含石膏的胶凝性胶结剂和由其制备的组合物和材料

发明领域

本发明涉及胶凝性胶结剂和由其制备的组合物。特别地，本发明 涉及含石膏(半水硫酸钙)、波特兰水泥和硅灰的胶结剂，其在胶凝 性组合物中使用以制备结构材料例如内墙和外墙建筑材料、背衬板、 纤维板、地板衬底、壁板、装饰板、结构构架、地板和路面修补材 料、耐火涂料和阻燃材料。

相关技术的描述

通常不采用半水硫酸钙(即部分脱水的石膏)组分来制备结构材 料例如外墙墙板和屋面板，因为含石膏的材料一般具有低的防水性。 然而，由于其快速硬化和早强的特性，石膏是结构材料中的必要组 分。试图通过使波特兰水泥和半水硫酸钙混合来改善石膏板的抗水性 所取得的成功是有限的，因为这样的混合物导致形成钙矾石，而钙矾 石引起石膏/波特兰水泥制品膨胀并因此导致其损坏。一般认为，在 水的存在下，波特兰水泥中存在的铝酸三钙(3CaO·Al2O3)中的氧化 铝与主要来自同样在波特兰水泥中存在的硅酸二钙(2CaO·SiO2)中的 石灰和来自石膏(CaSO4·1/2H2O)的硫酸盐反应时，形成钙矾石 (3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)。

在Harris的美国专利4,494,990中公开了用作路面修补混合物 的含波特兰水泥和α-石膏的胶凝性组合物。该组合物还包括火山灰 质材料，例如硅灰、粉煤灰或高炉矿渣。Harris的专利公开了火山 灰可以阻止铝酸三钙和来自石膏的硫酸盐之间的相互作用。Harris 专利公开了使I型波特兰水泥、α-石膏和火山灰质材料硅灰的三组分 混合物与细集料混合来制备砂浆，该砂浆用于浇注测定所获得的组合 物强度的砂浆立方块。概括地讲，Harris的专利推荐使用具有高细 度、高氧化硅含量和氧化硅无定形度的火山灰质材料。

Ortega等的美国专利4,661,159公开了一种地板衬底组合物， 其包括α-石膏、β-石膏、粉煤灰和波特兰水泥。该专利还公开了， 该地板衬底材料可以与水和砂或其它集料一起使用来制备可以涂覆 在基体上的液体混合物。

Sattler等的美国专利5,030,289公开由废纸或纤维素纤维和胶 结剂制成的第一组模制结构件，其中所述的胶结剂由(1)波特兰水 泥、氧化铝水泥、贝利特水泥或它们的混合物和(2)火山灰质材料 例如无定形硅酸、粉状凝灰岩、粉煤灰或它们的混合物制成。Sattler 等还公开了由纤维和胶结剂制成的第二组模制结构件，其中胶结剂由 (1)潜在胶凝性组分例如喷砂机用砂(blast sand)或高炉矿渣 (blast slag)；(2)半水石膏；和(3)波特兰水泥制成。然而， Sattler等的专利未公开石膏可以与含水泥/火山灰质材料的用于制 备第一组模制结构件的混合物混合。

发明概述

本发明的目的是克服上述一种或多种问题。

根据本发明，基本混合胶结剂包括(1)β半水硫酸钙；(2)一 种选自波特兰水泥、波特兰水泥和粉煤灰混合物、波特兰水泥和磨细 高炉矿渣混合物以及它们的混合物的水泥；和(3)可以是硅灰或稻 壳灰的第三组分。第三组分的颗粒平均粒径是约0.1至约0.3微米， 其包括约0至0.6重量％的Al2O3和至少约92重量％的无定形SiO2。 本发明还涉及由本发明的基本混合胶结剂制成的组合物和材料。

本发明的其它目的和优点，联系附图和所附的权利要求书，结合 后面的详细描述，对专业人员来说是显而易见的。

附图简述

附图1是本发明的覆盖板的截面图。

附图2是描述本发明组合物#1和对比组合物#2的抗压强度和 硬化时间之间的关系图。

附图3是在实施例4中公开的本发明组合物制成的板的扫描电子 显微镜(SEM)的显微照片(500×)。

附图4是附图3所示的板的SEM显微照片(100×)。

附图5是附图3所示板的SEM显微照片(1000×)。

附图6是本发明胶结剂制成的立方体在水中浸渍6个月之后的照 片。

附图7是对比胶结剂制备的立方体在水中浸渍6个月之后的照 片。

附图8是附图6中所示的立方体的辐射脉冲数(强度)与衍射角 (2θ角)的关系的X射线衍射图。

附图9是附图7中所示的立方体的辐射脉冲数(强度)与衍射角 (2θ角)的关系的X射线衍射图。

发明详述

根据本发明，提供一种用于结构材料的基本混合胶结剂，其主要 在着重考虑防水的地方例如洗澡和淋浴室用的背衬板、地板衬底和外 保护板中使用。本发明胶结剂的其它用途是用于纤维板、墙板、装饰 板、结构构架、自来平地板、路面修补材料、耐火涂料和阻燃材料。

