настоящем описании термин «смесь» относится к сухой смеси. Связующая композиция, полученная путем смешивания указанной смеси с водой, называется «цемент». Если не указано иное, все процентные содержания, соотношения и количества, упоминаемые как «части», относятся к массе компонента или комбинации компонентов. Основные компоненты смеси на фосфатной основе включают дигидроортофосфат калия («МКР»), оксид металла группы IIA и дигидроортофосфат кальция («MCP»).

Одним из основных компонентов цементной смеси на фосфатной основе является дигидроортофосфат калия. Примером подходящего МКР является дигидроортофосфат калия, доступный от ICL Performance Products LP (St. Louis, МО).

Оксид металла предпочтительно представляет собой оксид магния («MgO» или магнезия). Оксид магния обычно получают путем сжигания соединений магния и получают MgO в трех формах: слабо обожженный, сильно обожженный и спеченный. Слабо обожженный MgO наиболее активен. Его обжигают при температурах от 700°C до примерно 1000°C. Сильно обожженный получают в диапазоне температур от 1000°C до примерно 1500°C. Спеченный или пережженный MgO получают согласно способу с самыми жесткими условиями, и он имеет наименьшую активность. Указанный огнеупорный сорт магнезии обжигают при температурах выше 1500°C. Сильно обожженный и спеченный сорта оксида магния наиболее подходят для цементной смеси на фосфатной основе. Предлагаемым источником MgO является Martin Marietta Magnesia Specialties (Baltimore, MD).

В некоторых вариантах реализации смеси оксид металла применяют в количествах от 20 частей примерно до 100 частей оксида металла на 100 частей МКР или в количествах менее 80 частей оксида металла на 100 частей МКР. В некоторых вариантах реализации применяют оксид металла в количестве от примерно 40 частей до примерно 80 частей на то же количество. Возможно, оксид металла применяют в количестве от примерно 50 частей до примерно 70 частей на 100 частей МКР.

Другим компонентом смеси является дигидроортофосфат кальция («MCP»). В некоторых вариантах реализации MCP применяют в количестве от примерно 3 до примерно 30 частей на 100 частей МКР. В некоторых других вариантах реализации применяют MCP в количестве от примерно 7,5 до примерно 30 частей на 100 частей МКР. В некоторых других вариантах реализации применяют MCP в количестве от примерно 12,5 до примерно 20 частей на 100 частей МКР. Примером источника MCP является Performance Products LP (St. Louis, МО).

Смесь необязательно содержит один или более неорганических минералов или наполняющих добавок, таких как летучая зола, микрокремнезем, пемза, диатомитовая земля, перлит, метакаолин, шлак, дробленый диоксид кремния, гипс, карбонаты металлов, тальк, слюда, песок, полые стеклянные микросферы, полые керамические микросферы, полые пластмассовые микросферы или комбинации указанных добавок. Предполагают, что минеральные или наполняющие добавки можно применять в любой доступной форме. В качестве примера, можно использовать летучую золу класса С или летучую золу класса F; гипс может присутствовать в двуводной, полуводной или безводной формах; или перлит может быть в природной форме или вспученный. При наличии в композиции, минеральные или наполняющие добавки присутствуют в количествах до примерно 400 частей на 100 частей объединенных МКР плюс MgO плюс MCP. Если в качестве минеральной или наполняющей добавки используют летучую золу, ее можно использовать для замены любого из основных компонентов цементной смеси, включая МКР, оксид металла или MCP, в количествах до четырех частей летучей золы, на 100 частей объединенных МКР плюс MgO плюс MCP, при этом сохраняя удовлетворительные механические свойства.

