低。弱酸性溶 液使CaSi03中的钙物种非全等地溶解。释放的钙阳离子和解离的碳酸盐物种引起不溶性碳 酸盐的沉淀。富含二氧化硅层被认为作为耗乏层保留于矿物质颗粒上。
[0083] 因此，根据本发明的优选实施例，C02优选与硅灰石前体核心的钙阳离子反应，从 而使前体核心的周围部分转化成富含二氧化硅的第一层和富含碳酸钙的第二层。另外，存 在于核心上的第一层和第二层充当硅灰石与二氧化碳之间进一步反应的障壁，从而产生具 有核心、第一层和第二层的接合单元。
[0084] 气体辅助HLPS方法优选利用部分浸渗的孔隙空间，以实现气体扩散而快速浸渗多 孔预成型坯并且用溶解C02使孔隙中的稀液界面溶剂膜饱和。C0 2系物种在纯水中的溶解度 较低(在25°C、1个大气压下为1.5g/L)。因此，必须向多孔预成型坯连续供应大量C0 2且使C02 遍布于多孔预成型坯中以实现明显的碳酸盐转化。与可溶性C02在液相中扩散相同时间的 扩散长度相比，利用气相扩散使扩散长度获得巨大的增加（约1〇〇倍）。（"Handbook of chemistry and physics〃，编者:D.R.Lide,第6章和第8章，第87版2006-2007，CRC.)。此部 分浸渗状态能够使反应在确定的时段内进行至高碳酸化程度。
[0085] 孔隙中的液态水使反应速率加快，原因在于液态水对于碳酸与钙物种的离子化均 为必要的。然而，水位必需足够的低，以使C02气体可以在溶于孔隙结合水相之前扩散进入 多孔基质中。此外，主动溶解型多孔预成型坯充当扩展性反应晶体生长的模板。从而可以使 接合单元与基质在最小的变形和残余应力下形成。除诸多其他应用之外，此法能够得到大 型复杂形状，诸如基础结构和建筑材料所需要的形状。
[0086] 因此，为达成期望的生产方法，可以设计固化条件的不同组合，包括不同的反应温 度、压力和反应时长。在第一示例性实施例中，水以其中溶解C0 2的液体形式传递至前体材 料并且固化过程在约90°C以及约20psig(即高于环境压力20psi)下进行约48小时。在第二 示例性实施例中，水存在于前体材料中（例如作为来自先前混合步骤的残余水)并且水蒸汽 随C0 2-起提供至前体材料(例如以维持水位和/或防止水蒸发损耗)并且固化过程在约60 °C以及Opsig(在环境大气压下）进行约19小时。在第三示例性实施例中，水以蒸汽形式随 C02-起传递至前体材料并且固化过程在约90°C以及20psig(高于环境大气压20psi)下进 行约19小时。
[0087]在示例性实施例中，RRT的制造方法概述如下。根据批量大小计算硅酸钙(例如合 成硅灰石）、砂、粗集料、水以及化学掺合剂的所需量。所述成分在混凝土混合机中混合(例 如约5分钟至10分钟）。将混合物缓慢倾注入保持于振动台上的模具中，并且利用机械振动 将混合物压实，以使顶部光面精整。浇铸1至2小时之后，移除模具的侧面。将试样移至固化/ 反应室中，使其中温度在1小时内从室温(~20°C)升高至60°C且在60°C温度下、在60 %相对 湿度下保持约60小时。同时，在环境大气压下栗入90%浓度的C02,以产生展现均一、均质以 及高密度基质的复合材料。
[0088] 在某些实施例中，模具设置有一个以上孔道，所述孔道允许放置加强筋。
[0089] 在某些实施例中，所述方法可以进一步包括以下步骤:加强筋穿过孔道放置；以及 用pH值高于约12的保护材料填充孔道。
[0090] 在某些实施例中，保护材料包含波特兰水泥浆。
[0091] 在某些实施例中，浇铸混合物在约60°C至约110°C范围内的温度下、在包含水和 C02的蒸汽下固化约15小时至约70小时，所述蒸汽的压力在约环境大气压至高于环境大气 压约30psi的范围内。
[0092] 在某些实施例中，浇铸混合物在约60°C至约100°C范围内的温度下、在包含水和 C〇2的蒸汽下固化约20小时至约60小时，所述蒸汽的压力在约环境大气压至高于环境大气 压约30psi的范围内。
