CN117715881A - 形成水泥干和湿混合物的碱性激发水泥前体、方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本文提供了利用一种或多种水泥替代材料、一种或多种碱性激发材料以及任选的一种或多种粘结材料和/或一种或多种凝结时间增强剂材料的方法和组合物。一种或多种水泥前体包含以下各者中的一者或多者：硅铝酸盐、氧化硅‑铝酸盐、聚(氧化硅)/聚(硅氧烷酸酯)/聚(硅醇)、聚(铝硅酸铁)、原硅酸盐、原(硅氧烷酸酯)、低聚硅酸盐、水方钠石、三甲基硅醇、磷酸盐基材料，或者一种或多种水泥前体包含泻湖灰、碱性氧渣(BOS)、电弧炉(EAF)渣、轧屑、脱硫渣、黑/白渣、煤粉灰、高炉烟灰、赤泥和/或铁矿石团块。一种或多种碱性激发剂包含硅酸钾、氢氧化钾、氢氧化钠、硅酸钠、氢氧化钙、氢氧化镁、反应性氧化镁、氯化钙、碳酸钠、二氧化硅、铝酸钠、硫酸钙、硫酸钠或白云石或其组合。另外公开了一种方法和一种系统，其包括立式冲唤磨机。
Description
交叉引用
本申请要求2021年4月23日提交的美国临时申请号63/179,141的权益，所述申请以引用的方式并入本文。
技术背景
诸如普通波特兰水泥(0PC)等常规水泥的生产会产生大量二氧化碳，这在很大程度上是由于煅烧反应造成的，所述煅烧反应需要燃烧燃料来提供热量以驱动反应，并且所述煅烧反应本身也会释放二氧化碳。需要常规水泥的替代品。
以引用的方式并入
本说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请以引用的方式并入本文中，就如每个单独的出版物、专利或专利申请被具体地和单独地指出以引用的方式并入本文的程度一样。
附图说明
本发明的新颖特征在所附权利要求中具体阐述。通过参考以下阐述利用本发明原理的说明性实施方案的具体实施方式和附图将获得对本发明的特征和优点的更好理解，在附图中：
图1示出了用于产生掺加物的示例性过程。
图2示出了用于产生掺加物的示例性系统。
图3示出了用于处理起始材料以产生处理后的材料的示例性方法。
图4示出了用于处理起始材料以产生处理后的材料的示例性系统。
图5示出了用于处理起始材料以产生处理后的材料的示例性系统。
图6示出了用于处理起始材料以产生处理后的材料的示例性系统。
图7示出了用于处理起始材料以产生处理后的材料的示例性系统。
图8示出了示例性冲击式混合机。
图9示出了冲击式混合机的示例性处理隔室。
图10示出了冲击式混合机的示例性叶片部件。
图11示出了冲击式混合机的示例性叶片部件的顶视图。
图12示出了冲击式混合机的示例性叶片部件的侧视图。
图13示出了用于生产超高强度地聚合物水泥的示例性方法。
图14示出了由超高强度地聚合物水泥制成的混凝土的1-24小时抗压强度和抗拉强度。
图15示出了用于生产高强度地聚合物水泥的示例性方法。
图16示出了由高强度地聚合物水泥制成的混凝土的1-24小时抗压强度和抗拉强度。
图17示出了用于生产近碳中和地聚合物水泥的示例性方法。
图18示出了由第一近碳中和地聚合物水泥制成的混凝土的1-24小时抗压强度和抗拉强度。
图19示出了由第二近碳中和地聚合物水泥制成的混凝土的1-24小时抗压强度和抗拉强度。
图20示出了由第三近碳中和地聚合物水泥制成的混凝土的1-24小时抗压强度和抗拉强度。
图21示出了由第四近碳中和地聚合物水泥制成的混凝土的1-24小时抗压强度和抗拉强度。
具体实施方式
本文提供了碱性激发水泥(地聚合物)方法和组合物。生产碱性激发水泥的方法可包括一个或多个步骤以减小混合物中干燥或基本上干燥的颗粒的尺寸并且将材料组合在一起，以便产生处于期望的尺寸范围以及在一些情况下具有不同的材料组合的材料。最终的水泥产品可为仅需要添加水即可凝结和硬化的与诸如OPC的常规水泥类似的产品。
本文提供的方法和组合物可提供优于现有碱性激发水泥(地聚合物)方法和组合物的多个优点，诸如使用更少量的碱性激发剂；用碱性激发水泥产生更高强度范围的最终产品，诸如混凝土，诸如更高的抗压强度和/或更高的抗拉强度；无定形材料的含量更高；可使用的材料范围更广；过程可重复而且可预测；和/或能够对未处于活性状态的材料进行激发。本文提供的方法和组合物可在各方面不同于现有方法，所述方面包括：不使用研磨或碾磨；不向起始材料添加热量；使用连续过程；在一些情况下使用在很短时间内(诸如几秒内)生产出最终产品的一步过程；与常规水泥的生产(即，通过煅烧石灰石和烧结来生产水泥)相比，二氧化碳产生大大减少，在一些情况下接近碳中和或甚至是碳中和。其他优点将从本文的描述中显而易见。
碱激发水泥(也被称为地聚合物水泥)包含粘合剂，所述粘合剂可为硅铝酸盐前体，如高炉渣、粉煤灰、偏高岭土或如本文更详细描述的可以不同比例组合的其他前体。在混合期间添加化学激发剂(在本文中也被称为碱性激发材料或碱性激发剂)例如以促进凝固过程。常规使用的碱激发剂是碱性化合物，如碳酸盐、氢氧化物和硅酸盐。
碱激发材料(AAM)被认为是普通波特兰水泥(OPC)的潜在替代品，以便限制CO2排放并且将多种废物处理为有用的产品。然而，碱性激发过程涉及浓碱水溶液，所述浓碱水溶液具有腐蚀性、粘性，并且因此难以处理而且对用户不友好。
因此，本文提供了所谓的单部分或“仅加水”AAM，其具有比常规的两部分AAM更大的潜力，特别是在现场浇注应用中。单部分AAM包括干混合物，所述干混合物包含固体水泥前体，例如硅铝酸盐前体或其他水泥前体(在本文中也被称为水泥替代材料)、固体碱源(在本文中也被称为碱性激发材料或“碱性激发剂”)等，以及在一些实施方案中任选的掺加物，例如粘结材料和/或凝结时间增强剂材料中的一者或两者。在使用时，将水添加到单部分AAM中，这与OPC的制备类似。干混合物可在室温或高温下制备以有助于某些原材料的反应性。然而，在优选的实施方案中，高温是不必要的。水泥粘合剂都可来自废物来源，并且在一些情况下可形成材料的80％-100％。
本文提供的单部分AAM不同于传统水泥，因为它们更具可持续性(例如，在生产期间二氧化碳排放更低)；并且可具有改进的压缩、耐久性、拉伸和/或其他性质。它们与传统的地聚合物不同，因为它们使用单部分碱性激发材料，所述碱性激发材料使用不在水性溶液中进行的碱性激发来激发，并且最终产品只需要添加水。在一些实施方案中，所述单部分AAM还可使用添加到混合物中的粘结材料和/或凝结时间增强剂材料。
用于生产本文提供的单部分AAM的工艺可利用研磨、碾磨或其他机械尺寸减小和机械化学技术来使材料达到期望的尺寸范围；研磨、碾磨或其他尺寸减小加工也可为机械化学技术。不受理论的约束，认为通过将材料在一起研磨或碾磨，或其他类似的程序，材料之间的化学键会被增强。它与其他碳捕获水泥的工艺不同，因为它在化学层面上改变水泥，并且不一定会将CO2泵入或添加到固化或其他过程。在优选的实施方案中，不使用研磨或碾磨，例如可使用冲击混合。
材料
本文提供的碱性激发水泥通常包含一种或多种水泥前体(水泥替代材料)，例如硅铝酸盐前体、一种或多种碱性激发材料和任选的一种或多种粘结材料和/或一种或多种凝结时间增强剂材料。
水泥前体(水泥替代材料)(例如，硅铝酸盐前体)。可使用任何合适的水泥前体或水泥前体的组合，诸如硅铝酸盐前体(也被称为水泥替代材料)或材料的组合，只要它能充当水泥前体即可，例如可由如本文所描述的碱性激发材料激发的硅铝酸盐前体，例如以提供凝结并硬化成具有期望性质(诸如如本文所描述的一种或多种性质)的固体组合物的水泥材料。水泥前体可包含一种或多种合适的物质，诸如以下各者中的一者或多者：硅酸盐、硅土、铝酸钙、氧化铝、二氧化硅、三氧化二铝、氧化钙、氧化镁、钾、沸石、干酪根(kerogen)、铝硅酸铁(ferro sialate)、铁、氧化铁、硅酸钙、水化硅酸钙、水化铝酸钙、高岭石和/或氧化硅(Siloxo)。示例性硅铝酸盐前体(水泥替代材料)包含高炉渣(BFS)、磨细矿渣(GGBS)、粉煤灰(例如，F类、C类、固体废物焚烧粉煤灰、其他粉煤灰或其组合)、硅粉、红矿渣、铝酸钙、来自金属工业的滤渣、铜尾矿、铜渣、铝土矿尾矿、不锈钢渣、池灰、煤灰、电弧炉渣、底灰、窑灰(非水泥窑)、石灰、熟石灰、采石场粉尘、红色高岭土粘土、铝硅酸铁、其他金属渣、或其他矿渣或其组合。
在某些实施方案中，水泥前体材料包含以下各者中的一者或多者：硅铝酸盐、silxo-铝酸盐、聚(氧化硅)/聚(硅氧烷酸酯)(poly(siloxonate))/聚(硅醇)、聚(铝硅酸铁)、原硅酸盐(otho silicate)、原(硅氧烷酸酯)、低聚硅酸盐、水方钠石、三甲基硅醇(silonate)或磷酸盐基材料。在某些实施方案中，水泥前体材料包含一种或多种硅铝酸盐和/或一种或多种聚(铝硅酸铁)，诸如以下各者中的一者或多者：泻湖灰(例如，含有来自发电站、金属加工、采矿、矿物加工等的灰分的水性环境)、碱性氧渣(BOS)、电弧炉(EAF)渣、轧屑(例如，来自电弧炉)、脱硫渣(例如，来自电弧炉、高炉等)、黑/白渣(例如，来自电弧炉)、粉煤灰(例如，来自煤炭、钢铁生产、采矿等)、高炉烟灰、赤泥(来自铝生产)和/或铁矿石团块(例如，来自采矿尾矿)。
碱性激发材料。可使用任何合适的碱性激发材料(在本文中也被称为碱性激发剂)，或材料的组合，只要它能提供碱金属阳离子，提高反应混合物的pH(在一些情况下是不具有碱性激发材料的处于合适的pH的反应混合物，在此情况下，这不是必要性质)，并且有助于溶解即可。一般来说，期望碱性激发材料能够容易地溶于水中以有助于将水添加到最终材料中的过程。示例性碱性激发材料包括硅酸钾、氢氧化钾、氢氧化钠、硅酸钠、氢氧化钙、氢氧化镁、反应性氧化镁、氯化钙、碳酸钠、二氧化硅、铝酸钠、硫酸钙、硫酸钠或白云石或其组合。
在处理来生产水泥产品之前和期间，水泥前体和碱性激发剂材料的水浓度通常不超过5％。在某些实施方案中，所述过程开始于干燥或基本上干燥的材料，并且在一些情况下，根据需要添加水以允许例如进行研磨或碾磨，和/或有助于激发，但不超过5％并且通常为远远低于该大小的大小。已令人惊奇地发现，在一些情况下，在研磨或碾磨过程中添加少量的水会导致最终产品的性质显著地改进。不需要研磨或碾磨的过程可使用很少的水或不使用水。如果添加的水不超过5％、4％、3％、2％、1％或甚至仅0.5％或0.1％，则如本文使用的术语添加有水的材料被认为是干燥的。添加的总水量可为至少0％、0.00001％、0.0001％、0.001％、0.01％、0.1％、0.2％、0.3％、0.4％、0.5％、0.6％、0.7％、0.8％、0.9％、1％、1.2％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％、4％或4.5％和/或不超过0.0001％、0.001％、0.01％、0.1％、0.2％、0.3％、0.4％、0.5％、0.6％、0.7％、0.8％、0.9％、1％、1.2％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％或5％，例如小于5％，在一些情况下小于2％，诸如小于1％，或小于0.5％以及甚至小于0.1％或0.01％。在一些情况下，添加的总水量为0.00001％-5％、或0.00001％-1％、或0.00001％-0.1％、或0.00001％-0.01％。在某些实施方案中，例如在不使用研磨或碾磨的某些实施方案中，不使用水。
微生物激发材料。在某些实施方案中，使用微生物激发材料来取代碱性激发材料或作为所述碱性激发材料的补充。可使用任何合适的微生物激发材料。在某些实施方案中，微生物激发材料可包括一种或多种真菌、一种或多种细菌或其组合。在某些实施方案中，微生物包括嗜碱和/或耐碱细菌和真菌。示例性细菌包括尿素分解巴氏孢子八叠球菌(Ureolytic sporosarcina pasteurii)、碱氮芽孢杆菌(Bacillus alkalinitrilicu)、巨大芽孢杆菌、球形芽孢杆菌(Bacillus Spaericus)、枯草芽孢杆菌、兼性嗜碱芽孢杆菌、巴氏芽孢杆菌、大肠杆菌、科氏芽孢杆菌、班氏芽孢杆菌(Bacillus balodurans)、耐盐芽孢杆菌。示例性真菌包括丝状真菌、里氏木霉、稻根霉、黄孢原毛平革菌、构巢曲霉、土曲霉和米曲霉、酿酒酵母、淡紫拟青霉(Paecillomyces lilacimus)和金孢霉。示例性组合包括构巢曲霉和球形芽孢杆菌、丝状真菌(Fiamentous fungi)和耐盐芽孢杆菌以及金孢霉和枯草芽孢杆菌。
粘结材料。如果使用粘结材料，则可使用任何合适的粘结材料或粘结材料的组合。示例性粘结材料包括斜长石、长石材料、辉石、角闪石、石英、硅藻土、氧化镁、氧化钾、甲基磺酰甲烷、苹果酸、二氧化锆、膨润土、硅粉或其组合。
凝结时间增强剂材料。如果使用凝结时间增强剂，则可使用任何合适的凝结时间增强剂材料或材料的组合。示例性凝结时间增强剂材料包括氢氧化铝、VCAS(玻璃纤维生产的废物产品)、水泥窑灰、沸石、氧化钙、氧化铝、白云石、方解石、蒙脱土、木质素硫酸钠(sodium lignosulfate)、氧化锌、磷酸钠、磷酸、氯化钠(低促凝剂/高缓凝剂)、酒石酸或其组合。在某些实施方案中，使用沸石。在某些实施方案中，使用氢氧化铝和VCAS的组合。
掺加物。在某些实施方案中，提供了掺加物。所述掺加物可为硅酸盐化合物和氢氧化物化合物的混合物；在某些实施方案中，已经使所述化合物组合并且潜在地发生反应，使得掺加物还可包含硅酸盐化合物和氢氧化物化合物的反应产物。掺加物可与任何合适的水泥混合物一起使用，诸如包含地聚合物(例如，本文描述的地聚合物中的一种或多种)的水泥混合物。掺加物通常在产生湿水泥混合物(例如，湿混凝土混合物)期间使用，并且可以产生一种或多种期望效果的量使用，所述期望效果诸如为抗压强度形成速率加速；在一个或多个时间点处的抗压强度更大；抗拉强度形成速率加速；在一个或多个时间点处的抗拉强度更大；调节初始凝结时间，例如达到凝胶状稠度的时间，诸如缩短初始凝结时间；调节最终凝结时间，例如可移除模具的时间。因此，可向用户或客户供应干燥微粒混合物，所述干燥微粒混合物包含一种或多种地聚合物，诸如如本文所描述的一种或多种地聚合物；以及掺加物，所述掺加物允许用户/客户微调用干燥微粒混合物制成的水泥组合物(例如，混凝土)。掺加物可在任何合适的时间添加，诸如与湿水泥或混凝土混合物的混合水一起添加。可使用任何合适的硅酸盐化合物，诸如硅酸钠或硅酸钾或其组合；在优选的实施方案中，使用硅酸钾。可使用任何合适的氢氧化物化合物，诸如氢氧化钠或氢氧化钾；在优选的实施方案中，使用氢氧化钾。因此，在某些实施方案中，掺加物是硅酸钾和氢氧化钾的混合物；通常，掺加物还将包含硅酸钾和氢氧化钾的反应产物。可使用硅酸盐化合物与氢氧化物化合物的任何合适的比率，诸如硅酸盐化合物与氢氧化物化合物的摩尔比是在0.5与3.0之间的硅酸盐:氢氧化物，优选地1.0-2.0，更优选地1.0-1.5。这些比率是指起始材料；应当了解，两者组合期间的反应可能产生不是硅酸盐或氢氧化物的反应产物，以至于最终产品中的比率可能是不同的。掺加物可以任何合适的方式使用，诸如与混合水一起添加到水泥混合物或混凝土混合物中。所使用的掺加物的量可为任何合适的量，这取决于对水泥或混凝土混合物的期望的调节，诸如0.5％-40％水泥重量(bwc)，优选地1％-35％bwc。在某些实施方案中，例如，对于高强度或超高强度混凝土的生产，可使用相对高的百分比，例如2％-40％bwc，优选地4％-35％bwc，甚至更优选地20％-35％bwc。参见实施例12。在某些实施方案中，例如，对于非超高强度混凝土的生产，可使用相对较低的百分比，例如0.25％-35％bwc，优选地0.5％-30％，更优选地0.5％-10％，甚至更优选地0.5％-5％bwc。
掺加物可以任何合适的方式制备。在某些实施方案中，将含硅酸盐化合物(诸如硅酸钾化合物)的水性介质放入反应容器中，并且将氢氧化物化合物(诸如氢氧化钾)添加到容器中；通常，添加速率可通过例如将混合物的温度保持在某个阈值温度以内或以下来确定；这可取决于反应容器的材质和所述反应容器能够承受的温度。化合物的混合可产生气体，例如氢气，并且可从混合物中收集这种气体的一些或全部；在某些实施方案中，所述气体的一些或全部用于其他程序，诸如一个或多个水泥生产程序，例如，如本文所描述。例如，氢气可被燃烧来向一个或多个其他程序中的一个或多个步骤提供能量，例如热能。在添加期望量的氢氧化物之后，使混合物静置较长时间，例如至少0.5、1、2、4、6、8、10、12、14、16、18、20、22、24、26、28、30、36、42、48或72小时，优选地至少2小时，更优选地至少10小时，甚至更优选地至少20小时。然后使材料准备好用作掺加物，并且可被储存、包装、运输或以其他方式适当地加工以用于例如销售和/或使用。
在某些实施方案(如图1所示)中，本文提供了用于产生硅酸盐和氢氧化物(在此处示出为硅酸钾和氢氧化钾)的混合物(即，掺加物)的方法和系统。在某些实施方案中，(1)称量期望量的硅酸钾，(2)将硅酸钾添加到合适的容器中，(3)单独地称量期望量的氢氧化钾，(4)将氢氧化钾缓慢地与硅酸钾组合，(5)不时地搅拌混合物，并且(6)使溶液冷却到室温并且静置较长时间，例如至少2、4、6、8、10、12、14、16、18、20、22、24、26、28、30、36、42、48或72小时，优选地至少16小时，更优选地至少20小时。在氢氧化物(例如，氢氧化钾)与硅酸盐的添加和/或混合期间可产生气体(例如，氢气)，并且所述过程还可包括收集气体。气体可以任何合适的方式使用，例如被燃烧来为一个或多个过程(诸如本文描述的水泥生产过程中的一个或多个)提供热量。
容器可为任何合适的容器，例如桶、提桶或大桶。容器可包含任何合适的材料，只要所述材料对与之接触的材料具有抵抗力即可。在某些实施方案中，容器包含对高浓度氢氧化物(例如，氢氧化钾)和10℃至150℃范围内的温度具有抵抗力的材料，诸如塑料、氟塑料、玻璃或金属材料，例如高密度线性聚乙烯(HDPE)、交联聚乙烯(XLPE)、聚丙烯、尼龙、Tygon、聚氯乙烯(PVC)、氯化聚氯乙烯(CPVC)、天然橡胶、PEEK、PTFE、PVDF、钛或碳钢。在某些实施方案中，容器包含耐碱材料，其中pH为至少7.5、8、9、10、11、12或13和/或不超过14、13、12、11、10、9或8，例如pH为7.5-14。
在某些实施方案中，可使用混合机或搅拌器以有助于硅酸盐和氢氧化物的混合。可使用任何合适的混合机或搅拌器，例如木勺、磁力搅拌棒和搅拌盘、螺带式混合机、顶置式搅拌器或混合形式。
在某些实施方案中，本文提供了用于产生硅酸盐和氢氧化物(在此处示出为硅酸钾和氢氧化钾)的混合物(即，掺加物)的系统。图2中示出了用于产生掺加物的示例性系统。图2示出了包括氢氧化钾料斗(201)、称重单元(202)、天平(203)、混合单元(204)、泵送单元(205)和储存容器(206)的系统。氢氧化钾料斗被配置为将一定量的氢氧化钾传送到称重单元，在所述称重单元处，称重的氢氧化钾可被直接传送到它在其中与硅酸钾溶液接触的混合单元(204)，或者被传送到天平(203)以在传送到混合单元(204)之前进行验证。混合单元(204)进一步连接到泵送单元(205)，所述泵送单元可将来自混合单元(204)的所得的混合液体传送到掺加物储存容器(206)。硅酸钾溶液可手动地或经由硅酸钾传送单元添加到混合单元(204)中，例如用户可手动地填充混合单元，或者可使用包括泵、校准流量计和切断阀的传送单元来将溶液从硅酸钾储存容器传送到混合单元(204)。
在某些实施方案中，所述系统还包括控制系统，所述控制系统例如包括：处理器的输入源，例如向处理器发送关于过程的一个或多个方面的信息的一个或多个传感器；处理器，所述处理器处理所述信息并且产生输出；以及一个或多个致动器，所述一个或多个致动器从处理器接收输出并且调节过程的一个或多个方面，以使所述过程的至少一部分自动化。在这种系统中，一定量的硅酸钾通过泵从硅酸盐溶液储存单元传送到混合单元(204)。控制系统打开切断阀并且激活泵，并且硅酸钾溶液开始从硅酸盐溶液储存容器流动，通过流量传感器流动到混合单元(204)。基于时间和流速，由控制系统计算添加到混合单元(204)中的硅酸钾溶液的量。基于期望的掺加物配方，控制系统计算将添加到混合单元(204)中的氢氧化钾的量并且激活料斗(201)，所述料斗将氢氧化钾从料斗(201)进料到称重单元(202)。引入到称重单元(202)的氢氧化钾的量被传达给控制系统，并且从料斗(201)进行氢氧化钾进料，直到称重单元(202)测量到所需量的氢氧化钾为止，接着控制系统关闭料斗(201)。氢氧化钾通过传送单元(例如，传送带)从料斗(201)传送到混合单元(204)。当氢氧化钾通过传送单元传送到混合单元(204)时，控制系统与混合单元(204)通信以打开所述混合单元，由此添加的氢氧化钾与硅酸钾溶液混合。将氢氧化钾添加到混合单元(204)中的硅酸钾溶液中的速率可通过传送单元的传送速率来调整。另外，温度传感器(例如热敏电阻器或热电偶)可被配置为测量混合单元(204)中溶液的温度并且将所述温度传达给控制系统。控制系统可调整氢氧化钾的添加速率以实现期望的温度范围，和/或激活温度控制元件(例如热交换器或冷却单元)，以主动维持和/或降低溶液的温度。在已将全部氢氧化钠添加到硅酸钾溶液中，将溶液充分混合，并且溶液达到适当的温度之后，控制系统激活泵(205)以将所制备的掺加物溶液从混合单元(204)传送到储存容器(206)。
氢氧化钾与硅酸钾溶液的组合可能导致包括氢气的一种或多种气体的产生。在某些实施方案中，所述系统还包括用于收集在处理期间产生的一种或多种气体的气体收集单元(207)。可使用任何合适的气体收集单元，例如单元204-206被包封在连接到气体储存容器的腔室内，其中泵将所产生的气体从腔室拉入气体储存容器中。
本文提供了湿水泥组合物，诸如湿混凝土组合物，所述湿水泥组合物包含如本文所描述的掺加物，所述掺加物包含硅酸盐化合物和氢氧化物化合物和/或其反应产物。在某些实施方案中，组合物包含水泥(诸如地聚合物水泥，例如本文描述的水泥中的一种或多种)、水和如本文所描述的掺加物，所述掺加物包含硅酸盐化合物和氢氧化物化合物和/或其反应产物。掺加物可含有硅酸盐和氢氧化物，其摩尔比是在0.5与3.0之间的硅酸盐:氢氧化物，优选地1.0-2.0，更优选地1.0-1.5。这些比率是指起始材料；应当了解，两者组合期间的反应可能产生不是硅酸盐或氢氧化物的反应产物，以至于最终产品中的比率可能是不同的。掺加物可存在于湿水泥或混凝土混合物中。组合物中掺加物的量可为任何合适的量，这取决于对水泥或混凝土混合物的期望的调节，诸如0.5％-40％水泥重量(bwc)，优选地1％-35％bwc。在某些实施方案中，例如，对于高强度或超高强度混凝土的生产，可使用相对高的百分比，例如2％-40％bwc，优选地4％-35％bwc，甚至更优选地20％-35％bwc。在某些实施方案中，例如，对于非超高强度混凝土的生产，可使用相对较低的百分比，例如0.25％-35％bwc，优选地0.5％-30％，更优选地0.5％-10％，甚至更优选地0.5％-5％bwc。所述组合物还可包含地聚合物水泥和掺加物的反应产物。在某些实施方案中，地聚合物包含一种或多种水泥前体和一种或多种碱性激发剂。在某些实施方案中，一种或多种水泥前体包含以下各者中的一者或多者：硅铝酸盐、silxo-铝酸盐、聚(氧化硅)/聚(硅氧烷酸酯)/聚(硅醇)、聚(铝硅酸铁)、原硅酸盐、原(硅氧烷酸酯)、低聚硅酸盐、水方钠石、三甲基硅醇或磷酸盐基材料。在某些实施方案中，一种或多种水泥前体包含一种或多种(在某些实施方案中为至少两种)硅铝酸盐和/或一种或多种聚(铝硅酸铁)，诸如以下各者中的一者或多者：泻湖灰、碱性氧渣(BOS)、电弧炉(EAF)渣、轧屑、脱硫渣、黑/白渣、煤粉灰、高炉烟灰、赤泥和/或铁矿石团块。在某些实施方案中，一种或多种碱性激发剂包含以下各者中的一者或多者，在某些实施方案中为至少两者：硅酸钾、氢氧化钾、氢氧化钠、硅酸钠、氢氧化钙、氢氧化镁、反应性氧化镁、氯化钙、碳酸钠、二氧化硅、铝酸钠、硫酸钙、硫酸钠或白云石或其组合。所述组合物还可包含非地聚合物水泥，诸如波特兰水泥，例如OPC。在这些实施方案中的某些中，非地聚合物水泥(例如，OPC)以按重量计小于50％、40％、30％、20％、15％、10％或5％，优选地小于30％，更优选地小于20％，甚至更优选地小于15％的量存在。在某些实施方案中，所述组合物还包含骨料。
本文还提供了一种产生湿水泥混合物的方法，所述方法包括：提供一种或多种干水泥，诸如一种或多种地聚合物水泥(例如，如本文所描述)；以及将水泥(例如，地聚合物水泥)与水和诸如本文描述的掺加物混合，所述掺加物包含硅酸盐化合物和氢氧化物化合物和/或其反应产物。一般来说，掺加物将与混合水一起添加，但根据需要和适当情况，可在添加混合水之前、期间或之后添加所述掺加物。掺加物中硅酸盐化合物与氢氧化物化合物的摩尔比可为任何合适的比率，例如如本文所描述，诸如摩尔比是在0.5与3.0之间的硅酸盐:氢氧化物，优选地1.0-2.0，更优选地1.0-1.5。所添加的掺加物的量可为任何合适的量，这取决于对水泥或混凝土混合物的期望的调节，诸如0.5％-40％水泥重量(bwc)，优选地1％-35％bwc。在某些实施方案中，例如，对于高强度或超高强度混凝土的生产，可使用相对高的百分比，例如2％-40％bwc，优选地4％-35％bwc，甚至更优选地20％-35％bwc。在某些实施方案中，例如，对于非超高强度混凝土的生产，可使用相对较低的百分比，例如0.25％-35％bwc，优选地0.5％-30％，更优选地0.5％-10％，甚至更优选地0.5％-5％bwc。额外材料(例如，骨料)也可包含在组合物中，例如湿混凝土组合物中。
