КОМПОЗИТНЫЙ КОНСТРУКЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 2018 года по МПК C04B16/04 C04B16/12 C04B18/08 C04B28/02 E04C5/07 B28B1/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[1] Настоящее изобретение касается композитного конструкционного материала, имеющего заполняющую фазу, удерживаемую в матрице, такой как цементирующая фаза, а также новой конфигурации заполнителя, способного формировать улучшенный композитный конструкционный материал.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[2] Известны композитные конструкционные материалы, использующие заполнитель, чтобы обеспечивать композитный конструкционный материал с прочностью большей, чем прочность одного матрицы (без заполнителя). Бетон является типичным примером такого композитного конструкционного материала.

[3] Есть много доступных типов бетона, созданных путем изменения пропорций основных компонентов, так что конечный продукт может видоизменяться для его применения, имея разную прочность, плотность или химические свойства и термостойкость. Обычно бетон включает в себя цементирующее связующее, образующее матрицу с водой и часто с мелкозернистый материалом, таким как песок, и заполнитель в форме грубого зернистого материала, такого как галька, дробленый камень (такой известняк или гранит), дробленый шлак или переработанное стекло. Обычно заполнитель имеет по существу сферическую форму и приемлемую плотность.

[4] Цементирующее связующее, обычно просто называемое "цемент", обычно представляет собой портландцемент, хотя другие цементирующие материалы, такие как зольная пыль и шлаковый цемент, также могут служить в качестве связующего для заполнителя.

[5] Затем воду смешивают с сухим составом из связующего и заполнителя, что дает полужидкость, которую могут формовать рабочие (обычно путем ее заливки в форму). Химические добавки также могут добавляться, чтобы придавать различные свойства. Например, эти добавки могут ускорять или замедлять скорость, с которой затвердевает цемент, и могут придавать другие полезные свойства. Затем бетон застывает и затвердевает посредством химического процесса, называемого гидратацией, когда вода реагирует с цементом, что связывает другие компоненты вместе, создавая крепкий "камнеподобный" композитный конструкционный материал.

[6] Бетон имеет относительно высокую прочность на сжатие, но гораздо меньшую прочность на растяжение. По этой причине бетон часто армируют материалами, которые являются прочными при растяжении (часто сталь). Также, упругость бетона является относительно постоянной при низких уровнях напряжения, но начинает уменьшаться при более высоких уровнях напряжения, так как обычно развиваются трещины в матрице. Бетон имеет очень низкий коэффициент теплового расширения и имеет тенденцию садиться, когда он стареет. Поэтому все бетонные конструкции имеют тенденцию трескаться в некоторой степени из-за усадки и растяжения.

[7] Разные смеси компонентов бетона дают разную прочность, обычно измеряемую в фунт/кв.дюйм или МПа, и разная прочность бетона используется для разных целей. Например, очень низкопрочный (15 МПа или меньше) бетон может применяться, когда бетон должен быть легким. Легкий бетон часто достигается путем добавления воздуха, пены или легковесных заполнителей, причем обычным побочным эффектом является снижение прочности. Бетон с прочность 35 МПа, однако, является коммерчески легкодоступным, как более надежный, хотя более дорогой, часто используемый для больших гражданских проектов.

[8] Прочности выше 35 МПа применяются для особых строительных элементов. Например, колонны нижних этажей многоэтажных бетонных зданий могут использовать бетон с прочность 80 МПа или больше, чтобы сохранять размер колонн небольшим. Мосты могут применять длинные балки из 70 МПа бетона, чтобы снижать число требуемых пролетов. Иногда другие конструкционные потребности могут требовать бетон с еще большей прочностью. Например, если конструкция должна быть очень жесткой, может требоваться бетон с очень высокой прочностью, гораздо прочнее, чем требуется, чтобы переносить рабочие нагрузки. Такие высокие прочности, как 130 МПа, коммерчески применяют для этих целей.