本发明的基本混合胶结剂优选包括约20重量％至约75重量％的 β-半水硫酸钙(即β-石膏)、约10重量％至约60重量％的波特兰 水泥(优选III型水泥)和约4重量％至约20重量％的硅灰。通过石 膏、波特兰水泥和硅灰干混来制备胶结剂时，硅灰和波特兰水泥的比 例至少应该是约0.3/1.0。如果硅灰悬浮在水中，随后与干混的石膏 和波特兰水泥混合，那么硅灰和波特兰水泥的比例至少应该是约 0.2/1.0。在基本混合胶结剂中可以加入集料和/或纤维以形成结构材 料。

本发明优选的胶结剂可以通过用途来分类。对于在相对干燥地方 中使用的内墙应用例如纤维板来说，优选在表I中列举的胶结剂I。

                 表I

              胶结剂I(内墙)           方法     胶结剂组分1     干混2   硅灰预分散3     石膏     波特兰水泥     硅灰     60-75     20-31     6-9     60-75     21-33     4-7 1所有的含量均是重量％。 2硅灰/波特兰水泥的比例至少是约0.3/1.0。 3硅灰/波特兰水泥的比例至少是约0.2/1.0。

对于在相对潮湿地方使用的内墙应用例如淋浴室的背衬板来 说，优选表II中列举的胶结剂II。

               表II

      胶结剂II(内墙/潮湿地方)            方法     胶结剂组分1     干混2   硅灰预分散3     石膏     波特兰水泥     硅灰     50-60     31-37     9-11     50-60     33-42     7-8 1所有的含量均是重量％。 2硅灰/波特兰水泥的比例至少是约0.3/1.0。 3硅灰/波特兰水泥的比例至少是约0.2/1.0。

对于外墙应用例如壁板和屋面板来说，优选表III中列举的胶结 剂。

             表III

          胶结剂III(外墙)            方法     胶结剂组分1     干混2   硅灰预分散3     石膏     波特兰水泥     硅灰     40-50     39-46     12-14     40-50     42-50     9-10 1所有的含量均是重量％。 2硅灰/波特兰水泥的比例至少是约0.3/1.0。 3硅灰/波特兰水泥的比例至少是约0.2/1.0。

本发明基本混合胶结剂中的组分β-石膏是β-半水硫酸钙，通常 称作抹灰用石膏(stucco)。按惯例β-石膏比α-石膏便宜。与β-半 水石膏相比，α-半水石膏粉末具有较高的表观密度和相对低的表面 积，这些导致在相同的可加工性下具有较低的需水量和对于硬化材料 具有较高的抗压强度。然而，由本发明组合物制备的板材表现出超过 用于内墙应用例如背衬板和地板衬底以及外墙应用例如外墙板和山 墙的足够强度的强度。

本发明基本混合胶结剂的波特兰水泥组分可以是ASTM标准中规 定的I、II、III、IV或V型水泥(或它们的混合物)。然而优选III 型波特兰水泥。与I、II型波特兰水泥相比，III型波特兰水泥具有较 高的早期强度。

在本发明基本混合胶结剂中也可以使用混合水泥。混合水泥是波 特兰水泥与一种或多种火山灰质材料例如粉煤灰和高炉矿渣的混合 物。制备与波特兰水泥的混合物而加入的火山灰质材料与可以和本发 明胶结剂一起使用的火山灰质集料的不同之处在于水泥混合物中的 组分的颗粒尺寸范围与波特兰水泥的颗粒尺寸范围相同。波特兰水泥 颗粒尺寸为325目筛的颗粒筛余量约是15％。换句话说，至少85％ 的波特兰水泥颗粒通过325目筛(允许粒径最高达45微米的颗粒通 过)。

本发明胶结剂的硅灰组分是一种活性非常高的火山灰质材料，其 可以阻止钙矾石的形成。本发明中使用的硅灰非常细(颗粒平均粒径 是约0.1微米至0.3微米)，具有高的表面积(根据BET(Baumer Emit & Tellers)测定约20平方米/克至约30平方米/克)，并且具有高 的无定形性(约92重量％至约9重量％的无定形二氧化硅(玻璃质 材料))。

本发明的硅灰组分包括至多约0.6重量％的以三氧化二铝 (Al2O3)形式存在的氧化铝。优选，本发明的硅灰组分由硅金属方法 (Silicon Metal Process)制备的。某些硅灰制备方法例如由硅铁 合金工业获得硅灰的方法不适合于在本发明中使用，因为这样的硅灰 包括高于约0.6重量％的氧化铝。适合于在本发明中使用的硅灰的实 例列举在下表IV中。

表IV也描述了适合于取代本发明的硅灰组分的稻壳灰。因为目前 稻壳灰的生产比硅灰的成本高，所以在工业生产中不希望使用。

                         表IV

在本发明胶结剂中使用的硅灰和稻壳灰的氧化物常规分析                       质量％2     原料   SiO  AlO  FeO  CaO  MgO   碱   来自硅金属工业的硅灰   稻壳灰  94.00  92.15  0.06  0.41  0.03  0.21  0.50  0.41  1.10  0.45  0.10  2.39 1表中的数据来自于Malhotra，M和Mehta，P.Kumar：《火山灰质和胶凝性材 料》(Pozzolanic and Cementitious Materials)，《高级混凝土技术》(Advances in Concrete Technology)，第1期，第19页，1996年(Gordon & Breach Publishers，The Netherlands). 2硅灰的烧失量：2.50；稻壳灰的烧失量：2.77。

