[发明专利]在共混水泥中拮抗的水合反应的抑制

说明书

发明领域

本发明涉及粉煤灰共混的水凝水泥和自波特兰水泥与粉煤灰的共混物制备的混凝土或砂浆，并且更具体地讲涉及用于在波特兰水泥水合反应与粉煤灰水合反应之间抑制拮抗作用或干扰的新方法以及通过这样方法制备的组合物。

发明背景

波特兰水泥可通过烧结包含碳酸钙(如石灰石)、硅酸铝(如粘土或页岩)、二氧化硅(如沙)和混杂氧化铁的成分的混合物制备。在烧结工艺期间发生化学反应，其中形成变硬的岩球，通常称为熟料。波特兰水泥熟料通过氧化钙与酸性成分反应形成，首先得到硅酸三钙(被水泥化学家命名为“C₃S”)、硅酸二钙(“C₂S”)、铝酸三钙(“C₃A”)和其中存在铝铁酸四钙(tetracalcium aluminoferrite)(“C₄AF”)的铁酸盐固溶相。波特兰水泥与水的水合作用为在其主要成分(C₃S、C₂S、C₃A和C₄AF)当中具有不同反应的复杂过程。这些反应中的一些反应发生于不同时间并可彼此干扰。

波特兰水泥的生产为能源密集型的并向大气释放二氧化碳。为了减少成本和二氧化碳排放，混凝土工业已经越来越多地采用辅助粘结材料(“SCM”)例如粉煤灰。生产SCM共混的水泥比波特兰水泥需要更低的能耗并排放更少的二氧化碳，因为部分波特兰水泥被SCM替代。类似地，用波特兰水泥与SCM的共混物生产的混凝土比单独用波特兰水泥生产的混凝土表现更低的能耗和产生更少的CO₂。

因此，具有大量的SCM(例如粉煤灰，其为煤制造加工的副产品)的水泥越来越多地被生产。粉煤灰通常用于与水泥共混。当与波特兰水泥共混时，其能够有助于形成硅酸钙水合物。用于早期强度发展的优选粉煤灰为具有高水平钙的那些粉煤灰。在美国，这些粉煤灰被归类为ASTM C级粉煤灰。

现代混凝土工业继续用粉煤灰替代越来越多部分的波特兰水泥。替代水平为接近30％并且更高，因为日益增加的关注是减少成本和二氧化碳排放。

遗憾的是，已知更有活性的粉煤灰例如ASTM C级粉煤灰有时不利地影响波特兰水泥的水合作用，尤其是当以约20％或更多的水平使用粉煤灰时。因为这些粉煤灰富含钙和铝，其使用要求由波特兰水泥供给硫酸根离子。因为在水泥或后来在混凝土或砂浆生产中更高水平的波特兰水泥用C级粉煤灰替代，更大的风险是水合水泥组合物将变成为缺乏硫酸盐。F级粉煤灰具有更低风险，因为其更低的钙含量导致更低的反应速率。

尽管向具有C级粉煤灰的共混水泥中加入硫酸盐材料(例如硫酸钙)通常可恢复水合速率，从而防止异常缓凝和丧失早期强度，这样的混合物通常不对化学混合剂(例如通常用于该工业的某些减水剂和非氯化物促凝剂)作出有利反应。一个常被发现的问题是延长的缓凝和比预计的强度发展更慢。缓凝和丧失早期强度是不合需要的，因为这些问题造成延迟和增加成本。

本发明的一个目的是提供用于解决由粉煤灰并且尤其是ASTM C级粉煤灰及其它含钙粉煤灰所产生问题的新方法，以致于在共混水泥或在生产混凝土或砂浆中使用这样的粉煤灰不显著损害共混的水泥混合物的波特兰水泥部分要求的水合作用。

发明概述

在克服先有技术问题中，本发明提供了用于在共混水泥中抑制波特兰水泥与粉煤灰拮抗的水合反应的新创造性方法以及通过所述方法生产的组合物。

一种用于制备共混粉煤灰的波特兰水泥组合物的本发明例证性方法包括：将(A)波特兰水泥与(B)预水合的非贮池装粉煤灰以水泥与粉煤灰比例(C∶FA)为95∶5-21∶79(干重量)混合在一起以得到混合物；所述波特兰水泥与预水合的非贮池装粉煤灰混合物包含：足以在向所述混合物中加入水以引发所述波特兰水泥水合时维持波特兰水泥水合作用的量的可溶性硫酸盐源；当通过氧化钙的摩尔当量表示时，所述预水合的非贮池装粉煤灰的总碱土金属含量为基于所述粉煤灰总重量的至少10％；并且所述预水合的非贮池装粉煤灰通过以下步骤被预水合：(i)通过在水体中混合所述非贮池装粉煤灰得到粉煤灰料浆，所述水体的量为所述粉煤灰的至少10％(重量)以使得部分或者全部溶解含有未水合的反应性铝酸钙的相和部分或者全部沉淀含钙的水合物；和(ii)使得所述粉煤灰浸泡在所述水体中，所述水体为所述粉煤灰的至少10％(重量)，以使得所述水浸泡的粉煤灰经历由在所述浸泡水体内部分或者全部溶解含有反应性铝酸钙的相和部分或者全部沉淀含钙的水合物产生的峰放热反应。