一种包含工业副产物的高强度水泥、灰泥和混凝土的制作方法

专利名称：：一种包含工业副产物的高强度水泥、灰泥和混凝土的制作方法
技术领域：
：本发明公开了一类用于制造混和的水硬性水泥状材料、其混凝土及其灰泥衍生物的新型组合物，这些水泥状材料、其混凝土及其灰泥衍生物可用于基础建筑、修补、预制块、装甲、喷射和其它应用。这些材料中含钙工业副产物与化学活性剂、阻滞剂、结合促进剂和机械强度改进剂之间的反应可控。
背景技术：
：具有火山灰性质的材料包含玻璃态硅石和矾土，这种玻璃态硅石和矾土在水和游离石灰的存在下与石灰中的钙发生反应从而制成硅酸钙水合物。具有天然火山灰和工业火山灰二种形式。在工业工艺中生产的工业火山灰包括例如C级飞灰和F级飞灰。在燃烧焦炭的过程中生产这些飞灰。它们由存在于焦炭中的无机、不可燃物质组成，这些物质在燃烧过程中熔合呈玻璃状无定型结构。工业上生产的飞灰的等级取决于所用焦炭的类型。褐煤(lignite)或次烟煤(subbituminouscoal)的燃烧通常生产C级飞灰。无烟煤(anthracite)和烟煤(bituminouscoal)的燃烧通常生产F级飞灰。正如ASTMC618所定义，C级飞灰的特性包括高于F级飞灰的石灰含量。C级飞灰的石灰含量较高使得C级飞灰自硬化，而F级飞灰通常需要添加额外的石灰或水泥来形成水泥状材料。天然火山灰的实例是N级火山灰。N级火山灰是未加工的或经煅烧的天然火山灰，诸如一些硅藻土、蛋白石质燧石(opalinechert)和页岩；凝灰岩、火山岩灰(volcanicash)和浮岩；以及煅烧的粘土和页岩。ASTM-C618中进一步限定了C级火山灰、F级火山灰以及N级火山灰的化学性质和物理性质，该标准公开的内容通过引用全文插入本文。已知通常在波特兰水泥的存在下将飞灰用在水泥组合物中。Brook等人的美国专利5,556,458要求至少20%的波特兰水泥。具体地，Brook等人指出，在他们的组合物中需要波特兰水泥从而克服飞灰组合物初期强度低的缺陷。Gravitt等人的美国专利4，997，484以及Hick等人的美国专利7，288，148公开了一种没有波特兰水泥的飞灰水泥组合物，但该组合物依靠酸-碱反应体系利用柠檬酸(予H2.2)和碱性氢氧化物(节H12-14)或金属碳酸盐(节H11.6)的组合作用。但是Gravitt和Hicks的飞灰水泥组合物不具有许有水泥应用所需要的强度和硬度。
发明内容本发明描述了一种水泥组合物，其中天然和/或工业火山灰粉末的粘结性质被精确控制。水泥状组合物基本上不含强酸和强碱，诸如柠檬酸(予H2.2)和碱金属活化剂，包括碱性氢氧化物(节H12-14)或金属碳酸盐(节H11.6)。本发明用pH中性水合活化剂或促进剂替代传统的酸-碱化学反应，从而活化或促进水泥水合。根据本发明，pH中性水合活化剂是主要的活化剂。根据优选的实施方式，活化剂的pH介于6和9之间。根据更优选的实施方式，活化剂的pH介于6.5和8.5之间。pH在上述范围以外的其它活化剂可以少量存在于水泥组合物，前提条件是pH中性活化剂的含量相对于水泥组合物中活化剂的总量超过50重量％。换句话说，pH小于约6或大于约9的活化剂在水泥组合物中的总量相对于所有活化剂总重应当小于50重量％，优选小于30重量％，更优选小于25重量％。pH在6-9范围以外的活化剂试剂包括柠檬酸、碱金属活化剂(诸如氢氧化钾)和碱金属碳酸盐(诸如氢氧化钾)可用在本发明中的pH中性活化剂包括柠檬酸盐、苹果酸、丙二醇、乙醇酸和这些酸的盐以及硝酸钙。出于本发明的目的，术语"pH中性"指pH介于6和9之间。根据本发明的优选实施方式，中性pH柠檬酸盐(例如柠檬酸钾)被用作活化剂。单一的柠檬酸盐或柠檬酸盐的组合可被用作唯一的活化剂。或者，柠檬酸盐可以与其它已知的活化剂组合使用，前提条件是，pH小于6或大于9的活化剂在水泥组合物中的总量相对于所有活化剂总重小于50重量％，优选小于30重量％，更优选小于25重量％。硼化合物或其它传统的阻滞剂可以用在组合物中。水泥可以包含单独的或组合的C级飞灰、F级飞灰、N级火山灰。水泥还可以包含其它添加剂，包括硅灰(silicaflime)、铝酸钙、氧化镁、石灰、一种或多种来自硼酸盐家族(例如硼酸或硼砂)的阻滞剂、有机阻滞剂(诸如葡糖庚糖酸钠)、反应性粘土(诸如偏高岭土)、硅灰石、引气剂(AEA)、乳胶、纤维(用于断裂韧性)、收縮补偿剂和减水剂。在基础火山灰粉末是F级飞灰或N级火山灰的情况下，水泥包含一种或多种富钙材料，优选包含工业副产物，诸如水泥窑粉尘、石灰窑粉尘、炉渣和洗涤灰。所公开的水泥可以单独使用，或者可以与其它水泥诸如波特兰水泥、炉渣水泥和其它类型的传统水泥共混。然而，为了显示本发明水泥出众的性质，本发明的水泥不需要其它水泥。因此，根据本发明的水泥基本上不含波特兰水泥。从本发明来看，短语"基本上不含"指含量基于参照组合物的总重小于1重量％。水泥状组合物除了水泥以外还可以包含一种或多种填料。