铺路石和砌块复合材料以及其制备方法
【专利说明】铺路石和棚块复合材料从及其制备方法
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2013年3月13日提出申请的共同代决美国临时专利申请号61/780,592 的优先权W及权益，该申请W引用的方式全部并入本文中。
技术领域
[0003] 本发明大体而言设及新颖的复合材料，所述复合材料可W用作铺路石或用作建筑 搁块。更具体地，本发明设及合成的铺路石和建筑搁块材料W及其由包括水和二氧化碳的 各种低成本原材料的制备。所述复合材料适合于建筑、基础设施、艺术品W及装演中的各种 用途。
【背景技术】
[0004] 自古W来，人们已知并且使用石材作为建筑材料。石材的独特美学和物理特性使 得石材成为房屋与建筑W及装饰艺术与雕塑中的理想材料。
[0005] 铺路石为通过使用诱铸工艺、压制工艺、压实工艺、或振动与压制的组合制成的混 凝±搁块。铺路石大体而言W互锁图案铺搁。所述铺路石有时还被称为铺路石材。所述铺路 石在使用寿命期间可W被损坏时用新的铺路石移除，从而减少任何的服务中断。互锁铺路 石可W设计成在图案之间具有间隙，提供该间隙用于将水排出到下层。
[0006] ASTM C 936提供混凝±铺路石需要满足的但不限于W下各项的标准:800化si的 平均抗压强度；不大于5%的平均吸水率；W及对至少50个冻融循环平均材料损坏不超过 1%的抵抗力。除所述ASTM要求之外，还可能希望铺路石满足额外要求，包括减少的风化(例 如，减少反应产物由于浓度梯度的析出）、良好的保色性W及取决于铺路石用于何处的耐磨 性。
[0007] 类似铺路石，搁块也是通过诱铸或压制工艺或类似的压实工艺生产的预诱铸混凝 ±。搁块也被称为混凝±搁筑单元(Concrete masonry unit;CMU)、空屯、搁块W及混凝±搁 块。当搁块由飞灰制成时，所述搁块被称为煤渣搁块。所述搁块通常具有空屯、结构。已努力 研究人工或人造铺路石材W及建筑搁块材料，W用低成本易生产的仿制品替代昂贵且稀缺 的天然材料。然而，所述努力尚未生产出具有期望的石材的外观、纹理、密度、硬度、孔隙度 W及其他美学特性并同时可W在环境影响最小的情况下W低成本大量制造的合成材料。 [000引预期搁块相比于黏±砖提供更好的结构性质（用于承重搁筑结构及在制造搁 筑墙时提供更平滑的表面。另外，互锁混凝±搁筑单元不需要砂浆来黏合所述单元。一些搁 块可W用W建造空屯、结构，该空屯、结构相比于实屯、结构产生良好的隔音性W及隔热性。
[0009] 搁块需要大体上符合承重混凝±搁筑单元标准规范ASTM C90的要求。符合该标准 的搁块在强度、几何结构、耐久性W及耐火性上确保是可W接受的，并且所述搁块用于标准 商业建设项目是大体上可W接受的。
[0010] 大多数人工石材仿制品通过将天然石材粉末W及矿物微粒与波特兰水泥 (Portland Cement)渗混而制备。将天然石材、矿物与水泥渗混物与水混合、形成为想获得 的形状并且固化。该方法受众多缺陷影响，包括不良的重现性、低产率、劣化、高加工成本、 不尽人意的机械性质等。
[0011] 其他人工石材仿制品通过将天然石材粉末W及矿物与合成树脂(例如，丙締酸、不 饱和聚醋、环氧树脂)渗混而制备。该方法也受众多缺陷影响，包括不良的重现性、低产率、 劣化、高加工成本、不尽人意的机械性质等。
[0012] 此外，现有方法通常设及大能量消耗W及具有不利的碳足迹的二氧化碳排放。
[0013] 存在对新颖的复合铺路石材W及建筑搁块材料的持续需要，所述铺路石材W及建 筑搁块材料展现良好的美学W及物理特性，并且能够W低成本在改良的能量消耗W及理想 的碳足迹的情况下大量生产。
【发明内容】
