含水泥的組合物及其使用方法

專利名稱：：含水泥的組合物及其使用方法
技術領域：
：本發明涉及含水泥的組合物、用于制備該水泥組合物的方法以及4吏用該水泥組合物的方法。
背景技術：
：含水泥的組合物有時^皮稱為灌漿，已經廣泛i也用于礦山中來主要提供支護(support)。礦山頂板(mineroof)—經露置，將通常下降至某種程度，因此通常慣例為在其下方放置^皮動支護以控制此下降。這些支護必須能夠變形同時能保持通常每平方英寸(p.s.i)至少幾百磅的良好的負載承載能力。如果它們不能變形，則會通過在^廣山的頂斧反或底才反上沖孔或者隨著負載岸義載能力的迅速喪失以一種易碎的方式失效，從而導致結構上的損害。傳統上，這種要求已經通過下述得到滿足使用高含水量的灌漿，將其抽吸至柔性容器(flexiblecontainer)(有時是指袋)中，該容器在水泥凝固(set)后，在負荷下發生塑性變形。以前，水泥屬于快速地形成相當大量的4丐石凡石的類型的材沖+,例如以商標Tekpak、Hydropack以及Aquapak進行銷售的材料。形成鈣諷石的灌漿是基于高鋁水泥(aluminouscement)、石克酸鈣以及石灰源的混合物。為了提供每一組分具有延長的〗吏用壽命的二組分灌漿，高鋁水泥通常作為乂人好u酸4丐/石灰混合物中分離出的漿料而被泵送。將兩種組分混和會導致在幾分鐘內凝固(setting)。已經采用了非常高的水/固比率，以使漿料具有低粘度，使得可以通過小直徑的管道將其泵送至距使用地點壽交遠的距離處，例如達10千米。同樣，之前也已經提出利用堿金屬石圭酸鹽與石圭酸鹽水泥(波特蘭水泥，Portlandcement)之間的反應制造用于在礦山中4是供支護的承載材料。國際專利公開第WO02/44100號4皮露了一種水泥質組合物(cementitiouscomposition)，其包括第一纟且分，所述第一纟且分包含石圭酸鹽的水泥和水，并且優選包含用于水泥水化反應的緩凝劑，還優選包含防止固體沉淀的懸浮劑；和第二組分，所述第二組分包含水性硅酸鹽溶液；還4皮露了將該組分提供至^f吏用的地點，其中，在該地點將其進行混和以形成灌漿，并將由此形成的灌漿提供至能夠變形為礦山表面輪廓的柔性容器中。這種組合物在礦山中4是供支護，同時減少或避免相對昂貴的高鋁水泥的使用。它還提供一種在足夠長時間內為液體的灌漿，/人而當將其4是供至柔性容器時，該灌漿能夠使容器變形為礦山的表面輪廓。然而，仍然需要具有更快的強度產生(strengthdevelopment)速率的7K泥質纟且合物，其;咸少或避免了相對昂貴的高鋁水泥的使用。
發明內容根據本發明，提供了一種包括兩種組分的體系，將該兩種組分混和在一起形成可凝固的(settable)水泥質組合物，其中第一組分包括(a)娃酸鹽水泥(波特蘭水泥，Portlandcement);(b)硫酸4丐；以及(c)水，水與硅酸鹽水泥和硫酸4丐固體的重量比為0.5:1至5:1;并且第二組分包括(d)水溶性硅酸鹽；以及(e)水，水與硅酸鹽固體的重量比為1.5:1至25:1。根據本發明，還提供了一種可凝固的水泥質組合物，其在足夠長的時間內為流體并且適用于柔性容器中乂人而在礦山中提供支護，其中所述ia合物包4舌(i)-圭酸鹽水泥；(ii)石克酸4丐；(iii)水溶性硅酸鹽；以及(iv)水，水的量為使水與固體的重量比至少約為1.2:1。才艮據本發明的另一方面，提供了一種制備可凝固組合物的方法，該可凝固組合物在足夠長的時間內為流體，并適用于在石戶山中提供支護的柔性容器，該方法包括以下步驟提供根據本發明的體系；以及將該體系的第一和第二組分混和在一起，以形成一種具有水與固體的重量比為至少約1.2:1的可凝固的《且合物。