CN109476547A - 轻质混凝土配制物 - Google Patents

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Abstract

轻质混凝土配制物，其包含硅酸盐水泥、骨料、玻璃颗粒、水和偏高岭土。至少80％玻璃颗粒的粒度为小于2mm。玻璃颗粒占混凝土配制物总重量的3％至20％。偏高岭土占混凝土配制物总重量的4％至12％。玻璃颗粒优选是膨胀的玻璃颗粒。也提供轻质水泥浆配制物，其包含硅酸盐水泥、玻璃颗粒、水和偏高岭土。至少80％玻璃颗粒的粒度为小于2mm。玻璃颗粒占水泥浆配制物总重量的3％至15％。偏高岭土占水泥浆配制物总重量的7％至15％。

Description

轻质混凝土配制物
技术领域
本发明一般地涉及混凝土配制物，更具体地说，其涉及包含玻璃的轻质混凝土配制物。
背景技术
几十年来人们一直试图将玻璃用作混凝土的成分。然而，即使已经制造和测试了各种比例的成分的许多组合，但这些配制物都没有得到显著的商业成功。一个问题是碱-硅酸反应(Alkali Silica Reaction)(ASR)导致包含玻璃的混凝土随着时间的推移而劣化，除非采取适当措施来降低ASR的影响。虽然已经提出许多这样的措施，但尚未公开或商业开发抗ASR同时提供高抗压强度的配制物。
发明内容
本发明提供轻质混凝土配制物，其包含硅酸盐水泥(Portland cement)、骨料(aggregate)、玻璃颗粒、水和偏高岭土。至少80％所述玻璃颗粒优选的粒度为小于2mm。所述玻璃颗粒占混凝土配制物总重量的3％至20％。所述偏高岭土占所述混凝土配制物总重量的4％至12％。玻璃颗粒优选是膨胀的玻璃颗粒。
优选至少80％所述玻璃颗粒的粒度为1mm或更小。更优选至少80％所述玻璃颗粒的粒度为0.5mm或更小。至少80％所述玻璃颗粒的粒度可以为0.25mm或更大。
所述玻璃颗粒占所述混凝土配制物总重量的6％至15％。玻璃颗粒可以占所述混凝土配制物总重量的至少12％。
偏高岭土可以占混凝土配制物总重量的6％至12％，或优选占所述混凝土配制物总重量的8％至10％。
玻璃颗粒可以占所述混凝土配制物总重量的12％至15％。
硅酸盐水泥可以占混凝土配制物总重量的30％至38％，其中骨料占混凝土配制物总重量的16％至24％，和所述偏高岭土占所述混凝土配制物总重量的6％至12％。
硅酸盐水泥可以占混凝土配制物总重量的32％至36％，其中骨料占混凝土配制物总重量的19％至23％，和所述偏高岭土占所述混凝土配制物总重量的8％至10％。
混凝土配制物也可以包括沙子。硅酸盐水泥可以占混凝土配制物总重量的20％至35％，其中骨料占混凝土配制物总重量的16％至24％，沙子占混凝土配制物总重量的22％至32％，所述玻璃颗粒占混凝土配制物总重量的3％至9％，和所述偏高岭土占混凝土配制物总重量的5％至11％。硅酸盐水泥可以占混凝土配制物总重量的21％至25％，其中骨料占混凝土配制物总重量的18％至22％，沙子占混凝土配制物总重量的25％至29％，所述玻璃颗粒占混凝土配制物总重量的5％至7％，和所述偏高岭土占混凝土配制物总重量的6％至8％。
偏高岭土优选为
本发明也提供轻质水泥浆配制物(grout formulation)，其包含硅酸盐水泥、玻璃颗粒、水和偏高岭土。至少80％所述玻璃颗粒优选的粒度为小于2mm。所述玻璃颗粒占水泥浆配制物总重量的3％至15％。所述偏高岭土占水泥浆配制物总重量的6％至15％。玻璃颗粒优选是膨胀的玻璃颗粒。优选至少80％所述玻璃颗粒的粒度为1mm或更小。更优选至少80％所述玻璃颗粒的粒度为0.5mm或更小。至少80％所述玻璃颗粒的粒度可以为0.25mm或更大。
