專利名稱：耐用建筑制品以及制作該制品的方法
技術領域：
在一個實施方案中，本發(fā)明涉及纖維增強水泥制品，更具體地，涉及一種輕質(zhì)、耐用且可受釘?shù)睦w維增強水泥制品，該纖維增強水泥制品可以被方便安裝為屋面瓦。
相關技術描述 天然的屋面材料例如石板瓦和木板瓦是兩種目前世界范圍使用較為普遍的屋面制品(roofing article)。然而，這兩種制品存在缺點。石板瓦屋面材料在開采、成形和安裝上很昂貴。木板瓦，典型地由防蛀杉木制成，由于它們的美觀和安裝方便而受到歡迎，但是高品質(zhì)杉木的少量供應及新的建筑法規(guī)限制正在推動具有木板瓦外觀的替代材料的需求。
因此，混凝土屋面制品，例如纖維增強水泥屋面瓦，已經(jīng)被發(fā)展成為木板瓦和石板瓦的替代品。然而，傳統(tǒng)的纖維增強水泥板屋面材料所具有的高密度使得它們非常難于打釘。因此，它們典型地被制造為帶有預鉆孔的釘孔。然而，預鉆孔釘孔的缺點在于，如果預鉆釘孔沒有與屋面蓋板上的錨固點排成行，則屋面安裝人員幾乎沒有靈活性，尤其是所謂的“跳躍式覆蓋物(skip-sheathing)”，其中覆蓋板材被隔開的方式使得它們將不會和預鉆孔對齊。為解決這個缺點，屋面安裝人員通常用額外的覆蓋板，填充跳躍式覆蓋屋面的間隔，這進一步增加了屋頂重量而且延長了安裝時間。
當壓力和拉力作用到瓦上時，目前現(xiàn)有的水泥復合材料和混凝土屋面瓦也容易破裂和破損。這些混凝土和水泥屋面材料，尤其是輕質(zhì)瓦，天生易碎，而且當行走在上面時易于裂開和破損。一些水泥復合屋面材料在安裝過程中可以具有足夠的初始韌性以抵抗破裂，但是隨著使用年限總是會變脆，并變得不能行走。為了解決這個難題，許多制造商目前推薦使用步行襯墊(walking pad)，步行板材，或在屋面材料下面應用聚氨酯泡沫，幫助分配那些由于維修目的需要穿過屋頂?shù)娜藛T的重量。然而，這些額外的保護不方便而且實施起來成本昂貴。
此外，傳統(tǒng)的混凝土或水泥復合材料屋面瓦使得在戧脊(hip)或屋脊(ridge)區(qū)域上的覆蓋物的安裝尤其困難。屋頂一般是按照當?shù)氐慕ㄖ嵺`以不同的斜度(pitch)制成。為了覆蓋戧脊或屋脊區(qū)域，硬質(zhì)混凝土瓦必須要被形成為幾種不同的角形，而且為了配合多種屋頂風格，制造商必須要備有多種角形。其它的水泥復合材料屋面瓦需要認真而且耗時的定位和打釘，目的是保證戧脊和屋脊區(qū)域被合適地覆蓋。
屋面覆蓋層，尤其是石板瓦、木板瓦或瓦片，典型地從屋頂線的底邊向最高處或屋脊以搭接的方式進行安裝。如果屋頂覆蓋物的底排沒有搭接任何物體，它將以不同于其上搭接件角度的角度平放在屋頂板上。這不僅在美觀上不能令人接受，而且是拙劣的建筑實踐，因為搭接件不被第一排的物件支撐，并且易于破裂。為克服這一缺陷，對屋面安裝者而言，傳統(tǒng)的實踐是取一塊石板瓦、木板瓦或瓦片，從中間切開，形成墊瓦條或屋檐鋪底層。墊瓦條被放在每個底排瓦的下面，使得底排與屋面板取向一個角度，該角度近似等于搭接件的角度。盡管該操作從美觀和性能觀點上是合理的，但是它浪費材料而且耗時。
根據(jù)上面所述，因此期望提供一種輕質(zhì)的、中密度到低密度纖維增強水泥材料，該材料可以釘上釘子而不開裂，曝露使用之后保持其初始韌性和可步行性，凍/融曝露之后保持其彎曲或拉伸強度，并且在風揚試驗中(wind-uplift test)表現(xiàn)良好。此外，也期望提供一種輕質(zhì)的、耐用的、可釘釘子的屋面制品，該屋面制品類似天然的木板瓦、石板瓦或其它傳統(tǒng)的屋面材料。而且期望提供可用作戧脊或屋脊覆蓋物或墊瓦條的纖維增強水泥屋面制品。
克服或改進現(xiàn)有技術的至少一種缺點，或提供有用的替代物是本發(fā)明的目的。
發(fā)明概述 一方面，本發(fā)明優(yōu)選的實施方案提供了生產(chǎn)水泥復合材料屋面制品的配方。該配方包括水硬性膠凝材料，集料，低密度添加劑，纖維(fibers)，疏水物，其中這些組分被選來制備水泥復合材料屋面制品，該制品的斷裂模量(MoR)與彈性模量(MoE)之比為約1.2MPa/Gpa或更大，其密度為大約1.6g/cm3或更小，而且該屋面制品可釘，并基本上抵抗應力誘導破裂。在一個實施方案中，該配方進一步包括粘度增強劑。在另一個實施方案中，該配方進一步包括填料和顏料。優(yōu)選地，纖維選自纖維素纖維、聚丙烯纖維、聚酯纖維、聚烯烴纖維、尼龍纖維和它們的組合。優(yōu)選地，疏水物選自硬脂酸鹽、硅氧烷、石蠟、瀝青及它們的組合。
