專利名稱：用于可水合的水泥組合物的含粘土人工砂的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及人工砂在可水合的水泥質(zhì)(cementitious)組合物中的應(yīng)用，更具體地涉及粘土緩解(clay-mitigated)的人工砂粒和水洗天然砂粒的共混物,其具有特定篩分粒度、可用于制備混凝土或砂漿組合物，所述混凝土或砂漿具有優(yōu)異的流變和可修整特性。
背景技術(shù)：
砂是一種細(xì)骨料材料，與可水合水泥結(jié)合制備砂漿，并且當(dāng)還包括碎石時，制得混凝土。砂粒的最大尺寸通常為5_以下，并且可以是天然的或人工的。

圖1是已經(jīng)風(fēng)化多年的典型的天然砂粒的顯微照片。這些砂?？赡軄碜杂诒ā_積、或者海洋沉積物，并具有大致球狀外形和相對光滑的表面。對于在混凝土中控制流變性(在水需求方面)和可修整性來說，與人工砂相比天然砂的外形更加有利。圖2是人工砂的顯微照片。此類型的砂具有差異極大的顆粒形態(tài)和表面結(jié)構(gòu)。所述顆粒具有帶尖角的棱角形態(tài)和橢圓形和/或扁長的外形。人工砂取自于地層并由機(jī)械設(shè)備粉碎(往往分多個階段)，從而產(chǎn)生棱角外形。天然砂的光滑外觀與人工砂的粗糙、棱角外觀明顯不同。一堆(或許多)天然砂粒傾向于以流體的方式平滑流動；而一堆人工砂傾向于抵制流動。在制備混 凝土和制備混凝土結(jié)構(gòu)時，人工砂的使用表現(xiàn)出三個顯著的問題。第一個顯著的問題是粉碎過程產(chǎn)生過量的細(xì)粉。天然砂通常包含少于5%的細(xì)于75或63微米篩的材料，而人工砂通常具有10%至20%的細(xì)于75或63微米的材料(如果水洗，則在水洗之前)。根據(jù)這些細(xì)粉以及混凝土混合物中的其他成分的形狀和粒度分布，所述細(xì)粉可能是對混凝土流變性有益或有害的。另外，該細(xì)粉的增加會導(dǎo)致泌水的減少，或到達(dá)混凝土表面的水量的逐漸上升。在熱、風(fēng)、和/或干燥氣候下，從混凝土表面蒸發(fā)的水必須被從混凝土內(nèi)部向上遷移的水所代替；否則可能會發(fā)生混凝土的塑性開裂。第二個顯著的問題是人工砂可能包含有害的粘土礦物。粘土是含水的層狀硅酸鋁，包含四面體和八面體片層。層以及各層之間的陽離子的確切性質(zhì)決定了粘土的特性。膨脹粘土在層之間包含可交換的陽離子，其是可以被水合的，導(dǎo)致層的間距的增加(脹大)。相反地，在非膨脹粘土如伊利石、云母、和高嶺土中，各層緊密結(jié)合在一起。粘土表現(xiàn)出表面電荷并具有非常細(xì)的顆粒尺寸(通常小于2微米)。因為會增加實現(xiàn)所需的混凝土流變性所需的水量，膨脹和非膨脹粘土都對混凝土的特性有負(fù)面影響。非膨脹粘土的作用主要來自于小的粒徑、表面電荷、和較差的顆粒形狀。例如，云母具有平的、奇怪的顆粒形狀并且會在剪切時(例如在混凝土攪拌時)破裂，從而導(dǎo)致非常差的混凝土和易性。通常認(rèn)為膨脹粘土比非膨脹粘土對混凝土流變性具有更大的影響，因為其能夠膨脹并消耗來自混凝土混合物的自由水。此外，膨脹混凝土還已知會阻礙聚羧酸型高效減水劑起作用。此聚羧酸型高效減水劑會吸附在水泥顆粒上并會將它們分散在水性漿料或糊中。膨脹粘土妨礙此功能，并在多數(shù)情況下，需要使用更大量的減水劑來在塑性混凝土中獲得給定水平的和易性。
