一種包含工業副產物的高強度水泥、灰泥和混凝土的制作方法
【專利說明】
[0001] 本申請是申請日為2008年1月22日，申請號為200880009159. 2,發明名稱為"一 種包含工業副產物的高強度水泥、灰泥和混凝土"的發明專利申請的分案申請。
技術領域
[0002] 本發明公開了一類用于制造混和的水硬性水泥狀材料、其混凝土及其灰泥衍生物 的新型組合物，這些水泥狀材料、其混凝土及其灰泥衍生物可用于基礎建筑、修補、預制塊、 裝甲、噴射和其它應用。這些材料中含鈣工業副產物與化學活性劑、阻滯劑、結合促進劑和 機械強度改進劑之間的反應可控。
【背景技術】
[0003] 具有火山灰性質的材料包含玻璃態硅石和礬土，這種玻璃態硅石和礬土在水和游 離石灰的存在下與石灰中的鈣發生反應從而制成硅酸鈣水合物。具有天然火山灰和工業火 山灰二種形式。
[0004] 在工業工藝中生產的工業火山灰包括例如C級飛灰和F級飛灰。在燃燒焦炭 的過程中生產這些飛灰。它們由存在于焦炭中的無機、不可燃物質組成，這些物質在燃 燒過程中熔合呈玻璃狀無定型結構。工業上生產的飛灰的等級取決于所用焦炭的類型。 褐煤（lignite)或次煙煤（subbituminous coal)的燃燒通常生產C級飛灰。無煙煤 (anthracite)和煙煤（bituminous coal)的燃燒通常生產F級飛灰。
[0005] 正如ASTM C618所定義，C級飛灰的特性包括高于F級飛灰的石灰含量。C級飛灰 的石灰含量較高使得C級飛灰自硬化，而F級飛灰通常需要添加額外的石灰或水泥來形成 水泥狀材料。
[0006] 天然火山灰的實例是N級火山灰。N級火山灰是未加工的或經煅燒的天然火山 灰，諸如一些娃藻土、蛋白石質燧石（opaline chert)和頁巖；凝灰巖、火山巖灰（volcanic ash)和浮巖；以及煅燒的粘土和頁巖。
[0007] ASTM-C618中進一步限定了 C級火山灰、F級火山灰以及N級火山灰的化學性質和 物理性質，該標準公開的內容通過引用全文插入本文。
[0008] 已知通常在波特蘭水泥的存在下將飛灰用在水泥組合物中。Brook等人的美國專 利5, 556, 458要求至少20 %的波特蘭水泥。具體地，Brook等人指出，在他們的組合物中需 要波特蘭水泥從而克服飛灰組合物初期強度低的缺陷。
[0009] Gravitt等人的美國專利4, 997, 484以及Hick等人的美國專利7, 288, 148公開 了一種沒有波特蘭水泥的飛灰水泥組合物，但該組合物依靠酸-堿反應體系利用檸檬酸 (~ pH 2. 2)和堿性氫氧化物（~ pH 12-14)或金屬碳酸鹽（~ pH 11. 6)的組合作用。但 是Gravitt和Hicks的飛灰水泥組合物不具有許有水泥應用所需要的強度和硬度。
【發明內容】
[0010] 本發明描述了一種水泥組合物，其中天然和/或工業火山灰粉末的粘結性質被精 確控制。水泥狀組合物基本上不含強酸和強堿，諸如檸檬酸（~pH2. 2)和堿金屬活化劑， 包括堿性氫氧化物（~ PH12-14)或金屬碳酸鹽（~ pHll. 6)。本發明用pH中性水合活化 劑或促進劑替代傳統的酸-堿化學反應，從而活化或促進水泥水合。根據本發明，PH中性 水合活化劑是主要的活化劑。根據優選的實施方式，活化劑的PH介于6和9之間。根據更 優選的實施方式，活化劑的pH介于6. 5和8. 5之間。pH在上述范圍以外的其它活化劑可 以少量存在于水泥組合物，前提條件是PH中性活化劑的含量相對于水泥組合物中活化劑 的總量超過50重量％。換句話說，pH小于約6或大于約9的活化劑在水泥組合物中的總 量相對于所有活化劑總重應當小于50重量％，優選小于30重量％，更優選小于25重量％。 pH在6-9范圍以外的活化劑試劑包括檸檬酸、堿金屬活化劑（諸如氫氧化鉀）和堿金屬碳 酸鹽（諸如氫氧化鉀）
[0011] 可用在本發明中的pH中性活化劑包括檸檬酸鹽、蘋果酸、丙二醇、乙醇酸和這些 酸的鹽以及硝酸鈣。出于本發明的目的，術語"pH中性"指pH介于6和9之間。
[0012] 根據本發明的優選實施方式，中性pH檸檬酸鹽（例如檸檬酸鉀）被用作活化劑。 單一的檸檬酸鹽或檸檬酸鹽的組合可被用作唯一的活化劑。或者，檸檬酸鹽可以與其它已 知的活化劑組合使用，前提條件是，PH小于6或大于9的活化劑在水泥組合物中的總量相 對于所有活化劑總重小于50重量％，優選小于30重量％，更優選小于25重量％。硼化合 物或其它傳統的阻滯劑可以用在組合物中。
