CN111406041A - 耐火硫磺混凝土 - Google Patents

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Abstract

硫磺混凝土的成分包含：含量在硫磺混凝土重量的40重量％至50重量％范围内的粗骨料、含量在硫磺混凝土重量的20重量％至40重量％范围内的细骨料、含量在硫磺混凝土重量的8重量％至12重量％范围内的细填料以及含量在硫磺混凝土重量的12重量％至20重量％范围内的粘结剂。粘结剂包含：含量在粘结剂重量的25重量％至60重量％范围内的元素硫以及含量在粘结剂重量的40重量％至75重量％范围内的沥青。

Description

耐火硫磺混凝土
技术领域
本公开涉及一种耐火混凝土。更具体而言，本公开涉及使用硫的耐火混凝土组合物及其制备方法。
背景技术
硫是石油冶炼的一种副产物，现在已被用于开发供建筑业使用的耐水且耐酸的混凝土。虽然一些硫磺混凝土表现出了良好的耐水性和耐酸性，但是当暴露于火焰时表现不佳。此外，当将石灰石用作骨料时，由于进水造成的损坏可能很严重。
发明内容
本公开的实施方案提供了一种耐火硫磺混凝土，该耐火硫磺混凝土还耐酸并且在水中是稳定的，而与所使用的骨料的类型无关。本公开的组合物包含沥青并且可以具有石灰石骨料，并且制备该组合物的方法包括加热超过六小时。由于所开发的硫磺混凝土不使用水和波特兰水泥，并且在所有暴露条件下都是耐用的，因此本公开的体系和方法有助于混凝土基础结构的可持续发展。本公开的组合物可以用于各种应用，如耐酸瓷砖、混凝土砌块、保温防火材料以及耐火耐酸覆层。
在本公开的一个实施方案中，硫磺混凝土的成分包含：
含量在硫磺混凝土重量的40重量％至50重量％范围内的粗骨料；
含量在硫磺混凝土重量的20重量％至40重量％范围内的细骨料；
含量在硫磺混凝土重量的8重量％至12重量％范围内的细填料；以及
含量在硫磺混凝土重量的12重量％至20重量％范围内的粘结剂，该粘结剂包含含量在粘结剂重量的25重量％至60重量％范围内的元素硫以及含量在粘结剂重量的40重量％至75重量％范围内的沥青。
在可选的实施方案中，硫磺混凝土可以不含活性填料。细骨料可以为砂子，并且细填料可以为石灰石粉末。元素硫的含量可以在硫磺混凝土重量的6重量％至7重量％的范围内。
在其他可选的实施方案中，硫磺混凝土的成分可以包含含量为硫磺混凝土重量的47重量％的粗骨料、含量为硫磺混凝土重量的28重量％的细骨料、含量为硫磺混凝土重量的10重量％的细填料、含量为硫磺混凝土重量的6重量％的元素硫以及含量为硫磺混凝土重量的9重量％的沥青。
在本公开的其他实施方案中，形成硫磺混凝土的方法可以包括将粗骨料、细骨料、细填料和粘结剂加热至130℃至150℃的温度范围内，并将粗骨料、细骨料、细填料和粘结剂混合以获得均匀的混合物。用该均匀的混合物形成混凝土构件，并将混凝土构件在100℃至150℃的温度范围内保持至少6小时。
在可选的实施方案中，可以将混凝土构件在100℃至150℃的温度范围内保持6小时至12小时。可以将混凝土构件在100℃至150℃的温度范围内保持至少24小时。可以将混凝土构件在100℃至150℃的温度范围内保持足以产生耐火混凝土的一段时间。可以将混凝土构件在100℃至150℃的温度范围内保持至少6小时，然后使混凝土构件冷却，其中混凝土构件则能够承受暴露于火焰至少一小时而不会崩解。可选地，可以将混凝土构件在140℃的温度下保持至少24小时。
在本公开的可选的实施方案中，形成硫磺混凝土的方法包括通过将下列成分混合在一起从而形成成分混合物：
含量在硫磺混凝土重量的40重量％至50重量％范围内的粗骨料；
含量在硫磺混凝土重量的20重量％至40重量％范围内的细骨料；
含量在硫磺混凝土重量的8重量％至12重量％范围内的细填料；以及
含量在硫磺混凝土重量的12重量％至20重量％范围内的粘结剂，该粘结剂包含含量在粘结剂重量的25重量％至60重量％范围内的元素硫以及含量在粘结剂重量的40重量％至75重量％范围内的沥青。
