含有納米尺寸的勃姆石微晶的水泥組合物的製作方法

2023-04-23 21:30:01 1

含有納米尺寸的勃姆石微晶的水泥組合物的製作方法
【專利摘要】一種組合物，所述組合物包含水泥和勃姆石氧化鋁的納米尺寸的晶體粒子或已經通過氧化矽、氧化鈣或氧化鎂夾雜改性的勃姆石氧化鋁的納米尺寸的晶體粒子。該勃姆石氧化鋁具有約2nm至約80nm的平均微晶尺寸和基於全部鋁的少於約25摩爾%的非晶體氧化鋁含量。
【專利說明】含有納米尺寸的勃姆石微晶的水泥組合物
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求2013年2月14日提交的U.S.61/764，740的優先權，該優先權申請的公開內容通過引用用於全部目的結合在此。
【技術領域】
[0003]本發明涉及一種混凝土 /水泥組合物並且，更具體地，涉及展現提高的壓縮強度和減少的化學收縮的這種組合物。
【背景技術】
[0004]混凝土是一種最廣泛地使用的建築材料。它被使用在道路、建築物和多種其他結構體的建造中。
[0005]致力於製造更強的混凝土，正在進行中的研究關注於增加混凝土 /水泥的機械性質。在這方面，已知的是納米二氧化矽粒子至水泥的加入增加密度、減少孔隙度、改善水泥基體與骨料(aggregate)之間的結合,這全部產生顯示更高的壓縮和撓曲強度的混凝土。
[0006]早期開裂可以是混 凝土中的重要問題。混凝土中的體積改變當它們受束時導致拉伸應力出現。因此，當拉伸應力超過通常僅是壓縮強度的百分之十的抗拉強度時，可以發生開裂。在早期階段，當由體積改變產生應力時，強度仍然在發展中。控制影響體積改變的變量可以最小化聞應力和開裂。
[0007]混凝土的體積在剛好將其澆鑄後開始改變。二十四小時內的早期體積改變可以影響硬化的混凝土中的拉伸應力和開裂形成。化學收縮的出現歸因於水合漿料中固體和液體的絕對體積上減少。當水泥水合時繼續出現化學收縮。在初凝之後，糊料抑制變形，導致微結構中空隙的形成。
[0008]自發收縮是由化學收縮導致的水泥糊料、灰漿或混凝土的尺寸改變。當內部相對溼度降低至低於給定閾值時，糊料的自脫水發生，導致體積的均勻減少。

【發明內容】

[0009]—方面,本發明提供一種組合物,所述組合物包含:水泥；和勃姆石(boehmite)氧化招的納米尺寸的晶體粒子或已經通過氧化娃、氧化鈣或氧化鎂夾雜改性(modified bythe inclusion)的勃姆石氧化招的納米尺寸的晶體粒子。
[0010]另一方面，本發明提供一種水泥和納米尺寸的晶體勃姆石粒子的組合物，所述組合物顯示提高的壓縮強度。
[0011]在其他的方面，本發明提供一種水泥和勃姆石的納米尺寸的晶體粒子的組合物，其展現減少的化學收縮。
[0012]本發明的這些和其他特徵和益處將從以下詳述變得明顯，其中對附圖中的圖進行參考。【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是顯示含有不同量的納米尺寸的晶體勃姆石氧化鋁的水泥對壓縮強度的影響的圖。
[0014]圖2是與圖1類似的圖，描繪了不同納米尺寸的氧化鋁的使用。
[0015]圖3是顯示對於兩種不同的氧化鋁在兩個不同的濃度下的化學收縮作為固化(curing)小時數的函數的圖。
【具體實施方式】
[0016]在本發明的水泥組合物中使用的納米氧化鋁是勃姆石晶體形式並且通常將具有小於 350nm,例如約 20nm 至約 350nm 的團聚體粒徑(agglomerated particle size),約2m2/g至約300m2/g,尤其是約35m2/g至約275m2/g的煅燒表面積,大於約99重量％的純度,約2nm至約80nm,優選約3nm至約60nm的020面平均微晶尺寸。納米氧化招具有全部招的少於約25摩爾％的非晶體氧化鋁的含量。備選地，非晶體氧化鋁的含量可以是少於全部鋁的約10摩爾％，少於全部鋁的約5摩爾％，或少於全部鋁的約2摩爾％。應當明白的是，關於粒徑，這是如在水性分散液中測量的團聚體粒徑。
[0017]具有上面描述的特定粒徑和表面積的高度晶體勃姆石的組合使得可以將更小量的納米尺寸的氧化鋁應用至水泥組合物，產生比現有技術中通常已知的在壓縮強度上相似的/更大的改善和/或化學收縮速率的所需改變。實際上，現有技術沒有認識到或教導如本文關於本發明描述的特定類型的氧化鋁、表面積和結晶度的組合將提供在壓縮強度和/或收縮速率的控制上的 任何改善。