根据本发明的水泥组合物具有如下令人意想不到的良好特性尺寸稳定性、强度、硬度、作业时间、渗透性、耐硫酸盐性、耐冷冻-解冻性、碱性-集料(aggregate)反应性的减缓以及/或良好的固化时间。根据实施方式，可水合水泥包含火山灰粉末；一种或多种pH中性活化剂；和阻滞剂，其中所述可水合水泥具有基于所述可水合水泥的总重15wt。/。或更高的以氧化物形式表示的钙含量；并且pH中性活化剂占所述可水合水泥中的活化剂总重的50%以上；并且所述可水合水泥中波特兰水泥的含量基于所述可水合水泥的总重小于20重量％。根据另一实施方式，可水合水泥包含柠檬酸盐活化剂，其中，所述柠檬酸盐活化剂占所述可水合水泥中活化剂总重的95%以上。根据另一实施方式，可水合水泥包含火山灰粉末；两种或多种活化剂，其中的至少一种具有约6至约9的pH;和阻滞剂，其中所述可水合水泥具有基于所述可水合水泥的总重15Wtn/。或更高的以氧化物形式表示的钙含量；并且pH介于约6和约9之间的所述活化剂占所述可水合水泥中的活化剂总重的50%以上。根据另一实施方式，水泥状组合物包含可水合水泥以及一种或多种集料填料，所述可水合水泥包含火山灰粉末；两种或多种活化剂，其中的至少一种具有约6至约9的pH;和阻滞剂，其中所述可水合水泥具有基于所述可水合水泥的总重15Wt。/o或更高的以氧化物形式表示的钙含量；并且pH介于约6和约9之间的所述活化剂占所述可水合水泥中的活化剂总重的50%以上。所述集料填料可以选自由硅砂、天然砂、来自石料制造的人造细集料、底渣、炉渣、毛玻璃、回收的铸造用砂及其组合。水泥状组合物的作业时间介于10分钟和2小时之间，或者其可以具有大于2小时的作业时间。根据另一实施方式，水泥状组合物包含可水合水泥以及一种或多种集料填料，所述可水合水泥包含火山灰粉末；一种或多种pH中性活化剂；和阻滞剂，其中所述可水合水泥具有基于所述可水合水泥的总重15wty。或更高的以氧化物形式表示的钙含量；并且pH中性活化剂占所述可水合水泥中的活化剂总重的50%以上；并且所述可水合水泥中波特兰水泥的含量基于所述可水合水泥的总重小于20重量％。根据另一实施方式，制品包含经水合的且经硬化的水泥组合物，所述水泥组合物包含火山灰粉末；两种或多种活化剂，其中的至少一种具有约6至约9的pH;和阻滞剂，其中所述可水合水泥具有基于所述可水合水泥的总重15wt。/。或更高的以氧化物形式表示的钙含量；并且pH介于约6和约9之间的所述活化剂占所述可水合水泥中的活化剂总重的50%以上。根据另一实施方式，制品包含经水合的且经硬化的水泥组合物，所述水泥组合物包含火山灰粉末；一种或多种pH中性活化剂；和阻滞剂，其中所述可水合水泥具有基于所述可水合水泥的总重15wt。/。或更高的以氧化物形式表示的钙含量；并且pH中性活化剂占所述可水合水泥中的活化剂12总重的50%以上；并且所述可水合水泥中波特兰水泥的含量基于所述可水合水泥的总重小于20重量％。根据某些实施方式，制品可以是道路、桥梁或跑道的表面、或者其它公路、路边、人行道、预制块、装甲或装甲板；建筑、道路、桥联或其它结构的基础；建筑的柱梁以及其它建筑元件；建筑的各部分，包括墙体、地面和天花板;可喷射的表面覆盖物或者其它可喷射应用。根据其它实施方式，可水合水泥中波特兰水泥的含量基于所述可水合水泥的总重小于20重量％，更优选小于15重量％。根据其它实施方式，可水合水泥中波特兰水泥的含量基于所述可水合水泥的总重小于10重量％，小于5重量％以及小于2重量％。根据另一实施方式，可水合水泥基本上不含波特兰水泥。根据另一实施方式，可水合水泥中以氧化物形式表示的钙含量基于所述可水合水泥的总重为20wty。或更高。根据另一实施方式，可水合水泥中氧化钙与氧化硅的摩尔比介于约1.2:1至约1.4:1之间。根据其它实施方式，可水合水泥中碱金属活化剂在所述可水合水泥中的含量相对于活化剂的总重小于30重量％，更优选小于25重量％。根据其它实施方式，可水合水泥中碱金属活化剂在所述可水合水泥中的含量相对于活化剂的总重小于20重量％，小于15重量％，小于10重量%，小于5重量％以及小于2重量％。根据其它实施方式，可水合水泥中碱金属碳酸盐在所述可水合水泥中的含量相对于活化剂的总重小于30重量％，更优选小于25重量％。根据其它实施方式，可水合水泥中碱金属碳酸盐在所述可水合水泥中的含量相对于活化剂的总重小于20重量％，小于15重量％，小于10重量%，小于5重量％以及小于2重量％。根据其它实施方式，可水合水泥中柠檬酸在所述可水合水泥中的含量相对于活化剂的总重小于30重量％，更优选小于25重量％。根据其它实施方式，可水合水泥中柠檬酸在所述可水合水泥中的含量相对于活化剂的总重小于20重量％，小于15重量％，小于10重量％，小于5重量％以及小于2重量％。根据其它实施方式，火山灰粉末选自由C级飞灰、F级飞灰、N级火山灰及其组合组成的组。根据另一实施方式，火山灰粉末基本上由C级飞灰和F级飞灰组成，其中C级飞灰的含量相对于可水合水泥的总重为50-80重量％，F级飞灰的含量相对于可水合水泥的总重为10-30重量％。根据另一实施方式，可水合水泥可以包含富钙材料添加剂，优选包含工业副产物，所述工业副产物选自水泥窑粉尘、石灰窑粉尘、炉渣、洗涤灰及其组合组成的组。