建筑材料的制作方法

专利名称：建筑材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及到适于建筑例如道路、桥梁、隧道和建筑物的建筑材料。本发明也涉及制备这种材料的方法及其用途。
背景技术：
由US5932000，建筑材料和制备这种包含适于建造桥梁、道路、隧道、建筑物、海上构筑物的混凝土组合物的材料的方法是已知技术，其中公开了由水硬性胶结剂、骨料、水和胶体二氧化硅制备混凝土的方法。
US5149370公开了包括适用于油井用途的含水胶体硅酸的水泥浆。
提供新的适于产生更强于迄今生产的材料的建筑材料的组合物是本领域希望的。提供含有能引起生产成本降低的较低量的添加剂也是希望的。此外，制备例如在混凝土混合物凝固之前的时期内能保持它们的高和易性的混凝土混合物是希望的。
本发明用于解决以上介绍的问题。
本发明本发明涉及含有水硬性胶结剂、水和铝-改性的胶体二氧化硅的建筑材料。
已经令人惊奇地发现含有所述组分的建筑材料增加了该建筑材料的早期强度以及长期强度。此外，已经发现含有铝-改性胶体二氧化硅的建筑材料保持高和稳定的和易性。
术语“建筑材料”意指材料，尤其是并未凝固的适用于以下建筑的，例如道路、隧道、桥梁、建筑物、混凝土管、固井、地下建筑和其它胶结灌浆以及如码头、桥墩和防波堤的海上构筑物。
术语“铝-改性的二氧化硅”意指任何形式的铝-改性的胶体二氧化硅，这里胶体二氧化硅可以是，例如，硅溶胶、沉淀的二氧化硅、硅胶、汽相法二氧化硅、硅烟灰(fume)或其混合物。即使铝-改性的硅溶胶是优选的、和在下面仅仅详细讨论的形式，其它的形式可以代替或与铝-改性硅溶胶混合作为建筑材料中的添加剂。
铝-改性的硅溶胶，有时也称为铝酸盐或铝-改性的硅溶胶，可通过搅拌下向常规未改性硅溶胶加入适当量的铝酸根离子Al(OH)4-制备。铝酸根离子溶液适合是稀释的铝酸钠或铝酸钾溶液。二氧化硅颗粒适合具有约0.05至约2的Al原子/nm2的二氧化硅颗粒表面积，优选约0.1至约2Al原子/nm2。铝-改性的二氧化硅颗粒含有嵌入或交换的铝酸根离子，产生具有固定的负表面电荷的硅铝酸盐位点。与常规的未改性硅溶胶相比，铝-改性的二氧化硅颗粒保持高的负表面电荷直到pH3，其中当pH减少时，通常降至约pH2，负表面电荷减少，它是未改性硅溶胶的零电荷点。因此，在pH低于约8时对于未改性硅溶胶表面电荷因此低于铝-改性的硅溶胶。可以适当地调节铝-改性的硅溶胶的pH，优选通过离子交换树酯，至约3至约11的pH范围，优选约4至约10。其后浓缩铝-改性的硅溶胶以得到约1至约60wt％的二氧化硅含量，优选约5至约50wt％。这种铝-改性的二氧化硅颗粒合适地具有约0.05至约3wt％的Al2O3含量，优选约0.1至约2wt％，更优选约0.1至约1wt％。铝-改性的二氧化硅直径是约2至约200nm，优选约3nm至约100nm。例如，ller，K.Ralph的“The Chemistry of Silica”，John Wiley & Sons(1979)，407-409页，和US5368833进一步公开了制备铝-改性的硅溶胶的步骤。
关于这一点，铝-改性的胶体二氧化硅也意指包括胶体二氧化硅的反应产物，它已经与位于建筑材料或形成如硅酸钙水合凝胶的建筑材料混合物中的水硬性胶结剂或其它成分发生化学反应。
铝-改性的二氧化硅颗粒适于分散在水或其它溶剂中，例如有机溶剂，如醇，或者水和有机溶剂的混合物。铝-改性的二氧化硅颗粒适于由阳离子稳定，例如K+、Na+、Li+、NH4+或其混合物。