[0093]在某些实施例中，浇铸混合物在等于或低于约60°C的温度下、在包含水和C02并且 具有环境大气压的蒸汽下固化约15小时至约50小时。
[0094] 在某些实施例中，研磨硅酸钙包含研磨硅灰石，并且填料颗粒包含富含二氧化硅 材料的粗颗粒以及细颗粒。
[0095] 在某些实施例中，包含粗颗粒以及细颗粒的填料颗粒包含砂、石英以及花岗岩中 的一种以上。
[0096] 在某些实施例中，高度减水掺合物包含聚羧酸盐并且具有液体组合物的约 1.5wt. %至约3wt. %的浓度。
[0097] 在某些实施例中，微粒组合物包含约16wt. %的研磨硅酸钙。
[0098] 在某些实施例中，研磨硅酸钙主要为研磨硅灰石。
[0099] 在又一个方面中，本发明大体涉及通过本文公开的方法制备的铁道枕木。在某些 实施例中，铁道枕木展现约1900kg/m3至2800kg/m 3的密度、约40MPa至约lOOMPa的抗压强度， 以及约4MPa至约lOMPa的挠曲强度。在某些实施例中，铁道枕木的特征在于，与传统混凝土 铁道枕木相比，耐磨性提高。在某些实施例中，铁道枕木的特征在于，与传统混凝土铁道枕 木相比，耐腐蚀性提高。
[0100]可以制备满足或超过某些工业标准的规范的RRT。例如，对于本发明的预应力式 RRT，抗压强度可以大于约10,000psi，磨耗指数值可以大于590分钟/英寸(根据ASTM C779 程序〇，并且耐久性在300次冻融循环之后可以大于95%(根据431]?0666程序八）。
[0101]孔道、切口、表面的大小、形状、数目以及尺寸皆可以根据特定需要而变化。举例而 言，在美国，干线铁路线的标准铁道枕木大小为约9英寸宽X7英寸厚X约8.5英尺长。对于 短线枕木，大小为约6英寸X8英寸X8.5英尺。对于使用第三轨的一些货运线以及客运线的 枕木，可以为7英寸X 9英寸X 10英尺或6英寸X 8英寸X 10英尺。
[0102]在传统预应力式混凝土枕木中，水泥水合作用为预应力式钢筋周围所倾注混凝土 强度增加的主反应。钙-硅酸盐-水合物(C-S-H)凝胶以及氢氧化钙为主要水合产物。C-S-H 凝胶为强度发展以及微结构的最重要相。一旦达到约4000psi的初始抗压强度，则钢筋从末 端释放或切断而诱导混凝土产生应力。
[0103] 根据本发明生产RRT时，固化或反应方法包括采用消耗C〇2、产生C〇2固存产物，从而 使得所述固化或反应方法成为极具碳中性且在环境上高效的技术。
[0104] 对于RRT的主要关注点为钢或预应力钢线的腐蚀。在后张式混凝土枕木的情况下， 孔道一般性布置并灌浆，并且碳钢经波特兰水泥浆包覆，导致低得多的HCP值（约-250mV)， 表示无腐蚀活性。因此，根据本发明的后张式RRT的应用得到保护并且与传统混凝土 RRT- 样不容易地发生腐蚀。
[0105] 本文公开的与硅酸钙有关的组合物以及方法中可以采用硅酸镁代替硅酸钙或除 娃酸1丐之外还使用娃酸镁。
[0106] 接合单元、接合基质以及复合材料
[0107] A ·接合单元
[0108] 如图1(a)至1(c)中示意性说明，接合单元包括核心（由黑色内部部分表示）、第一 层（由白色中间部分表示）以及第二或囊封层（由外部部分表示）。第一层可以包括单独一个 层或多个子层并且可以完全或部分地覆盖核心。第一层可以以结晶相、非晶相或其混合相 存在，并且可以呈连续相或作为离散颗粒。第二层可以包括单独一个层或多个子层并且还 可以完全或部分地覆盖第一层。第二层可以包括多个颗粒或可以是离散颗粒最少的连续 相。
[0109] 取决于预期应用，接合单元可以展现任意大小以及任意规则或不规则、固体或中 空形态。示例性形态包括:立方体、长方体、棱柱体、圆盘、棱锥体、多面体或多面颗粒、圆柱 体、球体、圆锥体、环、管、新月体、针、纤维、细丝、薄片、球体、亚球体、珠粒、葡萄状、颗粒状、 椭圆形、棒状、波纹状等。
[0110] -般而言，如本文更详细论述的，接合单元由反应性前体材料(例如前体颗粒)经 转化方法而产生。前体颗粒可以具有任意大小与形状，只要所述前体颗粒满足预期应用的 需要即可。转化方法一般产生与前体颗粒大小以及形状相似的相应接合单元。
