具有增强材料的水泥和混凝土的制作方法
【专利摘要】提供了包括胶结组合物和增强材料的组合物、方法和系统，其中该胶结组合物包含亚稳组分。
【专利说明】具有增强材料的水泥和混凝土
相关申请的交叉引用
[0001]本申请是于2012年I月13日提交的美国申请序列号13/350，199的部分继续申请，而后者是于2010年8月16日提交的、以美国专利号8，114，214授权的美国申请序列号12/857，267的分案申请；并且本申请要求于2011年7月29日提交的美国临时申请号61/513，367以及于2011年9月30日提交的美国临时申请号61/541，735的优先权，所有这些申请均通过引用整体并入本公开内容。
【背景技术】
[0002]素混凝土可具有抗压强度，即，其抵抗压碎载荷的能力；然而，其拉伸强度可能只是其抗压强度的约10%。其拉伸强度可能是如此之低以致于可能在大多数混凝土结构设计中是几乎忽略不计的。增强的混凝土可能是充足的增强物(诸如，具有称为变形的凸耳的钢条)和混凝土的组合，其设计为能共同工作来抵御外加载荷。混凝土中适当放置的增强物可提高其抗压强度和拉伸强度。
【发明内容】
[0003]本发明提供了组合了胶结组合物和增强材料的组合物、方法和系统。这类组合物可能是环境友好的，因为它们含有被隔离的二氧化碳。
[0004]一方面，提供了一种包含胶结组合物和增强材料的组合物，其中该胶结组合物包含选自球霰石(vaterite)、非晶碳酸钙及其组合的亚稳组分。在一些实施方案中，水泥具有小于12的湿糊pH。在一些实施方案中，该胶结组合物包含至少80wt%的合成碳酸钙和/或碳酸镁矿物。在一些实施方案中，该胶结组合物具有小于_12%。的S13C值。在一些实施方案中，该胶结组合物包含至少50wt%的球霰石或介于50wt%-99wt%之间的球霰石。在一些实施方案中，以该组合物中的水泥重量计，该组合物包括超过0.15%的水溶性氯离子。在一些实施方案中，提供了一种包含胶结组合物和增强材料的组合物，其中该胶结组合物包含选自球霰石(vaterite)、非晶碳酸钙及其组合的亚稳组分,其中该增强材料当反复或长时间地暴露于水溶性氯化物时，不显现出包括但不限于弹性模量、拉伸强度和屈服强度的机械性质的改变。
[0005]在一些实施方案中，本发明组合物中的增强材料选自铝、玻璃纤维、碳纤维、陶瓷、聚合物、草、草制品、木制品及其组合。在一些实施方案中，该增强材料包括金属。在一些实施方案中，该增强材料包括不锈钢包层处理的钢筋、电镀的钢筋、不锈钢钢筋、纤维增强的塑料、环氧树脂涂覆的钢筋、钛包层处理的钢筋、镀铬的/铬涂覆的钢筋、镀镍的/镍涂覆的钢筋、钴铬涂覆钢筋，或其任意组合。在一些实施方案中，该增强材料包括聚合物。在一些这样的实施方案中，该增强材料可包括纤维增强的塑料、环氧树脂涂覆的钢筋、聚碳酸酯增强构件、聚碳酸酯纤维、聚(氯乙烯)(PVC)增强构件、PVC纤维、聚丙烯、纤维素、聚乙烯醇，或其任意组合。在一些实施方案中，该增强材料包括草、草制品、木制品或其任意组合。在一些这样的实施方案中，该增强材料包括竹子。[0006]在一些实施方案中，本发明提供了一种如上所述的组合物，其中至少I体积％的增强材料以相同的方向对齐。在本发明的一些实施方案中，将对齐的增强材料保持在受压状态以产生预应力混凝土元件(部分)或本体。在一些这样的实施方案中，本发明提供了一种组合物，其中该组合物中的外层纤维应力不超过规定的以磅/平方英寸(PSi)为单位的混凝土抗压强度的0.60倍，简支构件的端部的受压的外层纤维应力也不超过规定的以磅/平方英寸(psi)为单位的混凝土抗压强度的0.70倍。