[9] Так как прочность бетона неблагоприятно и существенно зависит от присутствия пустот в затвердевшем продукте, важно достигать максимально возможной плотности во время затвердевания бетонной смеси. Требуется, чтобы бетонная смесь имела достаточную "укладываемость", чтобы позволять практически полное уплотнение при использовании, в идеале, только разумной величины работы (вибрации). Присутствие пустот в бетоне снижает его плотность и сильно уменьшает прочность - например, 5% пустот может снижать прочность на целых 30%. Также, стоимость труда, качество конечного продукта и способность получать продукты определенных типов, все это зависит от укладываемости бетонной смеси в том смысле, что бетонная смесь должна легко укладываться, формоваться и уплотняться.

[10] Укладываемость предварительно затвердевшей бетонной смеси, часто рассматриваемая просто как мера ее "влажности", является фактически функцией внутренней работы, требуемой, чтобы преодолеть силы трения между различными компонентами бетона, чтобы позволить полное уплотнение и удаление всех пустот без нежелательного истекания или сегрегации.

[11] Известной технологией для применения численной меры к укладываемости бетонной смеси является "тест осадки конуса", обычно выполняемый, чтобы проверить консистенцию свежеизготовленной бетонной смеси в отношении легкости, с которой течет бетонная смесь. Тест осадки конуса выглядит как поведение уплотненного опрокинутого конуса (называемого "конус осадки" или "конус Абрамса") из бетона под действием силы тяжести.

[12] Конус помещают на твердой, не поглощающей поверхности и заполняют свежим бетоном в три стадии, каждый раз утрамбовывая, используя стержень стандартных размеров. Конус тщательно поднимают вертикально вверх так, чтобы не волновать бетонный конус, и потом бетон опускается. Это оседание называют "осадкой" и измеряют с точностью 5 мм, если осадка составляет <100 мм, и измеряют с точностью 10 мм, если осадка составляет >100 мм.

[13] Осевший бетон принимает разные формы, и соответственно профилю осевшего бетона осадку называют "правильной осадкой", "осадкой со сдвигом" или "осадкой с разрушением". Если результатом является осадка со сдвигом или разрушением, берут свежий образец и тест повторяют. Осадка с разрушением является признаком слишком большой влажности смеси. Только правильная осадка применяется в данном тесте. Очень сухие смеси, имеющие осадку в интервале от 0 до 25 мм, имеют тенденцию к применению в дорожном строительстве и представляют собой смеси с низкой укладываемостью; смеси, имеющие осадку в интервале от 10 до 40 мм, имеют тенденцию к применению для фундаментов с легким армированием и представляют собой смеси со средней укладываемостью; тогда как смеси, имеющие осадку в интервале от 50 до 100 мм, пригодны для обычного армированного бетона, размещаемого с вибрацией, и представляют собой бетонные смеси с высокой укладываемостью.

[14] Обычно увеличение объема заполнителя в бетонной смеси снижает укладываемость, и обычно считается, что применение гладкого и круглого заполнителя увеличивает укладываемость (тогда как укладываемость будет снижаться, если применяют угловатый или неровный заполнитель). Чем больше размер заполнителя, тем меньше воды требуется, чтобы увлажнять его, означая, что избыток воды будет доступен для укладываемости. В этой связи, пористые заполнители также требуют больше воды по сравнению с непористыми заполнителями для достижения такой же степени укладываемости.

[15] В течение многих лет признается, что было бы выгодно использовать повторно применяемые материалы в качестве заполнителя в бетоне, чтобы способствовать желанию общества утилизировать отходы (такие как пластиковые отходы), чтобы избежать чрезмерного использования природных ресурсов (таких как галька или дробленый камень) и, конечно, обеспечивать более легкие, более прочные и более простые для применения бетоны.

