CN101309875A - 用于和耐碱性玻璃纤维一起使用的含水泥合成物以及这种合成物制成的杆状物 - Google Patents

用于和耐碱性玻璃纤维一起使用的含水泥合成物以及这种合成物制成的杆状物 Download PDF

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Abstract

一种含水泥合成物，具体是一种使用有效量的水泥、超塑化剂、偏高岭土、丙烯酸基共聚物、以及水的无沙合成物，并且这种合成物尤其适合使用在制造杆状物中。

Description

用于和耐碱性玻璃纤维一起使用的含水泥合成物以及这种合成物制成的杆状物
技术领域
本发明涉及一种含水泥的合成物，并且特别涉及一种使用有效量的水泥、超塑化剂、偏高岭土、丙烯酸基共聚物和水的无沙合成物，并且所述合成物尤其适合用于制造杆状物。
背景技术
在现有技术中，将玻璃纤维增强混凝土(GFRC)用于建筑材料是众所周知的。典型地，所述材料由通过抗碱性玻璃纤维增强的合成物制成。基体材料由水泥、沙子、丙烯酸基共聚物(如苯乙烯-丁二烯聚合物，商品名为Forton
Figure A20068003585300041
)、水、和其它诸如增塑剂、硅粉、以及偏高岭土之类的组分。丙烯酸基共聚物的典型数量按重量计算为大约14％，由于这种聚合物粗略为50％的水，因此所述丙烯酸基共聚物的数量等于大约7％的固体。通过使用丙烯酸基共聚物，极大地提高了合成物的耐久性。所述聚合物(由于毛细作用)渗入玻璃纤维束的细丝之间的间隙中并分散至水泥和沙粒之间的整个基体。当砂浆通过蒸发和水合作用的开始而充分干燥时，聚合物颗粒将彼此粘附在一起，从而产生粘性聚合物膜，所述聚合物膜均匀地在整个加固基体上展开，由此涂覆上沙子、水泥和玻璃纤维。所述聚合物膜起到了防止进一步蒸发的屏障，所述屏障有效地密封合成物，以保持水合作用的水，而不需要进行湿固化。
偏高岭土用于GFRC，用以增强耐久性、强度和可使用性。增塑剂用于润湿所有的干燥的水泥和沙粒，由此减少了未化学结合的水，并且所述水的存在对成品造成影响的问题。
虽然在许多应用中，GFRC可以提供总体可接受的产品，然而GFRC会面临压缩强度和挠曲强度较低的问题，并且当GFRC被用于需要这些特性的结构时，所述问题会加剧。因而，需要能够表现出改善的特性、而且特别是改善的挠曲强度的、由玻璃纤维增强的基体合成物。本发明通过提供使用有效量的水泥、超塑化剂、偏高岭土、丙烯酸基共聚物和水的含水泥无沙合成物，并且所述合成物尤其适合用于制造杆状物。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种改善的含水泥合成物，作为用于结合抗碱性玻璃纤维的基体。
本发明的另一个目的在于改善的含水泥合成物和抗碱性玻璃纤维制成的合成材料。
本发明的又一个目的在于对于制造杆状物，尤其是制造适合于支撑公用设施等的杆状物的有用处的合成物材料。
随着对本发明的描述进行，其它目的和优点将变得清晰。
为了满足前述的目的和优点，本发明提供了一种含水泥合成物，包括：
a)用于赋予强度的有效量的水泥；
b)用于赋予韧性和长期耐久性的有效量的偏高岭土；
c)用于赋予最少量的所需水良好的流动性的有效量的超塑化剂；
d)诸如丙烯酸基共聚物之类的、用于赋予长期耐久性和改善的挠曲强度的有效量的湿固化消除剂；
e)以及余量的水；
f)其中，所述合成物为无沙的。
本发明还涉及由水泥合成物和抗碱性玻璃制成的杆状物，以及使用抗碱性玻璃制造被缠绕杆状物的方法，其中，上述的水泥合成物被用作所述杆状物的基体材料。
具体实施方式
本发明给出了其它已知的GFRC的显著优点，其中在机械特性、并且尤其是挠曲强度方面具有显著的改善。
在本发明的一个方式中，提供了一种含水泥的合成物，所述合成物包含有效量的水泥、如苯乙烯-丁二烯共聚物的丙烯酸基共聚物、超塑化剂、偏高岭土、水、以及任选的促进剂。
水泥可以是任意类型的水泥，然而优选的水泥是波特兰(Protland)水泥。波特兰水泥是一种由以下物质构成的水泥：钙、硅、铝、铁的氧化物构成的精密控制化合物；以及小量的其它成分，在最后研磨过程中，加入石膏到其中，以调节其固化时间。所使用的水泥的量将根据给定的结构应用而变化。当与抗碱性玻璃纤维和其它组分相结合时，所使用量对于提供足够的强度是有效的。优选的量包括按重量计算高达70％，而更优选的范围在50％-65％，而目标在63.3％左右。应当理解的是，除非另有说明，对重量百分率的参考基于将使用的基体材料的整个重量，即并非干燥的基重。虽然水泥颗粒大小分布可以变化，但是水泥应当具有非常微小的颗粒大小，以最小化成品的孔隙率。典型的颗粒大小的实例将是：85-95％小于45微米，70％小于20微米，40％小于10微米。
