专利名称：：建筑用胶结材料的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种胶结材料，尤指一种其反应的粉体与激发剂间存在一适当配比，可达至传统水泥的高抗压强度的建筑用胶结材料。
背景技术：
：建筑业普遍使用水泥作为钢筋混凝土结构物的胶结材料。水泥是一种粉状的水硬性胶凝材料，它和适量的水拌合后成塑性浆体，能将砂、石等散粒或纤维材料牢固地胶结在一起，是建筑工业重要的基础材料。如图1所示，一般水泥的生产是以黏土、硅砂及石灰石等碳酸钙岩类矿物，经适当配比混合研磨均匀后，于旋转窑以高温烧结后成为熟料，再加适当石膏研磨而成。由于水泥成分中含大量的氧化钙及硅酸盐类，因此遇水将产生水化反应并形成硬固的C-S-H(3Ca02Si023H20)胶体结构。然而，水泥的制造过程必须使用高温(大于摄氏1300度)烧结，此举除大量耗费能量与资源，在生产过程中亦会伴随排放出二氧化碳废气，因而加重地球的温室效应；此外，由于石灰石(CaC03)等天然资源亦有其数量上的限制，因此，寻找新兴的替代材料就成了重要的课题。虽有学者发现铝硅反应物与强碱溶液可形成硬固的无晶形铝硅酸盐胶体，然而如何达到传统水泥的抗压强度并加以利用却仍末衷一是；凡此种种，皆不利于产业与环境的永续经营及发展。
发明内容本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的上述不足，提供一种建筑用胶结材料，其反应的粉体与激发剂间存在一适当配比，可达至传统水泥的高抗压强度。为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是一种建筑用胶结材料，供与水拌和硬化后形成一建筑构材，其配比包含一粉体，包含一硅酸盐产物，其中该硅酸盐产物具有一铝含量介于20%35%，及一钙含量介于O.01%45%;以及一激发剂，包含一碱性化合物具有一碱金属元素离子，其中当该粉体连同该激发剂与水拌和，该碱金属元素离子与该硅酸盐产物反应形成一胶体结构，且该胶体结构硬化后形成该建筑构材，其抗压强度介于110011000psi。在较佳实施方式中，硅酸盐产物具有一硅含量，碱金属元素离子与铝含量及硅含量间具有一元素摩尔比，当碱金属元素离子与硅含量及铝含量间形成的元素摩尔比介于l:0.5:41.5至1:1.4:3之间，胶体结构硬化后的抗压强度实质上介于76007800psi。其中，激发剂另包含碱性溶液，其由氢氧化钠及硅酸钠依比例制备形成，且氢氧化钠与硅酸钠间较佳具有一摩尔浓度百分比，当氢氧化钠与硅酸钠间形成的摩尔浓度百分比介于30%50%，胶体结构硬化后的抗压强度实质上为10400psi。如此，利用反应的粉体与激发剂间存在的适当配比，可达至传统水泥的高抗压强度。另外，结合含有硅铝材质的再生材料如炉石粉、飞灰等与碱激发剂反应形成硬固的胶凝材料，具有低渗透性、火害与酸抵抗性强及早强特性(4小时可达70%强度)，且材料均质性较传统水泥为高。再，重金属固化能力高，能固结有毒事业废弃物。图1为已知水泥材料生产流程示意图。图2为本发明建筑用胶结材料配比中所使用的粉体成分图。图3为无晶形铝硅酸盐胶体的分子结构图。图4为本发明的胶体结构硬化后的抗压强度图。图5为本发明的钠元素与铝元素的比例对强度的影响示意图。图6为本发明的硅元素与铝元素的比例对强度的影响示意图。图7为本发明的钠元素及硅元素及铝元素的比例对强度的影响示意图。图8为本发明形成的无钙水泥与传统水泥的强度比较示意图。图9为本发明形成的无钙水泥与传统水泥的耐热比较示意图。具体实施例方式本发明的建筑用胶结材料，是利用硅铝反应物与强碱溶液可形成硬固的无晶形铝硅酸盐胶体的原理，发展出特定配比的粉体与激发剂。本发明建筑用胶结材料仅需于含有硅铝成份的粉体(毋需经煅烧过程)中加入激发剂进行反应，成型后放室温或蒸养即可加以利用。由于配比中用于反应的粉体与激发剂间存在一适当配比，因此可达至传统水泥的高抗压强度。此处所言用于反应的粉体，较佳包含但不限于如高岭土、飞灰、炉石粉等硅铝反应物或天然硅酸盐产物。此外，如图2所示，本发明建筑用胶结材料配比中所使用的粉体成份，与传统水泥反应粉体成分相较下，较佳的呈现「低钙」或「非钙」水泥的特性，可因应未来石灰石(CaC03)资源可能用尽的风险。