Дорожно-строительный материал (варианты)
Дорожно-строительный материал на основе цемента содержит минеральный наполнитель и воду, в количестве 4-17 мас. частей жидкий тиокол с молекулярной массой 1000-8000 г/моль, способный вступать в реакцию с цементом или водой, входящими в состав материала, 0,1-1 мас. часть кремнийорганической смолы со структурой НS-R-(ОR')3, в которой R - алкилная группа с прямой или разветвленной цепью из 1-10 атомов углерода, R' - реакционно-способная группа, такая как -NH-группа, винильная группа, -SH-группа. В качестве цемента он содержит цемент, имеющий коэффициент усадки или расширения менее 0,5%, выбранный из группы, включающей алюминатный цемент, сульфоалюминатный цемент, сульфоферритный цемент, в количестве 4-17 мас. частей. Наполнитель он содержит в количестве 60-91 мас. частей, воду в количестве, достаточном для твердения цемента и образования целевого материала, в котором названный эластомер заполняет по меньшей мере часть его пор и облегчает связывание наполнителя с цементом. Материал имеет пористость от 2 до 20%. Охарактеризован второй вариант дорожно-строительного материала. Технический результат: повышение упругости и эластичности материала при воздействии механических нагрузок, эксплуатационной стойкости, в том числе при низких температурах. 2 н. и 6 з.п. ф-лы.
Настоящее изобретение относится к дорожно-строительному материалу высокого качества с повышенной удобоукладываемостью, пригодного для использования при ремонтных работах, в частности для ремонта дорог, взлетно-посадочных полос, проезжих частей мостов, крытых автостоянок. Дорожно-строительный материал также может применяться в качестве строительного материала специального назначения в условиях высоких эксплуатационных требований.
Бетон является обычным строительным материалом, который находит разнообразное применение благодаря своей высокой прочности, а также износостойкости и стойкости к истиранию. Со временем под воздействием окружающей среды и эксплуатации происходит износ, истирание, образование трещин или иное ухудшение свойств бетона, в результате чего требуется его ремонт или замена с целью восстановления первоначального состояния. В случае использования для заделывания выбоин или трещин в бетоне такого же или подобного материала в процессе твердения такого материала может произойти его усадка, нарушение связанности и смещение. В связи с этим были разработаны ремонтные материалы специального назначения на основе цемента, главным образом обладающие аналогичной твердостью и прочностью, но с малым коэффициентом усадки или расширения, обеспечивающим снижение склонности ремонтного материала к смещению в процессе дальнейшей эксплуатации объекта. По этой причине во многих таких материалах применяют цемент с малым коэффициентом усадки или расширения часто в виде быстросхватывающегося состава, который облегчает ремонт и позволяет получать заплату, способную длительное время выдерживать нагрузки в процессе эксплуатации.
Несмотря на неплохие некоторые характеристики таких ремонтных материалов специального назначения, в некоторых случаях от них ожидают проявления и других улучшенных свойств, отвечающих высоким эксплуатационным требованиям. Например, известно, что взлетно-посадочные полосы аэродромов подвергаются высоким нагрузкам при посадке самолетов, а на конструкции мостов при движении транспорта воздействуют изгибающие и переменные усилия. Помимо совместимости с материалом ремонтируемой конструкции ремонтный материал должен обладать свойствами, отвечающими таким высоким эксплуатационным требованиям.
В дорожном строительстве известно (RU, 2047703 C1, E04B 1/4, 1996) использование эластомера - жидкого тиокола в сочетании с кремнийорганическими полимерами.
В настоящее время известен дорожно-строительный материал на основе безусадочного цемента (высокоглиноземистого), минерального наполнителя и полимерной добавки, содержащей эластомер, кремнийорганический полимер и растворитель в количестве, достаточном для повышения эластичности цемента (WO 98/58886 А1, С04В 28/06, 30.12.1998).
В качестве прототипа выбрана бетонная смесь, включающая цемент, минеральный наполнитель, выбранный из группы песка, щебня, доменного шлака, шлаковой пемзы, гравия, воду и добавку, содержащую, мас. часть, микрокремнезем или перлит, или диатомит, или трепел - 50-65; суперпластификатор С-3 - 15-20; смолу или гидрофобизирующий кремнийорганический порошок - 0,1-0,5; модифицированные электролитами лигносульфонаты с молекулярной массой 10-50 кДа - 10-12. Содержание указанной добавки в бетонной смеси составляет 1-5% от массы цемента (RU, №2177919, опубл. 10.01.2002).
Указанный строительный материал не обладает желаемой прочностью, в частности не обеспечивает устойчивость взлетно-посадочных полос аэродромов к высоким нагрузкам, возникающим, например, при посадке самолетов, не обеспечивает устойчивость покрытий в конструкциях мостов, где при движении транспорта возникают изгибающие и переменные усилия, кроме того, при использовании указанного материала для ремонта покрытия указанных объектов происходит быстрый износ, истирание и смещение ремонтного фрагмента в процессе эксплуатации ремонтируемого объекта.
В основу заявляемого изобретения положена задача создать дорожно-строительный материал, пригодный для дорожного покрытия, покрытия проезжих частей мостов или взлетно-посадочных полос аэропортов, а также для заделки трещин и повреждений таких покрытий.
