TW201343597A - 尺寸穩定之地質聚合物組成物和方法 - Google Patents

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Abstract

公開了一種製備用於水泥質產品(例如混凝土、預澆注建築元件和麵板、灰漿和修補材料、等等)之地質聚合物水泥質粘合劑組成物之方法。一些實施例之該地質聚合物水泥質組成物通過使熱活化矽酸鋁礦物、鋁酸鈣水泥、硫酸鈣和化學活化劑及水之協同增效混合物混合製備。

Description

尺寸穩定之地質聚合物組成物和方法
本發明通常地涉及含有矽酸鋁基地質聚合物之水泥質組成物，其可以用於多種應用。具體地，本發明通常地涉及這種水泥質組成物，其提供在凝結時間、尺寸穩定性以及固化過程中整體材料收縮減少方面之理想性能，以及其他理想性能。
美國專利6,572,698(Ko)公開了一含有矽酸鋁、硫酸鈣之活化矽酸鋁組成物，並且也公開了一含有鹼金屬鹽之活化劑。所述矽酸鋁選自：高爐礦渣、粘土、泥灰和工業副產品(例如飛灰)，並具有Al2O3含量大於5重量%。高爐礦渣以小於35重量%之量存在，並將水泥窯粉塵(CKD)，以1至20重量%之量，作為活化劑添加至所述混合物。
美國專利號4,488,909(Galer等)公開了能夠快速凝結之水泥質組成物。所述水泥質組成物包括波特蘭水泥、高鋁水泥、硫酸鈣和石灰。火山灰(例如飛灰、蒙脫石 粘土、矽藻土和火山塵埃(浮石))可以被添加至多達約25%。所述數你組成物包括約14至21重量%之高鋁水泥。Galer等提供了鋁酸鹽(使用高鋁水泥(HAC))和硫酸根離子(使用石膏)形成鈣礬石，並實現了使它們之水泥質混合物快速凝結。
美國專利號6,869,474(Perez-Pena等)討論了生產水泥基產品(例如水泥板)之水泥質組成物。這通過以下方法實現：向水硬水泥(例如波特蘭水泥)添加烷烴醇胺，與水在提供初始漿體溫度至少90℉(32℃)之條件下形成漿體。也可以包括額外之反應性材料(例如高鋁水泥、硫酸鈣)和火山灰材料(例如飛灰)。
Perez-Pena等之美國專利號7,670,427公開了水泥質組成物，具有生產水泥基產品(例如水泥板)之早期抗壓強度，其通過以下方式實現：向水硬水泥(例如波特蘭水泥)添加一烷烴醇胺和一磷酸鹽，並與水在提供初始漿體溫度至少90℉(32℃)之條件下形成漿體。也可以包括額外之反應性材料(例如高鋁水泥、硫酸鈣)和火山灰材料(例如飛灰)。
Perez-Pena之美國出版專利申請號US 2010-0071597 A1公開了製劑，其使用飛灰和檸檬酸之鹼金屬鹽(例如檸檬酸鈉)形成具有快速凝結時間和相對高早期抗壓強度之混凝土混合料。雖然水硬水泥和石膏不是優選使用之，但是可以以多達所述製劑之25重量%使用。在這個申請中描述之所述活化之飛灰組成物可以與用於夾帶空氣之所述傳統發泡體是相互作用，從而產生輕質板材。
美國專利號5,536,310(Brook等)公開了一水泥質組成物，其含有10-30重量份(pbw)水硬水泥(例如波特蘭水泥)、50-80 pbw飛灰和0.5-8.0 pbw表示為羧酸之遊離酸(例如檸檬酸或其鹼金屬鹽等，如枸櫞酸三鉀或者檸檬酸三鈉)、以及傳統之添加劑(包括緩凝劑添加劑(例如硼酸或者硼砂))。
美國專利號6,641,658(Dubey)公開了一波特蘭水泥基礎之水泥組成物，其含有35-90%波特蘭水泥、0-55%之火山灰、5-15%之高鋁水泥、以及1至8%之不溶性無水石膏形式之硫酸鈣(代替所述可溶性傳統之石膏粉/石膏，以增加所述熱量釋放和減少凝結時間，儘管使用大量火山灰，例如飛灰)。所述水泥質組成物可以包括輕集料和填充料、超增塑劑和添加劑(例如檸檬酸鈉)。
美國專利號7618490 No.B2(Nakashima等)公開了快速凝結噴塗材料，其包括硫鋁酸鈣、鋁矽酸鈣、氫氧化鈣、氟源和波特蘭水泥混凝土中之一種或多種。可以添加硫酸鈣作為無水之或作為半水化合物。
美國專利號4655979(Nakano等)公開了製備多孔混凝土之工藝，其使用矽酸鈣基水泥、鹼金屬緩凝劑、硫鋁酸鈣(CSA)水泥、以及一任選之可以添加至所述混凝土組成物之硫酸鈣。
美國公開專利號2008/0134943 A1(Godfrey等)公開了一廢物封裝材料，其由至少一種鹼土金屬之硫代鋁酸鹽、和任選之無機填充料(例如高爐礦渣、粉煤灰、矽粉、 石灰石)、以及有機和無機流化劑組成。優選地，至少一種鹼土金屬之硫代鋁酸鹽包括硫鋁酸鈣(CSA)。合適之組成物可以，例如，包括至少一種鹼土金屬之硫代鋁酸鹽、與石膏和粉煤灰(PFA)聯合，其中大約86%之石膏顆粒具有顆粒大小小於76 um，並且大約88%之所述PFA顆粒具有顆粒大小在45 um以下。一個例子包括75%(70：30CSA：CaSO4.2H2O)；25%粉煤灰；水/固體比率0.65。
美國專利號6730162(Li等)公開了雙重水泥質組成物，其包括一第一水硬性粘合劑，其具有2.5%至95重量%之C4A3S，其中化學符號C=CaO,S=SiO2,A=Al2O3(即硫鋁酸鈣))，以及一2.5至95重量%之半水化合物和/或一硫酸鈣之無水石膏。硫鋁酸鹽(Sulfoalumina)水泥或者鐵鋁酸鹽(ferroalumina)水泥是含有C4A3S之水泥例子。它也可以包括礦物填充料添加劑，其選自：礦渣、飛灰、火山灰、二氧化矽煙灰、石灰石細料、石灰工業副產品和廢物。
中國公開號CN 101921548 A(Deng等)公開了硫鋁酸鹽水泥之組成物，其由90-95 wt%硫鋁酸鹽熟料和無水石膏、石英砂、來自垃圾焚燒之飛灰、羥丙基甲基纖維素醚、可再分散之膠粉和纖維製備而成。所述硫鋁酸鹽熟料和無水石膏符合硫鋁酸鹽水泥(即GB 20472-2006)之標準。
韓國公開KR 549958 B1(Jung等)公開了一氧化鋁水泥、CSA、石膏、檸檬酸鈣和羥基羧酸之組成物。
韓國公開KR 2009085451 A(Noh,)公開了粉末高爐礦渣、石膏和CSA之組成物。所述石膏具有平均顆粒大 小4微米或更小。
韓國公開KR 2009025683 A公開了粉末類型之防水材料，用於混凝土及砂漿，通過磨碎水泥、無水石膏、矽微粉、防水粉、飛灰、硫鋁酸鈣類型膨脹材料和無機組成物獲得。
韓國公開KR 2010129104 A(Gyu等)公開了用於噴漿混凝土之組成物，包括(按照重量%)：偏高嶺土(5-20)，硫鋁酸鈣(5-20)，無水石膏(20-45)、和飛灰(30-50)。
需要尺寸穩定之飛灰基地質聚合物之組成物，以及減少固化後收縮量、初始和最終溫度行為，並減少飛灰基組成物之凝結時間之方法，使得這些製劑可以用來製造具有改善強度之水泥質產品。
發明概要
本發明提供了改進之地質聚合物水泥質組成物和製備這種組合之方法，所述地質聚合物水泥質組成物具有至少一種(在許多情況下為多種)之高度理想性能，例如顯著改善尺寸穩定性(在固化期間和之後)；改進和修改初凝和終凝時間；延長工作時間；修改在混合、凝結和固化期間之溫度形成；以及其他如本文所討論之改進性能。在這種實施例之許多情況下，如果部分情況下，提供之所述改進之性能在早期抗壓強度、最終抗壓強度或者其他強度性能方面沒有(如 果有)顯著損失。一些實施例，事實上，在早期和最終抗壓強度方面提供了驚人之增長。
本發明之這些和其他實施例之改進性能提供了超過先前之地質聚合物粘合劑(例如飛灰基粘合劑)、以及其他水泥質粘合劑(其可以含有顯著之地質聚合物含量)之顯著優勢。在一些優選之實施例中，本發明所述地質聚合物水泥質組成物由至少水、和以乾燥和粉末狀形式之一種或多種水泥質反應性組分之溶液或漿體形成。所述水泥質反應性組分包括有效量之熱活化地質聚合物矽酸鋁材料，例如飛灰、鋁酸鈣水泥、和硫酸鈣。一種或多種鹼金屬化學活化劑，例如檸檬酸之鹼金屬鹽、或者鹼金屬鹼基，也可以被添加至所述溶液，以乾燥之形式添加至所述反應性粉末，或者作為一液體添加劑添加至所述漿體。任選地，所述漿體或者溶液可以摻入其他添加劑，例如減水劑、凝結加速劑或者緩凝劑、帶氣劑、發泡劑、潤濕劑、輕集料或其他集料、加強料、或者其他添加劑，以提供或者修改所述漿體和成品之性能。
在本發明許多優選之組成物中，所述水泥質反應性組分，以其乾燥或粉末形式，包括大約65至97重量百分比之熱活化矽酸鋁礦物(例如飛灰)，大約2至30重量百分比之鋁酸鈣水泥，和大約0.2至大約15重量百分比之硫酸鈣，基於所有所述水泥質反應性組分之總重量。在本發明優選之組成物中，所述水泥質反應性組分包括鋁酸鈣水泥大約1至大約200重量份(相對於100重量份之熱活化矽酸鋁礦物)。
在其他實施例中，可以使用兩種或多種類型之鋁 酸鈣水泥和硫鋁酸鈣水泥之混合物，並且所述鋁酸鈣水泥和硫鋁酸鈣水泥之類型和量可以根據它們之化學組成物和顆粒大小(布萊恩細度)變化。在這種實施例和其他實施例中之鋁酸鈣水泥之所述布萊恩細度優選大於約3000，更優選大於約4000，甚至更優選大於5000。在這種實施例和其他實施例中之鋁酸鈣水泥之所述布萊恩細度優選大於約3000，更優選大於約4000，甚至更優選大於5000，並且最優選大於約6000。
在一些優選之實施例中，所述鹼金屬化學活化劑之量從約0.5重量%至約10重量%(基於所述水泥質反應性材料之總乾重)。更優選地，鹼金屬化學活化劑之所述範圍為約1%至約6%(相對於所述水泥質反應性材料之總重量)，優選地為約1.25%至約4%，更優選地為約1.5%至約3.5%，並且最優選地為約1.5%至2.5%。檸檬酸鈉和檸檬酸鉀是優選之鹼金屬酸性活化劑，但是也可以使用檸檬酸鈉和檸檬酸鉀之混合物。根據所述應用和所述應用之需要，鹼金屬鹼基，例如鹼金屬氫氧化物和鹼金屬矽酸鹽也可以使用。
本發明之這些和其他優選實施例，與先前之飛灰地質聚合物組成物不同，其被配製以提供地質聚合物水泥質組成物(其尺寸穩定，並且能抗在無限制和限制條件下之凝結和固化過程中之開裂。例如，本發明某些優選實施例之短期自由收縮率通常小於約0.3%，優選小於約0.2%，並且更優選小於約0.1%，並且最優選小於約0.05%(在初凝後，以及在1至4小時之混合以內測量)。在這種優選之實施例中，在固化過程中之所述組成物之長期收縮率也通常小於約0.3%，更 優選小於約0.2%，並且最優選小於約0.1%。
為了在這些實施例中額外地控制所屬尺寸穩定性和收縮性，所述鋁酸鈣水泥之量為約2.5至約100品質份(相對於100品質份之所述熱活化矽酸鋁礦物)，更優選約2.5至約50品質份(相對於100品質份之所述熱活化矽酸鋁礦物)，並且最優選約5至約30品質份(相對於100品質份之熱活化矽酸鋁礦物)。對於實施例，其中對於尺寸穩定性之控制(正如通過所述材料收縮所表示之)是至關重要之，所述鹼金屬活化劑之量更優選範圍從約1至約3%，相對於所述水泥質反應性材料之總乾重(即，熱活化矽酸鋁礦物，例如飛灰、鋁酸鈣水泥和硫酸鈣)；更優選從約1.25%至約2.75%，相對於所述水泥質反應性材料之總乾重；並且最優選從約1.5%至約2.5%，相對於所述水泥質反應性材料之總乾重。
本發明優選實施例之所述尺寸穩定之地質聚合物組成物進一步證明瞭在所述組成物固化期間之最大溫度上升意外地下降(相對於先前之地質聚合物水泥質產品)。對於這個和相關之原因，這些實施例具有意想不到程度之抗熱裂性。例如，在一些優選之實施例中，所述溫度上升通常小於約50℉(28℃)，更優選地小於約40℉(22℃)，並且最優選地小於約30℉(17℃)。
本發明之這些和其他優選實施例也表現意想不到之早期強度發展等級。例如，在某些這種實施例中，它們之4-小時抗壓強度可以超過約1000 psi(6.9 MPa)，優選地超過約1500 psi(10.3 MPa)，最優選地超過約2500 psi(17.2 MPa)。 在這種實施例中，它們之24-小時抗壓強度發展可以超過約1500 psi(10.3 MPa)，更優選地超過約2500 psi(17.2 MPa)，並且最優選地超過約3500 psi(24.1 MPa)。在這些和其他實施例中，所述28-天抗壓強度進一步可以超過約3500 psi(24.1 MPa)，更優選地超過約4500 psi(31.0 MPa)，並且最優選地超過約5500 psi(37.9 MPa)。又在其他實施例中，所述組成物能夠在1至4小時後發展抗壓強度從約500 psi(3.5 MPa)至約4000 psi(27.6 MPa)，更優選地在24小時後從約1500至約5000 psi(10.3至34.5 MPa)，並且最優選地在28天后從約3500至約10000 psi(24.1至70 MPa)。
而且，本發明某些所述優選實施例之所述地質聚合物水泥質組成物在潮濕條件下也具有非常良好之持久性，具有極限濕抗壓強度與乾抗壓強度相似。例如，在某些實施例中，它們在28-天之水飽和抗壓強度通常超過約3500 psi(24.1 MPa)，更優選地超過約4500 psi(31.0 MPa)，並且最優選地超過約5500 psi(37.9 MPa)。
因為對於鹼金屬活化之地質聚合物、以及所述聯合之鋁酸鈣水泥和硫酸鈣，從漿體至固體狀態之凝結時間，通常相對短，可以預計：將所有這些組分組合之所述優選實施例也具有短之凝結時間和有限之工作時間。令人驚訝之是，儘管如此，由本發明所述優選實施例提供之凝結時間不限於短之凝結時間(通常小於15分鐘)，對於所述漿體凝結反應也提供顯著之控制以允許顯著延長所述漿體之凝結和工作時間。
例如，在一些實施例中，可以配製所述組成物具有短之凝結時間，例如小於約10分鐘。在其他優選之實施例中，可以配製所述組成物具有延長之凝結時間，在約10至約30分鐘之間。又在其他更優選之實施例中，優選所述組成物製劑提供一約30至約60分鐘之凝結時間。又在其他最優選之實施例中，可以配製所述組成物凝結時間為約60至約120分鐘，約120至約240分鐘，或者(如果需要)更長之時間。
另外，這種實施例之所述凝結時間可以被選擇，並且如果需要可以延長，同時在抗收縮性能、抗壓強度和其他強度性能方面不會(如果有之話)顯著損失。結果，在應用中可以意外地使用這種實施例，其中不能使用先前之地質聚合物基產品和水泥質產品(具有地質聚合物組分)，因為需要延長凝結和工作時間之同時沒有不可接受之收縮性或強度損失。
在某些優選之實施例中，本發明之所述組成物與下麵之基質之間也發展了傑出之拉伸粘接強度。例如，在這種實施發難與一混凝土基質之間較好之拉伸粘接強度優選地超過約200 psi(1.4 MPa)並且最優選地超過約300 psi(2.1 MPa)。在一些實施例中，本發明所述完全固化和硬化之尺寸穩定之地質聚合物水泥質組成物之表面pH，可以被改進，相對於波特蘭水泥基材料和產品，其通常具有一表面pH大於12，並且更通常大於13。在某些優選之實施例中，這種組成物在安裝後16小時測量，並且優選具有一pH小於約11，更優選地小於約10.5，並且最優選地小於約10。在這種情況 下，使用ASTMF-710(2011)測試標準測量
在許多優選之實施例中，本發明地質聚合物水泥質組成物不需要矽酸鈣基水硬水泥，例如波特蘭水泥(為了強度發展和尺寸穩定性)。在其他實施例中，可以摻入波特蘭水泥以提供特定之性能。儘管如此，意外地發現，根據所述實施例之特定組成物，一過量之波特蘭水泥實際上降低了所述組成物之尺寸穩定性(在固化期間以及其之後)，而不是增加其穩定性。
對於本發明優選之實施例摻入矽酸鈣基水硬水泥，對這種水硬水泥之限制可以根據所述實施例之特定組成物變化，但是可以通過收縮性(相對於伴隨一減少量之所述矽酸鈣水硬水泥之所述相同實施例之所述收縮性)之增加來確定。在某些這種實施例中，所述波特蘭水泥含量不應超過反應性粉末組分重量之約15重量，在另一優選之實施例中，不應超過反應性粉末組分重量之10重量%，以及又在其他優選實施例中不應超過反應性粉末組分重量之約5重量%，以及又在其他優選實施例中，在所述反應性粉末組分中沒有基本量之波特蘭水泥。
也已經令人意外之發現：在一些實施例中，一過量之鋁酸鈣水泥可以導致尺寸穩定性損失，由所述組合之所述初凝後收縮性增加指示。對於需要顯著程度之尺寸穩定性和/或收縮性控制(以防止開裂、剝離和其他方式之破損)之應用，鋁酸鈣水泥之所述量優選約10至約60品質份(相對於100品質份之熱活化矽酸鋁礦物)。
在其他優選之實施例中，已經意外地發現：硫酸鈣之所述量與在所述組成物中之鋁酸鈣水泥成比例，可以緩和由所述鋁酸鈣水泥含量導致之潛在不利作用(例如收縮性)。在這種實施例中，所述硫酸鈣量優選約2至約200品質份(相對於100品質份之鋁酸鈣水泥)。
為了最有效地控制這些實施例之材料收縮性，所述硫酸鈣之量為約10至約100品質份乾重(相對於100品質份乾重之鋁酸鈣水泥)，更優選地約15至約75品質份乾重(相對於100品質份乾重之鋁酸鈣水泥)，並且最優選地約20至約50品質份乾重(相對於100品質份乾重之鋁酸鈣水泥)。在早期抗壓強度之增加是重要之實施例中，硫酸鈣之優選量為約10至約50份(對於約100品質份乾重之鋁酸鈣水泥)。
又在其他本發明之實施例中，將所述類型之硫酸鈣(主要之二水合物、半水化合物或者無水石膏)添加至所述組成物，可以對所述部分固化組成物(即在小於約24小時)之所述早期抗壓強度有顯著之影響。令人驚訝之是，已經發現，主要使用硫酸鈣(無水石膏)之多個實施例比主要使用所述二水化合物形式之實施例具有更高之早抗壓強度，並且在一些實施例中能夠具有與主要使用硫酸鈣半水化合物之實施例相媲美之早抗壓強度。在其他實施例中，兩種或多種之所述硫酸鈣類型(二水合物、半水化合物或者無水石膏)可以被一起採用，並且調節所述不同類型之量以對所述組成物抗壓強度提供改進之控制。相似地，硫酸鈣之所述不同類型和量 可以被單獨地採用或者聯合採用，以調節最理想之收縮性和所述組成物之其他性能。
當收縮性能為關注焦點時，本發明之其他實施例摻入硫酸鈣，具有平均顆粒大小優選為從約1至約100微米，約1至約50微米，以及約1至約20微米。這些實施例在抗收縮性方面提供了驚人之改善，並且在其他實施例中，所述硫酸鈣顆粒大小(在至少所述優選範圍內)可以提供重要之貢獻以改進所述組成物固化期間之強度發展等級。
又在其他實施例中，令人驚訝地發現，基本上水不溶之無水硫酸鈣(無水石膏)可以提供有益效果，縱使其水溶解度低以及先前推測之在所述組成物中反應性有限(如果有)。例如，出乎意料地發現，無水石膏提供改進之尺寸穩定性控制，通過使在這些和其他實施例之固化過程期間之收縮性減少(相對於現有技術之組成物)。無水石膏也提供了顯著改進之早期和長期抗壓強度(相對於現有技術組合利用硫酸鈣半水化合物或者二水合物作為所述硫酸鈣源之組成物。在特定實施例中使用之所述硫酸鈣類型之所述選擇將取決於早期強度發展之理想等級，以及其他性能之平衡(例如對於特定終端應用之凝結時間和抗收縮)。