根据另一实施方式，火山灰粉末基本上由C级飞灰组成。根据另一实施方式，可水合水泥中C级飞灰的含量相对于可水合水泥的总重为50-95重量％。根据另一实施方式，火山灰粉末基本上由F级飞灰组成，其中所述可水合水泥进一步包含富钙材料添加剂。根据另一实施方式，可水合水泥中F级飞灰的含量相对于可水合水泥的总重为0.5至50重量％。根据另一实施方式，火山灰粉末基本上由N级火山灰组成，其中所述可水合水泥进一步包含富钙材料添加剂。根据另一实施方式，可水合水泥中N级火山灰的含量相对于可水合水泥的总重为0.5至50重量％。根据另一实施方式，阻滞剂包括硼酸盐化合物，优选地其含量相对于可水合水泥的总重为0.1-3.0重量％。根据另一实施方式，可水合水泥包含硫酸盐或有机化合物。根据另一实施方式，可水合水泥包含柠檬酸钾或柠檬酸钠，优选地其含量相对于可水合水泥的总重为0.1至15重量％。根据另一实施方式，可水合水泥包括添加剂，所述添加剂选自由硅灰、铝酸钙、氧化镁、石灰、一种或多种来自硼酸盐家族(例如硼酸或硼砂)的阻滞剂、有机阻滞剂(诸如葡糖庚糖酸钠)、反应性粘土(诸如偏高岭土)、硅灰石、引气剂(AEA)、乳胶、纤维、减水剂及其组合组成的组。图1是CaO-Al20rSi02体系中结晶相的三相图。图2是体系CaO-Si02的相图。图3是有序结构、低有序结构(poorlyorderedstructure)和无序结构的二维图。具体实施例方式本发明以前，通常认为为了提供大多数水泥应用所需要的强度和硬度需要进行高温烧结(在波特兰水泥的情况下)或强酸-碱化学反应(在现有技术的火山灰水泥的情况下)。与这种流行的看法相反，本发明人发现通过使用pH中性活化剂(特别是柠檬酸盐)制成的水泥产品与波特兰水泥或者根据传统的酸碱活化剂化学反应制备的火山灰水泥相比具有出人意料出众的性质。本发明描述了一种水泥状组合物，其中，火山灰粉末的粘结性质被精细地控制并且不需采用传统的酸碱化学反应。替代的是，一种或多种pH中性活化剂(例如诸如柠檬酸钾的柠檬酸盐)被用作反应活化剂。pH中性活化剂的其它实例包括苹果酸、丙二酸、乙醇酸和这些酸的盐以及硝酸钙和其它硝酸盐。pH中性活化剂在飞灰的存在下溶解或解离，并且在添加水时允许其与飞灰的水合反应以均匀、良好受控的方式进行。硼化合物或其它常规的阻滞剂可以用在组合物以减慢或调节水合反应。这种可控反应的方法允许作业时间在10分钟至2小时或更长的范围内。本发明的实施方式还包含火山灰材料的组合，例如C级飞灰和F级飞灰二者。C级飞灰的反应可以产生相当可观的热量，当施用该产品时这些热量可以导致初期收縮。这种收縮还导致与基材出现裂纹和分层。F级飞灰含有很少或不含CaO，其与柠檬酸钾活化剂反应缓慢。或者，反应混合物中包含一些F级飞灰来调节反应，通过将坚固的、尺寸均匀的玻璃球均匀地分布在整个混合物中来形成固体产物。如本所述，使用这种可控的pH中性反应化学可以使得形成的结晶相与通过波特兰水泥或通过基于C级飞灰的水泥(其依赖于柠檬酸和金属氢氧化物活化剂之间的酸碱反应)获得的结晶相相比更稳定。C,S^^晶体结构波特兰水泥和其它灰基水泥都是以氧化钙-氧化铝-氧化硅体系的结晶相为基础。这个体系的结晶相表示在图1的三相图中。在这个相图中，波特兰水泥通常具有C3S或C2S晶体结构。依赖于柠檬酸和金属氢氧化物活化剂之间的酸碱反应的C级飞灰基水泥通常具有02.2.^晶体结构。数学分析表明，本文所述实施方式具有C3S^2结构，这被认为使组合物具有独一无二的性质。该相落在图1的阴影区中，其表示与被称为硅钙石(rankinite)的矿石结构最接近的晶体结构，当水合时该结构转化成被称为柱硅钙石和CaOSi02《35H20的矿石结构。该相在图2的两相图中也被示为QS2，并且出现在50-60%Si02之间。对如下三个体系波特兰水泥、酸碱灰水泥和本文所述的中性反应化学水泥进行比较，图3中所示的晶体序列表明了被认为表征本发明水泥的C3SL5.2结构如何形成三个不同体系中最稳定的晶体结构。图3是有序结构、低有序结构和无序结构的二维图。具有本文所述C3SL5-2结构的材料由图3(a)表示；根据标准酸碱反应制备的C级飞灰水泥的晶体结构由图3(b)表示；波特兰水泥的晶体结构由图3(c)表示。通过实现CS摩尔比的理想平衡，可以获得高强度的无定型结构。为了获得这些优选的结构，水泥材料在与水的反应时优选包含氧化钙与氧化硅的摩尔比(C:S)为约1:l至约1.8:1(通常为约1.1:1至约1.5:1)的水合物。作为特定的实施例，C:S摩尔比可以为约1.2:1，1.3:1或1.4:1。为了获得理想的C:S摩尔比，可以对含钙工业副产物(例如C级飞灰)与低钙或硅土工业副产物(例如F级飞灰)的相对量进行选择。原料根据本发明的水泥可以包含如下所述原料，以全体水泥组合物(不包括砂、石和其它填料)的重量百分率表示的量计。术语"水泥"在本文中通常被用于指粘合剂组合物。术语"水泥状组合物"在本文中通常被用于指水泥(或粘合剂)和填料(例如砂、石等等)的组合。