CN103269996B - 轻量泡沫飞灰基粘结料和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制备产品如水泥面板用且抗压强度提高的轻量水泥质粘结料组合物的方法。该方法将飞灰、柠檬酸碱金属盐、硅酸碱金属盐、用于夹带空气的起泡剂、水以及在优选实施方案中泡沫稳定剂混合。包含选自C类飞灰、F类飞灰及它们的混合物的飞灰、柠檬酸碱金属盐、硅酸碱金属盐、起泡剂以及优选泡沫稳定剂如聚乙烯醇的组合物不需要使用缓凝剂。包含F类飞灰的组合物可以任选包含III型Portland水泥。

Description

轻量泡沫飞灰基粘结料和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2010年12月30日提交的美国临时申请No.61/428839的权益，该申请的全文内容通过引用并入本文，而且本申请涉及：
2010年12月30日提交的题为“METHOD FOR IN-SITU MANUFACTURE OF ALIGHTWEIGHT FLY ASH BASED AGGREGATE”的美国临时申请No.61/428819和2011年9月14日提交的题为“METHOD FOR IN-SITU MANUFACTURE OF A LIGHTWEIGHT FLY ASH BASEDAGGREGATE”的美国专利申请No.13/232128，每一个申请的全文内容都通过引用并入本文。
技术领域
本发明一般地涉及快速凝结的水泥质组合物，它可以用于其中期望快速硬化和获得早期强度的各种应用中。具体而言，本发明涉及可用于制备具有优异耐水性且用在建筑干湿位置的水泥板的水泥质泡沫飞灰基粘结料组合物。预浇混凝土产品如水泥板在下述条件下制备：所述条件提供水泥质混合物快速凝结，以使在水泥质混合物倒入静止或运动的模型中或在连续运动的带上之后很快可以处理水泥板。理想地，水泥混合物的凝结可以在将该水泥混合物与合适量的水混合之后的约20分钟、优选10至13分钟、更优选4至6分钟实现。
背景技术
Perez-Pena等人的美国专利6,869,474通过引用并入本文，讨论了极快速凝结水泥质组合物从而通过向水硬水泥如portland水泥中加入链烷醇胺，并在提供至少90°F(32°C)的初始浆料温度的条件下与水形成浆料来实现制备水泥基产品如水泥板。可以包括其它反应性材料如高铝水泥、硫酸钙和火山灰材料如飞灰。极快速凝结允许快速制备水泥质产品。已发现加入的三乙醇胺是非常强大的促凝剂，其能够制备具有相对较短的最终凝结时间、且飞灰和石膏的含量增加并且不需要铝酸钙水泥的配料(formulation)。但是，具有三乙醇胺的配料主要包含水硬水泥如portland水泥和石膏作为反应性粉末，相比铝硅酸盐相其限制了铝酸盐相的可利用性，按该发明所述这是飞灰材料活化所致。
Perez-Pena等人的美国专利No.7,670,427通过引用并入本文，讨论了具有早期抗压强度的极快速凝结水泥质组合物，从而通过向水硬水泥如portland水泥中加入链烷醇胺和磷酸盐，并在提供至少90°F(32°C)的初始浆料温度的条件下与水形成浆料来实现制备水泥基产品如水泥板。可以包括其它反应性材料如高铝水泥、硫酸钙和火山灰材料如飞灰。此外，所有组合物都包含显著量的水硬水泥和石膏。
Perez-Pena的公布的美国专利申请No.US2010-0071597A1(2008年9月25日提交的美国专利申请No.12/237,634)公开了使用飞灰和柠檬酸的碱金属盐如柠檬酸钠的配料以形成具有快速凝结时间和相对较高的早期抗压强度的混凝土混合物。该申请描述的活化飞灰粘结料所遭遇的一大挑战是这些粘结料与用于夹带空气的常规发泡体系之间明显的劣性相互作用，由此制备轻量板。根据该公开的方法已经用常规泡沫制备的飞灰基粘结料已遭受泡沫崩裂和/或强度急剧下降。
Galer等人的美国专利4,488,909通过引用并入本文，讨论了能够快速凝结的水泥质组合物。该组合物允许通过在将组合物与水混合后约20分钟内形成基本全部的可能钙矾石而高速制备耐二氧化碳的产品。该水泥质组合物的基本组分是portland水泥、高铝水泥、硫酸钙和石灰。火山灰如飞灰、蒙脱石粘土、硅藻土和浮石可以加入直至约25%。该水泥组合物包含约14至21wt%的高铝水泥，其与其它组分组合使得能够早期形成钙矾石和负责水泥质混合物早期凝结的其它铝酸钙水合物。在他们的发明中，Galer等人使用高铝水泥(HAC)提供铝酸根离子并使用石膏提供硫酸根离子以形成钙矾石并使它们的水泥质混合物快速凝结。
钙矾石是具有式Ca6Al2(SO4)3·32H2O或3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O的钙铝硫酸盐化合物。钙矾石形成为长针状晶体并为水泥板提供快速早期强度，以致于它们在倒入模具内后或者在连续浇注和成形带上可以迅速处理。
一般而言，Galer等人的快速凝结配料存在若干局限。
Brook等人的美国专利No.5,536,310公开了一种水泥质组合物，其包含10-30重量份(pbw)的水硬水泥如portland水泥、50-80pbw飞灰和0.5-8.0pbw作为游离酸的羧酸如柠檬酸或其碱金属盐例如柠檬酸三钾或柠檬酸三钠，以及其它常规添加剂，包括缓凝添加剂如硼酸或硼砂，其用于加速组合物反应和凝结时间以克服水泥组合物中使用高含量飞灰的公开缺点。
Brook等人的美国专利No.5,536,458公开了一种水泥质组合物，其包含水硬水泥如portland水泥、70-80重量份飞灰和0.5-8.0pbw游离羧酸如柠檬酸或其碱金属盐例如柠檬酸钾或柠檬酸钠、添加剂像氢氧化钾以及其它常规添加剂包括缓凝添加剂如硼酸或硼砂，其用于加速组合物反应和凝结时间以克服水泥组合物中使用高含量飞灰的已知缺点。
Harris的美国专利No.4,494,990公开了portland水泥例如25-60pbw、飞灰例如3-50pbw和小于1pbw的柠檬酸钠的水泥质混合物。
