生产胶凝组合物的方法

生产胶凝组合物的方法
【专利摘要】一种使可膨胀聚合物微球膨胀的方法，包括在生产胶凝组合物或制品的过程中使包含未膨胀的可膨胀聚合物微球的水性浆料与蒸汽原位接触，其中水性浆料任选地还包含一种用于胶凝组合物的掺合剂。一种生产胶凝组合物或制品的方法，包括：(i)在所述的生产胶凝组合物之前和/或期间使未膨胀的可膨胀聚合物微球的水性浆料与蒸汽接触以生成膨胀的聚合物微球；(ii)预湿膨胀的聚合物微球；以及(iii)将预湿的膨胀的聚合物微球与水泥和水混合以形成胶凝组合物，其中水性浆料任选地还包括一种用于胶凝组合物的掺合剂。
【专利说明】生产胶凝组合物的方法

【技术领域】
[0001] 本发明提供一种使可膨胀聚合物微球膨胀的方法和一种制备胶凝组合物 (cementitious material)的方法，所述胶凝组合物的制备方法包括使可膨胀聚合物微球 膨胀以及使膨胀的、可膨胀聚合物微球与水泥和水混合以形成胶凝组合物。

【背景技术】
[0002] 冻融循环（freeze-thaw)可严重地损伤水饱和（water-saturated)硬化的胶凝组 合物，例如混凝土。防止或减少这种损伤发生的最熟知的技术是在组合物中掺入显微镜可 见的细孔（fine pore)或孔隙（void)。孔或孔隙起到内部膨胀室的作用，由此可通过减少冻 融循环引起的液压变化而使组合物免受冻融损伤。用于在胶凝组合物产生这类孔隙的传统 方法是通过将加气剂（air-entraining agent)引入至组合物中，从而使得在混合过程中夹 带于组合物中的微小气泡稳定。
[0003] 不幸的是，这种在胶凝组合物中生成孔隙的方法被大量的生产和存放问题所困 扰，其中某些问题如下：
[0004] 含气量：胶凝组合物的含气量的变化会导致如下结果，如果含气量随着时间下降， 则组合物对冻融损伤的耐受性较差；如果含气量随时间增加，则会降低组合物的抗压强度。 其实例为泵送胶凝组合物（通过压缩减少含气量），施工现场添加超增塑剂（通常用于提高 含气量或打破气孔体系的稳定性），并使特定的掺合剂与加气表面活性剂相互作用（可能 增加或减少含气量）。
[0005] 气孔稳定性：无法使气泡稳定可能是由于存在吸附于稳定性表面活性剂的材料造 成，即具有高表面积碳或水分不足的粉煤灰或使表面活性剂不能正常工作，即低坍落度混 凝土。
[0006] 气孔特性：骨料质量较差或分级不良、使用打破气泡稳定性的其他掺合剂等会造 成形成的气泡太大以至于不能提供耐冻融损伤性。这种孔隙通常不稳定且倾向浮于新拌混 凝土的表面。
[0007] 过度修整（Overfinishing):通过过度修整以除去空气，将空气从混凝土表面移 除，通常会通过接近过度修整表面的水泥楽动变区（detrained zone)的剥落导致损伤。
[0008] 混合时空气的产生和稳定化以及确保其保持在合适的数量和气孔尺寸下直至胶 凝组合物硬化对于北美的胶凝组合物制造商而言仍是最大的日常挑战。胶凝组合物中夹 带的气孔体系的含气量和特性无法通过直接量化的方式控制，而只能间接地通过加入到胶 凝组合物中的加气剂的数量和/或类型控制。例如骨料的组成和颗粒形状、混合物中水泥 的类型和用量、胶凝组合物的稠度、使用的混合器的类型、混合时间和温度等因素都会影响 加气剂的性能。在夹带的空气的普通水泥中孔隙尺寸可显示出非常宽的变化范围，在10 至3000微米之间或更多。在这种胶凝组合物中，除了对于耐冻融循环损伤是必要的小孔 隙之外，大孔隙的存在--对胶凝组合物的耐久性几乎没有作用，并可能降低组合物的强 度--被视为不可避免的特征。
[0009] 当由于大量原因中的任何一个（某些原因如上所述）造成胶凝组合物的表 面破裂时，加气剂已经显示出提供了耐冻融损伤性，以及耐剥落损伤（scaling damage resistance)性。然而，因为常规加气剂遭受上述问题，因此胶凝组合物行业正在寻找新的、 更好的掺合剂以提供目前常规加气剂所提供的性能。
[0010] 一个近期的进展是使用聚合物微球以在胶凝组合物内部生成尺寸可控的孔隙。然 而，仍在持续开发以改善聚合物微球在胶凝组合物中的作用，并降低包括聚合物微球的胶 凝组合物的成本。
[0011] 为了提供适当尺寸的气孔，聚合物微球在掺入到胶凝组合物中之前需要被膨胀。 膨胀后的可膨胀聚合物微球的体积可高达至未膨胀微球体积的约75倍。由于与运输包括 高容量（high-volume)可膨胀聚合物微球的掺合剂--特别是如果含有在包括大量水的水 性浆料中--相关的运输费用较高，因此将包括可膨胀聚合物掺合剂微球提供给胶凝组合 物是昂贵的。
