Патент материал

износостойкий спеченный материал

Сущность изобретения: износостойкий спеченный материал содержит мас. углерод 0,6 2,0; хром 12 — 14; молибден 1,5 2,5; карбит хрома 10 20; железо остальное. Материал обладает хорошими механическими свойствами, и повышенной износостойкостью и коррозионной стойкостью. 4 ил. 1 табл.

Рисунки к патенту РФ 2044099

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к материалам с высокой стойкостью к абразивному износу и коррозии, и может быть использовано, например, при изготовлении секторов размалывающей гарнитуры дисковых мельниц для приготовления древесных полуфабрикатов.

Известен состав, изготовленный методом литья из коррозионностойких металлов и содержащий, мас. Углерод 0,5 4,0 Хром 13 30 Молибден 0,7 6,0 Марганец 0,1 2,0 Никель 0,5 3,0 Карбид хрома или карбид титана (в пересчете на содержание металла) 1-5 (заявка Швеции N 432535, кл. B 02 C 7/12, 1984).

Фирма «Сундс Дефибратор» (Швеция) выпускает сталь ТД, превосходящую по износостойкости другие известные материалы, которая содержит, мас.

Углерод 1,7
Хром 16,5
Никель 2,2
Молибден 0,7
Титан 1,7
При этом в готовом изделии в результате термической обработки хром и титан содержатся в виде первичных и вторичных карбидов (FeCr)С и TiC в количестве 20 мас.

Недостаток известных решений сложность регулирования физико-механических характеристик материалов. Одним из методов повышения физико-механических характеристик в сталях является введение карбидов тугоплавких металлов в процессе разливки, в результате чего получается механическая смесь двух компонентов, в которой карбиды являются составной частью.

Однако карбиды в стали ТД, выпускаемой фирмой «Сундс Дефибратор» по массе металла распределены неравномерно, поэтому структура полученного металла неоднородна и не обеспечивает стабильности получаемых свойств, что ведет к снижению срока службы изделий, ухудшает качество.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому материалу является износостойкий материал, содержащий карбид титана, железо, никель, кремний и углерод при следующем соотношении компонентов, мас. Железо 13,26 44,4 Никель 2 15 Кремний 0,32 1,8 Углерод 0,09 0,35 Карбид титана Остальное
Недостатки данного материала низкая прочность при работе изделий в эксплуатации из-за низкой пластичности материала, а также недостаточная износостойкость изделий по причине выкрашивания частиц карбида титана.

Цель изобретения создание материала, который наряду с хорошими механическими свойствами (ударная вязкость, твердость) обеспечил бы повышение износостойкости и коррозионной стойкости материала.

Для достижения поставленной цели предложен износостойкий спеченный материал, содержащий железо, хром, молибден, углерод, который дополнительно содержит карбид хрома при следующем соотношении компонентов, мас. Углерод 0,6 2,0 Хром 12,5 13,5 Молибден 1,5 2,5 Карбид хрома 5 20 Железо Остальное
При содержании карбида хрома в предлагаемом составе ниже 5 мас. не происходит повышения твердости и износостойкости. В случае содержания карбида хрома более 20 мас. материал имеет низкую ударную вязкость, что также приводит к снижению износостойкости изделия вследствие выкрашивания зерен карбида хрома. Кроме того, при содержании карбида хрома более 20 мас. порошковый материал становится менее технологичным при изготовлении изделий, так как наблюдаются сколы и трещины.

Увеличение углерода в материале позволяет повысить прочность и твердость. При содержании углерода в материале ниже 0,6 мас. в присутствии карбида хрома не происходит значительного повышения твердости и износостойкости. В случае увеличения углерода более 2,0 мас. порошковая сталь превращается в хрупкий чугун с технологическими дефектами (трещины, сколы, выкрашивание карбида хрома).

