CN1509259A - 用于混凝土和建筑物的集料 - Google Patents

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Abstract

本发明总体上涉及一种形成轻质粉煤灰集料的方法，以及所产生的粉煤灰集料。本发明还涉及形成轻质粉煤灰集料的方法中的各个方面，包括形成粉煤灰浆料或膏体，坯块，或轻质粉煤灰颗粒的方法。形成轻质粉煤灰集料所包括的总的步骤如下所示：I.将粉煤灰与增塑剂及减量的水相混合；II.压实或压缩所得的粉煤灰浆料或膏体；III.通过切割或其他方式将浆料或膏体成型为坯块；IV.加热坯块从而有效地固化膏体或浆料；V.焙烧坯块来烧结粉煤灰；VI.压碎烧结了的坯块并且分级，优选筛分，产生的粉煤灰颗粒，从而得到预定粒径范围内的轻质粉煤灰集料。

Description

用于混凝土和建筑物的集料
发明领域：
本发明总体上涉及一种形成轻质粉煤灰集料(lightweight fly ashaggregate)的方法，以及所产生的粉煤灰集料。本发明还涉及形成轻质粉煤灰集料的方法中的各个方面，包括形成浆料或膏体，坯块(briquette)，或轻质粉煤灰颗粒的方法。
背景技术：
烧结粒化的粉煤灰集料在若干工业化国家，例如英国，美国，日本，印度和北欧，已经进行了商业化生产。这些集料的生产方法要求在对粉煤灰和水的混合物进行粒化后再于1200℃的温度下对球粒进行烧结。这种方法可产生具有高比例空隙度的轻质的球形集料。烧结粒化的粉煤灰集料的生产要求对整个生产过程的高度控制。对于此种类型的轻质集料，本发明人曾经体验过英国生产的名为LYTAG的集料。而该集料被发现在尺寸和质量上有较大的差异。因此这种差异会导致终产物，也就是混凝土的不一致性。因为结构混凝土是最终感兴趣的目的所在，所以必须保证集料的高质量和一致的性能。尤其当此集料被用于重要建筑，例如近海平台时。
在澳大利亚，还没有粉煤灰集料的生产。尽管这个国家的大多数发电厂以煤为能源，并且产生大量的粉煤灰。调查发现将烧结粒化的粉煤灰LYTAG用于高强度混凝土的生产，并可产生抗压强度为70Mpa的混凝土。但是，尽管在最严密的实验条件下，强度值的一致性和可重现性以及可加工性的水平都不高。这种缺陷产生的原因就是所用的轻质集料的不一致性。不一致性主要表现在吸水能力，硬度和粒径分布上。而且，生产高强度的轻质混凝土还要求使用非常大量的普通波特兰水泥。这是极少被鼓励的，因为水泥生产工业由于其高能耗量和高二氧化碳排放量而对环境产生极大的危害。而以前的认识则是，想要通过LYTAG生产高性能的混凝土，就必须使用大量的水泥。这与至少针对环境问题的粉煤灰集料混凝土的最初设想是大相径庭的。
发明内容
本发明的一个方面是提供一种形成轻质粉煤灰集料的方法，该方法包含如下步骤：
将粉煤灰与增塑剂及减量的水相混合从而产生粉煤灰浆料或膏体；
加热粉煤灰浆料或膏体从而能有效地干燥浆料或膏体，并产生粉煤灰坯块；
压碎粉煤灰坯块而得到轻质粉煤灰集料。
该方法优选还包含根据预定的粒径范围来分级粉煤灰集料的步骤。
本发明的另一个方面是提供一种形成粉煤灰的浆料或膏体的方法，所述方法包括将粉煤灰与增塑剂和减量的水相混合，从而产生粉煤灰的浆料和膏体。
增塑剂优选为高效增塑剂(superplastiser)。
优选增塑剂的体积(1)与粉煤灰的重量(Kg)的比为约0.1-5％之间。更优选减量的水的体积量(1)与粉煤灰的重量(Kg)的比为小于约35％。
本发明的又一方面是提供一种形成粉煤灰坯块的方法，所述方法包括如下步骤：
在约40℃至110℃之间加热粉煤灰的浆料和膏体从而有效地固化浆料或膏体，并得到粉煤灰坯块；和
在大约1300℃焙烧粉煤灰坯块。
优选对浆料和膏体的固化是在控制于一定水平的湿度下进行的，例如大约37％的相对湿度。更优选浆料或膏体的固化时间是加长的，约1至4天。
