可浇注组合物用的增强件

本发明涉及可浇注组合物的增强件。

众所周知，在可浇注组合物中加入增强件能提高性能。例如，在 诸如砂浆和混凝土的胶结组合物中加入增强件，可改善其强度，降低 其表面开裂趋势。增强件包括宽广范围的型件，但它们通常都具有长 的构形(即其长轴的尺寸显著大于短轴的尺寸)。这些长型构件包括 具有基本上呈圆载面的棒形丝、具有螺旋扭曲结构或制成不同截面 以降低其拔出倾向的平板条、或者是基于棒形丝呈扭曲结构的缆索。 用于增强件的材料有金属、合成聚合物材料及天然材料等。

人们知道，在胶结组合物(即砂浆或混凝土)中，材料的冲击强 度、弯曲强度和韧性都随便着组合物中增强件用量的提高而增大。然 而，可引入增强件的含量有一个实际限度，因为超过此限度，增强件 之间就会互相纠缠，形成一些球形物或其它不适宜的聚集体。

对于增强件，适当地选择其长度与直径相关的指标(如纵横比) 可有助于减少其纠缠聚集的趋势。然而。靠这种方法来改进其混合 性是困难的，因为这种类型的改变对增强件的增强能力产生消极作 用。

将增强件加入到胶结组合物中的方法，在实现增强件高的用量 方面也起着主要作用。例如如果需用较高体积浓度的增强件，高纵横 比的增强件应基本上是单根的纤维，并以相当低的浓度，且在较长时 间内充分混合的条件下引入胶结组合物。

在装运容器中，棒状增强件会由于振动和相互冲撞而纠缠和 (或)聚集起来。聚集的增强件从装运容器中不易倾倒出来，并且除非 分离成一根根的增强件，否则是不能加进胶结组合物中去的。曾经采 用了各种不同的机械方法和气动方法将聚集的增强件击散，并将单 根增强件引入胶结组合物中。美国专利4,121,943(Akazawa等)描 述了一种机械，它设计用来在加入到胶结组合物之前，将增强件纤维 聚集物分散。

在美国专利3,716,386(Kempster)中描述了将较高用量的增 强件加入到胶结组合物中的另一种处理办法，它是在将增强件纤维 引入到混合料之前对纤维用一种高粘度的降低摩擦的物质先进行处 理。

将高纵横比的伸长增强件(即纤维)以较大用量引入胶结组合 物，近来有若干种处理方法，它们一个共同的特点是将纤维以有组织 成行排列的方式加入到胶结组合物中，结果在混合时，纤维也成行排 列，慢慢地松散开来。以这种方式在胶结组合物中松散的纤维，它们 之间很少有纤维-纤维的相互作用，结果与完全无序定向引入胶结组 合物中的纤维相比，其聚集成团的趋势就小得多。美国专利4,224, 377和4,314,853(Moens)都描述了一种由许多根线材用粘结剂结 合起来的增强件以及把这种增强件加入到胶结组合物中去的方法。 在混合过程中上述粘结剂就失去其粘结作用。美国专利4,414,030 (Restrepo)描述的胶结组合物用的增强件包括原纤化聚烯烃薄膜的 带子。原纤化的纤维藉纤维间的原纤维保持着成行的结构。在机械 混合时破裂在胶结组合物中将一根根的纤维松散开来。

另一种选择以成行排列的结构方式将纤维引入胶结组合物的方 法，叙述在R.N.Swancy和B.Barr所编的书中，即Fiber Rein- forced Cements and Concretes，(用纤维增强水泥和混凝土)Elsvier Applied Science，New York，1989，第316—325页。这个方法是利 用短的原纤化聚丙烯纤维条，它们扭曲成缆索状结构，以此形式在胶 结组合物中将纤维松散释放出来。在处理胶结组合物过程中的机械 混合作用就将缆索状结构击散，以成行的方式将一根根原纤化的薄 膜纤维释放出来。

本发明涉及的是许多根纤维束合并在一起成为组合包的形式， 该组合包可以分散使得纤维释放出来，每股纤维束是许多根高纵横 比的聚合物纤维，它们按实际上以互不纠缠的方式排列，因此纤维间 并无粘结剂，每股纤维束的设置使得当组合包加入处于分散条件下 的可浇注组合物时，单根纤维基本上可互不纠缠地释放到可浇注组 合物中。

