CN107207347A - 用于混凝土的挤出的塑料骨料 - Google Patents

Abstract

本发明总体上涉及一种制备塑料骨料的方法以及其用于制备混凝土产品的用途。通过如下方式来形成所述骨料，即：提供颗粒状废塑料材料，将颗粒状废塑料材料引入具有模具的挤出机，所述模具的模嘴开口面积与模具工作带面积的比为约1∶10至约1∶40，以及通过挤出机挤出颗粒状废塑料材料以产生挤出的塑料骨料。该方法可以包括存在受控冷却、添加添加剂和处理骨料表面以生产所需的骨料，所需的骨料可以用于制备具有所需的性能如压缩强度和重量的混凝土产品。

Description

用于混凝土的挤出的塑料骨料

技术领域

本发明涉及由废塑料材料通过挤出生产塑料骨料，更具体地，涉及所述塑料骨料作为混凝土生产中的骨料的至少部分替代品的用途。

背景技术

塑料在混凝土中的使用是已知的，但是这导致了具有低压缩强度和/或低拉伸强度的混凝土，并且可能通过由于使用含有糖残余物(即来自甜饮料)的废塑料而导致的碱-硅酸反应(alkali-silica reaction，ASR)而遭受劣化。

轻骨料混凝土可以用于减少恒载以节省地基和钢筋(reinforcement)、改善热学性能、减少剥落、以及减少模架和支撑物的需要。然而，如上所述的，与用传统材料制成的混凝土相比，通常轻质混凝土会具有相对低的强度。

本发明的目的是提供一种塑料骨料，所述塑料骨料至少为公众提供有用的选择。

发明内容

在第一方面，本发明涉及制备塑料骨料的方法，所述方法包括：

提供颗粒状废塑料材料；

将所述颗粒状废塑料材料引入具有模具的挤出机，所述模具的模嘴(die nozzle)开口面积与模具工作带(die land)面积的比为约1∶10至约1∶40；以及

通过所述挤出机挤出所述颗粒状废塑料材料以产生挤出的塑料骨料。

在另一方面，本发明涉及生产用于混凝土产品的挤出的塑料骨料的方法，所述挤出的塑料骨料在使用中能够生产具有所需压缩强度的混凝土产品，所述方法包括：

·提供颗粒状废塑料材料；

·将所述颗粒状废塑料材料引入具有模具的挤出机，所述模具的模嘴开口面积与模具工作带面积的比为约1∶10至约1∶40；

·通过所述挤出机挤出所述颗粒状废塑料材料以产生挤出的塑料骨料；

·通过如下方式处理所述挤出的塑料骨料，以提供用于所述混凝土产品的挤出的塑料骨料：

i)冷却所述挤出的塑料骨料；或

ii)涂覆所述塑料骨料；或

iii)i)和ii)两者。

在另一方面，本发明涉及生产用于混凝土产品的挤出的塑料骨料的方法，所述挤出的塑料骨料在使用中能够生产具有所需压缩强度的混凝土产品，所述方法包括：

·提供颗粒状废塑料材料；

·将所述颗粒状废塑料材料引入具有模具的挤出机，所述模具的模嘴开口面积与模具工作带面积的比为约1∶10至约1∶40；

·通过所述挤出机挤出所述颗粒状废塑料材料以产生挤出的塑料骨料；

·通过如下方式处理所述挤出的塑料骨料，以提供用于所述混凝土产品的挤出的塑料骨料：

i)控制所述挤出的塑料骨料的冷却速率；或

ii)涂覆所述塑料骨料；或

iii)i)和ii)两者。

在另一方面，本发明涉及制备混凝土的方法，所述方法包括：

由颗粒状废塑料材料提供挤出的塑料骨料，所述挤出的塑料骨料在模嘴开口面积与模具工作带面积的比为约1∶10至约1∶40的挤出机中生产；

将按重量计约18％至约60％的水泥、按重量计约5％至约50％的水和按重量计约5％至约40％的挤出的塑料骨料混合，以形成骨料-混凝土混合物。

在另一方面，本发明涉及制备混凝土的方法，所述方法包括：

由颗粒状废塑料材料提供挤出的塑料骨料，所述挤出的塑料骨料在模嘴开口面积与模具工作带面积的比为约1∶10至约1∶40的挤出机中生产；

将按重量计约18％至约60％的水泥、按重量计约5％至约50％的水和按重量计约5％至约40％的挤出的塑料骨料混合，以形成骨料-混凝土混合物，

其中所述骨料-混凝土混合物提供压缩强度为至少约10至约50MPa的混凝土。

在另一方面，本发明涉及作为混凝土中金属骨料的至少部分替代物的塑料骨料，所述塑料骨料具有选自以下特征中的一个或多个特征：

约1至约30mm的大小；以及

约0.90至约1.15的比重；以及

粗糙且具有高表面积以促进机械结合和/或分子结合的表面纹理；以及

其中当在混凝土组合物中使用时，所述塑料骨料在混凝土混合物中具有高结合强度，所述混凝土混合物具有约10至约50MPa的压缩强度。

任意的以下实施方式可以涉及以任意方式组合的任意以上方面。

在一种实施方式中，所述混凝土包含按重量计约5、10、15、20、25、30、35或40％的挤出的塑料骨料，并且有用的范围可以选自任意的这些值之间。

在各种实施方式中，所述模具的工作带长度可以为约10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65和70mm，并且有用的范围可以选自任意的这些值之间。

在各种实施方式中，所述模具的工作带长度可以为约10至约40mm，并且有用的范围可以选自任意的这些值之间。

在一种实施方式中，所述模具的工作带长度为约20mm。

在一种实施方式中，所述模具的工作带长度产生了具有高纹理化或粗糙化表面的挤出的塑料骨料。

在一种实施方式中，在所述挤出机内以约120、130、140、150、160、170、180、190、200、210或220℃的温度加热所述颗粒状废塑料材料。

在一种实施方式中，在挤出过程期间，至少60、65、70、75、80、85、90或95％的所述颗粒状废塑料材料变为熔融的。

在一种实施方式中，所述颗粒状废塑料材料具有约1至约30mm的颗粒大小。

在一种实施方式中，所述颗粒状废塑料材料具有小于3mm的颗粒大小。

在一种实施方式中，该方法进一步包括在从模具挤出之后或期间冷却所述挤出的塑料骨料的步骤。

在一种实施方式中，通过使骨料与高热容量液体接触来进行冷却。在一种实施方式中，所述液体是水。

在一种实施方式中，制备具有所需性能的混凝土的方法包括压缩强度、密度和重量中的任意一种或多种所需的性能。

在一种实施方式中，所述混凝土产品的所需性能是压缩强度。

在一种实施方式中，所述混凝土产品的所需性能是密度。

在一种实施方式中，所述混凝土产品的所需性能是重量。

在一种实施方式中，通过在挤出的塑料骨料上喷射高热容量液体来进行冷却。在一种实施方式中，所述液体是水。

在一种实施方式中，通过使骨料与空气接触来进行冷却。在一种实施方式中，所述空气是在室温下。

在一种实施方式中，所述骨料与水的接触提供受控制的快速冷却。

在一种实施方式中，所述骨料与空气的接触提供受控制的缓慢冷却。

在一种实施方式中，冷却的速率限定所述骨料中孔隙空间的存在。

在一种实施方式中，所述骨料的快速冷却导致骨料中存在孔隙空间。

在一种实施方式中，所述骨料的缓慢冷却导致骨料中不存在或基本上不存在孔隙空间。

在一种实施方式中，该方法进一步包括向挤出的塑料骨料的表面提供极性物质的步骤，以在将挤出的塑料骨料添加至混凝土化合物时改善挤出的塑料骨料和混凝土混合物之间的界面。

在替代的实施方式中，处理所述挤出的塑料骨料以增加所述骨料的表面能。在优选的形式中，所述挤出的塑料骨料是等离子体处理的。例如，通过使用火焰处理。

在一种实施方式中，该方法进一步包括使用空气和受控的冷却助剂进一步冷却所述挤出的塑料骨料的步骤，以促进挤出物的气室结构均匀一致而达到约0.80、0.90、0.91、0.92、0.94、0.96、0.98、1.00、1.02、1.04、1.06、1.08和1.10、1.11、1.12、1.13、1.14、1.15的比重，并且有用的范围可以选自任意的这些值之间。

