TW201502104A - 透水複合材料與其生產及使用方法 - Google Patents

透水複合材料與其生產及使用方法 Download PDF

Info

Publication number
TW201502104A
TW201502104A TW103119757A TW103119757A TW201502104A TW 201502104 A TW201502104 A TW 201502104A TW 103119757 A TW103119757 A TW 103119757A TW 103119757 A TW103119757 A TW 103119757A TW 201502104 A TW201502104 A TW 201502104A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
mpa
permeable composite
water permeable
water
composite material
Prior art date
Application number
TW103119757A
Other languages
English (en)
Inventor
John Kuppler
Devin Patten
Deepak Ravikumar
Omkar Deo
Vahit Atakan
Original Assignee
Solidia Technologies Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Solidia Technologies Inc filed Critical Solidia Technologies Inc
Publication of TW201502104A publication Critical patent/TW201502104A/zh

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B20/00—Use of materials as fillers for mortars, concrete or artificial stone according to more than one of groups C04B14/00 - C04B18/00 and characterised by shape or grain distribution; Treatment of materials according to more than one of the groups C04B14/00 - C04B18/00 specially adapted to enhance their filling properties in mortars, concrete or artificial stone; Expanding or defibrillating materials
    • C04B20/10—Coating or impregnating
    • C04B20/12—Multiple coating or impregnating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28B—SHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28B11/00—Apparatus or processes for treating or working the shaped or preshaped articles
    • B28B11/24—Apparatus or processes for treating or working the shaped or preshaped articles for curing, setting or hardening
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B28/00—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements
    • C04B28/18—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements containing mixtures of the silica-lime type
    • C04B28/186—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements containing mixtures of the silica-lime type containing formed Ca-silicates before the final hardening step
    • C04B28/188—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements containing mixtures of the silica-lime type containing formed Ca-silicates before the final hardening step the Ca-silicates being present in the starting mixture
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B38/00—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof
    • C04B38/0038—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof by superficial sintering or bonding of particulate matter
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B40/00—Processes, in general, for influencing or modifying the properties of mortars, concrete or artificial stone compositions, e.g. their setting or hardening ability
    • C04B40/02—Selection of the hardening environment
    • C04B40/0231—Carbon dioxide hardening
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2103/00—Function or property of ingredients for mortars, concrete or artificial stone
    • C04B2103/0067—Function or property of ingredients for mortars, concrete or artificial stone the ingredients being formed in situ by chemical reactions or conversion of one or more of the compounds of the composition
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2111/00—Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/00241—Physical properties of the materials not provided for elsewhere in C04B2111/00
    • C04B2111/00284—Materials permeable to liquids
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B38/00—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof
    • C04B38/0051—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof characterised by the pore size, pore shape or kind of porosity
    • C04B38/0058—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof characterised by the pore size, pore shape or kind of porosity open porosity
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B38/00—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof
    • C04B38/0067—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof characterised by the density of the end product
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P40/00—Technologies relating to the processing of minerals
    • Y02P40/10—Production of cement, e.g. improving or optimising the production methods; Cement grinding
    • Y02P40/18—Carbon capture and storage [CCS]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/249921—Web or sheet containing structurally defined element or component
    • Y10T428/249953—Composite having voids in a component [e.g., porous, cellular, etc.]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/249921—Web or sheet containing structurally defined element or component
    • Y10T428/249953—Composite having voids in a component [e.g., porous, cellular, etc.]
    • Y10T428/249975—Void shape specified [e.g., crushed, flat, round, etc.]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/249921—Web or sheet containing structurally defined element or component
    • Y10T428/249953—Composite having voids in a component [e.g., porous, cellular, etc.]
    • Y10T428/249986—Void-containing component contains also a solid fiber or solid particle
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/26—Web or sheet containing structurally defined element or component, the element or component having a specified physical dimension
    • Y10T428/268—Monolayer with structurally defined element

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Curing Cements, Concrete, And Artificial Stone (AREA)
  • Civil Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Road Paving Structures (AREA)

Abstract

本發明提供新穎的透水複合材料和材料的生產及使用方法，該材料具有極佳的物性和習知透水混凝土的性能特徵。該等複合材料很容易由垂手可得的低成本原料和適合大規模生產且具改善能量消耗、合宜碳足跡與最小環境衝擊的製程製得。