Boggs等人的美国专利No.6,827,776公开了一种水硬水泥组合物，其包含portland水泥、飞灰、其凝结时间受酸优选柠檬酸的活化剂浆料的pH控制，以及可以是碱金属或碱土金属氢氧化物或该酸组分的盐。
Kirkpatrick等人的US5,490,889公开了一种掺混水硬水泥，其由水、飞灰(50.33-83.63pbw)、portland水泥、硅砂粉(ground silica)、硼酸、硼砂、柠檬酸(0.04-2.85pbw)和碱金属活化剂例如氢氧化锂(LiOH)或氢氧化钾组成。
Styron的美国专利No.5,997,632公开了一种水硬水泥组合物，其包含88-98wt.%飞灰、1-10wt.%portland水泥和约0.1-4.0wt.%柠檬酸。通过次烟煤飞灰或次烟煤飞灰与选矿剂组合提供实现21%所需最小石灰含量的石灰。除了柠檬酸，Styron使用碱源如氢氧化钾或氢氧化钠。
现有技术的水泥质混合物产品的最终凝结时间通常大于9分钟，并且对于标准混凝土产品可以延长到2-3小时。最终凝结时间通常定义为其中水泥质混合物凝结至由其制得的混凝土产品可以处理和堆叠的程度的时间，但是化学反应可以持续更长时间。
现有技术混凝土产品中的反应性粉末混合物中的I型portland水泥(也称作OPC)和/或III型portland水泥的量以及高铝水泥(也称作铝酸钙水泥)的使用也非常高。通常高portland水泥大于反应性粉末混合物的60%，高铝水泥大于反应性粉末混合物的14wt%。
需要发现一种减轻portland水泥、含铝水泥和飞灰基粘结料混合物重量的方法，由此这些配料可以用于制备轻量水泥质混凝土产品，其用于例如背衬板的应用和具有提高强度的其它壁或天花板应用。本方法已开发出具有提高的抗压强度并且重量减轻、成本下降的配料。
发明内容
本发明提供一种制备快速凝结泡沫飞灰基水泥质粘结料组合物的方法。
本发明还提供一种具有重量减轻以及早期和最终抗压强度增强的轻量水泥质组合物。该水泥质组合物由泡沫粘结料溶液形成，该溶液包含柠檬酸钠、硅酸钠、起泡剂、泡沫稳定剂和包含飞灰的反应性粉末，所述飞灰优选是C类飞灰或C类和F类飞灰混合物的形式。
本发明包括一种提供快速凝结且抗压强度和耐水性提高的轻量水泥质混合物的方法，包括：在室温或高于室温下混合水、反应性粉末、促凝量的柠檬酸碱金属盐和反应性粉末轻量骨料，其中水与反应性粉末固体之比为约0.17至0.27:1.0，更优选约0.20至0.25:1.0，所述反应性粉末包含基本100wt.%飞灰，不含水硬水泥和石膏(水合硫酸钙)。
该水泥质反应性粉末至少包含飞灰，并且还可以包含I型portland水泥(OPC)和/或III型portland水泥/铝酸钙水泥(CAC)(也常称作含铝水泥或高铝水泥)和非飞灰矿物添加剂。
水泥质组合物的至多40wt%水泥质反应性粉末混合物可以是具有显著水泥性质、很少具有水泥性质或没有水泥性质的非飞灰矿物添加剂。
C类飞灰一般包含石灰。因此，水泥质组合物的反应性粉末混合物通常不含外部加入的石灰。
通常浆料的初始温度为室温(约75°F)至约100°-115°F(24°C至约38°-46°C)。
水泥质组合物根据Gilmore针测得的最终凝结时间(即这之后水泥板可以处理的时间)应该在与合适量的水混合后至多20分钟，优选10至13分钟或更短，更优选约4至6分钟。较短的凝结时间和较高的早期抗压强度有助于提高生产产出并降低产品生产成本。
本发明的非常快速凝结的水泥质组合物可以用于其中期望快速硬化和获得早期强度的各种应用。当浆料在升高温度下形成时，使用柠檬酸的碱金属盐如柠檬酸钾和/或柠檬酸钠促进水泥质组合物凝结使得能够提高水泥质产品如水泥板的生产速率。
浆料中柠檬酸碱金属盐的用量基于本发明的水泥质反应性组分为约1.5至6wt.%，优选约1.5至4.0wt.%，更优选约2至3.5wt.%，最优选约3.5wt.%。优选柠檬酸钠，但是可以使用柠檬酸钾或柠檬酸钠和柠檬酸钾的混合物。如上提到的，这些重量百分比基于100重量份的反应性组分(水泥质反应性粉末)。因此例如对于100磅的水泥质反应性粉末，可以存在总共约1.5至4.0磅的柠檬酸钠。
本发明的典型水泥质反应性粉末包含75至100wt%飞灰和0wt.%水硬水泥或石膏。通常至少一半的飞灰为C类飞灰。
另一典型的水泥质反应性粉末包含基于反应性粉末重量的75至100wt%飞灰、0至25wt%III型portland水泥，其中飞灰包含F类飞灰。
柠檬酸碱金属盐、硅酸碱金属盐和飞灰之间存在协同相互作用。加入硅酸碱金属盐例如硅酸钠具有如下好处：相比使用促凝剂像铝酸钙水泥、三乙醇胺或腐蚀性碱金属氢氧化物如氢氧化钾或氢氧化钠的可比组合物，包含大量飞灰的组合物提高了早期和长期抗压强度。
此外，相比可以导致混凝土混合物过早硬化的其它促凝剂如硫酸铝，加入柠檬酸碱金属盐和硅酸碱金属盐提高混合物流动性。
其它添加剂例如惰性骨料也可以存在，它们不被认为是水泥质反应性粉末，但是是总水泥质组合物的部分。这种其它添加剂包括砂、骨料、轻量填料、减水剂如超增塑剂、促凝剂、缓凝剂、空气夹带剂、起泡剂、收缩控制剂、浆料粘度改性剂(增稠剂)、着色剂和内部固化剂中的一种或多种，可以根据本发明水泥质组合物的工艺能力和应用按需包含。
本发明的轻量水泥质组合物可以用于制备具有优异耐水性的预浇混凝土建筑产品如水泥板，以用在建筑的干湿位置。预浇混凝土产品如水泥板在下述条件下制备：所述条件提供水泥质混合物快速凝结，以使在水泥质混合物倒入静止或运动的模型中或在连续运动的带上之后很快可以处理水泥板。
轻量水泥质组合物可以用在包括混凝土面板、地板、覆板、罩面(finishes)、盖板以及混凝土路面用的修补混合物的任何混凝土产品应用中。由本发明的轻量组合物制备的混凝土产品相比包含石膏的组合物对于要求耐水性的应用以及要求比含水泥组合物(具有较高碳足迹)高的抗压强度的应用具有特定优点。
本文所有百分比、比率和比例都按重量计，除非另有说明。
附图说明
图1是实施例1的结果图，表示柠檬酸钠和硅酸钠相比单独的柠檬酸钠对具有柠檬酸钠、硅酸钠且使用α烯烃磺酸盐皂起泡剂原位发泡的泡沫飞灰混合物的立方体抗压强度与密度的影响。