Эта задача решается тем, что дорожно-строительный материал на основе цемента, включающий минеральный наполнитель и воду, согласно изобретению дополнительно содержит в количестве 4-17 мас. частей жидкого тиокола с молекулярной массой 1000-8000 г/моль, способного вступать в реакцию с цементом или водой, входящими в состав материала, 0,1-1 мас. часть кремнийорганической смолы со структурой НS-R-(ОR')3, в которой R - алкилная группа с прямой или разветвленной цепью из 1-10 атомов углерода, R' - реакционно-способная группа, такая как -NH-группа, винильная группа, -SH-группа, а в качестве цемента он содержит цемент, имеющий коэффициент усадки или расширения менее около 0,5%, выбранный из группы, включающей алюминатный цемент, сульфоалюминатный цемент, сульфоферритный цемент, в количестве 4-17 мас. частей, при этом наполнитель он содержит в количестве от около 60 до 91 мас. части, воду в количестве, достаточном для твердения цемента и образования целевого материала, в котором названный эластомер заполняет по меньшей мере часть его пор и облегчает связывание наполнителя с цементом, при этом материал имеет пористость от 2 до 20%.
Технический результат, достигаемый благодаря заявляемому изобретению, состоит в создании дорожно-строительного материала, пригодного для дорожного покрытия, покрытия проезжих частей мостов или взлетно-посадочных полос аэропортов, способных вынести длительную эксплуатацию без очевидных потерь характеристик качества, а также пригодного для заделки трещин и повреждений таких покрытий, в том числе в условиях воздействия низких температур.
Согласно изобретению полезно, чтобы дорожно-строительный материал дополнительно содержал в количестве от около 0,1 до 0,5 мас. частей вещество для улучшения условий твердения эластомера, выбранное из группы, содержащей бихромат щелочного металла, взятый отдельно или в сочетании с по меньшей мере одним оксидом металла переходной валентности, бихромат щелочноземельного металла, взятый отдельно или в сочетании с по меньшей мере одним оксидом металла переходной валентности.
Также согласно изобретению полезно, чтобы дорожно-строительный материал в качестве наполнителя содержал песок.
Целесообразно согласно изобретению, чтобы дорожно-строительный материал содержал воду в количестве, достаточном для обеспечения весового отношения воды и цемента от около 0,05 до 0,1.
Эта задача также решается тем, что дорожно-строительный материал на основе 40-50 мас. частей безусадочного цемента, 30-45 мас. частей минерального наполнителя, 1-25 мас. частей воды согласно изобретению имеет пористую структуру и дополнительно содержит жидкий тиокол с молекулярной массой 1000-8000 г/моль, кремнийорганическую смолу со структурой HS-R-(OR')3, в которой R - алкилная группа с прямой или разветвленной цепью из 1-10 атомов углерода, R'- реакционно-способная группа, такая как -NH-группа, винильная группа, -SH- группа, и растворитель, выбранный из группы: ксилол, толуол, бутилацетат или их смесь, которые использованы в виде предварительно полученной добавки при содержании в ней 70-98 мас. частей указанного жидкого тиокола и 2-30 мас. частей указанной кремнийорганической смолы.
Целесообразно согласно изобретению, чтобы температура указанной предварительно полученной добавки находилась в пределах от около 30°С до 60°С.
Также согласно изобретению полезно, чтобы в качестве безусадочного цемента дорожно-строительный материал содержал алюминатный цемент, сульфоалюминатный цемент или сульфоферритный цемент.
Согласно изобретению полезно, чтобы дорожно-строительный материал в качестве цемента содержал алюминатный цемент, сульфоалюминатный цемент или сульфоферритный цемент.
Согласно изобретению полезно, чтобы дорожно-строительный материал в качестве наполнителя содержал песок.
Благодаря заявляемому изобретению создан дорожно-строительный материал, обладающий значительно повышенной упругостью и эластичностью при воздействии механических нагрузок, чем известные материалы этого назначения и класса, что позволяет его рекомендовать для дорожного покрытия, покрытия проезжих частей мостов или взлетно-посадочных полос аэропортов, пригодных для длительной эксплуатации без очевидных потерь характеристик качества, также созданный дорожно-строительный материал пригоден для заделки трещин и повреждений упомянутых покрытий, в том числе в условиях воздействия низких температур.
Дальнейшие цели и преимущества заявляемого изобретения станут ясны из последующего подробного описания дорожно-строительного материала и конкретных примеров выполнения этого материала.
В настоящем изобретении раскрыт новый дорожно-строительный материал, обладающий требуемыми свойствами, что делает его особо применимым в качестве ремонтного материала.
Новый дорожно-строительный материал содержит различные полимерные добавки, вступающие в реакцию с цементом и водой в смеси, образуя высокопрочные, эластичные, монолитные структуры, которые могут применяться в качестве несущих нагрузку поверхностей, таких как дорожное полотно или взлетно-посадочная полоса, в качестве литых или формовых изделий, таких как балки, стержни или иные изделия, или в качестве ремонтного материала для заполнения трещин, выбоин, ямок или иных дефектов в цементных или бетонных конструкциях.