[0012] 所需要的是以一种合理价格来提供用于胶凝组合物和胶凝制品中的聚合物微球 的方法。

【专利附图】

【附图说明】
[0013] 本发明的实施方案参照相应的附图进行阐述，且仅用于说明性目的。本发明不应 将其应用限于附图中所示部件的结构或布置的细节。类似的编号用于表示类似的组件，除 非另有说明。
[0014] 图1为用于实施本发明方法的装置的一个实施方案示意图。
[0015] 图2为用于实施本发明方法的装置的一个实施方案示意图。
[0016] 图3为含有85%水分的膨胀微球的照片。
[0017] 图4为分散于水中的膨胀微球的照片。
[0018] 图5为混凝土制品中的膨胀微球的照片。


【发明内容】

[0019] 在胶凝组合物终凝之前，膨胀微球在胶凝组合物中提供孔隙空间，这些孔隙空间 起到增强胶凝材料冻融耐久性的作用。膨胀微球将孔隙引入到胶凝组合物中以在胶凝组合 物中生成一个完全成型的孔隙结构，其抵抗由水饱和循环凝固产生的混凝土退化，并且不 依赖于混合胶凝组合物过程中的气泡稳定性。利用膨胀的聚合物微球所产生的冻融耐久性 的提高是基于缓解当胶凝组合物中水凝结时所产生的压力的物理机制。在常规的实践中， 通过使用化学掺合剂在硬化材料中产生适当尺寸和间隔的孔隙，从而稳定了在混合过程中 携入胶凝组合物中的气孔。在传统的胶凝材料里，这些化学掺合剂被称为加气剂一类。本 发明的掺合剂利用膨胀的聚合物微球在胶凝组合物中形成孔隙结构，并且不需要生成和/ 或稳定混合过程中所夹带的空气。
[0020] 膨胀的聚合物微球的使用大大消除了一些当前【技术领域】遇到的实际问题。其也使 得使用某些材料成为可能，例如：低级、高碳粉煤灰，由于它被认为在没有进一步的处理下 不能应用于夹带空气的胶凝组合物中，因此可能被填埋。这导致节约了水泥，因此也节约了 经济成本。由于通过这种方法生成的孔隙比采用常规加气剂获得的体积小得多，因此，实现 所需耐久性所需要的膨胀的聚合物微球的也比在常规的夹带空气的胶凝组合物中小很多。 因此，采用本发明的掺合剂和方法可实现在保护免受冻融损伤的相同水平下更高的抗压强 度。因此可节省了用于实现强度的最昂贵的组分，即水泥。
[0021] 可膨胀聚合物微球可以由以下聚合物中的至少一种聚合物组成，所述聚合物为聚 乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚邻氯苯乙烯（polyuhlorostyrene)、聚氯乙烯、聚偏 二氯乙烯、聚丙烯腈、聚甲基丙烯腈、聚苯乙烯及它们的共聚物，如偏二氯乙烯和丙烯腈、聚 丙烯腈-共聚甲基丙烯腈、聚偏二氯乙烯-聚丙烯腈、或氯乙烯-偏二氯乙烯等共聚物等。 由于微球是由聚合物组成，其壁可以是柔性的，这样微球响应于压力移动。因此，制备微球 的材料可以是柔性的，在某些实施方案中，对胶凝组合物中的碱性环境具有耐受性。适合的 可膨胀聚合物微球不限于从阿克苏诺贝尔公司（Duluth，GA)下属的依卡化学品公司（Eka chemicals Inc.)购买，商品名为EXPANCEL?。适当的EXPANCEL?聚合物微球的 非限制性实施例包括密度在约0. 〇15g/cm3至约0. 025g/cm3的范围内且尺寸在约20 μ m至 80 μ m范围内的膨胀的聚合物微球。
[0022] 在某些实施方案中，未膨胀的可膨胀聚合物微球的平均直径大约为100 μ m或更 小，在某些实施方案中约为50 μ m或更小，在某些实施方案中约为24 μ m或更小，在某些实 施方案中约为16 μ m或更小，在某些实施方案中约为15 μ m或更小，在某些实施方案中约 为ΙΟμπ?或更小，在某些实施方案中约为9μπ?或更小。在某些实施方案中，未膨胀聚合物 微球的平均直径为约10 μ m至约16 μ m，在某些实施方案中为约6 μ m至约9 μ m，在某些实 施方案中为约3 μ m至6 μ m，在某些实施方案中为约9 μ m至约15 μ m，在其他实施方案中为 约10 μ m至约24 μ m。聚合物微球可具有一个中空的芯和可压缩的壁。聚合物微球的内部 包括一个空腔（void cavity)或多个孔隙空腔，这些空腔中可包含气体（充气的）或液体 (充液的）。
[0023] 在某些实施方案中，膨胀的可膨胀聚合物微球的平均直径可以为约200至约 900 μ m，在某些实施方案中为约40至约216 μ m，在某些实施方案中为约36至135 μ m，在某 些实施方案中为约24至81 μ m，在某些实施方案中为约12至54 μ m。
[0024] 上述直径为体积-平均直径。未膨胀的和/或膨胀的可膨胀聚合物微球的直径可 通过本领域知晓的任何方法测定。例如，可膨胀聚合物微球的重均直径可由光散射技术确 定，如采用购自马尔文仪器有限公司（伍斯特郡，英国）的光散射仪确定。
