專利名稱：混凝土組合物的制作方法
技術領域：
本發明涉及輕質混凝土，特別地但不僅僅涉及用作夾心墻板芯料填充物的輕質混凝土。
背景技術：
在生產和泵送輕質混凝土中涉及的工藝在現有技術中是眾所周知的。一般使用兩種密度調節劑，即泡沫和輕質集料，來獲得輕質混凝土。
通過向漿料中引入水基充氣泡沫制造泡沫混凝土，所述漿料一般用水和單獨的波特蘭水泥或者帶有細輕質集料的波特蘭水泥制成。通過向波特蘭水泥漿料中加入加氣劑，或者把預先形成的水基泡沫混入水泥漿料中獲得低于1000kg/m3的密度，來產生泡沫結構。
后一種方法要求把波特蘭水泥與用工業發泡劑(如水解蛋白質)產生的預先形成的水基泡沫混合。這種方法需要一種在現場產生泡沫的發泡機。
泡沫與混凝土的正確比例，特別是在工作現場，是難以保持的。這種困難可能導致最終的泡沫混凝土的不均勻性，以及可變的混合質量、可泵送性能、可擠出性和最終的特性。因為泡沫不是自生的，所以，由于泡沫從其開始形成的時候就開始破裂的事實加重了這些問題。
通過把輕質集料(如發泡聚苯乙烯、珍珠巖和蛭石)與砂漿混合在一起制成的輕質集料混凝土，主要用于混凝土密度大于1000kg/m3的用途。然而，因為其固有的組成和低比重，集料有堵塞和離析的趨勢，所以，在混合水泥漿和輕質集料時出現困難。
為了使這種聚苯乙烯混凝土可以泵送，有必要增大混合料中的水含量，以克服在管道中的摩擦。這趨于加劇伴隨輕質混凝土生產所產生的離析和堵塞問題。
這樣的輕質混凝土(即泡沫混凝土和輕質集料混凝土)已經用作夾心墻板的芯料填充物，但是產生了一些問題。
泡沫混凝土在芯料填充過程中出現高靜壓，這有時需要在夾心墻的芯料填充過程中使用結構模板支撐。在從墻的高處頂部向墻的內腔泵送或傾倒過程中，混合料也可能嚴重塌落。
至于輕質集料混凝土，芯料填充需要表現出1000kg/m3或更低的密度，這超出了輕質集料混凝土的正常密度范圍。為了達到這個密度，在混合料中，對每份體積混合料需要加入高達1份的散裝輕質集料。由于存在的砂漿體積不足，這導致輕質集料的可覆蓋性產生困難，因此導致混合料均勻性差且混合料組分間結合不夠。
為了改善抗凍結/解凍耐久性，提高可泵送性，改善可加工性，并降低混凝土的密度，而引入加氣劑(AEAs)在現有技術中已經實踐了很久。混合料中AEA用量通常在5-9％空氣體積范圍內，ASTM C150確定空氣含量極限為最大22％。通常避免空氣含量高于該數值，特別是在泵送的混凝土中，一些原因包括在泵送高加氣量的混凝土過程中，在與管壁、彎管、模板等撞擊時，氣泡趨于破裂，導致在灌筑的混凝土中產生可變的空氣含量；泵送的沖量可能被管線中包裹的可壓縮的空氣吸收，導致泵送失效；在輸送過程中多余的空氣的可壓縮性將降低其作為工作介質的有效性并使其更難施工；由于空氣-空隙體系的不穩定性，混合料中多余的空氣可能導致所澆灌的濕混凝土坍塌；并且高加氣量混凝土可能導致硬化產品的強度過分降低。
本發明的目的是克服或改正現有技術的缺點的一個或多個，或者至少提供一種工業上可以使用的替代物。
發明內容
因此，第一方面，本發明提供一種用于制備輕質混凝土的添加劑，所述添加劑包括約40-99％的有機聚合物材料和1-約60％的加氣劑的混合料。
另一方面，本發明包含一種輕質混凝土組合物，包括一份膠結劑、按膠結劑體積計算，0.5-約1.5份體積的惰性填料、2-約6份體積的輕質集料，以及最多約2％重量的添加劑。
