含有纳米尺寸的勃姆石微晶的水泥组合物

摘要

一种组合物，所述组合物包含水泥和勃姆石氧化铝的纳米尺寸的晶体粒子或已经通过氧化硅、氧化钙或氧化镁夹杂改性的勃姆石氧化铝的纳米尺寸的晶体粒子。该勃姆石氧化铝具有约2nm至约80nm的平均微晶尺寸和基于全部铝的少于约25摩尔%的非晶体氧化铝含量。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年2月14日提交的U.S.61/764,740的优先权，该 优先权申请的公开内容通过引用用于全部目的结合在此。

技术领域

本发明涉及一种混凝土/水泥组合物并且，更具体地，涉及展现提高 的压缩强度和减少的化学收缩的这种组合物。

背景技术

混凝土是一种最广泛地使用的建筑材料。它被使用在道路、建筑物和 多种其他结构体的建造中。

致力于制造更强的混凝土，正在进行中的研究关注于增加混凝土/水 泥的机械性质。在这方面，已知的是纳米二氧化硅粒子至水泥的加入增加 密度、减少孔隙度、改善水泥基体与骨料(aggregate)之间的结合，这全部 产生显示更高的压缩和挠曲强度的混凝土。

早期开裂可以是混凝土中的重要问题。混凝土中的体积改变当它们受 束时导致拉伸应力出现。因此，当拉伸应力超过通常仅是压缩强度的百分 之十的抗拉强度时，可以发生开裂。在早期阶段，当由体积改变产生应力 时，强度仍然在发展中。控制影响体积改变的变量可以最小化高应力和开 裂。

混凝土的体积在刚好将其浇铸后开始改变。二十四小时内的早期体积 改变可以影响硬化的混凝土中的拉伸应力和开裂形成。化学收缩的出现归 因于水合浆料中固体和液体的绝对体积上减少。当水泥水合时继续出现化 学收缩。在初凝之后，糊料抑制变形，导致微结构中空隙的形成。

自发收缩是由化学收缩导致的水泥糊料、灰浆或混凝土的尺寸改变。 当内部相对湿度降低至低于给定阈值时，糊料的自脱水发生，导致体积的 均匀减少。

发明内容

一方面，本发明提供一种组合物，所述组合物包含：水泥；和勃姆石 (boehmite)氧化铝的纳米尺寸的晶体粒子或已经通过氧化硅、氧化钙或氧 化镁夹杂改性(modified by the inclusion)的勃姆石氧化铝的纳米尺寸的晶 体粒子。

另一方面，本发明提供一种水泥和纳米尺寸的晶体勃姆石粒子的组合 物，所述组合物显示提高的压缩强度。

在其他的方面，本发明提供一种水泥和勃姆石的纳米尺寸的晶体粒子 的组合物，其展现减少的化学收缩。

本发明的这些和其他特征和益处将从以下详述变得明显，其中对附图 中的图进行参考。

附图说明

图1是显示含有不同量的纳米尺寸的晶体勃姆石氧化铝的水泥对压 缩强度的影响的图。

图2是与图1类似的图，描绘了不同纳米尺寸的氧化铝的使用。

图3是显示对于两种不同的氧化铝在两个不同的浓度下的化学收缩 作为固化(curing)小时数的函数的图。

具体实施方式

在本发明的水泥组合物中使用的纳米氧化铝是勃姆石晶体形式并且 通常将具有小于350nm，例如约20nm至约350nm的团聚体粒径 (agglomerated particle size)，约2m²/g至约300m²/g，尤其是约35m²/g至 约275m²/g的煅烧表面积，大于约99重量%的纯度，约2nm至约80nm， 优选约3nm至约60nm的020面平均微晶尺寸。纳米氧化铝具有全部铝 的少于约25摩尔%的非晶体氧化铝的含量。备选地，非晶体氧化铝的含 量可以是少于全部铝的约10摩尔%，少于全部铝的约5摩尔%，或少于 全部铝的约2摩尔%。应当明白的是，关于粒径，这是如在水性分散液中 测量的团聚体粒径。