[0025] 已经发现，可膨胀聚合物微球的直径越小，胶凝组合物中实现所需的耐冻融损伤 性需要的微球数量越少。就性能角度而言这是有益的，由于微球的加入使抗压强度下降的 更少，以及就经济角度而言也是这样，因为需要更少的微球数量。同样地，可优化聚合物微 球的壁厚以使成本最小化，但必须确保这个壁厚足以抵抗胶凝组合物在混合、安置、固化和 修整过程中的损失和/或断裂。
[0026] 提供一种使可膨胀聚合物微球膨胀的方法，包括在生产胶凝组合物或胶凝制品之 前和/或期间使包含未膨胀的可膨胀聚合物微球的水性浆料与蒸汽接触，其中水性浆料任 选地还包含用于胶凝组合物或制品的掺合剂。在某些实施方案中，该方法可包括，在胶凝组 合物或制品的生产过程中使包含未膨胀的可膨胀聚合物微球的水性浆料与蒸汽原位接触。
[0027] 提供一种生产胶凝组合物或胶凝制品的方法，包括：（i)在所述的生产胶凝组合 物或胶凝制品之前和/或期间使包含未膨胀的可膨胀聚合物微球的水性浆料与蒸汽接触 以生成膨胀的聚合物微球；（ii)任选地预湿（pre-wetting)膨胀的聚合物微球；和（iii) 将膨胀的聚合物微球掺入到胶凝组合物或制品中，其中水性浆料任选地还包含用于胶凝组 合物或制品的掺合剂。
[0028] "在生产胶凝组合物或胶凝制品之前和/或期间使包含未膨胀的可膨胀聚合物微 球的水性浆料与蒸汽接触"的方法可包括以下步骤中的至少一个：（i)在胶凝组合物或制品 的生产过程中，在例如通过注射将水性浆料引入到正在进入胶凝组合物中的给水流（feed water stream)之前，将包含未膨胀的可膨胀聚合物微球的水性楽料与蒸汽进行接触；或 (ii)使包含未膨胀的可膨胀聚合物微球的水性浆料与蒸汽接触以使可膨胀聚合物微球膨 胀，在胶凝组合物或制品的生产设施中使膨胀的可膨胀聚合物微球在水中淬火，以及存储 含有淬火、膨胀的微球的水性浆料以用于引入到该设施所生产的胶凝组合物或制品中。图3 为一张在与蒸汽接触以使可膨胀聚合物微球膨胀之后的膨胀的可膨胀聚合物微球的照片。 如本文中使用的"在胶凝组合物或制品的生产设施中"意味着未膨胀的可膨胀聚合物微球 的膨胀在相同的设施中发生或在相近或相似于生产胶凝组合物或制品的设施中发生。
[0029] 在某些实施方案中，预湿膨胀的微球可包括将膨胀的聚合物微球分散于液体中， 其中液体任选地包含水。预湿的膨胀的聚合物微球可以与水泥、水和其他胶凝混合物组分 混合以形成胶凝组合物。图4为膨胀的聚合物微球分散于水中的照片。
[0030] 在某些实施方案中，预湿膨胀的聚合物微球可包括将膨胀的聚合物微球和液体加 入到一个混合槽中，其中液体任选地包含水。在某些实施方案中，膨胀的聚合物微球可占混 合槽中所有材料总体积的约1 %至约60%。
[0031] 参考图1，在某些实施方案中，包含未膨胀的可膨胀聚合物微球的水性浆料12经 第一管道14注入，同时蒸汽16经第二管道18注入。第一管道14和第二管道18在管道20 汇合后便进入第三管道22中，第三管道22含有流入26胶凝组合物中的给水流24。第一管 道和第二管道的汇合导致未膨胀的可膨胀聚合物微球迅速加热，引起微球膨胀。膨胀的微 球随后通过流经第三管道22的给水流进行淬火，使得膨胀的微球在引入到胶凝组合物中 时保留其尺寸。在某些实施方案中，第三管道22可流入26 -个贮存容器中（未示出），并 储存以用于随后引入到胶凝组合物中。在可选的实施方案中，可取消第三管道22,并且在 接触了第二管道18中的蒸汽后，膨胀的微球可直接被引入到一个现场（on-site)的存储容 器（未显示）中，并存储以用于随后引入到胶凝组合物中。图5为一种混凝土制品中的膨 胀的聚合物微球的照片。在某些实施方案中，膨胀的微球的体积可高达其初始未膨胀体积 的约75倍。
[0032] 参考图2,在某些实施方案中，第一管道14和第二管道18的汇合20可包括第四管 道21。第四管道21可包括一个背压发生器（back pressure generator) 28,例如一个流量 控制阀或限流装置，如一个孔式喷嘴。背压发生器28能够限制和/或控制水性浆料12和 蒸汽16的混合物流量，以此确保该混合物达到可膨胀微球在水性浆料12中充分膨胀所需 的适当的压力和温度。在某些实施方案中，背压发生器28也可至少在一定程度上防止第三 管道22中的给水流24发生回流。