Description

透水複合材料與其生產及使用方法 【優先權主張及相關專利申請案】
本申請案主張西元2013年6月7日申請的美國臨時專利申請案第61/832,242號的優先權權益，該臨時專利申請案全文內容以引用方式併入本文中。
本發明大體係關於透水複合材料。更特別地，本發明係關於新穎的透水複合材料和材料配方與製造及使用方法。該等透水複合材料適合各種土木工程、路面與景觀美化和基礎建設應用。
透水混凝土係一種獨特的混凝土，透水混凝土的特徵在於混凝土材料內有互連孔隙網質。透水混凝土內的孔隙尺寸通常很大並佔了主要體積分率。高孔隙度(或孔隙體積)容許透水混凝土用於平整工程應用，使降水和其他來源的水得直接通過材料，從而減少從所在位置逕流及促進地下水補注。透水混凝土通常係使用粗骨料(粒徑為4.75毫米(mm)至25mm)製成，且很少或沒有使用細骨料(粒徑為0.25mm至4.75mm)。孔隙度和孔隙結構數量在此材料的整體性能方 面扮演重要的角色。
儘管使用透水混凝土路面有所好處，但仍有顯著的缺點和挑戰需待解決。這些包括：在交通量大的區域使用有限、需要專門的土木工程施工、延長固化時間、耐久性與耐候性，及易受水含量與新拌混凝土控制影響。
因此，仍不斷有新穎透水複合材料的需求，該材料匹配或超越習知透水混凝土的物性與性能特徵，並可以低成本大量生產且具改善的能量消耗與更合宜的碳足跡。
本發明部分係基於意外發現新穎的透水複合材料，該材料具有極佳的物性和匹配或超越習知透水混凝土的性能特徵。該等複合材料很容易由垂手可得的低成本原料和適合大規模生產且具較少裝備需求、改善能量消耗與更合宜碳足跡的製程製得。
本發明的透水複合材料配方需要最容易取得的低成本材料，該材料具有最小環境衝擊。原料包括前驅材料，例如變成接合元件的微粒矽酸鈣材料和骨料(例如填料，例如暗色岩、砂石、珍珠岩或蛭石)。流體組分提供做為反應介質(包含液態水及/或水蒸汽)與試劑(包含二氧化碳(CO2))，此在生產時會像反應物種般消耗且最後會鉗合在最終產品中。
視使用者需求而定，可使用各種添加劑來改善混合物一致性和流量，及微調所得複合材料的物理外觀與機械性質。該等添加劑可包括化學攙合物、流變改質攙合物和顏料。 添加材料亦可包括天然、合成或再生材料與加至流體組分的添加劑，例如水溶性分散劑。
此外，本發明的透水複合材料可利用有效的低成本氣體輔助水熱液相燒結(HLPS)製程製得，且具較少裝備要求、大大改善能量消耗與碳足跡。
在一態樣中，本發明大體係關於透水複合材料。透水複合材料包括：複數個接合元件；複數個骨料，骨料可為細或粗骨料且具有約0.25mm至約25mm的尺寸；及複數個孔隙，具有約0.1mm至約10mm的尺寸。每一接合元件包括：主要包含矽酸鈣的核心、富含矽石的第一或內層及富含碳酸鈣的第二或外層。複數個接合元件和複數個骨料一起構成一或更多接合基質，接合元件和骨料實質均勻分散於內且接合在一起。複數個孔隙佔透水複合材料的約5體積%至約50體積%，並形成互連通道使複合材料具可滲透性。透水複合材料的特徵在於約1500公斤/立方公尺(kg/m3)至2200kg/m3的密度、約3.0兆帕至約30兆帕的壓縮強度、約0.3兆帕至約4.0兆帕的抗彎強度和約100公分/小時(cm/hr)至約8000cm/hr的流率或滲水率。
在另一態樣中，本發明大體係關於生產透水複合材料的製程。製程包括：形成濕混合物；在模具中澆鑄濕混合物；及在水蒸汽與CO2的大氣中，以約10℃至約100℃的溫度固化澆鑄的濕混合物，計約6小時至約60小時。濕混合物包括：水、變成接合元件的微粒矽酸鈣材料和尺寸約0.25mm至約25mm的骨料。
在又一態樣中，本發明大體係關於由所述製程製備的透水複合材料。
在再一態樣中，本發明大體係關於由所述透水複合材料製成的製造物件。
本發明的目的和特徵結構在參閱以下圖式和申請專利範圍後將變得更好理解。圖式未必按比例繪製，重點大致係放在說明本發明的原理。各圖以相同的元件符號代表不同視圖中相仿的零件。
第1圖係壓力-溫度相圖，該圖圖示存於可逆反應CaCO3+SiO2 CaSiO3(矽灰石)+CO2的相。
第2圖係壓力-溫度相圖，該圖圖示存於可逆反應3CaCO3+2CaSiO3 2Ca2SiO4．CaCO3+CO2的相。
第3圖係CaO-SiO2-CO2系統在1千巴壓力下的相圖。
第4圖係壓力-溫度相圖，該圖圖示存於可逆反應MgO+CO2 MgCO3的相。
第5圖係壓力-溫度相圖，該圖圖示可逆反應MgO+CO2 MgCO3的平衡曲線隨鈍氣中的CO2比例變化。
第6圖係溫度-組成相圖，該圖圖示CaCO3-MgCO3系統的不同相的穩定區。
第7圖係四面體圖，該圖圖示化合物CaO、MgO、SiO2與CO2間的相關係，及圖示Cc-Di-Wo下面與Cc-Wo-Mo平面的CO2缺乏區(陰影部分)，其中Cc代表方解石，Wo 代表矽灰石，Ak代表鎂黃長石，Di代表透輝石，Mo代表鈣鎂橄欖石(CaMgSiO4)。
第8圖係壓力-溫度相圖，該圖圖示化合物CaO、MgO、SiO2與CO2間的相關係與從四元不變點發源的單變數曲線，四元不變點涉及方解石(Cc)、透輝石(Di)、鎂橄欖石(Fo)、鈣鎂橄欖石(Mo)、鎂黃長石(Ak)和CO2的相。插圖為三化合物系統CaCO3、MgO、SiO2的相圖。
第9圖係CO2複合材料固化腔室的示意圖，該腔室根據本發明的原理提供加濕。
第10圖係固化腔室的示意圖，該腔室具有多個濕度控制方法且能以恆定流量或壓力調節來控制及補充CO2，該腔室可根據本發明的原理控制溫度。
第11(a)圖至第11(c)圖係根據本發明示例性實施例的接合元件截面圖，包括三個示例性核心形貌：(a)纖維狀、(b)橢圓形和(c)等軸式。
第12(a)圖至第12(f)圖係根據本發明示例性實施例的複合材料側視截面圖，該圖圖示(a)在稀釋接合基質中的1D定向纖維狀接合元件(接合元件不接觸)、(b)在稀釋接合基質中的2D定向片狀接合元件(接合元件不接觸)、(c)在稀釋接合基質中的3D定向片狀接合元件(接合元件不接觸)、(d)在稀釋接合基質中的任意定向片狀接合元件(接合元件不接觸)，其中複合材料包括接合基質與填料組分，例如聚合物、金屬、無機粒子、骨料等、(e)接合元件的濃縮接合基質(體積分率足以建立浸透網質)，其中基質係3D定向，及(f)任意 定向接合元件的濃縮接合基質(體積分率足以建立浸透網質)，其中可包括諸如聚合物、金屬、無機粒子、骨料等填料組分。
第13圖圖示使用地面矽酸鈣與粗骨料、但不使用細骨料所製成的示例性透水複合材料圓柱樣品。
第14圖圖示示例性模具，用於製備鋪板形式的透水複合材料。該圖亦圖示薄層(~0.50吋)建築砂石當作基材，用以吸收及保持水分。
第15圖圖示倒入木製模具的新拌濕混合物。
第16圖圖示示例性利用平頭壓實機來壓實透水複合路面鋪板混合物。
第17圖圖示示例性具壓實透水混合物的密封木製模具。
第18圖圖示固化後的示例性透水複合鋪板。
本發明提供新穎的透水複合材料和由此製成的產品，該材料具有極佳的物性和性能(符合或超越習知透水混凝土)，並很容易由垂手可得的低成本原料和適合大規模生產且具改善能量消耗、較少製造循環(例如較短固化時間)、較少裝備需求(例如不需高壓釜)與更合宜碳足跡的製程製得。
本發明的透水複合材料很容易配合大尺度製備，例如路面、車道、停車場、人行道、小徑、網球場、井襯砌、天井、游泳池甲板、隔音牆、甚至承重牆等。該材料可用於 承重或非承重應用。
本發明的透水複合材料呈現極佳的耐久性、滲水率和承重能力。該材料可大規模生產且具遠比習知透水混凝土佳的能量效率改善與更合宜的碳足跡。透水複合材料生產會消耗CO2，造成CO2淨鉗合而使之碳中和，且從財務與環境保護觀點看來出奇地有效率。本發明獨特的透水複合材料帶來的附加好處為縮短固化時間、減少材料使用，及能使用再生產品及避免有毒物排放。
在一態樣中，本發明大體係關於透水複合材料。透水複合材料包括：複數個接合元件；複數個骨料，具有約0.25mm至約25mm的尺寸；及複數個孔隙，具有約0.1mm至約10mm的尺寸。每一接合元件包括：主要包含矽酸鈣的核心、富含矽石的第一或內層及富含碳酸鈣的第二或外層。複數個接合元件和複數個骨料一起構成一或更多接合基質，接合元件和骨料實質均勻分散於內且接合在一起。複數個孔隙佔透水複合材料的約5體積%至約50體積%，並形成互連通道使複合材料具可滲透性。透水複合材料的特徵在於約1500kg/m3至2200kg/m3的密度、約3.0兆帕至約30兆帕的壓縮強度、約0.3兆帕至約4.0兆帕的抗彎強度和約100cm/hr至約8000cm/hr的滲透率。
任何適合的矽酸鈣皆可用作接合元件的前驅物。在此所用「矽酸鈣」一詞係指天然存在礦物或包含一或更多組含鈣矽化合物的合成材料，含鈣矽化合物包括CaSiO3(亦稱作「矽灰石」和假矽灰石，有時配製成CaO．SiO2)、Ca3Si2O7 (亦稱作Rankinite，有時配製成3CaO．2SiO2)、Ca2SiO4(亦稱作「人造斜矽灰石」，有時配製成2CaO．SiO2)、Ca3SiO5(亦稱作「矽三鈣石」，有時配製成3CaO．SiO2)，材料可包括一或更多其他金屬離子和氧化物(例如鋁、鎂、鐵或錳氧化物)或上述物質摻和物，或可包括天然存在或合成形式的矽酸鎂，矽酸鎂含量為微量(1重量%)至約50重量%或以上。
應理解所述組成和方法可使用矽酸鎂代替矽酸鈣，或除矽酸鈣外另使用矽酸鎂。在此所用「矽酸鎂」一詞係指天然存在礦物或包含一或更多組含鎂矽化合物的合成材料，含鎂矽化合物例如包括Mg2SiO4(亦稱作「鎂橄欖石」)和Mg3Si4O10(OH)2(亦稱作「滑石」)，材料可包括一或更多其他金屬離子和氧化物(例如鈣、鋁、鐵或錳氧化物)或上述物質摻和物，或可包括天然存在或合成形式的矽酸鈣，矽酸鈣含量為微量(1重量%)至約50重量%或以上。
視預定複合材料而定，複數個接合元件可具任何適合的中值粒徑和粒徑分布。在某些實施例中，複數個接合元件的中值粒徑為約1微米(μm)至約100μm(例如約1μm至約80μm、約1μm至約60μm、約1μm至約50μm、約1μm至約40μm、約1μm至約30μm、約1μm至約20μm、約1μm至約10μm、約5μm至約90μm、約5μm至約80μm、約5μm至約70μm、約5μm至約60μm、約5μm至約50μm、約5μm至約40μm、約10μm至約80μm、約10μm至約70μm、約10μm至約60μm、約10μm至約50μm、約10μm至約40μm、約10μm至約30μm、約10μm至約20μm)。
在某些較佳實施例中，複數個接合元件係從地面矽酸鈣化學轉化而成，填料粒子係石灰粒子。在某些較佳實施例中，複數個接合元件係從前驅矽酸鈣化學轉化而成，前驅矽酸鈣包含一或更多鋁、鎂和鐵。在某些較佳實施例中，除地面矽酸鈣(例如地面矽灰石)外，複數個接合元件係從前驅矽酸鈣化學轉化而成。
在某些較佳實施例中，複數個接合元件係利用控制水熱液相燒結(HLPS)製程，使地面矽酸鈣與CO2反應，從而由地面矽酸鈣化學轉化而製得。在某些較佳實施例中，除地面矽酸鈣(例如地面矽灰石)外，複數個接合元件係利用控制HLPS製程，使前驅矽酸鈣與CO2反應，從而由前驅矽酸鈣化學轉化而製得。
複數個孔隙在透水複合材料的整體性能方面扮演重要的角色，包括密度滲透率、機械性質、耐候性等。視預定性質和採取應用而定，複數個孔隙可佔透水複合材料總體積的任何適當分率。例如，複數個孔隙可佔透水複合材料總體積的約5體積%至約40體積%(例如約5%至約35%、約5%至約30%、約5%至約25%、約10%至約40%、約10%至約35%、約10%至約30%、約10%至約25%、約20%至約40%)。
