TW201508130A - 複合鐵道枕木及其生產與使用方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供由新穎複合材料製成的新穎鐵道枕木(railroad ties，RRT)，所述鐵道枕木具有與現有混凝土RRT相當或超過現有混凝土RRT的優良物理及效能特性。本發明之RRT容易由可廣泛獲得的低成本原材料、藉由適於大規模生產、能量消耗改善並且碳足跡更合乎需要並且環境影響最小的方法生產。

Description

複合鐵道枕木及其生產與使用方法 【相關申請案之交叉引用】
本申請案主張2013年3月13日提申之美國臨時申請案第61/780,738號的優先權益，美國臨時申請案第61/780,738號的全部內容係以全文引用的方式併入本文中。
本發明大體上係關於鐵道枕木。更特定言之，本發明係關於由新穎複合材料經非習知生產方法製成的鐵道枕木。所述獨特鐵道枕木具有優良的特性並適於鐵道施工與維護等多種應用。
鐵道枕木(亦稱為鐵路枕木、橫枕，或鐵路軌枕)為典型地具有均一梯形橫截面、用於支撐鐵道軌道的長條形橫樑。鐵道枕木(RRT)通常垂直於鐵軌鋪設，以使鐵軌保持筆直、將負荷轉移至道碴及路基並使鐵軌間隔保持正確的軌距。RRT通常用鋼筋加強，所述鋼筋嵌埋入RRT中以改良RRT的機械特性及耐久性。RRT一般採用扣接系統與鐵道軌道緊固附接。
現今製造的大部分RRT係由習知混凝土製成。對於 指定目的而言，現有混凝土RRT多半為有效並且可靠的。然而，混凝土RRT就經濟學與環境影響而言並非最佳的。現有生產技術牽涉大量能量消耗與二氧化碳排放，導致碳足跡不利。
因此，對於滿足或超過習知混凝土RRT之物理與效 能特性、同時可以低成本、改善之能量消耗及較小環境影響大量生產之RRT的新穎材料與生產方法，存在持續性的需要。
本發明部分地基於出乎意外地發現由新穎複合材料製成的新穎鐵道枕木，所述鐵道枕木具有與現有混凝土RRT相當或超過現有混凝土RRT的優良物理與效能特性。本發明之RRT展現優良的耐候性與效能特性，所述效能特性包括韌性、撓性、耐磨性及耐化學性。本發明之RRT容易由可廣泛獲得的低成本原材料、藉由適於大規模生產、設備需要較少並且能量消耗改善、因此碳足跡合乎需要、環境影響最小的方法生產。
原材料包括變成接合元件的前驅物材料，諸如微粒矽酸鈣(例如研磨矽灰石)。亦提供流體組分作為反應介質，所述組分包含液態水及/或水汽。生產RRT時，二氧化碳(CO2)係作為反應性物種而消耗，從而使CO2得到淨固存。可利用各種添加劑對所得複合材料的物理性質及機械特性進行微調。
在一個態樣中，本發明大體上係關於鐵道枕木。鐵 道枕木具有由複合材料製成的長條形枕木主體，所述複合材料包括：複數個接合元件，其中各個接合元件包含主要含有矽酸鈣的核心、富含二氧化矽的第一層或內層，及富含碳酸鈣的第二層或外層；以及填料顆粒，所述填料顆粒包含粗糙填料顆粒及/或精細填料顆粒，其中複數個接合元件及複數個填料顆粒一起形成一或多種接合基質，並且接合元件與填料顆粒實質上均勻地分散於其中並接合在一起。
在另一個態樣中，本發明大體上係關於一種生產鐵 道枕木的方法。所述方法包括以下步驟：(a)將微粒組合物與液體組合物混合以形成漿料混合物，其中微粒組合物包含：研磨矽酸鈣及填料顆粒，所述研磨矽酸鈣具有約1μm至約100μm範圍內的中值粒徑，所述填料顆粒包含第一粗聚集物顆粒及第二細聚集物顆粒，並且其中液體組合物包含：水及高度減水劑；(b)將漿料混合物澆鑄於根據鐵道枕木所設置的模中；及(c)使所澆鑄混合物在約20℃至約150℃範圍內之溫度下、在水與CO2之氛圍下固化約1小時至約80小時，所述氛圍具有環境大氣壓至高於環境大氣壓約60psi範圍內的壓力並具有約10%至約90%範圍內的CO2濃度。
圖1(a)至1(c)為根據本發明之例示性實施例之接合元件之橫截面的示意性說明，所述橫截面包括三種例示性核心形態：(a)纖維狀，(b)橢圓形，及(c)等軸晶狀。
圖2(a)至2(f)為根據本發明之例示性實施例之複合材料之側視圖及橫截面視圖的示意性說明，所述視圖說明(a)處於稀接合 基質中之1D取向纖維狀接合元件(接合元件未接觸)；(b)處於稀接合基質中之2D取向片狀接合元件(接合元件未接觸)；(c)處於稀接合基質中之3D取向片狀接合元件(接合元件未接觸)；及(d)處於稀接合基質中之隨機取向片狀接合元件(接合元件未接觸)，其中複合材料包括接合基質及填料組分，諸如聚合物、金屬、無機顆粒、聚集物等；(e)含有接合元件之濃縮接合基質(具有足以建立滲濾網路的體積分率)，其中基質呈3D取向；及(f)含有隨機取向接合元件之濃縮接合基質(具有足以建立滲濾網路之體積分率)，其中可包括填料組分，諸如聚合物、金屬、無機顆粒、聚集物等。
圖3示意性說明根據本發明之一實施例的例示性鐵道枕木。
圖4示意性說明根據本發明之一實施例之例示性鐵道枕木(不含加強筋)的橫截面。
圖5為RRT澆鑄有用於後拉式股線之孔道之配置的照片。
圖6顯示呈完全固化形式之實際RRT，所述實際RRT具有六個用於後拉式股線的1"直徑孔道孔洞。
圖7示意性說明根據ASTM G109的耐腐蝕測試。
本發明提供具有與現有混凝土RRT相當或超過現有混凝土RRT之優良物理及效能特性的特殊鐵道枕木。本發明之RRT容易由可廣泛獲得的低成本原材料、藉由適於大規模生產、能量消耗改善並且碳足跡更合乎需要的方法生產。
本發明之RRT可經製造而用於多種鐵道軌道，例如 重型牽引、輕軌、道岔，高速，以及用於鐵路軌道之工業鐵道枕木。RRT可製造成預拉式(或後拉式)及預應力式，所述RRT特徵為RRT之負載量及耐久性提高。
本發明之RRT可大規模生產，與習知混凝土RRT 之生產相比，設備需要較少且能量效率提高。此外，本發明之生產方法消耗大量CO2，產生CO2固存產物，從而使得本發明之生產方法具有碳中性並且在環境上為高效的。
本發明之RRT及用於生產本發明RRT之複合材料 展現較低的熱膨脹；因此，本發明之RRT及用於生產本發明RRT之複合材料非常適於維持鐵軌之間的適當距離。本發明之RRT及用於生產本發明RRT之複合材料堅固、堅硬並且耐紫外光、惡劣氣候條件、溫度波動以及微生物及昆蟲攻擊，以及延長使用所施加的機械應力。另外，複合材料自身為優良的電絕緣體並且防止鐵軌之間發生電流。此外，本發明之RRT及用於生產本發明RRT之複合材料具有耐久性並且展現優良的耐磨特性，同時適合與典型的扣件、螺栓、螺桿、道釘等一起使用。
在一個態樣中，本發明大體上係關於鐵道枕木。鐵 道枕木具有由複合材料製成的長條形枕木主體，所述複合材料包括：複數個接合元件，其中各個接合元件包含：主要包含矽酸鈣的核心、富含二氧化矽的第一層或內層，及富含碳酸鈣的第二層或外層；以及填料顆粒，所述填料顆粒包含粗糙填料顆粒及/或精細填料顆粒，其中複數個接合元件及複數 個填料顆粒一起形成一或多種接合基質，並且接合元件與填料顆粒實質上均勻地分散於其中並接合在一起。
在某些較佳實施例中，在一或多個縱向(縱長)佈置孔道(通道)(例如1、2、3、4、5、6、7、8、9、10根孔道)以內，長條形枕木主體具有實質上均一橫截面(例如梯形)，所述孔道中用於縱向置放一或多根加強筋。在某些較佳實施例中，RRT的枕木主體內進一步包括一或多根加強筋(或加強筋(rebar))(例如1、2、3、4、5、6、7、8、9、10根加強筋)。加強筋典型地縱向置放於長條形RRT中。
在某些較佳實施例中，一或多根加強筋為鋼加強筋。在某些較佳實施例中，一或多根加強筋為非鋼加強筋。
鋼加強筋與枕木主體的界面可夾入pH值高於12的保護材料(例如包含波特蘭水泥漿(Portland cement mortar)的材料)，從而阻隔枕木主體與鋼加強筋直接接觸。在某些較佳實施例中，保護材料為鋼加強筋上之保護性塗層，所述保護性塗層選自環氧樹脂及鋅(鍍鋅鋼)。
在某些實施例中，鐵道枕木為預應力式。在某些實施例中，鐵道枕木為後拉式。在某些較佳實施例中，鐵道枕木為預應力式及後拉式。
