[RU]

1. Способ изготовления цементированного композитного изделия, предназначенного для использования в качестве замены древесных пиломатериалов, в котором смешивают воду, волокна и модификатор реологии, выбранный из группы, состоящей из полисахаридов, протеинов, целлюлозы, крахмалов, метилгидроксиэтилцеллюлозы, гидроксиметилэтилцеллюлозы, карбоксиметилцеллюлозы, метилцеллюлозы, этилцеллюлозы, гидроксиэтилцеллюлозы, гидроксипропилцеллюлозы, амилпектина, амилозы, агарового геля, ацетатов крахмала, гидроксиэфиров крахмала, ионных крахмалов, алкидных крахмалов с длинными цепями, декстринов, аминовых крахмалов, фосфатных крахмалов, диальдегидных крахмалов, глины и их комбинаций, для формирования волокнистой смеси, в которой волокна распределены, по существу, однородно, затем добавляют гидравлический цемент в волокнистую смесь для получения экструдируемого цементирующего состава, имеющего пластичную консистенцию и содержащего модификатор реологии в концентрации примерно от 0,1 до 10% от влажного объема, и волокна в концентрации более примерно 5% от влажного объема; экструдируют экструдируемый цементирующий состав, получая промежуточный сырой экструдат, имеющий заранее определенную площадь поперечного сечения, обладающий формоустойчивостью сразу же после экструзии и способный в целом сохранять площадь поперечного сечения для обеспечения проведения с ним работ без его повреждения, после чего нагревают полученный сырой экструдат до температуры, превышающей 65°С, но не превышающей 99°С, для обеспечения выдерживания гидравлического цемента.

2. Способ по п.1, в котором нагревают указанный сырой экструдат до температуры, превышающей 70°С, но не превышающей 99°С, для удаления части воды испарением и уменьшения плотности экструдата.

3. Способ по п.1, в котором волокна добавляют в количестве, превышающем примерно 7% от влажного объема экструдируемого цементирующего состава.

4. Способ по п.1, в котором волокна добавляют в количестве, превышающем примерно 8% от влажного объема экструдируемого цементирующего состава.

5. Способ по п.2, в котором получают экструдируемый состав, в котором номинальное соотношение "вода/цемент", превышающее примерно 0,75 перед нагреванием, и фактическое соотношение "вода/цемент" менее примерно 0,5 после испарения части воды.

6. Способ по п.1, в котором экструдируют экструдируемый цементирующий состав вокруг по меньшей мере одного упрочняющего элемента, выбранного из группы, состоящей из арматурного профиля, проволоки, сетки и ткани, так, чтобы, по меньшей мере, частично инкапсулировать упрочняющий элемент внутри сырого экструдата.

7. Способ по п.1, в котором экструдируют указанный сырой экструдат, образуя в нем по меньшей мере одно непрерывное отверстие, обладающее формоустойчивостью, затем вводят арматурный профиль и связующее вещество в непрерывное отверстие, пока еще цементированное композитное изделие находится в формоустойчивом сыром состоянии или, по меньшей мере, частично выдержано, после чего прикрепляют арматурный профиль к поверхности непрерывного отверстия посредством связующего вещества.

8. Способ по п.1, в котором дополнительно придают цементированному композитному изделию форму отделочной доски.

9. Способ по п.1, в котором дополнительно обрабатывают цементированное композитное изделие с получением строительного изделия для замены деревянного строительного изделия, форму которого выбирают из группы, состоящей из стержня, бруса, трубы, цилиндра, доски, двутавровой балки, столба общего назначения, отделочной доски, профиля размером 2 ×4 дюйма, конструкционной доски, профиля размером 1 ×8 дюйма, панели, плоского листа, кровельной черепицы и пустотелой доски.

10. Способ по п.1, в котором дополнительно обрабатывают формоустойчивый сырой экструдат и (или) цементированное композитное изделие посредством по меньшей мере одного процесса, выбранного из группы, состоящей из гибки, резки, распиливания, шлифовки, фрезерования, текстурирования, строгания, полировки, зеркальной полировки, предварительного сверления отверстий, окраски и протравливания.

11. Способ по п.1, в котором повторно используют часть отходов сырого экструдата, полученных в результате его обработки, и при этом объединяют отходы сырого экструдата с экструдируемым цементирующим составом.

12. Способ по п.1, в котором цементирующий состав экструдируют сквозь отверстие мундштука и (или) посредством экструзии через валки.

13. Способ по п.1, в котором дополнительно используют тиснение штампом или ударное прессование промежуточного сырого экструдата.

14. Способ по п.1, в котором цементирующий состав достигает по меньшей мере 100% своей прочности за период 40 ч.

15. Способ по п.1, в котором цементирующий состав достигает по меньшей мере 100% своей прочности за период 24 ч.

(57) Реферат / Формула:

1. Способ изготовления цементированного композитного изделия, предназначенного для использования в качестве замены древесных пиломатериалов, в котором смешивают воду, волокна и модификатор реологии, выбранный из группы, состоящей из полисахаридов, протеинов, целлюлозы, крахмалов, метилгидроксиэтилцеллюлозы, гидроксиметилэтилцеллюлозы, карбоксиметилцеллюлозы, метилцеллюлозы, этилцеллюлозы, гидроксиэтилцеллюлозы, гидроксипропилцеллюлозы, амилпектина, амилозы, агарового геля, ацетатов крахмала, гидроксиэфиров крахмала, ионных крахмалов, алкидных крахмалов с длинными цепями, декстринов, аминовых крахмалов, фосфатных крахмалов, диальдегидных крахмалов, глины и их комбинаций, для формирования волокнистой смеси, в которой волокна распределены, по существу, однородно, затем добавляют гидравлический цемент в волокнистую смесь для получения экструдируемого цементирующего состава, имеющего пластичную консистенцию и содержащего модификатор реологии в концентрации примерно от 0,1 до 10% от влажного объема, и волокна в концентрации более примерно 5% от влажного объема; экструдируют экструдируемый цементирующий состав, получая промежуточный сырой экструдат, имеющий заранее определенную площадь поперечного сечения, обладающий формоустойчивостью сразу же после экструзии и способный в целом сохранять площадь поперечного сечения для обеспечения проведения с ним работ без его повреждения, после чего нагревают полученный сырой экструдат до температуры, превышающей 65°С, но не превышающей 99°С, для обеспечения выдерживания гидравлического цемента.

2. Способ по п.1, в котором нагревают указанный сырой экструдат до температуры, превышающей 70°С, но не превышающей 99°С, для удаления части воды испарением и уменьшения плотности экструдата.

3. Способ по п.1, в котором волокна добавляют в количестве, превышающем примерно 7% от влажного объема экструдируемого цементирующего состава.

4. Способ по п.1, в котором волокна добавляют в количестве, превышающем примерно 8% от влажного объема экструдируемого цементирующего состава.

5. Способ по п.2, в котором получают экструдируемый состав, в котором номинальное соотношение "вода/цемент", превышающее примерно 0,75 перед нагреванием, и фактическое соотношение "вода/цемент" менее примерно 0,5 после испарения части воды.

6. Способ по п.1, в котором экструдируют экструдируемый цементирующий состав вокруг по меньшей мере одного упрочняющего элемента, выбранного из группы, состоящей из арматурного профиля, проволоки, сетки и ткани, так, чтобы, по меньшей мере, частично инкапсулировать упрочняющий элемент внутри сырого экструдата.

7. Способ по п.1, в котором экструдируют указанный сырой экструдат, образуя в нем по меньшей мере одно непрерывное отверстие, обладающее формоустойчивостью, затем вводят арматурный профиль и связующее вещество в непрерывное отверстие, пока еще цементированное композитное изделие находится в формоустойчивом сыром состоянии или, по меньшей мере, частично выдержано, после чего прикрепляют арматурный профиль к поверхности непрерывного отверстия посредством связующего вещества.

8. Способ по п.1, в котором дополнительно придают цементированному композитному изделию форму отделочной доски.

9. Способ по п.1, в котором дополнительно обрабатывают цементированное композитное изделие с получением строительного изделия для замены деревянного строительного изделия, форму которого выбирают из группы, состоящей из стержня, бруса, трубы, цилиндра, доски, двутавровой балки, столба общего назначения, отделочной доски, профиля размером 2 ×4 дюйма, конструкционной доски, профиля размером 1 ×8 дюйма, панели, плоского листа, кровельной черепицы и пустотелой доски.

10. Способ по п.1, в котором дополнительно обрабатывают формоустойчивый сырой экструдат и (или) цементированное композитное изделие посредством по меньшей мере одного процесса, выбранного из группы, состоящей из гибки, резки, распиливания, шлифовки, фрезерования, текстурирования, строгания, полировки, зеркальной полировки, предварительного сверления отверстий, окраски и протравливания.

11. Способ по п.1, в котором повторно используют часть отходов сырого экструдата, полученных в результате его обработки, и при этом объединяют отходы сырого экструдата с экструдируемым цементирующим составом.

12. Способ по п.1, в котором цементирующий состав экструдируют сквозь отверстие мундштука и (или) посредством экструзии через валки.

13. Способ по п.1, в котором дополнительно используют тиснение штампом или ударное прессование промежуточного сырого экструдата.

14. Способ по п.1, в котором цементирующий состав достигает по меньшей мере 100% своей прочности за период 40 ч.

15. Способ по п.1, в котором цементирующий состав достигает по меньшей мере 100% своей прочности за период 24 ч.

