CN101316801A - 轻质混凝土组合物 - Google Patents

Abstract

一种轻质混凝土组合物，包含10－90体积％的水泥组合物，10－90体积％平均粒径为0.2mm－8mm、堆积密度为0.03g/cc－0.64g/cc、长径比为1－3的颗粒，以及0－50体积％的集料；所用组分的总量不超过100体积％，并且在轻质混凝土组合物凝结后，其具有依据ASTM C39测定的至少1700psi的7天后抗压强度。混凝土组合物可用于制造砌块、建筑板材、路基和其它制品。

Description

轻质混凝土组合物

1.技术领域

本发明涉及通常在建筑和建设领域中作为代表的新组合物、新材料及其使用和制造方法。更具体地说，本发明中的配混物适用于可得益于相对轻质的、可延伸的、可模压的、可灌入的并具有高强度和增强绝缘性能材料的建筑与建设应用中。

2.背景技术

在例如称为轻质混凝土的轻质胶凝材料的制备和应用领域，这些现在在市场上可购的材料中通常需要加入多种组分以制得坚固而轻质的混凝土体，并且在整个混凝土体中各组分高度均匀分散并均匀粘接。

美国专利US3,214,393、US3,257,338和US3,272,765公开了包含水泥、主要凝集料、膨胀聚苯乙烯颗粒以及均匀化和/或表面活性添加剂的混凝土混合物。

美国专利US3,021,291公开了一种制备多孔混凝土的方法，包括在浇注混凝土混合物前向混合物中引入在养护期间在加热情况下可发泡的聚合材料。聚合颗粒的形状和尺寸并不是关键性的。

美国专利US5,580,378公开了一种由可包括粉煤灰、硅酸盐水泥、砂、石灰和作为减重组分的、粒径范围为50-2000μm、密度为约11b/ft³的微粒化聚苯乙烯颗粒的含水胶凝混合物制成的轻质胶凝产品。该混合物可以浇注成例如基墙、屋瓦和砖等模制品。产品也可以用作砌筑砂浆、胶泥、灰泥或结构成分。

JP9 071 449公开了一种包括硅酸盐水泥和轻集料的轻质混凝土，所述轻集料例如将泡沫聚苯乙烯、珍珠岩或蛭石作为部分或全部集料。泡沫聚苯乙烯具有0.1-10mm的粒径和0.01-0.08的比重。

美国专利US5,580,378、US5,622,556和US5,725,652公开了一种由包括水泥和膨胀页岩、粘土、板岩、粉煤灰和/或石灰以及减重组分的含水胶凝混合物制成的轻质胶凝产品。该减重组分是粒径范围为50-2000μm的微粒化聚苯乙烯颗粒并且其特征是含水率范围为约0.5％-50％v/v。

美国专利US4,265,964公开了用作例如墙板等结构单元的轻质组合物，包含低密度可发泡热塑性颗粒；例如石膏等的胶凝基材，；表面活性剂；作为发泡剂的添加剂以向混合物中引入适量空气；成膜组分和淀粉。可发泡热塑性颗粒尽可能完全膨胀。

WO 98 02 397公开了一种通过成型包含作为集料并具有约1.6-2的比重的合成树脂泡沫的水硬性粘合剂组合物制得的轻质混凝土屋面砖。

WO 00/61519公开了一种包括约40％至99％的有机聚合材料和1％至约60％加气剂的混合物的轻质混凝土。该混合物用于制备使用聚苯乙烯集料的轻质混凝土。该混合物需要使聚苯乙烯集料分散并改善聚苯乙烯集料和周围胶凝粘合剂之间的粘结。

WO 01/66485公开了一种轻质胶凝混合物，其包含以体积计5-80％的水泥、10-65％的发泡聚苯乙烯颗粒、10-90％的膨胀矿物颗粒和足量的水以使在适当的混合后制成发泡聚苯乙烯实质上均匀分布的浆料。

美国专利US6,851,235公开了一种建筑砌块，包括水、水泥和直径为3.18mm(1/8英寸)至9.53mm(3/8英寸)的发泡聚苯乙烯(EPS)泡沫粒的混合物，各组分用量为68-95升(18-25加仑)水，150-190kg(325-425lb)水泥和850-1400升(30-50立方英尺)预膨胀(Prepuff)珠粒。

美国专利US5,913,791公开了一种建筑砌块，在砌块的一面或两面具有可以承受并容纳例如钉子、螺钉或U形钉等穿透性固定件的水泥基粘附层。第一水泥基粘附层包含第一配比的水、水泥和发泡聚苯乙烯泡沫粒，第二外表面包含与第一配比不同的第二配比的水、水泥和发泡聚苯乙烯泡沫粒。

通常，现有技术中公认的应用为在水泥组分中以某些形式使用发泡聚合物以减少组分的总重量。加入发泡聚合物主要是为了在混凝土中占据空位并产生孔隙，并且典型地是使发泡聚合物中的“孔隙”最大化以达到该目的。通常，现有技术假定发泡聚合物颗粒会降低轻质混凝土组合物的强度和/或结构完整性。此外，由现有技术中轻质混凝土组合物制得的混凝土制品与本发明相比至少具有不一致的物理性能，例如杨氏模量、导热性和抗压强度，其典型地是显示出无法达到所希望的物理特性。

因此，在本领域中需要一种轻质混凝土组合物可以使制得的轻质混凝土制品具有可预测的和希望的物理性能，从而克服上述问题。

发明内容

本发明提供一种轻质混凝土组合物，其包含10-90体积％的水泥组合物，10-90体积％的平均粒径为0.2mm-8mm、堆积密度为0.028g/cc-0.64g/cc、长径比为1-3的颗粒和0-50体积％的集料，所使用组分总量不超过100体积％；在轻质胶凝组合物凝结7天之后，其具有依照ASTM C39测定的至少1700psi的抗压强度。

附图说明

图1是用于本发明的预膨胀珠表面的扫描电镜照片；

图2是用于本发明的预膨胀珠内部的扫描电镜照片；

图3是用于本发明的预膨胀珠表面的扫描电镜照片；

图4是用于本发明的预膨胀珠内部的扫描电镜照片；

图5是用于本发明的预膨胀珠表面的扫描电镜照片；并且

图6是用于本发明的预膨胀珠内部的扫描电镜照片。

具体实施方式

除了在实施例中或其它地方特别指出的，说明书和权利要求书中所使用的所有关于成分的量和反应条件等的数字或表达方式可以理解为在一切情况下依照术语“约”而修饰。因此，除非有相反的说明，在下述说明书和权利要求书中所列出的数字参数为可依据本发明所需性能变化的近似值。最低限度上，并且不限制相当于权利要求保护范围的原理的应用，每个数字参数至少应依据所记录的重要数据的数量应用规定的常规技术进行分析。

尽管本发明较宽范围所列出的数值范围和参数为近似值，但是特定实施例中的数值为尽可能精确记录的。然而由于在各自的试验测定中存在标准偏差，任何数值都包含固有的误差。

此外，可以理解为本文所列出的所有数值范围意欲包括其中包含的所有子区间。例如，范围“1-10”意欲包括所有在所列举的最小值1和所列举的最大值10之间的子区间；也就是说其具有大于或等于1的最小值和小于或等于10的最大值。由于所公开的数值范围是连续的，其包含最小值和最大值之间的每一个值。除非有明显相反的表示，在该应用中所指定的各种数值范围为近似值。

本文所使用的术语“包含孔隙的颗粒”指发泡聚合物颗粒、预膨胀颗粒和其它包含至少部分是完全封闭的泡孔和/或蜂巢型腔室的颗粒，腔室中包含空气或特定的气体或气体的组合，一个非限制性的例子为本文所描述的预膨胀颗粒。

本文所使用的术语“水泥”和“胶凝性的”指粘结混凝土或其它整体性产品的材料而非其最终产品。特别地，水硬性水泥指在足量水存在的情况下进行水化反应从而凝结和硬化以生产出最终硬化产品的材料。

本文所使用的术语“胶凝混合物”指包括胶凝材料和一种或多种填料、助剂、或其它集料和/或本领域中已知的可形成在养护期间硬化的浆体的材料的组合物。胶凝材料包括但是不局限于水硬性水泥、石膏、石膏组合物、石灰等，可以包括或不包括水。助剂和填料包括但不局限于砂、粘土、粉煤灰、集料、加气剂、着色剂、减水剂/超塑化剂等。

本文所使用的术语“混凝土”指通过混合胶凝混合物和足量的水使胶凝混合物凝结并粘结整块物质而制得的坚硬坚固的建筑材料。

本文中所有的体积和重量百分比预定使用特定体积和重量的水。当指干混组合物或预混组合物时，特定的量与所预期的最终在配制、混合以及其它待用时加入到干混组合物或预混组合物中水的相应量相同。

本文所述的所有组成范围实际上受总量限制并且不超过100％(体积百分比或重量百分比)。当组合物中可存在多种组分时，每种组分的最大量的总和可以超过100％，但是本领域技术人员易于理解的条件是实际所使用组分的量遵循最大量为100％的原则。

本文所使用的术语“(甲基)丙烯酸”和“(甲基)丙烯酸酯”意为包括丙烯酸和甲基丙烯酸衍生物，例如相应的烷基酯通常指术语“(甲基)丙烯酸”所包括的丙烯酸酯和(甲基)丙烯酸酯。

本文所使用的术语“聚合物”意为包括而不局限于均聚物、共聚物、接枝共聚物及其混合与组合。

在广义上，本发明提供一种在成型制品中控制加气的方法。成型制品可以由任意可成型材料制得，其中以结构支撑的方式使用含有孔隙的颗粒以引入空气。只要在成型加工过程中包含孔隙的颗粒不损坏，可以使用任何适用的可成型材料。

本文所使用的术语“复合材料”指包括两种或多种具有不同物理性质的物质的固体材料，其中每种物质在提供整体所需性能的同时保持其同一性。作为一个非限制性实例，复合材料可以包括预膨胀珠粒均匀分散包埋其中的混凝土。

