專(zhuān)利名稱(chēng)：建筑材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到適于建筑例如道路、橋梁、隧道和建筑物的建筑材料。本發(fā)明也涉及制備這種材料的方法及其用途。
背景技術(shù)：
由US5932000，建筑材料和制備這種包含適于建造橋梁、道路、隧道、建筑物、海上構(gòu)筑物的混凝土組合物的材料的方法是已知技術(shù)，其中公開(kāi)了由水硬性膠結(jié)劑、骨料、水和膠體二氧化硅制備混凝土的方法。
US5149370公開(kāi)了包括適用于油井用途的含水膠體硅酸的水泥漿。
提供新的適于產(chǎn)生更強(qiáng)于迄今生產(chǎn)的材料的建筑材料的組合物是本領(lǐng)域希望的。提供含有能引起生產(chǎn)成本降低的較低量的添加劑也是希望的。此外，制備例如在混凝土混合物凝固之前的時(shí)期內(nèi)能保持它們的高和易性的混凝土混合物是希望的。
本發(fā)明用于解決以上介紹的問(wèn)題。
本發(fā)明本發(fā)明涉及含有水硬性膠結(jié)劑、水和鋁-改性的膠體二氧化硅的建筑材料。
已經(jīng)令人驚奇地發(fā)現(xiàn)含有所述組分的建筑材料增加了該建筑材料的早期強(qiáng)度以及長(zhǎng)期強(qiáng)度。此外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)含有鋁-改性膠體二氧化硅的建筑材料保持高和穩(wěn)定的和易性。
術(shù)語(yǔ)“建筑材料”意指材料，尤其是并未凝固的適用于以下建筑的，例如道路、隧道、橋梁、建筑物、混凝土管、固井、地下建筑和其它膠結(jié)灌漿以及如碼頭、橋墩和防波堤的海上構(gòu)筑物。
術(shù)語(yǔ)“鋁-改性的二氧化硅”意指任何形式的鋁-改性的膠體二氧化硅，這里膠體二氧化硅可以是，例如，硅溶膠、沉淀的二氧化硅、硅膠、汽相法二氧化硅、硅煙灰(fume)或其混合物。即使鋁-改性的硅溶膠是優(yōu)選的、和在下面僅僅詳細(xì)討論的形式，其它的形式可以代替或與鋁-改性硅溶膠混合作為建筑材料中的添加劑。
鋁-改性的硅溶膠，有時(shí)也稱(chēng)為鋁酸鹽或鋁-改性的硅溶膠，可通過(guò)攪拌下向常規(guī)未改性硅溶膠加入適當(dāng)量的鋁酸根離子Al(OH)4-制備。鋁酸根離子溶液適合是稀釋的鋁酸鈉或鋁酸鉀溶液。二氧化硅顆粒適合具有約0.05至約2的Al原子/nm2的二氧化硅顆粒表面積，優(yōu)選約0.1至約2Al原子/nm2。鋁-改性的二氧化硅顆粒含有嵌入或交換的鋁酸根離子，產(chǎn)生具有固定的負(fù)表面電荷的硅鋁酸鹽位點(diǎn)。與常規(guī)的未改性硅溶膠相比，鋁-改性的二氧化硅顆粒保持高的負(fù)表面電荷直到pH3，其中當(dāng)pH減少時(shí)，通常降至約pH2，負(fù)表面電荷減少，它是未改性硅溶膠的零電荷點(diǎn)。因此，在pH低于約8時(shí)對(duì)于未改性硅溶膠表面電荷因此低于鋁-改性的硅溶膠?？梢赃m當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)鋁-改性的硅溶膠的pH，優(yōu)選通過(guò)離子交換樹(shù)酯，至約3至約11的pH范圍，優(yōu)選約4至約10。其后濃縮鋁-改性的硅溶膠以得到約1至約60wt％的二氧化硅含量，優(yōu)選約5至約50wt％。這種鋁-改性的二氧化硅顆粒合適地具有約0.05至約3wt％的Al2O3含量，優(yōu)選約0.1至約2wt％，更優(yōu)選約0.1至約1wt％。鋁-改性的二氧化硅直徑是約2至約200nm，優(yōu)選約3nm至約100nm。例如，ller，K.Ralph的“The Chemistry of Silica”，John Wiley & Sons(1979)，407-409頁(yè)，和US5368833進(jìn)一步公開(kāi)了制備鋁-改性的硅溶膠的步驟。
