CN101687703A - 轻质水泥组合物和建筑产品以及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及水泥组合物和其制备方法，其中所述水泥组合物包括35－60重量％反应性水泥粉末(也称作波特兰(Portland)水泥基粘合剂)、2－10重量％经化学涂布的膨胀珍珠岩填料、20－40重量％水、夹带空气、和诸如减水剂、化学促凝剂和化学缓凝剂等任选添加剂。此外，轻质水泥组合物可含有以湿基计0－25重量％第二填料，例如膨胀粘土、页岩集料和浮石。

Description

轻质水泥组合物和建筑产品以及其制备方法
相关申请案交叉参考
本申请案主张优先于在2007年7月5日申请的美国专利申请案第11/773,865号的权益，后者以引用方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及制造水泥基板材和建筑产品的轻质水泥组合物。具体来说，水泥组合物和产品的密度介于约40-80磅/立方英尺(0.64-1.28g/cc)之间，优选为约45-65磅/立方英尺(0.72-1.04g/cc)。
背景技术
颁予皮瑞泽佩纳(Perez-Pena)等人并且以引用方式并入本文的美国专利第6,869,474号论述通过以下方式来达成用于制造诸如水泥板等水泥基产品的水泥组合物的快速凝固：向诸如波特兰(Portland)水泥等水凝水泥中添加烷醇胺，并在提供至少90°F(36℃)的初始浆液温度的条件下用水形成浆液。可引入其它反应性材料，例如高铝水泥、硫酸钙和诸如粉煤灰等火山灰材料。极快凝固容许快速制造水泥产品。已发现三乙醇胺添加物是极强促凝剂，其能与提高量的粉煤灰和石膏—起制造具有相对较短最终凝固时间的调配物并且不需要铝酸钙水泥。然而，与含有铝酸钙水泥的先前水泥板调配物相比，用三乙醇胺调配也具有相对较低的早期抗压强度。
颁予杜贝(Dubey)并且以引用方式并入本文的美国专利第6,641,658号论述可用于制造水泥板的快速凝固水泥组合物，其含有波特兰水泥、火山灰、高铝水泥、和不溶性硫酸钙硬石膏作为反应性粉末，与先前技术水泥组合物相比其可提供缩短的凝固时间。所述组合物优选地包含35-90重量％波特兰水泥、0-55重量％火山灰、5-15重量％高铝水泥和1-8重量％不溶性硫酸钙硬石膏作为反应性粉末掺合物。用不溶性硫酸钙硬石膏取代习用可溶性石膏(二水合物)可促进热量的释放并缩短凝固时间，即使使用极高量的火山灰材料(优选为粉煤灰)也无妨。水泥组合物也可包括轻质集料和填料，以及可赋予其它有用期望特性的添加剂，例如超塑化剂、缓凝剂和促凝剂。
颁予盖勒(Galer)等人并且以引用方式并入本文的美国专利第4,488,909号论述能快速凝固的水泥组合物。所述组合物容许通过以下方式高速制造抗二氧化碳水泥板：在将组合物与水混合后约20分钟内基本上形成所有潜在的钙钒石。所述水泥组合物的主要组份是波特兰水泥、高铝水泥、硫酸钙和石灰。可添加最多约25％的诸如粉煤灰等火山灰、蒙脱石粘土、硅藻土和浮岩。水泥组合物包括约14-21重量％高铝水泥，其与其它组份组合使得可及早形成钙钒石和其它铝酸钙水合物，从而使水泥混合物及早凝固。在其发明中，盖勒等人提供使用铝酸盐的高铝水泥(HAC)和使用硫酸根离子的石膏来形成钙钒石并使其水泥混合物达成快速凝固。
钙钒石是具有式Ca6Al2(SO4)3·32H2O或3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O的硫酸铝钙化合物。钙钒石形成为长针样晶体并且向水泥板提供快速早期强度，因此可在将其倒入模具中或倒入连续浇铸成型带上之后立刻实施搬运。
发明内容
本发明一目标是提供用于制造水泥基板材和建筑产品的轻质水泥组合物。
本发明另一目标是提供密度介于约40-80磅/立方英尺(0.64-1.28g/cc)之间、优选地为约45-65磅/立方英尺(0.72-1.04g/cc)的水泥组合物和产品。自此组合物制得的板的优选挠曲强度介于400-2000psi(2.76-13.8MPa)之间。最优选挠曲强度介于750-1750psi(5.17-12.1MPa)之间。如通过ASTM C 947以10英寸跨度对自此组合物制得的所测试试样实施的挠曲测试中所测量，各板的优选最大变形介于0.25-1.75英寸(0.64-4.5cm)之间。最优选最大变形介于0.50-1.25英寸(1.3-3.18cm)之间。
本发明的另一目标是提供轻质水泥板材，其以1/2英寸(1.27cm)厚度计重量优选地小于3.3磅/平方英尺(16.1kg/平方米)，更优选地小于2.5磅/平方英尺(12.2kg/平方米)，且最优选地小于2.1磅/平方英尺(10.25kg/平方米)。
本发明的另一目标是提供水泥板材，其可用作用于安装瓷砖、石材、和灰泥饰面的耐久可粘结基材。
本发明的另一目标是提供水泥板材，其具有良好拒水性和对水渗透的抗性。
本发明的另一目标是提供水泥产品，其具有良好耐湿性和尺寸稳定性，从而使得其可用于建筑物中的潮湿区域中。
本发明的另一目标是提供轻质水泥产品，其对细菌、霉菌和真菌生长具有抗性。
本发明的另一目标是提供轻质水泥产品，其具有良好的冻融耐久性。
本发明的另一目标是提供轻质水泥产品，其具有非易燃性。
本发明的另一目标是提供轻质水泥产品，其具有显著改良的搬运、安装、和紧固特征。
本发明的另一目标是提供轻质水泥板材产品，其具有显著改良的刻划和拉折性能以及切削特征。
本发明的另一目标是提供水泥组合物，其在潮湿状态下具有可流动稠度，稳定并且不易发生材料分离。
本发明的另一目标是提供水泥组合物，其可在薄水泥板材产品制造期间及制造后在水泥核心与表面增强网之间导致形成良好粘结。
本发明的另一目标是提供水泥组合物，其使得可在工业制造环境中有效处理轻质水泥产品。
本发明的另一目标是提供制备用于制造水泥基板材和建筑产品的轻质水泥组合物的方法。
因此，本发明一般来说涉及用于构建板材或板的快速凝固轻质水泥组合物。
所述水泥组合物包括35-60重量％反应性水泥粉末(也称作波特兰水泥基粘合剂)、2-10重量％经化学涂布的膨胀珍珠岩填料、20-40重量％水、夹带空气(例如以湿基计10-50体积％夹带空气)和诸如减水剂、化学促凝剂和化学缓凝剂等任选添加剂。所述轻质水泥组合物也可任选地含有0-25重量％第二填料，例如10-25重量％第二填料。典型填料包括膨胀粘土、页岩集料和浮石中的一或多种。
本发明中所用的反应性水泥粉末通常由纯波特兰水泥或波特兰水泥与诸如粉煤灰或鼓风炉矿渣等适宜火山灰材料的混合物组成。反应性水泥粉末也可任选地含有少量添加的石膏(灰泥粉)和高铝水泥(HAC)以影响粘合剂的凝固和水合特征。
可通过采用以下各项来帮助获得轻质密度：(i)具有特殊属性的膨胀珍珠岩和(ii)空气夹带。
占复合物体积7.5-40％的膨胀珍珠岩填料优选地由直径中值粒径为20-60微米的颗粒组成，优选地颗粒密度小于0.30g/cc，并且经硅烷、硅氧烷、硅酮或其混合物涂布。此膨胀珍珠岩填料的独特性在于其经化学涂布以获得水密性和拒水性。此外，经涂布膨胀珍珠岩填料的粒径范围容许通过施加化学涂层来形成具有有效水密性的封闭小室颗粒结构。所选经涂布膨胀珍珠岩填料的使用具有重要意义，其容许以较低用水率制备可操作并且可加工的水泥浆液。组合物中水量较低使得产物具有优越的机械特性和物理特征。
夹带空气占复合物体积的以湿基计10-50％。本发明组合物中的空气夹带是藉助适宜表面活性剂来提供，其可在经饰面产物中形成稳定均一的空气孔隙结构。
可使用本发明水泥组合物来制造具有极佳耐湿性以在建筑物中用于潮湿和干燥位置的预铸混凝产品，例如水泥板。诸如水泥板等预铸混凝产品是在可使水泥混合物快速凝固的条件下制造，从而使得可在将水泥混合物倾注成静止或活动形式或倒入连续移动带上之后立刻对板实施搬运。
轻质水泥组合物和产品通常具有一或多种以下优点：
低水需求
以较低水量获得可流动并且可操作的浆液