---

(19)
Евразийское
патентное
ведомство
025965
(13) B1
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОМУ ПАТЕНТУ
(45) Дата публикации и выдачи патента 2017.02.28
(21) Номер заявки 201200773
(22) Дата подачи заявки 2010.11.19
(51) Int. Cl.
C04B 28/02 (2006.01) B28B 3/26 (2006.01)
(54)
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЦЕМЕНТИРОВАННОГО ИЗДЕЛИЯ, ПРЕДНАЗНАЧЕННОГО ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В КАЧЕСТВЕ ЗАМЕНЫ ДРЕВЕСНЫХ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ
(31) 12/624,924
(32) 2009.11.24
(33) US
(43) 2013.01.30
(86) PCT/US2010/057437
(87) WO 2011/066191 2011.06.03
(71) (73) Заявитель и патентовладелец:
Э. КАШОГГИ ИНДАСТРИЗ, ЛЛК
(US)
(72) Изобретатель:
Андерсен Пер Юст, Ходсон Саймон К.
(US)
(74) Представитель:
Веселицкая И.А., Кузенкова Н.В., Веселицкий М.Б., Каксис Р.А., Белоусов Ю.В., Куликов А.В., Кузнецова Е.В. (RU)
(56) WO-A2-2007053852 US-A1-2009065978 GB-A-2354235
DATABASE WPI. Week 200572. Thomson Scientific, London, GB; AN 2005-692898, XP002619874, & JP 2005255425 A (KURABO IND LTD), 22 September 2005 (2005-09-22), *abstract
(57) В заявке раскрывается способ изготовления цементированного композита, при осуществлении которого: (1) смешивают экструдируемый цементирующий состав посредством формирования сначала волокнистой смеси, содержащей волокна, воду и модификатор реологии, с последующим добавлением гидравлического цемента; (2) экструдируют экструдируемый цементирующий состав в сырой экструдат, характеризуемый формоустойчивостью и сохраняющий, по существу, заранее определенную форму поперечного сечения; (3) удаляют часть воды посредством испарения для снижения плотности и повышения пористости; и (4) нагревают сырой экструдат при температуре, превышающей 65°С, но не превышающей 99°С. Такой процесс позволяет получить цементированный композит, подходящий для использования в качестве заменителя дерева. В частности, благодаря использованию более высоких температур выдерживания для подготовки цементированных строительных продуктов строительные продукты имеют более низкую объемную плотность и более высокую прочность при изгибе по сравнению с обычными продуктами. Строительные продукты, имитирующие древесину, можно пилить, в них можно забивать гвозди и ввинчивать шурупы, как в обычное дерево.
Ссылки на связанные заявки
Настоящая заявка является частичным продолжением патентной заявки US 11/555646, поданной 1 ноября 2006 г, претендующей на приоритет предварительной заявки US 60/872406, преобразованной из патентной заявки US 11/264104, поданной 1 ноября 2005 г. Полный текст каждой из этих заявок введен в настоящее описание посредством ссылки.
Область техники
Настоящее раскрытие, в целом, относится к экструдируемым цементирующим составам с волоконным упрочнением, из которых получают цементированные строительные изделия, обладающие высокой прочностью при изгибе и низкой объемной плотностью. Экструдируемые цементирующие составы пригодны для изготовления цементированных строительных изделий, обладающих свойствами древесины.
Уровень техники
Пиломатериалы и другие строительные изделия, получаемые из дерева, тысячелетиями использовались в качестве основы строительных конструкций. Древесина является основой для множества различных строительных материалов благодаря тому, что ее можно резать и придавать ей различную форму и размеры, благодаря ее качествам как строительного материала и возможности ее использования для создания самых разных строительных конструкций. Древесина не только может быть разрезана на пиломатериалы размером 2x4 дюйма или 1x10 дюймов, фанеру, отделочные доски и т.п., но разные куски пиломатериалов могут легко скрепляться клеем, гвоздями, шурупами, болтами и другими крепежными средствами. Древесина легко обрабатывается и комбинируется с другими изделиями для создания требуемых конструкций.
Хотя дерево и является возобновляемым ресурсом, для того, чтобы достичь пригодного для использования размера, дереву нужно расти много лет. В результате, деревья исчезают быстрее, чем они могут вырасти, по меньшей мере, локально в разных районах мира. Кроме того, в пустынях и других районах, где нет обилия леса, приходится импортировать древесину или отказаться от применения строительных конструкций, использующих древесину. Под влиянием озабоченности истреблением лесов и другими экологическими проблемами, связанными с вырубкой лесов, предпринимались попытки создать "заменители древесины" из других материалов, например, пластмасс и бетонов. Хотя пластмассы обладают рядом полезных свойств, например, формуемостью и высокой прочностью на растяжение, они имеют низкую прочность при сжатии, вырабатываются из невозобновляемых ресурсов и, в целом, считаются менее экологически благополучными, чем продукты природного происхождения.
С другой стороны, бетон представляет собой практически неисчерпаемый строительный материал, поскольку имеет самые обычные составные части, такие как глина, песок, камень и вода. Для бетона обычно используют гидравлический цемент, воду и по меньшей мере один заполнитель, при этом вода вступает в реакцию с цементом, образуя цементное тесто, которое скрепляет заполнители. Когда гидравлический цемент и вода подвергаются выдержке (т.е. гидратируются) для скрепления цемента и воды с заполнителями и другими твердыми компонентами, получившийся бетон может обладать чрезвычайно высокой прочностью при сжатии и модулем изгиба, но является хрупким материалом с относительно низкой прочностью на растяжение по сравнению с прочностью при сжатии, невысокой ударной вязкостью и прочностью при изгибе. Тем не менее, при добавлении усиливающих элементов, например, арматурных профилей или массивных строительных конструкций, бетон становится пригодным для строительства путепроводов, фундаментов зданий и в целом крупных, массивных конструкций.
Предпринимаемые ранее попытки создания заменителей древесины с использованием бетона не привели к появлению продукта с требуемыми характеристиками. Отчасти, это обусловлено традиционными подходами к изготовлению бетонов, при которых смеси выдерживаются в формах, и не получаются изделия с нужной ударной вязкостью или прочностью при изгибе для замены древесины. Одной такой попыткой создания конструкционных элементов общего применения (например, кровельной черепицы, элементов фасада домов, труб и т.п.) из бетона является использование "процесса Хатчека", представляющего собой модификацию процесса изготовления бумаги.
В процессе Хатчека строительные изделия изготавливаются из водной суспензии, содержащей большое количество (до 99%) воды, гидравлический цемент, заполнители и волокна. Водная суспензия обладает очень высоким соотношением "вода/цемент" и подвергается обезвоживанию для получения состава, способного при выдерживании сформировать твердые строительные изделия. Водная суспензия наносится последовательными слоями на пористый барабан и перед каждым новым слоем обезвоживается. Волокна добавляются для предотвращения вымывания твердых частиц цемента водой и для придания некоторой ударной вязкости. Во все еще влажном, сыром состоянии, обезвоженный материал снимается с барабана, режется на листы или, при необходимости, ему прессованием придается форма, и далее подвергается выдерживанию (отверждению). Получившиеся в результате изделия являются слоистыми. При достаточно высокой прочности в сухом состоянии, они подвержены расслаиванию при длительном воздействии высокой влажности. Поскольку изделия получаются слоистыми, их компоненты, в частности, волокно, распределены неоднородно.
Кроме того, цементированные строительные изделия не набирают своей потенциальной прочности, пока не пройдут месяцы, или даже годы, с момента завершения строительства. Известно, в частности,
что бетон продолжает затвердевать, т.е. становиться прочнее, по мере его выдержки, до тех пор, пока не будет полностью поглощена находящаяся внутри состава вода. В строительстве ориентиром служит прочность, соответствующая 28-дневному выдерживанию. Предпринимаемые попытки ускорить выдерживание повышением температуры, например, пропариванием или обработкой в автоклаве, где температуры поднимаются выше 65°С, приводили к образованию вторичных эттрингитов, что может вызывать нежелательное растрескивание конечного продукта.
Авторы настоящего раскрытия ранее предложили способы изготовления гибких бумагоподобных листов с использованием цемента и волокон, которые обладали гибкостью бумаги и, подобно бумаге, могли сгибаться, складываться, скручиваться в различные контейнеры для пищевых продуктов и напитков. Такие листы не подходили для использования в качестве строительного материала. Во-первых, эти листы изготавливались быстрой сушкой формуемого состава на нагретом барабане в течение нескольких секунд или минут формования, в результате чего частицы гидравлического цемента превращались в простые наполнители, а скрепляющая сила была обусловлена в основном, если не целиком, модификатором реологии (пластичности). Поскольку частицы цемента выполняли роль обычных наполнителей, они, в конце, концов, были заменены частицами наполнителя более дешевого карбоната кальция.
С учетом сказанного, представляет интерес создание цементирующего состава и способа изготовления строительных изделий из цементирующего состава со свойствами древесины, которые могли бы быть использованы для замены изделий из древесины, и отличались быстротой и простотой изготовления. Также желательно, чтобы строительные изделия обладали повышенным модулем изгиба по сравнению с обычными изделиями. Более того, было бы желательно создать строительные изделия, которые можно было бы использовать для замены дереву, включая самые разнообразные деревянные строительные изделия, например, конструкционные и отделочные изделия, изготавливаемые в настоящее время из дерева.
Краткое изложение сущности изобретения
Настоящее раскрытие относится к цементированным строительным материалам, которые могут использоваться в качестве замены древесины. Соответственно, настоящее раскрытие включает использование экструдируемых цементирующих составов, которые могут быть экструдированы или каким-либо иным путем сформированы в строительные изделия со свойствами древесины и использованы в качестве замены многих известных изделий из дерева. Цементированные строительные изделия с волокном могут обладать свойствами, аналогичными деревянным строительным изделиям. В некоторых вариантах осуществления, цементированные строительные изделия с волокном можно пилить, резать, сверлить, бить по ним молотком и скреплять так, как это обычно делается с деревянными строительными изделиями, что более подробно будет описано ниже.
Обычный бетон, как правило, обладает более высокой плотностью и твердостью, чем дерево и, поэтому, его труднее пилить, забивать в него гвозди и ввинчивать шурупы. Было установлено, что измерения твердости и модуля изгиба материала, относящиеся к модулю упругости или модулю Юнга, хотя и не строго, коррелируют с твердостью, относящейся к возможности пилить цементированные строительные изделия, забивать в них гвозди и (или) ввинчивать шурупы. Обычный бетон, как правило, имеет модуль изгиба порядка 4000000-6000000 фунтов/кв. дюйм (psi), в то время как модуль изгиба дерева находится в интервале примерно 500000-5000000 фунтов/кв. дюйм (примерно 3,5-35 ГПа). Кроме того, твердость бетона обычно примерно 5-100 раз выше, чем твердость дерева. Более мягкие породы дерева, например сосна, которые легче пилить, в которые легче забивать гвозди и ввинчивать шурупы, до 100 раз мягче бетона, как примерно показывает сравнение модуля изгиба.
В целом, возможность пилить цементированные строительные изделия обычной пилой для дерева, забивать в них гвозди молотком и ввинчивать шурупы обычной отверткой является функцией твердости, которая примерно пропорциональна плотности (т.е., как правило, чем ниже плотность, тем ниже твердость). В случаях, когда было бы желательно пилить цементированные строительные изделия, забивать в них гвозди или ввинчивать шурупы, используя при этом инструмент, применяемый в строительстве при работе с деревянными изделиями, такие цементированные строительные изделия должны, в целом, обладать твердостью, приближающейся к твердости дерева (с тем, чтобы быть мягче обычного бетона). Включение волокон и модификаторов реологии способствует созданию продукта, более мягкого по сравнению с обычным бетоном. Кроме того, включение достаточного количества хорошо распределенных пор позволяет снизить плотность, что, в свою очередь, помогает снизить твердость.
Кроме того, цементированные строительные изделия, в соответствии с настоящим раскрытием, обладают прочностью при изгибе более высокой по сравнению с прочностью при сжатии. Более высокая прочность при изгибе допускает большие нагрузки до излома при максимальном изгибе. Изгиб в типичной балке определяется из следующего уравнения:
Изгиб в центре балки = нагрузка x длина3/48/модуль упругости/момент инерции
Соответственно, чем выше модуль упругости, тем меньше изгиб.
В одном варианте осуществления настоящее раскрытие включает цементированное композитное изделие для использования в качестве замены древесины. Такой продукт может включать выдержанный цементирующий композит, состоящий из гидравлического цемента, модификатора реологии и волокон.
Выдержанный цементирующий композит может определяться одной или более из следующих характеристик: возможность пилить вручную пилой для дерева; модулем изгиба в интервале примерно 2000005000000 фунтов/кв. дюйм; прочностью при изгибе по меньшей мере примерно 1500 фунтов/кв. дюйм; желательной плотностью менее примерно 1,3 г/см3, более желательно в пределах примерно 1,15 г/см3, еще более желательно в пределах примерно 1,1 г/см3 и наиболее желательно в пределах примерно 1,05 г/см3; и распределением волокон, в целом, однородно по выдержанному цементирующему составу, желательно в концентрации более 10% от сухого объема. Строительные изделия, изготовленные в соответствии с настоящим раскрытием, являются значительно более жесткими по сравнению с содержащими цемент бумагоподобными изделиями. Поскольку волокна распределены достаточно однородно (т.е. не слоями, как при использовании процесса Хатчека), строительные изделия не разделяются или расслаиваются под воздействием влаги.
Выдержанный цементирующий состав обычно приготавливается смешиванием экструдируемого цементирующего состава, включающего модификатор реологии в концентрации примерно 0,1-10% влажного объема, и волокон в концентрации более примерно 5% влажного объема, желательно более примерно 7% влажного объема, и еще более желательно более 8% влажного объема. Экструдированный состав обладает глинистой консистенцией, Бингамовскими пластическими свойствами и формоустойчи-востью сразу же после экструзии. После смешивания экструдируемый цементирующий состав может быть экструдирован в промежуточный продукт - сырой экструдат, обладающий заданной площадью поперечного сечения. В предпочтительном варианте сырой экструдат после экструзии обладает формо-устойчивостью, благодаря чему может сохранять площадь и форму поперечного сечения с тем, чтобы не оплывать после экструзии и обеспечивать работу с ним без его разрушения. В одном варианте осуществления, после экструзии, гидравлический цемент в сыром экструдате может быть отвержден нагреванием до температуры от 65 до 99°С для формирования выдержанного цементированного композита. В другом варианте осуществления гидравлический цемент внутри сырого экструдата выдерживается в автоклаве при температуре примерно 150°С и давлении 15 бар в течение 24 ч.
В соответствии с одним вариантом осуществления количество воды, обычно используемой для формирования экструдируемого состава, сокращается испарением перед, во время или после гидратации цементного связующего вещества. Это может быть осуществлено сушкой в печи, обычно при температуре ниже температуры кипения воды, для получения управляемой сушки без нарушения гидратации цемента. Такая сушка имеет два преимущества: (1) может быть снижено эффективное отношение количества воды к количеству цемента, что повышает прочность цементного теста; и (2) при таком удалении воды обеспечивается управляемая однородная плотность.
Номинальное или кажущееся отношение количеств воды и цемента экструдируемого состава первоначально может составлять в интервале примерно 0,8-1,2. Однако эффективное отношение "вода/цемент" на основе количества воды, фактически имеющейся для гидратации цемента, обычно значительно ниже. Например, после удаления части воды испарением, результирующее отношение "вода/цемент" обычно составляет в интервале примерно 0,1-0,5, например, желательно примерно от 0,2 до 0,4, более желательно примерно от 0,25 до 0,35 и наиболее желательно примерно 0,3. Было установлено, что не вся добавленная вода может быть удалена испарением при нагревании в печи, как было описано выше, что указывает на то, что часть воды способна реагировать с цементом и гидратировать его даже и при нагревании, что делает эту воду химически связанной, в отличие от свободной воды, которая может быть испарена. Этот процесс отличается от отверждения пропариванием, когда температура изделия увеличивается, но оно остается влажным.
В качестве волокон для цементирующих составов, в соответствии с раскрытием, могут использоваться одно или более волокон, включая пеньковое волокно, хлопковое волокно, волокно листьев или стеблей растений, волокно твердой древесины, волокно мягкой древесины, стеклянное волокно, графитовое волокно, кремниевое волокно, керамическое волокно, металлическое волокно, полимерное волокно, полипропиленовое волокно и углеродное волокно. В предпочтительном варианте количество волокна, по существу однородно распределенного по выдержанному цементирующему составу, превышает примерно 10% сухого объема, более желательно превышает примерно 15% сухого объема, еще более желательно превышает примерно 20% сухого объема. Некоторые волокна, например, древесные или растительные волокна, имеют большое сродство к воде и могут впитывать большие количества воды. Это означает, что часть воды, добавленной в цементирующий состав, чтобы сделать его экструдируемым, может быть связана волокном, что сокращает эффективное отношение "вода/цемент", поскольку вода, связанная волокном, фактически недоступна для гидратации цементного связующего материала.
В качестве гидравлического цементного связующего материала, применяемого в цементирующих композитах, в соответствии с раскрытием, может использоваться один или более цементов, включая Портленд-цементы, цементы без макродефектов (MDF цементы), цементы, уплотненные мелкими частицами (DSP цементы), цементы DENSIT, цементы PYRAMENT, кальциево-алюминатные цементы, гипсы, силикатные цементы, гипсоцементы, фосфатные цементы, высокоглиноземистые цементы, цементы с микрочастицами, шлаковые цементы, магнезиальные цементы и их комбинации. На долю цементного связующего вещества приходится по меньшей мере 50% всей связующей способности строительного
изделия (например, в комбинации со связующей способностью, обеспечиваемой модификатором реологии). В предпочтительном варианте, гидравлический цемент обеспечит по меньшей мере примерно 70% всей связующей способности, более предпочтительно по меньшей мере примерно 80% и наиболее предпочтительно по меньшей мере примерно 90% всей связующей способности. Поскольку гидравлическое цементное связующее вещество дает существенный вклад в общую прочность строительных материалов, они обладают значительно большей прочностью и значительно большей жесткостью при изгибе по сравнению с бумагоподобными изделиями, в которых гидравлический цемент используется, в основном, как наполнитель (т.е. благодаря нагреванию до 150°С и выше для ускоренного удаления всей или почти всей воды посредством испарения).
В качестве модификатора реологии (пластической деформации) может использоваться одно или более веществ из группы, включающей полисахариды, протеины, целлюлозы, крахмалы, например, амилпектин, амилоза, агаровый гель, ацетат крахмала, гидроксиэфиры крахмала, крахмалы с двумя альдегидными группами, целлюлозные эфиры, например, метилгидроксиэтилцеллюлоза, гидроксиметилэ-тилцеллюлоза, карбоксиметилцеллюлоза, метилцеллюлоза, этилцеллюлоза, гидроксиэтилцеллюлоза, гидроксипропилцеллюлоза и глина. В предпочтительном варианте модификатор реологии используется в количестве примерно от 0,25 до 5% от влажного веса цементирующего состава, более желательно примерно, от 0,5 до 4% от влажного веса и наиболее желательно примерно от 1 до 3% от влажного веса. Также как и волокна, модификатор реологии может связывать воду, снижая, тем самым, эффективное отношение "вода/цемент" в сравнении с номинальным отношением, основанном на фактически добавленной воде, а не на воде, доступной для гидратации. В то время как модификатор реологии может действовать как связующее вещество, обычно на его долю приходится менее примерно 50% всей связующей силы.