如本文所用，術語「預應力式」係指向加強筋或股線施加應力至某種程度並將所述加強筋或股線定位於RRT模中，隨後將混凝土置放於RRT模中並使混凝土固化。
如本文所用，術語「後拉式」係指完全固化的RRT自模中移除之後，向加強筋或股線施加應力至某種程度並將 所述加強筋或股線定位於所述完全固化之混凝土RRT之孔道內。
可在澆鑄複合材料之前，向鋼腱施加預拉伸力。預 壓縮力可經由傳遞長度上之接合而自鋼加強筋傳遞至靠近RRT末端之複合材料。對於預應力式RRT而言，可在複合材料硬化之後，向鋼腱施加後拉伸力。頂壓縮力亦可藉由錨定裝置(位於塊體末端)自鋼加強筋傳遞至複合材料。
在某些較佳實施例中，RRT之複合材料的特徵在於 密度為2200kg/m3至2600kg/m3(例如約2200kg/m3、約2300kg/m3、約2400kg/m3、約2500kg/m3、約2600kg/m3)。
RRT之複合材料展現優良的壓縮強度。在某些實施 例中，複合材料的特徵在於壓縮強度為約50MPa至約150MPa(例如約50MPa至約120MPa、約50MPa至約100MPa、約60MPa至約150MPa、約60MPa至約120MPa、約80MPa至約150MPa、約100MPa至約150MPa)。
RRT之複合材料亦展現優良的撓曲強度。在某些實 施例中，複合材料的特徵在於撓曲強度為約1MPa至約40MPa(例如1MPa至約30MPa、1MPa至約25MPa、1MPa至約20MPa、1MPa至約15MPa、15MPa至約40MPa、約15MPa至約35MPa、約15MPa至約30MPa、約15MPa至約25MPa、約15MPa至約20MPa、約20MPa至約40MPa、約20MPa至約35MPa、約20MPa至約30MPa)。
在某些較佳實施例中，RRT之複合材料的特徵在 於，與習知混凝土鐵道枕木相比，耐磨性提高。在某些較佳 實施例中，RRT之複合材料的特徵在於，與習知混凝土鐵道枕木相比，耐腐蝕性提高。在某些較佳實施例中，RRT之複合材料的特徵在於，與習知混凝土鐵道枕木相比，抗蟲性提高。在某些較佳實施例中，RRT之複合材料的特徵在於，與習知混凝土鐵道枕木相比，電絕緣性提高。
任何適合的矽酸鈣可用作接合元件之前驅物。如本 文所用，術語「矽酸鈣」係指包含一組含鈣矽化合物中之一或多者的天然存在之礦物質或合成材料，含鈣矽化合物包括CaSiO3(亦稱為「矽灰石」並且有時調配為CaOSiO2)、Ca2SiO4(亦稱為「人造斜矽灰石」並且有時調配為2CaOSiO2)、Ca3SiO5(亦稱為「矽三鈣石」並且有時調配為3CaOSiO2)，所述材料可包括一或多種其他金屬離子及氧化物(例如鋁、鎂、鐵或錳氧化物)或其摻合物，或可包括一定量的呈天然存在之形式或合成形式的矽酸鎂，所述量的範圍為痕量(1%)至約50重量%或大於50重量%。
應瞭解，代替矽酸鈣或除矽酸鈣之外，本文揭示的 組合物及方法中可採用矽酸鎂。如本文所用，術語「矽酸鎂」係指包含一組含鎂矽化合物中之一或多者的天然存在之礦物質或合成材料，含鎂矽化合物包括例如Mg2SiO4(亦稱為「鎂橄欖石」)及Mg3Si4O10(OH)2(亦稱為「滑石」)，所述材料可包括一或多種其他金屬離子及氧化物(例如鈣、鋁、鐵或錳氧化物)或其摻合物，或可包括一定量的呈天然存在之形式或合成形式的矽酸鈣，所述量的範圍為痕量(1%)至約50重量%或大於50重量%。
複數個接合元件可具有任何適合的中值粒徑及粒徑 分佈，此視所要複合材料而定。在某些實施例中，複數個接合元件具有約5μm至約100μm範圍內的中值粒徑(例如約5μm至約80μm、約5μm至約60μm、約5μm至約50μm、約5μm至約40μm、約5μm至約30μm、約5μm至約20μm、約5μm至約10μm、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，複數個接合元件係由研磨矽 灰石化學轉化而成。在某些較佳實施例中，複數個接合元件係由前驅物矽酸鈣化學轉化而成，所述前驅物矽酸鈣包含鋁、鎂及鐵中之一或多者。在某些較佳實施例中，複數個接合元件係由研磨矽灰石經化學轉化而製成，所述化學轉化是經由可控的熱液液相燒結(HLPS)方法使所述研磨矽灰石與CO2發生反應。
在某些較佳實施例中，其中複數個接合元件係由除 矽灰石之外的前驅物矽酸鈣化學轉化而成。在某些較佳實施例中，複數個接合元件係由除矽灰石之外的前驅物矽酸鈣經化學轉化而製成，所述化學轉化是經由可控的HLPS方法使所述前驅物矽酸鈣與CO2發生反應。
關於HLPS之各種態樣的論述可見於美國專利第 8,114,367號、美國公開案第US 2011/0104469號(申請案第12/984,299號)、美國公開案第20090142578號(申請案第12/271,513號)、WO 2009/102360(PCT/US2008/083606)、WO 2011/053598(PCT/US2010/054146)、WO 2011/090967(PCT/US2011/021623)、2012年3月2日提申之美國申請案第13/411,218號(Riman等人)、2012年6月7日提申之美國申請案第13/491,098號(Riman等人)，及2012年10月1日提申之美國臨時申請案第61/708.423號(Riman等人)，各案以全文引用的方式特此併入本文中用於所有目的。
可使用任何適合的填料顆粒，例如由富含二氧化矽 材料製成的填料顆粒。在某些較佳實施例中，填料顆粒係由SiO2類材料或矽酸鹽類材料中的一或多者製成，所述材料諸如石英、雲母、花崗岩及長石(例如石英粉、雲母粉、花崗岩粉、長石粉)。如本文所用，術語「石英」係指任何SiO2類材料，包括普通砂(施工及石工)以及玻璃及所回收玻璃。所述術語亦包括含有大量SiO2的任何其他所回收天然及合成材料(例如有時調配為KAl2(AlSi3O10)的雲母)。
填料顆粒可具有任何適合的中值粒徑及粒徑分佈。 在某些實施例中，複數個填料顆粒具有約10μm至約1mm範圍內的中值粒徑(例如約10μm至約500μm、約10μm至約250μm、約10μm至約100μm、約10μm至約50μm、約20μm至約1mm、約20μm至約500μm、約20μm至約300μm、約50μm至約1mm、約100μm至約1mm、約200μm至約1mm)。
在某些較佳實施例中，複合材料中之接合元件：填料 顆粒之重量比為約1：5。在某些實施例中，複合材料具有小於約10重量%之一或多種礦物質，所述礦物質選自碳酸鈣及碳 酸鎂。
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%、1%)。
複合材料可進一步包括修改RRT之物理或機械特性的添加劑。例示性添加劑包括流變性調節摻合劑及輸氣劑。
在某些實施例中，長條形枕木主體具有一或多個縱向佈置的孔道。
在某些實施例中，鐵道枕木進一步包括分別置放於一或多個縱向佈置孔道中的一或多根加強筋。
在某些實施例中，一或多根加強筋為鋼筋。在某些實施例中，一或多根加強筋為非鋼筋。
在某些實施例中，鋼加強筋經由pH值高於約12的保護材料與枕木主體連接。
在某些實施例中，保護材料包含灌入孔道中的波特蘭水泥漿。
在某些實施例中，保護材料為鋼加強筋上的保護性塗層，所述保護性塗層選自環氧樹脂及鋅。
在某些實施例中，鐵道枕木為預應力式。
在某些實施例中，鐵道枕木為後拉式。
在某些實施例中，複合材料的特徵在於，密度為約2200kg/m3至2600kg/m3，壓縮強度為約50MPa至約80MPa，及撓曲強度為約5MPa至約8MPa。
在某些實施例中，鐵道枕木展現經提高而優於習知混凝土鐵道枕木的耐磨性，並且所述耐磨性的特徵為磨耗指 數大於350分鐘/吋。
在某些實施例中，鐵道枕木展現經提高而優於習知混凝土鐵道枕木的耐腐蝕性，並且所述耐腐蝕性的特徵為在濕式及乾式暴露長達100天期間，半電池電勢值小於-350。
在某些實施例中，複數個接合元件具有約5μm至約100μm範圍內之中值粒徑。
