CN101970976B - 基于水泥的铠装面板系统 - Google Patents

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Abstract

一种水泥铠装面板组件，包括附接到一个框架结构上的具有防冲击和防爆破特性的水泥铠装面板，以产生一种保护结构。这些水泥铠装面板具有一个连续相，该连续相产生于一种水性混合物的固化，该水性混合物是一种无机水泥粘合剂、一种具有约150-450微米的颗粒大小的无机矿物填充剂、一种火山灰矿物填充剂、一种基于聚羧酸酯的超增塑剂自流平剂以及水。该混合物还可以包括烷醇胺、以及酸或酸式盐。在固化之前，将该连续相在其固化以形成面板之前用均匀分布在该连续相中的纤维进行增强。该面板可以用附接到该面板的至少一个表面上的一个皮层来增强。

Description

基于水泥的铠装面板系统
相关文件的交叉引用
本申请要求于2008年3月3日提交的美国临时申请号61/033,258的权益，名称为基于水泥的铠装面板系统，通过引用将其结合在此，并且本申请涉及：
2008年3月3日提交的美国临时专利申请号61/033,240，名称为制造基于水泥的铠装面板的方法；
2008年3月3日提交的美国临时专利申请号61/033,212，名称为硬化时具有超高抗压强度的自流平水泥组合物以及由其制备的物品；以及
2008年3月3日提交的美国临时专利申请号61/033,264，名称为基于水泥的叠层铠装面板；
2008年3月3日提交的美国临时专利申请号61/033,061，名称为用于物理保护的部件的可运输的模块式系统；以及
2008年3月3日提交的美国临时专利申请号61/033,059，名称为用于物理保护的保持面板的可运输的模块式框架。
联邦资助的研究的声明
在此所描述的研究工作是在美国陆军工程兵工程研发中心土木工程实验室(Geotechnical and Structures Laboratory，Engineer Research &Development Center，U.S.Army Corps of Engineers)和美国石膏公司(United States Gypsum Company)之间的合作研发协议号CRADA-05-GSL-04下支持的。
所有这些都通过引用以其全文结合在此。
技术领域
本发明总体上涉及一种改进的高性能的基于水泥的铠装面板系统，该系统包括具有受控的强度发展的一种独特的纤维增强水泥内芯组合物以及附接到该水泥内芯面板的至少一个表面上的一种高性能的皮层增强物，该水泥内芯面板与框架的结构或具有填充物支持的框架结构相结合以提供安全以及防爆性能，以便在暴露于由高能量压力波(冲击波)产生的荷载、来自高速度炸药装填物、以及来自榴霰弹以及子弹的穿刺和钻孔时经受施加至其上的多种力的组合。这种水泥内芯不包括硅石粉，但是包括火山灰材料，例如硅灰。
该水泥内芯是由以下各项制成的：无机水泥粘合剂，典型地是水硬水泥，例如波特兰水泥；一种无机矿物填充剂，优选具有150-450微米的中值粒径并且与该水泥粘合剂0.80-1.50∶1的重量比的硅砂；一种火山灰微小填充剂，优选具有约0.1微米的平均颗粒大小的硅灰；一种基于有机物的自流平化学试剂，基于聚羧基化的化学物质，优选聚羧基化的聚醚，以总产物重量的干基重量的0.75-2.5％的三乙醇胺以及酒石酸添加剂，以延长最终固化的凝固时间，增强纤维，例如玻璃纤维以及水。
这种水泥内芯组合物被用于和所使用的一种纤维增强的皮层材料相结合以便叠层在该面板的水泥内芯的至少一个表面上。多种皮层可以用来叠层在该水泥铠装面板的内芯上。然而，纤维增强的聚合物(FRP)叠层材料作为皮层是优选的。玻璃纤维增强的树脂是尤其优选的FRP。将皮层(S)置于内芯(C)上作为一种SC或SCS或SCSCS结构设计的叠层材料。
用改进的水泥组合物制得的面板具有足够的强度来抵抗爆炸以及冲击作用，其中有或没有钢纤维或钢增强物。
背景技术
包含水硬水泥、无机矿物纤维以及火山灰连同化学添加剂(如增塑剂以及水分散剂)的纤维增强的水泥组合物已经在建筑行业中使用以形成住宅和/或商用结构的内壁和外壁。然而，此类常规面板的一个缺点在于它们没有足够的抗压强度来提供对冲击以及爆炸荷载的高程度的耐受性。
用于生产超高强度水泥组合物的当前的惯例依赖于有效的颗粒填充和极其低的水用量来实现超高的材料强度。作为在这些组合物中为了实现致密的颗粒填充和极低的用水量而使用的这些原料的结果，这些水泥混合物具有极其坚硬的流变学行为，而在新混合状态下具有类似面团的一致性。这种坚硬的一致性使得这些混合物是高度不可加工的并且极其难以在常规的用于生产基于稀薄水泥产物以及复合材料的制造过程中进行处理。
授予Belousofsky的美国专利号4158082 A披露了一种具有玻璃纤维皮层的、叠层的、基于水泥的结构，它是抗冲击的并且可以使用基于波特兰的水泥。
授予Miller的美国专利号4793892 A披露了使用波特兰水泥生产具有水泥内芯以及玻璃纤维饰面的混凝土面板的一种装置。
授予Arfaei的美国专利号4948429 A披露了包含波特兰水泥、砂、气相二氧化硅以及聚醚的一种水泥组合物。
授予Mandish的美国专利号5724783披露了一种建筑面板以及组件系统，它由附接到具有多个层的一个面板框架上的波特兰水泥面板的层组成。
授予Clear的美国专利号6119422 B1披露了具有玻璃纤维增强网眼的外饰面的一种抗冲击的强壮结构的水泥建筑面板，其中该水泥复合材料具有带有玻璃纤维网眼的内和外饰面的一个骨料内芯。
授予Murphy的美国专利号6176920披露了使用一种平滑头部件、剪切机以及刮平过程来构建一种多层水泥面板的方法。
授予Guerinet等人的美国专利号6309457 B1披露了一种自流平水泥组合物，该组合物包括波特兰水泥、具有最大10mm大小或0-5mm大小的硅砂、或0-0.4mm以及0-5mm大小的一种共混物；具有小于200微米的大小，优选小于100微米的精细的矿物骨料如飞灰或硅石粉；一种第一增塑剂，它是包含至少一个氨基二(亚烷基膦酸)基团的一种水溶性或水分散性的有机化合物；以及一种第二水溶性或水分散性的增塑剂，它属于聚羧酸的类型并且包含聚醚链。实例1指出了28天中为32MPa(约4600psi)的抗压强度。
授予Isomura等人的美国专利号6437027 B1披露了一种水泥组合物，该组合物包含波特兰水泥、具有小于5mm大小的硅砂；以及0.01-2.5wt.％的聚羧酸酯。
授予Kerkar等人的美国专利号6849118 B2披露了一种水泥组合物，该组合物包含波特兰水泥、具有0至6mm大小的硅砂；以及聚羧酸酯(ADVA增塑剂)。
授予Anderson等人的美国专利号6858074 B2披露了一种水泥组合物，该组合物包含波特兰水泥、硅砂、气相二氧化硅、促进剂、阻滞剂以及聚羧酸酯高范围减水分散剂。
授予Shendy等人的美国专利号No.6875801 B2披露了一种水泥组合物，该组合物包括波特兰水泥、砂、气相二氧化硅以及0-2wt％的聚羧酸酯。
授予Daczko等人的美国专利号6942727 B2披露了一种高早强水泥构件，该构件包括波特兰水泥；精细的骨料，例如硅砂，精细的骨料是几乎全部通过4号筛的材料，粗糙的骨料，例如砂，粗糙的骨料是主要阻滞在4号筛中的材料；硅灰火山灰；基于水泥的干重0.025-0.7％的聚羧酸酯分散剂；以及结构合成纤维。这些水泥构件可以用来制造墙面板。这种水泥构件可以呈现出24小时大于10,000psi的抗压强度；然而这些组合物不包含火山灰。
由Hirata等人提交的美国专利申请公开号2002/0004559披露了一种水泥组合物，该组合物包含波特兰水泥、砂、气相二氧化硅以及大于0.5％wt(例如2wt.％)的聚醚。
授予Farrington等人的美国专利申请公开号2004/0149174披露了一种水泥组合物，该组合物包含波特兰水泥、砂、气相二氧化硅以及0.01wt％-0.2wt％的聚羧酸酯。
授予Bury等人的美国专利申请公开号2004/0198873披露了一种水泥组合物，该组合物包含波特兰水泥、硅砂、气相二氧化硅以及0.02wt％-2wt％的聚羧酸酯。
授予Sprouts等人的美国专利申请公开号2004/0211342披露了一种水泥组合物，该组合物包含波特兰水泥、硅砂、气相二氧化硅以及0.1wt％-2wt％的聚羧酸酯。
授予Dulzer等人的美国专利申请公开号2004/0231567披露了一种水泥组合物，该组合物包含波特兰水泥、砂、气相二氧化硅以及总的干水泥粘合剂的0.1wt％-10wt％的聚羧酸酯。
授予Aldea的美国专利申请公开号2005/0139308披露了使用一种FRP增强的水泥材料或复合材料的系统以及方法，该材料或复合材料可以包括波特兰水泥，飞灰、硅灰、树脂、砂、玻璃纤维、树脂、水、促进剂、填充剂、缓凝剂、分散剂；包括多个层并且通过抹涂来使这些层之间平滑；并且可以用来加强结构以抵抗地震以及爆炸。在Aldea的专利中，这些层是通过抹涂在原位施用并且不是被施用为以便形成可以附接到框架上的一种独立式面板。Aldea的专利中制成的结构具有两个粘合到玻璃纤维垫上的混凝土层。
授予Lettkeman等人的美国专利公开号2005/0239924披露了一种水泥组合物，该组合物包含波特兰水泥、细砂、气相二氧化硅以及0.05wt％-2.5wt％的聚羧酸酯。
授予Brower等人的美国专利申请公开号2005/0274294披露了一种水泥组合物，该组合物包含波特兰水泥、细砂、气相二氧化硅以及1wt％-4wt％的聚羧酸酯。
授予Kerns等人的美国专利申请公开号2006/0281836披露了一种水泥组合物，该组合物包含波特兰水泥、细砂、气相二氧化硅以及聚羧酸酯。
授予Pinto的美国专利公开号2007/0125273披露了一种水泥组合物，该组合物包含波特兰水泥、细砂、气相二氧化硅以及1wt.％-2wt.％的聚羧酸酯。
授予Tonyan的美国专利申请公开号2007/0175126(通过将其以全文引用结合在此)，披露了一种结构水泥面板。
授予Durst等人的美国专利申请公开号2007/0228612(通过引用结合在此)披露了还适合用于限制冲击碎片渗透的防爆混凝土。
发明内容
本发明利用了具有特定大小特性的无机以及有机材料的一个独特的组合，当这些材料与水进行混合时导致了优异的流动特性以及在新混合阶段的自流平行为以及与典型地使用全密度常规强度的混凝土所获得的3000-5000psi的范围相比当该水泥组合物28天固化之后的受控强度发展典型地是至少10,000、15,000或20,000psi的超高的抗压强度。