任何適合的骨料皆可使用，例如含氧化鈣或含矽石的材料。示例性骨料包括惰性材料，例如暗色岩、建築砂石、細礫。諸如工業廢料(例如粉煤灰、灰渣、矽灰)的材料亦可用作骨料。在某些較佳實施例中，亦可用輕骨料做為骨料，例如珍珠岩或蛭石。
複數個骨料可具任何適合的中值粒徑和粒徑分布。在某些實施例中，複數個骨料的中值粒徑為約0.25mm至約25mm(例如約5mm至約20mm、約5mm至約18mm、約5mm至約15mm、約5mm至約12mm、約7mm至約20mm、約10mm至約20mm、約1/8”、約1/4”、約3/8”、約1/2”、約3/4”)。
視應用要求或場所條件(例如ASTM C1688/C1688M、ASTM C1709/C1709M)而定，透水複合材料可製備成呈現預定密度和機械性質。
例如，透水複合材料的特徵在於密度可為1500kg/m3至2200kg/m3(例如約1600kg/m3至2000kg/m3、約1700kg/m3至2000kg/m3、約1500kg/m3、約1600kg/m3、約1700kg/m3、約1800kg/m3、約1900kg/m3、約2000kg/m3、約2200kg/m3)。
本發明的透水複合材料呈現極佳的壓縮強度。例如，透水複合材料的特徵在於壓縮強度可為約3.0兆帕至約30兆帕(例如約3.0兆帕至約25.0兆帕、約3.0兆帕至約20.0兆帕、約3.0兆帕至約18.0兆帕、4.0兆帕至約16.0兆帕、5.0兆帕至約30.0兆帕、約5.0兆帕至約25.0兆帕、約5.0兆帕至約20.0兆帕、約5.0兆帕至約15.0兆帕、約6.0兆帕至約20.0兆帕、約6.0兆帕至約15.0兆帕、約6.0兆帕至約12.0兆帕、約10.0兆帕)。
本發明的透水複合材料亦呈現極佳的抗彎強度。例如，透水複合材料的特徵在於抗彎強度可為約0.3兆帕至約 4.0兆帕(例如約0.5兆帕至約4.0兆帕、約0.7兆帕至約4.0兆帕、約1.0兆帕至約4.0兆帕、約1.5兆帕至約4.0兆帕、約2.0兆帕至約4.0兆帕、約0.5兆帕、約1.0兆帕、約1.5兆帕、約2.0兆帕、約2.5兆帕、約3.0兆帕、約3.5兆帕、約4.0兆帕)。
透水複合材料可進一步包括一或更多添加劑，以改質產品的外觀、物性或機械性質。示例性添加劑可包括化學攙合物和顏料。
化學攙合物可包括塑化劑、延滯劑、加速劑、分散劑和其他流變改質劑。某些市售化學攙合物亦可包括在內，例如BASF® Chemicals公司的GleniumTM 7500和Dow Chemical公司的AcumerTM。
在某些實施例中，視預定複合材料而定，一或更多顏料可均勻分散或實質不均勻分散於接合基質內。顏料可為任何適合的顏料，例如包括各種金屬氧化物(例如黑氧化鐵、氧化鈷和氧化鉻)。顏料可呈如選自黑色、白色、藍色、灰色、粉紅色、綠色、紅色、黃色和棕色的任一或更多顏色。視預定複合材料而定，顏料可以任何適當量存在，例如按重量計為約0.0%至約10%(例如約0.0%至約8%、約0.0%至約6%、約0.0%至約5%、約0.0%至約4%、約0.0%至約3%、約0.0%至約2%、約0.0%至約1%、約0.0%至約0.5%、約0.0%至約0.3%、約0.0%至約2%、約0.0%至約0.1%)。
在另一態樣中，本發明大體係關於生產透水複合材料的製程。製程包括：形成濕混合物；在模具中澆鑄濕混合 物；及在水蒸汽與CO2的大氣中，以約10℃至約100℃的溫度固化澆鑄的濕混合物，計約6小時至約60小時。濕混合物包括：水、微粒地面矽酸鈣材料和尺寸約0.25mm至約25mm的骨料。
在某些較佳實施例中，形成濕混合物的步驟包含依特定添加順序混合以下成分：加入及混合骨料；加入第一部分的水；加入及混合地面矽酸鈣；加入及混合第二部分的水。第一部分的水佔濕混合物中總含水量的約40%至約60%，第二部分的水佔總含水量的約40%至約60%。在示例性實施例中，第一部分的水佔濕混合物中總含水量的約50%，第二部分的水佔總含水量的約50%。
固化溫度和時間可依據預定最終產品調整，例如在水與CO2的大氣中，以約10℃至約100℃(例如約10℃至約90℃、約20℃至約90℃、約30℃至約90℃、約40℃至約90℃、約40℃至約80℃、約50℃至約70℃、約60℃至約100℃)的溫度、計約6小時至約60小時(例如約6小時至約60小時、約10小時至約60小時、約6小時至約40小時、約10小時至約40小時、約10小時至約30小時、約15小時至約25小時、約20小時)。
固化製程的相對濕度環境可調整以適配預定結果，例如約50%至約98%(例如約60%至約98%、約70%至約98%、約80%至約98%、約90%至約98%、約50%的至約90%、約50%至約80%、約50%至約70%)，CO2壓力為約周遭大氣壓至比周遭大氣壓高約100磅/平方吋(例如約周遭大氣壓至 比周遭高約90磅/平方吋、約周遭大氣壓至比周遭高約80磅/平方吋、約周遭大氣壓至比周遭高約70磅/平方吋、約周遭大氣壓至比周遭高約60磅/平方吋、比周遭高約20磅/平方吋至比周遭高約100磅/平方吋、比周遭高約30磅/平方吋至比周遭高約100磅/平方吋)，又CO2濃度為約10%至約90%(例如約20%至約90%、約30%至約90%、約40%至約90%、約10%至約70%、約10%至約50%)，以製造均勻、均質且具高孔隙結構的透水複合材料。
在本發明的一些示例性生產實施例中，所用材料為地面矽酸鈣。
地面矽酸鈣可具有約1μm至約100μm(例如約1μm至約80μm、約1μm至約60μm、約1μm至約50μm、約1μm至約40μm、約1μm至約30μm、約1μm至約20μm、約1μm至約10μm、約5μm至約90μm、約5μm至約80μm、約5μm至約70μm、約5μm至約60μm、約5μm至約50μm、約5μm至約40μm、約10μm至約80μm、約10μm至約70μm、約10μm至約60μm、約10μm至約50μm、約10μm至約40μm、約10μm至約30μm、約10μm至約20μm、約1μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm)的中值粒徑、約0.5克/毫升(g/mL)至約3.5g/mL(疏鬆，例如0.5g/mL、1.0g/mL、1.5g/mL、2.0g/mL、2.5g/mL、2.8g/mL、3.0g/mL、3.5g/mL)和約1.0g/mL至約1.2g/mL(敲緊)的容積密度、約1.5平方公尺/克(m2/g)至約3.5m2/g(例如1.5m2/g、2.0m2/g、 2.3m2/g、2.5m2/g、2.8m2/g、3.0m2/g、3.2m2/g、3.5m2/g)的表面積。
在某些較佳實施例中，微粒組成包含約10重量%至約95重量%的地面矽酸鈣材料(例如約20重量%至約95重量%、約30重量%至約95重量%、約50重量%至約95重量%、約60重量%至約95重量%、約20重量%至約90重量%、約20重量%至約80重量%、約20重量%至約70重量%、約30重量%至約80重量%、約50重量%至約80重量%)。
孔隙中的液態水將加速反應速率，因為水係離子化碳酸和鈣物種的要素。然水量宜夠少，使CO2氣體得在溶於孔隙束縛水相前擴散到多孔基質內。另外，主動溶解的多孔預形體可當作膨脹的反應晶體生長模板。故接合元件和基質可形成為具有最小畸變和殘餘應力。除許多其他應用外，此能製造如基礎建設與建築材料所需的大型複雜形狀。
故可策劃各種固化條件組合，以達成預定生產製程，包括改變反應溫度、壓力和反應長短。在第一示例性實施例中，將具CO2溶解於內的液態水輸送到前驅材料，及在約90℃和約20磅/平方吋表壓(即比周遭壓力高20磅/平方吋)下進行固化製程，計約48小時。在第二示例性實施例中，水存於前驅材料中(例如先前混合步驟殘留的水)，並提供水蒸汽(例如用於保持水量及/或防止水流失蒸發)和CO2至前驅材料，及在約60℃和0磅/平方吋表壓(周遭大氣壓)下進行固化製程，計約19小時。在第三示例性實施例中，將水蒸汽和CO2輸送到前驅材料，及在約90℃和20磅/平方吋表壓 (比周遭大氣壓高20磅/平方吋)下進行固化製程，計約19小時。
在又一態樣中，本發明大體係關於由所述製程製備的透水複合材料。
在再一態樣中，本發明大體係關於由所述透水複合材料製成的製造物件。
本發明的透水複合材料可用於製造各種尺寸與尺度的廣泛產品，例如包括路面、車道、停車場、人行道、小徑、網球場、井襯砌、天井、游泳池甲板、隔音牆、甚至承重牆等。
本發明的透水複合材料做為路面材料可提供在安全性、性能和環境與經濟衝擊方面的一些優點。高孔隙體積使材料具有高滲透性，並容許水經由材料快速排出、而非讓水流過材料上面。此可消除水在複合材料表面匯集，進而加強車輛的牽引力，及避免因諸如暴雨和大雪等惡劣天氣引發危險駕駛條件，例如水面滑行。此亦可減少從路面表面濺起水花。
使用透水路面亦有助於補注地下水位。此外，因滲透特性和較淺外觀所致，可降低城市的熱島效應，及容許水儲存於土壤，使植物能在相鄰區域生長，而減少城市地區的灌溉水需求。本發明的透水複合材料做為路面不需其他昂貴的雨洪逕流控制設施，例如滯留池、窪地和潟湖。
注意透水複合材料的性質、生產時間和規模可依據所述微調，例如調整固化技術(例如CO2輸送系統壓力和溫 度)和混合物比例與成分。
因此，各種產品很容易由垂手可得的低成本原料和不需高壓釜且適合連續大規模生產的製程製得。生產方法在經濟與環境衝擊方面均遠比習知透水混凝土佳。
接合元件、接合基質和複合材料 化學討論
本發明提供用於製造新穎複合材料的設備和方法，該方法主要係藉由CO2消耗反應而固化。材料呈現有用的性質，且很容易由垂手可得的低成本前驅材料和適合大規模生產且具最小環境衝擊的製程製得。前驅材料包括便宜又豐富的富含矽酸鈣材料、細粒和粗粒。富含矽酸鈣材料可包含地面矽灰石。細粒和粗粒可包含地面石灰石或其他碳酸鈣系材料、地面石英或其他SiO2系材料、砂石和碎岩。細粒和粗粒亦可包含壓碎礦物，例如花崗岩、雲母和長石。其他處理組分包括水和CO2。各種添加劑可用於改質及微調所得複合材料的物理外觀及/或機械性質，例如選自一或更多顏料(例如黑氧化鐵、氧化鈷和氧化鉻)、色玻璃及/或色石英的添加劑。亦可使用有關減少用水量與改變流變的添加劑。
如所述，可利用有效節能的水熱液相燒結(HLPS)製程來製造接合元件，以生產複合材料，接合元件使複合材料的不同組分扣持在一起。複合材料可以低成本與適宜環境衝擊的方式製造。例如，在本發明的較佳實施例中，CO2用作反應物種，致使CO2鉗合及在所製複合材料中產生接合元件，並且具有的碳足跡係任何現存生產技術無法比擬的。HLPS 製程由化學反應的自由能熱力驅動，及減低晶體生長造成的表面能量(面積)。HLPS製程的動力學以合理速率在低溫下進行，因為此係使用溶液(含水或無水)來輸送反應物質，而不是使用高熔點流體或高溫固態介質。
