具有火山灰性质的材料包含玻璃态硅石和矾土，这种玻璃态硅石和矾 土在水和游离石灰的存在下与石灰中的钙发生反应从而制成硅酸钙水合 物。具有天然火山灰和工业火山灰二种形式。
在工业工艺中生产的工业火山灰包括例如C级飞灰和F级飞灰。在燃 烧焦炭的过程中生产这些飞灰。它们由存在于焦炭中的无机、不可燃物质 组成，这些物质在燃烧过程中熔合呈玻璃状无定型结构。工业上生产的飞 灰的等级取决于所用焦炭的类型。褐煤(lignite)或次烟煤 (subbituminous coal)的燃烧通常生产C级飞灰。无烟煤(anthracite)和 烟煤(bituminous coal)的燃烧通常生产F级飞灰。
正如ASTM C618所定义，C级飞灰的特性包括高于F级飞灰的石灰 含量。C级飞灰的石灰含量较高使得C级飞灰自硬化，而F级飞灰通常需 要添加额外的石灰或水泥来形成水泥状材料。
天然火山灰的实例是N级火山灰。N级火山灰是未加工的或经煅烧的 天然火山灰，诸如一些硅藻土、蛋白石质燧石(opaline chert)和页岩；凝 灰岩、火山岩灰(volcanic ash)和浮岩；以及煅烧的粘土和页岩。
ASTM-C618中进一步限定了C级火山灰、F级火山灰以及N级火山 灰的化学性质和物理性质，该标准公开的内容通过引用全文插入本文。
已知通常在波特兰水泥的存在下将飞灰用在水泥组合物中。Brook等 人的美国专利5,556,458要求至少20％的波特兰水泥。具体地，Brook等人 指出，在他们的组合物中需要波特兰水泥从而克服飞灰组合物初期强度低 的缺陷。
Gravitt等人的美国专利4,997,484以及Hick等人的美国专利7,288,148 公开了一种没有波特兰水泥的飞灰水泥组合物，但该组合物依靠酸-碱反应 体系利用柠檬酸(≈pH 2.2)和碱性氢氧化物(≈pH 12-14)或金属碳酸盐 (≈pH 11.6)的组合作用。但是Gravitt和Hicks的飞灰水泥组合物不具有 许有水泥应用所需要的强度和硬度。

本发明描述了一种水泥组合物，其中天然和/或工业火山灰粉末的粘结 性质被精确控制。水泥状组合物基本上不含强酸和强碱，诸如柠檬酸 (≈pH2.2)和碱金属活化剂，包括碱性氢氧化物(≈pH12-14)或金属碳酸 盐(≈pH11.6)。本发明用pH中性水合活化剂或促进剂替代传统的酸-碱 化学反应，从而活化或促进水泥水合。根据本发明，pH中性水合活化剂 是主要的活化剂。根据优选的实施方式，活化剂的pH介于6和9之间。 根据更优选的实施方式，活化剂的pH介于6.5和8.5之间。pH在上述范 围以外的其它活化剂可以少量存在于水泥组合物，前提条件是pH中性活 化剂的含量相对于水泥组合物中活化剂的总量超过50重量％。换句话说， pH小于约6或大于约9的活化剂在水泥组合物中的总量相对于所有活化剂 总重应当小于50重量％，优选小于30重量％，更优选小于25重量％。pH 在6-9范围以外的活化剂试剂包括柠檬酸、碱金属活化剂(诸如氢氧化 钾)和碱金属碳酸盐(诸如氢氧化钾)
可用在本发明中的pH中性活化剂包括柠檬酸盐、苹果酸、丙二醇、 乙醇酸和这些酸的盐以及硝酸钙。出于本发明的目的，术语“pH中性” 指pH介于6和9之间。
根据本发明的优选实施方式，中性pH柠檬酸盐(例如柠檬酸钾)被 用作活化剂。单一的柠檬酸盐或柠檬酸盐的组合可被用作唯一的活化剂。 或者，柠檬酸盐可以与其它已知的活化剂组合使用，前提条件是，pH小 于6或大于9的活化剂在水泥组合物中的总量相对于所有活化剂总重小于 50重量％，优选小于30重量％，更优选小于25重量％。硼化合物或其它 传统的阻滞剂可以用在组合物中。
水泥可以包含单独的或组合的C级飞灰、F级飞灰、N级火山灰。水 泥还可以包含其它添加剂，包括硅灰(silica fume)、铝酸钙、氧化镁、 石灰、一种或多种来自硼酸盐家族(例如硼酸或硼砂)的阻滞剂、有机阻 滞剂(诸如葡糖庚糖酸钠)、反应性粘土(诸如偏高岭土)、硅灰石、引 气剂(AEA)、乳胶、纤维(用于断裂韧性)、收缩补偿剂和减水剂。在 基础火山灰粉末是F级飞灰或N级火山灰的情况下，水泥包含一种或多种 富钙材料，优选包含工业副产物，诸如水泥窑粉尘、石灰窑粉尘、炉渣和 洗涤灰。
所公开的水泥可以单独使用，或者可以与其它水泥诸如波特兰水泥、 炉渣水泥和其它类型的传统水泥共混。然而，为了显示本发明水泥出众的 性质，本发明的水泥不需要其它水泥。因此，根据本发明的水泥基本上不 含波特兰水泥。
从本发明来看，短语“基本上不含”指含量基于参照组合物的总重小 于1重量％。
水泥状组合物除了水泥以外还可以包含一种或多种填料。