在某些實施例中，填料顆粒係由富含二氧化矽的材料製成。
在某些實施例中，填料顆粒包括砂、石英及花崗岩中之一或多者。
在某些實施例中，複數個接合元件係由研磨矽灰石化學轉化而成。
在某些實施例中，複數個接合元件係由研磨矽灰石經化學轉化而製成，所述化學轉化是經由可控的熱液液相燒結方法使所述研磨矽灰石與CO2發生反應。
在某些實施例中，複數個接合元件係由除矽灰石之外的前驅物矽酸鈣化學轉化而成。
在某些實施例中，複數個接合元件係由除矽灰石之外的前驅物矽酸鈣經化學轉化而製成，所述化學轉化是經由可控的熱液液相燒結方法使所述前驅物矽酸鈣與CO2發生反應。
在某些實施例中，複數個接合元件係由前驅物矽酸鈣化學轉化而成，所述前驅物矽酸鈣包含鋁、鎂及鐵中之一或多者。
在某些實施例中，接合元件：填料顆粒之重量比為約1：5。
在某些實施例中，鐵道枕木具有小於約10%之吸水率。
在另一個態樣中，本發明大體上係關於一種生產鐵道枕木的方法。所述方法包括以下步驟：(a)將微粒組合物與液體組合物混合以形成漿料混合物，其中微粒組合物包含：研磨矽酸鈣及填料顆粒，所述研磨矽酸鈣具有約1μm至約100μm範圍內的中值粒徑，所述填料顆粒包含第一粗聚集物顆粒及第二細聚集物顆粒，並且其中液體組合物包含：水、高度減水劑及輸氣劑；(b)將漿料混合物澆鑄於根據鐵道枕木所設置的模中；及(c)使所澆鑄混合物在約20℃至約150℃範圍內之溫度下、在水與CO2之氛圍下固化約1小時至約80小時，所述氛圍具有周圍大氣壓至高於周圍大氣壓約60psi範圍內的壓力並具有約10%至約90%範圍內的CO2濃度。
模可設置有一或多個孔道，所述孔道可置放加強筋。所述方法可進一步包括以下步驟：(d)加強筋穿過孔道置放；及(e)用pH值高於約12的保護材料填充孔道。
在某些實施例中，研磨矽酸鈣在微粒組合物中可佔約16wt.%。在某些實施例中，研磨矽酸鈣可主要為研磨矽灰石。
可使用任何適合的高度減水劑，例如聚羧酸鹽類材料。可使用任何適合的濃度或量，例如濃度為液體組合物的約1.5wt.%至約3wt.%(例如約1.5wt.%、約2.0wt.%、約2.5 wt.%、約3.0wt.%)。
在某些實施例中，所澆鑄混合物係在約40℃至約 120℃範圍內之溫度下、在包含水及CO2的蒸汽下固化約5小時至約72小時，所述蒸汽的壓力在約環境大氣壓至高於環境大氣壓約30psi的範圍內。
在某些實施例中，所澆鑄混合物係在約60℃至約 110℃範圍內之溫度下、在包含水及CO2的蒸汽下固化約15小時至約72小時，所述蒸汽的壓力在約環境大氣壓至高於環境大氣壓約30psi的範圍內。
在某些實施例中，所澆鑄混合物係在約80℃至約 100℃範圍內之溫度下、在包含水及CO2的蒸汽下固化約20小時至約60小時，所述蒸汽的壓力在約環境大氣壓至高於環境大氣壓約30psi的範圍內。
在某些實施例中，所澆鑄混合物係在等於或低於約 60℃的溫度下、在包含水及CO2並且具有環境大氣壓的蒸汽下固化約15小時至約50小時。
為了符合所要結果，可調節固化過程之相對濕度環 境，例如範圍為約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%至約90%、約50%至約80%、約50%至約70%)的相對濕度，以及範圍為約環境大氣壓至高於環境大氣壓約100psi(例如約環境大氣壓至高於環境約90psi、約環境大氣壓至高於環境約80psi、約環境大氣壓至高於環境約70psi、約環境大氣壓至高於環境約60psi、高於環境約20psi至高於環境約100 psi、高於環境約30至高於環境約100psi)的CO2壓力，以及範圍為約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%)的CO2濃度，以產生展現均一、均質並且高孔隙度結構的充氣複合材料。
研磨矽酸鈣具有約1μm至約100μm範圍內的中值 粒徑，並且第一研磨碳酸鈣具有約3μm至約7mm範圍內之中值粒徑。液體組合物包括水及水溶性分散劑。
舉例而言，在一些實施例中，研磨矽灰石具有約5μm 至約50μm之中值粒徑(例如約5μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、40μm、90μm)、約0.6g/mL至約0.8g/mL(疏鬆)及約1.0g/mL至約1.2g/mL(拍實)之容積密度、約1.5m2/g至約2.0m2/g之表面積。第一研磨石灰石具有40μm至約90μm(例如約40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、30μm、90μm)之中值粒徑、約0.7g/mL至約0.9g/mL(疏鬆)及約1.3g/mL至約1.6g/mL(拍實)之容積密度。第二研磨石灰石具有約20μm至約60μm之中值粒徑(例如約20μm、30μm、40μm、50μm、60μm)、約0.6g/mL至約0.8g/mL(疏鬆)及約1.1g/mL至約1.4g/mL(拍實)之容積密度。
在某些較佳實施例中，研磨矽酸鈣包含研磨矽灰石，微粒氧化鈣包含研磨石灰，並且充氣劑包含鋁粉。
可使用任何適合的前驅物材料。舉例而言，主要由矽灰石形成的矽酸鈣顆粒CaSiO3可與溶於水中的二氧化碳反應。鹹信鈣陽離子自矽灰石中溶出並且使矽灰石核心的周圍 部分轉化成缺鈣矽灰石。由於鈣陽離子繼續自核心的周圍部分中溶出，因此周圍部分之結構最終變得不穩定並且碎裂，藉此使核心的周圍部分缺鈣矽灰石轉化成主要富含二氧化矽的第一層。同時，主要為碳酸鈣的第二層自水中沉澱。
更特定而言，第一層及第二層可由前驅物顆粒根據以下反應(1)形成：CaSiO3(s)+CO2(g)=CaCO3(s)+SiO2(s)△H=-87kJ/mol CO2 (1)舉例而言，在矽酸鹽礦物質碳酸化反應(諸如矽灰石)中，引入氣相CO2，所述CO2溶入浸滲流體(諸如水)中。CO2溶解而形成酸性含碳物種，導致溶液中之pH值降低。弱酸性溶液不協調地使CaSiO3中的鈣物種溶解。所釋放的鈣陽離子及所解離的碳酸鹽物種引起不溶性碳酸鹽沉澱。富含二氧化矽層被認為以耗乏層形式保留於礦物質顆粒上。
因此，根據本發明之一較佳實施例，CO2較佳與矽灰石前驅物核心之鈣陽離子反應，藉此使前驅物核心的周圍部分轉化成富含二氧化矽的第一層及富含碳酸鈣的第二層。又，存在於核心上的第一層及第二層充當矽灰石與二氧化碳之間進一步反應的障壁，從而產生具有核心、第一層及第二層的接合元件。
氣體輔助HLPS方法較佳利用部分滲浸的孔隙空間，以便實現氣體擴散而快速滲浸多孔預成型坯並且使孔隙中之稀液界面溶劑膜的溶解CO2飽和。CO2類物種在純水中 的溶解度較低(在25℃、1個大氣壓下為1.5g/L)。因此，必須向多孔預成型坯連續供應大量CO2且使CO2遍佈於多孔預成型坯中以實現明顯的碳酸鹽轉化。與可溶性CO2在液相中擴散相同時間的擴散長度相比，利用氣相擴散使擴散長度獲得巨大的增加(約100倍)。("Handbook of chemistry and physics"，編者：D.R.Lide，第6章及第8章，第87版2006-2007,CRC.)。此部分滲浸狀態能夠使反應在確定的時段內進行至高碳酸化程度。
孔隙中之液態水使反應速率加快，原因在於液態水 對於碳酸與鈣物種之離子化均為必要的。然而，水含量必需足夠的低，以便CO2氣體可擴散進入多孔基質中、隨後溶於孔隙結合水相中。此外，主動溶解型多孔預成型坯充當擴展性反應晶體生長的模板。從而可使接合元件與基質在最小的變形及殘餘應力下形成。除諸多其他應用之外，此法能夠得到大型複雜形狀，諸如基礎結構及建築材料所需要的形狀。
