добавка с обработанной поверхностью к бетонной смеси с портландцементом

Формула изобретения

1. Композиция из добавки с обработанной поверхностью для включения в вяжущий состав, содержащий портландцемент и воду, до схватывания состава, включающая добавку, имеющую поверхность, обработанную полимером, где полимер является сурфактантом и включает гидрофобный компонент, состоящий из звеньев окиси пропилена, и гидрофильный компонент, где гидрофильный компонент расположен на одном или более концах полимера.

2. Композиция по п.1, где добавка содержит силикат.

3. Композиция по п.2, где силикат является в значительной степени инертным материалом.

4. Композиция по п. 2, где силикат содержит волокнистый материал для армирования вяжущего состава.

5. Композиция по п.2, где силикат содержит дополнительный вяжущий материал.

6. Композиция по п.2, где силикат содержит силикат кальция.

7. Композиция по п.2, где силикат содержит метасиликат кальция.

8. Композиция по п.2, где силикат содержит волластонит.

9. Композиция по п.8, где состав, кроме того, содержит дополнительный вяжущий материал.

10. Композиция по п.8, где полимер содержит сополимер, включающий звенья окиси пропилена и звенья окиси этилена.

11. Композиция по п.10, где гидрофильный компонент полимера включает аминогруппу, расположенную на одном или более концах полимера.

12. Композиция по п.11, где полимер является полиоксиалкиленамином и где гидрофильный компонент полимера включает две аминогруппы, расположенные на двух концах полимера.

13. Композиция по п.10, где гидрофильный компонент полимера включает гидроксильную группу, расположенную на одном или более концах полимера.

14. Композиция по п.13, где полимер является полиалкиленгликолем и где гидрофильный компонент полимера включает одну гидроксильную группу, расположенную на одном конце полимера.

15. Композиция по п.8, где полимер является полиоксипропиленамином и где гидрофильный компонент включает аминогруппу, расположенную на одном или более концах полимера.

16. Композиция по п.15, где полимер является простым полиалкилэфирамином и где гидрофильный компонент полимера включает три аминогруппы, расположенные на трех концах полимера.

17. Композиция по п.15, где полимер является полиоксипропилендиамином и где гидрофильный компонент полимера включает две аминогруппы, расположенные на двух концах полимера.

18. Композиция по п.8, где полимер свободен от оксисилангруппы.

19. Композиция по п.8, где композиция из добавки с обработанной поверхностью содержит приблизительно 2 - 5 вес.% полимера.

20. Способ получения добавки для включения в вяжущий состав, содержащий портландцемент и воду, до схватывания состава, при этом добавка имеет поверхности, способ включает стадию обработки поверхностей добавки полимером, где полимер является сурфактантом и включает гидрофобный компонент, содержащий звенья окиси пропилена, и гидрофильный компонент, где гидрофильный компонент расположен на одном или более концах полимера.

21. Способ по п.20, где добавка содержит силикат.

22. Способ по п.21, где силикат является в значительной степени инертным материалом.

23. Способ по п.21, где силикат содержит волокнистый материал для армирования вяжущего состава.

24. Способ по п.21, где силикат содержит дополнительный вяжущий материал.

25. Способ по п.21, где силикат содержит силикат кальция.

26. Способ по п.21, где силикат содержит метасиликат кальция.

27. Способ по п.21, где силикат содержит волластонит.

28. Способ по п.27, где состав, кроме того, содержит дополнительный вяжущий материал.

29. Способ по п.27, где полимер содержит сополимер, включающий звенья окиси пропилена и звенья окиси этилена.

30. Способ по п.29, где гидрофильный компонент полимера включает аминогруппу, расположенную на одном или более концах полимера.

31. Способ по п. 30, где полимер является полиоксиалкиленамином и где гидрофильный компонент полимера включает две аминогруппы, расположенные на двух концах полимера.

32. Способ по п.29, где гидрофильный компонент полимера включает гидроксильную группу, расположенную на одном или более концах полимера.

33. Способ по п.32, где полимер является полиалкиленгликолем и где гидрофильный компонент полимера включает одну гидроксильную группу, расположенную на одном конце полимера.

34. Способ по п.27, где полимер является полиоксипропиленамином и где гидрофильный компонент включает аминогруппу, расположенную на одном или более концах полимера.

35. Способ по п.34, где полимер является простым полиалкил эфирамином и где гидрофильный компонент полимера включает три аминогруппы, расположенные на трех концах полимера.

36. Способ по п.34, где полимер является полиоксипропилендиамином и где гидрофильный компонент полимера включает две аминогруппы, расположенные на двух концах полимера.

37. Способ по п.27, где полимер свободен от оксисилангрупп.

38. Способ по п. 27, где добавку обрабатывают полимером для получения композиции из добавки с обработанной поверхностью, содержащей приблизительно 2 - 5 вес.% полимера.

39. Способ получения вяжущего состава, содержащего портландцемент, воду и композицию из обработанной с поверхности добавки, включающий стадии: а) обработки поверхностей добавки полимером для получения композиции из обработанной с поверхности добавки, где полимер является сурфактаном и включает гидрофобный компонент, содержащий звенья окиси пропилена, и гидрофильный компонент, где гидрофильный компонент расположен на одном или более концах полимера, и b) объединения прортландцемента, воды и композиции из обработанной с поверхности добавки с целью получения состава.

40. Способ по п.39, где добавка содержит силикат.

41. Способ по п.40, где силикат является в значительной степени инертным материалом.

42. Способ по п.40, где силикат содержит волокнистый материал для армирования вяжущего состава.

43. Способ по п.40, где силикат содержит дополнительный вяжущий материал.

44. Способ по п.40, где силикат содержит силикат кальция.

45. Способ по п.40, где силикат содержит метасиликат кальция.

46. Способ по п.40, где силикат содержит волластонит.

47. Способ по п.46, где состав, кроме того, содержит дополнительный вяжущий материал.

48. Способ по п.46, где полимер содержит сополимер, включающий звенья окиси пропилена и звенья окиси этилена.

49. Способ по п.48, где гидрофильный компонент полимера включает аминогруппу, расположенную на одном или более концах полимера.