另一個方面，本發(fā)明優(yōu)選的實施方案包括一種水泥復合材料屋面制品，其斷裂模量(MoR)與彈性模量(MoE)之比為大約1.2MPa/Gpa或更大，密度為大約1.6g/cm3或更小，并且可以釘釘子而不引發(fā)應力誘導破裂。在一個實施方案中，屋面制品為屋面瓦。在另一個實施方案中，屋面制品被構造成類似木板瓦或石板瓦。在另一個實施方案中，屋面瓦具有大約5/16到5/8英寸之間的厚度，和大約35∶1的長寬比。在另一個實施方案中，屋面制品進一步包括至少一個加固層(reinforcement layer)，其被放置在承受應力的屋面制品上區(qū)域中，例如適合接收緊固件的區(qū)域。優(yōu)選地，加固層選自纖維網(wǎng)(fiber mesh)、織物(fabric)、薄膜及它們的組合。加固層被嵌入屋面制品中，或連接到屋面制品的較低表面。
在另一方面，本發(fā)明優(yōu)選的實施方案包括水泥復合材料屋面制品，其被設計用于覆蓋屋頂?shù)膽昙够蛭菁箙^(qū)域。該屋面制品包括第一部分，該第一部分包括可釘且基本抗裂的膠結(jié)材料；第二部分，該第二部分包括可釘且基本抗裂的膠結(jié)材料。優(yōu)選地，第一和第二部分通過連接部件被鉸接地相互聯(lián)接起來，使得至少一部分可以圍繞由連接件所限定的中心軸旋轉(zhuǎn)。在一個實施方案中，連接部件包括柔韌的加固材料，例如纖維網(wǎng)。優(yōu)選地，連接部件被連接到這兩個部分中每一個的底面。在一個實施方案中，屋面制品的兩部分之間的角度可以在大約30到180度之間進行調(diào)整。
附圖簡述

圖1A和1B是本發(fā)明的水泥復合材料屋面制品的不同實施方案的示意圖。
圖2提供了制造本發(fā)明優(yōu)選實施方案的水泥復合材料屋面制品的方法的流程圖。
圖3圖解了依照幾種不同配方制造的水泥復合材料屋面制品的吸水率比較，包括本發(fā)明優(yōu)選實施方案的配方。
圖4圖解了優(yōu)選實施方案的水泥復合材料屋面制品的凍/融性能與傳統(tǒng)的高密度石板和木板屋面瓦的凍/融性能之比較。
圖5是本發(fā)明優(yōu)選實施方案的水泥復合材料屋面制品的底面示意圖。
圖6圖解了被裝配用于覆蓋屋頂戧脊或屋脊區(qū)域的優(yōu)選實施方案的水泥復合材料屋面制品的剖視圖。
優(yōu)選實施方案詳述 參考附圖，在此同樣的數(shù)字始終代表同樣的部分。本發(fā)明一些優(yōu)選的實施方案提供了新型配方，該新型配方用于形成具有改進的撓曲或拉伸強度的水泥復合材料建筑制品。在一個實施方案中，該配方通常包括水硬性膠凝材料，集料，低密度添加劑，纖維(fibers)，水和優(yōu)選可以被熱激活的疏水添加劑。在另一個實施方案中，配方進一步包括粘度增強劑，顏料和礦物填料。在一些實施方案中，按照優(yōu)選的配方所形成的水泥混合物被制成可成形的水泥漿體，被成形成建筑制品，然后在高溫和高濕度下進行固化。優(yōu)選地，按照其中的水泥被部分水合和硬化，密度小于大約1.6g/cm3，優(yōu)選小于大約1.2g/cm3的方式來固化制品。同樣優(yōu)選地，硬化材料應當具有斷裂模量(MoR)與彈性模量(MoE)之比至少為大約1.2(MPa/Gpa)。這一比例也是應變和韌性的量度。發(fā)明者驚奇地發(fā)現(xiàn)所形成的具有MoR/MoE比例至少為大約1.2MPa/Gpa的中密度到低密度纖維增強水泥制品在被用作屋面瓦時，能夠獲得期望的可釘和可行走性性能。此外，當產(chǎn)品老化時，這些材料在使用時能夠保持可行走性。
用于形成優(yōu)選實施方案的水泥復合材料屋面制品的配方的各種不同的組分在下面被更詳細地予以描述。
水硬性膠凝材料 水硬性膠凝材料包括Portland水泥(硅酸鹽水泥)、高鋁水泥、石灰、?；郀t礦渣粉、水泥和石膏灰泥或它們的混合物。在一個實施方案中，水泥復合材料制品的配方包括按干基重量計算的大約15％到50％，更優(yōu)選大約25％到45％的Portland水泥(I，II或III型)。發(fā)明者從與傳統(tǒng)思維方式相反著手，將較低含量的水硬性膠凝材料加入到配方中，因為屋面制品的纖維增強水泥配方典型地具有高水泥含量，最典型地，按重量計算在大約50％-80％之間。有利的是，發(fā)明者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)水硬性膠凝材料含量的優(yōu)選范圍協(xié)同地結(jié)合該配方的其它組分，從而產(chǎn)生更為堅硬的復合材料，其更容易受釘，因此在屋面應用上更為有用。
