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TWI619687B - 尺寸穩定之地質聚合物組成物和方法 - Google Patents

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TWI619687B
TWI619687B TW102114041A TW102114041A TWI619687B TW I619687 B TWI619687 B TW I619687B TW 102114041 A TW102114041 A TW 102114041A TW 102114041 A TW102114041 A TW 102114041A TW I619687 B TWI619687 B TW I619687B
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calcium
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Inventor
艾希斯 杜貝
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美國吉普森公司
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Abstract

公開了一種製備用於水泥質產品(例如混凝土、預澆注建築元件和麵板、灰漿、道路修補之修補材料和其他修補材料等等)之地質聚合物水泥質粘合劑組成物之方法。一些實施例之該地質聚合物水泥質組成物通過使熱活化鋁矽酸鹽礦物、硫鋁酸鈣水泥、硫酸鈣和化學活化劑及水之協同增效混合物混合製備。

Description

尺寸穩定之地質聚合物組成物和方法
本發明通常地涉及含有鋁矽酸鹽基地質聚合物之水泥質組成物，其可以用於多種應用。具體地，本發明通常地涉及這種水泥質組成物，其提供在凝結時間、放熱尺寸穩定性、固化過程中整體材料收縮減少方面之理想性能，以及其他理想性能。
美國專利號6,572,698(Ko)公開了一含有鋁矽酸鹽、硫酸鈣之活化鋁矽酸鹽粘合劑，並且也公開了一含有鹼金屬鹽之活化劑。所述鋁矽酸鹽選自：高爐礦渣、粘土、泥灰和工業副產品(例如飛灰)，並具有Al2O3含量大於5重量%。高爐礦渣以小於35重量%之量存在，並將水泥窯粉塵(CKD)，以1至20重量%之量，作為活化劑添加至所述混合物。
美國專利號4,488,909(Galer等)公開了水泥質組成物，其包括波特蘭水泥、高鋁水泥、硫酸鈣和石灰。所述水泥質組成物包括波特蘭水泥、高鋁水泥、硫酸鈣和石灰。火山灰(例如飛灰、蒙脫石粘土、矽藻土和火山塵埃(浮石))可以被添加至多達約25%。所述數你組成物包括約14至21重量%之高鋁水泥。
美國專利號6,869,474(Perez-Pena等)討論了生產水泥基產品(例如水泥板)之水泥質組成物。這通過以下方法實現：向水硬水泥(例如波特蘭水泥)添加烷烴醇胺，與水在提供初始漿體溫度至少90℉(32℃)之條件下形成漿體。也可以包括額外之反應性材料(例如高鋁水泥、硫酸鈣)和火山灰材料(例如飛灰)。
Perez-Pena等之美國專利號7,670,427公開了極度快速凝結之水泥質組成物，具有生產水泥基產品(例如水泥板)之早期抗壓強度，其通過以下方式實現：向水硬水泥(例如波特蘭水泥)添加一烷烴醇胺和一磷酸鹽，並與水在提供初始漿體溫度至少90℉(32℃)之條件下形成漿體。也可以包括額外之反應性材料(例如高鋁水泥、硫酸鈣)和火山灰材料(例如飛灰)。
Perez-Pena之美國出版專利申請號US2010-0071597 A1公開了製劑，其使用飛灰和檸檬酸之鹼金屬鹽(例如檸檬酸鈉)形成混凝土混合料。雖然水硬水泥和石膏不係優選使用之，但係可以以多達所述製劑之25重量% 使用。在這個申請中描述之所述活化之飛灰粘合劑可以與用於夾帶空氣之所述傳統發泡體係相互作用，從而產生輕質板材。
美國專利號5,536,310(Brook等)公開了一水泥質組成物，其含有10-30重量份(pbw)水硬水泥(例如波特蘭水泥)、50-80pbw飛灰和0.5-8.0pbw表示為羧酸之遊離酸(例如檸檬酸或其鹼金屬鹽等，如枸櫞酸三鉀或者檸檬酸三鈉)、以及傳統之添加劑(包括緩凝劑添加劑(例如硼酸或者硼砂))。
美國專利號6,641,658(Dubey)公開了一波特蘭水泥基礎之水泥組成物，其含有35-90%波特蘭水泥、0-55%之火山灰、5-15%之高鋁水泥、以及1至8%之不溶性無水石膏形式之硫酸鈣(代替所述可溶性傳統之石膏粉/石膏，以增加所述熱量釋放和減少凝結時間，儘管使用大量火山灰，例如飛灰)。所述水泥質組成物可以包括輕集料和填充料、超增塑劑和添加劑(例如作為一反應緩凝劑之檸檬酸鈉)。
美國專利號7618490 B2(Nakashima等)公開了噴塗材料，其包括硫鋁酸鈣、鋁矽酸鈣、氫氧化鈣、氟源和波特蘭水泥混凝土中之一種或多種。可以添加硫酸鈣作為石膏之無水或半水化合物。
美國專利號4655979(Nakano等)公開了製備多孔混凝土之工藝，其使用矽酸鈣系水泥、鹼金屬緩凝劑、硫鋁酸鈣(CSA)水泥、以及一任選之可以添加至所述混凝土 組成物之硫酸鈣。
美國公開號2008/0134943 A1(Godfrey等)公開了一廢物封裝材料，其由至少一種鹼土金屬之硫代鋁酸鹽、和任選之無機填充料(例如高爐礦渣、粉煤灰、矽粉、石灰石)、以及有機和無機流化劑組成。優選地，至少一種鹼土金屬之硫代鋁酸鹽包括硫鋁酸鈣(CSA)。合適之組成物可以，例如，包括至少一種鹼土金屬之硫代鋁酸鹽、與石膏和粉煤灰(PFA)聯合，其中大約86%之石膏顆粒具有顆粒大小小於76um，並且大約88%之所述PFA顆粒具有顆粒大小在45um以下。一個例子包括75%(70：30CSA：CaSO4.2H2O)；25%粉煤灰；水/固體比率0.65。
美國專利號6730162(Li等)公開了雙重水泥質組成物，其包括一第一水硬性組成物，其具有2.5%至95重量%之C4A3S，其中化學符號C=CaO,S=SiO2,A=Al2O3(即硫鋁酸鈣))，以及一2.5至95重量%之半水化合物和/或一硫酸鈣之無水石膏。硫鋁酸鹽(Sulfoalumina)水泥或者鐵鋁酸鹽(ferroalumina)水泥係含有C4A3S之水泥例子。它也可以包括礦物填充料添加劑，其選自：礦渣、飛灰、火山灰、二氧化矽煙灰、石灰石細料、石灰工業副產品和廢物。
中國公開號CN 101921548 A(Deng等)公開了硫鋁酸鹽水泥之組成物，其由90-95重量%硫鋁酸鹽熟料和無水石膏、石英砂、來自垃圾焚燒之飛灰、羥丙基甲基纖維素醚、可再分散之膠粉和纖維製備而成。所述硫鋁酸鹽熟料 和無水石膏符合硫鋁酸鹽水泥(即GB 20472-2006)之標準。
韓國公開號KR 549958 B1(Jung等)公開了一氧化鋁水泥、CSA、石膏、檸檬酸鈣和羥基羧酸之組成物。
韓國公開號KR 2009085451 A(Noh,)公開了粉末高爐礦渣、石膏和CSA之組成物。所述石膏具有平均顆粒大小4微米或更小。
韓國公開號KR 2009025683 A公開了粉末類型之防水材料，用於混凝土及砂漿，通過磨碎水泥、無水石膏、矽微粉、防水粉、飛灰、硫鋁酸鈣類型膨脹材料和無機粘合劑獲得。
韓國公開號KR 2010129104 A(Gyu等)公開了用於噴漿混凝土之組成物，包括(按照重量%)：偏高嶺土(5-20)，硫鋁酸鈣(5-20)，無水石膏(20-45)、和飛灰(30-50)。
需要尺寸穩定之水泥質材料，其含有地質聚合物之組成物，使減少在固化後之收縮，改善初始和最終穩定特性，控制和/或優化凝結時間，改善強度和其他對於這種材料在建築施工中用途有益之性能，形成水泥質產品和其他應用，例如水泥質結構、水泥質結構部件、和模壓水泥質產品，以及用於製備這種材料和形成這種結構、部件和產品之方法。
發明概要
本發明提供了改進之地質聚合物水泥質組成物和製備這種組合之方法，所述地質聚合物水泥質組成物具有至少一種(在許多情況下為多種)之高度理想性能，例如顯著改善尺寸穩定性(在固化期間和之後)；改進和修改初凝和終凝時間；延長工作時間；修改在混合、凝結和固化期間之溫度形成；以及其他如本文所討論之改進性能。在這種實施例之許多情況下，如果部分情況下，提供之所述改進之性能在早期抗壓強度、最終抗壓強度或者其他強度性能方面沒有(如果有)顯著損失。一些實施例，事實上，在早期和最終抗壓強度方面提供了驚人之增長。
本發明之這些和其他實施例之改進性能提供了超過先前之地質聚合物粘合劑(例如飛灰基粘合劑)、以及其他水泥質粘合劑(其可以含有顯著之地質聚合物含量)之顯著優勢。在一些優選之實施例中，本發明所述地質聚合物水泥質組成物由至少水、和以乾燥和粉末狀形式之一種或多種水泥質反應性組分之溶液或漿體形成。所述水泥質反應性組分包括有效量之熱活化地質聚合物鋁矽酸鹽材料，例如飛灰；硫鋁酸鈣水泥；和硫酸鈣。一種或多種鹼金屬化學活化劑，例如檸檬酸之鹼金屬鹽、或者鹼金屬鹼基，也可以被添加至所述溶液，以乾燥之形式添加至所述反應性粉末，或者作為一液體添加劑添加至所述漿體。任選地，所述漿體或者溶液可以摻入其他添加劑，例如減水劑、凝結加速劑或者緩凝劑、帶氣劑、發泡劑、潤濕劑、輕集料或其他集料、加強料、或 者其他添加劑，以提供或者修改所述漿體和成品之性能。
在本發明許多優選之組成物中，所述水泥質反應性組分，以其乾燥或粉末形式，包括大約65至97重量百分比之熱活化鋁矽酸鹽礦物(例如飛灰)，大約2至30重量百分比之硫鋁酸鈣水泥，和大約0.2至大約15重量百分比之硫酸鈣，基於所有所述水泥質反應性組分之總重量。在本發明優選之組成物中，所述水泥質反應性組分包括硫鋁酸鈣水泥，以大約1至大約200重量份(相對於100重量份之熱活化鋁矽酸鹽礦物)。乾重具有作為一水自由基礎之普遍可接受之定義。
在其他實施例中，可以使用兩種或多種類型之硫鋁酸鈣水泥和鋁酸鈣水泥之混合物，並且所述硫鋁酸鈣水泥和鋁酸鈣水泥之類型和量可以根據它們之化學組成物和顆粒大小(布萊恩細度)變化。在這種實施例和其他實施例中之硫鋁酸鈣水泥之所述布萊恩細度優選大於約3000，更優選大於約4000，甚至更優選大於5000，並且最優選大於約6000。
在一些優選之實施例中，所述鹼金屬化學活化劑之量從約0.5重量%至約10重量%(基於所述水泥質反應性材料之總乾重)。更優選地，鹼金屬化學活化劑之所述範圍為約1%至約6%(相對於所述水泥質反應性材料之總重量)，優選地為約1.25%至約4%，更優選地為約1.5%至約3.5%，並且最優選地為約1.5%至2.5%。檸檬酸鈉和檸檬酸鉀係優選之鹼金屬酸性活化劑，但係也可以使用檸檬酸鈉和檸檬酸鉀之混 合物。根據所述應用和所述應用之需要，鹼金屬鹼基，例如鹼金屬氫氧化物和鹼金屬矽酸鹽也可以使用。
本發明之這些和其他優選實施例，與先前之飛灰地質聚合物組成物不同，其被配製以提供地質聚合物水泥質組成物(其尺寸穩定，並且能抗在無限制和限制條件下之凝結和固化過程中之開裂。例如，本發明某些優選實施例之短期自由收縮率通常小於約0.3%，優選小於約0.2%，並且更優選小於約0.1%，並且最優選小於約0.05%(在初凝後，以及在1至4小時之混合以內測量)。在這種優選之實施例中，在固化過程中之所述組成物之長期收縮率也通常小於約0.3%，更優選小於約0.2%，並且最優選小於約0.1%。
為了在這些實施例中額外地控制所屬尺寸穩定性和收縮性，所述硫鋁酸鈣水泥之量為約2.5至約100重量份(相對於100重量份之所述熱活化鋁矽酸鹽礦物)，更優選約2.5至約50重量份(相對於100重量份之所述熱活化鋁矽酸鹽礦物)，並且最優選約5至約30重量份(相對於100重量份之熱活化鋁矽酸鹽礦物)。對於實施例，其中對於尺寸穩定性之控制(正如通過所述材料收縮所表示之)係至關重要之，所述鹼金屬活化劑之量更優選範圍從約1至約3%，相對於所述水泥質反應性材料之總乾重(即，熱活化鋁矽酸鹽礦物，例如飛灰、硫鋁酸鈣水泥和硫酸鈣)；更優選從約1.25%至約2.75%，相對於所述水泥質反應性材料之總乾重；並且最優選從約1.5%至約2.5%，相對於所述水 泥質反應性材料之總乾重。
本發明優選實施例之所述尺寸穩定之地質聚合物組成物進一步證明瞭在所述組成物固化期間之最大溫度上升意外地下降(相對於先前之地質聚合物水泥質產品)。對於這個和相關之原因，這些實施例具有意想不到程度之抗熱裂性。例如，在一些優選之實施例中，所述溫度上升通常小於約50℉(28℃)，更優選地小於約40℉(22℃)，並且最優選地小於約30℉(17℃)。
本發明之這些和其他優選實施例也表現意想不到之早期強度發展等級。例如，在某些這種實施例中，它們之4-小時抗壓強度可以超過約1000psi(6.9MPa)，優選地超過約1500psi(10.3MPa)，最優選地超過約2500psi(17.2MPa)。在這種實施例中，它們之24-小時抗壓強度發展可以超過約1500psi(10.3MPa)，更優選地超過約2500psi(17.2MPa)，並且最優選地超過約3500psi(24.1MPa)。在這些和其他實施例中，所述28-天抗壓強度進一步可以超過約3500psi(24.1MPa)，更優選地超過約4500psi(31.0MPa)，並且最優選地超過約5500psi(37.9MPa)。又在其他實施例中，所述組成物能夠在1至4小時後發展抗壓強度從約500psi(3.5MPa)至約4000psi(27.6MPa)，更優選地在24小時後從約1500至約5000psi(10.3至34.5MPa)，並且最優選地在28天后從約3500至約10000psi(24.1至69MPa)。
而且，本發明某些所述優選實施例之所述地質聚合物水泥 質組成物在潮濕條件下也具有非常良好之持久性，具有極限濕抗壓強度與乾抗壓強度相似。例如，在某些實施例中，它們在28-天之水飽和抗壓強度通常超過約3500psi(24.1MPa)，更優選地超過約4500psi(31.0MPa)，並且最優選地超過約5500psi(37.9MPa)。
因為對於鹼金屬活化之地質聚合物、以及所述聯合之硫鋁酸鈣水泥和硫酸鈣，從漿體至固體狀態之凝結時間，通常相對短，可以預計：將所有這些組分組合之所述優選實施例也具有短之凝結時間和有限之工作時間。令人驚訝之係，儘管如此，由本發明所述優選實施例提供之凝結時間不限於短之凝結時間(通常小於15分鐘)，對於所述漿體凝結反應也提供顯著之控制以允許顯著延長所述漿體之凝結和工作時間。
例如，在一些實施例中，可以配製所述組成物具有短之凝結時間，例如小於約10分鐘。在其他優選之實施例中，可以配製所述組成物具有延長之凝結時間，在約10至約30分鐘之間。又在其他更優選之實施例中，優選所述組成物製劑提供一約30至約60分鐘之凝結時間。又在其他最優選之實施例中，可以配製所述組成物凝結時間為約60至約120分鐘，約120至約240分鐘，或者(如果需要)更長之時間。
另外，這種實施例之所述凝結時間可以被選擇，並且如果需要可以延長，同時在抗收縮性能、抗壓強度和其 他強度性能方面不會(如果有之話)顯著損失。結果，在應用中可以意外地使用這種實施例，其中不能使用先前之地質聚合物基產品和水泥質產品(具有地質聚合物組分)，因為需要延長凝結和工作時間之同時沒有不可接受之收縮性或強度損失。
在某些優選之實施例中，本發明之所述組成物與下面之基質之間也發展了傑出之拉伸粘接強度。例如，在這種實施發難與一混凝土基質之間較好之拉伸粘接強度優選地超過約200psi(1.4MPa)並且最優選地超過約300psi(2.1MPa)。在一些實施例中，本發明所述完全固化和硬化之尺寸穩定之地質聚合物水泥質組成物之表面pH，可以被改進，相對於波特蘭水泥基材料和產品，其通常具有一表面pH大於12，並且更通常大於13。在某些優選之實施例中，這種組成物在安裝後16小時測量，並且優選具有一pH小於約11，更優選地小於約10.5，並且最優選地小於約10。在這種情況下，使用ASTM F-710(2011)測試標準測量
在許多優選之實施例中，本發明地質聚合物水泥質組成物不需要矽酸鈣系水硬水泥，例如波特蘭水泥(為了強度發展和尺寸穩定性)。在其他實施例中，可以摻入波特蘭水泥以提供特定之性能。儘管如此，意外地發現，根據所述實施例之特定組成物，一過量之波特蘭水泥實際上降低了所述組成物之尺寸穩定性(在固化期間以及其之後)，而不係增加其穩定性。
對於本發明優選之實施例摻入矽酸鈣系水硬水泥，對這種水硬水泥之限制可以根據所述實施例之特定組成物變化，但係可以通過收縮性(相對於伴隨一減少量之所述矽酸鈣水硬水泥之所述相同實施例之所述收縮性)之增加來確定。在某些這種實施例中，所述波特蘭水泥含量不應超過反應性粉末組分重量之約15重量，在另一優選之實施例中，不應超過反應性粉末組分重量之10重量%，以及又在其他優選實施例中不應超過反應性粉末組分重量之約5重量%，以及又在其他優選實施例中，在所述反應性粉末組分中沒有基本量之波特蘭水泥。
也已經令人意外之發現：在一些實施例中，一過量之硫鋁酸鈣水泥可以導致尺寸穩定性損失，由所述組合之所述初凝後收縮性增加指示。對於需要顯著程度之尺寸穩定性和/或收縮性控制(以防止開裂、剝離和其他方式之破損)之應用，硫鋁酸鈣水泥之所述量優選約10至約40重量份(相對於100重量份之熱活化鋁矽酸鹽礦物)。
在其他優選之實施例中，已經意外地發現：硫酸鈣之所述量與在所述組成物中之硫鋁酸鈣水泥成比例，可以緩和由所述硫鋁酸鈣水泥含量導致之潛在不利作用(例如收縮性)。在這種實施例中，所述硫酸鈣量優選約2至約200重量份(相對於100重量份之硫鋁酸鈣水泥)。
為了最有效地控制這些實施例之材料收縮性，所述硫酸鈣之量為約10至約100重量份乾重(相對於100重 量份乾重之硫鋁酸鈣水泥)，更優選地約15至約75重量份乾重(相對於100重量份乾重之硫鋁酸鈣水泥)，並且最優選地約20至約50重量份乾重(相對於100重量份乾重之硫鋁酸鈣水泥)。在早期抗壓強度之增加係重要之實施例中，硫酸鈣之優選量為約10至約50份(對於約100重量份乾重之硫鋁酸鈣水泥)。
又在其他本發明之實施例中，將所述類型之硫酸鈣(主要之二水合物、半水化合物或者無水石膏)添加至所述組成物，可以對所述部分固化組成物(即在小於約24小時)之所述早期抗壓強度有顯著之影響。令人驚訝之係，已經發現，主要使用硫酸鈣無水石膏之多個實施例比主要使用所述二水化合物形式之實施例具有更高之早抗壓強度，並且在一些實施例中能夠具有與主要使用硫酸鈣半水化合物之實施例相媲美之早抗壓強度。在其他實施例中，兩種或多種之所述硫酸鈣類型(二水合物、半水化合物或者無水石膏)可以被一起採用，並且調節所述不同類型之量以對所述組成物抗壓強度提供改進之控制。相似地，硫酸鈣之所述不同類型和量可以被單獨地採用或者聯合採用，以調節最理想之收縮性和所述組成物之其他性能。
當收縮性能為關注焦點時，本發明之其他實施例摻入硫酸鈣，具有平均顆粒大小優選為從約1至約100微米，約1至約50微米，以及約1至約20微米。這些實施例在抗收縮性方面提供了驚人之改善，並且在其他實施例 中，所述硫酸鈣顆粒大小(在至少所述優選範圍內)可以提供重要之貢獻以改進所述組成物固化期間之強度發展等級。
又在其他實施例中，令人驚訝地發現，基本上水不溶之無水硫酸鈣(無水石膏)可以提供有益效果，縱使其水溶解度低以及先前推測之在所述組成物中反應性有限(如果有)。例如，出乎意料地發現，無水石膏提供改進之尺寸穩定性控制，通過使在這些和其他實施例之固化過程期間之收縮性減少(相對於現有技術之組成物)。無水石膏也提供了顯著改進之早期和長期抗壓強度(相對於現有技術組合利用硫酸鈣半水化合物或者二水合物作為所述硫酸鈣源之組成物。在特定實施例中使用之所述硫酸鈣類型之所述選擇將取決於早期強度發展之理想等級，以及其他性能之平衡(例如對於特定終端應用之凝結時間和抗收縮)。
在其他實施例中，硫酸鈣之所述顆粒大小和形態對於所述組成物之早期強度(小於約24小時)發展提供顯著之和令人驚訝之影響。在這種實施例中，相對小之顆粒硫酸鈣之使用提供了更加快速之早期抗壓強度發展。在這些實施例中，所述優選之硫酸鈣平均顆粒大小範圍從約1至100微米，更優選地從約1至50微米，並且最優選地從約1至20微米。
在某些實施例中，所述組成物在初始混合之後也表現自流平性能，同時提供一種或多種所述前述之令人驚訝之性能特徵。材料之所述自流平方面在多種情況和應用中係 有用之，例如地板之自流平墊層、混凝土面層、製造精密混凝土產品和麵板、在高加強建築部件中之漿體設置等。這些實施例之所述組成物在混合之後為自流平之，水與本發明所述反應性粉末以重量比率約0.15至約0.4，更優選地，0.17至0.35，又更優選地0.20至0.30。可選擇地，在其他實施例中，所述組成物在初始混合之後以可成形之、稠膏狀之濃稠度提供，同時同樣提供一種或多種改善之性能特性。
自流平和修補組成物之優選製劑包括約65至約95重量百分比之飛灰，約2至約30重量百分比之硫鋁酸鈣水泥，和約0.2至約15重量百分比硫酸鈣。在一些實施例中，本發明地質聚合物水泥質組成物可以塗抹在一基質之表面，其中所述地質聚合物水泥質粘合劑作為自流平鏟平混合，並且被傾倒成有效厚度約0.02cm至約7.5cm。
這種產品之所述物理性能對這些實施例之有益效果提供良好之例子，即尺寸穩定性、抗維度運動和物理損壞性、和高表面耐摩擦及磨損性、其適合於在商業、工業和其他大量使用領域。根據所述應用，時間消耗和昂貴之基質表面準備措施(例如噴砂處理、翻松、水噴射、結痂或銑削)可以被最小化或者一起避免。
在本發明之其他方面中，優選之實施例提供了製備尺寸穩定之水泥質組成物之方法，其具有凝結時間可以根據特定應用進行調節、良好之早期強度發展、極限之抗壓以及其他強度特性、改善之表面ph、改善之與基質之拉伸粘接 強度、以及其他有益效果。在某些優選之實施例中，這些方法包括製備具有令人驚訝效果之、協同增效之混合物(含熱活化之鋁矽酸鹽、優選來自C類飛灰，硫鋁酸鈣水泥，硫酸鈣，和鹼金屬化學活化劑)。
在這些方法之某些優選之實施例中，所述優選之混合物使用組分、例如上述提及之方法製備，以形成水泥質反應性粉末，其包括熱活化之C類飛灰、硫鋁酸鈣水泥、和硫酸鈣(選自硫酸鈣二水合物、硫酸鈣半水化合物、無水硫酸鈣及其混合物(優選精細粒形式具有顆粒大小小於約300微米))。
在這些實施例中，化學活化劑被進一步添加至所述混合物中，以乾燥或者液體之形式，其包括鹼金屬鹽或鹼，優選自：有機酸之鹼金屬鹽、鹼金屬氫氧化物、和鹼金屬矽酸鹽。在後續之步驟中，添加水、以及任選之超增塑劑，特別係羧化增塑劑材料，以形成穩定之漿體混合物，其可以在適合於地質聚合物水泥質產品之應用中使用。
在所述優選之方法中，所述混合物優選在約0℃至約50℃之初始溫度製備，更優選地在約5℃至約40℃初始溫度，甚至更優選地在約10℃至約35℃之初始溫度，最優選約25℃之環境溫度。所述總混合物之所述初始溫度在所述水泥質反應性粉末、活化劑和水首先全部存在於所述混合物中之後之第一分鐘測量。當然所述總混合物之所述溫度可以在這個第一分鐘期間變化，但係在這種優選之實 施例職工，所述漿體之溫度優選保持在所述列出之範圍以內。
在一些優選之實施例中，所述漿體可以使用相對低之能量混合，同時仍能實現得到良好之混合之組成物。在這種優選方法之某些中，用相當於由低速手鑽混合器提供或者等價混合器提供之能量來混合所述漿體，其具有約250RPM或者更大之等級。因此，這種優選實施例之所述地質聚合物係容易混合之，儘管使用相對小量之水來製備所述漿體形成所述最終組成物。
在許多實施例中，其他被認為不係水泥質反應性粉末之添加劑也可以被摻入到所述漿體和總地質聚合物水泥質組成物中。這種其他添加劑，例如，減水劑(例如上述提及之超增塑劑)、凝結加速劑、凝結延緩劑、帶氣劑、發泡劑、潤濕劑、收縮控制劑、粘度改性劑(增稠劑)、形成薄膜之可再分散聚合物粉、形成薄膜之聚合物分散體、著色劑、腐蝕控制劑、鹼矽反應減少劑、離散增強纖維和內在固化劑。其他添加劑可以包括填充料，例如砂和/或其他集料、輕質填充料、火山灰礦物、礦物填充料等等之一種或多種。
當分別地討論上述，本發明所述優選之地質聚合物組成物和混合物之每個具有上述提及之相對於現有技術地質聚合物水泥質組成物之顯著優點(以及來自本文所述進一步討論、實施例和資料之明顯方面)之至少一個，以及兩個或多個之組合。
許多，如果不係大多數，本發明實施例係環境可 持續之，利用飛灰地質聚合物，其包括將後工業廢物作為一主要之原料來源。這顯著降低生命週期碳足跡和製造產品能源體現之生命週期。
可以在使用其他水泥質材料之地方(特別係在那些對於凝結和工作時間靈活性、尺寸穩定性、抗壓強度和/或其他強度性能重要和必要之應用中)使用本發明優選實施例之所述地質聚合物水泥質組成物。例如，在多種混凝土產品應用中，包括在多種混凝土產品應用中，包括：用於地板、平板和牆壁之建築混凝土面板，和用於安裝地板面漆材料之地板墊層(例如瓷磚、天然石料、乙烯基鋪地磚、VCTs和地毯)，公路覆蓋層和橋樑修復，人行道和其他地面上之樓板，外牆拉毛粉刷和飾面粉刷，自流平面層和覆蓋之墊層，用於地基中岩土穩定之噴漿和噴漿混凝土，山坡和礦、用於填充和修平裂縫、坑洞和其他不平表面之修補修復灰漿，內部和外部應用之雕塑和壁畫，以及在道路和橋樑面板中修復坑洞之修補材料。
其他實施例包括預製混凝土製品之用途，以及建築產品(例如水泥質板材、砌磚塊、磚、和具有傑出水分持久性之鋪路材料。在一些應用中，這種預製混凝土產品，例如水泥板，優選在這種條件下製備：其提供之凝結時間適合於傾倒成靜止或從連續運動帶(或其上)移動之形式。
本發明一些實施例之所述地質聚合物組成物可以與不同之填充料和添加劑使用，包括發泡劑和引氣劑用於 添加特定比例之氣體以製備輕質水泥質產品，包括預製建築部件、建築修復產品、和修補組成物，其具有良好之膨脹性能並且沒有收縮性，例如適合於道路修復和鋪路。
下文討論本發明多個實施例之其他優點、有益效果和方面，並且在附圖中解釋，並且熟諳技藝人士從下面更詳細之公開中可以理解它。本文所有之百分比、比率和比例係按重量計算之，除非另有說明。
第1A圖係比較實施例1之收縮性結果之時間圖。
第1B圖係實施例1之塌落照片。
第2圖係比較實施例2之塌落照片。
第3A圖係比較實施例3之塌落照片。
第3B圖係比較實施例3之收縮結果之時間圖。
第4A圖係在實施例4中之組成物之初始流動特性和塌落之照片(對於混合物1和2)。
第4B圖係在實施例4中之組成物之初始流動特性和塌落之照片(對於混合物3)。
第4C圖係在實施例4中之組成物之初始流動特性和塌落之照片(對於混合物4)。
第4D圖係在實施例4中研究之組成物之照片-所有之棒係對於混合物1,2-1和2-2,3-1和3-2和4-1和4-2 (從左到右)在模子中開裂。
第5A圖係實施例5之混合物1-2(從左至右)和3-4(從左至右)塌落餅之照片。
第5B圖 係實施例5之初始流動和塌落之棒圖。
第5C圖實施例5之漿體溫度上升結果之圖。
第6A圖 實施例6收縮性之時間圖。
第6B圖 係在實施例6中本發明組成物之漿體溫度上升圖。
第7A圖 係實施例7之所述組成物之混合物1之塌落圓形圖。
第7B圖係實施例7之所述組成物之混合物2、3和4之塌落圓形圖。
第7C圖係在實施例7中本發明組成物之收縮性之圖。
第7D圖 係實施例7之本發明組成物之漿體溫度上升圖。
第8A圖係在實施例8中之本發明組成物之收縮性之圖。
第8B圖 係在實施例8中之本發明組成物之漿體溫度上升圖。
第9A圖係在實施例9中之本發明組成物之收縮性之圖。
第9B圖係實施例9之本發明結果之組成物之漿體溫度上升圖。
第10A圖係在實施例10中本發明組成物之收縮性之圖。
第10B圖係實施例10之本發明結果之組成物之漿體溫度上升圖。
第11A圖顯示了實施例11之組成物之塌落餅之照片。