[0007]在一些实施方案中，本发明提供了一种如上所述的组合物，其中胶结组合物包含至少80wt%的碳酸盐矿物。在一些实施方案中，碳酸盐矿物中的碳全部或部分来源于从工业废物流中去除的二氧化碳。在一些实施方案中，本文提供的组合物满足对耐用性、强度和可用性、弯曲和轴向载荷、剪切和扭转以及其余的结构混凝土建筑规范(例如，如ACI318-08和ACI201.2R-01中所述)的要求。在一些实施方案中，在本文提供的组合物中，增强材料具有至少420MPa的屈服强度。在一些实施方案中，在本文提供的组合物中，增强材料具有25GPa至250GPa的弹性模量。在本发明的一些实施方案中，本文提供的组合物适合在结构建筑应用中使用。在一些实施方案中，以上所述的组合物进一步包括骨料。[0008]一方面，提供了一种用于形成水泥或混凝土组合物的方法，其包括将胶结组合物与增强材料组合并且形成水泥或混凝土组合物，其中该胶结组合物包含选自球霰石、非晶碳酸钙及其组合的亚稳组分。在一些实施方案中，该方法包括形成湿糊PH为12或更低的胶结组合物。在一些实施方案中，该方法包括通过使含有二氧化碳的工业废气流与碱性溶液相接触以形成充有二氧化碳的水来制备胶结组合物；并且使充有二氧化碳的水与二价阳离子相接触以形成胶结组合物。在一些实施方案中，该方法包括使充有二氧化碳的水与二价阳离子在一项或多项沉淀条件下相接触，该沉淀条件有利于形成包含选自球霰石、非晶碳酸钙及其组合的亚稳组分的胶结组合物。在一些实施方案中，该一项或多项沉淀条件有利于在胶结组合物中形成超过50wt%的球霰石。在一些实施方案中，有利于形成包含选自球霰石、非晶碳酸钙及其组合的亚稳组分的胶结组合物或有利于在胶结组合物中形成超过50wt%的球霰石的一项或多项沉淀条件包括温度、pH、停留时间、质子去除剂、添加剂、离子比率、沉淀速率、混合比率、搅拌形式、种晶的存在、催化剂、膜或基底、分离、干燥、精炼或其组合。在一些实施方案中，该方法进一步包括使水泥或混凝土组合物与水相接触，并将球霰石转化为霰石(aragonite)。在一些实施方案中，本文提供的方法包括在增强材料上形成霰石晶体。在一些实施方案中，在本文提供的方法中，增强材料包括但不限于铝、玻璃纤维、碳纤维、陶瓷、聚合物、草、草制品、木制品及其组合。在一些实施方案中，在本文提供的方法中，增强材料包括但不限于不锈钢包层处理的钢筋、镀锌的钢筋、不锈钢钢筋、纤维增强的塑料、环氧树脂涂覆的钢筋、钛包层处理的钢筋、镀铬的/铬涂覆的钢筋、镀镍的/镍涂覆的钢筋、钴铬涂覆钢筋，或其任意组合。在一些实施方案中，在本文提供的方法中，增强材料包括但不限于聚碳酸酯增强构件、聚碳酸酯纤维、聚(氯乙烯)(PVC)增强构件、PVC纤维、聚丙烯、纤维素、聚乙烯醇或其任意组合。在一些实施方案中，本发明方法中的增强材料包括草、草制品、木制品或其任意组合。在一些实施方案中，该方法进一步包括采用电化学方法获得碱性溶液。在一些实施方案中，在本文提供的方法中，该碱性溶液是氢氧化钠溶液或碳酸钠溶液或其组合。在一些方法实施方案中，将骨料与胶结组合物和增强材料组合。在一些实施方案中，该方法进一步包括对齐一部分增强材料，并将增强材料的对齐部分保持在受压状态以产生预应力混凝土元件或本体。
[0009]在一些实施方案中，该方法可进一步包括用以下方式获得增强材料:该方式包括利用电化学方法中生成的氯、盐酸或其他种类来制备氯乙烯单体，并进一步包括使氯乙烯单体聚合以产生聚(氯乙烯)；在一些这样的实施方案中，该方法还可包括通过铸造、挤出、旋转或其任意组合对聚(氯乙烯)进行进一步加工。在一些实施方案中，本发明提供了一种方法，该方法包括将胶结组合物和包含聚合物的增强材料组合，其中形成该聚合物的单体的反应物至少部分地来源于还为气态二氧化碳去除过程提供质子去除试剂或手段的电化学过程，该方法进一步包括获得增强材料。