因此，為達成所要的生產方法，可設計固化條件之 不同組合，包括不同的反應溫度、壓力及反應時長。在第一例示性實施例中，水以其中溶解CO2的液體形式傳遞至前驅物材料並且固化過程係在約90℃及約20psig(亦即高於環境壓力20psi)下進行約48小時。在第二例示性實施例中，水存在於前驅物材料中(例如以來自先前混合步驟的殘餘水形式存在於前驅物材料中)並且水汽係隨CO2一起提供至前驅物材料(例如以維持水位及/或防止水蒸發損耗)並且固化過程係在約60℃及0psig(在環境大氣壓下)進行約19小時。在第三例示 性實施例中，水係以蒸汽形式隨CO2一起傳遞至前驅物材料並且固化過程係在約90℃及20psig(高於環境大氣壓20psi)下進行約19小時。
在一例示性實施例中，RRT之製造方法概述如下。 根據批量大小計算矽酸鈣(例如合成矽灰石)、砂、粗糙聚集物、水及化學摻合劑的必需量。所述成分在混凝土混合機混合(例如約5分鐘至10分鐘)。將混合物緩慢傾注入模中，保持於振動臺上並且利用機械振動將混合物壓實，以便頂部得到光面精整。澆鑄1至2小時之後，移除模之側面。將試樣移至固化/反應室中，使室內溫度在1小時內自室溫(約20℃)升高至60℃且在60℃溫度下、在60%相對濕度下保持約60小時。同時，在環境大氣壓下抽入90%濃度的CO2，以產生展現均一、均質及高密度基質的複合材料。
在某些實施例中，模設置有一或多個孔道，所述孔 道可置放加強筋。
在某些實施例中，所述方法可進一步包括以下步 驟：加強筋穿過孔道置放；及用pH值高於約12的保護材料填充孔道。
在某些實施例中，保護材料包含波特蘭水泥漿。
在某些實施例中，所澆鑄混合物係在約60℃至約110℃範圍內之溫度下、在包含水及CO2的蒸汽下固化約15小時至約70小時，所述蒸汽的壓力在約環境大氣壓至高於環境大氣壓約30psi的範圍內。
在某些實施例中，所澆鑄混合物係在約60℃至約 100℃範圍內之溫度下、在包含水及CO2的蒸汽下固化約20小時至約60小時，所述蒸汽的壓力在約環境大氣壓至高於環境大氣壓約30psi的範圍內。
在某些實施例中，所澆鑄混合物係在等於或低於約 60℃的溫度下、在包含水及CO2並且具有環境大氣壓的蒸汽下固化約15小時至約50小時。
在某些實施例中，研磨矽酸鈣包含研磨矽灰石，並 且填料顆粒包含富含二氧化矽材料之粗顆粒及細顆粒。
在某些實施例中，包含粗顆粒及細顆粒的填料顆粒 包含砂、石英及花崗岩中的一或多者。
在某些實施例中，高度減水劑包含聚羧酸鹽並且高 度減水劑的濃度為液體組合物之約1.5wt.%至約3wt.%。
在某些實施例中，微粒組合物包含約16wt.%之研磨 矽酸鈣。
在某些實施例中，研磨矽酸鈣主要為研磨矽灰石。
在又一個態樣中，本發明大體係關於藉由本文揭示之方法製備的鐵道枕木。在某些實施例中，鐵道枕木展現約2200kg/m3至2600kg/m3的密度、約50MPa至約100MPa的壓縮強度，及約5MPa至約8MPa的撓曲強度。在某些實施例中，鐵道枕木的特徵在於，與習知混凝土鐵道枕木相比，耐磨性提高。在某些實施例中，鐵道枕木的特徵在於，與習知混凝土鐵道枕木相比，耐腐蝕性提高。
可製備滿足或超過某些工業標準之規範的RRT。以本發明之預應力式RRT為例，壓縮強度可大於約10,000psi， 磨耗指數值可大於590分鐘/吋(根據ASTM C779程序C)，並且耐久性在300次冷凍解凍循環之後可大於95%(根據ASTM C666程序A)。
孔道、切口、表面之大小、形狀、數目及尺寸皆可 根據特定需要而變化。舉例而言，美國幹線鐵路線的標準鐵道枕木大小為約9吋寬×7吋厚×約8.5呎長。短線枕木的大小為約6吋×8吋×8.5呎。使用第三軌之一些貨運線及客運線的枕木可為7吋×9吋×10呎或6吋×8吋×10呎。
在習知預應力式混凝土枕木中，水泥水合作用為預 應力式鋼腱周圍所傾注混凝土強度增加的主反應。鈣-矽酸鹽-水合物(C-S-H)凝膠及氫氧化鈣為主要水合產物。C-S-H凝膠為強度發展及微結構的最重要相。一旦達成約4000psi之初始壓縮強度，則鋼腱自末端釋放或切斷而誘導混凝土產生應力。
根據本發明生產RRT時，固化或反應方法包括採用 消耗CO2、產生CO2固存產物，從而使得所述固化或反應方法成為極具碳中性且在環境上高效的技術。
對於RRT的主要擔憂為鋼或預應力股線的腐蝕。在 後拉式混凝土枕木的情況下，孔道一般性佈置並灌漿，並且碳鋼經波特蘭水泥漿塗佈，導致低得多的HCP值(約-250mV)，表示無腐蝕活性。因此，根據本發明之後拉式RRT的應用得到保護並且與習知混凝土RRT一樣不容易發生腐蝕。
代替矽酸鈣或除矽酸鈣之外，本文揭示之與矽酸鈣有關的組合物及方法中可採用矽酸鎂。
接合元件、接合基質及複合材料 A. 接合元件
如圖1(a)至1(c)中示意性說明，接合元件包括核心(由黑色內部部分表示)、第一層(由白色中間部分表示)及第二或囊封層(由外部部分表示)。第一層可包括單獨一個層或多個子層並且可完全或部分地覆蓋核心。第一層可以結晶相、非晶相或其混合相存在，並且可呈連續相或離散顆粒形式。第二層可包括單獨一個層或多個子層並且亦可完全或部分地覆蓋第一層。第二層可包括複數個顆粒或可呈離散顆粒最少的連續相。
接合元件可展現任何大小及任何規則或不規則、固體或中空形態，此視指定應用而定。例示性形態包括：立方體、矩形體、棱柱體、圓盤、棱錐體、多面體或多面顆粒、圓柱體、球體、圓錐體、環、管、新月體、針、纖維、細絲、薄片、球體、亞球體、珠粒、葡萄狀、顆粒狀、橢圓形、棒條、波紋等。
一般而言，如本文更詳細論述，接合元件係由反應性前驅物材料(例如前驅物顆粒)經轉化方法而產生。前驅物顆粒可具有任何大小與形狀，只要所述前驅物顆粒滿足指定應用的需要。轉化方法一般產生前驅物顆粒大小及形狀相似的相應接合元件。
前驅物顆粒可選自任何適合材料，所述適合材料可經歷適合轉化而形成所要接合元件。舉例而言，前驅物顆粒可包括矽、鈦、鋁、磷、釩、鎢、鉬、鎵、錳、鋯、鍺、銅、 鈮、鈷、鉛、鐵、銦、砷、鉭及/或鹼土金屬元素(鈹、鎂、鈣、鍶、鋇及鐳)之氧化物及非氧化物。
例示性前驅物材料包括氧化物，諸如矽酸鹽、鈦酸 鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽、釩酸鹽、鎢酸鹽、鉬酸鹽、鎵酸鹽、錳酸鹽、鋯酸鹽、鍺酸鹽、銅酸鹽、錫酸鹽、鉿酸鹽、鉻酸鹽、鈮酸鹽、鈷酸鹽、鉛酸鹽、鐵酸鹽、銦酸鹽、砷酸鹽、鉭酸鹽及其組合。在一些實施例中，前驅物顆粒包括矽酸鹽，諸如原矽酸鹽、雙矽酸鹽、環矽酸鹽、鏈矽酸鹽、頁矽酸鹽、網矽酸鹽及/或水合矽酸鈣。
某些廢材料可作為前驅物顆粒用於一些應用中。廢 材料可包括例如礦物質、工業廢料或工業化學材料。一些例示性廢材料包括礦物質矽酸鹽、鐵礦、方鎂礦、石膏、氫氧化亞鐵(II)、飛灰、底灰、熔渣、玻璃、油罐體、紅泥、電池組廢料、回收混凝土、尾礦、紙灰，或濃逆滲析鹽水所產生的鹽。
其他前驅物顆粒可包括不同類型的含岩石礦物質， 諸如矽酸鈣岩石、費奇岩層(fitch formation)、赫伯隆片麻岩(hebron gneiss)、層狀片麻岩、中間層(middle member)、泥板岩、石英岩、中間層前寒武紀沉積物、石灰石床層較小的深色長石質石英岩、高級變質沉積黑雲母片岩、黑雲母片麻岩、雲母片岩、石英岩、湖砂克岩層、鷓鴣岩層(partridge formation)、華盛頓片麻岩、泥盆紀、志留紀格林韋爾灣岩層(Silurian greenvale cove formation)、奧科伊超群(ocoee supergroup)、變質砂岩、變質岩、蘭吉雷岩層(Rangeley formation)、角閃岩、石灰質及白雲質大理石、曼哈頓岩層(manhattan formation)、鏽色及灰色黑雲母-石英-長石片麻岩，及沃特福德群(waterford group)。