大体上该方法还包括在固化之前对浆料或膏体进行压实或压缩。
本发明的再一方面是提供一种形成轻质粉煤灰颗粒的方法，所述方法包括压碎粉煤灰坯块从而得到轻质的粉煤灰颗粒。
总的来说压碎粉煤灰坯块的步骤能得到具有不规则形状的或多角形的粉煤灰颗粒。一般认为不规则形状的或是多角形的粉煤灰集料能增强其与混凝土中的砂浆基质(matrix)的互锁(interlock)，并因此增加混凝土的强度。
优选该方法还包括根据预定的粒径范围分级粉煤灰颗粒的步骤。更优选分级通过对粉煤灰进行筛分来实现。大致地，预定的粒径范围涵盖了粒径约为75μm至30mm之间的粉煤灰颗粒。
本发明的还一方面是提供一种用于混凝土生产的轻质粉煤灰集料，所述集料具有相对低的吸水能力。
优选所述相对低的吸水能力24小时内测量为小于10％。更优选该吸水能力为2-5％。
优选该轻质粉煤灰集料具有预定范围内的粒径。更优选该预定的粒径范围涵盖了粒径约为75μm至30mm之间的粉煤灰颗粒。总的来说，粒径范围为0.075mm(75μm)至12mm之间。
附图说明
为了能对本发明的本质有一个更好的理解，附图1至10的照片显示了本发明实施例中的粉煤灰集料，以及现有技术中的花岗岩和LYTAG集料，本发明中粉煤灰集料的坯块，和包含该粉煤灰集料的混凝土。
具体实施方式
为了能对本发明的本质有一个更好的理解，以下将对形成轻质粉煤灰集料的方法，以及所产生的粉煤灰集料的优选实施例进行阐述。
如下示范例涉及通过下列步骤形成的轻质粉煤灰集料：
I.将粉煤灰与增塑剂及减量的水相混合；
II.压实或压缩所得的粉煤灰浆料或膏体；
III.通过切割或其他方式将膏体成型为坯块；
IV.加热坯块从而有效地固化膏体；
V.焙烧坯块来烧结粉煤灰；
VI.压碎烧结了的坯块并且分级，优选筛分，产生的粉煤灰颗粒，从而得到预定粒径范围内的轻质粉煤灰集料。
混合和浇注步骤
将粉煤灰称重并注入合适的混凝土搅拌机或类似的容器中。加入占总水量大约70％的水，并将膏体混合物混合并旋转3分钟。本实验中所使用的粉煤灰为ASTM标准的F级粉煤灰。其在那些以煤为能源的发电站可以大量的获得。本例中使用的粉煤灰来自于澳大利亚的Eraring。特定粉煤灰的使用并不是必要的，但其必须要符合当地的质量标准。
将增塑剂，(在本例中为高效增塑剂)加入，并再搅拌3分钟。高效增塑剂的加入是为了增加粉煤灰的浆料或膏体的可加工性。高效增塑剂为Handy Chemicals生产的商品名为DISAL的纯的聚萘磺酸酯(polynapthalenesulphonate)的钠盐。但是很明显，特定增塑剂的使用并不是必要的。只是以最小量的水而获得一致的可加工性是非常重要的，而合适的增塑剂的使用可以满足这个要求，前提是加入量与所使用的具体增塑剂相关。在本例中以DISAL为高效增塑剂，每100Kg粉煤灰中其加入量为200ml。
加入剩余量的水，再搅拌3分钟后结束搅拌。然后将粉煤灰膏体浇注到槽中，并按照与浇注混凝土相似的方式将其压实或在振动台上振动。当膏体混合物开始泌浆(bleed)时结束压实或压缩。通过切割模具将固定并压实的膏体切割为坯块，并将坯块从槽中取出。本申请人的目标是进行大规模的生产，所以要使用生产粘土砖的常用方法，包括对粉煤灰坯块的压实，挤压(extrusion)，然后切割。
在本例中，每100Kg粉煤灰中，其组分的比例为：
I.26升水；和
II.200ml高效增塑剂。
热处理
将膏体坯块在50℃和相对湿度为37％的受控固化室(curing chamber)中放置48小时。固化过程的目的就是要赋予膏体必要的稳定性和坚固性。上述过程完成后，固化的样品被放入干燥炉中，并在9个小时内将温度升至1300℃。再将1300℃保持4小时。将干燥炉关闭并在48小时内使样品缓慢冷却后回收烧结了的坯块。1300℃左右的焙烧温度足够高以完成烧结而同时又避免了粉煤灰的上釉。
压碎和分级