[0018]上面提到的本發明的材料的團聚體尺寸通過對準酸性水中材料的稀釋分散液的光的散射測量(光散射法)。能夠在1-1OOOnm的範圍內測量的動態光散射法，有時稱為光子關聯能譜法或準彈性光散射，最適合於該測量。如公知的，這些動態光散射法通常用於測定懸浮液中小粒子的尺寸分布曲線，溶液中的聚合物等。雖然可以使用通過其他方法的測量並導致以上範圍之外的團聚體尺寸，但是應當明白的是只要當通過光散射法測量時團聚體尺寸落在以上範圍內，材料就在本發明的範圍內。
[0019]表面積通過BET方法，使用氮解吸、根據本領域技術人員公知的方法測定。
[0020]純度通過本領域技術人員公知的多種方式測量。電感耦合等離子體或原子吸收是兩種通常使用的方法。
[0021]平均微晶尺寸是通過如通過本領域技術人員公知的Scherrer公式計算的X射線衍射線展寬測量的。雖然勃姆石氧化鋁展現數個衍射峰，但是對應於020面的峰用於分析是特別方便的，因為它沒有來自其他衍射面的幹擾。
[0022]非晶體氧化鋁的含量是通過27Al NMR對分散相中的樣品測量的。歸因於晶體組分的非常長的弛豫時間，在溶液相分析中僅檢測到材料的可溶的和非晶體的部分(fraction) 0這些非晶體組分由八面體[Al (H2O)3]3+離子或者形式為{[Al (OH)2.5]°.5+}n的低聚物質組成。這些物質的化學位移是公知的並且這種非晶體物質的含量可以通過對比內標的信號強度的數字積分確定。
[0023]由烷氧化物(alkoxide)前體獲得的晶體勃姆石氧化鋁可以通過加入少量的酸，通常是單價酸，容易地製備為水中的穩定的、不沉澱的分散液。為了增加勃姆石的平均微晶尺寸的目的，可以將這些晶體勃姆石任選地進行水熱處理，從而使得該材料適合於以更高濃度分散。雖然在本發明中採用的晶體勃姆石氧化鋁和假勃姆石(pseudoboehmite)氧化鋁可以由烷氧基鋁的水解製備，但是應當明白的是本發明不限於此。本發明可以使用通過其他方法如勃姆石和三水鋁石的混合物，勃姆石和三羥鋁石的混合物，或它們的組合的水熱轉化製備的勃姆石氧化鋁，條件是勃姆石氧化鋁具有如上關於結晶度給出的參數。
[0024]在本發明中也可以採用通過加入至多可達10%的其他金屬氧化物而改性的晶體勃姆石氧化鋁。含有氧化鈣、氧化鎂或二氧化矽(其加入的方式和量不幹擾在水中形成穩定的分散液的能力)的勃姆石適合用於本發明，條件是勃姆石氧化鋁具有如上關於結晶度(crystallinity)給出的參數。
[0025]通常，本發明的組合物中水與水泥的比例可以在約0.28至約0.56的範圍內，約
0.35至約0.45的比例是優選的。
[0026]本發明的組合物將以有效量含有納米氧化鋁，即，這樣的量:增加壓縮強度，減少化學收縮的速率以及最終量，或者兩者。尤其是，優選的量為約0.001%至約1.5%，優選約
0.001%至約I重量％，更優選約0.05%至約0.75重量％，以上是基於水泥的重量並且排除任何附加組分，例如，
[0027]骨料。
[0028]將明白的是，雖然關於水泥描述本發明，但是如本文所使用的術語包括含有骨料和通常加入至水泥以形成混凝土的其他添加劑的混凝土。在這方面，如本領域技術人員公知的，水泥通常由石灰石、鈣、矽、鐵和鋁化合物等製成，而混凝土是使用水泥將骨料如碎石、巖石、砂等粘合在一起並且可以含有其他組分以賦予水泥特定所需性質的砌築材料。
[0029]為說明本發明，給出以下非限定性實施例:
[0030]實施例
[0031]所採用的水泥是I/II型OPC水泥-SOOlbs cy。在所有情況下，水與水泥的比例為按重量計0.40。採用兩種不同的晶體勃姆石氧化鋁。製備並測試不同量的水泥和相應的勃姆石氧化鋁的製備物。所採用的氧化鋁是通過烷氧基鋁的水解製備的。標記為氧化鋁A的一種氧化鋁具有>200nm的團聚體粒徑，>60的煅燒比表面積(m2/g)，以及>99.80%的純度。標記為氧化鋁B的另一種氧化鋁具有>100nm的團聚體粒徑，250的煅燒比表面積(m2/g)和>99.80%的純度。優選地，本文使用的氧化鋁包含水熱老化的材料。
[0032]對這些製備物極性多種測試以測定對壓縮強度和化學收縮的效果。
