CN1043137C - 轻质集料及其生产方法和用途 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于建筑材料产品的改进的轻质集料。轻质集料包含涂有至少含10%(重量)的一种或多种过渡金属离子如铁离子的粘合剂的多孔颗粒。

Description

轻质集料及其生产方法和用途
本发明涉及用于制造建筑材料如水泥产品，石膏产品，灰泥板等的改进的轻质集料，本发明进一步涉及加入集料的建筑材料，以及制造轻质集料和加入集料产品的方法。
通过在水硬粘合料如水泥/砂/水混合物中加入轻质集料如蛭石，软木，矿渣，石棉，蔗渣等来制造低密度混凝土的方法是已知的。由加入泡沫颗粒，如聚苯乙烯泡沫，作为轻质集料而制得的低密度混凝土具有许多改善的特性，然而，水泥材料并不容易同这些憎水的轻质集料粘合。在使用聚苯乙烯泡沫颗粒(是天然高憎水性的)时，曾提议在水泥中加入粘合剂，或在颗粒上预涂粘合剂，目的是为了提高泡沫颗粒与水泥之间的粘合性。
所提议的各种粘合剂包括沥青产品，煤焦油和沥青与环氧树脂或酚醛树脂的混合物。这些粘合剂被认为是起着软化可发性聚苯乙烯颗粒的表面的作用，从而提高颗粒和固化水泥之间的粘合强度。
这种材料的使用会遇到一个缺点，即当将沥青和焦油状产品施涂于聚苯乙烯颗粒中会趋于导致颗粒聚集成块使表面发粘而很难分散、而且，涂料有很浓的沥青气味，这在以前的成品中就已发觉，更重要的是聚苯乙烯泡沫颗粒和固化水泥之间的粘合强度要比希望的差。
由于粘合剂是粘性的，通常在一混合器中将粘合剂涂在聚苯乙烯上，然后在同一混合器中加入水泥和水形成混凝土以避免处理粘性集料。可供选择地，可通过随后将涂沥青的聚苯乙烯珠粒粉末化以防粘性集料的粘结。在施工现场，与微小颗粒物质如水泥粉和加入的水泥及水放入模子中进行模压。
本发明的一个目的是提供一能避免或至少改善已有文献中述及的缺点的改进的轻质集料，并在其优选实例中提供集料和水泥材料间增强的粘合性，增强的粘合性意味着比已有文献述及的轻质集料可获得更好的粘合强度。
按本发明的一个方面是在于轻质集料包含涂有粘合剂的轻质多孔颗粒，所述的粘合剂包含至少10％(重量)的一种或多种过渡金属离子，过渡金属离子通常选自已知过渡金属如钻和铬的组，且此组同样包括所有已知过渡金属的氧化态。过渡金属离子存在于离子化合物或配位化合物中。
在轻质集料的优选实例中多孔颗粒是平均直径为从0.5到15mm的可发性聚苯乙烯泡沫颗粒，且可以是球状，珠状，丸状或再生颗粒。优选的粘合剂是沥青，它从水的乳浊液中施涂于聚苯乙烯颗粒的表面，所希望的过渡金属离子是以氧化铁存在的铁离子，它悬浮于在将乳浊液施涂于聚苯乙烯颗粒之前使用粘度改性剂的沥青乳浊液的水相中。
同样希望乳浊液含表面活性剂和分散剂，能联结聚苯乙烯颗粒和粘合剂。
涂有本发明粘合剂的聚苯乙烯珠粒能自由滚动，它们可直接加到水硬水泥混合物中或包装，贮存，运输，然后在如建筑土地上与混凝土混合物混合。聚苯乙烯珠粒有一独特的“化学包装”，使它们能均匀分散，且与水泥材料牢固粘合而不需要为此目的再加入化学制品。按本发明含集料的混凝土对重量比来说具有惊人的高模压强度，且与已有文献相比还有其它的改进性能。
按确切(反应)机理，离子氧化物的存在并不一定能增加水泥和集料间的粘合强度。波特兰水泥是铝硅酸钙粉，作为固体块与水作用，在加水前，它主要是由硅酸钙(Ca2SiO4和Ca3SiO5)和铝酸钙(Ca3Al2O6)的混合物组成的，当与水作用时，铝酸盐发生水解生成氢氧化钙和氢氧化铝，进一步地与硅酸钙反应形成铝硅酸钙的网状晶体。假定，在本发明的集料中，铝硅酸钙与聚苯乙烯间的粘合是通过在铁离子和聚苯乙烯(使用pi键)及二氧化硅、氧化铝(使用配位键)的供电子基团之间形成稳定的键而得到加强的。
已知，离子与氧及其它无机供电子体如水合Fe(H2O)6 ++和Fe(OH)2(H2O)8 +4形成许多化合物，同样已知，亚铁离子与有机分子如血红蛋白和二茂铁能形成非常强的配位化合物。本发明中，认为当将按本发明的集料加入水泥混合物中，铁会形成相似的桥键结构。另一个可能性是过渡金属离子化合物的晶体结构有助于聚苯乙烯和水泥间的物理粘接。
扫描电子显微镜显示了聚苯乙烯珠状/颗粒周围的部分铁原子，这就进一步证实了铁的粘合作用，是否它是通过过渡金属的粘合，结晶相的形成能增加水泥的强度，或者是一些另外的机理。当使用其它的过渡金属时，认为包含相似的机理。
现在本发明的各种实例将只通过实施例作更详细的描述。
按本发明首先选择的是轻质颗粒材料。优选的材料是闭孔泡沫颗粒材料如可发性聚苯乙烯泡沫。典型的聚苯乙烯是珠状或球状，由裂解或再生废聚苯乙烯泡沫(正确的分级过程)所获得不规则颗粒也同样适用，其它材料颗粒如软木，蛭石，珍珠岩，高炉矿渣，蔗渣和相似的轻质集料材料及其它高聚物泡沫都可选择用于水泥产品中，其中所需性能标准不如用于混凝土的严格。
