[发明专利]水泥以及制备水泥的方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2007年2月26日提交的美国临时申请系列号60,891,663的优先权以及其它利益，该美国临时申请的公开内容全部引入本文作为参考。

背景技术

普通硅酸盐水泥是混凝土和砂浆的主要粘结剂成分之一，它是由钙、硅、铝和铁的氧化物与少量的其它材料制成的化合物的受控化学结合体。这些化合物通常使用天然形成的材料来形成。普通硅酸盐水泥可能具有四种基本相：硅酸三钙(“C₃S”)(Ca₃SiO₅)；硅酸二钙(“C₂S”)(Ca₂SiO₄)；铝酸三钙(“C₃A”)(Ca₃Al₂O₆)；以及铁铝酸四钙(“C₄AF”)(Ca₄Al₂Fe₂O₁₀)。其它的水泥质材料也可以用作混凝土和砂浆的主要粘结剂成分之一。

用于生产水泥的原料可以是石灰石、粘土、页岩、砂子或铁矿。目前的制造方法可以包括将原料按照精确的化学组成配比以及将它们研磨至精细的一致。然后将被研磨的材料送进回转窑，并且在1500～1600℃范围内加热，所述回转窑是一种连续转动的大型圆柱状窑炉。煅烧该原料，使其部分熔化，并且进行反应以生成如上所示的四种复合化合物。这些化合物以被称作的“熟料”的、硬化的、烧结的集合体形式排出窑炉。冷却该熟料，与约5％的石膏混合，并且研磨成其最终的粉末形式。石膏(硫酸钙，CaSO₄·2H₂O)是必需的添加剂，其帮助调节混凝土的凝结时间，从这方面说，石膏成为水泥的第五主要成分。如果没有引入石膏，铝酸钙相C₃A的水化速率太快，将不允许在凝结之前有足够的时间“加工”或“放置”混凝土混合物。示例性制备工艺如图1所示。

水泥的化学组成是将一种类型水泥区别于另一种类型水泥的要素。典型的ASTM I型硅酸盐水泥包括大约如下重量百分比的：50％C₃S、25％C₂S、10％C₃A、10％C₄AF和5％石膏。然而，工业上通常由原料中的氧化物的量来鉴别水泥，例如石灰(CaO)和二氧化硅(SiO₂)。石灰和二氧化硅占最终产品的约85质量％。当四个基本的水泥相以主要的氧化物来列出时，则普通硅酸盐水泥大约包括如下重量百分比的：64％CaO、22％SiO₂、6％Al₂O₃和3％Fe₂O₃。

混凝土是通过将水泥与细骨料(砂子)、粗骨料(碎石)、水以及尽可能少量的可改变其性能的添加剂混合来制成。例如，混凝土混合物可以包含以重量计：约12％的硅酸盐水泥、约34％的砂子、约48％的碎石和约6％的水。通过使用由ASTM所指定的可替换水泥组成，可以改变混凝土的凝结和强度发展速度。主要5类ASTM硅酸盐水泥的组成如表1所示。除了每类硅酸盐水泥所示的组成外，该混合物还包含另外的5-7％的磨碎石膏。

另一方面，砂浆是用于填充缝隙和粘接建筑用的“块料”的粘结剂材料。这些块料可以是石头、砖块、炉渣砖、制造的混凝土异型块体等。砂浆中的主要成分是混凝土中所使用的相同硅酸盐水泥。砂浆基本上是砂子、硅酸盐水泥(有时有和/或没有石灰)和水的混合物。它作为浆料来应用，然后以与混凝土类似的方式固化。砂浆是名符其实的将墙系统固定在一起的粘合剂。它也可以当原始砂浆被冲洗掉时，用来固定砌砖。即使砂浆占砌墙总量的7％，它在结构体的性能中起到关键作用。它不仅将各个单元粘接在一起，而且还密封建筑物以防止水分和空气渗透。虽然抗压强度和耐久性是混凝土的关键性能，但粘结强度和耐久性是砂浆的关键性能。

当水被添加到水泥中时，每种所述化合物都经历水化反应以形成强的固体物，该水化反应形成围绕且固定其它骨料材料或将其它骨料材料粘接在一起的胶接性凝胶剂。每个主要相都有助于最终胶接性产品的整体物理和化学性能。