玻璃颗粒可以占水泥浆配制物总重量的6％至15％。玻璃颗粒可以占水泥浆配制物总重量的8％至13％。
偏高岭土可以占水泥浆配制物总重量的8％至13％。
玻璃颗粒可以占水泥浆配制物总重量的8.5％至10.5％。
硅酸盐水泥可以占水泥浆配制物总重量的44％至52％，偏高岭土可以占水泥浆配制物总重量的8％至13％。
硅酸盐水泥可以占水泥浆配制物总重量的45.5％至49.5％，偏高岭土可以占水泥浆配制物总重量的9.5％至11.5％。
水泥浆配制物也可以包括沙子。硅酸盐水泥可以占水泥浆配制物总重量的32％至37％，沙子可以占水泥浆配制物总重量的20％至28％，玻璃颗粒可以占水泥浆配制物总重量的3％至9％，偏高岭土可以占水泥浆配制物总重量的8％至14％。硅酸盐水泥可以占水泥浆配制物总重量的33.5％至35.5％，沙子可以占水泥浆配制物总重量的22％至24％，玻璃颗粒可以占水泥浆配制物总重量的5％至7％，偏高岭土可以占水泥浆配制物总重量的9％至11％。
水泥浆配制物中，偏高岭土优选为
具体实施方式
本发明提供喷射混凝土和水泥浆的配制物或混合物，其提供优异的抗压强度和抗ASR性能。
用于喷射混凝土的常规形式的混凝土的优选混合物设计如下所示。所示量设计用于制备一立方米的喷射混凝土。
成分 重量(kg) Wt％
硅酸盐水泥 449 19.4％
骨料 430 18.6％
沙子 1263 54.7％
水 169 7.3％
合计 2311 100％
在优选的轻质喷射混凝土混合物中，沙子的一些或所有可以用玻璃来替代。例如，在一种混合物中，上述标准混合物中的一半沙子(631.5kg)可以用158kg玻璃替代。优选形式的玻璃是膨胀的玻璃颗粒，其粒度小于4mm(ASTM C135筛孔No.5或更小)，优选小于2mm(ASTM C135筛孔No.10或更小)或1mm(ASTM C135筛孔No.18或更小)，最优选小于0.5mm(ASTM C135筛孔No.35或更小)或小于0.3mm(ASTM C135筛孔No.50或更小)。这种玻璃颗粒可由回收的玻璃制成，该玻璃经过精细研磨、混合并且形成颗粒，在回转窑中烧结和膨胀。该过程产生具有精细闭孔式孔结构的轻质球体。优选的产品是膨胀玻璃珠，其粒度为0.04mm至4mm。优选的Poraver产品的粒度为0.25-0.5mm、筛孔No.60-35和细度模量是约1.92。或者，可以使用粒度0.1-0.3mm、筛孔No.140-50和细度模量约0.66的Poraver产品。这些产品具有10％或更小的尺寸过大的颗粒和15％或更小的尺寸过小的颗粒。一般而言，本申请中当提及最大颗粒粒度时，其意指至少80％的颗粒不具有较大粒度，优选至少90％的颗粒不具有较大粒度。最优选100％的颗粒不具有较大粒度。
使用这种微细的膨胀玻璃颗粒可降低ASR，从而较少可能地发生与ASR相关的损害。
在优选的混合物中，也添加强化剂/硬化剂和稳定剂。优选的试剂是偏高岭土(脱羟基化形式的粘土矿物高岭石)。偏高岭土进一步降低通过ASR对混凝土的劣化。偏高岭土是火山灰。测试表明，使用偏高岭土提供了比尝试过的其它火山灰更好的效果。添加的偏高岭土占混合物重量的约4％至15％，或更优选4％至12％，6％至10％或8％至12％。偏高岭土的优选形式是其为具有少量由Poraver制备的细膨胀玻璃(作为制备膨胀玻璃珠的副产品)的偏高岭土。因此，Metapor相对便宜。