П р и м е р. Шихту получали механическим смешением компонентов в смесителе. Прессование образцов в форме цилиндров D 15 х 20 мм проводили при давлении 0,25 0,3 МПа. Полученные образцы спекали в электропечи в защитно-восстановительной среде при ступенчатом режиме. Для получения беспористого материала образцы подвергали горячей деформации. Последующая термическая обработка позволила повысить твердость до HRC_э 59 63.

Для экспериментальной проверки заявляемого состава были подготовлены 18 составов образцов с различным соотношением углерода и карбида хрома. Составы материала и результаты их испытаний по определению физико-механических свойств представлены в таблице (пример 1 по прототипу).

Для проведения испытаний образцов на износостойкость и коррозионную стойкость выбрали материал с оптимальным содержанием (по твердости и технологичности) углерода 0,8 мас. и карбида хрома 5 20 мас.

Износостойкость (абразивный износ) определяли на установке по методике фирмы «Сундс Дефибратор».

Испытание проводили при следующих условиях: частота вращения диска 250 об/мин; частота вращения державки с закрепленным образцом 52 об/мин. Направление вращения противоположно направлению вращения диска.

Испытание осуществлялось методом мокрого торцевого истирания образцов D 15 мм, L 20 мм по водостойкой шлифовальной шкурке зернистостью 150 200 мкм при удельном давлении на образец 9,110 -2 МПа (9,1 г/см 2 ). Подача воды на шлифовальный диск составляла 100 мл/мин.

Испытания на коррозионный износ осуществляли также методом торцевого истирания образца по резиновому диску с подачей в зону трения рабочей жидкости (0,5 мас. раствор H₂SO₄ рН 1,4, с добавлением мелкодисперсной окиси алюминия в пропорции 12,5 г на литр жидкости).

Удельное давление на образец составляло 2,5 10 -2 МПа (2,5 г/мм 2 ).

На фиг. 1 приведена зависимость величины абразивного износа от времени испытаний износостойкого спеченного материала, где: 1 материл, содержащий, мас. С 0,2; Cr 13; Mo 2; Fe остальное; 2 материал, содержащий мас. С 0,8; Cr 13; Мо 2; Cr₃C₂ 5; Fe остальное; 3 материал, содержащий, мас. С 0,8; Cr 13; Мо 2; Cr₃C₂ 10; Fe остальное; 4 материал, содержащий, мас. С 0,8; Сr 13; Мо 2; Cr₃O₂ 20; Fe остальное.

На фиг. 2 приведена зависимость величины коррозионного износа от величины испытаний, где: 1 сталь ТД (Швеция) для сравнения; 2 износостойкий спеченный материал, содержащий, мас. С 0,8; Cr 13; Мо 2; Cr₃C₂ 5-20; Fe остальное.

На фиг. 3 изображен сектор размалывающей гарнитуры, изготовленный из износостойкого спеченного материала оптимального состава, мас. С 0,8; Cr 13; Мо 2; Cr₃C₂ 10; Fe остальное.

На фиг. 4 изображена сборка секторов размалывающей гарнитуры, переданной на производственные испытания, общий вид.

Как видно из фиг. 1 и 2, наибольшей износостойкостью в условиях абразивного износа обладают образцы с содержанием 10 и 20 мас. карбида хрома.

Испытания в условиях коррозионного износа разработанных композиций по сравнению со сталью ТД (шведского производства) показали удовлетворительные результаты. Поэтому результаты испытаний на абразивную и коррозионную стойкость и технологические возможности позволили определить оптимальный состав материала с содержанием карбида хрома 10 20 мас. Но в связи с тем, что состав с 20 мас. карбида хрома, несмотря на более высокую износостойкость, менее технологичен (хуже прессуется, склонен к задирам инструмента, обладает очень узким интервалом температур спекания) для изготовления опытных размольных секторов (сложной формы) и проведения исследовательских работ по отработке технологии был выбран состав материала с 10 мас. добавкой карбида хрома и 0,8 мас. углерода.

Для деталей менее сложной формы целесообразнее использовать износостойкий материал с содержанием карбида хрома до 20 мас.