[16] Патент США 5209968 для J.S. Sweeney является примером композитного конструкционного материала, образованного из легких гранулированных отходов или заполнителя из пластиковых отходов, связанных вместе с цементирующим связующим, в качестве внутреннего элемента структуры, которая также включает в себя внешние слои композитного материала, которые используют волокнистую нетканую сетку в качестве заполнителя. Упоминается, что пластиковый заполнитель внутреннего элемента образуется из вспененных полистирольных шариков по существу сферической формы, подобной форме обычного гравийного заполнителя, используемого для бетона.

[17] Патент США 4778718 для R.L. Nicholls является другим примером композитного конструкционного материала, имеющего цементирующую матрицу, армированную пластиковым заполнителем, на этот раз в форме пластиковой ткани, равномерно распределенной по нему.

[18] Настоящее изобретение имеет целью обеспечить новую форму заполнителя, который способен формировать композитный конструкционный материал, который легче, чем обычный композитный конструкционный материал, хотя демонстрирует желаемую укладываемость и прочность.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[19] Настоящее изобретение обеспечивает композитный конструкционный материал, образованный из заполнителя в матрице, причем заполнитель представляет собой зернистый материал, где каждая частица включает в себя, по меньшей мере, три радиальных ножки, распространяющихся наружу от центрального ядра.

[20] Настоящее изобретение также обеспечивает заполнитель, подходящий для использования в таком композитном конструкционном материале, причем заполнитель представляет собой зернистый материал, где каждая частица включает в себя, по меньшей мере, три радиальных ножки, распространяющихся наружу от центрального ядра.

[21] Центральное ядро каждой частицы заполнителя в идеале имеет сферическую, цилиндрическую или кубическую форму и может быть формой, которая аппроксимирует эти формы, так что будет называться как по существу сферическая, по существу цилиндрическая и по существу кубическая.

[22] В одной форме, центральное ядро будет по существу сферической и будет иметь диаметр в интервале от 1 мм до 20 мм, предпочтительно в интервале от 2 мм до 15 мм, более предпочтительно в интервале от 3 мм до 12 мм, более предпочтительно в интервале от 5 мм до 10 мм. Однако центральное ядро может быть больше чем 20 мм. В действительности, в приложениях, где могут быть использованы очень большие объемы композитного конструкционного материала, которые будут требоваться для очень больших конструкций, таких как стены плотин, предполагается, что центральное ядро может быть до 20 см (или больше) в диаметре.

[23] В другой форме, центральное ядро будет по существу кубической и будет иметь ширину в интервале от 1 мм до 20 мм, предпочтительно в интервале от 2 мм до 15 мм, более предпочтительно в интервале от 3 мм до 12 мм, более предпочтительно в интервале от 5 мм до 10 мм. Однако опять, центральное ядро в этой форме может быть больше, чем 20 мм по описанным выше причинам.

[24] Предусматривается, что каждая частица заполнителя будет иметь три ножки, четыре ножки, пять ножек, шесть ножек, семь ножек, восемь ножек, девять ножек или десять ножек. В предпочтительной форме частицы будут иметь шесть ножек.

[25] В предпочтительной форме данные ножки будут распространяться наружу от центрального ядра так, чтобы распространяться в трех измерениях относительно картезианской геометрии и ее представления трехмерного пространства, имеющего три координатные оси, где каждая ось перпендикулярна двум другим по своей природе. Кроме того, ножки предпочтительно будут распространяться радиально симметрично наружу от центрального ядра или, по меньшей мере, некоторые ножки будут расположены радиально симметрично. Ножки могут быть одного размера и формы, или одна или несколько ножек может быть иного размера и/или формы от других ножек.

[26] В идеале, ножки частиц заполнителя будут цилиндрическими, коническими или усеченно-коническими, причем конические и усеченно-конические версии уменьшаются или увеличиваются в диаметре от центрального ядра, хотя предпочтительно снижаются в диаметре от центрального ядра. Держа это в уме, предусматривается, что предпочтительная форма будет иметь некоторые ножки цилиндрической формы и некоторые ножки усеченно-конической формы со снижением диаметра от центрального ядра. Например, в предпочтительной форме, которая включает в себя шесть ножек, две ножки могут быть цилиндрическими, а четыре ножки могут быть усеченно-коническими, или две ножки могут быть усеченно-коническими и другие четыре ножки также будут усеченно-коническими, но с большим сужением.