根据本发明的水泥组合物具有如下令人意想不到的良好特性：尺寸稳 定性、强度、硬度、作业时间、渗透性、耐硫酸盐性、耐冷冻-解冻性、碱 性-集料(aggregate)反应性的减缓以及/或良好的固化时间。
根据实施方式，可水合水泥包含：火山灰粉末；一种或多种pH中性 活化剂；和阻滞剂，其中所述可水合水泥具有基于所述可水合水泥的总重 15wt％或更高的以氧化物形式表示的钙含量；并且pH中性活化剂占所述 可水合水泥中的活化剂总重的50％以上；并且所述可水合水泥中波特兰水 泥的含量基于所述可水合水泥的总重小于20重量％。
根据另一实施方式，可水合水泥包含柠檬酸盐活化剂，其中，所述柠 檬酸盐活化剂占所述可水合水泥中活化剂总重的95％以上。
根据另一实施方式，可水合水泥包含：火山灰粉末；两种或多种活化 剂，其中的至少一种具有约6至约9的pH；和阻滞剂，其中所述可水合水 泥具有基于所述可水合水泥的总重15wt％或更高的以氧化物形式表示的钙 含量；并且pH介于约6和约9之间的所述活化剂占所述可水合水泥中的 活化剂总重的50％以上。
根据另一实施方式，水泥状组合物包含可水合水泥以及一种或多种集 料填料，所述可水合水泥包含火山灰粉末；两种或多种活化剂，其中的至 少一种具有约6至约9的pH；和阻滞剂，其中所述可水合水泥具有基于所 述可水合水泥的总重15wt％或更高的以氧化物形式表示的钙含量；并且 pH介于约6和约9之间的所述活化剂占所述可水合水泥中的活化剂总重的 50％以上。所述集料填料可以选自由硅砂、天然砂、来自石料制造的人造 细集料、底渣、炉渣、毛玻璃、回收的铸造用砂及其组合。水泥状组合物 的作业时间介于10分钟和2小时之间，或者其可以具有大于2小时的作业 时间。
根据另一实施方式，水泥状组合物包含可水合水泥以及一种或多种集 料填料，所述可水合水泥包含火山灰粉末；一种或多种pH中性活化剂； 和阻滞剂，其中所述可水合水泥具有基于所述可水合水泥的总重15wt％或 更高的以氧化物形式表示的钙含量；并且pH中性活化剂占所述可水合水 泥中的活化剂总重的50％以上；并且所述可水合水泥中波特兰水泥的含量 基于所述可水合水泥的总重小于20重量％。
根据另一实施方式，制品包含经水合的且经硬化的水泥组合物，所述 水泥组合物包含火山灰粉末；两种或多种活化剂，其中的至少一种具有约 6至约9的pH；和阻滞剂，其中所述可水合水泥具有基于所述可水合水泥 的总重15wt％或更高的以氧化物形式表示的钙含量；并且pH介于约6和 约9之间的所述活化剂占所述可水合水泥中的活化剂总重的50％以上。
根据另一实施方式，制品包含经水合的且经硬化的水泥组合物，所述 水泥组合物包含火山灰粉末；一种或多种pH中性活化剂；和阻滞剂，其 中所述可水合水泥具有基于所述可水合水泥的总重15wt％或更高的以氧化 物形式表示的钙含量；并且pH中性活化剂占所述可水合水泥中的活化剂 总重的50％以上；并且所述可水合水泥中波特兰水泥的含量基于所述可水 合水泥的总重小于20重量％。
根据某些实施方式，制品可以是道路、桥梁或跑道的表面、或者其它 公路、路边、人行道、预制块、装甲或装甲板；建筑、道路、桥联或其它 结构的基础；建筑的柱梁以及其它建筑元件；建筑的各部分，包括墙体、 地面和天花板；可喷射的表面覆盖物或者其它可喷射应用。
根据其它实施方式，可水合水泥中波特兰水泥的含量基于所述可水合 水泥的总重小于20重量％，更优选小于15重量％。
根据其它实施方式，可水合水泥中波特兰水泥的含量基于所述可水合 水泥的总重小于10重量％，小于5重量％以及小于2重量％。
根据另一实施方式，可水合水泥基本上不含波特兰水泥。
根据另一实施方式，可水合水泥中以氧化物形式表示的钙含量基于所 述可水合水泥的总重为20wt％或更高。
根据另一实施方式，可水合水泥中氧化钙与氧化硅的摩尔比介于约 1.2∶1至约1.4∶1之间。
根据其它实施方式，可水合水泥中碱金属活化剂在所述可水合水泥中 的含量相对于活化剂的总重小于30重量％，更优选小于25重量％。
根据其它实施方式，可水合水泥中碱金属活化剂在所述可水合水泥中 的含量相对于活化剂的总重小于20重量％，小于15重量％，小于10重量 ％，小于5重量％以及小于2重量％。
根据其它实施方式，可水合水泥中碱金属碳酸盐在所述可水合水泥中 的含量相对于活化剂的总重小于30重量％，更优选小于25重量％。
根据其它实施方式，可水合水泥中碱金属碳酸盐在所述可水合水泥中 的含量相对于活化剂的总重小于20重量％，小于15重量％，小于10重量 ％，小于5重量％以及小于2重量％。
根据其它实施方式，可水合水泥中柠檬酸在所述可水合水泥中的含量 相对于活化剂的总重小于30重量％，更优选小于25重量％。