铝-改性硅溶胶的比表面积适合是大约10至大约1200m2/g，优选大约30至大约1000m2/g，最优选大约60至大约900m2/g。
组成建筑材料的组分的混合物是对水/水硬性胶结剂比敏感的物质。如果含有太多的水，这会使得组合物不稳定，导致泌浆和离析。通过加入铝-改性硅溶胶，避免这样的效应，同时，与含未改性硅溶胶的组合物相比，获得具有高早期强度和长期强度的材料。
铝-改性胶体二氧化硅颗粒不同于氧化铝包覆的二氧化硅颗粒，该颗粒中颗粒的二氧化硅表面由氧化铝层包覆(涂覆)，导致颗粒显示与铝颗粒一样的性能。氧化铝颗粒和氧化铝包覆的二氧化硅颗粒都具有例如正表面电荷。
水硬性胶结剂可以是，例如，水泥，如普通硅酸盐水泥(OPC)，或者混合水泥如US6008275所述。
组成建筑材料的组分，即水硬性胶结剂、铝-改性胶体二氧化硅和水适于具有如下的重量比水硬性胶结剂(干重)∶铝-改性胶体二氧化硅(干重)大约为1∶0.0005至1∶0.2，优选大约1∶0.00 1至约1∶0.1。水硬性胶结剂(干重)水的重量比适合是约1∶0.22至约1∶4，优选大约1∶0.25至1∶2.5。
按照优选的实施方案，骨料可以包括在建筑材料中。术语“骨料”意指如石头、沙砾和沙子，以及其它优选的无机材料，它们适于具有约0.01至约100mm的平均粒子直径，优选大约0.125至大约100mm。以水硬性胶结剂的重量计，建筑材料中适合包含的骨料是大约100至大约1000wt％。骨料有助于建筑材料的更高强度，并且使生产成本低。
优选地，建筑材料中可包含细的填料，以骨料重量计适当的范围是大约0.1至大约40wt％。细填料的加入有助于密度更高和更稳定的组合物。
术语“细填料”意指最大直径125μm的颗粒。适合的细填料包括石灰石、沙子、玻璃、粉煤灰和其它无机材料，例如硅酸钙镁。使用的细填料的类型取决于用途。在瑞典自密实混凝土(SCC)中，通常采用石灰石，而在德国SCC和美国住宅混凝土中，通常采用粉煤灰，至于瑞典高强度混凝土(HSC)，通常包括作为细填料的沙子。
优选地，细填料∶骨料的重量比是约0.001∶1至约0.4∶1，优选大约0.015∶1至约0.3∶1。
按照优选的实施方案，建筑材料包括增塑剂和/或超增塑剂，例如磺化萘甲醛缩合物，磺化蜜胺甲醛缩合物，多羧酸盐或其混合物，优选多羧酸盐和/或磺化萘甲醛缩合物。用于固井用途的建筑材料时，磺化萘甲醛缩合物是特别优选的，由于这些超增塑剂对于井中产生的高温不敏感。
术语“多羧酸盐”这里意指包括含有在其上面具有连接的羧基的骨架的一组聚合物化合物。多羧酸盐分子量适合是大约1000至大约2000000g/摩尔，优选大约2000至大约1000000g/摩尔。骨架也可包括其它相连的基团，例如聚丙烯酸或聚醚链。骨架的分子量适合是大约1000至大约100000g/摩尔，优选大约5000至大约20000g/摩尔。例如，US6008275进一步描述了适合的多羧酸盐。
其它的添加剂也可包含于建筑材料中，例如，缓凝剂、引气剂、促凝剂、乳化乳胶、疏水剂、收缩减水剂、腐蚀抑制剂等。以水硬性胶结剂的重量为基准，这些添加剂的剂量适合是约0.1至约10wt％(干重)。
本发明也涉及包括水硬性胶结剂、铝-改性硅溶胶和水的反应产物的建筑材料。
本发明进一步涉及制备建筑材料的方法，包括混合水硬性胶结剂、水和铝-改性的胶体二氧化硅，优选铝-改性的硅溶胶。
这些组分可以以任何顺序添加。优选地，在已经混合其它组分之后加入铝-改性的胶体二氧化硅。组分之间混合的适当重量比如上所述。
本发明进一步涉及如上所述的建筑材料在建筑中的用途，例如道路、隧道、桥梁、如住宅和商业混凝土建筑的建筑物、混凝土管、固井、包括胶结灌浆、采矿用途的地下粘结工程和海上构筑物。
