專利名稱：：具有各種木材性能的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)混凝土的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及具有按照ASTM標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和密度的輕質(zhì)混凝土。
背景技術(shù)：
：美國(guó)材料與測(cè)試協(xié)會(huì)(ASTM)標(biāo)準(zhǔn)將結(jié)構(gòu)輕質(zhì)混凝土定義為在固化28天后當(dāng)依照ATSMC330測(cè)試時(shí)具有超過(guò)17.2MPa(2，500psi)的抗壓強(qiáng)度，且當(dāng)通過(guò)ASTMC567測(cè)定時(shí)具有不超過(guò)l，842kg/m3(1151b/ft3)的氣干密度。標(biāo)準(zhǔn)混凝土混合料是由粗集料(石頭)、細(xì)集料(砂)和水泥粘合劑制成的。與標(biāo)準(zhǔn)混凝土混合料相類似，許多當(dāng)前的結(jié)構(gòu)輕質(zhì)混凝土混合物除了混合料中的集料被較低密度的集料所替代之外，具有相同的混合料組成。較低密度的替代集料可以是人造集料或天然集料，且具有大于2，500psi結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的壓力。例如，最常見的人造(合成)輕集料包括膨脹頁(yè)巖或粘土、爐渣和膨脹礦渣。最常見的天然輕集料包括浮巖、熔渣、凝灰?guī)r和硅藻土。目前，結(jié)構(gòu)輕質(zhì)混凝土的用途已經(jīng)局限于需要其較低密度的大型鑄造結(jié)構(gòu)，例如橋梁和高層建筑。像大多數(shù)常規(guī)的混凝土材料一樣，由于結(jié)構(gòu)輕質(zhì)混凝土的不彎曲性、材料成本以及在處理材料過(guò)程中相關(guān)的勞動(dòng)力成本，它在居住建筑物中的應(yīng)用受到了限制。因此，具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和像木材一樣的(wood-like)性能的經(jīng)濟(jì)型輕質(zhì)混凝土將是非常有價(jià)值的，因?yàn)樗軌蚩朔壳坝糜诮ㄖ?yīng)用的傳統(tǒng)的混凝土和輕質(zhì)結(jié)構(gòu)混凝土的局限性。然而，在可以獲得更好的設(shè)計(jì)及改進(jìn)之前，了解在確定其性能的情況下常規(guī)混凝土和輕質(zhì)混凝土兩者的混凝土基體的一般類型以及它們的機(jī)制是必要的。大多數(shù)輕質(zhì)混凝土(結(jié)構(gòu)輕質(zhì)混凝土或其它形式)分為三(3)類。第一類輕質(zhì)混凝土涉及利用諸如膨脹頁(yè)巖或膨脹粘土的較輕集料作為常規(guī)的石頭替代物的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)混凝土。結(jié)構(gòu)輕集料的尺寸在粗糙到精細(xì)之間變化。由于結(jié)構(gòu)集料直接用于承擔(dān)負(fù)載，標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)混凝土基體的機(jī)制以與常規(guī)混凝土相同的方式運(yùn)作。第二類輕質(zhì)混凝土涉及不含有具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的粗集料的混凝土類型。通常，此混凝土被提供諸如圬工砂和氣室的精細(xì)結(jié)構(gòu)填料、膨脹珍珠巖、蛭石、或小木塊作為較大的非結(jié)構(gòu)(non-structural)填料以占據(jù)基體中的空間。第二類中的混凝土基體(無(wú)論它是多孔混凝土還是珍珠巖混凝土)只依賴包封氣室或膨脹珍珠巖以承擔(dān)負(fù)載的固體粘結(jié)性結(jié)構(gòu)(水泥粘合劑和諸如砂的精細(xì)結(jié)構(gòu)集料)。第三類輕質(zhì)混凝土涉及含有比圬工砂大的結(jié)構(gòu)集料和非結(jié)構(gòu)集料兩者的混凝土類型；混凝土基體將含有第一類和第二類兩類的成分。在第二類輕質(zhì)混凝土中，大多數(shù)是多孔混凝土、珍珠巖混凝土、蛭石混凝土或其類似物。這些類型的輕質(zhì)混凝土通常被提供非結(jié)構(gòu)強(qiáng)度且在施工應(yīng)用方面受限制。這樣的多孔混凝土的實(shí)例在以下專利中公開題目為“Cellularconcrete(多孔混凝土)”的美國(guó)專利第4，900，359號(hào)；題目為“Cellularconcrete(多孔混凝土)，，的美國(guó)專利第5，183，505號(hào)；以及題目為"Compositionofmaterialsforuseincellularlightweightconcreteandmethodsthereof(用于多孔輕質(zhì)混凝土的材料的組合物及其方法)，，的美國(guó)專利第6，488，762號(hào)。