專利名稱：低自含能量墻板及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及墻板芯(core)的新型組合物和制造該芯的方法。更具體而言，本發(fā)明 提供了與制造常規(guī)的石膏墻板所需的能量相比具有降低的制造墻板所需能量的芯和方法。
背景技術(shù)：
在居民和商業(yè)建筑物的構(gòu)建中使用石膏墻板來(lái)形成內(nèi)墻和天花板，在某些情況下 還用于外墻。由于其相對(duì)容易安裝且需要最少的修整，石膏墻板在構(gòu)建居家和辦公室中是 用于該目的的優(yōu)選材料。石膏墻板由包含堅(jiān)硬的石膏的芯構(gòu)成，芯的表面是用于接收涂層(如油漆)的紙 或其他纖維性材料。通常通過(guò)將主要包含煅燒石膏的水性芯的漿置于兩片紙層之間，從而 形成夾層結(jié)構(gòu)來(lái)制造石膏墻板。各種類型的封面紙或類似的功能性部件是本領(lǐng)域已知的。 水性石膏芯的漿需要凝固或硬化，這是通過(guò)再水化煅燒石膏、通常再在干燥器中進(jìn)行熱處 理以除去過(guò)量的水來(lái)實(shí)現(xiàn)的。石膏漿凝固(即與水性漿中存在的水反應(yīng))和干燥以后，將 形成的片切割成所需的大小。用于制造石膏墻板的方法是本領(lǐng)域公知的。用于制造石膏墻板的芯組合物的常規(guī)方法最初包括在高速、持續(xù)混合裝置中預(yù)混 合干的成分。干的成分通常包括硫酸鈣半水合物(粉飾灰泥)、促凝劑和防干劑(如淀粉)。 干的成分在攪拌器裝置中與芯組合物的“濕的”(水性)部分混合。濕的部分可以包括包含 水、紙漿和可選的一種或多種流動(dòng)性增加劑和凝固阻滯劑的混合物的第一組分。紙漿溶液 提供主要部分的水，用于形成芯組合物的石膏漿。濕的第二組分可以包括前述強(qiáng)化劑、泡沫 和其他常規(guī)添加劑(如果需要的話)的混合物。同時(shí)，前述干和濕的部分包括最終形成石 膏墻板芯的石膏漿。石膏墻板芯的主要成分是硫酸鈣半水合物，通常也被稱為“煅燒石膏”、“粉飾灰 泥”或“熟石膏”。粉飾灰泥具有多種理想的物理性質(zhì)，包括但不限于耐火性、熱穩(wěn)定性和 液體比重測(cè)定的尺寸穩(wěn)定性、抗壓強(qiáng)度和中性PH。通常，通過(guò)干燥、碾磨和煅燒天然石膏石 (即硫酸鈣二水合物)來(lái)制備粉飾灰泥。制造粉飾灰泥中的干燥步驟包括使粗石膏石通過(guò) 旋轉(zhuǎn)窯，以除去石頭中存在的任何水分，例如雨水或雪水。然后將干燥的石頭碾磨成需要的 細(xì)度。不考慮其預(yù)期的用途，干燥的精細(xì)磨碎的石膏可以稱為“石膏粉”。石膏粉用作煅燒 過(guò)程的原料，轉(zhuǎn)化成粉飾灰泥。制造粉飾灰泥中的煅燒(或脫水)步驟是通過(guò)加熱石膏粉進(jìn)行的，其產(chǎn)生硫酸鈣 半水合物(粉飾灰泥)和水蒸氣。該煅燒方法的步驟是在“煅燒爐”中進(jìn)行的，本領(lǐng)域普通 技術(shù)人員了解存在幾種已知類型的煅燒爐。煅燒方法本身是能源消耗量大的。美國(guó)專利 5，954，497描述了使用單和多階段裝置來(lái)煅燒石膏的幾種方法，其通過(guò)引用方式結(jié)合在本
4文中。煅燒石膏直接與水反應(yīng)，且當(dāng)以合適的比例與水混合時(shí)可以“凝固”。在常規(guī)制造石膏板過(guò)程中，石膏漿沉積在活動(dòng)的紙(或纖維玻璃墊)基底上。石 膏漿可以包含幾種添加劑，以降低重量和增加其他性質(zhì)?；顒?dòng)的紙或基底自身支持在長(zhǎng)的 活動(dòng)帶上。然后將第二紙基底放到漿上以形成石膏板的第二面，且?jiàn)A層通過(guò)確定石膏板的 寬度和厚度的鋪裝機(jī)(forming station)。在這樣的連續(xù)操作中，石膏漿在通過(guò)鋪裝機(jī)后 開(kāi)始凝固。當(dāng)發(fā)生足夠的凝固以后，將該板切割成商業(yè)上可接受的長(zhǎng)度，然后再進(jìn)入板干燥 器。隨后如果需要的話，修整該板，裝訂，捆扎，運(yùn)輸和儲(chǔ)存以待銷售。大多數(shù)石膏墻板是成片銷售的，每片為4英尺寬和8英尺長(zhǎng)。根據(jù)特定的級(jí)別和 應(yīng)用，片的厚度可為1/4英寸到1英寸，常規(guī)的厚度為1/2英寸或5/8英寸。制造石膏墻板 片的各種尺寸和厚度，用于不同的應(yīng)用。這樣的板容易使用，且可以方便地劃痕(score)和 折斷(snap)，以便以相對(duì)干凈的線折斷它們。根據(jù)某些報(bào)道，制造石膏墻板的方法已經(jīng)超過(guò)100年的歷史。在其發(fā)展的時(shí)候，能 源是充足和便宜的，而且溫室氣體的問(wèn)題也是未知的。這是一個(gè)重要的考慮因素。盡管石 膏墻板技術(shù)在多年中已經(jīng)被改進(jìn)以包括耐火性作為某些墻板的特征，并且石膏墻板測(cè)試已 經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化(如美國(guó)試驗(yàn)與材料協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)化的方法C1396)，但是主要的生產(chǎn)步驟仍然幾乎沒(méi) 有變化，且大多數(shù)的墻板仍然由煅燒石膏制成。如

