CN105556044B - 复合铁道枕木以及其生产与使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供由新颖复合材料制成的新颖铁道枕木，所述铁道枕木具有与现有混凝土RRT相当或超过现有混凝土RRT的优良物理以及性能特性。本发明的RRT容易地由可以广泛获得的低成本原材料、通过适于大规模生产的方法、能量消耗改善并且碳足迹更合乎需要并且环境影响最小地生产。

Description

复合铁道枕木以及其生产与使用方法
相关申请的交叉引用
本申请主张2013年3月13日提交的美国临时申请序列号61/780,738的优先权益，其全部内容以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明大体上涉及铁道枕木。更具体地，本发明涉及由新颖的复合材料经非传统生产方法制造的铁道枕木。所述独特的铁道枕木具有优良的特性并且适合于铁道建造与维护等多种应用。
背景技术
铁道枕木(还称为铁路枕木、横枕，或铁路轨枕)是典型地具有均一梯形横截面、用于支撑铁道轨道的长条形横梁。铁道枕木(RRT)通常垂直于铁轨铺设，以使铁轨保持笔直、将负荷转移至道碴以及路基并且使铁轨间隔保持正确的轨距。RRT通常用钢筋加强，所述钢筋嵌埋入RRT中以改良RRT的机械特性以及耐久性。RRT一般采用扣件系统以与铁道轨道紧固附接。
现今制造的大部分RRT由传统混凝土制成。对于指定目的而言，现有混凝土RRT大多是有效并且可靠的。然而，混凝土RRT从经济学与环境影响的角度并非是最佳的。现有生产技术涉及大量能量消耗与二氧化碳排放，导致碳足迹不理想。
因此，对于满足或超过传统混凝土RRT的物理与性能特性、同时能够以低成本、改善的能量消耗以及较小环境影响大量生产的RRT的新颖材料与生产方法，存在持续性的需要。
发明内容
本发明部分地基于出乎意料地发现由新颖复合材料制成的新颖铁道枕木，所述铁道枕木具有与现有混凝土RRT相当或超过现有混凝土RRT的优良物理与性能特性。本发明的RRT展现优良的耐候性与性能特性，所述性能特性包括韧性、挠性、耐磨性以及耐化学性。本发明的RRT能够容易地由可以广泛获得的低成本原材料、通过适于大规模生产的方法、设备需要较少并且能量消耗改善地生产，因此碳足迹合乎需要、环境影响最小。
原材料包括变成接合单元的前体材料，诸如微粒硅酸钙(例如研磨硅灰石)。还提供流体组分作为反应介质，所述组分包含液态水和/或水蒸汽。生产RRT时，二氧化碳(CO2)作为反应性物种而消耗，从而使CO2得到净固存。可以利用各种添加剂对所得复合材料的物理外观以及机械特性进行微调。
在一个方面中，本发明大体上涉及一种铁道枕木。铁道枕木具有由复合材料制成的长条形枕木主体，所述复合材料包括：多个接合单元，其中各个接合单元包含主要含有硅酸钙的核心、富含二氧化硅的第一层或内层，以及富含碳酸钙的第二层或外层；以及填料颗粒，所述填料颗粒包含粗糙填料颗粒和/或精细填料颗粒，其中多个接合单元与多个填料颗粒一起形成一个以上接合基质，并且接合单元与填料颗粒大致均匀地分散于其中并且接合在一起。
在另一个方面中，本发明大体上涉及一种铁道枕木的生产方法。所述方法包括以下步骤：(a)将微粒组合物与液体组合物混合以形成浆料混合物，其中微粒组合物包含：研磨硅酸钙以及填料颗粒，所述研磨硅酸钙具有约1μm至约100μm范围内的中值粒径，所述填料颗粒包含第一粗集料颗粒以及第二细集料颗粒，并且其中液体组合物包含水；(b)将浆料混合物浇铸于根据铁道枕木所设置的模具中；以及(c)使浇铸混合物在约20℃至约150℃范围内的温度下、在水与CO2的气氛下固化约1小时至约80小时，所述气氛具有环境大气压至高于环境大气压约60psi范围内的压力并具有约10％至约90％范围内的CO2浓度。
附图说明
图1(a)至1(c)为根据本发明的示例性实施例的接合单元的截面的示意性说明，所述截面包括三种示例性核心形态：(a)纤维状，(b)椭圆形，以及(c)等轴晶状。
图2(a)至2(f)为根据本发明的示例性实施例的复合材料的侧视图以及截面视图的示意性说明，示出(a)稀接合基质中的1D取向纤维状接合单元(接合单元不接触)；(b)稀接合基质中的2D取向片状接合单元(接合单元不接触)；(c)稀接合基质中的3D取向片状接合单元(接合单元不接触)；以及(d)稀接合基质中的随机取向片状接合单元(接合单元不接触)，其中复合材料包括接合基质以及填料组分，诸如聚合物、金属、无机颗粒、集料等；(e)含有接合单元的浓缩接合基质(具有足以建立渗滤网络的体积分数)，其中基质呈3D取向；以及(f)含有随机取向接合单元的浓缩接合基质(具有足以建立渗滤网络的体积分数)，其中可以包括填料组分，诸如聚合物、金属、无机颗粒、集料等。
图3示意性说明根据本发明的实施例的示例性铁道枕木。
图4示意性说明根据本发明的实施例的示例性铁道枕木(不含加强筋)的横截面。
图5为用于浇铸具有后张钢线用孔道的RRT的布置的照片。
图6示出呈完全固化形式的实际RRT，所述实际RRT具有六个用于后张钢线的1"直径孔道孔。
图7示意性说明根据ASTM G109的腐蚀测试。
具体实施方式
本发明提供具有与现有混凝土RRT相当或超过现有混凝土RRT的优良物理以及性能特性的特殊铁道枕木。本发明的RRT容易地由可以广泛获得的低成本原材料、通过适于大规模生产的方法、能量消耗改善并且碳足迹更合乎需要地生产。
可以制造本发明的RRT用于多种铁道轨道，例如重载、轻轨、道岔、高速，以及用于铁路轨道的工业铁道枕木。RRT可以预张地(或后张地)和预应力地制造，所述RRT的特征为RRT的负载量以及耐久性提高。
本发明的RRT可以大规模生产，与传统混凝土RRT的生产相比，设备需要较少且能量效率提高。此外，本发明的生产方法消耗大量CO2，产生CO2固存产物，从而使得本发明的生产方法为碳中性并且在环境上为高效的。
本发明的RRT以及用于生产本发明RRT的复合材料展现低热膨胀；因此，本发明的RRT以及用于生产本发明RRT的复合材料非常适于维持铁轨之间的适当距离。本发明的RRT以及用于生产本发明RRT的复合材料坚固、坚硬并且耐紫外光、恶劣气候条件、温度波动以及微生物和昆虫侵蚀，以及延长使用所施加的机械应力。另外，复合材料自身为优良的电绝缘体并且防止铁轨之间产生电流。此外，本发明的RRT以及用于生产本发明RRT的复合材料具有耐久性并且展现优良的耐磨特性，同时适合与典型的扣件、螺栓、螺杆、道钉等一起使用。
在一个方面中，本发明大体上涉及一种铁道枕木。该铁道枕木具有由复合材料制成的长条形枕木主体，所述复合材料包括：多个接合单元，其中各个接合单元包含：主要包含硅酸钙的核心、富含二氧化硅的第一层或内层，以及富含碳酸钙的第二层或外层；以及填料颗粒，所述填料颗粒包含粗糙填料颗粒和/或精细填料颗粒，其中多个接合单元与多个填料颗粒一起形成一个以上接合基质，并且接合单元与填料颗粒大致均匀地分散于其中并且接合在一起。
在某些优选实施例中，在用于在其中纵向放置一根以上加强筋的一个以上纵向(纵长地)布置的孔道(通道)(例如1、2、3、4、5、6、7、8、9、10个孔道)中，长条形枕木主体具有大致均一横截面(例如梯形)。在某些优选实施例中，RRT的枕木主体内进一步包括一根以上加强筋(或加强筋(rebar))(例如1、2、3、4、5、6、7、8、9、10根加强筋)。加强筋典型地纵向放置于长条形RRT中。
在某些优选实施例中，一根以上加强筋为钢加强筋。在某些优选实施例中，一根以上加强筋为非钢加强筋。
对于钢加强筋，其与枕木主体的界面可以夹入pH值高于12的保护材料(例如包含波特兰水泥浆(Portland cement mortar)的材料)，从而阻隔枕木主体与钢加强筋直接接触。在某些优选实施例中，保护材料为钢加强筋上的保护性覆层，所述保护性覆层选自环氧树脂以及锌(镀锌钢)。
在某些实施例中，铁道枕木为预应力式。在某些实施例中，铁道枕木为后张式。在某些优选实施例中，铁道枕木为预应力式以及后张式。
