TW201609597A - 改良流變性之混凝土材料組合物及其製造方法與應用 - Google Patents

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Abstract

一種混凝土、水泥糊漿、砂漿或其中間體形式的組合物，包括重量介於組合物的0.5%至75%的一或多個膠結性黏合劑、重量介於組合物的0.01%至4.00%的凹凸棒土，以及選擇性包括水。本發明之組合物具有多種用途，於一些實施例中適合需要自充填混凝土、預鑄混凝土、噴射混凝土及類似物的應用上。本發明之組合物可由多種方法製造，於一些實施例中由混合組合物中的各種成分來製造。於一些實施例中，本發明之組合物具有優越的集料懸浮性、防止析離、較佳的可加工性、較佳的可流動性、較佳的可泵性等之中的一或多個特性，或提升混凝土的整體表現。

Description

改良流變性之混凝土材料組合物及其製造方法與應用
本發明是有關於一種混凝土、水泥糊漿、砂漿或其中間體之形式的組合物，包括重量介於組合物之重量的0.5%至75%之間的一或多個膠結性黏合劑、重量介於組合物之重量的0.01%至1.00%之間的凹凸棒土，以及選擇性包括水。本發明之組合物具有多種用途，於一些實施例中，本發明之組合物適合需要自充填混凝土、預鑄混凝土、噴射混凝土、滑動式鋪面與緣石、抗沖蝕深基礎、輕型混凝土、乾鑄混凝土塊、水管，以及空心材料與抹灰、石膏等的應用上。本發明之組合物可由多種方法製造，於一些實施例中，本發明之組合物由混合組合物中的各種成分來製造。於一些實施例中，本發明之組合物具有優越的集料懸浮性、防止析離、提升可加工性、提升可流動性、提升可泵性等之中的一或多個特性，或提升混凝土的整體表現。
混凝土具有多種特性，使得其為普遍的建築材料。為了得到所需要的特性，需要適當的成分比例、存放以及硬化(curing)。
混凝土係由混合水泥、水以及集料，以形成可加工的糊狀物所製備而得。其如設想地成形或放置、固化，然後使之硬化。混凝土(或特別是其中的膠結性黏合劑(cementitious binder material))利用水氣來水合並硬化。混凝土的強度可取決於水合。
應當要理解的是，前述概述以及後述詳細描述均只是代表性及示例性，並非用來作為限制本發明，本發明的範圍係由申請專利範圍所界定。
據本發明之一方面，提出一種組合物，包括重量係介於組合物之乾重的0.5%至75%之間的一或複數個膠結性黏合劑，以及選自於重量介於組合物之乾重的0.01%至4.00%之間的凹凸棒土(attapulgite,AG)、重量介於組合物之重量的0.1%至6%之間的海泡石(sepiolite)，及重量介於組合物之重量的0.05%至5%之間的坡縷石(palygorskite)中的至少其中一者。
根據本發明之一方面，提出一種製造組合物的方法，包括混合一或複數個膠結性黏結料黏合劑，以及選自於凹凸棒土、海泡石及坡縷石中的至少其中一者，以形成一所得組合物。其中膠結性黏結料黏合劑之重量係介於該組合物之乾重的0.5%至 75%之間，凹凸棒土於選中時其重量介於組合物之乾重的0.01%至4.00%之間，海泡石於選中時其重量介於組合物之重量的0.1%至6%之間，坡縷石於選中時其重量介於組合物之重量的0.05%至5%之間。
根據本發明之一方面，提出一種製造組合物的方法，包括混合一或複數個膠結性黏合劑、凹凸棒土及份量介於0.2至0.7 W/C的水，以形成一所得組合物，以及於噴射混凝土製程(shotcrete process)噴灑所得組合物以形成一結構。其中W為水的質量，C為膠結性黏合劑的乾質量，膠結性黏合劑之重量介於組合物之乾重的0.5%至75%之間，該凹凸棒土之重量介於組合物之乾重的0.01%至1.00%之間。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
(1)、(1a)、(1b)、(2)、(2a)、(2b)、(3)、(3a)、(3b)、(4)、(4a)、(4b)、(5)、(5a)、(5b)‧‧‧製程
200、205‧‧‧設備
210、215‧‧‧拌和機
218‧‧‧幫浦
220‧‧‧噴槍
230、235‧‧‧壓縮機
240、245、270‧‧‧管道
250、255‧‧‧噴嘴
260‧‧‧水源
280、285‧‧‧氣動噴射
290、295‧‧‧位置
本發明所附圖式，係包含在本說明書之內，並作為本說明書之一部分，繪示本發明的一或多個實施例，並與內文一同解釋此處所述的實施例的原理。
第1圖根據一些實施例繪示製造組合物的製程。
第2A圖根據一些實施例繪示用於乾拌(dry-mix)噴射混凝土(Gunite)的設備。
第2B圖根據一些實施例繪示用於濕拌(wet-mix)噴射混凝土 的設備。
第3A圖繪示水泥混合物之組合物的剪切應力(sheer stress，單位為Pa)對剪切速率(sheer rate，單位為s-1)的關係圖。
第3B圖繪示第3A圖所示相同組合物的塑性黏度(plastic viscosity)對剪切速率的關係圖。
第4A圖繪示一對組合物的抗壓強度(compressive strength，單位為磅每平方英吋(pound per square inch，psi))對日數(1、3、7及28日)的關係圖。
第4B圖繪示第4A圖所示之組合物之滲透性(permeability，單位為庫侖(coulombs))對樣品的關係圖。
第5A圖繪示例舉之組合物的強度對時間的關係圖。
第5B圖繪示例舉之組合物的收縮量(shrinkage，單位為μm)對時間的關係圖。
第6A圖繪示例舉之組合物的強度對時間的關係圖。
第6B圖繪示例舉之組合物的收縮量對時間的關係圖。
第7A圖繪示例舉之組合物的強度對時間的關係圖。
