传统的混凝土材料是用硅酸盐水泥，砂子，石头和水典型地制成 的。当水与硅酸盐水泥混合时，发生放热反应。
虽然传统混凝土适用于很多用途，制造混凝土的方法必须仔细地 加以控制。必须严格遵守起始材料的化学比例。必须使用精确数量的 水，且需要控制的固化温度。此外，当传统的混凝土与其它结构结合 时必须极端小心。这些苛刻的参数增加了成本，且在许多用途中导致 相对长的加工时间。
提议用含磷酸盐的陶瓷来包封残余材料。美国专利5,645,518， 5,830,815，5,846,894和6,133,498公开了磷酸盐陶瓷，该磷酸盐陶瓷 包封各种类型的残余材料和污染物例如重金属，石棉，灰分，木材废 料，泡沫聚苯乙烯，纤维素丝，轮胎，织物废物，及低水平放射废物。 该残余材料作为被包封的填充材料且不参加产品的化学反应。该方法 使用高纯试剂等级的死烧MgO。该MgO需要进一步的加工包括煅烧 该MgO以进一步减小其反应性，需要附加的缓冲剂，例如硼的氧化 物以进一步控制MgO的反应性，需要使用氢氧化物作为一种附加缓 冲剂，且还需要通过水洗和酸洗技术对该MgO进行预处理。需要试 剂等级细粉形式的磷酸盐，使用液态磷酸结合干磷酸盐粉引起酸反应。 这些前述的过程需要试剂等级MgO和磷酸盐的严格比值控制。化学 缓冲剂用来控制精确配方的反应。该精确化学配方在现场实施时对温 度极其敏感。
美国专利5,002,610公开了纤维添加剂在磷酸镁水泥和非反应性 填充材料中的用途，以便获得类似于那些硅酸盐水泥基混凝土的建筑 用途所希望的力学性能。
美国专利6,136,088公开了一种水泥和/或灰浆的产品，该灰浆是 基于水，镁化合物，和磷酸钾的反应，该反应利用了延缓剂例如氧化 硼，多磷酸，羧酸，羟基羧酸及这些酸的盐。使用添加剂例如硅石， F类粉煤灰，滑石，粘土基砂子，含硅烟雾(silica fume)和这些材料 的混合物作为惰性填充物。
本发明是考虑到上述内容而发展起来的，并提出现有技术的其它 缺点。
发明概述
本发明涉及由反应性化合物例如金属氧化物制备的复合材料。在 一个实施方案中，该反应性化合物中的至少一种由一种残余材料例如 灰分，磷酸盐粘土，残余磷酸盐浆料，矿业废料(mining waste)，和 类似的材料提供。该材料通过化学混合活性组分来制备，该组分包括 相对低成本的废料或残余材料，以产生用于特定的用途的所需的工程 性能。
根据本发明的一个实施方案，通过控制金属/磷酸盐化合物的酸基 反应的反应性和原料来源来合成具有所需性能的金属磷酸盐化合物。 这种控制可以通过改变金属(离子)磷酸盐的比值，化合物的颗粒尺 寸，组分的表面积，水量，化合物的纯度和氧化反应速率来获得。该 复合金属-磷酸盐化合物的可塑性，凝固时间和强度可以通过控制金属 /磷酸盐化合物的反应性和原料来源来优化。
本发明的一个方面是提供一种复合材料，该复合材料包含金属氧 化物，磷酸盐，反应性残余材料和水的反应产物。
本发明的另一个方面是提供一种复合材料，该复合材料包含含镁 材料，磷酸盐，反应性残余材料和水的反应产物。
本发明的又一个方面是提供一种复合材料，该复合材料包含金属 氧化物，磷酸盐，和水的反应产物，其中该金属氧化物的至少一部分 和/或该磷酸盐的至少一部分由一种反应性残余材料提供。
本发明的另一个方面是提供一种复合材料，该复合材料包含含镁 材料，磷酸盐，和水的反应产物，其中该含镁材料的至少一部分和/ 或该磷酸盐至少一部分由一种反应性残余材料提供。
本发明的又一个方面是提供一种制造复合材料的混合物，该混合 物包含金属氧化物，磷酸盐和反应性残余材料。可选择地，该混合物 可以包含一种含镁材料，磷酸盐和反应性残余材料。另一个选择，该 混合物可以包含金属氧化物和/或含镁材料和/或磷酸盐，其中一种或 多种这些材料的至少一部分由一种反应性残余材料提供。
本发明的另一个方面是提供一种快速修补材料，该材料包含金属 氧化物，磷酸盐，反应性残余材料和水的反应产物。
本发明的又一个方面是提供一种制造复合材料的方法。该方法包 括使一种金属氧化物，磷酸盐和反应性残余材料的混合物反应。可选 择地，该方法包括使一种含镁材料，磷酸盐和反应性材料反应。另一 个选择，该方法包括使一种金属氧化物和磷酸盐反应，其中该金属氧 化物和磷酸盐的至少一种由一种反应性残余材料提供。又一个选择， 该方法包括使一种含镁材料和磷酸盐反应，其中该含镁材料和磷酸盐 的至少一种由一种反应性残余材料提供。在每个情形中，可以通过向 起始材料的混合物中加水来引发反应。
由以下描述，本发明的这些和其它方面将更为显而易见。
附图简述
图1是说明根据本发明的一个实施方案制造复合材料的方法的示 意图。
图2是不同样品反应时间相对氧化镁(MgO)与磷酸一钾(MKP) 的比值的坐标图。
图3是几种样品初凝时间相对MgO/MKP比值的坐标图。
图4是几种样品终凝时间相对MgO/MKP比值的坐标图。
图5是几种样品三小时后强度相对MgO/MKP比值的坐标图。
图6是由本发明的一种复合材料制造的预制铁路轨枕(railroad tie)的等轴视图。
图7是本发明的一种快速修补材料的等轴截面视图。
详细描述
本发明的复合材料包含化学粘合剂且还可以包含反应性微粒。该 粘合剂和/或反应性颗粒可以由残余材料提供。该复合材料是一种陶瓷 /类混凝土材料，该材料可以包含离子和/或共价化学键。本复合材料 可以使用残余材料例如工业副产品。该复合材料对不同类型的起始材 料具有高耐受度，且对成分和加工技术的大幅度变化相对不敏感。
图1是说明根据本发明的一个实施方案制造一种复合材料的方法 的示意图。如图1所示，一种反应性残余材料与至少一种反应性化合 物及水结合，其后该残余材料和反应性化合物反应形成复合材料。根 据本发明，该残余材料在复合物形成过程中与反应性化合物发生化学 反应。
这里所使用的，术语“反应性残余材料”表示基于它们特殊的化学 性质而充当缓冲剂，催化剂和/或活化剂，并因此有助于最终产物整体 所需性能的残余材料。该反应性残余材料可以在本方法中与其它起始 材料反应或化学结合形成化学相，该化学相可以通过例如X-射线能电 子光谱技术来确定。
合适的反应性残余材料可以包含金属化合物例如金属氧化物，金 属氢氧化物，金属卤化物，金属碳酸盐，金属硝酸盐，金属硼酸盐， 金属硫化物，金属铬酸盐，金属钨酸盐，金属钼酸盐，金属磷酸盐， 金属砷酸盐，金属钒酸盐，金属硅酸盐，以及纯金属。合适的反应性 残余材料可以包含金属氧化物例如MgO，Al2O3，ZnO，氧化铁， MnO2，FeTiO3，MgAl2O4，ZnAl2O4，以及(ZnFeMn)(FeMn)2O4。另外的氧 化物包括矿石粉(quarry fines)，CCB’s，木柴灰，淤泥材料(dredge materials)，高岭土，磨碎的回收玻璃(ground recover glass)，铸造 用砂，红泥，硅石粉，煤粉，铝土矿，火山灰和再循环混凝土。