才艮據本發明的另一方面，才是供了一種在礦山中提供支護的方法，該方法包括在礦山中的使用地點提供如上文中所限定的第一和第二組分，將這些組分進行混和以形成可凝固的組合物，并利用該組合物在礦山中提供支護。可選擇地，在礦山中的使用地點通過將該組分泵送至使用地點來提供第一和第二組分。本發明的體系、組合物以及方法的優點包括它們各自提供了一種可凝固的組合物，其具有高于已知《且合物的早期強度(earlystrength)。本發明的進一步的優點在于，由于需要更少的-圭酸鹽水泥，組成成分的成本一交4氐。本發明的組分可以以兩種4寺混和的高含水量的流股(含有石圭酸鹽水泥和疏酸釣的漿料以及含有硅酸鹽的溶液)的形式來提供。通過混和兩種組分而得到的組合物適合用作z使用柔性容器的石廣山支護，并導致與礦山頂板之間改善的接觸，并因此改善了支護4爭性。此外已經發現在水泥漿料中包含懸浮劑是有利的。這使得l釙送管可以充滿漿料在靜態條件下保持多個小時，并且仍是可抽吸的。優選地，本發明的第一和/或第二組分或根導居本發明的組合物包含一種懸浮劑以防止固體沉淀出來。優選地，該第一組分包括懸浮劑。優選地，該懸浮劑還有助于可抽吸性。可選擇地，該懸浮劑為一種多糖膠(例如，威蘭膠(welangum))、膨潤土或細分的無定型硅石(amorphoussilica)。才艮據本發明的可凝固的組合物或通過混合(結合，《且合，combining)本發明的第一和第二組分而形成的可凝固的組合物，優選具有按重量計至少約10%的最小固體含量，更優選至少約12%，最伊乙選至少約20%。才艮據本發明的可凝固的組合物或通過混合本發明的第一和第二組分而形成的可凝固的組合物，水與固體的重量比優選為至少約1.2:1，優選至少約1.3:1，優選至少約1.4:1,優選至少約1.5:1,優選至少約1.6:1,優選至少約1.7:1,優選至少約1.8:1，優選至少約1.9:1，4尤選至少約2:1，伊乙選至少約2.5:1。根據本發明的可凝固的組合物或本發明的第一組分，優選包含至少約6%的量的石圭酸鹽水泥，4尤選至少約8%，更伊C選至少約10%,其中所述百分比為按重量計，分別基于可凝固的組合物的結合重量(混合重量，組合重量，combinedweight)或基于通過結合本發明的第一和第二組分而形成的可凝固的組合物的結合重量。根據本發明的可凝固的組合物或本發明的第一組分優選包含至少約0.5%的量的石危酸釣，<尤選至少約2%,其中該百分比為4姿重量計，分別地基于可凝固的組合物的結合重量或基于通過結合本發明的第一和第二組分而形成的可凝固的組合物的結合重量。根據本發明的可凝固的組合物或本發明的第二組分優選包含至少約2%的量的水溶性硅酸鹽，其中該百分比為按重量計，分別基于可凝固的組合物的結合重量或基于通過結合本發明的第一和第二組分而形成的可凝固的組合物的結合重量。本說明書中的術語礦山意在包括采石場、隧道、以及所有的地下土木工事。本說明書中的術語硅酸鹽水泥是指含有結合后按水泥重量計占至少50%的石圭酸三釣和珪酸二鉤的水泥。由制造商提供的石圭酸鹽水泥含有諸如石膏的一種或多種物質(其通常以約5%的量存在，以防止急凝(flashsetting)),這些物質^皮i人為是作為緩凝劑來起作用。本發明的第一和/或第二組分或根據本發明的組合物優選含有一種用于水泥水化反應的緩凝劑。第一組分優選包含該緩凝劑。在本說明書中，術語用于水泥水化反應的緩凝劑是指一種不存在于由制造商供應的硅酸鹽水泥中的物質，并且其可延緩水泥的水化作用。合適的緩凝劑對于本領域技術人員是熟知的，并且其可選擇地包括葡萄糖酸鹽，尤其是堿金屬葡萄糖酸鹽，例如葡萄糖酸鈉。本發明的第一和/或第二組分或根據本發明的組合物優選包含stiffness)。早期剛度具體地為形成可凝固的組合物的時間達30分鐘的可凝固組合物(可選擇地通過混合本發明的第一和第二組分而形成)的剛度。