本发明涉及一种耐水泡沫产品，该产品能够用于地下蒸汽管线等的保温或重新保温。 在近来演出的古代神秘的谋杀案件中，经常看到这样一种场面：从大城市的地下深处通过人孔盖喷出一缕缕的蒸汽。这种景象表现出许多大城市所遇到的能量大量损失的问题。几百英里长的蒸汽管线被埋在街道的下面，以及交叉横穿较大的城市。这些蒸汽管线可能是许多年以前敷设的。为了使它们保温，防止热的损失，典型做法是在这些管线外面设置大约4英寸厚的硅酸钙耐火砖，在砖层的外围设有管状构件，而在耐火砖和管状构件之间留有大约2英寸的闭塞空气空间。经过多年以后，管状构件的元件可能被侵蚀，因而水可以渗入此闭塞空气空间，并穿透耐火砖层，以致削弱其保温的有效性。保温有效性的丧失可以从人孔盖喷出蒸汽得到证实。
随着岁月的流逝，初始的保温效果越来越差，而热量损失则越来越大。在许多大城市中，目前这种损失已达到了更加迫切要求更新保温的程度。常规做法是需要深挖或开凿地层直到埋设的管线，以更新保温。然而这种工艺很费钱，认为仅仅开挖费用一般就达到每延（英）尺1000到1500美元或更高的水平。为了消除庞大的开挖费用，希望能够从地面向下挖的直达蒸汽管线单独的小孔或从蒸汽管线通过人孔的部位，将一种耐水保温材料用泵沿着闭塞空气空间向各个方向送进大约130英尺。还希望该保温材料沿着管线流到拟更新保温层的位置后硬化。
有一种多孔的泡沫耐火产品，是由水硬性水泥、细粒惰性填料和一种骨料的干混合物加水搅拌而成，在所形成的泥浆混合物中加入一种矿物酸，以引起化学发泡，诸如美国专利4，341，561公开的布立特等（Britt et al）的专利产品，这种产品具有多种用途，但不太适于现场，诸如在有地下水和湿气的地方，用于更新上述蒸汽管线保温层。在这种地方使用的保温产品希望是重量轻、强度高，特别是能耐水的产品。再者，布立特等的产品密度减小时，一般强度也较低。
有一种泡沫水玻璃水泥，其中加入天然乳胶的扩散体，诸如美国专利4425291公开的毕尔等（Beer et al）的专利产品，它释放出水达到固化，所以在干燥的空气中它会收缩，结果沿着蒸汽管线形成了裂缝，以致不能对蒸汽管线进行有效的保温。为了解决这个问题，可以通过增加矿物酸的量来防止收缩。然而，如果加入太多的矿物酸，材料可能发生排气和破裂。为了使这类产品有效，形成这种泡沫产品所加入的水玻璃和矿物酸的份额要求十分精确。当然控制这一点是困难的。此外，水玻璃水泥中的钠、钾或锂，与钙相比，它们析出的机会，以及它们与河水中的氯结合且使保温材料性能下降的机会更多。
机械发泡形成的保温材料不易控制，因为发泡过程一旦被诱发，立即开始发泡，而且沿着地下蒸汽管线泵送不到100英尺或更远的距离时发泡可能就停止了。
所以本发明的一个目的是提供一种耐热的防水保温材料。
本发明的另一个目的是提供这样一种材料，它在固化之前可以流动100英尺或更远，以便给地下蒸汽管线保温或更新保温层。
本发明还有一个目的是提供一种材料，它具有低密度、高强度和弹性。
本发明还有另一个目的，是提供一种材料，当它与河水中的氯结合时，不易降低性能。
本发明还有另一个目的，是提供一种发泡而成的材料，当它被泵送一个长距离如100英尺时仍继续发泡。
本发明还有另一个目的，是提供一种材料，它易于按配方制造。
说明本发明特点的新产品各种特征，均在权利要求中特别指出，此权利要求附在本专利公开文本中，并作为公开文本的一部分。为了更好地了解本发明，它的操作优点和使用它所达到的专门目的，在以下描述中给出本发明最佳的实施例。
按本发明，提供了一种由混合料制成的泡沫产品，此混合料的基本成分为（重量百分比）：15%左右到95%左右的水泥、0%到85%左右的惰性填料、0%到85%左右的骨料、0%到20%左右的稳定剂;在此混合物中加入水以形成泥浆，在泥浆中添加乳胶，泥浆按下述说明进行发泡。
