由復合材料制成的用于并入至土木工程結構的制造物件的制作方法
【專利摘要】公開了一種制造物件(12)，該物件用于并入至土木工程結構(3、4)，例如混凝土結構，諸如地面。該物件包括基本上完全固化的熱固性聚合物樹脂和莫氏硬度為3～9，優(yōu)選為5～8的顆粒骨料材料。所述物件可選地包括強化纖維。所述物件能夠與周圍結構的物件緊密地匹配。所述物件能夠被金剛石工具研磨以與所述周圍結構形成平滑過渡部。所述物件尤其適用于并入至結構的裸露表面(7、8)。
【專利說明】由復合材料制成的用于并入至土木工程結構的制造物件
【技術領域】
[0001]總體來說，本發(fā)明涉及一種制造物件，所述制造物件由復合材料制成并且適用于并入至土木工程結構，并且更具體地，這種物件適用于并入至混凝土結構，尤其是混凝土地面。
【背景技術】
[0002]已經發(fā)現諸如混凝土和柏油浙青的建筑材料在土木工程項目，例如建筑物、道路、橋梁、樓層等中的廣泛應用。這些建筑材料能夠在現場澆筑，經過固化或硬化來形成具有就硬度和拉伸強度而言的所需性質的結構。
[0003]常常需要將外源材料的次級結構并入至這種結構中。實例包括膨脹接縫、電纜槽、排水槽、地面集水溝、地面托盤、公共覆蓋物、邊緣增強部、檢修孔、檢修孔蓋等。在許多情況下，這些次級結構由金屬，尤其是鋼制成。
[0004]由金屬制成的次級結構具有大量的嚴重不足。金屬尤其是當暴露在水分中時經受腐蝕。而金屬暴露在鹽中加劇了腐蝕問題。而因為鹽自然地存在于建筑材料中尤其是混凝土中，所以暴露至鹽通常是不可避免。暴露至鹽也可能是工程結構正常使用的本意。例如，道路和停車場被暴露至用于除冰的道路用鹽中。
[0005]金屬的另一個不足是對建筑材料，尤其如果建筑材料是混凝土時的較差附著性。此外，金屬的機械性能，諸如拉伸強度、表面硬度和熱膨脹非常不同于建筑材料的機械性能。這些不同導致在建筑材料和金屬的界面處產生裂縫。這些裂縫存在于結構中較弱的區(qū)域，這是由于在這些區(qū)域該建筑材料部分未支撐。很有可能產生建筑材料的碎屑，這就導致了裂縫的擴大，從而導致增加的碎屑等。
[0006]死水傾向于在建筑材料和金屬之間的裂縫中聚集。凍結/解凍循環(huán)進一步導致建筑材料的劣化。
[0007]引起的又一問題是基于這樣的事實:澆筑結構并不是完全平坦的，這種結構的表面可被描述為輕微波浪狀的。相比之下，金屬結構存在近乎完美的直的邊緣。這種在表面拓撲結構中的相似性是不可取的，這是引起其過度磨損的又一原因。將可取的是對建筑材料/金屬界面研磨至宏觀平滑度，但是不存在使用于研磨建筑材料(諸如混凝土和柏油浙青)和金屬的研磨工具。
[0008]熱固性聚合物配方有時被用于修復澆筑的建筑材料的平板之間的接縫。本質上，這些材料顯具有著高于金屬的耐腐蝕性，并且還能更好地附著至建筑材料。聚合物配方通常被配制為保持一定程度的彈性以補償結構的收縮和膨脹。
[0009]這些聚合物配方就強度和硬度而言低于建筑材料。因此，由這些材料制成的膨脹接縫并不為周圍結構提供全支撐，從而并不能充分地防止建筑材料的碎屑。由這些材料制成的膨脹接縫與周圍結構相比會更快地磨損，從而在結構的使用壽命期間，它們需要被更換若干次。這些膨脹節(jié)能不能用適用于研磨建筑材料的工具來研磨。此外，這些聚合物配方并不適用于不是膨脹接縫的次級結構，諸如電纜槽、排水槽、地面集水溝、地面托盤、公共覆蓋物、邊緣增強部、檢修孔、檢修孔蓋等。
[0010]因此，需要一種適用于并入至土木工程結構的制造物件，該制造物件具有與工程結構的機械性能緊密匹配的機械性能。
[0011]進一步需要抗腐蝕性的該物件。
[0012]進一步需要該物件能夠被適用于研磨土木工程結構的材料的工具研磨。

【發(fā)明內容】

[0013]本發(fā)明通過提供一種制造物件來解決了這些問題，所述制造物件用于并入至土木工程結構，在并入至所述土木工程結構之前，該物件包括基本上完全固化的熱固性聚合物樹脂和顆粒骨料材料，所述顆粒骨料材料具有在3?9范圍內，優(yōu)選在5?8范圍內的莫氏硬度。
