控制灰砂水泥之撓曲粘結強度、含氣量及和易性的添加劑的制作方法

專利名稱：控制灰砂水泥之撓曲粘結強度、含氣量及和易性的添加劑的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種改進性能的灰砂水泥組合物，用于生產供磚、砌塊和石制砌筑結構安裝的砌筑砂漿。更具體而言，本發明涉及一類聚合物添加劑在這種組合物中的應用，使其具有改善的撓曲粘結強度，低含氣量以及改善的和易性，從而可以獲準用于所有地震帶建筑結構中。
背景技術：
水硬水泥是細磨的石灰，氧化鋁和二氧化硅的混合物，當與水混合時固化成硬制產品，它與其他組分化學結合構成一種水合物。
在本發明之前主要有兩種用于砌筑結構的由工廠生產的水硬水泥產品常規砌筑水泥和波特蘭水泥/石灰石砂漿混合物。現今美國市場被這兩種產品所分割。這兩種水硬水泥產品都包含波特蘭水泥作為主要成分。
波特蘭水泥是一類灰色細粉狀的水硬水泥，其中包含石灰石、氧化鋁、二氧化硅和氧化鐵，例如鐵鋁酸四鈣(4Ca·Al2O3·Fe2O3)、鋁酸三鈣(3CaO·Al2O3)、硅酸三鈣(3CaO·SiO2)和硅酸二鈣(2Ca·SiO2)的。其中也存在少量鎂，鈉，鉀和硫。其硬化不需要空氣，在水存在下即可發生。
砌筑水泥是一類特殊的水泥，一般來說由它制成的砂漿要比波特蘭水泥/石灰石混合物有更好的和易性和塑性。因為其顯著的低撓曲強度和差的粘合性能，常規砌筑水泥一般不適用于未加強的承重砌筑結構中，尤其在地震高活動區情況更是如此。一般來說，是由于高含氣量(如18-20％)以及適當強度促進劑和粘合劑的缺乏和低水平使得這些缺陷不能被消除。
以常規砌筑水泥為基礎的砌筑砂漿是一種砌筑水泥、砂子、功能性添加劑和水的混合物。一般來說，這種砌筑砂漿在未加強的承重砌筑結構中不能提供足夠的撓曲粘結強度。為滿足撓曲粘結強度的需要，可以采取兩種砂漿。其中一種材料為波特蘭水泥和石灰的混合物。
另一種在近期引入的特殊水泥是灰砂水泥。灰砂水泥是具有多種組成的擁有專利權的組合物，所有灰砂水泥均包含細磨的波特蘭水泥塊、細磨的石灰石、以及可以包含石灰的功能性添加劑。灰砂水泥需滿足ASTM 1329中所規定的最低撓曲粘結強度的指標。
現今用于砌筑結構工業中的灰砂水泥有三種類型，即M、N和S型。這些類型的水泥是依據其粘結性能進行劃分的。一般來說，強度依賴于細磨的波特蘭水泥塊、細磨的石灰石、石灰、加氣劑和其他添加劑的用量而定。下列表A中列舉了ASTM C-1329對于這些灰砂水泥類型所規定的物理指標。
表A物理指標
現今采用波特蘭水泥/石灰混合物制造高撓曲粘結強度的砂漿。但一般來說由波特蘭水泥和石灰制造的砂漿和易性差。因此對于在ASTM C-1329所規定的相對較低含氣量條件下制造撓曲粘結強度及和易性俱佳的灰砂水泥的需要是存在的。
因此，本發明涉及一類新型的用于灰砂水泥的聚合物添加劑，使得灰砂水泥在低含氣量條件下滿足撓曲粘結強度及和易性俱佳的要求。這類聚合物添加劑的特征在于它們在灰砂水泥關鍵成分波特蘭水泥上吸附量低，而且它們是一類用于砌筑結構的新型材料。現有技術中尚未發現該類聚合物添加劑在這一特殊應用領域中的應用。
發明簡述本發明涉及一種灰砂水泥組合物，其包含a)細磨的波特蘭水泥塊，b)細磨的石灰石和/或石灰，c)砂子，d)使組合物具有流動性的足夠量的水，以及e)至少一種水溶性聚合物，以組分的總干重計，其用量的下限約為0.001wt％，上限約為0.04wt％，其條件是聚合物在波特蘭水泥上的吸附量小于50％，而且灰砂水泥具有ASTM C1329-96所規定的8-16％的含氣量以及70 psi的撓曲粘結強度。
本發明還涉及一種通過在灰砂水泥中添加至少一種水溶性聚合物來改善灰砂水泥之撓曲粘結強度的方法，其中灰砂水泥包含水泥、砂子、水、以及至少一種水溶性聚合物，以組分的總干重計，水溶性聚合物用量的下限約為0.001wt％，上限約為0.04wt％，其中灰砂水泥具有ASTMC1329-96所規定的8-16％的含氣量以及70 psi的撓曲粘結強度。