在本技术条件和权利要求中采用的一种“泡沫”产品，其内部的孔隙是通过一种化学反应产生的气体所形成的。这样的泡沫产品可以用多孔（cellular）来表征。
为使保温材料不含钠、钾或锂这类易于和地下水中的氯结合而使产品降低性能的元素，为了在进行化学发泡过程中易于按配方制造产品，按照本发明，所采用的水泥是一种水硬性水泥，如铝酸钙或硅酸钙水泥。所谓“水硬性”水泥是指在与水混合时水化而形成一种凝胶体的水泥。这种水泥不同于水玻璃水泥。水玻璃水泥释放出水达到固化，因而置于干燥的空气中会收缩，以致在固化的材料中形成裂缝。鉴定本发明中所采用的钙和铝都与矿物酸结合，因而为了增加泡沫成品的强度，所用水泥最好是勒海水泥公司（Lehigh Cement Company）生产的如雷弗康（Refcon）一类的铝酸钙水泥。水泥的最佳含量为干配料总重25%左右（重量百分比）。此外，一般认为铝酸钙水泥所含杂质要比硅酸钙水泥的少。
在干混合料中，最好有22%（重量）的惰性填料。这些填料最好是细颗粒的，可以是比如由阿·特·万德毕尔特公司（R·T·Vanderbilt Co.）出售的RG-200叶蜡石之类的叶蜡石填料，它可作为空隙稳定剂;以及由尼科公司（Nyco Corporation）供应的，比如尼阿德400（Nyad400）硅灰石，它使成品具有低密度。
在干混合料中最好含有48%（重量）的骨料，诸如陶砂。骨料最好具有足够大的粒度，这样的骨料颗粒在稀释发泡剂（下文描述）时不需要太多的水，而且可延长坩埚寿命，以及增加产品的强度。骨料最好具有足够细的粒度，这样使颗粒可以在泥浆中悬浮一个足够长的时间。所以，为了增加强度、延长坩埚寿命以及满足该产品的上述其他质量要求，最佳的骨料粒度在-20目左右和+324目左右之间，而更理想的是在-150目和+250目之间。由燃烧工程公司（Combustion Engineering Company）出售的200目莫尔考（Mulcao）47是一种合适的陶砂品种，可提供较好的流动性、较低的沉淀倾向性，并使材料在混合料中具有较大的弥散度。其他可使用的骨料品种包括，但不限于，暗色岩石（指一种火成岩）、矾土和石英砂。
添加一种稳定剂，例如无水磷酸二氢钙，以减少沉淀程度、增加混合料坩埚的寿命，并作为缓冲剂来保持混合料的pH值。在最佳实施例中，无水磷酸二氢钙在干混合料中占5%左右（重量百分比）。
由于水是一种良好的导热体，希望将被保温的蒸汽管线与水隔开。为了在泡沫格孔之间形成网膜;为了封闭格孔而使水不能通过网膜，从而使成品具有耐水性，同时也使成品的弹性增加，按照本发明，添加到泥浆中的乳胶量按重量计最好为干混合料重量的5%左右到50%左右之间，为了降低成品的成本以选用5%左右则更好，在连续搅拌时添加到泥浆混合料中。例如，假设干混合料重100磅，则可将5磅的乳胶加入泥浆中，此量等于干混合料重量的5%。由于乳胶具有凝聚的固有倾向性，为了使其扩散开，在乳胶中加入一种表面活化剂，诸如有机盐或脂肪酸盐之类。其结果是使胶乳离子化，即它的颗粒成为带正电荷的或负电荷的颗粒。然而，表面活化剂本身能够和发泡剂（下文描述）起反应而引起凝聚，其结果是使得用来输送泡沫材料的管嘴堵塞，以致对流动性产生不利的影响。虽然在沿地下蒸汽管道泵送该产品时，阴离子态的乳胶会堵塞所使用的管嘴，然而在实际应用中希望快速凝固的部位，比如对这种部位进行喷射时，则诸如毕·弗·格德里希公司（B·F·Goodrich Co.）生产的2671乳胶一类的阴离子乳胶可能受欢迎。为了消除乳胶颗粒的电荷，可以在这些颗粒上涂上一层涂料，如聚乙烯醇、粗石蜡或其他合适的惰性涂层，以形成一种文本称之为“非离子态”的乳胶。所谓“非离子态”乳胶指一种经过扩散处理的、其颗粒不带电的乳胶。按本发明的最佳实施例，为了减少输送泡沫材料的管嘴的堵塞现象，使泡沫材料的流动性增大，以及在材料发泡过程中阻止其沉淀，在本发明中添加到混合料内的乳胶是一种非离子态乳胶，诸如意·艾·杜邦-德耐莫联合公司（E.I.du Pont de Nemoursand Co.）出售的115氯丁橡胶乳胶（115Neo-prene Latex），或毕·弗·格德里希公司生产的26120乳胶。例如与丙烯酸乳胶相比，氯丁橡胶乳胶也具有高温使用极限。
