专利名称：水硬性胶结剂、结构部件的生产方法,其用途和用于其的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种生产根据权利要求1前序部分的基于无机的水硬性胶结剂(hydraulic binding agent)的方法，以及涉及结构部件和加气混凝土砌块(aerated concrete block)。本发明还包括一种实施该方法的设备，以及一方面包括胶结剂的用途，另一方面包括聚合电解质的用途。
混凝土(concrete)是一种最重要的建筑材料，并且通常由如砂、砂砾(gravel)或碎石(rubble)等矿物组分和作为胶结剂的水泥(cement)的混合物构成；水泥在添加水时固化并且产生一种凝聚石(conglomerate stone)。
用于混凝土的最重要的水硬性胶结剂是波特兰水泥(Portland cement，PC)，它由细磨的PC熟料和硫酸钙-诸如石膏或硬石膏-的混合物构成。与水混合之后，它在空气中和在水下固化，并且甚至在水下维持其强度。对于其生产，含石灰和含粘土的原料-如石灰石、粘土、石灰泥灰岩(lime marl)和粘土泥灰岩-彼此混合，使得原料混合物从粘土部分中除了硅酸(SiO2)、氧化铝(Al2O3)和氧化铁(Fe2O3)之外还包含75和79重量％的石灰(CaCO3)。优选地，每重量份的可溶硅酸、氧化铝和氧化铁中存在至少1.7重量份石灰。将混合物细磨，并且然后通常在旋转炉中用不同类型的逆流预热系统加热直至实现烧结。然后细磨由这些方法生成的波特兰水泥熟料，并且通过添加石膏等骨料(aggregate)进行加工形成波特兰水泥。
其它种类的水泥包括，例如矿渣水泥(铁波特兰水泥和高炉矿渣水泥)、火山灰水泥(trass cement)和油页岩水泥(oil shale cement)，它们包含各种不同于波特兰水泥熟料以外的骨料(DIN 1164)。没有作为水泥标准化的特种水泥包括，尤其是高铝水泥(aluminous cement)、深井水泥和膨胀水泥。
水泥是以三个质量等级出售的。高级水泥CEM 42.5(CEM＝水泥的国际称号)和CEM 52.5由于不同的组成和更细的颗粒尺寸因而不同于标准水泥CEM 32.5，这导致更快的固化-非胶结-并且在28天之后的标准化测试体上产生由数值表示的抗压强度。高级水泥的较高初始强度允许更早地移除模板，并且因此加快施工工程的进程。
为了降低生产胶结剂的成本，日益寻求所使用的起始材料的替代物。例如，将飞灰(fly ash)用作混凝土生产中的骨料；飞灰是通过过滤系统从工业炉或废物焚化厂(waste incineration plant)的废气中除去的产物，在燃烧气体中飞灰作为燃烧残渣带出，并且通过机械方法除去或在冷却时从汽化状态中冷凝出来。
也使用煅烧灰(calcined ash)和飞灰(例如来自于造纸工业的工业炉)或矿渣砂(slag sand)。当将从高炉的出渣口流出的燃烧高炉矿渣引入流水中时，形成矿渣砂。
上述这些用在水泥中的骨料意味着胶结剂固化更慢。例如，在普通混凝土的情况下28天之后达到的强度只是在大约90天以后才能达到。因此，这些所谓的潜在水硬性胶结剂只可以在非常有限的程度下使用。
考虑到这些条件，本发明的目的是提高潜在水硬性胶结剂-尤其是那些基于飞灰、煅烧灰或矿渣砂和燃烧过的油页岩-在建筑部门中对实际用途的可用性，并且尤其允许加速固化。
独立权利要求的教导在于实现该目的；从属权利要求提供进一步有利的发展。而且，说明书中公开的至少两个特征的所有组合，附图和/或权利要求均属于本发明的范围。关于所述的数值范围，在所述极限值之内的数值同样意味着象极限值一样那样被公开，并且能被随意使用。
一方面通过能够用于抵销不同飞灰组成的合适组分，另一方面通过在活化器中处理混合物，可以改变潜在水硬状态的材料的单个颗粒的晶格结构和几何形状，以致于获得相应于高级波特兰水泥熟料的活化水硬效果。
通过在活化器中对混合物进行高机械应力处理，对产物进行研磨并且这尤其导致表面积增加。而且，改变飞灰的球状结构，以这样一种方法获得无定形结构。这种结构通过将单个颗粒钩在一起促进胶结过程，并且增加强度值，尤其是抗压强度和抗弯曲强度。
因此，混合物新形成的反应性表面增加颗粒或粒子的总比表面积-也称为Blain值。一方面由于精磨操作导致表面积增加，另一方面由于颗粒结构转化成反应性表面，导致Blain值总体比波特兰水泥增加8至24倍。
颗粒彼此相对的碰撞和在工具上发生的反射(reflections)在颗粒中产生冲击波，这导致颗粒分裂成无定形结构，并且在颗粒内部破坏晶格结构。