图2是实施例2的结果图，表示具有含PVOH的预形成泡沫的泡沫飞灰粘结料在表2-1中所包括的数据点与具有不含PVOH的预形成泡沫的混合物在表2-2中的数据点的抗压强度和密度的关系。
具体实施方式
本发明包括一种提供抗压强度和耐水性提高的轻量水泥质混合物的方法，包括：混合水、反应性粉末、柠檬酸的碱金属盐和轻量骨料，其中水与反应性粉末固体之比为约0.17至0.35:1.0，通常约0.17至0.30:1.0，更优选约0.2至0.23:1.0。所述反应性粉末包含75至100wt.%飞灰和0至25wt.%水硬水泥和/或石膏。通常本发明将包含飞灰的水泥质反应性粉末与柠檬酸钾和/或柠檬酸钠和水在至少室温至115°F(24°C至41°C)的初始浆料温度下混合，以实现优选小于10至13分钟、更优选约4至6分钟或更短的快速凝结。
本发明还提供快速最终凝结性能增强和早期抗压强度增强的水泥质组合物。
典型成分列于下表A中。
一般地，水与水泥质反应性粉末的重量比为约0.15至0.3:1.0。惰性轻量骨料不是水泥质反应性粉末的部分。
虽然不希望受限于特定理论，理论上如下实现增加的早期抗压强度和快速凝结：通过提供具有75至100wt%的高飞灰矿物(包括单独的C类飞灰或C类和F类飞灰的混合物)含量且不含portland水泥、铝酸钙水泥或石膏的水泥质反应性粉末，并将水泥质反应性粉末、柠檬酸碱金属盐、硅酸碱金属盐和水混合以在室温或高于20°C的升高温度下形成浆料，因此由于该反应性粉末混合物和柠檬酸碱金属盐的水合，存在于飞灰中的碱铝硅酸盐水合物和/或铝硅酸盐和/或钙铝硅酸盐化合物的水合物可以形成。
因此，提供最少量的水以使水泥质反应性粉末水合并快速形成存在于飞灰中的碱铝硅酸盐水合物和其它水合物。柠檬酸碱盐的加入非常有利于水泥质浆料的可加工性。通常浆料中水与反应性粉末混合物的重量比为约0.20至0.35:1，更通常为约0.20至0.30:1，优选约0.20至0.25:1。水量取决于水泥质组合物中存在的各种材料的需要。
碱铝硅酸盐水合物和/或铝硅酸盐和/或钙铝硅酸盐化合物的其它水合物在水合工艺中非常快速形成，由此赋予用本发明水泥质组合物的水泥质反应性粉末混合物制备的混合物快速凝结和刚性。在水泥基产品如水泥板的制备中，主要是碱铝硅酸盐水合物和/或铝硅酸盐和/或钙铝硅酸盐化合物的其它水合物的形成使得能够在本发明的水泥质组合物与合适量的水混合后的几分钟内处理水泥板。
组合物的凝结用按ASTM C266测试程序中规定使用Gilmore针测量的初始和最终凝结时间表征。最终凝结时间也对应于在混凝土产品例如混凝土面板已充分硬化，使得它可以处理或在混凝土地板或路情况下开放交通时的时间。相对较高的早期(3至5小时)抗压强度对于混凝土材料可以有利，这是因为它可以承受较高的应力而不变形。本领域技术人员将理解：在已达到最终凝结时间后，固化反应还持续一段延长的时间。
组合物的早期强度通过按ASTM C109规定测量24小时或14天固化后的抗压强度来表征。高早期强度的实现允许容易地处理堆叠面板。
在本发明的优选组合物中，实现了最终凝结时间为约5分钟，砂浆密度为60至65磅/立方英尺(pcf)，立方体抗压强度为约1,000至1,400psi。
水泥质反应性粉末
水泥质反应性粉末包含飞灰和任选的portland水泥。水泥质反应性粉末通常包含75至100wt.%、更通常80至100wt.%飞灰和0至25wt.%portland水泥。水泥质反应性粉末优选包含88.5-100wt%飞灰。水泥质反应性粉末更优选包含100wt%C类飞灰而不含水硬水泥。
优选地，水泥质反应性粉末包含10至40wt%石灰。但是，该石灰一般不是加入的石灰。相反，它作为飞灰的化学组分包含。
本发明水泥质组合物的水泥质反应性粉末的主要成分是飞灰矿物添加剂，优选C类飞灰。飞灰描述在下文题为“飞灰和非飞灰矿物添加剂”的部分中。
除了飞灰，水泥质反应性粉末可以包含0至25wt.%的任选水泥质添加剂如portland水泥、铝酸钙水泥、硫酸钙或石膏(石膏粉)。但是，本发明具有这些任选水泥质添加剂的较低水含量的水泥质组合物，即水与反应性粉末的重量比为约0.17至0.35:1.0的水泥质组合物相比本发明没有其它水泥质添加剂的同样较低水含量的组合物具有显著降低的抗压强度。
例如，在一些水泥质反应性粉末混合物中，当不要求抗压强度时或当要采用较高的水与反应性粉末之比时，例如该比例高于约0.35:1.0时，可以使用约0至25wt%的portland水泥和75至100wt%的飞灰。
飞灰和非飞灰矿物添加剂
传统反应性粉末组合物的水硬水泥基本替代为具有火山灰性质的飞灰如C类飞灰、F类飞灰或其混合物，尤其是C类飞灰。可以加入具有显著水泥性质、很少水泥性质或没有水泥性质的其它任选的非飞灰矿物添加剂。如果加入，本发明的水泥质反应性粉末中优选具有火山灰性质的非飞灰矿物添加剂。
ASTM C618-97将火山灰材料定义为“含硅或含硅和含铝材料，其本身很少具有或不具有水泥值(cementitious value)，但是在细分散形式且存在水分下与氢氧化钙在通常温度下化学反应形成具有水泥性质的化合物”。各种天然和人造材料已称作具有火山灰性质的火山灰材料。火山灰材料的一些例子包括浮石、珍珠岩、硅藻土、硅灰、凝灰岩、粗面凝灰岩、稻壳、偏高岭土、磨碎粒化的高炉熔渣和飞灰。
所有这些火山灰材料可以单独或以组合形式用作本发明水泥质反应性粉末的部分。
飞灰是本发明水泥质反应性粉末混合物中的优选火山灰。如下文解释的优选包含高含量氧化钙和铝酸钙的飞灰(如ASTM C618标准的C类飞灰)。其它矿物添加剂如碳酸钙、蛭石、粘土和碎云母也可以包含作为任选的矿物添加剂。
飞灰是由煤燃烧形成的细粉副产物。燃烧煤粉的发电厂设施锅炉产生大部分可商购飞灰。这些飞灰主要由玻璃状球形颗粒以及赤铁矿、磁铁矿、木炭残余物和冷却过程形成的一些晶体相组成。飞灰颗粒的结构、组成和性质取决于煤的结构和组成以及形成飞灰的燃烧工艺。ASTM C618标准认可两大类飞灰用在混凝土中–C类和F类。这两类飞灰一般源自不同种类的煤，而不同种类的煤是地质时期发生的煤形成工艺不同造成的。F类飞灰通常由燃烧无烟煤或烟煤产生，而C类飞灰通常由褐煤或次烟煤产生。