在一些这样的实施方案中，增强材料的获得可包括以下步骤:i)在电化学系统的阳极和阴极间施加以伏特计量的电势，其中该电化学系统被配置成产生氢氧化物或从含有溶解的二氧化碳的溶液中去除质子，并且其中该电化学系统还产生包含氯、氢、盐酸或其任意组合的副产物；ii)从该电化学系统的副产物产生氯乙烯单体；和iii)产生包含氯乙烯单体的聚合物增强材料。在一些实施方案中，本发明提供了一种方法，其中增强材料的获得包括以下步骤:i)在电化学系统中的阳极和阴极间施加以伏特计量的电势，其中该电化学系统被配置成从含有溶解的二氧化碳的溶液中去除质子并产生单体副产物；和ii)产生包含单体副产物的聚合物增强材料。在一些这样的实施方案中，单体副产物包括氯乙烯、乙烯、苯乙烯、丙烯、甲基丙烯酸甲酯、缩聚物单体、烯烃、丙烯酸酯或其任意组合。
[0010]一方面，提供了一种系统，其包括可操作地连接到水泥生产站的生产站，该混凝土生产站被配置成用于将从该水泥生产站中得到的包含选自球霰石、非晶碳酸钙及其组合的亚稳组分的胶结组合物与来自增强材料源的增强材料组合以生产混凝土组合物。在一些实施方案中，水泥生产站被配置成利用来自二氧化碳源的二氧化碳、来自碱源的碱性溶液和来自二价阳离子源的二价阳离子生产胶结组合物。在一些实施方案中，该系统进一步包括可操作地连接到水泥生产站的碱源，该碱源被配置成用于电化学生产碱性溶液。在一些实施方案中，该系统进一步包括骨料源，其中该骨料源可操作地连接到水泥生产站，并且被配置成用于向该水泥生产站提供骨料。在一些实施方案中，该
[0011]在一些实施方案中`，本发明提供了一种被配置成用于实施本申请中所述的方法的系统。
援引并入
[0012]本说明书中提到的所有出版物、专利和专利申请均通过引用而并入本文，其程度如同特别地和单独地指出每个单独的出版物、专利或专利申请通过引用而并入。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]本发明的新特征在所附的权利要求书中具体阐述。通过参考以下对利用本发明原理的说明性实施方案加以阐述的详细描述及其附图，将会更好地理解本发明的特征和优点，在这些附图中:
[0014]图1图示了本发明的一些实施方案的流程图。
[0015]图2图示了本发明的一些实施方案的流程图。
[0016]图3图示了本发明的一些实施方案的流程图。
[0017]图4图示了本发明的电化学系统的一个实施方案。[0018]图5图示了本发明的电化学系统的一个实施方案。
[0019]图6图示了本发明的电化学系统的一些实施方案的流程图。
[0020]图7图示了本发明的电化学系统的一个实施方案。
[0021]图8图示了球霰石向霰石转变的吉布斯自由能图。
[0022]图9图示了如实施例1中所述的组合物的扫描电镜图(SHM图)。
[0023]图10图示了如实施例2中所述的碳酸钙水泥的SEM图。
发明详述
[0024]本文提供了含有由增强材料增强的胶结组合物的组合物、方法和系统。在一些实施方案中，本发明的胶结组合物包括亚稳组分例如但不限于球霰石、非晶碳酸钙或其组合。该胶结组合物可进一步包括碳酸钙的稳定形式，例如但不限于霰石和方解石以及任选地碳酸镁形式。 申请人:意外地并且惊讶地发现，碳酸钙的亚稳形式赋予胶结组合物以缺乏该亚稳形式的胶结组合物中不存在的性质。例如，在一些实施方案中，具有亚稳形式的胶结组合物在与增强材料混合并进一步与水混合后，凝固并硬化，其中在增强材料的表面上和/或周围，球霰石转化为霰石。在溶解-再沉淀过程中和/或之后球霰石向霰石的转化可导致胶结组合物与增强材料之间更好的连接或结合。含有该亚稳组分的本发明的胶结组合物可以在具有耐用性、强度、可用性、拉伸强度、挠曲强度和轴向强度、冲击性能、抗裂性、爆破应力抗性和/或剪切和扭转的建筑结构方面等于或好于不含该亚稳组分的胶结组合物。