Плотность схватившегося и высушенного цемента может варьироваться примерно от 160 до примерно 2400 кг/м³ (от 10 до примерно 150 фунтов на кубический фут). В некоторых вариантах реализации продукт имеет плотность примерно от 960 до примерно 1600 кг/м³ (от 60 до примерно 100 фунтов на кубический фут) или от примерно 1120 до примерно 1440 кг/м³ (от 70 примерно до 90 фунтов на кубический фут). Для изменения плотности можно использовать любой из различных способов, включая добавление пены или использование легковесных наполнителей. Легковесные наполнители необязательно включают вспученный перлит, полые микросферы и комбинации указанных наполнителей. Если для уменьшения плотности используют пену, вспенивающий агент необязательно вводят в цементную смесь перед смешиванием или предварительно полученную пену необязательно комбинируют со смешанной цементной смесью.

На поверхности продукта необязательно используют армирующие материалы, такие как сердцевина панели, для добавления прочности. Одним из вариантов является добавление отдельных волокон в жидкий цемент, используемый для изготовления сердцевины панели. Примеры подходящих отдельных волокон включают рубленые E-glass волокна, базальтовые волокна, щелочестойкое стекловолокна, керамические волокна, полимерные волокна, такие как ПВА; полипропилен; полиэтилен, нейлон, целлюлозные волокна, металлические волокна и комбинации указанных волокон. Другим вариантом является добавление в жидкий цемент непрерывных волокон. Примеры непрерывных армирующих материалов включают стекловолоконную сетку, стекломат, керамические волокна, кевларовые волокна, волокна полипропилена, полиэтилена, полиэфира, поливинилхлорида, нейлона или комбинации указанных волокон. Любые непрерывные или отдельные армирующие материалы также применимы на поверхности плиты, изготовленной из цемента. Также включено использование любых комбинаций армирующих материалов, например использование отдельных волокон в сердцевине и непрерывных армирующих материалов на поверхности строительной плиты.

Другим свойством цементной суспензии является pH. В некоторых вариантах реализации цемент имеет pH менее примерно 9. Ряд предпочтительных вариантов реализации также имеет pH менее примерно 8. Другим подходящим диапазоном pH является от примерно 7,0 до примерно 8,5. Соотношения МКР, MgO и MCP варьируют для получения удовлетворительного pH. Для снижения pH долю MgO понижают по отношению к количествам МКР и MCP.

Продукты, получаемые из указанного продукта, также имеют высокую прочность. В некоторых вариантах реализации цемент применяют для получения самовыравнивающего продукта для устройства полов, имеющего прочность на сжатие более 10 мегапаскалей (1500 фунтов/кв. дюйм), развиваемую за 24 часа, или 13,5 мегапаскалей (2000 фунтов/кв. дюйм) за 24 часа. В некоторых вариантах реализации самовыравнивающего продукта для устройства полов, прочность на сжатие более 20 мегапаскалей (3000 фунтов/кв. дюйм) развивается за 24 часа. В ряде вариантов реализации прочность на сжатие более 20 мегапаскалей (3000 фунтов/кв. дюйм) получают за два часа. Быстрое схватывание и развитие прочности является преимуществом для материалов для устройства полов, например, потому что рабочие могут продолжать свою работу вскоре после заливки цемента. В настоящем описании «прочность» представляет собой меру прочности материала в целом. Следует отличать ее от твердости поверхности, которая не обязательно описывает вещество, прочное на всем протяжении.

Смесь представляет собой сухой порошок, который комбинируют с водой для получения текучей цементной суспензии. Воду используют в количествах, достаточных для получения консистенции, подходящей для предполагаемого использования. В некоторых вариантах реализации воду добавляют до получения текучей суспензии. Для других применений необходима распыляемая суспензия. При получении продуктов для устройства полов часто необходимо получить самовыравнивающуюся суспензию. В целом самовыравнивающаяся суспензия требует больше воды, чем чистовой пол, однако повышенную текучесть можно также получить путем добавления диспергаторов или других химических агентов, известных для указанного применения. В некоторых вариантах реализации используют воду в количествах от примерно 5 до примерно 45 частей воды на 100 частей сухой смеси. В других вариантах реализации используют воду в количествах от примерно 7,5 до примерно 40 частей воды на 100 частей сухой смеси. В других вариантах реализации используют воду в количествах от примерно 10 до примерно 30 частей воды на 100 частей сухой смеси.