第11B圖 係在實施例11中本發明組成物之收縮性之圖。
第11C圖 係實施例11之本發明之組成物之漿體溫度上升圖。
第12A圖係在實施例12中之本發明之組成物之收縮性之圖。
第12B圖 係實施例12之本發明結果之組成物之漿體溫度上升圖。
第13A圖係實施例13之本發明組成物之塌落餅之照片。
第13B圖 在實施例13中之本發明之組成物之收縮性之圖。
第13C圖係實施例13之本發明結果之組成物之漿體溫度上升圖。
第14圖在實施例14中之本發明之組成物之收縮性之圖。
第15A圖在實施例15中之本發明之組成物之收縮性之圖。
第15B圖係實施例15之本發明結果之組成物之漿體溫度上升圖。
第16A圖含有實施例16之本發明之組成物之塌落餅之照片。
第16B圖在實施例16中之本發明之組成物之收縮性之圖。
第17A圖含有實施例17之本發明之組成物之塌落餅之照 片。
第17B圖在實施例17中之本發明之組成物之收縮性之圖。
第17C圖係實施例17之本發明結果之組成物之漿體溫度上升圖。
第18A圖在實施例18中之本發明之組成物之收縮性之圖。
第18B圖係實施例18之本發明結果之組成物之漿體溫度上升圖。
第19A圖在實施例13中之本發明之組成物之收縮性之圖。
第19B圖係實施例19之本發明結果之組成物之漿體溫度上升圖。
第20A圖 在實施例20中之本發明之組成物之收縮性之圖。
第20B圖係實施例20之本發明結果之組成物之漿體溫度上升圖。
第21A圖 在實施例21中之本發明之組成物之收縮性之圖。
第21B圖 係實施例21之混合物1之4-小時收縮性棒之照片。
第21C圖 係實施例21本發明之組成物之真正早期材料收縮性之圖(在1-小時齡期啟動之收縮性測試)。
第21D圖係實施例21之本發明之組成物之漿體溫度上升圖。
第22A圖 係在實施例22中之本發明之組成物之收縮性之圖。
第22B圖係實施例22之本發明之組成物之漿體溫度上升圖。
第23圖 係實施例23之本發明之組成物之真正早期收縮性之圖(在1-小時齡期啟動之收縮性測試)。
第24圖係在實施例27中之本發明之組成物之收縮性之圖。
第25圖包括在實施例28中研究之組成物之所述澆築立方體(在所述黃銅立方體模子中)之照片。
第26圖係在實施例29中之本發明之組成物之收縮性之圖。
第27A圖 在實施例30中之本發明之組成物之收縮性之圖。
第27B圖係在實施例30中之組成物之放熱和漿體溫度上升特性圖。
第28圖係在實施例31中，本發明之一些實施例之所述輕質組成物之所述放熱和漿體溫度上升特性圖。
發明之詳細說明
表A顯示了本發明一些實施例所述尺寸穩定之地質聚合物水泥質組成物之所述成分，以單個之或者聚集之組分之重量份(pbw)表示。
表A顯示了本發明這種優選實施例之所述尺寸穩定之地質聚合物水泥質組成物係由兩種組分組成一反應性粉末組分A(也被稱為“水泥質反應性材料”，並且為了本發明之目之定義為熱活化之鋁矽酸鹽、硫鋁酸鈣水泥、硫酸鈣、以及任意額外之反應性水泥，在所述範圍內其被添加至其餘列出之成分中)和活化劑組分B。反應性粉末組分A多種包括熱活化鋁矽酸鹽礦物之材料混合物，包括C類飛灰、硫鋁酸鈣水泥、和硫酸鈣。活化劑組分B包括鹼金屬化學活化劑或其混合物，其可以係粉末或者水性溶液。將反應性粉末組分A和活化劑組分B組合，以形成本發明這種實施例之所述地質聚合物水泥質組成物之所述反應性混合物。
表B代表了摻入表A所述粘合劑和其他成分之優選實施例之全密度(優選密度在每立方英尺100至160磅之範圍)製劑。
表C代表摻入表A所述粘合劑和其他成分之優選輕密度製劑之(優選密度在每立方英尺10至125磅之範圍)。
表D代表了摻入表A所述粘合劑、粗集料和其他成分之輕密度或全密度製劑(優選密度在每立方英尺40至 160磅之範圍)。
本發明一些實施例，收縮測量在混合形成水性混合物之後約1至約4小時啟動，其所述地質聚合物水泥質粘合劑混合物之長期自由收縮為約0.3%或更少，優選地小於約0.2%，並且更優選地小於約0.1%，並且最優選地小於約0.05%。先前所提及之，所述熱活化鋁矽酸鹽礦物和硫鋁酸鈣水泥之所述協同相互作用，適當地選擇硫酸鈣之來源和量，以 及適當地選擇使用之鹼金屬活化劑以合適之量，根據本發明之一些實施例，有助於將所述材料收縮減少至最小。
已知鋁矽酸鹽礦物(例如飛灰)與鹼金屬活化劑(例如鹼金屬檸檬酸鹽)之所述地質聚合物反應涉及非常快速之反應，其中由於涉及放熱反應而釋放顯著量之熱量。這種快速之放熱反應導致形成鋁矽酸鹽複合物，並且所述材料凝膠化和快速硬化(在大約數分鐘內)。類似地，已知硫鋁酸鈣水泥和硫酸鈣之相互作用也涉及非常快速之反應，其中由於所述放熱反應而釋放顯著量之熱量。這個放熱反應之結果，形成了硫鋁酸鈣複合物之水合作用產物，並且所述材料凝膠化和快速硬化，也在數分鐘內。一非常快速短暫之凝結時間在一些應用中係不確定之，因為它提供短暫之工作壽命(試用期)，其導致在實際應用領域中處理和放置快速凝結材料具有顯著難度。而且，由所述放熱反應產生之所述大量熱量可能導致不理想之熱膨脹和隨後之開裂，以及材料之破壞。
熟諳技藝人士將會預期：如果前述之兩種快速凝結放熱反應(即，鋁矽酸鹽礦物(例如飛灰)與鹼金屬鹽之所述反應，以及硫鋁酸鈣水泥和硫酸鈣之所述反應)係允許同時發生之，其作為將鋁矽酸鹽礦物、鹼金屬活化劑、硫鋁酸鈣水泥和硫酸鈣一起混合之結果，所述最終之材料將不理想地釋放更多之熱量，並且將不理想地凝膠化和更快速硬化(其與這種情況相比：其中允許上述之兩種反應獨立地發生，並且其中所述高熱量形成和快速凝結已經係處於不理想之水準。) 在本發明之實施例中，採用上文指出之所有四種反應性組分，將令人驚訝地發現：情況不係這樣之。當所述鋁矽酸鹽礦物、鹼金屬活化劑、硫鋁酸鈣水泥和硫酸鈣被一起混合，所述最終材料放熱更少，並且延長了凝膠化和硬化之時間(與所述已知之上文描述之二組分反應系統相比)。似乎在這4種原材料之間發生了協同相互作用，這為本發明之一些實施例提供了令人驚訝之結果。
然而另一令人驚訝之結果發現：在本發明之一些實施例中，觀察到當所述鋁矽酸鹽礦物和鹼金屬活化劑一起與所述硫鋁酸鈣水泥和硫酸鈣反應時，材料收縮顯著減少。參見，例如，在下文之本發明之發明四組分反應體係實施例和非發明體係之比較實施例1-4(僅僅含有兩種或三種所述反應性組分)之間之比較。材料收縮顯著減少(甚至當所述鋁矽酸鹽礦物和活化劑之反應性混合物中包括相對少量之硫鋁酸鈣水泥和硫酸鈣時)。
已經令人驚訝地發現，在本發明一些實施例之所述地質聚合物水泥質粘合劑組成物中，硫鋁酸鈣水泥之量影響材料收縮(在所述材料初凝之後測量)之程度。還令人驚訝地發現，在給定之實施例中，超出一定量之硫鋁酸鈣水泥，所述材料之初凝之後發生之材料收縮量開始增加。
表D1顯示了對於一些優選實施例之成分量，反映了對所述組成物在初凝之後之收縮之控制能力。
也意外地發現，存在於所述混合物中之硫酸鈣之所述量對於本發明一些實施例之地質聚合物水泥質組成物之材料收縮程度有顯著影響。
表D2顯示了在本發明一些實施例中之成分量，其中硫酸鈣之所述量(每100份硫鋁酸鈣水泥)可以被用來控制材料收縮。
在本發明一些實施例之組成物中，對於一定量之鹼金屬活化劑和其他組分，已經發現，使用硫酸鈣二水合物為減少所述材料收縮提供了最有效之控制。使用無水硫酸鈣(無水石膏)和硫酸鈣半水化合物也為降低本發明實施例之所述地質聚合物水泥質粘合劑組成物之材料收縮提供了傑出之控制。硫酸鈣二水合物和無水硫酸鈣(無水石膏)係本發明優選之硫酸鈣形式。更優選地，所述硫酸鈣以精細之顆粒大小提供。
已經令人驚訝地發現，鹼金屬活化劑之所述量對(本發明一些實施例之)地質聚合物水泥質粘合劑組成物之材料收縮程度有顯著影響。表D3顯示了成分量，對於所述鹼 金屬活化劑之%量，相對於所述水泥質材料之重量(即熱活化鋁矽酸鹽礦物、硫鋁酸鈣水泥、和硫酸鈣)，優選地實現這個有益效果。
已經令人驚訝地發現，在本發明一些實施例之所述地質聚合物組成物中摻入矽酸鈣系水硬水泥(例如波特蘭水泥)對於所述最終材料之尺寸穩定性具有消極作用。增加添加至這種實施例所述地質聚合物組成物之波特蘭水泥之量，增加了所述最終組成物之收縮。在波特蘭水泥存在之情 況下材料收縮增加(甚至當硫鋁酸鈣水泥、硫酸鈣和鹼金屬化學活化劑存在於在這種實施例中時)。例如，已經發現，以乾燥基礎摻入15%、33%、52%、和74%波特蘭水泥，基於所述固體水泥質材料之所述總重量(如本文使用之，“水泥質材料”包括所述混合物之乾燥組分，在一些實施例之所述反應性粉末組成物中包括所述熱活化鋁矽酸鹽礦物、所有水泥材料和硫酸鈣)，分別使8-周材料自由收縮增加(在所述材料初凝後)至約0.15%,0.23%、0.31%、和0.48%。
因此，在實施例中，其中關注上述之收縮量，可以相信之係，沒有被理論所束縛，波特蘭水泥之添加消極地影響在所述基本四種反應性粉末之間之協同相互作用(熱活化鋁矽酸鹽礦物硫鋁酸鈣水泥、硫酸鈣和鹼金屬化學活化劑)。因此，那些實施例之所述地質聚合物水泥質組成物中，其中關注上述之收縮量，優選地不摻入足量之波特蘭水泥以產生這種不理想之收縮。
為了形成所述粘合劑組成物，將所述反應性粉末組分A(熱活化鋁矽酸鹽礦物、硫鋁酸鈣水泥、和硫酸鈣)、活化劑組分B(鹼金屬化學活化劑)、和水混合以形成水泥質漿體，在約0℃至約50℃之初始溫度(在所述成分所有首先存在於所述混合物中之第一分鐘之溫度)，並優選約10至約35℃。結果，地質聚合反應跟著發生，導致鋁矽酸鹽地質聚合物反應形式之形成，並且所述最終材料凝結和硬化。同時地，也發生硫鋁酸鈣和矽酸鈣物相之水合作用反應，導致 所述最終材料之凝結和硬化。
本發明一些優選實施例之所述尺寸穩定之地質聚合物組成物具有非常低之水需求，以得到可使用之混合物(以新鮮之狀態)並且產生(所述硬化狀態之)結實耐用之材料
本發明一些實施例之所述尺寸穩定之地質聚合物水泥質粘合劑之所述優選之水/總固體重量比率(在缺乏粗集料之情況下)係約0.04至約0.25，優選約0.04至約0.20，更優選地約0.05至約0.175，並且最優選地約0.05至約0.15。本發明一些實施例之所述尺寸穩定之地質聚合物粘合劑之所述優選之水/總固體比率(在存在粗集料之情況下)優選地小於約0.125，更優選地小於約0.10，並且最優選地小於約0.075。總固體包括水泥質材料、集料(例如砂或者其他集料)、填充料和其他固體添加劑(在不含水之基礎上)。
提供最低數量之水以實現所述化學水合作用和鋁矽酸鹽地質聚合反應(在這種實施例中)。優選地，在所述漿體中，所述水與所述粉末狀水泥質材料之重量比率為約0.17至約0.40，更優選地約0.2至約0.35，甚至更優選地約0.22至0.3。如本文使用之，“水泥質材料”被定義為所述熱活化鋁矽酸鹽礦物、硫鋁酸鈣水泥、和硫酸鈣以及任何之額外之可以被添加至所述反應性混合物之水泥。所述水量取決於存在於所述水泥質組成物中之單獨材料之需求。
這種實施例之所述組成物之凝結通過初凝和終 凝時間表徵，使用吉爾摩針(Gilmore needle)按照ASTM C266測試程式測試。所述終凝時間也符合當混凝土產品(例如混凝土面板)具有足夠之硬化時之時間，從而使得它能被處理。
通常，熱活化鋁矽酸鹽礦物(例如飛灰)之地質聚合反應係放熱之。還意外地發現，在一些實施例中，飛灰、硫鋁酸鈣水泥、硫酸鈣和鹼金屬化學活化劑彼此協同作用，作為所述地質聚合反應之部分，從而顯著地減少(由於經歷放熱反應之所述材料之)熱釋放之速率和量。合適選擇硫酸鈣之類型和它之量，硫鋁酸鈣水泥之所述量，以及合適選擇鹼金屬化學活化劑和它之量，對於減少和最小化(由於繼起之放熱反應而產生之)熱釋放之速率和量係有效之。
通常，熱活化鋁矽酸鹽礦物(例如飛灰)之地質聚合反應也以快速之速率進行，並導致所述材料迅速之凝膠化和凝結。通常地，當飛灰單獨地與鹼金屬化學活化劑反應，根據先前之技術，所述材料之所述凝膠化在2至3分鐘內開始，並且所述終凝在水性混合物形成後之小於10分鐘內達到。
在本發明之優選實施例中，已經意外地發現，熱活化鋁矽酸鹽礦物(例如飛灰、硫鋁酸鈣水泥、硫酸鈣和鹼金屬化學活化劑)彼此協同相互作用，作為所述地質聚合反應之一部分，以顯著地增加所述最終材料之所述凝膠化時間和終凝時間。硫酸鈣和其量、硫鋁酸鈣水泥之量之合適選擇，以及鹼金屬化學活化劑和其量之合適選擇延長了所述最終材料之凝膠化速率和時間、以及終凝時間。
在這種實施例中，對於給定量之鹼金屬活化劑，已經發現，所述硫酸鈣量之增加使所述最終地質聚合物水泥質粘合劑組成物之凝膠化和終凝時間增加。另外，在這種實施例中，對於給定量之鹼金屬活化劑，已經發現，硫酸鈣顆粒大小之增加使所述最終地質聚合物水泥質粘合劑組成物之凝膠化和終凝時間增加。而且，在本發明之組成物中，不同類型之硫酸鈣之間，已經發現了，硫酸鈣半水化合物為所述最終地質聚合物水泥質組成物之凝膠化時間和終凝時間提供了最高量之增加。對於一些優選實施例之所述地質聚合物水泥質粘合劑，所述凝膠時間為約20至約60分鐘，並具有約30至約120分鐘之終凝時間。所述凝膠化和終凝時間對於實踐領域應用係有用之(當他們為這種實施例之所述提供地質聚合物水泥質粘合劑提供更長之開放和工作時間)。
如本文使用之，所述組成物之早期強度通過在固化之3至5小時後測量所述抗壓強度表徵。在許多應用中，相對較高之早期抗壓強度可以係水泥質材料之優點，因為它能經得起更高之壓力(而沒有過量形變)。高早期強度之實現也增加了涉及到處理和使用製造產品之安全因素。進一步地，由於高早期強度之實現，許多材料和結構可以接受交通，並允許在早期支撐非結構和結構負荷。通常地，在這種組成物中提供強度發展之化學反應在達到所述終凝時間後之延長期間將會繼續。
本發明之一些實施例之所述地質聚合物水泥質 粘合劑能發展非常高之早期強度和極限之抗壓強度。例如，一些實施例之所述地質聚合物水泥質粘合劑能在1至4小時後發展約500psi至約4000psi之抗壓強度，在24小時後約1500至約5000psi，在28天后約3,500至約10000psi。
在這種實施例中，當所述硫酸鈣量為約10%至約50%(按照硫鋁酸鈣水泥重量計算)，早期抗壓強度結果大幅度增加。已經令人驚訝地發現，硫酸鈣之所述類型對於本發明一些實施例之所述地質聚合物水泥質組成物早期抗壓強度(24小時)之發展有顯著影響。已經發現，當採用無水硫酸鈣(無水石膏)時，早期抗壓強度有最高之增加。
在一些實施例中，已經發現，硫酸鈣之較小之顆粒大小導致早期強度(24小時)更快速之發展。當具有非常快速之強度發展理想之時候，所述硫酸鈣優選之平均顆粒大小為約1至約30微米之範圍，更優選地從約1至約20微米s，並且最優選地從約1至約10微米。
水泥質反應性混合物
本發明之一些優選實施例之所述水泥質反應性混合物包括反應性粉末組分A和活化劑組分B(具有在表A中示出之優選範圍)。所述反應性粉末組分A包括熱活化鋁矽酸鹽礦物、硫鋁酸鈣水泥、和硫酸鈣。所述活化劑組分B包括鹼金屬化學活化劑。
優選地，所述水泥質反應性混合物含有約10至 約40重量%石灰。但係，該石灰不必係單獨添加之石灰。相反，它有時候可以被包括在所述熱活化鋁矽酸鹽礦物之化學組分中。
除了所述熱活化鋁矽酸鹽礦物、硫鋁酸鈣水泥、和硫酸鈣之外，所述水泥質反應性粉末可以包括約0至約5重量%之任選之水泥質添加劑(例如波特蘭水泥)。但係，優選地缺乏波特蘭水泥，因為它之摻入使所述材料收縮增加，使得所述材料尺寸較不穩定。
C類飛灰和其他熱活化鋁矽酸鹽礦物
在一些實施例中，所述熱活化鋁矽酸鹽礦物選自：飛灰、高爐礦渣、熱活化之粘土、葉岩、偏高嶺土、沸石、泥灰赤泥、石屑、和底面粘土磚。優選地，他們具有Al2O3含量大於約5重量%。通常在通過從約600°至約850℃之溫度進行熱處理使熱活化之後，使用粘土或泥灰。本發明這種實施例所述優選之熱活化鋁矽酸鹽礦物在所述組成物中具有高石灰(CaO)含量，優選地大於約10重量%，更優選地大於約15%，並且最優選地大於約20%。所述最優選之熱活化之鋁矽酸鹽礦物係C類飛灰，例如，來自燃煤電廠之飛灰。所述飛灰也擁有火山灰之性質。
ASTM C618(2008)定義火山灰材料為“矽質或者矽質和鋁質材料，其中它們本身具有較少之或沒有水泥之價值，但係將會以精細劃分之形式，並且在所述水分存在之 情況下，與氫氧化鈣在普通溫度下化學反應以形成具有水泥質性質之複合物。”
在本發明一些實施例之所述水泥質反應性粉末中，飛灰係所述優選之熱活化鋁矽酸鹽礦物。飛灰含有高氧化鈣和鋁酸鈣含量(例如ASTM C618(2008)標準之C類飛灰係下文解釋之優選之。
飛灰係煤燃燒形成之細粉末副產品。發電廠利用鍋爐燃燒磨成粉末之煤，產生大部分商業可獲得之飛灰。這些飛灰主要由玻璃球形顆粒、以及赤鐵礦和磁鐵礦之殘渣、燒焦物、和一些在冷卻期間形成之結晶相。所述結構、組成物和飛灰顆粒之性能取決於所述煤之所述結構和組成物以及形成飛灰之所述燃燒過程。ASTM C618(2008)標準區分兩種主要類別之飛灰(在混凝土中使用)-C類和F類。這兩種類別之飛灰通常來自不同種類之煤(其係在地質時期發生之不同煤形成過程之結果)。F類飛灰通常從燃燒無煙煤或煙煤產生，其中C類飛灰通常從褐煤或者次煙煤產生。
所述ASTM C618(2008)標準區分F類和C類飛灰，主要係根據它們之火山灰性質。因此，在所述ASTM C618(2008)標準中，在所述F類飛灰和C類飛灰之間之主要具體區別係在所述組成物中SiO2+Al2O3+Fe2O3之最小限度。對於F類飛灰，所述SiO2+Al2O3+Fe2O3之最小限度係70%，以及對於C類飛灰係50%。因此，F類飛灰比C類飛灰更加具火山灰性(即凝硬性，pozzolanic)。儘管在所述ASTM C618(2008)標準中沒有清楚地識別，C類飛灰優選地具有高氧化鈣(石灰)含量。
C類飛灰通常除了具有火山灰性能外，還具有水泥質性質(即膠凝性質cementitious properties)，由於遊離石灰(氧化鈣)。F類很少(水泥質性)膠凝性之(當與水單獨混合時)。高氧化鈣含量之存在為C類飛灰提供了膠凝性性能，導致當與水混合時形成矽酸鈣和鋁酸鈣水化物。如在下文之實施例中可見之，已經發現C類飛灰在本發明優選之實施例中提供優越之結果。
在這種實施例中，所述熱活化鋁矽酸鹽礦物包括C類飛灰，優選約50至約100份C類飛灰(每100重量份熱活化鋁矽酸鹽礦物)，更優選地所述熱活化鋁矽酸鹽礦物包括約75份至約100份C類飛灰(每100份熱活化鋁矽酸鹽礦物)。
其他類型之飛灰，例如F類飛灰，也可以在這些或其他優選之實施例中採用。優選地，所述熱活化鋁矽酸鹽礦物之至少約50重量%，在水泥質反應性粉末中，為C類飛灰以及剩餘之為F類飛灰或者其他熱活化鋁矽酸鹽礦物。更優選地，所述熱活化鋁矽酸鹽礦物之約55至約75重量%，在所述水泥質反應性粉末中，為C類飛灰以及剩餘之為F類或者任何其他熱活化鋁矽酸鹽礦物。優選地所述熱活化鋁矽酸鹽礦物為約90至約100% C類飛灰，例如100% C類飛灰。
本發明一些實施例之所述熱活化鋁矽酸鹽礦物之平均顆粒大小為優選地小於約100微米，更優選地小於約50微米，甚至更優選地小於約25微米，並且最優選地小於約15微米。
優選地，本發明之所述粘合劑混合物具有至多約5份偏高嶺土(每100份熱活化鋁矽酸鹽礦物)。更優選地，本發明之所述粘合劑不包括顯著量之偏高嶺土。已經發現，偏高嶺土之存在增加了一些混合物之需水量，因此它之使用在本發明之一些優選實施例之所述地質聚合物粘合劑組成物中係不理想之。
通常發現在飛灰中之礦物係石英(SiO2)、富鋁紅柱石(Al2Si2O13)、鈣鋁黃長石(Ca2Al2SiO7)、赤鐵礦(Fe2O3)、磁鐵礦(Fe3O4)、等等。另外，鋁矽酸鹽多晶型礦物普遍在岩石中發現，例如矽線石、藍晶石、紅柱石，所有三種通過分子式Al2SiO5，也經常在飛灰中發現。
飛灰也包括硫酸鈣或者(可以在本發明一些實施例之所述混合物組成物中存在之)硫酸根離子之其他來源。
在一些優選之實施例中，所述飛灰之所述細度優選地例如小於約34%被保留在325網狀篩(美國係列)上，如按照ASTM測試程式C-311(2011)測試之("對於飛灰作為波特蘭水泥混凝土之礦物外加劑之取樣和測試程式")。在這種實施例中有用之所述飛灰之平均顆粒大小優選地小於約50微米，更優選地小於約35微米，甚至更優選地小 於約25微米，並且最優選地小於約15微米。該飛灰優選地被回收和乾燥使用(因為它之自凝性質)。
從次煙煤製備之C類飛灰具有下面之在表E中列出之代表性組成物。該飛灰優選地被回收和乾燥使用(因為它之自凝性質)。
優選之合適之F類飛灰具有下面之在表F中列出之組成物。
水硬水泥
為本發明目之之水硬水泥係經歷化學凝結反應之水泥，當它與水接觸(水合作用)時，其不僅在水下凝結(固化)，而且也形成抗水產品。
水硬水泥包括但不限於鋁矽酸鹽水泥，如波特蘭水泥、硫鋁酸鈣水泥、鋁酸鈣基水泥和氟鋁酸鈣水泥。
硫鋁酸鈣(CSA)水泥
硫鋁酸鈣水泥形成本發明一些實施例之所述地 質聚合物粘合劑組成物之成分。硫鋁酸鈣(CSA)水泥與與鋁酸鈣水泥(CAC)或者矽酸鈣系水硬水泥(例如，波特蘭水泥)係不同之水泥類別。CSA水泥係基於硫鋁酸鈣之水硬水泥，而不是鋁酸鈣(其係CAC水泥之基礎)或者矽酸鈣(其係波特蘭水泥之基礎)。硫鋁酸鈣水泥係從熟料製備，包括Ye'elimite(Ca4(AlO2)6SO4或者C4A3Š)，作為初晶相。
在所述優選之硫鋁酸鈣水泥之其他主要物相可以包括以下之一種或多種：矽酸二鈣(C2S)，鐵鋁酸四鈣(C4AF)，和硫酸鈣(CŠ)。與波特蘭水泥相比，硫鋁酸鈣水泥相對低之石灰需求量減少了能源消耗和水泥生產中之溫室氣體排放。事實上，硫鋁酸鈣水泥可以在比波特蘭水泥低大約200℃之溫度下製造，從而進一步減少能量消耗和溫室氣體排放。在本發明一些實施例中有用之存在於所述硫鋁酸鈣水泥中之Ye'elimite物相(Ca4(AlO2)6SO4或C4A3Š)之量優選約20至約90重量%，更優選地約30至約75重量%，並且最優選地約40至約60重量%。
本發明優選之組成物包括約1至約200份，更優選地約2.5至約100份，甚至更優選地約2.5至約50份，並且再更優選地約5至約30重量份硫鋁酸鈣水泥，pbw，每100pbw之熱活化鋁矽酸鹽礦物。
在本發明一些實施例之所述組成物中使用之硫鋁酸鈣水泥之量係可以根據存在於所述CSA水泥中所述活性Ye'elimite物相(Ca4(AlO2)6SO4或C4A3Š)之量調節之。
波特蘭水泥
本發明一些實施例之所述尺寸穩定之地質聚合物包括鋁矽酸鹽礦物、鹼金屬化學活化劑、硫鋁酸鈣水泥和硫酸鈣，其證明瞭極度低幅度之材料收縮。這係符合邏輯和自然之預期：如果額外地摻入其他良好尺寸穩定性之粘合劑材料至所述本發明混合物中，所述最終組成物之所述總材料收縮性和尺寸穩定性將仍保持低和可接受之。例如，已經測定純波特蘭水泥基水泥質組成物之所述收縮比由飛灰組成用鹼金屬檸檬酸鹽啟動之地質聚合物粘合劑之所述收縮幾乎低一數量級。儘管如此，非常令人驚訝之係，已經發現添加波特蘭水泥至本發明所述尺寸穩定之組成物(包括鋁矽酸鹽礦物、鹼金屬化學活化劑、硫鋁酸鈣水泥和硫酸鈣)中，對所述最終組成物之收縮性能具有消極影響。已經發現，向本發明所述地質聚合物組成物添加波特蘭水泥使所述最終組成物之收縮增加。可觀察到之收縮之幅度隨著在所述最終組成物中之波特蘭水泥之量之增加而增加。該結果係高度期望之和令人驚訝之，並且它強調了當其他類型之水泥和/或化學添加劑被摻入到本發明所述尺寸穩定之地質聚合物粘合劑組成物時，化學相互作用之極度複雜性質。基於該理解，在本發明一些優選之實施例中沒有摻入波特蘭水泥。但係，可以考慮到，當一些情況下期望可以接受收縮特性之一定增加時，在一些實施例中共可以使用一定量之波特蘭水泥。波特蘭水泥之量之實際極限取決於對收縮特性不利作用可接受之量，但 係在本發明之一些實施例中，包括不超過15重量份之波特蘭水泥(每100重量份之所述熱活化鋁矽酸鹽礦物)。
所述石灰石、葉岩和其他天然發生材料之低成本和廣泛可獲得性使得波特蘭水泥成為在整個上個世紀廣泛使用最低成本材料之一。
如本文使用之，“波特蘭水泥”係矽酸鈣系水硬水泥。ASTM C 150定義波特蘭水泥為"水硬水泥(水泥，其不僅通過與水反應硬化，而且形成抗水產物)，通過磨碎基本由水硬性矽酸鈣組成之熟料而生產，通常含有一種或多種所述形式之硫酸鈣作為內部研磨添加劑。”如本文使用之，“熟料”為球狀物(直徑，約0.2至約1.0英寸[5-25mm])之燒結材料，當原預定組成物之生組成物被加熱至高溫時產生。
鋁酸鈣水泥
鋁酸鈣水泥(CAC)係另一類型之水硬水泥，當含大量飛灰之低水含量漿體不必需特定較高之抗壓強度時，鋁酸鈣水泥形成本發明實施例所述活性粉末混合物之組分。
鋁酸鈣水泥(CAC)也普遍地被稱為礬土水泥或高鋁水泥。鋁酸鈣水泥具有高氧化鋁含量，約30-45重量%為優選之。較高純度之鋁酸鈣水泥也係商業可獲得之，其中所述氧化鋁含量範圍高達約80重量%。這些較高純度鋁酸鈣水泥往往相對於其他水泥非常昂貴。在本發明一些實施例中使用之所述組成物中之所述鋁酸鈣水泥被精細研磨，以促進 所述鋁酸鹽進入所述水性物相使得鈣礬石和其他鋁酸鈣水合物之迅速形成可以發生。在這種實施例中有用之鋁酸鈣水泥之所述表面面積將大於約3,000cm2/克，並且優選約4,000至約6,000cm2/克，按照所述Blaine表面面積方法(ASTM C 204)測量。
世界上已經出現了幾種生產鋁酸鈣水泥之製造方法。優選地，在鋁酸鈣水泥製造中使用之主要原材料係鐵礬土和石灰石。生產鋁酸鈣水泥之一種製造方法在下文進行描述。首先壓碎和乾燥所述鐵礬土礦石，然後和石灰石一起研磨。然後將由鐵礬土和石灰石組成之所述乾燥粉末填充到回轉窯中。磨成粉之低灰煤在窯中作為燃料使用。在鐵礬土和石灰石之間之反應在所述窯中發生，並且所述熔化產物在所述窯之較低端收集，並傾倒至在所述基部之槽組中。使所述熔化之熟料用水驟冷，形成所述熟料之顆粒，然後將其搬運至儲存。然後將該顆粒研磨成所需要之細度以製備最終水泥。
通常地，在鋁酸鈣水泥之製造過程期間可以形成幾種鋁酸鈣複合物。形成之所述主要複合物係鋁酸一鈣(CaO‧Al2O3，也稱為CA)。形成之其餘鋁酸鈣和矽酸鈣複合物可以包括12CaO‧7Al2O3也稱為C12A7,CaO‧2Al2O3也稱為CA2，矽酸二鈣(2CaO‧SiO2，稱為C2S)，鋁矽酸鹽二鈣(2CaO‧Al2O3‧SiO2，稱為C2AS)。也可以形成含有相對高比例之氧化鐵之幾種其他複合物。這些包括鐵酸鈣，例如 CaO‧Fe2O3或CF和2CaO‧Fe2O3或C2F；和鐵鋁酸鈣，例如鐵鋁酸四鈣(4CaO‧Al2O3‧Fe2O3或C4AF),6CaO‧Al2O3‧2Fe2O3或C6AF2)和6CaO‧2Al2O3‧Fe2O3或C6A2F)。經常存在於所述鋁酸鈣水泥中之其他次要之成分包括氧化鎂(MgO)、二氧化鈦(TiO2)、硫酸鹽和鹼金屬。
所述鋁酸鈣水泥可以具有前述之物相中之一種或幾種。具有鋁酸一鈣(CaO‧Al2O3或CA)和/或七鋁酸十二鈣(12CaO‧7Al2O3或C12A7)作為主要物相之鋁酸鈣水泥在本發明一些實施例中係特別優選之。進一步地，所述鋁酸鈣物相可以係晶體形式和/或非晶態。Cimentfondu(或HAC FONDU)、SECAR 51和SECAR 71係商業可獲得之鋁酸鈣水泥具有鋁酸一鈣(CA)作為主要水泥物相之一些舉例。TERNAL EV係商業可獲得之鋁酸鈣水泥具有七鋁酸十二鈣(12CaO‧7Al2O3或C12A7)作為主要水泥物相之舉例。
當在本發明中使用鋁酸鈣(CAC)水泥時，他們可以部分取代硫鋁酸鈣水泥。在本發明一些實施例中之所述組成物中，所述鋁酸鈣水泥取代物之量多達硫鋁酸鈣水泥和鋁酸鈣水泥之集料重量之約49重量%。
氟鋁酸鈣