第三個顯著的問題是從砂中洗去過量細(xì)粉和粘土不僅僅帶來了成本增加和處置的問題，也在混凝土或砂漿中產(chǎn)生了潛在的負(fù)面影響。如果洗滌量不足，必定會有一些粘土留在砂中，影響聚羧酸分散劑的作用；但是如果過多的細(xì)粉被洗去，這會導(dǎo)致細(xì)粉的缺乏(一定最低量的細(xì)粉是有利的)，其反過來對混凝土的流變性產(chǎn)生不利影響。而且，洗滌細(xì)粉無法避免上述人工砂的流變性和可修整性缺陷。盡管上述人工砂的顯著問題可以通過在混凝土中增加水或化學(xué)外加劑來在一定程度上解決，但是這些方法會產(chǎn)生出額外的問題。水含量的增加(用于改善和易性)趨向于降低混凝土的強(qiáng)度和耐久性。水泥和/或化學(xué)外加劑的量的增加可以彌補(bǔ)這個問題，但是這會增加成本，也無法解決由于使用人工砂造成的泌水和可修整性問題?，F(xiàn)有的技術(shù)手段可以檢測用于制備混凝土的砂骨料中所含粘土的水平和緩解其影響。然而，這些技術(shù)手段不能解決如上所述的使用人工砂所造成的顯著問題。因此，對于在可水合的水泥質(zhì)組合物例如混凝土中使用的含粘土人工砂的處理，需要一種新穎的和創(chuàng)造性的組合物和方法。本發(fā)明提供了一種用于緩解粘土在最小化其對混凝土和易性和/或在混凝土中使用的聚合物分散劑用量效率方面的有害影響的組合物和方法。本發(fā)明的內(nèi)容本發(fā)明有助于解決前述在制備混凝土和混凝土結(jié)構(gòu)時使用含粘土人工砂的問題。本文所使用的術(shù)語“人工砂?！笔侵妇哂型ㄟ^機(jī)械粉碎或研磨產(chǎn)生的棱角外形(例如，尖角、橢圓形、和/或·扁長外形)的顆粒。另一方面，術(shù)語“天然砂?！笔侵妇哂写笾虑驙钔庑蔚耐ㄟ^自然風(fēng)化過程所產(chǎn)生的顆粒。根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施方式，人工砂粒，其含有粘土且具有至少0.5mg/g的亞甲基藍(lán)值，在將人工砂粒與水洗天然砂結(jié)合前，通過將人工砂粒與粘土緩解聚陽離子化合物(優(yōu)選環(huán)氧氯丙烷二甲胺(EPIDMA)，聚二烯丙基二甲基胺(DADMAC)，或其混合物)混合進(jìn)行預(yù)處理。本文所使用的術(shù)語“水洗”是指被洗滌過一次或多次以除去細(xì)粉的天然砂，使得至少90%重量的天然砂粒保留在75微米篩上。通過將砂組合物與可水合的水泥，并可選地與粗骨料、聚羧酸型高效減水劑、和至少一種聚羥基或羥基羧酸或其鹽(例如，葡糖酸鹽)結(jié)合，來制備包含該預(yù)處理過的人工砂和水洗砂的摻合砂，摻合砂可以用于制備混凝土或砂衆(zhòng)。由此，本發(fā)明的一個用于制備在可水合的水泥質(zhì)組合物中使用的砂組合物的示例性方法包括:(A)提供人工砂粒，其具有棱角外形和使得5% -30% (并更優(yōu)選10% -30% )的所述砂粒通過75微米篩的顆粒尺寸，所述人工砂粒進(jìn)一步具有粘土，使得所述人工砂具有至少0.5mg/g的亞甲基藍(lán)值(由已知的方法測定，例如，EN 933-9);和(B)通過將所述含粘土人工砂粒與選自環(huán)氧氯丙烷二甲胺和聚二烯丙基二甲基胺的至少一種粘土緩解聚陽離子化合物混合，對它們進(jìn)行預(yù)處理，基于活性聚陽離子化合物的重量對處理的砂的重量，所述粘土緩解聚陽離子化合物的用量為0.01%至0.5% ;和(C)將所述預(yù)處理過的含粘土人工砂粒與具有大致球狀外形的水洗天然砂粒摻合，其中所述天然砂被洗滌除去細(xì)粉，以達(dá)到至少90%重量的天然砂粒保留在75微米篩上的程度，且其中人工砂粒與水洗天然砂粒的重量比在10-90: 90-10的范圍之內(nèi)。