[0014] 本发明部分地基于对新颖的铺路石材W及建筑搁块复合材料的出乎意料的发现， 所述材料可W通过适合于大规模生产的工艺由广泛可用的呈颗粒形式的低成本原材料容 易地生产。原材料包括微粒状前体材料W及微粒状填充材料，所述微粒状前体材料包含成 为接合单元的微粒状娃酸巧(例如，研磨娃灰石），所述微粒状填充材料包括矿物质（例如， 石英W及其他含Si化材料、云母W及长石）。流体组分也作为反应介质提供，其包含液态水 和/或水蒸气W及试剂二氧化碳(0)2)。添加剂材料可W包括天然或回收材料W及富含碳酸 巧和富含碳酸儀的材料，W及流体组分的添加剂，诸如水溶性分散剂。各种添加剂可W用来 微调所得复合建筑材料的物理外观W及机械性质，所述添加剂诸如:有色材料的颗粒，有色 材料诸如有色玻璃、有色砂粒W及有色石英颗粒；W及颜料(例如，黑色氧化铁、氧化钻W及 氧化铭）。可W使用术语"着色剂"大体上指代有色材料W及颜料中的任一者或两者。为了模 仿铺路石材W及建筑搁块的外观，微粒状填充材料可W包括精细颗粒。为了提供硬度精细 颗粒可W是Si化系材料，或者精细颗粒可W包含各种材料，包括砂粒、选自矿物W及添加剂 材料的研磨、压碎或W其他方式粉碎的物质。
[0015] 在各种实施例中，本发明提供一种模仿类似石材物件的外观W及"感觉(feeir的 产品。举例而言，描述一种合成铺路石产品。该产品通过使用模具制造。铺路石的模具构造 为模仿通常在真实的石材铺路石中观察到的形状与表面凹凸的结构的物理"相反物 (negative)"，W使得诱铸合成铺路石生产为具有赋予真实石材铺路石的表面外观W及物 理"感觉"的表面特征。表面特征可W包括W下中的任一者:表面凹凸和/或粗糖、相邻铺路 石之间的空间、从一块石材过渡到相邻石材时发生的表面高度变化、W及模仿一块石材和/ 或彼此相邻的多块石材的类似特征。
[0016] 所述铺路石材W及建筑搁块复合材料展现石材典型的表面特征并且显示相比于 天然石材可W接受的抗压强度W及吸水率。另外，可W使用高效的气体辅助热液液相烧结 化LPS)工艺W低成本并在大大改善能量消耗W及碳足迹的情况下生产本发明的复合建筑 材料。事实上，在本发明的优选实施例中，将C〇2作为反应性物种消耗，从而导致C〇2的净固 存。
[0017] 根据一个方面，本发明的特征为一种复合建筑材料。该复合建筑材料包含:多个接 合单元，其中每个接合单元包含:主要包含娃酸巧的核屯、，富含二氧化娃的第一层或内层， W及富含碳酸巧的第二层或外层；W及包含精细填充颗粒的多个填充颗粒，其中多个接合 单元w及多个填充颗粒一起形成一个w上接合基质，并且接合单元w及填充颗粒构造成由 于反应而接合在一起，在所述反应中，存在包含多于50 %的二氧化碳的气氛。该复合建筑材 料W铺路石材或建筑搁块的形式提供。
[0018] 在一个实施例中，接合单元W及填充颗粒构造成由于反应而接合在一起，在该反 应中，存在包含多于80%的二氧化碳的气氛。
[0019] 在又一实施例中，该复合建筑材料进一步包含着色剂。
[0020] 在再一实施例中，多个接合单元具有在约如m至约lOOjim的范围内的中值粒径。
[0021] 在另一实施例中，填充颗粒由富含二氧化娃的材料制成。
[0022] 在又一实施例中，多个填充颗粒包含石英、云母W及长石中的一种W上。
[0023] 在额外实施例中，多个接合单元由研磨娃灰石化学转化而成。
[0024] 在一个其他实施例中，多个接合单元由除娃灰石之外的前体娃酸巧化学转化而 成。
[0025] 在再一实施例中，多个接合单元由包含侣、儀W及铁中的一种W上的前体娃酸巧 化学转化而成。
[0026] 在一个实施例中，着色剂包含氧化铁、氧化钻W及氧化铭中的一种W上。
[0027] 在另一实施例中，接合单元与填充颗粒的重量比为约8-50:50-92。
[002引在另一实施例中，接合单元与填充颗粒的重量比为约5-50:50-95。
[0029] 在又一实施例中，着色剂W0重量％至约10重量％的量存在。
[0030] 在又一实施例中，多个接合单元通过使研磨娃灰石通过受控热液液相烧结工艺与 C〇2反应而由研磨娃灰石化学转化而制备。
[0031 ]在另一实施例中，多个接合单元通过使除娃灰石之外的前体娃酸巧通过受控热液 液相烧结工艺与C〇2反应而由除娃灰石之外的前体娃酸巧化学转化而制备。