集料 集料包括硅質(zhì)材料，例如硅藻土、硅石粉、稻殼灰、高爐礦渣和煙灰。在一個實施方案中，集料具有高表面積，并被選來與水凝性膠凝材料反應，例如Portland水泥，生成適合復合材料制品期望應用的耐用基料(matrix)。對一些屋面制品應用而言，按干基計算，配方包括大約15％-50％，優(yōu)選大約25％-45％的硅石粉，優(yōu)選200目。其它合適的集料可包括，但不限于，無定形二氧化硅、?；V渣、鋼爐渣、礦物氧化物、沙、煤燃燒副產(chǎn)品、石灰石、粘土、菱鎂礦(magnasite)或白云石、金屬氧化物和氫氧化物或它們的混合物?？梢曰诩吓c配方中的其它組分的相容性和/或根據(jù)它們對總體復合材料強度、韌性和密度的影響來選擇集料。
低密度添加劑 低密度添加劑(low density additives)(LDA)在一些實施方案中可以包括空心陶瓷或玻璃微粒、硅藻土、合成硅酸鈣水合物和煤燃燒殘渣，例如底灰，或它們的混合物。在一個優(yōu)選的實施方案中，配方包括按干基重量計算大約1％-50％的LDA，優(yōu)選小于20％，更優(yōu)選為大約2.5％-10％。在一個實施方案中，LDA包括具有粒徑小于大約1/8英寸(3mm)的底灰，更優(yōu)選小于大約1/16英寸(1.5mm)。在另一個實施方案中，LDA包括具有顆粒密度小于大約2.3g/cm3的輕質(zhì)煤灰，其平均顆粒大小為大約100微米。在另一個實施方案中，在LDA加入混合物之前，用水硬性材料處理LDA，水硬性材料例如硅烷、蠟、硬脂酸鹽或其它疏水物。LDA的目的之一是減輕復合材料的總重并改進其可受釘性。LDA可以被單獨或與其它組分一起加入。在一個實施方案中，LDA因為其與水硬性膠凝材料和/或集料的相容性而被選擇，并且使成本最優(yōu)化，同時降低了其對總復合材料強度和吸水率的負面影響。
纖維類 纖維可以包括短纖維類和長纖維類的混合物。發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)這兩種類型纖維的混合物賦予所形成的復合材料獨特的特征結(jié)合，這在現(xiàn)有技術所制成的材料中一般沒有被發(fā)現(xiàn)。這種特征結(jié)合包括可釘性、抗裂性和韌性。
短纖維類 在一個實施方案中，短纖維類具有小于大約3mm的長度。由于其重量降低特性和對可釘性和韌性的影響而優(yōu)選選擇短纖維類。在一些應用上，優(yōu)選空心低密度纖維類，例如聚合纖維或纖維素纖維。在一個優(yōu)選的實施方案中，短纖維類包括漂白或未漂白的Kraft纖維，其具有大約2到3mm長度和小于大約40微米的直徑。為進一步降低纖維對吸水和耐用性的影響，也可以用疏水材料對纖維進行處理，該疏水材料例如硅烷醇，蠟硬脂酸鹽或其它疏水材料。
任選地，可以用生物殺傷劑物質(zhì)處理纖維素纖維，該生物殺傷劑物質(zhì)與水泥材料相容，并且在用其所制造的任何水泥制品的使用壽命期間將保持預定時間的生物滅殺活性。應當選擇能有效地阻止位于纖維或鄰近水泥基材上面或附近的真菌、細菌、藻類或地衣生長的生物殺傷劑。
這樣的生物殺傷劑實例在PCT出版物WO 0232830A1中被予以描述，其全部內(nèi)容在此被引入，作為參考。
長纖維類 在一個實施方案中，長纖維類是相對較細且有柔韌性、長度大于大約9mm的纖維。長纖維優(yōu)選被選擇用來增強復合材料的韌性。對增加韌性有幫助的纖維類包括，但不限于，聚合纖維或玻璃纖維，優(yōu)選那些與可應用膠凝材料和/或集料體系以及固化方法相容的纖維。這樣的纖維可以包括，但不限于，聚烯烴、聚酰胺、聚酯、聚丙烯、聚甲基戊烯、聚丙烯腈、聚丙烯酰胺、粘膠、尼龍、PVC、PVA、人造纖維、碳、玻璃或它們的任何混合物。聚合纖維或玻璃纖維也可以是空心的。在一個實施方案中，長纖維優(yōu)選在長度上小于大約10-20mm之間，更優(yōu)選長度在大約9-15mm之間。在一些屋面應用上，長纖維包括長度為大約20mm，大約為5旦尼爾(5旦尼爾表示大約900米的纖維重大約5克)的聚丙烯纖維。替代地，纖維可以與完成的制品具有基本相同的長度或?qū)挾?，并與制品一起被拉擠(pultruded)。在一些實施方案中，可以在纖維上應用親水表面處理，以改善處理和濕潤。也可以用抗氧化劑和耐UV增強材料處理纖維。適合使用的玻璃纖維包括耐堿玻璃纖維、E-玻璃纖維、具有聚合物涂層的玻璃纖維和具有與堿性水泥材料相容的偶聯(lián)劑的玻璃纖維。上述聚合或玻璃纖維也可以引入生物殺傷劑物質(zhì)，該生物殺傷劑物質(zhì)或者作為對纖維的表面處理，或者作為纖維的組成部分，更有效地阻止位于纖維或鄰近水泥基材上或附近的真菌、細菌、藻類或地衣的生長。
