本发明专利技术涉及乳酸盐活化的水泥和活化剂组合物，描述了一种水泥状组合物，其中飞灰的粘结性质被精确控制。水泥状组合物基本上不含游离的强酸和强碱，诸如柠檬酸(≈pH2.2)和碱金属活化剂，包括碱性氢氧化物(≈pH12-14)和金属碳酸盐(≈pH11.6)。这些强化学品的使用使得在产品的使用过程中产生酸碱反应。例如基于乳酸盐的活化剂可被用作反应促进剂来替代这些强化学品。硼化合物也可以用在组合物中作为阻滞剂。
【技术实现步骤摘要】
乳酸盐活化的水泥和活化剂组合物本申请是申请日为2011年1月11日的中国专利申请201180013447.7(PCT/US2011/020822)的分案申请。
本专利技术公开了一类用于制造混和的水硬性水泥状材料、其混凝土及其灰泥衍生物的新型组合物，这些水泥状材料、其混凝土及其灰泥衍生物可用于基础建筑、修补、制造的混凝土制品、装甲、喷射和其它应用。这些材料中含钙工业副产物与化学活化剂、阻滞剂、结合促进剂和机械强度改进剂之间的反应可控。
技术介绍
具有火山灰性质的材料包含玻璃状的硅石和矾土，这种玻璃状的硅石和矾土在水和游离石灰的存在下与钙发生反应从而制成硅酸钙水合物和硅酸铝钙水合物。存在天然火山灰和工业火山灰二种形式。在工业工艺中生产的工业火山灰包括例如根据美国材料与试验协会(ASTM)规定C618所定义的C级飞灰和F级飞灰。在燃烧煤炭的过程中生产这些飞灰。它们由存在于煤炭中的无机、不可燃物质组成，这些物质在燃烧过程中熔合呈无定型结构。工业上生产的飞灰的等级取决于所用煤炭的类型及其化学组成。褐煤(lignite)或次烟煤(subbituminouscoal)的燃烧通常生产C级飞灰。无烟煤(anthracite)和烟煤(bituminouscoal)的燃烧通常生产F级飞灰。正如ASTMC618所定义，C级飞灰的特性包括高于F级飞灰的石灰含量。C级飞灰的石灰含量较高使得C级飞灰自硬化，而F级飞灰通常需要添加额外的石灰或水泥来形成水化的水泥状材料。天然火山灰的实例是N级火山灰。N级火山灰是未加工的或经煅烧的天然火山灰，诸如一些硅藻土、蛋白石质燧石(opalinechert)和页岩；凝灰岩、火山岩灰(volcanicash)和浮石；以及煅烧的粘土和页岩。ASTM-C618中进一步限定了C级火山灰、F级火山灰以及N级火山灰的化学性质和物理性质，该标准公开的内容通过引用全文插入本文。已知通常在波特兰水泥的存在下将飞灰用在水泥组合物中。例如，Brook等人的美国专利5,556,458要求至少20％的波特兰水泥。具体地，Brook等人指出，在他们的组合物中需要波特兰水泥从而克服飞灰组合物初期强度低的缺陷。Gravitt等人的美国专利4,997,484以及Hick等人的美国专利7,288,148公开了一种没有波特兰水泥的飞灰水泥组合物，但该组合物依靠酸-碱反应体系利用柠檬酸(≈pH2.2)和碱性氢氧化物(≈pH12-14)或金属碳酸盐(≈pH11.6)的组合作用。但是Gravitt和Hicks的飞灰水泥组合物不具有许有水泥应用所需要的作业时间、强度、耐久性和硬度。美国专利申请No.12/017,956(其内容通过引用全文插入本文)描述了一种改进的水泥状材料，其包含火山灰粉末和pH中性活化剂(具体为pH中性柠檬酸盐)。
技术实现思路
