Негорючий, радикально отверждаемый композиционный материал-полуфабрикат

Изобретение относится к составу композиционных материалов-полуфабрикатов, вводимых в эксплуатационное состояние затворением водой, включающих цементную матрицу, модифицированную набором полимеров, и может быть использовано в промышленности строительных материалов в качестве самостоятельного конструкционного, барьерного композитного материала, а также при изготовлении оборудования, изделий, конструкций, возведении зданий и сооружений различного назначения. Негорючий композиционный материал-полуфабрикат, содержащий матрицу в незатворенном виде, способную обеспечивать проникновение воды затворения во всю структуру материала без перемешивания, в затворенном виде способную обеспечить соответствие модуля упругости кристаллизованной матрицы растяжению до разрыва силового армирующего каркаса. Силовой объемный армирующий нитевой каркас выполнен из базальтовых микроволокон, собранных в непрерывные нити и ровинги; большая часть которых расположена прямолинейно без изломов и ориентирована перпендикулярно прогнозируемым эксплуатационным нагрузкам; композиционный материал включает, мас.%: кварцевый песок фракции не более 0,4 мм 5-30, белый цемент марки не менее 500, домолотый до Sуд 4000-5000 см²/г, 5-10, глиноземистый цемент, домолотый до Sуд 4000-5000 см²/г, 0,05-0,5, минеральный порошок, домолотый до Sуд 4000-5000 см²/г, 0,05-0,5, слюда, молотая до Sуд 4000-5000 см²/г, 5-10, пуццолановый компонент с Sуд 4000-5000 см²/г 5-10, целлюлоза 0,05-5, поливинилацетат 0,005-0,02, указанный каркас остальное. Технический результат - повышение прочности на сжатие и при растяжении на изгиб. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к составу композиционных материалов-полуфабрикатов, вводимых в эксплуатационное состояние затворением водой, включающих цементную матрицу, модифицированную набором полимеров, и может быть использовано в промышленности строительных материалов в качестве самостоятельного конструкционного, барьерного композитного материала, а также при изготовлении оборудования, изделий, конструкций, возведении зданий и сооружений различного назначения. 

Известна армированная волокном цементная композиция, модифицированная полимером [Polymer-modified fiber-cement composition: Патент США 7148270. Опубл. 12.12.2006 г.]. Указанная композиция содержит смесь 0,1-15% эмульсии полимера (в расчете на сухой остаток) с температурой стеклования -25-(+150)°, цемента, целлюлозных волокон, песка и воды. Так, например, композит получают из смеси, содержащей, мас.ч.: 200 песка, 100 цемента, 30 волокон, 44 воды и 10 полимера, содержащего 4% ПАВ. Введение устойчивого к цементу полимера повышает прочность на изгиб композита после отверждения в автоклаве почти в 2 раза. 

Наиболее близким по технической сущности является негорючий отверждаемый комплексный материал в составе способного затвердевать конструкционного материала, по патенту РФ на полезную модель №167990 от 18.03.2016, опубл. 16.01.2017, МПК E04B 2/00, E04B 5/00, содержащий матрицу, в незатвердевшем виде способную обеспечивать проникновение воды затворения во всю структуру материала без перемешивания, а в затворенном виде – способную к затвердеванию с получением монолитного материала, т.е. затвердевающую с обеспечением прочности, содержащую цементную составляющую – порошковый материал, включающий цемент, например, сухую смесь на основе цемента, содержащую пластификатор, песок, наполнители, модификаторы, в т.ч. полимеры, и объемный армирующий каркас, содержащий проницаемое для порошкового материала и воды текстильное полотно, выполненное из крученой нити или из пучка нескрученных волокон, где полотно может быть вязанным, при любой структуре вязки, прошитым, а также по меньшей мере, одну из постельных сторон, имеющую непроницаемое для жидкости или газа гибкое покрытие.

Известные композиции обладают недостаточной прочностью на изгиб при растяжении, т.к. связи, образованные цементными ядрами недостаточно прочны, а время их образования недопустимо велико.