前驅物顆粒亦可包括火成岩，諸如安山岩 (andesite)、斜長岩(anorthosite)、巴斯尼特岩(basinite)、小笠原岩(boninite)、碳酸鹽岩及紫蘇花崗岩(charnockite)；沉積材料，諸如(但不限於)泥板岩(argillite)、長石砂岩(arkose)、角礫岩(breccias)、碎裂岩(cataclasite)、白堊、黏土岩、角岩(chert)、燧石、粗砂岩、納銀岩(lighine)、石灰石、泥岩、砂岩、葉岩及粉砂岩；變質材料，諸如(但不限於)角閃岩(amphibolites)、變閃長岩(epidiorite)、片麻岩、砂粒岩、綠岩、角葉岩、大理石、泥質岩、千枚岩(phyllite)、石英岩、葉岩、矽卡岩(skarn)、板岩、滑石碳酸鹽及皂石；及其他各種岩石，諸如(但不限於)石英二長岩(adamellite)、富閃深成岩(appinite)、隱晶岩(aphanites)、霞榴正長岩(borolanite)、藍色花崗岩、綠簾石岩(epidosite)、霏細岩(felsites)、燧石、緻密矽岩(ganister)、霓霞岩(ijolite)、硬玉岩(jadeitite)、似碧玉岩(jasproid)、肯尼亞岩(kenyte)、閃正煌岩(vogesite)、歪鹼正長岩(larvikite)、霞雲鈉長岩(litchfieldite)、電氣花崗岩(luxullianite)、紋長二長岩(mangerite)、雲煌岩(minette)、均密石英岩(novaculite)、地幔岩(pyrolite)、奧長環斑花崗岩(rapakivigranite)、菱長斑岩(rhombporphyry)、等色岩(shonkinite)、鐵燧岩(taconite)、沸綠岩(teschenite)、霞斜岩(theralite)及球顆玄武岩(variolite)。
表1提供用於第一層及第二層之不同化學類型的例 示性實施例，所述實施例可使用不同前驅物材料達成。關於第一層，使用不同前驅物材料可獲得二氧化矽、氧化鋁或二氧化鈦。第二層亦可經由選擇前驅物材料來改質。舉例而言，第二層可包括各種類型的碳酸鹽，諸如純碳酸鹽、多陽離子碳酸鹽、含水或OH基團之碳酸鹽、含水或OH基團之層狀碳酸鹽、含陰離子碳酸鹽、含矽酸根碳酸鹽及含碳酸根礦物質。
第二層可藉由引入其他陰離子及/或陽離子來改 質。此等其他陰離子及陽離子可用於修改第二層以增強第二層的物理及化學特性，諸如耐火性或耐酸性。舉例而言，如表2中所示，雖然第一層以富含二氧化矽層保留，但第二層可藉由向反應物中添加額外的陰離子或陽離子(諸如PO4 2-及 SO4 2-)來改質。因此，第二層可包括例如不同磷酸鹽、硫酸鹽、氟化物或其組合。
B. 接合基質及複合材料
接合基質包含複數個接合元件，從而形成三維網路。接合基質可為多孔或無孔的。孔隙度取決於可用於控制孔隙率的多種變數，諸如溫度、反應器設計、前驅物材料及在轉化過程中引入液體的量。視指定應用而定，孔隙率可設定為約1vol.%至約99vol.%的幾乎任何孔隙度。
接合基質可合併一或多種填充材料，所述填充材料在轉化過程之前或在轉化過程中與前驅物材料混合而產生複合材料。接合基質中之接合元件之濃度可變化。舉例而言，以體積計之接合元件濃度可比較高，其中至少一些接合元件彼此間接觸。若將填充材料併入接合基質中，則會出現此情 況，但填充材料的類型及/或填充材料的量使得接合元件之體積稀釋度相對較低。在別一個實例中，以體積計之接合元件濃度可相對較低，其中接合元件更廣泛分散於接合基質內，使得接合元件很少(即便有)彼此接觸。若將填充材料併入接合基質中，則會出現此情形，並且填充材料的類型及/或填充材料的量使得稀釋度相對較高。
一般而言，填充材料可包括可併入接合基質內之許 多類型材料中的任一種。填充材料可呈惰性或活性。雖然惰性材料可與接合基質發生物理上或機械上的相互作用，但是惰性材料在轉化期間不經歷任何化學反應並且不充當成核點。惰性材料可包括聚合物、金屬、無機顆粒、聚集物及類似物。特定實例可包括(但不限於)玄武岩、花崗岩、回收PVC、橡膠、金屬顆粒、氧化鋁顆粒、氧化鋯顆粒、碳顆粒、氈毯顆粒、KevlarTM顆粒及其組合。活性材料在轉化期間與接合基質發生化學反應，在轉化期間經歷任何化學反應且/或充當成核點。舉例而言，氫氧化鎂可用作填充材料並且可與接合基質中的溶解相鈣組分反應而形成碳酸鎂鈣。
接合基質在複合材料中可佔幾乎任何百分比。因此，舉例而言，接合基質在複合材料中可佔約1vol.%至約99vol.%(例如接合基質之體積分率可小於或等於約90vol.%、70vol.%、50vol.%、40vol.%、30vol.%、20vol.%、10vol.%)。接合基質之體積分率的範圍較佳為約8vol.%至約90vol.%(例如約8vol.%至約80vol.%、約8vol.%至約70vol.%、約8vol.%至約50vol.%、約8vol.%至約40vol.%)，更佳為約8 vol.%至30vol.%。
複合材料亦可為多孔或無孔的。孔隙度取決於可用於控制孔隙率的多種變數，諸如溫度、反應器設計、前驅物材料、在轉化過程中引入液體的量以及是否使用任何填料。視指定應用而定，孔隙率可設定為約1vol.%至約99vol.%的幾乎任何孔隙度(例如小於或等於約90vol.%、70vol.%、50vol.%、40vol.%、30vol.%、20vol.%、10vol.%)。複合材料之孔隙率範圍較佳為約1vol.%至約70vol.%，就高密度及耐久性而言更佳介於約1vol.%與約10vol.%之間，就輕質及低導熱性而言更佳介於約50vol.%與約70vol.%之間。
在接合基質內，接合元件相對於彼此間可以諸多取向中的任一取向定位。圖2(a)至圖2(f)示意性說明一種例示性接合基質，所述接合基質包括呈不同取向的纖維狀或片狀接合元件，所述接合元件可藉由合併填充材料來稀釋，如藉由接合元件之間的間距所表示。舉例而言，圖2(a)說明一種接合基質，所述接合基質包括以單向(「1-D」)取向對準(例如相對於x軸方向對準)的纖維狀接合元件。圖2(b)說明一種接合基質，所述接合基質包括以雙向(「2-D」)取向對準(例如相對於x及y軸方向對準)的片狀接合元件。圖2(c)說明一種接合基質，所述接合基質包括以三方向(「3-D」)取向對準(例如相對於x、y及z軸方向對準)的片狀接合元件。圖2(d)說明一種接合基質，所述接合基質包括呈隨機取向的片狀接合元件，其中接合元件不相對於任何特定方向對準。圖2(e)說明一種接合基質，所述接合基質包括濃度相對較高、以3-D取向對 準的片狀接合元件。圖2(f)說明一種接合基質，所述接合基質包括以隨機取向定位、濃度相對較低的片狀接合元件(滲濾網路)。圖2(f)之複合材料達成滲濾臨限值，原因在於大部分接合元件彼此間接觸，從而自材料一端至另一端形成連續接點網路。滲濾臨限值為臨界濃度，高於臨界濃度，接合元件則顯示長程連通性，其中接合元件呈有序取向，例如圖2(e)，或呈隨機取向，例如圖2(f)。連通圖案之實例可見於例如Newnham等人，"Connectivity and piezoelectric-pyroelectric composites",Mat.Res.Bull.第13卷，第525頁至第536頁，1978。
此外，可以促進緻密充填的方式達成一或多級重複 分級結構，所述分級結構可用於製備高強度材料，以及用於潛在有用的功能目的。分級結構描述結構如何以若干個長度標尺形成圖案。不同類型的接合基質可藉由改變基質孔隙率及藉由合併不同大小的核心纖維來產生。不同種類的微粒及纖維組分可依分級結構使用以製造具有不同連通性之不同種類的結構。
形成接合元件、接合基質及複合材料的方法
轉化(固化)方法係藉由將前驅物材料暴露於反應液來進行。與液體有關的反應物與組成前驅物顆粒的化學成分(更特定而言，前驅物顆粒之周圍部分中的化學反應物)反應。此反應最後形成第一層及第二層。
在一些實施例中，前驅物顆粒包括兩種或更多種化學元素。在轉化過程中，液體中之反應物較佳與第一種化學 元素反應，其中液體中之反應物(例如溶液中之CO2及相關物種)與至少一種第一化學元素(例如鈣2+)之間的反應可形成第一層及第二層，所述第一層包含前驅物顆粒之衍生物，一般不包括至少一種第一化學元素，而所述第二層包含反應物與至少一種第一化學元素之組合(例如CaCO3)。相比之下，核心包含的化學組成與前驅物顆粒相同或幾乎相同(例如CaSiO3)。舉例而言，核心之周圍部分可不同於前驅物顆粒之化學組成，原因在於特定化學元素自核心中選擇性溶出。