該膠凝劑優選在低溫下有助于為可凝固的組合物提供早期剛度，尤其是在4氐于10°C的溫度下，例如〗氐于大約5°C的溫度下。因此，該膠凝劑使得可凝固組合物的性能更少地依賴于溫度。可使用本領域^支術人員已知的4壬何合適的月交凝劑。伊乙選為熟石灰。術語火山灰(pozzolan)意在包括-漆》。高爐爐;查、賴4某灰、偏高呤土以及石圭石灰(silicalime)的非高4呂K泥。術語硫酸鈣意在包括經細磨的石膏、半水硫S臾4丐、以及無水硫酸釣(也稱為石更石膏)。出于經濟的原因，無水石克酸鈣通常是優選的。硫酸釣及由添加石灰石的煤燃燒產生的粉煤灰的混合物也可以用作可能的副產物形式的好^酸4丐。該硫酸鈣添加物是除硅酸鹽水泥中正常包含的碌u酸鈣之外而額外加入的。術語"可抽吸的，，(pumpable)是指能夠通過如在采礦業中使用的傳統的泵進行抽吸。根據本發明的可凝固的水泥質組合物優選可抽吸至少4小時，優選至少24小時，更優選至少48小時，最優選至少72小時，尤其是當在l爭態條件下4諸存于15°C下時。在短語"水與固體的比"中的術語"固體"是指溶解性和非溶解性的固體。所指的隨時間失水的組合物中的水的量就是將多種成分剛混和在一起時組合物中的水的量。術語"自流平"意指組合物將在他們的自重下流動。在本發明中使用的柔性容器可以是如WO97/47859中所描述的，其所披露的內容引入本文中作為參考。該已公開的申請披露了一種容器，其包括方便地由鋼制造的端部具有橡膠隔膜的管型部件，該容器能夠通過引入可抽吸的承載材料而膨脹，并緊壓礦山的頂才反和底纟反，該隔力莫是充分柔性的，以適應(follow)礦山的頂4反和底板的表面不規則性。基于(i)、(ii)、(iii)和(iv)的結合重量，在可凝固的組合物中水(iv)的量優選為4要重量計55%至85%。在沖艮據本發明的體系中或才艮據本發明的可凝固的組合物中的水的量優選包括用于〉容解石圭酸鹽固體的水的量。可選才奪地，該可凝固的組合物包含(v)另一種非高鋁水泥。可選擇地，本發明的體系的第一組分可選擇地含有另外一種非高鋁水泥。適合的非高鋁水泥為，例如，合適地，磨碎的顆粒形式的高爐爐渣(在本領域中已知為GGBFS)、可以為C等級或F等級4分煤灰(高鈣粉煤灰或低鈣粉煤灰)的粉煤灰、偏高嶺土、硅石灰或另一種火山灰。按可凝固的組合物的結合重量或本發明的體系的第一和第二組分的組合重量的重量計，其用量優選達到35%,優選達到20%。通常量為按重量計優選從2%至15%，更優選從4%至15%的范圍內。可凝固的組合物可選擇地包含(vi)—種發泡劑。可選擇地，本發明的體系的第一組分可包含發泡劑。合適的發泡劑是本領域技術人員熟知的，其可包括例如水解蛋白、脂肪酸鹽(例如椰油基羥乙基磺酸鈉)、烷基芳基磺酸鹽、烷基硫酸鹽、和/或乙氧基化酚(苯酚乙氧基化物，phenolethoxylate)。按可凝固的組合物的合重或本發明的體系的第一和第二組分的合重的重量計，其用量可優選達到5%,優選達到3%。通常的量為，優選AU安重量計0.0001%,優選從0.001%，更優選從0.01%至5%，優選至3%,更優選至2%的范圍。可凝固的組合物可選擇地包含(vii)—種穩泡劑。優選i也，該穩泡劑(vii)和發泡劑(vi)存在于相同的組分中。可選拷4也，本發明的體系的第一組分可包含穩泡劑。合適的穩泡劑是本領iiU支術人員熟知的，其可以是例如包括纖維素醚(例如，羥丙基甲基纖維素)和/或粘土。按可凝固的組合物的合重或本發明的體系的第一和第二組分的合重的重量計，其用量可優選達到5%，優選達到3%。通常的量為，優選乂人按重量計0.0001%,優選從0.001%,更4尤選從0.01%至5%，伊C選達到3%,更伊C選達到2%的范圍內。根據本發明的可凝固的組合物可進行可選擇地發泡。人們已經吃驚地發現發泡的可凝固組合物具有足夠的壓縮強度，同時具有較低的密度。