КОМПОЗИЦИОННОЕ ВОЛОКНО, ПОКРЫТОЕ ДИОКСИДОМ КРЕМНИЯ, ДЛЯ АРМИРОВАНИЯ БЕТОНА Российский патент 2020 года по МПК C03C25/54 C04B20/12 C04B28/02 

Заявление об установлении приоритета

Согласно настоящей заявке испрашивается приоритет в соответствии с предварительной заявкой на выдачу патента США №62/306,219, поданной 10 марта 2016 г., под названием "Silica-coated Composite Fiber for the Reinforcement of Concrete", которая полностью включена в настоящий документ посредством ссылки.

Область техники, к которой относится настоящее изобретение

[0001] Настоящее изобретение относится к композиции и способу для получения композиционных волокон, покрытых диоксидом кремния, для армирования бетона, а также способу армирования бетона и других строительных материалов с использованием таких волокон.

Предшествующий уровень техники настоящего изобретения

[0002] Строительные материалы, такие как бетон, могут быть армированы волокнами, чтобы преодолеть конкретные проблемы, которые могут возникнуть при использовании традиционных армирующих элементов, таких как стальные арматурные стержни и/или сварная арматурная сетка. Волокна могут придавать бетону ударную прочность (т.е. способность к поглощению энергии при разрушении), позволяя преодолеть его характерную хрупкость и обеспечивая прочность после образования трещин при прямых или косвенных растягивающих напряжениях. Значительное большинство общепринятых волокон, применяемых для армирования бетона, изготавливают из стали с низким или высоким содержанием углерода или полимеров, таких как полипропилен, поливиниловый спирт, сложный полиэфир и т.д. Однако эти общепринятые волокна имеют недостатки в виде различных ограничений. Проблемы при переработке, такие как образование кластеров при смешивании, закупорки при подаче насосом, снижение обрабатываемости и затрудненные уплотнение и отделка, возникают в результате относительно высоких требуемых количеств. Кроме того, показатель эффективности затрат для таких общепринятых волокон часто является более низким, чем для традиционных армирующих элементов, как следствие относительно высоких требуемых количеств.

Краткое раскрытие настоящего изобретения

[0003] Различные иллюстративные варианты осуществления настоящего изобретения направлены на композицию и способ для получения композиционных волокон, применяемых при армировании бетона. Композиционные волокна, раскрытые в настоящем документе, включают в себя стекловолокна, покрытые диоксидом кремния. Частицы диоксида кремния обеспечивают улучшенную поверхность раздела между композиционными волокнами и бетонной матрицей.

[0004] В соответствии с некоторыми иллюстративными вариантами осуществления предложены композиционные волокна для армирования бетона. Композиционные волокна включают в себя множество стекловолокон, где стекловолокна содержат полимерное покрытие и множество частиц диоксида кремния, распределенных по поверхности стекловолокон.

[0005] В соответствии с некоторыми иллюстративными вариантами осуществления предложен способ изготовления композиционных волокон. Способ предусматривает обеспечение вязкой мономерной/олигомерной композиции для нанесения покрытия, нанесение вязкой мономерной/олигомерной композиции для нанесения покрытия на множество стекловолокон для образования покрытых волокон, нанесение множества частиц диоксида кремния на поверхность покрытых волокон для образования волокон, покрытых диоксидом кремния, и подвергание волокон, покрытых диоксидом кремния, воздействию либо тепловой энергии или излучения для отверждения мономерной/олигомерной композиции для нанесения покрытия и образования композиционных волокон.

[0006] В соответствии с некоторыми иллюстративными вариантами осуществления предложен способ армирования бетона. Способ предусматривает обеспечение вязкой мономерной/олигомерной композиции для нанесения покрытия, нанесение вязкой мономерной/олигомерной композиции для нанесения покрытия на множество стекловолокон для образования множества покрытых волокон, нанесение множества частиц диоксида кремния на поверхность множества покрытых волокон для образования волокон, покрытых диоксидом кремния, подвергание множества волокон, покрытых диоксидом кремния, воздействию тепловой энергии или излучения для отверждения мономерной/олигомерной композиции для нанесения покрытия и образования множества композиционных волокон, получение состава бетонной смеси, и замешивание множества композиционных волокон в состав бетонной смеси.

Краткое описание фигур

[0007] Преимущества идей изобретения будут очевидными при рассмотрении следующего подробного описании, особенно при рассмотрении вместе с сопроводительными чертежами, где:

[0008] На фиг. 1 представлена схема способа изготовления композиционных волокон в соответствии с одним иллюстративным вариантом осуществления, раскрытым в настоящем документе.

[0009] На фиг. 2 представлено изображение иллюстративного композиционного волокна, включающего в себя стеклянный жгут, импрегнированный эпоксиакрилатом, в соответствии со способом, раскрытым в настоящем документе.

[0010] На фиг. 3 представлено изображение иллюстративного композиционного волокна, включающего в себя стеклянный жгут, импрегнированный полиуретан-акрилатом в соответствии со способом, раскрытым в настоящем документе.