水泥状复合物通常包含约5至约60%的水泥。1)天然或工业火山灰粉末。火山灰粉末的实例包括C级飞灰、F级飞灰和N级火山灰。水泥状复合物可以包含C级飞灰作为高含钙的火山灰粉末。在一些实施方式中，C级飞灰在水泥中的含量在约50至约95重量％的范围内，在约60至约85重量％的范围内，或在约70至约85重量％的范围内。优选地，高含钙火山灰粉末中以氧化物(CaO)形式表示的钙含量高于约22重量％，并且在约22至约约30重量％的范围内。如果CaO含量较低，那么可以添加额外的含石灰组分，诸如氢氧化钙、硝酸钙或碳酸钙。注意到，尽管本文主要描述采用C级飞灰作为高含钙的火山灰粉末，但是其它类型的含钙火山灰粉末(例如鼓风炉渣、水泥窑粉尘和石灰窑粉尘)也可以用在一些实施方式中部分或全部替代C级飞灰。水泥可以额外地或选择性地包含一种或多种含钙量相对较低或含硅量较高的火山灰粉末。优选地，水泥包含至少一种火山灰粉末，该火山灰粉末中以氧化物形式表示的钙含量小于约22重量％，更优选小于15重量%。在一些实施方式中，F级飞灰的含量例如在约0.5至约50重量％的范围内，在约1至约25重量％的范围内，或者在约2至约15重量％的范围内。尽管本文主要描述采用F级飞灰作为低钙火山灰粉末，但是其它类型的含钙量相对较低和/或含硅量较高的火山灰粉末(例如N级火山灰、火山灰、底渣、木灰、市政焚化炉渣、沸石等等)也可以用在一些实施方式中部分或全部替代F级飞灰。就含钙量较低的火山灰粉末构成大部分火山灰粉末组分这个方面来说，必须加入富钙材料从而提供所需的钙含量。优选的富钙材料包括工业副产物，诸如鼓风炉渣、水泥窑粉尘、石灰窑粉尘和洗涤灰。硅灰可以用在水泥中从而增加短期强度、长期强度、结合强度、弹性性质和/或热性质。硅灰存在时，其含量例如在约0.5至约10重量％的范围内，或者在约1至约7重量％的范围内。优选地，水泥中以氧化物表示的总钙含量为15重量％或更多。如果CaO含量较低，可以添加额外的含石灰组分(诸如氢氧化钙、硝酸钙或碳酸钙)从而达到上述钙含量。2)铝酸钙可用于增强产物的短期强度。铝酸钙的含量例如在约1至约25重量％的范围内，或在约5至约20重量％的范围内。3)氧化镁可用于增强产物的体积稳定性。氧化镁的含量例如在约0.5至约15重量％的范围内，或在约2至约10重量％的范围内。4)石灰(CaO或CaOH)添加物可用于增强产物的操作性，作为收縮补偿剂并且/或者作为阻滞剂。石灰的含量例如在约0.1至约5重量％的范围内。添加到组合物中的石灰的量取决于飞灰中所含石灰的量。5)硼酸盐可被用作强度增加阻滞剂。优选的硼酸盐包括一种或多种来自硼酸盐家族的阻滞添加剂，例如硼砂的含量在约0.1至约5重量％的范围内，在0.1至3重量％的范围内或在0.1至约2重量％的范围内。还可以使用硼酸或者替代性地使用硼酸作为硼酸盐，其含量例如在约0.1至约2重量％的范围内或者在约0.2至约1.7重量％的范围内。可以额外地或者替代性地使用其它硼酸盐，诸如四硼酸钾水合物和四硼酸钠水合物。这些硼酸盐可被添加以增加对现有基材的结合强度并且可以作为阻滞剂。其它已知的阻滞剂(包括硫酸盐和有机化合物)可以额外地或者选择性地添加到硼酸盐中。6)可以包括来自柠檬酸盐家族的一种或多种活化剂。例如，柠檬酸钾、柠檬酸钙和/或柠檬酸钠的含量相对于水泥的总重例如在约0.1至约15重量％的范围内，或者相对于水泥的总重在约2至约5重量％的范围内。这些活化剂可以是水泥中存在的唯一活化剂。或者，可以存在其它非pH中性活化剂，前提条件是pH中性活化剂占活化剂组分的50%或更多。可用于替代或补充柠檬酸活化剂的其它pH中性活化剂的实例包括苹果酸、丙二酸、乙醇酸和这些酸的盐以及硝酸钙和其它硝酸盐。7)其它成分包括例如反应性粘土(诸如偏高岭土)、硅灰石、引气剂(AEA)、乳胶、纤维(用于断裂韧性)、收縮补偿剂和减水剂。在一些实施方式中，本发明的水泥基本上不含波特兰水泥、炉渣水泥和其它类型的传统水泥。在其它实施方式中，本发明的水泥可以包含其它水泥，包括波特兰水泥，前提条件是这种其它水泥的含量相对于水泥的总重小于约20重量％，优选小于约15重量％，更优选小于10重量％。额外地或替代性地，实施方式可以基本上不含在其它类型的材料中使用的碱金属活化剂，诸如碱性氢氧化物(节H12-14)和金属碳酸盐(节H11.6)。额外地或替代性地，实施方式可以基本上不含拧檬酸(节H2.2)和/或其它比硼酸更强的酸。根据本发明的水泥状组合物除了水泥以外还可以包含一种或多种填料。根据一些实施方式，细集料(砂)的粒子尺寸可以在细硅砂到天然或人造砂的范围内，从而符合ASTM规定。这些填料可以包括例如硅砂、天然砂、来自石料制造的人造细集料、底渣、炉渣、毛玻璃和/或回收的铸造用砂。填料的具体实例包括不同的等级的集料，诸如C33砂、NJ60砂、C144砂、#8石和#57石。采用以下实施例更好地解释本发明，这些实施例意欲阐述在本发明所有范围内的具体实施例方式实施例表1阐述了在本文实例中所述不同水泥的重量百分率。