關(guān)于這一點(diǎn)，鋁-改性的膠體二氧化硅也意指包括膠體二氧化硅的反應(yīng)產(chǎn)物，它已經(jīng)與位于建筑材料或形成如硅酸鈣水合凝膠的建筑材料混合物中的水硬性膠結(jié)劑或其它成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。
鋁-改性的二氧化硅顆粒適于分散在水或其它溶劑中，例如有機(jī)溶劑，如醇，或者水和有機(jī)溶劑的混合物。鋁-改性的二氧化硅顆粒適于由陽(yáng)離子穩(wěn)定，例如K+、Na+、Li+、NH4+或其混合物。
鋁-改性硅溶膠的比表面積適合是大約10至大約1200m2/g，優(yōu)選大約30至大約1000m2/g，最優(yōu)選大約60至大約900m2/g。
組成建筑材料的組分的混合物是對(duì)水/水硬性膠結(jié)劑比敏感的物質(zhì)。如果含有太多的水，這會(huì)使得組合物不穩(wěn)定，導(dǎo)致泌漿和離析。通過(guò)加入鋁-改性硅溶膠，避免這樣的效應(yīng)，同時(shí)，與含未改性硅溶膠的組合物相比，獲得具有高早期強(qiáng)度和長(zhǎng)期強(qiáng)度的材料。
鋁-改性膠體二氧化硅顆粒不同于氧化鋁包覆的二氧化硅顆粒，該顆粒中顆粒的二氧化硅表面由氧化鋁層包覆(涂覆)，導(dǎo)致顆粒顯示與鋁顆粒一樣的性能。氧化鋁顆粒和氧化鋁包覆的二氧化硅顆粒都具有例如正表面電荷。
水硬性膠結(jié)劑可以是，例如，水泥，如普通硅酸鹽水泥(OPC)，或者混合水泥如US6008275所述。
組成建筑材料的組分，即水硬性膠結(jié)劑、鋁-改性膠體二氧化硅和水適于具有如下的重量比水硬性膠結(jié)劑(干重)∶鋁-改性膠體二氧化硅(干重)大約為1∶0.0005至1∶0.2，優(yōu)選大約1∶0.00 1至約1∶0.1。水硬性膠結(jié)劑(干重)水的重量比適合是約1∶0.22至約1∶4，優(yōu)選大約1∶0.25至1∶2.5。
按照優(yōu)選的實(shí)施方案，骨料可以包括在建筑材料中。術(shù)語(yǔ)“骨料”意指如石頭、沙礫和沙子，以及其它優(yōu)選的無(wú)機(jī)材料，它們適于具有約0.01至約100mm的平均粒子直徑，優(yōu)選大約0.125至大約100mm。以水硬性膠結(jié)劑的重量計(jì)，建筑材料中適合包含的骨料是大約100至大約1000wt％。骨料有助于建筑材料的更高強(qiáng)度，并且使生產(chǎn)成本低。
優(yōu)選地，建筑材料中可包含細(xì)的填料，以骨料重量計(jì)適當(dāng)?shù)姆秶谴蠹s0.1至大約40wt％。細(xì)填料的加入有助于密度更高和更穩(wěn)定的組合物。
術(shù)語(yǔ)“細(xì)填料”意指最大直徑125μm的顆粒。適合的細(xì)填料包括石灰石、沙子、玻璃、粉煤灰和其它無(wú)機(jī)材料，例如硅酸鈣鎂。使用的細(xì)填料的類(lèi)型取決于用途。在瑞典自密實(shí)混凝土(SCC)中，通常采用石灰石，而在德國(guó)SCC和美國(guó)住宅混凝土中，通常采用粉煤灰，至于瑞典高強(qiáng)度混凝土(HSC)，通常包括作為細(xì)填料的沙子。