在颗粒的撞击过程中-或者一方面通过颗粒彼此碰撞和另一方面与工具碰撞-与由脉冲中断产生的发生幽闭能量(pent-up energy)相互作用形成的冲击波在超声范围内传播。
这种能量-如作用于该颗粒上的摩擦力、动力和剪切力-大部分地转变为热能，该热能又通过新形成的表面被带走并且释放到工艺空气(process air)。温度增加高达3000℃，这在几毫秒内的短时间内在转折点反复出现，导致界面的热塑性变化。所包含的颗粒短暂地处于等离子体粒团状态(plasmoidstate)。
所述的机械化学和摩擦机械(tribomechanical)反应活化潜在水硬矿物组分。因此该混合物能用作波特兰水泥的替代物。
测试表明这些新的水硬性胶结剂-除了在建筑工程和土木工程中的常规用途以外-由于其优良的性能也可以用于多孔混凝土的生产和耐火材料的应用中。
活化器用作生产这种水硬性胶结剂的设备。该设备使得可以在旋转工具高达250米/秒的高速下实现活化所需要的参数。在本文中，原料供应、气体供应、过程热和材料出料的控制非常重要。
用于机械化学以及摩擦机械作用的工具构造尤其重要。
活化器基本上由转子和定子组成，它们由机械平台支撑。轴垂直布置。驱动由电动机通过分配给转子的转子轴上的V形皮带实现。转子的旋转速度可以通过变频器以无级的方式调节。可以交换并且调节工具。
要活化的产物从料仓自上通过定量装置(dosing device)由窝眼盘闸(cellulur wheel sluice)送入活化器的内部。在环形室或由转子和定子自由留下的空隙中，混合物以螺旋方式向下输送，其中在该环形室中产物的停留时间可以通过相反方向的气流调节。而且，这种空气的流动可以驱散过热。在环形室中，通过脉冲-由转子工具所引起的脉冲-对着定子向外抛掷单个颗粒。
转子和定子的工具都被混合物层永久覆盖，以致于颗粒彼此碰撞并且主要与该层碰撞。相互碰撞和由此实现的效果-如塑性变形、修复特性(restoring behaviour)、分裂、摩擦-导致该颗粒的物理特性发生根本改变。
由于覆盖该工具的混合物层被轴承及其阻力支撑，工具(tools)的质量基本上有助于脉冲和脉冲中断以及由此产生的相互作用，如工具之间的反射。
可活化的混合物，在它们的化学组成方面，具有与水泥类似的数量级。然而，所生产的产物主要基于含硅酸的飞灰、矿渣砂和来自于废物焚化的矿渣。
在这种情况下，这些主要成分在添加骨料-如氧化钙、氢氧化钙、碳酸钙和氢氧化铝-的氧化条件经过活化器。氧气的供应是通过自下向活化器注入空气而得到保证的。
在铝酸钙的情况下，对于与普通混凝土相当的固化时间所需要的添加量在0.2至30重量％的范围内。在铝酸钠或铝酸钾的情况下的添加量分别是0.1至20重量％。在本文中制定的重量百分比(重量％)是指最终的胶结剂混合物。
当然，也可以使用铝酸钙、铝酸钠或铝酸钾的混合物，其中确定各种添加组分的量，使其不超过上述添加组分的范围。
下面探讨具有代表性的配方表1
下面解释种类A至C种类A(a)特性·以强度等级为32.5N的形式缓慢胶结(在28天之后＞32.5N/mm2的标准强度)；·7天之后的抗压强度＞16N/mm2；·弹性模数用强度等级确定；·高的抗弯曲强度。
(b)用途最终产品为各种混凝土构件(砖、面板(panel)、弯板角材(angle plate)等)。种类B(a)特性·以强度等级为32.5R的形式相当迅速地胶结(在28天之后＞32.5N/mm2的标准强度)；·2天之后的抗压强度＞10N/mm2。
(b)用途与种类A那样，并且在土木工程中使用(路缘的地基、街灯柱的地基、亚结构模板等等)。
种类C(a)特性·以强度等级为42.5R的形式快速地胶结(在28天之后＞42.5N/mm2的标准强度)；·2天之后的抗压强度＞20N/mm2。
(b)用途由于它能快速地胶结，能用于土木工程、建筑工程构件和水利工程！如果添加其它添加剂，这些胶结剂可用于不同的部门。添加阳离子表面活性剂是指凝固相之后大约28天所产生的构件是抗水的(waterresistant)；不再有水吸收通过构件的结构。
可用性尤其在于水利工程、废物工程、卫生和污染清除领域的部门等。
通过添加耐火材料组分并且将铝酸钙的量增加到约40％，这种胶结剂可用于热稳定的建筑材料的部门，如用于窑炉、转炉等的衬里。
具体的重要性还在于在多孔混凝土的生产中使用该胶结剂。在本文中已经发现当添加铝粉(小于70微米)时，获得闭孔结构，它在强度值、密度等方面相当于常规的制品。
然而，主要优点是不再需要使用高压釜，高压釜在常规的生产方式是必需的。
当添加阳离子表面活性剂时可以实现的敞模成形(open moulding)和防水性质和气密性更优越，这是与本发明的胶结剂结合而获得的。