将成分混合物加热至130℃至150℃的温度范围内以形成经加热的混合物。将经加热的混合物混合以获得均匀的混合物，并用该均匀的混合物形成混凝土构件。将混凝土构件在100℃至150℃的温度范围内保持至少6小时，然后使混凝土构件冷却至低于100℃。
在可选的实施方案中，元素硫的含量可以在硫磺混凝土重量的6重量％至7重量％的范围内。硫磺混凝土的成分可以包含含量为硫磺混凝土重量的47重量％的粗骨料、含量为硫磺混凝土重量的28重量％的细骨料、含量为硫磺混凝土重量的10重量％的细填料、含量为硫磺混凝土重量的6重量％的元素硫以及含量为硫磺混凝土重量的9重量％的沥青。
在其他可选的实施方案中，可以将混凝土构件在100℃至150℃的温度范围内保持6小时至12小时。可以将混凝土构件在100℃至150℃的温度范围内保持至少24小时。可以将混凝土构件在100℃至150℃的温度范围内保持足以产生耐火混凝土的一段时间，其中在冷却后，混凝土构件能够承受暴露于火焰至少一小时而不会崩解。可选地，可以将混凝土构件在140℃的温度下保持足以产生耐火混凝土的一段时间。在冷却后，混凝土构件的抗压强度可以为至少1,000psi。
具体实施方式
本公开中描述的组合物和方法提供了一种具有包含硫、沥青、骨料和填料成分的耐火、耐酸且耐水的硫磺混凝土。
沥青混凝土是可以由沥青和骨料(aggregate或aggregates)制成的组合物。虽然“骨料”可以为复数，但术语“骨料(aggregates)”可以指多于一种类型或多于一种尺寸的骨料。如普通技术人员将理解的，各种类型的常规骨料可以用作混凝土中的填料。术语“骨料(aggregates)”可以指多种类型或尺寸的骨料。骨料可以包括(例如)砂子、砾石、碎石、炉渣或任意其他类型的骨料。当使用各种尺寸的骨料时，较小的骨料材料可以填充较大的骨料材料之间的空隙，从而产生更致密的基质。混凝土中使用的骨料可以用粗骨料和细骨料来定义。细骨料(也称为“细粒”)可以包括天然砂、碎石或其他合适的细颗粒，其大部分颗粒小于5mm。粗骨料可以包括砾石或碎石，其大部分颗粒大于5mm并且通常在9.5mm和37.5mm之间。
在本公开的硫磺混凝土的实施方案中，可以使用廉价且易于获得的粗骨料，如碎石灰石。可选地，粗骨料可以是其他碎骨料、钢渣骨料、砾石或火山岩骨料。在不需要昂贵或难以获得的骨料的情况下，实现了本公开的组合物所需的性质。在不需要特种骨料或轻质骨料的情况下，实现了本公开的组合物所需的重量和强度性质。本公开的实施方案提供了这样一种硫磺混凝土，该硫磺混凝土耐火并且耐受酸和水，而与所使用的粗骨料的类型无关。例如，即使使用相对便宜且易于获得的碎石灰石，本文的体系和方法也能提供耐火、耐酸且耐水的硫磺混凝土。
本公开的实施方案包括细骨料和细填料。细骨料可以是常见且易于获得的材料，如天然砂或人造砂。如本公开中所使用的，将细骨料定义为能通过#4(4.75mm)筛子的骨料。细填料也可以是常见且易于获得的材料，如石灰石粉末。如本公开中所使用的，将能通过#50筛子的任意材料定义为细填料。用于开发本公开的样品试样的示例石灰石粉末的尺寸范围为5μm至20μm。在本公开的实施方案中，硫磺混凝土不含活性填料。活性填料是一种起到粘结剂作用并改变硫磺混凝土的某些性质(比如硫磺混凝土的刚度)的聚合物。这些类型的活性填料是昂贵的；因此，希望使用廉价却也能以类似于活性填料的方式影响硫磺混凝土性质的任意其他的填料。
市售沥青存在许多不同类型，并且这些沥青的特性可以非常显著地不同。沥青材料可以是单一材料或几种基础沥青的共混物。所有沥青都包含沥青质。沥青质浓度的量和功能可以根据基础沥青的来源而变化。如本文所使用的，术语沥青(asphalt)与术语沥青(bitumen)可互换。沥青用作胶质物以使硫磺混凝土的成分粘结。在开发本公开的样品试样时，使用来自当地炼油厂的60/70针入度级别(grade 60/70pen)的沥青水泥，但是可以使用任意类型的沥青。
硫(特别是“单体”硫或“元素”硫)是丰富且廉价的材料。元素硫是天然存在的。元素硫也是非低硫天然气和石油加工的副产物。单体硫的来源包括石油精炼厂和天然气脱硫厂。由于从天然气和石油中提取的硫的数量，许多硫生产商认为元素硫是废产物。因此，希望找到元素硫的商业用途。将硫掺入商业产品中可以将许多人认为的潜在“废”产物转变为具有实用价值的产物。
