具有增強(qiáng)材料的水泥和混凝土的制作方法
【專利摘要】提供了包括膠結(jié)組合物和增強(qiáng)材料的組合物、方法和系統(tǒng)，其中該膠結(jié)組合物包含亞穩(wěn)組分。
【專利說明】具有增強(qiáng)材料的水泥和混凝土
相關(guān)申請的交叉引用
[0001]本申請是于2012年I月13日提交的美國申請序列號13/350，199的部分繼續(xù)申請，而后者是于2010年8月16日提交的、以美國專利號8，114，214授權(quán)的美國申請序列號12/857，267的分案申請；并且本申請要求于2011年7月29日提交的美國臨時申請?zhí)?1/513，367以及于2011年9月30日提交的美國臨時申請?zhí)?1/541，735的優(yōu)先權(quán)，所有這些申請均通過引用整體并入本公開內(nèi)容。
【背景技術(shù)】
[0002]素混凝土可具有抗壓強(qiáng)度，即，其抵抗壓碎載荷的能力；然而，其拉伸強(qiáng)度可能只是其抗壓強(qiáng)度的約10%。其拉伸強(qiáng)度可能是如此之低以致于可能在大多數(shù)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中是幾乎忽略不計的。增強(qiáng)的混凝土可能是充足的增強(qiáng)物(諸如，具有稱為變形的凸耳的鋼條)和混凝土的組合，其設(shè)計為能共同工作來抵御外加載荷?；炷林羞m當(dāng)放置的增強(qiáng)物可提高其抗壓強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明提供了組合了膠結(jié)組合物和增強(qiáng)材料的組合物、方法和系統(tǒng)。這類組合物可能是環(huán)境友好的，因為它們含有被隔離的二氧化碳。
[0004]一方面，提供了一種包含膠結(jié)組合物和增強(qiáng)材料的組合物，其中該膠結(jié)組合物包含選自球霰石(vaterite)、非晶碳酸鈣及其組合的亞穩(wěn)組分。在一些實施方案中，水泥具有小于12的濕糊pH。在一些實施方案中，該膠結(jié)組合物包含至少80wt%的合成碳酸鈣和/或碳酸鎂礦物。在一些實施方案中，該膠結(jié)組合物具有小于_12%。的S13C值。在一些實施方案中，該膠結(jié)組合物包含至少50wt%的球霰石或介于50wt%-99wt%之間的球霰石。在一些實施方案中，以該組合物中的水泥重量計，該組合物包括超過0.15%的水溶性氯離子。在一些實施方案中，提供了一種包含膠結(jié)組合物和增強(qiáng)材料的組合物，其中該膠結(jié)組合物包含選自球霰石(vaterite)、非晶碳酸鈣及其組合的亞穩(wěn)組分,其中該增強(qiáng)材料當(dāng)反復(fù)或長時間地暴露于水溶性氯化物時，不顯現(xiàn)出包括但不限于彈性模量、拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的機(jī)械性質(zhì)的改變。
[0005]在一些實施方案中，本發(fā)明組合物中的增強(qiáng)材料選自鋁、玻璃纖維、碳纖維、陶瓷、聚合物、草、草制品、木制品及其組合。在一些實施方案中，該增強(qiáng)材料包括金屬。在一些實施方案中，該增強(qiáng)材料包括不銹鋼包層處理的鋼筋、電鍍的鋼筋、不銹鋼鋼筋、纖維增強(qiáng)的塑料、環(huán)氧樹脂涂覆的鋼筋、鈦包層處理的鋼筋、鍍鉻的/鉻涂覆的鋼筋、鍍鎳的/鎳涂覆的鋼筋、鈷鉻涂覆鋼筋，或其任意組合。在一些實施方案中，該增強(qiáng)材料包括聚合物。在一些這樣的實施方案中，該增強(qiáng)材料可包括纖維增強(qiáng)的塑料、環(huán)氧樹脂涂覆的鋼筋、聚碳酸酯增強(qiáng)構(gòu)件、聚碳酸酯纖維、聚(氯乙烯)(PVC)增強(qiáng)構(gòu)件、PVC纖維、聚丙烯、纖維素、聚乙烯醇，或其任意組合。在一些實施方案中，該增強(qiáng)材料包括草、草制品、木制品或其任意組合。在一些這樣的實施方案中，該增強(qiáng)材料包括竹子。[0006]在一些實施方案中，本發(fā)明提供了一種如上所述的組合物，其中至少I體積％的增強(qiáng)材料以相同的方向?qū)R。在本發(fā)明的一些實施方案中，將對齊的增強(qiáng)材料保持在受壓狀態(tài)以產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力混凝土元件(部分)或本體。在一些這樣的實施方案中，本發(fā)明提供了一種組合物，其中該組合物中的外層纖維應(yīng)力不超過規(guī)定的以磅/平方英寸(PSi)為單位的混凝土抗壓強(qiáng)度的0.60倍，簡支構(gòu)件的端部的受壓的外層纖維應(yīng)力也不超過規(guī)定的以磅/平方英寸(psi)為單位的混凝土抗壓強(qiáng)度的0.70倍。