HLPS的各種特徵討論可參見美國專利案第8,114,367號、美國專利公開案第2009/0143211號(申請序號12/271,566)、美國專利公開案第2011/0104469號(申請序號12/984,299)、美國專利公開案第20090142578號(申請序號12/271,513)、WO 2009/102360(PCT/US2008/083606)、WO 2011/053598(PCT/US2010/054146)、WO 2011/090967(PCT/US2011/021623)、西元2012年3月2日申請(Riman等人)的美國專利申請案第13/411,218號、西元2012年6月7日申請(Riman等人)的美國專利申請案第13/491,098號、西元2012年10月1日申請的美國臨時專利申請案第61/708,423號和皆於西元2012年10月4日申請的美國臨時專利申請案第61/709,435號、第61/709,453號、第61/709,461號和第61/709,476號，以上各自的全文為所有目的以引用方式明確併入本文中。
在此所用「矽酸鈣」一詞係指天然存在礦物或包含一或更多組含鈣矽化合物的合成材料，含鈣矽化合物包括CaSiO3(亦稱作「矽灰石」或「假矽灰石」，有時配製成CaO．SiO2)、Ca3Si2O7(亦稱作Rankinite，有時配製成3CaO．2SiO2)、Ca2SiO4(亦稱作「人造斜矽灰石」，有時配製成2CaO．SiO2)、Ca3SiO5(亦稱作「矽三鈣石」，有時配 製成3CaO．SiO2)和Ca5(SiO4)2CO3(亦稱作「灰矽鈣石」，有時配製成2Ca2SiO4．CaCO3)，材料各自可包括一或更多其他金屬離子和氧化物(例如鋁、鎂、鐵或錳氧化物)或上述物質摻和物，或可包括天然存在或合成形式的矽酸鎂，矽酸鎂含量為微量(1重量%)至約50重量%或以上。第1圖至第8圖係圖示所述一些材料間的不同相互相關係相圖。
應理解所述組成和方法可使用矽酸鎂代替矽酸鈣，或除矽酸鈣外另使用矽酸鎂。在此所用「矽酸鎂」一詞係指天然存在礦物或包含一或更多組含鎂矽化合物的合成材料，含鎂矽化合物例如包括Mg2SiO4(亦稱作「鎂橄欖石」)、Mg3Si4O10(OH)2(亦稱作「滑石」)和CaMgSiO4(亦稱作「鈣鎂橄欖石」)，材料各自可包括一或更多其他金屬離子和氧化物(例如鈣、鋁、鐵或錳氧化物)或上述物質摻和物，或可包括天然存在或合成形式的矽酸鈣，矽酸鈣含量為微量(1重量%)至約50重量%或以上。
在此所用「石英」一詞係指任何SiO2系材料，包括常見的砂石(土木與磚石)和玻璃與再生玻璃。此用詞亦包括任何其他含有大量SiO2的再生天然與合成材料(例如雲母，有時配製成KAl2(AlSi3O10))。
在某些較佳實施例中，複數個接合元件係利用氣體輔助HLPS製程，使地面矽灰石(或非矽灰石前驅矽酸鈣或矽酸鎂)與CO2反應，從而由地面矽灰石(或非矽灰石前驅矽酸鈣或矽酸鎂)化學轉化而製得。
在某些實施例中，複合材料的特徵在於壓縮強度為 約90兆帕至約175兆帕(例如約90兆帕至約150兆帕、約90兆帕至約140兆帕、約90兆帕至約130兆帕、約90兆帕至約120兆帕、約90兆帕至約110兆帕、約100MPa至約175兆帕、約120兆帕至約175兆帕、約130兆帕至約175兆帕、約140兆帕至約175兆帕、約150兆帕至約175兆帕、約160兆帕至約175兆帕)。
在某些實施例中，複合材料的特徵在於抗彎強度為約5兆帕至約30兆帕(例如約5兆帕至約25兆帕、約5兆帕至約20兆帕、約5兆帕至約15兆帕、約5兆帕至約10兆帕、約10兆帕至約30兆帕、約20兆帕至約30兆帕、約25兆帕至約30兆帕)。
在某些實施例中，複合材料的特徵在於吸水率小於約10%(例如小於約8%、5%、4%、3%、2%或1%)。
複合材料可展現一或更多預定紋理、圖案和物性，特別係天然石材的特徵。在某些較佳實施例中，複合材料呈現類似天然石材的視覺圖案。其他特徵包括顏色(例如黑色、白色、藍色、粉紅色、灰色(淺到深)、綠色、紅色、黃色、棕色、青色(藍綠色)或紫色)和紋理。
設備和處理討論 CO 2 控制
在所述實施例中，使用純度約99%的工業級CO2，工業級CO2可由不同的工業氣體公司提供，例如Praxair公司、Linde AG、Air Liquide和其他公司。可以保存在大型加壓貯槽的液態二氧化碳形式供應，並調節溫度以維持約300 磅/平方吋表壓的蒸汽壓。此氣體接著用管路輸送到CO2固化密封區或腔室。在最簡易系統中，CO2按足以排代密封區內的周遭空氣的流率流過密封區。通常，淨化時間將取決於密封區尺寸和CO2氣體提供速率。在許多系統中，可及時進行此淨化密封區空氣的製程(按分鐘測量)，使CO2濃度上升至合理位準，以隨後進行固化。在簡易系統中，CO2氣體接著按預定速率送入系統，使CO2維持在足以驅動固化反應的濃度。
例如，現將描述在反應期間維持二氧化碳濃度的方法，該方法非常適合用於使濃度保持高度一致，雖然此係「閉環」製程，且往往係最貴的技術。此方法採行直接測量系統中的CO2濃度，及利用控制器，例如具電子/自動控制閥的PLC，將CO2濃度控制在設定點。較佳應採用直接測量CO2的測量技術(例如NDIR)。在NDIR測量方法中，利用低流量泵，從系統抽出採樣氣流。冷卻器用於在NDIR儀器採樣前，去除氣流中的水分。因此，分析儀提供的測量值將遺漏氣流的水蒸汽組分，故需要調整以計及已自試驗樣品移除的濕度。可利用乾球-濕球濕度計量技術、使用乾球-濕球濕度測量裝置或使用不同類型的水分感測器，測量系統氣流中的濕度。可利用電腦控制系統或PLC，計算真實的CO2濃度。一旦獲知真實的CO2濃度，當CO2消耗及降至當時預定的設定點以下時，啟動的比例控制閥便可將乾燥CO2加入系統。在不同實施例中，若有需要，可依據複合材料樣本的固化特定組成、形狀與尺寸，隨時間改變設定點。
濕度控制
第9圖係CO2複合材料固化腔室的示意圖，該腔室根據本發明的原理提供加濕。在第9圖中，供水器設置以將水蒸汽加至在固化腔室內循環的大氣中。水可為任何方便的飲用水源。在一些實施例中，使用一般自來水。在一些實施例中，水可藉由流經噴霧嘴或霧化噴嘴、電蒸汽產生器、煤氣焰產生器，或在腔室中經加熱達高於氣體溫度，促使供應的液態水蒸發而轉化成蒸汽，此一例為具浸沒式加熱器的鼓狀反應器。在又一實施例中，在汨流經過熱水供應器後，CO2可供應流入系統，以提高送入氣流的相對濕度，此一例為配置以「流經」或「開環」處理的鼓狀反應器。
相對濕度係傳統混凝土固化和CO2複合材料固化的重要參數。在傳統固化腔室中，存在主要包含氮、氧和水蒸汽的潮濕空氣大氣。在該等系統中，最常以標準電容感測技術測量相對濕度。然CO2固化腔室具有主要包含二氧化碳的氣體大氣，此與一些感測器類型不相容。感測技術可用於所述CO2複合材料固化系統，例如採用二氧化碳與水蒸汽的濕度計量比的乾球濕球技術、偶極子極化水蒸汽測量儀器、或冷卻鏡濕度計或電容濕度感測器。
視待固化的產品類型與幾何形狀、腔室的設計和產品的包裝效率而定，可能需降低或提高腔室中的濕度及調節成特定設定點。設定點可為1%至99%相對濕度。CO2複合材料固化製程存有三種不同的濕度控制方法，此可結合到單一系統。第9圖圖示CO2固化系統實施例的加濕方法。另一方法容許自系統移除水分，以用CO2固化複合材料產品。簡單 降低相對濕度的方法為用乾燥氣體取代系統中的潮濕氣體，例如二氧化碳。在再一實施例中，利用非淨化方法來降低相對濕度，因而自氣體移除水蒸汽。在一較佳實施例中，此為冷卻的熱交換器，用以進行水萃取。
第10圖係固化腔室的示意圖，該腔室具有多個濕度控制方法且能以恆定流量或壓力調節來控制及補充CO2，該腔室可根據本發明的原理控制溫度。此系統係提供閉環控制或利用反饋控制的系統實例，其中提供製程循環特定時間預定的操作參數設定值，例如CO2濃度、濕度和溫度，及進行測量以判斷受控的實際參數值是否為預定值。若測量到偏離預定值，則進行修正動作，使參數值符合預定值。此類控制系統可能很貴又複雜，並可用於高價產品或需要非常精確的製程條件的產品。
溫度控制
在一些實施例中，利用感測器，測量溫度，例如熱耦器或RTD。測量訊號引導回到控制器或能調節進入熱交換器的能量的電腦，藉以調整整個系統隨時間的溫度。吹風機係加熱系統的重要部件，因為吹風機有助於使熱能轉移到氣體，進而轉移到產品和腔室本身，熱能係控制樣品水分的重要部分。加熱方法可為電或煤氣焰。套加熱器可用於控制CO2的溫度，CO2流過腔室而接觸加熱套，任何合宜的熱源皆可使用。外部加熱手段可包括電加熱、熱水加熱或熱油加熱，但不以此為限。CO2固化腔室迄今為使用間接煤氣焰系統，且避免使用直接煤氣焰燃燒器，因為直接煤氣焰燃燒器會將空氣 與燃燒產物抽進系統，以致稀釋CO2及造成CO2濃度控制困難。諸如鼓狀反應器的一些小型系統採用電套加熱器來加熱腔室的整個表面、而非腔室內的加熱元件。
氣流控制
另一控制參數為氣體橫越材料的速度，材料將於系統中固化。氣體速度與製程設備變數息息相關，包括腔室設計、折流板設計、風扇尺寸、風扇速度/功率、風扇數量、系統內的溫度梯度、系統內的機架設計和系統內的樣品幾何形狀，但不以此為限。最簡單控制腔室內的氣體速度的方法為調整吹風機速度(RPM)，此通常係藉由使用變頻驅動控制吹風機馬達速度而達成。吹風機可用於使氣體以預定速度在固化腔室中循環。可利用各種不同的技術，在系統中測量系統內的氣體速度，包括皮氏管測量和雷射都卜勒偵測系統，但不以此為限。可將氣體速度的測量訊號送回電腦系統或可程式邏輯控制器，及做為固化輪廓的控制參數。
製備複合材料的製程
茲描述製備複合材料的製程。製程包括：混合微粒組成與液體組成，以形成漿料混合物；藉由把漿料澆注到模具、在模具中壓製漿料、在振動模具中壓製漿料、押出漿料、翻動成形漿料或利用混凝土生產常見的任何其他塑形方法，將漿料混合物塑形成預定形狀，及在包含水與CO2的蒸汽和約周遭大氣壓至比周遭大氣壓高約50磅/平方吋的壓力下，且CO2濃度為約10%至約90%，以約20℃至約150℃的溫度固化形成的漿料混合物，計約1小時至約80小時，以製造呈現 紋理及/或圖案和壓縮強度、抗彎強度、密度、抗分解性等相關預定物性的複合材料。
微粒組成包括中值粒徑約1μm至約100μm的地面矽酸鈣。此外，微粒組成可包括中值粒徑約3μm至約25mm的地面碳酸鈣或含SiO2的材料。液體組成包括水，且可包括水溶性分散劑。
製程可進一步包括在固化澆鑄的混合物前，乾燥澆鑄的混合物。微粒組成進一步包含所述顏料或色料。
在某些實施例中，在包含水與CO2的蒸汽和約周遭大氣壓至比周遭大氣壓高約30磅/平方吋的壓力下，以約30℃至約120℃的溫度固化形成的漿料混合物，計約1小時至約70小時。
在某些實施例中，在包含水與CO2的蒸汽和約周遭大氣壓至比周遭大氣壓高約30磅/平方吋的壓力下，以約60℃至約110℃的溫度固化形成的漿料混合物，計約1小時至約70小時。
在某些實施例中，在包含水與CO2的蒸汽和約周遭大氣壓至比周遭大氣壓高約30磅/平方吋的壓力下，以約80℃至約100℃的溫度固化形成的漿料混合物，計約1小時至約60小時。
在某些實施例中，在包含水與CO2的蒸汽和周遭大氣壓下，以等於或低於約60℃的溫度固化形成的漿料混合物，計約1小時至約50小時。
例如，在一些實施例中，地面矽酸鈣具有約1μm至 約100μm(例如約1μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm)的中值粒徑、約0.5g/mL至約3.5g/mL(疏鬆，例如0.5g/mL、1.0g/mL、1.5g/mL、2.0g/mL、2.5g/mL、2.8g/mL、3.0g/mL、3.5g/mL)和約1.0g/mL至約1.2g/mL(敲緊)的容積密度、約1.5m2/g至約3.5m2/g(例如1.5m2/g、2.0m2/g、2.3m2/g、2.5m2/g、2.8m2/g、3.0m2/g、3.2m2/g、3.5m2/g)的表面積。