圖1所示，其描述了制造石膏墻板的典型方法中的主要步驟，石膏墻板制造需 要大量的能量。本文使用的術(shù)語(yǔ)“自含能量(embodied energy) ”可以定義為從原料階段 直到終產(chǎn)品交付的生產(chǎn)產(chǎn)品所需的總能量。如圖1所示，制造石膏墻板中的三個(gè)示例步驟 (步驟102 干燥石膏，步驟103 煅燒石膏，步驟106 干燥板)需要大量的能量。因此，石 膏的自含能量和由其制造排放產(chǎn)生的溫室氣體是非常多的。但是，現(xiàn)今幾乎沒(méi)有能夠替代 石膏墻板的建筑材料。在整個(gè)石膏方法中都需要使用能量。從地面挖掘石膏石后，其必須通常在旋轉(zhuǎn)或 快速干燥器中干燥。然后，其必須被碾碎，繼而進(jìn)行煅燒(雖然通常在干燥之前已被碾碎)。 僅僅用于制備制造方法中所用的石膏，所有的這些過(guò)程就需要大量的能量。煅燒之后，通常 與水混合以形成漿，其開(kāi)始凝固，然后該板(從凝固的漿切割)在大的板干燥器中干燥約 40-60分鐘來(lái)蒸發(fā)掉殘留的水分，該過(guò)程使用大量的能量。在包裝之前通常需要從石膏板 中干燥出高達(dá)每平方英尺1磅(lib)的水。因此，非常理想的是，降低石膏墻板的總自含能 量，從而降低能源消耗和溫室氣體。溫室氣體，特別是CO2，是從燃燒化石燃料中產(chǎn)生的，同時(shí)也是煅燒某些材料的結(jié) 果。因此，由于方法的需要，石膏制造方法產(chǎn)生了大量的溫室氣體。根據(jù)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(National Institute of Standardsand Technology) (NIST-美國(guó)商務(wù)部)，特別是NISTIR 6916，制造石膏墻板需要每磅8，196BTU。 平均5/8英寸厚的石膏板重量大約是75磅，這等于每板具有超過(guò)600，000BTU的總自含能 量。其他消息來(lái)源表明，每板的自含能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于600，000BTU，且在最近建造的工廠中，每 5/8英寸厚度的板的自含能量可以接近100，000BTU。但是，這仍然是相當(dāng)高的。據(jù)估計(jì)，自 含能量占超過(guò)30%的制造成本。隨著能源成本的增加，且如果制定了碳的稅收制度的話，則 從煅燒石膏制造墻板的成本會(huì)直接隨能源的成本一起持續(xù)上升。此外，材料制造商負(fù)有發(fā)現(xiàn)較低依賴性能源替代方法的責(zé)任，該替代方法可以廣泛用于產(chǎn)品中，作為對(duì)抗環(huán)境改變 的全球倡議的一部分。據(jù)估計(jì)，在美國(guó)，制造石膏墻板中使用的能量占所有工業(yè)能量使用的或更多 (以BTU計(jì))。美國(guó)每年使用300-400億平方英尺的墻板，制造這些墻板可以消耗約200萬(wàn) 億的BTU。因此，為了支持高熱的工藝，燃燒化石燃料將多于250億磅的溫室氣體釋放到大 氣中，從而危害環(huán)境，且造成全球氣候的改變。如上所述，石膏墻板的主要成分是硫酸鈣半水合物(煅燒前為脫水硫酸鈣)，其平 均占?jí)Π逍镜?0%至99%。從地殼直接開(kāi)采脫水硫酸鈣或原始石膏石需要開(kāi)采、碾碎和運(yùn) 輸能量。此外，對(duì)環(huán)境增加的關(guān)注要求合理的制造，即通過(guò)使用任何工業(yè)用后廢料來(lái)代替原 始資源(如開(kāi)采的石膏石)?？稍傺h(huán)的副產(chǎn)物存在于許多制造工業(yè)中，舉幾個(gè)例子如產(chǎn)煤 發(fā)電、各種金屬精煉工藝、膨脹珍珠巖的生產(chǎn)以及水泥和石灰窯。降低自含能量的重要方面 是將工業(yè)用后廢料引入墻板芯中，其降低了與地面填平和處理這些不需要的材料相關(guān)的能 量使用。以前的石膏制造方面的努力主要集中在降低石膏板的重量、增加其強(qiáng)度或少量降 低能量的使用。例如，在美國(guó)專利6，699，426描述的方法中，在石膏板中使用添加劑來(lái)減少 干燥時(shí)間，從而降低干燥階段的能量使用。