本文提供的方法和组合物可包含：至少一种水泥替代材料(水泥前体)和至少一种碱性激发材料，和/或其一种或多种反应产物；以及任选的粘结材料和/或凝结时间增强剂材料中的一者或两者。这些材料可以任何合适的量存在。在某些实施方案中，水泥替代材料(诸如硅铝酸盐前体和/或其他材料，如本文所描述)总共按以下重量％存在：至少20％、30％、40％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％或95％和/或不超过30％、40％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％或99％，例如50％-99.9％、50％-99.5％、50％-99％、50％-98％、50％-97％、50％-95％、50％-90％、50％-80％、50％-70％、50％-60％、60％-99.9％、60％-99.5％、60％-99％、60％-98％、60％-97％、60％-95％、60％-90％、60％-80％、60％-70％、70％-99.9％、70％-99.5％、70％-99％、70％-98％、70％-97％、70％-95％、70％-90％、70％-80％、75％-99.9％、75％-99.5％、75％-99％、75％-98％、75％-97％、75％-95％、75％-90％、75％-80％、80％-99.9％、80％-99.5％、80％-99％、80％-98％、80％-97％、80％-95％、80％-90％、85％-99.9％、85％-99.5％、85％-99％、85％-98％、85％-97％、85％-95％、85％-90％、90％-99.9％、90％-99.5％、90％-99％、90％-98％、90％-97％或90％-95％，优选地50％-99.5％，更优选地60％-98％，甚至更优选地75％-97％。在某些实施方案中，总量为75％-97％。在这种情况下，百分比是在最终水泥混合物中按重量计的百分比。当存在多于一种水泥替代材料(例如，两种不同的水泥替代材料或三种不同的水泥替代材料)时，每种单独的水泥替代材料可按以下各者存在：至少1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、12％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％或90％和/或不超过2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、12％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％、97％或98％，优选地5-70％，更优选地6-65％，甚至更优选地8-55％，只要总量在最终水泥混合物的上述指定范围内即可。在某些实施方案中，碱性激发材料总共以0.25％-40％、0.25％-30％、0.25％-20％、0.25％-10％、0.25％-5％、0.25％-3％、0.25％-2％、0.25％-1％、0.5％-40％、0.5％-30％、0.5％-20％、0.5％-10％、0.5％-5％、0.5％-3％、0.5％-2％、0.5％-1％、1％-40％、1％-30％、1％-20％、1％-10％、1％-5％、1％-3％、1％-2％、2％-40％、2％-30％、2％-20％、2％-10％、2％-5％、2％-3％、5％-40％、5％-30％、5％-20％或5％-10％存在。当存在多于一种碱性激发材料(例如，两种不同的碱性激发材料或三种不同的碱性激发材料)时，每种单独的碱性激发材料可以任何合适的百分比存在，只要所有碱性激发材料的总百分比为0.25％-40％、0.25％-30％、0.25％-20％、0.25％-10％、0.25％-5％、0.25％-3％、0.25％-2％、0.25％-1％、0.5％-40％、0.5％-30％、0.5％-20％、0.5％-10％、0.5％-5％、0.5％-3％、0.5％-2％、0.5％-1％、1％-40％、1％-30％、1％-20％、1％-10％、1％-5％、1％-3％、1％-2％、2％-40％、2％-30％、2％-20％、2％-10％、2％-5％、2％-3％、5％-40％、5％-30％、5％-20％或5％-10％即可。在某些实施方案中，总量为0.5％-20％，优选地0.5％至10％，甚至更优选地0.5％至5％。
当存在一种或多种粘结材料和/或一种或多种凝结时间增强剂材料中的一者或两者时，在某些实施方案中，无论是其中一者、另一者还是两者，且无论是每个种类的单一材料还是每个种类的多种材料，总量都不大于25％，例如至少0.2％、0.5％、1％、2％、5％、7％、10％、12％、15％、17％、22％或22％和/或不超过0.5％、1％、2％、5％、7％、10％、12％、15％、17％、22％、22％或25％，诸如0.2％-25％、0.5％-25％、1％-25％、2％-25％、5％-25％、10％-25％、15％-25％、20％-25％、0.2％-20％、0.5％-20％、1％-20％、2％-20％、5％-20％、10％-20％、15％-20％、0.2％-15％、0.5％-15％、1％-15％、2％-15％、5％-15％、10％-15％、0.2％-10％、0.5％-10％、1％-10％、2％-10％、5％-10％、0.2％-5％、0.5％-5％、1％-5％、2％-5％或5％-25％。在某些实施方案中，总量为1％-25％。在某些实施方案中，总量可在包括高于25％的值的范围内，例如至少0.2％、0.5％、1％、2％、5％、7％、10％、12％、15％、17％、22％、25％、30％或35％和/或不超过0.5％、1％、2％、5％、7％、10％、12％、15％、17％、22％、22％、25％、30％、35％或40％，诸如0.2％-40％、0.5％-40％、1％-40％、2％-40％、5％-40％、10％-40％、15％-40％、20％-40％、或30％-40％、或0.2％-35％、0.5％-35％、1％-35％、2％-35％、5％-35％、10％-35％、15％-35％、或25％-35％、或0.2％-30％、0.5％-30％、1％-30％、2％-30％、5％-30％、10％-30％或20％-30％。
普通波特兰水泥。尽管本文提供的方法和组合物在混合物中不需要普通波特兰水泥(OPC)，但在某些实施方案中也包括OPC。初始水泥混合物可使用如本文所描述的过程用一种或多种水泥替代材料、一种或多种碱性激发材料以及任选的一种或多种粘结材料和/或一种或多种凝结时间增强剂材料中的一者或两者来制备。最终的水泥混合物可通过将OPC添加到初始水泥混合物中来产生。OPC的百分比可为任何合适的百分比，例如至少0.1％、0.2％、0.5％、0.7％、1.0％、1.5％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、12％、15％、20％、25％、30％、35％、40％或45％和/或不超过0.2％、0.5％、0.7％、1.0％、1.5％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、12％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％或50％，诸如0.1％-50％、0.5％-40％、1％-30％、1％-20％或1％-10％，或小于20％、15％、10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％或1％，优选地0.1％-30％，更优选地1％-20％，甚至更优选地1％-10％。一般而言，OPC不会存在于产生处于期望的尺寸范围或一组尺寸范围的微粒材料的一个或多个过程中，并且可在水泥混合物经历此类过程之后添加到所述水泥混合物中。
在使用OPC时，可使用如本文所提供的水泥混合物。例如，它们可与适量的骨料(细骨料和/或粗骨料)一起使用。如本文所用，术语“水泥混合物(cement mixture)”、“水泥混合物(cement mix)”、“水泥混合物(cementitious mixture)”等包括水泥材料(诸如本文提供的碱性激发/地聚合物水泥材料)和水的混合物，或者由水泥材料与水的反应产生的产物。如本文所用，“混凝土”是还包括骨料(诸如细骨料和/或粗骨料)的水泥混合物。在许多情况下，本文提供的水泥材料相对于普通水泥材料(例如，OPC)具有优异的品质，诸如优异的抗压强度和/或其他性质，如下文所描述。因此，可使用较小比例的例如包含本文描述的碱性激发水泥替代材料和诸如骨料的其他材料的混凝土。在某些实施方案中，本文提供了一种混凝土，所述混凝土包含不大于20％、19％、18％、17％、16％、15％、14％、13％、12％、11％、10％、9％、8％、7％、6％、5％或3％和/或不小于19％、18％、17％、16％、15％、14％、13％、12％、11％、10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％或1％的水泥材料，优选地1％-20％，更优选地2％-15％，甚至更优选地2％-10％，诸如本文提供的碱性激发水泥替代材料中的一种，在某些实施方案中处于如本文所提供的材料尺寸范围和/或比例，其中混凝土不包括额外的水泥材料，诸如补充水泥材料和骨料，其中混凝土具有适合于其预期用途的性质，诸如以下各者中的一者、两者、三者、四者、五者或六者：合适的抗压强度，例如，如本文所描述的抗压强度，在一些情况下大于30、40或50Mpa；合适的抗拉强度，例如，如本文所描述的抗拉强度，在一些情况下大于10、20或30Mpa；合适的弹性模量，例如，如本文所描述的弹性模量，诸如40-120GPa；合适的孔体积范围，例如，如本文所描述的孔体积范围，诸如0.001％-2％；合适的吸水率，例如，如本文所描述的吸水率，诸如0.001-0.055kg/m2/h0.5；合适的耐火极限，诸如至少500℃、700℃或1000℃。除了粘结材料或凝结时间增强剂之外的掺加物也可在水泥混合物使用期间(例如，在与水混合期间)的合适时间处添加。
材料的加工
一般来说，一种或多种成分经历一个或多个过程以产生处于期望的尺寸范围或一组期望的尺寸范围的微粒材料，并且将材料混合。不受理论的约束，认为此类过程也用于激发一种或多种材料。合适的过程包括研磨和碾磨(例如球磨)以及筛分。还可使用振动来按尺寸对材料进行分类。在某些实施方案中，以不包括研磨或碾磨的方式加工材料。在某些实施方案中，以不包括向材料添加外源性热量的方式加工材料；在这些实施方案中的一些中，虽然材料的加工可能会产生导致材料温度升高的一个或多个过程，诸如放热反应，但升高的温度对于将地聚合物水泥加工成可用形式来说是不必要的。在某些实施方案中，在连续过程中加工材料；在某些情况下，加工材料的时间可能非常短，例如少于60秒，或少于30秒，或甚至少于10秒。在某些实施方案中，在冲击式混合机中加工材料，如本文更全面描述的。在某些实施方案中，将包括一种或多种水泥前体和一种或多种碱性激发剂的材料同时添加到处理单元(诸如冲击式混合机)中，其中在单个步骤中加工所述材料以产生地聚合物水泥；所述加工可包括尺寸减小、混合和/或激发。在某些情况下，所述过程是连续的，即将起始材料添加到处理单元中并且以连续方式离开处理单元，直到产生期望量的地聚合物水泥为止。在处理单元中的停留时间(即，进行加工的时间)可能非常短，例如少于300、200、100、80、60、50、40、30、20、10、5、4、3或2秒，在优选的实施方案中少于60秒，在更优选的实施方案中少于20秒，并且在还更优选的实施方案中少于10秒。在某些实施方案中，适合于其预期用途的地聚合物水泥可在一步过程中由起始材料生产为最终产品；所述过程可为快速的，例如少于60、30或甚至10秒，并且在优选的实施方案中不需要研磨、碾磨等，以及外源性加热，诸如冲击混合过程。来自处理单元的加工后的材料可例如被装袋或以其他方式包装以进行储存、运输等。
预加工。在某些实施方案中，过程开始于一种或多种水泥替代材料，诸如一种、两种、三种、四种、五种或六种水泥替代材料，例如一种、两种或三种水泥替代材料。如果需要，一种或多种水泥替代材料可经历一个或多个预处理过程，例如使水泥替代材料具有一定的尺寸范围或其他性质的过程，以与加工系统(例如，处理单元)一起使用。任何合适的过程或过程的组合可用于预处理，例如，诸如在颚式破碎机中压碎、用微波辐射处理和/或用超声波处理。
在某些实施方案中，可在例如由处理单元处理之前对起始材料中的一种或多种进行预加工。可使用任何合适的过程来加工材料以提供准备好例如由处理单元处理的材料。在某些实施方案中，减小粒度。可使用任何合适的过程(例如研磨、碾磨或压碎)来减小粒度。在某些实施方案中，通过压碎、微波和/或超声波处理一种或多种起始材料；在某些实施方案中，通过微波处理一种或多种起始材料，任选地前面是压碎步骤；在某些实施方案中，通过超声波处理一种或多种起始材料，任选地前面是压碎步骤；在某些实施方案中，通过微波和超声波处理一种或多种起始材料，任选地前面是压碎步骤。
不受理论的约束，提出超声波以与任何声波相同的方式经由一系列压缩和稀疏循环而传递通过材料。在稀疏期间，如果负压强大到足以克服使流体结合的分子间力，流体就会被完全分离，从而在整个介质中产生微小的空腔(微泡)。在随后的压缩循环中，如果空腔包封真空，它们几乎会立即破裂。然而，在空腔形成期间，会从周围液体中吸入少量气体或蒸气。因此，随后的压缩循环可能不会完全使气泡破裂，并且由此它们会在下一个稀疏循环中随着气体和蒸气的进一步吸入而稍微变大。所述过程被称为整流扩散。气泡不会无限地增大，声场中的任何气泡都会有一个平衡尺寸(这取决于频率)。一些气泡将继续在这种稳定状态下共振，但许多气泡会变得不稳定并破裂，从而产生具有极端温度和压力条件的微点。基于已提出来解释空化所涉及的能量释放的理论，每个空化气泡充当局部微反应器，所述局部微反应器在破裂时分别产生数千度和超过一千个大气压的瞬时温度和压力。当预加工包括用超声波处理时，可使用任何合适的处理持续时间，诸如至少10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、150、180、210、240、270、300、330、360、390、420、450、480、510、540、570、600、1,000、5,000、10,000、15,000、20,000或25,000、30,000、35,000、40,000或45,000秒和/或不超过20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、150、180、210、240、270、300、330、360、390、420、450、480、510、540、570、600、1,000、5,000、10,000、15,000、20,000、25,000、30,000、35,000、40,000、45,000或50,000秒，例如10-50,000秒，优选地30-10,000秒，更优选地60-1000秒，还更优选地90-500秒，仍然更优选地100-150秒。可使用任何合适的超声波频率，诸如至少20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30kHz，优选地20kHz。在某些实施方案中，用超声波以20kHz将材料处理2分钟。
在某些实施方案中，预加工包括加热材料。可使用任何合适的加热技术来预处理材料。在某些实施方案中，加热源包括微波加热。不受理论的约束，微波加热是一种促进各种热过程的技术，与常规加工方法相比，微波加热的优点包括节能、加热速率快、加工时间短、微波能量进行深穿透(这允许有效地产生热量，而不用直接接触工件)、电子控制瞬时完成而且精确、加热过程清洁以及不产生二次废物。用于加热、干燥和固化的微波能量过程已被开发用于许多实验室规模的研究，并且在一些情况下已被商业化。理论上，微波能量使用对于水泥和混凝土材料(例如，水凝性波特兰水泥、骨料和水)的加工来说应当是有利的。这些材料表现出优异的介电性质，并且因此应当能够非常有效地吸收微波能量并且立即将其转化为热量。当使用微波处理时，可使用任何合适的处理持续时间，诸如至少10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、150、180、210、240、270、300、330、360、390、420、450、480、510、540、570、600、1,000、5,000、10,000、15,000或20,000秒和/或不超过20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、150、180、210、240、270、300、330、360、390、420、450、480、510、540、570、600、1,000、5,000、10,000、15,000、20,000或25,000秒，例如10-25,000秒，优选地500-10,000秒，更优选地3000-9000秒，还更优选地5000-7000秒。可使用任何合适的微波频率，诸如至少1、1.5、2、2.45、2.5、3、3.5、4、4.5、5、6、7、8、9、10、12、14、16、18、20、22、24、26或28GHz，优选地2.45GHz。在某些实施方案中，用超声波以2.45kHz将材料处理10分钟。
图7中示出了用于对将用于形成水泥产品的一种或多种起始材料进行预加工的示例性系统，其中起始材料中的一种或多种在输送到处理单元之前进行预加工。具体地说，图7示出了用于将来自第一源(701)的第一起始材料和来自第二源(702)的第二起始材料输送到处理单元(703)的系统。所述系统还包括第三材料源(704)，其中第三材料源在引入到处理单元(703)之前进行预加工。第三材料任选地通过传送带从源(704)传送到破碎机(705)以产生压碎材料。在某些实施方案中，不使用破碎机。第三材料(例如，压碎材料)被传送(705)到超声波/微波处理单元(706)，所述处理单元被配置为通过微波、超声波、或微波和超声波两者来处理材料，以形成预加工的起始材料。预加工的材料可任选地通过传送单元(707)从超声波/微波处理单元(706)传送到压碎单元，例如第二压碎单元(708)，在其中所述预加工的材料可被压碎以形成压碎或二次压碎的材料，然后压碎或二次压碎的材料被传送到料斗(710)以进行储存，之后引入到处理单元(703)中以进行处理。处理后的材料在出口(711)处离开处理单元(703)以进行传送、储存、包装或任何其他合适的额外加工。在某些实施方案中，来自处理单元的材料被引导到准备运送给用户的一个或多个容器。应当了解，这个实施方案仅仅是示例性的。在某些实施方案中，仅对一种起始材料进行预加工；在某些实施方案中，对两种起始材料进行预加工；在某些实施方案中，对三种起始材料进行预加工；在某些实施方案中，对多于三种起始材料进行预加工。在这些实施方案中的任一个中，可使用压碎、微波和/或超声波处理中的一种或多种。
加工(处理)。
一般来说，对一种或多种水泥前体和一种或多种碱性激发剂进行加工以使所得产品类似水泥，或比起始材料更为类似水泥。可使用任何合适的加工。通常，加工会产生处于期望的尺寸范围的微粒产品；可产生任何合适的范围。在某些实施方案中，微粒产品为1-500um，优选地1-100um，更优选地2-50um，甚至更优选地5-30um。可调整系统和/或条件以产生期望的尺寸范围。参见例如实施例12-14。可调整系统和/或条件以生产包含无定形材料的产品，例如至少5％，优选地至少10％，更优选地至少15％的无定形材料。
在某些实施方案中，本文提供了用于处理一种或多种水泥前体和一种或多种碱性激发材料以生产水泥产品(例如，地聚合物水泥)的系统和方法。在某些实施方案中，用于处理一种或多种水泥前体和一种或多种碱性激发材料的系统和方法不需要且不利用研磨或碾磨。在某些实施方案中，用于处理一种或多种水泥前体和一种或多种碱性激发材料的系统和方法不需要且不利用向材料添加外源性热量。在某些实施方案中，用于处理一种或多种水泥前体和一种或多种碱性激发材料的系统和方法是连续的。在某些实施方案中，用于处理一种或多种水泥前体和一种或多种碱性激发材料的系统和方法通过冲击混合(例如，在冲击式混合机中)处理材料。如本文使用的术语“冲击混合”包括组合材料并加工材料的过程，其中使材料(例如，微粒材料)彼此冲击和/或冲击加工机的部件。所述过程可导致例如材料的尺寸减小和/或激发。如本文使用的术语“冲击式混合机”包括在其中将材料(例如，微粒材料)组合并通过冲击混合对所述材料进行加工的混合机。示例性冲击式混合机包括Hosokawa Flexomix，诸如Hosokawa Flexomix fx160(荷兰)；本文还提供了改良和改进的版本。
在某些实施方案中，提供了用于在一步连续过程中处理起始材料(诸如一种或多种水泥前体和一种或多种碱性激发剂)以由起始材料生产一种或多种水泥产品(例如，地聚合物)的系统和方法，其中一种或多种水泥产品(例如，地聚合物)已准备好使用，例如用于水泥混合物(诸如混凝土混合物)中。所述系统和/或方法可不包括研磨或碾磨。所述系统和/或方法可不包括外源性热源。所述系统和/或方法可被配置为使得从起始材料的进入到准备好使用的水泥产品的离开的处理时间非常短，例如少于600、500、400、300、200、100、50、40、30、25、20、17、15、14、13、12、11、10、9、8、7、6、5、4、3或2秒和/或不超过1000、600、500、400、300、200、100、50、40、30、25、20、17、15、14、13、12、11、10、9、8、7、6、5、4或3秒，优选地少于30秒，更优选地少于20秒，甚至更优选地少于10秒。
在某些实施方案中，本文提供了用于处理一种或多种起始材料以生产水泥产品的系统和方法(图3和图4)。在某些实施方案中，一种或多种起始材料由起始材料的储存单元(诸如筒仓)提供，并且一种或多种起始材料单独地从其相应的储存单元传送到处理单元，其中一种或多种起始材料被混合在一起并且通常被进一步处理，例如以减小材料的尺寸和/或激发材料。在某些实施方案中，起始材料中的至少一部分从结晶状态转化为无定形状态。
在某些实施方案中，本文提供了一种用于处理一种或多种起始材料以生产水泥产品的系统，所述系统包括：(i)第一起始材料的第一源；(ii)第二起始材料的第二源；以及(iii)处理单元，其中第一起始材料和第二起始材料被处理来生产水泥产品，其中第一源和第二源可操作地连接到处理单元。处理单元可被配置为使得所述处理单元不利用碾磨或研磨。处理单元可被配置为使得所述处理单元不向起始材料供应外源性热量。处理单元可被配置为使所有起始材料同时进入处理单元。处理单元可被配置为允许连续处理起始材料。处理单元可被配置为在起始材料在处理单元中停留少于600、500、400、300、200、100、50、40、30、25、20、17、15、14、13、12、11、10、9、8、7、6、5、4、3或2秒和/或不超过1000、600、500、400、300、200、100、50、40、30、25、20、17、15、14、13、12、11、10、9、8、7、6、5、4或3秒，优选地少于30秒，更优选地少于20秒，甚至更优选地少于10秒时处理所述起始材料。所述系统还可包括出口，水泥产品在所述出口处离开处理单元。所述系统还可包括用于包装水泥产品的包装单元和/或用于储存水泥产品的储存单元，所述单元可操作地连接到出口。
图5中示出了用于处理一种或多种起始材料以形成产品(例如，水泥产品)的示例性系统。具体地说，图5示出了用于将来自第一源(501)的第一起始材料和来自第二源(502)的第二起始材料输送到处理单元(503)的系统，在所述处理单元处，例如通过混合、尺寸减小和/或激发对第一起始材料和第二起始材料进行处理，以产生处理后的材料。处理单元可为任何合适的处理单元，只要由处理单元产生的最终材料具有期望性质即可。在某些实施方案中，处理单元不利用碾磨或研磨。在某些实施方案中，处理单元不加热材料，但材料可能在所述单元中经历一个或多个放热过程并且产生热量。在某些实施方案中，处理单元被配置为允许所有材料(例如，从单个导管)同时进入，所述处理单元可被定位成使得材料与中心轴成一定角度(例如，不垂直)进入处理腔室，如果中心轴是垂直的，则例如与垂直面成以下角度：至少5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°或75°和/或与垂直面成不超过10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°、75°或80°；优选地与垂直面成20°-70°，更优选地与垂直面成30°-60°，甚至更优选地与垂直面成40°-50°。在某些实施方案中，处理单元被配置为允许连续处理，即连续进料到所述单元中并且使处理后的材料连续从所述单元离开；在这些实施方案中的某些中，处理单元被配置为在材料在所述单元中短时间停留，例如少于600、500、400、300、200、100、50、40、30、25、20、17、15、14、13、12、11、10、9、8、7、6、5、4、3或2秒和/或不超过1000、600、500、400、300、200、100、50、40、30、25、20、17、15、14、13、12、11、10、9、8、7、6、5、4或3秒，优选地少于30秒，更优选地少于20秒，甚至更优选地少于10秒时处理所述材料。在某些实施方案中，处理单元是冲击式混合机，诸如如本文所描述的冲击式混合机。处理后的材料在出口(504)处离开处理单元(503)以进行传送、储存、包装或任何其他合适的后续加工。在某些实施方案中，来自处理单元的材料被引导到准备运送给用户的一个或多个容器(例如，袋)。可并入任何合适的传送系统以将一种或多种起始材料从它们的源(501和502)输送到处理单元(503)，诸如传送带和/或料斗。所述系统可被配置为接受任何合适数量的起始材料进入处理单元(503)，诸如至少1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18或19和/或不超过20、19、18、17、16、15、14、13、12、11、10、9、8、7、6、5、4、3或2种起始材料，例如1-20种起始材料，优选地1-10种起始材料，更优选地2-8种起始材料，甚至更优选地2-7种起始材料，还更优选地2-5种起始材料。
