CN103501974A

CN103501974A - 用于将添加剂添加至水泥状组合物的方法和设备

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Publication number: CN103501974A
Application number: CN201280019212.3A
Authority: CN
Inventors: T·科斯基宁; H·古斯塔夫松; J-E·泰尔弗克
Original assignee: UPM Kymmene Oy
Current assignee: UPM Kymmene Oy
Priority date: 2011-04-20
Filing date: 2012-04-20
Publication date: 2014-01-08
Also published as: RU2013151604A; CA2832382A1; FI20115386A0; FI123184B; FI20115386A; US20140153353A1; WO2012143617A1; EP2699399A1; JP2014514191A

Abstract

本发明涉及一种用于将添加剂添加至水泥状组合物优选的为混凝土混合物的方法。所述方法包括形成一液体流（A），优选的为水流；提供一添加剂（9）至该系统；通过将添加剂以与所述液体流流向横切和/或逆流方向进料至该液体流（A）的方式，定量进料所述添加剂（9）至所述液体流（A），以这样的方式形成包含所述添加剂和纳米纤维素的混合物；将所述形成的混合物作为添加剂添加至水泥状组合物。此外，本发明涉及一种水泥状组合物以及一种用于将添加剂添加至水泥状组合物的设备。

Description

用于将添加剂添加至水泥状组合物的方法和设备

发明领域

本发明涉及用于将添加剂添加至水泥状组合物的方法和设备。更具体的，本发明涉及用于将纳米纤维素（nanocellulose）添加至水泥状组合物的方法。此外，本发明涉及通过所述方法制备的产品。

发明背景

混凝土是一种由水泥、砂、石和水的混合物制成的建筑材料。混凝土在与水混合和浇筑后，会通过称为水合作用的化学过程固化和硬化。水与水泥反应，水泥将其它成分粘合在一起，最终形成石材状材料。混凝土用来建造路面、建筑结构、地基、汽车道/道路、桥梁/立交桥、停车场设施、砖块/石块墙以及门、围栏和电线杆的底板。

在混凝土技术中，一重要和有趣的领域是自密实混凝土（SCC），它可依靠重力自动铺展和固结。因此，不需要外部振动或另外压实。硬化后的混凝土在结构上与正常的混凝土功能类似。自密实混凝土可用于制备非常高质量的混凝土。因为不需要压实工作，建造过程中的噪音水平明显下降，而且消除了一工作阶段。在自密实混凝土中，可能会发生离析，可以是水或骨料的离析。原材料组合物或含水量的变化甚至可以在很大程度上改变所述自密实混凝土的行为。缺少稳定性限制了所述自密实混凝土在某些应用的使用。

注射砂浆用于与注射技术一起使用。这些材料所要求的性质包括：例如，必要的流动性和水的低离析。添加剂可用于改变混凝土的性质。

发明概述

本发明的目的是提供一种用于将添加剂具体为纳米纤维素添加至水泥状组合物的新方法和设备。将纳米纤维素均匀的添加至各种混合物是非常具有挑战性的。由于水泥混合物例如混凝土的性质且具体为其快速干燥的性质，制造过程可只需非常短的时间，通常只有几分钟。对于添加剂的均匀混合来说，这产生了额外的挑战。

为了实现本发明的目的，根据一优选实施方式，所述方法包括：

-形成液体流，

-提供添加剂至该系统，

-进料通过将添加剂以与所述液体流流向基本横切的方向进料至该液体流的方式，定量进料所述添加剂至所述液体流，以这样的方式形成包含液体和所述添加剂的混合物，以及

-将所述形成的混合物作为添加剂添加至水泥状组合物。

优选的，多亏了所述进料方法，所述添加剂在所述液体流的基本上整个横截面区域混合。

根据另一实施方式，所述方法包含：

-形成液体流，

-将添加剂进料至该系统，

-通过将添加剂以与所述液体流流向基本逆流的方向进料至该液体流的方式，定量进料所述添加剂至所述液体流进料，以这样的方式形成包含添加剂和液体的混合物，以及

-将所述形成的混合物作为添加剂添加至水泥状组合物。

根据一优选实施例，所述添加剂包括纳米纤维素，所述纳米纤维素的固体含量，例如，当提供给所述液体流时可为约2%。根据一优选实施例，当提供给所述液体流时，所述纳米纤维素的固体含量可为0.5至5%，优选的为1至3%。

一独立的注射流体可用于辅助添加所述添加剂，优选的为纳米纤维素。因此，根据一实施例，可以以这样的方式强化所述添加剂至液体流的混合：用于添加所述添加剂的装置，例如添加纳米纤维素的装置不仅包括进料槽而且还包括独立的注射流体进料槽，用于通过注射流体提供所述添加剂至流动槽。根据一优选实施例，所述注射流体进料槽由一侧流槽组成，所述侧流槽连接至流动槽，并用于从流动槽吸收流体并通过喷嘴将该流体传送回所述流动槽。