第7B圖繪示例舉之組合物的收縮量對時間的關係圖。
第8圖繪示例舉之組合物的鹼-矽酸鹽反應(alkali silicate reaction，ASR)混凝土體積變化圖，顯示添加Acti-Gel® 208可減緩由鹼-矽酸鹽反應所造成的混凝土體積膨脹。
一種組合物，包括重量介於組合物之重量的0.5%至75%之間的一或多個膠結性黏合劑，及選自重量介於組合物之重量的0.01%至4.00%之間的凹凸棒土、重量介於組合物之重量的0.1%至6%之間的海泡石，及重量介於組合物之重量的0.05%至5%之間的坡縷石中的至少其中一者，以及選擇性包括水；凹凸棒土是一種不膨脹的奈米黏土(nanoclay)。組合物之形式可為混凝土、水泥糊漿(cement paste)、砂漿(mortar)或其中間體，也就是說，組合物可為水泥混合物的形式。
於一些實施例中，本發明之組合物適合需要自充填混凝土(self-consolidating concretes，SCCs)、預鑄混凝土(precast concrete)、噴射混凝土(shotcrete)、滑動式(slip-form)鋪面(pavements)與緣石(curbs)、抗沖蝕(anti-washout)深基礎(deep foundation)、輕型混凝土(lightweight concretes)、乾鑄(dry cast)混凝土塊、水管，以及空心材料與抹灰(putze)、石膏(plaster)等的應用上。於一些實施例中，本發明之組合物適合需要高強度混凝土(high-strength concrete)、搗固混凝土(stamped concrete)、高性能混凝土(high-performance concrete)、超高性能混凝土(ultra-high-performance concrete)、自充填混凝土、輾壓混凝土(rollcrete)、級配混凝土(class concrete)、軟木水泥組合物(cork-cement composites)、氣泡混凝土(cellular concrete)、瀝青混凝土(asphalt concrete)、橡膠混凝土(rubberized concrete)以及聚合物混凝土(polymer concrete)等的應用上。
於一些實施例中，凹凸棒土之重量介於組合物之重量的0.02%至0.7%之間。於一些實施例中，凹凸棒土之重量介於組合物之重量的0.03%至0.15%之間。於一些實施例中，凹凸棒土是一種不膨脹的奈米黏土。
於一些實施例中，凹凸棒土選自俄羅斯彼爾姆(Perm)波波夫卡河(Popovka River)畔的坡縷縞斯克(Palygorskaya)、美國喬治亞州迪凱特郡(Decatur County)的厄帖浦(Attapulgus)、摩洛哥的泰夫勞特(Tafraout)，以及印度安德拉邦(Andhra Pradesh)的海德拉巴礦床(Hyderabad deposit)等地。於一些實施例中，凹凸棒土選自美國喬治亞州迪凱特郡的厄帖浦。於一些實施例中，所用的凹凸棒土與其他非凹凸棒土的礦物伴生，例如蒙脫石(montmorillonite)、白雲石(dolomite)、方解石(calcite)、滑石(talc)、綠泥石(chlorite)、石英(quartz)及其類似物。於一些實施例中，可用例如公開號6,444,601及6,130,179之美國專利案中的方法得到純化凹凸棒土，其中該些專利通過引用併入的方式，將專利全文收載於本揭露內容之中。
於一些實施例中，凹凸棒土為純化凹凸棒土。於一些實施例中，純化凹凸棒土選自艾狄希國際礦業公司(Active Minerals International,LLC)的Acti-Gel® 208。
於一些實施例中，純化凹凸棒土可達到更佳的水泥粒子與凝集物的懸浮性、減少析離及泌水(bleeding)、並提升可流動性。於一些實施例中，組合物包括純化凹凸棒土，可在剪切狀 態之下降低黏度，使其可提升可加工性及可泵性。於剪接狀態停止之後，組合物快速鬆弛(relax)，以具有較高的屈服應力(yield stress)，並成為較穩定的懸浮液。
於一些實施例中，海泡石之重量介於組合物之重量的0.2%至3%之間。於一些實施例中，海泡石之重量介於組合物之重量的3%至6%之間。
於一些實施例中，海泡石選自美國猶他州鹽湖郡(Salt Lake County)的棉白楊峽谷(Cottonwood Canyon)、加利福尼亞州河邊郡(Riverside County)的克列斯特摩爾(Crestmore)、內華達州奈郡(Nye County)的灰草甸(Ash Meadows)，以及墨西哥杜蘭戈州(Durango)的梅爾卡多山(Cerro Mercado)等地。於一些實施例中，所用的海泡石與其他非海泡石的礦物伴生，例如白雲石。於一些實施例中，所用的海泡石實質上不含其他非海泡石的礦物。
於一些實施例中，坡縷石之重量介於組合物之重量的0.1%至3%之間。於一些實施例中，坡縷石之重量介於組合物之重量的3%至5%之間。
於一些實施例中，坡縷石選自美國喬治亞州迪凱特郡的厄帖浦。於一些實施例中，坡縷石選自俄羅斯彼爾姆波波夫卡河畔的坡縷縞斯克、中國、土耳其馬拉蒂亞(Malatya)的海基姆漢區(Hekimhan District)，以及印度安德拉邦的海德拉巴礦床等地。於一些實施例中，凹凸棒土選自美國喬治亞州迪凱特郡的厄帖浦。於一些實施例中，所用的凹凸棒土與其他非凹凸棒土的礦物伴生， 例如蒙脫石、白雲石、方解石、滑石、綠泥石、石英及其類似物。於一些實施例中，所用的凹凸棒土實質上不含非其他凹凸棒土的礦物。