[0033] 在某些实施方案中，可使用以下装置来制备膨胀的聚合物微球和/或包含它们 的掺合剂，所述装置包括：(a) -个蒸汽发生器或其他的蒸汽源；(b)与蒸汽发生器或其他 蒸汽源流体连通（fluid communication)的一个蒸汽管道；（c)与流体材料源流体连通的 流体材料管道，其中流体材料包括未膨胀的可膨胀聚合物微球；（d) -个处理区，其经由蒸 汽管道与蒸汽发生器或其他蒸汽源流体连通，且与流体材料管道流体连通，以使流体材料 与蒸汽在处理区中接触；（e) -个背压发生器，其与处理区流体连通，能够增加处理区的压 力，使得当流体材料流出处理区时可膨胀聚合物微球膨胀。
[0034] 在一个实施方案中，一种流体材料--其包括水和待包括于胶凝组合物、胶凝制 品或掺合剂中的未膨胀的可膨胀聚合物微球--在处理区与蒸汽接触，以使未膨胀的可膨 胀聚合物微球受到温度和压力的增加，从而导致可膨胀聚合物微球的预膨胀。在流出处理 区时，任选地通过背压发生器，可膨胀聚合物微球经历一个压力下降，这个压力等于处理区 内的压力和处理区外部环境的压力的差值。这种压力突然下降的现象导致可膨胀聚合物微 球的快速膨胀。
[0035] 背压发生器能够限制和/或控制通过处理区的流体材料和蒸汽的流量，从而确保 处理区的压力和温度足以提供使得可膨胀聚合物微球在流出背压发生器时膨胀至所需程 度的足够压降。背压发生器可包括，例如，一个流量控制阀或限流装置，比如一个孔式喷嘴。 可选地或另外地，背压发生器可包括：（i)足以阻碍流经处理区的一定长度的管道，以使可 保持或增加处理区内的压力；和/或（ii) 一个管道，其内部尺寸小于流体材料管道或蒸汽 管道中的任何一个或两个的内部尺寸，以使可保持或增加处理区内的压力；和/或（iii)具 有不规则内壁图案的一个管道，如内螺纹管，以使可保持或增加处理区内的压力。
[0036] 在某些实施方案中，处理区内部的温度可以为约80°C (176° F)至约 160°C(320° F)，在某些实施方案中为约100°C(212° F)至160°C(320° F)，在某些实施 方案中为约l〇5°C(221° F)至约145°C(293° F)，在某些实施方案中约为135°C(275° F) 至145°C(293 ° F)。在某些实施方案中，处理区内部的压力为约46.1kPa(6.69psi) 至约618.1kPa(89.65psi)，在某些实施方案中为约101.3kPa(14.69psi)至 618. lkPa(89. 65psi)，在某些实施方案中为约 120kPa(17. 4psi)至约 420kPa(60. 9psi)，在 某些实施方案中为约315kPa(45. 7psi)至约420kPa(60. 9psi)。
[0037] 包含膨胀的可膨胀聚合物微球的流体材料可以被加入或混合至工艺用水或其他 液体掺合剂中，随后掺入到胶凝组合物或胶凝制品中。或者，包含膨胀的可膨胀聚合物微球 的流体材料没有事先加入到处理后的工艺用水或其他液体掺合剂中，而被直接掺入到胶凝 组合物中（在混合胶凝组合物各成分之前或期间）。
[0038] 本发明的方法可以在胶凝组合物的生产设施中现场进行，如预拌混凝土厂。所述 设施可包括水泥存储区、水、和添加到待生产的胶凝组合物中的其他组分，如骨料和/或胶 凝组合物掺合剂。在设施中，胶凝组合物的不同的组分，如水泥、水、骨料、和/或掺合剂混 合在一起形成了胶凝组合物。混合可以在一个混合槽中进行，如混凝土混合槽。一旦组分 混合，胶凝组合物可被运输到一个将组合物存放并使其硬化的施工现场。在胶凝组合物的 生产设施或其他的设施现场，胶凝组合物也可用于生产胶凝产品，如水泥块或水泥混凝土 (concrete paver)〇
[0039] 膨胀和预湿之后，膨胀的聚合物微球可随后被直接引入到生产过程中的胶凝组合 物的混合物中，如供给到设施中的中央搅拌机（central mixer),或可暂时保留在一个或多 个容器或配料槽（batch tank)中。容器或配料槽的数量或容量可与膨胀装置的生产效率 和/或生产过程中胶凝组合物批料的循环时间相关。在某些实施方案中，如预拌混凝土的 生产，对于一个混凝土搅拌车(mixer truck)所需要的大量膨胀的聚合物微球而言，完成其 膨胀和引入到配料槽的时间可能小于或等于用全部胶凝组合物组分投配到该搅拌车所需 要的时间。至少一个配料槽可以是填充模式，而另一个配料槽正在将其包容的膨胀的聚合 物微球分散体或含有膨胀的聚合物微球的液体掺合剂卸载到搅拌车的胶凝混合物中。
