專利名稱：具有高壓縮強(qiáng)度并且快速固化的基于飛灰的輕質(zhì)水泥組合物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及快速固化的水泥組合物，這些組合物可以多種應(yīng)用中，在這些應(yīng)用中快速硬化以及達(dá)到早期強(qiáng)度是所希望的。具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及可以用來(lái)制造在建筑物中的濕和干的位置使用的具有優(yōu)異耐濕性的水泥組合物。預(yù)制的混凝土產(chǎn)品例如水泥板是在以下條件下制造的這些條件提供了一種水泥混合物的迅速固化，這樣在件該水泥混合物傾倒入一個(gè)固定或移動(dòng)的形模中或一個(gè)連續(xù)移動(dòng)的帶上之后可以對(duì)這些板立即進(jìn)行處理。理想地，這種水泥混合物的凝固可以在將該水泥混合物與合適量的水混合約20分鐘、優(yōu)選10至13分鐘、更優(yōu)選4至6分鐘之后就立即實(shí)現(xiàn)。
背景技術(shù)：
授予Perez-Pena等人的美國(guó)專利6，869，474(將其通過(guò)引用結(jié)合在此)討論了用于生產(chǎn)基于水泥的產(chǎn)品(例如水泥板)的水泥組合物的極其快速的固化，這是通過(guò)將一種烷醇胺加入水硬水泥例如波特蘭水泥中、并且在提供至少90° F(32°C)的初始漿料溫度的條件下與水形成一種漿料而實(shí)現(xiàn)的。可以包括另外的反應(yīng)性材料，例如高鋁水泥、硫酸鈣以及一種火山灰的材料，例如飛灰。極其迅速的固化允許迅速生產(chǎn)水泥產(chǎn)品。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，加入的三乙醇胺是一種非常有力的促進(jìn)劑，該促進(jìn)劑能夠生產(chǎn)具有相對(duì)較短的最終固化時(shí)間、 具有增加的水平的飛灰和石膏、并且無(wú)需鋁酸鈣水泥的配制品。然而，與含有鋁酸鈣水泥的水泥板配制品相比具有三乙醇胺的配制品還具有相對(duì)較低的早期壓縮強(qiáng)度。Perez-Pena等人于2007年6月6日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?1/758，947 (將其通過(guò)引用結(jié)合在此)討論了用于生產(chǎn)基于水泥的產(chǎn)品(例如水泥板)的、具有早期壓縮強(qiáng)度的水泥組合物的極其快速固化，這是通過(guò)將一種烷醇胺和一種磷酸鹽加入水硬水泥例如波特蘭水泥中，并且在提供至少90° F(32°C )的初始漿料溫度的條件下與水形成一種漿料而實(shí)現(xiàn)的?？梢园硗獾姆磻?yīng)性材料，例如高鋁水泥、硫酸鈣以及一種火山灰的材料，例如飛灰。再次地，所有的組合物包含一個(gè)顯著量的水硬水泥以及石膏。授予Galer等人的美國(guó)專利4，488，909 (將其通過(guò)引用結(jié)合在此)討論了能夠迅速固化的水泥組合物。這種組合物通過(guò)在該組合物與水混合之后約20分鐘內(nèi)形成基本上所有的潛在的鈣鋁礬而允許高速生產(chǎn)耐二氧化碳的水泥板。這種水泥組合物的基本組分是波特蘭水泥、高鋁水泥、硫酸鈣以及石灰。可以加入高達(dá)約25%的火山灰，例如飛灰、蒙脫土粘土、硅藻土、以及浮石。這種水泥組合物包括約至21wt%的高鋁水泥，它與其他使之能夠在早期形成鈣鋁礬的組分以及其他對(duì)早期的水泥混合物的固化負(fù)責(zé)的鋁酸鈣水合物相結(jié)合。Galer等人在他們的發(fā)明中提供了使用高鋁水泥(HAC))的鋁酸鹽以及使用石膏的硫酸根離子，以形成鈣鋁礬并且實(shí)現(xiàn)了它們的水泥混合物的迅速固化。
