[发明专利]水硬性水泥改进剂

说明书

本发明涉及波特兰水泥和混合水泥组合物的强度、孔隙率和最终表面的改进。具体地说，涉及一种向其中加入外加剂的水硬性水泥组合物如波特兰水泥，该外加剂可与水泥熟料共磨来改进研磨效率，或在加入水之前或同水一起与粉状水泥互混，其改善了水硬性水泥和由这些水泥制成的组合物如波特兰水泥混凝土的强度、孔隙率和最终表面。

将术语水泥指定为用作粘结剂和胶粘剂的许多不同种类的材料。水硬性水泥是粉状材料，当其与水混合时，形成缓慢硬化的“料浆”，如果进一步与砂子混合时，它形成“砂浆”，且如果与砂子和粗集料如岩石混合，形成与岩石一样硬的产品“混凝土”。这些产品通常称为水硬性水泥混合物。波特兰水泥通过其组成的组份不同和由每个国家制定的特定标准(参见Cement Standards of theworld,Cembureau,Paris,Fr.)来区别于其它水泥，例如，在美国，美国材料试验学会(ASTM)、美国国家公路和运输协会以及其它政府机构已经确立了一种基于熟料的主要化学组成和最终水泥混合物的主要物理性能的水泥基本标准。对于本发明来说，术语“波特兰水泥”指包括满足ASTM要求(由ASTM标准C150指定)或满足其它国家制定的标准的所有胶凝组合物。

通过烧结组份包括碳酸钙(石灰石)、硅酸铝(如粘土或页岩)、二氧化硅(如砂子)和混杂氧化铁的混合物来制备波特兰水泥。在烧结过程中，发生化学反应，其中形成硬化的球粒，通常称之为熟料。氧化钙与酸性组份反应形成波特兰水泥熟料主要产生硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和基本上由铁铝酸四钙组成的铁酸盐固溶相。

熟料冷却之后，然后在熟料磨中将其与少量的石膏(硫酸钙)一同粉磨从而提供一种细的、均匀的粉状成品，称之为波特兰水泥。由于熟料极硬，需要大量的能量将之研磨成合适的粉状形式。根据熟料的性质，熟料研磨需要的能量可以在大约33-77kW小时/吨之间变化。已经表明几种材料如乙二醇、链烷醇胺、醋酸胺、芳香族醋酸盐等等可以减小需要的能量，因此提高熟料的研磨效率。这些材料，通常被为助磨剂，是以小剂量引入球磨机中并与熟料一起研磨从而获得均匀粉状混合物的处理。除了减小研磨能量外，上面所列举的通用的处理剂常常可提高粉末易流性且在储存过程中会减少成团的趋势。

因为形成合适的波特兰水泥熟料需要固定的组成和物理条件，熟料变成相对昂贵的原材料。对于某种应用来说，可以用廉价的填料如石灰石或熟料替代物如粒状高炉矿渣、天然或人造的火山灰、粉磨的燃料灰分等等代替部分熟料。这里使用的术语填料指对后期强度增长没有贡献的惰性材料；术语“熟料替代物”指可以有助于28天后长期压强增长的材料。加入这些填料或熟料替代物从而形成“混合水泥”在实际中会受到限制，因为这些添加物通常导致所得到的水泥的物理强度降低。例如，当填料如石灰石以大于5％的数量混合时，所得到的水泥在强度，特别是28天潮湿养护后得到的强度(28天强度)显著减小。这里使用的术语“混合水泥”指包含2-90％，更常规为5-60％的填料或熟料替代物的水硬性水泥组合物。

可以加入各种其它的外加剂到水泥中来改变最终水泥的物理特性。例如，已经认为链烷醇胺如单乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺等等减小凝结时间(速凝剂)以及增强水泥1天的压强(早期强度)。然而，这些外加剂对最终水泥的28天凝结强度几乎没有有益的效果，在某些情况下实际上可能减小强度。在“ConcreteAdmixtures”,Van Reinhold,New York,1990中由V.Dodson描述了这种特点，其陈述最公知的速凝剂和早强剂氯化钙在后期减小了压强。

美国专利号4990190,5017234和5084103，(这里引入其公开的内容作为参考)，描述了某些高级三羟基烷基胺如三异丙醇胺(在下文称之为“TIPA”)和N,N-双(2-羟基乙基)-2-羟基丙基胺(在下文称之为“DEIPA”)将提高波特兰水泥，特别是含有至少4％C₄AF的波特兰水泥的后期强度(制备湿水泥混合物7天和28天后的强度)。在这些专利中描述的增加强度的高级三羟基烷基胺外加剂据说在混合水泥中特别有用。

虽然TIPA能够提高水泥组合物的后期强度，但是它不能提高早期强度，也不能提高凝结性能。更令人惊讶的发现是它会增加水泥的引气量。为了提高包含TIPA的凝结水泥组合物的早期强度、凝结性能和引气性能，Myers等人提出了掺入已知的早强剂和速凝剂如三乙醇胺或碱金属盐，和已知的消泡剂(ADA)如美国专利5156679中列举的那些物质。