专利名称：可机械加工的轻质剑麻基混凝土结构建筑材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及可机械加工的轻质混凝土结构建筑材料。更具体而言，本发明涉及轻质剑麻基混凝土结构建筑材料，其具有类似木材的特性，并可切割、上螺丝(screwed)或钉钉子(nailed)。
背景技术：
物种Agave sisalana(或俗称剑麻)，是一种龙舌兰科的植物。它的纤维已被认为是叶片纤维类中最重要的纤维。此类纤维包括硬纤维、粗纤维。这些纤维(通常指“硬纤维”)通常为长而刚性的，且通常在缆索工业中用于生产绳索和麻绳。除其农业用途，剑麻还在航海、航运和工业部门中用于生产垫子、席子、刷子和航用型绳索。剑麻浆也用于造纸工业。剑麻浆所具有的某些特性使其适于制造很多特种纸张，例如其高抗扯性、高α纤维素含量、高孔隙性、高松密度、高吸墨性。
长剑麻纤维及其产品是其工业中的主要支柱，且它也使得该工业得以维持。然而，其只占剑麻植物的2％。其余的部分为生物质(biomass)和短纤维，它们被丢弃或付出经济和环境的代价来焚烧。在全世界300,000吨的纤维生产中，约15,000,000百万吨是被称为“废料”的生物质和短纤维。在以基于庄园的生产方式为主的非洲这种情况更为普遍，因此叶片被运送到中心工厂以去皮，由此处理如此大量的生物质成为一个问题。传统的解决方法是泵入大量的水以将这一材料从去皮机运走，在某些地方直接冲入河流，造成水中的氧耗尽。由于这种低利用度，使得从这种植物中得到的利润很低。
已对建立如何最好地商业化利用这一大量的生物质进行了研究。现在焦点集中在将其用作能源(生物气体和电力)、动物饲料、有机土壤改进剂、药物以及包袋和填充物的原材料上。
此外，剑麻工业集中在非洲的大部分赤道区、中美洲、南美洲和亚洲(尤其是中国)。其生产于世界的某些最贫穷地区，且在很多情况下它是那些地区唯一的收入和经济活力的来源。因此，其对减轻贫困和为近六百万人提供农业就业的努力有着重要贡献。
因此，短纤维如果能用在通常需要消耗大量原材料的建筑工业中将是很有利的。
美国专利第6,017,595号(授予Brenot等)揭示了一种用于制造结构建筑材料的混合组合物，其包括再生的废料，例如从水处理植物中获得的含杂质的石灰；加固料，例如纤维玻璃、金属材料、剑麻纤维或塑料；以及聚合材料，其较佳为包含聚氨酯泡沫体。更具体而言，Brenot等讲授了含有20-40％废料、5-20％加固料和40-75％聚合材料的混合组合物。美国专利第6,438,915(授予Beauboeuf)揭示了一种作为新型墙体结构的预制墙板。该墙板由珍珠岩、水泥、水和1-12英寸长的剑麻纤维组成。
另一方面，已使用多种组合物来制备建筑工业用的轻质混凝土。珍珠岩是在轻质混凝土中常用的组分。珍珠岩是天然存在的硅质岩的总称。珍珠岩具有许多用途，这些用途通常分为三类建筑应用、园艺应用和工业应用。由于珍珠岩具有极佳的绝缘特性和较轻的重量，它被广泛用作砖石结构中的松散填料绝缘物。除了提供热绝缘以外，珍珠岩还提高了防火评价(fire rating)、减低噪声传播，而且它还能抗腐蚀、抗虫和抗白蚁。当珍珠岩用作混凝土中的骨料时，能产生轻质、防火、绝缘的混凝土，该混凝土是天花板和其它应用中的理想材料。珍珠岩也可用作外部应用中的波特兰水泥和石膏灰泥中的骨料，以及用于横梁和支柱的防火。其它建筑应用包括地板下绝缘、烟囱内衬、油漆立体花纹、生石膏板、吊顶板材和屋顶绝缘板。
大部分轻质混凝土用于房屋和屋顶建筑，其具有普通混凝土的许多基本特性，例如强度和硬度。这些材料不能像木材一样被机械加工、钉钉子或上螺丝。因此，它们的用途仅限于某些应用中。