本发明还包括一种用于建筑工程和土木工程的建筑构件如砖、面板或成型部件(moulded part)的生产方法，该方法可以以成本有效的方式实施；已经证实如此生产的建筑构件是抗拉伸和压缩应力的并且耐气候。
为了实现这些目的，根据本发明，每一种等量的粘土(颗粒尺寸小于100μm)、细砂(颗粒尺寸为100μm至2mm)和砂(颗粒尺寸大于2mm)的混合物在混合器中与聚合电解质-优选为基于丙烯酰胺的聚合物或共聚物-和水硬性胶结剂混合，放入模具中并在至少为40N/mm2的压力下成型。这种方法可以以尤其简单的方式进行，因为一方面对设备的要求小，并且另一方面所需的添加组分能容易并且经济地获得。在本文中，粘土应该理解为是指具有颗粒尺寸小于100μm的泥土成分，细砂应该理解为是指具有颗粒尺寸为100μm到2mm的成分，而砂应该理解为是指具有颗粒尺寸为2mm以上的成分。这些粘土、细砂和砂组分可以广泛地从泥土中得到，尽管从泥土中获得的粘土、细砂和砂的量不同于所要求组成的量。例如欧洲泥土具有高含量的沃土和砂砾，因此在这种情况下必须添加大量的砂。也可以广泛地并经济地获得所需要的水硬性胶结剂，例如水泥、高度水硬石灰、消石灰或细石灰。
实施这种方法所需要的粘土、细砂和砂的混合物可以以简单的方式获得，因为大部分泥土包含足够量的这三种组分。在实际用途中，只要除去仅仅泥土的顶层，以便获得粘土、细砂和砂的混合物，并且除去砂砾、石头和有机组分之后，将其注入混合系统，在混合系统中与各自的胶结剂和聚合电解质混合。只是必须检查粘土、细砂和砂的组成以便确保这些以相等的量存在。组分如果它存在的量太小则可以任意添加。如果粘土、细砂和砂存在的量基本上相等，如以上确定的那样，可以将这种混合物(在下文中也称为“制备的混合物”)用于下一步的方法步骤。
相应胶结剂的选择和在每一种情况下需要添加的量尤其取决于制备混合物的精确的粒径分布和水分含量。在制备地混合物的粒径分布方面，不仅仅是所关心的粘土、细砂和砂之间数量分布，而且是落在这些范围内粒径分布。制备地混合物的基本性能，例如关于其致密性能，可以由此获得。
如以下详细讨论的那样，通常细石灰或消石灰证实适合用作实施本发明方法的水硬性胶结剂，其中有时候它也可以使用高度水硬石灰、水泥和含沥青的胶结剂。
在本文中的聚合电解质在常规意义上是水溶性的离子型聚合物，它是从多元酸-例如多羧酸-成为阴离子的，从多碱(polybase)-例如聚乙烯氯化铵-成为阳离子的，或者是中性的(聚两性电解质或聚合盐)。天然的聚合电解质的一个实例是具有离子基的聚糖如角叉菜(carrageen)，而且蛋白质和长链多磷酸盐。根据本发明，优选聚丙烯酰胺用作聚合电解质，即由基于丙烯酰胺的单体组成的化合物。而且也可以想到使用单体和聚合的聚合电解质，任选与增溶剂、乳化剂和催化剂一起和添加量的丙二胺、二甲氯化铵或异丙醇的混合物。或者，也可以引入阳离子表面活性剂的混合物。这些聚合电解质产生细粒组分的团聚，该团聚不是基于水的化学转化。
然后将由粘土、细砂和砂的混合物、聚合电解质和水硬性胶结剂组成的共混物放入模具中，并且在至少为40N/mm2的压力下成型。压力的选择影响建筑构件的最终强度，但是通常可以在40-120N/mm2的压力下工作。
根据本发明进一步的特征，相对于由粘土、细砂和砂组成的混合物的干重，优选以0.001至2重量％的量添加聚合电解质。而且，在添加水硬性胶结剂之前，向水硬性胶结剂中添加苯乙烯丙烯酸共聚物，这在润湿和含盐混合物的情况下尤其有利。
此外，通过权利要求22的技术特征也实现了本发明的目的。该过程在具有低水分含量和高含量细砂的制备的混合物的情况下尤其有利。在本文中提供向制备的混合物中添加沥青乳液和聚合电解质，优选基于丙烯酰胺的聚合物或共聚物。
同样已经证实有利的是，相对于由粘土、细砂和砂组成的混合物的干重，优选以0.001至2重量％的量添加聚合电解质。为此，权利要求35最后涉及聚合电解质优选基于丙烯酰胺的聚合物或共聚物在生产建筑工程和土木工程的建筑构件如砖、面板或成型部件中的用途。
权利要求36公开了用于建筑工程和土木工程的砖和成型部件，包含聚合电解质，优选基于丙烯酰胺的聚合物或共聚物。
本发明的该方法在下面详细描述首先，为了获得粘土、细砂和砂的混合物，除去泥土的顶层，并且在除去砂砾、石头和有机的组分之后，注入混合系统中。对于这些土层的组成没有高的要求，因为实施该方法所需要的粘土、细砂和砂组分通常存在足够的量。只是必须检查粘土、细砂和砂的相关组成以便确保这些以相等的量存在，以用于下一步处理。必要时，如果组分的存在量太小，则必须添加该组分。
