具有类似木材的特性和超高强度的挤压成型的纤维增强水泥制品以及制造该制品的方法技术

本发明专利技术涉及一种制造水泥复合材料的方法，所述方法包括：（1）通过以下步骤混合可挤压成型的水泥合成物：首先形成含纤维的混合物，所述混合物包括纤维、水以及流变改性剂，而随后添加水硬性水泥；（2）将可挤压成型的水泥合成物挤压成未干的挤压制品，其中未干的挤压制品的特征在于形状稳定并基本上保持预先确定的横截面形状；（3）通过蒸发除去一部分水以减少密度并增加孔隙率；以及（4）在从大于65℃至小于99℃的温度下加热未干的挤压制品。这种方法生产出适于用作木材替代品的水泥复合材料。特别地，通过采用较高的固化温度以制备水泥建筑制品，该水泥建筑制品相较于常规制品具有更低的堆密度和更高的抗弯强度。类似木材的建筑制品可像普通木材那样被锯切、钉以及旋拧。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体上涉及纤维增强的可挤压成型水泥合成物，所述合成物形成了具有高抗弯强度和低堆密度的水泥建筑制品。可挤压成型的水泥合成物能够用于制造具有木材般特性的水泥建筑制品。
技术介绍
木料和其它从树木获得的建筑制品在历史上已成为用于建筑结构的主要原料。由于其可被切割和成型为各种形状和尺寸的能力、其作为建筑材料的总体性能、以及其可构成许多不同建筑建构的能力，木材是许多不同建筑材料的来源。树木不仅可被切割成2X4(two-by-four)的料、I X 10 (one-by-ten)的料、胶合板、装饰板、等等,而且不同的木料件可轻松地经由胶、钉子、螺钉、螺栓、以及其它连接装置附接在一起。木材料可轻松地成型并与其它制品组合以形成所需结构。尽管树木是可再生的来源，但树木生长成可用的大小需要许多年。就这一点而言，树木消失得比它们能生长的速度快，至少在世界许多地方都是这样。此外，沙漠或其它没有丰富的树木的地区不得不或者进ロ木料、或者放弃建设需要木材的结构。由于对森林采伐和其它与树木砍伐有关的环境问题的关心，一直在尝试由其它材料(例如塑料和混凝土)制造“木料替代品”。尽管塑料具有ー些有利的特性(如可塑性和高的抗拉强度)，但它们在抗压强度方面较薄弱，通常得自于不可再生的来源，且通常被认为比天然制品较不环保。另ー方面，混凝土是本质上不会耗尽的建筑材料，因为其成分是常见的粘土、沙子、岩石、以及水。混凝土通常包括水硬性水泥、水、以及至少ー种骨料，其中水与水泥反应以形成水泥浆，所述水泥浆将骨料粘合在一起。当水硬性水泥和水固化(即水合)以使水泥与水和骨料与其它固体成分粘合时，由此形成的混凝土可具有极高的抗压强度和弯曲模量，但它是相较于其抗压强度具有相对较低抗拉强度的易碎材料，具有较小的韧性或挠度特性。尽管如此，通过添加诸如钢筋的加强件或建造整块结构，混凝土可用于建设车道、建造基础、以及通常大的整块结构。早先用混凝土创造木料替代品的尝试并未提供具有让人满意的特征的制品。这部分是由于制造混凝土的传统方法需要混合物在模具中固化，且并未提供具有适当的韧性或抗弯强度的制品以替代木料。ー种由混凝土制造一般的建筑元件(例如屋瓦、外墙元件、管道、等等)的尝试涉及到“哈氏过程(圆网抄取法)”，所述哈氏过程是用于制造纸张的过程的变型。在哈氏过程中，建筑制品是由含有高达99%水的高度含水料浆、水硬性水泥、骨料和纤维制成的。含水料浆具有极高的水比水泥(“w/c”)比率并被脱水以生产出能够固化的合成物以形成固体建筑制品。含水料浆以相继的层涂敷至多孔的滚子筒并在随后的层之间脱水。添加纤维以防止固体水泥颗粒排干水分并赋予一定程度的韧性。当还处于潮湿、未硬化状态时，经脱水的材料从滚子筒移走，切割成薄板或可选地压制成型，并允许固化。由此形成的制品是分层的。尽管在保持干燥时是充分強固的，但它们随着时间推移当接触到过多水分时趋向于分离或脱层。由于制品是分层的，因此组分(特别是纤维)并未均匀地散布。此外，水泥建筑制品在強度方面并未达到它们的全部潜力，直至建设完成数月甚至数年之后。特别地，如本领域所熟知的那样，混凝土随着其固化而持续硬化，并由此強化，直至合成物内部的水分完全耗尽。典型地，采用28天強度作为建筑基准。早先通过提高温度而更快地固化的尝试，例如用蒸汽养护和蒸压养护，导致了二次钙矾石的形成，在所述蒸汽养护和蒸压养护中温度达到65°C以上，两者都会导致最終制品的不利的开裂和破损。 尽管本专利技术人早先专利技术了利用水泥和纤维制造柔性的纸张般薄片的方法，这种薄片是像纸张ー样柔性的并可非常像纸那样被弯曲、折叠或卷成多种不同的食物或饮料容器。