作为另一个的实施例，合适的含金属氢氧化物的反应性残余材料 可以包括水镁石-Mg-Mg(OH)2，水锰矿-MnO(OH)，三水铝石- Al(OH)3，水铝石-AlO-OH，Bachmite-AlO-OH，针铁矿(Goethite) -FeO-OH和铝土矿。
除上面所列的含金属的反应残余材料化合物之外，根据本发明可 以使用其它类型的残余材料，其中包括矿物例如光卤石 (KMgCl3-CH2)，方硼石(Mg3ClB7O13)，泻盐矿(MgSO4·7H2O)， 镁磷石(MgHPO4)，菱镁矿(MgCO3)，橄榄石((MgFe)SiO4)和白 云石(CaMg(CO3)2)。除上面所列的含金属的反应性残余化合物之外， 根据本发明可以使用其它类型的残余材料，根据本发明的可以使用的 其它类型的残余材料包括含钙淤泥(dredge)(氧化物，碳酸盐，等等)， 谷物外壳和植物树皮纤维。
根据本发明一种可以使用的反应性残余材料包含灰分。灰分反应 性残余材料的来源可以包括，例如，煤灰，木柴灰，城市固体废物灰 分(MSW)，纤维素废物灰分，生物固体灰分，烟尘和来自涉及燃烧 的金属加工收集的微粒。典型的灰分残余材料来源包括燃煤发电厂， 城市废物焚烧炉和煤炭脱硫残余物。特别适合的灰分反应性残余材料 包括痕量金属元素和/或含金属氧化物的三氧化硫，五氧化磷，氧化钡， 氧化锰，氧化锶，氧化钾，氧化铝，氧化铁，氧化钛，氧化钙，氧化 镁和氧化钠。作为一个具体的实施例，可以使用C类或F类煤灰。
根据本发明另一种可以使用的反应性残余材料包含磷酸盐化合 物。例如，磷酸盐粘土可以用作反应性残余材料。磷酸盐粘土典型地 包括石英，白云石，磷灰石，银星石，纤磷钙铝石(crandallite)，长 石，蒙脱石，伊利石，坡缕石和高岭石(Kaolinite)。磷酸盐粘土的来 源包括地质场所，例如，中南Florida。
根据本发明另一种可以使用的含磷酸盐的反应性残余材料是磷酸 盐矿浆。磷酸盐矿浆包含一种粘土，矿物和磷酸盐在例如水的液体中 的悬浮液。典型的磷酸盐矿浆具有约5％至约15％重量比的固体含量。 当根据本发明使用磷酸盐矿浆作为反应性残余材料时，该矿浆可以按 原态直接使用。可选择地，在使用前该磷酸盐矿浆可以通过除去一些 或全部的液体成分来干燥。此外，在使用前可以向磷酸盐矿浆中加入 额外的液体如例如水。磷酸盐矿浆的一些来源包括牙膏制造厂，防冻 剂制造厂，发动机润滑油生产厂，以及清洁剂和食品加工厂/制造厂。 Florida磷酸盐和矿物加工工业是磷酸盐矿浆来源的实例。在这个情形 中，磷酸盐矿浆典型地包含可溶及不可溶磷酸盐在水中的悬浮液并具 有约15％重量比的固态含量。
除上面提到的类型的反应性残余材料之外，根据本发明可以使用 的其它类型的残余材料包括闸瓦屑，铸造用砂，碳黑，淤泥例如采矿， 海港，岛屿和制造业填埋物。该化合物可以由多种工业来源提供，例 如汽车零件制造厂，海军造船厂，家庭保健品制造厂(洗发剂，牙膏， 浴皂，泻盐)，食品制造厂，饮料制造厂，防冻剂生产厂和发动动机润 滑油生产厂。
如图1所示，除反应性残余材料之外，根据本发明使用其它反应 性化合物例如金属氧化物和磷酸盐作为起始材料。一些合适类型的反 应性化合物包括MgO，CaO，ZnO，TiO2，Al2O3，SiO2，KH2(PO)4， Mg(OH)2，CaS，氧化铁(例如Fe2O3)，TiCl4，MgSO4，MnO2，SCl4， CaCl，CrCl3和B2O3。
合适的反应性化合物的选择可以根据所使用的具体反应性残余材 料。例如，富氧化钙的灰分用作活性残余材料的时候，该反应性化合 物可包括MgO，Fe2O3，Al2O3，B2O3，等等。磷酸盐化合物用作反应性残余 材料时候，另一种反应性化合物可以包括，例如，MgO，氧化铁，Al2O3和/或CaO。一些磷酸盐反应性残余材料的实施例包含磷酸盐粘土，磷 酸盐浆料，和类似的材料。
根据本发明的一个实施方案，该复合材料可以包含金属氧化物， 磷酸盐，反应性残余材料和水的反应产物。典型的金属氧化物含量为 约1％至约90％重量比，优选为约10％至50％重量比，基于金属氧化 物，磷酸盐和反应性残余材料的总重量。该磷酸盐典型地含量约1％ 至约90％重量比，优选约10％至约50％重量比，基于金属氧化物， 磷酸盐和反应性残余材料的总重量。该反应性残余材料典型地含量约 0.5％至约95％重量比，优选约5％至约80％重量比，基于金属氧化物， 磷酸盐和反应性残余材料的总重量。该金属氧化物，磷酸盐和反应性 残余材料可选地与约0.1％至约80％重量比的填充材料混合，优选约 0.5％至约60％重量比的填充材料，基于金属氧化物，磷酸盐，反应性 残余材料和填充材料的总固体含量。
当根据本发明将MgO用作金属氧化物时，其可以具有至少10％ 重量比的纯度，例如，约50％至约99％，典型为90％至98％重量比。 该MgO典型地具有约1英寸或更小的颗粒尺寸。例如，MgO颗粒范 围可以为约0.25英寸至负325目。作为一个具体的实施例，该氧化镁 颗粒可以是负30目。该MgO可以具有与其成矿状态(as-mined)(无 热处理)相应的结构，或者可以经过轻烧，重烧/或死烧。优选地，该 MgO经重烧或死烧。轻烧MgO需典型地经受700至1000的热处理。 硬烧MgO需典型地经受1000至1500的热处理。死烧MgO需典型 地经受1500至2000的热处理。
根据本发明的一个实施方案，复合材料的磷酸盐组分可以包括磷 酸一钾，磷酸一铵，磷酸一钠，六偏磷酸盐，磷酸二钾，磷酸二氢钾 和/或磷酸二铵。典型的磷酸盐包括磷酸一钾，磷酸一铵和磷酸一钠。 该磷酸盐典型地具有约1英寸或更小的平均颗粒尺寸。例如，该磷酸 盐可具有约0.25英寸至负325目的平均颗粒尺寸。作为一个具体的实 施例，该磷酸盐颗粒可以是负30目。该磷酸盐可以具有至少10％的 纯度，例如约50％至约99％重量比，典型地约30％至约85％重量比。
该金属氧化物和磷酸盐可以具有任何合适的重量比。对某些类型 的材料，金属氧化物和磷酸盐的重量比优选约0.8∶1至约2∶1。例如， 当金属氧化物包含MgO且磷酸盐包含磷酸一钾时，MgO∶磷酸盐重量 比的优选范围是约0.9∶1至约1.3∶1，对一些复合材料更优选为约1.01∶1 至约1.15∶1。
如图1所示，除反应性残余材料和附加的反应性化合物之外，本 复合材料由一种液体例如水制备，例如自来水，饮用水，含盐海水， 磷酸盐废水等。虽然这里主要叙述了含水系统，应理解其它液体可以 用来替代水或除了水以外附带使用。在混合的过程中，水典型地组成 混合物的约3％至30％重量比，优选约15％至约20％重量比。在一个 实施方案中，反应性残余材料典型地占混合物固体含量的约15％至约 50％重量比，且附加反应性化合物典型地占混合物固体含量的约5％ 至15％重量比。
除以上所列反应性残余材料和附加反应性化合物之外，本复合材 料的固体组分可以进一步包含例如再生混凝土，回收清水墙(dry wall)，再生沥青，高氯非规格粗粒骨料(high chloride out of specification coarse aggregates)等。也可以加入纤维(反应性和非反 应性)，例如，金属，聚合物，玻璃，e-玻璃，石墨，等等。