[0007]在一些實施方案中，本發(fā)明提供了一種如上所述的組合物，其中膠結(jié)組合物包含至少80wt%的碳酸鹽礦物。在一些實施方案中，碳酸鹽礦物中的碳全部或部分來源于從工業(yè)廢物流中去除的二氧化碳。在一些實施方案中，本文提供的組合物滿足對耐用性、強(qiáng)度和可用性、彎曲和軸向載荷、剪切和扭轉(zhuǎn)以及其余的結(jié)構(gòu)混凝土建筑規(guī)范(例如，如ACI318-08和ACI201.2R-01中所述)的要求。在一些實施方案中，在本文提供的組合物中，增強(qiáng)材料具有至少420MPa的屈服強(qiáng)度。在一些實施方案中，在本文提供的組合物中，增強(qiáng)材料具有25GPa至250GPa的彈性模量。在本發(fā)明的一些實施方案中，本文提供的組合物適合在結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)用中使用。在一些實施方案中，以上所述的組合物進(jìn)一步包括骨料。[0008]一方面，提供了一種用于形成水泥或混凝土組合物的方法，其包括將膠結(jié)組合物與增強(qiáng)材料組合并且形成水泥或混凝土組合物，其中該膠結(jié)組合物包含選自球霰石、非晶碳酸鈣及其組合的亞穩(wěn)組分。在一些實施方案中，該方法包括形成濕糊PH為12或更低的膠結(jié)組合物。在一些實施方案中，該方法包括通過使含有二氧化碳的工業(yè)廢氣流與堿性溶液相接觸以形成充有二氧化碳的水來制備膠結(jié)組合物；并且使充有二氧化碳的水與二價陽離子相接觸以形成膠結(jié)組合物。在一些實施方案中，該方法包括使充有二氧化碳的水與二價陽離子在一項或多項沉淀條件下相接觸，該沉淀條件有利于形成包含選自球霰石、非晶碳酸鈣及其組合的亞穩(wěn)組分的膠結(jié)組合物。在一些實施方案中，該一項或多項沉淀條件有利于在膠結(jié)組合物中形成超過50wt%的球霰石。在一些實施方案中，有利于形成包含選自球霰石、非晶碳酸鈣及其組合的亞穩(wěn)組分的膠結(jié)組合物或有利于在膠結(jié)組合物中形成超過50wt%的球霰石的一項或多項沉淀條件包括溫度、pH、停留時間、質(zhì)子去除劑、添加劑、離子比率、沉淀速率、混合比率、攪拌形式、種晶的存在、催化劑、膜或基底、分離、干燥、精煉或其組合。在一些實施方案中，該方法進(jìn)一步包括使水泥或混凝土組合物與水相接觸，并將球霰石轉(zhuǎn)化為霰石(aragonite)。在一些實施方案中，本文提供的方法包括在增強(qiáng)材料上形成霰石晶體。在一些實施方案中，在本文提供的方法中，增強(qiáng)材料包括但不限于鋁、玻璃纖維、碳纖維、陶瓷、聚合物、草、草制品、木制品及其組合。在一些實施方案中，在本文提供的方法中，增強(qiáng)材料包括但不限于不銹鋼包層處理的鋼筋、鍍鋅的鋼筋、不銹鋼鋼筋、纖維增強(qiáng)的塑料、環(huán)氧樹脂涂覆的鋼筋、鈦包層處理的鋼筋、鍍鉻的/鉻涂覆的鋼筋、鍍鎳的/鎳涂覆的鋼筋、鈷鉻涂覆鋼筋，或其任意組合。在一些實施方案中，在本文提供的方法中，增強(qiáng)材料包括但不限于聚碳酸酯增強(qiáng)構(gòu)件、聚碳酸酯纖維、聚(氯乙烯)(PVC)增強(qiáng)構(gòu)件、PVC纖維、聚丙烯、纖維素、聚乙烯醇或其任意組合。在一些實施方案中，本發(fā)明方法中的增強(qiáng)材料包括草、草制品、木制品或其任意組合。在一些實施方案中，該方法進(jìn)一步包括采用電化學(xué)方法獲得堿性溶液。在一些實施方案中，在本文提供的方法中，該堿性溶液是氫氧化鈉溶液或碳酸鈉溶液或其組合。在一些方法實施方案中，將骨料與膠結(jié)組合物和增強(qiáng)材料組合。在一些實施方案中，該方法進(jìn)一步包括對齊一部分增強(qiáng)材料，并將增強(qiáng)材料的對齊部分保持在受壓狀態(tài)以產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力混凝土元件或本體。
[0009]在一些實施方案中，該方法可進(jìn)一步包括用以下方式獲得增強(qiáng)材料:該方式包括利用電化學(xué)方法中生成的氯、鹽酸或其他種類來制備氯乙烯單體，并進(jìn)一步包括使氯乙烯單體聚合以產(chǎn)生聚(氯乙烯)；在一些這樣的實施方案中，該方法還可包括通過鑄造、擠出、旋轉(zhuǎn)或其任意組合對聚(氯乙烯)進(jìn)行進(jìn)一步加工。在一些實施方案中，本發(fā)明提供了一種方法，該方法包括將膠結(jié)組合物和包含聚合物的增強(qiáng)材料組合，其中形成該聚合物的單體的反應(yīng)物至少部分地來源于還為氣態(tài)二氧化碳去除過程提供質(zhì)子去除試劑或手段的電化學(xué)過程，該方法進(jìn)一步包括獲得增強(qiáng)材料。