專利名稱：輕量、纖維強(qiáng)化的水泥板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體而言涉及適于如下應(yīng)用的輕量板屋頂構(gòu)件、框架和覆蓋構(gòu)件、外墻板構(gòu)件和用于在住宅和其它房屋建筑類型內(nèi)安裝地面終飾的襯底構(gòu)件，所述板由于采用具有如強(qiáng)化性的選定特性的聚乙烯醇(PVA)纖維而具有獲顯著改良的撓曲韌性。更具體來說，本發(fā)明涉及能夠抵抗由冰雹或其它物體所施加的沖擊載荷的板。
背景技術(shù)：
在建筑工業(yè)中使用水泥板來形成住宅和/或商業(yè)建筑中的內(nèi)墻和外墻。所述板的有利條件包括相較于標(biāo)準(zhǔn)石膏基墻板而言的防潮性。然而所述傳統(tǒng)板的缺點(diǎn)為，其撓曲韌性不足以達(dá)到比得上(如果非更有韌性)例如膠合板或定向結(jié)構(gòu)刨花板(OSB)的木質(zhì)板的程度。
建筑物結(jié)構(gòu)在其使用壽命內(nèi)經(jīng)受多種沖擊載荷(例如雹災(zāi)，或由于龍卷風(fēng)或颶風(fēng)而投擲于所述建筑物上的物體所帶來的損害)。并非所有建筑覆蓋板均足夠堅(jiān)韌以承受所述沖擊載荷。在有必要顯示沖擊載荷抵抗力時(shí)，測(cè)量所述覆蓋板以確定所述襯底在沒有失效條件下所能抵抗的沖擊。
本說明書中所表征的撓曲韌性測(cè)量成等于在四點(diǎn)彎曲中所加載樣品的撓曲載荷與撓度曲線下的總面積。
根據(jù)ASTM(美國材料試驗(yàn)協(xié)會(huì))C947試驗(yàn)方法，撓曲韌性以在四點(diǎn)彎曲中加載的撓曲樣品的載荷與撓度曲線下的總面積測(cè)量。
達(dá)成顯著撓曲韌性的木質(zhì)板通常為由木材碎片膠合在一起所組成的膠合板或定向結(jié)構(gòu)刨花板(OSB)。此等板可提供撓曲韌性，但每一種均易燃且當(dāng)暴露于水中時(shí)也不耐用。由水硬性水泥制成的板可抗水，但是相較于木質(zhì)板重得多且不具有充足的撓曲韌性。認(rèn)為尚不可獲得能夠提供本發(fā)明的撓曲韌性而又避免膠合板或OSB板的缺陷的板。
此外，對(duì)于經(jīng)配置而在建筑環(huán)境中表現(xiàn)與膠合板或OSB板相似的水泥板的需求，意謂所述板可受釘且可使用傳統(tǒng)鋸和其它傳統(tǒng)木工工具加以切割或加工。也希望水泥結(jié)構(gòu)板具有低密度以便于操作。
所述板應(yīng)能夠用切割木材所用的圓鋸切割。
所述板應(yīng)能夠用釘子或螺釘固定于框架上。
所述板暴露于水中時(shí)應(yīng)保持尺寸穩(wěn)定，意即其膨脹應(yīng)盡可能小，較佳由ASTM C 1185所測(cè)低于0.1％。
所述板不應(yīng)具有生物降解性或易受昆蟲或腐蝕的侵襲。
所述板應(yīng)提供用于外部裝修系統(tǒng)的可粘結(jié)襯底。
固化處理28天后，由ASTM C 947測(cè)試所測(cè)量，密度為60lb/ft3(961kg/m3)至75lb/ft3(1200kg/m3)的0.5英寸(12.7mm)厚的板撓曲強(qiáng)度為至少750psi(5.2MPa)、且較佳為大于1000psi(6.9MPa)。
顯然目前可獲得的水泥基和木質(zhì)產(chǎn)品和復(fù)合物只能滿足部分而非所有上述性能特征。詳細(xì)來說，需要獲改良的輕量水泥基板，其具有獲改良的撓曲韌性，且通過提供非可燃性和耐水性而超越目前所使用的水泥基和木質(zhì)板的性能。
盡管使用了玻璃纖維以強(qiáng)化水泥，但已知因?yàn)椴Ａ艿酱嬖谟诠袒嘀械氖业那治g而將隨時(shí)間損失強(qiáng)度。此現(xiàn)象可在一定程度上通過涂覆所述玻璃纖維或使用特種耐堿玻璃來加以彌補(bǔ)。已建議使用其它纖維來強(qiáng)化水泥，例如金屬纖維、木材或其它纖維素纖維、碳纖維或聚合物纖維。第10欄、第1-6行提到，“盡管它們不提供與玻璃纖維相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度，但有可能在本發(fā)明的板中包括某些聚合物纖維。所述纖維例如為聚丙烯、聚乙烯、聚丙烯腈和聚乙烯醇纖維，它們比耐堿玻璃纖維廉價(jià)且不易受石灰侵蝕?！盉onen的美國專利第6,241,815號(hào)以引用的方式并入本文中，其揭示一種用于建筑材料中的組合物，其可取代高性能混凝土、修補(bǔ)材料、填縫混合料(joint compound)等等，例如背襯板或板，其包括可凝固硫酸鈣(較佳為半水合物)、波特蘭水泥(Portland cement)、微細(xì)火山灰材料、石灰和視情況包括其它添加劑的集料。所述集料與組合硫酸鈣、波特蘭水泥、火山灰材料和石灰(水泥粘合劑)的體積比率等于或大于2/1。由此組合物制成的板由于具有良好的尺寸穩(wěn)定性而可利用，尤其可用于暴露于水中時(shí)。
Schaefer等人的US 4,199,366 A揭示一種經(jīng)纖維強(qiáng)化的類水泥材料，其具有以所述材料總體積計(jì)至少2體積％量的短聚乙烯醇纖維。此等纖維具有約4％與8％之間的斷裂伸長率和大于130克/分特(g/dtex)的模量。也揭示一種制備所述材料的方法。Gordon等人的US 4,306,911 A揭示一種制造經(jīng)纖維強(qiáng)化的水硬性方式獲得的凝固材料的方法。Meier等人的US 4,339,273 A揭示一種制造經(jīng)纖維強(qiáng)化、水硬性凝固的組合物的方法，所制造的組合物和其用途。Vondran的US 5,298,071 A揭示一種纖維水合性水泥組合物，其在水合性水泥粉末中包含均勻分散的破碎纖維。Shah等人的US 6,528,151 B1揭示一種經(jīng)擠出纖維強(qiáng)化的水泥基質(zhì)復(fù)合物，其制造是通過將水泥、水、水溶性粘合劑和相對(duì)較短的非連續(xù)強(qiáng)化纖維(較佳為短聚乙烯醇纖維)混合提供可擠出混合物，隨后將所述混合物擠出成型，且使所述水泥固化。Cheyrezy等人的US 6,723,162 B1揭示一種混凝土，其包含分散于水泥基質(zhì)中的有機(jī)纖維、混凝土水泥基質(zhì)和預(yù)混物。所述混凝土的某些實(shí)例使用聚乙烯醇纖維。Li等人的US 2002/0019465 A1揭示經(jīng)短纖維強(qiáng)化的水泥復(fù)合物，其為自充填的且可通過將親水性聚合物纖維添加至含有聚合增稠劑和超塑化劑的水泥組合物中來制備。Nelson等人在J.Mat.Civil.Eng.2002年9月/10月的“Fracture Toughness ofMicrofiber Reinforced Cement Composites”中揭示空氣干燥條件下在經(jīng)聚丙烯(PP)、聚乙烯醇(PVA)和精制纖維素纖維所強(qiáng)化的薄片水泥復(fù)合物上進(jìn)行斷裂韌性試驗(yàn)的結(jié)果。然而，此等參考文獻(xiàn)中的水泥產(chǎn)品具有高密度。換句話說，此等參考文獻(xiàn)中呈現(xiàn)的經(jīng)PVA纖維強(qiáng)化的水泥基板的目前技術(shù)發(fā)展水平涉及高密度板而非輕量板。