50. Способ по п. 49, где полимер является полиоксиалкиленамином и где гидрофильный компонент полимера включает две аминогруппы, расположенные на двух концах полимера.

51. Способ по п.48, где гидрофильный компонент полимера включает гидроксильную группу, расположенную на одном или более концах полимера.

52. Способ по п.51, где полимер является полиалкиленгликолем и где гидрофильный компонент полимера включает одну гидроксильную группу, расположенную на одном конце полимера.

53. Способ по п.46, где полимер является полиоксипропиленамином и где гидрофильный компонент включает аминогруппу, расположенную на одном или более концах полимера.

54. Способ по п.53, где полимер является простым полиалкил эфир амином и где гидрофильный компонент полимера включает три аминогруппы, расположенные на трех концах полимера.

55. Способ по п.53, где полимер является полиоксипропилендиамином и где гидрофильный компонент полимера включает две аминогруппы, расположенные на двух концах полимера.

56. Способ по п.46, где полимер свободен от оксисилангрупп.

57. Способ по п.46, где добавку обрабатывают полимером так, что композиция из добавки с обработанной поверхностью содержит приблизительно 2 - 5 вес.% полимера.

58. Вяжущий состав, включающий портландцемент, воду и добавку, где добавка имеет поверхности, которые обрабатывают до включения добавки в вяжущий состав полимером, где полимер является сурфактантом и включает гидрофобный компонент, содержащий звенья окиси пропилена, и гидрофильный компонент, где гидрофильный компонент расположен на одном или более концах полимера.

59. Состав по п.58, где добавка содержит силикат.

60. Состав по п.59, где силикат является в значительной степени инертным материалом.

61. Состав по п.59, где силикат содержит волокнистый материал для армирования вяжущего состава.

62. Состав по п.59, где силикат содержит дополнительный вяжущий материал.

63. Состав по п.59, где силикат содержит силикат кальция.

64. Состав по п.59, где силикат содержит метасиликат кальция.

65. Состав по п.59, где силикат содержит волластонит.

66. Состав по п.65, где состав кроме того содержит дополнительный вяжущий материал.

67. Состав по п.65, где полимер содержит сополимер, включающий звенья окиси пропилена и звенья окиси этилена.

68. Состав по п.67, где гидрофильный компонент полимера включает аминогруппу, расположенную на одном или более концах полимера.

69. Состав по п. 68, где полимер является полиоксиалкиленамином и где гидрофильный компонент полимера включает две аминогруппы, расположенные на двух концах полимера.

70. Состав по п.67, где гидрофильный компонент полимера включает гидроксильную группу, расположенную на одном или более концах полимера.

71. Состав по п.70, где полимер является полиалкиленгликолем и где гидрофильный компонент полимера включает одну гидроксильную группу, расположенную на одном конце полимера.

72. Состав по п.65, где полимер является полиоксипропиленамином и где гидрофильный компонент включает аминогруппу, расположенную на одном или более концах полимера.

73. Состав по п.72, где полимер является простым полиалкилэфирамином и где гидрофильный компонент полимера включает три аминогруппы, расположенные на трех концах полимера.

74. Состав по п.72, где полимер является полиоксипропилендиамином и где гидрофильный компонент полимера включает две аминогруппы, расположенные на двух концах полимера.

75. Состав по п.65, где полимер не включает оксисилангруппы.

76. Состав по п.65, где поверхности добавки обработаны приблизительно между двумя и пятью весовыми процентами полимера.

Описание изобретения к патенту

Данное изобретение касается добавки для включения в вяжущий состав, содержащий портландцемент и воду. Изобретение также касается способа получения добавки и способа получения вяжущего состава, состоящего из портландцемента, воды и добавки.

Обоснование изобретения

Бетон, вяжущий состав, известен как один из наиболее универсальных и широко выпускаемых строительных материалов в мире. Бетон представляет собой гель, являющийся дисперсным усиленным композиционным материалом с керамической растворной частью, состоящий из строительного раствора и заполнителя. Строительный раствор обычно включает гидравлический цемент, такой как портландцементный клинкер (полуфабрикат для изготовления цемента), вместе с водой и песком. В бетоне песок и щебень превращаются в частицы, диспергированные в многофазной растворной части портландцементного теста, включающей клинкер и воду.

Портландцементный клинкер является сравнительно безводным, так что ему свойственно проявлять сродство к воде. Таким образом, когда к клинкеру добавляют воду, клинкер реагирует с водой, образуя цементное тесто. Найденные в цементном тесте химические продукты этой реакции обеспечивают прочность и сцепляемость бетона. С течением времени цемент дополнительно гидратируется, что дает большее число реакционных продуктов. Поэтому прочность и сцепление вяжущего состава или цемента с течением времени обычно увеличиваются.

Известно, что хотя бетон относительно прочен при сжатии, он имеет тенденцию превращаться в бетон несколько более низкого класса по прочности на сжатие и, следовательно, на изгиб. Хотя увеличение количества цементного клинкера или дополнительных вяжущих материалов, как обсуждается ниже, в бетоне может усиливать прочность бетона на растяжение и на изгиб, наряду с прочностью на сжатие, это может приводить к несколько завышенной стоимости и может создавать проблемы для поддержания заданного водоцементного отношения. Например, хорошо известно, что в обычных бетонах прочность на изгиб может составлять порядка 15% или 1/7 от прочности на сжатие. Поэтому для каждого заданного повышения прочности на изгиб на единицу прочности (такую, как 1 МПа) прочность на сжатие должна быть повышена на 7 единиц прочности (7 МПа).

В результате промышленность ищет другие пути усиления бетона с целью повышения его прочности и, в частности, его прочности на растяжение и на изгиб. Один из путей состоит во включении стальных арматурных стержней в бетон для обеспечения требуемой прочности на растяжение и на изгиб. Бетон требует как высокощелочной среды, которая совместима со сталью, так и физического барьера (заграждения) для защиты стали от внешнего воздействия окружающей среды.

В последние годы промышленностью разработан также ряд добавок, которые добавляют к бетону или объединяют с бетоном с целью улучшения различных свойств бетона, включающих его прочность на растяжение, изгиб и сжатие. Повышающие прочность добавки являются твердыми веществами, которые могут быть либо инертными, такими, что простое их присутствие в бетоне усиливает его прочность, либо активными (реакционноспособными), так что добавка вовлекается в образование реакционных продуктов, которые придают бетону прочность и другие желательные свойства.