本发明的产品克服了用于制造超高强度水泥材料的当前水泥材料的上述缺点并且提供了在其新混合状态是自流平的并且硬化时极强的一种水泥粘合剂材料。
新混合的水泥材料的自流平行为在此定义为允许材料流动并且寻找水平面而不用借助于外部的振动或能量的特性特征。尝试实现自流平的现有技术要求了在混合物中使用过量的水，它们产生出了具有非常低的抗压性能的不能接受的复合材料。
本发明涉及一种面板，该面板包括具有水泥组合物的连续相的一个内芯。这种内芯材料的主要成分是：25-45wt.％的无机水泥粘合剂(例如波特兰水泥)，具有约150-450微米的颗粒大小的35-65wt.％无机矿物填充剂(例如硅砂)，5-15wt.％的火山灰微填充剂(例如硅灰)，0.75-2.5wt.％的自流平化学试剂(例如羧基化的聚醚)以及6-12wt.％的水并且不存在硅粉。该组合物还可以具有烷醇胺以及酸(或酸式盐)流动性添加剂以延长最终固化的凝固时间。
纤维增强物可以遍及连续相而分散。这种纤维增强水泥铠装面板具有经受冲击以及爆炸荷载的超高的抗压强度，该强度可以高达至少约10,000psi。由于它们的高强度，这些水泥面板可以具有除防爆面板之外的用途。典型的增强纤维是耐碱性玻璃纤维。可以将面板设计成具有较低的强度以及较轻的重量以用于例如地震区的构建。
这种面板可以在其水泥内芯的一侧或两侧都具有一种叠层表皮表面。纤维增强的聚合物(FRP)表皮材料典型地叠层到该水泥内芯的一侧或两侧。多种皮层可以用来使该水泥铠装面板的内芯叠层。然而，纤维增强的聚合物(FRP)叠层材料作为皮层是优选的。玻璃纤维增强的树脂例如纺织品玻璃纤维增强的聚酯、聚乙烯、聚丙烯是尤其优选的FRP。将皮层(S)置于内芯(C)上作为具有SC或SCS或SCSCS结构设计的一种叠层材料。
该表皮可以被涂覆到该面板的一侧或多侧或完全地覆盖该面板，例如一个矩形面板可以在两侧以及所有四个边缘上被覆盖。此外，用于覆盖这些面板的弹性材料可以是2007年6月27日提交的美国专利申请公开号US2009-0004430 A1、专利申请号11/819,340中所描述的类型，为满足使用者保护一种结构的要求而定制的增强的弹性体配置以及其中包括的一种结构，通过引用将其结合在此。用于将弹性体材料涂覆到面板上的方法还提供于美国专利申请公开号US 2009-0004430 A1、专利公开号11/819,340中。其他FRP也适合用于本发明的结构。
这种水泥铠装面板可以被附接到一个框架结构(例如一种金属框架)的至少一侧上。
在本发明的一个实施方案中，将一个或多个水泥面板通过使用紧固件(例如“Z”形夹或“H”形夹)而安装到该框架上，其中这些水泥面板被置入一个通道中，该通道是通过附接到该金属框架一侧的这些紧固件形成的。将这些水泥面板安装到该金属框架的至少一个表面上。
在水泥铠装面板的系统的另一个实施方案中，这些水泥面板是使用机械紧固件机械地和/或粘附性地紧固到框架结构上，这些机械紧固件穿过在面板中预钻出的孔或通过粘合剂例如环氧树脂被粘附性地附接到该框架上。
在本发明的水泥铠装面板系统中的另一个实施方案中，将一种填充材料例如水泥、砂、具有约10-50磅/立方英尺(pcf)的密度的多孔混凝土以及轻质骨料(例如膨胀页岩或膨胀粘土)置入该框架之间的空腔中以提供附加的抵抗爆炸和弹道冲击的保护。
本发明的方法还允许水泥组合物的自流平特性容易地形成面板而无需增加将必须去除的水。
如以上所讨论的，对于能够代替目前可得面板的建筑面板存在一种需要，目前可得的面板具有以下的缺陷：流动性差、为了是非自流平的并且当制成水泥面板时要求有大量的水、具有不足以抵抗冲击和爆炸荷载的抗压强度、韧性性能较差，以及在安装过程中可操作性差。
除非另外说明，否则所有的百分比以及比例是按重量计的。
附图说明
图1是本发明的水泥铠装面板的一个透视图，这些铠装面板具有一个纤维增强的水泥内芯以及附接到该水泥内芯的至少一个表面上的叠层的FRP表皮。
图1A是本发明的水泥铠装面板的截面图，该铠装面板具有一个纤维增强的水泥内芯以及附接到该水泥内芯的两个表面上的叠层的纤维增强的聚合物(FRP)表皮，其中典型地，该FRP表皮层被粘附性地附接到该水泥内芯的两个表面上。
图2是用于进行本发明用于生产水泥铠装面板的方法的适当装置的一个示意图。
图3是对于来自包含改变量的酒石酸的实例8的混合物的温度升高的曲线图。
图4是对于来自包含改变量的酒石酸的实例8的混合物的抗压强度增加的曲线图。
图5是对于来自包含改变量的酒石酸以及恒定量的超增塑剂和三乙醇胺的实例9的混合物的塌落度损失的曲线图。
图6是来自包含改变量的酒石酸以及恒定量的超增塑剂和三乙醇胺的实例9的混合物的温度上升行为的曲线图。
图7是来自包含改变量的酒石酸以及恒定量的超增塑剂和三乙醇胺的实例9的混合物的抗压强度增加的曲线图。
图8是来自包含改变量的超增塑剂以及恒定量的TEA和酒石酸的实例10的混合物的塌落度损失的曲线图。
图9是来自包含改变量的超增塑剂以及恒定量的TEA和酒石酸的实例10的混合物的温度上升行为的曲线图。
图10是来自包含改变量的超增塑剂以及恒定量的TEA和酒石酸的实例10的混合物的抗压强度增加的曲线图。
图11是来自包含改变量的酒石酸以及恒定量的超增塑剂和TEA的实例11的混合物的塌落度损失的曲线图。
图12是来自包含改变量的酒石酸以及恒定量的超增塑剂和TEA的实例11的混合物的温度上升行为的曲线图。
图13是来自包含改变量的酒石酸以及恒定量的超增塑剂和TEA的实例11的混合物的抗压强度增加的曲线图。
图14是与没有FRP纤维增强的表皮层的本发明的水泥铠装面板相比，对于标准的钢增强的水泥铠装面板而言冲击速度衰减对水泥面板密度的曲线图。
图15是与不具有纤维增强的聚合物表皮层饰面的面板相比具有叠层的纤维增强的聚合物表皮层饰面的两个、三个以及四个面板的冲击速度衰减对比水泥面板密度的曲线图。
图16是示出了实例13的混合物的塌落度的曲线图。
图17示出了实例13的混合物1的塌落度损失。
图18示出了对于在实例13中的这些混合物使用Gillmore针测量的凝固时间(初始和最终)。
图19是与结构水泥面板相比本发明的水泥铠装面板(没有叠层材料)的冲击速度衰减对比面密度的曲线图。
图20是可以用来将水泥铠装面板安装到一个框架结构上以形成本发明的组件的“Z形夹”紧固件的透视图。
图21是在本发明的一个实施方案中用来安装到水泥面板上的“Z形夹”紧固件的另一个视图。
图22是在本发明的一个实施方案中用来安装到水泥面板上的“Z形夹”紧固件的变体的另一个视图。”
图23是使用Z形夹“松散地置入”“A”框架结构的轨道系统中的多层水泥铠装面板的简图。
图24是本发明的一种框架结构的截面图，该框架结构被配置为一个垂直墙组件，其中使用了多个机械紧固件将多个面板附接到一个垂直框架上。
图25是具有紧固到一个金属框架结构上的水泥铠装面板的系统的侧视图。
图26是其中多个水泥面板被附接到金属框架的每一侧的一个金属框架壁结构的另一个侧视图。
图27是本发明的面板系统的侧视图，该面板系统具有的多个水泥铠装面板被紧固到一个金属框架结构的外侧，该金属框架结构具有的填充材料被放置在这些金属框架构件件之间的空腔中。
图28是本发明的面板系统的一个顶视图，该面板系统具有的多个水泥铠装面板具有叠层到该水泥面板的外表面上的一个增强的表皮以及紧固到一个金属框架结构两侧的多个水泥面板，该金属结构具有填充材料被放置在这些金属框架构件之间的空腔中。
具体实施方式
A.面板
本发明涉及一种纤维增强的、尺寸稳定的水泥面板面板。图1示出了本发明的面板1的一个透视图。
图1A示出了进一步提供有与该水泥面板1的外表面相对的增强材料2的片的图1中面板1的侧视图。因此，图1的面板1形成了纤维增强材料的水泥内芯并且增强材料的这些片2在该内芯的相反侧形成了一个包层。典型的增强片材料包括纤维增强的聚合物(FRP)或其他材料，如在2008年3月3日提交的美国临时专利申请号61/033,264、名称为基于水泥的叠层铠装面板中所描述的，通过引用将其以全文结合在此。
典型地，FRP表皮层被粘附性地附接到该水泥内芯的两个表面上。例如，这种纤维增强的表皮可以用一种环氧树脂粘合剂叠层到该内芯的表面上。
该面板包括一种连续相内芯11，该连续相内芯产生于一种水性混合物的固化，该水性混合物是水泥组合物以及增强纤维例如玻璃纤维，该面板包括：25wt.％-45wt.％的无机水泥粘合剂，150-450微米的35wt.％-65wt.％无机矿物填充剂，5wt.％-15wt.％的火山灰填充剂以及0.75-2.5wt.％的超增塑剂自流平剂例如基于聚羧酸酯的超增塑剂，按重量计约0.005％至约0.500％的烷醇胺(例如三乙醇胺)水泥粘合剂，以及按重量计约0.01％至约1.80％的酸或酸式盐(例如酒石酸)的水泥组分，增强纤维，例如遍及该水泥组合物分散的玻璃纤维，以及6％-12％的水。
用来制造本发明的面板的主要起始材料是无机水泥粘合剂例如水硬水泥(如波特兰水泥)、无机矿物填充剂例如优选的硅砂、火山灰微填充剂例如气相二氧化硅、一种选自基于聚羧酸酯的化合物的自流平剂和水，以及增强纤维例如玻璃纤维，以及任选的添加剂，这些添加剂可以在浆料形成一个垫之前加入到水泥材料中。
本发明的面板包括一种水泥材料的连续相，增强纤维基本上均匀地分布于其中。在图1的面板中，该连续相是从水泥材料与增强纤维的混合物的固化中产生的。
B.配方
用来制造本发明的面板的组分在以下详细描述。
本发明的自流平、超高抗压强度水泥组合物的一个实施方案的多种成分的典型重量比在表1中示出。该无机水泥粘合剂(水硬水泥)以及火山灰微填充剂一起称为干的反应性粉末。
表1
Figure BPA00001213372700101
包括无机水泥粘合剂以及火山灰微填充剂的干的组成成分(在此还称为干的反应性粉末)以及无机矿物填充剂的比例在表1A中示出。
表1A-基于干基的配方
Figure BPA00001213372700112
火山灰微填充剂
火山灰材料在ASTM C618-97中被定义为“硅质的或硅质和铝质的材料，这些材料本身拥有极小或没有水泥价值，但是在以精细分散的形式并且在湿气存在下将化学地与氢氧化钙在常规温度下进行反应以形成拥有水泥特性的化合物”。一种经常使用的火山灰材料是硅灰，它是精细分散的非晶相硅石，是硅金属与硅铁合金制造的产物。特征性地，它具有高的硅石含量以及低的氧化铝含量。
火山灰材料典型地具有在表2中列出的中值粒径。
表2
Figure BPA00001213372700121