与适合于在本发明中使用的硅灰和稻壳灰相比，Malhotra，M 和Mehta，P.Kumar：《火山灰质和胶凝性材料》(Pozzolanic and Cementitious Materials)，《高级混凝土技术》(Adeances in Concrete Technology)，第1期，第19页公开了由硅铁合金工业制 备的硅灰的氧化物常规分析，其中SiO2的含量是83％，Al2O3的含量 是1.00％至2.5％。第18页公开了北美某种高炉矿渣的氧化物分析， 其中SiO2的含量低至33％，Al2O3的含量高达10.8％。因此，不是所 有的火山灰质材料，更确切地说，不是所有的硅灰均适合于本发明。

本发明的胶结剂可以通过“干”或“湿”法来制备。在“干”法 中，将这三种干的胶结剂组分(半水硫酸钙、波特兰水泥和硅灰)加 入混合器例如大批量或连续混合器中，并混合。然后将该干混合物与 水和其它所希望的组分混合形成结构制品。在“湿”法中，半水硫酸 钙和波特兰水泥干混，但是硅灰首先与水混合(也就是说分散在水 中)。含水的分散硅灰然后与干混的半水硫酸钙/波特兰水泥混合物 混合。

然后，按照“干”或“湿”法制备的本发明胶结剂与集料与其它 填料混合以制备在各种不同应用中使用的本发明的组合物。例如，本 发明胶结剂可以与火山灰质集料和/或纤维素纤维混合物来制备本发 明的组合物。

本发明的组合物可以包括约10重量％至100重量％的基本混合 胶结剂和约90重量％至约0重量％的集料(优选火山灰质集料)或 纤维(优选约15重量％至约30重量％的纤维素纤维)以制备结构材 料。

用本发明胶结剂制备的组合物可以生产能够快速硬化，具有高的 强度和耐久性以及抗水性的结构材料。由本发明组合物制备的制品可 以在连续的生产线上生产。因为本发明组合物硬化快(一般在三分钟 或更少)，所以与仅由波特兰水泥制成的产品相比，这样的组合物制 成的建筑材料可以更迅速地进行处理。不同于常规石膏板，由本发明 的组合物制备的板或其它产品无需窑干燥，并且，事实上，窑干燥应 该是避免的。

可以与本发明的基本混合胶结剂混合来制备本发明组合物的火 山灰质集料可以包括含相当多无定形氧化硅的天然或人造集料。天然 火山灰质集料是来源于火山的，并且包括凝灰岩、硅藻土、浮石和珍 珠岩。人造火山灰集料包括粉煤灰和FILLITE(粉煤灰制成的硅酸盐 中空球；Fillite Division of Boliden Intertrade，Inc，Atlanta，Georgia)。这里，与本发明的波特兰水 泥“混合”组分相比，与本发明的基本混合胶结剂一起使用而获得本 发明组合物的火山灰质集料的平均颗粒尺寸大于波特兰水泥的(即平 均颗粒直径大于45微米)。

火山灰质集料含相当多的具有很低的或无胶凝性性能的无定形 氧化硅。然而，在水份的存在下，火山灰质集料具有在标准温度下与 氢氧化钙进行化学反应而形成水化硅酸钙(CSH)的表面，在本发明 的组合物和方法中，同样由于存在本发明细分散的硅灰组分，其被认 为变为均匀的胶凝性体系。本发明的包括火山灰质集料和硅灰(或稻 壳灰)这二者的组合物形成一种胶凝性材料，其中集料和水泥浆体之 间的过渡区域是密实的，并因此获得抗压强度高于单独使用火山灰质 集料或硅灰和惰性集料的组合物的硬化产品。认为引起本发明组合物 微观结构变化从而获得较高抗压强度的机理与二个效应有关：火山灰 效应和微填料效应(因为细的尺寸和硅灰的球状)。

纤维素纤维可以与本发明的基本混合胶结剂混合形成本发明的 组合物。优选纤维是木纤维和纸纤维，包括回收的废纸纤维和锯末， 其它木质材料例如亚麻和棉花以及这些纤维的混合物。木纤维是本发 明组合物特别优选的纤维素纤维组分。

更优选地，纤维是由被加工成厚度是约0.008英寸(约0.2毫米) 至约0.013英寸(约0.33毫米)和长度达约1.18英寸(约30毫米) 的长薄片的剥皮木材获得的。然后将片状木材磨碎并过筛，也可以采 用已知的方法进一步加工以获得几何尺寸基本上恒定的纤维或纤维 片。

如果在本发明的组合物中使用的木纤维是废纸纤维，那么首先必 须对这样的纸进行处理以除去杂质例如塑料、污物和金属。然后通过 粉碎(优选借助于锤磨机/筛装置)进一步加工该纸。然后磨碎的纸 优选进行干匀料，获得几何尺寸基本上恒定的纤维。