表2阐述了在本文实例中所述水泥状组合物中的水泥、砂和集料的重量百分率。对于表1中的各个实例而言，预料到其它配制品，这些其它配制品包括各个成分的重量百分率加减变化25%、加减变化15%和加减变化10%的配制品。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage20</column></row><table>混凝土修补产品实例#1将表1和表2所列成分混合在一起，然后在使用前依次采用相对于表1和表2组分的总童5.94重量％的水进行水合。这样生产的产品具有如下特性表3<table>tableseeoriginaldocumentpage21</column></row><table>这种产品可被用作快速固化的所需修补材料(水泥+砂+石)。它可以采用传统的鼓式混合机以多重单元形式混合。从添加水开始2小时内可以获得2500psi的强度增量。根据具体应用，水合量在5-6重量％水的范围内。作业/放置时间可以为30-50分钟。28天的最终强度大于9000psi。以下表4阐述了用在实例1的水泥中的各个组分的优选范围，其以相对于加水前水泥组合物重量的重量百分率表示。<table>tableseeoriginaldocumentpage22</column></row><table>实例#2将表1和表2所列成分混合在一起，然后在使用前依次采用相对于表1和表2组分的总重7.94重量％的水进行水合。这样生产的产品具有如下特性<table>tableseeoriginaldocumentpage22</column></row><table>这种产品可被用作快速固化的所需修补材料(水泥+砂+石)。它可以采用传统的鼓式混合机以多重单元形式混合。从添加水开始2小时内可以获得2500psi的强度增量。根据具体应用，水合量在6.5-8重量％水的范围内。操作/放置时间可以为20-40分钟。28天的最终强度大于9000psi。以下表6阐述了用在实例2的水泥中的各个组分的优选范围，其以相对于加水前水泥组合物重量的重量百分率表示。表6<table>tableseeoriginaldocumentpage23</column></row><table>实例#3将表1和表2所列成分混合在一起，然后在使用前依次采用相对于表1和表2组分的总重11.6重量％的水进行水合。这样生产的产品具有如下特性<table>tableseeoriginaldocumentpage24</column></row><table>这种产品可被用作快速固化的所需修补材料(水泥+砂+石)。它可以采用传统的鼓式混合机以多重单元形式混合。从添加水开始1小时内可以获得2500psi的强度增量。根据具体应用，水合量在10-12重量％水的范围内。最终强度大于6000psi。以下表8阐述了用在实例3的水泥中的各个组分的优选范围，其以相对于加水前水泥组合物重量的重量百分率表示。<table>tableseeoriginaldocumentpage25</column></row><table>这种产品的制造未使用集料，然后由顾客将该产品与表2中所列集料混合。该产品被设计成具有较宽的滑抹性(slump)、作业时间和最终固化时间，其在4-6小时内通常能够提供2500psi。该产品可选被共混，结果可以抑制化学活化剂直到该产品的应用/使用的场地条件最佳。这使得运输卡车具有6或更长的时间将该产品运送到工作场地，而该产品未发生凝结固化或经历有害的反应。根据具体应用，水合量在3-7重量％水的范围内。28天的最终强度超过9000psi。以下表10阐述了用在实例4的水泥中的各个组分的优选范围，其以相对于加水前水泥组合物重量的重量百分率表示。表10<table>tableseeoriginaldocumentpage26</column></row><table>用于罐装混凝土混合机(volumetricconcretemixer)的配制品实例#5将表1所列成分混合在一起，然后在使用前采用相对于表1和表2组分的总重4.5重量％的水进行水合。这样生产的产品具有如下特性<table>tableseeoriginaldocumentpage27</column></row><table>在罐装混凝土卡车中生产这种配制产品。用户以表2提供的比例或要求局部添加获得的集料。该产品被设计成在高剪切混合机中以最小混合操作。2小时可以获得2500psi的强度增量。罐装混合允许就地制造所需混凝土。罐装混合机计量生产水泥，然后根据混合物的设计添加必需的砂、石和水。根据具体应用，水合量在4-7重量％水的范围内。以下表12阐述了用在实例5的水泥中的各个组分的优选范围，其以相对于加水前水泥组合物重量的重量百分率表示。<table>tableseeoriginaldocumentpage28</column></row><table>这是一种水泥状且初期强度较高的混凝土，其可被用作修补产品也可被用作结构混凝土。这种产品包括防火玻璃纤维。在布置的24小时内，该产品可以暴露于高达1500下(815°C)的间歇温度。