根据其它实施方式，可水合水泥中柠檬酸在所述可水合水泥中的含量 相对于活化剂的总重小于20重量％，小于15重量％，小于10重量％，小 于5重量％以及小于2重量％。
根据其它实施方式，火山灰粉末选自由C级飞灰、F级飞灰、N级火 山灰及其组合组成的组。
根据另一实施方式，火山灰粉末基本上由C级飞灰和F级飞灰组成， 其中C级飞灰的含量相对于可水合水泥的总重为50-80重量％，F级飞灰 的含量相对于可水合水泥的总重为10-30重量％。
根据另一实施方式，可水合水泥可以包含富钙材料添加剂，优选包含 工业副产物，所述工业副产物选自水泥窑粉尘、石灰窑粉尘、炉渣、洗涤 灰及其组合组成的组。
根据另一实施方式，火山灰粉末基本上由C级飞灰组成。
根据另一实施方式，可水合水泥中C级飞灰的含量相对于可水合水泥 的总重为50-95重量％。
根据另一实施方式，火山灰粉末基本上由F级飞灰组成，其中所述可 水合水泥进一步包含富钙材料添加剂。
根据另一实施方式，可水合水泥中F级飞灰的含量相对于可水合水泥 的总重为0.5至50重量％。
根据另一实施方式，火山灰粉末基本上由N级火山灰组成，其中所述 可水合水泥进一步包含富钙材料添加剂。
根据另一实施方式，可水合水泥中N级火山灰的含量相对于可水合水 泥的总重为0.5至50重量％。
根据另一实施方式，阻滞剂包括硼酸盐化合物，优选地其含量相对于 可水合水泥的总重为0.1-3.0重量％。
根据另一实施方式，可水合水泥包含硫酸盐或有机化合物。
根据另一实施方式，可水合水泥包含柠檬酸钾或柠檬酸钠，优选地其 含量相对于可水合水泥的总重为0.1至15重量％。
根据另一实施方式，可水合水泥包括添加剂，所述添加剂选自由硅 灰、铝酸钙、氧化镁、石灰、一种或多种来自硼酸盐家族(例如硼酸或硼 砂)的阻滞剂、有机阻滞剂(诸如葡糖庚糖酸钠)、反应性粘土(诸如偏 高岭土)、硅灰石、引气剂(AEA)、乳胶、纤维、减水剂及其组合组成 的组。
附图说明
图1是CaO-Al2O3-SiO2体系中结晶相的三相图。
图2是体系CaO-SiO2的相图。
图3是有序结构、低有序结构(poorly ordered structure)和无序结构 的二维图。

本发明以前，通常认为为了提供大多数水泥应用所需要的强度和硬度 需要进行高温烧结(在波特兰水泥的情况下)或强酸-碱化学反应(在现有 技术的火山灰水泥的情况下)。与这种流行的看法相反，本发明人发现通 过使用pH中性活化剂(特别是柠檬酸盐)制成的水泥产品与波特兰水泥 或者根据传统的酸碱活化剂化学反应制备的火山灰水泥相比具有出人意料 出众的性质。
本发明描述了一种水泥状组合物，其中，火山灰粉末的粘结性质被精 细地控制并且不需采用传统的酸碱化学反应。替代的是，一种或多种pH 中性活化剂(例如诸如柠檬酸钾的柠檬酸盐)被用作反应活化剂。pH中 性活化剂的其它实例包括苹果酸、丙二酸、乙醇酸和这些酸的盐以及硝酸 钙和其它硝酸盐。pH中性活化剂在飞灰的存在下溶解或解离，并且在添 加水时允许其与飞灰的水合反应以均匀、良好受控的方式进行。硼化合物 或其它常规的阻滞剂可以用在组合物以减慢或调节水合反应。这种可控反 应的方法允许作业时间在10分钟至2小时或更长的范围内。
本发明的实施方式还包含火山灰材料的组合，例如C级飞灰和F级飞 灰二者。C级飞灰的反应可以产生相当可观的热量，当施用该产品时这些 热量可以导致初期收缩。这种收缩还导致与基材出现裂纹和分层。F级飞 灰含有很少或不含CaO，其与柠檬酸钾活化剂反应缓慢。或者，反应混合 物中包含一些F级飞灰来调节反应，通过将坚固的、尺寸均匀的玻璃球均 匀地分布在整个混合物中来形成固体产物。
如本所述，使用这种可控的pH中性反应化学可以使得形成的结晶相 与通过波特兰水泥或通过基于C级飞灰的水泥(其依赖于柠檬酸和金属氢 氧化物活化剂之间的酸碱反应)获得的结晶相相比更稳定。
C3S1.5-2.0晶体结构
波特兰水泥和其它灰基水泥都是以氧化钙-氧化铝-氧化硅体系的结晶 相为基础。这个体系的结晶相表示在图1的三相图中。
在这个相图中，波特兰水泥通常具有C3S或C2S晶体结构。依赖于柠 檬酸和金属氢氧化物活化剂之间的酸碱反应的C级飞灰基水泥通常具有 C2-2.5S晶体结构。
数学分析表明，本文所述实施方式具有C3S1.5-2结构，这被认为使组合 物具有独一无二的性质。该相落在图1的阴影区中，其表示与被称为硅钙 石(rankinite)的矿石结构最接近的晶体结构，当水合时该结构转化成被 称为柱硅钙石和CaO·SiO2·0.35H2O的矿石结构。该相在图2的两相图中也 被示为C3S2，并且出现在50-60％SiO2之间。
