空心制品和復合材料及其制造方法和用圖
【專利摘要】本發(fā)明提供了具有中空的內部孔道或通道、或者以其他方式形成中空的新型復合材料制品，以及其配方、制造方法和用途。該空心體適合于建筑、鋪裝、景觀、以及基礎結構等多種應用。
【專利說明】
空心制品和復合材料及其制造方法和用途
[0001]優(yōu)先權及相關專利申請
[000^ 本申請要求2013年10月4日提交的美國臨時申請序列號61/886,936的權益，其全 部內容W其整體通過引用并入本文。
技術領域
[0003] 本發(fā)明大體設及具有空屯、、通道的復合材料制品。更具體地，本發(fā)明設及具有中空 內部孔道、通道和腔室或者W其他方式形成中空的新型復合材料制品，W及其配方、制造方 法和用途。該空屯、體適合于建筑、鋪裝、景觀、W及基礎結構等多種應用。
【背景技術】
[0004] 空屯、板，有時也稱為中空板或空屯、板材，是混凝±的預制板。其經常在建筑施工中 使用，例如在多層建筑物中作為地板、墻壁或屋頂。預制混凝±板通常具有在板的全部長度 上延伸的管狀孔隙，使得板比相同厚度或強度的大塊樓板更輕。減輕重量降低了材料和運 輸成本。
[0005] 常規(guī)的板為約120cm寬，具有15cm和50cm之間的標準厚度?？淄┲g的預制混凝± 工字梁包含鋼絲繩，其提供對來自負載的彎曲力矩的抗彎性能。制造過程設及從移動模具 中圍繞預應力鋼絲繩擠出濕混凝±。固化之后，根據需要的長度和寬度切割連續(xù)的板。空屯、 樓板也用鋼筋增強混凝±(非預應力）制成?？胀?、墻板是未經強化地制造的。
[0006] 當前制造的大多數空屯、板是由傳統(tǒng)混凝±制成的。大多數情況下，現有的混凝± 空屯、板對于預期目的是有效且可靠的。但是，在經濟和環(huán)境影響的方面，混凝±空屯、體不是 最理想的?，F有的生產技術設及大量能源消耗和二氧化碳排放，導致不利的碳足跡。
[0007] 因此，對于滿足或超過使用傳統(tǒng)混凝±制造的傳統(tǒng)空屯、體的物理及性能特性的由 復合材料制備的新型空屯、體存在持續(xù)性的需要，所述新型空屯、體能夠W較低的成本、改善 的能量消耗及更合乎需要的碳足跡大量生產。
[000引發(fā)明概述
[0009] 本發(fā)明部分地基于出乎意外地發(fā)現的由新型復合材料制造的新型空屯、體，所述新 型空屯、體具有滿足或超過現有混凝±空屯、體的優(yōu)秀物理及性能特性，包括初性、彈性、耐磨 性和耐用性。
[0010] 本發(fā)明的空屯、體能夠容易地由可廣泛獲得的低成本原材料、利用適于大規(guī)模生產 的能量消耗更低的方法生產，從而對環(huán)境影響最小化，具有合乎需要的碳足跡。原材料包括 諸如微粒娃酸巧的前體材料。娃酸巧前體材料通常由離散的娃酸巧相(選自CS(娃灰石或假 娃灰石）、C3S2(娃巧石）、C2S(斜娃巧石(belite)、斜娃巧石（larnite)或變娃灰石)和娃酸巧 系無定形相中的一種W上并且占全部相的約30% W上，其中"C"代表氧化巧或石灰、"S"代 表二氧化娃或娃±)與某些成為結合單元的痕量雜質、W及微粒填充材料(例如，含氧化巧 材料，諸如石灰石、硬娃巧石、娃粉和石英；輕質集料，諸如珍珠巖或賠石；或者甚至工業(yè)廢 料，諸如飛灰、底灰和爐渣)的滲合物組成。還提供流體組分作為反應介質，所述流體組分包 含液態(tài)水和/或水蒸汽及試劑二氧化碳(0)2)，所述二氧化碳在生產中作為反應性物種而消 耗并且最后固存于最終產品中。結合單元在受控的溫度和壓力下，使用反應在水和水蒸汽 之間發(fā)生的水化過程或者使用水蒸汽和C〇2進行反應。
[0011] 取決于最終使用者需求，還能夠添加各種其他添加劑，諸如分散、流變改性滲混劑 (用W提高混合物的一致性）、著色顏料、緩凝劑和促凝劑。添加劑材料可W包括天然或回收 材料，富碳酸巧材料和富碳酸儀材料，W及流體組分的添加劑，諸如水溶性分散劑。
[0012] 在一個方面中，本發(fā)明大體設及一種具有由復合材料制備的主體的制品。該主體 具有一個W上內部孔道或通道，該內部孔道或通道展現一個W上表面并且能夠與主體外部 流體連通。該復合材料由下列組成：多個結合單元，其中每個結合單元包含:主要包含娃酸 巧的核屯、，富二氧化娃的第一層或內層，W及富碳酸巧的第二層或外層；W及填料顆粒，該 填料顆粒包含粗填料顆粒和/或細填料顆粒，其中多個結合單元與多個填料顆粒一起形成 一個W上結合基質，并且結合單元與填料顆粒大致均勻地分散于其中并且結合在一起。
[0013] 在另一個方面中，本發(fā)明大體設及一種制品的制造方法。所述方法包括:混合微粒 組成物與液體組成物W形成混合物;在混合物中嵌入強化單元;在模具中誘鑄或擠出或W 其他方式成形混合物，W產生誘鑄的或擠出的或其他方式的成形體，該成形體具有嵌入其 中的強化單元W及露出一個W上表面并且能夠與主體壁的內部流體連通的在成形體中的 一個W上內部孔道或通道;在一個W上內部孔道或通道中保持C〇2和/或水蒸汽的氣氛；W 及在水和或C〇2的氣氛下、在約2(TC至約15(TC的范圍內的溫度下固化誘鑄的或擠出的主體 約1小時至約80小時，所述氣氛具有環(huán)境大氣壓力至高于環(huán)境大氣壓力約60psi的范圍內的 壓力并且具有從約10 %至約90 %的范圍內的C〇2濃度。微粒組成物包括中值粒徑在約Iwii至 約100皿范圍內的研磨娃酸巧，該研磨娃酸巧包含天然或合成的娃灰石、假娃灰石、娃巧石、 巧侶黃長石、斜娃巧石和娃酸Ξ巧石中的一種W上。液體組成物包含水。
【附圖說明】
[0014] 通過參考W下描述的附圖W及權利要求書，能夠更好地理解本發(fā)明的目標和特 征。附圖未必是按比例的，用于強調而不是一般地說明本發(fā)明的原理。在附圖中，相似的數 字用于在各種視圖中代表相似的部分。
[001引圖1是示出可逆反應CaC03 + S沿2 0 C姑i03(娃酸觀+C02中存在的相的壓力- 溫度相圖。
[0016] 圖2是示出可逆反應3CaC〇3 + ^ 2Ca泌iOrC泌沿3. + G02中存在 的相的壓力-溫度相圖。
[0017]圖3是1千己壓力下的Ca〇-Si〇2-C〇2系統(tǒng)的相圖。
[001引圖4是示出可逆反應MgO + C02分MgCOs中存在的相的壓力-溫度相圖。 [0019]圖5是示出作為隋性氣體中C〇2的比例的函數的可逆反應MgO +L0 oMgCO.評 衡曲線的壓力-溫度相圖。
[0020] 圖6是說明化C〇3-MgO)3系統(tǒng)中各個相的穩(wěn)定區(qū)域的溫度-組成相圖。
[0021] 圖7是說明化合物CaO、MgO、Si〇2和C〇2之間的相關系的四面體圖，并且示出Cc-Di- Wo和Cc-Wo-Mo平面下方的C〇2缺陷區(qū)域（陰影），其中Cc代表方解石、Wo代表娃灰石、Ak代表 巧儀黃長石、Di代表透輝石、并且Mo代表巧儀橄攬石(CaMgSi化）。
[0022] 圖8是說明化合物化0、Mg0、Si化和C〇2之間的相關系的壓力-溫度相圖，W及從四元 不變點發(fā)出的設及方解石(Cc)、透輝石(Di)、儀橄攬石(Fo)、巧儀橄攬石(Mo)、巧儀黃長石 (Ak)和C〇2的單變量曲線。嵌入圖是化C〇3、MgO和S i化的Ξ化合物系統(tǒng)的相圖。
[0023] 圖9是根據本發(fā)明的原理提供增濕的C〇2復合材料固化腔室的示意圖。
[0024] 圖10是固化腔室的示意圖，該固化腔室具有多種濕度控制方法并且使用恒定流量 或壓力調控來控制并補充C〇2,并且能夠根據本發(fā)明的原理控制溫度。
[0025] 圖ll(a)-ll(c)是根據本發(fā)明的例示性實施例的結合單元的橫截面的示意性說 明，包括Ξ種例示性核屯、形態(tài)：（a)纖維狀，（b)楠圓形，W及(C)等軸狀。
[0026] 圖12(a)-12(f)是根據本發(fā)明的示例性實施例的復合材料的側視圖及橫截面視圖 的示意性說明，示出（a)處于稀結合基質中的1D取向纖維狀結合單元(結合單元未接觸）； (b)處于稀結合基質中的2D取向片狀結合單元(結合單元未接觸）；（c)處于稀結合基質中的 3D取向片狀結合單元(結合單元未接觸）；W及(d)處于稀結合基質中的隨機取向片狀結合 單元(結合單元未接觸），其中復合材料包括結合基質和填料組分，諸如聚合物、金屬、無機 顆粒、集料等；（e)結合單元的濃縮結合基質(具有足W建立滲濾網絡的體積分數），其中基 質是3D取向；W及(f)隨機取向結合單元的濃縮結合基質（具有足W建立滲濾網絡的體積分 數），其中可W包含填料組分，諸如聚合物、金屬、無機顆粒、集料等。
[0027] 圖13示出根據本發(fā)明制得的示例性空屯、板。
[0028] 圖14示出本發(fā)明的示例性實施例，其中，可W控制C〇2和水蒸汽的氣流，使得氣流 在從內部孔道或通道中并且圍繞外部表面通過時在方向上擺動，從而沿著長度建立時間平 均的鏡面對稱，同時保持左右的鏡面對稱。運些對稱減小了固化過程期間出現的溫度和氣 體組成梯度的效果。
[0029] 圖15示出在整個固化中，通過維薩拉(化isala)傳感器在末端壁測量的腔室濕度， W及在整個運行期間收集的冷凝水的累積量。
[0030] 圖16示出用于固化干燥的空屯、鑄件的固化裝置的照片。
[0031] 圖17示出在圖16的裝置中固化的空屯、鑄件。
【具體實施方式】
[0032] 本發(fā)明提供了優(yōu)秀的空屯、體，其擁有滿足或超過現有混凝±空屯、體的優(yōu)秀的物理 和性能特性。本發(fā)明的空屯、體能夠容易地由可廣泛獲得的低成本原材料、利用適于大規(guī)模 生產的工藝生產，具有改善的能量消耗、縮短的生產周期(例如，固化時間短)和更合乎需要 的碳足跡。本發(fā)明的制造方法消耗大量C〇2,從而獲得固存C〇2的產品，由此使其為碳中性并 且是環(huán)境友好的。本文中的空屯、體指代具有空屯、、通道或者W其他方式(例如，減小擴散距 離W及促進固化)形成中空的物體和制品。