为了小面积修补应用其可以以传统的便携式鼓式混合机混合，或者为了更大面积应用其可以以运输型或罐装卡车混合。根据具体应用，水合量在4-5重量％水的范围内。以下表14阐述了用在实例6的水泥中的各个组分的优选范围，其以相对于加水前水泥组合物重量的重量百分率表示。表14<table>tableseeoriginaldocumentpage29</column></row><table>实例#7将表1和表2所列成分混合在一起，然后采用相对于表1和表2组分的总重9.3重量％的水进行水合。这样生产可喷射的混凝土配制品。这种配制品可以采用各种喷射系统应用，所述喷射系统包括混凝土喷射机(Shotcrete)、混凝土喷枪(Gunnite)、灰泥喷射系统和其它常用喷射器。这种产品所具有的独一无二的性质包括2小时内的初期强度高达至少1000psi;湿粘度允许喷射厚度为至少1英寸而产品并未出现流动、下垂(droop)或垂垮(sag);作业时间为至少30分钟。根据具体应用，水<table>tableseeoriginaldocumentpage30</column></row><table>表16<table>tableseeoriginaldocumentpage31</column></row><table>以上配制品中，高强度、固化时间可变以及快速达到使用状态的性质被独一无二、有益的组合。其它特种配制品可以包括土壤稳定剂-可以通过如下生产土壤稳定产品将水泥复合物(诸如实例4的水泥)与各种类型的土壤混合，从而生产中等强度的土壤。其可由~10%的水泥构成。该产品可以采用各种混合方法形成，所述方法包括在干燥条件下将水泥与土壤混合，然后向产物喷水。最终强度为1000psi，其远远高于采用类似用量(％)的波特兰水泥的传统方法。这种产品的独特特性是，与当前的波特兰水泥土壤稳定剂相比，能够更早获得维持车辆交通的强度。该产品的另一个独特性质在于，其能够控制重金属和其它化学污染物的渗出。混凝土块-本文所述水泥(例如实例4的配制品)可以与砂和集料混合从而制成混凝土块。根据该方法制成的混凝土块可以具有如下益处1)加水后2-4小时内的初期强度较高>1000psi;2)实现较高的初期强度，而不需要传统混凝土块所必需的蒸汽固化；3)实现高达10000psi的最终(28天)强度；4)制造的混凝土块具有非常少的水压孔(hydraulicporosity)。装甲-水泥还可用于制造装甲将水泥与砂和高强度纤维混合。这些配制品在混合24小时内具有10000psi的压縮强度并且在28内具有超过20000psi的压縮强度。碾压混凝土(RCC)-该水泥还可以用在碾压混合物(RCC)的生产中。在该项应用中，水泥与砂和粗集料混合，结果水泥的总含量(以混凝土的％计)为10-15%。该产品基本上没有滑抹性并且采用传统的混凝土/沥青碾压设备以机械方式涂布。涂布后，可以采用振动压縮机压紧该产品。该产品可以立即达到行人使用的状态，并且在24小时内可以达到超过3000psi的压縮强度，在28天内达到超过8000的压縮强度。制造方法小面积修补产品(例如实例1-3)可以例如通过如下制造单独采用减量(loss-in-weight)粉末加料斗计量取出各个产品包或"桶"的成分，测量后，在储存和/或装船密封前将各桶快速混合。这项技术减少了各单元之间的配制差异。或者，这些产品可以通过任何已知的技术(包括带式混料)生产。小面积产品可以100%预混，因为它们使用前的混合过程简单产品，水，然后混合。大面积产品(诸如实例4)可以通过如下生产在使用前将除活化剂以外的所有成分混合。然后，在客户需要混凝土开始反应的时刻，添加活化剂。一旦添加了活化剂导致最终固化的化学反应就开始了。根据具体混合确定最终固化前可用作业时间的长短。作为实例，运输卡车可以在批料工厂装载实施例4的混合物。在混凝土不再能用之前，运输卡车现在具有4-6小时或更长的时间。在这个时间段的任意时刻，(最适于在建筑场地)添加活化剂(以液体或固体粉末形式)，然后可以布置混凝土。这种产品与波特兰水泥混凝土相比具有极大的优势，其从运输卡车在批料工厂装载时刻起通常具有90分钟的可接受作业时间。可罐装混合的产品(例如实例5和7)可以通过如下制造在遥控操作下添加均匀的水泥、石和砂部分。含有促进剂和阻滞剂的水泥部分可以在高剪切混合机中与砂石混合。作为这种方法的选项，促进剂和阻滞剂可以以粉末形式或液体形式添加。本申请在本文和附图中公开了若干数值范围。尽管精确的范围限定未在字面上记载在本说明书中，但是所公开的数值范围实质上支持所公开数值范围内的任意范围或数值，因为本发明在所公开的整个数值范围内都是可行的。上述说明使得本领域普通技术人员能够制造并使用本发明，并且在具体申请及其必要条件的上下文中表明了上述说明。对优选实施方式进行各种修正对于本领域普通技术人员来说是显然的，并且在未脱离本发明精神和范围的情况下可以将本文所定义的一般性原则应用到其它实施方式和应用中。因此，本发明并不限定为所示实施方式，其具有与本文所公开的原则和特征一致的最宽范围。