ИЗНОСОСТОЙКИЙ СПЕЧЕННЫЙ МАТЕРИАЛ, содержащий железо, хром, молибден, углерод и карбид металла, отличающийся тем, что в качестве карбида металла он содержит карбид хрома при следующем соотношении компонентов, мас.

Углерод 0,6 2,0
Хром 12 14
Молибден 1,5 2,5
Карбид хрома 10 20
Железо Остальное

теплоизоляционный материал и способ его изготовления

Теплоизоляционный материал для гражданского и промышленного строительства (утепление стен, крыш, подвалов и т.д.), производства бытовой техники и машиностроения (организация теплоизоляции домашних, промышленных, автотранспортных и железнодорожных холодильников). Теплоизоляционный материал включает естественное древесное волокно, полученное путем дефибраторного размола, борную кислоту в качестве антипирена и тетраборат натрия в качестве антисептика. В его состав включено жидкое стекло в качестве структурообразователя, при следующем соотношении компонентов, мас.ч. (по абс. сух. вещ.): древесное волокно, полученное путем дефибраторного размола — 100, борная кислота — 10-18, тетраборат натрия (бура) — 8-12, жидкое стекло — 1-5. В качестве антипирена дополнительно использован фосфор-азотсодержащий компонент в виде амидофосфата или аммония фосфорнокислого двузамещенного с содержанием, мас.ч. (по абс. сух. вещ.) — 3-7. Технический результат заключается в повышении теплоизоляционных свойств материала за счет обеспечения снижения коэффициента его теплопроводности. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к теплоизоляционным материалам. Основными сферами применения теплоизоляционных материалов являются гражданское и промышленное строительство (утепление стен, крыш, подвалов и т.д.), производство бытовой техники и машиностроение (организация теплоизоляции домашних, промышленных, автотранспортных и железнодорожных холодильников).

Основными теплоизоляционными материалами, используемыми в строительстве и в других областях, где требуется защита от потери тепла, в настоящее время являются материалы, созданные на неорганической основе, такие как, например, Rocwool или ISOVER, а также на органической основе, — пенопласты (пенополиуретан, пенополиэтилен, пенополистирол).

Теплоизоляционные материалы, созданные на неорганической основе, т.е. из стеклянного или базальтового волокна существуют за счет использования фенолоформальдегидной смолы как связующего соединения. В условиях переменной влажности на поверхности волокон образуется конденсат воды, который при морозе способствует разрушению соединения смола-волокно. В итоге материал оседает, и теплозащитные свойства его резко ухудшаются. Кроме того, наличие в фенольной смоле свободного фенола и формальдегида делает эти материалы токсичными.

Положительным свойством этих материалов является их повышенное сопротивление действию огня и сопротивление биоразрушению.

Теплоизоляционные материалы, созданные на основе вспененных термопластических материалов, не обладают способностью «дышать», т.е. на их поверхности может образовываться конденсат воды, при морозе который будет разрушать сам материал с выделением мономеров. Все эти мономеры — токсичны. Даже, если материал не подвергается воздействию переменной влажности, со временем он стареет и разрушается с выделением мономеров. Все эти материалы не гниют, но довольно сложно подвергаются защитой антипиренами, а в случае горения образуются продукты очень токсичные для человека. Помимо указанных теплоизоляционных материалов на органической основе имеются теплоизоляционные материалы, основой которых является целлюлозное волокно.