Отходы, такие как зола-унос, доменный шлак и уплотненная летучая кремнеземная пыль, являются одной из таких групп, повышающих прочность активных добавок, которые часто вводят в бетон. Добавление таких отходов приводит к снижению количества цемента, требуемого в смесь для получения бетона, что может приводить к окупаемости капиталовложений.

Однако многие из добавок, включая вышеуказанные отходы, являются силикатами, которые склонны проявлять в различной степени гидрофильные свойства. В результате, использование этих добавок часто требует повышения содержания воды в бетоне. Кроме того, отходы являются обычно тонкими или очень тонкими порошками, которые также повышают водопотребность бетона благодаря большим площадям их поверхностей. Поэтому при включении этих добавок в бетон обычно требуется добавлять большее количество воды, что приводит к увеличению водоцементного отношения в бетоне. Для того чтобы бетон был пригодным для работы, минимальное водоцементное отношение, или предпочтительный интервал водоцементных отношений, должны учитывать собственную гидратацию цемента. Однако предпочтительно свести избыток воды к минимуму, поскольку слишком высокое водоцементное отношение будет снижать прочность бетона и оказывать другие неблагоприятные воздействия на его свойства.

Водоцементное отношение (отношение массы воды к массе сухого цемента) является одним из наиболее важных параметров при оценке свойств затвердевшего бетона. Теоретически для полной гидратации клинкера необходимо водоцементное отношение порядка 0,23. Однако общий объем воды, содержащейся в порах геля бетона, увеличивает водопотребность приблизительно на 0,19, что приводит для полной гидратации к требованию теоретического общего минимального водоцементного отношения порядка 0,42. Однако практически часто из-за ряда факторов, для получения пригодной для работы смеси требуется дополнительное количество воды. Требуемое для получения пригодной для работы смеси водоцементное отношение должно быть тщательно обдумано в свете известных нежелательных воздействий избыточного количества воды в бетоне и высоких водоцементных отношений.

Любой избыток воды в смеси приводит к возникновению промежутков между исходными частицами цемента и между цементом и любым заполнителем. Эти пространства не заполняются полностью гелем, а скорее образуют сеть "капиллярных пор", заполненных водой. Как указано, желательно добавлять к бетону количество воды, достаточное для получения пригодной для работы смеси, сводя при этом к минимуму капиллярные поры. Итак, требуется балансировка между пригодностью бетона для работы и вредным воздействием капиллярных пор на свойства бетона. Кроме того, в связи с природными гидрофильными свойствами многих добавок, проблемы, связанные с наличием капиллярных пор, и проблемы, связанные с достижением "правильного" баланса, обычно усугубляются, поскольку добавки могут требовать добавления большего количества воды для получения пригодного для работы бетона. При повышении процентного содержания добавок в виде тонких частиц обычно требуется большее количество воды для получения пригодной для работы смеси и, таким образом, водоцементное отношение увеличивается.

Балансировка между пригодностью для работы бетонной смеси и водоцементным отношением бетонной смеси может быть до некоторой степени выполнена путем использования пластифицирующих агентов и пластифицирующих агентов высокого класса (суперпластификаторов), которые обычно добавляют к бетонной смеси в жидкой или порошкообразной форме перед укладкой бетона. Эти пластификаторы заставляют компоненты бетонной смеси временно отталкивать друг друга, тем самым снижая водопотребление бетонной смеси. К сожалению, это действие не является селективным и приводит к тому, что большая часть добавляемого к бетонной смеси пластификатора используется на создание эффекта в компонентах бетонной смеси, таких как крупный заполнитель и песок, которые никаким образом не определяют высокие водопотребности смеси. Поскольку эти компоненты, как правило, составляют большой процент от общего расчетного веса смеси, видно, что обычное использование пластификаторов не является эффективным путем снижения водопотребностей бетонной смеси. Это, вместе с высокой стоимостью некоторых пластификаторов (особенно, суперпластификаторов) и иногда нежелательными побочными эффектами (такими как замедление ухода за бетонной смесью, т. е. выдерживания бетонной смеси), связанными с их использованием, демонстрирует потребность в альтернативных способах снижения минимального требуемого водоцементного отношения для получения пригодной для работы бетонной смеси.

Существует также промышленная необходимость в добавке для включения в вяжущий состав, содержащий портландцемент и воду, такой как бетон, которая улучшила бы свойства состава и, в частности, его прочность, но не повлекла за собой недостатки или не вызвала проблемы, связанные с использованием обычных добавок (такие как необходимость в повышенных водоцементных отношениях для получения пригодного для работы состава). Другими словами, добавка приводит к улучшенным свойствам при схватывании, но без существенного увеличения требуемого водоцементного отношения. А именно, существует необходимость в добавке для включения в вяжущий состав, которая бы мало впитывала воды из состава во время его укладки, но была бы способна принимать участие в составе во время отверждения составом, следующего за укладкой. Вдобавок, существует промышленная необходимость получения такой добавки и разработки способа получения вяжущего состава, содержащего портландцемент, воду и добавку.

Краткое описание изобретения

Данное изобретение касается добавки для включения в вяжущий состав, содержащий портландцемент и воду, которая улучшает свойства состава, такие как прочность, но не влечет за собой недостатки, как правило, связанные с использованием обычной добавки, такие как необходимость в повышенных водоцементных отношениях, для получения пригодного для работы состава. Другими словами, добавка предпочтительно приводит к улучшенным свойствам вяжущего состава при отверждении, но без существенного увеличения требуемого водоцементного отношения состава. Конкретно, изобретение касается добавки для включения в вяжущий состав, обработанной так, что она мало впитывает воды из состава во время его укладки, но способна принимать участие в составе при отверждении состава, следующего за укладкой. Добавка может принимать участие в составе при отверждении состава, либо реагируя химически с компонентами состава или с промежуточными продуктами реакции, содержащимися в составе, в случае активных добавок, либо за счет физического сцепления с составом в случае инертных добавок. Кроме того, изобретение касается способа получения добавки и способа получения вяжущего состава, включающего портландцемент, воду и добавку.

