具有高壓縮強度並且快速固化的基於飛灰的輕質水泥組合物的製作方法

2023-09-09 21:20:45 2

專利名稱：具有高壓縮強度並且快速固化的基於飛灰的輕質水泥組合物的製作方法
技術領域：
本發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用中，在這些應用中快速硬化以及達到早期強度是所希望的。具體地說，本發明涉及可以用來製造在建築物中的溼和幹的位置使用的具有優異耐溼性的水泥組合物。預製的混凝土產品例如水泥板是在以下條件下製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固定或移動的形模中或一個連續移動的帶上之後可以對這些板立即進行處理。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、優選10至13分鐘、更優選4至6分鐘之後就立即實現。
背景技術：
授予Perez-Pena等人的美國專利6，869，474(將其通過引用結合在此)討論了用於生產基於水泥的產品(例如水泥板)的水泥組合物的極其快速的固化，這是通過將一種烷醇胺加入水硬水泥例如波特蘭水泥中、並且在提供至少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現的。可以包括另外的反應性材料，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水泥產品。已經發現，加入的三乙醇胺是一種非常有力的促進劑，該促進劑能夠生產具有相對較短的最終固化時間、 具有增加的水平的飛灰和石膏、並且無需鋁酸鈣水泥的配製品。然而，與含有鋁酸鈣水泥的水泥板配製品相比具有三乙醇胺的配製品還具有相對較低的早期壓縮強度。Perez-Pena等人於2007年6月6日提交的美國專利申請號11/758，947 (將其通過引用結合在此)討論了用於生產基於水泥的產品(例如水泥板)的、具有早期壓縮強度的水泥組合物的極其快速固化，這是通過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，並且在提供至少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現的。可以包括另外的反應性材料，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顯著量的水硬水泥以及石膏。授予Galer等人的美國專利4，488，909 (將其通過引用結合在此)討論了能夠迅速固化的水泥組合物。這種組合物通過在該組合物與水混合之後約20分鐘內形成基本上所有的潛在的鈣鋁礬而允許高速生產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早期的水泥混合物的固化負責的鋁酸鈣水合物相結合。Galer等人在他們的發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，以形成鈣鋁礬並且實現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，具有化學式Ca6Al2(SO4)3 · 32H20或替代地 3Ca0 · Al2O3 · 3CaS04 · 32 H2O0鈣鋁礬作為長的針狀晶體形成並且為水泥板提供了迅速的早期強度，這樣在將它們傾倒入一種模具中或一個連續澆注並且成形的帶上之後可以對其進行迅速處理。總體上，Galer等人的迅速固化的配製品受制於幾點局限性。如以下重點說明的， 這些局限性對於水泥產品(例如水泥板)的生產構成了更嚴重的顧慮。授予Brook等人的美國專利號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(表達為游離酸)的一種羧酸(例如檸檬酸)或它們的鹼金屬鹽，例如檸檬酸三鉀或檸檬酸三鈉，連同其他的常規添加劑，包括阻滯劑添加劑例如硼酸或硼砂，它們被用來加速該組合物的反應以及固化時間以便克服所披露的在水泥組合物中使用一個高的飛灰含量的缺點。授予Brook等人的美國專利號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鹼金屬鹽，例如檸檬酸鉀或檸檬酸鈉，帶有其他的常規添加劑，包括阻滯劑添加劑例如硼酸或硼砂，它們被用來加速該組合物的反應以及固化時間以便克服已知的在水泥組合物中使用一個高的飛灰含量的缺點。授予Harris等人的美國專利號4，494，990披露了波特蘭水泥(例如25_60pbw)、 飛灰(例如3-50pbw)以及小於IpW的檸檬酸鈉的一種水泥混合物。授予Boggs等人的美國專利號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(優選檸檬酸)和一種鹼(該鹼可以是一種鹼或鹼土金屬強氧化物或該酸組分的鹽)的活化劑漿料的PH控制的一個固化時間。