如本文所用，术语“预应力式”指向加强筋或钢线施加应力至某种程度并将所述加强筋或钢线定位于RRT模具中，随后将混凝土放置于RRT模具中并使混凝土固化。
如本文所用，术语“后张式”指完全固化的RRT从模具中移除之后，向加强筋或钢线施加应力至某种程度并将所述加强筋或钢线定位于所述完全固化的混凝土RRT的孔道内。
可以在浇铸复合材料之前，向钢筋施加预张力。预压缩力可以经由传递长度上的接合而从钢加强筋传递至靠近RRT末端的复合材料。对于预应力式RRT而言，可以在复合材料硬化之后，向钢筋(tendon)施加后张力。预压缩力还可以通过锚定装置(位于块体末端)从钢加强筋传递至复合材料。
在某些优选实施例中，RRT的复合材料的特征在于密度为1900kg/m3至2800kg/m3(例如，约2000kg/m3、约2200kg/m3、约2300kg/m3、约2400kg/m3、约2500kg/m3、约2600kg/m3、从约2000kg/m3至2600kg/m3)。
RRT的复合材料展现优良的抗压强度。在某些实施例中，复合材料的特征在于抗压强度为约40MPa至约150MPa(例如，约40MPa至约120MPa、约40MPa至约100MPa、约50MPa至约150MPa、约60MPa至约120MPa、约80MPa至约150MPa、约100MPa至约150MPa)。
RRT的复合材料还展现优良的挠曲强度。在某些实施例中，复合材料的特征在于挠曲强度为约1MPa至约40MPa(例如，1MPa至约30MPa、1MPa至约25MPa、1MPa至约20MPa、1MPa至约15MPa、3MPa至约10MPa、4MPa至约10MPa、4MPa至约8MPa、6MPa至约30MPa、15MPa至约40MPa、约15MPa至约35MPa、约15MPa至约30MPa、约15MPa至约25MPa、约15MPa至约20MPa、约20MPa至约40MPa、约20MPa至约35MPa、约20MPa至约30MPa)。
在某些优选实施例中，RRT的复合材料的特征在于，与传统混凝土铁道枕木相比，耐磨性提高。在某些优选实施例中，RRT的复合材料的特征在于，与传统混凝土铁道枕木相比，耐腐蚀性提高。在某些优选实施例中，RRT的复合材料的特征在于，与传统混凝土铁道枕木相比，抗虫性提高。在某些优选实施例中，RRT的复合材料的特征在于，与传统混凝土铁道枕木相比，电绝缘性提高。
任意适合的硅酸钙可以用作接合单元的前体。如本文所用，术语“硅酸钙”指包含一组含钙硅化合物中的一种以上的天然存在的矿物质或合成材料，含钙硅化合物包括CaSiO3(还称为“硅灰石”并且有时化学式为CaO·SiO2)、Ca2SiO4(还称为“斜硅灰石”并且有时化学式为2CaO·SiO2)、Ca3SiO5(还称为“硅酸三钙石”并且有时化学式为3CaO·SiO2)，所述材料可以包括一种以上其他金属离子以及氧化物(例如铝、镁、铁或锰氧化物)或其掺混物，或者可以包括一定量的呈天然存在的形式或合成形式的硅酸镁，所述量的范围为痕量(1重量％)至约50重量％以上。
应了解，本文公开的组合物以及方法中可以采用硅酸镁代替硅酸钙或除硅酸钙之外还使用硅酸镁。如本文所用，术语“硅酸镁”指包含一组含镁硅化合物中的一种以上的天然存在的矿物质或合成材料，含镁硅化合物包括例如Mg2SiO4(还称为“镁橄榄石”)以及Mg3Si4O10(OH)2(还称为“滑石”)，所述材料可以包括一种以上其他金属离子以及氧化物(例如钙、铝、铁或锰氧化物)或其掺混物，或可以包括一定量的呈天然存在的形式或合成形式的硅酸钙，所述量的范围为痕量(1重量％)至约50重量％以上。
取决于期望的复合材料，多个接合单元可以具有任意适合的中值粒径以及粒径分布。在某些实施例中，多个接合单元具有约5μm至约100μm范围内的中值粒径(例如约5μm至约80μm、约5μm至约60μm、约5μm至约50μm、约5μm至约40μm、约5μm至约30μm、约5μm至约20μm、约5μm至约10μm、约10μm至约80μm、约10μm至约70μm、约10μm至约60μm、约10μm至约50μm、约10μm至约40μm、约10μm至约30μm、约10μm至约20μm)。
在某些优选实施例中，多个接合单元由研磨硅灰石化学转化而成。在某些优选实施例中，多个接合单元由前体硅酸钙化学转化而成，所述前体硅酸钙包含铝、镁以及铁中的一种以上。在某些优选实施例中，多个接合单元经由可控热液液相烧结(HLPS)方法使研磨硅灰石与CO2发生反应而由研磨硅灰石经化学转化来制成。
在某些优选实施例中，其中多个接合单元由除硅灰石之外的前体硅酸钙化学转化而成。在某些优选实施例中，多个接合单元通过可控HLPS方法由除硅灰石之外的前体硅酸钙与CO2发生反应而化学转化来制成。
关于HLPS的各种方面的论述可以见于美国专利号8,114,367、美国公开号US2011/0104469(申请序列号12/984,299)、美国公开号20090142578(申请序列号12/271,513)、WO 2009/102360(PCT/US2008/083606)、WO 2011/053598(PCT/US2010/054146)、WO2011/090967(PCT/US2011/021623)、2012年3月2日提交的美国申请序列号13/411,218(Riman等)、2012年6月7日提交的美国申请序列号13/491,098(Riman等)，以及2012年10月1日提交的美国临时申请序列号61/708.423(Riman等)，各案以全文引用的方式用于所有目的特此并入本文中。
可以使用任意适合的填料颗粒，例如由富含二氧化硅材料制成的填料颗粒。在某些优选实施例中，填料颗粒由SiO2系材料或硅酸盐系材料中的一种以上制成，所述材料诸如石英、云母、花岗岩以及长石(例如研磨石英、研磨云母、研磨花岗岩、研磨长石)。如本文所用，术语“石英”指任意SiO2系材料，包括普通砂(建造以及石工)以及玻璃和回收玻璃。所述术语还包括含有大量SiO2的任意其他回收天然和合成材料(例如有时化学式为KAl2(AlSi3O10)的云母)。
填料颗粒可以具有任意适合的中值粒径以及粒径分布。在某些实施例中，多个填料颗粒具有约10μm至约1mm范围内的中值粒径(例如约10μm至约500μm、约10μm至约250μm、约10μm至约100μm、约10μm至约50μm、约20μm至约1mm、约20μm至约500μm、约20μm至约300μm、约50μm至约1mm、约100μm至约1mm、约200μm至约1mm)。
在某些优选实施例中，复合材料中的接合单元:填料颗粒的重量比为从约1:3至约1:10(例如，约1:4、约1:5、约1:6、约1:7)。在某些实施例中，复合材料具有小于约10重量％的一种以上矿物质，所述矿物质选自碳酸钙以及碳酸镁。
在某些实施例中，复合材料的特征在于吸水率小于约10％(例如，小于约8％、5％、4％、3％、2％、1％)。
复合材料可以进一步包括调整RRT的物理或机械特性的添加剂。示例性添加剂包括流变改性掺混剂以及引气剂。
在某些实施例中，长条形枕木主体具有一个以上纵向布置的孔道。
在某些实施例中，铁道枕木进一步包括分别放置于一个以上纵向布置孔道中的一根以上加强筋。
在某些实施例中，一根以上加强筋为钢筋。
在某些实施例中，一根以上加强筋为非钢筋。
在某些实施例中，钢加强筋经由pH值高于约12的保护材料与枕木主体连接。
在某些实施例中，保护材料包含灌入孔道中的波特兰水泥浆。
在某些实施例中，保护材料为钢加强筋上的保护性覆层，所述保护性覆层选自环氧树脂和锌。
在某些实施例中，铁道枕木为预应力式。
在某些实施例中，铁道枕木为后张式。
在某些实施例中，复合材料的特征在于，密度为约1900kg/m3至2800kg/m3，抗压强度为约40MPa至约100MPa，以及挠曲强度为约4MPa至约10MPa。
在某些实施例中，铁道枕木展现优于传统混凝土铁道枕木的改进的耐磨性，并且所述耐磨性的特征为磨耗指数大于350分钟/英寸。
在某些实施例中，铁道枕木展现优于传统混凝土铁道枕木的改进的耐腐蚀性，并且所述耐腐蚀性的特征为在湿式以及干式暴露长达100天期间，半电池电势值小于-350。