В качестве смесеобразующих ингредиентов новый дорожно-строительный материал согласно настоящему изобретению обычно содержит следующие компоненты:
(1) эластомер, предпочтительно находящийся в жидком состоянии и способный вступать в реакцию с цементом или водой, входящими в состав материала, такой эластомер представляет собой жидкий тиокол с молекулярной массой 1000-8000 г/моль.
(2) кремнийорганическую смолу со структурой HS-R-(OR')3, в которой R - алкилная группа с прямой или разветвленной цепью из 1-10 атомов углерода, R'- реакционно-способная группа, такая как -NH-группа, винильная группа, -SH- группа, в количестве, достаточном для улучшения сцепления между эластомером и цементом,
(3) цемент с малым коэффициентом усадки или расширения, такой как алюминатный цемент, сульфоалюминатный цемент или сульфоферритный цемент предпочтительно с коэффициентом расширения менее примерно 0,5%, более предпочтительно менее примерно 0,3%,
(4) наполнитель типа обычно применяемого при производстве цемента или бетона, предпочтительно песок, и
(5) воду в количестве, достаточном для твердения материала.
Содержание жидкого тиокола в таком материале обычно составляет от примерно 4 до 14, предпочтительно от 7 до 11 мас. частей, кремнийорганической смолы - обычно от около 0,05 до 2, предпочтительно от около 0,1 до 1 мас. часть, цемента с малым коэффициентом усадки - обычно от около 4 до 17, предпочтительно от 10 до 15 мас. частей и наполнителя - остальное, обычно от около 60 до 91 мас. части. Все упомянутые весовые показатели рассчитаны в пересчете на общий вес материала за исключением воды. Обычно доля воды в соотношении вода-цемент составляет от около 0,05 до 0,1, хотя оно может меняться в зависимости от способа применения заявляемого материала.
Материал по настоящему изобретению имеет широкое применение в промышленном, гражданском строительстве и при строительстве гидросооружений. В частности, заявляемый дорожно-строительный материал наиболее применим в качестве нового дорожного покрытия, покрытия проезжих частей мостов или взлетно-посадочных полос аэропортов или для заделки трещин и повреждений таких покрытий.
Материал по изобретению содержат жидкий тиокол, поскольку данный компонент придает ему эластичность и упругость. Жидкое состояние названного полимера облегчает его рассредоточение в материале. Также предпочтительно, чтобы полимер мог вступать в реакцию с цементом или водой, входящими в состав материала. Молекулярная масса жидкого тиокола должна находиться в пределах от около 1000 до 8000 г/моль.
Названный полимер обычно содержится в количестве, достаточном для повышения эластичности и деформируемости дорожно-строительного материала. Это количество зависит от формы используемого полимера, в которой его добавляют в материал. Применимые количества любого конкретного полимера определяют обычным опытным путем. Полимер должен содержаться в таком количестве, чтобы заполнять по меньшей мере часть пор в материале, по меньшей мере частично контактировать с наполнителем и способствовать связыванию наполнителя с цементом. Обычно содержание полимера составляет от примерно 4 до 14, предпочтительно от 7 до 11 мас. частей.
Если в состав полимера входит ускоритель твердения или добавка для улучшения условий твердения, то предпочтительно используют вулканизирующие вещества, такие как бихроматы кальция, натрия или другого щелочного или щелочноземельного металла, отдельно или в сочетании с окислами свинца, марганца или других металлов переходной валентности. Такие ускорители твердения или добавки для улучшения условий твердения могут содержаться в количестве от около 0,1 до 0,5, предпочтительно от около 0,2 до 0,3 мас. части. Обычно вулканизация или твердение происходит при комнатной температуре без необходимости специального нагрева. При добавлении воды и безусадочного цемента скорость вулканизации быстро возрастает за счет присутствия высокощелочной среды.
Для применения материала по изобретению в заявленных целях жидкий тиокол модифицируют путем добавления кремнийорганической смолы, чтобы улучшить адгезионные свойства такого полимера. В структуру таких кремнийорганических смол входят функциональные группы, такие как винильная группа, эпоксигруппа, аминогруппа, тиоловая группа и подобные группы, способные вступать в реакцию с -SH-группами полисульфидного каучука. Такие смолы также вступают в реакцию с алкоксигруппами, гидролизуемыми в присутствии влаги или воды и образующими реакционно-способные силанольные группы. Такие группы, в свою очередь, активно участвуют в формировании химических связей с диоксидом кремния наполнителя и полиминеральной подложкой, такой как бетон, кирпич, стекло и металл. Предпочтительной кремнийорганической смолой является смола со структурой HS-R-(OR')3, в которой R - это алкильная группа с прямой или разветвленной цепью из 1-10 атомов углерода, а R' - реакционно-способная группа, такая как -NH-группа, винильная группа, эпоксидная группа, -SH-группа и подобные. Такие кремнийорганические смолы добавляют в количестве, достаточном для обеспечения совместимости между минеральными вяжущими компонентами и жидким тиоколом, предпочтительно в количестве от около 0,05 до 2%, более предпочтительно от около 0,1 до 1 мас. части материала.