将烧结了的坯块引入压碎机中。本申请人发现本例中能产生最好效果的最大粉煤灰粒径为12mm。集料因此被压碎而产生这种最大集料粒径。而压碎了的集料则被分级为如下的粒径等级。
I.最大粒径为12mm和最小粒径为4.75mm的粗粒集料；
II.最大粒径能通过4.75mm的筛网且最小粒径为75μm的细粒集料；
III.粒径小于75μm的超细粒(能通过No.200ASTM筛网)。
作为本发明目标所在的压碎且分级了的粉煤灰集料是粗粒集料和细粒集料。也就是说，预定和选择的粒径范围为75μm至12mm。
表1表示粒径的分布。
表1-对本发明一个实施例的粉煤灰集料的筛析
筛径 筛余的质量(克) 筛余的百分比 筛余的累积百分比 筛过的累积百分比
13.20mm  0  0  0  100
9.50mm  371.8  18.6  18.6  81.4
6.70mm  392.5  19.6  38.2  61.8
4.75mm  222.1  11.1  49.3  50.7
2.36mm  387.5  19.4  68.7  31.3
1.70mm  97.9  4.9  73.6  26.4
1.18mm  109.1  5.5  79.1  20.9
4.25μm  170.8  8.6  87.7  12.3
300μm  45.8  2.3  90  10
150μm  76.7  3.8  93.8  6.2
＜150μm  123.0  --  --
总量  1997.2  100
生产粉煤灰集料的优选的目标就是为了生产混凝土。因此与生产混凝土相关的特征是申请人所要确定的。这些特征包括：粒径分布，集料压碎值(crushing value)，表观饱和表面干燥比重(apparent saturated surface dryspecific gravity)，干燥捣实的体密度(dry rodded bulk density)和吸水能力。而该特征是根据AS 2758.1和AS1141测量得到的。但是要说明该集料还可被用于其他的结构性的应用，例如沥青道路，砖材料，绝缘材料和回填。
表2表示了确定这些相关的特征的测量结果。
性质 数值
基于饱和的和表面干燥条件的表观比重 1.685
基于烘干(oven dry)条件的表观比重 1.61
干燥捣实的体密度 848Kg/m3
压碎值 28％
吸收能力(在24小时内) 3.4％
表3列出了现有技术中的LYTAG，以及传统的花岗岩和英安岩集料的性质。花岗岩和英安岩集料是广泛用于混凝土生产的天然集料。另一方面，LYTAG集料是在被承认的现有技术中所述的烧结粒化了的粉煤灰集料，并且是自1966年起在澳大利亚以外的地区的成功商品化的轻质集料。
表3--现有技术中的LYTAG，以及传统的花岗岩和英安岩集料的性质
性质 LYTAG 花岗岩 英安岩
基于饱和表面干燥条件的表观比重 1.72 2.77 2.51
基于烘干条件的表观比重 1.4 2.74 2.50
干燥捣实的体密度 831Kg/m3 1478Kg/m3 1449Kg/m3
压碎值 35％ 16.9％ 15.5％
12mm粗粒的吸收能力(24小时内) 8.5％ 0.8％ 0.54％
6mm粗粒的吸收能力(24小时内) 8.5％ ---- ----
3mm粗粒的吸收能力(24小时内) 8.5％ ---- ----
细粒的吸收能力(24小时内) 10.7％ 2.7％ 2.7％
通过对表2中所示的本发明的这个实施例中的粉煤灰集料的性质与表3所示的现有技术的集料的性质进行比较，显示出本发明的这个实施例中的粉煤灰集料与LYTAG相比具有非常低的吸收能力。而且，该实施例压碎值也显著地小于LYTAG的压碎值。因此可被认为该实施例中所产生的混凝土比LYTAG混凝土更具耐久性和更大的强度，并且其重量在与LYTAG相当的同时还更稳定。