[0025]在一些实施方案中，所述胶结组合物为合成水泥而不是天然存在的水泥。在一些实施方案中，该胶结组合物为合成碳酸盐如合成碳酸钙而不是天然存在的碳酸盐。在一些实施方案中，该胶结组合物具有小于12的湿糊pH值。在一些实施方案中，该胶结组合物为具有小于12的湿糊pH值的合成水泥。在一些实施方案中，本文提供的组合物适合于建筑结构应用。在一些实施方案中，与通常具有高于12的pH的常规水泥相比，本发明的胶结组合物为增强材料提供了低于12的pH。可能必须将常规混凝土配制为增强增强材料如低碳钢的耐腐蚀性。因此，可能必须严格监测和控制常规混凝土的水溶性氯化物含量。在本发明的胶结组合物中低于12的pH可减少增强材料如钢的腐蚀。
[0026]本文所用的“增强材料”或其语法等价物包括掺入胶结组合物以赋予其物理和/或机械性质的材料。增强材料可以为棒、丝、线、网格、板、纤维等形状。增强材料可以是本领域已知的任何材料，包括但不限于有机、无机、金属、合成或天然存在的。在一些实施方案中，本文所公开的增强材料增强胶结组合物的拉伸强度、挠曲强度和/或冲击性能。在一些实施方案中，增强材料不经历腐蚀并且适合用于建筑结构应用。在一些实施方案中，增强材料可以是复合材料，即具有不同性质的两种或更多种组分材料的组合。例如，可混合稻草和泥衆以形成砖或建筑结构。
[0027]在更详细地描述本发明之前，应当理解，本发明不限于本文所描述的具体实施方案，因为这些实施方案可以变化。也应当理解，本文使用的术语仅用于描述特定实施方案的目的，而非旨在进行限定，因为本发明的范围仅由所附权利要求来限定。除非另外定义，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员所一般理解的相同的含义。
[0028]当提供值的范围时，应当理解，在此范围的上限和下限之间的每个居间值(精确到下限单位的十分之一，除非上下文另外明确地指出)以及在所述范围内的任何其他所指出的或居间的值都包含在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括在较小范围中，而且也包含在本发明内，除了所述范围内任何明确排除的极限值。当所述范围包括极限值中的一个或两个时，排除这些所含极限值中的任何一个或两个的范围也被包括在本发明中。
[0029]某些范围在本文中以前面带有术语“大约”的数值呈现。术语“大约”在此用于对其之后的准确数字以及与该术语之后的数字接近或近似的数字提供字面支持。在确定一个数字是否接近或近似于具体列举的数字时，接近或近似的未列举的数值可以是在它所出现的上下文中提供与具体列举的数值基本相等的值的数值。
[0030]本说明书中所引用的所有出版物、专利和专利申请都通过引用以相同的程度并入本文，如同特别地和单独地指出每个单独的出版物、专利或专利申请通过引用而并入。此外，所引用的每篇出版物、专利或专利申请均通过引用并入本文以公开和描述与所引用的出版物有关的主题。任何出版物的引用应针对其在申请日之前的公开内容，并且不应解释为承认本文所述的发明由于在先发明而没有资格早于此出版物。此外，所提供的出版日期可能与实际出版日期不同，实际出版日期可能需要独立确认。
[0031]应当指出，除非上下文另外明确指出，否则本文及所附权利要求中使用的单数形式“一个”、“一种”和“该”包括指代物的复数形式。应当进一步指出，权利要求书可撰写为排除任何任选的要素。因此，本声明旨在作为将诸如“单独地”、“仅”等排他性术语与权利要求要素的引述结合使用或使用“否定”限制的在先基础。