這些嘗試通常明顯地承擔(dān)煅燒石膏(天然或合 成的)的使用，因?yàn)槭鄩Π鍙S商發(fā)現(xiàn)，從頭重新設(shè)計(jì)材料和開(kāi)采程序?qū)⒖赡軗p失數(shù)十億 美元的基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)知識(shí)，并且使他們的石膏礦變得一文不值。因此，考慮到氣候變化，在制造過(guò)程中使用顯著降低能量的墻板制造是理想的。還 需要充分降低或消除在石膏墻板制造中是常見(jiàn)的能源消耗量大的煅燒和干燥步驟。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了墻板組合物和它們的制造方法。本文描述的本發(fā)明的各種方面可以 應(yīng)用在以下闡明的具體應(yīng)用中，或用于各種其他種類的材料中。可以理解的是，本發(fā)明的不 同方面可以獨(dú)立理解，共同理解或相互組合理解。根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了制造新型墻板的新方法。這些結(jié)構(gòu)可以描述為低自 含能量墻板，其為可持續(xù)的建筑材料和基建材料的日益增長(zhǎng)的需求提供了生態(tài)學(xué)的解決方 案。根據(jù)本發(fā)明的該方面提供的產(chǎn)生的新型和生態(tài)學(xué)墻板可以替代大多數(shù)應(yīng)用中的石膏墻 板(稱為石膏板或石膏灰泥板)或防水水泥板。盡管本文描述的新方法可以用于制造墻板， 應(yīng)該理解的是，這些方法還可以應(yīng)用和用于制造其他建筑材料，如屋頂磚、甲板磚、地面磚、 蓋板、水泥板、砌筑塊和其他類似的建筑材料。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，墻板可以包含至少兩種工業(yè)用后廢品，所述工業(yè)用 后廢品包含選自鋼渣、高爐渣、金屬精煉渣、膨脹珍珠巖副產(chǎn)物、石灰窯灰或水泥窯灰中的 至少兩種廢品。墻板還可以加入至少一種PH調(diào)節(jié)劑。在另一優(yōu)選的實(shí)施方式中，墻板包含至少一種工業(yè)用后廢品，所述工業(yè)用后廢品 包含選自鋼渣、高爐渣、金屬精煉渣、膨脹珍珠巖副產(chǎn)物、石灰窯灰或水泥窯灰中的至少一 種廢品，且墻板還加入至少一種PH調(diào)節(jié)劑。本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施方式提供了基本不含石膏的墻板或副產(chǎn)物墻板。該墻板可 以由本文描述的工業(yè)用后廢料組合物或副產(chǎn)物形成。盡管用于墻板的某些原始或起始材料可以包含相對(duì)低量的石膏，但是最終混合物和墻板終產(chǎn)物可以包含檢測(cè)不到量的石膏。取 決于基于X射線衍射(XRD)和其他技術(shù)的測(cè)量裝置的精度和分辨率，其他的實(shí)施方式可以 包含小于約的石膏含量。在本發(fā)明的各實(shí)施方式中，如果需要的話，可以向工業(yè)用后廢品加入飄塵。通常， 飄塵小于墻板中總組成的50重量％。本發(fā)明的墻板和其他建筑材料以顯著降低的與墻板或其他建筑材料相關(guān)的自含 能量而生產(chǎn)，因而充分降低了有害環(huán)境的溫室氣體的排放。當(dāng)與以下的說(shuō)明和所附插圖一起考慮時(shí)，可以進(jìn)一步清楚和理解本發(fā)明的其他目 的。盡管下面的說(shuō)明可能包含用于描述本發(fā)明具體實(shí)施方式
的具體細(xì)節(jié)，但是不應(yīng)該被理 解為局限本發(fā)明的范圍，而是僅作為優(yōu)選實(shí)施方式的示例。對(duì)于本發(fā)明的各方面而言，本領(lǐng) 域普通技術(shù)人員知道，如本文所表明的，許多變化是可能的。可以在本發(fā)明的范圍以內(nèi)進(jìn)行 各種變化和改變，而不偏離本發(fā)明的精神。根據(jù)以下的具體描述和附圖，將會(huì)全面理解本發(fā)明。參考引用
本說(shuō)明書(shū)所述的所有出版物、專利和專利申請(qǐng)均通過(guò)引用方式結(jié)合在本文中，就 好像各出版物、專利和專利申請(qǐng)均具體地和單獨(dú)地通過(guò)引用方式結(jié)合在本文中一樣。附圖簡(jiǎn)述圖1顯示某些標(biāo)準(zhǔn)石膏干墻的制造步驟，具體而言是那些消耗大量能量的制造步
馬聚ο圖2顯示制造本發(fā)明提供的低自含能量墻板的步驟的概括，其與常規(guī)的石膏干墻 相比需要很少的能量或少得多的能量。