在某些实施方案中，所述系统还包括用于包装产品(例如，水泥产品)的包装单元和/或用于储存产品(例如，水泥产品)的储存单元。图6中示出了示例性系统。具体地说，图6示出了用于将来自第一源(601)的第一起始材料和来自第二源(602)的第二起始材料输送到处理单元(603)的系统。处理后的材料离开处理单元(603)，并且可被引导到包装系统(604)或传送系统(605)，所述传送系统将混合/激发的材料引导到储存单元(606)。
因此，在某些实施方案中，本文提供了用于处理一种或多种起始材料以生产一种或多种水泥产品的方法，所述方法包括将一种或多种起始材料引入到冲击式混合机中，在其中所述起始材料经受冲击混合以生产一种或多种水泥产品。在某些实施方案中，一种或多种起始材料包含一种或多种水泥前体。水泥前体可为任何合适的水泥前体，诸如本文描述的水泥前体，例如以下各者中的一者或多者：硅铝酸盐、silxo-铝酸盐、聚(氧化硅)/聚(硅氧烷酸酯)/聚(硅醇)、聚(铝硅酸铁)、原硅酸盐、原(硅氧烷酸酯)、低聚硅酸盐、水方钠石、三甲基硅醇或磷酸盐基材料。在某些实施方案中，水泥前体材料包含一种或多种硅铝酸盐和/或一种或多种聚(铝硅酸铁)，诸如以下各者中的一者或多者：泻湖灰(例如，含有来自发电站、金属加工、采矿、矿物加工等的灰分的水性环境)、碱性氧渣(BOS)、电弧炉(EAF)渣、轧屑(例如，来自电弧炉)、脱硫渣(例如，来自电弧炉、高炉等)、黑/白渣(例如，来自电弧炉)、粉煤灰(例如，来自煤炭、钢铁生产、采矿等)、高炉烟灰、赤泥(来自铝生产)和/或铁矿石团块(例如，来自采矿尾矿)。在某些实施方案中，一种或多种起始材料还包含一种或多种激发剂。激发剂可为任何合适的激发剂，诸如碱性激发剂，例如，如本文所描述的碱性激发剂，例如硅酸钾、氢氧化钾、氢氧化钠、硅酸钠、氢氧化钙、氢氧化镁、反应性氧化镁、氯化钙、碳酸钠、二氧化硅、铝酸钠、硫酸钙、硫酸钠或白云石或其组合。在某些实施方案中，一种或多种水泥前体和一种或多种碱性激发剂以单一进料流引入到冲击式混合机中。它们通过冲击混合进行处理以生产一种或多种水泥产品，例如一种或多种地聚合物水泥。处理可为连续的，即在连续过程中，进料流被进料到冲击式混合机并且产品流离开冲击式混合机。所述过程可不包括研磨或碾磨。所述过程可不包括添加外源性热量。在某些实施方案中，起始材料在冲击式混合机中停留少于600、500、400、300、200、100、50、40、30、25、20、17、15、14、13、12、11、10、9、8、7、6、5、4、3或2秒和/或不超过1000、600、500、400、300、200、100、50、40、30、25、20、17、15、14、13、12、11、10、9、8、7、6、5、4或3秒，优选地少于30秒，更优选地少于20秒，甚至更优选地少于10秒。材料在混合机中停留的时间可为从起始材料引入到混合机中到水泥产品从混合机离开(例如，在连续过程中)的平均时间。一种或多种水泥产品(例如，一种或多种地聚合物水泥)可在离开冲击式混合机之后进行进一步加工。在某些实施方案中，一种或多种水泥产品(例如，一种或多种地聚合物水泥)在离开冲击式混合机时准备好用于其预期用途，并且进一步加工可包括包装一种或多种水泥产品(例如，一种或多种地聚合物水泥)，例如以用于运输到一个或多个使用地点，例如通过装袋或以其他方式容纳一种或多种水泥产品(例如，一种或多种地聚合物水泥)进行包装。在某些实施方案中，一种或多种水泥产品(例如，一种或多种地聚合物水泥)可被输送到一个或多个储存容器。冲击式混合机可为任何合适的冲击式混合机，诸如本文描述的冲击式混合机。
本文还提供了用于生产水泥材料的系统，其中所述系统包括：(i)一个或多个起始材料源，所述一个或多个起始材料源可操作地连接到(ii)冲击式混合机，所述冲击式混合机被配置为处理起始材料以生产水泥产品。一个或多个起始材料源可包括水泥前体源和碱性激发剂源。冲击式混合机可为任何合适的冲击式混合机，诸如，如本文所描述的冲击式混合机。一般来说，冲击式混合机会被配置为减小起始材料的尺寸并且混合所述材料；不受理论的约束，认为冲击混合还会激发材料，例如引起材料之间的相互作用以产生或加强水泥性质。在某些实施方案中，冲击式混合机包括(a)导管，所述导管可操作地连接到一个或多个起始材料源和冲击式混合机，以将起始材料引入到冲击式混合机中，(b)轴，一个或多个叶片附接到所述轴，其中轴和叶片被包封在可操作地连接到导管的圆柱形腔室中，其中冲击式混合机被配置为使轴以期望的速率旋转。所述系统被配置为例如通过马达使轴例如按以下速度旋转：至少100、200、300、400、500、600、700、800、900、1000、1200、1400、1600、1800、2000、2200、2400、2600、2800、3000、3200、3400、3600、3800、4000、4200、4400、4600、4800、5200、5400、5600或5800RPM和/或不超过200、300、400、500、600、700、800、900、1000、1200、1400、1600、1800、2000、2200、2400、2600、2800、3000、3200、3400、3600、3800、4000、4200、4400、4600、4800、5200、5400、5600、5800或6000RPM，例如100-6000RPM，优选地500-5000RPM，更优选地1000-2000RPM。一个或多个叶片可包括附接到轴的至少1、2、3、4、5、6、8、10、12、14、16、20、24、28或32且不超过36、32、28、24、20、16、14、12、10、8、6、5、4、3或2个叶片，例如1-32个叶片，优选地4-28个叶片，更优选地8-24个叶片，甚至更优选地10-20个叶片，还更优选地12-16个叶片。每个叶片可包括：基部，所述基部具有第一长度，附接到叶毂，所述叶毂进一步附接到轴；以及尖端，所述尖端在近侧基部的远侧并且具有第二长度，其中尖端的表面与圆柱形腔室相邻但不与所述圆柱形腔室接触。在某些实施方案中，第二长度与第一长度的比率为至少0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9或2且不超过5、2、1.9、1.8、1.7、1.6、1.5、1.4、1.3、1.2、1.1、1、0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4、0.3或0.2，例如0.2-5，优选地0.2-2，更优选地0.2-1，甚至更优选地0.2-0.8，还更优选地0.4-0.6；在某些实施方案中，比率为0.5。在某些实施方案中，轴是垂直的，并且叶片相对于水平面成以下角度定位：至少5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°、75°或80°和/或不超过10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°、75°、80°或85°，例如5°-85°，优选地25°-75°，更优选地45°-75°。用于引入起始材料的导管可相对于圆柱体成一定角度定位，例如，如果圆柱体是垂直的，则角度为与垂直面成至少5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°或75°和/或与垂直面成不超过10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°、75°或80°；优选地与垂直面成20°-70°，更优选地与垂直面成30°-60°，甚至更优选地与垂直面成40°-50°。冲击式混合机还可包括出口，水泥产品通过所述出口离开混合机；这个出口能够可操作地连接到用于加工水泥产品的加工系统，诸如用于包装水泥产品以运输到最终用户处的包装系统。所述系统还可包括一个或多个预加工单元，所述一个或多个预加工单元可操作地连接到一个或多个起始材料源，以在引入到冲击式混合机中之前对起始材料进行预加工。预加工和预加工单元可如本文所描述，例如，执行压碎、微波加热和/或超声波暴露中的一种或多种的预加工。所述系统可被配置用于连续操作，即连续引入起始材料并使水泥产品连续离开。在某些实施方案中，所述系统被配置为在以下时间内处理起始材料以生产水泥产品：少于600、500、400、300、200、100、50、40、30、25、20、17、15、14、13、12、11、10、9、8、7、6、5、4、3或2秒和/或不超过1000、600、500、400、300、200、100、50、40、30、25、20、17、15、14、13、12、11、10、9、8、7、6、5、4或3秒，优选地少于30秒，更优选地少于20秒，甚至更优选地少于10秒。应当了解，可调整停留时间(例如，如由进料速率和圆柱形腔室的容积所决定)、叶片的旋转速度、叶片的角度和其他参数以生产期望的材料，诸如水泥材料，例如，如本文所描述的地聚合物水泥。
图8示出了用于处理一种或多种起始材料以形成水泥组合物的示例性系统，其中所述系统包括冲击式混合机。具体地说，图8中的系统包括马达(801)，所述马达连接到包括一个或多个叶片的轴(802)。一个或多个叶片被配置为驻留在包括顶部和底部的圆柱形腔室(803)内，其中圆柱形腔室(803)的顶部被配置为从入口导管(804)接收一种或多种材料，并且圆柱形腔室(803)的底部被配置为将处理后的材料传递到出口(805)。所述系统还可被配置为包括用于气体或液体试剂的一个或多个入口(806)，所述一个或多个入口连接到圆柱形腔室(803)。
任何合适数量的叶片可附接到轴(802)。在某些实施方案中，所述系统包括附接到轴的至少1、2、3、4、5、6、8、10、12、14、16、20、24、28或32且不超过36、32、28、24、20、16、14、12、10、8、6、5、4、3或2个叶片，例如1-32个叶片，优选地4-28个叶片，更优选地8-24个叶片，甚至更优选地10-20个叶片，还更优选地12-16个叶片。如图9所示，所述系统可包括轴(901)，所述轴包括多组叶片，其中第一组叶片(902)定位在轴(901)的在圆柱形腔室(904)的顶部与中部之间的一定长度处，并且第二组叶片(903)定位在轴(901)的在圆柱形腔室(904)的底部与中部之间的一定长度处。所述系统可包括任何合适数量的叶片组，诸如至少1、2、3、4、5、6、7、8或9和/或不超过10、9、8、7、6、5、4、3或2个叶片组，例如1-10个叶片组，优选地1-6个叶片组，更优选地1-4个叶片组，还更优选地2-4个叶片组。叶片组可被布置成彼此对齐或交错。如图9进一步所示，一种或多种起始材料(905)进入圆柱形腔室(904)的顶部，其中起始材料(905)由第一组叶片(902)加工来形成中间材料，其中中间材料接着由随后一组叶片(903)进一步加工来形成混合/激发的产品(906)，所述产品通过圆柱形腔室(904)的底部离开。
圆柱形腔室(904)可包含任何合适的材料，诸如金属、橡胶或塑料，例如不锈钢、PEEK、天然橡胶。在某些实施方案中，腔室包含不锈钢。腔室还可包括有助于混合过程的结构特征，例如波纹部、通道和/或叶片。
可使用任何合适的附接件(诸如叶毂)将叶片附接到轴。如图10所示，第一上叶片(1001)和第二下叶片(1002)使用叶毂(1004)附接到轴(1003)。叶毂可被配置为相对于轴的长轴线(1006)成任何合适的角度(1005)附接到叶毂，诸如相对于轴的长轴线(1006)成0°-90°，优选地0°-20°，更优选地0°-60°，甚至更优选地0°-90°。如图12所示，叶片(1201和1202)可相对于水平面(1205)成任何角度(1207和1208)定位在叶毂上。在某些实施方案中，相对于水平面所成的角度为至少5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°、75°或80°和/或不超过10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°、75°、80°或85°，例如5°-85°，优选地25°-75°，更优选地45°-75°。根据起始材料的性质，例如材料的类型、材料的组合、中值粒度、期望的产品，对于不同的起始材料的组合，不同的叶片角度可能是优选的，其中不同的叶片角度可能会影响处理之后生产的产品的所得品质。如实施例12-14所示，根据示例性水泥和所得混凝土组成，分别使用75°、48°和68°的叶片角度来处理起始材料。
在某些实施方案中，叶片的尖端(1007)的表面平行于圆柱形腔室的表面。在某些实施方案中，表面是平坦的。在其他实施方案中，尖端的表面包括与圆柱形腔室的弯曲匹配的弯曲。叶片的尖端可与圆柱体的内表面相距任何合适的距离；通常，所述距离被保持为最小值，使得颗粒不会在不接触叶片的情况下移动经过所述叶片。
叶片可包括任何合适的形状。在某些实施方案(如图11所示)中，叶片(1101)包括：基部(1102)，所述基部附接到叶毂(1103)，所述叶毂进一步附接到轴(1104)；以及尖端(1105)，所述尖端在近侧基部的远侧，其中尖端的表面与圆柱形腔室(1106)相邻但不与所述圆柱形腔室接触。在某些实施方案中，远侧尖端的长度与近侧基部的长度的比率为至少0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9或2且不超过5、2、1.9、1.8、1.7、1.6、1.5、1.4、1.3、1.2、1.1、1、0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4、0.3或0.2，例如0.2-5，优选地0.2-2，更优选地0.2-1，甚至更优选地0.2-0.8，还更优选地0.4-0.6；在某些实施方案中，比率为0.5。在某些实施方案中，叶片的侧面(1008)是平坦的。在某些实施方案中，叶片的侧面(1008)包括锋利边缘。可使用任何合适的边缘形状，诸如V形边缘、复合斜角、凸出边缘、中空边缘或凿切边缘。锋利叶片的边缘角度可为任何合适的角度。在某些实施方案中，边缘角度为至少10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°或45°和/或不超过50°、45°、40°、35°、30°、25°、20°或15°，例如10°-50°。
叶片可包含任何合适的材料，例如钢、钨或金刚石。在某些实施方案中，叶片包含硬度高于待处理材料的材料。在某些实施方案中，叶片包含不锈钢或钨钢。叶片还可涂覆有任何合适的材料，诸如陶瓷或塑料涂层。在某些实施方案中，叶片上的涂层防止金属在处理期间与材料相互作用。
轴可以任何合适的速度旋转，诸如至少100、200、300、400、500、600、700、800、900、1000、1200、1400、1600、1800、2000、2200、2400、2600、2800、3000、3200、3400、3600、3800、4000、4200、4400、4600、4800、5200、5400、5600或5800RPM和/或不超过200、300、400、500、600、700、800、900、1000、1200、1400、1600、1800、2000、2200、2400、2600、2800、3000、3200、3400、3600、3800、4000、4200、4400、4600、4800、5200、5400、5600、5800或6000RPM，例如100-6000RPM，优选地500-5000RPM，更优选地1000-2000RPM。根据例如起始材料的性质，例如材料的类型、材料的组合、中值粒度、期望的产品，对于不同的起始材料的组合，不同的旋转速率可能是优选的，其中不同的旋转速率可能会影响处理之后生产的产品的所得品质。如实施例12-14所示，根据示例性水泥和所得混凝土组成，分别使用1200、1500和1800RPM的叶片角度来处理起始材料。在某些实施方案中，轴可以1000-2000RPM，优选地1200-1800RPM旋转。
入口(804)可相对于中心轴成任何合适的角度定位，使得材料与中心轴成一定角度(例如，不垂直)进入处理腔室，如果中心轴是垂直的，则例如与垂直面成以下角度：至少5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°或75°和/或与垂直面成不超过10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°、75°或80°；优选地与垂直面成20°-70°，更优选地与垂直面成30°-60°，甚至更优选地与垂直面成40°-50°。
在某些实施方案中，处理单元被配置为允许连续处理，即连续进料到所述单元中并且使处理后的材料连续从所述单元离开；在这些实施方案中的某些中，处理单元被配置为在材料在所述单元中短时间停留(例如，少于600、500、400、300、200、100、50、40、30、25、20、17、15、14、13、12、11、10、9、8、7、6、5、4、3或2秒和/或不超过1000、600、500、400、300、200、100、50、40、30、25、20、17、15、14、13、12、11、10、9、8、7、6、5、4或3秒，优选地少于30秒，更优选地少于20秒，甚至更优选地少于10秒)时处理所述材料。材料在处理单元中的停留时间可为材料进入处理单元的进料速率以及圆柱形腔室(802)的长度的函数。对于给定的腔室长度，可使用任何合适的进料速率来产生期望的处理时间。在某些实施方案中，进料速率为至少100、200、300、400、500、600、700、800、900、1000、1200、1400、1600、1800、2000、2200、2400、2600、2800、3000、3200、3400、3600、3800、4000、4200、4400、4600、4800、5200、5400、5600或5800kg/hr和/或不超过200、300、400、500、600、700、800、900、1000、1200、1400、1600、1800、2000、2200、2400、2600、2800、3000、3200、3400、3600、3800、4000、4200、4400、4600、4800、5200、5400、5600、5800或6000kg/hr，例如100-6000kg/hr，优选地2000-5000kg/hr，更优选地3500-4500kg/hr。根据起始材料的性质，例如材料的类型、材料的组合、中值粒度、期望的产品，对于不同的起始材料的组合，不同的进料速率可能是优选的，其中不同的进料速率可能会影响处理之后生产的产品的所得品质。如实施例12-14所示，根据示例性水泥和所得混凝土组成，分别使用3800、4200、3600kg/hr的进料速率来处理起始材料。在某些实施方案中，处理时间不超过30、20、25、20、15、10、5、4、3或2秒。令人惊讶且出乎意料的是，一种或多种起始材料可用如此短的处理时间加工成准备好包装的水泥产品。
在某些实施方案中，在处理期间，叶片的旋转产生通过圆柱形腔室的气流。在某些实施方案中，处理单元的操作产生很少乃至不产生热量。在某些实施方案中，在操作期间通过腔室的气流防止所述系统加热到比环境温度高出5°、10°或15°。进一步令人惊讶且出乎意料的是，一种或多种非水泥起始材料可在不加热的情况下用如此短的处理时间加工成准备好包装的水泥产品。
用于从起始材料生产水泥产品的系统中的任一个还可包括控制系统，所述控制系统例如包括：处理器的输入源，例如向处理器发送关于过程的一个或多个方面的信息的一个或多个传感器；处理器，所述处理器处理所述信息并且产生输出；以及一个或多个致动器，所述一个或多个致动器从处理器接收输出并且调节过程的一个或多个方面，以使所述过程的至少一部分自动化。示例性传感器包括以下各者中的一者或多者：流速传感器(例如，用于感测起始材料进入处理单元(诸如冲击式混合机)的流量)、时间传感器(用于感测经过时间或其他时间)等。处理单元可为任何合适的处理单元，诸如计算机等。致动器可包括一个或多个阀(例如，用于调节起始材料的流量)、用于使例如冲击式混合机中的轴旋转的单元等。
在某些实施方案中，提供了一种网络，所述网络包括多个空间上分开的地聚合物生产系统，其中系统中的每一个向中央处理单元发送关于所述系统处的一个或多个过程的一个或多个方面的信息。中央处理单元可处理所述信息并且向空间上分开的地聚合物生产系统中的一个或多个发送输出，诸如导致一个或多个空间上分开的地聚合物生产系统发生变化的输出。在某些实施方案中，网络包括至少2、3、4、5、6、7、8、10、12、15、20、25、30、40、50、70、100、200或500个空间上分开的地聚合物生产系统和/或不超过3、4、5、6、7、8、10、12、15、20、25、30、40、50、70、100、200、500或1000个空间上分开的地聚合物生产系统。中央处理单元可为单个单元或多个单元，并且可为例如分布式的，诸如基于云的系统。处理单元可被配置为从各种系统所提供的信息中学习并且至少部分地基于学习而调整一个或多个系统处的条件。任何合适的地聚合物生产系统都可被联网；在某些实施方案中，地聚合物生产系统中的至少一个包括冲击式混合机。
所述过程的各个阶段的温度可为任何合适的温度。在某些实施方案中，例如，在不添加外源性热量的实施方案中，温度处于或接近室温，例如1℃-40℃、或3℃-30℃、或5℃-25℃、或10℃-25℃、或6℃-18℃。在某些实施方案中，在所述过程的一个或多个阶段期间使用高温，例如温度为至少30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、150℃、170℃、190℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃、1200℃或1400℃和/或不超过40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、150℃、170℃、190℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃、1200℃、1400℃或1500℃，例如30℃-300℃、或50℃-300℃、或80℃-250℃、或50℃-200℃、或60℃-180℃、或70℃-150℃、或80℃-120℃、或90℃-100℃、或100℃-300℃、或150℃-250℃、或180℃-220℃、或100℃-600℃、或200℃-600℃、或300℃-600℃、或300℃-500℃、或350℃-450℃、或100℃-1500℃。在某些实施方案中，在不发生煅烧的温度下加工材料。材料可在任何合适的阶段，例如在进行研磨之前进行加热，持续高达24、22、20、18、16、14、12、10、8、6、5、4、3、2或1小时；另外地或替代地，在尺寸减小过程中的一个或多个(诸如研磨或碾磨水泥替代材料，在一些情况下具有碱性激发材料、粘结材料和/或凝结时间增强剂材料)期间可使用合适的温度。下文更全面地描述加工的阶段。
应当了解，本文的系统和方法在一个或多个方面不同于先前用于生产地聚合物水泥的系统和方法。因此，在某些实施方案中，提供了一种用于生产地聚合物水泥的方法，所述方法包括使一种或多种水泥前体和一种或多种碱性激发剂经历一个过程，所述过程包括对一种或多种水泥前体和一种或多种碱性激发剂进行组合和处理以产生地聚合物水泥，其中所述方法包括以下各者中的至少一者：(i)所述方法是连续方法；(ii)组合和处理的持续时间不超过60秒；(iii)所述方法不需要研磨或碾磨；(iv)所述方法不需要在组合和/或处理期间添加外源性热量；(v)所述方法产生准备好使用的地聚合物水泥。在某些实施方案中，提供了一种用于生产地聚合物水泥的方法，所述方法包括使一种或多种水泥前体和一种或多种碱性激发剂经历一个过程，所述过程包括对一种或多种水泥前体和一种或多种碱性激发剂进行组合和处理以产生地聚合物水泥，其中所述方法包括以下各者中的至少两者：(i)所述方法是连续方法；(ii)组合和处理的持续时间不超过60秒；(iii)所述方法不需要研磨或碾磨；(iv)所述方法不需要在组合和/或处理期间添加外源性热量；(v)所述方法产生准备好使用的地聚合物水泥。在某些实施方案中，提供了一种用于生产地聚合物水泥的方法，所述方法包括使一种或多种水泥前体和一种或多种碱性激发剂经历一个过程，所述过程包括对一种或多种水泥前体和一种或多种碱性激发剂进行组合和处理以产生地聚合物水泥，其中所述方法包括以下各者中的至少三者：(i)所述方法是连续方法；(ii)组合和处理的持续时间不超过60秒；(iii)所述方法不需要研磨或碾磨；(iv)所述方法不需要在组合和/或处理期间添加外源性热量；(v)所述方法产生准备好使用的地聚合物水泥。在某些实施方案中，提供了一种用于生产地聚合物水泥的方法，所述方法包括使一种或多种水泥前体和一种或多种碱性激发剂经历一个过程，所述过程包括对一种或多种水泥前体和一种或多种碱性激发剂进行组合和处理以产生地聚合物水泥，其中所述方法包括以下各者中的至少四者：(i)所述方法是连续方法；(ii)组合和处理的持续时间不超过60秒；(iii)所述方法不需要研磨或碾磨；(iv)所述方法不需要在组合和/或处理期间添加外源性热量；(v)所述方法产生准备好使用的地聚合物水泥。在某些实施方案中，提供了一种用于生产地聚合物水泥的方法，所述方法包括使一种或多种水泥前体和一种或多种碱性激发剂经历一个过程，所述过程包括对一种或多种水泥前体和一种或多种碱性激发剂进行组合和处理以产生地聚合物水泥，其中所述方法包括：(i)所述方法是连续方法；(ii)组合和处理的持续时间不超过60秒；(iii)所述方法不需要研磨或碾磨；(iv)所述方法不需要在组合和/或处理期间添加外源性热量；以及(v)所述方法产生准备好使用的地聚合物水泥。
