[发明专利]一种包含工业副产物的高强度水泥、灰泥和混凝土

说明书

本申请是申请日为2008年1月22日，申请号为200880009159.2，发明名称为“一种包含工业副产物的高强度水泥、灰泥和混凝土”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明公开了一类用于制造混和的水硬性水泥状材料、其混凝土及其灰泥衍生物的新型组合物，这些水泥状材料、其混凝土及其灰泥衍生物可用于基础建筑、修补、预制块、装甲、喷射和其它应用。这些材料中含钙工业副产物与化学活性剂、阻滞剂、结合促进剂和机械强度改进剂之间的反应可控。

背景技术

具有火山灰性质的材料包含玻璃态硅石和矾土，这种玻璃态硅石和矾土在水和游离石灰的存在下与石灰中的钙发生反应从而制成硅酸钙水合物。具有天然火山灰和工业火山灰二种形式。

在工业工艺中生产的工业火山灰包括例如C级飞灰和F级飞灰。在燃烧焦炭的过程中生产这些飞灰。它们由存在于焦炭中的无机、不可燃物质组成，这些物质在燃烧过程中熔合呈玻璃状无定型结构。工业上生产的飞灰的等级取决于所用焦炭的类型。褐煤(lignite)或次烟煤(subbituminous coal)的燃烧通常生产C级飞灰。无烟煤(anthracite)和烟煤(bituminous coal)的燃烧通常生产F级飞灰。

正如ASTM C618所定义，C级飞灰的特性包括高于F级飞灰的石灰含量。C级飞灰的石灰含量较高使得C级飞灰自硬化，而F级飞灰通常需要添加额外的石灰或水泥来形成水泥状材料。

天然火山灰的实例是N级火山灰。N级火山灰是未加工的或经煅烧的天然火山灰，诸如一些硅藻土、蛋白石质燧石(opaline chert)和页岩；凝灰岩、火山岩灰(volcanic ash)和浮岩；以及煅烧的粘土和页岩。

ASTM-C618中进一步限定了C级火山灰、F级火山灰以及N级火山灰的化学性质和物理性质，该标准公开的内容通过引用全文插入本文。

已知通常在波特兰水泥的存在下将飞灰用在水泥组合物中。Brook等人的美国专利5,556,458要求至少20％的波特兰水泥。具体地，Brook等人指出，在他们的组合物中需要波特兰水泥从而克服飞灰组合物初期强度低的缺陷。

Gravitt等人的美国专利4,997,484以及Hick等人的美国专利7,288,148公开了一种没有波特兰水泥的飞灰水泥组合物，但该组合物依靠酸-碱反应体系利用柠檬酸(≈pH 2.2)和碱性氢氧化物(≈pH 12-14)或金属碳酸盐(≈pH 11.6)的组合作用。但是Gravitt和Hicks的飞灰水泥组合物不具有许有水泥应用所需要的强度和硬度。

发明内容

本发明描述了一种水泥组合物，其中天然和/或工业火山灰粉末的粘结性质被精确控制。水泥状组合物基本上不含强酸和强碱，诸如柠檬酸(≈pH2.2)和碱金属活化剂，包括碱性氢氧化物(≈pH12-14)或金属碳酸盐(≈pH11.6)。本发明用pH中性水合活化剂或促进剂替代传统的酸-碱化学反应，从而活化或促进水泥水合。根据本发明，pH中性水合活化剂是主要的活化剂。根据优选的实施方式，活化剂的pH介于6和9之间。根据更优选的实施方式，活化剂的pH介于6.5和8.5之间。pH在上述范围以外的其它活化剂可以少量存在于水泥组合物，前提条件是pH中性活化剂的含量相对于水泥组合物中活化剂的总量超过50重量％。换句话说，pH小于约6或大于约9的活化剂在水泥组合物中的总量相对于所有活化剂总重应当小于50重量％，优选小于30重量％，更优选小于25重量％。pH在6-9范围以外的活化剂试剂包括柠檬酸、碱金属活化剂(诸如氢氧化钾)和碱金属碳酸盐(诸如氢氧化钾)

可用在本发明中的pH中性活化剂包括柠檬酸盐、苹果酸、丙二醇、乙醇酸和这些酸的盐以及硝酸钙。出于本发明的目的，术语“pH中性”指pH介于6和9之间。

根据本发明的优选实施方式，中性pH柠檬酸盐(例如柠檬酸钾)被用作活化剂。单一的柠檬酸盐或柠檬酸盐的组合可被用作唯一的活化剂。或者，柠檬酸盐可以与其它已知的活化剂组合使用，前提条件是，pH小于6或大于9的活化剂在水泥组合物中的总量相对于所有活化剂总重小于50重量％，优选小于30重量％，更优选小于25重量％。硼化合物或其它传统的阻滞剂可以用在组合物中。