本發(fā)明還涉及可水合的水泥質(zhì)組合物，其包含可水合的水泥和根據(jù)上述方法制備的砂組合物。優(yōu)選的是水泥質(zhì)組合物具有至少一種聚羧酸水泥分散劑，和，更優(yōu)選地，進(jìn)一步具有至少一種聚羥基或羥基羧酸或其鹽(例如葡糖酸鈉是最優(yōu)選的)。本發(fā)明還涉及使前述的人工砂與水洗天然砂的摻合物與可水合水泥、至少一種聚羧酸水泥分散劑和至少一種聚羥基或羥基羧酸或其鹽結(jié)合的方法。本發(fā)明的上述方 法被認(rèn)為是反直覺的，因為在第一種情形下人們通常會考慮添加聚羧酸高效減水劑，或與粘土緩解材料同時，來對抗由人工砂所造成的對混凝土流變性的潛在損害。本發(fā)明人認(rèn)為在將人工砂與天然砂(包括含粘土天然砂)結(jié)合并用于制備混凝土之前，首先使用聚陽離子進(jìn)行預(yù)處理，在解決由人工砂的使用所造成的顯著問題中提供了靈活性和更大的功效，并提供了一種具有極好的流變性和可修整特性的混凝土。本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)點和特征將在下文中進(jìn)一步詳細(xì)描述。附圖簡要說明通過考慮下面對示例性實施方案的書面描述并結(jié)合附圖，更易于領(lǐng)會本發(fā)明的優(yōu)點和特征，其中圖1是天然砂粒的顯微照片；和圖2是人工砂粒的顯微照片。對示例實施方案的詳細(xì)說明本文使用的術(shù)語“水泥”包括可水合的水泥和波特蘭水泥，其是通過粉碎由水硬性硅酸鈣和作為相互研磨添加劑的一種或多種形式的硫酸鈣(例如石膏)組成的熟料制得的。通常，波特蘭水泥與一種或多種輔助水泥質(zhì)材料相結(jié)合，如粉煤灰、粒狀高爐礦渣、石灰石、天然火山灰、或其混合物；并作為一種摻合物提供。本文使用的術(shù)語“水泥質(zhì)”是指包含波特蘭水泥或以其他方式在混凝土和砂漿中起到粘結(jié)劑功能將細(xì)骨料(例如砂)，粗骨料(例如碎石)，或其混合物結(jié)合在一起的材料。本文使用的術(shù)語“可水合的”是指可以通過與水的相互化學(xué)作用硬化的水泥或水泥質(zhì)材料。波特蘭水泥熟料是主要由水合硅酸鈣組成的部分熔融體(fused mass)。硅酸鈣實質(zhì)上是硅酸三鈣(3Ca0 SiO2在水泥化學(xué)家符號中為“C3S”)與硅酸二鈣(2Ca0 SiO2,“C2S”)的混合物，其中前者是主要形式，帶有較少量的鋁酸三鈣(3Ca0 ^Al2O3ZC3Al和鐵招酸四 I丐(4CaO Al2O3 Fe2O3, “C4AF”)。例如參見，Dodson, Vance H.，ConcreteAdmixtures(Van Nostrand Reinhold, New York NY 1990),第 I 頁。本文使用的術(shù)語“混凝土”一般是指包含水泥、砂、通常粗骨料(如碎石或礫石)、和可選地一種或多種化學(xué)外加劑(例如，聚羧酸水泥分散劑)的可水合的水泥質(zhì)混合物。術(shù)語“和易性”描述了混凝土混合、處理和放置的相對容易程度。幾乎所有的混合成分都影響和易性，但通常通過調(diào)節(jié)水含量來增加或降低和易性。因此，需要更多的水來達(dá)到給定的和易性的混凝土可以說成具有更高的“需水量”。最常見的是通過坍落試驗來測量混凝土的和易性，其中混凝土被置于平頭圓錐形的模具中。移去模具，混凝土塌陷的垂直距離被測定為坍落度。術(shù)語“流變性”的意思是指物料流動的科學(xué)研究。特別地，在本文中流變性被用來描述混凝土或砂漿的和易性。術(shù)語“可修整性”是指進(jìn)行最終表面修整(例如，地板的平滑修整)的容易程度。修整工作包括抹平、磨光、和抹光。