這樣的珍珠巖混凝土實(shí)例包括題目為“Compositematerialandmethod(復(fù)合材料及方法)”的美國(guó)專利第5，080，022號(hào)和題目為"Machinablelightweightsisal-basedconcretestructuralbuildingmaterial(可機(jī)械力口工的輕質(zhì)劍麻基混凝土結(jié)構(gòu)建筑材料)”的美國(guó)專利第6，881，257號(hào)。一些非結(jié)構(gòu)輕質(zhì)混凝土能夠顯示某種非常低水平的擰能力(screw-ability)和釘能力(nail-ability)，但一點(diǎn)也不接近木材的性能。因此，與木材相比，螺釘?shù)奈粘謴?qiáng)度(holdingstrength)和釘子的握力是非常差的。通常，當(dāng)使用者擰或釘時(shí)，這些類型的輕質(zhì)混凝土易于開裂。一些結(jié)構(gòu)輕質(zhì)混凝土，例如在美國(guó)專利第5，080,022號(hào)和美國(guó)專利第6，488，762號(hào)中公開的那些，可能具有所期望的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度但是它們?nèi)狈δ静牡臄Q能力和釘能力。此外，這些類型的輕質(zhì)混凝土在大的生產(chǎn)規(guī)模上不是非常經(jīng)濟(jì)的，因?yàn)榛旌衔镄枰罅堪嘿F的水泥粘合劑，或具有非常有限的組分供應(yīng)如在磨光的回收玻璃(groundrecycledglass)的情況下。諸如膨脹蛭石或珍珠巖混凝土的多孔且非結(jié)構(gòu)集料，已經(jīng)只限于不要求結(jié)構(gòu)強(qiáng)度反而利用絕緣特性的一些應(yīng)用。以往對(duì)于使此類型的混凝土轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)級(jí)的嘗試以及使其更為經(jīng)濟(jì)的嘗試已歸于失敗。這些以往的失敗通常可歸因于在微觀結(jié)構(gòu)層次上對(duì)混凝土的基體及其復(fù)雜機(jī)理缺乏了解。眾所周知，由粉煤灰、硅酸鹽水泥和砂制備的固體普通混凝土可以具有8，000-9，OOOpsi的抗壓強(qiáng)度。此強(qiáng)度遠(yuǎn)高于大多數(shù)應(yīng)用的結(jié)構(gòu)要求。因此，通過(guò)在混凝土中引入有效孔隙來(lái)使混凝土變輕是有意義的。然而，在過(guò)去的幾十年中在混凝土基體中產(chǎn)生孔隙胞室(voidcell)并不容易。此外，已知任何混凝土混合料所需的具有有限供應(yīng)的特殊材料或某些復(fù)雜的制造工藝將總是使混凝土變得昂貴，以最少量的材料成本和勞動(dòng)力成本在多孔混凝土或非結(jié)構(gòu)集料混凝土中獲得所希望的性能還可以成為一門科學(xué)。因此，為了具有成本效益，混凝土必須使用供應(yīng)充足的普通材料制造；而且混凝土的制造工藝也必須是簡(jiǎn)單的。目前，第二類的多孔或非結(jié)構(gòu)集料混凝土只具有一種有效孔隙尺寸分布。申請(qǐng)人已發(fā)現(xiàn)此類型的混凝土基體能夠通過(guò)具有兩種孔隙尺寸分布而不是一種孔隙尺寸分布來(lái)改進(jìn)。給定相同的總有效孔隙體積，具有兩種孔隙尺寸分布的混凝土將總是比具有一種孔隙尺寸分布的混凝土更穩(wěn)定且具有更高的強(qiáng)度。有效孔隙胞室間的較寬間距可以容納更多的強(qiáng)化纖維。申請(qǐng)人還發(fā)現(xiàn)當(dāng)在臨澆注前混合吸水性(干的)膨脹集料時(shí)，通過(guò)使用吸水性膨脹集料和無(wú)吸收性膨脹集料的組合可降低混凝土混合料的水對(duì)水泥比率?？梢哉{(diào)整吸水性集料與無(wú)吸收性集料的比率以在凝固前從混凝土混合料中吸收出所期望的水量。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的若干方面和示例性實(shí)施方案提供了一種具有結(jié)構(gòu)性能以及類似的擰能力和釘能力的性能的獨(dú)特的輕質(zhì)混凝土。依照本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施方案，提供了一種能夠使用傳統(tǒng)的接合工具來(lái)擰和釘?shù)母邚?qiáng)度輕質(zhì)混凝土，其包括非結(jié)構(gòu)輕集料，例如膨脹珍珠巖或膨脹聚苯乙烯珠、或膨脹珍珠巖與膨脹聚苯乙烯珠的組合，所述非結(jié)構(gòu)輕集料平均粒度在Imm到2.5mm之間且最大顆粒與最小顆粒間具有最窄可能尺寸差異，占8%到25%之間的總混凝土體積；另一種較小的非結(jié)構(gòu)集料，如前者或由混合物產(chǎn)生的夾帶的氣室或這兩者的組合，其平均胞室(或有效孔隙)粒度不大于非結(jié)構(gòu)填料的平均粒度的70%且具有最小胞室粒度變化，占5%到20%之間的總混凝土體積；和稠密的粘結(jié)性組合物，包括水泥粘合劑、火山灰、任選的如PVA的短原纖化纖維和精細(xì)結(jié)構(gòu)填料，占剩余的55%到87%的總混凝土體積。精細(xì)結(jié)構(gòu)填料可以是符合ASTMC144或ASTMC33規(guī)范的至少75%含砂量的細(xì)圬工砂或細(xì)混凝土用砂。目的是在混凝土基體中產(chǎn)生兩種有效孔隙尺寸分布，每種分布具有總混凝土體積中的特定體積。使用膨脹珍珠巖(一種吸水性材料)與膨脹聚苯乙烯珠(一種非吸水性材料)的組合物的目的是提供控制混凝土凝固前的混合料中水對(duì)水泥比率的能力。