按本发明，干混合料和乳浇在与水混合后形成一种稳定的泥浆，其中最好含有大约55%～70%的固体成分，然后按下述过程进行发泡。在连续搅拌中，最好在最后将扩散的乳胶加入泥浆混合料内。
在将该产品泵入或用其他办法浇注到使用该产品的地方后，就使其凝结。由于机械发泡是在发泡过程被诱发后即开始的，而且不会持续很长时间，可能不足以使该产品泵送100英尺或更远。为了更好地控制发泡，使反应延迟，以便在材料被泵送之后才会开始发泡过程，而且能延续一个较长的时间，为的是使材料能被泵送一个长距离，按照本发明的实施例，是将一种矿物酸，比如磷酸、硫酸、盐酸或氢氟酸之类加入泥浆，以便使泥浆化学发泡。如果将过多的矿物酸加入该泥浆，可能会出现排气现象，它会引起该混合料的破裂。另一方面，如果加入该泥浆的矿物酸太少，则泥浆的强度下降，发泡程度也将减少，其结合是产品的密度比较高。所以，为了增加产品强度，以及在结合过程中防止产品的破裂，加入泥浆内的矿物酸，其泥浆/酸的比例最好在大约2∶1到7∶1之间。由于磷酸盐凝胶体诸如磷酸钙或磷酸铝较难溶解，因而不易洗掉，而且它们更加耐热;再则由于磷酸被认为在使用上更安全，所以最好是采用磷酸作为矿物酸。
表1示出本发明的几个泡沫材料的实施例，及一些试验结果，给出了密度、冷破碎强度（ccs）、吸水性（吸水性是耐水性的一种量度）、凝结时间、上升时间和体积增加的数据。密度值单位为磅/立方英尺，是在150°F时泡沫材料凝固一个夜晚之后测得的。冷破碎强度（ccs）单位为磅/英寸2，也是在150°F时产品凝固一个夜晚之后测得的。在浸水和重新干燥之前和之后所测得的实验数据也在表中给出。所给出的粘度是当矿物酸与泥浆混合料在所用装置的管嘴部位进行搅拌时测量的。该装置是用以将泡沫材料送到被保温的部位。吸水性的百分比是在每个试样置于水中浸泡两天后测定的。吸水性是相对于初始重量加上水重的百分比的。
表1示出，成品密度大约在22至55磅/英尺3之间，这个范围小于布立特等的专利产品的密度。那些通常熟知本发明有关技术的人一般情况下能预料到随着密度的下降，冷破碎强度也会下降。然而，表1列出的试验数据与这种预料的结果相反，这些数据表明冷破碎强度（在浸没和再干燥两天之后）一般增至21到251磅/英寸2之间。此值一般大于冷破碎强度的典型值20磅/英寸2，并且通常不大于布立特等的专利产品的数值，30磅/英寸2。虽然对于出现这种未预料到的结果的原因还没有弄得十分清楚，但认为乳胶起到一种有机凝胶体的作用，用它来代替水泥从而保持增加的强度和弹性。
从表1还看出，随着乳胶量从25%增至30%，冷破碎强度急剧地增加，从而使产品具有良好的吸收冲击的能力，这点也是未预料到的。此外，随着乳胶量从25%增至30%，吸水率不断产生有利地显著下降。因而，为了保持低的吸水性能和良好的吸收冲击的能力，在泥浆混合料中加入的乳胶量最好至少等于干混合料重量的30%左右。表1列出的试验结果表明，体现本发明的产品实施例的吸水性（初始重量加上水重的百分比）的范围在大约37%至103%之间，此范围比布立特等的专利产品的典型吸水率128%低很多，比硅酸钙保温材料的典型吸水率400%低得多。虽然泡沫硼硅酸盐玻璃保温材料的吸水率典型值可能是21%，但泡沫硼硅酸盐玻璃保温材料和硅酸钙保温材料都是刚性的预成型保温材料，一般用预成型的保温材料作保温和防水之用。这类保温材料与体现本发明的新防水无机发泡产品实施例不同，这类保温材料不可能在凝结之前流动到所要求的位置。如前所述，本发明的泡沫产品具有凝结之前流动到所要求的地点的流动能力。本发明的泡沫产品具有的这种流动能力，使其有利于在这样一些地区使用，比如在“埋”有蒸汽管线的地方。本来在这些地方使用泡沫硼硅酸盐玻璃这种常规材料给管线重新保温和防水，是需要进行开挖的。