但这种薄片并不适于用作建筑材料。首先，这种薄片是通过在被加热的滚子上在数秒或数分钟的形成时间内快速烘干可模塑的合成物而制成的，这导致了水硬性水泥颗粒变成仅仅是填料，而流变改性剂提供了即便不是全部也是大部分的粘合力。由于水泥颗粒仅仅充当填料，它们最终由更便宜的碳酸钙填料颗粒替代。因此这样做会是有利的提供水泥合成物和方法，所述合成物和方法用于制备类似木材的水泥复合材料建筑制品，所述建筑制品可用作木料制品的替代品并可轻松而快速地制造。若建筑制品相较于常规制品可具有増加的抗弯强度则会是更有利的。此外，提供可被用作木材替代品的建筑制品会是有益的，所述木材包括各种各样的木材建筑制品，例如通常由木材制成的结构性和装饰性制品。
技术实现思路
本专利技术涉及可充当木料替代品的水泥建筑材料。相应地，本专利技术涉及对可挤压成型的水泥合成物的使用，所述可挤压成型的水泥合成物可被挤压成型或以其它方式成型为类似木材的建筑制品，所述类似木材的建筑制品可被用作许多已知的木料制品的替代品。含纤维的水泥建筑制品可具有类似于木材建筑制品的特性。在某些实施例中，含纤维的水泥建筑制品可被锯切、切割、钻孔、捶打、以及附接在一起，就如通常对木材建筑制品所做的那样，并在下文中更详细地描述。普通的混凝土通常比木材致密和坚硬得多，并因此更难锯切、钉入或拧入。材料的弯曲模量(指的是弹性模量或杨氏模量)尽管不是硬度的严格衡量标准，但已被发现与硬度相关联，因为它与水泥建筑制品被锯切、钉、旋拧的能力有夫。典型地，普通的混凝土具有约4，000, OOOpsi至约6，000, OOOpsi的量级的弯曲模量，而木材的弯曲模量在从约500，OOOpsi 一直到约5，000，OOOpsi的范围(约3. 5至35GPa)。此外，典型地，混凝土比木材坚硬约5至100倍。以弯曲模量估计时，软木(例如松木)比混凝土更软高达100倍，所述软木比硬木更容易被锯切、钉和旋拧。一般而言，水泥建筑制品被利用普通木锯锯切、利用锤子钉、或利用常用驱动器旋拧的能力是硬度的函数，所述硬度近似正比于密度(即作为一般规则，密度越低，硬度越低)。在希望利用エ件对水泥建筑制品锯切、钉和/或旋拧的情况下(所述エ件是在使用木材制品时在建筑行业内常见的エ件)，水泥建筑制品大致具有的硬度近似为木材的硬度(也就是说，从而比常规的混凝土更软)。纤维和流变改性剂的包含有助于形成比常规混凝土更软的制品。此外，大量适当散布的微孔的包含有助于减少密度 ，这有助于减少硬度。此外，本专利技术的水泥建筑制品具有比抗压强度更高的抗弯强度。较高的抗弯强度将允许在最大挠度处破坏之前承受较重的负载。典型的梁的挠度是利用以下等式确定的梁中心处的挠度=负载X长度3/48/弹性模量/转动惯量相应地，弹性模量越高，挠度越低。在一个实施例中，本专利技术包括供用作木料替代品的水泥复合材料制品。这种制品可包括固化的水泥复合材料，所述复合材料包括水硬性水泥、流变改性剂、以及纤维。固化的水泥复合材料的特征在于以下的一点或数点能够由手用木锯来锯切；弯曲模量在约200，OOOpsi至约5，000，OOOpsi的范围内；抗弯强度至少约1500psi ;优选的密度少于约I. 3g/cm3,更优选少于约I. 15g/cm3,更加优选少于约I. lg/cm3,而最优选少于约I. 05g/cm3,并且纤维优选以大于约10%的浓度(以干体积衡量)基本上均匀地分布在固化的水泥合成物中。根据本专利技术制造的建筑制品比含水泥的纸张似的制品坚硬得多。由于纤维基本上均匀地散布(即不像在哈氏过程中那样分层)，建筑制品当接触到水分时本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2009.11.24 US 12/624,9241.一种用作木料替代品的水泥复合材料制品，所述制品包括 固化的水泥合成物，所述固化的水泥合成物包括水硬性水泥、流变改性剂、以及纤维，所述纤维基本上均匀地分布在固化的水泥合成物中且水泥合成物中包含的纤维的量大于约10% (以固化的水泥合成物的干体积衡量)，所述固化的水泥合成物的特征在于至少约1500psi的抗弯强度和小于约I. 3g/cm3的密度。2.根据权利要求I所述的水泥复合材料制品，还包括至少一个增强元件，所述增强元件选自包括钢筋、金属线、网状物、以及织物的集合，并且至少部分地被水泥合成物封装。3.