作为合成物一部分的偏高岭土是高反应性的硅酸铝的超细小火山灰，所述硅酸铝的超细小火山灰可以增强压缩强度，降低氯化物的渗透性，并且帮助控制碱硅反应性和粉化，并且使用有效量来实现所述目的。由于偏高岭土在水泥的水合反应过程中使释放出来的游离石灰形成粘性材料，因此偏高岭土的存在是有利的，其中粘性材料增强了所形成结构的强度和不渗透性。而在不具有偏高岭土时，游离石灰易于滤除。虽然实际上可以使用任意的偏高岭土，然而优选的类型是Metamax，这种类型由位于美国新泽西州Iselin的Engelhard Corporation公司制造。偏高岭土的优选的量的范围按重量计算介于9％和26％之间，更优选的为11.5％至15.5％。目标含量在12.67％左右。同样优选的是，偏高岭土的颗粒大小与水泥的颗粒大小相配。
将要结合有抗碱性玻璃纤维的水泥基体应当具有足够低的粘性，从而使得在纤维结合至基体的过程中易于润湿抗碱性玻璃纤维。水泥还需要有足够低的含水量，以具有较高的固化强度。为了同时获得较低的粘性和较低的含水量，可以使用超塑化剂。使用有效量的超塑化剂，用以润湿合成物的任意干燥颗粒，并且减少了对添加过量水的需要，而且降低了将游离水保留在合成物中并且可能减弱由此产生的产品的风险。实际上，任意已知的超塑化剂都可以用作合成物的一部分，其中优选的是称为ADVA 170的第三代高效减水剂(reducer)，所述减水剂是可以从W.R.Grace公司获得的羧化聚醚，并且它具有大致为70％的水。超塑化剂以0.63％至1.9％的优选的范围使用，更优选的范围介于1％和1.4％之间，而目标在1.22％左右。
除了使用减水剂或超塑化剂之外，可以有效消除使用湿固化需要的化合物借助将水通过固化间隔而保留在合成物中而得到使用。这种湿固化消除剂的一个实例是：为此目的的本领域已知的丙烯酸基共聚物。所述丙烯酸基共聚物在成品的长期耐久性方面提供了显著的改进、尤其是对失效特性的断裂模数和弯曲应变的长期保持方面。优选的如Forton VF 774的丙烯酸基共聚物，所述Forton VF 774是苯乙烯-丁二烯共聚物，这种共聚物易于由W.R.Grace公司商业上获得。丙烯酸基共聚物的有效量应当至少为6.5％，这个量是当加入基体时将消除湿固化的需要的一个量，并相比传统的GFRC材料，这个量至少提高了由此产生的产品的挠曲强度。丙烯酸共聚物更优选范围包括4.5％至12.0％，而最优选的范围为8.25％至9.5％。目标量可以为8.87％。还应当理解的是，其它现有技术的湿固化消除化合物都可以用作本发明的基体的一部分，所述化合物消除了获得最大混凝土强度所需要的七(7)日的湿固化，并且在成品的长期耐久性方面提供了显著的改进。
如果需要的话，则促进剂可以用作合成物的一部分。虽然可以使用任意已知的用于固化水泥的促进剂，然而优选的促进剂是氯化钙。当使用氯化钙时，优选的是，在按氯化钙的重量计算为30的溶液中使用氯化钙。基于水重8.30磅./加仑，10磅氯化钙将用于4加仑的水，以制成30wt.％溶液。虽然氯化钙可以以任意方式制成溶液，但是优选的技术是将氯化钙缓慢地加入水中，并且随后进行混合，直到氯化钙溶解在溶液中为止。促进剂的有效的范围按基体材料的重量计算将介于0.5％和5％之间。虽然氯化物作为一种促进剂进行举例，然而还可以使用无氯的促进剂。如果铁存在与正在固化的材料中，则这些类型的促进剂还常常用作固化剂。由于本发明的基体不包含铁，因此可以使用含氯化物的促进剂。因为这些类型的促进剂相比于不含氯化物的促进剂是较便宜的，因此是特别有利的。
水形成合成物的余量，并且根据水泥固化所需要的量确定。水含量可以来源于丙烯酸共聚物和超塑化剂中所包含的水。或者，如果在配制合成物时使用，则水还可以来源于促进剂。影响固化所需要的理论水量不足以在涂覆抗碱性玻璃纤维中使用基体材料用于多种用途；即使那些简单的铸件。由此，需要过量的水以获得基体材料的适合的流动性，以便于允许玻璃纤维的正确定位或者设置，和成品的形成。另一方面，需要尽可能低的含水量，以便可以容许固化部分中具有较低的孔隙率，而且较低的孔隙率、即较高的密度转换为较高的屈服强度。总的含水量应当允许水被立即吸入玻璃丝束中的纤维束之间的毛细管空隙中。当水被抽走时，玻璃丝束上的基体在制造成品时仍然能够保持其适当的性能。
