復(fù)合結(jié)構(gòu)材料及其骨料的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及此類復(fù)合結(jié)構(gòu)材料,其在基質(zhì)(例如膠結(jié)相)中保持有骨料相,還涉及能形成改進(jìn)的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的骨料的新的構(gòu)造。
[0002]發(fā)明背景
[0003]已知使用骨料(aggregate)的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料,它們提供比單獨(dú)的基質(zhì)(沒(méi)有骨料)具有更大強(qiáng)度的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料。混凝土是這種復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的典型例子。
[0004]有多種類型的混凝土可用,它們通過(guò)改變主要成分的比例而產(chǎn)生,以使得最終產(chǎn)物通過(guò)不同的強(qiáng)度、密度或化學(xué)和熱阻性質(zhì)適應(yīng)其應(yīng)用。典型地,混凝土包括膠結(jié)粘合劑和骨料,膠結(jié)粘合劑與水以及通常與細(xì)顆粒材料(例如砂子)一起形成基質(zhì),骨料為粗顆粒材料形式,例如砂礫、碎石(例如石灰石或花崗石)、碎礦渣或再生玻璃。典型地,骨料是大體上球形的并且具有合理的較大密度。
[0005]膠結(jié)粘合劑,通常簡(jiǎn)單地被稱為“水泥”,通常是娃酸鹽水泥(Portland cement),雖然其它膠結(jié)材料例如粉煤灰和礦渣水泥也可以作為骨料的粘合劑。
[0006]水然后與粘合劑和骨料的干燥復(fù)合物混合,產(chǎn)生工作者能使之成型(通常是通過(guò)將它倒入模型或模具中)的半流質(zhì)。還可以加入化學(xué)添加劑以獲得不同的性質(zhì)。例如,這些添加劑可以加快或減慢混凝土硬化的速度,并且可以賦予其它有用的性質(zhì)?;炷寥缓笸ㄟ^(guò)化學(xué)過(guò)程凝固并硬化,所述化學(xué)過(guò)程被稱為水合作用,其中水與水泥反應(yīng),將其它組分粘合在一起,產(chǎn)生堅(jiān)固的、“石頭樣的”復(fù)合結(jié)構(gòu)材料。
[0007]混凝土具有相對(duì)高的抗壓強(qiáng)度,但抗張強(qiáng)度低得多。因?yàn)檫@個(gè)原因,通常用具有強(qiáng)張力的材料(通常是鋼)對(duì)混凝土進(jìn)行加強(qiáng)。而且,混凝土的彈性在低應(yīng)力水平下相對(duì)恒定,但在高應(yīng)力水平下,由于常常出現(xiàn)基質(zhì)開(kāi)裂,混凝土的彈性開(kāi)始減小。混凝土具有非常低的熱膨脹系數(shù),并且隨著它的成熟趨向于收縮。因此,由于收縮和張力的原因,所有混凝土結(jié)構(gòu)趨向于某種程度的開(kāi)裂。
[0008]不同混凝土成分的混合物產(chǎn)生不同的強(qiáng)度,通常以psi或MPa測(cè)量,而不同強(qiáng)度的混凝土用于不同的目的。例如,當(dāng)混凝土必須是輕質(zhì)的時(shí)候,可以使用非常低強(qiáng)度(15MPa或更低)的混凝土。輕質(zhì)混凝土通常通過(guò)加入空氣、泡沫或輕質(zhì)骨料獲得,其常規(guī)副作用是強(qiáng)度降低。對(duì)于大部分常規(guī)使用來(lái)說(shuō),使用20MPa到30MPa的混凝土。然而,35MPa的混凝土也是容易商購(gòu)獲得的,它作為一種更耐用的,雖然更昂貴的選擇,通常用于較大的土建項(xiàng)目。
[0009]35MPa以上的強(qiáng)度用于特定的建筑構(gòu)件,例如,高層混凝土建筑物的較低層柱可以使用SOMPa或更高強(qiáng)度的混凝土,以保持小的柱尺寸。橋梁可以使用70MPa混凝土的長(zhǎng)梁以減少所需跨度的數(shù)量。偶爾,其它結(jié)構(gòu)需要可能要求甚至更高強(qiáng)度的混凝土。例如,如果結(jié)構(gòu)必須是剛性的,可以指定非常高強(qiáng)度的混凝土,甚至比承受工作負(fù)荷所需的強(qiáng)度強(qiáng)得多。為此,高達(dá)130MPa的強(qiáng)度已投入商業(yè)使用。
