鋪路石和砌塊復(fù)合材料以及其制備方法
【專利說明】鋪路石和棚塊復(fù)合材料從及其制備方法
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請要求2013年3月13日提出申請的共同代決美國臨時專利申請?zhí)?1/780,592 的優(yōu)先權(quán)W及權(quán)益，該申請W引用的方式全部并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明大體而言設(shè)及新穎的復(fù)合材料，所述復(fù)合材料可W用作鋪路石或用作建筑 擱塊。更具體地，本發(fā)明設(shè)及合成的鋪路石和建筑擱塊材料W及其由包括水和二氧化碳的 各種低成本原材料的制備。所述復(fù)合材料適合于建筑、基礎(chǔ)設(shè)施、藝術(shù)品W及裝演中的各種 用途。
【背景技術(shù)】
[0004] 自古W來，人們已知并且使用石材作為建筑材料。石材的獨特美學(xué)和物理特性使 得石材成為房屋與建筑W及裝飾藝術(shù)與雕塑中的理想材料。
[0005] 鋪路石為通過使用誘鑄工藝、壓制工藝、壓實工藝、或振動與壓制的組合制成的混 凝±擱塊。鋪路石大體而言W互鎖圖案鋪擱。所述鋪路石有時還被稱為鋪路石材。所述鋪路 石在使用壽命期間可W被損壞時用新的鋪路石移除，從而減少任何的服務(wù)中斷。互鎖鋪路 石可W設(shè)計成在圖案之間具有間隙，提供該間隙用于將水排出到下層。
[0006] ASTM C 936提供混凝±鋪路石需要滿足的但不限于W下各項的標(biāo)準(zhǔn):800化si的 平均抗壓強度；不大于5%的平均吸水率；W及對至少50個凍融循環(huán)平均材料損壞不超過 1%的抵抗力。除所述ASTM要求之外，還可能希望鋪路石滿足額外要求，包括減少的風(fēng)化(例 如，減少反應(yīng)產(chǎn)物由于濃度梯度的析出）、良好的保色性W及取決于鋪路石用于何處的耐磨 性。
[0007] 類似鋪路石，擱塊也是通過誘鑄或壓制工藝或類似的壓實工藝生產(chǎn)的預(yù)誘鑄混凝 ±。擱塊也被稱為混凝±擱筑單元(Concrete masonry unit;CMU)、空屯、擱塊W及混凝±擱 塊。當(dāng)擱塊由飛灰制成時，所述擱塊被稱為煤渣擱塊。所述擱塊通常具有空屯、結(jié)構(gòu)。已努力 研究人工或人造鋪路石材W及建筑擱塊材料，W用低成本易生產(chǎn)的仿制品替代昂貴且稀缺 的天然材料。然而，所述努力尚未生產(chǎn)出具有期望的石材的外觀、紋理、密度、硬度、孔隙度 W及其他美學(xué)特性并同時可W在環(huán)境影響最小的情況下W低成本大量制造的合成材料。 [000引預(yù)期擱塊相比于黏±磚提供更好的結(jié)構(gòu)性質(zhì)（用于承重擱筑結(jié)構(gòu)及在制造擱 筑墻時提供更平滑的表面。另外，互鎖混凝±擱筑單元不需要砂漿來黏合所述單元。一些擱 塊可W用W建造空屯、結(jié)構(gòu)，該空屯、結(jié)構(gòu)相比于實屯、結(jié)構(gòu)產(chǎn)生良好的隔音性W及隔熱性。
[0009] 擱塊需要大體上符合承重混凝±擱筑單元標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范ASTM C90的要求。符合該標(biāo)準(zhǔn) 的擱塊在強度、幾何結(jié)構(gòu)、耐久性W及耐火性上確保是可W接受的，并且所述擱塊用于標(biāo)準(zhǔn) 商業(yè)建設(shè)項目是大體上可W接受的。