於一些實施例中，膠結性黏合劑之重量介於組合物之重量的0.5%至75%之間。於一些實施例中，一或多個膠結性黏合劑之重量介於組合物之重量的0.5%至25%之間，或是25%至50%之間。於一些實施例中，一或多個膠結性黏合劑之重量大於組合物之重量的50%並小於等於組合物之重量的60%。於一些實施例中，一或多個膠結性黏合劑之重量大於組合物之重量的60%。
於一些實施例中，膠結性黏合劑選自加工材料，例如石灰與波特蘭水泥。於一些實施例中，膠結性黏合劑選自製造與發電的製程副產物。
於一些實施例中，膠結性黏合劑選自波特蘭水泥，例如ASTM C150 Type I、ASTM C150 Type I/II或CSA A3001-03 Type GU。
於一些實施例中，膠結性黏合劑選自石灰。於一些實施例中，膠結性黏合劑選自石灰石粉(ground limestones)、煅石灰石(calcined limestones)、生石灰(quicklime)以及熟石灰(hydrated lime)。
於一些實施例中，膠結性黏合劑更包括一或多個輔助膠結性黏合劑。
於一些實施例中，輔助膠結性黏合劑選自粒狀高爐渣(ground granulated blast furnace slag，GGBFS)、飛灰(fly ash，FA)、天然及/或人造的波索蘭材料(pozzolans)，例如偏高嶺土(metakaolins)。
於一些實施例中，輔助膠結性黏合劑選自粒狀高爐渣，例如製造鐵的波索蘭材料副產物。於一些實施例中，粒狀高爐渣包括約93%至99%重量為玻璃的粗糙質地顆粒。
於一些實施例中，輔助膠結性黏合劑選自飛灰。於一些實施例中，飛灰為非常細顆粒的波索蘭材料(二氧化矽、氧化鋁及氧化鈣)並在活化劑及水兩者同時出現時可產生膠結性化合物(類似於爐渣進行水硬(hydraulic)及波索蘭反應的產物)。
於一些實施例中，膠結性黏合劑更包括一或多個廢料。
於一些實施例中，廢料選自水泥窯灰(cement kiln dust，CKD)、磨細的工業廢玻璃與都市垃圾的廢玻璃。
於一些實施例中，膠結性黏合劑包括一或多個波特蘭水泥、一或多個輔助膠結性黏合劑以及一或多個廢料。於一些實施例中，膠結性黏合劑包括一或多個波特蘭水泥以及一或多個輔助膠結性黏合劑。
於一些實施例中，膠結性黏合劑更包括矽灰(silica fume)。
於一些實施例中，組合物包括水。當水與水泥混合 的時候，會形成糊狀物，使集料黏合在一起。水過多會降低混凝土的強度，而水過少則會使水泥不具可加工性。典型的混凝土具有可加工性，使得其可固化並塑造成不同的形狀(例如牆壁、圓頂等等)。加入重量介於組合物之重量的0.01%至4.00%之間的凹凸棒土，可提升混凝土強度並增加水泥混合物的可加工性。水的份量定義為份量W/C，其中W為水的質量，而C為膠結性黏合劑的質量。於一些實施例中，份量W/C介於0.20至0.70之間。於一些實施例中，份量W/C介於0.35至0.60之間，或介於0.40至0.50之間。於一些實施例中，份量W/C介於0.35至0.45之間，或介於0.20至0.30之間。
水可由許多來源獲得。於一些實施例中，水係來自於淡水或是鹽水。於一些實施例中，將水純化以提升水泥混合物的固化(consolidation)。
於一些實施例中，水之pH值介於2至13之間。於一些實施例中，水之pH值介於2至7之間、4.5至9.5之間、5.0至7.8之間，或7至13之間。於一些實施例中，使用中和劑(neutralizer)調整pH值。
於一些實施例中，中和劑選自石膏(gypsum)、熟石灰、硝酸銨以及硫酸銨。於一些實施例中，中和劑選自氫氧化鈉、苛性鈉(caustic soda)、熟石灰、貝殼粉(shell meal)、石灰石、生石灰(burned lime)、白雲石、甜菜石灰(sugar beet lime)以及矽酸鈣。於一些實施例中，中和劑選自硫酸鋁、氯化鈣、石灰硫磺合 劑(lime sulphur)、硫酸鐵、硫酸、硫以及石膏。於一些實施例中，中和劑選自石膏、熟石灰、硝酸銨以及硫酸鋁。
於一些實施例中，組合物更包括一或複數個集料。集料大多為化學惰性(chemically inert)的固態物體，並由水泥、硬化水泥糊漿或硬化砂漿將其聚集在一起。集料具有各種形狀、尺寸，並且其材料範圍由細顆粒至粗顆粒，細顆粒例如砂子，粗顆粒例如粗岩石。集料的選擇係部分決定於所希望的水泥混合物的特性。舉例而言，混凝土的密度受到集料的密度所影響。柔軟而多孔的集料可製造成較低強度的混凝土，並具有較低的耐磨性(wear resistance)，而堅硬的集料可製造成較高強度的混凝土，並具有較高的耐磨性(resistance to abrasion)。集料通常經過清洗，以除去灰塵、泥沙、黏土、有機物或其他可能影響水泥糊漿黏合反應的雜質。
於一些實施例中，集料選自細集料或粗集料。於一些實施例中，集料選自礫石(gravel)、碎石(crushed rock)及砂子。於一些實施例中，集料選自石灰石及花崗石(granite)。於一些實施例中，集料選自蛭石(vermiculite)、陶瓷球體、珍珠岩(perlite)、脹性黏土(expanded clay)、頁岩(shale)、板岩(slate)、碎磚、碎石灰石、砂子、河礫、碎再生混凝土、鋼珠(steel shot)、鐵珠、鋼粒(steel pellets)以及鐵粒。
於一些實施例中，組合物更包括一或多個摻合物(admixtures)。於一些實施例中，摻合物選自輸氣劑(air entertaining agents，AEA)、塑化劑(plasticizers)、緩凝劑(retarding agents)、速凝劑(accelerating agent)、礦物摻合物、色素(pigment)以及腐蝕抑制劑(corrosion inhibitor)。
當輸氣劑存在時，係添加到足夠提升耐久性、提升可加工性、減少泌水，或減少凍融問題的量。於一些實施例中，輸氣劑選自清潔劑(detergent)。