氟鋁酸鈣具有所述化學式3CaO．3Al2O3 ．CaF2。通常地，氟鋁酸鈣之通過將石灰、鐵礬土和螢石以這樣之量混合生產，使得所述最終產物為3CaO．3Al2 O3 ．CaF2，並且 在1,200°-1,400℃之溫度下燃燒所述最終混合物。氟鋁酸鈣水泥任選地在本發明中使用，但係在許多實施例中通常不優選。
硫酸鈣
硫酸鈣形成本發明某些實施例之所述地質聚合物粘合劑組成物之成分。雖然硫酸鈣(例如硫酸鈣二水合物)會與水反應，但係它不形成抗水產物，並且它被認為係本發明目之之水硬水泥。在本發明中有用之優選硫酸鈣類型包括硫酸鈣二水合物、硫酸鈣半水化合物和無水硫酸鈣(有時稱為硫酸鈣無水石膏)。可以通過自然來源或者工業生產獲得這些硫酸鈣。如本文所討論當被採用時，硫酸鈣與本發明優選實施例水泥質組成物之基本組分協同作用，從而有助於減少材料收縮，同時賦予所述最終材料其他有用之性能。
在本發明多種實施例中可以有效地採用不同形態形式之硫酸鈣。已經發現，本發明之這種實施例之所述地質聚合物粘合劑和複合物之性能顯著地依賴於使用之硫酸鈣之類型(根據它之化學組成物、顆粒大小、晶體形態、以及化學和熱處理)。在其他性質，這種實施例之所述地質聚合物粘合劑之所述凝結特性、強度發展等級、極限抗壓強度、收縮特性和抗開裂性可以通過在所述製劑中選擇適當之硫酸鈣來源進行調節。因此，這些實施例之所述組合中使用之硫酸鈣類型之選擇係基於在所述終端應用中尋求之性質平衡之基 礎上。
雖然所有三種形式之硫酸鈣(主要係半水化合物、二水合物和無水石膏)在本發明一些實施例之四反應性組分混合物中比下面之比較實施例1-4(只含有兩種或三種所述反應性組分)提供更長之凝結時間和更高之抗壓強度之有益效果係有效之，但係已發現所述三種不同之硫酸鈣之形式具有不同之和令人驚訝之效果(關於在本發明各種實施例中彼此對凝結時間和抗壓強度)。
已經熟知，硫酸鈣之最可溶化學形式係所述半水化合物，接著係相對較低溶解度形式之二水合物，然後係相對最難溶形式之無水石膏。已知所有三種形式本身(形成二水合物化學形式之基質)在水性介質在適當條件下凝結，所述凝結形式之凝結時間和抗壓強度按照它們溶解性之順序。例如，所有其他之事情都係相等之，單獨作為唯一之凝結材料，所述半水化合物通常具有最短之凝結時間和無水石膏具有最長凝結時間(通常係很長之時間)。
很令人驚訝之係，已經發現，主要採用或全部採用硫酸鈣半水化合物之實施例具有最長之凝結時間，而那些主要採用或全部採用硫酸鈣無水石膏之具有最短之凝結時間。同樣令人驚訝之係，主要採用或全部採用無水硫酸鈣(無水石膏)之多個實施例有更大之早抗壓強度(比主要採用或全部採用二水合物形式之實施例)。
在其他實施例之地質聚合物組成物中，也可以 採用兩種或多種類型之硫酸鈣共混物，以改變所述組成物之所述凝結時間和早抗壓強度性能(相對於主要採用或全部採用單一類型之硫酸鈣之實施例)。當使用這樣之共混物，利用之該類型硫酸鈣可能會有所不同，這取決於它們之化學組成物、顆粒大小、晶體形狀和形態，和/或表面處理。
已發現，硫酸鈣之顆粒大小和形態顯著影響本發明一些實施例之所述地質聚合物水泥質粘合劑組成物之早期和極限強度之發展。通常，已發現更小顆粒大小之硫酸鈣提供更快速之早期強度發展。當希望有一極其迅速之強度發展等級，所述優選之平均硫酸鈣顆粒大小為從約1至約100微米之範圍，更優選地從約1至約50微米，並且最優選地從約1至約20微米。而且，也發現，具有更細顆粒大小之硫酸鈣減少材料之收縮。
已進一步發現，對於一給定量之硫鋁酸鈣水泥和存在之其他原材料組分，硫酸鈣量之增加(但不係過度增加)中導致本發明一些實施例所述地質聚合物粘合劑早期抗壓強度增加。當所述硫酸鈣量為硫鋁酸鈣水泥之約10至約50%(重量)時，所述早期抗壓強度結果最大幅度增加。
也被意外地發現，在所述混合物中與硫鋁酸鈣成比例存在之所述硫酸鈣量對本發明一些實施例之地質聚合物組成物之材料收縮程度有顯著影響。優選地，那些實施例有硫酸鈣量約5至約200重量份(相對於100重量份之硫鋁酸鈣水泥)。為了最有效地控制地質聚合物組成物在這種實施 例中之材料收縮，所述硫酸鈣量係約10至約100重量份(相對於100重量份之硫鋁酸鈣水泥)，更優選地約15至約75重量份(相對於100重量份之硫鋁酸鈣水泥)，並且最優選地約20至約50重量份(相對於100重量份之硫鋁酸鈣水泥)。
在本發明一些實施例中之所述組成物中，對於給定量之鹼金屬活化劑和其他原材料組分，已發現使用硫酸鈣二水合物為最大限度地減少材料收縮提供最有效之控制。使用無水硫酸鈣(無水石膏)和硫酸鈣半水化合物也為降低這種實施例之所述地質聚合物水泥質粘合劑組成物之材料收縮提供出色之控制。
在這種實施例之所述組成物中，硫酸鈣類型或多種類型之選擇，係根據所需之早期強度發展速率，收縮控制和所述終端應用中尋求之其他性質之平衡。
在許多這種實施例之所述組成物中，還可以添加部分或全部硫酸鈣量作為所述硫鋁酸鈣水泥之添加劑組分。如果係這樣之情況下，單獨添加在所述組成物中之硫酸鈣量按照包括在所述硫鋁酸鈣水泥之等效量減少。
在一些實施例所述組成物中，硫酸鈣也可以包括在所述飛灰中。當這樣之情況下，單獨添加在所述組成物中之所述硫酸鈣量可以減少。
單獨加入到本發明一些實施例之組成物之硫酸鈣量，可以在(由存在混合物中其他成分貢獻之)所述硫酸根離子利用度之基礎上調節。
火山灰
其他任選之矽酸鹽和鋁矽酸鹽礦物，其在水性介質中其自身具有基本之、很少之或根本沒有膠結性能(cementing properties)，可以作為任選之礦物添加劑包括在本發明一些實施例所述組成物中。各種天然和人造材料被稱為擁有火山灰性能(凝硬性，pozzolanic properties)之火山灰材料。火山灰材料之一些例子包括矽灰、浮石、珍珠岩、矽藻土、磨細粘土、細粉碎葉岩、細磨板岩、精細研磨之玻璃、火山凝灰岩、火山土、以及稻殼。可以單獨或以組合形式使用所有這些火山灰材料，作為本發明一些實施例之水泥質反應性粉末之組成部分。
填充料-集料，無機礦物填充料和輕質填充料
雖然所公開之水泥質反應性粉末共混物限定了本發明許多實施例之水泥質組成物之快速凝結組分，本技術領域之技術人員可以理解，根據其預定用途和應用在所述組成物中可以包括其他材料。
在本發明一些實施例中，一種或多種填充料(如砂、細集料、粗集料、無機礦物填充料、輕質填充料)可以用來作為地質聚合物製劑中之組分。在這種實施例中，這些填充料優選地不係火山灰或熱活化鋁矽酸鹽礦物。
在這種實施例中優選之無機礦物填充料係石灰 岩、石灰石、碳酸鈣、地面粘土、葉岩、板岩、雲母和滑石。一般情況下，這樣之填充料有細顆粒大小，優選之平均顆粒直徑小於約100微米，優選地小於約50微米，並且更優選地小於約25微米(在本發明一些實施例之組成物中)。當為本發明目之大量使用時，不認為蒙脫石粘土和坡縷石以及它們之混合物係合適之無機礦物填充料。
如本文使用之，細集料或砂被定義為無機之岩石材料通常具有平均顆粒大小小於約4.75毫米(0.195英寸)(雖然根據不同之應用也可以使用其他尺寸)。在本發明中優選之砂，具有平均顆粒大小為約0.1毫米至約2毫米。在本發明一些實施例中，細砂，具有平均顆粒大小為約1毫米或更小係優選之填充料。
砂具有最大顆粒直徑約0.6毫米，優選地至多約0.425毫米，在本發明其他實施例中使用一平均顆粒直徑為約0.1至約0.5毫米之範圍內，優選約0.1毫米至約0.3毫米。優選之細沙之例子包括QUIKRETE FINE No.1961和UNIMIN 5030，具有美國篩號# 70-# 30(0.2-0.6毫米)之主要大小範圍。
在所述製劑中，砂之所述顆粒大小分佈和數量有助於控制摻入砂之所述實施例之所述流變特性。在一些實施例之地質聚合物水泥質組成物中可能會添加細砂，以約0.05至約4之砂/水泥質材料(反應性粉末)比率。當需要實現自流平材料之流變能力，在製劑中最可取之砂與水泥質 材料比率係在約0.50至約2之範圍內，最優選約0.75至約1.5。
粗集料被定義為一無機之岩石材料具有平均顆粒大小至少約4.75毫米(0.195英寸)，例如約1/4'英寸至約1-1/2英寸(0.64到3.81釐米)(儘管根據具體之應用也可以使用其他大小)。也可在一些應用中使用具有大小大於約1-1/2英寸(3.81釐米)之集料，例如，混凝土路面。所述粗集料之顆粒形狀和質地可以有很多種形態，如有角之、質地粗糙之、細長之、圓形之或平滑之、或這些之組合。
優選之粗集料由礦物製成，如花崗岩、玄武岩、石英、堇青石(riolite)、安山岩、凝灰岩、浮石、石灰石、石灰岩、砂岩、大理石、矽質岩、燧石、雜砂岩、板岩和/或片麻岩(gnessis)。在本發明之一些實施例中有用之粗集料，優選地滿足在ASTM C33(2011)和AASHTO M6/M80(2008)標準中提出之規範。
當本發明一些實施例之所述地質聚合物水泥質組成物包括粗集料，他們優選地採用以約0.25至約5之集料與水泥質材料(活性粉末)比率。本發明一些實施例含有粗集料，粗集料與水泥質材料比率約0.25至約1。本發明其他一些實施例含有粗集料，粗集料與水泥質材料比率約1至約3。
輕質填充料具有一比重小於約1.5，優選地小於約1，更優選地小於約0.75，並且最優選地小於約0.5。在本發明一些其他優選實施例中，所述輕質填充料之比重小 於約0.3，更優選地小於約0.2，並且最優選地小於約0.1。與此相反，無機礦物填充料s優選地具有比重高於約2.0。有用之輕質填充料係浮石、蛭石、膨脹形式之粘土、葉岩、板岩、珍珠岩、礦渣、膨脹礦渣、煤渣、玻璃微球、合成陶瓷微球、空心陶瓷微珠、聚苯乙烯輕質珠、塑膠空心微球、膨脹塑膠珠等。在本發明一些實施例之組成物中，膨脹塑膠珠和空心塑膠球(當使用時)，以重量為基準以合適之量採用(考慮其相對低之比重和具體應用)。
當利用輕質填充料以減少本發明一些實施例之重量，可以採用它們，例如，按照填充料與水泥質材料(反應性粉末)比率為約0.01至約2，優選約0.01至約1。在本發明這種實施例中，兩種或多種類型之輕質填充料之之組合也可能係有用之。
雖然本發明一些實施例只含有砂作為添加之填充料，其他實施例含有砂和無機礦物填充料和/或輕質填充料。其他實施例可以利用無機礦物填充料和輕質填充料作為所述添加之填充料。然而，其他實施例摻入砂、無機礦物填充料和輕質填充料作為添加之填充料。還有一些實施例含有無機礦物填充料或輕質填充料，並且沒有砂、細集料和粗集料。含有粗集料之本發明實施例，此外，可以包含或不包含下面之填充料-砂、輕質填充料、和無機礦物填充料之一種或多種。然而，其他之實施方基本上不含任何附加之填充料。
鹼金屬化學活化劑
鹼金屬鹽和鹼作為啟動所述反應性粉末組分A(包括熱活化鋁矽酸鹽礦物，如飛灰、硫鋁酸鈣水泥和硫酸鈣)之化學活化劑係有用之。在本發明一些實施例中使用之鹼金屬活化劑可以以液體或固體形式添加。本發明這樣之實施例優選之鹼金屬化學活化劑係有機酸金屬鹽。更優選之鹼金屬化學活化劑係羧酸鹼金屬鹽。鹼金屬氫氧化物和鹼金屬矽酸鹽係一些在本發明一些實施例中有用之鹼金屬化學活化劑之其他例子。可替換地，鹼金屬氫氧化物和鹼金屬矽酸鹽與羧酸(如檸檬酸)組合對提供(包括熱活化鋁矽酸鹽礦物、硫鋁酸鈣水泥和硫酸鈣之)反應性粉末共混物之化學活化也可以係有用之。
在本發明一些實施例中，採用檸檬酸鹼金屬鹽(如檸檬酸鈉或檸檬酸鉀)，聯合(包括熱活化鋁矽酸鹽礦物、硫鋁酸鈣水泥、和硫酸鈣)之反應性粉末共混物，為混合物組成物提供相對良好之流動性，並且在或大約周圍環境溫度(約20-25℃)下使所述原材料混合之後不快速變硬。
所述檸檬酸鹼金屬鹽(如檸檬酸鉀或檸檬酸鈉)之量為約0.5至約10重量%，優選約1至約6(重量)%，優選約1.25至約4(重量)%，更優選地約1.5至約2.5重量%，並且最優選地約2重量%，基於100份之本發明一些實施例之所述水泥質反應性組分(即，反應性粉末組分A)。因此，例如，對於100磅之水泥質反應性粉末，有可能係約1.25 至約4磅總量之檸檬酸鉀和/或檸檬酸鈉。所述優選之鹼金屬檸檬酸鹽係檸檬酸鉀和檸檬酸鈉，特別係檸檬酸三鈉單水合物、和無水三-檸檬酸鈉、三-檸檬酸鈉單水合物、檸檬酸二鈉倍半水合物、三-檸檬酸鈉二水合物、二-檸檬酸鈉、以及單-檸檬酸鈉。
優選地所述凝結活化劑不含有烷烴醇胺。此外，優選地之所述活化劑不含有磷酸鹽。
凝結緩凝劑
有機化合物，例如羥基化羧酸、羰基水合物、糖、和澱粉係本發明一些實施例優選之緩凝劑。有機酸(如檸檬酸、酒石酸、蘋果酸、葡糖酸、琥珀酸、乙醇酸、丙二酸、丁酸、蘋果酸、富馬酸、甲酸、谷氨酸、戊酸、戊二酸、葡糖酸、丙醇二酸、粘液酸，三羥基苯甲酸等)可作凝結緩凝劑用於一些優選實施例中之尺寸穩定之地質聚合物水泥質粘合劑組成物中。
在本發明一些實施例中，葡萄糖酸鈉作機凝結緩凝劑係有效之。纖維素基有機聚合物，如羥乙基纖維素(HEC)、羥丙基纖維素(HPC)、羥丙基甲基纖維素(HPMC)、乙基纖維素(EC)、甲基乙基纖維素(MEC)、羧甲基纖維素(CMC)、羧甲基乙基纖維素(CMEC)、羧甲基纖維素(CMHEC)係額外之有用之緩凝劑(在本發明之一些所述組成物中)。
當將這些纖維素基緩凝劑添加至本發明一些實施例之組成物中，除了造成緩凝外也使所述混合物之粘度顯著增加。優選地，在本發明一些優選之實施例中，不以顯著之量採用無機酸基緩凝劑(如硼酸鹽或硼酸)，因為他們阻礙混合物流變，導致過度之泛鹼，並減少材料與其他基質之粘合強度。
其他任選之凝結控制劑
其他任選之凝結控制化學添加劑包括碳酸鈉、碳酸鉀、硝酸鈣、亞硝酸鈣、甲酸鈣、醋酸鈣、氯化鈣、碳酸鋰、硝酸鋰、亞硝酸鋰、硫酸鋁、鋁酸鈉、烷烴醇胺、聚磷酸鹽等。這些添加劑作為所述製劑之組成部分，也可能會影響本發明一些實施例所述地質聚合物粘合劑組成物之流變性(除了影響到他們之凝結特性外)。
任選之材料、纖維和稀鬆布
本發明一些實施例之所述地質聚合物粘合劑組成物可以包括其他任選之材料和添加劑。這些措施包括選擇下組之至少一個成員：形成薄膜之可再分散之聚合物粉、形成薄膜之聚合物乳膠分散體、消泡和抑泡劑、保水添加劑、凝結控制劑、收縮減少劑、起泡和引氣劑、有機和無機流變控制劑、粘度改性劑(增稠劑)、泛鹼控制(抑制)劑、腐蝕控制劑、潤濕劑、著色劑和/或顏料、離散纖維、長纖維和連續纖維和加強物、紡織加強物、聚乙烯醇纖維、和/或玻璃纖 維和/或其他離散增強纖維。
根據本發明某些實施例，不同類型離散增強纖維可能納入在所述水泥質板組成物中。例如聚合物塗覆之玻璃纖維和聚合材料(如聚丙烯、聚乙烯和尼龍)做成之稀鬆布可以(根據其功能和應用)用來加強水泥基產品之材料舉例。
本發明許多優選實施例優選之所述地質聚合物粘合劑不包含顯著量之水泥窯粉塵。水泥窯粉塵(CKD)，可以在水泥熟料生產過程期間之窯中生產。所述灰塵係部分煆燒之和未反應之原料進料、熟料及塵灰之顆粒狀混合物，富含鹼硫酸鹽、鹵化物和其他揮發物。這些顆粒被廢氣捕獲並在顆粒狀物質控制裝置(如旋風分離器、袋式除塵器和靜電除塵器)中收集。
CKD主要由碳酸鈣和二氧化矽組成，其與所述水泥原進料相似，但係在所述粉塵中鹼金屬、氯化物和硫酸鹽之量通常相當高。來自三種不同類型操作(濕法長窯、乾法長窯和帶分解爐之鹼旁路)之CKD具有多種化學和物理特色。從濕法長窯和乾法長窯形成之CDK由富含鹼金屬硫酸鹽和氯化物之部分煆燒窯進料細粒組成。從分解爐窯之鹼旁路收集之粉塵往往係更加粗糙、更煆燒之，並且也濃縮鹼揮發組分。儘管如此，所述鹼旁路含有最高量(按重量)之氧化鈣和最低燒失量(LOI)。來自Adaska et al.之表格，Beneficial Uses of Cement Kiln Dust，發表於2008 IEEE/PCA 50th Cement Industry Technical Conf.,Miami,FL,May 19-22,2008，提供了該三種不同類型操作之組成物分解並且包括了對於I型波特蘭水泥之優選化學組成物以進行比較。
超增塑劑和引氣劑
減水劑(超增塑劑)，在本發明一些實施例中優選地施用。它們可以以乾燥之形式或者以溶液之形式添加。超增塑劑可以有助於減少所述混合物之需水量。超增塑劑之實施例包括聚萘磺酸鹽、聚丙烯酸酯、多羧酸酯、聚醚多羧酸酯、木素磺化鹽、三聚氰胺磺化鹽、caesin等。根據使用之超增塑劑之類型，該超增塑劑(以乾粉為基礎)與該反應性粉末共混物之重量比率優選地為約5重量%或更少，優選約2重量%或更少，優選約0.1至約1重量%。
多羧酸酯聚醚化學為基礎之超增塑劑對於本發明一些實施例，係最優選之減水化學外加劑。多羧酸酯聚醚超增塑劑係最優選之，因為它們有助於如前面提到之本發明各種目標之實現。
添加引氣劑到本發明一些實施例之水泥質漿體，以原位形成氣泡(泡沫)。引氣劑係優選地為表面活性劑，其特意捕獲在混凝土中之微小氣泡。或者，採用引氣劑以外部產生泡沫，在所述混合物操作過程中將其引入到一些實施例之該混合物中，以減少該產物之密度。優選地從外部產生泡沫，將該引氣劑(也被稱為液體發泡劑)、空氣和水在合適之泡沫發生裝置中混合，以產生泡沫。在添加該泡沫至所述水泥質漿體之前，可以添加泡沫穩定劑，例如聚乙烯醇。
引氣/起泡劑之實施例包括烷基磺酸鹽、 alkylbenzolfulfonate和烷基醚硫酸鹽低聚物等等。這些發泡劑之詳細通式為可以在美國專利5,643,510中(Sucech)找到，引入本文作為參考。
可以採用例如符合在ASTM C 260 "Standard Specification for Air-Entraining Admixtures for Concrete"(Aug.1,2006)中提出之標準之引氣劑(起泡劑)。熟諳技藝人士已經熟知這種引氣劑，並且在Kosmatka et al "Design and Control of Concrete Mixtures," Fourteenth Edition，波特蘭水泥Association，特別係題為"Air Entrained Concrete,"之Chapter 8(在美國專利申請號2007/0079733 A1中引用).中描述。
市售之引氣材料包括松香皂木質樹脂、磺化烴、脂肪酸和樹脂酸、脂族取代之芳基磺酸鹽(如磺化木質素鹽和許多其他通常採取陰離子或非離子表面活性劑形式之介面活性材料)、松香酸鈉、飽和或不飽和脂肪酸和它們之鹽、表面活性劑、烷基-芳基磺酸鹽、酚乙氧基化物、木素磺化鹽、樹脂皂、經基硬脂酸鈉、月桂基硫酸鹽、ABS(烷基苯磺酸鹽)、LAS(直鏈烷基苯磺酸鹽)、鏈烷磺酸鹽、聚氧乙烯烷基(苯基)醚、聚氧乙烯烷基(苯基)醚硫酸鹽酯或其鹽、聚氧乙烯烷基(苯基)醚磷酸鹽酯或其鹽、蛋白質材料、alkenylsulfosuccinate、α-烯烴磺酸鹽之、α烯烴磺酸鈉鹽、或月桂基硫酸鹽或磺酸鹽和其混合物。
優選地，所述引氣/起泡劑為該總水泥質組成物 重量之約0.01至約1重量%。
生物聚合物和有機流變控制劑
在本發明一些實施例中，琥珀醯聚糖、diutan膠、瓜耳豆膠、wellan膠、黃原膠、纖維素醚為基礎之有機化合物，係起水狀膠質和流變控制劑作用之生物聚合物。在這種實施例之所述地質聚合物粘合劑組成物中，合成有機聚合物(如聚丙烯醯胺、鹼溶脹丙烯酸類聚合物、締合丙烯酸類聚合物、丙烯酸/丙烯醯胺共聚物、疏水性改性之鹼溶脹性聚合物、高水溶脹性之有機聚合物)，可以有效地作為流變控制劑中和增稠劑(thicknener)採用。
在這種實施例之所述地質聚合物粘合劑組成物中，可以有效地採用締合和非締合類型之流變控制劑和增稠劑。在本發明那些實施例地質聚合物組成物中，有效用於流變控制之纖維素基有機聚合物之實施例包括羥乙基纖維素(HEC)、羥丙基纖維素(HPC)、羥丙基甲基纖維素(HPMC)、乙基纖維素(EC)、甲基乙基纖維素(MEC)、羧甲基纖維素(CMC)、羧乙基纖維素(CMEC)、羧甲基羥乙基纖維素(CMHEC)。上文提及之該有機流變控制劑和增稠劑在冷水和熱水中均係可溶之。這些添加劑也作為保水劑，因此除了控制材料之流變性外，還減少材料之離析和泌水。
無機流變控制劑
本發明一些實施例之該地質聚合物水泥質組成 物也包括屬於頁矽酸鹽家族之無機流變控制劑。在這些實施例中特別有效之無機流變控制劑之實施例包括坡縷石、海泡石、蒙脫石、高嶺石、伊利石。特別有用之蒙脫石粘土實例係鉀蒙脫石、皂石和蒙脫石。也可以使用天然之和化學處理過之不同品種膨潤土粘土控制那些實施例組成物之流變性。這種添加劑也作為保水劑，從而減少材料離析和泌水。該無機流變控制劑可以添，加在沒有該有機流變控制劑之情況下使用或與其組合使用之。
形成薄膜之聚合體添加劑
在本發明一些實施例中，優選之形成薄膜之可再分散之聚合物粉為乳膠粉。這些聚合物粉係水-可再分散之，並且通過水性聚合物分散體(乳膠)之噴霧乾燥製備得到。
乳膠係一乳液聚合物。乳膠係水基之聚合物分散體，在工業應用中廣泛使用。乳膠係聚合物微顆粒在水性介質中適當之分散體(膠狀之乳液)。因此，它係橡膠或塑膠聚合物微顆粒在水中之懸浮液/分散體。乳膠可以係天然之或合成之。
該乳膠優選地由純丙烯酸、苯乙烯橡胶、苯乙烯丁二烯橡胶、苯乙烯丙烯酸类、乙烯丙烯酸或丙烯酸酯化之乙烯-乙酸乙烯酯共聚物，并且更优选地纯丙烯酸。优选地乳胶聚合物衍生自选自丙烯酸、丙烯酸酯、甲基丙烯酸和 甲基丙烯酸酯组成之组中之至少一種丙烯酸单体。例如，在乳液聚合物中优选采用之該单体包括这样之单体：如丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、2-乙基丙烯酸己酯、其他丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯和它们之共混物、丙烯酸、甲基丙烯酸、苯乙烯、乙烯基甲苯、乙酸乙烯酯、比乙酸更高之羧酸乙烯基酯，例如叔碳酸乙烯、丙烯腈、丙烯酰胺、丁二烯、乙烯、乙烯基氯化物，等，和其混合物。
例如，一乳膠聚合物可以係丙烯酸丁酯/甲基丙烯酸甲酯共聚物或2-乙基己基丙烯酸酯/甲基丙烯酸甲酯共聚物。優選地，該乳膠聚合物進一步係來自於選自以下之一種或多種之單體：苯乙烯、α-甲基苯乙烯、乙烯基氯化物、丙烯腈、甲基丙烯腈、甲基丙烯酸脲基酯(ureido methacrylate)、乙酸乙烯酯、支鏈叔單羧酸之乙烯基酯、衣康酸、丁烯酸、馬來酸、富馬酸、乙烯和C 4-C 8之共軛二烯。
泛鹼抑制劑
憎水劑，例如矽烷、矽樹脂、矽氧烷、硬脂酸鹽可以被添加到本發明一些實施例之水泥質組成物中，以減少該材料之泛鹼潛力。有用之泛鹼抑制劑之選擇實施例包括辛基三乙氧基矽烷、甲基矽酸鉀(potassium methyl siliconate)、硬脂酸鈣、硬脂酸丁酯、聚合物硬脂酸酯。這些泛鹼控制劑降低硬化材料內水之運輸，從而最小化可能會導致泛鹼之鹽和其他水溶性化學物質之遷移。過度泛鹼可導致 不良之美感，由於鹽累積和鹽水合作用發生膨脹反應而造成材料破壞和損害，並減少與其他基質和表面塗層之粘合強度。
消泡劑
消泡劑可以被添加到本發明一些實施例之地質聚合物水泥質組成物中，以減少夾帶之空氣量，提高材料強度，增加材料與其他基質之粘合強度，並在應用中產生無缺陷之表面，其中表面美學係一重要之標準。在本發明一些實施例之所述地質聚合物組成物中，合適消泡劑之實施例包括聚環氧乙烷、聚醚胺、聚乙二醇、聚丙二醇、烷氧基化物、聚烷氧基化物、脂肪醇烷氧基化物、疏水之酯、三丁基磷酸鹽、烷基聚丙烯酸酯、矽烷、矽氧烷、聚矽氧烷、聚醚矽氧烷、炔二醇、四甲基癸炔二醇、仲醇乙氧基化物、矽油、疏水性二氧化矽、油(礦物油、植物油、白油)、蠟(固體石蠟、酯蠟、脂肪醇蠟)、醯胺類、脂肪酸類、聚醚衍生物、脂肪酸等。
初始漿體溫度
在本發明一些實施例中，優選在這種條件下形成該漿體：提供降低之初始粘合劑混合物漿體溫度，以及小於約50℉(28℃)之至最終粘合劑漿體溫度上升，更優選地小於約40℉(22℃)之上升，並且最優選地小於約30℉(17℃)之上升；為了改進溫度穩定性更重要之係，減慢凝膠化和終凝時間，其從約10至約240分鐘，更優選地約60 至約120分鐘，並且最優選地約30至約60分鐘，從而對該粘合劑組成物之商業用途之工作時間更好地控制。。所述初始漿體溫度優選約室溫。
增加該漿體之初始溫度，增加了隨反應進行溫度上升之速率，並減少凝結時間。因此，在製備傳統飛灰基地質聚合物粘合劑組成物中，使用95℉(35℃)至105℉(41.1℃)之初始漿體溫度(因為在本發明一些實施例中，優選地避免快速之凝膠化和凝結時間)，因為該組成物製劑之設計以減少了該混合物從該初始漿體溫度之溫度增加行為。本發明增加該初凝膠化時間和終凝時間，隨本發明許多實施例獲得之熱穩定性之有益效果，反過來，為該組成物提供了增加之商業和易性，如果所述初始漿體溫度已經相當高之話可能會使其稍微較少。
該“初始溫度”定義為在將該水泥質反應性粉末、活化劑、和水開始全部存在於該混合物中之後之第一分鐘。當然，該總混合物之溫度在這第一分鐘期間可能變化，但係，為了實現優選之熱穩定性，它在約0至約50℃之初始溫度範圍內將保持穩定，優選初始溫度範圍為約10至約35℃，甚至更優選約15至約25℃之初始溫度範圍，優選環境溫度。
材料放熱之和溫度上升行為
本發明一些實施例之組成物有利地實現適度之 放熱和在所述材料內(在固化階段)低程度之溫度上升。在本發明一些實施例之這種組成物中，發生在該材料內之最大溫度上升優選地小於約50℉(28℃)，更優選地小於約40℉(22℃)，並且最優選地小於約30℉(17℃)。這防止了過度熱膨脹和後續之開裂，以及材料之斷裂。當該材料以這種方式利用：在實際領域應用中涉及大厚度之材料澆注時，這方面變得更加重要。本發明之該地質聚合物水泥質組成物在這個特殊方面係有益之，因為它們在實際領域應用中表現較低之熱膨脹和增強之抗熱裂性。
實施例
在本發明之實施例中，如上文所述，除非另有明確說明，組成物或產品配方之百分比為重量百分比。除非明確指出，所述報導之測量也為近似之量，例如近似百分比、重量、溫度、距離或其他性質。此外，除非另有說明，FASTROCK 500牌硫鋁酸鈣水泥，可從CTS水泥公司購買，作為水泥質反應性粉末之一組成部分。FASTROCK500具有一平均粒徑約5微米，95%之顆粒比約25微米更細。所述測得之FASTROCK 500之Blaine細度約6780cm2/g。對FASTROCK500之所述氧化物組成物進行分析，並在表AA中顯示： 表AA
在所述實施例中採用之存在於FASTROCK500硫鋁酸鈣水泥中之所述主相，包括C4A3Š、C2S、C4AF、和CŠ。
在所有之實施例中，除非另有說明，所述飛灰為C類飛灰，來自Campbell Power Plant，West Olive，MI。此飛灰具有約4微米之平均粒徑。所述飛灰測得之所述Blaine細度約4300cm2/g。在這些實施例中採用之所述C類飛灰之所述氧化物組成物在表AA中顯示。
在許多實施例中之硫酸鈣二水合物為一細粒度之硫酸鈣二水合物，這裏被稱為作為石膏粉或細粒石膏粉之，可從United States Gypsum Company購買。所述細粒石膏 粉具有約15微米之一平均粒徑。
在一些實施例中包括之所述無水硫酸鈣(無水石膏)為SNOW WHITE牌填充料，可從United States Gypsum Company購買。所述USG SNOW WHITE填充料為無水石膏之一不溶性形式，通過高溫熱處理硫酸鈣所產生，通常為石膏。其具有非常低水準之化學結合水分，優選約0.35%。所述USG SNOW WHITE填充料之平均粒徑為7微米。
在一些實施例中包括之所述硫酸鈣半水合物為USG HYDROCAL C-Base牌硫酸鈣半水合物，可從United States Gypsum Company購買。HYDROCAL C-Base為一α形態之硫酸鈣半水合物形式，具有塊狀晶體之微觀結構和低之需水量。所述USG HYDROCAL C-Base之平均粒徑為約17微米。