以引用的方式并入本文中的美國專利申請(qǐng)案第10/666,294號(hào)揭示一種制造結(jié)構(gòu)水泥板(SCP板)的多層方法，和由所述方法所制造的SCP。當(dāng)在移動(dòng)網(wǎng)上初始沉積松散分布的短切纖維或漿料層后，將纖維沉積于所述漿料層上。其也揭示一種由所述方法所制造的結(jié)構(gòu)水泥板(SCP)，和一種適于根據(jù)所述方法制造結(jié)構(gòu)水泥板的裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種用于制造極強(qiáng)韌、輕量水泥基復(fù)合物的經(jīng)聚乙烯醇(PVA)纖維強(qiáng)化的水泥組合物。此組合物為無機(jī)粘合劑、輕量填充劑和多種較佳PVA纖維的混合物。已發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的材料組合適合于擁有顯著韌性(能量吸收能力)的輕量水泥基復(fù)合物。對(duì)于本發(fā)明的復(fù)合物，所獲韌性比用其它多種纖維(例如耐堿玻璃、碳或鋼)所強(qiáng)化的復(fù)合物韌性要高若干個(gè)數(shù)量級(jí)。選擇所述PVA纖維以具有可產(chǎn)生良好復(fù)合物性能的較佳特性和參數(shù)。此等多種較佳PVA纖維可與例如耐堿玻璃、碳、鋼或其它聚合物纖維的其它類型纖維組合使用。使用本發(fā)明所揭示的調(diào)配物所制造的水泥基復(fù)合物可針對(duì)房屋建筑(building construction)中多種應(yīng)用。所揭示調(diào)配物和所得復(fù)合物尤其可用于高度重視由沖擊載荷(例如雹災(zāi))造成的破壞的應(yīng)用中。某些潛在應(yīng)用的實(shí)例包括用于建筑的房屋頂瓦和外部墻板。
達(dá)成低密度、經(jīng)改良的撓曲強(qiáng)度和受釘性的組合的本發(fā)明板的實(shí)施例的典型組合物包含無機(jī)粘合劑(實(shí)例石膏水泥、波特蘭水泥或其它水硬性水泥)，其具有分布于所述板整個(gè)厚度的經(jīng)選擇PVA纖維、輕量填充劑(實(shí)例均勻的中空玻璃微球體、中空陶瓷微球體、塑料微球體和/或珍珠巖)和超塑化劑/高比例減水混雜物(實(shí)例聚萘磺酸鹽、聚丙烯酸酯等)。
所述板可為單層板或多層板。必要時(shí)單層或多層板也可具有一片篩網(wǎng)，例如玻璃纖維篩網(wǎng)。典型板是由水與無機(jī)粘合劑的混合物與遍及所述混合物的經(jīng)選擇的PVA纖維、輕量陶瓷微球體和/或聚合物微球體和超塑化劑所制成?？梢暻闆r將例如加速和緩凝混雜物、粘度控制添加劑的其它添加劑加入所述混合物中以滿足所涉及的制造方法要求。
本發(fā)明的水泥板的關(guān)鍵特征為所述板是輕量的。較佳本發(fā)明的水泥板的密度小于85pcf，或更佳本發(fā)明的水泥板的密度小于70pcf。本發(fā)明在輕量水泥板中采用經(jīng)選擇的PVA纖維以達(dá)成具有有利特性的板。
較佳纖維可單獨(dú)使用或與例如耐堿玻璃、碳纖維、鋼纖維或其它聚合物纖維的其它類型纖維組合使用。
根據(jù)本說明書中所述的撓曲韌性表征方法，所述復(fù)合物的撓曲韌性通常大于2.25焦耳。此外所述板在纖維體積分率為至少2％時(shí)可充當(dāng)剪切板。


圖1為本發(fā)明單層板的示意性側(cè)視圖。
圖2所提供數(shù)據(jù)展示纖維類型和纖維體積分率對(duì)輕量、經(jīng)纖維強(qiáng)化的水泥基復(fù)合物的撓曲韌性的影響。
圖3所提供數(shù)據(jù)展示纖維類型(纖維體積分率為2％時(shí))對(duì)于輕量、經(jīng)纖維強(qiáng)化的水泥基復(fù)合物撓曲韌性的影響。
圖4所提供數(shù)據(jù)展示纖維類型和纖維體積分率對(duì)于輕量、經(jīng)纖維強(qiáng)化的水泥基復(fù)合物撓曲強(qiáng)度的影響。
圖5所提供數(shù)據(jù)展示纖維類型和纖維體積分率對(duì)于輕量、經(jīng)纖維強(qiáng)化的水泥基復(fù)合物的橫向緊固阻力的影響。
圖6所提供數(shù)據(jù)展示纖維類型和纖維體積分率對(duì)于輕量、經(jīng)纖維強(qiáng)化的水泥基復(fù)合物最大撓度的影響。
圖7所提供數(shù)據(jù)展示纖維類型對(duì)于輕量、經(jīng)纖維強(qiáng)化的水泥基復(fù)合物最大撓度的影響。
圖8所提供數(shù)據(jù)展示纖維類型對(duì)于輕量、經(jīng)纖維強(qiáng)化的水泥基復(fù)合物韌性的影響。
圖9所提供數(shù)據(jù)展示纖維類型對(duì)于輕量、經(jīng)纖維強(qiáng)化的水泥基復(fù)合物撓曲強(qiáng)度的影響。
具體實(shí)施例方式
如先前所述，業(yè)內(nèi)需要重量輕且能夠替代目前可獲得的水泥基和木質(zhì)板的建筑板以提供經(jīng)改良韌性來抵抗由于冰雹或其它大風(fēng)所攜帶的物體產(chǎn)生的沖擊所造成的破壞。木質(zhì)板和產(chǎn)品一般提供充分的撓曲韌性性能，但它們遇水時(shí)尺寸不穩(wěn)定且會(huì)受腐蝕或昆蟲的侵襲。目前可用的水泥基板和產(chǎn)品具有以下缺陷產(chǎn)品密度高、韌性性能差、冷凍-解凍條件下導(dǎo)致板脫層的不穩(wěn)定性、經(jīng)纖維素纖維強(qiáng)化的板抗霉菌性和耐白蟻性差、且經(jīng)纖維素纖維強(qiáng)化的板耐潮濕性差。
此外，當(dāng)使用木質(zhì)板或經(jīng)纖維素纖維強(qiáng)化的水泥基板時(shí)，必需花費(fèi)相當(dāng)多的額外成本在其上施加防水涂層或額外防水板以保護(hù)所述板免于受潮。與此相反，本發(fā)明的板防水且尺寸穩(wěn)定。所述板可用木板所用的工具切割并用釘子或螺釘固定于框架上。必要時(shí)，可能為榫槽結(jié)構(gòu)。
用于制造本發(fā)明板的主要原料為無機(jī)粘合劑(例如α半水合硫酸鈣、水硬性水泥和火山灰材料)、經(jīng)選擇的PVA纖維、輕量填充劑(例如珍珠巖、陶瓷微球體和/或聚合物微球體)、超塑化劑(例如聚萘磺酸鹽和/或聚丙烯酸酯)、水和可選添加劑。