因此，核心與第二層共有前驅物顆粒中之至少一種 第一化學元素(例如鈣2+)，且核心與第一層共有前驅物顆粒中之至少一種其他化學元素(例如Si4+)。核心與第二層所共有的至少一種第一化學元素可為例如至少一種鹼土金屬元素(鈹、鎂、鈣、鍶、鋇及鐳)。核心與第一層所共有的至少一種其他化學元素可為例如矽、鈦、鋁、磷、釩、鎢、鉬、鎵、錳、鋯、鍺、銅、鈮、鈷、鉛、鐵、銦、砷及/或鉭。
在一些實施例中，液相反應物與前驅物顆粒中之至 少一種第一化學元素之間的反應可進行至完成，從而使得第一層變成接合元件之核心並且使得第一層具有不同於前驅物顆粒的化學組成，並且使得至少一個另一層或第二殼層的組成可包括或可不包括前驅物顆粒之兩種或更多種化學元素中的至少一種第一化學元素。
A. 氣體輔助式熱液液相燒結
接合元件可藉由例如基於氣體輔助式HLPS的方法形成。在此方法中，包括複數個前驅物顆粒的多孔固態主體 暴露於液體(溶劑)，所述液體部分地充滿多孔固態主體之孔隙，此意謂孔隙體積部分地充滿水。
在某些系統(諸如形成碳酸鹽的系統)中，咸信水完 全充滿孔隙為不需要的，原因在於反應性氣體無法藉由氣體擴散自多孔固態主體外表面擴散至所有內部孔隙。相反，反應性氣體中之反應物會溶於液體中且以液相形式自外表面擴散至內部孔隙，此過程慢得多。此液相擴散對於轉化薄的多孔固態主體可為適合的，但對於較厚的多孔固態主體則不適合。
在一些實施例中，含有反應物的氣體引入多孔固態 主體之部分充滿孔隙中且反應物被溶劑溶解。所溶解反應物接著與前驅物顆粒中之至少第一化學元素反應，以將前驅物顆粒之周圍部分轉化成第一層及第二層。作為反應結果，溶劑中所溶解的反應物耗盡。同時，含有反應物的氣體繼續引入部分充滿孔隙中，以向溶劑中供應其他反應物。
當反應物與前驅物顆粒中之至少第一化學元素之間 的反應進展時，前驅物顆粒之周圍部分轉化成第一層及第二層。存在於核心周圍之第一層藉由將反應物與前驅物顆粒中之至少第一化學元素分隔、藉此促使反應有效停止而最終阻礙進一步反應，從而得到接合元件，所述接合元件具有作為前驅物顆粒之未反應中心的核心、位於核心周圍之第一層及位於第一層上之第二層。
所得接合元件包括核心、第一層及第二層，並且在 大小上一般大於前驅物顆粒，從而填充多孔固態主體之周圍 多孔區域並且可與多孔固態主體中之相鄰材料接合。因此，可形成大小及形狀與多孔固態主體相同、但密度高於多孔固態主體的成網狀產物。此優於傳統燒結方法，傳統燒結方法引起質量傳遞縮減，導致材料密度高於初始粉坯。
B. 高壓釜中進行之HLPS
在HLPS方法之一例示性實施例中，將包含複數個前驅物顆粒的多孔固態主體置放於高壓釜腔室內並且加熱。藉由將腔室內之水汽化而將作為溶劑的水引入多孔固態主體之孔隙內。位於多孔固態主體上方的冷卻板使蒸發水冷凝，接著滴在多孔主體上並且進入多孔固態主體之孔隙內，從而部分地充滿多孔固態主體之孔隙。然而，此實例中引入水之方法為可傳遞水之若干方式之一。舉例而言，亦可加熱並且噴射水。
同時，將二氧化碳作為反應物抽入腔室內，並且二氧化碳擴散進入多孔主體之部分充滿孔隙內。一旦進入孔隙內，二氧化碳則溶於水中，從而允許前驅物顆粒與二氧化碳之間發生反應，以將前驅物顆粒之周圍部分轉化成第一層及第二層。
當第二反應物與第一層的反應進展時，第二反應物繼續與第一層反應，從而將第一層的周圍部分轉化成第二層。第二層可由第一層中之組分的表生溶液形成，並且此第二層可為梯度層，其中當自核心顆粒表面移至第一層之末端時，組成第二層之化學元素(陽離子)之一的濃度自高變化至低。第二層同樣亦可為梯度組成，諸如當所述層為非晶形或 由具有恆定組成或變化組成的固溶體組成時。
存在於前驅物核心周圍之第二層藉由將第二反應物 與第一層分隔、促使反應有效停止來最終阻礙進一步反應，從而得到接合元件，所述接合元件具有核心、位於核心周圍之第一層及位於第一層上之第二層。所得接合元件的大小一般大於最初前驅物顆粒，從而填充多孔固態主體之周圍多孔區域並且與多孔固態主體之相鄰材料接合。因此，所述方法可形成形狀與最初多孔固態主體相同、但密度高於最初多孔固態主體的網狀產物。此優於傳統燒結方法，傳統燒結方法引起質量傳遞縮減，導致材料密度高於初始粉坯。
C. 浸滲介質
傳遞至多孔基質之至少一部分內所用的浸滲介質包括溶劑(例如水)及反應性物種(例如CO2)。溶劑可為水性或非水性溶劑。溶劑可包括一或多種組分。舉例而言，在一些實施例中，溶劑可為水及乙醇、乙醇及甲苯，或各種離子型液體之混合物，諸如基於以下的離子型液體：經烷基取代之咪唑鎓鹽及吡錠陽離子與鹵化物或三鹵化鋁酸鹽陰離子。為了簡化處理設備，濕式系統優於非濕式系統。
雖然溶劑可與反應性物種發生化學反應，但溶劑不應與多孔基質發生化學反應。溶劑可經由多種分離方法移除，所述分離方法諸如整體流動、蒸發、昇華或用洗滌介質溶解，或一般熟悉此項技術者已知的任何其他適合分離方法。更特定而言，溶劑在所溶解反應性物種與多孔基質反應的溫度下為液體。視特定溶劑及所選反應性物種而定，此溫度將 變化。為了節能及簡化處理設備、從而降低製造成本，較低溫度優於較高溫度。
溶劑作用與牽涉反應系統的先前技術形成鮮明對 比，先前技術諸如波特蘭水泥，其中溶劑(水)與多孔基質反應而形成含有溶劑分子的產物，諸如金屬水合物或金屬氫氧化物，以及其他沉澱產物。
不論純反應性物種之相，反應性物種均作為中性、 陰離子或陽離子物種溶於溶劑中。舉例而言，至少一種反應性物種可為CO2，CO2在室溫下為氣體，CO2可作為中性CO2溶於水中，但可產生反應性物種，諸如H3O+、HCO3 -、H2CO3及CO3 2-。不論自然狀態之活性物種及溶劑之初始相，滲浸介質在多孔基質之孔隙(例如孔隙空間)中均為液相。
舉例而言，可利用毛細管力使滲浸介質自發地吸入 多孔基質中。當滲浸介質具有極低接觸角(例如<90度)時，發生此類濕潤。在此情況下，介質可部分地填充(部分地充滿)或完全填充(充滿)孔隙。滲浸亦可以填充一些孔隙的同時、其他孔隙為空及/或部分填充的方式發生。以梯度填充或充滿孔隙的滲浸多孔基質亦可隨後經由毛細管流動而轉化成均一的多孔基質。另外，當滲浸介質之接觸角較高(例如>90°)時，濕潤不能自發地發生。在此情況下，除非施加外部壓力，否則流體不會滲浸多孔基質。當需要藉由釋放壓力來抽出滲浸介質時(例如，可藉由壓力起始或中斷反應)，此方法適用。
當利用孔隙中自發毛細管流動進行滲浸時，整體流動在填充(充滿)孔隙時停止。在HLPS期間，反應性物種與基 質藉由各種反應方式發生反應而形成一或多種產物。孔隙空間內至少一種反應物種耗盡並且因此需要在反應過程中補充。當孔隙完全充滿滲浸介質時，反應性物種必須自多孔基質外部之滲浸介質傳遞通過基質孔隙。在靜止流體中，擴散為藉以發生傳遞的方法。因此，對於孔隙內反應快於所有其他質量傳遞方法的一些HLPS方法而言，反應因多孔基質厚度大幅增加而受限。在此情況下，僅基質之外層部分與反應性物種廣泛發生反應，而多孔基質之內部區域不完全反應或不反應。此等類型的反應適於製備梯度微結構，其中HLPS方法之產物濃度在結構之外側部分(靠近外部表面區域)高於結構之內部。
D. 方法選擇及控制
當高度放熱反應緩慢進行(相對於滲浸介質之傳遞)並且基質絕熱時，截留熱可提高基質內部之反應速率，使得基質內部含有的產物相(亦即至少一種反應性物種與多孔基質之一部分之間的反應產物)比基質內部更多。對於HLPS方法(其中相對於滲浸介質之質量傳遞，反應以中等速率、以等溫方式發生)而言，擴散可繼續向孔隙供應反應性物種並且未觀察到梯度反應度(或產物濃度)。在此情況下，單塊結構或主體之材料內部至外部的化學及/或相組成存在的差異很小。
在很多情況下，單塊結構主體就相及組成而言需要均一微結構。此外，亦需要在相對較短的時段內進行HLPS反應，例如在應用(諸如道路或橋樑)需要大型較厚單塊主體的情況下。在HLPS方法中，反應速率與質量傳遞之間需要平 衡。用於前驅物選擇及引入前驅物以包含滲浸介質之方法的策略很重要。前驅物之較佳及引入滲浸介質的方法至少部分地與以下因素有關：樣品在最薄方向上的厚度、經考慮可為方法所接受的時標以及方法在商業上可行所必需的動力學約束條件，諸如溫度、壓力及組成。