对如下三个体系：波特兰水泥、酸碱灰水泥和本文所述的中性反应化 学水泥进行比较，图3中所示的晶体序列表明了被认为表征本发明水泥的 C3S1.5-2结构如何形成三个不同体系中最稳定的晶体结构。图3是有序结 构、低有序结构和无序结构的二维图。具有本文所述C3S1.5-2结构的材料由 图3(a)表示；根据标准酸碱反应制备的C级飞灰水泥的晶体结构由图3 (b)表示；波特兰水泥的晶体结构由图3(c)表示。通过实现CS摩尔比 的理想平衡，可以获得高强度的无定型结构。
为了获得这些优选的结构，水泥材料在与水的反应时优选包含氧化钙 与氧化硅的摩尔比(C∶S)为约1∶1至约1.8∶1(通常为约1.1∶1至约 1.5∶1)的水合物。作为特定的实施例，C∶S摩尔比可以为约1.2∶1， 1.3∶1或1.4∶1。为了获得理想的C∶S摩尔比，可以对含钙工业副产物 (例如C级飞灰)与低钙或硅土工业副产物(例如F级飞灰)的相对量进 行选择。
原料
根据本发明的水泥可以包含如下所述原料，以全体水泥组合物(不包 括砂、石和其它填料)的重量百分率表示的量计。术语“水泥”在本文中 通常被用于指粘合剂组合物。术语“水泥状组合物”在本文中通常被用于 指水泥(或粘合剂)和填料(例如砂、石等等)的组合。水泥状复合物通 常包含约5至约60％的水泥。
1)天然或工业火山灰粉末。火山灰粉末的实例包括C级飞灰、F级飞 灰和N级火山灰。水泥状复合物可以包含C级飞灰作为高含钙的火山灰粉 末。在一些实施方式中，C级飞灰在水泥中的含量在约50至约95重量％ 的范围内，在约60至约85重量％的范围内，或在约70至约85重量％的 范围内。优选地，高含钙火山灰粉末中以氧化物(CaO)形式表示的钙含 量高于约22重量％，并且在约22至约约30重量％的范围内。如果CaO含 量较低，那么可以添加额外的含石灰组分，诸如氢氧化钙、硝酸钙或碳酸 钙。注意到，尽管本文主要描述采用C级飞灰作为高含钙的火山灰粉末， 但是其它类型的含钙火山灰粉末(例如鼓风炉渣、水泥窑粉尘和石灰窑粉 尘)也可以用在一些实施方式中部分或全部替代C级飞灰。
水泥可以额外地或选择性地包含一种或多种含钙量相对较低或含硅量 较高的火山灰粉末。优选地，水泥包含至少一种火山灰粉末，该火山灰粉 末中以氧化物形式表示的钙含量小于约22重量％，更优选小于15重量 ％。在一些实施方式中，F级飞灰的含量例如在约0.5至约50重量％的范 围内，在约1至约25重量％的范围内，或者在约2至约15重量％的范围 内。尽管本文主要描述采用F级飞灰作为低钙火山灰粉末，但是其它类型 的含钙量相对较低和/或含硅量较高的火山灰粉末(例如N级火山灰、火 山灰、底渣、木灰、市政焚化炉渣、沸石等等)也可以用在一些实施方式 中部分或全部替代F级飞灰。就含钙量较低的火山灰粉末构成大部分火山 灰粉末组分这个方面来说，必须加入富钙材料从而提供所需的钙含量。优 选的富钙材料包括工业副产物，诸如鼓风炉渣、水泥窑粉尘、石灰窑粉尘 和洗涤灰。
硅灰可以用在水泥中从而增加短期强度、长期强度、结合强度、弹性 性质和/或热性质。硅灰存在时，其含量例如在约0.5至约10重量％的范围 内，或者在约1至约7重量％的范围内。
优选地，水泥中以氧化物表示的总钙含量为15重量％或更多。如果 CaO含量较低，可以添加额外的含石灰组分(诸如氢氧化钙、硝酸钙或碳 酸钙)从而达到上述钙含量。
2)铝酸钙可用于增强产物的短期强度。铝酸钙的含量例如在约1至 约25重量％的范围内，或在约5至约20重量％的范围内。
3)氧化镁可用于增强产物的体积稳定性。氧化镁的含量例如在约0.5 至约15重量％的范围内，或在约2至约10重量％的范围内。
4)石灰(CaO或CaOH)添加物可用于增强产物的操作性，作为收缩 补偿剂并且/或者作为阻滞剂。石灰的含量例如在约0.1至约5重量％的范 围内。添加到组合物中的石灰的量取决于飞灰中所含石灰的量。
5)硼酸盐可被用作强度增加阻滞剂。优选的硼酸盐包括一种或多种 来自硼酸盐家族的阻滞添加剂，例如硼砂的含量在约0.1至约5重量％的 范围内，在0.1至3重量％的范围内或在0.1至约2重量％的范围内。还可 以使用硼酸或者替代性地使用硼酸作为硼酸盐，其含量例如在约0.1至约 2重量％的范围内或者在约0.2至约1.7重量％的范围内。可以额外地或者 替代性地使用其它硼酸盐，诸如四硼酸钾水合物和四硼酸钠水合物。这些 硼酸盐可被添加以增加对现有基材的结合强度并且可以作为阻滞剂。其它 已知的阻滞剂(包括硫酸盐和有机化合物)可以额外地或者选择性地添加 到硼酸盐中。