在某些較佳實施例中，液體組成包括水和水溶性分散劑，水溶性分散劑包含聚合物鹽(例如丙烯酸共聚物鹽)且濃度為液體組成的約0.1%至約2% w/w。
根據所述製程製備的複合材料可呈現約3.0兆帕至約30.0兆帕(例如3兆帕、5兆帕、10兆帕、15兆帕、20兆帕、25兆帕、30兆帕)的壓縮強度和約0.3兆帕至約4.0兆帕(例如0.3兆帕、0.5兆帕、1.0兆帕、1.5兆帕、2.0兆帕、2.5兆帕、3.0兆帕、3.5兆帕、4.0兆帕)的抗彎強度。
本文亦描述由複合材料製成的一或更多製造物件。
任何適合的前驅材料皆可使用。例如，主要由矽灰石(CaSiO3)形成的矽酸鈣粒子可與溶於水的二氧化碳反應。咸信鈣陽離子可自矽灰石溶出，並使矽灰石核心的周圍部分轉化成缺鈣矽灰石。隨著鈣陽離子持續自核心的周圍部分溶出，周圍部分的結構最終將變得不穩定而崩解，致使核心的缺鈣矽灰石周圍部分轉化成主要為富含矽石的第一層。同時，主要為碳酸鈣的第二層從水沉澱出。
更特定言之，第一層和第二層可依下列反應(1)由前驅物粒子形成，反應(1)把水當作反應介質、而非做為試劑(即水不會消耗)：CaSiO3(s)+CO2(g) → CaCO3(s)+SiO2(s)△H°=-87千焦耳/莫耳CO2 (1)
例如，在與矽灰石的矽酸鹽礦物碳化反應中，CO2呈氣相引入，氣相CO2將溶於入滲流體，例如水。CO2溶解會形成酸性含碳物質(例如碳酸，H2CO3)，導致溶液的pH下降。弱酸性溶液會分異溶解出自CaSiO3的鈣物種。釋出的鈣陽離子與離解的碳酸鹽物種將造成不溶碳酸鹽沉澱。據信富含矽石層仍留在礦物粒子上做為缺鈣層。
故根據本發明的較佳實施例，CO2優先與矽灰石前驅物核心的鈣陽離子反應，致使前驅物核心的周圍部分轉化成富含矽石的第一層和富含碳酸鈣的第二層。又，核心上存有第一與第二層做為阻障，以進一步使矽灰石與二氧化碳反應而形成具核心、第一層和第二層的接合元件。
在一些實施例中，具有除Ca外的金屬或另具其他金屬的矽酸鹽材料可以類似上述矽灰石反應的方式與溶於水的二氧化碳反應，例如鎂橄欖石(Mg2SiO4)、透輝石(CaMgSi2O6)和滑石(Mg3Si4O10(OH)2)。咸信根據本發明的原理，此類矽酸鹽材料可單獨、合併及/或結合矽灰石用作接合元件的前驅物。
較佳地，氣體輔助HLPS製程採用部分入滲孔隙空間讓氣體擴散而迅速滲入多孔預形體，及使孔隙中的液體界 面溶液薄膜充滿溶解的CO2。CO2系物種在純水中的溶解度很低(1.5g/L 25℃，1大氣壓)。故必須持續供應大量CO2以分布整個預形體，使主要的碳酸鹽轉化。比起可溶性CO2在液相中於相等時間內擴散，採取氣相擴散可大幅增加(約100倍)擴散長度(“Handbook of chemistry and physics”,Editor：D.R.Lide,Chapters 6 and 8,87th Edition 2006-2007,CRC)。此部分入滲狀態能使反應在固定時間內達到高度碳化。
孔隙中的液態水將加速反應速率，因為水提供碳酸和鈣物種離子化的介質。然水量宜夠少，使CO2氣體得在溶於孔隙束縛水相前擴散到多孔基質內。另外，主動溶解的多孔預形體可當作膨脹的反應晶體生長模板。故接合元件和基質可形成為具有最小畸變和殘餘應力。除許多其他應用外，此能製造如基礎建設與建築材料所需的大型複雜形狀。
故可策劃各種固化條件組合，以達成預定生產製程，包括改變反應溫度、壓力和反應長短。在第一示例性實施例中，水存於前驅材料中(例如先前混合步驟殘留的水)，並提供液態水(例如用於保持水量及/或控制水流失蒸發)和CO2至前驅材料，及在約90℃和約20磅/平方吋表壓(即比周遭壓力高20磅/平方吋)下進行固化製程，計約2至90小時。
在第二示例性實施例中，水存於前驅材料中(例如先前混合步驟殘留的水)，並提供水蒸汽(例如用於保持水量及/或控制水流失蒸發)和CO2至前驅材料，及在約90℃和約20磅/平方吋表壓(即比周遭壓力高20磅/平方吋)下進行固 化製程，計約2至90小時。
在第三示例性實施例中，水存於前驅材料中(例如先前混合步驟殘留的水)，並提供水蒸汽(例如用於保持水量及/或控制水流失蒸發)和CO2至前驅材料，及在約25℃至90℃和0磅/平方吋表壓(周遭大氣壓)下進行固化製程，計約2至72小時。
在上述實施例中，固化複合材料物件所需的時間取決於水蒸汽與CO2氣體擴散整個物件的能力。通常，厚物件比薄物件需要更久的固化時間。同樣地，具高密度(與較少開放孔隙空間)的物件比具低密度(與較多開放孔隙空間)的物件需要更久的固化時間。下表提供固化時間隨最小三維厚度(或壁厚或截面厚度)和製造物件的容積密度變化的實例。
製造微結構討論
如第11(a)圖至第11(c)圖所示，接合元件包括核心(以黑色內側部分表示)、第一層(以白色中間部分表示)和 第二或包覆層(以外側部分表示)。第一層可只包括一層或多個子層，且可完全或部分覆蓋核心。第一層可以結晶相、無定形相或上述混合相的形式存在且可為連續相或為散粒。第二層可只包括一層或多個子層，且亦可完全或部分覆蓋第一層。第二層可包括複數個粒子或為具最少散粒的連續相。
視預定應用而定，接合元件可呈任何尺寸和任何規則或不規則的實心或中空形貌。示例性形貌包括：立方體、長方體、棱柱、圓盤、角錐、多角或多面粒子、圓柱、球體、圓錐、環狀、管狀、新月狀、針狀、纖維、細絲、薄片、球體、橢球體、珠狀、葡萄狀、粒狀、長橢圓、棒狀、漣波等。
通常，如本文所詳述，接合元件係透過轉化製程由反應前驅材料(例如前驅物粒子)製成。前驅物粒子可具任何尺寸和形狀，只要前驅物粒子符合預定應用的要求即可。轉化製程通常會產生類似前驅物粒子尺寸與形狀的對應接合元件。
接合元件可朝任一定向彼此相對設置在接合基質內。第12(a)圖至第12(f)圖圖示示例性接合基質，接合基質包括朝不同定向的纖維或片狀接合元件，且可藉由併入填料而稀釋，此如接合元件間的空間所示。例如，第12(a)圖圖示包括纖維狀接合元件的接合基質，接合元件朝一維(「1D」)定向對準(例如對準x方向)。第12(b)圖圖示包括片狀接合元件的接合基質，接合元件朝二維(「2D」)定向對準(例如對準x與y方向)。第12(c)圖圖示包括片狀接合元件的接合基質，接合元件朝三維(「3D」)定向對準(例如對準x、y與z 方向)。第12(d)圖圖示包括片狀接合元件的接合基質，接合元件朝任意定向，其中接合元件不對準任何特定方向。第12(e)圖圖示包括較高片狀接合元件濃度的接合基質，接合元件朝3D定向對準。第12(f)圖圖示包括較低片狀接合元件濃度的接合基質，接合元件處於任意定向(浸透網質)。第12(f)圖的複合材料達到浸透閾值，因為大部分的接合元件為互相接觸，使得材料一端到另一端構成連續的接觸網質。浸透閾值係臨界濃度，高於臨界濃度時，接合元件將呈現有序(例如第12(e)圖)或任意定向(例如第12(f)圖)的接合元件遠程連接。示例性連接圖案可參見如Newnham等人發表的「“Connectivity and piezoelectric-pyroelectric composites”,Mat.Res.Bull.vol.13,pp.525-536,1978」。
複數個接合元件可由任何適合的前驅材料化學轉化而成，例如除矽灰石外的前驅矽酸鈣。前驅矽酸鈣可包括一或更多的鋁、鎂和鐵化學元素。
視預定複合材料而定，複數個接合元件可具任何適合的中值粒徑和粒徑分布。在某些實施例中，複數個接合元件的中值粒徑為約1μm至約100μm(例如約1μm至約80μm、約1μm至約60μm、約1μm至約50μm、約1μm至約40μm、約1μm至約30μm、約1μm至約20μm、約1μm至約10μm、約5μm至約90μm、約5μm至約80μm、約5μm至約70μm、約5μm至約60μm、約5μm至約50μm、約5μm至約40μm、約10μm至約80μm、約10μm至約70μm、約10μm至約60μm、約10μm至約50μm、約10μm 至約40μm、約10μm至約30μm、約10μm至約20μm)。
在一些情況下，複合材料包括：複數個接合元件和複數個填料粒子。每一接合元件包括：主要包含矽酸鈣的核心、富含矽石的第一或內層及富含碳酸鈣的第二或外層。複數個接合元件和複數個填料粒子一起構成一或更多接合基質，接合元件和填料粒子實質均勻分散於內且接合在一起，如此複合材料將展現一或更多紋理、圖案和物性。在一些情況下，接合元件具有矽酸鎂核心、富含矽石的第一或內層及富含碳酸鈣的第二或外層。矽酸鎂可包括鋁、鈣、鐵或鎂氧化物。
複數個填料粒子可具任何適合的中值粒徑和粒徑分布。在某些實施例中，複數個填料粒子的中值粒徑為約5μm至約7mm(例如約5μm至約5mm、約5μm至約4mm、約5μm至約3mm、約5μm至約2mm、約5μm至約1mm、約5μm至約500μm、約5μm至約300μm、約20μm至約5mm、約20μm至約4mm、約20μm至約3mm、約20μm至約2mm、約20μm至約1mm、約20μm至約500μm、約20μm至約300μm、約100μm至約5mm、約100μm至約4mm、約100μm至約3mm、約100μm至約2mm、約100μm至約1mm)。
在某些較佳實施例中，填料粒子由富含碳酸鈣的材料製成，例如石灰石(例如地面石灰石)。在某些材料中，填料粒子由一或更多SiO2系或矽酸鹽系材料製成，例如石英、雲母、花崗岩和長石(例如地面石英，地面雲母、地面 花崗岩、地面長石)。
在某些實施例中，填料粒子可包括天然、合成和再生材料，例如玻璃、再生玻璃、煤渣、富含碳酸鈣的材料和富含碳酸鎂的材料。
視預定複合材料而定，(接合元件)：(填料粒子)的重量比可為任何適合定量，例如約(10至50)：約(50至90)。
在某些實施例中，該等複合材料可展現各種圖案、紋理和其他特徵，例如不同顏色的視覺圖案。此外，本發明的複合材料可呈現類似習知混凝土或對應天然材料的壓縮強度、抗彎強度和吸水性。
在某些實施例中，複合材料進一步包括顏料。視預定複合材料而定，顏料可均勻分散或實質不均勻分散於接合基質內。顏料可為任何適合的顏料，例如包括各種金屬氧化物(例如氧化鐵、氧化鈷、氧化鉻)。顏料可呈如選自黑色、白色、藍色、灰色、粉紅色、綠色、紅色、黃色和棕色的任一或更多顏色。視預定複合材料而定，顏料可以任何適當量存在，例如按重量計為約0.0%至約10%(例如約0.0%至約8%、約0.0%至約6%、約0.0%至約5%、約0.0%至約4%、約0.0%至約3%、約0.0%至約2%、約0.0%至約1%、約0.0%至約0.5%、約0.0%至約0.3%、約0.0%至約2%、約0.0%至約0.1%)。
實例 實例1：使用地面矽酸鈣和粗骨料、但不使用任何細骨料製成的透水圓柱樣品
用於製備透水樣品且不使用細骨料的混合物比例列於表2。
原料
地面矽酸鈣(SC-C2，取自中國東海縣富豐源工貿有限公司)；1/4”和3/8”粗骨料(取自位於美國新澤西州Lakewood的Clayton Block公司壓碎的暗色岩)；Glenium 7500攙合物(取自BASF®)；及一般自來水。
混合程序
1.測量及將19.434公斤的1/4”骨料(在此實例中為佔混合物組分總重量的41%)裝載至SicomaTM行星混合器的吊機內。
2.測量及將19.434公斤的3/8”骨料(在此實例中為佔混合物組分總重量的41%)裝載至SicomaTM行星混合器的吊機內。
3.在混合器中，利用按40RPM旋轉的轉子手臂，使該二固體組分組合物混合在一起，計1分鐘。