[0011] На фиг. 4 представлен график, показывающий предел прочности при изгибе для сравнительных образцов цемента, армированного композиционным волокном, не характеризующегося покрытием из диоксида кремния.

[0012] На фиг. 5 представлен график, показывающий предел прочности при изгибе для образцов цемента, армированного композиционным волокном согласно настоящему изобретению, содержащим покрытие из тонкодисперсных частиц диоксида кремния.

[0013] На фиг. 6 представлен график, показывающий предел прочности при изгибе для образцов цемента, армированного композиционным волокном согласно настоящему изобретению, содержащим покрытие из крупнодисперсных частиц диоксида кремния.

Подробное описание настоящего изобретения

[0014] В настоящем документе подробно описаны композиции и способы для получения композиционных волокон, применяемых для армирования бетона. Композиционные волокна включают в себя множество стекловолокон, покрытых диоксидом кремния. Эти и другие признаки композиционных волокон, а также некоторые из многих необязательных вариаций и дополнений подробно описаны далее в настоящем документе.

[0015] В контексте настоящего документа диапазоны числовых значений предназначены для включения каждого числа и подмножества чисел в пределы данного диапазона независимо от того, описан ли он конкретно или нет. Кроме того, эти диапазоны числовых значений должны рассматриваться как обеспечивающие обоснование пункта формулы изобретения, направленного на любое число или подмножества чисел в этом диапазоне. Например, описание от 1 до 10 должно рассматриваться как обоснование диапазона от 2 до 8, от 3 до 7, от 5 до 6, от 1 до 9, от 3,6 до 4,6, от 3,5 до 9,9 и так далее.

[0016] Все ссылки на характеристики или ограничения формы единственного числа в настоящем изобретении будут включать соответствующие характеристики или ограничения формы множественного числа, и наоборот, если не указано иное или ясно не подразумевается противоположное в контексте, в котором приведена ссылка.

[0017] Иллюстративные композиционные волокна, применяемые для армирования бетона, раскрыты в заявке PCT/US2014/053655, которая полностью включена в настоящий документ посредством ссылки. Композиционные волокна в соответствии с данным настоящим изобретением могут характеризоваться любой комбинацией или подкомбинацией признаков, раскрытых в настоящей заявке и/или вышеуказанной заявке РСТ.

[0018] В контексте настоящего документа термин "волокно" относится к набору из одного или более моноволокон, если не указано иное.

[0019] В контексте настоящего документа термин "полимерное покрытие" относится к смеси мономеров и/или олигомеров, которую отверждают посредством одного из способов отверждения, описанных или иным образом предполагаемых в настоящем документе, если не указано иное.

[0020] В контексте настоящего документа термин "импрегнированный" означает частично или полностью импрегнированный, если не указано иное.

[0021] В контексте настоящего документа термин "отвержденный под воздействием излучения" относится к мономерам и/или олигомерам, которые были полимеризованы с использованием излучения, предпочтительно в присутствии подходящего катализатора, если не указано иное.

[0022] В контексте настоящего документа термин "отвержденные под воздействием ультрафиолетового излучения" относится к полимеризации мономеров и/или олигомеров в присутствии ультрафиолетового излучения, если не указано иное.

[0023] В контексте настоящего документа термин "полимер" включает термин "сополимер", если не указано иное, и термин "сополимер" относится к полимерам, полученным из любых двух или более различных мономеров, включающих, например, терполимеры, пентаполимеры, гомополимеры, функционализированные после полимеризации таким образом, что в сополимерном продукте присутствуют две или более различные функциональные группы, блок-сополимеры, сегментированные сополимеры, привитые сополимеры и любая их смесь или комбинация, если не указано иное. В контексте настоящего документа термин "(со)полимер" означает гомополимер или сополимер.

[0024] В контексте настоящего документа термин "композиционное волокно", если не указано иное, относится к набору из одного или более волокон, покрытых смесью мономеров и/или олигомеров, и обработанных соответствующим способом отверждения для образования полимерного покрытия из смеси мономеров и/или олигомеров.

[0025] В контексте настоящего документа термин "эквивалентный диаметр" означает диаметр, определенный стандартом EN 14889, если не указано иное.

[0026] В контексте настоящего документа термин "бетон" означает любой тип строительного материала, содержащего агрегаты, погруженные в матрицу (цемент или связующее), которая заполняет пространство между агрегатными частицами и склеивает их вместе, например, бетон на основе портландцемента, минеральный раствор или асфальт, если не указано иное

[0027] В настоящем документе раскрыты отвержденные композиционные волокна, покрытые частицами диоксида кремния, для армирования бетона. Иллюстративные композиционные волокна, раскрытые в настоящем документе, могут быть изготовлены с использованием любого подходящего типа волокна, такого как, например, стекловолокно. Жидкая или иначе вязкая мономерная или олигомерная композиция для нанесения покрытия может быть получена и нанесена на поверхность стекловолокон. Поверхность волокон затем дополнительно покрывают частицами, такими как частицы диоксида кремния. Покрытые волокна затем могут быть подвергнуты воздействию тепловой энергии или излучения, такого как ультрафиолетовое излучение, которое отверждает композицию для нанесения покрытия для образования композиционного волокна.