6)可以包括来自柠檬酸盐家族的一种或多种活化剂。例如，柠檬酸 钾、柠檬酸钙和/或柠檬酸钠的含量相对于水泥的总重例如在约0.1至约15 重量％的范围内，或者相对于水泥的总重在约2至约5重量％的范围内。 这些活化剂可以是水泥中存在的唯一活化剂。或者，可以存在其它非pH 中性活化剂，前提条件是pH中性活化剂占活化剂组分的50％或更多。
可用于替代或补充柠檬酸活化剂的其它pH中性活化剂的实例包括苹 果酸、丙二酸、乙醇酸和这些酸的盐以及硝酸钙和其它硝酸盐。
7)其它成分包括例如反应性粘土(诸如偏高岭土)、硅灰石、引气 剂(AEA)、乳胶、纤维(用于断裂韧性)、收缩补偿剂和减水剂。
在一些实施方式中，本发明的水泥基本上不含波特兰水泥、炉渣水泥 和其它类型的传统水泥。在其它实施方式中，本发明的水泥可以包含其它 水泥，包括波特兰水泥，前提条件是这种其它水泥的含量相对于水泥的总 重小于约20重量％，优选小于约15重量％，更优选小于10重量％。
额外地或替代性地，实施方式可以基本上不含在其它类型的材料中使 用的碱金属活化剂，诸如碱性氢氧化物(≈pH 12-14)和金属碳酸盐(≈pH 11.6)。额外地或替代性地，实施方式可以基本上不含柠檬酸(≈pH 2.2) 和/或其它比硼酸更强的酸。
根据本发明的水泥状组合物除了水泥以外还可以包含一种或多种填 料。根据一些实施方式，细集料(砂)的粒子尺寸可以在细硅砂到天然或 人造砂的范围内，从而符合ASTM规定。这些填料可以包括例如硅砂、天 然砂、来自石料制造的人造细集料、底渣、炉渣、毛玻璃和/或回收的铸造 用砂。填料的具体实例包括不同的等级的集料，诸如C33砂、NJ60砂、 C144砂、#8石和#57石。
采用以下实施例更好地解释本发明，这些实施例意欲阐述在本发明所 有范围内的具体实施方式
实施例
表1阐述了在本文实例中所述不同水泥的重量百分率。表2阐述了在 本文实例中所述水泥状组合物中的水泥、砂和集料的重量百分率。对于表 1中的各个实例而言，预料到其它配制品，这些其它配制品包括各个成分 的重量百分率加减变化25％、加减变化15％和加减变化10％的配制品。
表1
  材料   Ex.#1   Ex.#2   Ex.#3   Ex.#4   Ex.#5   Ex.#6   Ex.#7   Ex.#8   C级飞灰   78.5   62.7   63.3   81.1   78.8   76.1   53.4   64.8   F级飞灰   12.7   2.2   12.4   9.8   14.6   27.9   18.5   硅灰   1.7   2.3   4.4   1.6   3.5   2.4   铝酸钙   17.0   16.2   氧化镁   3.8   11.8   13.9   8.1   1.8   石灰   0.7   1.5   1.8   硫酸铝   0.7   0.9   硼酸   1.1   0.4   0.6   0.6   0.2   0.9   1.2   硼砂   1.9   0.46   0.8   0.3   2.0   1.4   硅灰石   2.3   柠檬酸钾   3.9   2.5   3.2   4.7   4.5   3.1   2.3   7.4   纤维   0.04   0.7   1.1   减水剂   0.16   0.2   乳胶   0.03   引气剂(AEA)   0.001   0.003   0.002   0.001   0.001   0.001
表2
  材料   Ex.#1   Ex.#2   Ex.#3   Ex.#4   Ex.#5   Ex.#6   Ex.#7   Ex.#8   水泥   26.4   29.6   43.0   20.9   18.5   19.75   43.0   54.0   C33砂   31.8   30.40   39.03   37.00   34.20   42.05   46.00   NJ60砂   57.00   #8石   41.8   39.93   17.91   #57石   42.10   47.30   38.20
混凝土修补产品
实例#1
将表1和表2所列成分混合在一起，然后在使用前依次采用相对于表 1和表2组分的总重5.94重量％的水进行水合。这样生产的产品具有如下 特性：
表3

这种产品可被用作快速固化的所需修补材料(水泥+砂+石)。它可 以采用传统的鼓式混合机以多重单元形式混合。从添加水开始2小时内可 以获得2500psi的强度增量。根据具体应用，水合量在5-6重量％水的范 围内。作业/放置时间可以为30-50分钟。28天的最终强度大于9000psi。
以下表4阐述了用在实例1的水泥中的各个组分的优选范围，其以相 对于加水前水泥组合物重量的重量百分率表示。