[0040] 在某些实施方案中，本发明的方法能够以最低的成本将可膨胀的聚合物微球的水 性浆料和/或包含未膨胀的可膨胀聚合物微球的掺合剂运输至胶凝组合物的生产设施中。 一旦水性浆料和/或包含未膨胀的可膨胀聚合物微球的掺合剂到达该设施处，可膨胀的聚 合物微球可在现场进行膨胀。与运输包含膨胀的可膨胀聚合物微球的浆料和/或掺合剂 (其中膨胀的聚合物微球的体积可高达至未膨胀微球体积的75倍）相比，运输包含未膨胀 的可膨胀聚合物微球的浆料和/或掺合剂大大降低了运输成本，所述运输成本可能等于或 超过掺合剂的实际成本。此外，也可减少其他的物流成本，如存储。
[0041] 在某些实施方案中，基于胶凝组合物的总体积计，与包含常规加气剂的胶凝组合 物相比，包含1. 5体积％的膨胀的可膨胀聚合物微球的胶凝组合物在28天后的抗压强度可 提高30%，也通过了 ASTM C 666,其通过引证的方式纳入本说明书中。ASTM C-666用于测 试胶凝组合物的耐冻融损伤性。
[0042] 水硬性（hydraulic)水泥可能为波特兰水泥、铝酸钙水泥、磷酸镁水泥、磷酸镁钾 水泥、硫铝酸钙水泥或任何其他适合的水硬性粘合剂。骨料可以包括在胶凝组合物里。骨 料可以为二氧化硅、石英、砂、碎大理石、玻璃球、花岗岩、石灰石、方解石、长石、冲积砂，其 他任何耐用骨料，和这些物质的混合物。
[0043] 在某些实施方案中，基于胶凝组合物的总重量计，通过本文所述的掺合剂和/或 方法输送到胶凝组合物（可包含胶凝制品）中的膨胀的、可膨胀聚合物微球的量可以为 约0. 002重量％至约0. 06重量％。在其他实施方案中，基于胶凝组合物的总重量计，通过 本发明的掺合剂或方法输送到胶凝组合物中的可膨胀聚合物微球的量可以为约〇. 005重 量％至约0. 04重量％。在进一步的实施方案中，基于胶凝组合物的总重量计，通过本发明 的掺合剂或方法输送到胶凝组合物里的可膨胀聚合物微球的量可以为约〇. 008重量％至 约0.03重量％。
[0044] 在某些实施方案中，基于胶凝组合物的总体积计，通过本文中所述的掺合剂和/ 或方法输送到胶凝组合物中的膨胀的、可膨胀聚合物微球的量可以为约〇. 2体积％至约4 体积％。在某些实施方案中，基于胶凝组合物的总体积计，通过本发明的掺合剂或方法输送 到胶凝组合物中的膨胀的、可膨胀聚合物微球的量可以为约〇. 25体积％至4体积％。在某 些实施方案中，基于胶凝组合物的总体积计，通过本发明的掺合剂或方法输送到胶凝组合 物中的膨胀的、可膨胀聚合物微球的量可以为约〇. 4体积％至约4体积％。在某些实施方案 中，基于胶凝组合物的总体积计，通过本发明的掺合剂或方法引入到胶凝组合物里膨胀的、 可膨胀聚合物微球的量可以为约〇. 25体积％至约3体积％。在某些实施方案中，基于胶凝 组合物的总体积计，通过本发明的掺合剂或方法输送到胶凝组合物中的膨胀的、可膨胀聚 合物微球的量可以为约0. 5体积％至约3体积％。
[0045] 根据本发明方法的适合用于膨胀可膨胀聚合物微球的装置的非限制性实例包括： (a)输出功率小于或等于约6锅炉马力（boiler horsepower)的蒸汽发生器，（b)在与蒸汽 发生器流体连通的蒸汽管道，（c)与流体材料源流体连通的流体材料管道，其中流体材料包 含未膨胀的可膨胀聚合物微球；（d) -个处理区，其经由蒸汽管道与蒸汽发生器流体连通， 且与流体材料管道流体连通，以使流体材料与蒸汽在处理区中接触；（e) -个背压发生器， 其与处理区流体连通，能够增加处理区的压力，导致当流体材料流出处理区时可膨胀聚合 物微球膨胀。该装置可有一个占用区（footprint)，其允许将装置放置在生产设施--使用 膨胀的可膨胀聚合物微球以生产诸如胶凝组合物或胶凝制品的的产品--的内部，且对产 品的生产没有显著不利的影响。
[0046] 以下实施例示例性说明了使用本发明方法的实施方案制得的胶凝组合物的性能， 且不应被视为以任何方式限制本发明。

【具体实施方式】
[0047] 实施例1
[0048] 在胶凝组合物设施中的中央搅拌机中制备一种胶凝组合物。胶凝组合物包括1833 磅水泥，3900 磅（1770kg)沙子，3171 磅（1438kg) #57 石头，2154 磅（977kg) #8 石头和 917 磅 (416kg)水。胶凝组合物的体积约为3yd3(2. 3m3)。胶凝组合物包括2713mL的Pozzolith? 80 减水惨合剂（购自 BASF Construction Chemicals, Cleveland, Ohio)、3798mL 的 Glenilim? 7500高量程硒减水掺合剂（也是购自BASF Construction Chemicals)，和 814mL磷酸三丁酯消泡掺合剂。在中央混合机中完成混合后，将胶凝组合物转移至混凝土搅 拌车里。