除非另有說明，本文定義粗粒度之硫酸鈣二水合物為粗石膏粉或粗粒度之石膏粉，其在許多實施例中採用之採購自所述United States Gypsum Company，具商業名USG BEN FRANKLIN AG牌粗石膏。所述USG BEN FRANKLIN AG牌石膏為一粗粒度之硫酸鈣二水合物，具平均粒徑約75至約80微米。
在許多實施例中包括之所述所述細粒度之硫酸鈣二水合物為USG TERRA ALBA F & P牌，來自所述United States Gypsum Company。所述USG TERRA ALBA F & P填充料為一高純度之硫酸鈣二水合物，具有一平均粒徑約為13微 米。
包括在許多實施例中之所述QUIKRETE細粒度No.1961細砂，具有在表BB中所示之粒徑：
包括在一些實施例中之所述UNIMIN5030砂具有在表BB中所示之粒徑。
檸檬酸鉀或檸檬酸鈉為所述鹼金屬檸檬酸鹽，其加入到本發明之一些實施例中之所述水泥質組成物一些實施例中，並作為化學活化劑、流變改性劑、和凝結控制劑起作用。
本文報告之所述初凝時間和所述終凝時間使用吉爾摩針(Gilmore needle)按照ASTM C266測試程式測得。
本發明之一些實施例中之水泥質地質聚合物組成物之所述塌落和流動行為通過塌落測試表徵。本文所使用之所述塌落測試利用一中空之圓柱體約5.08cm.(2in.)直徑和約10.16cm.(4in.)之長度，豎直以一個開口端部擱在一光滑之塑膠表面。所述圓柱體將被所述水泥質混合物充滿到所述頂部，然後通過刮平所述頂表面，以除去所述過量之漿體混合物。然後所述圓柱體輕輕抬起垂直，以使所述漿體從底部出來並擴散在塑膠表面上形成一圓形餅。然後測量並記錄餅之直徑作為所述材料之塌落。如這裏所用之，具有良好流動行為之組成物產生較大之塌落值。所述漿體之流動，通過將所述漿體之流動性按照1到第10之範圍分級，值為1表示非常差之流動行為，以及值為10表示較優異之流動行為。
本文所用之材料收縮(在這裏也被稱為“收縮”)，通過測量棱柱體試件之所述長度變化表徵，按照所述ASTM C928(2009)測試標準。在將所述各原材料組分包括水被帶到一起4小時後，測量初始長度。在將所述元件包括水被帶到一起8周後，進行所述最終測量。所述最初和最終之測量值之間之所述差異除以所述初始長度，再乘以100%給出之所述收縮作為一百分比。根據ASTM C157(2008)標準，製備所述1in.x1in.(橫截面)長度變化棱柱體試件，在這裏也被稱為棒。
根據所述ASTM C109(2008)之測試方法，測試所述2in.×2in.×2in.立方體在壓縮下之失效，來測量本文所用之材料之壓縮強度。所述立方體硬化並在密封之塑膠袋中固化後從所述黃銅模具脫模，直到所述測試時期。澆鑄後約4小時、約24小時、約7天和約28天時測試所述立方體。在一些實施例中，在塑膠袋中完成固化28天后，對立方體進行飽和7天。在將其立即帶出水並且表面乾燥後，對所述飽和之狀態下之這些立方體進行壓縮測試。
在半絕熱條件下將所述漿體放在一絕緣容器中，測量這裏所使用之所述漿體溫度上升行為，並用一熱電偶記錄所述材料之溫度。
許多所述實施例顯示了本發明之一些實施例中所述發展之地質聚合物水泥質組成物(包含熱活化之鋁矽酸鹽礦物(飛灰)，硫鋁酸鈣水泥，硫酸鈣和鹼金屬化學活化劑)之物理性質。這說明瞭摻入硫鋁酸鈣水泥以結合硫酸鈣和鹼金屬化學活化劑，對本發明之一些實施例中所述發展之地質聚合物水泥質組成物之所述材料之收縮行為、早期抗壓強度、極限抗壓強度、放熱行為和凝結特徵之影響。
本發明之一些實施例中之組成物有利地實現：在所述固化階段所述材料內適度之放熱和低之升溫。在這樣之組成物中，在材料中發生之所述最大溫升優選小於約50℉(28℃)，更優選小於約40℉(22℃)，並且仍然更優選小於約30℉(17℃)。這可以防止過度之熱膨脹以及由此產生之材 料開裂和破壞。當所述材料以這種方式利用：其中在所述實際領域應用中涉及大厚度之材料澆注，這方面變得更加有益。在這個特定之方面，如下面所討論之本發明研究之地質聚合物水泥質組成物係有利之，因為在實際現場應用中它們表現出較低之熱膨脹和增強之熱開裂抵抗力。
本發明之一些實施例中發明之組成物也對良好之和易性實現了較長之凝結時間。對於本發明之一些實施例之一極短凝結時間係有問題之，用於實施作為短期材料之使用壽命(適用期)，導致在實際領域中之應用中使用設備和工具處理快速凝結材料之重大困難。
實施例1-已知之地質聚合物水泥質組成物之比較實施例
下面之例子說明瞭所述比較水泥質組成物(包含類Ç飛灰和鹼金屬檸檬酸鹽)之所述物理性質。所述測試結果顯示所述收縮行為、早期和極限抗壓強度、以及水泥質組成物之凝結行為，見在表1所示。所有這三種混合物用檸檬酸鉀活化，並包含不同數量之砂。所有這三種混合物具有大約100重量份之飛灰C類和約100重量份之總水泥質材料。換句話說，所有之所述凝結材料為飛灰C類。
第1A圖顯示比較實施例1中研究之所述水泥質組成物之所述收縮行為。
從所述原材料混合在一起並澆鑄時間之4小時開始所述收縮測量。可以觀察到，飛灰組成物以鹼金屬檸檬酸鹽活化，表現出極高之收縮量。在約75℉/50% RH固化8周後發現所述測得之最大收縮高達0.75%。含砂量增加降低了 所述收縮程度，但整體收縮仍然保持在非常高之水準。如此高水準之材料收縮使之所述材料完全不能令人滿意地應用於大多數建築。應當指出，對於大多數建築應用中，超過約0.10%之收縮被認為係較高之和不理想之。
材料之初始流動行為、塌落、和早期開裂行為
表2顯示比較實施例1中研究之所述水泥質組成物之初始流動行為和塌落。
在砂/水泥比率約為0.75，以鹼金屬檸檬酸鹽活化之飛灰組成物具有良好之流動行為。當砂/水泥比增加至約1.5時，所述漿體小程度地失去其流動性。在砂/水泥比約2.5，混合物變得非常僵硬，並且無流動特徵。
第1B圖顯示在比較實施例1中研究之混合物#1塌落餅之照片。乾燥後所述塌落餅明顯地開裂。在所述塌落測試後少於約30分鐘內餅發生開裂。裂縫之數量和開裂之大小，隨後物料乾燥和硬化而增長。
凝結時間
表3顯示比較實施例1中研究之所述水泥質組成物之凝結行為。
本實施例中之水泥質組成物具有極其快速之凝結行為。所有混合物凝膠化速度非常快，並在所述原材料混合在一起小於約5分鐘後失去流動行為，形成含水漿體。
抗壓強度
表4顯示比較實施例1中研究之水泥質組成物之抗壓強度行為。所有飛灰組成物顯示，在約28天時，抗壓強度之發展超過約7000psi。
實施例2-比較實施例
本實施例研究比較水泥質組成物(包含飛灰和鹼金屬檸檬酸鹽)之早期尺寸穩定性以及抗開裂性。表5顯示研究之混合物組成物之所述原料組成物。用檸檬酸鈉活化混合物，並含有數量不等之砂。該混合物含有約100重量份C類飛灰和約100重量份總水泥質材料。換句話說，所有之凝結材料為C類飛灰。
材料之早期開裂行為
第2A圖顯示比較實施例2中研究之混合物所述塌落餅之照片。乾燥後所述塌落餅明顯地開裂。在所述塌 落測試後少於約30分鐘內餅發生開裂。裂縫之數量和開裂之大小，隨後物料乾燥和硬化而增長。
比較實施例2中之組成物之抗壓強度行為
表5A顯示比較實施例2中混合物之抗壓強度行為。所述組成物之早期抗壓強度係比較低之，即在4小時時小於約500psi，並且在24小時時小於約2000psi。如將在稍後在實施例中所示，本發明之實施例中之所述地質聚合物組成物發展顯著較高之抗壓強度，在這些同一早期齡期並具有同等之水/水泥比率。如本發明特定實施例中之實施例中顯示，可以通過調整本發明之實施例之所述組成物中使用之硫酸鈣之種類和量，硫鋁酸鈣水泥之量，和鹼金屬活化劑之種類和量來很容易定制所述早期抗壓強度。
實施例3：比較實施例
本實施例研究該比較水泥質組成物(包含飛灰和鹼金屬檸檬酸鹽)之早期尺寸穩定性和抗開裂性。表5顯示研究之該混合物組成物之原料組成物。
材料之早期開裂行為
第3A圖顯示在比較實施例3中研究之混合物所述塌落餅之照片。乾燥後所述塌落餅明顯地開裂。在所述塌落測試後少於約30分鐘內餅發生開裂。
比較實施例3中組成物之抗壓強度行為
表5B顯示比較實施例3中混合物之抗壓強度行為。所述組成物之早期抗壓強度係比較低之，即在4小時時小於約500psi，並且小於約2000psi。如本發明特定實施例中之實施例中顯示，可以通過調整本發明之實施例之所述組成物中使用之硫酸鈣之種類和量，硫鋁酸鈣水泥之量，和鹼金屬活化劑之種類和量來很容易定制所述早期抗壓強度。
收縮行為
第3B圖 顯示在比較實施例3中所述水泥質組成物早前期之收縮行為。
從距所述原材料混合在一起並澆鑄1-小時之齡期開始早前期之收縮測量。以鹼金屬檸檬酸鹽活化所述飛灰組成物，表現出非常高之收縮量。在約75℉/50% RH固化8-周後發現所述測得之最大收縮超過約1%。如此高水準之材料 收縮使之所述材料對於大多數建築應用而言不能令人滿意。在大多數建築應用中，超過約0.10%之收縮被認為係不理想地高。
實施例4：添加硫鋁酸鈣水泥到飛灰-比較實施例
本實施例顯示所述水泥質組成物，包含飛灰、硫鋁酸鈣水泥和鹼金屬檸檬酸鹽之物理性質。這個研究了摻入硫鋁酸鈣水泥對所述水泥質組成物(包含飛灰和鹼金屬檸檬酸鹽)之收縮和抗開裂性之影響。
表6和7顯示在本實施例中研究之各種水泥質混合物1-4之所述原料組成物。在各種混合物組成物中使用之所述硫鋁酸鈣水泥之量從約所述飛灰重量之約20重量%至約80重量%變化。
材料之初始流動行為、塌落、和早期開裂行為 表8顯示在實施例4中研究之飛灰和硫鋁酸鈣水泥之二元共混物之初始流動行為和塌落。所有研究之混合物具有良好之流動行為和大之餅直徑，如塌落測試觀察之。
第4A圖顯示實施例4中研究之混合物1和2之塌落餅照片。第4B圖和第4C圖顯示在實施例4中分別研究之混合料3和4塌落餅之照片。乾燥後全部之塌落餅發展出明顯地開裂。原材料剛剛混合在一起約10分鐘後，所述餅就開始發生裂縫。裂縫之大小和裂縫之數量顯著增長，隨後物料之乾燥和硬化。具有最小量硫鋁酸鈣水泥之混合物1生長出最少量之開裂。添加硫鋁酸鈣水泥到由鹼金屬檸檬酸鹽活化之飛灰組成物中，導致尺寸不穩定之材料在乾燥和硬化時容易發生過度開裂。
收縮行為
澆鑄矩形棱柱體試件用以研究所述混合物收縮行為之特性。第4D圖顯示混合物1，混合物2(樣品2-1和 2-2)，混合物3(樣品3-1和3-2)和混合物(樣品4-1和4-2)，它們澆鑄在模具中約4小時後標本之照片(左到右)。第4D圖顯示，所有澆鑄棱柱體試件在模具中開裂。所有之棒收縮非常顯著，並在它們在模具(脫模前)中澆鑄幾個小時後破裂。測得裂縫寬度，並且在標本為約24小時期時測定這些混合物之總收縮量為超過約1.0%。
實施例5
本研究之目標係研究摻入不同量之硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)到本發明之一些實施例之地質聚合物粘合劑組成物中之影響。
表9和10顯示了在這個實施例中研究之該地質聚合物水泥質混合物之原料組成物。在本實施例之混合物組成物中使用之硫鋁酸鈣之量等於約飛灰重量之40重量%。在研究之混合物組成物中，以不等量之水準(硫鋁酸鈣水泥重量之25重量%、約50重量%、約75重量%和約100重量%)添加硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)。在本實施例中採用該水/水泥質材料比例保持恒定在0.25。
材料之初始流動行為、塌落、和早期開裂行為
表11顯示了在實施例5中研究之本發明之一些實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰、硫鋁酸鈣水泥、硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)、和鹼金屬檸檬酸鹽)之初始流動行為和塌落特徵。可以清楚地觀察到，研究之所有混合物組成物具有良好之自流平和流動行為，如同在所述塌落測試中大之餅直徑所表示。特別值得注意之係，這種大之塌落值和自流平行為可以在低至0.25之水/水泥質材料比例時獲得。
第5A圖顯示在實施例5中研究之本發明之一些實施例之地質聚合物水泥質組成物之塌落餅之照片。本實施例之所述塌落餅乾燥後沒有發展出任何開裂，如其在比較實施例4不含有硫酸鈣二水合物(石膏粉)中水泥質混合物發生之。因此，將硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)摻入到水泥質混合物中，包含飛灰、硫鋁酸鈣水泥、和鹼金屬檸檬酸鹽，提供尺寸穩定之地質聚合物水泥質組成物具有優良之耐開裂性。
收縮行為
第5B圖顯示在實施例5中研究之本發明之一些實施例之地質聚合物水泥質組成物之收縮行為之曲線圖。本研究之主要目之係研究摻入硫鋁酸鈣水泥結合硫酸鈣(以細粒度之硫酸鈣二水合物之形式)對本發明之一些實施例中之地質聚合物水泥質組成物之收縮行為之影響。
在從原材料混合在一起形成含水漿體之約4小時之齡期，開始所述收縮測量。所述材料收縮係測得之，總持續時間約8-周，同時在約75℉/50% RH固化所述材料。
可以從本次研究和第5B圖，得出以下結論：
摻入硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)對提高本發明之一些實施例之所述地質聚合物水泥質組成物(進一步還包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥和鹼金屬檸檬酸鹽)之抗開 裂性和尺寸穩定性之具有顯著之影響。與比較實施例4(沒有硫酸鈣二水合物)之收縮棒(其甚至在脫模前開裂)相反，實施例5中之收縮棒(包含硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉))係穩定之，而且在脫模之前或之後，在所述棒中沒有明顯裂縫(裂縫暗示不可接受之尺寸穩定性或不希望之收縮)。
本發明之一些實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰、硫鋁酸鈣水泥、硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)、和鹼金屬檸檬酸鹽)測得之最大收縮顯著低於該比較水泥質組成物(僅含有飛灰和鹼金屬檸檬酸鹽)(實施例1)測得值。例如，本發明之一些實施例(包含飛灰、硫鋁酸鈣水泥、硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)和鹼金屬檸檬酸鹽)之地質聚合物水泥質組成物具有最大之測得收縮範圍在約0.07%至約0.13%之間，與之相比，該比較混合物(含有飛灰和鹼金屬檸檬酸鹽(實施例1))具有僅約0.75%之最大收縮。因此，可以得出結論，以細粒度之石膏粉形式添加硫酸鈣二水合物至水泥質組成物(包含飛灰、硫鋁酸鈣水泥和鹼金屬檸檬酸鹽)有助於顯著減少材料收縮。
在約25重量%之低量硫酸鈣二水合物(精細粒之石膏粉)時，在75℉/50% RH下固化8-周之後該測得之最大收縮為約0.13%。本發明之一些實施例之水泥質組成物中硫酸鈣(細粒度之石膏粉)量之進一步增加，使該材料收縮非常顯著地減少。在約50重量%之硫酸鈣(細粒度之石膏粉)量，該測得之最大材料收縮減少至約0.08%。相似地， 在約75重量%和約100重量%之硫酸鈣(細粒度之石膏粉)量，該測得之最大材料收縮甚至減少至約0.07%。
放熱和漿體溫度上升行為
第5C圖顯示了在實施例5中研究之本發明之一些實施例之地質聚合物水泥質組成物之放熱之和漿體溫度上升行為之曲線圖。實施例5中之水泥質組成物(包含飛灰、硫鋁酸鈣水泥、硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)、和鹼金屬檸檬酸鹽)表現出非常溫和之升溫行為。在所述固化階段，所述材料裏面之適度之放熱和低之升溫有效防止過度熱膨脹和由此產生之材料開裂和破壞。當所述材料以這種方式利用：其中在所述實際領域應用中涉及大厚度之材料澆注時，這方面變得更加有益。本實施例中研究之本發明之一些實施例之地質聚合物水泥質組成物係公開之，在這個特殊之方面係非常有益之，因為它們會導致在實際現場應用中表現較低之熱膨脹和增強之熱開裂抵抗力。
凝結時間
表11顯示在實施例5中研究之本發明之一些實施例之地質聚合物水泥質組成物之凝結時間之條形圖。
實施例5中研究之水泥質組成物具有快速之凝結行為，終凝時間約20至40約分鐘。本發明之一些實施例發展之水泥質組成物(包含飛灰、硫鋁酸鈣水泥、硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)、和鹼金屬檸檬酸鹽)與如在實施例1中所見之水泥質組成物(僅包含飛灰和鹼金屬檸檬酸鹽)相比較，具有相對較長凝結時間。對於實施例1中之比較水泥質組成物(包含飛灰和鹼金屬檸檬酸鹽)，最終凝結時間為約15分鐘。本發明之一些實施例中對於某些應用程式之極短凝結時間係有問題之，因為其提供了較短之工作壽命(適用期)，導致在領域應用中處理和放置快速凝結材料在實際之顯著困難。
在本實施例中顯示之本發明之本實施例，意外地發現，當鋁矽酸鹽礦物、鹼金屬活化劑、硫鋁酸鈣水泥和硫酸鈣混合在一起，所得到之反應比兩個單獨之反應放較小並且凝膠化和硬化時間時間顯著延長。
還發現，當鋁矽酸鹽礦物和鹼金屬活化劑與硫鋁酸鈣水泥和硫酸鈣(如上面所討論之在段中之描述)一起進行反應時，材料收縮有顯著減少。
抗壓強度
表12顯示了在實施例5中研究之本發明一些實施例研製之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰、硫鋁酸鈣水泥、硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)、和鹼金屬檸檬酸鹽)之抗壓強度行為。
本實施例研究摻入硫鋁酸鈣水泥結合硫酸鈣(以細粒度之石膏粉之形式)對本發明之一些實施例中研製之地質聚合物水泥質組成物之早期和極限抗壓強度行為之影響。所述資料表示以下：
本發明之一些實施例中所述地質聚合物水泥質組成物之抗壓強度隨著時間之推移持續增加。
混合料所述早期(約4-小時和約24-小時)之強度隨著在所述水泥質組成物中增加硫酸鈣(石膏粉)之量而增加。
使用硫酸鈣二水合物(以細粒度之石膏粉之形 式)作為本發明之一些實施例研究之地質聚合物水泥質組成物之組成部分，所述材料早期之即4-小時抗壓強度超過約1500psi。此外，含有更高量硫酸鈣二水合物(以細粒度之石膏粉之形式)之混合物3和混合物4，其4-小時抗壓強度在約3000psi以上。
使用硫酸鈣(以細粒度之石膏粉之形式)作為本發明之一些實施例研究之地質聚合物水泥質組成物之一組成部分，所述材料早期之即24-小時抗壓強度超過約3500psi。此外，含有更高量硫酸鈣(細粒度之石膏粉)之混合物3和混合物4，其24-小時抗壓強度在約4500psi以上。
本發明之一些實施例中所有之質聚合物水泥質組成物之所述28-天抗壓強度非常高，並超過5000psi。混合料1至3之28-天含有之抗壓強度約6000psi或更大。
實施例6
本研究之目標係研究摻入不同量之硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)到本發明之一些實施例之地質聚合物粘合劑組成物中之影響。
表14顯示在這個實施例中研究之該地質聚合物水泥質混合物之原料組成物。在本係合理之該混合物組成物中使用之硫鋁酸鈣之量等於飛灰重量之40重量%。在研究之多種混合物組成物中，硫酸鈣二水合物(精細粒之石膏粉)以不同量之水準硫鋁酸水泥重量之125重量%、150重量%、175重量%和200重量%，以及飛灰之50、60、70和 80重量%添加。在本實施例中利用之該水/水泥質材料比例保持恒定為0.25。也添加了：QUIKRETE商業級細砂編號1961和BASF CASTAMENT FS20超增塑劑。
材料之初始流動行為、塌落、和早期開裂行為
表15顯示了在實施例6中研究之本發明一些實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰、硫鋁酸鈣水泥、 硫酸鈣(細粒度之石膏粉)、和鹼金屬檸檬酸鹽)之初始流動行為和塌落特徵。
所有研究之混合物組成物具有良好之自流平、流動行為和大之餅直徑，如在塌落測試中觀察之。即使在水/水泥質材料比例低至約0.25時，還可獲得大之塌落和自流平行為。
與比較實施例4之水泥質混合物不含有硫酸鈣二水合物(石膏粉)之相反，本實施例之塌落餅在乾燥過程中沒有生長出任何之開裂。因此，可以得出結論，摻入硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)至該水泥質混合物(包含飛灰、硫鋁酸鈣水泥和鹼金屬檸檬酸鹽)提供尺寸穩定之地質聚合物水泥質組成物，其乾燥時具有優良之抗開裂性。
收縮行為
第6A圖 顯示在實施例6中研究之本發明之一 些實施例地質聚合物水泥質組成物之收縮行為。來自本實施例之該結果顯示了摻入硫鋁酸鈣水泥結合細粒度之硫酸鈣二水合物和鹼金屬檸檬酸鹽對本發明之一些實施例研製之地質聚合物水泥質組成物收縮行為之協同影響。
在從所述原材料混合在一起以形成含水漿體之約4-小時之齡期開始所述收縮測量。所述材料收縮係測得之，總持續時間約8-周，同時在約75℉/50% RH固化所述材料。
可以從本研究和第6A圖得出以下重要結論：
摻入硫酸鈣二水合物(以細粒度石膏粉之形式)對提高本發明之一些實施例之所述地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥和鹼金屬檸檬酸鹽)之抗開裂性和尺寸穩定性之具有顯著之影響。與比較實施例4(沒有硫酸鈣二水合物)之收縮棒(其甚至在脫模前開裂)相反，實施例6中之收縮棒(包含硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉))係完全穩定之，並在脫模之前或之後不會導致任何開裂。
本發明之一些實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰、硫鋁酸鈣水泥、硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)，和鹼金屬檸檬酸鹽)測得之最大收縮顯著低於水泥質組成物(僅包含飛灰和鹼金屬檸檬酸鹽)(實施例1)。例如，與所述比較混合物(僅包含飛灰和鹼金屬檸檬酸鹽)(實施例1)之最大收縮約0.75%相比，本發明之一些實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，硫酸鈣二水 合物(細粒度之石膏粉)，和鹼金屬檸檬酸鹽)具有一最大收縮約0.09%至約0.12%。因此，添加硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)到水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，和鹼金屬檸檬酸鹽)中，可以非常顯著地降低所述材料收縮。
在本實施例中使用之石膏粉量水準之增加導致該材料最大收縮之稍微增加。可以觀察到，石膏粉約125重量%之量，該材料收縮為約0.09%。石膏粉量增加至約200重量%，導致材料收縮增加至約0.12%。
放熱和漿體溫度上升行為
第6B圖 顯示在實施例6中本發明一些實施例之地質聚合物水泥質組成物之放熱和漿體溫度上升行為。可以觀察到，實施例6之該水泥質組成物包含飛灰、硫鋁酸鈣水泥、硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)和鹼金屬檸檬酸鹽，只展示了非常溫和之溫度上升行為。
在所述固化階段，所述材料裏面之適度之放熱和低之升溫有效防止過度熱膨脹和由此產生之材料開裂和破壞。當所述材料以這種方式利用：其中在所述實際領域應用中涉及大厚度之材料澆注時，這方面變得更加有益。本實施例中研究之本發明之一些實施例之地質聚合物水泥質組成物係公開之，在這個特殊之方面係非常有益之，因為它們會導致在實際現場應用中較低之熱膨脹和增強之熱開裂抵抗力。
凝結時間
表16顯示了在實施例6中研究之本發明一些實 施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰、硫鋁酸鈣水泥、硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)、和鹼金屬檸檬酸鹽)之凝結時間。
在本實施例研究之所有水泥質組成物顯示出之終凝時間範圍為約35至約45分鐘。與此相反，實施例1之比較水泥質組成物(包含飛灰和鹼金屬檸檬酸鹽)具有一非常快速之最終凝結時間為約15分鐘。
抗壓強度
表17顯示了在實施例6中本發明之一些實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)，和鹼金屬檸檬酸鹽)之早期和最終之發展之抗壓強度行為。
從本研究中可以得出以下觀察：
本實施例中研究之本發明之一些實施例之地質聚合物水泥質組成物之抗壓強度隨時間不斷增加。
使用硫酸鈣以細粒度之石膏粉形式作為本發明一些實施例研究之地質聚合物水泥質組成物之組分，材料之早期(即4-小時)抗壓強度超過約2500psi。而且，混合物1至3之4-小時抗壓強度超過約3000psi。
使用硫酸鈣以細粒度之石膏粉形式作為本發明一些實施例研究之地質聚合物水泥質組成物之組分，材料之早期(即24-小時)抗壓強度超過約4000psi。
在本實施例中研究之本發明之一些實施例地質聚合物水泥質組成物之28-天抗壓強度非常高，並且超過5000psi。混合物1至3以細粒度之石膏粉形式含有硫酸鈣，28-天抗壓強度大於6000psi。
實施例7
本研究之目標係研究摻入不同量之硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)到本發明之一些實施例之地質聚合 物粘合劑組成物中之影響。
本實施例比較了比較混合物1(無硫酸鈣二水合物)與混合物2、3和4(包含硫鋁酸鈣水泥和細粒度之硫酸鈣二水合物)。
實施例比較了比較混合物1(無硫酸鈣二水合物)與混合物2、3和4(包含硫鋁酸鈣水泥和細粒度之硫酸鈣二水合物)。
表18顯示了在本實施例中研究之地質聚合物水泥質混合物之原料組成物。本實施例之混合物組成物中使用之硫鋁酸鈣水泥之量等於Ç類飛灰重量之80重量%。硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)，按下列之量水準加入到所述研究之混合物組成物中，為硫鋁酸鈣水泥重量之-0重量%、10重量%、20重量%和30重量%，其為所述飛灰之0,8,16和24重量%。在本研究中利用之水與水泥質材料之比例保持不變，在0.30。也添加了QUIKRETE商業級細砂編號1961，以及BASF CASTAMENT FS20超增塑劑。
材料之初始流動行為、塌落、和早期開裂行為
表19顯示了在實施例7中研究之本發明一些實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰、硫鋁酸鈣水泥、硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)、和鹼金屬檸檬酸鹽)之初始流動行為和塌落特徵。
所有研究之混合物組成物具有良好之流動行為和大之餅直徑，如在塌落測試中觀察之。即使在水/水泥質材料比例低至約0.3時，還可獲得大之塌落和自流平行為。
第7A圖 顯示實施例7之比較混合物1之塌落餅，其不含有任何硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)，並且在乾燥過程中形成顯著之開裂。第7B圖 顯示實施例7本發明之一些實施例地質聚合物水泥質組成物之混合物2、3和4之塌落餅情況良好，並沒有發展任何開裂.