所述添加劑可以生產輕質混凝土混合料，該混合料含有優選最多約60％的加氣體積。理想的是，所述混凝土混合料含有在25％-約50％之間的加氣體積。由于難以控制所述混合料，所以，這種超高含量在混凝土混合料中是不常用的。這種高加氣量通常還產生可加工性、密度一致性方面的困難，并趨于坍塌，特別是在垂直泵送或高壓泵送過程中。
從上述水泥組合物生產的混凝土，密度范圍最高到1200kg/m3，然而，由混合添加劑提供的改進的空氣穩定性使得可以生產密度遠低于1000kg/m3(如450-650kg/cm3)，且輕質集料的體積小于類似密度的傳統混合料的輕質混凝土。通過對比，在一個實施方案中，混合料添加劑的使用使得1m3混合料中的聚苯乙烯體積從約1m3降低到約0.7-0.8m3。這種降低還產生了聚苯乙烯集料的更好的覆蓋性(即有助于保證每個珠子表面被覆蓋)，改進了混合料的工作性能，并且改進了在混合料中輕質砂漿組分與聚苯乙烯組分之間的結合性。
在本發明的一種優選的形式中，使用混合添加劑生產的輕質混凝土可以用作夾心墻應用的芯料填充物，而不需要內部或外部的震動或模板支撐。它還使得可以在鋼架構件上使用纖維增強水泥面板的釘子固定而不會過分彎曲或爆裂。
優選的是，在所述添加劑中有機聚合物的比例在60-約90％之間，更優選的是在70-約85％之間。
優選的是，在所述混合料有10-約50％的加氣劑，更優選的是在20-40％之間。
在所述混合料中可以使用許多種有機聚合物。優選的是，所述有機聚合物包括一種或多種觸變劑，或者溶解在水中或者至少在水存在下形成膠態懸浮體，增大粘度。合適的有機聚合物包括纖維素衍生物，如羥甲基纖維素、羥乙基纖維素或羥丙基甲基纖維素；多糖如淀粉或藻酸鹽；合成的親水聚合物或共聚物，如聚乙烯醇、聚氧化乙烯或聚氧化丙烯。
可以使用任何合適的加氣劑。術語加氣劑是指在其與水混合和/或泵送時，起在組合物中引入空氣作用的表面活性劑。合適的加氣劑包括一種或多種非離子、陽離子和陰離子表面活性劑，如α烯烴磺酸的鈉鹽和十二烷基硫酸鈉或十二烷基磺酸鈉。
所述添加劑可以與多種膠結劑混合，這些膠結劑包括表現出水硬性，即在水存在下固化變硬的包含鈣、鋁、硅、氧和/或硫的化合物的所有無機材料。眾所周知的這類膠結劑包括普通波特蘭水泥、快速凝固或超快速凝固的、抗硫酸鹽水泥、改性水泥、釩土水泥、高釩土水泥、鋁酸鈣水泥和含有粉煤灰、火山灰等第二組分的水泥。術語“膠結劑”包括其它熟知的結合劑，如粉煤灰、礦渣和其與波特蘭水泥的混合料。
合適的輕質集料在現有技術中也是熟知的。包括一些天然的和合成的輕質集料，如珍珠巖、蛭石和發泡聚苯乙烯。發泡聚苯乙烯可以是球、珠、團粒或再生顆粒。
所述輕質混凝土也可以包括50-100％的顆粒形式的惰性致密化成分或惰性顆粒材料，按膠結劑重量計算。術語“惰性顆粒材料”表示對于組合物的其它組分為惰性的材料，密度大于輕質集料，尺寸小于5mm。優選的惰性顆粒材料是天然建筑砂。
另一方面，本發明提供一種建造墻體的方法，包括下列步驟提供一個框架，它具有多個基本平行的相互隔開的框架組件；把面板貼在所述框架上，在所述面板之間形成的空腔中填充輕質混凝土；所述輕質混凝土含有膠結劑、輕質集料和最多2％的添加劑，所述添加劑含有40-99％的有機聚合物或其混合料和1-60％的加氣劑的混合物。
再另一個方面，本發明提供一種形成可泵送的輕質混凝土混合料的方法，包括下列步驟先把添加劑與水混合形成水溶液；再向水溶液中加入發泡聚苯乙烯集料，然后加入膠結劑。
