CN117642371A - 干砂浆组合物 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种干砂浆组合物，其包含总量为10‑50重量％的水泥和生物质灰，以及总量为50‑90重量％的骨料，其中生物质灰与水泥的重量比的范围为40:60至90:10。所述砂浆特别地用作为瓷砖粘合剂。

Description

干砂浆组合物
本发明涉及一种干砂浆组合物。
干砂浆组合物是一种包含水硬性粘结剂和骨料的粉状混合物。其在与水混合后形成一种被称为湿砂浆的糊状物(paste)，这种糊状物可以在凝固和硬化之前施用在各种基底上，最终形成硬化砂浆。砂浆可以例如用作底灰(renders)、灰泥(plasters)、地板复合物(flooring compounds)、瓷砖粘合剂、灰浆(grouts)……。
本发明的目的是特别地提供一种可以用作瓷砖粘合剂的砂浆。
瓷砖粘合剂必须满足许多要求，在就铺设瓷砖时的易用性方面，和在就瓷砖铺设后的硬化砂浆的性能方面。例如，EN 12004-1标准要求拉伸粘结强度为至少0.5N/mm2(C1级粘合剂)，或甚至至少为1N/mm2(C2级粘合剂)，甚至在浸入水中、加热或冻融后也如此。开放时间，即在基底粘合和瓷砖铺设同时保持至少0.5N/mm2的粘附力之间的最长时间，对于延长开放时间粘合剂(标注“E”)必须为至少20分钟，优选至少30分钟。根据EN 12004的横向变形优选为至少2.5mm(S1变形能力)或至少5mm(S2变形能力)。凝固和固化时间、施工性能(workability)、湿砂浆的稠度以及施用所需的努力也是要考虑在内的参数。
要实现的目标还涉及砂浆的CO2足迹。在用于瓷砖粘合剂的砂浆中使用的水硬性粘结剂通常是水泥，特别地波特兰水泥，其生产需要大量的能源，并在大气中释放大量的CO2。因此需要提供具有低得多的CO2足迹，同时满足对于瓷砖粘合剂的要求的砂浆组合物。
这些目的是通过干砂浆组合物实现的，该干砂浆组合物包含总量为10-50重量％的水泥和生物质灰，以及总量为50-90重量％的骨料，其中生物质灰与水泥的重量比的范围为40:60至90:10。
本发明的另一个目的是通过将这种干砂浆组合物与水混合以形成糊状物而制备的瓷砖粘合剂。
本发明进一步的目的是所述干砂浆组合物作为瓷砖粘合剂的用途。术语“瓷砖粘合剂”包括所述干砂浆组合物本身和通过将干砂浆组合物与水混合而获得的糊状物(也称为湿砂浆)。
本发明还有另一个目的是一种用于在基底上粘贴瓷砖的方法，其包括将上述瓷砖粘合剂施用到所述基底上，然后将所述瓷砖施用于所述基底。这种方法这时包括将所述干砂浆组合物与水混合以形成糊状物，将所述糊状物施用到基底上，然后将所述瓷砖应用于所述基底。
本发明已经出人意料地表明，满足上述要求的瓷砖粘合剂可以通过用大量的生物质灰部分地取代水泥，特别是波特兰水泥来获得。取代的比率为至少40％，并且甚至优选为至少50％，并且可以高达90％。砂浆的CO2足迹因此大量减少。如在本说明书中更详细地描述的，本发明人已经特别地表明生物质灰对于水合物的形成具有重要的贡献。
水泥和生物质灰的总量，即它们各自量的总和，为10-50重量％，优选15-45重量％，甚至20-40重量％。
所述水泥优选选自波特兰水泥、铝酸钙水泥、硫铝酸钙水泥和它们的混合物。
所述水泥可以由一种类型的水泥组成。或者，所述水泥可以是多种类型的水泥的混合物。在后一种情况下，术语“水泥”包括所有包含在组合物中的水泥，并且水泥的量(也称为“水泥的总量”)是包含在组合物中的每种或各种特定水泥的各自量的总和，即包含在组合物中的所有水泥的总量。
所述水泥最优选包含根据EN 197-1标准的CEM I水泥，也称为普通波特兰水泥。所述水泥优选由(或换句话说是)根据EN 197-1标准的CEM I水泥组成。CEM I 42.5或CEM I52.5是特别优选的。