在一种实施方式中，所述受控的冷却助剂是火山灰质材料。优选地，所述火山灰质材料是粉煤灰(fly ash)。

在一种实施方式中，该方法进一步包括在冷却后使火山灰质材料的薄层融合到所述挤出的塑料骨料的表面内的步骤。

在一种实施方式中，所述挤出机是单旋转轴挤出机。

在一种实施方式中，所述挤出机是食物挤出机。

在一种实施方式中，所述挤出机以约300至约400转/分钟运行。

在一种实施方式中，所述模具的挤出表面包括至少3个表面。在一些实施方式中，所述模具是基本上星形的。

在一种实施方式中，所述挤出机的流量大于至少6、7、8、9、10、11、12、13、14、15吨/小时。

在一种实施方式中，该方法进一步包括向挤出混合物提供一种或多种添加剂的步骤。适合的添加剂的例子包括但不限于砂、粉煤灰、碳酸钙、研磨的火山灰质材料和/或玻璃细末、玻璃粉末或玻璃颗粒。适合的添加剂的其它例子包括但不限于超细粉末、粉末或颗粒形式的矿石粉、金属粉、木粉、纸和食物谷物副产物。

在一种实施方式中，以按所述挤出的塑料骨料的重量计至少约1、5、10、15、20、25、30、35或40％的量将添加剂添加至挤出混合物中，并且有用的范围可以选自任意的这些值之间。

在一种实施方式中，该方法包括向挤出混合物提供砂的步骤。在一种实施方式中，在挤出机的低压部分中将砂添加至挤出机。

在一种实施方式中，该方法进一步包括将玻璃颗粒添加至挤出机的步骤。在一种实施方式中，在挤出过程开始时添加玻璃颗粒。

在一种实施方式中，该方法进一步包括提供如上所述的塑料骨料的步骤。

在一种实施方式中，所述挤出的塑料骨料包括高的表面积与体积之比。

在一种实施方式中，对于约20mm的骨料，所述挤出的塑料骨料包括约1、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8或1.9的表面积与体积之比，并且有用的范围可以选自任意的这些值之间。

在本说明书中，其中已经参考了外部信息来源，包括专利说明书和其他文献，这通常为了提供用于讨论本发明特征的上下文的目的。除非另有规定，这样的信息来源的参考文献在任何范围内不被解释为承认这样的信息来源是现有技术或形成本领域公知常识的一部分。

本说明书和权利要求书中使用的术语“包括/包含(comprising)”的意思是“至少部分地由...组成”。当解释本说明书和权利要求书中包括该术语的表述时，在每个表述中冠以该术语的全部特征需要存在，但是其他特征也可以存在。以相同的方式来解释相关的术语如“包括/包含(comprise)”和“包括/包含(comprised)”。

本发明还可以广泛地认为由单独的或共同的本申请的说明书中引用或表明的部分、元素和特征，以及所述部分、元素或特征的任意两种或三种的任意或所有组合组成，其中本文提及了特定的整数，其具有本发明涉及的本领域已知的等价物，如单独地描述一样，这样的已知的等价物被认为并入本文。

附图说明

现在将通过仅举例以及参考附图来描述本发明。

图1显示了生产用于混凝土的挤出的塑料骨料的本发明方法的步骤的示意图。

图2显示了本发明的挤出的塑料骨料的剖面图。左边显示了通过快速冷却生产的低密度骨料，右边显示了通过受控的缓慢冷却生产的高密度骨料。

图3显示了模具的示意图，其显示了模嘴开口面积(A)和工作带长度(B)。通过所述模嘴的周长乘以工作带长度来确定工作带面积。

图4显示了用于在挤出机中使用以生产本发明的挤出的塑料骨料的模具设计的实例。

图5和图6显示了包含本发明的塑料骨料的混凝土在达到最大应力后承受负载的能力。

图7显示了不包含本发明的塑料骨料的混凝土在达到最大应力后无能力承受负载。

图8显示了可以用于本发明的塑料骨料的挤出的示例性模具的形状。

图9显示了由10/5星形模具(2mm规模)完成的骨料产品。

图10显示了在水中具有可变表面纹理化(variable surface texturalisation)的8mm直径的挤出物。

图11显示了在适当位置设置了回收箱以接收挤出物的挤出机。

图12显示了包含本发明的骨料的混凝土的横截面。

具体实施方式

本发明涉及用于混凝土制造的塑料骨料的生产方法。该方法一般包括以下步骤：提供颗粒状废塑料材料；将所述颗粒状废塑料引入模具开口面积与模具工作带面积的比为约1∶10至约1∶40的挤出机；以及通过所述挤出机挤出所述颗粒状塑料材料以产生挤出的塑料骨料。

通常在塑料工业中，塑料的挤出集中于具有光滑和/或一致的表面纹理或覆盖物的产品。

本发明涉及具有不规则表面的挤出的骨料。

1.来源材料

用于本发明的来源材料是废塑料材料。这样的材料通常是混杂的塑料的非均质混合物。例如，所述材料可以是通常由住宅楼和商业楼处理的用于回收的废塑料材料的混合物。例如，奶瓶、塑料饮料瓶(许多包括含糖饮料)、塑料容器和塑料包装等。

所述废塑料材料可以包括聚烯烃，例如，高、中和/或低密度聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和/或可以包括其他塑料，例如，未增塑的聚氯乙烯、增塑的聚氯乙烯、聚苯乙烯、乙腈丁二烯苯乙烯和聚氨酯。

使用作为用于挤出的塑料骨料的来源材料的废塑料提供了塑料的另一种用途，否则所述塑料会被送往垃圾填埋场。通常地，在废塑料能够经过挤出机或用于混凝土之前，废塑料必须经过一系列洗涤过程。这是因为来自之前使用的废塑料的杂质和剩余残渣。然而，在本发明中，废塑料不需要大量清洁。例如，虽然移除大的有机颗粒是希望的，但是不要求清洁塑料以移除例如从含糖饮料容器留下的残余的糖。

首先将所述废塑料切碎成大小为约10至约200mm，优选为约50mm的颗粒。然后使该切碎的塑料材料颗粒化为大小为约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15mm的颗粒，有用的范围可以选自任意的这些值之间(例如，约1至约15、约1至约13、约1至约12、约1至约10、约1至约9、约1至约8、约1至约7、约1至约5、约1至约4、约2至约15、约2至约14、约2至约10、约2至约8、约2至约7、约2至约5、约3至约16、约3至约13、约3至约11、约3至约9、约3至约7、约3至约5、约4至约15、约4至约12、约4至约10、约4至约8、约4至约6、约5至约15、约5至约13、约5至约11、约5至约9、约5至约7、约6至约15、约6至约12、约6至约10、约6至约9、约8至约15、约8至约14、约8至约12、约8至约10、约9至约15、约9至约14、约9至约12、约9至约11、约10至约15、约10至约14、约10至约12、约11至约15、约11至约13、约12至约15、约12至约14或约13至约15mm)。

2.挤出过程

本发明使用挤出过程生产挤出的塑料骨料。一般方法如图1所示。

所述挤出方法包括以下步骤：提供颗粒状废塑料材料，将所述颗粒状废塑料引入模具开口面积与模具工作带面积的比为约1∶10至约1∶40的挤出机，以及通过所述挤出机挤出所述颗粒状废塑料材料以产生所述挤出的塑料骨料。

在挤出期间，所述颗粒状废塑料材料的至少一部分在挤出期间变为熔融的。在一种实施方式中，在挤出过程期间，至少60、65、70、75、80、85、90或95％的所述颗粒状废塑料材料变为熔融的。

2.1挤出机设置

通过挤出机形成所述挤出的塑料骨料。适合的挤出机可以包括塑料挤出机和烹饪挤出机(cooking extruder)。

在一种实施方式中，挤出机是烹饪挤出机类型。这样的食物挤出机典型地是在筒内的螺旋钻型螺杆，所述螺旋钻型螺杆迫使原材料通过限制性拉模板(die plate)在该情况下挤出废塑料，以制造塑料骨料。