根据一优选实施例，多亏了横切的添加所述添加剂，例如纳米纤维素的注射，所述添加剂例如纳米纤维素进入所述液体流的均相混合发生于一强化混合区，该强化混合区沿着液体流的流动方向位于或紧随所述定量进料点。如果被添加的所述纳米纤维素混合物的进料速率高于所述液体的流速，该混合变得特别有效。替代或除了横切添加所述添加剂以外，例如，所述添加剂可逆流地提供至所述液体流。另外，在这种情况下，所述添加剂例如纳米纤维素进入所述液体流的均相混合发生于一强化混合区，该强化混合区沿着液体流的流动方向位于或紧随所述定量进料点。即将被进料的添加剂的进料速率在这种情况下也优选的高于所述液体的流动速率。

根据一优选实施例，当纳米纤维素用作添加剂时，根据本发明的方法均匀混合至独立液体流的所述纳米纤维素以这样的方式进一步向前混合至混凝土混合物和/或水泥：用于制备该材料的水的至少一部分被所述纳米纤维素/液体混合物所置换。在一优选的实施例中，所述纳米纤维素/水溶液组成水的总含量的至少60%或至少70%，更优选的至少80%或至少90%，以及最优选的至少95%或至少98%，该水用于制备水泥状组合物，例如混凝土混合物和/或水泥。在一优选的实施例中，所述纳米纤维素/水溶液是唯一的或基本上唯一的水，该水用于制备水泥状组合物，例如混凝土混合物和/或水泥。当采用除了纳米纤维素的以外的其他添加剂时，也可按相应的方式作用。

用于将添加剂添加至水泥状组合物的设备，在一优选实施方式中，主要特征在于它包括：

-一液体流动槽，

-装置，所述装置用于提供添加剂至所述液体流动槽，

-定量进料点，所述定量进料点在所述流动槽中，包括一个或多个开口进入所述流动槽的进料装置，该进料装置方向基本横切于所述液体流的流向，并且用于以这样的方式进料所述添加剂：添加剂在定量进料点混合优选的在所述流的整个横截面区域混合，从而形成包含添加剂和液体的混合物，以及

-用于将所述混合物混合至水泥状组合物的混合装置。

因此，根据本发明的设备包括在流动槽中的一定量进料点，包括一个或多个进料装置，例如喷嘴，该进料装置开口进入流动槽以及方向基本横切于所述液体流的流向，并以这样的方式用于添加，优选的注射，所述添加剂：所述添加剂优选的在定量进料点的流基本上整个横截面区域混合。

沿着液体流动槽，所述设备可包括连续的多个上述类型的定量进料点，优选的包括添加装置，该添加装置连接至定量进料容器并用于将所述添加剂进料和混合进入流动槽内的所述液体流中。

通过本发明的方法，很小数量的添加剂，优选的为纳米纤维素，可均匀的添加至水泥状组合物，例如混凝土混合物和/或水泥。在一实施例中，纳米纤维素以这样的方式用作添加剂：所述纳米纤维素的含量为成品混凝土混合物和/或水泥的0.002至2重量百分数(wt-%)，更优选的不大于0.2wt-%和最优选的不大于0.05wt-%。

通过添加剂，具体为纳米纤维素，可以充分的改进，例如即将制备的混凝土的性质。根据本发明的方法和设备使得可以制备具有统一质量的产品。如果在定量进料点使用了多种进料装置，在槽的不同侧，例如互相相对的两进料装置，也可在定量进料点强化所述添加剂的混合。

根据本发明的方法其主要特征在于权利要求1和15所呈现的。根据本发明的方法其主要特征在于权利要求10特征部分所呈现的。

附图说明

下面结合附图描述本发明，其中：

图1以简图方式显示了根据本发明的方法，

图2更详细的显示了纳米纤维素定量进料和混合点，以及

图3至12列举了测试运行的结果。

发明详述

除非另有说明，本说明书和权利要求中使用的术语具有建筑业以及制浆和造纸工业中常用的含义。具体地，下列术语的含义说明如下。

在本发明中，通过一新颖方法制备了一水泥状组合物，在该方法中一添加剂被添加至水泥状组合物。该术语“水泥状组合物”指由水泥状胶粘剂和至少水组成的材料。这样的材料包括，例如，混凝土，建筑砂浆，和接缝砂浆。通常，例如混凝土由水泥、水、骨料组成，在很多情况下还包括添加剂。

在混凝土的制备中，通常会添加骨料，一般为粗骨料和细骨料，以及化学添加剂。该术语“骨料”表示适合在混凝土中使用的颗粒材料。骨料可以是天然来源的材料、合成材料，或者之前已在在建筑使用过的回收的材料。用于混凝土的骨料包括粗骨料(如砾石、石灰石或花岗石)和细骨料(包括砂)。碎石料或回收的碎混凝土也可以用作骨料。在本发明中，可以使用粗骨料和/或细骨料。该术语“粗骨料”指骨料，该骨料最大尺寸大于或等于4毫米而且最小尺寸大于或等于2毫米。该术语“细骨料”指骨料，该骨料的最大尺寸小于或等于4毫米。

