专利名称：具有高压缩强度并且快速固化的基于飞灰的轻质水泥组合物的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及快速固化的水泥组合物，这些组合物可以多种应用中，在这些应用中快速硬化以及达到早期强度是所希望的。具体地说，本发明涉及可以用来制造在建筑物中的湿和干的位置使用的具有优异耐湿性的水泥组合物。预制的混凝土产品例如水泥板是在以下条件下制造的这些条件提供了一种水泥混合物的迅速固化，这样在件该水泥混合物倾倒入一个固定或移动的形模中或一个连续移动的带上之后可以对这些板立即进行处理。理想地，这种水泥混合物的凝固可以在将该水泥混合物与合适量的水混合约20分钟、优选10至13分钟、更优选4至6分钟之后就立即实现。
背景技术：
授予Perez-Pena等人的美国专利6，869，474(将其通过引用结合在此)讨论了用于生产基于水泥的产品(例如水泥板)的水泥组合物的极其快速的固化，这是通过将一种烷醇胺加入水硬水泥例如波特兰水泥中、并且在提供至少90° F(32°C)的初始浆料温度的条件下与水形成一种浆料而实现的。可以包括另外的反应性材料，例如高铝水泥、硫酸钙以及一种火山灰的材料，例如飞灰。极其迅速的固化允许迅速生产水泥产品。已经发现，加入的三乙醇胺是一种非常有力的促进剂，该促进剂能够生产具有相对较短的最终固化时间、 具有增加的水平的飞灰和石膏、并且无需铝酸钙水泥的配制品。然而，与含有铝酸钙水泥的水泥板配制品相比具有三乙醇胺的配制品还具有相对较低的早期压缩强度。Perez-Pena等人于2007年6月6日提交的美国专利申请号11/758，947 (将其通过引用结合在此)讨论了用于生产基于水泥的产品(例如水泥板)的、具有早期压缩强度的水泥组合物的极其快速固化，这是通过将一种烷醇胺和一种磷酸盐加入水硬水泥例如波特兰水泥中，并且在提供至少90° F(32°C )的初始浆料温度的条件下与水形成一种浆料而实现的。可以包括另外的反应性材料，例如高铝水泥、硫酸钙以及一种火山灰的材料，例如飞灰。再次地，所有的组合物包含一个显著量的水硬水泥以及石膏。授予Galer等人的美国专利4，488，909 (将其通过引用结合在此)讨论了能够迅速固化的水泥组合物。这种组合物通过在该组合物与水混合之后约20分钟内形成基本上所有的潜在的钙铝矾而允许高速生产耐二氧化碳的水泥板。这种水泥组合物的基本组分是波特兰水泥、高铝水泥、硫酸钙以及石灰。可以加入高达约25%的火山灰，例如飞灰、蒙脱土粘土、硅藻土、以及浮石。这种水泥组合物包括约至21wt%的高铝水泥，它与其他使之能够在早期形成钙铝矾的组分以及其他对早期的水泥混合物的固化负责的铝酸钙水合物相结合。Galer等人在他们的发明中提供了使用高铝水泥(HAC))的铝酸盐以及使用石膏的硫酸根离子，以形成钙铝矾并且实现了它们的水泥混合物的迅速固化。
钙铝矾是一种硫酸铝钙化合物，具有化学式Ca6Al2(SO4)3 · 32H20或替代地 3Ca0 · Al2O3 · 3CaS04 · 32 H2O0钙铝矾作为长的针状晶体形成并且为水泥板提供了迅速的早期强度，这样在将它们倾倒入一种模具中或一个连续浇注并且成形的带上之后可以对其进行迅速处理。总体上，Galer等人的迅速固化的配制品受制于几点局限性。如以下重点说明的， 这些局限性对于水泥产品(例如水泥板)的生产构成了更严重的顾虑。授予Brook等人的美国专利号5，536，310披露了一种水泥组合物，该水泥组合物包含10-30重量份(pbw)的一种水硬水泥例如波特兰水泥、50-80pbw的飞灰、以及 0. 5-8. Oplm(表达为游离酸)的一种羧酸(例如柠檬酸)或它们的碱金属盐，例如柠檬酸三钾或柠檬酸三钠，连同其他的常规添加剂，包括阻滞剂添加剂例如硼酸或硼砂，它们被用来加速该组合物的反应以及固化时间以便克服所披露的在水泥组合物中使用一个高的飞灰含量的缺点。