[0014]本發(fā)明的其它方法包括一種土木工程結構，其具有并入至其中的制造物件；在所述物件并入至所述土木工程結構之前，所述物件包括基本上完全固化的熱固性聚合物樹脂以及顆粒骨料材料，所述顆粒骨料材料具有在3?9范圍內，優(yōu)選在5?8范圍內的莫氏硬度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1至圖5示出了根據本發(fā)明的方法的優(yōu)選實施例的不同步驟。
[0016]圖6a示出了根據本發(fā)明的膨脹接縫元件的優(yōu)選實施例的俯視分解圖。
[0017]圖6b示出了圖6a的膨脹接縫元件的優(yōu)選實施例的側視圖。
[0018]圖7a示出了圖6a的膨脹接縫元件的優(yōu)選實施例的俯視圖。
[0019]圖7b示出了圖7a的膨脹接縫元件的優(yōu)選實施例的側視圖。
[0020]圖8示出了根據本發(fā)明的膨脹接縫的優(yōu)選實施例的分解圖。
【具體實施方式】
[0021]下文是本發(fā)明的詳細描述。
[0022]定義
[0023]本文中使用的術語“土木工程結構”是指任何人造結構，其中，該人造結構的構成通常被認為是土木工程學科的領域，并且包括諸如建筑物、高速公路、橋梁、高架路、隧道、礦井、大壩、樓層等的結構，以及諸如屋頂、地面、墻壁、道路面板、支柱和天花板等的這些結構的組件。
[0024]本文中使用的術語“混凝土”是指包括水泥、骨料和水的任何建筑物料。該組合物可選地包括在工業(yè)中熟知的額外的材料。該術語包括以其可澆筑的未硬化的形式以及固化或硬化形式的混合物?？蓾仓幕炷恋挠不婕敖M分之間的化學反應以及水組分的部分蒸發(fā)。
[0025]術語“混凝土結構”是指混凝土以其硬化的形成制成的結構。
[0026]使用術語“骨料”在混凝土工業(yè)中常規(guī)的含義。實例包括礫石、洪積砂、石英砂、長石、玄武巖、花崗巖等。
[0027]術語“熱固性聚合物樹脂”是指在固化時變硬的類型的聚合物。固化通常涉及交聯反應。交聯可直接發(fā)生在樹脂中存在的聚合物鏈之間，或可發(fā)生在聚合物鏈和加入至樹脂中的用于該目的的交聯劑之間。固化可在室溫條件下，在催化劑或沒有催化劑的情況下來進行，或者固化還可能需要將溫度升高至室溫以上。固化可包括樹脂中存在的溶劑的蒸發(fā)或不包括樹脂中存在的溶劑的蒸發(fā)。
[0028]熱固性聚合物樹脂是本領域所熟知的。實例包括聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、乙烯基酯樹月旨、酚醛樹脂、聚氨酯樹脂、聚天冬氨酸酯樹脂(尤其是聚天冬氨脲酯樹脂)以及它們的組
口 ο
[0029]參照熱固性聚合物樹脂，使用的術語“基本上完全固化的”是指在其中交聯反應基本完成的樹脂。技術人員將知曉的是樹脂在分子水平上可能是未完全固化的，在某種意義上在樹脂中仍然存在可交聯的部分。當樹脂至少達到其終極硬度的90%時，認為樹脂是基本完全固化的。在樹脂已經被暴露至固化條件下，且達到樹脂的制造商推薦的固化時間之后，也可認為樹脂是基本完全固化的。
[0030]在一個方面中，本發(fā)明提供了用于并入至土木工程結構的制造物件，在并入至所述土木工程結構之前，所述物件包括基本上完全固化的熱固性聚合物樹脂和顆粒骨料材料，所述顆粒骨料材料具有在3?9范圍內，優(yōu)選在5?8范圍內的莫氏硬度。
[0031 ] 所述土木工程結構可為澆筑結構。其可在現場澆筑或其可在場所外澆筑而以硬化的形式運輸至建筑場所。土木工程結構可由任何合適的建筑材料制成。這些材料的實例包括柏油；柏油/聚合物復合體，諸如Duralith?和Latexfah? ;柏油/混凝土混合物；礦石/聚合物復合體，諸如Rheodur?和Rheobond? ;環(huán)氧砂漿；聚合物混凝土 ；浙青和混凝土。將參照混凝土結構，尤其是混凝土地面進一步解釋本發(fā)明。然而，讀者應當謹記的是本發(fā)明并不限于在混凝土結構中使用。