根据权利要求2所述的水泥复合材料制品，其中增强元件由粘合剂粘合至水泥合成物。4.根据权利要求I所述的水泥复合材料制品，其中，以水泥合成物的干体积衡量，所包括的纤维的量大于约15%。5.根据权利要求I所述的水泥复合材料制品，其中，以水泥合成物的干体积衡量，所包括的纤维的量大于约20%。6.根据权利要求I所述的水泥复合材料制品，所述水泥复合材料制品是作为木料建筑制品的替代品的建筑制品。7.根据权利要求I所述的水泥复合材料制品，其中固化的水泥合成物具有至少约2000psi的抗弯强度。8.根据权利要求I所述的水泥复合材料制品，其中固化的水泥合成物具有至少约3000psi的抗弯强度。9.根据权利要求I所述的水泥复合材料制品，其中固化的水泥合成物具有至少约4000psi的抗弯强度。10.根据权利要求I所述的水泥复合材料制品，其中所述制品的抗弯强度比抗压强度的比率大于1:1。11.根据权利要求I所述的水泥复合材料制品，其中水泥合成物可利用标准木锯来锯切。12.根据权利要求6所述的水泥复合材料制品，其中建筑制品的形状选自包括以下形状的集合杆、棒、管道、圆柱、板、工字梁、电线杆、装饰板、2X4的料、结构板、1X8的料、面板、平薄板、屋瓦、以及具有中空内部的板。13.根据权利要求6所述的水泥复合材料制品，其中建筑制品能够通过利用手锤锤入来接纳IOd规格的钉子而不会显著弯折。14.根据权利要求6所述的水泥复合材料制品，其中建筑制品对于IOd规格的钉子具有至少约50磅力/英寸的钉抗拔力。15.根据权利要求6所述的水泥复合材料制品，其中建筑制品具有至少约500磅力/英寸的螺钉抗拔力。16.根据权利要求I所述的水泥复合材料制品，其特征在于以下的至少一项 纤维选自包括以下物质的集合大麻纤维、棉纤维、植物的叶或茎纤维、硬木纤维、软木纤维、玻璃纤维、石墨纤维、硅纤维、陶瓷纤维、金属纤维、聚合物纤维、聚丙烯纤维、碳纤维、以及它们的组合； 水硬性水泥选自包括以下物质的集合波特兰水泥、MDF水泥、DSP水泥、Densit型水泥、Pyrament型水泥、铝酸钙水泥、石膏、硅酸盐水泥、石膏水泥、磷酸盐水泥、高氧化铝水泥、超细水泥、矿渣水泥、镁氧氯水泥以及它们的组合； 流变改性剂选自包括以下物质的集合多糖、蛋白质、纤维素、淀粉、甲基羟乙基纤维素、羟甲基乙基纤维素、羧甲基纤维素、甲基纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、支链淀粉、直链淀粉、海凝胶、淀粉醋酸酯、淀粉羟基醚、离子淀粉、长链烷基淀粉、糊精、胺淀粉、磷酸酯淀粉、双醛淀粉、粘土、以及它们的组合； 包含促凝剂，所述促凝剂选自包括以下物质的集合KC03、KOH、NaOH, CaCl2, CO2、氯化镁、三乙醇胺、铝酸盐、HCl的无机盐、HNO3的无机盐、H2SO4的无机盐、以及它们的组合；或者 包含填料材料，所述填料材料选自包括以下物质的集合沙子、白云石、沙砾、岩石、玄武岩、花岗岩、砾岩、玻璃珠、气凝胶、干凝胶、海凝胶、云母、粘土、合成粘土、氧化铝、硅石、粉煤灰、硅粉、板状氧化铝、高岭土、玻璃微球、陶瓷球、石膏二水合物、碳酸钙、铝酸钙、以及它们的组合。17.—种制造水泥复合材料制品的方法，所述水泥复合材料制品具有适于用作木材替代品的特性，所述方法包括 将水、纤维、以及流变改性剂混合在一起以形成含纤维的混合物，在含纤维的混合物中纤维基本上均匀地分布； 向含纤维混合物添加水硬性水泥以产生可挤压成型的水泥合成物，所述可挤压成型的水泥合成物具有塑性稠度且所包含的流变改性剂的浓度从约0. 1%至约10% (以湿体积衡量)，并且所包含的纤维的浓度大于约5% (以湿体积衡量)； 将可挤压成型的水泥合成物挤压成具有预先确定的横截面区域的未干中间状态挤压制品，未干的挤压制品在挤压时是形状稳定的并能够基本上保持横截面区域从而允许操作而不会破损； 将未干的挤压制品加热至从大于65°C至小于99°C的温度以允许水硬性水泥的固化。18.根据权利要求17所述的方法，其中未干的挤压制品被加热至大于约70°C的温度以通过蒸发除去一部分的水并减少挤压制品的密度。19.根据权利要求17所述的方法，其中，以可挤压成型的水泥合成物的湿体积衡量，所包括的纤维的量大于约7%。20.根据权利要求17所述的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·J·安德森，S·K·霍德森，
申请(专利权)人：E·喀硕吉工业有限责任公司，
类型：发明
国别省市：