[27] Свободные концы ножек могут иметь плоскую поверхность или искривленную поверхность (такую как выпуклая или вогнутая поверхность), или их комбинацию. Альтернативно, свободные концы могут включать в себя усеченно-конический кончик или могут включать сферический кончик, такой как шарообразный сферический кончик, представляющий собой кончик, где диаметр сферического кончика больше, чем диаметр ножки в точке соединения между кончиком и ножкой.

[28] Что касается длины ножки, для всех ножек предпочтительно иметь одинаковую длину. Также предусматривается, что предпочтительные интервалы для длин ножек будут в интервале от 1 мм до 20 мм, предпочтительно в интервале от 2 мм до 15 мм, более предпочтительно в интервале от 3 мм до 14 мм, более предпочтительно в интервале от 6 мм до 12 мм. Однако ножки могут быть длиннее, чем 20 мм и могут иметь длину до 20 см в приложениях с большим объемом, упомянутых выше.

[29] В предпочтительной форме, длина каждой ножки частицы заполнителя будет равна или больше, чем диаметр/ширина центрального ядра.

[30] Ножки будут, конечно, иметь диаметр или ширину. В форме, где ножки являются цилиндрическими, коническими или усеченно-коническими, этот размер будет называться диаметром, хотя он будет меняться (уменьшаться или увеличиваться) от центрального ядра в коническом или усеченно-коническом вариантах осуществления. В предпочтительной форме, каждая ножка частицы заполнителя в положении, ближайшем к центральному ядру, будет иметь диаметр/ширину, которая равна или меньше, чем диаметр/ширина центрального ядра. Когда меньше, центральное ядро будет иметь участки открытой поверхности между ножками, которые могут иметь впадины или могут быть иначе приспособлены, чтобы включать поверхностный контур (такой как вогнутость), чтобы способствовать физическому взаимодействию (инкапсуляции) заполнителя со матрицей композитного конструкционного материала.

[31] Однако также предусматривается, что диаметр/ширина центрального ядра может быть равна диаметру/ширине каждой ножки, по меньшей мере, где сердцевина и ножка соединяются, в результате чего центральное ядро не имеет открытых поверхностных участков этого типа. В этой форме, центральное ядро может быть с трудом заметна при рассмотрении частиц заполнителя.

[32] Частицы заполнителя предпочтительно будут из подходящего пластического материала, который может быть или не быть пластическим материалом вторичной переработки, таким как полистирол, полиэтилен высокой плотности (ПЭВП), полиэтилентерефталат (ПЭТ), поливинилхлорид (ПВХ), поликарбонаты, полипропилен или любой высокоплотный пластик, и может быть смесью материалов. Аналогично, заполнитель может включать в себя частицы, сделанные из разных пластических материалов, так что некоторые частицы сделаны, например, из ПЭВП, а некоторые из ПВХ. Альтернативно, заполнитель может быть образован из непластического формуемого или прессуемого материала, такого как зольная пыль или, по меньшей мере, может быть образован из пластического материала плюс доля непластического формуемого или прессуемого материала.

[33] Частицы заполнителя могут быть полыми или, по меньшей мере, частично полыми, или могут быть сплошными. Предусматривается, что сплошные частицы заполнителя будут предпочтительными.

[34] Матрица композитного конструкционного материала наиболее часто будет цементирующим связующим, таким как портландцемент, или может быть энергетически модифицированным цементом или цементной смесью, или любой другой подходящей и желаемой формой цемента. В действительности, матрица дополнительно может быть полимерной смолой, илом, битумом, металлом или керамикой. Матрица может также включать мелкий заполнитель, такой как песок, и, конечно, также воду, как упоминается выше.

