具有低堿性的高強度磷酸鹽基水泥的制作方法

專利名稱：具有低堿性的高強度磷酸鹽基水泥的制作方法
具有低堿性的高強度磷酸鹽基水泥
背景技術：
由于許多原因，水泥通常用作建筑材料。它們可被成形或模制成幾乎任何形式。液體水泥漿體可被澆鑄至模具中以制造產品，如混凝土砌塊。漿體也可用于形成灌入式水泥地板或墻壁。已知自流平的且隨時間產生高強度的地板組合物。用于膠結粘合材料的典型組合物包含硅酸鹽水泥(如波特蘭水泥)、沙子或其他聚集體、水和針對預期用途的添加劑。例如，如果用途為灌入式地板，則添加劑可包括流化劑以使地板自流平。可提供緩凝劑以提供將表面加工至光滑強飾面的長的開放時間。任選加入石膏以改進凝固混合物的濕強度。將水添加至膠結材料引發化學水合反應。在放熱反應中，水化學結合至膠結材料，從而形成形狀取決于原料的晶體。通常使用多種膠結材料來制備具有晶體的組合物，所述晶體具有特定形狀或產生某些強度特性。隨著水合晶體形成，它們變成交織的晶體基質。晶體基質的強度取決于晶體彼此分離的容易程度。緩慢干燥水泥增加了建設所需的成本和時間。一些分包商在例如灌注地板之后無法工作，因為地板不具有充分的強度來承受工人和他們的設備的重量。本領域需要一種膠結組合物，其快速硬化且快速產生強度。大多數膠結組合物的另一缺點在于它們是高腐蝕性的。如果高腐蝕性的水泥漿體接觸皮膚，則其是刺激性的。它們也可導致用于瓷磚或地毯的粘合劑的降解。還需要一種膠結組合物，其PH更低，從而可與和其接觸的人和產品更相容。

發明內容
用于制備高強度磷酸鹽水泥的混合物包含磷酸一鉀、約20至約100份/100份磷酸一鉀的量的IIA族金屬氧化物、和約3至約30份/100份磷酸一鉀的量的正磷酸一鈣。由磷酸鹽水泥制得的產品具有小于約9的pH，且所述產品在24小時內具有大于13.5兆帕(2000psi)的壓縮強度。當本發明的磷酸鹽基混合物與水混合時，其具有極快速的凝固特性。通過改變原料比例，水泥的凝固時間可由即時凝固變化至自混合之時起數小時。凝固時間的這一多樣性使其成為許多應用中的極有用的混合物。通過選擇原料比例，也可改變水泥硬度。已制得水泥混合物，其在混合原料的2小時內產生超過41兆帕(6000psi)的壓縮強度。本發明的組合物的另一優點在于調節硬化材料的pH的能力。任選制備pH在約
7.0至9.0、優選約7.0至約8.0范圍內的硬化水泥。對pH的更好控制產生更小的腐蝕性、與其他建筑材料更好的相容性，并使水泥對使用者更友好。


圖1為表I中的數據的圖，顯示了 MCP和MgO量對干燥水泥的pH的影響；圖2為表I的數據的圖，顯示了 MCP和MgO量對24小時壓縮強度的影響；
圖3為表I中的數據的圖，顯示了 MCP和MgO量對7天濕壓縮強度的影響；圖4為表I中的數據的圖，顯示了 MCP和MgO量對7天壓縮強度的影響。
具體實施例方式本發明涉及干燥磷酸鹽基混合物。本文所述的術語“混合物”旨在指干燥混合物。通過將混合物與水混合而獲得的粘結劑組合物稱為“水泥”。除非另外指出，稱為“份”的所有百分比、比例或量是基于組分或組分的組合的重量。磷酸鹽基混合物的基本組分包括磷酸一鉀(“MKP”)、IIA族金屬氧化物和正磷酸一鈣(“MCP”)。磷酸鹽基水泥混合物的一個基本組分為磷酸一鉀。合適的MKP的一個例子可得自ICL Performance Products LP (密蘇里州圣路易斯)。金屬氧化物優選為氧化鎂(“MgO”或苦土)。氧化鎂通常通過燃燒鎂化合物而獲得，且MgO以三種形式制得:輕燒、過燒和重燒。輕燒MgO是最有活性的。其在700° C至約1000° C的溫度下燃燒。過燒在1000° C至約1500° C的溫度下制得。