收縮行為
第7C圖 顯示了在這個實施例中研究之本發明一些實施例地質聚合物水泥質組成物之收縮行為之資料。
在從所述原材料混合在一起以形成含水漿體之約4-小時之齡期開始所述收縮測量。所述材料收縮係測得之，總持續時間約8-周，同時在約75℉/50% RH固化所述材料。
這個研究在下面顯示：
與比較實施例4(沒有硫酸鈣)中之收縮棒(其 即使在脫模前開裂)相反，實施例7之收縮棒(包含硫酸鈣(細粒度之石膏粉))係完全穩定之，並在脫模之前或之後不會導致任何開裂。
與所述比較混合物組成物(僅含有飛灰和鹼金屬檸檬酸鹽)(實施例1)之一最大收縮約0.75%相比，本發明之一些實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)，和鹼金屬檸檬酸鹽)具有一最大收縮小於約0.07%。
與僅包含飛灰、硫鋁酸鈣水泥和鹼金屬檸檬酸鹽(混合物1)之比較組成物測得之最大收縮約0.19%相比，本發明一些實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰、硫鋁酸鈣水泥、硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)和鹼金屬檸檬酸鹽(混合物2、3和4))測得之最大收縮小於約0.07%。
放熱和漿體溫度上升行為
第7D圖顯示了在實施例7中研究之本發明之一些實施例之地質聚合物水泥質組成物之放熱之和漿體溫度上升行為。本實施例之水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)，和鹼金屬檸檬酸鹽)表現出溫和之升溫行為。在所述固化階段，所述材料裏面之一適度之放熱和低之升溫有效之防止過度熱膨脹和由此產生之材料開裂和破壞。當所述材料以這種方式利用：其中在所述實際領域應用中涉及大厚度之材料澆注時，這方面變得更加有益。本實施例中研究之本發明之一些實施例之地質 聚合物水泥質組成物係公開之，在這個特殊之方面係非常有益之，因為它們會導致在實際現場應用中較低之熱膨脹和增強之熱開裂抵抗力。
凝結時間
表20顯示了實施例7之地質聚合物水泥質組成物比較混合物1和混合物2、3和4之凝結時間。
與比較水泥質組成物(僅包含飛灰和鹼金屬檸檬酸鹽(實施例1))相比，所有水泥質組成物表現非常快速之凝結行為。但係，本發明之混合物2、3和4包含飛灰、硫鋁酸鈣水泥、硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)和鹼金屬檸檬酸鹽，具有相對較長凝結時間。本發明之一些實施例之地質聚合物水泥質組成物(混合物2、3和4，包含飛灰、硫鋁 酸鈣水泥、石膏粉和檸檬酸鈉)之終凝時間為約60至約90分鐘，與之相比之，該比較混合物組成物(僅含有飛灰和檸檬酸鈉(實施例1))具有極度快速之終凝時間約15分鐘。
抗壓強度
表21顯示了在實施例7中研究之本發明一些實施例研製之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰、硫鋁酸鈣水泥、硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)、和鹼金屬檸檬酸鹽)之抗壓強度行為。
可以得出以下觀察：
本實施例中研究之本發明之一些實施例之地質聚合物水泥質組成物之抗壓強度隨時間不斷增加。
比較混合物組成物(沒有硫酸鈣(混合物1))之所述早期抗壓強度和所述極限抗壓強度都低於本發明之一些實施例水泥質組成物(包含石膏粉)(混合物2至4)。
本發明之一些實施例之地質聚合物水泥質組成 物之早期(4-小時和24-小時)抗壓強度隨著所述材料中硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)量之增加而增加。
在本發明之一些實施例中之地質聚合物水泥質組成物中使用硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)作為組分，材料中之24小時抗壓強度超過約1500psi。混合物3和4之24-小時抗壓強度超過約2500psi。
本發明之一些實施例之所有地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣，石膏粉和檸檬酸鈉)之28-天抗壓強度非常高，超過約5000psi。混合物4(包含石膏粉之量為約(硫鋁酸鈣水泥重量之)30wt%)之28-天抗壓強度超過約6000psi。
實施例8
本研究之目標係研究摻入不同量之硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)到本發明之一些實施例之地質聚合物粘合劑組成物中之影響。
本實施例描述了本發明之一些實施例研製之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，細粒度之硫酸鈣二水合物(即石膏或石膏粉)和鹼金屬檸檬酸鹽)之物理性質。表22顯示了在本實施例中研究之地質聚合物水泥質混合物之原料組成物。本實施例之混合物組成物中使用之，等於飛灰之重量之約80重量%。石膏粉按以下之量加入到研究之混合物組成物中，為硫鋁酸鈣水泥重量之-40重量%、50重量%、60重量%和80重量%，其為飛灰重量之32、 40、48和64重量%。在本實施例中利用之水/水泥質材料比例保持不變為0.30。添加了QUIKRETE商業級細砂號1961和BASF CASTAMENT FS20超增塑劑。
材料之初始流動行為、塌落、和早期開裂行為
表23顯示了在實施例8中研究之本發明一些實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰、硫鋁酸鈣水泥、 硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)、和鹼金屬檸檬酸鹽)之初始流動行為和塌落特徵。
所有研究之混合物組成物具有良好之自流平、流動行為和大餅直徑，如在塌落測試中觀察之。特別值得注意之係，即使在水/水泥質材料比例低至約0.3時，還可獲得大之塌落和自流平行為。
對所有四種混合物(包含硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉))塌落餅狀況良好，不生長出開裂。
收縮行為
第8A圖顯示了在實施例8中研究之本發明之一些實施例之地質聚合物水泥質組成物之收縮行為。在從所述原材料混合在一起以形成含水漿體之約4-小時之齡期開始所述收縮測量。所述材料收縮係測得之，總持續時間約8-周，同時在約75℉/50%相對濕度(RH)固化所述材料。
可以從本研究和第8A圖得出以下重要結論：
與比較實施例4(沒有硫酸鈣)中之收縮棒(其即使在脫模前開裂)相反，實施例8之收縮棒(包含硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉))係完全穩定之，並在脫模之前或之後不會導致任何開裂。
與所述比較混合物組成物(僅含有飛灰和鹼金屬檸檬酸鹽)(實施例1)之一最大收縮約0.75%相比，本實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)，和鹼金屬檸檬酸鹽)具有一最大收縮約0.07%至約0.18%。
超過了一定程度硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)量之增加有增加材料收縮之效果。比如，在石膏粉量約40重量%(混合物1)，總收縮為約0.07%，在石膏粉量約60重量%(混合物3)，總收縮增加值約0.13%，並在石膏粉量約80重量%(混合物4)，總收縮有進一步之增加至值約0.18%。
比較實施例7和實施例8收縮測試結果，有優選之硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)之量之範圍，其提供了最小之材料收縮。此數量範圍之硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)似乎係約硫鋁酸鈣水泥重量之10至約50wt.%，用於研究在這些實施例中之水泥質組成物。
放熱和漿體溫度上升行為
第8B圖顯示了在實施例8中研究之本發明之 一些實施例之地質聚合物水泥質組成物之放熱之和漿體溫度上升行為。本實施例之水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)，和鹼金屬檸檬酸鹽)只展示了非常溫和之溫度上升行為。這防止過度熱膨脹和由此產生之材料開裂和破壞。當所述材料以這種方式利用：其中在所述實際領域應用中涉及大厚度之材料澆注時，這方面變得更加有益。本實施例中研究之本發明之一些實施例之地質聚合物水泥質組成物係公開之，在這個特殊之方面係非常有益之，因為它們會導致在實際現場應用中較低之熱膨和增強之熱開裂抵抗力。
凝結時間
表24顯示了在實施例8中研究之本發明一些實施例之地質聚合物水泥質組成物之凝結時間。
在本實施例研究之所有水泥質組成物表現出快 速之凝結行為。而且，與僅含有飛灰和檸檬酸鈉(實施例1)之比較混合物組成物之極為迅速之終凝時間約15分鐘相比，本實施例之實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，硫酸鈣二水合物(石膏粉)，和檸檬酸鈉)之終凝時間為約60至約90分鐘。
抗壓強度
表25顯示了在實施例8中研究之本發明一些實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰、硫鋁酸鈣水泥、硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)、和鹼金屬檸檬酸鹽)發展之抗壓強度行為。
本實施例研究摻入硫鋁酸鈣水泥(結合硫酸鈣(細粒度之石膏粉)和鹼金屬檸檬酸鹽)對本發明之一些實施例研製之地質聚合物水泥質組成物之早期及極限抗壓強度行為之影響。從這項研究中可以得出以下觀察：
在本實施例中研究之本發明之一些實施例之地質聚合物水泥質組成物之抗壓強度隨時間持續增加。
與這些本發明之一些實施例(包含硫酸鈣相比為低(細粒度之石膏粉)(混合物1至4))之水泥組成物相比，混合物組成物(無硫酸鈣(實施例7中之混合物1))之早期抗壓強度和所述極限抗壓強度較低。
比較實施例7和實施例8之測試結果，可以觀察到，本發明之一些實施例之地質聚合物水泥質組成物之早期(4-小時和24-小時)抗壓強度隨材料中硫酸鈣(細粒度之石膏粉)量之增加而增加。
在大量之硫酸鈣(細粒度之石膏粉)上，本發明之一些實施例之地質聚合物水泥質組成物之早期(4-小時和24-小時)抗壓強度係非常高之。該混合物組成物包含硫酸鈣(細粒度之石膏粉)之量水準等於約40重量%，約50重量%，約60重量%，具有各自約4-小時抗壓強度超過約1500psi，並且分別之約24-小時抗壓強度均超過約4000psi。
當與比較實施例2和3之4小時和24小時抗壓強度約500psi和2000psi相比時，早期4-小時和24-小時抗壓強度顯示本發明之一些實施例有能力發展顯著更大之早期抗壓強度。
本發明之一些實施例之所有地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣，硫酸鈣二水合物(石膏粉)和檸檬酸鈉)之28-天抗壓強度非常高，超過4500psi。本發 明之一些實施例之該水泥質組成物(包含硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉))之量水準等於約40%重量%，約50重量%，約60%重量%，具有各自之28-天抗壓強度超過約6000psi。
實施例9
本研究之目標係研究摻入不同量之硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)到本發明之一些實施例之地質聚合物粘合劑組成物中之影響。
表26顯示了在本實施例中研究之地質聚合物水泥質混合物之原料組成物。
本實施例之混合物組成物中使用之硫鋁酸鈣水泥之量等於Ç類飛灰重量之80重量%。細粒度之石膏粉形式之硫酸鈣二水合物，按下列之量水準加入到所述研究之混合物組成物中，為硫鋁酸鈣水泥重量之-0重量%,10重量%,20重量%和30重量%，其為所述飛灰之0,8,16和24重量%。在本研究中利用之水與水泥質材料之比例保持不變，在0.25。
材料之塌落和早期開裂行為
表27顯示了在實施例9中研究之本發明一些實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰、硫鋁酸鈣水泥、硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)、和鹼金屬檸檬酸鹽)之初始流動行為和塌落特徵。
所有研究之混合物組成物具有良好之流變性和塌落行為，如在塌落測試中觀察之。特別值得注意之係，即使在水/水泥質材料比例低至約0.25，可獲得此良好之流變性和塌落行為。
所有含有硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)之混合物情況良好，並沒有發展任何開裂。
收縮行為
第9A圖顯示在實施例9中研究之本發明之一些實施例之地質聚合物水泥質組成物之收縮行為。本研究之主要目之係研究摻入硫鋁酸鈣水泥結合一細粒度之硫酸鈣二水合物(石膏粉)和鹼金屬檸檬酸鹽對本發明之一些實施例中之地質聚合物水泥質組成物之收縮行為之影響。
在從所述原材料混合在一起以形成含水漿體之約4-小時之時間開始所述收縮測量。所述材料收縮係測得之，總持續時間約8-周，而在約75℉/50% RH下固化所述材料。
從本次研究和第9A圖，可以得出以下結論：
與比較實施例4(沒有硫酸鈣)中之收縮棒(其 在脫模前開裂)相反，實施例9之收縮棒(包含硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉))係穩定之，並在脫模之前或之後不會導致任何開裂。
與所述比較混合物組成物(僅含有飛灰和鹼金屬檸檬酸鹽)(實施例1)之一最大收縮約0.75%相比，本發明之一些實施例(實施例9)之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)，和鹼金屬檸檬酸鹽)具有一最大收縮小於約0.07%。
混合物組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，硫酸鈣(細粒度之石膏粉)，和鹼金屬檸檬酸鹽(混合物2，3和4))有一最大收縮小於約0.07%，而比較混合物1(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，鹼金屬檸檬酸鹽，但沒有硫酸鈣(石膏粉))之最大收縮約0.17%，係非常高之。
放熱和漿體溫度上升行為
第9B圖顯示了在實施例9中研究之本發明之一些實施例之地質聚合物水泥質組成物之放熱之和漿體溫度上升行為。本實施例之水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)，和鹼金屬檸檬酸鹽)只展示了非常溫和之溫度上升行為。另外，減少水與水泥質材料之比例從約0.30至約0.25(比較實施例7和9之結果)，不改變到任何顯著程度之溫度上升行為。
在固化階段，材料內一適度之放熱和低之升溫 顯著地協助防止過度熱膨脹和由此產生之材料開裂和破壞。當所述材料以這種方式利用：其中在所述實際領域應用中涉及大厚度之材料澆注時，這方面變得更加有幫助。本實施例中研究之本發明之一些實施例之地質聚合物水泥質組成物係公開之，在這個特殊之方面係非常有益之，因為它們會導致在實際現場應用中較低之熱膨脹和增強之熱開裂抵抗力。
凝結時間
表28顯示了在實施例9中研究之本發明一些實施例之地質聚合物水泥質組成物之凝結時間。
在本實施例研究之所有水泥質組成物表現出快速之凝結行為。與僅含有飛灰和檸檬酸鈉(實施例1)之比較混合物組成物之極為迅速之終凝時間約15分鐘相比，本實施例之實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)，和檸檬酸鈉) 之終凝時間超過約45分鐘。與本發明之一些實施例中之混合物2至4(含有硫酸鈣二水合物(石膏粉))相比，比較混合物# 1無硫酸鈣(石膏粉)具有顯著縮短凝結時間。對於本發明之一些實施例一極短凝結時間係有問題之。
抗壓強度
表29顯示了在實施例9中研究之本發明一些實施例研製之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰、硫鋁酸鈣水泥、硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)、和鹼金屬檸檬酸鹽)抗壓強度行為。
從本研究中可以得出以下觀察：
本實施例中本發明之一些實施例之地質聚合物水泥質組成物之抗壓強度隨時間不斷增加。
與本發明一些實施例包含石膏粉(混合物2至4)之水泥質組成物相比，該混合物組成物沒有石膏粉(混合物1)之所述早期抗壓強度和所述極限抗壓強度較低。
本發明之一些實施例之地質聚合物水泥質組成物之早期(4-小時和24-小時)抗壓強度隨著所述材料中硫酸鈣(細粒度之石膏粉)量之增加而增加。
在本實施例中研究之本發明之一些實施例之地質聚合物水泥質組成物中使用硫酸鈣(細粒度之石膏粉)，材料之4-小時抗壓強度超過約1000psi。此外，混合物3和混合物4(包含硫酸鈣(細粒度之石膏粉))之4小時抗壓強度分別超過約1500psi和約2000psi。與此相反，在不存在硫酸鈣二水合物(石膏粉)時，材料之約4-小時抗壓強度係相對非常低之，小於約400psi(混合1)。
在本實施例中研究之本發明之一些實施例之地質聚合物水泥質組成物中使用硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)，材料之24-小時抗壓強度超過約2500psi。此外，混合物3和混合物4(包含硫酸鈣(細粒度之石膏粉))之24小時抗壓強度超過約3500psi。與此相反，在不存在石膏粉時，材料之約24-小時抗壓強度小於約1000psi(混合物1)。
早期4-小時和24-小時抗壓強度顯示了，當在比較實施例2和3顯示之約500psi和2000psi之4小時和24小時抗壓強度相比，本發明之一些實施例能夠發展顯著更高之早期抗壓強度。
本發明之一些實施例之所有地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣，硫酸鈣二水合物(石膏粉)和檸檬酸鈉)之28-天抗壓強度非常高，超過約6000psi。
實施例10
本研究之目標係研究摻入不同量之硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)到本發明之一些實施例之地質聚合物粘合劑組成物中之影響。
表30顯示了在本實施例中研究之地質聚合物水泥質混合物之原料組成物。本實施例之混合物組成物中使用之硫鋁酸鈣水泥之量等於Ç類飛灰重量之80重量%。細粒度之石膏粉形式之硫酸鈣二水合物，按下列之量水準加入到所述研究之混合物組成物中，為硫鋁酸鈣水泥重量之-40重量%、50重量%、60重量%和80重量%。所述硫酸鈣二水合物為飛灰之32、40、48和64重量%。在本研究中利用之水與水泥質材料之比例保持不變，在0.25。使用之所述砂為QUIKRETE商業級細砂編號1961，以及超增塑劑為BASF CASTAMENT FS20。
材料之塌落和早期開裂行為
表31顯示了在實施例10中研究之本發明一些實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰、硫鋁酸鈣水泥、硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)、和鹼金屬檸檬酸鹽)之初始流動行為和塌落特徵。
所有研究之混合物組成物具有良好之流變性和塌落行為，如在塌落測試中觀察之。特別值得注意之係，即使在水/水泥質材料比例低至約0.25時，還可獲得此良好之流變性和塌落行為。
所有含有硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)之混合物情況良好，並沒有發展任何開裂.
收縮行為
第10A圖顯示了在實施例10中研究之本發明一些實施例之地質聚合物水泥質組成物之收縮行為。
在從所述原材料混合在一起以形成含水漿體之約4-小時之時間開始所述收縮測量。所述材料收縮係測得之，總持續時間約8-周，而在約75℉/50% RH固化所述材料。
可以從本研究和第10A圖得出以下重要結論：
與比較實施例4(沒有硫酸鈣)中之收縮棒(其即使在脫模前開裂)相反，實施例10之收縮棒(包含硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉))係完全穩定之，並在脫模之前或之後不會導致任何開裂。
所述比較混合物組成物(僅含有飛灰和鹼金屬檸檬酸鹽)(實施例1)之一最大收縮約0.75%相比，本發明 之一些實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)，和鹼金屬檸檬酸鹽)具有一最大收縮在約0.08%至約0.14%之間。
混合物組成物(包含飛灰、硫鋁酸鈣水泥、硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)、和鹼金屬檸檬酸鹽)具有一最大收縮在約0.08%和約0.14%之間。與此相反，實施例9中之比較混合物1(包含飛灰、硫鋁酸鈣水泥、鹼金屬檸檬酸鹽、但沒有硫酸鈣二水合物(石膏粉))之最大收縮為約0.17%。
放熱和漿體溫度上升行為
第10B圖顯示了實施例10中研究之本發明之一些實施例之地質聚合物水泥質組成物之放熱之和漿體溫度上升行為。本實施例之水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)，和鹼金屬檸檬酸鹽)只展示了非常溫和之溫度上升行為。另外，降低水與水泥質材料之比例，從約0.30至約0.25(比較實施例8和實施例10之結果)，不會改變任何顯著程度之溫度上升行為。
在所述固化階段，所述材料裏面之適度之放熱和低之升溫協助防止過度熱膨脹和由此產生之材料開裂和破壞。當所述材料以這種方式利用：其中在所述實際領域應用中涉及大厚度之材料澆注時，這方面變得更加有幫助。本實施例中研究之本發明之一些實施例之地質聚合物水泥質組成物係公開之，在這個特殊之方面係非常有益之，因為它們會 導致在實際現場應用中較低之熱膨脹和增強之熱開裂抵抗力。
凝結時間
表32顯示了在實施例10中研究之本發明一些實施例之地質聚合物水泥質組成物之凝結時間。
在本實施例研究之所有水泥質組成物表現出快速之凝結行為。與僅含有飛灰和檸檬酸鈉(實施例1)之比較混合物組成物之極為迅速之終凝時間約15分鐘相比，本實施例之實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，石膏粉，和檸檬酸鈉)之終凝時間超過約50分鐘。此外，與實施例10中混合1至4(含有石膏粉)相比，實施例9中比較組成物1無石膏粉具有顯著縮短之凝結。
抗壓強度
表33顯示了在實施例10中研究之本發明一些實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰、硫鋁酸鈣水泥、硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)、和鹼金屬檸檬酸鹽)發展之抗壓強度行為。
從本研究中可以得出以下重要觀察：
本實施例中研究之本發明之一些實施例之地質聚合物水泥質組成物之抗壓強度隨時間不斷增加。
本發明之一些實施例之地質聚合物水泥質組成物之早期(4-小時和24-小時)抗壓強度隨著所述材料中硫酸鈣(細粒度之石膏粉)量之增加而增加。
在本實施例中研究之本發明之一些實施例之所有四個地質聚合物水泥質組成物中使用硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)，材料之4-小時抗壓強度超過約2000psi。事實上，Mixes # 1至# 3(包含硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉))之4小時抗壓強度超過約2500psi。另一方面，在不存在石膏粉時，材料之約4-小時抗壓強度係相對非常低之，小於約400psi(比較實施例9中之混合物#1)。
在本實施例中研究之本發明之一些實施例之所 有四個地質聚合物水泥質組成物中使用硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)，材料之24-小時抗壓強度超過約4000psi。另一方面，在不存在硫酸鈣二水合物(石膏粉)時，材料之約24-小時抗壓強度係相對非常低之，小於約1000psi(比較實施例9中之混合物#1)。
本發明之一些實施例之所有地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣，硫酸鈣(石膏粉)和檸檬酸鈉)，28-天抗壓強度再次非常高，並超過約7000psi。
實施例11
本研究之目標係研究摻入不同量之鹼金屬檸檬酸鹽到本發明之一些實施例之地質聚合物粘合劑組成物中之影響。
表34顯示了在實施例11中研究之地質聚合物水泥質混合物之原料組成物。
本實施例之混合物組成物中使用之硫鋁酸鈣水泥之量等於Ç類飛灰重量之80重量%。添加之細粒度之石膏粉形式之硫酸鈣二水合物等於硫鋁酸鈣水泥重量之30重量%，使用之硫酸鈣二水合物為所述飛灰之24重量%。檸檬酸鈉形式之鹼金屬檸檬酸鹽，按下列之量水準加入到所述研究之混合物組成物中，為總水泥質材料重量之-2.00重量%、1.25重量%、0.50重量%和0.00重量%。在本研究中利用之水與水泥質材料之比例保持不變，在0.275。所述砂為QUIKRETE商業級細砂編號1961，以及增塑劑為BASF CASTAMENT FS20。
材料之初始流動行為、塌落、和早期開裂行為
表35顯示了在實施例11中研究之本實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰、硫鋁酸鈣水泥、硫酸鈣(細粒度之石膏粉)、和不同量之鹼金屬檸檬酸鹽)之初始流動行為和塌落特徵。
所有研究之混合物組成物具有良好之流動行為和大d餅直徑，如在所述塌落測試中觀察到之。值得注意之係，即使在水/水泥質材料比例低至約0.275，可獲得如此大之塌落和自流平性質。
第11A圖顯示了在實施例11中研究之水泥質混合物組成物塌落餅之照片。在約2%檸檬酸鈉上，混合物1 之塌落餅沒有裂縫，其表明尺寸不穩定或不可接受之收縮。另一方面，混合物2、3和4(含有約1.25%，0.5%和0%檸檬酸鈉)之塌落餅，在乾燥時，分別發展出一些微裂縫。因此，本實驗顯示了在組成物中降低鹼金屬檸檬酸鹽之量(低於特定量)可以增加地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣和石膏粉)開裂之潛力。
收縮行為
第11B圖顯示了在實施例11中研究之實施例之地質聚合物水泥質組成物之收縮行為。本次調查之主要目之係研究不同量鹼金屬檸檬酸鹽對本實施例之地質聚合物水泥質組成物發展之收縮行為之影響。
在從所述原材料混合在一起以形成含水漿體之約4-小時之齡期開始所述收縮測量。所述材料收縮係測得之，總持續時間約8-周，而在約75℉/50% RH固化所述材料。
可以從本研究和第11B圖得出以下重要結論。測得之最大收縮為最低，在檸檬酸鈉之量約為2.0%時，約為0.06%。降低檸檬酸鈉之量增加材料之最大收縮。例如，在檸檬酸鈉之量約為1.25%，測得之最大收縮為約0.14%，而在檸檬酸鈉之量約為0.5%，測得之最大收縮增加至約0.23%。
與所述比較混合物組成物(僅含有飛灰和鹼金屬檸檬酸鹽)(實施例1)之一最大收縮約0.75%相比，本實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)，和鹼金屬檸檬酸鹽)具 有一最大收縮約0.06%至約0.24%。
放熱和漿體溫度上升行為
第11C圖顯示了在實施例11中研究之本實施例之地質聚合物水泥質組成物之放熱之和漿體溫度上升行為。本實施例之水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)，和鹼金屬檸檬酸鹽)只展示了一非常溫和之溫度上升行為。在所述固化階段，所述材料裏面之一適度之放熱和低之升溫係顯著地防止過度熱膨脹和由此產生之材料開裂和破壞。當所述材料以這種方式利用：其中在所述實際領域應用中涉及大厚度之材料澆注時，這方面變得更加有幫助。本實施例中研究之本實施例之地質聚合物水泥質組成物係公開之，在這個特殊之方面係非常有益之，因為它們會導致在實際現場應用中較低之熱膨脹和增強之熱開裂抵抗力。
凝結時間
表36顯示了實施例11中實施例之地質聚合物水泥質組成物之凝結時間。
在本實施例中所有水泥質組成物表現出非常快速之凝結行為。隨著檸檬酸鈉量之增加最終凝結時間減少。例如，混合物組成物含有約0%至約0.5%之檸檬酸鈉(混合物4和混合物3)具有一終凝時間約2小時，而在混合物組成物含有約2.0%之檸檬酸鈉可達到一終凝時間僅約1小時。
實施例12
本研究之目標係研究摻入不同量之鹼金屬檸檬酸鹽到本發明之一些實施例之地質聚合物粘合劑組成物中之影響。
表37顯示了在本實施例中研究之地質聚合物水泥質混合物之原料組成物。
本實施例之混合物組成物中使用之硫鋁酸鈣水泥之量等於飛灰重量之80重量%。添加之細粒度之石膏粉形式之硫酸鈣二水合物等於硫鋁酸鈣水泥重量之30重量%，和飛灰之24重量%。檸檬酸鈉按下列之量水準加入到研究之混合物組成物中，為總水泥質材料重量之-2.00重量%、3.00重量%、4.00重量%和5.00重量%。砂為QUIKRETE商業級細砂編號1961，以及超增塑劑為BASF CASTAMENT FS20。
材料之初始流動行為、塌落、和早期開裂行為
表38顯示了在實施例12中研究之本實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰、硫鋁酸鈣水泥、硫酸鈣(細粒度之石膏粉)、和不同量之鹼金屬檸檬酸鹽)之初始 流動行為和塌落特徵。
即使在水/水泥質材料比例低至約0.275，研究之所有之混合物組成物具有良好之自流平、流動行為和大之餅直徑，如在塌落測試中觀察到之。
對於實施例12中研究之混合物之所有塌落餅導致良好之流動行為。此外，所有四種混合物組成物(含有不同量之檸檬酸鈉)導致塌落餅無裂紋。這係相比實施例11中之一些塌落餅在較少量之檸檬酸鈉下發展開裂。
收縮行為
第12A圖顯示了在實施例12中研究之實施例之地質聚合物水泥質組成物之收縮行為。
在從所述原材料混合在一起以形成含水漿體之約4-小時之時間開始所述收縮測量。所述材料收縮係測得之，總持續時間約8-周，而在約75℉/50% RH下固化所述材 料。
從本實施例和第12A圖可以得出以下結論：測得之總收縮最低，約0.06%，在檸檬酸鈉之量約2%和約3%。增加檸檬酸鈉量增加材料之最大收縮。例如，在檸檬酸鈉之量約為3%時，測得之最大收縮約為0.14%，而在檸檬酸鈉之量約為4%時，測得之最大收縮增加至約0.23%。
比較實施例11和實施例12之收縮測試結果顯示，在一個實施例中存在，優選之鹼金屬檸檬酸鹽之量之範圍，在其中本實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣和硫酸鈣)中材料之收縮係最小之。在本實施例中這種優選之鹼金屬檸檬酸鹽之量為從約1%至約4%，以及更優選為約2%至約3%。
放熱和漿體溫度上升行為
第12A圖顯示了在實施例12中研究之實施例之地質聚合物水泥質組成物之放熱之和漿體溫度上升行為。本實施例之水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)，和鹼金屬檸檬酸鹽)表現出非常溫和之升溫行為。增加檸檬酸鈉之量增加最大升溫，但整體增加係非常小之並不顯著。在本實施例中，在固化階段，材料內一適度之放熱和低之升溫顯著地協助防止過度熱膨脹和由此產生之材料開裂和破壞。當所述材料以這種方式利用：其中在所述實際領域應用中涉及大厚度之材料澆注時，這方面變得更加有用。本實施例中研究之實施例之地質聚合 物水泥質組成物係公開之，在這個特殊之方面係非常有益之，因為它們會導致在實際現場應用中較低之熱膨脹和增強之熱開裂抵抗力。
凝結時間
表39顯示了在實施例12中研究之實施例之地質聚合物水泥質組成物之凝結時間。
增加檸檬酸鈉之量從約2%至約5%，不修改混合物組成物研究之最終凝結時間到顯著之程度。在本實施例中研究之實施例之四個地質聚合物水泥質組成物之最終凝結時間為約60分鐘至約110分鐘之間。
抗壓強度
表40顯示了在實施例12中研究之實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰、硫鋁酸鈣水泥、硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)、和不同水準之鹼金屬檸檬酸鹽)發展之抗壓強度行為。
從本本實施例之研究中可以得出以下重要觀察：
本實施例中研究之實施例之地質聚合物水泥質組成物之抗壓強度隨時間不斷增加。
在本實施例中研究之不同量之檸檬酸鈉上，本實施例之各種地質聚合物水泥質組成物之早期(4-小時和24-小時)之抗壓強度基本相似。
在本實施例中研究之實施例之各種地質聚合物水泥質組成物(含有不同量之檸檬酸鈉)之早期4-小時之抗壓強度被發現超過約2000psi。
在本實施例中研究之實施例之各種地質聚合物 水泥質組成物(含有不同量之檸檬酸鈉)之早期24-小時之抗壓強度被發現約4000psi。
在本實施例中研究之實施例之各種地質聚合物水泥質組成物(含有不同量之檸檬酸鈉)之28-天之抗壓強度被發現超過約6000psi。
實施例13
本研究之目標係研究摻入無水硫酸鈣(無水石膏)到本發明之一些實施例之地質聚合物粘合劑組成物中之影響。
表41顯示了在本實施例中研究之地質聚合物水泥質混合物之原料組成物。
本實施例之混合物組成物中使用之FASTROCK 500硫鋁酸鈣水泥之量等於Ç類飛灰重量之80重量%。本研究中使用之無水石膏採購自United States Gypsum Company，商業名USG SNOW WHITE牌填充料。按下列之量水準添加無水石膏到所述研究之混合物組成物中，為硫鋁酸鈣水泥重量之-0重量%,10重量%,20重量%和30重量%。基於C類飛灰重量之32、40、48和64重量%添加無水石膏。檸檬酸鈉(一鹼金屬檸檬酸鹽)加入到本發明之水泥質組成物中充當化學活化劑。在本研究中利用之水與水泥質材料之比例保持不變，在0.30。
材料之初始流動行為、塌落、和早期開裂行為
表42顯示了在實施例13中研究之實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰、硫鋁酸鈣水泥、無水石膏、和鹼金屬檸檬酸鹽)之初始流動行為和塌落特徵。
所有研究之混合物組成物具有良好之自流平、流動行為和大餅直徑，如在塌落測試中觀察之。
第13A圖 顯示了在實施例13中研究之混合物之塌落餅之照片。可以觀察到，所有研究之四種混合物組成物產生良好之流動行為。也可以觀察到，對於沒有無水石膏混合物#1，該塌落餅在乾燥過程中生長出顯著之開裂。儘管如此，對於本實施例之地質聚合物水泥質組成物含有無水石膏(混合物2、3和4)，該塌落餅情況良好，並沒有發展任何開裂。因此，可以得出結論，添加無水石膏至本實施例該地質聚合物水泥質組成物提供尺寸穩定之粘合劑，其乾燥 時具有優良之抗開裂性。
收縮行為
第13B圖顯示了在實施例13中研究之實施例之地質聚合物水泥質組成物之收縮行為。
可以從本研究和第13B圖得出以下重要結論：
摻入無水石膏對提高本實施例之所述地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥和鹼金屬檸檬酸鹽)之抗開裂性和尺寸穩定性之具有一顯著之影響。與比較實施例4(沒有硫酸鈣二水合物)之收縮棒(其甚至在脫模前開裂)相反，實施例13中之收縮棒(包含無水硫酸鈣(無水石膏))係穩定之，並在脫模之前或之後不會導致任何開裂。
與所述比較混合物組成物(僅含有飛灰和鹼金屬檸檬酸鹽)(實施例1)之一最大收縮約0.75%相比，本實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，無水石膏，和鹼金屬檸檬酸鹽)具有一最大收縮約0.05%至約0.2%。因此，可以得出結論，添加粗粒度之無水硫酸鈣(無水石膏)到水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，和鹼金屬檸檬酸鹽)中，可以非常顯著地降低所述材料收縮。
該飛灰混合物組成物以硫鋁酸鈣水泥之約10重量%量含有無水石膏，測得最大收縮為約0.05%；與之相反，具有飛灰和硫鋁酸鈣水泥之混合物1(但沒有無水硫酸鈣(無水石膏))之總收縮約0.2%。這個結果證明，在本實施例地質聚合物水泥質組成物摻入無水硫酸鈣(無水石膏)顯著地有 助於減少材料收縮。
在從所述原材料混合在一起以形成含水漿體之約4-小時之時間齡期所述收縮測量。所述材料收縮係測得之，總持續時間約8-周，而在約75℉/50% RH固化所述材料。
放熱和漿體溫度上升行為
第13C圖顯示了實施例13中研究之實施例中地質聚合物水泥質組成物之放熱之和漿體溫度上升行為。本實施例中之水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，粗粒度之石膏粉，和鹼金屬檸檬酸鹽)只展示了一非常溫和之溫度上升行為。在固化階段，材料裏內一適度之放熱和低之升溫顯著有助於防止過度熱膨脹和由此產生之材料開裂和破壞。當所述材料以這種方式利用：其中在所述實際領域應用中涉及大厚度之材料澆注，這方面變得更加有用。在本實施例中研究之實施例中公開之地質聚合物水泥質組成物在這個特殊之方面係非常有益之，因為它們會導致在實際現場應用中較低之熱膨脹和增強之熱開裂抵抗力。
凝結時間
表43顯示了在實施例1中研究之實施例之地質聚合物水泥質組成物之凝結時間。
與僅含有飛灰和檸檬酸鈉(實施例1)之比較混合物組成物之極為迅速之終凝時間約15分鐘相比，本實施例之實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，無水石膏，和檸檬酸鈉)之終凝時間超過約40分鐘。因此，可以得出結論，加入硫鋁酸鈣水泥和無水石膏之混合物至飛灰和鹼金屬檸檬酸鹽之混合物中，對於延伸材料凝結和硬化行為係有幫助之，使材料更加人性化。
抗壓強度
表44顯示了在實施例13中研究之實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰、硫鋁酸鈣水泥、無水石膏、和鹼金屬檸檬酸鹽)發展之抗壓強度行為。
從本研究中可以得出以下觀察：
本實施例中研究之實施例之地質聚合物水泥質組成物之抗壓強度隨時間不斷增加。
沒有無水石膏之該混合物組成物(混合物1)之早期抗壓強度和所述極限抗壓強度低於本實施例包含無水石膏之水泥質組成物(混合物2至4)。
本實施例之地質聚合物水泥質組成物之早期(4-小時和24-小時)抗壓強度隨著所述材料中無水石膏量之增加而增加。
在本實施例地質聚合物水泥質組成物中使用無水石膏，其4-小時材料抗壓強度超過約2000psi。而且，含有無水石膏之混合物3和混合物4之4-小時抗壓強度在大約3000psi附近。相反地，在該混合物組成物中缺乏無水石膏時，該材料之4-小時抗壓強度小於約300psi(對於混合物1)。
使用無水石膏提供了比本實施例地質聚合物水泥質組成物更高之4-小時抗壓強度。這個結論通過比較實施例13和實施例7而得到證實。
在本實施例之地質聚合物水泥質組成物中使用無水石膏，其早期24-小時材料抗壓強度超過約3000psi。而 且，含有無水石膏之混合物3和混合物4之約24-小時抗壓強度分別超過4000psi和約5000psi.；另一方面，在該混合物組成物中缺乏無水石膏時，該材料之約24-小時抗壓強度相對地低並且小於約600psi(對於混合物1).