一旦粘土、细砂和砂组分以上述确定的基本上相等的量存在，在随后的方法步骤中在混合器中，将该制备的混合物与聚合电解质混合。如上已经提到的，在本文中的聚合电解质是指水溶性的离子聚合物，它是从多元酸-例如多羧酸-成为阴离子的，从多碱-例如聚乙烯氯化铵-成为阳离子的，或者是中性的(聚两性电解质或聚合盐)。而且也可以想到使用单体和聚合的聚合电解质、任选与增溶剂、乳化剂和催化剂一起和添加量的丙二胺、二甲氯化铵或异丙醇的混合物。这些聚合物具有能形成聚合链的可离解的离子基团(ionic dissociable group)，并且其数目是如此大，以致于该聚合物以离解形成可溶于水。优选地，利用悬浮形式的聚丙烯酰胺。在水溶液中，聚合电解质具有反应性基团，反应性基团对于胶体的表面和泥土细粒部分的极细微粒具有高亲合力。取决于聚合电解质的致电离性(ionogenicity)，与固体颗粒的相互作用是基于氢桥(hydrogen bridge)的形成，正如非离子聚合物的情况一样，或者基于静电相互作用和基于电荷交换和颗粒表面产生的失稳作用。阴离子的(＝带负电荷的)和阳离子的(＝带正电荷的)聚合电解质以这种方式起作用。失稳作用和大量单个颗粒的连接导致微粒在粘土、细砂和砂的混合物中产生不可逆的团聚物，这产生较高的密度，并且因此最终产生较高强度的建筑构件。本发明使用的聚合电解质因此也可以称为表面活性物质。
聚合电解质最佳效果的重要因素是由颗粒表面处的活性潜力(potentials)表示的。这些取决于颗粒本身和周围条件，即团聚的离子强度和由此确定性能，如pH值、导电性或硬度。通过相对简单的初步测试，本领域普通技术人员可确定适合于各个应用的具有合适致电离性的聚合电解质。然而，已经发现例如，在大多数场合下聚丙烯酰胺是合适的，并且相对于固化具有好的性能。在这种情况下，聚合电解质相对于团聚物的干重，优选以0.001至2重量％的量使用。该量尤其取决于所使用的聚合电解质的致电离性和混合物的细粒成分。当使用聚丙烯酰胺时，已经证实通常0.01重量％是足够的。在具有低水分含量的粘土、细砂和砂的混合物情况下，任何必须添加的水可以通过用水稀释来添加。
在下一步方法步骤中，在润湿和/或含盐的混合物和/或具有高含量细粒的混合物的情况下，添加苯乙烯丙烯酸共聚物，例如丙烯酸分散体。在具有低水分含量和高含量细粒的制备的混合物的情况下，优选添加沥青乳液。然而，没有排除的量也可以证明苯乙烯丙烯酸共聚物的混合物和沥青乳液的混合物是有利的。
然后添加水硬性胶结剂。可以证明通常细石灰或消石灰是用于实施本发明方法的合适胶结剂，其中在具有相应的高含量的较大颗粒尺寸情况下，可以也证明高度水硬石灰、水泥和含沥青的胶结剂是有利的。相应胶结剂的添加量也尤其取决于制备的混合物的水分含量，其中要求获得所谓的Proctor最佳值(Proctor optimum)，在最佳值时混合物到达饱和程度，在饱和程度时获得混合物的最佳紧密度。泥土和由此得到的粘土、细砂和砂组分通常具有太高的水分含量，其中水是使用细石灰、消石灰或高度水硬石灰从混合物中吸出的。这一方面可以归因于氧化钙(CaO)与水结合而化学转化成氢氧化钙(Ca(OH)2)，但是另一方面也归因于在该反应过程中释放的热能，这导致水的物理蒸发。对于本发明的方法，混合物的水含量应该为Proctor最佳值或稍微高于Proctor最佳值。
然后将由粘土、细砂和砂的混合物、聚合电解质和水硬性胶结剂和任何所需要的添加剂如苯乙烯丙烯酸共聚物组成的混合物放入模具中，并且在至少为40N/mm2的压力下成型。压力的选择影响建筑构件的最终强度，然而，其中它通常可以在40至120N/mm2的压力下工作。压缩之后，50％干燥之后建筑构件可以经受应力。
因此，本发明的这些方法首先使起始组分(即粘土、细砂和砂)产生不可逆的粘连。这通过小颗粒组分的团聚和通过破碎胶体组分上的粘附水膜改变毛细管水运输(capillary water conveyance)而实现。这导致更好压缩性的混合物和通过本发明的方法制造的高强度的建筑构件。
本发明的范围也包括一种用于加气混凝土砌块的生产方法，其中生产水硬性胶结剂、细粒成分、水和充气剂(aerating agent)的混合物，在模具中浇铸并且干燥。
对于加气混凝土砌块的生产，已知的各种方法中，在每一种情况下使用由以下成分构成混合物·细粒成分，例如石英砂，·石灰，·水硬性胶结剂，例如水泥，·水，·和作为气孔成形剂的充气剂。
为此，石灰和水泥以大致相等的量使用，并且所使用的充气剂通常是铝粉。在这种情况下，充气剂的量小于总混合物的0.05重量％。氢氧化钙与铝的反应释放氢气，这引起大量的孔。在模具中浇铸混合物，其中也可以将其切割成半固体状态的不同形式和压型(format and profilings)。通过在高压釜中在大约160至220℃下和大约12至15巴压力下进行蒸汽-固化约4到8小时之后，获得高强度的多孔混凝土。在该过程中，氢气逸出并且形成充满空气的孔。压力和热蒸汽的作用从砂粒的表面释放硅酸，其与胶结剂石灰(消石灰)一起形成晶状胶结剂相-所谓的CSH相。这些晶状胶结剂与砂粒结合并且产生单个添加剂的固体结构。如此生产的加气混凝土砌块具有较低的密度，最多为400kg/m3，并且由于其孔隙结构和夹气(air inclusion)具有好的绝热性能。