Материал по изобретению также содержит цемент, придающий готовому материалу твердость, износостойкость и стойкость к истиранию. Предпочтительным является цемент с малым коэффициентом усадки и расширения, такой как алюминатный цемент, сульфоалюминатный цемент или сульфоферритный цемент. Предпочтительные виды цемента имеют коэффициент расширения менее примерно 0,5%, более предпочтительно менее примерно 0,3%. Содержание цемента обычно составляет от около 4 до 17, предпочтительно от 10 до 15 мас. частей.
Материал по изобретению также содержит наполнитель типа обычно применяемого при производстве цемента или бетона. Может использоваться наполнитель любого типа, но предпочтительным является песок. Песок должен быть чистым и иметь размер частиц в пределах от около 2,7 до 3,1 мм, чтобы получаемый материал состоял из частиц, некоторые из которых обладают липкостью. В некоторых случаях применения могут потребоваться другие наполнители. Например, при необходимости получения поверхностей с очень высокой твердостью могут использоваться частицы гранита. При желании могут использоваться другие наполнители, известные специалистам в данной области техники, такие как стекло, кремнезем, тальк, углеродная сажа и тому подобные наполнители по отдельности или в различных сочетаниях.
Конкретные размеры частиц наполнителя и его оптимальное количество определяется обычным опытным путем. Наполнитель входит в материал в качестве остатка по отношению к твердым веществам и обычно содержится в количестве от около 60 до 91 мас. части.
Количество воды в незатвердевшем материале обычно составляет от около 1 до 25 мас. частей. При более высоком содержании воды (т.е. от 10 до 25 частей) материал можно распылять или торкретировать, а при более низком содержании воды (т.е. от 1 до 7 частей) увеличивается время на нанесение материала до его затвердения. При таком содержании воды весовое соотношение между водой и цементом обычно составляет от около 0,05 до 0,1, что допустимо в большинстве случаев применения материала при его нанесении на подложку или использовании для заделки повреждений других материалов.
Ранее описанные варианты материала по настоящему изобретению основаны на физико-химическом взаимодействии цемента, наполнителя и содержащих воду компонентов с параллельным формированием в структуре материала полимерной матрицы с высокой молекулярной массой. Сочетание полимерной и вяжущей матриц обеспечивает улучшенные свойства материала, в частности сочетание твердости, водонепроницаемости и эластичности.
При добавлении в цемент воды содержащиеся в цементе минеральные вещества, такие как C2S, С3S, C4AF, С3А, C2FCS и другие, вступают в реакцию, образуя кристаллическую и гелеобразную массы, вызывая тем самым реакции гидратации, сопровождающиеся высвобождением несвязанной извести. При этом создается высокощелочная среда для формирования таких кристаллической и гелеобразной масс.
Сначала, как правило, образуются гидросиликаты кальция в гелеобразной форме и гидроокись кальция и алюминат кальция в виде кристаллов, проникающих в гелеобразную массу гидросиликатов. Входящий в их состав полимер контактирует с частицами цемента и в достаточной степени покрывает или обволакивает поверхности таких частиц, тем самым оказываясь между гелеобразными гидросиликатами и кристаллами гидроокиси/алюмината. Сам полимер становится армированным кристаллической фазой гидратированного цемента, при этом в процессе гидратации в условиях высокого уровня щелочности, в том момент игравшей роль ускорителя вулканизации или затвердения полимера, образуется гидроокись кальция. В результате кристаллы, образовавшиеся в процессе гидратации цемента, прорастают через затвердевшую полимерную пленку или слой, за счет чего улучшаются некоторые механические характеристики готового дорожностроительного материала. В целом, полученная неоднородная система, состоящая из цемента, песка и полимера, обладает значительно лучшей упругостью и эластичностью при воздействии механических нагрузок, чем обычные материалы подобного назначения и класса.
Материал по настоящему изобретению также обладает значительно лучшей адгезией с бетонами, цементами, асфальтами и другими строительными материалами, чем обычные бетоны, цементы, асфальты или другие материалы для заделки поверхностных повреждений.
Материал по изобретению отличается следующими преимуществами по сравнению с обычными материалами подобного назначения и класса:
лучшей деформируемостью,
более высокой упругостью и эластичностью,
более высокой водонепроницаемостью,
повышенной прочностью сцепления компонентов смеси,
повышенной коррозионной устойчивостью,
повышенной устойчивостью к воздействию низких температур.
Как указано выше, более высокая прочность материала по изобретению обеспечена за счет более высокого уровня сцепления между цементом, наполнителем и полимером, а также уменьшенной пористости получаемого материала. Повышение прочности материала происходит за счет взаимодействия оксидов металлов с полисульфидным олигомером наряду с взаимодействием остаточной воды и цемента.
Заявляемый материал имеет пористость от 2 до 20%, при этом поры с радиусом от 3 до 5 нм составляют 7-20% общего объема пор, поры с радиусом от 5 до 100 нм составляют 50-75% общего объема пор, поры с радиусом более 100 нм составляют 18-30% общего объема пор. Полезно заметить, что обычный бетон, используемый по аналогичному назначению, имеет пористость порядка 7,2%, при этом поры с радиусом от 3 до 5 нм составляют 12% общего объема пор, поры с радиусом от 5 до 100 нм составляют 65% общего объема пор, поры с радиусом более 100 нм составляют 23% общего объема пор.