在某些实施例中，多个接合单元具有约5μm至约100μm范围内的中值粒径。
在某些实施例中，填料颗粒由富含二氧化硅的材料制成。
在某些实施例中，填料颗粒包括砂、石英以及花岗岩中的一种以上。
在某些实施例中，多个接合单元由研磨硅灰石化学转化而成。
在某些实施例中，多个接合单元通过研磨硅灰石经由可控热液液相烧结方法使所述研磨硅灰石与CO2发生反应来制备。
在某些实施例中，多个接合单元由除硅灰石之外的前体硅酸钙化学转化而成。
在某些实施例中，多个接合单元通过除硅灰石之外的前体硅酸钙经由可控热液液相烧结方法使所述前体硅酸钙与CO2发生反应来制备。
在某些实施例中，多个接合单元由前体硅酸钙化学转化而成，所述前体硅酸钙包含铝、镁和铁中的一种以上。
在某些实施例中，接合单元:填料颗粒的重量比为约1:5。
在某些实施例中，铁道枕木具有小于约10％的吸水率。
在另一个方面中，本发明大体上涉及一种生产铁道枕木的方法。所述方法包括以下步骤：(a)将微粒组合物与液体组合物混合以形成浆料混合物，其中微粒组合物包含：研磨硅酸钙以及填料颗粒，所述研磨硅酸钙具有约1μm至约100μm范围内的中值粒径，所述填料颗粒包含第一粗集料颗粒以及第二细集料颗粒，并且其中液体组合物包含水；(b)将浆料混合物浇铸于根据铁道枕木所设置的模具中；以及(c)使浇铸混合物在约20℃至约150℃范围内的温度下、在水与CO2的气氛下固化约1小时至约80小时，所述气氛具有环境大气压至高于环境大气压约60psi范围内的压力并具有约10％至约90％范围内的CO2浓度。
在某些实施例中，所述液体组合物还包含高度减水掺合物。在某些实施例中，所述液体组合物还包含引气剂。
模具可以设置有一个以上孔道，所述孔道可以放置加强筋。所述方法可以进一步包括以下步骤：(d)加强筋穿过孔道放置；以及(e)用pH值高于约12的保护材料填充孔道。
在某些实施例中，研磨硅酸钙在微粒组合物中可以占约16wt.％。在某些实施例中，研磨硅酸钙可以主要为研磨硅灰石。
可以使用任意适合的高度减水掺合物，例如聚羧酸盐系材料。可以使用任意适合的浓度或量，例如浓度为液体组合物的约1.5wt.％至约3wt.％(例如约1.5wt.％、约2.0wt.％、约2.5wt.％、约3.0wt.％)。
在某些实施例中，浇铸混合物在约40℃至约120℃范围内的温度下、在包含水和CO2的蒸汽下固化约5小时至约72小时，所述蒸汽的压力在约环境大气压至高于环境大气压约30psi的范围内。
在某些实施例中，浇铸混合物在约60℃至约110℃范围内的温度下、在包含水和CO2的蒸汽下固化约15小时至约72小时，所述蒸汽的压力在约环境大气压至高于环境大气压约30psi的范围内。
在某些实施例中，浇铸混合物在约80℃至约100℃范围内的温度下、在包含水和CO2的蒸汽下固化约20小时至约60小时，所述蒸汽的压力在约环境大气压至高于环境大气压约30psi的范围内。
在某些实施例中，浇铸混合物在等于或低于约60℃的温度下、在包含水和CO2并且具有环境大气压的蒸汽下固化约15小时至约50小时。
为了符合期望的结果，可以调节固化过程的相对湿度环境，例如范围为约50％至约98％(例如约60％至约98％、约70％至约98％、约80％至约98％、约90％至约98％、约50％至约90％、约50％至约80％、约50％至约70％)的相对湿度，以及范围为约环境大气压至高于环境大气压约100psi(例如约环境大气压至高于环境约90psi、约环境大气压至高于环境约80psi、约环境大气压至高于环境约70psi、约环境大气压至高于环境约60psi、高于环境约20psi至高于环境约100psi、高于环境约30至高于环境约100psi)的CO2压力，以及范围为约10％至约90％(例如约20％至约90％、约30％至约90％、约40％至约90％、约10％至约70％、约10％至约50％)的CO2浓度，以产生展现均一、均质并且高孔隙度结构的充气复合材料。
研磨硅酸钙具有约1μm至约100μm范围内的中值粒径，并且第一研磨碳酸钙具有约3μm至约7mm范围内的中值粒径。液体组合物包括水和水溶性分散剂。
举例而言，在一些实施例中，研磨硅灰石具有约5μm至约50μm的中值粒径(例如约5μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、40μm、90μm)、约0.6g/mL至约0.8g/mL(疏松)以及约1.0g/mL至约1.2g/mL(密实)的容积密度、约1.5m2/g至约2.0m2/g的表面积。第一研磨石灰石具有40μm至约90μm(例如约40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、30μm、90μm)的中值粒径、约0.7g/mL至约0.9g/mL(疏松)以及约1.3g/mL至约1.6g/mL(密实)的容积密度。第二研磨石灰石具有约20μm至约60μm的中值粒径(例如约20μm、30μm、40μm、50μm、60μm)、约0.6g/mL至约0.8g/mL(疏松)以及约1.1g/mL至约1.4g/mL(密实)的容积密度。
在某些优选实施例中，研磨硅酸钙包含研磨硅灰石，微粒氧化钙包含研磨石灰，并且充气剂包含铝粉。
可以使用任意适合的前体材料。举例而言，主要由硅灰石形成的硅酸钙颗粒CaSiO3可以与溶于水中的二氧化碳反应。据信钙阳离子从硅灰石中溶出并且使硅灰石核心的周围部分转化成缺钙硅灰石。由于钙阳离子继续从核心的周围部分中溶出，因此周围部分的结构最终变得不稳定并且碎裂，从而使核心的周围部分缺钙硅灰石转化成主要富含二氧化硅的第一层。同时，主要为碳酸钙的第二层从水中沉淀。
更具体地，第一层和第二层可以由前体颗粒根据以下反应(1)形成：CaSiO3(s)+CO2(g)＝CaCO3(s)+SiO2(s)ΔH°＝-87kJ/mol CO2(1)
举例而言，在硅酸盐矿物质诸如硅灰石的碳酸化反应中，引入气相CO2，所述CO2溶解于诸如水的浸渗流体中。CO2溶解而形成酸性碳物种，导致溶液中的pH值降低。弱酸性溶液使CaSiO3中的钙物种非全等地溶解。释放的钙阳离子和解离的碳酸盐物种引起不溶性碳酸盐的沉淀。富含二氧化硅层被认为作为耗乏层保留于矿物质颗粒上。
因此，根据本发明的优选实施例，CO2优选与硅灰石前体核心的钙阳离子反应，从而使前体核心的周围部分转化成富含二氧化硅的第一层和富含碳酸钙的第二层。另外，存在于核心上的第一层和第二层充当硅灰石与二氧化碳之间进一步反应的障壁，从而产生具有核心、第一层和第二层的接合单元。
气体辅助HLPS方法优选利用部分浸渗的孔隙空间，以实现气体扩散而快速浸渗多孔预成型坯并且用溶解CO2使孔隙中的稀液界面溶剂膜饱和。CO2系物种在纯水中的溶解度较低(在25℃、1个大气压下为1.5g/L)。因此，必须向多孔预成型坯连续供应大量CO2且使CO2遍布于多孔预成型坯中以实现明显的碳酸盐转化。与可溶性CO2在液相中扩散相同时间的扩散长度相比，利用气相扩散使扩散长度获得巨大的增加(约100倍)。("Handbook ofchemistry and physics",编者:D.R.Lide,第6章和第8章,第87版2006-2007,CRC.)。此部分浸渗状态能够使反应在确定的时段内进行至高碳酸化程度。
孔隙中的液态水使反应速率加快，原因在于液态水对于碳酸与钙物种的离子化均为必要的。然而，水位必需足够的低，以使CO2气体可以在溶于孔隙结合水相之前扩散进入多孔基质中。此外，主动溶解型多孔预成型坯充当扩展性反应晶体生长的模板。从而可以使接合单元与基质在最小的变形和残余应力下形成。除诸多其他应用之外，此法能够得到大型复杂形状，诸如基础结构和建筑材料所需要的形状。