授予Brook等人的美国专利号5，536，458披露了一种水泥组合物，该水泥组合物包含一种水硬水泥例如波特兰水泥、70-80重量份的飞灰、以及0. 5-8. Opbw的一种游离羧酸，例如柠檬酸或它们的碱金属盐，例如柠檬酸钾或柠檬酸钠，带有其他的常规添加剂，包括阻滞剂添加剂例如硼酸或硼砂，它们被用来加速该组合物的反应以及固化时间以便克服已知的在水泥组合物中使用一个高的飞灰含量的缺点。授予Harris等人的美国专利号4，494，990披露了波特兰水泥(例如25_60pbw)、 飞灰(例如3-50pbw)以及小于IpW的柠檬酸钠的一种水泥混合物。授予Boggs等人的美国专利号6，827，776披露了包含波特兰水泥、飞灰的一种水硬水泥组合物，该组合物具有受一种酸(优选柠檬酸)和一种碱(该碱可以是一种碱或碱土金属强氧化物或该酸组分的盐)的活化剂浆料的PH控制的一个固化时间。授予Kirkpatrick等人的美国5，490，889披露了一种共混的水硬水泥，其构成为 水、飞灰(50. 33-83. 63pbw)、波特兰水泥、研磨硅石、硼酸、硼砂、柠檬酸(0. 04-2. 85pbw)以及一种碱金属活化剂，例如氢氧化锂(LiOH)或氢氧化钾。授予Myron的美国专利号5，997，632披露了含有88wt. % -98wt. %的飞灰、 lwt. % -IOwt. %的波特兰水泥以及从约0. Iwt. % -4. Owt. %的柠檬酸的一种水硬水泥组合物。实现所希望的21 %的最低石灰含量是通过次烟飞灰或次烟飞灰与一种选矿试剂来提供。除了柠檬酸，Styron使用了一种碱来源，例如氢氧化钾或氢氧化钠。现有技术的水泥混合物的最终凝固时间典型地是大于9分钟并且对于标准的混凝土产品可以延长到2-3小时。最终固化时间通常被定义为其中水泥混合物固化到由其制造的混凝土产品可以被处理并且堆叠的程度的时间，尽管化学反应可以持续延长的时段。在现有技术的混凝土产品中，这种反应性粉末共混物中的高铝水泥(还称为铝酸钙水泥)的含量也是非常高的。典型地，该高铝水泥是大于该活性粉末共混物的Hwt%。发明概述本发明的一个目的是提供一种用于制造快速凝固的水泥浆料的方法。本发明的另一个目的是提供具有改进的早期并且最终压缩强度的轻质水泥组合物。这些水泥组合物包含柠檬酸钾、柠檬酸钠或它们的混合物。本发明包括一种提供具有迅速固化、改进的压缩强度以及耐水性的轻质水泥混合物的方法，包括在环境温度或高于环境温度下，使水、反应性粉末、一种凝固促进量的柠檬酸碱金属盐、以及一种轻质骨料进行混合，其中水与反应性粉末固体之比是约0. 17 至0.35 1. 0并且更优选约0. 20至0. 23 1. 0，该反应性粉末混合物包含75wt. %至 IOOwt. %的飞灰以及0至25wt. %的水硬水泥和石膏。优选地，该反应性粉末没有水硬水泥并且没有石膏(水合硫酸钙)。这种水泥活性粉末包括至少飞灰并且还可以包括水硬水泥，例如波特兰水泥或铝酸钙水泥(CAC)(通常还被称为铝水泥或高铝水泥)、硫酸钙以及一种非飞灰的矿物添加剂。该水泥组合物的水泥反应性粉末共混物的高达25wt%可以是具有实质上极小或没有粘结特性的非飞灰的矿物添加剂。这种水泥反应性粉末总体上包含约IOwt. %至40wt. %的石灰并且更典型地是 20wt. %至30wt. %的石灰。然而，如果这种反应性粉末的成分已经含有了足够的石灰，则并不要求加入石灰来获得迅速凝固。例如，C类飞灰总体上包括石灰。因此，这种水泥组合物的反应性粉末共混物典型地是不含外部加入的石灰。典型地，该浆料具有从室温至约100° F-115。F(M°C至约38° _46°C )的初始温度。如根据吉尔摩针(Gilmore needle)测量的该水泥组合物的最终凝固时间(即，在其之后可以对水泥板进行处理的时间)应该是在将其与适量的水混合之后最多20分钟、优选10至13分钟或更少、更优选约4至6分钟。更短的凝固时间以及更高的早期压缩强度帮助增加了生产产量并且降低了产品的制造成本。本发明的非常快速凝固的水泥组合物可以用于其中希望迅速硬化以及达到早期强度的多种应用中。当该浆料是在升高的温度下形成时，使用柠檬酸碱金属盐，例如柠檬酸钾和/或柠檬酸钠来促进该水泥组合物的凝固使之有可能提高水泥产品例如水泥板的生