然而，考虑到使用的机器和系统，这种方法是昂贵的并且使用大量功率(power)。例如，必须在高压釜维持高压很长时间，其中高功率的消耗可以主要归因于所需要的蒸汽热处理。同样不利的是例如随后必须在砌块中磨刻沟槽(groove)和将无纤维废胶粉(springs)磨入砌块；由于必须蒸汽固化，通常不能制造复杂的形状。而且，通常用于生产加气混凝土砌块的石英砂必须是高质量的，并且有时只可以在较长的运输之后用于生产制品。当在生产环境中使用铝时，还有爆炸的风险。
为了避免这些缺点并且提供相对廉价的方法，为了生产用于本发明的这种方法的水硬性胶结剂，将生活垃圾粉碎、均化并与含钙添加剂如白云石、方解石、石灰泥灰岩或泥灰岩，和含氧化铝的骨料如刚玉研磨剂(corundum abrasives)、粘土泥灰岩或熟料一起混合，并且燃烧；然后添加高达40重量％网状硅酸盐(tectosilicates)，例如凝灰岩，并且将所生成的产物研磨到平均颗粒尺寸小于0.063mm。而且，所使用的细粒成分是一种来自于废物焚化厂的细矿渣或来自于冶炼厂或炼钢厂的矿渣，并且该充气剂是表面活性剂。这些组分在下面进行更详细的解释。
代表性的生活垃圾通常包含，以重量百分数计，59至69％二氧化硅、4.9至7.8％氧化铁、5.1至6.3％氧化铝和8.3至10.3％石灰，并且因此适合于生产用于混凝土型固化的化合物的无机胶结剂。
可以在由来自于废物的专门燃料运转的废物焚化厂中进行胶结剂的生产。这产生18至26％二氧化硅、2至5％氧化铁、4至12％氧化铝和58至66％石灰和2至5％氧化镁，以重量％计为。
燃烧床温度至少为950℃，并且废物的热值至少为13MJ/kg。这确保实际上无需使用额外的初始能量用于燃烧目的。
使用的添加剂可以是来自于工业的含钙废物或含钙石头如白云石、方解石、石灰泥灰岩等，这些容易得到。
使用的骨料也可以是工业废物，如刚玉研磨剂，而且可以是粘土泥灰岩、熟料等。
这通常给出大约5％的灼烧损失、4％硫酸盐含量、大约3％的氯化物含量、5000cm2/克的Blair值和p＞2的总碱含量，其中总碱含量是通过p＝(CaO+MgO+Al2O3+Fe2O3)SiO3计算的。
由于在处理过程中发生离子交换作用和由于吸附作用(sorbtion)，包含于生活垃圾的任何有害物质被粘结，并且因此可以从胶结剂和由其生产的混凝土中浸滤，并且因此对环境没有任何明显的风险。很可能省略对原料只能使用相当大的费用才能获得这一需求。同时，基本上减轻与家庭废物的储存和处理有关的问题。由于能量实质上是由生活垃圾本身提供的，在生产胶结剂的过程中也非常节约能量。
根据本发明，所使用的细粒成分是来自于废物焚化厂的细矿渣或来自于冶炼厂或炼钢厂的矿渣。这些是固态的，不燃烧的残余物，该残余物在工业炉或废物焚化厂的焚化过程中出现。
在废物焚化中，矿渣占废物原重的约35％。除含铁组分之外，废物焚化矿渣也显著地包含较少量的非铁金属如各种量的铜、镍、铅、锌或锡。
可以将铁工厂矿渣破碎成高炉矿渣和炼钢厂矿渣，其中高炉矿渣在高炉中生产粗铁的过程中出现，而炼钢厂矿渣在转炉中、在电炉中和在Siemens-Martin炉中生产钢的过程中出现。
金属熔炼矿渣是在生产非铁金属的过程中形成的。根据现有技术，每吨粗铁大约产生250kg高炉矿渣，并且每吨粗钢大约产生120kg炼钢厂矿渣。因此生产大量矿渣，这可以重复使用。
高炉矿渣和炼钢厂矿渣在它们的化学组成上是不同的，但是由于它们的主要组分为氧化钙、二氧化硅、氧化铝和氧化铁，它们同样都适合用于本发明的方法。
已经发现由于从生活垃圾中获得的胶结剂的化学组成，和来自于废物焚化厂或工业炉中的细矿渣化学组成，无需使用铝粉。反而，例如可以使用相对便宜的充气剂，如表面活性剂。这应该理解为是指那些在界面(例如水/油)处从其溶液中极其富集的化合物，并且结果是形成更低的界面张力-在液体/气体体系中的表面张力。尽管在本发明的范围甚至极性溶剂如醇、醚、吡啶、烷替甲酰胺(alkyl formamides)等均是表面活性的，所使用的表面活性物质优选为那些具有亲脂性烃基(hydrocarbon radical)和亲水官能团或可能甚至许多亲水官能团--COONa、-SO3Na、-O-SO3Na等-的化合物；这种物质也被称为表面活性剂或洗涤剂。