尤其在用聚苯乙烯作為輕質集料填料時，產生了另外的意想不到的好處。在本文中，用聚苯乙烯有一種熟知的問題，即單個顆粒容易產生表面靜電荷。這導致集料聚集在一起，原位飄浮在混合料的頂部，產生不均勻分散，降低了結構完整性，大幅度降低預期的效果。為了克服這個問題，通常必須預處理聚苯乙烯集料以便使其呈中性。這需要另外的化學試劑、另外的處理步驟，并且通常還需要隨后的干燥過程。然而，本申請人已經發現，通過使用上述添加劑，可以避免這種聚集問題。在這方面，所述添加劑先與水混合形成水溶液，然后向這種水溶液中加入聚苯乙烯。意想不到的是，已經發現這中和了聚苯乙烯上的表面電荷，而不需要任何附加的化學試劑或處理步驟。然后作為最終步驟向混合料中加入固體組分。通過取消對聚苯乙烯集料的單獨預處理工藝的需要，可以顯著實現材料成本節約并提高生產效率。
在與聚苯乙烯輕質集料結合使用時，本發明產生的另一個優點是在聚苯乙烯和混凝土之間的結合強度。由于不完全清楚的原因，聚苯乙烯通常不能與膠結劑良好結合。懷疑這可能是由于聚苯乙烯集料的憎水性。不希望受限于任何特定理論，本申請人已經發現，使用上述添加劑還提高了聚苯乙烯與周圍膠結劑之間的結合強度。這可能是由于聚苯乙烯集料被變成親水性或者目前還不能完全分析的其它機理。無論如何，正如下面將要討論的，在聚苯乙烯輕質集料和周圍的膠結材料之間的結合強度有了明顯的改善。
除非本文清楚地要求，否則，在整個說明書和權利要求書中，術語“包含”、“含有”等被限定為一種包括含義，而不是排除性的或者窮舉式的意思；也就是說，是“包括，但不限于”的意思。
實施本發明最佳方式現參考下列實施例進行描述，以便更清楚地理解本發明。
實施例1-3描述使用聚苯乙烯集料、珍珠巖和蛭石作為輕質集料，用砂和粉煤灰作為填料的輕質混凝土的各種混合料。
實施例1用EPS作為輕質集料，用砂作為填料。
實施例2用聚苯乙烯作為輕質集料，用粉煤灰+砂作為填料。
實施例3用珍珠巖作為輕質集料。
實施例1-3的評價把根據這些配方制備的混合料泵送到一些纖維增強水泥襯的夾心墻的腔體中，尺寸為2400mm×2400mm×75mm。在觀察時，發現混合料是·可泵送的，即沒有觀察到管線的堵塞或混合料的離析。
·穩定的，即引入空氣的混合料在墻的腔體中保持其水平且不會塌落。
新混合料的產量表示在一批料中產生的混合料體積。
重要的是在混凝土的泵送和澆注后仍然保持該產量，這表明了混合料的穩定性。
新混合料的密度表示固化前的混凝土的密度，這是墻體芯料填充用途中的一個最重要的指標。
實施例1和2加氣劑為十二烷基硫酸鈉有機聚合物為羥丙基甲基纖維素實施例3加氣劑為Myristamine Oxide有機聚合物為羥丙基甲基纖維素本申請人發現，在使用混合添加劑生產輕質集料混凝土時，所得的混合料與傳統的輕質集料混合料具有相似的可泵送性能。
下面的實施例4比較了含有相同體積聚苯乙烯集料的兩種輕質混凝土混合料的可泵送性能，一種加氣，另一種沒有。生產了16批每種混合料，泵送到第8層的樓層，用作FRC蓋面的夾心墻的芯料填充。兩種混合料背對背操作，以減小位置、設備和人為因素對產生的芯料填充速度的干擾。可以看出，對于每種混合料的芯料填充速度(用泵送時間(小時)去除芯料填充面積(m2)表示)是可比的。
實施例4加氣和沒加氣的輕質集料(聚苯乙烯)混凝土的泵送性能。