鈣鋁礬是一種硫酸鋁鈣化合物，具有化學(xué)式Ca6Al2(SO4)3 · 32H20或替代地 3Ca0 · Al2O3 · 3CaS04 · 32 H2O0鈣鋁礬作為長(zhǎng)的針狀晶體形成并且為水泥板提供了迅速的早期強(qiáng)度，這樣在將它們傾倒入一種模具中或一個(gè)連續(xù)澆注并且成形的帶上之后可以對(duì)其進(jìn)行迅速處理?？傮w上，Galer等人的迅速固化的配制品受制于幾點(diǎn)局限性。如以下重點(diǎn)說(shuō)明的， 這些局限性對(duì)于水泥產(chǎn)品(例如水泥板)的生產(chǎn)構(gòu)成了更嚴(yán)重的顧慮。授予Brook等人的美國(guó)專利號(hào)5，536，310披露了一種水泥組合物，該水泥組合物包含10-30重量份(pbw)的一種水硬水泥例如波特蘭水泥、50-80pbw的飛灰、以及 0. 5-8. Oplm(表達(dá)為游離酸)的一種羧酸(例如檸檬酸)或它們的堿金屬鹽，例如檸檬酸三鉀或檸檬酸三鈉，連同其他的常規(guī)添加劑，包括阻滯劑添加劑例如硼酸或硼砂，它們被用來(lái)加速該組合物的反應(yīng)以及固化時(shí)間以便克服所披露的在水泥組合物中使用一個(gè)高的飛灰含量的缺點(diǎn)。授予Brook等人的美國(guó)專利號(hào)5，536，458披露了一種水泥組合物，該水泥組合物包含一種水硬水泥例如波特蘭水泥、70-80重量份的飛灰、以及0. 5-8. Opbw的一種游離羧酸，例如檸檬酸或它們的堿金屬鹽，例如檸檬酸鉀或檸檬酸鈉，帶有其他的常規(guī)添加劑，包括阻滯劑添加劑例如硼酸或硼砂，它們被用來(lái)加速該組合物的反應(yīng)以及固化時(shí)間以便克服已知的在水泥組合物中使用一個(gè)高的飛灰含量的缺點(diǎn)。授予Harris等人的美國(guó)專利號(hào)4，494，990披露了波特蘭水泥(例如25_60pbw)、 飛灰(例如3-50pbw)以及小于IpW的檸檬酸鈉的一種水泥混合物。授予Boggs等人的美國(guó)專利號(hào)6，827，776披露了包含波特蘭水泥、飛灰的一種水硬水泥組合物，該組合物具有受一種酸(優(yōu)選檸檬酸)和一種堿(該堿可以是一種堿或堿土金屬?gòu)?qiáng)氧化物或該酸組分的鹽)的活化劑漿料的PH控制的一個(gè)固化時(shí)間。授予Kirkpatrick等人的美國(guó)5，490，889披露了一種共混的水硬水泥，其構(gòu)成為 水、飛灰(50. 33-83. 63pbw)、波特蘭水泥、研磨硅石、硼酸、硼砂、檸檬酸(0. 04-2. 85pbw)以及一種堿金屬活化劑，例如氫氧化鋰(LiOH)或氫氧化鉀。授予Myron的美國(guó)專利號(hào)5，997，632披露了含有88wt. % -98wt. %的飛灰、 lwt. % -IOwt. %的波特蘭水泥以及從約0. Iwt. % -4. Owt. %的檸檬酸的一種水硬水泥組合物。實(shí)現(xiàn)所希望的21 %的最低石灰含量是通過(guò)次煙飛灰或次煙飛灰與一種選礦試劑來(lái)提供。除了檸檬酸，Styron使用了一種堿來(lái)源，例如氫氧化鉀或氫氧化鈉。現(xiàn)有技術(shù)的水泥混合物的最終凝固時(shí)間典型地是大于9分鐘并且對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的混凝土產(chǎn)品可以延長(zhǎng)到2-3小時(shí)。最終固化時(shí)間通常被定義為其中水泥混合物固化到由其制造的混凝土產(chǎn)品可以被處理并且堆疊的程度的時(shí)間，盡管化學(xué)反應(yīng)可以持續(xù)延長(zhǎng)的時(shí)段。在現(xiàn)有技術(shù)的混凝土產(chǎn)品中，這種反應(yīng)性粉末共混物中的高鋁水泥(還稱為鋁酸鈣水泥)的含量也是非常高的。典型地，該高鋁水泥是大于該活性粉末共混物的Hwt%。發(fā)明概述本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種用于制造快速凝固的水泥漿料的方法。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供具有改進(jìn)的早期并且最終壓縮強(qiáng)度的輕質(zhì)水泥組合物。