Задачей изобретения является создание негорючего конструкционного, барьерного композиционного материала с повышенным пределом прочности на сжатие и при растяжении на изгиб. 

Поставленная задача решена за счет негорючего, композиционного материала-полуфабриката, содержащего матрицу в незатворенном виде, способную обеспечивать проникновение воды затворения во всю структуру материала без перемешивания, в затворенном виде способную обеспечить соответствие модуля упругости кристаллизованной матрицы растяжению до разрыва силового армирующего каркаса, включающую в себя модернизированную и модифицированную полимерами цементную составляющую, при этом композиционный материал-полуфабрикат дополнительно содержит объемный силовой армирующий нитевой каркас, при этом объемный нитевой каркас выполнен из базальтовых микроволокон собранных в непрерывные нити и ровинги; большая часть нитей и ровингов нитевого каркаса расположена прямолинейно без изломов и ориентирована перпендикулярно прогнозируемым эксплуатационным нагрузкам; материал включает, мас.%:: кварцевый песок фр. не более 0,4 мм 5-30, белый цемент марки не менее 500, домолотый до Sуд 4000-5000 см2/г, 5-10, глиноземистый цемент, домолотый до Sуд 4000-5000 см2/г, 0,05-0,5, минеральный порошок, домолотый до Sуд 4000-5000 см2/г, 0,05-0,5, слюда, молотая до Sуд 4000-5000 см2/г, 5-10, пуццолановый компонент с Sуд 4000-5000 см2/г 5-10, целлюлоза 0,05-5, поливинилацетат 0,005-0,02, указанный каркас остальное; объемный нитевой каркас выполнен методом 3D ткачества или методом плетения; негорючий композиционный материал-полуфабрикат содержит нижний слой, выполненный непроницаемым для воды, а в составе модифицирующих полимеров дополнительно использованы поликарбоксилат, модифицированная натуральная канифоль, полиорганосилоксан, цетиловый спирт, октадециловый спирт и поливиниловый спирт.

Суть технического решения иллюстрирована чертежом, где на фиг.1 – негорючий, радикально отверждаемый композиционный материал-полуфабрикат, на фиг.2  - нитевой каркас, на фиг.3 – узел нитевого каркаса.

На фиг. 1, на фиг.2, на фиг.3 изображены: нитевой каркас 1, нижний слой 2, горизонтальные нити 3, горизонтальные ровинги 4, вертикальные нити 5, полимерцементная смесь 6. 

Негорючий, радикально отверждаемый композиционный материал-полуфабрикат выполнен следующим образом. 

Негорючий, радикально отверждаемый композиционный материал-полуфабрикат содержит матрицу и объемный силовой армирующий нитевой каркас 1. Матрица в незатворенном виде выполнена с возможностью обеспечения проникновения воды затворения во всю структуру материала без перемешивания. В затворенном виде матрица выполнена с возможностью обеспечения соответствия модуля упругости кристаллизованной матрицы растяжению до разрыва силового армирующего каркаса 1. Матрица включает модернизированную и модифицированную полимерами цементную составляющую - полимерцементную смесь 6. В составе модифицирующих полимеров использованы эфиры целлюлозы и замещенные поливинилацетаты: поликарбоксилат, модифицированная натуральная канифоль, полиорганосилоксан, цетиловый спирт, октадециловый спирт и поливиниловый спирт.

Объемный нитевой каркас 1 выполнен методом 3D объемного ткачества и/или методом плетения из щелочестойких базальтовых микроволокон, собранных в непрерывные горизонтальные нити 3, вертикальные нити 5 и горизонтальные ровинги 4. Горизонтальные нити 3, вертикальные нити 5 и горизонтальные ровинги 4 расположены преимущественно прямолинейно без изломов и в большинстве своем ориентированы перпендикулярно прогнозируемым эксплуатационным нагрузкам. В нижней части материала расположен слой 2, выполненный непроницаемым для воды. Величина ячейки каркаса выполнена не менее 0,3 мм.