两种优选的喷射混凝土混合物如下所示。
根据标准CSA A23.2-3C和-9C，从2016年5月5日开始测试类似于喷射混凝土混合物1的混合物的抗压强度。形成六个圆柱体，其平均密度是1561kg/m3，标准偏差是6.7kg/m3。喷射混凝土温度是18℃和空气温度是15℃。起始24小时固化温度是20℃至25℃。抗压强度测量为21.6MPa(2天)、23.2MPa(5天)和23.3MPa(7天)。
根据标准CSA A23.2-3C和-9C，从2016年5月5日开始测试喷射混凝土混合物2的抗压强度。形成六个圆柱体，其平均密度是1913kg/m3，标准偏差是7.0kg/m3。喷射混凝土温度是16.5℃和空气温度是15℃。起始24小时固化温度是20℃至25℃。抗压强度测量为24.8MPa(2天)、26.3MPa(5天)和28.4MPa(7天)。
实验和测试表明，相对于包含玻璃的其它混凝土配制物，喷射混凝土混合物1和喷射混凝土混合物2制备的混凝土具有高的抗压强度，并且认为，以本申请公开的比例使用ASR抗性的膨胀玻璃与偏高岭土(优选形式)组合的配制物，将会降低或防止ASR相关的损害。制备并且测试了使用不同量的玻璃颗粒和Metapor以及其它成分的几种其它混合物。当如在喷射混凝土混合物2中50％的沙子替代为玻璃的情况下，这些其它混合物制备了抗压强度低于20MPa的混凝土。当如在喷射混凝土混合物1中不使用沙子时，一些这样的其它混合物制备了抗压强度低于10MPa的混凝土。
两种另外优选的喷射混凝土混合物如下所示。
本申请使用的玻璃的重量和重量百分比是对于干燥的玻璃。实际上玻璃的确吸收了一些水。例如，在喷射混凝土混合物3中，约100kg的水通常由玻璃吸收。通常，本申请讨论的所有混合物中，所需的水量将基于各种因素而变化，例如环境(例如相对湿度)和使用沙子的混合物中沙子的水含量。
2016年12月14日由加拿大安大略省布兰普顿的exp Services Inc.测试喷射混凝土混合物3的抗压强度。喷射混凝土温度是16℃和空气温度是-2℃，相对湿度是8.5％。测试直径为101.5mm的圆柱体。测量以下结果。
2017年2月16日由加拿大安大略省布兰普顿的exp Services Inc.测试喷射混凝土混合物4的抗压强度。喷射混凝土温度是21.5℃和空气温度是20℃，相对湿度是8.0％。测试直径为101.5mm的圆柱体。测量以下结果。
持续时间(天) 质量(kg/m<sup>3</sup>) 强度(MPa)
1 1826 0.2
1 1851 10.8
1 1826 10.9
3 1845 26.3
3 1826 26.7
6 1851 32.7
6 1833 34.0
7 1826 32.2
7 1833 33.0
通常，水/水泥比率优选为0.35至0.45。水/水泥比率计算为水的量(排除玻璃所吸收的水量)除以硅酸盐水泥与metapor的量之和。因此，对于喷射混凝土混合物3，例如，水/水泥比率是0.41。
用于常规形式的水泥浆的优选混合设计如下所示。所示量设计用于制备一立方米的水泥浆。
成分 重量(kg) Wt％
硅酸盐水泥 872 38.2％
沙子 1172 51.4％
水 238 10.4％
合计 2282 100％
在优选的轻质水泥浆混合物中，沙子中的一些或所有可以用玻璃替代。例如，在一种混合物中，上述标准混合物中一半的沙子(586kg)可以用146.5kg玻璃替代。优选形式的玻璃是膨胀的玻璃颗粒，其如上关于喷射混凝土所述。