[0033] 本發(fā)明的空屯、體能夠用作各種建筑和施工構件，例如，包括地板、屋頂、墻壁、Π 、 平板、橋梁、框架、通路、隔板、襯擱、地基、圍欄、隔音板、管道、涵桐、公用設施地下室 (utility vault)、化糞池、排水井、W及雨水渠。它們可W用嵌入的預張式和/或后張式和/ 或預應力式強化單元、提高空屯、制品的載量和耐久性的特征來制造。強化單元可W是由具 有所需特性的材料，例如鋼、聚合材料、玻璃或其組合，制成的實屯、棒、絲或線纜。
[0034] 本發(fā)明的空屯、制品的關鍵特征是空屯、或通道或孔道或中空空間形成的壁，與制品 的總體尺寸相比其厚度小。固化流體從壁兩側的通路顯著地減少了二氧化碳和水必須擴散 的最大距離，從而影響固化。另外，中空空間減少了總體材料的使用并且降低了產品重量， 從而節(jié)約了材料W及運輸和安裝中的其他相關成本。
[0035] 在一個方面中，本發(fā)明大體設及一種具有由復合材料制備的主體的制品。該主體 具有一個W上內部孔道或通道，該內部孔道或通道露出一個W上表面并且能夠與主體外部 流體連通。該復合材料由下列組成：多個結合單元，其中每個結合單元包含:主要包含娃酸 巧的核屯、，富二氧化娃的第一層或內層，W及富碳酸巧的第二層或外層；W及填料顆粒，該 填料顆粒包含粗填料顆粒和/或細填料顆粒，其中多個結合單元與多個填料顆粒一起形成 一個W上結合基質，并且結合單元與填料顆粒大致均勻地分散于其中并且結合在一起。
[0036] 可W使用任何適合的娃酸巧組成物作為結合單元的前體。本文中使用的術語"娃 酸巧組成物"大體指代包含一組娃酸巧相中的一種W上的天然存在的礦物質或合成材料， 該娃酸巧相包括CS(娃灰石或假娃灰石，并且有時化學式為化Si化或化0 · Si〇2)、C3S2(娃巧 石，并且有時化學式為Ca3Si2〇7或3Ca0 · 2Si〇2)、C2S(斜娃巧石（belite)，f3-Ca2Si〇4、或斜娃 巧石（larnite)，0-(^i2Si〇4或變娃灰石（bredigite)，a-&2Si〇4或丫 -&2Si〇4,并且有時化學 式為化2Si化或2化0 · Si化）、娃酸巧系無定形相，其中各個材料可W包括一種W上其他金屬 離子和氧化物(例如侶、儀、鐵或儘氧化物)或其滲混物，或者可W包括一定量的呈天然存在 的形式或合成形式的娃酸儀，其量的范圍為痕量(1重量％)至約50重量％ W上。
[0037] 除了上述結晶相之外，娃酸巧組成物可W包含無定形（非結晶）娃酸巧相。無定形 相可W另外并入Al、Fe和Mg離子W及原材料中存在的其他雜質離子。娃酸巧組成物還可W 包含少量的殘留CaO(石灰）和Si化(娃±)。娃酸巧組成物還可W包含少量的C3S(娃酸Ξ巧 石，化3Si〇5)。
[00測娃酸巧組成物還可W包含一定量的惰性相，諸如通式為(Ca，Na，K)2[(Mg，Fe2+，Fe3+，八1，51)307]的黃長石型礦物(黃長石或巧侶黃長石或巧儀黃長石)和通式為化2^1，。63+) 2化的鐵氧體型礦物(鐵氧體或巧鐵石或C4AF)。在某些實施方式中，娃酸巧組成物僅由無定 形相組成。在某些實施方式中，娃酸巧僅由結晶相組成。在某些實施方式中，一些娃酸巧組 成物W無定形相存在，一些W結晶相存在。
[0039] 需要注意，本發(fā)明的娃酸巧組成物優(yōu)選為不水合。但是，可W存在少量的可水合的 娃酸巧相(例如，C2SX3S和化0)X2S當暴露于水時水合動力學緩慢，并且在C〇2固化過程期 間迅速轉化為化C〇3dC3S和化0當暴露于水時迅速水合，由此應當限制為巧質量％。
[0040] 在某些優(yōu)選的實施方式中，娃酸巧組成物的元素化與元素 Si的摩爾比為約0.80至 約1.20。在某些優(yōu)選的實施方式中，組成物的化與Si的摩爾比為約0.85至約1.15。在某些優(yōu) 選的實施方式中，組成物的化與Si的摩爾比為約0.90至約1.10。在某些優(yōu)選的實施方式中， 組成物的化與Si的摩爾比為約0.95至約1.05。在某些優(yōu)選的實施方式中，組成物的化與Si 的摩爾比為約0.98至約1.02。在某些優(yōu)選的實施方式中，組成物的Ca與Si的摩爾比為約 0.99 至約 1.01。
[0041] 娃酸巧組成物中包含的Al、Fe和Mg的金屬氧化物大體控制為少于約30%。在某些 優(yōu)選的實施方式中，組成物中A1、Fe和Mg的金屬氧化物占總氧化物質量的約20 % W下。在某 些優(yōu)選的實施方式中，組成物中Al、Fe和Mg的金屬氧化物占總氧化物質量的約15% W下。在 某些優(yōu)選的實施方式中，組成物中A1、Fe和Mg的金屬氧化物占總氧化物質量的約12% W下。 在某些優(yōu)選的實施方式中，組成物中Al、Fe和Mg的金屬氧化物占總氧化物質量的約10% W 下。在某些優(yōu)選的實施方式中，組成物中Al、Fe和Mg的金屬氧化物占總氧化物質量的約5% W下。
[0042] 運些娃酸巧相中的每種都適合于用C〇2碳酸化。在下文中，適合于碳酸化的離散的 娃酸巧相將被稱作反應相。
[0043] 各種反應相可W占總體反應相的任何適合的量。在某些優(yōu)選的實施方式中，CS反 應相的量為約10至約60wt% (例如，約15wt%至約60wt%、約20wt%至約60wt%、約25wt% 至約60wt%、約30wt%至約60wt%、約35wt%至約60wt%、約40wt%至約60wt%、約lOwt% 至約50wt%、約lOwt%至約40wt%、約lOwt%至約30wt%、約lOwt%至約25wt%、約lOwt% 至約20wt% ) ;C3S2為約5至50wt% (例如，約lOwt%至50wt%、約 15wt%至50wt%、約20wt% 至50wt%、約30wt%至50wt%、約40wt%至50wt%、約5wt%至40wt%、約5wt%至30wt%、約 5wt% 至25wt%、約5wt% 至20wt%、約5wt% 至15wt% ;并且C2S為約5wt% 至60wt% (例如， 約 lOwt% 至約60wt%、約20wt% 至約60wt%、約25wt% 至約60wt%、約30wt% 至約60wt%、 約35wt%至約60wt%、約40wt%至約60wt%、約5wt%至約50wt%、約5wt%至約40wt%、約 5wt%至約30wt%、約5wt%至約25wt%、約5wt%至約20wt%、約5wt%至約20wt% )，W及C 為約Owt%至3wt% (例如，Owt%、lwt% W下、2wt% W下、3wt% W下、約Iwt%至2wt%、約 1 wt % 至 3wt %、約 % 至 3wt % )。
[0044] 在某些實施方式中，反應相包含娃酸巧系無定形相，例如，無定形相為全部相質量 的約40% W上（例如，約45% W上、約50% W上、約55% W上、約60% W上、約65% W上、約 70% W上、約75% W上、約80% W上、約85% W上、約90% W上、約95% W上）。需要注意，無 定形相可W另外并入原材料中存在的雜質離子。
[0045] 本發(fā)明的娃酸巧組成物適合于用C〇2碳酸化。特別地，娃酸巧組成物適合于在約30 °C至約90°C的溫度下用C〇2碳酸化形成化C〇3,質量增加約20%W上。質量增加反映出碳酸化 產物中的C〇2凈固存。在某些優(yōu)選的實施方式中，組成物適合于在約3(TC至約9(TC(例如，約 40 °C 至約90 °C、約50 °C 至約90 °C、約60 °C 至約90 °C、約30 °C 至約80 °C、約30 °C 至約70 °C、約30 °C至約60°C、約40°C至約80°C、約40°C至約70°C、約40°C至約60°C)的溫度下用C〇2碳酸化形 成CaC〇3,質量增加10%W上（例如，15%W上、20%W上上、30%W上）。
[0046] 前體娃酸巧組成物通常W粉末形式使用，該粉末形式的平均粒度(d50)為約祉m至 約25μπι，其中10%的顆粒(dlO)尺寸為小于約Ο.?μπι至約3μπι，并且90%的顆粒(d90)尺寸大 于約3 5μηι至約10 Ομηι。
[0047] 在某些實施方式中，選擇d90:dl0的比率W使粉末流動提高或誘鑄用水量下降。在 某些實施方式中，選擇d50:dl0的比率W使反應性提高、改善堆積或使誘鑄用水量下降。在 某些實施方式中，選擇d90: d50的比率W使反應性提高、改善堆積或使誘鑄用水量下降。
[0048] 可W使用任何適合的填料顆粒，例如含氧化巧材料或含二氧化娃材料。示例性的 填料顆粒包括石灰、石英(包括砂）、娃灰石、硬娃巧石、般燒油頁巖、飛灰或火山灰、害爐煙 塵、研磨粘±、浮石粉塵。還可W使用諸如工業(yè)廢料(例如飛灰、爐渣、娃灰）的材料作為填 料。在某些優(yōu)選實施例中，還可W使用諸如珍珠巖或賠石的輕質集料作為填料。在某些優(yōu)選 實施例中，填料顆粒由諸如研磨石灰的富氧化巧材料制成。
[0049] 包含氧化巧或二氧化娃的填料顆粒的粒度(dso)在約0.25皿至約20化m的范圍內 (例如，約ο. 25μπι至約 150μπι、約ο. 25μπι至約100μL?、約ο. 25μπι至約50皿、約ο. 25皿至約2〇4111、 約0.25皿至約ΙΟμL?、約0.5μπι至約200μπι、約化m至約200μπι、約扣m至約200μπι、約ΙΟμπι至約200 μηι、約 20μηι至約 200μηι、約 50μηι至約 200μηι)。