4.測量及將總量一半的自來水(液體組分的2.6重量%，在 此實例中為1.30公斤)裝載至骨料混合物(固體組分)中，以形成濕混合物。
5.測量及將8.532公斤(在此實例中為佔混合物組分總重量的18%)的地面矽酸鈣(SC-C2)裝載至混合器的吊機內。
6.在混合器中混合目前加入的固體與液體組分組合物，計3分鐘，同時使轉子手臂按40RPM旋轉。
7.測量及將剩下一半的自來水(液體組分的2.6重量%，在此實例中為1.30公斤)裝載至混合物中，及以40RPM再繼續混合1分鐘。
8.測量及將0.026公斤的Glenium 7500攙合物(最後液體組分)裝載至混合物中，此相當於3毫升/公斤劑量的黏結劑(在此實例中為地面矽酸鈣)，及再混合2分鐘，以形成最終濕混合物。
澆鑄程序
1.以WD-40潤滑各個4”×8”圓柱鋼模的內面，以便於脫模時輕易移除澆鑄樣本。
2.把濕混合物從混合器倒入容器內，及將容器運送到存放模具的位置。
3.從容器中舀出濕混合物，並倒入各模具內達模具的約三分之一的高度。
4.使用標準樸氏錘(符合ASTM D698)進行壓實並錘打此層20次，及就濕混合物的其餘兩個三分之一層，反覆進行此程序。
5.加入濕混合物的最後一層達(圓柱的)溢出高度，及用刮 平板把頂表面弄平滑。
6.在將複合陶瓷生坯脫模前，使模具保持在室溫(23±3℃)下至少4小時。
固化程序
接著把複合陶瓷生坯(透水複合材料圓柱)放到直徑7呎、長12呎的水平固化腔室內。接著在大氣壓下(0.1磅/平方吋表壓)，用CO2氣體淨化固化腔室，計12分鐘。接著將固化腔室的溫度設定為60℃，及用充滿水蒸汽的CO2氣體淨化腔室。接著使固化腔室內的樣本在該等條件下固化或反應20小時，以形成硬化或固化的陶瓷體。
接著將固化的陶瓷體移出固化腔室並放到設定成90℃的烘箱內，以移除任何殘留水。接著依據陶瓷體於反應期間的重量增益，計算反應程度(或反應完成度)。就使用表3所列混合物比例製備的陶瓷體而言，反應程度為約35%至約60%。
第13圖圖示以此實例所述方式澆鑄及固化的透水複合材料實例。
測試與性質
密度與孔隙度：使用ASTM C1688/C1688M，測定透水複合材料的最終濕混合物的孔隙體積(或孔隙度)。樣品經烘乾24小時後，測量已固化透水複合材料圓柱樣品的孔隙體積和乾密度。最終濕混合物和已固化透水複合材料樣品的孔隙體積為20%至30%。已固化透水複合材料樣品的乾密度為約1800kg/m3(112磅/立方呎(lbs/ft3))且標準差為約50 kg/m3(3.1 lbs/ft3)。
壓縮強度：依據ASTM C39，利用Gilson®通用試驗機，以35±7每平方吋磅/秒的平均負荷率測量反應完成度為35%至45%的已固化透水複合材料樣品的壓縮強度。樣品的平均壓縮強度為約1000磅/平方吋(6.90兆帕)且標準差為約75磅/平方吋(0.5兆帕)。
抗彎強度：依據ASTM C-67，測量已固化透水複合材料樣本的抗彎強度。依此測量時，較佳採用0.5毫米/分鐘的應變率且裝配3點抗彎強度索具的150kN Instron®機械測試器。抗彎強度與壓縮強度的比率通常為0.10至0.20。
滲透率：透水複合材料樣品的滲透率或水導率與材料的孔隙度和孔徑直接相關。就使用該等混合物比例製備的樣本而言，滲透率預期為約0.01公尺/秒。
實例2：使用地面矽酸鈣、單一粒徑的粗骨料和少量的細骨料製成的透水複合材料圓柱樣品
用於使用地面矽酸鈣、單一粒徑的粗骨料(1/4”)和少量(佔總固體組分的5重量%)的細骨料(由建築砂石組成)以製備透水複合材料樣品的混合物比例列於表3。
原料
地面矽酸鈣(SC-C2，取自中國東海縣富豐源工貿有限公司)；1/4”粗骨料(取自位於美國新澤西州Lakewood的Clayton Block公司壓碎的暗色岩)；過篩建築砂石(取自位於美國新澤西州Bound Brook的Stavola Construction Materials)；Glenium 7500攙合物(取自BASF®)；及一般 自來水。
混合程序
1.測量及將14.726公斤的1/4”骨料(在此實例中為佔混合物組分總重量的70.125%)裝載至SicomaTM行星混合器的吊機內。
2.測量及將總量一半的自來水(液體組分的3.25重量%，在此實例中為0.6825公斤)裝載至混合器內，並以40RPM混合1分鐘，以形成濕混合物。
3.測量及將3.927公斤的地面矽酸鈣(在此實例中為佔混合物組分總重量的18.70%)裝載至SicomaTM行星混合器的吊機內，及以40RPM繼續混合1分鐘。
4.測量及將0.982公斤的建築砂石(在此實例中為佔混合物組分總重量的4.675%)裝載至SicomaTM行星混合器的吊機內，及以40RPM繼續混合1分鐘。
5.測量及將剩下一半的自來水裝載至混合物中，及以40RPM 再繼續混合1分鐘。
6.測量及將0.012公斤的Glenium 7500攙合物(最後液體組分)裝載至混合物中，此相當於3毫升/公斤劑量的黏結劑(在此實例中為地面矽酸鈣)，及再混合1分鐘，以形成最終濕混合物。
澆鑄程序
製備此透水複合材料混合物的澆鑄程序類似實例1所述程序。
固化程序
製備此透水複合材料混合物的固化程序類似實例1所述程序。
性質與測試
密度與孔隙度：使用ASTM C1688/C1688M，測定透水複合材料的最終濕混合物的孔隙體積(或孔隙度)。樣品經烘乾24小時後，測量已固化透水複合材料圓柱樣品的孔隙體積和乾密度。最終濕混合物和已固化透水複合材料樣品的孔隙體積為15%至30%。已固化透水複合材料樣品的乾密度為約1900kg/m3(118 lbs/ft3)且標準差為約50kg/m3(3.1 lbs/ft3)。
壓縮強度：依據ASTM C39，利用Gilson®通用試驗機，以35±7每平方吋磅/秒的平均負荷率測量反應完成度為30%至40%的已固化透水複合材料樣品的壓縮強度。樣品的平均壓縮強度為約1150磅/平方吋(7.93兆帕)且標準差為約150磅/平方吋(1.1兆帕)。
抗彎強度：依據ASTM C-67，測量已固化透水複合材料樣本的抗彎強度。依此測量時，較佳採用0.5毫米/分鐘的應變率且裝配3點抗彎強度索具的150kN Instron®機械測試器。抗彎強度與壓縮強度的比率通常為0.10至0.20。
滲透率：透水複合材料樣品的滲透率或水導率與材料的孔隙度和孔徑直接相關。就使用該等混合物比例製備的樣本而言，滲透率預期為約0.01公尺/秒。
實例3：使用地面矽酸鈣和粗骨料、但不使用任何細骨料製成的透水複合材料路面鋪板
用於製備透水複合材料路面鋪板且混合物中不使用細骨料的混合物比例列於表4。
原料
地面矽酸鈣(SC-C2，取自中國東海縣富豐源工貿有限公司)；1/4”和3/8”粗骨料(取自位於美國新澤西州Lakewood的Clayton Block公司壓碎的暗色岩)；Glenium 7500攙合物(取自BASF®)；及一般自來水。
混合程序
1.測量及將213.774公斤的1/4”骨料(在此實例中為佔混合物組分總重量的41%)裝載至SicomaTM行星混合器的吊機內。
2.測量及將213.774公斤的3/8”骨料(在此實例中為佔混合物組分總重量的41%)裝載至SicomaTM行星混合器的吊機內。
3.在混合器中，利用按40RPM旋轉的轉子手臂，使該二固體組分組合物混合在一起，計1分鐘。
4.測量及將總量一半的自來水(液體組分的2.6重量%，在此實例中為14.30公斤)裝載至骨料混合物(固體組分)中，以形成濕混合物。
5.測量及將93.852公斤(在此實例中為佔混合物組分總重量的18%)的地面矽酸鈣(SC-C2)裝載至混合器的吊機內。
6.在混合器中混合目前加入的固體與液體組分組合物，計3分鐘，同時使轉子手臂按40RPM旋轉。
7.測量及將剩下一半的自來水(液體組分的2.6重量%，在此實例中為14.30公斤)裝載至混合物中，及以40RPM再繼續混合1分鐘。
8.測量及將0.282公斤的Glenium 7500攙合物(最後液體組分)裝載至混合物中，此相當於3毫升/公斤劑量的黏結劑(在此實例中為地面矽酸鈣)，及再混合2分鐘，以形成最終濕混合物。
澆鑄程序
1.如第14圖所示，製造截面4呎×4呎、高10呎的木製模具。 仔細確保內面完全被塑膠片和膠帶密封。在木製模具的兩相對端鑽孔(直徑約0.5吋)，以供CO2流入及流出。
2.把濕混合物從混合器倒入容器內，及將容器運送到存放木製模具的位置，接著轉移到模具，此如第15圖所示。將濕混合物從容器轉移到模具的製程為進行三次倒入動作(每次倒入模具的三分之一高度)。
3.接著利用平頭泥土或黏土壓實機(如第16圖所示)，壓實各層，及就其餘兩次倒入的三分之一層，反覆進行此步驟。
4.在壓實最後一層後，用塑膠片完全密封木製模具的頂表面，此如第17圖所示。該圖亦圖示設在流出處附近的裝置，用以偵測CO2濃度。
固化程序
在室溫(23±3℃)下，用經由木製模具一側入口處供應的CO2固化透水複合材料鋪板。在0.3磅/平方吋表壓下，保持流入CO2，計20小時。固化結束時，停止流入CO2，移除塑膠片提供的密封件，及將鋪板自木製模具脫模。第18圖圖示固化後的透水複合材料鋪板實例。從已固化鋪板核心鑽取樣品供後續測試。該等樣品為直徑4吋、高約8吋的圓柱形式。
性質與測試
密度與孔隙度：使用ASTM C1688/C1688M，測定透水複合材料的最終濕混合物的孔隙體積(或孔隙度)。樣品經烘乾24小時後，測量已固化透水複合材料圓柱樣品的孔隙體積和乾密度。最終濕混合物和已固化透水複合材料樣品的 孔隙體積為15%至30%。已固化透水複合材料樣品的乾密度為約1900kg/m3(118 lbs/ft3)且標準差為約50kg/m3(3.1 lbs/ft3)。
壓縮強度：依據ASTM C39，利用Gilson®通用試驗機，以35±7每平方吋磅/秒的平均負荷率測量反應完成度為30%至40%的已固化透水複合材料樣品的壓縮強度。樣品的平均壓縮強度為約1100磅/平方吋(7.58兆帕)且標準差為約150磅/平方吋(1.1兆帕)。
抗彎強度：依據ASTM C-67，測量已固化透水複合材料樣本的抗彎強度。依此測量時，較佳採用0.5毫米/分鐘的應變率且裝配3點抗彎強度索具的150kN Instron®機械測試器。抗彎強度與壓縮強度的比率通常為0.10至0.20。
滲透率：透水複合材料樣品的滲透率或水導率與材料的孔隙度和孔徑直接相關。就使用該等混合物比例製備的樣本而言，滲透率預期為約0.01公尺/秒。
除非內文清楚指明，否則本申請書和後附申請專利範圍使用的單數形式「一」和「該」包括複數意涵。
除非另行定義，否則本文使用的所有技術和科學術語含義和此領域一般技術人士所一般理解的含義一樣。雖然任何類似或等同本文所述者的方法和材料亦可用於實踐或測試本發明，但以本文所述方法和材料為佳。除所述特定順序外，本文提及的方法可依任何邏輯可行的順序施行。
本文已參考及引用其他文獻，例如專利、專利申請案、專利公開案、期刊、書籍、論文、網站內容。所有文獻 的全文內容為所有目的以引用方式併入本文中。據稱可引用併入、但與現有定義、聲明或本文明確闡述的其他揭示材料衝突的任何材料或部分材料只合併到併入材料與本文材料間不衝突的程度。若有衝突，則待解決衝突，以利本發明做為較佳揭示。
所述代表性實例有助於說明本發明，且無意或不應解釋成限定本發明範圍。除本文所示及所述實施例外，熟諳此技術者確實可從本文完整內容，包括遵循及參考所提科學與專利文獻的實例，明白本發明的各種修改例與許多進一步實施例。以下實例含有適於實踐本發明各種實施例和均等物的重要額外資訊、範例和指引。