[0028] В соответствии с различными иллюстративными вариантами осуществления предложены композиционные волокна для армирования бетона. Длина композиционных волокон может представлять собой любую длину, подходящую для армирования бетона, такую как длину от около 10 мм до около 80 мм, от около 20 мм до около 60 мм или от около 30 мм до около 50 мм. Эквивалентный диаметр композиционных волокон может составлять от около 0,3 мм до около 2 мм или от около 0,5 мм до около 1,3 мм. В некоторых иллюстративных вариантах осуществления отвержденные композиционные волокна характеризуются шероховатостью поверхности между 20 мкм и 200 мкм, измеренной при использовании микроскопа или SEM.

[0029] В некоторых иллюстративных вариантах осуществления исходные непокрытые волокна представляют собой неорганические волокна, такие как стекловолокна. Неисключающие иллюстративные стекловолокна включают стекловолокна А-типа, стекловолокна С-типа, стекловолокна G-типа, стекловолокна Е-типа, стекловолокна S-типа, базальтовые волокна, стекловолокна E-CR-типа (например, стекловолокна Advantex®, доступные для приобретения от Owens Corning), стекловолокна R-типа, биорастворимые стекловолокна, щелочестойкое стекло или их комбинации, все из которых могут подходить для применения в качестве армирующего волокна. В некоторых иллюстративных вариантах осуществления щелочестойкое ("AR") стекловолокно, такое как Cem-FIL®, доступное от Owens Corning, является подходящим для применения в качестве армирующего волокна.

[0030] Диаметр моноволокон, образующих стекловолокно, может варьировать от около 10 микронов до около 27 микронов или от около 13 микронов до около 20 микронов. Текс волокон (линейная масса в г/км) может составлять от около 136 текс до около 4800 текс. В некоторых иллюстративных вариантах осуществления текс находится в интервале от около 400 текс до около 1200 текс.

[0031] В некоторых иллюстративных вариантах осуществления стекловолокна, раскрытые в настоящем документе, импрегнируют с использованием мономерного и/или олигомерного покрытия, которое приводит к полимерному покрытию после отверждения. Полимерное покрытие может представлять собой покрытие, отвержденное термически или под воздействием излучения, такое как, например, покрытие, отвержденное под воздействием инфракрасного излучения, или покрытие, отвержденное под воздействием ультрафиолетового излучения. Может применяться излучение в широком диапазоне, т.е., от коротковолнового ультрафиолетового излучения до излучения в видимой области спектра или пучка высокоэнергетических электронов. Мономеры, олигомеры и полимеры, отверждаемые под воздействием ультрафиолетового излучения, являются известными в области техники настоящего изобретения. Особенно подходящие мономеры, олигомеры и полимеры, отверждаемые под воздействием ультрафиолетового излучения, включают акрилаты, метакрилаты, простые виниловые эфиры и винильные производные на полиуретановой основе, эпоксисоединения, сложные полиэфиры, структуры простых полиэфиров с алифатическими, циклоалифатическими или ароматическими скелетами или без них и сополимеры на основе таких структур. В некоторых иллюстративных вариантах осуществления структура полимерного покрытия содержит полиуретаны на основе ароматической структуры, по отдельности или в смеси с эпокси- или полиэфирным производным. В некоторых иллюстративных вариантах осуществления полимерное покрытие основано на эпоксиакрилате, в то время как в других иллюстративных вариантах осуществления полимерное покрытие в основном получают из полиуретан-акрилата.

[0032] Дополнительно к полимерному покрытию поверхность стекловолокон, раскрытых в настоящем документе, покрывают с использованием частиц, которые могут содержать, кроме прочего, диоксид кремния, песок, оксид алюминия, оксид циркония и т.п. В некоторых иллюстративных вариантах осуществления стекловолокна дополнительно покрывают частицами диоксида кремния. Размер частиц может варьировать в зависимости от желательных характеристик конечного продукта. В некоторых иллюстративных вариантах осуществления частицы диоксида кремния характеризуются диаметром от около 5 микронов до около 150 микронов. В некоторых иллюстративных вариантах осуществления частицы диоксида кремния характеризуются диаметром от около 20 микронов до около 40 микронов или около 20 микронов. В некоторых иллюстративных вариантах осуществления частицы диоксида кремния характеризуются диаметром, превышающим 100 микронов.

[0033] Иллюстративный процесс получения композиционных волокон, покрытых диоксидом кремния, представлен на фиг. 1. Процесс, как правило, подразумевает импрегнирование стеклянного жгута с использованием мономерного/олигомерного покрытия, дополнительное покрытие поверхности стекловолокон частицами, такими как частицы диоксида кремния, и отверждение композиционных волокон с использованием стандартного процесса отверждения под воздействием ультрафиолетового излучения. Процесс более подробно описан ниже.