在一些這樣的實施方案中，增強(qiáng)材料的獲得可包括以下步驟:i)在電化學(xué)系統(tǒng)的陽極和陰極間施加以伏特計量的電勢，其中該電化學(xué)系統(tǒng)被配置成產(chǎn)生氫氧化物或從含有溶解的二氧化碳的溶液中去除質(zhì)子，并且其中該電化學(xué)系統(tǒng)還產(chǎn)生包含氯、氫、鹽酸或其任意組合的副產(chǎn)物；ii)從該電化學(xué)系統(tǒng)的副產(chǎn)物產(chǎn)生氯乙烯單體；和iii)產(chǎn)生包含氯乙烯單體的聚合物增強(qiáng)材料。在一些實施方案中，本發(fā)明提供了一種方法，其中增強(qiáng)材料的獲得包括以下步驟:i)在電化學(xué)系統(tǒng)中的陽極和陰極間施加以伏特計量的電勢，其中該電化學(xué)系統(tǒng)被配置成從含有溶解的二氧化碳的溶液中去除質(zhì)子并產(chǎn)生單體副產(chǎn)物；和ii)產(chǎn)生包含單體副產(chǎn)物的聚合物增強(qiáng)材料。在一些這樣的實施方案中，單體副產(chǎn)物包括氯乙烯、乙烯、苯乙烯、丙烯、甲基丙烯酸甲酯、縮聚物單體、烯烴、丙烯酸酯或其任意組合。
[0010]一方面，提供了一種系統(tǒng)，其包括可操作地連接到水泥生產(chǎn)站的生產(chǎn)站，該混凝土生產(chǎn)站被配置成用于將從該水泥生產(chǎn)站中得到的包含選自球霰石、非晶碳酸鈣及其組合的亞穩(wěn)組分的膠結(jié)組合物與來自增強(qiáng)材料源的增強(qiáng)材料組合以生產(chǎn)混凝土組合物。在一些實施方案中，水泥生產(chǎn)站被配置成利用來自二氧化碳源的二氧化碳、來自堿源的堿性溶液和來自二價陽離子源的二價陽離子生產(chǎn)膠結(jié)組合物。在一些實施方案中，該系統(tǒng)進(jìn)一步包括可操作地連接到水泥生產(chǎn)站的堿源，該堿源被配置成用于電化學(xué)生產(chǎn)堿性溶液。在一些實施方案中，該系統(tǒng)進(jìn)一步包括骨料源，其中該骨料源可操作地連接到水泥生產(chǎn)站，并且被配置成用于向該水泥生產(chǎn)站提供骨料。在一些實施方案中，該
[0011]在一些實施方案中`，本發(fā)明提供了一種被配置成用于實施本申請中所述的方法的系統(tǒng)。
援引并入
[0012]本說明書中提到的所有出版物、專利和專利申請均通過引用而并入本文，其程度如同特別地和單獨(dú)地指出每個單獨(dú)的出版物、專利或?qū)＠暾埻ㄟ^引用而并入。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]本發(fā)明的新特征在所附的權(quán)利要求書中具體闡述。通過參考以下對利用本發(fā)明原理的說明性實施方案加以闡述的詳細(xì)描述及其附圖，將會更好地理解本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)，在這些附圖中:
[0014]圖1圖示了本發(fā)明的一些實施方案的流程圖。
[0015]圖2圖示了本發(fā)明的一些實施方案的流程圖。
[0016]圖3圖示了本發(fā)明的一些實施方案的流程圖。
[0017]圖4圖示了本發(fā)明的電化學(xué)系統(tǒng)的一個實施方案。[0018]圖5圖示了本發(fā)明的電化學(xué)系統(tǒng)的一個實施方案。
[0019]圖6圖示了本發(fā)明的電化學(xué)系統(tǒng)的一些實施方案的流程圖。
[0020]圖7圖示了本發(fā)明的電化學(xué)系統(tǒng)的一個實施方案。
[0021]圖8圖示了球霰石向霰石轉(zhuǎn)變的吉布斯自由能圖。
[0022]圖9圖示了如實施例1中所述的組合物的掃描電鏡圖(SHM圖)。
[0023]圖10圖示了如實施例2中所述的碳酸鈣水泥的SEM圖。
發(fā)明詳述
[0024]本文提供了含有由增強(qiáng)材料增強(qiáng)的膠結(jié)組合物的組合物、方法和系統(tǒng)。在一些實施方案中，本發(fā)明的膠結(jié)組合物包括亞穩(wěn)組分例如但不限于球霰石、非晶碳酸鈣或其組合。該膠結(jié)組合物可進(jìn)一步包括碳酸鈣的穩(wěn)定形式，例如但不限于霰石和方解石以及任選地碳酸鎂形式。 申請人:意外地并且驚訝地發(fā)現(xiàn)，碳酸鈣的亞穩(wěn)形式賦予膠結(jié)組合物以缺乏該亞穩(wěn)形式的膠結(jié)組合物中不存在的性質(zhì)。例如，在一些實施方案中，具有亞穩(wěn)形式的膠結(jié)組合物在與增強(qiáng)材料混合并進(jìn)一步與水混合后，凝固并硬化，其中在增強(qiáng)材料的表面上和/或周圍，球霰石轉(zhuǎn)化為霰石。在溶解-再沉淀過程中和/或之后球霰石向霰石的轉(zhuǎn)化可導(dǎo)致膠結(jié)組合物與增強(qiáng)材料之間更好的連接或結(jié)合。含有該亞穩(wěn)組分的本發(fā)明的膠結(jié)組合物可以在具有耐用性、強(qiáng)度、可用性、拉伸強(qiáng)度、撓曲強(qiáng)度和軸向強(qiáng)度、沖擊性能、抗裂性、爆破應(yīng)力抗性和/或剪切和扭轉(zhuǎn)的建筑結(jié)構(gòu)方面等于或好于不含該亞穩(wěn)組分的膠結(jié)組合物。