[0010] 大多數(shù)人工石材仿制品通過將天然石材粉末W及礦物微粒與波特蘭水泥 (Portland Cement)滲混而制備。將天然石材、礦物與水泥滲混物與水混合、形成為想獲得 的形狀并且固化。該方法受眾多缺陷影響，包括不良的重現(xiàn)性、低產(chǎn)率、劣化、高加工成本、 不盡人意的機械性質(zhì)等。
[0011] 其他人工石材仿制品通過將天然石材粉末W及礦物與合成樹脂(例如，丙締酸、不 飽和聚醋、環(huán)氧樹脂)滲混而制備。該方法也受眾多缺陷影響，包括不良的重現(xiàn)性、低產(chǎn)率、 劣化、高加工成本、不盡人意的機械性質(zhì)等。
[0012] 此外，現(xiàn)有方法通常設(shè)及大能量消耗W及具有不利的碳足跡的二氧化碳排放。
[0013] 存在對新穎的復(fù)合鋪路石材W及建筑擱塊材料的持續(xù)需要，所述鋪路石材W及建 筑擱塊材料展現(xiàn)良好的美學(xué)W及物理特性，并且能夠W低成本在改良的能量消耗W及理想 的碳足跡的情況下大量生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 本發(fā)明部分地基于對新穎的鋪路石材W及建筑擱塊復(fù)合材料的出乎意料的發(fā)現(xiàn)， 所述材料可W通過適合于大規(guī)模生產(chǎn)的工藝由廣泛可用的呈顆粒形式的低成本原材料容 易地生產(chǎn)。原材料包括微粒狀前體材料W及微粒狀填充材料，所述微粒狀前體材料包含成 為接合單元的微粒狀娃酸巧(例如，研磨娃灰石），所述微粒狀填充材料包括礦物質(zhì)（例如， 石英W及其他含Si化材料、云母W及長石）。流體組分也作為反應(yīng)介質(zhì)提供，其包含液態(tài)水 和/或水蒸氣W及試劑二氧化碳(0)2)。添加劑材料可W包括天然或回收材料W及富含碳酸 巧和富含碳酸儀的材料，W及流體組分的添加劑，諸如水溶性分散劑。各種添加劑可W用來 微調(diào)所得復(fù)合建筑材料的物理外觀W及機械性質(zhì)，所述添加劑諸如:有色材料的顆粒，有色 材料諸如有色玻璃、有色砂粒W及有色石英顆粒；W及顏料(例如，黑色氧化鐵、氧化鉆W及 氧化銘）?？蒞使用術(shù)語"著色劑"大體上指代有色材料W及顏料中的任一者或兩者。為了模 仿鋪路石材W及建筑擱塊的外觀，微粒狀填充材料可W包括精細(xì)顆粒。為了提供硬度精細(xì) 顆粒可W是Si化系材料，或者精細(xì)顆?？蒞包含各種材料，包括砂粒、選自礦物W及添加劑 材料的研磨、壓碎或W其他方式粉碎的物質(zhì)。
[0015] 在各種實施例中，本發(fā)明提供一種模仿類似石材物件的外觀W及"感覺(feeir的 產(chǎn)品。舉例而言，描述一種合成鋪路石產(chǎn)品。該產(chǎn)品通過使用模具制造。鋪路石的模具構(gòu)造 為模仿通常在真實的石材鋪路石中觀察到的形狀與表面凹凸的結(jié)構(gòu)的物理"相反物 (negative)"，W使得誘鑄合成鋪路石生產(chǎn)為具有賦予真實石材鋪路石的表面外觀W及物 理"感覺"的表面特征。表面特征可W包括W下中的任一者:表面凹凸和/或粗糖、相鄰鋪路 石之間的空間、從一塊石材過渡到相鄰石材時發(fā)生的表面高度變化、W及模仿一塊石材和/ 或彼此相鄰的多塊石材的類似特征。