Согласно первому аспекту изобретения оно касается добавки для включения в вяжущий состав, содержащий портландцемент и воду, перед схватыванием состава, добавка включает обработанную с поверхности добавку, где поверхности добавки обрабатывают веществом, оказывающим временное гидрофобное воздействие на добавку, это воздействие временно делает добавку более гидрофобной на период времени, следующий за включением добавки в состав, так что входящая в состав вода меньше впитывается добавкой во время укладки состава, и, следовательно, приемлемой для получения пригодного для работы состава; и так, что добавка восстанавливает свои природные свойства после укладки состава, вследствие чего добавка участвует в составе во время отверждения состава.

Во втором аспекте изобретение касается способа получения добавки для включения в вяжущий состав, содержащий портландцемент и воду, перед схватыванием состава. Способ включает стадию обработки поверхностей добавки веществом, оказывающим временное гидрофобное воздействие на добавку, это воздействие временно делает добавку более гидрофобной (на период времени, следующий за включением добавки в состав, так что входящая в состав вода меньше впитывается добавкой во время укладки состава) и, следовательно, приемлемой для получения пригодного для работы состава; и так, что добавка восстанавливает свои природные свойства после укладки состава, что дает возможность добавке участвовать в составе во время отверждения состава.

Согласно третьему аспекту изобретения изобретение включает способ получения вяжущего состава, содержащего портландцемент, воду и добавку, включающий стадии:

(а) обработки поверхностей добавки веществом, оказывающим временное гидрофобное воздействие на добавку, для получения добавки с обработанной поверхностью, и

(b) включения добавки с обработанной поверхностью в портландцемент и воду с целью получения состава;

в котором это воздействие временно делает добавку более гидрофобной на период времени, следующий за включением добавки с обработанной поверхностью в портландцемент и воду, так что вода меньше впитывается добавкой во время укладки состава и, следовательно, приемлемой для получения пригодного для работы состава; и так, что добавка восстанавливает свои природные свойства после укладки состава, что позволяет добавке принимать участие с портландцементом и водой во время отверждения состава.

Хотя согласно первому, второму и третьему аспектам изобретения для вяжущего состава может быть использована любая добавка, изобретение дает наибольшую пользу и выгоду в случае, когда добавка по своей природе является хотя бы немного гидрофильной. Кроме того, добавка может состоять из любого вещества или материала, способного выполнять предназначенную добавке функцию, а именно способного улучшать свойства вяжущего состава. В предпочтительном варианте воплощения добавкой является силикат, определяемый согласно назначению по данному изобретению как любой минерал или другое природное или синтетическое твердое вещество, содержащее кремний, и известное как силикат.

Силикат может состоять из реакционноспособного материала, такого как дополнительный вяжущий материал. Предпочтительно дополнительный вяжущий материал выбирают из группы, включающей пуццолан, гидравлический (твердеющий в воде) материал и их смеси. Силикат может также состоять из инертного материала. В предпочтительном варианте воплощения силикат состоит из волокнистого материала для армирования вяжущего состава. Более конкретно, силикат состоит из силиката кальция и предпочтительно из метасиликата кальция. В предпочтительном варианте воплощения силикат состоит из волластонита. Кроме того, в предпочтительном варианте воплощения, при котором силикат состоит из волластонита, состав может также содержать дополнительный вяжущий материал, который выбирают из группы, включающей пуццолан, гидравлический материал и их смеси.

Это вещество может быть любым веществом, способным к поверхностной обработке поверхностей добавки и оказывающим гидрофобное воздействие на добавку. Предпочтительно вещество состоит, по меньшей мере, из одного органического оксида, имеющего, по меньшей мере, три углеродных атома. Вещество может также состоять из сурфактанта (поверхностно-активного вещества), включающего гидрофобный компонент, содержащий органический оксид, по меньшей мере, с тремя углеродными атомами.

Вещество предпочтительно состоит из полимера, включающего, по меньшей мере, один алкиленоксид, по меньшей мере, с тремя углеродными атомами. Алкиленоксид предпочтительно состоит из окиси пропилена, и полимер может дополнительно включать окись этилена. В предпочтительном варианте воплощения полимер состоит из алкиленгликоля, простого полиалкилэфирамина, оксиалкиленамина или оксипропилендиамина. Полимер может также включать смесь любых этих соединений.

Вещество обрабатывает добавку с поверхности таким образом, что оказывает временное гидрофобное воздействие на добавку. Преимущественно вещество покрывает добавку, но не образует с ней химической связи и не реагирует каким-либо иным химическим способом. В результате, временное гидрофобное воздействие только временно делает добавку более гидрофобной на период времени, следующий за включением добавки в состав.

Наконец, может быть использовано любое количество вещества, способного эффективно обрабатывать или покрывать поверхность добавки для достижения временного гидрофобного эффекта. Минимальное требуемое количество вещества будет зависеть от конкретного вещества, от природы конкретной добавки и от мелкозернистости и формы частиц добавки. Однако в предпочтительном варианте исполнения добавку обрабатывают таким количеством вещества, чтобы полученная добавка с обработанной поверхностью включала приблизительно от двух до пяти весовых процентов этого вещества.

Подробное описание

Данное изобретение касается добавки для включения в вяжущий состав, содержащий портландцемент и воду, до схватывания состава. Портландцемент и воду обычно смешивают для получения цементного теста. Далее цементное тесто обычно смешивают с песком для получения строительного раствора и дополнительно смешивают с заполнителем (таким как булыжник, камень или гравий) для получения бетона. Таким образом, в рамках изобретения, вяжущий состав может быть цементным тестом, строительным раствором, бетоном или любым другим составом, включающим портландцемент и воду. Однако предпочтительно вяжущий состав является бетоном.

Бетон является дисперсным усиленным композиционным материалом с керамической матрицей. Песок и заполнитель включают частицы, диспергированные в многофазной матрице цементного теста. Бетон, а также любые другие вяжущие составы являются гелями, представляющими собой однородные смеси твердых гидратов и прослоечную воду, содержащуюся в заполненных водой пространствах, называемых прослоечными пространствами или гелевыми порами. Обычно гелевые поры вяжущего состава в значительной степени заполнены сильно щелочным раствором с pH приблизительно между 12,6 и 13,8.