在某些实施方案中，提供了一种用于处理一种或多种水泥前体和一种或多种碱性激发剂以生产水泥产品(例如，地聚合物水泥)的方法，其中所述方法不需要且不利用研磨或碾磨，而且不需要且不利用向材料添加外源性热量，并且其中将材料处理少于600、500、400、300、200、100、50、40、30、25、20、17、15、14、13、12、11、10、9、8、7、6、5、4、3或2秒和/或不超过1000、600、500、400、300、200、100、50、40、30、25、20、17、15、14、13、12、11、10、9、8、7、6、5、4或3秒，优选地少于30秒，更优选地少于20秒，甚至更优选地少于10秒。所述方法可为连续的。在某些实施方案中，提供了通过所述方法生产的干燥微粒材料，诸如地聚合物水泥。
在某些实施方案中，如本文所提供的水泥混合物的一种或多种组分可暴露于二氧化碳和/或甲烷，如下文进一步描述的。
本文提供的方法和系统可生产地聚合物水泥。在某些实施方案中，提供了一种干燥微粒组合物，所述干燥微粒组合物包含：(i)一种或多种水泥替代材料(水泥前体)；(ii)一种碱性激发材料(碱性激发剂)。干燥微粒组合物可包含例如地聚合物水泥，诸如通过本文描述的方法或系统中的一种生产的地聚合物水泥，诸如在不利用研磨或碾磨和/或不利用提供到起始材料的外源性热量的方法或系统中生产的地聚合物水泥；示例性系统和方法包括在冲击式混合机中处理起始材料的那些系统和方法。在某些实施方案中，微粒组合物的颗粒是在0.1-1000um、或0.1-500um、或0.1-400um、或0.1-300um、或0.1-200um、或0.5-1000um、或0.5-500um、或0.5-400um、或0.5-300um、或0.5-200um、或1-1000um、或1-500um、或1-400um、或1-300um、或1-200um、1-500um，优选地1-100um，更优选地2-50um，甚至更优选地3-40um，以及甚至还更优选地5-30um的尺寸范围内。在某些实施方案中，一种或多种水泥前体中的至少1％、2％、3％、4％、5％、7％、10％、12％、15％、17％、20％、22％、25％、30％、40％或50％是呈无定形形式，优选地至少5％，更优选地至少10％，甚至更优选地至少15％。在某些实施方案中，一种或多种水泥前体按以下重量％存在：至少20％、30％、40％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％或95％和/或不超过30％、40％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％或99％，例如50％-99.9％、50％-99.5％、50％-99％、50％-98％、50％-97％、50％-95％、50％-90％、50％-80％、50％-70％、50％-60％、60％-99.9％、60％-99.5％、60％-99％、60％-98％、60％-97％、60％-95％、60％-90％、60％-80％、60％-70％、70％-99.9％、70％-99.5％、70％-99％、70％-98％、70％-97％、70％-95％、70％-90％、70％-80％、75％-99.9％、75％-99.5％、75％-99％、75％-98％、75％-97％、75％-95％、75％-90％、75％-80％、80％-99.9％、80％-99.5％、80％-99％、80％-98％、80％-97％、80％-95％、80％-90％、85％-99.9％、85％-99.5％、85％-99％、85％-98％、85％-97％、85％-95％、85％-90％、90％-99.9％、90％-99.5％、90％-99％、90％-98％、90％-97％或90％-95％，在优选的实施方案中为50％-99.5％，在更优选的实施方案中为60％-98％，在甚至更优选的实施方案中为75％-97％；一种或多种碱性激发材料(碱性激发剂)可按以下重量％存在：0.25％-40％、0.25％-30％、0.25％-20％、0.25％-10％、0.25％-5％、0.25％-3％、0.25％-2％、0.25％-1％、0.5％-40％、0.5％-30％、0.5％-20％、0.5％-10％、0.5％-5％、0.5％-3％、0.5％-2％、0.5％-1％、1％-40％、1％-30％、1％-20％、1％-10％、1％-5％、1％-3％、1％-2％、2％-40％、2％-30％、2％-20％、2％-10％、2％-5％、2％-3％、5％-40％、5％-30％、5％-20％或5％-10％，在优选的实施方案中为1％-25％，在更优选的实施方案中为1％-20％，在仍然更优选的实施方案中为1％-15％，在还更优选的实施方案中为1％-10％，或甚至为1％-5％。在优选的实施方案中，一种或多种水泥前体材料(水泥前体)包含以下各者中的一者或多者：硅铝酸盐、silxo-铝酸盐、聚(氧化硅)/聚(硅氧烷酸酯)/聚(硅醇)、聚(铝硅酸铁)、原硅酸盐、原(硅氧烷酸酯)、低聚硅酸盐、水方钠石、三甲基硅醇或磷酸盐基材料。在甚至更优选的实施方案中，水泥前体材料(水泥前体)包含一种或多种硅铝酸盐和/或一种或多种聚(铝硅酸铁)，诸如以下各者中的一者或多者：泻湖灰(例如，含有来自发电站、金属加工、采矿、矿物加工等的灰分的水性环境)、碱性氧渣(BOS)、电弧炉(EAF)渣、轧屑(例如，来自电弧炉)、脱硫渣(例如，来自电弧炉、高炉等)、黑/白渣(例如，来自电弧炉)、粉煤灰(例如，来自煤炭、钢铁生产、采矿等)、高炉烟灰、赤泥(来自铝生产)和/或铁矿石团块(例如，来自采矿尾矿)。在这些优选的实施方案中的某些中，一种或多种水泥前体包含以下各者中的至少两者：泻湖灰、碱性氧渣(BOS)、电弧炉(EAF)渣、轧屑、脱硫渣、黑/白渣、粉煤灰、高炉烟灰、赤泥和/或铁矿石团块。在某些实施方案中，一种或多种碱性激发材料(碱性激发剂)包含硅酸钾、氢氧化钾、氢氧化钠、硅酸钠、氢氧化钙、氢氧化镁、反应性氧化镁、氯化钙、碳酸钠、二氧化硅、铝酸钠、硫酸钙、硫酸钠或白云石或其组合。在某些实施方案中，一种或多种碱性激发材料(碱性激发剂)包含以下各者中的至少两者：硅酸钾、氢氧化钾、氢氧化钠、硅酸钠、氢氧化钙、氢氧化镁、反应性氧化镁、氯化钙、碳酸钠、二氧化硅、铝酸钠、硫酸钙、硫酸钠或白云石或其组合。在某些实施方案中，干燥微粒材料(例如，地聚合物水泥)在一个过程中生产，对于给定量的干燥微粒材料(例如，地聚合物水泥)，所述过程产生比在包括煅烧石灰石的过程中相同量的非地聚合物水泥的生产少40％-100％，至少40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％或97％和/或不超过45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％、97％、98％、99％或100％的二氧化碳，优选地少至少50％，更优选地少至少70％，还更优选地少至少75％。二氧化碳产生的减少可通过如本领域所已知的任何合适的方法来计算，例如生命周期分析(LCA)。参见实施例12-14。在某些实施方案中，提供了一种湿水泥组合物，所述湿水泥组合物包含上述组合物中的任一种并且还包含水以及包含硅酸盐化合物和氢氧化物化合物的掺加物。在优选的实施方案中，硅酸盐化合物和氢氧化物化合物以0.5至3.0，优选地1.0-2.0，更优选地1.0-1.5硅酸盐:氢氧化物的摩尔比存在。在某些实施方案中，一种或多种水泥替代材料包含高炉渣(BFS)、磨细矿渣(GGBS)、粉煤灰(例如，F类、C类、固体废物焚烧粉煤灰、其他粉煤灰或其组合)、硅粉、红矿渣、铝酸钙、来自金属工业的滤渣、铜尾矿、铜渣、铝土矿尾矿、不锈钢渣、池灰、煤灰、电弧炉渣、底灰、窑灰(非水泥窑)、石灰、熟石灰、采石场粉尘、红色高岭土粘土、铝硅酸铁、其他金属渣、或其他矿渣或其组合。在某些实施方案中，例如当与水，任选的包含硅酸盐化合物和羟基化合物的掺加物以及任选的骨料组合时，产品在添加水并凝结和硬化之后的抗压强度为30-400MPa。在某些实施方案中，提供了来源于本段落中先前描述的任何组合物的固体产品，其中所述产品具有以下各者中的一者、两者、三者、四者、五者、六者或全部：(i)30-400MPa的抗压强度；(ii)10-75Mpa的抗拉强度；(iii)40-120Gpa的弹性模量；(iv)0.5％-5％的孔体积范围；(v)0.001至0.055kg/m2/h0.5的吸水率系数；(vi)500℃至2000℃的耐火极限范围；(vii)40％-98％的二氧化碳排放减少，这与由常规水泥制成的具有类似性质的产品形成了对比。
产生多个尺寸范围的处理
在某些实施方案中，水泥替代材料单独或结合碱性激发材料、粘结材料和/或凝结时间增强剂材料一起被处理来产生在例如至少1、2、3、4、5、6或7个不同的尺寸范围内，在某些情况下在多个期望的尺寸范围，例如至少2、3、4、5、6或7个不同的尺寸范围内的微粒材料。不受理论的约束，认为诸如研磨或碾磨等(在一些实施方案中没有研磨或碾磨)处理还可用于激发或以其他方式改变某些步骤中混合物的机械化学性质。
在最简单的情况下，将一种或多种水泥替代材料、一种或多种碱性激发材料全部组合并一起加工以产生一个期望的最终尺寸范围。参见例如先前描述的过程。
在其他情况下，将一种或多种水泥替代材料、一种或多种碱性激发材料以及任选的一种或多种粘结材料和/或凝结时间增强剂材料全部组合并一起加工以产生两个、三个、四个、五个或更多个期望的最终尺寸范围；这可以单独的批次和/或以在不同阶段移出多个部分的一个或多个批次、或以其组合来完成。在其他情况下，所述过程可开始于在也存在或不存在碱性激发材料的情况下加工一种或多种水泥材料以产生期望的尺寸范围，然后在稍后阶段添加其他材料，例如一种或多种碱性激发材料、一种或多种粘结材料、一种或多种凝结时间增强剂材料。因此，在某些实施方案中，材料可被处理来产生单一尺寸范围，并且在其他实施方案中，材料可被处理来在各个阶段产生不同的尺寸范围，并且处于不同的尺寸范围的材料可被组合来产生具有期望的尺寸分布的水泥混合物。单个批次可被处理来产生期望的材料，并且在对应于不同的尺寸范围和/或不同的成分组合的不同阶段，可移出一个或多个部分，然后将其用于最终共混物中。另外地或替代地，多个批次可被处理来产生不同的期望材料，并且所述批次被组合在最终共混物中。可使用这两种方法的任何合适的组合。尺寸范围可通过如本领域所已知的任何合适的方法(例如，筛分)来确定。
在预处理之后，如果需要，例如通过研磨或碾磨(例如，通过盘式碾磨、转子碾磨或立式碾磨)来处理第一量的一种或多种水泥替代材料，以产生包含处于第一尺寸范围的一种或多种水泥替代材料的第一微粒材料。如果使用多种水泥替代材料，则可将材料一起处理，或者可单独地处理一种或多种材料；如果为后者，在处理来获得期望的尺寸范围之后，可将水泥材料组合以用于下一个步骤。这些尺寸的微粒材料可通过任何合适的方法来分离，例如通过一系列筛子中的一定范围的筛目尺寸，或通过振动或其组合。示例性碾磨机是RetschTM碾磨机，其可例如用8-15mm球以50-700RPM使用1-20分钟。可根据材料、批次大小和其他相关特性使用其他球尺寸、RPM和/或处理时间。所实现的尺寸范围可为任何合适的尺寸范围，例如至少50、60、70、80、85、90、95、100、105、110、115、120、125、130、135、140、145、150、155、160、165、170、175、180、190、200、220或250um和/或不超过60、70、80、85、90、95、100、105、110、115、120、125、130、135、140、145、150、155、160、165、170、175、180、190、200、220、250或300um，例如50-250um，诸如50-230、或60-200、或70-190、或80-180、或90-170、或100-160、或110-160、或120-160、或130-150um。在某些实施方案中，尺寸范围为130-150um。在某些实施方案中，尺寸范围为120-150um。可留出第一微粒材料中的一些；替代地或另外地，所述过程可在所述批次的该点处停止并且可将其他批次运送到所述过程中的另外的点。在某些实施方案中，甚至可在此阶段连同水泥替代材料一起加工一种或多种额外材料，例如碱性激发材料以及任选的粘结材料和/或凝结时间增强剂材料。
在某些实施方案中，一种或多种碱性激发材料在第一处理期间不存在，而是在第一处理之后添加。在某些实施方案中，在第一处理期间存在一种或多种碱性替代材料；在这些情况中的一些情况下，在第一处理之后添加一种或多种额外的碱性激发材料。在任何情况下，当添加所有碱性激发材料时，碱性激发材料以如本文所描述的比例，例如以1％-20％(所有碱性激发材料的总量)存在，以产生组合的水泥替代材料/碱性激发材料。已令人惊讶地发现，在一些情况下，为了进行激发，碱性激发材料仅需要在研磨/碾磨期间的有限量的时间(例如，少于30、20、10、5、4、3、2、1或0.5分钟)内存在。因此，在某些实施方案中，在第二尺寸减小过程开始时，或在开始之后的某个时间点，诸如在如本文所描述的任何合适的时间，例如在过程结束之前不到30、20、10、5、4、3、2、1或0.5分钟，将碱性激发材料添加到第一微粒材料中。如果使用多于一种碱性激发材料，则可在尺寸减小过程(例如，研磨)中的相同时间或不同时间处添加所述材料。在某些实施方案中，碱性激发材料被单独地处理并且直到过程后期才添加到混合物中；在一些情况下，直到所有材料最终组合才添加碱性激发材料。在某些实施方案中，将一种或多种粘结材料和/或一种或多种凝结时间增强材料添加到第一材料中并且连同第一材料一起加工。
组合的水泥替代材料/碱性激发材料，以及在一些情况下的粘结材料和/或凝结时间增强剂材料(其在第一步骤开始时存在，或者通过将碱性激发材料(以及在一些情况下为粘结材料和/或凝结增强材料)添加到第一微粒材料，或甚至添加到初始水泥替代材料(例如，在预处理之前)或两者中而产生)可例如通过研磨或碾磨来进一步处理，以产生在第二尺寸范围(例如，筛目尺寸)内的第二微粒材料，其中第二尺寸范围(例如，筛目尺寸)小于第一尺寸范围。尺寸范围可为任何合适的尺寸范围，只要它小于第一尺寸范围即可，例如为至少20、30、40、50、60、70、80、85、90、95、100、105、110、115、120、125、130、135、140、145、150、155、160、165、170、175、180、190、200、210或220um和/或不超过30、40、50、60、70、80、85、90、95、100、105、110、115、120、125、130、135、140、145、150、155、160、165、170、175、180、190、200、220或250um，例如20-220um，诸如20-200、或30-170、或40-160、或50-150、或80-140、或70-130、或80-130、或90-130、或100-120um。在某些实施方案中，尺寸范围为100-120um。可留出第二微粒材料中的一些；替代地或另外地，所述过程可在所述批次的该点处停止并且可将另一个或多个批次运送到所述过程中的另外的点。如果留出第二微粒材料中的一些，则可移出任何合适的量，例如至少1％、2％、3％、4％、5％、7％、10％、12％、15％、20％、25％、30％、35％、40％或45％和/或不超过2％、3％、4％、5％、7％、10％、12％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％或50％，例如1％-50％、或2％-45％、或3％-45％、或4％-45％、或5％-45％、或5％-40％、或5％-38％、或5％-30％、或10％-40％、或10％-30％、或15％-40％、或15％-30％、或20％-40％、或20％-30％。
在某些实施方案中，将一种或多种粘结材料添加到第二微粒材料中。在某些实施方案中，将一种或多种凝结时间增强材料添加到第二微粒材料中。在某些实施方案中，将一种或多种粘结材料和一种或多种凝结时间增强剂两者添加到第二微粒材料中。在这些实施方案的任一个中，所添加的粘结材料和/或凝结时间增强剂材料的总量为至少0.1％、0.5％、1％、2％、5％、10％、15％、20％、25％、30％或35％和/或不超过0.5％、1％、2％、5％、10％、15％、20％、25％、30％或40％，并且可为如本文所描述的任何范围，例如0.1％-40％、或0.5％-30％、或1％-25％。在某些实施方案中，粘结材料和凝结时间增强剂材料都不添加到第二微粒材料中。
有或没有粘结材料和/或凝结时间增强剂材料的第二微粒材料可例如通过研磨或碾磨来进一步处理，以产生在第三尺寸范围(例如，筛目尺寸)内的第三微粒材料，其中第三尺寸范围(例如，筛目尺寸)小于第二筛目尺寸范围。尺寸范围可为任何合适的尺寸范围，只要它小于第二尺寸范围即可，例如为至少5、10、15、20、25、30、40、50、60、70、80、85、90、95、100、105、110、115、120、125、130、135、140、145、150、155、160、165、170、175或180um和/或不超过10、15、20、25、30、40、50、60、70、80、85、90、95、100、105、110、115、120、125、130、135、140、145、150、155、160、165、170、175、180、190或200um，例如5-200um，诸如5-150、或10-150、或15-140、或15-130、或20-140、或20-130、或25-135、或25-130、或30-120、或30-125、或30-100um。在某些实施方案中，尺寸范围为30-100um。可留出第三微粒材料中的一些；替代地或另外地，所述过程可在所述批次的该点处停止并且可将另一个或多个批次运送到所述过程中的另外的点。如果留出第三微粒材料中的一些，则可移出任何合适的量，例如至少1％、2％、3％、4％、5％、7％、10％、12％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％或50％和/或不超过2％、3％、4％、5％、7％、10％、12％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％或65％，例如1％-65％、或1％-50％、或1％-25％、或1％-20％、或2％-65％、或2％-60％、或2％-30％、或2％-25％、或2％-20％、或3％-60％、或3％-55％、或3％-40％、或3％-30％、或3％-25％、或3％-20％、或4％-60％、或4％-55％、或4％-54％、或4％-50％、或4％-40％、或4％-30％、或4％-25％、或4％-20％、或5％-60％、或5％-50％、或5％-40％、或5％-30％、或5％-25％、或5％-20％、或10％-50％、或10％-40％、或10％-30％、或10％-20％。
第三微粒材料可任选地例如通过研磨或碾磨来处理以进一步减小尺寸，以产生在第四尺寸范围(例如，筛目尺寸)内的第四微粒材料，其中第四尺寸范围(例如，筛目尺寸)小于第三筛目尺寸范围。在某些实施方案中，一种或多种粘结材料在处理第二微粒材料以产生第三微粒材料之前添加到所述第二微粒材料中并且存在于第三微粒材料中，并且将一种或多种凝结时间增强剂添加到第三微粒材料中，然后对其进行处理以产生第四微粒材料。在某些实施方案中，一种或多种凝结时间增强剂材料在处理第二微粒材料以产生第三微粒材料之前添加到所述第二微粒材料中并且存在于第三微粒材料中，并且将一种或多种粘结材料添加到第三微粒材料中，然后对其进行处理以产生第四微粒材料。在某些实施方案中，一种或多种粘结材料和一种或多种凝结时间增强材料的第一组合在处理第二微粒材料以产生第三微粒材料之前添加到所述第二微粒材料中并且存在于第三微粒材料中，并且将不同于第一组合的一种或多种粘结材料和一种或多种凝结时间增强材料的第二组合添加到第三微粒材料中，然后对其进行处理以产生第四微粒材料。尺寸范围可为任何合适的尺寸范围，只要它小于第三尺寸范围即可，例如为至少0.1、0.2、0.5、0.7、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、6、7、8、9、10、12、15、17、20、22、25、27、30、35、40、50、60或70um和/或不超过0.2、0.5、0.7、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、6、7、8、9、10、12、15、17、20、22、25、27、30、35、40、50、60、70或80um，例如0.1-80、或0.1-70、或0.1-60、或0.1-50、或0.1-40、或0.1-30、或0.1-20um、或0.2-80、或0.2-70、或0.2-60、或0.2-50、或0.2-40、或0.2-30、或0.2-20um、或0.5-80、或0.5-70、或0.5-60、或0.5-50、或0.5-40、或0.5-30、或0.5-20um、或1-80、或1-70、或1-60、或1-50、或1-40、或1-30、或1-20um、或2-80、或2-70、或2-60、或2-50、或2-40、或2-30、或2-20um、或5-80、或5-70、或5-60、或5-50、或5-40、或5-30、或5-20um、或7-80、或7-70、或7-60、或7-50、或7-40、或7-30、或7-20um、或10-80、或10-70、或10-60、或10-50、或10-40、或10-30、或10-20um。在某些实施方案中，尺寸范围为0.1-30um。
可将第二微粒材料、第三微粒材料和第四微粒材料组合；在不产生第四微粒材料的实施方案中，可将第二微粒材料和第三微粒材料组合；例如通过在例如碾磨机中进一步进行短时间(例如，少于5、4、3、2或1分钟)加工来混合所述材料。在尺寸减小之前添加碱性激发材料以产生第一微粒材料的实施方案中，也可使用第一微粒材料的一部分。第二微粒材料可能从被进一步加工来产生至少第三微粒材料和任选的第四微粒材料的批次中移出，或者可能在与至少第三材料和任选的第四材料分开的批次中产生，或是其组合情况。第三微粒材料可能从被进一步加工来产生第四微粒材料的批次中移出，或者可能在与至少第四材料分开的批次中产生，或是其组合情况。类似地，在第一微粒材料包含碱性激发材料的实施方案中，可移出一部分以在稍后时间与其他微粒材料重新组合，或者可使用单独的批次，或是其组合情况。
可使用上述过程的任何合适的变型。可去除一个或多个加工步骤，并且可在任何步骤处添加或移出一种或多种材料。
在某些实施方案中，碱性激发材料、粘结材料(如果使用的话)和/或凝结时间增强剂材料(如果使用的话)中的一种或多种例如通过研磨或碾磨与其他材料中的一种或多种分开地处理，例如与水泥替代材料分开地处理以实现期望的尺寸范围。