优选的闭孔泡沫聚苯乙烯珠粒的直径可如0.5到15mm，优选的直径为3到5mm，典型的密度为12到20kg/m3，更优选的为14到18kg/m3，然而聚苯乙烯泡沫的密度并不是至关重要的。
聚苯乙烯珠粒涂有粘合剂，优选的粘合剂为沥青或焦油，但也可以是合适的高聚物或天然或合成树脂。实施例中包括酚醛树脂，紫胶片，环氧树脂，聚乙酸乙烯酯等，优选的粘合剂是苯酚和烷基取代脂肪族、芳香族和杂环芳香族化合物沥青甲苯可溶的混合物分子量的范围在500-1000，具有40-45℃的软化点。粘合剂起粘合氧化铁和聚苯乙烯颗粒表面的作用，并降低聚苯乙烯的增水性。
优选地，粘合剂在水中在合适的搅拌装置如均化器中乳化。
希望加入表面活性剂，表面活性剂被认为至少起二个重要的作用，其一是有助于沥青的乳化，然而表面活性剂通过沥青来粘合聚苯乙烯同样被认为有助于集料在水泥中的分散。所用表面活性剂的数量因此比仅仅用于乳化的要多。各种阴离子，阳离子或非离子表面活性剂都可用于本发明，阴离子表面活性剂是优选的，合适的阴离子表面活性剂包括烷基和芳基磺酸盐如以商标为Alkanol来销售的，木素磺酸钠和皂化树脂阴离子表面活性剂都是优选的。
在制备本发明的集料时，过渡金属化合物分散在乳浊液的水相中，优选的过渡金属化合物是过渡金属的氧化物并优选氧化铁，铁离子的粘合作用上面已讨论过，同样认为当使用氧化铁时氧化物离子的存在会阻止二氧化碳通过加入集料混凝土的扩散。通常，二氧化碳与水泥石灰反应产生方解石，这样就能降低pH值并有助于混凝土结构中钢筋的腐蚀。当在集料中有过渡金属氧化物时，二氧化碳与氧化物阴离子反应生成碳酸根离子，这样就能降低碳酸盐的腐蚀，所希望的氧化铁以金属氧化铁颜料的形式存在。其它的过渡金属化合物如铬，钴和镍，如以氧化物或盐或配位化合物形式也可使用，使用粘度调节剂或增稠剂使氧化铁存在于悬浮液中，合适的粘度调节剂是改性的纤维素化合物如烷基羧基纤维素，为了防止氧化铁从乳浊液中析出，希望将粘度增加到大约25帕斯卡秒。
在优选的实施例中，通常涂在轻质颗粒材料上的乳浊液含30-45份(重量)的无水分散相和70-55份(重量)的乳浊液水相的，更优选地，分散相是乳浊液的35-40份(重量)，无水相是苯酚和烷基取代的脂肪族芳香族，和杂环芳香族化合物的甲苯可溶混合物，其分子量范围在500-1000，具有40-45℃的软化点。在优选的实施例中，水相是由约50份水与2份高分子量苯酚和酸性化合物即松香酸与氢氧化钠中和生成-阴离子乳化剂而组成的，其中，水相分散约5到20份(重量)的金属氧化物颜料水相，和约1-2份(重量)的改性纤维素化合物(如羧甲基纤维素)的水相，以增加悬浮液的粘度和稳定性，可任意包括一联苯酚或其它杀菌剂(0.05份)和0.05份香料，随后沥青相在水相中乳化。生成的乳浊液的粘度应该不能明显看到固体的沉降和产物刚好能倒出。最终配方的pH应在pH9-pH10的范围内是优选的。在施涂到可发性聚苯乙烯珠粒表面前，乳浊液用水以1∶1的比例稀释，然后与珠粒混合。粘合剂至少含10％(干重)的过渡金属氧化物，在优选的乳浊液中，占乳浊液5-15％(重量)的是氧化铁，当乳浊液的40-60％是水时，作为沥青相百分数的氧化铁在约10到50％(重量)的干沥青的范围内，氧化铁可以矿物颜料的形式存在。
下面是本发明配方的实施例：
  实施例1                      实施例2沥青            33.50kg    沥青            35.50kg水              51.00      水              48.00三氧化铬        12.00      氧化高钻        13.00氧化松香树脂    2.00       氧化松香树脂    2.00甲基纤维素      1.00       甲基纤维素      1.00氢氧化钠        0.25       氢氧化钠        0.25联苯酚A         0.15       联苯酚A         0.15香料            0.10       香料            0.10
             ----                       ----
           100.00kg                   100.00kg