表4
 材料   优选范围   更优选范围  C级飞灰   70-95   75-80  F级飞灰   1-25   10-15  硅灰  铝酸钙  氧化镁   1-10   2-15  石灰  硫酸铝  硼酸   0.1-2   0.5-1.5  硼砂  硅灰石  柠檬酸钾   1-8   2-5  纤维  减水剂  乳胶  引气剂(AEA)   0.0005-0.003   0.0005-0.002
实例#2
将表1和表2所列成分混合在一起，然后在使用前依次采用相对于表 1和表2组分的总重7.94重量％的水进行水合。这样生产的产品具有如下 特性：
表5

这种产品可被用作快速固化的所需修补材料(水泥+砂+石)。它可 以采用传统的鼓式混合机以多重单元形式混合。从添加水开始2小时内可 以获得2500psi的强度增量。根据具体应用，水合量在6.5-8重量％水的范 围内。操作/放置时间可以为20-40分钟。28天的最终强度大于9000psi。
以下表6阐述了用在实例2的水泥中的各个组分的优选范围，其以相 对于加水前水泥组合物重量的重量百分率表示。
表6
 材料   优选范围   更优选范围  C级飞灰   50-75   55-65  F级飞灰   1-10   1-5  硅灰   1-6   1-3  铝酸钙   10-25   15-20  氧化镁   1-18   10-15  石灰  硫酸铝  硼酸  硼砂   .1-5   1-3  硅灰石  柠檬酸钾   1-8   1.5-5  纤维  减水剂  乳胶   0.01-0.06   0.02-0.05  引气剂(AEA)   0.0005-.005   0.001-.004
实例#3
将表1和表2所列成分混合在一起，然后在使用前依次采用相对于表 1和表2组分的总重11.6重量％的水进行水合。这样生产的产品具有如下 特性：
表7

这种产品可被用作快速固化的所需修补材料(水泥+砂+石)。它可 以采用传统的鼓式混合机以多重单元形式混合。从添加水开始1小时内可 以获得2500psi的强度增量。根据具体应用，水合量在10-12重量％水的 范围内。最终强度大于6000psi。
以下表8阐述了用在实例3的水泥中的各个组分的优选范围，其以相 对于加水前水泥组合物重量的重量百分率表示。
表8
  材料   优选范围   更优选范围   C级飞灰   50-75   55-65   F级飞灰   硅灰   1-6   2-3   铝酸钙   10-25   15-20   氧化镁   1-18   10-15   石灰   硫酸铝   硼酸   0.1-1.5   0.2-0.5   硼砂   0.1-5   0.2-1   硅灰石   柠檬酸钾   1-8   1.5-5   纤维   减水剂   0.1-0.3   0.1-0.2   乳胶   引气剂(AEA)   0.0005-.005   0.001-.004
结构混凝土
实例#4
将表1和表2所列成分混合在一起，然后在使用前采用相对于表1和表 2组分的总重3.8重量％的水进行水合。这样生产的产品具有如下特性：
表9

这种产品的制造未使用集料，然后由顾客将该产品与表2中所列集料 混合。该产品被设计成具有较宽的滑抹性(slump)、作业时间和最终固 化时间，其在4-6小时内通常能够提供2500psi。该产品可选被共混，结 果可以抑制化学活化剂直到该产品的应用/使用的场地条件最佳。这使得运 输卡车具有6或更长的时间将该产品运送到工作场地，而该产品未发生凝 结固化或经历有害的反应。根据具体应用，水合量在3-7重量％水的范围 内。28天的最终强度超过9000psi。
以下表10阐述了用在实例4的水泥中的各个组分的优选范围，其以 相对于加水前水泥组合物重量的重量百分率表示。
表10
  材料   优选范围   更优选范围   C级飞灰   70-95   75-85   F级飞灰   1-25   10-15   硅灰   铝酸钙   1-15   4-10   氧化镁   石灰   .5-5   .5-1.5   硫酸铝   .4-4   .4-1.4   硼酸   0.1-2   0.5-1.0   硼砂   0.1-5   0.1-2   硅灰石   柠檬酸钾   1-8   2-6   纤维   0.01-2   .02-1   减水剂   .01-2   .05-.08   乳胶   引气剂(AEA)   0.0005-   0.003   0.0005-   0.002
用于罐装混凝土混合机(volumetric concrete mixer)的配制品