[0016] 所述鋪路石材W及建筑擱塊復(fù)合材料展現(xiàn)石材典型的表面特征并且顯示相比于 天然石材可W接受的抗壓強度W及吸水率。另外，可W使用高效的氣體輔助熱液液相燒結(jié) 化LPS)工藝W低成本并在大大改善能量消耗W及碳足跡的情況下生產(chǎn)本發(fā)明的復(fù)合建筑 材料。事實上，在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，將C〇2作為反應(yīng)性物種消耗，從而導(dǎo)致C〇2的凈固 存。
[0017] 根據(jù)一個方面，本發(fā)明的特征為一種復(fù)合建筑材料。該復(fù)合建筑材料包含:多個接 合單元，其中每個接合單元包含:主要包含娃酸巧的核屯、，富含二氧化娃的第一層或內(nèi)層， W及富含碳酸巧的第二層或外層；W及包含精細(xì)填充顆粒的多個填充顆粒，其中多個接合 單元w及多個填充顆粒一起形成一個w上接合基質(zhì)，并且接合單元w及填充顆粒構(gòu)造成由 于反應(yīng)而接合在一起，在所述反應(yīng)中，存在包含多于50 %的二氧化碳的氣氛。該復(fù)合建筑材 料W鋪路石材或建筑擱塊的形式提供。
[0018] 在一個實施例中，接合單元W及填充顆粒構(gòu)造成由于反應(yīng)而接合在一起，在該反 應(yīng)中，存在包含多于80%的二氧化碳的氣氛。
[0019] 在又一實施例中，該復(fù)合建筑材料進(jìn)一步包含著色劑。
[0020] 在再一實施例中，多個接合單元具有在約如m至約lOOjim的范圍內(nèi)的中值粒徑。
[0021] 在另一實施例中，填充顆粒由富含二氧化娃的材料制成。
[0022] 在又一實施例中，多個填充顆粒包含石英、云母W及長石中的一種W上。
[0023] 在額外實施例中，多個接合單元由研磨娃灰石化學(xué)轉(zhuǎn)化而成。
[0024] 在一個其他實施例中，多個接合單元由除娃灰石之外的前體娃酸巧化學(xué)轉(zhuǎn)化而 成。
[0025] 在再一實施例中，多個接合單元由包含侶、儀W及鐵中的一種W上的前體娃酸巧 化學(xué)轉(zhuǎn)化而成。
[0026] 在一個實施例中，著色劑包含氧化鐵、氧化鉆W及氧化銘中的一種W上。
[0027] 在另一實施例中，接合單元與填充顆粒的重量比為約8-50:50-92。
[002引在另一實施例中，接合單元與填充顆粒的重量比為約5-50:50-95。
[0029] 在又一實施例中，著色劑W0重量％至約10重量％的量存在。
[0030] 在又一實施例中，多個接合單元通過使研磨娃灰石通過受控?zé)嵋阂合酂Y(jié)工藝與 C〇2反應(yīng)而由研磨娃灰石化學(xué)轉(zhuǎn)化而制備。
[0031 ]在另一實施例中，多個接合單元通過使除娃灰石之外的前體娃酸巧通過受控?zé)嵋?液相燒結(jié)工藝與C〇2反應(yīng)而由除娃灰石之外的前體娃酸巧化學(xué)轉(zhuǎn)化而制備。
[0032] 在又一實施例中，復(fù)合建筑材料具有50MPa至300MPa范圍內(nèi)的抗壓強度W及5MPa 至30MPa范圍內(nèi)的曉曲強度。
[0033] 在另一實施例中，復(fù)合建筑材料具有l(wèi)OMPa至300MPa范圍內(nèi)的抗壓強度W及IMPa 至30MPa范圍內(nèi)的曉曲強度。
[0034] 在額外實施例中，復(fù)合建筑材料具有小于約10%的吸水率。
[0035] 在一個其他實施例中，復(fù)合建筑材料展現(xiàn)類似于石材的視覺圖案。
[0036] 根據(jù)另一方面，本發(fā)明設(shè)及一種由任意前述實施例中所描述的復(fù)合建筑材料制成 的制品。