授予Kirkpatrick等人的美國5，490，889披露了一種共混的水硬水泥，其構成為 水、飛灰(50. 33-83. 63pbw)、波特蘭水泥、研磨矽石、硼酸、硼砂、檸檬酸(0. 04-2. 85pbw)以及一種鹼金屬活化劑，例如氫氧化鋰(LiOH)或氫氧化鉀。授予Myron的美國專利號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。實現所希望的21 %的最低石灰含量是通過次煙飛灰或次煙飛灰與一種選礦試劑來提供。除了檸檬酸，Styron使用了一種鹼來源，例如氫氧化鉀或氫氧化鈉。現有技術的水泥混合物的最終凝固時間典型地是大於9分鐘並且對於標準的混凝土產品可以延長到2-3小時。最終固化時間通常被定義為其中水泥混合物固化到由其製造的混凝土產品可以被處理並且堆疊的程度的時間，儘管化學反應可以持續延長的時段。在現有技術的混凝土產品中，這種反應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，該高鋁水泥是大於該活性粉末共混物的Hwt%。發明概述本發明的一個目的是提供一種用於製造快速凝固的水泥漿料的方法。本發明的另一個目的是提供具有改進的早期並且最終壓縮強度的輕質水泥組合物。這些水泥組合物包含檸檬酸鉀、檸檬酸鈉或它們的混合物。本發明包括一種提供具有迅速固化、改進的壓縮強度以及耐水性的輕質水泥混合物的方法，包括在環境溫度或高於環境溫度下，使水、反應性粉末、一種凝固促進量的檸檬酸鹼金屬鹽、以及一種輕質骨料進行混合，其中水與反應性粉末固體之比是約0. 17 至0.35 1. 0並且更優選約0. 20至0. 23 1. 0，該反應性粉末混合物包含75wt. %至 IOOwt. %的飛灰以及0至25wt. %的水硬水泥和石膏。優選地，該反應性粉末沒有水硬水泥並且沒有石膏(水合硫酸鈣)。這種水泥活性粉末包括至少飛灰並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性粉末共混物的高達25wt%可以是具有實質上極小或沒有粘結特性的非飛灰的礦物添加劑。這種水泥反應性粉末總體上包含約IOwt. %至40wt. %的石灰並且更典型地是 20wt. %至30wt. %的石灰。然而，如果這種反應性粉末的成分已經含有了足夠的石灰，則並不要求加入石灰來獲得迅速凝固。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。如根據吉爾摩針(Gilmore needle)測量的該水泥組合物的最終凝固時間(即，在其之後可以對水泥板進行處理的時間)應該是在將其與適量的水混合之後最多20分鐘、優選10至13分鐘或更少、更優選約4至6分鐘。更短的凝固時間以及更高的早期壓縮強度幫助增加了生產產量並且降低了產品的製造成本。本發明的非常快速凝固的水泥組合物可以用於其中希望迅速硬化以及達到早期強度的多種應用中。當該漿料是在升高的溫度下形成時，使用檸檬酸鹼金屬鹽，例如檸檬酸鉀和/或檸檬酸鈉來促進該水泥組合物的凝固使之有可能提高水泥產品例如水泥板的生
產速度。在漿料中的檸檬酸鹼金屬鹽的用量基於本發明的水泥反應性組分優選是在約 1. 5wt. %至6 1 %的範圍內，優選約1. 5wt. %至4. Owt. %，更優選約2wt. %至3. 5wt. %並且最優選約3.5wt. %。檸檬酸鉀或檸檬酸鈉是優選的。如以上提及的，這些重量百分比是基於100重量份的這種反應性組分(水泥反應性粉末)。因此，例如對於100磅的水泥反應性粉末，存在約1. 5至4. 0總磅數的鉀和/或鈉的檸檬酸鹽。本發明的一種典型的水泥反應性粉末包括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性粉末基於該反應性粉末的重量包括75wt%至100wt% 的飛灰，零至20wt%的鋁酸鈣水泥，零至7wt%的硫酸鈣，沒有石膏並且除鋁酸鈣水泥之外沒有水硬水泥。在該檸檬酸鹼金屬鹽和飛灰之間存在著一種的協同作用。與使用促進劑(像鋁酸鈣水泥、三乙醇胺或腐蝕性鹼金屬氫氧化物)的可比的組合物相比，對於含有高量值的飛灰的組合物，加入鹼金屬鹽具有以下益處實現了增加的早期和長期壓縮強度。此外，與可能導致混凝土混合物過早僵化的其他促進劑(例如硫酸鋁)相比，加入檸檬酸鹼金屬鹽改進了混合流動性。
5
還可以存在其他的添加劑，例如惰性骨料，它們被認為不是水泥反應性粉末，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、輕質填充劑、減水劑，例如超增塑劑、凝固促進劑、凝固阻滯劑、加氣劑、發泡劑、收縮控制劑、漿料粘度改性劑 (增稠劑)、著色劑以及內部固化劑，取決於本發明的水泥組合物的加工能力以及應用，可以如所希望的包括在內。本發明的這種輕質水泥組合物可以用來製造預製的混凝土建築產品，例如在建築物的溼和幹的位置使用的具有優異的耐潮溼性的水泥板。這種預製的混凝土產品例如水泥板是在以下條件下製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固定或移動的形模中或一個連續移動的帶上之後被迅速處理。這種輕質水泥組合物可以用在任何混凝土產品應用中，包括混凝土面板、地板、罩面、飾面、樁帽，連同用於混凝土路的修補混合物。使用本發明的輕質組合物製成的混凝土產品對於和含有石膏的組合物相比要求耐水性的用途以及對於比起具有更高碳足跡的含水泥組合物要求更高的壓縮強度的應用而言具有特別的優點。除非另外說明，否則在此所有的百分比、比率以及比例均為按重量計。附圖簡要說明