За счет изменения структуры пор, т.е. уменьшения крупных пор и увеличения мелких и средних пор, материал по изобретению отличается повышенной водонепроницаемостью и повышенной устойчивостью к воздействию низких температур, атмосферным воздействиям, износостойкостью и стойкостью к истиранию.
В обычном бетоне связывание наполнителя с цементным раствором происходит вдоль зон контакта между названными компонентами за счет присутствия гидроокиси кальция и гидросиликатов кальция в таких зонах контакта. За счет присутствия в материале по настоящему изобретению полимера такое связывание улучшено, поскольку поры в зоне контакта заполнены полимером, который покрывает поверхности наполнителя и по существу приклеивает наполнитель к гидратированным частицам цемента.
Роль сцепления объясняется тем фактом, что жидкая фаза цемента, которая обычно состоит из полимерных частиц, ионов кальция и анионов алюмината и кремния, проникает в поры смеси, а в результате происходящих процессов гидратации и полимеризации компоненты прочно связываются друг с другом.
Таким образом, в процессе затвердения материала по изобретению происходит как формирование полимерной сетки, так и увлажнение цемента водой, в результате чего существенно увеличивается модуль упругости, тем самым препятствуя распространению трещин и повышая стойкость материала к ударным нагрузкам или ее сопротивление нагрузкам с переменной силой.
Обычные цементные смеси, в состав которых входят полимеры, часто дают усадку. Такая усадка, конечно, нежелательна, когда материал применяется для заделки поверхностных повреждений и ремонта. Таким образом, материал по настоящему изобретению предпочтительно включает расширяющийся компонент, представляющий собой гипсоглиноземистый или сульфоферритный цемент, который компенсирует усадку, вызванную формированием эттрингита или эттрингита железа в результате следующей реакции:
3СаАl2О3+CaSO4×2H2O+29H2O→3СаОАl2О3×3CaSO4×31H2O+ΔV
2Са×Fе2О3×CaSO4+31Н2O→2СаО×Fе2О3×3CaSO4×31H2О (эттрингит железа) + ΔV
Полимер, добавляемый в материал и добавку по настоящему изобретению, обладает хорошей адгезией с продуктами гидратации цемента, покрывая и обволакивая их и обеспечивая устойчивость эттрингита при его перекристаллизации в моносульфатную форму, которая является характерной для обычных цементных и бетонных смесей, не содержащих расширяющиеся добавки. В целом, это компенсирует усадку материала при его твердении. Полимер также изменяет структуру пор материала, заполняя такие поры. Заполнение пор полимером наряду с адгезией полимера с продуктами гидратации цемента повышает водонепроницаемость, сульфатостойкость и устойчивость к воздействию низких температур материала по изобретению.
Заявляемый материал может быть получен множеством разнообразных способов. Согласно одному из способов получения такого материала сначала получают полимерную добавку, для чего смешивают жидкий тиокол и кремнийорганическую смолу с растворителем или смесью растворителей, чтобы получить вязкую текучую массу. Для этого жидкий тиокол нагревают до температуры от около 30°С до 60°С и смешивают с ним кремнийорганическую смолу и растворитель(-и), чтобы получить добавку. Содержание тиокола в добавке составляет от около 70 до 98 мас. частей, а содержание кремнийорганической смолы - от около 2 до 30 мас. частей. Растворитель используют в количестве, необходимом для растворения данных ингредиентов до образования вязкой однородной массы. Может использоваться любой растворитель из широкого круга органических растворителей, включая ароматические или алифатические растворители. Предпочтительными для получения однородной массы являются смеси ароматических и алифатических растворителей. Одной из предпочтительных смесей является смесь 30-40 мас. частей ксилола, толилола и бутилацетата. Специалист в данной области техники обычным опытным путем легко определит другие применимые сочетания растворителей.
Затем добавку названного выще состава в количестве, достаточном для повышения эластичности цемента, а предпочтительно в количестве 4-5 мас. частей, безусадочный цемент в количестве 40 -50 мас. частей и минеральный наполнитель в количестве 30 - 45 мас. частей, смешивают с водой, взятой в количестве 1-25 мас. частей, чтобы получить материал, в котором по меньшей мере часть пор заполнена полимером, который по меньшей мере частично связывает наполнитель с цементом. При этом полученный дорожно-строительный материал пригоден для дорожного покрытия, покрытия проезжих частей мостов или взлетно-посадочных полос аэропортов, способных вынести длительную эксплуатацию без очевидных потерь характеристик качества, а также пригоден для заделки трещин и повреждений таких покрытий, в том числе в условиях воздействия низких температур. В том числе полученный таким образом дорожно-строительный материал может быть уложен на дорожное полотно или помещен в трещину или выбоину под давлением, например, около 400 кг/см, чтобы получить способную выдерживать нагрузки и готовую к эксплуатации твердую прочную поверхность. Методом формования под давлением в пресс-форме, которой приданы размеры и форма конечного изделия, из этого материала также можно изготовить, например, балки, блоки или изделия иной формы.