發明祥述令人驚奇地發現某些添加劑由于所需濃度低可以增加灰砂水泥的撓曲粘結強度(FBS)但不損害其和易性，并且可以滿足ASTM C1329所規定的其他指標。還令人驚奇地發現改善撓曲粘結強度及和易性的聚合物在波特蘭水泥上的吸附量均低，以總固形物計，吸附量小于50％，優選小于40％，更優選小于30％。這種添加劑是一類水溶性聚合物，它們在強堿性條件下(即pH大于10)具有好的穩定性。它們是纖維素類或合成的水溶性聚合物，經加工后它們保持水的能力高并且在波特蘭水泥上吸附量低。對聚合物的疏水基含量和分子量進行控制使得僅有最小量的聚合物與礦物相互作用，而大多數聚合物存在于水相中。在含氣量低的情況下它們造成好的和易性和高的撓曲粘結強度。它們與其他用于砌筑砂漿的商品水泥摻合體具有相容性。例如烷基縮水甘油基修飾的羥乙基纖維素(Hercules Incorporated，以商標NextonM23W、Nexton、M20W和Nexton3082R銷售)、甲基羥乙基纖維素(MHEC)(HerculesIncorporated，以商標CulminalMHEC40,000P銷售)、以及甲基羥丙基纖維素(MHPC)(Hercules Incorporated，以商標CulrninalMHPC20000PFR銷售或Dow公司的MHPC產品Methocel240S)可用于這種灰砂水泥。對于波特蘭水泥來說，其他水溶性聚合物，如改性聚乙烯醇和改性淀粉，也可被加工成具有這種吸附行為。達到這一目的一種現實可行的方法是混合多種用于灰砂水泥的具有不同吸附量的聚合物。
本發明適用于任何含有波特蘭水泥的灰砂水泥組合物。以組分的總干重計，本發明組合物中的水泥含量的下限為20wt％，優選為23wt％，更優選為25wt％；水泥含量的上限為40wt％，優選為35wt％，更優選為30wt％。
任何類型的常用于建筑工業的砂子均可用于本發明。砂子的典型實例是ASTM 20/30硅砂和工地用砂。本發明組合物中砂子含量的下限為55wt％，優選為60wt％，更優選為65wt％砂子含量的上限為80wt％，優選為78wt％，更優選為75wt％。
在本發明中，應存在少量水以滿足所需的流動性。換而言之，必須存在足夠量的水使得砂漿組合物可以流動。砂漿中的水含量由多種因素決定，例如濕度、其他組分的潮濕水平以及所加入的混合水。術語“流動”和“可以流動”是指砂漿中含有足夠的水使得砂漿具有可用于設計應用中的稠度。
本發明水溶性聚合物選自于羥丙基纖維素(HPC)、羥乙基纖維素(HEC)、甲基纖維素(MC)、羥丙基甲基纖維素(HPMC)、甲基羥乙基纖維素(MHEC)(Hercules Incorporated，以商標CulminalMHEC40,000P銷售)、以及經疏水性修飾的羥乙基纖維素(HMHEC)，只要聚合物在波特蘭水泥上的吸附量小于50％即可。
HMHEC是一種經疏水性修飾的HEC，其中疏水性片斷為含有上限為20個碳原子、優選為8個碳原子、更優選為4個碳原子的直鏈或支鏈烷基或芳基。HMHEC中疏水基的碳原子的下限是直鏈烷基為2，支鏈烷基為3。應認識到HMHEC骨架中可以含有多于一種的疏水基。例如2碳烷基和4碳烷基可以存在于相同聚合物骨架中。HMHEC的具體實例為乙基羥乙基纖維素、丁基縮水甘油醚羥乙基纖維素和十二烷基縮水甘油醚羥乙基纖維素。
HMHEC的疏水基摩爾取代度的下限為0.005，上限約為0.2。本發明之水溶性聚合物的重均分子量的下限約為50,000、優選為70,000、更優選為100,000，而上限約為1,500,000。另外，25℃下采用Brookfield粘度儀于30rpm下測量時，4％濃度的本發明的聚合物溶液的粘度至少為100cps。
存在于本發明組合物中的水溶性聚合物含量的上限應小于0.049wt％，優選為0.04wt％，更優選為0.03wt％，再優選為0.02wt％，最優選為0.01wt％。
在本發明中功能性添加劑可任選地用于組合物中。依賴于設計終用途以及工業中為人所熟知的其他條件，由制造商決定添加功能性添加劑的必要性以及類型。這些功能性添加劑的實例有加氣劑、固化延遲劑、飛塵或研磨助劑。調整功能性添加劑的用量以獲得好的砂漿性能，一般來說它們在組合物中含量的上限為1wt％。這些功能性添加劑是任選的，不能用于替代本發明的水溶性聚合物。