元素硫不仅包括单个的硫原子，还包括在复合物中并与其他硫原子共价键合的硫，包括α-硫(斜方硫)、β-硫(单斜硫)和“链状”硫。硫原子的链或环的范围从几个硫原子到数百个共价连接的硫原子。由于各种各样的同素异形体，元素硫以许多不同的固体形式和液体形式存在，并且基于对其环境的改变而在多种形式之间变化。
与非硫原子(如碳、氢或其他原子种类)共价键合的硫(包括杂有机(heterorganic)化合物)不是“单体”硫或元素硫。元素硫不应含有任何显著量的杂质。
从150℃左右开始，硫可以形成对人体有毒的硫化氢(H2S)气体。高于这一温度时，烃环境中的单体硫使烃脱氢并形成硫化氢。在氧气的存在下将硫加热至高温会形成二氧化硫，二氧化硫对人体有害并且是空气污染物。为了工人的舒适度和安全性以及对环境更安全，希望找到这样一种沥青材料的组合，该组合可以在不高于150℃的温度下进行混合。
在制备根据本公开的实施方案的硫磺混凝土时，可以在表1中找到各个成分的重量％范围，所述成分包含粗骨料、细骨料、细填料和粘结剂。粘结剂包含硫和沥青。除非另有说明，否则如本公开中所使用的，单位重量％是相对于硫磺混凝土的重量而测定的。
表1：硫磺混凝土的重量组成范围。
Figure BDA0002174651660000061
从表1可以看出，元素硫的含量可以为在粘结剂的25重量％至60重量％范围内的含量，并且粘结剂的含量可以在硫磺混凝土的12重量％至20重量％的范围内。因此，元素硫的含量可以在硫磺混凝土的3重量％至12重量％的范围内。在某些实施方案中，元素硫的含量可以为硫混凝土的6重量％至7重量％。在可选的实施方案中，如表2和表4中所示的实施例混合物中所示，各成分的重量％可以在其他的范围内。
为了形成硫磺混凝土，可以将粗骨料、细骨料、细填料和粘结剂混合以形成成分混合物，然后加热至130℃至150℃的温度范围内以形成经加热的混合物。可以首先添加沥青和硫以形成均匀的混合物，然后添加骨料。然后将所有成分混合以获得均匀的混合物。可以将粗骨料、细骨料、细填料和粘结剂的经加热的混合物混合以获得均匀的混合物。由于骨料也保持在与硫-沥青混合物相同的温度，因此避免了硫的沉降。相反地，硫-沥青混合物使骨料均匀地粘结。将成分混合约5分钟至10分钟以获得均匀的混合物。将硫与沥青混合，因而当将粘结剂(硫和沥青)与骨料混合时，粘结剂将处于熔融状态。然后可以将均匀的混合物倒入模具中以形成所需形状的试样。将铸造构件在100℃至150℃的温度范围内保持至少6小时，然后使其冷却至低于100℃的温度。
在可选的实施方案中，可以将模具在100℃至150℃的温度范围内保持至少6小时，或者可以在100℃至150℃的温度范围内保持6小时至12小时或保持至少24小时。例如，可以将铸造构件在100℃至150℃的温度范围内保持足以产生耐火混凝土的一段时间，因而在冷却后，铸造构件能够承受暴露于火焰至少一小时而不会崩解。在其他可选的实施方案中，可以将混凝土构件在140℃范围内的温度下保持至少24小时或者足以产生耐火混凝土的一段时间。在本公开的某些实施方案中，保持铸造构件的温度的最佳时间为约六小时。在缓慢硬化和凝固过程中，含硫沥青(asphalt in sulfur)形成了致密的耐火混凝土。
根据本公开形成的混凝土产品的抗压强度可以大于1,000psi。所得的硫磺混凝土构件是这样一种混凝土产品，其可以用于各种应用，如耐酸瓷砖、混凝土砌块、保温防火材料以及耐火耐酸覆层。
实施例
制备了几种硫磺混凝土的试验用混合物。试验用混合物中混合物成分的重量示于表2中。
表2：示例混合物。
Figure BDA0002174651660000071
Figure BDA0002174651660000081
Figure BDA0002174651660000091
对于实施例3至6，使用了由发明人开发的两种类型的硫磺粘结剂(即KFUPM-1和KFUPM-2)。在实施例13至14中，使用了来自当地炼油厂的沥青。将模制试样在约130℃保持至少6小时，然后使试样逐渐冷却至室温。