与典型的塑料挤出机相比，食物挤出机的优势是它以高通量、低成本运行，并且提供比塑料挤出机更大的可伸缩性。在一些实施方式中，挤出的塑料骨料离开模具的速度是约0.02至约0.04m/s。

在一种实施方式中，挤出机以约300至约400转/分钟运行。

虽然挤出可以用于描述材料被迫通过限制点的一系列过程，但是一般来说挤出过程最常描述为筒内的螺旋钻，所述螺旋钻迫使原材料通过限制性拉模板。该过程用于许多应用，包括例如食物/饲料加工、聚合物和铝等。

食物挤出机和饲料挤出机可以被未限制地称为烹饪挤出机。通过产生由产物滑动产生的剪切力(摩擦力)/针对螺杆的对原材料流的阻力，以及在需要时较小程度地使用来自带夹套的筒的热输入(加热和冷却两者)，它们产生了达到理想的过程条件所需要的热量。螺杆轮廓(screw profiles)通常是复杂的，并且反映了筒内的不同的点，其中较高量或较低量的剪切对任何给定的产品是必需的。

另一方面，传统的矿物聚合物挤出更严重地依赖于热输入(加热)，其中螺杆轮廓沿螺杆长度的变化最小。虽然剪切力的发生形成了熔融过程的一部分，但是其与食品/饲料挤出相比程度较低，并且流变学稍微更不复杂。

在本发明的一种实施方式中，使用通常用于制备高密度动物饲料的螺杆轮廓，通过单螺杆烹饪挤出机来加工废塑料或回收的塑料。

通过利用高剪切力条件以及通过管理模具限制来实现废塑料的完全熔融。可以对特定的机械能进行优化以在具有或不具有外部热输入下实现熔融。

通过发生由产物滑动产生的剪切(摩擦)/针对螺杆的对原材料流的阻力，以及还有挤出机筒被加热，挤出机产生热量。螺杆轮廓通常是复杂的，并且反映了筒内的不同点，所述筒中较高量或较低量的剪切力对任何给定的产品是必需的。

本发明的制备中使用的烹饪挤出机的类型可以相当不同。

它们的变化中的一些可以包括：

·单螺杆或多螺杆

·长筒或短筒

·有夹套或无夹套的

·连续螺纹螺杆元件或分段螺杆元件，或

·固定速度或可变速度。

在一种实施方式中，挤出系统包括长筒(8个头)的、有蒸汽夹套的、可变的螺距元件、速度可变的单螺杆挤出机。

在一种实施方式中，所述挤出机是单螺杆挤出机。

在优选的实施方式中，所述挤出机是食物挤出机。

在一种实施方式中，通过漏斗将所述来源材料加入挤出机。

2.2挤出机模具

本发明人发现具体的挤出模具设置对于生产可接受的挤出的塑料骨料是重要的。模具截面和工作带长度是挤出过程的变量以生产有效的产品。

图3显示了模具1的图。模具1包括嘴A并且具有已知作为工作带长度B的长度。所述嘴的横截面是开口壁面积。所述工作带长度是以平行于螺杆的方向运行的工作带的长度。

在一种实施方式中，模嘴面积与工作带面积(嘴A的周长乘以工作带长度B)的比是1比约10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65或70，并且有用的范围可以选自任意的这些值之间(例如，约1∶10-70、约1∶10-60、约1∶10-50、约1∶10-40、约1∶10-30、约1∶10-20、约1∶15-70、约1∶15-60、约1∶15-50、约1∶15-40、约1∶15-35、约1∶15-30、约1∶15-25、约1∶20-70、约1∶20-65、约1∶20-60、约1∶20-45、约1∶20-40、约1∶20-35、约1∶20-30、约1∶20-25、约1∶25-70、约1∶25-60、约1∶25-40、约1∶25-35、约1∶25-30、约1∶30-70、约1∶30-60或约1∶30-40)。

已经发现1∶10至1∶40的开口嘴面积A与工作带面积(嘴A的周长乘以工作带长度B)的比建立了高度纹理化的表面。该纹理化的表面具有需要的表面粗糙度和/或表面面积以便塑料骨料形成与混凝土混合物的良好的化学和/或机械结合。

在一种实施方式中，所述模具的工作带长度为约10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65和70mm，并且有用的范围可以选自任意的这些值之间(例如，10至约70、约10至约65、约10至约60、约10至约50、约10至约40、约10至约30、约15至约70、约15至约65、约15至约55、约15至约40、约15至约30、约20至约70、约20至约65、约20至约55、约20至约45、约25至约70、约25至约60、约25至约50、约25至约40、约30至约70、约30至约65、约30至约50、约30至约45、约40至约70、约40至约65、约40至约55或约55至约70mm)。

在一种实施方式中，所述模具的工作带长度为约20mm。

应该理解，一系列模具形状伴随如上所述的工作带长度会有效地起作用。例如，小“豌豆”型塑料骨料可以用20mm的工作带长度有效地生产。豌豆塑料骨料模具形状可以具有5mm或更小的直径。

不希望被理论所限制，与典型的食物挤出相比，非常长的工作带长度的模具的使用引起在模具内表面曳力的时间延长，导致与边缘相比模具中心的流速的明显变化，导致模具出口处的表面不均匀性。

2.3螺杆形状

使用的螺杆轮廓包含具有长螺距单螺纹螺杆的初始进料部分。

紧接着初始进料部分的是中心部分，其中通过紧接着高度限制的阻流板的双螺纹压紧螺杆和叶状螺杆，剪切力被最大化。

该高剪切力点引起最大程度的混合和热发生，导致大部分原材料在进入螺杆的最终部分之前到达熔融相。

所述最终部分是长螺距单螺纹，在温度持续峰值和发生完全熔融期间，提供较低剪切的停止工步(dwell phase)。

最后的圆锥三螺纹压紧螺杆使得完全螺杆填充并且均匀化高压以在模具上保持。

在挤出机中需要剪切闭锁以建立高压限制，通过该高压限制气体不能逃逸。否则气体会从最小阻力的途径，退回出挤出机口(入口)，并扰乱物质流，或甚至完全阻止向前的流动(尤其是在单螺杆机器中)。

2.4模具形状

本发明使用的模具形状有助于生产具有纹理化表面的挤出的塑料骨料。

如讨论的，因为平坦区域的存在可以提升其中包含挤出的塑料骨料的产品内的应力平面，缺少实质上平坦区域的挤出的塑料骨料的生产存在优势。

导致挤出的塑料骨料具有纹理化表面的本发明所使用的模具形状通常基于不规则形状。例如，规则形状如圆形或椭圆形会导致挤出的塑料骨料具有低纹理化表面。由这样的挤出的塑料骨料制成的产品可以具有数量增加的应力平面和作为结果的低拉伸强度。

所述模具形状可以具有包括许多顶点的不规则形状。如图4所示的是具有4个顶点的模具形状。图8显示的是具有“星”形的两种模具。

在一种实施方式中，所述模具形状是具有多于至少2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12个顶点的模具形状。例如，三角形模具形状具有3个顶点，正方形模具形状具有4个顶点等。

在一种实施方式中，模具形状基于抽象性初级形状。例如，示于图4的模具的抽象性形状是正方形，因为星形的顶点形成了正方形。将顶点之间的模具壁制成非线性的，以便改进纹理化的表面(见图9)。在图4的模具的情况下，将基于三角形的次级形状应用于所述初级形状。这产生了具有四个顶点并且每个顶点之间具有三角形图案以便在每个顶点之间产生弧的星形模具。

在一些实施方式中，所述初级形状是正方形、圆形或椭圆形。

在一些实施方式中，应用于初级形状的次级形状是任何形状，以便为初级形状添加顶点和/或在初级形状的顶点之间建立非线性周长。

具有如上所述的适合的工作带长度的所使用的这样的模具形状会提供具有纹理化/不规则表面的挤出的塑料骨料。

在一种实施方式中，复杂形状优选作为模具形状。例如，如图4所示的星形的形状使曳力最大，尤其是在端点处，并且可以使混凝土中的裂纹扩展最小化，这是因为生产了缺少实质上平面表面的挤出的塑料骨料。