這些水泥組合物包含檸檬酸鉀、檸檬酸鈉或它們的混合物。本發(fā)明包括一種提供具有迅速固化、改進(jìn)的壓縮強(qiáng)度以及耐水性的輕質(zhì)水泥混合物的方法，包括在環(huán)境溫度或高于環(huán)境溫度下，使水、反應(yīng)性粉末、一種凝固促進(jìn)量的檸檬酸堿金屬鹽、以及一種輕質(zhì)骨料進(jìn)行混合，其中水與反應(yīng)性粉末固體之比是約0. 17 至0.35 1. 0并且更優(yōu)選約0. 20至0. 23 1. 0，該反應(yīng)性粉末混合物包含75wt. %至 IOOwt. %的飛灰以及0至25wt. %的水硬水泥和石膏。優(yōu)選地，該反應(yīng)性粉末沒(méi)有水硬水泥并且沒(méi)有石膏(水合硫酸鈣)。這種水泥活性粉末包括至少飛灰并且還可以包括水硬水泥，例如波特蘭水泥或鋁酸鈣水泥(CAC)(通常還被稱為鋁水泥或高鋁水泥)、硫酸鈣以及一種非飛灰的礦物添加劑。該水泥組合物的水泥反應(yīng)性粉末共混物的高達(dá)25wt%可以是具有實(shí)質(zhì)上極小或沒(méi)有粘結(jié)特性的非飛灰的礦物添加劑。這種水泥反應(yīng)性粉末總體上包含約IOwt. %至40wt. %的石灰并且更典型地是 20wt. %至30wt. %的石灰。然而，如果這種反應(yīng)性粉末的成分已經(jīng)含有了足夠的石灰，則并不要求加入石灰來(lái)獲得迅速凝固。例如，C類飛灰總體上包括石灰。因此，這種水泥組合物的反應(yīng)性粉末共混物典型地是不含外部加入的石灰。典型地，該漿料具有從室溫至約100° F-115。F(M°C至約38° _46°C )的初始溫度。如根據(jù)吉爾摩針(Gilmore needle)測(cè)量的該水泥組合物的最終凝固時(shí)間(即，在其之后可以對(duì)水泥板進(jìn)行處理的時(shí)間)應(yīng)該是在將其與適量的水混合之后最多20分鐘、優(yōu)選10至13分鐘或更少、更優(yōu)選約4至6分鐘。更短的凝固時(shí)間以及更高的早期壓縮強(qiáng)度幫助增加了生產(chǎn)產(chǎn)量并且降低了產(chǎn)品的制造成本。本發(fā)明的非?？焖倌痰乃嘟M合物可以用于其中希望迅速硬化以及達(dá)到早期強(qiáng)度的多種應(yīng)用中。當(dāng)該漿料是在升高的溫度下形成時(shí)，使用檸檬酸堿金屬鹽，例如檸檬酸鉀和/或檸檬酸鈉來(lái)促進(jìn)該水泥組合物的凝固使之有可能提高水泥產(chǎn)品例如水泥板的生
產(chǎn)速度。在漿料中的檸檬酸堿金屬鹽的用量基于本發(fā)明的水泥反應(yīng)性組分優(yōu)選是在約 1. 5wt. %至6 1 %的范圍內(nèi)，優(yōu)選約1. 5wt. %至4. Owt. %，更優(yōu)選約2wt. %至3. 5wt. %并且最優(yōu)選約3.5wt. %。檸檬酸鉀或檸檬酸鈉是優(yōu)選的。如以上提及的，這些重量百分比是基于100重量份的這種反應(yīng)性組分(水泥反應(yīng)性粉末)。因此，例如對(duì)于100磅的水泥反應(yīng)性粉末，存在約1. 5至4. 0總磅數(shù)的鉀和/或鈉的檸檬酸鹽。本發(fā)明的一種典型的水泥反應(yīng)性粉末包括75wt %至1 OOwt %的飛灰以及0至 25wt. %的水硬水泥，例如波特蘭水泥或石膏。典型地，該飛灰的至少一半是C類飛灰。另一種典型的水泥反應(yīng)性粉末基于該反應(yīng)性粉末的重量包括75wt%至100wt% 的飛灰，零至20wt%的鋁酸鈣水泥，零至7wt%的硫酸鈣，沒(méi)有石膏并且除鋁酸鈣水泥之外沒(méi)有水硬水泥。在該檸檬酸堿金屬鹽和飛灰之間存在著一種的協(xié)同作用。與使用促進(jìn)劑(像鋁酸鈣水泥、三乙醇胺或腐蝕性堿金屬氫氧化物)的可比的組合物相比，對(duì)于含有高量值的飛灰的組合物，加入堿金屬鹽具有以下益處實(shí)現(xiàn)了增加的早期和長(zhǎng)期壓縮強(qiáng)度。此外，與可能導(dǎo)致混凝土混合物過(guò)早僵化的其他促進(jìn)劑(例如硫酸鋁)相比，加入檸檬酸堿金屬鹽改進(jìn)了混合流動(dòng)性。