因此，本发明涉及一种控制加气的方法，所涉及的制品通过结合可成型材料和包含孔隙的颗粒形成混合物并将混合物置于模具中而制得。

尽管本申请详细公开了含有聚合物颗粒的胶凝混合物，但是本领域技术人员可将本文所描述的概念和具体实施方案应用于上述其它应用。

本发明的具体实施方案涉及包括胶凝混合物和聚合物颗粒的轻质混凝土(LWC)组合物。令人惊奇的是，已经发现发泡聚合物颗粒以及在某些情况下它们的树脂粒前体的尺寸、组成、结构和物理性质可以很大程度上影响由本发明的LWC组合物制得的LWC制品的物理性质。需要特别注意的是珠粒大小与发泡聚合物颗粒密度的关系及对所得的LWC制品物理性质的影响。

在本发明的一个具体实施方案中，胶凝混合物可以为含水胶凝混合物。

聚合物颗粒可任选性地为发泡聚合物颗粒，其在LWC组合物中存在的量基于LWC组合物的总体积至少为10体积％，在一些例子中至少为15体积％，在其它例子中至少为20体积％，在特定情况下至多约为25体积％，在一些情况下为至少30体积％，并且在其它情况下为至少35体积％，并可达到90体积％，在一些情况下达到85体积％，在其它情况下达到78体积％，在一些例子中达到75体积％，在其它例子中达到65体积％，在特定例子中达到60体积％，在一些情况下达到50体积％并且在其它情况下达到40体积％。聚合物的量依据最终LWC制品所需的特定物理性质而变化。LWC组合物中聚合物颗粒的量可以为任意值或可在上文所列的任意值之间的范围内变化。

聚合物颗粒可以包括源自任意适合的膨胀性热塑性材料的任何颗粒。实际上基于最终LWC制品所需的特定物理性质来选择聚合物颗粒。作为一非限制性的例子，可任选性地为发泡聚合物颗粒的聚合物颗粒可以包括一种或多种选自乙烯基芳族单体均聚物、至少一种乙烯基芳族单体与一种或多种二乙烯基苯、共轭二烯、甲基丙烯酸烷基酯、丙烯酸烷基酯、丙烯腈和/或马来酸酐的共聚物、聚烯烃、聚碳酸酯、聚酯、聚酰胺、天然橡胶、合成橡胶及其组合的聚合物。

在本发明的一个具体实施方案中，聚合物颗粒所包括的热塑性均聚物或共聚物选自源自包括苯乙烯、异丙基苯乙烯、α-甲基苯乙烯、核甲基苯乙烯、氯苯乙烯、叔丁基苯乙烯等乙烯基芳族单体的均聚物，以及通过至少一种上述乙烯基芳族单体与一种或多种其它单体共聚反应制得的共聚物，其它单体非限制性的例子是二乙烯基苯、共轭二烯(非限制性的例子是丁二烯、异戊二烯、1，3与2，4-已二烯)、甲基丙烯酸烷基酯、丙烯酸烷基酯、丙烯腈与马来酸酐，其中乙烯基芳族单体为共聚物重量的至少50％。在本发明的一个具体实施方案中使用苯乙烯聚合物，特别是聚苯乙烯。但是也可以使用其它适合的聚合物，例如聚烯烃(例如聚乙烯、聚丙烯)、聚碳酸酯、聚苯醚及其混合物。

在本发明一个特殊的具体实施方案中，聚合物颗粒是发泡聚苯乙烯(EPS)颗粒。这些颗粒可以是珠、细粒或其它便于膨胀和成型操作的颗粒形式。

在本发明中，在悬浮过程中聚合的主要是球状树脂粒的颗粒适用于作为聚合物颗粒或制造发泡聚合物颗粒。然而，也可以使用由溶液和本体聚合技术获得的、被挤出并切断成颗粒尺寸树脂粒部分的聚合物

在本发明的一个具体实施方案中，本文所述的包含任意聚合物或聚合物组合物的树脂粒(未发泡)具有至少为0.2mm，在某些情况下至少为0.33mm，在一些情况下至少为0.35mm，在其它情况下至少为0.4mm，在一些例子中至少为0.45mm，在其它例子中至少为0.5mm的粒径。树脂粒的粒径也可达到3mm，在一些例子中达到2mm，在其它例子中达到2.5mm，在某些情况下达到2.25mm，在其它情况下达到2mm，在某些情况下达到1.5mm，在其它情况下达到1mm。在该具体实施方案中，当使用具有超出上述范围粒径的树脂粒制造发泡聚合物颗粒时，根据本发明制得的LWC制品具有不一致的或不希望的物理性质。该具体实施方案中所使用的树脂粒的粒径可以是上述任何值或上述任意值之间的范围。

可发泡热塑性颗粒或树脂粒可以利用任意常规方法任选地用合适的发泡剂浸渍。作为一个非限制性的例子，所述浸渍可通过在聚合物的聚合过程中向水悬浮液中加入发泡剂实现，或者替代性地通过在水介质中再悬浮聚合物颗粒、然后如美国专利US2,983,692所讲授的那样引入发泡剂而实现。可以使用任意气体材料或通过加热可产生气体的材料作为发泡剂。常规的发泡剂包括分子中包含4-6个碳原子的脂肪族烃，例如丁烷、戊烷、己烷和例如含氯氟烃CFC和HCFC的卤代烃，其在低于所选择聚合物软化点的温度下沸腾。也可以使用这些脂肪族烃发泡剂的混合物。

也可以替代地在这些脂肪族烃发泡剂中掺入水或者如美国专利US6,127,439、US6,160,027和US6,242,540所讲授的那样使用水作为单一的发泡剂，在这些专利中使用保水剂。用作发泡剂的水的重量百分比可以在1-20％的范围内变化。美国专利US6,127,439、US6,160,027和US6,242,540的内容引入本文以供参考。

所浸渍的聚合物颗粒或树脂粒任选地发泡至堆积密度至少为1.75lb/ft³(0.028g/cc)，在一些情况下至少为2lb/ft³(0.032g/cc)，在其它情况下至少为3lb/ft³(0.048g/cc)，以及在特定情况下至少为3.25lb/ft³(0.052g/cc)或3.5lb/ft³(0.056g/cc)。当使用未发泡树脂粒时，可使用高堆积密度的珠粒。同样地，堆积密度可以高达40lb/ft³(0.64g/cc)。在其它情况下，聚合物颗粒至少部分发泡并且堆积密度可达35lb/ft³(0.56g/cc)，在一些情况下达30lb/ft³(0.48g/cc)，在其它情况下达25lb/ft³(0.4g/cc)，在一些例子中达20lb/ft³(0.32g/cc)，在其它例子中达15lb/ft³(0.24g/cc)，并且在特定情况下达10lb/ft³(0.16g/cc)。聚合物颗粒的堆积密度可以是上述任意值或上述任意值之间的范围。聚合物颗粒、树脂粒和/或预膨胀粒的堆积密度通过称重已知体积的聚合物颗粒、树脂粒和/或预膨胀粒(在环境条件下老化24小时)而测定。

通常，通过利用任意常规的例如蒸汽、热空气、热水或辐射热等的加热介质加热浸渍过的珠粒方便地进行膨胀步骤。美国专利US3,023,175讲授了一种公认的完成浸渍热塑性颗粒的预膨胀的方法。

如美国专利申请10/021716所讲授的，浸渍的聚合物颗粒可以是泡沫多孔聚合物颗粒，其中的内容引入本文以供参考。泡沫多孔颗粒可以是发泡的聚苯乙烯，其包含基于聚合物重量小于14％的挥发性起泡剂，在一些情况下小于6％，在一些例子中在约2％至约5％的范围内变化，在其它例子中在约2.5％至约3.5％的范围内变化。

美国专利US4,303,756、US4,303,757和公开号为US2004/0152795的美国申请公开了根据本发明可归入发泡热塑性树脂或聚合物颗粒的聚烯烃和原位聚合乙烯基芳族单体的互聚物，其中相关的部分引入本文以供参考。

聚合物颗粒可以包括常规的成分和添加剂，例如阻燃剂、颜料、染料、着色剂、增塑剂、脱模剂、稳定剂、紫外线吸收剂、防霉剂、抗氧化剂、杀鼠剂、杀虫剂等等。典型的颜料包括但不局限于例如炭黑、石墨、可膨胀石墨、氧化锌、二氧化钛与氧化铁等的无机颜料，以及例如喹吖啶酮-红与-紫及酞菁铜-蓝和-绿等的有机染料。

在本发明的一个特定具体实施方案中，颜料是炭黑，该材料的一个非限制性例子是可购于NOVA Chemicals Inc的EPS

在本发明的另一个特定具体实施方案中，颜料是石墨，该材料的一个非限制性例子是可购于德国Ludwigshafen am Rhein BASFAktiengesell schaft Corp.的

当聚合物颗粒中包括例如炭黑和/或石墨这样的材料时，可提供由包含炭黑或石墨的材料的较高的R值(依照ASTM-C518测定)所代表的增强的绝缘性质。同样地，包含炭黑和/或石墨的发泡的聚合物颗粒或由这些聚合物颗粒制得的材料的R值至少比不包含炭黑和/或石墨的颗粒或所得制品的观测值高5％。

发泡聚合物颗粒或预膨胀颗粒具有的平均粒径为至少0.2，在一些情况下至少0.3，在其它情况下至少0.5，在一些情况下至少0.75，在其它情况下至少0.9并且在一些例子中至少1mm，并且可达8mm，在一些情况下达到6mm，在其它情况下达到5mm，在一些情况下达到4mm，在其它情况下达到3mm并且在一些例子中达到2.5mm。当发泡聚合物颗粒或预膨胀颗粒的尺寸过小或过大时，使用当前LWC组合物制得的LWC制品的物理性质是不合要求的。发泡聚合物颗粒或预膨胀颗粒的平均粒径可以是上述任意值并可为上述任意值之间的范围。可以使用激光衍射技术或者使用本领域公知的机械分离方法依据网目尺寸过筛来测定发泡聚合物颗粒或预膨胀颗粒的平均粒径。