當(dāng)在臨澆注前混合該組合物時(shí)，可根據(jù)希望在凝固前從混合料中緩慢吸收出多少水來(lái)調(diào)整膨脹珍珠巖對(duì)膨脹聚苯乙烯珠的比率。因此，現(xiàn)在可以獲得非常低的有效水對(duì)水泥(w/c)比率。依照本發(fā)明的另一個(gè)經(jīng)濟(jì)的實(shí)施方案，提供了一種高強(qiáng)度輕質(zhì)混凝土混合料，其包括(a)1.05到1.75體積份的硅酸鹽水泥或諸如K型、M型或S型的改性硅酸鹽水泥；(b)0.40到1.25體積份的F級(jí)或C級(jí)粉煤灰；(c)1.15到1.85體積份的圬工砂或尺寸不大于圬工砂的精細(xì)結(jié)構(gòu)填料；(d)0.75到1.85體積份的膨脹珍珠巖或膨脹聚苯乙烯珠或膨脹珍珠巖與膨脹聚苯乙烯珠的組合，其平均尺寸分布(distributionmeansize)在Imm到2.5mm之間且顆粒的至少75%的量落入從該平均尺寸的中心起+/-0.6mm范圍內(nèi)；(e)0.65到1.20體積份的水或水對(duì)水泥(W/C)比率在0.4到0.67的范圍內(nèi)；(f)預(yù)定量的高效減水劑(high-rangesuper-plasticizer)以達(dá)到期望的塌落度、可加工性或自密實(shí)水平；以及(g)預(yù)定量的空氣夾帶混合物以產(chǎn)生5%到20%的夾帶的空氣，所述夾帶的空氣的胞室尺寸分布平均值不大于混凝土中膨脹珍珠巖的尺寸分布平均值的70%。依照本發(fā)明的一個(gè)方面，還提供了短原纖化PVA纖維或其它具有類似性能的微纖維以強(qiáng)化混凝土，以便在不使用鋼絲網(wǎng)的應(yīng)用中減少裂縫擴(kuò)展并提供結(jié)構(gòu)強(qiáng)化。優(yōu)選的纖維長(zhǎng)度是6mm到15mm。纖維量可以在總混凝土體積的0.2%到3%的范圍內(nèi)。除了如上所述的示例性實(shí)施方案和方面外，通過(guò)參考附圖和研究下面的描述，更多的方面和實(shí)施方案將是明顯的。附圖簡(jiǎn)述當(dāng)結(jié)合附圖閱讀時(shí)，根據(jù)下面的示例性實(shí)施方案的詳細(xì)描述和權(quán)利要求，對(duì)本發(fā)明的更好的理解將變得明顯，所有這些形成本發(fā)明公開的一部分。雖然以下所寫的和所說(shuō)明的公開內(nèi)容集中于公開本發(fā)明的示例性實(shí)施方案，但應(yīng)清楚地理解所述公開內(nèi)容僅作為例證和實(shí)例且本發(fā)明不限于此。本發(fā)明的精神和范圍只受所附權(quán)利要求的條款的限制。以下表示附圖簡(jiǎn)述，其中圖1說(shuō)明了目前可獲得的輕質(zhì)混凝土混合料；圖2說(shuō)明了標(biāo)準(zhǔn)混凝土的基體及其機(jī)制；圖3說(shuō)明了多孔混凝土的基體及其機(jī)制；圖4說(shuō)明了通常的多孔混凝土的基體；圖5說(shuō)明了申請(qǐng)人的高強(qiáng)度輕質(zhì)混凝土的一個(gè)示例性基體，其具有與圖4中所示的多孔混凝土中相同的密度和總孔隙體積；圖6說(shuō)明了中心處有球形孔隙的一塊混凝土；圖7A說(shuō)明了組裝成一排的多個(gè)X尺度的混凝土立方塊，但此處孔隙具有兩種尺寸且具有相同的總孔隙體積；圖7B說(shuō)明了組裝成一排的多個(gè)混凝土立方塊30以及孔隙胞室間的間距；圖8A說(shuō)明了由多排混凝土塊40制成的申請(qǐng)人的理論混凝土基體80；圖8B說(shuō)明了由多排混凝土塊41制成的通常的多孔混凝土基體81；圖9A說(shuō)明了圖8A中所示的混凝土基體，其沒(méi)有混凝土立方塊的線以便類似真實(shí)的基體；圖9B說(shuō)明了圖8B中所示的混凝土基體，其沒(méi)有混凝土立方塊的線以便類似真實(shí)的基體；以及圖10說(shuō)明了一種可以用申請(qǐng)人的混凝土鑄造的示例性住宅墻板。實(shí)行本發(fā)明的最佳模式本發(fā)明涉及具有類似于木材的結(jié)構(gòu)性能、擰能力和釘能力的性能的獨(dú)特的輕質(zhì)混凝土。為了討論的目的，結(jié)構(gòu)性能與大于2，500psi的抗壓強(qiáng)度相關(guān)聯(lián)。輕質(zhì)意指密度小于1151b/ft3。各種木材性能與輕質(zhì)混凝土的容易地用鋸切割、用普通木螺釘擰和用某些硬化釘釘而沒(méi)有開裂的能力相關(guān)聯(lián)。這些性能的組合使其在許多房屋建設(shè)應(yīng)用中是獨(dú)特的和有價(jià)值的?，F(xiàn)將詳細(xì)參考輕質(zhì)混凝土的類型、混凝土基體的類型及其機(jī)制、以及為申請(qǐng)人的混凝土基體提供獨(dú)特性能的事實(shí)。始終參考本發(fā)明的實(shí)施方案，附圖中所說(shuō)明的實(shí)例。下面描述了實(shí)施方案，以便通過(guò)參考附圖來(lái)解釋本發(fā)明。圖1說(shuō)明了從非結(jié)構(gòu)強(qiáng)度到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變化的各種可獲得的輕集料混凝土混合料，同時(shí)結(jié)構(gòu)混合料包含諸如膨脹頁(yè)巖、膨脹礦渣、爐渣或膨脹粘土的結(jié)構(gòu)輕集料。