[0032]如上所解釋的，骨料為在混凝土配方中通常使用的類型。莫氏硬度標度是相對的標度，其通過與標準材料的比較而對固體材料按照硬度進行分類。石灰?guī)r具有3的莫氏硬度，金剛石具有10的莫氏硬度。
[0033]在制造物件中使用顆粒骨料材料使得物件的硬度能夠與物料將并入的混凝土結構的硬度相匹配?；炷两Y構的硬度從僅用于行人交通的地面的約3000MPa變動至用于核反應堆的lOOOOMPa。通過變化骨料的量和莫氏硬度，可使制造物件的硬度與混凝土的任何類型的硬度相匹配。
[0034]通常，在制造物件中使用的骨料具有在3至9范圍內的莫氏硬度。具有低于3的莫氏硬度的骨料通常不足以對制造物件的硬度產生影響。具有大于9的莫氏硬度的骨料通常是非常昂貴的，并且難以或者在金剛石的情況下不能用金剛石工具來研磨(grind)。
[0035]骨料材料的量優(yōu)選地為制造物件的50%至90%的重量。優(yōu)選地，平均粒度在0.1mm至5mm的范圍內。已經發(fā)現,石英砂尤其適用于用作特定的骨料材料。石英砂具有7的莫氏硬度。
[0036]可取的是盡可能地匹配混凝土結構的表面硬度，但這并不是一直實用的。適用于并入至混凝土結構的物件的制造者可能想要限制庫存(SKU)的數量，例如，提供包括在預期的混凝土硬度范圍內的4種或5種不同的配方。在這種情況下，物件和混凝土之間的完美匹配并不總是可能的。然而，通?？扇〉氖窃?0%內，優(yōu)選在10%內匹配混凝度硬度。
[0037]相反地，建筑商通過判斷混凝土配方和固化條件的選擇，來使得混凝土結構的表面硬度與制造物件的表面硬度相匹配。
[0038]可選地，制造物件包括強化纖維，優(yōu)選地包括重量在1%至10%范圍內的強化纖維。將理解的是強化纖維的存在有助于物件的拉伸強度，但是對其表面硬度不產生影響。在本發(fā)明的制造物件中可使用復合材料工業(yè)中已知的任何強化纖維。具體的實例包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維以及它們的組合。
[0039]強化纖維可以以散纖維的形式或者作為編織網并入至物件中。網可為紡布的或無紡布的，無紡布網可為粘結的或非粘合的。粘合網可為熔融粘合的、熱壓粘合的、水力纏絡的、針扎粘合的(諸如氈布中)等。合適的強化材料的實例被記載在來自SGL集團的手冊“用于土木工程的碳纖維_基礎強化材料(Carbon Fiber-Based Reinforcement Materialsfor Civil Engineering) ”中，該手冊通過以下鏈接可得到:
[0040]http://www.sglgroup.com/export/sites/sglcarbon/ common/downloads/products /product-groups/cm/textiIe-products/Carbon Fiber Based ReinforcingMaterials f or Civil Engineering e.pdf,其公開的內容通過弓I用而并入本文。
[0041 ] 根據本發(fā)明的制造物件通常屬于兩種類型之一。一種類型涉及用于完全嵌入在混凝土結構中的物件。實例包括電纜管道、排水管等。這種物件在抗腐蝕性、機械強度和在膨脹系數方面與混凝土的相容性等中具有優(yōu)勢。
[0042]第二種類型涉及用于并入至混凝土結構的裸露表面的物件。實例包括延伸接縫、排水槽等。在這種情況下，物件的抗腐蝕性是尤其重要的。例如，當在地面或屋頂中使用時，物件可能暴露于水和灰塵。當在路面、橋面或車庫地面中使用時，物件可能暴露于道路用鹽；在家禽飼養(yǎng)場和牛舍中，排水槽暴露于動物排泄物和苛刻的清潔溶液；屠宰場中的排水槽暴露于被屠宰的動物的體液以及消毒清洗流體中；當在地面制造廠中使用時，物件可暴露至各種形式的苛刻的流體中，諸如酸、鹵水、堿溶液、有機溶劑、礦物油等。