[0034] В соответствии с иллюстративным процессом, представленным на фиг. 1, стекловолоконную нить 2 пропускают через ванну 6, содержащую мономерную/олигомерную композицию, чтобы импрегнировать или иным образом покрыть стекловолоконную нить отверждаемым мономерным/олигомерным покрытием. В соответствии с иллюстративными вариантами осуществления по меньшей мере 50% поверхности волокон импрегнируют мономерным/олигомерным покрытием. В некоторых иллюстративных вариантах осуществления до 95% поверхности волокон импрегнируют мономерным/олигомерным покрытием. В некоторых иллюстративных вариантах осуществления до 100% поверхности волокон импрегнируют мономерным/олигомерным покрытием. В некоторых иллюстративных вариантах осуществления мономерное/олигомерное покрытие наносят при температуре от около 20°С до около 80°С. В случае покрытий с высокой вязкостью (свыше 500 мПа⋅с при 25°С) покрытие наносят при температуре между 60°С и 80°С, чтобы опустить диапазон вязкости ниже 200 мПа⋅с и улучшить скорость и качество импрегнирования. Как правило, для повышения скорости и гомогенности импрегнирования вязкость покрытия поддерживают ниже 200 мПа⋅с во время стадии импрегнирования посредством температурного мониторинга. Полимерное покрытие может включать в себя от около 5 масс. % до около 50 масс. % конечного композиционного волокна. В некоторых иллюстративных вариантах осуществления полимерное покрытие составляет от около 10 масс. % до около 30 масс. % композиционного волокна.

[0035] Перед пропусканием через ванну 6 для нанесения покрытия стекловолоконную нить 2 могут необязательно пропускать над одним или более вальцами 4 или через канавки, гребень, полосы, магнитные или механические тормоза и т.д., чтобы контролировать натяжение и способствовать направлению стекловолоконной нити 2 в ванну 6 для нанесения покрытия при минимальном спутывании и/или завивании. Следует понимать, что для контроля натяжения и направления стекловолоконной нити 2 в ванну 6 для нанесения покрытия могут использоваться разнообразные подходящие структуры, устройства и аппараты, и настоящее изобретение не ограничивается применением вальцов 4, иллюстрированных на фиг. 1.

[0036] В соответствии с некоторыми иллюстративными вариантами осуществления избыточное покрытие может удаляться с поверхности покрытого стекловолокна разнообразными средствами, предусматривающими, например, пропускание покрытого стекловолокна через одну или более формующих головок 8, таких как головка для гибки проволоки. Формующие головки 8 могут быть коническими, чтобы поступательно удалять избыточное покрытие с поверхности покрытого стекловолокна и достигать конкретного уровня покрытия. В некоторых иллюстративных вариантах осуществления головки 8 могут характеризоваться конкретным диаметром и/или конкретной формой, таким образом, что покрытое стекловолокно выходит из формующих головок, и при этом характеризуется приблизительным диаметром и формой конечной головки. В одном иллюстративном варианте осуществления количество покрытия на покрытом стекловолокне контролируется рядом калиброванных головок. Например, пять головок с переменными диаметрами могут регулировать диаметр покрытого стекловолокна от 1,1 мм до 0,7 мм (т.е. головка 1,1 мм, две головки 0,9 мм и две головки 0,7 мм).

[0037] В соответствии с иллюстративным вариантом осуществления, представленным на фиг. 1, покрытое стекловолокно пропускают через псевдоожиженный слой 10, чтобы обеспечить прилипание частиц к поверхности покрытого стекловолокна. В некоторых иллюстративных вариантах осуществления псевдоожиженный слой может включать в себя псевдоожиженный слой в воздушном потоке или вибрационный псевдоожиженный слой. Суспендированные частицы окружают покрытое стекловолокно, проходящее через псевдоожиженный слой. Под воздействием липкого мономерного/олигомерного покрытия частицы прилипают к внешней поверхности покрытого стекловолокна. В иллюстративных лабораторных условиях длина ванны составляет около 20 см, при этом по меньшей мере около 1 см частиц диоксида кремния суспендированы над верхней частью проходящего стекловолокна для обеспечения постоянной адгезии частиц диоксид кремния. Может быть приспособлено множество ванн при последовательном их расположении в зависимости от потребностей, возможно содержащих различные типы частиц. В некоторых иллюстративных вариантах осуществления частицы диоксида кремния покрывают от около 5% до около 85% или от около 10% до около 60% поверхности композиционных волокон.