人工砂和天然砂的定義為之前背景技術(shù)中所提供的，并且也被并入此處。人工砂在工業(yè)中是常用的，市售自Heidelberg-Hanson, Boral Industries,Holcim,Wagner,和其他供應(yīng)商。破碎機(jī)是通常用來將大骨料的尺寸減小至在建筑材料中通常使用的砂粒尺寸。人工砂的亞甲基藍(lán)值可以通過混合已知質(zhì)量的亞甲基藍(lán)染料與已知質(zhì)量的砂來確定。所述亞甲基藍(lán)染料被吸附在粘土的表面。被粘土消耗的亞甲基藍(lán)染料被表示為每單位量砂的亞甲基藍(lán)量(例如，每克砂的亞甲基藍(lán)毫克數(shù))。有多種方法可用于確定亞甲基藍(lán)值。例如，EN 933-9和AASHTO T330都用滴定來確定被粘土吸附的亞甲基藍(lán)的量。其他方法加入超過了被粘土所消耗的量的亞甲基藍(lán)染料量，然后測定溶液中的亞甲基藍(lán)染料濃度的變化來確定被粘土消耗的量。天然砂?？梢酝ㄟ^多種方法洗漆。例如，螺絲驅(qū)動(augur-driven)設(shè)備被用于使較重的和較大的顆粒能夠與要被洗掉的細(xì)粉顆粒分離。水力旋流器采用在漏斗內(nèi)的加壓水的氣旋作用，分離較大、較重的顆粒，同時較小、較輕的顆粒被撇掉除去。砂也可以使用砂分級機(jī)來洗滌，砂隨水流過類似矩形的盒子，產(chǎn)生粒度梯度，從而較重、較大的顆粒更快地沉淀，各種尺寸的顆?？梢酝ㄟ^矩形盒子底部的孔被選擇性地除去。因此，用于本發(fā)明的天然砂粒將被進(jìn)行至少一 次上述的某一種洗滌方法，以除去細(xì)粉顆粒，使得90%重量的水洗天然砂?？梢员Ａ粼?5微米篩上。如之前上文概述的，本發(fā)明的制備在可水合的似水泥組合物中使用的砂組合物的示例性方法包括:(A)提供人工砂粒，其具有棱角外形以及和使得5%-30% (并更優(yōu)選10%-30% )的所述砂粒通過75微米篩的顆粒尺寸，所述人工砂粒進(jìn)一步具有粘土，使得所述人工砂具有至少0.5mg/g的亞甲基藍(lán)值(由已知的方法測定，例如，EN 933-9)；(B)通過將所述含粘土人工砂粒與選自環(huán)氧氯丙烷二甲胺和聚二烯丙基二甲基胺的至少一種粘土緩解聚陽離子化合物混合，對它們進(jìn)行預(yù)處理，基于活性聚陽離子化合物的重量對處理的砂的重量，所述粘土緩解聚陽離子化合物的用量為0.01%至0.5% ;和(C)將所述預(yù)處理過的含粘土人工砂粒與具有大致球狀外形的水洗天然砂粒摻合，其中所述天然砂被洗滌除去細(xì)粉，以達(dá)到至少90%重量的天然砂粒保留在75微米篩上的程度，且其中人工砂粒與水洗天然砂粒的重量比在10-90: 90-10的范圍之內(nèi)。含粘土人工砂粒的預(yù)處理包括，使用粘土緩解聚陽離子化合物預(yù)處理粘土，洗滌天然砂以除去細(xì)粉使得至少90%重量的水洗天然砂粒被保留在75微米篩上，和可以在骨料制造設(shè)備(通常位于采石場或礦山)上實現(xiàn)所述預(yù)處理過的人工砂與水洗天然砂的摻
口 ο摻合的砂組合物隨后將被移入混凝土設(shè)備，在其中砂將與可水合的水泥結(jié)合以制備混凝土或砂漿。在本發(fā)明的進(jìn)一步的示例性方法中，相應(yīng)地，摻合的砂組合物與水泥以及可選地與聚羧酸型水泥分散劑(高效減水劑)、粘土緩解聚陽離子化合物和至少一種聚羥