如此介绍本发明，很明显同样的事可以以许多方式改变。这样的变化并不认为是背离本发明的要点的范围，所有这样的对于本领域的熟练人员明显的修正包括在权利要求的范围内。下列实施例进一步说明介绍的发明如何实施，并不是限制它的范围。
实施例1-3使用的下列硅溶胶如下所示。所有二氧化硅(SiO2)和氧化铝(Al2O3)含量的重量百分比以整个硅溶胶产品的重量为基准。
硅溶胶1Al-改性硅溶胶，比表面积850m2/g，SiO2含量7.7wt％，Al2O3含重0.33wt％。
硅溶胶2未改性硅溶胶，比表面积900m2/g，SiO2含量10wt％。
硅溶胶3未改性硅溶胶，比表面积750m2/g，SiO2含量15wt％。
硅溶胶4Al-改性硅溶胶，比表面积80m2/g，SiO2含量47wt％，Al2O3含量0.25wt％。
硅溶胶5未改性硅溶胶，比表面积80m2/g，SiO2含量50wt％。
硅溶胶6Al-改性硅溶胶，比表面积220m2/g，SiO2含量30wt％，Al2O3含量0.2wt％。
硅溶胶7未改性硅溶胶，比表面积220m2/g，SiO2含量30wt％。
硅溶胶的比表面积由Sear方法测定，如ller，K.Ralph的“TheChemistry of Silica”(1979)，p.203-206，353-354所述。
实施例1在以下样品1-6的制备中，向II级水泥(Bygg Cement-SkvdeCEM II/A-L42.R)以如表1显示的量加入铝-改性或未改性硅溶胶和超增塑剂(Glenium51)。向其中加入200kg水，120kg细填料(石灰石)，骨料和超增塑剂(Glenium 51)(参见表1)。加入骨料，这样水泥、石灰石和骨料的总重成为2140kg/m3。
通过测量初始铺展(initial spread)评估制备样品的和易性。通过在具有确定圆锥直径的坍落度筒中放置新混合的混凝土组合物测量初始铺展，该度筒随后颠倒，这样以致于物质由度筒移去后开始流出(根据标准试验方法ASTM C 143)。高铺展表示高和易性，它确保这种混凝土泥料能够在其凝固的位置上流动。高的和易性也确保这种混凝土料可贮藏一段时间，不会损失它刚刚制备完时具有的流动性。
表1
回到表1，可得出如下结论，与含有未改性硅溶胶的样品2相比，含有铝-改性硅溶胶的样品1具有更高的早期强度(24小时之后)和长期强度(28天之后)，即使样品1的二氧化硅含量略微低于样品2。
同样地，含有铝-改性硅溶胶的样品3，显示高于含有未改性硅溶胶的样品4的早期强度(这两种样品具有基本上相同的二氧化硅含量)。样品6，含有铝-改性硅溶胶，显示高于样品5的早期强度和长期强度，即使样品5的二氧化硅含量低于样品6。
实施例2
在以下样品1-6的制备中，向II级水泥(Bygg Cement-SkvdeCEMII/A-L42.R)加入铝-改性或未改性硅溶胶。向其中加入200kg水，120kg细填料(石灰石)，骨料和超增塑剂(Glenium 51)(参见表2)。加入骨料，这样水泥、石灰石和骨料的总重成为2140kg/m3。以表2所示的量加入超增塑剂和硅溶胶。通过测量初始铺展评估制备样品的和易性(参见实施例1)。90分钟之后亦测量铺展(坍落铺展)。同样计算和易性的损失，即，初始铺展和90分钟之后铺展的差异。坍落铺展越高，即在初始铺展测量之后铺展90分钟，和易性损失越低。
表2
表2可见，含有铝-改性硅溶胶的样品1，显示比样品2更低的和易性损失(样品1稍微具有较低的二氧化硅含量)。进一步观察到含有铝-改性硅溶胶的样品4，具有低于样品3的和易性损失(样品3和4具有相同的二氧化硅含量)。进一步观察到含有铝-改性硅溶胶的样品5具有低于样品6的和易性损失，即使样品5的二氧化硅含量稍低。通常，由所得的结果，人们能够推断对于含有铝-改性硅溶胶的样品，和易性的损失仅仅约是含未改性硅溶胶的样品的百分之60。