本专利技术是基于下列发现：乳酸、乳酸酯以及乳酸盐的衍生物被用作火山灰水泥的水合活化剂时，出乎意料并令人惊讶地改善了水泥的塑性性能，例如坍落度保持性和可操作性。改善的坍落度保持性和可操作性允许工人进行表面修整操作以得到期望的质地，而不存在与柠檬酸盐活化剂或利用其他较长羧酸盐的活化剂的使用有关的时间限制。令人感兴趣的是，不是所有三碳羧酸都能产生乳酸盐的优点。特别地，发现丙酸(另一种三碳羧酸)盐不能产生乳酸盐活化的水泥的特征-改善的保持性和可操作性。如本文中所述，乳酸、乳酸酯或乳酸盐被用作主要的活化剂。在本文中使用时，短语“基于乳酸的化学活化剂”指的是乳酸活化剂、乳酸酯活化剂和乳酸盐活化剂。根据一些优选的实施方式，活化剂是乳酸的碱金属盐或碱土金属盐。此外，中和乳酸的其他形式可能是有利的。根据其他优选的实施方式，活化剂是乳酸钾、乳酸钠、乳酸锂、乳酸钙或乳酸镁。在一些实施方式中，水泥状组合物中可能存在其他活化剂。优选地，乳酸盐活化剂占水泥状组合物中活化剂总含量的50重量％以上，更优选地占水泥状组合物中活化剂总含量的95重量％以上。换句话说，相对于水泥状组合物中所有组合的活化剂的总重，非乳酸盐活化剂应该以小于50重量％的总量存在，优选小于30重量％，更优选小于25重量％。在一个实施方式中，水泥状组合物包含：煤炭飞灰基火山灰；基于乳酸的化学活化剂。化学活化剂可以是乳酸的pH中性盐。例如，化学活化剂可以包括乳酸钾、乳酸钠、乳酸锂、乳酸钙、或乳酸镁。pH中性盐也可以包含碱金属或碱土金属。在一些实施方式中，水泥状组合物可以基本上不含柠檬酸活化剂、碱金属活化剂、和金属碳酸盐活化剂。此外，水状泥组合物可以进一步包含化学阻滞剂。例如，阻滞剂可以包括硼化合物，例如硼酸、氧化硼、硼酸钠、四硼酸钠、硼酸钾和四硼酸钾、五水硼砂、以及十水硼砂。基于可水合水泥的总重，水泥可以例如以0.1-3.0重量％的量包含硼酸盐或其他阻滞剂。水泥状组合物可以具有介于30分钟和12小时之间、大于2小时或甚至大于12小时的固化时间，而不会有害地影响最终的特征性能，例如在较宽的温度范围内(40°F到120°F)的机械性能。优选地，水泥状组合物具有小于24小时的固化时间。另一个实施方式是一种形成硬化的水泥组合物的方法，包括：混合包含煤炭飞灰基火山灰和基于乳酸的化学活化剂的可水合的组合物，以形成硬化的水泥组合物。该方法可以进一步包括：使化学阻滞剂与包含煤炭飞灰基火山灰和化学活化剂的可水合的组合物混合在一起。在一些实施方式中，该方法可以进一步包括将阻滞剂以介于0.1wt％和40wt％之间，更优选介于0.1wt％和30.0wt％之间，最优选浓度介于10.0wt％和30.0wt％之间的浓度溶于包含化学活化剂的溶液中。根据另一个实施方式，阻滞剂和/或其他化合物可以0.1wt％-50wt％的浓度存在于其他溶剂的单独溶液中。一种乳酸盐或更多种乳酸盐可以与其他已知的活化剂组合物使用，或者单一的乳酸盐或多种乳酸盐的组合可以用作唯一的活化剂。例如，乳酸钾可以用作唯一的活化剂。优选地，相对于水泥状组合物中所有组合的活化剂的总量，非乳酸盐活化剂以小于40wt％、更优选小于25wt％的总量存在。硼化合物或其它传统的阻滞剂可以用在组合物中。本专利技术的水泥可以包含天然存在或人造的任意来源的火山灰材料，包括单独的或组合的稻壳灰、火山灰浮石、蛋白石和其他页岩、硅藻土、蛋白石质燧石、凝灰石、煅烧的粘土、C级飞灰、F级飞灰、N级火山灰。