此处所说的「低钙」，是指粉体成分中的钙含量较佳不超过整体重量比例的45%;此处所说的「非钙」，则指粉体成分中的钙含量较佳仅占整体比例的0.01%5%。图3所示为无晶形铝硅酸盐胶体的分子结构图(其通用化学表示式Rn-{-(Si02)z-A102-}-nXwH20，R:Na、K)。如图3所示，无晶形铝硅酸盐胶体藉由一价碱金属元素离子串连Si02与Al203而形成稳定的3D构架，所以在较佳实施方式中，本发明的激发剂成份中较佳包含如氢氧化钠(NaOH)或氢氧化钾(KOH)等的强碱溶液，以与前述的硅铝反应物或天然硅酸盐产物反应形成硬固的胶体结构。换言之，本发明建筑用胶结材料用于反应的粉体，较佳系结合含有硅铝材质的再生材料如炉石粉、飞灰等，并与碱激发剂反应形成硬固的胶凝材料，而具有低渗透性、火害与酸抵抗性强及早强特性(4小时可达70%强度)，并且其材料均质性亦较传统水泥为高。此外，由于反应的粉体毋须经高温煅烧，例如高岭土仅需低烧结温度(摄氏600800度)，较无二氧化碳的排放；飞灰则是燃煤发电的副产品，因此不会造成进一步的污染，整体而言较为环保。承前所述，本发明的建筑用胶结材料较佳系供与水拌和硬化后形成建筑构材，且其配比较佳包含粉体及激发剂。此处所说的配比，指反应粉体与激发剂间具有一适当的重量百分比及摩尔浓度比例，且配比中的粉体成分较佳选自于偏高岭土、炉石粉、硅灰、飞灰、水泥、二氧化硅产物、氧化铝产物、氧化钙产物、石英砂与上述的组合的其中之一。亦即，粉体包含硅酸盐产物，且硅酸盐产物较佳具有一铝含量介于20%35%及钙含量介于0.01%45%。激发剂则包含碱性化合物具有适当浓度的碱金属元素离子。其中当粉体连同激发剂与水拌和，碱金属元素离子与硅酸盐产物反应形成胶体结构，且胶体结构硬化后形成建筑构材其抗压强度介于110011000psi(poundspersquareinch)。若进一步以公制单位进行换算，则其抗压强度较佳介于77.341773.41kgf/cm2。以下，将进一步就不同成份的反应粉体与激发剂间所组成的较佳配比及其所能达成的较佳抗压强度等分述如后。本发明建筑用胶结材料的反应粉体较佳包含配比1及配比2;其中，配比l以炉石粉作为主要成份，配比2则使用偏高岭土及飞灰作为主要成份，如下表l所示表l本发明建筑用胶结材料的配比<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表2本发明建筑用胶结材料的成分百分比成分炉石粉偏高岭土飞灰Si02，％33.5254.550.70Al203，％14.4229.424.60Fe203,%0.291.44.91CaO,%42.80.22.33Mg0，％5.910.21.01Na20，％0.310.10.05K20，％0.250.21.74LOI,%0.305.31SpecificGravity2.912.622.17BlainSurfaceArea,m2/kg414400360另由上表2，即本发明建筑用胶结材料的成分百分比表，可知，产自炼钢厂废碴及矿碴粉的炉石粉含有42.8%的氧化钙(CaO)、33.52%的二氧化硅(Si02)及14.42%的氧化铝(A1203)，并可与如水泥熟料、石膏(CaS04)、石灰石(CaO)及碱金属盐类(M+x(0H)-y、M+x(C03)-y、M+x(Si04)-y、M+x(S04)-y、M+x(HC03)-y)与上述的组合的其中之一所构成的第一碱激发剂进行反应而形成胶凝材料。在较佳实施方式中，前述配比l的粉体选自于炉石粉及水泥与上述的组合的其中之一，当粉体连同水(H20)与含有碱金属元素离子的第一碱激发剂拌和，碱金属元素离子与硅酸盐产物进行水化反应形成类C-S-H胶体。此外，由于作为粉体主要成份的炉石粉含有硅酸盐产物并具有一硅含量及一铝含量，因此第一碱激发剂的碱金属元素离子与铝含量及硅含量间较佳具有一元素摩尔比，当铝含量与碱金属元素离子及硅含量间形成的元素摩尔比介于l:0.5:1.5至1:1.4:3之间，胶体结构硬化后的抗压强度实质上为7700psi，如图4所示。