具體實(shí)施例方式下面的本發(fā)明的實(shí)施方式的具體描述僅是示例性的，而不是局限性的。根據(jù)本說(shuō) 明書(shū)，其他的實(shí)施方式對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將會(huì)是明顯的。如本文所述的用于制造墻板和/或其他建筑材料的新型方法消除了最耗能源的 現(xiàn)有技術(shù)的制造石膏墻板或其他建筑材料(例如石膏開(kāi)采、干燥、煅燒和板或最終產(chǎn)品的 干燥)的方法和材料。這些新方法允許墻板和其他建筑材料由工業(yè)用后廢料和非煅燒材料 形成，這些材料是豐富且安全的，并可以自然地反應(yīng)以形成耐火性的堅(jiān)固的板?？梢陨a(chǎn)滿 足內(nèi)部和外部要求的墻板。也可以通過(guò)使用這些相同的方法生產(chǎn)具有不同形狀的其他建筑 材料，用于構(gòu)建建筑物或基礎(chǔ)設(shè)施。以下通過(guò)墻板來(lái)總體描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。但 是應(yīng)該理解的是，還可以改變所描述的方法來(lái)制造其他建筑材料，因此以下描述不是限制 性的。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式提供了包含芯的低自含能量墻板，該芯包含大于50%的工 業(yè)用后廢料和PH調(diào)節(jié)劑。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，工業(yè)用后廢料的量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于50%，請(qǐng)注 意當(dāng)再循環(huán)材料的含量接近100%時(shí)，能量節(jié)約增加。工業(yè)用后廢料可以包含或來(lái)自以下 物質(zhì)C型飄塵(FAC)、F型飄塵、未分類的飄塵、鋼渣、高爐渣(BFS)、其他金屬精煉渣、膨脹 珍珠巖副產(chǎn)物、煙道氣脫硫、石灰窯灰(LDK)、水泥窯灰或其任意組合。但是，當(dāng)再循環(huán)廢物 的含量增加時(shí)，C型飄塵的含量?jī)?yōu)選維持在低于50%，這是因?yàn)檩^高濃度的飄塵可以降低墻板應(yīng)用所需的物理性質(zhì)?？梢赃x擇一種或多種PH調(diào)節(jié)劑中的各種用于本發(fā)明的不同實(shí) 施方式，包括但不限于氧化物、氫氧化物、碳酸鹽、硅酸鹽或鋁酸鹽；氧化鈣、氧化鎂、氫氧化 鉀、氫氧化鈉、氫氧化鈣、碳酸鈣、碳酸鉀、碳酸鈉、碳酸氫三鈉、硅酸鈉、硅酸鈣、硅酸鎂或鋁 酸鈣。工業(yè)用后廢料樣材料的不同應(yīng)用和用途一些美國(guó)專利中描述了一些上述工業(yè)用后廢料在似水泥應(yīng)用的發(fā)展中的用途。應(yīng) 理解的是，以下專利中公開(kāi)的任何廢物組成均可以用在本發(fā)明的不同方面中，這些專利的 全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用方式結(jié)合在本文中。例如，美國(guó)專利5，435，843討論了用于砂漿和混凝 土應(yīng)用的由C型飄塵和堿金屬活化劑構(gòu)成的水泥。美國(guó)專利4，997，484要求同樣的水泥， 但加入檸檬酸。在兩個(gè)專利中，均沒(méi)有提到墻板應(yīng)用或考慮使用除了 C型飄塵之外的工業(yè) 用后廢料。美國(guó)專利5，714，003擴(kuò)展了范圍，使用任何亞煙煤的(sub-bitumous)飄塵，且 需要碳酸鉀、檸檬酸和緩凝劑，用于一般的水泥應(yīng)用，但是同樣沒(méi)有提到墻板應(yīng)用。美國(guó)專 利5，084，102考慮使用另一工業(yè)用后廢料_高爐渣，作為用于即用型干粉末的成分，當(dāng)與水 組合時(shí)，該干粉末可以用于混凝土建筑、產(chǎn)品或部件。對(duì)于大部分部件而言，混凝土應(yīng)用不 能與墻板應(yīng)用相提并論，這是因?yàn)閴Π逵捎谥亓康南拗坪蛯?shí)際考慮不可能或不需要包括大 或小的集料。此外，美國(guó)專利3，700, 470描述了陶瓷填料的類似混合物，特別是粉末站飄塵、高 爐渣、浮石、紅泥廢物或細(xì)沙，連同粉狀金屬一起被制成固體形狀，其可以擴(kuò)展到墻板類型 的應(yīng)用。但是，該專利包括使用水性硅酸鈉和加熱來(lái)熟化(cure)的另外要求。如上所述， 本發(fā)明提供的墻板無(wú)需或不允許任何熟化熱量，成功地具有低自含能量。而且，本文提供的 低自含能量的墻板優(yōu)選不包含硅酸鈉，這是由于包括該材料的制造方法通過(guò)結(jié)合碳酸鈉和 二氧化硅來(lái)釋放二氧化碳(溫室氣體)。