Claims (20)

  1. 一種透水複合材料，包含：複數個接合元件，其中每一接合元件包含：一核心，主要包含矽酸鈣；一富含矽石的第一或內層；及一富含碳酸鈣的第二或外層；複數個骨料，具有約0.25mm至約25mm的尺寸；及複數個孔隙，具有約0.1mm至約10mm的尺寸，其中該複數個接合元件和該複數個骨料一起構成一或更多接合基質，該等接合元件和該等骨料實質均勻分散於內且接合在一起；該複數個孔隙佔該透水複合材料的約5體積%至約40體積%，並形成多個互連通道使該複合材料具可滲透性；及據此，該透水複合材料呈現約1500kg/m3至2200kg/m3的一密度、約3.0兆帕至約30兆帕的一壓縮強度、約1.0兆帕至約4.0兆帕的一抗彎強度和約100cm/hr至約8000cm/hr的一滲透率。
  2. 如請求項1所述之透水複合材料，其中該複數個接合元件具有約5μm至約100μm的一中值粒徑。
  3. 如請求項1所述之透水複合材料，其中該等骨料包含一尺寸約1/8”至約1/4”的一第一組粒料和一尺寸約3/8”至約1/2”的一第二組粒料。
  4. 如請求項1所述之透水複合材料，其中該複數個接合元件係從一地面矽酸鈣化學轉化而成，該等粗骨料係一壓碎暗色岩。
  5. 如請求項1所述之透水複合材料，其中該等骨料佔該透水複合材料的約50重量%至約85重量%。
  6. 如請求項1所述之透水複合材料，其中該複數個接合元件係從一前驅矽酸鈣化學轉化而成，該前驅矽酸鈣包含一或更多鋁、鎂和鐵。
  7. 如請求項1所述之透水複合材料，其中該複數個孔隙佔該透水複合材料的約10體積%至約40體積%。
  8. 如請求項1所述之透水複合材料，其中該複數個接合元件係利用一控制水熱液相燒結製程，使一地面矽酸鈣與CO2反應，從而由該地面矽酸鈣化學轉化而製得。
  9. 如請求項1所述之透水複合材料，其中該透水複合材料呈現約1600kg/m3至2200kg/m3的一密度、約4.0兆帕至約 30兆帕的一壓縮強度、約0.4兆帕至約4.0兆帕的一抗彎強度和約100cm/hr至約6000cm/hr的一滲透率。
  10. 如請求項1所述之透水複合材料，進一步包含選自一塑化劑、一延滯劑、一加速劑、一分散劑和其他流變改質劑的一化學攙合物。
  11. 如請求項1所述之透水複合材料，進一步包含選自黑氧化鐵、氧化鈷和氧化鉻的一或更多添加劑。
  12. 一種生產一透水複合材料的製程，包含：形成一濕混合物，該濕混合物包含：水；一微粒，包含一中值粒徑為約5μm至約1mm的的矽酸鈣；及多個骨料，具有約0.25mm至約25mm的尺寸；在一模具中澆鑄該濕混合物；及在水與CO2的一大氣中，以約20℃至約100℃的一溫度固化澆鑄的該濕混合物，計約6小時至約60小時。
  13. 如請求項12所述之製程，其中該等骨料佔該濕混合物的約50重量%至約85重量%。
  14. 如請求項12所述之製程，其中固化該膨脹混合物係在水 與CO2的一大氣中，以約20℃至約70℃的一溫度進行約15小時至約25小時。
  15. 如請求項12所述之製程，其中該地面矽酸鈣選自矽灰石、假矽灰石、rankanite、人造斜矽灰石和矽三鈣石。
  16. 如請求項12所述之製程，其中該等骨料包含一尺寸約1/8”至約1/4”的一第一組粒料和一尺寸約3/8”至約1/2”的一第二組粒料。
  17. 如請求項12所述之製程，其中該濕式組成物包含約15重量%至約20重量%的地面矽酸鈣。
  18. 一種透水複合材料，該透水複合材料係由如請求項12至請求項17中任一項的該製程所製得。
  19. 如請求項18所述之透水複合材料，其中該透水複合材料呈現約1500kg/m3至2200kg/m3的一密度、約3.0兆帕至約30兆帕的一壓縮強度、約0.3兆帕至約4.0兆帕的一抗彎強度和約100cm/hr至約8000cm/hr的一滲透率。
  20. 一種製造物件，該製造物件係由如請求項1至請求項11、請求項18及請求項19中任一項的該透水複合材料所製成。
TW103119757A 2013-06-07 2014-06-06 透水複合材料與其生產及使用方法 TW201502104A (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201361832242P 2013-06-07 2013-06-07