[0025]在一些實施方案中，所述膠結(jié)組合物為合成水泥而不是天然存在的水泥。在一些實施方案中，該膠結(jié)組合物為合成碳酸鹽如合成碳酸鈣而不是天然存在的碳酸鹽。在一些實施方案中，該膠結(jié)組合物具有小于12的濕糊pH值。在一些實施方案中，該膠結(jié)組合物為具有小于12的濕糊pH值的合成水泥。在一些實施方案中，本文提供的組合物適合于建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)用。在一些實施方案中，與通常具有高于12的pH的常規(guī)水泥相比，本發(fā)明的膠結(jié)組合物為增強(qiáng)材料提供了低于12的pH?？赡鼙仨殞⒊Ｒ?guī)混凝土配制為增強(qiáng)增強(qiáng)材料如低碳鋼的耐腐蝕性。因此，可能必須嚴(yán)格監(jiān)測和控制常規(guī)混凝土的水溶性氯化物含量。在本發(fā)明的膠結(jié)組合物中低于12的pH可減少增強(qiáng)材料如鋼的腐蝕。
[0026]本文所用的“增強(qiáng)材料”或其語法等價物包括摻入膠結(jié)組合物以賦予其物理和/或機(jī)械性質(zhì)的材料。增強(qiáng)材料可以為棒、絲、線、網(wǎng)格、板、纖維等形狀。增強(qiáng)材料可以是本領(lǐng)域已知的任何材料，包括但不限于有機(jī)、無機(jī)、金屬、合成或天然存在的。在一些實施方案中，本文所公開的增強(qiáng)材料增強(qiáng)膠結(jié)組合物的拉伸強(qiáng)度、撓曲強(qiáng)度和/或沖擊性能。在一些實施方案中，增強(qiáng)材料不經(jīng)歷腐蝕并且適合用于建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)用。在一些實施方案中，增強(qiáng)材料可以是復(fù)合材料，即具有不同性質(zhì)的兩種或更多種組分材料的組合。例如，可混合稻草和泥衆(zhòng)以形成磚或建筑結(jié)構(gòu)。
[0027]在更詳細(xì)地描述本發(fā)明之前，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于本文所描述的具體實施方案，因為這些實施方案可以變化。也應(yīng)當(dāng)理解，本文使用的術(shù)語僅用于描述特定實施方案的目的，而非旨在進(jìn)行限定，因為本發(fā)明的范圍僅由所附權(quán)利要求來限定。除非另外定義，否則本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所一般理解的相同的含義。
[0028]當(dāng)提供值的范圍時，應(yīng)當(dāng)理解，在此范圍的上限和下限之間的每個居間值(精確到下限單位的十分之一，除非上下文另外明確地指出)以及在所述范圍內(nèi)的任何其他所指出的或居間的值都包含在本發(fā)明內(nèi)。這些較小范圍的上限和下限可獨(dú)立地包括在較小范圍中，而且也包含在本發(fā)明內(nèi)，除了所述范圍內(nèi)任何明確排除的極限值。當(dāng)所述范圍包括極限值中的一個或兩個時，排除這些所含極限值中的任何一個或兩個的范圍也被包括在本發(fā)明中。
[0029]某些范圍在本文中以前面帶有術(shù)語“大約”的數(shù)值呈現(xiàn)。術(shù)語“大約”在此用于對其之后的準(zhǔn)確數(shù)字以及與該術(shù)語之后的數(shù)字接近或近似的數(shù)字提供字面支持。在確定一個數(shù)字是否接近或近似于具體列舉的數(shù)字時，接近或近似的未列舉的數(shù)值可以是在它所出現(xiàn)的上下文中提供與具體列舉的數(shù)值基本相等的值的數(shù)值。
[0030]本說明書中所引用的所有出版物、專利和專利申請都通過引用以相同的程度并入本文，如同特別地和單獨(dú)地指出每個單獨(dú)的出版物、專利或?qū)＠暾埻ㄟ^引用而并入。此外，所引用的每篇出版物、專利或?qū)＠暾埦ㄟ^引用并入本文以公開和描述與所引用的出版物有關(guān)的主題。任何出版物的引用應(yīng)針對其在申請日之前的公開內(nèi)容，并且不應(yīng)解釋為承認(rèn)本文所述的發(fā)明由于在先發(fā)明而沒有資格早于此出版物。此外，所提供的出版日期可能與實際出版日期不同，實際出版日期可能需要獨(dú)立確認(rèn)。