在本发明的实际做法中，上述和其他的分散条件包括：可浇注组 合物中所含水或有机溶剂的作用、可浇注组合物产生的热量、对可浇 注组合物的机械搅拌、或者上述能使纤维从束中释放出来的两种或 多种作用的组合。

用于液/固或液体混合物可浇注组合物的增强件理想的组合包， 它包括有可分散的包装体，可浇注组合物中分散剂的作用以及对组 合包与可浇注组合物同时发生机械混合的作用，结合在一起可使该 包装体分散。包装体将许多个增强件的初级包装合并在一起，增强件 的初级包是许多长增强件用一可分散的初级包装体紧密保持并排排 列。此初级包装包括一种周边包套，它在足够的张应力下，充分限制 所述长增强件相互的横向运动，因而可以将初级包装体的至少一部 分分散掉，可控地破坏其完整性，初级包装体的分散受到可浇注组合 物中的分散剂以及和可浇注组合物中增强件的初级包混合物基本上 同时发生机械混合的联合作用的影响。初级包装体的完整性破坏以 后，长的增强件就释放出来，能在可浇注组合物中均匀地混合。

本发明还提供一种使可浇注组合物增强的方法，其步骤包括将 可分散的纤维束加入到处于分散条件下的可浇注组合物中，该纤维 束是许多高纵横比的聚合物纤维，它们按实际互不纠缠的方式排列， 纤维与纤维之间实际上并无粘结剂，因而，这些纤维以后可以基本上 以互不纠缠地从所述的纤维释放到可浇注组合物中。

一种制备液/固或液体混合物的可浇注组合物(该混合物中含有 许多长增件)的较好方法包括以下步骤：a)制备可浇注组合物各组 分材料的混合物；b)将至少一个长增强件的初级包加入到该混合 物中，增强件的这个包包括着许多作密集并排排列的长增强件，外面 包以可分散的初级包装体，该初级包装体是一个周边包套，它在足够 张应力下，充分限制长增强件相互的横向运动因而可以将初级包装 体的至少一部分分散掉，可控地破坏其完整性，初级包装体的分散 受到可浇注组合物中的分散剂以及和混合物至少一个中增强件初级 包混合物在基本上同时发生机械混合的联合作用的影响；c)对可浇 注组合物与至少一个增强件初级包的混合物进行混合，使至少一个 增强件初级包在可浇注材料中的分布基本均匀，并随后破坏初级包 装体的连续性，使长增强件释放到可浇注组合物中；d)继续对可浇 注组合物与长增强件的混合物进行混合，直至增强件在整个可浇注 组合物中的分布基本上均匀为止。

图1表示本发明的一个增强件组合包。

图2表示本发明的一个外有初级包装体的长增强件的初级包。

图3表示另一种外有初级包装体的长增强件的初级包。

图4表示本发明的内装两种不同尺寸增强件的另一种长增强件 初级包。

图5是图4沿55的部分剖面图，表示固定初级包装体的周边包 套的方法。

在本发明中，“可浇注组合物”系指可以如样浇注的或可用其它 方法，例如用于胶结组合物的喷浆法施涂到表面上的可流动组合物； 这种可浇注组合物包括例如混凝土或砂浆之类的胶结组合物，还包 括柏油之类的沥青组合物，又包括环氧树脂之类的聚合物组合物，

“液/固”是指含有两种或多种液体与固体组分混合物的组合物。

“液体混合物”是指含有一种可固化的液体，有时是指其它液体 或可溶解组分的组合物。

用于可浇注组合物，特别是胶结组合物的增强件比胶结组合物 中其它常用组分通常具有大得多的纵横比。这种纵横比的不匹配，使 得将增强件均匀混入胶结组合物中非常困难，尤其当增强件所占体 积百分数很高时。

本发明涉及一种新颖的长增强件的组合包，用它可以简单地以 高体积百分数的增强件加入到可浇注组合物如胶结组合物中，而能 将一根根增强件在整个胶结组合物中相当均匀地分布，并无“成球” 或其它不适宜聚集现象的产生。增强件最好用聚烯烃、聚酯、聚酰胺、 聚酰亚胺、聚砜等高聚物纤维。本发明还涉及使用本发明长增强件组 合包的增强可浇注组合物的制备过程。