最终产品可为通过上述过程的任何合适的组合生产的产品。在最简单的情况下，最终产品包含一种或多种水泥替代材料和一种或多种碱性激发材料，以及任选的一种或多种粘结材料和/或一种或多种凝结时间增强剂，它们处于期望的尺寸范围，诸如至少0.05、0.1、0.5、1、2、3、4、5、7、10、12、15、20、30、40、50、60、70、80、90、100、120、150或200um和/或不超过0.1、0.5、1、2、3、4、5、7、10、12、15、20、30、40、50、60、70、80、90、100、120、150、200或250um，诸如0.1-250、0.1-200、0.1-150、0.1-100、0.1-70、0.1-50、0.1-40、0.1-30、0.1-20或0.1-10um；或0.5-250、0.5-200、0.5-150、0.5-100、0.5-70、0.5-50、0.5-40、0.5-30、0.5-20、或0.5-10um；或1-250、1-200、1-150、1-100、1-70、1-50、1-40、1-30、1-20或1-10um；例如0.1-30um。在另一种情况下，最终产品包含：第一微粒材料，所述第一微粒材料包含一种或多种水泥替代材料和一种或多种碱性激发材料，以及任选的一种或多种粘结材料和/或一种或多种凝结时间增强剂，它们处于第一尺寸范围，诸如至少0.05、0.1、0.5、1、2、3、4、5、7、10、12、15、20、30、40、50、60、70、80、90、100、120、150或200um和/或不超过0.1、0.5、1、2、3、4、5、7、10、12、15、20、30、40、50、60、70、80、90、100、120、150、200或250um，诸如0.1-250、0.1-200、0.1-150、0.1-100、0.1-70、0.1-50、0.1-40、0.1-30、0.1-20或0.1-10um；或0.5-250、0.5-200、0.5-150、0.5-100、0.5-70、0.5-50、0.5-40、0.5-30、0.5-20或0.5-10um；或1-250、1-200、1-150、1-100、1-70、1-50、1-40、1-30、1-20或1-10um；例如0.1-30um；以及第二微粒材料，所述第二微粒材料包含一种或多种水泥替代材料和一种或多种碱性激发材料，以及任选的一种或多种粘结材料和/或一种或多种凝结时间增强剂，它们处于第二尺寸范围，诸如至少2、5、10、11、12、13、14、15、17、20、25、30、35、40、45、50、60、70、80、90、100、120、150、200、250、300、350或400um和/或不超过5、10、11、12、13、14、15、17、20、25、30、35、40、45、50、60、70、80、90、100、120、150、200、250、300、350、400或450um，诸如5-450、5-300、5-200、5-100、5-80、或5-50um、或10-450、10-300、10-200、10-100、10-80、或10-50um；或20-450、20-300、20-200、20-100、20-80、或20-50um；或30-450、3-300、30-200、30-100、30-80、或3-50um，例如30-100um；第一微粒材料和第二微粒材料可以最终产品的任何合适的比例存在，例如第一微粒材料可以至少1％、2％、5％、7％、10％、12％、15％、17％、20％、22％、25％、27％、30％、32％、35％、37％、40％、42％、45％、47％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％、96％、97％、98％或99％存在，并且第二微粒材料可以至少1％、2％、5％、7％、10％、12％、15％、17％、20％、22％、25％、27％、30％、32％、35％、37％、40％、42％、45％、47％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％、96％、97％、98％或99％存在。在另一种情况下，最终产品包含：第一微粒材料，所述第一微粒材料包含一种或多种水泥替代材料和一种或多种碱性激发材料，以及任选的一种或多种粘结材料和/或一种或多种凝结时间增强剂，它们处于第一尺寸范围，诸如至少0.05、0.1、0.5、1、2、3、4、5、7、10、12、15、20、30、40、50、60、70、80、90、100、120、150或200um和/或不超过0.1、0.5、1、2、3、4、5、7、10、12、15、20、30、40、50、60、70、80、90、100、120、150、200或250um，诸如0.1-250、0.1-200、0.1-150、0.1-100、0.1-70、0.1-50、0.1-40、0.1-30、0.1-20或0.1-10um；或0.5-250、0.5-200、0.5-150、0.5-100、0.5-70、0.5-50、0.5-40、0.5-30、0.5-20或0.5-10um；或1-250、1-200、1-150、1-100、1-70、1-50、1-40、1-30、1-20或1-10um；例如0.1-30um；第二微粒材料，所述第二微粒材料包含一种或多种水泥替代材料和一种或多种碱性激发材料，以及任选的一种或多种粘结材料和/或一种或多种凝结时间增强剂，它们处于第二尺寸范围，诸如至少2、5、10、11、12、13、14、15、17、20、25、30、35、40、45、50、60、70、80、90、100、120、150、200、250、300、350或400um和/或不超过5、10、11、12、13、14、15、17、20、25、30、35、40、45、50、60、70、80、90、100、120、150、200、250、300、350、400或450um，诸如5-450、5-300、5-200、5-100、5-80、或5-50um、或10-450、10-300、10-200、10-100、10-80、或10-50um；或20-450、20-300、20-200、20-100、20-80、或20-50um；或30-450、3-300、30-200、30-100、30-80、或3-50um，例如30-100um；以及第三微粒材料，所述第三微粒材料包含一种或多种水泥替代材料和一种或多种碱性激发材料，以及任选的一种或多种粘结材料和/或一种或多种凝结时间增强剂，它们处于第三尺寸范围，诸如至少30、35、40、45、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150、170、200、220、250、300、350、400、450或500um和/或不超过35、40、45、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150、170、200、220、250、300、350、400、450、500或600um，例如50-500、50-400、50-300、50-200、50-150、或50-100um；或70-500、70-400、70-300、70-200、70-150、或70-100um、或100-500、100-400、100-300、100-250、100-200、100-150、或100-140um、或110-500、110-400、1100-300、110-250、110-200、110-150、或110-140um、或120-500、120-400、120-300、120-250、120-200、120-150、或诸如100-120um；第一微粒材料、第二微粒材料和第三微粒材料可以最终产品的任何合适的比例存在，例如第一微粒材料可以至少1％、2％、5％、7％、10％、12％、15％、17％、20％、22％、25％、27％、30％、32％、35％、37％、40％、42％、45％、47％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％、96％、97％、98％或99％存在，第二微粒材料可以至少1％、2％、5％、7％、10％、12％、15％、17％、20％、22％、25％、27％、30％、32％、35％、37％、40％、42％、45％、47％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％、96％、97％、98％或99％存在，并且第三微粒材料可以至少1％、2％、5％、7％、10％、12％、15％、17％、20％、22％、25％、27％、30％、32％、35％、37％、40％、42％、45％、47％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％、96％、97％、98％或99％存在。在另一种情况下，最终产品包含：第一微粒材料，所述第一微粒材料包含一种或多种水泥替代材料和一种或多种碱性激发材料，以及任选的一种或多种粘结材料和/或一种或多种凝结时间增强剂，它们处于第一尺寸范围，诸如至少0.05、0.1、0.5、1、2、3、4、5、7、10、12、15、20、30、40、50、60、70、80、90、100、120、150或200um和/或不超过0.1、0.5、1、2、3、4、5、7、10、12、15、20、30、40、50、60、70、80、90、100、120、150、200或250um，诸如0.1-250、0.1-200、0.1-150、0.1-100、0.1-70、0.1-50、0.1-40、0.1-30、0.1-20或0.1-10um；或0.5-250、0.5-200、0.5-150、0.5-100、0.5-70、0.5-50、0.5-40、0.5-30、0.5-20或0.5-10um；或1-250、1-200、1-150、1-100、1-70、1-50、1-40、1-30、1-20或1-10um；例如0.1-30um；第二微粒材料，所述第二微粒材料包含一种或多种水泥替代材料和一种或多种碱性激发材料，以及任选的一种或多种粘结材料和/或一种或多种凝结时间增强剂，它们处于第二尺寸范围，诸如至少2、5、10、11、12、13、14、15、17、20、25、30、35、40、45、50、60、70、80、90、100、120、150、200、250、300、350或400um和/或不超过5、10、11、12、13、14、15、17、20、25、30、35、40、45、50、60、70、80、90、100、120、150、200、250、300、350、400或450um，诸如5-450、5-300、5-200、5-100、5-80、或5-50um、或10-450、10-300、10-200、10-100、10-80、或10-50um；或20-450、20-300、20-200、20-100、20-80、或20-50um；或30-450、3-300、30-200、30-100、30-80、或3-50um，例如30-100um；第三微粒材料，所述第三微粒材料包含一种或多种水泥替代材料和一种或多种碱性激发材料，以及任选的一种或多种粘结材料和/或一种或多种凝结时间增强剂，它们处于第三尺寸范围，诸如至少30、35、40、45、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150、170、200、220、250、300、350、400、450或500um和/或不超过35、40、45、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150、170、200、220、250、300、350、400、450、500或600um，例如50-500、50-400、50-300、50-200、50-150、或50-100um；或70-500、70-400、70-300、70-200、70-150、或70-100um、或100-500、100-400、100-300、100-250、100-200、100-150、或100-140um、或110-500、110-400、1100-300、110-250、110-200、110-150、或110-140um、或120-500、120-400、120-300、120-250、120-200、120-150、或诸如100-120um；以及第四微粒材料，所述第四微粒材料包含一种或多种水泥替代材料和一种或多种碱性激发材料，以及任选的一种或多种粘结材料和/或一种或多种凝结时间增强剂，它们处于第四尺寸范围，诸如至少50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150、170、200、220、250、300、350、400、450、500或550um和/或不超过35、40、45、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150、170、200、220、250、300、350、400、450、500、550或600um，例如70-500、70-400、70-300、70-200、70-250、或70-200um、或100-500、100-400、100-300、100-250、100-200、100-180um、或100-160um、或110-500、110-400、1100-300、110-250、110-200、110-150、或110-140um、或120-500、120-400、120-300、120-250、120-200、120-180、120-160、120-150、或120-140um、或130-500、130-400、130-300、130-250、130-200、130-180、130-160、130-150、或130-140um，诸如120-150um或130-150um；第一微粒材料、第二微粒材料、第三微粒材料和第四微粒材料可以最终产品的任何合适的比例存在，例如第一微粒材料可以至少1％、2％、5％、7％、10％、12％、15％、17％、20％、22％、25％、27％、30％、32％、35％、37％、40％、42％、45％、47％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％、96％、97％、98％或99％存在，第二微粒材料可以至少1％、2％、5％、7％、10％、12％、15％、17％、20％、22％、25％、27％、30％、32％、35％、37％、40％、42％、45％、47％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％、96％、97％、98％或99％存在，第三微粒材料可以至少1％、2％、5％、7％、10％、12％、15％、17％、20％、22％、25％、27％、30％、32％、35％、37％、40％、42％、45％、47％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％、96％、97％、98％或99％存在，并且第四微粒材料可以至少1％、2％、5％、7％、10％、12％、15％、17％、20％、22％、25％、27％、30％、32％、35％、37％、40％、42％、45％、47％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％、96％、97％、98％或99％存在。在这些实施方案中的任一个中，各种组分可以任何合适的比例存在；例如，一种或多种水泥替代材料可按以下最终重量％存在：至少20％、30％、40％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％或95％和/或不超过30％、40％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％或99％，例如50％-99.9％、50％-99.5％、50％-99％、50％-98％、50％-97％、50％-95％、50％-90％、50％-80％、50％-70％、50％-60％、60％-99.9％、60％-99.5％、60％-99％、60％-98％、60％-97％、60％-95％、60％-90％、60％-80％、60％-70％、70％-99.9％、70％-99.5％、70％-99％、70％-98％、70％-97％、70％-95％、70％-90％、70％-80％、75％-99.9％、75％-99.5％、75％-99％、75％-98％、75％-97％、75％-95％、75％-90％、75％-80％、80％-99.9％、80％-99.5％、80％-99％、80％-98％、80％-97％、80％-95％、80％-90％、85％-99.9％、85％-99.5％、85％-99％、85％-98％、85％-97％、85％-95％、85％-90％、90％-99.9％、90％-99.5％、90％-99％、90％-98％、90％-97％、或90％-95％，例如50％-99.5％，诸如60％-98％，在一些情况下为75％-97％；一种或多种碱性激发材料可按以下最终重量％存在：0.25％-40％、0.25％-30％、0.25％-20％、0.25％-10％、0.25％-5％、0.25％-3％、0.25％-2％、0.25％-1％、0.5％-40％、0.5％-30％、0.5％-20％、0.5％-10％、0.5％-5％、0.5％-3％、0.5％-2％、0.5％-1％、1％-40％、1％-30％、1％-20％、1％-10％、1％-5％、1％-3％、1％-2％、2％-40％、2％-30％、2％-20％、2％-10％、2％-5％、2％-3％、5％-40％、5％-30％、5％-20％、或5％-10％，例如1％-25％，诸如1％-20％、或1％-15％、或1％-10％、或1％-5％。粘结材料和/或凝结时间增强剂(如果存在的话)可按以下组合最终重量％存在：例如0.2％-40％、0.2％-30％、0.2％-25％、0.5％-40％、0.5％-30％、0.5％-25％、1％-40％、1％-35％、1％-30％、1％-25％、2％-40％、2％-35％、2％-30％、2％-25％、5％-40％、5％-35％、5％-30％、5％-25％、10％-40％、10％-35％、10％-30％、10％-25％、15％-40％、15％-35％、15％-30％、15％-25％、20％-40％、20％-35％、20％-30％、20％-25％、0.2％-20％、0.5％-20％、1％-20％、2％-20％、5％-20％、10％-20％、15％-20％、0.2％-15％、0.5％-15％、1％-15％、2％-15％、5％-15％、10％-15％、0.2％-10％、0.5％-10％、1％-10％、2％-10％、5％-10％、0.2％-5％、0.5％-5％、1％-5％、2％-5％、或5％-25％。在某些实施方案中，总量为1％-25％。在某些实施方案中，总量为1％-40％。在某些实施方案中，将诸如普通波特兰水泥的水泥添加到最终产品中；可将水泥(例如，OPC)添加到至少1％、2％、5％、10％、12％、15％、20％、25％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或95％和/或不超过2％、5％、10％、12％、15％、20％、25％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、95％或98％的最终浓度。
在某些实施方案中，最终产品含有以下各者中的至少一者：第一微粒材料，所述第一微粒材料包含处于第一尺寸范围的一种或多种水泥替代材料和一种或多种碱性激发材料；以及第二微粒材料，所述第二微粒材料包含处于第二尺寸范围的一种或多种水泥替代材料和一种或多种碱性激发材料，其中第二尺寸范围小于第一尺寸范围；任选的第三微粒材料，所述第三微粒材料包含处于第三尺寸范围的一种或多种水泥替代材料和一种或多种碱性激发材料，其中第三尺寸范围小于第二尺寸范围；以及任选的第四微粒材料，所述第四微粒材料包含处于第四尺寸范围的一种或多种水泥替代材料和一种或多种碱性激发材料，其中第四尺寸范围小于第三尺寸范围。合适的尺寸范围可为本文描述的那些中的任一个尺寸范围。在某些实施方案中，第二微粒材料、第三微粒材料和/或第四微粒材料(如果存在的话)中的一种或多种还可以如本文所描述的比例包含粘结材料、凝结时间增强剂或两者。在某些实施方案中，最终产品包含第二微粒材料和第三微粒材料。在某些实施方案中，最终产品包含第三微粒材料和第四微粒材料。在某些实施方案中，最终产品包含第二微粒材料、第三微粒材料和第四微粒材料。在某些实施方案中，最终产品包含第一微粒材料、第二微粒材料和第三微粒材料。在某些实施方案中，最终产品包含第一微粒材料、第二微粒材料、第三微粒材料和第四微粒材料。每种成分的比例如本文所描述。一种或多种水泥替代材料可按以下最终重量％存在：至少20％、30％、40％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％或95％和/或不超过30％、40％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％或99％，例如50％-99.9％、50％-99.5％、50％-99％、50％-98％、50％-97％、50％-95％、50％-90％、50％-80％、50％-70％、50％-60％、60％-99.9％、60％-99.5％、60％-99％、60％-98％、60％-97％、60％-95％、60％-90％、60％-80％、60％-70％、70％-99.9％、70％-99.5％、70％-99％、70％-98％、70％-97％、70％-95％、70％-90％、70％-80％、75％-99.9％、75％-99.5％、75％-99％、75％-98％、75％-97％、75％-95％、75％-90％、75％-80％、80％-99.9％、80％-99.5％、80％-99％、80％-98％、80％-97％、80％-95％、80％-90％、85％-99.9％、85％-99.5％、85％-99％、85％-98％、85％-97％、85％-95％、85％-90％、90％-99.9％、90％-99.5％、90％-99％、90％-98％、90％-97％、或90％-95％，例如50％-99.5％，诸如60％-98％，在一些情况下为75％-97％；一种或多种碱性激发材料可按以下最终重量％存在：0.25％-40％、0.25％-30％、0.25％-20％、0.25％-10％、0.25％-5％、0.25％-3％、0.25％-2％、0.25％-1％、0.5％-40％、0.5％-30％、0.5％-20％、0.5％-10％、0.5％-5％、0.5％-3％、0.5％-2％、0.5％-1％、1％-40％、1％-30％、1％-20％、1％-10％、1％-5％、1％-3％、1％-2％、2％-40％、2％-30％、2％-20％、2％-10％、2％-5％、2％-3％、5％-40％、5％-30％、5％-20％、或5％-10％，例如1％-25％，诸如1％-20％、或1％-15％、或1％-10％、或1％-5％。粘结材料和/或凝结时间增强剂(如果存在的话)可按以下组合最终重量％存在：例如0.2％-40％、0.2％-30％、0.2％-25％、0.5％-40％、0.5％-30％、0.5％-25％、1％-40％、1％-35％、1％-30％、1％-25％、2％-40％、2％-35％、2％-30％、2％-25％、5％-40％、5％-35％、5％-30％、5％-25％、10％-40％、10％-35％、10％-30％、10％-25％、15％-40％、15％-35％、15％-30％、15％-25％、20％-40％、20％-35％、20％-30％、20％-25％、0.2％-20％、0.5％-20％、1％-20％、2％-20％、5％-20％、10％-20％、15％-20％、0.2％-15％、0.5％-15％、1％-15％、2％-15％、5％-15％、10％-15％、0.2％-10％、0.5％-10％、1％-10％、2％-10％、5％-10％、0.2％-5％、0.5％-5％、1％-5％、2％-5％、或5％-25％。在某些实施方案中，总量为1％-25％。在某些实施方案中，总量为1％-40％。
在某些实施方案中，将诸如普通波特兰水泥的水泥添加到最终产品中；可将水泥(例如，OPC)添加到至少0.1％、0.5％、1％、2％、5％、10％、12％、15％、20％、25％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或95％和/或不超过0.5％、1％、2％、5％、10％、12％、15％、20％、25％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、95％或98％的最终浓度。
在某些实施方案中，一种或多种水泥替代材料包含高炉渣(BFS)、磨细矿渣(GGBS)、粉煤灰(例如，F类、C类、固体废物焚烧粉煤灰、其他粉煤灰或其组合)、硅粉、红矿渣、铝酸钙、来自金属工业的滤渣、铜尾矿、铜渣、铝土矿尾矿、不锈钢渣、池灰、煤灰、电弧炉渣、底灰、窑灰(非水泥窑)、石灰、熟石灰、采石场粉尘、红色高岭土粘土、铝硅酸铁、其他金属渣、或其他矿渣或其组合。在某些实施方案中，碱性激发材料包含硅酸钾、氢氧化钾、氢氧化钠、硅酸钠、氢氧化钙、氢氧化镁、反应性氧化镁、氯化钙、碳酸钠、二氧化硅、铝酸钠、硫酸钙、硫酸钠或白云石或其组合。在某些实施方案中，粘结材料包含斜长石、长石材料、辉石、角闪石、石英、硅藻土、氧化镁、氧化钾、甲基磺酰甲烷、苹果酸、二氧化锆、膨润土、硅粉或其组合。在某些实施方案中，凝结时间增强剂包含氢氧化铝、VCAS(玻璃纤维生产的废物产品)、水泥窑灰、沸石、氧化钙、氧化铝、白云石、方解石、蒙脱土、木质素硫酸钠、氧化锌、磷酸钠、磷酸、氯化钠(低促凝剂/高缓凝剂)、酒石酸或其组合。
此外，在与水混合之前或更常见地在与水混合期间，除了粘结材料和凝结时间增强剂(如果存在的话)之外，还可添加一种或多种掺加物。可使用任何合适的掺加物，诸如减水剂(高效减水剂)、缓凝剂或成核晶种剂。在某些实施方案中，使用包含硅酸盐化合物和氢氧化物化合物的掺加物，如本文别处所描述。
在某些实施方案中，本文提供了产生水泥组合物的方法，所述方法包括：(i)提供包含至少一种水泥替代材料、至少一种碱性激发剂和粘结材料或凝结时间增强剂中的至少一种的材料；以及(ii)处理所述材料以产生筛目尺寸为0.1-1000、0.1-500或0.1-200um的微粒产品。在某些实施方案中，材料包含至少两种不同的水泥替代材料。在某些实施方案中，材料包含至少三种不同的水泥替代材料。在某些实施方案中，材料包含至少两种不同的碱性激发剂。在某些实施方案中，材料包含粘结材料。在某些实施方案中，材料包含凝结时间增强剂。在某些实施方案中，材料包含粘结材料和凝结时间增强剂两者。在某些实施方案中，处理所述材料包括首先处理水泥替代材料以减小其尺寸，然后添加碱性激发剂和/或粘结材料和/或凝结时间增强剂中的一种或多种并且处理该组合以进一步减小尺寸。在某些实施方案中，一种或多种水泥替代材料包含高炉渣(BFS)、磨细矿渣(GGBS)、粉煤灰(例如，F类、C类、固体废物焚烧粉煤灰、其他粉煤灰或其组合)、硅粉、红矿渣、铝酸钙、来自金属工业的滤渣、铜尾矿、铜渣、铝土矿尾矿、不锈钢渣、池灰、煤灰、电弧炉渣、底灰、窑灰(非水泥窑)、石灰、熟石灰、采石场粉尘、红色高岭土粘土、铝硅酸铁、其他金属渣、或其他矿渣或其组合。在某些实施方案中，碱性激发材料包含硅酸钾、氢氧化钾、氢氧化钠、硅酸钠、氢氧化钙、氢氧化镁、反应性氧化镁、氯化钙、碳酸钠、二氧化硅、铝酸钠、硫酸钙、硫酸钠或白云石或其组合。在某些实施方案中，粘结材料包含斜长石、长石材料、辉石、角闪石、石英、硅藻土、氧化镁、氧化钾、甲基磺酰甲烷、苹果酸、二氧化锆、膨润土、硅粉或其组合。在某些实施方案中，凝结时间增强剂包含氢氧化铝、VCAS(玻璃纤维生产的废物产品)、水泥窑灰、沸石、氧化钙、氧化铝、白云石、方解石、蒙脱土、木质素硫酸钠、氧化锌、磷酸钠、磷酸、氯化钠(低促凝剂/高缓凝剂)、酒石酸或其组合。