盡管現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)描述了使用硅酸鹽水泥和部分使用煅燒氧化鎂(如美國(guó)專利 4，003，752)的水泥板，但是這些板與墻板相比具有幾種重要的區(qū)別，包括重量、加工和劃痕 /折斷性能。這些板并非使用自然發(fā)生的放熱反應(yīng)來(lái)制造。美國(guó)專利6，716，293描述了包含60% -66%的飄塵、不需要其他工業(yè)用后廢品的 墻板。但是，該墻板與現(xiàn)今可用的標(biāo)準(zhǔn)墻板相比過(guò)重，且可能不能滿足標(biāo)準(zhǔn)墻板的所有要 求。由于本發(fā)明提供的低自含能量墻板包含高得多的總百分比的再循環(huán)內(nèi)容物(通常大約 > 85重量％ )，可以容納的飄塵的量要低得多，通常小于約50%且常常小于約30%。已經(jīng) 發(fā)現(xiàn)，維持飄塵的含量小于約30%，且在一些實(shí)施方式中為約0%，同時(shí)合并用于制造墻板 的工業(yè)用后廢料材料，可以獲得本文提供的新墻板的最佳性質(zhì)。也就是說(shuō)，當(dāng)墻板中含有基 本0重量％的飄塵時(shí)，作為時(shí)間的函數(shù)的由于墻板中工業(yè)用后廢料性質(zhì)的改變而造成的墻 板的膨脹不多于約0.1%?？梢杂迷黾拥娘h塵填充改變本發(fā)明提供的低自含能量墻板的一些性質(zhì)。這可以根 據(jù)ASTM測(cè)試方法顯示如下。例如，當(dāng)飄塵(C型飄塵，F(xiàn)AC/NRG，BufTal0，NY)含量接近0%
時(shí)，邊緣硬度、芯硬度、彎曲強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度在某些應(yīng)用中可以是最佳的或更優(yōu)選的。
8 FAC 填充%%%%%
BFS53. 23 47. 32 41.40 35.49 29. 57LKD21.09 18.75 16.40 14.06 11.72pH 調(diào)節(jié)劑 15.68 13.94 12.20 10.45 8. 71可以用增加的渣(高爐渣)填充改變本發(fā)明其他實(shí)施方式提供的其他低自含能量 墻板的一些性質(zhì)。例如，當(dāng)渣(BFS/Baltimore，MD)的含量接近0%時(shí)，邊緣硬度、芯硬度、
彎曲強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度在某些應(yīng)用中可以是最佳的或更優(yōu)選的。
S) 渣填充12345
%%%%%
BFS10.0020.0030.0040.0050.48
LKD36.3532.3128.2724.2320.00
PH調(diào)節(jié)劑27, 0324,.0221 0218, 0214, 87
FAC26.6323.6720.7117.7514.65此外，美國(guó)專利6，391，398描述了包含膨脹珍珠巖和合成粘合劑的墻板。提到的 珍珠巖不應(yīng)該與珍珠巖副產(chǎn)物相混，后者是在生產(chǎn)該膨脹的珍珠巖過(guò)程中產(chǎn)生的廢物。為 了膨脹為如該專利所述的輕質(zhì)珍珠巖產(chǎn)品，珍珠巖石需要耐高溫，因而公開(kāi)的墻板使用珍 珠巖副產(chǎn)物，其是具有小得多的顆粒尺寸的珍珠巖，通常其不會(huì)被認(rèn)為是有用的而被扔在 垃圾中。墻板添加劑在制造本發(fā)明的低自含能量墻板時(shí)，優(yōu)選將粉狀工業(yè)用后廢料和其他粉狀添加劑 組合。這些添加劑包括用于緩凝、促凝或改變PH的試劑或化合物。此外，在選擇用于形 成本文的低自含能量墻板的特定制造過(guò)程的開(kāi)始的時(shí)候，還可以加入或一起混合反應(yīng)性(reactionary)組分或粘合組分。加入液體(例如水)之前，該粉末的混合物可以指或稱為 “干混合物”。本文產(chǎn)生的低自含能量墻板產(chǎn)品可以依賴于開(kāi)采的原材料的工業(yè)加工的天然存 在的剩余的組合物來(lái)形成自硬化(放熱)反應(yīng)。當(dāng)有效利用時(shí)，水合作用會(huì)在這些“廢”材 料中啟動(dòng)自硬化反應(yīng)。由于低自含能量墻板可以弓I入不會(huì)被制造用于特定化學(xué)組合物或進(jìn) 一步工業(yè)用途的副產(chǎn)物，各來(lái)源與相同材料的其他來(lái)源相比具有獨(dú)特的組成。因此優(yōu)選或 經(jīng)常需要優(yōu)化各獨(dú)特來(lái)源的特定的化學(xué)組合物，從而實(shí)現(xiàn)墻板終產(chǎn)品中廢材料的最佳或理 想的組合。下面是所考慮的工業(yè)用后廢料材料的典型組成，但是這些范圍并不能代表所有的 被認(rèn)為可用于低自含能量墻板的廢材料來(lái)源C型飄塵 F型飄塵 珍珠巖副產(chǎn)物