當塑化劑存在時，係添加到足夠減低形成可加工的混凝土所需水量的量。於一些實施例中，塑化劑選自木質磺酸鹽(lignosulfonate)、磺酸化萘甲醛縮合物(sulfonated naphthalene formaldehyde condensate)、磺酸化三聚氰胺甲醛縮合物(sulfonated melamine formaldehyde condensate)以及聚羧酸醚(polycarboxylate ethers)。
當緩凝劑存在時，係添加到足夠減緩水泥凝結時間、增加長期強度，或抵消高溫天氣所造成之不利影響的量。於一些實施例中，緩凝劑選自糖、蔗糖、葡萄糖酸鈉、葡萄糖、檸檬酸以及酒石酸。
當速凝劑存在時，係添加到足夠加速水泥凝結時間、達到早期強度(early strength)，或抵消低溫天氣所造成之不利影響的量。於一些實施例中，速凝劑選自氯化鈣、硝酸鈣以及硝酸鈉。
當礦物摻合物存在時，係添加到足夠提升可加工性、可塑性(plasticity)或強度的量。於一些實施例中，礦物摻合物選自飛灰及矽灰。
當色素存在時，係添加到足夠賦予顏色的量。於一些實施例中，色素選自金屬氧化物。
當腐蝕抑制劑存在時，係添加到足夠降低一或多個強化材料(reinforcements)的腐蝕速率的量，強化材料例如鋼條。
於一些實施例中，組合物更包括一或多個強化材料。於一些實施例中，強化材料選自鋼筋(steel reinforcing bar)、鋼纖維、玻璃纖維以及塑膠纖維。強化材料係用來承受拉力負載(tensile loads)。
於一些實施例中，組合物之坍流度(slump flow)介於140毫米至260毫米之間。於一些實施例中，其坍流度介於150毫米至250毫米之間。於一些實施例中，其坍流度介於13毫米至130毫米之間。於一些實施例中，其坍度(slump)介於500毫米至800毫米之間。
於一些實施例中，組合物之7日剪力勁度(shear stiffness)非限制抗壓強度(unconfined compressive strength，UCS)於具有3%及7%之黏合劑時介於為100kPa及600kPa之間，其28日非限制抗壓強度於具有3%及7%之黏合劑時介於250kPa及5MPa之間。於一些實施例中，其剪力勁度單軸抗壓強度(uniaxial compressive strength)介於25kPa至5MPa之間，或介於50kPa至3.5MPa之間。於一些實施例中，於組合物製造當日測量非限制抗壓強度。於一些實施例中，於組合物製造日的1、3、7、21、28或56日後測量非限制抗壓強度。
於一些實施例中，水泥混合物係為混凝土之形式，包括凹凸棒土、一或多個水泥黏合劑、一或多個集料，選擇性包括一或多個摻合物、選擇性包括一或多個強化材料，以及包括水。對於此處所述的每一種成分，均可採用本文所述的任意一種份量。
於一些實施例中，水泥混合物係為混凝土的乾中間體之形式，包括凹凸棒土、一或多個水泥黏合劑、一或多個集料，選擇性包括一或多個摻合物，以及選擇性包括一或多個強化材料。對於此處所述的每一種成分，均可採用本文所述的任意一種份量。
於一些實施例中，水泥混合物係為水泥糊漿之形式，包括未達顯著量的一或多個集料，包括凹凸棒土、一或多個水泥黏合劑、選擇性包括一或多個摻合物、選擇性包括一或多個強化材料，以及包括水。對於此處所述的每一種成分，均可採用本文所述的任意一種份量。
於一些實施例中，水泥混合物係為水泥糊漿的乾中間體之形式，包括凹凸棒土、一或多個水泥黏合劑、一或多個集料，選擇性包括一或多個摻合物，以及選擇性包括一或多個強化材料。對於此處所述的每一種成分，均可採用本文所述的任意一種份量。
水泥糊漿的乾中間體可用來與水混合以形成水泥糊漿，水泥糊漿可被硬化以形成硬化水泥糊漿，或可用來加入例如 砂子以形成砂漿。對於此處所述的每一種成分，均可採用本文所述的任意一種份量。
於一些實施例中，水泥混合物係為砂漿之形式，包括凹凸棒土、一或多個水泥黏合劑、一或多個集料，選擇性包括一或多個摻合物，以及選擇性包括一或多個強化材料。對於此處所述的每一種成分，均可採用本文所述的任意一種份量。
組合物可由多種方法製造。於一些實施例中，組合物係由混合各成分來製造。
第1圖根據一些實施例繪示製造組合物的製程。舉例而言，於一些實施例中，組合物係經由第1圖中的製程(1a)或(1b)，透過混合各成分來製造。舉例而言，混凝土可透過製程(1)來製造，其中各成分為剪切混合(shear mixed)，並於混凝土拌和機(concrete mixer)中混合。於一些實施例中，係透過製程(1a)，將凹凸棒土先加入反應物中。於一些實施例中，係透過製程(1b)，將凹凸棒土於硬化前先加入水泥中。
於一些實施例中，組合物係經由第1圖中的製程(2)、(2a)或(2b)，透過形成水泥糊漿的方式製造。舉例而言，膠結性黏合劑與水具有本文所述之份量W/C，或有時小於本文所述之份量，係於高速、剪切形式的混合機中混合。水泥糊漿的反應物，於一些實施例中，更包括一或多個摻合物(未於製程(2)、(2a)或(2b)示出)或凹凸棒土，其可選擇獨立地添加至起始原料或者是水泥糊漿產物。
於一些實施例中，製程(2a)或(2b)的水泥糊漿產物可被硬化。
於其他實施例中，第1圖中製程(2)、(2a)或(2b)的水泥糊漿產物接著與一或多個集料及選擇性與水混合，最終的混合係於混凝土拌和機中完成。於一些實施例中，此步驟更包括混合一或多個摻合物或凹凸棒土。於一些實施例中，此製程更包括添加一或多個(未於第1圖中製程(3)、(3a)或(3b)中所示的)摻合物或凹凸棒土，其可選擇獨立地添加至起始原料或者是水泥糊漿產物。
