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
【专利说明】
[0001] 本申请是申请日为2008年1月22日，申请号为200880009159. 2,发明名称为"一 种包含工业副产物的高强度水泥、灰泥和混凝土"的发明专利申请的分案申请。
技术领域
[0002] 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】
[0003] 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。
[0004] 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（subbituminous coal)的燃烧通常生产C级飞灰。无烟煤 (anthracite)和烟煤（bituminous coal)的燃烧通常生产F级飞灰。
[0005] 正如ASTM C618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。
[0006] 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，诸如一些娃藻土、蛋白石质燧石（opaline chert)和页岩；凝灰岩、火山岩灰（volcanic ash)和浮岩；以及煅烧的粘土和页岩。
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 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 (~ pH 2. 2)和碱性氢氧化物（~ pH 12-14)或金属碳酸盐（~ pH 11. 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】
[0010] 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（~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（~ pHll. 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）
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 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（silica fume)、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）、收缩补偿剂和减水剂。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。
[0014] 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。
[0015] 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％。
[0016] 水泥状组合物除了水泥以外还可以包含一种或多种填料。
[0017] 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。
[0018] 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％。
[0019] 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。
[0020] 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。
[0021] 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%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。
[0022] 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％。
[0023] 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。
[0024] 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