加固層 在一些實施方案中，包括纖維網(wǎng)、織物或聚合物金屬薄膜的增強層也可以被引入水泥復合材料制品中，或被放置在水泥復合材料制品上，方式類似于在已出版的美國申請20030054123中公開的方式，其全部內(nèi)容在此被引入，作為參考。加固層可以包括任何加固材料，例如，但不限于纖維、聚丙烯、尼龍、玻璃、尼龍或金屬。在一個實施方案中，加固層是網(wǎng)(mesh)或織物，其為紡織的或非紡織的，但是優(yōu)選具有規(guī)則的多邊形或圓形的孔。網(wǎng)可以包括空心纖維。網(wǎng)被優(yōu)選具有不超過20％的斷裂伸長率。網(wǎng)也應當具有高抗堿性，高耐UV性，長期耐用性，耐火，并且具有預定的拉伸強度。增強層也應當具有高抗堿性，高耐UV性，長期耐用性，耐火，并且具有預定的拉伸強度。有許多聚合物，金屬，玻璃網(wǎng)或其它可利用的材料可以被選擇來滿足這些標準。僅舉例而言，具有大約4mm到大約6mm孔徑，基量(basis weight)為大約50到180g/m2，拉伸強度在每12束大約350到2000N的玻璃或聚合物網(wǎng)已經(jīng)被成功地使用。通過將層嵌入制品，或利用適當?shù)恼澈蟿⑵漯ぶ奖砻?，可以把加固層，例如網(wǎng)，以其初始狀態(tài)施用于屋面制品，例如可以使用聚氨酯粘合劑，熱熔聚氨酯粘合劑，Gorrilla Glue或相似物。加固層也可以與水泥漿體一起被拉擠，形成所述制品。替代地，加固層也可以被嵌入與整體屋面制品一起被共擠壓的水泥層中。加固層也可以用適合的粘合劑被施用于硬化屋面制品的表面。
一些適合用作加固層的網(wǎng)材料實例如表1所示。
正如下面將要予以更為詳細的描述，在本發(fā)明的一些實施方案中，加固層可以被用來沿著鄰接邊鉸接連接兩個屋面制品，方式是，制品可以沿著屋頂?shù)奈菁咕€或屋頂?shù)膽昙箙^(qū)域被靈活地放置。
疏水物 疏水物可以通過很多不同的方法，降低復合材料的吸水率，例如通過限制液態(tài)水的吸收和/或參與控制水泥膠凝材料的水合作用速率。在一個實施方案中，基于疏水劑的效率，對膠凝材料水合作用的影響，以及其分散性來選擇疏水劑?？梢允褂玫氖杷畡┌ǎ幌抻?，脂肪酸鹽，優(yōu)選硬脂酸鹽，更優(yōu)選硬脂酸鋅。其它可以被使用的疏水物質(zhì)的實例包括，但不限于有機硅例如硅烷、硅氧烷和硅酯(siliconates)，石蠟，石蠟乳狀液，柏油或類似物。在一些屋面應用中，加入疏水劑可以將復合材料的吸水率降低至低于按重量計算大約10％，即使在水中淹沒大約24小時之后。上述疏水物質(zhì)可以與水泥基材整體結(jié)合。也可以將疏水物質(zhì)施用于被加入到水泥基材中的親水纖維，例如纖維素纖維。也可以將乳狀液、懸浮液或粉形式的疏水物質(zhì)施用于使用在此所述本發(fā)明配方所形成的制品的一個或多個表面上。
粘度增強劑 粘度增強劑(viscosity enhancing agent)(VEA)在此被定義為影響未固化水泥組合物的可使用性和可模壓性的物質(zhì)，該物質(zhì)通過與未固化組合物中自由水可逆結(jié)合，影響其自由水的可用性并阻止水泥水合作用而發(fā)揮所述影響。VEA的實例包括纖維素醚，粘土和其它合成有機水溶性高分子。在一個實施方案中，通常優(yōu)選纖維素醚，單獨或混合使用任何下列類型的纖維素醚甲基羥乙基纖維素，羥甲基乙基纖維素，羥乙基丙基纖維素，羥丙基甲基纖維素和羥乙基纖維素。此外，具有相同或相似性能的其它類型的纖維素醚也將運作良好。在一些屋面應用上，VEA優(yōu)選包括羥乙基甲基纖維素。合適的VEAs可以包括由Dow Chemical，Shin Etsu Chemical和Wolff Walsorode制造的所有制造級(manufacture grade)的纖維素醚。實際上，當產(chǎn)品接觸到部件時，在產(chǎn)品固化期間以及產(chǎn)品的使用期限內(nèi)，可以通過利用VEA與疏水物之間獨特的協(xié)同作用，達到期望的防水程度和預定的水合速率。
填料 可以將礦物填料加入配方中，以提供特定的期望效果，例如微粒填塞，可受釘性，改善的韌性，或降低的成本。碳酸鹽、硼酸鹽或金屬氧化物可以制作合適的填料。在一些屋面應用中，優(yōu)選公稱微粒大小為大約20微米或更小的碳酸鈣。
顏料 在一些應用中，可以使用顏料，著色水泥復合材料制品。優(yōu)選選擇具有長時間顏色穩(wěn)定性而且與所選膠凝材料相容的顏料。在一些屋面應用中，選擇堿穩(wěn)定的無機顏料與Portland水泥基膠凝材料聯(lián)合使用。優(yōu)選地，一些顏料也被選來幫助緩凝水泥及控制水泥水合作用。在一些實施方案中，優(yōu)選的顏料包括過渡金屬氧化物，例如氧化鐵，氧化鉻等。也可以使用粉狀碳，如碳黑。在一些實施方案中，可以以干的或者以水懸液形式加入顏料。在一些優(yōu)選的屋面應用中，顏料包括大約0.35％的紅氧化鐵和大約1％的碳黑或黑氧化鐵的混合物。