可任意選擇加入集料、凹凸棒土與摻合物的順序。有些時候係同時加入粗集料與細集料。有些時候在加入細集料之前加入粗集料，或反之。舉例而言，水泥糊漿產物接著與一或多個細集料(例如砂子)及選擇性與水混合以形成砂漿。
於一些實施例中，製程更包括添加一或多個(未於第1圖中製程(4)、(4a)或(4b)中所示的)摻合物或凹凸棒土，其可選擇獨立地添加至起始原料或者是水泥糊漿產物。
然後，砂漿產物接著與一或多個粗集料(例如礫石)及選擇性與水混合以形成混凝土。參見第1圖中製程(5)。
最終的混合例如於混凝土拌和機中完成。
凹凸棒土可於混凝土、水泥糊漿或砂漿硬化前的任意時間點加入。凹凸棒土可分為多份，於第1圖中製程(1)至(5)的不同步驟中加入。
一或多個強化材料可於混凝土、水泥糊漿或砂漿硬化前的任意時間點加入。強化材料可分為多份，於第1圖中製程(1)至(5)的不同步驟中加入。
雖然此處係以凹凸棒土作為例示，然而第1圖中製程(1)至(5)可加入包括凹凸棒土、海泡石及/或坡縷石。
噴射混凝土(shotcrete)(對於其乾拌物亦習稱其為商品名Gunite)係使用壓縮空氣將混凝土噴射至構架(frame)或結構之上(或之中)。於一些實施例中，乾拌噴射混凝土包括從噴嘴利用高壓氣動噴射來設置混凝土。噴射混凝土可應用在架空或是無形體的垂直表面上。於一些實施例中，噴射混凝土係用於混凝土的修復或是橋梁、交通結構、高架橋(viaducts)、紐澤西護欄(jersey barriers)、橋面(road decks)、水壩、水池等的設置，或用於其他典型的花費較高或較困難的用途上。於一些實施例中，噴射混凝土施用在垂直土壤或岩石表面上，或其他缺乏模板(formwork)的應用上。於一些實施例中，噴射混凝土係用來作為岩石的支持物，例如鑿山開隧道。於一些實施例中，噴射混凝土係用來使滲漏最小化。
於一些實施例中，噴射混凝土使用乾拌法或濕拌法。於一些實施例中，噴射混凝土的乾拌法，包括於機器中加入乾的或實質上乾的本文所述的組合物，並將乾的組合物，例如透過管道(conduit)送至出口，管道例如是軟管，出口例如是具有加壓空氣的噴嘴(nozzle)。將足以使乾組合物進行水合的水加在出口，出 口例如是噴嘴。
舉例而言，第2A圖繪示用來進行噴射混凝土乾拌法的設備200。拌和機210係用來用運送與拌和本文所述的組合物中乾或實質上乾的成分(乾混合物)。乾混合物運送至噴槍220，其配置為用來接收來自於壓縮機230的空氣，並建立足以使乾混合物從管道240移動至噴嘴250的壓力。於噴嘴250或其附近，乾混合物被來自水源260並通過管道270的水(選擇性的液態添加物)所潤濕。濕混合物(乾混合物加上透過管道270加入的水以及添加物)於氣動噴射280中射出至位置290，其中濕混合物可被固化。於第2A圖所示的實施例中，噴射混凝土乾拌法為絕大多數用來混合的水都在噴嘴250或其附近加進乾混合物中。
於一些實施例中，位置290為垂直或實質上垂直。本文所述之組合物使其可能形成8英吋至16英吋厚的固化混凝土。於一些實施例中，厚度介於10英吋至14英吋。
於一些實施例中，噴射混凝土濕拌法包括混合本文所述之組合物，並將水合組合物經由管道泵送至出口，組合物包括用於使組合物進行水合的水，管道例如是軟管，出口例如是噴嘴。於出口處，加入用以噴灑組合物的加壓空氣。
舉例而言，第2B圖繪示用來進行噴射混凝土濕拌法的設備205。拌和機215係用來用運送與選擇性拌和本文所述的(水合形式)組合物中的成分。組合物透過幫浦218輸送至管道245。組合物穿過管道245至位於噴嘴255或其鄰近的點，此點 係配置用來接收來自於壓縮機235的空氣，並建立足以推進組合物穿過噴嘴255的壓力。組合物於氣動噴射285中射出至位置295，其中組合物可被固化。於第2B圖所示的實施例中，噴射混凝土濕拌法為包括水的組合物成分於進入管道245之前即進行混合。
雖然可用本文所述之組合物據以實施，於一些實施例中，濕拌噴射混凝土或乾拌噴射混凝土，係使用如下表所示的組合物。
雖然可用本文所述之具有多種形式的組合物據以實施，即混凝土、水泥糊漿、砂漿，或其中間體例如水泥混合物、濕拌噴射混凝土或乾拌噴射混凝土，於一些實施例中，使用膠結性水泥灌漿(cementitious grout)的形式。於一些實施例中，膠結性水泥灌漿為可泵的、砂漿形式的材料，並於施用在可用之處，包括利用注入方式填充裂縫與孔洞後硬化，膠結性水泥灌漿包括水合膠結性黏合劑、細(砂子)集料以及摻合物，水泥：細砂係介於1：1.5至1：2的比例；以及重量介於組合物之重量的0.01%至4.00%之間的凹凸棒土(例如Acti-Gel® 208)。
基於發明人所知的資訊以及此處所述，包括此處所述之量的純化凹凸棒土的一種組合物可達到多種效果。此些效果無法僅由磨碎或粉碎的凹凸棒土所達到。更進一步的是，純化凹凸棒土在操作上具有彈性，並對製程中的機械或化學降解具有抵抗性。
範例一
本範例係有助於表示添加及未添加純化凹凸棒土(Acti-Gel® 208)的水泥糊漿的流動曲線(flow curve)。第3A圖繪示包括0.15%凹凸棒土(如圖上之實心方塊)與不包括凹凸棒土(如圖 上之空心方塊)之水泥混合物(水泥混合物均為理海水泥公司(Lehigh Cement Company)於阿拉巴馬州里茲(Leeds)的水泥廠所生產的Type I/IIa水泥)之組合物的剪切應力(單位為Pa)對剪切速率(單位為s-1)的關係圖。其中份量W/C為0.4。添加Acti-Gel® 208的水泥於增加剪切及減少剪切之間表現了均一的性質，表示其不只是具有較高的混合穩定度，還具有較好的減少析離及泌水的能力。