产速度。在浆料中的柠檬酸碱金属盐的用量基于本发明的水泥反应性组分优选是在约 1. 5wt. %至6 1 %的范围内，优选约1. 5wt. %至4. Owt. %，更优选约2wt. %至3. 5wt. %并且最优选约3.5wt. %。柠檬酸钾或柠檬酸钠是优选的。如以上提及的，这些重量百分比是基于100重量份的这种反应性组分(水泥反应性粉末)。因此，例如对于100磅的水泥反应性粉末，存在约1. 5至4. 0总磅数的钾和/或钠的柠檬酸盐。本发明的一种典型的水泥反应性粉末包括75wt %至1 OOwt %的飞灰以及0至 25wt. %的水硬水泥，例如波特兰水泥或石膏。典型地，该飞灰的至少一半是C类飞灰。另一种典型的水泥反应性粉末基于该反应性粉末的重量包括75wt%至100wt% 的飞灰，零至20wt%的铝酸钙水泥，零至7wt%的硫酸钙，没有石膏并且除铝酸钙水泥之外没有水硬水泥。在该柠檬酸碱金属盐和飞灰之间存在着一种的协同作用。与使用促进剂(像铝酸钙水泥、三乙醇胺或腐蚀性碱金属氢氧化物)的可比的组合物相比，对于含有高量值的飞灰的组合物，加入碱金属盐具有以下益处实现了增加的早期和长期压缩强度。此外，与可能导致混凝土混合物过早僵化的其他促进剂(例如硫酸铝)相比，加入柠檬酸碱金属盐改进了混合流动性。
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还可以存在其他的添加剂，例如惰性骨料，它们被认为不是水泥反应性粉末，而使该总的水泥组合物的一部分。此类其他添加剂包括一种或多种砂、骨料、轻质填充剂、减水剂，例如超增塑剂、凝固促进剂、凝固阻滞剂、加气剂、发泡剂、收缩控制剂、浆料粘度改性剂 (增稠剂)、着色剂以及内部固化剂，取决于本发明的水泥组合物的加工能力以及应用，可以如所希望的包括在内。本发明的这种轻质水泥组合物可以用来制造预制的混凝土建筑产品，例如在建筑物的湿和干的位置使用的具有优异的耐潮湿性的水泥板。这种预制的混凝土产品例如水泥板是在以下条件下制造的这些条件提供了水泥混合物的迅速固化，从而使得这些板可以在该水泥混合物被倾倒入一个固定或移动的形模中或一个连续移动的带上之后被迅速处理。这种轻质水泥组合物可以用在任何混凝土产品应用中，包括混凝土面板、地板、罩面、饰面、桩帽，连同用于混凝土路的修补混合物。使用本发明的轻质组合物制成的混凝土产品对于和含有石膏的组合物相比要求耐水性的用途以及对于比起具有更高碳足迹的含水泥组合物要求更高的压缩强度的应用而言具有特别的优点。除非另外说明，否则在此所有的百分比、比率以及比例均为按重量计。附图简要说明
图1是实例1的结果的一个曲线图，示出了对具有硼砂、硼酸以及柠檬酸的混合物而言增加柠檬酸钠对温度升高速度的影响。图2是实例1的结果的一个曲线图，示出了对具有硼酸以及柠檬酸的混合物而言增加柠檬酸钠对温度升高的影响。图3是实例2的结果的一个曲线图，示出了对具有柠檬酸以及柠檬酸钠的混合物而言增加氢氧化钾对温度升高的影响。图4是实例4的结果的一个曲线图，示出了对具有柠檬酸钾而没有氢氧化钾的混合物而言的温度升高。图5是实例5的结果的一个曲线图，示出了对于包括柠檬酸钾或柠檬酸钠在室温下与水混合的混合物而言的温度升高。