水 在一些實施方案中，混合物的配方中提供合適密度和初始性質(zhì)所需的水在大約26％到32％的范圍內(nèi)，一個實施例為大約30％。水的百分含量可以被計算為[水的質(zhì)量/(水的質(zhì)量+干組分的質(zhì)量)]×100。當計算計量水時，需要測量并然后減去存在于任何固態(tài)組分中的水。
表1提供了本發(fā)明一些優(yōu)選實施方案的水泥復合材料制品的配方范圍。

表1本發(fā)明一些優(yōu)選實施方案的水泥復合材料制品的配方范圍 圖1A是按照本發(fā)明一個優(yōu)選實施方案的配方所形成的水泥復合材料屋面制品100的示意圖。如圖1A所示，屋面制品100具有傳統(tǒng)木板瓦的外觀，優(yōu)選具有大約22英寸的長度，大約12，7或5英寸的寬度，5/16到5/8英寸范圍的厚度。在一個實施方案中，屋面制品100優(yōu)選具有大約35比1的長比寬的縱橫比。
圖2B為按照本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施方案的配方所形成的另一種水泥復合材料屋面制品150的示意圖。如圖1B所示，屋面制品150具有傳統(tǒng)石板瓦的外觀，優(yōu)選具有大約22英寸的長度，大約10英寸的寬度，及大約5/16英寸的厚度。優(yōu)選地，屋面制品150具有大約70比1的長寬縱橫比。也要意識到優(yōu)選實施方案的纖維增強水泥屋面制品可以為各式各樣的尺寸，例如具有小于大約160的平均長寬比，在一個實施方案中，小于大約50。
按照上述配方所形成的屋面制品100和150是輕質(zhì)的，可釘?shù)模沽训?，而且具有高極限應變和低吸水性。當屋面制品受到周期性凍/融和/或周期性濕/干/炭化作用循環(huán)時，屋面制品優(yōu)選顯示基本上相同或改進的抗彎強度和z-向拉伸強度。
圖2是制造本發(fā)明優(yōu)選實施方案的纖維增強水泥配方所形成的屋面制品的方法200的示意圖。所述方法包括下列步驟。
步驟210形成勻質(zhì)漿體 在步驟210中，在表1所述任何實施方案的濃度水平下，將原料稱量放入攪拌機，摻合機，或混合機(compounder)或類似的機器中，例如Eirich攪拌機或Hobart攪拌機。這些材料與水混合，以使水與固體的比例為大約35％到45％，更優(yōu)選為大約40％到43％。這些組分被攪拌成基本均勻的漿體。
步驟220形成制品 在步驟220中，基本勻質(zhì)漿體被擠壓、模制或模壓進模具、模子或任何形式的模制設備中，或被輥壓(roll press)，形成具有期望輪廓的屋面制品。如果使用擠壓或輥壓，可以形成具有最終屋面制品橫截面輪廓的條板，而且該條板隨后可以被切成小塊。替代地，當漿體處于未固化的“初始”狀態(tài)時，該條板可以被切成多塊中間長度的條板，當制品按照此處所述的方法被固化之后，隨后將條板切成最終尺寸。當條板或中間長度的條板部件保持非自支撐的“初始”狀態(tài)時，在它們進行此處所述的壓紋(emboss)，固化和涂布步驟時，優(yōu)選用硬板或網(wǎng)或底部模具(bottom mold)支撐它們。
步驟230制品的壓紋/網(wǎng)的加入 在步驟230中，通過例如壓紋輥壓機(embossding roll)，壓紋板或本領域已知的任何其它起紋裝置，將至少一種裝飾圖案任選賦予該制品的一面或兩面。在一個優(yōu)選的實施方案中，當制品被壓花時，織物(fabric)或網(wǎng)(mesh)被施用于所述制品的底面，使得該織物或網(wǎng)被嵌入制品的底面。
步驟240制品的固化 在步驟240中，通過把制品在預定的溫度和濕度環(huán)境下固化預選的一段時間，使所述制品達到一種固化且自支撐的狀態(tài)。這種類型的固化結(jié)果是，水泥膠凝材料僅僅部分發(fā)生水合作用?？梢酝ㄟ^任何方式進行固化，例如電加熱室或爐，蒸汽加熱室或爐，鼓風加熱室或爐。優(yōu)選地，所述加熱爐或室包括增濕手段例如蒸汽注入，噴霧，超聲霧化(ultrosonic misters)或類似的手段?？梢苑峙?qū)⒉牧线B續(xù)通過加熱室或爐，完成固化或硬化。上述加熱室或爐也可以被細分為區(qū)，每個區(qū)具有預定的溫度和濕度，優(yōu)選35℃-90℃的溫度范圍，以及10～60％的相對濕度。