[0038] В соответствии с иллюстративным вариантом осуществления, представленным на фиг. 1, композиционное волокно, покрытое диоксидом кремния, затем обрабатывают таким образом, как воздействием излучения, для отверждения покрытия. Источник излучения 12 может представлять любой подходящий источник излучения, такой, как, например, лампа ультрафиолетового излучения, светодиодная лампа, лампа видимого света или источник электроннолучевого (ЕВ) излучения. В некоторых иллюстративных вариантах осуществления для отверждения покрытия применяют множество ламп ультрафиолетового излучения. В других иллюстративных вариантах осуществления композиционное волокно, покрытое диоксидом кремния, может быть подвергнуто воздействию тепловой энергии для отверждения покрытия.

[0039] Хотя частицы диоксида кремния были описаны выше в качестве вторичного покрытия поверхности после полимерного покрытия, основные идеи изобретения, раскрытые в настоящем документе, не ограничиваются этим вариантом осуществления. В некоторых иллюстративных вариантах осуществления частицы диоксида кремния могут быть замешаны с мономерным/олигомерным покрытием, и стекловолокна могут быть импрегнированы или иным образом покрыты этим комбинированным покрытием из частиц диоксида кремния и мономерного/олигомерного покрытия.

[0040] В некоторых иллюстративных вариантах осуществления после стадии отверждения 12 композиционное волокно, покрытое диоксидом кремния, может быть смотано. Мотальная машина 14 может представлять собой одиночную мотальную машину или может включать множество мотальных машин, применяемых в сочетании. Мотальная машина 14 может включать в себя любую мотальную машину, как правило, применяемую в данной области техники, такую как мотальная машина с внутренней намоткой, которую устанавливают на резиновом пузыре, или мотальная машина с внешней намоткой, которую устанавливают на картонной втулке. В некоторых иллюстративных вариантах осуществления композиционное волокно, покрытое диоксидом кремния, может быть смотано при скорости от около 5 м/мин до около 250 м/мин для создания паковки, характеризующейся внешним диаметром до около 1 метра.

[0041] Альтернативно, композиционное волокно, покрытое диоксидом кремния, может напрямую подаваться в рубильную машину 16 для образования множества рубленых композиционных прядей. Рубильная машина 16 может включать в себя любое общепринятое режущее устройство, например, головку с режущим лезвием, которая содержит лезвия бритвы, вставленные в пазы, расположенные на расстоянии, соответствующем длине желательной рубленой пряди. Рубленые композиционные пряди могут характеризоваться любой длиной, желательной для конкретной области применения, например, от около 20 мм до около 50 мм или от около 35 мм до около 40 мм.

[0042] В некоторых иллюстративных вариантах осуществления композиционное волокно, покрытое диоксидом кремния, сначала сматывают мотальной машиной 14 и затем позже разматывают для подачи в рубильную машину 16.

[0043] В некоторых иллюстративных вариантах осуществления рубленые композиционные пряди, раскрытые в настоящем документе, могут применяться для армирования бетона. Армированный бетон может быть образован посредством получения бетона (например, с использованием общепринятого способа формирования бетона) с последующим замешиванием рубленых композиционных прядей в бетон с получением посредством этого бетона, армированного композиционным волокном. В некоторых иллюстративных вариантах осуществления количество композиционных волокон, покрытых диоксидом кремния, в армированном бетоне составляет от около 2 кг до около 75 кг композиционного волокна на кубический метр бетона или от около 5 кг до около 25 кг композиционного волокна на кубический метр бетона. В некоторых иллюстративных вариантах осуществления количество композиционных волокон, покрытых диоксидом кремния, в армированном бетоне составляет от около 7,5 кг до около 12,5 кг композиционного волокна на кубический метр бетона.

[0044] В некоторых иллюстративных вариантах осуществления композиционные волокна, покрытые диоксидом кремния, раскрытые в настоящем документе, предложены для армирования торкретбетона, т.е. бетона, который наносят на стену при высокой скорости и высоком давлении. Существующие композиционные волокна, применяемые для армирования в общепринятом бетоне, могут проявлять нежелательный "эффект отталкивания" при использовании в областях применения торкретбетона. Значения длин существующих композиционных волокон (от около 2,5 см до около 4 см) могут способствовать этому эффекту отталкивания бетона от стены, на которую его наносят.

[0045] Эффект отталкивания вызывает снижение уровня армирования бетона, который общепринятые композиционные волокна обеспечивают в областях применения торкретбетона. Это обусловлено тем, что во время нанесения торкретбетона армирующие волокна ударяют стену с высокой скоростью (несколько метров в секунду). Общепринятые композиционные волокна являются достаточно эластичными и по существу действуют как "пружины" при ударе о стену. Поскольку поверхность общепринятых волокон является гладкой, эффект отталкивания приводит к извлечению волокон из бетона. Количество волокон, теряемых от последствий этого эффекта, зависит от скорости нанесения, но может достигать 60%.

