專利名稱：用于混凝土混合物的飛灰組合物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明針對一種飛灰組合物，更具體地，針對一種飛灰組合物，該組合物在用于水泥組合物時對堿-氧化硅反應(yīng)具有減小的敏感度。
飛灰包括通過煤燃燒生產(chǎn)的微細(xì)無機(jī)產(chǎn)品。全國每年產(chǎn)生巨大數(shù)量的飛灰，主要來自發(fā)電廠燃燒煤。飛灰的處理引起日益困難的問題，因為飛灰的數(shù)量、微粒性質(zhì)和不同的化學(xué)組成限制了合格的處理場所的數(shù)量。該場所需要復(fù)雜且昂貴的工程、設(shè)計、結(jié)構(gòu)和操作控制以適當(dāng)?shù)毓芾砗吞幚盹w灰。此外，這些處理場所的處理能力并不是無限的。
近年來，提議將飛灰用于混凝土組合物，例如美國專利4,382,649中Heitzmann等描述了一種包含飛灰的水泥組合物。該組合物包含50份到約80份的硅酸鹽水泥；13份到約35份的飛灰；1份到約5份的碳酸鉀。該組合物另外可以包含最高約10份的偏高嶺土；約6份的爐渣；以及約4份的摻合物。但是這種組合物可能易于發(fā)生堿氧化硅反應(yīng)。
在混凝土混合物中堿和聚集體之間的化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致更短的使用壽命以及由該水泥混合物形成的結(jié)構(gòu)的惡化。混合物中的堿性化合物與混凝土中某些聚集體發(fā)生反應(yīng)，可引起混凝土中孔隙溶液的pH值增加。由于這種反應(yīng)的發(fā)生，該混凝土在使用期間必須經(jīng)受一定量的濕氣。
混凝土實質(zhì)上是一種包含糊狀部分(paste portion)和聚集體部分的二組分系統(tǒng)。糊狀部分是水泥材料和水之間水合反應(yīng)的產(chǎn)物。糊狀部分由具有互相連通的孔的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)固體材料基體形成。當(dāng)水進(jìn)入這些孔時，水通過孔隙移動并溶解鈣鹽和堿金屬鹽。隨著這些鹽的溶解，孔隙中氫氧離子增加因而孔隙溶液的pH值增加。由于氫氧離子與聚集體中的反應(yīng)性氧化硅反應(yīng)使氧化硅溶解，形成了可引起混凝土開裂和/或失效的凝膠。研究者認(rèn)為這種斷裂是該凝膠吸收水分的結(jié)果。
F類和C類飛灰都被考慮作為混凝土混合物中水泥的部分替代物以便減小堿-氧化硅反應(yīng)。然而，能替代更大量水泥以提供更大的堿-氧化硅反應(yīng)保護(hù)，這是需要的。
因此，本領(lǐng)域內(nèi)產(chǎn)生了一種對飛灰組合物的需求，該組合物當(dāng)用于形成混凝土混合物時對堿氧化硅反應(yīng)的敏感性較小。
本發(fā)明通過提供一種飛灰組合物滿足了該需求，該組合物包含C類飛灰、碳酸鉀、以及碳酸鋰的混合物，這導(dǎo)致利用該飛灰組合物形成的混凝土的堿-氧化硅反應(yīng)性減小。本發(fā)明的飛灰組合物可用于水泥和混凝土組合物，且可以調(diào)配成具有寬范圍的固化時間，因而該組合物可以用于從修補(bǔ)到制作混凝土物體的多種用途。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于混凝土混合物的飛灰組合物，該組合物包含約65％(重量)到99％(重量)的C類飛灰；約0.1％(重量)到約4％(重量)的碳酸鋰，約0.1％(重量)到約5％(重量)的碳酸鉀，和約0.1％(重量)到約26％(重量)的延緩劑。包含于該組合物中的延緩劑可幫助控制所得到的水泥/混凝土混合物的凝固速率，且優(yōu)選地選自硼砂、硼酸、檸檬酸、偏高嶺土及其混合物。在一個實施方案中，延緩劑包含約0.1到10％重量比的偏高嶺土。在一個可選擇的實施方案中，延緩劑包含約0.1到4％重量比的硼砂，約0.1到4％重量比的硼酸，約0.1到8％重量比的檸檬酸，和約0.1到10％重量比的偏高嶺土。