由于具有較低的密度，因此需要較少的組合物來提供支護，從而導致成本的節約。合第一和第二組分的步驟之前，在第一和/或第二組分中摻入(entraining)空氣的步驟。該摻入空氣的步艱《可以通過攪4半第一和/或第二組分(例如，通過使用高速混合器)或通過使用諸如螺桿泵或通氣泵(snorerpump)之類的力口氣泵(airentrainmentpump)泵送第一和/或第二組分來進行。可凝固的組合物形成了如下的壓縮強度在2小時為至少20psi,4尤選至少40psi;在一天為至少200psi，優選至少300psi;以及8天為至少400psi;4尤選至少500psi;更優選為至少600psi;其中，在20。C下儲存。人們可以理解，本文中使用的縮寫"psi，，是指以每平方英寸多少磅來測量的，其等于703kg/m2。本文中所披露的百分比均為按重量計算的百分比，除非提到可替代的計算方法。適用于本發明的硅酸鹽可以是美國專利第3,672,173號、第4,984,933號、第3，928，052號以及第4，655，837號中描述的任4可一種。優選的石圭酸鹽是》咸金屬石圭酸鹽并且優選的石圭石與氧化鈉的重量比為1.5至3.3比1。具體實施例方式通過以下實施例來說明本發明，這些實施例不是意在限制本發明的范圍。這些實施例描述了在混合后立即進行具有足夠^氐粘度(低于100厘泊的動力粘度)的流體的可凝固組合物的制備，以使其能夠包含額外的水并且是可流動的或自流平的。該組合物在12°C下，約30秒內被凝膠化。凝膠化之后，實施例中形成的可凝固的組合物沒有一個表現出泛漿。實施例1以下實施例是本發明的一個實施例。在本實施例中制備的組合物包含相對高量的石更石膏。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>威蘭膠是一種防止水泥固體沉淀的懸浮劑，因此在靜態條件下，其有助于儲存后的可抽吸性。熟石灰導致了對溫度依賴較小的凝膠化時間。葡萄糖酸鈉是一種用于硅酸鹽水泥的水化反應的緩凝劑。III型是根據15ASTMC150在美國使用的硅酸鹽水泥的一種標示(designation)。基于A和B的總重量的粉煤灰的量為11.57%。基于A和B的總重量的斬u酸鈣的量為2.44%。由表1中示出的個別成分制備漿料形式的組分A以及溶液形式的組分B。通過首先混合硅酸鹽水泥、威蘭膠、粉煤灰、硬石膏、石灰以及葡萄4唐酸鹽，然后將由此形成混合物(該混合物為4分末形式)加入水中來制備組分A。在所有的實施例中，組分A都是以制成干粉并將其加入水中的方式來制備的。在靜態條件下(換言之，不攪拌)，當儲存于15。C時，組分B具有不確定的泵浦壽命(pumpinglife),而I且分A具有幾天的泵浦壽命。將組分A與組分B等體積混合在一起，以產生自流平的流體組合物，添加的水可以4艮容易地混入其中。水與固體按重量計的比為2.02:1。將流體組合物如WO97/47859中所描述的抽吸至位于礦山中的柔性容器中，以使后者膨脹并與礦山的頂板和底板的輪廓密封接觸。測定單軸壓縮強度。在泡沫聚苯乙烯才莫具中制備100mm的凝固灌3泉(setgrout)立方體并^f吏用才示準壓縮i式馬全才幾(compressivetestmachine)在不同階段內測定它們的壓縮強度。在所有的實施例中都使用該方法。在20攝氏度下儲存后的壓縮強度如下:<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>在6周時，產生非易碎的形式的樣本。為使其在用作礦山支護時有效，人們希望組合物在載荷下產生且不以易石f的方式失步丈。實施例2本實施例描述了根據WO02/44100的一種組合物。其不包含額外的硫酸4丐并且與本發明不相一致，包含此例僅為比較的目的。