该术语混凝土混合物在本申请中指用于制备混凝土的原材料混合物。

水泥包括，但不仅仅是，普通的波特兰水泥（Portland cements）、快速硬化或超快速硬化水泥、抗硫酸盐水泥、改性的水泥、氧化铝水泥、高氧化铝水泥、铝酸钙水泥和包含添加剂如飞灰、火山灰等的水泥。在本发明中，还可使用其他水泥状的材料，例如飞灰和高炉矿渣，而不是水泥。

术语“自密实混凝土”和术语“自固结混凝土”或SCC，指高度流动性、不离析的混凝土，该混凝土无需要任何机械振动就能展开到位、填充模板和密封最密集的钢筋(reinforcement)。根据本发明，正是混凝土混合物仅依靠自身重量而无需振动就可铺展。根据一优选实施例，在本发明中即将制备的所述水泥状组合物是自密实混凝土。

术语“在水泥状组合物中的添加剂”或“在水泥/混凝土中的添加剂”指一物质，该物质以相对于水泥的小量添加至水泥状组合物，例如混凝土混合过程，以改变新鲜或硬化混凝土的性质。根据本发明的混凝土混合物可包括所谓的水泥状添加剂。术语“水泥状添加剂”指任何的无机材料，包括钙、铝、硅、氧和/或硫的化合物，具有足够的水相活性从而在水的存在下凝固或硬化。

本发明的液体流指任何基于液体的、最常见基于水的流，其中，液体作为载体介质。优选的，所述液体流为水流。

根据一优选实施例，来此纤维素原材料的纳米纤维素被用作本发明的添加剂。术语“纤维素原料”指可用于纤维素浆料、精制浆料或微原纤纤维素制备的任意纤维素原料来源。所述原料可以基于含纤维素的任意植物原料。所述原料也可以源自某些细菌发酵过程。该植物材料可以是木材。所述木材可以是软木如云杉、松树、欧洲冷杉、落叶松、花旗松，或加拿大铁杉，或是硬如桦树、白杨、杨树、桤木、桉树或刺槐，或者软木和硬木的混合物。除了基于木材以外，原料可包括农业废料、草或其他植物材料，例如从棉花、玉米、小麦、燕麦、黑麦、大麦、稻、亚麻、大麻、马尼拉麻、剑麻、黄麻、苎麻、洋麻、西沙尔麻落麻(bagasse)、竹或芦苇得到的稻草、树叶、树皮、种子、壳、花、蔬菜或果实。纤维素原料的来源也可以是生产纤维素的微生物。所述微生物可以属于醋酸杆菌(Acetobacter)属、土壤杆菌(Agrobacterium)属、根瘤菌(Rhizobium)属、假单胞菌(Pseudomonas)属或产碱杆菌(Alcaligenes)属，优选醋酸杆菌属，更优选木质醋酸杆菌(Acetobacter xylinum)种或巴斯德醋酸杆菌(Acetobacter pasteurianus)种。

术语“纳米纤维素”指来自纤维素原料的一组独立的纤维素微原纤或微原纤束。该微原纤一般具有高的长径比：长度可能大于一微米，但数均直径一般小于200纳米。微原纤束的直径也可更多，但通常小于一微米。最小的微原纤类似于所谓的初级原纤，通常直径为2至12纳米。原纤或原纤束的尺寸取决于原料和制浆方法。纳米纤维素还可包括半纤维素；其含量将取决于所述植物来源。从纤维素原料、纤维素纸浆或精制纸浆的纳米纤维素机械制浆可通过合适的装置实施，例如精炼机(refiner)、热磨机(defibrator)、匀浆机、胶体搅拌机、摩擦粉碎机、超声仪、流化床，例如微型流化床、大型流化床，或流化床类型的匀浆机。“纳米纤维素”也可直接从某些发酵过程分离。根据本发明的生产纤维素的微生物可以属于醋酸杆菌(Acetobacter)属、土壤杆菌(Agrobacterium)属、根瘤菌(Rhizobium)属、假单胞菌(Pseudomonas)属或产碱杆菌(Alcaligenes)属，优选醋酸杆菌属，更优选木质醋酸杆菌(Acetobacter xylinum)种或巴斯德醋酸杆菌(Acetobacter pasteurianus)种。所述“纳米纤维素”也可以是任意化学或物理改性的纤维素微原纤或微原纤束的衍生物。化学衍生物可以基于例如纤维素分子的羧甲基化(carboxymethylation)、羟氧基化（oxylation）、酯化或醚化反应。也可以通过在纤维素表面上进行阴离子、阳离子或非离子型物质的物理吸附或它们的任意组合来实施改性。所述修饰可以在制备纳米纤维素之前、之后或过程中进行。