由于在混合料種引入混合添加劑，降低了管道中的摩擦，產生了明顯更好的混合料可泵送性。同時，由于改進了混合料的均勻性、更好的珠子覆蓋性及其無離析的特性，將更少出現管道的堵塞。
本申請人已經發現，使用混合添加劑所得的輕質集料混凝土不僅提高了明顯更低的密度，而且在芯料填充過程中能降低靜壓和動態推力。
實施例5芯料填充墻中的彎曲程度對比。
把實施例4中所示的兩種混合料泵送到400mm寬、2.4m高的墻體空腔內，并使用線性電壓位移轉換器(LVDTs)測量在芯料填充過程中，在6mm纖維增強水泥(FRC)面板上的中心撓度(彎曲)。測量結果表示于下表中
從上面的撓度測量可以看出，代替傳統的1000kg/m3密度的混合料，加氣的500kg/m3密度的混合料在用作芯料填充時，能使FRC面板的彎曲減小50％。
實施例6芯料填充墻的動態推力對比把實施例4中的兩種混合料泵送到400mm寬、2.4m高的墻體空腔中，用安裝在墻基部附近(下面的
圖1和2)的加速度計測量在芯料填充過程中的動態響應(推力)。可以看出，與傳統的不加氣的聚苯乙烯集料混合料相比，輕質混凝土(加氣的)混合料表現出明顯更小的動態推力。
圖1傳統混合料的動態響應——密度1100kg/m3 圖2 加氣混合料的動態響應——密度500kg/m3與現有技術相比，在實施例6中表示的靜壓力降低有明顯的優點。它能消除對控制墻板彎曲和爆裂的外加模板支架的需求。由于可以使用射釘槍而不是用螺栓固定把纖維增強水泥面板固定在框架上，所以，它能使建筑更快進行。在芯料填充過程中靜壓力和動態推力的減小由于更小的剛度/扭轉要求，還使得使用更輕的規準鋼架結構成為可能。
已經發現來自本發明的一些其它意料之外的優點，包括所得的輕質集料混凝土的均勻性改善。輕質混合料是自由流動的、自均化的、無離析的，并且可以填充例如夾心墻的空腔中而不需要通過內部震動或外部敲打來使混合料密實化。
實施例7保水性對比把實施例4中所示的兩種混合料倒入以相同間距用相同規格的框架墻構件建造的2400mm×1200mm×75mm的墻中，并使其在室溫條件下固化兩星期。然后把墻放入干燥室中，經過20次360分鐘的循環，一半時間在室溫下，另一半時間在45℃。然后再進行10次60分鐘在70℃加熱，10分鐘在室溫下的循環。干燥后，取出芯料樣品，在每個墻的相同位置測定每個墻的含水量。
水分分析結果表明，輕質混凝土(加氣的)混合料保持了9.38％的水分，相比之下，傳統的聚苯乙烯集料不加氣的混合料的水分為5.13％。這表明，即使在苛刻的長期干燥之后，根據本發明的輕質混合料表現出的保水性能幾乎高達傳統混合料中保持的水分的2倍。
從上面可以看出，與傳統的輕質(聚苯乙烯)混凝土相比，輕質混凝土混合料表現出優良的保水性能。這限制了在墻體空腔中的混合料釋放出的水的體積，導致纖維增強水泥面板的受潮降低。
因此，面板在其結構性能方面退化更小。特別是保持了其剛度和螺栓固定能力，在芯料填充過程中產生更少的彎曲和爆裂。同時，更干的面板使其在墻體干燥過程中產生更小的和更循序漸進的面板收縮。這在板之間的連接縫隙處產生更小的應變(更小的縫隙)。
芯料混合料保水性改進作用的另一個結果是由于從混合料中放出并通過接縫擴散的多余自由水減少，降低了連接性能的退化。這使得基礎混合料能夠更好粘結，并且在相鄰的面板之間的紙面接縫帶的損壞和變形更小。同時，更干的接縫能使墻體接縫在現場更快更早地連接，減少由于膠泥水中溶解的任何堿滲入接縫區產生的性能惡化。