[35] При начальном смешивании цемент и вода быстро образуют гель из беспорядочных цепей соединенных кристаллов, и компоненты геля продолжают реагировать со временем. Исходно гель является текучим, что улучшает укладываемость и помогает при размещении материала, но когда бетон застывает, цепи кристаллов соединяются в жесткую структуру, препятствующую текучести геля и фиксирующую частицы заполнителя на месте. Во время затвердевания цемент продолжает реагировать с оставшейся водой в процессе гидратации. Когда этот процесс гидратации завершается, продукт имеет желаемые физические и химические свойства.

[36] Как указано выше, укладываемость является способностью свежей бетонной смеси хорошо заполнять форму при желаемой работе (вибрации) и без снижения качества бетона. Укладываемость зависит от содержания воды, заполнителя (формы и объема), содержания и возраста цемента (уровень гидратации), и может быть изменена путем добавления химических добавок. Рост содержания воды или добавление химических добавок увеличивает укладываемость бетона. Избыточная вода может приводить к увеличенному истеканию (поверхностная вода) и/или сегрегации заполнителя (когда цемент и заполнитель начинают разделяться), и получаемый бетон имеет пониженное качество. Использование традиционного заполнителя с нежелательным гранулометрическим составом (распределение размера) частиц заполнителя может давать нежелательную смесь с очень низкой осадкой, которую нельзя легко сделать более укладываемой путем добавления значительных количеств воды.

[37] Было обнаружено, что использование изобретенных частиц заполнителя в композитном конструкционном материале не мешает механическим свойствам композитного конструкционного материала. Также, в противоположность традиционным взглядам на ожидаемую роль формы частиц заполнителя, не было замечено, что использование изобретенных частиц заполнителя делает композитный конструкционный материал менее укладываемым или приводит к ухудшению долговечности композитного конструкционного материала.

[38] Напротив, было обнаружено, что предлагаемая форма частиц заполнителя позволяет формировать композитный конструкционный материал, который может быть легче (преимущественно от меньшей массы заполнителя), хотя имеет требуемую прочность и укладываемость. Без связи с теорией, вероятно, что направленность ножек и тенденция частиц заполнителя приближаться к состоянию с перекрещивающимися ножками (или близкому), приводящие к улучшенному механическому взаимодействию в матрице между частицами заполнителя, отвечают за приемлемую прочность и укладываемость, объединенные с относительно легкой массой.

[39] Также считается, что эта направленность ножек способствует минимизации распространения трещин по затвердевшему материалу, либо полностью останавливая трещины, либо отклоняя их при встрече, что дает конечный продукт, который демонстрирует увеличенную трещиностойкость по сравнению с такой же бетонной смесью с традиционным заполнителем.

[40] Кроме того, частицы заполнителя имеют меньший "объем" по сравнению с традиционными сферическими (или почти сферическими) частицами заполнителя, что означает, что они имеют меньшее сопротивление движению по связующему материалу, когда работают с бетонной смесью. В действительности, было обнаружено, что во время уплотнения, когда рабочие стремятся обеспечить, что заполнитель в бетонной смеси движется в объем смеси от поверхности, меньший "объем" предлагаемых частиц заполнителя (имеющих меньшую площадь открытой, непрерывной поверхности) заставляет предлагаемые частицы заполнителя легко двигаться от поверхности в смесь. Опять без связи с теорией считается, что это также способствует обеспечению требуемой прочности, и может достигаться укладываемость бетона согласно настоящему изобретению.