如前所述，如圖1中所示的常規(guī)的結(jié)構(gòu)輕質(zhì)混凝土混合料不具有類似于木材的擰能力和釘能力的性能。圖2說(shuō)明了標(biāo)準(zhǔn)混凝土的通常基體及其機(jī)制10。此圖的目的是顯示混凝土如何工作以承擔(dān)其負(fù)載，以便更好地理解混凝土的這一方面。如圖2中所示，標(biāo)準(zhǔn)混凝土含有粗石集料12、細(xì)砂集料13、和水泥粘合劑與粉煤灰的組合11。此基體的機(jī)制是簡(jiǎn)單明了的。來(lái)自起始于板30的上方的負(fù)載的力矢量40以垂直向下的路徑傳遞，穿過(guò)結(jié)構(gòu)集料12并穿過(guò)其路徑中的所有材料。這是因?yàn)榇嘶w中的所有集料都具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度且能夠支撐負(fù)載。粗石集料12在提供混凝土強(qiáng)度中起重要作用。圖3說(shuō)明了多孔或非結(jié)構(gòu)填料混凝土的基體20及其機(jī)制。此類型的混凝土基體的工作原理與標(biāo)準(zhǔn)混凝土不同。如圖3中所示，多孔或非結(jié)構(gòu)填料混凝土20被提供非結(jié)構(gòu)填料或孔隙21以及固體或粘結(jié)性結(jié)構(gòu)22。然而，此基體的機(jī)制更為復(fù)雜。來(lái)自負(fù)載的力矢量40在粘結(jié)性結(jié)構(gòu)22內(nèi)在不同方向上分布和分散且繞過(guò)非結(jié)構(gòu)填料或孔隙21傳遞。矢量40相互作用以支撐負(fù)載。在此基體中，粘結(jié)性結(jié)構(gòu)組合物22完成所有工作且通常由諸如硅酸鹽水泥的水泥粘合劑、諸如粉煤灰的火山灰、以及諸如砂的精細(xì)結(jié)構(gòu)填料制備。如申請(qǐng)人所發(fā)現(xiàn)的，在提供此類型的經(jīng)濟(jì)型混凝土的抗壓強(qiáng)度、擰能力和釘能力方面，設(shè)計(jì)這種包封非結(jié)構(gòu)填料或孔隙的固體結(jié)構(gòu)22是非常重要的。圖4和圖5顯示了申請(qǐng)人的混凝土基體與普通的多孔混凝土基體之間的差別。圖4說(shuō)明了具有30%總孔隙體積的通常的多孔混凝土基體50。如圖4中所示，多孔混凝土50也提供了夾帶的氣室或孔隙70以及固體或粘結(jié)性結(jié)構(gòu)51。然而，混凝土50中的氣室或有效孔隙70具有單一尺寸分布。粘結(jié)性組合物51包括硅酸鹽水泥和粉煤灰。在此通常的多孔基體中，胞室或孔隙70之間的間隔是非常窄的?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖5，說(shuō)明了依照本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施方案的理想混凝土基體60，其具有等價(jià)于圖4中所示的多孔基體的相同的30%有效總孔隙體積。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施方案的此基體的獨(dú)特方面是其具有兩種不同的有效孔隙尺寸分布由非結(jié)構(gòu)填料產(chǎn)生的較大的有效孔隙分布62可以是膨脹珍珠巖或聚苯乙烯珠或膨脹珍珠巖與膨脹聚苯乙烯珠的組合，而較小的有效孔隙分布可以由夾帶的氣室70或另一種非結(jié)構(gòu)填料產(chǎn)生。較大的有效孔隙62和較小的有效孔隙70的每一種都具有其自身的尺寸分布和在整個(gè)基體60中分散的量。包封有效孔隙70和62兩者的結(jié)構(gòu)及粘結(jié)性組合物61包括水泥粘合劑、火山灰以及尺寸不大于圬工砂的精細(xì)結(jié)構(gòu)填料。在此基體與等密度的通常的多孔基體之間要注意的最重要的一點(diǎn)是申請(qǐng)人的基體在混凝土基體60中的孔隙間產(chǎn)生較寬的粘結(jié)性結(jié)構(gòu)以及很少的力矢量。混凝土內(nèi)部的力矢量的方向也將隨著兩種孔隙尺寸分布而不同且懷疑該力矢量的方向更加平行于由外部負(fù)載所施加的力矢量。存在兩種孔隙尺寸分布而不是一種孔隙尺寸分布時(shí)的間隔效應(yīng)是申請(qǐng)人的混凝土基體的一個(gè)重要方面。結(jié)合圖6至圖9可以解釋此間隔效應(yīng)。具體地，圖6說(shuō)明了中心處有球形孔隙的一塊混凝土。圖7A說(shuō)明了組裝成一排的多個(gè)X尺度的混凝土立方塊，但此處孔隙具有兩種尺寸且具有相同的總孔隙體積。類似地，圖7B說(shuō)明了組裝成一排的多個(gè)混凝土立方塊30以及孔隙胞室之間的間距。圖8A說(shuō)明了由多排混凝土塊40制成的申請(qǐng)人的理論混凝土基體80，而圖8B說(shuō)明了由多排混凝土塊41制成的通常的多孔混凝土基體81。圖9A說(shuō)明了圖8A中所示的混凝土基體，其沒(méi)有混凝土立方塊的線以便類似真實(shí)的基體，而圖9B說(shuō)明了圖8B中所示的混凝土基體，其沒(méi)有混凝土立方塊的線以便類似真實(shí)的基體；并且圖10說(shuō)明了一種可以用申請(qǐng)人的混凝土基體鑄造的示例性住宅墻板。讓我們從圖6中所示的微小的混凝土立方塊30開始，并假定這個(gè)混凝土立方塊具有(X)尺度且在此立方塊中心處具有占總混凝土體積的1/3的空氣圓球31。雖然該混凝土輕了1/3，但是立方塊的截面積32將減少58%。