實施例8結合強度對比在實施例7中經過干燥的墻體測試在纖維增強水泥面板與實施例4所示的兩種混合料之間的結合強度。
通過對FRC/芯料界面在沿墻高度的不同位置施加張應力獲得這種測量。結果表示于下表
可以看出，在循環干燥時，與傳統的輕質混合料相比，加氣的混合料的結合強度降低更小。還可以看出，兩種混合料表現出截然不同的失效模式。傳統的混合料以“粘連”方式失效，即FRC組件與芯料沿其界面分開。另一方面，引入空氣的混合料以“內聚”的方式失效，即FRC/芯料界面保持結合，失效在芯料中發生。
從上面可以看出，根據本發明的輕質混合料表現出對纖維增強面板的優異結合性。也就是說，板/混凝土/板的復合強度被改善，導致夾心墻體的總體性能改善。這是非常出乎意料的，因為根本沒有想到用于生產所述輕質混凝土組合物的添加劑或工藝會表現出這種優異的結合性。對于熟悉該領域的技術人員，這種“內聚”失效是對于傳統技術的明顯改進。
實施例9；錨釘拉出對比試驗經過實施例7的干燥的墻，測定其錨釘拉出負載能力。鉆出錨孔并把兩種錨釘插入兩種墻內，通過對錨釘頭施加軸向負荷直至達到確定錨釘塑變的最大負荷。結果表示于下表中
可以看出，在使用傳統輕質混凝土用的錨釘，即HILTI HGN12時，與傳統混合料相比，加氣混合料的拉出負荷低65％。由于這種錨釘依賴芯料密度來獲得其拉出負荷特性，輕質混凝土的密度低55％，對應于降低了抗張強度，因此降低了拉出強度。
另一方面，在使用腔體墻錨釘HILTI HHD 6/19時，表中表明，對于兩種混合料來說，拉出力的趨勢是相反的，即加氣混合料的拉出負荷比傳統混合料高44％。該結果被認為與加氣混合料的結合強度改善有關，由于錨釘在被加載之前所要求的預凝固作用，這種結合強度的改善有助于直接將拔出力傳遞到面板。當設置HHD型錨釘時，主體塌落成與面層接觸的四個徑向取向的臂。簡言之，芯料混合料的負荷能力/密度比得以顯著提高。
該結果的確出人意料。輕質混凝土不僅因高的加氣量提供了優良的隔絕性能，而且它同時滿足懸掛水盆、櫥柜等所需的可接受的懸掛能力要求。
實施例10密度變化示出用于密度1200kg/m3和450kg/m3的輕質混凝土的典型組合物。采用聚苯乙烯集料，兩實例顯示優異的分散和結合強度。
在所有這些方面，本發明給出了一種對現有技術的實用的有商業價值的明顯改進。
雖然參考特定實施例描述了本發明，但是，熟悉該領域的技術人員將會清楚，本發明可以用許多其它形式實施。
權利要求
1.一種用于制備輕質混凝土的添加劑，所述添加劑包括約40％-99％的有機聚合物材料與1％-約60％的加氣劑的混合料。
2.一種根據權利要求1的添加劑，含有10％-約50％的加氣劑。
3.一種根據權利要求2的添加劑，含有20％-約40％的加氣劑。
4.一種根據權利要求1-3的任一項的添加劑，其中，所述有機聚合物材料包括一種或多種增大粘度的觸變劑。
5.一種根據權利要求1-4的任一項的添加劑，其中，所述有機聚合物材料是一種纖維素衍生物、多糖或合成的親水聚合物。
6.一種根據權利要求5的添加劑，其中，所述有機聚合物材料選自羥甲基纖維素、羥乙基纖維素、羥丙基甲基纖維素、淀粉、藻酸鹽、聚乙烯醇、聚氧化乙烯和聚氧化丙烯。
7.一種根據權利要求1-6的任一項的添加劑，其中，加氣劑包括一種或多種非離子、陽離子或陰離子表面活性劑。
8.一種根據權利要求7的添加劑，其中，所述加氣劑是一種α烯烴磺酸的鈉鹽、或者十二烷基硫酸鈉或十二烷基磺酸鈉。