如上所述，本发明的优选在内墙应用中使用的组合物使用表I中 列举的胶结剂来制备。这样的胶结剂可以与纤维素纤维混合，获得本 发明的纤维板。优选，本发明的内墙纤维板包括(i)约70重量％至 约90重量％的表I中公开的胶结剂I；和(ii)约30重量％至约10 重量％的纤维组分。根据用途，内墙纤维板也可以使用表II中公开的 胶结剂II，或者如果纤维板将在承受结构件的外墙中使用，那么甚至 可以使用表III中公开的胶结剂III。例如制备室外墙板的优选组合物 包括(i)约70重量％至约75重量％的表III中公开的胶结剂III； 和(ii)约30重量％至约25重量％的木纤维组分。制备室外墙板的 另一优选组合物包括(i)约82重量％至约85重量％的表III中公开 的胶结剂III；和(ii)约18重量％至约15重量％的纤维素纤维组 分。

纤维组分优选选自木纤维、植物纤维和纸纤维。纤维组分也可以 是玻璃纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、尼龙纤维和其它塑料纤维。

本发明的纤维板可以按照下列步骤制备：

在约160℃(320°F)至约175℃(347°F)下煅烧生石膏，获得半 水硫酸钙。如果例如希望获得一定的强度、需水量和加工性能，那么 煅烧的石膏事后可以磨细至细的颗粒尺寸。

该组合物所有的组分包括石膏、水泥、硅灰、水、纤维和任何其 它添加剂优选以重量为基准加入。测定木纤维中的水份并作为混合时 的补偿水。

将石膏粉加入搅拌机例如大体积的间歇或连续搅拌机，并且与波 特兰水泥和硅灰混合。或者仅石膏粉和波特兰水泥干混，而硅灰分散 在水中。

在第二搅拌机中，纤维与水(或硅灰/水混合物)混合，以便纤 维/水混合物松散开。然后在纤维/水混合物(或者纤维/水/硅灰)中 加入混合的胶结剂干组分并剧烈搅拌。虽然可以在胶结剂/纤维混合 物(或者在与纤维混合之前在胶结剂)中加入水，但是优选在纤维中 加入水，然后在水/纤维混合物中加入干胶结剂组分。

更优选地，借助于计算机控制在纤维中加入水，随后在润湿的纤 维中加入胶结剂，这样可以在纤维中加入该过程所需的所有的水量 (也就是说水化所需的稍微化学计量过量的水)，然后使润湿的纤维 与胶结剂充分混合。

可以在纤维/胶结剂混合物中加入其它成分，例如控制硬化的添 加剂(例如促凝剂)、减水剂、防水剂、促进剂和胶乳或聚合物改性 剂。在与润湿纤维混合之前可以在干胶结剂混合物中加入一些添加 剂。优选，组合物包括以组合物的总量计约0.01重量％至约1.5重 量％的缓凝剂。

然后将混合的组合物直接输送到成型机上，该混合组合物经成型 机加工成连续不断的毡摊铺在连续压力机的长条带上。该毡进入压力 机的输送带，被压制并可以切割成几部分，最后以连续不断的板条或 型板形式离开输送带。用于该目的的压力机是BISON-HYDRO-DYN- PRESS(Bison GmbH，Springe，Germany)。在该压力机中，该板材快 速水化，并且可以通过在压力机中将板材加热至最佳水化温度来促进 水化。优选的加工条件包括在约3至8分钟的加压/夹紧时间中，在 高达约30千克/平方厘米的压力下，在室温(约25℃)下加压。与 需要高达约16小时的加压/夹紧时间的水泥纤维板相比使用本发明 的组合物夹紧时间被降至最低。

离开压力机的板条(或型板)具有足够的生坯强度，这样可以输 送到传输机上，该传输机将板向前输送到切割工段。当板条或型板被 输送板材切割机时可以继续水化。然后板条被切割或锯成所需的板材 长度。如果需要，然后将板材干燥至最终的含水量。

最后，修整板材，如果需要，沿着长度方向分割，获得最终尺寸。 板材一般被切割成3英尺(0.9米)×5英尺(1.5米)的板，其厚 度是约1/2英寸(约1.3厘米)至约5/8英寸(约1.6厘米)。

用于本发明结构材料例如背衬板和地板衬底的组合物优选是由 表II中公开的胶结剂制备的。这样的组合物可以包括约10重量％至 约50重量％(优选25重量％至约35重量％)的火山灰质集料。在 该结构材料中使用的优选的集料是浮石。因为浮石具有相对轻的重量 和可以分级获得具有所希望强度和物理性能的产物，所以浮石是理想 的材料。例如，Hess Pumice Products Inc制备的型号是No.10的 浮石集料，其约93％的颗粒尺寸大于1400微米，而型号是No.5的 浮石集料约23％的颗粒尺寸大于1400微米。

虽然该组合物中可以包括集料例如碳酸钙、晶体二氧化硅和不同 类型的粘土，但是已经发现使用火山灰质集料可以获得具有优异性能 的本发明的制品。如上所述，可以认为由于火山灰质集料的表面与游 离石灰反应形成水化硅酸钙(火山灰反应)，水化硅酸钙成为产品浆 体的一部分。该反应仅在火山灰质集料存在下是可能的。