这些可以是饱和的和不饱和的高级脂肪酸的水溶性钠或钾盐(也称为皂碱(lye soap))、或松香(colophonium)的树脂酸的水溶性钠或钾盐(也称为松香皂)、或环烷酸(例如，基于酪蛋白的富集的烷基萘磺酸)的水溶性钠或钾盐。而且，表面活性剂应该以相对于干燥之前的混合物的0.03至0.001重量％的量添加。
通过实施方案的非限制性实施例，可以生产，以绝对量计，由780kg权利要求1所述的水硬性胶结剂、290kg细矿渣、250kg水和0.25kg表面活性剂组成的混合物，该混合物在空气干燥之后产生具有密度大约为600kg/m3的加气混凝土砌块。
干燥也可以在无蒸汽固化和不产生高压下进行，反而，经证实空气干燥是足够的。加气混凝土砌块熟化处理(maturation process)到可加工性能在这种情况下大约为3至7天，最终强度随着干燥时间增加而增加。这不仅导致节约高能量，而且同样可以生产复杂的形状，由于不需要蒸汽高压釜。可以省略与使用铝粉有关的爆炸风险。
而且还发现在充气处理过程中，生产比常规生产方法情况下更低的膨胀压力。结果是，也可以使用价格低廉的材料作为模板材料(formworkmaterial)用于浇铸成型部件。使用便宜的原料如生活垃圾或来自于废物焚化厂或工业炉的细矿渣确保减少本发明方法的额外费用。
在通过本发明的方法生长的加气混凝土砌块的实际测试过程中，同样发现由于加气混凝土砌块的闭孔结构，吸收更少的水，并且没有发生收缩，而是，相反地存在轻微的膨胀。这抵消压紧区中形成裂缝的风险。
根据本发明生产的加气混凝土砌块的密度在650和1200kg/cm3之间。抗压强度和抗弯曲强度取决于密度，抗压强度和抗弯曲强度之间的比远大于混凝土的情况，即抗弯曲强度相对于抗压强度更高。例如，这确保由这种材料产生的隔热面板具有优良的稳定性。然而，通过本发明的方法，也可以用纤维例如基于椰子或合成材料来增强所生成的加气混凝土砌块，结果是可以进一步显著地增加抗弯曲强度。已经发现尤其是使用细矿渣代替常用的细砂，对通过本发明的方法生产的加气混凝土砌块的强度具有有利的效果。
为了获得更低密度，低达300kg/m3，除了表面活性剂之外还可以使用粉末铝，这是来自于权利要求6所述的回收材料的铝。在这种情况下，也可以省略能源紧张和复杂蒸汽高压釜操作。
根据进一步的特征，粉末铝以相对于干燥之前混合物的0.05至0.001重量％的量添加。所使用的铝粉的量一方面取决于所使用的表面活性剂的量，并且另一方面取决于最终生产的加气混凝土砌块所要求的性能，尤其是密度。铝粉的添加量在原则上确保干燥之后的孔隙结构是粗大的，结果是降低加气混凝土砌块的密度。尤其是，平均孔径取决于所使用的铝粉的平均颗粒尺寸。因此显而易见的是取决于所使用的铝粉和充气剂的混合比和颗粒尺寸，可以获得最终加气混凝土砌块的不同性能。
尤其是当使用来自于回收材料的铝粉时，已经证实有利的是在向总混合物添加之前将粉末铝与醇溶液混合。这是因为铝容易被氧化层覆盖，这使铝变得无反应活性。用醇涂覆防止铝粉表面氧化，结果是在本发明的方法中铝粉的效果最佳。
然而，根据本发明，也可以想到代替细矿渣，使用的细粒成分是来自于废物焚化厂的飞灰或来自于冶炼厂或炼钢厂的矿渣。如果能使所产生的加气混凝土砌块的某些性能最佳，当然，也可以用常规的水泥替换上述水硬性胶结剂的量，或用常规的细砂代替细矿渣的量。通过实施方案的非限制性实施例，因此对具有密度为500至600kg/cm3和强度为25至40kg/cm2(干燥28天之后)的加气混凝土砌块，可提出下述组合物·330kg权利要求25的水硬性胶结剂、165kg细砂、230kg水和0.5kg的表面活性剂和铝粉的混合物；·330kg权利要求25的水硬性胶结剂、165kg飞灰、230kg水和0.5kg的表面活性剂和铝粉的混合物；·165kg权利要求25的水硬性胶结剂、165kg水泥、165kg飞灰、300kg水和0.5kg的表面活性剂和铝粉的混合物。
由于精确调整的组合物，因此可以获得由本发明方法生产的不同性能的加气混凝土砌块。甚至在复杂形状的情况下的可以性由于省略了蒸汽固化操作而变得非常简单。
因此，本发明提供一种用于生产加气混凝土砌块的极其廉价的方法，该方法非常适合用于如高级、隔热的轻建筑材料。
本发明的其它优点、特征和细节从以下实施方案的优选实施例的说明并且参考示意图可以看出，其中
图1表示要被粉碎的产物的斜视图；图2表示被粉碎的产物的斜视图；图3表示用于处理产物的设备的斜视图；图4表示该设备放大的局部截面；图5表示图4的放大细节；图6表示工具部件的侧视图。