在本发明的一个具体实施方案中，聚合物颗粒或发泡聚合物颗粒具有有助于赋予使用当前LWC组合物制得的LWC制品所需物理性质的最小平均孔壁厚度。平均孔壁厚度和内部孔隙尺寸可以使用本领域已知的扫描电子显微技术来测定。发泡聚合物颗粒具有的平均孔壁厚度可为至少0.15μm，在一些情况下为至少0.2μm，在其它情况下为至少0.25μm。并不希望局限于某一特定理论，当具有上述尺寸的树脂粒发泡至上述密度时，可以确信得到所需的平均孔壁厚度。

在本发明的一个具体实施方案中，聚合物珠粒任选地发泡形成发泡聚合物颗粒以便获得上述所需的孔壁厚度。尽管很多因素可以影响壁厚，但是在该具体实施方案中所希望的是限制聚合物珠粒的发泡以获得所需的壁厚和所得发泡聚合物颗粒强度。优化工艺步骤和发泡剂可以使聚合物珠粒发泡至最小的1.75lb/ft³(0.028g/cc)。该发泡聚合物堆积密度特性可以通过磅/立方英尺(lb/ft³)或膨胀系数(cc/g)来表述。

本文所使用的术语“膨胀系数”指一定重量的发泡聚合物珠粒所占据的体积，典型地表示为cc/g。

为赋予发泡聚合物颗粒所需的孔壁厚度和强度，发泡聚合物颗粒并不发泡至其最大膨胀系数；因为这种极端的膨胀会使颗粒产生不希望的薄壁和不足的强度。此外，聚合物珠粒可以发泡至其最大膨胀系数的至少5％，在一些情况下至少10％，在其它情况下至少15％。然而，为了不使孔壁厚度过薄，使聚合物珠粒发泡至其最大膨胀系数的80％，在一些情况下达75％，在其它情况下达70％，在一些例子中达65％，在其它例子中达60％，在一些情况下达55％，在其它情况下达50％。聚合物珠粒可以发泡至如上所述的任何程度或者发泡可以在上述任意值之间的范围变化。典型地，聚合物珠粒或预膨胀颗粒在配制成当前的胶凝性组合物时和在胶凝性组合物凝结、养护和/或硬化时并不进一步膨胀。

本文所使用的术语“预膨胀”指已经发泡的但是并没有膨胀至其最大膨胀系数的可膨胀颗粒、树脂和/或珠粒。

预膨胀或者发泡聚合物颗粒典型地具有多孔结构或蜂巢状内部，以及通常作为外表面的光滑的连续的聚合物表面，也就是一基本连续的外层。可以使用扫描电镜(SEM)技术在1000倍的放大率下观察该光滑连续表面。如图1、3和5所示，扫描电镜观察结果无法显示出预膨胀或者发泡聚合物颗粒外表面上孔的存在。如图2、4和6所示，切断预膨胀或者发泡聚合物颗粒并进行扫描电镜观测通常可显示出预膨胀或者发泡聚合物颗粒内部的蜂巢状结构。

聚合物颗粒或发泡聚合物颗粒可以具有任何可赋予LWC制品所需物理性质的横截面形状。在本发明的一个具体实施方案中，发泡聚合物颗粒具有圆形、卵形或椭圆形横截面形状。在本发明的具体实施方案中，预膨胀或者发泡聚合物颗粒具有的长径比为1，在一些情况下至少为1并且长径比可达3，在一些情况下可达2并且在其它情况下可达1.5。预膨胀或者发泡聚合物颗粒的长径比可以是上述任意值或上述任意值之间的范围。

LWC组合物中所含的胶凝性混合物为至少10体积％，在一些例子中为至少15体积％，在其它例子中为至少22体积％，在一些情况下为至少40体积％，在其它情况下为至少50体积％，并且可以达到90体积％，在一些情况下达到85体积％，在其它情况下达到80体积％，在特定情况下达到75体积％，在一些情况下达到70体积％，在其它情况下达到65体积％，在一些例子中达到60体积％。LWC组合物中所含的胶凝性混合物可以为上述任意含量并且可以在上述任意含量之间的范围内变化。

在本发明的一个具体实施方案中，胶凝性混合物包括水硬性水泥组合物。胶凝性混合物中所含的水硬性水泥组合物可以为至少体积3％，在特定情况下至少为5体积％，在一些情况下至少为7.5体积％，在其它情况下至少为9体积％，并且可以达到40体积％，在一些情况下达到35体积％，在其它情况下达到32.5体积％，在一些例子中达到30体积％。胶凝性混合物中所含的水硬性水泥组合物可以为上述任意含量或者在上述任意含量之间的范围内变化。

在本发明的特定具体实施方案中，水硬性水泥组合物可以是选自硅酸盐水泥、火山灰水泥、石膏水泥、高铝水泥、镁氧水泥、硅石水泥和矿渣水泥的一种或多种材料。在本发明的特定具体实施方案中，水泥组合物是III型硅酸盐水泥。

在本发明的一个具体实施方案中，胶凝性混合物可任选地包括本领域中公知的其它集料和助剂，包括但不局限于砂、附加集料、增塑剂和/或纤维。适合的纤维包括但不局限于玻璃纤维、碳化硅、芳族聚酰胺纤维、聚酯、碳纤维、复合材料纤维、玻璃丝及其组合，以及包含上述纤维的织物和包含上述纤维的组合的织物。

本发明中可使用的纤维的非限制性的例子包括可购于TechFab，LLC，Anderson，SC的MeC-

和C-

可购于E.I.du Pont deNemours and Company，Wilmington DE的

可购于TeijinTwaron B.V.，Arnheim，the Netherlands的

可购于Honeywell International Inc.，Morristown，NJ的

可购于Invista North America S.A.R.L.Corp.Willmington，DE的

和可购于Hoechst Cellanese Corp.，New York，NY的

所用纤维可以为网状结构，缠绕结构，交织结构，并且可以取向于所需任意方向。

在本发明的特定具体实施方案中，LWC组合物中含有的纤维至少为0.1体积％，在一些情况下至少为0.5体积％，在其它情况下至少为1体积％，并且在一些例子中至少为2体积％。此外LWC组合物中含有的纤维以体积计可达10体积％，在一些情况下可达8体积％，在其它情况下可达7体积％，并且在一些例子中可达5体积％。调整纤维的含量以向LWC组合物提供所需的性质。纤维的含量可以为上述任意值或者在上述任意值之间的范围内变化。

进一步研究该具体实施方案，附加集料可以包括但不局限于选自例如砂、石和砾石等的普通集料的一种或多种材料。普通轻质集料可以包括磨细粒状高炉矿渣、粉煤灰、玻璃、二氧化硅、烧胀页岩和粘土；保温集料，例如浮石、珍珠岩、蛭石、矿渣和硅藻土；LWC集料，例如膨胀页岩、烧胀页岩、膨胀粘土、膨胀炉渣、煅制二氧化硅、粒化集料、熔岩喷出粉煤灰、凝灰岩和macrolite；以及砌筑集料，例如膨胀页岩、粘土、板岩、膨胀高炉矿渣、焙烧粉煤灰、煤渣、浮石、矿渣和粒化集料。

当包含上述材料时，胶凝性混合物中含有的其它集料和助剂至少为0.5体积％，在一些情况下至少为1体积％，在其它情况下至少为2.5体积％，在一些例子中至少为5体积％，在其它例子中至少10体积％。胶凝性混合物中含有的其它集料和助剂也可达到95体积％，在一些情况下可达到90体积％，在其它情况下达到85体积％，在一些例子中达到65体积％，在其它例子中达到60体积％。胶凝性混合物中的其它集料和助剂的含量可以为上述任意值或者在上述任意值之间的范围内变化。

在本发明的一个具体实施方案中，该胶凝性混合物和/或轻质混凝土组合物中所使用的全部或部分砂或其它细集料具有的细度模数小于2，在一些情况下小于1.9，在其它情况下小于1.8。本文所使用的“细度模数”或“FM”指可以指示出集料中细颗粒和粗颗粒比例相对量度的经验系数。FM是用以指代细集料相对细度或粗度的值，并可以依据ASTM C 117测定。尽管可以参考ASTM C 117的详细内容并且全部引入本文以供参考，但是仍然可以总结如下。通过使500克砂样品通过一系列标准筛(4号、8号、16号、30号、50号和100号)来测得FM。从4号筛开始，将每个筛剩余的重量转换为累计剩余百分数。将六个百分数的总和除以100，结果即为细度模数。

在本发明的一个特定具体实施方案中，砂和/或其它细集料可以占LWC组合物的至少10体积％，在一些情况下至少15体积％，在其它情况下至少20体积％。此外，砂和/或其它细集料占LWC组合物的百分比可以达到50体积％，在一些情况下达到45体积％，在其它情况下达到40体积％，在一些例子中达到35体积％。砂和/或其它细集料的量可依据为LWC组合物提供所需性质的需要而调整。砂和/或其它细集料的量可以为上述任意值或者在上述任意值之间的范围内变化。

在本发明的一个特定具体实施方案中，粗集料(FM值大于4的集料)可以占LWC组合物的至少1体积％，在一些情况下至少2体积％，在其它情况下至少3体积％。此外，粗集料占LWC组合物的百分比可以达到20体积％，在一些情况下达到15体积％，在其它情况下达到10体积％，在一些例子中达到8体积％。粗集料的量可依据为LWC组合物提供所需性质的需要而调整。粗集料砂的量可以为上述任意值或者在上述任意值之间的范围内变化。

在本发明的具体实施方案中，轻质混凝土混合物可以包含一种或多种添加剂，非限制性的例子为消泡剂、防水剂、分散剂、促凝剂、缓凝剂、增塑剂，超塑化剂、凝固点降低剂，增粘剂和着色剂。基于组合物总重量，添加剂的含量典型地小于1重量％，但是可以为0.1-3重量％。