Вода, используемая для изготовления цемента, должна быть настолько чистой, насколько это осуществимо, для лучшего контроля свойств как суспензии, так и готового продукта. Хорошо известно, что соли и органические соединения изменяют время схватывания цемента, в широком диапазоне от ускорителей до замедлителей схватывания. Некоторые примеси приводят к нерегулярностям в структуре при образовании матрицы взаимосцепленных кристаллов, уменьшая прочность схватившегося продукта. Таким образом, прочность продукта и консистенция улучшаются при использовании настолько чистой от загрязнений воды, насколько это осуществимо.

Компоненты цементной суспензии можно комбинировать любым способом, известным в данной области техники. В некоторых вариантах реализации все сухие компоненты комбинируют между собой и упаковывают для продажи в качестве сухой смеси. На месте производства работ сухую смесь смешивают с водой для получения суспензии. Другим способом получения суспензии является введение объединенных сухих компонентов в смеситель. Некоторые сухие компоненты можно также добавлять в воду отдельно от других компонентов, последовательно или одновременно. Согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения можно получить очень быстрое отвердевание. Следует позаботиться, чтобы соединение и смешивание компонентов происходили достаточно быстро, чтобы суспензия не схватилась раньше, чем будет сформована в продукт.

Ряд продуктов, которые можно получить с использованием цемента на фосфатной основе согласно настоящему изобретению, включает, но не ограничивается ими, несущие панели, кровельную подложку, наливную подложку, кровельную черепицу, элементы облицовки наружных стен, строительные формы со сплошными или полыми секциями, обмазки, накладываемый тонким слоем раствор или жидкий раствор, покрытия или набрызг-бетон для закрепления склонов.

При использовании для изготовления строительных панелей цементную суспензию необязательно заливают в форму, или изготавливают панели с использованием способа непрерывной отливки, или любым другим способом, известным в данной области техники. Цементные панели используют для устройства полов, пастила кровли и обшивочных работ. Панели, возможно, армируют отдельными волокнами, такими как рубленые E-glass волокна, базальтовые волокна, керамические волокна, полимерные волокна, металлические волокна и так далее. Другим вариантом является применение непрерывных армирующих материалов, таких как стекловолоконная сетка, стекломат, базальтовый мат, сетки, холсты и нетканые маты, изготовленные из органических или неорганических материалов, таких как керамические волокна, кевларовые волокна, полипропилен, полиэтилен, полиэфир, поливинилхлорид, нейлон и тому подобное. Цементная суспензия вытекает из смесителя для нанесения на подвижную поверхность, или непосредственно на поверхность, или на облицовку. Возможная облицовка представляет собой бумагу, стекловолокно, холст, листы пластика или другие известные облицовочные материалы. Любые армирующие материалы могут находиться на поверхности панели, в сердцевине панели или в обоих указанных местах. Полагают, что любые указанные армирующие материалы можно комбинировать с любыми другими армирующими материалами, что отдельные волокна и непрерывные волокна можно использовать вместе или что отдельные волокна присутствуют в сердцевине панели, а мат из непрерывных волокон находится на поверхности панели.

Другим вариантом реализации настоящего изобретения является панель с несущей обшивкой. Указанные панели подходят в качестве внутренней и внешней подложки, в качестве стеновых панелей, в качестве наружных обшивочных панелей, в качестве кровельной подложки. Панели с несущей обшивкой согласно настоящему изобретению можно изготовить с использованием армирующих обшивочных материалов на цементе. Примеры армирующих обшивочных материалов включают, но не ограничиваются ими, стекловолоконную сетку, стекломат, базальтовый мат и сетки, нетканые маты, изготовленные из других неорганических и органических материалов, таких как керамические волокна, кевларовые волокна, полипропилен, полиэтилен, поливинилхлорид, керамические волокна, полимерные волокна, такие как поливиниловый спирт, полипропилен, полиэтилен, нейлон, целлюлозные волокна, металлические волокна и тому подобное. Указанные панели также подходят в качестве подложки для кровли, бронепанелей, изоляционных панелей, потолочной плитки и панелей.