实例#5
将表1所列成分混合在一起，然后在使用前采用相对于表1和表2组 分的总重4.5重量％的水进行水合。这样生产的产品具有如下特性：
表11

在罐装混凝土卡车中生产这种配制产品。用户以表2提供的比例或要 求局部添加获得的集料。该产品被设计成在高剪切混合机中以最小混合操 作。2小时可以获得2500psi的强度增量。罐装混合允许就地制造所需混 凝土。罐装混合机计量生产水泥，然后根据混合物的设计添加必需的砂、 石和水。根据具体应用，水合量在4-7重量％水的范围内。
以下表12阐述了用在实例5的水泥中的各个组分的优选范围，其以 相对于加水前水泥组合物重量的重量百分率表示。
表12
  材料   优选范围   更优选范围   C级飞灰   70-95   75-85   F级飞灰   1-25   10-15   硅灰   1-10   2-6   铝酸钙   1-15   4-10   氧化镁   石灰   0.1-5   0.5-2   硫酸铝   0.1-5   0.5-2   硼酸   0.1-2   0.5-1.0   硼砂   0.1-5   0.1-2   硅灰石   柠檬酸钾   1-8   2-6   纤维   减水剂   .01-1.0   .05-0.1   乳胶   引气剂(AEA)   0.0005-   0.003   0.0005-   0.002
特种混凝土
实例#6
将表1和表2所列成分混合在一起，然后采用相对于表1和表2组分 的总重4.4重量％的水进行水合。这样生产的产品具有如下特性：
表13

这是一种水泥状且初期强度较高的混凝土，其可被用作修补产品也可 被用作结构混凝土。这种产品包括防火玻璃纤维。在布置的24小时内， 该产品可以暴露于高达1500°F(815℃)的间歇温度。为了小面积修补应 用其可以以传统的便携式鼓式混合机混合，或者为了更大面积应用其可以 以运输型或罐装卡车混合。根据具体应用，水合量在4-5重量％水的范围 内。
以下表14阐述了用在实例6的水泥中的各个组分的优选范围，其以 相对于加水前水泥组合物重量的重量百分率表示。
表14
  材料   优选范围   更优选范围   C级飞灰   65-90   70-85   F级飞灰   1-25   10-20   硅灰   0.5-5   1-3   铝酸钙   氧化镁   石灰   0.1-5   0.5-3   硫酸铝   硼酸   0.1-2   0.1-0.5   硼砂   0.1-5   1-3   硅灰石   柠檬酸钾   1-8   2-6   纤维   0.02-2   0.1-1   减水剂   乳胶   引气剂(AEA)   0.0005-   0.003   0.0005-   0.002
实例#7
将表1和表2所列成分混合在一起，然后采用相对于表1和表2组分 的总重9.3重量％的水进行水合。这样生产可喷射的混凝土配制品。这种 配制品可以采用各种喷射系统应用，所述喷射系统包括混凝土喷射机 (Shotcrete)、混凝土喷枪(Gunnite)、灰泥喷射系统和其它常用喷射 器。这种产品所具有的独一无二的性质包括：2小时内的初期强度高达至 少1000psi；湿粘度允许喷射厚度为至少1英寸而产品并未出现流动、下 垂(droop)或垂垮(sag)；作业时间为至少30分钟。根据具体应用，水 合量在7-10重量％水的范围内。
以下表15阐述了用在实例7的水泥中的各个组分的优选范围，其以 相对于加水前水泥组合物重量的重量百分率表示。
表15
  材料   优选范围   更优选范围   C级飞灰   40-.65   45-60   F级飞灰   10-40   20-35   硅灰   1-6   2-5   铝酸钙   氧化镁   1-15   5-10   石灰   硫酸铝   硼酸   0.1-2   0.5-1.5   硼砂   硅灰石   1-5   1.5-4   柠檬酸钾   1-8   2-4   纤维   0.1-2.0   0.1-1.5   减水剂   0.1-0.4   0.1-0.3   乳胶   引气剂(AEA)
实例#8
将表1和表2所列成分混合在一起，然后采用9.1％的水进行水合。这 种生产了一种灰浆、灰泥配制品。这些产品被设计成如传统的灰浆(根据 传统的混合要求作业时间为～120分钟)一样工作，但在28天时能够获得 至少10000psi的最终强度。根据具体应用，水合量在8-12重量％水的范 围内。
以下表16阐述了用在实例8的水泥中的各个组分的优选范围，其以 相对于加水前水泥组合物重量的重量百分率表示。