为了显示将粉煤灰集料应用于混凝土时的适宜性和适用性，设计了一种混凝土的配合比并且对新拌的和硬化了的混凝土进行测量。将本实施例中的配合比设计示于表4中，表4显示了基于饱和的和表面干燥的条件下集料的比例。表4还显示了本实施例中三种混凝土的配合比设计，从而可以对这三种由不同集料制成的混凝土有一个直接的比较。设计出来的三种混凝土具有相同的水泥含量和相同含量的能产生胶结效果的任何凝硬性材料(pozzolanic material)。设计水的加入量使三种混凝土在众所周知的坍落度试验(slump test)中被测得具有相同的可加工性。对新拌的和压缩了的三种混凝土的密度进行测量并将其值示于表5中。
表4-使用3种集料的混凝土配合比设计(饱和的和表面干燥的条件)
花岗岩 LYTAG 本发明的粉煤灰
水泥 Kg  300  300  300
硅粉(silica fume) Kg  40  40  40
水 升  172  150  193
减水剂(water reducing agent) 升  0.49  0.49  0.49
高效增塑剂 升  1.95  1.49  1.95
天然粗粒集料 Kg  1001  0  0
天然细粒集料 Kg  288  0  0
12mm LYTAG Kg  0  293  0
6mm LYTAG Kg  0  289  0
3mm LYTAG Kg  0  316  0
细粒LYTAG Kg  0  233  0
本发明的12mm的粗粒粉煤灰集料 Kg  0  0  255
本发明的6mm的粗粒粉煤灰集料 Kg  0  0  255
本发明的3mm的粗粒粉煤灰集料 Kg  0  0  256
本发明的细粒粉煤灰集料 Kg  0  0  162
粉煤灰 Kg  300  300  300
水/水泥的比率 Kg  0.57  0.5  0.64
这三种混凝土具有相似的可加工性条件，而且它们的坍落值也是很低的。然而这三种混凝土是可加工的和很容易压实的，并且没有显示出离析(segregation)或泌浆性。在第7天龄期和第28天龄期时对硬化了的混凝土进行测量并将结果记录于表5中。抗压强度也在第7天龄期和第28天龄期时确定。非常明显可以看出，本发明的粉煤灰集料制成的混凝土的抗压强度要远远高于LYTAG轻质集料所制成的相应的混合物。在初始龄期，本发明的粉煤灰集料制成的混凝土的强度明显高于由花岗岩集料制得的常规重量型集料的混凝土。尽管事实上花岗岩集料的混凝土要比本发明中的粉煤灰集料的混凝土重24％。再有，本发明中的粉煤灰集料制成的混凝土的表观孔隙率，也就是表面透气性的标志，要比LYTAG和花岗岩混凝土的低出许多。这个特征表示本发明中的粉煤灰集料制成的混凝土很可能对恶劣环境条件的抵抗力要高于以前所知的基于LYTAG的粉煤灰混凝土和常规重量型的花岗岩混凝土。
抗压强度和弹性模具的值也是在第28天龄期时被测量。在第28天龄期测量的本发明中的粉煤灰集料制成的混凝土的抗压强度值为62.9Mpa，可被列入高强度混凝土的级别。LYTAG混凝土的抗压强度值为44.6Mpa，常规重量型花岗岩混凝土的抗压强度值为56.3Mpa。因此在抗压强度方面，本发明中粉煤灰集料制得的混凝土明显且一致地优于另外两种混凝土。
表5-本实施例中三种不同的集料制成的混凝土在新拌和硬化之后的性质
性质 花岗岩混凝土 LYTAG混凝土  由本发明的粉煤灰集料制成的混凝土
坍落值 3mm  2mm  2mm
新拌时密度，Kg/m3 2232  1722  1800
空气干燥时的密度，Kg/m3 2180  1602  1780
烘干时的密度，Kg/m3 2134  1540  1747
表观孔隙率 4.5％  13.3％  3.1％
第7天龄期时的抗压强度，Mpa 36.3  28.4  38.8
第28天龄期时的抗压强度，Mpa 56.3  44.6  62.9
第28天龄期时的弹性模量，GPa 32.5  16.7  23.7