[0031]應(yīng)當(dāng)指出，除非上下文另外明確指出，否則本文及所附權(quán)利要求中使用的單數(shù)形式“一個”、“一種”和“該”包括指代物的復(fù)數(shù)形式。應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步指出，權(quán)利要求書可撰寫為排除任何任選的要素。因此，本聲明旨在作為將諸如“單獨(dú)地”、“僅”等排他性術(shù)語與權(quán)利要求要素的引述結(jié)合使用或使用“否定”限制的在先基礎(chǔ)。
[0032]本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀本公開內(nèi)容后應(yīng)當(dāng)明白，本文描述和說明的每一單獨(dú)的實施方案具有單獨(dú)的組分和特征，該組分和特征可以與其他幾個實施方案中任一個的特征容易地分開或組合，而不背離本發(fā)明的范圍或精神。任何引述的方法可以按所引述的事件的順序或按邏輯上可能的任何其他順序進(jìn)行。盡管與本文所描述的那些方法和材料相似或等同的任何方法和材料也可用于本發(fā)明的實踐或測試，但是現(xiàn)在將對代表性的說明性方法和材料進(jìn)行描述。
[0033]在本發(fā)明的進(jìn)一步描述中，描述了根據(jù)本發(fā)明實施方案的增強(qiáng)水泥和混凝土的組合物。描述了產(chǎn)生和使用本發(fā)明組合物的各種實施方案的方法，隨后描述了可用于實踐本發(fā)明的各種方法的系統(tǒng)。
A.組合物
[0034]一方面，提供了包括膠結(jié)組合物和增強(qiáng)材料的組合物。在一些實施方案中，該膠結(jié)組合物包含選自球霰石、非晶碳酸鈣及其組合的亞穩(wěn)組分。圖1圖示了該膠結(jié)組合物與增強(qiáng)材料組合以產(chǎn)生適合用于結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)用的材料的流程圖。圖2圖示了該膠結(jié)組合物與增強(qiáng)材料和骨料組合以產(chǎn)生適合用于結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)用的混凝土材料的流程圖。該骨料可以是合成的或天然存在的。在一些實施方案中，該骨料是由本文所述的方法制備的碳酸鈣。應(yīng)當(dāng)理解，可將用于制備砂漿和其他輔助膠結(jié)材料的其他組分如沙子加入到本發(fā)明的膠結(jié)組合物中。
[0035]本文對膠結(jié)組合物和增強(qiáng)材料進(jìn)行了詳細(xì)描述。
膠結(jié)組合物
[0036]如本文所用的“膠結(jié)組合物”包括含有碳酸鈣的組合物。在一些實施方案中，該膠結(jié)組合物在與水組合后凝固并硬化成水泥。該膠結(jié)組合物可以是自膠結(jié)水泥(self-cement)或水硬水泥組合物、輔助膠結(jié)材料(SCM)、骨料或其組合?？蓪⒃撟阅z結(jié)組合物打碎而形成骨料。
[0037]如本文所用的“水硬水泥”或“自膠結(jié)水泥”包括在與水或其中的溶劑為水的溶液例如摻合物溶液組合后凝固并硬化的組合物。在硬化之后，這些組合物即使在水中也保留強(qiáng)度和穩(wěn)定性。由于立即開始的反應(yīng)，能夠觀察到可隨時間增大的加強(qiáng)作用。在達(dá)到某個水平之后，可以將這個時間點(diǎn)稱為凝固起點(diǎn)。繼續(xù)的進(jìn)一步固結(jié)可以被稱為凝固，此后開始硬化階段。然后材料的抗壓強(qiáng)度可以穩(wěn)定增長，這個時期可以是從“超快硬化”水泥情況下的幾天到其他水泥情況下的幾個月或幾年。通過將本發(fā)明的組合物與水性液體組合而生產(chǎn)的產(chǎn)品的凝固并硬化可以源自或者可以不源自水合物的產(chǎn)生，該水合物可以是由該組合物在與水反應(yīng)之后形成的，其中該水合物在水中基本不可溶。水泥可以單獨(dú)地或與骨料相組合地以粗和細(xì)的形式使用，在此情況下該組合物可以被稱為混凝土或灰漿。也可以將水泥切割并打碎而形成骨料。