水泥还可以包含其它添加剂，包括硅灰(silicafume)、铝酸钙、氧化镁、石灰、石膏、一种或多种来自硼化合物家族(例如硼酸盐、硼酸、氧化硼或硼砂)的阻滞剂、有机阻滞剂(诸如葡糖庚糖酸钠)、反应性粘土(诸如偏高岭土)、硅灰石、引气剂(AEA)、粘度改性剂(VMA)、增塑剂、乳胶、纤维(用于断裂韧性)、或收缩补偿添加剂(SRA)。在基础火山灰粉末是F级飞灰或N级火山灰的情况下，水泥包含一种或多种富钙材料，优选包含工业副产物，诸如水泥窑粉尘、石灰窑粉尘、炉渣和洗涤器灰。在一些实施方式中，火山灰粉末可基本上由100％C级飞灰组成。在其他实施方式中，基于可水合水泥的总重，可水合水泥或者可以包含例如50-95重量％的C级飞灰；或者基本上由F级飞灰组成，并且水泥可以进一步包含富钙材料添加剂；或者基于可水合水泥的总重，包含0.5-50重量％的F级飞灰；或者基本上由N级火山灰本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种水泥状组合物，其包含：煤炭飞灰基火山灰；基于乳酸的化学活化剂；和化学阻滞剂，其中所述水泥状组合物基本上不含波特兰水泥。
【技术特征摘要】
2010.01.11 US 61/294,017;2011.01.11 US 13/004,3031.一种水泥状组合物，其包含：煤炭飞灰基火山灰；基于乳酸的化学活化剂；化学阻滞剂；和一种或多种填料，其中所述水泥状组合物基本上不含波特兰水泥，并且所述基于乳酸的化学活化剂占水泥状组合物中的活化剂总重的50重量％以上，并且所述水泥状组合物中活化剂的总重量占所述水泥状组合物总重的0.1至30重量％，其中所述化学活化剂包括乳酸钾、乳酸钠、乳酸锂、乳酸钙或乳酸镁。2.如权利要求1所述的水泥状组合物，其中，所述化学活化剂是pH中性乳酸盐。3.如权利要求2所述的水泥状组合物，其中，所述pH中性乳酸盐包含碱金属或碱土金属。4.如权利要求1所述的水泥状组合物，其中，所述阻滞剂包括硼化合物。5.如权利要求4所述的水泥状组合物，其中，所述硼化合物选自由下列组成的组：硼酸、氧化硼、硼酸钠、四硼酸钠、硼酸钾和四硼酸钾、五水硼砂、以及十水硼砂。6.如权利要求1所述的水泥状组合物，其中，所述水泥状组合物基本上不含柠檬酸活化剂、碱金属活化剂和金属碳酸盐活化剂。7.如权利要求1所述的水泥状组合物，其中，所述基于乳酸的化学活化剂占所述水泥状组合物中的活化剂总重的95重量％以上。8.如权利要求1所述的水泥状组合物，其中，所述水泥状组合物的固化时间介于2小时和24小时之间。9.如权利要求1所述的水泥状组合物，煤炭飞灰基火山灰选自由C级飞灰、F级飞灰、N级火山灰及其组合组成的组。10.一种形成硬化的水泥组合物的方法，其包括：混合包含煤炭飞灰基火山灰、基于乳酸的化学活化剂的可水合组合物与化学阻滞剂和一种或多种填料，以形成硬化的水泥组合物，其中所述水泥组合物基本上不含波特兰水泥，并且所述基于乳酸的化学活化剂占水泥组合物中的活化剂总重的50重量％以上，并且所述水泥...
【专利技术属性】
技术研发人员：格伦·舒玛切尔，拉杰什库马尔·帕特尔，
申请(专利权)人：塞拉泰克有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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