通过挤出过程形成的塑料骨料通常具有与模具形状相似的形状。例如，具有三个面和三个角的三角形模具会生产通常具有三个面和三个角的塑料骨料。然而应当注意，所述三个面会是高度纹理化或粗糙的，并且所述三个角不会是精确的和轮廓清晰的。这是本发明的优势。这适用于相似的形状如正方形、不规则形状等。

2.5切割

在一种实施方式中，将离开模具的挤出物分成适合的长度以形成挤出的塑料骨料。

在一种实施方式中，通过切割挤出物将挤出物分成适合的长度。

例如，通过在挤出机出口处的刀片将挤出物切割成希望的长度，所述刀片相对于模具开口以特定的速度旋转。然后所述产品被冷却和干燥，变硬同时保持多孔性。

在一种实施方式中，所述刀片是锯齿状刀片。

在一种实施方式中，所述刀片与模具表面间隔约0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9或2mm，并且有用的范围可以选自任意的这些值之间。

在一种实施方式中，放置所述刀片以具有前缘和后缘，以至刀的前缘比后缘更接近于模具表面。

在一种实施方式中，所述刀片包括波纹状。

2.6冷却

在一种实施方式中，该方法进一步包括在挤出物从模具挤出之后或期间冷却挤出物的步骤。

所述冷却可以通过使骨料与高热容量液体如水接触进行。可以将水喷射在骨料上，或者可以将骨料浸在含有水的容器中。

为了控制冷却的速率，可以调节水的温度。例如，对于高冷却速率，通过使用冷水冷却。通过提高水的温度可以使骨料的冷却速率放缓。

骨料的冷却可以在空气中进行。此外，通过控制用于冷却骨料的空气的温度可以调节冷却的速率。

在水中冷却趋向于导致骨料的快速冷却，这是由于水的传热性高。在空气中冷却趋向于导致骨料更慢的冷却速率，这是由于与水相比空气的传热能力较低。

骨料的缓慢冷却导致骨料不具有孔隙空间或基本上不具有孔隙空间。

骨料的快的或快速的冷却导致骨料具有孔隙空间。冷却的速率可以用于控制骨料中的孔隙空间的大小和延伸性。

取决于希望生产的混凝土的性质，这可以是重要的。例如，如果具有低重量、高耐热性的混凝土是希望的，那么进行快速冷却，这是因为骨料会含有孔隙空间，由此会减少混凝土的重量并且提高混凝土的耐热性。

在替代的实施方式中，如果高强度的混凝土是希望的，那么缓慢冷却骨料。这具有导致骨料具有很少或不具有孔隙空间，提高混凝土密度以及导致生产高强度混凝土的作用。

高强度混凝土典型地是具有至少20、21、22、23、24、25、26、27、28、29或30MPa的压缩强度的混凝土，并且有用的范围可以选自任意的这些值之间(例如，约20至约30、约20至约28、约20至约26、约20至约27、约20至约25、约20至约23、约21至约30、约21至约28、约21至约26、约21至约25、约22至约30、约22至约27、约22至约25、约23至约30、约23至约29、约23至约25、约24至约30、约24至约28、约24至约27、约25至约30、约25至约28、约25至约26、约26至约30、约36至约29、约26至约27、约27至约30、约27至约29、约28至约30MPa)。

在替代的实施方式中，通过添加粉末进行冷却，所述粉末选自如粉煤灰或其他火山灰质材料、玻璃粉末、碳酸钙、氧化硅微粉、砂和其组合。

本发明人已经发现在挤出物离开挤出机之后立即应用水的的受控速率(例如，水雾)帮助保持材料分离。该冷却水(例如，水雾)几乎马上消失，但是提供了使热骨料在高湿的气力运输环境内形成薄皮的机会。其次，水(例如，水雾)提供了最初控制冷却以使内部气体以一致的速率收缩的机制，避免发展出大的孔隙空间。

水雾的使用以低速率开始了冷却过程，同时使得内部气体以一致的速率收缩，避免发展出大的孔隙空间。

气体来自在原始容器中用作填料的残余的污染物、水、空气和化学物质。

在一种实施方式中，每1.0kg塑料挤出物使用至少约0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9或1L液体，并且有用的范围可以选自任意的这些值之间(例如，每1.0kg塑料挤出物约0.1至约1.0、约0.1至约0.9、约0.1至约0.8、约0.1至约0.6、约0.1至约0.5、约0.2至约1.0、约0.2至约0.9、约0.2至约0.7、约0.2至约0.6、约0.2至约0.5、约0.3至约1.0、约0.3至约0.9、约0.3至约0.8、约0.3至约0.7、约0.3至约0.6、约0.3至约0.5、约0.4至约1.0、约0.4至约0.8、约0.4至约0.6、约0.4至约0.5、约0.5至约1.0、约0.5至约0.8、约0.5至约0.7、约0.7至约1.0、约0.7至约0.8、约0.8至约1.0、约0.9至约1.0L)。

在一种实施方式中，挤出的塑料骨料在水雾中的停留时间为约0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5或4秒，并且有用的范围可以选自任意的这些值之间。

在一种实施方式中，所述挤出的塑料骨料经过旋风风干。

在一种实施方式中，该方法进一步包括使用空气和受控的冷却助剂进一步冷却挤出的塑料骨料的步骤，以促进挤出物形成均匀地气室结构而达到约0.80、0.81、0.82、0.85、0.87、0.88、0.89、0.90、0.91、0.92、0.93、0.94、0.95、0.96、0.97、0.98、0.99、1.00、1.01、1.02、1.03、1.04、1.05、1.06、1.07、1.08、1.09、1.10、1.11、1.12、1.13、1.14、1.15、1.16、1.17、1.18、1.19或1.20的比重，并且有用的范围可以选自任意的这些值之间。

在一种实施方式中，该方法进一步包括冷却后使火山灰质材料的薄层融合到所述挤出的塑料骨料的表面内的步骤。

在一些实施方式中，该过程包括将空气和/或受控的冷却助剂添加至热且分离的挤出的塑料骨料以进一步冷却。适当的受控的冷却助剂的实例是火山灰质材料如粉煤灰、玻璃粉末、碳酸钙和氧化硅微粉。

在一种实施方式中，粉煤灰用作受控的冷却助剂。粉煤灰具有直径为约10-200μm的分子，这使得其传热性良好，同时使所述骨料充分地脱气。

在一种实施方式中，通过气动系统来移除并且回收残余的粉煤灰。

在一种实施方式中，新鲜挤出的塑料骨料以如下表1所示的冷却速率冷却。

表1.挤出的塑料骨料的冷却速率

本发明人已经发现将受控的冷却助剂如火山灰质材料(例如，粉煤灰)用于控制冷却使火山灰质材料的薄层融合至骨料表面。这提高了表面积，提供了用于水泥浆结合的显著更大的表面。

在一种实施方式中，暴露的表面增加100、200、300、400、500、600、700、800、900、1000、2000、3000、4000、5000、6000、7000、8000、9000、10000或11000倍，并且有用的范围可以选自任意的这些值之间。

此外，火山灰质涂层的添加为塑料骨料添加了疏水性能。

在一种实施方式中，控制挤出的塑料骨料的冷却速率可以用于控制骨料内的孔隙大小，以及由此控制获得的挤出的塑料骨料的密度。

不希望被理论束缚，本发明人已经发现以低速率冷却挤出的塑料骨料，使骨料内的气体逃逸，导致骨料内的孔隙坍塌并且形成致密的挤出的塑料骨料。在一种实施方式中，受控的冷却通过使夹带的气体以均匀的速率持续收缩使得骨料致密化。在一种实施方式中，挤出的塑料骨料的密度为约300、310、320、330、340、350、360、370、380、390、400、410、420、430、440、450、460、470、480、490、500、510、520、530、540或550kg/m³，并且有用的范围可以选自任意的这些值之间。