如图1所示，本发明的组合包10是将许多个增强件的初级包 20一起装在一个可分散的包装体12中，该组合包可以整个地加入 到可浇注组合物中。该可分散的包装体所用的组合物，其完整性至少 可以部分地破坏，藉可浇注组合物中原有的或产生的分散剂(例如 水、有机溶剂和/或热量)连同发生的机械混合作用，将包中的含有物 释放出来。适用于含水胶结组合物中的包装体组合物包括(但不限 于)纤维素基的纸，在它上面浸渍了或涂有遇水膨胀或分散的粘合剂 等等。以水分散包装体的遇水膨胀或分散的合适的粘合剂有(但不限 于)多糖、明胶和聚(甲基)丙烯酸。将水膨胀或分散的粘合剂涂敷到 可水分散的包装体上，可用通常用于类似纸张涂敷粘合剂的任一种 方法，包括轧辊涂敷、挤压辊浸渍，刮力涂敷、照相凹版式涂敷，但不 限于这些方法。组合包的分散性，或即为至少破坏其一部分的完整 性，足以使用其中内含物释放出来所需的时间，可以藉水分散性包装 体的基重、粘合剂类型以及其掺入量来控制。

装在组合包12中的图2的增强件初级包，它包含许多长增强件 紧密并排排列，用一初级包装的周边包套24围住，该周边包套的完 整性至少可以部分地中断，藉胶结组合物中原有的或产生的(例如 水，有机溶剂和/或热量)连同发生的机械混合作用，将包中的含有物 释放出来。适用于含水胶结组合物中的包装体组合物包括(但不限 于)纤维素基的纸，在它上面浸渍了或涂有遇水膨胀或分散的粘合 剂，和能以水分散的PSA带状结构物。以水分散包装体的遇水膨胀 或分散的合适的粘合剂有(但不限于)多糖、明胶和聚(甲基)丙烯酸。 将水膨胀或分散的粘合剂涂敷到可水分散的包装体上，可用通常用 于给类似纸张的薄片涂敷粘合剂的任一种方法，包括轧辊涂敷、挤压 辊浸渍，刮力涂敷、照相凹版式涂敷，但不限于这些方法。组合包的分 散性，或即为至少破坏其一部分的完整性，足以使用其中增强件得以 释放出来所需的时间，可以藉水分散性包装体的基重、粘合剂类型以 及其掺入量来控制。

纤维增强件的圆柱形初级包20能以纤维束方便地制取，它是将 纤维束用一条初级包包装体材料以螺旋搭接的方式包扎起来，结果 其中是增强件的芯子，外围包以水分散性的组装体，然后将纤维束切 割成所需长度的增强件初级包。增强件初级包的分散性可以增大，其 办法是利用较大的初级包装体的基重，或者利用含有较多粘合剂添 加量的初级包装体，或者简单地增加初级包包装体包扎时带子的搭 接量或叠绕的层数。

图3表示增强件初级包的另一种形式30。图中有四个单独的增 强件初级包20用另一层周边包套34合装为一个包。周边包套34可 以是一分开的包套，也可以是由一个增强件初级包20的包套24扩 展而成。所有的增强件初级包可以含有相同的增强件，或者各个初级 包中也可含有不同尺寸的增强件。

图4表示又一种增强件的初级包40。如图所示，有一个位于芯 部的增强件包42，它用周边包套44包扎住，其外围则是其内装有直 径即截面积不同的另一种增强件46的同心环形区。采用图3和图4 那种形式的包，就可以以一种单一的增强件初级包，向可浇注组合物 中引入预定的混合增强件。

参照图4，初级包包装体24，其互相之间可以有足够的粘着力， 在纤维束切割构成增强件初级包后，顶部搭接带的末端48可保持粘 着脱不下来，若相邻层之间的粘着力不足，当初级包包装体带24围 绕增强件46包扎时，可以在初级包包装体24的外表面26的宽度方 向上用一层可分散的胶粘带28，例如是一层可分散的热熔胶粘带或 一层可分散的转移胶粘带。可分散的胶粘带28的选择，它应是可用 于分散初级包包装体24同样的分散剂分散，或者可藉与增强件初级 包所加入的可浇注组合物相容的另一种分散剂所分散。