因此，为达成期望的生产方法，可以设计固化条件的不同组合，包括不同的反应温度、压力和反应时长。在第一示例性实施例中，水以其中溶解CO2的液体形式传递至前体材料并且固化过程在约90℃以及约20psig(即高于环境压力20psi)下进行约48小时。在第二示例性实施例中，水存在于前体材料中(例如作为来自先前混合步骤的残余水)并且水蒸汽随CO2一起提供至前体材料(例如以维持水位和/或防止水蒸发损耗)并且固化过程在约60℃以及0psig(在环境大气压下)进行约19小时。在第三示例性实施例中，水以蒸汽形式随CO2一起传递至前体材料并且固化过程在约90℃以及20psig(高于环境大气压20psi)下进行约19小时。
在示例性实施例中，RRT的制造方法概述如下。根据批量大小计算硅酸钙(例如合成硅灰石)、砂、粗集料、水以及化学掺合剂的所需量。所述成分在混凝土混合机中混合(例如约5分钟至10分钟)。将混合物缓慢倾注入保持于振动台上的模具中，并且利用机械振动将混合物压实，以使顶部光面精整。浇铸1至2小时之后，移除模具的侧面。将试样移至固化/反应室中，使其中温度在1小时内从室温(～20℃)升高至60℃且在60℃温度下、在60％相对湿度下保持约60小时。同时，在环境大气压下泵入90％浓度的CO2，以产生展现均一、均质以及高密度基质的复合材料。
在某些实施例中，模具设置有一个以上孔道，所述孔道允许放置加强筋。
在某些实施例中，所述方法可以进一步包括以下步骤：加强筋穿过孔道放置；以及用pH值高于约12的保护材料填充孔道。
在某些实施例中，保护材料包含波特兰水泥浆。
在某些实施例中，浇铸混合物在约60℃至约110℃范围内的温度下、在包含水和CO2的蒸汽下固化约15小时至约70小时，所述蒸汽的压力在约环境大气压至高于环境大气压约30psi的范围内。
在某些实施例中，浇铸混合物在约60℃至约100℃范围内的温度下、在包含水和CO2的蒸汽下固化约20小时至约60小时，所述蒸汽的压力在约环境大气压至高于环境大气压约30psi的范围内。
在某些实施例中，浇铸混合物在等于或低于约60℃的温度下、在包含水和CO2并且具有环境大气压的蒸汽下固化约15小时至约50小时。
在某些实施例中，研磨硅酸钙包含研磨硅灰石，并且填料颗粒包含富含二氧化硅材料的粗颗粒以及细颗粒。
在某些实施例中，包含粗颗粒以及细颗粒的填料颗粒包含砂、石英以及花岗岩中的一种以上。
在某些实施例中，高度减水掺合物包含聚羧酸盐并且具有液体组合物的约1.5wt.％至约3wt.％的浓度。
在某些实施例中，微粒组合物包含约16wt.％的研磨硅酸钙。
在某些实施例中，研磨硅酸钙主要为研磨硅灰石。
在又一个方面中，本发明大体涉及通过本文公开的方法制备的铁道枕木。在某些实施例中，铁道枕木展现约1900kg/m3至2800kg/m3的密度、约40MPa至约100MPa的抗压强度，以及约4MPa至约10MPa的挠曲强度。在某些实施例中，铁道枕木的特征在于，与传统混凝土铁道枕木相比，耐磨性提高。在某些实施例中，铁道枕木的特征在于，与传统混凝土铁道枕木相比，耐腐蚀性提高。
可以制备满足或超过某些工业标准的规范的RRT。例如，对于本发明的预应力式RRT，抗压强度可以大于约10,000psi，磨耗指数值可以大于590分钟/英寸(根据ASTM C779程序C)，并且耐久性在300次冻融循环之后可以大于95％(根据ASTM C666程序A)。
孔道、切口、表面的大小、形状、数目以及尺寸皆可以根据特定需要而变化。举例而言，在美国，干线铁路线的标准铁道枕木大小为约9英寸宽×7英寸厚×约8.5英尺长。对于短线枕木，大小为约6英寸×8英寸×8.5英尺。对于使用第三轨的一些货运线以及客运线的枕木，可以为7英寸×9英寸×10英尺或6英寸×8英寸×10英尺。
在传统预应力式混凝土枕木中，水泥水合作用为预应力式钢筋周围所倾注混凝土强度增加的主反应。钙-硅酸盐-水合物(C-S-H)凝胶以及氢氧化钙为主要水合产物。C-S-H凝胶为强度发展以及微结构的最重要相。一旦达到约4000psi的初始抗压强度，则钢筋从末端释放或切断而诱导混凝土产生应力。
根据本发明生产RRT时，固化或反应方法包括采用消耗CO2、产生CO2固存产物，从而使得所述固化或反应方法成为极具碳中性且在环境上高效的技术。
对于RRT的主要关注点为钢或预应力钢线的腐蚀。在后张式混凝土枕木的情况下，孔道一般性布置并灌浆，并且碳钢经波特兰水泥浆包覆，导致低得多的HCP值(约-250mV)，表示无腐蚀活性。因此，根据本发明的后张式RRT的应用得到保护并且与传统混凝土RRT一样不容易地发生腐蚀。
本文公开的与硅酸钙有关的组合物以及方法中可以采用硅酸镁代替硅酸钙或除硅酸钙之外还使用硅酸镁。
接合单元、接合基质以及复合材料
A.接合单元
如图1(a)至1(c)中示意性说明，接合单元包括核心(由黑色内部部分表示)、第一层(由白色中间部分表示)以及第二或囊封层(由外部部分表示)。第一层可以包括单独一个层或多个子层并且可以完全或部分地覆盖核心。第一层可以以结晶相、非晶相或其混合相存在，并且可以呈连续相或作为离散颗粒。第二层可以包括单独一个层或多个子层并且还可以完全或部分地覆盖第一层。第二层可以包括多个颗粒或可以是离散颗粒最少的连续相。
取决于预期应用，接合单元可以展现任意大小以及任意规则或不规则、固体或中空形态。示例性形态包括：立方体、长方体、棱柱体、圆盘、棱锥体、多面体或多面颗粒、圆柱体、球体、圆锥体、环、管、新月体、针、纤维、细丝、薄片、球体、亚球体、珠粒、葡萄状、颗粒状、椭圆形、棒状、波纹状等。
一般而言，如本文更详细论述的，接合单元由反应性前体材料(例如前体颗粒)经转化方法而产生。前体颗粒可以具有任意大小与形状，只要所述前体颗粒满足预期应用的需要即可。转化方法一般产生与前体颗粒大小以及形状相似的相应接合单元。
前体颗粒可以选自任意适合材料，所述适合材料可以经历适合转化而形成期望的接合单元。举例而言，前体颗粒可以包括硅、钛、铝、磷、钒、钨、钼、镓、锰、锆、锗、铜、铌、钴、铅、铁、铟、砷、钽和/或碱土金属元素(铍、镁、钙、锶、钡以及镭)的氧化物以及非氧化物。
示例性前体材料包括氧化物，诸如硅酸盐、钛酸盐、铝酸盐、磷酸盐、钒酸盐、钨酸盐、钼酸盐、镓酸盐、锰酸盐、锆酸盐、锗酸盐、铜酸盐、锡酸盐、铪酸盐、铬酸盐、铌酸盐、钴酸盐、铅酸盐、铁酸盐、铟酸盐、砷酸盐、钽酸盐以及其组合。在一些实施例中，前体颗粒包括硅酸盐，诸如原硅酸盐、双硅酸盐、环硅酸盐、链硅酸盐、页硅酸盐、网硅酸盐和/或水合硅酸钙。
某些废料可以作为前体颗粒用于一些应用中。废料可以包括例如矿物质、工业废料或工业化学材料。一些示例性废料包括矿物质硅酸盐、铁矿、方镁矿、石膏、氢氧化亚铁(II)、飞灰、底灰、炉渣、玻璃、油罐体(oil shell)、红泥、电池组废料、回收混凝土、尾矿、纸灰，或这浓缩的逆渗透盐水所产生的盐。
其他前体颗粒可以包括不同类型的含岩石矿物质，诸如硅酸钙岩石、费奇岩层(fitch formation)、赫伯隆片麻岩(hebron gneiss)、层状片麻岩、中间层(middlemember)、泥板岩、石英岩、中间层前寒武纪沉积物、具有较少石灰石床层的深色长石质石英岩、高级变质沉积黑云母片岩、黑云母片麻岩、云母片岩、石英岩、湖砂克岩层(hoosacformation)、帕特里奇岩层(partridge formation)、华盛顿片麻岩、泥盆纪、志留纪格林韦尔湾岩层(greenvale cove formation)、奥科伊超群(ocoee supergroup)、变质砂岩、变质杂砂岩、朗吉利岩层(Rangeley formation)、角闪岩、方解石质及白云质大理石、曼哈顿岩层(manhattan formation)、锈色及灰色黑云母-石英-长石片麻岩，以及沃特福德群(waterford group)。