图1表示一堆由球形组分12构成的碎片10。通过在活化器(如下所述)中对该混合物进行高的机械应力，粉碎产物，结果是尤其实现表面积的增加。而且，改变飞灰的球状结构，使得生产无定形结构。这种结构通过将机械粉碎处理形成的单个颗粒14钩在一起(hook together)促进胶结过程，并且增加强度值，尤其是抗压强度和抗弯曲强度。
颗粒12碰撞到活化器和相对彼此碰撞和在活化器上发生反射(reflection)的结果是，在颗粒12中传播冲击波，并且导致其颗粒分裂成无定形结构，并且破坏颗粒内部的晶格结构，如图2所示。
在所谓的活化器20中进行粉碎，该活化器具有机械平台22、转子24和定子30、它的盖板32被转子轴26穿过。转子轴相对于转子24的垂直轴A同轴运行。
电动机36(从定子壁34外可见)利用转子轴26上的V形皮带38驱动转子24。转子24的旋转速度可以通过变频器(未显示)以无级方式调节。
附图标记40表示筒仓，碎片10从该筒仓供应到定量装置42。在定量装置之下，运行是传送带44的地面高度的水平臂(floor-level horizontalarm)45，在这种情况下当从纵截面看时该传送带为Z型；所述传送带的倾斜中部46并入定子30的盖板32以上的前臂47。布置在所述前臂下游是窝眼盘闸50，通过该闸输送的货物10注入活化器20内部。
图4、5说明半径跨度在转子24的外面28和定子30的内面29之间的环形室(annular chamber)52。工具54和54r分别从两面28、29径向伸出。所述工具在两侧接近其前端56处具有通道状凹槽58，如图6所示。
在环形室或环形隙52中，混合物10以螺旋形方式向下输送，其中其停留时间可以由相反方向的气流调节。该气流还驱散过量的热量。在该环形室52中，通过脉冲对着定子30向外抛掷单个颗粒14，脉冲是由转子工具54r引起的。
定子20和转子24的工具54和54r都被混合物层10永久覆盖，以使颗粒彼此碰撞并且主要与该层碰撞。这种相互碰撞和由此实现的效果-如塑性变形、修复特性、分裂、摩擦-导致该颗粒14的物理性能发生根本改变。
由于覆盖该工具54、54r的混合物层被轴承及其阻力支撑，工具54、54r的质量基本上有助于脉冲和脉冲中断并且由此产生的相互作用，如工具54、54r之间的反射。
权利要求
1.一种用于生产基于有机的水硬性胶结剂的方法，特征在于通过机械化学和/或摩擦机械反应，使潜在水硬材料活化成为来自热过程的残余物。
2.权利要求1的方法，特征在于通过动力冲击(kinetic impingement)，以及脉冲和与其有关的脉冲中断的相互作用改变该材料混合物的晶格结构，从而产生等离子体粒团颗粒状态。
3.权利要求2的方法，特征在于通过冲击波和/或由脉冲和/或脉冲中断引起的幽闭能量来改变颗粒结构。
4.权利要求2或3的方法，特征在于通过发生的脉冲和脉冲中断或反射来改变颗粒，形成无定形结构。
5.权利要求的方法4，特征在于冲击波和/或幽闭能量是通过颗粒的碰撞产生的，并且将颗粒转变为无定形结构。
6.权利要求3-5中任一项的方法，特征在于与幽闭能量相互作用的冲击波在超声范围中传播。
7权利要求3-5中任一项的方法，特征在于作用于颗粒的大部分幽闭能量转变为热能。
8.权利要求7的方法，特征在于热能是由所生成的表面带走的，并且释放到工艺空气中。
9.权利要求1-8中任一项的方法，特征在于飞灰、煅油页岩(burnt oilshale)和矿渣砂是在提供含氧流体的条件下添加氧化钙、氢氧化钙、碳酸钙和/或氧化铝或氢氧化铝进行氧化处理的。
10.权利要求1-9中任一项的方法，特征在于该胶结剂是从燃烧由包含硅酸、氧化铝、氧化铁和石灰的材料而形成的飞灰的残余物中得到的，所述飞灰优选取自烟煤、褐煤或无烟煤发电站。
11.权利要求1-9中任一项的方法，特征在于该胶结剂是从燃烧由包含硅酸、氧化铝、氧化铁和石灰的材料而形成的煅烧灰或飞灰的残余物中得到的，所述灰优选取自工业炉。
12.权利要求1-9中任一项的方法，特征在于该胶结剂具有由燃烧包含硅酸、氧化铝、氧化铁和石灰的材料而形成的矿渣砂或煅油页岩。
13.权利要求9-12中任一项的方法，特征在于大约0.2至30重量％的铝酸钙作为添加成分。
14.权利要求9-12中任一项的方法，特征在于大约0.1至20重量％的铝酸钠或铝酸钾作为添加成分。
15.权利要求1-14中任一项的方法，特征在于向胶结剂中添加铝粉生产多孔混凝土。
16.权利要求1-15中任一项的方法，特征在于向胶结剂中添加阳离子表面活性剂，并且将胶结剂制成水密性的和抗水性的。
17.权利要求1-16中任一项的方法，特征在于在活化器中从潜在的水硬性组分生产水硬性胶结剂。
18.权利要求17的方法，特征在于将待活化的材料逆着地心引力注入活化器的环形间隙中，其中气体以相反的方向流动。