[0046] Напротив, композиционные волокна, покрытые диоксидом кремния, раскрытые в настоящем документе, обеспечивают поверхность, которая фиксирует композиционные волокна в наносимом цементе, что позволяет избежать или уменьшает нежелательный эффект отталкивания. Для преодоления последствий эффекта отталкивания при общепринятых применениях должно применяться увеличенное количество композиционных волокон, чтобы достигать желательных механических свойств армированного бетона. Однако шероховатость поверхности, обеспечиваемая покрытием частицами диоксида кремния композиционных волокон, раскрытых в настоящем документе, позволяет преодолеть или иным образом уменьшить последствия этого эффекта отталкивания и позволяет достичь желательных механических свойств без необходимости значительного увеличения числа применяемых композиционных волокон.

[0047] Кроме улучшения при преодолении последствий "эффекта отталкивания" в случае свежеприготовленного цементного раствора, покрытие частицами диоксида кремния на композиционных волокнах, раскрытых в настоящем документе, улучшает адгезию между бетонной матрицей и композиционными волокнами после высыхания цементного раствора. В некоторых иллюстративных вариантах осуществления покрытие из диоксида кремния улучшает адгезию между бетонной матрицей и композиционными волокнами по меньшей мере в 2-3 раза в сравнении с идентичными по иным характеристикам композиционными волокнами, не покрытыми частицами диоксида кремния.

[0048] Другие преимущества композиционных волокон, описанных в настоящем документе, включают высокую скорость диспергирования во время процесса смешивания, легкость достижения однородного распределения волокон в бетонной массе, сниженный износ смешивающих и насосных систем, меньший риск закупоривания насосных трубопроводов и засорения при заполнении структурными элементами и меньший риск образования ячеистых структур и возникновения последующих проблем с продолжительностью эксплуатации при использовании в сочетании с общепринятым армированием. Например, стальные волокна изготавливают в форме с "крючком" на каждом конце для придания механической фиксации в цементе или бетоне. Это может создавать проблемы, которые могут быть описаны как появление кластеров типа "морской еж", которые могут вызывать поломки насоса и негомогенность армированного бетона. При использовании стекловолокна, покрытого диоксидом кремния, раскрытого в настоящем документе, можно достичь аналогичных механических свойств без вышеописанных недостатков, характерных для общепринятых систем.

[0049] В некоторых иллюстративных вариантах осуществления композиционные волокна являются коррозийно-устойчивыми, и, таким образом, на подвергнутых воздействию поверхностях бетона не проявляются коррозионные пятна. Кроме того, композиционные волокна лучше упрощают рециклизацию отвержденного бетона, чем традиционные стальные волокна.

[0050] Основные идеи изобретения были описаны выше как в целом, так и по отношению к различным конкретным иллюстративным вариантам осуществления. Хотя основные идеи изобретения были изложены в том виде, который, как полагают, представляет собой примерные иллюстративные варианты осуществления, для специалистов в данной области после прочтения этого описания будет очевидным наличие большого разнообразия альтернатив. Основные идеи изобретения не ограничиваются иным образом, за исключением тех случаев, которые представлены в конкретных пунктах формулы изобретения. Кроме того, подразумевают, что следующие примеры лучше иллюстрируют настоящее изобретение, но при этом не ограничивают основные идеи изобретения.

Примеры

[0051] В следующих примерах описаны показатели различных иллюстративных вариантов осуществления композиционных волокон, покрытых диоксидом кремния, согласно настоящему изобретению применяемых для армирования бетона.

Пример 1

[0052] На фиг. 2 и 3 представлены изображения иллюстративных композиционных волокон, покрытых диоксидом кремния. В соответствии с иллюстративным процессом, раскрытом в настоящем документе, композиционное волокно на фиг. 2 было образовано из стеклянного жгута, импрегнированного эпоксиакрилатом. Композиционное волокно на фиг.3 было образовано из стеклянного жгута, импрегнированного полиуретан-акрилатом.

[0053] Композиционные волокна получали с использованием стекловолокон Cemfil®, доступных от Owens Corning. Иллюстративные стекловолокна AR характеризуются 640 текс, 19 мкм, при проклеивании эпоксидной основой. Покрытые волокна на обеих фиг. 2 и 3 регулировали до эквивалентного диаметра 0,7 мм, используя ряд калибрующих головок (1,1 мм, затем 0,9 мм, затем вторая 0,9 мм и окончательно 0,7 мм). Частицы диоксида кремния осаждали на влажную поверхность стекловолокон, используя псевдоожиженный слой в воздушном потоке. Затем композиционные волокна отверждали, используя ультрафиолетовое излучение.

[0054] На фиг. 2 представлено равномерное распределение частиц диоксида кремния по поверхности композиционного стержня при высокой загрузке. На фиг. 3 представлено равномерное распределение частиц диоксида кремния, но при меньшем их количестве в сравнении с фиг 2.