在优选的混合物中，也添加偏高岭土(如上所述的强化剂/硬化剂和稳定剂)。添加的偏高岭土占混合物重量的约7％至15％或更优选9％至13％，或最优选约10％至12％。
优选的水泥浆混合物的两个实例如下所示。
根据标准CSA A23.2-3C和-9C，从2016年5月5日开始测试水泥浆混合物1的抗压强度。形成六个立方体，其平均密度是1595kg/m3，标准偏差是33.9kg/m3。水泥浆温度是22℃和空气温度是14℃。起始24小时固化温度是18℃至20℃。测量的抗压强度是25.0MPa(2天)、39.1MPa(5天)和45.2MPa(7天)。
根据标准CSAA23.2-3C和-9C，从2016年5月5日开始测试水泥浆混合物2的抗压强度。形成六个立方体，其平均密度是1735kg/m3，标准偏差是40.9kg/m3。水泥浆温度是19℃和空气温度是14℃。起始24小时固化温度是18℃至20℃。测量的抗压强度是28.2MPa(2天)、45.9MPa(5天),48.8MPa(7天)和49.2MPa(7天)。
实验和测试表明，相对于其它包含玻璃的混凝土配制物，水泥浆混合物1和水泥浆混合物2制备抗压强度高的混凝土，并且认为，使用ASR抗性的膨胀玻璃与偏高岭土(优选形式)组合的配制物，将会降低或防止ASR相关的损害。制备并且测试了使用不同量的玻璃颗粒和Metapor以及其它成分的几种其它混合物。在如水泥浆混合物2中50％的沙子由玻璃替代的情况下，这些其它混合物制备了抗压强度低于30MPa的水泥浆。当如在水泥浆混合物1中不使用沙子时，一些这样的其它混合物制备了混凝土，其抗压强度低于30MPa，有些甚至低于10MPa。
优选的水泥浆混合物的另外两个实例如下所示。
2017年3月15日由加拿大安大略省布兰普顿的exp Services Inc.测试水泥浆混合物3的抗压强度。水泥浆温度是20.4℃和空气温度是20.9℃。测试50mm的立方体。测量以下结果。
持续时间(天) 水泥浆混合物3强度(MPa)
2 27.6
2 24.4
2 25.6
7 46.2
7 50.8
7 50.0
2017年3月15日由加拿大安大略省布兰普顿的exp Services Inc.测试水泥浆混合物4的抗压强度。水泥浆温度是20.1℃和空气温度是21.2℃。测试50mm的立方体。测量以下结果。
也由加拿大安大略省布兰普顿的exp Services Inc.进行线性收缩试验。混合物的坍落度为180mm，空气含量为8.4％，混凝土温度为20.7℃。试验混合物使用13.6kg水泥、3.8kg metapor、5.4kg玻璃和7.2kg水。测试三个棱柱体，得到以下结果。
对于技术人员显而易见的是，如果材料具有最大100mm的坍落度，则收缩结果甚至会更好。认为任何低于0.040％的干燥收缩都是可以接受的。
使用测试方法LS-620或CSAA23.2-25A，在80℃ NaOH固化下，在三个砂浆棒(也称为棱柱体)上进行加速砂浆棒膨胀试验。加速砂浆棒膨胀试验提供了材料对碱-硅酸反应(ASR)损害的抵抗力。形成的砂浆棒包含metapor和Poraver膨胀玻璃珠，粒度是0.25-0.5mm、筛孔No.60-35和细度模量是1.92。测量了以下平均膨胀率：0.009％(3天)、0.012％(7天)、0.020％(10天)和0.038％(14天)。这与最大允许极限0.150％相比是有利的。与此相比，也测试了参考材料的砂浆棒和测量了0.429％的膨胀率，这与对于参考材料的预期相一致。