纤维素纳米纤维素有几个广泛使用的同义词，例如：微原纤纤维素、纳米原纤化纤维素（NFC）、纳米原纤纤维素、纤维素纳米纤维、纳米级原纤化纤维素、微原纤化纤维素（MFC）、或纤维素微原纤。此外，通过某些细菌产生的微原纤纤维素也有多种同义词，例如细菌纤维素、微生物纤维素（MC）、生物纤维素、椰纤果（nata de coco）（NDC）或椰果（coco denata）。本发明所述的微原纤纤维素和所谓的纤维素须不是同种材料，该纤维素须也被称为纤维素纳米须、纤维素纳米晶体、纤维素纳米棒、棒状纤维素微晶或纤维素纳米细丝。在某些情况下，相似的术语被用于两种材料，例如在酷卡拉皮地（Kuthcarlapati）等2008年发表于《金属材料与工艺》第20卷第3期第307-314的论文中，所测试的材料被称为“纤维素纳米纤维”，但显然是指纤维素纳米须。通常，不像微原纤化纤维素，这些材料原纤结构不具有无定形链段，从而得至更刚性的结构。此外，纤维素须通常比微原纤化纤维素更短。

在本申请中，术语“基本横切”指与所述物体的夹具为70至110°，更优选的为80至100°，甚至更优选的为85至95°，以及最优选的为87至93°。例如，定量进料添加剂至该液体流基本横切于所述液体流的流动方向指与所述液体流的流动方向夹角为70至110°，更优选的为80至100°，甚至更优选的为85至95°，以及最优选的为87至93°。

在本申请中，参考了图1至12，其中使用了下述参考符号：

A液体流

B流动槽，例如一管道，

M测量

1用于制备水泥状组合物如混凝土的制备装置，

3定量进料和混合点，

3a进料装置，例如喷嘴，

3b注射流体进料槽，

7a用于水泥状组合物的原料，

7水泥状组合物，例如混凝土混合物，

9添加剂，优选的为纳米纤维素，

9a将添加剂进料之前用于存储的容器或相应的结构，

9b用于添加剂，优选的为纳米纤维素的进料线路，以及

9c用于添加剂，优选的为纳米纤维素的定量进料装置。

图1以简图方式显示根据本发明的方法，其中添加剂9，优选的包括纳米纤维素，被提供给液体流A，然后将形成的混合物A,9引导至制备装置1，所述制备装置1用于制备水泥状混合物7，例如混凝土混合物。根据图1的解决方案中，可以使用或不使用独立的添加剂定量进料装置9c。图2依次显示了根据一实施方式的定量进料和混合点3的更加详细的结构。

在本发明中，通过进料一预先决定浓稠度的添加剂至该流A，在定量进料和混合点3将添加剂9定量进料至液体流A，优选的为水流。所述预先决定浓稠度优选的为0.05至5%，更优选的为0.5至2%。优选的，将所述添加剂以基本横切（垂直）该液体流A流动方向的进料至该液体流A，从而在所述流A在定量进料点3处的整个横截面区域混合添加剂9，优选的为纳米纤维素。替代或除了横切添加所述添加剂以外，添加剂9可与该液体流A流动方向逆流地进料至所述液体流A。

根据本发明的方法中，所述添加剂9通过一进料装置进料，例如进料喷嘴，在足够的压力下，从而所述添加剂9均匀的与流A混合。这样，混合通常非常快速的发生，实际中通常在1秒钟之内。一个或多个进料装置3a（例如进料喷嘴）可安装在流动槽B（例如管道）壁内以传输流A，从而在与所述流动槽B纵向基本横切的方向，向着流动槽B的内侧开口。如果有多于一个的进料装置3a，它们可均匀的分布在流动槽B的圆周，例如有两进料装置3a的情况下可以以这样的方式：所述添加剂，优选的为纳米纤维素，从相对的方向进料至所述液体流A。也可以在定量进料点3处使用更多进料装置3a，在流动槽B的不同面，例如两喷嘴可优选的在流动槽B的不同面相互相对。这样，可以在定量进料点3处强化所述添加剂的混合。

多亏根据本发明的添加剂添加，例如，纳米纤维素9在强化混合区均匀的与所述液体流A混合，该强化混合区沿液体流的流动方向位于或紧随所述定量进料点3。如果即将被注射的所述添加剂的进料速率为所述液体的流动速率的至少3倍，以线速度表示，所述添加剂与所述液体流的混合变得特别有效。

为了增大进料线路9b中的所述添加剂9的进料速率至混合所需的足够高的水平，也可使用一注射流体，该注射流体被抽吸至管道并从与所述添加剂（例如，纳米纤维素分散液）相同的进料装置3a（例如喷嘴）进料。因此，根据一优选的实施例，所述注射流体进料槽3b是一侧流，该侧流从即将被加工的液体流A（主流）中分离出来，并且在定量进料点3与所述液体流（主流）A再次汇合。这些在图2中列举，该图显示了注射流体是怎样优选的通过连接一侧流作为所述注射流体进料槽3b至槽（管道B）而从液体流A得到的。