重燒或燃燒過度的MgO在最嚴苛的過程條件下制得，并具有最小的活性。該耐火級別的苦土在1500° C以上的溫度下煅燒。過燒和重燒的氧化鎂級別在磷酸鹽基水泥混合物中是最有用的。MgO的建議來源為Martin Marietta Magnesia Specialties (馬里蘭州巴爾的摩)。在混合物的一些實施例中，金屬氧化物以20份至約100份金屬氧化物/100份MKP的量，或以小于80份金屬氧化物/100份MKP的量使用。一些實施例使用約40份至約80份的量(基于相同的基礎)的金屬氧化物。任選地，金屬氧化物為約50份至約70份/100份MKP。混合物的另一組分為正磷酸一鈣(“MCP”)。在一些實施例中，MCP以約3至約30份/100份MKP的量使用。一些其他實施例使用以100份MKP計約7.5至約30份的量的MCP。一些其他實施例使 用以100份MKP計約12.5至約20份的量的MCP。MCP來源的一個例子為ICL Performance Products LP (密蘇里州圣路易斯)。所述混合物任選包含一種或多種無機礦物質或填料添加劑，如飛灰、硅粉、浮石、硅藻土、珍珠巖、偏高嶺土、爐渣、壓碎的二氧化硅、石膏、金屬碳酸鹽、滑石、云母、沙子、中空玻璃微球、中空陶瓷微球、中空塑料微球或它們的組合。預期礦物質或填料添加劑以任何可得的形式使用。舉例而言，飛灰可用作C級或F級飛灰；石膏可以二水合物、半水化合物或無水石膏的形式存在；或者珍珠巖可為其天然形式或為膨脹的。當礦物質或填料添加劑存在于組合物中時，它們以至多約400重量份(以100份組合的MKP加上MgO加上MCP計)的量存在。當飛灰為礦物質或填料添加劑時，其可用于取代水泥混合物的任意主要組分，包括以100份組合的MKP加上MgO加上MCP計至多4份飛灰的量的MKP、金屬氧化物或MCP，并同時保持令人滿意的機械性能。凝固且干燥的水泥的密度可為約160至約2400Kg/m3( 10至約150磅/立方英尺)。產品的一些實施例具有約960至約1600Kg/m3 (60至約100磅/立方英尺)或約1120至約1440Kg/m3 (70至約90磅/立方英尺)的密度。可使用數種方法中的任意種來改變密度，包括添加泡沫或使用輕質填料。輕質填料任選包括膨脹珍珠巖、中空微球和它們的組合。當使用泡沫降低密度時，任選在混合之前將發泡劑加入至水泥混合物，或者任選將預生成的泡沫與共混水泥混合物組合。
增強材料任選在產品(如面板芯)表面上使用以增加強度。一種選擇是將離散纖維加入至用于制造面板芯的流體水泥中。合適的離散纖維的例子包括切碎的E玻璃纖維、玄武巖纖維、耐堿玻璃纖維、水泥纖維、聚合物纖維(如PVA、聚丙烯、聚乙烯、尼龍)、纖維素纖維、金屬纖維和它們的組合。另一選擇是將連續纖維加入至流體水泥中。連續增強件的例子包括玻璃纖維網、玻璃氈、陶瓷纖維、Kevlar纖維、聚丙烯、聚乙烯、聚酯、聚氯乙烯、尼龍纖維或它們的組合。任意連續或離散增強件也可用于由水泥制得的面板表面上。也預期使用增強件的任意組合，例如在建筑面板的芯中使用離散纖維，并在建筑面板的表面上使用連續增強件。水泥漿體的另一方面為pH。水泥的一些實施例具有小于約9的pH。多個優選實施例也具有小于約8的pH。另一可用的pH范圍為約7.0至約8.5。改變MKP、MgO和MCP的比例以獲得滿意的pH。為了降低pH，相對于MKP和MCP的量降低MgO的比例。由該產品獲得的產品也具有高強度。在一些實施例中，水泥用于制備自流平地板產品，所述自流平地板產品具有在24小時內獲得的大于10兆帕(1500psi)或在24小時內大于13.5兆帕(2000psi)的壓縮強度。