В варианте осуществления может быть добавлен ускоритель схватывания, в концентрации примерно от 0,01 до 15% от сухого веса, который может представлять собой одно или более веществ из группы, включающей KCO3, KOH, NaOH, CaCl2, СО2, хлорид магния, триэтаноламин, алюминаты, неорганические соли HCl, неорганические соли HNO3, неорганические соли H2SO4, гидраты силиката кальция (C-S-H) и их комбинации. Ускорители схватывания могут быть особенно полезны в случае, когда требуется быстрый набор прочности для манипуляций с изделием и (или) когда часть воды удалена испарением в процессе первоначальной гидратации.
Также может быть использован замедлитель схватывания, добавляемый в концентрации примерно от 0,5 до 2,0% от сухого веса. В качестве подходящих замедлителей схватывания может быть использован один или более замедлителей, выпускаемых под торговой маркой Delvo(r) компанией Masterbuilders. Замедлители схватывания могут быть особенно полезны в случае, когда требуется постоянная реология строительных материалов в процессе работы с ними и экструзии.
Также может использоваться материал заполнителя, которым может быть один или более материалов из группы, включающей песок, доломит, гравий, камень, базальт, гранит, известняк, песчаник, стеклянные шарики, аэрогели, перлит, вермикулит, вспученный камень, ксерогели, слюда, глина, синтетическая глина, глинозем, окись кремния, зольная пыль, кремнеземный порошок, слоистый глинозем, каолин, стеклянные микросферы, керамические сферы, гипсовый дигидрат, карбонат кальция, алюминат кальция, резина, пенополистирол, пробка, опилки и их комбинации.
В одном варианте осуществления в выдержанный цементирующий композит может быть вбит ручным молотком гвоздь размера 10d (длиной 3 дюйма, согласно Американской системе размеров гвоздей). Выдержанный цементирующий композит может иметь сопротивление выдергиванию, составляющее по меньшей мере примерно 25 фунт-сила/дюйм для 10d гвоздя, желательно по меньшей мере примерно 50 фунт-сила/дюйм для 10d гвоздя. Кроме того, выдержанный цементирующий композит может иметь сопротивление выдергиванию, составляющее по меньшей мере примерно 300 фунт-сила/дюйм для шурупа, желательно примерно 500 фунт-сила/дюйм для шурупа. Сопротивление выдергиванию обычно соотносится с количеством волокна внутри цементирующего композита (т.е. растет с увеличением содержания волокна, при прочих равных условиях). Волокно повышает локальную энергию растрескивания и ударную вязкость, и препятствует формированию трещин в отверстии, проделанном гвоздем или шурупом, и вокруг него. В результате возникает пружинная обратная реакция, благодаря которой вяжущий материал удерживает гвоздь силами трения, а шуруп - механическими силами и силами трения.
В одном варианте осуществления способ изготовления цементирующего композита может включать экструдирование экструдируемого цементирующего состава вокруг по меньшей мере одного упрочняющего элемента, выбранного из группы, включающей арматурный профиль, проволоку, сетку, непрерывное волокно и ткань с тем, чтобы по меньшей мере частично заключить упрочняющий элемент в оболочку сырого экструдата.
В одном варианте осуществления способа при изготовлении изделия из цементирующего композита экструдируют сырой экструдат, обладающий формоустойчивостью, по меньшей мере с одним непрерывным отверстием; вставляют арматурный профиль и связующее вещество в сквозное отверстие, когда цементирующий композит находится в сыром формоустойчивом состоянии, либо частично выдержан; и прикрепляют арматурный профиль к поверхности непрерывного отверстия связующим веществом. В
варианте осуществления скрепляющее вещество наносится на арматурный профиль перед его введением.
В одном варианте осуществления способа, при изготовлении изделия из цементирующего композита формируют цементирующий композит в строительное изделие, для использования его в качестве замены строительного изделия из древесины. При этом строительное изделие может быть изготовлено в форме, выбранной из группы, включающей стержень, брус, трубу, цилиндр, доску, двутавровую балку, столб общего назначения, отделочные доски, профили размером 2x 4, 1 x 8 (в дюймах), панель, плоский лист, кровельную черепицу и пустотелую доску. Процесс изготовления строительных изделий обычно включает экструдирование, но также может включать и одну или более промежуточных или отделочных операций. Промежуточные операции обычно используются, когда состав находится в сыром, невыдержанном состоянии, в то время как отделочные операции обычно требуются после того, как материал выдержан или затвердел.
В отличие от дерева, которое не может быть сделано существенно мягче, иначе как разрушением или ослаблением структуры древесины, бетон обладает пластичностью и может подвергаться формовке до выдерживания. Сделанным из него строительным изделиям может быть придана новая форма (т.е., искривлены или согнуты), пока они находятся в сыром состоянии, для получения форм, которые обычно сложно или невозможно получить при использовании настоящего дерева. Поверхность цементированной основы строительных изделий может быть подвергнута обработке для получения водонепроницаемости, с использованием гидрофобных материалов, например, силанов, силоксанов, латексов, эпоксидных смол, акрилов, и других водонепроницаемых материалов, известных в цементной промышленности, что дает дополнительное преимущество перед деревом. Такие материалы могут быть замешаны в поверхность и (или) нанесены на поверхность цементированного строительного изделия.
Строительные изделия могут быть сплошными или полыми. Получение непрерывных отверстий путем экструзии вокруг сплошного сердечника для обеспечения непрерывности, позволяет получить более легкие строительные изделия. Одно или более таких отверстий может быть заполнено арматурным упрочняющим профилем (например, вклеенным эпоксидной смолой или другим связующим веществом), они могут образовывать каналы для электрических проводов, либо они могут быть использованы как предварительно высверленное отверстие для ввинчивания шурупа. Строительные изделия могут включать сложные экструдированные конструкции. Они могут иметь практически любой размер или форму поперечного сечения. Они могут быть сформированы в большие листы (например, экструзией через валки) или блоки (например, сквозь большое отверстие пресс-формы), и они могут разрезаться на куски малого размера, как дерево.
В одном варианте осуществления способ изготовления цементированного композитного изделия может включать обработку формоустойчивого сырого экструдата и (или) выдержанного цементирующего композита посредством по меньшей мере одного процесса, выбранного из группы, состоящей из гибки, штампования, ударного формования, резки, распиливания, шлифования, фрезерования, текстуриро-вания, строгания, полировки, зеркальной полировки, предварительного сверления отверстий, окраски и протравливания.
В одном варианте осуществления способ изготовления цементированного композитного изделия может включать повторное использование части отходов сырого экструдата или материала, срезанного с основного корпуса строительного изделия (например, штамповкой), объединением этих отходов с экс-трудируемым цементирующим составом.
В одном варианте осуществления процесс выдерживания гидравлического цемента может включать термическое выдерживание или обработку в автоклаве. Было установлено, что при повышении температуры, выдерживание гидравлического цемента может происходить быстрее с образованием цементирующего композита большей прочности за более короткое время. Также представляется, что модификатор реологии действует как замедлитель схватывания, и если температура не превышает 65°С, замедляющий эффект не подавляется, и повышение прочности замедляется. При температурах более 65°С, модификатор реологии выкристаллизовывается из раствора, и гидратация может происходить быстрее, что способствует более быстрому повышению прочности. В предпочтительном варианте экструдат нагревают до температуры, превышающей 65°С, но менее 99°С, желательно превышающей 70°С, еще более желательно превышающей 80°С и наиболее желательно превышающей 90°С, для обеспечения выдерживания гидравлического цемента.
В одном варианте осуществления экструдирование может выполняться сквозь отверстие пресс-формы. В альтернативном варианте, может использоваться экструзия через валки.
Эти и другие варианты осуществления и признаки настоящего раскрытия станут более понятными при ознакомлении с настоящим описанием и приложенной формулой, либо могут быть усвоены в ходе осуществления раскрытия, в соответствии с приведенным далее описанием.
Краткое описание чертежей
Для того чтобы сделать более понятным описанные выше и иные преимущества и признаки настоящего раскрытия, более подробно раскрытие будет описано применительно к конкретным вариантам его осуществления, проиллюстрированных приложенными чертежами. Следует иметь в виду, что на этих чертежах описаны только типичные варианты осуществления раскрытия и поэтому они не предполагают
ограничения его области притязаний. Раскрытие может быть описано и объяснено с дополнительными подробностями и деталями путем использования приложенных чертежей, на которых
на фиг. 1А представлена схематическая иллюстрация варианта осуществления процесса экструзии для изготовления цементированного строительного изделия;
на фиг. 1Б представлена схематическая иллюстрация варианта осуществления экструзионной мундштучной головки для изготовления цементированного строительного изделия, имеющего проходящее в нем непрерывное сквозное отверстие;
на фиг. 1В изображены в перспективе варианты осуществления поперечных сечений экструдиро-ванных цементированных строительных изделий;
на фиг. 2 представлена схематическая иллюстрация варианта осуществления процесса экструзии через валки для изготовления цементированного строительного изделия;
на фиг. 3А-3Г представлены в перспективе виды, иллюстрирующие варианты осуществления экс-трудирования цементированного строительного изделия совместно с конструкционным упрочняющим элементом;
на фиг. 4 представлена схематическая иллюстрация варианта осуществления процесса конструкционного упрочнения цементированного строительного элемента;
на фиг. 5А представлен в перспективе вид, иллюстрирующий известный бетон с введенным в него гвоздем;
на фиг. 5Б представлен в перспективе вид, иллюстрирующий вариант осуществления цементированного строительного изделия с введенным в него гвоздем; на фиг. 6А представлен продольный разрез для фиг. 4; на фиг. 6Б представлен вид серединного сечения для фиг. 6А; на фиг. 7А представлен продольный разрез для фиг. 5; на фиг. 7Б представлен вид серединного сечения для фиг. 7А;
на фиг. 8 представлены графические зависимости прочности при изгибе дерева, варианта осуществления цементированного строительного изделия и варианта осуществления цементированного строительного изделия, упрочненного арматурным профилем;
на фиг. 9 представлена графическая зависимость прочности на растяжение для варианта осуществления цементированного строительного изделия; и
на фиг. 10 представлена графическая зависимость смещения для дерева и варианта осуществления цементированного строительного изделия, под действием сдавливающей силы.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
В целом, настоящее раскрытие относится к цементирующим составам и способам приготовления таких составов, и изготовления цементированных строительных изделий, обладающих свойствами, аналогичными свойствам деревянных строительных изделий. В частности, способы включают использование более высоких температур выдерживания при изготовлении цементированных строительных изделий, что обеспечивает достижение более высокой объемной плотности изделий и, благодаря этому, более высокой прочности при изгибе, при сохранении возможности забивать в них гвозди, ввинчивать шурупы, сверлить и т.п., в сравнении с обычными изделиями. Используемая терминология предназначена для описания только частных вариантов осуществления и не ограничивает изобретение.
Общие определения
Термин "многокомпонентный" относится к упрочненным волокном цементирующим составам и изготовленным из них экструдированным композитам, которые обычно включают три или более химически или физически отличающихся материала или фазы. Например, эти экструдируемые составы и получающиеся из них строительные изделия могут включать компоненты, например, модификаторы реологии, гидравлические цементы, другие гидравлически отверждаемые материалы, ускорители схватывания, замедлители схватывания, волокна, неорганические заполняющие материалы, органические заполняющие материалы, диспергирующие добавки, воду и другие жидкости. Материалы каждой из этих широких категорий придают приготовленным из них экструдируемым смесям, а также и конечному изделию, одно или более уникальных свойств. Внутри этих широких категорий возможно включение различных компонентов (например, два или более неорганических заполнителей или волокон), которые могут придать другие, хотя и взаимосвязанные, свойства экструдированному изделию.
Термины "гидравлически схватывающийся состав" и "цементирующий состав" относятся к широкой категории составов и материалов, содержащих гидравлически схватывающийся связующий элемент и воду, а также и другие компоненты, независимо от степени имевшей место гидратации или выдерживания. При этом к цементирующим материалам относятся как гидравлические теста или гидравлически схватывающиеся составы в сыром состоянии (т.е. сырые, мягкие или формуемые), так и затвердевшее или схватившееся цементированное строительное изделие.
Термин "однородный" относится к равномерно перемешанному составу так, что два взятых наугад образца состава имеют приблизительно одинаковое количество, концентрацию и распределение компонента.
Термины "гидравлический цемент", "гидравлически схватывающееся связующее вещество", "гид
равлическое связующее вещество" или "цемент" относятся к компоненту или комбинации компонентов с цементирующим или гидравлически схватывающимся составом, представляющим собой неорганическое связующее вещество, например, Портленд цементы, зольную пыль и гипсы, которые затвердевают и от-верждаются при смешивании с водой. Эти гидравлические цементы приобретают улучшенные механические свойства, например, твердость, прочность при сжатии, прочность на растяжение, прочность при изгибе, и поверхностное сцепление компонентов (например, сцепление заполнителя с цементом) при химической реакции с водой.
Термины "гидравлическое тесто" или "цементное тесто" относятся к смеси гидравлического цемента и воды в сыром состоянии, а также и к затвердевшему тесту в результате гидратации гидравлического связующего вещества. При этом, внутри гидравлически схватывающегося состава цементное тесто скрепляет отдельные твердые материалы, например, волокна, частицы цемента, заполнители и т.п.
Термины "волокно" и "волокна" включают как природные, так и синтетические волокна. Волокна, обычно имеющие аспектовое отношение, составляющее по меньшей мере 10:1, добавляются в экструди-руемые цементирующие составы для увеличения энергии удлинения, изгиба, ударной вязкости и растрескивания, а также прочности при изгибе и растяжении получаемого экструдированного композита или конечного строительного изделия. Волокна снижают вероятность того, что сырой экструдат, экстру-дированные изделия и полученные из них затвердевшие или выдержанные изделия, будут растрескиваться или разламываться под действием сил при операциях с ними, обработке или выдерживании. Кроме того, волокна могут сообщать цементированным строительным изделиям свойства древесины, например, способность удерживать гвоздь, шуруп, сопротивление выдергиванию, возможность пилить их механической или ручной пилой и (или) сверлить сверлом для древесины; другими словами, волокна придают ударную вязкость и гибкость основе, обеспечивающую упругую реакцию основы на воздействие шурупа или гвоздя. Волокна также могут поглощать воду и снижать эффективное отношение "вода/цемент".
Термин "упрочненный волокном" относится к упрочненным волокном цементирующим составам, которые включают волокна для создания конструктивного упрочнения, повышающего механическую прочность сырого экструдата, экструдированных изделий и затвердевших или выдержанных изделий, а также изготовленных из них строительных изделий. Кроме того, ключевым словом является "упрочненный", которое ясно отличает экструдируемые цементирующие составы, сырые экструдаты и выдержанные строительные изделия в соответствии с настоящим раскрытием, от обычных схватывающихся составов и цементированных изделий. Волокна действуют, главным образом, как упрочняющие компоненты для повышения прочности на растяжение, гибкости и ударной вязкости строительных изделий, а также для упрочнения любых вырезанных или сформированных на них поверхностей. Благодаря практически однородному распределению волокон, строительные изделия не подвержены расслаиванию при воздействии влаги, как это происходит с изделиями, изготовленными процессом Хатчека.
Термин "механическое свойство" включает свойство, переменную или параметр, используемый для характеристики механической прочности вещества, состава или изготавливаемого изделия. Соответственно, механическое свойство может включать величину удлинения, изгиба или сжатия перед разрывом или разломом, напряжение и (или) деформацию перед разрывом, прочность на растяжение, прочность при сжатии, модуль Юнга, жесткость, твердость, деформацию, прочность, сопротивление выдергиванию
и др.
Термины "экструдат", "экструдированная форма" или "экструдированное изделие" включают любую известную или разработанную в будущем форму изделий, которые экструдируются с использованием экструдируемых составов и способов, предложенных в настоящем раскрытии. Например, экструдиро-ванный композит может иметь форму стержней, брусков, труб, цилиндров, досок, двутавровых балок, столбов для воздушных линий, например, электрических столбов, телефонных столбов, антенных мачт, столбов для кабеля и т.п., доски размером 2x4 дюйма, 1x4 дюйма, панелей, плоских листов, других традиционных изделий из дерева, кровельной черепицы и досок с электрическими проводниками и изделий, упрочненных арматурным профилем. Кроме того, экструдированное строительное изделие может быть первоначально экструдировано в виде "грубой формы" с дальнейшей доводкой формы фрезерованием или иной точной обработкой для получения законченного изделия, которое также охватывается настоящими терминами. Например, брус или большой блок (например, размера 16x 16 дюйма) может быть разрезан или распилен на несколько частей размером два на четыре дюйма.
Термин "экструзия" может включать процесс, в котором материал обрабатывается или продавливается сквозь отверстие или сквозь область, имеющую определенный размер так, что форма материала сопряжена с отверстием или областью. При этом продавливание экструдером материала сквозь отверстие мундштука пресс-формы может быть одной формой экструзии. Другой формой может быть экструзия через валки, когда состав продавливается сквозь группу валков. Экструзия через валки более подробно описана ниже, со ссылкой на фиг. 2. В любом случае, экструзией называется процесс, используемый для придания формы прессуемому составу без использования резки, фрезерования, распиливания и т.п., который обычно включает продавливание или пропускание материала сквозь отверстие, имеющее заранее
установленную площадь поперечного сечения.
Термины "гидратированный" или "выдержанный" относится к степени гидравлической реакции, достаточной для получения затвердевшего цементированного строительного изделия, набравшего значительную часть своей потенциальной или максимальной прочности. Тем не менее, цементирующие составы или экструдированные строительные изделия могут продолжать гидратирование или выдержку еще долго после того, как они достигли значительной твердости и большой части своей максимальной прочности.