在其他實施例中，硫酸鈣之所述顆粒大小和形態對於所述組成物之早期強度(小於約24小時)發展提供顯著之和令人驚訝之影響。在這種實施例中，相對小之顆粒硫酸鈣之使用提供了更加快速之早期抗壓強度發展。在這些實施例中，所述優選之硫酸鈣平均顆粒大小範圍從約1至100微 米，更優選地從約1至50微米，並且最優選地從約1至20微米。
在某些實施例中，所述組成物在初始混合之後也表現自流平性能，同時提供一種或多種所述前述之令人驚訝之性能特徵。材料之所述自流平方面在多種情況和應用中是有用之，例如地板之自流平墊層、混凝土面層、製造精密混凝土產品和麵板、在高加強建築部件中之漿體設置等。這些實施例之所述組成物在混合之後為自流平之，水與本發明所述反應性粉末以重量比率約0.15至約0.4，更優選地，0.17至0.35，又更優選地0.20至0.30。可選擇地，在其他實施例中，所述組成物在初始混合之後以可成形之、稠膏狀之濃稠度提供，同時同樣提供一種或多種改善之性能特性。
自流平和修補組成物之優選製劑包括約65至約95重量百分比之飛灰，約2至約30重量百分比之鋁酸鈣水泥，和約0.2至約15重量百分比硫酸鈣。在一些實施例中，本發明地質聚合物水泥質組成物可以塗抹在一基質之表面，其中所述地質聚合物水泥質粘合劑作為自流平鏟平混合，並且被傾倒成有效厚度約0.02 cm至約7.5 cm。
這種產品之所述物理性能對這些實施例之有益效果提供良好之例子，即尺寸穩定性、抗維度運動和物理損壞性、和高表面耐摩擦及磨損性、其適合於在商業、工業和其他大量使用領域。根據所述應用，時間消耗和昂貴之基質表面準備措施(例如噴砂處理、翻松、水噴射、結痂或銑削)可以被最小化或者一起避免。
在本發明之其他方面中，優選之實施例提供了製備尺寸穩定之水泥質組成物之方法，其具有凝結時間可以根據特定應用進行調節、良好之早期強度發展、極限之抗壓以及其他強度特性、改善之表面ph、改善之與基質之拉伸粘接強度、以及其他有益效果。在某些優選之實施例中，這些方法包括製備具有令人驚訝效果之、協同增效之混合物(含熱活化之矽酸鋁、優選來自C類飛灰，鋁酸鈣水泥，硫酸鈣，和鹼金屬化學活化劑)。
在這些方法之某些優選之實施例中，所述優選之混合物使用組分、例如上述提及之方法製備，以形成水泥質反應性粉末，其包括熱活化之C類飛灰、鋁酸鈣水泥、和硫酸鈣(選自硫酸鈣二水合物、硫酸鈣半水化合物、無水硫酸鈣及其混合物(優選精細粒形式具有顆粒大小小於約300微米))。
在這些實施例中，化學活化劑被進一步添加至所述混合物中，以乾燥或者液體之形式，其包括鹼金屬鹽或鹼，優選自：有機酸之鹼金屬鹽、鹼金屬氫氧化物、和鹼金屬矽酸鹽。在後續之步驟中，添加水、以及任選之超增塑劑，特別是羧化增塑劑材料，以形成穩定之漿體混合物，其可以在適合於地質聚合物水泥質產品之應用中使用。
在所述優選之方法中，所述混合物優選在約0℃至約50℃之初始溫度製備，更優選地在約5℃至約40℃初始溫度，甚至更優選地在約10℃至約35℃之初始溫度，最優選約25℃之環境溫度。所述總混合物之所述初始溫度在 所述水泥質反應性粉末、活化劑和水首先全部存在於所述混合物中之後之第一分鐘測量。當然所述總混合物之所述溫度可以在這個第一分鐘期間變化，但是在這種優選之實施例職工，所述漿體之溫度優選保持在所述列出之範圍以內。
在一些優選之實施例中，所述漿體可以使用相對低之能量混合，同時仍能實現得到良好之混合之組成物。在這種優選方法之某些中，用相當於由低速手鑽混合器提供或者等價混合器提供之能量來混合所述漿體，其具有約250 RPM或者更大之等級。因此，這種優選實施例之所述地質聚合物是容易混合之，儘管使用相對小量之水來製備所述漿體形成所述最終組成物。
在許多實施例中，其他被認為不是水泥質反應性粉末之添加劑也可以被摻入到所述漿體和總地質聚合物水泥質組成物中。這種其他添加劑，例如，減水劑(例如上述提及之超增塑劑)、凝結加速劑、凝結延緩劑、帶氣劑、發泡劑、潤濕劑、收縮控制劑、粘度改性劑(增稠劑)、形成薄膜之可再分散聚合物粉、形成薄膜之聚合物分散體、著色劑、腐蝕控制劑、鹼矽反應減少劑、離散增強纖維和內在固化劑。其他添加劑可以包括填充料，例如砂和/或其他集料、輕質填充料、火山灰礦物、礦物填充料等等之一種或多種。
當分別地討論上述，本發明所述優選之地質聚合物組成物和混合物之每個具有上述提及之相對於現有技術地質聚合物水泥質組成物之顯著優點(以及來自本文所述進一步討論、實施例和資料之明顯方面)之至少一個，以及兩個 或多個之組合。
許多，如果不是大多數，本發明實施例是環境可持續之，利用飛灰地質聚合物，其包括將後工業廢物作為一主要之原料來源。這顯著降低生命週期碳足跡和製造產品能源體現之生命週期。
可以在使用其他水泥質材料之地方(特別是在那些對於凝結和工作時間靈活性、尺寸穩定性、抗壓強度和/或其他強度性能重要和必要之應用中)使用本發明優選實施例之所述地質聚合物水泥質組成物。例如，在多種混凝土產品應用中，包括在多種混凝土產品應用中，包括：用於地板、平板和牆壁之建築混凝土面板，和用於安裝地板面漆材料之地板墊層(例如瓷磚、天然石料、乙烯基鋪地磚、VCTs和地毯)，公路覆蓋層和橋樑修復，人行道和其他地面上之樓板，外牆拉毛粉刷和飾面粉刷，自流平面層和覆蓋之墊層，用於地基中岩土穩定之噴漿和噴漿混凝土，山坡和礦、用於填充和修平裂縫、坑洞和其他不平表面之修補修復灰漿，內部和外部應用之雕塑和壁畫，以及在道路、橋樑面板和其他交通和重量支承表面之中之鋪道材料。
其他實施例包括預製混凝土製品之用途，以及建築產品(例如水泥質板材、砌磚塊、磚、和具有傑出水分持久性之鋪路材料。在一些應用中，這種預製混凝土產品，例如水泥板，優選在這種條件下製備：其提供之凝結時間適合於傾倒成靜止或從連續運動帶(或其上)移動之形式。
本發明一些實施例之所述地質聚合物組成物可以 與不同之填充料和添加劑使用，包括發泡劑和引氣劑用於添加特定比例之氣體以製備輕質水泥質產品，包括預製建築部件、建築修復產品、交通支承結構(例如道路組成物)，其具有良好之膨脹性能並且沒有收縮性。
下文討論本發明多個實施例之其他優點、有益效果和方面，並且在附圖中解釋，並且熟諳技藝人士從下面更詳細之公開中可以理解它。本文所有之百分比、比率和比例是按重量計算之，除非另有說明。
第1A圖是比較實施例1之收縮性結果之時間圖。
第1B圖是實施例1之塌落照片。
第2圖是比較實施例2之塌落照片。
第3A圖是比較實施例3之塌落照片。
第3B圖是比較實施例3之收縮結果之時間圖。.
第4A圖是在比較實施例4中(對於混合物1和2)之塌落照片。
第4B圖是在比較實施例4中混合物1(對於包括高鋁水泥、飛灰和鹼金屬檸檬酸鹽之混合物)之收縮特性之照片。
第5A圖是在實施例5中兩種混合物組成物之塌落餅之照片。
第5B圖是實施例5之水泥質組成物之收縮性之圖。
第6A圖是實施例6中該混合物組成物之塌落餅之照片。
第6B圖 是實施例6中本發明地質組成物之收縮特性之圖。
第6C圖是實施例6中之地質聚合物組成物之漿體溫度上升圖。
第7圖是實施例7中組成物收縮性之時間圖。
第8圖是在實施例8中本發明組成物(混合物2至4)之收縮性之。
第9A圖 是實施例9中之組成物之收縮性之圖。
第9B圖是實施例9之組成物之漿體溫度上升圖。
第10圖是在實施例10中組成物之收縮性之圖。
第11圖是在實施例11中之組成物之收縮性之圖。
第12圖是在實施例12中之組成物之收縮性之圖。
第13圖是實施例14之組成物之收縮性之圖。
第14圖是在實施例15中之組成物之收縮性之圖。
第15圖是在實施例16中之組成物之收縮性之圖。
第16圖是在實施例17中之組成物之收縮性之圖。
第17圖 在實施例18中之組成物之收縮性之圖。
發明之詳細說明
表A顯示了本發明一些實施例所述尺寸穩定之地質聚合物水泥質組成物之所述成分，以單個之或者聚集之組分之品質份(pbw)表示。
表A顯示了本發明一些實施例之所述尺寸穩定 之地質聚合物水泥質組成物是由兩種組分組成-反應性粉末組分A(本文也稱為“水泥質反應性材料”和活化劑組分B。對於本發明之目之定義水泥質反應性材料為熱活化之矽酸鋁、鋁酸鈣水泥、硫酸鈣、以及任意額外之反應性水泥，在所述範圍內其被添加至其餘列出之成分中。在下述之表格中，反應性粉末組分A多種包括熱活化矽酸鋁礦物之材料混合物，包括C類飛灰、包括鋁酸鈣水泥和硫酸鈣之水泥。活化劑組分B包括鹼金屬化學活化劑或其混合物，其可以是粉末或者水性溶液。將反應性粉末組分A和活化劑組分B組合，以形成本發明一些實施例之所述地質聚合物水泥質組成物之所述反應性混合物。
表B代表了摻入表A所述組成物和其他成分之全密度(優選密度在每立方英尺100至160磅之範圍)製劑。
表C代表摻入表A所述組成物和其他成分之輕密度製劑(優選密度在每立方英尺10至125磅之範圍)。
表D代表了摻入表A所述組成物、粗集料和其他成分之輕密度或全密度製劑(優選密度在每立方英尺40至160磅之範圍)。
本發明一些實施例，收縮測量在混合形成水性混合物之後1至4小時啟動，其所述地質聚合物水泥質組成物混合物之長期自由收縮為約0.3%或更少，優選地小於約0.2%，並且更優選地小於約0.1%，並且最優選地小於約 0.05%。先前所提及之，所述熱活化矽酸鋁礦物和鋁酸鈣水泥之所述協同相互作用，適當地選擇硫酸鈣之來源和量，以及適當地選擇使用之鹼金屬活化劑以合適之量，根據本發明之一些實施例，有助於將所述材料收縮減少至最小。
已經令人驚訝地發現，在本發明一些實施例之所述地質聚合物水泥質組成物中，鋁酸鈣水泥之量對控制所述材料收縮(在所述材料初凝之後測量)之程度發揮重要作用。還令人驚訝地發現，在給定之實施例中，超出一定量之鋁酸鈣水泥，所述材料之初凝之後發生之材料收縮量開始增加。
表D1顯示了成分量。
也意外地發現，與鋁酸鈣水泥成比例存在於所述混合物中之硫酸鈣之所述量對於本發明一些實施例之地質聚合物水泥質組成物之材料收縮程度有顯著影響。
表D2顯示了在本發明一些實施例中之成分量，每100份鋁酸鈣水泥中硫酸鈣之所述量。
在本發明一些實施例之組成物中，對於一給定量之鹼金屬活化劑和其他組分，已經發現，使用硫酸鈣二水合物為減少所述材料收縮提供了最有效之控制。使用無水硫酸鈣(無水石膏)和硫酸鈣半水化合物也為降低本發明一些實施例之所述地質聚合物水泥質組成物之材料收縮提供了傑出之控制。硫酸鈣二水合物和無水硫酸鈣(無水石膏)是本發明一些實施例優選之硫酸鈣形式。更優選地，所述硫酸鈣二 水合物以精細之顆粒石膏之形式提供。
已經令人驚訝地發現，鹼金屬活化劑之所述量對(本發明一些實施例之)地質聚合物水泥質組成物之材料收縮程度有顯著影響。表D3顯示了優選地實現其之成分量，對於所述鹼金屬活化劑之%量，相對於所述水泥質材料之重量(即熱活化矽酸鋁礦物、鋁酸鈣水泥、和硫酸鈣)。
優選地，所述組成物不包括波特蘭水泥。事實上，已經令人驚訝地發現，在本發明一些實施例之所述地質聚合物組成物中摻入矽酸鈣基水硬水泥(例如波特蘭水泥)對於 所述最終材料之尺寸穩定性具有消極作用。增加添加至本發明一些實施例所述地質聚合物組成物之波特蘭水泥之量，增加了所述最終組成物之收縮。在波特蘭水泥存在之情況下材料收縮增加(甚至當鋁酸鈣水泥、硫酸鈣和鹼金屬化學活化劑存在於所述組成物中時)。例如，已經令人驚訝地發現，在本發明一些實施例之所述反應性粉末組成物中摻入約6重量%、約14重量%、和約25重量%之波特蘭水泥，分別使8-周材料自由收縮增加(在所述材料初凝後測量)至約0.1%,0.16%和0.47。因此，在本發明之一些實施例中，波特蘭水泥之添加消極地影響在所述基本四種反應性組分之間之協同相互作用(包括C類飛灰之熱活化矽酸鋁礦物、鋁酸鈣水泥、硫酸鈣和鹼金屬化學活化劑)。因此，本發明一些實施例之所述地質聚合物水泥質組成物中優選地不摻入波特蘭水泥。
為了形成本發明一些實施例之所述組成物，將所述反應性粉末組分A(熱活化矽酸鋁礦物、鋁酸鈣水泥、和硫酸鈣)、活化劑組分B(鹼金屬化學活化劑)、和水混合以形成水泥質漿體，在約0℃至約50℃之初始溫度(在所述成分所有首先存在於所述混合物中之第一分鐘之溫度)，並優選約10至約35℃。結果，地質聚合反應跟著發生，導致鋁矽酸鹽地質聚合物反應形式之形成，並且所述最終材料凝結和硬化。同時地，也發生鋁酸鈣和矽酸鈣物相之水合作用反應，導致所述最終材料之凝結和硬化。
本發明一些實施例之所述尺寸穩定之地質聚合物組成物具有非常低之水需求，以得到可使用之混合物(以新 鮮之狀態)並且產生(所述硬化狀態之)結實耐用之材料
本發明一些實施例之所述尺寸穩定之地質聚合物水泥質組成物之所述優選之水/總固體重量比率(在缺乏粗集料之情況下)是約0.04至約0.25，優選約0.04至約0.20，更優選地約0.05至約0.175，並且進步更優選約0.05至約0.15。本發明一些實施例之所述尺寸穩定之地質聚合物組成物之所述優選之水/總固體比率(在存在粗集料之情況下)優選地小於約0.125，更優選地小於約0.10，並且最優選地小於約0.075。總固體包括水泥質材料、集料(例如砂或者其他集料)、填充料和其他固體添加劑(在不含水之基礎上)。
提供最低數量之水以實現所述化學水合作用和鋁矽酸鹽地質聚合反應。優選地，在本發明一些實施例之所述漿體中，所述水與所述水泥質材料之重量比率為約0.17至約0.4，更優選地約0.2至約0.35，甚至更優選地約0.22至約0.3。所述水量取決於存在於所述水泥質組成物中之所述單獨材料之需水量。如本文使用之，“水泥質材料”被定義為所述熱活化矽酸鋁礦物、鋁酸鈣水泥、和硫酸鈣以及任何之額外之可以被添加至所述反應性混合物之水泥。
所述組成物之凝結通過初凝和終凝時間表徵，使用吉爾摩針(Gilmore needles)按照ASTM C266測試程式測試。所述終凝時間也符合當混凝土產品(例如混凝土面板)具有足夠之硬化時之時間，從而使得它能被處理。
熱活化矽酸鋁礦物(例如飛灰)之地質聚合反應是放熱之反應。意外地發現，在本發明一些實施例中，飛灰、 鋁酸鈣水泥、硫酸鈣和鹼金屬化學活化劑彼此協同作用，作為所述地質聚合反應之部分，從而非常顯著地減少(由於經歷放熱反應之所述材料之)熱釋放之速率和量。合適選擇硫酸鈣之類型和它之量，鋁酸鈣水泥之所述量，以及合適選擇鹼金屬化學活化劑和它之量，對於減少和最小化(由於繼起之放熱反應而產生之)熱釋放之速率和量是關鍵和重要之。
熱活化矽酸鋁礦物(例如飛灰)之地質聚合反應也以非常快速之速率進行，並導致所述材料極度迅速之凝膠化和凝結。通常地，當飛灰單獨地與鹼金屬化學活化劑反應，根據先前之技術，所述材料之所述凝膠化在2至3分鐘內開始，並且所述終凝在水性混合物形成後之小於10分鐘內達到。在本發明之一些實施例中，已經意外地發現，熱活化矽酸鋁礦物(例如C類飛灰、鋁酸鈣水泥、硫酸鈣和鹼金屬化學活化劑)彼此協同相互作用，作為所述地質聚合反應之一部分，以顯著地增加所述最終材料之所述凝膠化時間和終凝時間。硫酸鈣和其量、鋁酸鈣水泥之量之合適選擇，以及鹼金屬化學活化劑和其量之合適有效選擇延長了所述最終材料之凝膠化速率和時間、以及終凝時間。已經發現，對於在所述組成物中給定量之鹼金屬活化劑，所述硫酸鈣量之增加使本發明一些實施例所述最終地質聚合物水泥質組成物之凝膠化和終凝時間增加。另外，已經發現，對於在所述組成物中給定量之鹼金屬活化劑，硫酸鈣顆粒大小之增加使本發明一些實施例所述最終地質聚合物水泥質組成物之凝膠化和終凝時間增加。而且，對於在所述組成物中，給定顆粒大小之硫 酸鈣和給定量之化學活化劑，硫酸鈣二水合物導致凝膠化時間和終凝時間最高量之增加，並且無水硫酸鈣導致最快速之凝膠化和終凝時間。對於本發明一些實施例之所述地質聚合物水泥質組成物，所述凝膠時間為約20至約60分鐘之間之範圍，並具有約30至約120分鐘之終凝時間。所述凝膠化和終凝時間之增加對於本發明一些實施例之所述地質聚合物水泥質組成物允許更長之可使用和工作時間)。
所述組成物之早期強度通過在固化之3至5小時後測量所述抗壓強度表徵。相對較高之早期抗壓強度可以是水泥質材料之優點，因為它能經得起更高之壓力(而沒有過量形變)。高早期強度之實現允許方便處理和使用製造產品。進一步地，由於高早期強度之實現，許多材料和結構可以用於交通，並允許在早期支撐非結構和結構負荷。熟諳技藝人士將會理解，固化反應在終凝時間後之延長期間將會繼續。
本發明之一些實施例之所述地質聚合物水泥質能發展非常高之早期強度和極限之抗壓強度。例如，本發明一些實施例之所述地質聚合物水泥質組成物能在1至4小時後發展約500 psi至約4000 psi之抗壓強度，在24小時後約1500至約5000 psi，在28天后約3,500至約10000 psi。
已經令人驚訝地發現，硫酸鈣之所述類型對於本發明一些實施例之所述地質聚合物水泥質組成物早期抗壓強度(24小時)之發展有非常顯著之影響。當採用無水硫酸鈣(無水石膏)時，早期抗壓強度有最高之增加，其次是硫酸鈣半水化合物，再其次是硫酸鈣二水合物。
在一些實施例中，已經發現，硫酸鈣之較小之顆粒大小導致早期強度(24小時)更快速之發展。當具有非常快速之強度發展是理想情況之時候，所述硫酸鈣優選之平均顆粒大小為約1至約30微米之範圍，更優選地約1至約20微米s，並且又更優選地約1至約10微米。
水泥質反應性混合物
本發明之一些實施例之所述水泥質反應性混合物包括反應性粉末組分A(本文也成為水泥質反應性材料)和活化劑組分B(具有在表A中示出之優選範圍)。所述反應性粉末組分A包括熱活化矽酸鋁礦物、鋁酸鈣水泥、和硫酸鈣。所述活化劑組分B包括鹼金屬化學活化劑。
優選地，所述水泥質反應性混合物含有約10至約40重量%石灰。但是，該石灰不必是添加之石灰。相反，它有時候可以被包括在所述熱活化矽酸鋁礦物之化學組分中。
除了所述熱活化矽酸鋁礦物、鋁酸鈣水泥、和硫酸鈣之外，所述水泥質反應性粉末可以包括約0至約15重量%之任選之水泥質添加劑(例如波特蘭水泥)。但是，優選地缺乏波特蘭水泥，因為它之摻入使所述材料收縮增加，使得所述材料尺寸較不穩定。
C類飛灰和其他熱活化矽酸鋁礦物
在一些實施例中，所述熱活化矽酸鋁礦物選自： 飛灰、高爐礦渣、熱活化之粘土、葉岩、偏高嶺土、沸石、泥灰赤泥、石屑、和底面粘土磚。優選地，他們具有Al2O3含量大於約5重量%。優選地在通過從約600°至約850°C之溫度進行熱處理使熱活化之後，使用粘土或泥灰。本發明一些實施例所述優選之熱活化矽酸鋁礦物在所述組成物中具有高石灰(CaO)含量，優選地大於約10重量%，更優選地大於約15%，並且又更優選地大於約20%。所述最優選之熱活化之鋁矽酸鹽礦物是C類飛灰，例如，來自燃煤電廠之飛灰。所述飛灰也擁有火山灰之性質。
ASTM C618(2008)定義火山灰材料為“矽質或者矽質和鋁質材料，其中它們本身具有較少之或沒有水泥之價值，但是將會以精細劃分之形式，並且在所述水分存在之情況下，與氫氧化鈣在普通溫度下化學反應以形成具有水泥質性質之複合物。”