图5是图4沿线55的部分剖视图。图5表示增强件纤维由初级 包包装体带24包扎的情况。初级包包装体最上层搭接带的末端48 任选一个可分散的胶粘带28粘着固定在初级包包装体24的相邻一 层上，该胶粘带28形成了一条沿增强件46纵轴方向延伸的带子(由 图4更易看出)。胶粘带28最好用在初级包包装体24的外表面26， 以免与增强件46接触。

还可以打算采用一种可分散的收缩性包套材料用作初级包包装 体的周边包套。适用于此用途的材料、除了要有收缩性能外，也还应 基本上具有对前述分散剂材料同样的可分散性能。

不管增强件增强件的形状和结构如何，在每一个初级包周围的 周边包套应保持足够的张应力，以限制长增强件互相之间的横向移 动。这种限制是必要的，因为可以防止增强件在运输过程中或加入可 浇注组合物时过早地散开来。本发明的增强件包，除了可通过显著地 减少增强件体积对可浇注组合物在一临界混合点以方便有序的方式 加入增强件之外，在运输上的优点也很明显，因为它使增强件以一种 在运输时不会聚集的方式组装在一起。此外，初级包与体积相同的未 组装件比较，显然，致密得多，因此在相同体积内可运送的增强件重 量就大得多。

增强件的圆柱形初级包，其高度约0.25cm至20cm，1.0cm至 10cm为宜；其直径约0.25cm至20cm，1.0cm至10cm为宜。尽管这 个尺寸范围的增强件包相对于通常胶结组合物的其它组分来说，其 大小与形状有显著的不匹配，但它是可以相当均匀地混入胶结组合 物的。

周边包套的完整性一旦破坏，由此维持在增强件上的张力消失 之后，该增强件就迅速分散进入胶结组合物，而聚集现象很少，如果 有的话。

虽然并无什么理论根据，但可以认为，这种分散时不会发生聚集 现象的部分原因是由于增强件在松开释放时，保持着有序的、基本上 平行的排列。释放时，这些增强件还会继续保持这种排列的状态，结 果进一步促进了增强件在整个胶结组合物中呈基本均匀的宏观分 布，直至一根根增强件被润湿和分散。

可以观察到，虽然各个增强件初级包上的周边包套基本相同，但 它们的分散时间有个范围。这就是使得人们能以增强件初级包的形 式，一次性地加入高浓度的增强件。此后，增强件就会有控制地从初 级包中释放出来，而聚集现象极少(如果有的话)，并且增强件在整个 胶结组合物中基本上很均匀地分布着。

这种加入的机理是与将许多单根增强件以完全无序定向的方式 加入胶结组合物中的情况不同，后一种情况中纤维间有相互作用力， 引起增强件的聚集。

在更广泛的意义上，每股纤维束即每个初级包的结构形式，例如 可以是个袋形或管形的，其中的纤维基本上以互不纠缠的状态排列 着。初级包可以用其它的结构形式，只要处于分散条件下它能以所需 的方式将纤维松散释放出来。

初级包中的增强件不宜采用那些将一根根增强件粘合在一起的 粘合剂(件间粘合剂)。不同件间粘合剂有利于增强件的迅速分散，因 为粘合剂需在溶解之后才会使一根根增强件松散开来。

本发明还提供了一种将长增强件加入到可浇注组合物中的工 艺，它的步骤如下：a)制备可浇注组合物各组分材料的混合物；b) 将至少一个长增强件的初级包加入到该混合物中，增强件的这个包 包括着许多作密集并排排列的长增强件，外面包以可分散的初级包 装体，该初级包装体是一个周边包套，它在足够张应力下，充分限制 所述长增强件相互的横向运动因而可以将初级包装体的至少一部分 分散掉，可控地破坏其完整性，初级包包装体的分散受到可浇注组 合物中的分散剂以及混合物至少一个中增强件初级包混合物在基本 上同时发生机械混合的联合作用的影响；c)对可浇注组合物与至少 一个增强件初级包的混合物进行混合，使至少一个增强件初级包在 可浇注材料中的分布基本均匀，并随后破坏初级包装体的连续性，使 长增强件释放到可浇注组合物中；d)继续对可浇注组合物与长增 强件的混合物进行混合，直至增强件在整个可浇注组合物中的分布 基本上均匀为止。