[0050] 在某些實施方式中，填料顆粒選自粒度在約0.5皿至約300皿范圍內（例如，約Ιμπι 至約3(Κ)μπι、約扣m至約30化m、約10皿至約30化m、約50皿至約30化m、約10化m至約300皿、約 0.5皿至約200皿、約0.5皿至約100皿、約0.5皿至約50皿、約0.5皿至約20皿、約0.5皿至約10 皿、約0.5皿至約如m)的飛灰、底灰、爐渣。
[0051 ] 在某些實施方式中，填料顆粒選自粒度在約Ιμπι至約500μηι范圍內（例如，約Ιμπι至 約400皿、約1皿至約300皿、約1 μηι至約200皿、約1皿至約100皿、約1 μηι至約50皿、約1 μηι至約 30μηι、約 5μηι 至約 500μηι、約 1 Ομηι至約 500μηι、約 20μηι 至約 500μηι、約 50μηι至約 500μηι、約 1 ΟΟμηι 至 約500μηι、約200μηι至約500μηι)的石灰石、娃粉和石英。
[0052] 在某些實施方式中，填料顆粒選自粒度在約20WI1至約500WI1范圍內（例如，約20μπι 至約400μηι、約20μηι至約300皿、約20μηι至約200皿、約20μηι至約100皿、約50μηι至約500皿、約 1 ΟΟμπι 至約 500μπι、約 200μπι 至約 500μπι、約 300μπι 至約 500μπι)的輕質集料。
[0053] 在某些實施方式中，硬化控制滲混劑選自葡萄糖酸鹽和薦糖。在某些實施方式中， 分散/粘度改性劑是聚簇酸鹽系材料。
[0054] 在示例性實施方式中，研磨娃酸巧是研磨娃灰石，填料顆粒包含研磨石灰石和二 氧化娃，活化劑是研磨石灰，硬化控制滲混劑是葡萄糖酸鹽，粘度改性劑是聚簇酸鹽系材 料，并且充氣劑是侶漿。
[0055] 應該理解，能夠采用本文中公開的娃酸巧組成物、相和方法來使用娃酸儀相代替 娃酸巧相或除娃酸巧相之外還使用娃酸儀相。本文中使用的術語"娃酸儀"指代包含一組含 儀娃化合物中的一種W上的天然存在的礦物質或合成材料，該含儀娃化合物包括例如 Mg2Si〇4(還稱為"儀橄攬石"）和Mg3Si4〇io(OHM還稱為"滑石'），其中材料可W包括一種W 上其他金屬離子和氧化物(例如巧、侶、鐵或儘氧化物)或其滲混物，或者可W包括一定量的 呈天然存在的形式或合成形式的娃酸巧，其量的范圍為痕量(1重量％)至約50重量％ W上。
[0056] 本發(fā)明的空屯、制品能夠制造成各種大小和尺寸。典型的空屯、板擠出物在切割為在 建筑施工中直接使用的較小長度之前，可W為300至500英尺長、甚至長達1000英尺，4英尺 寬。預制混凝±箱型涵桐可W小至2英尺乘3英尺，或者大至12英尺乘12英尺。箱型涵桐的壁 厚度在4英寸至12英寸之間變化。預制混凝±管可W小至直徑1英尺、壁厚2英寸，或者大至 直徑9英尺、壁厚10英寸。
[0057] 一個W上的空屯、或通道、孔道或中空空間是重要特征，并且影響空屯、制品的總體 特性和性能，包括總體重量、機械性質和功能性。空屯、制品根據需要，可W具有約1至約10W 上(例如，2、3、4、5、6、7、8、9、10)個孔道或通道?？椎阑蛲ǖ揽蒞采取各種形狀(例如，圓形、 楠圓形、多邊形、矩形或正方形）。孔道或通道的數量、形狀、尺寸和構造會影響空屯、制品的 各種機械性質。如本文中更詳細地討論的，能夠利用孔道或通道的數量、形狀、尺寸和構造 而有利于制造，例如，為加速固化過程并且實現更均勻的固化。
[0058] 取決于期望的性質和考慮的應用，孔道或通道可W占空屯、制品的總體積的任何適 合的比例，例如，空屯、制品總體積的約5vol. %至約95vol. % (例如，約lOvol. %至約 95vol. %、約20vol. % 至約 95vol. %、約30vol. % 至約 95vol. %、約50vol. % 至約 95vol. %、約70vol. %至約95vol. %、約5vol. %至約90vol. %、約5vol. %至約70vol. %、 約5vol. % 至約50vol. %、約5vol. % 至約30vol. %、約5vol. % 至約20vol. % )。
[0059] 在某些優(yōu)選的實施方式中，制品嵌入有一個W上嵌入主體內的強化單元。一個W 上的強化單元可W是棒、絲或線纜、或其組合。在某些實施方式中，一個W上的強化單元由 鐵、鋼、聚合材料、玻璃或其組合制成。在某些優(yōu)選的實施方式中，一個W上的強化單元是預 應力式的。
[0060] 強化單元可W是實屯、棒、絲或線纜。強化單元可W采取任何適合的物理尺寸，例 如，作為橫截面直徑約1/4英寸至約3英寸(例如，約1/4英寸至約2又1/2英寸、約1/4英寸至 約2英寸、約1/4英寸至約1又1/^2英寸、約1/4英寸至約1英寸、約1/^2英寸至約3英寸、約1英寸 至約3英寸、約1又1/2英寸至約3英寸、約2英寸至約3英寸)并且長度長達約40英尺W上（例 如，約50英尺、約80英尺、約100英尺W上）的實屯、棒、作為橫截面直徑約1/4英寸至約4英寸 (例如，約1/4英寸至約3又1/2英寸、約1/4英寸至約3英寸、約1/4英寸至約2又1/2英寸、約1/ 4英寸至約2英寸、約1/4英寸至約1英寸、約1/^2英寸至約4英寸、約1英寸至約4英寸、約1又1/ 2英寸至約4英寸、約2英寸至約4英寸、約3英寸至約4英寸)并且長度長達約100英尺W上(例 如，約120英尺、約150英尺、約200英尺W上）的軟線纜。
[0061] 線纜可W由多根絲或線束集在一起。強化單元可W由具有所需特性的材料制成， 例如鐵、鋼、聚合材料、玻璃或其組合。在某些優(yōu)選的實施方式中，強化單元是鋼筋。在某些 優(yōu)選的實施方式中，強化單元是鋼纜。在某些優(yōu)選的實施方式中，強化單元是鋼絲。
[0062] 復合材料中還可W包含化學滲混劑;例如，塑化劑、緩凝劑、促凝劑、分散劑和其他 流變改性劑。也可W包括某些市售的化學滲混劑，諸如BASF'乂hemicals的Glenium? 7500 W及Dow化emical Company的A州mer?。在某些實施方式中，取決于期望的復合材料，一種 W上顏料可W均勻地分散或大致不均勻地分散于結合基質中。顏料可W是任何適合的顏 料，包括例如各種金屬的氧化物（例如黑色氧化鐵、氧化鉆及氧化銘）。顏料可W是任何顏 色，例如選自黑色、白色、藍色、灰色、粉紅色、綠色、紅色、黃色及褐色的顏色。取決于期望的 復合材料，顏料可W W任何適合量存在，例如約0.0重量％至約10重量％范圍內的量。
[0063] 在某些實施方式中，取決于期望的復合材料，顏料可W均勻地分散或大致不均勻 地分散于結合基質中。顏料可W是任何適合的顏料，包括例如各種金屬的氧化物(例如黑色 氧化鐵、氧化鉆及氧化銘）。顏料可W是任何顏色，例如選自黑色、白色、藍色、灰色、粉紅色、 綠色、紅色、黃色及褐色的顏色。取決于期望的復合材料，顏料可任何適合量存在，例如 約0.0重量％至約10重量％范圍內（例如，約0.0%至約8%、約0.0%至約6%、約0.0%至約 5%、約0.0%至約4%、約0.0%至約3%、約0.0%至約2%、約0.0%至約1 %、約0.0%至約 0.5%、約0.0%至約0.3%、約0.0%至約2%、約0.0%至約0.1%)的量。
[0064] 在另一個方面中，本發(fā)明大體設及一種制品的制造方法。所述方法包括:混合微粒 組成物與液體組成物W形成混合物;在混合物中嵌入強化單元;在模具中誘鑄或擠出或W 其他方式形成混合物，W產生誘鑄的或擠出的或其他方式的成形體，該成形體具有嵌入其 中的強化單元W及露出一個W上表面并且能夠與主體壁的內部流體連通的在成形體中的 一個W上內部孔道或通道;在一個W上內部孔道或通道中保持C〇2和/或水蒸汽的氣氛；W 及在水和或C〇2的氣氛下、在約20°C至約150°C的范圍內的溫度下固化誘鑄的或擠出的主體 約1小時至約80小時，所述氣氛具有環(huán)境大氣壓力至高于環(huán)境大氣壓力約60psi的范圍內的 壓力并且具有從約10 %至約90 %的范圍內的C〇2濃度。微粒組成物包括中值粒徑在約Iwii至 約100皿范圍內的研磨娃酸巧，該研磨娃酸巧包含合成的娃灰石、假娃灰石、娃巧石、巧侶黃 長石、斜娃巧石和娃酸Ξ巧石中的一種W上。液體組成物包括水。
[0065] 在某些優(yōu)選的實施方式中，形成混合物的步驟包括/設及在混合機中混合集料、 砂、娃酸巧和水?；旌蠙C可W是混合傳統(tǒng)混凝±中通常使用的任意類型的混合機。充分混合 集料、砂和足夠稍微潤濕固體的水。接下來，向配合料中加入娃酸巧和剩余的水，W及任意 的滲混物。將混合物充分混合并且調整水量，從而實現所需的濕度水平。
[0066] 在某些優(yōu)選的實施方式中，在配置為產生誘鑄的或擠出的或其他方式的具有一個 W上內部孔道或通道的成形體的模具中誘鑄或擠出漿料混合物的步驟包括/設及將混合物 倒入模具或擠出機。例如，在制造鑄件的情形中，為了促使去除滯留的空氣并且促進顆粒重 排W使混合物密實，可W通過振動模具或者通過在模具內的混合物中插入振動棒來振動混 合物。在擠出的情形中，擠出機可W是固定的或移動的。固定的擠出機推動混合物通過通 道，將混合物成形為所需形狀，并且促進顆粒重排W使制品密實。將制品從擠出機內的模具 中推出，從而可W將其切割成所需長度，并且堆積制品用于固化。移動的擠出機對著固定的 擋塊推動混合物通過通道，將混合物成形為所需形狀。隨著混合物被對著固定的擋塊推動， 混合物內部的壓力提高，顆粒重排并且使混合物密實。隨著越來越多的材料被擠出，壓緊的 混合物沿著擠出機床推動擠出機。