前体颗粒还可以包括：火成岩，诸如安山岩(andesite)、斜长岩(anorthosite)、巴斯尼特岩(basinite)、玻古安山岩(boninite)、碳酸盐岩以及紫苏花岗岩(charnockite)；沉积材料，诸如但不限于，泥板岩(argillite)、长石砂岩(arkose)、角砾岩(breccias)、碎裂岩(cataclasite)、白垩岩、黏土岩、角岩(chert)、燧石、粗砂岩(gitsone)、纳银岩(lighine)、石灰石、泥岩、砂岩、页岩以及粉砂岩；变质材料，诸如但不限于，角闪岩(amphibolites)、变闪长岩(epidiorite)、片麻岩、砂粒岩、绿岩、角页岩、大理石、泥质岩、千枚岩(phyllite)、石英岩、页岩、硅卡岩(skarn)、板岩、滑石碳酸盐和皂石；以及其他各种岩石，诸如但不限于，石英二长岩(adamellite)、富闪深成岩(appinite)、隐晶岩(aphanites)、霞榴正长岩(borolanite)、蓝色花岗岩、绿帘石岩(epidosite)、霏细岩(felsites)、燧石、致密硅岩(ganister)、霓霞岩(ijolite)、硬玉岩(jadeitite)、似碧玉岩(jasproid)、霓橄粗面岩(kenyte)、闪辉正煌岩(vogesite)、歪碱正长岩(larvikite)、霞云钠长岩(litchfieldite)、电气花岗岩(luxullianite)、纹长二长岩(mangerite)、云煌岩(minette)、均密石英岩(novaculite)、地幔岩(pyrolite)、奥长环斑花岗岩(rapakivigranite)、菱长斑岩(rhomb porphyry)、等色岩(shonkinite)、铁燧岩(taconite)、沸绿岩(teschenite)、霞斜岩(theralite)以及球颗玄武岩(variolite)。
表1提供用于第一层以及第二层的不同化学类型的示例性实施例，所述实施例可以使用不同前体材料达成。关于第一层，使用不同前体材料可以获得二氧化硅、氧化铝或二氧化钛。第二层还可以经由选择前体材料来改性。举例而言，第二层可以包括各种类型的碳酸盐，诸如纯碳酸盐、多阳离子碳酸盐、含水或OH基团的碳酸盐、含水或OH基团的层状碳酸盐、含阴离子碳酸盐、含硅酸盐碳酸盐以及含碳酸盐矿物质。
表1：示例性前体以及囊封层
Figure BDA0000846284990000201
第二层可以通过引入其他阴离子和/或阳离子来改性。这样的其他阴离子以及阳离子可以用于调整第二层以增强第二层的物理以及化学特性，诸如耐火性或耐酸性。举例而言，如表2中所示，虽然第一层以富含二氧化硅层保留，但第二层可以通过向反应物中添加额外的阴离子或阳离子，诸如PO4 2-以及SO4 2-来改性。因此，第二层可以包括例如不同的磷酸盐、硫酸盐、氟化物或其组合。
表2：阳离子/阴离子源的实例(除CO3 2-外)
Figure BDA0000846284990000211
B.接合基质以及复合材料
接合基质包含多个接合单元，从而形成三维网络。接合基质可以是多孔或无孔的。孔隙度取决于可以用于控制孔隙率的多种变量，诸如温度、反应器设计、前体材料以及在转化过程中引入液体的量。取决于预期应用，孔隙率可以设定为约1vol.％至约99vol.％的几乎任意孔隙度。
接合基质可以合并一种以上填充材料，所述填充材料在转化过程之前或在转化过程中与前体材料混合而产生复合材料。接合基质中的接合单元的浓度可以变化。举例而言，以体积计的接合单元浓度可以比较高，其中至少一些接合单元彼此接触。若将填充材料并入接合基质中，则会出现此情况，但填充材料的类型和/或填充材料的量使得接合单元的体积稀释度相对较低。在另一个实例中，以体积计的接合单元浓度可以相对较低，其中接合单元更广泛分散于接合基质内，使得即使有也仅有很少的接合单元彼此接触。若将填充材料并入接合基质中，则会出现此情形，并且填充材料的类型和/或填充材料的量使得稀释度相对较高。
一般而言，填充材料可以包括可以并入接合基质内的许多类型材料中的任一种。填充材料可以呈惰性或活性。虽然惰性材料可以与接合基质发生物理上或机械上的相互作用，但是惰性材料在转化期间不经历任意化学反应并且不充当成核位点。惰性材料可以包括聚合物、金属、无机颗粒、集料等。特定实例可以包括但不限于：玄武岩、花岗岩、回收PVC、橡胶、金属颗粒、氧化铝颗粒、氧化锆颗粒、碳颗粒、毡毯颗粒、KevlarTM颗粒及其组合。活性材料在转化期间与接合基质发生化学反应，在转化期间经历任意化学反应且/或充当成核位点。举例而言，氢氧化镁可以用作填充材料并且可以与接合基质中的溶解相钙组分相反应而形成碳酸镁钙。
接合基质在复合材料中可以占几乎任意百分比。因此，举例而言，接合基质在复合材料中可以占约1vol.％至约99vol.％(例如接合基质的体积分数可以小于或等于约90vol.％、70vol.％、50vol.％、40vol.％、30vol.％、20vol.％、10vol.％)。接合基质的体积分数的范围优选为约8vol.％至约90vol.％(例如约8vol.％至约80vol.％、约8vol.％至约70vol.％、约8vol.％至约50vol.％、约8vol.％至约40vol.％)，更优选为约8vol.％至30vol.％。
复合材料还可以是多孔或无孔的。孔隙度取决于可以用于控制孔隙率的多种变量，诸如温度、反应器设计、前体材料、在转化过程中引入液体的量以及是否使用任何填料。取决于预期应用，孔隙率可以设定为约1vol.％至约99vol.％的几乎任意孔隙度(例如小于或等于约90vol.％、70vol.％、50vol.％、40vol.％、30vol.％、20vol.％、10vol.％)。复合材料的孔隙率范围优选为约1vol.％至约70vol.％，对于高密度以及耐久性而言更优选为介于约1vol.％与约10vol.％之间，对于轻质以及低导热性而言更优选为介于约50vol.％与约70vol.％之间。
在接合基质内，接合单元可以相对于彼此以诸多取向中的任一取向定位。图2(a)至图2(f)示意性示出一种示例性接合基质，所述接合基质包括呈不同取向的纤维状或片状接合单元，所述接合单元可以通过合并填充材料来稀释，如通过接合单元之间的间距所表示。举例而言，图2(a)示出一种接合基质，所述接合基质包括以单向(“1-D”)取向排列(例如相对于x轴方向排列)的纤维状接合单元。图2(b)示出一种接合基质，所述接合基质包括以双向(“2-D”)取向排列(例如相对于x以及y轴方向排列)的片状接合单元。图2(c)示出一种接合基质，所述接合基质包括以三方向(“3-D”)取向排列(例如相对于x、y以及z轴方向排列)的片状接合单元。图2(d)示出一种接合基质，所述接合基质包括呈随机取向的片状接合单元，其中接合单元不相对于任何特定方向排列。图2(e)示出一种接合基质，所述接合基质包括浓度相对较高、以3-D取向排列的片状接合单元。图2(f)示出一种接合基质，所述接合基质包括以随机取向定位、浓度相对较低的片状接合单元(渗滤网络)。图2(f)的复合材料达到渗滤阈值，原因在于大部分接合单元彼此接触，从而从材料一端至另一端形成连续的接点网络。渗滤阈值为临界浓度，高于临界浓度，接合单元则显示长程连通性，其中接合单元呈有序取向，例如图2(e)，或呈随机取向，例如图2(f)。连通模式的实例可以见于例如Newnham等,"Connectivity and piezoelectric-pyroelectric composites",Mat.Res.Bull.第13卷,第525页至第536页,1978。
此外，能够以促进致密堆积的方式达成单一层级结构或多级重复层级结构，所述层级结构在其他潜在有用的功能性目的中提供了用于制备高强度材料的目的。层级结构描述结构如何在若干长度尺度上形成模式。不同类型的接合基质可以通过改变基质孔隙率以及通过合并不同大小的核心纤维来产生。不同种类的微粒以及纤维组分可以依层级结构使用以制造具有不同连通性的不同种类的结构。
形成接合单元、接合基质以及复合材料的方法
转化(固化)方法通过将前体材料暴露于反应液来进行。与液体有关的反应物与组成前体颗粒的化学成分反应，所述组成前体颗粒的化学成分更具体地为前体颗粒的周围部分中的化学反应物。此反应最后形成第一层以及第二层。
在一些实施例中，前体颗粒包括两种以上化学元素。在转化过程中，液体中的反应物优先至少与化学元素的第一种反应，其中液体中的反应物(例如溶液中的CO2以及相关物种)与至少一种第一化学元素(例如钙2+)之间的反应形成第一层以及第二层，所述第一层包含前体颗粒的衍生物，一般不包括该至少一种第一化学元素，而所述第二层包含反应物与该至少一种第一化学元素的组合物(例如CaCO3)。相比之下，核心包含与前体颗粒相同或几乎相同的化学组成(例如CaSiO3)。举例而言，核心的周围部分可以不同于前体颗粒的化学组成，原因在于特定化学元素从核心中选择性溶出。