В целях данного изобретения термин "портландцемент" включает то, что обычно известно как портландцементный клинкер, равно как любые другие гидравлические цементы, обладающие свойствами, аналогичными свойствам портландцементного клинкера. Обычно портландцементный клинкер включает несколько безводных оксидов, главным образом трикальций-силикат (C₃S) и дикальций-силикат (C₂S) с небольшими количествами трикальций-алюмината (C₃A) и кальций-алюминоферрита (C₄AF). Клинкер может также включать небольшие количества соединений магния, натрия, калия и серы.

При смешивании цементного клинкера с водой для получения цементного теста клинкер гидратируется. По мере протекания гидратации микроструктура постепенно изменяется от негидратированного цементного клинкера, воздуха и воды до получения пористых матриц из продуктов реакции гидратации, упоминаемых как гель. Гидратация клинкера дает цементное тесто, включающее различные продукты реакции. Цементное тесто главным образом включает гидрат кальций-силиката. Гидрат кальций-силиката преимущественно отвечает за прочность теста и его цементирующие свойства. Цементное тесто включает также гидроокись кальция и другие продукты реакции, не дающие существенного вклада в прочность цементного теста. Процесс гидратации и образования реакционных продуктов, известный как "отверждение", начинается с добавления к клинкеру воды и может не завершиться в течение многих лет или не завершиться совсем.

Добавку включают в вяжущий состав перед схватыванием состава. До момента достижения затвердевшего состояния вяжущий состав подвергается постепенному загустеванию, связанному с реакциями гидратации или продуктами в цементном тесте. Этот процесс называется "схватыванием".

По данному изобретению добавка, которую включают в вяжущий состав, является твердым веществом, обработанным с поверхности веществом, оказывающим временное гидрофобное воздействие на добавку. Конкретной добавкой может служить любая добавка, которая может быть добавлена к вяжущему составу в целях улучшения или усиления одного или более свойств (или характеристик) вяжущего состава. Добавка может даже быть портланцементным клинкером. В предпочтительном варианте практической реализации изобретения выбирают добавку, которая будет усиливать или повышать прочность вяжущего состава и предпочтительно его прочность на растяжение и на изгиб. Поскольку данное изобретение направлено на то, чтобы сделать добавку временно более гидрофобной, изобретение дает наибольшую пользу и выгоду, когда добавка по своей природе является хотя бы немного гидрофильной, и в нем нет необходимости, когда добавка по своей природе в некоторой степени гидрофобна.

Предпочтительно добавка включает силикат, природно обладающий некоторым гидрофильным свойством. Для целей настоящего изобретения термин "силикат" включает любой минерал или другое природное или синтетическое твердое вещество, содержащее кремний и известное как силикат.

Силикат может состоять из реакционноспособного материала, такого как дополнительный вяжущий материал. Дополнительные вяжущие материалы являются материалами, которые либо реагируют с продуктами реакций гидратации цемента, либо сами по себе являются гидравлическими материалами. Другими словами, дополнительные вяжущие материалы являются активными добавками. Дополнительные вяжущие материалы составляют две группы материалов: пуццоланы и гидравлические материалы. Таким образом, согласно изобретению дополнительные вяжущие материалы могут быть выбраны из группы, включающей пуццолан, гидравлический материал и их смеси. Без проведения поверхностной обработки дополнительных вяжущих материалов согласно изобретению включение этих материалов в вяжущий состав обычно требует добавления дополнительного количества воды к вяжущему составу для того, чтобы он был пригоден для работы, и может часто приводить к связанным с этим проблемам.

Пуццоланы являются кремнистыми или кремнистыми и алюминатными (глиноземистыми) материалами, которые сами по себе обладают слабой вяжущей способностью или не обладают ею совсем. Однако они реагируют с продуктами реакции гидратации цемента. Более конкретно, пуццоланы склонны к реакции с гидроокисью кальция (CA(OH)₂), не вносящей существенного вклада в прочность вяжущего состава, давая дополнительно гидрат кальций-силиката, который дает существенный вклад в прочность и сцепление вяжущего состава. Поскольку пуццоланы вносят вклад в прочность и сцепление вяжущего состава, количество цемента в цементирующем составе может быть снижено. Кроме того, пуццоланы обычно являются отходами в форме тонкого порошка. К примеру, пуццоланы включают вулканический пепел, золу-унос (отход, полученный при сжигании угля, такой как в энергетической установке с угольной топкой) и тонкую кремнеземную пыль (отход от производства силикона или различных силиконовых сплавов).

Гидравлические материалы способны реагировать непосредственно с водой, давая дополнительно гидрат кальций-силиката, вносящий существенный вклад в прочность и сцепление вяжущего состава. Поскольку, гидравлические материалы способствуют прочности и сцеплению вяжущего состава, количество цемента в вяжущем составе может быть снижено. Гидравлические материалы включают портландцемент, но обычно могут быть отходами в форме тонкого порошка. К примеру, гидравлические материалы включают доменный шлак (отход от производства чугуна).

Каждый из дополнительных вяжущих материалов предпочтительно включают в вяжущий состав либо путем добавления его к цементному тесту, либо вмешивая его в портландцемент, с целью частичной замены портландцемента, перед добавлением воды, для получения цементного теста. Поскольку эти дополнительные вяжущие материалы являются обычно отходами, требующими удаления на свалку, вдобавок к усилению и улучшению свойств вяжущего состава, их включение в вяжущий состав также приносит пользу с точки зрения окружающей среды.

Силикат может также включать в достаточной степени инертный материал, такой как обычный крупный или тонко измельченный заполнитель для бетона, трепел (инфузорная земля) (который может также обладать свойствами пуццолана и гидравлическими свойствами и может, таким образом, быть активным), кварцит и другие природные или синтетические минералы или вещества, содержащие силикон, каждый из которых может быть включен в вяжущий состав либо путем добавления его к цементному тесту, либо вмешиванием его в портландцемент, перед добавлением воды, для получения цементного теста.