本實施例所有地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰、硫鋁酸鈣、無水石膏和檸檬酸鈉)之28-天抗壓強度再次非常高，並且超過約6000psi。在本實施例之組成物中(混合物3和混合物4)，採用更高量之無水石膏，其28-天抗壓強度超過約7000psi。與之相對比之，該材料沒有無水石膏(混合物1)之約28-天抗壓強度僅僅約4500psi。
已經非常令人驚訝地發現，與那些使用相對易溶之使用難溶之酸鈣二水合物(參見實施例7)得到之結果相比，無水硫酸鈣(無水石膏或重燒無水石膏)提供更快速之凝結，更優越之抗壓強度發展速率，以及更高之極限抗壓強度。
本發明實施例另一令人意外之結果係本發明組成物中凝結行為和抗壓強度對於使用之硫酸鈣類型之依賴，如在這個實施例13至18中所示出之。
實施例14：無水硫酸鈣(無水石膏)
本研究之目標係研究摻入無水硫酸鈣(無水石膏)到本發明之一些實施例之地質聚合物粘合劑組成物中之影響。
表45顯示了在本實施例中研究之地質聚合物水泥質混合物之原料組成物。本實施例之混合物組成物中使 用之硫鋁酸鈣水泥之量等於Ç類飛灰重量之80重量%。無水硫酸鈣(無水石膏)，按下列之量水準加入到所述研究之混合物組成物中，為硫鋁酸鈣水泥重量之-40重量%、50重量%、60重量%和80重量%。所述無水石膏為C類飛灰水準之32,40,48和64重量%。在本研究中利用之水與水泥質材料之比例保持不變，在0.3。
材料之初始流動行為、塌落、和早期開裂行為
表46顯示了在實施例14中研究之實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰、硫鋁酸鈣水泥、無水石膏、和鹼金屬檸檬酸鹽)之初始流動行為和塌落特徵。
所有研究之混合物組成物具有良好之自流平、流動行為和大餅直徑，如在塌落測試中觀察之。
在實施例14中研究之所有四種混合物組成物產生良好之流動行為。對於含有無水石膏之該混合物，該塌 落餅情況良好，並沒有發展任何開裂。因此，添加無水石膏至本實施例地質聚合物水泥質組成物產生尺寸穩定之組成物，其在乾燥過程中具有優良之抗開裂性。
收縮行為
第14A圖顯示了在實施例14中研究之實施例之地質聚合物水泥質組成物之收縮行為。
在從所述原材料混合在一起以形成含水漿體之約4-小時之齡期所述收縮測量。所述材料收縮係測得之，總持續時間約8-周，而在約75℉/50% RH下固化所述材料.
可以從本研究和第14A圖得出以下重要結論：
與比較實施例4(沒有硫酸鈣)中之收縮棒(其即使在脫模前開裂)相反，實施例14之收縮棒(包含無水石膏)係穩定之，並在脫模之前或之後不會導致任何開裂。
與所述比較混合物組成物(僅含有飛灰和鹼金屬檸檬酸鹽)(實施例1)之一最大收縮約0.75%相比，本實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰、硫鋁酸鈣水泥、無水石膏、和鹼金屬檸檬酸鹽)具有一最大收縮小於約0.17%。
含有無水石膏以硫鋁酸鈣水泥之約40重量%量之飛灰混合物組成物測得之最大收縮為約0.2%。相反地，實施例13之比較混合物1之總收縮(具有硫鋁酸鈣水泥但沒有無水石膏)為約0.2%。這表明在本實施例地質聚合物水泥質組成物中摻入無水石膏對於顯著減少材料收縮係有幫助 之。
超過一定量水準之無水石膏增加，有效地增加材料收縮。例如，約10重量%(實施例13之混合物2)，所測得之最大收縮為約0.05%，而約80重量%(實施例14之混合物4)之之無水石膏量，測得之最大收縮增加至值約0.17%。
比較來自實施例13和實施例14之收縮測試結果，有一優選之無水石膏量範圍，在範圍內該材料收縮最小。無水石膏優選之範圍落入大於0，但係小於等於硫鋁酸鈣水泥重量之約40wt.%。
凝結時間
表47顯示了在實施例14中，該實施例地質聚合物水泥質組成物之凝結時間。
有利之係，與僅含有飛灰和檸檬酸鈉(實施例 1)之比較混合物組成物之極為迅速之終凝時間約15分鐘相比，本實施例之實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，無水石膏，和檸檬酸鈉)之終凝時間超過約40分鐘。
抗壓強度
表48顯示了在實施例14中研究之實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰、硫鋁酸鈣水泥、無水石膏、和鹼金屬檸檬酸鹽)發展之抗壓強度行為。
從本研究中可以得出以下重要觀察：本實施例中研究之實施例之地質聚合物水泥質組成物之抗壓強度隨時間不斷增加。
沒有無水石膏之比較混合物組成物之早期抗壓強度和極限抗壓強度低於那些含有無水石膏之混合物(實施例14之混合物1至4)。
在本實施例地質聚合物水泥質組成物中使用無水石膏，其4-小時材料抗壓強度超過約2000psi。而且，含有無水石膏量為約40%時之混合物1之4-小時抗壓強度超過約3000psi。相反地，在該比較混合物組成物中缺乏無水石膏時，該材料之4-小時抗壓強度相對非常低，小於約300psi，如在實施例13之比較混合物1中見到之。
使用無水石膏比在本實施例地質聚合物水泥質組成物中使用石膏粉提供了更高之4-小時抗壓強度。這結論通過比較實施例14和實施例8之抗壓強度測試結果可以證實。
在本實施例地質聚合物水泥質組成物中使用無水石膏，其早期24-小時材料抗壓強度超過約4000psi。另一方面，在該混合物組成物中缺乏無水石膏時，該材料之24-小時抗壓強度相對非常低，小於約600psi，如實施例13之比較混合物1所見到之。
本實施例所有地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰、硫鋁酸鈣水泥、無水石膏和檸檬酸鈉)之28-天抗壓強度再次非常高，並且超過約7000psi。與之相比較之，沒有無水石膏之28-天抗壓強度僅僅約4500psi(對於實施例13之比較混合物#1)。
如在上文描述中討論之，本實施例該組成物之測試證明瞭：與其他實施例使用硫酸鈣二水合物獲得之結果相比較，無水石膏與鋁矽酸鹽礦物、硫鋁酸鈣水泥和鹼金屬 活化劑反應，賦予更快速之凝結，更快速之材料抗壓強度發展，和更高之極限抗壓強度。
實施例15：硫酸鈣半水合物
本研究之目標係研究摻入不同量之硫酸鈣半水合物到本發明之一些實施例之地質聚合物粘合劑組成物中之影響。
表49顯示了在本實施例中研究之地質聚合物水泥質混合物之原料組成物。
本實施例之混合物組成物中使用之硫鋁酸鈣水泥之量等於Ç類飛灰重量之80重量%。本研究中使用之硫酸鈣半水合物採購自United States Gypsum Company，商業名HYDROCAL C-Base。HYDROCAL C-Base為一α形態之硫酸鈣半水合物之形式。按下列之量水準添加硫酸鈣半水合物到所述研究之混合物組成物中，為硫鋁酸鈣水泥重量之-0重量%、10重量%、20重量%和30重量%。所述硫酸鈣半水合物水準為所述飛灰之0、8、16和24重量%。檸檬酸鈉(鹼金屬檸檬酸鹽)加入到本發明之水泥質組成物中充當化學活化劑、流變改性劑、和凝結控制劑。在本研究中利用之水與水泥質材料之比例保持不變，在0.30。使用之所述砂為QUIKRETE商業級細砂編號1961，以及超增塑劑為BASF CASTAMENT FS20。
材料之初始流動行為、塌落、和早期開裂行為.
表50顯示了在實施例15中本實施例地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰、硫鋁酸鈣水泥、硫酸鈣半水合物和鹼金屬檸檬酸鹽)之初始流動行為和塌落特徵。
所有研究之混合物組成物具有良好之自流平、流動行為和大餅直徑，如在塌落測試中觀察之。
所有混合物有良好之流動特徵和自流平行為。該混合物含有硫酸鈣半水合物，其塌落餅情況良好，並沒有發展任何開裂。因此，添加硫酸鈣半水合物至本實施例地質聚合物水泥質組成物(包含硫鋁酸鈣水泥、飛灰和鹼金屬檸檬酸鹽)提供尺寸穩定之組成物，其在乾燥時具有優良之抗開裂性。
收縮行為
第15A圖顯示了在實施例15中研究之實施例 之地質聚合物水泥質組成物之收縮行為。
在從所述原材料混合在一起以形成含水漿體之約4-小時之齡期所述收縮測量。所述材料收縮係測得之：總持續時間約8-周，而在約75℉/50% RH下固化所述材料.
可以從本研究和第15A圖得出以下重要結論：
與比較實施例4(沒有硫酸鈣)中之收縮棒(其即使在脫模前開裂)相反，實施例15之收縮棒(包含硫酸鈣半水合物)係穩定之，並在脫模之前或之後不會導致任何開裂。
本實施例地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰、硫鋁酸鈣水泥、硫酸鈣半水合物和鹼金屬檸檬酸鹽)有一測得之最大收縮約0.08%至約0.16%之範圍；與之相比之，該比較混合物組成物(僅含有飛灰和鹼金屬檸檬酸鹽)(實施例1)測得之最大收縮約0.75%。
飛灰混合物組成物(含有硫酸鈣半水合物，其量為硫鋁酸鈣水泥之約10重量%)測得之最大收縮約0.08%。相反之，比較混合物1(具有飛灰和硫鋁酸鈣水泥但沒有硫酸鈣半水合物)之總收縮約0.2%。這表明，在本實施例地質聚合物水泥質組成物中，摻入硫酸鈣半水合物顯著地減少材料收縮。
放熱和漿體溫度上升行為
第15B圖顯示了在實施例15中研究之本實施例之地質聚合物水泥質組成物之放熱之和漿體溫度上升行 為。本實施例之水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，硫酸鈣半水合物，和鹼金屬檸檬酸鹽)只展示了一非常溫和之溫度上升行為。在所述固化階段，所述材料裏面之一適度之放熱和低之升溫有助於防止過度熱膨脹和由此產生之材料開裂和破壞。當所述材料以這種方式利用：其中在所述實際領域應用中涉及大厚度之材料澆注時，這方面變得更加有幫助。本實施例中研究之本實施例之地質聚合物水泥質組成物係公開之，在這個特殊之方面係非常有益之，因為它們會導致在實際現場應用中較低之熱膨脹和增強之熱開裂抵抗力。
凝結時間
表51顯示了在實施例15中，地質聚合物水泥質組成物之凝結時間。
與僅含有飛灰和檸檬酸鈉(實施例1)之比較 混合物組成物之極為迅速之終凝時間約15分鐘相比，本實施例之實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，硫酸鈣半水合物，和檸檬酸鈉)之終凝時間超過約90分鐘。
如在上文描述中討論之，在實施例13和實施例7中，本實施例測試結果之比較表明了：比起無水石膏和石膏粉，在延長含有飛灰、硫鋁酸鈣水泥和鹼金屬檸檬酸鹽之該組成物之凝結時間方面，硫酸鈣半水合物意外地更加有效。
抗壓強度
表52顯示了在實施例15中本實施例研製之地質聚合物水泥質組成物之抗壓強度。
從本研究中可以得出以下觀察：
本實施例地質聚合物水泥質組成物抗壓強度作為時間之函數持續增加。
混合物組成物(沒有硫酸鈣半水合物(混合物1))之早期抗壓強度和極限抗壓強度低於本實施例水泥質組成物(包含硫酸鈣半水合物(混合物2至4))之結果。
本實施例地質聚合物水泥質組成物之早期(約4-小時和約24-小時)抗壓強度隨著在該材料中硫酸鈣半水合物數量之增加而增加。
在本實施例地質聚合物水泥質組成物中，使用硫酸鈣半水合物，其4-小時材料抗壓強度超過約1000psi。此外，混合物3和混合物4含有硫酸鈣半水合物之4-小時抗壓強度超過約3000psi。另一方面，對於不含有硫酸鈣半水合物之混合物組成物，該材料之4-小時抗壓強度非常低，小於約300psi(對於混合物1)。
使用硫酸鈣半水合物比(在本實施例地質聚合物水泥質組成物中)使用石膏粉，提供更高之4-小時抗壓強度。通過將實施例15之抗壓強度測試結果與實施例17進行比較，可以證實這個結論。
在本實施例地質聚合物水泥質組成物中，使用硫酸鈣半水合物，其約24-小時材料抗壓強度超過約3000psi。此外，本實施例混合物3和混合物# 4地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰、硫鋁酸鈣、無水石膏和檸檬酸鈉(含有硫酸鈣半水合物))之約24-小時抗壓強度超過約4000psi。相反地，對於比較混合物組成物不含有硫酸鈣半水合物，其該材料之約24-小時抗壓強度相對地非常低，小於約600 psi(對於混合物1)。
本實施例所有地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰、硫鋁酸鈣、無水石膏和檸檬酸鈉)之約28-天抗壓強度再次非常高，並且超過約5000psi。在本實施例組成物(混合物3和混合物4)中更高量之硫酸鈣半水合物，28-天抗壓強度超過約7000psi。與之比較之係，發現比較材料(沒有硫酸鈣半水合物(混合物1))之28-天抗壓強度小於約4000psi。
實施例16
本研究之目標係研究摻入不同量之硫酸鈣半水合物到本實施例之地質聚合物粘合劑組成物中之影響。
表53顯示了在本實施例中研究之地質聚合物水泥質混合物之原料組成物。FASTROCK 500牌硫鋁酸鈣水泥，可從CTS Cement Company購買，被再次利用作為水泥質反應性粉末之組成部分。本實施例之混合物組成物中使用之硫鋁酸鈣水泥量之含量為Ç類飛灰重量之80%(重量)。硫酸鈣半水合物，USG HYDROCAL C-基極，按下列之量水準加入到所述研究之混合物組成物中，硫鋁酸鈣水泥重量之-40(重量)%、50(重量)%、60(重量)%和80(重量)%。使用之硫酸鈣半水合物之水準為所述飛灰之32，40，48和64重量%。在本研究中利用之水與水泥質材料之比例保持不變，在0.30。所述砂為QUIKRETE商業級細砂編號1961，並 且所述超增塑劑為BASF CASTAMENT FS20。
材料之初始流動行為、塌落、和早期開裂行為
表54顯示了在實施例16中研究之本實施例中之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，硫酸鈣半水合物，鹼金屬檸檬酸鹽)之初始流動行為和塌落特徵。
研究之所有混合物組成物具有良好之自流平、流動行為和大餅直徑，如在塌落測試中觀察到之。
第16A圖顯示了對於實施例16中研究之混合物之塌落餅之照片。所有混合物有良好之流動特徵和自流平行為。它也可以被觀察到，對於混合物2、3和4含有硫酸鈣半水合物，所述塌落餅發展出一些微開裂。因此，可以得出 結論，添加高量水準之硫酸鈣半水合物到混合物(含有硫鋁酸鈣水泥，飛灰和鹼金屬檸檬酸鹽)中，使水泥質組成物對乾燥過程中之微開裂擁有相對較低之抵抗力。
收縮行為
第16B圖顯示了實施例16中研究之本實施例之地質聚合物水泥質組成物(摻入硫鋁酸鈣水泥以結合硫酸鈣半水合物和鹼金屬檸檬酸鹽)之收縮行為。
在從所述原材料混合在一起以形成一含水漿體之一約4-小時之時間開始收縮測量。所述材料收縮係測得之：總持續時間約8-周，而在約75℉/50% RH下固化所述材料。
從本研究和第16C圖，可以得出以下結論：
本實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，硫酸鈣半水合物，和鹼金屬檸檬酸鹽)，與一測得之最大收縮約0.75%相比較，具有一測得之最大收縮小於約0.44%，用於比較混合物組成物僅含有飛灰和鹼金屬檸檬酸鹽(實施例1)。
增加硫酸鈣半水合物之量增加了材料之收縮。比如，在硫酸鈣半水合物之量約10%(重量)(實施例15中之混合物1)時，總收縮約為0.08%。在硫酸鈣半水合物之量約80%(重量)(實施例16中之混合物4)時，所述材料之總收縮之增加非常顯著，至約0.44%之值。
比較實施例15和實施例16中收縮測試之結 果，可以得出結論，存在一優選之硫酸鈣半水合物之量範圍，在該範圍內之材料收縮係最小之。此優選之硫酸鈣半水合物之範圍從上述之約0%至小於或等於硫鋁酸鈣水泥之重量之約40%(重量)。
凝結時間
表55顯示了實施例16中本實施例之地質聚合物水泥質組成物之所述凝結時間。
在本實施例研究之所有水泥質組成物表現出快速之凝結行為。與僅含有飛灰和檸檬酸鈉(實施例1)之比較混合物組成物之極為迅速之終凝時間約15分鐘相比，本實施例之實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸 鈣水泥，硫酸鈣半水合物，和檸檬酸鈉)之終凝時間120分鐘左右。
比較本實施例與實施例15和實施例8之所述測試結果，顯示：在延長之混合物組成物(含有飛灰，硫鋁酸鈣水泥和鹼金屬檸檬酸鹽)之凝結時間上，硫酸鈣半水合物比無水石膏和石膏粉都更有效。
與使用硫酸鈣二水合物(見實施例7)獲得之凝結時間相比，使用硫酸鈣半水合物，如硫酸鈣形式提供一更長之凝結時間。正如描述中上面所討論之，這樣之結果係意想不到之，因為硫酸鈣半水合物係一種極其快速凝結材料，它在本領域中係眾所周知之。與硫酸鈣二水合物和無水硫酸鈣相比，一些實施例中添加硫酸鈣半水合物到本發明之所述組成物中可提供延長之凝結時間。
抗壓強度
表56顯示在實施例16中，本實施例發展之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，硫酸鈣半水合物，和鹼金屬檸檬酸鹽)之抗壓強度行為。
從本研究中可以得出以下重要觀察：
本實施例中研究之實施例之所述地質聚合物水泥質組成物之抗壓強度隨時間不斷增加。
與本實施例包含硫酸鈣半水合物之水泥質組成物(實施例16之混合物1至4)相比，沒有硫酸鈣半水合物之混合物組成物(實施例15之混合物1)之所述早期抗壓強度和所述極限抗壓強度較低。
本實施例之地質聚合物水泥質組成物中使用硫酸鈣半水合物，4-小時材料抗壓強度超過約1500psi。此外，量為約40%之含有硫酸鈣半水合物之混合物1，在4-小時抗壓強度係超過約2500psi。與此相反，比較混合物組成物不含有硫酸鈣半水合物(實施例15混合1)，材料4-小時抗壓強度相對非常低，為小於約300psi。
在本實施例之地質聚合物水泥質組成物中使用硫酸鈣半水合物比石膏粉提供了一更高之4-小時抗壓強度比。這係由比較實施例16與實施例8之抗壓強度測試結果而顯示。
本實施例之地質聚合物水泥質組成物中使用硫酸鈣半水合物，所述約24-小時材料抗壓強度超過約4000psi。另一方面，比較不包含硫酸鈣半水合物之混合物組成物 (實施例15之混合物1)，所述材料之約24-小時抗壓強度係比較低之，為小於約600psi。
本實施例之所有地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，硫酸鈣半水合物，檸檬酸鈉)，28-天之抗壓強度係非常高之，即超過約7000psi。相比較而言，沒有硫酸鈣半水合物(實施例15之混合物1)之所述比較材料，28-天之抗壓強度為小於約4000psi。
實施例17：粗粒度之硫酸鈣二水合物
本研究之目標係研究摻入粗粒度之硫酸鈣二水合物到本實施例之地質聚合物粘合劑組成物中之影響。
表57顯示了在本例子中研究之地質聚合物水泥質混合物之原料組成物。在本實施例之混合物組成物中使用之硫鋁酸鈣水泥之量為Ç類飛灰重量之80%(重量)。粗粒度之硫酸鈣二水合物，這裏以其他它方式確定為粗石膏粉，係從United States Gypsum Company採購，並可獲得商品名USG Ben Franklin AG Coarse Gypsum。在研究之不同之混合物組成物中，加入不同量水準之粗石膏粉，為FASTROCK500硫鋁酸鈣水泥重量之0重量%、10重量%、20重量%、和30重量%。根據飛灰之重量%，加入之石膏粉在0，8、16和24(重量)%水準。所用之砂為QUIKRETE商業級細砂編號1961，以及超增塑劑為BASF CASTAMENT。
材料之初始流動行為、塌落、和早期開裂行為
表58顯示了實施例17中本實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，粗粒度之石膏粉，和鹼金屬檸檬酸鹽)之初始流動行為和塌落特徵。
研究之所有混合物組成物具有良好之流動行為和大餅直徑，如在塌落測試中觀察到之。
第17A圖顯示在實施例17中研究之實施例中地質聚合物水泥質組成物之塌落餅之照片。比較混合物1中不包含任何硫酸鈣(粗粒度之石膏粉)，而且其塌落餅乾燥後發展出顯著開裂。然而，對於含有粗粒度之石膏粉之混合物，所述塌落餅係在良好之條件中，並沒有發展任何開裂。因此，可以看到添加粗粒度之石膏粉到水泥質混合物(包含硫鋁酸鈣水泥，飛灰，和鹼金屬檸檬酸鹽)中提供尺寸穩定之地質聚合物水泥質組成物，在固化階段所述材料內適度之放熱和低之升溫，以防止過度熱膨脹，以及在乾燥後由此產生之材 料開裂和破壞。
收縮行為
第17B圖顯示實施例17中研究之所述方案之地質聚合物水泥質組成物之收縮行為。
在從所述原材料混合在一起形成一含水漿體約4-小時之齡期開始所述收縮測量。材料收縮係這樣測得之：總持續時間約8-周，而在約75℉/50% RH下固化所述材料。
從本次研究之結果和第17B圖，可以得出以下重要之結論：
與比較實施例4(沒有硫酸鈣)中之收縮棒(其即使在脫模前開裂)相反，實施例17之收縮棒(包含粗粒度之石膏粉)(混合物2，3和4)係穩定之，並在脫模之前或之後不會導致任何開裂。
與所述比較混合物組成物(僅含有飛灰和鹼金屬檸檬酸鹽)(實施例1)之一最大收縮約0.75%相比，本實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，粗粒度之石膏粉，和鹼金屬檸檬酸鹽)具有一最大收縮範圍約0.11%至約0.16%。
所述混合物組成物混合物2、3和4(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，硫酸鈣(粗粒度之石膏粉)，和鹼金屬檸檬酸鹽)具有最大收縮範圍為約0.11%至約0.16%，而比較混合1(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，鹼金屬檸檬酸鹽，但沒有硫酸鈣(石膏粉))之最大收縮約0.24%。
本實施例中之研究範圍內，增加粗粒度之石膏粉之量導致材料收縮整體下降。例如，在一粗粒度之石膏粉量約10重量%，所述測得之最大收縮約為0.16%，而在一粗粒度之石膏粉量約30重量%，測得之最大收縮減少至約0.11%。
比較從實施例7和實施例17中之收縮測試結果，表明使用細粒徑之石膏粉提供了較低之收縮。例如，使用實施例17中之粗粒度之石膏粉在約30重量%之量，最大收縮約為0.11%；另一方面，使用實施例7中細粒度之石膏粉，在相同石膏粉之量約30重量%，最大收縮只有約0.06%。
熱發展和漿體溫度上升行為
第17C圖顯示了實施例17研究之實施例中地質聚合物水泥質組成物之放熱之和漿體溫度上升行為。實施例17中之水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，粗粒度之石膏粉，和鹼金屬檸檬酸鹽)只展示了一非常溫和之溫度上升行為。此外，比較實施例17和實施例7中之溫度上升測試結果，表明使用粗粒石膏粉提供了比使用細粒度之石膏粉得到之一相對較低之溫度上升。在所述固化階段，所述材料裏內一適度之放熱和低之升溫顯著有助於防止過度熱膨脹和由此產生之材料開裂和破壞。當所述材料以這種方式利用：其中在所述實際領域應用中涉及大厚度之材料澆注，這方面變得更加有用。在本實施例中研究之實施例中公開之地質聚合物水泥質組成物在這個特殊之方面係非常有益之，因為它 們會導致在實際現場應用中較低之熱膨脹和增強之熱開裂抵抗力。
凝結時間
表59顯示了實施例17中實施例之地質聚合物水泥質組成物之凝結時間。
在本實施例研究之所有水泥質組成物表現出快速之凝結行為。與僅含有飛灰和檸檬酸鈉(實施例1)之比較混合物組成物之極為迅速之終凝時間約15分鐘相比，本實施例之實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，粗粒度之石膏粉，和檸檬酸鈉)之終凝時間約60分鐘。
抗壓強度
表60顯示了實施例17中研究之本實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，粗粒度 之石膏粉，和鹼金屬檸檬酸鹽)發展之抗壓強度行為。
從本研究中可以得出以下觀察結果：
本實施中研究之實施例之地質聚合物水泥質組成物之抗壓強度隨時間繼續增加。
與這些本實施例包含粗粒度之石膏粉(混合物2至4)之水泥質組成物相比，沒有石膏粉(混合1)之混合物組成物之所述早期抗壓強度和所述極限抗壓強度比較低。
本實施例之地質聚合物水泥質組成物之早期(約4-小時和約24-小時)抗壓強度隨著所述材料中粗粒度石膏粉量之增加而增加。然而，隨著粗粒度之石膏粉含量增加獲得之4-小時抗壓強度增加只係名義上之，並不係很顯著。
在本實施例之地質聚合物水泥質組成物中使用粗粒度之石膏粉，材料之早期24-小時抗壓強度超過約1000psi。
本實施例之所有地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣，粗粒度之石膏粉和檸檬酸鈉)之28-天抗壓強度係比較高之，即超過約4000psi。此外，特別係混合物組成物(含有粗石膏粉)之量為約20重量%和約30重量%(混合物3 #和# 4)之所述28-天抗壓強度非常高，超過約5000psi。
比較實施例17和實施例7之測試結果，可以看出，使用更細之石膏粉，在提供了更迅速增加之4-小時和24-小時材料抗壓強度，和相對較高之28-天材料抗壓強度。
實施例18：粗粒度之硫酸鈣二水合物
本研究之目標係研究摻入粗粒度之硫酸鈣二水合物到所述發明之地質聚合物粘合劑組成物中之影響。
表61顯示了在本例子中研究之地質聚合物水泥質混合物中之原料組成物。本實施例之混合物組成物中使用之硫鋁酸鈣水泥之量等於飛灰之重量之80重量%。在研究之各種混合物組成物中加入不同量之水準之粗石膏粉(硫鋁酸鈣水泥重量之40重量%、50重量%、60重量%、和80重量%)。添加之石膏粉水準為C類飛灰之32、40、48和64重量%。所用之砂為QUIKRETE商業級細砂編號1961以及超增塑劑為BASF CASTAMENT。
材料之初始流動行為、塌落、和早期開裂行為
表62顯示了所述實施例之地質聚合物水泥質 組成物(包含實施例18中之飛灰、硫鋁酸鈣水泥、粗粒度之石膏粉、和鹼金屬檸檬酸鹽)之初始流動行為和塌落特徵。
所有研究之混合物組成物具有良好之流動行為和大餅直徑，如在所述塌落測試中觀察到之。
本實施例之所有四種混合物組成物(包含粗粒度之石膏粉)中之塌落餅情況良好，並沒有發展任何開裂。與此相反，不含有硫酸鈣(石膏粉)(實施例17之比較混合物1)之混合物組成物乾燥時發展出非常顯著之開裂。因此，摻入粗粒度之石膏粉到水泥質混合物(包含硫鋁酸鈣水泥，飛灰，鹼金屬檸檬酸鹽)中，提供尺寸穩定之地質聚合物水泥質組成物，乾燥時具有優良之抗開裂性。
收縮行為
第18A圖顯示出實施例18中研究之實施例中地質聚合物水泥質組成物之收縮行為。
在從所述原材料混合在一起以形成含水漿體之約4-小時之齡期開始所述收縮測量。所述材料收縮係這樣測得之：總持續時間約8-周，同時在約75℉/50% RH下固化所述材料。
可以從本研究和第18A圖得出以下重要結論：
與比較實施例4(沒有硫酸鈣)中之收縮棒(其即使在脫模前開裂)相反，實施例18收縮棒包含硫酸鈣(細粒度之石膏粉)係穩定之，並沒有表明了在脫模之前或之後不可接受之尺寸穩定性或不理想收縮之開裂。
與所述比較混合物組成物(僅含有飛灰和鹼金屬檸檬酸鹽)(實施例1)之一最大收縮約0.75%相比，本實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，粗粒度之石膏粉，和鹼金屬檸檬酸鹽)具有一最大收縮約0.09%。因此，可以得出結論，添加粗粒度之石膏粉到水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，和鹼金屬檸檬酸鹽)中，可以非常顯著地降低所述材料收縮。
可以觀察到本實施例之所述地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，粗粒度之石膏粉和鹼金屬檸檬酸鹽)，在本實施例之研究中有一最大收縮約0.09%。與此相反，實施例17之比較混合物1(具飛灰和硫含量、硫鋁酸鈣水泥，但沒有粗石膏粉)之最大收縮為約0.24%。
在本實施例之研究範圍內，粗石膏粉量之增加 沒有造成材料收縮行為之任何重大變化。比如，在粗粒度之石膏粉量之範圍為約40重量%至約80重量%，不同之混合物組成物測得之最大收縮保持不變，為約0.09%。
對實施例8(細粒土地石膏)和實施例18之收縮測試結果比較，表明了當在所述混合物組成物中使用較高量水準之硫酸鈣(>50重量%)時，粗粒度之石膏粉更有效之降低了整體材料收縮。
放熱和漿體溫度上升行為
第18B圖顯示了在實施例18中研究之實施例之地質聚合物水泥質組成物之所述放熱之和漿體溫度之上升行為。比較實施例18和實施例8中之溫度上升測試結果，表明使用粗粒石膏粉提供了比使用細粒度之石膏粉得到之一相對較低之溫度上升。在所述固化階段，所述材料裏內一適度之放熱和低之升溫顯著有助於防止過度熱膨脹和由此產生之材料開裂和破壞。當所述材料以這種方式利用：其中在所述實際領域應用中涉及大厚度之材料澆注，這方面變得更加有用。在本實施例中研究之實施例中公開之地質聚合物水泥質組成物在這個特殊之方面係非常有益之，因為它們會導致在實際現場應用中較低之熱膨脹和增強之熱開裂抵抗力。
凝結時間
表63示出了在實施例18中之實施例之地質聚合物水泥質組成物之凝結時間。
與僅含有飛灰和檸檬酸鈉(實施例1)之比較混合物組成物之極為迅速之終凝時間約15分鐘相比，本實施例之實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，粗粒度之石膏粉，和檸檬酸鈉)之終凝時間約70分鐘。
抗壓強度
表64顯示在所述實施例中發展之地質聚合物水泥質組成物(在實施例18中，包含飛灰、硫鋁酸鈣水泥、粗粒度之石膏粉、鹼金屬檸檬酸鹽)之抗壓強度行為。
可從這項研究中可以得出以下重要之觀察：
在本實施例中研究之所述實施例中地質聚合物水泥質組成物之抗壓強度隨時間而繼續增加。
與這些本實施例之水泥質組成物(包含粗粒度之石膏粉(混合2至4))相比，比較混合物組成物(沒有石膏粉(混合1))之所述早期和極限抗壓強度比較低。
比較實施例18和實施例8之測試結果，表明使用更精細之石膏粉提供了更快速之增加4-小時材料抗壓強度。例如，可以觀察到，實施例8之混合物組成物中使用細粒度之石膏粉，達到之所述4-小時材料抗壓強度超過約1500psi(實施例8中混合物# 1至# 4)。
使用粗粒度之石膏粉作為本實施例之地質聚合物水泥質組成物之一組分，材料之早期24-小時抗壓強度超過約2000psi。比較實施例18和實施例8中之測試結果，可以得出結論：使用更細之石膏粉提供了更快速之增加24-小時材料抗壓強度。例如，可以觀察到，實施例8之混合物組成物中使用細粒度之石膏粉，達到之所述24-小時材料抗壓強度超過約4000psi(實施例8中之混合物1，2，和3)。
所述實施例之所有地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣，粗粒度之石膏粉和檸檬酸鈉)之28- 天抗壓強度在本實施例中為小於約5000psi。比較實施例18和實施例8之測試結果，可以看出，使用硫酸鈣(細粒度之石膏粉)提供了一相對較高之28-天材料抗壓強度。比如，實施例8之混合物組成物中使用硫酸鈣(細粒度之石膏粉)，達到之所述28-天材料抗壓強度超過約6000psi(實施例8之混合物1至3)。