申请人还根据控制应变下加载的方法(method of strain controlledloading)来测量了弹性模量。该方法提供了被测样品的的应力--应变完全关系，并且还因此提供了一个评估材料的断裂韧度的方法。结果显示本发明中的粉煤灰集料制成的混凝土的弹性模量为23.7Gpa，而相应的LYTAG混凝土的值为16.7Gpa，花岗岩混凝土的值为32.5Gpa。可以料想到轻质的混凝土会具有较低的弹性模量的值。这是因为弹性模量主要是由其集料决定。然而，本发明中的粉煤灰集料制成的混凝土具有比LYTAG混凝土高很多的弹性模量，这也表示本发明的混凝土较之LYTAG混凝土具有较高的刚性。本发明中粉煤灰集料制成的混凝土的弹性模量值低于常规重量型的花岗岩混凝土的值。但这决不是一个不良特征，因为较低的弹性模量值能够容许在振动或地震发生时有一个较大的偏移(deflections)量，从而给结构提供一个较好的延伸性。另一方面，这个值也不能太低而在常规应用条件下产生太大的偏移。本发明的混凝土的值是处于LYTAG混凝土和花岗岩混凝土的值之间。因此它与LYTAG混凝土结构相比显示了较好的可使用性，而与由花岗岩混凝土制成的相似结构相比显示了增强了的延伸性。
下面还要进行进一步的实验，只是使用的粉煤灰是从发电站的收集器或料斗中直接取来的未分级(也就是说直接从料斗中取来而没有进一步分级)的F级粉煤灰。这与前一例中使用的符合ASTM标准的F级粉煤灰不同。而且，在这些附加实验中，是将未分级的F级粉煤灰与Grace Chemical产生的在澳大利亚的商品名为DARACEM的聚合高效增塑剂相混合，工艺步骤和模式与前面进行的实验基本是一致的。
表6显示了对本发明中另一种粉煤灰集料的相应的有关特征的测量结果。
表6-本发明中另一种粉煤灰集料的特征
性质 数值
基于饱和表面干燥条件的表观比重 1.59
基于烘干条件的表观比重 1.55
干燥捣实的体密度 862Kg/m3
压碎值 26％
吸收能力(在24小时内) 2.36％
表7包括了这些后续实验中的属于由另一种粉煤灰集料生产的混凝土混合物的结果。该表显示了用于本研究的四种混凝土的配合比设计，从而能对由不同种集料生产的混凝土有一个直观的比较。这四种混凝土被设计成具有相同的水泥含量和水的含量。测量这四种混凝土在新拌的和硬化了时的密度，并将结果记录于表8中。还有整个称重，混合，固化，测量和记录程序都是由一个独立的工程公司来完成的。这个公司受NATA(NationalAssociation of Testing Authorities，Austrialia)委托进行这项操作。这个公司名为Canberra Testing Service，是Coffey Geoscience Pty Ltd.的一个分支机构。所有的操作都是按照相关的澳大利亚的标准来进行的。
表7-在第2个实验中，使用4种集料的混凝土配合比设计(饱和的和表面干燥的条件)
花岗岩 LYTAG 英安岩 本发明的粉煤灰
水泥 Kg 370 370 370 370
硅粉 Kg 56.92 56.92 56.92 56.92
水 升 207.2 207.2 207.2 207.2
减水剂 升 2.96 2.96 2.96 2.96
高效增塑剂 升 1.43 2.85 0.71 0.00
天然粗粒集料 Kg 893.7 ---- 820 ----
天然细粒集料 Kg 626.3 ---- 626.3 ----
12mm至3mm的LYTAG Kg ---- 481.4 ---- ----
细粒LYTAG Kg ---- 475.5 ---- ----
本发明的粗粒粉煤灰集料 Kg ---- ---- ---- 440.4
本发明的细粒粉煤灰集料 Kg ---- ---- ---- 510.6
粉煤灰 Kg 142.3 142.3 142.3 142.3
