[发明专利]非晶态低钙含量硅酸盐的水硬性粘合剂及其制造方法

说明书

本发明涉及一种新的水硬性粘合剂，其包括可以包含嵌入的一些残留的硅灰石的水硬活性非晶态硅酸钙相。水硬性粘合剂是通过加热和冷却操作的组合产生的。

混凝土是全球最常用的制造材料之一。水泥，特别是普通硅酸盐水泥(OPC)当与水反应时是负责其强度的混凝土组分。OPC目前的世界产量是每年约40亿公吨。

此处，除非另有说明，否则使用本领域中常规的下列缩写：

·C代表CaO(氧化钙)；

·H代表H₂O(水)；

·S代表SiO₂(二氧化硅)；

·A代表Al₂O₃(氧化铝)；

·F代表Fe₂O₃(氧化铁(III))；

·CSH代表由水硬性反应(水化反应，hydraulic reaction)产生的非晶态硅酸钙水合物；

从水硬性的反应25个结果；

·非晶态是指非晶体固相；

·C₃S代表被称为硅酸三钙石(硅酸三钙石，alite)的硅酸三钙(3CaO·SiO₂)；

·C₂S代表硅酸二钙(2CaO·SiO₂)，其中斜硅灰石是C₂S的同素异形体形式的任何一种；

·C₃S₂代表被称为硅钙石的3CaO·2SiO₂；

·CS代表硅酸钙(CaO·SiO₂)，其中硅灰石是任何的CS的同素异形体形式的任何一种；

·CH代表被称为氢氧钙石(羟钙石)的氢氧化钙Ca(OH)₂；和

·BAT意味着最佳可行技术。

此外，本文的表达“水硬性粘合剂(hydraulic binder)”是指在水存的情况下通过水合固化并硬化从而得到固体材料的化合物或组合物。水硬性粘合剂特别是水泥，且固体材料特别是混凝土。表达“潜在水硬性”是指化合物或组合物在与水硬活性相混合时变成水硬活性的性质。这意味着该化合物或组合物本身并不是水硬性的，但是当其与水硬活性相一起存在并暴露于富含钙的水溶液(这触发这种导致材料固化和硬化的性质)时将变成水硬性。潜在水硬性化合物改变了形成的水化产物，并且作为一种结果改变了水泥浆体、砂浆和混凝土的性质。此外，表达“高度非晶态的”或“基本上非晶态的”是指主要由非晶相构成的材料，即在其组成中具有残留的结晶部分或没有结晶部分。

水泥工业生产的最佳可行技术(BAT)采用的是成熟的两步技术。在现代工厂中，第一个步骤是在用石灰石、不同二氧化硅含量的材料和燃料(通常是“石油焦”，煤或天然气)供料的回转窑中连续进行，在1450℃左右产生由至少约75％硅酸三钙石(C₃S)组成的熟料(clinker)(对于常规OPC熟料，该量的范围可以在55％到78％的范围内)，熟料随后在炉篦或卫星式冷却器中进行冷却，之后进行存储。硅酸三钙石(C₃S)是主要负责材料的良好水硬性行为的硅酸盐。在第二步骤中，对熟料进行研磨，一般研磨至3000至3500cm²/g的布莱恩比表面(Blaine specific surface)，并针对不同的校正(修正，correction)和其他目的的其他材料混合。

现有水泥BAT的概念是基于硅酸三钙石(C₃S)熟料的生产，这要求每吨熟料1250kg左右的石灰石以及1450℃左右的窑温度，尽管使用一些助熔剂(flux)。在研磨后，使硅酸三钙石晶体与水反应，从而形成硅酸盐凝胶(不充分结晶的硅酸钙水合物)–CSH–一般具有在1.7至1.8之间的C/S摩尔比并且同时具有大量的氢氧钙石CH(Ca(OH)₂)。水泥石的强度由CSH凝胶的结构和化学组成决定，CSH凝胶在28天时代表40％至50％重量。氢氧钙石一般代表20％至25％重量和有助于材料的pH值，但对于强度而言其是不希望的副产物。