[0032]本领域技术人员在阅读本公开内容后应当明白，本文描述和说明的每一单独的实施方案具有单独的组分和特征，该组分和特征可以与其他几个实施方案中任一个的特征容易地分开或组合，而不背离本发明的范围或精神。任何引述的方法可以按所引述的事件的顺序或按逻辑上可能的任何其他顺序进行。尽管与本文所描述的那些方法和材料相似或等同的任何方法和材料也可用于本发明的实践或测试，但是现在将对代表性的说明性方法和材料进行描述。
[0033]在本发明的进一步描述中，描述了根据本发明实施方案的增强水泥和混凝土的组合物。描述了产生和使用本发明组合物的各种实施方案的方法，随后描述了可用于实践本发明的各种方法的系统。
A.组合物
[0034]一方面，提供了包括胶结组合物和增强材料的组合物。在一些实施方案中，该胶结组合物包含选自球霰石、非晶碳酸钙及其组合的亚稳组分。图1图示了该胶结组合物与增强材料组合以产生适合用于结构建筑应用的材料的流程图。图2图示了该胶结组合物与增强材料和骨料组合以产生适合用于结构建筑应用的混凝土材料的流程图。该骨料可以是合成的或天然存在的。在一些实施方案中，该骨料是由本文所述的方法制备的碳酸钙。应当理解，可将用于制备砂浆和其他辅助胶结材料的其他组分如沙子加入到本发明的胶结组合物中。
[0035]本文对胶结组合物和增强材料进行了详细描述。
胶结组合物
[0036]如本文所用的“胶结组合物”包括含有碳酸钙的组合物。在一些实施方案中，该胶结组合物在与水组合后凝固并硬化成水泥。该胶结组合物可以是自胶结水泥(self-cement)或水硬水泥组合物、辅助胶结材料(SCM)、骨料或其组合。可将该自胶结组合物打碎而形成骨料。
[0037]如本文所用的“水硬水泥”或“自胶结水泥”包括在与水或其中的溶剂为水的溶液例如掺合物溶液组合后凝固并硬化的组合物。在硬化之后，这些组合物即使在水中也保留强度和稳定性。由于立即开始的反应，能够观察到可随时间增大的加强作用。在达到某个水平之后，可以将这个时间点称为凝固起点。继续的进一步固结可以被称为凝固，此后开始硬化阶段。然后材料的抗压强度可以稳定增长，这个时期可以是从“超快硬化”水泥情况下的几天到其他水泥情况下的几个月或几年。通过将本发明的组合物与水性液体组合而生产的产品的凝固并硬化可以源自或者可以不源自水合物的产生，该水合物可以是由该组合物在与水反应之后形成的，其中该水合物在水中基本不可溶。水泥可以单独地或与骨料相组合地以粗和细的形式使用，在此情况下该组合物可以被称为混凝土或灰浆。也可以将水泥切割并打碎而形成骨料。
[0038]在一些实施方案中，本发明的胶结组合物具有小于12 ;或小于11 ;或小于10 ;或小于9 ;或小于8 ;或小于7 ;或为7-12 ;或为7-11的湿糊pH。在一些实施方案中，提供了包含胶结组合物和增强材料的组合物，其中该胶结组合物包含选自球霰石、非晶碳酸钙及其组合的亚稳组分，并且其中该胶结组合物具有小于12的湿糊pH。通常，水泥的较高pH值可导致增强材料的腐蚀。例如，在一些实施方案中，PH值高于12的常规水泥如波特兰水泥可在增强材料上形成钝化层，其可防止增强材料的腐蚀。然而，本文提供的胶结组合物具有小于12.5或12的pH值，例如，在一些实施方案中pH为中性，以使得可以不发生金属的这种预防性钝化。在一些实施方案中，本文提供的胶结组合物具有12.5或更低的pH值。在一些实施方案中，本文提供的胶结组合物具有12.5或更低的鲜糊值(fresh paste value)。本文所用的“鲜糊”包括在将胶结组合物与水混合之后形成的糊料。