本发明所用的适合的分散剂或塑化剂包括但不局限于六偏磷酸盐、三聚磷酸盐、聚萘磺酸盐、磺化聚胺及其组合。

本发明可用的适合的增塑剂包括但不局限于聚羟基羧酸或其盐、聚羧酸酯或其盐、木质素磺酸盐、聚乙二醇及其组合。

本发明可用的适合的超塑化剂包括但不局限于碱金属或碱土金属的木质素磺酸盐、木质素磺酸盐、与碱金属或碱土金属的高浓萘磺酸盐/甲醛的缩合物、聚萘磺酸盐、碱金属或碱土金属的一种或多种聚羧酸盐(例如美国专利US6800129所描述的聚(甲基)丙烯酸盐和聚羧酸盐梳型共聚物，文献的相关部分引入本文以供参考)、碱金属或碱土金属的三聚氰胺盐/甲醛/亚硫酸盐缩合物、磺酸酯、碳水化合物酯及其组合。

本发明可用的适合的促凝剂包括但不局限于可溶性氯盐(例如氯化钙)、三乙醇胺、低聚甲醛、可溶性甲酸盐(例如甲酸钙)、氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、硫酸钠、12CaO·7Al₂O₃、硫酸钠、硫酸铝、硫酸铁、美国专利US4026723所公开的碱金属的硝酸盐/磺化芳烃脂肪族醛缩合物、美国专利US4298394所公开的水溶性表面活性剂促进剂、美国专利US5211751所公开的氨基酸的羟甲基衍生物促凝剂、美国专利Re.35194所公开的硫氰酸盐、烷醇胺与硝酸盐的混合物，以及上述物质的组合，上述文献的相关部分引入本文以供参考。

本发明可用的适合的缓凝剂包括但不局限于木质素磺酸盐、羟基羧酸(例如葡糖酸、柠檬酸、酒石酸、苹果酸、水杨酸、葡庚糖酸、阿糖酸、酸及其无机或有机盐，例如钠、钾、钙、镁、铵和三乙醇胺盐)、碳酸(Cardonic acid)、糖、改性糖、磷酸盐、硼酸盐、硅氟化物、溴酸钙、硫酸钙、硫酸钠、例如葡萄糖、果糖、半乳糖、蔗糖、木糖、芹菜糖、核糖与转化糖等的单糖、例如二糖与三糖等的低聚糖、如糊精、例如葡聚糖等的聚糖以及其它糖类例如包含这些糖的糖蜜；例如山梨糖醇等的糖醇；氟硅酸镁；磷酸及其盐或者硼酸盐酯；氨基羧酸及其盐；碱性可溶蛋白质；胡敏酸；鞣酸；酸；例如甘油等的多元醇；膦酸及其衍生物，例如氨基三(亚甲基膦酸)、1-羟基亚乙基-1、1-二膦酸、乙二胺四(亚甲基膦酸)、二亚乙基三胺五(亚甲基膦酸)，和其碱金属或碱土金属盐，以及上述缓凝剂的组合。

本发明可用的适合的消泡剂包括但不局限于硅基消泡剂(例如二甲基聚硅氧烷、二甲基硅酮油、硅树脂浆料、乳化硅油、有机基改性聚硅氧烷(例如二甲聚硅氧烷等的聚有机硅氧烷)、氟硅酮油等)、磷酸烷基酯(例如磷酸三丁酯、辛基磷酸钠等)、矿物油基消泡剂(例如煤油、液体石蜡等)、脂肪或油基消泡剂(例如动物或者植物油、芝麻油、蓖麻油、其氧化烯加成化合物衍生物等)、脂肪酸基消泡剂(例如油酸、硬脂酸、其氧化烯加成化合物衍生物等)、脂肪酸酯基消泡剂(例如甘油单蓖麻醇酸酯、烯基琥珀酸衍生物、山梨糖醇单月桂酸酯、山梨糖醇三油酸酯、天然蜡等)、氧化烯型消泡剂、醇基消泡剂(辛醇、十六烷醇、乙炔醇、乙二醇等)、酰氨基消泡剂(例如聚胺丙烯酸盐等)、金属盐基消泡剂(例如硬脂酸铝、油酸钙等)，以及上述消泡剂的组合。

本发明可用的适合的凝固点降低剂包括但不局限于乙醇、氯化钙、氯化钾及其组合。

本发明可用的适合的增粘剂包括但不局限于聚醋酸乙烯酯、苯乙烯-丁二烯、(甲基)丙烯酸酯的均聚物与共聚物及其组合。

本发明可用的适合的抗水剂或防水剂包括但不局限于脂肪酸(例如硬脂酸或油酸)、低级烷基脂肪酸酯(例如硬脂酸丁酯)、脂肪酸盐(例如硬脂酸钙或硬脂酸铝)、硅氧烷、蜡乳液、烃类树脂、沥青、油脂、硅氧烷、石蜡、柏油、蜡及其组合。尽管本发明的许多具体实施方案中没有使用加气剂，但是当使用时，适合的加气剂包括但不局限于松香皂树脂、松香酸钠、脂肪酸及其盐、表面活性剂、烷基-芳基-磺酸盐、酚乙氧基化物、木质素磺酸盐及其混合物。

使用本领域公知的方法混合胶凝性混合物、发泡聚合物颗粒和任意其它集料、添加剂和/或助剂。在本发明的一个具体实施方案中，液体，在一些情况下为水，也混入其它成分中。

在本发明的一个具体实施方案中，可以制造、包装、储存干混合物(也就是含有最少量水或不加入水)以便下一步应用。这些干混合物或“预混合物”可以稍后混入水以制得本文所述的轻质混凝土组合物。

在本发明的一个具体实施方案中，混凝土组合物是分散体，其中胶凝性混合物提供至少部分连续相并且聚合物颗粒和/或发泡聚合物颗粒作为连续相中的离散颗粒分散相存在。

作为本发明的一个特定的非限制性具体实施方案，混凝土组合物基本上不使用用于稳定分散体的湿润剂或分散剂。

作为本发明的一个不希望受任何单一理论限制的非限制性的具体实施方案，可以影响当前LWC组合物性能的因素包括混凝土内发泡树脂粒的体积分数、平均膨胀粒尺寸和珠粒相互空间产生的显微结构。在该具体实施方案中，可以使用一二维模型估算珠粒相互空间。为描述简单起见，珠粒相互空间可限于珠粒半径之内。另外，无意对发明做任何限制，假定在该具体实施方案中珠粒呈立方点阵排列，不考虑LWC组合物中的珠粒尺寸分布并且不考虑横截面上膨胀珠粒范围的分布。为了计算每个样本中珠粒的数量，采用一三维测试圆筒。

膨胀珠粒尺寸越小，为保持与下述方程1所描述的相同的膨胀珠粒体积分数所需的膨胀珠粒数目越大。由于膨胀珠粒的数目按指数规律增加，膨胀珠粒之间的空间减小。

N_b＝K/B³            (I)

N_b代表膨胀珠粒的数目。

包含分散的平均膨胀珠粒粒径为B、给定体积分数为V_d的发泡聚合物珠粒的、直径为D、高度为H(通常为2”×4”或6”×12”)的LWC测试样本含有大量的发泡聚合物珠粒，数量N_b由方程1给出。

需要注意N_b与发泡聚合物珠粒粒径的立方成反比。比例常数，K＝1.5V_dHD²，是只取决于膨胀聚合物珠粒的样本尺寸和体积分数的一个数值。因此对于给定的样本尺寸和已知的发泡聚合物珠粒体积分数，珠粒的增长的数量为珠粒粒径减少的量的三次方。

作为一个非限制性实施例，对于一2”×4”LWC样本，密度为90pcf(lb/ft³)时(相当于发泡聚合物珠粒体积分数为43％，预膨胀堆积密度为1.25pcf)，当历经从0.65mm变为0.4mm和0.33mm时，珠粒数量分别增加4倍和7倍。密度为2.08pcf时，当粒径变为0.4mm和0.33mm时，珠粒数量分别增加6倍和7倍。密度为5pcf时，珠粒数量分别增加2倍和3倍。因此，密度与珠粒粒径相互关联。如下所示，密度也会影响胞壁厚度。膨胀珠粒所提供的混凝土基体的强度一般受胞壁硬度和厚度影响。

在本发明的一个具体实施方案中，当假定为单分散球状细胞时，方程2可以表明平均细胞直径d与平均壁厚δ有关：

$d=\mathrm{\δ}/(\frac{1}{\sqrt{1-\mathrm{\ρ}/{\mathrm{\ρ}}_s}}-1)---\left(2\right)$

其中ρ是泡沫的密度，ρ_s是固体聚合物珠粒的密度。

因此对于给定的聚合物，依靠所使用的特定发泡过程，可以在各种δ值下获得相同的胞壁厚度(在给定的细胞尺寸下)或相同的细胞尺寸。不仅通过细胞尺寸也通过变化胞壁厚度来控制密度。下面的表举例说明了发泡聚合物珠粒密度与三种等级的珠粒粒径的变化关系。

珠粒粒径，微米	密度(pcf)	泡沫颗粒尺寸(mm)	膨胀系数(cc/g)	体积分数为43％的珠粒的平均数量
					650	2.00	1.764	31	96,768
650	3.00	1.541	21	145,152
					650	4.00	1.400	16	193,536
400	2.00	1.086	31	415,233
					400	3.00	0.949	21	622,849
400	4.00	0.862	16	830,466
					330	2.00	0.896	31	739,486
330	3.00	0.783	21	1,109,229
					330	4.00	0.711	16	1,478,972

满足需要的显微结构和/或形态可分为不同的等级。第一级是具有特殊界面的双连续或共连续的复合物，第二级在连接的基体中包括特殊的掺杂物。双连续和单一连接的显微结构的有效性能通过已知的最优交叉性能范围来描述。