實施例19
本研究之目標係研究在所述發明之實施例之地質聚合物組成物中摻入不同量高純度之、細粒度之硫酸鈣二水合物之影響。
表65顯示了在本實施例中研究之所述地質聚合物水泥質混合物之原料組成物。
在本實施例之混合物組成物中使用之硫鋁酸鈣水泥之量等於飛灰重量之80重量%。在本研究中使用之所述細粒度之硫酸鈣二水合物來自USG Company，商品名USG TERRA ALBA F & P。在研究之混合物組成物中加入以下量水準之硫酸鈣二水合物-硫鋁酸鈣水泥重量之0重量%、10重量%、20重量%和30重量%。添加之硫酸鈣二水合物水準為Ç類飛灰之：0、8、16和24wt.%。在本研究中利用之水與水泥質材料之比例保持不變在0.30。使用之砂為QUIKRETE商業級細砂編號1961以及超增塑劑為BASF CASTAMENT。
材料之初始流動行為、塌落、和早期開裂行為
表66顯示了本實施例之地質聚合物水泥質組成物(在實施例19中，包含飛灰、硫鋁酸鈣水泥、細粒度之硫酸鈣二水合物、鹼金屬檸檬酸鹽)之初始流動行為和塌落特徵。
所有研究之混合物組成物具有良好之流動行為和大餅直徑，如在所述塌落測試中觀察到之。
比較混合物# 1(沒有硫酸鈣)之塌落餅乾燥後發展出顯著之開裂。然而，對於混合物(包含細粒度之硫酸鈣二水合物)，所述塌落餅情況良好，並沒有發展之任何開裂。因此，添加細粒度之硫酸鈣二水合物到水泥質混合物(包含硫鋁酸鈣水泥，飛灰，和鹼金屬檸檬酸鹽)中提供尺寸穩定之組成物，乾燥時具有優良之抗開裂性。
收縮行為
第19A圖顯示了在實施例19中研究之所述實施例之地質聚合物水泥質組成物之收縮行為。
在從所述原材料混合在一起以形成含水漿體之約4-小時之齡期開始所述收縮測量。所述材料收縮係測得之：總持續時間約8-周，而在約75℉/50% RH下固化所述材料。
可以從本研究和第19C圖得出以下重要結論：
與比較實施例4(沒有硫酸鈣)中之收縮棒(其甚至在脫模前開裂)相反，實施例19之收縮棒(包含細粒度之硫酸鈣二水合物)係完全穩定之，並在脫模之前或之後不會導致任何開裂。
與所述比較混合混合物(僅含有飛灰和鹼金屬檸檬酸鹽)(實施例1)之一最大收縮約0.75%相比，本實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含硫鋁酸鈣水泥和細粒度之硫酸鈣二水合物)，在本實施例之研究中具有一最大收縮範圍約0.06%至約0.08%。
本實施例之所述地質聚合物水泥質組成物(混合物2，3和4)(包含硫鋁酸鈣水泥，細粒度之硫酸鈣二水合物)具有一最大收縮約0.06%至約0.08%；另一方面，比較混合物1(具飛灰和硫含量，鋁酸鈣水泥，但沒有細粒度之硫酸鈣)之最大收縮相對很高，約0.24%。
本實施例之研究範圍中，增加粗粒度之石膏粉 量導致材料收縮整體下降。例如，在一粗粒度之石膏粉量約10重量%，所述測得之最大收縮約為0.08%，而在一細粒度之硫酸鈣二水合物量約30重量%，測得之最大收縮減少至約0.06%。
比較實施例7、實施例17和實施例19之收縮測試結果，表明使用細粒度之硫酸鈣二水合物(細粒度之硫酸鈣二水合物)，提供了更低之總體收縮。例如，對於使用實施例17中細粒度之硫酸鈣二水合物，在硫酸鈣二水合物之量約30重量%，最大收縮等於約0.11%，在另一方面，使用實施例19中之硫酸鈣二水合物，在硫酸鈣二水合物之量約30重量%，最大收縮僅約0.06%。
放熱和漿體溫度上升行為
第19B圖顯示了實施例19中研究之實施例之地質聚合物水泥質組成物之放熱之和漿體溫度之上升行為。實施例19中之所述水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，細粒度之硫酸鈣二水合物，和鹼金屬檸檬酸鹽)只展示了一非常溫和之溫度上升行為。在所述固化階段，所述材料內一適度之放熱和低之升溫顯著有助於防止過度熱膨脹和由此產生之材料開裂和破壞。當所述材料以這種方式利用：其中在所述實際領域應用中涉及大厚度之材料澆注，這方面係特別有幫助之。在本實施例中研究之本實施例公開之地質聚合物水泥質組成物在這方面係非常有益之，因為它們會導致導致在實際現場應用中較低之熱膨脹和增強之熱開裂抵抗力。
凝結時間
表67顯示了在實施例19中之所述實施例之地質聚合物水泥質組成物之所述凝結時間。
在本實施例研究之所有水泥質組成物表現出快速之凝結行為。與僅含有飛灰和檸檬酸鈉(實施例1)之比較混合物組成物之極為迅速之終凝時間約15分鐘相比，本實施例之地質聚合物水泥質組成物之終凝時間約60至約90分鐘。
抗壓強度
表68顯示了在實施例19中研究之實施例中之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，細粒度之硫酸鈣二水合物，和鹼金屬檸檬酸鹽)發展之抗壓強度行為。
從本研究中可以得出以下重要觀察：
所述混合物組成物之抗壓強度作為一時間之函數持續增加。
與本實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含細粒度之硫酸鈣二水合物(混合物2至4))相比，所述水泥質組成物(沒有細粒度之硫酸鈣二水合物(混合物1))之所述早期抗壓強度和所述極限抗壓強度比較低。
隨著所述組成物中細粒度之硫酸鈣二水合物量之增加，本實施例中所述地質聚合物水泥質組成物之早期(約4-小時和約24-小時)之抗壓強度大幅增加。比較實施例19，實施例17，和實施例7中之測試結果，可以得出結論，使用細粒度之硫酸鈣二水合物提供了4-小時材料抗壓強度更快速之增加。
在本實施例中之地質聚合物水泥質組成物中使用細粒度之硫酸鈣二水合物，材料之所述24小時抗壓強度超過約2500psi。比較實施例19、實施例17、和實施例7之測試結果，可以得出結論，使用細粒度之硫酸鈣二水合物提供 了早期材料抗壓強度之更快速之增加。
本實施例之所有地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣，細粒度之硫酸鈣二水合物，檸檬酸鈉)之所述28-天抗壓強度比較高，並且超過約4500psi。此外，本實施例之地質聚合物混合物組成物(包含細粒度之硫酸鈣二水合物，量為約20重量%和約30重量%(混合料3和4))之所述28-天抗壓強度再次非常高，超過約5000psi。
實施例20
本研究之目標係研究在所述發明之實施例之地質聚合物組成物中摻入不同量高純度之、細粒度之硫酸鈣二水合物之影響。
表69顯示了在本實施例中研究之地質聚合物水泥質混合物之原料組成物。在本實施例中使用之混合物組成物中硫鋁酸鈣水泥之量，等於飛灰重量之重量%。用於本研究之所述細粒度之硫酸鈣二水合物來自USG Company，商品名USG Terra Alba F&P。硫酸鈣二水合物按以下之量水準，為硫鋁酸鈣水泥重量之40重量%、50重量%、60重量%和80重量%，加入到研究之混合物組成物中。添加之硫酸鈣二水合物水準為Ç類飛灰之32、40、48，和64wt.%。檸檬酸鈉添加到本發明之水泥質組成物中作為化學活化劑。在本研究中利用之所述水與水泥質材料之比例保持不變在0.30。所述砂為QUIKRETE商業級細砂編號1961並且所述超增塑劑為BASF CASTAMENT。
材料之初始流動行為、塌落、和早期開裂行為
表70顯示了在實施例20中，所述實施例中地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰、硫鋁酸鈣水泥、細粒度之硫酸鈣二水合物、鹼金屬檸檬酸鹽)之初始流動行為和塌落特徵。
所有研究之混合物組成物具有良好之流動行為和大餅直徑，如在所述塌落測試中觀察到之。尤其值得注意之係，即使在水/水泥質材料比例低至約0.3時，還可獲得如此大之塌落和自流平行為。
從混合物1-4製作之所述塌落餅，乾燥後狀況良好，並沒有發展出任何開裂。因此，添加細粒度之硫酸鈣二水合物到所述水泥質混合物(包含硫鋁酸鈣水泥，飛灰， 和鹼金屬檸檬酸鹽)中，提供尺寸穩定之組成物，乾燥時具有優良之抗開裂性。
收縮行為
第20A圖 顯示了在實施例20中，所述實施例之地質聚合物水泥質組成物之收縮行為。
在從所述原材料混合在一起以形成含水漿體之約4-小時之齡期開始所述收縮測量。所述材料收縮係測得之：總持續時間約8-周，同時在約75℉/50% RH固化所述材料。可以從本研究和第20C圖得出以下重要結論：
與比較實施例4(沒有硫酸鈣)中之收縮棒(其甚至在脫模前開裂)相反，實施例20之收縮棒(包含細粒度之硫酸鈣二水合物)係穩定之，並在脫模之前或之後不會導致任何開裂。
與比較之混合物(僅含有飛灰和鹼金屬檸檬酸鹽(實施例1))之一測得之最大收縮約0.75%相比，所述實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含硫鋁酸鈣水泥和細粒度之硫酸鈣二水合物)，在本實施例之研究中具有一測得之最大收縮約0.14%至約0.23%。
本實施例研究之範圍中，增加粗粒度之石膏粉量導致材料收縮整體下降。例如，在一細粒度之硫酸鈣二水合物量約40重量%，所述測得之最大收縮約為0.14%，而在一細粒度之硫酸鈣二水合物量約80重量%，測得之最大收縮增加至約0.23%。
放熱和漿體溫度上升行為
第20B圖顯示了在實施例20中研究之實施例之地質聚合物水泥質組成物之放熱之和漿體溫度上升行為。可以注意到，實施例20中之所述水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，細粒度之硫酸鈣二水合物，鹼金屬檸檬酸鹽)只展示了一非常溫和之溫度上升行為。在所述固化階段，所述材料內之一適度之放熱和低之升溫顯著有助於防止過度熱膨脹和由此產生之材料開裂和破壞。當所述材料以這種方式利用：其中在所述實際領域應用中涉及大厚度之材料澆注，這一方面係有幫助之。在本實施例中研究之實施例公開之地質聚合物水泥質組成物在這個特殊之方面係非常有益之，因為它們會導致在實際現場應用中較低之熱膨脹和增強之熱開裂抵抗力。
凝結時間
表71顯示了在實施例20中，實施例之地質聚合物水泥質組成物之所述凝結時間.
在本實施例研究之所有水泥質組成物表現出快速之凝結行為。與僅含有飛灰和檸檬酸鈉(實施例1)之比較混合物組成物之極為迅速之終凝時間約15分鐘相比，本實施例之地質聚合物水泥質組成物之終凝時間約90至約120分鐘。
抗壓強度
表72顯示了在實施例20中研究之實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，細粒度之硫酸鈣二水合物，和鹼金屬檸檬酸鹽)發展之抗壓強度行為。
從本研究中可以得出以下重要觀察：
研究之混合物組成物之抗壓強度作為時間之函 數持續增加。
本實施例之地質聚合物水泥質組成物(本實施例(混合1至4)中研究之，包含細粒度之硫酸鈣二水合物)之所述早期(混合後約4-小時，約24-小時)抗壓強度顯著大於不含有細粒度之硫酸鈣脫水物(實施例19之混合物1)之比較混合物組成物。
本實施例之地質聚合物水泥質組成物(本實施例(混合1至4)中研究之，包含細粒度之硫酸鈣二水合物)之所述早期/早階段(混合後約4-小時，約24-小時)抗壓強度非常高，並且隨著組成物中細粒度之硫酸鈣二水合物量之增加而仍然相當恒定。
對實施例20和實施例18之測試結果進行比較，表明使用細粒度之硫酸鈣二水合物提供了4-小時材料抗壓強度更快速之增加。例如，可以觀察到，該實施例之混合物組成物中使用細粒度之硫酸鈣二水合物，達到之所述4-小時材料抗壓強度超過約2000psi(實施例20中混合物1至3)。與此相反，混合物組成物(包含相同之量水準之粗粒度之石膏粉)，所述4-小時之抗壓強度為小於約600psi，如在實施例18之混合物1至3所見之。
使用一細粒度之硫酸鈣二水合物，本實施例之地質聚合物水泥質組成物，在本實施例之研究中之所述24-小時抗壓強度超過約3500psi。在實施例20中之混合物組成物中使用細粒度之硫酸鈣二水合物，提供了24-小時材料抗壓 強度超過約3500psi(實施例20中之混合物1至4)；而含有所述相同量水準之粗粒度之石膏粉之混合物組成物，提供了24-小時抗壓強度小於約2500psi(對於實施例18之混合物#1至第4)。
實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣，細粒度之硫酸鈣二水合物和檸檬酸鈉)，在本實施例之研究中，所述28-天抗壓強度超過約5000psi。此外，對於實施例20中之混合物#1至3，材料之所述28-天抗壓強度超過約6000psi。將實施例20和實施例18之測試結果進行比較，顯示了使用細粒度之硫酸鈣二水合物提供了一相對較高之約28-天材料抗壓強度。比如，在實施例20中之混合物組成物中使用細粒度之硫酸鈣二水合物，達到之約28-天材料抗壓強度超過約7,000psi。
實施例21
本實施例研究了摻入在低量(約飛灰之20重量份)之硫鋁酸鈣水泥結合硫酸鈣和鹼金屬檸檬酸鹽之影響。
表73顯示了在本實施例中研究之地質聚合物水泥質混合物之原料組成物。FASTROCK 500牌硫鋁酸鈣水泥，可從CTS Cement Company購買，被用作本研究中水泥質反應性粉末之一組分。本實施例之混合物組成物中使用之硫鋁酸鈣水泥之量等於Ç類飛灰之0、5、10、15和20wt.%。本研究中使用之細粒度之硫酸鈣二水合物，這裏被稱為石膏 粉，採購自United States Gypsum Company。按下列之量水準添加石膏粉到本研究之不同混合物組成物中，為硫鋁酸鈣水泥重量之-0、2.5、5、7.5和10wt.%。使用之砂為QUIKRETE商業級細砂編號1961，以及超增塑劑為BASF CASTAMENT。SURFYNOL 500S表面反應性劑可從Air Products,Inc購買，也用作為一消泡劑和潤濕劑。
材料之初始流動行為、塌落、和早期開裂
表74顯示了在實施例21中研究之實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，硫酸鈣(細粒度之石膏粉)，和鹼金屬檸檬酸鹽)之初始流動行為和塌落特徵。
本實施例之所有混合物組成物(混合物2至5)具有良好之自流平、流動行為和大餅直徑，如在塌落測試中 觀察之。特別值得注意之係，即使在水/水泥質材料比例為極低約0.275時，還可獲得大之塌落和自流平行為。對於標準波特蘭水泥基或石膏基材料只有，當水/水泥質材料比例超過約0.45時，獲得如流動性質和自流平行為。
乾燥後，本實施例之本實施例(混合物2至混合物5)之混合物組成物之塌落餅沒有發展出任何開裂。因此，可以得出結論，摻入硫鋁酸鈣水泥和硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)(即使在低量(約飛灰重量之20重量%))到水泥質混合物(包含飛灰和鹼金屬檸檬酸鹽)中，提供尺寸穩定之地質聚合物水泥質組成物，乾燥時具有優良之抗開裂性。
收縮行為
第21A圖顯示了實施例21中研究之實施例之地質聚合物水泥質組成物之收縮行為。從原材料混合在一起形成含水漿體之約4-小時之齡期開始對混合物2至混合物5進行收縮測量。對於比較混合物1，4-小時收縮棒在模具中由於過度之材料收縮而打破，如在第21B圖所見。第21A圖中比較混合物1之收縮資料代表早前期之材料收縮行為(棒在約1小時齡期之脫模)，在相同時期開始收縮測量。第21C圖顯示在1-小時齡期脫模(對於所有五個混合物)之早前期材料收縮，同時開始收縮測量。材料收縮為這樣測得之：總持續時間約8-周，同時在約75℉/50% RH下固化材料。
可以從本研究和第21A圖和第21B圖得出以 下重要結論：
摻入硫鋁酸鈣水泥(即使為非常小之量(約為飛灰重量之20重量%))對提高本實施例之所述地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，硫酸鈣二水合物和鹼金屬檸檬酸鹽)之抗開裂性和尺寸穩定性之具有顯著之影響。與比較混合物1(沒有硫酸鈣二水合物和細粒度之硫酸鈣二水合物(石膏粉))4-小時之收縮棒(其甚至在脫模前開裂)相反，混合物2至混合物5之收縮棒(包含硫鋁酸鈣水泥和細粒度之硫酸鈣二水合物(石膏粉))係穩定之，並在脫模之前或之後不會導致任何開裂。
與所述混合物(僅含有飛灰和鹼金屬檸檬酸鹽)(對於所述實施例21之比較混合物1)之一最大收縮超過約0.5%相比，本實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，細粒度之硫酸鈣二水合物(石膏粉)，和鹼金屬檸檬酸鹽)具有一最大收縮小於約0.10%。值得注意之係，包含硫鋁酸鈣水泥5份之混合物2之最大收縮記錄為僅約0.07%，而包含硫鋁酸鈣水泥約10份之相同之混合物3為僅約0.05%。因此，添加即使小量之硫鋁酸鈣水泥和細粒度之硫酸鈣二水合物(石膏粉)到水泥質組成物(包含飛灰，和鹼金屬檸檬酸鹽)中，可以非常顯著地降低所述材料收縮。
放熱和漿體溫度上升行為
第21D圖顯示了實施例21研究之實施例中地質聚合物水泥質組成物之放熱之和漿體溫度上升行為。實施 例21中之水泥質組成物包含飛灰、硫鋁酸鈣水泥、粗粒度之硫酸鈣二水合物(石膏粉)、和鹼金屬檸檬酸鹽，只展示了一非常溫和之溫度上升行為。在所述固化階段，所述材料裏內一適度之放熱和低之升溫顯著有助於防止過度熱膨脹和由此產生之材料開裂和破壞。當所述材料以這種方式利用：其中在所述實際領域應用中涉及大厚度之材料澆注，這方面係有用之。在本實施例中研究之實施例之地質聚合物水泥質組成物在這個特殊之方面係非常有益之，因為它們會導致在實際現場應用中較低之熱膨脹和增強之熱開裂抵抗力。
凝結時間
表75顯示了實施例21中之實施例之地質聚合物水泥質組成物之凝結時間。
在本實施例研究之所有水泥質組成物表現出快速之凝結行為，具終凝時間約45至約60分鐘。也可以觀察到本實施例發展之水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，細粒度之硫酸鈣二水合物(石膏粉)，鹼金屬檸檬酸鹽)比水泥質組成物(包含飛灰和鹼金屬檸檬酸鹽(實施例21之混合物1))，具有相對較長之凝結時間(包括初凝和終凝)。
抗壓強度
表76顯示了在實施例21中之實施例發展之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰、硫鋁酸鈣水泥、細粒度之硫酸鈣二水合物(石膏粉)、和鹼金屬檸檬酸鹽)之抗壓強度行為。
從本研究中可以得出以下觀察：
本實施例中研究之實施例之地質聚合物水泥質組成物之抗壓強度隨時間不斷增加。
使用硫鋁酸鈣水泥和細粒度之硫酸鈣二水合物(石膏粉)作為本實施例之地質聚合物水泥之材料質組成物之一組分之材料之早期4-小時抗壓強度超過約1000psi。
使用硫鋁酸鈣水泥和細粒度之硫酸鈣二水合物(石膏粉)作為本實施例之地質聚合物水泥之材料質組成物之一組分之材料之早期24-小時抗壓強度超過約2000psi。
本實施例研究之本實施例之所有地質聚合物水泥之材料質組成物28-天抗壓強度超過約4000psi。
實施例22
本實施例研究了本實施例發展之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰、硫鋁酸鈣水泥、以鹼金屬氫氧化物(氫氧化鈉)或以鹼金屬氫氧化物(氫氧化鈉)混合物活化之細粒度之硫酸鈣和鹼金屬酸(檸檬酸))之物理性質。
表77顯示了在這個實施例中研究之地質聚合物水泥質混合物之原料組成物。在本實施例之混合物組成物中使用之硫鋁酸鈣水泥之量等於飛灰重量之20重量%。在研究之多種混合物組成物中，石膏粉以硫鋁酸鈣水泥重量之50%和C類飛灰之10wt.%之量添加。將氫氧化鈉和檸檬酸添加到本發明水泥質組成物，以發揮化學活化劑之作用。兩種研究之混合物(混合物2和混合物3)僅含有氫氧化鈉作為 化學活化劑並且沒有檸檬酸。相似地，一種只含有檸檬酸之混合物(混合物1)用於化學活化，並且沒有氫氧化鈉。SURFYNOL 500S表面反應性劑可從Air Products,Inc購買，用作為消泡劑和潤濕劑。砂為QUIKRETE商業級細砂編號1961，以及超增塑劑為BASF CASTAMENT FS20。
初始流動行為和塌落
表78顯示了在實施例22中研究之實施例之地質聚合物水泥質組成物之初始流動行為和塌落特徵。
對於混合物1(含有檸檬酸，但沒有氫氧化鈉)，應該注意之係，混合後混合材料非常僵硬，並完全不能運轉。另一方面，混合物組成物含有氫氧化鈉(混合物2和混合物3)或含有氫氧化鈉和檸檬酸之混合物(混合物4和混合物5)，係容易運轉之，也如在塌落測試中其比較大之餅直徑表明之。特別值得注意之係，即使在水/水泥質材料比例為極低約 0.275時，還可獲得此良好之和易性。對於標準波特蘭水泥基或石膏基材料，這種流動性質和自流平行為僅當水/水泥質材料比例超過約0.45時才獲得。
收縮行為
第22A圖 顯示了在實施例22中之地質聚合物水泥質組成物之收縮行為。
在從所述原材料混合在一起以形成含水漿體之約4-小時之齡期所述收縮測量。所述材料收縮係這樣測得之：總持續時間約8-周，同時在約75℉/50% RH下固化所述材料。
可以從本研究和第22A圖得出以下重要結論：
混合物組成物(僅包含氫氧化鈉作為化學活化劑(混合物2和混合物3))表現出非常低之收縮小於約0.1%。值得注意之係，混合物2(僅含1%之氫氧化鈉)之最大收縮為小於約0.05%。混合物3(含有氫氧化鈉之量為約3%)之最大收縮增加至約0.09%。
本實施例之水泥質組成物(包含一氫氧化鈉和檸檬酸混合物作為一化學活化劑(混合物4和混合物5))也表現出非常低之收縮。混合物3(含有檸檬酸和氫氧化鈉之量為約1%)之最大收縮僅約0.05%。混合物5(含有檸檬酸和氫氧化鈉之量為約3%)之最大收縮增加至約0.25%。
放熱和漿體溫度上升行為
第22B圖顯示了在實施例22中之地質聚合物水泥質組成物之放熱之和漿體溫度上升行為。在本實施例(混合物2至混合物5)中之水泥質組成物表現出非常低之溫度上升。只含檸檬酸(無氫氧化鈉)之混合物1在混合時變硬，並展示了極其惡劣之反應，如非常低之溫度上升表示之。在固化階段，材料內一適度之放熱和低之升溫明顯有助於防止過度熱膨脹和由此產生之材料開裂和破壞。當材料以這種方式利用：其中在所述實際領域應用中涉及大厚度之材料澆注，這一方面係有幫助之。在本實施例中研究之實施例之地質聚合物水泥質組成物，公開了在這個特殊之方面係非常有益之，因為它們會導致在實際現場應用中較低之熱膨脹和增強之熱開裂抵抗力。
凝結時間
表79顯示了實施例22中之地質聚合物水泥質組成物之凝結時間
本實施例(混合物2至混合物5)中研究之本實施例之水泥質組成物表現出非常快速之凝結行為，終凝時間約15至60約分鐘。與混合物組成物(包含氫氧化鈉水準為約3%(即，混合物3和混合物4)相比，混合物組成物(包含氫氧化鈉之量水準約1%(混合物2和混合物4))，具有相對較長之凝結時間(和可使用時間)。對於一些應用之一極短凝結時間係有問題之，因為一較短之工作壽命(適用期)，導致在領域實際應用中處理快速凝結材料之顯著困難。
抗壓強度
表80顯示了在實施例22中，實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰、硫鋁酸鈣水泥、和硫酸鈣(細粒度之石膏粉)，和鹼金屬化學活化劑)發展之抗壓強度行為。
從本研究中可以得出以下重要觀察：
本實施例中研究之實施例之地質聚合物水泥質組成物之抗壓強度隨時間不斷增加。
使用硫鋁酸鈣水泥和石膏粉作為本實施例中之地質聚合物水泥質組成物之一組分，材料之早期4小時抗壓強度超過約1000psi。這係真實之，當使用氫氧化鈉作為一化學活化劑本身(混合物2和混合物3)或當氫氧化鈉和檸檬酸之混合物被用作化學活化劑(混合物4和混合物5)時。
使用硫鋁酸鈣水泥和石膏粉作為本實施例中研究之地質聚合物水泥質組成物之一組分，材料之早期24小時抗壓強度超過約2000psi。這係真實之，當使用氫氧化鈉作為化學活化劑本身(混合物2和混合物3)或當氫氧化鈉和檸檬酸之混合物被用作化學活化劑(混合物4和混合物5)。
本實施例中研究之本實施例之地質聚合物水泥質組成物之早期28-天抗壓強度超過約5000psi。這還係真實之，當使用氫氧化鈉作為化學活化劑本身(混合物2和混合物3)或當氫氧化鈉和檸檬酸之混合物被用作化學活化劑(混合物4和混合物5)。
實施例23
本實施例顯示了摻入不同量之硫鋁酸鈣水泥(20份，40份，60份和80重量份之飛灰)結合硫酸鈣二水合物(其添加水準為飛灰之6、12、18和24wt.%)，到對本發明之地質聚合物粘合劑組成物對其早前期之收縮行為之影響。表81中列出了測試之組成物。砂為QUIKRETE商業級細砂編號1961以及超增塑劑為BASF CASTAMENT FS20。
早前期之收縮行為
第23A圖顯示了實施例23中研究之實施例之地質聚合物水泥質組成物早前期之收縮行為。
進行早前期之收縮測試段(如在[0277]段中所描述之)，但從原材料混合在一起，形成一含水漿體約1-小時之齡期開始最初之測量。本研究之主要目之係為了研究摻入不同量之硫鋁酸鈣水泥(約20至約80重量份之飛灰)和細粒度之硫酸鈣二水合物中，對本實施例之地質聚合物水泥質組成物早前期之收縮行為之影響。
從第23A圖和表82可以觀察到，早前期收縮之幅度隨本實施例之組成物中硫鋁酸鈣水泥量之增加而增加。這係一非常意外之結果。
表82總結了使用實施例23中之混合物製作之棒之收縮百分比，如在第23A圖中所示。
上述之結果表示本發明之一極其重要之方面。這些結果係非常意外之，並且描繪了本實施例之水泥質組成物之早期收縮，其隨組成物中硫鋁酸鈣水泥量之增加而增加。這些結果表明，如果應用之主要目之係儘量減少早前期收縮之幅度和材料之總收縮，在此和相關之實施例之組成物中保持硫鋁酸鈣水泥之量相對較低(優選為約20份或更低)係有利之。雖然這裏觀察到之材料之早前期之收縮原因尚未完全瞭解，但相信，早期收縮係由於自乾燥和反應材料之體積變化產生之化學和自體收縮。
保持本實施例和相關之實施例中組成物之硫鋁酸鈣水泥和硫酸鈣之量較低之另一個主要益處係大幅減少潛 在之泛鹼。應該指出，材料中較高之泛鹼程度，不僅提出了一美學問題，而且由於膨脹反應(其可能係由於存在於硬化材料中之鹽之化學和水化反應)它也可能導致後期重大乾擾和損害。
保持本實施例之組成物中硫鋁酸鈣水泥和硫酸鈣量較低之另一個主要益處係它顯著地降低了原材料成本。
實施例24
本實施例描述了飛灰、硫鋁酸鈣水泥、細粒度之硫酸鈣二水合物(即石膏或石膏粉)和鹼金屬鹽之拉伸粘結強度性能。共研究了4個混合物組成物。
在表83中，混合物1代表本發明之地質聚合物水泥質組成物(不含有膜-形成可再分散聚合物粉末)。另一方面，混合物2至混合物4代表本發明之地質聚合物水泥質組成物(含有添加之不同量水準之膜-形成可再分散之聚合物粉末)。膜-形成可再分散之聚合物粉末商業具有商業名VINNAPAS 5025L(乙酸乙烯酯/乙烯共聚物)，由WACKER Polymer生產，被用來在過去三種混合物組成物中。Quickrete商業級細砂編號1961與BASF CASTAMENT FS20超增塑劑和SURFYNOL500S消泡劑一起使用，可從Air Products Inc購買。
拉伸粘結強度
研究了波特蘭水泥基之砂漿基質和地質聚合物水泥質組成物之間之拉伸粘結強度，如表102中提到之。約2in.x 2in.x 2in立方體模，首先用波特蘭水泥基砂漿填充厚度之一半(1“)。澆注後，允許該材料在密封塑膠袋中固化和硬化至少約28-天。完成約28-天固化後，然後用丙烯酸類底漆來塗層波特蘭水泥砂漿之頂表面。隨後，每個表84之本實施例之地質聚合物水泥質組成物澆注入模具之頂表面。刮平剛放置之材料之頂表面以創建平坦之表面。然後使試樣固化，直到測試時間。固化完成後，試樣脫模約2in.x2in。鋼錨塊為環氧樹脂粘接到試樣之頂表面和底表面。然後在合適之測試框架(MTS試驗機)內拉緊試樣，並記錄極限破壞負載。通過破壞負載除以波特蘭水泥砂漿基質和地質聚合物凝結材料之間之粘接表面來計算破壞應力。對於在本實施例中研究之每個混合物，測試了5個樣品直到破壞。
表84顯示了在本實施例中研究之四個地質聚合物混合物組成物之平均拉伸粘結強度。所有試樣固化8天， 並測試拉伸粘結強度。可以觀察到，研究之所有四個混合物組成物具有極高之拉伸粘結強度。尤其值得注意之係，在本例中研究之本發明之所有四個地質聚合物水泥質組成物之拉伸粘結強度超過約200psi。
地質聚合物水泥質組成物(沒有任何可再分散聚合物粉末(混合物1))之拉伸粘結強度極高-約298psi。這係非常令人意外之結果，因為使用商業購買之波特蘭水泥基材料和產品，在缺乏聚合物之情況下，通常不能達到這麼高之拉伸粘結強度。值得注意之係，添加可再分散聚合物粉末(混合物2至4)到本實施例之地質聚合物水泥質組成物中不導致任何重大變化或增加拉伸粘結強度。該結果表明本發明之組成物非常重要之方面，即對於增加本實施例中地質聚 合物水泥質組成物對其他基質之拉伸粘結強度而言，不一定需要可再分散聚合物粉末。當材料用於修復應用於粘結其他基質之時，拉伸粘結強度係非常有用之屬性。粘結之品質最終決定了修復工作無論係在短期和長期之耐用性和持久性如何。與基質差之粘結可導致脫層，開裂，和其他模之損壞。
上述之結果表示本發明之極其重要之方面，因為它們描述了如果要達到滿意之粘結強度性能，可從本實施例之地質聚合物組成物中任選地消除昂貴之聚合物。這使得在其他無機粘合劑技術之基礎上，本實施例之地質聚合物水泥質組成物與其他市售水泥質修護產品相比，獨特並極具成本競爭力。
使用本實施例之地質聚合物組成物(含有其他類型之可再分散聚合物粉末，如丙烯酸，苯乙烯丙烯酸酯共聚物，苯乙烯-丁二烯共聚物，等)進行另外之拉伸粘結強度測試。這些組成物之拉伸粘結強度之結果非常高，與上述報導之本實施例之結果類似。
實施例25
本實施例描述了本實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，細粒度之無水石膏和鹼金屬檸檬酸鹽)發展之物理性質。本研究之主要目之之一係研究摻入硫鋁酸鈣水泥(在低量，約40重量份飛灰)結合細粒度之無水石膏，對本實施例之地質聚合物組成物之抗壓強度行為之影響。
本實施例之混合物組成物中使用之硫鋁酸鈣水泥之量等於飛灰重量之5、10、20、30和40重量%。在本研究中使用USG SNOW WHITE填充料，一種細粒度之無水硫酸鈣(無水石膏)。在研究之多種之混合物組成物中，添加之SNOW WHITE填充料為之硫鋁酸鈣水泥重量之50%。添加之所述無水石膏水準為所述C類飛灰之2.5、5、10、15和20重量%。QUIKRETE商業級細砂編號1961，BASF CASTAMENT FS20超增塑劑，SURFYNOL500S消泡劑，和潤濕劑，購由Air Products，Inc。以及AXILAT RH200 XP琥珀醯膠體可從Momentive Specialty Chemicals購買。表85顯示了在本例中測試之組成物。
抗壓強度和凝結時間
表86顯示了在實施例25中研究之實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含飛灰，硫鋁酸鈣水泥，細粒度之無水石膏，鹼金屬檸檬酸鹽)發展之所述抗壓強度行為。