在本發明一些實施例之所述水泥質反應性粉末中，飛灰是所述優選之熱活化鋁矽酸鹽礦物。飛灰含有高氧化鈣和鋁酸鈣含量(例如ASTM C618(2008)標準之C類飛灰是下文解釋之優選之。
飛灰是煤燃燒形成之細粉末副產品。發電廠利用鍋爐燃燒磨成粉末之煤，產生大部分商業可獲得之飛灰。這些飛灰主要由玻璃球形顆粒、以及赤鐵礦和磁鐵礦之殘渣、燒焦物、和一些在冷卻期間形成之結晶相。所述結構、組成物和飛灰顆粒之性能取決於所述煤之所述結構和組成物以及形成飛灰之所述燃燒過程。ASTM C618(2008)標準區分兩種 主要類別之飛灰(在混凝土中使用)-C類和F類。這兩種類別之飛灰通常來自不同種類之煤(其是在地質時期發生之不同煤形成過程之結果)。F類飛灰通常從燃燒無煙煤或煙煤產生，其中C類飛灰通常從褐煤或者次煙煤產生。
所述ASTM C618(2008)標準區分F類和C類飛灰，主要是根據它們之火山灰性質。因此，在所述ASTM C618(2008)標準中，在所述F類飛灰和C類飛灰之間之主要具體區別是在所述組成物中SiO2+Al2O3+Fe2O3之最小限度。對於F類飛灰，所述SiO2+Al2O3+Fe2O3之最小限度是70%，以及對於C類飛灰是50%。因此，F類飛灰比C類飛灰更加具火山灰性(即凝硬性，pozzolanic)。儘管在所述ASTM C618(2008)標準中沒有清楚地識別，C類飛灰優選地具有高氧化鈣(石灰)含量。
由於遊離石灰(氧化鈣)，C類飛灰通常除了具有火山灰性能外，還具有水泥質性質(即膠凝性質cementitious properties)。F類很少(水泥質性)膠凝性之(當與水單獨混合時)。高氧化鈣含量之存在使得C類飛灰擁有膠凝性性能，導致當與水混合時形成矽酸鈣和鋁酸鈣水化物。如在下文之實施例中可見之，已經發現C類飛灰提供優越之結果。
所述熱活化矽酸鋁礦物包括C類飛灰，優選約50至約100份C類飛灰(每100份熱活化矽酸鋁礦物)，更優選地所述熱活化矽酸鋁礦物包括約75份至約100份C類飛灰(每100份熱活化矽酸鋁礦物)。
也可以採用其他類型之飛灰，例如F類飛灰。優選地，所述熱活化矽酸鋁礦物之至少約50重量%，在水泥質反應性粉末中，為C類飛灰以及剩餘之為F類飛灰或者其他熱活化矽酸鋁礦物。更優選地，所述熱活化矽酸鋁礦物之約55至約75重量%，在所述水泥質反應性粉末中，為C類飛灰以及剩餘之為F類或者任何其他熱活化矽酸鋁礦物。優選地所述熱活化矽酸鋁礦物為約90至約100% C類飛灰，例如100% C類飛灰。
本發明一些實施例之所述熱活化鋁矽酸鹽礦物之平均顆粒大小為優選地小於約100微米，優選地小於約50微米，更優選地小於約25微米，並且又更優選地小於約15微米。
優選地，本發明之所述混合物具有至多約5份偏高嶺土(每100份熱活化矽酸鋁礦物)。優選地，本發明之一些實施例所述組成物不存在偏高嶺土。已經發現，存在偏高嶺土增加了所述混合物之需水量，因此它之使用在本發明之一些實施例之所述地質聚合物組成物中是不理想之。
通常發現在飛灰中之礦物是石英(SiO2)、富鋁紅柱石(Al2Si2O13)、鈣鋁黃長石(Ca2Al2SiO7)、赤鐵礦(Fe2O3)、磁鐵礦(Fe3O4)、等等。另外，鋁矽酸鹽多晶型礦物普遍在岩石中發現，例如矽線石、藍晶石、紅柱石，所有三種通過分子式Al2SiO5,也經常在飛灰中發現。
飛灰也包括硫酸鈣或者(可以在本發明一些實施例之所述混合物組成物中存在之)硫酸根離子之其他來源。
所述飛灰之所述細度優選地例如小於約34%被保留在325網狀篩(美國是列)上，如按照ASTM測試程式C-311(2011)測試之("對於飛灰作為波特蘭水泥混凝土之礦物外加劑之取樣和測試程式")。本發明一些實施例所述飛灰材料之平均顆粒大小優選地小於約50微米，優選地小於約35微米，更優選地小於約25微米，並且又更優選地小於約15微米。該飛灰優選地被回收和乾燥使用(因為它之自凝性質)。
從次煙煤製備之C類飛灰具有下面之在表E中列出之代表性組成物。該飛灰優選地被回收和乾燥使用(因為它之自凝性質)。
優選之合適之F類飛灰具有下面之在表F中列出之組成物。
為本發明目之之水硬水泥是經歷化學凝結反應之水泥，當它與水接觸(水合作用)時，其不僅在水下凝結(固化)，而且也形成抗水產品。
水硬水泥包括但不限於鋁矽酸鹽水泥，如波特蘭水泥、鋁酸鈣水泥、硫鋁酸鈣基水泥和氟鋁酸鈣水泥。
鋁酸鈣水泥
鋁酸鈣水泥(CAC)是水硬水泥，其形成本發明 實施例所述活性粉末共混物之組分。
鋁酸鈣水泥(CAC)也普遍地被稱為礬土水泥或高鋁水泥。鋁酸鈣水泥具有高氧化鋁含量，約30-45重量%為優選之。較高純度之鋁酸鈣水泥也是商業可獲得之，其中所述氧化鋁含量範圍高達約80重量%。這些較高純度鋁酸鈣水泥往往更加昂貴。在本發明一些實施例中使用之所述組成物中之所述鋁酸鈣水泥被精細研磨，以促進所述鋁酸鹽進入所述水性物相使得鈣礬石和其他鋁酸鈣水合物之迅速形成可以發生。在本發明組成物一些實施例中有用之鋁酸鈣水泥之所述表面面積將大於約3,000 cm2/克，並且優選約4,000至約6,000 cm2/克，按照所述Blaine表面面積方法(ASTM C 204)測量。
世界上已經出現了幾種生產鋁酸鈣水泥之製造方法。通常地，在鋁酸鈣水泥製造中使用之主要原材料是鐵礬土和石灰石。生產鋁酸鈣水泥之一種製造方法(其已經在美國使用)在下文進行描述。首先壓碎和乾燥所述鐵礬土礦石，然後和石灰石一起研磨。然後將由鐵礬土和石灰石組成之所述乾燥粉末填充到回轉窯中。磨成粉之低灰煤在窯中作為燃料使用。在鐵礬土和石灰石之間之反應在所述窯中發生，並且所述熔化產物在所述窯之較低端收集，並傾倒至在所述基部之槽組中。使所述熔化之熟料用水驟冷，形成所述熟料之顆粒，然後將其搬運至儲存。然後將該顆粒研磨成所需要之細度以製備最終水泥。
在鋁酸鈣水泥之製造過程期間形成幾種鋁酸鈣 複合物。形成之所述主要複合物是鋁酸一鈣(CaO˙Al2O3，也稱為CA)，在一種類型之鋁酸鈣水泥中。在另一種類型之鋁酸鈣水泥中，形成12CaO˙7Al2O3也稱為C12A7或七鋁酸十二鈣(12CaO˙7Al2O3或C12A7)作為主要鋁酸鈣反應物相。在鋁酸鈣水泥生產過程中形成之其他鋁酸鈣和矽酸鈣複合物包括CaO˙2Al2O3也稱為CA2或二鋁酸鈣，矽酸二鈣(2CaO˙SiO2，稱為C2S)，矽酸鋁二鈣(2CaO˙Al2O3˙SiO2，稱為C2AS)。也可以形成含有相對高比例之氧化鐵之幾種其他複合物。這些包括鐵酸鈣，例如CaO˙Fe2O3或CF和2CaO˙Fe2O3或C2F；和鐵鋁酸鈣，例如鐵鋁酸四鈣(4CaO˙Al2O3˙Fe2O3或C4AF),6CaO˙Al2O3˙2Fe2O3或C6AF2)和6CaO˙2Al2O3˙Fe2O3或C6A2F)。存在於所述鋁酸鈣水泥中之其他次要之成分包括氧化鎂(MgO)、二氧化鈦(TiO2)、硫酸鹽和鹼金屬。本發明一些實施例中有用之優選鋁酸鈣水泥可以具有前述之物相中之一種或幾種。具有鋁酸一鈣(CaO˙Al2O3或CA)和/或七鋁酸十二鈣(12CaO˙7Al2O3或C12A7)作為主要物相之鋁酸鈣水泥在本發明一些實施例中是特別優選之。進一步地，所述鋁酸鈣物相可以是晶體形式和/或非晶態。Ciment Fondu(或HAC Fondu)、Secar 51和Secar 71是商業可獲得之鋁酸鈣水泥具有鋁酸一鈣(CA)作為主要水泥物相之一些舉例。Ternal EV是商業可獲得之鋁酸鈣水泥具有七鋁酸十二鈣(12CaO˙7Al2O3或C12A7)作為主要水泥物相之舉例。
優選地，本發明之一些實施例之組成物每100pbw 之熱活化矽酸鋁礦物包括約1-200品質份，優選約2至100品質份，更優選約5-75品質份，並且又更優選約10-50品質份之鋁酸鈣水泥。
硫鋁酸鈣(CSA)水泥
硫鋁酸鈣水泥可以在本發明一些實施例中優選地使用。CSA水泥是與鋁酸鈣水泥(CAC)或者矽酸鈣基水硬水泥(例如，波特蘭水泥)不同之水泥類別。CSA水泥是基於硫鋁酸鈣之水硬水泥，而不是鋁酸鈣(其是CAC水泥之基礎)或者矽酸鈣(其是波特蘭水泥之基礎)。硫鋁酸鈣水泥是從熟料製備，包括Ye'elimite(Ca4(AlO2)6SO4或者C4A3Š)，作為初晶相。在所述磺基中存在之其他主要物相可以包括以下之一種或多種：矽酸二鈣(C2S)，鐵鋁酸四鈣(C4AF)，和硫酸鈣(CŠ)。與波特蘭水泥相比，硫鋁酸鈣水泥相對低之石灰需求量減少了能源消耗和水泥生產中之溫室氣體排放。事實上，硫鋁酸鈣水泥可以在比波特蘭水泥低大約200℃之溫度下製造，從而進一步減少能量消耗和溫室氣體排放。在本發明一些實施例中有用之存在於所述硫鋁酸鈣水泥中之Ye'elimite物相(Ca4(AlO2)6SO4或C4A3Š)之量優選約20至約90重量%，更優選地約30至約75重量%。當在本發明中使用硫鋁酸鈣(CSA)水泥，他們可以部分取代鋁酸鈣水泥。在本發明一些實施例中之所述組成物中，硫鋁酸鈣水泥取代物之量可以多達鋁酸鈣水泥和硫鋁酸鈣水泥之集料重量之約49重量%。
波特蘭水泥
本發明一些實施例之所述組成物可以具有約0至約15品質份之總波特蘭水泥(相對於100品質份飛灰)。
所述石灰石、葉岩和其他天然發生材料之低成本和廣泛可獲得性使得波特蘭水泥成為在整個上個世紀廣泛使用最低成本材料之一。如本文使用之，“波特蘭水泥”是矽酸鈣基水硬水泥。ASTM C 150定義波特蘭水泥為"水硬水泥(水泥，其不僅通過與水反應硬化，而且形成抗水產物)，通過磨碎基本由水硬性矽酸鈣組成之熟料而生產，通常含有一種或多種所述形式之硫酸鈣作為內部研磨添加劑。”如本文使用之，“熟料”為球狀物(直徑，約0.2至約1.0英寸[5-25 mm])之燒結材料，當原預定組成物之生組成物被加熱至高溫時產生。
儘管如此，非常令人驚訝之是，已經發現添加波特蘭水泥至本發明所述尺寸穩定之組成物(包括矽酸鋁礦物、鹼金屬化學活化劑、鋁酸鈣水泥和硫酸鈣)中，對所述最終組成物之收縮性能具有消極影響。已經發現，向本發明所述地質聚合物組成物添加波特蘭水泥使所述最終組成物之收縮增加。可觀察到之收縮之幅度隨著在所述最終組成物中之波特蘭水泥之量之增加而增加。
該結果是高度期望之和令人驚訝之，並且它強調了當其他類型之水泥和/或化學添加劑被摻入到本發明所述尺寸穩定之地質聚合物粘合劑組成物時，化學相互作用之極度 複雜性質。基於該理解，在本發明一些優選之實施例中沒有摻入波特蘭水泥。但是，可以考慮到，當一些情況下期望可以接受收縮特性之一定增加時，在一些實施例中共可以使用一定量之波特蘭水泥。波特蘭水泥之量之實際極限取決於對收縮特性不利作用可接受之量，但是在本發明之一些實施例中，包括不超過15品質份之波特蘭水泥(每100品質份之所述熱活化矽酸鋁礦物)。
氟鋁酸鈣
氟鋁酸鈣具有所述化學式3CaO.3Al2O3 .CaF2。該氟鋁酸鈣通常通過將石灰、鐵礬土和螢石以這樣之量混合而生產，使得所述最終產物為3CaO.3Al2O3 .CaF2，並且在約1,200°-1,400℃之溫度下燃燒所述最終混合物。氟鋁酸鈣水泥任選地在本發明中使用。
硫酸鈣
硫酸鈣形成本發明一些實施例之所述地質聚合物組成物之成分。雖然硫酸鈣(例如硫酸鈣二水合物)會與水反應，但是它不形成抗水產物，並且它被認為是本發明目之之水硬水泥。在本發明一些實施例中有用之硫酸鈣類型包括硫酸鈣二水合物、硫酸鈣半水化合物和無水硫酸鈣(無水石膏)。可以通過自然來源或者工業生產獲得這些硫酸鈣。硫酸鈣與本發明一些實施例水泥質組成物之基本組分協同作用，從而有助於減少材料收縮，同時賦予所述最終材料其他 有用之性能。
在本發明多種實施例中可以有效地採用不同形態形式之硫酸鈣。已經發現，本發明之一些實施例之所述地質聚合物組成物和複合物之性能顯著地依賴於使用之硫酸鈣之類型(根據它之化學組成物、顆粒大小、晶體形態、以及化學和熱處理)。在其他性質，本發明一些實施例之所述地質聚合物組成物之所述凝結特性、強度發展等級、極限抗壓強度、收縮特性和抗開裂性可以通過在所述製劑中選擇適當之硫酸鈣來源進行調節。因此，本發明一些實施例使用之硫酸鈣類型之選擇是基於所述終端應用中尋求之性質平衡之基礎。
在本發明一些實施例之地質聚合物組成物中，也可以採用兩種或多種類型之硫酸鈣共混物。當使用這樣之共混物，利用之該類型硫酸鈣可能會有所不同，這取決於它們之化學組成物、顆粒大小、晶體形狀和形態，和/或表面處理。
已發現，硫酸鈣之顆粒大小和形態顯著影響本發明一些實施例之所述地質聚合物水泥質組成物之早期和極限強度之發展。通常，已發現更小顆粒大小之硫酸鈣提供更快速之早期強度發展。當希望有一極其迅速之強度發展，所述優選之平均硫酸鈣顆粒大小為從約1至約100微米之範圍，更優選地從約1至約50微米，並且又更優選地從約1至約20微米。而且，也發現，具有更細顆粒大小之硫酸鈣導致減少一些實施例之材料收縮。
已進一步發現，對於一給定量之鋁酸鈣水泥和存 在之其他原材料組分，硫酸鈣量之增加(但不是過度增加)中導致本發明一些實施例所述地質聚合物組成物早期抗壓強度增加。當所述硫酸鈣量為鋁酸鈣水泥之約10至約50%(重量)時，所述早期抗壓強度結果最大幅度增加。
雖然所有三種形式之硫酸鈣(主要是半水化合物、二水合物和無水石膏)在本發明一些實施例之四反應性組分混合物中比下面之比較實施例1-4提供更長之凝結時間和更高之抗壓強度之有益效果是有效之。已發現所述三種不同之硫酸鈣之形式具有不同之和令人驚訝之效果(關於在本發明各種實施例中彼此對凝結時間和抗壓強度)。
已經熟知，硫酸鈣之最可溶形式是所述半水化合物，接著是相對較低溶解度形式之二水合物，然後是相對最難溶形式之無水石膏。已知所有三種形式本身(形成二水合物化學形式之基質)在水性介質中在適當條件下凝結，所述凝結形式之凝結時間和抗壓強度按照它們溶解性之順序。例如，所有其他之事情都是相等之，單獨作為唯一之凝結材料，所述半水化合物通常具有最短之凝結時間並且無水石膏具有最長凝結時間(通常是很長之時間)。
很令人驚訝之是，已經發現，主要採用或全部採用硫酸鈣半水化合物之實施例具有最長之凝結時間，而那些主要採用或全部採用硫酸鈣無水石膏之具有最短之凝結時間。同樣令人驚訝之是，在多個實施例中，主要採用或全部採用無水硫酸鈣(無水石膏)之有更大之早抗壓強度(比主要採用二水合物形式之)。主要使用半水化合物形式之實施例 具有之早抗壓強度與主要採用無水形式相似。
在其他實施例之地質聚合物組成物中，也可以採用兩種或多種類型之硫酸鈣共混物，以改變所述組成物之所述凝結時間和早抗壓強度性能(相對於主要採用或全部採用單一類型之硫酸鈣之實施例)。當使用這樣之共混物，利用之該類型硫酸鈣可能會有所不同，這取決於它們之化學組成物、顆粒大小、晶體形狀和形態，和/或表面處理。
已發現，硫酸鈣之顆粒大小和形態顯著影響本發明一些實施例之所述地質聚合物水泥質粘合劑組成物之早期和極限強度之發展。通常，已發現更小顆粒大小之硫酸鈣提供更快速之早期強度發展。當希望有一極其迅速之強度發展等級，所述優選之平均硫酸鈣顆粒大小為從約1至約100微米之範圍，更優選地從約1至約50微米，並且最優選地從約1至約20微米。而且，也發現，具有更細顆粒大小之硫酸鈣減少材料之收縮。
已進一步發現，對於一給定量之鋁酸鈣水泥和存在之其他原材料組分，硫酸鈣量之增加(但不是過度增加)中導致本發明一些實施例所述地質聚合物粘合劑早期抗壓強度增加。當所述硫酸鈣量為鋁酸鈣水泥之約10至約50%(重量)時，所述早期抗壓強度結果最大幅度增加。
也被意外地發現，在所述混合物中與鋁酸鈣成比例存在之所述硫酸鈣量對本發明一些實施例之地質聚合物組成物之材料收縮程度有顯著影響。優選地，那些實施例有硫酸鈣量約5至約200品質份(相對於100品質份之鋁酸鈣 水泥)。為了最有效地控制地質聚合物組成物在這種實施例中之材料收縮，所述硫酸鈣量是約10至約100品質份(相對於100品質份之鋁酸鈣水泥)，更優選地約15至約75品質份(相對於100品質份之鋁酸鈣水泥)，並且最優選地約20至約50品質份(相對於100品質份之鋁酸鈣水泥)。
在本發明一些實施例中之所述組成物中，對於給定量之鹼金屬活化劑和其他原材料組分，已發現使用硫酸鈣二水合物為最大限度地減少材料收縮提供最有效之控制。使用無水硫酸鈣(無水石膏)和硫酸鈣半水化合物也為降低這種實施例之所述地質聚合物水泥質粘合劑組成物之材料收縮提供出色之控制。
在這種實施例之所述組成物中，硫酸鈣類型或多種類型之選擇，是取決於所需之早期強度發展速率、收縮控制和所述終端應用中尋求之其他性質之平衡。
已經發現，所述硫酸鈣之類型對於本發明一些實施例所述地質聚合物組成物之早期抗壓強度(24小時)之發展具有顯著影響。當使用無水硫酸鈣(無水石膏)時，導致早期抗壓強度之最高增加，接著是硫酸鈣半水合物，再接著是硫酸鈣二水合物。本發明一些實施例使用之硫酸鈣類型之選擇是基於早期抗壓強度發展、收縮控制和在終端應用中追求之其他性質之平衡之基礎上。
在許多一些實施例之所述組成物中，還可以添加部分或全部硫酸鈣量作為所述鋁酸鈣水泥之添加劑組分。如果是這樣之情況下，單獨添加在所述組成物中之硫酸鈣量按 照包括在所述鋁酸鈣水泥之等效量減少。
在一些實施例所述組成物中，硫酸鈣也可以包括在所述飛灰中。當這樣之情況下，單獨添加在所述組成物中之所述硫酸鈣量可以減少。單獨加入到本發明一些實施例之組成物之硫酸鈣量，可以在(由存在混合物中其他成分貢獻之)所述硫酸根離子利用度之基礎上調節。為了增強本發明一些實施例之地質聚合物組成物之持久性，保持硫酸鈣含量在相對低之水準，這是可取之。在所述混合物中之過量之硫酸鈣或者其他硫酸根離子可能會由於(存在於所述材料中之鹽之沉澱和水合作用而產生之)材料膨脹而導致化學損傷，
火山灰
其他任選之矽酸鹽和矽酸鋁礦物，其在水性介質中其自身具有基本之、很少之或根本沒有膠結性能(cementing properties)，可以作為任選之礦物添加劑包括在本發明一些實施例所述組成物中。各種天然和人造材料被稱為擁有火山灰性能(凝硬性，pozzolanic properties)之火山灰材料。火山灰材料之一些例子包括矽灰、浮石、珍珠岩、矽藻土、磨細粘土、細粉碎葉岩、細磨板岩、精細研磨之玻璃、火山凝灰岩、火山土、以及稻殼。可以單獨或以組合形式使用所有這些火山灰材料，作為本發明一些實施例之水泥質反應性粉末之組成部分。
填充料-集料，無機礦物填充料和輕質填充料
雖然所公開之水泥質反應性粉末共混物限定了本發明一些實施例之水泥質組成物之快速凝結組分，本技術領域之技術人員可以理解，根據其預定用途和應用在所述組成物中可以包括其他材料。
在本發明一些實施例中，一種或多種填充料(如砂、細集料、粗集料、無機礦物填充料、輕質填充料)可以用來作為地質聚合物製劑中之組分。這些填充料優選地不是火山灰或熱活化矽酸鋁礦物。