石灰窯灰 水泥窯灰 放熱反應(yīng)和相關(guān)因素在本發(fā)明的方法中，原始?jí)Π褰M分(例如，工業(yè)用后廢料組合、PH調(diào)節(jié)劑和水)之 間的放熱反應(yīng)自然地產(chǎn)生熱。因此，一系列的化學(xué)反應(yīng)可被啟動(dòng)以在再循環(huán)材料中形成似 水泥組分。本文討論的放熱反應(yīng)可以使用多種PH調(diào)節(jié)劑或pH調(diào)節(jié)試劑，它們?cè)诠I(yè)界和 它們?cè)醋缘牡V物是公知的。這樣的PH調(diào)節(jié)劑的一些例子包括氧化鈣、氧化鎂、氫氧化鉀、氫 氧化鈉、氫氧化鈣、碳酸鈣、碳酸鉀、碳酸鈉、碳酸氫三鈉(天然堿礦(natural Trona ore)).硅酸鈉、硅酸鈣、硅酸鎂或鋁酸鈣。產(chǎn)生的放熱反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間還可以由多種因素控制，包括漿的總組成、漿中的填 料、漿中的水或其他液體的量、水還原劑的加入或緩凝劑或促凝劑的加入?？梢约尤刖從齽?來(lái)減慢反應(yīng)，并且緩凝劑可以包括以下的一種或多種硼酸、硼砂、三聚磷酸鈉、磺酸鈉、檸 檬酸和許多其他工業(yè)界常用的商業(yè)緩凝劑。可以加入促凝劑來(lái)加速反應(yīng)，并且促凝劑可以 包括以下材料的一種或多種，例如碳酸鈉、碳酸鉀、氫氧化鉀、氫氧化鋁、氫氧化鈉、氫氧化 鈣、氯化鈣、氧化鈣、硝酸鈣、硝酸鉀、三偏磷酸鈉、甲酸鈣、三乙醇胺、硅酸鹽水泥和其他工 業(yè)界常用的商業(yè)促凝劑。理想情況是避免加入硅酸鹽水泥，因?yàn)槠渚哂懈叩淖院芰?。?還原劑有時(shí)候也被稱為分散劑，是可以抑制顆粒聚集的液體添加劑，從而無(wú)需加入額外的 水也能獲得良好的顆粒分布。水還原劑也是工業(yè)界中公知的，例子包括多糖、木素磺化鹽、 萘磺酸鹽(napthlenesulfonate)和聚羧酸鹽。這些和其他因素或添加劑可以控制或另外 影響放熱反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間，該放熱反應(yīng)是由本文提供的建筑材料的制造產(chǎn)生的。圖2為基本流程圖，表明根據(jù)本發(fā)明的另一方面提供的制造墻板的方法?？梢岳?解這些過(guò)程中的一些的簡(jiǎn)單化，因?yàn)閳D2顯示了其中兩個(gè)步驟步驟201-用水混合干混合 物；和步驟202-從漿形成墻板。墻板可以在模型中形成或使用用于形成石膏墻板的類型的 傳送帶系統(tǒng)形成，然后切割成需要的尺寸，如上述指出的許多參考文獻(xiàn)更全面描述的那樣。如圖2的方法所示，當(dāng)漿快速變稠時(shí)，放熱反應(yīng)可以繼續(xù)加熱漿，并且漿最終凝固 成硬團(tuán)。取決于混合物的含量和大小，放熱反應(yīng)中觀察到的最高溫度通常為35°C至55°C。 產(chǎn)生的硬度還可以由工業(yè)用后廢料中發(fā)現(xiàn)的天然存在的填料的量控制，并且可以從非常硬 和堅(jiān)固到軟(但是干)和容易折斷變化。取決于添加劑或填料，其他參數(shù)(如凝固時(shí)間、從 模型或連續(xù)的漿生產(chǎn)線除去板所需的強(qiáng)度)可以從20秒到幾天變化。例如，當(dāng)向粘合劑加 入的粉狀硼酸的范圍為0% (數(shù)秒)至4% (數(shù)小時(shí))時(shí)，硼酸可以將凝固時(shí)間從數(shù)秒延長(zhǎng) 到數(shù)小時(shí)。盡管20秒的凝固時(shí)間可以導(dǎo)致最高程度的生產(chǎn)率，但是漿過(guò)快凝固很難實(shí)現(xiàn)高 質(zhì)量的制造，因此通常應(yīng)該通過(guò)加入硼酸或其他適用的緩凝劑，將凝固時(shí)間調(diào)節(jié)到更長(zhǎng)的 時(shí)間。本文其他地方描述的其他添加劑和因素可用于控制或操縱凝固時(shí)間。根據(jù)本發(fā)明可以提供許多不同構(gòu)造的材料。該材料可以造成改良的強(qiáng)度、硬度、劃 痕/折斷性能、紙粘附性、耐熱性、重量和耐火性。本文的產(chǎn)生的工業(yè)用后廢料混合物可與 許多不同的添加劑相容，這些添加劑包括玉米淀粉、小麥淀粉、木薯淀粉、馬鈴薯淀粉、合成 淀粉、天然存在的礦物、陶瓷微球、泡沫、纖維和其他低自含能量的材料。未煅燒的石膏也可 以，但不是必需作為填料使用，以形成似水泥墻板芯。