在许多情况下，珠粒越小，为保持与方程1所描述的相同的发泡聚合物珠粒体积分数所需的珠粒数量越大。由于珠粒的数量按指数规律增加，珠粒之间的空间减小。

最优的范围可以通过许多代表临界值或极限值的关系式表示。作为一个非限制性实施例，对于给定的体积分数，通常具有一与临界珠粒数量相对应的临界珠粒粒径，该临界数量的珠粒可以分散以提供所需的形态以便于所有的珠粒分离并且使混凝土单一连接。也可能形成所有的珠粒为非分离的而是相互接触的形态。

使用(一种可购于ANSYS Inc.，Canonsburg，PA的有限元分析程序)进行二维横截面的有限元分析。在横截面的有限元网络中，珠粒在单一连接的混凝土基体中形成非接触的或分离的圆。

结果证明在负载下，应力在垂直于负载轴的方向上聚集。最大应力集中在发泡聚合物珠粒间的水平界面上，珠粒趋向于从圆形变形为椭圆形。

在本发明一个特定具体实施方案中，混凝土组合物至少包含一些以立方或六角点阵排列的发泡聚合物颗粒或预膨胀颗粒。

在本发明的一个具体实施方案中，所存在的LWC组合物中实质上不含加气剂，其通常是加入到混凝土拌合物中产生气泡或空隙。

在本发明的另一具体实施方案中，LWC组合物可包括增强纤维。这些纤维作为增强组分具有很大的长径比，也就是说它们的长度/直径比很高，以便使荷载穿越潜在的断裂点。尽管可以使用任何杨氏模量高于胶凝性混合物的材料，但是适合的纤维的非限制性例子包括长度为大约1-1.75英寸的玻璃纤维束、聚丙烯纤维及其它上述纤维。

可以使用本领域公知的方法使本发明的LWC组合物凝结和/或硬化以形成最终混凝土制品。

包含本发明的LWC组合物的凝结和/或硬化的最终混凝土制品的密度可为至少40lb/ft³(0.64g/cc)，在一些情况下至少45lb/ft³(0.72g/cc)，在其它情况下至少50lb/ft³(0.8g/cc)，并且密度可达130lb/ft³(2.1g/cc)，在一些情况下达120lb/ft³(1.9g/cc)，在其它情况下达115lb/ft³(1.8g/cc)，在一些情况下达110lb/ft³(1.75g/cc)，在其它情况下达105lb/ft³(1.7g/cc)，在一些例子中达100lb/ft³(1.6g/cc)，在其它例子中达95lb/ft³(1.5g/cc)。本发明混凝土制品的密度可以为上述任意值和可在上述任意值之间的范围内变化。根据ASTM C 138测定LWC组合物的密度。

在本发明一个特定具体实施方案中，LWC组合物包含以体积计10-60％包括III型硅酸盐水泥的水泥组合物；20-78体积％平均粒径为0.2mm-5mm、堆积密度为0.032g/cc-0.56g/cc并且长径比为1-2的发泡聚合物颗粒；3-35体积％一种或多种集料；以及0.1-1体积％一种或多种选自消泡剂、防水剂、分散剂、促凝剂、缓凝剂、塑化剂、超塑化剂、凝固点降低剂、增粘剂、着色剂及其组合的添加剂；其中所使用组分的总量不超过100体积％并且在轻质胶凝性组合物凝结后，其具有依据ASTM C39测定的至少2000psi的7天后抗压强度。

LWC组合物可以应用于即使不是全部也是大多数使用常规混凝土配方的应用中。作为非限制性的例子，本发明LWC组合物可用于结构和建筑应用中，非限制性的例子为建筑物的隔墙、ICF或SIP结构，浴室、工作台、墙面板、板墙、干饰面内墙、水泥板、装饰柱、拱廊等，例如盖板、地板内辐射供暖系统、地板(主要的和次要的)、斜墙、夹墙嵌板和作为粉刷层等的家具或家具应用，例如制动墙、路障、隔音物和墙、挡土墙、跑道制动系统、加气混凝土、跑道坡道、和可流动可挖掘回填料等的道路和机场安全应用，以及例如路基材料和桥板材料等的道路建设应用。

另外，本发明的LWC制品易于同螺钉直接连接，非限制性的例子为可通过传统的、气动的或粉末驱动装置连接的干饰面内墙螺钉和钉子。这使得易于与例如胶合板、干饰面内墙、柱螺栓这样的材料和其它常用于建筑工业的材料连接，这使用传统混凝土配方是无法实现的。

当在路基建设中使用本发明的LWC组合物时，聚合物颗粒可有助于防止和/或减小裂缝扩展，特别是涉及水的冻融循环时。

在本发明的一个具体实施方案中，在结构应用中使用本发明的凝结和/或硬化的LWC组合物，并且砌筑结构承载的最小抗压强度为至少1700psi(119.5kgf/cm²)，在其它情况下至少为1800psi(140.6kgf/cm²)。对于结构轻质混凝土，该组合物可具有至少2500psi(126.5kgf/cm²)的最小抗压强度，在一些例子中至少为1900psi，并且在其它例子中至少为2000psi(175.8kgf/cm²)。依据ASTM C39测定7天的抗压强度。

尽管可以参考ASTM C39的详细内容并且将其全部引入本文以供参考，但是仍然可总结出一种测试方法，包括以规定范围内的速率向成型柱体或成型芯施加轴向压缩荷载直至破坏发生。测试设备装有两个具有硬化表面的钢支撑块，一个是位于样品上表面的球座式块，另一个是放置样品的实体块。以相当于35±7psi/s(0.25±0.05Mpa/s)的加压速率的运动速率(以压板到十字头测定)向样本施加荷载。施应力缩荷载直至荷载指示器显示荷载平稳降低并且样本显示出明确的破裂模式。将测试期间样本所承受的最大荷载除以样本的横截面面积计算抗压强度。

本发明的组合物很适于制造模制建筑制品和材料，非限制性的例子包括包含斜墙板的墙板、T型梁、双T型梁、屋面瓦、屋面板、天花板、地板、工字梁、基墙等。该组合物显示出比现有技术中LWC组合物更高的强度。

在本发明的一个具体实施方案中，模制建筑制品和材料可以为预浇注和/或预应力产品。

本文中的“预浇注”混凝土指在取出并放入所需位置前注入模具或浇注成所需形状并进行养护和/或硬化的混凝土。

本文中的“预应力”混凝土指使用预应力钢丝束(在许多情况下使用高强钢缆或钢条)增强其张力的混凝土，并可提供夹持荷载产生抗压强度以补偿由于弯曲荷载混凝土构件所承受的张应力。任何本领域中已知的适合的方法可用于预应力混凝土。适合的方法包括但不局限于预拉伸混凝土，该混凝土浇注于拉紧的钢丝束周围，以及后张混凝土，其在浇注和养护过程之后施加压力。

本发明所提供的一个特别的优点为与那些必须使用专用的混凝土刀片或镶金刚石刀片和/或锯的产品相比，本发明中凝结的混凝土组合物和/或由该组合物形成的模制建筑制品易于使用传统方法切割和/或截断。这对混凝土制品施工而言提供了节省时间和成本显著效果。

该组合物易于根据本领域技术人员公知的方法可浇注到模具中形成作为非限制性的例子的屋面瓦、路面砖、或其它任何具有所需三维结构的制品，其包括具有例如具有木纹、板岩墙面砖或表面光滑瓷砖外观等的特定局部纹理的结构。典型的墙面板可具有宽为10英寸、长为17英寸、厚为1.75英寸的近似尺寸。在屋面材料的成型过程中，加入加气剂以使最终产品在对抗冻融破坏方面更加不受天气影响。

当使用本发明的LWC组合物浇灌基墙时，由于重量轻可以在地面之上建造。通常，在混凝土混合物净重的作用下，基墙的下部具有向外偏的倾向，但是本发明中组合物的轻质有助于减少这种情况发生的可能性。使用本发明LWC组合物制造的基墙可以很容易使用在传统基墙建设中使用的传统紧固件。

在本发明的一个具体实施方案中，本发明的混凝土组合物以混凝土砌块的形式成型、凝结和/或硬化。本文所使用的术语“混凝土砌块”指中空或实心混凝土制品，包括但不局限于具有刻痕的，分块饰面的，有棱的，有凹槽的，具有磨细表面的，陷入的和铺路石之类。本发明的具体实施方案提供包括至少部分根据本发明制得的混凝土砌块的墙体。

在本发明的一个具体实施方案中，模制建筑制品和材料以及上述混凝土砌块可以接受和容纳穿透性紧固件，其非限制性的例子包括钉子、螺钉和螺栓等。这有益于表面覆盖物可直接连接到模制建筑制品和材料以及混凝土砌块。

在本发明的一个具体实施方案中，标准的2.5英寸干饰面内墙螺钉可旋入包括本发明轻质混凝土组合物的浇注和凝结表面的1.5英寸深度处，当在垂直于所旋入表面的方向上施加至少500磅、在一些情况下至少600磅、在其它情况下至少700磅并且可达800磅的压力下，紧固件不会松动，施加压力的时间为1分钟，在一些情况下5分钟，在其它情况下10分钟。

本发明也涉及包括本发明的LWC组合物的建筑物。

本发明也提供一种制备最佳轻质混凝土制品的方法，包括：

确定凝结轻质混凝土组合物的希望的密度和强度性质；

确定用于轻质混凝土组合物的待发泡的聚合物珠粒的类型、尺寸和密度；

确定所要发泡的聚合物珠粒的尺寸和密度；

发泡聚合物珠粒形成发泡聚合物珠粒；

在胶凝性混合物中分散发泡聚合物珠粒形成轻质混凝土组合物；以及

以所需的形式使轻质混凝土组合物凝结。

基于所需的应用来确定凝结和/或硬化轻质混凝土(LWC)组合物的所需密度和强度性质。

在本发明的一个具体实施方案中，可以基于经验的和/或公开的数据来确定待发泡的聚合物珠粒的类型、尺寸和密度以及聚合物珠粒所要发泡到的尺寸和密度。

在本发明的另一个具体实施方案中，可使用有限元分析来确定待发泡的聚合物珠粒的类型、尺寸和密度以及聚合物珠粒所要发泡到的尺寸和密度。

使所得的轻质混凝土组合物凝结和/或硬化以制得LWC制品和如上所述的混凝土砌块。

参考下述实施例对本发明加以进一步的描述。下述实施例仅仅是对发明的说明而非限制。除非另有陈述，所有的百分数是以重量计，除非另有说明，本发明使用硅酸盐水泥。

实施例

除非另有说明，使用下述材料：

■III型硅酸盐水泥

■圬工砂(堆积密度为165pcf，比重为2.64，细度模数＝1.74)

■饮用水-环境温度(～70°F/21℃)

■可膨胀聚苯乙烯-M97BC，F271C，F271M，F271T(NOVAChemicals Inc.，Pittsburgh，PA)

■EPS树脂-1037C(NOVA Chemicals Inc.)