对比传统材料对一些本材料进行元素分析。根据本发明反应的材 料显示出相比传统材料不同的化学相。根据本发明的一个实施方案， 发生了物质的化学结合，而不是附加材料的包封。
表1和表2列出了化学数据。表1中列出的第一组数据是根据X- 射线衍射且给出了反应样品中每种元素的原子百分比，该样品是根据 本发明由氧化镁，磷酸一钾和粉煤灰制备。表2中列出的第二组数据 是用X-射线光电子能谱完成的，该能谱可测量键合度且可以区分化合 物物。由该数据可清楚反应中的基体材料：氧化镁；磷酸一钾；和粉 煤灰(主要为氧化铝和氧化硅)，并在最终产物中形成非常复杂的化学 相。最终产物的这些相的出现是由于氧化镁和磷酸一钾与粉煤灰组分 的直接化学反应。
表1
磷酸镁/粉煤灰复合材料新断裂表面的元素原子浓度     元素     含量(原子％)     镁     4.50     铝     4.15     硅     6.88     磷     7.21     硫     0.40     碳     10.43     钾     12.96     氧     53.01     锌     0.09     钠     0.16
表2
X-射线光电子能谱结果                      化学相  原子总数％  SiO2·0.88K2HPO4·0.58MgO·0.31Al2O3·0.36H2O     68.38  K2HPO4·0.87MgO·0.84SiO2·0.21Al2O3·0.32H2O     20.42
期望新断裂表面的元素成分的定量X-射线光电子能谱的结果主 要由微粒表面组成，这些微粒在化学反应期间互相结合。分析的深度 是约5-6纳米，由于材料的本性，因此不能期望微粒表面成分与平均 体材料成分相同。在高能量分辨率谱中发现了两个主要的表面电势态， 如表2所示。表2列出了属于这些电势态的各自组成的氧化物和磷酸 盐。这些复杂相各自的差别仅在于其组成氧化物和磷酸钾的相对比例。 该剩余材料(10.42百分比)是有机物且依照两个无机相相对浓度的比 例分布于其上。
如下的表3列出一些根据本发明的实施例。表3中列出了主要的 起始材料“MOx”(例如MgO)，“AB(PxOy)”(例如KH2(P2O4)或 NH4H2(PO4))，和“残余物”(例如煤灰，含钙淤泥，城市废物灰分，磷 酸盐矿浆，等等)。除非另有说明，所有的数量以克为单位。除非另有 说明，所有的混合时间是大约5分钟。
                                  表3
MOx + AB(P2O4)  + 残余物  +    砂子    差别                抗压强度
MgO + KH2(P2O4) + 残余物  +    砂子
90g   78              65煤灰       120     10微米MgO           3.5Ksi
90    78              65煤灰       120     40微米MgO           3Ksi(90分钟)
90    78              65煤灰       120     H3等级MKP           3Ksi
90    78              65煤灰       120     低等级MgO           5Ksi(3天)
                                           150微米
90    78              0            0                           4Ksi(5天)
72    65              130CaO泥     0                           1Ksi(1小时)
72    65              140CaO泥     0       25g煤灰             1.7Ksi(1小时)
40    60              100CaO泥     0                           5Ksi(24小时)
40    60              200CaO泥     0       16％水              6Ksi(24小时)
40    60              200CaO泥     30      细砂                5.5Ksi(24小时)
40    60              235CaO泥     0                           6.3Ksi(24小时)
35    65              295CaO泥                                 2.375Ksi(24小时)
40    60              300CaO泥     0       较大MgO较少煅烧     3.875Ksi(24小时)
40    60              200CaO       40                          6Ksi(24小时)
76    66              74煤灰       137                         5.4Ksi
350       250       200煤灰              0                         2.5Ksi
40        78        85煤灰               0                         1.5Ksi
70        78        90煤灰               148                       2.7Ksi(1小时)
70        78        80煤灰               158                       3.0si(1小时)
45        39        27.5煤灰             62       4.2硼酸          -
45        39        27.5煤灰             62       2.1硼酸          -
76        136       90煤灰               158                       2.75Ksi(1小时)
70        90        60煤灰               135                       4.375Ksi(18小时)