9.一種根據權利要求1-8的任一項的添加劑，含有60％-約90％的有機聚合物材料。
10.一種根據權利要求9的添加劑，含有70％-約85％的有機聚合物材料。
11.一種在輕質混凝土的制備過程中用于聚苯乙烯輕質集料的處理劑，所述處理劑包括根據權利要求1-10的任一項的添加劑的水溶液。
12.一種輕質混凝土組合物，含有約1份體積的膠結劑、對每份體積膠結劑的0.5-約1.5份體積的惰性填料、2-約6份體積的輕質集料，以及最多約2％重量的根據權利要求1-11的任一項的添加劑。
13.一種根據權利要求12的輕質混凝土組合物，其中，所述膠結劑包括鈣、鋁、硅、氧或硫的一種或多種化合物，或者波特蘭水泥、抗硫酸鹽水泥、改性水泥、釩土水泥、高釩土水泥、鋁酸鈣水泥或含有包括粉煤灰、火山灰或礦渣的第二組分的水泥的組合物。
14.一種根據權利要求12或13的輕質混凝土組合物，其中，所述輕質集料包括珍珠巖或蛭石。
15.一種根據權利要求12或13的輕質混凝土組合物，其中，所述輕質集料包括發泡聚苯乙烯。
16.一種根據權利要求12-15的輕質混凝土組合物，其中，在約50％-100％重量的膠結劑含有一種惰性顆粒材料。
17.一種根據權利要求16的輕質混凝土組合物，其中，所述惰性顆粒材料是天然建筑砂。
18.一種根據權利要求13-16的任一項的輕質混凝土組合物，其中，所述膠結劑是一種混合水泥，含有10-90％體積的波特蘭水泥和90-10％體積的無機添加劑，如粉煤灰、礦渣、偏高嶺土、氧化硅細粉(fume)等。
19.一種包含根據權利要求12-18的任一項的輕質混凝土組合物并引入最多約60％的空氣體積的混凝土混合料。
20.一種根據權利要求19并且含有25％-約50％的引入空氣體積的混凝土混合料。
21.一種根據權利要求19或20的混凝土混合料，整體密度在約1200kg/m3-約450kg/m3之間的范圍內。
22.一種根據權利要求21的混凝土混合料，整體密度在約450kg/m3-約650kg/m3之間的范圍內。
23.一種建造墻體的方法，包括下列步驟豎立有多個基本平行的相互隔開的框架部件的框架，把面板連到所述框架上，用根據權利要求19-22的任一項的輕質混凝土混合料填充在所述面板間形成的空腔。
24.一種形成可泵送輕質混凝土混合料的方法，包括下列步驟首先把根據權利要求1-11的任一項的添加劑與水混合形成水溶液，其次向所述水溶液中加入發泡聚苯乙烯集料，然后加入膠結劑。
25.一種根據權利要求24的方法，其中，所述混合料組成為1份體積的膠結劑；0.5-1.5份體積的名義水；0.5-1.5份體積的惰性填料；1-約9份體積的輕質集料，和最多約5％體積的添加劑。
全文摘要
用于制備輕質混凝土集料的添加劑,所述添加劑包括約40－99%有機聚合物和約1%－60%加氣劑的混合料。該添加劑特別適合于制備使用聚苯乙烯集料的輕質混凝土。它為聚苯乙烯集料提供優良的分散性,并且改善了在聚苯乙烯集料與周圍的膠結劑之間的結合強度。所得的輕質混凝土組合物可以泵送,并且特別適合于夾心墻的建造。
文檔編號C04B38/08GK1354734SQ00808559
公開日2002年6月19日 申請日期2000年4月10日 優先權日1999年4月9日
發明者B·T·納吉, I·辛克嘉克, V·艾奧瓦, D·M·斯迪特 申請人:詹姆斯·哈迪研究有限公司