截面積損失比1/3的體積損失要高得多且不成比例。截面積32對(duì)于混凝土的強(qiáng)度是極其重要的，因?yàn)榱κ噶看┻^(guò)截面積32傳遞且細(xì)集料必須裝入(fitin)截面積32。當(dāng)將相同的混凝土立方塊組裝成一排時(shí)，它將看起來(lái)像圖7B中所示的塊41。此外，如果本領(lǐng)域技術(shù)人員要組裝具有相等總體積的較大和較小的孔隙圓球的其它相同⑴尺寸的立方塊，它將看起來(lái)像圖7A中的塊40?？紫秷A球31占總立方塊體積的1/3；孔隙圓球43占總立方塊體積的0.075；并且孔隙圓球44占總立方塊體積的0.85。所有圓球43和44的總體積等于所有孔隙圓球31的總體積。使用球體積公式(V=4/3πr3)可以確定所有圓球的直徑。現(xiàn)在，如果要測(cè)量圓球之間的間距，塊40中的間距將寬得多，約為0.27(X)。類似地，塊41中的間距為約0.17⑴。由圖7A和圖7B可看出，孔隙間距的增加約為0.IOX0在此效應(yīng)中，V=4/3πr3中的r與V之間的指數(shù)關(guān)系起到非常重要的作用。接著，多個(gè)塊40和塊41可以組裝成如圖8A和圖8B中所示的面80和81，以類似申請(qǐng)人:的混凝土基體和多孔混凝土基體。圖9A和圖9B顯示相同的組裝但沒(méi)有立方塊的尺度線(dimensionalline)。如果要將多個(gè)面80和81堆積成立方塊，孔隙圓球之間的間距在三維空間上仍將保持不變。即使多孔基體50(如圖4中所示)和申請(qǐng)人的混凝土基體60(如圖5中所示)兩者具有相同的在其基體中的總有效孔隙體積和相同的密度，申請(qǐng)人已發(fā)現(xiàn)他的具有不同尺寸的兩種特定的有效孔隙分布的基體60(如圖5中所示)更穩(wěn)定、更堅(jiān)固、更不透水，并且比具有一種尺寸的單一孔隙分布的常規(guī)多孔基體50(如圖4中所示)能夠容納更多微纖維。其原因是由于所有大孔隙和小孔隙之間的更寬的和更少的粘結(jié)性結(jié)構(gòu)。如果考察力矢量40和在多孔基體20中力矢量40傳遞所穿過(guò)的粘結(jié)性結(jié)構(gòu)(如圖3中所示)，這可以容易地理解。粘結(jié)性結(jié)構(gòu)越寬、存在的力矢量越小，則基體結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。所有有效孔隙之間的較寬的面積還允許更多的普通精細(xì)結(jié)構(gòu)填料如圬工砂顆粒作為填料裝入而不影響粘結(jié)性結(jié)構(gòu)的完整性，并且需要較少的水泥。更多量的短原纖化微纖維也可以更容易地裝入較寬的粘結(jié)性結(jié)構(gòu)中以增加其抗拉強(qiáng)度而不影響混凝土塌落度。分隔有效孔隙的粘結(jié)性結(jié)構(gòu)越寬和越密集，混凝土越不透水。如申請(qǐng)人所發(fā)現(xiàn)的，他的與多孔基體密度相同的混凝土基體將引起所有有效孔隙之間的這種增寬效應(yīng)，所述混凝土基體具有由基體60中的非結(jié)構(gòu)集料62產(chǎn)生的一定量的較大的有效孔隙和由另一種非結(jié)構(gòu)填料或夾帶空氣的胞室70產(chǎn)生的一定量的較小的有效孔隙(如圖5中所示)，。申請(qǐng)人還發(fā)現(xiàn)在木螺釘或釘子穿入時(shí)，基體60中所存在的一定量的較大的有效孔隙(如圖5中所示)將大大減少裂縫擴(kuò)展。在緊固件穿入點(diǎn)周圍的較大的有效孔隙可以作為用于已移位的粉碎材料(displacedcrushedmaterial)的存儲(chǔ)空間且可以減少擴(kuò)展壓力。通過(guò)大量試驗(yàn)，申請(qǐng)人的混凝土表現(xiàn)得像木材一樣，例如，如果要使用具有范圍為每英寸8到11個(gè)螺紋的螺紋以及0.10"到0.137"的直徑的常規(guī)的喇叭頭木螺釘和使用13GT型釘?shù)那闆r。申請(qǐng)人:的理想混凝土基體，如圖5中所示，具有兩種不同尺寸的兩種非結(jié)構(gòu)集料分布。較大的集料是諸如膨脹珍珠巖、膨脹聚苯乙烯珠或這兩者的組合的非結(jié)構(gòu)填料；較小的非結(jié)構(gòu)集料是夾帶的氣室或另一種非結(jié)構(gòu)填料或這兩者的組合。優(yōu)選膨脹珍珠巖(一種吸收性材料)和膨脹聚苯乙烯珠(一種無(wú)吸收性材料)的組合，因?yàn)樗畬?duì)水泥比率(w/c)可以是非常低的。由于膨脹珍珠巖集料是吸收性材料，任何人可以調(diào)整它相對(duì)于聚苯乙烯珠的比率以在混凝土凝固前從混合料中吸收出適量的水。兩種尺寸分布的這兩種尺寸的集料的目的是產(chǎn)生貫穿混凝土基體均勻分布的兩種不同尺寸的有效孔隙，如圖5中所示，以使混凝土基體變輕、增強(qiáng)混凝土基體的強(qiáng)度/重量比并使混凝土基體能擰和能釘。較大的非結(jié)構(gòu)填料必須具有1到2.5mm范圍內(nèi)的平均粒度，具有可能的最小變化。較小的夾帶的氣室或有效孔隙必須具有不大于非結(jié)構(gòu)填料平均分布尺寸(meandistributionsize)的70%的平均分布尺寸。在一個(gè)理想方案中，非結(jié)構(gòu)集料和氣室的尺寸分布應(yīng)具有零變化(zerovariance)。然而，在膨脹珍珠巖或任何膨脹填料的實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)尺寸變化。