提供了一种制造和制备组合物及其结构产品的工艺和方法，由此明显增加铝硅酸盐基粉末的表面积和赋予其化学活性，以使得当该官能化粉末与水混合时，在表面之间发生缩聚反应，来将粉末粘合到一起，以形成具有可忽略的碳化合物排放的结构材料。在另外一种实施方案中，该表面官能化的粉末可以与添加剂；干燥集料，例如沙子以及水进行混合，来制造浆体，该浆体可以灌注或者浇铸成任何期望的形状，并且快速固化成适用于作为结构材料的硬化的形状，该结构材料具有等价于波特兰水泥基混凝土产品的机械强度。在另外的实施方案中，将该铝硅酸盐基粉末进行纳米官能化和泡沫官能化，来提供轻重量和结构坚固材料，其也可以与波特兰水泥组合使用或者作为波特兰水泥的替代品。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本专利技术要求2007年12月20日申请的美国临时专利申请系列No.61/015418的优选权权益，其内容在此引入作为参考。专利
本专利技术涉及结构材料，具体的，涉及制造和制备产品和官能化的和纳米官能化的铝硅酸盐原材料组合物的工艺和方法，所述产品和组合物的性能等价于波特兰水泥基混凝土产品或者灰泥，其中该铝硅酸盐原材料的制造具有可忽略的碳化合物排放，碳化合物排放是制造波特兰水泥的特征。专利技术背景和现有技术环境中的二氧化碳增加是与全球变暖、温室效益的开始有关的。波特兰水泥的制造构成了非常大的二氧化碳排放，制造每吨水泥排放大约0.9吨的二氧化碳。混凝土是全球第二的仅仅以水作为最大消耗物质(全世界成百上万吨)，并且波特兰水泥(具有巨大的碳规模)是混凝土的主要成分。制造波特兰水泥的化学过程是石灰石(碳酸钙)与粘土(水合铝硅酸盐)的高温反应。这种高温化学反应(称作煅烧)以非常高的速率将二氧化碳释放到大气中，例如，大约60％的排放物来自水泥厂。用于煅烧反应的高温需要碳基燃料的燃烧，并且造成了大约40％的来自水泥厂的排放物。上述与波特兰水泥制造有关的因素是不可替代的，因此这里很少能够降低水泥厂的二氧化碳排放。因此，迫切的需要一种波特兰水泥基混凝土的替代物来用作结构建筑材料。已经尝试了众多的方案，取得了不同程度的成功。燃煤电厂的副产物粉煤灰每年在全球范围内是大量产生的；例如成百上万吨。粉煤灰可以加入到混凝土混合物中，但是由于不同的原因，每年所产生的粉煤灰仅仅大约10％被用于混凝土中。在混凝土中使用粉煤灰的一个关键的缺点是粉煤灰如Ravindrarajah和Tam在(1989)所讨论的那样初始时明显的降低了混凝土的压缩强度。不同来源的粉煤灰会对混凝土产生不同的影响。粉煤灰根据所用的波特兰水泥的类型(类型I-IV)而会有不同的表现，这是因为它们具有不同的化学组成。(Popovics，1982)。Liskowitz等人在US专利6802898B1(2004)中描述了一种制备粉煤灰的方法，用于高压缩强度混凝土和灰泥，并且表明通过将粉煤灰研磨到期望的尺寸分布和提高能够用于特定的混凝土混合物中的粉煤灰的产率，能够提高含有粉煤灰的混凝土的强度。但是，甚至在研磨到具体的粒子尺寸分布时，能够与波特兰水泥一起用于混凝土混合物中的粉煤灰的百分比也局限于10-50％。成本和聚集的游离粉煤灰粉末的保持限制了这种方法的应用。混凝土工业典型的将混凝土混合物中的粉煤灰限制到小于30％，因此，仅仅少部分的混凝土包含了任意的粉煤灰。另外一种减少波特兰水泥基混凝土使用的选择是使用称为地质聚合(geo-polymerization)的方法来制造结构建筑材料。这些材料(称作地质聚合物)是天然-->沸石材料的合成类似物，如Davidovits等人在US专利5342595(1994)中和van Jaarsveld等人在“The Effect of Composition andTemperature on the Properties of Fly Ash and Kaolinite-basedGeopolymenrs”，Chemical Engineering Journal，89(1-3)，第63-73页(2002)中所报道的那样。地质聚合物是通过在可溶性碱金属硅酸盐的存在下，在高pH化学溶解含有硅和铝的源材料而产生的。三个主要的加工步骤是：1)溶解含有铝和二氧化硅的原材料，通过氢氧化物离子的络合作用来形成可移动的前体，2)部分的定向可移动的前体以及部分的内部重新构造碱性多硅酸盐，3)重新沉淀，这里整个液体体系硬化，来形成无机聚合物结构，其可以是无定形的或者半晶体的。为了形成该地质聚合的结构，根据van Jaarsveld等人，2002supra，必需要完全溶解该含有硅和铝的源材料。地质聚合物没有利用钙-二氧化硅-水合物的形成来用于基质形成和强度，相反其取决于增溶的二氧化硅和氧化铝前体的缩聚和高碱含量来获得结构强度。典型的地质聚合物的配制包括用不同量的硅酸钠或者钾和氢氧化钠或者钾来溶解粉煤灰和煅烧高岭石。所形成的地质聚合物的强度主要取决于粉煤灰/高岭石的比例和含有铝-硅酸盐的前体(高岭石)的煅烧温度(300-900℃)，如van Jaarsveld等人在2002supra中所报道的那样。可以改变许多地质聚合物的加工特性，例如粘土与粉煤灰的比例，粘土的煅烧温度，水/粉煤灰比例等等。但是，这样的地质聚合物材料的强度很少等价于波特兰水泥基结构材料；地质聚合物强度范围是5-11MPa(725-1500Psi)，而波特兰水泥基混凝土必须处于20-40MPa(3000-6000Psi)的范围。