以下實施例僅用于進一步描述本發明而不應被認為是對本發明的限制。除另有注明外，所有份量和百分比均以重量計。
實施例1將一系列的3種烷基縮水甘油基修飾的羥乙基纖維素聚合物與波特蘭水泥和大理石粉(細磨石灰石的一種形式)混合構成砂漿水泥。以重量計，波特蘭水泥/大理石粉的比例為70/30。以砂漿固體組分計，聚合物含量為0.007wt％。所采用的典型水泥砂漿試樣的配方列于下表1中。
表1灰砂水泥配方
*S型砌筑水泥是來自Keystone Cement Inc.的商品，**砂子是Ottawa分級硅石和ASTM C-778中20/30硅石(1/1比例)的混合物，來自Union Corp,La Seur,Minnesota,***調節水含量使得按流動性表(ASTM 1329)測得砂漿流動性為110-130,a這是一種實驗性的HMHEC聚合物，25℃下的1％Brookfield粘度為800-1200cps。
采用實驗室Hobart混合器制備砂漿。調節水含量使得流動性為125±5進行撓曲粘結強度測量。采用National Concrete Masonary Association(NCMA),Hemdon,Virginia的標準水泥磚制備幾個粘合試樣用于撓曲粘結強度(FBS)測量。采用粘合鉗(依據Uniform Building Code(UBC)21-20)測量FBS前將粘合試樣固化28天。依據ASTM C91-96測量保水性和含氣量。砂漿的和易性被劃分為差、尚可、好和優。對波特蘭水泥、聚合物和水(0.05wt％聚合物)的混合物離心，取上清液測量聚合物在波特蘭水泥上的吸附量。在一個燒杯中利用機械攪拌器將類型1波特蘭水泥，聚合物和水(400g/0.2g/150g)混合10分鐘。將水泥漿液轉移至離心管中并于1300rpm下離心1小時。將上清液與水泥漿分離并繼續離心30分鐘。在分析聚合物濃度之前，采用25mm針管過濾器(來自Chromacol,Trumbul,CT)對上清液進行過濾。上清液中聚合物的濃度采用安裝有折光系數檢測器(ERMA 7512,ERMA CR Inc.,Tokyo,Japan)的尺寸排阻色譜儀(SEC)在30℃下進行測量。通過SEC色譜圖中經分離的聚合物峰高確定上清液中聚合物的濃度。SEC安裝有三個SynchropakHPLA柱(2個GPC 300-250×4.6mm和1個GPC 100-250×4.6mm)，并采用含有0.5摩爾硝酸鋰的70％甲醇溶液作為流動相。砂漿性質以及聚合物吸附值概括于下表2中。
表2砂漿性能和聚合物吸附值
實施例2采用由62％的波特蘭水泥塊、34％石灰石和4％石膏制成的坯料水泥制備砂漿。在Construction Technology Laboratories(CTL),Skokie,Illinois處采用小型球磨機將細度研磨成blaine比表面為600m2/kg。采用Ottawa砂制備流動性為125的實驗用砂漿組合物。下表3中列出經聚合物Culninal20000PFR MHPC、NextonM20W HMHEC、Culminal4000 PFR MHPC和Natrosol250HR HEC改良的砂漿的性質。
表3中試樣9的砂漿數值是由2種聚合物的混合物(NextonM20WHMHEC和Culminal3000P MC,65wt％/35wt％)所得到的。聚合物的混合物按實施例1的方式與水泥和砂子混合。
表3砂漿性能和聚合物吸附值
*與實施例1相同，在水中聚合物在波特蘭水泥上的吸附性是用尺寸排阻色譜發測定的。
對照實施例A采用羥丙基瓜爾膠和羧甲基纖維素(CMC)和合成水溶性聚合物如水溶性的堿性聚丙烯酸鹽(AlcogumL-35)和改性的聚丙烯酸鹽(AcrysolTT-935)制成砂漿。AlcogumL-35是Alco ChemicalCorporation的產品。AcrysolTT-935是Rohm and Haas的產品。砂漿配方與實施例1的試樣3相同，只是Nexton聚合物由羥丙基瓜爾膠(HPG)、羧甲基纖維素(CMC)和合成水溶性聚合物替代。聚合物濃度也與試樣3相同(以固體計0.007％)。砂漿性質列于表4中。