[41] В предпочтительной форме, композитный конструкционный материал настоящего изобретения будет включать в себя количество заполнителя приблизительно от 0,1% до 25% об/об или приблизительно от 0,5% до 20% об/об, или приблизительно от 1,0% до 15% об/об. Более предпочтительно, количество заполнителя будет в интервале приблизительно от 2,0% до 7,5% об/об или более предпочтительно в интервале приблизительно от 2,5% до 5,0% об/об.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[42] Фигура 1 представляет вид сверху в перспективе частицы заполнителя согласно первому предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения;

[43] Фигура 2 представляет вид снизу в перспективе варианта осуществления с фигуры 1;

[44] Фигура 3 представляет вид сверху в перспективе частицы заполнителя согласно второму предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения; и

[45] Фигура 4 представляет вид сбоку варианта осуществления с фигуры 3.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

[46] На фигурах 1 и 2 изображен первый вариант осуществления частицы 10, которая может формировать заполнитель, подходящий для использования в композитном конструкционном материале согласно настоящему изобретению. Частица 10 включает в себя шесть радиальных ножек 12, распространяющихся наружу от центрального ядра 18, но, как упоминается выше, необходимо только, чтобы было больше трех таких ножек.

[47] Центральное ядро 18 в этом варианте осуществления обычно имеет цилиндрическую форму, имеющую четыре из шести ножек (12а, 12b, 12с, 12d), распространяющихся радиально наружу от боковой стенки сердцевины 18 в двух направлениях (которые могут быть указаны как координаты х и у в картезианской геометрии) и расположенных симметрично вокруг этой боковой стенки. Две остальные ножки (12е, 12f) распространяются радиально наружу от концевых стенок сердцевины 18 в третьем направлении (которое может быть указано как координата z в картезианской геометрии). Таким образом, шесть ножек вместе распространяются радиально наружу, образуя трехмерную частицу 10.

[48] Ножки 12 этого варианта осуществления являются коническими, уменьшаясь в диаметре от сердцевины 18. Свободные концы ножек (указанные численными обозначениями на ножке 12d) имеют усеченно-конический кончик 14, заканчивающийся плоской поверхностью 16.

[49] На фигурах 3 и 4 изображен второй вариант осуществления частицы 20, которая также может формировать заполнитель, подходящий для использования в композитном конструкционном материале согласно настоящему изобретению. Частица 20 опять включает в себя шесть радиальных ножек 22, причем в этом варианте осуществления все распространяются наружу от центрального ядра 24.

[50] Центральное ядро 24 в этом варианте осуществления имеет по существу сферическую форму, имеющую шесть ножек (22а, 22b, 22с, 22d, 22е, 22f), распространяющихся наружу от сердцевины 24 и расположенных симметрично вокруг этой сердцевины 24, образуя трехмерную частицу.

[51] Все ножки 22 второго варианта осуществления имеют конические участки 25, уменьшающиеся в диаметре от сердцевины 24. Свободные концы четырех ножек (показанные численными обозначениями на ножке 22а) имеют шарообразный сферический кончик 26, тогда как свободные концы двух остальных ножек (22е, 22f) оканчиваются плоской поверхностью 27.

[52] Длина каждой ножки 22 частицы 20 больше, чем диаметр центрального ядра 24. В одной версии центральное ядро 24 второго варианта осуществления имеет диаметр 10 мм, а все ножки 24 длиной 12 мм, измеренные от сердцевины 24 до вершины кончика 26 или плоской поверхности 27 соответственно, что делает общую ширину частицы 20 равной 34 мм. В этой первой версии шарообразный сферический кончик 26 имеет диаметр 5,2 мм, а плоская поверхность 27 имеет диаметр 4 мм.

[53] Во второй, меньшей версии центральное ядро 24 второго варианта осуществления может иметь диаметр 5 мм, а все ножки 24 будут длиной 6 мм, опять измеренные от сердцевины 24 до вершины кончика 26 или плоской поверхности 27 соответственно, что делает общую ширину меньшей версии частицы 20 равной 17 мм. В этой второй версии шарообразный сферический кончик 26 имеет диаметр 2,6 мм, а плоская поверхность 27 имеет диаметр 2 мм.