■1/2英寸烧胀页岩(Carolina Stalite Company，Salisbury，NC-堆积密度为89.5pcf/比重为1.43)

除非另有说明，所有的组合物使用具有7ft³的工作容量并带有单一轴桨的42N-5型搅拌器(Charles Ross&Son Company，Hauppauge，NY)在实验室条件下制备。混合器在34rpm下工作。在LH-10温度和湿度容器(Associated Environmental Systems，Ayer，MA制造)中控制条件。样品在带有平盖的6”×12”单用途塑化圆筒模具中成型，一式三份进行测试。耐压试验在Forney FX250/300压缩试验器(ForneyIncorporated，Hermitage，PA)中进行，其以所需的速率施加液压垂直荷载。所有其它辅助材料(坍落度筒、捣棒等)依据所采用的ATSM测试方法。遵循下述ATSM测试方法与程序：

■ASTM C470-混凝土试验圆柱垂直性铸模标准规范

■ASTM C192-实验室中混凝土试样的制备和养护的标准实施规程

■ASTM C330-建筑混凝土用轻质集料标准规范

■ASTM C511-水硬性水泥和混凝土试验用混合室，湿气箱、湿气室和水贮存罐标准规范

■ASTM C143-水硬性水泥混凝土坍落度的标准试验方法

■ASTM C1231-测定硬化混凝土筒柱抗压强度用不粘合盖板的标准使用规程

■ASTM C39-柱形混凝土样品抗压强度的标准试验方法

圆柱体在环境实验室条件下覆盖保存24小时。所有圆柱体然后在23±2℃和95％的相对湿度下再老化6天。然后测定测试样本。

实施例1

以未发泡珠粒形式存在的聚苯乙烯(M97BC-0.65mm，F271T-0.4mm，和F271M-0.33mm)预先膨胀为具有如下表中所示不同密度的EPS泡沫(预膨胀)颗粒。

数据显示预膨胀颗粒粒径与材料的膨胀密度成反比。

实施例2

以未发泡珠粒形式存在的聚苯乙烯(0.65mm，0.4mm和0.33mm)预先膨胀为如下表所示的堆积密度为2lb/ft³的预膨胀颗粒。预膨胀颗粒在3.5立方英尺的圆筒混合机中配制成LWC组合物，该组合物包括46.5wt.％(25.3vol.％)的硅酸盐水泥，16.3wt.％(26.3vol.％)的水，和1.2wt.％(26.4vol.％)的预膨胀颗粒。制得的LWC组合物的混凝土密度为90lb/ft³。平均抗压强度(依照ASTM C39中7天破坏试验测定)如下表所示。

数据显示在恒定的预膨胀颗粒密度下，当未发泡珠粒的平均粒径降低时，并没有如现有技术中提出的那样通过降低未发泡珠粒粒径产生相当高的抗压强度。更为特别的是，数据显示当加载以获得90pcfR的混凝土密度时，对于密度为2.00pcf的未发泡珠粒的抗压强度而言，存在一最优的未发泡珠粒尺寸。对于该特定的配方，最优值在330微米和650微米之间。

实施例3

由于预膨胀颗粒的密度也可以影响整个混凝土的密度，改变EPS的密度需要改变EPS的填充量以保持一稳定的混凝土密度。这种关系只有在预膨胀颗粒的总量不大并且不至于影响混凝土基体周围的强度时有效。预膨胀颗粒密度和填充量的关系使得在控制整个混凝土密度时有机会优化混凝土的强度。

以未发泡珠粒形式存在的聚苯乙烯(0.65mm)预先膨胀为具有如下表中所示不同密度的预膨胀颗粒。预膨胀颗粒在3.5立方英尺的圆筒混合机中配制成包含如下表所示组分的LWC组合物，每种混凝土的密度为90lb/ft³。

	样本A	样本B	样本C
				预膨胀颗粒堆积密度(lb/ft3)	1.26	3.29	5.37
硅酸盐水泥，wt.％(vol.％)	46.7(28.5)	46.2(22.1)	45.8(18.9)
				水，wt.％(vol.％)	16.4(29.8)	16.2(23)	16.1(19.7)
EPS，wt.％(vol.％)	0.7(16.8)	1.8(35.6)	2.6(44.9)
				砂，wt.％(vol.％)	36.2(24.9)	35.8(19.3)	35.5(16.5)

下述数据表从数字上阐述了当混凝土恒定密度为90lb/ft³时，预膨胀颗粒密度和混凝土强度的关系。

数据显示在恒定的混凝土密度下，预膨胀颗粒密度增加，LWC组合物抗压强度也增加。

实施例4

以未发泡珠粒形式存在的聚苯乙烯(0.65mm)预先膨胀为如下表所示的堆积密度为1.1lb/ft³的预膨胀颗粒。预膨胀颗粒在3.5立方英尺的圆筒混合机中配制成包含如下表所示组分的LWC组合物。

	样本D	样本E	样本F
				预膨胀颗粒堆积密度(lb/ft3)	1.1	1.1	1.1
硅酸盐水泥，wt.％(vol.％)	46.8(21.6)	46.3(18.9)	46.1(16.6)
				水，wt.％(vol.％)	16.4(22.5)	17(20.6)	17(18.2)
EPS，wt.％(vol.％)	0.6(37)	0.9(44)	1.1(50.8)
				砂，wt.％(vol.％)	36.2(18.9)	35.9(16.5)	35.8(14.5)

下述数据表从数字上阐述了预膨胀颗粒填充量、混凝土强度和混凝土密度的关系。

数据显示在恒定的泡沫颗粒密度下，LWC组合物中载荷的预膨胀颗粒增加，轻质混凝土的密度和抗压强度降低。

实施例5

以未发泡珠粒形式存在的聚苯乙烯(0.65mm)预先膨胀为具有如下表所示不同密度的预膨胀颗粒。预膨胀颗粒在3.5立方英尺的圆筒混合机中配制成包含如下表所示组分的LWC组合物。

	样本G	样本H	样本I	样本J
					预膨胀颗粒堆积密度(lb/ft3)	1.1	2.3	3.1	4.2
硅酸盐水泥，wt.％(vol.％)	46.8(21.6)	46.8(26.8)	46.8(28.4)	46.8(29.7)
					水，wt.％(vol.％)	16.4(22.5)	16.4(28)	16.4(29.6)	16.4(31)
EPS，wt.％(vol.％)	0.6(37)	0.6(21.8)	0.6(17.2)	0.6(13.4)
					砂，wt.％(vol.％)	36.2(18.9)	36.2(23.4)	36.2(24.8)	36.2(25.9)

下述数据表从数字上阐述了在基于配方重量的恒定的混凝土预膨胀颗粒载荷下，预膨胀颗粒密度和混凝土强度的关系。

数据显示在恒定的预膨胀颗粒载荷下(以重量计)，随着轻质混凝组合物中预膨胀颗粒密度增加，轻质混凝土的密度和抗压强度增加。

实施例6

以未发泡珠粒形式存在的聚苯乙烯(0.65mm)预先膨胀为具有如下表所示的不同密度的预膨胀颗粒。预膨胀颗粒在3.5立方英尺的圆筒混合机中配制成包含如下表所示组分的LWC组合物。

	样本L	样本M
			预膨胀颗粒堆积密度(lb/ft3)	1.1	3.1
硅酸盐水泥，wt.％(vol.％)	46.3(18.9)	46.2(21.4)
			水，wt.％(vol.％)	17(20.6)	16.2(22.3)
EPS，wt.％(vol.％)	0.9(44)	1.8(37.5)
			砂，wt.％(vol.％)	35.9(16.5)	35.8(18.7)

下述数据表从数字上阐述了在恒定的混凝土密度下预膨胀颗粒密度和混凝土强度的关系。

数据显示在恒定的混凝土密度下，随着LWC组合物中预膨胀颗粒密度的增加，LWC的抗压强度增加。

实施例7

以未发泡珠粒形式存在的聚苯乙烯(0.65mm)预先膨胀为具有如下表所示的不同密度的预膨胀颗粒。预膨胀颗粒在3.5立方英尺的圆筒混合机中配制成包含如下表所示组分的LWC组合物。

	样本N	样本O
			预膨胀颗粒堆积密度(lb/ft3)	3.9	5.2
硅酸盐水泥，wt.％(vol.％)	46(21.5)	45.6(21.4)
			水，wt.％(vol.％)	16.1(22.4)	16(22.3)
EPS，wt.％(vol.％)	2.3(37.3)	3(37.5)
			砂，wt.％(vol.％)	35.6(18.8)	35.4(18.7)

下述数据表从数字上阐述了在恒定的混凝土密度下预膨胀颗粒密度和混凝土强度的关系。

数据显示在恒定的混凝土密度下，随着LWC组合物中预膨胀颗粒密度的增加，LWC的抗压强度增加。

实施例8

下述实施例说明了使用烧胀页岩结合本发明中的预膨胀颗粒作为集料。以未发泡珠粒形式存在的聚苯乙烯预先膨胀为具有如下表所示的不同密度的预膨胀颗粒。预膨胀颗粒在3.5立方英尺的圆筒混合机中配制成包含如下表所示组分的LWC组合物。

