[发明专利]建筑材料粘结剂

说明书

本发明涉及基于在活化剂体系存在下的硅铝酸钙衍生物，如高炉矿渣的水硬性粘结剂，和由这种粘结剂获得的建筑材料，如混凝土、砂浆、预制部件或覆盖板。

波特兰水泥——非常广泛用于制造混凝土、砂浆和多种类型预制部件的粘结剂，基本由熟料构成，该熟料通过在第一步骤中压碎原材料，如粘土和石灰石、然后在掺入少量硫酸钙的情况下细磨获得。

尽管仍极广泛使用，但波特兰水泥的制备仍是主要的CO₂排放源。这些排放主要归因于煅烧过程（石灰石脱碳酸盐化以产生氧化钙）和必须进行的1450℃左右的加热。能够减少CO₂排放到大气中的替代粘结剂的开发是头等环境挑战。此外，波特兰水泥的使用导致形成大量Ca(OH)₂（氢氧钙石），其产生极高pH（12-13）并可能造成耐久性损失。这是因为氢氧钙石对碳酸化敏感。碳酸化混凝土或砂浆会损失它们的完整性和产生病理状况。

用钢铁工业废料，如炉渣完全或部分替代波特兰水泥的水硬性粘结剂是已知的。最公知的材料包括高炉水泥，其由特别包含36至95重量%波特兰水泥熟料的磨细粒状高炉矿渣的混合物构成，并以CEM III/A-B-C类水泥为名确定。

从申请WO2005/097700、US2008/0257223或WO2009/005205中获知的其它组合物部分或完全替代波特兰水泥熟料或含高炉矿渣或粉煤灰（由燃煤发电站产生）的波特兰水泥。与波特兰水泥不同，这些硅铝酸盐衍生物在性质上不是水硬性的或仅轻微水硬性的，因为它们不通过水化形成熟石灰（或氢氧钙石），必须添加碱性活化剂或石灰以溶解硅铝酸盐材料。通过反应形成负责材料凝结的水化物。现有技术状况的这些组合物（其还包含可达到该混合物总重量的15%的可变量的硫酸钙源）包含碱性活化剂，如熟石灰、氢氧化钠、氢氧化钾和甚至偏硅酸钠。产生高pH的这样的碱性试剂的存在在使用水泥时造成严重的皮肤刺激并因此使它们难以处理。

术语“活化剂”在本发明的含义内是指包含至少一种旨在改进该粘结剂的凝结和/或固化的化合物的体系。

申请WO2007/096686涉及一方面包含矿渣和粉煤灰的混合物，另一方面包含含不同碱的活化剂的粘结剂组合物。此专利申请的组合物不是直接即时使用的水硬性粘结剂。矿渣与粉煤灰的混合物和活化剂特别必须分别与水接触，随后混合这两部分，这使砂浆或混凝土的制备复杂化。

出版物Cement and Concrete Research, 29 (1999), 459-462涉及研究高炉矿渣粉末作为水泥固化反应加速剂的用途。因此，添加10%其颗粒细度为14960平方厘米/克（常以Blaine名称使用的单位）的磨细粒状高炉矿渣粉末能够改进粘结剂的物理化学性质。微粒形式的这种粉末的生产在其制备过程中需要能量，因此优选部分地与更大尺寸的矿渣颗粒组合地混合使用它。包含此现有技术文献的超细矿渣粉末的水泥另外包含占该粘结剂总重量的18%的由水硬石灰和偏硅酸钠的混合物构成的碱性活化剂（参见表2的实施例4）。与大量使用在水溶液中的强碱，如偏硅酸钠或Ca(OH)₂有关，这种混合物是刺激性的。

申请DE 195 01 100也公开了含有高炉矿渣的用于喷射混凝土的混合物。

术语“Blaine”本发明上下文中是用于度量固体成分的磨粉细度的单位，以平方厘米/克固体表示；这种单位用于度量固体颗粒的有用表面积。在水泥技术领域中用于测定固体磨粉细度的装置被称作“Blaine渗透装置(Perméabilimètre Blaine)”。

与上述粘结剂的使用有关的主要缺点是存在大量使用的强碱以实现粘结剂的足够快的凝结。为加速水泥固化而在这些混合物的一些中存在如上所示的大量硫酸钙源也是有害的。这种过量硫酸钙会导致在水泥凝结的晚期和在其固化过程中形成过量钙矾石。这种过量钙矾石，如同存在尚未反应的大量硫酸钙，会造成该材料的不合意膨胀和因此强度及耐久性的损失，其引起该材料的破坏。

为了完全或部分克服上述缺点，根据第一方面，本发明的主题是水硬性粘结剂，其包含：

- 至少一种细度小于6000 Blaine的第一硅铝酸钙衍生物，

- 粘结剂总重量的1至35%，优选5至15%的量的细度大于或等于6000 Blaine的矿渣微粒，

- 至少一种硫酸钙源，和

- 小于或等于粘结剂总重量的1%的量的至少一种碱。