轻质密度
高抗压强度
极佳耐水性
在变化环境条件下的极佳尺寸稳定性
产品厚度方向上的极佳水渗透抗性
与诸如瓷砖和水泥砂浆等饰面表面的极佳粘结强度
快速凝固特征
优越的可观赏性和外观
通常通过使上述组合物固化所制得的水泥板的厚度为约1/4-1英寸(6.3-25.4mm)。
除非另有说明，否则本文中所有百分比、比率和比例均以重量计。同样，除非另外说明，否则任何平均分子量都是重量平均分子量。
附图说明
图1展示实例11中所研究混合物的浆液温度上升响应。
具体实施方式
水泥组合物
表1阐述用于形成本发明轻质水泥组合物的混合物。经化学涂布珍珠岩所占体积在组合物总体积的7.5-40％范围内，并且夹带空气所占体积在10-50％范围内。此显著有助于制造具有约40-80pcf(0.64-1.28g/cc)、优选地约45-65磅/立方英尺(0.72-1.04g/cc)的期望低密度的水泥产物。
Figure G2008800229831D00041
水泥组合物优选地包括：
反应性水泥粉末，其包含波特兰水泥和任选地火山灰材料(35-60重量％)(典型混合物包括100份波特兰水泥、30份粉煤灰、3份灰泥粉、经化学涂布的膨胀珍珠岩填料(2-10重量％))，
夹带空气(复合物体积的10-50％，复合物体积的％是浆液的以湿基计体积％)，
水(20-40重量％)，
任选添加剂，例如减水剂、促凝剂、缓凝剂、和
任选第二填料(10-25重量％)，例如膨胀粘土、页岩集料和浮石；
其中经化学涂布的膨胀珍珠岩填料与第二填料(例如膨胀粘土、页岩集料和/或浮石)总计占至少20重量％。
经化学涂布的膨胀珍珠岩填料
膨胀珍珠岩填料占水泥组合物浆液的2-10重量％、7.5-40体积％。膨胀珍珠岩填料由颗粒组成，其平均颗粒直径通常介于20-500微米或20-250微米之间，优选地介于20-150微米之间，更优选地介于20-90微米之间，并且最优选地介于20-60微米之间；其有效颗粒密度优选地小于0.50g/cc，更优选地小于0.40g/cc并且最优选地小于0.30g/cc；并且其经硅烷、硅氧烷、硅酮涂料或其混合物以化学方式处理。此膨胀珍珠岩填料的独特性在于其经化学涂布以获得水密性和拒水性。
此外，经涂布膨胀珍珠岩填料粒径使得可通过施加化学涂料来形成具有有效水密性的封闭小室颗粒结构。所选经涂布膨胀珍珠岩填料的使用具有重要意义，其容许以较低用水率制备可操作并且可加工的水泥浆液。组合物中水量较低使得产物具有优越的机械特性和物理特征。使珍珠岩颗粒具有水密性和拒水性的最优选的化学涂料化合物是烷基烷氧基硅烷。辛基三乙氧基硅烷代表用来涂布与本发明水泥组合物一起使用的珍珠岩的最优选烷基烷氧基硅烷。
最优选市售经化学涂布珍珠岩填料之一是可自西博瑞克(Silbrico)公司购得的SIL-CELL 35-23。SIL-CELL 35-23珍珠岩颗粒经烷基烷氧基硅烷化合物化学涂布。另一优选经化学涂布珍珠岩填料是可自西博瑞克公司购得的SIL-CELL 35-34。SIL-CELL35-34珍珠岩颗粒也可用于本发明水泥组合物中并且经硅酮化合物涂布。DICAPERL210和DICAPERL220是另外两种由格雷夫科矿物(Grefco Minerals)公司制造的市售经涂布珍珠岩填料产品，其在本发明中是优选的。具有烷基烷氧基硅烷化合物的DICAPERL 210珍珠岩在本发明水泥组合物中是特别优选的。经硅酮化合物涂布的DICAPERL220珍珠岩也可用于本发明组合物中。
本发明珍珠岩填料另一种非常有用的特性是其可因其较小粒径和硅石基化学性质而表现火山灰特性。由于其具有火山灰特征，本发明所选珍珠岩填料可改良水泥复合物的化学耐久性，同时与混合物中存在的水泥粘合剂和其它成份形成改良的界面和增强的粘结。
本发明珍珠岩填料颗粒的较小尺寸可使其具有另外一种极其重要的益处。此重要性涉及使用本发明珍珠岩组合物制造的网增强水泥板产品的可制造性和性能特征。本发明所选珍珠岩填料可提高组合物中存在的极细颗粒(小于75微米)的总量。组合物中大量精细颗粒的存在在快速处理网增强水泥板中极其有用，因为此有助于改良水泥浆液与增强网之间的粘结。改良水泥浆液与增强网之间的粘结可导致降低网分层的发生率，加快水泥板处理速度，并且提高制造回收率。
反应性水泥粉末(波特兰水泥基粘合剂)
本发明中所用的反应性水泥粉末(也称作波特兰水泥基粘合剂)通常由纯波特兰水泥或波特兰水泥与适宜火山灰材料(例如粉煤灰或鼓风炉矿渣)的混合物组成。
反应性水泥粉末包括波特兰水泥，并且也可包括高铝水泥、硫酸钙、和矿物添加剂(优选为粉煤灰)以与水形成浆液。反应性水泥粉末不包括诸如集料等惰性物质。
当本发明反应性水泥粉末仅包括波特兰水泥和粉煤灰时，反应性水泥粉末优选地含有40-90重量％波特兰水泥和10-60重量％粉煤灰，或40-80重量％波特兰水泥和20-60重量％粉煤灰，其中重量％是以波特兰水泥与粉煤灰的总量计。
反应性水泥粉末也可任选地含有一或多种少量添加的其它成份(例如石膏(灰泥粉)或高铝水泥)以影响粘合剂的凝固和水合特征。当存在所述其它成份时，以这些组份的总量计，反应性水泥粉末可含有40-80重量％波特兰水泥、0-20重量％高铝水泥、0-7重量％硫酸钙、和0-55重量％粉煤灰。
因此，水泥组合物的反应性水泥粉末掺合物可含有极高浓度的矿物添加剂，例如火山灰材料，最高占反应性粉末掺合物的55重量％。提高诸如粉煤灰等矿物添加剂的含量可有助于实质上降低产品成本。另外，在组合物中使用火山灰材料可因火山灰反应而提高产品的长期耐久性。
水泥组合物的反应性粉末掺合物可不含外部添加的石灰。降低石灰含量有助于降低水泥基质的碱度并由此提高产品的长期耐久性。
水凝水泥
水凝水泥、尤其波特兰水泥占本发明组合物的大部分。应理解，尽管通常在波特兰水泥中都包括一定石膏，但本文所用“水凝水泥”不包括石膏，因为其在水中不能增加强度。
波特兰水泥的ASTM C 150标准规格将波特兰水泥定义为通过以下方式制造的水凝水泥：粉碎主要由水凝硅酸钙组成的熔渣，其通常含有一或多种形式的硫酸钙作为交互研磨添加物。更普遍地，可用其它水凝水泥可取代波特兰水泥，例如硫铝酸钙基水泥。为制造波特兰水泥，在烧窑中燃烧石灰石与粘土的紧密混合物以形成波特兰水泥熔渣。在熔渣中存在以下四种波特兰水泥主相——硅酸三钙(3CaO·SiO2，也称作C3S)、硅酸二钙(2CaO·SiO2，称作C2S)、铝酸三钙(3CaO·Al2O3或C3A)、和铁铝酸四钙(4CaO·Al2O3·Fe2O3或C4AF)。将所得含有上述化合物的熔渣与硫酸钙一起交互研磨至期望细度以制造波特兰水泥。
波特兰水泥中少量存在的其它化合物包括碱性硫酸盐的复盐、氧化钙、和氧化镁。在欲制造水泥板时，波特兰水泥通常可呈极精细颗粒形式，从而使得颗粒表面积大于4,000cm2/克并且通常介于5,000-6,000cm2/克之间，如通过布雷恩(Blaine)表面积方法(ASTM C 204)所测量。在各种公认种类的波特兰水泥中，ASTM III型波特兰水泥在本发明水泥组合物的反应性水泥粉末中是最优选的。这是因为其具有相对较快的反应性并且可形成高早期强度。
在本发明中，对使用III型波特兰水泥的需要降至最低，并且可使用其它水泥代替III型波特兰水泥来达成相对快速的早期强度形成。在本发明组合物中可用于替代或补充III型波特兰水泥的其它公认类型的水泥包括I型波特兰水泥或其它水凝水泥，包括白色水泥、矿渣水泥(例如鼓风炉矿渣水泥)、火山灰掺合水泥、膨胀水泥、硫铝酸盐水泥、和油井水泥。
矿物添加剂
水泥组合物的反应性水泥粉末掺合物可含有高浓度的矿物添加剂，例如火山灰材料和/或非火山灰集料，例如碳酸钙、云母、滑石等。
ASTM C618-97将火山灰材料定义为“含硅材料或含硅铝材料，其自身具有很少或不具有水泥价值，但其可在水分存在下于常温下以精细形式与氢氧化钙发生化学反应而形成具有水泥特性的化合物”。人们已将各种天然和人造材料称作具有火山灰特性的火山灰材料。火山灰材料的某些实例包括浮石、硅藻土、硅粉、凝灰岩、火山土、稻壳、偏高岭土、经研磨粒化鼓风炉矿渣、和粉煤灰。所有这些火山灰材料都可单独使用或作为本发明反应性水泥粉末的一部分以组合形式使用。