另一方面，加气剂常用于制造波特兰水泥和石膏灰泥以及其它建筑材料。加气是将许多小气泡加入混凝土，并使其成为在硬化的水泥浆中将骨料结合在一起的填质(matrix)中的一部分的过程。这些气泡分散在整个硬化的水泥浆中；它们像柔性球体一样发挥作用，关系到水泥浆塑性和可加工性的增强。加气是通过以下步骤完成的产生微小的气泡；通过搅拌将其引入；以及通过浆相的灰浆或混凝土中的加气剂将其稳定。已知加气剂的使用可增强加气混凝土的抗冻融和抗剥落性、提高可灌筑性(placeability)以及降低新鲜混凝土的泌浆和分凝。加气混凝土比非加气混凝土更具可加工性。
加气剂是有机添加剂，而最常用的是化学表面活性剂，这些表面活性剂可分为四类木树脂的盐类；合成去污剂；石油酸的盐类；以及脂肪酸和树脂酸及其盐类。以Airalon的商品名市售(由Grace Construction Products，Cambridge，MA 02140生产)的中性氢化芳族和脂肪族羧酸的水溶液是一种水泥工业中常用的加气剂。已知Airalon产生稳定的气体、具有低的加入率且安全并易于操作。Airalon的配料量取决于各种水泥的细度和所需的气体含量，其常用量为0.03-0.35％。
德国专利号xxx(授予xx)揭示了一种可机械加工、可钉钉子和可上螺丝的木基混凝土。该混凝土由波特兰水泥、混凝土砂、木屑以1∶1∶4的比例组成。为了生产这种混凝土，要将粗木屑浸在水中48小时，然后将其与水泥和混凝土砂混合以形成该木混凝土。虽然该现有技术拓展了水泥的特性，但是从其组成可显而易见的是为了制造这种混凝土需要耗用大量的木材。普通公众都知道木材是最有价值的天然资源之一，而且保护树木和森林对我们的环境具有极大的影响。
基于以上描述，显见对于无需使用木材但具有木材特性，从而可以机械加工、钉钉子和上螺丝的改进型轻质混凝土是有需求的。同样还迫切需要在建筑或其它工业中有效利用短剑麻纤维以将目前的废料变成有价值的原材料来源。
发明概述在某一实施方式中，本发明涉及可机械加工的轻质剑麻基混凝土结构建筑材料，其包含约22-33％(v/v)的剑麻纤维；约12-22％(v/v)的水泥；和约51-59％(v/v)的轻质矿物质。该轻质矿物质较佳为珍珠岩。该剑麻纤维的长度为约0.75-2.0英寸。
在另一实施方式中，本发明的可机械加工的轻质剑麻基混凝土结构建筑材料还包含足量的加气剂，以增强该材料的塑性和可加工性(workability)。
在另一实施方式中，本发明涉及生产可机械加工的轻质剑麻基混凝土结构建筑材料的方法。该方法包括以下步骤将预定量(pre-measured amount)的水泥和预定量的珍珠岩彻底混合以形成均一的固体混合物；加入预定量的水，并将所述水与所述固体混合物彻底混合以形成泥浆；加入预定量的剑麻纤维，并将所述剑麻纤维彻底混合入泥浆中以形成均一的最终组合物；以及，将所述最终组合物注入模子中，并在所述模子中将所述最终组合物凝固为固体形式的结构建筑材料。所得的结构建筑材料具有类似于木材的特性。它的重量很轻，且可机械加工、上螺丝、切割和钉钉子。
本发明的一个目的是提供一种可机械加工、上螺丝、切割和钉钉子的轻质可机械加工的混凝土结构建筑材料的组合物。
本发明的另一目的是提供一种生产轻质可机械加工的混凝土结构建筑材料的方法。
本发明的另一目的是为建筑工业提供一种短剑麻纤维的有效使用方法。
通过以下对本发明的详细描述和本文附加的权利要求书，本发明的上述和其它目的和优点将变得显而易见。
发明详述在某一实施方式中，本发明提供了一种可机械加工的轻质剑麻基混凝土结构建筑材料，其包含足量的剑麻纤维、水泥和轻质矿物质。
该剑麻纤维为短剑麻纤维。该短剑麻纤维可获自任何产剑麻纤维的植物。该剑麻纤维在总固体成分中较佳为占约22-33％(体积比)。通常，当在组合物中使用的剑麻纤维越多，结构建筑材料就越柔软并更易加工。本文的加工和可机械加工包括用锯子切割、钉钉子、上螺丝和其它适合的建筑加工。对于室内建筑材料，这种可机械加工性更为所需。组合物中使用的剑麻纤维越少，该结构建筑材料就越硬和越坚固，则该材料更适用于外部建筑。
轻质矿物质可为珍珠岩、浮石、膨胀粘土、矿尘和石灰。在某一优选实施方式中，由于珍珠岩所具的轻质、绝热和吸音特性而使用了珍珠岩。较佳地，珍珠岩的量在总固体成分中占约50-60％(体积比)。水泥是该结构建筑材料中的粘合剂。较佳为使用波特兰水泥。