此外，将圆柱体进行切割、制备并且根据如下测试：ASTM名称C1202“ElectricalIndication of Concrete’s Ability to Resist Chloride Ion Penetration”。结果显示，在第8天测试中通过了1765库仑电荷，并且在第28天测试中通过了694库仑电荷。认为在第28天约2500库仑的任何电荷都是可接受的。
该文件中，提及“混合物”、“配制物”和“组合物”是指相同物质，并且指组分成分的特定混合物。
本申请使用的缩写mm是指毫米(millimetres)(或在美国，“毫米(millimeters)”)。本申请使用的缩写m是指米(metres)(或在美国，“米(meters)”)。本申请使用的缩写kg是指千克。本申请使用的缩写MPa是指兆帕斯卡。
应当理解，本发明的上述实施方式，特别是任何“优选的”实施方式，仅是实施的实施例，仅阐述用于清楚地理解本发明的原理。对于本领域技术人员显而易见的是，可以对本发明的上述实施方式进行许多变化和修改。也就是说，本领域技术人员将理解和理解，这些修改和变化是可以利用和实现本申请描述的本发明的教导或将来可以利用和实现本申请描述的本发明的教导。
如果在本文件中，一个或多个项的列举以“例如”或“包括”这两个词开头，则后面加上缩写“等”，或者以“例如”为前缀或后缀，这样做是为了明确地表达和强调该列举并非是详尽的，无论列举的长度如何。没有这样的表达或其它类似表达，决不意味着列举是详尽的。除非另有明确说明或明确暗示，否则此类列举应理解为包括所列项的所有可比较物或等同变体，以及项的替代方案，在本领域技术人员将会理解的列表中适用于列出一个或多个项的目的。
当在本说明书和权利要求书中使用时，词语“包括”和“包含”用于说明存在所述特征、元素、整数、步骤或成分，并且不排除也未暗示必需存在或添加一个或多个其它特征、元素、整数、步骤、成分或其组。
随后权利要求的范围不受说明书中阐述的实施例的限制。权利要求应该给出最广泛的目的性结构，其与说明书及附图整体相一致。

Claims (34)

1.混凝土配制物，其包含硅酸盐水泥、骨料、玻璃颗粒、水和偏高岭土，其中至少80％所述玻璃颗粒的粒度为小于4mm，所述玻璃颗粒占所述混凝土配制物总重量的3％至20％，和所述偏高岭土占所述混凝土配制物总重量的4％至12％。
2.权利要求1所述的混凝土配制物，其中所述玻璃颗粒是膨胀的玻璃颗粒。
3.权利要求1所述的混凝土配制物，其中至少80％所述玻璃颗粒的粒度为2mm或更小。
4.权利要求3所述的混凝土配制物，其中至少80％所述玻璃颗粒的粒度为1mm或更小。
5.权利要求4所述的混凝土配制物，其中至少80％所述玻璃颗粒的粒度为0.5mm或更小。
6.权利要求5所述的混凝土配制物，其中至少80％所述玻璃颗粒的粒度为0.25mm或更大。
7.权利要求1所述的混凝土配制物，其中所述玻璃颗粒占所述混凝土配制物总重量的6％至15％。
8.权利要求1所述的混凝土配制物，其中所述玻璃颗粒占所述混凝土配制物总重量的至少12％。
9.权利要求1所述的混凝土配制物，其中所述偏高岭土占所述混凝土配制物总重量的4％至12％。
10.权利要求1所述的混凝土配制物，其中所述偏高岭土占所述混凝土配制物总重量的6％至12％。
11.权利要求1所述的混凝土配制物，其中所述偏高岭土占所述混凝土配制物总重量的8％至10％。
12.权利要求1所述的混凝土配制物，其中所述玻璃颗粒占所述混凝土配制物总重量的12％至15％。
13.权利要求1所述的混凝土配制物，其中所述硅酸盐水泥占混凝土配制物总重量的30％至38％，所述骨料占混凝土配制物总重量的16％至24％，和所述偏高岭土占所述混凝土配制物总重量的6％至12％。