[0049] 一旦胶凝组合物加入到混凝土搅拌车中，将占胶凝组合物2体积％、通过本发明 方法膨胀的密度约为0. 〇25g/cm3、尺寸约为40 μ m的膨胀的聚合物微球加入到搅拌车的顶 部。搅拌车在高速下混合胶凝组合物2-3min，从搅拌车顶部采样。在低速下混合约20min 后，从搅拌车的顶部采样第二个样品。在低速下总共混合约40min后，从搅拌车的顶部采养 第三个样品。总共混合约60min后，从搅拌车的顶部采样第四个样品。
[0050] 样品是完全流动的，其平均初始坍落度约为28. 75英寸（73. 03cm)且平均含气量 为1.8%。由于样品具有如此的流动性，也因为它们是从搅拌车的顶部获取的，因此样品中 存在的微球量大于整个胶凝组合物中存在微球量的平均值。确定样品微球量的测试结果显 示，样品中的平均微球含量约占胶凝组合物的2. 5体积％。通过ASTM C666测试的样品的 平均耐久性因子约为90。
[0051] 实施例2
[0052] 在胶凝组合物设施中的中央搅拌机中制备一种胶凝组合物。胶凝组合物包括760 磅水，1690 磅（767kg)水泥，4020 磅（1820kg)沙子，3020 磅（1375kg) #57 石头，和 2000 镑（910kg)#8石头。胶凝组合物的体积约为3yd3(2. 3m3)。胶凝组合物还包括1501mL的 Glenium? 7500高量程减水掺合剂和750mL磷酸三丁酯（"TBP"）消泡掺合剂。
[0053] 在将其他成分加入到中央搅拌机之前，将占胶凝组合物1. 5体积％、通过本发明 方法膨胀的密度约为0. 〇25g/cm3、尺寸约为40 μ m的膨胀的聚合物微球以水性浆料的形式 手动加入到中央搅拌机中。将TBP手动加入到含有膨胀的聚合物微球的中央混合物中。在 膨胀的聚合物微球和TBP加入之后，胶凝组合物的其他成分通过生产设施的自动配料体系 自动地加入到中央搅拌机中。当膨胀的聚合物微球和TBP加入到中央搅拌机时，关闭中央 搅拌机除尘器（dust collector)，直到胶凝组合物开始混合30s后再开启。
[0054] -旦完成混合，就采样第一个胶凝组合物样品。第一个样品具有5. 00英寸 (12. 7cm)的坍落度和2. 1 %的含气量，并通过ASTM C666测试的耐久性因子为95。混合完 成30s后采样第二个胶凝组合物的样品。第二个胶凝组合物样品具有3. 75英寸（9.53cm) 的坍落度，2. 5%的含气量，且通过ASTM C666测试的耐久性因子为83。
[0055] 实施例3
[0056] 在胶凝组合物设施中的中央搅拌机中制备一种胶凝组合物。胶凝组合物包括1520 磅水，3380 磅（1530kg)水泥，8040 磅（3650kg)沙子，6040 磅（2740kg) #57 石头，和 4000 磅 (1810kg)#8石头。胶凝组合物的体积约为6yd3。胶凝组合物还包括4002mL的Glenium? 1 7500高量程减水掺合剂和1501mL磷酸三丁酯消泡掺合剂。
[0057] 将其他成分加入到中央搅拌机之前，将占胶凝组合物1. 5体积％、通过本发明方 法膨胀的密度约为0. 〇25g/cm3、尺寸约为40 μ m的膨胀的聚合物微球以水性楽料的形式手 动加入到中央搅拌机中。将TBP手动加入到含有膨胀的聚合物微球的中央混合物中。在膨 胀的聚合物微球和TBP加入之后，胶凝组合物的其他成分通过生产设施的自动配料体系自 动地加入到中央搅拌机中。当膨胀的聚合物微球和TBP加入到中央搅拌机时，关闭除尘器， 直到胶凝组合物开始混合30s后再开启。
[0058] -旦完成混合，就采样第一个胶凝组合物样品。第一个样品有7. 75英寸（19. 7cm) 的坍落度和1. 7%的含气量，并通过ASTM C666测试的耐久性因子为95。混合完成30s后 获得第二个胶凝组合物样品。第二个胶凝组合物样品具有7. 00英寸（17.8cm)的坍落度和 2. 0%的含气量，且通过ASTM C666测试的耐久性因子为87。
[0059] 实施例4
[0060] 在胶凝组合物设施中的中央搅拌机中制备一种胶凝组合物。胶凝组合物包括1204 磅（546kg)水，2780 磅（1260kg)水泥，6355 磅（2883kg)沙子，5069 磅（2299kg) #57 石头， 和3388磅（1537kg)#8石头。胶凝组合物的体积约为5yd3(3. 8m3)。胶凝组合物包括占胶 凝组合物3. 0体积％的卩〇220丨^11?: 80减水掺合剂和1500mL磷酸三丁酯消泡剂。
[0061] 将其他成分加入到中央搅拌机之前，将占胶凝组合物0. 75体积％、通过本发明方 法膨胀的密度约为0. 〇25g/cm3、尺寸约为40 μ m的膨胀的聚合物微球以水性楽料的形式手 动加入到中央搅拌机中。将TBP手动加入到含有膨胀的聚合物微球的中央混合物中。在膨 胀的聚合物微球和TBP加入之后，胶凝组合物的其他成分加入到中央搅拌机中。