在本发明的一个实施方案中，硅金属与硅铁生产的反应中的产物硅灰(精细分散的非晶硅石)是优选的火山灰微填充剂。硅灰颗粒的平均颗粒大小极其小，即，约0.1微米或几乎比波特兰水泥粒的平均颗粒大小要小一百倍。在最宽的实施方案中，火山灰材料的中值粒径应该是小于约50微米，其中典型的颗粒大小为10微米或更小并且更典型地中值粒径为1.0微米或更小。在一个优选的实施方案中，火山灰材料的中值粒径是0.1微米或更小，这已经发现提供了最佳的颗粒堆集、火山灰反应以及抗压强度的发展。在组合物中加入无机的、火山灰微填充剂在组合物中起两种关键作用。
精细颗粒大小的火山灰填充剂起到了填充在组合物中的较大颗粒之间不同大小的空的空间的关键作用。没有这些填充剂颗粒，这些空的空间或者是未填充的(从而形成气隙)或者用水进行了填充。这些空隙最终会产生最终材料的密度以及抗压强度上的降低。填充这些空间的微填充剂导致显著更致密的微结构并且增强了材料的抗压强度性能。
硅灰火山灰填充剂还与氢氧化钙进行反应，结果产生了波特兰水泥的水合作用。该反应导致形成了硅酸钙水合物，它是一种持久的并且极其强的粘合材料，该材料增强了基于硬化的水泥的组合物的强度以及耐久性。
不同的天然以及人造的材料被认为具有火山灰的特性，包括浮石、珍珠岩、硅藻土、凝灰岩、火山土、偏高岭土、微硅石、研磨的粒状高炉矿渣，以及飞灰。尽管硅灰是特别常规的用于本发明的面板中的火山灰，但是可以使用其他火山灰材料。与硅灰相比，偏高岭土、研磨的粒状高炉矿渣，以及研磨成粉的飞灰具有一个低得多的硅石含量以及大量的氧化铝，但是可以是有效的火山灰材料。当使用硅灰时，它由约5wt.％至20wt.％，优选10wt.％至15wt.％的反应性粉末(反应性粉末的例子是：仅水硬水泥；水硬水泥和火山灰的共混物；或水硬水泥、硫酸钙α半水化物、火山灰、以及石灰的共混物)。若是其他火山灰代替的话，所使用的量将选择为提供与硅灰类似的化学性能。
硅灰是与其他精细颗粒无机矿物填充剂(如通过将纯的硅砂研磨成非常精细的粉末而制造的、以CAS号87347-84-0定义为二氧化硅的硅石粉)有显著区别的。硅粉通常在混凝土组合物以及塑料中用作便宜的填充剂。
CAS号67256-35-3定义的硅灰是由一种不同的方式通过使四氯化硅在具有过量氧的氧-氢焰中反应来生产的。产生的固体是非常轻的、蓬松的、可浇注的火山灰材料，它已经用在水泥组合物中以改进抗压强度、粘合强度以及耐磨性。
发现火山灰微填充剂与无机水泥粘合剂的比例在0.05至0.30的范围内是广泛有用的，例如5份至30重量份的火山灰填充剂比95至70重量份的水泥粘合剂。更优选的比例发现是0.10至0.25并且发现最优选的比例是0.15至0.20以给出在最终的固化组合物中最佳的自流平性能、填充效率、火山灰反应以及受控的抗压强度发展。表2C列出了火山灰填充剂/无机水硬水泥之比的范围
表2A
Figure BPA00001213372700131
无机水泥粘合剂(无机水硬水泥)
优选的无机水泥粘合剂是选自不同类别的波特兰水泥，其中具有较粗的颗粒大小的可商购的那些在本组合物中是最优选的。在本发明的水泥组合物中使用的波特兰水泥的布莱恩细度典型地是在2000至6000cm2/克之间的范围内。
已经发现具有较粗的颗粒大小的波特兰水泥的相对较低的水需求产生了具有更高的材料密度以及增强的材料抗压强度性能的混合物。
无机矿物填充剂
优选的无机矿物填充剂是具有以下进一步描述的具体粒度分布的硅砂。这些填充剂在本发明的组合物中具有数项极其重要的作用。
由本发明的水泥组合物制造的最终产物的尺寸稳定性通过使用无机矿物填充剂显著地得到增强。纯的波特兰水泥组合物在变化的水热条件下趋于是高度尺寸稳定的。矿物填充剂例如硅砂帮助改进材料的尺寸稳定性而不牺牲材料的机械性能。
纯的波兰特水泥组合物是极其易于收缩的、并且由于这种材料在经受硬化时受限制的塑性收缩它是与裂纹的发展相关联的。受制的塑性收缩的作用对于含有非常低的水含量的组合物变得更加严重，特别是在火山灰材料(像硅灰)的存在下。已经发现硅砂在控制(并且在某些情况下消除)由于受制的塑性收缩引起的裂纹的发展中起着重要作用。
无机矿物填充剂的颗粒大小范围的合适的选择已经发现有助于提供本发明的水泥混合物的一种更致密的颗粒堆集。更致密的堆集导致在最终材料中的更少的固有缺点并且这进而最终增强了复合材料的机械性能以及抗压强度。
在水泥混合物中所使用的无机矿物填充剂的颗粒大小以及总的填充剂的量已经发现显著地有助于该混合物的自流平特性。已经发现，如果该无机矿物填充剂具有非常精细的平均颗粒大小，则该材料具有差的流动特性而没有自流平行为。此外，已经发现，如果无机矿物填充剂的量过高，即，达到一个临界限制；则该矿物也将具有差的流动特性并且没有自流平行为。
已经发现产生了自流平特性以及超高的抗压强度性能的无机填充剂的粒度分布在表2B中示出。
表2B
  以微米计的无机填充剂颗粒大小   ％精细度
  1000   100
  600   90-100
  300   40-90
  150   10-40
  50   小于10
发现，向最终组合物提供自流平行为的组合物的无机矿物填充剂含量用无机填充剂与水泥材料的重量比来描述是在干基重量在0.80至1.50∶1.0的范围内。
在本发明的组合物中的无机矿物填充剂的中值粒径应该在150至450微米的范围内，更典型地在200至400微米的范围内并且优选在250至350微米的范围内。当使用在约250至350微米范围内的中值粒径时，发现该组合物显示出最佳的自流平行为，塑性收缩裂纹控制、有效的颗粒堆集以及最佳的抗压强度发展。典型的无机矿物填充剂具有表2C中列出的中值粒径。
表2C
Figure BPA00001213372700151
发现提供了最佳结果的另一个参数是无机矿物填充剂(例如硅砂)与干的反应性粉末(无机水泥粘合剂与火山灰微填充剂反应性粉末的结合重量)的比例。以从约0.75至1.50∶1.0的比例获得了良好的结果，其中以0.80至1.20∶1.0的比例获得了更优选的结果并且以0.90至1.10∶1.0的比例，例如90至110重量份的无机矿物填充剂(例如硅砂)与100份结合的水泥粘合剂和火山灰填充剂的比例实现了最佳的自流平、有效的颗粒堆集以及抗压强度发展。表2D列出了无机矿物填充剂/干的反应性粉末之比的范围。
表2D
Figure BPA00001213372700152
水
典型地，水与无机水泥粘合剂以及火山灰填充剂干的反应性粉末的重量比保持在0.35或更小，其中典型的比例是低于约0.25至0.30∶1.0并且以0.20∶1.0或更小的水与反应性粉末比例获得了最佳的颗粒堆集以及抗压强度。表2E列出了对于水/干的反应性粉末之比的范围。
表2E
自流平剂-超增塑剂
已经发现，基于聚羧酸酯化学物质的有机混合物是在本发明的组合物中的唯一地有效的自流平剂并且提供了所要求的流动性以及流动特性用于发展水泥铠装面板的长期的抗压强度。
已经发现，当基于干基重量以按重量计从约0.25％至5.00％的量，并且更典型地是按重量计0.50％至3.0％的水泥材料使用时，基于聚羧酸酯的组合物是有效的。低于约0.25％的水平的量不会提供任何水泥材料的流动性以及流动特性上的显著增强。使用按重量计高于约5.0％的基于聚羧酸酯的超增塑剂的水平产生了对于抗压强度长期性发展的显著的不利影响。表2F列出了对于超增塑剂的范围。
表2F
Figure BPA00001213372700162
当聚羧酸酯超增塑剂以特定的剂量与本发明的水泥组合物的其他组分混合使用时，获得了自流平水泥组合物。
典型地，该聚羧酸酯超增塑剂可以降低到按干的反应性粉末的重量计约0.75％至约1.50％并且低至按干的反应性粉末的重量计约1.0％至1.25％，而同时当将烷醇胺，例如TEA以及酸添加剂(例如酒石酸)以在本发明中所指出的量内使用时，产生了所希望时段的流动性以及长期抗压强度的发展。
遍及本说明书使用的术语基于聚羧酸酯的自流平剂是指碳主链具有侧链的聚合物，其中这些侧链的至少一部分通过一个羧基基团或醚基团连接到主链上。这些聚羧酸酯组合物的例子可以在美国专利6,942,727B2的第4栏第16-32行找到，通过引用将其结合在此。聚羧酸酯分散剂在分散并且降低水硬水泥中的水含量上是非常有效的。这些分散剂或超增塑剂通过围绕待分散的颗粒而运行，并且然后每个聚合物链之间的斥力保持这些颗粒是分开的并且更流动的。
在水泥组合物中使用的聚羧酸酯试剂可以包括但不限于分散剂或按以下商标名出售的减水剂：GLENIUM 3030NS、GLENIUM 3200HES、GLENIUM3000NS(Master Builders Inc.，Cleveland，Ohio)、ADVA(W.R.GraceInc.，Columbia，Md.)、VISCOCRETE(Sika，Stockholm，Sweden)、以及SUPERFLUX(Axim Concrete Technologies Inc.，Middlebranch，Ohio)。在本发明中提供了良好结果的可商购的聚羧酸酯聚醚组合物的两个例子是
Figure BPA00001213372700171
Cast以及
Figure BPA00001213372700172
Cast 500，它们购自W.R.Grace，Columbia，MD。
烷醇胺以及酸/酸式盐
如以上所述，可以加入烷醇胺，例如三乙醇胺(TEA)以及酸或酸式盐(例如酒石酸)来控制水泥组合物的流动性。加入按水泥材料的重量计约0.005％至约0.500％的TEA、更典型地按重量计0.010％至约0.250％、更优选0.020％至0.100wt％并且最优选按重量计约0.025％至0.075％的干反应性粉末允许使用更小量的流平试剂超增塑剂。例如，加入链烷醇胺以及酸/酸式盐允许使用仅约以其他方式使用的三分之一的量而同时获得了该面板的所希望的抗压强度的发展速度。
此外，加入烷醇胺以及酸/酸式盐延迟了固化时段以允许处理并且最终加工该水泥铠装面板。在这种水泥组合物达到其完全硬化成最终面板形式之前这还允许这种水泥组合物具有更长的时段以便在面板硬化到足以进行处理并且用砂纸打磨以进行最终加工之间的时间来处理该面板。在小于约0.005％的量下，固化时过于快并且不存在面板的长期抗压强度发展上的改进。
当使用大于0.500％的TEA时，对于改进处理时段来说固化过于快并且经一段充足的时间抗压强度并不发展以给出对于冲击以及爆炸耐受性有效的大于约10,000psi(例如从15,000psi或20,000psi至25,000至30,000磅/平方英寸)的抗压水平。
表2G列出了针对烷醇胺的范围。在本发明的实施方案中使用的合适的烷醇胺的例子包括一种或多种一乙醇胺、二乙醇胺以及三乙醇胺。
表2G