在一实施例中，可通过图2所示的并提供于注射流体进料槽3b（或侧流槽）的辅助泵，使注射流体进料槽3b内的注射流体获得足够的进料压力，从而使所述注射流体可以以足够的速率通过喷嘴3b流回流动槽（管道）B。作为侧流引导流经喷嘴3a的流的体积只是主流体积的一部分。因此，根据本发明，在定量进料所述添加剂（如纳米纤维素）至混凝土混合物前，通过只使用少量侧流例如少于即将加工的液体流总量的10体积百分数(vol%)，优选的少于5vol%，所述添加剂与流体A的混合可在相对低的压力下执行。

根据一优选实施例，所述注射流体进料槽3b（如图2所示）与一添加剂进料管道9b一起开口至流动槽B，它们由此构成了进料装置（喷嘴结构）的结构。因此，进料装置3a优选的由添加剂进料管道9b和注射流体进料槽3b在流动槽B内壁上的同心开口端组成，以使注射流体进料槽3b的端部以环状方式富集添加剂进料管道9b的端部。此外，所述注射流体进料槽3b的终止端优选的为锥形，以增加喷嘴3a的线性流动速率。

被压力排放至流动槽B中所述液体流A的所述注射流体产生了注射器效应，来自添加剂9进料管道9b的溶液也借此被带入所述注射流体。所述注射流体以足够速率流动且横切于所述液体流流动方向，可有效的与液体流A在进料装置3a处横截面的溶液流混合。强化混合发生的区域在图2中用虚线标注。注射流体的进料压力优选的调节成这样：在注射流体和所述添加剂9注射进入流体A处的速率，至少是三倍，优选的至少是五倍于管道B中流体流A在此处的流动速率。可在一个或多个连续进料点提供与图2所示类似的排布。如果在液体流A的流动方向，有两个或更多连续的用于所述添加剂9例如纳米纤维素的定量进料点3，所述添加剂9可以以小部分定量进料。因此，可以通过相对简单的构造提高总的效率。

在一优选实施例中，根据本发明的方法，通过注射一种或多种添加剂至液体流A，添加所述的一种或多种添加剂。当根据本发明的方法通过注射添加所述一种或多种添加剂时，所述一种或多种添加剂可在例如与纳米纤维素相同的注射点，和/或独立的注射点添加。多亏了根据本发明的有效混合，所述一种或多种添加剂可有效的与水泥状组合物例如混凝土和/或水泥混合，其中，有可能减少所需添加剂的数量。

根据一优选实施例，将被注射至少一种添加剂的所述液体流A可包含添加剂。

在一优选实施例中，根据本发明的所述设备包括用于添加剂9的定量进料装置9c。因此，根据一优选的实施例，将下述数据输入所述定量进料装置9c：

-所述即将制备的添加剂批料的尺寸，例如纳米纤维素批料的尺寸；

-所需的添加剂在水泥状组合物7例如混凝土混合物中的含量，例如，纳米纤维素的含量；以及

-即将被进料至定量进料点3的所述添加剂的干含量，例如纳米纤维素的浓稠度。

根据这些预先决定的参数，所述定量进料装置9c将定量进料一定数量的添加剂9至水泥状组合物7的制造过程。优选的，定量进料通过控制所述添加剂进料线路9b中的流来进行。

根据一优选实施例，当使用了所述添加剂定量进料装置9c时，至少进料线路的流优选的是从所述添加剂进料线路9b测量而来的。当纳米纤维素用作至少一添加剂时，所述纳米纤维素优选的具有一预先决定的固体含量。必要时，可通过从例如包含纳米纤维素的容器获取独立的样品来监控纳米纤维素的固体含量。

在进料线路9b中添加剂的足够的进料速率可这样实现，例如，用泵抽吸所述添加剂9（图中未显示）。所述添加剂的剂量优选的以进料线路中的流为基础来控制。

混合了所述添加剂9的所述液体流A被引导至定量进料和混合点3的下游，且通过装置1添加至水泥状组合物用于制备水泥状组合物。还可在将所述添加剂9添加至水泥状组合物，例如混凝土混合物之前采用一独立的中间容器（图中未显示）。因此，优选的可利用搅拌机连续搅拌中间容器的容纳之物。制备的添加剂与液体的混合物，优选的为纳米纤维素和液体，用于置换制备水泥装组合物的至少一部分的水。

下文中，我们将提供实际实施的实验，证明具体的因添加纳米纤维素添加剂所带来的益处。此外，我们比较了纳米纤维素添加剂的高效混合与现有技术的混合效果。实施测试运行的实验室条件将在下面的实施例1至3更加详细的描述。在这些实施例中，我们为水/水泥比例使用了缩写“w/c”。我们使用了纳米纤维素作为添加剂，其缩写为MFC。