在某些实施方案中，本文提供了一种生产水泥材料的方法，所述方法包括：(i)将水添加到包含水泥替代材料和碱性激发材料的水泥材料中并且进行混合；以及(ii)将二氧化碳或甲烷添加到一种或多种添加有水的水泥材料(水泥替代材料/碱性激发材料)中；水和水泥替代材料/碱性激发材料在混合期间进行组合；和/或水和水泥替代材料/碱性激发材料在混合之后进行组合。
通过本文的方法生产的地聚合物水泥的性质。
通过上述方法和/或如本文所描述产生的组合物当与水组合并允许凝结和硬化时可具有许多有利的性质。在某些实施方案中，添加有水并允许凝结和硬化的组合物不含常规水泥，诸如不含OPC和/或不含常规SCM；或含有少于20％、15％、10％、5％、2％或1％的OPC和/或常规SCM。凝结时间可显著地短于常规水泥，例如不大于0.25、0.5、0.75、1、1.5、2、2.5、3、3.5或4小时和/或至少0.1、0.25、0.5、0.75、1、1.5、2、2.5、3或3.5小时，例如不大于1小时，或不大于0.75小时，或不大于0.5小时。这在预浇注操作(允许缩短各批次之间的时间，因为可更快地从模具移除浇注材料)和在工作地点将水泥产品倒入模具中的操作中都具有优势。所述组合物可具有优异的抗压强度性质，例如在混合之后的一个或多个时间点处(诸如在混合之后1天、7天、14天或28天)的抗压强度为30-400、或50-400、或100-400、或200-400Mpa；另外地或替代地，所述组合物可具有优异的抗拉强度性质，例如在混合之后的一个或多个时间点处(诸如在混合之后1天、7天、14天或28天)的抗拉强度为10-75、20-75、30-75、40-75、50-75或60-75MPa；另外地或替代地，所述组合物可具有优异的弹性模量，例如在混合之后的一个或多个时间点处(诸如在混合之后1天、7天、14天或28天)的弹性模量为40-120、50-120、60-120、70-120、80-120、90-120、100-120或110-120Gpa；另外地或替代地，所述组合物可具有优异的孔体积范围，例如在混合之后的一个或多个时间点处(诸如在混合之后1天、7天、14天或28天)的孔体积范围不超过0.001％、0.01％、0.05％、0.1％、0.5％、1％、2％、3％、4％或5％和/或至少0.0001％、0.001％、0.01％、0.05％、0.1％、0.5％、1％、2％、3％或4％，诸如0.001％-2％、或0.001％-1％、或0.001％-0.5％、或0.001％-0.1％；另外地或替代地，所述组合物可具有优异的吸水率系数，例如在混合之后的一个或多个时间点处(诸如在混合之后1天、7天、14天或28天)的吸水率系数为0.001-0.055、0.001-0.05、0.001-0.04、0.001-0.03、0.001-0.02或0.001-0.01kg/m2/h0.5；另外地或替代地，所述组合物可具有优异的耐火极限，例如在混合之后的一个或多个时间点处(诸如在混合之后1天、7天、14天或28天)的耐火极限为500℃-2000℃、或700℃-2000℃、或1000℃-2000℃、或1200℃-2000℃、或1500℃-2000℃。所有上述性质可通过本领域熟知的测试来测量。
另外地或替代地，本文提供的水泥组合物在其生产中产生比使用煅烧生产的常规水泥组合物(例如，OPC)少得多的二氧化碳；例如，对于给定量的本公开的水泥组合物，与相同量的常规水泥组合物(例如，OPC)相比，本发明的组合物可产生更少的二氧化碳排放，例如少10％-98％、30％-98％、40％-98％、45％-98％、50％-98％、55％-98％、60％-98％、65％-98％、70％-98％、75％-98％、80％-98％、85％-98％、90％-98％、95％-98％、10％-95％、30％-95％、40％-95％、45％-95％、50％-95％、55％-95％、60％-95％、65％-95％、70％-95％、75％-95％、80％-95％、85％-95％或90％-95％的二氧化碳。应当了解，本文提供的水泥组合物在一些情况下可以比常规水泥(例如，常规OPC)更低的量用于例如混凝土中，并且产生具有与用常规水泥产生的混凝土相同或比它更好的特性的混凝土产品。这通过减少所使用的水泥的量减少了过程中的二氧化碳，从而避免了一定量的二氧化碳产生。参见实施例13-15。
应当了解，处于本文描述的尺寸范围的水泥材料不限于本文描述的水泥替代材料/碱性激发材料；例如，OPC可被处理来实现类似的尺寸范围，并且被组合来产生如本文所描述潜在地具有比未经如此处理的OPC更大的抗压强度和/或其他性质的OPC。
在某些实施方案中，提供了一种干燥微粒组合物，所述干燥微粒组合物包含：(i)至少一种水泥替代材料；(ii)至少一种碱性激发材料；以及(iii)至少一种粘结材料、至少一种凝结时间增强剂材料、或两者。如果在其生产过程期间添加了水，则材料被认为是干燥的，只要添加的水包括少于2％、1％、0.7％、0.5％、0.3％或0.1％的水即可。在某些实施方案中，微粒组合物的颗粒是在0.1-1000um、或0.1-500um、或0.1-400um、或0.1-300um、或0.1-200um、或0.5-1000um、或0.5-500um、或0.5-400um、或0.5-300um、或0.5-200um、或1-1000um、或1-500um、或1-400um、或1-300um、或1-200um的尺寸范围内。在某些实施方案中，一种或多种水泥替代材料包含高炉渣(BFS)、磨细矿渣(GGBS)、粉煤灰(例如，F类、C类、固体废物焚烧粉煤灰、其他粉煤灰或其组合)、硅粉、红矿渣、铝酸钙、来自金属工业的滤渣、铜尾矿、铜渣、铝土矿尾矿、不锈钢渣、池灰、煤灰、电弧炉渣、底灰、窑灰(非水泥窑)、石灰、熟石灰、采石场粉尘、红色高岭土粘土、铝硅酸铁、其他金属渣、或其他矿渣或其组合。在某些实施方案中，碱性激发材料包含硅酸钾、氢氧化钾、氢氧化钠、硅酸钠、氢氧化钙、氢氧化镁、反应性氧化镁、氯化钙、碳酸钠、二氧化硅、铝酸钠、硫酸钙、硫酸钠或白云石或其组合。在某些实施方案中，粘结材料(如果存在的话)包含斜长石、长石材料、辉石、角闪石、石英、硅藻土、氧化镁、氧化钾、甲基磺酰甲烷、苹果酸、二氧化锆、膨润土、硅粉或其组合。在某些实施方案中，凝结时间增强剂(如果存在的话)包含氢氧化铝、VCAS(玻璃纤维生产的废物产品)、水泥窑灰、沸石、氧化钙、氧化铝、白云石、方解石、蒙脱土、木质素硫酸钠、氧化锌、磷酸钠、磷酸、氯化钠(低促凝剂/高缓凝剂)、酒石酸或其组合。在某些实施方案中，材料还包含除了生产期间存在的水之外的水。在某些实施方案中，例如当与水，以及任选的骨料组合时，产品在添加水并凝结和硬化之后的抗压强度为30-400MPa。在某些实施方案中，提供了来源于本段落中先前描述的任何组合物的固体产品，其中所述产品具有以下各者中的一者、两者、三者、四者、五者、六者或全部：(i)30-400MPa的抗压强度；(ii)10-75Mpa的抗拉强度；(iii)40-120Gpa的弹性模量；(iv)0.5％-5％的孔体积范围；(v)0.001至0.055kg/m2/h0.5的吸水率系数；(vi)500℃至2000℃的耐火极限范围；(vii)40％-98％的二氧化碳排放减少，这与由常规水泥制成的具有类似性质的产品形成了对比。
在某些实施方案中，提供了一种水泥材料，所述水泥材料包含以下各者中的至少两者：(i)第一微粒材料的第一部分，所述第一微粒材料包含处于第一尺寸范围的一种或多种水泥替代材料和一种或多种碱性激发材料；(ii)第二微粒材料的第二部分，所述第二微粒材料包含处于第二尺寸范围的一种或多种水泥替代材料和一种或多种碱性激发材料，所述第二尺寸范围小于第一尺寸范围；(iii)第三微粒材料的第三部分，所述第三微粒材料包含处于第三尺寸范围的一种或多种水泥替代材料和一种或多种碱性激发材料，所述第三尺寸范围小于第二尺寸范围；以及(iv)第四微粒材料的第四部分，所述第四微粒材料包含处于第四尺寸范围的一种或多种水泥替代材料和一种或多种碱性激发材料，所述第四尺寸范围小于第三尺寸范围。在某些实施方案中，一种或多种水泥替代材料包含高炉渣(BFS)、磨细矿渣(GGBS)、粉煤灰(例如，F类、C类、固体废物焚烧粉煤灰、其他粉煤灰或其组合)、硅粉、红矿渣、铝酸钙、来自金属工业的滤渣、铜尾矿、铜渣、铝土矿尾矿、不锈钢渣、池灰、煤灰、电弧炉渣、底灰、窑灰(非水泥窑)、石灰、熟石灰、采石场粉尘、红色高岭土粘土、铝硅酸铁、其他金属渣、或其他矿渣或其组合。在某些实施方案中，碱性激发材料包含硅酸钾、氢氧化钾、氢氧化钠、硅酸钠、氢氧化钙、氢氧化镁、反应性氧化镁、氯化钙、碳酸钠、二氧化硅、铝酸钠、硫酸钙、硫酸钠或白云石或其组合。在某些实施方案中，所述组合物包含第二部分和第三部分。在某些实施方案中，所述组合物包含第三部分和第四部分。在某些实施方案中，第三微粒材料和/或第四微粒材料还包含粘结材料或凝结增强剂材料中的至少一种。在某些实施方案中，所述组合物包含至少一种粘结材料，其中所述粘结材料包含斜长石、长石材料、辉石、角闪石、石英、硅藻土、氧化镁、氧化钾、甲基磺酰甲烷、苹果酸、二氧化锆、膨润土、硅粉或其组合。在某些实施方案中，所述组合物包含至少一种凝结时间增强剂材料，其中所述凝结时间增强剂材料包含氢氧化铝、VCAS(玻璃纤维生产的废物产品)、水泥窑灰、沸石、氧化钙、氧化铝、白云石、方解石、蒙脱土、木质素硫酸钠、氧化锌、磷酸钠、磷酸、氯化钠(低促凝剂/高缓凝剂)、酒石酸或其组合。在某些实施方案中，第一微粒材料、第二微粒材料、第三微粒材料和第四微粒材料包含至少两种水泥替代材料。在某些实施方案中，第一微粒材料、第二微粒材料、第三微粒材料和第四微粒材料包含至少三种水泥替代材料。在某些实施方案中，一种或多种水泥替代材料包含高炉渣(BFS)、磨细矿渣(GGBS)、粉煤灰(例如，F类、C类、固体废物焚烧粉煤灰、其他粉煤灰或其组合)、硅粉、红矿渣、铝酸钙、来自金属工业的滤渣、铜尾矿、铜渣、铝土矿尾矿、不锈钢渣、池灰、煤灰、电弧炉渣、底灰、窑灰(非水泥窑)、石灰、熟石灰、采石场粉尘、红色高岭土粘土、铝硅酸铁、其他金属渣、或其他矿渣或其组合。在某些实施方案中，第一微粒材料、第二微粒材料、第三微粒材料和第四微粒材料包含至少两种碱性激发材料。在某些实施方案中，第一微粒材料、第二微粒材料、第三微粒材料和第四微粒材料包含至少三种碱性激发材料。在某些实施方案中，一种或多种碱性激发材料包含硅酸钾、氢氧化钾、氢氧化钠、硅酸钠、氢氧化钙、氢氧化镁、反应性氧化镁、氯化钙、碳酸钠、二氧化硅、铝酸钠、硫酸钙、硫酸钠或白云石或其组合。在某些实施方案中，一种或多种水泥替代材料构成水泥材料的50重量％-90重量％。在某些实施方案中，一种或多种水泥替代材料构成水泥材料的75重量％-97重量％。在某些实施方案中，一种或多种碱性激发剂构成水泥材料的0.25重量％-40重量％。在某些实施方案中，一种或多种碱性激发剂构成水泥材料的0.5重量％-20重量％。在某些实施方案中，所述组合物包含至少一种粘结材料、至少一种凝结时间增强材料或其组合，其中所述至少一种粘结材料、至少一种凝结时间增强材料或其组合构成水泥材料的0.2％-25％。在某些实施方案中，所述组合物包含至少一种粘结材料、至少一种凝结时间增强材料或其组合，其中所述至少一种粘结材料、至少一种凝结时间增强材料或其组合构成水泥材料的0.2％-10％。在某些实施方案中，第一尺寸范围为5-230um。在某些实施方案中，第一尺寸范围为130-150um。在某些实施方案中，第二尺寸范围为20-200um。在某些实施方案中，第二尺寸范围为100-120um。在某些实施方案中，第三尺寸范围为5-200um。在某些实施方案中，第三尺寸范围为30-100um。在某些实施方案中，第四尺寸范围为0.1-80um。在某些实施方案中，第四尺寸范围为0.1-30um。在某些实施方案中，所述组合物包含以下各者中的至少三者：(i)第一微粒材料的第一部分，所述第一微粒材料包含处于第一尺寸范围的一种或多种水泥替代材料和一种或多种碱性激发材料；(ii)第二微粒材料的第二部分，所述第二微粒材料包含处于第二尺寸范围的一种或多种水泥替代材料和一种或多种碱性激发材料，所述第二尺寸范围小于第一尺寸范围；以及(iii)第三微粒材料的第三部分，所述第三微粒材料包含处于第三尺寸范围的一种或多种水泥替代材料和一种或多种碱性激发材料，所述第三尺寸范围小于第二尺寸范围；(iv)第四微粒材料的第四部分，所述第四微粒材料包含处于第四尺寸范围的一种或多种水泥替代材料和一种或多种碱性激发材料，所述第四尺寸范围小于第三尺寸范围。在这些实施方案中的某些中，所述组合物包含第一部分、第二部分和第三部分。在这些实施方案中的某些中，所述组合物包含第二部分、第三部分和第四部分。在某些实施方案中，所述组合物包含以下各者中的全部：(i)第一微粒材料的第一部分，所述第一微粒材料包含处于第一尺寸范围的一种或多种水泥替代材料和一种或多种碱性激发材料；(ii)第二微粒材料的第二部分，所述第二微粒材料包含处于第二尺寸范围的一种或多种水泥替代材料和一种或多种碱性激发材料，所述第二尺寸范围小于第一尺寸范围；(iii)第三微粒材料的第三部分，所述第三微粒材料包含处于第三尺寸范围的一种或多种水泥替代材料和一种或多种碱性激发材料，所述第三尺寸范围小于第二尺寸范围；以及(iv)第四微粒材料的第四部分，所述第四微粒材料包含处于第四尺寸范围的一种或多种水泥替代材料和一种或多种碱性激发材料，所述第四尺寸范围小于第三尺寸范围。在某些实施方案中，提供了来源于本段落中描述的与水组合并允许凝结和硬化的任何组合物的固体产品，其中所述产品具有以下各者中的一者、两者、三者、四者、五者、六者或七者：(i)30-400MPa的抗压强度；(ii)10-75Mpa的抗拉强度；(iii)40-120Gpa的弹性模量；(iv)0.5％-5％的孔体积范围；(v)0.001至0.055kg/m2/h0.5的吸水率系数；(vi)500℃至2000℃的耐火极限范围；(vii)40％-98％的二氧化碳排放减少，这与由常规水泥制成的具有类似性质的产品形成了对比。
在某些实施方案中，提供了通过将干燥水泥材料与水组合并允许其凝结和硬化来产生的固体产品，其中所述固体产品具有以下各者中的至少一者、两者、三者、四者、五者、六者或全部：(i)30-400MPa的抗压强度；(ii)10-75Mpa的抗拉强度；(iii)40-120Gpa的弹性模量；(iv)0.5％-5％的孔体积范围：(v)0.001至0.055kg/m2/h0.5的吸水率系数；(vi)500℃至2000℃的耐火极限范围；(vii)40％-98％的二氧化碳排放减少，这与由常规水泥制成的具有类似性质的产品形成了对比。在某些实施方案中，干燥水泥材料不含补充水泥材料。在某些实施方案中，干燥水泥材料含有少于5％的OPC。在某些实施方案中，干燥水泥材料包含至少一种水泥替代材料和至少一种碱性激发材料。在某些实施方案中，固体产品具有：(i)150-400Mpa的抗压强度；(ii)35-75Mpa的抗拉强度；以及(iii)1000℃至2000℃的耐火极限范围。
任选的碳化过程
碳化过程涉及混凝土的碳矿化以及将CO2和/或甲烷捕获到混凝土混合物中。使用CO2和/或甲烷的添加来使水泥矿化存在四种方法；二氧化碳和/或甲烷的添加可在干研磨、混合水、湿混合混凝土和/或混凝土产品固化中的一者或多者处发生。
研磨在如本文所描述的过程中研磨包含水泥替代材料、碱性激发剂和任选的粘结材料和/或凝结时间增强剂材料的材料。二氧化碳和/或甲烷可在研磨过程的任何合适的阶段以合适的添加速率(例如，每分钟1-5kg)施加到所述材料。
泵送到湿混合物中将水泥材料连同添加的骨料、沙子和水一起添加到混合装置，例如气密的混合装置。将CO2和/或甲烷以合适的速率泵送到混合物中，例如以每分钟5至15kg的范围泵送到材料中并且混合在一起。
溶解到水中将二氧化碳和/或甲烷泵送到含H2O的混合物中并且溶解到水中，直到达到最大饱和度为止。然后将所述材料添加到由水泥替代材料、碱性激发剂、粘结材料和/或凝结时间增强剂材料、骨料和/或沙子组成的水泥混合物中。
在碳腔室中固化将包含水泥替代材料、碱性激发剂、粘结材料和/或凝结时间增强剂材料、骨料、沙子和水的水泥混合物放入腔室中，以合适的速率(例如，每分钟1至5kg的范围)将CO2和/或甲烷泵送到腔室中，将所述材料在这些条件下放置约24小时以进行固化。
实施方案
在实施方案1中，本文提供一种干燥微粒组合物，所述干燥微粒组合物包含：(i)一种或多种水泥前体；以及(ii)一种或多种碱性激发剂。在实施方案2中，本文提供实施方案1的组合物，所述组合物为地聚合物水泥。在实施方案3中，本文提供实施方案1或2的组合物，其中所述微粒组合物的颗粒是在1-100um，更优选地2-50um、甚至更优选地3-40um以及甚至还更优选地5-30um的尺寸范围内。在实施方案4中，本文提供实施方案1至3中任一项的组合物，其中所述一种或多种水泥前体中的至少5％、优选地至少10％、更优选地至少15％是呈无定形形式。在实施方案5中，本文提供实施方案1至4中任一项的组合物，其中所述一种或多种水泥前体按以下重量％存在：50％-99.5％，在优选的实施方案中为60％-98％，在更优选的实施方案中为75％-97％。在实施方案6中，本文提供实施方案1至5中任一项的组合物，其中所述一种或多种碱性激发剂按以下重量％存在：1％-25％，在优选的实施方案中为1％-20％，在更优选的实施方案中为1％-15％，在甚至更优选的实施方案中为1％-10％，在甚至还更优选的实施方案中为1％-5％。在实施方案7中，本文提供实施方案1至6中任一项的组合物，其中所述一种或多种水泥前体包含以下各者中的一者或多者：硅铝酸盐、silxo-铝酸盐、聚(氧化硅)/聚(硅氧烷酸酯)/聚(硅醇)、聚(铝硅酸铁)、原硅酸盐、原(硅氧烷酸酯)、低聚硅酸盐、水方钠石、三甲基硅醇或磷酸盐基材料。在实施方案8中，本文提供实施方案1至7中任一项的组合物，其中所述一种或多种水泥前体包含一种或多种硅铝酸盐和/或一种或多种聚(铝硅酸铁)。在实施方案9中，本文提供实施方案1至7中任一项的组合物，其中所述一种或多种水泥前体包含泻湖灰、碱性氧渣(BOS)、电弧炉(EAF)渣、轧屑、脱硫渣、黑/白渣、煤粉灰、高炉烟灰、赤泥和/或铁矿石团块。在实施方案10中，本文提供实施方案1至7中任一项的组合物，其中所述一种或多种水泥前体包含以下各者中的至少两者：泻湖灰、碱性氧渣(BOS)、电弧炉(EAF)渣、轧屑、脱硫渣、黑/白渣、煤粉灰、高炉烟灰、赤泥和/或铁矿石团块。在实施方案11中，本文提供实施方案1至10中任一项的组合物，其中所述一种或多种碱性激发剂包含硅酸钾、氢氧化钾、氢氧化钠、硅酸钠、氢氧化钙、氢氧化镁、反应性氧化镁、氯化钙、碳酸钠、二氧化硅、铝酸钠、硫酸钙、硫酸钠或白云石或其组合。在实施方案12中，本文提供实施方案1至10中任一项的组合物，其中所述一种或多种碱性激发剂包含以下各者中的至少两者：硅酸钾、氢氧化钾、氢氧化钠、硅酸钠、氢氧化钙、氢氧化镁、反应性氧化镁、氯化钙、碳酸钠、二氧化硅、铝酸钠、硫酸钙、硫酸钠或白云石或其组合。在实施方案13中，本文提供实施方案1至12中任一项的组合物，其中所述干燥微粒材料例如地聚合物水泥是在一个过程中生产，对于给定量的所述干燥微粒材料例如地聚合物水泥，所述过程产生比在包括煅烧石灰石的过程中相同量的非地聚合物水泥的生产少40％-100％，至少40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％或97％和/或不超过45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％、97％、98％、99％或100％的二氧化碳。在实施方案14中，本文提供一种湿水泥组合物，所述湿水泥组合物包含实施方案1至13中任一项的组合物、水以及包含硅酸盐化合物和氢氧化物化合物的掺加物。在实施方案15中，本文提供实施方案14的湿水泥组合物，其中所述硅酸盐化合物和所述氢氧化物化合物以0.5至3.0，优选地1.0-2.0，更优选地1.0-1.5硅酸盐:氢氧化物的摩尔比存在。
在实施方案16中，本文提供一种湿水泥组合物，所述湿水泥组合物包含：(i)地聚合物水泥；(ii)水；以及(iii)包含硅酸盐化合物和氢氧化物化合物的掺加物。在实施方案17中，本文提供实施方案16的组合物，其中所述掺加物包含硅酸钠或硅酸钾，以及氢氧化钠或氢氧化钾。在实施方案18中，本文提供实施方案17的组合物，其中所述掺加物包含硅酸钾和氢氧化钾。在实施方案19中，本文提供实施方案16至18中任一项的组合物，其中所述硅酸盐化合物和所述氢氧化物化合物以0.5至3.0，优选地1.0-2.0，更优选地1.0-1.5硅酸盐:氢氧化物的摩尔比存在。在实施方案20中，本文提供实施方案16至19中任一项的组合物，其中所述掺加物以0.5％-40％水泥重量(bwc)，优选地1％-35％bwc存在。在实施方案21中，本文提供实施方案16至19中任一项的组合物，其中所述掺加物以2％-40％bwc，优选地4％-35％bwc，甚至更优选地20％-35％bwc存在。在实施方案22中，本文提供实施方案16至19中任一项的组合物，其中所述掺加物以0.25％-35％bwc，优选地0.5％-30％，更优选地0.5％-10％，甚至更优选地0.5％-5％bwc存在。在实施方案23中，本文提供实施方案16至22中任一项的组合物，所述组合物还包含所述地聚合物水泥和所述掺加物的反应产物。在实施方案24中，本文提供实施方案16至23中任一项的组合物，其中所述地聚合物包含一种或多种水泥前体和一种或多种碱性激发剂。在实施方案25中，本文提供实施方案25的组合物，其中所述一种或多种水泥前体包含以下各者中的一者或多者：硅铝酸盐、silxo-铝酸盐、聚(氧化硅)/聚(硅氧烷酸酯)/聚(硅醇)、聚(铝硅酸铁)、原硅酸盐、原(硅氧烷酸酯)、低聚硅酸盐、水方钠石、三甲基硅醇或磷酸盐基材料。在实施方案26中，本文提供实施方案25的组合物，其中所述一种或多种水泥前体包含一种或多种硅铝酸盐和/或一种或多种聚(铝硅酸铁)，诸如以下各者中的一者或多者：泻湖灰、碱性氧渣(BOS)、电弧炉(EAF)渣、轧屑、脱硫渣、黑/白渣、煤粉灰、高炉烟灰、赤泥和/或铁矿石团块。在实施方案27中，本文提供实施方案24至26中任一项的组合物，所述组合物包含所述水泥前体中的至少两种。在实施方案28中，本文提供实施方案24至27中任一项的组合物，其中所述碱性激发剂包含以下各者中的一者或多者：硅酸钾、氢氧化钾、氢氧化钠、硅酸钠、氢氧化钙、氢氧化镁、反应性氧化镁、氯化钙、碳酸钠、二氧化硅、铝酸钠、硫酸钙、硫酸钠或白云石或其组合。在实施方案29中，本文提供实施方案28的组合物，所述组合物包含以下各者中的至少两者：硅酸钾、氢氧化钾、氢氧化钠、硅酸钠、氢氧化钙、氢氧化镁、反应性氧化镁、氯化钙、碳酸钠、二氧化硅、铝酸钠、硫酸钙、硫酸钠或白云石或其组合。在实施方案30中，本文提供实施方案16至29中任一项的组合物，所述组合物还包含非地聚合物水泥。在实施方案31中，本文提供实施方案30的组合物，其中所述非地聚合物水泥是普通波特兰水泥(OPC)。在实施方案32中，本文提供实施方案30或31的组合物，其中所述非地聚合物水泥例如OPC以按重量计小于50％、40％、30％、20％、15％、10％或5％和/或至少0.1％、0.2％、0.5％或1％，优选地0.1％-30％，更优选地0.5％-20％，甚至更优选地1％-15％的量存在。在实施方案33中，本文提供实施方案16至32中任一项的组合物，所述组合物还包含骨料。
在实施方案34中，本文提供一种用于生产地聚合物水泥的方法，所述方法包括使一种或多种水泥前体和一种或多种碱性激发剂经历一个过程，所述过程包括对所述一种或多种水泥前体和所述一种或多种碱性激发剂进行组合和处理以产生地聚合物水泥，其中所述方法包括以下各者中的至少一者：(i)所述方法是连续方法；(ii)组合和处理的持续时间不超过60秒；(iii)所述方法不需要研磨或碾磨；(iv)所述方法不需要在所述组合和/或处理期间添加外源性热量；(v)所述方法产生准备好使用的地聚合物水泥。在实施方案35中，本文提供实施方案34的方法，所述方法包括以下各者中的至少两者：(i)所述方法是连续方法；(ii)组合和处理的持续时间不超过60秒；(iii)所述方法不需要研磨或碾磨；(iv)所述方法不需要在所述组合和/或处理期间添加外源性热量；(v)所述方法产生准备好使用的地聚合物水泥。在实施方案36中，本文提供实施方案34的方法，所述方法包括以下各者中的至少三者：(i)所述方法是连续方法；(ii)组合和处理的持续时间不超过60秒；(iii)所述方法不需要研磨或碾磨；(iv)所述方法不需要在所述组合和/或处理期间添加外源性热量；(v)所述方法产生准备好使用的地聚合物水泥。在实施方案37中，本文提供实施方案34的方法，所述方法包括以下各者中的至少四者：(i)所述方法是连续方法；(ii)组合和处理的持续时间不超过60秒；(iii)所述方法不需要研磨或碾磨；(iv)所述方法不需要在所述组合和/或处理期间添加外源性热量；(v)所述方法产生准备好使用的地聚合物水泥。在实施方案38中，本文提供实施方案34的方法，所述方法包括：(i)所述方法是连续方法；(ii)组合和处理的持续时间不超过60秒；(iii)所述方法不需要研磨或碾磨；(iv)所述方法不需要在所述组合和/或处理期间添加外源性热量；(v)所述方法产生准备好使用的地聚合物水泥。
在实施方案39中，本文提供一种用于生产地聚合物水泥的系统，所述系统包括：(i)水泥前体源；(ii)碱性激发剂源；以及(iii)处理单元，所述处理单元用于处理所述水泥前体和所述碱性激发剂以产生地聚合物水泥。在实施方案40中，本文提供实施方案39的系统，其中所述处理单元包括冲击式混合机。