在自流平地板產品的一些實施例中，在24小時內獲得大于20兆帕(3000psi)的壓縮強度。在多個實施例中，在2小時內獲得大于20兆帕(3000psi)的壓縮強度。例如，快速凝固和強度增長有利于地板材料，使得承包商可在灌注水泥之后很快繼續他們的工作。本說明書中所用的“強度”為總體材料強度的量度。這是為了與表面硬度區分，表面硬度不必然描述從中自始至終較強的物質。混合物為干燥粉末，其 與水組合以制備可流動膠結漿體。水以足以獲得適于預期用途的稠度的量使用。在一些實施例中，加入水以制備可流動漿體。其他用途需要可噴霧的漿體。當制備地板產品時，通常重要的是具有自流平漿體。通常自流平漿體相比于完工地板需要更多的水，然而，也可通過添加分散劑或已知為此目的的其他化學品而實現增加的可流動性。在一些實施例中，水以約5至約45份水/100份干燥混合物的量使用。其他實施例使用約7.5至約40份/100份干燥混合物范圍內的水。在其他實施例中，水以約10至約30份/100份干燥混合物的量加入。用于制造水泥的水應盡可能純，以最佳控制漿體和凝固產品的性質。公知由促進劑廣泛變化至凝固抑制劑的鹽和有機化合物改變水泥的凝固時間。當互鎖晶體基質形成時，一些雜質導致結構的不規則，從而降低凝固產品的強度。通過使用盡可能不含污染物的水，由此提高產品強度和稠度。膠結漿體的組分可以以本領域已知的任何方式進行組合。在一些實施例中，將所有干燥組分組合在一起并裝袋作為干燥混合物銷售。在施工現場，干燥混合物與水混合以形成漿體。制備漿體的另一方法是在混合器中加入組合的干燥組分。一些干燥組分也可與其他組分分開而連續或同時加入水中。使用本發明的一些實施例，可實現極快速的硬化。應注意，組分的組合和混合足夠快速地發生，使得漿體在被成形成產品之前不會凝固。使用本發明的磷酸鹽基水泥可制造多種產品，包括但不限于結構面板、屋頂襯墊材料、可澆注襯墊材料、屋頂瓷磚、外墻護墻板構件、具有實心或中空部分的結構形狀、修補材料、薄固灰漿或薄漿、涂層或用于邊坡穩定的噴射混凝土。當用于制造結構面板時，任選將水泥漿體注入模具，或者通過本領域已知的任何方法使用連續澆鑄過程制造面板。膠結面板用于地板、屋頂和護套應用。所述面板任選用離散纖維(如切碎的E玻璃纖維、玄武巖纖維、陶瓷纖維、聚合物纖維、金屬纖維等)增強。另一選擇是使用連續增強件，如玻璃纖維網、玻璃氈、玄武巖墊、網片、由有機材料或無機材料(如陶瓷纖維、Kevlar纖維、聚丙烯、聚乙烯、聚酯、聚氯乙烯、尼龍等)制得的稀松布和非織造墊。水泥漿體從混合器中流出，以沉積至可移動表面，其或者直接沉積至表面上，或者直接沉積至面層上。任選的面層為紙、玻璃纖維、稀松布、塑料片材或其他已知的面層材料。任意增強材料可在面板的表面上、在面板的芯中、或同時在面板的表面上和面板的芯中。預期任意這些增強材料與任意其他增強材料組合、離散纖維和連續墊在一起使用或者離散纖維存在于面板的芯中，且連續纖維墊在面板表面上。本發明的另一實施例為應力蒙皮面板。這些面板可用作內部或外部背襯板應用、可用作墻面板、可用作外模板、可用作屋頂襯墊材料。根據本發明的應力蒙皮面板可在水泥上使用蒙皮增強材料制得。蒙皮增強材料的例子包括但不限于玻璃纖維網、玻璃氈、玄武巖墊和網片、由其他無機材料或有機材料(如陶瓷纖維、Kevlar纖維、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、陶瓷纖維、聚合物纖維(如聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、尼龍)、纖維素纖維、金屬纖維等)制得的非織造墊。