在一种实施方式中，将挤出的塑料骨料冷却少于约20、19、18、17、16、15、14、13、12、11、10、9、8、7、6、5、4、3、2或1分钟的时间，并且有用的范围可以选自任意的这些值之间，以生产高速率冷却的挤出的塑料骨料。在一种实施方式中，所述高速率冷却的挤出的塑料骨料的密度为约200、300、310、320、330、340、350、360、370、380、390或400kg/m³，并且有用的范围可以选自任意的这些值之间。在一种实施方式中，所述高速率冷却的挤出的塑料骨料的肖氏硬度D为约20、25、30、35、40、45、50、55、60、65或70，并且有用的范围可以选自任意的这些值之间。

在一种实施方式中，将挤出的塑料骨料冷却约5、10、20、30、40、50、60或70分钟的时间，并且有用的范围可以选自任意的这些值之间，以生产低速率冷却的挤出的塑料骨料。在一种实施方式中，所述低速率冷却的挤出的塑料骨料的密度为约400、410、420、430、440、450、460、470、480、490或500kg/m³，并且有用的范围可以选自任意的这些值之间。在一种实施方式中，所述高速率冷却的挤出的塑料骨料的肖氏硬度D为约50、55、60、65、70、75、80、85或90，并且有用的范围可以选自任意的这些值之间。

图2显示了快速冷却的骨料的结构(左侧)和缓慢受控冷却的骨料的结构(右侧)。由缓慢受控冷却获得的骨料具有致密结构。

2.7添加剂

在一种实施方式中，该方法进一步包括将一种或多种添加剂添加至挤出混合物的步骤。适合的添加剂的例子包括但不限于砂、玻璃、粉煤灰、碳酸钙和/或一种或多种研磨的火山灰质材料。

在一种实施方式中，所述添加剂以基于挤出的塑料骨料的重量计至少约1、5、10、15、20、25、30、35或40％的量添加至挤出混合物，并且有用的范围可以选自任意的这些值之间。

在一种实施方式中，所述添加剂是玻璃。在一种实施方式中，在挤出过程开始时添加所述玻璃颗粒。

不希望被理论束缚，本发明人已经发现超微细研磨的颗粒(micro groundparticle)如粉煤灰、碳酸钙和研磨的玻璃的添加提供了乳化作用。本发明人已经发现这产生了比不使用精细的颗粒内含物更加均匀精细的气室结构。

在一种实施方式中，该方法进一步包括为塑料骨料的表面提供极性物质的步骤，以改善在将骨料添加至混凝土混合物时改善骨料和混凝土混合物之间的界面。

在替代的实施方式中，处理挤出的塑料骨料以提高骨料的表面能。在优选的形式中，挤出的塑料骨料是等离子体处理的。例如，通过使用火焰处理。

3.挤出的塑料骨料

本发明生产挤出的塑料骨料。

在一种实施方式中，挤出的塑料骨料的大小为约2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29或30mm，并且有用的范围可以选自任意的这些值之间。

所述骨料的体积是面积的许多倍。例如，对于20mm的骨料，表面积与体积比为约1、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8或1.9，并且有用的范围可以选自任意的这些值之间。

在一种实施方式中，所述挤出的塑料骨料的比重为约0.90、0.91、0.92、0.93、0.94、0.95、0.96、0.97、0.98、0.99、1.00、1.01、1.02、1.03、1.04、1.05、1.06、1.07、1.08、1.09、1.10、1.11、1.12、1.13、1.14、1.15、1.16、1.17、1.18、1.19或1.20，并且有用的范围可以选自任意的这些值之间。

在一种实施方式中，所述挤出的塑料骨料具有粗糙化的表面纹理，并且具有高表面积以促进机械和分子结合。

本发明的一个方面在于在同一块骨料上产生不同面积的表面。这一方面帮助减少裂开面在水泥混合物中排列的趋势。裂开面中的这种减少提高了水泥在与所述塑料骨料混合时的压缩强度。

这通过挤出塑料骨料实现，使得其具有许多非不对称特性和粗糙表面区域。这通过下文将描述的挤出过程的参数和变量来实现。

所述塑料骨料的优选的形状是立方体。通过使用立方体骨料，可以改善压缩强度和挠曲强度两者，这可以提高可加工性并减少泌水(bleeding)和收缩(shrinkage)。

在其他实施方式中，所述塑料骨料可以可选择地成形。这样的形状可以包括但不限于基本上球体的、不规则的、椭圆体的等。

优选地，所述塑料骨料包括高的表面积与体积之比。

在从模具挤出期间导致的高度纹理化表面是由挤出物的流变学和由模嘴的侧壁产生的曳力形成。诱发的颗粒速度衰减产生了高度错位的表面。

该高度纹理化的表面的益处是双倍的。第一，表面积增加实质上提供了用于水泥结合的更多的表面积。第二，极度的表面破坏为水泥提供了机械结合机制，以在分子结合周围独立地形成捕捉结合(captured bond)。

优选地，所提出的挤出的塑料骨料具有至少80、85、90、95或99％的表面积作为纹理化或粗糙化的表面，并且有用的范围可以选自任意的这些值之间(例如，约80至约99、约80至约95、约80至约90、约85至约99、约85至约90、约90至约99、约90至约95％的表面积)。

在另一实施方式中，优选的是，不大于30、25、20、15、10、5、1％的所述表面积是扁平线性表面，并且有用的范围可以选自任意的这些值之间(例如，30至约1、约30至约5、约30至约10、约30至约20、约25至约1、约25至约10、约25至约15、约25至约20、约20至约1、约20至约5、约20至约10、约15至约1、约15至约10、约10至约1或约10至约5％表面积)。

在从模具挤出期间导致的高度纹理化表面是由挤出物的流变学和由模嘴的侧壁产生的曳力形成。诱发的颗粒速度衰减产生了高度错位的表面。

在一种实施方式中，所述挤出的塑料骨料具有纹理化/不规则的表面。在挤出的塑料骨料上希望有纹理化或不规则的表面。在一种实施方式中，模具的形状是如图4所示的“星”形。该星形设计产生了挤出的塑料骨料的表面上的纹理化表面。

所述星形模具具有两个优势。第一，在相同的平面上不会发生相同的纹理。这证明其是更强的骨料，因为纹理在塑料骨料的表面上发生的趋势更少。

第二个优势是所述星形模具在塑料骨料的周长上提供不规则的节。所述不规则的节提供了减少水泥中应力开裂传播的机械机制。

所述星形模具设计的另一方面是其允许不对称的对称性。

不对称性减少了多个塑料骨料在水泥混合物中对齐的机会，这可以防止开裂沿平面传播。

由于不对称的侧壁曳力，不对称性还产生被设计进入骨料的弯曲。由于在塑料骨料中具有弯曲，所述骨料填充(pack)在水泥混合物中相同平面的趋势更小。

所述塑料骨料填充在相同平面的作用可以产生对直接应力的裂开面。应力的这种方向会引起不成熟的负载失败。确保这些裂开面不对齐有助于提高对施加于混凝土的力的抗性，即使混凝土更强。

4.用途

本发明是一种塑料骨料，所述塑料骨料可以用作标准骨料的至少部分替代品以生产更轻质的混凝土。塑料骨料的使用减少了典型的混凝土的重量，这是因为与骨料相比，塑料骨料具有较低的密度。

在一种实施方式中，所述混凝土包含按重量计约5、10、15、20、25、30、35或40％的挤出的塑料骨料，并且有用的范围可以选自任意的这些值之间(例如，约5至约40、约5至约30、5至约20、约5至约10、约10至约40、约10至约35、约10至约25、约15至约40、约15至约35、约15至约30、约20至约40、约20至约35、约20至约30、约25至约40、约25至约35、约30至约40、约35至约40％的挤出的塑料骨料)。