半水合硫酸鈣可用于本發(fā)明板中的半水合硫酸鈣是由天然存在的礦物石膏礦石(二水合硫酸鈣CaSO4·2H2O)制成。除非另外指出，否則“石膏”將指硫酸鈣的二水合物形式。開采出之后，將生石膏經(jīng)熱處理形成可凝固硫酸鈣，其可為無水的，但更通常為半水合物CaSO4·1/2H2O。出于熟悉的最終用途，使所述可凝固硫酸鈣與水反應(yīng)以通過形成二水合物(石膏)來加以固化。所述半水合物具有兩種公認(rèn)形態(tài)，稱為α半水合物和β半水合物。此等形態(tài)基于其物理特性和成本而經(jīng)選擇用于多種應(yīng)用中。兩種形式皆與水反應(yīng)生成二水合硫酸鈣。經(jīng)水合后，α半水合物特征為產(chǎn)生矩形面石膏晶體，而β半水合物特征為水合產(chǎn)生通常具有高縱橫比的針狀石膏晶體。在本發(fā)明中可視所要的機(jī)械性能而定使用α或β形式或其兩者。β半水合物形成較低密度的微觀結(jié)構(gòu)且較佳用于低密度產(chǎn)品。α半水合物形成的更高密度微觀結(jié)構(gòu)比β半水合物形成的微觀結(jié)構(gòu)具有比更高強(qiáng)度和密度。因此，α半水合物可替代β半水合物以增加強(qiáng)度和密度或者組合所述半水合物來調(diào)節(jié)特性。
用于制造本發(fā)明板的無機(jī)粘合劑的典型實(shí)施例包含水硬性水泥，例如波特蘭水泥、高鋁水泥、火山灰摻合的波特蘭水泥或其混合物。
另一用于制造本發(fā)明板的無機(jī)粘合劑的典型實(shí)施例包含含有α半水合硫酸鈣、水硬性水泥、火山灰和石灰的摻合物。
水硬性水泥(hvdraulic cement)ASTM將“水硬性水泥”定義如下一種通過與水的化學(xué)相互作用而凝固和硬化且能夠在水中如此進(jìn)行的水泥。有若干種用于施工和建筑工業(yè)的水硬性水泥。水硬性水泥的實(shí)例包括波特蘭水泥，熔渣水泥、例如高爐熔渣水泥和富硫酸鹽熔渣水泥，硫鋁酸鈣水泥，高鋁水泥，膨脹水泥，白水泥和快凝快硬水泥。雖然半水合硫酸鈣是通過與水的化學(xué)相互作用凝固和硬化，但其不包括在本發(fā)明內(nèi)容中水硬性水泥的廣泛定義內(nèi)。所有前述的水硬性水泥皆可用于制造本發(fā)明的板。
最普遍和廣泛使用的緊密相關(guān)水硬性水泥家族稱為波特蘭水泥。ASTM將“波特蘭水泥”定義為將基本上由水硬性硅酸鈣類所組成的熟料研磨成粉而得的水硬性水泥，所述水泥通常含有一種或一種以上形態(tài)的硫酸鈣作為破碎雜料。為制造波特蘭水泥，將石灰石、angalicious石和黏土的均勻混合物在窯爐內(nèi)點(diǎn)燃生成熟料，隨后將所述熟料進(jìn)一步加工。結(jié)果，生成下列四種波特蘭水泥的主要相硅酸三鈣(3CaO·SiO2，也稱為C3S)、硅酸二鈣(2CaO·SiO2，稱作C2S)、鋁酸三鈣(3CaO·Al2O3或C3A)和鐵鋁酸四鈣(4CaO·Al2O3·Fe2O3或C4AF)。在所述波特蘭水泥中存在的微量其它化合物包括硫酸鈣和其它堿性硫酸復(fù)鹽、氧化鈣和氧化鎂。在多種認(rèn)知類別的波特蘭水泥中，III型波特蘭水泥(ASTM分類)較佳用于制造本發(fā)明的板，發(fā)現(xiàn)由于其細(xì)度提供更大強(qiáng)度。其它認(rèn)知類別的水硬性水泥包括例如高爐熔渣水泥和富硫酸鹽熔渣水泥的熔渣水泥、硫鋁酸鈣(calcium sulfoaluminate)水泥、高鋁水泥、膨脹水泥、白水泥、例如調(diào)節(jié)凝固水泥和VHE水泥的快凝快硬水泥，且其它波特蘭水泥類型也可成功用于制造本發(fā)明的板。熔渣水泥和硫鋁酸鈣水泥具有低堿性且也適于制造本發(fā)明的板。
PVA纖維隨著不同種PVA纖維的使用出現(xiàn)復(fù)合物機(jī)械性能的實(shí)質(zhì)性差異。因此，本發(fā)明選擇具有認(rèn)為會(huì)產(chǎn)生良好復(fù)合物性能的特征的PVA纖維。表1列出所述特性。
表1

聚乙烯醇(PVA)纖維是通式為(-CH2-CH(OH)-)n的聚合物，其具有例如13,000至100,000的分子量和例如1.23至1.30gm/cc的密度且一般可如此項(xiàng)技術(shù)所知而制備。
較佳的市售PVA纖維列于表2中。
表2

將所述PVA纖維加入類水泥襯底中以在所得產(chǎn)品中提供至少0.50體積％、較佳為0.50體積％至3.00體積％量的此等纖維。低于0.50％的纖維混合物不提供具有所要特征的材料。高于3.00體積％的纖維混合物令所要產(chǎn)品的制備非常昂貴而在抗彎強(qiáng)度或沖擊強(qiáng)度上卻無任何顯著改進(jìn)。獨(dú)立纖維的長度可一致或可變化。
所述PVA纖維均勻分布于所述水泥材料中。所述纖維可為PVA單絲或PVA復(fù)絲線。所述纖維的橫截面可具有多種形狀，尤其為由制備方法中物理和化學(xué)變化所引起的形狀。例如，紡絲溶液材料、沉淀浴和紡絲頭噴嘴可有所不同。以此方式，可促進(jìn)圓形纖維、多葉片纖維、中空纖維、多孔纖維等的制備。通過物理后處理方法可使纖維外表面變粗、分叉或粘結(jié)。
PVA纖維由于其高化學(xué)反應(yīng)性可很容易加以化學(xué)改性?？赏ㄟ^加成反應(yīng)或自由基反應(yīng)引入多種官能基，如羧基、酰胺基、腈基、磷酸基、硫酸基等?？赏ㄟ^純物理方法將增亮劑或粘結(jié)劑引入至所述纖維上或所述纖維內(nèi)，且可對(duì)PVA纖維固著在類水泥材料中提供幫助。通過上述方法，PVA纖維可制成具有易燃性、疏水性或交聯(lián)性。所有以此方式改性的PVA纖維皆適于作為本發(fā)明中的填充劑。
根據(jù)本發(fā)明的方法，可將聚乙烯醇纖維單獨(dú)加入類水泥材料中，或與單獨(dú)或組合的玻璃或其它合成或天然纖維一同加入。除了強(qiáng)化纖維外，可將例如纖維素廢料、木質(zhì)碎屑、“纖條體(fibrid)”(例如聚丙烯纖條體)的佐劑和其它填充劑加入所述經(jīng)強(qiáng)化的材料中。
其它可選纖維玻璃纖維常用作絕緣材料，但也已將其作為強(qiáng)化材料與多種基質(zhì)使用。所述纖維自身對(duì)于易受脆性破壞的材料提供抗張強(qiáng)度。所述纖維在裝入時(shí)會(huì)斷裂，但含有玻璃纖維的復(fù)合物的常見破壞模式由于纖維與連續(xù)相材料間鍵結(jié)的分解和破壞而產(chǎn)生。因此，如果強(qiáng)化纖維要隨時(shí)間保持其提高所述復(fù)合物的延展性且增強(qiáng)所述復(fù)合物的能力，那么所述鍵結(jié)非常重要。已發(fā)現(xiàn)經(jīng)玻璃纖維強(qiáng)化的水泥確實(shí)隨時(shí)間流逝而損失強(qiáng)度，其歸因于水泥固化時(shí)生成的石灰對(duì)玻璃的侵蝕?？朔銮治g的一種可能途徑為用例如聚合物層的保護(hù)層覆蓋所述玻璃纖維。一般而言，所述保護(hù)層可抵抗石灰的侵蝕，但已發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的板中強(qiáng)度有所下降，因此保護(hù)層并非較佳。一種限制石灰侵蝕的更昂貴方式為使用特種耐堿玻璃纖維(AR玻璃纖維)，例如Nippon Electric Glass(NEG)350Y。已發(fā)現(xiàn)所述纖維提供與基質(zhì)的優(yōu)越結(jié)合強(qiáng)度，且因此對(duì)于本發(fā)明的板較佳。所述玻璃纖維為具有約5至25微米直徑且通常約10至15微米的單絲。所述細(xì)絲一般組合成100根細(xì)絲形成的纖維束，所述纖維束可捆扎成含有約50個(gè)纖維束的粗紗。所述纖維束或粗紗一般可短切成例如約0.25至3英寸(6.3至76mm)長、較佳為1至2英寸(25至50mm)的適當(dāng)細(xì)絲和細(xì)絲束。