由于大多數聚合物吸附在水泥之上，采用這些聚合物的砂漿的和易性差并且保持水的能力低(＜50％)。樣品和易性差并且保水性低，不能制備出供FBS測試用的粘合試樣。
表4砂漿性能和聚合物吸附值
*砂漿和易性非常差并且保水性非常低，不能制備出供FBS測試用的粘合試樣。**由于砂漿性能差并且保水性不可接受，含氣量不能測出。
實施例3采用不同含量的經疏水性修飾的羥乙基纖維素(Nexton M20W產品)制備砂漿組合物。砂漿組成與表1相同，只是聚合物濃度按表5所示進行改變。
表5中的試樣證明了本發明與第4,938,192號美國專利之間的差別。在建筑組合物、特別是灰砂水泥中，本發明所需的水溶性聚合物的濃度更低(以固體計＜0.05％)。
表5含有不同量Nexton AD202的砂漿的物理性能
*該濃度為H.E.t’Sas.的USP4,938,192表6所述建筑組合物中公開的聚合物濃度。本發明上限濃度要明顯低于USP4,938,192的下限濃度。**由于砂漿和易性差并且粘稠所以未進行FBS測量。
雖然以具體實施方案為參考已經對本發明進行描述，但應認識到它們并不用于對本發明進行限制。在不背離本發明范圍和精神的條件下，可能存在多種改變和改良。
權利要求
1.一種灰砂水泥組合物，其包含a)細磨的波特蘭水泥塊，b)細磨的石灰石和/或石灰，c)砂子，d)使組合物具有流動性的足夠量的水，以及e)至少一種水溶性聚合物，以組分的總干重計，其用量的下限約為0.001wt％，上限約為0.04wt％，其條件是聚合物在波特蘭水泥上的吸附量小于50％，而且灰砂水泥具有ASTM C-1329-96所規定的8-16％的含氣量以及70 psi的撓曲粘結強度。
2.如權利要求1所述的組合物，其中以組分總干重計水泥含量的下限為20wt％。
3.如權利要求2所述的組合物，其中以組分總于重計水泥含量的上限為40wt％。
4.如權利要求1所述的組合物，其中以組分總干重計砂子含量的下限為55wt％。
5.如權利要求4所述的組合物，其中以組分總干重計砂子含量的上限為80wt％。
6.如權利要求1所述的組合物，其中以組分總干重計水溶性聚合物含量的下限為0.003wt％。
7.如權利要求1所述的組合物，其中以組分總干重計水溶性聚合物含量的下限為0.005wt％。
8.如權利要求1所述的組合物，其中以組分總于重計水溶性聚合物含量的上限為0.03wt％。
9.如權利要求1所述的組合物，其中以組分總干重計水溶性聚合物含量的上限為0.02wt％。
10.如權利要求1所述的組合物，其中以組分總干重計水溶性聚合物含量為0.01wt％。
11.如權利要求1所述的組合物，其中水溶性聚合物選自于以下組中羥丙基纖維素(HPC)、羥乙基纖維素(HEC)、甲基纖維素(MC)、羥丙基甲基纖維素(HPMC)、甲基羥乙基纖維素(MHEC)、經疏水性修飾的羥乙基纖維素(HMHEC)及其混合物。
12.如權利要求11所述的組合物，其中水溶性聚合物是HMHEC，該HMHEC含有至少一個疏水基，而該疏水基為含有下限為2個碳原子、上限為20個碳原子的烷基或芳基片斷。
13.如權利要求12所述的組合物，其中水溶性聚合物是HMHEC和HPMC的混合物。
14.如權利要求12所述的組合物，其中上限為10個碳原子。
15.如權利要求14所述的組合物，其中上限為6個碳原子。
16.如權利要求1所述的組合物，其中25℃下采用Brookfield粘度儀于30rpm下測量時，4％濃度的聚合物溶液粘度至少為100cps。
17.如權利要求15所述的組合物，其中疏水基的摩爾取代度的下限為0.005，上限約為0.2。
18.如權利要求1所述的組合物，其中水溶性聚合物的重均分子量的下限約為50,000，上限約為1,500,000。
19.如權利要求1所述的組合物，其中聚合物在波特蘭水泥上的吸附量小于40％。
20.如權利要求1所述的組合物，其中聚合物在波特蘭水泥上的吸附量小于30％。