具有上面描述的特定粒径和表面积的高度晶体勃姆石的组合使得可 以将更小量的纳米尺寸的氧化铝应用至水泥组合物，产生比现有技术中通 常已知的在压缩强度上相似的/更大的改善和/或化学收缩速率的所需改 变。实际上，现有技术没有认识到或教导如本文关于本发明描述的特定类 型的氧化铝、表面积和结晶度的组合将提供在压缩强度和/或收缩速率的 控制上的任何改善。

上面提到的本发明的材料的团聚体尺寸通过对准酸性水中材料的稀 释分散液的光的散射测量(光散射法)。能够在1-1000nm的范围内测量的 动态光散射法，有时称为光子关联能谱法或准弹性光散射，最适合于该测 量。如公知的，这些动态光散射法通常用于测定悬浮液中小粒子的尺寸分 布曲线，溶液中的聚合物等。虽然可以使用通过其他方法的测量并导致以 上范围之外的团聚体尺寸，但是应当明白的是只要当通过光散射法测量时 团聚体尺寸落在以上范围内，材料就在本发明的范围内。

表面积通过BET方法，使用氮解吸、根据本领域技术人员公知的方 法测定。

纯度通过本领域技术人员公知的多种方式测量。电感耦合等离子体或 原子吸收是两种通常使用的方法。

平均微晶尺寸是通过如通过本领域技术人员公知的Scherrer公式计 算的X射线衍射线展宽测量的。虽然勃姆石氧化铝展现数个衍射峰，但 是对应于020面的峰用于分析是特别方便的，因为它没有来自其他衍射面 的干扰。

非晶体氧化铝的含量是通过²⁷Al NMR对分散相中的样品测量的。归 因于晶体组分的非常长的弛豫时间，在溶液相分析中仅检测到材料的可溶 的和非晶体的部分(fraction)。这些非晶体组分由八面体[Al(H₂O)₃]³⁺离子或 者形式为{[Al(OH)₂.₅]⁰.⁵⁺}_n的低聚物质组成。这些物质的化学位移是公知 的并且这种非晶体物质的含量可以通过对比内标的信号强度的数字积分 确定。

由烷氧化物(alkoxide)前体获得的晶体勃姆石氧化铝可以通过加入少 量的酸，通常是单价酸，容易地制备为水中的稳定的、不沉淀的分散液。 为了增加勃姆石的平均微晶尺寸的目的，可以将这些晶体勃姆石任选地进 行水热处理，从而使得该材料适合于以更高浓度分散。虽然在本发明中采 用的晶体勃姆石氧化铝和假勃姆石(pseudoboehmite)氧化铝可以由烷氧基 铝的水解制备，但是应当明白的是本发明不限于此。本发明可以使用通过 其他方法如勃姆石和三水铝石的混合物，勃姆石和三羟铝石的混合物，或 它们的组合的水热转化制备的勃姆石氧化铝，条件是勃姆石氧化铝具有如 上关于结晶度给出的参数。

在本发明中也可以采用通过加入至多可达10%的其他金属氧化物而 改性的晶体勃姆石氧化铝。含有氧化钙、氧化镁或二氧化硅（其加入的方 式和量不干扰在水中形成稳定的分散液的能力）的勃姆石适合用于本发明， 条件是勃姆石氧化铝具有如上关于结晶度(crystallinity)给出的参数。

通常，本发明的组合物中水与水泥的比例可以在约0.28至约0.56的 范围内，约0.35至约0.45的比例是优选的。

本发明的组合物将以有效量含有纳米氧化铝，即，这样的量：增加压 缩强度，减少化学收缩的速率以及最终量，或者两者。尤其是，优选的量 为约0.001%至约1.5%，优选约0.001%至约1重量%，更优选约0.05%至 约0.75重量%，以上是基于水泥的重量并且排除任何附加组分，例如，