在一些实施方案中，本文提供的胶结组合物具有12.5或更低，或12或更低，或11或更低，或10或更低，或9或更低，或8或更低，或7.5或更低，或7.5-12.5，或7.5-12,或7.5_11，或7.5-10,或7.5-9,或7.5-8，或 8-12.5，或 8-12，或 8-11，或 8-10，或 8-9，或 9-12.5，或 9-12，或 9-11，或 9-10，或10-12.5，或 10-12，或 10-11，或 11-12.5，或 11-12 或 7.5，或 8，或 9，或 10，或 11，或 12，或12.5的pH值或鲜糊值。本发明的胶结组合物的较低pH使其适合于多种应用，包括但不限于在于2012年5月2日提交的美国申请序列号13/462，569中所述的人工鱼礁，该申请通过引用整体并入本文。
[0039]包括氯化钠在内的氯化物可促进增强材料如埋置钢筋的腐蚀。氯阴离子可引起钢增强物(reinforcements)的局部腐蚀(点状腐蚀)和全面腐蚀。在一些实施方案中，本文所述的胶结组合物可由可导致组合物含有水溶性氯化物的过程来制备。在一些实施方案中，该胶结组合物可大大有助于该组合物的水溶性氯化物含量。在其中胶结组合物可含有量足够高的氯化物的实 施方案中，需要可承受更高氯化物含量的增强材料。在一些实施方案中，当组合物为28-42天(例如，混合和形成后28-42天的混凝土)时并如ASTM C1218中所概述的,可确定组合物中的水溶性氯化物的含量。例如,如果材料总体上为混凝土,则可通过ASTM C1218中所概述的方法来测定水泥和骨料、沙子和该混凝土中的任何其他材料的水溶性氯化物。在一些实施方案中，以组合物中的水泥重量计，该组合物包含多于0.06%，或多于0.1%，或多于0.15%,或多于0.2%,或多于0.3%,或多于1%,或0.05-5%,或0.05-4%,或0.05-3%,或0.05-2%,或0.05-1%的水溶性氯离子。
[0040]以下提供了用于制备和使用本发明的胶结组合物的方法。制备和使用这类材料的更详细的说明可在共同转让的美国专利7，735，274和8，062, 418中找到，此两者均通过引用整体并入本文。
[0041]通过隔离来源于二氧化碳源如废物流的二氧化碳，例如但不限于来源于发电厂的烟气或由水泥厂等排放的二氧化碳，来形成本发明的胶结组合物。在一些实施方案中，该胶结组合物含有来源于人类使用的燃料的碳，例如，具有化石燃料起源的碳。例如，在一些实施方案中，本发明的胶结组合物含有以CO2形式从燃料的燃烧释放的碳。在某些实施方案中，在胶结组合物中隔离的碳为碳酸盐化合物的形式。因此，在某些实施方案中，本文提供的胶结组合物含有碳酸盐化合物，其中碳酸盐化合物中的至少一部分碳来源于人类使用的燃料，例如化石燃料。因此，本发明的组合物的生产导致将CO2转化为胶结组合物中的存储稳定形式。本发明的胶结组合物的生产因此导致防止CO2气体进入大气。本发明的组合物以一定方式提供CO2的存储，使得组合物中隔离的(即，固定的)CO2不变为大气的一部分。因此，在组合物为可消耗的组合物时，其中固定的CO2在耗材的使用寿命中(如果不是更长的话)保持固定。
[0042]本发明的胶结组合物包括含有可与二价阳离子如钙和/或镁组合或与单价阳离子如钠组合的碳酸盐和/或碳酸氢盐的组合物。该碳酸盐和/或碳酸氢盐可在溶液中、在固体形式中或溶液和固体形式的组合中，例如浆料。碳酸盐和/或碳酸氢盐可以含有来自于二氧化碳源的二氧化碳；在一些实施方案中，二氧化碳源自化石燃料的燃烧，并且因此这些碳酸盐和/或碳酸氢盐中的一些(例如，至少10%、50%、60%、70%、80%、90%、95%)或基本上所有(例如，至少99%、99.5%或99.9%)的碳是化石燃料来源的，即，是植物来源的。众所周知，植物来源的碳与无机来源的碳相比具有不同的稳定同位素(13C和12C)之比，并且因此在一些实施方案中，碳酸盐和/或碳酸氢盐中的碳具有小于例如-10%。，或小于-15%。，或小于-20%。，或小于-35%。，或小于-30%。，或小于-35%。的δ 13C0