参照附图1，本发明的背衬板1包括由本发明胶凝性组合物制成 的芯层3和放置在其两侧的连接盖板5和7。可以按照下列方法制备 该板：

在约160℃(320°F)至约175℃(347°F)下煅烧生石膏，获得半 水硫酸钙。如果例如希望获得一定的强度、需水量和加工性能，那么 煅烧的石膏事后可以磨细至细的颗粒尺寸。在本发明的“干”混方法 中，将石膏粉加入搅拌器中，并与波特兰水泥、硅灰和任选的火山灰 集料混合。火山灰质集料可以是浮石、珍珠岩、凝灰岩或粉煤灰或它 们的混合物，可以在胶结剂/集料混合物中加入纤维素纤维。可以包 括在该组合物中的其它成分是控制硬化的添加剂剂(例如促凝剂)、 减水剂、防水剂、促进剂和胶乳或聚合物改性剂。所获得的干混合物 与化学计量稍微过量的水混合，获得一种浆料。

在本发明的“湿”法中，首先将硅灰组分悬浮在水中。石膏和波 特兰水泥干混，随后与硅灰/水混合物混合获得一种浆料。与其中硅 灰和波特兰水泥电镜比例应该至少是约0.30/1.0的“干法”相比， 使用“湿”的预分散的硅灰时，硅灰和波特兰水泥比例可以降低至约 0.20/1.0的最低值。

将形成板材芯层的胶结剂/集料(和/或纤维)浆料倾倒在放置于 输送带的连续下盖层5上。然后，当芯层在输送带上移动时，将连续 的上盖层7放置在芯层上。盖层5和7优选是由纤维玻璃毡、纤维玻 璃稀松无纺织物或二者的复合物制成的。覆盖层可以是无纺或织造材 料，例如聚乙烯、聚丙烯或尼龙。浆料硬化时，在成形期间稀松无纺 织物和毡埋置在浆料基体中。当盖板沿着连续板的输送线移动时，板 材获得足够的强度，这样便可以进行加工。然后，切割板材成几段， (对于背衬板，通常切割成3英尺×5英尺或3英尺×4英尺的板)， 并且输送到平板架上。板材的厚度优选是约1/8英寸至约5/8英寸。 然后，优选将板材堆放放置，并在约16℃(60°F)至约27℃(80°F) (即室温)下和约40％至约70％的湿度下养护1至7天(特别优选 约3天)，之后该板材可以交付用户。板材的堆放有利地提供一种便 于养护的潮湿环境。该板材也可以在上述范围之外的温度和湿度下养 护，获得可接受的产品。然而，这可能延长养护时间。本发明的板材 通常在成形之后约14天至约28天基本上获得足够强度。

当制备本发明的板材和其它产品时，应该避免石膏板所需的强制 干燥。另一养护步骤是，根据组合物配方，使用塑料包装材料覆盖或 包裹板材约3至7天，以便保留继续养护所需水份。在相同密度下， 这样覆盖的板材的强度比常规石膏板高约50％。同样，覆盖板材在3 天后发展为其最终强度的约70至80％。一些产品需要一些适当的干 燥(110°F±4°)形式。

当需要厚度约1/8英寸的板材或其它产品例如地板衬底时，其胶 凝性组合物由胶结剂I制备，其中该胶结剂与高达约50重量％的火山 灰质集料填料混合，获得一种非常坚硬的薄的产品，特别地例如适合 于地板衬底。

本发明的组合物也可以用于制备自来平地板组合物和路面修补 材料，这样的材料优选由表III中公开的胶结剂III来制备。该胶结剂 然后与集料例如当地的石英砂混合，形成地板或路面修补材料。

优选，本发明自来平地板组合物包括(i)约15重量％至约75 重量％表III中公开的胶结剂III；和(ii)约85重量％至约25重量 ％的砂形式的集料。该集料组分进一步包括高达约2重量％的 FILLITE火山灰质集料。因为其低的密度，加入数量低至组合物约1 重量％的FILLITE便可以提供体积相当大的集料(参见实施例2，有 关FILLITE物理性能的表II)。

优选的本发明路面修补组合物包括(i)约25重量％至约100 重量％表III中公开的胶结剂III；和(ii)约75重量％至约0重量 ％的砂。

也可以使用本发明的基本混合胶结剂制备防火喷雾剂和阻燃材 料。这样的防火喷雾剂和阻燃材料优选包括约54重量％至约99重量 ％表I中公开的胶结剂I、约0重量％至约27重量％的火山灰质集料、 约1重量％至约16重量％的蛭石浆、约0重量％至约2重量％的玻 璃纤维和约0重量％至约1重量％的由纤维素衍生物、丙烯酸树脂和 其混合物制成的增稠剂(例如纤维素增稠剂，例如METHACEL(Dow Chemical USA，Midland，MI))。如果使用火山灰质集料，优选使用 FILLITE或珍珠岩或它们的混合物。