已经发现，使用酸类(例如酒石酸)或酸式盐结合以上讨论的烷醇胺在降低对于流动性以及流动特性所需的超增塑剂的量上是有效的。它还改进了在按重量计从约0.10％至约1.80％的水泥材料的水平上虽随时间的抗压强度增加的发展，其中典型地使用在约0.20％至约1.20％范围内并且优选范围是按重量计从0.30％至0.80％并且更优选的量是按重量计从约0.40％至约0.60％。当使用低于约0.10％的酒石酸时，不存在抗压强度的发展上的改进或给出所要求的水泥材料的流动性以及流动特性所要求的超增塑剂的量的任何减少。以高于按重量计约1.8％的水平，抗压强度的长期发展退化到了低于用作一种有效的水泥铠装面板所要求的抗压强度的水平。
用于改进流动性的合适的酸/酸式盐添加剂的其他例子包括但不限于柠檬酸、酒石酸钾、酒石酸钠、酒石酸钠钾以及柠檬酸钠。
表2H列出了可以用在本发明的实施方案中的酸以及酸式盐的范围。
表2H
增强纤维
本发明的水泥铠装面板典型地包括增强纤维，例如玻璃纤维或钢纤维。然而，没有增强纤维的产品也在本发明的范围内。
这种水泥铠装面板典型地使用一个或多个层来增强，这些层是松散的短切玻璃纤维嵌入在这些水泥的层中，如面板是从沉积在铺装线上的水泥浆料制成，如以下详细描述的。将该玻璃纤维切碎成长度为约0.5英寸(1.3cm)至约1.5英寸(3.8cm)的长度。该玻璃纤维是单丝，这些单丝具有约5至25微米(微米)的直径，典型地是约10-15微米(微米)。
在将这些水泥铠装面板固化成最终的水泥铠装面板之前，将其使用按总的复合材料组合物的体积计约0.5％至约6％的量的玻璃纤维进行增强，更典型地是约3％至约3.5体积％。总的水泥组合物是指全部的无机粘合剂、无机矿物填充剂、火山灰填充剂、自流平剂、以及添加剂类(像阻滞剂和促进剂)。因此，对于100立方英尺的总的组合物，存在0.5至6立方英尺的纤维。如同复合材料物品本身，这些水泥铠装面板也是用来制造一种复合材料物品的总的湿组合物的0.5-6体积％。
耐碱的玻璃纤维(AR玻璃纤维)，例如Nippon Electric Glass(NEG)350Y可以在耐碱性很重要的时候使用。已经发现，此种纤维提供了优异的对基质的粘合强度并且因此对于本发明的面板是优选的。这种玻璃纤维是单丝，这些单丝具有约5至25微米(微米)的直径，并且典型地是约10-15微米(微米)。这些细丝总体上是被合并成100丝的绳股，可以将这些绳股扎成包含约50根绳股的粗纱。这些绳股或粗纱将总体上被切碎成合适的细丝和细丝束，例如约0.25至3英寸(6.3至76mm)长，优选0.5至1.5英寸(13至38mm)，更优选1至1.5英寸(25至38mm)。
在本发明的水泥铠装面板中还有可能包括其他的纤维来代替一些或全部的优选玻璃纤维。此类其他的纤维可以是选自下组的一个或多个成员，该组的构成为：纤维素纤维，例如纸纤维；聚合物纤维，例如聚乙烯醇、聚丙烯、聚乙烯、高密度聚乙烯、聚丙烯腈、聚酰胺、聚酰亚胺和/或芳族聚酰胺纤维。碳纤维以及金属纤维例如钢纤维可以用来增强水泥铠装面板，尽管玻璃纤维已经向水泥铠装面板提供给了优异的抵抗爆炸以及弹道冲击的特性。
另外任选的添加剂
还可以使用其他已知的用于水泥组合物的添加剂，例如空气夹带添加剂、表面活性剂、促进剂、阻滞剂以及另外的增塑剂。具体地，减水剂例如聚萘磺酸盐类、木素磺酸盐以及三聚氰胺磺酸盐可以加入到连续相中并且作为第二增塑剂与基于聚碳酸酯的超增塑剂相结合而起作用。
高性能表皮增强物
纤维增强的铠装面板的水泥内芯通过结合到该水泥内芯的一个或两个表面上的高性能表皮增强物进行增强。这种表皮增强物可以由多种高性能的增强材料制成，例如纤维增强的聚合物叠层材料(FRP)、薄的金属叠层材料、复合FRP金属叠层材料、开放的织物网片、封闭织物网片，等。这种表皮增强物通过一种粘合剂附接到该水泥内芯上。例如，可以使用粘合剂将表皮粘合到该内芯上。典型的合适的粘合剂是氨基甲酸酯(热熔以及室温)、环氧树脂以及其他聚合物添加剂。该表皮可以被涂覆到该面板的一侧或多侧或完全覆盖该面板，例如可以将一个矩形面板覆盖到两侧以及所有四个边缘上。
可替代地，可以将该表皮增强物嵌入到该水泥内芯中，因此避免了对于粘合剂的需要。
用于覆盖这些面板的弹性材料可以是2007年6月27日提交的美国专利申请公开号US 2009-0004430 A1、专利申请号11/819,340中所描述的类型：为满足使用者保护一种结构的要求而定制的增强的弹性体配置以及其中包括的结构，通过引用将其结合在此。用于将弹性体材料涂覆到面板上的方法还在美国专利申请公开号US 2009-0004430 A1、美国专利申请号11/819,340中提供。其他FRP也适合用本发明的结构来使用。
纤维增强的聚合物叠层材料例如玻璃纤维增强的聚酯树脂，玻璃纤维增强的聚乙烯以及玻璃纤维增强的聚丙烯树脂是典型地使用的，其中自Crane Composites，Inc.可得的Kemlite
Figure BPA00001213372700211
织物玻璃纤维增强的聚酯树脂叠层材料是优选的。这种FRP叠层材料可以包括以连续的形式、不连续的形式或两者的一个结合而嵌入到一种聚合物树脂中的增强纤维。
多种纤维可以用作FRP叠层材料中的增强物。包括在内的此类优选的纤维是玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维、
Figure BPA00001213372700212
氟聚合物纤维、以及金属纤维例如钢纤维。
最终凝固成一种纤维增强的水泥面板的形式之后，该面板具有附接到该水泥内芯的至少一个表面上的高性能的表皮增强物，如以下所描述的，该面板展示出了所希望的水泥复合材料的防爆性和尺寸稳定性。
制造本发明的面板的简单描述
成型
这种水泥面板在一个铺装线上通过以下步骤形成：首先将一个短切纤维(例如AR-玻璃纤维)的层沉积到在多孔输送器带上的一种载体上，接着将一个水泥浆料的层沉积在短切纤维的层上并且然后将短切纤维的一个第二层进行沉积并且然后使这些层通过一个嵌入装置以便将无规的玻璃纤维嵌入该水泥浆料层中。然后将这些步骤重复第二次以累积一个第二层来产生具有约0.50英寸厚的一个水泥面板。仅将水泥浆料的一个第三层沉积到该面板的上表面上并且迅速通过一个匀平板(screed plate)使其流平以提供产品面板的一个相对平滑的顶表面。
固化
然后将产生的面板在湿法成型(流延)之后存储在一个平的表面上并且在环境温度以及湿度条件下固化8至72小时之间的一个初始时段。然后将这些面板润湿并且用塑料包装以避免湿气损失。将这些包装的面板在140F(60C)下固化7天。
最终处理(表面加工)
使用表面加工机器将这些面板规格确定为约0.50英寸(1.3mm)(例如，53英寸)的厚度并且在该面板的顶表面以及底表面上提供一个光滑的表面。
切割
将这些面板通过使用常规的切割方法，例如干法锯断或喷水切割而切割成所希望的大小。
本发明的水泥组合物的流动特性以及自流平行为使用塌落度试验进行表征。在以下实验中所使用的塌落度试验利用了垂直保持在一个光滑的塑料表面上的直径为5.08cm(2英寸)、长度为10.16cm(4英寸)的一个空心圆筒。将该圆筒使用水泥混合物填充到顶部接着去掉顶表面以除去过量的浆料混合物。然后将该圆筒轻轻地垂直提起以允许浆料从底部出来并且分布在塑料表面上以形成一个圆形的饼。然后测量该饼的直径并且记录为材料的塌落度。具有良好的流动行为的组合物产生了一个更大的塌落度值。
为了使用常规高效率的制造方法来生产基于水泥的产品，所希望的是水泥浆料具有小于约5英寸(12.7cm)的塌落度值。具有大于5英寸(12.7cm)的塌落度值的浆料难以使用常规的制造方法进行加工并且处理。
不同的原料变化对流动特性以及自流平行为的影响使用在以下所述的实例中的塌落度试验进行确定。
用于生产本发明的水泥面板内芯组合物的一个生产线工艺的详细说明
现在参照图2，水泥铠装面板生产线以简图表示出并且总体上指定为10。该生产线10包括具有多个腿13或其他支撑物的一个支撑框架或成型工作台12。在该支撑框架12上包括一个移动载体14，例如循环的橡胶类的传输带，该传送带具有一个光滑的不透水的表面，然而，还考虑到了多孔的表面。正如本领域所熟知的，该支撑框架12可以由至少一个工作台样的区段构成，该区段可以包括所指定的多个腿13或其他支撑结构。该支撑框架12还可以在该框架的远端18包括一个主驱动辊16，以及在该框架的近端22的一个惰辊20。而且，典型地提供至少一个带跟踪和/或张力装置24以维持所希望的载体14在辊16、20上的张力以及定位。在本实施方案中，随着移动载体以“T”方向从近端22向远端18移行，连续地生产出了面板。
在本实施方案中，在凝固之前可以提供用于支撑浆料的一个牛皮纸的网片26、脱模纸、或一种塑料载体并且将其放置在载体14上以保护它和/或使其保持清洁。
然而，除了连续的网片26，还考虑了可以将相对刚性材料的单独的片(未示出)，例如聚合物塑料的片，置于载体14上。
还考虑了通过本发明的生产线10所生产的水泥铠装面板可以直接在载体14上成型。在后者的情况下，提供了至少一个带洗涤单元28。载体14通过如本领域所熟知的发动机、滑轮、驱动主驱动辊16的带或链的一个组合沿着支撑框架12移动。考虑了载体14的速度可以变化以适应正在制造的产品。
切碎机
在本发明的这一实施方案中，水泥铠装面板的生产是通过将松散的、短切玻璃纤维30的一个层沉积到网片26的塑料载体上而开始的，该层具有约0.5英寸至约1.5英寸(1.3至3.8cm)的长度以及约5至约25微米的直径并且典型地是10-15微米的直径。本生产线10还考虑了多种纤维的沉积和切碎装置。例如一个典型的系统使用另外支持玻璃纤维绳的几个滑阀芯32的架子31，从它们的每一个中将纤维的一定长度或段34加入到一个切碎台或装置(还称为切碎机36)中。典型地，将若干股玻璃纤维加入每个切碎机台中。
切碎机36包括一个旋转刀片辊38，从该辊中伸出了横向延伸跨过载体14的宽的径向延伸的刀片40，并且它被置于和支承辊42的紧密的、接触的、旋转的关系中。在优选的实施方案中，刀片辊38以及支承辊42被置于相对紧密的关系中，这样，刀片辊38的旋转还旋转了该支撑辊42，然而，还考虑到了相反的情况。并且，支撑辊42优选用一种有弹力的支撑材料进行覆盖，抵靠该支撑材料，刀片40将绳34切碎成段。辊38上的这些刀片40的间距确定了切碎的纤维的长度。如图2中所看到的，切碎机36置于在近端22附近的载体14之上以将生产线10的长度的生产用途最大化。随着纤维绳股34被切碎，这些纤维松散地落到载体网片26上。
浆料混合器
本发明的生产线10包括一个送浆台或送浆器或流浆箱，总体上指定为44以及一个浆料源，该浆料源在本发明中是一个湿法混合器47。送浆器44接收来自湿法混合器47的浆料46的供应以用于将该浆料46沉积在载体网片26上的切碎的纤维上。