第3B圖繪示了相同組合物的塑性黏度對剪切速率的關係圖。雖然添加純化凹凸棒土(Acti-Gel® 208)的組合物具有較高的起始屈服點(yield point)，但添加純化凹凸棒土的組合物其黏度快速降低，於轉變回凝膠微結構時(gel microstructure)具有可忽略的時間延遲，並具有高的屈服點。其結果是，添加Acti-Gel® 208的水泥形成了較穩定的懸浮液，提升了可泵性並具有較高的生胚強度(green strength)。
範例二
可以證明的是，使用添加純化凹凸棒土(Acti-Gel® 208)的自充填混凝土(SCC)可達到降低模板壓力(formwork pressure)。應當被注意到的是自充填混凝土在模板上給予的流體靜壓力(hydrostatic pressure)，特別是因為自充填混凝土通常不具有或僅具有低的屈服壓力(或具有非常高的坍度)。添加純化凹凸棒土的自充填混凝土的快速觸變性(thixotropic)回復，幾乎在放置 之後的同時降低了模板壓力，減緩了額外的模板強化結構與支撐的需求。
添加純化凹凸棒土的自充填混凝土可望達到降低泵壓力(pump pressure)，特別是針對低坍度混凝土，使用較粗的集料而避免析離、減少或除去矽灰、使不穩定的混合物恢復穩定、於噴灑應用上降低反彈(rebound)與粉塵，或大幅改善水泥車的清理。
範例三
下列內容揭示了自充填混凝土與預鑄混凝土可達到優異的水泥混合物穩定度、提升表面光度(surface finish)、提升早期強度、降低模板壓力，並可於低坍度並具有高粗集料的條件下提升可泵性。
製備具有砂漿光暈(mortar halo)、表面過剩(excess surface)及邊緣泌水的混凝土配方。將此混凝土配方添加足夠達到重量為乾重0.1%至0.2%的純化凹凸棒土(Acti-Gel® 208)。砂漿光暈與水的光澤消失了，組合物也變得更懸浮，並具有均一的集料懸浮度。從而，使用純化凹凸棒土即足以具有優異的混凝土混合物穩定度。
相似的，製備添加過量的高效減水劑(high-range water reducer，HRWR)摻合物的失敗混凝土混合物。將失敗的高效減水劑混凝土配方添加足夠達到重量為乾重0.15%的純化凹凸 棒土(Acti-Gel® 208)。所得到的高效減水劑混凝土產物變得可用了。
製備下列組合物。
兩個組合物的差異在於，重量為乾重0.15%的Acti-Gel® 208的存在與否。第4A圖繪示抗壓強度(單位為psi)對日數(1、3、7及28日)的關係圖。對於每一日的數據，添加Acti-Gel® 208的樣品繪示在右，而對照組繪示在左。對於每一日的數據而言，添加Acti-Gel® 208的樣品的抗壓強度較大。
第4B圖繪示滲透性(單位為庫侖)對樣品的關係圖。對於每一日的數據，添加Acti-Gel® 208的樣品繪示在右，而對照組繪示在左。對於每一日的數據而言，添加Acti-Gel® 208的樣品的滲透性較小。
範例四
下列範例顯示了自充填混凝土的坍流度與J環流度(J-ring flow)。製備添加重量為乾重0.15%的Acti-Gel® 208的自充 填混凝土。坍度係由ASTM 1611所決定。
坍流度：25.0英吋(ASTM 1611)
T50：2.1秒(散布至約20英吋(500毫米)所需的流動時間)
視覺穩定指數：0，穩定混合
視覺穩定指數(visual stability index，VSI)：由試驗操作者所決定：視覺穩定指數為3代表高度析離，並有明顯的砂漿 光暈(最差)，視覺穩定指數為0代表無析離(最佳狀況)
本組合物不具砂漿光暈、可流動性高、無泌水、黏度良好、集料懸浮性優異，以及填充能力(filling ability)高。
由ASTM C 1621所決定之J環流度為23.8，代表穿越能力(passing ability)良好。本組合物不具可見的結塊，並具有良好的穿越能力。
進行管柱析離試驗，以決定添加16盎司/100W膠結物的商用黏度調節添加劑(viscosity modifying additive，VMA)的自充填混凝土、添加重量為乾重0.10%的Acti-Gel® 208的自充填混凝土，以及添加重量為乾重0.20%的Acti-Gel® 208的自充填混凝土，其上半部與下半部的百分比差異。結果如下所示，顯示相較於添加商用黏度調節添加劑，添加Acti-Gel® 208可降低析離現象的產生。
管柱析離
(上半部/下半部差異，單位為%)
1)添加0.10%的Acti-Gel® 208：1.1%
2)添加0.20%的Acti-Gel® 208：0.4%
3)添加商用黏度調節添加劑：11.8%
所得結果顯示Acti-Gel® 208相較於商用黏度調節添加劑可降低析離現象的產生。
範例五
本範例係有關於預鑄混凝土及減少晶穴(bugholes)。晶穴係由於混凝土的不穩定性導致水泥糊漿遠離集料的析離，以及陷入空氣(entrapped air)移動至新形成的混凝土介面(及/或至較少水之處)所造成的表面空洞。此些表面缺陷更常見於承載區域或其附近的垂直表面(例如支柱的底部或頂部)。為了解決此些問題，需要昂貴的維修。
製備具有重量為乾重0.75%的Acti-Gel® 208的預鑄混凝土。此預鑄混凝土固化時不具有晶穴、不析離，並具有堅硬的邊緣。具有其他種重量的Acti-Gel® 208的預鑄混凝土也可產生類似的效果。
使用Acti-Gel® 208可防止泌水、易滲漏的形式及複雜的形狀，例如防波堤防護石(breakwater armoring stones)。
範例六
本範例係有關於預鑄混凝土混合與設計的表現。製備下列預鑄組合物。
請注意矽灰與Acti-Gel® 208兩種成分。矽灰的百分 比為重量百分比。第5A圖繪示每一個組合物的強度對時間(20小時、24小時、48小時、72小時、7日、14日、28日，以及56日)的關係圖。第5B圖繪示對照組(無Acti-Gel® 208而有矽灰)與預鑄混凝土#3(有Acti-Gel® 208而無矽灰)的收縮量(單位為μm)對時間的關係圖。由此可知，可不使用矽灰或減少使用矽灰的量，然而仍具有更佳的可加工性、更高的強度，以及較低的收縮量。