实施例1

使用下表V所述数量的组分制备硅灰/波特兰水泥比是约 0.3/1.0的本发明基本混合胶结剂：

                表V            原料     约重量％   β石膏(抹灰用石膏Stucco)     74   III型波特兰水泥     20   硅灰     6

使用下表VI所述数量的组分制备本发明自来平地板组合物#1。 同样使用下表VI所述数量的组分制备胶凝性组合物#2(其不包括火 山灰质集料)。

                      表VI     原料 组合物#1(重量％) 组合物#2(重量％)   表V中的胶结剂     54.04     48.86   FILLITE 500   火山灰质集料1     1.35     0.0   砂(石英；   晶体二氧化硅)     43.26     49.4   W.R.A.2     0.9     0.82   缓凝剂3     0.06     0.06   消泡剂4     0.26     0.33 1Fillite Division of Intertrade，Inc.，Atlanta Georgia.硅酸盐中空球，其 物理性能如下：平均颗粒密度0.6至0.8g/cc；平均体积密度0.35至0.45g/cc； 一般颗粒尺寸5至300微米。壳(shell)组合物包括27重量％至33重量％Al2O3、 55重量％至65重量％SiO2和最多4重量％Fe2O3。 2减水剂或润湿剂包括木质素磺酸盐和/或萘磺酸盐，分别由乔治亚太平洋公司 (Georgia Pacific Corp.)和Henkel Corp.制造。 3天然蛋白质基材料。 4植物油基干粉末。

为了形成稠度稳定的地板组合物，组合物#1与约26重量％的 水混合，组合物#2与约24重量％的水混合。组合物#1的密度是 107lbs/ft3。组合物#2的密度是111.62lbs/ft3。

使这二种组合物在约21℃(70°F)和约50％的相对湿度下干燥。 在干燥2小时后和在1、3、7和28天之后按照ASTMC472-9A在Instron 压力机中通过加压测定每个组合物试样(2英寸×2英寸×2英寸立 方体)的抗压强度。

抗压强度试验的结果列于附图2中。对于所有的试件，本发明组 合物#1的抗压强度均比组合物#2的高。虽然这二种组合物的抗压 强度在养护28天之后是相似的，但是当考虑到二种组合物的密度 时，本发明组合物的优点是显而易见的。一般，密度较高的组合物应 该具有较高的抗压强度。然而，在这种情况下，即使本发明组合物# 1的密度比组合物#2的低，也具有稍高的抗压强度。 实施例2

使用下表VII所述数量的组分制备硅灰/波特兰水泥比是约 0.3/1.0的本发明基本混合胶结剂：

                表VII     原料     约重量％   β石膏(抹灰用石膏，Stucco)     40   III型波特兰水泥     46   硅灰     14   促进剂1     0.35 1BMA(板材研磨促进剂，由国家石膏公司生产的磨细石膏)。

在表VII中定义的材料干混，形成基本混合胶结剂。然后，约75 重量％的胶结剂与约25重量％的浮石集料(Hess Products，Inc.，Malard City，Idaho)混合，取其100克与43克的 水混合。为了改善混合物的可塑性，加入减水剂(分别由乔治亚太平 洋公司和Henkel公司制造的木质素磺酸盐和/或萘磺酸盐)。然后将 该混合物成形为2英寸×2英寸×2英寸的立方体以评价28天的时间 间隔后的强度增长。将立方体密封在塑料盒内，并保持在室温(约 25℃)下。

为了进行比较，约75重量％的表VII基本混合胶结剂与约25重 量％的碳酸钙混合(一种非火山灰集料，其颗粒尺寸与浮石相同)混 合，取其100克与44克水混合。然后将该混合物成形为2英寸×2 英寸×2英寸的立方体以评价28天时间间隔后的强度增长。将立方 体密封在塑料盒内，并保持在室温(约25℃)下。

测定根据本发明制备的试件和采用碳酸钙制备的对比试件的密 度和抗压强度(湿)，结果列于表VIII中：

                         表VII   龄期 由火山灰质集料1制备的试件 由火山灰质集料1制备的试件   天数     密度3 湿抗压强度4     密度3 湿抗压强度4     1     79.8     1151     87.0     725     3     83.3     1779     88.9     1329     7     83.3     2646     92.6     2155     28     84.8     4267     92.8     3983 1浮石(Hess Products，Inc.，Malard City，Idaho)。 2碳酸钙。 3磅/立方英尺。 4磅/平方英寸。

表VIII表明由本发明组合物制备的试件具有可接受的重量强度 发展。

由表VII中约75重量％基本混合胶结剂和浮石集料制备组合 物，进行第二个试验，研究耐久性。将直径是4.5英寸、厚度是0.5 英寸的该组合物的patty在流动的水中放置2个月。未观察到patty 的损坏，在二个月之后的总重量损失是0.5％。

在其它试验中，表VII中公开的基本混合胶结剂与高达约50重量 ％的火山灰质集料填料(浮石或珍珠岩)在发泡剂的存在或不存在下 混合，制备本发明的板材。根据相应的ASTM标准测试，该板材表现 出可接受的物理性能。 实施例3