在本发明反应性水泥粉末掺合物中，粉煤灰是优选火山灰。如下文所阐释，含有高含量氧化钙和铝酸钙的粉煤灰(例如ASTM C618标准的C类粉煤灰)是优选的。也可引入其它矿物添加剂，例如碳酸钙、粘土、和压碎云母。
粉煤灰是煤燃烧形成的细粉末副产物。烧粉煤的电厂电站锅炉产生最多的市售粉煤灰。这些粉煤灰主要由玻璃状球形颗粒以及赭石和磁石的残余物、焦炭、和某些在冷却期间形成的结晶相组成。粉煤灰颗粒的结构、组成和特性取决于煤的结构和组成以及形成粉煤灰的燃烧方法。ASTM C618标准承认用于混凝土中的粉煤灰的两种主要类别——C类和F类。这两类粉煤灰得自不同种类的煤，所述煤因在不同地质年代发生的煤形成过程中的差异而不同。F类粉煤灰通常自燃烧的无烟煤或烟煤制得，而C类粉煤灰通常自褐煤或次烟煤制得。
ASTM C618标准主要根据火山灰特性来区分F类和C类粉煤灰。因此，在ASTMC618标准中，F类粉煤灰与C类粉煤灰之间的主要规格差异在于组成中SiO2+Al2O3+Fe2O3的最小限度。F类粉煤灰中SiO2+Al2O3+Fe2O3的最小限度为70％并且C类粉煤灰为50％。因此，F类粉煤灰的火山灰性强于C类粉煤灰。尽管ASTM C618标准中末明确承认，但C类粉煤灰通常含有高含量的氧化钙。高含量氧化钙的存在使C类粉煤灰具有水泥特性，从而导致在与水混合时形成硅酸钙和铝酸钙水合物。如以下实例中所述，人们已发现C类粉煤灰可提供优越的结果，在不使用高铝水泥和石膏的优选调配中尤其如此。
在本发明水泥组合物所用反应性水泥粉末掺合物中，火山灰材料与波特兰水泥的重量比可为约0/100至150/100，优选为25/100至125/100。例如，典型反应性水泥粉末掺合物具有约10-60重量％粉煤灰和40-90重量％波特兰水泥。
高铝水泥
高铝水泥(HAC)是另一类水凝水泥，其可在本发明某些实施例中形成反应性粉末掺合物的组份。
高铝水泥一般也称作含铝水泥或铝酸钙水泥。所述名称意指高铝水泥具有高含量的氧化铝，通常约为36-42重量％。高纯度高铝水泥也可在市场上购得，其中氧化铝含量可高达80重量％。这些纯度较高的高铝水泥相对于其它水泥通常极贵。本发明某些实施例的组合物中所用高铝水泥经精细研磨以促进铝酸盐进入水相中，从而使得可发生钙钒石和其它铝酸钙水合物的快速形成。可用于本发明组合物的某些实施例中的高铝水泥的表面积可大于3,000cm2/克并且通常为约4,000-6,000cm2/克，如通过布雷恩表面积方法(ASTM C 204)所测量。
已出现多种方法可制造高铝水泥。通常，制造高铝水泥的主要原材料是铝土矿和石灰石。美国用于制造高铝水泥的一种制造方法如下所述。首先压碎并干燥铝土矿矿石，然后将其与石灰石一起研磨。然后将包含铝土矿和石灰石的干粉送入回转窑中。使用粉状低灰煤作为烧窑中的燃料。铝土矿与石灰石之间的反应在烧窑中发生，并且在烧窑下端收集熔融产物并将其倒入底部的料槽组中。用水对熔融熔渣实施冷激以形成熔渣微粒，然后将其转移至料堆。随后将微粒研磨至期望细度以产生最终水泥。
在高铝水泥的制造过程期间形成数种铝酸钙化合物。形成的主要化合物是铝酸一钙(CA)。所形成其它铝酸钙和硅酸钙化合物包括C12A7、CA2、C2S、C2AS。同样形成数种含有相对高比例氧化铁的其它化合物。这些化合物包括铁酸钙(例如CF和C2F)和铁铝酸钙(例如C4AF、C6AF2和C6A2F)。高铝水泥中存在的其它次要组份包括氧化镁(MgO)、氧化钛(TiO2)、硫酸盐和碱。应注意，在高铝水泥中并未发现存于普通波特兰水泥中的铝酸三钙(C3A)。
硫酸钙
本发明中可使用下文所述各种形式的硫酸钙来提供硫酸根离子以形成钙钒石和其它硫铝酸钙水合物化合物：
二水合物-CaSO4·2H2O(一般称作石膏)
半水合物-CaSO4·1/2H2O(一般称作粉饰灰泥(stucco))
硬石膏-CaSO4(也称作无水硫酸钙)
灰泥粉是相对低纯度的石膏并且由于经济因素而是优选的，但可使用纯度等级较高的石膏。灰泥粉制自采掘石膏并且将其研磨至相对较小的颗粒，从而使得比表面积大于2,000cm2/克并且通常为约4,000-6,000cm2/克，如通过布雷恩表面积方法(ASTM C204)所测量。精细颗粒容易溶解并提供形成钙钒石所需的石膏。在本发明中也可使用作为多种制造工业副产物获得的合成石膏作为优选硫酸钙。在本发明中也可使用其它两种硫酸钙形式(即半水合物和硬石膏)来代替石膏(即硫酸钙的二水合物形式)。
加气剂(发泡剂)
在期望制造诸如轻质水泥板等本发明轻质产品时，可在组合物中添加加气剂(发泡剂)以使产品变轻。加气剂一般是适宜表面活性剂，其在经饰面产品中形成稳定并且均一的空气孔隙结构。因此，浆液以可产生期望空气夹带度的量含有适宜加气剂或发泡剂。
加气剂或发泡剂通常为表面活性剂，以浆液总重量计所提供量为约0.0015-0.03重量％。更优选地，这些表面活性剂的重量以浆液总重量计介于0.002-0.02重量％之间。例如，烷基醚硫酸钠、烷基醚硫酸铵、α-烯烃磺酸钠(AOS)、癸醇聚醚硫酸钠、癸醇聚醚硫酸铵、月桂醇聚醚硫酸钠、或十二烷基苯磺酸钠是可用于本发明水泥组合物中的适宜加气发泡表面活性剂。
在本发明水泥组合物中，优选地使用外部制造的发泡剂来降低浆液和产物密度。使用以适宜比例在发泡体生成设备中合并的适宜表面活性剂(发泡剂)以及水和空气来制备发泡体。然后在混合作业期间将由此制造的发泡体直接引入湿混合物中，同时制备水泥浆液。
烷醇胺
在本发明中，可单独或组合使用各种不同烷醇胺以加速本发明水泥组合物的凝固特征。烷醇胺是具有强碱性和阳离子活性的胺基醇。三乙醇胺[N(CH2-CH2OH)3]是优选烷醇胺。然而，可用其它烷醇胺(例如单乙醇胺[NH2(CH2-CH2OH)]、二乙醇胺[NH(CH2-CH2OH)2])来取代三乙醇胺(TEA)或与TEA组合使用。
当在升高温度(例如高于90°F(32℃)的浆液温度)下开始时，单独添加烷醇胺或与磷酸盐一起添加(下文所述)对本发明水泥组合物的快速凝固特征具有重大影响。通常浆液的初始温度为约90-150°F(32-66℃)。
在不使用磷酸盐时，在浆液中用作促凝剂的烷醇胺、优选地三乙醇胺的剂量以反应性水泥粉末重量计通常为0.025-4.0重量％、0.05-2重量％、0.05-1重量％、0.05-0.40重量％、0.05-0.20重量％、或0.05-0.10重量％。
因此，例如，对于每100磅反应性水泥粉末来说，混合物中存在约0.025-4.0磅烷醇胺。
磷酸盐
若期望，可任选地将磷酸盐与烷醇胺、例如三乙醇胺一起用作促凝剂。所述磷酸盐可为三偏磷酸钠(STMP)、三聚磷酸钾(KTPP)和三聚磷酸钠(STPP)中的一或多者。
磷酸盐的剂量以本发明反应性水泥组份计为约0-1.5重量％、或0.15-1.5重量％、或约0.3-1.0重量％、或约0.5-0.75重量％。因此，例如，对于100磅反应性水泥粉末来说，可存在约0-1.5磅磷酸盐。
通过在产生大于90°F(32℃)的浆液温度的条件下添加适宜剂量磷酸盐获得的快速凝固度容许在不存在高铝水泥时显著降低烷醇胺。
缓凝剂
使用缓凝剂作为本发明组合物中的组份尤其有助于用于形成水泥基产物的初始浆液温度特别高、通常大于100°F(38℃)的情形。在所述相对较高初始浆液温度下，诸如柠檬酸钠或柠檬酸等缓凝剂可促进组合物中不同反应性组份之间的协同物理交互作用和化学反应，从而导致有利的浆液温度上升反应和快速凝固特征。在不添加缓凝剂时，本发明反应性粉末掺合物可在将水添加至混合物中后不久极快速地发生硬化。在本文中也称作“反常凝固”的混合物的快速硬化是不期望的，因为其可干扰钙钒石的适当完全形成，在后续阶段中阻碍硅酸钙水合物的正常形成，并且导致硬化水泥砂浆形成极差并且极弱的微结构。