Предпочтительно, силикат состоит из достаточно инертного волокнистого материала для армирования вяжущего состава и повышения прочности на изгиб. Волокнистый материал предпочтительно состоит из дискретных волокон, совместимых с влажно-щелочной средой цементного теста. Эти волокна включаются в вяжущий состав так, что волокна могут повышать прочность вяжущего состава. Как указано, эти волокна главным образом или в значительной степени инертны, и они не реагируют химически с другими компонентами вяжущего состава. Скорее, улучшенные свойства вяжущего состава и, в частности, прочность на изгиб являются прямым результатом присутствия волокон в составе. Таким образом, специфическое воздействие любого волокнистого материала на свойства вяжущего состава может определяться одним или более природными свойствами конкретных волокон, содержанием волокна (процентом по объему от вяжущего состава) и способом включения волокнистого материала в вяжущий состав.

Волокнистый материал может быть включен в вяжущий состав на любой стадии до схватывания состава или может быть заранее смешан с портландцементом. Предпочтительно добавку вводят в состав так, что ориентация волокна в трех измерениях преимущественно произвольная, так что эффективность армирования одинаковая по всем направлениям. Волокнистый материал может быть включен в вяжущий состав любым образом или любым способом.

Волокнистый материал предпочтительно состоит из силиката кальция и более желательно из метасиликата кальция. В предпочтительном варианте воплощения метасиликат кальция состоит из волластонита, распространенного в природе минерала.

Волластонит является представителем пироксеноидной группы минералов. Чистому волластониту, имеющему химическую формулу CaSiO₃, обычно соответствует состав 48,3% CaO и 51,7% SiO₂. Однако волластонит редко находят в чистой форме и некоторое количество кальция может быть заменено на железо, магний, марганец или стронций. Волластонит в основном химически инертен и имеет высокое природное pH. Инертность волластонита и уникальная игольчатость его кристаллов делают волластонит особенно полезным в качестве армирующего материала в вяжущих составах.

Благодаря его способности к расщеплению волластонит разрушается во время дробления и размалывания на подобные опилкам, или щепкообразные, или иглообразные волокна, или частицы разнообразной игольчатости. Игольчатость волокон или частиц определяется соотношением их длины:ширины или длины:диаметра (известным как аспектное отношение). В данном изобретении могут быть использованы волокна любого размера или аспектного отношения. Однако найдено, что наилучшие результаты в плане улучшенной прочности на изгиб вяжущего состава достигаются доведением до минимума размера волокон волластонита и доведением до максимума их аспектного отношения. К примеру, найдено, что вяжущий состав, содержащий волокна волластонита, имеющие средневесовую ширину порядка 40 микрон, обладает лучшими прочностными свойствами на изгиб, чем вяжущий состав, содержащий волокна волластонита со средневесовой шириной порядка 100 микрон. К тому же, измельчение волластонита во время получения до меньших размеров может способствовать отделению волокон волластонита от жильного минерала, приводя таким образом к более эффективной очистке волластонита. Исходя из экономических соображений найдено, что для некоторых отложений волластонита оптимальная средневесовая ширина волокон волластонита составляет порядка 75 микрон, поскольку волокна волластонита, измельченные до такого размера, могут обычно быть относительно эффективно отделены от жильного минерала и расщепление их до такого размера сравнительно экономично. Однако эта оптимальная ширина может варьироваться в зависимости от источника отложения волластонита, поскольку каждое отложение волластонита может обладать различными характеристиками. Для лучших результатов при измельчении волластонита до заданного размера следует обратить внимание на то, чтобы сохранить насколько возможно высоким аспектное отношение с целью повышения армирующих свойств волокон волластонита в вяжущем составе.

Найдено, что включением волластонита в вяжущий состав способом, разработанным для данного изобретения, может быть увеличена прочность на изгиб вяжущего состава и в особенности долговременная прочность на изгиб. В частности, некоторые тесты показывают, что прочность на изгиб вяжущего состава, содержащего обработанный с поверхности волластонит, превосходит прочность на изгиб вяжущего состава, содержащего не обработанный с поверхности волластонит, даже когда в обеих смесях используются пластифицирующие агенты. Некоторые тесты показывают также, что, когда волластонит используется в комбинации с некоторым количеством дополнительного вяжущего материала, такого как зола-унос, прочность на изгиб вяжущего состава может быть существенно повышена (без требования соответствующего повышения вышеуказанной прочности на сжатие) по сравнению с прочностью на изгиб, которой может достичь состав, содержащий поверхностно-обработанный волластонит, но не содержащий дополнительного вяжущего материала. В частности, некоторые результаты испытаний показывают возможность вяжущих составов, содержащих поверхностно-обработанный волластонит и не обработанную с поверхности золу-унос, давать повышения долговременной прочности на изгиб до 30 процентов и выше по сравнению с вяжущими составами, не содержащими каких-либо прочностных добавок, или по сравнению с вяжущими составами, включающими только дополнительные вяжущие материалы. Хотя эта улучшенная прочность на изгиб достигается путем поверхностной обработки только волластонита, а не дополнительного вяжущего материала, еще более выгодные результаты могут быть возможны при поверхностной обработке как волластонита, так и дополнительного цементирующего материала в соответствии с данным изобретением. Найдено также, что в некоторых случаях сочетание волластонита и дополнительного цементирующего материала улучшает пригодность вяжущего состава к отделке.

Как указано, добавка является обработанной с поверхности. А именно, поверхности добавки обрабатывают веществом, оказывающим временное гидрофобное воздействие на добавку. Таким образом, вещество является специально отобранным или выбранным по способности оказывать временное гидрофобное воздействие на особую добавку, требующую обработки. Другими словами, добавка и вещество должны быть совместимы, при этом выбранное вещество должно быть способно оказывать временное гидрофобное воздействие на выбранную добавку при обработке поверхностей добавки.

Если добавка по своей природе является гидрофильной, то временное гидрофобное воздействие вещества предназначено для того, чтобы на время сделать добавку более гидрофобной, с тем, чтобы ослабить или понизить ее сродство к воде. Нет необходимости делать добавку полностью гидрофобной, так чтобы она совсем не имела сродства к воде, поскольку добавку делают более гидрофобной по сравнению с ее природным состоянием. Однако предпочтительно, чтобы обработанная с поверхности добавка обладала существенной или значительной степенью гидрофобности. Поскольку имеется в виду, что эффект должен быть временным, по изобретению не могут быть использованы вещества, вносящие постоянные изменения в природную гидрофильность добавки. По существу, по истечении периода времени добавка должна быть способной восстанавливать свои природные свойства, включая природное гидрофильное свойство.