珍珠岩和剑麻纤维的量可随结构建筑材料的所需重量和预期用途而变化。通常，用于室内用途(例如用作绝缘板或内墙)时，使用较多的珍珠岩和剑麻纤维。而用于外部用途(例如用作外墙)时，使用较少的珍珠岩和剑麻纤维。
在某一实施方式中，可机械加工的轻质剑麻基混凝土结构建筑材料包含约29％(v/v)的剑麻纤维、约14％(v/v)的波特兰水泥和约57％(v/v)的珍珠岩。该剑麻纤维切割自剑麻绳，其长度为约1.0-1.5英寸。所得的混凝土材料是轻质的，并具有许多木材的特性。它可用锯子切割、可很容易地钉上钉子和上螺丝。用这种混凝土材料制成的板或砖可方便地用于多种室内建筑构件。
在另一实施方式中，该可机械加工的轻质剑麻基混凝土结构建筑材料包含约27％(v/v)的剑麻纤维、约20％(v/v)的波特兰水泥和约53％(v/v)的珍珠岩。该剑麻纤维的长度为约1.0-1.5英寸。所得的混凝土材料可用锯子切割、可钉钉子和上螺丝，然而它更硬且更坚固，因而更适于用作外部建筑构件。
已发现如果组合物中的短纤维为20％或更少，则所得的混凝土将过硬而不能加工且不具有足够的可机械加工性。另一方面，如果剑麻纤维的含量过高(超过35％)，则所得混凝土过软而不具有用作建筑材料的足够强度。
此外，剑麻纤维的长度较佳为约0.75-2.0英寸，更佳为约1.0-1.5英寸。已发现此范围内的剑麻纤维能为所生产的结构材料提供增强的强度。当剑麻纤维过长时，在加工中难以将其与其它成分均一地混合；而当剑麻纤维过短时，它们不能为结构材料强度提供最佳的增强。
在另一实施方式中，可机械加工的轻质剑麻基混凝土结构建筑材料可包含加气剂以进一步增强材料的塑性和可加工性。各种市售的加气剂均可使用。一个适合的例子为Airalon，它是由Grace Construction Products，Cambridge，MA 02140生产的中性氢化芳族和脂肪族羧酸的水溶液。较佳地，可使用占总固体含量约0.005-0.03％(体积比)的Airalon。
在另一方面，本发明提供了一种生产可机械加工的轻质剑麻基混凝土结构建筑材料的方法。该生产方法包括将预定量的水泥和预定量的珍珠岩彻底混合以形成均一的固体混合物；加入预定量的水，并将水与固体混合物混合以形成泥浆；然后加入预定量的剑麻纤维，并将剑麻纤维彻底混合入泥浆中以形成均一的最终组合物；以及，将最终组合物注入模子中，并将所述最终组合物凝固为固体形式的结构建筑材料。
作为一个实施例，如下所述生产上文中某一实施方式中的可机械加工的轻质剑麻基混凝土结构建筑材料将1.5份(体积)波特兰水泥与4份(体积)珍珠岩在制备槽(tank)中彻底混合；在槽中加入1.5份(体积)水，并将混合物混合成均匀的泥浆；然后在槽中加入2份(体积)短剑麻纤维，并将该短剑麻纤维彻底混合入泥浆中，形成最终组合物；将最终组合物注入具有预定形状的模子中(例如柱形)，并在室温中将最终组合物凝固为具有预定形状的固体结构建筑材料。
在使用加气剂时，该方法还包括根据加气剂制造商的说明加入加气剂的步骤。
本发明的可机械加工的轻质剑麻基混凝土结构建筑材料可为了建筑目的制成不同形状和结构，包括但不限于实心砖(solid block)、形状预定的空心建筑砖、内墙和外墙系统、过梁、窗槛、柱、梁的预制形式、预制板、艺术和建筑形式、吊顶板、吸音板、屋面瓦、板、框、以及其它适合的室内和外部建筑构件。此外，本发明的材料还可用于制冷中的配管、航海用途、航空用途和汽车用途。
虽然结合某些优选的实施方式揭示了本发明，但不应将其限制于所提供的这些细节。可在不脱离本发明的实质和范围的情况下，对所述实施方式进行调整和改变，而本领域的普通技术人员应当理解其它实施方式也包含于本发明的揭示中。
权利要求
1.一种可机械加工的轻质剑麻基混凝土结构建筑材料，其包括(a)约22-33％(v/v)的剑麻纤维；(b)约12-22％(v/v)的水泥；和(c)约51-59％(v/v)的轻质矿物质。