圖1是實例1的結果的一個曲線圖，示出了對具有硼砂、硼酸以及檸檬酸的混合物而言增加檸檬酸鈉對溫度升高速度的影響。圖2是實例1的結果的一個曲線圖，示出了對具有硼酸以及檸檬酸的混合物而言增加檸檬酸鈉對溫度升高的影響。圖3是實例2的結果的一個曲線圖，示出了對具有檸檬酸以及檸檬酸鈉的混合物而言增加氫氧化鉀對溫度升高的影響。圖4是實例4的結果的一個曲線圖，示出了對具有檸檬酸鉀而沒有氫氧化鉀的混合物而言的溫度升高。圖5是實例5的結果的一個曲線圖，示出了對於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是實例8的結果的一個曲線圖，示出了對於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是實例9的結果的一個曲線圖，示出了在這個實例中用不同比例的水與飛灰而不使用波特蘭水泥對於混合物1-4的溫度升高的影響。圖8是實例9的結果的一個曲線圖，示出了對於混合物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合重量的重量比是0.20 1。圖9是實例10的混合物的結果的一個曲線圖，這些混合物具有不同用量的檸檬酸鉀(僅使用飛灰而沒有波特蘭水泥)，並且示出了加入檸檬酸鉀顯著地增加了基於飛灰的混合物的溫度升高速度。發明詳細說明本發明包括一種提供具有改進的壓縮強度以及耐水性的輕質水泥混合物的方法， 包括將水、活性粉末、一種檸檬酸鹼金屬鹽以及輕質骨料進行混合，其中水與反應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，更優選是約0. 2至 0. 23 1. 0。該反應性粉末包括75wt. %至IOOwt. %的飛灰以及0至25wt. %的水硬水泥和/或石膏。典型地，本發明使包含飛灰的水泥反應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行混合以產生一個優選小於 10至13分鐘、更優選約4至6分鐘或更短的迅速凝固。本發明還提供了具有增強的迅速最終凝固性能以及增強的早期壓縮強度的水泥組合物。典型的成分在以下表A中列出。
權利要求
1.一種提供具有改進的壓縮強度以及耐水性的輕質水泥混合物的方法，包括 將以下物質進行混合水，反應性粉末，一種檸檬酸的鹼金屬鹽，以及輕質骨料其中水與反應性粉末的重量比是約0. 17至0.35 1.0，該反應性粉末包括75wt. %至 IOOwt. %的飛灰以及0至25wt. %的水硬水泥以及石膏。
2.如權利要求1所述的方法，其中該反應性粉末基於該反應性粉末的重量包括88.5% 至100%的飛灰、沒有水硬水泥並且沒有石膏。
3.如權利要求1所述的方法，其中該混合物的初始溫度是約至41°C。
4.如權利要求1所述的方法，其中該反應性粉末包括IOwt.%至40wt. %的石灰。
5.如權利要求1所述的方法，其中該檸檬酸鹼金屬鹽的量值基於該水泥反應性粉末的重量是約1. 5wt. %至6wt. %。
6.如權利要求1所述的方法，其中該水泥反應性粉末進一步包括矽灰。
7.如權利要求1所述的方法，其中該水泥反應性粉末以及水存在的重量比是約-0.20-0. 23 1重量份的水比反應性粉末。
8.一種用於製備輕質水泥板的組合物，包括以下物質的一種混合物 水泥活性粉末；一種檸檬酸的鹼金屬鹽作為該反應性粉末的一種促進劑； 輕質骨料，以及水，其中在該混合物中水與水泥反應性粉末固體之比是約0. 17至0. 35 1， 該反應性粉末包括75wt. %至IOOwt. %的飛灰以及0至25wt. %的水硬水泥以及石膏。
9.如權利要求8所述的組合物，其中該混合物包括基於該水泥粉末的重量約1.5wt.% 至6. Owt. %的至少一種檸檬酸的鹼金屬鹽，該檸檬酸的鹼金屬鹽是選自下組，其組成為 檸檬酸鈉、檸檬酸鉀以及它們的混合物。
10.如權利要求8所述的組合物，其中該混合物包括基於該水泥粉末的重量約
全文摘要
在此披露了用於製造一種具有改進的壓縮強度的迅速固化的輕質水泥組合物從而用於多種產品(例如板)的方法。該方法將飛灰、檸檬酸的鹼金屬鹽以及輕質骨料與水進行混合。在此還披露了包括飛灰、檸檬酸的鹼金屬鹽以及輕質骨料的組合物。
文檔編號C04B28/16GK102159516SQ200980136750
公開日2011年8月17日 申請日期2009年9月10日 優先權日2008年9月25日
發明者M·佩瑞茲-佩納 申請人:美國石膏公司