因此，核心与第二层共有前体颗粒中的至少一种第一化学元素(例如钙2+)，且核心与第一层共有前体颗粒中的至少一种其他化学元素(例如Si4+)。核心与第二层所共有的至少一种第一化学元素可以为例如至少一种碱土金属元素(铍、镁、钙、锶、钡以及镭)。核心与第一层所共有的至少一种其他化学元素可以为例如硅、钛、铝、磷、钒、钨、钼、镓、锰、锆、锗、铜、铌、钴、铅、铁、铟、砷和/或钽。
在一些实施例中，液相反应物与前体颗粒中的至少一种第一化学元素之间的反应可以进行至完成，从而使得第一层变成接合单元的核心并且使得第一层具有不同于前体颗粒的化学组成，并且使得至少一个附加层或第二壳层包含可以包括或可以不包括前体颗粒的两种以上化学元素中的至少一种第一化学元素的组成。
A.气体辅助式热液液相烧结
接合单元可以通过例如基于气体辅助式HLPS的方法形成。在此方法中，包括多个前体颗粒的多孔固态主体暴露于液体(溶剂)，所述液体使多孔固态主体的孔隙部分饱和，也就是孔隙容积部分地充满水。
在诸如形成碳酸盐的系统的某些系统中，相信水完全充满孔隙为不理想的，原因在于反应性气体无法通过气体扩散从多孔固态主体外表面扩散至所有内部孔隙。相反，反应性气体中的反应物会溶于液体中且以液相形式从外表面扩散至内部孔隙，此过程慢得多。此液相扩散对于转化薄的多孔固态主体可能是适合的，但对于较厚的多孔固态主体则不适合。
在一些实施例中，含有反应物的气体引入多孔固态主体的部分饱和的孔隙中且反应物被溶剂溶解。溶解反应物接着与前体颗粒中的至少第一化学元素反应，以将前体颗粒的周围部分转化成第一层以及第二层。作为反应结果，溶剂中溶解的反应物耗尽。同时，含有反应物的气体继续引入部分饱和的孔隙中，以向溶剂中供应额外的反应物。
当反应物与前体颗粒中的至少第一化学元素之间的反应进展时，前体颗粒的周围部分转化成第一层以及第二层。存在于核心周围的第一层通过将反应物与前体颗粒中的至少第一化学元素分隔而最终阻碍进一步反应，由此促使反应有效停止，从而得到接合单元，所述接合单元具有作为前体颗粒的未反应中心的核心、位于核心周围的第一层以及位于第一层上的第二层。
所得接合单元包括核心、第一层以及第二层，并且在大小上一般大于前体颗粒，从而填充多孔固态主体的周围多孔区域并且能够与多孔固态主体中的相邻材料接合。因此，可以形成大小以及形状与多孔固态主体相同、但密度高于多孔固态主体的网状产物。此优于传统烧结方法，传统烧结方法引起质量传递缩减，导致材料密度高于初始粉坯。
B.高压釜中进行的HLPS
在HLPS方法的示例性实施例中，将包含多个前体颗粒的多孔固态主体放置于高压釜腔室内并且加热。通过将腔室内的水汽化而将作为溶剂的水引入多孔固态主体的孔隙内。位于多孔固态主体上方的冷却板使蒸发水冷凝，接着滴在多孔主体上并且进入多孔固态主体的孔隙内，从而部分地饱和多孔固态主体的孔隙。然而，此实例中引入水的方法为可以传递水的若干方式之一。举例而言，水还可以加热并且喷雾。
同时，将二氧化碳作为反应物泵入腔室内，并且二氧化碳扩散进入多孔主体的部分饱和孔隙内。一旦进入孔隙内，二氧化碳则溶于水中，从而允许前体颗粒与二氧化碳之间发生反应，以将前体颗粒的周围部分转化成第一层以及第二层。
当第二反应物与第一层之间的反应进展时，第二反应物继续与第一层反应，从而将第一层的周围部分转化成第二层。第二层可以由第一层中的组分的表生溶液形成，并且此第二层可以为梯度层，其中当从核心颗粒表面移至第一层的末端时，组成第二层的化学元素(阳离子)之一的浓度从高变化至低。第二层同样也可以为梯度组成，诸如当所述层为非晶形或由具有恒定组成或变化组成的固溶体组成时。
存在于前体核心周围的第二层通过将第二反应物与第一层分隔来最终阻碍进一步反应，促使反应有效停止，从而得到接合单元，得到的接合单元具有核心、位于核心周围的第一层以及位于第一层上的第二层。所得接合单元的大小一般大于原始前体颗粒，从而填充多孔固态主体的周围多孔区域并且与多孔固态主体的相邻材料接合。因此，所述方法可以形成形状与原始多孔固态主体相同、但密度高于原始多孔固态主体的网状产物。此优于传统烧结方法，传统烧结方法引起质量传递缩减，导致材料密度高于初始粉坯。
C.浸渗介质
用于传递至多孔基质的至少一部分的浸渗介质包括溶剂(例如水)以及反应性物种(例如CO2)。溶剂可以为水性或非水性溶剂。溶剂可以包括一种以上组分。举例而言，在一些实施例中，溶剂可以为水和乙醇、乙醇和甲苯，或各种离子型液体的混合物，诸如基于以下的离子型液体：经烷基取代的咪唑及吡锭阳离子与卤素或三卤化铝酸盐阴离子。为了简化处理设备，湿式系统优于非湿式系统。
虽然溶剂可以与反应性物种发生化学反应，但溶剂不应与多孔基质发生化学反应。溶剂可以经由多种分离方法移除，所述分离方法诸如整体流动、蒸发、升华或用洗涤介质溶解，或本领域普通技术人员已知的任意其他适合分离方法。
更具体地，溶剂在溶解的反应性物种与多孔基质反应的温度下为液体。取决于所选的特定溶剂以及反应性物种，此温度将变化。为了节能以及简化处理设备、从而降低制造成本，较低温度优于较高温度。
溶剂作用与诸如波特兰水泥的涉及反应系统的现有技术形成对比，其中诸如水的溶剂与多孔基质反应而形成含有溶剂分子的产物，诸如金属水合物或金属氢氧化物，以及其他沉淀产物。
不论纯反应性物种的相，反应性物种作为中性、阴离子或阳离子物种溶于溶剂中。举例而言，至少一种反应性物种可以为CO2，CO2在室温下为气体，CO2可以作为中性CO2溶于水中，但可以产生反应性物种，诸如H3O+、HCO3 -、H2CO3以及CO3 2-。不论自然状态的反应性物种以及溶剂的初始相，浸渗介质在多孔基质的孔隙(例如孔隙空间)中均为液相。
举例而言，可以利用毛细管力使浸渗介质自发地吸入多孔基质中。当浸渗介质具有极低接触角(例如<90℃)时，发生此类湿润。在此情况下，介质可以部分地填充(部分地饱和)或完全填充(饱和)孔隙。浸渗还可以填充一些孔隙的同时、其他孔隙为空和/或部分填充的方式发生。以梯度填充或充满孔隙的浸渗多孔基质还可以随后经由毛细管流动而转化成均一的多孔基质。另外，当浸渗介质的接触角较高(例如>90°)时，湿润不能自发地发生。在此情况下，除非施加外部压力，否则流体不会浸渗多孔基质。当需要通过释放压力来抽出浸渗介质时(例如，可以通过压力起始或中断反应)，此方法适用。
当利用孔隙中的自发毛细管流动进行浸渗时，整体流动在填充(保护)孔隙时停止。在HLPS期间，反应性物种与基质通过各种反应方式发生反应而形成一种以上产物。孔隙空间内至少一种反应物种耗尽并且因此需要在反应过程中补充。当孔隙完全充满浸渗介质时，反应性物种必须通过基质孔隙从浸渗介质的外部向多孔基质传递。在静止流体中，扩散是发生传递的方法。因此，对于孔隙内反应快于所有其他质量传递方法的一些HLPS方法而言，反应因多孔基质厚度大幅增加而受限。在此情况下，仅基质的外层部分与反应性物种广泛发生反应，而多孔基质的内部区域不完全反应或不反应。该类型的反应适于制备梯度微结构，其中HLPS方法的产物浓度在结构的外侧部分(靠近外部表面区域)高于结构的内部。
D.方法选择以及控制
当高度放热反应相对于浸渗介质的传递缓慢进行并且基质绝热时，截留热可以提高基质内部的反应速率，使得基质内部含有的产物相(即至少一种反应性物种与多孔基质的一部分之间的反应产物)比基质内部更多。对于其中相对于浸渗介质的质量传递，反应以中等速率、以等温方式进行的HLPS方法而言，扩散可以继续向孔隙供应反应性物种并且未观察到反应程度(或产物浓度)梯度。在此情况下，单块结构或主体的材料内部至外部的化学和/或相组成存在的差异很小。