通过干混下表IX所述数量的组分制备硅灰/波特兰水泥比是约 0.3/1.0的本发明基本混合胶结剂：

               表IX     原料     重量％   β石膏(抹灰用水泥，Stucco)     40   III型波特兰水泥     46   硅灰     14

约75重量％表IX定义的干混合胶结剂与约25重量％(干重)已 与水(化学计量稍微过量)混合的木纤维混合。使湿纤维和胶结剂充 分混合，成形为毡片，并使用实验室用压力机(Bison GmbH，Springe，Germany)压制成试样板。压制条件包括30千克/平 方厘米的压力；压制温度是约25℃；压制时间是3小时。

这些试件甚至在承受连续的水喷射下还表现出优良的干和湿耐 久性。最终产品具有特别光滑的表面。

检测按照实施例3制备的板的某些物理性能，包括线性收缩率 (ASTM D 1037)、吸水率(ASTM D 1037)、Mor氏3-点载荷(ASTM C 947)和钉子的握裹力性能(ASTM C 473)。对于每一项测试，按 照实施例3制备的石膏/水泥/硅灰(GCSF)与由约82重量％波特兰 水泥和约18重量％的纤维素纤维制备的水泥纤维板具有可比性。水 泥纤维板所需的压制时间是7至10小时。

检测结果列于下面几个表中：

                      表X

              线性收缩率(％)(ASTM D 1037)     70°F/50％RH3至     90°F/50％RH3    70°F/50％RH3至    109°F(绝对干燥)   长方向   短方向   长方向   短方向   GCSF1   +0.125   +0.125   -0.155   -0.155   水泥2   +0.175   +0.175   -0.195   -0.192 1石膏/水泥/硅灰纤维板 2水泥纤维板 3相对湿度

                       表XI

               吸水率(％)(ASTM D 1037)         重量％   板厚度膨胀百分数   2小时   24小时   小时   24小时   GCSF1   4.5     8.4   0.47     1.1   水泥2   12.4     21.6   0.64     1.1 1石膏/水泥/硅灰纤维板 2水泥纤维板

                         表XII

              Mor氏3-点载荷(干)(ASTM C 947)           MOR3             PEL4   长方向   短方向   长方向   短方向   GCSF1   2146.5    2297.9   1269.5   1986.2   水泥2   2123    1928.9   1458.8   1146.2 1石膏/水泥/硅灰纤维板 2水泥纤维板 3断裂模量(lb/in2) 4弹性比例极限(lb/in2)

                       表XIII

              Mor氏3-点载荷(湿)(ASTM C 947)            MOR3           PEL4   长方向     短方向    长方向     短方向   GCSF1   1141.4     1332     509.2     474.3   水泥2   1402.7     1385.8     760.7     462.3 1石膏/水泥/硅灰纤维板 2水泥纤维板 3断裂模量(lb/in2) 4弹性比例极限(lb/in2)

                表XIV

      钉子的握裹力性能(ASTM C 473) 压力(磅)(干的)3 压力(磅)(湿的)3   GCSF1     688     356   水泥2     615     439

1石膏/水泥/硅灰纤维板

2水泥纤维板

3测试参数包括：

   钉头直径是0.400英寸；

   钉体直径是0.121英寸；以及

   加载率是1英尺/分钟。

如上述表中所述，根据本发明制备的板材与不包括石膏或硅灰的 水泥纤维板相比具有可比的或改善的物理性能。此外，与水泥纤维板 (8小时的压制/夹紧时间)相比，本发明的板材只需要很少的加工 时间(3小时压制/夹紧时间)。 实施例4

使用下表XV所述数量的组分制备本发明基本混合胶结剂：

                表XV     原料     约重量％   β石膏(抹灰用石膏，Stucco)     61   III型波特兰水泥     26   硅灰     13

然后使用该胶结剂和下表XVI所述数量的组分制备本发明的胶凝 性组合物：

                 表XVI     原料     重量％     表XV中的胶结剂     59.3     浮石集料     39.5     W.R.A.1     0.87     防水剂2     0.11     促进剂(球磨的CaSO4·2H2O二水石膏3)     0.058 1分别由乔治亚太平洋公司和Henkel公司制造的包括木质素磺酸盐和/或萘磺酸 盐的减水剂或润湿剂。 2硅氧烷产品或类似材料，例如Veoceal 2100和Veoceal 1311(二者是TM指定 产品，由Wacker Silicone公司制造)。 3参见美国专利号3920465、3870538和4019920

将表XVI中定义的材料混合，并取其100克与35.6克水混合。将 约1重量％至5重量％的聚合物胶乳(丙烯酸或SBR)加入混合物中 以改善其可塑性。然后加入无光泽玻璃/麻织品复合物使混合物成为 本发明的板材。检测板材的吸水性、钉子的握裹力性能、挠度、抗压 强度(干和湿)、吸水芯特性和其它ASTM规定指标。对于每一项测 试该板均满足ASTM的规定。

附图3、4和5所示的扫描电子显微镜(SEM)的显微图是实施例 4的养护试件的图。箭头30指出样品中的浮石，说明本发明组合物 中，浮石变为水化硅酸钙(CSH)基体的一部分，基本上除去了浮石 集料和水泥浆体之间的过渡区32。这表明火山灰反应发生在集料表 面和胶结剂之间，因此改善了机械性能。 实施例5