70        90        85煤灰               191                       2.5Ksi(18小时)
40        176       216煤灰              0                         2.5Ksi(24小时)
350       250       400城市废物灰分      0        较大MgO硬烧      6.5Ksi(7天)
350       250       400城市废物灰分      0        40煤灰           6.3Ksi(7天)
600       400       磷酸盐矿浆400        0                         2.0Ksi(3天)
90        78        磷酸盐矿浆286        0        无附加水         3.0Ksi(3天)
100       50        磷酸盐矿浆150        0        无附加水         -
78        66        磷酸盐矿浆140        0        无附加水         3.86Ksi(5天)
                                                  50煤灰
78        50        磷酸盐矿浆140        0        无附加水         3.25Ksi(5天)
                                                  50煤灰
76     66            100玻璃工业产品(低碱)-325目                    3.5Ksi(24小时)
76     66            74玻璃工业产品/                                4.5Ksi(24小时)
                     137混合颜色玻璃
40     60            100高碱玻璃                    40分钟可塑性    3Ksi(3天)
40     60            75低碱玻璃                     1g硼酸          1.5Ksi(3天)
92     65            75煤灰/                                        2.5Ksi(5天)
                     105生物灰
92     65            50煤灰/                                        2.75Ksi(5天)
                     120生物灰
MgO +  NH4H2(PO4)残余物                         砂子            注释
70     78            85煤灰F                        100             3.125Ksi(1小时)
70     78            85                             130             3.125Ksi(18小时)
76     136           90煤灰                         158             3.0Ksi(1小时)
40     136           50                             0               反应研究*
50     136           50                             0               反应研究*
60     136           50                             0               反应研究
70     136           50                             0               反应研究*
80     136           50                             0               反应研究*
*以农业等级磷酸盐和工业等级MgO制备的样品；直到使用80gMgO后材料才起作用。
表4-10列出了附加材料的例子。在这些表中，名称为“D-30”的 MgO代表死烧MgO-30目，名称为“D-325”的MgO代表死烧MgO-325目，名称为“H-60”的MgO代表硬烧MgO-60目，名称为“H-30” 的MgO代表硬烧MgO-30目。名称为“MKP”的磷酸盐代表磷酸一钾， 名称为“MAP”的磷酸盐代表磷酸一铵，名称为“MSP”的磷酸盐代表磷 酸一钠。该金属氧化物，例如MgO，和/或该磷酸盐可以按照具有不 同颗粒尺寸分布的混合物的形式提供。例如，MgO可以包含一个相对 粗的颗粒尺寸分布，如-30目，和一个相对细的的颗粒尺寸分布，如-325 目。“反应时间”是从初始混合到放热反应基本完成的时间。“初凝”定 义为可成形性的丧失。“终凝”定义为弹性的丧失或硬化的开始。
                                                                                     表4
                                                                     样品成分(g)，凝固时间(min.)和强度(psi)   样品#                       MgO  磷酸盐  粉煤灰  砂子    水  混合时间  反应时间    初凝     终凝   1hr强度   3hr   24hrs   3天   7天   14天     D-30    D-325   总量     D-30/     D-325    MKP    F类     1     87    87     0.00    78    65   120   59.5    3.50     2.00    6.00    8.37  2987   4725     2     45     45    90     1.00    78    65   120   63.5    6     3.00    9.25    11.50  4262  5150   5375     3     90    90     0.00    78    65   120   63.5    