Как специфическое вещество, так и количество вещества, используемого для обработки добавки, выбирают так, чтобы временно сделать добавку более гидрофобной, на период времени, следующий за включением добавки в вяжущий состав. Чем больше количество вещества, используемого для обработки добавки, тем длиннее период времени до того, как временный гидрофобный эффект будет уничтожен. Необходимый период времени будет зависеть от количества времени, требуемого или подходящего для того, чтобы позволить осуществить правильное смешивание и укладку вяжущего состава. Другими словами, промежуток времени должен обеспечивать достаточный период, в течение которого вяжущий состав будет пригодным для работы. В течение периода времени, на который добавка становится временно более гидрофобной, вода, входящая в вяжущий состав, меньше впитывается добавкой. Предпочтительно этот эффект должен существовать во время укладки вяжущего состава, но начинать уменьшаться вскоре после этого, с тем, чтобы добавка имела возможность восстановить свои природные свойства и начать участвовать в отверждении состава как можно скорее.

Участие добавки в вяжущем составе во время отверждения состава может осуществляться любым образом, методом или способом, посредством которого добавка в любой форме воздействует на свойства вяжущего состава. Однако, как правило, добавка является либо активной, либо инертной. Если добавка является активной, то она обычно взаимодействует с вяжущим составом во время отверждения, вступая в реакцию либо с входящей в состав водой, либо с продуктами реакции, полученными или образовавшимися в ходе предшествующих реакций между портландцементом и водой, давая дополнительные продукты реакции. Если добавка является инертной, ее участие в вяжущем составе во время схватывания состава обычно ограничивается тем, что обеспечивает дополнительный компонент или элемент вяжущего состава, такой как армирующий материал, так что вяжущий состав схватывается и затвердевает около добавки. Присутствие инертной добавки только вносит вклад в свойства состава.

Добавка может быть обработана с поверхности веществом любым образом, с применением любого способа или приема обработки поверхности, совместимого как с конкретным используемым для обработки веществом, так и с обрабатываемой добавкой. Однако предпочтительно вещество пропитывает добавку, покрывая слоем ее поверхности, но не образует с ней химической связи и не реагирует с добавкой каким-либо иным химическим способом. Слой вещества может быть нанесен на поверхности добавки любым совместимым способом или приемом, способным прочно распределить эффективный слой вещества по всем поверхностям.

Вещество, которое химически связывается с добавкой, может быть использовано только когда химическое связывание является временным, то есть обратимым, или химическое связывание никоим образом не препятствует временному гидрофобному эффекту. Однако химическое связывание вещества с добавкой может превратить добавку в постоянно гидрофобную, таким образом уничтожая длительные полезные действия добавки в бетоне тем, что не позволяет добавке принимать участие в составе во время его отверждения. В результате, вещества, которые химически связываются с добавкой, обычно не отвечают требованиям к применению по данному изобретению. Этот предполагаемый эффект был обнаружен, когда некоторые оксисиланы были исследованы на возможность применения в качестве потенциального вещества для поверхностной обработки добавки с результатом, состоящим в том, что вещества, содержащие оксисилановые группы не пригодны для применения по данному изобретению. Вещество, которое иначе химически реагирует с добавкой, может либо вызвать распад или разрушение добавки, либо может также сделать добавку постоянно гидрофобной и поэтому также не удовлетворяет требованиям к применению по данному изобретению.

Временный характер гидрофобного воздействия вещества может быть достигнут по любому механизму или химической реакции. К примеру, вещество может разрушаться или разлагаться некоторым образом с течением времени, так что элементы распада вещества оказываются дольше не способными поддерживать гидрофобный эффект и тем самым гидрофобное воздействие вещества останавливается. Или же, иначе, вещество просто может само некоторым образом высвобождаться с поверхностей добавки с течением времени, так что добавка дольше не остается покрытой слоем вещества и вещество дольше не может оказывать гидрофобного воздействия на добавку. В каждом случае, разложение или высвобождение может быть вызвано, усилено или облегчено щелочной средой или щелочной природой вяжущего состава. К примеру, в случае веществ, состоящих из полимеров, включающих окись пропилена теоретически можно предсказать, что сильная щелочная среда цементного геля приведет к тому, что полимер станет нерастворимым и таким образом высвободится с добавки, оставив добавку не покрытой слоем полимера.

Минимальным количеством вещества, требуемым для обработки добавки, является количество, которое способно обеспечивать или давать заданный временный гидрофобный эффект на данной конкретной добавке. Другими словами, требуемым количеством является количество, способное эффективно обработать по существу все поверхности добавки. Применения избыточного количества вещества или количества, значительно большего, чем минимальное требуемое количество, следует избегать с целью сведения к минимуму стоимости поверхностной обработки и с целью минимизации периода времени, за который гидрофобный эффект на добавке уничтожится.

В предпочтительном варианте исполнения количество вещества, используемого для получения поверхностно-обработанной добавки, составляет приблизительно от двух до пяти весовых процентов вещества. Количество вещества ниже 2 вес. % может быть не эффективным для достижения временного гидрофобного эффекта, тогда как количество выше 5 вес.% может отрицательно воздействовать, давая кратковременную прочность вяжущего состава, и может сделать добавку более трудной в обращении до ее включения в вяжущий состав. Реально требуемое минимальное количество вещества, будет зависеть от природы и свойств вещества и добавки и от степени измельчения и формы добавки. Предпочтительно максимальное используемое количество вещества должно быть таким, чтобы обработанная с поверхности добавка была похожа на необработанную добавку как внешне, так и по эксплуатационным характеристикам.