Термины "сырой", "сырой материал", "сырой экструдат" или "сырое состояние" относятся к состоянию цементирующего состава, который еще не достиг существенного уровня своей окончательной прочности; однако, термин "сырое состояние" предназначен для обозначения состояния, в котором цементирующий состав обладает достаточной связывающей способностью для сохранения экструдированной формы перед гидратированием или выдержкой. При этом, только что экструдированный экструдат, состоящий из гидравлического цемента и воды, должен рассматриваться как "сырой", пока не произойдет значительного затвердевания или выдержки. Сырое состояние не обязательно характеризуется четкой границей, показывающей, что произошло значительное затвердевание или выдержка, оно должно рассматриваться как состояние состава перед его существенной выдержкой. Таким образом, цементирующий состав находится в сыром состоянии после экструзии, пока он не подвергнется существенной выдержке.
Термин "формоустойчивый" относится к состоянию сырого экструдата непосредственно после экструзии, которое характеризуется тем, что экструдат обладает стабильной формой, и не деформируется под действием собственного веса. При этом сырой экструдат, обладающий формоустойчивостью, может сохранять свою форму при манипуляциях с ним и дальнейшей обработке.
Термин "композит" относится к формоустойчивому составу, состоящему из разных компонентов, например, волокон, модификаторов реологии, цемента, заполнителей, ускорителей схватывания, замедлителей схватывания и т.п. При этом композит формируется по мере нарастания твердости или формо-устойчивости сырого экструдата, и из него может быть создано строительное изделие.
Термин "сухой объем" относится к составу в отсутствие воды или иного эквивалентного растворителя или гидратирующего реагента. Например, когда сравнительные концентрации выражаются в процентах сухого объема, эти концентрации рассчитываются, как если бы не было воды. Таким образом, в сухом объеме вода отсутствует.
Термин "влажный объем" относится к составу, характеризуемому содержанием влаги, обусловленному наличием воды. Например, сравнительная концентрация для влажного объема компонента измеряется по полному объему, включающему воду и другие компоненты состава.
Термин "вбиваемость гвоздя" относится к простоте забивания гвоздя в цементированное строительное изделие. Вбиваемость гвоздя описывается рядом цифр, определяемых следующим образом: (1) относится к строительному изделию, в которое гвоздь легко забивается без изгиба; (2) относится к строительному изделию, обладающему большей твердостью так, что гвоздь может быть забит без его изгиба, но при наличии навыка и приложении существенного давления вниз для предотвращения изгиба; (3) относится к строительному изделию, имеющему высокую твердость так, что гвоздь обычно сгибается или деформируется при забивании обычным способом (но прямой гвоздь может быть забит обычным строительным пистолетом с большой ударной силой).
Используемый в настоящем описании термин "сопротивление выдергиванию" относится к величине силы или давлению, необходимому для извлечения крепежного стержня, например, гвоздя или шурупа, из подложки, например, дерева, бетона или предложенного в изобретении цементированного строительного изделия. Кроме того, сопротивление выдергиванию может быть рассчитано как сила, необходимая для извлечения гвоздя размером 10d (т.е. длиной 3 дюйма, или "10-penny" в Американской системе обозначений), погруженного на 1 дюйм в выдержанный цементированный композит. Сопротивление выдергиванию, при прочих равных условиях, пропорционально содержанию волокна.
Используемый в настоящем описании термин "крепежный стержень" относится к гвоздю, шурупу, болту или любому подобному элементу, приспособленному для формирования отверстия в подложке при его введении в эту подложку. Такой элемент может вводиться забиванием, завинчиванием, выстреливанием и т.п. Кроме того, крепежный стержень может быть использован для прикрепления одной детали к другой путем формирования крепежным элементом отверстий при его введении в каждую деталь.
Строительные изделия, описанные в настоящем раскрытии, обычно могут сверлиться простыми сверлами для дерева и (или) пилиться обычной пилой для дерева, в отличие от обычных бетонных изделий, для работы с которыми требуются сверла и пилы, предназначенные для обработки камня.
Далее, с учетом приведенных определений, рассматриваются признаки изобретения, применительно к вариантам осуществления настоящего раскрытия.
Составы, используемые для создания экструдированных строительных изделий
Экструдруемые цементирующие составы, используемые для изготовления экструдированных строительных изделий, в соответствии с настоящим раскрытием включают воду, гидравлический цемент, волокна, модификатор реологии и, при необходимости, ускоритель схватывания, замедлитель схватыва
ния и (или) заполнитель. Состав цементированных строительных изделий выбирается таким образом, чтобы обеспечить меньшую, по сравнению с обычным бетоном, твердость и прочность при сжатии, но большую гибкость, мягкость, удлинение, ударную вязкость, прочность при изгибе и изгиб для лучшей имитации свойств настоящей древесины. В целом, отношение прочности при изгибе к прочности при сжатии предложенных в изобретении цементированных составов будет значительно выше, чем у обычного бетона.
Более того, экструдируемые цементирующие составы и изготовленные из них экструдированные строительные изделия могут включать по существу те же компоненты, что и другие многокомпонентные составы, рассмотренные в других источниках. Соответственно, дополнительная информация по конкретным компонентам таких многокомпонентных составов и смесей, а также некоторые особенности способов изготовления из них экструдированных и прокатанных валками изделий, могут быть найдены в US 5508072, 5549859, 5580409, 5631097 и 5626954, а также патентной заявке US 60/627563, включенных в настоящее описание посредством ссылки.
Следует, однако, понимать, что описанные в настоящем раскрытии строительные продукты обладают значительно большей прочностью и большей жесткостью при изгибе, чем бумагоподобные листовые изделия, изготовленные с использованием гидравлического цемента, но в которых такие листы были полностью высушены в течение секунд или минут с использованием барабана, нагретого до температуры, существенно превышающей температуру кипения воды (например, до 150-300°С). Быстрое испарение воды останавливает процесс гидратирования гидравлического цемента, тем самым превращая его, скорее, в порошковый наполнитель, нежели в связующее вещество. Управляемое испарение воды в течение нескольких дней (по меньшей мере, примерно двух дней) при температуре ниже точки кипения воды (например, 100-175°F, или примерно 40-80°С) удаляет излишнюю воду, сохраняя возможность гидратации гидравлического цементного связующего вещества. Кроме того, в настоящем раскрытии, выдержка цемента осуществляется до его высыхания, благодаря чему цемент может набрать 28-дневную прочность до его высыхания, когда останавливается гидратация.
В одном варианте осуществления оборудование для прокатки и соответствующие процессы, описанные во включенных в раскрытие документах, могут быть использованы с описанными в настоящем раскрытии составами. Однако зазор между валками может быть отрегулирован для получения досок или других изделий, в соответствии с размерами, используемыми для цементированных строительных изделий (т.е. по меньшей мере примерно 1/8 дюйма, желательно по меньшей мере 1/4 дюйма, более желательно по меньшей мере 1/2 дюйма и наиболее желательно по меньшей мере 1 дюйм (по меньшей мере примерно 2 мм, желательно по меньшей мере примерно 5 мм, более желательно по меньшей мере примерно 1,25 см и наиболее желательно по меньшей мере примерно 2,5 см) Например, процесс, описанный в US 5626954, может быть модифицирован для прокатки более толстых материалов для получения досок, аналогичных деревянным, например, размера 2x4 дюйма, 1x10 дюйма и т.п. Кроме того, преимущества процесса прокатки валками могут быть использованы для изготовления таких досок любой длины, например, такой, какую невозможно получить при использовании настоящего дерева. Это позволяет изготавливать предложенные в изобретении доски, аналогичные деревянным, нестандартного сечения и длины, например, длиной 8 футов 8 дюймов, 40 футов, 60 футов и 80 футов.
А. Гидравлический цемент
Экструдируемые цементирующие составы и цементированные строительные изделия содержат гидравлический цемент одного или более типов. Как показано ниже, в то время как модификатор реологии может обеспечить большую часть прочности экструдируемого состава и сырого экструдата, гидравлический цемент может обеспечить основную часть прочности цементирующему составу или строительному изделию после начала выдерживания или гидратации. Примеры гидравлических цементов и соответствующие свойства и реакции, проходящие в ходе всего процесса изготовления, а также в законченном строительном изделии, упрочненном волокном, можно найти во включенных ссылочных документах. Например, в качестве гидравлического цемента может быть использован белый цемент, серый цемент, глиноземный цемент, цемент Типов I-V, и др.
Экструдируемый состав может содержать различное количество гидравлического цемента. Обычно, количество гидравлического цемента в экструдируемом составе определяется по процентному содержанию во влажном состоянии (например, % от влажного веса или % от влажного объема) с тем, чтобы учесть имеющуюся воду. При этом содержание гидравлического цемента может составлять примерно от 25 до 69,75% от влажного веса, более желательно примерно от 35 до 65% от влажного веса и наиболее желательно примерно от 40 до 60% от влажного веса экструдируемого состава.
Короче говоря, внутри экструдированного изделия гидравлический цемент путем реакции с водой формирует цементное тесто или гель, в котором скорость реакции зависит от температуры выдерживания. В некоторых вариантах осуществления, скорость реакции может быть повышена посредством использования ускорителей схватывания, а прочность и физические свойства цементированного строительного изделия изменяются высоким содержанием волокон. Как правило, количество гидравлического цемента в выдержанном цементированном композите описывается по процентному содержанию в сухом состоянии (например, % от сухого веса или % от сухого объема). Количество гидравлического цемента
может меняться в интервале примерно от 40 до 90% от сухого веса, более желательно примерно от 50 до 80% от сухого веса и наиболее желательно примерно от 60 до 75% от сухого веса. Следует иметь в виду, что в некоторых изделиях может использоваться больше или меньше гидравлического цемента, по необходимости и в зависимости от других составных частей.
Гидравлический цемент, более точно, цементное или гидравлическое тесто, образованное реакцией с водой или гидратацией, обычно обеспечивает по меньшей мере примерно 50% полной связующей способности предложенных в изобретении строительных изделий, желательно по меньшей мере примерно 70%, более желательно по меньшей мере примерно 80% и наиболее желательно по меньшей мере примерно 90% общей связующей способности. Это является прямым результатом поддержания относительно низкого эффективного отношения "вода/цемент" (например, одним или более из способов, включающих управляемое нагревание сразу после экструзии для медленного удаления части воды испарением и (или) поглощением воды волокнами и (или) использование модификатора реологии)
Б. Вода
В одном варианте осуществления, вода может быть использована в экструдируемом составе в относительно большом количестве для повышения скорости смешивания, скорости отверждения и (или) пористости конечных экструдированных изделий. Хотя добавление большего количества воды ведет к снижению прочности при сжатии, это может быть желательным побочным эффектом для получения изделия, которое можно пилить, шкурить, забивать в него гвозди и ввинчивать шурупы и использовать как дерево или в качестве замены дерева. Кроме того, большая концентрация воды в экструдируемых составах или экструдатах может быть снижена испарением или нагреванием. Когда вода испаряется из сырого экструдата, одновременно улучшается формоустойчивость и повышается пористость. В этом состоит отличие от обычных бетонных составов и способов изготовления, где увеличенная пористость снижает прочность сырого состава, и наоборот.
Соответственно, количество воды внутри описанных здесь различных смесей может быть резко изменено в широком диапазоне. Например, количество воды в экструдируемом составе и сыром экструдате может составлять примерно от 25 до 69,75% от влажного веса, более желательно примерно от 35 до 65% от влажного веса и наиболее желательно примерно от 40 до 60% от влажного веса. С другой стороны, выдержанный композит или затвердевшее строительное изделие может включать свободную воду в количестве менее 10% от влажного веса, более желательно менее примерно 5% от влажного веса и наиболее желательно менее примерно 2% от влажного веса; однако дополнительная вода может быть связана модификатором реологии, волокнами или заполнителями.
Количество воды в экструдате во время периода быстрой реакции должно быть достаточным для отверждения или гидратации с тем, чтобы достичь описанных здесь конечных свойств. Тем не менее, поддержание относительно низкого отношения "вода/цемент" повышает прочность законченных цементированных строительных изделий. Соответственно, фактическое или номинальное, отношение "вода/цемент" обычно сначала находится в интервале примерно от 0,75 до 1,2. В некоторых случаях, фактическое, или номинальное, отношение "вода/цемент" может быть больше 1,5-1,75 с тем, чтобы получить строительные изделия, обладающие очень высокой пористостью и (или) меньшей твердостью для облегчения их распиливания, забивания в них гвоздей и (или) ввинчивания в них шурупов.
Отношение "вода/цемент" влияет на конечную прочность связующего гидравлического цемента. Управляемое удаление воды путем испарения (например, на протяжении дней, к примеру, по меньшей мере, примерно двух дней) не только кратковременно повышает прочность в сыром состоянии, но и может увеличить долговременную прочность связующего цемента благодаря сокращению отношения "вода/цемент". Кроме того, вода может быть использована для обеспечения пористости в конечном изделии за счет ее наличия в процессе формования и удаления части воды после формования. Удаление воды после формования ведет к однородно распределенной пористости в конечном изделии. Кроме того, этим можно уменьшить количество воды, повысить прочность связующего вещества и получить соотношение воды и связующего вещества, обеспечивающее нужную прочность. Отношение "вода/цемент" после управляемого испарения посредством нагревания в предпочтительном варианте составляет менее примерно 0,5 (т.е. в интервале примерно от 0,1 до 0,5, желательно примерно от 0,2 до 0,4, более желательно примерно от 0,25 до 0,35 и наиболее желательно примерно 0,3).
Количество воды также выбирается так, чтобы получить строительное изделие с требуемой плотностью. Так как возможность пилить цементированные строительные изделия, предложенные в изобретении, забивать в них гвозди и ввинчивать шурупы зависит от плотности (т.е. чем ниже плотность, тем проще пилить, забивать гвозди и ввинчивать шурупы в композит с использованием обычного инструмента, предназначенного для работы с деревом), то количество воды может выбираться, исходя из требуемого уровня пористости изделия. Вообще, увеличение количества воды, удаляемой испарением до, во время или после выдерживания, уменьшает плотность конечного выдержанного строительного изделия.
В случае, когда необходимо, чтобы строительные изделия обладали свойствами, близкими к свойствам дерева, желательно, чтобы их плотность была менее примерно 1,2 г/см3, более желательно менее примерно 1,15 г/см3, еще более желательно менее примерно 1,1 г/см3 и наиболее желательно менее примерно 1,05 г/см3.
Кроме того, что строительные материалы в соответствии с раскрытием обладают свойствами дерева, позволяющими пилить, забивать гвозди и ввинчивать шурупы, используя обычный инструмент для работ с деревом, эти материалы допускают их чистовую обработку фрезерованием и строганием.
В. Волокна
Экструдируемые составы и экструдированные строительные изделия имеют сравнительно высокую концентрацию волокон, по сравнению с обычными цементными составами. Более того, волокна обычно распределены по существу однородно по цементирующему составу с тем, чтобы в максимальной степени реализовать обеспечиваемые ими преимущества. Волокна обеспечивают конструкционное упрочнение экструдируемого состава, сырого экструдата и цементированного строительного изделия. Волокна также удерживают гвоздь и шуруп за счет пружинного обратного эффекта, обеспечивают ударную вязкость на микроуровне, предотвращают формирование трещин или внезапное разрушение на микроуровне вокруг отверстия, сформированного гвоздем или шурупом. Волокна, которые могут поглощать значительное количество воды (например, древесные, растительные или иные волокна на основе целлюлозы), могут быть использованы для снижения эффективного отношения "вода/цемент" (т.е. основанного на воде, фактически имеющейся для гидратации цемента).
Волокна различных типов могут быть использованы для получения специальных свойств. Например, цементирующие составы могут содержать природные органические волокна, извлекаемые из пеньки, хлопка, листьев и стеблей растений, твердой древесины, мягкой древесины и т.п., волокон, получаемых из органических полимеров, например, полиэфирного нейлона (т.е. полиамида), поливинилового спирта (ПВС), полиэтилена и полипропилена, и (или) неорганические волокна, например, стеклянные, графитовые, кремниевые, силикатные, микрочастицы стекла, устойчивость к щелочи которых обеспечивается тетраборатом натрия, керамические, угольные, карбидные, из металлических материалов и т.п. К предпочтительным для использования волокнам относятся, например, стеклянные волокна, волластонит, пенька, отходы сахарного тростника, волокно древесины (например, сосна Ламберта, южная сосна, ель, эвкалипт, газетная макулатура и волокна других типов), хлопковое, нитрида кремния, карбида кремния, карбида вольфрама и Кевлар; могут, однако, быть использованы и волокна других типов.
Волокна, используемые в приготовлении цементирующих составов, могут иметь большое отношение длины к толщине (или "аспектовое отношение"), поскольку более длинные и тонкие волокна обычно придают большую прочность на единицу веса конечному строительному изделию. Волокна могут иметь среднее аспектовое отношение по меньшей мере примерно 10:1, желательно по меньшей мере примерно 50:1, более желательно по меньшей мере примерно 100:1 и наиболее желательно больше примерно 200:1.
В одном варианте, могут использоваться волокна различной длины, например, примерно от 0,1 до 2,5 см, более желательно примерно от 0,2 до 2 см и наиболее желательно примерно от 0,3 до 1,5 см. В одном варианте осуществления могут использоваться волокна длиной менее примерно 5 мм, более желательно менее примерно 1,5 мм и наиболее желательно менее примерно 1 мм.
В одном варианте в цементирующие составы могут примешиваться очень длинные или непрерывные волокна. Под "длинным волокном" в данном случае подразумевается тонкое длинное синтетическое волокно, длина которого превышает примерно 2,5 см. При этом, длинные волокна могут иметь длины от примерно 2,5 до 10 см, более желательно примерно от 3 до 8 см и наиболее желательно примерно от 4 до 5 см.
Концентрация волокон в экструдируемых цементирующих составах может меняться в широких пределах для придания различных свойств экструдированному составу и конечному изделию. Как правило, волокна в экструдируемом составе могут присутствовать в концентрации, превышающей примерно 5% от влажного объема, более желательно более примерно 7% от влажного объема и еще более желательно более примерно 8% от влажного объема. Например, в одном варианте осуществления волокна в экструдируемом составе содержатся в концентрации в интервале примерно от 5 до 40%, более желательно примерно от 8 до 30% и наиболее желательно примерно от 10 до 25% от влажного объема.
Концентрация волокна в выдержанных цементированных композитах может составлять более примерно 10% от сухого объема и более желательно более примерно 15% от сухого объема и еще более желательно более примерно 20% от сухого объема. Например, в некоторых вариантах осуществления волокна в выдержанном цементирующем составе составляют примерно от 10 до 65% от сухого объема, более желательно примерно от 15 до 50% от сухого объема и еще более желательно примерно от 20 до 40% от сухого объема.