Стяжку для полов изготавливают, наливая цемент непосредственно на то место, которое будет занято полом. Стяжка может быть самовыравнивающегося типа или может быть налита и отделана при помощи обычных отделочных инструментов. Самовыравнивающиеся цементы часто менее вязкие, чем другие подложки, благодаря введению диспергаторов или других добавок, увеличивающих текучесть. Дополнительную воду также можно использовать, чтобы сделать стяжку текучей, но использование слишком большого количества воды также уменьшает прочность продукта. Наливные композиции также подходят в качестве покрывающей подложки поверх плит бетона и других веществ.

Некоторые варианты реализации настоящего изобретения являются формуемыми, но не самовыравнивающимися. Указанные варианты реализации включают, но не ограничиваются ими, ремонтные материалы и материалы для обмазки, например для дорог, накладываемые тонким слоем растворы, материалы для жидкого раствора и материалы для швов стеновых панелей, цементных плит и других применений. Цемент на фосфатной основе также предназначен для применения в качестве покрытия, включая цементные покрытия, распыляемые покрытия и набрызг-бетон для закрепления склонов и облицовки туннелей. Указанную композицию можно использовать в любых применениях, где выгодно прочное, быстрое схватывание и быстрое развитие прочности.

Другими вариантами реализации настоящего изобретения являются кровельная черепица, элементы облицовки внешних стен, половые панели, кровельные панели, строительные формы со сплошными или полыми секциями, синтетическая керамическая черепица и синтетические камни.

ПРИМЕР

Готовили для испытания ряд композиций с разными количествами связующих соли фосфорной кислоты, оксида металла и дигидроортофосфата кальция в смеси. Спеченный оксид магния был выбран в качестве оксида металла, и дигидроортофосфат калия был выбран в качестве примера соли фосфорной кислоты. Кроме указанных в Таблице 1 количеств МКР, MgO и MCP, каждый образец цемента содержал также 360 граммов наполнителя, известного как FILLITE 500®, 450 граммов воды и 12 граммов борной кислоты. В Таблице 1 колонка, помеченная «24 ч», представляет собой прочность на сжатие через 24 часа, выраженную в фунтах/кв. дюйм (Ньютонах/кв. сантиметр), «7 дней влажный» представляет собой прочность на сжатие через 7 дней во влажном состоянии, выраженную в фунтах/кв. дюйм (Ньютонах/кв. сантиметр), и «7 дней сухой» представляет собой прочность на сжатие через 7 дней в сухом состоянии, выраженную в фунтах/кв. дюйм (Ньютонах/кв. сантиметр). Величина pH указана для отвержденного материала продукта.

На Фигурах 1-4 показано действие различных соотношений МКР, MCP и MgO на цемент на фосфатной основе. На Фигуре 1 показан pH отвержденного материала. При более низких долях MgO pH в целом возрастал с увеличением количества МКР. Однако между 70 и 80 частями MgO наивысший pH получали при наиболее низком количестве МКР.

Прочность на сжатие через 24 часа показана на Фигуре 2. При нулевом содержании МКР и наивысших количествах MCP прочность на сжатие была, очевидно, очень низкой. Промежуточные количества MCP, такие как от 3,75 до 30 частей MCP на 100 частей МКР, давали наивысшую прочность при содержании MgO менее 60 частей MgO на 100 частей МКР.

Аналогично, прочность на сжатие через 7 дней в сухом и влажном состоянии была наивысшей при промежуточных количествах MCP во всем диапазоне концентраций MgO. Следовательно, результаты указанных опытов поддерживают приведенные в формуле изобретения диапазоны MCP и MgO при постоянных концентрациях МКР.

Хотя был описан конкретный вариант реализации цемента на фосфатной основе, специалисту в данной области техники будет понятно, что элементы конкретных вариантов реализации взаимозаменяемы с элементами других вариантов реализации. Эти и другие изменения и модификации можно осуществить, не выходя за рамки изобретения в его более широких аспектах, как изложено в следующей формуле изобретения.