14.权利要求13所述的混凝土配制物，其中所述硅酸盐水泥占混凝土配制物总重量的32％至36％，所述骨料占混凝土配制物总重量的19％至23％，和所述偏高岭土占所述混凝土配制物总重量的8％至10％。
15.权利要求1至6中任一项所述的混凝土配制物，其进一步包括沙子。
16.权利要求15所述的混凝土配制物，其中所述硅酸盐水泥占混凝土配制物总重量的20％至35％，所述骨料占混凝土配制物总重量的16％至24％，所述沙子占混凝土配制物总重量的22％至32％，所述玻璃颗粒占混凝土配制物总重量的3％至9％，和所述偏高岭土占混凝土配制物总重量的5％至11％。
17.权利要求16所述的混凝土配制物，其中所述硅酸盐水泥占混凝土配制物总重量的21％至25％，所述骨料占混凝土配制物总重量的18％至22％，所述沙子占混凝土配制物总重量的25％至29％，所述玻璃颗粒占混凝土配制物总重量的5％至7％，和所述偏高岭土占混凝土配制物总重量的6％至8％。
18.权利要求1所述的混凝土配制物，其中所述混凝土配制物包含其提供所述偏高岭土。
19.权利要求1所述的混凝土配制物，其中所述玻璃颗粒是膨胀的玻璃颗粒。
20.水泥浆配制物，其包含硅酸盐水泥、玻璃颗粒、水和偏高岭土，其中至少80％所述玻璃颗粒的粒度为小于4mm，所述玻璃颗粒占水泥浆配制物总重量的3％至15％，和所述偏高岭土占水泥浆配制物总重量的6％至15％。
21.权利要求20所述的水泥浆配制物，其中至少80％所述玻璃颗粒的粒度为2mm或更小。
22.权利要求21所述的水泥浆配制物，其中至少80％所述玻璃颗粒的粒度为1mm或更小。
23.权利要求22所述的水泥浆配制物，其中至少80％所述玻璃颗粒的粒度为0.5mm或更小。
24.权利要求20所述的混凝土配制物，其中至少80％所述玻璃颗粒的粒度为0.25mm或更大。
25.权利要求20所述的水泥浆配制物，其中所述玻璃颗粒占水泥浆配制物总重量的6％至15％。
26.权利要求20所述的水泥浆配制物，其中所述玻璃颗粒占水泥浆配制物总重量的8％至13％。
27.权利要求20所述的水泥浆配制物，其中所述偏高岭土占水泥浆配制物总重量的8％至11％。
28.权利要求20所述的水泥浆配制物，其中所述玻璃颗粒占水泥浆配制物总重量的8.5％至10.5％。
29.权利要求20所述的水泥浆配制物，其中所述硅酸盐水泥占水泥浆配制物总重量的44％至52％，和所述偏高岭土占水泥浆配制物总重量的8％至13％。
30.权利要求29所述的水泥浆配制物，其中所述硅酸盐水泥占水泥浆配制物总重量的45.5％至49.5％，和所述偏高岭土占水泥浆配制物总重量的9.5％至11.5％。
31.权利要求20至25中任一项所述的水泥浆配制物，其进一步包括沙子。
32.权利要求31所述的水泥浆配制物，其中所述硅酸盐水泥占水泥浆配制物总重量的32％至37％，所述沙子占水泥浆配制物总重量的20％至28％，所述玻璃颗粒占水泥浆配制物总重量的3％至9％，和所述偏高岭土占水泥浆配制物总重量的8％至14％。
33.权利要求32所述的水泥浆配制物，其中所述硅酸盐水泥占水泥浆配制物总重量的33.5％至35.5％，所述沙子占水泥浆配制物总重量的22％至24％，所述玻璃颗粒占水泥浆配制物总重量的5％至7％，和所述偏高岭土占水泥浆配制物总重量的9％至11％。
34.权利要求20所述的水泥浆配制物，其中所述水泥浆配制物包含其提供偏高岭土。
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