[0067] 在某些優(yōu)選的實施方式中，在一個W上內部孔道或通道內保持C〇2和水蒸汽的氣 氛的步驟包括/設及使氣氛保持在孔道或通道中和/或圍繞制品的外部;循環(huán)所保持的C〇2 和/或水蒸汽氣氛;從所保持的氣氛中去除水蒸汽或向其中加入水蒸汽；W及加熱所保持的 氣氛。為了實現快速和/或均勻的固化，可W設計孔道和通道的數量、形狀、尺寸和構造，從 而增加 C〇2和水蒸汽與擠出體的壁的接觸面積。一般地，隨著固化的進行，在保持的氣氛內 和制品自身內部會產生溫度和濃度梯度。識別并且控制運些梯度W實現制品的均勻固化。 例如，可W控制C〇2和水蒸汽的氣流，使得氣流在從內部孔道或通道中W及制品外部通過時 在相反方向上振蕩W逆轉梯度，從而使溫度和濃度梯度的效果在整個固化階段達到平均。
[0068] 在某些優(yōu)選的實施方式中，誘鑄體或擠出體的固化步驟包括/設及使制品與C〇2 和/或水蒸汽的氣氛接觸一段時間。
[0069] 可W根據所需的最終產品調整固化溫度和時間，例如在水和C〇2的氣氛下，在約20 °C至約150°C范圍內（例如，約20°C至約140°C、約20°C至約120°C、約20°C至約100°C、約20°C 至約90°C、約20°C至約80 °C、約20°C 至約70°C、約20 °C至約60°C、約30°C至約 100 °C、約30°C 至約90°C、約30°C至約80°C、約30°C至約70°C、約30°C至約60°C)的溫度下進行約1小時至約 80小時(例如，約1小時至約70小時、約1小時至約60小時、約即寸至約80小時、約6小時至約70 小時、約6小時至約60小時、約10小時至約80小時、約10小時至約70小時、約10小時至約60小 時、約15小時至約60小時、約15小時至約50小時、約20小時）。
[0070] 可W調整固化過程的相對濕度環(huán)境W適應所需效果，例如，相對濕度范圍為約 10 %至約98 % (例如，約20 %至約98 %、約30 %至約98 %、約50 %至約98 %、約80 %至約 98 %、約90 %至約98%、約10 %至約90 %、約10%至約70 %、約10 %至約50%、約10 %至約 40%、約10%至約30%、約10%至約20%)，C〇2壓力范圍為約環(huán)境大氣壓力至高于環(huán)境大氣 壓力約l(K)psi (例如，約環(huán)境大氣壓力至高于環(huán)境約90psi、約環(huán)境大氣壓力至高于環(huán)境約 80psi、約環(huán)境大氣壓力至高于環(huán)境約70psi、約環(huán)境大氣壓力至高于環(huán)境約60psi、高于環(huán) 境約20psi至高于環(huán)境約l(K)psi、高于環(huán)境約30psi至高于環(huán)境約l(K)psi)并且C〇2濃度范圍 為約10%至約90% W上(例如，約20 %至約90 %、約30%至約90%、約40 %至約90 %、約10% 至約70%、約10%至約50% )，從而生產展現均勻、均質且多孔結構的復合材料。
[0071 ]在如本發(fā)明的一些實施方式的示例性生產中，使用的材料為研磨娃酸巧。
[0072] 研磨娃酸巧可W具有的中值粒度為約Ιμηι至約100μηι(例如，約Ιμηι至約80μηι、約Ιμηι 至約 60μηι、約 1 μηι至約 5 Ομηι、約 1 μηι至約 40μηι、約 1 μηι至約 30μηι、約 1 μηι至約 20μηι、約 1 μηι至約 1 Ομ m、約5皿至約90皿、約5皿至約80皿、約5皿至約70皿、約5皿至約60皿、約5皿至約50皿、約5皿 至約40皿、約10皿至約80皿、約10皿至約70皿、約10皿至約6 0皿、約10皿至約50皿、約10皿至 約40皿、約10皿至約30皿、約10皿至約20皿、約1皿、10皿、15皿、20皿、25皿、30皿、40皿、50μ m、60皿、70皿、80皿、90皿、100皿），容積密度為約0.5g/mL至約3.5g/mL(疏松，例如0.5g/mL、 1. Og/mL、1.5g/mL、2.0g/mL、2.5g/mL、2.8g/mL、3.0g/mL、3.5g/mL) W及約 1. Og/mL至約 1.2g/mL(密實），表面積為約 1.5m2/g至約3.5m^g(例如，1.5m2/g、2.0m2/g、2.3m2/g、2.5m2/ g、2.8m2/g、3.0m2/g、3.2m2/g、3.5m2/g)。
[0073] 在某些優(yōu)選的實施方式中，微粒組成物包含研磨娃酸巧材料的約lOwt. %至約 95wt. % (例如，約20wt. %至約95wt. %、約30wt. %至約95wt. %、約50wt. %至約95wt. %、 約60wt. %至約95wt. %、約20wt. %至約90wt. %、約20wt. %至約80wt. %、約20wt. %至約 70wt. %、約30wt. %至約80wt. %、約50wt. %至約80wt. % )。
[0074] 由此，可W制定固化條件的各種組合，包括可變的反應溫度、壓力和反應長度，從 而實現期望的生產方法。在第一示例性實施方式中，水W液體形式伴隨C〇2氣體輸送至已經 在烘箱中預先干燥的制品，并且在約90°C及約20psig(即，高于環(huán)境壓力20psi)下進行固化 過程約48小時。在第二示例性實施方式中，在前體材料中存在水(例如，作為先前的混合步 驟的殘留水），將C〇2氣體輸送至制品，并且在約60°C及化sig(環(huán)境大氣壓力）下進行固化過 程約19小時。在第Ξ示例性實施方式中，將水W蒸汽形式伴隨C〇2輸送至制品，并且在約90 °C及約20psig(高于環(huán)境大氣壓力20psi)下進行固化過程約19小時。
[0075] 需要注意，能夠基于本文的公開，微調制品的性能、生產時間和規(guī)模，例如，通過調 整固化技術(例如，C〇2輸送、系統(tǒng)壓力和溫度）W及混合物的比例和成分。
[0076] 除了所使用的材料和制造過程提供了有利的環(huán)境和經濟利益之外，本發(fā)明的空屯、 制品還提供在性能上優(yōu)于由傳統(tǒng)混凝±制成的空屯、產品的多種優(yōu)勢，例如，能夠在比使用 普通波特蘭水泥制成的預制混凝±制品的情形更短的時間內實現優(yōu)秀的穩(wěn)定性質。
[0077] 結合單元、結合基質W及復合材料
[0078] 化學討論
[0079] 本發(fā)明提供了用于制造主要通過C〇2消耗反應固化的新型復合材料的裝置和方 法。該材料展現了有用的性質，并且能夠容易地從可廣泛獲得的低成本前體材料、利用適于 大規(guī)模生產的方法生產，具有最小的環(huán)境影響。前體材料包括來源豐富且價格低廉的富娃 酸巧組成物、細顆粒和粗顆粒。娃酸巧組成物可W由包含各種娃酸巧相(包括例如CSX3S2、 C2S和娃酸巧系無定形相）的研磨產品組成。細顆粒和粗顆?？蒞包含研磨石灰石或其他碳 酸巧系材料、研磨石英或其他Si化系材料、砂和壓碎巖。細顆粒和粗顆粒也可W包含壓碎礦 物，所述礦物諸如花崗巖、云母和長石。其他工藝組分包括水和C〇2。為了對所得復合材料的 物理外觀和/或機械特性進行微調，能夠使用各種添加劑，諸如選自顏料(例如，黑色氧化 鐵、氧化鉆和氧化銘）、有色玻璃和/或有色石英中的一種W上的添加劑。還可W使用關于減 少用水量和改變流變能力的添加劑。
[0080] 如本文中所公開，能夠通過使用高能效的熱液液相燒結化LPS)工藝，產生將復合 材料的各種組分保持在一起的結合單元，來生產復合材料。復合材料能夠W低成本及有利 的環(huán)境影響來制造。例如，在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，0)2用作反應性物種，在生產的復合 材料中獲得了 C〇2的固存W及結合單元的形成，并且其碳足跡是任何現有的生產技術無法 比擬的。HLPS過程由化學反應的自由能和晶體生長導致的表面能（面積）減少熱力學地驅 動。因為使用溶液(水溶液或非水溶液)代替高烙點流體或高溫固態(tài)介質來輸送反應性物 種，所WHLI^過程的動力學在低溫下W合理的速率進行。
[0081] 關于化PS的各種方面的論述可見于美國專利號8，114,367、美國公開號115 2009/ 0143211(申請序列號12/271，566)、美國公開號US 2011/0104469(申請序列號12/984， 299)、美國公開號2009/0142578(申請序列號12/271,513)、美國公開號2013/0122267(申請 序列號 13/411,218)、美國公開號2012/0312194(申請序列號 13/491,098)、W0 2009/102360 (PCT/US2008/083606)、W0 2011/053598(PCT/US2010/054146)、W0 2011/090967(PCT/ US2011/021623)、2012年10月1日提交的美國臨時申請?zhí)?1/708,423、W及2013年10月3日 提交的美國專利申請?zhí)?14/045,758、14/045,519、14/045,766、14045540; 2014年 3 月 12 日提 交的美國專利申請?zhí)?4/207,413、14/207,421;2014年3月13日提交的美國專利申請?zhí)?4/ 207，920、14/209，238; 2014年6月4 日提交的美國專利申請?zhí)?14/295，601，14/295，402，各案 通過引用W其整體用于所有目的特此并入本文。
[0082] 本文中使用的術語"娃酸巧組成物"指代包含一組含娃酸巧化合物中的一種W上 的天然存在的礦物質或合成材料，該含娃酸巧化合物包括CS(娃灰石或假娃灰石，并且有時 化學式為CaSi化或化0 · Si〇2)、C3S2(娃巧石，并且有時化學式為化3Si2化或3Ca0 · 2Si化）、 〔25(斜娃巧石化61；[16)0-化25；[04、斜娃巧石（1日111；[16)0-〔日25；[04或變娃灰石（13'6山邑；[16)， a-Ca2Si0減丫-Ca2Si04,并且有時化學式為CasSiO減2Ca0 · Si02)、富娃酸巧無定形相，其 中各個材料可W包括一種W上其他金屬離子和氧化物(例如侶、儀、鐵或儘氧化物)或其滲 混物，或者可W包括一定量的呈天然存在的形式或合成形式的娃酸儀，其量的范圍為痕量 (1重量％ )至約50重量％ ^上。圖1至圖8是示出一些上述材料的各種相之間的相互關系的 相圖。