实施例1和2：

使用的材料：

纳米纤维素：

1)工业质量的微原纤纤维素，或者所谓的工业MFC。术语“工业MFC”在本申请中指从精炼纸浆中通过分级例如通过滤布或滤膜去除了更大的纤维素纤维而得到的精炼的和分级的纸浆。所述工业MFC不包括大纤维，例如直径大于15微米的纤维。

2)微原纤纤维素L1,或者所谓的MFC-L1。术语MFC-L1在本申请中指材料，该材料的活化基于纸浆、纤维素原料或精炼纸浆的氧化。因为活化，纸浆可轻易的从微原纤纤维素中崩解。因为活化反应，在MFC-L1纤维的表面形成了醛基和羧基等官能团。

3)微原纤纤维素L2,或者所谓的MFC-L2。术语MFC-L2在本申请中指材料，该材料的活化基于纸浆、纤维素原料或精炼纸浆的羧甲基化（carboxymethylation）。因为活化，纸浆可轻易的从微原纤纤维素中崩解。在MFC-L2纤维的表面形成了羧基等官能团。

除了纳米纤维素添加剂样品，还制备了参比样品，该参比样品没有添加纳米纤维素。这些称为“参比”，在本申请的下文及图3至12中还称为“对照”。

水泥：

在所有测试点中使用的水泥是芬兰芬塞门蒂公司（Finnsementti Oy）的CEM II/A-M(S-LL)42,5N水泥。

实施例1

在测试运行中，测定了将要使用的纤维素材料的浆料混合物的流变性，即：

1)工业MFC，

2)MFC-L1，以及

3)MFC-L2。

方法：

混合

该浆料的混合是通过霍伯特（Hobart）砂浆搅拌机实施的。混合时间为3分钟（2分钟低速＋1分钟高速）。首先用搅拌器手动将纸浆和纤维素材料与水（可能和塑化剂）混合。

流变性

所述浆料混合物的流变性是用粘度计(里奥特斯特（Rheotest）RN4)测定的。混合之后，将所述浆料添加至同轴的圆筒中进行测试。改变剪切速率，并测定样品的剪切应力。

测试计划：

所述浆料混合物的组成见表1。调节浆料的水/水泥比例，从而使所有浆料的加工性变得一样。这对应于几乎恒定的屈服极限。

表1.浆料的组成和相应的流变学结果

所述浆料混合物的流变性是在混合后立即测定的。测试进行了约15分钟。

测试结果：

测试结果见上述表1以及图3和4。测试运行表明当纳米纤维素（MFC）用作添加剂时，可以以这样的方式制备更高水/水泥比例的浆料：它们的可加工性和稳定性与参比样品相比仍然相同。。对于本实施例中的参比浆料，使用更高的水泥含量以达到合适的加工性。在测试运行中，还观察到增大屈服极限的影响。

图3显示未使用塑化剂而形成的浆料的剪切应力(Pa)与剪切速率(1/s)的关系。参比样品，样品MFC-L20.25%，以及样品MFC-L20.125%的水/水泥比例（w/c）为：0.400、0.593和0.539。

图4显示使用塑化剂而形成的浆料的剪切应力(Pa)与剪切速率(1/s)的关系。参比样品，样品MFC-L20.25%的水/水泥比例（w/c）分别为0.355和0.539。

实施例2

在测试运行中，，通过采用工业微原纤纤维素和MFC-L1制备，实施了水从注射砂浆离析的研究和粘度研究。

方法：

混合

所述注射砂浆用高速搅拌机(德索（Desoi）AKM-70D)混合。水泥、水和纤维素的混合总是在5000转每分钟的速度下进行。首先加入水，然后加入短暂预混合（短于5秒钟）后的纤维素，且最后加入水泥。水泥的混合时间为两分钟。在某些情况下，所述纤维素在5,000或10,000转每分钟下预先混合（或分散）两分钟。

测试新鲜注射砂浆的方法

水的离析通过下述测量：将一（1）升砂浆倒入一测量烧杯（体积为1000毫升且直径为60毫米），然后测量两小时后离析的水的数量。

使用马氏漏斗并根据标准（EN14117）测量马氏粘度（Marshviscosity）。

测试设定和结果

注射砂浆的对照混合物和包含工业微原纤纤维素（工业MFC）混合物的组成和测试结果见表2和图5至7。

表2.包含工业微原纤纤维素（工业MFC）混合物的组成(control（对照）=ctrl（对照）)。

图5显示了w/c比例为0.65至1.00的对照混合物，以及w/c比例总是为1.00的包含纤维素纤维（工业MFC）的混合物中水的离析（两小时后）。

图6显示了w/c比例为0.65至1.00的对照混合物，以及w/c比例总是为1.00的包含纤维素纤维（工业MFC）的混合物中的马氏粘度值。

图7显示了w/c比例为0.65至1.00的对照混合物，以及w/c比例总是为1.00的包含纤维素纤维（工业MFC）的混合物中的马氏粘度值。

包括从活化纸浆(MFC-L1)得至的微原纤纤维素纤维的注射砂浆混合物的组成见表3和图8至10。三种混合物（混合物2、3和4）在5000或10000转每分钟下对纤维素预混合（分散）了两分钟。