在很多情况下，单块结构主体就相以及组成而言需要均一微结构。此外，还需要在相对较短的时段内进行HLPS反应，例如在需要大型较厚单块主体的诸如道路或桥梁的应用中。在HLPS方法中，反应速率与质量传递之间需要平衡。用于前体选择以及引入前体以包含浸渗介质的方法的策略很重要。优选的前体的选择以及引入浸渗介质的方法至少部分地与以下因素有关：样品在最薄方向上的厚度、考虑为方法可接受的时间尺度以及方法在商业上可行所必需的热力学和动力学约束条件，诸如温度、压力以及组成。
表3总结前体选择以及引入方法策略。多孔基质可以直接浸渗或多孔基质可以泵成真空，随后执行表3所述的任意浸渗程序。描述了使用气体作为前体、液体作为前体或固体作为前体的方法。另外，诸如固体与液体、气体与液体以及气体与固体的相混合物皆可以使用。举例而言，诸如CO2的反应物为纯态气体，但转变为溶入水中的溶液物种。此事件可以通过气态扩散进入多孔基质内并随后当遇到孔隙时凝结来发生。当需要具有碳酸盐相的微结构时，此类前体系统适宜。前体(溶剂以及反应性物种)的添加次序可以影响反应产量以及材料微结构。
表3.用于HLPS方法的前体以及引入方法
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Figure BDA0000846284990000301
Figure BDA0000846284990000311
在一些实施例中，溶剂与反应性物种可以预混合而形成浸渗介质并且接着在单独步骤中引入基质内。在其他实施例中，可以优选的是使用多个浸渗程序。举例而言，可首先引入溶剂前体，随后进行反应性物种浸渗，或反之亦然。
因为浸渗介质将是分布于基质孔隙内的液体，因此溶剂与反应性物种前体最初均无需为相同相。举例而言，溶剂前体可以是蒸汽，诸如水，其在100℃以上的温度下、在大气压下呈气态并且可以通过将基质冷却至低于100℃的温度或通过使用孔径在开尔文孔径范围(小于100nm)内的多孔基质来利用表面能而凝结成液体。当孔隙较大时，提高温度以使得气态物种不能热凝结，需要少量浸渗溶液或因本文未论述的其他理由，并且可能期望使用潮解性化合物在孔隙中形成液体。该化合物的实例包括硼酸、硝酸铁及氢氧化钾。在此情况下，诸如水的蒸汽可使孔隙中的潮解性固相转变成液体并且孔隙中可以进行产物相的晶体生长。这在液体浸渗和扩散限制HLPS所制成的产物厚度时特别有用。或者，能够利用气态扩散在大得多的距离上传递物种，以在基质孔隙内部形成HLPS所必需的浸渗介质。
能够合并各种添加剂以改良HLPS方法及所得产物。添加剂可以是纯态的固体、液体或气体，但是可溶于溶剂相中或者在并入浸渗介质之前与多孔基质共处理(例如预混合)。实例包括成核催化剂、成核抑制剂、溶剂调节剂(例如软水剂)、湿润剂、非湿润剂、水泥或混凝土添加剂、建筑材料用添加剂、晶体形态控制添加剂、晶体生长催化剂、减慢晶体生长的添加剂、pH缓冲剂、离子强度调节剂、分散剂、黏合剂、流变性控制剂、反应速率催化剂、静电性、空间性、电空间性、聚电解质及沃德层(Vold-layer)分散剂、封端剂、偶合剂及其他表面吸附性物种、酸或碱pH调节剂、产生气体、液体或固体(例如当加热、加压、减压、与其他物种反应或暴露于本文未列出的任何处理变量时)的添加剂，以及生物或合成组分(例如用于任何上述功能和/或用作溶剂、反应性物种或多孔基质)。
在一些实施例中，可以使用潮解性固体。潮解性固体可以与多孔基质预混合。接着可将溶剂与至少一种反应性物种的预混合物引入潮解性固体-多孔基质中。预混合物中的溶剂与至少一种反应性物种可以均呈气相或均呈液相。在一些实施例中，在预混合物中，溶剂可以是液体并且所述至少一种反应性物种可以呈气相，或反之亦然。
气体-水蒸汽流能够越过多孔基质中的潮解性盐而在多孔基质的间隙空间中产生液相浸渗介质。举例而言，潮湿的气体-水蒸汽流能够充当用于CO2溶解及离子化的溶剂。已知很多种盐具潮解性并且能够适用于通过流经盐表面的湿空气而形成液体溶液。适当盐的选择依赖于空气湿度水平。一些能够可在极低的相对湿度下运作。潮解性盐的实例包括Mg(NO3)2、CaCl2及NaCl。
关于浸渗介质的传递，其能够作为自发湿润多孔基质的整体溶液传递。对于此溶液的传递存在多个选项。第一，能够将多孔基质浸没于液体中。第二，能够将浸渗溶液喷雾至多孔基质上。在静止系统中，当浸渗溶液体积大于多孔基质的孔体积时，扩散通过将反应性物种传递至孔隙位点而扩大反应。
或者，流体能够通过多种方法流动(机械对流)通过多孔基质。能够利用诸如加压流动、干燥、电渗流动、磁渗流动以及温度梯度及化学梯度驱动流动的方法使液体浸渗介质流动通过多孔主体。与依赖于扩散过程相反，此动态流动允许新鲜的反应物接近多孔基质。此方法是有益的，只要基质的孔径分布允许流体的流速适度的高，从而比扩散过程更快地供应反应性物种，并且当供应速率等于或超过形成产物的反应速率时最佳。另外，浸渗介质的流动通过特别适用于高度放热反应。这对厚的并且能够在内部产生热量的单块结构特别有益，所述内部产生的热量能够产生能够使单块结构破裂的内部压力。
许多应用中的材料厚度超过此长度尺度。在该情况下，优选为通过本领域技术人员已知的任何适合手段使流体机械对流。替代方法为将溶剂或反应性物种作为气态物种引入。而且，能够利用超临界条件达成液体与气体之间存在的传递速率。气体物种可以通过跨越多孔基质施加压力梯度来进行机械对流。若气体为反应性物种，则填充孔隙的溶剂流体能够流出孔隙，在孔隙上留下溶剂膜，所述溶剂膜能够吸收反应性物种气体。或者，部分填充的孔隙允许气体流动通过孔隙，同时溶剂吸收流过气体的一部分。
系统可以利用低温及低压来实现低成本处理。因此，孔隙中保留一小部分溶剂以促进反应性物种的气态扩散的方法优于需要大部分产物的利用静态流体进行反应的方法。存在许多能够有效地将反应物及溶剂物种传递至孔隙中的装置设计。一些这样的设计包括传统反应器设备，诸如压滤机、喷雾室、高压釜及蒸汽机。
实施例
实施例1：用合成硅灰石生产后张式铁道枕木的方法
用于生产这些试样的混凝土混合比例显示于表4中。
原材料：合成硅灰石(SC-C2)，Donghai Golden Resources Industries,东海，中国；经筛分的建造用砂，Stavola Construction Materials,Bound Brook,NJ；1/4"以及3/8"集料粉碎暗色岩，来自Clayton Block公司,Lakewood,NJ；Glenium7500掺合剂，来自BASF；以及普通自来水。
表4：混合比例(450kg批量)
成分 Wt.％ 用量(kg)
SC-C2 16％ 68.35
经筛分的建造用砂 30％ 128.15
1/4"集料 25％ 106.80
3/8"集料 29％ 123.90
固体组分合计 94.93％ 427.20
自来水 5.07％ 22.80
Glenium7500 0.50
液体组分合计 5.07％ 23.30
固体与液体合计 100％ 450.50
图4以及图5分别显示根据本发明的示例性实施例所制备的RRT试样的纵视图以及横截面图。用于后张钢线的孔道直径为1英寸(“in”，25.4mm)。
RRT的混合程序
1)量取106.8kg的1/4英寸集料并且装载于SicomaTM行星式搅拌机(MP 375/250)的吊车中。
2)量取123.8kg的3/8英寸集料并且装载于混合机的吊车中。
3)量取68.5kg的SC-C2并且装载于混合机吊车中。
4)量取128.1kg经筛分的建造用砂并且装载于混合机吊车中。
5)用以40RPM旋转的悬臂将混合机中所有这些成分混合3分钟而产生干混合料。
6)量取227.9kg自来水以及0.5kg Glenium 7500并且直接加载至干混合料中并且再混合3分钟而产生湿混合料。
RRT的浇铸程序
1)使用WD-40将模具(102英寸×11英寸×9英寸)的内表面润滑，以便能够容易地移除成型坯的侧面并且使浇铸试样容易脱模。
2)将湿混合料倾注入容器内且将其传递至保持模具的振动台。
3)用于后张式加强筋的六个孔道通过将1英寸直径的钢管均匀地定位于模具中来产生，如图3中所示。
4)在开启振动下，将湿混合料缓慢添加至模具中。在模具中填充4层，各层振动5分钟。
5)最后一层放置于模具中之后，继续振动直至获得非常光滑的精整表面。