[0083] 應該理解，能夠采用本文中公開的組成物及方法來使用娃酸儀相代替娃酸巧相或 除娃酸巧相之外還使用娃酸儀相。本文中使用的術語"娃酸儀"指代包含一組含儀娃化合物 中的一種W上的天然存在的礦物質或合成材料，該含儀娃化合物包括例如Mg2Si〇4(還稱為 "儀橄攬石"）、Mg3Si4〇io(OH)2(還稱為"滑石"）和CaMgSi〇4(還稱為"巧儀橄攬石"），其中各個 材料可W包括一種W上其他金屬離子和氧化物(例如巧、侶、鐵或儘氧化物)或其滲混物，或 者可W包括一定量的呈天然存在的形式或合成形式的娃酸巧，其量的范圍為痕量（1重 量％)至約50重量％ W上。
[0084] 本文中使用的術語"石英"指代任何Si化系材料，包括普通砂(建筑及石工及玻 璃和回收玻璃。該術語還包括含有大量Si化的任何其他回收的天然材料及合成材料(例如， 有時化學式為KAl2(AlSi3〇io) (0H)2的云母）。
[0085] 在某些優(yōu)選實施方式中，多個結合單元由研磨娃酸巧組成物經化學轉化而成，所 述化學轉化是經由氣相HLI^方法使所述研磨娃酸巧組成物與C〇2發(fā)生反應。
[0086] 在某些實施方式中，復合材料的特征是壓縮強度為約90MPa至約175MPa(例如，約 90M 化至約 150MPa、約 90MPa 至約 140MPa、約 90MPa 至約 130MPa、約 90M 化至約 120MPa、約 90MPa 至約11 OMPa、約10 0M化至約17 5MPa、約120M化至約17 5MPa、約13 0M化至約17 5MPa、約140M化 至約 175MPa、約 150MPa至約 175MPa、約 160MPa至約 175MPa)。
[0087] 在某些實施方式中，復合材料的特征是曉曲強度為約5M化至約30MPa(例如，約 5M化至約25MPa、約5M化至約20MPa、約5M化至約15MPa、約5M化至約lOMPa、約lOMPa至約 30MPa、約20MPa至約30MPa、約25MPa至約30MPa)。
[0088] 在某些實施方式中，復合材料的特征是吸水率小于約10% (例如，小于約8%、5%、 4%、3%、2% 或 1%)。
[0089] 復合材料可W顯示期望的紋理、圖案和物理性質的一種W上，特別是屬于天然石 材的特性的紋理、圖案和物理性質。在某些優(yōu)選實施方式中，復合材料展現與天然石材相似 的視覺圖案。其他特性包括顏色(例如，黑色、白色、藍色、粉紅色、灰色(淺灰至深灰）、綠色、 紅色、黃色、褐色、青色(藍綠色)或紫色)和紋理。
[0090] 儀器和工藝討論
[0091] C〇2 控制
[0092] 在所描述的實施方式中，使用由各個不同的工業(yè)氣體公司（諸如，Praxair, Inc.、 Linde AG、Air Liquide及其他公司）提供的約99%的純度的工業(yè)級C〇2。此供應能夠W液態(tài) 二氧化碳的形式儲存于大型加壓儲料罐中，將液態(tài)二氧化碳調控在使其保持約300PSIG的 氣壓的溫度下。然后將此氣體管送至C〇2固化殼體(enclosure)或腔室。在最簡單的系統(tǒng)中， 0)2 W足W置換殼體中的環(huán)境空氣的速率流過殼體。一般來說，吹掃(pur ge)時間取決于殼 體的大小和供應C〇2氣體的速率。在許多系統(tǒng)中，吹掃空氣的殼體的過程W按分鐘計的多次 進行，W得到能夠在其后進行固化的合理水平的C〇2濃度。在簡單系統(tǒng)中，隨后W預定速率 向系統(tǒng)中供給C〇2氣體，從而保持足W驅動固化反應的C〇2濃度。
[0093] 作為實例，現在描述用于在反應期間維持二氧化碳濃度的方法，該方法非常適合 于保持高度一致的濃度，盡管其是"閉環(huán)"過程，是趨向于最昂貴的技術。該方法直接使用在 系統(tǒng)中測量的C〇2濃度，并且使用諸如化C的控制器、通過電子/自動控制閥將C〇2濃度控制在 設定點。應當優(yōu)選地采用諸如NDIR的直接測量C〇2的測量技術。在NDIR測量方法中，經由低 流量累將氣體樣品流從系統(tǒng)抽出。在氣流由NDIR設備取樣前，冷卻器用于從氣流抽取出水 分。因此，由分析器提供的測量漏算氣流的水蒸汽組分，并且需要調整為包括已從測試樣品 移除的濕度。系統(tǒng)氣流中的濕度測量能夠使用干濕球濕度技術、使用干球濕球濕度測量裝 置、或使用不同類型的濕度傳感器進行。能夠使用計算機控制系統(tǒng)或化C計算真正的C〇2濃 度。一旦得知真正的C〇2濃度，當C〇2已經消耗并且低于當時所需的設定點時，致動比例控制 閥能夠將干燥C〇2添加至系統(tǒng)中。在各種實施方式中，如果需要的話，設定點可W基于復合 材料樣本固化的具體組成、形狀及尺寸的經驗而隨時間變化。
[0094] 濕度控制
[00%]圖9是根據本發(fā)明的原理進行加濕的C〇2復合材料固化腔室的示意圖。在圖9中，設 置水供應器，并且將水蒸汽加入在固化腔室內循環(huán)的氣氛。水可W是任意方便的飲用水源。 在一些實施方式中，使用普通自來水。在一些實施方式中，水能夠通過流過霧化噴嘴或霧化 噴霧噴嘴、電蒸汽產生器、燃氣蒸汽產生器、或者通過加熱至高于腔室的氣體溫度而轉化成 蒸汽，從而從液態(tài)水供應器產生蒸發(fā)，實例為具有浸沒加熱器的鼓式反應器。在又一實施方 式中，0)2供應可W在通過加熱的水供應器鼓泡之后流入系統(tǒng)中，W增加進入的氣流的相對 濕度，實例為配置用于"流過"或"開環(huán)"過程的鼓式反應器。
[0096] 相對濕度是傳統(tǒng)混凝±固化和C〇2復合材料固化兩者中的重要參數。在傳統(tǒng)固化 腔室中，存在主要由氮氣、氧氣及水蒸汽組成的濕氣氣氛。在運些系統(tǒng)中，相對濕度最常由 標準電容式傳感器技術測量。然而，0)2固化腔室具有主要由與運些傳感器的一些類型不兼 容的二氧化碳組成的氣氛。傳感技術，諸如利用二氧化碳與水蒸汽的濕度比的干球濕球技 術、或偶極子極化水蒸汽測量設備、或冷鏡式濕度計、或電容式濕度傳感器，能夠用于本文 中描述的C〇2復合材料固化系統(tǒng)。
[0097] 取決于固化的產物的類型及幾何形狀、腔室的設計及腔室中的產物的充填效率， 濕度可能需要降低或提高并調節(jié)至特定設定點。設定點可W在從1%至99%的相對濕度的 任意范圍。在能夠組合至單個系統(tǒng)的C〇2復合材料固化過程中，可存在Ξ種不同的用于濕度 控制的方法。在C〇2固化系統(tǒng)的一個實施例中增濕的方法表示于圖9中。另一方法，需要從系 統(tǒng)移除水分W用C〇2固化混凝±產物。降低相對濕度的簡單方法是通過用干燥氣體，諸如二 氧化碳，代替系統(tǒng)中的濕氣。在又另一個實施方式中，能夠通過非吹掃方法降低相對濕度并 因此從氣體移除水蒸汽，該方法在一個優(yōu)選實施例中為進行水萃取的冷卻熱交換器。
[0098] 圖10是固化腔室的示意圖，該固化腔室具有多種濕度控制方法W及使用恒定流量 或壓力調控來控制并補充C〇2,并且能夠根據本發(fā)明的原理控制溫度。此系統(tǒng)是能夠提供閉 環(huán)控制或者使用反饋控制的系統(tǒng)的示例，其中設置了諸如C〇2濃度、濕度和溫度的運行參數 在過程周期中特定時間期望的設定值，并且進行測量，W判斷受控參數的真實值是否是期 望值。如果測量到與期望值的偏差，則進行校正措施W使參數的值與期望值相一致。運樣的 控制系統(tǒng)昂貴且復雜，對于高價值產品或者需要非常精密的加工條件的產品可能是有用 的。
[0099] 溫度控制
[0100] 在一些實施例中，使用諸如熱電偶或RTD的傳感器測量溫度。測量信號導回至能夠 調控進入熱交換器的能量的控制器或計算機，從而隨時間調整整個系統(tǒng)的溫度。鼓風機是 加熱系統(tǒng)的重要組件，因為鼓風機能夠幫助將熱能傳送至氣體，該氣體自身傳送至產物和 腔室，并且是樣品的受控水分的重要部分。加熱方法可W是電熱或氣體燃燒。護套加熱器可 W用于控制流過與加熱套接觸的腔室的C〇2的溫度，能夠使用任何方便的熱源。外部加熱的 方式可W包括但不限于電加熱、熱水加熱或熱油加熱。對于C〇2固化腔室，迄今為止利用間 接燃氣系統(tǒng)，并且避免直接燃氣燃燒器，因為直接燃氣燃燒器會將空氣及燃燒產物吸入系 統(tǒng)中，從而稀釋C〇2并使C〇2濃度控制出現問題。諸如筒式反應器的一些更小規(guī)模的系統(tǒng)利用 電護套加熱器而非腔室內的加熱元件加熱腔室的整個表面。
[0101] 氣流控制
[0102] 另一控制參數為跨過系統(tǒng)中待固化材料的氣體速度。該氣體速度極為依賴于加工 設備的變量，包括但不限于腔室設計、擋板設計、風扇尺寸、風扇速度/功率、風扇數目、系統(tǒng) 內的溫度梯度、系統(tǒng)內的機架設計和系統(tǒng)內的樣品幾何形狀?？刂魄皇覂鹊臍怏w速度的最 簡單方法是通過調整鼓風機速度(RPM)，該方法通常通過利用變頻驅動來控制鼓風機馬達 速度而進行。鼓風機可W用于在固化腔室中W所需速度循環(huán)氣體。系統(tǒng)中的氣體速度在系 統(tǒng)中經由各種不同技術測量，包括但不限于皮托管測量和激光多普勒檢測系統(tǒng)。氣體速度 的測量信號可W發(fā)送回電腦系統(tǒng)或可編程邏輯控制器，并且可W用作固化曲線中的控制參 數。
[0103] 復合材料的制備方法