優(yōu)選地，細(xì)填料∶骨料的重量比是約0.001∶1至約0.4∶1，優(yōu)選大約0.015∶1至約0.3∶1。
按照優(yōu)選的實(shí)施方案，建筑材料包括增塑劑和/或超增塑劑，例如磺化萘甲醛縮合物，磺化蜜胺甲醛縮合物，多羧酸鹽或其混合物，優(yōu)選多羧酸鹽和/或磺化萘甲醛縮合物。用于固井用途的建筑材料時(shí)，磺化萘甲醛縮合物是特別優(yōu)選的，由于這些超增塑劑對(duì)于井中產(chǎn)生的高溫不敏感。
術(shù)語(yǔ)“多羧酸鹽”這里意指包括含有在其上面具有連接的羧基的骨架的一組聚合物化合物。多羧酸鹽分子量適合是大約1000至大約2000000g/摩爾，優(yōu)選大約2000至大約1000000g/摩爾。骨架也可包括其它相連的基團(tuán)，例如聚丙烯酸或聚醚鏈。骨架的分子量適合是大約1000至大約100000g/摩爾，優(yōu)選大約5000至大約20000g/摩爾。例如，US6008275進(jìn)一步描述了適合的多羧酸鹽。
其它的添加劑也可包含于建筑材料中，例如，緩凝劑、引氣劑、促凝劑、乳化乳膠、疏水劑、收縮減水劑、腐蝕抑制劑等。以水硬性膠結(jié)劑的重量為基準(zhǔn)，這些添加劑的劑量適合是約0.1至約10wt％(干重)。
本發(fā)明也涉及包括水硬性膠結(jié)劑、鋁-改性硅溶膠和水的反應(yīng)產(chǎn)物的建筑材料。
本發(fā)明進(jìn)一步涉及制備建筑材料的方法，包括混合水硬性膠結(jié)劑、水和鋁-改性的膠體二氧化硅，優(yōu)選鋁-改性的硅溶膠。
這些組分可以以任何順序添加。優(yōu)選地，在已經(jīng)混合其它組分之后加入鋁-改性的膠體二氧化硅。組分之間混合的適當(dāng)重量比如上所述。
本發(fā)明進(jìn)一步涉及如上所述的建筑材料在建筑中的用途，例如道路、隧道、橋梁、如住宅和商業(yè)混凝土建筑的建筑物、混凝土管、固井、包括膠結(jié)灌漿、采礦用途的地下粘結(jié)工程和海上構(gòu)筑物。
如此介紹本發(fā)明，很明顯同樣的事可以以許多方式改變。這樣的變化并不認(rèn)為是背離本發(fā)明的要點(diǎn)的范圍，所有這樣的對(duì)于本領(lǐng)域的熟練人員明顯的修正包括在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。下列實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明介紹的發(fā)明如何實(shí)施，并不是限制它的范圍。
實(shí)施例1-3使用的下列硅溶膠如下所示。所有二氧化硅(SiO2)和氧化鋁(Al2O3)含量的重量百分比以整個(gè)硅溶膠產(chǎn)品的重量為基準(zhǔn)。
硅溶膠1Al-改性硅溶膠，比表面積850m2/g，SiO2含量7.7wt％，Al2O3含重0.33wt％。
硅溶膠2未改性硅溶膠，比表面積900m2/g，SiO2含量10wt％。
硅溶膠3未改性硅溶膠，比表面積750m2/g，SiO2含量15wt％。
硅溶膠4Al-改性硅溶膠，比表面積80m2/g，SiO2含量47wt％，Al2O3含量0.25wt％。
硅溶膠5未改性硅溶膠，比表面積80m2/g，SiO2含量50wt％。
硅溶膠6Al-改性硅溶膠，比表面積220m2/g，SiO2含量30wt％，Al2O3含量0.2wt％。
硅溶膠7未改性硅溶膠，比表面積220m2/g，SiO2含量30wt％。
硅溶膠的比表面積由Sear方法測(cè)定，如ller，K.Ralph的“TheChemistry of Silica”(1979)，p.203-206，353-354所述。