通過(guò)仔細(xì)地選擇作為添加劑的低能、 豐富的、生物可降解的材料(例如上面所列舉的)，可以制造優(yōu)選的墻板，其開(kāi)始具有石膏 墻板的特征。這些特征(重量、達(dá)到能夠運(yùn)輸程度的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、被劃痕的能力和隨后沿劃痕 折斷的能力、耐火的能力和釘釘?shù)哪芰蛄硗飧街谄渌牧?如雙頭螺栓(stud))的能 力)對(duì)于市場(chǎng)是重要的，并且也是代替石膏墻板、使產(chǎn)品獲得商業(yè)成功所需要的。玉米淀粉(從玉米胚乳制成)、小麥淀粉(面筋生產(chǎn)的副產(chǎn)物)、木薯淀粉(從木薯 植物根提取)和馬鈴薯淀粉(從馬鈴薯植物根提取)是豐富的和無(wú)毒性的，并且可以提高 紙的粘附力。合成的淀粉是多糖(糖基聚合物)，其可以替代類似的聚合物粘附劑，如聚乙 烯醇。陶瓷微球可以降低材料的重量，并增加包含這些材料的墻板的耐熱性和耐火性。在 本實(shí)施方式中，生物纖維(即生物可降解的植物基纖維)用于加強(qiáng)拉伸強(qiáng)度和彎曲性；但是還可以使用其他的纖維，例如纖維素、玻璃和再循環(huán)材料。美國(guó)專利6，676，744(其通過(guò)引 用方式結(jié)合在本文中)公開(kāi)了特定的纖維在水泥板中的使用，其也是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員 公知的。盡管本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式通過(guò)以下的實(shí)施例進(jìn)行描述，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人 員明白，這些實(shí)施方式僅是用于示例性的目的。在不偏離本發(fā)明的范圍的情況下，本領(lǐng)域普 通技術(shù)人員可以做出多種改變、變化和替換?？梢岳斫獾氖?，這些實(shí)施例的不同方面可以單 獨(dú)理解、一起理解或相互組合或與本文描述的本發(fā)明的其他實(shí)施方式組合理解。實(shí)施例1在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，通過(guò)混合磨碎的高爐渣、窯灰、飄塵、pH調(diào)節(jié)劑、促凝 劑和纖維來(lái)形成干混合物，從而制成干混合物粉末。然后將含有液體分散劑的水加入到干 混合物中，再加入產(chǎn)生的泡沫，產(chǎn)生以下的材料，以大約的重量百分比計(jì)渣49.8%窯灰21.8%C 型飄塵 14.9%pH 調(diào)節(jié)劑 11.8%促凝劑1.1%纖維0.2%起泡劑0.3%水還原劑 0.1%渣、窯灰和C型飄塵的組合占總工業(yè)用后廢料含量的86. 4%，自反應(yīng)硬化過(guò)程開(kāi) 始，在這種情況下其是通過(guò)PH調(diào)節(jié)劑、粉狀碳酸氫三鈉(來(lái)自天然堿礦)開(kāi)始的。添加相 當(dāng)于以上材料46. 2重量％的水，以形成漿或產(chǎn)生泡沫。未反應(yīng)的組分材料和泡沫一起形成 漿中的填料。當(dāng)漿已硬化時(shí)，纖維增加了芯的彎曲強(qiáng)度。為了增加生產(chǎn)機(jī)器的產(chǎn)量，氫氧化 鋁作為促凝劑，用于加速放熱反應(yīng)，從而加速漿的凝固。只要可以在硬化之前從攪拌器中快 速除去混合物，那么可以使用多種攪拌器，如葉式(pin)攪拌器或持續(xù)攪拌器。取決于需要的彈性，以起泡劑(皂或表面活性劑)占起泡劑和水的組合的0. 1重 量％至5重量％的濃度，泡沫與水單獨(dú)預(yù)先混合(通常在泡沫發(fā)生器中)。在上面的實(shí)施方 式(實(shí)施例1)中，使用占產(chǎn)生的水和起泡劑組合0.25重量％的起泡劑。石膏墻板工業(yè)通 常使用0. 2重量％的起泡劑。將產(chǎn)生的泡沫加入到濕的混合物中，如上面的實(shí)施例1所示。 在該實(shí)施例中，泡沫占整個(gè)混合物總重量的9重量％。泡沫的量取決于硬化的芯的需要的 密度和強(qiáng)度，具有.1重量％ "15重量％的泡沫是最佳的。石膏墻板中使用的泡沫的例子包括美國(guó)專利5，240，639,5, 158，612,4, 678，515、 4，618，380和4，156，615中描述的那些泡沫，這些專利通過(guò)引用方式結(jié)合在本文中。該試劑 的使用對(duì)于制造石膏墻板和其他似水泥產(chǎn)品的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是公知的?？梢詫{倒在紙飾面上，如在標(biāo)準(zhǔn)石膏工藝中那樣，其可圍繞側(cè)面被包裹。