缓凝剂在组合物中的主要功能是防止浆液混合物过快硬化，由此促进不同反应性组份之间的协同物理交互作用和化学反应。在组合物中添加缓凝剂带来的其它次要益处包括降低使浆液混合物获得可操作稠度所需的超塑化剂和/或水量。所有上述益处都是由于抑制反常凝固而达成。某些可用缓凝剂的实例包括柠檬酸钠、柠檬酸、酒石酸钾、酒石酸钠和诸如此类。在本发明组合物中，柠檬酸钠是优选缓凝剂。此外，由于缓凝剂可阻止浆液混合物过快硬化，其添加具有重要作用并且在水泥板制造过程期间有助于形成良好边缘。缓凝剂与反应性水泥粉末掺合物的重量比一般小于1.0重量％，优选地为约0.04-0.3重量％。
无机第二促凝剂
在本发明水泥组合物中，可添加其它无机促凝剂作为无机第二促凝剂来与上述烷醇胺和任选磷酸盐组合。
与添加烷醇胺与任选磷酸盐的组合所达成的缩短相比，预期添加这些无机第二促凝剂仅可少量缩短凝固时间。所述无机第二促凝剂的实例包括碳酸钠、碳酸钾、硝酸钙、亚硝酸钙、甲酸钙、乙酸钙、氯化钙、碳酸锂、硝酸锂、亚硝酸锂、硫酸铝和诸如此类。虑及对水泥板紧固件的腐蚀，应避免使用氯化钙。
第二无机促凝剂与反应性水泥粉末掺合物的重量比通常小于2重量％，优选地为约0.0-1重量％。换句话说，对于100磅反应性水泥粉末来说，通常存在小于2磅、优选地约0.0-1磅的第二无机促凝剂。这些第二促凝剂可单独或组合使用。
其它化学添加剂和成份
具它添加剂包括诸如超塑化剂等减水剂、收缩控制剂、浆液粘度调节剂(增稠剂)、着色剂和内部固化剂，其可根据本发明水泥组合物的可加工性和应用的需要来引入。
可在本发明组合物中引入诸如减水剂(超塑化剂)等化学添加剂并且以干燥形式或溶液形式来添加。超塑化剂有助于降低混合物的水需求。超塑化剂的实例包括聚萘磺酸盐、聚丙烯酸盐、聚羧酸盐、木素磺酸盐、三聚氰胺磺酸盐和诸如此类。
根据所用超塑化剂的类型，超塑化剂(以干粉计)与反应性水泥粉末的重量比通常可为约2重量％或更低，优选地为约0.1-1.0重量％，更优选地为约0.0-0.50重量％，并且最优选地为约0.0-0.20重量％。因此，例如，在超塑化剂以0.1-1.0重量％范围存在时，对于每100磅反应性水泥粉末来说，混合物中可存在约0.1-1磅超塑化剂。
若需要也可在本发明组合物中添加其它化学外加剂，例如收缩控制剂、着色剂、粘度调节剂(增稠剂)和内部固化剂。
集料、填料和网布
尽管将所揭示反应性水泥粉末掺合物定义为本发明水泥组合物的快速凝固组份，但所属领域技术人员应了解，根据组合物的既定用途和应用可引入其它材料。
例如，在水泥板应用中，可期望产生适当包含产品的期望机械特性的轻质板。此目标可通过添加轻质集料和轻质填料来达成。可用轻质集料和填料的实例包括鼓风炉矿渣、火山凝灰岩、浮石、膨胀形式的粘土、页岩、空心陶瓷球、空心塑料球、膨胀塑料珠粒和诸如此类。在制造水泥板时，尤其可使用膨胀粘土和页岩集料。在用于组合物中时，膨胀塑料珠粒和空心塑料球因堆积密度极低故以重量计是以极少量来使用。
用作轻质集料的浮石是水合集料(填料)并且不是水泥。相反，用作火山灰矿物添加剂的浮石(阐述于上述标题为“矿物添加剂”的部分中)是非水合形式，并且符合ASTM C618-97内火山灰材料的如下定义：“含硅材料或含硅铝材料，其自身具有很少或不具有水泥价值，但其可在水分存在下于常温下以精细形式与氢氧化钙发生化学反应而形成具有水泥特性的化合物”。
根据所选轻质集料或填料的选择，轻质集料或填料与反应性粉末掺合物的重量比可为约1/100-200/100，优选地为约2/100-125/100。例如，在制造轻质水泥板时，轻质集料或填料与反应性水泥粉末掺合物的重量比可为约2/100-125/100。
然而，如上所述，经化学涂布的膨胀珍珠岩填料与第二填料(例如膨胀粘土、页岩集料和/或浮石)的总量优选为至少20重量％。
集料的水分含量对水泥混合物的凝固时间具有不利影响。因此，具有低水含量的集料和填料在本发明中是优选的。
在本发明水泥组合物中也可引入不同类型的离散增强纤维。根据水泥基产品的功能和应用，可使用由诸如聚合物涂布玻璃纤维等材料和诸如聚丙烯、聚乙烯和尼龙等聚合材料制得的网布来增强水泥基产品。通常用由聚合物涂布玻璃纤维制造的网布来增强根据本发明制造的水泥板。
诸如水泥板等预铸混凝产品的制造
诸如水泥板等预铸混凝产品在连续工艺中制造最有效，其中将反应性粉末掺合物与集料、填料和其它成份掺合，随后添加水和其它化学添加剂，然后立即将混合物置于模具中或置于连续浇铸成型带上。
由于水泥混合物具有快速凝固特征，因此通常在即将进行浇铸操作前才实施水泥掺合物干燥组份与水的混合。由于大量形成铝酸钙化合物的水合物以及相关水消耗，水泥基产物变硬，并且易于切割、搬运和堆积以供进一步固化。
因此，将本发明反应性水泥组合物与适量的水混合以使反应性水泥粉末水合，并快速形成钙钒石和铝酸钙化合物的其它水合物。一般来说，所添加水量可大于使反应性水泥粉末水合的理论需要量。此增加的水需求使得可促进水泥浆液的和易性。通常，水与反应性水泥粉末掺合物的重最比为约0.20/1-0.80/1，优选地为约0.45/1-0.65/1。水量取决于水泥组合物中所存在个别材料的需要。
钙钒石和铝酸钙化合物的其它水合物在水合过程中极快速地形成，由此赋予用本发明水泥组合物的反应性粉末掺合物制造的混合物以快速凝固性和刚性。在诸如水泥板等水泥基产品的制造中，主要形成钙钒石和其它铝酸钙水合物，其使得可在将本发明水泥组合物与适量的水混合后于几分钟内搬运水泥板。
组合物凝固的特征在于初始和最终凝固时间(如使用ASTM C266测试程序中所指定的吉尔英(Gillmore)针来测量)以及高初始抗压强度。最终凝固时间也对应于诸如水泥板等水泥基产品硬化至足以对其实施搬运的时间。所属领域技术人员应理解，在到达最终凝固时间后固化反应仍可继续进行延长时间。
浆液通常是在可提供高初始浆液温度的条件下形成。初始浆液温度应为至少约40°F(4.4℃)。例如，初始浆液温度可为至少约90°F(32℃)。介于90°F至150°F(32℃至66℃)范围内的浆液温度可导致极短凝固时间。一般来说，在此范围内提高浆液的初始温度可在反应进行时提高温度升高速率并缩短凝固时间。因此，95°F(35℃)的初始浆液温度优于90°F(32℃)的初始浆液温度，100°F(38℃)的温度优于95°F(35℃)，105°F(41℃)的温度优于100°F(38℃)，110°F(43℃)的温度优于105°F(41℃)等等。据信提高初始浆液温度的益处在到达较宽温度范围的上限时减少。
所属领域技术人员应理解，可通过不止一种方法来达成初始浆液温度的获得。最便捷的方法可能是加热浆液的一或多种组份。在各实例中，本发明发明者供应加热至一定温度的水，所述温度使得在将水添加至干燥反应性粉末和非反应性固体中时，所得浆液具有期望温度。或者，若期望可在高于环境温度的温度下提供固体。使用蒸汽来向浆液提供热量是可被采纳的另一可能方法。尽管并非优选，但可在环境温度下制备浆液并迅速加热以将温度升高至约90°F或更高，其中可达成本发明的益处。初始浆液温度优选地为约120°F至130°F(49℃至54℃)。
实例1
以下实例阐述在使用本发明水泥组合物的工业制造方法中制造轻质水泥板。所用原材料包括含有波特兰水泥III型、F类粉煤灰和硫酸钙二水合物(灰泥粉)的反应性水泥粉末、经化学涂布珍珠岩、膨胀粘土和页岩集料以及所添加液体。诸如三乙醇胺等液体是是以水溶液形式添加的外加剂。此外，添加柠檬酸钠和磺酸化萘超塑化剂以控制混合物的流动性。这些外加剂的添加是以总反应性粉末的重量百分比计。
表2展示用于制造密度为约56磅/立方英尺(pcf)(0.9g/cc)的0.5英寸(1.27cm)厚轻质水泥板材的具体组合物。
Figure G2008800229831D00131
经化学涂布珍珠岩是西博瑞克牌珍珠岩SIL-CELL 35-23型，其具有40微米的中值颗粒直径和烷基烷氧基硅烷涂层。