因此，在混凝土中至少75%的膨脹珍珠巖量應(yīng)在從平均尺寸的中心起+/-0.6mm的范圍內(nèi)。如果非結(jié)構(gòu)填料的尺寸變化太大，則混凝土基體不像在整個(gè)混凝土內(nèi)部的所有區(qū)域中所定義的那樣一致或正確。類似地，夾帶的氣室尺寸分布必須具有在微觀(microscopic)到0.6mm的范圍內(nèi)的平均值，具有可能的最小變化?；炷林杏芍T如膨脹珍珠巖或聚苯乙烯珠或這兩者的組合的非結(jié)構(gòu)填料的量所產(chǎn)生的較大的有效孔隙的總體積必須在8%到25%的總混凝土體積的范圍內(nèi)。由夾帶的氣室或另一種非結(jié)構(gòu)填料所產(chǎn)生的較小的有效孔隙的總體積必須在5%到20%的總混凝土體積的范圍內(nèi)。包封非結(jié)構(gòu)集料和氣室兩者的固體的支承結(jié)構(gòu)包括任何粘結(jié)劑(cementitiousbinder)、火山灰、任選的微纖維以及具有ASTMC144中所規(guī)定的不大于圬工砂粒度的粒級(jí)的精細(xì)結(jié)構(gòu)填料。作為申請(qǐng)人的基體的一個(gè)示例性應(yīng)用(如圖5中所示)，申請(qǐng)人還使用容易獲得的常見成分配制了此基體的理想混合料以使其經(jīng)濟(jì)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施方案，混凝土混合物包括(1)1.05到1.75體積份的硅酸鹽水泥I或III或諸如K型、M型或S型的改性硅酸鹽水泥；(2)0.40到1.25體積份的F級(jí)或C級(jí)粉煤灰；(3)1.15到1.85體積份的圬工砂或其它類似粒度大小的細(xì)集料；(4)0.75到1.85體積份的膨脹集料如膨脹珍珠巖或膨脹聚苯乙烯珠或膨脹珍珠巖與膨脹聚苯乙烯珠的組合，其平均尺寸分布在Imm到2.5mm之間，顆粒的至少75%的量落入從平均尺寸的中心起+/-0.6mm的范圍內(nèi)；(5)0.65到1.20體積份的水或維持(水/水泥)重量比在0.37到0.6的范圍內(nèi)；(6)任選的短原纖化PVA纖維或其它的微纖維，用于強(qiáng)化其基體，所述強(qiáng)化其基體是在不使用鋼絲網(wǎng)的應(yīng)用中進(jìn)行裂縫控制和結(jié)構(gòu)強(qiáng)化所要求的，短原纖化PVA纖維或其它的微纖維的量占混凝土體積的0.25%到3%；(7)在混凝土中產(chǎn)生5%到20%的夾帶的空氣的量的空氣夾帶混合物，其平均胞室尺寸小于平均膨脹集料尺寸的70%；(8)獲得所期望的塌落度的量的高效減水劑混合物；以及(9)任選的防水混合物，例如EuclidChemicalCompany的BlockTite禾口PenetronInternational的PenetronAdmix，以進(jìn)一步增加混凝土的不透水性。制備并成功地測(cè)試了基于此理想混凝土混合料的樣品。用于所有樣品的混凝土混合料包含1.40體積份的K型硅酸鹽水泥；1.00體積份的F級(jí)粉煤灰；1.60體積份的圬工砂；1.00到1.34體積份的50%的膨脹珍珠巖與50%的膨脹聚苯乙烯珠，75%的顆粒落在1.2mm和1.8mm之間；0.91體積份的水；0.0135體積份的Sikament6100(—種高效減水劑混合物)；0.00342到0.00548體積份的SikaAir(一種空氣夾帶混合物)，取決于在混凝土中獲得一定的密度所需的總氣體體積；以及1.2%混凝土體積的由KurarayAmerica生產(chǎn)的尺寸為8mm和12mm的原纖化PVA。用于此混凝土的混合工藝與工業(yè)上用于珍珠巖混凝土的運(yùn)送拌合程序相同。在此混合程序中，在粘結(jié)性的混合料變成漿料后緩慢加入干的膨脹珍珠巖。由于干的膨脹珍珠巖將從漿料(slur)中緩慢吸收出水，混合料在其凝固前通常將損失其塌落度。在凝固時(shí)間，混合料的有效水/水泥比率會(huì)較低。樣品的強(qiáng)度和密度結(jié)果在下表#1中顯示。表#1密度估計(jì)的總珍估計(jì)的總空總有效孔隙28天時(shí)的抗壓30天時(shí)的抗壓(lbs/ft3)珠巖體積氣體積體積_強(qiáng)度(psi)強(qiáng)度(MPa)8822.0%15.0%37.0%3,00020.6849418.0%15.0%33.0%3,80026.20010115.0%13%28%5,00034.473109_15.0%_^0%_23.0%_6,000_41.368測(cè)試密度為941bs/ft3的樣品，用#6喇叭頭木螺釘測(cè)試擰能力，并用13GT型釘測(cè)試釘能力。在螺釘?shù)臏y(cè)試中，擰入混凝土可以像擰入木材那樣容易而無(wú)需導(dǎo)向孔。在擰或釘?shù)倪^(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)裂縫。事實(shí)上，螺釘和釘子的握持強(qiáng)度都大于木材的握持強(qiáng)度。螺釘和釘子兩者在5/8"穿入深度處測(cè)試。最大握持強(qiáng)度使用應(yīng)用于緊固件的牽引裝置來(lái)測(cè)量。測(cè)試并比較了1"厚的混凝土樣品和松木。這些牽引試驗(yàn)的結(jié)果在下表#2中顯示。表#2<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>在用50/50膨脹珍珠巖與膨脹聚苯乙烯珠的組合作為非結(jié)構(gòu)集料而制備的樣品中，混合料具有更好的流動(dòng)性和自密實(shí)性，需要較少的水。