Кроме того, содержание определенных волокон в составах может быть различным. Соответственно, содержание ПВС в выдержанном цементирующем составе может составлять до примерно 5% от сухого объема, более желательно примерно от 1 до 4% и наиболее желательно примерно от 2 до 3,25%. Мягкие волокна и (или) древесные волокна в выдержанных цементирующих составах могут находиться в количестве, указанном выше в отношении общего содержания волокон, либо составлять до примерно 10% от сухого объема, более желательно примерно до 5% от сухого объема и наиболее желательно примерно до 3,5% от сухого объема. Волокна из газетной макулатуры могут присутствовать в выдержанном цементирующем составе в количествах, указанных выше в отношении общего содержания волокон, либо составлять примерно до 35% от сухого объема, более желательно примерно от 10 до 30% от сухого объема и
наиболее желательно примерно от 15 до 25% от сухого объема.
В одном варианте осуществления тип волокна может выбираться с учетом требующихся конструктивных свойств конечного изделия, состоящего из цементированного строительного изделия, при этом может быть более предпочтительным использовать плотные синтетические волокна в сравнении с легкими природными волокнами, и наоборот. Как правило, удельный вес природных или древесных волокон составляет примерно от 0,4 для волокна древесины вишневого дерева до примерно 0,7 для березы или красного дерева. С другой стороны, синтетические волокна могут иметь удельный вес в интервале от примерно 1 для полиуретанового волокна, примерно 1,3 для ПВС волокна, примерно 1,5 для Кевларового волокна, примерно 2 для волокна из графита и кварцевого стекла, примерно 3,2 для волокна из карбида кремния и нитрида кремния, примерно 7-9 для большинства металлов, примерно 8 для волокна из нержавеющей стали, примерно 5,7 для циркониевого волокна, до примерно 15 для волокна из карбида вольфрама. При этом природные волокна обычно имеют плотность менее 1, а синтетические волокна обычно имеют плотность примерно от 1 до 15.
В одном варианте осуществления в цементирующем составе могут быть использованы различные волокна с отличающимися плотностями. Например, может быть полезно скомбинировать свойства волокна древесины вишневого дерева с волокном карбида кремния. Соответственно, комбинированная система природных/синтетических волокон может быть использована в соотношениях примерно от 10 до 0,1, более желательно примерно от 6 до 0,2, еще более желательно примерно от 5 до 0,25 и наиболее желательно примерно от 4 до 0,5.
В одном варианте смесь длинных волокон правильной формы, например, волокон сосны, ели или иных природных волокон, может быть скомбинирована с микроволокном, например, волластонита, или стеклянным микроволокном, для получения уникальных свойств, включая повышенную ударную вязкость, гибкость и прочность при изгибе, когда более длинные и более короткие волокна действуют на разных уровнях в цементирующем составе.
С учетом сказанного, волокна добавляются в сравнительно большом количестве для того, чтобы получить цементированное строительное изделие, имеющее повышенную прочность при изгибе, удлинение, изгиб, способность к деформации и гибкость. Например, большое количество волокна позволяет получить цементированное строительное изделие, в которое может быть вставлен крепежный стержень, и которое обладает сопротивлением выдергивания, препятствующим его извлечению. Благодаря волокнам, цементированное строительное изделие может пилиться, шлифоваться и полироваться как дерево, в его могут ввинчиваться шурупы, либо полированием может быть обнажен ворс волокон для получения поверхности, имитирующей кожу или ткань.
Кроме того, экструдируемые цементирующие составы и выдержанные цементированные композиты могут включать опилки. Хотя опилки могут считаться имеющими волокнистую структуру, они обычно состоят из множества волокон, скрепленных лигнином или другим природным скрепляющим материалом. Такие волокна могут сообщать экструдируемому цементирующему составу или выдержанному цементированному композиту характеристики, отличающиеся от тех, что могут быть получены с использованием настоящих волокон. В некоторых случаях, опилки могут служить наполнителем. Опилки могут получаться в качестве побочного продукта лесопилок или иных производств, где происходит разрезка или обработка древесины или деревянных изделий. Экструдируемый цементирующий состав может включать опилки в количестве до 10% от влажного веса, желательно до 15% от влажного веса, более желательно до 20% от влажного веса и наиболее желательно примерно от 10 до 20% от влажного веса. Соответственно, выдержанные цементированные композиты могут включать опилки в количестве до 12% от сухого веса, желательно до 18% от сухого веса, более желательно до 25% от сухого веса и наиболее желательно примерно от 12 до 20% от сухого веса.
Г. Модификатор реологии
В предпочтительных вариантах осуществления настоящего раскрытия, экструдируемые цементирующие составы и цементированные строительные изделия включают вещество, влияющее на пластическую деформацию ("модификатор реологии"). Модификатор реологии может быть смешан с водой и волокнами для обеспечения большей степени равномерности (или однородности) распределения волокон в цементирующем составе. Кроме того, модификатор реологии может придать экструдату свойство фор-моустойчивости. Отчасти, это происходит благодаря тому, что модификатор реологии действует как связующее вещество, когда состав находится в сыром состоянии, повышая его прочность для проведения с ним различных манипуляций и его обработки без использования пресс-форм и других устройств для сохранения формы.
Как было отмечено выше, также было установлено, что при использовании модификаторов реологии в составах, предложенных в настоящем раскрытии, в частности, когда сырой экструдат нагревается до температуры выше 65°С, замедляющий эффект обычных модификаторов реологии в типовых составах нейтрализуется, вследствие чего ускоряется набор прочности цементом. В частности, при температуре более 65°С модификатор реологии выпадает в осадок из раствора и гидратация происходит быстрее, что ведет к более быстрому повышению прочности.
Кроме того, модификатор реологии помогает управлять пористостью (т.е. получать равномерно
распределенные поры при удалении воды испарением). Помимо этого, модификатор реологии может придавать повышенную ударную вязкость и гибкость выдержанному композиту, что дает улучшенные характеристики изгиба. При этом модификатор реологии взаимодействует с другими компонентами состава для получения более деформируемого, податливого, гибкого, уплотняемого, прочного и (или) эластичного цементированного строительного изделия.
Например, на свойства экструдируемого состава, сырого экструдата и цементированных строительных изделий могут влиять изменения типа, молекулярного веса, степени разветвления, количества и распределения модификатора реологии. При этом в качестве модификатора реологии может использоваться любой полисахарид, белковый материал и (или) синтетический органический материал, способный быть модификатором реологии или обеспечивающий описанное здесь управление пластической деформацией. Примерами подходящих полисахаридов, в частности целлюлозных эфиров, служат метилгидроксиэтил-целлюлоза, гидроксиметилэтилцеллюлоза, карбоксиметилцеллюлоза, метилцеллюлоза, этилцеллюлоза, гидроксиэтилцеллюлоза и гидроксиэтилпропилцеллюлоза, крахмалы, например, амилопектин, амилоза, ацетаты крахмала, гидроксиэтил эфиры крахмала, ионные крахмалы, алкил крахмалы с длинными цепями, крахмал амины, фосфаты крахмала и диальдегиды крахмала, высокомолекулярные полисахариды, например, сигель, альгиновая кислота, фикоколлоиды, агар, аравийская камедь, гуаровая камедь, смола плодоворожкового дерева, камедь карайи, трагакантовая камедь, и т.п. Примерами белковых материалов могут служит коллагены, казеины, биополимеры, биополиэфиры и т.п. Примерами синтетических органических материалов, которые могут способствовать модификации реологии, могут служить полимеры на нефтяной основе (например, полиэтилен, полипропилен), латексы (например, стирол-бутадиен), и би-оразлагаемые полимеры (например, алифатические полиэфиры, полиоксиалканаты, полиоксипропионо-вая кислота, поликапролактон), поливинилхлорид, поливиниловый спирт, поливинилацетат. Глина также может выступать в роли модификатора реологии, способствуя дисперсии волокон и (или) сообщая фор-моустойчивость сырому экструдированному составу.
Количество модификатора реологии в экструдируемом составе и цементированном строительном изделии может определяться концентрациями от низкой до высокой, в зависимости от типа, степени разветвления, молекулярного веса и (или) взаимодействия с другими компонентами состава. Например, количество модификатора реологии, имеющееся в экструдируемых цементирующих составах, может составлять примерно от 0,1 до 10% от влажного объема, желательно примерно от 0,25 до 5% от влажного объема, еще более желательно примерно от 0,5 до 5,0% и наиболее желательно примерно от 1 до 3% от влажного объема. Количество модификатора реологии в выдержанных цементирующих составах может составлять примерно от 0,1 до 20% от сухого объема, более желательно примерно от 0,3 до 10% от сухого объема, еще более желательно примерно от 0,75 до 8% от сухого объема и наиболее желательно примерно от 1,5 до 5% от сухого объема.
Дополнительными примерами синтетических органических материалов, представляющих собой пластификаторы, обычно используемые вместе с модификаторами реологии, могут служить поливинил-пирролидоны, полиэтиленгликоли, поливиниловые спирты, поливинилметил эфиры, полиакриловые кислоты, соли полиакриловых кислот, поливинилакриловые кислоты, соли поливинилакриловых кислот, полиакриламиды, полимеры этиленоксида, полиоксипропионовая кислота, синтетическая глина, стирол-бутадиеновые сополимеры, латекс, их сополимеры, их смеси и т.п. Например, количество пластификаторов в составе может изменяться от полного отсутствия пластификатора до примерно 40% содержания пластификатора от сухого веса, более желательно примерно от 1 до 35% от сухого веса, еще более желательно примерно от 2 до 30% и наиболее желательно примерно от 5 до 25% от сухого веса.
На модификатор реологии обычно приходится менее 50% общей скрепляющей способности в предложенных в изобретении строительных изделиях. Они могут, однако, опосредованно повышать прочность цементного теста путем снижения эффективного отношения "вода/цемент". Вода, связанная модификатором реологии, обычно недоступна для гидратации гидравлического связующего цемента, в результате снижается общее количество воды, имеющейся для гидратации цемента.
Д. Наполнитель
В одном варианте осуществления экструдируемый состав, сырой экструдат и выдержанный цементированный композит могут включать наполнители. В альтернативном варианте, имеются примеры того, как наполнители специально не используются. Наполнители, если они вообще используются, обычно содержатся в небольших количествах и, главным образом, для снижения стоимости экструдированных изделий. Поскольку желательно получить экструдированные изделия в виде строительных материалов со свойствами древесины, наполнители должны выбираться так, чтобы изделие не было слишком твердым и плохо обрабатываемым. Примером наполнителей могут служить описанные выше опилки, а также ке-рамзиты, перлит, вермикулит, каолин, волластонит, диатомитовая земля, пластмассовые шарики, стеклянные шарики, гранулированная резина, гранулированный пластик, вспученный вермикулит, тальк и слюда, которые более предпочтительны, так как при их использовании снижается вес и плотность цементированного строительного изделия. Некоторые наполнители, например, вермикулит, резины и пластмассовые шарики, обладают упругостью и могут создать упругий пружинный эффект, для обеспечения большей силы удержания крепежного стержня. Другие, например, перлит и стеклянные шарики, отли
чаются хрупкостью, в результате чего они дробятся, или что позволяет им дробиться, при забивании крепежного стержня, благодаря чему увеличивается или создается сила трения, препятствующая извлечению. Дополнительные данные, относящиеся к типам и количеству наполнителей, которые могут быть использованы в цементирующих составах, могут быть найдены во введенных в настоящее раскрытие ссылочных документах. Наполнители, например, вспученный вермикулит, тальк и слюда могут иметь пластинчатую форму, и в экструдере могут приобретать продольную ориентацию внутри сырого экстру-дата.
В одном варианте осуществления экструдируемые цементирующие составы могут включать самое разное количество наполнителей. В частности, при использовании наполнителей, каждый из них может независимо присутствовать в количестве менее примерно 10% от влажного веса, желательно менее примерно 7% от влажного веса, еще более желательно менее примерно 3% от влажного веса и наиболее желательно примерно от 3 до 12% от влажного веса.
В одном варианте осуществления выдержанные цементирующие составы могут включать самые разные количества наполнителей. В частности, при использовании наполнителей, каждый из них может независимо присутствовать в количестве менее примерно 15% от сухого веса, желательно менее примерно 10% от сухого веса, еще более желательно менее примерно 5% от сухого веса и наиболее желательно примерно от 3 до 15% от сухого веса. В некоторых случаях, наполнители, например известняк, могут составлять примерно 70% от сухого веса. Например, в выдержанном цементирующем составе вермикулит может составлять примерно от 2 до 20% от сухого веса и желательно примерно от 3 до 16% от сухого веса.
Е. Другие материалы
В одном варианте осуществления в экструдируемый состав, сырой экструдат и цементированное строительное изделие может быть добавлен ускоритель схватывания. Согласно настоящему описанию и данным во включенных ссылочных документах, ускоритель схватывания может включаться для снижения продолжительности индукционного периода или ускорения начала процесса быстрой реакции. Соответственно, могут быть использованы традиционные ускорители схватывания, например, MgO2, NaCO3, KCO3, CaCl2 и т.п., хотя их использование может привести к снижению прочности при сжатии цементированного строительного изделия. Это, однако, может быть и полезным побочным следствием при получении изделия, которое можно, как дерево, пилить, шлифовать, забивать в него гвозди и ввинчивать шурупы. Например, традиционные ускорители схватывания могут присутствовать в сыром экструдате в количестве примерно от 0,001 до 5% от общего сухого веса, более желательно примерно от 0,05 до 2,5% от сухого веса и наиболее желательно примерно от 0,11 до 1% от сухого веса.
Как отмечалось выше, также, при необходимости, могут быть использованы ингибиторы, также называемые замедлителями реакции, добавками для замедления схватывания или управления гидратацией, для замедления, отнесения на другое время или снижения скорости гидратации цемента. Они могут добавляться в экструдируемый состав, сырой экструдат и цементированное строительное изделие. В качестве примера ингибиторов можно привести лигносульфонаты и их соли, гидроксилированные карбоно-вые кислоты, тетраборат натрия, глюконовую кислоту, виннокаменную кислоту, муциновую кислоту, и другие органические кислоты и их соответствующие соли, фосфонаты, моносахариды, дисахариды, три-сахариды, полисахариды, некоторые другие карбогидраты, например, сахара и сахарные кислоты, крахмалы и их производные, целлюлозу и ее производные, водорастворимые соли борной кислоты, водорастворимые соли кремнийорганических соединений, сахарные кислоты, и их смеси. В качестве примера ингибиторов можно привести имеющиеся на рынке продукты под торговой маркой Delvo(r), производства компании Masterbuilders (подразделение химической компании BASF, Кливленд, шт. Огайо).
В одном варианте осуществления цементирующий состав может включать материалы-добавки. В альтернативных случаях, добавки специально не применяются. Добавки, если они используются, включаются в небольших количествах и, главным образом, для снижения стоимости экструдированного продукта. В некоторых случаях, добавки могут быть использованы для управления прочностью выдержанного изделия. В качестве некоторых примеров добавок можно привести пуццолановые материалы, вступающие в реакцию с водой, имеющие высокий рН и обладающие в некоторой степени цементирующими свойствами. Примерами пуццолановых материалов могут служить пуццолановая зола, сланец, зольная пыль, тонкий кремнеземный порошок, шлак и т.п.
Кроме того, цементирующие составы могут включать краски или пигменты для изменения цвета или для окраски экструдированных композитных изделий в соответствии с требованиями заказчика. Краски и пигменты, обычно используемые в цементирующих составах, могут быть применены и в настоящем раскрытии.
Другие специальные материалы, которые могут присутствовать в цементирующих составах, включают гуаровую камедь, darauair, TiO2, Delvo(r), glenium 30/30, LatexAc 100, pozzilith NC534, и другие аналогичные материалы. Например, TiO2 может содержаться в количестве примерно от 0,5 до 1,5% от сухого веса, желательно примерно от 0,7 до 1,3% от сухого веса; Delvo может содержаться в количестве примерно от 0,05 до 0,5% от сухого веса, желательно примерно от 0,06 до 0,37% от сухого веса; glenium
30/30 может содержаться в количестве примерно от 0,25 до 0,5% от сухого веса, желательно примерно от 0,3 до 0,4% от сухого веса; LatexAc 100 может содержаться в количестве примерно от 0,75 до 3% от сухого веса, желательно примерно от 0,95 до 2,8% от сухого веса; pozzilith NC534 может содержаться в количестве примерно от 1,25 до 4% от сухого веса, желательно примерно от 1,4 до 1,5% от сухого веса.
В одном варианте осуществления цементирующие составы могут включать дополнительные материалы, например, диспергирующие добавки, полимерные связующие материалы, затравки кристаллизации, летучие растворители, соли, буферные материалы, кислотные материалы, окрашивающие добавки и т.п. В частности, при использовании этих дополнительных материалов, некоторые из которых рассмотрены во включенных в настоящее раскрытие ссылочных документах, каждый из них может независимо присутствовать в количестве менее примерно 10% от сухого веса, более желательно менее примерно 5% от сухого веса и наиболее желательно менее примерно 1% от сухого веса.
В одном варианте осуществления в значительной степени выдержанный цементированный экстру-дат, упрочненный волокнами, может быть покрыт защитным или герметизирующим материалом, например, краской, протравой, лаком, текстурирующим покрытием и т.п. При этом покрытие может наноситься на цементированное строительное изделие после его достаточной выдержки. Например, цементированное строительное изделие может быть протравлено так, что волокна на его поверхности имеют оттенок, отличающийся от оттенка остальной части изделия, и (или) текстура напоминает изделие из древесины.
На поверхность и (или) в цементирующую матрицу могут быть введены герметизирующие материалы, используемые в бетонной промышленности, для обеспечения влагостойкости. К этим материалам относятся силаны и силоксаны.
Изготовление строительных изделий
На фиг. 1А схематически иллюстрируется вариант осуществления технологической системы и оборудования, которые могут быть использованы при формировании экструдируемого состава, сырого экс-трудата, цементированного композита и (или) строительного изделия. Следует отметить, что это только один показанный пример, использованный для описания в целом технологической системы и оборудования, в которой могут быть сделаны многочисленные добавления и модификации для приготовления цементирующих составов и изготовления строительных изделий. Кроме того, это схематическое представление не должно восприниматься как ограничивающее изобретение в отношении наличия, расположения, формы, ориентации или размера какого-либо из описываемых его элементов. Далее приводится более подробное описание системы и оборудования для приготовления цементирующих составов, а также цементированных строительных изделий, в соответствии с настоящим раскрытием.
Как показано на фиг. 1А, изображающей экструзионную систему 10 в соответствии с настоящим раскрытием, такая экструзионная система 10 включает первый смеситель 16, при необходимости, второй смеситель 18 и экструдер 24. Первый смеситель 16 предназначен для получения по меньшей мере одного подводимого материала посредством по меньшей мере первого подводимого потока 12 для его замешивания в первую смесь 20. После достаточного перемешивания, которое может выполняться с большой скоростью сдвига при поддержании температуры ниже температуры ускорения гидратации, первая смесь 20 извлекается из первого смесителя 16, когда поток материала готов для дальнейшей обработки.