3.50    4.50    5.13     4125  4220   3450  5330  6030     4     87    87     0.00    78    65   123   63.5    3.50     3.00    5.83    8.75  3000   3475     5     87    87     0.00    78    68   120   63.5    3.50     2.00    5.25    8.30  3475   4000     6     45     45    90     1.00    78    65   125   64.4    6     4.00    12.50    13.75  3425  3788   3687     7     45     45    90     1.00    78    65   125   64.4    9     4.00    12.00    16.00  5225  5838   4500     8     87    87     0.00    78    68   125   64.4    3.50     2.00    5.00    7.67  3812     9     45     45    90     1.00    78    68   125   65.0    6     3.00    10.33    16.00  2875   2375     10     87    87     0.00    78    65   120   70.0    3.50     2.25    5.00    6.00     3625  4025   3750  4700     11     40     50    90     0.81    78    65   120   70.6    6     4.00    8.00    9.75  3700     12     45     45    90     1.00    78    65   120   70.6    6.00     4.00    13.00    17.00  3425   4500  4325  4737   5050     13     45     45    90     1.00    78    65   120   70.6    6.00     1.00    12.00    18.00  2600   3138  2650     14     9     81    90     0.11    78    65   120   70.6    4.00     2.00    4.55    6.00     3350  4475  4537     15     76     19    95     4.00    78    65   120   71.5    6     5.50    10.50    16.00  1687     16     45     45    90     1.00    78    65   125   71.6    4     4.00    9.75    12.00  2675   3762  4000  3815   3312     17     45     45    90     1.00    78    70   120   71.6    6.00     4.00    13.00    18.00  3145   3900  4325  3350   5062     18     8.5     76.5    85     0.11    78    70   125   71.6    4.25     1.15    5.25    6.50     315  4225  4687     19     45     45    90     1.00    78    68   125   72.2    6     3.00    11.00    17.00  3000   3625     20     45     45    90     1.00    78    70   125   72.6    6.00     4.00    14.00    16.00  3487   3775  3900  4750   4813     21     45     45    90     1.00    78    65   120   77.6    6     2.50    9.66    12.50  3425  3425   2625     22    90    78    65   120   74    3.30     2.15    3.55    4.20  6625  9000  9750   9625
                                                                                              表5
                                                                           样品成分(g)，凝固时间(min.)和强度(psi)    样品#                           MgO                  磷酸盐   粉煤灰   砂子     水   混合   时间    反应    时间   初凝    终凝    3hr    强度   D-30   D-325   H-60  H-30  其它   总量     MKP   MAP   MSP   总量    F类     23   176.1   176.1    220.5   220.5    153.4   283.3    166.6   3.50    3.00   7.00    11.50    3000     24   148.7   148.7    247.9   247.9    153.4   283.3    166.6   3.50    5.00   10.00    16.00    1500     25   212.5   212.5    184.1   184.1    153.4   283.3    166.6   3.50    1.50   4.92    7.00    3250     26   210.1   210.1    186.5   186.5    153.4   283.3    166.6   3.50    1.58   5.17    