Композиционная конструкция - RU2331520C2

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к композиционной конструкции.

Уровень техники

Конструкции на основе стали и цементных материалов хорошо известны в строительстве. В дополнение к обычной практике улучшения несущих свойств бетона с помощью армирования сталью были изобретены более сложные конструкции с целью их применения в специальных областях, где требуются высокие рабочие характеристики, например для области применения вдали от суши.

Пример конструкции, предназначенной для соответствия функциональным требованиям для применения вдали от суши, на основе стали и бетона описан в GB-A 2136033. Эта конструкция включает пару пространственно разделенных наружных стальных оболочек, ряд стальных элементов, соединяющих вместе обе оболочки, и слой бетона, заполняющий или частично заполняющий пространство между двумя оболочками. Утверждается, что конструкции GB-A 2136033 обеспечивают стойкость к удару судов и давлению льда.

Однако в то время как такие материалы проявляют стойкость к столкновениям, сопровождающимся несильным ударом, и постепенно прикладываемому давлению, всегда существует необходимость в конструкциях, обладающих улучшенными характеристиками, например в конструкциях, обладающих повышенной стойкостью к сильным ударам или взрывам (например, для применения при нефтепоисковых работах, на буровых платформах или вблизи опасных производств).

Таким образом, было бы полезно иметь конструкцию, обладающую структурной прочностью, равной или приближающейся к структурной прочности известных композиционных материалов на основе стали и бетона и обладающей при этом стойкостью к столкновениям с сильным ударом или к взрывам.

Раскрытие изобретения

В настоящей работе было неожиданным образом обнаружено, что при введении в композиционную конструкцию материала, включающего особый тип содержащего асфальтены связующего, может быть достигнута двойная цель: структурная прочность и высокая ударная прочность.

В соответствии с этим настоящее изобретение предлагает конструкцию, включающую две лицевые пластины, в которой эти лицевые пластины помещены на каждую из сторон твердотельной композиции, которая включает твердые частицы в количестве от 70 до 99% от общей массы твердотельной композиции и от 30 до 1 мас.% содержащего асфальтены связующего, обладающего пенетрацией ниже 15 дмм.

Осуществление изобретения

Конструкция настоящего изобретения включает твердотельную композицию на основе особого типа, содержащего асфальтены связующего, и которая располагается между двумя лицевыми пластинами. Степень упругости конструкциям настоящего изобретения, делающей их более стойкими в отношении столкновений с сильным ударом и взрывам, придают вязкоупругие свойства содержащего асфальтены связующего. В то время как вязкоупругие свойства могут проявлять и другие связующие, конструкция, обладающая хорошей структурной прочностью и высокой ударной стойкостью, может быть получена только при использовании содержащего асфальтены связующего.

Другое преимущество содержащего асфальтены связующего, примененного в конструкции настоящего изобретения, при сравнении с другими вязкоупругими материалами состоит в том, что конструкция, включающая такое связующее, является более стойкой к высоким температурам благодаря относительно высокой точке размягчения содержащего асфальтены связующего.

Твердотельная композиция, применяемая в конструкции настоящего изобретения, включает твердые частицы в количестве от 30 до 99% от общей массы твердотельной композиции и от 30 до 1 мас.% содержащего асфальтены связующего, обладающего пенетрацией ниже 15 дмм. Асфальтены являются составляющими битуминозных материалов, которые растворимы в сероуглероде, но не растворимы в уайт-спирите. Обычно асфальтены составляют от 5 до 25% от битуминозного материала (Shell Bitumen Handbook, сентябрь 1991, стр.90). Наличие асфальтенов может быть установлено с помощью тест-метода IP 143/96.