板中的夹带空气是藉助表面活性剂发泡体来引入，所述表面活性剂发泡体是单独制备并直接添加至浆液混合器中的湿水泥浆液中。使用存于水基溶液中的α-烯烃磺酸钠(AOS)表面活性剂来制备发泡体。水基溶液中的表面活性剂浓度为0.90重量％。应注意，组合物中夹带空气、珍珠岩和膨胀粘土集料的组合使得可达成目标低浆液密度。
使用包埋于水泥浆液中的经聚氯乙烯(PVC)涂布的耐碱玻璃纤维网对所制造水泥板实施表面增强。增强网是由圣戈班技术材料(Saint-Gobain Technical Fabrics)制造。
使用0.54∶1的水与水泥(反应性水泥粉末)重量比和0.45∶1的膨胀页岩集料与反应性水泥粉末重量比来组合实例中所包括组合物。在可提供高于环境温度的初始浆液温度的条件下将所用干燥反应性粉末成份、珍珠岩、和集料与水混合。使用热水，其温度可使浆液的初始温度介于125°F至140°F(51.7℃至60.0℃)范围内。
调节各种化学添加剂(三乙醇胺、柠檬酸钠、硫酸铝和萘磺酸盐超塑化剂)的剂量率以达成期望流动特征和快速凝固特征。
所制造水泥板是坚硬的并且可在浆液制备和板形成后10分钟内加以搬运。
实施机械测试以表征所制造轻质水泥板的物理特性。
根据ASTM C 947中的测试方法来测量挠曲强度。
使用以ASTM C 947中的挠曲测试试样获得的挠曲载荷-变形曲线来测量最大变形。最大变形代表在对应于峰值载荷的中间第三载荷点处试样的位移。
根据ASTM D1037中的测试方法来测量钉拉拔强度。
在制造后两天根据ASTM C947对板进行测试以表征挠曲性能。表3展示所测试板的挠曲性能。表中所示结果证实，板材形成极佳挠曲强度和挠曲延展性。
Figure G2008800229831D00132
表4展示所制造板材的钉抗拉性能。使用钉头直径为0.375英寸(10mm)并且钉杆直径为0.121英寸(3mm)的瓦楞钉根据测试方法D 1037来测试板材的钉拉拔强度。表4中所示数据证实，本发明板材具有令人满意的钉抗拉性能。
Figure G2008800229831D00133
实例2
以下实例阐述在使用本发明水泥组合物的工业制造方法中制造轻质水泥板。所用原材料包括含有波特兰水泥III型、F类粉煤灰和硫酸钙二水合物(灰泥粉)的反应性水泥粉末、经化学涂布珍珠岩、膨胀粘土和页岩集料以及所添加液体。诸如三乙醇胺等液体是是以水溶液形式添加的外加剂。此外，添加柠檬酸钠和磺酸化萘超塑化剂以控制混合物的流动性。这些外加剂的添加是以总反应性粉末的重量百分比计。
表4展示用于制造密度为约60磅/立方英尺(pcf)(0.96g/cc)的0.5英寸厚轻质水泥板材的具体组合物。
Figure G2008800229831D00142
经化学涂布珍珠岩是西博瑞克牌珍珠岩SIL-CELL 35-23型，其具有40微米的中值颗粒直径和烷基烷氧基硅烷涂层。板中的夹带空气是藉助表面活性剂发泡体来引入，所述表面活性剂发泡体是单独制备并直接添加至浆液混合器中的湿水泥浆液中。使用存于水基溶液中的α-烯烃磺酸钠(AOS)表面活性剂来制备发泡体。水基溶液中的表面活性剂浓度为0.90重量％。应注意，组合物中夹带空气、珍珠岩和膨胀粘土集料的组合使得可达成目标低浆液密度。
使用包埋于水泥浆液中的经PVC涂布的耐碱玻璃纤维网对所制造水泥板实施表面增强。增强网是由圣戈班技术材料制造。
使用0.62∶1的水与水泥(反应性水泥粉末)重量比和0.35∶1的膨胀页岩集料与反应性水泥粉末重量比来组合实例中所包括组合物。在可提供高于环境温度的初始浆液温度的条件下将所用干燥反应性粉末成份、珍珠岩、和集料与水混合。使用热水，其温度可使浆液的初始温度介于125°F至140°F(51.7℃至60.0℃)范围内。调节各种化学添加剂(三乙醇胺、柠檬酸钠、硫酸铝和萘磺酸盐超塑化剂)的剂量率以达成期望流动特征和快速凝固特征。
所制造水泥板是坚硬的并且可在浆液制备和板形成后10分钟内加以搬运。
实施机械测试以表征所制造轻质水泥板的物理特性。根据ASTM C 947中的测试方法来测量挠曲强度。使用以ASTM C 947中的挠曲测试试样获得的挠曲载荷-变形曲线来测量最大变形。最大变形代表在对应于峰值载荷的中间第三载荷点处试样的位移。根据ASTM D1037中的测试方法来测量钉拉拔强度。
在制造后两天根据ASTM C947对板进行测试以表征挠曲性能。表5展示所测试板的挠曲性能。表中所示结果证实，板材形成极佳挠曲强度和挠曲延展性。
表6展示所制造板材的钉抗拉性能。使用钉头直径为0.375英寸(9.5mm)并且钉杆直径为0.121英寸(3mm)的瓦楞钉根据测试方法D 1037来测试板材的钉拉拔强度。表6中所示数据证实，本发明板材具有令人满意的钉抗拉性能。
Figure G2008800229831D00152
实例3
测试实例2中网增强水泥板材作为瓷砖粘结基材的适合性。使用符合ANSIA118.4标准的胶乳改性水泥薄浆将缸砖粘结至实例2的水泥板材上。将317地板对墙(Floor N′Wall)薄浆与333超挠性添加剂混合以制备用于将砖粘结至水泥板上的薄浆。将所制备试样固化28天并且根据ANSI A118.10标准来测试以表征抗剪切粘结强度。表7展示所测试试样的抗剪切粘结强度。根据数据可观察到，试样所形成抗剪切粘结强度为241psi(1.66MPa)，其远远超过ANSI A118.10标准中50psi(0.34MPa)的最低抗剪切粘结强度需要。此测试表明，本发明水泥调配物和产物与瓷砖和水泥砂浆之间形成极佳抗剪切粘结强度。
Figure G2008800229831D00155
实例4
通过在对板材上表面施加24英寸(61cm)的流体静力压时表征实例2网增强水泥板材在板材厚度方向上抵抗水渗透的能力来测试其防水性。将长24英寸(61cm)并且内径为2英寸(5.1cm)的塑料中空管以粘着方式安置在板材上表面上。在管中用水填充至24英寸(61cm)的高度。在48小时结束时，监测板材下表面以检验潮湿或检验水滴形成。在48小时结束时在板材下表面上未观察到潮湿或水滴形成。因此此结果证实板材具有符合ANSI A118.10标准的防水性特征。尤其应注意，本发明板材尽管具有极高孔隙度但仍表现防水性特征。事实上，SIL-CELL 35-23颗粒上的硅烷化学涂层可向水泥核心提供拒水性并在产物厚度方向上抵抗水渗透。
实例5
在反复冷冻融化暴露下测试实例2网增强水泥板材的稳定性和耐久性。根据ASTM C1185标准对板材实施多次冻融循环。一次冻融循环包括以下步骤：i.在4℃下将样品维持1小时，ii.在下1小时中使样品冷却-17℃的温度，iii.在-17℃下将样品再维持1小时，并且最后，iv.在下一小时内使样品融化至4℃。对板材实施总计300次冻融循环。在300次冻融循环完成后所测试板材未出现破裂、分层、或任何其它类型的损坏。因此此测试证实本发明板材具有极佳冻融稳定性和耐久性性能。
实例6
根据ASTM D3273测试实例2网增强水泥板材对霉菌生长的抗性，根据ASTMG21测试对真菌生长的抗性，并且根据ASTM G22测试对细菌生长的抗性。表8归纳研究所获得结果。根据表8中所示结果可明确观察到，本发明水泥调配物和产物对霉菌、细菌和真菌生长固有地具有极佳抗性。
Figure G2008800229831D00161
实例7
以下实例阐述在使用本发明水泥组合物的工业制造方法中制造密度为约50磅/立方英尺(pcf)(0.8g/cc)的轻质水泥板。所用原材料包括含有波特兰水泥III型、F类粉煤灰和硫酸钙二水合物(灰泥粉)的反应性水泥粉末、经化学涂布珍珠岩、膨胀粘土和页岩集料以及所添加液体。诸如三乙醇胺等液体是是以水溶液形式添加的外加剂。此外，添加柠檬酸钠和磺酸化萘超塑化剂以控制混合物的流动性。这些外加剂的添加是以总反应性粉末的重量百分比计。
表9展示用于制造密度为约50pcf(0.8g/cc)的0.5英寸(1.27cm)厚轻质水泥板材的具体组合物。
Figure G2008800229831D00171