[0010]由于硬化產(chǎn)品中的空隙的存在不利地并顯著地影響混凝土的強(qiáng)度,因此,重要的是在混凝土混合物的硬化過(guò)程中達(dá)到最大的可能密度。這要求混凝土混合物具有足夠的“可加工性”以允許理想地僅僅使用合理的工作(震動(dòng))量實(shí)現(xiàn)幾乎完全壓實(shí)。混凝土中空隙的存在減小了它的密度,并且大大地降低了強(qiáng)度一例如,5%的空隙可以使強(qiáng)度降低差不多30%。而且,從混凝土混合物易于放置、形成和壓實(shí)的角度來(lái)說(shuō),花費(fèi)的勞動(dòng)、最終產(chǎn)品的質(zhì)量和獲得特定類型產(chǎn)品的能力都受到混凝土混合物的可加工性的影響。
[0011]硬化前混凝土混合物的可加工性(通常被簡(jiǎn)單地視為是其“濕潤(rùn)度”的測(cè)量值)因此實(shí)際上是為了克服混凝土的各個(gè)組分之間的摩擦力以允許完全壓實(shí)并除去所有空隙,并且沒(méi)有不希望的泌水或離析所需的內(nèi)部功的函數(shù)。
[0012]已知的對(duì)混凝土混合物的可加工性進(jìn)行數(shù)值測(cè)量的技術(shù)是“坍落度試驗(yàn)”,通常被執(zhí)行以對(duì)于混凝土混合物流動(dòng)的容易程度來(lái)檢查新制備的混凝土混合物的稠度。坍落度試驗(yàn)檢查壓實(shí)的倒錐形(被稱為“坍落度試驗(yàn)錐”或“艾布拉姆斯(Abrams)錐”)混凝土在重力作用下的行為。
[0013]錐桶被放置在硬的非吸收性的表面上,分三個(gè)階段裝入新制的混凝土,每次都用標(biāo)準(zhǔn)尺寸的棒搗實(shí)。將該錐桶小心垂直上移,以便于不破壞混凝土錐體,混凝土隨后沉降。該沉降被稱為“坍落度”,如果坍落度〈100mm,則測(cè)量精確到5mm,如果坍落度>100mm,貝Ij測(cè)量精確到10mm。
[0014]坍落的混凝土具有不同的形狀,根據(jù)坍落的混凝土的外形,坍落被稱為“正常坍落(true slump)”、“剪切對(duì)落(shear slump)”或“崩陷i丹落(collapse slump)”。如果結(jié)果是剪切坍落或崩陷坍落,取新的樣品重復(fù)測(cè)試。崩陷坍落表明混合物過(guò)于濕潤(rùn)。在測(cè)試中,只有正常坍落是有用的。非常干的混合物,具有0-25mm范圍的坍落度,往往用來(lái)筑路,并且是低可加工性的混合物;具有10-40mm范圍的坍落度的混合物往往用于輕度加強(qiáng)的地基,并且是中等可加工性的混合物;而具有50-100mm范圍坍落度的混合物用于通過(guò)震動(dòng)置放的普通鋼筋混凝土,并且被認(rèn)為是高可加工性的混凝土混合物。
[0015]通常,混凝土混合物中骨料的體積的增加降低可加工性,傳統(tǒng)的觀點(diǎn)是使用光滑圓潤(rùn)的骨料提高可加工性(而如果使用有棱角的和粗糙的骨料,則會(huì)降低可加工性)。骨料的尺寸越大,潤(rùn)滑它所需的水越少,這意味著多余的水應(yīng)可用在可加工性上。就這一點(diǎn)來(lái)說(shuō),與無(wú)孔骨料相比,多孔骨料也需要更多的水以達(dá)到相同的可加工性。
[0016]多年來(lái)認(rèn)為在混凝土中使用回收材料作為骨料是有利的,以幫助實(shí)現(xiàn)回收廢棄材料(例如塑料廢棄材料)的社會(huì)意愿,避免自然資源(例如砂礫和碎石)的過(guò)度使用,以及理所當(dāng)然地提供更輕的、更堅(jiān)固的和更易于使用的混凝土。
[0017]授予J.S.Sweeney的美國(guó)專利5209968是復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的一個(gè)實(shí)例,它是由輕質(zhì)顆粒廢料或廢棄塑料骨料與膠結(jié)粘合劑粘合在一起,盡管結(jié)構(gòu)的核心組成部分還包括使用纖維狀非織造網(wǎng)作為骨料的外部復(fù)合材料層。核心組成部分的塑料骨料據(jù)稱是由大體上球形,即類似于混凝土所用的典型砂礫骨料的形狀的發(fā)泡聚苯乙烯珠形成的。