[0038]在一些實施方案中，本發(fā)明的膠結(jié)組合物具有小于12 ;或小于11 ;或小于10 ;或小于9 ;或小于8 ;或小于7 ;或為7-12 ;或為7-11的濕糊pH。在一些實施方案中，提供了包含膠結(jié)組合物和增強(qiáng)材料的組合物，其中該膠結(jié)組合物包含選自球霰石、非晶碳酸鈣及其組合的亞穩(wěn)組分，并且其中該膠結(jié)組合物具有小于12的濕糊pH。通常，水泥的較高pH值可導(dǎo)致增強(qiáng)材料的腐蝕。例如，在一些實施方案中，PH值高于12的常規(guī)水泥如波特蘭水泥可在增強(qiáng)材料上形成鈍化層，其可防止增強(qiáng)材料的腐蝕。然而，本文提供的膠結(jié)組合物具有小于12.5或12的pH值，例如，在一些實施方案中pH為中性，以使得可以不發(fā)生金屬的這種預(yù)防性鈍化。在一些實施方案中，本文提供的膠結(jié)組合物具有12.5或更低的pH值。在一些實施方案中，本文提供的膠結(jié)組合物具有12.5或更低的鮮糊值(fresh paste value)。本文所用的“鮮糊”包括在將膠結(jié)組合物與水混合之后形成的糊料。在一些實施方案中，本文提供的膠結(jié)組合物具有12.5或更低，或12或更低，或11或更低，或10或更低，或9或更低，或8或更低，或7.5或更低，或7.5-12.5，或7.5-12,或7.5_11，或7.5-10,或7.5-9,或7.5-8，或 8-12.5，或 8-12，或 8-11，或 8-10，或 8-9，或 9-12.5，或 9-12，或 9-11，或 9-10，或10-12.5，或 10-12，或 10-11，或 11-12.5，或 11-12 或 7.5，或 8，或 9，或 10，或 11，或 12，或12.5的pH值或鮮糊值。本發(fā)明的膠結(jié)組合物的較低pH使其適合于多種應(yīng)用，包括但不限于在于2012年5月2日提交的美國申請序列號13/462，569中所述的人工魚礁，該申請通過引用整體并入本文。
[0039]包括氯化鈉在內(nèi)的氯化物可促進(jìn)增強(qiáng)材料如埋置鋼筋的腐蝕。氯陰離子可引起鋼增強(qiáng)物(reinforcements)的局部腐蝕(點(diǎn)狀腐蝕)和全面腐蝕。在一些實施方案中，本文所述的膠結(jié)組合物可由可導(dǎo)致組合物含有水溶性氯化物的過程來制備。在一些實施方案中，該膠結(jié)組合物可大大有助于該組合物的水溶性氯化物含量。在其中膠結(jié)組合物可含有量足夠高的氯化物的實 施方案中，需要可承受更高氯化物含量的增強(qiáng)材料。在一些實施方案中，當(dāng)組合物為28-42天(例如，混合和形成后28-42天的混凝土)時并如ASTM C1218中所概述的,可確定組合物中的水溶性氯化物的含量。例如,如果材料總體上為混凝土,則可通過ASTM C1218中所概述的方法來測定水泥和骨料、沙子和該混凝土中的任何其他材料的水溶性氯化物。在一些實施方案中，以組合物中的水泥重量計，該組合物包含多于0.06%，或多于0.1%，或多于0.15%,或多于0.2%,或多于0.3%,或多于1%,或0.05-5%,或0.05-4%,或0.05-3%,或0.05-2%,或0.05-1%的水溶性氯離子。
[0040]以下提供了用于制備和使用本發(fā)明的膠結(jié)組合物的方法。制備和使用這類材料的更詳細(xì)的說明可在共同轉(zhuǎn)讓的美國專利7，735，274和8，062, 418中找到，此兩者均通過引用整體并入本文。
[0041]通過隔離來源于二氧化碳源如廢物流的二氧化碳，例如但不限于來源于發(fā)電廠的煙氣或由水泥廠等排放的二氧化碳，來形成本發(fā)明的膠結(jié)組合物。在一些實施方案中，該膠結(jié)組合物含有來源于人類使用的燃料的碳，例如，具有化石燃料起源的碳。例如，在一些實施方案中，本發(fā)明的膠結(jié)組合物含有以CO2形式從燃料的燃燒釋放的碳。在某些實施方案中，在膠結(jié)組合物中隔離的碳為碳酸鹽化合物的形式。因此，在某些實施方案中，本文提供的膠結(jié)組合物含有碳酸鹽化合物，其中碳酸鹽化合物中的至少一部分碳來源于人類使用的燃料，例如化石燃料。因此，本發(fā)明的組合物的生產(chǎn)導(dǎo)致將CO2轉(zhuǎn)化為膠結(jié)組合物中的存儲穩(wěn)定形式。本發(fā)明的膠結(jié)組合物的生產(chǎn)因此導(dǎo)致防止CO2氣體進(jìn)入大氣。本發(fā)明的組合物以一定方式提供CO2的存儲，使得組合物中隔離的(即，固定的)CO2不變?yōu)榇髿獾囊徊糠?。因此，在組合物為可消耗的組合物時，其中固定的CO2在耗材的使用壽命中(如果不是更長的話)保持固定。
[0042]本發(fā)明的膠結(jié)組合物包括含有可與二價陽離子如鈣和/或鎂組合或與單價陽離子如鈉組合的碳酸鹽和/或碳酸氫鹽的組合物。該碳酸鹽和/或碳酸氫鹽可在溶液中、在固體形式中或溶液和固體形式的組合中，例如漿料。碳酸鹽和/或碳酸氫鹽可以含有來自于二氧化碳源的二氧化碳；在一些實施方案中，二氧化碳源自化石燃料的燃燒，并且因此這些碳酸鹽和/或碳酸氫鹽中的一些(例如，至少10%、50%、60%、70%、80%、90%、95%)或基本上所有(例如，至少99%、99.5%或99.9%)的碳是化石燃料來源的，即，是植物來源的。眾所周知，植物來源的碳與無機(jī)來源的碳相比具有不同的穩(wěn)定同位素(13C和12C)之比，并且因此在一些實施方案中，碳酸鹽和/或碳酸氫鹽中的碳具有小于例如-10%。，或小于-15%。，或小于-20%。，或小于-35%。，或小于-30%。，或小于-35%。的δ 13C0