表16
 材料   优选范围   更优选范围  C级飞灰   50-75   55-70   64.8  F级飞灰   10-30   12-25   18.5  硅灰   1-6   2-4   2.4  铝酸钙  氧化镁   1-5   1-3   1.8  石灰   1-5   1-3   1.8  硫酸铝   0.1-2   0.5-1.5   0.9  硼酸   0.1-2   0.5-1.8   1.2  硼砂   0.5-2.5   0.5-2   1.4  硅灰石  柠檬酸钾   2-10   5-9   7.4  纤维  减水剂  乳胶  引气剂(AEA)
以上配制品中，高强度、固化时间可变以及快速达到使用状态的性质 被独一无二、有益的组合。
其它特种配制品可以包括：
土壤稳定剂-可以通过如下生产土壤稳定产品：将水泥复合物(诸如 实例4的水泥)与各种类型的土壤混合，从而生产中等强度的土壤。其可 由～10％的水泥构成。该产品可以采用各种混合方法形成，所述方法包括： 在干燥条件下将水泥与土壤混合，然后向产物喷水。最终强度为～1000 psi，其远远高于采用类似用量(％)的波特兰水泥的传统方法。这种产品 的独特特性是，与当前的波特兰水泥土壤稳定剂相比，能够更早获得维持 车辆交通的强度。该产品的另一个独特性质在于，其能够控制重金属和其 它化学污染物的渗出。
混凝土块-本文所述水泥(例如实例4的配制品)可以与砂和集料混 合从而制成混凝土块。根据该方法制成的混凝土块可以具有如下益处： 1)加水后2-4小时内的初期强度较高＞1000psi；2)实现较高的初期强 度，而不需要传统混凝土块所必需的蒸汽固化；3)实现高达10000psi的 最终(28天)强度；4)制造的混凝土块具有非常少的水压孔(hydraulic porosity)。
装甲-水泥还可用于制造装甲：将水泥与砂和高强度纤维混合。这些 配制品在混合24小时内具有10000psi的压缩强度并且在28内具有超过 20000psi的压缩强度。
碾压混凝土(RCC)-该水泥还可以用在碾压混合物(RCC)的生产 中。在该项应用中，水泥与砂和粗集料混合，结果水泥的总含量(以混凝 土的％计)为10-15％。该产品基本上没有滑抹性并且采用传统的混凝土/ 沥青碾压设备以机械方式涂布。涂布后，可以采用振动压缩机压紧该产 品。该产品可以立即达到行人使用的状态，并且在24小时内可以达到超 过3000psi的压缩强度，在28天内达到超过8000的压缩强度。
制造方法
小面积修补产品(例如实例1-3)可以例如通过如下制造：单独采用 减量(loss-in-weight)粉末加料斗计量取出各个产品包或“桶”的成分， 测量后，在储存和/或装船密封前将各桶快速混合。这项技术减少了各单元 之间的配制差异。或者，这些产品可以通过任何已知的技术(包括带式混 料)生产。小面积产品可以100％预混，因为它们使用前的混合过程简 单：产品，水，然后混合。
大面积产品(诸如实例4)可以通过如下生产：在使用前将除活化剂 以外的所有成分混合。然后，在客户需要混凝土开始反应的时刻，添加活 化剂。一旦添加了活化剂导致最终固化的化学反应就开始了。根据具体混 合确定最终固化前可用作业时间的长短。
作为实例，运输卡车可以在批料工厂装载实施例4的混合物。在混凝 土不再能用之前，运输卡车现在具有4-6小时或更长的时间。在这个时间 段的任意时刻，(最适于在建筑场地)添加活化剂(以液体或固体粉末形 式)，然后可以布置混凝土。这种产品与波特兰水泥混凝土相比具有极大 的优势，其从运输卡车在批料工厂装载时刻起通常具有90分钟的可接受 作业时间。
可罐装混合的产品(例如实例5和7)可以通过如下制造：在遥控操 作下添加均匀的水泥、石和砂部分。含有促进剂和阻滞剂的水泥部分可以 在高剪切混合机中与砂石混合。作为这种方法的选项，促进剂和阻滞剂可 以以粉末形式或液体形式添加。
本申请在本文和附图中公开了若干数值范围。尽管精确的范围限定未 在字面上记载在本说明书中，但是所公开的数值范围实质上支持所公开数 值范围内的任意范围或数值，因为本发明在所公开的整个数值范围内都是 可行的。
上述说明使得本领域普通技术人员能够制造并使用本发明，并且在具 体申请及其必要条件的上下文中表明了上述说明。对优选实施方式进行各 种修正对于本领域普通技术人员来说是显然的，并且在未脱离本发明精神 和范围的情况下可以将本文所定义的一般性原则应用到其它实施方式和应 用中。因此，本发明并不限定为所示实施方式，其具有与本文所公开的原 则和特征一致的最宽范围。最后，本申请中应用的专利和出版物的全文通 过引用插入本文。