ASTM C618标准主要根据它们的火山灰性质区分F类和C类飞灰。由此在ASTM C618标准中，F类飞灰和C类飞灰之间的主要规格差异是组合物中SiO2+Al2O3+Fe2O3的最下限。F类飞灰的SiO2+Al2O3+Fe2O3的最下限为70%，而C类飞灰为50%。因此，F类飞灰比C类飞灰更具火山灰性。虽然ASTM C618标准中没有明确认可，但C类飞灰通常具有高含量的氧化钙(石灰)。
C类飞灰除了火山灰性质外通常由于游离石灰(氧化钙)具有水泥性质，而F类在单独与水混合时很少呈水泥性。高含量氧化钙的存在使得C类飞灰具有水泥性质，从而在与水混合时形成硅酸钙和铝酸钙水合物。如将从下文实施例中可看到的，已发现C类飞灰提供优异结果，尤其在其中不使用铝酸钙水泥和石膏的优选配料中。
通常水泥质反应性粉末中的至少50wt.%飞灰是C类飞灰。更通常水泥质反应性粉末的至少75wt.%是C类飞灰。还更优选水泥质反应性粉末的至少88.5wt.%是C类飞灰。
飞灰中存在的典型矿物是石英(SiO2)、莫来石(Al2Si2O13)、钙铝黄长石(Ca2Al2SiO7)、赤铁矿(Fe2O3)、磁铁矿(Fe3O4)等。此外，在飞灰中还发现了通常存在于岩石中的硅酸铝多晶型矿物如硅线石、蓝晶石和红柱石，这三种都用分子式Al2SiO5表示。
由次烟煤制备的典型合适的C类飞灰具有表B中所列的下面组成。
飞灰的细度通常要使得按ASTM测试程序C-311("Sampling and TestingProcedures for Fly Ash as Mineral Admixture for Portland Cement Concrete")测试的小于约34%保持在325筛目(美国系列)。该飞灰优选回收并且由于其自凝结性质而干燥使用。
典型合适的F类飞灰具有表C中所列的下面组成。
飞灰构成本发明反应性粉末的几乎所有水泥质材料。对于C类飞灰不需要加入其它常用水泥质添加剂，并且已发现加入其它常用水泥质添加剂降低了本发明轻量骨料组合物的最终抗压强度。
在使用比C类飞灰具有显著较少的氧化铝和石灰含量的F类飞灰替代主要量C类飞灰，即高于组合飞灰的约46-60wt%的情况下，已发现需要加入III型Portland水泥以将F类飞灰粘结料的抗压强度增加到包含60wt%或更多C类飞灰的组合物所达到的水平，其中C类飞灰具有显著较高的氧化铝和石灰含量。尤其在粘结料体系使用高达60wt%F类飞灰时，需要加入高达30wt%III型Portland水泥以将该粘结料的抗压强度增加到比向F类飞灰仅加入C类飞灰大超过3.5倍。因此，在本发明粘结料中使用F类飞灰时，优选的混合物是约46至60wt%F类飞灰、10至29wt%III型Portland水泥、10至32wt%C类飞灰和2至4wt%柠檬酸钠以及水。水与飞灰，以及在需要时任何Portland水泥的比率应该保持低于约0.37，更优选低于约0.33。
在本发明中，几乎全部使用C类飞灰替代包含III型Portland水泥的F类飞灰混合物作为反应性粉末，可以避免需要使用水硬水泥像III型Portland水泥，并且可以实现相对快速形成早期强度。当反应性粉末是本发明的优选C类飞灰时，反应性粉末中不需要使用其它常规水泥，包括I型和II型portland水泥或其它水硬水泥，包括白水泥、熔渣水泥如高炉熔渣水泥、掺混火山灰的水泥、膨胀水泥、硫铝酸钙水泥和油井水泥。
柠檬酸碱金属盐
在本发明中，使用柠檬酸碱金属盐如柠檬酸钠或柠檬酸钾制得具有相对良好流动性、并且不会过快变硬(即不会在高于室温的温度下混合后不到5-10分钟变硬)、同时实现良好早期抗压强度的混合物。
柠檬酸碱金属盐，例如柠檬酸钾或柠檬酸钠的用量基于100份本发明的水泥质反应性组分为约1.5至6.0wt.%，优选约1.5至4.0wt.%，更优选约2.0至3.5wt.%，最优选约3.5wt%。因此，例如对于100磅水泥质反应性粉末，可以存在总共约1.5至4.0磅的柠檬酸钾和/或柠檬酸钠。优选的柠檬酸碱金属盐是柠檬酸钾和柠檬酸钠，特别是一水合柠檬酸三钾和一水合柠檬酸三钠。
硅酸碱金属盐
在本发明中，使用硅酸碱金属盐如硅酸钠或硅酸钾制得具有相对良好流动性、并且不会过快变硬(即不会在高于室温的温度下混合后不到5-10分钟变硬)、同时实现良好早期抗压强度的混合物。
无水硅酸钾或硅酸钠的用量基于100份本发明的水泥质反应性组分为约0.25至1.0wt.%，优选约0.5wt.至1.0wt.%，更优选约1.0。因此，例如对于100磅水泥质反应性粉末，可以存在总共约0.5至1.0磅的硅酸钾和/或硅酸钠。优选的硅酸碱金属盐是无水三氧基偏硅酸钠(sodium trioxyl metasilicate)，特别是Fischer Scientific的五水合硅酸钠212.74(工业级)。
缓凝剂
任选使用缓凝剂作为本发明组合物中的组分。缓凝剂的主要作用是保持浆料混合物以免过快硬化，由此促进不同反应性组分之间的协同物理相互作用和化学反应。
使用柠檬酸碱金属盐，例如柠檬酸钠或柠檬酸钾，可以避免常规缓凝剂如柠檬酸、酒石酸、苹果酸、乙酸、硼酸等，并且在不存在这些常规缓凝剂下使用这些柠檬酸碱金属盐提供了良好的流动性，并防止混凝土浆料过快硬化。
第二无机促凝剂
如上讨论的，柠檬酸碱金属盐主要在不存在其它缓凝剂下负责赋予水泥质混合物极其快速的凝结特性、良好的流动性以及相对较高的抗压强度。但是，与柠檬酸碱金属盐组合可以加入其它无机促凝剂作为本发明水泥质组合物中的第二无机促凝剂。
相比柠檬酸碱金属盐加入实现的凝结时间缩短，预期这些第二无机促凝剂的加入仅提供小程度的缩短。这种第二无机促凝剂的例子包括碳酸钠、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、链烷醇胺、多磷酸盐等。当水泥板紧固件腐蚀成为问题时，应该避免使用氢氧化钾、氢氧化钠和氯化钙。通常不需要第二无机促凝剂。本发明的优选组合物不需要使用第二促凝剂，第二促凝剂不是本发明优选组合物的部分。如果使用，第二无机促凝剂相对于100重量份水泥质反应性粉末混合物的重量比通常小于约1.0wt.%，优选小于约0.25wt%。这些第二无机促凝剂可以单独或组合使用。