Посредством приготовления первой смеси 20 отдельно от дополнительных компонентов, соответствующие смешанные компоненты могут быть однородно распределены по составу. Например, в предпочтительном варианте волокна однородно перемешиваются с по меньшей мере модификатором реологии и водой до их соединения с другими компонентами. При этом модификатор реологии, волокна и (или) вода смешиваются при большой сдвиговой скорости с тем, чтобы повысить однородность распределения волокон в смеси. Модификатор реологии и вода образуют пластическую композицию, имеющую высокое напряжение текучести и вязкость, обеспечивающие передачу сдвиговых сил от перемешивателя на уровень волокна. Таким путем, волокна могут быть однородно распределены по смеси при использовании значительно меньшего количества воды, чем требуется в процессе Хатчека и традиционных технологиях изготовления бумаги, в которых 99% воды требуются для распределения волокон.
Дополнительный второй смеситель 18 имеет второй подводимый поток 14, подающий материал для перемешивания во втором смеситель 22, где это перемешивание может быть усилено введением нагревательного элемента. Например, второй смеситель 18 может принимать и перемешивать дополнительные компоненты, например, дополнительную воду, ускорители схватывания, гидравлический цемент, пластификаторы, заполнители, зародыши кристаллизации, диспергирующие добавки, полимерные связующие вещества, летучие растворители, соли, буферные вещества, кислотные вещества, красители, наполнители и т.п., перед объединением их с другими компонентами, для формирования экструдируемого состава. Второй смеситель 18 не является обязательным, поскольку дополнительные компоненты могут быть смешаны с содержащей волокна смесью в первом смесителе 16.
На представленном схематическом изображении экструдер 24 включает шнек 26 экструдера, дополнительные нагревательные элементы (не показаны) и мундштучную головку 28 с отверстием 30 мундштука. В вариантах выполнения экструдер может быть одношнековый, двухшнековый и (или) поршневого типа.
После того как первая смесь 20 и вторая смесь 22 входят в экструдер, они могут быть объединены и смешаны в экструдируемый состав.
При смешивании компонентов, между различными компонентами создается граница раздела, например, модификатором реологии и волокнами, которая позволяет отдельным волокнам расходиться друг от друга. Благодаря повышению вязкости и сопротивления текучести посредством модификатора реологии, большее количество волокон может быть достаточно однородно распределено в смеси и конечном выдержанном изделии. Кроме того, сцепление между различными компонентами может быть повышено с тем, чтобы увеличить силы, действующие между частицами, и капиллярные силы, для улучшения перемешивания и формоустойчивости после экструзии. Например, сцепление между различными компонентами может быть уподоблено глине с тем, чтобы сырой экструдат мог быть помещен на гончарный круг и обработан как обычная глина, из которой делаются гончарные изделия.
В одном варианте осуществления дополнительные подводимые потоки (не показаны) могут быть расположены в любом месте по длине экструдера 24. Наличие дополнительных подводимых потоков позволяет в процессе изготовления добавлять некоторые компоненты в любом месте так, чтобы модифицировать характеристики экструдируемого состава во время смешивания и экструзии, а также характеристики сырого экструдата после экструзии. Например, в одном предпочтительном варианте можно подать в состав ускоритель схватывания в течение промежутка от 60 мин до примерно одной секунды перед экструзией, особенно, если это гидрат силиката кальция. Более желательно замешивать в состав ускоритель схватывания в пределах примерно от 45 мин до 5 с перед экструзией, еще более желательно в течение промежутка примерно от 30 мин до 8 с и наиболее желательно в течение промежутка примерно от 20 мин до 10 с. Это позволяет получить повышенную формоустойчивость сырого экструдата и укороченный индукционный период перед началом периода быстрой реакции.
Соответственно, индукционный период после экструзии может быть существенно сокращен с тем, чтобы вызвать возникновение периода быстрой реакции в пределах промежутка примерно от 30 с до 30 мин после экструзии, более желательно в пределах промежутка менее примерно 20 мин, еще более желательно менее примерно 10 мин и наиболее желательно менее примерно 5 мин после экструзии.
В другом варианте осуществления ускоритель схватывания может быть введен в экструдер отдельно от других компонентов так, что индукционный период имеет продолжительность менее примерно 2 ч, более желательно менее 1 ч, еще более желательно менее примерно 40 мин и наиболее желательно менее 30 мин.
На фиг. 1А также показано, что по мере продвижения цементирующего состава к концу экструдера 24, он проходит сквозь мундштучную головку 28 до его экструзии через отверстие 30 мундштука. Мундштучная головка 28 и отверстие 30 мундштука могут быть сделаны любой формы или расположения для того, чтобы выдать экструдат, который может быть подвергнут дальнейшей обработке или превращен в законченное строительное изделие. В показанном варианте осуществления желательно, чтобы отверстие 30 мундштука было круглым с тем, чтобы экструдат 32 имел форму стержня. Другие частные примеры форм поперечного сечения показаны на фиг. 1В, включая шестиугольную 42, прямоугольную 44, квадратную 46 или двутавровую 48 формы. Экструдируемые строительные изделия отличаются тем, что приобретают формоустойчивость в сыром состоянии немедленно после экструзии. Другими словами, экструдат может быть немедленно подвергнут обработке без деформации, при этом обработка может включать резание, распиловку, профилирование, фрезерование, формование, сверление и т.п. При этом экструдат в сыром состоянии не требует выдерживания перед формированием размеров или формы законченного цементированного строительного изделия. Например, обработка в сыром состоянии может включать следующее: (а) изготовление, посредством строгания, распиловки, разрезки и т.п., досок, обладающих определенными размерами, например, шириной, толщиной, длиной, радиусом, диаметром и др.; (б) сгибание экструдата так, чтобы формировать криволинейные цементированные изделия, которые могут иметь любые размеры и форму, например, криволинейную ножку кресла, криволинейные арки, и другие декоративные и (или) конструктивные элементы; (в) создание досок, длина которых превосходит или отличается от стандартной длины деревянной доски, и которые могут включать более короткие или более длинные доски длиной 6 футов 9 дюймов, 8 футов 8 дюймов, 9 футов 1 дюйм, 27 футов, 40 футов, 41 фут, 60 футов, 61 фут, 80 футов, 81 фут и т.д.; (г) текстурирование валиками, которые могут создавать на поверхности цементированного строительного изделия текстуру древесины; (д) окрашивание, нанесение влагозащитных и других покрытий, которые могут состоять из силанов, силоксанов, латекса, гидрата силиката кальция и т.п.; и (е) транспортировку, отгрузку или иные перемещения и (или) погрузочно-разгрузочные операции. Кроме того, отходы, полученные при обработке в сыром состоянии, могут быть помещены в подаваемые в экструдер составы и подвергнуты повторной обработке. Таким образом, сырые цементирующие отходы могут быть повторно использованы, что может существенно снизить производственные затраты.
На фиг. 1Б схематически показана мундштучная головка 29, которая может быть использована в экструзионном процессе, представленном на фиг. 1А. При этом мундштучная головка 29 включает отверстие 30 мундштука с элементом 31 формирования отверстия. Элемент 31 формирования отверстия может быть круглым, как показано на чертеже, либо может иметь поперечное сечение любой формы.
При этом элемент 31 формирования отверстия может формировать отверстие в экструдате, как это показано на фиг. 1В. Поскольку экструдат обладает формоустойчивостью немедленно после экструзии, отверстие может сохранять размер и форму элемента 31 формирования отверстия. Кроме того, в технологии изделий из глины известны различные мундштучные головки, элементы формирования отверстия которых позволяют получать кольцевые экструдаты, которые могут быть адаптированы и модифицированы для экструзионных процессов в соответствии с настоящим раскрытием.
Дополнительные варианты осуществления экструдатов 40 представлены на фиг. 1В. Соответственно, мундштучная головка и отверстие мундштука, показанные на фиг. 1А и 1Б, могут быть изменены или модифицированы так, чтобы получить экструдаты 40, имеющие различные поперечные сечения, при этом поперечное сечение экструдата 40 может быть, по существу, таким же, как и поперечное сечение отверстия мундштука. Например, поперечное сечение может представлять собой шестиугольник 42, прямоугольник 44 (например, с размером сторон два на четыре дюйма, один на десять дюймов и т.д.), квадрат 46, двутавр 48 или цилиндр 50, и, при желании, экструдат может иметь непрерывное отверстие 49. Кроме того, посредством экструзии могут быть получены и другие формы поперечного сечения. В частности, головка мундштука и отверстие мундштука, показанные на фиг. 1Б, могут быть использованы так, что шестиугольник 42, прямоугольник 44 (например, два на четыре, один на десять и т.д.), квадрат 46, двутавр 48 или цилиндр 50 могут, при желании, включать непрерывные круглые отверстия 51, прямоугольные отверстия 53, квадратные отверстия 57 и др. Кроме того, для получения цилиндра 50, имеющего непрерывное отверстие 49 и несколько более мелких отверстий 51, могут быть использованы сложные мундштучные головки и отверстия. Более того, любое поперечное сечение общей формы может быть обработкой превращено в сечение специальной формы, например, квадратное с соотношением сторон 4x4 может быть преобразовано в сечение с соотношением 2x4. В альтернативном варианте, через отверстие мундштука можно получать изделие с запасом по размеру, которое в дальнейшем обрезается до требуемых размеров, для обеспечения большей однородности.
Соответственно, описанные выше процессы могут быть использованы для экструзии строительных изделий с одним или более непрерывными отверстиями. Например, доска размером 2x 4 дюйма или иная, может быть экструдирована с одним или более отверстиями, в которые может быть вставлен арматурный профиль, либо в еще сыром состоянии, либо после выдерживания. В случае выдержанной доски, арматурный профиль может удерживаться внутри отверстия эпоксидной смолой или другим связующим веществом, обеспечивающим сильное сцепление между арматурным профилем и доской. Например, цилиндр 50 на фиг. 1В, также как и другие формы, может быть изготовлен в виде крупных строительных конструкций, например, столбы для воздушных линий, телефонных или электрических. Эти конструкции могут при необходимости могут включать большое внутреннее отверстие 49 для снижения массы и стоимости, а также отверстия 51 меньшего размера в стенке, позволяющие ввести упрочняющий арматурный профиль, как показано на чертеже. В одном варианте осуществления телефонный столб имеет наружный диаметр примерно четырнадцать дюймов, стенку толщиной примерно три дюйма, и внутреннее отверстие диаметром примерно восемь дюймов. В трехдюймовой стенке может быть сделано несколько разнесенных друг от друга отверстий для размещения в них арматурного профиля.
В одном варианте осуществления экструдируемый состав аэрируется, т.е. насыщается воздухом перед экструзией. В некоторых случаях может использоваться активный процесс насыщения воздухом для увеличения количества воздуха в экструдируемом составе и, тем самым, сформирования воздушных полостей, или многоячеистой структуры. При осуществлении частных процессов могут добавлять реакци-онноспособные материалы, которые разлагаются при повышенной температуре и образуют газы, например, питьевую соду (NaHCO3), карбонат аммония ((№г[4)2СО3), кислый углекислый аммоний (NH4HCO3), карбаминат аммония (NH2COONH4), и алюминиевый порошок. Активное или пассивное аэрирование может обеспечить получение экструдата и (или) цементированного строительного изделия, имеющего воздушные поры от малых до крупных, или ячеистую структуру. Например, аэрированный цементированный композит может иметь пористость примерно от 40 до 75%, более желательно примерно от 45 до 65% и наиболее желательно примерно от 50 до 60%. Таким образом, аэрация или удаление воздуха в экс-трудируемом составе дает возможность увеличить или уменьшить плотность цементированного строительного изделия.
Пористость цементированного строительного изделия может быть подобрана для обеспечения пористости, соответствующей предполагаемому назначению цементированного строительного изделия. Например, для досок, аналогичных деревянным, может быть выбрана большая пористость, что способствует забиванию гвоздей, ввинчиванию шурупов, разрезку, сверление, строгание, распиливание и т.п. При этом увеличенная пористость может быть использована для приближения свойств цементированного материала к свойствам дерева. Таким образом, пористость, вместе с содержанием волокна, может быть выбрана, в зависимости от предполагаемого использования.
В одном варианте осуществления экструдат может быть подвергнут дальнейшей обработке в сушильном устройстве или автоклаве. Сушильное устройство может быть использовано для высушивания экструдата с целью удаления излишков воды, для увеличения пористости и (или) формоустойчивости. С
другой стороны, экструдат может быть подвергнут обработке в автоклаве для увеличения скорости выдерживания.
На фиг. 2 представлена схематическая иллюстрация альтернативного экструзионного процесса, который может быть использован для изготовления цементированных строительных изделий, в соответствии с настоящим раскрытием. При этом экструзионный процесс может быть рассмотрен с использованием системы 200 экструзии через валки, в которой валки используются для экструзии влажного цементирующего материала в сырой промежуточный экструдат. Такая система 200 экструзии через валки включает смеситель 216, приспособленный для приема по меньшей мере одних подводимых материалов посредством подводимого потока 212, для замешивания их в смесь 220. После достаточного перемешивания, которое может быть выполнено в соответствии с приведенным описанием, смесь 220 извлекается из смесителя 216 в виде потока материала, готового для дальнейшей обработки.
Далее смесь 220 подается на конвейер 222 или другое аналогичное транспортирующее устройство с тем, чтобы отвести материал от места его подачи. Это позволяет сформировать смесь в цементирующий поток 224, который может быть подвергнут обработке. При этом цементирующий поток 224 может быть пропущен под первым валиком 226, установленным на заданном расстоянии от конвейера 222 и имеющим заданную относительную площадь поперечного сечения, который может спрессовать или сформировать цементированный поток 224 в сырой экструдат 228. В варианте осуществления конвейер 222 может далее передать сырой экструдат 228 через первый плющильный валик 230, состоящий из верхнего валика 230а и нижнего валика 230b. Поперечное сечение плющильного валика 230 может быть выбрано так, чтобы сырой промежуточный экструдат 228 далее формировался и (или) сжимался в оформленный сырой промежуточный экструдат 242. Кроме того, при необходимости, второй плющильный валик 240, состоящий из первого валика 240а и второго валика 240b, может быть использован вместо первого плющильного валика 230, или в дополнение к нему. Комбинация плющильных валиков 230, 240 может подходить для получения сырого экструдата, имеющего, в целом, требуемую форму. В альтернативном варианте, первый валик 226 может быть исключен и цементирующий поток 224 может проходить через любое количество плющильных валиков 230, 240.
Кроме того, сформированный сырой экструдат 242, или другой описанный здесь экструдат, например, полученный в процессе, показанном на фиг. 1А, может быть подвергнут дальнейшей обработке в обрабатывающем устройстве 244. Обрабатывающее устройство 244 может представлять собой оборудование или систему любого типа, которые используются для обработки описанных здесь сырых материалов экструдата. При этом обрабатывающее устройство 244 может пилить, строгать, резать, гнуть, наносить покрытие, сушить или иным образом придавать форму или далее преобразовывать сформированный сырой экструдат 242 в обработанный экструдат 246. Кроме того, отходы 260, получаемые в обрабатывающем устройстве 244, могут быть повторно возвращены в подводимый состав 212, либо поданы на конвейер 222 вместе со смесью 220. Если обрабатывающее устройство 244 представляет собой сушильное устройство, сформированный сырой экструдат 242 может быть нагрет до температуры, при которой происходит быстрое удаление воды с образованием пустот в обработанном экструдате 246, что увеличивает пористость.
В одном варианте осуществления комбинированный процесс выдерживания/сушки может быть использован для выдерживания и сушки гидравлического цемента для формирования экструдированного цементированного композита. Например, комбинированный процесс выдерживания/сушки может осуществляться при температуре примерно 75-99°С в течение 48 ч для достижения примерно 80% окончательной прочности. Однако для выдерживания и сушки крупных блоков может понадобиться дополнительное время.
В дополнительном варианте осуществления для выдерживания гидравлического цемента используется комбинация пропаривания и обработки в автоклаве. Обычно сначала цемент подвергается пропари-ванию для доведения температуры гидравлического цемента до температуры примерно 65-99°С, после чего нагревается в автоклаве при температуре примерно 190°С или более при давлении 12 бар в течение примерно 12 ч. Посредством обработки в автоклаве, полученное цементированное изделие приобретает более примерно 150%, а в некоторых случаях, 200% окончательной прочности 28-дневной выдержки.
В соответствии с фиг. 3А-Г экструзионная система, показанная на фиг. 1А, может быть модифицирована так, чтобы получать экструдат вокруг дополнительного опорного элемента или упрочняющего элемента, например, армирующего профиля (металлического или стекловолоконного), проволоки, проволочной сетки, ткани и т.п. За счет совместной экструзии цементирующего состава с упрочняющей проволокой, тканью или армирующим профилем, полученное цементированное строительное изделие может допускать больший изгиб или иметь большую прочность при изгибе перед разрушением. В альтернативном варианте, система 200 экструзии через валки может быть сформирована так, чтобы получать упрочненные сырые корпуса и цементированные строительные изделия, как это описано далее.
На фиг. 3А представлен вариант осуществления системы 300 для совместной экструзии (коэкстру-зии). Система 300 коэкструзии включает по меньшей мере две или более мундштучных головки 302а и 302b. Мундштучные головки 302а и 302b ориентированы так, что соответствующие мундштучные отверстия 303а и 303b формируют экструдат, который перемешивается в однородный экструдат 308. Кроме
того, система 300 коэкструзии включает средства для установки дополнительного опорного элемента, например, арматурного профиля 304 внутри однородного экструдата 308, которые могут включать конвейер, шкив, приводной механизм, перемещающуюся мундштучную головку, механизм выталкивания арматурного профиля, механизм вытягивания арматурного профиля и др.
Показано, что арматурный профиль 304 пропущен между первым отверстием 303а мундштука и вторым отверстием 303b мундштука. Это позволяет арматурному профилю 304 быть по меньшей мере частично или полностью заключенным внутри однородного экструдата 308, при этом заключенный внутри арматурный профиль 306 показан пунктирными линиями. У показанного арматурного профиля 304 первый конец 310 расположен за отверстиями 303а и 303b еще до того, как на арматурный профиль 304 наносится какой-либо экструдат, поэтому первый конец 310 не инкапсулирован. Обнаженный арматурный профиль позволяет протягивать его мимо отверстий 303а и 303b мундштука, и облегчает манипуляции с экструдатом и проведение работу с ним после экструзии.
Далее, со ссылкой на фиг. 3Б, показан другой вариант осуществления системы 320 коэкструзии. Система 320 коэкструзии включает мундштучную головку 322 и средства для подачи проволочной или тканой сетки 324 в экструдат 326, которые, например, могут включать конвейер, шкив, приводной механизм, перемещающуюся мундштучную головку, механизм выталкивания арматурного профиля, механизм вытягивания арматурного профиля и др. При этом, средства могут непрерывно подавать сетку 324 в отверстие 321 мундштука так, что экструдат 326 экструдируется вокруг и инкапсулирует сетку 324. Инкапсулированная сетка 328 представлена линиями внутри экструдата 326. Кроме того, сетка 324 может подаваться со скоростью, по существу эквивалентной скорости экструзии, для равномерного формирования упрочненного экструдата.