本發(fā)明的板中也可能包括其它聚合物纖維。所述聚合物纖維例如為聚丙烯、聚乙烯、高密度聚乙烯、聚丙烯腈、聚酰胺、聚酰亞胺和/或芳族聚酰胺纖維，所述聚合物纖維比耐堿玻璃更便宜且不易受石灰侵蝕。碳或鋼纖維也為潛在的添加劑。
火山灰材料(pozzolanic material)如前所述，大部分波特蘭水泥和其它水硬性水泥在水合(固化)期間生成石灰。希望使所述石灰發(fā)生反應(yīng)以降低對(duì)玻璃纖維的侵蝕。也已知當(dāng)半水合硫酸鈣存在時(shí)，其與鋁酸三鈣在水泥中反應(yīng)形成會(huì)導(dǎo)致固化產(chǎn)物不良破裂的鈣礬石。在此項(xiàng)技術(shù)中此現(xiàn)象常稱作“硫酸鹽侵蝕”?？赏ㄟ^添加“火山灰”材料來防止所述反應(yīng)，在ASTM C618-97中將所述火山灰材料定義為“……硅酸或硅鋁酸材料，其本身具有極小或沒有水泥質(zhì)值(cementitious value)，但在水分存在下以微細(xì)形態(tài)時(shí)將與氫氧化鈣在常規(guī)溫度下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)以形成具有水泥特性的化合物。”一種常用火山灰材料為硅粉，一種微細(xì)非晶系二氧化硅，其為硅金屬與鐵-硅合金制品的產(chǎn)物。其特征上具有高二氧化硅含量和低氧化鋁含量。多種天然和人造材料被稱作具有火山灰特性，包括浮石、珍珠巖、硅藻土、凝灰?guī)r、火山土、偏高嶺土、微硅粉、磨細(xì)高爐熔渣粉和飛灰。雖然硅粉為用于本發(fā)明的板中的尤其便利火山灰，但可使用其它火山灰材料。與硅粉相反，偏高嶺土、粒化高爐熔渣粉和經(jīng)研磨成粉的飛灰具有低得多的二氧化硅含量和大量氧化鋁，但可為有效的火山灰材料。當(dāng)使用硅粉時(shí)，其將構(gòu)成約5至20重量％、較佳10至15重量％的反應(yīng)性粉末(反應(yīng)性粉末的實(shí)例僅水硬性水泥；水硬性水泥與火山灰的摻合物；或水硬性水泥、α半水合硫酸鈣、火山灰和石灰的摻合物)。如果取代其它火山灰，那么應(yīng)選擇其用量以提供類似于硅粉的化學(xué)性能。
輕量填充劑/微球體本發(fā)明的輕量水泥板通常具有60至85磅/立方英尺的密度，較佳為60至75磅/立方英尺。相比之下，典型水泥板具有例如90至145磅/立方英尺的密度。
為協(xié)助達(dá)成此等低密度，所述板具備輕量填充劑顆粒。所述顆粒通常具有50至250微米的平均粒徑尺寸和/或?qū)儆?0至500微米的粒徑尺寸范圍。所述顆粒通常也具有在0.02至1.00范圍內(nèi)的顆粒密度(比重)。微球體在本發(fā)明的板中起重要作用，否則本發(fā)明的板將比建筑板所需的更重。微球體用作輕量填充劑有助于降低產(chǎn)物的平均密度。當(dāng)微球體為中空時(shí)，那么它們有時(shí)稱為微球(microballoon)。
包括在制造本發(fā)明的板所用混合物中的典型輕量填充劑是選自由下列各物組成的群組陶瓷微球體、聚合物微球體、珍珠巖、玻璃微球體和/或飛灰空心微珠(cenosphere)。
陶瓷微球體可由多種材料并使用不同的制造方法來制造。盡管可利用多種陶瓷微球體作為本發(fā)明板中的填充劑組份，然本發(fā)明的較佳陶瓷微球體系作為煤炭燃燒副產(chǎn)物生成且為燃煤應(yīng)用中所見的飛灰組份，例如由Kish Company Inc.(Mentor，Ohio)所制造的Extendospheres-SG或由Trelleborg Fillite Inc.(Norcross，Georgia USA)所制造的FILLITE牌陶瓷微球體。本發(fā)明的較佳陶瓷微球體的化學(xué)組成主要為約50至75重量％范圍內(nèi)的二氧化硅(SiO2)和約15至40重量％范圍內(nèi)的氧化鋁(Al2O3)，以及至多35重量％的其它材料。本發(fā)明的較佳陶瓷微球體為具有10至500微米范圍內(nèi)的直徑、通常為約球體直徑10％的球殼厚度和較佳約0.50至0.80g/mL的顆粒密度的中空球形顆粒。本發(fā)明的較佳陶瓷微球體的破碎強(qiáng)度為大于1500psi(10.3MPa)且較佳為大于2500psi(17.2MPa)。
本發(fā)明板中優(yōu)選陶瓷微球體主要是源于它們比多數(shù)有機(jī)玻璃(synthetic glass)微球體強(qiáng)度高約三至十倍的事實(shí)。此外，本發(fā)明的較佳陶瓷微球體是熱穩(wěn)定的且對(duì)本發(fā)明的板提供增強(qiáng)的尺寸穩(wěn)定性。陶瓷微球體可用于一系列其它應(yīng)用中，例如粘結(jié)劑、密封劑、填縫劑、屋頂復(fù)合材料(roofing compound)、PVC地板材料、油漆、工業(yè)涂料和耐高溫塑料復(fù)合物。應(yīng)了解微球體不必為中空和球形，雖然其為較佳，因?yàn)轭w粒密度和耐壓強(qiáng)度才是為本發(fā)明的板提供其輕量和重要物理特性者。或者，只要所得板滿足所需性能，那么可用多孔不規(guī)則顆粒替代。
聚合物微球體也較佳為具有由例如聚丙烯腈、聚甲基丙烯腈、聚氯乙烯或聚偏二氯乙烯或其混合物的聚合材料所制成球殼的中空球體。球殼可裝入在制造過程中用來使所述聚合球殼膨脹的氣體。聚合物微球體的外表面可具有某種類型的惰性涂層，例如碳酸鈣、氧化鈦、云母、二氧化硅和滑石。聚合物微球體具有較佳約0.02至0.15g/mL的顆粒密度且具有10至350微米范圍內(nèi)的直徑。聚合物微球體的存在有助于同時(shí)達(dá)成低板密度與增強(qiáng)可切割性和受釘性的雙重目標(biāo)。盡管本發(fā)明的所有板皆可使用傳統(tǒng)木工工具切割，但仍包括聚合物微球體減弱抗釘性。當(dāng)手動(dòng)釘釘子時(shí)，此為有價(jià)值的特性。當(dāng)使用氣壓式打釘設(shè)備時(shí)，所述板的抗釘性不太重要，因此所述板的強(qiáng)度可高于待手動(dòng)釘釘?shù)陌鍙?qiáng)度。此外，當(dāng)按特定比例使用陶瓷微球體與聚合物微球體的摻合物時(shí)，就漿料的經(jīng)改良流變特性和板的干燥抗彎強(qiáng)度的提高而言將實(shí)現(xiàn)協(xié)同效應(yīng)。
其它例如玻璃微球體、珍珠巖或中空硅酸鋁空心微珠或源自飛灰的微球體的輕量填充劑也適于包括在與制造本發(fā)明的板所采用的陶瓷微球體組合的混合物中，或?qū)⑺鎏沾晌⑶蝮w替代。
所述玻璃微球體通常由耐堿玻璃材料制成且可為中空。典型玻璃微球體可購自GYPTEK INC.(Suite 135，16 Midlake Blvd SE，Calgary，AB，T2X 2X7，CANADA)。