超增塑剂和空气夹带剂
使用柠檬酸碱金属盐，例如柠檬酸钠或柠檬酸钾，可以避免减水剂(超增塑剂)，并且使用这些柠檬酸碱金属盐提供良好的流动性，并防止混凝土浆料过快硬化。
向本发明的水泥质浆料加入空气夹带剂以原位形成气泡(泡沫)。空气夹带剂通常是用于有意捕集混凝土中的微观气泡的表面活性剂。或者，空气夹带剂用于在外部产生泡沫，在混合操作过程中将该泡沫引入本发明组合物的混合物中以降低产品密度。通常为了在外部产生泡沫，将空气夹带剂(也称作液体起泡剂)、空气和水混合以在合适的泡沫产生装置中形成泡沫。可以在将泡沫加入水泥质浆料之前向泡沫中加入泡沫稳定剂如聚乙烯醇。
空气夹带剂/起泡剂的例子包括烷基磺酸盐、烷基苯磺酸盐(alkylbenzolfulfonate)和烷基醚硫酸盐低聚物等。这些起泡剂的通式细节可以在美国专利5,643,510中找到，该专利通过引用并入本文。
可以使用空气夹带剂(起泡剂)如符合ASTM C260"Standard Specification forAir-Entraining Admixtures for Concrete"(2006年8月1日)所述标准的那种。这种空气夹带剂是本领域技术人员公知的，并且描述在Kosmatka等人的"Design and Control ofConcrete Mixtures,"第14版，Portland水泥协会，具体在题为"Air Entrained Concrete"的第8章中(美国专利申请公布No.2007/0079733A1中有引用)。可商购的空气夹带材料包括松香木(vinsol wood)树脂、磺化烃、脂肪酸、树脂酸、脂族取代的芳基磺酸盐如磺化木质素盐和通常为阴离子或非离子表面活性剂形式的许多其它界面活性材料、松香钠、饱和或不饱和的脂肪酸及其盐、表面活性剂(tenside)、烷基-芳基-磺酸盐、苯酚乙氧基化物、木质素磺酸盐、树脂皂、羟基硬脂酸钠、硫酸月桂酯、ABS(烷基苯磺酸盐)、LAS(线性烷基苯磺酸盐)、烷烃磺酸盐、聚氧乙烯烷基(苯基)醚、聚氧乙烯烷基(苯基)醚硫酸酯或其盐、聚氧乙烯烷基(苯基)醚磷酸酯或其盐、蛋白质材料、烯基磺基琥珀酸盐、α-烯烃磺酸盐、α-烯烃磺酸钠盐、月桂基硫酸钠或磺酸钠及它们的混合物。
通常空气夹带(起泡)剂为总水泥质组合物重量的约0.01至8wt.%。
如果需要，其它化学混合物如收缩控制剂、着色剂、粘度改性剂(增稠剂)和内部固化剂也可以加在本发明组合物中。
纤维织品
不同类型的离散增强纤维也可以包含在用本发明粘结料制备的水泥板组合物中。根据其功能和应用，由诸如聚合物涂覆的玻璃纤维和聚合物材料如聚丙烯、聚乙烯和尼龙之类的材料制备的纤维织品可以用于增强水泥基产品。根据本发明制备的水泥板通常用聚合物涂覆的玻璃纤维制得的纤维织品增强。
骨料和填料
虽然所公开的水泥质反应性粉末混合物限定了本发明水泥质组合物的快速凝结组分，但本领域技术人员理解根据其目标用途和应用，该组合物可以包含其它材料。
例如，对于水泥板应用，期望在不过度损害产品的所需机械性质下制备轻量板。该目的通过加入轻量骨料和填料来实现。适用的轻量骨料和填料的例子包括高炉熔渣、火山凝灰岩、浮石、膨胀形式的粘土、页岩、珍珠岩、中空陶瓷球、中空塑料球、膨胀塑料珠等。对于生产水泥板，膨胀粘土和页岩骨料特别适合。膨胀塑料珠和中空塑料球在用在组合物中时要求按重量计的量非常小，这是因为它们极低的堆密度。
根据所选定的轻量骨料或填料的选择，轻量骨料或填料与反应性粉末混合物的重量比可以为约1/100至200/100，优选约2/100至125/100。例如对于制备轻量水泥板，轻量骨料或填料与反应性粉末混合物的重量比优选约2/100至125/100。在轻量产品特征不是关键标准的应用中，通常用在混凝土结构中的河砂和粗骨料可以用作本发明组合物的部分。
初始浆料温度
在本发明中，发现在提供初始高的浆料温度的条件下形成浆料对于水泥质配料实现快速凝结和硬化很重要。初始浆料温度应该为至少约室温。38°C至41°C的浆料温度产生短的凝结时间，因此是优选的。
一般而言，在该范围内升高浆料的初始温度会提高随着反应进行的温升速率，并缩短凝结时间。因此，95°F(35°C)初始浆料温度比90°F(32.2°C)初始浆料温度优选，100°F(37.7°C)的温度比95°F(35°C)优选，115°F(41.1°C)的温度比100°F(37.7°C)优选，110°F(40.6°C)的温度比105°F(41.1°C)优选等。据认为随着接近该宽温度范围的上限，升高初始浆料温度的好处减小。
如本领域技术人员理解的，达到初始浆料温度可以通过一种以上的方法实现。最方便的方法可能是加热浆料的一种或多种组分。在实施例中，本发明人提供加热至一定温度的水，以使当将其加入干的反应性粉末和非反应性固体中时，所得浆料处在所需温度。或者，如果期望在高于室温下提供固体。使用蒸汽为浆料提供热是可采纳的另一种可能方法。
虽然可能较慢，但是可以在室温下制备浆料，立刻(例如在约10、5、2或1分钟内)加热以将温度升高到约90°F或更高(或以上列举的任何其它范围)，仍能实现本发明的好处。
预浇混凝土产品如水泥板的制备
以连续工艺最高效制备预浇混凝土产品如水泥板，其中将反应性粉末与骨料、填料和其它必要成分混合，接着正好在将该混合物置于模具中或连续浇注和成形带上之前加入水和其它化学添加剂。
由于水泥质混合物的快速凝结特性，应该认识到水泥质混合物的干组分与水混合通常正好在浇注操作之前完成。由于形成碱铝硅酸盐水合物和/或铝硅酸盐和/或钙铝硅酸盐化合物的其它水合物，混凝土产品变成刚性而可切割、处理和堆叠用以进一步固化。
已有两种方法用于在飞灰粘结料中夹带空气。