Известен теплоизоляционный материал ЭКОВАТА на основе измельченной бумажной макулатуры и добавок, отличающийся тем, что он в качестве добавок содержит борную кислоту, буру и хлорид цинка при следующем соотношении компонентов, мае: борная кислота — 10-14, бура — 6-10, хлорид цинка — 0,1-0,5, бумажная макулатура — остальное, см патент РФ № 2037294. Теплоизоляционный материал «Эковата» содержит смесь волокон и мелких кусочков бумаги размером 1 4 мм (органическая основа) в количестве 80%, антипирен — борную кислоту в количестве 10% и антисептик — тетраборат натрия (буру) в количестве 10%. Необходимо отметить, что бура кроме антисептических свойств является активным антипиреном. Влажность ЭКОВАТЫ составляет около 10%. Влага может сорбироваться только целлюлозой, поэтому содержание абсолютно сухого волокна и кусочков бумаги составляет 80-10=70%. Макулатурная печатная бумага обязательно имеет в своем составе минеральные наполнители в количестве до 5% для газетной, до 12-15% для печатной (офсетная, литографская) и до 25-30% для типографской (для глубокой печати) бумаг для улучшения кроющих свойств (Иванов С.Н. Технология бумаги. — М-Л.: Гослесбумиздат, 1960. — С.194). В качестве наполнителей используют двуокись титана, мел, каолин, тальк и другие негорючие соединения. В составе бумаги они играют роль пассивных антипиренов и не подвержены биозаражению. Таким образом, задача активных антипирена (борная кислота) и антисептика (бура) — защита целлюлозы. При среднем содержании наполнителей в бумаге на уровне 5% основа «Эковаты» (макулатура) имеет состав: целлюлоза — 66,5%; наполнитель — 3,5 мас.ч. Учитывая это соотношение, состав ЭКОВАТЫ следующий: целлюлоза абсолютно сухая -100 мас.ч.; антипирен (борная кислота) — 15,0 мас.ч.; антисептик (тетраборат натрия) — 15,0 мас.ч.; наполнитель — 5,3 мас.ч. Таким образом, содержание антипирена в ЭКОВАТЕ составляет 15,0+15,0+5,3=33,5 мас.ч. на 100 мас.ч. целлюлозы.

Недостатком известного материала ЭКОВАТА являются высокие и жесткие требования к сырью, т.к. применяется преимущественно чистая газетная или печатная бумага, которая в условиях России является острым дефицитом, поскольку ресурсы пригодного макулатурного сырья ограничены из-за отсутствия стабильности сбора макулатуры для промышленной переработки и, кроме этого, макулатура в последние годы является одним из источников вторичного сырья для производства бумаги и картона. При производстве бумаги, а также изготовлении газет, используются различные пропитывающие составы, что при изготовлении ЭКОВАТА приводит к образованию недоразмолотых частиц макулатуры, являющихся мостиками холода, а следовательно, к неравномерности теплоизоляционных свойств по всей массе теплоизоляционного материала. Из-за применения, зачастую, токсичных печатных красок и загрязненности в процессе сбора и хранения макулатура становится экологически загрязненной.

Известен теплоизоляционный материал типа ваты, содержащий волокнистый компонент, антипирен и антисептик, отличающийся тем, что в качестве волокнистого компонента использовано естественное древесное волокно, полученное в процессе механического размола натуральной древесины, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

антипирен — 10,5-11,5, антисептик — 5,5-6,5, древесное волокно — остальное, см. патент РФ № 2149148. При среднем содержании добавок 11% (борная кислота), 6% (бура) и влажности волокна 8% соотношение компонентов по абс. сухим веществам составляет: древесное волокно — 100 мас.%; антипирен (борная кислота) — 14,5 масс.%; бура — 7,9 масс.%.

Известен теплоизоляционный материал, включающий древесное волокно, полученное путем дефибраторного размола, антипирен и антисептик, см. В.А. Китайцев. «Технология теплоизоляционных материалов», Москва, Стройиздат, 1970 г.

Данное техническое решение, принятое в качестве прототипа, имеет следующие недостатки. Главная характеристика теплоизоляционного материала, — коэффициент теплопроводности, зависит от плотности материала. Чем меньше плотность, — тем ниже коэффициент теплопроводности, и соответственно выше теплозащитные свойства материала. Древесное волокно является гибким материалом, способным в процессе хранения слеживаться и комковаться, что приведет к увеличению плотности и к ухудшению теплозащитных свойств.

