[发明专利]轻质合成颗粒以及制造轻质合成颗粒的方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请是于2012年4月13日提交的美国专利申请第13/447,146号的部分延续案，该申请要求于2011年4月13日提交的美国临时专利申请序列号61/475,008和于2011年11月29日提交的美国临时专利申请序列号61/564,689的优先权，并且通过引用将上面提到的申请中的每个并入本文，如同完整陈述一样。

发明背景

混凝土是主要包括骨料(aggregate)、水泥和水的复合结构材料。存在许多具有不同性能的制剂。骨料通常是粗砂砾或压碎岩石诸如石灰石或花岗岩，以及细骨料诸如砂。水泥，通常是波特兰水泥，以及其他胶结材料诸如粉煤灰和矿渣水泥，充当用于骨料的粘合剂。还可以加入各种化学混合物(admixture)以实现多种性能。然后，将水与该干燥复合材料混合，使其能够被成形(通常倾倒)并且然后通过称为水合作用的化学过程使其凝固并且硬化成坚硬如岩石的强度。水与水泥反应，这将其他组分结合在一起，最终产生坚固的石状材料。混凝土具有相对高的抗压强度，但是低得多的拉伸强度。由于这个原因，其通常用在拉伸方面强的材料(常常是钢)增强。

混凝土被广泛用于制造建筑结构、地基、砖/砌块墙(brick/block wall)、路面、桥梁/立交桥、高速公路/道路、跑道、停车结构(parking structure)、坝、水池/水库、管道、门的基脚(footing for gate)、栅栏和杆以及甚至船。

建筑骨料或简称“骨料”，是一种广泛类别的用于建筑中的粗粒状材料，包括砂、砂砾、压碎岩石、矿渣、回收混凝土和土工合成骨料(geosynthetic aggregate)。骨料是诸如混凝土和沥青混凝土的复合材料的组分；骨料充当增强物以对整体的复合材料增加强度。由于与大多数土壤相比相对高的液压传导率值(hydraulic conductivity value)，骨料被广泛用于排水应用，诸如地基排水领域和盲沟(French drain)领域、腐烂物排水领域(septic drain field)、挡土墙排水以及道路边缘排水。骨料还用作地基、道路和铁路下的基础材料。换句话说，骨料被用作具有可预测的、均匀性能(例如，有助于防止道路或建筑物下的差异沉降)的稳定的地基或道路/轨道基础，或作为低成本的增量剂，该低成本的增量剂与更昂贵的水泥或沥青结合以形成混凝土。

火山灰通常用作混凝土混合物的添加物(技术术语为“水泥增量剂”)，以增加长期强度(long-term strength)和其他材料性能，并且在某些情况下减少混凝土的材料成本。火山灰是一种当与氢氧化钙结合时展现出胶结性能的材料。火山灰是主要的玻璃状硅质材料，其与氢氧化钙反应以形成硅酸钙；取决于火山灰的成分，也可以形成其他胶结材料。

火山灰反应可以比在水泥的水合作用期间发生的其余反应慢，并且因此用火山灰制造的混凝土的短期强度可能不如用纯的胶结材料制成的混凝土一样高；相反，高反应性火山灰例如硅粉和高反应性偏高岭土可以产生“早强(high early strength)”混凝土，其增加了使混凝土获得强度的速率。

当今许多可用于建筑的火山灰先前被视为废品，通常最终被填埋。火山灰的使用可以允许在生产混凝土时减少波特兰水泥的使用；这相比将波特兰水泥限制于胶结材料是更环境友好的。

用于现代混凝土中的一种常见的火山灰是粉煤灰。粉煤灰是燃烧中产生的残留物的一种，并且包含随着烟道气上升的细颗粒。在工业环境下，粉煤灰通常是指煤燃烧期间产生的灰分。在烟道气到达燃煤发电厂的烟囱之前，粉煤灰通常被静电除尘器或被其他颗粒过滤设备捕获，并且在该情况下，与从炉的底部除去的底灰一起被共同称为煤灰。取决于被燃烧的煤的来源和组成，粉煤灰的组分变化相当大，但是所有的粉煤灰都包含大量的二氧化硅(SiO₂)(无定形的和结晶的两者)和氧化钙(CaO)，两者都是许多含煤岩层(coal-bearing rock strata)中特有的成分。

由于粉煤灰的火山灰性能，它被用作混凝土的一些水泥含量的代替物。它可以代替多达按质量计30％的波特兰水泥，并且可以增加混凝土的最终强度并且增强它的耐化学性和耐久性。最近，已经开发了具有大体积粉煤灰(50％的水泥代替物)的部分水泥代替物的混凝土混合物设计。