[0018]授予R.L.Nicholls的美國(guó)專利4778718是復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的另一個(gè)實(shí)例,它具有用塑料骨料加強(qiáng)的膠結(jié)基質(zhì),這次是均勻分布于其中的塑料織物的形式。
[0019]本發(fā)明意在提供新形狀的骨料,它能夠形成比典型的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料更輕,但仍然顯示出所希望的可加工性和強(qiáng)度的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料。
[0020]發(fā)明簡(jiǎn)述
[0021 ]本發(fā)明提供由骨料在基質(zhì)內(nèi)形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料,該骨料是顆粒材料,其中每個(gè)顆粒包括至少三個(gè)由中心轂(hub)向外延伸的呈放射狀的腿(radial legs)。
[0022]本發(fā)明還提供適用于這樣的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的骨料,該骨料是顆粒材料,其中每個(gè)顆粒包括至少三個(gè)由中心轂向外延伸的呈放射狀的腿。
[0023]每個(gè)骨料顆粒的中心轂理想地具有球形、圓柱形或立方體形的形狀,并且可以是近似于這些形狀的形狀,例如可以被稱為大體上球形、大體上圓柱形和大體上立方體形。
[0024]在一種形式中,中心轂是大體上球形的,具有在Imm到20mm范圍內(nèi)的直徑,優(yōu)選在2mm到15mm范圍內(nèi),更優(yōu)選在3mm到12mm范圍內(nèi),更優(yōu)選在5mm到1mm范圍內(nèi)。但是,中心轂可以大于20mm,事實(shí)上,在可以使用非常大體積的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用中,考慮中心轂的直徑可以達(dá)20cm(或更大),所述非常大體積的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料例如是非常大的結(jié)構(gòu)如壩墻所需的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料。
[°°25]在另一種形式中,中心轂是大體上立方體形的,具有在Imm到20mm范圍內(nèi)的寬度,優(yōu)選在2mm到15mm范圍內(nèi),更優(yōu)選在3mm到12mm范圍內(nèi),更優(yōu)選在5mm到1mm范圍內(nèi)。但是,這種形式的中心轂也可以大于20mm,原因同上。
[0026]設(shè)想每個(gè)骨料具有三個(gè)腿、四個(gè)腿、五個(gè)腿、六個(gè)腿、七個(gè)腿、八個(gè)腿、九個(gè)腿或十個(gè)腿。在優(yōu)選的形式中,顆粒具有六個(gè)腿。
[0027]在優(yōu)選的形式中,腿從中心轂向外延伸,以便延伸成三維的,所述三維是相對(duì)于笛卡爾幾何學(xué)以及它所代表的三維空間而言的,所述三維空間具有三個(gè)坐標(biāo)軸,其中每個(gè)坐標(biāo)軸在另外兩個(gè)坐標(biāo)軸的起始點(diǎn)上與它們垂直。而且,腿優(yōu)選從中心轂向外對(duì)稱地呈放射狀地延伸,或者至少一些腿對(duì)稱地呈放射狀地排列。腿可以是相同的尺寸和形狀,或者一個(gè)或多個(gè)腿與其它腿具有不同的尺寸和/或形狀。
[0028]理想地,骨料顆粒的腿是圓柱形、圓錐形或截頭圓錐形的,其中圓錐形和截頭圓錐形形式的直徑從中心轂向外減小或增大,雖然優(yōu)選直徑在遠(yuǎn)離中心轂的方向上減小。出于這種考慮,設(shè)想優(yōu)選形式是一些腿為圓柱形形狀,一些腿為直徑在遠(yuǎn)離中心轂的方向上減小的截頭圓錐形形狀。例如,在優(yōu)選的包括六個(gè)腿的形式中,兩個(gè)腿可以是圓柱形的,四個(gè)腿可以是截頭圓錐形的,或者兩個(gè)腿可以是截頭圓錐形的,其它四個(gè)腿也是截頭圓錐形的,但錐度更大。
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