[0043]在一些实施方案中，本文提供的组合物含有来自化石燃料的碳；由于其化石燃料起源，这类组合物的碳同位素分馏(δ 13)值可能不同于含有无机碳的组合物，例如石灰岩。一般来说，衍生出化石燃料的植物相比13C可以更优先利用12C,因此分馏了这些碳同位素，使得它们的比率与在大气中通常存在的比率不同；与标准值(PeeDeeBelemnite或PDB标准)相比时，该值被称为碳同位素分馏(δ 13C)值。煤的S13C值通常是在-30%。至-20%。的范围内，甲烷的S13C值可以低至-20%。至-40%。或甚至-40%。至-80%。。大气CO2的S13C值是-10%。至-7%。,对于石灰岩是+3%。至-3%。,并且对于海洋碳酸氢盐是0%。。
[0044]包含一种或多种源自工业CO2的合成碳酸盐的沉淀材料反映出(由化石燃料的燃烧)衍生出工业CO2的化石燃料(例如，煤、石油、天然气或烟气)的相对碳同位素组成(S13C)。以％。(每千分之一)为单位的相对碳同位素组成(S13C)值是相对于石化箭石标准(PDB标准)，两种稳定的碳同位素即12C和13C的浓度比的量度。
513C%o=[ (13C/12C样品」3C/12CPDB标准)/ (13C/12CPDB标准)]X1000
[0045]12C由于其较低的质量而优先被植物在光合作用过程以及其他使用无机碳的生物过程中吸收。与13C相比，12C的较低的质量允许在动力学上受限的反应更有效地进行。因此，源自植物材料的物质，`例如化石燃料，具有比源自无机来源的物质更小的相对碳同位素组成值。由燃烧化石燃料而产生的烟气中的二氧化碳反映了被石化的有机材料的相对碳同位素组成值。表1列出了相关碳源的相对碳同位素组成值范围以供比较。
[0046]结合有来自燃烧化石燃料的碳的组合物可反映出类似于植物来源的材料的S13C值，即，小于结合有来自大气或非植物海洋来源的碳的材料的值。对通过二氧化碳隔离过程产生的材料由来自燃烧化石燃料的碳组成进行的验证，可以包括测量所得材料的s 13C值并确认它与大气二氧化碳或海洋碳源的值不相似。
表1.感兴趣的碳源的相对碳同位素组成(δ 13C)值
【权利要求】
1.一种组合物，其包含: 胶结组合物，其中该胶结组合物包含选自选自球霰石、非晶碳酸钙及其组合的亚稳组分，和 增强材料。
2.如权利要求1所述的组合物，其中所述胶结组合物具有小于12的湿糊pH。
3.如权利要求1或2所述的组合物，其中所述胶结组合物具有小于-12.0%。的S13C值。
4.如前述权利要求中任一项所述的组合物，其中所述胶结组合物包含至少50wt%的球霰石。
5.如前述权利要求中任一项所述的组合物，其中以所述组合物中的水泥重量计，所述组合物包含大于0.15%的水溶性氯离子。
6.如前述权利要求中任一项所述的组合物，其中当反复或长时间地暴露于水溶性氯化物时，所述增强材料不显现出选自弹性模量、拉伸强度和屈服强度的机械性质的改变。
7.如前述权利要求中任一项所述的组合物，其中所述增强材料选自铝、玻璃纤维、碳纤维、陶瓷、聚合物、草、草制品、木制品及其组合。
8.如前述权 利要求中任一项所述的组合物，其中所述增强材料包含不锈钢包层处理的钢筋、电镀的钢筋、不锈钢钢筋、纤维增强的塑料、环氧树脂涂覆的钢筋、钛包层处理的钢筋、镀铬的/铬涂覆的钢筋、镀镍的/镍涂覆的钢筋、钴铬涂覆的钢筋或其任意组合。
9.如权利要求7所述的组合物，其中所述增强材料包含聚碳酸酯增强构件、聚碳酸酯纤维、聚(氯乙烯)(PVC)增强构件、PVC纤维、聚丙烯、纤维素、聚乙烯醇或其任意组合。