可以在適合實現(xiàn)預定的制品固化程度、密度和抗彎強度的幾乎任何范圍溫度和濕度條件下完成制品的固化。優(yōu)選地，制品按照具有至少大約1.2(MPa/GPa)的MOR/MOE比的方式被固化?？梢詥为毣蚪Y(jié)合使用蒸汽柜(steam chest)、濕固化箱、強度、增濕箱或爐，以獲得實現(xiàn)該MOR/MOE比所需的溫度和濕度條件。對于實施例1中所述的配方，利用人工氣候?qū)嶒炏?climate chamber)，將制品在大約140和大約40％的RH(相對濕度)下曝露大約3.5小時，然后在大約113和大約20％RH下曝露大約6.5小時，固化該制品。對于實施例2中所述的配方，通過將樣品經(jīng)過具有多個區(qū)域的煤氣采暖爐，硬化所述樣品，直到獲得MoR/MoE比＞1.2為止，其中每區(qū)內(nèi)具有選擇的溫度、濕度和停留時間。
發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，結(jié)合VEA和疏水物的特定選擇的水合作用處理效果，所形成制品的部分固化賦予建筑制品一些有利的特性。通過仔細控制這些因素，發(fā)明人驚奇地發(fā)現(xiàn)，由本發(fā)明優(yōu)選的實施方案的配方以及根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方案的方法所形成的制品盡管具有低密度及降低的厚度，但可以獲得可受釘性、適于步行性、韌性和強度。如此所形成的制品也被發(fā)現(xiàn)在加速老化試驗中可保持或者甚至改善了它們的關鍵性能。
步驟250制品的涂層 在步驟250中，固化板被射水切割成各種尺寸的單個制品。如果需要涂層，制品所有的面上則被丙烯酸乳膠密封材料噴涂密封。使用連續(xù)紅外線(IR)干燥爐產(chǎn)生足以干燥并固化密封材料的板表面溫度，可以固化密封材料。所選擇的板表面溫度取決于具體的密封材料配方，然而200到375℃之間的板表面溫度是典型的。涂布可以被選擇來增加制品的外觀，例如通過提供特定的顏色或光澤。涂布也可以被選擇來降低或抑制風化。
步驟260制品的包裝 在步驟260中，制品被堆放，然后被包裝運輸。在一個實施方案中，板優(yōu)選在交替的層中被面對面堆放，和背靠背堆放，并用包裝帶捆扎，每捆重大約30磅。
實施例1 在該實施例中，利用上述方法200，由按照如下所示配方混合而成的漿體制成屋面制品。
●大約30.9％ 膠凝材料 (II型Portland水泥)●大約30.9％ 集料 (200目硅沙)●大約0.4％ 長纖維(5旦尼爾×15mm聚丙烯纖維)●大約5％ 短纖維(漂白紙漿)●大約25％低密度添加劑 (底灰，過篩到＜3mm)●大約0.75％ 疏水物(硬脂酸鋅)●大約0.8％ VEA (Walocel羥乙基甲基纖維素)●大約0.35％ 紅色顏料 (紅色氧化鐵)●大約1％黑色顏料 (碳黑)●大約5％填料 (碳酸鈣-20微米) 利用有標準商業(yè)供應的、電控人工氣候?qū)嶒炏洌瑢⒅破吩诖蠹s140和大約40％RH下曝露大約3.5小時，然后在大約113和大約20％RH下曝露大約6.5小時，固化所述制品。
實施例2 在該實施例中，利用上述方法200，由按照如下所示配方混合而成的漿體制成屋面制品● 大約40.35％膠凝材料(II型Portland水泥)● 大約40.35％集料(200目硅沙)● 大約0.4％ 長纖維 (5旦尼爾×15mm聚丙烯纖維)● 大約5％短纖維 (漂白紙漿)● 大約5％低密度添加劑(輕質(zhì)揮發(fā)性灰粉)● 大約0.75％ 疏水物 (硬脂酸鋅)● 大約0.8％ VEA (羥乙基甲基纖維素)● 大約0.35％ 紅色顏料(紅色氧化鐵)● 大約1％黑色顏料(碳黑)● 大約5％填料(碳酸鈣-20微米) 表2機械性能
表2總結(jié)了實施例1所示配方所形成的屋面制品的一個實施方案的機械性能。
根據(jù)ASTM D6272，利用四點彎曲試驗(four point bendtest)，測定干燥爐干燥樣品的斷裂模量和彈性模量。所使用的凍/融循環(huán)試驗方法包括將樣品(44mm×44mm)放置在淺塑料容器的邊上，以使底部大約22mm被浸沒。然后將樣品放在環(huán)境模擬箱(environmental chamber)中，并根據(jù)如下程序循環(huán)(注意下列溫度代表樣品溫度，而非模擬箱的溫度)● 在大約20℃下保持1分鐘；● 從大約+20℃下降到-20℃±1℃，時間不小于大約1小時且不大于大約2小時；● 在大約-20℃±1℃下，保持大約1小時；● 從大約-20℃上升到+20℃±1℃，時間不小于大約1小時且不大于大約2小時；● 在大約+20℃±1℃下，保持大約59分鐘 在80次循環(huán)之后，取出樣品并稱重，然后在大約105℃的鼓風干燥爐中干燥大約24小時，稱重并放在干燥器中冷卻。通過將拉伸試驗夾具(tensile test jig)粘結(jié)到樣品的每一面上，測量樣品的Z-向抗拉強度。試驗之前，在大約23℃的溫度和50％的相對濕度下將樣品平衡大約18小時，然后放入合適的機械性能測試設備中(例如Instron試驗夾具)，并沿著Z軸軸向負重，直到斷裂為止。