通常轻质塑料具有比重质混凝土更低的压缩强度。然而，已经发现，塑料骨料的特定结构可以将轻质混凝土的压缩强度值提高到与重质混凝土相似的值。

通过具有非常高的表面积，以提高塑料骨料与混凝土混合物的化学结合和机械结合，本发明的塑料骨料实现了上述目标。

此外，通过使用具有孔隙空间的骨料，可以获得具有改善的耐热性并且甚至是更轻质的混凝土。这样的混凝土会具有比用例如不具有或具有很少孔隙空间的骨料制成的混凝土更低的压缩强度。然而，这可以适合于不需要高压缩强度而重视轻质和/或耐热性(例如，隔热性能)的混凝土。

在一种实施方式中，该方法进一步包括为混凝土混合物提供砂的步骤。在一种实施方式中，在挤出机的低压部分中将砂添加至挤出机。

在一种实施方式中，该方法进一步包括提供如上所述的塑料骨料的步骤。

在一种实施方式中，含有塑料骨料的混凝土每m³混凝土包含100、150、200、250、300、350、400、450、500、550或600kg水泥，并且有用的范围可以选自任意的这些值之间。

在一种实施方式中，含有塑料骨料的混凝土每m³混凝土包含50、100、150、200、250、300或350kg挤出的塑料骨料，并且有用的范围可以选自任意的这些值之间。

在一种实施方式中，含有塑料骨料的混凝土每kg混凝土包含10至50％的水，并且有用的范围可以选自任意的这些值之间。

在一种实施方式中，用本发明的挤出的塑料骨料形成的混凝土的压缩强度为至少10、15、20、25、30、35、40、50MPa，并且有用的范围可以选自任意的这些值之间(例如，约10至约50、约10至约40、约10至约30、约10至约20、约15至约50、约15至约45、约15至约37、约15至约35、约15至约34、约15至约33、约15至约32、约15至约31、约15至约30、约15至约20、约20至约50、约20至约45、约20至约40、约20至约30、约25至约50、约25至约45、约25至约35、约30至约50、约30至约40、约40至约50MPa)。

在一些实施方式中，使用所述挤出的塑料骨料可以生产具有高达约50、60、70、80、90或100Mpa的压缩强度的混凝土。

本发明的含有塑料骨料的混凝土可以用于各种用途，如形成用于小路、道路、板和铺路材料的混凝土。

实施例

1.评价过程条件对骨料的性能的影响

实施例1

本实施例的目的是：

·评价用于回收塑料挤出的烹饪挤出设备的适用性，

·开发具有比塑料挤出机更低成本和更大可扩展性的更快过程，以及

·改善获得根据本发明所述产品所需的温度和/或水汽的过程变量。

该过程使用400kg包装的混合的工业用塑料。该塑料来自塑料回收商业，其被认为代表了废塑料物流。

在新西兰蒂普基使用单轴切碎机切碎塑料，进料至具有3mm筛的制粒机。

对于实施例1和2，所述实验分两批次进行。

所述挤出在使用多个直径为15mm的模具的Wenger X-20设备上进行。

使用的刀片是与模具表面间隔0.01mm的单刀片，并且尽可能慢地运行。

当挤出物离开挤出机时，使用水浴冷却挤出物。所述水浴通过手桨搅拌充入空气。

按如下方式测试以下模具和挤出机设置。

表2.刀设置

表3.挤出机设置

应该注意的是，该过程产生了良好的熔融物(估计99％)、均匀的压力和均匀的挤出物。

研究粉煤灰作为挤出的塑料骨料上的涂层。

为了确定挤出的塑料骨料的性能，进行以下分析。

堆积密度(使用已知体积和重量的玻璃试管)。

横截面(使用切割机切开挤出的塑料骨料以研究孔隙)。这也提供了强度的初步测试。

我们发现空气干燥或粉煤灰涂层帮助将骨料的冷却控制到均匀的速率。

我们还发现挤出的塑料骨料的水冷却形成表面硬化，防止内部气体进一步收缩并且产生在真空状态下保持的大的孔隙空间。产生的产品是更轻的，但是具有更低的压缩强度。

反而，我们发现空气冷却是更缓慢的，并且导致显著减少和更均匀的内部孔隙和气泡，产生具有改善的压缩强度的挤出的塑料骨料。

我们发现原材料的堆积密度为400g/L。挤出的塑料骨料的堆积密度为375g/L。

实施例2

本实施例的目的是评价：

·具有直径8mm×70mm的8mm模具，

·工作带为10mm×5mm＝约30mm的星形模具，

·添加粉煤灰以评估受控的冷却，

·添加砂以评估受控的冷却和涂层，

·用于排出由剪切产生的挥发性气体的排气筒部分，以及

·使用气枪(air gun)的粉煤灰和砂的冲击。

废塑料来源为回收的混杂的塑料(清洁级(janitorial grade))，根据实施例1所述，将其切碎并颗粒化至颗粒大小小于3mm。选择这种大小是因为其为热传导提供了最高的表面积与体积之比，保证实质上完全熔融的更高的可能性。

所述颗粒大小需要小于模具开口面积的50％，以避免在过程期间堵塞。

使用旋转刀和排放筒部分在Wenger X-20设备上进行挤出。工作场地上的2500L水罐用于产品捕获。在挤出机末端将砂和粉煤灰应用于挤出物。

使完成的产品落入水罐以初始冷却。为气动输送机进料的捕捉漏斗安装为为从前端添加砂的涂覆滚筒(coating drum)进料。然后使冷却的产品落入次级水罐。

具有标准工作带长度(约5mm)的4.5mm×6个口模具在计划的工作的测试末端进行试验，以评价可能的性能和输出。

生产了以下的挤出的塑料骨料。

·2×20L袋的未切割的挤出物，不完全地熔融或形成。

·2×20L袋的形成为10/5×10～20mm(名义上)方形的挤出的塑料骨料。

·2×20L袋的12mm×10～15mm直径的挤出的塑料骨料。

·1×20L袋的8～10mm直径×10～15mm的挤出的塑料骨料。

模具设置如下：

·8mm圆形模具

·2.5mm间隔

·1×20mm支持物

·9mm间隔

·1×8mm最终尺寸

·80mm工作带

·2×固定刀片

挤出机设定参数如下：

表4.挤出机设置

将挤出的颗粒切开，其显示自始至终是均匀的，说明挤出物在挤出机中完全地熔融，具有均匀的压力和均匀的挤出物。如果挤出机的筒没有冷却，挤出物易于喷出且不稳定。我们还注意到当挤出物过热时挤出物冒出大量的烟。

通过添加粉煤灰的15至20分钟的初始冷却使得夹带的挥发性气体从挤出的塑料骨料释放，说明粉煤灰充当了优秀的热绝缘体。

长工作带良好地工作，在8mm和10/5mm轮廓模具挤出物上提供高度纹理化的表面。产品堆积密度从380提高至450kg/m³。这是因为通过过夜的慢速冷却而形成的高产品密度，并且允许一定量的砂涂层。

所施用的砂是潮湿的，并且不具有粘附性，说明干砂的使用对与新鲜的挤出的塑料骨料粘附以及因此缓慢的冷却的重要性。

实施例3

本实施例的目的是评价制造适用于水泥混合物设计的新模具设计。对以下模具进行评价：

·12/6×30mm工作带

·4.5mm×6个口×70mm工作带

我们还评价了：

·各种类型的涂层(黑砂、运动中心砂、东海岸砂、锯末、铝锉屑、钢锉屑)，

·通过喷砂处理施用砂对比在挤出机的出口输送砂，

·未经处理的HDPE和LDPE材料，

·使用冷却鼓进行沙冷却，以及

·添加碳酸钙作为固化剂的。

废塑料来源为回收的混杂的塑料(清洁级(janitorial grade))，根据实施例1或2所述，将其切碎并颗粒化至颗粒大小小于3mm。

Wenger X-20挤出机与具有用于切割挤出物以形成骨料的旋转刀一起使用。使用含有涂层材料的箱子捕获产品。

第一个测试在12/6星形模具上进行。我们发现实施例2的10/5×30mm模具具有更显著的纹理饰面。

使用喷砂处理枪施用砂。

在挤出机出口端手动施用木锯末。使用非常简单，并且锯末粘附。

使用铲斗施用铝锉屑和钢锉屑。该材料不能良好地粘在热挤出物上。施加手的压力提供一些涂层材料的适度结合。

接下来测试的模具是4.5mm×6个口×70mm工作带。该测试不成功。我们不能通过速度和温度两者的控制变化实现任何稳定性。经历恒定的冲击导致了模具头处的飞溅而不是挤出效应。