一种方法(下文实施例1)是向飞灰粘结料中加入起泡混合物即α烯烃磺酸盐(AOS)皂，并且在飞灰粘结料混合预定时间的同时原位产生气泡或空气袋。在第二种方法中，外部制备泡沫并将泡沫与飞灰粘结料混合。在该情况下，发现为了在混进飞灰浆料中的同时防止泡沫泡崩裂，有必要使用α烯烃磺酸盐(AOS)皂和聚乙烯醇(PVOH)的混合物。加入的PVOH充当稳定剂，并且它看起来对泡沫稳定性和泡沫飞灰粘结料的孔室完整性是关键的。
在此所述的下面泡沫飞灰组合物包含按总组合物百分比计75-80.5%飞灰、3至6%柠檬酸钠(或柠檬酸钾)、0.5至1.5%硅酸钠、14至20%水和0.4至0.7%起泡剂。柠檬酸钠可以替换为柠檬酸钾或可以使用它们的混合物。优选的起泡剂是由长碳链(C12-C16)构成的稳定皂，并且不含氨以防止在混合操作过程中反应进行时出现不想要的氨味。
该工作表明成功制备泡沫飞灰粘结料需要优化两个参数：
飞灰粘结料的反应速率。
用于将泡沫引入飞灰/柠檬酸钠粘结料的方法。
首先均匀混合水、柠檬酸钠、硅酸钠和起泡剂。将这些成分加入飞灰反应性粉末。该混合物立即开始起泡，并在3至6分钟内完成。混合物温度在混合后很快开始上升，这说明如本文作者在前专利申请所述的是放热反应。在室温下硬化持续第一个24hr，并在几天内实现最终强度。原位形成的泡沫粘结料表现出低重量与提高的抗压强度的独特组合。
以水与反应性粉末(飞灰)的重量比为0.18/1至0.23混合以上组分。按标准测试程序测量混合物的立方体抗压强度。使用扫描电子显微镜分析混合物的微结构。
实施例
下面实施例说明加入柠檬酸碱金属盐和柠檬酸钠对本发明水泥质组合物的浆料温升行为、凝结特性和立方体抗压强度(CCS)的影响。portland水泥、C类飞灰和二水合硫酸钙(石膏粉)的混合物作为反应性粉末的组分。
实施例1–混合程序(原位泡沫)
将硅酸钠加入水并溶解。将柠檬酸钠加入溶液并溶解。将皂加入所得的硅酸钠/柠檬酸钠溶液中。接着将硅酸钠、柠檬酸钠和皂的溶液加入飞灰反应性粉末中，并在Hobart混合器中中速混合。在约40秒后，提高混合速度(#3)，并且持续混合总共至多4-6分钟。
搅拌制备包含2.5至8.0%硅酸钠、15至35%柠檬酸钠的溶液，直至所有的硅酸钠和柠檬酸钠先后溶解。向该溶液中加入3-6%起泡剂。加入后柠檬酸钠溶液的粘度显著提高，这证明柠檬酸钠与起泡剂之间的协同相互作用。所用的表面活性剂是Akzo Nobel的商品名为Witconate AOS的α烯烃磺酸盐(AOS)皂。
溶液混合在室温下进行，接着将填充有粘结料的立方体模具置于保持在90%相对湿度和90°F温度的调节室中直至测试时间。
该实施例举例说明使用含硅酸钠的溶液以提高包含柠檬酸钠和C类飞灰并混有二水合硫酸钙的泡沫粘结料相比具有半水合硫酸钙的粘结料的抗压强度性能对前述混合程序得到的骨料颗粒的影响。表1示出通过加入2%柠檬酸钠和不同用量的硅酸钠和起泡剂(AOS)原位起泡的飞灰浆料的组成和抗压强度值。将所有混合物和起泡剂加入水中，之后与飞灰粉末混合3至5分钟以获得给定密度。图1示出表1数据的图，说明包含柠檬酸钠和硅酸钠的泡沫飞灰粘结料相比包含柠檬酸钠而没有硅酸钠的粘结料的抗压强度与密度的关系。
将用于活化飞灰的混合物如柠檬酸钾、柠檬酸钠和任选添加剂如柠檬酸、硼砂、硼酸加入混合水中，之后与飞灰、水泥和任何任选的轻量骨料混合。
采用膨胀粘土骨料与水泥反应性粉末为0.56:1.0的重量比，混合本文所述的组合物。
将立方体在包括湿巾的密封塑料袋中在室温下保持24小时，脱模，接着置于90%相对湿度和90°F的调节室中进行14天测试。使用经编程以满足ASTM C109程序规定的加载速率的SATEC UTC120HVL压缩机测量压碎立方体所需的最大载荷。
采用水与反应性粉末的重量比为约0.26/1和膨胀粘土骨料与飞灰(反应性粉末)的重量比为约0.56/1，混合实施例1中所包括的组分。
将碱柠檬酸盐溶解在水中，之后在室温下与水泥混合。向具有水泥的混合物中加入固体碱柠檬酸盐的其它实验得到相同结果。在Hobart混合器中混合后，将混合物置于2英寸的标准立方体模具中。
使用经编程以满足ASTM C109程序规定的加载速率的SATEC UTC120HVL压缩机测量测试时压碎立方体所需的最大载荷。
这些实施例中所用的原料和成分如下：
硅酸钠
α烯烃磺酸盐皂(Witconate)
C类飞灰(Campbell)
膨胀粘土骨料
柠檬酸钠(一水合柠檬酸三钠)
水与飞灰反应性粉末的重量比通常为0.22至0.287:1.0，并且在反应性粉末基本为100wt%C类飞灰且很少有或没有石膏时该重量比优选0.22至0.2:1。在其中部分C类飞灰替代为F类飞灰的情况下，根据本发明的优选实施方案，使用石膏但要使石膏的量最小。
实施例1(混合物1-17)–原位混合程序
首先将硅酸钠加入水并溶解，接着将柠檬酸钠加入溶液并溶解。接着将皂起泡剂加入硅酸钠/和柠檬酸钠溶液中。接着将所得硅酸钠、柠檬酸钠和皂的水性溶液加入C类飞灰反应性粉末中，并在Hobart混合器中中速混合。在约40秒后，提高混合器速度(速度#3)，并且持续混合总共至多4-6分钟。
搅拌制备包含2.5至8.0%硅酸钠、15至35%柠檬酸钠的溶液，直至所有的硅酸钠和柠檬酸钠先后溶解。向该溶液中加入3-6%起泡剂。加入后柠檬酸钠溶液的粘度显著提高，这证明柠檬酸钠与起泡剂之间的协同相互作用。所用的表面活性剂是Akzo Nobel的商品名为Witconate AOS的α烯烃磺酸盐(AOS)皂。
液体和混合保持在室温下，并将具有粘结料的立方体模具置于保持在90%相对湿度和90°F温度的调节室中直至测试时间。
表1示出包含重量比为20/100的C类飞灰和2.0wt%柠檬酸钠且具有不同用量的硅酸钠和原料皂的混合物的组成。在这些组合物中，柠檬酸钠相对于飞灰的重量%保持恒定在2.0wt%飞灰。表1的数据表明，相比仅包含柠檬酸钠的飞灰粘结料，具有柠檬酸钠情况下增加硅酸钠提高相同密度的泡沫飞灰粘结料的立方体抗压强度。
表1中的数据还表明相比含硼酸的混合物效果，柠檬酸钠的效果在硼砂存在下减小。比较包含相同含量(21.8g)的柠檬酸钠的混合物6和7，其中混合物6使用(7.2g)柠檬酸，混合物7使用(7.2g)硼酸，包含柠檬酸的混合物具有略好的3小时抗压强度，但14天的抗压强度类似。表1中CCS是立方体抗压强度的缩写。