В процессе смешивания полимера с цементом и песком полимер проникает в поры цемента и заполняет их. Это, в особенности, относится к тем случаям, когда полимер добавляют в жидкой форме. При нахождении полимера в порах ускоряется процесс его вулканизации за счет окружающей высокощелочной среды влажного цемента. Происходит быстрая полимеризация полимера при комнатной температуре с образованием твердого материала с высокой плотностью. По существу, частицы песка приклеены к цементному раствору при помощи относительно эластичного полимера. Кремнийорганическая смола улучшает такую способность полимера к склеиванию. Помимо улучшения свойств готовой смеси полимер действует в качестве загустителя цемента, по существу, создавая высококачественный цемент.
Как показывают результаты изучения границ раздела цемента, частиц наполнителя и полимера, полимер образует частичное или сплошное покрытие на поверхности частиц гидратированного цемента и песка, за счет чего создаются густо расположенные, прочные адгезионные связи между цементом и песком. Для формирования оптимального сцепления между компонентами необходимо присутствие ионов кальция, что подтверждает роль таких катионов в создании связи между отрицательно заряженными ионами на поверхности частиц песка и заряженными центрами на поверхностях частиц полимера.
При получении материала по изобретению наполнитель, предпочтительно песок, нагревают до температуры от около 40°С до 60°С, также нагревают тиокол до температуры от около 40°С до 60°С. После этого нагретый наполнитель и тиокол тщательно перемешивают, при этом температуру поддерживают предпочтительно в пределах от около 30°С до 60°С. Затем добавляют безусадочный цемент с небольшим количеством воды, т.е. количеством, при котором соотношение вода-цемент находится в пределах от около 0,05 до 0,1, и тщательно перемешивают. Наконец, добавляют кремнийорганическую смолу и тщательно перемешивают, необязательно, если это необходимо, с ускорителем твердения тиокола, чтобы получить сырье для переработки способом, аналогичным способу производства асфальта. В данном способе не требуется использовать растворители, при этом получают смеси для нанесения на дорожное полотно под давлением, например, около 400 кг/см2, чтобы получить способную выдерживать нагрузки и готовую к эксплуатации твердую прочную поверхность. Методом формования под давлением в пресс-форме, которой приданы размеры и форма конечного изделия, из смеси также можно получать фигурные цементные изделия (т.е. балки, блоки или изделия иной формы).
В случае использования материала по изобретению для заделывания трещин или выбоин в существующих цементных или бетонных конструкциях поврежденный участок и остальные поверхности очищают от грязи. Затем на очищенные поверхности наносят грунтовочный слой, предпочтительно состоящий из тиокол соединения, а пространство между поверхностями заполняют материалом по изобретению. Далее материал подвергают давлению или сжатию в течение достаточно длительного времени для того, чтобы он полностью заполнил пространство и образовал твердую прочную заплату. Заплата прочно связана с поверхностями и не будет смещаться благодаря присутствию в материале безусадочного цемента.
Согласно настоящему изобретению для грунтовочного слоя, состоящего из содержащего тиокол соединения, могут использоваться следующие компоненты (мас. часть):
2 части жидкого тиокола - 80-120
неорганический пигмент - 20-45
вулканизатор аэробного твердения каучука - 6,5-10,0
адгезивная добавка - 5,5-7,5
ускоритель твердения каучука - 0,05-0,15
вещество, вызывающее образование межмолекулярных связей - 2,6-4,1
преобразователь - 0,3-0,4
кремнийорганическая смола - 4,5-31,2
Данное соединение обычно наносят на поверхности в виде слоя толщиной от около 0,1 до 2 мм. После нанесения слоя соединения на трещину или выбоину в ремонтируемом строительном материале необходимо немедленно заполнить трещину или выбоину любым материалом по изобретению.
Твердение цемента и вулканизация полисульфидного каучука (тиокола) происходит одновременно. По существу, тиокол, кремнийорганическая смола, цемент и вода вступают в реакцию одновременно благодаря щелочной среде цементной породы и присутствию в ней окислов, т.е. СаО, Аl2О3 и Fе2O3, способных оказывать вулканизирующее и упрочняющее действие на полисульфид и кремнийорганическую смолу. Вулканизации и упрочнению эластомера дополнительно способствует присутствие воды, которую добавляют в смесь, а также воды, высвобождающейся в процессе вулканизации полимера.
В зависимости от количества воды, входящей в состав всего материала, его можно наносить аналогично бетону или цементу, то есть, если материал имеет консистенцию вязкой массы, его наносят лопаткой, либо распыляют или торкретируют на ремонтируемую или защищаемую поверхность.
После затвердения цемента полученный материал обладает монолитными свойствами, а заплаты, сделанные с использованием такого материала, представляют собой одно целое с материалом ремонтируемого объекта. Такие структуры являются водонепроницаемыми в местах стыков и способны бесперебойно выдерживать циклические растягивающие и сжимающие нагрузки, циклы нагрева и охлаждения и являются сейсмостойкими.
Приведенные ниже примеры иллюстрируют наиболее предпочтительные композиции материала согласно настоящему изобретению.