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>使用如表2中示出的不同量的個別成分來重復實施例1。通過以如實施例1中描述的相同的順序混合所述成分來形成組分A。在靜態條件下，在15才聶氏度下儲存時，組分A和B在至少24小時內是可抽吸的。將組分A與B等體積混合在一起，以產生具有7jc與固體重量比為2.02:1的可凝固的組合物。將該組合物混合并將其泵送至如在實施例1中描述的柔性容器中。按如實施例l中所描述的，來測定單軸壓縮強度。所達到的壓縮強度如下2小時33psi4小時190psi24小時407psi8天523psi;28天788psi;以及6周874psi。實施例3本實施例是根據本發明的實施例，其示出了使用中間量的硬石膏的影響。表3<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>使用如表3示出的個別成分的量來制備組分A和B。在靜態條件下，在15攝氏度下儲存時，在至少24小時后兩種組分仍是可抽吸的。將組分等體積混合以產生自流平的可凝固的組合物流體，可以很容易地將額外的水混入其中。基于A與B的總重量，組合物中的粉煤灰的量為12.75%。水與固體的重量比為2.02:1。該組合物可在約30秒內凝月交化。將該組合物泵送至如在實施例1中描述的柔性容器中。壓縮強度如下8天662psi;28天843psi;以及6周1045psi。通過比較實施例1、2和3的性能可以看出，使用中間量的硬石灰的實施例3導致了中間的強度。實施例4當石克酸4丐的含量過高時，當樣品在水下^皮固化時，可產生大量的破壞性的內部膨脹。以下實施例在經受水下7天的固化后遭受到這種命運。當在密封的容器中凝固時，性能是可接受的并且沒有發生大量的^5皮壞性膨"長。在12周時的強度為1174psi。表4<table>tableseeoriginaldocumentpage19</column></row><table>使用如表4示出的個別成分的量來制備組分A和B。實施例5使用了C等級粉煤灰代替F型粉煤灰。比例如下:表5<table>tableseeoriginaldocumentpage19</column></row><table>使用如表5示出的個別成分的量來制備組分A和B。在靜態條件下，在15:攝氏度下存4諸時，在至少24小時內兩種組分是可抽吸的。將組分等體積混合以產生自流平的可凝固的組合物流體。該組合物的水與固體的重量比為2.07:1。^!夸該組合物泵送至如實施例1中所描述的柔性容器中。盡管在水下固化，但沒有發生大量的內部膨脹。性能如下7天754psi;6周1094psi;以及12周1280psi。實施例6在此實施例中，通過將以下成分干混在一起而得到組合物A:200g1型OPC40g硬石膏160gF型粉煤灰2g葡萄^f唐酸鈉0.2gJordaponCI粉末(椰油基羥乙基石黃酸鈉)0.2gMethoce1228(羥丙基甲基纖維素)0.2g威蘭月交將組合物A與400g的水在高速攪拌下進4于混合以摻入空氣。再將這種現在輕質(即低密度)灌漿與包含200g的40wt。/。的固體石圭酸鈉(石圭石/氧4b鈉的重量比為3.3:1)以及50g水的石圭酸鈉卩容液B進4亍混合。將該混合物在21。C下，在21秒內月交4匕。在第28天，利用4英寸(25.4mm)的立方體確定的壓縮強度為695psi。發泡灌漿混合物的比重為0.975。權利要求1.一種包括混合在一起以形成可凝固的水泥質組合物的兩種組分的體系，其中，第一組分包括(a)硅酸鹽水泥；(b)硫酸鈣；以及(c)水，水與硅酸鹽水泥和硫酸鈣固體的重量比為0.5∶1至5∶1；并且第二組分包括(d)水溶性硅酸鹽；以及(e)水，水與硅酸鹽固體的重量比為1.5∶1至25∶1。