在本發(fā)明的第一實(shí)施例中，在所述板的整個(gè)厚度上僅使用陶瓷微球體。所述板較佳含有約35至42重量％的均勻分布于所述板厚度的陶瓷微球體。
在本發(fā)明的第二實(shí)施例中，在所述板的整個(gè)厚度上使用輕量陶瓷微球體與聚合物微球體的摻合物。為了達(dá)成所需特性，聚合物微球體在本發(fā)明第二實(shí)施例的板內(nèi)的體積分率將較佳在干燥成分總體積的7至15％范圍內(nèi)，其中所述組合物的干燥成分為反應(yīng)性粉末(反應(yīng)性粉末的實(shí)例僅水硬性水泥；水硬性水泥與火山灰的摻合物；或水硬性水泥、α半水合硫酸鈣、火山灰和石灰的摻合物)、陶瓷微球體、聚合物微球體和耐堿玻璃纖維?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)水與反應(yīng)性粉末的比率而改變聚合物微球體的數(shù)量，以按需要達(dá)成類似作用。典型含水混合物具有水與反應(yīng)性粉末大于0.3/1至0.7/1的比率。
調(diào)配物用于制造本發(fā)明的抗剪切板的組份為PVA纖維、水硬性水泥、α半水合硫酸鈣、活性火山灰(例如硅粉)、石灰、陶瓷微球體、聚合物微球體、超塑化劑(例如聚萘磺酸鈉鹽)和水?？蓪⑸倭看倌齽┖?或緩凝劑添加至所述組合物中以控制所述生(即未固化)料的凝固特征。典型非限制性添加劑包括水硬性水泥的促凝劑、例如氯化鈣；α半水合硫酸鈣的促凝劑、例如石膏；緩凝劑，例如DTPA(二乙烯三胺五乙酸)、酒石酸或酒石酸堿金屬鹽(例如酒石酸鉀)；減縮劑，例如二醇類)和夾帶的空氣。
本發(fā)明的板包括均勻分布有PVA纖維和微球體的連續(xù)相。所述連續(xù)相由反應(yīng)性粉末(反應(yīng)性粉末的實(shí)例僅水硬性水泥；水硬性水泥與火山灰的摻合物；或水硬性水泥、α半水合硫酸鈣、火山灰和石灰的摻合物)的含水混合物固化而產(chǎn)生，所述混合物較佳包括超塑化劑和/或其它添加劑。
表3和表4中顯示以所述反應(yīng)性粉末干重計(jì)本發(fā)明中此等反應(yīng)性粉末(無機(jī)粘合劑)實(shí)施例的典型廣義重量比例。表5列出本發(fā)明的組合物中反應(yīng)性粉末(無機(jī)粘合劑)、輕量填充劑、超塑化劑和水的典型范圍。
表3

表4

表5

表5A

石灰并非本發(fā)明的所有調(diào)配物所必需，但添加石灰可提供優(yōu)越的板。反應(yīng)性粉末中的典型石灰含量約為0.2至3.5重量％。
在本發(fā)明的第一實(shí)施例中，組合物的干燥成分將為反應(yīng)性粉末(反應(yīng)性粉末的實(shí)例僅水硬性水泥；水硬性水泥與火山灰的摻合物；或水硬性水泥、α半水合硫酸鈣、火山灰和石灰的摻合物)、PVA纖維、陶瓷微球體和可選耐堿玻璃纖維，而組合物的濕潤成分將為水和超塑化劑。將干燥成分和濕潤成分組合生成本發(fā)明的板。PVA纖維和陶瓷微球體均勻分布于遍及所述板整個(gè)厚度的基質(zhì)內(nèi)。本發(fā)明的板由基于干燥成分的總重量計(jì)約49至56重量％的反應(yīng)性粉末、0.75至3.0重量％的PVA纖維、35至42重量％的陶瓷微球體和0至12重量％的耐堿玻璃纖維所形成。在廣義范圍內(nèi)，本發(fā)明的板由以總干燥成分計(jì)35至58重量％的反應(yīng)性粉末、0.5至5.0重量％的PVA纖維、34至49重量％的陶瓷微球體和0至17重量％的耐堿玻璃纖維所形成。添加至干燥成分中的水和超塑化劑含量應(yīng)足以提供為滿足用于任何特殊制造方法的加工考慮因素所需的所要漿料流動(dòng)性。水的典型添加率在反應(yīng)性粉末重量的35至60％范圍內(nèi)，且超塑化劑的典型添加率在反應(yīng)性粉末重量的1至8％范圍內(nèi)。
可選玻璃纖維為具有約5至25微米、較佳約10至15微米的直徑的單絲。所述單絲通常組合成100根細(xì)絲形成的纖維束，可將所述纖維束捆扎成含有約50個(gè)纖維束的粗紗。所述玻璃纖維的長度較佳應(yīng)為約1至2英寸(25至50mm)且在廣義上為約0.25至3英寸(6.3至76mm)。玻璃纖維和PVA纖維具有無規(guī)取向，在板平面內(nèi)提供各向同性機(jī)械特征。
本發(fā)明的第二實(shí)施例含有PVA纖維以及均勻分布在所述板整個(gè)厚度上的陶瓷與聚合物微球體摻合物。在板中并入聚合物微球體有助于達(dá)成使所述板能夠用傳統(tǒng)木工工具切割或固定(用釘子或螺釘)所需要的低密度與延展性的組合。此外，當(dāng)利用中空陶瓷與聚合物微球體的組合作為所述組合物的部分時(shí)，所述漿料的流變特性實(shí)質(zhì)上得以改良。因此，在本發(fā)明的第二實(shí)施例中，所述組合物的干燥成分為反應(yīng)性粉末(水硬性水泥、α半水合硫酸鈣、火山灰和石灰)、陶瓷微球體、聚合物微球體和可選耐堿玻璃纖維，而所述組合物的濕潤成分將為水和超塑化劑。將干燥成分和濕潤成分組合生成本發(fā)明的板。為獲得良好的緊固和切割能力，聚合物微球體在所述板中的體積分率應(yīng)較佳在干燥成分總體積的7至15％范圍內(nèi)。本發(fā)明的板由以干燥成分的總重量計(jì)約54至65重量％的反應(yīng)性粉末、0.75至3.00重量％的PVA纖維、25至35重量％的陶瓷微球體、0.5至0.8重量％的聚合物微球體和0至10重量％的耐堿玻璃纖維所形成。在廣義范圍內(nèi)，本發(fā)明的板由基于總干燥成分的約42至68重量％的反應(yīng)性粉末、0.5至5.00重量％的PVA纖維、23至43重量％的陶瓷微球體、0.2至1.0重量％的聚合物微球體和0至15重量％(例如5重量％)的耐堿玻璃纖維所形成。調(diào)節(jié)添加至干燥成分中的水和超塑化劑的量以提供為滿足用于任何特殊制造方法的加工考慮因素所需的所要漿料流動(dòng)性。水的典型添加率在反應(yīng)性粉末重量的35至70％范圍內(nèi)，但當(dāng)希望利用水與反應(yīng)性粉末的比率以降低板密度并改良受釘性時(shí)，所述水添加率可大于60％至高達(dá)70％，較佳為65％至75％。因?yàn)榭烧{(diào)節(jié)水與反應(yīng)性粉末的比率以提供與聚合物微球體作用類似的作用，可使用兩種方法之一或其組合。超塑化劑的量在反應(yīng)性粉末的1至8重量％范圍內(nèi)。
可選玻璃纖維為具有約5至25微米、較佳約10至15微米的直徑的單絲。它們通常如上所述捆扎成纖維束和粗紗。玻璃纖維的長度較佳為約1至2英寸(25至50mm)，在廣義上為約0.25至3英寸(6.3至76mm)。所述纖維具有無規(guī)取向，在板平面內(nèi)具有各向同性機(jī)械特征。
在本發(fā)明的第二實(shí)施例中，以上述量并入聚合物微球體來部分替代陶瓷微球體有助于改良所述復(fù)合物的干燥撓曲強(qiáng)度。此外，由聚合物微球體部分替代陶瓷微球體可降低達(dá)成給定漿料流動(dòng)性所需的水與反應(yīng)性粉末的比率。相較于僅含有陶瓷微球體的漿料，含有陶瓷與聚合物微球體的摻合物的漿料將具有優(yōu)越的流動(dòng)特性(可加工性)。當(dāng)本發(fā)明的板的工業(yè)化處理需要使用具有優(yōu)越流動(dòng)特性的漿料時(shí)，此尤為重要。