[0104] 運里描述復合材料的制備方法。所述方法包括:混合微粒組成物與液體組成物W 形成漿料混合物;通過在模具中誘鑄漿料、在模具中壓制漿料、在振動模具中壓制漿料、擠 出漿料、滑動成型漿料或使用混凝±生產中常見的任意其他成型方法將漿料混合物形成為 所需形狀，并且在約20°C至約150°C范圍內的溫度下、在包含水和C〇2的蒸汽下將所形成的 漿料混合物固化約1小時至約80小時，W生產展現紋理和/或圖案W及設及壓縮強度、曉曲 強度、密度、耐降解性等的期望的物理性質的復合材料，該蒸汽具有約環(huán)境大氣壓力至高于 環(huán)境大氣壓力約50psi范圍內的壓力、并且具有從10%至約90%范圍內的C〇2濃度。
[01化]微粒組成物包括平均粒徑在約Ιμπι至約100μπι范圍內的研磨娃酸巧組成物。除此之 夕h微粒組成物可W包括平均粒徑在約3μπι至約25mm范圍內的研磨碳酸巧或含Si化材料。液 體組成物包括水及水溶性分散劑。
[0106] 方法可進一步包括在固化誘鑄的混合物之前干燥誘鑄的混合物的步驟。微粒組成 物進一步包含如本文中所論述的顏料或著色劑。
[0107] 在某些實施方式中，在約30°C至約120°C范圍內的溫度下、在包含水和C〇2的蒸汽 下對形成的漿料混合物進行固化約1小時至約70小時，該蒸汽具有約環(huán)境大氣壓力至高于 環(huán)境大氣壓力約30psi的范圍內的壓力。
[010引在某些實施方式中，在約60°C至約110°C范圍內的溫度下、在包含水和C02的蒸汽 下對形成的漿料混合物進行固化約1小時至約70小時，該蒸汽具有約環(huán)境大氣壓力至高于 環(huán)境大氣壓力約30psi的范圍內的壓力。
[0109] 在某些實施方式中，在約80°C至約100°C范圍內的溫度下、在包含水和C〇2的蒸汽 下對形成的漿料混合物進行固化約1小時至約60小時，該蒸汽具有約環(huán)境大氣壓力至高于 環(huán)境大氣壓力約30psi的范圍內的壓力。
[0110] 在某些實施方式中，在等于或小于約6(TC的溫度下、在包含水和C〇2并且具有環(huán)境 大氣壓力的蒸汽下對形成的漿料混合物進行固化約1小時至約50小時。
[0111] 例如，在一些實施方式中，研磨娃酸巧組成物的平均粒度為約化m至約10化m(例 女日，約化111、1〇4111、154111、2〇4111、2化111、3化111、4〇4111、5〇4111、6〇4111、7〇4111、8〇4111、9化111、10化111)，容積密 度為約0.5g/mL至約3.5g/mL(疏松，例如0.5g/mL、1. Og/mL、1.5g/mL、2.0g/mL、2.5g/mL、 2.8g/mL、3.0g/mL、3.5g/mL)W及約1.0g/mL至約1.2g/mL(密實），布萊恩(Blaine)表面積為 約 1 SOm^kg 至約 TOOmVkg (例如，1 SOmVkg、2〇Om^kg、25〇mVkg、3〇(WVkg、 35〇mVkg、4〇Om^ kg、450m^kg、500m2/kg、550m^kg、600m2/kg、650m^kg、700m2/kg)。
[0112] 在某些優(yōu)選實施方式中，液體組成物包含水和包含聚合物鹽(例如，丙締酸均聚物 鹽)的水溶性分散劑，該聚合物鹽的濃度為液體組成物的約0.1 %至約2 % w/w。
[0113] 根據本文中公開的方法制備的復合材料能夠展現約3. OMPa至約30.0 MPa(例如，約 3MPa、5M化、10M化、15M化、20M化、25M化、3OMPa)的壓縮強度，W及約0.3M化至約4. OMPa (例 如，約0.31口曰、0.51口曰、1.01口曰、1.51口曰、2.01口曰、2.51口曰、3.01口曰、3.51口曰、4.01口曰）的曉曲強 度。
[0114] 還描述了一種W上由復合材料制成的制品。
[0115] 可W使用任何適合的前體材料，包括例如由CS(娃灰石或假娃灰石，并且有時化學 式為化Si化或CaO · Si化）、C3S2(娃巧石，并且有時化學式為化3Si2化或3Ca0 · 2Si化）、C2S(斜 娃巧石化61；[16)0-〔日25；[04、斜娃巧石（1日1']1；[16)0-〔日25；[04或變娃灰石（13'6(11旨；[16)，口- 化2Si04或丫-化2Si04,并且有時化學式為化2Si04或2化0 · Si化）、W及富娃酸巧無定形相形 成的娃酸巧組成物顆粒。據信，巧陽離子從娃酸巧組成物顆粒溶出并且將娃酸巧組成物顆 粒的周邊部分轉化成巧缺陷狀態(tài)。隨著巧陽離子繼續(xù)從顆粒的周邊部分溶出，周邊部分的 結構最終變得不穩(wěn)定并且碎裂，從而將顆粒的缺巧周邊部分轉化成主要富二氧化娃的第一 層。同時，主要為碳酸巧的第二層從水中沉淀。
[0116] 更具體地，第一層及第二層可由前體顆粒根據下列反應(1-3)形成，其中能夠使用 水作為反應介質而不是反應物(即，不消耗水）：
[0117] CaSi〇3(s)+C〇2(g)一CaC〇3(s)+Si〇2(s) (1)
[011 引 Ca3Si207(s)+3C02(g) 一 3CaC03(s)+2Si02(s) (2)
[0119] Ca2Si〇4(s)+2C〇2(g) 一 2CaC〇3(s)+Si〇2(s) (3)
[0120] 例如，在諸如與娃酸巧組成物的娃酸鹽礦物的碳酸化反應中，引入氣相C〇2,其溶 解于諸如水的浸滲液中。0)2溶解形成酸性碳物種(諸如碳酸，此0)3)，導致溶液中的抑值降 低。弱酸性溶液從娃酸巧相中非全等溶解巧物種。巧可W通過類似的機理從含巧無定形相 中析出。釋放的巧陽離子及解離的碳酸鹽物種引起不溶性碳酸鹽的沉淀。富二氧化娃層被 認為作為巧耗乏層保留于礦物質顆粒上。
[0121] 因此，根據本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，0)2優(yōu)選與娃酸巧組成物前體核屯、的巧陽離子 反應，從而將前體核屯、的周邊部分轉化成富二氧化娃的第一層和富碳酸巧的第二層。另外， 第一層和第二層存在于核屯、上充當娃酸巧與二氧化碳之間的進一步反應的屏障，從而產生 具有核屯、、第一層及第二層的結合單元。
[0122] 在一些實施方式中，具有不同于化或除化之外的金屬的娃酸鹽材料，例如，儀橄攬 石(Mg2Si〇4)、透輝石(CaMgSi2〇6)和滑石(Mg3Si4〇io(OH)2)，能夠W與娃酸巧的反應相似的方 式與溶于水的二氧化碳反應，如上所述。據信，運樣的娃酸鹽材料能夠單獨、組合和/或與娃 酸巧組合用作根據本發(fā)明的原理的結合單元的前體。
[0123] 優(yōu)選地，氣體輔助化PS方法利用部分浸滲的孔空間W實現氣體擴散，從而快速浸 滲多孔預成型巧并且利用溶解的C〇2使孔中的稀液界面溶劑膜飽和。0)2系物種在純水中具 有低溶解度(在25°C、latm下為1.5g/L)。因此，必須向多孔預成型巧連續(xù)供應大量C〇2并且 使C〇2遍布于多孔預成型巧中W實現明顯的碳酸鹽轉化。與可溶性C〇2在液相中擴散相同時 間的擴散長度相比，利用氣相擴散使擴散長度獲得巨大的增加（約100倍）D("Handbook of chemis化y and physics",編者：D.R丄ide,第6章和第8章，第87版2006-2007，CRC.)。該部 分浸滲狀態(tài)能夠使反應在固定的時段內進行至高碳酸化程度。
[0124] 孔中的液態(tài)水使反應速率加快，原因在于液態(tài)水提供了碳酸和巧物種兩者的離子 化介質。然而，水含量必需足夠低，W使C〇2氣體能夠在溶于孔結合水相之前擴散進入多孔 基質中。此外，主動溶解的多孔預成型巧充當擴展反應性晶體生長的模板。因此，結合單元 和基質能夠在最小的變形及殘余應力下形成。除了許多其他應用之外，此方法能夠得到大 型復雜形狀，并獲得諸如基礎結構及建筑材料所需要的形狀。
[0125] 由此，可W制定固化條件的各種組合，包括可變的反應溫度、壓力和反應長度，從 而實現期望的生產方法。在第一示例性實施方式中，在前體材料中存在水(例如，作為先前 的混合步驟的殘留水），并且將液體水與C〇2-起供應至前體材料(例如，保持水含量和/或 控制水的蒸發(fā)損失），在約90°C及約20psig(即，高于環(huán)境壓力20psi)下進行固化過程，時間 在約2至90小時的范圍內。
[0126] 在第二示例性實施方式中，在前體材料中存在水(例如，作為先前的混合步驟的殘 留水），并且將水蒸汽與C〇2-起供應至前體材料(例如，保持水含量和/或控制水的蒸發(fā)損 失），在約90°C及約20psig(即，高于環(huán)境壓力20psi)下進行固化過程，時間在約2至90小時 的范圍內。
[0127] 在第Ξ示例性實施方式中，在前體材料中存在水(例如，作為先前的混合步驟的殘 留水），并且將水蒸汽與C〇2-起供應至前體材料(例如在保持水含量和/或控制水的蒸發(fā)損 失），在約25至90°C及化sig(環(huán)境大氣壓力）下進行固化過程約2至72小時。
[0128] 在上述實施方式中，固化復合材料物體所需的時間由水蒸汽和C〇2氣體擴散通過 物體的能力來判定。一般來說，較厚的物體比較薄的物體需要更長的時間來固化。類似地， 密度高(開放孔空間較少）的物體比密度低(開放孔空間較多）的物體需要更長的時間來固 化。下表提供了固化時間如何隨著所制造的物體的Ξ維最小厚度(或壁厚或截面厚度及 容積密度而變化的實例。
[0129] 表1固化時間和最小厚度的實例
[0130]
[0131 ] 所制造的微觀結構討論
[0132] 如圖ll(a)-ll(c)中示意性說明，結合單元包括核屯、（由黑色內部部分表示）、第一 層（由白色中間部分表示)和第二層或囊封層（由外部部分表示）。第一層可W包括單獨一個 層或多個子層并且可W完全或部分地覆蓋核屯、。第一層可結晶相、無定形相或其混合 相存在，并且可W呈連續(xù)相或離散顆粒形式。第二層可W包括單獨一個層或多個子層并且 還可W完全或部分地覆蓋第一層。第二層可W包括多個顆粒或者可W是最少離散顆粒的連 續(xù)相。