在典型的杆状物的制造的使用中，基体材料被置于容器中以形成浴。抗碱性玻璃纤维通过所述浴，并且随后被缠绕在心轴上，以形成杆状物。基体需要是足够流动的，从而使得当玻璃束迅速通过浴时，基体能够被迅速吸在玻璃束上，而不再产生流体阻力。理想的稠度类似于乳胶涂料。浴还需要良好的润滑性，以容许玻璃纤维通过浴并被涂覆上，而同时并不会使玻璃纤维磨损和/或断裂，这是通过使用本发明的基体材料实现的。
水-聚合物基流体基体材料的一个优点在于：其本质上具有触变性。即，所述合成物在静态时的性能类似凝胶；而当上面作用有剪切力时，其性能类似稀薄的液体。由于当结合基体和玻璃纤维时存在剪切力，因此这种特性是有利的。更具体而言，当玻璃纤维将移动通过基体时，存在剪切力，而这些剪切力使所述合成物作为稀薄的液体。这样最大化玻璃纤维和基体之间的接触和润湿，由此改进了成品。由于具有触变性，基体材料在存在运动时，如玻璃束移动通过浴时，保持良好的流动性；而同时在静态时具有良好的稳定性，这对于纤维和基质材料的最后定位、如被缠绕在心轴上时是重要的。
正如以上总体解释的，当形成玻璃纤维增强成品时，多种因素有助于在润湿抗碱性玻璃纤维并在固化过程中保持基体材料处在适当状态下方面提高了基体材料的性能。这些因素包括：水泥和偏高岭土的微粒大小、没有沙子、减水剂或超塑化剂的有效水平、和影响固化的丙烯酸基共聚物、以及总的含水量。
以下表格I和II示出了典型的用作用于抗碱性玻璃纤维的基体的合成物的实例。表1示出了基于水泥重量百分率的材料。例如，对于每一百磅所使用的水泥，将使用20磅粘土。表II示出了包括基于总基重和干燥基重的水泥重量的组成。表III示出了水和总固体量之间的细目分类(breakdown)，以及水与固体以及水与水泥的比率。应当注意的是：水与固体的比率低于典型的出现在GFRC材料的比率，并且因为成品中的密度由于放出过量的水而产生较低的孔隙率而较高，因此较低的水量将有助于提高性能。
表I
  材料   含量(基于水泥的量的wt％)
  偏高岭土   20.00
  ADVA(超塑化剂)1   1.93
  FORTON(丙烯酸基共聚物)2   14.00
  水   19.12
  促进剂(任选的)3   0.00
1)30％水
2)49％水
3)70％水
表II
  材料   重量(磅)   ％   干重(磅)   ％干重
  水泥   316.63   63.33   316.63   77.8
  偏高岭土   63.33   12.67   63.33   15.6
  ADVA   6.11   1.22   4.28   1.1
  FORTON   44.33   8.86   22.61   5.53
  促进剂   0.00
  加入的水   69.60   13.92
  总重(磅)   500.00   406.85
1)30％水
2)49％水
3)70％水
表III
  500磅混合物
  总水重量(磅)   95.60
  总固体量(磅)   404.40
  水/固体比率   0.2364
  水/水泥比率   0.3019
这种合成物在制造杆状物尤其有用，其中所述杆状物由缠绕工艺而形成，在现有技术已知的缠绕工艺中，玻璃纤维通常通过经过合成物的浴而涂覆上基体合成物，并且随后被缠绕在心轴上。Stanley等人提出的美国专利No.5,880,404示出了一个实例，所述专利通过参考在此全部并入。在所述专利中，玻璃纤维在张力作用下被缠绕在锥形心轴上，同时提供无机水泥。使用本发明的合成物来缠绕杆状物结构将产生最优化组合的挠曲强度和压缩强度。
这样，本发明根据其优选的实施方式进行了描述，如以上阐述的，所述实施方式实现各个和每一个本发明的目的并且提供一种新型的和改进的无沙含水泥的合成物，所述合成物理想适合于和抗碱性玻璃纤维一起使用，用于构造应用、特别是杆状物。
显然，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域的技术人员可以想到源自本发明教导的多种变化，修改和替换。本发明意在仅由所附的权利要求进行限制。