На фиг. 3В представлен другой вариант осуществления системы 340 коэкструзии. Система 340 ко-экструзии включает мундштучную головку 342 с отверстием 348 мундштука. Конфигурация мундштучной головки 342 и отверстия 348 мундштука выбраны так, что дополнительный опорный элемент 344 (т.е., по меньшей мере один арматурный профиль) может быть пропущен сквозь отверстие 348 мундштука через отверстие 350 канала. Когда арматурный профиль 344 проходит сквозь отверстие 350 канала, он инкапсулируется экструдатом 352, образуя инкапсулированный арматурный профиль 354.
На фиг. 3Г показан другой вариант осуществления системы 360 коэкструзии. Система 360 коэкс-трузии включает мундштучную головку 362 с отверстием 363 мундштука и пресс-форму 364 открытого типа. Конструкция пресс-формы 364 открытого типа включает открытую полость 366, образованную корпусом пресс-формы 368. При использовании в пресс-форму 364 открытого типа внутрь открытой полости 366 вставляется опорный элемент 370, например, проволочная или тканая сетка, несколько арматурных профилей или проволок. Это позволяет экструдировать экструдат 374 на сетку 370 и вокруг нее так, чтобы формировать инкапсулированную сетку 376, как это показано пунктирными линиями внутри экструдата 374.
В то время как пресс-форма 364 открытого типа может быть использована для определения формы поперечного сечения экструдата 374, она может для этого и не использоваться. Это связано с тем, что система 360 коэкструзии может быть устроена так, что пресс-форма 365 открытого типа просто поддерживает сетку 376, и протягивает сетку 370 мимо отверстия 363 мундштука. Таким образом, экструдат 374 может быть свободно опирающимся и может инкапсулировать сетку 370 внутри пресс-формы 364 открытого типа, либо на каком-либо другом элементе, например, конвейере, шкиве, приводном механизме, перемещающейся мундштучной головке, механизме выталкивания арматурного профиля, механизме вытягивания арматурного профиля и др. (не показан).
На фиг. 4 схематически представлен другой вариант осуществления конструктивного упрочнения цементированного строительного изделия посредством арматуро-подобной структуры. При этом в процессе 400 осуществления упрочнения может использоваться арматурный профиль 402, изготовленный из любого упрочняющего материала, например, металла, стекла, керамики, пластмассы и т.д. Затем арматурный профиль 402 может быть подвергнут обработке в технологическом устройстве 404, которое наносит эпоксидный слой 406 на арматурный профиль 402. В цементированном строительном изделии 408 сформировано непрерывное отверстие 410, например, способом, описанным применительно к фиг. 1Б, для введения туда арматурного профиля 402, покрытого эпоксидной смолой 406. Затем арматурный профиль 402, покрытый эпоксидной смолой 406, вводится в отверстие 410. Процедура введения может включать забивание, запрессовку и иное вдавливание с усилием арматурного профиля 402, покрытого эпоксидной смолой, в отверстие 410. Соответственно, цементированное строительное изделие 408 с арматурным профилем 402 может быть значительно упрочнено и конструктивно усилено. В альтернативном случае, эпоксидная смола может быть введена в отверстие 410 цементированного строительного изделия 408 перед введением туда арматурного профиля 402.
В одном варианте осуществления сырой экструдат с дополнительным опорным элементом, или без него, может быть подвергнут дальнейшей обработке, при которой гидравлический цемент в сыром экс-трудате подвергается гидратации или выдерживанию другим способом, описанным выше, для формирования затвердевшего цементированного строительного изделия. При этом цементированное строительное изделие может быть сформировано формоустойчивым немедленно после экструдирования, что обес
печивает работу с ним без угрозы поломки. В предпочтительном варианте цементирующий состав или сырой экструдат могут приобрести формоустойчивость в течение 20 мин, более желательно в течение 10 мин, еще более желательно в течение 5 мин и наиболее желательно в пределах 1 мин после экструзии. Наиболее оптимизированные и предпочтительные составы и способы обработки позволяют получить сырой экструдат, обладающий формоустойчивостью при экструзии. Использование модификатора реологии позволяет получить экструдаты, обладающие формоустойчивостью сразу же после экструзии, даже и в отсутствие гидратации гидравлического цементного связующего вещества.
Для получения формоустойчивости система изготовления может включать сушильное устройство, нагреватель или автоклав для обеспечения гидратации, схватывания или отверждения другим путем сырого экструдата. Сушильное устройство или нагреватель могут обеспечивать выделение достаточного количества тепла, как это было описано выше, для удаления или испарения воды из экструдата с тем, чтобы увеличить его жесткость или пористость, или вызвать наступление периода быстрой реакции. С другой стороны, автоклав может создать пар под давлением, чтобы вызвать наступление периода быстрой реакции.
В одном варианте осуществления, как было описано, вдобавок к введению в цементирующий состав ускорителя схватывания, может быть вызвано инициирование быстрой реакции в сыром экструдате. При этом может быть вызвана быстрая реакция в сыром экструдате посредством изменения температуры экструдата, или изменением давления и (или) относительной влажности. Кроме того, быстрая реакция может быть вызвана выбором ускорителя схватывания так, чтобы вызвать быструю реакцию в заранее заданный промежуток времени после экструзии.
В одном варианте осуществления приготовление цементирующего состава или строительного изделия может включать, по существу, гидратацию или выдерживание другим путем сырого экструдата с получением цементированного строительного изделия за более короткий промежуток времени, или большую скорость реакции, по сравнению с обычными бетонами или иными гидравлически схватываемыми материалами. В результате, цементированное строительное изделие может быть в основном выдержано или отверждено, в зависимости от типа используемого связующего материала, в течение примерно 48 ч, более желательно в течение примерно 24 ч, еще более желательно в течение 12 ч и наиболее желательно в течение 6 ч. Таким образом, система и процесс изготовления могут быть приспособлены для обеспечения высокой скорости выдерживания для дальнейшей обработки или отделки цементированного строительного изделия.
Более того, при более высоких температурах выдержки, указанных выше, может быть увеличена скорость процесса выдержки. В частности, как отмечалось выше, гидратация, схватывание или отверждение иным способом может быть проведено при температурах от 65 до 99°С, более желательно выше 70°С и еще более желательно при температуре выше 80°С. При этих повышенных температурах, цементированные композиты (т.е. цементированные строительные изделия), достигшие по меньшей мере 100% своей прочности, могут быть сформированы за период 48 ч, более желательно 40 ч, еще более желательно 32 ч и наиболее желательно 24 ч.
Обычно, невозможно провести гидратацию и (или) выдерживание при вышеуказанных температурах, поскольку известно, что при повышенных температурах возможно замедление формирования эт-трингитов. Это явление приводит к развитию напряжений внутри цементированного строительного изделия, расширяющих изделие, пока не возникнут трещины. Соответственно, известные цементированные строительные изделия изготавливались при более низких температурах выдержки.
Описанные в настоящем раскрытии специальные составы обеспечивают, однако, более высокую пористость, которая сдерживает действие растрескивания при формировании эттрингитов.
Кроме того, известно, что в присутствии воды возникают вторичные эттрингиты. Одним дополнительным преимуществом способов, предложенных в настоящем раскрытии, является то, что изготавливаемое изделие содержит меньше влаги, что препятствует развитию эттрингитов по прошествии времени. В частности, температуры выдерживания, используемые при выполнении способов, предложенных в настоящем раскрытии, позволяют получить изделия, содержащие примерно на 10% меньше воды.
Другим преимуществом использования более высоких температур выдерживания является то, что, как было установлено, обычно используемые замедлители схватывания, например, метилцеллюлоза и т.п., и модификаторы реологии, описанные выше, выпадают в осадок из раствора при температурах примерно 70°С, что ускоряет гидратацию, схватывание и скорость выдерживания гидравлического цемента в экструдате. Благодаря этому, получается цементированный композит, набирающий большую часть своей прочности за более короткое время.
Кроме того, было установлено, что при более высоких температурах выдерживания получаются строительные изделия с меньшей объемной плотностью и более высокой прочностью при изгибе, о чем будет сказано ниже. В частности, прочность при изгибе может быть повышена по меньшей мере на 50%, обеспечивая получение более прочного, долговечного изделия.
В одном варианте осуществления выдерживаемый или выдержанный цементирующий состав может быть подвергнут дальнейшей обработке или отделке. Такая обработка может включать распиливание, шлифовку, разрезку, сверление и (или) придание цементирующему составу требуемой формы, кото
рая может быть получена с использованием данного состава. Соответственно, когда производится распилка цементированного строительного изделия, волокна и модификатор реологии способствуют получению ровных линий распила, которые могут быть сформированы без растрескивания и скалывания поверхности распила, или внутренних частей материала. Благодаря этому, цементированные строительные изделия могут использоваться как замена деревянным, поскольку изделие с соотношением размеров 2x4 дюйма может быть приобретено потребителем и разрезано с использованием стандартного оборудования для получения требуемой формы и длины.
В одном варианте осуществления формоустойчивый сырой экструдат может быть обработан системой, модифицирующей наружную поверхность изделия. Одним примером такой модификации может служить прокатывание сырого экструдата в плющильных валиках или последовательности валиков, которые могут придать вид, имитирующий древесину. При этом цементированное строительное изделие может стать заменой деревянного с сохранением внешнего вида и текстуры дерева. Кроме того, могут быть нанесены на поверхность цементированного строительного изделия или внесены в изделие определенные красители, краски и (или) пигменты с тем, чтобы получить цвет различных пород дерева.
Сырые экструдированные строительные изделия, пока еще в сыром состоянии, могут быть подвергнуты изменению формы для получения, например, криволинейных досок или других строительных изделий, имеющих заданный радиус. В этом состоит существенное преимущество по сравнению с традиционными деревянными изделиями, которые поддаются искривлению с большим трудом, либо должны подвергаться фрезерованию для получения криволинейной формы. В одном варианте осуществления, цементированные строительные изделия могут быть подвергнуты шлифовке и (или) полировке так, чтобы обнажить волокна на поверхности. Благодаря большому количеству волокна в изделии, на поверхности может быть обнажено много волокон. Благодаря этому могут быть получены необычные и художественно интересные текстуры, повышающие эстетические свойства изделия. Например, цементированное строительное изделие может быть прошлифовано и отполировано так, что приобретет текстуру кожи или ткани.
Строительные изделия
В настоящем раскрытии показана возможность изготовления цементированных строительных изделий, имеющих практически любую форму и размеры, либо экструдированных с требуемой формой, либо впоследствии разрезанных, расточенных или каким-либо иным способом сформированных в изделия нужной формы и размеров. Примерами могут служить отделочные доски, пиломатериалы размером 2x 4 дюйма и других размеров, панели, имитация фанеры, имитация древесно-волокнистой плиты, двери, кровельная дранка, декоративные элементы, верхние поверхности стола, ножки столов, оконные рамы, дверные рамы, кровельная черепица, стенная панель, предохранительные пластины для дверей, балки, двутавровые профили, балки пола и т.п. Соответственно, цементированные строительные изделия могут быть силовыми (например, профили 2x4 дюйма) или не силовыми (например, отделочные доски). Таким образом, цементированные строительные изделия могут быть использованы в качестве замены дереву практически для любых применений в строительстве.
Выдержанный цементированный композит может быть изготовлен с различными свойствами для использования в качестве замены пиломатериала. Например, выдержанный цементированный композит, который может служить заменой пиломатериала, может обладать любыми из следующих свойств: в него можно забивать молотком и (или) выстреливать гвозди; он может захватывать или удерживать гвозди, особенно, при соединении с другим объектом; в него можно завинчивать шурупы отверткой или механическим шуруповертом; он может захватывать и удерживать шурупы, особенно, при соединении с другим объектом; может быть аналогичен по весу пиломатериалам, но может быть и несколько тяжелее; имеет достаточную прочность, чтобы не повреждаться при падении; имеет достаточную прочность, чтобы не прогибаться по концам или растрескиваться при закреплении в середине; и (или) его можно пилить или резать ручной пилой или иной пилой, предназначенной для разрезки дерева.
В одном варианте осуществления, сырой экструдат или цементированный композит могут быть превращены в строительное изделие, как это было описано выше. При этом удельный вес выдержанного композита, включающего поры или сотовую структуру, может быть более примерно 0,4 или в интервале примерно от 0,4 до 0,85, более желательно примерно от 0,5 до 0,75, наиболее желательно примерно от 0,6
до 0,75.
В одном варианте осуществления выдержанный композит может характеризоваться прочностью при изгибе более примерно 1500 фунтов/кв. дюйм, более желательно превышающей примерно 1750 фунтов/кв. дюйм, еще более желательно превышающей примерно 2000 фунтов/кв. дюйм, еще более желательно превышающей примерно 3000 фунтов/кв. дюйм и еще более желательно превышающей примерно 4000 фунтов/кв. дюйм. Например, в одном варианте осуществления выдержанный композит может иметь прочность при изгибе примерно от 1500 до 5000 фунтов/кв. дюйм.
Как отмечалось выше, процессы выдерживания с более высокими температурами позволяют получать выдержанные цементированные композиты с более высокой жесткостью изгиба. Например, в одном варианте осуществления жесткость изгиба выдержанного композита может составлять примерно от
160000 до 850000 фунтов/кв. дюйм, желательно примерно от 200000 до 800000 фунтов/кв. дюйм, более желательно примерно от 300000 до 700000 фунтов/кв. дюйм и наиболее желательно от 400000 до 600000 фунтов/кв. дюйм.
Кроме того, в одном варианте осуществления выдержанный композит может иметь модуль изгиба примерно от 200000 до 5000000 фунтов/кв. дюйм, более желательно примерно от 300000 до 3000000 фунтов/кв. дюйм и наиболее желательно примерно от 500000 до 2000000 фунтов/кв. дюйм В одном варианте осуществления, выдержанный композит может обладать поглощением энергии упругой деформации примерно от 5 до 50 фунт-сила/дюйм, желательно примерно от 10 до 30 фунт-сила/дюйм, более желательно примерно от 12 до 25 фунт-сила/дюйм и наиболее желательно примерно от 15 до 20 фунт-сила/дюйм.
Кроме того, цементированное строительное изделие может отличаться от известных бетонных строительных изделий. На фиг. 5 иллюстрируются проблемы, которые могут возникнуть при введении (например, вбивании молотком, вдавливании или выстреливании) крепежного стержня 64 (например, гвоздя или шурупа) в поверхность 62 известного бетонного строительного изделия 60, в котором крепежный стержень 64 формирует отверстие 66 во время введения. По аналогии с обычными бетонами, которые используются в различных применениях, начиная от дорожного полотна и кончая фундаментами, когда в бетон 60 вводится крепежный стержень 64, структура поверхности 62 нарушается. Показано, что в бетоне 60 и (или) поверхности 62 формируются трещины 68 и лунки 70 в результате выкрашивания вокруг отверстия 66.
Поскольку бетон 60 повреждается вокруг отверстия 66, поверхность отверстия 66 может иметь неоднородную форму с трещинами, образованную значительным растрескиванием, лунками и (или) выкрашиванием. Кроме того, сила, которая необходима для введения в бетон крепежного стержня 64 в виде гвоздя посредством последовательных ударов молотком по шляпке гвоздя 64, часто повреждает или сгибает гвоздь так, что он становится практически бесполезным. Кроме того, когда в качестве крепежного стержня 64 используется шуруп, ввинчиванием в поверхности создается отверстие 66, испещренное трещинами и осколками. По этой причине, бетонные строительные изделия 60 не могли быть подходящей заменой древесине в части введения в них крепежного стержня 64 и вели себя подобно обычному бетону, растрескиваясь и выкрашиваясь во время введения стержня.
На фиг. 5Б показано цементированное строительное изделие 80, используемое в качестве замены дереву, в соответствии с настоящим раскрытием. Соответственно, результаты введения крепежного стержня 84 (например, гвоздя или шурупа) в поверхность 82 цементированного строительного изделия 80 являются более благоприятными по сравнению с обычным бетоном, показанным на фиг. 5А. В частности, когда крепежный стержень 84 вводится в поверхность 82, результирующее отверстие 86, сформированное крепежным стержнем 84, может иметь, по существу, круглую форму. Хотя может иметь место незначительное растрескивание и выкрашивание, как и при аналогичном введении в дерево, отверстие 80 получается значительно более круглым и менее поврежденным, по сравнению с отверстием в обычном бетоне. Поскольку цементированное строительное изделие 80 формируется как замена деревянному, крепежный стержень 84 в виде гвоздя может быть забит в него молотком повторяющимися ударами в головку гвоздя, без повреждения или изгиба гвоздя 84.
В любом случае, описанные здесь цементированные строительные изделия могут быть использованы в качестве заменителя деревянных, и в них даже можно будет ввести крепежный стержень. При этом предложенные в изобретении цементированные строительные изделия могут быть использованы в виде нескольких соединяемых друг с другом компонентов, либо могут быть использованы в других применениях, где используются гвозди и шурупы.
Далее на фиг. 6А и 6Б приведены другие изображения 90 того, что обычно происходит, когда крепежный стержень 84 (например, гвоздь или шуруп) вводится в известное или обычное бетонное строительное изделие 92. Когда крепежный стержень 94 вводится в поверхность 96 бетона 92, отверстие 95, формируемое при этом, получается растрескавшимся и зазубренным, как это показано на фиг. 6А и 6Б. Соответственно, на фиг. 6А изображение 90 показывает продольный разрез получившегося повреждения обычного бетона 92, а на фиг. 6Б изображение 90 показывает срединное сечение получившегося поврежденного отверстия 95.
Видно, что крепежный стержень 94 вызывает не только растрескивание поверхности 96, или образование лунок 98, но также аналогично повреждена и внутренняя поверхность 100 по всей длине отверстия 95. В частности, введение крепежного стержня 94 приводит к тому, что внутренняя поверхность 100 оказывается покрытой трещинами 102, раздробленным бетоном 104 и выкрошенным бетоном 106. Даже если имеется возможность введения крепежного стержня 94 в бетон, часто требуется строительный пистолет или пиропатрон вместо молотка или отвертки, поскольку при забивании обычным молотком крепежный стержень 94 гвоздя, как правило, гнется, а ввинчивание серьезно повреждает внутреннюю поверхность 100.
Кроме того, крепежный стержень 94, который был введен в обычный бетон 92, может быть легко извлечен оттуда, зачастую без использования инструмента или приспособления, как и было описано выше. Вкратце, это происходит потому, что разрушение внутренней поверхности 100 снижает сжимающие
силы, приложенные к крепежному стержню 94, которые должны его удерживать. В результате, обычный бетон 92 обладает низким или малым сопротивлением выдергивания, и гвоздь и шуруп 94 могут быть легко из него извлечены. Это не позволяет использовать обычный бетон 92 в качестве заменителя дерева, и два таких куска не могут быть должным образом скреплены гвоздями, и легко разделяются.