Матрица негорючего, радикально отверждаемого композиционного материала-полуфабриката включает следующие компоненты. 

Кварцевый песок с фракцией не более 0,4 мм, осушенный до влажности не более 0,5 %, обезглиненный и очищенный от пылевых частиц – 5-30 % массовой доли. 

Белый цемент марки не ниже 500 фракции 4000-5000 см²/грамм, с влажностью не более 0,1 %. – 5-10 % массовой доли (10 - 30 % объема);  

Глиноземный цемент, домолотый до фракции 4000-5000 см²/грамм – 0,05-0,5 % массовой доли; 

Минеральный порошок, домолотый до фракции не более 4000-5000 см²/грамм - 0,05-0,5 % массовой доли. 

Слюда, молотая до фракции 4000-5000 см²/грамм. – 5-10 % массовой доли;  

Пуццолановые компоненты с фракцией 4000-5000 см²/грамм. – 5-10 % массовой доли;  

Целлюлоза/нитроцеллюлоза – 0,05-5 % массовой доли;

Поливинилацетат – 0,005 – 0,02 % массовой доли.

Негорючий, радикально отверждаемый композиционный материал-полуфабрикат производят следующим образом.

Готовят сухую смесь, включающую: кварцевый песок с фракцией не более 0,2 мм, осушенный до влажности не более 0,5%, обезглиненный и очищенный от пылевых частиц, белый цемент марки не ниже 500, домолотый до фракции 4000-5000 см²/грамм, с влажностью не более 0,1%; глиноземный цемент, домолотый до фракции не более 4000-5000 см²/грамм; минеральный порошок, домолотый до фракции не более 4000-5000 см²/грамм; слюду, молотую до фракции не более 4000-5000 см²/грамм; пуццолановые компоненты с фракцией не более 4000-5000 см²/грамм; волокна целлюлозы. Сухие компоненты перемешивают в емкости при соблюдении температурных и временных режимов. Изготавливают объемный нитевой каркас 1, для чего на 3D ткацком, плетельном, или прошивном станке создают тканную слоисто-каркасную силовую армирующую структуру с заданным количеством нитей, ровингов, лент, ориентированных перпендикулярно прогнозируемым нагрузкам, которые будут воздействовать на материал, изделие или конструкцию в процессе эксплуатации. В нижней части нитевого каркаса 1 формируют слой 2, непроницаемый для воды и эмульсии, для предотвращения вымывания сухих компонентов в процессе затворения материала водой на месте монтажа и дальнейшей эксплуатации. Слой 2 может быть выполнен, например, в форме полиэтиленовой пленки. Все слои, расположенные выше слоя 2, выполнены проницаемыми не только для воды/эмульсии, но и для связующего/матрицы в сухом виде или затворенном/жидком виде. Готовый негорючий радикально отверждаемый композиционный материал-полуфабрикат сматывают в рулон, герметизируют, упаковывают и маркируют. Для ввода материала в эксплуатационное состояние его затворяют водой непосредственно после монтажа на месте постоянного использования.

Модифицирующие полимеры повышают адгезию между зернами цемента, а также их адгезию к металлам и минеральным основам, в том числе и к нитевому каркасу 1. Модифицирующие полимеры образуют эластичные тяжи между цементными ядрами, при этом расстояние между зёрнами цемента незначительно увеличивается, в связи с чем у композиционного материала-полуфабриката управляемо снижается модуль упругости. Предлагаемый материал-полуфабрикат за счет использования объемного структурированного нитевого каркаса 1, а также модифицирующих полимеров, связывающих ядра цемента между собой и элементами нитевого каркаса 1, обладает повышенным пределом прочности на сжатие и при растяжении на изгиб.

Негорючий, радикально отверждаемый композиционный материал-полуфабрикат после набора прочности обладает следующими характеристиками:

Плотность - 1,6 - 2,6 т/м³; 

Модуль упругости - 20000 - 120000 МПа; 

Прочность при сжатии - 160 - 1000 см/м²; 

Прочность при растяжении - 1200 МПа; 

Осадка конуса - менее 0,1%; 

Теплопроводность - 0,16 - 0, 30 Вт/(м*град); 

Теплоемкость - 600 - 840 Дж/(кг*град).