本發(fā)明一個實施方案中的樣品被配制為在z-向的抗拉強度顯示無顯著損失，并且發(fā)明人驚奇地發(fā)現(xiàn)該樣品在經(jīng)過80次凍/融循環(huán)后，在強度上具有基本的增加，增加了大約197％。
圖4顯示該材料與現(xiàn)有技術已知的高密度纖維增強水泥板，以及一種利用聚合物乳膠作防水劑的商業(yè)供應的中密度纖維增強水泥板的性能比較。
吸水率 圖5圖解了將各種纖維增強水泥復合材料樣品浸沒在水中之后，隨時間的質(zhì)量增加。配方A是依照本發(fā)明的一個實施方案被制備的。注意，盡管用聚合物乳膠處理的水泥復合材料提供短時間的防水性，然而經(jīng)過10小時后，其重量增加與完全沒采用疏水物處理的纖維增強水泥復合材料相似。
風揚試驗 采用ICBO AC07.的風揚試驗，特殊屋頂體系之接受準則(Acceptance Criteria for Spcial Roofing Systems)-第4.3節(jié)，評價依照本發(fā)明優(yōu)選配方和方法所制備的制品。示例性如下表3所示。如表3所示，用埋入式網(wǎng)制作的制品能夠承受最高施加壓力(以英寸水計算)，為優(yōu)選，盡管粘附網(wǎng)狀物比那些不具有網(wǎng)或織物加固的制品也顯示出改進。

表3 圖5圖解了屋面覆蓋層制品500的背部表面501，例如圖1A和圖1B所描述的屋面覆蓋層制品。如圖5所示，當屋面制品還處于初始漿體狀的狀態(tài)時，通過優(yōu)選將加固層埋入制品中，將加固層引入屋面制品500的背部表面501。可選地，優(yōu)選當屋面制品500的背面處于初始狀態(tài)，或者處于硬化的、自支撐狀態(tài)時，使用合適的膠粘劑或緊固手段，加固層502也可以被附著到屋面制品500的背部表面。加固層502可以包括很多不同的材料，包括，但不限于，網(wǎng)，織物或薄膜。
在一些實施方案中，優(yōu)選將加固層放置在屋面制品500上緊固器件如釘子被打入穿過該制品的區(qū)域中。如圖5所示，加固層502包括被放置在屋面制品500的兩個緊固位置503A和503B之上的網(wǎng)狀物。該網(wǎng)狀物在緊固件被打入穿過制品的位置有利地加固屋面制品500，如果由應力導致的超載引起破裂出現(xiàn)，這將有助于保持制品完好。該網(wǎng)狀物也增強制品承受來自風、腳踏、冰雹和類似因素的應力。
在一個優(yōu)選的實施方案中，屋面制品500為大約22英寸長，并且加固層502沿屋面制品500的背面延伸，其延伸距離在緊固位置503A和503B的上面大約2英寸處，及緊固位置503A和503B下面大約8到10英寸處。在另一個優(yōu)選的實施方案中，屋面制品500大約為22英寸長，并且加固層502沿屋面制品500的背面延伸，其延伸距離在緊固位置503A和503B之上大約2英寸處，并延伸至位于緊固位置503A和503B之下的屋面制品500的邊緣處。按照這種方式，屋面制品500可抵抗固定到屋面板時的裂縫傳播(propogation)，并抵抗施加在屋面制品氣候暴露區(qū)域的腳踏、冰雹等引起的破裂。該實施方案的屋面制品也得以良好地加固，而且抵抗風揚試驗中的破裂。
盡管圖5展示了一種長方形的屋面制品501，但應當理解，優(yōu)選實施方案的屋面制品可以為任何形狀或輪廓，而且應當理解，不止一層加固層可以被用在屋面制品500的多個位置上，并且所述加固層可以彼此搭接，或者可以彼此不搭接。加固層也可以被放在屋面制品的表面上或者不同的表面上。
圖6圖解了另一個實施方案的屋面制品組件600的剖視圖，該屋面制品組件600被構造用于覆蓋屋頂?shù)膽昙够蛭菁箙^(qū)域。如圖6所示，屋面制品組件600通常包括至少兩種單件屋面制品601A和601B，該單件屋面制品601A和601B由屋面木板瓦、石板瓦或類似制品構成。所述兩種屋面制品601A、601B通過接合602被鉸接連接在一起。接合602優(yōu)選包括加固層，例如網(wǎng)(mesh)、織物(fabric)或膜。優(yōu)選地，加固網(wǎng)按照如上所述的方式被黏著或埋入屋面制品的背面。接合可以沿著屋面木板瓦或石板瓦的邊緣連續(xù)地或不連續(xù)地伸展。在一個實施方案中，可以用防UV和/或防水涂層或?qū)?，例如有機硅樹脂、丙烯酸硅烷(silane acrylic)或聚氨酯基涂層處理或浸漬加固層區(qū)域。