實(shí)施例1在以下樣品1-6的制備中，向II級(jí)水泥(Bygg Cement-SkvdeCEM II/A-L42.R)以如表1顯示的量加入鋁-改性或未改性硅溶膠和超增塑劑(Glenium51)。向其中加入200kg水，120kg細(xì)填料(石灰石)，骨料和超增塑劑(Glenium 51)(參見(jiàn)表1)。加入骨料，這樣水泥、石灰石和骨料的總重成為2140kg/m3。
通過(guò)測(cè)量初始鋪展(initial spread)評(píng)估制備樣品的和易性。通過(guò)在具有確定圓錐直徑的坍落度筒中放置新混合的混凝土組合物測(cè)量初始鋪展，該度筒隨后顛倒，這樣以致于物質(zhì)由度筒移去后開(kāi)始流出(根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法ASTM C 143)。高鋪展表示高和易性，它確保這種混凝土泥料能夠在其凝固的位置上流動(dòng)。高的和易性也確保這種混凝土料可貯藏一段時(shí)間，不會(huì)損失它剛剛制備完時(shí)具有的流動(dòng)性。
表1
回到表1，可得出如下結(jié)論，與含有未改性硅溶膠的樣品2相比，含有鋁-改性硅溶膠的樣品1具有更高的早期強(qiáng)度(24小時(shí)之后)和長(zhǎng)期強(qiáng)度(28天之后)，即使樣品1的二氧化硅含量略微低于樣品2。
同樣地，含有鋁-改性硅溶膠的樣品3，顯示高于含有未改性硅溶膠的樣品4的早期強(qiáng)度(這兩種樣品具有基本上相同的二氧化硅含量)。樣品6，含有鋁-改性硅溶膠，顯示高于樣品5的早期強(qiáng)度和長(zhǎng)期強(qiáng)度，即使樣品5的二氧化硅含量低于樣品6。
實(shí)施例2
在以下樣品1-6的制備中，向II級(jí)水泥(Bygg Cement-SkvdeCEMII/A-L42.R)加入鋁-改性或未改性硅溶膠。向其中加入200kg水，120kg細(xì)填料(石灰石)，骨料和超增塑劑(Glenium 51)(參見(jiàn)表2)。加入骨料，這樣水泥、石灰石和骨料的總重成為2140kg/m3。以表2所示的量加入超增塑劑和硅溶膠。通過(guò)測(cè)量初始鋪展評(píng)估制備樣品的和易性(參見(jiàn)實(shí)施例1)。90分鐘之后亦測(cè)量鋪展(坍落鋪展)。同樣計(jì)算和易性的損失，即，初始鋪展和90分鐘之后鋪展的差異。坍落鋪展越高，即在初始鋪展測(cè)量之后鋪展90分鐘，和易性損失越低。
表2
表2可見(jiàn)，含有鋁-改性硅溶膠的樣品1，顯示比樣品2更低的和易性損失(樣品1稍微具有較低的二氧化硅含量)。進(jìn)一步觀察到含有鋁-改性硅溶膠的樣品4，具有低于樣品3的和易性損失(樣品3和4具有相同的二氧化硅含量)。進(jìn)一步觀察到含有鋁-改性硅溶膠的樣品5具有低于樣品6的和易性損失，即使樣品5的二氧化硅含量稍低。通常，由所得的結(jié)果，人們能夠推斷對(duì)于含有鋁-改性硅溶膠的樣品，和易性的損失僅僅約是含未改性硅溶膠的樣品的百分之60。
實(shí)施例3為了評(píng)估或者含鋁-改性硅溶膠或者含未改性硅溶膠的水泥漿的流動(dòng)性，由I級(jí)水泥(Anlggningscement Degerhamn CEM I42，5BV/SR/LA)制備4種泥漿。泥漿具有0.35的水/水泥重量比，以水泥重量為基準(zhǔn)，向泥漿中加入2wt％的硅溶膠和1wt％的超增塑劑(30wt％磺化萘甲醛縮合物溶液)。
