[发明专利]包含粉煤灰和改良剂的胶凝材料用火山灰质组合物

说明书

本国际专利申请要求于2014年6月25日提交的美国临时专利申请No.62/016,965的优先权，其通过引用并入本文。

技术领域

本公开主要涉及粉煤灰的改良和/或分选、用于混凝土中的火山灰质组合物、以及涉及上述内容的方法。

背景技术

熔岩从火山口喷出后迅速冷却，并立即变成被罗马人称为“白榴火山灰”的浮石火山灰，其为罗马混凝土中的关键成分。诸如沟渠等的罗马建筑在它们的混凝土中使用火山灰分作为火山灰。使用天然(浮石)火山灰的混凝土已被证明能持续数千年。火山灰通过减轻各种形式的化学侵蚀(诸如碱-硅石反应(ASR)、硫酸盐引起的膨胀、风化、以及由于氯化物的侵入所引起的钢筋氧化和脱胶等)，从而提供保护并强化混凝土。火山灰还使混凝土致密化，降低其孔隙率和渗透性，从而减少化学侵入并提高长期抗压强度和耐久性。

也被称为烟道灰的粉煤灰是煤燃烧所产生的残留物之一，粉煤灰含有随烟道气而上升的微细颗粒。在工业环境中，粉煤灰通常指的是煤燃烧期间所产生的灰分。在烟道气到达燃煤电厂的烟囱之前，粉煤灰通常被静电沉降器或其他颗粒过滤设备所捕获。取决于所燃烧的煤的来源和组成，粉煤灰的组分变化相当大，但是所有的粉煤灰都包含大量的硅石(二氧化硅，SiO₂)、矾土(氧化铝，Al₂O₃)、氧化铁(Fe₂O₃)、氧化钙(CaO)以及各种金属。

在过去，通常将粉煤灰释放到大气中，但是近几十年所要求的污染控制要求在释放粉煤灰之前将其捕获。粉煤灰，特别是F类粉煤灰，可以用作火山灰以增强水硬水泥或水硬石膏。粉煤灰可以用来代替混凝土中的一部分波特兰水泥含量。历史上，由于粉煤灰是燃煤电厂的废弃材料且具有相关的处理成本，因此，粉煤灰的获得成本比天然火山灰要低得多。

当预期诸如碱-硅石反应(ASR)等化学侵蚀不严重时，通常使用一般比天然火山灰更便宜的粉煤灰火山灰。此外，当需要具有较低的水灰比(water-to-cement ratio)的混凝土时，优选粉煤灰火山灰。一般来说，粉煤灰对水的需求比天然火山灰少。然而，当预期诸如ASR等化学侵蚀严重时，或者需要较低密度的混凝土时，天然火山灰将是更好的选择。

ASTM C618将粉煤灰定义为两个类别：F类粉煤灰和C类粉煤灰。这些类别之间的主要区别在于灰分中的钙、硅石、矾土以及铁含量的量。粉煤灰的化学性质很大程度上受到所燃烧的煤的化学含量的影响。

较硬、较旧的无烟煤和烟煤的燃烧通常产生F类粉煤灰。这种粉煤灰在本质上是火山灰质，并且包含小于20％的石灰(CaO)。F类粉煤灰具有火山灰质性质，F类粉煤灰的玻璃状硅石和矾土要求具有诸如波特兰水泥、生石灰或熟石灰等粘结剂，并且在水的存在下反应并产生有粘结性的化合物。氢氧化钙(Ca(OH)₂)是水泥和水之间的水合反应的主要副产物，并且是与火山灰反应以形成另外的硅酸钙水合物(C-S-H)的关键化学品，该硅酸钙水合物是所有基于波特兰水泥的混凝土中的粘合剂。

由较新的褐煤或次烟煤的燃烧所产生的粉煤灰为C类粉煤灰，其除了具有火山灰质性质外，还具有一些自粘结性质。在水的存在下，C类粉煤灰将随着时间变硬并且强度增加。C类粉煤灰通常包含大于20％的石灰(CaO)。与F类粉煤灰不同，自粘结的C类粉煤灰不需要活化剂。

对于煤电工业来说，混凝土已经是粉煤灰的便利的市场。对于混凝土公司来说，粉煤灰是火山灰的低成本来源。然而最近，已经开始出现供应问题。也就是说，由于发电厂的环境法规的增多，粉煤灰的数量和质量一直在下降。可获得的并且合适用作混凝土中的火山灰质粉煤灰的量、特别是F类粉煤灰的量一直在减少。预计这种情况在未来几年将更加恶化。

考虑到两个行业(电力和混凝土)的要求，人们需要一种提高粉煤灰的火山灰质量的方法。特别地，期望生产出一种改良剂或分选剂及方法，从而将无法得到认证且劣质的粉煤灰(经常被称为不合规定的粉煤灰)的质量升级，从而使该粉煤灰取得ASTM C618-12和AASHTO M295的认证。

发明内容

在一些变型中，本公开提供了用于混凝土中的火山灰质组合物，该组合物包含与天然火山灰组合的粉煤灰。

在一些实施方案中，存在的天然火山灰的浓度为约1重量％至约99重量％，例如约10重量％至约90重量％、约30重量％至约70重量％、约40重量％至约60重量％、或者约60重量％约70重量％。