最后，本申请中应用的专利和出版物的全文通过引用插入本文。权利要求1.一种可水合水泥，其包含火山灰粉末；一种或多种pH中性活化剂；和阻滞剂，其中，所述可水合水泥具有基于所述可水合水泥的总重15重量％或更高的以氧化物形式表示的钙含量，所述pH中性活化剂占所述可水合水泥中的活化剂总重的50％以上；并且其中，所述可水合水泥具有基于所述可水合水泥的总重小于20重量％的波特兰水泥。2.如权利要求1所述的可水合水泥，包含柠檬酸盐活化剂，其中所述柠檬酸盐活化剂占所述可水合水泥中的活化剂总重中的95%以上。3.如权利要求1所述的可水合水泥，包含含量基于所述可水合水泥的总重小于15%的波特兰水泥。4.如权利要求1所述的可水合水泥，其基本上不含波特兰水泥。5.如权利要求1所述的可水合水泥，其中，所述可水合水泥具有基于所述可水合水泥的总重20wty。或更高的以氧化物形式表示的钙含量。6.如权利要求1所述的可水合水泥，其中，氧化钙与氧化硅的摩尔比介于约1.2:l和约1.4:l之间。7.如权利要求l所述的可水合水泥，其中，所述火山灰粉末选自由C级飞灰、F级飞灰、N级火山灰及其组合组成的组。8.如权利要求1所述的可水合水泥，其中，所述火山灰粉末基本上由C级飞灰和F级飞灰组成，其中，所述C级飞灰的含量基于所述可水合水泥的总重为50-80重量％，所述F级飞灰的含量基于所述可水合水泥的总重为10-30重量％。9.如权利要求1所述的可水合水泥，进一步包含富钙材料添加剂。10.如权利要求9所述的可水合水泥，其中，所述含钙材料添加剂包括工业副产物，所述工业副产物选自由水泥窑粉尘、石灰窑粉尘、炉渣、洗涤灰及其组合组成的组。11.如权利要求1所述的可水合水泥，其中，所述火山灰粉末基本上由c级飞灰组成。12.如权利要求1所述的可水合水泥，包含基于所述可水合水泥的总重50-95重量n/。的C级飞灰。13.如权利要求1所述的可水合水泥，其中，所述火山灰粉末基本上由F级飞灰组成，并且其中所述可水合水泥进一步包含富钙材料添加剂。14.如权利要求13所述的可水合水泥，其中，所述富钙材料添加剂包括工业副产物，所述工业副产物选自由水泥窑粉尘、石灰窑粉尘、炉渣、洗涤灰及其组合组成的组。15.如权利要求1所述的可水合水泥，包含基于所述可水合水泥的总重0.5-50重量。/。的F级飞灰。16.如权利要求1所述的可水合水泥，其中，所述火山灰粉末基本上由N级火山灰组成，并且其中所述可水合水泥进一步包含富钙材料添加剂。17.如权利要求16所述的可水合水泥，其中，所述富钙材料添加剂包括工业副产物，所述工业副产物选自由水泥窑粉尘、石灰窑粉尘、炉渣、洗涤灰及其组合组成的组。18.如权利要求1所述的可水合水泥，包含基于所述可水合水泥的总重0.5-50重量％的N级火山灰。19.如权利要求1所述的可水合水泥，其中，所述阻滞剂包括硼酸盐化合物。20.如权利要求1所述的可水合水泥，包含基于所述可水合水泥的总重0.1-3.0重量％的硼酸盐阻滞剂。21.如权利要求1所述的可水合水泥，其中，所述阻滞剂包括硫酸盐或有机化合物。22.如权利要求1所述的可水合水泥，其中，所述活化剂包括柠檬酸钾或柠檬酸钠。23.如权利要求1所述的可水合水泥，其中，所述活化剂由基于所述可水合水泥的总重0.1至15重量％的拧檬酸钾组成。24.如权利要求1所述的可水合水泥，进一步包含如下添加剂，所述添加剂选自由硅灰、铝酸钙、氧化镁、石灰、诸如偏高岭土的反应性粘土、硅灰石、引气剂(AEA)、乳胶、纤维、减水剂及其组合组成的组。25.—种可水合水泥，其包含火山灰粉末；两种或多种活化剂，其中的至少一种具有约6至约9的pH;和阻滞剂，其中，所述可水合水泥具有基于所述可水合水泥的总重15重量％或更高的以氧化物形式表示的钙含量；并且其中，pH介于约6和约9之间的所述活化剂占所述可水合水泥中的活化剂总重的50%以上。26.如权利要求25所述的可水合水泥，包含含量相对于所述可水合水泥中的活化剂总重小于10%的碱金属活化剂。27.如权利要求25所述的可水合水泥，包含含量相对于所述可水合水泥中的活化剂总重小于10%的碱金属碳酸盐。28.如权利要求25所述的可水合水泥，包含含量相对于所述可水合水泥中的活化剂总重小于25%的碱金属活化剂。29.如权利要求25所述的可水合水泥，包含含量相对于所述可水合水泥中的活化剂总重小于30%的碱金属活化剂。30.如权利要求25所述的可水合水泥，包含含量相对于所述可水合水泥中的活化剂总重小于10%的柠檬酸。31.如权利要求25所述的可水合水泥，包含含量相对于所述可水合水泥中的活化剂总重小于30%的柠檬酸。32.如权利要求25所述的可水合水泥，包含含量相对于所述可水合水泥中的活化剂总重小于25%的拧檬酸。33.如权利要求25所述的可水合水泥，包含含量基于所述可水合水泥的总重小于20重量％的波特兰水泥。34.如权利要求25所述的可水合水泥，包含含量基于所述可水合水泥的总重小于15重量％的波特兰水泥。35.如权利要求25所述的可水合水泥，其基本上不含波特兰水泥。36.