7.42    3750     27   207.7   207.7    188.8   188.8    153.4   283.3    166.6   3.50    1.67   5.17    7.50    3438     28   205.4   205.4    191.2   191.2    153.4   283.3    166.6   3.50    1.75   5.33    7.58    3625     29   224.1   224.1    172.4   172.4    153.4   283.3    166.6   3.50    1.25   4.67    6.67    3300     30   231.3   231.3    165.2   165.2    153.4   283.3    166.6   3.50    1.00   4.67    6.25    2750     31   198.3   198.3    198.3   198.3    153.4   283.3    166.6   2.00    1.75   3.10    2462     32   207.7   207.7    188.8   188.8    153.4   283.3    166.6   2.00    1.50   3.00    2150     33   212.5   212.5    184.1   184.1    153.4   283.3    166.6   2.00    1.50   2.75    1925     34   224.2   224.2    172.3   172.3    153.4   283.3    166.6   2.00    1.42   2.30    1675     35   378.6   189.3   567.9    554.4   554.4    473.3   946.6    457.7   8    4.00   11.45    20    3925     36   211.8   171.3   383.1    365.1   365.1    324.5   622    305.2   8    6.05   15    28    4062     37   190   31   221.0    221.1   221.1    194.7   363.2    180   10    4.3   25    62    2400     38   131.2   131.2    120.4   120.4    248.4    120   3    2.00   8.2    14.0    1150
                                                                                     表6
                                                              样品成分百分比(wt.％)，凝固时间(min.)和强度(psi)    样品#                            MgO              磷酸盐  粉煤灰  砂子   水  混合时间  反应时间   初凝   终凝   3hr强度   D-30   D-325   H-60   H-30   其它   总量   MKP   MAP   MSP  总量    F类     23    18    18    22   22    15   28   17     4    3.00   7.00   11.50   3000     24    15    15    25   25    15   28   17     4    5.00   10.00   16.00   1500     25    21    21    18   18    15   28   17     4    1.50   4.92   7.00   3250     26    21    21    19   19    `15   28   17     4    1.58   5.17   7.42   3750     27    21    21    19   19    15   28   17     4    1.67   5.17   7.50   3438     28    21    21    19   19    15   28   17     4    1.75   5.33   7.58   3625     29    22    22    17   17    15   28   17     4    1.25   4.67   6.67   3300     30    23    23    17   17    15   28   17     4    1.00   4.67   6.25   2750     31    20    20    20   20    15   28   17     2    1.75   3.10   2462     32    21    21    19   19    15   28   17     2    1.50   3.00   2150     33    21    21    18   18    15   28   17     2    1.50   2.75   1925     34    22    22    17   17    15   28   17     2    1.42   2.30   1675
                                                   表7