[0111] 前体颗粒可以选自任意适合材料，所述适合材料可以经历适合转化而形成期望的 接合单元。举例而言，前体颗粒可以包括硅、钛、铝、磷、钒、钨、钼、镓、锰、锆、锗、铜、铌、钴、 铅、铁、铟、砷、钽和/或碱土金属元素(铍、镁、钙、锶、钡以及镭）的氧化物以及非氧化物。
[0112] 示例性前体材料包括氧化物，诸如硅酸盐、钛酸盐、铝酸盐、磷酸盐、钒酸盐、钨酸 盐、钼酸盐、镓酸盐、锰酸盐、锆酸盐、锗酸盐、铜酸盐、锡酸盐、铪酸盐、铬酸盐、铌酸盐、钴酸 盐、铅酸盐、铁酸盐、铟酸盐、砷酸盐、钽酸盐以及其组合。在一些实施例中，前体颗粒包括硅 酸盐，诸如原硅酸盐、双硅酸盐、环硅酸盐、链硅酸盐、页硅酸盐、网硅酸盐和/或水合硅酸 钙。
[0113] 某些废料可以作为前体颗粒用于一些应用中。废料可以包括例如矿物质、工业废 料或工业化学材料。一些示例性废料包括矿物质硅酸盐、铁矿、方镁矿、石膏、氢氧化亚铁 (II )、飞灰、底灰、炉渣、玻璃、油罐体(〇 i 1 she 11 )、红泥、电池组废料、回收混凝土、尾矿、纸 灰，或这浓缩的逆渗透盐水所产生的盐。
[0114] 其他前体颗粒可以包括不同类型的含岩石矿物质，诸如硅酸钙岩石、费奇岩层 (fitch formation)、赫伯隆片麻岩（hebron gneiss)、层状片麻岩、中间层（middle member)、泥板岩、石英岩、中间层前寒武纪沉积物、具有较少石灰石床层的深色长石质石英 岩、高级变质沉积黑云母片岩、黑云母片麻岩、云母片岩、石英岩、湖砂克岩层（hoosac formation)、帕特里奇岩层(partridge formation)、华盛顿片麻岩、泥盆纪、志留纪格林韦 尔湾岩层(greenvale cove formation)、奥科伊超群(ocoee supergroup)、变质砂岩、变质 杂砂岩、朗吉利岩层(Rangeley formation)、角闪岩、方解石质及白云质大理石、曼哈顿岩 层（manhattan formation)、锈色及灰色黑云母-石英-长石片麻岩，以及沃特福德群 (waterford group)。
[0115] 前体颗粒还可以包括:火成岩，诸如安山岩(andesite)、斜长岩(anorthosite)、巴 斯尼特岩(basinite)、玻古安山岩(boninite)、碳酸盐岩以及紫苏花岗岩(charnockite); 沉积材料，诸如但不限于，泥板岩(3坪；111；^6)、长石砂岩(34〇86)、角烁岩(13^(3(^38)、碎 裂岩（〇3七3〇1&8；^6)、白呈岩、黏土岩、角岩（〇1161'1：)、燧石、粗砂岩（8；^80116)、纳银岩 (lighine)、石灰石、泥岩、砂岩、页岩以及粉砂岩；变质材料，诸如但不限于，角闪岩 (amphibolites)、变闪长岩(epidiorite)、片麻岩、砂粒岩、绿岩、角页岩、大理石、泥质岩、 千枚岩(phyllite)、石英岩、页岩、硅卡岩(skarn)、板岩、滑石碳酸盐和皂石；以及其他各种 岩石，诸如但不限于，石英二长岩（adamellite )、富闪深成岩（appinite)、隐晶岩 (aphanites)、霞植正长岩（borolanite)、蓝色花岗岩、绿帘石岩（epidosite)、霏细岩 (felsites)、燧石、致密娃岩(ganister)、霓霞岩（i jolite)、硬玉岩（jadeitite)、似碧玉岩 (jasproid)、霓橄粗面岩(kenyte)、闪辉正煌岩(vogesite)、歪碱正长岩（larvikite)、霞云 钠长岩（litchfieldite)、电气花岗岩（luxullianite)、纹长二长岩（mangerite)、云煌岩 (minette)、均密石英岩（novaculite)、地暢岩（pyrolite)、奥长环斑花岗岩 (rapakivigranite)、菱长斑岩（rhomb