用掺入硫的不同实施例进行一系列实验以确定其耐火性。用表1中详述的实施例1至14制备板坯试样并暴露于火焰。表3中描述了在暴露于火焰之前和之后的试样的情况。如表3中所阐明的，所评价的大部分体系表现出了低的耐火性。然而，用实施例13的成分(具有沥青的硫磺混凝土)制备的试样显示出了明显的耐火性。即使在暴露于火焰一小时后，试样仍然完好无损。如本领域技术人员所知，暴露于火焰30分钟是表明混凝土材料的耐火性的标准。
表3：暴露于火焰后的情况
Figure BDA0002174651660000092
Figure BDA0002174651660000101
基于该试验，选择混合物以进行详细评价。测试用混合物中成分的重量示于表4中。
表4：详细评价中使用的硫磺混凝土中成分的重量。
Figure BDA0002174651660000111
对于表4所示的测试用混合物，粗骨料为碎石灰石，细骨料为沙丘砂，细填料为石灰石粉末。混合物成分以及铸造和固化条件与上述表3中的详述相似。由测试用混合物得到的具有不同类型粗骨料的试样在水中是稳定的。
为了确定耐酸性，将三个50mm×50mm×50mm的立方体试样暴露于2％的硫酸溶液中。通过目视检查定期评价硫磺砂浆和硫磺混凝土试样的耐酸性，并记录照片证据。同样基于暴露于酸之前和之后的试样的照片证据进行比较。
因此，根据本文所述实施方案制备的硫磺混凝土使用廉价且易于获得的成分提供了这样一种混凝土构件，该混凝土构件可以用作(例如)耐酸瓷砖、混凝土砌块、保温防火材料以及耐火耐酸覆层。
虽然已经详细描述了本公开的实施方案，但是应当理解，在不脱离本公开的原理和范围的情况下，可以进行各种改变、替换和更改。因此，本公开的范围应当由以下权利要求及其适当的合法等同方式所确定。
除非上下文另有明确规定，否则单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指示物。
任选的或任选地是指随后描述的事件或情况可能发生或可能不发生。该描述包括发生事件或情况的情形以及不发生事件或情况的情形。
在本文中，范围可表述为从大约一个特定值和/或到大约另一个特定值。当表述这样的范围时，应当理解，另一个实施方案是从一个特定值和/或到另一个特定值以及所述范围内的所有组合。
如本文所用，修饰数量或性能的术语“约”是指(例如)通过现实世界中的典型测量和处理步骤；通过这些步骤中的无意错误；通过制备组合物所采用的材料的制造、来源或纯度的差异、或者实施方法的差异；等等，从而可能发生的数字量的变化。在任何情况中，术语“约”是指在报告的数值的10％以内，优选在报告的数值的5％以内。
在本申请全文中，当引用专利或出版物时，旨在通过引用将这些参考文献的全部内容并入本申请中，以便更全面地描述本公开所属领域的现有技术，除非这些参考文献与本文所做的陈述相矛盾。

Claims (19)

1.一种硫磺混凝土，该硫磺混凝土的成分包含：
含量在所述硫磺混凝土的重量的40重量％至50重量％范围内的粗骨料；
含量在所述硫磺混凝土的重量的20重量％至40重量％范围内的细骨料；
含量在所述硫磺混凝土的重量的8重量％至12重量％范围内的细填料；以及
含量在所述硫磺混凝土的重量的12重量％至20重量％范围内的粘结剂，该粘结剂包含：
含量在所述粘结剂的重量的25重量％至60重量％范围内的元素硫；以及
含量在所述粘结剂的重量的40重量％至75重量％范围内的沥青。
2.根据权利要求1所述的硫磺混凝土，其中所述硫磺混凝土不含活性填料。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的硫磺混凝土，其中所述细骨料为砂子，并且所述细填料为石灰石粉末。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的硫磺混凝土，其中元素硫的含量在所述硫磺混凝土的重量的6重量％至7重量％的范围内。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的硫磺混凝土，其中所述硫磺混凝土的成分包含：
含量为所述硫磺混凝土的重量的47重量％的所述粗骨料；
含量为所述硫磺混凝土的重量的28重量％的所述细骨料；