水泥的量优选为5-25重量％，特别地7-18重量％。相对于干砂浆组合物的总重量，生物质灰的量优选为8-30重量％，特别地10-28重量％，
生物质灰与水泥的重量比优选为45:55至85:15。根据一个优选的实施方案，这个重量比特别地为45:55至60:40，甚至为48:52至55:45。根据另一个优选的实施方案，这个重量比为70:30至90:10，或甚至为75:25至85:15。生物质灰与水泥的重量比通过将按重量计的生物质灰的总量除以按重量计的水泥的总量进行计算。
所述干砂浆组合物可进一步包含矿渣和/或偏高岭土，优选地量为至多10重量％，特别地至多5重量％。矿渣和偏高岭土的总量优选为0.5-10重量％，特别地1-5重量％。所述矿渣优选选自高炉矿渣、碱性氧气炉炉渣、电弧炉炉渣、钢包熔渣和它们的混合物。矿渣或偏高岭土的存在可以在浸水后和在冻融硬化条件下增加粘附力。
所述干砂浆也可以包含硅灰、火山灰、来自煤燃烧的飞灰(fly ashes)和它们的混合物。在那种情况下，这些组合物的总量优选为0.5-10重量％，甚至为1-5重量％。
生物质灰是在生物质燃烧期间形成的灰，用于例如发电、产生蒸汽或加热。生物质可例如来自农产品、来自林产品、来自家庭和市政垃圾、来自纸或纸浆工业和/或来自能源作物。
生物质灰有利地包含，或甚至由木灰组成。木灰是在木材和木制品燃烧期间产生的。木灰特别地从林业残留物、废料(树皮、木屑……)、木材、木材残留物或来自纸浆或木材工业的残留物的燃烧获得。生物质可以例如在用于纸浆或其他木材相关行业的伐木活动和用于野火预防的森林清理期间产生。
优选地，所述生物质灰包含，或甚至由从木材、树皮、林业残留物和/或木材残留物的燃烧获得的飞灰组成。燃烧优选通过流化床燃烧，特别地通过鼓泡流化床燃烧进行。其他燃烧方法是固定床燃烧或循环流化床燃烧。木材优选选自松树和桉树。飞灰从烟道气中回收(例如通过过滤)，这与底灰相反，底灰从锅炉的底部回收。
更一般地，并且无论生物质的燃烧方法和来源如何，在本发明中使用的生物质灰优选从烟道气中回收(例如通过过滤)，这与底灰相反，底灰从锅炉的底部回收。底灰事实上通常含有不希望的材料，如重金属。
在其他实施方案中，生物质灰包含，或甚至由从来自纸和纸浆工业的废料(或残留物或副产品)的燃烧获得的灰组成。
所述生物质灰优选具有包含40-45重量％SiO2，5-12％Al2O3，1-7重量％Fe2O3，6-23重量％CaO和1-7重量％K2O的平均化学组成。特别优选的化学组成包含45-52重量％SiO2，8-10重量％Al2O3，2-5重量％Fe2O3，8-20重量％CaO和2-5重量％K2O。烧失量优选为小于10重量％，特别地小于5重量％。
在其他实施方案中，所述生物质灰包含，并且甚至由具有这样的平均化学组成的生物质灰组成，该平均化学组成包含5-30重量％，特别地10-30重量％SiO2，3-20重量％，特别地5-15重量％Al2O3，0-5重量％，特别地0.5-3重量％Fe2O3和30-70重量％，特别地40-60重量％CaO。
在颗粒尺寸方面，所述生物质灰的D50(基于体积分布)优选从10μm至30μm，特别地约20μm。最大尺寸(Dmax)优选为100μm或更小。这些尺寸通常通过激光粒度测定法测量。
所述骨料优选选自硅质的、钙质的骨料，白云石质的骨料和它们的混合物。例子是磨碎的石灰石或白云石和硅砂。所述骨料优选包含砂(尺寸0-5mm)和可能的填料(尺寸0-0.1mm)。所述骨料优选包含(或甚至由其组成)硅砂。硅砂和石灰石的混合物也是可能的。当所述砂浆被用作瓷砖粘合剂时，骨料的最大尺寸优选为2mm。
骨料的总量优选范围为55-85重量％，特别地为58-80重量％，甚至为60-75重量％。
基于体积分布的所述骨料的平均直径(D50)优选为0.20mm或更小，特别地0.15mm及以下，甚至0.10mm及以下。