[0043]利用常規(guī)粘合劑，尤其是兩組分粘合劑，諸如環(huán)氧樹脂膠和聚氨酯膠，物件可被嵌入在混凝土結構的裸露表面內。這樣就在物件和結構之間形成嚴密的密封，而不會留下液體或灰塵可能在其中聚集的縫隙。由于物件的膨脹系數類似于或甚至相同于混凝土結構的膨脹系數，最大限度地降低了由于熱膨脹導致的縫隙形成的風險。
[0044]金剛石工具可被用于研磨混凝土結構的表面，諸如地面的表面。重要地，制造物件也能夠被金剛石研磨。從物件的表面研磨下來的材料以單獨顆粒的形式被除去，而與具有彈性的且易于使研磨工具被半固體樹脂碎片污染的現有技術中的材料不同。
[0045]為了進行合適的研磨，重要的是物件的硬度在混凝土結構的硬度的20%內，優(yōu)選10%內。這就確保了兩種材料以近似相等的速率被研磨下來。如果物件遠遠軟于周圍混凝土，則物料大大快于混凝土地被研磨下來，導致在物件的位置處的凹陷。如果物件遠遠硬于周圍混凝土，研磨導致在物件的位置中形成凸出部。
[0046]當物件的硬度匹配至周圍混凝土的硬度的20%內時，研磨導致在兩個元件之間的平滑過渡部。該平滑過渡部改善了結構的機械耐久性，這是由于該物件能夠完全被周圍混凝土支撐，并且該混凝土的邊緣完全被物件支撐。此外，平滑過渡部防止了在混凝土 /物件界面處的污染物的產生，并且允許容易的清潔。這些優(yōu)點在食品加工環(huán)境中是尤其有價值的，諸如屠宰場、冷藏倉庫、啤酒廠、釀酒廠、面包店、餐廳廚房、化工儲藏庫、實驗室地面、生產廠區(qū)、電子行業(yè)、汽車行業(yè)和制藥行業(yè)、醫(yī)院地面等。[0047]能夠利用任意適用于制造熱固性聚合物物件的技術來制成制造物件。這些技術的實例包括擠出和注塑成型。能夠利用復合材料工業(yè)的已知的技術，諸如真空包裝、鋪疊成型、擠壓成型等來制成纖維強化的物件。
[0048]本發(fā)明的制造物件的尤其優(yōu)選的實施方式是膨脹接縫系統(tǒng)，該膨脹接縫系統(tǒng)包括第一膨脹接縫元件和第二膨脹接縫元件。第一膨脹接縫元件具有第一非線性表面，第二膨脹接縫元件具有第二非線性表面，所述第二非線性表面被設計用于與所述第一線性表面緊密配合。
[0049]兩個膨脹接縫元件被安裝在鄰接的混凝土平板的相鄰表面中，從而使得兩個非線性表面彼此嚙合。可選地且優(yōu)選地，這兩個膨脹接縫元件和周圍混凝土表面被金剛石工具研磨以產生平滑過渡部。
[0050]膨脹接縫元件允許混凝土平板的邊緣的例如由于水分流失和/或溫度變化而產生收縮導致的相對運動。非線性嚙合表面確保通過接縫的兩個元件盡可能多地支撐橫跨該接縫的車輛的重量。因此，過渡部的平滑度和匹配表面的非線性確保了接縫和周圍混凝土結構的較長的使用壽命。
[0051]非線性表面可具有任何嚙合的形狀。為了便于制造，重復的模式是優(yōu)選的。例如，非線性表面可為大致正弦曲線形、大致鋸齒形，尤其是截去頂端的鋸齒形等。
[0052]本發(fā)明的另一個方面是一種包括制造物件的土木工程結構。優(yōu)選地，該土木工程結構為混凝土結構。
[0053]在一實施例中，制造物件被設置在結構的裸露表面中?？扇〉氖?，物件的表面和周圍混凝土結構的表面被研磨以產生平滑過渡部?？赏ㄟ^金剛石工具來完成該研磨。
[0054]示例性實施例/實例的描述
[0055]以下描述了本發(fā)明的僅以示例性給出的某些實施例。
[0056]根據本發(fā)明的物件的制造。
[0057]Sikafloor?-325部分A(液體聚酯二醇組合物)與Sikafloor?-325部分B(二
苯基甲烷二異氰酸酯，CAS-Nr9016-87-9)以重量比73:27相混合。樹脂組分可購自奧地利布魯登茨(A-6700)道夫斯特拉瑟大街23號的Sika Oesterreich有限責任公司(SikaOesterreich GmbH, Dorfstrasse23, A-6700Bludenz, Austria)。