[0043]在一些實施方案中，本文提供的組合物含有來自化石燃料的碳；由于其化石燃料起源，這類組合物的碳同位素分餾(δ 13)值可能不同于含有無機(jī)碳的組合物，例如石灰?guī)r。一般來說，衍生出化石燃料的植物相比13C可以更優(yōu)先利用12C,因此分餾了這些碳同位素，使得它們的比率與在大氣中通常存在的比率不同；與標(biāo)準(zhǔn)值(PeeDeeBelemnite或PDB標(biāo)準(zhǔn))相比時，該值被稱為碳同位素分餾(δ 13C)值。煤的S13C值通常是在-30%。至-20%。的范圍內(nèi)，甲烷的S13C值可以低至-20%。至-40%?；蛏踔?40%。至-80%。。大氣CO2的S13C值是-10%。至-7%。,對于石灰?guī)r是+3%。至-3%。,并且對于海洋碳酸氫鹽是0%。。
[0044]包含一種或多種源自工業(yè)CO2的合成碳酸鹽的沉淀材料反映出(由化石燃料的燃燒)衍生出工業(yè)CO2的化石燃料(例如，煤、石油、天然氣或煙氣)的相對碳同位素組成(S13C)。以％。(每千分之一)為單位的相對碳同位素組成(S13C)值是相對于石化箭石標(biāo)準(zhǔn)(PDB標(biāo)準(zhǔn))，兩種穩(wěn)定的碳同位素即12C和13C的濃度比的量度。
513C%o=[ (13C/12C樣品」3C/12CPDB標(biāo)準(zhǔn))/ (13C/12CPDB標(biāo)準(zhǔn))]X1000
[0045]12C由于其較低的質(zhì)量而優(yōu)先被植物在光合作用過程以及其他使用無機(jī)碳的生物過程中吸收。與13C相比，12C的較低的質(zhì)量允許在動力學(xué)上受限的反應(yīng)更有效地進(jìn)行。因此，源自植物材料的物質(zhì)，`例如化石燃料，具有比源自無機(jī)來源的物質(zhì)更小的相對碳同位素組成值。由燃燒化石燃料而產(chǎn)生的煙氣中的二氧化碳反映了被石化的有機(jī)材料的相對碳同位素組成值。表1列出了相關(guān)碳源的相對碳同位素組成值范圍以供比較。
[0046]結(jié)合有來自燃燒化石燃料的碳的組合物可反映出類似于植物來源的材料的S13C值，即，小于結(jié)合有來自大氣或非植物海洋來源的碳的材料的值。對通過二氧化碳隔離過程產(chǎn)生的材料由來自燃燒化石燃料的碳組成進(jìn)行的驗證，可以包括測量所得材料的s 13C值并確認(rèn)它與大氣二氧化碳或海洋碳源的值不相似。
表1.感興趣的碳源的相對碳同位素組成(δ 13C)值
【權(quán)利要求】
1.一種組合物，其包含: 膠結(jié)組合物，其中該膠結(jié)組合物包含選自選自球霰石、非晶碳酸鈣及其組合的亞穩(wěn)組分，和 增強(qiáng)材料。
2.如權(quán)利要求1所述的組合物，其中所述膠結(jié)組合物具有小于12的濕糊pH。
3.如權(quán)利要求1或2所述的組合物，其中所述膠結(jié)組合物具有小于-12.0%。的S13C值。
4.如前述權(quán)利要求中任一項所述的組合物，其中所述膠結(jié)組合物包含至少50wt%的球霰石。
5.如前述權(quán)利要求中任一項所述的組合物，其中以所述組合物中的水泥重量計，所述組合物包含大于0.15%的水溶性氯離子。
6.如前述權(quán)利要求中任一項所述的組合物，其中當(dāng)反復(fù)或長時間地暴露于水溶性氯化物時，所述增強(qiáng)材料不顯現(xiàn)出選自彈性模量、拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的機(jī)械性質(zhì)的改變。
7.如前述權(quán)利要求中任一項所述的組合物，其中所述增強(qiáng)材料選自鋁、玻璃纖維、碳纖維、陶瓷、聚合物、草、草制品、木制品及其組合。
8.如前述權(quán) 利要求中任一項所述的組合物，其中所述增強(qiáng)材料包含不銹鋼包層處理的鋼筋、電鍍的鋼筋、不銹鋼鋼筋、纖維增強(qiáng)的塑料、環(huán)氧樹脂涂覆的鋼筋、鈦包層處理的鋼筋、鍍鉻的/鉻涂覆的鋼筋、鍍鎳的/鎳涂覆的鋼筋、鈷鉻涂覆的鋼筋或其任意組合。
9.如權(quán)利要求7所述的組合物，其中所述增強(qiáng)材料包含聚碳酸酯增強(qiáng)構(gòu)件、聚碳酸酯纖維、聚(氯乙烯)(PVC)增強(qiáng)構(gòu)件、PVC纖維、聚丙烯、纖維素、聚乙烯醇或其任意組合。
10.如權(quán)利要求7所述的組合物，其中所述增強(qiáng)材料包含竹子。
11.如前述權(quán)利要求中任一項所述的組合物，其中至少I體積％的增強(qiáng)材料以相同方向?qū)R。
