本申請是申請日為2013年3月11日，發明名稱為“制造輔助膠凝材料(scms)的方法”的中國專利申請2013800137440的分案申請。
本發明涉及一種制造輔助膠凝材料(scms)即火山灰的方法。
粉煤灰是一種輔助膠凝材料，其用于混凝土，砂漿和其它含水泥混合物的生產之中。粉煤灰是燃煤電廠的副產品，且每年在世界范圍內有著巨大的產量。
在瑞典專利no532790中描述了一種消除由于燃煤化學成分和煤燃燒的工藝參數變化導致的粉煤灰質量波動方法。火山灰的處理工藝，即如專利方法的粉煤灰，顯著地提高了混凝土的性能，并提供了更高等級的標準波特蘭水泥替代量，這帶來了顯著的經濟和環境效益。
粉煤灰通常含有約85％的微珠顆粒形式的玻璃態、無定形組分。根據astmc618，粉煤灰被分為兩大類，c級和f級。f級粉煤灰通常包含按重量計含大于70％的氧化硅、氧化鋁和鐵氧化物，而c級的含量通常在70％-50％之間。f級是煙煤燃燒時產生的副產物。c級粉煤灰具有較高的鈣含量，且是亞煙煤燃燒時產生的副產物。
深入研究證實，與不含粉煤灰的波特蘭水泥混凝土相比，波特蘭水泥被粉煤灰以超過50％的程度取代的高粉煤灰含量混凝土表現出更高的長期強度發展，較低的水滲透性和氣體滲透性，高的氯離子耐受性等等。
同時高粉煤灰含量混凝土存在明顯的缺點。一個缺點是在0到28天時段期間長的固化時間和非常慢的強度發展。在美國，這些負面效果將用以取代波特蘭水泥的粉煤灰水平降低至平均為約15％。
嚴重的問題還涉及粉煤灰性能的穩定性。通常煤的化學組成的變化和鍋爐操作參數的頻繁改變特別引起晶相和準晶相(所謂的熔渣)的形成，這導致粉煤灰反應性(所謂的凝硬活性)的降低。
歷史上，石灰石-火山灰混合物已經被2000多年前的古代羅馬人使用，并且很多的古建筑物例如古羅馬競技場仍處于良好的狀態。同時，盡管根據美國地質調查局的研究，數十億噸天然火山灰發現于美國西部和世界其他大部分地區，在現代建筑工業中，在混凝土中使用天然火山灰仍是非常有限的。
天然火山灰屬于火山起源和沉積成因的材料，如硅藻土。根據astmc618，其被認定為n級火山灰。天然火山灰在aci232.1r-00中的描述如下：“符合本文等級適用要求的原始或煅燒天然火山灰，如一些硅藻土；乳白燧石和頁巖；凝灰巖和火山灰燼或浮石，其中任何一種都可能經煅燒處理或可能不經煅燒處理；并且很多材料需要煅燒以得到令人滿意的性能，如某些粘土或頁巖”。
使用天然火山灰的原因是非常有限，可做說明如下。
天然火山灰顆粒的微觀結構的特征在于高孔隙率，這顯著增加了含天然火山灰的混凝土的需水量，以實現所需的混凝土流動性/可加工性。然而，對水需求的增加導致不能令人滿意的壓縮強度發展。
另外，活性礦物(即無定形材料)的不均勻分布(例如由于風化)，對含天然火山灰的混凝土的負面強度發展具有進一步的和不可接受的負面影響。
需要優化天然火山灰的粒徑分布，以達到高火山灰含量的混凝土的一致性能。優化的顆粒分布是這樣的：存在細和粗粒級。
根據美國混凝土學會aci232.1r-00的報告“在混凝土中使用原始或經處理的天然火山灰，天然火山灰的性質可以明顯改變，這取決于它們的起源和因此化學活性礦物的可變比例。化學活性礦物通常含有無定形材料(例如無定形二氧化硅)，其與波特蘭水泥水化時釋放的氫氧化鈣反應(火山灰反應)，并形成鈣-硅酸鹽-水合物凝膠[c-h-s凝膠]，這是一種與波特蘭水泥水化的所得產物類似的產物。
本發明解決了在混凝土中使用天然火山灰的問題。