優選之無機礦物填充料是石灰岩、石灰石、碳酸鈣、地面粘土、葉岩、板岩、雲母和滑石。一般情況下，它們有細顆粒大小，優選之平均顆粒直徑小於約100微米，優選地小於約50微米，並且更優選地小於約25微米(在本發明一些實施例之組成物中)。在本發明中，不認為蒙脫石粘土和坡縷石以及它們之混合物是無機礦物填充料。
精細集料或砂被定義為無機之岩石材料具有平均顆粒大小小於約4.75毫米(0.195英寸)。
在本發明中優選之砂，具有平均顆粒大小為約0.1毫米至約2毫米。在本發明一些實施例中，細砂，具有平均顆粒大小為約1毫米或更小是優選之填充料。砂具有最大顆粒直徑約0.6毫米，優選地至多約0.425毫米，在本發明其他實施例中有效地使用一平均顆粒直徑為約0.1至約0.5毫米之範圍內，優選約0.1毫米至約0.3毫米。優選之細沙之例子包括QUIKRETE FINE No.1961和UNIMIN 5030，具有美國篩號# 70-# 30(0.2-0.6毫米)之主要大小範圍。
在所述製劑中，砂之所述顆粒大小分佈和數量有助於控制本發明一些實施例之所述流變特性。在本發明一些實施例之地質聚合物水泥質組成物中可能會添加細砂，以約0.05至約4之砂/水泥質材料(反應性粉末)比率。當需要實現自流平材料之流變能力，在製劑中最可取之砂與水泥質材料比率是在約0.50至約2之範圍內，更優選約0.75至約1.5。
粗集料被定義為一無機之岩石材料具有平均顆粒大小至少約4.75毫米(0.195英寸)，例如約1/4"至1-1/2英寸(0.64到3.81釐米)。也可在一些應用中使用具有大小大於約1-1/2 "(3.81釐米)之集料，例如，混凝土路面。所述使用之粗集料之顆粒形狀和質地可以有很多種形態，如有角之、質地粗糙之、細長之、圓形之或平滑之、或這些之組合。
優選之粗集料由礦物製成，如花崗岩、玄武岩、石英、堇青石(riolite)、安山岩、凝灰岩、浮石、石灰石、石灰岩、砂岩、大理石、矽質岩、燧石、雜砂岩、板岩和/或片麻岩(gnessis)。
在本發明之一些實施例中有用之粗集料，優選地滿足在ASTM C33(2011)和AASHTO M6/M80(2008)標準中提出之規範。
當向本發明一些實施例之所述地質聚合物水泥質組成物中添加粗集料時，他們優選地採用以約0.25至約5之集料與水泥質材料(活性粉末)比率。本發明一些實施例含有粗集料，粗集料與水泥質材料比率約0.25至約1。本發 明其他一些實施例含有粗集料，粗集料與水泥質材料比率約1至約3。
輕質填充料具有一比重小於約1.5，優選地小於約1，更優選地小於約0.75，並且又更優選地小於約0.5。在本發明一些其他優選實施例中，所述輕質填充料之比重小於約0.3，更優選地小於約0.2，並且最優選地小於約0.1。與此相反，無機礦物填充料優選地具有比重高於約2.0。有用之輕質填充料之實施例包括浮石、蛭石、膨脹形式之粘土、葉岩、板岩、珍珠岩、礦渣、膨脹礦渣、煤渣、玻璃微球、合成陶瓷微球、空心陶瓷微珠、聚苯乙烯輕質珠、塑膠空心微球、膨脹塑膠珠等。在本發明一些實施例之組成物中，膨脹塑膠珠和空心塑膠球(當使用時)，以重量為基準採用非常小之量(由於其非常低之比重)。
當利用輕質填充料以減少所述材料之重量，可以採用它們，例如，按照填充料與水泥質材料(反應性粉末)比率為約0.01至約2，優選約0.01至約1。在本發明一些實施例之所述聚合物組成物中，兩種或多種類型之輕質填充料之之組合也可能是有用之。
雖然本發明一些實施例只含有砂作為添加之填充料，其他實施例可以含有砂和無機礦物填充料和/或輕質填充料。其他實施例可以含有無機礦物填充料和輕質填充料作為所述添加之填充料。本發明其他實施例摻入砂、無機礦物填充料和輕質填充料作為添加之填充料。本發明一些實施例僅含有無機礦物填充料或輕質填充料，並且沒有砂、細集料 和粗集料。含有粗集料之本發明一些實施例可以包含或不包含下面之填充料-砂、輕質填充料、和無機礦物填充料之一種或多種。
本發明一些實施例完全不含有任何添加之填充料。
鹼金屬化學活化劑
在本發明一些實施例中，鹼金屬鹽和鹼作為啟動所述反應性粉末組分A(包括熱活化矽酸鋁礦物，如飛灰、鋁酸鈣水泥和硫酸鈣)之化學活化劑是有用之。在本發明一些實施例中使用之鹼金屬活化劑可以以液體或固體形式添加。本發明一些實施例優選之鹼金屬化學活化劑是有機酸金屬鹽。本發明一些實施例更優選之鹼金屬化學活化劑是羧酸鹼金屬鹽。鹼金屬氫氧化物和鹼金屬矽酸鹽是一些在本發明一些實施例中有用之鹼金屬化學活化劑之其他例子。可替換地，鹼金屬氫氧化物和鹼金屬矽酸鹽可以與羧酸(如檸檬酸)組合使用，以提供(包括熱活化矽酸鋁礦物、鋁酸鈣水泥和硫酸鈣之)反應性粉末共混物之化學活化。
在本發明一些實施例中，採用檸檬酸鹼金屬鹽(如檸檬酸鈉或檸檬酸鉀)，聯合(包括熱活化矽酸鋁礦物(包括C類飛灰)、鋁酸鈣水泥、和硫酸鈣)之反應性粉末共混物，為混合物組成物提供相對良好之流動性，並且在或大約周圍環境溫度(約20-25℃)下使所述原材料混合之後不快速變硬。
所述檸檬酸鹼金屬鹽(如檸檬酸鉀或檸檬酸鈉)之量為約0.5至約10重量%，優選約1.0至約6(重量)%，優選約1.25至約4(重量)%，更優選地約1.5至約2.5重量%，並且又更優選地約2重量%，基於100份之本發明一些實施例之所述水泥質反應性組分(即，反應性粉末組分A)。因此，例如，對於100磅之水泥質反應性粉末，有可能是約1.25至約4磅總量之檸檬酸鉀和/或檸檬酸鈉。所述優選之鹼金屬檸檬酸鹽是檸檬酸鉀和檸檬酸鈉，特別是檸檬酸三鈉單水合物、和無水三-檸檬酸鈉、三-檸檬酸鈉單水合物、檸檬酸二鈉倍半水合物、三-檸檬酸鈉二水合物、二-檸檬酸鈉、以及單-檸檬酸鈉。
優選地所述活化劑不含有烷烴醇胺。此外，優選地之所述活化劑不含有磷酸鹽。
凝結緩凝劑
有機化合物，例如羥基化羧酸、羰基水合物、糖、和澱粉是本發明一些實施例優選之緩凝劑。有機酸(如檸檬酸、酒石酸、蘋果酸、葡糖酸、琥珀酸、乙醇酸、丙二酸、丁酸、蘋果酸、富馬酸、甲酸、谷氨酸、戊酸、戊二酸、葡糖酸、丙醇二酸、粘液酸，三羥基苯甲酸等)可作凝結緩凝劑用於本發明一些實施例中之尺寸穩定之地質聚合物水泥質組成物中。在本發明一些實施例中，葡萄糖酸鈉作機凝結緩凝劑是有效之。纖維素基有機聚合物，如羥乙基纖維素(HEC)、羥丙基纖維素(HPC)、羥丙基甲基纖維素(HPMC)、 乙基纖維素(EC)、甲基乙基纖維素(MEC)、羧甲基纖維素(CMC)、羧甲基乙基纖維素(CMEC)、羧甲基纖維素(CMHEC)(在本發明一些實施例之所述組成物中)作為緩凝劑是有用之。當將這些纖維素基緩凝劑添加至本發明一些實施例之組成物中，除了造成緩凝外也使所述混合物之粘度顯著增加。優選地，在本發明之所述組成物中，不採用無機酸基緩凝劑類型(如硼酸鹽或硼酸)，因為發現他們阻礙混合流變，導致過度之泛鹼，並減少材料與其他基質之粘合強度。
其他任選之凝結控制劑
其他任選之凝結控制化學添加劑包括碳酸鈉、碳酸鉀、硝酸鈣、亞硝酸鈣、甲酸鈣、醋酸鈣、氯化鈣、碳酸鋰、硝酸鋰、亞硝酸鋰、硫酸鋁、鋁酸鈉、烷烴醇胺、聚磷酸鹽等。這些添加劑作為所述製劑之組成部分，也可能會影響本發明一些實施例所述地質聚合物組成物之流變性(除了影響到他們之凝結特性外)。
任選之材料、纖維和稀鬆布
本發明一些實施例之所述地質聚合物組成物可以包括其他任選之材料和添加劑。這些措施包括選擇下組之至少一個成員：形成薄膜之可再分散之聚合物粉、形成薄膜之聚合物乳膠分散體、消泡和抑泡劑、保水添加劑、凝結控制劑、收縮減少劑、起泡和引氣劑、有機和無機流變控制劑、粘度改性劑(增稠劑)、泛鹼控制(抑制)劑、腐蝕控制劑、 潤濕劑、著色劑和/或顏料、離散纖維、長纖維和連續纖維和加強物、紡織加強物、聚乙烯醇纖維、和/或玻璃纖維和/或其他離散增強纖維。
不同類型離散增強纖維可能納入在本發明一些實施例之所述地質聚合物組成物中。例如聚合物塗覆之玻璃纖維和聚合材料(如聚丙烯、聚乙烯和尼龍)做成之稀鬆布可以(根據其功能和應用)用來加強水泥基預澆注產品。
本發明一些實施例優選之所述地質聚合物組成物不存在水泥窯粉塵。水泥窯粉塵(CKD)，可以在水泥熟料生產過程期間之窯中生產。所述灰塵是部分煆燒之和未反應之原料進料、熟料及塵灰之顆粒狀混合物，富含鹼硫酸鹽、鹵化物和其他揮發物。這些顆粒被廢氣捕獲並在顆粒狀物質控制裝置(如旋風分離器、袋式除塵器和靜電除塵器)中收集。CKD主要由碳酸鈣和二氧化矽組成，其與所述水泥原進料相似，但是在所述粉塵中鹼金屬、氯化物和硫酸鹽之量通常相當高。來自三種不同類型操作(濕法長窯、乾法長窯和帶分解爐之鹼旁路)之CKD具有多種化學和物理特色。從濕法長窯和乾法長窯形成之CDK由富含鹼金屬硫酸鹽和氯化物之部分煆燒窯進料細粒組成。從分解爐窯之鹼旁路收集之粉塵往往是更加粗糙、更煆燒之，並且也濃縮鹼揮發組分。儘管如此，所述鹼旁路含有最高量(按重量)之氧化鈣和最低燒失量(LOI)。來自Adaska et al.之表AA,Beneficial Uses of Cement Kiln Dust，發表於2008 IEEE/PCA 50th Cement Industry Technical Conf.,Miami,FL,May 19-22,2008，提供 了該三種不同類型操作之組成物分解並且包括了對於I型波特蘭水泥之優選化學組成物以進行比較。
超增塑劑和引氣劑
減水劑(超增塑劑)，在本發明一些實施例中優選地施用。它們可以以乾燥之形式或者以溶液之形式添加。 超增塑劑可以有助於減少所述混合物之需水量。超增塑劑之實施例包括聚萘磺酸鹽、聚丙烯酸酯、多羧酸酯、聚醚多羧酸酯、木素磺化鹽、三聚氰胺磺化鹽、casein等。根據使用之超增塑劑之類型，該超增塑劑(以乾粉為基礎)與該反應性粉末共混物之重量比率優選地為約5 wt%或更少，優選約2重量%或更少，優選約0.1至約1重量%。
多羧酸酯聚醚化學為基礎之超增塑劑對於本發明一些實施例所述地質聚合物水泥質組成物，是最優選之減水化學外加劑。多羧酸酯聚醚超增塑劑是最優選之，因為它們有助於如前面提到之本發明各種目標之實現。
添加引氣劑到本發明一些實施例之水泥質漿體，以原位形成氣泡(泡沫)。引氣劑是優選地為表面活性劑，其特意捕獲在混凝土中之微小氣泡。或者，採用引氣劑以外部產生泡沫，在所述混合物操作過程中將其引入到本發明一些實施例之該混合物中，以減少該產物之密度。優選地從外部產生泡沫，將該引氣劑(也被稱為液體發泡劑)、空氣和水在合適之泡沫發生裝置中混合，以產生泡沫。在添加該泡沫至所述水泥質漿體之前，可以添加泡沫穩定劑，例如聚乙烯醇。
引氣/起泡劑之實施例包括烷基磺酸鹽、alkylbenzolfulfonate和烷基醚硫酸鹽低聚物等等。這些發泡劑之詳細通式為可以在美國專利5,643,510中找到，引入本文作為參考。
可以採用例如符合在ASTM C 260 "Standard Specification for Air-Entraining Admixtures for Concrete"(Aug.1,2006)中提出之標準之引氣劑(起泡劑)。熟諳技藝人士已經熟知這種引氣劑，並且在Kosmatka et al "Design and Control of Concrete Mixtures," Fourteenth Edition，波特蘭水泥Association，特別是題為"Air Entrained Concrete,"之Chapter 8(在美國專利申請號2007/0079733 A1中引用)中描述。市售之引氣材料包括松香皂木質樹脂、磺化烴、脂肪酸和樹脂酸、脂族取代之芳基磺酸鹽(如磺化木質素鹽和許多其他通常採取陰離子或非離子表面活性劑形式之介面活性材料)、松香酸鈉、飽和或不飽和脂肪酸和它們之鹽、表面活性劑、烷基-芳基磺酸鹽、酚乙氧基化物、木素磺化鹽、樹脂皂、羥基硬脂酸鈉、月桂基硫酸鹽、ABS(烷基苯磺酸鹽)、LAS(直鏈烷基苯磺酸鹽)、鏈烷磺酸鹽、聚氧乙烯烷基(苯基)醚、聚氧乙烯烷基(苯基)醚硫酸鹽酯或其鹽、聚氧乙烯烷基(苯基)醚磷酸鹽酯或其鹽、蛋白質材料、alkenylsulfosuccinate、α-烯烴磺酸鹽之、α烯烴磺酸鈉鹽、或月桂基硫酸鹽或磺酸鹽和其混合物。
優選地，所述引氣/起泡劑為該總水泥質組成物重量之約0.01至約1重量%。
生物聚合物和有機流變控制劑
在本發明一些實施例中，琥珀醯聚糖、diutan膠、瓜耳豆膠、wellan膠、黃原膠、纖維素醚為基礎之有機化合物，是起水狀膠質和流變控制劑作用之生物聚合物。在本發 明一些實施例之所述地質聚合物組成物中，合成有機聚合物(如聚丙烯醯胺、鹼溶脹丙烯酸類聚合物、締合丙烯酸類聚合物、丙烯酸/丙烯醯胺共聚物、疏水性改性之鹼溶脹性聚合物、高水溶脹性之有機聚合物)，可以有效地作為流變控制劑中和增稠劑(thicknener)採用。
在本發明一些實施例之所述地質聚合物組成物中，可以有效地採用締合和非締合類型之流變控制劑和增稠劑。
在本發明一些實施例地質聚合物組成物中，有效用於流變控制之纖維素基有機聚合物之實施例包括羥乙基纖維素(HEC)、羥丙基纖維素(HPC)、羥丙基甲基纖維素(HPMC)、乙基纖維素(EC)、甲基乙基纖維素(MEC)、羧甲基纖維素(CMC)、羧乙基纖維素(CMEC)和羧甲基羥乙基纖維素(CMHEC)。
上文提及之該有機流變控制劑和增稠劑在冷水和熱水中均是可溶之。這些添加劑也作為保水劑，因此除了控制材料之流變性外，還減少材料之離析和泌水。
無機流變控制劑
本發明一些實施例之該地質聚合物水泥質組成物也可以包括屬於頁矽酸鹽家族之無機流變控制劑。在本發明地質聚合物組成物中特別有效之無機流變控制劑之實施例包括坡縷石、海泡石、蒙脫石、高嶺石、伊利石。在本發明一些實施例中特別有用之蒙脫石粘土實例是鋰蒙脫石、皂石 和蒙脫石。也可以使用天然之和化學處理過之不同品種膨潤土粘土控制本發明組成物之流變性。這些添加劑也作為保水劑，從而減少材料離析和泌水。在本發明一些實施例中，該無機流變控制劑可以添加，在沒有該有機流變控制劑之情況下使用或與其組合使用之。
形成薄膜之聚合體添加劑
在一些實施例中，優選之形成薄膜之可再分散之聚合物粉為乳膠粉。這些聚合物粉是水-可再分散之，並且通過水性聚合物分散體(乳膠)之噴霧乾燥製備得到。
乳膠是一乳液聚合物。乳膠是水基之聚合物分散體，在工業應用中廣泛使用。乳膠是聚合物微顆粒在水性介質中穩定之分散體(膠狀之乳液)。因此，它是橡膠或塑膠聚合物微顆粒在水中之懸浮液/分散體。乳膠可以是天然之或合成之。
该乳胶优选地由纯丙烯酸、苯乙烯橡胶、苯乙烯丁二烯橡胶、苯乙烯丙烯酸类、乙烯丙烯酸或丙烯酸酯化之乙烯-乙酸乙烯酯共聚物，并且更优选地纯丙烯酸。优选地乳胶聚合物衍生自选自丙烯酸、丙烯酸酯、甲基丙烯酸和甲基丙烯酸酯组成之组中之至少一种丙烯酸单体。例如，在乳液聚合物中优选采用之該单体包括这样之单体：如丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、2-乙基丙烯酸己酯、其他丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯和它们之共混物、丙烯酸、甲基丙烯酸、苯乙烯、乙烯基甲苯、乙酸乙烯酯、 比乙酸更高之羧酸乙烯基酯，例如叔碳酸乙烯、丙烯腈、丙烯酰胺、丁二烯、乙烯、乙烯基氯化物，等，和其混合物。例如，一乳膠聚合物可以是丙烯酸丁酯/甲基丙烯酸甲酯共聚物或2-乙基己基丙烯酸酯/甲基丙烯酸甲酯共聚物。優選地，該乳膠聚合物進一步是來自於選自以下之一種或多種之單體：苯乙烯、α-甲基苯乙烯、乙烯基氯化物、丙烯腈、甲基丙烯腈、甲基丙烯酸脲基酯(ureido methacrylate)、乙酸乙烯酯、支鏈叔單羧酸之乙烯基酯、衣康酸、丁烯酸、馬來酸、富馬酸、乙烯和C 4-C 8之共軛二烯。
泛鹼抑制劑
憎水劑，例如矽烷、矽樹脂、矽氧烷、硬脂酸鹽被添加到本發明一些實施例之水泥質組成物中，以減少該材料之泛鹼潛力。有用之泛鹼抑制劑之選擇實施例包括辛基三乙氧基矽烷、甲基矽酸鉀(potassium methyl siliconate)、硬脂酸鈣、硬脂酸丁酯、聚合物硬脂酸酯。這些泛鹼控制劑降低硬化材料內水之運輸，從而最小化可能會導致泛鹼之鹽和其他水溶性化學物質之遷移。過度泛鹼可導致不良之美感，由於鹽累積和鹽水合作用發生膨脹反應而造成材料破壞和損害，並減少與其他基質和表面塗層之粘合強度。
消泡劑
消泡劑可以被添加到本發明一些實施例之地質聚合物水泥質組成物中，以減少夾帶之空氣量，提高材料強 度，增加材料與其他基質之粘合強度，並在應用中產生無缺陷之表面，其中表面美學是一重要之標準。在本發明一些實施例之所述地質聚合物組成物中，合適消泡劑之實施例包括聚環氧乙烷、聚醚胺、聚乙二醇、聚丙二醇、烷氧基化物、聚烷氧基化物、脂肪醇烷氧基化物、疏水之酯、三丁基磷酸鹽、烷基聚丙烯酸酯、矽烷、矽氧烷、聚矽氧烷、聚醚矽氧烷、炔二醇、四甲基癸炔二醇、仲醇乙氧基化物、矽油、疏水性二氧化矽、油(礦物油、植物油、白油)、蠟(固體石蠟、酯蠟、脂肪醇蠟)、醯胺類、脂肪酸類、聚醚衍生物、脂肪酸等。
初始漿體溫度
在本發明一些實施例中，在這種條件下形成該漿體：提供降低之初始混合物漿體溫度，以及小於約50℉(28℃)之至最終組成物漿體溫度上升，更優選地小於約40℉(22℃)之上升，並且又更優選地小於約30℉(17℃)之上升；為了改進溫度穩定性更重要之是，減慢凝膠化和終凝時間，其從約10至約240分鐘，更優選地約60至約120分鐘，並且又更優選地約30至約90分鐘，從而對本發明一些實施例組成物之商業用途之工作時間更好地控制。所述初始漿體溫度優選約室溫。
增加該漿體之初始溫度，增加了隨反應進行溫度上升之速率，並減少凝結時間。因此，在製備傳統飛灰基地質聚合物組成物中，使用95℉(35℃)至105℉(41.1℃)之初 始漿體溫度(以優選地避免快速之凝膠化和凝結時間)，因為該組成物製劑之設計以減少了該混合之組成物從該初始漿體溫度之溫度增加行為。本發明增加該初凝膠化時間和終凝時間，隨本發明一些實施例獲得之熱穩定性之有益效果，反過來，為該組成物提供了增加之商業和易性，如果所述初始漿體溫度已經相當高之話可能會使其稍微較少。
該“初始溫度”定義為在將該水泥質反應性粉末、活化劑、和水開始全部存在於該混合物中之後之第一分鐘。當然，該總混合物之溫度在這第一分鐘期間可能變化，但是，為了實現優選之熱穩定性，它優選在約0至約50℃之初始溫度範圍內保持穩定，優選初始溫度範圍為約10至約35℃，更優選約15至約25℃之初始溫度範圍，優選環境溫度。
材料放熱之和溫度上升行為
本發明組成物有利地實現適度之放熱和在所述材料內(在固化階段)低程度之溫度上升。在本發明一些實施例之這種組成物中，發生在該材料內之最大溫度上升優選地小於約50℉(28℃)，更優選地小於約40℉(22℃)，並且最優選地小於約30℉(17℃)。這防止了過度熱膨脹和後續之開裂，以及材料之斷裂。當該材料以這種方式利用：在實際領域應用中涉及大厚度之材料澆注時，這方面變得更加重要。本發明之該地質聚合物水泥質組成物在這個特殊方面是有益之，因為它們在實際領域應用中表現較低之熱膨脹和增強之 抗熱裂性。