由于珍珠巖是吸水性的而聚苯乙烯珠不是，所以集料的比率可取決于在混凝土固化時(shí)要從混合物中吸收出多少水而改變。這是一種更好地控制混合料的有效水/水泥比率的有價(jià)值的技術(shù)。如前所述，申請(qǐng)人的混凝土設(shè)計(jì)方面的新方法并不是用諸如膨脹頁(yè)巖或其類似物的低密度結(jié)構(gòu)集料常規(guī)地替代正常密度的結(jié)構(gòu)集料。相反地，新的混凝土設(shè)計(jì)依賴于申請(qǐng)人對(duì)新型混凝土基體的發(fā)現(xiàn)和理解具有兩種不同但相關(guān)的有效孔隙尺寸分布和減少混合料中水對(duì)水泥比率的能力的基體。這兩種尺寸分布的關(guān)系對(duì)于其性質(zhì)極其重要。較大的非結(jié)構(gòu)集料是諸如膨脹珍珠巖或聚苯乙烯珠或膨脹珍珠巖與膨脹聚苯乙烯珠的組合的非結(jié)構(gòu)填料；較小的非結(jié)構(gòu)集料是夾帶的氣室或另一種非結(jié)構(gòu)填料或這兩者的組合。具有兩種不同但相關(guān)的尺寸分布的這兩種尺寸的集料的目的是在混凝土基體中產(chǎn)生貫穿混凝土基體均勻分布的兩種不同尺寸的有效孔隙，以使其變輕，增強(qiáng)其強(qiáng)度/重量比率，以及使其能擰和能釘。較大的非結(jié)構(gòu)填料應(yīng)具有在1到2.5mm范圍內(nèi)的平均尺寸，具有可能的最小粒度變化。較小的非結(jié)構(gòu)集料應(yīng)具有不大于較大的非結(jié)構(gòu)填料平均尺寸的70%的平均尺寸，具有類似的小的粒度變化。因此，本發(fā)明有利地提供了一種獨(dú)特的輕質(zhì)混凝土，其具有類似于木材的結(jié)構(gòu)性能以及擰能力和釘能力的性能。本發(fā)明的這一混凝土結(jié)構(gòu)建筑材料可被制成用于建筑目的的各種形狀和結(jié)構(gòu)，包括但不限于實(shí)心砌塊、預(yù)先成形的空心砌塊、內(nèi)墻及外墻系統(tǒng)、用于梁的預(yù)制模板、楣、窗臺(tái)、柱、預(yù)制板、共用設(shè)施箱(utilityboxes)、管、藝術(shù)及建筑形式、吊頂板(dropceilingpanel)、隔音板、屋面瓦、板、框和其它合適的內(nèi)部及外部建筑部件。此外，本發(fā)明的材料還可以用于海洋應(yīng)用、航空應(yīng)用和汽車應(yīng)用的管路。為了論證其新型輕質(zhì)結(jié)構(gòu)混凝土的價(jià)值，申請(qǐng)人提出了一個(gè)使用其輕質(zhì)混凝土的實(shí)際的原型(prototype)住宅墻板的圖樣的實(shí)例。如圖10中所示，此墻板是承重墻且可以在其類別中含有最少量的材料(混凝土和鋼材)。應(yīng)注意板90只在其肋條和頂梁中含有鋼筋92來(lái)用于結(jié)構(gòu)強(qiáng)化。飾面91只有5/8"厚且沒(méi)有任何鋼絲網(wǎng)強(qiáng)化和與之相關(guān)的勞動(dòng)。由于板的飾面91是5/8"厚且具有較低密度，根據(jù)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)該板是非常輕的，而且該板使用了比其它現(xiàn)有的混凝土墻板少得多的混凝土。在墻壁應(yīng)用中使用較少的水泥和鋼材不僅經(jīng)濟(jì)而且還更為環(huán)境友好。我們知道，使用較少的水泥和鋼材將減少所需的能量和二氧化碳排放。只是由于申請(qǐng)人的混凝土的新性質(zhì)才使這種板成為可能。雖然已經(jīng)說(shuō)明和描述了被視為本發(fā)明的示例性實(shí)施方案的內(nèi)容，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解并隨著技術(shù)發(fā)展應(yīng)理解，在沒(méi)有背離本發(fā)明的真實(shí)范圍情況下，可以進(jìn)行各種改變和修改，且等價(jià)物可以替代本發(fā)明的要素。可以進(jìn)行許多修改、變更、增加和子組合以使本發(fā)明的教導(dǎo)適應(yīng)特定情形而沒(méi)有背離本發(fā)明的范圍。相應(yīng)地，因此希望本發(fā)明并不限于所公開的各種示例性實(shí)施方案，而是本發(fā)明包括落入所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有實(shí)施方案。權(quán)利要求一種能夠使用傳統(tǒng)的接合工具來(lái)擰和釘?shù)母邚?qiáng)度輕質(zhì)混凝土混合料，其包括大尺寸的非結(jié)構(gòu)輕集料，所述大尺寸的非結(jié)構(gòu)輕集料平均粒度在1mm到2.5mm之間且最大顆粒與最小顆粒間具有最窄可能尺寸差異，占8％到25％之間的總混凝土體積；小尺寸的非結(jié)構(gòu)輕集料，所述小尺寸的非結(jié)構(gòu)輕集料平均粒度不大于較大的非結(jié)構(gòu)填料的平均粒度的70％，且具有最小可能粒度變化，占5％到20％之間的所述總混凝土體積；和稠密的粘結(jié)性組合物，包括水泥粘合劑、火山灰、任選的短原纖化纖維以及精細(xì)結(jié)構(gòu)填料，占剩余的55％到87％的總混凝土體積。