[发明专利]乳酸盐活化的水泥和活化剂组合物

说明书

本申请是申请日为2011年1月11日的中国专利申请201180013447.7(PCT/US2011/020822)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、制造的混凝土制品、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化剂、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状的硅石和矾土，这种玻璃状的硅石和矾土在水和游离石灰的存在下与钙发生反应从而制成硅酸钙水合物和硅酸铝钙水合物。存在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根据美国材料与试验协会(ASTM)规定C618所定义的C级飞灰和F级飞灰。在燃烧煤炭的过程中生产这些飞灰。它们由存在于煤炭中的无机、不可燃物质组成，这些物质在燃烧过程中熔合呈无定型结构。工业上生产的飞灰的等级取决于所用煤炭的类型及其化学组成。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化的水泥状材料。

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)和浮石；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。例如，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作业时间、强度、耐久性和硬度。

美国专利申请No.12/017,956(其内容通过引用全文插入本文)描述了一种改进的水泥状材料，其包含火山灰粉末和pH中性活化剂(具体为pH中性柠檬酸盐)。

发明内容

本发明是基于下列发现：乳酸、乳酸酯以及乳酸盐的衍生物被用作火山灰水泥的水合活化剂时，出乎意料并令人惊讶地改善了水泥的塑性性能，例如坍落度保持性和可操作性。改善的坍落度保持性和可操作性允许工人进行表面修整操作以得到期望的质地，而不存在与柠檬酸盐活化剂或利用其他较长羧酸盐的活化剂的使用有关的时间限制。令人感兴趣的是，不是所有三碳羧酸都能产生乳酸盐的优点。特别地，发现丙酸(另一种三碳羧酸)盐不能产生乳酸盐活化的水泥的特征-改善的保持性和可操作性。如本文中所述，乳酸、乳酸酯或乳酸盐被用作主要的活化剂。在本文中使用时，短语“基于乳酸的化学活化剂”指的是乳酸活化剂、乳酸酯活化剂和乳酸盐活化剂。

根据一些优选的实施方式，活化剂是乳酸的碱金属盐或碱土金属盐。此外，中和乳酸的其他形式可能是有利的。根据其他优选的实施方式，活化剂是乳酸钾、乳酸钠、乳酸锂、乳酸钙或乳酸镁。在一些实施方式中，水泥状组合物中可能存在其他活化剂。优选地，乳酸盐活化剂占水泥状组合物中活化剂总含量的50重量％以上，更优选地占水泥状组合物中活化剂总含量的95重量％以上。换句话说，相对于水泥状组合物中所有组合的活化剂的总重，非乳酸盐活化剂应该以小于50重量％的总量存在，优选小于30重量％，更优选小于25重量％。