2.如权利要求1所述的可机械加工的轻质剑麻基混凝土结构建筑材料，其特征在于，所述轻质矿物质是珍珠岩。
3.如权利要求2所述的可机械加工的轻质剑麻基混凝土结构建筑材料，其特征在于，所述水泥是波特兰水泥。
4.如权利要求3所述的可机械加工的轻质剑麻基混凝土结构建筑材料，其特征在于，所述剑麻纤维的长度为0.75-约2.0英寸。
5.如权利要求4所述的可机械加工的轻质剑麻基混凝土结构建筑材料，其特征在于，所述剑麻纤维为约25-30％(v/v)。
6.一种可机械加工的轻质剑麻基混凝土结构建筑材料，其包括(a)约22-33％(v/v)的剑麻纤维；(b)约12-22％(v/v)的水泥；(c)约51-59％(v/v)的轻质矿物质；和(d)足量的加气剂。
7.如权利要求6所述的可机械加工的轻质剑麻基混凝土结构建筑材料，其特征在于，所述轻质矿物质是珍珠岩。
8.如权利要求7所述的可机械加工的轻质剑麻基混凝土结构建筑材料，其特征在于，所述水泥是波特兰水泥。
9.如权利要求8所述的可机械加工的轻质剑麻基混凝土结构建筑材料，其特征在于，所述剑麻纤维的长度为0.75-约2.0英寸。
10.如权利要求9所述的可机械加工的轻质剑麻基混凝土结构建筑材料，其特征在于，所述剑麻纤维为约25-30％(v/v)。
11.如权利要求10所述的可机械加工的轻质剑麻基混凝土结构建筑材料，其特征在于，所述加气剂是氢化芳族和脂肪族羧酸的水溶液。
12.一种生产可机械加工的轻质剑麻基混凝土结构建筑材料的方法，其包括以下步骤(a)将预定量的水泥和预定量的轻质矿物质彻底混合以形成均一的固体混合物；(b)加入预定量的水，并将所述水与所述固体混合物彻底混合以形成泥浆；(c)加入预定量的剑麻纤维，并将所述剑麻纤维彻底混合入所述泥浆中以形成均一的最终组合物；以及，(d)将所述最终组合物注入模子中，并在所述模子中将所述最终组合物凝固为固体形式的结构建筑材料；其中，所述结构建筑材料可机械加工、上螺丝、切割和钉钉子。
13.如权利要求12所述的生产可机械加工的轻质剑麻基混凝土结构建筑材料的方法，其还包括加入足量的加气剂，并在将所述最终组合物注入模子之前，将所述加气剂与所述最终组合物混合。
14.如权利要求12所述的生产可机械加工的轻质剑麻基混凝土结构建筑材料的方法，其特征在于，所述轻质矿物质是珍珠岩。
15.如权利要求14所述的生产可机械加工的轻质剑麻基混凝土结构建筑材料的方法，其特征在于，所述水泥的所述预定量为占总固体含量的约12-22％(v/v)。
16.如权利要求15所述的生产可机械加工的轻质剑麻基混凝土结构建筑材料的方法，其特征在于，所述珍珠岩的所述预定量为占总固体含量的约51-59％(v/v)。
17.如权利要求16所述的生产可机械加工的轻质剑麻基混凝土结构建筑材料的方法，其特征在于，所述剑麻纤维的所述预定量为占总固体含量的约22-33％(v/v)。
18.如权利要求17所述的生产可机械加工的轻质剑麻基混凝土结构建筑材料的方法，其特征在于，所述剑麻纤维的长度为约0.75-2.0英寸。
全文摘要
揭示了一种可机械加工的轻质剑麻基混凝土结构建筑材料及其制备方法。该材料包括约22－33％(v/v)的短剑麻纤维；约12－22％(v/v)的水泥；和约51－59％(v/v)的珍珠岩。该方法包括以下步骤将一定量的水泥和一定量的珍珠岩混合以形成固体混合物；加入水，并将水与该固体混合物混合以形成泥浆；加入一定量的剑麻纤维，并将该剑麻纤维混合入泥浆中以形成均一的最终组合物；以及，将该最终组合物注入模子中，并将该最终组合物凝固为固体形式的结构建筑材料。所制得的结构建筑材料可机械加工、上螺丝、切割和钉钉子。
文档编号B28B1/14GK1849274SQ200480025992
公开日2006年10月18日 申请日期2004年7月2日 优先权日2003年7月10日
发明者西摩·博伯夫 申请人:西摩·博伯夫