基或羥基羧基化合物結(jié)合。常規(guī)的聚羧酸型水泥分散劑是已知的并考慮在本發(fā)明中使用。該聚羧酸水泥分散劑也被稱為用于混凝土的減水劑或高效減水劑，并且除了其羧酸根/羧酸基團(tuán)，也可針對其氧化烯基團(tuán)來另外稱作，例如含有“Ε0/Ρ0”(例如，環(huán)氧乙烷和/或環(huán)氧丙烷)聚合物的減水劑。因此，考慮在本發(fā)明中使用的水泥分散劑包括EO/PO聚合物和EO/PO梳狀聚合物，例如在Jardine等的美國專利6，352，952B1和6，670，415 B2 (其中提到了 ff.R.Grace &C0.-Conn的美國專利5，393，343中教導(dǎo)的聚合物)中所記述的。這些聚合物可以以商品名“ADVA ”’從Grace獲得。另一個示例性水泥分散劑聚合物，也含有E0/P0基團(tuán)，是通過聚合馬來酸酐與可烯聚合的聚亞燒基(polyalkylene)得到的,如美國專利4，472，100教導(dǎo)的?；炷两M合物中使用的這種聚羧酸水泥分散劑的量可以與常規(guī)用量一致(例如，基于活性聚合物重量對水泥質(zhì)材料的重量，為0.05%至0.25% )?？杀挥糜陬A(yù)處理人工砂，以及加入混凝土或砂漿中的示例性粘土緩解助劑包括聚陽離子化合物，如環(huán)氧氯丙烷二甲胺(EP1-DMA)，其以商品名標(biāo)號“FL”，如FL-2250和FL-2340,由SNF市售；還如二烯丙基二甲基氯化銨(DADMAC)，其也由SNF市售(例如，以商品名 FL-4440)?？紤]用于本發(fā)明的示例性聚羥基或羥基羧基化合物，可以選自醛糖酸及其鹽，如葡糖酸，其他糖酸及其鹽，如檸檬酸、乳酸、酒石酸，和多元醇，如山梨糖醇、木糖醇、乳糖醇、麥芽糖醇和丙三醇，或其混合物。葡糖酸是優(yōu)選的，其特別是包括葡糖酸鈉。這類化合物的量可以是，例如，0.1至1000份每百萬份(ppm),更優(yōu)選l_500ppm,基于砂的總重量。其他常規(guī)的外加劑可以被用于使用本發(fā)明的砂組合物制備的混凝土和砂漿之中。例如，其他水泥分散 劑可以與聚羧酸型分散劑一同使用，其他粘土緩解材料可以與本文指定的聚陽離子化合物一同使用，包括但不限于胺、二醇、糖、纖維、和其他常規(guī)的外加劑和外加劑組合。盡管本文使用了有限數(shù)量的實施方案來描述本發(fā)明，但這些具體的實施方案不是為了限制本文中他處描述的和要求保護(hù)的本發(fā)明的范圍?？梢詫λ枋龅膶嵤┓桨高M(jìn)行調(diào)整和變化。更具體地，如下實施例是作為本發(fā)明所保護(hù)的實施方案的一種特定示例而給出的。應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明并不限定于實施例中所述的具體細(xì)節(jié)。除非另外指出，實施例(以及說明書的其余部分)中的所有份數(shù)和百分?jǐn)?shù)都是重量百分比。實施例1由255kg/m3水泥、90kg/m3粉煤灰、1015kg/m3石頭、和850kg/m3砂分批制備實驗室混凝土混合物。所述砂由水洗天然砂、水洗人工砂、和未水洗人工砂(亞甲基藍(lán)值為2.621^/8，13(%通過75微米篩)的摻合物組成。包含4.9%活性聚羧酸基分散劑聚合物和28.8%活性葡糖酸鈉的混凝土外加劑以1035ml/m3的比率加入。水與水泥質(zhì)材料的比率(w/cm)保持恒定在0.55.