[0133] 取決于預期的應用，結合單元可W展現任意大小及任意規(guī)則或不規(guī)則、固體或中 空形態(tài)。示例性形態(tài)包括:立方體、長方體、棱柱體、圓盤、棱錐體、多面體或多面顆粒、圓柱 體、球體、圓錐體、環(huán)、管、新月體、針、纖維、細絲、薄片、球體、亞球體、珠粒、葡萄狀、顆粒狀、 楠圓形、棒狀、波紋狀等。
[0134] -般而言，如本文更詳細論述的，結合單元由反應性前體材料(例如前體顆粒)經 過轉化過程而產生。前體顆粒可W具有任意大小和形狀，只要所述前體顆粒滿足預期應用 的需要即可。轉化過程一般產生具有與前體顆粒相似的大小和形狀的對應的結合單元。
[0135] 在結合基質內，結合單元可W相對于彼此W諸多取向中的任一取向定位。圖12 (a)-12(f)示意性說明一種示例性結合基質，所述結合基質包括呈不同取向的纖維狀或片 狀結合單元，所述結合單元可W通過并入填充材料來稀釋，如結合單元之間的間距所示。例 如，圖12(a)示出一種結合基質，所述結合基質包括W單向（"l-D")取向排列（例如相對于X 方向排列）的纖維狀結合單元。圖12(b)示出一種結合基質，所述結合基質包括W雙向（"2- D")取向排列（例如相對于X和y方向排列）的片狀結合單元。圖12(c)示出一種結合基質，所 述結合基質包括方向（"3-D")取向排列（例如相對于x、y和Z方向排列）的片狀結合單 元。圖12(d)示出一種結合基質，所述結合基質包括呈隨機取向的片狀結合單元，其中結合 單元不相對于任何特定方向排列。圖12(e)示出一種結合基質，所述結合基質包括濃度相對 較高的、W3-D取向排列的片狀結合單元。圖12(f)示出一種結合基質，所述結合基質包括濃 度相對較低的、W隨機取向定位的片狀結合單元(滲濾網絡）。圖12(f)的復合材料達到滲濾 闊值，原因在于大部分結合單元彼此接觸，從而從材料一端至另一端形成連續(xù)的接觸網絡。 滲濾闊值為臨界濃度，高于臨界濃度則結合單元顯示長程連通性，其中結合單元呈有序取 向，例如圖12(e)，或呈隨機取向，例如圖12(f)。連通模式的實例可見于例如化wnham等，" Connectivity and piezoelectric-pyroelectric composites",Mat.Res.Bull.第13卷， 第525頁至第536頁，1978年。
[0136] 多個結合單元可W由任何適合的前體材料，例如由任何適合的娃酸巧組成物前體 經化學轉化而成。前體娃酸巧組成物還可W包含侶、儀和鐵中的一種W上化學元素。
[0137] 取決于期望的復合材料，多個結合單元可W具有任何適合的平均粒度和粒度分 布。在某些實施方式中，多個結合單元的平均粒度在約him至約100μπι的范圍內（例如，約him 至約80μηι、約1皿至約60皿、約1皿至約50μηι、約1 μηι至約40μηι、約Ιμηι至約30μηι、約Ιμηι至約20μ m、約1皿至約10皿、約5皿至約90皿、約5皿至約80皿、約5皿至約70皿、約5皿至約60皿、約5皿 至約50皿、約5皿至約40皿、約ΙΟμηι至約80皿、約10皿至約70皿、約ΙΟμηι至約60皿、約10皿至 約 50μηι、約 1 Ομηι至約40μηι、約 1 Ομηι至約 30μηι、約 1 Ομηι至約 20μηι)。
[0138] 在一些情形中，復合材料包括：多個結合單元和多個填料顆粒。每個結合單元包 含:主要包含娃酸巧組成物的核屯、，富二氧化娃的第一層或內層，W及富碳酸巧的第二層或 外層。多個結合單元與多個填料顆粒一起形成一個W上結合基質，并且結合單元與填料顆 粒大致均勻地分散于其中并且結合在一起，從而使復合材料展現一種W上的紋理、圖案和 物理性質。在一些情形中，結合單元可W具有娃酸儀的核屯、，富二氧化娃的第一層或內層， W及富碳酸儀的第二層或外層。娃酸儀可W包含侶、巧、鐵或儘氧化物。
[0139] 多個填料顆?？蒞具有任何適合的平均粒度和粒度分布。在某些實施方式中，多 個填料顆粒的平均粒度在約扣m至約7mm的范圍內（例如，約扣m至約5mm、約扣m至約4mm、約5 皿至約3mm、約扣m至約2mm、約扣m至約1mm、約扣m至約500μηι、約扣m至約300μηι、約20皿至約 5mm、約20μηι至約4mm、約20μηι至約3mm、約20皿至約2mm、約20皿至約1mm、約20皿至約500皿、 約 20μηι 至約 300μηι、約 1 ΟΟμηι 至約 5mm、約 1 ΟΟμηι 至約 4mm、約 1 ΟΟμηι 至約 3mm、約 1 ΟΟμηι 至約 2mm、 約100μηι至約 1mm)。
[0140] 在某些優(yōu)選實施例中，填料顆粒由諸如石灰石的富碳酸巧材料制成(例如，研磨石 灰石）。在某些材料中，填料顆粒由一種W上諸如石英、云母、石墨和長石的Si化系或娃酸鹽 系材料制成(例如，研磨石英、研磨云母、研磨石墨、研磨長石）。
[0141] 在某些實施方式中，填料顆粒可W包括天然材料、合成材料和回收材料，諸如玻 璃、回收玻璃、煤渣、富碳酸巧材料和富碳酸儀材料。
[0142] 取決于期望的復合材料，（結合單元:填料顆粒）的重量比可W是任何合適的比率， 例如在約（10至50):約（50至90)的范圍內。
[0143] 在某些實施方式中，運些復合材料可W顯示各種圖案、紋理和其他特性，諸如各種 顏色的視覺圖案。除此之外，本發(fā)明的復合材料展現與傳統(tǒng)混凝±或相應的天然材料相似 的壓縮強度、曉曲強度和吸水性質。
[0144] 在某些實施方式中，復合物還包括顏料。取決于期望的復合材料，顏料可W均勻地 分散或大致不均勻地分散于結合基質中。顏料可W是任何適合的顏料，包括例如各種金屬 的氧化物(例如氧化鐵、氧化鉆、氧化銘）。顏料可W是任何顏色，例如選自黑色、白色、藍色、 灰色、粉紅色、綠色、紅色、黃色及褐色的顏色。取決于期望的復合材料，顏料可任何適 合量存在，例如約0.0重量％至約10重量％范圍內（例如，約0.0%至約8%、約0.0%至約 6%、約0.0 %至約5 %、約0.0 %至約4%、約0.0%至約3%、約0.0 %至約2%、約0.0 %至約 1 %、約0.0%至約0.5%、約0.0%至約0.3%、約0.0%至約2%、約0.0%至約0.1%)的量。
[0145] 實施例
[0146] 實施例1使用解吸等溫法固化空屯、板 [0147] 混合
[0148] 使用Sicoma T08系列行星式混合機(型號MP 250/375WWWSW)，混合混凝±配料設 計的組分。行星速度為18.5RPM。將293.8kg的1/4"集料形式的填料材料和160.3kg的砂干混 合90秒。將化g水、168gGlenium 7500滲和物(BASF)和120g加氣滲和物加入干混合物中，將 組成物另外混合90秒。將80.1kg Solidia水泥（Solidia Technologies) (4%假娃灰石、 19 %娃灰石、13 %斜娃巧石、2 %方解石和62 %無定形氧化物）形式的粘合劑與額外的16kg 水一起加入混合機內的濕材料中。將組成物另外混合90秒。用Sadorius MA100水分分析儀 測量，發(fā)現混合物的最終水分含量為3.68%。將總共Ξ批運樣的配合料轉移至擠出機，用于 空屯、板的擠出。
[0149] 擠出
[01加]將兩根40'長、直徑3/8"的鋼纜（低松馳7絲絞線，Sumiden Wire Products Corp.) 沿著鋼制擠出機床的長度拉緊至伸長3"。放置線纜使得其中一個平行地位于板底和孔道1 和2之間；并且另一個平行地位于板底和孔道5和6之間。
[0151] 通過商用Elematic EL 600/8擠出機，使用55RPM的螺旋速度在鋼制機床上擠出空 屯、板。擠出的板為18英尺長、4英尺寬、8英寸高，并且包含六個(直徑6")空屯、孔道。相鄰的孔 道由1.25"厚的壁所間隔。圖13示出空屯、板的照片。
[0152] 固化
[0153] 圖14是固化裝置的示意圖。在固化期間，通過在鋼制機床的管道中循環(huán)熱水來加 熱機床。通過保持在SrC的燃氣鍋爐來維持熱水的溫度。鋼制機床的頂面溫度為大約49°C。 來自冷卻機器(保持為l〇°C)的冷水循環(huán)通過冷凝器，W移除循環(huán)氣流中的水分。電加熱器 (3.75kW)保持在87°C，從而在干燥的循環(huán)氣流返回固化腔室之前將其加熱。通過可變頻率 驅動控制循環(huán)鼓風機的速度。初始鼓風機速度為30化。干燥的C〇2通過Alicat質量流量控制 器按需供應至固化系統(tǒng)。固化腔室包括鋼制擠出機床和聚乙締板，其用作頂蓋并且將C〇2/ 此0氣流與環(huán)境大氣分離。頂蓋覆蓋空屯、板，并且在板的兩個末端的支撐壁之間被拉伸。頂 蓋用磁性條沿著鋼制擠出機床密封至末端壁，并且由于循環(huán)氣流而膨脹。頂蓋內部和外部 之間的壓差保持為稍微高于大氣壓力(壓差= +0.2英寸水柱）。固化艙室的每個末端壁具有 與板相同的橫截面形狀，除了壁高9.25"而不是8"。每個末端壁作為形成艙室的矩形箱的正 面，具有與6個孔道對置的1個氣體入口，氣體通過該氣體入口進入或離開固化艙室。6個孔 道用穿孔的金屬板覆蓋，使得末端艙室起集氣室的作用，使進入固化艙室的氣流分散且平 緩。兩個端口中屬于壓差變送器的一個從一個末端壁插入固化腔室內。另一個端口保留打 開至環(huán)境大氣。NDIR 0)2測試儀的取樣探針在固化腔室的另一個末端從末端壁插入，W監(jiān) 測整個固化運行期間腔室內的C〇2濃度。兩個維薩拉濕度/溫度探針放置在固化腔室內，分 別位于剛好在末端壁內的每個末端。