Вещество предпочтительно состоит из одного или более органических веществ и, в частности, предпочтительно состоит, по меньшей мере, из одного органического оксида, имеющего, по меньшей мере, три углеродных атома. Установлен характерный факт, что органические оксиды, имеющие, по меньшей мере, три углеродных атома, по природе склонны быть более гидрофильными, чем гидрофобными, по причине относительно большего содержания гидрофильного кислорода, входящего в эти оксиды. Высшие органические оксиды, имеющие три или более атомов углерода, содержат пропорционально малое количество кислорода и поэтому склонны по природе быть более гидрофобными, чем гидрофильными. Таким образом, вещества, содержащие только органические оксиды менее чем с тремя углеродными атомами, потенциально не пригодны для применения в качестве вещества по изобретению ввиду их гидрофильной природы. Однако вещество может также включать поверхностно-активный агент, или сурфактант, имея как гидрофобный компонент, так и гидрофильный компонент. В таком случае гидрофобный компонент предпочтительно состоит из органического оксида, имеющего, по меньшей мере, три углеродных атома, тогда как гидрофильный компонент может включать любой гидрофильный компонент или составляющую, такую как карбоксилаты, фосфаты, сульфонаты, сульфаты, спирты, гликоли, амины, полиамины или органические оксиды, имеющие менее трех углеродных атомов.

Органический оксид, имеющий, по меньшей мере, три углеродных атома, может быть получен из насыщенных, ненасыщенных или ароматических углеводородов или из их производных. Однако вещество должно также быть способным наделять добавку временным гидрофобным эффектом. Следовательно, некоторые органические оксиды могут быть не пригодными для предназначенной функции, потому что они не способны достичь заданного эффекта. К примеру и как указано выше, найдено, что оксисиланы, оказывается, наделяют добавку постоянной гидрофобностью. В результате, обработанная оксисиланами добавка и, в частности, обработанный оксисиланами волластанит обладает низкой потребностью в воде, но обеспечивает недолговременное повышение прочности на изгиб для вяжущего состава, что подтверждает непригодность волластонита восстанавливать свои природные свойства, включающие его гидрофильность. Поэтому органические оксиды, содержащие оксисилановые группы, могут быть непригодны для применения в качестве вещества. Другие органические оксиды могут быть непригодны по аналогичным причинам.

Хотя некоторые высшие органические оксиды могут сами по себе иметь достаточно высокий молекулярный вес, чтобы составлять "вещество", вещество обычно состоит из полимера, для того, чтобы обеспечить молекулярный вес вещества, достаточно высокий для того, чтобы способствовать экономичной и эффективной обработке поверхности добавки. В предпочтительном варианте исполнения вещество является полимером, включающим звенья окиси пропилена. Кроме того, в предпочтительном варианте воплощения полимер является сурфактантом, дополнительно включающим органический оксид менее чем с тремя углеродными атомами, такой как звенья окиси этилена, или сурфактантом, дополнительно включающим амин, полиамин или гликоль.

В предпочтительном варианте воплощения, когда добавка состоит из волластонита, полимер предпочтительно состоит, по меньшей мере, из одного из указанных ниже четырех полимеров, включая их смеси.

Во-первых, вещество может состоять из полимера алкиленгликоля. По химическому составу полиалкиленгликоль представляет собой монобутиловый эфир полиалкиленгликоля, имеющий следующую химическую формулу:

C₄H₉(OCH₂CH₂) [OCH₂CH(CH₃)]_yOH

Этот полимер производится Union Carbide Canada Inc. и промышленно выпускается под торговой маркой UCON как UCON Lubricant 50-НВ-660.

Во-вторых, вещество может состоять из полимера амин-простого эфира с алкилом. Химический состав полиамин-простого эфира с алкилом следующий: поли(окси(метил-1,2-этандиил)), альфа-гидроомега-(2-аминометилметокси)-, простой эфир с 2- этил-2-(гидроксиметил)-1,3-пропандиолом (3:1).

Этот полимер производится Huntsman и промышленно выпускается под торговой маркой JEFFAMINE как JEFFAMINE T-403.

В-третьих, вещество может состоять из полимера оксиалкиленамина. Химический состав полиоксиалкиленамина следующий: оксиран, метил-, полимер с простым оксиран, бис(2-аминопропил) эфиром.

Этот полимер производится Huntsman и промышленно выпускается под торговой маркой JEFFAMINE как JEFFAMINE ED-600.

В-четвертых, вещество может состоять из полимера оксипропилендиамина. Химический состав полиоксипропилендиамина: поли(окси(метил 1-1,2-этандиил)), альфа-(2-аминометилэтил) омега-(2-аминометилэтокси).

Этот полимер также производится Huntsman и промышленно выпускается под торговой маркой JEFFAMINE как JEFFAMINE D-230.

В JEFFAMINE полимерах буква, связанная с торговой маркой JEFFAMINE (D или T) обозначает функциональность (ди-или три-) данного продукта, тогда как номер обозначает приблизительный средний молекулярный вес. Так, к примеру, D-230 обозначает диамин с молекулярным весом приблизительно 230.

Любые другие вещества, способные оказывать вышеуказанное временное гидрофобное воздействие, могут быть использованы в качестве вещества для обработки поверхности. Такие другие вещества могут включать полимеры, включающие только звенья окиси пропилена, полимеры или иные вещества, включающие другие органические оксиды, содержащие, по меньшей мере, три углеродных атома, или сурфактанты, включающие окись пропилена или иные органические оксиды, имеющие, по меньшей мере, три углеродных атома, в качестве гидрофобного компонента, и включающие карбоксилаты, фосфаты, сульфонаты, сульфаты, спирты, гликоли, амины, полиамины, органические оксиды, имеющие менее трех углеродных атомов, или другие гидрофильные составляющие в качестве гидрофильного компонента.

Следует понимать, что точный характер входящих в состав изобретения химических процессов полностью не ясен. Поэтому практическая часть изобретения не рассматривается как ограничиваемая включенными здесь теоретическими выкладками.

Следующий пример служит более полной иллюстрацией изобретения (см. в конце описания). В примере следующие параметры смеси рассматриваются как константы:

1. содержание песка - 956 грамм

2. содержание крупного заполнителя - нет

3. содержание золы-уноса - 119 грамм

4. содержание цемента - 306 грамм

5. волластонит (где присутствует) - 42,5 грамм

6. воздухо-вовлекающая добавка - 0,5 миллилитра.