本發(fā)明一些優(yōu)選的實施方案提供膠結(jié)配方(cementitiousformulation)，該膠結(jié)配方包括膠凝材料，集料，低密度添加劑，長纖維，短纖維，疏水物和粘度增強劑。在一個實施方案中，疏水物和粘度增強劑被選來控制膠凝材料的水合作用速率。優(yōu)選的膠結(jié)組合物可以被用來生產(chǎn)輕質(zhì)、耐用及可釘?shù)奈菝嬷破罚缥菝嫱摺Ｔ诹硪粋€優(yōu)選的實施方案中，膠結(jié)組合物被擠壓成預定長度和楔形橫截面的屋面制品，用作屋檐鋪底層或墊瓦條，其被安裝在位于屋頂上的屋面制品的底排下面。在一個實施方案中，屋面制品包括輕質(zhì)膠結(jié)組合物，其密度小于大約1.2g/cc。在一個實施方案中，屋面制品的組合物被設計為在80次凍/融循環(huán)之后保持或增加其z-向拉伸強度。在一個實施方案中，屋面制品具有大于大約1.2MPa/Gpa的MOR/MOE比。在另一個實施方案中，屋面制品在其背面，圍繞緊固件穿過制品進入到承重構架中的區(qū)域上引入加固網(wǎng)或織物。
本發(fā)明優(yōu)選的實施方案提供很多益處。優(yōu)選實施方案提供纖維增強水泥復合材料配方，所述纖維增強水泥復合材料配方可以形成可釘、耐用及輕質(zhì)的建筑材料，該建筑材料通過結(jié)合疏水物質(zhì)和粘度增強劑而具有特別的凍/融穩(wěn)定性。此外，優(yōu)選的實施方案提供密度小于大約1.6gm/cc的纖維增強水泥屋面制品，該纖維增強水泥屋面制品可以被打釘而不破裂，而且，甚至在80次凍/融循環(huán)之后，其z-向抗拉強度基本不減少。優(yōu)選實施方案也提供形成所述可釘且耐用屋面瓦的方法。此外，所形成的復合材料在外觀、處理以及安裝上類似木質(zhì)材料?？梢栽诓皇褂贸杀景嘿F的添加劑，如促凝劑、聚合物乳膠或硅灰(silica fume)的情況下，制作所形成的復合材料，以提高水泥復合材料的性能。當一些優(yōu)選的實施方案被引入屋頂?shù)膽昙够蛭菁垢采w物時，所述覆蓋物是耐用的、適合行走的、可釘?shù)模乙部梢员环胖迷谌魏纹露?pitch)或設計的屋面上。
盡管本發(fā)明優(yōu)選的實施方案已經(jīng)展示、描述以及指出應用于這些實施方案的本發(fā)明的基本新特征，但應當理解，以所示例的具體配方形式、制品和方法的各種各樣的省略、取代和變化可以被本領域普通技術人員在不背離本發(fā)明范圍的情況下得以實施。因此，本發(fā)明的范圍不應當被局限于上述描述。
權利要求
1.一種水泥復合材料屋面制品，所述水泥復合材料屋面制品被構型用于覆蓋屋頂?shù)膽昙够蛭菁箙^(qū)域，其包括第一部分，該部分包括可釘且基本抗裂的膠結(jié)材料；第二部分，該部分包括可釘且基本抗裂的膠結(jié)材料；其中，所述第一部分和第二部分通過連接構件以一種方式被鉸接地相互連接，以致至少一個部分是可以圍繞由連接構件所限定的中心軸繞軸旋轉(zhuǎn)的。
2.權利要求1所述的屋面制品，其中所述連接構件包括柔韌的加固材料。
3.權利要求2所述的屋面制品，其中所述連接構件包括纖維網(wǎng)。
4.權利要求3所述的屋面制品，其中所述連接構件被連接到所述兩部分的每一部分的底面上。
5.權利要求2所述的屋面制品，其中所述兩部分之間的角度可以在大約30到180度之間進行調(diào)整。
6.一種形成水泥復合材料屋面制品的方法，所述制品用于覆蓋屋頂?shù)膽昙够蛭菁?，包括將可釘且抗裂的水泥復合材料屋面制品鄰近第二水泥復合材料屋面制品放置，其中所述兩制品的?cè)面相互面對；和連接第一水泥復合材料屋面制品和第二水泥復合材料屋面制品，方式為，第一屋面制品可以圍繞第二制品旋轉(zhuǎn)。
全文摘要
提供一種耐用的、可受釘?shù)?、輕質(zhì)的且防火的纖維增強水泥制品，該制品可作為傳統(tǒng)建筑材料的成本有效替代品。該纖維增強水泥制品可被描繪為類似屋頂制品，例如木板瓦或石板瓦。該纖維增強水泥制品引入疏水物和增粘劑，每種都被選用于控制膠凝材料的水合作用速率。該纖維增強水泥制品耐用，適于步行，以及可受釘，在安裝期間不破裂，并且在曝露使用后保持可步行性。
文檔編號E04D1/30GK101089324SQ20071013970
公開日2007年12月19日 申請日期2004年6月21日 優(yōu)先權日2003年6月20日
發(fā)明者M·庫曾格, G·布倫頓, H·王, C·江, P·帕格尼斯, I·欣察克, B·斯隆 申請人:詹姆斯哈迪國際財金公司