硅酸钠含量增加对具有恒定含量柠檬酸钠的混合物的混合物温升的影响示于图1的绘制图中。如可以在图1中看到的，具有更高用量的硅酸钠的混合物在相同密度下抗压强度显著升高。
在包含2.0wt%柠檬酸钠且没有硅酸钠的混合物#1和#2的情况下，抗压强度在67pcf.的密度下升高至小于800psi，而向包含2.0wt%柠檬酸钠的相同浆料中加入0.5至1.0wt%硅酸钠使得相同密度下的抗压强度为约1200至大于1400psi。该比较结果表明，存在硅酸钠促进与对仅包含柠檬酸钠的混合物测量的相对较高的早期抗压强度有关的反应。
实施例2–外部泡沫的混合程序
混合程序(外部泡沫)
首先使用温水(50至80C)制备PVOH溶液(浓度为2至5%)，直至PVOH完全溶解。使溶液达到室温，接着加入表面活性剂皂(8%皂溶液)并发泡，之后使用标准混合程序与飞灰/柠檬酸钠/水浆料混合。对于该实施例，不加入硅酸钠，并且主要目标是测定PVOH对使用外部泡沫的泡沫飞灰粘结料的影响。所用的表面活性剂是Akzo Nobel的商品名为WitconateAOS的α烯烃磺酸盐(AOS)皂。所用的PVOH为Scksui Specialty Chemical America LLC,Scksui Chemical Company Ltd.的CELVOL205-S。
实施例#2使用含PVOH的皂溶液加起泡剂(soap solution plus foaming agent)的配料包括在表2-1中，实施例#2使用不含PVOH的4%皂溶液加起泡剂的配料包括在表2-1中。液体总量包括混合水、皂溶液中所用的水和用于产生加入飞灰和水混合物中的泡沫的起泡剂的量。表2-1和表2-2中所包括的数据点绘制在图2中。立方体试样类似于实施例1中固化。
观察到采用该起泡程序存在相对较小的泡沫泡，并且泡沫稳定性提高。在实验室中观察到对于具有外部泡沫的混合物在加入PVOH之前，泡沫粘结料表现出不稳定效应，例如一旦将粘结料浇注到模具内，泡沫泡就崩裂和聚结。这些不稳定效应在泡沫粘结料接触空气的上表面附近最明显。相反，向外部泡沫中加入含PVOH的混合物在混入飞灰/柠檬酸钠粘结料中时没有崩裂，而是表现出肉眼难以看到的小孔室气泡网络。提高的泡沫稳定性得到浆料密度为38至70pcf的稳定泡沫飞灰粘结料。加入PVOH对在密度范围(38至40pcf)下限的抗压强度没有表现出显著影响，但是观察到密度高于40pcf的混合物、尤其是50至70pcf的混合物的抗压强度提高。表2-1和2-2中所包括并绘制在图2中的结果表明，加入PVOH可以用于通过防止经(外部)泡沫加入的气泡变形来提高飞灰粘结料的易碎行为。
在图2中，具有含PVOH的预形成泡沫的泡沫飞灰粘结料包括在表2-1中的数据点，以及具有不含PVOH的预形成泡沫的混合物包括在表2-2中的数据点的抗压强度与密度关系。由于相对较小的泡沫尺寸允许在飞灰粘结料中混合相对较高百分比的空气，因此该方法是有利的。
实施例3–使用F类飞灰的混合物
前面实验集中在使用C类飞灰作为与柠檬酸钠或柠檬酸钾混合的主要水泥质粘结料，因为使用F类飞灰的初步结果表明F类飞灰粘结料相比具有C类飞灰的类似配料相对较低的抗压强度。由于商业上期望能够根据所用的当地煤源使用任一类型的飞灰。公知且化学分析表明，C类和F类飞灰之间的化学组成主要差异在于C类相对于F类飞灰高的石灰含量(20%比10%)。
对于该实施例，混合物包含下面组分：
组分A=F类飞灰
组分B=III型PC
组分C=水
工艺变量X=柠檬酸钠
实施例3中所用的每一种混合物组分的上下限和归一化比例包括在表3-1中。注意到每一组分的上下限与总混合物组合带来研究局限。例如，存在由实验的实际条件决定的最小水含量。此外，我们注意到混合物的主要组分是F类飞灰，并且基于关于这些混合物的以前经验进行选择。类似地，基于以前工作选择低含量的柠檬酸钠，在以前工作中选择高含量以收集如以前研究的相对较高含量时的信息。
表3-2示出该实验混合物的设计。采用其它地方描述的标准混合技术制备38份混合物。将混合物组分与膨胀粘土骨料和珍珠岩混合，保持恒定含量。向混合水中加入柠檬酸钠，之后再与飞灰、水泥和轻量骨料混合。
此外，表3-2包括表示为(水与飞灰和水泥)W/C比的混合组分。飞灰含量表示为FA/(FA+PC)百分比。请注意W=混合水，C=FA+PC=总水泥(或反应性粉末)，FA=F类飞灰含量，PC=III型Portland水泥含量。在表3-2中，所述量按克计，除非表示为百分比。在表3-2和3-3中，PC表示Portland水泥，FA表示飞灰。
表3-3包括实施例2中所用的混合物在24小时和14天固化后测得的立方体抗压强度数据。
对24-hr CCS数据的观察结果如下：
通过增加尤其是具有相对较低含量柠檬酸钠的那些混合物的水含量，24hr-强度显著降低。
强度降低可以通过增加柠檬酸钠来弥补。
增加Portland水泥的量(通过减少F类飞灰的量)显著提高24-hr抗压强度。这与使用C类飞灰观察到的结果相反。
对24-hr CCS数据的观察结果如下：
通过增加尤其是具有相对较低含量柠檬酸钠的那些混合物的水含量，24hr-强度显著降低。
强度降低可以通过增加柠檬酸钠来弥补。增加portland水泥(通过减少F类飞灰的量)显著提高24-hr抗压强度。这是与我们进行的前面测试中所报道的C类飞灰结果相反的行为。
分析实施例3中所用混合物的抗压强度获得下面观测结果：
总之，强度随着水与固体之比增加而降低。
24-hr CCS和14天CCS正关联。
14-天CCS和F类飞灰含量负关联，但与Portland水泥含量正关联。
实施例3的结果表明，F类飞灰与III型PC和柠檬酸钠的混合物可以用于实现期望强度。
这些结果还表明当使用少石灰的F类飞灰时，需要加入少量Portland水泥以补充石灰和氧化铝含量来实现所需强度。
基于实施例3结果的F类飞灰和III型Portland水泥配方的混合物的优选配方参数如下：
70至90%F类飞灰