[0058]樹脂混合物與石英砂以樹脂:砂重量比約為1:2來進行混合。砂具有如下的粒度
分布:
[0059]
【權利要求】
1.一種制造物件，所述制造物件用于并入至土木工程結構中，在并入至所述土木工程結構中之前，所述物件包括基本上完全固化的熱固性聚合物樹脂和顆粒骨料材料，所述顆粒骨料材料具有在3~9范圍內，優(yōu)選在5~8范圍內的莫氏硬度。
2.根據權利要求1所述的物件，其中，所述土木工程結構為澆筑結構。
3.根據權利要求1或2所述的物件，其中，所述土木工程結構為混凝土結構。
4.根據前述權利要求中任一項所述的制造物件，其中，所述熱固性聚合物樹脂選自由聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、乙烯基酯樹脂、酚醛樹脂、聚氨酯樹脂、聚天冬氨脲酯以及它們的組合所構成的組。
5.根據前述權利要求中任一項所述的制造物件，進一步包括強化纖維，所述強化纖維優(yōu)選地選自由玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維以及它們的組合所構成的組。
6.根據權利要求5所述的制造物件，其中，所述強化纖維為散纖維、編織網、無粘結無紡布網、粘合的無紡布網、氈布或它們的組合的形式。
7.根據前述權利要求中任一項所述的制造物件，包括重量為40%至90%的所述顆粒骨料材料。
8.根據權利要求3或4所述的制造物件，包括重量為1%至10%的所述強化纖維。
9.根據前述權利要求中任 一項所述的制造物件，其中，所述顆粒骨料材料選自由洪積砂、石英砂、長石、玄武巖、花崗巖、玻璃微珠以及它們的組合所構成的組。
10.根據前述權利要求中任一項所述的制造物件，其中，所述顆粒骨料材料具有在0.1mm至5mm范圍內的平均粒度。
11.根據前述權利要求中任一項所述的制造物件，其用于并入至混凝土地面。
12.根據前述權利要求中任一項所述的制造物件，所述制造物件具有的表面硬度在所述混凝土結構的表面硬度的20 %內，優(yōu)選10 %內。
13.根據前述權利要求中任一項所述的制造物件，所述制造物件用于并入至所述混凝土結構的裸露表面。
14.根據權利要求13所述的制造物件，所述制造物件能夠被金剛石工具研磨。
15.根據權利要求13或14所述的制造物件，在并入至所述混凝土結構時，所述制造物件用于從所述混凝土結構的表面排出流體。
16.根據權利要求13或14所述的制造物件，所述制造物件為膨脹接縫系統(tǒng)。
17.根據權利要求16所述的膨脹接縫系統(tǒng)，包括第一膨脹接縫元件和第二膨脹接縫元件，所述第一膨脹接縫元件具有第一非線性表面，所述第二膨脹接縫元件具有第二非線性表面，所述第二非線性表面被設計用于與所述第一線性表面緊密配合。
18.根據權利要求17所述的膨脹接縫系統(tǒng)，其中，所述第一非線性表面為大致正弦曲線形。
19.根據權利要求17所述的膨脹接縫系統(tǒng)，其中，所述第一非線性表面為大致鋸齒形。
20.一種土木工程結構，優(yōu)選為混凝土結構，包括根據權利要求1至19中任一項所述的制造物件。
21.根據權利要求20所述的土木工程結構，其中，所述制造物件被設置在所述混凝土結構的裸露表面中。
22.根據權利要求21所述的土木工程結構，其中，所述制造物件的裸露表面和所述混凝土結構的鄰近所述制造物件的裸露表面被研磨以改善表面平滑度。
23.根據權利要求22所述的土木工程結構，其中，被研磨的表面是由金剛石工具來研磨 的。
【文檔編號】E01C11/06GK103998687SQ201280055752
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2012年10月19日 優(yōu)先權日:2011年10月19日
【發(fā)明者】H·弗埃, 利奧波德·萊特納 申請人:H·弗埃, 利奧波德·萊特納