Техническим результатом заявляемого технического решения является создание негорючего конструкционного композиционного материала с повышенным пределом прочности на сжатие и при растяжении на изгиб за счет негорючего, композиционного материала-полуфабриката, содержащего матрицу в незатворенном виде, способную обеспечивать проникновение воды затворения во всю структуру материала без перемешивания, в затворенном виде способную обеспечить соответствие модуля упругости кристаллизованной матрицы растяжению до разрыва силового армирующего каркаса, включающую в себя модернизированную и модифицированную полимерами цементную составляющую, при этом композиционный материал-полуфабрикат дополнительно содержит объемный силовой армирующий нитевой каркас, при этом объемный нитевой каркас выполнен из базальтовых микроволокон собранных в непрерывные нити и ровинги; большая часть нитей и ровингов нитевого каркаса расположена прямолинейно без изломов и ориентирована перпендикулярно прогнозируемым эксплуатационным нагрузкам; цементная матрица включает: кварцевый песок фр. не более 0,4 мм 5-30, белый цемент марки не менее 500, домолотый до Sуд 4000-5000 см2/г, 5-10, глиноземистый цемент, домолотый до Sуд 4000-5000 см2/г, 0,05-0,5, минеральный порошок, домолотый до Sуд 4000-5000 см2/г, 0,05-0,5, слюда, молотая до Sуд 4000-5000 см2/г, 5-10, пуццолановый компонент с Sуд 4000-5000 см2/г 5-10, целлюлоза 0,05-5, поливинилацетат 0,005-0,02, указанный каркас остальное; объемный нитевой каркас выполнен методом 3D ткачества или методом плетения; негорючий композиционный материал-полуфабрикат содержит нижний слой, выполненный непроницаемым для воды, а в составе модифицирующих полимеров дополнительно использованы поликарбоксилат, модифицированная натуральная канифоль, полиорганосилоксан, цетиловый спирт, октадециловый спирт и поливиниловый спирт.

1. Негорючий композиционный материал-полуфабрикат, содержащий матрицу в незатворенном виде, способную обеспечивать проникновение воды затворения во всю структуру материала без перемешивания, в затворенном виде способную обеспечить соответствие модуля упругости кристаллизованной матрицы растяжению до разрыва силового армирующего каркаса, включающую в себя модернизированную и модифицированную полимерами цементную составляющую, отличающийся тем, что дополнительно содержит объемный силовой армирующий нитевой каркас, при этом объемный нитевой каркас выполнен из базальтовых микроволокон, собранных в непрерывные нити и ровинги; большая часть нитей и ровингов нитевого каркаса расположена прямолинейно без изломов и ориентирована перпендикулярно прогнозируемым эксплуатационным нагрузкам; материал включает, мас.%: кварцевый песок фр. не более 0,4 мм 5-30, белый цемент марки не менее 500, домолотый до Sуд 4000-5000 см²/г, 5-10, глиноземистый цемент, домолотый до Sуд 4000-5000 см²/г, 0,05-0,5, минеральный порошок, домолотый до Sуд 4000-5000 см²/г, 0,05-0,5, слюда, молотая до Sуд 4000-5000 см²/г, 5-10, пуццолановый компонент с Sуд 4000-5000 см²/г, 5-10, целлюлоза 0,05-5, поливинилацетат 0,005-0,02, указанный каркас остальное.

2. Негорючий композиционный материал-полуфабрикат по п.1, отличающийся тем, что объемный нитевой каркас выполнен методом 3D-ткачества.

3. Негорючий композиционный материал-полуфабрикат по п.1, отличающийся тем, что объемный нитевой каркас выполнен методом плетения.

4. Негорючий композиционный материал-полуфабрикат по п.1, отличающийся тем, что содержит нижний слой, выполненный непроницаемым для воды.