Пример 1
Дорожно-строительный материал с пористостью 2% содержит: жидкий тиокол в количестве 9 мас. частей; песок в количестве 76,7 мас. частей; безусадочный цемент в количестве 13 мас. частей; кремнийорганическую смолу в количестве 1 мас. части; ускоритель твердения в количестве 0,3 мас. частей.
После смешивания компонентов и нанесения материала под давлением около 400 кг/см2 он образует твердую бетонную поверхность, готовую к эксплуатации после нанесения. Такой материал со временем упрочняется и отличается очень малым коэффициентом усадки, расширения или иной деформации даже под воздействием значительных нагрузок. В целом, под воздействием малых нагрузок материал имеет, если вообще имеет, очень незначительный коэффициент деформации, а при более существенных нагрузках он имеет небольшой, относительно устойчивый коэффициент расширения. Данные свойства материала делают его особо эффективным для разнообразного применения при ремонте покрытий объектов, испытывающих высокие нагрузки или интенсивно эксплуатируемых.
Пример 2
Дорожно-строительный материал, аналогичный указанному в примере 1, при этом используемый безусадочный цемент имеет следующий состав, мас. часть: сульфоферритный цемент - 40-50; строительный песок - 35-45; вода - 15-17.
Отношение водной и твердой фаз в используемом безусадочном цементе составляет от 0,05 до 0,10.
Дорожно-строительный материал имеет высокую прочность и долговечность.
Пример 3
Дорожно-строительный материал, аналогичный указанному в примере 1, при этом используемый безусадочный цемент имеет следующий состав, мас. часть: сульфоферритный цемент - 40-50; строительный песок - 35-45; пластификатор в количестве от около 0,3% в пересчете на массу сухого вещества использованного цемента; вода - 15-17.
Отношение водной и твердой фаз в используемом безусадочном цементе составляет от 0,05 до 0,10.
Дорожно-строительный материал имеет более текучую композицию, что облегчает его применение, в особенности, если материал требуется торкретировать на ремонтируемую поверхность.
Пример 4
Дорожно-строительный материал, аналогичный указанному в примере 1, при этом он содержит дополнительно еще один безусадочный цементный состав с максимальным коэффициентом расширения 0,3% на основе алюминатных шлаков со следующим (мас. часть) содержанием компонентов:
пять частей 3СаО×SiO260 2СаО×SiO2 17 2СаО×Аl2О3 5 4СаО×Аl2О3×Fе2О3 16 макс. SO3 3-4,3 Аl2О3 5-6,5.
Дорожно-строительный материал имеет высокую прочность, долговечность.
Пример 5
Дорожно-строительный материал, аналогичный указанному в примере 1, при этом он содержит дополнительно безусадочный цементный состав, представляющий собой сульфоферритный цемент с коэффициентом расширения не более 0,3% и следующим (мас. часть) содержанием компонентов:
шесть частей 3СаО×3Fe2O3×CaSO4 20 2СаО×Fе2O3×CaSO4 20 2СаО×SiO2 30 6СаО×Аl2О3×Fе2O3 20 3СаО×SiO2 10;
при этом он содержит дополнительно 0,1 мас. частей (от массы материала) бихромата натрия, взятого в сочетании с оксидом свинца. Твердение материала происходит при комнатной температуре без необходимости специального нагрева.
Дорожно-строительный материал имеет высокую прочность, долговечность.
Пример 6
Дорожно-строительный материал, аналогичный указанному любому материалу по примеру 2-5, однако цемент содержит следующие компоненты:
строительный песок в количестве от 35 до 45 мас. частей
ускоритель схватывания цемента в количестве от 1 до 5 мас. частей
воду в количестве от 10 до 15 мас. частей.
При этом отношение водной и твердой фаз цементного раствора составляет от 0,17 до 0,19.
Кроме того, цемент также включает пластификатор, такой как водный раствор продуктов конденсации формалина/меламина и нитросульфата натрия максимально в количестве 0,7 мас. частей цемента.
Предпочтительное отношение водной и твердой фаз в пересчете на массу сухого вещества составляет 0,15-0,17.
Пример 7
Дорожно-строительный материал с пористостью 20% содержит:
полиуретановый полимер в количестве 17 мас. частей; песок в количестве 78,4 мас. частей; безусадочный цемент с максимальным коэффициентом расширения 0,3% на основе алюминатных шлаков в количестве 4 мас. частей; кремнийорганическую смолу в количестве 0,1 мас. частей; бихромат калия, взятый в сочетании с оксидом марганца, в количестве 0,5 мас. частей.
Такой материал может быть рекомендован для применения в качестве строительного материала, покрытия для улиц, крытых автостоянок, проезжих частей мостов и т.п.
Пример 8
Дорожно-строительный материал с пористостью 15% содержит: жидкий полисульфидный полимер в количестве 4 мас. частей; песок в количестве 78,4 мас. частей; безусадочный цемент с максимальным коэффициентом расширения 0,3% на основе алюминатных шлаков в количестве 17 мас. частей;
кремнийорганическую смолу в количестве 0,1 мас. частей; бихромат калия, взятый в сочетании с оксидом марганца, в количестве 0,5 мас. частей.