Содержащее асфальтены связующее обладает пенетрацией ниже 15 дмм. Пенетрацию содержащего асфальтены связующего измеряют в соответствии с ASTM D5 при 25°С. Предпочтительно, чтобы содержащее асфальтены связующее обладало пенетрацией от 1 дмм до менее 15 дмм. Предпочтительно, чтобы содержащее асфальтены связующее обладало пенетрацией не выше 10 дмм, более предпочтительно ниже 10 дмм и наиболее предпочтительно ниже 8 дмм. При этом связующее предпочтительно обладает пенетрацией не ниже 1 дмм при 25°С, более предпочтительно не ниже 2 мм, более предпочтительно не ниже 4 дмм. Значения пенетрации ниже 2 дмм могут быть измерены путем измерения пенетрации при 40°С с последующей экстраполяцией результатов к 25°С.

Содержащее асфальтены связующее, используемое в конструкции настоящего изобретения, преимущественно имеет точку размягчения, измеренную в соответствии с тестом «кольцо и шар» ASTM D 36, по меньшей мере, 50°С, предпочтительнее, по меньшей мере, 70° С и еще более предпочтительно, не менее 100°С. При этом связующее преимущественно имеет точку размягчения не выше 157°С и предпочтительнее не выше 150°С.

В одном из предпочтительных вариантов настоящего изобретения конструкция включает твердотельную композицию, в которой содержащее асфальтены связующее содержит (i) от 15 до 95 мас.% асфальтенов, которые содержат не менее 60% ароматического углерода, и (ii) от 5 до 85 мас.% других углеводородов, как это определено IP 143/96. Содержащие асфальтены связующие этого варианта являются предпочтительньми, поскольку содержащие эти связующие твердотельные композиции сохраняют свою прочность на изгиб при контакте с соленой водой. Благодаря этому эти асфальтены идеально подходят для применения вдали от суши.

Содержание присутствующих в асфальтенах ароматических атомов углерода измеряют путем отделения асфальтенов из связующего, как описано в IP 143/96, растворения образца асфальтенов в сероуглероде или хлороформе и оценке содержания ароматического углерода методом¹³С ЯМР.

Как правило, другие углеводороды, присутствующие в названном выше предпочтительном связующем, могут содержать до 15 мас.% атомов, отличных от водорода и углерода, более конкретно атомов серы, азота и кислорода, предпочтительно до 12 мас.% и наиболее предпочтительно до 10 мас.% в расчете на эти другие углеводороды.

Предпочтительно, чтобы содержащее асфальтены связующее, предназначенное для использования в конструкции настоящего изобретения, содержало, по меньшей мере, 20 мас.% асфальтенов в расчете на все количество связующего. Более предпочтительно, чтобы связующее содержало, по меньшей мере, 25 мас.% асфальтенов. Количество асфальтенов преимущественно составляет до 95 мас.%, более предпочтительно до 70 мас.%, более предпочтительно до 60 мас.%, более предпочтительно до 50 мас.%, более предпочтительно до 45 мас.%, более предпочтительно не более 40 мас.%. Оставшейся частью содержащего асфальтены связующего являются другие углеводороды.

Содержащее асфальтены связующее, используемое в конструкции настоящего изобретения, может быть приготовлено с помощью известного специалистам способа при условии, что получаемое при этом связующее обладает требуемой твердостью. Подходящие для приготовления содержащего асфальтены связующего и твердотельные композиции, которые могут быть использованы согласно настоящему изобретению, описаны в WO 00/46164.

Когда содержащее асфальтены связующее является связующим, содержащим (i) от 15 до 95 мас.% асфальтенов, которые содержат не менее 60% ароматического углерода, и (ii) от 5 до 85 мас.% других углеводородов, его удобно получать, подвергая углеводороды термическому крекингу. Предпочтительно подвергать термическому крекингу остаточную углеводородную фракцию. Продукт термического крекинга может быть использован как таковой или в сочетании с какой-либо другой углеводородной фракцией, необходимой для достижения требуемой твердости.