Claims (15)

1.一种含水泥合成物，包括：
a)用于赋予强度的有效量的水泥；
b)用于赋予韧性和长期耐久性的有效量的偏高岭土；
c)用于赋予最少量的所需水良好的流动性的有效量的超塑化剂；
d)诸如丙烯酸基共聚物之类的、用于赋予长期耐久性和提高的挠曲强度的有效量的湿固化消除剂；
e)以及余量的水；
f)其中，所述合成物为无沙的。
2.如权利要求1所述的合成物，还包括有效量的促进剂。
3.如权利要求2所述的合成物，其中，所述促进剂为氯化钙。
4.如权利要求1所述的合成物，其中，所述有效量的水泥的范围在合成物的重量的50％至60％之间。
5.如权利要求1所述的合成物，其中，所述有效量的偏高岭土的范围在合成物的重量的9％至26％之间。
6.如权利要求1所述的合成物，其中，所述湿固化消除剂为诸如丁二烯-聚苯乙烯分散体之类的丙烯酸共聚物。
7.如权利要求6所述的合成物，其中，所述有效量的丁二烯-聚苯乙烯分散体的范围在合成物的重量的4.5％至12.0％之间。
8.如权利要求1所述的合成物，其中，所述超塑化剂为羧化聚醚。
9.如权利要求8所述的合成物，其中，所述羧化聚醚的范围在合成物的重量的0.32％至3.2％之间。
10.如权利要求1所述的合成物，其中，所述水泥的范围在合成物的重量的50％至65％之间，所述偏高岭土的范围在合成物的重量的9％至26％之间，所述超塑化剂为范围在合成物的重量的0.63％至1.9％之间的羧化聚醚，所述丙烯酸共聚物为范围在合成物的重量的4.5％至12.0％之间的丁二烯-聚苯乙烯分散体。
11.如权利要求10所述的合成物，还包括作为促进剂的氯化钙，其范围在合成物的重量的0.5％至5％之间。
12.在围绕心轴，通过缠绕涂布有无机水泥的玻璃纤维而制造杆状物的方法中，改进之处包括使用权利要求1所述的合成物作为无机水泥。
13.在由有机水泥中涂布的玻璃纤维构成的杆状物中，改进之处包括权利要求1所述的合成物，作为无机水泥。
14.如权利要求1所述的合成物，其中，所述水泥的颗粒大小大体上与偏高岭土的颗粒的大小相匹配。
15.如权利要求2所述的合成物，其中，所述促进剂为不含氯化物的促进剂。
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