Задача изобретения состоит в повышении теплоизоляционных свойств материала за счет обеспечения снижения коэффициента его теплопроводности, который одновременно по горючести должен классифицироваться по СНиП 21-01-97 как материал, входящий в группу умеренно-горючих (Г2) материалов.

Сущность изобретения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше обеспечиваемого изобретением технического результата.

Согласно изобретению теплоизоляционный материал, включающий естественное древесное волокно, полученное путем дефибраторного размола, борную кислоту в качестве антипирена и тетраборат натрия в качестве антисептика, отличающийся тем, что в его состав включено жидкое стекло в качестве структурообразователя, при следующем соотношении компонентов, мас.ч. (по абс. сух. вещ.):

древесное волокно, полученное путем дефибраторного размола — 100,

борная кислота — 10-18,

тетраборат натрия (бура) — 8-12,

жидкое стекло — 1-5.

Кроме того, изобретение характеризуется рядом факультативных признаков, а именно:

— в качестве антипирена дополнительно использован фосфоразотсодержащий компонент в виде амидофосфата или аммония фосфорнокислого двузамещенного с содержанием, мас.ч. (по абс. сух. вещ.) — 3-7.

Достигаемый при использовании изобретения технический результат заключается в том, что процессы пропаривания и размола древесного волокна при дефибраторном размоле происходят в одном агрегате. Древесная щепа подвергается пропарке в пропарочной камере при температуре 180-190 0С в течение 2-6 мин под воздействием насыщенного водяного под давлением 0.8-1.2 МПа. Пропаренная щепа размалывается между двумя дисками с ножевой гарнитурой, один из которых неподвижен, а другой — подвижный. Число оборотов — 980 об/мин. Давление прижима дисков — 3.0 4.5 МПа. Степень помола древесного волокна после дефибратора — 9 11 град. шр (или 16 18 дс). При термовлагообработке происходит частичный гидролиз и ослабление структуры древесины, снижается упругость волокон, эфирные комплексы расщепляются и появляются новые спиртовые гидроксилы, которые, в свою очередь, повышают гидрофильность волокон и связанную с ней пластичность. При дефибраторном размоле происходит развитие внутренней поверхности волокон, размягчение межклеточной срединной пластинки, состоящей, в основном, из лигнина, что создает благоприятные условия для размола и дальнейшей углубленной разработке древесного волокна. Помимо этого, любой структурообразующий агент, например, жидкое стекло, увеличивает жесткость древесных волокон, позволяет создать прочный каркас материала, что приводит к снижению его плотности и повышению теплоизоляционных свойств.

Одновременно с этим введение в массу материала антисептика и антипирена (борной кислоты и фосфоразотсодержащего компонента в виде амидофосфата или аммония фосфорнокислого двузамещенного) в виде водных растворов методом напыления обеспечивает надежное их проникновение как во внутреннюю структуру древесных волокон, так и распределение по их внешней поверхности, что снижает горючесть и повышает биозащищенность материала.

Для исследования свойств заявленного материала были проведены испытания нескольких вариантов состава исходных композиций для изготовления заявленного материала, а также проведены сравнительные испытания заявленного материала и материала, принятого в качестве прототипа.

При приготовлении составов использовали следующие материалы:

Древесное волокно дефибраторного размола влажностью 8-10%;

Борная кислота (ГОСТ 18704-78);

Бура (тетраборат натрия) (ГОСТ 8429-77);

Амидофосфат 50%-ный раствор (ТУ 23332-002-23063581-95);

Аммоний фосфорнокислый двузамещенный (ГОСТ 3772-74);

Жидкое стекло 50%-ный раствор (ГОСТ 13078-81).