送浆装置
现在参见图2，如以上所提到的，本发明的送浆装置还称为送浆台、送浆器或浆料流浆箱，总体上指定为44接收来自湿法混合器47的浆料46的供应。
优选的送浆器44包括横向置于载体14的移行方向“T”的一个主计量辊48。将一个伴随辊或支撑辊50置于和计量辊48的紧密的、平行的、旋转的关系中。将浆料46沉积在两个辊48、50之间的一个钳口52上。
送浆器44还具有安装在该送浆装置44的侧壁54上的一个门132，以与该计量辊48的表面相邻而进行安装以在其间形成一个钳口。门132在该计量辊48之上，这样，该钳口在门132与该辊48的上部部分之间。辊48、50以及门132被置于足够紧密的关系中，这样，辊48和门132之间的钳口保留浆料46的供应，同时辊48、50相对于彼此旋转。门132配备有一个振动器(未示出)。计量辊48从钳口52至辊48与门132之间的钳口而旋转。
门132可以位于计量辊48的中心或计量辊48的中心的稍微上游。
尽管考虑了其他尺寸，该计量辊48典型地具有比伴随辊50更大的直径。
并且，典型地，辊48、50其中之一具有一个光滑的、不锈钢的外部，并且另一个(优选伴随辊50)具有一种有弹力的、非粘性材料覆盖其外部。
振动门132帮助防止浆料46在门132上的显著积累并且控制沉积在该计量辊48上的浆料46的厚度。该振动门132可以容易地从壁支架上移除以进行清洁和维护。振动门的更详细的说明可以在2006年11月1日的美国专利申请公开号2008/0101150，申请号11/555,655中找到，通过引用将其以全文结合在此。
典型地，送浆器44具有一对较硬的侧壁54(未示出)，它们优选地由非粘性的材料(例如材料或类似物)制成或由其涂覆。侧壁54防止倒入钳口52中的浆料46从送浆器44的侧面溢出。这些侧壁54，优选固定到该支撑框架12上(图2)，被置于与辊48、50的末端的紧密关系中以保留浆料46。然而，侧壁54并不过度地接近辊的端而影响辊的旋转。
本发明的一个重要特征是送浆器44将具有相对受控的厚度的浆料46的一个均匀的层沉积到移动载体网片26上。合适的层厚度的范围是从约0.16英寸或0.25英寸。然而，对于生产线10所生产的水泥铠装面板中优选有两个层，并且合适的面板是大约0.5英寸，一个尤其优选的浆料层厚度是在0.25英寸的范围内。然而，对于一个目标面板成型厚度是约0.53英寸，标准的层厚度在两个成型台中各自典型地是更接近或大约0.265英寸。
因此，可以对振动门132和主计量辊48之间的相对距离进行调整以改变所沉积的浆料46的厚度。
为了确保浆料46遍及整个网片46而均匀沉积，浆料46通过一个软管26或类似的、具有一个第一端与浆料混合器或储存器47的出口处于流体连通的通道递送到送浆器44中。软管56的一个第二端被连接到本领域已知类型的一个横向往复运动的、电缆驱动的流体动力分配器上。从软管56流出的浆料因此以横向往复的运动被倾倒入进料器44中以填充由辊48、50以及送料器44的侧壁54所限定的一个储存器。
计量辊48的旋转从由送料器44的辊48、50以及侧壁54所限定的一个储存器中拉出了一个浆料层46。
本发明的送料器装置44的另一个特征是主计量辊48与伴随辊50均是以相同的方向驱动的，这使得对于浆料在相对运动的外表面上的过早凝固的机会减至最小。包括一个流体动力的、电动的、或其他合适的发动机的一个驱动系统(未示出)被连接到主计量辊48上或伴随辊50上用来将这个或这些辊在同一方向上驱动，当在图2中观看时，该方向是顺时针的。如本领域内熟知的，辊48、50任一者都可以被驱动，并且另一个辊通过滑轮、带、链以及链轮、齿轮或其他已知的动力变速技术进行连接以保持正向的、共同的旋转关系。
随着辊48的外表面上的浆料46向移动载体网片26移动，重要的是所有浆料都沉积到网片上，并且不会向上朝着钳口52回行。这种向上移行将促进浆料46在辊48、50上的过早凝固并且将干扰浆料从储存器57至载体网片26的平滑移动。
为了帮助防止这种向上的移行，送浆器44具有位于主计量辊48和载体网片26之间的刀片134。该刀片134确保了浆料46均匀地覆盖在载体网片26上的玻璃纤维层上并且不会向上朝着钳口52以及送料器储存器57回行。刀片134还帮助保持主计量辊50不含有过早凝固的浆料46。
像在授予Dubey的美国专利号6,986,812的过程中所使用的丝线一样，刀片134从计量辊48的表面上移除了浆料。刀片134还起的作用是收集均匀的层或帘布中的浆料46并且在网片运动的方向上将该浆料46向下引导至该网片的玻璃纤维片上的约1.0至1.5英寸(2.54至3.81cm)的一个点以用该浆料46均匀地覆盖该玻璃纤维层。当使用更稀的浆料来覆盖该玻璃纤维层时，这是特别重要的，因为更薄的浆料具有在丝线上滴落的倾向。
送浆装置的下游处理
再次参见图2，对水泥铠装面板生产线的其他操作部件简要地进行了描述，但是它们未在以下文件中详细地说明：
授予Dubey等人的美国专利号6,986,812，名称为用于纤维增强的结构水泥面板生产的送浆装置，通过引用以其全文结合在此；以及
以下多份共同未决的、共同转让的美国专利申请全部通过引用以其全文结合在此：
授予Dubey等人的美国专利申请公开号2005/0064164 A1、申请号10/666,294，名称为用于生产高强度纤维增强的结构水泥面板的多层方法以及装置；
授予Porter的美国专利申请公开号2005/0064055 A1、申请号10/665,541，名称为用于纤维增强的浆料的嵌入装置；
2006年11月1日提交的美国专利申请号11/555,655，名称为对用于纤维增强的结构水泥面板的水泥浆料进行湿法混合的方法；
2006年11月1日提交的美国专利申请号11/555,658，名称为对用于纤维增强的结构水泥面板的水泥浆料进行湿法混合的装置以及方法；
2006年11月1日提交的美国专利申请号11/555,661，名称为用于在纤维增强的结构水泥面板上形成光滑连续表面的平滑方法以及装置；
2006年11月1日提交的美国专利申请号11/555,665，名称为湿浆测厚仪以及其使用方法；
2006年11月1日授予Dubey等人的美国专利申请公开号2007/0110970A1、申请号11/591,793，名称为用于生产具有增强的纤维含量的高强度纤维增强的结构水泥面板的多层方法以及装置；
2006年11月1日授予Porter等人的美国专利申请公开号2007/0110838A1、申请号11/591,957，名称为嵌入辊装置。
嵌入装置
考虑了多种嵌入装置，包括但不限于弯脚羊蹄辊以及类似物。然而，在本发明的实施方案中，该嵌入装置70包括至少一对与框架12上的载体网片14的运动方向横向安装的总体上平行的轴76。每个轴76配有多个较大直径的盘74，这些盘在该轴上被多个小直径的盘(未示出)以彼此间从约0.1至约0.25英寸(0.25至0.63cm)的距离分隔开，例如0.15英寸(0.38cm)，其中这些较长的以及较小的盘位于同一轴线上。
在水泥铠装面板的生产过程中，轴76以及盘74相对于轴76的纵向轴一起旋转。正如本领域所熟知的，轴76中任一者或两者都可以是有动力的。如果仅一个轴76是有动力的，则另一个可以由带、链、齿轮驱动或其他已知的动力传输技术来驱动以相对于驱动轴保持相应的方向和速度。相邻的、优选平行的轴76的对应的盘74相重叠并且彼此互相啮合用于在浆料中产生“捏合”或“按摩”动作，这嵌入了先前沉积的纤维68。此外，盘74的紧密啮合以及旋转的关系防止了浆料46在这些盘上的累积，并且实际上产生了一种“自清洁”的动作，这显著地降低了由于浆料块的过早凝固引起的生产线停机时间。
轴76上的盘74的啮合关系包括这些小直径间隔盘(未示出)以及较大直径的主盘74的相对的周边的紧密相邻的布置，这还有利于自清洁动作。因为这些盘74非常接近(但是优选在同一方向上)地相对于彼此而旋转，对于浆料颗粒而言难以在装置中捕捉到并且会过早凝固。通过提供两套相对于彼此横向抵消的盘74，使浆料46经受多个分裂动作，从而产生一个“捏合”动作，该动作进一步将纤维68嵌入浆料46中。
用在生产线10中的合适的嵌入装置70的一个实施方案更详细地披露在2003年9月18日提交的共同未决的美国专利申请号10/665,541、公开号US2005/0064055中，并且名称为用于纤维增强的浆料的嵌入装置，并且通过引用其全文而结合在此。
涂覆附加层
一旦嵌入纤维68，则面板92的一个第一层77完成。在一个优选实施方案中，该第一层77的高度或厚度是在0.25至0.27英寸的近似范围内。当与在水泥铠装面板中类似的层结合时，已经发现这一范围提供了所希望的强度和刚度。
为了构建具有所希望的厚度的结构水泥面板，典型地加入多个附加层。为此，将一个第二送浆器78(基本上与送料器44相同)以操作关系提供给移动载体14并且将其布置为使浆料46的一个附加层80沉积在现有的层77上。
接着，将一个另外的切碎机82(基本上与切碎机36和66相同)以操作关系提供给框架12以沉积纤维68的一个第三层，该层是由相对于框架12以类似于支架31的方式构建并且布置的一个支架(未示出)提供的。纤维68被沉积在浆料层80上并且使用一个第二嵌入装置86被嵌入。与嵌入装置70的构造以及安排相类似，将第二嵌入装置86相对于移动网片14稍高地进行安装，这样不会妨碍到第一层77。以这种方式，产生了浆料以及嵌入的纤维的第二层80。
现在参见图2，与可凝固的浆料以及纤维的各个顺序的层一起，在生产线10上提供了一个另外的送浆器台78，随后是一个纤维切碎机82以及一个嵌入装置86。在该优选的实施方案中，提供了由最终浆料层加顶的两个完整的层以形成这种水泥铠装面板。
在将该浆料使用切割刀片98定长切割(典型地是8英尺长)之前，将浆料的最终层在一个第三送浆器台78中沉积在层80之上以产生最终附加层88，使该附加层经过一个匀平棒146来平滑该浆料的顶表面以产生具有约0.5英寸的标称厚度的一个均一层98。
本发明的一个重要特征是该面板具有多个层，这些层在凝固时将形成一个整体的、纤维增强的块。倘若在每个层中纤维的存在和安置如在此所披露并且描述的是由某些所希望的参数所控制并且保持的，那么将几乎不可能将通过本发明的方法生产的面板92层离。
成型以及平滑以及切割
如以上所描述的，一旦纤维嵌入的可凝固的浆料的两个层沉积，则向框架12提供一个成型装置，例如上述匀平棒，以使该面板92的一个顶表面96成型。