在此，第一碱激发剂较佳为混合有2%硅酸钠与10%碳酸钾的碱性溶液而可与炉石粉进行反应，因此，前述的碱金属元素离子较佳包含钠离子。然而在其它不同实施例中，碱金属离子较佳亦可包含钾离子或其它一价碱金属离子，例如亦可使用相同比例的偏硅酸钾及氢氧化钾混合溶液与粉体进行反应而形成类C-S-H胶体。此外，当配比l的部份粉体成份另包含选自于水玻璃及石英砂与上述组合的其中之一时，该粉体成份实质上可与水混合形成硅酸钠溶液而作为激发剂之用。再参见如表l所示，配比2是以偏高岭土及飞灰作为反应粉体的主要成份。由表2的成分表可知，产自火力发电厂灰烬与粉煤灰的飞灰，及源自火山灰的偏高岭土均含有较高成份比例的二氧化硅(Si02)及氧化铝(Al203)，且两者均含非常少量的钙成份。在较佳实施方式中，前述配比2的粉体选自于偏高岭土及飞灰与上述组合的其中之一，当粉体连同第二激发剂与水拌和，碱金属元素离子与硅酸盐产物进行酸碱反应而形成铝硅酸盐胶体。当个别使用硫酸纳、氢氧化钠及硅酸钠碱性溶液等作为单一激发剂时，偏高岭土并未能被有效激发而生成硬固的胶凝材料；可是若将前述的碱性溶液混合形成复方高浓度激发剂时，以氢氧化钠+硅酸钠溶液=5:2的配比为例，则由偏高岭土所形成的凝结材料其7天抗压强度可达1200psi。参见下表3:表3激发剂成份的配比对照表硅铝质材料激发剂成份7天强度(psi)偏高岭土硫酸钠0偏高岭土氢氧化钠0偏高岭土硅酸钠0偏高岭土氢氧化钠+硅酸钠溶液(5:2)1200偏高岭土氢氧化钠+硅酸钠溶液(1:2.5)10400偏高岭土氢氧化钠+硅酸钠溶液(1:5)8000由上表可知，第二碱激发剂较佳为复方激发剂，在此较佳实施例中即为混合有氢氧化钠及硅酸钠的碱性溶液，且氢氧化钠及硅酸钠混合溶液较佳依比例制备而成。由于氢氧化钠与硅酸钠间具有一摩尔浓度比，经试验发现，当第二碱激发剂中的氢氧化钠与硅酸钠溶液间所形成的摩尔浓度百分比介于10%30%时，其七天强度可达8000psi;当氢氧化钠与硅酸钠间形成的摩尔浓度百分比介于30%50%，胶体结构硬化后的抗压强度实质上为10400psi，可达传统水泥的抗压强度。此外，当配比2的部份粉体成份另外选自于水玻璃及石英砂与上述组合的其中之一，该粉体成份实质上即可与水混合形成硅酸钠溶液而作为激发剂之用。由于本发明的建筑用胶结材料其反应过程中所使用的[Si]、[Al]、[M](碱金属元素离子如K+、Na+)间具有特定的组成比例，因此为进一步探究在何种浓度比例下，本发明的建筑用胶结材料可达到较高的抗压性并具有较佳的力学性质，本发明同时以飞灰高岭土:激发剂=9:1:0.5所调配成的泥浆与砂以1:2的比例调制成砂浆后，再与粗骨材以l:l的比例制备形成混凝土进行试验以探讨不同激发剂组成与浓度对抗压强度的影响。在此较佳实施例中，激发剂的种类包含Na2Si03、NaOH与KOH等碱性溶液，实验变数则分别为:5、10M;[Si02]:0、0.5、1.0、2.5M;以及氯盐(KC1)与碳酸盐(K2C03)各为0.32M。经试验结果发现，当[Si02]浓度大于2.5M，本发明建筑用胶结材料的强度明显提升；若分别就5M与10M做比较，可发现当[OH—]浓度越高，骨材浆体的握裹力越佳，且其强度也越高；相反，当[cr]浓度越高，抗压强度与握裹应力则相应地为低，至于[co3」—]浓度则对强度则影响不大。此外，前述的试验结果亦发现，若就激发剂成份比例的角度来看，当激发剂的组成比例为硅酸钠水为55:45时，可达到较佳的抗压强度。此外，若就元素比例的角度观之，当Na/Ah0.9时，试体将具有最佳的力学性质；如下表4及图5所示。并且，当Si/Ah2.0时，试体亦具有最佳的力学性质，如下表5及图6所示。表4Na元素与Al元素的比例对强度的影响序号NaSiAlH207天强度(kgf/cm2)11.32.01.06.031121.12.01.05.851630.92.01.05.6533表5Si元素与Al元素的比俠对强度的影响序号NaSiAlH207天强度(kgf/cm"10.92.01.05.653320.91.61.05.030130.91.21.04.577表6钠元素、硅元素、铝元素的比例对强度的影响序号NaSiAlH207天强度(kgf/cm"10.92.01.05.653320.92.01.56.45230.91.61.05.030140.91.61.55.532因此，由上表6及图7所示，可确认Na:Si:Al二0.9:2:l时，力学性质最为理想，可达533kgf/cm2。