[54] В обеих версиях второго варианта осуществления диаметр конической части 25 ножек 22 уменьшается от центрального ядра 24. Каждая ножка 22 в положении, ближайшем к центральному ядру 24, имеет диаметр, который меньше, чем диаметр центрального ядра 24. Таким образом, центральное ядро 24 имеет открытые участки поверхности 28, расположенные между ножками 22, и поверхностные участки 28 имеют вогнутость 30.

[55] Композитный конструкционный материал согласно настоящему изобретению был образован с использованием множества частиц 20 большой (первой) версии второго варианта осуществления в качестве заполнителя. Каждая частица 20 имела массу 1,39 г и объем 1,63 см³.

[56] В первом примере смешивали исходные материалы цемент, заполнитель, песок и воду в отношении 14:1:31,76 (по массе) с водой до доли цемента 0,564, получая один кубический метр бетона. Более конкретно, в данном примере использовали 350 кг цемента, 25 кг заполнителя и 794 кг песка. Это давало объемную долю заполнителя в бетоне приблизительно 2,93%.

[57] Во втором примере смешивали исходные материалы цемент, заполнитель, песок и воду в отношении 14:1:29,92 (по массе) с водой до доли цемента 0,503, снова получая один кубический метр бетона. Более конкретно, в данном примере использовали 350 кг цемента, 25 кг заполнителя и 748 кг песка. Это опять давало объемную долю заполнителя в бетоне приблизительно 2,93%.

[58] В обоих примерах цемент представлял собой цемент Adelaide Brighton Cement Limited общего назначения (GР), образованный из клинкера портландцемента и гипса, а заполнитель был в форме множества частиц 20 большей версии, изображенной на фигурах 3 и 4.

[59] Способ смешения создавал однородную смесь, гарантирующую равномерное распределение заполнителя по смеси. Полученная плотность бетона в первом примере была 2151 кг/м³, тогда как полученная плотность бетона во втором примере была 2129 кг/м³, при том, что типичная плотность обычного бетона составляет от 2300 до 2400 кг/м³, что делало бетон данных примеров приблизительно на 10% легче, чем такой обычный бетон.

[60] Чтобы определить механические свойства бетона, такие как прочность бетона на сжатие и прочность на изгиб, тестовые образцы бетона готовили для обоих примеров в цилиндрической форме (диаметр 100 мм и высота 200 мм) и в виде прямоугольной балки (ширина 105 мм и длина 355 мм), и сушили на воздухе в течение приблизительно одного дня. Затем образцы извлекали из форм и оставляли затвердевать в течение 27 дней, так что они были требуемого возраста.

[61] Прочность на сжатие цилиндрических образцов была 28,0 МПа для первого примера и 29,5 МПа для второго примера. Прочность на изгиб образцов балок была 4,6 МПа для первого примера и 4,7 МПа для второго примера, представляя собой предел прочности при изгибе.

[62] Тест осадки, выполненный для смеси из первого примера, давал осадку 100 мм, тогда как тест осадки, выполненный для смеси из второго примера, давал осадку 70 мм.

[63] Композитный конструкционный материал (конечный бетонный продукт) обоих примеров не демонстрировал таких потерь прочности на сжатие и изгиб, как часто получается в бетонах, изготовленных с пластиковым заполнителем, имеющим по существу сферическую форму, похожую на типичную форму традиционных материалов заполнителя, таких как камень и галька. Также, визуальное наблюдение образцов цилиндров и балок после тестирования прочности на сжатие и изгиб показывало пониженное развитие трещин, опять по сравнению с обычным бетоном с традиционным заполнителем.

[64] Кроме того, после горизонтального затвердевания цилиндрических образцов, чтобы показать распределение заполнителя, фактически не наблюдали никакой сегрегации и не было значительных пустот вокруг частиц заполнителя. Кроме того, разумная степень вибрации была достаточна, чтобы позволять заполнителю оседать в бетонную смесь до затвердевания, чтобы перемещать заполнитель от поверхности. Укладываемость при осадке 70 мм и 100 мм соответствовала хорошему результату для использования в формировании обычного армированного бетона.