本发明人已经观察到，除了通过水泥的水合作用获得的那些之外，生物质灰也对水合物的形成有贡献。微量量热分析已经确实表明，由生物质灰和普通波特兰水泥(OPC)以50/50和80/20的比例的混合物的水合作用在最高至6天期间所释放的总热量大于如果生物质灰仅对OPC有稀释作用时预期释放的总热量。对于50/50的混合物，在6天的总热量释放实际上是200J/g混合物，并且对于80/20的混合物，是120J/g混合物。对于纯OPC，总热量释放是300J/g。
所述干砂浆组合物优选包含至少一种促凝剂，以加快水泥和生物质灰的混合物的凝固与硬化。
促凝剂是例如碱金属盐，如锂(或钾)硫酸盐或碳酸盐，或有机盐，如甲酸钙。促凝剂的总量优选为0.1-3.0重量％，特别地0.2-2.0重量％。
其他促凝剂是硅酸钠，如偏硅酸钠和/或石灰。这些促凝剂对于其中重量比生物质灰/水泥为高的(例如高于60:40或高于70:30)组合物特别有用。
如果需要，干砂浆可包含缓凝剂，例如羧酸，如酒石酸或柠檬酸或它们的盐。缓凝剂的总量优选为0.01-1.0重量％。
所述干砂浆组合物优选包含一种或多种选自可再分散聚合物粉末、消泡剂、稳定剂、增稠剂、保水剂、减缩剂、疏水剂、增塑剂和超塑化剂的添加剂。此类添加剂的总量优选为0.1-8.0重量％，特别地0.5-3.0重量％。
所述干砂浆组合物更优选地包含可再分散聚合物粉末和保水剂。
增稠剂和保水剂是例如纤维素醚和/或淀粉醚。它们的总量优选为0.1-0.6重量％，特别地0.2-0.5重量％。这些添加剂使得可以改善所述糊状物的施工性能。
所述可再分散聚合物粉末优选包含至少一种基于一种或多种选自以下的单体的聚合物：乙烯基酯(特别地具有1-15个碳原子的非支链或支链烷基羧酸的乙烯基酯)、甲基丙烯酸酯和丙烯酸酯(特别地具有1-10个碳原子的醇的(甲基)丙烯酸酯)、甲基丙烯酸、丙烯酸、乙烯基芳烃、烯烃(如乙烯或丙烯)、二烯和乙烯基卤化物。特别优选的聚合物是至少两种上述单体的共聚物，特别地乙烯基乙酸酯-乙烯共聚物、乙烯基酯-乙烯-氯乙烯共聚物、乙烯基乙酸酯共聚物、乙烯基乙酸酯-丙烯酸酯共聚物、甲基丙烯酸甲酯与丙烯酸正丁酯和/或丙烯酸-2-乙基己酯的共聚物、甲基丙烯酸甲酯与1,3-丁二烯的共聚物、氯乙烯-乙烯共聚物、氯乙烯-丙烯酸酯共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物，苯乙烯-丙烯酸酯共聚物、乙烯基乙酸酯-(甲基)丙烯酸-乙烯三元共聚物。可再分散聚合物粉末的量优选为0.2-8.0重量％，特别地0.5-6.0重量％。
水与所述干砂浆组合物之比(“水灰比”)优选为按重量计0.15至0.30，以得到对于所述糊状物(湿砂浆)恰当的稠度。这对应于15％至30％的用水量(添加到100％干砂浆中)。
通过将所述干砂浆组合物与水混合形成的糊状物，通过通常的技术施用在基底上。
所述基底通常是墙壁或隔墙(partition)、或地板，例如整平板(screed)。
铺地砖的瓷砖或平板(slabs)可以是各种材料，如陶瓷、砂岩、水泥、石头、大理石等。湿砂浆(粘合剂)可以通过胶梳(glue comb)、抹灰托板(hawk)、抹子(float)、泥刀(trowel)或凹口泥刀(notched trowel)施用到基底上，并且也可以施用到瓷砖或平板上。
根据EN 12004-1:2017标准，所述瓷砖粘合剂优选分类为C1、C2或C2S。
所述干砂浆组合物的其他应用是可以的，例如用于外墙底灰或灰泥(plasters)、地板复合物(如整平板(screeds))或瓷砖灰浆(grouts)。它也可以在用于制造建筑元件(如墙壁)的3D-打印工艺中使用。
以下实施例以非限制性的方式说明了本发明。
被用作瓷砖粘合剂的干砂浆组合物已经通过混合不同的成分获得。下表(1和2)显示了对于对比实施例(C1至C5)和根据本发明的实施例(1至7)的组成(以重量％计)和一些测量的性质。