                             样品成分重量比，凝固时间(min.)和强度(psi)   样品#   MgO/MKP  水泥/骨料     粉煤灰     /砂子   混合   时间    反应    时间    初凝     终凝    3hr    强度    23    0.80     0.91     0.54     4    3.00    7.00     11.50    3000    24    0.60     0.91     0.54     4    5.00    10.00     16.00    1500    25    1.15     0.91     0.54     4    1.50    4.92     7.00    3250    26    1.13     0.91     0.54     4    1.58    5.17     7.42    3750    27    1.10     0.91     0.54     4    1.67    5.17     7.50    3438    28    1.07     0.91     0.54     4    1.75    5.33     7.58    3625    29    1.30     0.91     0.54     4    1.25    4.67     6.67    3300    30    1.40     0.91     0.54     4    1.00    4.67     6.25    2750    31    1.00     0.91     0.54     2    1.75    3.10    2462    32    1.10     0.91     0.54     2    1.50    3.00    2150    33    1.15     0.91     0.54     2    1.50    2.75    1925    34    1.30     0.91     0.54     2    1.42    2.30    1675
                                                              表8
                                            样品成分重量比，凝固时间(min.)和强度(psi)   样品    #   MgO/MKP   混合   时间    反应时间    4min混合   反应时间   2min混合    初凝    4min    混合    初凝    2min    混合    终凝      强度     3hr(psi)     4min混合    强度  3hr(psi)    2min    混合    23    0.80     4      3.00    7.00    11.50      3000    24    0.60     4      5.00    10.00    16.00      1500    25    1.15     4      1.50    4.92    7.00      3250    26    1.13     4      1.58    5.17    7.42      3750    27    1.10     4      1.67    5.17    7.50      3438    28    1.07     4      1.75    5.33    7.58      3625    29    1.30     4      1.25    4.67    6.67      3300    30    1.40     4      1.00    4.67    6.25      2750    31    1.00     2     1.75     3.10    2462    32    1.10     2     1.50     3.00    2150    33    1.15     2     1.50     2.75    1925    34    1.30     2     1.42     2.30    1675
                                                                      表9
                                                   样品成分(g)，凝固时间(min.)和强度(psi)  样品#      MgO     D-325      (g)     磷酸盐     MKP(g)     粉煤灰     F类(g)     砂子      (g)      水      (g)     混合     时间     反应     时间     初凝     终凝     3hr后    抗压强度    23     176.1     220.5     153.4     283.3     166.6     3.50     3.00     7.00     11.50     3000    24     148.7     247.9     153.4     283.3     166.6     3.50     5.00     10.00     16.00     1500    25     212.5     184.1     153.4     283.3     166.6     3.50     1.50     4.92     7.00     3250    26     210.1     186.5     153.4     283.3     166.6     3.50     1.58     5.17     7.42     3750    27     207.7     188.8     153.4     283.3     166.6     3.50     1.67     5.17     7.50     3438    28     205.4     191.2     153.4     283.3     166.6     3.50     1.75     5.33     7.58     3625    29     224.1     172.4     153.4     283.3     166.6     3.50     1.25     4.67     6.67     3300    30     231.3     165.2     153.4     283.3     166.6     3.50     1.00     4.67     6.25     2750    31     198.3     198.3     153.4     283.3     166.6     2.00     1.75     3.10     2462    32     207.7     188.8     153.4     283.3     166.6     2.00     1.50     3.00     2150    33     212.5     184.1     153.4     283.3     166.6     2.00     1.50     2.75     1925    34     224.2     172.3     153.4     283.3     166.6     2.00     1.42     2.30     1675