刮掉过量的水泥铠装面板材料厚度的成型装置是不希望的。未使用的成型装置的例子包括例如弹簧加载的或振动的板或设计为使该面板与适合所希望的尺寸特征相符的振动流平匀泥尺，它们没有与水泥铠装面板材料一起使用，因为它们刮掉了水泥铠装面板材料的过量的厚度。此类装置不会有效地刮掉或平坦化该面板表面。它们会引起玻璃纤维开始卷起并且损坏该面板的表面而非使其平坦并且平滑。
具体来说，生产线10可以包括一个平滑装置，还称为匀平棒146，它被提供给框架12以轻轻地平滑该面板92的上表面96。通过对浆料46施加振动，平滑匀平棒146有助于纤维30、68遍及该面板92的分布，并且提供一个更均匀的上表面96。
在这一时刻，浆料的这些层已开始凝固并且对应的面板92被一个切割装置98彼此分开，该装置在一个典型的实施方案中是射水切割机。其他的切割装置(包括移动刀片)被考虑为适合于此操作，前提是它们可以在本发明的面板构成中产生适当锐利的边缘。切割装置98相对于生产线10以及框架12布置为使得产生具有所希望的长度(典型地是8英尺长度)的面板。由于载体网片14的速度较慢，切割装置98可以被安装为以垂直于网片14的移行方向切割成8英尺长。在浆料湿法流延之后，即它离开匀平棒之后，然后允许将这些面板在8-72小时的过程中进行干燥。
生产线10包括足够的纤维切碎台36、66，送浆器44、78以及嵌入装置70、86以产生至少两个层。另外的层可以通过如以上关于生产线10描述的台的重复而产生。
为了获得两个面或侧都平滑的、上部和下部的面均为4英尺×8英尺的水泥铠装面板，将这些面板用砂纸打磨并且然后任选地锯成所希望的大小(典型地是从2×2英尺高至约4×8英尺，例如2.5×4英尺的面板)用于随后的处理以及包装。
受控的抗压强度发展的速度
典型地，将该水泥组合物进行固化以实现受控的抗压强度发展的速度。令人希望地获得了超高强度的水泥复合材料，该材料具有的高达5天抗压强度为优选小于4000psi，更优选小于3000psi，并且最优选小于2000psi，并且28天以及更晚时间的抗压强度超过20,000psi。
例如，受控的抗压强度发展的一些所希望的速度在表2I中列出。
表2I
Figure BPA00001213372700301
涂覆表皮
充分的固化之后，将切割的面板用一种粘合剂典型地在钳夹辊上涂覆，并且然后将增强皮层置于该面板的顶表面上并且然后通过另一对钳夹辊将该表皮增强层进行叠层成为水泥内芯。然后将面板翻转并且对面板的其他侧重复该叠层程序。
在一个实施方案中，将这些面板用砂纸打磨并且然后将粘合剂以及纤维增强的聚合物表皮层施用到仍然还湿的水泥内芯上并且然后使带有FRP皮层的水泥面板在匀平棒或匀平辊下运行。
本发明的水泥铠装面板系统的实施方案
水泥铠装面板可以生产成不同大小，例如大小为30英寸×48英寸的面板，其中内芯厚度为约英寸并且皮层厚度为0.085英寸。这些面板可以被迅速组装成一个框架结构以使之能够迅速布置为用于军用或者民用应用的保护性封闭体。具有本发明的水泥铠装面板包层的框架结构在框架之间的空腔中可以具有填充物，例如混凝土或砂，它们被设计为当该系统的一侧暴露于来自弹射体的爆炸力或高速度冲击时帮助吸收并且耗散能量。本发明的水泥铠装面板提供了一个连续的保护板，该保护板提供了高质量、薄皮层封闭体，该封闭体是强有力的、坚硬的并且是能量吸收性的。
当使用一个框架结构来保持这些水泥铠装面板时，该系统可以被组装为一个保护性封闭体，使这些面板能够弯曲并且吸收能量而同时保持该系统的形状并且保持在一个限定空间周围的保护作用。具有一种模块式面板的框架的使用使得该面板系统能够迅速立起。
该框架结构可以用水泥铠装面板配置，这些面板被“松散地置入”该框架结构的一个轨道系统中，如图23所示。基于安全性要求，水泥铠装面板200的多个层可以用“Z形夹”220置于框架210上，如在图20中的截面详图中所示，其中Z形夹220通过一个螺钉221固定到框架210上并且留有一个开放通道222用于接收并且保持在金属框架结构210上的一个或多个水泥面板200。
图21示出了Z形夹(或Z形棒)220的一个透视图。
图22示出了具有一个空心袋220B(可向其中插入来自框架元件221B的一个直立的突出部221A)的Z形夹220A的一个第二实施方案的侧视图。
图23中示出的典型的金属框架可以是具有交叉结构支持物的金属板支架形状的框架210。可替代地，还可以使用“H”或“C”形状的夹子在一侧附接到该框架上并且留有一个开放通道用于容纳一个或多个水泥面板而无需螺钉来附接到这些水泥铠装面板上。可以为这种类型的系统迅速地配置非常小的设备。该系统可以在军事应用中用于许周围保护，例如临时边防检查站、偏远基地并且用于保护设备，像航空以及机械设备。
水泥铠装面板在原位的框架结构210的高度“B”可以从大约6英尺到20英尺而变化。水泥铠装面板在原位的框架在基部的框架结构“A”的宽度可以从4-10英尺变化并且框架的顶部的宽度“C”可以典型地从2-6英尺变化。铠装面板在原位的框架结构的高度以及宽度将取决于安全封闭体的需要以及对于该框架的立起可用的面积。
对于水泥铠装面板而言使用松散置入结构的一个益处是这些面板能够在轨道中移动以及吸收更大的冲击以及爆炸荷载的能力而不是在原位被固定到一个框架结构上。
在另一个实施方案中，该框架结构可以被配置为一个垂直壁组件，其中这些面板200使用紧固到该框架上的机械紧固件220和/或使用粘合剂例如环氧树脂的粘合剂附接作用而附接到一个垂直框架上，如在图24、25和26中的实施方案中所示。在这些实施方案中，该水泥铠装面板可以使用常规的工具，例如锤式钻孔机进行预钻孔以提供一个导向孔用于将一个机械紧固件附接到水泥面板200以及框架结构210上。在这一应用中，该面板可以大于30英寸×48英寸，其中用于建筑构造的典型模块是48英寸×96英寸。
如图26所示，水泥铠装面板200紧固到框架上的框架壁结构的高度可以典型地从约4英尺至20英尺变化，其中面板在原位的框架结构的深度典型地从6英寸至24英寸变化。若要求的话，深度可以从24英寸增加，以保护免受更剧烈的安全威胁。水泥铠装面板200在原位的壁框架结构的高度和深度将取决于安全封闭体所要求以及对于框架的立起可用的面积。
在图25中壁的配置可以具有范围从2英尺到100英尺的壁长“B”以及4英尺到20英尺的高度“A”。还可以用于地板结构的框架的配置可以用于永久性结构中用于建筑以及工业和运输设施中敏感区域的安全，并且这些水泥铠装面板提供了对该结构的结构上的支持并且可以用来提供对于剪切荷载的支持。
水泥铠装面板包层的框架结构还可以在框架壁空腔中结合一种填充材料如混凝土、多孔混凝土、砂、轻质骨料，以提供另外的爆炸以及安全性保护。图27-28示出了具有水泥铠装面板200的框架结构，该水泥铠装面板包括一个水泥内芯11以及附接到框架210的两个表面的至少一个表面上的叠层的纤维增强的表皮层20(图28)以形成在框架210之间的框架空腔中具有填充材料250(例如多孔混凝土)的一个壁结构。
在图27中具有填充物240的金属框架210上的具有水泥铠装面板200的面板组件可以典型地具有60-20英尺的高度“A”以及6-48英寸的宽度“B”。
在另一个实施方案中，这些水泥铠装面板可以被附接到现有结构例如一个石造建筑或混凝土壁的外表面上以作为一个外壁或盖的结构来提供增加的冲击以及爆炸的耐受性。该水泥铠装面板可以通过使用用于附接水泥铠装面板中的预钻孔的紧固件的现有壁中的小龙骨而机械地附接到壁上。可替代地，在外饰面的表面上具有表皮层的面板可以被粘附性地附接到壁上或涂覆到一个灰浆层之上，该灰浆层可以通过镘刀涂覆到现有的壁结构上。
本发明的水泥铠装面板系统提供了用于此类应用(如防爆周边封闭体、强制的入口保护、“Jersey护栏”类型的交通控制入口保护、人行道以及交通流量控制以及建筑物进出口保护)的安全性以及防爆性。
增强的表皮层可以被施用到该水泥面板的一个或两个表面上。该表皮层向该水泥面板提供了多个改进的特征，包括向该面板提供改进的弯曲以及拉伸强度。当将其经受冲击或爆炸冲击力时，该表皮层还限制了该水泥内芯以防止水泥内芯的碎裂。当涂覆到一个或多个表面上时，增强的皮层向该水泥内芯提供了增加的韧性，并且与未进行饰面的水泥面板相比起吸收更多能量的作用。还已发现，具有增强的皮层(例如叠层的FRP层)的水泥铠装面板可以承受多种冲击而不会破坏该水泥面板的完整性。
在该水泥面板的两个表面上使用叠层的FRP层的另一个优势在于FRP叠层材料表面比不具有纤维增强的表皮层的水泥面板更耐用并且与没有饰面层的水泥面板相比这些饰面的面板可以很容易地清洁并且保持。
本发明的典型用途
本发明的选择的实施方案适合于制造廉价的结构性面板，例如可以用于车辆连同固定结构的薄的混凝土铠装面板。由于本发明的实施方案的改进的韧性以及强度，结构铠装面板可以被成型或挤出为一个在此之前不切实际的厚度。例如，面板可以被生产成适应人力便携的大小以及厚度。这些人力便携的面板可以被配置为用于附接到一个结构框架上以抵抗轻便武器射击的侵入并且缓和爆炸以及碎裂的影响。
军队使用多种保护性的材料，范围是从土壤覆盖至昂贵的、高性能的、轻质防爆陶瓷。适当配置的本发明的一个实施方案提供了除人力便携产品之外用于武力保护的一种廉价的解决方案。本发明的多个实施方案的应用包括但不限于军用和政府应用：结合到廉价防爆铠装件中的非常高性能的混凝土；轻质结构形状，例如板、通道、管道、管件、I-以及WF-区段；连接件；保护性构造；防爆面板；破碎式弹药的保护；车辆上部装甲(vehicle up-armoring)；防止强行进入的结构元件以及类似物。
在军事应用中，该系统可以提供临时军用设备的迅速装备，这些设备用于边防检查站、偏远基地、扎营保护以及军事设备和硬件的保护。在更永久的应用中，该面板系统提供了对于基地周边、基地入口、基地结构防护以及航空器外壳。
对于商业使用者：建筑构造产品，例如屋瓦、墙板、地砖以及类似物；轻质结构形状，例如板、通道、管道、管件、I-以及WF-区段、抗飓风以及旋风的结构元件、防止强行进入的结构元件，
在民用以及商业应用中，该水泥铠装面板系统可以对运输设施，像飞机场、造船厂、道路、火车站以及大众运输设施提供保护。该面板系统还可以用来保护医院、化学、能源以及工业设施，连同学校、大使馆以及政府设施。
由水泥铠装面板制得的本发明的壁系统组件具有与使用机械性紧固到框架(例如金属框架)上的结构水泥面板的系统所获得的剪切值的相类似的剪切值，如Tonyan等人在2005年12月30日提交的共同未决的美国申请号11/321,069(用于剪力墙的不燃性增强的水泥轻质面板以及金属系统)中所示的，通过引用以其全文结合在此。
用水泥铠装面板制造的本发明的壁系统的剪切强度取决于所使用的机械紧固件以及在该框架结构上的这些紧固件的间距。在该组件上的水泥铠装面板的剥离强度以及该水泥铠装面板组件的防爆特性还取决于剪切值，这些剪切值进而取决于在该框架上所使用的每单位面积的水泥铠装面板上紧固件的数目(面板的大小)。