Пример 2

[0055] Адгезионные характеристики иллюстративных композиционных волокон измеряли, проводя испытание на сцепление методом вытягивания стержня из свежеприготовленного цементного раствора. Для проведения испытания на сцепление методом вытягивания стержня (свежеприготовленный цементный раствор) для каждого состава получали 1 л образца свежеприготовленного цементного раствора, армированного композиционным волокном, при этом прочность цемента Rc составляла 80 мПа. Готовили стержень длиной 22 см, и 15 см стержня вставляли вертикально в каждый образец. Образцы затем оценивали на предмет усилия извлечения посредством извлечения стержня после 10 минут выдерживания цементного раствора, таким образом, чтобы образец цементного раствора стабилизировался, но не отверждался. Стержень извлекали при скорости 60 мм/мин, при этом наблюдаемые значения усилий извлечения обобщены в Таблице 1 ниже.

* Для каждого из сравнительного и иллюстративного образцов оценивали пять проб, при этом средние значения приведены в Таблице 1.

[0056] Результаты испытания на сцепление методом вытягивания стержня показывают, что адгезия композиционных волокон при использовании свежеприготовленного цементного раствора (как при максимальном усилии, так и в процессе извлечения) является значительно более высокой для иллюстративного продукта с частицами диоксида кремния (HDF 101) в сравнении с продуктом без частиц диоксида кремния (HDF 100). Эта увеличенная адгезия с цементным раствором приводит к меньшей потере волокон в процессе нанесения армированного бетона.

Пример 3

[0057] Ниже в Таблице 2 приведены различные композиции иллюстративного композиционного волокна и их полученные в результате свойства. Оценивали три иллюстративных партии цемента, чтобы определить воздействия, которые модификация шероховатости поверхности оказывает на механические характеристики после отверждения цементного раствора.

[0058] Представленные нижеприведенными данными механические характеристики бетона, армированного композиционным волокном, покрытым диоксидом кремния, после отверждения значительно превышали такие характеристики сравнительных образцов, в которых отсутствовало покрытие из диоксида кремния.

[0059] Образцы 36 и 42 из Таблицы 2 дополнительно оценивали через 21 дней. Таблица 3 показывает, что положительное воздействие на связывание между волокнами и бетоном возрастает по мере отверждения бетона.

Пример 4

[0060] Чтобы подтвердить более сильное связывание, наблюдаемое в Примере 3, две партии бетона (С30-37 в соответствии с EN 206) смешивали либо с 10 кг композиционных волокон, раскрытых в настоящем документе, или с 10 кг общепринятых стекловолокон, характеризующихся гладкой поверхностью. Через 28 дней отверждения при 23°С и 90% влажности образцы подвергали испытанию на трехточечный изгиб в соответствии со стандартом EN 14651.

[0061] В Таблице 4 представлены улучшенные характеристики композиционных волокон, покрытых диоксидом кремния, измеренные при испытании на сцепление методом вытягивания стержня, описанном выше:

Пример 5

[0062] При пятом испытании две партии бетона, армированного композиционным волокном, получали в соответствии со способом, раскрытым в настоящем документе, и проводили их сравнение с партией бетона, армированного общепринятым композиционным волокном без покрытия. Композиционные волокна характеризовались длиной 40 мм, отношением длины к ширине, равным 70, и их дозировали при 10 кг/м³ волокна в бетоне (С30-37), характеризуемом консистенцией S4. Получали образцы балок, характеризующиеся размерами 10 см × 10 см × 40 см, и оценивали их на предел прочности при изгибе в соответствии со стандартами EN 14651. Перед оценкой образцы отверждали в течение 7 дней при 23°С и 90% влажности. На фиг. 4-6 представлены результаты оценки предела прочности при изгибе для каждой балки. Параллельно три дополнительных образца 10×10×10 см были сформованы и испытаны на предел прочности при сжатии в соответствии с EN12390.

[0063] Данные по определению предела прочности при изгибе в соответствии с EN 14651 применяли для оценки средней остаточной прочности (ARS). ARS представляет собой средние значения индивидуальных усилий при ширине раскрытия трещины, равной 0,4, 1,2, 2,0 и 2,8 мм (обозначенные соответственно CMOD1, CMOD2, CMOD3, CMOD4). Значение ARS показывает остаточное усилие, наблюдаемое после разрушения образца, т.е. остаточное "выдергивающее" усилие, требуемое для вытягивания погруженных стекловолокон из матрицы. Значение ARS применимо для оценки промышленных применений, например, поведения материала при землетрясении. Как показано в Таблице 5, каждая иллюстративная партия показала улучшенную среднюю остаточную прочность (измеренную в мПа) в сравнении с общепринятым композиционным волокном, не покрытым диоксидом кремния.