在实施方案41中，本文提供一种网络，所述网络包括多个空间上分开的地聚合物生产系统，其中所述系统中的每一个向中央处理单元发送关于所述系统处的一个或多个过程的一个或多个方面的信息。在实施方案42中，本文提供实施方案41的网络，其中所述中央处理单元处理所述信息并且向所述空间上分开的地聚合物生产系统中的一个或多个发送输出，诸如导致所述一个或多个空间上分开的地聚合物生产系统发生变化的输出。在实施方案43中，本文提供实施方案41或实施方案42的网络，其中所述网络包括至少2、3、4、5、6、7、8、10、12、15、20、25、30、40、50、70、100、200或500个空间上分开的地聚合物生产系统和/或不超过3、4、5、6、7、8、10、12、15、20、25、30、40、50、70、100、200、500或1000个空间上分开的地聚合物生产系统，优选地2-1000个系统，更优选地2-200个系统，甚至更优选地2-100个系统。在实施方案44中，本文提供实施方案41至43中任一项的网络，其中所述地聚合物生产系统中的至少一个包括冲击式混合机。
在实施方案45中，本文提供一种用于处理一种或多种水泥前体和一种或多种碱性激发剂以生产水泥产品例如地聚合物水泥的方法，其中所述方法不需要且不利用研磨或碾磨，而且不需要且不利用向材料添加外源性热量，并且其中将所述材料处理少于600、500、400、300、200、100、50、40、30、25、20、17、15、14、13、12、11、10、9、8、7、6、5、4、3或2秒和/或不超过1000、600、500、400、300、200、100、50、40、30、25、20、17、15、14、13、12、11、10、9、8、7、6、5、4或3秒，优选地少于30秒，更优选地少于20秒，甚至更优选地少于10秒。在实施方案46中，本文提供实施方案45的方法，其中所述方法是连续的。在实施方案47中，本文提供一种通过实施方案45或46的方法生产的干燥微粒材料。
在实施方案48中，本文提供一种用于处理一种或多种起始材料以生产一种或多种水泥产品的方法，所述方法包括将所述一种或多种起始材料引入到冲击式混合机中，在其中所述起始材料经受冲击混合以产生所述一种或多种水泥产品。在实施方案49中，本文提供实施方案48的方法，其中所述一种或多种起始材料包含一种或多种水泥前体。在实施方案50中，本文提供实施方案49的方法，其中所述一种或多种起始材料还包含一种或多种碱性激发剂。在实施方案51中，本文提供实施方案49或50的方法，其中所述一种或多种水泥前体包含以下各者中的一者或多者：硅铝酸盐、silxo-铝酸盐、聚(氧化硅)/聚(硅氧烷酸酯)/聚(硅醇)、聚(铝硅酸铁)、原硅酸盐、原(硅氧烷酸酯)、低聚硅酸盐、水方钠石、三甲基硅醇或磷酸盐基材料。在实施方案52中，本文提供实施方案51的方法，其中所述一种或多种水泥前体包含一种或多种硅铝酸盐和/或一种或多种聚(铝硅酸铁)，诸如以下各者中的一者或多者：泻湖灰、碱性氧渣(BOS)、电弧炉(EAF)渣、轧屑、脱硫渣、黑/白渣、煤粉灰、高炉烟灰、赤泥和/或铁矿石团块。在实施方案53中，本文提供实施方案52的方法，其中所述一种或多种碱性激发剂包含以下各者中的一者或多者：硅酸钾、氢氧化钾、氢氧化钠、硅酸钠、氢氧化钙、氢氧化镁、反应性氧化镁、氯化钙、碳酸钠、二氧化硅、铝酸钠、硫酸钙、硫酸钠或白云石或其组合。在实施方案54中，本文提供实施方案48至53中任一项的方法，其中将所述起始材料例如水泥前体和碱性激发剂以单一进料流引入到所述冲击式混合机中。在实施方案55中，本文提供实施方案48至54中任一项的方法，其中所述过程是连续过程。在实施方案56中，本文提供实施方案48至55中任一项的方法，其中所述一种或多种水泥产品包括地聚合物水泥。在实施方案57中，本文提供实施方案48至56中任一项的方法，其中所述起始材料在所述冲击式混合机中停留少于600、500、400、300、200、100、50、40、30、25、20、17、15、14、13、12、11、10、9、8、7、6、5、4、3或2秒和/或不超过1000、600、500、400、300、200、100、50、40、30、25、20、17、15、14、13、12、11、10、9、8、7、6、5、4或3秒，优选地少于30秒，更优选地少于20秒，甚至更优选地少于10秒。在实施方案58中，本文提供一种通过实施方案48至57中任一项的方法生产的地聚合物水泥。
在实施方案59中，本文提供一种用于生产水泥材料的系统，其中所述系统包括：(i)一个或多个起始材料源，所述一个或多个起始材料源可操作地连接到(ii)冲击式混合机，所述冲击式混合机被配置为处理所述起始材料以生产水泥产品。在实施方案60中，本文提供实施方案59的系统，其中所述一个或多个起始材料源包括水泥前体源和碱性激发剂源。在实施方案61中，本文提供实施方案59或60的系统，其中所述冲击式混合机被配置为减小所述起始材料的尺寸并且混合所述起始材料。在实施方案62中，本文提供实施方案59至61中任一项的系统，其中所述冲击式混合机包括(a)导管，所述导管可操作地连接到一个或多个起始材料源和所述冲击式混合机，以将所述起始材料引入到所述冲击式混合机中，(b)轴，一个或多个叶片附接到所述轴，其中所述轴和所述叶片被包封在可操作地连接到所述导管的圆柱形腔室中，其中所述冲击式混合机被配置为使所述轴以期望的速率旋转。在实施方案63中，本文提供实施方案62的系统，其中所述一个或多个叶片包括附接到所述轴的至少1、2、3、4、5、6、8、10、12、14、16、20、24、28或32且不超过36、32、28、24、20、16、14、12、10、8、6、5、4、3或2个叶片，例如1-32个叶片，优选地4-28个叶片，更优选地8-24个叶片，甚至更优选地10-20个叶片，还更优选地12-16个叶片。在实施方案64中，本文提供实施方案62或63的系统，其中所述轴是垂直的，并且所述叶片相对于水平面成以下角度定位：至少5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°、75°或80°和/或不超过10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°、75°、80°或85°，例如5°-85°，优选地25°-75°，更优选地45°-75°。在实施方案65中，本文提供实施方案62至64中任一项的系统，其中每个叶片包括：基部，所述基部具有第一长度，附接到叶毂，所述叶毂进一步附接到所述轴；以及尖端，所述尖端在所述近侧基部的远侧并且具有第二长度，其中所述尖端的表面与所述圆柱形腔室相邻但不与所述圆柱形腔室接触。在实施方案66中，本文提供实施方案65的系统，其中所述第二长度与所述第一长度的比率为至少0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9或2且不超过5、2、1.9、1.8、1.7、1.6、1.5、1.4、1.3、1.2、1.1、1、0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4、0.3或0.2，例如0.2-5，优选地0.2-2，更优选地0.2-1，甚至更优选地0.2-0.8，还更优选地0.4-0.6；在某些实施方案中，所述比率为0.5。在实施方案67中，本文提供实施方案62至66中任一项的系统，其中所述导管与圆柱体成一定角度定位。在实施方案68中，本文提供实施方案67的系统，其中所述圆柱体是垂直的并且所述角度是与垂直面成至少5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°或75°和/或与垂直面成不超过10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°、75°或80°；优选地与垂直面成20°-70°，更优选地与垂直面成30°-60°，甚至更优选地与垂直面成40°-50°。在实施方案69中，本文提供实施方案59至68中任一项的系统，其中所述冲击式混合机包括出口，水泥产品通过所述出口离开所述混合机。在实施方案70中，本文提供实施方案69的系统，所述系统还包括加工系统，所述加工系统可操作地连接到所述出口以加工所述水泥产品。在实施方案71中，本文提供实施方案70的系统，其中所述加工系统被配置为包装所述水泥产品以运输到最终用户处。在实施方案72中，本文提供实施方案59至71中任一项的系统，所述系统还包括一个或多个预加工单元，所述一个或多个预加工单元可操作地连接到所述一个或多个起始材料源，以在引入到所述冲击式混合机中之前对所述起始材料进行预加工。在实施方案73中，本文提供实施方案59至72中任一项的系统，其中所述系统被配置为例如通过马达使所述轴按以下速度旋转：至少100、200、300、400、500、600、700、800、900、1000、1200、1400、1600、1800、2000、2200、2400、2600、2800、3000、3200、3400、3600、3800、4000、4200、4400、4600、4800、5200、5400、5600或5800RPM和/或不超过200、300、400、500、600、700、800、900、1000、1200、1400、1600、1800、2000、2200、2400、2600、2800、3000、3200、3400、3600、3800、4000、4200、4400、4600、4800、5200、5400、5600、5800或6000RPM，例如100-6000RPM，优选地500-5000RPM，更优选地1000-2000RPM。在实施方案74中，本文提供实施方案59至73中任一项的系统，其中所述系统被配置用于连续操作。在实施方案75中，本文提供实施方案59至74中任一项的系统，其中所述系统被配置为在以下时间内处理所述起始材料以生产水泥产品：少于600、500、400、300、200、100、50、40、30、25、20、17、15、14、13、12、11、10、9、8、7、6、5、4、3或2秒和/或不超过1000、600、500、400、300、200、100、50、40、30、25、20、17、15、14、13、12、11、10、9、8、7、6、5、4或3秒，优选地少于30秒，更优选地少于20秒，甚至更优选地少于10秒。
在实施方案76中，本文提供一种用于处理一种或多种起始材料以生产水泥产品的系统，所述系统包括：(i)第一起始材料的第一源；(ii)第二起始材料的第二源；以及(iii)处理单元，其中所述第一起始材料和所述第二起始材料被处理来生产水泥产品，其中所述第一源和所述第二源可操作地连接到所述处理单元。在实施方案77中，本文提供实施方案76的系统，其中所述处理单元被配置为使得所述处理单元不利用碾磨或研磨。在实施方案78中，本文提供实施方案76或实施方案77的系统，其中所述处理单元被配置为使得所述处理单元不向所述起始材料供应外源性热量。在实施方案79中，本文提供实施方案76至78中任一项的系统，其中所述处理单元被配置为使所有起始材料同时进入所述处理单元。在实施方案80中，本文提供实施方案76至79中任一项的系统，其中所述处理单元被配置为允许连续处理所述起始材料。在实施方案81中，本文提供实施方案76至80中任一项的系统，其中所述处理单元被配置为在起始材料在所述处理单元中停留少于600、500、400、300、200、100、50、40、30、25、20、17、15、14、13、12、11、10、9、8、7、6、5、4、3或2秒和/或不超过1000、600、500、400、300、200、100、50、40、30、25、20、17、15、14、13、12、11、10、9、8、7、6、5、4或3秒，优选地少于30秒，更优选地少于20秒，甚至更优选地少于10秒时处理所述起始材料。在实施方案82中，本文提供实施方案76至81中任一项的系统，所述系统还包括出口，水泥产品在所述出口处离开所述处理单元。在实施方案83中，本文提供实施方案82的系统，所述系统还包括用于包装水泥产品的包装单元和/或用于储存水泥产品的储存单元，所述单元可操作地连接到所述出口。
实施例
除非另有指示，否则实施例1-10中使用的程序如下：
材料来源废物材料来源于当地工业合作伙伴，包括美国钢铁公司、The Heritagegroup和ArcelorMittal。化学材料来源于在线供应商，包括cheMondis、Univar solutions和Cole chemicals。
碾磨机RetschTMPM100和RetschTMTM 300，取决于批次的尺寸。
| 机器 | 罐尺寸 | 罐材质 | 球尺寸mm | 球材质 |
| Retsch PM100 | 500ml | 不锈钢 | 3至15 | 不锈钢 |
| Retsch TM 300 | 5升 | 不锈钢 | 3至15 | 不锈钢 |
方法以75％-97％的范围(如果是单一的话)称量出水泥替代材料，或以8％-55％(如果共混的话)称量出每种水泥替代材料，并且放入具有范围在8至15mm之间的球的球罐中。然后将水泥替代材料在球磨机(Retsch PM100和Retsch TM 300)中以400至650RPM的速度共混1至10分钟，直到材料处于130-150um的第一尺寸范围为止。
然后以1％-20％的范围(如果是单一或共混的话)称量出碱性激发材料，并且放入具有范围在4至12mm之间的球的球罐中。然后将碱性激发材料在球磨机(Retsch PM100和Retsch TM 300)中以300-650RPM的速度共混1至24分钟，直到材料处于100-120um的第二尺寸范围为止。
将5％-38％的材料从研磨罐中移出并且使其保持在这个粒度。
在使用粘结材料的实施例中，接着以1％-25％的范围(如果是单一的话)称量出粘结材料，或以5％-20％(如果共混的话)称量出每种粘结材料，并且放入具有范围在3至8mm之间的球的球罐中。然后将有或没有粘结材料的材料在球磨机(Retsch PM100和Retsch TM300)中以100-400RPM的速度共混1至15分钟范围的时间，直到所述材料处于30-100um的第三尺寸范围为止。
将4％-54％的材料从研磨罐中移出并且使其保持在这个粒度。
在仅使用凝结时间增强剂材料的实施例中，以1％-25％的范围(如果是单一的话)称量出凝结时间增强剂材料，或以5％-20％(如果共混的话)称量出每种凝结时间增强剂材料，并且放入具有范围在3至8mm之间的球的球罐中。然后将有或没有凝结时间增强剂材料的材料在球磨机(Retsch PM100和Retsch TM 300)中以100-400RPM的速度共混1至15分钟，直到所述材料处于5-200um或30-100um的第三尺寸范围为止。
将4％-54％的材料从研磨罐中移出并且使其保持在这个粒度。
如果同时使用粘结材料和凝结时间增强剂材料两者，则将粘结材料研磨到第三尺寸并且将凝结时间增强剂研磨到第四尺寸。如果仅使用其中一者或另一者，或两者都不使用，则将材料研磨到第三尺寸，然后进一步研磨到第四尺寸。
当使用粘结材料和凝结时间增强剂材料两者时，在产生第三材料之后，以1％-25％的范围(如果是单一的话)称量出凝结时间增强剂材料，或以5％-20％(如果共混的话)称量出每种凝结时间增强剂材料，并且放入具有范围在3至5mm之间的球的球罐中。然后将凝结时间增强剂材料在球磨机(Retsch PM100和Retsch TM 300)中以100-550RPM的速度共混1至18分钟范围的时间，直到所述材料处于0.1-80um或0.1-30um的第四尺寸范围为止。
将8％-65％的材料从研磨罐中移出并且使其保持在这个粒度。
将所有粒度的水泥粘合剂、碱性激发剂、粘结材料(如果使用的话)和凝结时间增强剂(如果使用的话)添加回到球磨机中并且以100-250RPM的速度共混30秒至2分钟。
然后将所述材料称量出期望的重量并添加水，接着将所述材料在Metcalfe混合机中混合并混合4到15分钟。
然后将所述材料浇注到50x50x50mm的钢模具中，并且放到0-50度的室温下固化。在立方体凝结并硬化之后收集数据。
实施例1
混合设计实施例1：
蘑细矿渣-65％-95％
硅粉-2％-29％
硅酸钠-1％-15％
反应性氧化镁-1％-12％
斜长石-1％-15％
沸石-1％-20％
水-1％-30％
总体数据集
所有测试都以一式三份的形式进行，并且结果的平均值在下表中。
本实施例的示例性具体混合设计以及对应的性质为：
磨细矿渣-19g
硅粉-5g
硅酸钠-3g
反应性氧化镁-2g
斜长石-3g
沸石-4g
水-6g
数据集
所有测试都以一式三份的形式进行，并且结果的平均值在下表中。
实施例2
混合设计实施例2：
铝土矿尾矿-45％-95％
底灰-20％-85％
硅酸钾-1％-20％
氢氧化钾-1％-17％
氧化钙-1％-11％
水-1％-32％
数据集
所有测试都以一式三份的形式进行，并且结果的平均值在下表中。
本实施例的示例性具体混合设计以及对应的性质为：
铝土矿尾矿-19g
底灰-22g
硅酸钾-9g
氢氧化钾-6g
氧化钙-4g
水-8g
数据集
所有测试都以一式三份的形式进行，并且结果的平均值在下表中。
实施例3
混合设计实施例3：
GGBS-40％-85％
粉煤灰-35％-90％
沸石-0％-35％
氢氧化钠-0％-25％
硅酸钠-2％-31％
水-5％-33％
数据集
所有测试都以一式三份的形式进行，并且结果的平均值在下表中。
本实施例的示例性具体混合设计以及对应的性质为：
GGBS-19g
粉煤灰-11g
沸石-6g
氢氧化钠-8g
硅酸钠-5g
水-6g
数据集
所有测试都以一式三份的形式进行，并且结果的平均值在下表中。
实施例4
混合设计实施例4：
熟石灰-30％-95％
硅粉-3％-29％
硅酸钾-3％-28％
氢氧化钾-0％-25％
水-5％-31％
数据集
所有测试都以一式三份的形式进行，并且结果的平均值在下表中。
本实施例的示例性具体混合设计以及对应的性质为：
熟石灰-17g
硅粉-8g
硅酸钾-6g
氢氧化钾-7g
水-7g
数据集
所有测试都以一式三份的形式进行，并且结果的平均值在下表中。
实施例5
混合设计实施例5：
熟石灰-56％-94％
GGBS-34％-94％
氢氧化钠-0％-25％
硅酸钠-0％-23％
沸石-0％-34％
窑灰-0％-35％
水-5％-29％
数据集
所有测试都以一式三份的形式进行，并且结果的平均值在下表中。
本实施例的示例性具体混合设计以及对应的性质为：
熟石灰-15g
GGBS-12g
氢氧化钠-6g
硅酸钠-8g
沸石-11g
窑灰-9g
水-8g
数据集
所有测试都以一式三份的形式进行，并且结果的平均值在下表中。
实施例6
混合设计实施例6：
池灰-56％-94％
硅粉-3％-34％
GGBS-0％-56％
氢氧化钾-0％-23％
硅酸钾-0％-34％
水-5％-29％
数据集
所有测试都以一式三份的形式进行，并且结果的平均值在下表中。
本实施例的示例性具体混合设计以及对应的性质为：
池灰-14g
硅粉-8g
GGBS-7g
氢氧化钾-5g
硅酸钾-6g
水-8g
数据集
所有测试都以一式三份的形式进行，并且结果的平均值在下表中。
实施例7
混合设计实施例7：
煤灰-56％-94％
粉煤灰-0％-83％
GGBS-0％-74％
硅酸钠-0％-23％
氢氧化钠-0％-34％
水-5％-33％
数据集
所有测试都以一式三份的形式进行，并且结果的平均值在下表中。
本实施例的示例性具体混合设计以及对应的性质为：
煤灰-12g
粉煤灰-6g
GGBS-18g
硅酸钠-9g
氢氧化钠-11g
水-8g
数据集
所有测试都以一式三份的形式进行，并且结果的平均值在下表中。
实施例8
混合设计实施例8：
电弧炉渣-56％-94％
氢氧化钾-0％-25％
硅酸钾-0％-23％
辉石-0％-34％
VCAS--0％-35％
水-5％-29％
数据集
所有测试都以一式三份的形式进行，并且结果的平均值在下表中。
本实施例的示例性具体混合设计以及对应的性质为：
电弧炉渣-21g
氢氧化钾-8g
硅酸钾-9g
辉石-11g
VCAS-8g
水-9g
数据集
所有测试都以一式三份的形式进行，并且结果的平均值在下表中。
实施例9
混合设计实施例9：
铜尾矿-56％-94％
窑灰-34％-94％
氢氧化镁-0％-25％
硅酸钠-0％-23％
沸石-0％-34％
水-5％-29％
数据集
所有测试都以一式三份的形式进行，并且结果的平均值在下表中。
本实施例的示例性具体混合设计以及对应的性质为：
铜尾矿-16g
窑灰-13g
氢氧化镁-8g
硅酸钠-9g
沸石-12g
水-8g
数据集
所有测试都以一式三份的形式进行，并且结果的平均值在下表中。
实施例10
混合设计实施例10：
底灰-56％-94％
铝酸钙-34％-94％
氢氧化钠-0％-25％
长石材料-0％-35％
硅酸钠-0％-23％
水泥窑灰-0％-35％
水-5％-29％
数据集
所有测试都以一式三份的形式进行，并且结果的平均值在下表中。
本实施例的示例性具体混合设计以及对应的性质为：
底灰-19g
铝酸钙-10g
氢氧化钠-8g
长石材料-6g
硅酸钠-5g
水泥窑灰-9g
水-11g
数据集
所有测试都以一式三份的形式进行，并且结果的平均值在下表中。
实施例11：掺加物制备
在本实施例中，通过使液体硅酸钾溶液与干燥的薄片状氢氧化钾接触来制备硅酸钾和氢氧化钾的混合物，即掺加物(图1)。根据对应于七种不同的SiO2与OH摩尔比(如表1所示为1至1.6)的七种不同的配方来制备掺加物。
基于表1的期望的掺加物配方，将硅酸钾溶液添加到30L带盖塑料桶中，例如在制备掺加物4时添加3200g硅酸钾。通过称量材料来确认所添加的硅酸钾的量。基于表1的期望的掺加物配方，将一定量的氢氧化钾添加到单独的塑料桶中；例如在制备掺加物4时添加1180g氢氧化钾。然后将氢氧化钾缓慢地与硅酸钾混合物组合，同时用木棒搅拌。一旦分散开来，就将盖不完全密封地放在桶上。移除盖，搅拌混合物，并且每5分钟测量一次温度。如果混合物的温度达到>105℃，则使用软管来用冷水冲洗桶的外部以冷却混合物(以保持桶的完整性)。一旦温度开始下降，就每五分钟搅拌一次溶液，另外持续20分钟。一旦混合物的温度达到30℃-40℃，就将混合物另外搅拌一定时间并且在使用前放置24小时。
表1：掺加物配方
| 摩尔比 | 硅酸钾[g] | 氢氧化钾[g] | |
| 掺加物1 | 1 | 1000 | 572.1 |
| 掺加物2 | 1.1 | 1000 | 479.6 |
| 掺加物3 | 1.2 | 1000 | 402.6 |
| 掺加物4 | 1.25 | 3200 | 1180 |
| 掺加物5 | 1.3 | 3200 | 1080 |
| 掺加物6 | 1.4 | 3200 | 901 |
| 掺加物7 | 1.5 | 3200 | 746 |
本实施例证明可用不同的SiO2与OH摩尔比来制备掺加物。
实施例12：超高强度水泥和混凝土的制备
在本实施例中，由磨细高炉渣(GGBS)、碳酸钙、铝酸钙水泥(CAC)、超级磨细高炉渣(其中值粒度为10um或更低；sfGGBS)、氧化铝和硅粉(其中一者或两者可充当碱性激发剂)产生超高强度水泥(图13)。将材料(表2所示的量)连续进料到图5和图6所示的冲击式混合机中，并且在冲击式混合机中进行处理。表3中示出了每种材料在处理前后的平均粒度。冲击式混合机为改良型Hosokawa Flexomix fx160(荷兰)，其中12个叶片组中的每一组被改良为朝向远侧尺寸(图11；1105)逐渐变细到近侧尺寸(即，在叶片基部(图11；1102)处)的宽度的一半，并且以与水平面(图12；1205)成75°的角度(图12；1206和1207)定位。基于如表2所示的每种材料的相对量而对从料斗到冲击式混合机的每种材料的流速进行校准。流向冲击式混合机的材料的总的组合流速为3，800kg/hr，叶片旋转被设定为1，200RPM。将材料连续地传递到冲击式混合机中，其中在冲击式混合机中的平均停留时间为2秒。然后将处理后的材料移动到出口以传送到储存处。
表2：超高强度混凝土配方
表3：平均起始和最终粒度
然后使用上文描述的超高强度水泥，通过与水、骨料、掺加物4(如实施例1所示)、玄武岩纤维和来自Larsen Building Products的Chemcrete 100plus(HP3)(表2所示的量)组合并混合来制备超高强度混凝土。超高强度混凝土展现出2.25分钟的初始凝结时间(此时，混凝土展现出凝胶状稠度)以及8.5分钟的最终凝结时间(此时，可移除模具)。图14中示出了混凝土在1-28天内的抗压强度和抗拉强度。具体地说，图14示出了随时间变化的抗压强度(主轴线、空心圆圈、实线)和抗拉强度(第二轴线、空心方块、虚线)。超高强度混凝土展现出在1、3、7、14和28天时的抗压强度分别为90、120、150、190和250MPa，并且在1、3、7、14和28天时的抗拉强度分别为9、14、17、18和22MPa。
通过生命周期评估(LSA)计算，与等量的普通波特兰水泥(OPC)的制备和使用相比，二氧化碳减免为70％。应当了解，考虑到用本实施例的水泥产生的混凝土的极高强度，通过减少混凝土中使用的水泥的量可实现甚至更大的减免。
本实施例证明，可在快速连续的一步过程中由主要包含工业废物材料的材料生产超高强度水泥，其中使成分经受冲击混合，而不是例如研磨或碾磨，并且可使用所述水泥来产生超高强度混凝土，其凝结时间较快并且最终抗压强度远高于典型混凝土，其二氧化碳产生是用典型水泥(例如，OPC)制成的混凝土的二氧化碳产生的一小部分。
实施例13：超高强度水泥和混凝土的制备