該飛灰組合物優(yōu)選地還包含約0.1到5％重量比的螯合劑以增強(qiáng)所得到的水泥混合物的強(qiáng)度。
在本發(fā)明的另一個實施方案中，提供了一種包含石頭、沙子、水和硅酸鹽水泥的混凝土混合物，其中該混合物包含約25到40％重量比的C類飛灰，約0.1％到約4％重量比的碳酸鋰，約0.1％到約5％重量比的碳酸鉀，以及約％0.1到約26％重量比的延緩劑。
在本發(fā)明的又一個實施方案中，提供了一種包含石頭、沙子、水和硅酸鹽水泥，約25到65％重量比的C類飛灰，約0.1％到約4％重量比的碳酸鋰，約0.1％到約5％重量比的碳酸鉀，和約0.1到約26％重量比的延緩劑的混凝土混合物。
因此，本發(fā)明的一個特征在于提供一種飛灰組合物和包含飛灰、碳酸鋰和碳酸鉀的混合物的混凝土混合物，這可引起減小的堿-氧化硅反應(yīng)性。本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點(diǎn)將通過下面的詳細(xì)敘述和所附權(quán)利要求來說明。
本發(fā)明的飛灰組合物和混凝土混合物提供了優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的組合物的若干優(yōu)點(diǎn)。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過使用一種飛灰、碳酸鋰和碳酸鉀的混合物，堿氧化硅反應(yīng)的可能大大減小。此外，我們發(fā)現(xiàn)碳酸鉀的添加容許作為混凝土混合物中硅酸鹽水泥替代物的飛灰的更高摻雜比例，這也減小了堿-氧化硅反應(yīng)的可能。我們也發(fā)現(xiàn)當(dāng)將該飛灰組合物摻入到高堿水泥，也就是所含堿的當(dāng)量數(shù)量(表示為Na2O+0.658K2O)大于0.60％重量比時，飛灰組合物將堿-氧化硅反應(yīng)性減少到可以接受的水平。
本發(fā)明中優(yōu)選地使用C類飛灰。典型地，這種類型的飛灰具有一個大于或等于約25％的石灰含量。本發(fā)明所使用C類飛灰的典型組成在如下的表1中列出。
表1
應(yīng)注意的是，C類飛灰在與水化合時不產(chǎn)生氫氧化鈣(為引起堿-氧化硅反應(yīng)，氫氧化鈣必須存在)。
該飛灰組合物還包括約0.1到4％重量比的碳酸鋰。認(rèn)為碳酸鋰的添加可形成硅酸鋰化合物，該化合物防止可膨脹凝膠的形成，該凝膠在堿-氧化硅反應(yīng)過程使硬化的混凝土結(jié)構(gòu)破裂。
該飛灰組合物包含約0.1到4％重量比的碳酸鉀，這容許混凝土混合物中更大量的硅酸鹽水泥可被飛灰替代，這又提供了對硐-氧化硅反應(yīng)的更大保護(hù)。
該飛灰組合物還包括約0.1到26％重量比的延緩劑，如硼砂、硼酸、檸檬酸和高氧化鋁粘土，以便控制水泥的凝固速率。優(yōu)選的高氧化鋁粘土是偏高嶺土。合適的偏高嶺土可由許多包括HuberCorporation、Burgess Pigment Co.和Southern Clay Product的來源購得。一種優(yōu)選的高嶺土是來自Burgess Pigment Co.公司的Opti White。
飛灰組合物/混凝土混合物中的摻雜的合適螯合劑包括VerseneTM，從The Dow Chemical Company購得。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)組合物形成水泥/混凝土混合物時，螯合劑的添加有助于提供耐壓強(qiáng)度的顯著提高。
該飛灰組合物通過充分地混合所有的組分來形成。由本發(fā)明的飛灰組合物形成的混凝土混合物優(yōu)選地通過一種傳統(tǒng)方法來制備，該方法使用石頭和沙子與水和硅酸鹽水泥混合。該飛灰組合物優(yōu)選與水泥同時加入到水泥混合物中。該混凝土混合物還可以包括傳統(tǒng)的去水劑(wader reducing agent)和/或加氣劑。
本發(fā)明的飛灰組合物可以用在用于形成物體的混凝土混合物中，其中該物體包括但并不限于混凝土砌筑單元(masonry unit)，如磚、塊和瓦；混凝土管道；預(yù)應(yīng)力混凝土；特種混凝土單元，如地下室(burialvault)，化糞池，和預(yù)制混凝土單元；路面；以及裝飾物體和雕塑。