实施例3为了评估或者含铝-改性硅溶胶或者含未改性硅溶胶的水泥浆的流动性，由I级水泥(Anlggningscement Degerhamn CEM I42，5BV/SR/LA)制备4种泥浆。泥浆具有0.35的水/水泥重量比，以水泥重量为基准，向泥浆中加入2wt％的硅溶胶和1wt％的超增塑剂(30wt％磺化萘甲醛缩合物溶液)。
柔和地搅拌混合泥浆。接着通过ConTec Viscometer Model 4(BML粘度计)分别于15、30、60和90分钟之后评估屈服值和塑性粘度(泥浆流变学的度量)。屈服值是使如水泥浆移动所需力的度量。
表3
比较表3的样品，含有铝-改性硅溶胶的样品1和4的屈服值，略低于样品2和3。泥浆应该具有最小的屈服值，以获得基本上零自由水(无泌浆)。
表4
表4显示在含有铝-改性硅溶胶和未改性硅溶胶的样品之间，塑性粘度有很大差异。当比较二氧化硅含量基本上相同的样品1和2时，观察到样品1(含有铝-改性硅溶胶)具有低于样品2的塑性粘度。也可观察到样品3(含有铝-改性硅溶胶)具有低于样品4(样品3和4具有基本上相同的硅含量)的塑性粘度。具有良好流动性和基本上零游离水的泥浆，即不易于泌浆，是极有益的，尤其在固井中。低塑性粘度意味着良好的流动性，良好的渗透和结合性。
权利要求
1.包括水硬性胶结剂、水和铝-改性胶体二氧化硅的建筑材料。
2.如权利要求1的建筑材料，其中胶体二氧化硅是铝-改性的硅溶胶。
3.如权利要求1-2的任何一项所要求的建筑材料，其中水硬性胶结剂和铝-改性胶体二氧化硅的重量比是约1∶0.0005至约1∶0.2。
4.如权利要求1-3的任何一项所要求的建筑材料，其中水硬性胶结剂和水的重量比是约1∶0.22至约1∶4。
5.如任何一项在先权利要求所要求的建筑材料，其中水硬性胶结剂是水泥。
6.如任何一项在先权利要求所要求的建筑材料，其中建筑材料包括骨料。
7.如任何一项在先权利要求所要求的建筑材料，其中建筑材料包括一种细填料。
8.如任何一项在先权利要求所要求的建筑材料，其中细填料和骨料之间的重量比是约0.001至约0.4。
9.如任何一项在先权利要求所要求的建筑材料，其中胶体二氧化硅具有约0.05至约3wt％的Al2O3含量。
10.如任何一项在先权利要求所要求的建筑材料，进一步包括增塑剂和/或超增塑剂。
11.按照权利要求10的建筑材料，其中超增塑剂是多羧酸盐和/或磺化萘甲醛缩合物。
12.建筑材料，其中该材料包括权利要求1的反应产物。
13.制备如权利要求1-10的任何一项所要求的建筑材料的方法，包括混合水硬性胶结剂、水和铝-改性胶体二氧化硅。
14.如权利要求13所要求的方法，其中胶体二氧化硅是铝-改性硅溶胶。
15.如权利要求13-14任何一项所要求的方法，其中铝-改性胶体二氧化硅在已经混合其它成分之后加入。
16.如权利要求1-12的任何一项所定义的建筑材料在道路、隧道、桥梁、建筑物、混合土管、固井、地下粘接、海上构筑物以及采矿应用中的用途。
全文摘要
本发明涉及含有水硬性胶结剂、水和铝－改性胶体二氧化硅的建筑材料。本发明也涉及制备这种材料的方法及其用途。
文档编号C04B24/22GK1437567SQ0181148
公开日2003年8月20日 申请日期2001年3月28日 优先权日2000年6月22日
发明者P·格林伍德, H·伯格奎斯特, U·斯卡普 申请人:阿克佐诺贝尔公司