[0062] 采样一个胶凝组合物样品，其具有5. 50英寸（14. 0cm)的坍落度和2. 4%的含气 量，且通过ASTM C666测试的耐久性因子为95。
[0063] 采用本发明所述的方法制备的胶凝组合物可包括其他掺合剂或成分，且不应必 须限制于所述配方。这些可加入的掺合剂和/或成分可包括，但不局限于：分散剂、凝固 和强度加速剂/增强剂，缓凝剂、减水掺合剂、缓蚀剂（corrosion inhibitor)、润湿剂、 水溶性聚合物、流变改良剂、憎水剂、非降解纤维（non degrading fibers)、防潮掺合剂 (dampproofing admixture)、减渗剂（permeability reducer)、杀真菌惨合剂、杀细菌惨合 齐LI、杀昆虫掺合剂、碱反应性减少剂（alkali-reactivity reducer)、粘合掺合剂、减缩掺合 齐U，以及其他适合用于胶凝组合物中的任何掺合剂或添加剂。本文中所述的掺合剂和胶凝 组合物不需要包含任何上述成分，但可以包含任意数量的上述成分。
[0064] 胶凝组合物中可以含有骨料以提供包括细骨料的砂浆和包括细的和粗的骨料的 混凝土。细骨料是几乎完全通过4号筛（ASTM C125和ASTM C33)的材料，如硅砂。粗骨料 是大部分截留在4号筛（ASTM C125和ASTM C33)上的材料，如二氧化硅、石英、碎大理石、 玻璃球、花岗岩、石灰石、方解石、长石、冲积砂、沙子或任何其他耐用骨料，以及它们的混合 物。
[0065] 火山灰（pozzolan)是一种只有很小或几乎没有胶凝值（cementitious value) 的娃质或错娃质（aluminosiliceous)材料，但在水的存在下并呈细分散的形式下，火山灰 将会与波特兰水泥水合过程中产生的氢氧化钙发生化学反应以形成具有胶凝性能的材料。 娃藻土、乳白娃质岩、粘土、页岩、粉煤灰、矿渔、娃灰、凝灰岩和浮岩是一些已知的火山灰水 泥。某些磨细的高炉矿渔（ground granulated blast-furnace slag)和高|丐粉煤灰具有 火山灰水泥和胶凝二者的性质。天然火山灰（natural pozzolan)是用于定义天然形成的 火山灰例如凝灰岩、浮岩、浮石火山土、娃藻土、蛋白石（opaline)、黑娃石（chert)和一些 页岩的技术术语。名义上的惰性材料还可以包括细碎的原石英、白云石、石灰石、大理石、花 岗岩和其他材料。在ASTM C618中定义了粉煤灰。
[0066] 如果使用硅粉，它可以是未压实的或部分压实的或作为浆料加入。此外，硅粉与水 泥粘合剂的水化副产物反应以增加成品的强度并降低成品的渗透性。硅粉，或其他火山灰 如粉煤灰，或煅烧粘土如偏高岭土，可以基于胶凝材料重量计约5重量％至约70重量％的 量添加到胶凝湿料烧铸（wet cast)混合物中。
[0067] 如果使用分散剂，可以是任何适合的分散剂，如：木质素磺酸盐、萘磺酸盐、磺 化三聚氰胺甲醛缩合物、聚天冬门氨酸盐、具有或不具有聚醚单元的聚羧酸盐、萘磺酸盐甲 醛缩合树脂或低聚物分散剂。
[0068] 可以使用聚羧酸盐分散剂，其意指一种具有带侧链的碳骨架的分散体，其中侧链 的至少一部分通过羧基、醚基，或酰胺基或酰亚胺基连接到骨架上。分散剂也意指包括那些 同样起到用于胶凝组合物的塑化剂、高程减水剂、流化剂、防絮凝剂或超增塑剂作用的化学 品。
[0069] 术语低聚物分散剂是指与组分Α，任选地组分Β，和组分C的低聚物反应产物；其中 每种组分Α独立的为一种吸附于胶凝颗粒上的非聚合的官能部分；其中组分Β为任选的部 分，如果存在，每种组分B独立地为一种在组分A和组分C之间分布的非聚合部分；其中组 分C为至少一种是线性的或支化的、基本不会吸附于胶凝颗粒上的水溶性非离子聚合物。 低聚物分散剂公开于美国第6133347号专利、美国第6492461号专利和美国第6451881号 专利。
[0070] 可使用的凝固和强度加速剂或增强剂包括，但不限于：碱金属、碱土金属或铝的硝 酸盐；碱金属、碱土金属、或铝的亚硝酸盐；碱金属、碱土金属或铝的硫氰酸盐；链烷醇胺； 碱金属、碱土金属或铝的硫代硫酸盐；碱金属、碱土金属或铝的氢氧化物；碱金属、碱土金 属或铝的羧酸盐（优选甲酸钙）；多羟基烷基胺；和/或碱金属或碱土金属的卤化盐（优选 溴化物）。
[0071] 硝酸盐的通式为M(N03)a，其中Μ为一种碱金属、或碱土金属或铝，式中Μ为碱金属 时3为1^为碱土金属时&为2^为铝时&为3。优选的是似、1(、1%、0 &和41的硝酸盐。