使实施例4的表XV列举的基本混合胶结剂与下表XVII列举的组分 混合，制备本发明的胶凝性组合物：

                    表XVII     原料     重量％     表XV中的胶结剂     73.8     浮石集料     24.6     珍珠岩     1.47     W.R.A.1     0.87     防水剂2     0.11     促进剂(球磨的CaSO4·2H2O二水石膏3)     0.042 1分别由乔治亚太平洋公司和Henkel公司制造的包括木质素磺酸盐和/或萘磺酸 盐的减水剂或润湿剂。 2硅氧烷产品或类似材料，例如Veoceal 2100和Veoceal 1311(二者是TM指定 产品，由Wacker Silicone公司制造)。 3参见美国专利号3920465、3870538和4019920

将表XVII中定义的材料混合，并取其100克与35.6克水混合。 将约1重量％至5重量％的聚合物胶乳(丙烯酸或SBR)加入混合物 中以改善其可塑性。然后加入无光泽玻璃/麻织品复合物使混合物成 为本发明的板材。检测板材的吸水性、钉子的握裹力性能、挠度、抗 压强度(干和湿)、吸水芯特性和其它ASTM规定指标。对于每一项 测试该板均满足ASTM的规定。

应该注意实施例4和5指标的产品的硅灰/波特兰水泥比至少是 约0.50/1.0。虽然该比例可以制备可接受的产品，但是与硅灰/波特 兰水泥比为0.30/1.0由干混方法制备的产品相比，在成本方面不是 有利的。 实施例6

使用下表XVIII所述数量的组分制备本发明基本混合胶结剂 “A”。以该表中所述数量制备也在表XVIII中公开的对比胶结剂“B”：

                    表XVIII     原料         约重量％ 胶结剂“A” 胶结剂“B”   β石膏(抹灰用石膏，Stucco)     40     46   III型波特兰水泥     46     52   硅灰     14     2

使表XVIII中定义的每种胶结剂的石膏和波特兰水泥组分干混。 通过将硅灰预分散在水中来制备这二种胶结剂，随后使硅灰/水混合 物与干混的石膏/波特兰水泥混合。对于各600克的胶结剂，使用 360cc水。将该胶凝性混合物成形为2英寸×2英寸×2英寸的立方 体，并将该立方体密封在塑料袋中，在室温(约25℃)下养护约28 天。对该立方体进行抗压强度试验，然后将每个立方体浸没在分开的 含水容器，这是一种连续进行的试验。

在抗压强度试验中，在立方体中产生的裂缝使立方体芯层的横截 面受到“硫酸盐反应性”的影响，并且因此可能形成钙矾石。通过在 一个月内检测二次水的pH来监测钙矾石的形成，随后将水更换成新 鲜的自来水。测定其水的pH高于8.5时表明该试体形成钙矾石。而 pH低于7.5的试体没有腐蚀性的钙矾石形成。被水浸没的由胶结剂 “A”制备的立方体样品保持pH在7.0左右超过6个月，而被水浸没 的由对比胶结剂“B”制备的立方体的pH一直在8.5或大于8.5，说 明形成了腐蚀性的钙矾石。

在对比胶结剂制成的立方体中也可以明显地目测到钙矾石的形 成。附图6表示在水中浸没6个月之后的胶结剂“A”制成的立方体。 附图7表示对比胶结剂“B”制成的立方体，也是在水中浸没6个月 之后的。

为了进一步证明钙矾石的形成，也可以在这二个立方体上进行 XRD(X射线衍射)试验。附图8所示的图片是附图6中所示的由本 发明胶结剂“A”制成的立方体的X射线衍射图，而附图9所示的图 片是附图7中所示的由对比胶结剂“B”制成的立方体的X射线衍射 图。这些图表示强度与2θ角(°)的关系图。这些图表明在这二个立 方体中均形成钙矾石。然而，附图7中所示对比立方体的图片(附图 9)表明形成大量的、不断上升的腐蚀性钙矾石。图片(附图8)表 明在附图6中所示的由本发明胶结剂制成的立方体具有稳定(即不会 扩展)的钙矾石水平。 实施例7

使用下表XIX所述数量的组分制备本发明基本混合胶结剂：

             表XIX     原料   约重量％   β石膏(抹灰用石膏，Stucco)     42   III型波特兰水泥     48.4   硅灰     9.6

不是干混石膏、波特兰水泥和硅灰组分，而是将硅灰预分散在水 中，然后硅灰/水混合物与石膏和波特兰水泥电镜的干混合物混合。 对于各600克的胶结剂，使用360cc水。然后将该混合物成形为2 英寸×2英寸×2英寸的立方体，并将该立方体密封在塑料袋中，在 室温(约25℃)下养护。在成形之后28天对该立方体进行抗压强度 试验。这些立方体表现出优越的湿抗压强度，其为4429至4455磅/ 平方英寸。

前面的详细描述仅是为了理解清楚，而不应理解为限制，因为在 本发明范围内的修改对于本领域普通技术人员来是显然的。

                     发明背景