这个过程是将一个或几个增强件的组合包加入到可浇注组合物 中，视该组合物所需的增强件含量而定。可以在组合物中引入不同尺 寸增强件的混合物，可以a)在每一组合包中装入增强件尺寸各异 的一些初级包，也可以b)采用的是仅含一种尺寸增强件的组合包， 而将含增强件尺寸不同的各种组合包以适当的比例加入，以达到所 需的最终组合物。

在另一个实施方案中，可以以一些单个的包即增强件束的形式 加入增强件初级包，而不是如前所述地再组合成组合包的形式加入。 加入通常用的增强件混合料时，只要将合适量的各种不同尺寸或结 构的增强件初级包称重或数数取出，混合加入可浇注组合物即可。采 用这种实施方案可缩短混合时间，因为这时已无需破坏组合包完整 性所用的时间。

在加入增强件组合包之前，分散剂可以存在于可浇注组合物各 组分的混合料中(在胶结组合物场合下是水)也可以在加入了增强件 组合包之后再把分散剂加入到可浇注组合物中。在加入组合包之后 才加分散剂，这种做法可让组合包有较长的时间在可浇注组合物中 达到基本均匀，然后才开始破坏可分散的组合包包装体与初级包周 边包套材料。在这两种加入顺序的情况下，对组合包和可浇注组合物 的混合物进行混合所提供的机械混合作用连同基本上同时发生的分 散剂作用，这两种作用对于分散组合包包装体材料和初级包包装体 材料都是需要的。

有必要控制周边包套的分散时间，使得在组合包包装体完整性 破坏之前不致于发生周边包套完整性的破坏。因为当增强件仍处于 组合包内时就过早地释放出来，会引起增强件发生不应有的聚集现 象。

在更广泛的意义上，本发明工艺上所用的每股纤维束即每个初 级包的结构形式，例如可以呈袋形或管形，其中的纤维基本上互不干 扰地排列着。

每股纤维束即每个初级包中所含的纤维即增强件根数宜多于 50根，在约100—10,000根之间更好。

应该指出的是，本发明还提出了增强件组合包的使用以及以这 种形式把增强件加入到其它可浇注组合物中的方法，这些组合物包 括但不限制增强聚合组合物(热塑性或热固性聚合物)和陶瓷材料。 当使用非水基的组合物时，应用其它的包装体和周边包套材料来代 替可被水分散的包装体和周边包磋商材料，其完整性能被与该可浇 注组合物相容的分散剂所破坏。一个代表性的非水体系的例子就是 对苯乙烯基的组合物采用聚苯乙烯作周边包套材料。当使用沥青类 或其它的热增强组合物时，在这种可浇注组合物中产生的热量也起 到分散剂的作用。应该理解的是，那些对水以外的分散剂敏感的包装 和周边包套材料可用于水基的可浇注组合物，只要该分散剂与可浇 注组合物能相容。

                 实施例

增强纤维I

拉制直径为0.81mm(0.032英寸)的聚丙烯纤维(拉伸比4∶ 1)，切割成5.1cm(2.0英寸)的长度，储存在一塑料袋中，以备应用。 这种松散纤维的密度约50克/升(0.5磅/加仑)

增强纤维II

拉制直径为0.13—0.2mm(0.005—0.08英寸)的聚丙烯纤维 (拉伸比4∶1)(由Ketema Co.，Specialth Filameut Division，O- denton，MD供应)切割成5.1cm(2.0英寸)的长度，储存在塑料袋 中备用。

增强件包I

由大约长180cm(71英寸)的增强纤维I样品成形为直径5.1cm (2.0英寸)的纤维束，然后用宽5.1cm(2.0英寸)的3M Brand Re- pulpable#9203带(这是一种由3M，St，Paul，MN供应的可用碱 分散的带子)螺旋形地包扎起来，每一圈上搭搪约0.6cm(0.25英 寸)。包扎后的纤维束于是用切割机切成5.1cm(2.0英寸)的长度， 即获得了增强纤维束。这种纤维束的密度约20克/升(2.4磅/加仑)