Твердотельные композиции, преимущественно используемые в конструкции настоящего изобретения, включают твердые частицы в количестве от 70 до 99 мас.% от общего количества твердотельной композиции. Предпочтительно, чтобы твердотельные композиции включали от 80 до 98 мас.% твердых частиц, предпочтительнее от 85 до 97%, еще более предпочтительно от 90 до 96% и наиболее предпочтительно от 92 до 94%.

Твердые части могут быть выбраны из широкого ряда материалов. Не исчерпывающий список твердых частиц, которые могут быть использованы, включает минеральные частицы, цемент, повторно используемый асфальт, утилизируемые шины, толченую скорлупу, золу-унос, пористые частицы, такие как цеолит и перлит, использованный катализатор, древесные частицы, такие как древесные стружки и электропроводящие частицы, например графитовые частицы или частицы нефтяного кокса. В число минеральных частиц, которые могут быть с успехом использованы, входят частицы глины, ила, известняк или кварц, причем предпочтительны минеральные частицы, являющиеся минеральными частицами, включающими кремнезем и/или глинозем.

Твердые частицы размером менее 63 мкм известны в технике как заполнитель; частицы размером в пределах от 63 мкм до 2 мм известны как песок; и частицы размером в пределах от 2 до 8 мм известны как камни. Предпочтительно, чтобы твердые частицы твердотельных композиций настоящего изобретения представляли собой сочетание частиц размером до 63 мкм (так называемый заполнитель), частиц размером в пределах от 63 мкм до 2 мм (так называемый песок) и частиц размером в пределах от 2 до 8 мм, предпочтительно от 4 до 8 мм (так называемые камни), возможно в сочетании с частицами, имеющими еще большие размеры. Размеры частиц измеряют с помощью просеивания через сита с отверстиями указанного размера. Предпочтительно, чтобы количества заполнителя, песка и камней каждое было в пределах от 10 до 5 мас.% (при сумме 100 мас.%) в расчете на общее количество твердых частиц.

Важным аспектом настоящего изобретения является то, что используемая в конструкции твердотельная композиция обладает высокой прочностью. Соответственным образом, предпочтительными твердотельными композициями являются те, у которых прочность на изгиб, измеренная в соответствии с NEN 7000 - тест "Nederlands Normalisatie Istituut, 2-ое издание, июль 1985", составляет, по меньшей мере, 1,0 Н/мм², предпочтительно, по меньшей мере, 3,0 Н/мм², более предпочтительно, по меньшей мере, 4,0 Н/мм², еще более предпочтительно, по меньшей мере, 5,0 Н/мм² и наиболее предпочтительно, по меньшей мере, 6,0 Н/мм².

Далее, предпочтительно также, чтобы используемая в конструкции настоящего изобретения твердотельная композиция обладала высокой прочностью на сжатие. Предпочтительно, чтобы она обладала прочностью на сжатие, измеренной в соответствии с ISO/R 836 Европейской Федерации производителей жаростойких изделий, после поправок в 1990 г. - PRT/R 14-1, равной, по меньшей мере, 5,0 Н/мм², более предпочтительно, по меньшей мере, 10,0 Н/мм² и более предпочтительно, по меньшей мере, 15,0 Н/мм².

Одним из выгодных аспектов настоящего изобретения является то, что пористость твердотельных композиций можно оптимизировать для специфической области применения, для которой предназначена конструкция настоящего изобретения. Как правило, для большей части областей применения предпочтительно, чтобы твердотельные композиции обладали пористостью, определенной в соответствии с "Standard Regelgeving Adviserung Wegenbow", 1955, тест 67, менее 3%, более предпочтительно менее 2% и наиболее предпочтительно менее 1%. Однако при желании иметь облегченную конструкцию, например конструкцию, которую можно легко транспортировать или переставлять на месте, может оказаться предпочтительным, чтобы композиции обладали высокой пористостью и были благодаря этому легкими и низкоплотными.