所述實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含無水石膏)之抗壓強度如在本實施例獲得之，與類似組成物(如前面之例子中突出之)(含有硫酸鈣二水合物)相比，明顯比較高。這表明了在本發明之描述中討論之，與硫酸鈣二水合物相比，使用不溶性無水硫酸鈣(無水石膏或僵燒無水石膏)有意想不到之好處。
對於混合物# 1和# 2(含有較低量硫鋁酸鈣水泥和無水石膏)之所述材料之早期4-小時抗壓強度超過約1500psi；以及對於混合物3至5(含有較高量之硫鋁酸鈣水泥，和無水石膏)，超過約3000psi。
對於混合物1和2(含有較低量硫鋁酸鈣水泥和無水石膏)之所述材料之早期24-小時抗壓強度超過約2000psi；以及對於混合物3至5(含有較高量之硫鋁酸鈣水泥和無水石膏)，超過約5000psi。
本實施例之所有地質聚合物水泥質組成物(含有硫鋁酸鈣水泥、和無水石膏)，在本實施例之研究中，所述 28-天抗壓強度超過約7000psi。
進一步指出，與類似之含有硫酸鈣二水合物之組成物(如在前面之例子中強調之)相比，本實施例之地質聚合物水泥質組成物(包含無水石膏)產生相對更快之凝結。本實施例研究之之5個混合物組成物之最終凝結時間範圍約25至約35分鐘之間。
本發明之地質聚合物水泥質組成物(含有無水石膏)，如在本實施例中突出顯示，在應用中係特別有用之，其中快速凝結和快速強度發展為一重要之要求。
實施例26
本實施例示出一本發明之地質聚合物水泥質組成物，特別適用於作為各種基質上使用過之自流平地板墊層，如混凝土，木材等。特別係，組成物類似於本實施例中所描述之一個，其對現有混凝土表面(其為粗糙和非平面)之平滑性和流平係非常有用之。
表87顯示了本實施例之材料組成物，使用在現有之混凝土板上來創建一平滑之表面。
該混凝土板之大小為約22ft.x約11.5ft.(按面積)，在該混凝土板上澆注了該地質聚合物混凝土面層材料。首先清掃板坯之表面以除去附著在鑄坯表面之灰塵和碎屑。隨後通過使用一丙烯酸層底漆來給板坯之表面塗底漆。在表87中顯示之材料，使用手鑽混頻器在圓筒中混合。馬上使用一手鑽混頻器混合器在一混合圓筒中混合在表26中提到之兩個大小之批次。首先將水傾入攪拌圓筒中，隨後為添加乾燥粉末混合物。該材料混合之時間為約2至約3分鐘，以實現本實施例無塊之地質聚合物漿體。然後混合圓筒被運輸到澆注區域，並且地質聚合物漿體被澆注在混凝土板上。如上文所述之混合過程中被重複13次，以獲得足夠之漿體，以覆蓋整個混凝土板澆注區域。地質聚合物漿體流過並極其容易地夷為平地。一刮板被用於進一步促進和移動在澆注區域中之材料。
然後使用鋼鏝刀塗抹澆注材料之表面，以創建一平坦和光滑之表面。根據在板坯上之位置，傾倒材料之有效厚度範圍從約1英寸至(約1/16英寸)之薄邊。當材料澆 注在板坯上時，測量板坯上澆注材料之有效厚度，並且在約2小時後重新測量。從澆注時及約2小時後，測量之厚度基本上保持不變。在澆注區域中之薄邊材料之總長度為22英尺。值得注意之係，澆注材料薄邊非常容易。在澆注之約2-小時內，發現薄邊材料和基質之間之結合係優越之。值得注意之係，當遮蔽膠帶在薄邊區域之末端澆注約2-小時時，薄邊不發生開裂或分層。板坯表面乾燥，並在澆注後約2-小時內可以運行。澆注後經過幾個月，直到最後一次檢查之時候，地板保持基本無開裂和缺陷。
根據ASTM F710-11之測試方法，在不同之時間間隔，測得地質聚合物粘合劑地板混凝土面層表面之表面pH值為。EXTECH PH150-C EXSTICK混凝土pH計被用於進行表面pH測量。表88顯示，地板混凝土面層測得之pH值：
本實施例尺寸穩定之地質聚合物粘合劑，由於 其相對較低之pH值，與大部分市售之地板良好之粘合劑，如丙烯酸橡膠粘合劑係高度相容之。由於由本實施例中尺寸穩定之地質聚合物粘合劑所提供之低pH值環境，地板黏合劑沒有顯著化學損壞之證據和不良反應引起之地質聚合物組成物之不穩定。其結果係，基地板材料如片材乙烯，乙烯基組成物磚(VCTs)和地毯可以成功地安裝在本實施例之尺寸穩定之地質聚合物粘合劑上，以確保長之持久耐用之性能。
根據ASTM C1583(2004)測試方法，在6周之時間，蓋在混凝土基質上施加之地質聚合物之拉伸粘結強度係測得之。測得之拉伸強度值超過約300psi，證實發展蓋在混凝土基質上之地質聚合物之優良粘接。
當用作修復或自流平混凝土面層材料，本發明之一些實施例之尺寸穩定之地質聚合物組成物需要準備最小之基質以成功安裝。時間消耗和昂貴基質之製備方法，如拋丸，鬆土，水噴射，結痂或銑削，使表面準備好安裝自流平地質聚合物粘合劑混凝土面層在現有之基質上，根據不同之應用，可以減少或完全避免。地質聚合物混凝土面層可以直接澆注在基片上，沒有灰塵和碎片，或者，其可以在基質上澆注，其已經使用合適之地板底漆適當地塗底漆。
水泥質組成物可以塗在基質之表面，其中在水泥質粘合劑為自流平，並澆注到一有效之厚度為約0.02至約7.5cm。當用作現有基質上之補丁修補材料或自流平混凝土面層材料，本發明之一些實施例之尺寸穩定之地質聚合物組成 物能夠方便地應用於非常小之厚度，從貼膠到薄邊。貼膠和薄邊這裏係指所施加之材料厚度小於約1/4英寸(0.635cm)，更優選範圍為約1/8英寸至約1/128英寸(0.32cm至0.02cm)之間。
本發明之一些優選之實施例之尺寸穩定之地質聚合物組成物與底層之基質能夠發展出優越之拉伸粘結強度。本發明之地質聚合物材料和混凝土基質之間之優選之拉伸粘結強度優選超過約200psi(1.4MPa)，最優選超過約300psi(2.1MPa)。
本發明之地質聚合物粘合劑組成物重要之不同之方面，如從本實施例突出之，見如下：
極低之混合能源需要實現充分混合之地質聚合物粘合劑材料，即使使用低轉速鑽攪拌機。尤其值得注意之係，儘管配方中使用極少量水，本實施例之地質聚合物材料係非常容易混合之。常用之水泥質配方可在行業使用約兩倍之水分含量以促進混合，並產生一可行之和自流平漿體混合物。
最小基質準備要求利用本實施例之地質聚合物粘合劑混凝土面層材料完成一成功之澆注。沒有必要採用耗時和昂貴之基質製備方法，如拋丸，鬆土，水噴射，結痂或銑削準備好表面用於澆注。地質聚合物材料可以直接在基質上澆注(無灰塵和碎片)，或者，它可以在基質上澆注(其已經使用合適之地板底漆適當地塗底漆)。
本實施例之地質聚合物粘合劑材料削薄邊之之能力。
優越之結合本實施例之地質聚合物粘合劑混凝土面層和混凝土基質之間。
澆注後約2小時內，本實施例之地質聚合物粘合劑混凝土面層材料可以運轉使用。
本實施例之地質聚合物粘合劑混凝土面層對損害之極高抗性，如分層和破裂。
本實施例之地質聚合物粘合劑材料澆注成不同厚度之能力。
地質聚合物粘合劑材料之表面上接受不同類型塗料之能力。
地質聚合物粘合劑混凝土面層材料與市售連續灰漿攪拌機和其他類型之混凝土和灰漿分批攪拌機混合之能力。
實施例27
表89顯示了本實施例中研究之水泥質混合物之原料組成物。
本實施例之混合物組成物中使用之硫鋁酸鈣水泥之量等於飛灰重量之25重量%。在本研究中添加之細粒度之硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)水準為硫鋁酸鈣水泥重量之50重量%，其為C類飛灰之12.5重量%。波特蘭水泥之添加水準為飛灰之25、67、150、和400重量%，這分別 為總水泥質材料之15重量%、33重量%、52重量%、和74重量%之近似率。總水泥質材料包括C類飛灰、硫酸鈣二水合物、硫鋁酸鈣和波特蘭水泥。水與總水泥質材料比保持，恒定在約0.3(對於所有研究之混合物)。St.Mary’s III型波特蘭水泥，Detroit,MI係添加之。還使用了QUIKRETE商業級細砂號1961和BASF CASTAMENT FS20超增塑劑。
初始流動行為和塌落
表90顯示了在實施例27中研究之水泥質組成物(包含飛灰、硫鋁酸鈣水泥、石膏粉、和鹼金屬檸檬酸鹽)之初始流動行為和塌落特徵。
研究之所有之混合物組成物有差之流動行為，如在塌落測試中觀察到之僵硬之漿體之小餅直徑所指示之。材料之流動性質隨著波特蘭水泥組成物之增加而減少。
從表90中塌落值來看，塌落餅之僵硬和高粘稠性也很明顯。隨著組成物中波特蘭水泥之增加，漿體混合物變得更粘稠。
收縮行為
第24圖顯示了在實施例27中研究之實施例 之地質聚合物水泥質組成物之收縮行為。從原材料混合在一起，以形成含水漿體之約2-1/5小時之時間開始收縮測量年齡。材料收縮為這樣測得之：總持續時間約8-周，同時在約75℉/50% RH時固化材料。
可以從本研究和第24圖得出以下重要結論：
摻入波特蘭水泥顯著增加研究之水泥質組成物之收縮。研究之各種混合物之最終收縮值列於表91。可以觀察到，含有約15%波特蘭水泥之混合物# 1之極限收縮量為約0.15%。含有約33%波特蘭水泥之混合物# 2之極限收縮量增加至約0.23%。含有約50%之波特蘭水泥之混合物# 3之極限收縮量增加至約0.3%。最後，對於含有約75%之波特蘭水泥之混合物# 4，測得之收縮為最高約0.5%。
在上面之描述中詳細討論中，本實施例顯示了獲得之意外之結果，加入波特蘭水泥到本發明之實施例，波特蘭水泥對組成物之收縮行為具有負面之影響。由本實施例 中顯示之收縮幅度隨組成物中波特蘭水泥量之增加而成比例增加。
添加波特蘭水泥到本發明之實施例之水泥質組成物(包含飛灰、硫鋁酸鈣水泥、硫酸鈣和鹼金屬檸檬酸鹽)中，非常顯著地增加材料之收縮。
基於上述發現，添加波特蘭水泥到本發明之實施例之尺寸穩定之地質聚合物組成物中，係不推薦之。
實施例28
表92顯示了本實施例中之水泥質混合物之原料組成物。
在本實施例之混合物組成物中使用之硫鋁酸鈣水泥之量等於飛灰重量之20重量%。在本研究中使用之細粒度之硫酸鈣二水合物(細粒度之石膏粉)，添加之量水準為硫鋁酸鈣水泥重量之50重量%和10重量%之Ç類飛灰之10重量%。混合物1組成物沒有硼砂，而混合物2至4組成物含有硼砂作為凝結控制化學添加劑。QUIKRETE商業級細砂號1961，BASF CASTAMENT FS20超增塑劑，WACKER VINNAPAS5025L(Wacker聚合物)和Surfynol 500S消泡劑來自Air產品。
泛鹼行為
第25圖顯示了對於本實施例中研究之混合物 在銅管模具中立方體澆注之照片。澆注立方體之頂表面在圖中所示之照片中係可見之。可以觀察到，與硼砂混合(混合物# 2，# 3和# 4)，通過從材料內浸出之鹽造成在立方體之頂表面上顯示出過度之泛鹼。然而，對於沒有硼砂之混合物# 1之立方體基本上沒有泛鹼。過度之泛鹼可導致較差之美學，來自膨脹反應產生(由於鹽之水合，以及減少與其他基質和表面塗層之粘結強度)之材料之破壞和損壞。
粘結行為
在根據本發明之尺寸穩定之地質聚合物粘合劑組成物(具硼砂，硼酸鹽或硼酸，加入作為附加組分)也被發現與其他之材料和基質，如混凝上發展之較差粘結。因此，優選之本發發明之組成物不包括硼砂、硼酸鹽或硼酸。
實施例29：C類飛灰加低石灰鈣鋁矽酸鹽礦物(F類飛灰)
表93顯示了在本實施例中研究之地質聚合物水泥質混合物之原料組成物。
本實施例研究了摻入低石灰鈣鋁矽酸鹽礦物(F類飛灰來自上游資源)結合Ç類飛灰對本發明之地質聚合物組成物之物理性質之影響。添加之C類飛灰為76、38、18和76重量份，而添加之F類飛灰為38和58重量份，在混合物2和3中為Ç類飛灰，添加水準分別為38和18重量份。添加之硫酸鈣二水合物溶液為8重量份以及添加之硫鋁酸鈣水準為16重量份。也添加了QUIKRETE商業級精細砂號1961， BASF CASTAMENT FS20超增塑劑和SURFYNOL500S消泡劑。
材料之塌落和流動行為
表94顯示了在實施例29中研究之實施例之地質聚合物水泥質組成物之初始流動行為和塌落特徵。
所有研究之混合物組成物具有良好之流變性和塌落行為，如在塌落測試中觀察之。特別值得注意之係，即使在水/水泥質材料比例低至約0.24時，還可獲得此良好之流變性和塌落行為。
收縮行為
第26圖顯示了實施例29中研究之實施例之地質聚合物水泥質組成物之收縮行為。本次調查之主要目之係研究摻入熱活化之鋁矽酸鹽礦物(以低含量石灰(F類飛灰))對本實施例地質聚合物水泥質組成物發展之收縮行為之影響。
在從所述原材料混合在一起以形成含水漿體之約4-小時之齡期開始所述收縮測量。所述材料收縮係這樣測 得之：總持續時間約8-周，同時在約75℉/50% RH下固化所述材料.
可以從本次研究和第26圖，得出以下結論：
當組成物僅含有之熱活化之鋁矽酸鹽礦物具高石灰含量時，即，C類飛灰(混合物#1)材料收縮率係最低之。
材料收縮隨組成物中低石灰含量之熱活化之鋁矽酸鹽礦物量之增加而增加。缺乏低石灰含量之熱活化之鋁矽酸鹽礦物之混合物1之總收縮約0.04%。可以觀察到在組成物中之低石灰含量之熱活化之鋁矽酸鹽礦物約50%下，混合物2之總收縮增加至約0.07%。在組成物中之低石灰含量之熱活化之鋁矽酸鹽礦物約76%下，混合物3之總材料收縮增加至約0.1%。在組成物中之低石灰含量之熱活化之鋁矽酸鹽礦物約100%下，混合物4之總材料收縮顯著上漲至約0.18%。
凝結時間
表95顯示了實施例29中實施例之地質聚合物水泥質組成物之凝結時間。
已經觀察到，在本實施例中研究之該組成物之初凝和終凝時間隨著在該製劑中低石灰含量之熱活化鋁矽酸鹽礦物之量增加而增加。可以觀察到，對於含有約100%低石灰含量之熱活化鋁矽酸鹽礦物之混合物4，其終凝時間顯著增加至超過約2小時。
抗壓強度
表96顯示了在實施例29中之本實施例地質聚合物水泥質組成物發展之抗壓強度行為。
從本研究中可以得出以下觀察：
地質聚合物水泥質組成物包含高石灰含量和低石灰含量之熱活化鋁矽酸鹽礦物兩者之混合物，其抗壓強度隨時間之函數持續增加。
混合物組成物之早期抗壓強度和所述極限抗壓強度都隨著在該組成物中低石灰含量之鋁矽酸鹽礦物增加而降低。
混合物組成物之早期抗壓強度和極限抗壓強度隨著所述材料中低石灰含量之鋁矽酸鹽礦物量之增加而下降。
對於混合物2在該組成物中含有約50%低石灰含量之鋁矽酸鹽礦物，其早期抗壓強度和極限抗壓強度係令人滿意之，具有28天抗壓強度超過約4200psi。
對於混合物4在該組成物中含有約100%低石灰鋁矽酸鹽礦物，其早期和極限抗壓強度都相對地低，並且對於考慮作為本發明部分之許多應用時不令人滿意之。
實施例30
本實施例示出一本發明之地質聚合物水泥質組成物，特別適用於作為各種基質上使用過之自流平地板墊層，如混凝土，木材等。特別係，組成物類似於本實施例中所描述之一個，其對現有混凝土表面(其為粗糙和非平面)之平滑性和流平係非常有用之。
表97顯示了本實施例之材料組成物：
本實施例中研究之混合物組成物具有良好之流變性並在塌落測試中產生了10-1/4英寸(26釐米)之塌落。這種混合物組成物之塌落餅乾燥後仍狀況良好，並沒有發展任何開裂。
收縮行為
第27A圖顯示了在實施例29中研究之本發明之實施例之地質聚合物水泥質組成物之收縮行為。
在從所述原材料混合在一起以形成含水漿體之約4-小時之齡期所述收縮測量。所述材料收縮係這樣測得之，總持續時間約8-周，同時在約75℉/50% RH下固化所述材料。
可以從本研究和第27A圖得出以下重要結論：
與比較實施例4(沒有硫酸鈣)中之收縮棒(其即使在脫模前開裂)相反，實施例29之收縮棒(包含硫酸鈣二水合物)係完全穩定之，並在脫模之前或之後不會導致任何開裂。
與所述比較混合混合物(僅含有飛灰和鹼金屬 檸檬酸鹽)(實施例1)之一最大收縮約0.75%相比，本發明中本實施例之地質聚合物水泥質組成物(飛灰，硫鋁酸鈣水泥，硫酸鈣二水合物)和本實施例中研究之鹼金屬檸檬酸鹽具有一最大收縮僅約0.04%。
放熱和漿體溫度上升行為
第27B圖顯示了在實施例29中研究之本發明之實施例之地質聚合物水泥質組成物之放熱之和漿體溫度上升行為。本水泥質組成物只展示了非常溫和之溫度上升行為，最大漿體溫度只達到108℉。
在所述固化階段，所述材料裏面之一適度之放熱和低之升溫協助防止過度熱膨脹和由此產生之材料開裂和破壞。當所述材料以這種方式利用：其中在所述實際領域應用中涉及大厚度之材料澆注時，這方面變得更加有幫助。本發明中之本實施例之地質聚合物水泥質組成物在這個特殊之方面係非常有益之，因為它們會導致在實際現場應用中較低之熱膨脹和增強之熱開裂抵抗力。
凝結時間
表98顯示了在實施例29中研究之本發明之一些實施例之地質聚合物水泥質組成物之凝結時間。本發明之這些導致之實施例，而且在自流平墊層應用中特別有用。
抗壓強度
表99顯示了在本實施例中研究之本發明之實施例之地質聚合物水泥質組成物發展之抗壓強度行為。這些結果表明，本發明之適宜之地質聚合物組成物在自流平墊層應用中使用。
實施例31
本實施例表明了本發明之一些實施例之輕質地質聚合物粘合劑組成物獨特之行為和機械性能。
表100顯示了在本實施例中研究之輕質地質聚合物水泥質混合物之原料組成物。
本實施例中研究之輕質地質聚合物組成物測得之密度為如下：
混合物#1：96pcf(磅每立方英尺)
混合物#2：101pcf
混合物#3：105pcf
材料之塌落和早期開裂行為
表101顯示了在被實施例中研究之本發明之一些實施例之輕質地質聚合物水泥質組成物之塌落行為。
所有研究之混合物組成物具有良好之流變性和塌落行為，如在塌落測試中觀察之。特別值得注意之係，即使在水/水泥質材料比例低至約0.255時，還可獲得此良好之流變性和塌落行為。
在本實施例中研究之混合物之所有塌落餅情況良好，並沒有發展任何開裂。
放熱和漿體溫度上升行為
第29A圖顯示了在實施例31中研究之本實施例之輕質地質聚合物水泥質組成物之放熱之和漿體溫度上升行為。可以觀察到，這些組成物表現出非常低之溫度上升之行為。在所述固化階段，所述材料裏面之一適度之放熱和低之升溫顯著地協助防止過度熱膨脹和由此產生之材料開裂和破壞。當所述材料以這種方式利用：其中在所述實際領域應用中涉及大厚度之材料澆注時，這方面變得更加有幫助。本實施例中研究之本實施例之地質聚合物水泥質組成物係公開之，在這個特殊之方面係非常有益之，因為它們會導致在實際現場應用中較低之熱膨脹和增強之熱開裂抵抗力。
凝結時間
表102顯示了在這個例子中研究之發明之實施例之輕質地質聚合物水泥質組成物之凝結時間。可以觀察到在終凝時間範圍在1至2小時之間時，本實施例中研究之所有水泥質組成物表明了一快速之凝結行為。
抗壓強度
表103顯示了在實施例31中研究之本發明之實施例之輕質地質聚合物水泥質組成物之抗壓強度行為。
從本研究中可以得出以下觀察：
本發明之輕質地質聚合物組成物之早期抗壓強度和極限抗壓強度係相對非常高，並且比得上本發明之(比較實施例30與實施例31之這些結果)之一些全密度組成物。
值得注意之係，本實施例中研究之本發明之輕質地質聚合物組成物之4-小時抗壓強度超過約1000psi。
同樣值得注意之係，本發明之輕質地質聚合物組成物之24-小時抗壓強度超過約2500psi。
又係非常值得注意之係，本發明之輕質地質聚合物組成物之28-天抗壓強度非常高，超過約4000psi。
在實施例中所示之本發明之一些優選之實施例之地質聚合物組成物已經應用在一些商業產品中。特別係該組成物可用於：道路維修和道路修補產品，交通支承表面和人行道，如在實施例5、24、25、30和31中公開之一些性質顯示之；磚和合成石，如在實施例5、6、9、12和14中公開之一些性質顯示之；修復材料用於牆壁、地板和天花板和粘結灰漿，石膏和表面材料，如在實施例5、24和33中公開之一些性質顯示之；屋頂材料，如在實施例5、26、30和31中公開之一些性質顯示之；噴射混凝土產品，其噴射水泥質產品用於土壤和岩石之穩定以及如內襯材料，如在實施例5，25和30中公開之一些性質顯示之；重量支承結構，如在實施例25、30、和31中公開之一些性質顯示之；雕塑和建築造型，如在實施例5-22、29、30、和 31中公開之一些性質顯示之；自流平墊層，如在實施例5、7、9、13、15、19、21、22、24、26、30、和31中公開之一些性質顯示之；雖然我們已經描述了優選之實施例用於實施本發明，熟諳技藝人士應當理解：本公開係針對(在不脫離其範圍之情況下)可對本發明做出修改和補充。

Claims (45)

  1. 一種鋁矽酸鹽地質聚合物組成物，包括下述之反應產物：水；水泥質反應性材料，其中該水泥質反應性材料包括：33至97重量%熱活化鋁矽酸鹽礦物，該熱活化鋁矽酸鹽礦物包括C類飛灰；1至40重量%硫鋁酸鈣水泥；及1至40重量%硫酸鈣，該硫酸鈣選自：硫酸鈣二水合物、硫酸鈣半水合物、無水硫酸鈣和其混合物，其中該硫酸鈣平均顆粒大小範圍從1至100微米，以及化學活化劑，選自：鹼金屬檸檬酸鹽、鹼金屬氫氧化物、鹼金屬矽酸鹽和其混合物，其中該化學活化劑與該水泥質反應性材料之重量比為1至6：100。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，其中該水與該水泥質反應性材料之重量比為0.17至0.40：1；其中包含於該水泥質反應性材料中之該硫鋁酸鈣水泥與該熱活化鋁矽酸鹽礦物之重量比為10至100：100；以及其中該硫酸鈣與該硫鋁酸鈣水泥之重量比為10至100：100。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，其中該化學活化劑係選自：鹼金屬檸檬酸鹽、鹼金屬氫氧化物和其混合物。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，其中該化學活化劑包括鹼金屬檸檬酸鹽、鹼金屬氫氧化物和其混合物，以及該熱活化鋁矽酸鹽礦物於每100份該熱活化鋁矽酸鹽礦物包括75至100份C類飛灰。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，其中該化學活化劑包括鹼金屬檸檬酸鹽，並且其中該熱活化鋁矽酸鹽礦物於每100重量份熱活化鋁矽酸鹽礦物包括50至100份C類飛灰。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，進一步包括如下群組中之至少一者：超增塑劑、引氣劑、消泡劑、有機流變控制劑、及形成薄膜之聚合體。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，其中該化學活化劑之量基於該水泥質反應性材料之總重為1.25至4.00重量%，其中該化學活化劑係選自檸檬酸鈉及檸檬酸鉀。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，進一步包括碳酸鋰。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，其中該水泥質反應性材料含有硫酸鈣二水合物；其中硫酸鈣二水合物與硫鋁酸鈣水泥之重量比為20至60：100；其中該化學活化劑包括鹼金屬檸檬酸鹽，其中鹼金屬檸檬酸鹽與該水泥質反應性材料之重量比為從2至3：100；並且其中該硫酸鈣二水合物具有平均顆粒大小從1至30微米。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，其中該水泥質反應性材料含有該硫酸鈣二水合物，其中該硫酸鈣二水合物與該硫鋁酸鈣水泥之重量比為20至20：100；以及其中該硫酸鈣二水合物具有硫酸鈣平均顆粒大小範圍從1至100微米。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，其中該硫酸鈣具有平均顆粒大小在1至100微米之範圍，其中該水泥質反應性材料含有該無水硫酸鈣，其中該無水硫酸鈣與該硫鋁酸鈣水泥之重量比為10至60：100。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，其中該硫酸鈣具有平均顆粒大小在1至100微米之範圍內；以及其中該水泥質反應性材料含有該硫酸鈣半水合物。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，其中該水泥質反應性材料包括33重量%至97重量%之C類飛灰。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，其中該硫酸鈣包括硫酸鈣半水合物。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，其中該水泥質反應性材料包括：60重量%至90重量%之該熱活化鋁矽酸鹽礦物，其中該熱活化鋁矽酸鹽礦物包括C類飛灰，4重量%至35重量%之該硫鋁酸鈣水泥，及2重量%至15重量%之該硫酸鈣，其中該化學活化劑與該水泥質反應性材料之重量比為1.25至4：100。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，其中該水泥質反應性材料包括：60重量%至85重量%之該熱活化鋁矽酸鹽礦物，其中該熱活化鋁矽酸鹽礦物包括C類飛灰，8重量%至30重量%之該硫鋁酸鈣水泥，及4.0重量%至15重量%之該硫酸鈣，其中該化學活化劑與該水泥質反應性材料之重量比為1.5至3.0：100。
  17. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，其中該組成物不含有波特蘭水泥。
  18. 如申請專利範圍第3項所述之組成物，其中該水泥質反應性材料包括33重量%至97重量%之C類飛灰。
  19. 如申請專利範圍第15項所述之組成物，其中該反應產物由具有從1至100微米平均顆粒大小之硫酸鈣形成，及該水泥質反應性材料包括60重量%至90重量%之C類飛灰。
  20. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，其中該水泥質反應性材料包括10重量%至35重量%硫鋁酸鈣水泥。
  21. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，其中該水泥質反應性材料包括：41至67重量%之C類飛灰，18至43重量%硫鋁酸鈣水泥，以及4至36重量%硫酸鈣，其中該化學活化劑的量係為該水泥質反應性材料的2至5.0重量%，其中該化學活化劑選自檸檬酸鈉及檸檬酸鉀。
  22. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，其中該水泥質反應性材料包括60重量%至90重量% C類飛灰。
  23. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，其中該水泥質反應性材料包括10重量%至35重量%硫鋁酸鈣水泥。
  24. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，其中該水泥質反應性材料包括硫酸鈣二水合物。
  25. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，其以建築修補材料之形式。
  26. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，其以地板修補材料之形式。
  27. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，以在基質上之自流平地板墊層之形式。
  28. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，以荷載支承結構之形式。
  29. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，以面板表面材料之形式。
  30. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，以在建築材料中之粘合劑之形式。
  31. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，以建築材料之形式係選自：磚塊、砌塊和石料之形式。
  32. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，以鋪牆面材料之形式。
  33. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，以用於交通支承表面之路面材料之形式。
  34. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，以用於交通支承表面之修補材料之形式。
  35. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，以用於重量支承結構之材料之形式。
  36. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，以屋頂材料之形式。
  37. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，以噴射混凝土材料之形式。
  38. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，以灰漿之形式。
  39. 一種製備如申請專利範圍第1所述鋁矽酸鹽地質聚合物組成物之方法，包括：形成下述之混合物：水；化學活化劑，選自：鹼金屬檸檬酸鹽、鹼金屬氫氧化物、鹼金屬矽酸鹽和其混合物；以及水泥質反應性材料，其中該水泥質反應性材料包括：33至97重量%熱活化鋁矽酸鹽礦物，包括C類飛灰，1至40重量%硫鋁酸鈣水泥，以及1至40重量%硫酸鈣，選自硫酸鈣二水合物、硫酸鈣半水合物、無水硫酸鈣和其混合物，其中該化學活化劑對該水泥質反應性材料之重量比為1至6：100；以及使該混合物反應，以產生地質聚合物組成物，其中該地質聚合物組成物由在水漿體中之放熱反應產生，其中該硫鋁酸鈣水泥、該硫酸鈣、和該化學活化劑之量，相對於該熱活化鋁矽酸鹽礦物之量，係有效地控制所述最大漿體溫度上升至50℃。
  40. 一種用於形成鋁矽酸鹽地質聚合物組成物之水泥質混合物，其包括：水泥質反應性材料，包括：33至97重量%之熱活化鋁矽酸鹽礦物，該熱活化鋁矽酸鹽礦物包括C類飛灰，1至40%重量%之硫鋁酸鈣水泥，以及1至40%重量%之硫酸鈣，選自：硫酸鈣二水合物、硫酸鈣半水合物、無水硫酸鈣和其混合物，其中硫酸鈣平均顆粒大小範圍從1至100微米，以及化學活化劑，選自：鹼金屬檸檬酸鹽、鹼金屬氫氧化物、鹼金屬矽酸鹽和其混合物，其中該化學活化劑與該水泥質反應性材料之重量比為1至6：100。
  41. 如申請專利範圍第40項所述之水泥質混合物，其中該硫鋁酸鈣水泥與該熱活化鋁矽酸鹽礦物之重量比為1至100：100；以及其中該硫酸鈣與該硫鋁酸鈣水泥之重量比為2至100：100。
  42. 如申請專利範圍第40項所述之水泥質混合物，包括：60%至85重量%之熱活化礦物，其中該熱活化礦物包括C類飛灰，8%至30重量%之硫鋁酸鈣水泥，以及4.0%至15%重量%之硫酸鈣。
  43. 如申請專利範圍第40項所述之水泥質混合物，其中該化學活化劑係選自：鹼金屬檸檬酸鹽、鹼金屬氫氧化物和其混合物。
  44. 如申請專利範圍第40項所述之水泥質混合物，其中該化學活化劑為鹼金屬檸檬酸鹽。
  45. 如申請專利範圍第40項所述之水泥質混合物，其中該水泥質反應性材料包括60重量%至90重量%之C類飛灰。
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