经化学涂布珍珠岩是西博瑞克牌珍珠岩SIL-CELL 35-23型，其具有40微米的中值颗粒直径和烷基烷氧基硅烷涂层。板中的夹带空气是藉助表面活性剂发泡体来引入，所述表面活性剂发泡体是单独制备并直接添加至浆液混合器中的湿水泥浆液中。使用存于水基溶液中的α-烯烃磺酸钠(AOS)表面活性剂来制备发泡体。水基溶液中的表面活性剂浓度为0.90重量％。应注意，组合物中夹带空气、珍珠岩和膨胀粘土集料的组合使得可达成目标低浆液密度。
使用包埋于水泥浆液中的经PVC涂布的耐碱玻璃纤维网对所制造水泥板实施表面增强。增强网是由圣戈班技术材料制造。
使用0.62∶1的水与水泥(反应性水泥粉末)重量比和0.35∶1的膨胀页岩集料与反应性水泥粉末重量比来组合实例中所包括组合物。在可提供高于环境温度的初始浆液温度的条件下将所用干燥反应性粉末成份、珍珠岩、和集料与水混合。使用热水，其温度可使浆液的初始温度介于125°F至140°F(51.7℃至60.0℃)范围内。调节各种化学添加剂(三乙醇胺、柠檬酸钠、硫酸铝和萘磺酸盐超塑化剂)的剂量率以达成期望流动特征和快速凝固特征。
所制造水泥板是坚硬的并且可在浆液制备和板形成后10分钟内加以搬运。
实施机械测试以表征所制造轻质水泥板的物理特性。根据ASTM C 947中的测试方法来测量挠曲强度。使用以ASTM C 947中的挠曲测试试样获得的挠曲载荷-变形曲线来测量最大变形。最大变形代表在对应于峰值载荷的中间第三载荷点处试样的位移。根据ASTM D1037中的测试方法来测量钉拉拔强度。
在制造后两天根据ASTM C947对板进行测试以表征挠曲性能。表10展示所测试板的挠曲性能。表中所示结果证实，板材形成极佳挠曲强度和挠曲延展性。
Figure G2008800229831D00172
Figure G2008800229831D00181
表11展示所制造板材的钉抗拉性能。使用钉头直径为0.375英寸(9.5mm)并且钉杆直径为0.121英寸(3mm)的瓦楞钉根据测试方法D 1037来测试板材的钉拉拔强度。表6中所示数据证实，本发明板材具有令人满意的钉抗拉性能。
Figure G2008800229831D00182
实例8
使用ASTM C627罗宾逊(Robinson)地板测试方法来测试实例7中1/2英寸(1.27cm)厚板材的耐久性性能，所述方法是以引用方式并入本文中。测试用样品地板是在23/32英寸(1.83cm)厚胶合板板材上制备，所述胶合板板材放置在中心点间隔16英寸的木质托梁上。使用胶乳改性薄浆和中心点间隔8英寸(20cm)的机械紧固件(1-5/8英寸(4.13cm)长木螺丝)将1/2英寸(1.27cm)厚水泥板材附接至胶合板上。然后使用胶乳改性薄浆将2英寸宽的瓷砖放置在水泥板上，随后在瓷砖安装后24小时向瓷砖接缝灌浆。在实施测试前使地板样品自制造当天起固化28天。
在罗宾逊地板测试期间，用具有不同硬度并且带有不同载荷的轮体在经饰面瓷砖表面上各自连续移动900转。在每次循环完成后，研究瓷砖以确定其中是否有任一者发生松动、破损或碎裂。检查灌浆以确认其是否发生爆裂、破裂或粉化。
在通过第11次测试循环后所测试地板在瓷砖或灌浆中未显示缺陷。地板在第12次循环中损坏，因此根据北美瓷砖委员会(Tile Council of North America)(TCNA)出版的TCA 2007瓷砖安装手册(TCA 2007Handbook for Ceramic Tile Installation)，其达到“中等商品”的等级评定。
实例9
此实例阐述所施用化学涂层对本发明所选珍珠岩填料的有效性和影响。
研究三种不同的珍珠岩填料类型：
1.SIL-CELL 35-BC珍珠岩：这种珍珠岩填料的堆积密度为约8pcf(0.13g/cc)，中值粒径为40微米，并且颗粒表面未施加涂层。
2.SIL-CELL 35-23珍珠岩：这种珍珠岩填料的堆积密度为约8pcf(0.13g/cc)，中值粒径为40微米，并且颗粒表面上施加有硅烷涂层。基本上，SIL-CELL35-23珍珠岩与SIL-CELL 35-BC珍珠岩相同，只是另外在颗粒表面上施加有硅烷涂层。
3.SIL-CELL 35-34珍珠岩：这种珍珠岩填料的堆积密度为约8pcf(0.13g/cc)，中值粒径为40微米，并且颗粒表面上施加有硅酮涂层。基本上，SIL-CELL35-34珍珠岩与SIL-CELL 35-BC珍珠岩相同，只是另外在颗粒表面上施加有硅酮涂层。
所研究的所有三种珍珠岩填料都是由西博瑞克公司生产。表12展示所研究含有上述珍珠岩填料的混合物的组成。
Figure G2008800229831D00191
在此研究中不使用液体添加剂和空气夹带。在环境条件和70°F(21℃)的室温下将所有材料混合在一起。表13归纳研究结果。重要的结果和结论论述如下：
●含有未涂布珍珠岩(SIL-CELL 35-BC)的1号混合物产生具有极硬稠度的浆液。另一方面，2号和3号混合物含有经涂布珍珠岩的产生具有可流动稠度的浆液。未涂布SIL-CELL 35-BC填料吸收大量混合物水分，由此降低可用于水泥糊料中的水量。此使得浆液极硬并且可操作性下降。另一方面，SIL-CELL 35-23和SIL-CELL 35-34珍珠岩颗粒在颗粒表面具有拒水性化学涂层。这些涂层可显著降低颗粒自身的吸收量。因此，含有这两种经涂布珍珠岩填料的浆液(2号和3号混合物)因水泥糊料中可利用水量较高而具有显著较佳的稠度并且具有优越的流动特征。
●含有未涂布珍珠岩(SIL-CELL 35-BC)的1号混合物产生具有最高浆液密度的浆液。另一方面，含有经涂布珍珠岩填料的2号和3号混合物产生浆液密度显著低于含有未涂布珍珠岩的1号混合物的浆液。值得注意的是，此实例中所研究的所有三种混合物都具有等量的珍珠岩填料，但三种混合物所得浆液的最终密度差异显著。1号混合物中未涂布珍珠岩填料(SIL-CELL 35-BC)在混合期间吸附的水可增大珍珠岩填料的重量和密度。SIL-CELL 35-BC珍珠岩填料的密度因吸附水而增大，由此使1号混合物产生相对高的浆液密度。另一方面，经涂布珍珠岩填料(SIL-CELL 35-23和SIL-CELL 35-34)的水吸附量极小，因此经涂布珍珠岩填料的重量和密度在混合期间未稍有增大。SIL-CELL 35-23和SIL-CELL 35-34珍珠岩填料的极低水吸附量和其因此获得的较低有效密度由此使2号和3号混合物最终产生较低浆液密度。
●发现未涂布珍珠岩填料(即SIL-CELL 35-BC珍珠岩)的有效颗粒密度为0.45g/cc。与其相比，发现经涂布珍珠岩填料的有效颗粒密度显著较低。例如，发现硅烷涂布的SIL-CELL 35-23珍珠岩填料的有效颗粒密度为0.25g/cc。
●通过比较此实例中所研究三种混合物和三种珍珠岩填料的浆液密度结果可容易地看出，采用未涂布珍珠岩填料(即SIL-CELL 35-BC珍珠岩)的组合物达成任何目标浆液密度所需的珍珠岩填料量最高。
Figure G2008800229831D00201
实例10
此实例阐述经涂布珍珠岩颗粒尺寸对混合物特性的影响。研究两种不同珍珠岩填料：
1.SIL-CELL 35-23珍珠岩：这种珍珠岩填料的堆积密度为约8pcf(0.13g/cc)，中值粒径为40微米，并且颗粒表面上施加有硅烷涂层。
2.经雷尔莱克斯(Ryolex)硅酮处理的瓦石作填料珍珠岩(Masonry Fill Perlite)：这种珍珠岩填料的堆积密度为约7pcf(0.11g/cc)，中值粒径为1180微米，并且颗粒表面上施加有硅酮涂层。
所研究两种珍珠岩填料都是由西博瑞克公司生产。表14展示所研究含有上述珍珠岩填料的混合物的组成。
Figure G2008800229831D00202
在此研究中不使用液体添加剂和空气夹带。
在环境条件和70°F(21℃)的室温下将所有材料混合在一起。表15归纳研究结果。重要的结果和结论论述如下：