如权利要求25所述的可水合水泥，其中，所述可水合水泥具有基于所述可水合水泥的总重20wtM或更高的以氧化物形式表示的钙含量。37.如权利要求25所述的可水合水泥，其中，氧化钙与氧化硅的摩尔比介于约1.2:1和约1.4:l之间。38.如权利要求25所述的可水合水泥，其中，所述火山灰粉末选自由C级飞灰、F级飞灰、N级火山灰及其组合组成的组。39.如权利要求25所述的可水合水泥，其中，所述火山灰粉末基本上由C级飞灰和F级飞灰组成，其中，所述C级飞灰的含量基于所述可水合水泥的总重为50-80重量％，所述F级飞灰的含量基于所述可水合水泥的总重为10-30重量％。40.如权利要求25所述的可水合水泥，进一步包含富钙材料添加剂。41.如权利要求40所述的可水合水泥，其中，所述含钙材料添加剂包括工业副产物，所述工业副产物选自由水泥窑粉尘、石灰窑粉尘、炉渣、洗涤灰及其组合组成的组。42.如权利要求25所述的可水合水泥，其中，所述火山灰粉末基本上由C级飞灰组成。43.如权利要求25所述的可水合水泥，包含基于所述可水合水泥的总重50-95重量n/。的C级飞灰。44.如权利要求25所述的可水合水泥，其中，所述火山灰粉末基本上由F级飞灰组成，并且其中所述可水合水泥进一步包含富钙材料添加剂。45.如权利要求44所述的可水合水泥，其中，所述富钙材料添加剂包括工业副产物，所述工业副产物选自由水泥窑粉尘、石灰窑粉尘、炉渣、洗漆灰及其组合组成的组。46.如权利要求25所述的可水合水泥，包含基于所述可水合水泥的总重0.5-50重量％的F级飞灰。47.如权利要求25所述的可水合水泥，其中，所述火山灰粉末基本上由N级火山灰组成，并且其中所述可水合水泥进一步包含富钙材料添加剂。48.如权利要求47所述的可水合水泥，其中，所述富钙材料添加剂包括工业副产物，所述工业副产物选自由水泥窑粉尘、石灰窑粉尘、炉渣、洗涤灰及其组合组成的组。49.如权利要求25所述的可水合水泥，包含基于所述可水合水泥的总重0.5-50重量％的N级火山灰。50.如权利要求25所述的可水合水泥，其中，所述阻滞剂包括硼酸盐化合物。51.如权利要求25所述的可水合水泥，包含基于所述可水合水泥的总重0.1-3.0重量％的硼酸盐阻滞剂。52.如权利要求25所述的可水合水泥，其中，所述阻滞剂包括硫酸盐或有机化合物。53.如权利要求25所述的可水合水泥，其中，所述活化剂包括柠檬酸钾或柠檬酸钠。54.如权利要求25所述的可水合水泥，其中，所述活化剂由基于所述可水合水泥的总重0.1至15重量％的柠檬酸钾组成。55.如权利要求25所述的可水合水泥，进一步包含如下添加剂，所述添加剂选自由硅灰、铝酸钙、氧化镁、石灰、诸如偏高岭土的反应性粘土、硅灰石、引气剂(AEA)、乳胶、纤维、减水剂及其组合组成的组。56.—种水泥状组合物，其包含可水合水泥以及一种或多种集料添加剂，所述可水合水泥包含火山灰粉末；两种或多种活化剂，其中的至少一种具有约6至约9的pH;和阻滞剂，其中，所述可水合水泥具有基于所述可水合水泥的总重15重量％或更高的以氧化物形式表示的钙含量；并且化剂总重的50%以上。57.—种水泥状组合物，其包含可水合水泥以及一种或多种集料添加剂，所述可水合水泥包含火山灰粉末；一种或多种pH中性活化剂；和阻滞剂，其中，所述可水合水泥具有基于所述可水合水泥的总重为15重量％或更高的以氧化物形式表示的钙含量，所述pH中性活化剂占所述可水合水泥中的活化剂总重的50%以上；并且其中，所述可水合水泥具有基于所述可水合水泥的总重小于20重量％的波特兰水泥。58.—种制品，其包含经水合的且经硬化的水泥组合物，所述水泥组合物包含火山灰粉末；两种或多种活化剂，其中的至少一种具有约6至约9的pH;和阻滞剂，其中，所述可水合水泥具有基于所述可水合水泥的总重15重量％或更高的以氧化物形式表示的钙含量；并且pH介于约6和约9之间的所述活化剂占所述可水合水泥中的活化剂总重的50%以上。59.—种制品，其包含经水合的且经硬化的水泥组合物，所述水泥组合物包含火山灰粉末；一种或多种pH中性活化剂；和阻滞剂，其中，所述可水合水泥具有基于所述可水合水泥的总重15重量％或更高的以氧化物形式表示的钙含量，所述pH中性活化剂占所述可水合水泥中的活化剂总重的50%以上；并且其中，所述可水合水泥具有基于所述可水合水泥的总重小于20重量％的波特兰水泥。全文摘要本发明描述了一种水泥状组合物，其中飞灰的粘结性质被精确控制。水泥状组合物基本上不含游离的强酸和强碱，诸如柠檬酸(≈pH2.2)和碱金属活化剂，包括碱性氢氧化物(≈pH12-14)或金属碳酸盐(≈pH11.6)。这些强化学品的使用使得在产品的使用过程中产生酸碱反应。例如柠檬酸钾的柠檬酸盐可被用作反应促进剂来替代强化学品。硼化合物也可以用在组合物中作为阻滞剂。文档编号C04B18/06GK101687701SQ200880009159公开日2010年3月31日申请日期2008年1月22日优先权日2007年1月19日发明者保罗·桑普森,拉杰什库马尔·帕特尔,格林·舒玛切尔,迈克尔·里雷申请人:塞拉泰克有限公司