[0072] 亚硝酸盐的通式为M(N02)a，其中Μ为一种碱金属、或碱土金属或铝，式中Μ为碱金 属时a为1，Μ为碱土金属时a为2, Μ为铝时a为3。优选的是Na、K、Mg、Ca和Α1的硝酸 盐。
[0073] 硫氰酸盐的通式为M(SCN)b，其中Μ为一种碱金属、或碱土金属或铝，式中Μ为 碱金属时b为1, Μ为碱土金属时b为2, Μ为错时b为3。这些盐不同地被称为：硫氰 酸盐（sulfocyanate)、硫氰化物（sulfocyanide)、硫化氰盐（rhodanate)或硫氰化盐 (rhodanide salt)。优选的是Na、K、Mg、Ca和A1的硫氰酸盐。
[0074] 链烷醇胺是用于其中三价氮与烷基醇的碳原子直接连接的一类化合物的通用术 语。一个代表性式为N[H]。[ (CH2) dCHRCH2R] e，其中R独立地为Η或0H，c为3-e，d为0至4， e为1至3。实施例包括，但不限于单乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺和三异丙醇胺。
[0075] 硫代硫酸盐的通式为Mf(S203) g,其中Μ为一种碱金属，或碱土金属或错，式中f为1 或2，g为1、2或3,这取决于Μ金属元素的价态。优选的是Na、K、Mg、Ca和A1的硫代硫酸 盐。
[0076] 羧酸盐的通式为RC00M，式中R为Η或Q至C1(l的烷基，Μ为碱金属，碱土金属或铝。 优选的是Na、K、Mg、Ca和Α1的羧酸盐。羧酸盐的一个实施例为甲酸钙。
[0077] 多羟基烷基胺可具有以下通式：
[0078]

【权利要求】
1. 一种使可膨胀聚合物微球膨胀的方法，包括在生产胶凝组合物之前和/或期间使包 含未膨胀的可膨胀聚合物微球的水性浆料与蒸汽接触，其中水性浆料任选地还包含用于胶 凝组合物的掺合剂。
2. 根据权利要求1的方法，其中该方法包括在胶凝组合物的生产过程中使包含未膨胀 的可膨胀聚合物微球的水性浆料与蒸汽原位接触。
3. 根据权利要求1或2的方法，其中所述的在胶凝组合物的生产过程中使包含未膨胀 的可膨胀聚合物微球的水性浆料与蒸汽原位接触包含在胶凝组合物的生产过程中在将水 性浆料引入到正在进入胶凝组合物中的给水流之前使包含未膨胀的可膨胀聚合物微球的 水性浆料与蒸汽接触。
4. 根据权利要求3的方法，其中流入给水流中的水性浆料的流量受到或控制。
5. 根据权利要求3或4的方法，其中给水流被加入到胶凝组合物搅拌车中。
6. 根据权利要求1或2的方法，其中所述的在胶凝组合物的生产过程中使包含未膨胀 的可膨胀聚合物微球的水性浆料与蒸汽在原位接触包含使包含未膨胀的可膨胀聚合物微 球的水性浆料与蒸汽接触以使可膨胀聚合物微球膨胀，在胶凝组合物生产设施中使膨胀的 可膨胀聚合物微球在水中淬火，以及存储含有淬火、膨胀的微球的水性浆料以用于引入到 在该设施中所生产的胶凝组合物中。
7. 根据权利要求6的方法，其中含有淬火的、膨胀的微球的水性浆料存储在贮存槽中。
8. 根据权利要求6或7的方法，其中在所述的将膨胀的可膨胀聚合物微球于水中淬火 前，对水性浆料的流量进行限制和/或控制。
9. 根据权利要求1至8中任一项的方法，其中在水性浆料和蒸汽接触之前将用于胶凝 组合物的掺合剂加入到水性浆料中。
10. -种生产胶凝组合物或包含所述组合物的胶凝制品的方法，包括：（i)实施权利要 求1-9中任一项的方法；（ii)任选地预湿膨胀的聚合物微球；（iii)将膨胀的聚合物微球 掺入到胶凝组合物中。
11. 根据权利要求10的方法，其中所述的预湿膨胀的聚合物微球包括将膨胀的聚合物 微球分散于液体中，任选地其中液体包括水。
12. 根据权利要求10或11的方法，其中所述的预湿膨胀的聚合物微球包括将膨胀的聚 合物微球和液体加入到搅拌车中，任选地其中液体包括水。
13. 根据权利要求12的方法，其中膨胀的聚合物微球占搅拌机中所有材料总体积的约 1体积％至约60体积％。
14. 根据权利要求10至13中任一项的方法，还包含将预湿的膨胀的聚合物微球或包含 预湿的膨胀的聚合物微球的液体掺合剂在引入并混合至胶凝组合物之前保留在多个容器 中的至少一个中。
【文档编号】C04B28/02GK104245622SQ201380020881
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年4月19日 优先权日:2012年4月19日
【发明者】F·S·翁, J·C·史密斯, D·甘巴泰萨, R·菲特, R·帕波内蒂, S·米西格, M·A·布里 申请人:建筑研究和技术有限公司