[0154]固化艙室用C〇2吹掃10分鐘。在固化進行期間，使氣體循環(huán)每60分鐘反向。鼓風機 速度在固化90分鐘時減少到15化，然后在固化209分鐘時增加到45化并且保持，直到固化運 行至490分鐘結束時為止。
[0巧5]圖15示出在整個固化中，通過維薩拉(化isala)傳感器在末端壁測量的腔室濕度， W及在整個運行期間收集的冷凝水的累積量。
[0156] 使用回彈鍵，在空屯、板上表面的44個位點估算空屯、板的強度?；貜棞y量表明平均 壓縮強度為30MPa。
[0157] 實施例2使用吸附等溫法固化空屯、鑄件 [015引混合
[0159] 配料設計由六種固體組分組成：（1)3/8"集料，29%; (2)1/4"集料，15%; (3)2mm壓 碎石英，12%; (4)建筑用砂，20%; (5)云石白200,11 %;和(6)NYC0 400娃灰石，13%。將運 些組分在Kercherindustries 12"實驗室級混合機中"干"混合2分鐘。將水(570g)和膠添加 劑加入干組分中，并將所得混合物另外混合4分鐘。再次加水(265g)，并將混合物另外混合4 分鐘。最后，再次加水(260g)，并將混合物另外混合2分鐘。
[0160] 誘鑄
[0161] 將濕混合物誘鑄于長邊水平放置的4"X4"X20"的矩形模具中。一根用蠟紙纏繞 的2"直徑X 20"長的PVC管固定在模具的中屯、，從而形成沿著鑄件的長度形成2"直徑的孔 道。將混凝±混合物分6層誘鑄，除最后一層外每層振動30秒，最后一層振動60秒。
[0162] 干燥
[0163] 緩慢干燥空屯、鑄件W防止開裂。使其風干過夜，然后置于烘箱內9(TC干燥51小時， 隨后l〇(TC再干燥20小時。干燥之后，將空屯、鑄件從模具中移出，并且將PVC管從鑄件的孔道 內移除。空屯、鑄件凈重8769克。
[0164] 固化
[0165] 圖16是固化設置的照片。將一個PVC管道接頭插入孔道的每個末端，將管件旋入管 道接頭使得固化氣體能夠穿過鑄件。用1"厚的侶錐背襯的玻璃纖維隔離層包圍空屯、鑄件。 孔道的一個管件(入口管組件）用1/4"不誘鋼管裝接至氣體飽和器(裝有水的加熱容器）?？?道的另一個管件（出口管組件)裝接至導向通風口的1/4"塑料管。每個管件裝配有熱電偶， 從而能夠在固化氣體通過孔道之前和之后測量固化氣體的溫度。用玻璃纖維隔離層隔離每 個管件。
[0166] 飽和器內的水在整個固化運行期間保持為65°C。二氧化碳氣體W6.5升/分鐘從水 中鼓入，從而用水蒸汽飽和氣流。用于固化反應的全部熱量和水由飽和的二氧化碳氣流帶 入空屯、孔道內?？椎廊肟诘臏囟仍谝恍r的時間段內從26°C上升至60°C，并且在固化運行 的剩余時間保持在60°C。而孔道出口的溫度需要另外90分鐘來上升至53°C，并且在固化運 行的剩余時間保持在53°C。固化運行在20小時候結束。
[0167] 移除在固化運行期間包圍空屯、鑄件的隔離層。鑄件(入口端)的前Ξ分之一的外側 潮濕，并且比鑄件的其余部分顏色更深，其余部分顏色較淺并且干燥(圖17)。將鑄件在烘箱 中完全干燥至8939克的恒重，由于碳酸化增重170克。從增重計算的平均碳酸化程度為 40%。
[0168] 因為鑄件的兩端看起來不同，所W將干燥的空屯、鑄件切成兩半W評價固化的均勻 性。由于切割鑄件的切口而損失了一些材料，并且還由于銀片造成的切割外緣碎裂而損失 了一些材料。碎裂圖案在鑄件的兩半上是對稱的并且大致相同，因此兩邊的切割損失大致 相同。切割損失的總重量為137克。
[0169] 內緣(例如，孔道表面)的切割平整，表明鑄件的內側反應得比外側更好，并且反應 程度W圍繞孔道的放射狀變化。干燥鑄件的入口側一半的重量為4429克，而干燥鑄件的出 口側一半的重量為4373克。因此，板切割后的剩余質量在兩半中均勻分布(入口端50.3%; 出口端49.7% )。所W碳酸化程度沿著空屯、鑄件的長度均勻分布。
[0170] 在本說明書和隨附的權利要求書中，單數形式"一 (a)"、"一 (an)"和"所述(the)" 包括復數的指代，除非上下文另有明確指示。
[0171] 除非另有定義，本文中使用的所有技術和科學術語都與本領域普通技術人員普遍 理解的意義相同。盡管也能夠在所公開的實施方式的實踐和測試中使用與本公開的方法和 材料類似或等同的任何方法和材料，現在描述了優(yōu)選的方法和材料。除所公開的特定順序 之外，本文中敘述的方法可W W邏輯上可行的任意順序進行。
[0172] 通過引用并入
[0173] 在本公開中，已經對諸如專利、專利申請、專利公開、期刊、書記、論文、網頁內容的 其他文件進行了參考和引用。所有運些文件通過引用W其整體用于所有目的并入本文。通 過引用并入本文的任何材料或其部分，在其與本文中明確闡明的現有定義、陳述或其他公 開材料相沖突時，僅W并入的材料和本公開的材料之間不出現沖突的程度并入。在沖突的 情形中，W有利于本公開的實施方式作為優(yōu)選公開來解決。
[0174] 等同性
[0175] 本文中公開的代表性實例意在幫助說明本發(fā)明，并且無意于也不應被理解為限制 本發(fā)明的范圍。除本文中描述并示出的實施例之外，從本文件的全部內容及后續(xù)實例，W及 本文中引用參考的科學和專利文獻，本發(fā)明的各種修改W及許多其他實施例對于本領域技 術人員確實將是明顯的。運些后續(xù)實例W其各種實施方式及其等同物，包含了能夠適用于 本發(fā)明的實踐的重要附加信息、范例和指導。
【主權項】
1. 一種具有由復合材料制備的主體的制品，其中， 所述主體包括一個以上內部孔道或通道，該內部孔道或通道露出一個以上表面并且能 夠與所述主體的外部流體連通，并且 所述復合材料包括： 多個結合單元，其中，每個結合單元包含：主要包含硅酸鈣的核心，富二氧化硅的第一 層或內層，以及富碳酸鈣的第二層或外層；以及 填料顆粒，該填料顆粒包含粗填料顆粒和/或細填料顆粒，其中，所述多個結合單元與 多個所述填料顆粒一起形成一個以上結合基質，并且所述結合單元與所述填料顆粒大致均 勻地分散于其中并且結合在一起。2. 根據權利要求1所述的制品，還包括一個以上嵌入所述主體內的強化單元。3. 根據權利要求2所述的制品，其中，所述一個以上的強化單元是棒、絲或線纜。4. 根據權利要求2所述的制品，其中，所述一個以上的強化棒由鐵、鋼、聚合材料、玻璃 或其組合制成。5. 根據權利要求1所述的制品，其中，所述一個以上的強化單元是預應力式的。6. 根據權利要求1所述的制品，其中，所述制品是空心板。7. 根據權利要求6所述的制品，其中，所述制品具有約4m至約250m的縱向尺寸、約0.5m 至約2m的橫向尺寸、以及約10cm至約50cm的厚度。8. 根據權利要求1所述的制品，其中，所述多個結合單元的中值粒徑在約5μηι至約100μπι 的范圍內。9. 根據權利要求1所述的制品，其中，所述多個結合單元由研磨硅酸鈣經化學轉化而 成，所述研磨硅酸鈣包含天然或合成硅灰石、假硅灰石、硅鈣石、鈣鋁黃長石、斜硅鈣石、硅 酸三鈣石和無定形相的一種以上。10. 根據權利要求9所述的制品，其中，所述多個結合單元是由研磨硅酸鈣通過化學轉 化而制備的，所述化學轉化是經由受控熱液液相燒結方法使所述研磨硅酸鈣與C0 2發(fā)生反 應。11. 根據權利要求9所述的制品，其中，所述多個結合單元由除合成硅灰石或假硅灰石 之外的前體硅酸鈣經化學轉化而成。12. 根據權利要求1所述的制品，其中，所述結合單元與所述填料顆粒的重量比為約1: 5〇13. 根據權利要求1所述的制品，具有小于約10%的吸水率。14. 根據權利要求1所述的制品，其中，所述主體為包含四個以上軸向設置的孔道或通 道的細長形狀。15. 一種制品的制造方法，包括： 混合微粒組成物與液體組成物以形成混合物； 在所述混合物中嵌入強化單元； 在模具中澆鑄或擠出或以其他方式成形所述混合物，以產生澆鑄的或擠出的或其他方 式的成形體，該成形體具有嵌入其中的強化單元以及露出一個以上表面并且能夠與主體壁 的內部流體連通的成形體中的一個以上內部孔道或通道； 在所述一個以上內部孔道或通道中保持C02和/或水蒸汽的氣氛;以及 在水和或C〇2的氣氛下、在約20 °C至約150 °C的范圍內的溫度下固化所述澆鑄的或擠出 的主體約1小時至約80小時，所述氣氛具有環(huán)境大氣壓力至高于環(huán)境大氣壓力約60psi的范 圍內的壓力并且具有從約10%至約90%的范圍內的C0 2濃度，其中， 所述微粒組成物包含中值粒徑在約lwn至約100μπι范圍內的研磨娃酸|丐，所述研磨娃酸 鈣包含天然或合成的硅灰石、假硅灰石、硅鈣石、鈣鋁黃長石、斜硅鈣石、硅酸三鈣石和無定 形相中的一種以上，并且 所述液體組成物包含水。16. 根據權利要求15所述的方法，其中在約60°C以下的溫度下、在包含水和C02并且具有 環(huán)境大氣壓力的蒸汽下對所述澆鑄的混合物進行固化約10至約50小時。17. 根據權利要求16所述的方法，其中，所述研磨硅酸鈣主要是研磨硅灰石。18. -種根據權利要求15至27的任一項所述的方法制備的制品。19. 根據權利要求18所述的制品，其中，所述制品是空心板。20. 根據權利要求18所述的制品，其中，所述一個以上的強化單元是棒、絲或線纜。21. 根據權利要求18所述的制品，其中，所述一個以上的棒由鐵、鋼、聚合材料、玻璃或 其組合制成。
【文檔編號】C04B40/02GK106029602SQ201480066720
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2014年10月3日
【發(fā)明人】拉里·E·麥坎德利什, 奧蘭多·娜琳, 丹尼爾·卡斯特羅, 瓦西特·阿塔坎, 德溫·帕滕, 約翰·P·庫普勒
【申請人】索里迪亞科技公司