含有铝浮渣的自发泡的地质聚合物组合物的制作方法
【专利说明】含有错浮渣的自发泡的地质聚合物组合物
[0001] 本发明设及一种含有侣浮渣的自发泡的地质聚合物组合物。本发明还设及该地质 聚合物组合物用于生产地质聚合物泡沫和/或发泡的地质聚合物产品的用途。
[0002] 波特兰水泥最初在英国专利BP 5022中被提及，自从那时开始它经历了持续的进 一步的发展。现今它被认为是最重要的无机粘合剂之一。波特兰水泥具有非常高的化0含量 并且在水中硬化。
[0003] 蒸压轻质加气混凝±(市售为例如Ytoittg?)为一种轻质的预制建筑材料，其同时 提供了结构、绝缘W及耐火性和抗霉性。为制造蒸压轻质加气混凝±，将石英砂、碳酸巧、水 泥、水和少量的用于发泡的侣粉混合。随后使用过热蒸汽使该混合物硬化。
[0004] 可将某些来自冶金过程的矿渣W潜在水硬性粘合剂的形式作为外加剂用于波特 兰水泥中。还可行的是用强碱如碱金属氨氧化物或水玻璃将其激活。
[0005] 基于在碱性水介质中固化的、WSi化和Ah〇3为基础的反应性的、不溶于水的化合 物的无机粘合剂体系，同样是公知的。运种固化的粘合剂体系还称为"地质聚合物"并记载 于例如US 4，：M9,386、W0 85/03699和US 4,472,199中。
[0006] 在此上下文中使用的反应性氧化物混合物包括偏高岭±、娃粉、矿渣、粉煤灰、活 性粘±、火山灰(pozzolans)或其混合物。用于激活粘合剂的碱介质通常由碱金属碳酸盐、 碱金属氣化物、碱金属氨氧化物、碱金属侣酸盐和/或碱金属娃酸盐的水溶液构成，例如可 溶性水玻璃。与波特兰水泥相比，地质聚合物可更经济有效且更稳定，且可具有更有利的 (??排放平衡。
[0007] 人们期望生产轻质的地质聚合物混凝±元件，如上述VUM]ig@元件。然而，地质聚 合物表现出相对于水泥质体系的明显差异，运些差异使得难W使用侣粉作为发泡剂。运是 因为水性水泥质体系呈现出最高达12.5的pH值，而地质聚合物组合物的水性悬浮液呈现出 最高达14的抑值。此更高水平的碱度加速了侣粉的发泡反应，使得形成的氨气早在组合物 固化开始之前就将损失。
[000引本发明人所解决的问题是基本上避免上述现有技术的至少一些缺点。优选地，本 发明要寻找一种用于地质聚合物组合物的足够慢且可控的发泡剂。此外，本发明要提供本 发明的自发泡的地质聚合物组合物。此外，本发明人的目的是将废物流材料整合在地质聚 合物泡沫生产中。最后，本发明人的目的是W低成本来创造完全不燃烧的（无机的）隔音和 绝热材料。
[0009] W上指出的问题通过独立权利要求的特征来解决。从属权利要求设及优选的实施 方案。
[0010] 出人意料地发现，侣浮渣是用于地质聚合物组合物的理想的发泡剂。"侣浮渣"为 一种侣加工工业的废品，主要由氧化物(例如Al2〇3和Si化）和氮化物W及0.1至50重量％的 分布于氧化物和/或氮化物基质中的金属侣构成。侣浮渣在例如侣冶炼过程中产生且就金 属侣的含量而言可变化极大。侣浮渣在垃圾场沉积可成为环境问题，而化学回收极其昂贵。 相比之下，侣浮渣因此在本发明的地质聚合物组合物中构成了一种十分廉价的发泡剂。此 夕h侣浮渣可用作用于本发明的地质聚合物组合物的额外侣源，并从而能够至少部分地替 代较昂贵的侣源，例如偏高岭±。
[0011] 本发明提供一种自发泡的地质聚合物组合物，其包含至少一种水硬性粘合剂;至 少一种选自潜在水硬性粘合剂、火山灰质粘合剂及其混合物的粘合剂;至少一种碱性激活 剂；W及侣浮渣。
[0012] 在本说明书全文中使用的术语"自发泡的"意指地质聚合物组合物一旦与水接触 就将产生引起该组合物形成发泡的组合物的气相，即氨气气泡。在本说明书中使用的术语 "泡沫"为一种通过在液相或固相中俘获气穴或气泡而形成的物质。所述泡沫可具有敞开的 (连接的)或封闭的(独立的)气孔结构。
[0013] 本发明的自发泡的地质聚合物组合物包含至少一种水硬性粘合剂。当必需潜在水 硬性粘合剂和/或火山灰质粘合剂与碱性激活剂相结合来形成地质聚合物时，水硬性粘合 剂的存在的目的是加速硬化，即早期强度的发展，W使泡沫稳定直到组合物的地质聚合物 固化反应开始。单独的水硬性粘合剂不需要碱性激活剂，因为与水接触而硬化。