[0064] Подразумевают, что применяемые в описании настоящего изобретения и прилагаемой формуле изобретения формы единственного числа "a", "an" и "the" включают также формы множественного числа, если контекст ясно не указывает на иное. В той степени, в которой термин "включает" или "включающий" используют в описании или формуле изобретения, его подразумевают как включительный аналогично термину "включающий в себя", таким образом, как этот термин интерпретируют при использовании в качестве переходного слова в пункте формулы изобретения. Кроме того, в той степени, в которой используют термин "или" (например, А или В), подразумевают, что он означает "А или В или и то и другое". Когда заявители подразумевают указание на "только А или В, но не то и другое", тогда будет использоваться термин "только А или В, но не то и другое". Таким образом, в настоящем документе применение термина "или" является включительным, а не исключительным применением. Также в той степени, в которой термины "в" или "внутрь" используют в описании или формуле изобретения, подразумевают, что они, кроме того, означают "на" или "на поверхности". Кроме того, в той степени, в которой термин "связывают" используют в описании или формуле изобретения, подразумевают, что он означает не только "непосредственное связывание с", но также "опосредованное связывание с", таким образом, как связывание через другой компонент или другие компоненты.

[0065] Если в настоящем документе не указано иное, все подварианты осуществления и необязательные варианты осуществления представляют собой соответствующие подварианты осуществления и необязательные варианты осуществления для всех вариантов осуществления, описанных в настоящем документе. В то время как настоящая заявка иллюстрирована посредством описания ее вариантов осуществления, и варианты осуществления описаны очень подробно, заявители не подразумевают ограничение или любым образом сужение объема прилагаемой формулы изобретения такими подробностями. Дополнительные преимущества и модификации будут легко понятными специалистам в данной области техники. Следовательно, заявка в ее более широких аспектах не ограничивается показанными и описанными конкретными подробностями, представительным устройством и иллюстративными примерами. Соответственно, могут быть сделаны отступления от таких подробностей без выхода за пределы идей или объема притязаний представленного заявителем общего описания в настоящем документе.

Настоящее изобретение относится к композиции и способу для получения композиционных волокон, покрытых диоксидом кремния, для армирования бетона, а также способу армирования бетона и других строительных материалов с использованием таких волокон. Композиционное волокно для армирования бетона включает в себя множество стекловолокон, где множество стекловолокон содержит мономерное/олигомерное покрытие для образования покрытых волокон; и множество частиц диоксида кремния, распределенных по от около 5% до около 85% поверхности покрытых волокон. Частицы диоксида кремния обеспечивают улучшенную поверхность раздела между композиционными волокнами и бетонной матрицей. Также описаны способ изготовления волокна и способ армирования бетона. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Композиционное волокно для армирования бетона, причем указанное композиционное волокно включает в себя:

множество стекловолокон, где множество стекловолокон содержит мономерное/олигомерное покрытие для образования покрытых волокон; и

множество частиц диоксида кремния, распределенных по от около 5% до около 85% поверхности покрытых волокон.

2. Композиционное волокно по п. 1, где мономерное/олигомерное покрытие является отверждаемым под воздействием тепловой энергии или ультрафиолетового излучения.

3. Композиционное волокно по п. 1, где стекловолокна представляют собой щелочестойкие стекловолокна.

4. Композиционное волокно по п. 1, где мономерное/олигомерное покрытие включает в себя эпоксиакрилат.

5. Композиционное волокно по п. 1, где композиционное волокно характеризуется длиной от 20 мм до 60 мм.

6. Композиционное волокно по п. 1, где композиционное волокно характеризуется шероховатостью поверхности между 20 мкм и 200 мкм.

7. Способ изготовления композиционного волокна, причем указанный способ предусматривает:

обеспечение вязкой мономерной/олигомерной композиции для покрытия;

нанесение вязкой мономерной/олигомерной композиции для покрытия на множество стекловолокон для образования покрытых волокон;

нанесение множества частиц диоксида кремния на от около 5% до около 85% поверхности покрытых волокон для образования волокон, покрытых диоксидом кремния; и

подвергание волокон, покрытых диоксидом кремния, воздействию тепловой энергии или излучения для отверждения мономерной/олигомерной композиции для покрытия и образования композиционного волокна.

8. Способ по п. 7, где волокна, покрытые диоксидом кремния, отверждают под воздействием ультрафиолетового излучения.

9. Способ армирования бетона, причем указанный способ предусматривает:

обеспечение вязкой мономерной/олигомерной композиции для покрытия;

нанесение вязкой мономерной/олигомерной композиции для покрытия на множество стекловолокон для образования множества покрытых волокон;

нанесение множества частиц диоксида кремния на от около 5% до около 85% поверхности множества покрытых волокон для образования волокон, покрытых диоксидом кремния;

получение состава бетонной смеси и

замешивание волокон, покрытых диоксидом кремния, в состав бетонной смеси.

10. Способ по п. 9, дополнительно предусматривающий стадию подвергания множества волокон, покрытых диоксидом кремния, воздействию тепловой энергии или излучения.

11. Способ по п. 10, предусматривающий подвергание множества волокон, покрытых диоксидом кремния, воздействию ультрафиолетового излучения.

12. Способ по п. 10, дополнительно предусматривающий стадию отверждения мономерной/олигомерной композиции для покрытия для образования множества композиционных волокон.

13. Способ по п. 9, где армированный бетон включает в себя торкретбетон.

14. Способ по п. 12, где указанные композиционные волокна характеризуются длиной от 20 мм до 60 мм.