[0037] 根據(jù)另一方面，本發(fā)明設(shè)及一種用于制備復(fù)合建筑材料的方法。該方法包含W下 步驟:混合微粒狀組成物W及液體組成物W形成漿料混合物，其中該微粒狀組成物包含:具 有在約Ιμπι至約100μπι的范圍內(nèi)的中值粒徑的研磨娃酸巧，W及包含精細(xì)顆粒的多個填充顆 粒，且其中所述液體組成物包含:水，W及分散劑;將漿料混合物放料在模具中；壓實模具內(nèi) 的漿料混合物；W及在水和C〇2的氣氛下于約20°C至約150°C的范圍內(nèi)的溫度下固化漿料混 合物約1小時至約80小時W產(chǎn)生復(fù)合建筑材料，該氣氛具有范圍為從環(huán)境大氣壓力至環(huán)境 壓力W上約60psi的壓力且具有范圍為約10%至約90%的C〇2濃度。該復(fù)合建筑材料W壓制 的鋪路石材或壓制的建筑擱塊的形式提供。
[0038] 在一個實施例中，該方法進(jìn)一步包含W下步驟:在漿料混合物放料至模具中W及 在模具內(nèi)壓實時，振動模具。
[0039] 在另一實施例中，微粒狀組成物進(jìn)一步包含著色劑。
[0040] 在又一實施例中，在蒸氣下于約60°C至約110°C的范圍內(nèi)的溫度下執(zhí)行約15小時 至約70小時的混合物固化，該蒸氣包含水和C〇2且具有在約環(huán)境大氣壓力至環(huán)境大氣壓力 W上約30psi的范圍內(nèi)的壓力。
[0041] 在再一實施例中，在蒸氣下于約60°C至約100°C的范圍內(nèi)的溫度下執(zhí)行約20小時 至約60小時的混合物固化，該蒸氣包含水和C〇2且具有在約環(huán)境大氣壓力至環(huán)境大氣壓力 W上約30psi的范圍內(nèi)的壓力。
[0042] 在另一實施例中，在蒸氣下于等于或低于約60°C的溫度下執(zhí)行約6小時至約50小 時的混合物固化，該蒸氣包含水和C〇2且具有環(huán)境大氣壓力。
[0043] 在又一實施例中，研磨娃酸巧包含研磨娃灰石，并且包含精細(xì)顆粒的多個填充顆 粒包含富含二氧化娃的材料。
[0044] 在額外實施例中，研磨娃灰石具有約扣m至約50μηι的中值粒徑、約0.6g/mL至約 0.8g/mL (疏松似及約1. Og/血至約1.2g/mL (密實）的容積密度、約1.5m Vg至約2. Om Vg的表 面積。
[0045] 在一個其他實施例中，包含精細(xì)顆粒的多個填充顆粒包含石英、云母W及長石中 的一種W上。
[0046] 在再一實施例中，微粒狀組成物包含顏料，該顏料包含金屬氧化物。
[0047] 在一個實施例中，微粒狀組成物包含玻璃材料，該玻璃材料具有選自黑色、白色、 紅色、黃色W及棟色的顏色。
[004引在另一實施例中，液體組成物包含水W及分散劑，該分散劑包含具有液體組成物 的約0.1 %至約2 % w/w的濃度的聚合物鹽。
[0049] 在又一實施例中，聚合物鹽為丙締酸均聚物鹽。
[(K)加]在再一實施例中，微粒狀組成物包含約25 % w/w的研磨娃酸巧W及約70 %至約 75 % w/w的二氧化娃系材料。
[0051 ]在另一實施例中，研磨娃酸巧主要為研磨娃灰石，且二氧化娃系材料主要為選自 由玻璃、石英W及砂粒所組成的組中的材料。
[0052] 在額外方面中，本發(fā)明的特征為一種復(fù)合建筑材料，該材料通過根據(jù)任意前述方 法中的方法制備。
[0053] 在一個其他實施例中，復(fù)合建筑材料具有約50M化至約300M化的抗壓強度W及約 5M化至約30M化的曉曲強度。
[0054] 在再一實施例中，復(fù)合建筑材料具有小于約10%的吸水率。
[0055] 在另一實施例中，復(fù)合建筑材料包含著色劑，該