Конструкция настоящего изобретения включает две соединенные одна с другой лицевые пластины. Предпочтительно, чтобы лицевые пластины были параллельными одна другой. В одном из предпочтительных вариантов настоящего изобретения лицевые пластины соединены одна с другой множеством поперечных элементов.

Лицевые пластины и множество поперечных элементов выполнены предпочтительно из высокопрочного материала. Наиболее предпочтительно, чтобы лицевые пластины и множество поперечных элементов были выполнены из стали.

Подходящими формами для и множества поперечных элементов являются формы стержней, трубок и т.п. и предпочтительно, чтобы они были перпендикулярны к лицевым пластинам.

Предпочтительно, чтобы каждая лицевая пластина имела толщину в пределах от 2 до 32 мм, более предпочтительно от 3 до 20 мм и наиболее предпочтительно от 6 до 20 мм. Предпочтительно, чтобы лицевые пластины были разделены расстоянием в пределах от 30 до 800 мм, более предпочтительно от 100 до 800 мм и наиболее предпочтительно от 150 до 800 мм. Предпочтительно, чтобы в случае использования поперечных элементов каждый из поперечных элементов был отделен от соседних поперечных элементов расстоянием, в пределах от 10 до 80 раз превышающем толщину лицевых пластин, более предпочтительно от 10 до 60 раз и наиболее предпочтительно от 20 до 40 раз.

В соответствии с этим в одном из вариантов настоящего изобретения каждая лицевая пластина обладает толщиной в пределах от 2 до 32 мм, лицевые пластины разделены расстоянием в пределах от 30 до 800 мм, каждый из поперечных элементов отделен от соседних поперечных элементов расстоянием, в пределах от 10 до 80 раз превышающем толщину лицевых пластин.

Ширина и высота конструкции может варьировать в зависимости от конкретной области применения, для которой она предназначена. Конструкция может быть изготовлена любым известным в технике способом, например сборкой лицевых пластин, соединенных одна с другой множеством поперечных элементов, последующим нагреванием требуемого количества твердотельной композиции до температуры, при которой она становится свободно текучей, и заливкой этой смеси в пространство между лицевыми пластинами, где она при охлаждении затвердевает.

В одном из предпочтительных вариантов настоящего изобретения лицевые пластины конструкции включают плоские листы из подходящего материала, например из стали.

Однако в одном из альтернативных вариантов лицевые пластины могут обладать формой, позволяющей им быть более стойкими к внешним силам, например изогнутыми внутрь или наружу, или иметь волнистую конфигурацию. Наряду с этим в некоторых областях применения может оказаться удобным использование конструкции, в которой лицевые пластины включают сетку из стержней, трубок и т.п., расположенных на каждой стороне твердотельной композиции.

В другом варианте настоящего изобретения конструкция может включать более двух лицевых пластин, например три или четыре лицевые пластины, где пространство между, по меньшей мере, двумя лицевыми пластинами, по крайней мере, частично заполнено твердотельной композицией настоящего изобретения.

В еще одном варианте настоящего изобретения конструкция может также включать дополнительный слой твердотельной композиции, помещенной на по крайней мере части внешней поверхности одной или более лицевых пластин. Преимуществом такого дополнительного слоя твердотельной композиции может быть то, что он защищает другие структурные материалы, такие как сталь, от коррозии и обеспечивает жидкостную герметизацию стыков и т.д. на поверхности конструкции. Кроме того, когда конструкция настоящего изобретения должна быть использована в качестве защитных барьеров дорог или железнодорожных путей, конструкция, включающая такой дополнительный слой твердотельной композиции на наружной поверхности, обладает дополнительным преимуществом по сравнению с традиционными барьерами, который состоит в том, что твердотельная композиция эффективно приглушает звук, снижая, таким образом, уровни шума на прилегающих территориях.

Один из способов, с помощью которого можно удобно изготовить конструкцию настоящего изобретения, состоит в использовании предварительно изготовленных двухлицевых панелей. С помощью этого способа конструкцию можно собирать на месте, сваривая друг с другом отдельные панели.