表3總結前驅物選擇及引入方法策略。多孔基質可 直接滲浸或多孔基質可抽成真空，隨後執行表3所述之任何滲浸程序。所述方法使用氣體作為前驅物、液體作為前驅物或固體作為前驅物。另外，諸如固體與液體、氣體與液體以及氣體與固體之相混合物皆可使用。舉例而言，諸如CO2之反應物為純態氣體，但轉變為溶入水中之溶液物種。此事件可藉由氣態擴散進入多孔基質內並隨後當遇到孔隙時凝結來發生。當需要具有碳酸鹽相之微結構時，此類前驅物系統適宜。前驅物(溶劑及反應性物種)之添加次序可影響反應產量及材料微結構。
在一些實施例中，溶劑與反應性物種可預混合而形 成滲浸介質並且接著一步引入基質內。在其他實施例中，使用多個滲浸程序可能較佳。舉例而言，可首先引入溶劑前驅物，隨後為反應性物種滲浸，或反之亦然。
因為滲浸介質將為發現於基質孔隙內的液體，因此 溶劑與反應性物種前驅物最初均無需為相同相。舉例而言，溶劑前驅物可為蒸汽，諸如水，水在100℃或高於100℃的溫度下、在大氣壓下呈氣態並且可藉由將基質冷卻至低於100℃的溫度或利用表面能來凝結成液體，利用表面能係藉由使用孔徑在開爾文孔徑範圍(小於100nm)內的多孔基質。孔隙較大時，提高溫度以使得氣態物種不能熱凝結，需要少量滲浸溶液，或因本文未論述之其他理由，可能需要使用潮解性化合物在孔隙中形成液體。此等化合物之實例包括硼酸、硝酸鐵及氫氧化鉀。在此情況下，諸如水之蒸汽可使孔隙中之潮解性固相轉變成液體並且孔隙中可進行產物相之晶體生長。當液體滲浸及擴散限制HLPS所製成之產物厚度時，此特別有用。或者，可利用氣態擴散使物種在大得多的距離上傳遞，以在基質孔隙內部形成HLPS所必需的滲浸介質。
可合併各種添加劑以改良HLPS方法及所得產物。 添加劑可為純態的固體、液體或氣體，但可溶於溶劑相中或與多孔基質共處理(例如預混合)後併入滲浸介質。實例包括成核催化劑、成核抑製劑、溶劑調節劑(例如軟水劑)、濕潤劑、非濕潤劑、水泥或混凝土添加劑、建築材料添加劑、晶體形態控制添加劑、晶體生長催化劑、減慢晶體生長之添加劑、pH緩衝劑、離子強度調節劑、分散劑、黏合劑、流變性控製劑、反應速率催化劑、靜電性、空間性、電空間性聚電解質及沃德層(Vold-layer)分散劑、封端劑、偶合劑及其他表面吸附性物種、酸或鹼pH調節劑、產生氣體、液體或固體(例如 當加熱、加壓、減壓、與其他物種反應或暴露於本文未列之任何處理變數時)之添加劑，及生物或合成組分(例如用於任何上述功能且/或用作溶劑、反應性物種或多孔基質)。
在一些實施例中，可使用潮解性固體。潮解性固體 可與多孔基質預混合。接著可將溶劑與至少一種反應性物種之預混合物引入潮解性固體-多孔基質中。預混合物中之溶劑與至少一種反應性物種可均呈氣相或均呈液相。在一些實施例中，在預混合物中，溶劑可為液體並且至少一種反應性物種可呈氣相，或反之亦然。
氣體-水蒸汽流可通過多孔基質中之潮解性鹽而在 多孔基質之孔隙空間中產生液相滲浸介質。舉例而言，潮濕的氣體-水蒸汽流可充當溶劑用於CO2溶解及離子化。很多種鹽已知具潮解性並且可適用於利用流經鹽表面的濕空氣而形成液體溶液。選擇適當鹽依賴於空氣濕度。一些鹽可在極低的相對濕度下操作。潮解性鹽之實例包括Mg(NO3)2、CaCl2及NaCl。
關於滲浸介質之傳遞，其可作為自發濕潤多孔基質 的整體溶液傳遞。就此溶液之傳遞而言，存在多個選項。首先，可將多孔基質浸沒於液體中。其次，可將滲浸溶液噴射至多孔基質上。在靜止系統中，當滲浸溶液體積大於多孔基質之孔隙空間時，擴散藉由將反應性物種傳遞至孔隙位點而擴大反應。
或者，流體可藉由多種方法流動(機械對流)通過多 孔基質。可利用諸如加壓流動、乾燥、電滲流動、磁滲流動 以及溫度梯度及化學梯度驅動流動之方法使液體滲浸介質流動通過多孔主體。與依賴於擴散過程相反，此動態流動允許新鮮的反應物接近多孔基質。此方法為有益的，只要基質之孔徑分佈允許流體之流速適度的高，從而比擴散過程更快地供應反應性物種，並且當供應速率等於或超過形成產物之反應速率時最佳。另外，滲浸介質之流動通過特別適用於高度放熱反應。對於較厚並且可在內部產生熱量的單塊結構而言，此特別有益，所述內部產生的熱量能夠產生內部壓力，所述內部壓力能夠使單塊結構破裂。
許多應用中的材料厚度超過此長度規模。在此等情 況下，較佳為藉由熟悉此項技術者已知的任何適合手段使流體機械對流。替代方法為將溶劑或反應性物種作為氣態物種引入。又，可利用超臨界條件達成液體與氣體之間存在的傳遞速率。氣體物種可藉由橫越多孔基質施加壓力梯度來進行機械對流。若氣體為反應性物種，則填有溶劑流體的孔隙可流出孔隙，在孔隙上留下溶劑膜，所述溶劑膜可吸收反應性物種氣體。或者，部分填充的孔隙允許氣體流動通過孔隙，同時溶劑吸收所流過氣體的一部分。
系統可利用較低溫度及較低壓力，以實現低成本處 理。因此，孔隙中保留一小部分溶劑以促進反應性物種之氣態擴散的方法優於利用靜態流體進行反應的方法(其中需要大部分產物)。許多裝置設計可有效地將反應物及溶劑物種傳遞至孔隙中。一些此等設計包括習知反應器設備，諸如壓濾機、噴霧室、高壓釜及蒸汽機。
實例 實例1：用合成矽灰石生產後拉式鐵道枕木的方法
用於生產此等試樣的混凝土混合比例顯示於表4中。
原材料：合成矽灰石(SC-C2)，中國東海縣富豐源工貿有限公司(Donghai Golden Resources Industries,Donghai,China)；經篩分的施工用砂，Stavola Construction Materials,Bound Brook,NJ；1/4"及3/8"聚集物粉碎暗色岩，得自Clayton Block公司，Lakewood,NJ；Glenium7500摻合劑，得自BASF；以及普通自來水。
圖4及圖5分別顯示根據本發明之一例示性實施例所製備之RRT試樣的縱視圖及橫截面圖。用於後拉式股線之孔道直徑為1吋(「in」，25.4mm)。
RRT之混合程序
1)量取106.8kg之1/4吋聚集物並且裝載於SicomaTM行星混合機(MP 375/250)之吊車中。
2)量取123.8kg之3/8吋聚集物並且裝載於混合機之吊車中。
3)量取68.5kg之SC-C2並且裝載於混合機吊車中。
4)量取128.1kg經篩分之施工用砂並且裝載於混合機吊車中。
5)在懸臂以40RPM旋轉的混合機中將所有此等成分混合3分鐘而產生幹混合料。
6)量取227.9kg自來水及0.5kg Glenium 7500並且直接加載至幹混合料中並且再混合3分鐘而產生濕混合料。
RRT之澆鑄程序
1)使用WD-40將模(102吋×吋×9吋)之內表面潤滑，以便能夠容易移除成型坯之側面並且使澆鑄試樣容易脫模。
2)將濕混合料傾注入容器內且將其傳遞至保持模的振動臺。
3)用於後拉式鋼筋之六個孔道係藉由將1吋直徑之鋼管均勻地定位於模中來產生，如圖3中所示。
4)在開啟振動下，將濕混合料緩慢添加至模中。在模中填充4層，各層振動5分鐘。
5)最後一層置放於模中之後，繼續振動直至獲得非常光滑的精整表面。
6)模在室溫下(23±2℃)保持3小時。移除經定位而形成 孔道的管道。隨後移除模的所有4個垂直側面以暴露生坯陶瓷主體。
固化程序-在60℃及0psig、大氣壓下汽化
將生坯陶瓷主體置放於已預熱至60℃之7呎直徑、12呎長的臥式高壓釜內。高壓釜接著用加熱至60℃的CO2氣體吹掃。位於高壓釜之頂部及底部的放氣閥保留於開放位置，以有利於CO2氣體流經高壓釜。在CO2吹掃期間，利用風扇攪拌高壓釜內之環境。5分鐘之後，終止CO2氣體流動，關閉兩個放氣閥，且關掉風扇。接著打開位於高壓釜頂部的放氣閥並且使CO2氣體恢復流動額外10分鐘。此允許較輕的空氣經由頂部放氣閥逸出並且在高壓釜內產生近100% CO2氛圍。接著關閉位於高壓釜頂部的放氣閥，開啟風扇，並且將高壓釜內的CO2壓力調節至0.5psig。預熱至60℃的水在反應器底部循環，以允許在高壓釜內建立水蒸汽壓力。一旦高壓釜內之氛圍達到60℃，則氣體濃度為約84% CO2及16% H2O蒸汽。生坯陶瓷主體在此等條件下固化65小時。自高壓釜中移出固化陶瓷主體並且置放於90℃工業烘箱中以移除任何殘餘水。根據反應期間的重量增加來計算反應度。固化陶瓷主體展現至少50%之反應度。