Далее, на фиг. 7А и 7Б представлено типичное изображение 110 того, что происходит, когда крепежный стержень 112 вводится в упрочненное волокном цементированное строительное изделие 114, в соответствии с настоящим раскрытием. В отличие от изображения на фиг. 6А и 6Б, если крепежный стержень 112 вводится в поверхность 115 предложенного в изобретении строительного изделия 114, формируемое при введении отверстие 116 не повреждается или растрескивается, как это также показано на фиг. 5Б. Соответственно, на фиг. 7А приведен вид продольного разреза результирующего отверстия 116, а фиг. 7Б показывает вид срединного поперечного сечения получившегося отверстия 116.
Видно, что крепежный стержень 112 не вызывает какого-либо существенного повреждения поверхности 115, либо внутренней поверхности 118 по всей длине отверстия 116. В частности, при введении крепежного стержня 112 волокна 120 на внутренней поверхности 118 обнажаются и деформируются или раздвигаются крепежным стержнем 112. Как описывалось, эти волокна 120 деформируются или раздвигаются, чтобы пропустить мимо себя крепежный стержень 112, но затем, после введения, прикладывают к гвоздю захватывающее усилие. Кроме того, в строительное изделие может быть введен модификатор реологии для деформирования гвоздем в процессе его введения, после чего к введенному гвоздю прикладывается захватывающее усилие.
Кроме того, отверстие 116, сформированное крепежным стержнем 112 гвоздя не повреждается и может приложить к гвоздю достаточные сжимающие усилия, препятствующие его извлечению. Это происходит из-за того, что гвоздь 112 во время введения не повреждает стенку отверстия 116 волокнами и другими материалами, деформирующимися в процессе формирования отверстия 116. Более того, если в качестве крепежного стержня 112 используется шуруп, стенка 116 может иметь гребни и канавки, взаимно блокирующиеся с зубьями и канавками шурупа. Более того, значительное количество материала композита внутри канавок шурупа 112 может быть скреплено со стенкой, что способствует получению увеличенного сопротивления выдергивания. Таким образом, стенка отверстия 116 по существу сжимаема, вследствие чего для извлечения гвоздя или шурупа необходим рычаг, отвертка или другое извлекающее устройство.
Цементированные строительные изделия могут быть использованы в качестве замены древесины там, где требуется большое количество строительных изделий, скрепляемых гвоздями, шурупами или болтами. В принципе, существует мнение, что наличие большого весового и (или) объемного содержания волокна, описанного выше, обеспечивает благоприятное взаимодействие с гвоздями, шурупами и (или) болтами. Это происходит из-за того, что большое количество волокон имитирует свойства дерева. В частности, каждое отдельное волокно может деформироваться при первом воздействии на него гвоздем или шурупом, после чего прижаться к гвоздю или шурупу для воздействия на него захватывающим усилием. Это позволяет вводить гвоздь или шуруп внутрь цементированного строительного изделия без заметного выкрашивания и растрескивания.
Кроме того, использование модификатора реологии в высокой концентрации также может усилить этот эффект. Также, как и в случае волокон, модификатор реологии придает свойства цементированному строительному изделию, отчасти благодаря которым оно может деформироваться без существенного выкрашивания и растрескивания. Отчасти, модификатор реологии может придавать пластические характеристики, скрепляющие материалы вокруг места с напряжением, например, в точке, куда вводится гвоздь или шуруп. При этом гвоздь или шуруп могут быть введены в цементированное строительное изделие, а модификатор реологии обеспечивает необходимую деформацию без заметного выкрашивания и растрескивания.
Например, высокая концентрация волокон или других материалов-наполнителей может сообщать цементированному строительному изделию значительное сопротивление выдергиванию. Сопротивление выдергиванию для гвоздя 10d (т.е. гвоздя 9 калибра или диаметром 0,128 дюйма и длиной 3 дюйма), погруженного на один дюйм в цементированный композит, может составлять примерно от 30 до 105 фунт-сила/дюйм, более желательно примерно от 40 до 95 фунт-сила/дюйм, еще более желательно примерно от 40 до 95 фунт-сила/дюйм и наиболее желательно примерно от 50 до 85 фунт-сила/дюйм. Сопротивление выдергиванию для более пористых цементированных композитов может составлять в интервале примерно от 25 до 90 фунт-сила/дюйм, более желательно примерно от 30 до 70 фунт-сила/дюйм и наиболее желательно примерно от 40 до 60 фунт-сила/дюйм. Сопротивление выдергиванию для более твердого цементированного композита может составлять примерно от 15 до 60 фунт-сила/дюйм, более желательно примерно от 18 до 50 фунт-сила/дюйм и наиболее желательно примерно от 20 до 50 фунт-сила/дюйм. Следует, однако, понимать, что сопротивление выдергиванию для изделия при данной плотности может регулироваться изменением количества волокна, пористостью, наполнителем, типом гвоздя и т.п.
Аналогично, сопротивление выдергиванию для шурупа, погруженного на 1 дюйм в цементированный композит, может составлять примерно от 200 до 1000 фунт-сила/дюйм, более желательно примерно от 300 до 950 фунт-сила/дюйм и наиболее желательно примерно от 400 до 900 фунт-сила/дюйм. Следует,
однако, понимать, что сопротивление выдергиванию для изделия при данной плотности может регулироваться изменением количества волокна, пористостью, наполнителем, типом шурупа и т.п.
Кроме того, поскольку цементированные композиты в основном содержат неорганические материалы, они менее подвержены гниению при повышенной влажности, чем дерево. Даже если органические волокна имеют тенденцию деградации в некоторых условиях, в целом сильные щелочные свойства цемента подавляют порчу и гниение в большинстве условий.
Примеры вариантов осуществления раскрытия
Пример 1
В соответствии с настоящим раскрытием были приготовлены различные экструдируемые составы с различными концентрациями компонентов. Компоненты составов были перемешаны в соответствии с обычными процедурами смешивания, описанными выше, а также во введенных в настоящее описание ссылочных документах. Рецептура экструдируемых составов приведена в табл. 1.
Таблица 1
Компонент
Состав 1
Состав 2
Состав 3
Материалы (влажные) (кг)
44,8
45,16
48,30
Вода (кг)
20,00
20,00
23,50
Цемент (кг)
16,00
16,00
16,00
ПВС волокно (8мм)
0,60
0,60
0,60
Волокно твердого дерева
7,00
7,00
0,00
Газета
0,00
0,00
7,00
Метилцеллюлоза (240 НРМС)
1,20
1,20
1,20
Expancel (наполнитель нз микросфер)
0,00
0,36
0,00
После смешивания составы экструдировались сквозь мундштучную головку, имеющую прямоугольное отверстие размером примерно 1 x 4 дюйма. Три образца каждого из трех составов использовались для приготовления композитных строительных изделий в форме 1 x4 дюйма. Образцы изделий выдерживались в пластиковых мешках при нормальных условиях примерно 7 дней. Затем пластиковые мешки убирались, и образцы помещались в паровую камеру на 8 дней. Далее образцы помещались в сухую печь на 7 дней, пока у них не прекращалось изменение веса. Далее проводились измерения плотности и испытания на прочность при изгибе, модуль изгиба, и их пригодности к забиванию в них гвоздей и ввинчиванию и удержанию шурупов. Гвозди и шурупы могли вводиться в образцы с использованием обычного инструмента, используемого для работы с деревянными изделиями аналогичного размера. Результаты (усредненные по образцам каждого состава) приведены в табл. 2.
Таблица 2
Состав 1
Состав 2
Состав 3
Плотность на момент испытания
(г/см3)
0,89
0,46
0,86
Прочность при изгибе (фунтов/кв.дюйм)
2 501,81
469,57
2 421,21
Модуль изгиба (фунтов/кв, дюйм)
576 842,00
94 862,50
521 910,00
Удержание гвоздя (фунт-сила/дюйм)
315,42
35,42
243,61
Удержание шурупа (фунт-сила/дюйм)
348,42
86,12
367,57
Как показано в табл. 2, при добавлении наполнителя на основе микросфер (Expansel) к экструди-руемому составу в варианте 2, радикально снижалась объемная плотность, по сравнению с составами 1 и 3, однако и прочность при изгибе также падала. Кроме того, как видно при сравнении с составами 1 и 3, при замене твердого дерева на газетную бумагу слегка уменьшалась объемная плотность, однако на остальные характеристики это не влияло. Это дает возможность изготавливать состав с высокой прочностью и более низкой плотностью, и более безопасно для окружающей среды.
Пример 2
В соответствии с настоящим раскрытием, были приготовлены различные экструдируемые составы с различным соотношением метилцеллюлозы и цемента. Все компоненты перемешивались согласно обычным процедурам смешивания, описанным выше, а также во введенных в настоящее описание ссылочных документах. Рецептура экструдируемых составов приведена в табл. 3.
Таблица 3
Компонент
Состав 4
Состав 5
Состав 6
Состав7
Материал (влажный) (кг)
48,30
44,80
45,40
56,40
Вода (кг)
23,50
20,00
21,00
24,00
Цемент (кг)
16,00
16,00
16,00
24,00
ПВС волокно (8 мм)
0,60
0,60
0,60
0,60
0,00
7,00
7,00
7,00
Газетная бумага
7,00
0,00
0,00
0,00
Метилцеллюлоза (240 НРМС)
1,20
1,20
0,80
0,80
Здесь HW = твердое дерево
После смешивания составы экструдировались сквозь мундштучную головку, имеющую прямоугольное отверстие размером примерно 1 дюйм x 4 дюйма. Восемь образцов каждого из составов использовались для приготовления композитных строительных изделий в формате 1x4. Образцы изделий
выдерживались в пластиковых мешках при нормальных условиях примерно 7 дней. Затем пластиковые мешки убирались, и образцы помещались в паровую камеру на 8 дней. Затем образцы помещались в сухую печь на 7 дней, пока у них не прекращалось изменение веса. Далее, из восьми образцов каждого состава, три образца оставались непокрытыми для проведения испытаний на прочность при изгибе и силу удерживания гвоздя/шурупа, 1 образец оставался непокрытым для испытаний на прочность при изгибе во влажном состоянии, испытаний на силу удерживания гвоздя/шурупа и влагопоглощение, 2 образца покрывались покрытием Protectosil(r) BHN Plus (четыре слоя кистью) (поставляется компанией Evonic Degussa Corporation, Парсипанни, шт. Нью-Джерси) для испытаний прочности при изгибе во влажном состоянии, силу удерживания гвоздя/шурупа и влагопоглощение, и два образца покрывались покрытием Xylexin XL (два слоя кистью) (поставляется компанией Shield Master, Прово, шт. Юта) для испытаний прочности при изгибе во влажном состоянии, силу удерживания гвоздя/шурупа и влагопоглощение.
Характеристики образцов определялись измерением плотности и испытанием прочности при изгибе во влажном состоянии, модуля изгиба и их пригодности к забиванию в них гвоздей и удержанию шурупов. Гвозди и шурупы могли вводиться в образцы с использованием обычного инструмента, используемого для работы с деревянными изделиями аналогичного размера. Результаты (усредненные по образцам каждого состава) приведены в табл. 4 и 5.
Таблица 4
Состав 4
Состав 5
Состав 6
Состав 7
Плотность на момент испытания
(г/см3)
0,87
0,95
0,91
1,01
Прочность при изгибе (сухая) (фунтов/кв. дюйм)
2 754,11
2 538,00
2 063,13
2 303,86
Модуль изгиба (фунтов/кв. дюйм)
560308,00
617844,000
543103,00
651748,00
Удержание гвоздя (фунт-сила/дюйм)
253,53
295,98
269,03
376,79
Удержание шурупа (фунт-сила/дюйм)
415,03
427,51
345,81
463,89
Таблица 5
Состав
Прочность на изгиб, влажная (фунтов/кв. дюйм)
Влагопоглощение
(%)
Состав
Непокрытый образец
1165
24,42
С покрытием BHN Plus
1589
10,6
С покрытием Xylexin XL
2668
6,96
Состав 5
Непокрытый образец
992
С покрытием BHN Plus
1359
С покрытием Xylexin XL
2260
Состав 6
Непокрытый образец
871
С покрытием BHN Plus
1136
С покрытием Xylexin XL
1252
Состав 7
Непокрытый образец
1149
С покрытием BHN Plus
1440
С покрытием Xylexin XL
2037
Как показано в табл. 4, соотношение количества цемента и метилцеллюлозы не влияет на прочность на изгиб выдержанного цементированного продукта. Однако, соотношение количеств цемента и метил-целлюлозы влияет на силу удерживания гвоздя. В частности, состав 7, имеющий максимальное отношение "цемент/метилцеллюлоза" (43:1), обладает значительно более высокой способностью удерживать гвоздь по сравнению с другими составами.
Кроме того, как показано в табл. 5, образцы без покрытия в значительной мере теряют прочность при погружении в воду. Покрытые образцы, напротив, не поглощают столько же воды и поэтому лучше сохраняют прочность, причем образцы, имеющие покрытие Xylexin XL, сохраняют прочность лучше, чем с покрытием BHN Plus.
Пример 3
Были приготовлены два цементирующих состава, из которых изготовлено цементированное строительное изделие, которое было испытано для определения физических свойств.
Два цементированных строительных изделия (16-футовые доски сечением 1 дюйм x 4 дюйма) были изготовлены смешиванием и экструзией состава 7, описанного в табл. 3. Одна доска включала шпильки (стержни) внутри экструдированного состава, а вторая была изготовлена без шпилек. Изделия были закрыты пластиком и выдержаны при комнатной температуре примерно 28 дней для схватывания. Затем затвердевший экструдат помещался в пластик еще на 7 дней, после чего пластик убирался, и доски пропаривались примерно 5 дней. Выдержанные доски помещались в сухую камеру примерно на 3 дня, обрезались и выравнивались, и отправлялись для испытаний на прочность при изгибе и силу удерживания гвоздя/шурупа. В частности, от конца каждой доски был отрезан 6-дюймовый кусок для испытаний на плотность и содержание влаги. Испытания показали, что объемная плотность каждой доски составляет примерно 0,99 г/см3, а прочность при изгибе составляет около 2700 фунтов/кв. дюйм. Среднее усилие
выдергивания шурупа составляло примерно 450 фунт-сила/дюйм, а среднее усилие выдергивания гвоздя составляло 350 фунт-сила/дюйм.
Оставшиеся части досок (-15,5 фута) были испытаны на отклонение по длине до внезапного разрушения. В частности, считалось, что доска выдержала испытание, если 10-футовый отрезок доски, помещенный на краю стола, выдерживал свой вес. Доска со шпильками внутри могла быть выдвинута на 13 футов за пределы стола, и ее отклонение достигало примерно 54 дюймов, когда она касалась пола. Доска без шпилек обламывалась, как только выдвигалась от стола на 12 футов, и ее отклонение достигало примерно 34 дюймов.
Пример 4
В этом примере две доски из примера 3 были снова изготовлены с использованием того же состава 7, за исключением того, что в составе отсутствовали ПВС волокна. Снова проводилось испытание на плотность и содержание влаги, а также на отклонение по длине до внезапного разрушения, как было описано в примере 3.
Испытание показало, что волокна придают цементированному композитному изделию прочность при изгибе, а также силу удерживания шурупа и гвоздя. В частности, результаты (усредненные) испытания двух досок (одна со шпильками, другая без) показали снижение прочности при изгибе до примерно 2100 фунтов/кв. дюйм, и средней силы удерживания шурупа до примерно 395 фунт-сила/дюйм и средней силы удерживания гвоздя до примерно 285 фунт-сила/дюйм. Доски также продемонстрировали среднее отклонение примерно 21 7/8 дюйма при выдвижении на 10 футов, перед тем, как сломаться при выдвижении на 11 футов.
Настоящее раскрытие может быть реализовано в других частных формах, без отступления от ее существа или основных характеристик. Описанные варианты осуществления следует рассматривать во всех отношениях только в качестве иллюстрации, и не ограничивающими изобретения. Область притязаний раскрытия, таким образом, определяется приложенной формулой, а не представленным описанием. Все изменения, попадающие в пределы значения и области эквивалентности формулы, должны охватываться ее областью притязаний.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ изготовления цементированного композитного изделия, предназначенного для использования в качестве замены древесных пиломатериалов, в котором
смешивают воду, волокна и модификатор реологии, выбранный из группы, состоящей из полисахаридов, протеинов, целлюлозы, крахмалов, метилгидроксиэтилцеллюлозы, гидроксиметилэтилцеллюлозы, карбоксиметилцеллюлозы, метилцеллюлозы, этилцеллюлозы, гидроксиэтилцеллюлозы, гидроксипро-пилцеллюлозы, амилпектина, амилозы, агарового геля, ацетатов крахмала, гидроксиэфиров крахмала, ионных крахмалов, алкидных крахмалов с длинными цепями, декстринов, аминовых крахмалов, фосфатных крахмалов, диальдегидных крахмалов, глины и их комбинаций, для формирования волокнистой смеси, в которой волокна распределены, по существу, однородно, затем
добавляют гидравлический цемент в волокнистую смесь для получения экструдируемого цементирующего состава, имеющего пластичную консистенцию и содержащего модификатор реологии в концентрации примерно от 0,1 до 10% от влажного объема, и волокна в концентрации более примерно 5% от влажного объема;
экструдируют экструдируемый цементирующий состав, получая промежуточный сырой экструдат, имеющий заранее определенную площадь поперечного сечения, обладающий формоустойчивостью сразу же после экструзии и способный в целом сохранять площадь поперечного сечения для обеспечения проведения с ним работ без его повреждения, после чего
нагревают полученный сырой экструдат до температуры, превышающей 65°С, но не превышающей 99°С, для обеспечения выдерживания гидравлического цемента.
2. Способ по п.1, в котором нагревают указанный сырой экструдат до температуры, превышающей 70°С, но не превышающей 99°С, для удаления части воды испарением и уменьшения плотности экстру-дата.
3. Способ по п.1, в котором волокна добавляют в количестве, превышающем примерно 7% от влажного объема экструдируемого цементирующего состава.
4. Способ по п.1, в котором волокна добавляют в количестве, превышающем примерно 8% от влажного объема экструдируемого цементирующего состава.
5. Способ по п.2, в котором получают экструдируемый состав, в котором номинальное соотношение "вода/цемент", превышающее примерно 0,75 перед нагреванием, и фактическое соотношение "вода/цемент" менее примерно 0,5 после испарения части воды.
6. Способ по п.1, в котором экструдируют экструдируемый цементирующий состав вокруг по меньшей мере одного упрочняющего элемента, выбранного из группы, состоящей из арматурного профиля, проволоки, сетки и ткани, так, чтобы, по меньшей мере, частично инкапсулировать упрочняющий элемент внутри сырого экструдата.
2.
7. Способ по п.1, в котором
экструдируют указанный сырой экструдат, образуя в нем по меньшей мере одно непрерывное отверстие, обладающее формоустойчивостью, затем
вводят арматурный профиль и связующее вещество в непрерывное отверстие, пока еще цементированное композитное изделие находится в формоустойчивом сыром состоянии или, по меньшей мере, частично выдержано, после чего
прикрепляют арматурный профиль к поверхности непрерывного отверстия посредством связующе-
го вещества.
8. Способ по п.1, в котором дополнительно придают цементированному композитному изделию форму отделочной доски.
9. Способ по п.1, в котором дополнительно обрабатывают цементированное композитное изделие с получением строительного изделия для замены деревянного строительного изделия, форму которого выбирают из группы, состоящей из стержня, бруса, трубы, цилиндра, доски, двутавровой балки, столба общего назначения, отделочной доски, профиля размером 2x4 дюйма, конструкционной доски, профиля размером 1 x 8 дюйма, панели, плоского листа, кровельной черепицы и пустотелой доски.
10. Способ по п.1, в котором дополнительно обрабатывают формоустойчивый сырой экструдат и
(или) цементированное композитное изделие посредством по меньшей мере одного процесса, выбранно-
го из группы, состоящей из гибки, резки, распиливания, шлифовки, фрезерования, текстурирования,
строгания, полировки, зеркальной полировки, предварительного сверления отверстий, окраски и про-
травливания.
Фиг. 1Б
11. Способ по п.1, в котором повторно используют часть отходов сырого экструдата, полученных в результате его обработки, и при этом объединяют отходы сырого экструдата с экструдируемым цементирующим составом.
12. Способ по п.1, в котором цементирующий состав экструдируют сквозь отверстие мундштука и (или) посредством экструзии через валки.
13. Способ по п.1, в котором дополнительно используют тиснение штампом или ударное прессование промежуточного сырого экструдата.
14. Способ по п.1, в котором цементирующий состав достигает по меньшей мере 100% своей прочности за период 40 ч.
15. Способ по п.1, в котором цементирующий состав достигает по меньшей мере 100% своей прочности за период 24 ч.
11.
11.
Фиг. 5А
Евразийская патентная организация, ЕАПВ Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2
025965
- 1 -
025965
- 1 -
025965
- 1 -
025965
- 1 -
025965
- 4 -
025965
- 28 -
025965
- 29 -
025965
- 30 -
025965
- 31 -