然后我们用与混杂的颗粒状塑料材料掺混的CaCO₃测试了12/6×30mm模具的使用。挤出物显示良好的特性以及CaCO₃用手动施用的砂良好地被涂覆。

然后将进料材料改变为未经处理的高密度聚乙烯(HDPE)。使用12/6×30mm工作带模具。在控制下挤出产品。我们发现膨胀显著高于混杂的废塑料。

然后我们使用了食品级模具(具有5mm的短工作带长度的4.5mm模具)。使用未经处理的LDPE作为进料材料。该材料难以控制，并且该材料具有非常精细的粉状一致性。这导致经过挤出机的流速不一致，使得缺少均匀性。

模具设置#1

·2.5mm间隔

·12×20mm支持物

·5mm间隔

·1×20mm支持物

·9mm间隔

·6×4.5mm最终尺寸，3.5mm工作带

·1×固定刀片

挤出机设置参数如下。

表5.挤出机设置

混杂的废料的完全熔融发生在少于1分钟内，伴随均匀的压力和均匀的的挤出物。挤出物没有足够热以达到理想的砂粘附性，我们发现需要更长的工作带长度以改善表面纹理。

原材料堆积密度为400g/L。

然后研究了第二种模具设置。

模具设置#2

·2.5mm间隔

·1×20mm支持物

·12×20mm支持物

·9mm间隔

·1×6×12mm星形30+70mm工作带

·1×固定刀片

如表5所示，所述挤出机设置通过提高进料机每分钟转数(rpm)、提高进料速率和提高压力进行调整。

表6.挤出机设置

使用这些条件，获得了完全熔融以及均匀的和纹理化的挤出物。观察到与热的纹理化挤出物良好的砂粘附性。

12/6×30mm模具表现良好，然而表面纹理不如10/5×30mm显著。推测不同的开口面积与侧壁面积之比影响流变学。在12/6模具上，工作带长度应该为约45mm以提供相当的比值。

直接相反地安装喷砂枪。不会损害柔软的挤出的塑料骨料的原因是针对气动输送机侧壁喷砂。喷砂提供了在更大范围操作条件上更高程度的砂冲击。

具有70mm工作带的4.5mm模具不能表现良好。已经鉴定出问题是工作带长度太长。

实施例4

由实施例3的测试设置(即具有4.5mm×6个口×70mm的12/6×30mm工作带)获得的塑料骨料用于混凝土中，并测试压缩强度。

一式四份地制备平均质量为3.08kg的混凝土样品，所述混凝土样品包含硬砂岩骨料(GW10)和PAP7凯帕拉砂(Kaipara sand)、波特兰水泥、水和西卡(sika)和2.5kg塑料骨料(PA)。

在第7天使一个样品经历压缩测试，在第14天使第二个样品经历压缩测试，在21天使第三个样品经历压缩测试。

表7.用于测试的样品的组成

表8.在第7、14和21天的压缩测试的结果

如上表7所示，含有塑料骨料的混凝土样品在第7、14和21天分别提供了22、21.41和23.42MPa的压缩测试结果。

在之前的描述中，已经提及具有已知的等价物的元素或整数，那么这样的等价物也是被包括的，如同将它们单独地阐述。

虽然已经通过实施例和参考具体实施方式来描述了本发明，应该理解可以进行修改和/或改进而不背离本发明的范围和精神。

2.评价包含自然压碎的骨料和塑料骨料的混凝土的性能

以下实施例说明了调整包含本发明的塑料骨料的混凝土的性能的能力，通过例如使用添加剂和涂层控制塑料骨料的性能。这些实施例涉及用选自包括以下的组的成分制备混凝土圆柱体：水泥、水、20mm或10mm直径的骨料、本发明的塑料骨料(直径为4、8、12/6或15mm)、Pap7骨料、砂、塑料骨料和砂的组合、减水剂和氧化硅微粉。

实施例5

本实施例说明了与作为对照的标准阿特拉斯(Atlas)混凝土相比，含有本发明的塑料骨料的混凝土的压缩强度和密度。

如下一式三份地制备含有塑料骨料和如表9所示的成分的混凝土样品(M2A、M2B和M2C)。如表8所示还制备了阿特拉斯混凝土对照样。

表9.制备的混凝土样品

表10.与阿特拉斯标准对比的包含塑料骨料的混凝土的压缩强度测试结果

如表9所示，包含塑料骨料的混凝土样品1导致了比作为对照的阿特拉斯标准更低的强度和密度。

实施例6

本实施例显示了熔融时将5％CaCO₃添加至骨料对产生的混凝土的密度和压缩强度的作用。

一式三份地制备包含塑料骨料、5％CaCO₃和如表10所示的成分的混凝土样品(M3A、M3B和M3C)。

表11制备的混凝土样品

将实施例5中制备的阿拉特斯混凝土的性能与该实施例中制备的混凝土样品M3A-M3C的性能相比。

表12.与阿拉特斯标准比含CaCO₃和塑料骨料的混凝土样品的压缩强度测试结果

如表11所示，包含CaCO₃的样品在第7天具有与阿特拉斯混凝土标准相当的强度和密度。与实施例5中制备的样品M2A-M2C相比，这些样品是更致密的，并且在28天后具有更高的压缩强度。

实施例7

本实施例显示了使用火焰处理的塑料骨料对生产的混凝土性能的作用。

如下表12一式两份(M4A和M4B)地制备包含火焰处理的塑料骨料的混凝土样品(M4)。还制备了包含火焰处理的塑料骨料的另一种样品(M5)。

表13.制备的混凝土样品

表14.与阿拉特斯标准相比含有火焰处理的塑料骨料的混凝土样品的压缩强度测试结果

表13所示的结果表明样品M4A具有比阿特拉斯标准更低的7天强度和密度。

对包含火焰干燥的骨料以及氧化硅微粉的样品M5的压缩测试的结果显示该样品具有比阿特拉斯标准更高的压缩强度，以及比其他塑料骨料样品M2B、M2C和M3B和M3C更高的压缩强度。

实施例8

本实施例显示了包含5％CaCO₃的火焰处理的塑料骨料对生产所得的混凝土的作用。

一式三份地制备包含火焰处理的塑料骨料、5％CaCO₃和表14所示的成分的样品(M6A、M6B和M6C)。

表15.制备的混凝土样品

表16.与阿拉特斯标准相比含有火焰处理的塑料骨料和CaCO₃的混凝土样品的压缩强度测试结果

实施例9

本实施例显示了含有本发明的塑料骨料的混凝土的性能，所示塑料骨料是火焰处理的并且用粉煤灰涂覆。本实施例还显示了通过调节塑料骨料的大小和混凝土混合物中其他成分的量，可以根据不同应用改变获得的混凝土的压缩强度。

根据下表17制备包含火焰处理的粉煤灰涂覆的塑料骨料的混凝土的五个样品(M7-M11)。

M7-M11全部包含火焰处理的粉煤灰涂覆的本发明的塑料骨料。

表17.制备的混凝土样品

表18.含有火焰处理的粉煤灰涂覆的塑料骨料的混凝土样品的压缩强度测试结果

表17中所示的结果表明通过在混凝土混合物中包含不同大小的塑料骨料的混合物可以获得高压缩强度的的混凝土(M11)。

当通过火焰处理和用粉煤灰涂覆改变塑料骨料的表面时，压缩强度提高。不希望被理论束缚，本发明人相信粉煤灰涂层提供了塑料骨料和水泥浆之间的改善的结合性能。

实施例10

本实施例显示了包括本发明的塑料骨料的混凝土能够在达到最大应力后承载负载。

根据之前的实施例制备混凝土样品M9和M11，在制备后的第28天和第7天分别测试这些混凝土圆柱体的压缩强度。

如图5所示，7天后样品11的压缩强度为23.5MPa。图6显示28天后样品M9的压缩强度为29.48MPa。

图5和图6显示了一旦达到最大应力，包含本发明的塑料骨料的混凝土样品能够继续承载负载并且不易碎。这与不含塑料骨料的混凝土的表现是相反的(图7)。

实施例12

本实施例显示了通过调节过程参数可以改变塑料骨料的性能。

表18显示了塑料骨料的大小、重量、用于挤出的模具、涂层、比密度、比重和表面能。

表19.通过不同过程参数生产的骨料的实例

表19显示了塑料骨料的一些其他性能，包括表面能、硬度、压缩强度、填料和表面纹理。

表19.使用不同的过程参数生产的骨料的实例

Claims (48)