含量为所述硫磺混凝土的重量的10重量％的所述细填料；
含量为所述硫磺混凝土的重量的6重量％的所述元素硫；以及
含量为所述硫磺混凝土的重量的9重量％的所述沥青。
6.一种形成权利要求1的硫磺混凝土的方法，该方法包括：
将所述粗骨料、所述细骨料、所述细填料和所述粘结剂加热至130℃至150℃的温度范围内；
将所述粗骨料、所述细骨料、所述细填料和所述粘结剂混合，以获得均匀的混合物；
用所述均匀的混合物形成混凝土构件；以及
将所述混凝土构件在100℃至150℃的温度范围内保持至少6小时。
7.根据权利要求6所述的方法，包括将所述混凝土构件在100℃至150℃的温度范围内保持6小时至12小时。
8.根据权利要求6或权利要求7所述的方法，包括将所述混凝土构件在100℃至150℃的温度范围内保持至少24小时。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，包括将所述混凝土构件在140℃的温度下保持至少24小时。
10.根据权利要求6所述的方法，包括将所述混凝土构件在100℃至150℃的温度范围内保持足以产生耐火混凝土的一段时间。
11.根据权利要求6所述的方法，包括将所述混凝土构件在100℃至150℃的温度范围内保持至少6小时，然后使所述混凝土构件冷却，其中所述混凝土构件则能够承受暴露于火焰至少一小时而不会崩解。
12.一种形成硫磺混凝土的方法，该方法包括：
通过将下列成分混合在一起从而形成成分混合物：
含量在所述硫磺混凝土的重量的40重量％至50重量％范围内的粗骨料；
含量在所述硫磺混凝土的重量的20重量％至40重量％范围内的细骨料；
含量在所述硫磺混凝土的重量的8重量％至12重量％范围内的细填料；以及
含量在所述硫磺混凝土的重量的12重量％至20重量％范围内的粘结剂，该粘结剂包含含量在所述粘结剂的重量的25重量％至60重量％范围内的元素硫以及含量在所述粘结剂的重量的40重量％至75重量％范围内的沥青；
将所述成分混合物加热至130℃至150℃的温度范围内以形成经加热的混合物；
将所述经加热的混合物混合以获得均匀的混合物；
用所述均匀的混合物形成混凝土构件；以及
将所述混凝土构件在100℃至150℃的温度范围内保持至少6小时，然后使所述混凝土构件冷却至低于100℃。
13.根据权利要求12所述的方法，其中元素硫的含量在所述硫磺混凝土的重量的6重量％至7重量％的范围内。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述硫磺混凝土的成分包含：
含量为所述硫磺混凝土的重量的47重量％的所述粗骨料；
含量为所述硫磺混凝土的重量的28重量％的所述细骨料；
含量为所述硫磺混凝土的重量的10重量％的所述细填料；
含量为所述硫磺混凝土的重量的6重量％的所述元素硫；以及
含量为所述硫磺混凝土的重量的9重量％的所述沥青。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，包括将所述混凝土构件在100℃至150℃的温度范围内保持6小时至12小时。
16.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，包括将所述混凝土构件在100℃至150℃的温度范围内保持至少24小时。
17.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，包括将所述混凝土构件在140℃的温度下保持足以产生耐火混凝土的一段时间。
18.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，包括将所述混凝土构件在100℃至150℃的温度范围内保持足以产生耐火混凝土的一段时间，其中在冷却后，所述混凝土构件能够承受暴露于火焰至少一小时而不会崩解。
19.根据权利要求12至18中任一项所述的方法，其中在冷却后，所述混凝土构件的抗压强度为至少1,000psi。
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