混合的烧胀页岩/EPS	实施例P	实施例Q
			珠粒平均粒径，微米	0.33	0.4
膨胀颗粒堆积密度，pcf	5.24	4.5
重量％
			水泥	19.84％	21.02％
EPS	1.80％	1.44％
			烧胀页岩	42.02％	39.07％
水	6.96％	7.36％
			体积％
水泥	9.53％	10.34％
			EPS	22.71％	21.74％
烧胀页岩	41.91％	39.91％
			水	9.95％	10.78％
			LWC密度(pcf)	90.9	93.7
LWC强度(psi)	1360.0	1800.0

数据显示可以在轻质混凝土组合物中使用本发明的预膨胀颗粒和烧胀页岩作为集料来获得所需的轻质混凝土。

实施例9

下述实施例说明了使用烧胀页岩结合本发明中的预膨胀颗粒作为集料。以未发泡珠粒形式存在的聚苯乙烯预先膨胀为具有如下表所示的不同密度的预膨胀颗粒。预膨胀颗粒在3.5立方英尺的圆筒混合机中配制成包含如下表所示组分的LWC组合物。

实施例10

通过浇注根据下表中实施例X和Y制备的配制物使其成型并使配制物凝结24小时来制得一平方英尺大小，4英寸厚的混凝土成型体。

7天后将1平方英尺大小1/2英寸厚的胶合板直接固定在成型混凝土上。为了充分固定，需要至少穿透1英寸。结果如下表所示。

紧固件	实施例X	实施例Y
			7d带涂层的钉子
连接	遇到页岩时无穿透	100％穿透连接
			移除	易于移除	不借助机械辅助无法手工从混凝土中移除
2.5英寸标准干饰面内墙螺钉
			连接	遇到页岩时无穿透	100％穿透连接。螺钉在混凝土破坏前破裂
移除	易于移除	不借助机械辅助无法手工从混凝土中移除。螺钉可以移除和再插入而不改变夹持力。

数据表明不含有页岩的本发明轻质混凝土组合物与传统烧胀页岩配制物相比使用标准紧固件可以提供更好的胶合板紧固性能，因为含有页岩的混凝土不易于放置紧固件。上文提供了一种对现有技术的改进，使得在混凝土中固定锚件以使紧固件紧固其中这种耗时的技术可被淘汰。

实施例11

通过浇注实施例X和Y中的配制物使其成型并使配制物凝结24小时，从而制得1平方英尺大小，4英寸厚的混凝土成型体。7天后使用标准1.75英寸干饰面内墙板螺钉将1平方英尺大小1/2英寸厚的标准干饰面内墙板直接固定在成型混凝土上。为了充分固定，螺钉需要至少穿透1英寸。结果如下表所示。

紧固件	实施例X	实施例Y
			1.75英寸标准干饰面内墙螺钉
连接	遇到页岩时无穿透	100％穿透连接。螺钉可以穿透干饰面内墙。
			移除	易于移除	不借助机械辅助无法手工从混凝土中移除。螺钉可以移除和再插入而不改变夹持力。

数据表明不含有页岩的轻质混凝土组合物与不易于放置紧固件的传统烧胀页岩配制物相比可以提供更好的紧固性能。上文提供了一种对现有技术的改进，使得在混凝土中固定螺栓以连接干饰面内墙的技术可以被淘汰。

实施例12

通过浇注实施例X和Y中的配制物使其成型并使配制物凝结24小时，从而制得2平方英尺大小，4英寸厚的混凝土成型体。7天后使用标准16d钉子将3英尺长、2”×4”的螺栓直接固定在成型混凝土上。为了充分固定，钉子需要至少穿透2英寸。结果如下表所示。

紧固件	实施例X	实施例Y
			16d钉子
连接	遇到页岩时无穿透	100％穿透连接。
			移除	易于移除	不借助机械辅助无法手工从混凝土中移除

数据表明不含有页岩的轻质混凝土组合物与不易于放置紧固件的传统烧胀页岩配制物相比可以提供更好的紧固性能。上文提供了一种对现有技术的改进，使得使用

(可购于Illinois Tool WorksInc.，Glenview，Illinois)或类似紧固件、铅锚件或其它本领域已知的方法将螺栓固定于混凝土这种昂贵耗时的技术可以被淘汰。

实施例13

使用下表所示的成分制备不含有附加集料的混凝土。

数据表明获得最大的组合物抗压强度所需的预膨胀平均粒径在一定程度上取决于预膨胀颗粒的膨胀系数。只关注于预膨胀粒径并无法为获得最大的潜在混凝土强度提供良好指示。这一点可以通过比较实施例BB和实施例FF来说明。实施例FF(1.54mm大小)在膨胀系数为18时无法提供最大的抗压强度，然而珠粒膨胀系数为48时则可获得几乎最大的抗压强度。

结合考虑预膨胀粒径和膨胀系数可以为得到最大混凝土强度提供指示。作为一个例子，实施例AA(预膨胀粒径1.35mm，膨胀系数48)可以获得密度为93pcf，抗压强度为1750psi的混凝土，而对于相近大小的预膨胀颗粒，实施例II(预膨胀粒径1.41mm，膨胀系数12)可以获得密度为90pcf，抗压强度明显提高并且为2100psi的混凝土。因此，在具有最优预膨胀颗粒粒径范围的本发明轻质混凝土组合物中，较小的预膨胀粒径和较低的膨胀系数可以获得较高的抗压强度

实施例14

使用下表所示的成分制备含有烧胀页岩作为集料的混凝土。

数据表明，随着页岩含量增加，保持混凝土密度大约为90pcf所需的EPS体积呈线性稍微下降；随着配制物中页岩的量的增加，本发明轻质混凝土的强度呈指数规律增加。这种关系突显了本发明轻质混凝土配制物中所含集料的潜在重要影响，并且证明了在所需的密度下优化配制物中EPS和集料的量以使强度最大化的可能性。此外，不同组分的成本也在设计中考虑在内，并优化轻质混凝土的配方以获得最大的强度和最低的成本。

实施例15

使用下表所示的成分制备含有未发泡的EPS(1037C)并且不含有附加集料的混凝土。

数据表明未发泡聚苯乙烯树脂粒(堆积密度约40pcf)可以制得在低密度下(76-100pcf)具有相当高的抗压强度(2500-3200psi)的轻质混凝土组合物。

实施例16

使用扫描电镜(SEM)分析源自发泡至1.2lb/ft³的F271T珠粒，发泡至1.3lb/ft³的F271C珠粒和发泡至1.5lb/ft³的M97BC珠粒的预膨胀颗粒。图20、21(F271T)、22、23(F271C)、24和25(M97BC)分别显示出了每种颗粒的表面和内部单元。

如图25、27和29所示，预膨胀颗粒的外部结构通常为具有连续表面外表面或外壳的球状。如图26、28和30所示，预膨胀试样的内部孔结构类似蜂巢型结构。

也是用SEM测定预膨胀颗粒的粒径，结果如下表所示。

(微米)	T型预膨胀颗粒(1.2pcf)	C型预膨胀颗粒(1.3pcf)	BC型预膨胀颗粒(1.5pcf)
				外径	1216	1360	1797
内部孔径	42.7	52.1	55.9
				内部孔壁	0.42	0.34	0.24
孔壁/孔径	0.0098	0.0065	0.0043
						C型预膨胀颗粒(3.4pcf)	BC型预膨胀颗粒(3.1pcf)
外径	--	1133	1294
				内部孔径	--	38.2	31.3
内部孔壁	--	0.26	0.47
				孔壁/孔径	--	0.0068	0.0150

分析上述所有数据，数据显示内部孔结构会影响轻质混凝土配制物的强度。

预膨胀颗粒当用于轻质混凝土组合物时，会从两方面影响混凝土的总强度。第一，低密度的较大颗粒会改变预膨胀颗粒周围的混凝土基体，第二，低密度的预膨胀颗粒由于泡沫颗粒的孔结构而不够坚硬。由于混凝土的强度至少在一定程度上取决于预膨胀颗粒的强度，增强的预膨胀颗粒强度会产生较高的轻质混凝土强度。可以通过其影响混凝土基体的程度来限制潜在的强度增长。该实施例中的数据显示可以优化初始珠粒粒径以获得最优尺寸的预膨胀颗粒(通过预膨胀密度加以控制)，这会产生可能是最高的轻质混凝土强度。

换句话说，在最优的预膨胀颗粒粒径和密度范围内，预膨胀颗粒的壁厚会提供充分的支撑以使得本发明的轻质混凝土组合物具有比现有技术中轻质混凝土组合物更高的强度。

所述数据表明，与现有技术所采用的假设和方法不同，发泡EPS颗粒不止是可以作为混凝土中的孔隙，意外地其可以发挥更大的作用。更具体地说，本发明所使用的预膨胀颗粒的结构和性质可以显著提高所生成的轻质混凝土组合物的强度。

实施例17

该实施例说明了在本发明轻质混凝土组合物上紧固件的使用以及相关的拉出强度问题。该测定用于比较直接安装于本发明轻质混凝土(约90pcf)上的螺钉和安装于普通重量的和传统轻质混凝土上的传统混凝土紧固件的承载能力。

在根据下表中配方制得的如上所述的三种类型的混凝土上进行紧固件拉出测试：普通重量、143pcf(样本MM，140pcf普通混凝土)，使用烧胀页岩的轻质混凝土(123pcf)(样本NN，120pcf LWC)，以及使用EPS的轻质混凝土(87pcf)(样本OO，90pcf LWC)。

                    样本MM    样本NN    样本OO

                    140pcf    120pcf    90pcf

EPS珠粒粒径

                    --        --        0.51

(mm)