這些面板也可用作屋頂襯墊材料、防護板、絕緣板、天花板瓷磚和面板。通過將水泥直接澆鑄至由地板所占據的空間中而制得地板襯墊材料。地板襯墊材料可為自流平型，或者可被澆注并使用常規精整工具進行精整。由于添加分散劑或改進流動性的其他添加劑，因此自流平水泥通常比其他襯墊材料粘度更低。另外的水也可用于使襯墊材料可流動，但使用過多的水也可能降低產品的強度。可澆注組合物也可用作混凝土板和其他物質上的覆蓋襯墊材料。本發明的一些實施例為可成形的，但不是自流平的。這些實施例包括但不限于例如用于道路的修復和修補材料、薄固灰漿、灌漿材料和用于墻板、水泥板和其他應用的接合化合物。磷酸鹽基水泥也預期用作涂料，包括膠結涂料、可噴霧涂料和用于邊坡穩定的噴射混凝土和隧道襯砌。該組合物可用于其中強且快速的凝固以及快速的初期強度有利的任何應用。本發明的其他實施例為屋頂瓷磚、外墻護墻板構件、墻板、地板面板、屋頂面板、具有實心或中空部分的結構形 狀、合成陶瓷瓷磚和人造石。實例制備一系列組合物，以測試混合物中酸式磷酸鹽、金屬氧化物和正磷酸一鈣粘結劑的相對量。選擇重燒氧化鎂作為金屬氧化物，磷酸一鉀為酸式磷酸鹽的一個例子。除了表I所示的MKP、MgO和MCP的量之外，每個水泥樣品也包含360克稱為FILLITE 500 的填料、450克水和12克硼酸。在表I中，標記“24Hr.”的欄為以psi (牛頓/平方厘米)計的24小時壓縮強度，“7天濕潤”為以psi (牛頓/平方厘米)計的七天濕壓縮強度，且“7天干燥”為以Psi (牛頓/平方厘米)計的七天壓縮強度。記錄的pH為硬化產品材料的pH。表I
權利要求
1.一種用于制備高強度水泥的磷酸鹽混合物，所述磷酸鹽混合物包含: 磷酸一鉀； 約20至約100份/100份所述磷酸一鉀的量的IIA族金屬氧化物；和 約3至約30份/100份所述磷酸一鉀的量的正磷酸一鈣； 其中選擇磷酸一鉀、IIA族金屬氧化物和正磷酸一鈣的比例，使得凝固產品具有小于約9的pH，且所述凝固產品在24小時內具有大于13.5兆帕(2000psi)的壓縮強度。
2.根據權利要求1所述的磷酸鹽混合物，其中所述IIA族金屬為鎂。
3.根據權利要求2所述的磷酸鹽混合物，其中所述氧化鎂為過燒或重燒氧化鎂。
4.根據權利要求1所述的磷酸鹽水泥混合物，其還包含填料，所述填料選自沙子、中空玻璃微球、中空陶瓷微球、中空塑料微球、浮石、膨脹珍珠巖、娃藻土和它們的組合。
5.根據權利要求1所述的磷酸鹽混合物組合物，其還包含離散的增強纖維。
6.根據權利要求1所述的磷酸鹽混合物，其還包含連續增強材料。
7.一種磷酸鹽基水泥漿體，其包含: 根據權利要求1所述的組合物；和 水，所述組合物和水已組合以制備可流動漿體。
8.一種制備膠 結產品的方法，所述方法包括: 獲得根據權利要求7所述的漿體； 使所述漿體成形，以形成膠結產品；以及 使所述漿體硬化。
9.根據權利要求8所述的方法，其中所述成形步驟還包括形成地板產品。
10.根據權利要求8所述的方法，其中所述成形步驟還包括形成面板產品。
全文摘要
本發明公開了一種用于制備高強度磷酸鹽水泥的混合物，其包含磷酸一鉀、約20至約100份/100份磷酸一鉀的量的IIA族金屬氧化物和約3至約30份/100份磷酸一鉀的量的正磷酸一鈣。由所述磷酸鹽水泥制得的產品具有小于約9的pH，且所述產品在24小時內產生大于2000psi的壓縮強度。
文檔編號C04B28/34GK103140453SQ201180047985
公開日2013年6月5日 申請日期2011年10月18日 優先權日2010年10月21日
發明者A·迪比 申請人:美國石膏公司