制造本發(fā)明的板將反應(yīng)性粉末(反應(yīng)性粉末的實(shí)例僅水硬性水泥；水硬性水泥與火山灰的摻合物；或水硬性水泥、α半水合硫酸鈣、火山灰和石灰的摻合物)、短切PVA纖維和輕量填充劑(例如微球體)在適當(dāng)混合器內(nèi)于干燥狀態(tài)下?lián)胶稀ＭǔＬ峁┑腜VA纖維為短切形式，并將其以短切形式直接添加至干燥成分中或濕潤漿料中。通常PVA纖維不像玻璃纖維的狀況般從粗紗短切。
隨后將水、超塑化劑(例如聚萘磺酸鈉鹽)和火山灰(例如硅粉或偏高嶺土)在另一混合器內(nèi)混合1至5分鐘。必要時(shí)，在此階段添加緩凝劑(例如酒石酸鉀)以控制所述漿料的凝固特征。將干燥成分添加至含有濕潤成分的混合器中且混合2至10分鐘以形成無結(jié)塊均一漿料。
隨后可以若干方法將含有PVA纖維的漿料視情況與玻璃或其它纖維組合，其目的是獲得均勻漿料混合物。隨后通過將含有纖維的漿料傾倒于具有所需形狀和尺寸的合適模具中來形成水泥板。若需要，可對(duì)模具進(jìn)行振動(dòng)以使模具內(nèi)材料較好的壓實(shí)。使用適當(dāng)刮板或鏝刀使板具有所需的表面修整特性。
熟悉板制造技術(shù)的人員會(huì)想到沉積漿料、PVA纖維和可選玻璃纖維或其它纖維的混合物的其它方法。舉例而言，不使用分批法制造各板，而是以類似方式制備連續(xù)薄板，當(dāng)材料充分凝固后可將所述連續(xù)薄板切割成所要尺寸的板。
在許多應(yīng)用(例如外墻板)中，將所述板釘入或用螺釘擰至垂直框架上。在某些應(yīng)用中，例如其中將所述板用作結(jié)構(gòu)性下層地板或地板墊層時(shí)，其較佳將制作有榫槽結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)可通過在澆注過程中使所述板的邊緣成形或在使用之前以刳刨機(jī)切割出榫和槽來制成。
本發(fā)明的另一特點(diǎn)為構(gòu)造所得水泥質(zhì)板以使PVA纖維和可選玻璃纖維或其它纖維均勻分布于整個(gè)板。纖維相對(duì)于漿料體積的百分比較佳大約在0.5％至3％的范圍內(nèi)，例如1.5％。
本發(fā)明板通常具有一種或一種以上下列特性撓曲強(qiáng)度通常至少為750psi(5.2MPa)，且較佳大于1000psi(6.9MPa)。
撓曲韌性通常至少為2.25焦耳，其表示根據(jù)ASTM C947試驗(yàn)方法在4點(diǎn)彎曲中對(duì)于以10英寸(254mm)跨距加載的4英寸(102mm)寬、12英寸(305mm)長、0.5英寸(12.7mm)厚的樣品而言載荷與撓度曲線下的總面積。
根據(jù)R.Tuomi和W.McCutcheon于1978年7月的ASCE Structural Division Journal所描述的ASTM D 1761改良版來測(cè)量，0.5英寸(12.7mm)厚的板的橫向緊固阻力通常至少為300磅。
實(shí)例表6總結(jié)六種所研究纖維的特性。
表6-所研究的纖維

所有經(jīng)研究的纖維均具有等于或小于0.5英寸(12.7mm)的長度和等于或小于200微米的直徑。所研究的混合物組合物通過將組合下列成分而生成強(qiáng)化纖維、無機(jī)粘合劑、輕量填充劑、超塑化劑和水?？偣惭芯苛?9種混合物。所研究的混合物的設(shè)計(jì)漿料密度為70磅/立方英尺(pcf)。所述混合物中纖維體積分率不同且所研究的各種纖維在0.5％至2.0％的范圍內(nèi)。
本發(fā)明的混合物組合物表7提供用于所述實(shí)例的目標(biāo)混合物組合物的描述。如表中所示不同成分的重量分率是用于排除纖維的濕潤漿料。表8和8A展示與此等實(shí)例的PVA纖維組合的濕潤漿料的實(shí)際組合物。
表7實(shí)例的目標(biāo)輕量水泥質(zhì)混合物組合物


所述板如上文題為“制造本發(fā)明的板”部分所描述而制造。
表8

表8A

結(jié)果表9總結(jié)所研究組合物的結(jié)果。表9展示經(jīng)纖維強(qiáng)化的輕量水泥質(zhì)調(diào)配物的性能數(shù)據(jù)。實(shí)例2A-2D的數(shù)據(jù)是針對(duì)本發(fā)明中使用PVA纖維KURALON REC15×12(也標(biāo)為PVA-2)的復(fù)合物。通過將多種成分在霍巴特(Hobart)混合器中混合且將所得混合物澆注至模具中來制造半英寸厚的復(fù)合板。對(duì)于所有經(jīng)評(píng)估的混合物組合物來說，所述板中的纖維取向是三維無規(guī)。在圖2至5中也圖解說明了所述研究的結(jié)果。以下為關(guān)于所述結(jié)果的討論。
表9

復(fù)合物撓曲韌性根據(jù)ASTM C947試驗(yàn)方法在四點(diǎn)彎曲中以10英寸(254mm)跨距加載4英寸(102mm)寬和12英寸(305mm)長的撓曲板樣品。以0.5英寸/分鐘(12.7毫米/分鐘)的恒定位移速率施加載荷。記錄撓曲載荷對(duì)位移的響應(yīng)曲線。以直至樣品破壞時(shí)載荷與撓度下的總面積來計(jì)算復(fù)合物韌性。
表9以及圖2和3展示對(duì)于所研究的不同復(fù)合物所得的撓曲韌性?？勺鞒鱿铝兄匾^察。
經(jīng)碳纖維和鋼微纖維強(qiáng)化的復(fù)合物由其低韌性值所示極脆。
相較于經(jīng)碳纖維和鋼微纖維強(qiáng)化的復(fù)合物，經(jīng)耐堿玻璃纖維和PVARF350纖維強(qiáng)化的復(fù)合物具有略佳的韌性。
經(jīng)KURALON REC15×12(PVA2)PVA纖維強(qiáng)化的復(fù)合物的韌性特性尤其引人注意。可觀察到經(jīng)PVA REC15纖維強(qiáng)化的復(fù)合物具有比經(jīng)其它類型纖維強(qiáng)化的復(fù)合物韌性值大若干個(gè)數(shù)量級(jí)的韌性值。
詳細(xì)來說，在2％纖維體積分率下，經(jīng)PVA REC15纖維強(qiáng)化的復(fù)合物比經(jīng)耐堿玻璃纖維強(qiáng)化的復(fù)合物多吸收約5倍能量，比經(jīng)碳纖維強(qiáng)化的復(fù)合物多吸收約35倍能量且比經(jīng)鋼微纖維強(qiáng)化的復(fù)合物多吸收約40倍能量(圖3)。
撓曲強(qiáng)度根據(jù)ASTM C947試驗(yàn)方法在四點(diǎn)彎曲中以10英寸(254mm)跨距加載4英寸(102mm)寬和12英寸(305mm)長的撓曲板樣品。以0.5英寸/分鐘(12.7毫米/分鐘)的恒定位移速率施加載荷。記錄撓曲載荷對(duì)位移的響應(yīng)曲線。根據(jù)ASTM C947試驗(yàn)方法計(jì)算所述復(fù)合物的撓曲強(qiáng)度。