因此，本發明涉及用于替代在砂漿和混凝土的生產中的波特蘭水泥的輔助膠凝材料的制造方法，其中膠凝材料包括巖石和灰燼和沉積成因形式的天然火山灰，如硅藻土。
本發明的特征在于，通過在研磨設備中的研磨，對處于粉碎狀態的所述火山灰進行高能機械加工，由此火山灰顆粒接受機械脈沖，且特征在于進行預定時間的研磨，導致包含80％波特蘭水泥和20％天然火山灰、與標準砂的比例為1:2.75、還包含按照美國標準astmc109獲得砂漿流所需的水的邊長2英寸的砂漿立方體，在振動下合適地壓實并在+20℃下在密封條件下硬化，在28天后的壓縮強度≥包含波特蘭水泥:砂比例為1:2.75且包含對應于波特蘭水泥重量48.5％的水、且如所述立方體那樣處理的邊長2英寸立方體的壓縮強度的75％。
該測試對應于美國標準astmc109。
將在下文中更詳細地描述本發明。
本發明涉及一種制造用于替代在砂漿和混凝土的生產中的波特蘭水泥的輔助膠凝材料的方法，其中膠凝材料包括火山起源和沉積成因的巖石和灰燼形式的天然火山灰，如硅藻土。
根據本發明，通過在研磨設備中的研磨，對處于粉碎狀態的所述火山灰進行高能機械加工，由此火山灰顆粒接受機械脈沖。
研磨導致其表面性質改變(形式為表面孔隙率降低)，以及與由水泥水化產生的堿性介質的化學反應性的改善。已經觀察到，對火山灰顆粒的處理使顆粒表面發生局部熔化，由此產生具有高的無定形化程度的區域。通過這種處理，可以觀察到，當用如此處理過的天然火山灰替代包含波特蘭水泥、火山灰、砂和水的水泥漿體、砂漿和混凝土中的部分波特蘭水泥時，天然火山灰表現出令人驚奇的優異效果。
進一步根據本發明，進行預定的時間研磨，導致包含80％波特蘭水泥和20％天然火山灰、與標準砂的比例為1:2.75、且還包含按照美國標準astmc109獲得砂漿流所需的水的邊長2英寸的砂漿立方體，在振動下合適地壓實并在+20℃下在密封條件下硬化，在28天后的壓縮強度≥包含波特蘭水泥:砂比例為1:2.75且還包含對應于波特蘭水泥重量48.5％的水、且如所述立方體那樣處理的邊長2英寸立方體的壓縮強度的75％。
根據astmc109，獲得砂漿流體的需水量可變化，但大約是波特蘭水泥和火山灰重量的40％-50％。
當使用天然火山灰時的壓縮強度對應于共用粉煤灰和波特蘭水泥時獲得的強度。
本發明可以使用不同類型的研磨設備實現，例如介質研磨裝備，如攪拌的、離心的、滾筒球磨，或非介質碾磨設備，如噴射的、沖擊的、具有施加經受加工的顆粒的主導剪切機械脈沖并結合有空氣分級的碾壓機。
可以使火山灰在研磨設備中經受研磨，該研磨設備對于所研磨的材料采用開路循環或閉路程序(circuit)。
優選的粒徑分布是：
≤5微米15-50％，
≤10微米30-65％
≤30微米90-95％。
根據優選的實施方案，在火山灰的所述加工期間或之后，將波特蘭水泥、f級或c級粉煤灰、細石英、花崗巖采石場細粉、再生混凝土或高爐爐渣的細粒級或其混合物添加到所述火山灰中。
根據另一個優選的實施方案，使波特蘭水泥、f級或c級粉煤灰、細石英、花崗巖采石場細粉、再生混凝土或高爐爐渣的細粒級或其混合物經受預研磨，以得到45微米的篩余小于5％的細度。
根據又一優選的實施方案，在火山灰的所述研磨工藝期間或之后，以粉末的形式向所述火山灰中加入減水劑、固化時間調節劑和強度促進混合物。
優選在混凝土或砂漿中，所述火山灰對替代波特蘭水泥的替代是15％-約70％。
還優選在所述研磨設備中研磨火山灰，以實現30微米的篩余小于5％的最終產品細度。
本發明的若干實施方案已在上面描述。然而，本發明并不限于上述的示例性實施方案，而是可以在權利要求的范圍內進行變化。