1.一种制备塑料骨料的方法，所述方法包括：

提供颗粒状废塑料材料；

将所述颗粒状废塑料引入具有模具的挤出机，所述模具的模嘴开口面积与模具工作带面积的比为约1∶10至约1∶40；以及

通过所述挤出机挤出所述颗粒状废塑料材料以产生挤出的塑料骨料。

2.一种生产用于混凝土产品的挤出的塑料骨料的方法，所述挤出的塑料骨料在使用中能够生产具有所需压缩强度的混凝土产品，所述方法包括：

·提供颗粒状废塑料材料；

·将所述颗粒状废塑料材料引入具有模具的挤出机，所述模具的模嘴开口面积与模具工作带面积的比为约1∶10至约1∶40；

·通过所述挤出机挤出颗粒状废塑料材料以产生挤出的塑料骨料；

·通过如下方式处理所述挤出的塑料骨料，以提供用于所述混凝土产品的所述挤出的塑料骨料：

i)冷却所述挤出的塑料骨料；或

ii)涂覆所述塑料骨料；或

iii)i)和ii)两者。

3.权利要求1或2所述的方法，其中，在熔融期间将一种或多种添加剂添加至所述颗粒状废塑料中。

4.权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述一种或多种添加剂选自包括砂、火山灰质材料、碳酸钙、氧化硅微粉或玻璃所组成的组。

5.权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述火山灰质材料是粉煤灰。

6.权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述添加剂是碳酸钙。

7.权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述方法包括在所述挤出物从模具挤出之后立即冷却所述挤出物或者在挤出物从模具挤出期间冷却所述挤出物的步骤。

8.权利要求7所述的方法，其中，所述冷却通过在所述挤出物上喷射高热容量液体进行。

9.权利要求7或8所述的方法，其中，所述高热容量液体是水。

10.权利要求7至9中任一项所述的方法，其中，所述方法包括在所述挤出物从模具挤出后在高热容量液体中进一步冷却所述挤出物的步骤。

11.权利要求10所述的方法，其中，所述高热容量液体是水。

12.权利要求7至9中任一项所述的方法，其中，所述方法包括在所述挤出物从模具挤出后使用空气和/或通过添加受控的冷却助剂进一步冷却所述挤出物的步骤。

13.权利要求12所述的方法，其中，所述受控的冷却助剂选自包括砂、火山灰质材料、碳酸钙、氧化硅微粉或玻璃所组成的组。

14.权利要求13所述的方法，其中，冷却粉末是火山灰质材料。

15.权利要求12或14所述的方法，其中，所述火山灰质材料是粉煤灰。

16.权利要求13至15所述的方法，其中，所述方法进一步包括在冷却后使所述火山灰质材料的薄层融合到所述挤出的塑料骨料的表面的步骤。

17.权利要求12至15中任一项所述的方法，其中，所述挤出物冷却约1至20分钟以产生较高密度的骨料。

18.权利要求16所述的方法，其中，所述较高密度的骨料的密度为约200至约400kg/m3之间。

19.权利要求12至15中任一项所述的方法，其中，所述挤出物冷却约10至70分钟以产生较低密度的骨料。

20.权利要求18所述的方法，其中，所述较低密度的骨料的密度为约200至约400kg/m3之间。

21.权利要求1至19中任一项所述的方法，其中，所述模具的工作带长度为约10至约70mm。

22.权利要求1至20中任一项所述的方法，其中，所述模具的工作带长度为20mm。

23.权利要求1至22中任一项所述的方法，其中，所述模具的工作带长度产生具有高度纹理化的表面或粗糙化的表面的挤出的塑料骨料。

24.权利要求1至23中任一项所述的方法，其中，在所述挤出机内以约120℃至约220℃的温度加热所述颗粒状废塑料材料。

25.权利要求1至24中任一项所述的方法，其中，在挤出过程中至少约60至约95％的所述颗粒状废塑料材料变为熔融的。

26.权利要求1至25中任一项所述的方法，其中，所述颗粒状废塑料材料的颗粒大小为约1至约30mm。

27.权利要求1至26中任一项所述的方法，其中，挤出的塑料骨料的比重为约0.90至约1.15。

28.权利要求1至27中任一项所述的方法，其中，所述挤出机是单旋转轴挤出机。

29.权利要求1至28中任一项所述的方法，其中，所述挤出机是食物挤出机。

30.权利要求1至29中任一项所述的方法，其中，所述挤出机以约300至400转/分钟运行。

31.权利要求1至30中任一项所述的方法，其中，所述模具的挤出的表面包含至少三个表面。

32.权利要求1至31中任一项所述的方法，其中，所述模具是基本上星形的。

33.权利要求1至32中任一项所述的方法，其中，所述挤出机的流量大于至少6、7、8、9、10、11、12、13、14、15吨/小时。

34.权利要求1至33中任一项所述的方法，其中，所述方法进一步包括为所述挤出的塑料骨料的表面提供极性物质的步骤。

35.权利要求1至34中任一项所述的方法，其中，处理所述挤出的塑料骨料以提高所述骨料的表面能。

36.权利要求1至35中任一项所述的方法，其中，所述处理是等离子体处理。

37.一种挤出的塑料骨料，其在混凝土中作为金属骨料的至少部分替代品，所述塑料骨料具有选自以下特征中的一个或多个特征：

大小为约1至约30mm；以及

比重为约0.90至约1.15；以及

粗糙化的且具有高表面积以促进机械结合和/或分子结合的表面纹理。

38.权利要求37所述的挤出的塑料骨料，其中，当在混凝土组合物中使用时，所述塑料骨料在所述混凝土混合物中具有高结合强度，所述混凝土混合物具有约10至约50MPa的压缩强度。

39.权利要求37或38所述的挤出的塑料骨料，其中，当在混凝土组合物中使用时，所述塑料骨料在所述混凝土混合物中具有高结合强度，所述混凝土混合物具有约10至约40MPa的压缩强度。

40.权利要求37至39中任一项所述的挤出的塑料骨料，其中，所述挤出的塑料骨料包括高的表面积与体积之比。

41.权利要求37至40中任一项所述的挤出的塑料骨料，其中，对于约20mm的骨料，所述挤出的塑料骨料包括约1至约1.9的表面积与体积之比。

42.一种制备混凝土的方法，所述方法包括：

由颗粒状废塑料材料提供挤出的塑料骨料，所述挤出的塑料骨料在模嘴开口面积与模具工作带面积之比为约1∶10至约1∶40的挤出机中生产；

将按重量计约18％至约60％的水泥、按重量计约5％至约50％的水、按重量计约0至约40％的一种或多种添加剂和按重量计约5％至约40％的挤出的塑料骨料混合，以形成骨料-混凝土混合物。

43.权利要求42所述的方法，其中，所述骨料-混凝土混合物提供压缩强度为至少约10至约50MPa的混凝土。

44.权利要求42或43所述的方法，其中，所述骨料-混凝土混合物提供压力强度为至少约10至约40MPa的混凝土。

45.权利要求1至36或权利要求42至44中任一项所述的方法，其中，所述模具的工作带长度为约10至约70mm。

46.权利要求1至36或权利要求42至45中任一项所述的方法，其中，所述模具的工作带长度为约20mm。

47.权利要求42至46中任一项所述的方法，其中，所述一种或多种添加剂选自包括砂、西卡、商业可获得的骨料所组成的组。

48.通过权利要求17至19中任一项、权利要求42至47中任一项所述的方法所制备的混凝土在铺砌、修路或住宅建筑中的用途。