實施例
在所有實施例中，除非另有指出，採用鋁酸鈣水泥，已知為Ciment Fondu(此處也稱為HAC Fondu)，從Kerneos Inc購買，作為水泥質反應性粉末之一組分。採用之鋁酸鈣水泥(Ciment Fondu)之氧化物組成物見表AA中所示：
在實施例中存在於Ciment Fondu(HAC Fondu)之鋁酸鈣之主要物相，為鋁酸一鈣(CA)。
在所有實施例中，除非另有指出，飛灰為C類飛灰，來自Campbell Power Plant,West Olive,MI。此飛灰具有一平均顆粒大小約4微米。測量之Blaine飛灰細度為約4300 cm2/g。在這些實施例中使用之C類飛灰之氧化物組成物在表AA中所示。
本發明之一些實施例和實施例中使用之硫酸鈣具有一平均顆粒大小約1-200微米(微米)，以及當使用細粒度之硫酸鈣時，優選約1-20微米。
特別地，實施例中採用之硫酸鈣二水合物為一細粒度之硫酸鈣二水合物，在這裏被稱為石膏粉，可從United States Gypsum Company購買。石膏粉為一細粒度之硫酸鈣二水合物，平均顆粒大小約15微米。
在一些實施例中包括之無水硫酸鈣(無水石膏)為SNOW WHITE牌填料，可從United States Gypsum Company購買。USG SNOW WHITE填料為一不溶性形式之無水石膏，通過高溫熱處理硫酸鈣，最好為石膏來生產。其具有一個非常低水準之化學結合水分，優選大約0.35%。USG SNOW WHITE填料之平均顆粒大小為約7微米。
在一些實施例中使用之硫酸鈣半水化合物之例子是USG HYDROCAL C-Base牌硫酸鈣半水化合物，可從United States Gypsum Company購買。HYDROCAL C-Base為一α形態形式硫酸鈣半水化合物，具有塊狀晶體微觀結構和 低需水量。USG HYDROCAL C-Base具有一平均顆粒大小約17微米。
粗粒度之硫酸鈣二水合物，這裏以其他方式確定為粗石膏粉，在一些實施例中採用之，採購自USG Detroit Plant以及可從United States Gypsum Company購買，如USG BEN FRANKLIN AG牌粗石膏。USG BEN FRANKLIN AG牌石膏為一粗粒度之硫酸鈣二水合物，平均顆粒大小約為75-80微米。
QUIKRETE細粒度編號1961細砂和UNIMIN 5030砂用於本發明之一些實施例中，以及在一些實施例中有一顆粒大小如在表BB中所示：
檸檬酸鉀或檸檬酸鈉為鹼性檸檬酸鹽添加到本發明之一些實施例之水泥質組成物中並發揮化學活化劑、流變改性劑和凝結對照劑之作用。
採用ASTM C266(2008)標準使用Gilmore針測定下列實施例中報告之初凝時間和終凝時間。
本發明之一些實施例中之水泥質地質聚合物組成物之塌落和流動，其由塌落測試表徵。下列實施例中所使用之塌落測試利用一中空之圓柱體約5.08 cm.(2in.)直徑和約10.16 cm.(4 in.)之長度，豎直以一個開口端部擱在一光滑之塑膠表面。圓柱體將被水泥質混合物充滿到頂部，然後通過刮平頂表面，以除去過量之漿體混合物。然後圓柱體輕輕抬起垂直，以使漿體從底部出來並擴散在塑膠表面上形成一圓形餅。然後測量並記錄餅之直徑作為材料之塌落。如這裏所用之，具有良好流動行為之組成物產生較大之塌落值。漿體之流動，其特徵在於按漿體之流動性分級為範圍1到第10，值為1表示非常差之流動行為，以及值為10表示較優異之流動行為。
本文所用之材料收縮(在這裏也被稱為“收縮”)，通過按照ASTM C928(2009)測試標準測量棱柱體試件之長度變化來表徵。各原材料組分包括水被帶到一起4小時後，測量初始長度。元件包括水被帶到一起8周後，進行最終測量。最初和最終之測量值之間之差異除以初始長度，再乘以100%給出之收縮作為百分比。根據ASTM C157(2008)標準，製備1 in.x1 in.(橫截面)長度變化棱柱體試件，在這 裏也被稱為棒。
根據ASTM C109(2008)之測試方法，通過測試2 in.×2 in.×2 in.立方體在壓縮下之失效，來測量材料之抗壓強度。立方體硬化後從黃銅模具脫模並在密封之塑膠袋中固化，直到測試時期。澆鑄後約4小時、約24小時、約7天和約28天時測試立方體。
在半絕熱條件下將漿體放在一絕緣容器中，測量該材料之漿體溫度上升行為，並用一熱電偶記錄該材料之溫度。
許多實施例顯示了本發明之一些實施例中研製之地質聚合之水泥質組成物(包含熱活化之矽鋁酸鹽礦物(飛灰)、鋁酸鈣水泥、硫酸鈣和鹼金屬化學活化劑)之物理性質。這研究了摻入鋁酸鈣水泥以結合硫酸鈣和鹼金屬化學活化劑，對本發明之一些實施例中研製之地質聚合之水泥質組成物之材料之早期和長期收縮行為(化學和乾燥收縮)、早期抗壓強度、極限抗壓強度、放熱行為和凝結特徵之影響。
許多實施例顯示了本發明之一些實施例中研製之地質聚合物水泥質組成物(包含熱活化之矽鋁酸鹽礦物(飛灰)、鋁酸鈣水泥、硫酸鈣和鹼金屬化學活化劑)之物理性質。這說明瞭摻入鋁酸鈣水泥以結合硫酸鈣和鹼金屬化學活化劑，對本發明之一些實施例中研製之地質聚合物水泥質組成物之材料之早期和長期收縮行為(化學和乾燥收縮)、早期抗壓強度、極限抗壓強度、放熱行為和凝結特徵之影響。
本發明之一些實施例中之組成物在固化階段，有 利地實現材料內適度之放熱和低之溫度上升。在這樣之組成物中，在材料中發生之最大溫升優選小於約50℉(28℃)，更優選地小於約40℉(22℃)，並且仍然更優選地小於約30℉(17℃)。這可以防止過度之熱膨脹和由此產生之材料開裂和破壞。當材料以這種方式利用：其中在實際領域應用中涉及大厚度之材料澆注，這方面變得更加有益。在這個特定之方面，如下面所討論之本發明研究之地質聚合物水泥質組成物是有利之，因為在實際現場應用中它們表現出較低之熱膨脹和增強之抗熱開裂性。
本發明之一些實施例中之組成物也實現了較長之凝結時間從而提供了良好之和易性。對於本發明之一些實施例之一極短凝結時間是有問題之，對於實施作為短期材料之使用壽命(適用期)，導致在實際領域中之應用中使用設備和工具處理快速凝結材料之重大困難。
實施例1：當前地質聚合之水泥質組成物之比較實施例
下面之實施例說明瞭當前地質聚合物水泥質組成物(包含類Ç飛灰和檸檬酸鉀)之物理性質。測試結果顯示了收縮行為、早期和極限抗壓強度；以及水泥質組成物之凝結行為，見在表1所示。所有這三種混合物用檸檬酸鉀活化，並包含不同數量之砂集料。所有這三種混合物具有大約100重量份之C類飛灰和100重量份之總水泥質材料。所有之水泥質材料為C類飛灰Campbell Power Plant,West Olive,MI 和QUIKRETE商業級細砂No.1961。
第1A圖 顯示了比較實施例1中研究之該技術領域之地質聚合物水泥質組成物當前狀態之收縮行為。
從原材料混合在一起並澆鑄時間之4小時齡期開始收縮測量。可以觀察到，飛灰組成物以鹼性檸檬酸鹽活化，表現出極高之收縮量。在約75℉/50% RH下固化8周後發現測得之最大收縮在高達約0.75%。含砂量之增加降低了收縮程度，但整體收縮仍然保持在非常高之不可接受之水準。如此高水準之材料收縮使之材料不能令人滿意地應用於大多數建 築。應當指出，對於大多數建築應用中，超過約0.10%之收縮總幅度被認為是極高之和不理想之。
材料之初始流動行為、塌落、和早期開裂行為
表2顯示了比較實施例1中研究之該技術領域之地質聚合物水泥質組成物當前狀態之初始流動行為和塌落。
在砂/水泥比率約為0.75%，以鹼金屬檸檬酸鹽活化之飛灰組成物具有一良好之流動行為。當砂/水泥比增加至約1.5%時，漿體小程度地失去其流動性。最終，在砂/水泥比約2.50，混合物變得非常僵硬，並且絕對無流動特徵。
第1B圖顯示比較實施例1中研究之混合物#1塌落餅之照片。乾燥後塌落餅發展出明顯之開裂。在塌落測試後少於約30分鐘內餅發生開裂。裂縫之數量和開裂之大小，隨後物料乾燥和硬化而增長。
凝結時間
表3顯示了比較實施例1中研究之該技術領域之地質聚合物水泥質組成物當前狀態之凝結行為。
本實施例中之水泥質組成物具有極其快速之凝結行為。所有混合物凝膠化速度非常快，並在原材料進行混合在一起小於約5分鐘後失去流動行為，形成一含水漿體。
抗壓強度
表4顯示比較實施例1中研究之該技術領域之地質聚合物水泥質組成物當前之抗壓強度行為。所有飛灰組成物顯示，在28天時，抗壓強度之發展超過約7000 psi。
實施例2：比較實施例
本實施例研究了該技術領域之地質聚合物製劑(包含水泥質組成物(包含飛灰和檸檬酸鹽))之優選之當前狀態。表5顯示研究之混合組成物之原料組成物。用檸檬酸鉀活化混合物，並含有數量不等之砂集料。該混合物含有約100重量份C類飛灰和100重量份總水泥質材料。換句話說，所有之水泥質材料為C類飛灰。
該組成物使用QUIKRETE商業級細砂No.1961和BASF CASTAMENT FS20超增塑劑。
材料之早期開裂行為
第2圖顯示了比較實施例2中研究之混合物塌落餅之照片。乾燥後塌落餅發展出明顯之開裂。在塌落測試後少於約30分鐘內餅發生開裂。裂縫之數量和開裂之大小，隨後物料乾燥和硬化而增長。
比較實施例2之組成物之抗壓強度行為
表5A顯示比較實施例2中混合物之抗壓強度行為。該組成物之早期抗壓強度是比較低之，即在4小時時小於約500 psi，並且在24小時時小於約2000 psi。如將在稍後 在實施例中所示，在這些具有同等之水/水泥比之同一早期，本發明之實施例中之地質聚合物組成物之發展顯著較高之抗壓強度。如本發明特定實施例中之實施例中顯示，可以通過調整本發明之實施例之組成物中使用之硫酸鈣之種類和量，鋁酸鈣水泥之量，和鹼金屬活化劑之種類和量來很容易定制早期抗壓強度。
實施例3：比較實施例
本實施例中研究了比較水泥質組成物(包括飛灰和鹼金屬檸檬酸鹽)之早期尺寸穩定性和抗開裂。表5顯示了研究之混合物組成物之原料組成物。
材料之早期開裂行為
第3A圖顯示比較實施例3中研究之混合物塌落餅之照片。乾燥後塌落餅明顯之開裂。在塌落測試後少於約30分鐘內餅發生開裂。
比較實施例3之組成物之抗壓強度行為
表5B顯示比較實施例3中混合之抗壓強度行 為。該組成物之早期抗壓強度是比較低之，即在4小時時小於約500 psi，並且小於約1500 psi。如本發明特定實施例中之後面實施例中顯示，可以通過調整本發明之實施例之組成物中使用之硫酸鈣之種類和量，鋁酸鈣水泥之量，和鹼金屬活化劑之種類和量來很容易定制早期抗壓強度。
收縮行為
第3B圖 顯示在比較實施例3中水泥質組成物早前期之收縮行為。
從距原材料混合在一起並澆鑄之時間1-小時齡期時開始早前期之收縮測量。以鹼金屬檸檬酸鹽活化飛灰組成物，表現出非常高之收縮量。在約75℉/50% RH固化8-周後發現測得之最大收縮超過約1%。如此高水準之材料收縮使得材料對於大多數建築應用而言不能令人滿意。在大多數建築應用中，超過約0.10%之收縮被認為是不理想地高。
實施例4：添加純鋁酸鈣水泥到飛灰-比較實施例
本實施例顯示水泥質組成物(包含飛灰，鋁酸鈣水泥和鹼金屬檸檬酸鹽)之物理性質。這研究了摻入鋁酸鈣水泥對水泥質組成物(包含飛灰和鹼金屬檸檬酸鹽)之收縮和抗開裂性之影響。
表6和7顯示在本實施例中研究之各種水泥質混合物1-4之原料組成物。Ciment Fondu(HAC Fondu)，鋁酸鈣水泥，可從Kerneos購買，用作為本研究之水泥質反應性粉末之一組分。在本實施例中研究之各種混合組成物中使用之鋁酸鈣水泥之量各不相同，等於飛灰重量之約10重量%和30重量%。添加檸檬酸鉀作為本實施例中研究之水泥質組成物之鹼性檸檬酸鹽之來源。使用之硫酸鈣為USG石膏粉硫酸鈣二水合物。QUIKRETE商業級細砂號1961與AdvaCast500，WR Grace超增塑劑一起使用。
材料之初始流動行為、塌落、和早期開裂行為
表8顯示了在實施例4中研究之飛灰和鋁酸鈣水泥之二元共混物初始流動行為和塌落。研究之兩種混合物都具有良好之流動行為和高之餅直徑，如在塌落測試中觀察之。
第4A圖顯示了實施例4中研究之混合物1和2塌落餅之照片。乾燥後兩種塌落餅都發展出明顯之開裂。一旦將該原料混合在一起5分鐘內，在該餅中之開裂發生發生。裂縫之數量和開裂之大小，隨物料乾燥和硬化而顯著增長。可以得出結論，添加鋁酸鈣水泥質以鹼性檸檬酸鹽活化之飛灰組成物職工，導致產生尺寸不穩定性之材料，其在乾燥和硬化過程中往往過度開裂。
收縮行為
澆注矩形棱柱體試件，以表徵研究之混合物之收縮行為。混合物2之棱柱體在澆注後小於1小時之時間內，由於過度材料收縮而在該模具中開裂(在脫模之前)。
第4B圖顯示了混合物1之收縮行為。在原料混合在一起，形成一含水漿體之4-小時之齡期開始收縮測量。測量材料收縮之總持續時間約8周，而在75℉/50% RH時固化材料。可以觀察到，用於混合物1之棱柱體(含有飛灰混合物，高鋁水泥，和鹼金屬檸檬酸鹽)收縮非常顯著。8周結束時測量之用於混合物1之棱柱體之收縮約1.08%。
實施例5
表6和7顯示實施例5中研究之本發明兩種地質聚合物水泥質混合物(在表6和7中之混合物3和混合物4)之原料組成物。在該實施例之混合物組成物中使用之鋁酸鈣水泥之量等於飛灰重量之10重量%(混合物3)和30重量%(混合物4)。細粒度之石膏粉以不同用量之水準添加，基於鋁酸鈣水泥重量之33.33重量%。
材料之初始流動行為、塌落、和早期開裂行為
表8顯示了在實施例5中研究之本發明地質聚合物水泥質組成物(在表8中之混合物3和混合物4)(包含飛灰，鋁酸鈣水泥，細粒度石膏粉，和鹼性檸檬酸鹽)之初始流動行為和塌落。可以清楚地觀察到，所有研究之混合物組成物具有良好之流動行為。特別值得注意之是，這種良好流 動性能在水/水泥質材料比率低到0.25時是可以獲得之。
第5A圖顯示了實施例5中研究之本發明地質聚合物水泥質組成物塌落餅之照片。這個實施例之塌落餅在乾燥過程中沒有發展出任何之開裂，比較實施例4不含有石膏粉之該水泥質組成物與其一樣。因此，摻入硫酸鈣(細粒度之石膏粉)源至該水泥質組成物(包含飛灰，鋁酸鈣水泥，和鹼性檸檬酸鹽)，導致尺寸穩定之地質聚合物水泥質組成物在乾燥過程中擁有較優越之抗開裂性。
收縮行為
第5B圖顯示了在實施例5中之研究之本發明地質聚合物水泥質組之收縮行為。本研究之主要目標是研究摻入鋁酸鈣水泥結合硫酸鈣(石膏粉)和鹼性檸檬酸鹽對本發明研製之地質聚合物水泥質組成物收縮行為之影響。
在原料混合在一起，形成一含水漿體之4-小時之齡期開始收縮測量。測量材料收縮之總持續約8周，而在75℉/50% RH時固化材料。
可以從這個研究和第5B圖得出以下結論：
摻入硫酸鈣(石膏粉)對本發明地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，鋁酸鈣水泥和鹼金屬檸檬酸鹽)具有顯著之影響。與比較實施例4(不具有石膏粉)之比較混合物1收縮棒在脫模前開裂相反，實施例5之收縮棒包括硫酸鈣(石膏粉)並在脫模之前或之後是完全穩定之並不導致任何開裂.
本發明之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，鋁酸鈣水泥，硫酸鈣(石膏粉)，和鹼性檸檬酸鹽)所測量之最大收縮顯著低於水泥質組成物(僅含有飛灰和鹼性檸檬酸鹽(實施例1))所測量之。例如，與比較混合物(僅含有飛灰和鹼性檸檬酸鹽(實施例1))之最大收縮為約0.75%相比，本發明之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，鋁酸鈣水泥，硫酸鈣(石膏粉)和鹼性檸檬酸鹽)具有最大測量收縮0.14%。因此，可以得出結論，添加硫酸鈣到水泥質組成物(包含飛灰，鋁酸鈣水泥，鹼性檸檬酸鹽)有助於顯著地降低材料收縮。
凝結時間
表9顯示了在實施例5中研究之本發明地質聚合物水泥質組成物之凝結時間。
在實施例5中研究之水泥質組成物具有快速凝結行為，其範圍在20至40分鐘之間。本發明研製之水泥質組成物包含飛灰，鋁酸鈣水泥、硫酸鈣(石膏粉)和鹼性檸檬酸 鹽比在實施例1中見到之僅包括飛灰和鹼性檸檬酸鹽之水泥質組成物具有相對較長之凝結時間。對於實施例1包含飛灰和鹼性檸檬酸鹽之水泥質組成物，終凝時間為約15分鐘。極度短暫之凝結時間對於大多數應用是有問題之，因為短暫之材料使用壽命(適用期)導致在涉及實際應用領域使用設備和工具處理快速凝結材料有顯著之困難。
抗壓強度
表10顯示了在實施例5中本發明研製之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，鋁酸鈣水泥，硫酸鈣(石膏粉)和鹼性檸檬酸鹽)之抗壓強度行為。
這研究了摻入鋁酸鈣水泥結合硫酸鈣二水合物(細粒度石膏粉)對於本發明研製之地質聚合物水泥質組成物之早期和極限抗壓強度行為之影響。該資料表明了：
本實施例中研究之本發明地質聚合物水泥質組成物之抗壓強度作為時間之函數持續增加。
混合物之早期(4-小時和24-小時)強度隨水泥 質組成物中石膏粉量之增加而增加。
使用石膏粉作為本發明之地質聚合物水泥質組成物之一組分，材料之早期4-小時抗壓強度超過1400 psi。
使用石膏粉作為本發明之地質聚合物水泥質組成物之一組分，材料之早期24-小時抗壓強度超過2000 psi。值得注意之是，具30份鋁酸鈣水泥和10份硫酸鈣之混合物3之24-小時抗壓強度是非常高之，在約4150 psi。
本實施例中研究之本發明之地質聚合物水泥質組成物之28-天抗壓強度是非常高之，混合物3約6900 psi，以及混合物4約4000 psi。
在本實施例中顯示之本發明實施例中，-意外地發現，當矽酸鋁礦物、鹼金屬活化劑、鋁酸鈣水泥和硫酸鈣混合到一起時，所得最終反應比兩個單獨之反應放熱較少，並且凝膠化和硬化時間顯著延長。
也已經發現，當矽酸鋁礦物和鹼金屬活化劑與鋁酸鈣水泥、和硫酸鈣一起反應，如本文描述上面之段落中討論之，材料收縮顯著地減少了。
實施例6
表11顯示了本實施例中研究之地質聚合物水泥質混合物之原料組成物，如在表6中所示。在該實施例之混合物組成物中使用之鋁酸鈣水泥之量為等於C類飛灰重量之30重量%。在研究之各種混合物組成物中添加不同量水準(飛灰和鋁酸鈣水泥重量之5重量%,10重量%,20重量%， 和30重量%)之硫酸鈣二水合物(石膏粉)。飛灰為C類飛灰，Campbell Power Plant,West Olive,MI，硫酸鈣二水合物為USG石膏粉，鋁酸鈣水泥為Ciment Fondu(HAC Fondu),Kerneos Inc，砂為QUIKRETE商業級細砂No.1961以及超增塑劑為AdvaCast 500，來自WR Grace.