水/水泥的比率 0.56 0.56 0.56 0.56 0.56
水/有胶结效果的材料的比率 0.36 0.36 0.36 0.36 0.36
在第7天龄期和第28天龄期测量硬化混凝土的抗压强度，在第28天龄期和第35天龄期分别测量其间接抗拉强度和弹性模量。从表8所示的结果可以很明显地看出本发明的这个实施例中由粉煤灰集料制成的混凝土的抗压强度要令人吃惊和显著地比现有技术中相应地由花岗岩和英安岩制成的混凝土的抗压强度高。本发明的这个实施例中由粉煤灰集料制成的混凝土要比以花岗岩为集料的混凝土轻27％。
表8-四种不同的集料制成的混凝土在新拌和硬化之后的性质
序列号No.2(混合的，执行的和独立测量的)
性质 花岗岩混凝土 英安岩混凝土 LYTAG混凝土 由本发明的粉煤灰集料制成的混凝土
坍落值mm 75 75 85 85
测得的空气含量％ 2 2.1 6.2 3.8
新拌时密度，Kg/m3 2260 2280 1770 1780
S.S.第28天龄期时的干密度，Kg/m3 2285 2290 1818 1815
第7天龄期时的抗压强度，Mpa 38.6 37.4 34.6 40.75
第28天龄期时的抗压强度，Mpa 58.25 55.5 53.4 66.75
第28天龄期时的直接抗拉强度，MPa 3.55 3.45 3.70 3.75
第35天龄期时的间接弹性模量，GPa 32.5 31.5 19.0 25.5
在所有龄期的测试中，以粉煤灰为集料的混凝土的抗压强度明显高于其它各种混凝土的抗压强度。粉煤灰集料混凝土的第28天龄期抗压强度，也就是本发明的目标所在，分别比花岗岩，英安岩和现有技术中的LYTAG混凝土的抗压强度要高出14.6％，20％和25％。尽管事实上，在所有这些混凝土中的水泥含量，有胶结效果的材料的含量和水含量是相同的。而且相应地，所有这些混凝土的水与水泥的比率，及水与有胶结效果的材料的总量的比率是完全一致的。还有，这四种混凝土的可加工性的特征是相似的，都具有同等程度高的可加工性。
以粉煤灰为集料制成的混凝土的弹性模量低于花岗岩和英安岩混凝土的值。但是本发明中以粉煤灰为集料制成的混凝土的弹性模量明显要高于LYTAG混凝土的弹性模量。与花岗岩和英安岩混凝土相比，较低的弹性模量能够在振动或是地震发生时容许较大的偏移，并且相对于由花岗岩和英安岩混凝土形成的相似结构，其还能显示出增强了的延伸性。在另一方面，弹性模量的值也没有太低以至于导致常规应用条件下的大幅度偏移，而且其也能比LYTAG混凝土提供更好的可使用性。而本发明中粉煤灰集料制成的混凝土的间接抗拉强度要稍稍高于且优于花岗岩混凝土和LYTAG混凝土。
表9包括了由现有技术中的集料制成的混凝土和本发明的后续实验中的集料制成的混凝土的收缩性质的结果。收缩率结果是非常令人满意的，因为粉煤灰集料制成的混凝土显示了较低的收缩率，例如在56天后其收缩值比花岗岩混凝土的值小了44％。而且本发明中粉煤灰制成的混凝土的收缩值要分别比天然英安岩混凝土和现有技术中的LYTAG混凝土的值低49％和51％。这种尤其低的收缩值能使混凝土具有较低的开裂度，在应用于混凝土结构，混凝土道路和人行道时是非常有利的。
表9-由四种集料制成的混凝土在新拌和硬化了时的收缩性质
干燥的天数(根据澳大利亚标准是经过7天的标准固化后) 收缩值(微应变)
花岗岩混凝土 英安岩混凝土 LYTAG混凝土 本发明中由另一种粉煤灰制成的混凝土
7  590  570  550  400
14  730  740  770  520
21  770  790  820  540
28  810  800  840  560
56  850  880  890  590