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)度輕質(zhì)混凝土混合料，其中所述精細(xì)結(jié)構(gòu)填料是符合ASTMC144或ASTMC33規(guī)范的至少75%含砂量的圬工砂或混凝土用砂。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)度輕質(zhì)混凝土混合料，其中大尺寸的非結(jié)構(gòu)膨脹集料是諸如膨脹珍珠巖(一種吸水性材料)、或膨脹聚苯乙烯珠(一種無(wú)吸收性材料)、或這兩者的組合；并且其中所述小的非結(jié)構(gòu)集料是夾帶的氣室、或諸如膨脹聚苯乙烯珠的膨脹礫石、或這兩者的組合。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高強(qiáng)度輕質(zhì)混凝土混合料，其還包括吸水性非結(jié)構(gòu)集料和無(wú)吸收性非結(jié)構(gòu)集料的組合，例如膨脹珍珠巖與膨脹聚苯乙烯珠的組合，其中可調(diào)整膨脹珍珠巖與膨脹聚苯乙烯珠的比率以控制在凝固前從所述混凝土混合料中吸收出的水量，由此在所述粘結(jié)性組合物中得到低的水/水泥比率。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)度輕質(zhì)混凝土混合料，其還包括在所述稠密的粘結(jié)性組合物中的任選的短原纖化PVA纖維，占0.25%到3%的總混凝土體積。6.一種高強(qiáng)度輕質(zhì)混凝土混合料，其包括(a)1.05到1.75體積份的硅酸鹽水泥或K型、M型或S型改性硅酸鹽水泥；(b)0.40到1.25體積份的F級(jí)或C級(jí)粉煤灰；(C)l.15到1.85體積份的如ASTMC144規(guī)范中定義的圬工砂或尺寸不大于圬工砂的精細(xì)結(jié)構(gòu)填料；(d)0.75到1.85體積份的非結(jié)構(gòu)集料，如膨脹珍珠巖或膨脹聚苯乙烯珠或膨脹珍珠巖與膨脹聚苯乙烯珠的組合，其平均尺寸分布在Imm到2.5mm之間且顆粒的至少75%的量落入從所述平均尺寸的中心起+/-0.6mm范圍內(nèi)。(e)0.65到1.20體積份的水或水對(duì)水泥(W/C)比率在0.4到0.67的范圍內(nèi)；(f)預(yù)定量的高效減水劑以達(dá)到期望的塌落度、可加工性或自密實(shí)水平；以及(g)預(yù)定量的空氣夾帶混合物以產(chǎn)生5%到20%的夾帶的空氣，所述夾帶的空氣的胞室尺寸分布平均值不大于所述混凝土中所述非結(jié)構(gòu)集料的尺寸分布平均值的70%。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高強(qiáng)度輕質(zhì)混凝土混合料，其還包括占0.20%到3%的總混凝土體積的量的短原纖化PVA纖維或其它的結(jié)構(gòu)微纖維以強(qiáng)化所述混凝土，以便在不使用鋼絲網(wǎng)的應(yīng)用中防止裂縫擴(kuò)展并提供結(jié)構(gòu)強(qiáng)化。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高強(qiáng)度輕質(zhì)混凝土混合料，其還包括防水混合物以減少所述混凝土的蒸汽滲透性和透水性。9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高強(qiáng)度輕質(zhì)混凝土混合料，其中所述0.75到1.85體積份的非結(jié)構(gòu)集料包括膨脹珍珠巖(一種吸水性材料)與膨脹聚苯乙烯珠(一種無(wú)吸收性材料)的組合，其中珍珠巖與聚苯乙烯珠的比率可依賴于在所述混凝土凝固前從所述混凝土混合料中吸收出的所期望的水量而變化。10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高強(qiáng)度輕質(zhì)混凝土混合料，其中所述夾帶的氣室可以部分地用另一種類似粒度大小的非結(jié)構(gòu)集料例如膨脹聚苯乙烯珠來(lái)替代，以便氣室和膨脹聚苯乙烯珠的平均尺寸低于所述較大的非結(jié)構(gòu)集料的平均尺寸的70%，且氣室與膨脹聚苯乙烯珠兩者的總體積在5%到20%的總混凝土體積的范圍內(nèi)。全文摘要一種具有類似于木材的擰能力和釘能力的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)混凝土，其包括具有特定尺寸分布及體積量的非結(jié)構(gòu)及超輕集料如膨脹珍珠巖或膨脹珍珠巖與聚苯乙烯珠的組合；具有另一種特定的尺寸分布及體積量的夾帶的氣室；以及水泥粘合劑、不大于混凝土用砂級(jí)的細(xì)粒級(jí)結(jié)構(gòu)填料、火山灰和任選的微纖維的稠密的粘結(jié)性組合物用于強(qiáng)化。優(yōu)化了此結(jié)構(gòu)混凝土基體以固定13號(hào)T型釘和喇叭頭木螺釘，所述喇叭頭木螺釘具有范圍為每英寸8到11個(gè)螺紋的螺紋以及0.10″到0.137″的直徑。所得的混凝土將具有類似于木材的一致的擰能力和釘能力。文檔編號(hào)C04B14/18GK101821215SQ200880110794公開日2010年9月1日申請(qǐng)日期2008年9月10日優(yōu)先權(quán)日2007年9月10日發(fā)明者薩安·H·布伊申請(qǐng)人:薩安·H·布伊