6)模具在室温下(23±2℃)保持3小时。移除定位以形成孔道的管。随后移除模具的所有4个垂直侧面以暴露陶瓷坯体。
固化程序-在60℃以及0psig、大气压下汽蒸
将陶瓷坯体放置于已预热至60℃的7英尺直径、12英尺长的卧式高压釜内。高压釜接着用加热至60℃的CO2气体吹扫。位于高压釜的顶部以及底部的放气阀保留于开放位置，以有利于CO2气体流经高压釜。在CO2吹扫期间，利用风扇搅拌高压釜内的环境。5分钟之后，终止CO2气体流动，关闭两个放气阀，并且关掉风扇。接着打开位于高压釜顶部的放气阀并且使CO2气体恢复流动额外10分钟。此允许较轻的空气经由顶部放气阀逸出并且在高压釜内产生接近100％CO2的气氛。接着关闭位于高压釜顶部的放气阀，开启风扇，并且将高压釜内的CO2压力调节至0.5psig。预热至60℃的水在反应器底部循环，以允许在高压釜内建立水蒸汽压力。一旦高压釜内的气氛达到60℃，则气体浓度为约84％CO2以及16％H2O蒸汽。陶瓷坯体在这样的条件下固化65小时。从高压釜中移出固化陶瓷主体并且放置于90℃工业烘箱中以移除任意残余水。根据反应期间的重量增加来计算反应度。固化陶瓷主体展现至少50％的反应度。
测试从固化陶瓷主体切割的试样的抗压强度以及耐磨性。
图6示出根据先前描述的程序浇铸以及固化的实际RRT试样。
测试耐腐蚀性
使用表3所示的混合物比例，根据ASTM G109浇铸大小为11英寸×6英寸×4.5英寸(280mm×150mm×115mm)的棱柱形试样。各试样使用两个加强层，如图7中所示。腐蚀测试试样在高压釜中根据先前描述的固化程序反应。每组测试最少使用2个试样。棱柱形试样的顶层由一根加强筋与0.75英寸(19mm)混凝土覆盖层组成并且底层由两根钢筋组成。两个加强层与100欧姆电阻器电连接。棱柱形试样用3wt.％氯化钠溶液浸没4天并干燥3天；持续这样的循环直至在顶部与底部加强筋之间测量到预定量的电荷。监测加强筋的大电池腐蚀电流以及半电池电势(HCP)值(相对于铜-硫酸铜电极[CSE])。
测量如图7中所示的顶部以及底部加强筋的两个位置A与B的HCP，并且将两个数值的平均值视为相应加强筋的HCP值。
钢腐蚀
顶部以及底部加强筋的腐蚀试样两者的所测HCP值大于-650mV，指示腐蚀活性程度比普通碳钢加强筋高得多。根据标准，负值大于-350mV的HCP值指示腐蚀机率超过90％。
在本发明的后张式RRT的情况下，孔道中灌入加强用的高pH值保护性材料，因此为本发明的RRT的有益条件。在第二阶段的研究中，使用经波特兰水泥浆涂布的普通碳钢进行腐蚀测试。这些试样的HCP值为低得多的约-250mV，指示在100天持续测试期间无腐蚀活性。
耐磨性
从固化陶瓷主体切割的样品的耐磨性测试在CESARE公司(Colorado)，根据ASTMC779程序C进行。此测试为关于铁道枕木材料的耐磨性测试。不同批次的磨耗指数结果为606分钟/英寸、588分钟/英寸以及526分钟/英寸。劣质混凝土展现0至200分钟/英寸范围的磨耗指数值，并且优良混凝土样品产生大于350分钟/英寸的结果。因此，本发明的RRT在铁道枕木应用中具有优良的耐磨性。
在本说明书及随附的权利要求书中，除非上下文另有明确说明，否则单数形式“一(a/an)”及“所述(the)”包括复数形式。
除非另有定义，否则本文所用的全部技术及科学术语具有与本领域普通技术人员通常所了解相同的含义。虽然与本文所述相似或等效的任何方法及材料也能够用于实施或测试本发明，但本文描述了优选的方法及材料。除所公开的特定顺序之外，本文列举的方法也能够以逻辑上可能的任何顺序进行。
以引用的方式并入
本发明中已提及和引述其他文献，诸如专利、专利申请、专利公开、期刊、书籍、论文、网络内容。所有此类文献以全文引用的方式特此并入本文中用于所有目的。据称以引用方式并入本文中、但与现有定义、陈述或本文明确所列的其他公开材料冲突的任何材料或其一部分仅以所并入材料与本发明材料之间不发生冲突的程度并入。若有冲突，则所述冲突的解决应以本发明优选公开的内容为准。
等效物
本文公开的代表性实施例旨在帮助说明本发明，并且不希望、也不应视为限制本发明的范围。实际上，除本文所示及所述的内容之外，根据包括后述实例及本文述及的科学及专利文献的本文的全部内容，本发明的各种修改及其许多其他实施例对本领域技术人员是显而易见的。在各种实施例及其等效物中，所附实施例包含可以调整用于实施本发明的重要的附加信息、范例及规则。

Claims (15)

1.一种生产铁道枕木的方法，包括：
将微粒组合物与液体组合物混合以形成浆料混合物，其中所述微粒组合物包含：
研磨硅酸钙，该研磨硅酸钙具有1 μm至100 μm范围内的中值粒径，以及
填料颗粒，所述填料颗粒包含第一粗集料颗粒以及第二细集料颗粒，
并且其中所述液体组合物包含水；
将所述浆料混合物浇铸于针对铁道枕木所设置的模具中，以形成坯体，其中，所述模具包括一个以上管，所述一个以上管用于形成允许放置一个以上加强筋的一个以上孔道；
从所述模具中移除所述一个以上管，并且从所述模具中移除所述坯体；
使所述坯体在20℃至150℃范围内的温度下、在水和CO2的气氛下固化1小时至80小时，所述气氛具有环境大气压至高于环境大气压60 psi范围内的压力并且具有10%至90%范围内的CO2浓度；
向所述一个以上孔道中灌入pH高于12的保护性材料，或者在所述一个以上加强筋上形成保护性覆层；并且
穿过所述一个以上孔道放置所述一个以上加强筋，其中，所述铁道枕木与所述一个以上加强筋的直接接触被阻隔。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述液体组合物还包含高度减水掺合物。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述保护性材料包含波特兰水泥浆。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述浇铸的浆料混合物在60℃至110℃范围内的温度下、在包含水和CO2的蒸汽下固化15小时至70小时，所述蒸汽具有环境大气压至高于环境大气压30 psi范围内的压力。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述浇铸的浆料混合物在60℃至100℃范围内的温度下、在包含水和CO2的蒸汽下固化20小时至60小时，所述蒸汽的压力在环境大气压至高于环境大气压30 psi的范围内。
6.如权利要求1所述的方法，其中浇铸的浆料混合物在20℃至60℃范围内的温度下、在包含水和CO2并且具有环境大气压的蒸汽下固化15小时至50小时。
7.如权利要求1所述的方法，其中
所述研磨硅酸钙包含研磨硅灰石，并且
填料颗粒包含富含二氧化硅材料的粗颗粒和细颗粒。
8.如权利要求7所述的方法，其中包含粗颗粒以及细颗粒的所述填料颗粒包含砂、石英以及花岗岩中的一种以上。
9.如权利要求2所述的方法，其中所述高度减水掺合物包含聚羧酸盐，并且所述高度减水掺合物的浓度为所述液体组合物的1.5 wt.%到3 wt.%。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述微粒组合物包含16 wt.%的研磨硅酸钙。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述研磨硅酸钙主要是研磨硅灰石。
12.一种通过如权利要求1至11中任一项所述的方法制备的铁道枕木。
13.如权利要求12所述的铁道枕木，具有1900 kg/m3至2800 kg/m3的密度、40 MPa至100 MPa的抗压强度以及4 MPa至10 MPa的挠曲强度。
14.如权利要求12所述的铁道枕木，其特征为具有优于传统混凝土铁道枕木的提高的耐磨性。
15.如权利要求12所述的铁道枕木，其特征为具有优于传统混凝土铁道枕木的提高的耐腐蚀性。
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