水泥材料的使用
本发明的选择的实施方案适合于制造廉价的结构面板，例如用于车辆连同固定结构的薄的混凝土铠装面板。由于本发明的实施方案的改进的韧性以及强度，结构铠装面板可以被成型或挤出为一个在此之前不切实际的厚度。例如，面板可以被生产成适应人力便携性的大小和厚度。这些人力便携的面板可以被配置为用于附接到一个结构框架上以抵抗轻便武器射击的侵入并且缓和爆炸以及碎裂的影响。
均对使用多种保护性的材料，范围是从土壤覆盖至昂贵的、高性能的、轻质防爆陶瓷。适当配置的本发明的一个实施方案提供了除人力便携产品之外用于武力保护的一种廉价的解决方案。本发明的多个实施方案的应用包括但不限于用于军用以及政府应用：结合到廉价防爆铠装件中的高性能混凝土；轻质结构形状，例如板、通道、管道、管件、I-以及WF-区段；连接件；保护性构造；防爆面板；破碎式弹药的保护；车辆上部装甲；防止强行进入的结构元件以及类似物。
对于商业性使用者：建筑构造产品，例如屋瓦、墙板、地砖以及类似物；轻质结构形状，例如板、通道、管道、管件、I-以及WF-区段、耐飓风以及旋风的结构元件、防止强行进入的结构元件，以及类似物。
实例：
本发明的水泥组合物的流动特性以及自流平行为使用塌落度试验进行表征。在以下实验中所使用的塌落度试验利用了垂直保持在一个光滑的塑料表面上的直径5.08cm(2英寸)长度10.16cm(4英寸)的一个空心圆筒。将该圆筒使用水泥混合物填充到顶部接着刮去顶表面以除去过量的浆料混合物。然后将这个圆筒轻轻地垂直地提起以允许浆料从底部出来并且分布到塑料表面上一形成一个圆形的饼。然后测量该饼的直径并且记录为该材料的塌落度。具有良好的流动行为的组合物产生了一个更大的塌落度值。
为了利用常规的高性能制造方法来生产基于水泥的产物，所希望的是具有小于12.7cm(5英寸)的塌落度值的水泥浆料，因为具有大于12.7cm(5.0英寸)的塌落度值的浆料使用常规的生产方法极其难以处理和加工。
不同的原料变量对流动特性以及自流平行为的影响使用在以下所述的实例中的塌落度试验进行确定。
实例1
塌落度通过以下方式进行测量：将浆料倾倒入一个直径为2英寸的筒中，该筒的高为4英寸(两端开口并且直立在一个光滑的表面上)并且将该浆料的顶部匀平。这对于每个试验提供了一个设定的体积。然后将该筒立即提起并且浆料冲出该筒的开放的底端。这个动作形成了一个浆料的圆“饼”。该饼的直径以英寸测量并且记录。更多的流体浆料将典型地产生更大直径的饼。
表3示出了硅砂含量作为无机矿物填充剂对水泥混合物的塌落度的影响。在不同的混合物中的其他原料保持不变。正如结果所示，水泥混合物的塌落度随着混合物中硅砂含量的增加而降低。
表3至7的混合物的典型的配方在以上讨论的表1中示出。
表3
Figure BPA00001213372700361
实例2
表4示出了硅砂的颗粒大小对水泥混合物的塌落度的影响。使用了两种类型的硅砂，第一种具有约200微米的中值粒径并且第二种具有约10微米的中值粒径。其他的原料保持不变。如表中所示，水泥混合物的塌落度随着组合物中较细的硅砂颗粒的使用而显著地降低了。
表4
Figure BPA00001213372700362
实例3
表5示出了硅灰火山灰微填充剂含量对所具有的所有其他原料都保持不变的水泥混合物的塌落度的影响。可以观察到，水泥混合物的塌落度随着混合物中硅灰含量的增加而降低。
表5
Figure BPA00001213372700363
Figure BPA00001213372700371
实例4
表6示出了自流平剂对水泥混合物的塌落度的影响。使用了两种类型的化学混合物，基于聚羧酸酯以及聚萘磺酸盐化学物的化合物，其中剩余的其他材料不变。包含基于聚羧酸酯化学的混合物的混合物塌落度显著地高于含有基于聚萘磺酸盐添加剂的混合物。
表6
Figure BPA00001213372700372
例如，对于混合物9，对于每100重量份的总的波兰特水泥以及硅灰存在3.0重量份的自流平剂。
实例5
表7示出了聚羧酸酯自流平剂的含量对在其他方面相同的混合物的塌落度值的影响。可以看出，塌落度随着混合物中所使用的试剂的量的增加而增加。
表7
Figure BPA00001213372700373
实例6
表8示出了本发明的自流平水泥组合物的抗压强度。可以观察到，这些混合物产生了超高的抗压强度，典型地超过20,000psi。
塌落度的测量方式为：通过将一个4英寸高乘以2英寸直径的黄铜的筒中填充该混合物，将该筒的顶部边缘匀平以除去过量的材料，将该筒在5秒内提起以允许浆料展开并且测量所形成的浆料饼的直径。抗压强度根据ASTM C 109中的测试方法在2英寸的立方体上测量。塌落度损失以及抗压强度再次经过达7小时以及达7天的时段分别进行测量。还在加速的固化条件下对这些混合物的抗压强度进行评估，其中将7天长的样品浸没在在140F(60C)下的水中，随后在通风烘箱中在175F(79.4C)下干燥4天，随后进行冷却以及测试。
表8
Figure BPA00001213372700381
Figure BPA00001213372700391
实例7
使用本发明的自流平水泥组合物用耐碱的玻璃纤维使用喷射成型法制造了纤维增强的基于水泥面板。
在喷射成型法中，将该浆料与玻璃纤维以若干种方式结合，目的是获得一种均匀的混合物。这些玻璃纤维典型地将处于切碎成短的长度的粗纱的形式。在一个优选的实施方案中，将该浆料以及切碎的玻璃纤维同时喷射到一个面板模具中。优选地，在多次穿行(pass)中进行喷射以生成多个薄层，优选高达约0.25英寸厚，它们被累积成不具有特定模式但是具有1/4至1英寸厚度的一个均匀的面板。例如在一种应用中，使用在长度和宽度方向上六次穿行的喷射制造了一个3×5英尺的面板。随着每个层的沉积，可以使用一个辊来确保浆料与玻璃纤维实现了紧密接触。这些层在旋转步骤之后可以用匀平棒或其他合适的手段来流平。
典型地，将使用压缩空气来雾化该浆料。当它从喷嘴出现时，浆料与已经通过安装在该喷枪上的切碎机构的旋转而切断的玻璃纤维进行混合。然后使浆料与玻璃纤维的均匀混合物如上所述沉积在面板模具中。
所制造的面板的标称厚度是英寸并且在面板中玻璃纤维的体积分数是3％。表9示出了纤维增强的、自流平的、超高强度的水泥组合物的弯曲性能。将表9中的配方与表8中的混合物17相混合。这些面板的弹性模量超过5000ksi，这几乎是全密度常规强度混凝土材料的弹性模量的两倍。纤维增强的面板的挠曲强度是大于3000psi。对于模量使用ASTM C1325测试方法并且对于挠曲强度使用ASTM C947测试方法。
表9
Figure BPA00001213372700401
使用三乙醇胺(TEA)和酒石酸的实例
提供了以下的实例来说明使用处于适当剂量的优选的烷醇胺、三乙醇胺以及优选的酸、酒石酸的混合物的益处。所有的混合物都包含相对重量比为0.85至0.15的波特兰水泥以及硅灰作为水泥组分以及相对于水泥组分重量比为1.05至1.00的硅砂作为填充剂。使用了相对于水泥组分重量比为0.22至1.00的水。将羧基化的聚醚超增塑剂、三乙醇胺(TEA99低游离等级(LFG)(85％)的TEA以及15％的水)以及酒石酸的指定的化学混合物按以下实例中列出的量加入以控制混合物流动性、凝固时间以及强度增量。
在一个Hobart混合器中高速混合之前，将所有的成分在密封的塑料袋中在75-80°F下预调节至少24小时以实现均匀的分散。混合物中温度的升高通过使用嵌入每种混合物的350g样品中并且连接到一个数据采集系统上的热电偶来测量。初始以及最终凝固时间使用Gilmore针根据ASTM C 266中的方法来确定。
塌落度以及抗压强度根据实例6中以上所描述的测试方法来确定。
实例8
根据以上程序使用按水泥组分的重量计3％的超增塑剂(以控制混合物的流动性)以及按水泥组分的重量计0％(对比)、0.15％、以及0.30％的水平的酒石酸制备了三种混合物。没有向这些样品混合物中加入TEA。混合物的塌落度确定为对于对照是7.5英寸(19.1cm)，对于包含0.15％的酒石酸的混合物是10.3英寸(26.2cm)，并且对于包含0.30％的酒石酸的混合物是10.8英寸(27.4cm)。
图3示出了在流延之后的前30个小时的过程中混合物的温度上升行为。图3示出了与在约10小时处固化的对照混合物相比，具有加入的酒石酸的混合物在前24个小时的过程中没有显示出凝固。
图4示出了对于高达7天的抗压强度增加。图4示出了与对照相比，混合之后在第一个七天内，具有酒石酸的混合物具有更低的抗压强度增加速度，但是与对照相比(19065psi)，在7天时，0.15％以及0.30％的酒石酸混合物实现了更高的强度(分别为19346psi和23759psi)。
实例9
在这个实例中，对加入酒石酸以及TEA的组合的效果进行了评估。所有的混合物都包含处于实例8的比例的水泥组分、水以及超增塑剂并且将TEA以按波特兰水泥的重量计的0.045％加入所有混合物中。酒石酸是该水泥组分的按重量计的0％、0.30％以及0.40％。这些混合物的塌落度被测量为对于对照以及0.30％和0.40％的酒石酸样品分别是5.9英寸(15.0cm)、9.9英寸(25.1cm)、以及9.3英寸(23.6cm)。对这些混合物的塌落度损失进行测量并且在图5中示出。图5示出了向TEA中加入酒石酸产生了混合物在额外的2-3小时上的延长的流动性，随后对于0.30％的酒石酸混合物急速下降到约2小时的流动性并且对于0.40％的酒石酸混合物为3至3.5小时，随后发生凝固。
与对照相比，这一延长时段的可加工性允许有足够的时间使面板成型并且在铺装线中切割，同时，在3-4小时的塌落度损失之后立即凝固允许了这些面板在成型后的传输以及处理而不会下垂。没有酒石酸的混合物在混合之后的前半小时内经历了迅速的塌落度损失并且保持为一种厚的塑料状态直至它在约10-11小时处发生凝固。
图6示出了三种混合物在流延后前30小时内的温度升高行为。这示出了包含酒石酸的混合物相对更快的凝固。
图7示出了试验混合物在混合之后经过前2-3天的抗压强度增加。酒石酸混合物显示出了更慢的强度增加，这允许有更多的时间对这些面板进行最终加工。7天时，两种酒石酸混合物都达到了比对照混合物高约10％的强度。对于0％、0.30％和0.40％的酒石酸混合物的加速的强度分别是22549、22847以及20418psi。
实例10