測試自固化陶瓷主體切割之試樣的壓縮強度及耐磨性。
圖6顯示根據早先描述之程序澆鑄及固化的實際RRT試樣。
測試耐腐蝕性
使用表3所示之混合物比例，根據ASTM G109澆鑄 大小為11吋×6吋×4.5呎(280mm×150mm×115mm)的棱柱形試樣。各試樣使用兩個加強層，如圖7中所示。耐腐蝕測試試樣在高壓釜中根據早先描述的固化程序反應。每組測試最少使用2個試樣。棱柱形試樣之頂層由一根加強筋與0.75吋(19mm)混凝土覆蓋層組成並且底層由兩根鋼筋組成。兩個加強層與100歐姆電阻器電連接。棱柱形試樣用3wt.%氯化鈉溶液浸沒4天且乾燥3天；此等循環持續至在頂部與底部加強筋之間量測到預定量的電荷。監測加強筋之大電池腐蝕電流及半電池電勢(HCP)值(相對於銅-硫酸銅電極[CSE])。
量測頂部及底部加強筋之兩個位置A與B(如圖7中 所示)的HCP並且兩個數值之平均值視為各別加強筋之HCP值。
鋼腐蝕
頂部及底部加強筋之腐蝕試樣之所測HCP值大於-650mV，指示腐蝕活性程度比普通碳鋼加強筋高得多。根據標準，負性比-350mV大的HCP值指示腐蝕機率超過90%。
在本發明之後拉式RRT的情況下，孔道中灌入加強用的保護性高pH值材料，因此為本發明之RRT的有益條件。在第二階段的研究中，使用經波特蘭水泥漿塗佈的普通碳鋼進行耐腐蝕測試。此等試樣之HCP值為低得多的約-250mV，指示在100天持續測試期間無腐蝕活性。
耐磨性
自固化陶瓷主體切割之樣品的耐磨性測試係在 CESARE公司(Colorado)，根據ASTM C779程序C進行。此測試為關於鐵道枕木材料的耐磨性測試。不同分批的磨耗指數結果為606分鐘/吋、588分鐘/吋及526分鐘/吋。貧混凝土展現0至200分鐘/吋範圍之磨耗指數值並且優良混凝土樣品產生大於350分鐘/吋之結果。因此，本發明之RRT在鐵道枕木應用中具有優良的耐磨性。
在本說明書及隨附申請專利範圍中，除非上下文另 有明確說明，否則單數形式「一(a/an)」及「該(the)」包括複數個指示物。
除非另有定義，否則本文所用的全部技術及科學術語具有與一般熟悉此項技術者通常所瞭解相同的含義。雖然與本文所述相似或等效的任何方法及材料亦可用於實施或測試本發明，但眼下描述的方法及材料較佳。除所揭示之特定次序之外，本文列舉的方法亦可以邏輯上可能的任何次序進行。
以引用的方式併入
本發明中已提及及引述其他文獻，諸如專利、專利申請案、專利公開案、期刊、書籍、論文、網絡內容。所有此類文獻以全文引用的方式特此併入本文中用於所有目的。據稱以引用方式併入本文中、但與現有定義、陳述或本文明確所列之其他揭示材料衝突的任何材料或其一部分僅以所併入材料與本發明材料之間不發生衝突的程度併入。若有衝突，則所述衝突的解決應以本發明較佳揭示內容為準。
等效物
本文揭示的代表性實例旨在幫助說明本發明，並且不希望、亦不應視為限制本發明之範圍。實際上，除本文所示及所述的內容之外，熟習此項技術者根據本文之全部內容(包括後述實例及本文述及的科學及專利文獻)將顯而易知本發明之各種潤飾及其許多其他實施例。以下實例含有經調適可以各種實施例及其等效物實施本發明之重要的其他資訊、範例及規則。

Claims (20)

  1. 一種鐵道枕木，該鐵道枕木具有一由複合材料製備的長條形枕木主體，該複合材料包含：複數個接合元件，其中各接合元件包含：一主要包含矽酸鈣的核心、一富含二氧化矽的第一層或內層，及一富含碳酸鈣的第二層或外層；及填料顆粒，該等填料顆粒包含粗填料顆粒及/或細填料顆粒，其中該等複數個接合元件與該等複數個填料顆粒一起形成一或多種接合基質並且該等接合元件與該等填料顆粒實質上均勻地分散於其中並且接合在一起。
  2. 如請求項1所述之鐵道枕木，其中該長條形枕木主體包含一或多個縱向佈置之孔道及一或多根分別置放於該一或多縱向佈置之孔道中的加強筋。
  3. 如請求項2所述之鐵道枕木，其中該一或多根加強筋為鋼筋，並且其中該鐵道枕木為預應力式或後拉式。
  4. 如請求項3所述之鐵道枕木，其中該等鋼加強筋與該枕木主體係經由一pH值高於約12的一保護性材料連接。
  5. 如請求項4所述之鐵道枕木，其中該保護性材料包含灌入 該等孔道中的波特蘭水泥漿(Portland cement mortar)。
  6. 如請求項4所述之鐵道枕木，其中該保護性材料為位於該等鋼加強筋上的一保護性塗層，所述保護性塗層選自環氧樹脂及鋅。
  7. 如請求項1所述之鐵道枕木，其中該複合材料的特徵為約2200kg/m3至2600kg/m3之一密度、約50MPa至約80MPa之一壓縮強度及約5MPa至約8MPa之一撓曲強度。
  8. 如請求項1所述之鐵道枕木，具有一提高之耐磨性，該耐磨性優於習知混凝土鐵道枕木並且特徵為一磨耗指數大於350分鐘/吋，及/或一提高之耐腐蝕性，該耐腐蝕性優於習知混凝土鐵道枕木並且特徵為在濕式及乾式暴露長達100天期間，半電池電勢值小於-350。
  9. 如請求項1所述之鐵道枕木，其中該等複數個接合元件具有約5μm至約100μm範圍內之一中值粒徑，其中該等填料顆粒係由富含二氧化矽的材料製成。
  10. 如請求項9所述之鐵道枕木，其中該等複數個接合元件係 由除矽灰石之外的前驅物矽酸鈣經化學轉化而製備，該化學轉化係藉由使該前驅物矽酸鈣與CO2經由一可控的熱液液相燒結方法反應。
  11. 如請求項1所述之鐵道枕木，其中接合元件：填料顆粒之重量比為約1：5。
  12. 一種生產一鐵道枕木的方法，包含：將一微粒組合物與一液體組合物混合以形成一漿料混合物，其中該微粒組合物包含：一研磨矽酸鈣，該研磨矽酸鈣具有約1μm至約100μm範圍內之一中值粒徑，及填料顆粒，該等填料顆粒包含一第一粗聚集物顆粒及一第二細聚集物顆粒，並且其中該液體組合物包含：水，及一高度減水劑；將該漿料混合物澆鑄於針對一鐵道枕木所設置的一模中；以及使該所澆鑄混合物在約20℃至約150℃範圍內之一溫度下、在水及CO2之一氛圍下固化約1小時至約80小時，該氛圍具有環境大氣壓至高於環境大氣壓約60psi範圍內之一壓力 並且具有約10%至約90%範圍內之一CO2濃度。
  13. 如請求項12所述之方法，其中該模設置有一或多個允許置放加強筋的孔道。
  14. 如請求項13所述之方法，進一步包含加強筋穿過該等孔道置放；及用一pH值高於約12的一保護性材料填充該等孔道。
  15. 如請求項14所述之方法，其中該保護性材料包含波特蘭水泥漿。
  16. 如請求項12所述之方法，其中該所澆鑄混合物係在約60℃至約110℃範圍內之一溫度下、在包含水及CO2的一蒸汽下固化約15小時至約70小時，該蒸汽具有約環境大氣壓至高於環境大氣壓約30psi範圍內的一壓力。
  17. 如請求項12所述之方法，其中該研磨矽酸鈣包含研磨矽灰石，並且填料顆粒包含一富含二氧化矽材料之粗顆粒及細顆粒，其中包含粗顆粒及細顆粒的填料顆粒包含砂、石英及花崗岩中的一或多者。
  18. 如請求項12所述之方法，其中該高度減水劑包含一聚羧酸鹽並且該高度減水劑的一濃度為該液體組合物的約1.5wt.%到約3wt.%。
  19. 一種藉由如請求項12至18中任一項所述之一方法製備的鐵道枕木。
  20. 如請求項19所述之鐵道枕木，具有約2200kg/m3至2600kg/m3之一密度、約50MPa至約100MPa之一壓縮強度及約5MPa至約8MPa之一撓曲強度。
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