12.如前述權(quán)利要求中任一項所述的組合物，其中所述膠結(jié)組合物包含碳酸鹽礦物，其中該碳酸鹽礦物中的碳全部或部分來源于從工業(yè)廢物流中去除的二氧化碳。
13.如前述權(quán)利要求中任一項所述的組合物，其中根據(jù)結(jié)構(gòu)混凝土建筑規(guī)范，所述組合物滿足對耐用性、強(qiáng)度、可用性、彎曲和軸向載荷和/或剪切和扭轉(zhuǎn)的要求。
14.如前述權(quán)利要求中任一項所述的組合物，其中所述增強(qiáng)材料具有至少420MPa的屈服強(qiáng)度。
15.如前述權(quán)利要求中任一項所述的組合物，其中所述增強(qiáng)材料具有25GPa至250GPa的彈性模量。
16.如前述權(quán)利要求中任一項所述的組合物，其中所述組合物適合在結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)用中使用。
17.如前述權(quán)利要求中任一項所述的組合物，其進(jìn)一步包含骨料。
18.一種用于形成水泥或混凝土組合物的方法，其包括: 將膠結(jié)組合物與增強(qiáng)材料組合，并且形成水泥或混凝土組合物，其中該膠結(jié)組合物包含選自球霰石、非晶碳酸鈣及其組合的亞穩(wěn)組分。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其進(jìn)一步包括通過使包含二氧化碳的工業(yè)廢氣流與堿性溶液相接觸以形成充有二氧化碳的水來制備所述膠結(jié)組合物；并且使充有二氧化碳的水與二價陽離子相接觸以形成膠結(jié)組合物。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述充有二氧化碳的水與二價陽離子的接觸在沉淀條件下進(jìn)行，該沉淀條件有利于形成包含選自球霰石、非晶碳酸鈣及其組合的亞穩(wěn)組分的膠結(jié)組合物。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中所述沉淀條件有利于在所述膠結(jié)組合物中形成超過50wt%的球霰石。
22.如權(quán)利要求18-21中任一項所述的方法，其進(jìn)一步包括使所述水泥或混凝土組合物與水相接觸，并將所述球霰石轉(zhuǎn)化為霰石。
23.如權(quán)利要求18-22中任一項所述的方法，其進(jìn)一步包括在增強(qiáng)材料上形成霰石晶體。
24.如權(quán)利要求18-23中任一項所述的方法，其中所述增強(qiáng)材料選自鋁、玻璃纖維、碳纖維、陶瓷、聚合物、草、草制品、木制品及其組合。
25.如權(quán)利要求18-24中任一項所述的方法，其中所述增強(qiáng)材料包含不銹鋼包層處理的鋼筋、電鍍的鋼筋、不銹鋼鋼筋、纖維增強(qiáng)的塑料、環(huán)氧樹脂涂覆的鋼筋、鈦包層處理的鋼筋、鍍鉻的/鉻涂覆的鋼筋、鍍鎳的/鎳涂覆的鋼筋、鈷鉻涂覆的鋼筋或其任意組合。
26.如權(quán)利要求24所述的方法，其中所述增強(qiáng)材料包含聚碳酸酯增強(qiáng)構(gòu)件、聚碳酸酯纖維、聚(氯乙烯)(PVC)增強(qiáng)構(gòu)件、PVC纖維、聚丙烯、纖維素、聚乙烯醇或其任意組合。
27.如權(quán)利要求19所述的方法，其進(jìn)一步包括使用電化學(xué)方法獲得堿性溶液。
28.—種系統(tǒng)，其包含:可操作地連接到水泥生產(chǎn)站的混凝土生產(chǎn)站，該混凝土生產(chǎn)站被配置成用于將從該水泥生產(chǎn)站中得到的包含選自球霰石、非晶碳酸鈣及其組合的亞穩(wěn)組分的膠結(jié)組合物與來自增強(qiáng)材料源的增強(qiáng)材料組合以生產(chǎn)混凝土組合物。
29.如權(quán)利要求28所述的系統(tǒng)，其中所述水泥生產(chǎn)站被配置成利用來自二氧化碳源的二氧化碳、來自堿源的堿性溶液和來自二價陽離子源的二價陽離子生產(chǎn)所述膠結(jié)組合物。
30.如權(quán)利要求28或29所述的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包含可操作地連接到水泥生產(chǎn)站的堿源，該堿源被配置成用于電化學(xué)生產(chǎn)堿性溶液。
【文檔編號】C04B22/12GK103732555SQ201280038192
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2012年7月27日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月29日
【發(fā)明者】布倫特·R·康斯坦茨, 保羅·J·蒙蒂羅, K·塞爾夫, I·陳 申請人:卡勒拉公司