                                                             表10
                                           样品成分％重量比，凝固时间(min.)和强度(psi)    样品#     MgO    D-325   (wt.％)    磷酸盐     MKP    (wt.％)   粉煤灰     F类   (wt.％)     砂子   (wt.％)     水   (wt.％)  混合时间  反应时间     初凝     终凝     3hr后     强度     23     18     22     15     28     17     4     3.00     7.00     11.50     3000     24     15     25     15     28     17     4     5.00     10.00     16.00     1500     25     21     18     15     28     17     4     1.50     4.92     7.00     3250     26     21     19     15     28     17     4     1.58     5.17     7.42     3750     27     21     19     15     28     17     4     1.67     5.17     7.50     3438     28     21     19     15     28     17     4     1.75     5.33     7.58     3625     29     22     17     15     28     17     4     1.25     4.67     6.67     3300     30     23     17     15     28     17     4     1.00     4.67     6.25     2750     31     20     20     15     28     17     2     1.75     3.10     2462     32     21     19     15     28     17     2     1.50     3.00     2150     33     21     18     15     28     17     2     1.50     2.75     1925     34     22     17     15     28     17     2     1.42     2.30     1675
图2是前述表中一些样品的反应时间相对氧化镁(MgO)与磷酸 一钾(MKP)比值的坐标图。图3是样品初凝时间相对MgO/MKP比值的坐标图。图4是样品终凝时间相对MgO/MKP比值的坐标图。 图5是样品3小时后的强度相对MgO/MKP比值的坐标图。
可以通过选择和混合合适尺寸的反应物与水(饮用及不可饮用) 来制造本发明的复合材料。在此方法中复合混合物中既可以发生吸热 反应又可以发生放热反应。在许多方法中，复合物形成反应是放热反 应。然而，在一些情形中，至少反应的一部分可以是吸热反应。例如， 当与水混合时，可以发生初始的吸热反应，随后是放热反应。
根据本发明，复合物形成过程可以包括相对短的凝固时间。根据 本发明典型的凝固时间是小于约2小时，优选小于约1小时。例如， 可以达到约10至约90分钟的典型凝固时间。相比之下，硅酸盐水泥 混凝土混合物的典型凝固时间可以是几个小时。
达到凝固之后，本发明的复合材料可以具有良好的工程性能例如 高表面硬度，与不同材料优异的结合性，具有膨胀和收缩能力，快速 承重能力，零裂化，抗溢出(resistance to spill)，更好的流动和减少 的重塑(retempering)。例如，该复合材料可以具有至少500psi的抗 压强度。可以达到1,500，2,000，2,500或3,000psi的抗压强度。在一 些实施方案中，可以达到6,000psi的抗压强度。除相对高的抗压强度 以外，本复合材料可以表现出以下改良的力学性能：零裂化，抗溢出， 零收缩和更好的流动性。除良好的机械性能以外，本复合材料可以具 有改良的环境性能例如无腐蚀化学性质，使用非饮用水，高耐循环冻 融性和较低的渗透性(也就是耐防冻盐)
本发明的复合材料可以用于许多不同的用途。合适的用途包括预 制结构，原位结构，修补材料，极快修补材料，预搅拌混合料(ready mixes)，薄浆(grout)，涂层，台面(countertop)，腐蚀抑制剂，隔 热体，装甲，结构复合材料，锚固粘结(anchor bonding)材料，医 学用途和催化作用。一些预制复合材料的实施例包括铁路轨枕，高压 管，护墙，铁路平板轨道和交叉平台(crossing platform)，桥面预成 型件，飞机跑道，滑行道(taxi)和停机坪预制结构，装甲板，铸造 模型，冲压模型，燃烧和燃烧产品催化剂，房屋和建筑物护墙板，工 作台面，和类似的情形。
一种预制铁路轨枕10如图6所示。铁路轨枕10可以制成任何需 要的形状和尺寸。其它轨道组件可以分别安装在铁路轨枕10上，或可 以与轨枕整体制造。该铁路轨枕可以包含本发明的整体材料，或者可 以使用该材料的分级结构或使用包含该材料以及其它成分或材料的复 合结构来提供。
典型的修补用途包括表面快速修补例如路面，飞机跑道，停车库 地面，建筑物立面等。一种在道路或跑道表面22之中的快速修补材料 20如图7所示。例如可以通过混合金属氧化物，磷酸盐和反应性残余 材料和水来制造该快速修补材料20，随后将该材料填入表面22中的 孔隙或裂缝中。根据一个优选的实施方案，快速修补材料20在30分 钟内凝固，更优选的在15或20分钟内。在凝固时，该快速修补材料 可以保持相同的体积，或者可轻微膨胀，这取决于所使用的成分。
典型的原位用途包括已有混凝土材料的修补，例如，道路，停车 地面，建筑物立面，跑道，海上用途，垂直柱体，水泥浆，锚固粘结 材料，等等。典型的预搅拌混合料用途包括各种类型的原位浇注和预 制结构。典型的涂层用途包括水泥枪(gunites)，喷射混凝土，覆盖层， 密封膜，混凝土表面处理，水泥浆等等。对于医学用途，本复合材料 可以用于如模仿骨骼结构和形态。
虽然以上描述了本发明具体的实施方案以举例说明，显然对于本 领域的技术人员在不背离本发明的情况下可以做出许多本发明的细节 变化。