[0013] 水泥可以包含單獨的或組合的C級飛灰、F級飛灰、N級火山灰。水泥還可以包含 其它添加劑，包括硅灰（silica fume)、鋁酸鈣、氧化鎂、石灰、一種或多種來自硼酸鹽家族 (例如硼酸或硼砂）的阻滯劑、有機阻滯劑（諸如葡糖庚糖酸鈉）、反應性粘土（諸如偏高 嶺土）、硅灰石、引氣劑（AEA)、乳膠、纖維（用于斷裂韌性）、收縮補償劑和減水劑。在基礎 火山灰粉末是F級飛灰或N級火山灰的情況下，水泥包含一種或多種富鈣材料，優選包含工 業副產物，諸如水泥窯粉塵、石灰窯粉塵、爐渣和洗滌灰。
[0014] 所公開的水泥可以單獨使用，或者可以與其它水泥諸如波特蘭水泥、爐渣水泥和 其它類型的傳統水泥共混。然而，為了顯示本發明水泥出眾的性質，本發明的水泥不需要其 它水泥。因此，根據本發明的水泥基本上不含波特蘭水泥。
[0015] 從本發明來看，短語"基本上不含"指含量基于參照組合物的總重小于1重量％。
[0016] 水泥狀組合物除了水泥以外還可以包含一種或多種填料。
[0017] 根據本發明的水泥組合物具有如下令人意想不到的良好特性：尺寸穩定性、強度、 硬度、作業時間、滲透性、耐硫酸鹽性、耐冷凍-解凍性、堿性-集料（aggregate)反應性的 減緩以及/或良好的固化時間。
[0018] 根據實施方式，可水合水泥包含：火山灰粉末；一種或多種pH中性活化劑；和阻滯 劑，其中所述可水合水泥具有基于所述可水合水泥的總重15wt%或更高的以氧化物形式表 示的鈣含量；并且PH中性活化劑占所述可水合水泥中的活化劑總重的50%以上；并且所述 可水合水泥中波特蘭水泥的含量基于所述可水合水泥的總重小于20重量％。
[0019] 根據另一實施方式，可水合水泥包含檸檬酸鹽活化劑，其中，所述檸檬酸鹽活化劑 占所述可水合水泥中活化劑總重的95%以上。
[0020] 根據另一實施方式，可水合水泥包含：火山灰粉末；兩種或多種活化劑，其中的至 少一種具有約6至約9的pH ;和阻滯劑，其中所述可水合水泥具有基于所述可水合水泥的 總重15wt%或更高的以氧化物形式表示的鈣含量；并且pH介于約6和約9之間的所述活 化劑占所述可水合水泥中的活化劑總重的50%以上。
[0021] 根據另一實施方式，水泥狀組合物包含可水合水泥以及一種或多種集料填料，所 述可水合水泥包含火山灰粉末；兩種或多種活化劑，其中的至少一種具有約6至約9的pH ; 和阻滯劑，其中所述可水合水泥具有基于所述可水合水泥的總重15wt%或更高的以氧化物 形式表示的鈣含量；并且PH介于約6和約9之間的所述活化劑占所述可水合水泥中的活化 劑總重的50%以上。所述集料填料可以選自由硅砂、天然砂、來自石料制造的人造細集料、 底渣、爐渣、毛玻璃、回收的鑄造用砂及其組合。水泥狀組合物的作業時間介于10分鐘和2 小時之間，或者其可以具有大于2小時的作業時間。
[0022] 根據另一實施方式，水泥狀組合物包含可水合水泥以及一種或多種集料填料，所 述可水合水泥包含火山灰粉末；一種或多種PH中性活化劑；和阻滯劑，其中所述可水合水 泥具有基于所述可水合水泥的總重15wt%或更高的以氧化物形式表示的鈣含量；并且pH 中性活化劑占所述可水合水泥中的活化劑總重的50%以上；并且所述可水合水泥中波特 蘭水泥的含量基于所述可水合水泥的總重小于20重量％。
[0023] 根據另一實施方式，制品包含經水合的且經硬化的水泥組合物，所述水泥組合物 包含火山灰粉末；兩種或多種活化劑，其中的至少一種具有約6至約9的pH ;和阻滯劑，其 中所述可水合水泥具有基于所述可水合水泥的總重15wt%或更高的以氧化物形式表示的 鈣含量；并且PH介于約6和約9之間的所述活化劑占所述可水合水泥中的活化劑總重的 50%以上。
[0024] 根據另一實施方式，制品包含經水合的且經硬化的水泥組合物，所述水泥組合物 包含火山灰粉末；一種或多種PH中性活化劑；和阻滯劑，其中所述可水合水泥具有基于所 述可水合水泥的總重15wt%或更高的以氧化物形式表示的鈣含量；并且pH中性活化劑占 所述可水合水泥中的活化劑總重的50%以上；并且所述可水合水泥中波特蘭水泥的含量 基于所述