[0033]首先參考圖1，給出了不同量氧化鋁A的加入對水泥的壓縮強度的影響。如可以從圖1看出的，與不含有氧化鋁的對照比較，僅少量的氧化鋁A的加入如與對照比較顯示壓縮強度上的顯著增加。實際上，並且如可以從圖1看出的，當以約0.75重量％以下的量存在氧化鋁時，獲得壓縮強度上的最優增加。在這方面，注意到當氧化鋁含量在約0.05%至約
0.75重量％的範圍內優選的量時，獲得壓縮強度上的最大增加。注意到，例如當氧化鋁增加至4%時，獲得壓縮強度上可忽略的增加。本發明使用這樣少量的氧化鋁的壓縮強度上的顯著增加完全是出乎意料的結果。
[0034]現在參考圖2，顯示了不同量的氧化鋁B對水泥的壓縮強度的影響。如可以在圖2中看出的，並且出乎意料地，水泥中約0.05重量％的氧化鋁的量產生壓縮強度上的最大增加。因此，在氧化鋁B的情況下，在氧化鋁中存在的優選的量將為約0.05%至約0.75重量％，優選約0.05重量％。
[0035]圖3是描繪對於最優量的氧化鋁A氧化鋁和氧化鋁B氧化鋁與對照(即，不具有氧化鋁的水泥)對比的化學收縮作為固化小時數的函數的圖。如可以看出的，使用兩種所測試的氧化鋁，在化學收縮的速率以及總收縮上存在實質性減少，如與不含有氧化鋁的對照樣品比較的。較少化學收縮的益處在上面已經討論並且是本領域技術人員所公認的。
[0036]如從以上數據可以看出，具有指定表面積的特定納米尺寸的晶體勃姆石氧化鋁粒子，通常，增加水泥的壓縮強度並降低化學收縮速率和總收縮，使得它們成為提高水泥機械性質的成本有效的添加劑。尤其是，因為結晶度、表面積和粒徑的獨特組合，本發明的氧化鋁可以以小量在水泥組合物中使用，以獲得壓縮強度上的顯著增加以及化學收縮和收縮速率上的減少。
[0037]雖然本文以一些 細節描述了本發明的具體實施方案，但是這僅用於說明本發明的不同方面的目的而完成，並且不意圖限制如後面的權利要求限定的本發明的範圍。本領域技術人員將明白的是，所給出和描述的實施方案是示例性的，並且可以在本發明的實施中做出多種其他的替換、變更和修改，包括但是不限於本文具體討論的那些設計變更，而不脫離其範圍。
【權利要求】
1.一種物質的組合物，所述組合物包含: 水泥；和 有效量的具有約2nm至約SOnm的[020]面上的平均微晶尺寸的勃姆石氧化鋁。
2.權利要求1所述的組合物，其中所述勃姆石氧化鋁具有基於全部鋁的少於約25摩爾％的非晶體氧化鋁含量。
3.權利要求1所述的組合物，所述組合物還包含: 金屬氧化物，所述金屬氧化物選自由以下各項組成的組:氧化矽、氧化鈣、氧化鎂，或它們的混合物。
4.權利要求1所述的組合物，其中所述勃姆石氧化鋁具有如在水中測量的小於350nm的團聚體粒徑。
5.權利要求1所述的組合物，其中所述勃姆石氧化鋁具有約2m2/g至約300m2/g的煅燒表面積和大於約99重量％的純度。
6.權利要求5所述的組合物，其中所述勃姆石氧化鋁具有約35m2/g至約275m2/g的煅燒表面積。
7.權利要求1所述的組合物，其中所述勃姆石氧化鋁在[020]面上具有約3nm至約60nm的平均微晶尺寸。
8.權利要求1所述的組合物，其中所述勃姆石氧化鋁從烷氧化物前體獲得。
9.權利要求1所述的組合物，其中所述勃姆石氧化鋁進行水熱老化。
10.權利要求1所述的組合物，其中所述勃姆石氧化鋁可分散在水中。
11.權利要求2所述的組合物，其中所述金屬氧化物構成全部勃姆石氧化鋁/金屬氧化物混合物的至多達10重量％。
12.權利要求1所述的組合物，其中所述勃姆石氧化鋁以基於所述水泥的總重量的約0.001重量％至約I重量％的量存在。
13.權利要求1所述的組合物，其中所述勃姆石氧化鋁以基於所述水泥的總重量的約0.05重量％至約0.75重量％的量存在。
14.一種混凝土，所述混凝土包含與骨料混合的權利要求1所述的組合物。
15.權利要求14所述的混凝土，其中所述混凝土具有約0.28至約0.56的水與水泥的比例。
【文檔編號】C04B28/00GK103992063SQ201410051524
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年2月14日 優先權日:2013年2月14日
【發明者】史蒂文·巴克斯特, 傑夫·芬頓, 賴納·格勒克勒 申請人:寶索北美公司