表9和圖4展示對(duì)于所研究的不同混合物組合物所得的撓曲強(qiáng)度數(shù)據(jù)。經(jīng)PVA REC15纖維強(qiáng)化的復(fù)合物具有最佳撓曲強(qiáng)度性能。
槽向緊固陽力根據(jù)R.Tuomi和W.McCutcheon在1978年7月的ASCE Structural Division Journal所描述的ASTM D 1761改良版測(cè)量所述復(fù)合物的橫向緊固阻力。用長度為 英寸(41.3mm)的螺釘作為緊固件來進(jìn)行所述試驗(yàn)。
表9以及圖5展示所試驗(yàn)的不同復(fù)合物的橫向緊固件拔脫阻力。橫向緊固阻力量化由所述板對(duì)緊固件提供的橫向拔脫阻力。用長度等于 英寸(41.3mm)的螺釘來測(cè)定所述復(fù)合物的橫向緊固阻力。在圖中可看出由PVAREC15纖維強(qiáng)化的復(fù)合物具有最佳橫向緊固阻力。經(jīng)兩種不同類型PVA纖維(PVA REC15與PVA RF350)強(qiáng)化的復(fù)合物性能差異尤其值得注意。一方面，經(jīng)PVA REC15纖維強(qiáng)化的復(fù)合物表現(xiàn)極佳。經(jīng)PVA RF350纖維強(qiáng)化的復(fù)合物性能不令人滿意。
最大撓度表9以及圖6和7所提供的數(shù)據(jù)展示纖維類型和纖維體積分率對(duì)輕量、經(jīng)纖維強(qiáng)化的水泥基板的最大撓度的影響。表9中所示的最大撓度值是使用根據(jù)ASTM C947標(biāo)準(zhǔn)所執(zhí)行的撓曲試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量，且此等數(shù)值表示對(duì)應(yīng)于試驗(yàn)方案過程中所觀察到的載荷峰值的載荷作用點(diǎn)下的樣品撓曲變形。
從圖6和7可明顯觀察到經(jīng)PVA纖維強(qiáng)化的復(fù)合物具有較高的最大撓度。此觀察結(jié)果和復(fù)合物機(jī)械特征表明經(jīng)PVA纖維強(qiáng)化的復(fù)合物具有較強(qiáng)的形變能力(意即較強(qiáng)的延展性)，因此具有較強(qiáng)韌性。由此等結(jié)果可容易理解，對(duì)于經(jīng)碳纖維和鋼微纖維強(qiáng)化的復(fù)合物而言，即使復(fù)合物中纖維體積分率增加仍不會(huì)改善復(fù)合物的延展性。經(jīng)甚至為2％纖維體積分率的碳纖維和鋼微纖維強(qiáng)化的復(fù)合物只具有小于0.07英寸的最大撓度值。此等結(jié)果以及復(fù)合物韌性值表示相較于經(jīng)PVA纖維強(qiáng)化的復(fù)合物，經(jīng)碳纖維和鋼微纖維強(qiáng)化的復(fù)合物在其機(jī)械響應(yīng)上極脆。
所選PVA纖維與丙烯酸纖維和聚丙烯纖維的比較使用上述材料和程序但以丙烯酸纖維和聚丙烯纖維替代上述實(shí)例中的纖維，將復(fù)合物中使用所選PVA纖維與使用丙烯酸纖維和聚丙烯纖維進(jìn)行比較。
表10以及圖8所提供的數(shù)據(jù)展示纖維類型對(duì)經(jīng)纖維強(qiáng)化的輕量水泥基復(fù)合物韌性的影響。由表10和圖8中給出的結(jié)果可明顯觀察到其它類型聚合物纖維沒有產(chǎn)生與PVA纖維所產(chǎn)生的復(fù)合物韌性增強(qiáng)相當(dāng)?shù)脑鰪?qiáng)作用。
表11和圖9所提供的數(shù)據(jù)展示纖維類型對(duì)輕量、經(jīng)纖維強(qiáng)化的水泥基復(fù)合物撓曲強(qiáng)度的影響。由表11和圖9中給出的結(jié)果可觀察到其它類型聚合物纖維沒有產(chǎn)生與PVA纖維所產(chǎn)生的復(fù)合物撓曲強(qiáng)度增強(qiáng)相當(dāng)?shù)脑鰪?qiáng)作用。
表10

表11

本發(fā)明的PVA纖維的較佳特性基于此數(shù)據(jù)，顯然使用不同種PVA纖維在復(fù)合物機(jī)械性能方面會(huì)出現(xiàn)實(shí)質(zhì)性差異。因此，在表1中確定且突出顯示產(chǎn)生良好復(fù)合物性能的PVA纖維的較佳參數(shù)和特性。表2又列出為本發(fā)明較佳纖維的若干市售纖維。此等較佳種類纖維可與例如耐堿玻璃纖維、碳纖維、鋼纖維或其它聚合物纖維的其它類型纖維組合使用。
盡管已展示和描述本發(fā)明的特殊實(shí)施例，但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)了解，可在不偏離本發(fā)明在其更廣泛方面中且如以下權(quán)利要求書所述對(duì)其進(jìn)行改變和修改。
權(quán)利要求
1.一種經(jīng)強(qiáng)化、輕量、尺寸穩(wěn)定的板，其具有60-85pcf(961-1360kg/m3)的密度，其包含由反應(yīng)性粉末的含水混合物固化所產(chǎn)生的連續(xù)相，所述反應(yīng)性粉末包含以干重計(jì)35-70重量％的反應(yīng)性粉末、20-50重量％的輕量填充劑、0-20重量％的玻璃纖維和0.5-5.0重量％的PVA纖維，所述連續(xù)相經(jīng)所述PVA纖維強(qiáng)化且含有所述輕量填充劑，所述輕量填充劑具有0.02至1.00的顆粒比重和50至250微米的平均粒徑和/或處于10至500微米的粒徑范圍內(nèi)，其中所述PVA纖維具有約10至400微米的直徑和約0.1至1英寸(2.5至25.4mm)的長度、和20-50GPa的纖維彈性模量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的板，其中所述連續(xù)相經(jīng)所述PVA纖維均勻強(qiáng)化，所述輕量填充劑均勻分布且所述板具有至少750psi(5.2MPa)的撓曲強(qiáng)度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的板，其中所述板具有至少1000psi(6.9MPa)的撓曲強(qiáng)度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的板，其中所述板具有至少2.25焦耳的撓曲韌性，其表示根據(jù)ASTM C947試驗(yàn)方法在四點(diǎn)彎曲中對(duì)于以10英寸(254mm)跨距加載的4英寸(102mm)寬、12英寸(305mm)長、0.5英寸(12.7mm)厚的樣品而言載荷與撓度曲線下的總面積。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的板，其中對(duì)于0.5英寸(12.7mm)厚的板而言所述板具有至少300磅的橫向緊固阻力。