使用水泥组分以及水以类似于在实例8以及9中的比例来制备混合物。加入按水泥组分的重量计0.40％的酒石酸并且加入按波特兰水泥的重量计0.045％的TEA。超增塑剂(SP)的量按水泥组分的重量计1％、2％以及3％而变化。所得的混合物的塌落度对于1％、2％以及3％的SP混合物分别是8.8英寸(22.4cm)、9英寸(22.9cm)、以及10.3英寸(26.2cm)。对于适当的浆料可加工性，塌落度优选是在5-7英寸的范围内(12.7-17.8cm)。因此，SP的水平可以降低到1％，即，当酒石酸以试验量加入混合物中时，它仅是其他组合物实施方案中的初始量的三分之一。
图8示出了混合物的塌落度损失。具有1％的SP的混合物保持其流动性约20分钟，接着塌落度迅速下降，并且最后在约2.5小时处凝固。包含更多SP的混合物其流动性保持了更长的时段，但是它们的塌落度也迅速下降，接着混合物凝固。
图9示出了在流延之后的前30小时的过程中这些混合物的温度行为，其中用更高水平的SP阻止了温度升高。
图10示出了这些混合物的抗压强度增加，其中在这些混合物中没有可测量的差别。对于1％、2％以及3％SP的混合物，加速的强度分别是约26145psi、25714psi以及19096psi。
超高强度水泥复合材料具有的1天抗压强度为优选小于4000psi，更优选小于3000psi，并且最优选小于2000psi，并且28天之后以及更晚时间抗压强度超过20,000psi至30,000psi，这些复合受控制的抗压强度增加的速度的要求，并且具有一个最优选的受控制的抗压强度增加，其中这些水泥复合材料具有5天为小于4000psi的抗压强度，并且最优选5天之后小于2000psi，并且28天以及更晚时间后抗压强度是最多10,000psi并且优选超过15,000psi，更优选超过20,000psi并且更优选超过25,000至30,000psi。
实例11
用基于水泥组分按重量计1.5％的SP以及按波特兰水泥的重量计0.045％水平的TEA以类似于实例8-10中所描述的比例制造包含水泥组分以及水的混合物。酒石酸含量按水泥组分的重量计以0.40％、0.80％以及2.0％变化。混合物的塌落度对于0.40％、0.80％以及2.0％的酒石酸混合物分别是8.8英寸(22.4cm)、8.9英寸(22.6cm)、以及7.8英寸(19.8cm)。
图11示出了这些混合物的塌落度损失行为。图12示出了温度上升。如图11以及12所示，具有大于0.80％的酒石酸含量的混合物仍是塑性的并且没有在前24小时内凝固。
图13示出了这些混合物的抗压强度增加，其中具有0.80％至2.0％的酒石酸的混合物具有一个更低的强度增加的速度。从处理和最终加工的观点来看这是边际性地适当的，尤其是在成型后的前几个小时内。对于具有0.40％、0.80％以及2.0％的酒石酸的混合物，加速的强度分别是26478psi、24543psi、以及1057psi。具有2.0％的酒石酸的混合物不具有可接受的强度增加。
实例12
本发明的铠装面板的一个优选的实施方案在图1中示出，该面板具有用不连续的耐碱性玻璃纤维增强的高密度的、超高强度的水泥内芯以及一个叠层材料，该叠层材料是由嵌入树脂中的连续玻璃纤维组成并且通过一种粘合剂(例如聚氨酯粘合剂)粘附性地粘合到该水泥内芯的两个表面上。
用耐碱性玻璃纤维增强的半英寸厚的、超高强度的水泥内芯面板是根据以上实例使用一种连续方法制造的。在该面板中纤维的标称体积分数是3.0％。将所制造的这些面板用砂纸磨光并且将玻璃纤维增强的聚合物(FRP)叠层材料使用聚氨酯粘合剂粘合到水泥表面上。将这些面板在三点荷载试验中在24英寸的跨度上测试弯曲。对这些面板测试经受不同调节方案的面板的挠曲性能。结果在表10中示出。
表10
Figure BPA00001213372700431
如以上表10中所示，这些面板实现了优异的挠曲强度性能，在所有的情况下均超过8000psi。
根据本发明使用表11中的配方来制备水泥铠装面板以用于测试撞击多个单独的面板或一组堆叠在一起的面板的一个弹射体的速度衰减。
表11
Figure BPA00001213372700432
Figure BPA00001213372700441
图14示出了撞击多个单独的面板或一组堆叠在一起的面板的一个标准大小的弹射体的面密度对比速度衰减的曲线图。面密度是每单位面积的测试面板的质量。图14代表了对于本发明的未饰面的面板(使用玻璃纤维增强物)与使用钢纤维的未饰面的面板相比的速度衰减。所以，图14代表了具有玻璃纤维的本发明的非常高密度的水泥材料与具有钢纤维的标准密度的水泥材料的对比。如图14中的曲线所示，本发明的表11的铠装水泥内芯面板，甚至在其表面上没有增强FRP叠层材料增强皮层，提供了比常规的钢纤维增强的水泥铠装面板更好的速度衰减。
图15示出了本发明的饰面的面板(使用玻璃增强物)与本发明的未饰面的面板(使用玻璃增强物)相比的速度衰减。所以，图15代表了本发明的面板使用饰面或不使用饰面的对比。所示出的数据说明了就速度衰减而言饰面的加入对面板的影响。图15中的曲线图示出了撞击具有表11的配方的两个、三个以及四个水泥铠装面板(这些面板具有位于水泥内芯面板两个表面上具有Kemlite
Figure BPA00001213372700442
织物玻璃纤维增强的聚酯叠层材料的一种纤维增强的表皮层)与撞击具有类似数目的堆叠的水泥内芯面板(这些面板具有相同的水泥内芯结构但是不具有纤维增强的饰面层)相比的弹射体的速度衰减。这说明了使用饰面的面板与没有饰面层的面板相比，所达到的速度衰减的百分比的显著提高，特别是当使用多个面板时。
实例13
该实例强调了在SP以及酒石酸之间对于向该配方给予流动性以及自流平行为上的相对的重要性。对水泥组分和水的比例与之前实例中的那些相似的五种混合物进行评估，并且其中SP和酒石酸处于在表12中所示出的含量：
Figure BPA00001213372700451
TEA以按波特兰水泥的重量计0.045％的比例用在所有混合物中。这些混合物的塌落度在图16中示出。在此可以看到尽管通过加入酒石酸提供了增加的流动性，但是单有这种添加剂不足以得到该混合物的合适的流动性以及可加工性。生产了没有SP的、坚硬的、非流动性的混合物。图17示出了混合物1的塌落度损失，它的表现与以上实例中描述的混合物的方式相类似。对于这些混合物，还使用Gillmore针对凝固时间(初始以及最终)进行了测量。这些结果在图18中示出，其中，可以看到酒石酸的含量超过了0.80％，混合物的凝固显著地延长了(如也在以上实例中所示出)。
实例14
图19示出了本发明的水泥铠装面板(没有叠层材料)与从美国石膏公司可得的并且通过授予Tonyan等人的美国专利申请公开号2006/0174572制造的结构水泥面板(也没有叠层材料)(通过引用结合在此)的比较。图19代表了本发明的未饰面的面板(使用玻璃增强物)与饰面的结构水泥面板(使用玻璃增强物)的对比。这是非常高强度的、高密度的内芯组合物与较低密度内芯的对比，其中该较低密度的内芯具有在2000-3000psi范围内的抗压强度，以及在70-80pcf范围内的密度。图19代表了高密度、高强度的内芯(具有玻璃增强物)与标准强度的内芯(具有玻璃纤维物)相比对速度衰减的影响。
尽管已经对本发明的具体实施方案进行了展示和说明，本领域的技术人员应理解到，可以对其做出多种改变和变更而不在本发明更宽的方面以及如在以下权利要求书中所提出的背离本发明。

Claims (11)

1.一种水泥铠装面板系统，包括：
一个框架；
支撑在该框架上的一种防爆的水泥面板，
该防爆的水泥铠装面板包括：
一种水泥内芯，该水泥内芯包括一个连续相，该连续相是产生自一种水性混合物的固化，该水性混合物是：
25-45重量％的无机水泥粘合剂，
不存在硅石粉，
35-65重量％的具有150-450微米的颗粒大小的无机矿物填充剂，
5-15重量％的具有小于或等于50微米的中值粒径的火山灰填充剂，
0.25-5.0重量％的基于聚羧酸酯的自流平剂，以及
6-12重量％的水，
其中水性混合物的各组分含量之和为100重量％，以及包括
附接到该固化的连续相的至少一个表面上的一个表皮层。
2.如权利要求1所述的系统，其中该水泥内芯包括按该水泥内芯的体积计0.5-6.0％的量值的、在该连续相固化之前均匀分布在该连续相中的增强纤维。
3.如权利要求1所述的系统，其中当固化时，该水泥面板具有大于25,000psi的抗压强度。
4.如权利要求1所述的系统，其中该表皮层是一种玻璃纤维增强的塑料。
5.如权利要求1所述的系统，其中该火山灰填充剂与无机水泥粘合剂的重量比是0.05至0.30∶1.0；
其中无机矿物填充剂与无机水泥粘合剂和火山灰填充剂的结合重量的重量比是0.75至1.50∶1.O；
其中水与该无机水泥粘合剂和火山灰填充剂的干反应性粉末的结合重量的重量比是小于或等于0.35∶1.0。
6.如权利要求1所述的系统，其中将多个夹子附接到一个框架上，该框架具有一个通道，该通道用于容纳在该框架的至少一个表面上的一种铺砌结构中的这些水泥面板。
7.如权利要求6所述的系统，其中所述框架为金属框架。
8.如权利要求1所述的系统，包括所述框架，在该框架的一侧的一个第一面板，在该框架的一个相反侧的一个第二面板，以及在该框架中该第一以及第二面板之间形成的空腔中的一种填充材料，其中该填充材料是选自下组，其组成为：混凝土、砂、多孔混凝土，以及轻质骨料。
9.如权利要求1所述的系统，其中存在多于一种框架结构并且这些水泥面板被附接到这些框架结构的相反侧。
10.如权利要求1所述的系统，其中该系统包括以一种板支架的形状形成的多个框架，这些框架具有连接这些框架结构的多个交叉支撑件，并且该面板被置入由附接到该框架上的多个夹子形成的多个通道之中。
11.如权利要求1所述的系统：
其中该水泥内芯包括该连续相，该连续相是产生自该水性混合物的固化，该水性混合物是：
25-45重量％的无机水泥粘合剂，
不存在硅石粉，
35-65重量％的具有250-350微米的颗粒大小的无机矿物填充剂，
5-15重量％的具有小于或等于0.1微米的中值粒径的火山灰填充剂，
1.0-1.25重量％的基于聚羧酸酯的自流平剂，
三乙醇胺，其量值为该水泥粘合剂的按重量计0.025wt.％至0.075wt.％，
酒石酸，其量值为该水泥粘合剂以及火山灰填充剂的结合重量的按重量计0.40wt.％至0.60wt.％，以及
6-12重量％的水，
其中水性混合物的各组分含量之和为100重量％，
该水泥内芯还包括其量值为按该水泥内芯的体积计3.0-3.5％的、在该连续相固化之前均匀地分布在该连续相中的增强玻璃纤维，并且
其中该表皮层包括附接到该固化的连续相的至少一个表面上的一个玻璃纤维增强的塑料表皮层。
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