Составы готовили при пересчете всех компонентов на абс. сухие вещества. На древесное волокно, полученное методом дефибраторного размола, в количестве 100 мас.ч. абс. сухой древесины наносили пневматическим распылением 10 мас.% от массы абс. сух. древесины борной кислоты в виде 6%-ного водного раствора, 12 мас.% от массы абс. сух. древесины буры в виде 6%-ного водного раствора, 7 мас.% от массы абс. сух. древесины амидофосфата в виде 50%-ного водного раствора и 5 мас.% от массы абс. сух. древесины жидкого стекла в виде 5%-ного водного раствора. Древесные частицы подавали на сушку, где они высушивались до влажности 8. 10%, и поступали в молотковую дробилку для разбиения комочков волокон. Из полученного волокна формировали на вакуум-формирующей машине ковры толщиной 10-30 мм, которые подвергали испытаниям. Плотность материала рассчитывали путем деления массы на объем ковра форматом 200×200 мм толщиной 10-30 мм. Коэффициент теплопроводности определяли на лабораторном калориметре. Горючесть определяли методом «огневой трубы» по ГОСТ 12.1.044-84. При испытаниях на горючесть образцы материала помещали в сетчатую корзинку, время выдержки корзинки в пламени горелки — 150 с.

В таблице 1 представлены несколько примеров композиций составов, а также состав прототипа.

композиционный материал

Изобретение относится к авиационной, космической технике, электротехнике, автомобиле- и приборостроению, а именно к композиционным материалам на основе стекломатриц, армированных непрерывными углеродными наполнителями. Предложенный композиционный материал включает стекломатрицу 60-66 мас.%, содержащую SiO₂, В₂О₃, а в качестве армирующего углеродного наполнителя, в количестве 34-40 мас.%, используют высокопрочный углеродный жгут на основе полиакрилнитрила, при этом стекломатрица дополнительно содержит SiOC, при следующем соотношении компонентов матрицы, мас.%: SiO₂ 58,9-69,3; В₂О₃ 13,5-15; SiOC 15,7-27,6. Изобретение позволяет улучшить фазовую термостабильность и увеличить уровень разрушающего напряжения при изгибе при увеличении уровня рабочих температур выше 500 o С. Предложенный композиционный материал содержит экологически-, пожаро- и взрывобезопасные компоненты. 1 з. п.ф-лы, 2 табл.

Рисунки к патенту РФ 2193539

Изобретение относится к авиационной, космической технике, электротехнике, автомобиле- и приборостроению, а именно к композиционным материалам на основе стекломатриц, армированных непрерывными углеродными наполнителями.

Известен композиционный материал [1], имеющий химический состав, мас.%:
Стекло «Пирекс» — 45,0-80,2
Углеродное волокно — 19,8-55,0
при следующем соотношении компонентов стекломатрицы [2], мас.%:
SiO₂ — 79,93
B₂O₃ — 12,12
Аl₂O₃ — 1,93
МgO — 0,17
СаO — 0,43
Nа₂O — 3,68
K₂O — 1,74
Недостатком этого материала является комплексное ухудшение прочности при воздействии повышенных температур в окислительной среде из-за интенсивного окисления углеродных волокон.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип [3], является композиционный материал химического состава, мас.%:
Стекломатрица — 50-80
Углеродное волокно — 20-50
при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас.%:
SiO₂ — 90
B₂O₃ — 9,6
Аl₂O₃ — 0,4
Недостатками указанного материала являются низкая фазовая термостабильность, вызванная кристаллизацией стекломатрицы такого типа, с образованием кристобалита как на стадии изготовления детали, так и во время ее эксплуатации при температурах выше 500 o С, низкий уровень рабочих температур (до 700 o С) и низкий уровень разрушающего напряжения при изгибе при температурах выше 500 o С.

Технической задачей изобретения является улучшение фазовой термостабильности и увеличение уровня разрушающего напряжения при изгибе, при увеличении уровня рабочих температур выше 700 o С.

Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен композиционный материал, включающий стекломатрицу, содержащую SiO₂, B₂O₃ и армирующий высокопрочный углеродный жгут на основе полиакрилнитрила, а стекломатрица дополнительно содержит SiOС, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Стекломатрица — 60-66
Указанный жгут — 34-40
при следующем соотношении компонентов матрицы, мас.%:
SiO₂ — 58,9-69,3
B₂O₃ — 13,5-15
SiOС — 15,7-27,6
SiOС имеет состав, мас.%:
О — 2-4,7
С — 27,3-30
Si — Остальное
Авторами установлено, что содержание в стекломатрице оксикарбида кремния, при предлагаемом соотношение компонентов, позволит повысить температуру эксплуатации изделий из данного материала, приведет к улучшению фазовой термостабильности и увеличит уровень разрушающего напряжения при изгибе при увеличении рабочей температуры выше 700 o С.

Пример осуществления
Дисперсные частицы стекломатрицы (SiO₂, B₂O₃) с размерами 5-10 мкм смешивают в течение 2-4 ч с частицами оксикарбида кремния (размер частиц 10-20 мкм) в фарфоровых барабанах алундовыми шарами в среде золя диоксида кремния (содержание SiO₂ до 25 мас.%), из расчета на 100 г сухой смеси 70-100 мл золя диоксида кремния. Полученным шликером матричного связующего пропитывают высокопрочные жгуты непрерывного углеродного армирующего наполнителя на основе полиакрилнитрила с их одновременной намоткой на барабан или выкладкой на формовочную плоскость в направлении 0 o . Полученные полуфабрикаты нарезают, производят укладку слоев с заданной ориентацией и сушат при температуре 18-25 o С до постоянной массы. Полученные заготовки укладывают в графитовые пресс-формы и подвергают горячему прессованию.

В табл. 1 и 2 представлены соответственно 4 состава и свойства полученных образцов композиционного материала в сравнении с прототипом.

Из табл. 2 следует, что предложенный композиционный материал позволяет улучшить фазовую термостабильность в 10-15 раз (устранить возникновение фазы кристобалита в стеклокерамической матрице), повысить уровень разрушающего напряжения при изгибе при увеличении рабочей температуры на 100 o С (до 800 o С).

Предложенный композиционный материал содержит экологически-, пожаро- и взрывобезопасные компоненты.

Источники информации
1. D.C. Phillips, R.A. Sambell, D.H. Bowen. The mechanical properties of carbon fiber reinforced Pyrex glass. // Journal of Materials Science 7 (1972). P.1454-1464.

2. Химическая технология стекла и ситаллов. /Под ред.Н.М. Павлушкина — М.: Стройиздат, 1983, с. 301.

3. Заявка DE 19504743 A1.

1. Композиционный материал, включающий стекломатрицу, содержащую SiO₂ и В₂О₃, и армирующий высокопрочный углеродный жгут, изготовленный на основе полиакрилнитрила, отличающийся тем, что стекломатрица дополнительно содержит SiOC, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Стекломатрица — 60-66
Углеродный жгут — 34-40
при следующем соотношении компонентов стекломатрицы, мас. %:
SiO₂ — 58,9-69,3
В₂О₃ — 13,5-15
SiOC — 15,7-27,6
2. Композиционный материал по п. 1, отличающийся тем, что SiOC имеет состав, мас. %:
О — 2-4,7
С — 27,3-30
Si — Остальное

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, С₃ S, 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:

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+CaSO₄×2H ₂O+29H₂O 3СаОАl₂О₃×3CaSO₄×31H ₂O+ V

2Са×Fе₂О₃×CaSO ₄+31Н₂O 2СаО×Fе₂О₃×3CaSO₄ ×31H₂О (эттрингит железа) + V

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/см 2 , 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

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.

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/см 2 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.

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.

Дорожно-строительный материал имеет высокую прочность и долговечность.

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.

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:

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:

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.

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.

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.

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.

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/см 2 , чтобы образовать способную выдерживать нагрузки и готовую к эксплуатации твердую прочную поверхность.

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.

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.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

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.