[0014] 在本发明的自发泡的地质聚合物组合物中，潜在水硬性粘合剂选自工业矿渣和/ 或合成矿渣，更特别是选自高炉矿渣、电热憐渣、钢渣及其混合物。
[0015] 所述矿渣可为工业矿渣，即来自工业过程的废品，W及合成再生的矿渣。后者是有 利的，因为工业矿渣的质量和数量并不总是足够可用的。
[0016] 为本发明的目的，潜在水硬性粘合剂优选为运样的粘合剂：其中（CaO+MgO): Si化 的摩尔比介于0.8和2.5之间且更优选地介于1.0和2.0之间。
[0017] 高炉矿渣，一种典型的潜在水硬性粘合剂，通常含有30重量％至45重量％的化0、 约4重量％至17重量％的1旨0、约30重量％至45重量％的5;[02^及约5重量％至15重量％的 Al203,通常含有约40重量％的化0、约10重量％的1旨0、约35重量％的5102^及约12重量％的 A!203。
[0018] 高炉矿渣（B F S)为一种高炉冶炼过程的废品。粒状高炉矿渣（G B F S)和磨细的 (ground)粒状高炉矿渣(GGBSF)(其为细粉状的高炉矿渣)为在粒化程度和/或研磨程度方 面不同的高炉矿渣。根据来源和处理形式，磨细的粒状高炉矿渣的粒径和粒度分布可变化， 其中粒径影响反应性。由于粒径的可变的特性，该数值采用称为Blaine值，其数量级通常为 200至1000,优选地介于300和500m2kg^之间。研磨的越细，反应性越高。
[0019] 电热憐渣是一种来自于通过电热方法生产憐的过程的废品。其比高炉矿渣的反应 性低，并含有约45重量％至50重量％的化0、约0.5重量％至3重量％的1旨0、约38 %至43重 量％的51〇2、约2重量％至5重量％的412〇3和约0.2重量％至3重量％的化2〇3，^及氣化物和 憐酸盐。
[0020] 钢渣是一种来自于各种钢制造过程的废品，具有高度变化的组成（参见Caijun Shi,Pavel V.Krivenko,Della Roy,Alkali-Activated Cements and concretes，Taylor& Rrancis，London&New 化rk，2006,第42-51页）。
[0021] 为了本发明的目的，所有不同的品质、粒化和/或研磨程度皆意在包括在术语"高 炉矿渣"中。高炉矿渣是极其优选的本发明的潜在水硬性粘合剂。
[0022] 在本发明的组合物中，火山灰质粘合剂优选选自无定形二氧化娃，优选沉淀二氧 化娃、热解二氧化娃和娃粉;毛玻璃;粉煤灰，优选褐煤粉煤灰和矿煤粉煤灰;偏高岭±;天 然火山灰（natural pozzolanas)，例如凝灰岩、粗面凝灰岩和火山灰（volcanic ash);天然 的和合成的沸石;及其混合物。
[0023] 优选热解二氧化娃、娃粉、粉煤灰、偏高岭±及其混合物;最优选偏高岭±。
[0024] 无定形二氧化娃优选地为X-射线-无定形二氧化娃，即在粉末衍射过程中显示出 无结晶的二氧化娃。本发明的无定形二氧化娃有利地具有的Si化的含量为至少80重量％， 优选至少90重量％。沉淀二氧化娃在工业上通过沉淀过程由水玻璃起始而获得。根据制造 方法，沉淀二氧化娃还被称为硅胶。热解二氧化娃通过使氯硅烷，如四氯化娃，在氨氧焰中 反应而产生。热解二氧化娃为粒径为5至50nm且比表面积为50至60(WVi的无定形Si化。
[0025] 热解二氧化娃(有时也称为"气相法二氧化娃"）在本发明的组合物中不仅用作火 山灰质粘合剂，而且其还可用作触变剂。运意味着，其可使泡沫稳定，直到组合物的地质聚 合物固化反应开始，从而防止氨气的损失和/或均质地质聚合物泡沫的分离或凝固。
[00%]娃粉为娃或娃铁制造的副产品，并同样在很大程度上由无定形的Si化粉末构成。 所述颗粒具有Ο.?μπι的数量级的直径。比表面积的数量级为15至30πιΥ?。与此相反，市售的 娃砂是结晶的并具有相当大的颗粒和相当低的比表面积。根据本发明，它用作一种惰性骨 料。
[0027]粉煤灰是在发电站中在包含煤燃烧的操作中形成的。根据W0 08/012438，C类粉煤 灰(褐煤粉煤灰)含有约10重量％的化0,而F类粉煤灰(矿煤粉煤灰)含有小于8重量％、优选 小于4重量％且通常为约2重量％的化0。粉煤灰在地质聚合物的配制物中反应得非常缓慢， 因而不优选。
[00%]偏高岭±是在高岭±的脱氨过程中形成的。高岭±在100至200°C下释放出物理结 合水，