間
材料之初始流動行為、塌落、和早期開裂行為
表12顯示了在實施例6中研究之本發明地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，鋁酸鈣水泥，硫酸鈣(最終石膏)，和鹼性檸檬酸鹽)之初始流動行為和塌落特徵。
所有研究之混合物組成物具有良好之自流平、流動行為和高之餅直徑，如在塌落測試中觀察之。在水/水泥質材料比率低為0.275時，獲得高之塌落和自流平特性。
第6A圖顯示了在實施例6中研究之地質聚合物水泥質組成物之塌落餅之照片。與比較實施例4中之水泥質混合物(不含硫酸鈣(石膏粉))相反，本實施例中之塌落餅乾燥過程中沒有發展任何開裂。因此，可以得出結論，摻入硫酸鈣(石膏粉)到水泥質混合物(含有飛灰，鋁酸鈣水泥和鹼金屬檸檬酸鹽)，提供乾燥過程中具有優良耐開裂抵抗力之尺寸穩定之地質聚合物水泥質組成物。
收縮行為
第6B圖顯示了在實施例6中研究之本發明之地質聚合物水泥質組成物之收縮行為。這顯示了摻入鋁酸鈣水泥以結合硫酸鈣(硫酸鈣二水合物或石膏粉)對本發明之研製之地質聚合物水泥質組成物之收縮行為之影響。
從原料混合在一起之4-小時齡期開始收縮測量，形成一含水漿體。測量材料之收縮總持續時間為8周，而在75℉/50% RH固化材料。
從本研究和第6B圖可以得出以下重要結論：
摻入硫酸鈣(石膏粉)對改善本發明之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，鋁酸鈣水泥和鹼性檸檬酸鹽)之抗開裂性和尺寸穩定性之具有顯著之影響。與比較實施例4之收縮棒(沒有石膏粉)即使在脫模前開裂相反，實施例6之收縮棒(包含硫酸鈣(細粒度之石膏粉))在脫模之前或之後是完全穩定之並不導致任何開裂。
本發明之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，鋁酸鈣水泥，硫酸鈣(石膏粉)，和鹼性檸檬酸鹽)所測量之最大收縮顯著低於水泥質組成物(僅含有飛灰和鹼性檸檬酸鹽(實施例1))所測量之。例如，與比較混合物(僅含有飛灰和鹼性檸檬酸鹽(實施例1))之最大收縮為約0.75%相比，本發明之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，鋁酸鈣水泥，硫酸鈣(石膏粉)和鹼性檸檬酸鹽)具有最大測量收縮0.13%至約0.24%。因此，添加細粒度之石膏粉到水泥質組成物(包含飛灰，鋁酸鈣水泥，鹼性檸檬酸鹽)有助於顯 著地降低材料收縮。
增加在本例中使用之硫酸鈣(石膏粉)量之水準導致材料最大收縮之整體下降。可以觀察到，在硫酸鈣(石膏粉)之量為16.7重量%時，材料之收縮為0.24%(混合物1)。增加硫酸鈣(石膏粉)量至33.3重量%，和66.7重量%導致材料收縮值減少至約0.13%(混合物2和混合物3)之值。進一步增加硫酸鈣(石膏粉)量至100重量%導致收縮值略有上升至約0.15%之值。
熱釋放和漿體溫度上升行為
第6C圖顯示了實施例6中研究之本發明之地質聚合物水泥質組成物之放熱和漿體溫度上升行為。實施例6中之水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，硫酸鈣(細粒度之石膏粉)，和鹼金屬檸檬酸鹽)只展示了一非常溫和之溫度上升行為。在固化階段，材料裏面之一適度之放熱和低之溫度上升對防止過度熱膨脹和由此產生之材料開裂和破壞是至關重要之。當材料以這種方式利用：其中在實際領域應用中涉及大厚度之材料澆注時，這方面變得更加重要。本實施例中研究之本發明之地質聚合物水泥質組成物是公開之，在這個特殊之方面是非常有益之，因為它們會導致在實際現場應用中較低之熱膨脹和增強之對熱開裂抵抗力。
凝結時間
表13顯示了在實施例6中研究之本發明之地 質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，鋁酸鈣水泥，硫酸鈣(細粒度之石膏粉)，和鹼性檸檬酸鹽)之凝結時間。
本實施例中研究之所有水泥質組成物顯示之終凝時間範圍在30至50分鐘之間。與此相反，實施例1之水泥質組成物(包含飛灰和鹼性檸檬酸鹽)有一終凝時間約15分鐘。
抗壓強度
表14顯示了實施例6中本發明研製之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，鋁酸鈣水泥，硫酸鈣(細粒度之石膏粉)，鹼性檸檬酸鹽)之早期和極限抗壓強度行為。
從本研究可以得出以下幾點觀察：
本實施例中研究之本發明之地質聚合物水泥質組成物之抗壓強度作為時間之函數持續增加。
使用硫酸鈣(石膏粉)作為本發明研究之地質聚合物水泥質組成物之一組分，該材料之早期4-小時抗壓強度超過750 psi。
使用硫酸鈣(石膏粉)作為本發明研究之地質聚合物水泥質組成物之一組分，該材料之早期24-小時抗壓強度超過1500 psi。
本實施例中研究之本發明之所有地質聚合物水泥質組成物之28-天抗壓強度，在較低量硫酸鈣(石膏粉)下是非常高之，並隨著硫酸鈣量之增加而減少。例如，具16.7%硫酸鈣之混合物1和具33.3%硫酸鈣之混合物2之28-天抗壓強度分別為5221 psi和4108 psi。另一方面，對於具100%硫酸鈣之混合物# 4，28-天抗壓強度下降至2855 psi。
實施例7
本實施例比較了包含不同量水準鋁酸鈣水泥之本發明組成物，在混合物中含有飛灰、硫酸鈣(細粒度之硫酸鈣二水合物或石膏粉)和鹼性檸檬酸鹽。
表15顯示本實施例中研究之地質聚合物水泥質混合物之原料組成物。在該實施例之混合物組成物中使用之鋁酸鈣水泥之量為等於C類飛灰重量之40重量%,60重量%和80重量%。添加之細粒度之USG石膏粉形式之硫酸鈣之量水準為鋁酸鈣水泥重量之30重量%和飛灰之13.3，20和26.7wt%。鋁酸鈣水泥為Ciment Fondu(HAC Fondu),Kerneos,Inc.，砂為QUIKRETE商業級細砂No.1961以及超增塑劑為AdvaCast 500,WR Grace.
材料之初始流動行為、塌落、和早期開裂行為
表16顯示了在實施例7中研究之本發明之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，鋁酸鈣水泥，硫酸鈣二水合物(細粒度之最終石膏)，和鹼性檸檬酸鹽)之初始流動行為和塌落特徵。
所有研究之混合物組成物具有良好之流動行為，如在塌落測試中觀察之。
收縮行為
第7圖顯示了本實施例之本發明之地質聚合物水泥質組成物收縮行為之資料。
在原料混合在一起，形成一含水漿體之4-小時之齡期開始收縮測量。測量材料收縮之總持續時間約8周，而在75℉/50% RH時固化材料。
這個實施例顯示了：
與比較實施例4(沒有硫酸鈣)之收縮棒即使脫模前開裂相反，實施例7中之收縮棒(包含硫酸鈣(細粒度之石膏粉))在脫模之前或之後是完全穩定之，並不導致任何開裂。
與比較混合物組成物(僅含有飛灰和鹼性檸檬酸鹽(實施例1))之最大收縮為約0.75%相比，本發明之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，鋁酸鈣水泥，硫酸鈣(細粒度之石膏粉)，和鹼性檸檬酸鹽)具有一最大收縮極低，約 0.06%。
凝結時間
表17顯示了實施例7中研究之本發明之地質聚合物水泥質組成物之凝結時間。
本發明之所有水泥質組成物表現出快速之凝結行為。本發明研究之混合物組成物(包含飛灰，鋁酸鈣水泥，硫酸鈣(細粒度之石膏粉)，和鹼金屬檸檬酸鹽)與先前技術之水泥質組成物(僅包含飛灰和鹼金屬檸檬酸鹽(實施例1))相比較，具有相對較長凝結時間。與混合物組成物(僅含有飛灰和檸檬酸鉀(實施例1))之一極速終凝時間約15分鐘相比較，本發明之地質聚合物水泥質組成物混合物1，2和3(包含飛灰，鋁酸鈣水泥，硫酸鈣二水合物(石膏粉)和檸檬酸鉀)之最終凝結時間為約從30分鐘至約45分鐘。
抗壓強度
表18顯示了在實施例7中研究之本發明研製之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，鋁酸鈣水泥，硫酸鈣(細粒度之石膏粉)，和鹼性檸檬酸鹽)之抗壓強度行為。
可以得出以下觀察：
本實施例中研究之本發明之地質聚合物水泥質組成物之抗壓強度隨著時間持續增加。
使用鋁酸鈣水泥，硫酸鈣(細粒度之石膏粉)和鹼性檸檬酸鹽作為本發明之地質聚合物水泥質組成物之部分，該材料之早期4-小時抗壓強度超過1500 psi。同樣，本發明之組成物之24-小時抗壓強度超過1900 psi。
實施例8
本實施例描述了本發明研製之地質聚合物水泥質混合物(包含飛灰，鋁酸鈣水泥，細粒度之無水硫酸鈣(即無水石膏)形式之硫酸鈣和鹼性檸檬酸鹽，如在表6中顯示之混合物)之物理性質。表19顯示了本實施例中研究之地質聚 合物水泥質混合物之原料組成物。混合物1代表了實施例8中研究之比較組成物。在該實施例之混合物組成物中使用之鋁酸鈣水泥之量為等於C類飛灰重量之0重量%,30重量%和60重量%和90重量%。添加之無水石膏(USG SNOW WHITE Filler)之量為鋁酸鈣水泥(CIMENT Fondu HAC Fondu)重量之33.33重量%和研究之混合物組成物中飛灰之0,10,20和30 wt.%。使用了QUIKRETE商業級細砂No.1961和BASF CASTAMENT FS20超增塑劑。
材料之初始流動行為、塌落、和早期開裂行為
表20顯示了實施例8中研究之本發明之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，鋁酸鈣水泥，無水石膏形式之硫酸鈣，和鹼性檸檬酸鹽)之初始流動行為和塌落特徵。
所有研究之混合物組成物具有良好之自流平、流動行為和高之餅直徑，如在塌落測試中觀察之。尤其值得注意之是，在水/水泥質材料比率低至0.25時，可獲得這種高塌落和自流平行為。
所有四種混合物(包含無水石膏形式之硫酸鈣)之塌落餅狀況良好並不發展出開裂。
收縮行為
第8圖顯示了在實施例8中研究之本發明之地質聚合物水泥質組成物之收縮行為。在原料混合在一起，形成 一含水漿體之4-小時之齡期開始收縮測量。測量材料收縮之總持續約8周，而在75℉/50%相對濕度RH時固化材料。
從本研究可以得出以下重要結論：
與比較實施例4(沒有硫酸鈣)之收縮棒即使脫模前開裂相反，實施例8中之收縮棒(包含鋁酸鈣水泥，無水硫酸鈣(無水石膏)，和鹼性檸檬酸鹽)在脫模之前或之後是完全穩定之，並不導致任何開裂。
與比較混合物組成物(僅含有飛灰和鹼性檸檬酸鹽(實施例1))之最大收縮為約0.75%相比，本發明之一些實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，鋁酸鈣水泥，硫酸鈣(無水石膏)和鹼性檸檬酸鹽)具有一最大收縮在約0.21%至0.26%之間，以及對於本實施例之比較混合物1(其中還含有飛灰和鹼性檸檬酸鹽)約為0.62%。
對於混合物2(包含飛灰量30重量%之鋁酸鈣水泥，和鋁酸鈣量33.3重量%之硫酸鈣(無水石膏))，可獲得最低之收縮。
抗壓強度
表21顯示了在實施例8研究之本發明之研製之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，鋁酸鈣水泥，硫酸鈣(無水石膏)，和鹼性檸檬酸鹽)發展之抗壓強度行為。
本實施例研究了摻入鋁酸鈣水泥以結合無水石膏形式之硫酸鈣對本發明研製之地質聚合物水泥質組成物之早期和極限抗壓強度行為之影響。從這項研究中可以得出以下重要觀察：
本實施例中研究之本發明之地質聚合物水泥質組成物之抗壓強度持續增加作為一時間之函數。
與這些用於本發明之水泥質組成物(包含硫酸鈣(混合物2至4))相比，混合物組成物(沒有硫酸鈣(比較混合物1))之早期抗壓強度和極限抗壓強度比較低。
本發明之地質聚合物水泥質組成物(包含鋁酸鈣水泥和無水石膏形式之硫酸鈣)之早期(4-小時和24-小時)抗壓強度特別高。例如，混合物3(包含飛灰量60 wt%之鋁酸鈣水泥和鋁酸鈣水泥量33.33重量%之無水石膏)，只需4小時實現一抗壓強度5032 psi，和在24小時為6789 psi。同樣，混合物4(包含飛灰量80 wt%之鋁酸鈣水泥和鋁酸鈣水 泥量33.33重量%之無水石膏)，只需4小時實現一抗壓強度6173 psi，和在24小時為8183 psi。
本發明之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，鋁酸鈣，無水石膏形式之硫酸鈣，和檸檬酸鉀)是非常高之，而且28-天抗壓強度超過10000 psi(69MPa)。
因此，已經很驚奇地發現，使用不溶性無水硫酸鈣(無水石膏或僵燒無水石膏)比使用相對較高之可溶性硫酸鈣二水合物(參見實施例7)所獲得之，提供快速凝結，較高速率之抗壓強度發展，和更高之極限抗壓強度。
本發明之實施例之另一意外之特性是依賴在本發明之組成物中使用之硫酸鈣類型之凝結行為和抗壓強度。
實施例9
表22顯示了在本實施例中之地質聚合物水泥質混合物之原料組成物，如在表6中所示。
在該實施例之混合物組成物中使用之鋁酸鈣水泥之量為等於飛灰重量之40重量%。添加之石膏粉之量為鋁酸鈣水泥重量之33.3重量%和C類飛灰之13.3 wt%。檸檬酸鈉二水合物用作為在所有研究之混合物組成物中之鹼金屬化學活化劑.在本研究中利用之水與水泥質材料之比率為等於0.30。QUIKRETE商業級細砂No.1961和BASF CASTAMENT FS20超增塑劑。
材料之塌落和早期開裂行為
表23顯示了在實施例9中研究之本發明一實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰、鋁酸鈣水泥、硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)、和鹼金屬檸檬酸鹽)之初 始流動行為和塌落特徵。
砂/水泥質材料比率範圍從0.75至1.50(混合物es 1,2 and 3)之混合物組成物具有良好之流動行為，如在塌落測試中觀察之。另一方面，砂/水泥質材料比率為2.5(混合4)之混合物組成物是非常僵硬之，具較差之流動性。
收縮行為
第9A圖顯示了在實施例9中研究之本發明之地質聚合物水泥質組成物之收縮行為。本研究之主要目之是研究摻入鋁酸鈣水泥以結合細粒度之硫酸鈣二水合物(石膏粉)和鹼性檸檬酸鹽，對本發明研製之地質聚合物水泥質組成物(在該混合物中含有不同用量之砂)之收縮行為之影響。
從原料混合在一起形成含水漿體之4-小時齡期開始收縮測量。測量材料收縮之總持續時間約8周，而在75℉/50% RH時固化材料。
從這個實施例和第9A圖可得出以下結論：
不像比較實施例4(沒有硫酸鈣之混合物2)之收縮棒在脫模前開裂，實施例9中之收縮棒(包含細粒度之石膏粉形式之硫酸鈣二水合物)是完全穩定之以及在脫模之前或之後不開裂。
與比較混合物(僅包含飛灰和鹼金屬檸檬酸鹽)(實施例1)之最大收縮約0.75%相比，本發明之一些實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰、鋁酸鈣水泥、硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)、和鹼金屬檸檬酸鹽)表現非常低之收縮，具有最大收縮小於0.05%。
熱釋放和漿體之溫度上升行為
第9B圖顯示了實施例9中研究之本發明之地質聚合物水泥質組成物之放熱和漿體溫度上升行為。本實施例中之水泥質組成物(包含飛灰、鋁酸鈣水泥、硫酸鈣(細粒度之石膏粉)、和鹼金屬檸檬酸鹽)只展示了一非常溫和之溫度上升行為。最大溫度上升只有約100℉，淨溫度上升小於300F。程度較低之溫度上升有利於在大多數應用中，因為其提供了優越之熱穩定性並降低潛在之熱運動和熱開裂，尤其是當在固化之早前期階段材料是薄弱之。
凝結時間
表24顯示了實施例9中研究之本發明之地質聚合物水泥質組成物之凝結時間。
在本實施例研究之所有水泥質組成物表現出快速之凝結行為。與僅含有飛灰和檸檬酸鈉(實施例1)之混合組成物之極為迅速之終凝時間約15分鐘相比，本實施例地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰、鋁酸鈣水泥、硫酸鈣(石膏粉)、和檸檬酸鈉)之終凝時間之範圍從約55分鐘至約65分鐘。對於某些應用，極短之凝結時間是有問題之。
抗壓強度
表25顯示了實施例9中研究之本發明研製之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，鋁酸鈣水泥，硫酸鈣(細粒度之石膏粉)，鹼性檸檬酸鹽)之抗壓強度行為。
從本研究可以得出以下幾點觀察：
在本實施例中本發明之地質聚合物水泥質組成物之抗壓強度隨時間函數持續增加。可以觀察到本實施例中研究之本發明之各種地質聚合物組成物之取得了令人滿意之早期和極限強度之發展。
實施例10
表26顯示了該地質聚合物水泥質混合物之原料組成物，其與在實施例9中之相同。
在該實施例之混合物組成物中使用之鋁酸鈣水泥之量為等於飛灰重量之40重量%。硫酸鈣二水合物(石膏粉)以鋁酸鈣水泥重量之33.3重量%和C類飛灰之13.3 wt%添加。.在該實施例之所有混合物組成物中，使用檸檬酸鉀作為鹼金屬化學活化劑。在這個研究中利用之該水與水泥質材料之比率為等於0.25。在這個研究中，研究了超增塑劑量對於該研究之水泥質組成物性能之影響。
材料之塌落和早期開裂行為
表27顯示了在實施例10中研究之本發明地質聚合物水泥質組成物(包括飛灰、鋁酸鈣水泥、硫酸鈣(細粒度之石膏粉)、和鹼性檸檬酸鹽)之初始流動行為和塌落特徵。
可以觀察到，在這個實施例中研究之所有混合物組成物具有良好之流動行為。隨著在該混合物組成物中摻入超增塑劑，改善了該組成物之流動行為。觀察到，在超增塑劑量超過0.80%，流動和塌落沒有改善。
收縮行為
表10顯示了在實施例10中，本發明地質聚合物水泥質組成物之收縮行為。本發明之主要目標是研究摻入鋁酸鈣水泥結合細粒度之硫酸鈣二水合物(石膏粉)和鹼性檸檬酸鹽對本發明(在該混合物中含有不同量超增塑劑之)研製之地質聚合物水泥質組成物收縮行為之影響。
從距將原料混合在一起形成一含水漿體之4-小時齡期，開始收縮測量。在75℉/50% Rh下固化該材料時，為期約8-周之總持續時間，測量該材料收縮。
從這個研究和表10可以得到下面之結論：
與比較實施例4(沒有硫酸鈣之混合物2)之收 縮棒在脫模前開裂不同，實施例10之收縮棒(包括細粒度之石膏粉形式之硫酸鈣)是十分穩定之並且不開裂(包括在脫模之前或者在脫模之後都不開裂)。
本發明一個實施例之地質聚合物水泥質組成物(實施例10)(包含飛灰、鋁酸鈣水泥、硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)和鹼性檸檬酸鹽)表現非常低之收縮，具有最大收縮小於0.1%，同對於比較混合物組成物(含有飛灰和鹼性檸檬酸鹽(實施例1))約0.75%之最大收縮相比。
隨著超增塑劑量之增加，該收縮量稍微增加。可以觀察到，對於具有0.4%超增塑劑量之混合物2，該最大收縮為約0.05%；另一方面，對於具有1.2%之超增塑劑量，該最大收縮小量地增加至約0.08%之值。
抗壓強度
表28顯示了在實施例10中研究之本發明研製之地質聚合物水泥質組成物之抗壓強度行為，其包括飛灰、鋁酸鈣水泥、硫酸鈣(細粒度之石膏粉)和鹼性檸檬酸鹽。
可以從這項研究得到下面之觀察：
本發明這個實施例該地質聚合物水泥質組成物之抗壓強度隨著時間之函數持續增加。研究之該多種組成物達到了令人滿意之早期和極限強度。
本發明地質聚合物水泥質組成物包含飛灰、鋁酸鈣水泥、硫酸鈣二水合物(石膏粉)、和鹼性檸檬酸鹽，其早期(4-小時和24-小時)抗壓強度異常地高，並且在4-小時齡期超過2000 psi，在24-小時齡期超過3000 psi。
本發明所有地質聚合物水泥質組成物包含飛灰、鋁酸鈣、硫酸鈣二水合物(石膏粉)、和鹼性檸檬酸鹽，其28-天抗壓強度異常高，範圍從約4750 psi至約6750 psi。
實施例11
表29和30顯示了在這個實施例中研究之水泥質混合物之原料組成物。
在該實施例之混合物組成物中使用之鋁酸鈣水泥之量等於飛灰重量之40重量%。在這個研究中使用之石膏粉以鋁酸鈣水泥重量之33.33重量%之水準量添加。分別以量比率總水泥質材料之6.1重量%、14重量%和24.6重量%，將波特蘭水泥添加到混合物#1至混合物#3。對於研究之所有混合物，該水與水泥質材料之比率等於0.275。C類飛灰，Campbell Power Plant,West Olive,MI,USG石膏粉，Ciment Fondu(HAC Fondu),Kerneos,Inc.鋁酸鈣水泥，Holcim I型波特蘭水泥(Holcim Portland Cement Type I), Mason City,Iowa,QUIKRETE商業級細砂編號1961(QUIKRETE Commercial Grade Fine Sand No.1961)和AdvaCast 500,WR Grace.