Таким образом, настоящее изобретение предлагает также предварительно изготовленную двухлицевую панель, которая включает две лицевые плиты, соединенные между собой множеством поперечных элементов, причем в процессе применения панели обе лицевые пластины располагают на каждой из сторон твердотельной композиции, которая включает твердые частицы в пределах от 70 до 99% от общей массы твердотельной композиции и от 30 до 1% содержащего асфальтены связующего, обладающего пенетрацией ниже 15 дмм.

Конструкцию согласно настоящему изобретению можно удобно собрать из ряда отдельных двухлицевых панелей, приваривая каждую панель к соседним панелям. После сборки этим способом конструкции согласно настоящему изобретению твердотельная композиция может быть введена в двухлицевые панели перед их сваркой или, в альтернативном случае, панели могут быть вначале собраны, и затем в конструкцию введена твердотельная композиция.

В одном из предпочтительных вариантов настоящего изобретения конструкция может также включать слой содержащего асфальтены адгезивного материала, помещенного между лицевыми пластинами и твердотельной композицией. Это повышает силу сцепления, с которой твердотельная композиция скреплена с лицевыми пластинами, и предотвращает трещины, образующиеся в композиции в области поверхности раздела сталь-бетон. Содержащий асфальтены адгезивный материал преимущественно включает содержащее асфальтены связующее, подобное или наиболее предпочтительно идентичное связующему твердотельной композиции, но отличается от твердотельной композиции тем, что имеет более высокое содержание связующего для твердых частиц.

В соответствии с этим в одном из предпочтительных вариантов конструкция настоящего изобретения может также включать слой содержащего асфальтены адгезивного материала, помещенного между по крайней мере частью двух лицевых пластин и твердотельной композицией, причем этот содержащий асфальтены адгезивный материал включает содержащее асфальтены связующее с пенетрацией ниже 15 дмм в пределах от 100% до более 30% от общей массы композиции и от 0 до менее 70 мас.% твердых частиц. В соответствии с этим вариантом содержащий асфальтены адгезивный материал преимущественно включает содержащее асфальтены связующее в пределах от 100 до 50%, предпочтительнее от 100 до 75% и наиболее предпочтительно от 100 до 90 мас.% и твердые частицы в пределах от 0 до 50%, предпочтительнее от 0 до 25% и наиболее предпочтительно от 0 до 10 мас.%. В одном из особенно предпочтительных вариантов содержащий асфальтены адгезивный материал включает 100 мас.% содержащего асфальтены связующего.

Типы содержащего асфальтены связующего и твердых частиц, описанные выше применительно к твердотельным композициям изобретения, являются также предпочтительными и для содержащего асфальтены адгезивного материала описанного варианта за тем исключением, что в содержащем асфальтены адгезивном материале средний размер твердых частиц преимущественно меньше 63 мкм, поскольку использование более мелких частиц делает возможным применение более тонких слоев адгезивного материала. Предпочтительно, чтобы слой содержащего асфальтены адгезивного материала имел толщину менее 5 мм, предпочтительнее менее 2 мм и еще более предпочтительно менее 1 мм.

Конструкция настоящего изобретения идеально подходит для использования в областях применения вдали от суши, например на буровых платформах для защиты от внезапных выбросов газа и взрывов и для защиты помещений для персонала. Однако конструкция может быть также с успехом использована в разных областях гражданского строительства, например, в качестве защитных стен вокруг нефтеперерабатывающих и химических предприятий или в качестве барьеров для дорог и железнодорожных путей.

Настоящее изобретение станет более понятным из следующих примеров.