图6是实例8的结果的一个曲线图，示出了对于含有不同比例的飞灰以及波特兰类型III水泥的混合物而言使用0.30 1的水与水泥重量比的温度升高。图7是实例9的结果的一个曲线图，示出了在这个实例中用不同比例的水与飞灰而不使用波特兰水泥对于混合物1-4的温度升高的影响。图8是实例9的结果的一个曲线图，示出了对于混合物3、5、6和7的温度升高，这些混合物具有不同比例的飞灰和波特兰水泥类型III，具有柠檬酸盐，其中水与飞灰和波特兰水泥的结合重量的重量比是0.20 1。图9是实例10的混合物的结果的一个曲线图，这些混合物具有不同用量的柠檬酸钾(仅使用飞灰而没有波特兰水泥)，并且示出了加入柠檬酸钾显著地增加了基于飞灰的混合物的温度升高速度。发明详细说明本发明包括一种提供具有改进的压缩强度以及耐水性的轻质水泥混合物的方法， 包括将水、活性粉末、一种柠檬酸碱金属盐以及轻质骨料进行混合，其中水与反应性粉末固体之比是约0. 17至0.35 1.0，典型地是约0. 17至0.30 1. 0，更优选是约0. 2至 0. 23 1. 0。该反应性粉末包括75wt. %至IOOwt. %的飞灰以及0至25wt. %的水硬水泥和/或石膏。典型地，本发明使包含飞灰的水泥反应性粉末与柠檬酸钾和/或柠檬酸钠和水在至少室温至115° F(M°C至41°C )的初始浆料温度下进行混合以产生一个优选小于 10至13分钟、更优选约4至6分钟或更短的迅速凝固。本发明还提供了具有增强的迅速最终凝固性能以及增强的早期压缩强度的水泥组合物。典型的成分在以下表A中列出。
权利要求
1.一种提供具有改进的压缩强度以及耐水性的轻质水泥混合物的方法，包括 将以下物质进行混合水，反应性粉末，一种柠檬酸的碱金属盐，以及轻质骨料其中水与反应性粉末的重量比是约0. 17至0.35 1.0，该反应性粉末包括75wt. %至 IOOwt. %的飞灰以及0至25wt. %的水硬水泥以及石膏。
2.如权利要求1所述的方法，其中该反应性粉末基于该反应性粉末的重量包括88.5% 至100%的飞灰、没有水硬水泥并且没有石膏。
3.如权利要求1所述的方法，其中该混合物的初始温度是约至41°C。
4.如权利要求1所述的方法，其中该反应性粉末包括IOwt.%至40wt. %的石灰。
5.如权利要求1所述的方法，其中该柠檬酸碱金属盐的量值基于该水泥反应性粉末的重量是约1. 5wt. %至6wt. %。
6.如权利要求1所述的方法，其中该水泥反应性粉末进一步包括硅灰。
7.如权利要求1所述的方法，其中该水泥反应性粉末以及水存在的重量比是约-0.20-0. 23 1重量份的水比反应性粉末。
8.一种用于制备轻质水泥板的组合物，包括以下物质的一种混合物 水泥活性粉末；一种柠檬酸的碱金属盐作为该反应性粉末的一种促进剂； 轻质骨料，以及水，其中在该混合物中水与水泥反应性粉末固体之比是约0. 17至0. 35 1， 该反应性粉末包括75wt. %至IOOwt. %的飞灰以及0至25wt. %的水硬水泥以及石膏。
9.如权利要求8所述的组合物，其中该混合物包括基于该水泥粉末的重量约1.5wt.% 至6. Owt. %的至少一种柠檬酸的碱金属盐，该柠檬酸的碱金属盐是选自下组，其组成为 柠檬酸钠、柠檬酸钾以及它们的混合物。
10.如权利要求8所述的组合物，其中该混合物包括基于该水泥粉末的重量约
全文摘要
在此披露了用于制造一种具有改进的压缩强度的迅速固化的轻质水泥组合物从而用于多种产品(例如板)的方法。该方法将飞灰、柠檬酸的碱金属盐以及轻质骨料与水进行混合。在此还披露了包括飞灰、柠檬酸的碱金属盐以及轻质骨料的组合物。
文档编号C04B28/16GK102159516SQ200980136750
公开日2011年8月17日 申请日期2009年9月10日 优先权日2008年9月25日
发明者M·佩瑞兹-佩纳 申请人:美国石膏公司