初始流動行為和塌落
表31顯示在實施例11中研究之該水泥質組成物之初始流動行為和塌落特徵，其包括飛灰、鋁酸鈣水泥、硫酸鈣(石膏粉)、波特蘭水泥和鹼性檸檬酸鹽。
隨著在該組成物中之波特蘭水泥之量增加，消極地影星啊了該組成物之流動和塌落行為。
收縮行為
表11顯示了在實施例11中研究之本發明地質聚合物水泥質組成物之收縮行為。從距將原料混合在一起形成含水漿體之時間4小時之齡期，開始收縮測量。在75℉/50% Rh下固化該材料時，為期約8-周之總持續時間，測量該材料收縮。
可以從這個實施例和表11得出下面重要之結論：摻入波特蘭水泥顯著地增加研究之水泥質組成物之收縮。對於多種混合物之極限收縮值列表在表32中顯示。
如上面之描述中詳細討論之，這個實施例顯示了通過添加波特蘭水泥至本發明實施例得到之意外結果：該波特蘭水泥對該組成物之收縮具有消極影響。這個實施例顯示之收縮幅度與在該組成物中共波特蘭水泥量之增加成比例增加。
添加波特蘭水泥至本發明水泥質組成物(包括飛灰、鋁酸鈣水泥、硫酸鈣和鹼性檸檬酸鹽)使材料收縮顯著增加。
根據這個實施例之測試，在本發明尺寸穩定之地質聚合物組成物中添加波特蘭水泥不受推薦，而且應該控制在非常小之量，優選之不超過水泥質材料總重量之15重量%。
實施例12
表33顯示了在這個實施例12中研究之該地質聚合物水泥質混合物之原料組成物。
這個實施例研究了將砂和輕質陶瓷微球體作為填充料摻入在所述組成物中。檸檬酸鈉以該總水泥質材料重量之2重量%之量添加。硫酸鈣二水合物以飛灰之13.3重量%添加，並且鋁酸鈣以該C類飛灰40重量%添加。C類飛灰(Campbell Power Plant,West Olive,MI,)USG石膏粉，鋁酸鈣水泥(Ciment Fondu(HAC Fondu),Kerneos,Inc),QUIKRETE商業級細砂編號1961(QUIKRETE Commercial Grade Fine Sand No.1961)，陶瓷微球體(Ceramic Microphere)(Kish Company)和BASF CASTAMENT FS20超增塑劑。
材料之初始流動行為、塌落、和早期開裂行為
表34顯示了在這個實施例中研究之(包括輕質填充料之)該地質聚合物水泥質組成物之初始流動行為和塌 落。
根據在表34中顯示之結果，可以得到結論：本發明包括輕質填充料之混合物組成物具有良好之和易性和自流平性質。
收縮行為
表12顯示了在實施例12中研究之本發明地質聚合物水泥質組成物之收縮行為。
從距將原料混合在一起形成一含水漿體之4-小時齡期，開始收縮測量。在75℉/50% Rh下固化該材料時，為期約8-周之總持續時間，測量該材料收縮。
已經觀察到，本發明摻入輕質填充料之水泥質組成物隨時間函數表現非常低之維度運動。
pH
該完全固化之地質聚合物組成物(在表39中提及之)之表面pH根據ASTM F710-11測試方法測量，發現為9.82。使用Extech PH150-C Exstick混凝土pH計，進行該表面pH測量。
實施例13
表35顯示了在這個實施例13中研究之該地質聚合物水泥質混合物之原料組成物。這個實施例在該組成物中摻入鋁酸鈣水泥和硫鋁酸鈣水泥兩者。硫酸鈣二水合物以該C類飛灰之10 wt%添加，鋁酸鈣水泥以該飛灰之10、20和40 wt%添加。硫鋁酸鈣水泥以該飛灰之20 wt%添加。該飛灰為C類飛灰，(Campbell Power Plant,West Olive,MI)，並採用了：USG石膏粉硫酸鈣二水合物，(Denka SC1)鋁酸鈣水泥，FASTROCK 500(CTS Company)硫鋁酸鈣，QUIKRETE商業級細砂編號1961和BASF Castament FS 20超增塑劑。檸檬酸鈉以該水泥質材料重量之2重量%之量添加。
初始流動行為和塌落
表36顯示了在實施例13中研究之本發明一些實施例之水泥質組成物之初始流動行為和塌落特徵，其包括飛灰、鋁酸鈣水泥、硫鋁酸鈣水泥、硫酸鈣(石膏粉)，和鹼性檸檬酸鹽。
根據在表36中之結果，包括鋁酸鈣水泥和硫鋁酸鈣水泥之本發明混合物組成物具有良好之和易性和自流平性質。
抗壓強度
表37在實施例13中，研究之本發明一些實施例研製之地質聚合物水泥質組成物之抗壓強度行為，其包括飛灰、鋁酸鈣水泥、硫鋁酸鈣水泥、硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)、和鹼性檸檬酸鹽。
從這個研究可以得出下面之結論：
本發明一些實施例(包括鋁酸鈣水泥和硫鋁酸鈣水泥兩者)之抗壓強度隨著時間之函數持續增加。研究之該多種組成物獲得了令人滿意之早期和極限強度。
本發明一些實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰、鋁酸鈣水泥、硫鋁酸鈣水泥、硫酸鈣二水合物(石膏粉)、和鹼性檸檬酸鹽)之早期(4-小時和24-小時)抗壓強度異常地高，並在4-小時齡期超過約2500 psi，在24-小 時齡期超過約3400 psi。
本發明之一些實施例之所有地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰、鋁酸鈣、硫鋁酸鈣水泥、硫酸鈣(石膏粉)、和鹼性檸檬酸鹽)之28-天抗壓強度異常地高，並且超過約7000 psi。
實施例14
這個實施例顯示了本發明研製之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰、鋁酸鈣水泥、以細粒度硫酸鈣二水合物形式之硫酸鈣和鹼性檸檬酸鹽)之物理性質。表38顯示了在這個實施例中研究之該地質聚合物水泥質混合物之原料組成物。所有之混合物含有鋁酸鈣水泥，在該鋁酸鈣水泥中主要鋁酸鈣物相為七鋁酸十二鈣(12CaO．7Al2O3或者C12A7)。這種鋁酸鈣水泥是商業獲得之，具有商品名TERNAL EV，來自Kerneos Inc。在該實施例之混合物組成物中使用之鋁酸鈣水泥之量等於飛灰重量之10重量%、20重量%、30重量%和40重量%。在這個實施例中使用之細粒度硫酸鈣二水合物具有平均顆粒大小等於13微米，從USG公司商業獲得，具有商品名USG Terra Alba Filler。在研究之混合物組成物中，硫酸鈣二水合物以鋁酸鈣水泥重量之50重量%，以及飛灰之5、10、15和20 wt.%添加。
材料之塌落行為和早期開裂行為
表39顯示了在實施例14中，本發明之地質聚合物水泥質組成物之塌落行為，包含飛灰、鋁酸鈣水泥、硫酸鈣二水合物和鹼性檸檬酸鹽。
所有研究之混合物組成物具有良好之流動性，如 在塌落測試中觀察到之。
所有四種混合物(其包括細粒度之硫酸鈣二水合物)之塌落餅，情況良好並且沒有生長出任何之開裂。
收縮行為
表13顯示了在實施例14中，本發明地質聚合物水泥質組成物之收縮行為。從距將原料混合在一起形成一含水漿體之4-小時齡期，開始收縮測量。在75℉/50%相對濕度(RH)下固化該材料時，為期約8-周之總持續時間，測量該材料收縮。
從這項研究中可以得出如下重要結論：
與比較實施例4(不具有硫酸鈣)之收縮棒在脫模前開裂相反，實施例14包括鋁酸鈣水泥、硫酸鈣二水合物和鹼性檸檬酸鹽之收縮棒在脫模之前或之後是完全穩定之並不導致任何開裂。
與僅含有飛灰和鹼性檸檬酸鹽之比較混合物組成物(實施例1)具有0.75%之最大收縮約相比，本發明之一些實施例之該地質聚合物水泥質組合包含飛灰、鋁酸鈣水泥、硫酸鈣二水合物和鹼性檸檬酸鹽，其具有最大收縮在0.04%至0.08%之間。
最大收縮量隨著在該組成物中鋁酸鈣水泥量之增加而降低。混合物1包括鋁酸鈣水泥在飛灰量之10重量%，其具有一最大收縮約0.08%；另一方面，該混合物3包括鋁酸鈣水泥在飛灰量之30重量%之，其具有最大收縮僅約0.05%；並且混合物4包括鋁酸鈣水泥在飛灰量之40重量% 之，具有最大收縮僅約0.04%。
凝結時間
表40顯示了在實施例14中，研究之本發明地質聚合物水泥質組成物之凝結時間。
在這個實施例中研究之所有地質聚合物水泥質組成物具有快速凝結行為。這個實施例之本發明地質聚合物水泥質組成物之終凝時間範圍從約69分鐘至約76分鐘，與之相比較之，含有飛灰和檸檬酸鈉(實施例1)之混合物組成物具有僅約15分鐘之極度快速終凝時間。應該指出，極度短暫之凝結時間對於一些應用是有問題之。
抗壓強度
表41顯示了在實施例14中研究之研製之之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰、鋁酸鈣水泥、硫酸鈣二水合物和鹼性檸檬酸鹽)之抗壓強度行為。
該實施例研究了摻入鋁酸鈣水泥聯合細粒度之硫酸鈣二水合物對於本發明該研製之地質聚合物水泥質組成物之早期和極限抗壓強度行為之影響。從這項研究中可以得出如下重要觀察現象：
在這個實施例中研究之本發明地質聚合物水泥質組成物之抗壓強度隨時間之函數持續增加。本發明之所有地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰、鋁酸鈣水泥、硫酸鈣二水合物和檸檬酸鉀)之28-天抗壓強度異常地高，並且超過5000 psi。而且，本發明之所有地質聚合物水泥質組成物之56-天抗壓強度甚至更大，並且超過7000 psi.
該混合物2包括鋁酸鈣水泥在飛灰量之20重量%，產生最高之極限抗壓強度，在56天齡期超過9500 psi。
實施例15
這個實施例描寫了不同形式之硫酸鈣對於本發明研製之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰、鋁酸鈣水泥、 硫酸鈣和鹼性檸檬酸鹽)之物理性質之影響。比較了三種不同類型之硫酸鈣-硫酸鈣二水合物、無水硫酸鈣(無水石膏)和硫酸鈣半水合物。表42顯示了在這個實施例中，研究之地質聚合物水泥質混合物之原料組成物。所有之混合物含有鋁酸鈣水泥，其中主要之鋁酸鈣物相為七鋁酸十二鈣(12CaO．7Al2O3或者C12A7)。這種鋁酸鈣水泥是商業方式獲得之，具有商品名TERNAL EV，來自Kerneos Inc.在該實施例之混合物組成物中使用之鋁酸鈣水泥之量等於飛灰重量之20重量%。在這個實施例中研究之各種混合物組成物含有之硫酸鈣類型如下：在混合物1中硫酸鈣二水合物，在混合物2中無水硫酸鈣(無水石膏)，以及在混合物3中硫酸鈣半水化合物。所有之硫酸鈣以量等於鋁酸鈣水泥重量之50重量%，以及在該所研究之混合物組成物中飛灰之10 wt.%添加。
材料之塌落行為和早期開裂行為
表43顯示了在實施例15中，研究之本發明地質聚合物水泥質組成物之塌落行為。
如在該塌落測試中觀察之，所有研究之混合物組成物具有良好之流動性。值得注意之是，與含有硫酸鈣二水合物(混合物1)之該混合物相比，具有無水硫酸鈣(混合物2)和硫酸鈣半水化合物(混合物3)之該混合物組成物產生更好之流動性。
包括不同形式之硫酸鈣之所有三種混合物之塌落餅情況良好並且沒有生長任何裂縫。
收縮行為
表14顯示了在實施例15中研究之本發明地質聚合物水泥質組成物之收縮行為。從距將原料混合在一起形成一含水漿體之4-小時齡期，開始收縮測量。當在75℉/50%之相對濕度下固化該材料時，為期約8周之總持續時間，測量該材料收縮。
從這項研究中可以得出如下重要結論：
與比較實施例4(不具有硫酸鈣)在脫模前開裂之收縮棒相反，實施例15之收縮棒包括鋁酸鈣水泥、不同形式之硫酸鈣和鹼性檸檬酸鹽，在脫模之前或之後是完全穩定之並不導致任何開裂.
本發明之一些實施例之地質聚合物水泥質組成物(包括飛灰、鋁酸鈣水泥、不同形式之硫酸鈣和鹼性檸檬酸鹽)具有一最大收縮在0.06%至0.10%之間；與之相比，對於比較性之混合物組成物(實施例1)含有飛灰和鹼性檸檬酸鹽，有僅僅約0.75%之最大收縮。
最大收縮量隨著在該組成物中之硫酸鈣之類型而變化。混合物1包括硫酸鈣二水合物，以及混合物3包括硫酸鈣半水合物，具有較低之最大收縮約0.06%；與之相比，混合物3包括無水硫酸鈣(無水石膏)，其產生約0.10%之最大收縮。
凝結時間
表44顯示了在實施例15中研究之本發明地質聚合物水泥質組成物之凝結時間。
在這個實施例中研究之所有地質聚合物水泥質組成物表現快速凝結行為。這個實施例之本發明地質聚合物水泥質組成物之終凝時間範圍從約42分鐘至約71分鐘；與之相比，對於含有飛灰和檸檬酸鈉之該混合物組成物(實施例1)，有極度快速之終凝時間約15分鐘。應該注意之是，極度短暫之凝結時間對於一些應用是有問題之。
本發明地質聚合物水泥質組成物之凝結時間取決於作為該混合物組成物組成部分之採用之硫酸鈣類型。該組成物包括無水硫酸鈣(無水石膏)(混合物2)產生最快速之凝結時間；在這一方面，其他本發明組成物(混合物1)包括硫酸鈣二水合物之具有最長之凝結時間。
抗壓強度
表45顯示了在實施例15中研究之本發明研製之地質聚合物水泥質組成物(包含不同類型之硫酸鈣)之抗壓強度行為。
這個實施例研究了摻入不同類型之硫酸鈣對於本發明研製之地質聚合物水泥質組成物之早期和極限抗壓強度行為之影響。從這項研究中可以得出如下重要觀察現象：
本發明地質聚合物水泥質組成物之抗壓強度隨著時間之函數持續增加(不考慮在該混合物中使用之硫酸鈣類型。)。
本發明地質聚合物水泥質組成物(包含不同類型之硫酸鈣、飛灰、鋁酸鈣水泥和檸檬酸鉀)之28-天、以及56-天抗壓強度都異常地高並且超過7000 psi。
與具有硫酸鈣二水合物(混合物1)和硫酸鈣半水化合物(混合物3)之混合物相比，包括無水硫酸鈣(無水石膏)之混合物2抗壓強度發展具有最快速之速率。
本發明之地質聚合物組成物(包括無水硫酸鈣(無水石膏))之極限抗壓強度超過10,000 psi。
實施例16
這個實施例研究了本發明這個實施例研製之地質聚合物水泥質組成物(其包含飛灰，鋁酸鈣水泥，硫酸鈣半水化合物，以及鹼金屬氫氧化物(氫氧化鈉)或者一鹼金屬氫氧化物(氫氧化鈉)和一酸(檸檬酸)之混合物)之物理性質。
表46顯示了在這個實施例中研究之該地質聚合物水泥質混合物之原料組成物。所有之混合物含有鋁酸鈣水泥，其中主要之鋁酸鈣物相為七鋁酸十二鈣(12CaO．7Al2O3或者C12A7)。這種鋁酸鈣水泥是商業獲得之，具有商品名TERNAL EV，來自Kerneos Inc。在該實施例之混合物組成物中使用之鋁酸鈣水泥之量等於飛灰重量之20重量%。一種研究之混合物(混合物2)僅僅含有氫氧化鈉作為化學活化劑，並且沒有檸檬酸。在混合物3、混合物4和混合物5中，添加氫氧化鈉和檸檬酸之混合物至本發明水泥質組成物，使起化學活化劑之作用。相似地，混合物之一種(混合物1)僅含有檸檬酸進行化學活化，並且沒有氫氧化鈉。
塌落行為
表47顯示了在實施例16中研究之本發明地質聚合物水泥質組成物之塌落行為。
對於混合物1(含有檸檬酸但不含氫氧化鈉，該混合物材料極度僵硬並且在混合過程中完全不能運轉。另一方面，含有氫氧化鈉之混合物組成物(混合物2)，或者含有氫氧化鈉和檸檬酸之共混物之混合物組成物(混合物3、混合物4和混合物5)很容易運轉，如在塌落測試中它們相對大之餅直徑所表示之。即使在約0.30之極低水/水泥質材料比率時，仍然可獲得良好之和易性。對於標準波特蘭水泥基之或者石膏基之材料，只有在水/水泥質材料比率超過約0.45時，可獲得這種流動性和自流平行為。
收縮行為
表15顯示了實施例16中研究之本發明之地質聚合物水泥質組成物之收縮行為。從距將原料混合在一起形 成含水漿體之4-小時齡期，開始收縮測量。測量材料收縮進行為期約8-周，而75℉/50%相對濕度(RH)下固化材料。
從這項研究和第15圖中可以得出如下重要結論：
與比較實施例4(不具有硫酸鈣)之收縮棒在脫模前開裂相反，實施例16之收縮棒(包括鋁酸鈣水泥、硫酸鈣半水合物、鹼金屬氫氧化物(具有或不具有檸檬酸))在脫模之前或之後是完全穩定之並不導致任何開裂。
本發明之水泥質組成物(僅包含氫氧化鈉)作為化學活化劑(混合物2)表明非常低之最大收縮小於約0.05%。本發明之水泥質組成物(包含氫氧化鈉和檸檬酸共混物)作為化學活化劑(混合物3，混合物4和混合物5)還表明非常低之最大收縮小於約0.10%。值得注意之是，含有1%氫氧化鈉和檸檬酸達到1%(混合物3和混合物4)之水泥質組成物具有非常低之最大收縮小於約0.05%。含有1%氫氧化鈉和2%檸檬酸之混合物5，最大收縮增加至約0.08%。
凝結時間
表48顯示了實施例16中研究之本發明之地質聚合物水泥質組成物之凝結時間。
本實施例(混合物2至混合物5)中研究之所有地質聚合物水泥質組成物表明了非常快速之凝結行為，具終凝時間範圍從約62分鐘至約172分鐘。在混合物1之情況下，沒有氫氧化鈉，終凝時間非常長，超過5小時。另一方面，混合物含有氫氧化鈉和檸檬酸(混合物4和混合物5)共混物產生了非常快速之凝結行為，具終凝時間約1小時。
抗壓強度
表49顯示了實施例16中研究之本發明研製之地質聚合物水泥質組成物之抗壓強度行為。
從這項研究中可以得出如下重要結論：
水泥質組成物(不含鹼金屬鹼(氫氧化鈉)(混合物1))產生了非常差之抗壓強度行為。本混合物(混合物1)之早期和極限抗壓強度非常低，並且顯著地劣於本發明之地質聚合物組成物(包含氫氧化鈉(混合物2)，或者包含氫氧化鈉和檸檬酸(混合物3至混合物5)混合物)。
本發明之地質聚合物水泥質組成物(包含氫氧化鈉和檸檬酸(混合物3至混合物5)混合物)之28-天抗壓強度異常地高，並且超過5000 psi。此外，本發明之所有地質聚合物水泥質組成物(包含氫氧化鈉和檸檬酸(混合物3至混合物5)混合物)之56-天抗壓強度更加高，並且超過7500 psi.