[65] Специалисту в данной области техники будет понятно, что могут быть вариации и модификации, иные чем конкретно описанные. Следует понимать, что данное изобретение включает в себя все такие вариации и модификации. Данное изобретение также включает в себя все этапы, признаки, композиции и соединения, упомянутые или указанные в этом описании, индивидуально или коллективно, и любые и все комбинации любых двух или более этапов или признаков.

Изобретение касается композитного конструкционного материала, имеющего заполняющую фазу, удерживаемую в матрице, такой как цементирующая фаза. Композитный конструкционный материал, образованный из заполнителя в твердой матрице, представляющей собой цементирующее связующее, энергетически модифицированный цемент или цементную смесь, заполнитель представляет собой зернистый материал, в котором каждая частица включает в себя по меньшей мере три радиальные ножки, проходящие радиально симметрично наружу от центрального ядра, образуя трехмерные частицы заполнителя, причем ножки имеют диаметр в местоположении, ближайшем к центральному ядру, который меньше диаметра/ширины центрального ядра, центральное ядро имеет по существу сферическую, цилиндрическую или кубическую форму, при этом центральное ядро имеет открытые участки поверхности между ножками и эти участки имеют поверхностный контур, при этом композитный конструкционный материал содержит от около 2 до 7,5 об.% указанного заполнителя. Изобретение развито в зависимых пунктах формулы. Технический результат – создание новой формы заполнителя, который способен формировать композитный конструкционный материал, обладающий меньшей плотностью при сохранении прочностных характеристик и удобоукладываемости. 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Композитный конструкционный материал, образованный из заполнителя в твердой матрице, представляющей собой цементирующее связующее, энергетически модифицированный цемент или цементную смесь, причем заполнитель представляет собой зернистый материал, в котором каждая частица включает в себя по меньшей мере три радиальные ножки, проходящие радиально симметрично наружу от центрального ядра, образуя трехмерные частицы заполнителя, причем ножки имеют диаметр в местоположении, ближайшем к центральному ядру, который меньше диаметра/ширины центрального ядра, при этом центральное ядро имеет по существу сферическую форму, по существу цилиндрическую форму или по существу кубическую форму, при этом центральное ядро имеет открытые участки поверхности между ножками, причем эти участки имеют поверхностный контур, причем композитный конструкционный материал содержит от около 2 об.% до 7,5 об.% заполнителя.

2. Композитный конструкционный материал по п.1, в котором количество заполнителя составляет приблизительно от 2,5 об.% до 5,0 об.%.

3. Композитный конструкционный материал по п.1, в котором одна или несколько ножек имеют иной размер и/или форму относительно других ножек.

4. Композитный конструкционный материал по п.1, в котором ножки являются цилиндрическими, коническими или усеченно-коническими, причем у конических и усеченно-конических ножек диаметр уменьшается от центрального ядра.

5. Композитный конструкционный материал по п.4, в котором некоторые ножки имеют цилиндрическую форму, а некоторые ножки имеют усеченно-коническую форму.

6. Композитный конструкционный материал по п.1, в котором свободные концы ножек имеют либо плоскую поверхность, либо искривленную поверхность, шаровидный сферический кончик или являются заостренными.

7. Композитный конструкционный материал по п.1, в котором поверхностный контур представляет собой вогнутость.

8. Композитный конструкционный материал по п.1, в котором частицы заполнителя сделаны из пластического материала, выбранного из группы, состоящей из полистирола, полиэтилена высокой плотности (ПЭВП), полиэтилентерефталата (ПЭТ), поливинилхлорида (ПВХ), поликарбонатов, полипропилена или любого высокоплотного пластика, или сделаны из формуемого или прессуемого непластического материала или смеси этих материалов.

9. Композитный конструкционный материал по п.8, в котором формуемый или прессуемый непластический материал представляет собой зольную пыль.