Такой материал может быть рекомендован для применения в качестве строительного материала, покрытия для улиц, крытых автостоянок, проезжих частей мостов и т.п.
Пример 9
Дорожно-строительный материал с пористостью 15% получен путем смешивания от около 70 до 98 мас. частей жидкого тиокола, взятого при температуре от около 30°С до 60°С, от около 2 до 30 мас. частей кремнийорганической смолы со смесью ксилола, толилола и бутилацетата, взятой в количестве, необходимом для растворения данных ингредиентов и получения вязкой текучей массы.
Затем полученную добавку и сульфоферритный цемент смешивают с водой, чтобы получить дорожно-строительный материал, который может быть уложен на дорожное полотно или помещен в трещину или выбоину под давлением, например, около 400 кг/см2, чтобы образовать способную выдерживать нагрузки и готовую к эксплуатации твердую прочную поверхность.
Пример 10
Дорожно-строительный материал, аналогичный указанному любому материалу по примеру 2-6, который дополнительно содержит любой иной асбестоцементный материал, при этом весовое соотношение (дорожно-строительный материал по примеру 2-6): (любой иной асбестоцементный материал) составляет от около 3:1 до 1:3.
Такой материал может быть рекомендован для применения в качестве строительного материала, покрытия для улиц, крытых автостоянок, проезжих частей мостов и т.п.
С учетом вышеизложенного для специалиста в данной области техники ясно, как сочетать компоненты, чтобы получать разнообразные материалы для ремонта или строительства или сооружать новые объекты с использованием дорожно-строительного материала, обладающего улучшенными свойствами, благодаря которым продлевается срок службы таких новых сооружений по сравнению с построенными с использованием обычных материалов, в особенности, в условиях воздействия высоких стрессовых нагрузок или наличия высоких эксплуатационных требований. Соответственно, изобретение ограничено не раскрытыми в описании предпочтительными вариантами осуществления, а лишь объемом и сущностью приложенных патентных притязаний.
1. Дорожно-строительный материал на основе цемента, включающий минеральный наполнитель и воду, отличающийся тем, что он дополнительно содержит в количестве 4-17 мас.ч. жидкий тиокол с молекулярной массой 1000-8000 г/моль, способный вступать в реакцию с цементом или водой, входящими в состав материала, 0,1-1 мас.ч. кремнийорганической смолы со структурой НS-R-(OR')3, в которой R - алкилная группа с прямой или разветвленной цепью из 1-10 атомов углерода, R' - реакционно-способная группа, такая как -NH-группа, винильная группа, -SH-группа, а в качестве цемента он содержит цемент, имеющий коэффициент усадки или расширения менее около 0,5%, выбранный из группы, включающей алюминатный цемент, сульфоалюминатный цемент, сульфоферритный цемент, в количестве 4 -17 мас.ч., при этом наполнитель он содержит в количестве от около 60 до 91 мас.ч., воду в количестве, достаточном для твердения цемента и образования целевого материала, в котором названный эластомер заполняет по меньшей мере часть его пор и облегчает связывание наполнителя с цементом, при этом материал имеет пористость от 2 до 20%.
2. Дорожно-строительный материал по п.1, отличающийся тем, что дополнительно он содержит в количестве от около 0,1 до 0,5 мас.ч. вещество для улучшения условий твердения эластомера, выбранное из группы, содержащей бихромат щелочного металла, взятый отдельно или в сочетании с, по меньшей мере, одним оксидом металла переходной валентности, бихромат щелочноземельного металла, взятый отдельно или в сочетании с, по меньшей мере, одним оксидом металла переходной валентности.
3. Дорожно-строительный материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве наполнителя он содержит песок.
4. Дорожно-строительный материал по п.1, отличающийся тем, что он содержит воду в количестве, достаточном для обеспечения весового отношения воды и цемента от около 0,05 до 0,1.
5. Дорожно-строительный материал на основе 40-50 мас.ч. безусадочного цемента, 30-45 мас.ч. минерального наполнителя, 1-25 мас.ч. воды, отличающийся тем, что он имеет пористую структуру и дополнительно содержит жидкий тиокол с молекулярной массой 1000-8000 г/моль, кремнийорганическую смолу со структурой НS-R-(OR')3, в которой R - алкилная группа с прямой или разветвленной цепью из 1-10 атомов углерода, R' - реакционно-способная группа, такая как -NH-группа, винильная группа, -SH-группа, и растворитель, выбранный из группы: ксилол, толуол, бутилацетат или их смесь, которые использованы в виде предварительно полученной добавки при содержании в ней 70-98 мас.ч. указанного жидкого тиокола и 2-30 мас.ч. указанной кремнийорганической смолы.
6. Дорожно-строительный материал по п.5, отличающийся тем, что температура указанной предварительно полученной добавки находится в пределах от около 30 до 60°С.
7. Дорожно-строительный материал по п.5, отличающийся тем, что в качестве безусадочного цемента он содержит алюминатный цемент, сульфоалюминатный цемент или сульфоферритный цемент.
8. Дорожно-строительный материал по п.5, отличающийся тем, что в качестве наполнителя он содержит песок.