    实施例3              实施例4沥青             36.50kg 沥青         35.00kg水               51.00   水           57.00氧化铁           9.00    氧化铁       5.00氧化松香树脂     2.00    氧化松香树脂 1.75甲基纤维素       1.00    甲基纤维素   1.00氢氧化钠         0.25    氢氧化钠     0.25联苯酚A          0.15                 ----香料             0.10                100.00kg
             ----
             100.00kg
   实施例5                    实施例6沥青            32.00kg     PVA乳浊液水              45.00       〔50％固体〕    35.50kg硫酸镍          20.00        水             48.00氧化松香树脂    1.75         氧化铁         15.00甲基纤维素      1.00         氧化松香树脂   3.00氢氧化钠        0.25         甲基纤维素     1.00
            ----         氢氧化钠       0.30
            100.00kg     联苯酚A        0.20
                                        ----
                                        100.00kg
        实施例7          实施例8苯酚预聚物      10.00kg    苯乙烯-丙烯的乳浊液水               70.00    〔50％固体〕        20.00kg氧化铬           15.00     水                 60.00氧化松香树脂     3.00      氧化铁             15.00甲基纤维素       1.50      氧化松香树脂       3.00氢氧化钠         0.30      甲基纤维素         1.50联苯酚A          0.20      氢氧化钠           0.30
            ----        联苯酚A           0.20
            100.00kg                       ----
                                         100.00kg
制备实施例1-5涂层材料的优选方法如下所述：
首先将沥青预加热140℃，并将水加热至约60℃，表面活性剂在水中分散，然后将粘度调节剂加入溶液中，以避免结块，接着将过渡金属氧化物加入水相并高速混合至完全分散，然后在水相中加入香料和杀菌剂并溶解，热沥青在水相中乳化，待完全乳化后，使混合物冷至室温，约24小时后最终乳浊液的粘度约25±5帕斯卡秒，且无过渡金属氧化物的沉淀。
在实施例6到8的情况中，树脂在加入粘度调节剂前就预乳化，或在处理过渡金属氧化物前就选择具有合适粘度的乳浊液。
用常规方法在集料上涂乳浊液，涂料组合物与集料之比随所选的集料，乳浊液的固体含量，施用当天的湿度等因素而变化，然而合适的涂料固体与集料之比可通过制备使用各种涂料固体与集料之比的混凝土样品然后测试样品的抗压强度就很容易获得。
在涂布过程中或涂布后即刻，希望在集料涂布时加入碳酸钙，碳酸钙粘合处理过的集料。
涂有乳浊液的轻质集料颗粒干后能自由流动且能贮存，不会聚集结块。
集料可用于将本发明的轻质集料加入砂/水泥/水中以与加入石子或砂子集料相似的方法混合来制备低密度混凝土。
能标绘出加入本发明集料的轻质混凝土的抗压强度(Mpa)～密度(kg/Cu.M)的连续曲线，密度从300kg/m3变化到1800kg/m3，相应的抗压强度从0.5MPa变化到25MPa。混合料设计成相应于这些包括高水泥含量和低水/水泥比的各种密度和抗压强度，在各种混合中，水泥含量的变化从200kg/m3到550kg/m3，且水/水泥比为0.4或更小。这些值可与抗压强度为2-60MPa的标准混凝土相比。本发明集料能提供在低水/水泥比时的优异的施工性能，达到很好的紧密性，集料上的涂层有助于通过减少混凝土中空气的量而产生固体基块，且同样在减少混凝土对二氧化碳敏感性的同时增强集料和水泥间的粘合。加入本发明集料的各种混凝土混合物的密度列于表1中。