10.如权利要求7所述的组合物，其中所述增强材料包含竹子。
11.如前述权利要求中任一项所述的组合物，其中至少I体积％的增强材料以相同方向对齐。
12.如前述权利要求中任一项所述的组合物，其中所述胶结组合物包含碳酸盐矿物，其中该碳酸盐矿物中的碳全部或部分来源于从工业废物流中去除的二氧化碳。
13.如前述权利要求中任一项所述的组合物，其中根据结构混凝土建筑规范，所述组合物满足对耐用性、强度、可用性、弯曲和轴向载荷和/或剪切和扭转的要求。
14.如前述权利要求中任一项所述的组合物，其中所述增强材料具有至少420MPa的屈服强度。
15.如前述权利要求中任一项所述的组合物，其中所述增强材料具有25GPa至250GPa的弹性模量。
16.如前述权利要求中任一项所述的组合物，其中所述组合物适合在结构建筑应用中使用。
17.如前述权利要求中任一项所述的组合物，其进一步包含骨料。
18.一种用于形成水泥或混凝土组合物的方法，其包括: 将胶结组合物与增强材料组合，并且形成水泥或混凝土组合物，其中该胶结组合物包含选自球霰石、非晶碳酸钙及其组合的亚稳组分。
19.如权利要求18所述的方法，其进一步包括通过使包含二氧化碳的工业废气流与碱性溶液相接触以形成充有二氧化碳的水来制备所述胶结组合物；并且使充有二氧化碳的水与二价阳离子相接触以形成胶结组合物。
20.如权利要求19所述的方法，其中所述充有二氧化碳的水与二价阳离子的接触在沉淀条件下进行，该沉淀条件有利于形成包含选自球霰石、非晶碳酸钙及其组合的亚稳组分的胶结组合物。
21.如权利要求20所述的方法，其中所述沉淀条件有利于在所述胶结组合物中形成超过50wt%的球霰石。
22.如权利要求18-21中任一项所述的方法，其进一步包括使所述水泥或混凝土组合物与水相接触，并将所述球霰石转化为霰石。
23.如权利要求18-22中任一项所述的方法，其进一步包括在增强材料上形成霰石晶体。
24.如权利要求18-23中任一项所述的方法，其中所述增强材料选自铝、玻璃纤维、碳纤维、陶瓷、聚合物、草、草制品、木制品及其组合。
25.如权利要求18-24中任一项所述的方法，其中所述增强材料包含不锈钢包层处理的钢筋、电镀的钢筋、不锈钢钢筋、纤维增强的塑料、环氧树脂涂覆的钢筋、钛包层处理的钢筋、镀铬的/铬涂覆的钢筋、镀镍的/镍涂覆的钢筋、钴铬涂覆的钢筋或其任意组合。
26.如权利要求24所述的方法，其中所述增强材料包含聚碳酸酯增强构件、聚碳酸酯纤维、聚(氯乙烯)(PVC)增强构件、PVC纤维、聚丙烯、纤维素、聚乙烯醇或其任意组合。
27.如权利要求19所述的方法，其进一步包括使用电化学方法获得碱性溶液。
28.—种系统，其包含:可操作地连接到水泥生产站的混凝土生产站，该混凝土生产站被配置成用于将从该水泥生产站中得到的包含选自球霰石、非晶碳酸钙及其组合的亚稳组分的胶结组合物与来自增强材料源的增强材料组合以生产混凝土组合物。
29.如权利要求28所述的系统，其中所述水泥生产站被配置成利用来自二氧化碳源的二氧化碳、来自碱源的碱性溶液和来自二价阳离子源的二价阳离子生产所述胶结组合物。
30.如权利要求28或29所述的系统，其进一步包含可操作地连接到水泥生产站的碱源，该碱源被配置成用于电化学生产碱性溶液。
【文档编号】C04B22/12GK103732555SQ201280038192
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2012年7月27日 优先权日:2011年7月29日
【发明者】布伦特·R·康斯坦茨, 保罗·J·蒙蒂罗, K·塞尔夫, I·陈 申请人:卡勒拉公司