组合物中唯一的水泥是CEM I42.5水泥，在表中标注为“OPC”。
生物质灰是木灰，更具体地是从在鼓泡流化床锅炉中的森林生物质(特别地桉树和松树)的燃烧获得的飞灰。它们的化学组成包含45-52重量％SiO2、8-10重量％Al2O3、2-5重量％Fe2O3、8-20重量％CaO和2-5重量％K2O，LOI<5重量％。它们的D50(基于体积分布)是20μm，并且其最大尺寸(Dmax)是80μm。所述生物质灰由Navigator公司(Cacia，Aveiro，葡萄牙)提供。
比例“R”是生物质灰与水泥的重量比。
所述矿渣是磨碎的粒状高炉矿渣。纤维素醚是羟乙基甲基纤维素，其具有在20000-40000mPas间的粘度(加水后)。淀粉醚属于1型。所述促凝剂是甲酸钙。“树脂”是可再分散粉末，其是EVA共聚物，具有16℃的Tg。
对于每个实施例，所述表显示了以下方面的结果：在5℃和22℃下的凝固时间，在不同条件的拉伸粘合强度(根据EN 12004-2标准测量)和横向变形(根据EN 12002标准测量)，以及根据与瓷砖粘合剂有关的EN12004-1标准的分类。所述表也显示了使用ecoinvent数据库计算的每千克砂浆的CO2-当量排放量。
这些结果表明了由生物质灰取代至少40％的OPC使得可以使CO2的排放量减少20％至35％，同时令人惊讶地保持高粘合力和反应性性能。获得的砂浆可以用作满足EN12004-1标准的要求的瓷砖粘合剂，甚至对于非常高的取代率也如此。
[表1]
[表2]

Claims (15)

1.一种干砂浆组合物，其包含总量为10-50重量％的水泥和生物质灰，以及总量为50-90重量％的骨料，其中生物质灰与水泥的重量比为40:60至90:10。
2.如权利要求1所述的干砂浆组合物，其中水泥和生物质灰的总量为15-45重量％，并且骨料的总量为55-85重量％。
3.如前述权利要求中任一项所述的干砂浆组合物，其进一步包含总量为0.5-10重量％，特别地1-5重量％的矿渣和/或偏高岭土。
4.如前述权利要求中任一项所述的干砂浆组合物，其中水泥的量为5-25重量％，特别地7-18重量％，并且生物质灰的量为8-30重量％，特别地10-28重量％。
5.如前述权利要求中任一项所述的干砂浆组合物，其中所述水泥是根据EN 197-1标准的CEMI水泥。
6.如前述权利要求中任一项所述的干砂浆组合物，其中所述生物质灰包含木灰。
7.如前一项权利要求中所述的干砂浆组合物，其中所述生物质灰包含从通过流化床燃烧使木材、树皮、林业残留物和/或木材残留物燃烧获得的飞灰。
8.如前述权利要求中任一项所述的干砂浆组合物，其中所述生物质灰具有包含40-55重量％SiO2，5-12重量％Al2O3，1-7重量％Fe2O3，6-23重量％CaO和1-7重量％K2O的平均化学组成。
9.如前述权利要求中任一项所述的干砂浆组合物，其中生物质灰与水泥的重量比的范围为45:55至85:15，特别地45:55至60:40。
10.如前述权利要求中任一项所述的干砂浆组合物，其中所述骨料选自硅质的、钙质的骨料，白云石质的骨料和它们的混合物。
11.如前述权利要求中任一项所述的干砂浆组合物，其进一步包含至少一种促凝剂。
12.如前述权利要求中任一项所述的干砂浆组合物，其包含一种或多种选自可再分散聚合物粉末、颜料、消泡剂、稳定剂、增稠剂、减缩剂、疏水剂、增塑剂和超塑化剂的添加剂。
13.一种瓷砖粘合剂，其通过将如前述权利要求中任一项所述的干砂浆组合物与水混合以形成糊状物而制成。
14.一种用于在基底上粘贴瓷砖的方法，其包括将根据权利要求1-12中任一项所述的干砂浆组合物与水混合以形成糊状物，将所述糊状物施用在所述基底上，然后将所述瓷砖施用于所述基底。
15.根据权利要求1-12中任一项所述的干砂浆组合物作为瓷砖粘合剂的用途。
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