表3所示的混合物仅可以以下方式与水混合和预混合：

对照样品：首先水+水泥+混合(5000转每分钟，两分钟)。

混合物1：对照(w/c比例=1.00)–水和水泥在5000转每分钟下混合一分钟。添加纤维素至该混合物，然后继续在5000转每分钟下混合两分钟

混合物2：干纤维素为水泥的0.05％－纤维素和水在5000转每分钟下混合两分钟。添加水泥至该混合物，然后继续在5000转每分钟下混合两分钟。

混合物3：干纤维素为水泥的0.05％－纤维素和水在10000转每分钟下混合两分钟。添加水泥至该混合物，然后继续在5000转每分钟下混合两分钟。

混合物4：干纤维素为水泥的0.05％－纤维素和水在5000转每分钟下混合两分钟。添加水泥至该混合物，然后继续在5000转每分钟下混合两分钟。

表3.包含从活化纤维素浆料(MFC-L1)制得的微原纤纤维素纤维的注射砂浆混合物的组成。

图8显示了w/c比例为1.00的对照混合物，以及w/c比例总是为1.00的包含纤维素纤维（MFC-L1）的混合物中水的离析（两小时后）。

图9显示了w/c比例为1.00的对照混合物，以及w/c比例总是为1.00的包含纤维素纤维（MFC-L1）的混合物中水的马氏粘度。

图10显示了对照混合物和包含纤维素(MFC-L1)的混合物的马氏粘度值和水离析值。所有混合物的w/c比例都为1.00。

实施例1和2的结果总结

实际实施的实验表明：微原纤纤维素纤维降低了水从注射砂浆的离析，提高了注射砂浆的粘度。马氏粘度的相对升高低于水离析的相对降低，例如50%(工业MFC为水泥的0.263%，且w/c比例为1.00)，以及例如20%对63%(MFC-L1为水泥的0.05%，且w/c比例为1.00)。

水离析测试表明：微原纤纤维素纤维将从w/c比例为1.00注射砂浆的水离析降低至具有更低w/c比例的对照混合物的水平。例如，纤维素纤维（工业MFC）含量为干水泥的0.34重量百分数且w/c比例为1.00的混合物产生的水离析约与w/c比例为0.75的对照混合物的一样低。

根据马氏粘度测试，可总结出微原纤纤维素纤维提高了w/c比例为1.00的注射砂浆的粘度至具有更低w/c比例的对照混合物的水平。马氏粘度的增量取决于所添加纤维素纤维的数量。如果增加的纳米纤维素含量不够高，粘度的增量是低的。

实施例3

砂浆的制备中来自活化纸浆的微原纤纤维素的制造。

所述微原纤纤维素添加剂可通过一工业常用的设备在制备包含湿水泥制剂的过程中从活化纸浆制备。例如，通常使用用于均匀注射砂浆的高速搅拌机，如德索（Desoi）AKM-70D。本实施例表明这种类型的搅拌机可怎样根据本发明用于把活化纸浆原纤化成非常有效的添加剂。

测试设定和结果

使用了有或没有预分散的化学改性的纸浆（即，和用于制备MFC-L1同样的纸浆）的注射砂浆混合物的组成和测试结果见表4和图11和12。结果中还包括了一不含纤维素的参比样品。

表4.包括有或没有活化化学改性或预分散的纸浆（MFC-L1制备的前驱体）的注射砂浆组成。

图11显示了w/c比例为1.00的对照混合物，以及w/c比例也为1.00的包含活化纸浆（混合物1，MFC-L1前驱体）的混合物、和用德索（Desoi）AKM-70D搅拌机原纤化的MFC-L1制备混合物（混合物2）中水的离析（两小时后）。

图12显示了w/c比例为1.00的对照混合物，以及w/c比例也为1.00的包含活化纸浆（混合物1，MFC-L1前驱体）的混合物、和用德索（Desoi）AKM-70D搅拌机原纤化的MFC-L1制备混合物（混合物2）中的马氏粘度。

在预分散中，干材料（干活化纸浆）在水中的含量为1%。所述预分散是用高速搅拌机(德索（Desoi）AKM-70D)在10000转每分钟下实施的。得到的干含量为1%的预分散纸浆用于制备注射砂浆。

水泥、水和纤维素的混合（预混合的或没有预混合的）在5000转每分钟的速度下实施。首先加入水，然后加入短暂预混合（短于5秒钟）后的纤维素，以及最后加入水泥。水泥的混合时间为两分钟。