骨料。

将明白的是，虽然关于水泥描述本发明，但是如本文所使用的术语包 括含有骨料和通常加入至水泥以形成混凝土的其他添加剂的混凝土。在这 方面，如本领域技术人员公知的，水泥通常由石灰石、钙、硅、铁和铝化 合物等制成，而混凝土是使用水泥将骨料如碎石、岩石、砂等粘合在一起 并且可以含有其他组分以赋予水泥特定所需性质的砌筑材料。

为说明本发明，给出以下非限定性实施例：

实施例

所采用的水泥是I/II型OPC水泥–800lbs cy。在所有情况下，水与 水泥的比例为按重量计0.40。采用两种不同的晶体勃姆石氧化铝。制备并 测试不同量的水泥和相应的勃姆石氧化铝的制备物。所采用的氧化铝是通 过烷氧基铝的水解制备的。标记为氧化铝A的一种氧化铝具有>200nm 的团聚体粒径，>60的煅烧比表面积(m²/g)，以及>99.80%的纯度。标记 为氧化铝B的另一种氧化铝具有>100nm的团聚体粒径，250的煅烧比表 面积(m²/g)和>99.80%的纯度。优选地，本文使用的氧化铝包含水热老化 的材料。

对这些制备物极性多种测试以测定对压缩强度和化学收缩的效果。

首先参考图1，给出了不同量氧化铝A的加入对水泥的压缩强度的影 响。如可以从图1看出的，与不含有氧化铝的对照比较，仅少量的氧化铝 A的加入如与对照比较显示压缩强度上的显著增加。实际上，并且如可以 从图1看出的，当以约0.75重量%以下的量存在氧化铝时，获得压缩强 度上的最优增加。在这方面，注意到当氧化铝含量在约0.05%至约0.75 重量%的范围内优选的量时，获得压缩强度上的最大增加。注意到，例如 当氧化铝增加至4%时，获得压缩强度上可忽略的增加。本发明使用这样 少量的氧化铝的压缩强度上的显著增加完全是出乎意料的结果。

现在参考图2，显示了不同量的氧化铝B对水泥的压缩强度的影响。 如可以在图2中看出的，并且出乎意料地，水泥中约0.05重量%的氧化 铝的量产生压缩强度上的最大增加。因此，在氧化铝B的情况下，在氧 化铝中存在的优选的量将为约0.05%至约0.75重量%，优选约0.05重量%。

图3是描绘对于最优量的氧化铝A氧化铝和氧化铝B氧化铝与对照 （即，不具有氧化铝的水泥）对比的化学收缩作为固化小时数的函数的图。 如可以看出的，使用两种所测试的氧化铝，在化学收缩的速率以及总收缩 上存在实质性减少，如与不含有氧化铝的对照样品比较的。较少化学收缩 的益处在上面已经讨论并且是本领域技术人员所公认的。

如从以上数据可以看出，具有指定表面积的特定纳米尺寸的晶体勃姆 石氧化铝粒子，通常，增加水泥的压缩强度并降低化学收缩速率和总收缩， 使得它们成为提高水泥机械性质的成本有效的添加剂。尤其是，因为结晶 度、表面积和粒径的独特组合，本发明的氧化铝可以以小量在水泥组合物 中使用，以获得压缩强度上的显著增加以及化学收缩和收缩速率上的减少。

虽然本文以一些细节描述了本发明的具体实施方案，但是这仅用于说 明本发明的不同方面的目的而完成，并且不意图限制如后面的权利要求限 定的本发明的范围。本领域技术人员将明白的是，所给出和描述的实施方 案是示例性的，并且可以在本发明的实施中做出多种其他的替换、变更和 修改，包括但是不限于本文具体讨论的那些设计变更，而不脱离其范围。