[0032] 在又一实施例中，复合建筑材料具有50MPa至300MPa范围内的抗压强度W及5MPa 至30MPa范围内的晓曲强度。
[0033] 在另一实施例中，复合建筑材料具有lOMPa至300MPa范围内的抗压强度W及IMPa 至30MPa范围内的晓曲强度。
[0034] 在额外实施例中，复合建筑材料具有小于约10%的吸水率。
[0035] 在一个其他实施例中，复合建筑材料展现类似于石材的视觉图案。
[0036] 根据另一方面，本发明设及一种由任意前述实施例中所描述的复合建筑材料制成 的制品。
[0037] 根据另一方面，本发明设及一种用于制备复合建筑材料的方法。该方法包含W下 步骤:混合微粒状组成物W及液体组成物W形成浆料混合物，其中该微粒状组成物包含:具 有在约Ιμπι至约100μπι的范围内的中值粒径的研磨娃酸巧，W及包含精细颗粒的多个填充颗 粒，且其中所述液体组成物包含:水，W及分散剂;将浆料混合物放料在模具中；压实模具内 的浆料混合物；W及在水和C〇2的气氛下于约20°C至约150°C的范围内的溫度下固化浆料混 合物约1小时至约80小时W产生复合建筑材料，该气氛具有范围为从环境大气压力至环境 压力W上约60psi的压力且具有范围为约10%至约90%的C〇2浓度。该复合建筑材料W压制 的铺路石材或压制的建筑搁块的形式提供。
[0038] 在一个实施例中，该方法进一步包含W下步骤:在浆料混合物放料至模具中W及 在模具内压实时，振动模具。
[0039] 在另一实施例中，微粒状组成物进一步包含着色剂。
[0040] 在又一实施例中，在蒸气下于约60°C至约110°C的范围内的溫度下执行约15小时 至约70小时的混合物固化，该蒸气包含水和C〇2且具有在约环境大气压力至环境大气压力 W上约30psi的范围内的压力。
[0041] 在再一实施例中，在蒸气下于约60°C至约100°C的范围内的溫度下执行约20小时 至约60小时的混合物固化，该蒸气包含水和C〇2且具有在约环境大气压力至环境大气压力 W上约30psi的范围内的压力。
[0042] 在另一实施例中，在蒸气下于等于或低于约60°C的溫度下执行约6小时至约50小 时的混合物固化，该蒸气包含水和C〇2且具有环境大气压力。
[0043] 在又一实施例中，研磨娃酸巧包含研磨娃灰石，并且包含精细颗粒的多个填充颗 粒包含富含二氧化娃的材料。
[0044] 在额外实施例中，研磨娃灰石具有约扣m至约50μηι的中值粒径、约0.6g/mL至约 0.8g/mL (疏松似及约1. Og/血至约1.2g/mL (密实）的容积密度、约1.5m Vg至约2. Om Vg的表 面积。
[0045] 在一个其他实施例中，包含精细颗粒的多个填充颗粒包含石英、云母W及长石中 的一种W上。
[0046] 在再一实施例中，微粒状组成物包含颜料，该颜料包含金属氧化物。
[0047] 在一个实施例中，微粒状组成物包含玻璃材料，该玻璃材料具有选自黑色、白色、 红色、黄色W及栋色的颜色。
[004引在另一实施例中，液体组成物包含水W及分散剂，该分散剂包含具有液体组成物 的约0.1 %至约2 % w/w的浓度的聚合物盐。
[0049] 在又一实施例中，聚合物盐为丙締酸均聚物盐。
[(K)加]在再一实施例中，微粒状组成物包含约25 % w/w的研磨娃酸巧W及约70 %至约 75 % w/w的二氧化娃系材料。
[0051 ]在另一实施例中，研磨娃酸巧主要为研磨娃灰石，且二氧化娃系材料主要为选自 由玻璃、石英W及砂粒所组成的组中的材料。
[0052] 在额外方面中，本发明的特征为一种复合建筑材料，该材料通过根据任意前述方 法中的方法制备。
[0053] 在一个其他实施例中，复合建筑材料具有约50M化至约300M化的抗压强度W及约 5M化至约30M化的晓曲强度。
[0054] 在再一实施例中，复合建筑材料具有小于约10%的吸水率。
[0055] 在另一实施例中，复合建筑材料包含着色剂，该