●含有粒径较大的经涂布珍珠岩填料(雷尔莱克斯硅酮处理的瓦石作填料)的2号混合物产生具有极硬稠度的浆液。另一方面，含有粒径较小的经涂布珍珠岩填料(SIL-CELL 35-23)的1号混合物产生具有可流动稠度的浆液。据信较大珍珠岩颗粒通常较弱并且在混合期间易于破裂。珍珠岩颗粒在混合期间破裂会促进颗粒的水吸附，由此减少水泥糊料可用的水。此使得浆液极硬并且可操作性下降。另一方面，SIL-CELL 35-23珍珠岩颗粒因其具有较小尺寸和封闭小室蜂巢构造而在比较中显著较强。因此尺寸较小的珍珠岩颗粒对机械搅拌和混合的损害的耐受性较强。此特征使珍珠岩颗粒的水吸附保持较低并且可增加水泥糊料可用水量。因此，具有较小尺寸的珍珠岩填料(SIL-CELL35-23)的浆液因水泥糊料中可用水量较高而具有显著较佳的稠度并且具有优越的流动特征。
●含有粒径较大的经涂布珍珠岩填料(雷尔莱克斯硅酮处理的瓦石作填料)的2号混合物产生具有极高浆液密度的混合物。与其相比，含有粒径较小的经涂布珍珠岩填料(SIL-CELL 35-23)的1号混合物产生具有显著较低浆液密度的混合物。值得注意的是，此实例中所研究的两种混合物都具有以重量计等量的珍珠岩填料，但两种混合物所得混合物的最终密度差异显著。据信尺寸较大的珍珠岩颗粒(雷尔莱克斯硅酮处理的瓦石作填料)的颗粒破裂和高水吸附是2号混合物产生较高浆液密度的主要原因。
●发现尺寸较小的珍珠岩填料(即SIL-CELL 35-23)的有效颗粒密度为0.25g/cc。与其相比，发现尺寸较大的珍珠岩填料(雷尔莱克斯硅酮处理的瓦石作填料)具有显著较高的有效颗粒密度，其等于0.80g/cc。据信2号混合物中所用尺寸较大的珍珠岩填料的颗粒破裂和高水吸附导致雷尔莱克斯硅酮处理的瓦石作填料珍珠岩的有效颗粒密度显著较高。
●通过比较此实例中所研究两种混合物的浆液密度结果可容易地看出，采用尺寸较大的珍珠岩填料(即雷尔莱克斯硅酮处理的瓦石作填料珍珠岩)的组合物达成任何目标浆液密度所需的珍珠岩填料量最高。
Figure G2008800229831D00211
实例11
此实例阐述本发明水泥组合物的快速凝固特征。研究多种含有不同珍珠岩填料类型的混合物：
1.SIL-CELL 35-BC珍珠岩：这种珍珠岩填料的堆积密度为约8pcf(0.13g/cc)，中值粒径为40微米，并且颗粒表面未施加涂层。
2.SIL-CELL 35-23珍珠岩：这种珍珠岩填料的堆积密度为约8pcf(0.13g/cc)，中值粒径为40微米，并且颗粒表面上施加有硅烷涂层。基本上，SIL-CELL35-23珍珠岩与SIL-CELL 35-BC珍珠岩相同，只是另外在颗粒表面上施加有硅烷涂层。
3.SIL-CELL 35-34珍珠岩：这种珍珠岩填料的堆积密度为约8pcf(0.13g/cc)，中值粒径为40微米，并且颗粒表面上施加有硅酮涂层。基本上，SIL-CELL35-34珍珠岩与SIL-CELL 35-BC珍珠岩相同，只是另外在颗粒表面上施加有硅酮涂层。
所研究的所有三种珍珠岩填料都是由西博瑞克公司生产。表16展示所研究含有上述珍珠岩填料的混合物的组成。应注意，调节添加至各种混合物中的珍珠岩和总液体的量以在所研究各混合物之间达成恒定浆液密度和恒定浆液坍落度。
Figure G2008800229831D00221
在可获得约125°F(52℃)初始浆液温度的条件下将所有材料混合在一起。记录所研究混合物的浆液温度上升反应并将其展示于图1中。表17归纳研究结果。根据ASTMC266用吉尔莫针来测定最终凝固时间。
Figure G2008800229831D00231
重要的研究结果和结论论述如下：
含有经涂布珍珠岩填料的混合物(混合物2和混合物3)的温度上升反应优于含有末涂布珍珠岩填料的混合物(混合物1)。
含有经涂布珍珠岩填料的混合物(混合物2和混合物3)形成极短极快的凝固特征。这两种混合物的最终凝固时间介于6-7分钟之间。相反，含有未涂布珍珠岩的混合物(混合物1)具有极缓慢的凝固特征。此混合物的最终凝固时间甚至长于浆液浇铸后2小时。
对于工业制造展望来说，含有经涂布珍珠岩填料(SIL-CELL 35-23和SIL-CELL35-34)的混合物是优选的，因为这些混合物可由于组合物中水用量较低而提供产物的快速处理和优越的产物强度和耐久性。
实例12
此实例阐述第二填料添加物(例如膨胀粘土/页岩集料)对经饰面产物物理特性的影响。所研究的两种混合物展示于表18中。
Figure G2008800229831D00241
所用原材料包括波特兰水泥III型的反应性水泥粉末、经化学涂布珍珠岩、膨胀页岩集料和所添加液体。诸如柠檬酸钠等液体是以水溶液形式添加的外加剂。此外，添加碳酸钠和磺酸化萘超塑化剂以控制混合物的流动性。这些外加剂的添加是以总反应性粉末的重量百分比计。
在表18中，可注意到1号混合物不含膨胀页岩集料。而2号混合物含有膨胀页岩集料以及经涂布珍珠岩填料。
使用表18中所示组合物来制造密度为约60磅/立方英尺(pcf)(0.96g/cc)的1/2英寸(1.3cm)厚轻质水泥板材。
经化学涂布珍珠岩是西博瑞克牌珍珠岩SIL-CELL 35-23型，其具有40微米的中值颗粒直径和烷基烷氧基硅烷涂层。板中的夹带空气是藉助表面活性剂发泡体来引入，所述表面活性剂发泡体是单独制备并直接添加至浆液混合器中的湿水泥浆液中。使用存于水基溶液中的烷基醚硫酸盐表面活性剂来制备发泡体。水基溶液中的表面活性剂浓度为1.00重量％。应注意，组合物中夹带空气、珍珠岩和膨胀粘土集料的组合使得可达成目标低浆液密度。
使用包埋于水泥浆液中的经PVC涂布的耐碱玻璃纤维网对所制造水泥板实施表面增强。增强网是由CCX公司制造。
使用0.60∶1的水与水泥(反应性水泥粉末)的重量比来组合实例中所包括的组合物。在2号混合物中，所有膨胀页岩集料与反应性水泥粉末的重量比为0.35∶1。1号混合物不含膨胀粘土集料。在使用干燥反应性粉末成份、珍珠岩和集料时在环境条件下将其与水混合。包括水在内的所有原材料都是在室温下使用以达成约70°F(21℃)的浆液温度。调节化学添加剂(柠檬酸钠、碳酸钠和萘磺酸盐超塑化剂)的剂量率以达成期望流动特征和凝固特征。
实施机械测试以表征所制造轻质水泥板的物理特性。根据ASTM C 947中的测试方法来测量挠曲强度。使用以ASTM C 947中的挠曲测试试样获得的挠曲载荷-变形曲线来测量最大变形。最大变形代表在对应于峰值载荷的中间第三载荷点处试样的位移。
在制造后十七天根据ASTM C947对板进行测试以表征挠曲性能。表19展示在干条件和湿条件下测试板的挠曲性能。表中所示结果证实，板材形成令人满意的挠曲强度和挠曲延展性。此外，在浸泡条件下板材表现令人满意的机械性能。
Figure G2008800229831D00242
Figure G2008800229831D00251
表20展示板材在浸泡条件下的稳定性。将板材在水中浸泡48小时。在浸泡前后测量板材的厚度。在表20中，可观察到不含膨胀页岩集料的板材(1号混合物)的膨胀稍强于含有集料的板材(2号混合物)。不含集料的板材(1号混合物)的厚度膨胀为0.27％，另一方面，含有膨胀页岩集料的板材的厚度膨胀为0.12％。此结果表明，可通过在含有经涂布珍珠岩的本发明轻质水泥组合物中引入膨胀粘土集料来改良板材的尺寸稳定性。
Figure G2008800229831D00252
尽管已阐述实践本发明的优选实施例，但本发明所属领域技术人员应理解，可对本发明实施修改和添加而不背离其精神和范畴。

Claims (53)

1、一种提供轻质水泥浆液的方法，其包含：
形成以下物质的混合物：
以湿基计35-60重量％的反应性水泥粉末，其包含波特兰(Portland)水泥，
以湿基计2-10重量％的经化学涂布的水密且拒水的膨胀珍珠岩填料，
20-40重量％水，
以湿基计0-25重量％的第二填料；
以湿基计10-50体积％的夹带空气；和
任选添加剂，其选自由以下组成的群组中至少一个成员：减水剂、化学促凝剂、化学缓凝剂、加气剂和发泡剂；