柔和地?cái)嚢杌旌夏酀{。接著通過(guò)ConTec Viscometer Model 4(BML粘度計(jì))分別于15、30、60和90分鐘之后評(píng)估屈服值和塑性粘度(泥漿流變學(xué)的度量)。屈服值是使如水泥漿移動(dòng)所需力的度量。
表3
比較表3的樣品，含有鋁-改性硅溶膠的樣品1和4的屈服值，略低于樣品2和3。泥漿應(yīng)該具有最小的屈服值，以獲得基本上零自由水(無(wú)泌漿)。
表4
表4顯示在含有鋁-改性硅溶膠和未改性硅溶膠的樣品之間，塑性粘度有很大差異。當(dāng)比較二氧化硅含量基本上相同的樣品1和2時(shí)，觀察到樣品1(含有鋁-改性硅溶膠)具有低于樣品2的塑性粘度。也可觀察到樣品3(含有鋁-改性硅溶膠)具有低于樣品4(樣品3和4具有基本上相同的硅含量)的塑性粘度。具有良好流動(dòng)性和基本上零游離水的泥漿，即不易于泌漿，是極有益的，尤其在固井中。低塑性粘度意味著良好的流動(dòng)性，良好的滲透和結(jié)合性。
權(quán)利要求
1.包括水硬性膠結(jié)劑、水和鋁-改性膠體二氧化硅的建筑材料。
2.如權(quán)利要求1的建筑材料，其中膠體二氧化硅是鋁-改性的硅溶膠。
3.如權(quán)利要求1-2的任何一項(xiàng)所要求的建筑材料，其中水硬性膠結(jié)劑和鋁-改性膠體二氧化硅的重量比是約1∶0.0005至約1∶0.2。
4.如權(quán)利要求1-3的任何一項(xiàng)所要求的建筑材料，其中水硬性膠結(jié)劑和水的重量比是約1∶0.22至約1∶4。
5.如任何一項(xiàng)在先權(quán)利要求所要求的建筑材料，其中水硬性膠結(jié)劑是水泥。
6.如任何一項(xiàng)在先權(quán)利要求所要求的建筑材料，其中建筑材料包括骨料。
7.如任何一項(xiàng)在先權(quán)利要求所要求的建筑材料，其中建筑材料包括一種細(xì)填料。
8.如任何一項(xiàng)在先權(quán)利要求所要求的建筑材料，其中細(xì)填料和骨料之間的重量比是約0.001至約0.4。
9.如任何一項(xiàng)在先權(quán)利要求所要求的建筑材料，其中膠體二氧化硅具有約0.05至約3wt％的Al2O3含量。
10.如任何一項(xiàng)在先權(quán)利要求所要求的建筑材料，進(jìn)一步包括增塑劑和/或超增塑劑。
11.按照權(quán)利要求10的建筑材料，其中超增塑劑是多羧酸鹽和/或磺化萘甲醛縮合物。
12.建筑材料，其中該材料包括權(quán)利要求1的反應(yīng)產(chǎn)物。
13.制備如權(quán)利要求1-10的任何一項(xiàng)所要求的建筑材料的方法，包括混合水硬性膠結(jié)劑、水和鋁-改性膠體二氧化硅。
14.如權(quán)利要求13所要求的方法，其中膠體二氧化硅是鋁-改性硅溶膠。
15.如權(quán)利要求13-14任何一項(xiàng)所要求的方法，其中鋁-改性膠體二氧化硅在已經(jīng)混合其它成分之后加入。
16.如權(quán)利要求1-12的任何一項(xiàng)所定義的建筑材料在道路、隧道、橋梁、建筑物、混合土管、固井、地下粘接、海上構(gòu)筑物以及采礦應(yīng)用中的用途。
全文摘要
本發(fā)明涉及含有水硬性膠結(jié)劑、水和鋁－改性膠體二氧化硅的建筑材料。本發(fā)明也涉及制備這種材料的方法及其用途。
文檔編號(hào)C04B24/22GK1437567SQ0181148
公開(kāi)日2003年8月20日 申請(qǐng)日期2001年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月22日
發(fā)明者P·格林伍德, H·伯格奎斯特, U·斯卡普 申請(qǐng)人:阿克佐諾貝爾公司