結(jié)果在表I中顯示。在混合物2中增加人工砂的含量導(dǎo)致坍落和泌水與混合物I相比減少。對于混合物3，在未水洗人工砂與其他砂摻合以及引入其他混合成分(水泥、石頭、粉煤灰、水、外加劑)之前，使用骨料處理化學(xué)物質(zhì)(由50%活性環(huán)氧氯丙烷二甲胺溶液組成)直接對未水洗人工砂進(jìn)行預(yù)處理。添加比率為0.33%活性環(huán)氧氯丙烷二甲胺每單位質(zhì)量未水洗人工砂。在包含聚羧酸基聚合物和葡糖酸鈉的混凝土混合物中，環(huán)氧氯丙烷二甲胺的引入導(dǎo)致坍落的增加(需水量的減少)和泌水的增加。表I
權(quán)利要求
1.制備用于可水合的水泥質(zhì)組合物中的砂組合物的方法，包括 (A)提供人工砂粒，其具有棱角外形和使得5%-30%的所述砂粒通過75微米篩的顆粒尺寸，所述人工砂粒進(jìn)一步具有粘土，使得所述人工砂具有至少0.5mg/g的亞甲基藍(lán)值；和 (B)通過將所述含粘土人工砂粒與選自環(huán)氧氯丙烷二甲胺和聚二烯丙基二甲基胺的至少一種粘土緩解聚陽離子化合物混合，對它們進(jìn)行預(yù)處理，基于活性聚陽離子化合物的重量對處理的砂的重量，所述粘土緩解聚陽離子化合物的用量為0.01%至0.5% ;和 (C)將所述預(yù)處理過的含粘土人工砂粒與具有大致球狀外形的水洗天然砂粒摻合，其中所述天然砂被洗滌除去細(xì)粉，以達(dá)到至少90%重量的天然砂粒保留在75微米篩上的程度,且其中人工砂粒與水洗天然砂粒的重量比在10-90: 90-10的范圍之內(nèi)。
2.權(quán)利要求1所述的方法，其中在提供所述人工砂粒中，所述砂粒具有使得10%至30%的所述砂粒通過75微米篩的粒徑。
3.一種可水合的水泥質(zhì)組合物，包含可水合的水泥和根據(jù)權(quán)利要求1制備的砂組合物。
4.一種可水合的水泥質(zhì)組合物，包含可水合的水泥，至少一種聚羧酸水泥分散劑，和根據(jù)權(quán)利要求1制備的砂組合物。
5.一種可水合的水泥質(zhì)組合物，包含可水合的水泥；至少一種聚羧酸水泥分散劑；至少一種聚羥基或羥基羧酸或其鹽；和根據(jù)權(quán)利要求1制備的砂組合物。
6.一種權(quán)利要求5的可水合的水泥質(zhì)組合物，其中所述的至少一種聚羥基或羥基羧酸或其鹽是葡糖酸鹽。
7.用于緩解混凝土組合物中的含粘土骨料的方法，包括:將可水合的水泥，至少一種聚羧酸水泥分散劑，和至少一種聚羥基或羥基羧酸或其鹽，與根據(jù)權(quán)利要求1制備的砂組合物結(jié)合。
8.權(quán)利要求1的方法，其中人工砂粒具有圖2所示的形狀，天然砂粒具有圖1所示的形狀。
全文摘要
本發(fā)明提供一種制備砂組合物的方法，其中人工砂粒用粘土緩解聚陽離子預(yù)處理并與天然砂粒摻合，其中所述天然砂經(jīng)過水洗除去細(xì)粉使得至少90％的天然砂顆粒保留在75微米篩上。本發(fā)明的方法還涉及使用所述摻合的預(yù)處理過的砂制備混凝土，其中所述砂與水泥，聚羧酸型分散劑，更多量的粘土緩解聚陽離子化合物，以及至少一種羥基或羥基羧基的酸或鹽的化合物相結(jié)合。
文檔編號C04B7/36GK103228595SQ201180050811
公開日2013年7月31日 申請日期2011年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月19日
發(fā)明者A·基里亞齊斯, B·佩里, E·克勒, L·巴布羅齊安 申請人:格雷斯公司