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還可以存在其他的添加劑，例如惰性骨料，它們被認(rèn)為不是水泥反應(yīng)性粉末，而使該總的水泥組合物的一部分。此類其他添加劑包括一種或多種砂、骨料、輕質(zhì)填充劑、減水劑，例如超增塑劑、凝固促進(jìn)劑、凝固阻滯劑、加氣劑、發(fā)泡劑、收縮控制劑、漿料粘度改性劑 (增稠劑)、著色劑以及內(nèi)部固化劑，取決于本發(fā)明的水泥組合物的加工能力以及應(yīng)用，可以如所希望的包括在內(nèi)。本發(fā)明的這種輕質(zhì)水泥組合物可以用來(lái)制造預(yù)制的混凝土建筑產(chǎn)品，例如在建筑物的濕和干的位置使用的具有優(yōu)異的耐潮濕性的水泥板。這種預(yù)制的混凝土產(chǎn)品例如水泥板是在以下條件下制造的這些條件提供了水泥混合物的迅速固化，從而使得這些板可以在該水泥混合物被傾倒入一個(gè)固定或移動(dòng)的形模中或一個(gè)連續(xù)移動(dòng)的帶上之后被迅速處理。這種輕質(zhì)水泥組合物可以用在任何混凝土產(chǎn)品應(yīng)用中，包括混凝土面板、地板、罩面、飾面、樁帽，連同用于混凝土路的修補(bǔ)混合物。使用本發(fā)明的輕質(zhì)組合物制成的混凝土產(chǎn)品對(duì)于和含有石膏的組合物相比要求耐水性的用途以及對(duì)于比起具有更高碳足跡的含水泥組合物要求更高的壓縮強(qiáng)度的應(yīng)用而言具有特別的優(yōu)點(diǎn)。除非另外說(shuō)明，否則在此所有的百分比、比率以及比例均為按重量計(jì)。附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明

圖1是實(shí)例1的結(jié)果的一個(gè)曲線圖，示出了對(duì)具有硼砂、硼酸以及檸檬酸的混合物而言增加檸檬酸鈉對(duì)溫度升高速度的影響。圖2是實(shí)例1的結(jié)果的一個(gè)曲線圖，示出了對(duì)具有硼酸以及檸檬酸的混合物而言增加檸檬酸鈉對(duì)溫度升高的影響。圖3是實(shí)例2的結(jié)果的一個(gè)曲線圖，示出了對(duì)具有檸檬酸以及檸檬酸鈉的混合物而言增加氫氧化鉀對(duì)溫度升高的影響。圖4是實(shí)例4的結(jié)果的一個(gè)曲線圖，示出了對(duì)具有檸檬酸鉀而沒(méi)有氫氧化鉀的混合物而言的溫度升高。圖5是實(shí)例5的結(jié)果的一個(gè)曲線圖，示出了對(duì)于包括檸檬酸鉀或檸檬酸鈉在室溫下與水混合的混合物而言的溫度升高。圖6是實(shí)例8的結(jié)果的一個(gè)曲線圖，示出了對(duì)于含有不同比例的飛灰以及波特蘭類型III水泥的混合物而言使用0.30 1的水與水泥重量比的溫度升高。圖7是實(shí)例9的結(jié)果的一個(gè)曲線圖，示出了在這個(gè)實(shí)例中用不同比例的水與飛灰而不使用波特蘭水泥對(duì)于混合物1-4的溫度升高的影響。圖8是實(shí)例9的結(jié)果的一個(gè)曲線圖，示出了對(duì)于混合物3、5、6和7的溫度升高，這些混合物具有不同比例的飛灰和波特蘭水泥類型III，具有檸檬酸鹽，其中水與飛灰和波特蘭水泥的結(jié)合重量的重量比是0.20 1。圖9是實(shí)例10的混合物的結(jié)果的一個(gè)曲線圖，這些混合物具有不同用量的檸檬酸鉀(僅使用飛灰而沒(méi)有波特蘭水泥)，并且示出了加入檸檬酸鉀顯著地增加了基于飛灰的混合物的溫度升高速度。發(fā)明詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明包括一種提供具有改進(jìn)的壓縮強(qiáng)度以及耐水性的輕質(zhì)水泥混合物的方法， 包括將水、活性粉末、一種檸檬酸堿金屬鹽以及輕質(zhì)骨料進(jìn)行混合，其中水與反應(yīng)性粉末固體之比是約0. 17至0.35 1.0，典型地是約0. 