在图1中，左边照片表示本发明中的粉煤灰集料，中间的是常规重量型天然花岗岩集料，而右边的表示现有技术的LYTAG粉煤灰集料。这个对比性的照片清楚地显示出本发明这个实施例中的粉煤灰集料与现有技术的集料，特别是LYTAG粉煤灰集料相比具有突出的多角性。此图中的粉煤灰集料是表1所示的前一个实施例中的粗粒和细粒的粉煤灰。相似的，图2显示了本发明中的后一个实施例中的粉煤灰集料，以及粉煤灰坯块(已经被劈裂了的)，将其压碎已可以得到粉煤灰集料。图2的照片不仅显示了粉煤灰集料的多角性，还显示了集料表面的多孔性及其“多坑的(cratered)”外观。
图3和图4显示了分别包括此前的两个实施例中的粉煤灰集料的混凝土的断裂的和劈裂的表面。这些照片以及图5中的相对较低放大倍率的照片清楚地显示出粉煤灰集料的多角形状，以及其与混凝土中的砂浆-胶结浆料基质的紧密互锁。图6是对图5中集料与水泥-砂浆基质的交界的一个近距离特写。这个特写图片清楚地显示了分别位于图片左边和右边的集料与水泥-砂浆基质的交界面的紧密互锁和无裂缝性。主要在集料表面出现的闪亮的类似气泡的物质是半球形的孔或坑，它们是粉煤灰坯块在被压碎之前就已存在于其中的空气/蒸汽泡的轨迹。
图7是另一张显示另一混凝土的部分断裂表面的照片，该混凝土包括不同粒径的粉煤灰集料(较深部分)。尽管此照片的放大倍率并不高，但在集料表面的许多气泡的轨迹还是可以观察到的。而且，粉煤灰集料的多角形状，以及其与混凝土基质的紧密互锁还是非常明显的。
图8至图10进一步展示了粉煤灰集料的多坑的表面，以及其与混凝土中基质的紧密互锁。图8的照片最清楚地显示出那些坑印，其原来是处于粉煤灰坯块中的气泡孔。图9显示了集料边缘与基质的紧密且无坑的交界面。而图10显示了粉煤灰集料的多角边缘与基质在集料/基质交界面的紧密互锁。
在本发明实施例中高效增塑剂的引入减少了混合粉煤灰浆料所需的水的量，而同时又提供容易的可加工性，从而能形成有粘性的可在模具中被成形和被压实的膏体。而且，气泡轨迹以及随后在粉煤灰颗粒上形成的坑被认为可由以下机理中的一个或两个来进行解释：
i)坑是使用增塑剂而带入气泡的结果；
ii)由于增塑剂的分散作用，水以水滴的形式存在，并容许粉煤灰颗粒在其上面滚动，而且当被干燥时，水滴蒸发并将其后的轨迹作为气泡。
增塑剂被认为通过其分散和疏水性作用而导致了在干燥成品中气泡的形成。这些气泡可能是直接或间接因为增塑剂的引入而形成的。
在混凝土中轻质集料的使用具有许多的优点，包括：
(a)由于静载的减少可以引起地基尺寸的减少，以及钢筋量的大大减少。
(b)由于预制构件是更轻更小的，所以只需要更小和更便宜的处理和运输设备。
(c)由于支柱和板，以及桁梁的尺寸的减少，可以有更多的可用空间。
(d)高的热绝缘性，和
(e)增加的阻燃性。
还有，某种特定结构，特别是常用于石油生产的近海结构，对可轻易被拖动且有最大浮力的轻质部分的是有需要。
可能总的来说轻质集料制成的混凝土和建筑物的最有潜力的优势是它的环境价值。当轻质产品以工业副产品为原材料时，对生产所在地区和国家的环境和经济是有益的。而且世界各地已经对矿业和天然集料业附加了非常严格的环境限制。如果不是最重要的，也是更重要的工业副产品之一的，是粉煤灰。用粉煤灰来生产集料是有益于社会和建筑工业的，包括：
I.对粉煤灰的有效的循环处理，
II.有助于对粗粒集料和砂这种天然的和稀缺资源的节约，
III.减少集料采集业对乡村，河床和海滩的疤痕性和破坏性作业，
IV.产生比天然集料轻得多的集料，从而生产极轻的混凝土，
V.由于粉煤灰本身具有的火山灰活性，可以增强集料的强度及其与基质的互锁，还有显著提高的耐久性，和
VI.可以构建一个有潜在出口能力的工业，可以对那些天然集料性质很差或者是已经被完全开采的产油的中东国家进行出口。
在海边地区的钢筋混凝土结构或是近海结构要能抵抗海水中含有的氯化物和硫酸盐，因为氯化物引起的腐蚀会给钢筋带来严重的危重而硫酸盐离子会对混凝土造成伤害。本发明实施例中所描述的粉煤灰集料具有低的吸水能力，可以抵抗氯化物，硫酸盐离子或其它破坏性物质进入从而减少例如对钢筋的腐蚀。而且，因为大多数近海结构是处于寒冷的地区，所以霜冻的攻击也是另一个需要被抵御的严重破坏性因素。还有，由于该结构的特定功能，还要考虑其经受碳氢气体燃烧的可能。可以认识到由粉煤灰制成的轻质集料对于上述的那些破坏性危害有明显提高了的抵抗能力。