本发明的轻质集料可用于其它建筑材料如熟石膏。实施例9是其中集料为涂有实施例3配方的聚苯乙烯珠粒的轻质熟石膏。接本发明的数值表明了产生约1立方米的最终熟石膏混合料，节约了25％的重量。
             实施例
熟石膏/石膏            530kg
水                     315kg
按本发明的轻质集料     300l
尽管参照将乳浊液施涂于聚苯乙烯颗粒已描述了本发明，但要理解的是本发明的涂层可通过其它方式如从溶液中来进行施涂，可用任何涂料文献中已知的方法来涂集料。
本发明进一步描述了适用于涂层集料的乳浊液和溶液，以及涂层颗粒。
正如将显而易见文献中的这些技艺及其从中的学说，一种组份可替代具有相似特征性能的另一种，且乳浊液各种组分的相对比例，涂层集料比，和混凝土中的集料可以在不超过本发明的范围发生变化。
                                       表1混合号    类型A       砂：    10mm集料     按本发明      水：    抗压强度    密度
      水泥：        (kg.)    (kg.)       的集料        (l)     (MPa:)    (kg/cu.m)
      (kg.)              (石子，砂砾)实施例1    200        -          -            1000        80        0.5        300实施例2    350        -          -            900        140        2          500实施例3    350        180        -            850        140        4          700实施例4    350        420        -            800        140        8         1000实施例5    450        540        -            700        140        12        1200实施例6    450        430        300          700        150        15        1500实施例7    450        600        400          600        160        20        1700实施例8    550        600        450          500        190        25        1800

Claims (12)

1．一种轻质集料，它是涂覆有粘合剂的聚合物多孔颗粒，其特征在于，所述的粘合剂中还分散有占干重10％-50％的一种或多种过渡金属离子化合物，所述的颗粒能自由流动。
2．如权利要求1所述的集料，其特征在于，所述的过渡金属离子主要是铁离子。
3．如权利要求1或2所述的集料，其特征在于，所述的过渡金属离子以氧化铁的形式分散在粘合剂中。
4．如权利要求1所述的集料，其特征在于，所述的粘合剂选自酚醛树脂、紫胶片、环氧树脂、聚乙酸乙烯酯或沥青粘合剂。
5．如权利要求4所述的集料，其特征在于，所述的沥青粘合剂是一种软化点为40℃到45℃的甲苯可溶的沥青组合物。
6．如权利要求5所述的集料，其特征在于，所述的粘合剂是一些苯酚的和烷基取代脂肪族、芳香族和杂环芳香族化合物的混合物，其分子量的范围为500-1000。
7．如权利要求1所述的集料，其特征在于，所述涂覆的聚合物多孔颗粒是可发性聚苯乙烯泡沫颗粒。
8．如权利要求7所述的集料，其特征在于，所述颗粒的平均直径为0.5到15mm。
9．权利要求1所述轻质集料的用途，其特征在于用于混凝土。
10．权利要求1所述轻质集料的用途，其特征在于用于灰泥板。
11．一种制备轻质集料的方法，其特征在于，此方法包括在水中将粘合剂进行乳化，在水相中分散氧化铁使乳浊液含有占粘合剂于重10％-50％的过渡金属离子化合物，以及用乳浊液来涂覆聚合物多孔颗粒的步骤。
12．如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述聚合物多孔颗粒是聚苯乙烯泡沫颗粒。
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