2.根據權利要求1所限定的體系，其中，所述第一組分包括基于通過混合所述第一和第二組分而形成的可凝固組合物的重量的4安重量計至少約6%的量的石圭酸鹽水泥。3.根據權利要求1或權利要求2所限定的體系，其中，所述第一組分包括基于通過混合所述第一和第二組分而形成的可凝固組合物的重量的4要重量計至少約0.5%的量的斬^酸4丐。4.根據前述權利要求中任一項所限定的體系，其中，所述第二組分包括基于通過混合所述第一和第二組分而形成的可凝固組合物的重量的按重量計至少約2%的量的水溶性硅酸鹽。5.根據前述權利要求中任一項所限定的體系，其中，所述第一和/或第二組分包含用于防止固體沉淀出來的懸浮劑。6.根據前述權利要求中任一項所限定的體系，其中，所述第一和/或第二組分包含用于水泥水化反應的《爰凝劑。7.才艮據前述4又利要求中任一項所限定的體系，其中，所述第一和/或第二組分包含用于提供早期剛度的膠凝劑。8.根據前述權利要求中任一項所限定的體系，其中，所述第一組分包含另一種非高鋁水泥。9.根據權利要求8所限定的體系，其中，基于通過混合所述第一和第二組分而形成的可凝固組合物的重量，所述另一種非高鋁水泥的量為按重量計約2%。10.根據前述權利要求中任一項所限定的體系，其中，通過混合所述第一和第二組分所形成的可凝固組合物具有按所述可凝固組合物的重量計至少約10%的最小固體含量。11.根據前述權利要求中任一項所限定的體系，其中，通過混合所述第一和第二組分所形成的可凝固組合物具有的水與固體的重量比為至少約1.2:1。12.根據前述權利要求中任一項所限定的體系，其中，所述第一和/或第二組分包含發泡劑。13.根據權利要求12所限定的體系，其中，所述第一和/或第二組分包含穩泡劑。14.一種基本上如在文中參照實施例1、3、5或6所描迷的體系。15.—種可凝固的水泥質組合物，其在足夠長的時間內為流體并且適用于柔性容器中，以在礦山中提供支護，其中，所述組合物包括(i)》圭酸鹽7jc泥；硫酸4丐；(iii)水溶性石圭酸鹽；以及(iv)水，水的量使水與固體的重量比為至少約1.2:1。16.根據權利要求15所限定的可凝固的組合物，其通過混合如權利要求1至14中4壬一項所限定的體系的所述第一和第二組分而形成。17.—種如權利要求15或權利要求16中所限定的可凝固的組合物，其是發泡的。18.—種生產可凝固組合物的方法，所述可凝固組合物在足夠長的時間內為流體，適用于在礦山中提供支護的柔性容器，其中，所述方法包4舌以下步駛《提供如權利要求1至14中任一項所限定的體系；以及將所述體系的所述第一和第二組分混和在一起以形成具有水與固體重量比為至少約1.2:1的可凝固的組合物。19.根據權利要求18所限定的方法，包括在將所述第一和第二組分進4于混和的步驟之前，在所述第一和/或第二組分中摻入空氣的步驟。20.—種在礦山中4是供支護的方法，其中，所述方法包括在礦山中的使用地點提供如權利要求1至14中任一項所限定的第一和第二組分，將所述組分進行混和以形成可凝固的組合物，全文摘要本發明涉及一種包含混合在一起形成可凝固的水泥質組合物的兩組分混合物，其中第一組分包括(a)硅酸鹽水泥、(b)硫酸鈣、以及(c)水，其與硅酸鹽水泥和硫酸鈣固體的重量比為0.5∶1至5∶1；第二組分包括(d)水溶性硅酸鹽、以及(e)水，其與硅酸鹽固體的重量比為1.5∶1至25∶1，其中該水泥質組合物具有較高的早期強度。由于該混合物硬化慢并且保持其塑性從而可在載荷下發生變形，因此它適用于礦山中使用的可膨脹支護。文檔編號C04B40/06GK101421201SQ200780013226公開日2009年4月29日申請日期2007年4月25日優先權日2006年4月25日發明者彼得·謝利·米爾斯申請人:米諾華國際有限公司