由本發(fā)明的飛灰組合物/混凝土混合物形成的混凝土物體不需要特殊的固化設(shè)備或工藝。本發(fā)明的混凝土混合物的固化時間可以通過調(diào)整飛灰組合物和/或混凝土混合物中各種成分的濃度來調(diào)整。例如，傳統(tǒng)的砌筑單元是在窯爐中加熱，和/或蒸汽固化經(jīng)常超過24小時的一段時間。另一方面，使用本發(fā)明的飛灰組合物和混凝土混合物形成的砌筑單元不需要熱固化或蒸汽固化，因為本發(fā)明的飛灰組合物和混凝土混合物可以調(diào)配以在少于一小時內(nèi)凝固和固化，優(yōu)選地，當(dāng)形成砌筑單元時可調(diào)配以在約30分鐘內(nèi)凝固和固化至所要求的強(qiáng)度。此外，由本發(fā)明的飛灰組合物和混凝土混合物形成的混凝土物體表現(xiàn)出可以忽略的吸水性(如果有的話)。
本發(fā)明的飛灰/水泥組合物和混凝土混合物還可以用于構(gòu)筑混凝土物品例如路面。因為本發(fā)明的組合物可以為快速固化和高強(qiáng)度而調(diào)配，使用本發(fā)明的飛灰/水泥組合物或混凝土混合物構(gòu)筑的路面可以在少于24小時內(nèi)鋪設(shè)并準(zhǔn)備使用。這種組合物的快速固化特性在經(jīng)受高路面使用率和流量的部分特別具有吸引力。此外，相比較瀝青，由本發(fā)明的組合物形成的路面將具有改良的使用壽命和強(qiáng)度。
應(yīng)注意的是本發(fā)明的飛灰組合物/混凝土混合物具有多種用途且這里并沒有描述所有的這些用途。
雖然為說明本發(fā)明介紹了若干代表性的實施方案和細(xì)節(jié)，在不背離本發(fā)明的范圍下，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯然可以對這里所公開的飛灰組合物和混凝土混合物做出多種改變，這在所附權(quán)利要求中詳細(xì)說明。
權(quán)利要求
1.一種用于混凝土混合物的飛灰組合物，該組合物包括約65％重量比到99％重量比的C類飛灰；約0.1％重量比到約4％重量比的碳酸鋰，約0.1到約5％重量比的碳酸鉀，和約0.1到約26％重量比的延緩劑。
2.權(quán)利要求1的飛灰組合物，另外包含0.1到5％重量比的螯合劑。
3.權(quán)利要求1的飛灰組合物，其中所述的延緩劑選自硼砂、硼酸、檸檬酸、偏高嶺土及其混合物。
4.權(quán)利要求1的飛灰組合物，其中所述的延緩劑包括約0.1到10％重量比的偏高嶺土。
5.權(quán)利要求1的飛灰組合物，其中所述的延緩劑包括約0.1到4％重量比的硼砂，約0.1到4％重量比的硼酸，約0.1到8％重量比的檸檬酸，和約0.1到10％重量比的偏高嶺土。
6.一種包含石頭、沙子、水和硅酸鹽水泥的混凝土混合物，該混合物包含約25到40％重量比的C類飛灰，約0.1到約4％重量比的碳酸鋰，約0.1到約5％重量比的碳酸鉀，和約0.1到26％重量比的延緩劑。
7.一種包含石頭、沙子、水和硅酸鹽水泥的混凝土混合物，該混合物包含約25到65％重量比的C類飛灰，約0.1％到約4％重量比的碳酸鋰，約0.1％到約5％重量比的碳酸鉀，和約0.1到26％重量比的延緩劑。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種飛灰組合物，該組合物包括C類飛灰、碳酸鉀和碳酸鋰的混合物，當(dāng)該飛灰組合物用于混凝土用途時這幾種成分的組合可減少堿氧化硅反應(yīng)。該飛灰組合物包括約65到99％重量比的C類飛灰，約0.1到約4％重量比的碳酸鉀，以及約0.1到約4％重量比的碳酸鋰。
文檔編號C04B22/10GK1527803SQ02814164
公開日2004年9月8日 申請日期2002年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月25日
發(fā)明者R·W·斯蒂倫, R W 斯蒂倫 申請人:礦物資源技術(shù)公司