密度(pcf)           --        --        3.37

重量％

水泥                20.2      24.8      32.9

砂                  34.6      36.4      52.7

EPS                 --        --        1.86

3/8”细砾           37.6      --        --

1/2”烧胀页岩       --        29.4      --

水                  7.7       9.41      12.51

体积％

水泥                16.0      16        16

砂                  30.9      26.5      28.9

EPS                 --        --        37

3/8”细砾           35.0      --        --

1/2”烧胀页岩       --        39.4      --

水                  18.1      18.1      18.12

抗压强度(psi)       4941      9107      2137

密度(pcf)           143       123       87

制造一种装置，其利用重力使重量作用于每个紧固件的垂直方向上以在与紧固件轴向一致的方向上施加荷载。90pcf LWC装有直接安装于约1¹/₂”深度处的2¹/₂”标准干饰面内墙螺钉。120pcf LWC装有两种安装于预先钻好的孔洞中的紧固件：2³/₄”

金属螺旋式墙体锚固件(Illinois Tool Works Inc.，Glenview，IL)安装于约2”深度处，标准2¹/₄”膨胀楔形锚固螺栓/螺母安装于约1¹/₄”深度处。140pcf普通混凝土也装有两种安装于预先钻好的孔洞中的紧固件：2³/₄”TAPCON锚固件安装于约2”深度处，标准2¹/₄”膨胀楔形锚固螺栓/螺母安装于约1¹/₄”深度处。将轻质混凝土中的一个干饰面内墙螺钉拔出并在相同的固定孔中重新安装以便测试。同样也将一个TAPCON螺钉拔出并重新安装以测定任何的负载损失。下表给出了所测试的每种锚固件/紧固件的数据和负载。

90pcf LWC干饰面内墙螺钉

结构体1	螺钉长度(in)	外露(in)	拔出并重安装(in)	强度(lb)
					螺钉B	2.5	0.594	1.906	700@30秒

90pcf LWC干饰面内墙螺钉

结构体2	螺钉长度(in)	外露(in)	拔出并重安装(in)	强度(lb)
					螺钉C	2.5	1.031	1.469	＞740＞10分

120pcf LWC TAPCON螺钉

结构体3	螺钉长度(in)	外露(in)	拔出并重安装(in)	强度(lb)
					螺钉C	2.75	0.875	1.875	＞740＞10分

120pcf LWC螺栓/套管/螺母

结构体4	锚固件长度(in)	外露(in)	安装(in)	强度(lb)
					锚固件D	2.25	0.875	1.375	＞740＞10分

140pcf普通混凝土TAPCON螺钉

结构体5	螺钉长度(in)	长度(in)	拔出并重安装(in)	强度(lb)
					螺钉C	2.75	0.906	1.844	＞740＞10分

140pcf普通混凝土螺栓/套管/螺母

结构体6	锚固件长度(in)	外露(in)	安装(in)	强度(lb)
					锚固件C	2.25	1.094	1.156	＞740＞10分

由于干饰面内墙螺钉在混凝土中不易破坏或破裂，其在90pcf LWC中的锚抓力非常大。干饰面内墙螺钉易于安装，只需要标准尺寸电钻。90pcf LWC中的干饰面内墙螺钉的握持力使得如果所施加的钻扭矩在螺钉头到达混凝土表面之前没有停止，螺钉头将会扭断。除了90pcfLWC中的拔出再安装的干饰面内墙螺钉在从混凝土中破裂脱落之前可以承受700lbs的荷载30秒，所有其它的紧固件可以承受740lbs.的荷载至少10分钟。该干饰面内墙螺钉在破裂点不破坏，但是从混凝土中脱落。

作为整体分析上述数据，可以证明存在可使本发明中轻质混凝土配制物的抗压强度最大化的最佳预膨胀珠粒粒径(作为非限制性的例子，约450-550μm的树脂粒发泡至膨胀系数为约10-20cc/g、预膨胀粒径为约750-1400μm，用于90pcf轻质混凝土)。本发明中轻质混凝土配制物的抗压强度可以通过增加EPS预膨胀珠粒密度而增加。未发泡聚苯乙烯树脂(堆积密度约40pcf)可生产出低密度(76-100pcf)高抗压强度(2500-3200psi)的LWC。集料可用于本发明的轻质混凝土配制物中。不含粗骨料的轻质混凝土配制物可以制成可直接使用标准钻头和螺钉紧固的混凝土组合物。当EPS预膨胀珠粒发泡至较低堆积密度(例如小于1pcf)时，珠粒具有脆弱的内部孔结构，其产生较脆弱的泡沫从而使制得的轻质混凝土组合物具有较低的抗压强度。

本发明通过参考其特定具体实施方案的细节得以描述。除了在一定程度上归入所附权利要求中的内容，上述细节并不意欲作为对发明范围的限制。

Claims (25)

1.一种轻质混凝土组合物，包括10-90体积％的水泥组合物，10-90体积％平均粒径为0.2mm-8mm、堆积密度为0.028g/cc-0.64g/cc、长径比为1-3的颗粒，以及0-50体积％的集料；其中所用组分的总量不超过100体积％；其中轻质混凝土组合物在凝结7天后具有依据ASTM C39测定的至少1700psi的抗压强度。

2.根据权利要求1所述的轻质混凝土组合物，其中颗粒具有基本上连续的外层。

3.根据权利要求1所述的轻质混凝土组合物，其中颗粒包括具有至少0.15μm的内部孔壁厚度的发泡聚合物颗粒。

4.根据权利要求1所述的轻质混凝土组合物，其中颗粒包括含有一种或多种聚合物的发泡聚合物颗粒，聚合物选自乙烯基芳族单体均聚物；至少一种乙烯基芳族单体与一种或多种二乙烯基苯、共轭二烯、甲基丙烯酸烷基酯、丙烯酸烷基酯、丙烯腈和/或马来酸酐的共聚物；聚烯烃；聚碳酸酯；聚酯；聚酰胺；天然橡胶；合成橡胶及其组合。

5.根据权利要求1所述的轻质混凝土组合物，其中颗粒包括通过将未发泡的平均树脂粒径为约0.2mm至约2mm的聚合物珠粒发泡制得的发泡聚合物颗粒。

6.根据权利要求1所述的轻质混凝土组合物，其中颗粒包括平均粒度为约0.3mm至约5mm的发泡聚合物颗粒。

7.根据权利要求1所述的轻质混凝土组合物，作为分散体形式，其中水泥组合物包括连续相，颗粒包括连续相中的离散颗粒分散相。

8.根据权利要求7所述的轻质混凝土组合物，不含有湿润剂或用于稳定分散体的分散剂。

9.根据权利要求1所述的轻质混凝土组合物，其中至少部分颗粒按立方或六方点阵排列。

10.根据权利要求1所述的轻质混凝土组合物，其中水泥组合物包括水硬性水泥组合物。

11.根据权利要求10所述的轻质混凝土组合物，其中水硬性水泥包括一种或多种选自硅酸盐水泥、火山灰水泥、石膏水泥、石膏组合物、高铝水泥、镁氧水泥、硅石水泥和矿渣水泥的材料。

12.根据权利要求1所述的轻质混凝土组合物，其中胶凝混合物包括砂、细集料、粗集料、增塑剂和/或纤维。

13.根据权利要求12所述的轻质混凝土组合物，其中纤维选自玻璃纤维、碳化硅、聚芳基酰胺纤维、聚酯纤维、碳纤维、复合纤维、玻璃丝及其组合、包含所述纤维的织物以及包含所述纤维的组合的织物。

14.根据权利要求12所述的轻质混凝土组合物，其中粗集料选自石头、砾石、磨细粒状高炉矿渣、粉煤灰、玻璃、硅石、烧胀页岩、粘土；浮石、珍珠岩、蛭石、矿渣、硅藻土、膨胀页岩、膨胀粘土、膨胀矿渣、煅制二氧化硅、粒化集料、熔岩喷出粉煤灰、凝灰岩、macrolite、板岩、膨胀高炉矿渣、焙烧粉煤灰、煤渣及其组合。

15.根据权利要求1所述的轻质混凝土组合物，具有约40至约130lb./ft³的密度。

16.根据权利要求1所述的轻质混凝土组合物，其中旋入成型和凝结的轻质混凝土组合物1¹/₂英寸深度处的标准的2¹/₂英寸干饰面内墙螺钉由在垂直于所旋入表面的方向上施加500磅的力1分钟不会被取出。

17.一种路基，包括如权利要求1所述的轻质混凝土组合物。

18.根据权利要求1所述的轻质混凝土组合物，以建筑制品的形式成型并凝结。

19.根据权利要求1所述的轻质混凝土组合物，以混凝土砌块的形式凝结。

20.一种预浇注和/或预应力建筑制品，包括如权利要求1所述的组合物。

21.根据权利要求1所述的轻质混凝土组合物，以建筑板材的形式凝结。

22.一种制备优化轻质混凝土组合物制品的方法，包括：

确定凝结的轻质混凝土组合物所需的密度和强度性质；

确定用于轻质混凝土组合物的待发泡聚合物珠粒的类型、尺寸和密度；

确定聚合物珠粒所要发泡到的尺寸和密度；

发泡聚合物珠粒形成发泡聚合物珠粒；

在包含水硬性水泥组合物的胶凝混合物中分散发泡聚合物珠粒形成轻质混凝土组合物；以及

以所需的形式使轻质混凝土组合物凝结。

23.根据权利要求22所述的方法，其中使用有限元分析来确定待发泡聚合物珠粒的类型、尺寸和密度以及聚合物珠粒所要发泡到的尺寸和密度。

24.根据权利要求22的方法制得的轻质混凝土制品。

25.一种轻质混凝土组合物，包括

10-60体积％的包括III型硅酸盐水泥的水泥组合物；

20-78体积％平均粒径为0.2mm-5mm、堆积密度为0.032g/cc-0.56g/cc、长径比为1-2的发泡聚合物颗粒；

5-35体积％的一种或多种集料；

0.1-1体积％的选自消泡剂、防水剂、分散剂、促凝剂、缓凝剂、增塑剂，超塑化剂、凝固点降低剂，增粘剂、着色剂及其组合的一种或多种添加剂。

其中所用组分的总量不超过100体积％并且

其中轻质混凝土组合物在凝结后具有依据ASTM C39测定的至少2000psi的7天后抗压强度。

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