对于所用的和所设计的用于结构材料的地质聚合物进一步的讨论如下：Jaarsveld等人的“The Effect of AlkaliMetal Activator on the Properties of Fly Ash Based Geopolymers”，Ind.Ens Chem.Res.38(10)(1999)3932-Al-27NMR-Study of Zeolite Formation from Alkali-LeachedKaolinites-Influence of Thermal Preactivation”，Journal of PhysicalChemistry 94(2)：760-765(1990)；H.Rahier等人的“Low-TemperatureSynthesized Aluminosilicate Glasses”第3章.Influence of the Composition ofthe Silicate Solution on Production，Structure and Properties，Journal ofMaterials Science32(9)：2237-2247(1997)；J.Davidovits，“Synthesis of NewHigh Temperature Geopolymers for Reinforced Plastics/Composites”，Proceedings of PACTEC79，Society of Plastic Engineers.151-174(1979)；和J.Davidovits，“Process for the Fabrication of Sintered Panels and PanelsResulting from the Application of this Process”，US专利3950470(1976)。Nilsen等人在“Preparation and Characterization of Binder for InorganicComposites made from Amorphous Mineral Raw Material”，Journal ofSol-Gel Science and Technology.35(2)，143-150(2005)中描述了一种相关的技术，该技术用于通过溶胶凝胶路线，使用含有碱土和过渡金属氧化物的铝硅酸盐无定形矿物原材本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2007-12-20 61/0154181.一种用于制备官能化的铝硅酸盐粉末的工艺和方法，其包含下面的步骤：a)选择具有多个粒子的铝硅酸盐基粉末；b)用液体试剂处理该粉末，来形成混合物(I)，其中该粉末变成官能化的，并且每个粒子具有化学活性表面积；和c)干燥该官能化的粉末粒子，以使得当该干燥的官能化粉末与水混合时，在表面之间发生聚合反应，并且将该粒子粘合在一起，来形成不具有碳化合物排放的结构材料。2.权利要求1的工艺和方法，其中该铝硅酸盐基粉末选自工业电厂粉煤灰、采矿尾渣、沙子及其混合物。3.权利要求1的工艺和方法，其中该液体试剂选自下面的至少一种：氢氧化钠(NaOH)，和乙二醇与酸的混合物。4.权利要求1的工艺和方法，其中用液体试剂处理该粉末进一步包括在大约120℃-大约150℃的温度范围内对于混合物(I)进行回流、搅拌和蒸馏。5.权利要求4的工艺和方法，其中混合物(I)的回流、搅拌和蒸馏进行了大约4小时-大约24小时的时间。6.一种结构产品，其是由官能化的铝硅酸盐粉末制备的，该铝硅酸盐粉末由多个具有明显增加的化学活性表面积的粒子组成，该粒子形成了干燥集料，该集料与水混合来形成可灌注浆体，将该浆体浇铸成为期望的形状，并且快速固化成为适于作为结构材料的硬化的形状。7.一种用于制备官能化的铝硅酸盐粉末的工艺和方法，其包含下面的步骤：a)选择具有多个粒子的铝硅酸盐基粉末；b)将该粉末与液体试剂混合，来形成混合物(I)；c)将混合物(I)连续回流和搅拌24小时，来形成具有表面活化的粉末粒子的混合物(II)；d)用水清洗该混合物(II)，来除去残留的液体试剂，并且在环境气氛中干燥该清洗过的混合物(II)；e)将来自混合物(II)的干燥的表面活化的粉末加入到蒸馏加工中足够的时间，来产生官能化的铝硅酸盐粉末，该粉末在每个粒子表面上具有化学活性的醇盐部位。8.权利要求7的工艺和方法，其中该铝硅酸盐基粉末选自工业电厂粉煤灰、采矿尾渣、沙子及其混合物。9.权利要求7的工艺和方法，其中该液体试剂是氢氧化钠(NaOH)。10.权利要求9的工艺和方法，其中该液体试剂是10摩尔的NaOH溶液。11.权利要求7的工艺和方法，其中混合物(I)的回流和搅拌是在大约120℃的温度进行的。12.权利要求7的工艺和方法，其中该蒸馏加工包括浓硫酸在无水乙二醇中的溶液，该溶液是在惰性气流中加热到大约150℃来制备的。13.权利要求12的工艺和方法，其中该蒸...
【专利技术属性】
技术研发人员：S西尔，LL亨奇，SB克里斯纳摩尔锡，D雷德，A卡拉科提，
申请(专利权)人：佛罗里达中部大学研究基金公司，
类型：发明
国别省市：US
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