按照规定中的条款，这里列举和说明了本发明的专门的实施例，因而那些熟悉本技术的人将了解，对于在权利要求中所概括的本发明的内容形式可以进行修改，而且有时可以利用本发明的某些特点而不相应采用其他特性。
表1 耐水无机泡沫的性质
干组分A（重量%） 1 2 3 4 5 6
A.200目 Mulcoa 47 48 48 48 48 48 48
B.T-61 100目矾土
C.100目 石英砂
D.-35目 暗色岩石
（一种火成岩）
E.RG200叶蜡石 13 13 13 13 13 13
F.尼阿德400硅灰石 9 9 9 9 9 9
G.无水磷酸二氢钙 5 5 5 5 5 5
H.115氯丁橡胶乳胶 +5 +10 +15 +20 +25 +30
（47%）
I.-325目 碳酸钙
J.雷弗康水泥 25 25 25 25 25 25
K.密度，磅/英尺328 37 39 36 40 48
（PCF）
（150°F时，隔夜）
L.冷破碎强度（ccs）， 180
磅/英寸2
（150°F时，隔夜），
（浸没前）
M.冷破碎强度（ccs）， 21 65 42 31 33 182
磅/英寸2
（150°F时，隔夜），
（浸没并再干燥2天后）
N.吸水性 82 85 78 73 69 49
（150°F时，隔液）
O.管嘴处的粘度w/酸 中 中 中 中 中 中
P.凝结时间，秒 30-60 30-60 30-60 30-60 30-60 30-60
Q.上升时间，秒 30-60 30-60 30-60 30-60 30-60 30-60
R.体积增加 150 150 125-150 125 125 125
＊干组分与水混合形成含有55-70%固体的稳定泥浆，然后与75%的磷酸混合，混合时泥浆与酸的比例为4.5∶1（重量/重量）。
续表1
7 8 9 10 11 12
A. 48 48 57 57 57 57
B.
C.
D.
E. 13 13 13 13 13 13
F. 9 9
G. 5 5 5 5 5 5
H. +40 +50 +5 +10 +15 +20
I. +0.25 +0.25 +0.25 +0.25
J. 25 25 25 25 25 25
K. 52 55 29 28 29 35
L. 290 453 21 26 22 25
M. 251 200 21 23 22 25
N. 47 37 68 72 89 94
O. 中 中 低 低 低 低
P. 30-60 30-60 30-60 30-60 30-60 30-60
Q. 30-60 30-60 90-120 90-120 90-120 90-120
R. 125 125 150 150 150 125
续表1
13 14 15 16 17 18 19
A. 57 57 57 57
B. 57
C. 57
D. 57
E. 13 13 13 13 13 13 13
F.
G. 5 5 5 5 5 5 5
H. +25 +30 +40 +50 +5 +5 +5
I. +0.25 +0.25 +0.25 +0.25 +0.25 +0.25 +0.25
J. 25 25 25 25 25 25 25
K. 33 48 50 55 34 36 22
L. 25 124 182 235 25 28 8
M. 24 131 186 159 24 21 9
N. 99 44 44 44 88 64 103
O. 低 低 低 低 低 低 低
P. 90-120 90-120 90-120 90-120 90-120 90-120 90-120
Q. 90-120 90-120 90-120 90-120 90-120 90-120 90-120
R. 125 125 100 100 125 125 150