所述混合物是在提供至少约40°F(4.4℃)的初始浆液温度的条件下形成。
2、如权利要求1所述的方法，其中所述珍珠岩填料经由以下组成的群组的成员涂布：硅烷、硅氧烷、硅酮和其混合物。
3、如权利要求1所述的方法，其中所述珍珠岩填料经硅烷涂布。
4、如权利要求1所述的方法，其中所述珍珠岩填料经烷基烷氧基硅烷涂布。
5、如权利要求1所述的方法，其中所述珍珠岩填料经辛基三乙氧基硅烷涂布。
6、如权利要求1所述的方法，其另外包含使所述浆液凝固以形成产物密度为40-85pcf(0.64-1.36g/cc)的产物。
7、如权利要求1所述的方法，其另外包含使所述浆液凝固以形成产物密度为45-65pcf(0.72-1.04g/cc)的产物。
8、如权利要求1所述的方法，其中所述珍珠岩填料的平均颗粒直径介于20-150微米之间。
9、如权利要求1所述的方法，其中所述珍珠岩填料的平均颗粒直径介于20-90微米之间。
10、如权利要求1所述的方法，其中所述珍珠岩填料的平均颗粒直径介于20-60微米之间。
11、如权利要求1所述的方法，其中所述珍珠岩填料的有效颗粒密度小于0.50g/cc。
12、如权利要求1所述的方法，其中所述珍珠岩填料的有效颗粒密度小于0.40g/cc。
13、如权利要求1所述的方法，其中所述珍珠岩填料的有效颗粒密度小于0.30g/cc。
14、如权利要求1所述的方法，其中所述浆液的初始温度为约90-150°F(32-66℃)。
15、如权利要求1所述的方法，其中所述反应性水泥粉末另外包含矿物添加剂。
16、如权利要求15所述的方法，其中所述矿物添加剂包含由以下组成的群组中的至少一个成员：浮石、硅藻土、硅粉、凝灰岩、火山土、稻壳、偏高岭土、经研磨粒化鼓风炉矿渣、和粉煤灰、碳酸钙、云母和滑石。
17、如权利要求15所述的方法，其中所述矿物添加剂包含粉煤灰。
18、如权利要求15所述的方法，其中所述矿物添加剂包含C类粉煤灰。
19、如权利要求1所述的方法，其中所述混合物包含至少一种选自由以下组成的群组的添加剂：减水剂、化学促凝剂、化学缓凝剂、加气剂、和发泡剂。
20、如权利要求1所述的方法，其中所述化合物另外包含由高铝水泥和硫酸钙组成的群组中的至少一个成员。
21、如权利要求1所述的方法，其中所述反应性水泥粉末基于所述波特兰水泥与所述粉煤灰的总量包含以干基计约40-90重量％的波特兰水泥和10-60重量％的粉煤灰。
22、如权利要求1所述的方法，其中所述反应性水泥粉末基于所述波特兰水泥、高铝水泥、硫酸钙和粉煤灰的总量包含以干基计约40-80重量％的波特兰水泥、0-20重量％的高铝水泥、0-7重量％的硫酸钙、0-55重量％的粉煤灰。
23、如权利要求1所述的方法，其中所述反应性水泥粉末包含：
以湿基计35-60重量％的包含波特兰水泥和任选地火山灰材料的反应性水泥粉末，
以湿基计2-10重量％的经化学涂布的水密且拒水的膨胀珍珠岩填料，
20-40重量％水，
以湿基计10-50体积％的夹带空气，
任选添加剂，其选自由以下组成的群组中的至少一个成员：减水剂、化学促凝剂、化学缓凝剂、加气剂和发泡剂；
10-25重量％第二填料，其选自由以下组成的群组中的至少一个成员：膨胀粘土、页岩集料和浮石；
其中经化学涂布的膨胀珍珠岩填料与第二填料总计为至少20重量％。
24、如权利要求1所述的方法，其中所述反应性水泥粉末包含100份波特兰水泥、30份粉煤灰、3份灰泥粉、2-10重量％经化学涂布的膨胀珍珠岩填料。
25、如权利要求1所述的方法，其中所述第二填料选自由以下组成的群组中的至少一个成员：鼓风炉矿渣、火山凝灰岩、浮石、膨胀形式的粘土、页岩、空心陶瓷球、空心塑料球、膨胀塑料珠粒和诸如此类。
26、如权利要求1所述的方法，其中所述第二填料选自由以下组成的群组中的至少一个成员：膨胀粘土、页岩集料和浮石。
27、如权利要求1所述的方法，其中所述化学促凝剂包含选自由以下组成的群组的烷醇胺：三乙醇胺、二乙醇胺、单乙醇胺和其混合物。
28、如权利要求27所述的方法，其中所述烷醇胺的量基于所述反应性水泥粉末的重量以干基计为约0.03-4重量％。
29、如权利要求1所述的方法，其中所述浆液另外包含缓凝剂。
30、如权利要求1所述的方法，其中所述浆液另外包含发泡剂。
31、如权利要求1所述的方法，其中所述浆液另外包含无机第二促凝剂。
32、如权利要求1所述的方法，其中所述浆液另外包含超塑化剂减水剂。
33、如权利要求1所述的组合物，其包含1050体积％的夹带空气。
34、一种制备水泥板的组合物，其包含含以下各组份的混合物的浆液：
35-60重量％包含波特兰水泥的反应性水泥粉末，
以湿基计2-10重量％的经化学涂布的水密且拒水的膨胀珍珠岩填料，
20-40重量％的水，
以湿基计0-25重量％的第二填料；
以湿基计10-50体积％的夹带空气，和
任选添加剂，其选自由以下组成的群组中的至少一个成员：减水剂、化学促凝剂、和化学缓凝剂；
当将所述组份混合以形成所述组合物时，所述浆液处于至少约40°F(4.4℃)的温度下。
35、如权利要求34所述的组合物，当将所述组份混合以形成所述组合物时，所述浆液处于至少90°F(32℃)的温度下。
36、如权利要求34所述的组合物，其包含以湿基计10-30体积％的夹带空气。
37、一种水泥板，其密度为约45-85磅/立方英尺(0.72-1.36g/cc)，其是自如权利要求34所述的组合物制得。
38、一种水泥板，其密度为约45-85磅/立方英尺(0.72-1.36g/cc)并且具有自包含以下的水性混合物固化获得的连续相：
35-60重量份数的波特兰水泥基粘合剂，
2-10重量份数的经化学涂布的膨胀珍珠岩填料，
10-50体积％的夹带空气，和
任选添加剂，其选自由以下组成的群组中的一或多个成员：减水剂、化学促凝剂、化学缓凝剂；和
0-25重量份数作为第二填料的一或多个由以下组成的群组的成员：膨胀粘土、页岩集料和浮石。
39、如权利要求38所述的板，其中所述板具有经增强网增强的顶表面及底表面。
40、如权利要求38所述的板，其中所述增强网包含无机材料。
41、如权利要求38所述的板，其中所述增强网包含有机材料。
42、如权利要求38所述的板，其中所述增强网包含耐碱性玻璃纤维。
43、如权利要求38所述的板，其中所述板的厚度为约1/4-1英寸(6.3-25.4mm)。
44、如权利要求38所述的板，其中所述板的钉拉拔强度根据ASTM D1037为至少90lbs(40.8kg)。
45、如权利要求38所述的板，其中所述板的钉拉拔强度根据ASTM D1037大于125lbs(56.7kg)。
46、如权利要求38所述的板，其中所述板的挠曲强度根据ASTM C947为至少400psi(2.76MPa)。
47、如权利要求38所述的板，其中所述板的挠曲强度根据ASTM C947大于750psi(5.17MPa)。
48、如权利要求38所述的板，其中所述板的挠曲强度根据ASTM C947大于1000psi(6.89MPa)。
49、如权利要求38所述的板，其中所述板对瓷砖和水泥砂浆的剪切强度根据ANSIA118.10为至少50psi(0.34MPa)。
50、如权利要求38所述的板，其中所述板对瓷砖和水泥砂浆的剪切强度根据ANSIA118.10大于100psi(0.69MPa)。
51、如权利要求38所述的板，其中所述板对瓷砖和水泥砂浆的剪切强度根据ANSIA118.10大于200psi(1.38MPa)。
52、如权利要求38所述的板，其中当根据ANSI A118.10所述板的顶面板表面经受24英寸(61cm)的静液压力持续48小时时，所述板的底面板表面上未显示潮湿或形成水滴的迹象。
53、一种地板系统，其包含如权利要求38所述的水泥板，其根据针对结构耐久性的ASTM C627最少可通过测试的前三个循环。
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