19.权利要求18的方法，特征在于对着定子抛掷材料颗粒，定子确定向外的环形间隙，并且产生脉冲。
20.权利要求18或19的方法，特征在于对着活化器工具上的混合物层抛掷材料颗粒，并且产生脉冲。
21.一种用于建筑工程和土木工程的建筑构件如砖、面板或成型部件的生产方法，特征在于在每一种等量的具有颗粒尺寸小于100μm的粘土、具有颗粒尺寸为100μm至2mm的细砂和具有颗粒尺寸大于2mm的砂的混合物与聚合电解质优选基于丙烯酰胺的聚合物或共聚物，和水硬性胶结剂一起混合，放入模具，并且在至少为40N/mm2的压力下成型。
22.一种用于建筑工程和土木工程的建筑构件如砖、面板或成型部件的生产方法，特征在于在每一种等量的具有颗粒尺寸小于100μm的粘土、具有颗粒尺寸为100μm至2mm的细砂和具有颗粒尺寸大于2mm的砂的混合物与聚合电解质优选基于丙烯酰胺的聚合物或共聚物，和沥青乳液一起混合，放入模具，并且在至少为40N/mm2的压力下成型。
23.权利要求21或22的方法，特征在于相对于由粘土、细砂和砂组成的混合物的干重，添加0.001至2重量％的聚合电解质。
24.权利要求21或23的方法，特征在于在与水硬性胶结剂混合之前，向水硬性胶结剂添加苯乙烯丙烯酸共聚物。
25.一种加气混凝土砌块的生产方法，其中生产由水硬性胶结剂、细粒成分、水和充气剂组成的混合物，在模具中浇铸并且干燥，特征在于为了生产水硬性胶结剂，粉碎生活垃圾，均化，并且与含钙添加剂如白云石、方解石、石灰泥灰岩或泥灰岩和含氧化铝的骨料如刚玉研磨剂、粘土泥灰岩或熟料混合，并且燃烧，然后与高达40重量％的网状硅酸盐例如凝灰岩混合，并且将所生成的产物研磨成平均颗粒尺寸小于0.07mm，优选0.063mm，所使用的细粒成分是来自于废物焚化厂的细矿渣或来自于冶炼厂或炼钢厂的矿渣，以及充气剂是表面活性剂。
26.权利要求25的方法，特征在于所使用的表面活性剂是饱和的和不饱和的高级脂肪酸的水溶性钠或钾盐或松香的树脂酸(松香皂)或环烷酸优选基于酪蛋白增浓烷基萘磺酸的水溶性钠或钾盐。
27.权利要求25或26的方法，特征在于相对于干燥之前的混合物，添加0.03至0.001重量％的表面活性剂。
28.权利要求25-27中任一项的方法，特征在于所使用的辅助充气剂是来自于回收材料的粉末铝。
29.权利要求28的方法，特征在于相对于干燥之前的混合物，添加0.05至0.001重量％的粉末铝，其中粉末铝优选在添加之前与醇溶液混合。
30.权利要求25-29中任一项的方法，特征在于所使用的细粒成分是来自于废物焚化厂的飞灰或来自于冶炼厂或炼钢厂的矿渣。
31.实施权利要求1-20中的至少一项的方法的设备，特征在于活化器(20)在机械平台(22)上配备有定子(30)和转子(24)，其中定子和转子将环形室或环形间隙(52)限定为材料(10，12)的传输路径。
32.权利要求31的设备，特征在于定子(30)和/或转子(24)的工具(54，54r)它们被分配给环形间隙(52)，并且至少部分被混合物层覆盖。
33.权利要求31或32的设备，特征在于布置在环形间隙(52)上游的定量装置(42)，以及至少一种固定到环形间隙的另一端的空气供应管线。
34.权利要求1-20中至少一项的方法生产的胶结剂与增加量的铝酸钙和添加耐火材料组分在生产耐火衬里和成型部件中的用途。
35.聚合电解质优选基于丙烯酰胺的聚合物或共聚物在生产建筑工程和土木工程的建筑构件如砖、面板或成型部件中的用途。
36.用于建筑工程和土木工程的成型部件或砖，特征在于它包含聚合电解质优选基于丙烯酰胺的聚合物或共聚物。
全文摘要
在生产基于无机的水硬性胶结剂的方法，通过机械化学和/或摩擦机械反应，使潜在的水硬材料活化成热过程的残余物。通过动力冲击，以及脉冲和与其有关的脉冲中断的相互作用改变该材料混合物的晶格结构，从而产生等离子体粒团颗粒状态；颗粒结构是通过冲击波和/或由脉冲和/或脉冲中断引起的幽闭能量来改变的。通过发生的脉冲和脉冲中断或反射来改变颗粒，形成无定形结构。所述改变是通过下述设备进行的，所述设备包括活化器(20)，其在机械平台(22)上具有定子(30)和转子(24)。定子(30)和转子(24)将环形室或环形间隙(52)限定为材料(10，12)的传输路径。工具与定子(30)和/或转子(24)的环形间隙相关，并且至少部分被混合物层覆盖。定量装置(42)和至少一个施加至其它环空间的气流布置在环形空隙的前面。
文档编号B02C2/10GK1874971SQ200480032643
公开日2006年12月6日 申请日期2004年9月7日 优先权日2003年9月8日
发明者克里斯托弗·穆特, 埃杜阿德·布泽茨基, 埃克哈德·马朗 申请人:克里斯托弗.穆特