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的板，其中所述反應(yīng)性粉末的含水混合物包含以干重計(jì)35至75重量％的α半水合硫酸鈣、20至55重量％的水硬性水泥、0.0至3.5重量％的石灰和5至25重量％的活性火山灰，所述連續(xù)相經(jīng)由所述PVA纖維均勻強(qiáng)化且含有均勻分布的陶瓷微球體，所述球體具有約10至500微米的平均直徑。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的板，其中所述反應(yīng)性粉末的含水混合物包含水硬性水泥。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的板，其中所述反應(yīng)性粉末的含水混合物包含以干重計(jì)70至100重量％的水硬性水泥和0至30重量％的至少一種火山灰。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的板，其中所述板具有約1/4至1英寸(6.3至25.4mm)的厚度。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的板，其中0.5英寸(12.7mm)厚的板具有至少約2.25焦耳的撓曲韌性，其表示根據(jù)ASTM C947試驗(yàn)方法在四點(diǎn)彎曲中對(duì)于以10英寸(254mm)跨距加載的4英寸(102mm)寬、12英寸(305mm)長、0.5英寸(12.7mm)厚的樣品而言載荷與撓度曲線下的總面積。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的板，其中所述輕量填充劑包含中空陶瓷球體，所述中空陶瓷球體包含約50至75重量％的二氧化硅、約15至40重量％的氧化鋁和至多35重量％的其它材料。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的板，其中所述輕量填充劑包含聚合物微球體，所述聚合物微球體包含由聚丙烯腈、聚甲基丙烯腈、聚氯乙烯和聚偏二氯乙烯組成的群組中的至少一種物質(zhì)，且視情況涂覆有至少一種選自由碳酸鈣、氧化鈦、云母、二氧化硅和滑石組成的群組的粉末。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的板，其中所述PVA纖維具有約10至100微米的直徑和約0.2至0.5英寸(5.1至12.7mm)的長度、和30-50GPa的纖維彈性模量。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的板，其中密度為60lb/ft3(961kg/m3)至75lb/ft3(1200kg/m3)的板的撓曲強(qiáng)度至少為750psi(5.2MPa)。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的板，其中密度為60lb/ft3(961kg/m3)至75lb/ft3(1200kg/m3)的板的撓曲強(qiáng)度至少為1000psi(6.9MPa)。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的板，其中邊緣經(jīng)成形以使相鄰板提供榫槽結(jié)構(gòu)。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的板，其中所述水硬性水泥為波特蘭水泥。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的板，其中所述PVA纖維構(gòu)成以濕重計(jì)所述含水混合物的至少0.5體積％。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的板，其中所述PVA纖維構(gòu)成以濕重計(jì)含水混合物的約1-3體積％。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的板，其中所述PVA纖維構(gòu)成以濕重計(jì)含水混合物的約1-2體積％。
21.一種制造根據(jù)權(quán)利要求1所述板的方法，其包括將反應(yīng)性粉末的含水混合物置于板模具上并固化所述含水混合物以形成所述板，所述混合物包含以干重計(jì)40至95重量％水泥，所述連續(xù)相經(jīng)PVA纖維均勻強(qiáng)化且含有均勻分布的輕量填充劑，所述輕量填充劑具有0.02至1.00的顆粒比重，其中所述PVA纖維具有約10至400微米的直徑和約0.1至1英寸(2.5至25.4mm)的長度、和經(jīng)測(cè)量為20-50GPa的纖維彈性模量。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述輕量填充劑包含均勻分布的聚合物球體，其具有約10至350μm的平均直徑。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述輕量填充劑包含中空聚合物微球體，所述聚合物微球體包含由聚丙烯腈、聚甲基丙烯腈、聚氯乙烯和聚偏二氯乙烯組成的群組中的至少一種物質(zhì)，且視情況涂覆有選自由碳酸鈣、氧化鈦、云母、二氧化硅和滑石組成的群組的粉末。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述PVA纖維是具有約5至25微米直徑和約0.25至1英寸(6至25.4mm)長度的單絲。
25.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述PVA纖維是單絲。
26.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述含水混合物具有大于0.3/1至0.7/1的水與反應(yīng)性粉末的比率。
全文摘要
本發(fā)明涉及擁有優(yōu)良韌性的輕量、纖維強(qiáng)化的水泥板，其作為建筑組件用于例如屋頂構(gòu)件、外墻構(gòu)件、框架和覆蓋構(gòu)件以及用于在住宅和其它房屋建筑類型中安裝地面飾面(floor finish)的襯底構(gòu)件的應(yīng)用中。所述板使用由無機(jī)粘合劑、PVA纖維和輕量填充劑的含水混合物固化所產(chǎn)生的連續(xù)相。所述無機(jī)粘合劑可為(例如)僅水硬性水泥，或水硬性水泥與火山灰的組合，或水硬性水泥、α半水合物、活性火山灰和可選石灰的組合。所述PVA纖維強(qiáng)化所述連續(xù)相且隨機(jī)分布于整個(gè)復(fù)合物中。本發(fā)明的典型板具有60－85pcf的密度。
文檔編號(hào)B44F1/06GK101090815SQ200580045173
公開日2007年12月19日 申請(qǐng)日期2005年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月30日
發(fā)明者阿希什·迪貝 申請(qǐng)人:美國石膏公司