测试表明预分散的活化化学改性纸浆降低了注射砂浆的水离析，提高了注射砂浆的马氏粘度。没有预分散，不能降低水离析，也不能提高马氏粘度。

水离析测试表明：预分散的活化化学改性纸浆把从w/c比例为1.00注射砂浆的水离析降低了65％。

以马氏粘度测试为基础，可以总结出预分散的活化化学改性纸浆把w/c比例为1.00注射砂浆的粘度提高了约19％。

从上述实施例可以看出，当提供根据本发明的混合效率时结果明显更好，而且因为纳米纤维素与水泥的混合提高了，所以水泥的性质也得到了相当多的提高。本发明公开了一种工业上适用的方法和设备，所述方法和设备用于将一添加剂均匀的混合至水泥状组合物，例如混凝土混合物和/或水泥。

将纳米纤维素均匀的添加进入水泥状组合物例如混凝土混合物和/或水泥尤其重要，因为不均匀的混合将引起混凝土混合物和/或水泥最弱的点决定混凝土的强度的情况。

多亏了本文的工业上适用的方法和设备，可以以这样的方式将纳米纤维素混合至水泥装组合物：例如制备的混凝土混合物的性质可有相当多的提高。

本发明不仅限于图1至12展示的实施例和上面的描述，但本发明的特征在于下述权利要求所呈现的。

Claims

1.一种将添加剂添加至水泥状组合物的方法，其特征在于，所述方法包括

-形成液体流（A），

-提供添加剂（9）至该系统，

-通过将添加剂以与所述液体流流向基本逆流方向进料至该液体流（A）的方式，定量进料所述添加剂（9）至所述液体流（A），以这样的方式形成包含所述添加剂和液体的混合物，以及

-将所述形成的混合物作为添加剂添加至水泥状组合物中。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述添加剂（9）包括纳米纤维素。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法包括引导所述纳米纤维素通过进料线路（9b）至所述液体流（A），其中，纳米纤维素的干含量在所述进料线路（9b）中低于10%。

4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，纳米纤维素在成品水泥中的含量不高于2重量百分数，更优选的不高于0.2重量百分数，以及最优选的不高于0.05重量百分数。

5.如权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，将所述添加剂（9）进料至所述液体流（A）的速率至少为液体流(A)流动速率的三倍，优选的为五倍。

6.根据前面的权利要求任一项所述的方法，其特征在于，所述添加剂（9）通过注射流体进料至所述液体流（A）。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法包括使用注射流体，所述注射流体包括与所述液体流（A）的流体相同的物质，以及优选的是从所述液体流（A）分出、并且被引导回所述液体流（A）的侧流。

8.如权利要求1至7任一项所述的方法，其特征在于，所述方法中使用的水泥状组合物是混凝土混合物。

9.如权利要求1至8任一项所述的方法，其特征在于，所述方法中使用的所述液体流是水流。

10.一种将添加剂加至水泥状组合物中的设备，其特征在于，所述设备包括：

-液体流动槽（B），

-用于提供添加剂至所述液体流动槽（B）的装置（3a），

-定量进料点（3），所述定量进料点(3)在所述流动槽（B）中，包括一个或多个开口进入所述流动槽（B）的进料装置（3a），该进料装置（3a）方向基本横切于用于液体流动槽（B）的所述液体流（A）的流向，并且用于以这样的方式进料所述添加剂：添加剂在定量进料点与所述流混合，从而形成包含添加剂和液体的混合物，以及

-用于将所述混合物混合至水泥状组合物的混合装置。

11.如权利要求10所述的设备，其特征在于，所述设备包括用于进料注射流体的注射流体进料槽（3b）。

12.如权利要求10或11所述的设备，其特征在于，所述设备包括添加剂定量进料容器（9a），其中，所述一个或多个进料装置（3b）连接至所述定量进料容器（9a）。

13.如权利要求10、11或12所述的设备，其特征在于，所述添加剂包括纳米纤维素。

14.如权利要求10、11、12或13任一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括添加剂定量进料单元（9c），所述定量进料单元（9c）用于以预先决定的参数为基础决定即将被定量进料的所述添加剂（9）的数量，该参数包括下述目标值的至少一种：

-进料至所述定量进料点（3）的所述添加剂的目标固体含量，

-进料至定量进料点（3）的纳米纤维素的目标数量，以及

-制得的所述水泥状组合物中的目标添加剂含量。

15.一种将添加剂添加至水泥状组合物的方法，其特征在于，所述方法包括

-形成液体流（A），

-提供添加剂（9）至该系统，

-通过将添加剂以与所述液体流流向逆流的方向进料到该液体流（A）的方式，定量进料所述添加剂（9）到所述液体流（A），以这样的方式形成包含所述添加剂和液体的混合物，以及

-将所述形成的混合物作为添加剂添加至水泥状组合物。

16.一种水泥状组合物，优选的为混凝土混合物，包括添加剂（9），所述添加剂（9）根据权利要求1至9或15任一项所述的方法添加，或通过权利要求10至14任一项所述的设备添加。