10至30%III型Portland水泥
柠檬酸钠2至4%
水/(飞灰+portland水泥)<0.37，优选<0.33
实施例4
该实施例进一步说明使用含硅酸钠的溶液对提高包含柠檬酸钠和C类飞灰的泡沫粘结料的抗压强度性能的影响。
表4-1和4-2示出使用加入水中的柠檬酸钠和泡沫/皂的泡沫飞灰混合物的组成和抗压强度值，表3-3和3-4示出其中在与飞灰反应性粉末混合之前将硅酸钠、柠檬酸钠和起泡剂加入水中的泡沫飞灰混合物的组成和抗压强度。
表4-1中密度分别为65.4和59.8pcf的混合物#2和#4的14天抗压强度分别为661和479。在表3-2中，我们注意到降低混合物密度的类似不利效果，其中密度为62.9pcf的混合物#2的抗压强度为514psi。
所有测试混合物的C类飞灰含量为1000g，柠檬酸钠含量为40克，由此柠檬酸钠基于C类飞灰重量的wt%为4.0%。
下文所有测试混合物的C类飞灰含量为1000g，柠檬酸钠含量为40克，由此柠檬酸钠基于C类飞灰重量的wt%为4.0%。
如表4-3和4-4中所示，包含硅酸钠和柠檬酸钠的混合物的抗压强度是表3-1和3-2中不含硅酸钠的混合物的抗压强度的超过2倍。例如表4-3中密度为51.4pcf的混合物#1的抗压强度为471psi，这与表4-1中密度为59.8的混合物#4在没有加入硅酸钠时的抗压强度为479psi相当。而且，表4-4中制得的密度为59.5至65.5pcf的混合物的抗压强度为891至1327psi，这与表4-1中不含硅酸钠的混合物具有660psi的抗压强度和65.4pcf的密度有利地相当。
回顾表4-3和4-4中的结果，将硅酸钠的重量%增加超过1.5wt%飞灰不会显著提高抗压强度，因此是不优选的。超过1.5wt%硅酸钠的用量还表现出降低起泡剂效率的趋势。硅酸钠的推荐用量为约0.25至1.5wt.%，优选范围为约0.5至1.0wt.%。小于0.25wt%硅酸钠的用量没有带来抗压强度显著提高。
还已发现，硅酸钠似乎帮助控制初始的放热反应和在混合的(使飞灰与柠檬酸钠发泡所需)初始3-6分钟形成的粘稠飞灰与柠檬酸钠粘结料的发泡。
虽然我们已经描述用于实施我们发明的优选实施方案，但是本公开内容所涉领域的技术人员理解在不脱离其精神和范围下可以对我们的发明进行修改和添加。

Claims (10)

1.一种提供抗压强度和耐水性改善的轻量水泥质混合物的方法，所述混合物用于制备水泥板，所述方法包括：
混合
水、
反应性粉末、
1-200重量份的轻量骨料、
1.5-6重量份的用于促凝的柠檬酸碱金属盐、
0.5-1.5重量份的用于促凝的硅酸碱金属盐、
2.0-6.0重量份的起泡剂和
任选的泡沫稳定剂，
其中所述重量份基于每100重量份干的反应性粉末，
其中水与反应性粉末的重量比为0.22至0.287:1.0，所述反应性粉末包含75至100wt.％飞灰，所述飞灰包括(i)C类飞灰、(ii)具有III型portland水泥的F类飞灰、或(iii)具有任选III型portland水泥的C类飞灰和F类飞灰的混合物，且任选地其中所述反应性粉末不含水硬水泥。
2.根据权利要求1所述的方法，其中将聚乙烯醇泡沫稳定剂溶液加入所述起泡剂和水，以在加入所述反应性粉末、轻量骨料、柠檬酸碱金属盐和硅酸碱金属盐之前外部制备泡沫。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述反应性粉末包含88.5至100wt％C类飞灰。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述混合物具有稳定的微米尺寸气泡，密度为30至65pcf，并且在14天后测量的抗压强度为1000psi至1400psi。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述柠檬酸碱金属盐是柠檬酸钠、柠檬酸钾及它们的混合物中的至少一种，并且其量基于所述飞灰反应性粉末的重量为1.5至6.0wt.％。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括向所述混合物中混合空气夹带剂、第二无机促凝剂及它们的混合物中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述飞灰是C类飞灰，不向所述混合物中加入缓凝剂，并且所述混合物凝结在所述混合物形成后的4至6分钟实现。
8.一种用于制备水泥板的轻量水泥质粘结料的组合物，所述组合物包含如下物质的混合物：
包含75至100wt％飞灰的水泥质反应性粉末；
1-200重量份的轻量骨料；
1.5-6重量份的用于促凝的柠檬酸碱金属盐；
0.5-1.5重量份的用于促凝的硅酸碱金属盐；
2.0-6.0重量份的起泡剂；
任选的聚乙烯醇泡沫稳定剂；和
水，
其中所述重量份基于每100重量份干反应性粉末，
其中所述混合物中水与水泥质反应性粉末固体的比例为0.22至0.287:1；
其中如果存在，溶液中聚乙烯醇相对于水的浓度为2至5％；
其中所述飞灰包括(i)C类飞灰、(ii)具有III型portland水泥的F类飞灰、或(iii)具有任选III型portland水泥的C类飞灰和F类飞灰的混合物；和
其中所述粘结料具有稳定的微米尺寸气泡，密度为30至65pcf，并且所述粘结料在14天后测量的抗压强度为1000psi至1400psi。
9.根据权利要求8所述的组合物，其中所述反应性粉末包含88.5至100wt.％C类飞灰、任选硅灰，但不含水硬水泥或缓凝剂。
10.根据权利要求8所述的组合物，其中所述混合物包含基于水泥质粉末的重量1.5至6.0wt.％的选自柠檬酸钠、柠檬酸钾及它们的混合物的至少一种柠檬酸碱金属盐，0.25至1.0wt.％的选自硅酸钠、硅酸钾及它们的混合物的至少一种硅酸碱金属盐粉末，其中所述轻量骨料包括分布在所述水泥质粘结料混合物组合物内的半水合硫酸钙。
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