在此较佳实施例中，如图8所示，在相同水胶比(W/B4.55)下，本发明的建筑用胶结材料在强度方面具有早强特性，且其早期强度为传统水泥的2倍。此外，就材料的耐热性与其残余强度做比较，本发明的建筑用胶结材料其残余强度比(即高温后强度与高温前强度的比值)，将如图9所示，呈现较为耐热抗高温的特性。综上所述，目前掌握的无钙水泥相比，强度可达10000psi，达到传统水泥的强度要求，因此本发明的建筑用胶结材料较佳可用于胶结混凝土结构物的级配与粒料。此处所言的粒料9较佳包含但不限于粗骨材、细骨材(砂)、人造轻质骨材(烧结型飞灰轻质骨材；人造烧结黏土；发泡炉石；膨胀页岩、黏土、片岩等)、天然轻质骨材(蛭石；浮石；硅藻石；珍珠石等)、膨胀苯乙烯粒(保丽龙)等轻质骨材与上述组合的其中之一，并可作为住宅、办公室的室内隔间及其它结构体等之用。然而在不同实施例中，本发明的建筑用胶结材料亦可用于包含厂房建筑、仓储建筑的室内隔间与其它结构体。权利要求1.一种建筑用胶结材料，供与水拌和硬化后形成一建筑构材，其特征在于其配比包含一粉体，包含一硅酸盐产物，其中该硅酸盐产物具有一铝含量介于20％～35％，及一钙含量介于0.01％～45％；以及一激发剂，包含一碱性化合物具有一碱金属元素离子，其中当该粉体连同该激发剂与水拌和，该碱金属元素离子与该硅酸盐产物反应形成一胶体结构，且该胶体结构硬化后形成该建筑构材，其抗压强度介于1100～11000psi。2.如权利要求l所述的建筑用胶结材料，其特征在于所述粉体为偏高岭土、炉石粉、硅灰、飞灰、水泥、二氧化硅产物、氧化铝产物、氧化钙产物、石英砂或上述组合的其中之一。3.如权利要求l所述的建筑用胶结材料，其特征在于所述硅酸盐产物具有一硅含量，其中该碱金属元素离子与该铝含量及该硅含量间具有一元素摩尔比，当该铝含量与该碱金属元素离子及该硅含量间形成的该元素摩尔比介于l:0.5:1.5至1:1.4:3之间，该胶体结构硬化后的抗压强度介于76007800psi。4.如权利要求3所述的建筑用胶结材料，其特征在于所述碱金属元素离子包含一钠离子。5.如权利要求3所述的建筑用胶结材料，其特征在于所述碱金属元素离子包含一钾离子。6.如权利要求2所述的建筑用胶结材料，其特征在于所述粉体为二氧化硅产物、氧化铝产物、炉石粉、氧化钙产物、水泥或上述组合的其中之一，当该粉体连同该激发剂与水拌和，该碱金属元素离子与该硅酸盐产物进行水化反应形成类C-S-H胶体。7.如权利要求6所述的建筑用胶结材料，其特征在于所述激发剂另包含一碱性溶液，其包含一硅酸钠溶液及一碳酸钾溶液。8.如权利要求2所述的建筑用胶结材料，其特征在于所述粉体为二2氧化硅产物、氧化铝产物、偏高岭土、飞灰或上述组合的其中之一，当该粉体连同该激发剂与水拌和，该碱金属元素离子与该硅酸盐产物进行酸碱反应形成铝硅酸盐胶体。9.如权利要求8所述的建筑用胶结材料，其特征在于所述激发剂另包含一碱性溶液，其由一氢氧化钠及一硅酸钠制备形成。10.如权利要求9所述的建筑用胶结材料，其特征在于所述氢氧化钠与该硅酸钠间具有一摩尔浓度比，当该氢氧化钠与该硅酸钠间形成的该摩尔浓度百分比介于30%50%，该胶体结构硬化后的抗压强度为10400psi。11.如权利要求2所述的建筑用胶结材料，其特征在于所述粉体为水玻璃、石英砂或上述组合的其中之一，且该激发剂包含硅酸钠溶液。全文摘要一种建筑用胶结材料，供与水拌和硬化后形成建筑构材，其配比包含粉体与激发剂，粉体包含硅酸盐产物，其中硅酸盐产物具有铝含量介于20％～35％及钙含量介于0.01％～45％。激发剂包含碱性化合物具有碱金属元素离子，其中当粉体连同激发剂与水拌和，碱金属元素离子与硅酸盐产物反应形成胶体结构，且胶体结构硬化后形成建筑构材其抗压强度介于1100～11000psi。文档编号C04B7/02GK101492259SQ20081030015公开日2009年7月29日申请日期2008年1月21日优先权日2008年1月21日发明者马齐文申请人:润弘精密工程事业股份有限公司