Publications (1)

Publication Number Publication Date
TW201502104A true TW201502104A (zh) 2015-01-16

Family

ID=52005709

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW103119757A TW201502104A (zh) 2013-06-07 2014-06-06 透水複合材料與其生產及使用方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US9938189B2 (zh)
EP (1) EP3004019B1 (zh)
TW (1) TW201502104A (zh)
WO (1) WO2014197545A1 (zh)

Families Citing this family (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2971353B1 (en) 2013-03-13 2018-10-31 Solidia Technologies, Inc. Composite railroad ties and method of production thereof
EP2969998A4 (en) 2013-03-13 2016-12-28 Solidia Technologies Inc AERATED COMPOSITE MATERIALS, PROCESSES FOR THEIR PRODUCTION AND USES
WO2014197545A1 (en) 2013-06-07 2014-12-11 Solidia Technologies, Inc. Pervious composite materials, methods of production and uses thereof
BR112016003767B1 (pt) 2013-08-21 2022-06-28 Solidia Technologies, Inc Processo para produzir um artigo de um material compósito aerado
CA2926326C (en) 2013-10-04 2021-11-23 Solidia Technologies, Inc. Hollow-core articles and composite materials, methods of production and uses thereof
CN115432987A (zh) 2014-08-04 2022-12-06 索里迪亚科技公司 可碳酸盐化的硅酸钙组合物及其方法
US10196311B2 (en) 2014-10-03 2019-02-05 Solidia Technologies, Inc. Compositions and methods for controling setting of carbonatable calcium silicate cements containing hydrating materials
CA2980014C (en) 2015-03-20 2023-09-26 Solidia Technologies, Inc. Composite materials and bonding elements from carbonation of calcium silicate and methods thereof
US10695949B2 (en) 2015-05-18 2020-06-30 Solidia Technologies, Ltd. Lightweight composite materials produced from carbonatable calcium silicate and methods thereof
CN109153607A (zh) 2016-03-04 2019-01-04 索里迪亚科技公司 白色可碳酸化硅钙基水泥及其制备方法和用途
WO2017155899A1 (en) 2016-03-11 2017-09-14 Solidia Technologies, Inc. Hazing control for carbonatable calcium silicate-based cements and concretes
EA037910B1 (ru) 2016-05-31 2021-06-04 Солидия Текнолоджиз, Инк. Кондиционированные отверждающие системы и способы отверждения
WO2018175748A1 (en) 2017-03-23 2018-09-27 Solidia Technologies, Inc. Carbonatable calcium silicate-based cements and concretes having mineral additives, and methods thereof
EP3713895A1 (en) 2017-11-21 2020-09-30 Solidia Technologies, Inc. Compositions and method to improve the strength development of calcium silicate-based cements and concretes
WO2019101811A1 (en) 2017-11-21 2019-05-31 Holcim Technology Ltd Compositions and method to improve the durability of calcium silicate-based cements and concretes
WO2019101809A1 (en) 2017-11-21 2019-05-31 Holcim Technology Ltd Compositions and method to improve the aesthetics of calcium silicate-based cements and concretes
CN113811518A (zh) 2019-04-02 2021-12-17 含氧低碳投资有限责任公司 涉及使用二氧化碳作为反应物的水泥的方法
WO2020206541A1 (en) * 2019-04-12 2020-10-15 Carbicrete Inc. Carbonation curing method to produce wet-cast slag-based concrete products
CN115180922B (zh) * 2022-06-30 2023-08-01 武汉理工大学 一种基于花岗岩废料和燃煤渣的烧结透水砖及其制备方法
CN115849774A (zh) * 2022-11-10 2023-03-28 昆明阳博新型建材有限公司 一种透水混凝土及制备方法

Family Cites Families (31)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SE336547B (zh) * 1969-10-24 1971-07-05 Siporex Int Ab
US4436498A (en) 1982-02-01 1984-03-13 Conger/Murray Systems, Inc. Apparatus for curing concrete products
SU1260363A1 (ru) * 1984-07-18 1986-09-30 Государственный Научно-Исследовательский Институт Строительных Материалов И Изделий Способ приготовлени газобетона
US4956321A (en) 1988-06-16 1990-09-11 Armstrong World Industries, Inc. Surface pacified wollastonite
JP2000169261A (ja) * 1998-12-07 2000-06-20 Sekisui Chem Co Ltd セメント硬化体の製造方法
US20050284339A1 (en) 2001-04-03 2005-12-29 Greg Brunton Durable building article and method of making same
CN1558032A (zh) * 2004-02-02 2004-12-29 北京交通大学 含活性矿物质的高强大孔透水混凝土路面的制造方法
US8815328B2 (en) 2005-01-04 2014-08-26 Rutgers, The State University Of New Jersey Hydroxyapatite with controllable size and morphology
US20070062416A1 (en) 2005-09-22 2007-03-22 Brzuskiewicz John E Patching composition having tailorable appearance properties
MX2009005985A (es) * 2006-12-06 2009-06-17 Constr Res & Tech Gmbh Aditivo modificador de reologia para composiciones de cemento.
CN100465121C (zh) * 2007-08-17 2009-03-04 济南大学 碳化养护加气混凝土
CN101910086B (zh) 2007-11-15 2014-04-09 新泽西州州立大学(拉特格斯) 陶瓷材料及其衍生产品的水热液相烧结方法
WO2009065031A1 (en) 2007-11-15 2009-05-22 Rutgers, The State University Of New Jersey Systems and methods for capture and sequestration of gases and compositions derived therefrom
US20090133361A1 (en) 2007-11-27 2009-05-28 Southern Cross Building Products, Llc High-performance environmentally friendly building panel and related manufacturing methods
FR2925042B1 (fr) 2007-12-14 2010-10-22 Lafarge Platres Adjuvant pour liant hydraulique
TW201026597A (en) 2008-09-30 2010-07-16 Calera Corp CO2-sequestering formed building materials
DE102008044395A1 (de) * 2008-12-05 2010-06-10 Wacker Chemie Ag Dränbeton-Zusammensetzung
US8062418B2 (en) 2009-12-31 2011-11-22 Calera Corporation Methods and compositions using calcium carbonate
US20110182799A1 (en) 2010-01-22 2011-07-28 Rutgers, The State University Of New Jersey Sequestration of a gas emitted by an industrial plant
UA113844C2 (xx) * 2011-03-05 2017-03-27 Зв'язуючий елемент, зв'язуюча матриця і композитний матеріал, що має зв'язуючий елемент, та спосіб його виготовлення
EP2718241A4 (en) 2011-06-09 2015-04-01 Univ Rutgers SYNTHETIC FORMULATIONS AND METHOD FOR THEIR MANUFACTURE AND USE
US20140127450A1 (en) 2012-10-04 2014-05-08 Richard E. Riman Marble-like composite materials and methods of preparation thereof
US20140127458A1 (en) 2012-10-04 2014-05-08 Dawid Zambrzycki Slate-like composite materials and methods of preparation thereof
US20140342124A1 (en) 2012-10-04 2014-11-20 Dawid Zambrzycki Wood-like composite materials and methods of preparation thereof
EP2969998A4 (en) 2013-03-13 2016-12-28 Solidia Technologies Inc AERATED COMPOSITE MATERIALS, PROCESSES FOR THEIR PRODUCTION AND USES
WO2014159832A1 (en) 2013-03-13 2014-10-02 Solidia Technologies, Inc. Pavers and block composite materials and methods of preparation thereof
EP2971353B1 (en) 2013-03-13 2018-10-31 Solidia Technologies, Inc. Composite railroad ties and method of production thereof
US9221027B2 (en) 2013-03-14 2015-12-29 Solidia Technologies, Inc. Curing systems for materials that consume carbon dioxide and method of use thereof
US10315335B2 (en) 2013-06-07 2019-06-11 Solidia Technologies, Inc. Rapid curing of thin composite material sections
WO2014197545A1 (en) 2013-06-07 2014-12-11 Solidia Technologies, Inc. Pervious composite materials, methods of production and uses thereof
CA2926326C (en) 2013-10-04 2021-11-23 Solidia Technologies, Inc. Hollow-core articles and composite materials, methods of production and uses thereof

Also Published As

Publication number Publication date
EP3004019B1 (en) 2019-10-09
US9938189B2 (en) 2018-04-10
US20140363665A1 (en) 2014-12-11
EP3004019A1 (en) 2016-04-13
EP3004019A4 (en) 2016-12-28
WO2014197545A1 (en) 2014-12-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TW201502104A (zh) 透水複合材料與其生產及使用方法
US11225438B2 (en) Pavers and block composite materials and methods of preparation thereof
JP6837836B2 (ja) 中空コア物品及び複合材料、並びにそれらを製造及び使用する方法
JP7019557B2 (ja) ケイ酸カルシウムの炭酸塩化による複合材料および結着成分およびそれらの製造方法
US10851022B2 (en) Aerated composite materials, methods of production and uses thereof
JP6479805B2 (ja) 気泡複合材料、その製造方法および使用
JP2023159143A (ja) 複合材料、製造方法およびその使用
TW201504196A (zh) 薄複合材料片之快速硬化
US10815154B2 (en) Composite materials, methods of production and uses thereof
EA044255B1 (ru) Композиционные материалы, способы их получения и применения