在本实施例中，由磨细高炉渣(GGBS)、碱性氧渣(BOS)和氢氧化钠生产高强度水泥(图15)。将材料(表4所示的量)连续进料到图5和图6所示的冲击式混合机中，并且在冲击式混合机中进行处理。表5中示出了每种材料在处理前后的平均粒粒度。冲击式混合机为改良型Hosokawa Flexomix fx160(荷兰)，其中12个叶片组中的每一组被改良为朝向远侧尺寸(图11；1105)逐渐变细到近侧尺寸(即，在叶片基部(图11；1102)处)的宽度的一半，并且以与水平面(图12；1205)成48°的角度(图12；1206和1207)定位。基于如表4所示的每种材料的相对量而对从料斗到冲击式混合机的每种材料的流速进行校准。流向冲击式混合机的材料的总的组合流速为4,200kg/hr，叶片旋转被设定为1,500RPM。将材料连续地传递到冲击式混合机中，其中在冲击式混合机中的平均停留时间为1.2秒。然后将处理后的材料移动到出口以传送到储存处。
表4：高强度水泥配方
表5：平均起始和最终粒度
使用上文描述的高强度水泥，通过与水、骨料和掺加物4(如实施例1所示)(表4所示的量)组合并混合来制备高强度混凝土。高强度混凝土展现出45分钟的初始凝结时间(此时，混凝土展现出凝胶状稠度)以及180分钟的最终凝结时间(此时，可移除模具)。图16中示出了混凝土在1-28天内的抗压强度和抗拉强度。具体地说，图16示出了随时间变化的抗压强度(主轴线、空心圆圈、实线)和抗拉强度(第二轴线、空心方块、虚线)。高强度混凝土展现出在1、3、7、14和28天时的抗压强度分别为25、34、40、55和75MPa，并且在1、3、7、14和28天时的抗拉强度分别为2.5、3.1、4、6和7.2MPa。
通过生命周期评估(LSA)计算，与等量的普通波特兰水泥(0PC)的制备和使用相比，二氧化碳减免为85％。应当了解，考虑到用本实施例的水泥产生的混凝土的高强度，通过减少混凝土中使用的水泥的量可实现甚至更大的减免。
本实施例证明，可在快速连续的一步过程中生产高强度水泥，在所述过程中仅组合三种成分，其中两种成分为工业废物材料，其中使成分经受冲击混合，而不是例如研磨或碾磨，并且可使用所述水泥来产生高强度混凝土，其凝结时间较快并且最终抗压强度高于典型混凝土，其二氧化碳产生是用典型水泥(例如，OPC)制成的混凝土的二氧化碳产生的一小部分。
实施例14：近碳中和水泥和混凝土的制备
在本实施例中，由磨细高炉渣(GGBS)、石灰石粉和碳酸钠生产四种近碳中和水泥混合物(图17)。将材料(表6所示的量)连续进料到图5和图6所示的冲击式混合机中，并且在冲击式混合机中进行处理。表7中示出了每种材料在处理前后的平均粒粒度。冲击式混合机为改良型Hosokawa Flexomix fx160(荷兰)，其中12个叶片组中的每一组被改良为朝向远侧尺寸(图11；1105)逐渐变细到近侧尺寸(即，在叶片基部(图11；1102)处)的宽度的一半，并且以与水平面(图12；1205)成68°的角度(图12；1206和1207)定位。基于如表6所示的每种材料的相对量而对从料斗到冲击式混合机的每种材料的流速进行校准。流向冲击式混合机的材料的总的组合流速为3,600kg/hr，叶片旋转被设定为1,800RPM。将材料连续地传递到冲击式混合机中，其中在冲击式混合机中的平均停留时间为1.2秒。然后将处理后的材料移动到出口以传送到储存处。
表6：近碳中和水泥配方
表7：平均起始和最终粒度
使用上文描述的四种近碳中和水泥，通过与水、骨料和掺加物4(如实施例1所示)、氢氧化钠或氢氧化钾中的一种(表6所示的量)组合/混合来制备四种近碳中和混凝土。近碳中和混凝土展现出65分钟的初始凝结时间(此时，混凝土展现出凝胶状稠度)以及210分钟的最终凝结时间(此时，可移除模具)。图18至图21中针对混合物1-4示出了混凝土在1-28天内的抗压强度和抗拉强度。具体地说，图18至图21示出了随时间变化的抗压强度(主轴线、空心圆圈、实线)和抗拉强度(第二轴线、空心方块、虚线)。混合物1混凝土展现出在1、3、7、14和28天时的抗压强度分别为20、24、38、44和65MPa，并且在1、3、7、14和28天时的抗拉强度分别为1.8、2.2、4、4.1和5.3Mpa(图18)。混合物2混凝土展现出在1、3、7、14和28天时的抗压强度分别为15、19、25、34和44MPa，并且在1、3、7、14和28天时的抗拉强度分别为1、1.5、2.5、3.1和4Mpa(图19)。混合物3混凝土展现出在1、3、7、14和28天时的抗压强度分别为25、28、36、42和53MPa，并且在1、3、7、14和28天时的抗拉强度分别为2、2.2、3.1、4.1和4.3Mpa(图20)。混合物4混凝土展现出在1、3、7、14和28天时的抗压强度分别为18、22、31、36和43MPa，并且在1、3、7、14和28天时的抗拉强度分别为1.6、1.8、2.9、3.2和3.7Mpa(图21)。混合物1在28天时展现出最高抗压强度和抗拉强度。
通过生命周期评估(LSA)计算，与等量的普通波特兰水泥(0PC)的制备和使用相比，对于所有四种混合物，二氧化碳减免都为95％。
本实施例证明，可在快速连续的一步过程中生产近碳中和水泥，其中使成分经受冲击混合，而不是例如研磨或碾磨，并且可使用所述水泥来产生混凝土，其凝结时间较快并且最终抗压强度处于适合于大多数用途的范围，其二氧化碳产生几乎为零。
虽然本文已示出并描述了本发明的优选的实施方案，但对于本领域技术人员来说将显而易见的是，此类实施方案仅作为实例提供。在不脱离本发明的情况下，本领域技术人员现在将想到许多变化、改变和替代。应当理解，可在实践本发明时采用本文描述的本发明的实施方案的各种替代方案。意图所附权利要求限定本发明的范围并且由此覆盖这些权利要求及其等同物范围内的方法和结构。
Claims (83)
1.一种干燥微粒组合物，所述干燥微粒组合物包含：(i)一种或多种水泥前体；以及(ii)一种或多种碱性激发剂。
2.如权利要求1所述的组合物，所述组合物为地聚合物水泥。
3.如权利要求1或2所述的组合物，其中所述微粒组合物的颗粒是在1-100um，更优选地2-50um、甚至更优选地3-40um以及甚至还更优选地5-30um的尺寸范围内。
4.如权利要求1至3中任一项所述的组合物，其中所述一种或多种水泥前体中的至少5％、优选地至少10％、更优选地至少15％是呈无定形形式。
5.如权利要求1至4中任一项所述的组合物，其中所述一种或多种水泥前体按以下重量％存在：50％-99.5％，在优选的实施方案中为60％-98％，在更优选的实施方案中为75％-97％。
6.如权利要求1至5中任一项所述的组合物，其中所述一种或多种碱性激发剂按以下重量％存在：1％-25％，在优选的实施方案中为1％-20％，在更优选的实施方案中为1％-15％，在甚至更优选的实施方案中为1％-10％，在甚至还更优选的实施方案中为1％-5％。
7.如权利要求1至6中任一项所述的组合物，其中所述一种或多种水泥前体包含以下各者中的一者或多者：硅铝酸盐、silxo-铝酸盐、聚(氧化硅)/聚(硅氧烷酸酯)/聚(硅醇)、聚(铝硅酸铁)、原硅酸盐、原(硅氧烷酸酯)、低聚硅酸盐、水方钠石、三甲基硅醇或磷酸盐基材料。
8.如权利要求1至7中任一项所述的组合物，其中所述一种或多种水泥前体包含一种或多种硅铝酸盐和/或一种或多种聚(铝硅酸铁)。
9.如权利要求1至7中任一项所述的组合物，其中所述一种或多种水泥前体包含泻湖灰、碱性氧渣(BOS)、电弧炉(EAF)渣、轧屑、脱硫渣、黑/白渣、煤粉灰、高炉烟灰、赤泥和/或铁矿石团块。
10.如权利要求1至7中任一项所述的组合物，其中所述一种或多种水泥前体包含以下各者中的至少两者：泻湖灰、碱性氧渣(BOS)、电弧炉(EAF)渣、轧屑、脱硫渣、黑/白渣、煤粉灰、高炉烟灰、赤泥和/或铁矿石团块。
11.如权利要求1至10中任一项所述的组合物，其中所述一种或多种碱性激发剂包含硅酸钾、氢氧化钾、氢氧化钠、硅酸钠、氢氧化钙、氢氧化镁、反应性氧化镁、氯化钙、碳酸钠、二氧化硅、铝酸钠、硫酸钙、硫酸钠或白云石或其组合。
12.如权利要求1至10中任一项所述的组合物，其中所述一种或多种碱性激发剂包含以下各者中的至少两者：硅酸钾、氢氧化钾、氢氧化钠、硅酸钠、氢氧化钙、氢氧化镁、反应性氧化镁、氯化钙、碳酸钠、二氧化硅、铝酸钠、硫酸钙、硫酸钠或白云石或其组合。
13.如权利要求1至12中任一项所述的组合物，其中所述干燥微粒材料例如地聚合物水泥是在一个过程中生产，对于给定量的所述干燥微粒材料例如地聚合物水泥，所述过程产生比在包括煅烧石灰石的过程中相同量的非地聚合物水泥的生产少40％-100％，至少40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％或97％和/或不超过45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％、97％、98％、99％或100％的二氧化碳。
14.一种湿水泥组合物，所述湿水泥组合物包含如权利要求1至13中任一项所述的组合物、水以及包含硅酸盐化合物和氢氧化物化合物的掺加物。
15.如权利要求14所述的湿水泥组合物，其中所述硅酸盐化合物和所述氢氧化物化合物以0.5至3.0，优选地1.0-2.0，更优选地1.0-1.5硅酸盐:氢氧化物的摩尔比存在。
16.一种湿水泥组合物，所述湿水泥组合物包含
(i)地聚合物水泥；
(ii)水；以及
(iii)包含硅酸盐化合物和氢氧化物化合物的掺加物。
17.如权利要求16所述的组合物，其中所述掺加物包含硅酸钠或硅酸钾，以及氢氧化钠或氢氧化钾。
18.如权利要求17所述的组合物，其中所述掺加物包含硅酸钾和氢氧化钾。
19.如权利要求16至18中任一项所述的组合物，其中所述硅酸盐化合物和所述氢氧化物化合物以0.5至3.0，优选地1.0-2.0，更优选地1.0-1.5硅酸盐:氢氧化物的摩尔比存在。
20.如权利要求16至19中任一项所述的组合物，其中所述掺加物以0.5％-40％水泥重量(bwc)，优选地1％-35％bwc存在。
21.如权利要求16至19中任一项所述的组合物，其中所述掺加物以2％-40％bwc，优选地4％-35％bwc，甚至更优选地20％-35％bwc存在。
22.如权利要求16至19中任一项所述的组合物，其中所述掺加物以0.25％-35％bwc，优选地0.5％-30％，更优选地0.5％-10％，甚至更优选地0.5％-5％bwc存在。
23.如权利要求16至22中任一项所述的组合物，所述组合物还包含所述地聚合物水泥和所述掺加物的反应产物。
24.如权利要求16至23中任一项所述的组合物，其中所述地聚合物包含一种或多种水泥前体和一种或多种碱性激发剂。
25.如权利要求24所述的组合物，其中所述一种或多种水泥前体包含以下各者中的一者或多者：硅铝酸盐、silxo-铝酸盐、聚(氧化硅)/聚(硅氧烷酸酯)/聚(硅醇)、聚(铝硅酸铁)、原硅酸盐、原(硅氧烷酸酯)、低聚硅酸盐、水方钠石、三甲基硅醇或磷酸盐基材料。
26.如权利要求25所述的组合物，其中所述一种或多种水泥前体包含一种或多种硅铝酸盐和/或一种或多种聚(铝硅酸铁)，诸如以下各者中的一者或多者：泻湖灰、碱性氧渣(BOS)、电弧炉(EAF)渣、轧屑、脱硫渣、黑/白渣、煤粉灰、高炉烟灰、赤泥和/或铁矿石团块。
27.如权利要求24至26中任一项所述的组合物，所述组合物包含所述水泥前体中的至少两种。
28.如权利要求24至27中任一项所述的组合物，其中所述碱性激发剂包含以下各者中的一者或多者：硅酸钾、氢氧化钾、氢氧化钠、硅酸钠、氢氧化钙、氢氧化镁、反应性氧化镁、氯化钙、碳酸钠、二氧化硅、铝酸钠、硫酸钙、硫酸钠或白云石或其组合。
29.如权利要求28所述的组合物，所述组合物包含以下各者中的至少两者：硅酸钾、氢氧化钾、氢氧化钠、硅酸钠、氢氧化钙、氢氧化镁、反应性氧化镁、氯化钙、碳酸钠、二氧化硅、铝酸钠、硫酸钙、硫酸钠或白云石或其组合。
30.如权利要求16至29中任一项所述的组合物，所述组合物还包含非地聚合物水泥。
31.如权利要求30所述的组合物，其中所述非地聚合物水泥是普通波特兰水泥(OPC)。
32.如权利要求30或31所述的组合物，其中所述非地聚合物水泥例如OPC以按重量计小于50％、40％、30％、20％、15％、10％或5％和/或至少0.1％、0.2％、0.5％或1％，优选地0.1％-30％，更优选地0.5％-20％，甚至更优选地1％-15％的量存在。
33.如权利要求16至32中任一项所述的组合物，所述组合物还包含骨料。
34.一种用于生产地聚合物水泥的方法，所述方法包括使一种或多种水泥前体和一种或多种碱性激发剂经历一个过程，所述过程包括对所述一种或多种水泥前体和所述一种或多种碱性激发剂进行组合和处理以产生地聚合物水泥，其中所述方法包括以下各者中的至少一者：(i)所述方法是连续方法；(ii)组合和处理的持续时间不超过60秒；(iii)所述方法不需要研磨或碾磨；(iv)所述方法不需要在所述组合和/或处理期间添加外源性热量；(v)所述方法产生准备好使用的地聚合物水泥。
35.如权利要求34所述的方法，所述方法包括以下各者中的至少两者：(i)所述方法是连续方法；(ii)组合和处理的持续时间不超过60秒；(iii)所述方法不需要研磨或碾磨；(iv)所述方法不需要在所述组合和/或处理期间添加外源性热量；(v)所述方法产生准备好使用的地聚合物水泥。
36.如权利要求34所述的方法，所述方法包括以下各者中的至少三者：(i)所述方法是连续方法；(ii)组合和处理的持续时间不超过60秒；(iii)所述方法不需要研磨或碾磨；(iv)所述方法不需要在所述组合和/或处理期间添加外源性热量；(v)所述方法产生准备好使用的地聚合物水泥。
37.如权利要求34所述的方法，所述方法包括以下各者中的至少四者：(i)所述方法是连续方法；(ii)组合和处理的持续时间不超过60秒；(iii)所述方法不需要研磨或碾磨；(iv)所述方法不需要在所述组合和/或处理期间添加外源性热量；(v)所述方法产生准备好使用的地聚合物水泥。
38.如权利要求34所述的方法，所述方法包括：(i)所述方法是连续方法；(ii)组合和处理的持续时间不超过60秒；(iii)所述方法不需要研磨或碾磨；(iv)所述方法不需要在所述组合和/或处理期间添加外源性热量；(v)所述方法产生准备好使用的地聚合物水泥。
39.一种用于生产地聚合物水泥的系统，所述系统包括：(i)水泥前体源；(ii)碱性激发剂源；以及(iii)处理单元，所述处理单元用于处理所述水泥前体和所述碱性激发剂以产生地聚合物水泥。
40.如权利要求39所述的系统，其中所述处理单元包括冲击式混合机。
41.一种网络，所述网络包括多个空间上分开的地聚合物生产系统，其中所述系统中的每一个向中央处理单元发送关于所述系统处的一个或多个过程的一个或多个方面的信息。
42.如权利要求41所述的网络，其中所述中央处理单元处理所述信息并且向所述空间上分开的地聚合物生产系统中的一个或多个发送输出，诸如导致所述一个或多个空间上分开的地聚合物生产系统发生变化的输出。
43.如权利要求41或权利要求42所述的网络，其中所述网络包括至少2、3、4、5、6、7、8、10、12、15、20、25、30、40、50、70、100、200或500个空间上分开的地聚合物生产系统和/或不超过3、4、5、6、7、8、10、12、15、20、25、30、40、50、70、100、200、500或1000个空间上分开的地聚合物生产系统，优选地2-1000个系统，更优选地2-200个系统，甚至更优选地2-100个系统。
44.如权利要求41至43中任一项所述的网络，其中所述地聚合物生产系统中的至少一个包括冲击式混合机。
45.一种用于处理一种或多种水泥前体和一种或多种碱性激发剂以生产水泥产品例如地聚合物水泥的方法，其中所述方法不需要且不利用研磨或碾磨，而且不需要且不利用向材料添加外源性热量，并且其中将所述材料处理少于600、500、400、300、200、100、50、40、30、25、20、17、15、14、13、12、11、10、9、8、7、6、5、4、3或2秒和/或不超过1000、600、500、400、300、200、100、50、40、30、25、20、17、15、14、13、12、11、10、9、8、7、6、5、4或3秒，优选地少于30秒，更优选地少于20秒，甚至更优选地少于10秒。
46.如权利要求45所述的方法，其中所述方法是连续的。
47.一种干燥微粒材料，所述干燥微粒材料通过如权利要求45或46所述的方法来生产。
48.一种用于处理一种或多种起始材料以生产一种或多种水泥产品的方法，所述方法包括将所述一种或多种起始材料引入到冲击式混合机中，在其中所述起始材料经受冲击混合以生产所述一种或多种水泥产品。
49.如权利要求48所述的方法，其中所述一种或多种起始材料包含一种或多种水泥前体。
50.如权利要求49所述的方法，其中所述一种或多种起始材料还包含一种或多种碱性激发剂。
51.如权利要求49或50所述的方法，其中所述一种或多种水泥前体包含以下各者中的一者或多者：硅铝酸盐、silxo-铝酸盐、聚(氧化硅)/聚(硅氧烷酸酯)/聚(硅醇)、聚(铝硅酸铁)、原硅酸盐、原(硅氧烷酸酯)、低聚硅酸盐、水方钠石、三甲基硅醇或磷酸盐基材料。
52.如权利要求51所述的方法，其中所述一种或多种水泥前体包含一种或多种硅铝酸盐和/或一种或多种聚(铝硅酸铁)，诸如以下各者中的一者或多者：泻湖灰、碱性氧渣(BOS)、电弧炉(EAF)渣、轧屑、脱硫渣、黑/白渣、煤粉灰、高炉烟灰、赤泥和/或铁矿石团块。
53.如权利要求52所述的方法，其中所述一种或多种碱性激发剂包含以下各者中的一者或多者：硅酸钾、氢氧化钾、氢氧化钠、硅酸钠、氢氧化钙、氢氧化镁、反应性氧化镁、氯化钙、碳酸钠、二氧化硅、铝酸钠、硫酸钙、硫酸钠或白云石或其组合。
54.如权利要求48至53中任一项所述的方法，其中将所述起始材料例如水泥前体和碱性激发剂以单一进料流引入到所述冲击式混合机中。
55.如权利要求48至54中任一项所述的方法，其中所述过程是连续过程。
56.如权利要求48至55中任一项所述的方法，其中所述一种或多种水泥产品包括地聚合物水泥。
57.如权利要求48至56中任一项所述的方法，其中所述起始材料在所述冲击式混合机中停留少于600、500、400、300、200、100、50、40、30、25、20、17、15、14、13、12、11、10、9、8、7、6、5、4、3或2秒和/或不超过1000、600、500、400、300、200、100、50、40、30、25、20、17、15、14、13、12、11、10、9、8、7、6、5、4或3秒，优选地少于30秒，更优选地少于20秒，甚至更优选地少于10秒。
58.一种地聚合物水泥，所述地聚合物水泥通过如权利要求48至57中任一项所述的方法来生产。
59.一种用于生产水泥材料的系统，其中所述系统包括：(i)一个或多个起始材料源，所述一个或多个起始材料源可操作地连接到(ii)冲击式混合机，所述冲击式混合机被配置为处理所述起始材料以生产水泥产品。
60.如权利要求59所述的系统，其中所述一个或多个起始材料源包括水泥前体源和碱性激发剂源。
61.如权利要求59或60所述的系统，其中所述冲击式混合机被配置为减小所述起始材料的尺寸并且混合所述起始材料。
62.如权利要求59至61中任一项所述的系统，其中所述冲击式混合机包括：(a)导管，所述导管可操作地连接到一个或多个起始材料源和所述冲击式混合机，以将所述起始材料引入到所述冲击式混合机中，(b)轴，一个或多个叶片附接到所述轴，其中所述轴和所述叶片被包封在可操作地连接到所述导管的圆柱形腔室中，其中所述冲击式混合机被配置为使所述轴以期望的速率旋转。
63.如权利要求62所述的系统，其中所述一个或多个叶片包括附接到所述轴的至少1、2、3、4、5、6、8、10、12、14、16、20、24、28或32且不超过36、32、28、24、20、16、14、12、10、8、6、5、4、3或2个叶片，例如1-32个叶片，优选地4-28个叶片，更优选地8-24个叶片，甚至更优选地10-20个叶片，还更优选地12-16个叶片。
64.如权利要求62或63所述的系统，其中所述轴是垂直的，并且所述叶片相对于水平面成以下角度定位：至少5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°、75°或80°和/或不超过10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°、75°、80°或85°，例如5°-85°，优选地25°-75°，更优选地45°-75°。
65.如权利要求62至64中任一项所述的系统，其中每个叶片包括：基部，所述基部具有第一长度，附接到叶毂，所述叶毂进一步附接到所述轴；以及尖端，所述尖端在所述近侧基部的远侧并且具有第二长度，其中所述尖端的表面与所述圆柱形腔室相邻但不与所述圆柱形腔室接触。
66.如权利要求65所述的系统，其中所述第二长度与所述第一长度的比率为至少0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9或2且不超过5、2、1.9、1.8、1.7、1.6、1.5、1.4、1.3、1.2、1.1、1、0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4、0.3或0.2，例如0.2-5，优选地0.2-2，更优选地0.2-1，甚至更优选地0.2-0.8，还更优选地0.4-0.6；在某些实施方案中，所述比率为0.5。
67.如权利要求62至66中任一项所述的系统，其中所述导管与圆柱体成一定角度定位。
68.如权利要求67所述的系统，其中所述圆柱体是垂直的并且所述角度是与垂直面成至少5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°或75°和/或与垂直面成不超过10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°、75°或80°；优选地与垂直面成20°-70°，更优选地与垂直面成30°-60°，甚至更优选地与垂直面成40°-50°。
69.如权利要求59至68中任一项所述的系统，其中所述冲击式混合机包括出口，水泥产品通过所述出口离开所述混合机。
70.如权利要求69所述的系统，所述系统还包括加工系统，所述加工系统可操作地连接到所述出口以加工所述水泥产品。
71.如权利要求70所述的系统，其中所述加工系统被配置为包装所述水泥产品以运输到最终用户处。
72.如权利要求59至71中任一项所述的系统，所述系统还包括一个或多个预加工单元，所述一个或多个预加工单元可操作地连接到所述一个或多个起始材料源，以在引入到所述冲击式混合机中之前对所述起始材料进行预加工。
73.如权利要求59至72中任一项所述的系统，其中所述系统被配置为例如通过马达使所述轴按以下速度旋转：至少100、200、300、400、500、600、700、800、900、1000、1200、1400、1600、1800、2000、2200、2400、2600、2800、3000、3200、3400、3600、3800、4000、4200、4400、4600、4800、5200、5400、5600或5800RPM和/或不超过200、300、400、500、600、700、800、900、1000、1200、1400、1600、1800、2000、2200、2400、2600、2800、3000、3200、3400、3600、3800、4000、4200、4400、4600、4800、5200、5400、5600、5800或6000RPM，例如100-6000RPM，优选地500-5000RPM，更优选地1000-2000RPM。
74.如权利要求59至73中任一项所述的系统，其中所述系统被配置用于连续操作。
75.如权利要求59至74中任一项所述的系统，其中所述系统被配置为在以下时间内处理所述起始材料以生产水泥产品：少于600、500、400、300、200、100、50、40、30、25、20、17、15、14、13、12、11、10、9、8、7、6、5、4、3或2秒和/或不超过1000、600、500、400、300、200、100、50、40、30、25、20、17、15、14、13、12、11、10、9、8、7、6、5、4或3秒，优选地少于30秒，更优选地少于20秒，甚至更优选地少于10秒。
76.一种用于处理一种或多种起始材料以生产水泥产品的系统，所述系统包括：(i)第一起始材料的第一源；(ii)第二起始材料的第二源；以及(iii)处理单元，其中所述第一起始材料和所述第二起始材料被处理来生产水泥产品，其中所述第一源和所述第二源可操作地连接到所述处理单元。
77.如权利要求76所述的系统，其中所述处理单元被配置为使得所述处理单元不利用碾磨或研磨。
78.如权利要求76或权利要求77所述的系统，其中所述处理单元被配置为使得所述处理单元不向所述起始材料供应外源性热量。
79.如权利要求76至78中任一项所述的系统，其中所述处理单元被配置为使所有起始材料同时进入所述处理单元。
80.如权利要求76至79中任一项所述的系统，其中所述处理单元被配置为允许连续处理所述起始材料。
81.如权利要求76至80中任一项所述的系统，其中所述处理单元被配置为在起始材料在所述处理单元中停留少于600、500、400、300、200、100、50、40、30、25、20、17、15、14、13、12、11、10、9、8、7、6、5、4、3或2秒和/或不超过1000、600、500、400、300、200、100、50、40、30、25、20、17、15、14、13、12、11、10、9、8、7、6、5、4或3秒，优选地少于30秒，更优选地少于20秒，甚至更优选地少于10秒时处理所述起始材料。
82.如权利要求76至81中任一项所述的系统，所述系统还包括出口，水泥产品在所述出口处离开所述处理单元。
83.如权利要求82所述的系统，所述系统还包括用于包装水泥产品的包装单元和/或用于储存水泥产品的储存单元，所述单元可操作地连接到所述出口。
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