範例七
本範例係有關於輕型混凝土，以及低坍混凝土的可泵性。製備下列預鑄組合物。
新拌混凝土之性質係示於組合物之下。請注意對照組混凝土之泵送後坍度為6.75英吋，而添加0.075%的Acti-Gel® 208的混凝土之泵送後坍度為4.5英吋。相較於添加0.075%的Acti-Gel® 208的混凝土，對照組混凝土之幫浦壓力高出6.4%，可轉化為低坍度混凝土的節能。
範例八
下列試驗係有關於噴射混凝土及其表面黏附(adhesion)、反彈(rebound)及強度。製備下列噴射混凝土組合物(每一立方碼之體積)。
於塑膠片上放置夾角為45度的兩片未強化木板(4英呎×4英呎×4英吋)，用以收集反彈材料。將一批2立方碼的噴射混凝土組合物推進通過軟管至木板的表面。
添加Acti-Gel® 208的噴射混凝土的反彈重量下降了71%。添加Acti-Gel® 208的噴射混凝土的28日圓柱強度(cylinder strength)也上升了15%。添加Acti-Gel® 208的噴射混凝土的28日核心強度(core strength)上升了33%。
本範例以及發明者所知的其他範例顯示於噴射混凝土中添加Acti-Gel® 208可達到早期強度(early age strength)。
舉例而言，第6A圖繪示混凝土的強度(單位為psi)對時間的關係圖。未添加Acti-Gel® 208的配方(0% AG)需要6.8小時達到1MPa。添加Acti-Gel® 208的配方(0.05% AG、0.075% AG以及0.10%AG)最少僅需要4.5小時(0.075% AG)即可達到1MPa。
舉例而言，第6B圖繪示混凝土的強度(單位為psi)對時間的關係圖。未添加Acti-Gel® 208而添加速凝劑組(set accelerator，SA)的配方(0% AG/100% SA)，相較於添加Acti-Gel® 208而添加不同量速凝劑組的配方(0.05% AG/50% SA、0.05% AG/75% SA以及0.10% AG/50% SA)，需要更多的時間達到1MPa。添加Acti-Gel® 208而未添加速凝劑組的配方(0.075% AG/0% SA)達到1MPa的速度最快。
添加Acti-Gel® 208使得達到1MPa的強度的時間縮短，從而允許早期再生(re-entry)。Acti-Gel® 208使其可不使用速凝劑組或減少使用速凝劑組的量。
範例九
本範例以及發明者所知的其他範例顯示，添加Acti-Gel® 208於噴射混凝土配方之中，可於垂直表面建立11英呎高的噴射混凝土。
類似的，製造乾版混凝土並於施用在架空表面之前潤濕。Acti-Gel® 208的存在，可產生原先並不指望於一般乾拌混凝土及相關應用上所看到的優異的內聚力與附著力。
本範例以及發明者所知的其他範例顯示，添加Acti-Gel® 208於噴射混凝土配方之中，可於噴塗應用中減少粉塵。
製備下列噴射混凝土的標準混合物及添加Acti-Gel® 208的混合物，並噴塗至網格狀岩石的表面。測量可被吸入的粉塵。Acti-Gel® 208的存在，可產生相較於不含Acti-Gel® 208的標準混合物而言，更少的粉塵(12.50mg/m3)。
本範例以及發明者所知的其他範例顯示，添加Acti-Gel® 208於噴射混凝土配方之中，可具有優異的內聚力。
範例十
本範例係有關於用於深基礎的混凝土。製備下列導管澆鑄混凝土(tremie concrete)之組合物。
於添加Acti-Gel® 208的組合物當中，僅有粗及細集料隨之而調整。所有的膠結性材料用量與對照組相比都相同。添加Acti-Gel® 208的組合物是穩定、貧乏的(lean)混合物，不會泌水並提升了強度。結果如第7A、7B圖所示。
第7A圖繪示每個組合物的強度對時間(1日、7日、14日、21日及28日)的關係圖。第7B圖繪示對照組(不含Acti-Gel® 208)與添加Acti-Gel® 208組合物於7日、14日、21日、28日及56日的收縮量(單位為μm)。由此可知，可含有普通波特蘭水泥(ordinary Portland cement，OPC)以及高的輔助膠結料(supplementary cementing material，SCM)之成分，並具有較佳的可加工性、較高的強度，以及減弱了的收縮量。
本範例以及發明者所知的其他範例顯示，添加Acti-Gel® 208於混凝土配方之中，可增稠(densification)糊漿並大 量減少大孔隙(macroporosity)。
本範例以及發明者所知的其他範例顯示，添加Acti-Gel® 208於混凝土配方之中可抗沖蝕。
本範例以及發明者所知的其他範例顯示，添加Acti-Gel® 208於混凝土配方之中，可於流體靜壓力下防止泌水。
本範例以及發明者所知的其他範例顯示，添加Acti-Gel® 208於混凝土配方之中，可具有較高的生胚強度。
本範例以及發明者所知的其他範例顯示，添加Acti-Gel® 208於混凝土配方之中，可具有高形狀穩定性(shape stability)、提升表面光度，或減少傾斜摩擦(incline friction)。
範例十一
下列組合物係製備用來試驗添加Acti-Gel® 208與未添加之組合物中，減緩由鹼-矽酸鹽反應所造成的混凝土體積膨脹。