21.如權利要求1所述的組合物，其中聚合物在波特蘭水泥上的吸附量小于20％。
22.如權利要求1所述的組合物，其中在組合物中至少存在一種功能性添加劑。
23.如權利要求22所述的組合物，其中所述至少一種功能性添加劑用量的上限為1wt％。
24.如權利要求22所述的組合物，其中功能性添加劑選自于加氣劑、固化延遲劑、飛塵和研磨助劑。
25.一種通過在灰砂水泥中添加至少一種水溶性聚合物來改善灰砂水泥之撓曲粘結強度的方法，其中灰砂水泥包含細磨的波特蘭水泥塊、細磨的石灰石和/或石灰、砂子和水，以組分的總干重計，所述水溶性聚合物用量的下限約為0.001wt％，上限約為0.04wt％，其條件是聚合物在細磨的波特蘭水泥塊上的吸附量小于50％，而且所得的灰砂水泥具有8-16％的含氣量以及70 psi的撓曲粘結強度。
26.如權利要求25所述的方法，其中以組分總于重計細磨的波特蘭水泥塊含量的下限為20wt％。
27.如權利要求26所述的方法，其中以組分總干重計細磨的波特蘭水泥塊含量的上限為40wt％。
28.如權利要求25所述的方法，其中以組分總干重計砂子含量的下限為55wt％。
29.如權利要求28所述的方法，其中以組分總干重計砂子含量的上限為80wt％。
30.如權利要求25所述的方法，其中以組分總干重計水溶性聚合物含量的下限為0.003wt％。
31.如權利要求25所述的方法，其中以組分總干重計水溶性聚合物含量的下限為0.005wt％。
32.如權利要求25所述的方法，其中以組分總干重計水溶性聚合物含量的上限為0.03wt％。
33.如權利要求25所述的方法，其中以組分總干重計水溶性聚合物含量的上限為0.02wt％。
34.如權利要求25所述的方法，其中以組分總干重計水溶性聚合物含量為0.01wt％。
35.如權利要求25所述的方法，其中水溶性聚合物選自于以下組中羥丙基纖維素(HPC)、羥乙基纖維素(HEC)、甲基纖維素(MC)、甲基羥丙基纖維素(MHPC)、甲基羥乙基纖維素(MHEC)、經疏水性修飾的羥乙基纖維素(HMHEC)及其混合物。
36.如權利要求35所述的方法，其中水溶性聚合物是HMHEC，而疏水基為含有下限為2個碳原子、上限為16個碳原子的烷基或芳基。
37.如權利要求36所述的方法，其中水溶性聚合物是HMHEC和HPMC的混合物。
38.如權利要求36所述的方法，其中上限為10個碳原子。
39.如權利要求36所述的方法，其中上限為6個碳原子。
40.如權利要求24所述的方法，其中聚合物在細磨的波特蘭水泥塊上的吸附量小于40％。
41.如權利要求38所述的方法，其中聚合物在細磨的波特蘭水泥塊上的吸附量小于30％。
42.如權利要求39所述的方法，其中聚合物在細磨的波特蘭水泥塊上的吸附量小于20％。
43.如權利要求25所述的方法，其中在灰砂水泥中添加至少一種功能性添加劑。
44.如權利要求43所述的方法，其中上述至少一種功能性添加劑的用量的上限為1wt％。
45.如權利要求43所述的組合物，其中功能性添加劑選自于加氣劑、固化延遲劑、飛塵和研磨助劑。
46.如權利要求36所述的方法，其中HMHEC的疏水基摩爾取代度的下限為0.005，上限約為0.2。
47.如權利要求36所述的方法，其中HMHEC的重均分子量的下限約為50,000，上限約為1,500,000。
全文摘要
一種灰砂水泥組合物,其包含細磨的波特蘭水泥塊、細磨的石灰石和/或石灰、砂子和水、以及至少一種水溶性聚合物,水的量足以使組合物具有流動性,以組分的總干重計,水溶性聚合物用量的下限約為0.001wt%,上限約為0.04wt%,其條件上:聚合物在波特蘭水泥上的吸附量小于50%,而且所得的灰砂水泥具有8－16%的含氣量以及70psi的撓曲粘結強度。該灰砂水泥組合物可用于所有地震帶中的建筑結構。
文檔編號C04B28/04GK1310696SQ99808959
公開日2001年8月29日 申請日期1999年5月25日 優先權日1998年7月20日
發明者阿瑟·L·安蒂拉, 桑·G·楚, 托馬斯·J·波德拉斯, 楊騰紹 申請人:赫爾克里士公司