17至0.30 1. 0，更優(yōu)選是約0. 2至 0. 23 1. 0。該反應(yīng)性粉末包括75wt. %至IOOwt. %的飛灰以及0至25wt. %的水硬水泥和/或石膏。典型地，本發(fā)明使包含飛灰的水泥反應(yīng)性粉末與檸檬酸鉀和/或檸檬酸鈉和水在至少室溫至115° F(M°C至41°C )的初始漿料溫度下進(jìn)行混合以產(chǎn)生一個(gè)優(yōu)選小于 10至13分鐘、更優(yōu)選約4至6分鐘或更短的迅速凝固。本發(fā)明還提供了具有增強(qiáng)的迅速最終凝固性能以及增強(qiáng)的早期壓縮強(qiáng)度的水泥組合物。典型的成分在以下表A中列出。
權(quán)利要求
1.一種提供具有改進(jìn)的壓縮強(qiáng)度以及耐水性的輕質(zhì)水泥混合物的方法，包括 將以下物質(zhì)進(jìn)行混合水，反應(yīng)性粉末，一種檸檬酸的堿金屬鹽，以及輕質(zhì)骨料其中水與反應(yīng)性粉末的重量比是約0. 17至0.35 1.0，該反應(yīng)性粉末包括75wt. %至 IOOwt. %的飛灰以及0至25wt. %的水硬水泥以及石膏。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該反應(yīng)性粉末基于該反應(yīng)性粉末的重量包括88.5% 至100%的飛灰、沒(méi)有水硬水泥并且沒(méi)有石膏。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該混合物的初始溫度是約至41°C。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該反應(yīng)性粉末包括IOwt.%至40wt. %的石灰。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該檸檬酸堿金屬鹽的量值基于該水泥反應(yīng)性粉末的重量是約1. 5wt. %至6wt. %。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該水泥反應(yīng)性粉末進(jìn)一步包括硅灰。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該水泥反應(yīng)性粉末以及水存在的重量比是約-0.20-0. 23 1重量份的水比反應(yīng)性粉末。
8.一種用于制備輕質(zhì)水泥板的組合物，包括以下物質(zhì)的一種混合物 水泥活性粉末；一種檸檬酸的堿金屬鹽作為該反應(yīng)性粉末的一種促進(jìn)劑； 輕質(zhì)骨料，以及水，其中在該混合物中水與水泥反應(yīng)性粉末固體之比是約0. 17至0. 35 1， 該反應(yīng)性粉末包括75wt. %至IOOwt. %的飛灰以及0至25wt. %的水硬水泥以及石膏。
9.如權(quán)利要求8所述的組合物，其中該混合物包括基于該水泥粉末的重量約1.5wt.% 至6. Owt. %的至少一種檸檬酸的堿金屬鹽，該檸檬酸的堿金屬鹽是選自下組，其組成為 檸檬酸鈉、檸檬酸鉀以及它們的混合物。
10.如權(quán)利要求8所述的組合物，其中該混合物包括基于該水泥粉末的重量約
全文摘要
在此披露了用于制造一種具有改進(jìn)的壓縮強(qiáng)度的迅速固化的輕質(zhì)水泥組合物從而用于多種產(chǎn)品(例如板)的方法。該方法將飛灰、檸檬酸的堿金屬鹽以及輕質(zhì)骨料與水進(jìn)行混合。在此還披露了包括飛灰、檸檬酸的堿金屬鹽以及輕質(zhì)骨料的組合物。
文檔編號(hào)C04B28/16GK102159516SQ200980136750
公開(kāi)日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2009年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月25日
發(fā)明者M·佩瑞茲-佩納 申請(qǐng)人:美國(guó)石膏公司