既然已经对本发明的示范性实施例有了一个比较详细的描述，那本领域普通技术人员可以很明显地认识到形成轻质粉煤灰集料的方法以及集料本身具有如下的优点：
I.本发明中的粉煤灰集料远远优于以前所知的包括LYTAG的轻质集料；
II.由本发明中的粉煤灰集料制成的混凝土是轻质的，具有低孔隙率，高强度和低收缩率；
III.本发明中粉煤灰集料制成的混凝土在不增加水泥加入量的前提下，优于传统的常规重量型混凝土，并从而获得明显的经济和环境效益。
IV.包含本发明中的粉煤灰集料的混凝土在可加工性方面与包含现有技术的集料的混凝土有可比性。
本领域普通技术人员会理解到，除了那些明显描述了的，本发明可以经受变化或修改。例如，只是压碎而没有后继的分级步骤也足以提供预定范围内的粒径，而这会使实施例有一定的变化。本发明的范围还可以扩展到整个过程中的一个或多个方面，例如形成粉煤灰浆料或膏体的，或单是形成粉煤灰坯块的相关的方法。
所有的变化和修改都被认为是属于本发明的范围内的，而本发明的本质也在前面的说明中被确定了。

Claims (20)

1.一种形成轻质粉煤灰集料的方法，该方法包含如下步骤：
将粉煤灰与增塑剂及减量的水相混合以产生粉煤灰浆料或膏体；
加热粉煤灰浆料或膏体从而有效地对浆料或膏体进行干燥，从而产生粉煤灰坯块；
压碎粉煤灰坯块以得到轻质粉煤灰集料。
2.权利要求1所述的方法，进一步包含根据预定粒径范围来对粉煤灰集料进行分级的步骤。
3.一种形成粉煤灰的浆料或膏体的方法，所述方法包含将粉煤灰与增塑剂和减量的水相混合，以得到粉煤灰的浆料或膏体。
4.权利要求3所述的方法，其中所述的增塑剂为高效增塑剂。
5.权利要求3或4中任一项所述的方法，其中增塑剂的体积(1)与粉煤灰的重量(Kg)的比约为0.1-5％之间。
6.权利要求3至5中任一项所述的方法，其中减量的水的体积(1)与粉煤灰的重量(Kg)的比小于约35％。
7.一种形成粉煤灰坯块的方法，所述方法包含如下步骤：
在约40℃至110℃之间加热粉煤灰的浆料或膏体来有效地固化浆料或膏体，从而得到粉煤灰坯块；和在1300℃左右焙烧粉煤灰坯块。
8.权利要求7所述的方法，其中对浆料或膏体的固化是在控制于一定水平的湿度下进行的。
9.权利要求8或9中任一项所述的方法，也包含在固化前对浆料或膏体进行压缩或压实的步骤。
10.形成轻质粉煤灰颗粒的方法，所述方法包含压碎粉煤灰坯块从而得到轻质的粉煤灰颗粒。
11.权利要求10所述的方法，其中压碎粉煤灰坯块的步骤能够提供具有不规则形状的或多角形的粉煤灰颗粒。
12.权利要求10或11中任一项所述的方法，还包含根据预定的粒径范围对粉煤灰进行分级的步骤。
13.权利要求12的方法，其中分级是通过对粉煤灰颗粒进行筛分来实现的。
14.权利要求12或13中任一项所述的方法，其中预定的粒径范围涵盖了粒径约为75μm至30mm之间的粉煤灰颗粒。
15.用于生产混凝土的轻质粉煤灰集料，所述集料具有相对较低的吸水能力。
16.权利要求15所述的粉煤灰集料，其中所述相对低的吸水能力经24小时后测量为小于10％。
17.权利要求16所述的粉煤灰集料，其中吸收能力为2-5％。
18.权利要求15-17中任何一项所述的粉煤灰集料，其中所述的粉煤灰集料具有预定范围内的粒径。
19.权利要求18所述的粉煤灰集料，预定的粒径范围涵盖了粒径约为75μm至30mm之间的粉煤灰颗粒。
20.权利要求18所述的粉煤灰集料，其中粒径范围为75μm至12mm之间。
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