實施例17
本實施例研究了本發明該實施例研製之地質聚 合物水泥質組成物(包含飛灰、鋁酸鈣水泥、硫酸鈣半水化合物、與鹼金屬矽酸鹽(矽酸鈉)或(鹼金屬矽酸鹽(矽酸鈉)和酸(檸檬酸))之混合物)之物理性質。
表50顯示了在這個實施例中研究之該地質聚合物水泥質混合物之原料組成物。所有之混合物含有鋁酸鈣水泥，其中主要之鋁酸鈣物相為七鋁酸十二鈣(12CaO．7Al2O3或者C12A7)。這種鋁酸鈣水泥是商業獲得之，具有商品名TERNAL EV，來自Kerneos Inc。在該實施例之混合物組成物中使用之鋁酸鈣水泥之量等於飛灰重量之20重量%。混合物1至混合物3僅含有矽酸鈉作為化學活化劑並且無檸檬酸。在混合物4和混合物5中，矽酸鈉和檸檬酸添加到本發明之水泥質組成物中作為化學活化劑。
塌落行為
表51顯示了實施例17中研究之本發明之地質聚合物水泥質組成物之塌落行為。
混合物組成物(含有矽酸鈉(混合物1至3混合物)或(矽酸鈉和檸檬酸(混合物4和混合物5))共混物)，很容易運轉，如在塌落測試中相對大之餅直徑表示之。即使在極低水/水泥質材料比率約0.30時，仍然可獲得良好之和易性。對於標準波特蘭水泥基或者石膏基之材料，只有在水/水泥質材料比率超過約0.45時，可獲得此流動性和自流平行為。
收縮行為
表16顯示了實施例17中研究之本發明之地質聚合物水泥質組成物之收縮行為。從距將原料混合在一起形成含水漿體之4-小時齡期，開始收縮測量。測量該材料收縮進行總持續時間約8-周，而在75℉/50%相對濕度(RH)下固化材料。
從這項研究和第16圖中可以得出如下重要結 論：
與比較實施例4(不具有硫酸鈣)在脫模前開裂之收縮棒相反，實施例17之收縮棒(包含鋁酸鈣水泥，硫酸鈣半水合物，鹼金屬矽酸鹽(有或沒有檸檬酸))在脫模之前或之後是完全穩定之並不導致任何開裂。
本發明之所有地質聚合物水泥質組成物包含矽酸鈉，或者包含矽酸鈉和檸檬酸之共混物作為化學活化劑表明了極低之最大收縮小於約0.05%。
凝結時間
表52顯示了實施例17中研究之本發明之地質聚合物水泥質組成物之凝結時間。
與實施例16中研究之本發明地質聚合物組成物(包含氫氧化鈉)相比，本實施例研究之所有地質聚合物水泥質組成物(包含矽酸鈉)表明較慢之凝結行為。混合物1 至混合物4具有終凝時間超過5小時。混合物5包含矽酸鈉和檸檬酸共混物，最快凝結具有之終凝時間約3小時45分鐘。
抗壓強度
表53顯示了實施例17中研究之本發明研製之地質聚合物水泥質組成物之抗壓強度行為。
從這項研究中可以得出如下重要結論：
水泥質組成物(不含鹼金屬鹼(矽酸鈉)(實施例16之混合物1))產生了非常差之抗壓強度行為。混合物組成物包含矽酸鈉或者包含矽酸鈉和檸檬酸鈉之共混物作為化學活化劑，其極限抗壓強度顯著地優於缺乏矽酸鈉之該混合物(實施例16之混合物1)之抗壓強度。
在本實施例中研究之本發明地質聚合物水泥質組成物包含矽酸鈉，或者包含矽酸鈉和檸檬酸共混物，極限抗壓強度是令人滿意之，並且超過約4000 psi。
實施例18
這個實施例之目之是研究鋁酸鈣水泥和硫鋁酸鈣水泥共混物對於本發明地質聚合物水泥質組成物之物理性質之影響。表54顯示了在這個實施例中研究之該地質聚合物水泥質混合物之原料組成物。所有之混合物含有鋁酸鈣水泥，其中主要之鋁酸鈣物相為七鋁酸十二鈣(12CaO．7Al2O3或者C12A7)。這種鋁酸鈣水泥是商業獲得之，具有商品名TERNAL EV，來自Kerneos Inc。混合物2至混合物5含有鋁酸鈣水泥和硫鋁酸鈣水泥共混物。使用之硫鋁酸鈣水泥為Fastrock 500，來自CTS Company。混合物5表明了本發明之地質聚合物組成物(包含碳酸鋰)之性能。
材料之塌落行為和早期開裂行為
表55顯示了實施例18中研究之本發明之地質聚合物水泥質組成物之塌落行為。
如在該塌落測試中觀察之，所有研究之混合物組成物具有良好之流動性。
所有五種混合物之塌落餅情況良好並且沒有生長任何裂縫。
收縮行為
表17顯示了實施例18中研究之本發明之地質聚合物水泥質組成物之收縮行為。從距將原料混合在一起形成含水漿體之4-小時齡期，開始收縮測量。測量材料收縮進行總持續時間約8-周，而在75℉/50%相對濕度(RH)下固化材料。
從這項研究中可以得出如下重要結論：
與比較實施例4(不具有硫酸鈣)之收縮棒在脫模前開裂相反，實施例18之收縮棒在脫模之前或之後是完全 穩定之並不導致任何開裂。
與比較混合物組成物(僅含有飛灰和鹼性檸檬酸鹽(實施例1))之最大收縮約0.75%相比，本實施例中研究之本發明之實施例之地質聚合物水泥質組成物具有一最大收縮小於0.10%。
本實施例之結果還表明，本發明之地質聚合物水泥質組成物(包含鋁酸鈣水泥和硫鋁酸鈣水泥不同之共混物)能夠提供優良之尺寸穩定性，具極低之收縮。
凝結時間
表56顯示了實施例18中研究之本發明之地質聚合物水泥質組成物之凝結時間。
在這個實施例中研究之所有地質聚合物水泥質組成物具有快速凝結行為。這個實施例之本發明地質聚合物水泥質組成物之終凝時間範圍從約66分鐘至約150分鐘，與之相比之，含飛灰和檸檬酸鈉之該混合物組成物(實施例1) 具有僅約15分鐘之極度快速之終凝時間。應該注意之是，極度短暫之凝結時間對於大多數實際應用是有問題之。
這個實施例之結果也證明瞭，本發明包含鋁酸鈣水泥和硫鋁酸鈣水泥不同共混物之地質聚合物水泥質組成物能提供快速凝結行為，同時維持令人滿意之長之可使用時間。
混合物4和混合物5之比較結果，清楚地證明瞭，添加碳酸鋰對增加本發明一些實施例地質聚合物組成物之凝結時間有效果。這個結果非常地令人驚訝和意外，因為觀察到鋰鹽(碳酸鋰)在本發明一些實施例中起緩凝劑之作用。應該注意之是，這種觀察到之行為現象，與本領域已知之鋰鹽(如碳酸鋰)對於鋁酸鈣水泥基粘合劑系統之凝結行為之效果之認識是相反之。該技術領域鋁酸鈣水泥之現有狀態技術教導，鋰鹽(如碳酸鋰)起凝結加速劑之作用，因而減少該材料之初凝和終凝時間。本發明發現了，如在這個實施例中顯示之，這偏離了本領域之已知認識，並且確證了：鋰鹽(例如碳酸鋰)對於本發明一些實施例地質聚合物水泥質組成物反應之早期階段(初凝和終凝時間)具有緩凝效果。
抗壓強度
表57顯示了實施例18中研究之本發明研製之地質聚合物水泥質組成物之抗壓強度行為。
從這項研究中可以得出如下重要結論：
來自這個實施例之該結果表明了，本發明地質聚合物水泥質組成物包括鋁酸鈣水泥和硫鋁酸鈣水泥之不同共混物，能夠提供快速之抗壓強度發展。強度發展速率可以根據鋁酸鈣水泥和硫鋁酸鈣水泥之量、以及它們在本發明該地質聚合物水泥質組成物中之相對比例進行調節。
在這個實施例中研究之本發明地質聚合物水泥質組成物之抗壓強度隨著時間之函數持續增加。本發明一些實施例之地質聚合物水泥質組成物之28-天抗壓強度異常地高，並且提供超過5000 psi之結果。
混合物5之凝結時間和抗壓強度結果又是令人驚訝和意外之。比較在不同階段混合物4和混合物5之凝結時間和抗壓強度結果，可以觀察和得出結論，在水合反應之早期階段該碳酸鋰其緩凝劑作用，從而增加了本發明地質聚合物水泥質組成物之初凝和終凝時間；另一方面，在水合作用 較晚期階段，該相同(碳酸鋰)其凝結加速劑作用從而增加本發明一些實施例地質聚合物水泥質組成物之強度發展速率和極限強度。
實施例19
這個實施例之目標是研究添加鋰鹽對於本發明地質聚合物水泥質組成物凝結行為之影響。表58顯示了在這個實施例中研究之該地質聚合物水泥質混合物之原料組成物。所有之混合物含有鋁酸鈣水泥，其中主要之鋁酸鈣物相為七鋁酸十二鈣(12CaO．7Al2O3或者C12A7)。這種鋁酸鈣水泥是商業獲得之，具有商品名TERNAL EV，來自Kerneos Inc，混合物2和混合物3含有碳酸鋰形式之鋰鹽。
凝結時間
表59顯示了實施例19中研究之本發明之地質聚合物水泥質組成物之凝結時間。
在這個實施例中研究之所有地質聚合物水泥質組成物具有快速凝結行為。這個實施例之本發明地質聚合物水泥質組成物之終凝時間範圍從約75分鐘至約132分鐘，與之相比之，含飛灰和檸檬酸鈉之該混合物組成物(實施例1)具有僅約15分鐘之極度快速之終凝時間。應該注意之是，極度短暫之凝結時間對於大多數實際應用是有問題之。
這個實施例之結果清楚地證明瞭，添加碳酸鋰對增加本發明一些實施例之凝結時間有效果。這個結果非常地令人驚訝和意外，因為觀察到鋰鹽(碳酸鋰)在本發明一些實施例中起緩凝劑之作用。應該注意之是，這種觀察到之行為現象，與本領域已知之鋰鹽(如碳酸鋰)對於鋁酸鈣水泥基粘合劑系統之凝結行為之效果之認識是相反之。該技術領域鋁酸鈣水泥之現有狀態技術教導，鋰鹽(如碳酸鋰)起凝結加速劑之作用，因而減少材料之初凝和終凝時間。本發明發現了，如在這個實施例中顯示之，這偏離了本領域之已知認識， 並且確證了：鋰鹽(例如碳酸鋰)對於本發明一些實施例地質聚合物水泥質組成物反應之早期階段(初凝和終凝時間)具有緩凝效果。
在實施例中所示之本發明之一些優選之實施例之地質聚合物組成物已經應用在一些商業產品中。特別是該組成物可用於：道路維修和道路修補產品，交通支承表面和人行道，如在實施例5、6、9、10、14、15、16、18和19中公開之一些性質顯示之；磚和合成石料，如在實施例5、6、9、12和14中公開之一些性質顯示之；修復材料用於牆壁、地板和天花板和粘結砂漿、石膏和表面材料，如在實施例9、10、11、14、18、和19中公開之一些性質顯示之；屋頂材料，如在實施例5、6、14和18中公開之一些性質顯示之；噴射混凝土產品，其噴射水泥質產品用於土壤和岩石之穩定以及如內襯材料，如在實施例5、6、7、9和15中公開之一些性質顯示之；重量支承結構，如在實施例8、10、13、14、15、16、17、和18中公開之一些性質顯示之；雕塑和建築造型，如在實施例5-19中公開之一些性質顯示之；以及自流平墊層，如在實施例9、10和12-19中公開 之一些性質顯示之。
雖然我們已經描述了優選之實施例用於實施本發明，熟諳技藝人士應當理解：本公開是針對(在不脫離其範圍之情況下)可對本發明做出修改和補充。

Claims (56)

  1. 矽酸鋁地質聚合物組成物，包括：下述之反應產物：A．水；B．化學活化劑，其選自：鹼金屬鹽、鹼金屬鹼和其混合物；以及C．水泥質反應性材料，其中該水泥質反應性材料包括：熱活化矽酸鋁礦物；鋁酸鈣水泥；以及硫酸鈣，其選自：硫酸鈣二水合物、硫酸鈣半水合物、無水硫酸鈣、和其混合物。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，其中該化學活化劑與該水泥質反應性材料之重量比率為約1至約6：100；其中該水與該水泥質反應性材料之重量比率為約0.17至約0.40：1；其中該鋁酸鈣水泥與該熱活化矽酸鋁礦物之重量比率為約2至約100：100；以及其中該硫酸鈣與該鋁酸鈣水泥之重量比率為約2至約100：100。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，其中該化學活化劑與該水泥質反應性材料之重量比率為約1至約6：100；並且 其中該水泥質反應性材料包括：約35至約96重量%之熱活化矽酸鋁礦物，約2至約45重量%之鋁酸鈣水泥，約1至約45重量%之硫酸鈣。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，其中該化學活化劑包括鹼金屬檸檬酸鹽、以及包含C類飛灰之熱活化矽酸鋁礦物。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，其中該化學活化劑包括鹼金屬檸檬酸鹽，並且其中該熱活化矽酸鋁礦物包括每100重量份熱活化矽酸鋁礦物約50至約100份C類飛灰。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，其中所述反應產物具有之該化學活化劑和該硫酸鈣之量相對於該熱活化矽酸鋁礦物和鋁酸鈣水泥之量有效地產生反應產物，該反應產物在與水混合後具有在預定時間內之終凝時間。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之組成物，其中該化學活化劑和該硫酸鈣之量相對於該熱活化矽酸鋁礦物和硫鋁酸鈣水泥之量有效地產生反應產物，該反應產物在與水混合後具有在240分鐘內或更少之終凝。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，其中該反應產物具有之鋁酸鈣水泥之量相對於該化學活化劑、該硫鋁酸鈣和熱活化矽酸鋁礦物之量有效地產生反應產物，該反應產物在與水混合後具有在預定時間內之終凝。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之組成物，其中該鋁酸鈣水泥之量相對於該化學活化劑、該硫鋁酸鈣和該熱活化矽酸鋁礦物之量有效地產生反應產物，該反應產物在與水混合後具有在240分鐘內或更少之終凝。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，其中該化學活化劑和該硫酸鈣之量相對於該熱活化矽酸鋁礦物和該鋁酸鈣水泥之量有效地產生反應產物，該反應產物在與水混合後具有在約30至約70分鐘內之終凝，並且具有大於3500 psi(24 MPa)之28-天抗壓強度；並且其中該水泥質反應性材料含有硫酸鈣二水合物；其中該硫酸鈣二水合物與該鋁酸鈣水泥之重量比率為約17-約67：100；其中該水泥質反應性材料和該化學活化劑包括鹼金屬檸檬酸鹽，其中該鹼金屬檸檬酸鹽與該水泥質反應性材料之重量比率為從約2至約3：100；並且其中該硫酸鈣二水合物具有平均顆粒大小約1至約30微米。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，其中化學活化劑與水泥質反應性材料之重量比率為從約2至約4：100；其中該水泥質反應性材料含有無水硫酸鈣，其中該無水硫酸鈣與該鋁酸鈣水泥之重量比率為約20至約50：100；其中該無水硫酸鈣具有約1至約20微米之平均顆粒大小；並且其中該組成物具有約40-約60分鐘之終凝時間，並且具有大於2500 psi(17 MPa)之4-小時抗壓強度，並且具有大於10000 psi(69 MPa)之28-天抗壓強度。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，其中所述硫酸鈣具有約1至約30微米之平均顆粒大小；其中該化學活化劑和該硫酸鈣之量相對於該熱火花矽酸鋁礦物和該鋁酸鈣水泥之量使其有效之具有大於3500 psi(24 MPa)之28-天抗壓強度；並且其中該水泥質反應性材料還有該硫酸鈣半水合物。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，其中該反應產物包括之該鋁酸鈣水泥、該硫酸鈣和該化學活化劑之量相對於該熱活化矽酸鋁礦物之量有效地控制該組成物之收縮小於0.3%。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，其中控制該組成物之收縮小於0.05%。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，其中該熱活化矽酸鋁礦物包括C類飛灰；其中該水泥質反應性材料包括：約65至約95重量百分比之該飛灰，約2至約30重量百分比之該鋁酸鈣水泥，以及約0.2至約15重量百分比之該硫酸鈣。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，其中該水泥質反應性材料包括：約40%至約85重量%之熱活化矽酸鋁礦物，其中該熱活化矽酸鋁礦物包括C類飛灰；約6%至約40重量%之鋁酸鈣水泥，以及約3.0%至約24重量%之硫酸鈣；以及其中化學活化劑與水泥質反應性材料之重量比率為約1.25至約4.00：100。
  17. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，其中該水泥質反應性材料包括：約50%至約80重量%之該熱活化矽酸鋁礦物，其中該熱活化矽酸鋁礦物包括C類飛灰，約10%至約36重量%之鋁酸鈣水泥，以及 約5.0%至約18重量%之硫酸鈣；並且其中該化學活化劑與該水泥質反應性材料之重量比率為約1.25至約4：100。
  18. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，其中該反應產物由具有從約1至約100微米平均顆粒大小之硫酸鈣形成。
  19. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，其中波特蘭水泥小於該水泥質反應性材料之15重量%。
  20. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，進一步包括填充料。
  21. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，其具有超過約2500 psi之4-小時抗壓強度，其中該混合物進一步包括填充料和硫鋁酸鈣水泥。
  22. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，該混合物進一步包括碳酸鋰，並且具有約1.5至約2.5小時之終凝時間。
  23. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，其中該組成物與混凝土具有超過200 psi之拉伸粘接強度。
  24. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，具有大於1000 psi(6.9 MPa)之4-小時抗壓強度。
  25. 如申請專利範圍第1、2或23項所述之組成物，具有大於1500 psi(10 MPa)之24-小時抗壓強度。
  26. 如申請專利範圍第1、2或23項所述之組成物，具有大於3500 psi(24 MPa)之28-天抗壓強度。
  27. 如申請專利範圍第1、2或23項所述之組成物，具有約3500 psi(24 MPa)至約10000 psi(69 MPa)之在28天之水飽和抗壓強度。
  28. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，其中該反應產物由在水漿體中之放熱反應產生，其中該鋁酸鈣水泥、該硫酸鈣、和該化學活化劑之量，相對於該熱活化矽酸鋁礦物之量，有效地控制所述最大漿體溫度上升量至約50℉。
  29. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，其中該水與該水泥質反應性材料之重量比率小於0.4：1.
  30. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，其中該水與該水泥質反應性材料之重量比率小於0.3：1.
  31. 如申請專利範圍第1、29或30項所述之組成物，其中該組成物具有流動性和和易性足夠在塌落測試中產生具有約7至約9英寸直徑之塌落餅，並且該塌落餅在乾燥過程中沒有開裂。
  32. 如申請專利範圍第1、29或30項所述之組成物，其中該組成物具有流動性和和易性足夠在塌落測試中產生具有約9.5至約11英寸直徑之塌落餅，並且該塌落餅在乾燥過程中沒有開裂。
  33. 如申請專利範圍第1、13或14項所述之組成物，其中該反應產物具有：約500 psi(3.5 MPa)至約4000 psi(28 MPa)之4-小時抗壓強度；約1500 psi(10 MPa)至5000 psi(34.5 MPa)之24-小時抗壓強度；約3500 psi(24 MPa)至約10000 psi(69 MPa)之28-天抗壓強度；並且其中在該混合物在水中反應之後，該混合物具有約10分鐘至約240分鐘之終凝時間。
  34. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，其以建築修補材料之形式。
  35. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，其以地板修補材料之形式。
  36. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，其以在基質上之自流平地板墊層之形式。
  37. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，以荷載支承結構之形式。
  38. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，以面板表面材料之形式。
  39. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，以在建築材料中之粘合劑之形式。
  40. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，以建築材料之形式，選自：磚塊、砌塊和石料之形式。
  41. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，以鋪牆面材料之形式。
  42. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，以用於交通支承表面之路面材料之形式。
  43. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，以用於交通支承表面之修補材料之形式。
  44. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，以用於重量支承結構之材料之形式。
  45. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，以屋頂材料之形式。
  46. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，以噴射混凝土材料之形式。
  47. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，以灰漿之形式。
  48. 一種製備如申請專利範圍第1-24項中任意一項所述矽酸鋁地質聚合物組成物之方法，包括使如下混合物之反應：水；化學活化劑，選自：鹼金屬鹽、鹼金屬鹼基和其混合物；以及水泥質反應性材料，其中該水泥質反應性材料包括：熱活化矽酸鋁礦物；鋁酸鈣水泥；以及硫酸鈣，選自硫酸鈣二水合物、硫酸鈣半水合物、無水硫酸鈣和其混合物。
  49. 一種混合物，用於形成矽酸鋁地質聚合物組成物，包括：熱活化矽酸鋁礦物；鋁酸鈣水泥，以及硫酸鈣，選自：硫酸鈣二水合物、硫酸鈣半水合物、無水硫酸鈣和其混合物；其中該鋁酸鈣水泥與該熱活化矽酸鋁礦物之重量比率為約1至約100：100；並且其中該硫酸鈣與該鋁酸鈣水泥之重量比率為約2至約100：100。
  50. 如申請專利範圍第49項所述之混合物，進一步包括化學活化劑，其選自：鹼金屬鹽、鹼金屬鹼和其混合物。
  51. 一種水泥質反應性材料，用於形成矽酸鋁地質聚合物組成物，包括：約35至約96重量%之熱活化矽酸鋁礦物；約2至約45重量%之鋁酸鈣水泥，以及硫酸鈣，選自：硫酸鈣二水合物、硫酸鈣半水合物、無水硫酸鈣和其混合物。
  52. 如申請專利範圍第51項所述之水泥質反應性材料，包括約1至約45重量%硫酸鈣。
  53. 如申請專利範圍第51項所述之水泥質反應性材料，包括約65至約95重量百分比之該熱活化矽酸鋁礦物，其中該熱活化矽酸鋁礦物包括C類飛灰；約2至約30重量百分比之該鋁酸鈣水泥，以及約0.2至約15重量百分比之該硫酸鈣。
  54. 如申請專利範圍第51項所述之水泥質反應性材料，包括：約50%至約80重量%之熱活化矽酸鋁礦物，其中該熱活化矽酸鋁礦物包括C類飛灰，約10%至約36重量%之鋁酸鈣水泥，以及約5.0%至約18重量%之硫酸鈣。
  55. 如申請專利範圍第51項所述之水泥質反應性材料，其中波特蘭水泥小於該水泥質反應性材料之15重量%。
  56. 一種混合物，用於形成矽酸鋁地質聚合物組成物，其包括：化學活化劑，選自：鹼金屬鹽、鹼金屬鹼和其混合物；以及如申請專利範圍第51項所述之水泥質反應性材料。
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