Примеры 1-4

В следующих примерах сравниваются технические характеристики бетона и твердотельной композиции, используемых в композиционных конструкциях настоящего изобретения в условиях высокоскоростного удара. Тестирование производилось путем выстрелов пулями известной массы по образцам тестируемого материала. Скорость пули перед ударом измерялась с помощью экранов для инфракрасного света, помещаемых перед мишенью. Затем экраны для инфракрасного света помещали позади мишени для измерения скорости пули в том случае, когда она пронизывала материал. Для тестирования использовали два типа пуль: 5.56 SS109 Ball весом 4 г и 7.62 mm Ball весом 9.7 г.

Тестируемые мишени представляли собой плиты либо из твердотельной композиции

согласно изобретению, либо из бетона В60. Размер плит составлял 0,60×0,60 м² и толщина приблизительно 6 см.

Тест-мишень А была выполнена из твердотельной композиции согласно изобретению и содержала 14,9 мас.% заполнителя, 31,1 мас.% 0,63-3-мм агрегата, 45,7 мас.% 3-8-мм агрегата и 8,3 мас.% содержащего асфальтены связующего. Содержащее асфальтены связующее было получено термическим крекингом остаточной фракции нефти средневосточного происхождения, имеющей температуру начала кипения 520°С или выше, с последующим удалением легких фракций с помощью флэш-упаривания продукта в вакууме. Полученное связующее имело температуру начала кипения 520°С или выше в атмосферных условиях. Связующее содержало 25 мас.% асфальтенов (IP 143/96) и обладало пенетрацией 6-7 дмм при 25°С (ASTM D5 при 25°С) и измеренной методом «кольцо и шар» (ASTM D 36) точкой размягчения 90°С. Содержание атомов углерода в ароматических кольцах асфальтенов составляло 65 мас.%.

Тест-мишень В была выполнена из бетона В60 и имела состав: 375 кг/м³ цемента и 1820 кг/м³ агрегата при соотношении вода/цемент, равном 0,5, содержании воздуха 2,1% и следующем гранулометрическом составе агрегата: 0,25 мм - 7 мас.%; 0,25-0,5 мм - 13 мас.%; 0,5-1 мм - 15 мас.%; 1-2 мм - 15 мас.%; 2-4 мм - 20 мас.%; 4-8 мм - 30 мас.%.

Результаты тестирования представлены в таблице. Из таблицы следует, что твердотельная композиция настоящего изобретения более эффективна в отношении задержки высокоскоростных пуль по сравнению с традиционным бетоном. Для традиционного бетона пуля 5.56 SS109 Ball (4,0 г) пробивала мишень при скорости 955-963 м/с (сравнительный пример 2), в то время как композиции настоящего изобретения задерживали пулю при скорости 959-961 м/с (пример 1). Кроме того, в то время как более тяжелая пуля 7.62 mm Ball (9,7 г) пробивала оба тестируемых материала, мишень из твердотельной композиции (пример 3) замедляла пулю до более низкой скорости по сравнению с мишенью из бетона (сравнительный пример 4).

Эти результаты показывают, что твердотельная композиция настоящего изобретения обеспечивает более высокий уровень защиты от динамических нагрузок, таких как высокоскоростные удары, по сравнению с бетоном.

Реферат

Изобретение относится к строительным конструкциям, которые могут быть использованы в специальных областях, где требуются высокие рабочие характеристики, например вдали от суши. Строительная конструкция включает две лицевые пластины, в которой эти две лицевые пластины помещены на каждую из сторон твердотельной композиции, которая включает твердые частицы в количестве от 90 до 96% от общей массы твердотельной композиции и от 10 до 4 мас.% содержащего асфальтены связующего, включающего 15 до 95 мас.% асфальтенов от общего количества связующего, которые содержат не менее 60 мас.% ароматического углерода, и от 5 до 85 мас.% других углеводородов от общего количества связующего, обладающего пенетрацией ниже 15 дмм, измеряемой при 25°С. Охарактеризована также строительная сборная двухлицевая панель. Технический результат: обеспечение структурной прочности и высокой ударной прочности. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 табл.

Формула