本範例以及發明者所知的其他範例顯示，添加Acti-Gel® 208可減緩由鹼-矽酸鹽反應所造成的混凝土體積膨脹。結果如第8圖所示，指出對照組(未添加Acti-Gel® 208)的砂漿/水泥於第16日所測量得到的體積膨脹為0.281%(第五個資料點)，而添加Acti-Gel® 208的砂漿(混合物2、混合物2A、混合物3以及混合物3A)僅具有微小到可忽略的體積膨脹。混合物1加入了佔重量之25%的F級飛灰作為習用的鹼-矽酸鹽反應處理，在減緩膨脹上僅具有少量的效果。
綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
(1)、(1a)、(1b)、(2)、(2a)、(2b)、(3)、(3a)、(3b)、(4)、(4a)、(4b)、(5)、(5a)、(5b)‧‧‧製程

Claims (20)

  1. 一種組合物，包括：一或複數個膠結性黏合劑，其重量係介於該組合物之乾重的0.5%至75%之間；以及選自於重量介於該組合物之乾重的0.01%至4.00%之間的凹凸棒土(attapulgite)、重量介於該組合物之重量的0.1%至6%之間的海泡石(sepiolite)，及重量介於該組合物之重量的0.05%至5%之間的坡縷石(palygorskite)中的至少其中一者。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之組合物，更包括份量介於0.2至0.7 W/C的水，其中W為該水的質量，C為該或該些膠結性黏合劑的乾質量。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之組合物，其中該份量W/C介於0.35至0.60之間。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之組合物，其中該組合物之形式係選自於混凝土、水泥糊漿(cement paste)以及砂漿(mortar)。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之組合物，其中該凹凸棒土之重量係介於該組合物之重量的0.02%至0.7%之間。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之組合物，其中該凹凸棒土之重量係介於該組合物之重量的0.03%至0.15%之間。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之組合物，其中該凹凸棒土係為純化凹凸棒土。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之組合物，其中該凹凸棒土係為純化凹凸棒土，該凹凸棒土之重量係介於該組合物之乾重的0.01%至4.00%之間。
  9. 如申請專利範圍第5項所述之組合物，其中該或該些膠結性黏合劑之重量係介於該組合物之重量的0.5%至75%之間。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之組合物，其中該或該些膠結性黏合劑係選自於波特蘭水泥(Portland cement)及石灰。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之組合物，更包括一或複數個集料，其重量係介於該組成物之乾重的10%至80%之間。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之組合物，更包括一或複數個摻合物，其重量係介於該或該些膠結性黏合劑之重量的0.02%至4%之間。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之組合物，其中該或該些膠結性黏合劑更包括一或複數個輔助膠結性材料。
  14. 一種製造一組合物的方法，包括：混合一或複數個膠結性黏合劑，以及選自於凹凸棒土、海泡石及坡縷石中的至少其中一者，以形成一所得組合物，其中該或該些膠結性黏合劑之重量係介於該組合物之乾重的0.5%至75%之間，該凹凸棒土於選中時其重量係介於該組合物之乾重的0.01%至4.00%之間，該海泡石於選中時其重量介於該組合物之重量的0.1%至6%之間，該坡縷石於選中時其重量介於該組合物之重量的0.05%至5%之間。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之方法，更包括混合份量介於0.2至0.7 W/C的水，其中W為該水的質量，C為該或該些膠結性黏合劑的乾質量。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之方法，其中該組合物不包括一定型劑。
  17. 一種製造一組合物的方法，包括： 混合一或複數個膠結性黏合劑、凹凸棒土及份量介於0.2至0.7 W/C的水，其中W為該水的質量，C為該或該些膠結性黏合劑的乾質量，以形成一所得組合物；以及於一噴射混凝土製程(shotcrete process)噴灑該所得組合物以形成一結構，其中該或該些膠結性黏合劑之重量係介於該組合物之乾重的0.5%至75%之間，該凹凸棒土之重量係介於該組合物之乾重的0.01%至1.00%之間。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之方法，其中該噴射混凝土製程為一濕拌(wet-mix)噴射混凝土製程。
  19. 如申請專利範圍第17項所述之方法，其中該噴射混凝土製程為一乾拌(dry-mix)噴射混凝土製程。
  20. 如申請專利範圍第17項所述之方法，更包括形成10英吋或更多的噴射混凝土於一垂直表面。
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