增强件包II

增强件包II的形成步骤与增强件包I相同，不同的是用增强纤 维II。

实施例1

一种含硅酸盐水泥(22千克，48磅)、砂(123千克，270磅)和水 (17千克，38磅)的嫠浆混合料加入到0.17m3(6英尺3)容量的混凝 土混合机中，混合直至获得均匀的混合物。将一些增强件包I(3.5千 克，7.7磅，7体积％)一次性加入该混合物。据观察，这些增强件包均 匀混入砂浆混合料，然后分散开来，释放了增强纤维为时约7分钟。 再继续混合20分钟，或达总混合时间约30分钟。在混合料中观察到 几乎是游离纤维，并无纤维成团现象。

对比实施例C-1

重复实施例1中的步骤，不同的是，增强纤维是用松散纤维加 入。松散纤维I(3.5千克，7.7磅，7体积％)以约每次0.25千克的批 量依次加入到砂浆中，每次加料前令混合物混合约4分钟。总的混合 时间约计60分钟。如果松散纤维的分次投料量比这更大，则纤维不 可逆转地聚集成了纤维团。

实施例2

把砂(2333千克，5138磅)、粗集料(1702千克，3570磅)、硅酸盐 水泥(810千克，1782磅)、水(359千克，789磅)、飞灰(205千克，950 磅)、减水剂(6升，204盎司)、加气剂(0.41升，14盎司)的2.3m3(3 码3)高强混凝土混合料装于预拌混凝土的运送车中，在30分钟时间 内缓慢连续地加入增强纤维I(61千克，135磅，3体积％)。所得组合 物再混10分钟，此后除去约1.5m3(2码3)的该混合料。尽管这些松 散纤维是很仔细添加的，且为时约30分钟之长，然而还是观察到有 一些纤维不可逆地聚集成团。再将一些总重7千克(15磅)的增强件 包I再一次性地加入(相当于再增1体积％)到余下的0.76m3(1 码3)料中，继续再混合20分钟。在加入增强件包以后，并未观察到纤 维成团现象的加剧，虽然此时的混凝土料处于易于使纤维成团的非 稳定状态。

实施例3

重复实施例1的步骤，不同的是将增强纤维包II(1.1千克，2.4 磅，2体积％)一次性地加入到混合料中。经混合约3分钟后，这些纤 维包即在组合物中混合均匀，并开始散开，释放出纤维来。再继续混 合7分钟(总混合时间达10分钟)后，对混合料的肉眼检测表明，这 时已没有未散开的增强纤维包。继续混合至总混合时间约20分钟 后，从物料中取出样品，将样品浇注，待其固化后检查物料中的纤维 分布情况。检测结果表明，纤维分布均匀，并无成团现象。

对比实施例C-2

重复实施例3的步骤，不同的是，增强纤维添加的是松散纤维。 松散未纠缠的增强纤维II(0.51千克，1.1磅，1体积％)以每次约 0.26千克(0.5磅)的批量依次加入，每次加料前令混合物混合约10 分钟，总的混合时间计约20分钟。尝试了加入更多的松散纤维达到 1.5体积％，结果有纤维成团现象。尽管这是在一相当长的时间内依 次加入总量较少的纤维，但所得的混合料与实施例3相比，仍有某些 不宜有的纤维聚集现象。

实施例4

一搅拌机中装入7000磅(3180千克)的由50/50粗细混合集料 和5.5重量％沥青组成的“公路混合料”，维持于约370°F(188℃)， 通过搅拌机上的观察孔，投入一个垃圾袋，其内装有7磅(3.2千克) 如增强纤维包III一节中所述的用聚乙烯包扎的尼龙纤维，然后混合 约1分钟。在此混合期间，该组合包与初级包装包均熔化，将增强纤 维料放到沥青中。用一沥青铺路机试验了沥青中的情况，发现纤维在 整个沥青中混合得很均匀。料中观察到的几乎是游离纤维，并无纤维 成团现象。

对比实施例C-3

重复实施例4的步骤，不同的是将7磅(3.2千克增强纤维III一 节中所述的松散尼龙纤维装入一30加仑(132升)容量的聚乙烯垃 圾袋中。仍用沥青铺路机对混后的沥青进行了试验，发现有不少纤维 未能混入，而是呈直径约2—3英寸(5.1—7.6cm)的纠缠纤维团。这 些纤维团的中部没有沥青，在所铺路面上引起了发泡现象。