但是， 也可以在一側(cè)或兩側(cè)使用或不使用紙進(jìn)行。從攪拌器除去后幾乎立即開(kāi)始放熱反應(yīng)，并持續(xù)幾個(gè)小時(shí)，將部分水吸收到反應(yīng) 中。取決于要求和可獲得的處理設(shè)備，可以在小于30分鐘內(nèi)切割板和除去板，通常小于5分 鐘。水并沒(méi)有全部用于反應(yīng)中，并且水的一些吸收將會(huì)持續(xù)許多小時(shí)。在24-48小時(shí)內(nèi)，大部分的水被吸收，也伴隨蒸發(fā)發(fā)生。當(dāng)使用紙飾面時(shí)，推薦的是將板單獨(dú)干燥24小時(shí)，以降 低在紙上形成模型(mold forming)的可能性。這可以在室溫下在架子或隔間中完成，無(wú)需 加熱。干燥的時(shí)間在較高溫度時(shí)較快，在冰點(diǎn)之上的較低溫度下較慢。測(cè)試了高于80° F 的溫度，但是并不考慮該溫度，因?yàn)樵O(shè)計(jì)的目的在于低能量方法。殘留物的干燥在較高溫度 下會(huì)持續(xù)增加，但是施加熱(高于室溫)不是有益的，因?yàn)榉艧岱磻?yīng)需要使用水，水會(huì)因此 而過(guò)快地蒸發(fā)。盡管放熱反應(yīng)在冰點(diǎn)以下也會(huì)發(fā)生，但是剩余的水在芯中會(huì)被凍住，直到溫 度升至冰點(diǎn)以上。產(chǎn)生的板(終產(chǎn)品)可以具有與石膏墻板的強(qiáng)度特征相比類似或更好的強(qiáng)度特 征，并且現(xiàn)場(chǎng)容易劃痕和折斷。通常用于瓦片襯背和外部應(yīng)用的高密度板不顯示根據(jù)本發(fā) 明加工的墻板的許多優(yōu)點(diǎn)，如低重量、滿意的劃痕和折斷特征，和紙飾面。實(shí)施例2在另一實(shí)施方式中，如實(shí)施例1的相同量的干粉末和液體以相同的比例進(jìn)行混 合，但是雙倍加入促凝劑的量。在這種情況下，反應(yīng)發(fā)生得更加快速，因而板可以在2分鐘 內(nèi)進(jìn)行切割和去除。渣49. 25%窯灰21.55%C 型飄塵 14.74%pH 調(diào)節(jié)劑 11.67%促凝劑2.20%纖維0.20%起泡劑0.30%水還原劑 0.10%實(shí)施例3在另一實(shí)施方式中，如實(shí)施例1相同比例的材料進(jìn)行混合，但是使用陶瓷微球代 替泡沫，該微球是來(lái)自飄塵的中空球粒。這產(chǎn)生了具有增加的強(qiáng)度和重量的板。該板使用 甚至更多的再循環(huán)材料，因此可以更加滿足美國(guó)綠色建筑委員會(huì)(United States Green BuildingCouncil)開(kāi)發(fā)的美國(guó)國(guó)家環(huán)境建筑評(píng)分系統(tǒng)(national environmentalbuilding rating system)的要求,例如 LEED。渣49. 80%窯灰21.80%C 型飄塵 14.90%pH 調(diào)節(jié)劑 11.80%促凝劑1. 10%纖維0.20%微球0.30%水還原劑 0. 10%實(shí)施例4在另一實(shí)施方式中，通過(guò)去除泡沫使板用于外部用途(其可以代替水泥板或高密 度石膏板)，因此可以用在待形成的墻板的芯中。還加倍了纖維增強(qiáng)材料，以提供更多的環(huán)境抵抗性和彎曲強(qiáng)度。這使得產(chǎn)生的自含能量墻板具有額外的強(qiáng)度和耐水性。此外，在該 實(shí)施方式中，不使用紙飾面或包裹材料，因?yàn)閴Π鍖?huì)直接接觸環(huán)境。該實(shí)施方式中的成分 如下所示渣49. 95%
窯灰21. 87%
C型飄塵14. 94%
PH調(diào)節(jié)劑11. 84%
促凝劑1. 10%
纖維0. 20%
水還原劑0. 10%然后加入相當(dāng)于上述材料的46. 2重量％的水，以形成漿。取決于多種因素，如所需板的數(shù)量、制造的空間以及目前工程人員對(duì)方法的熟知 程度，可以使用幾種不同的技術(shù)來(lái)加工漿。使用傳送帶系統(tǒng)(用紙包裹漿的連續(xù)的長(zhǎng)的 工作線)的常規(guī)石膏漿方法是一種用于制造本發(fā)明的低自含能量墻板的可接受的方法。 該方法是石膏墻板制造領(lǐng)域的普通技術(shù)人員公知的。用于高密度(即水泥)板制造中的 Hatscheck方法也是制造本發(fā)明的墻板特別是制造那些無(wú)需紙飾面或襯背的墻板的可接受 的方法，而且是水泥板制造領(lǐng)域的普通技術(shù)人員公知的。當(dāng)使用Hatscheck方法時(shí)，需要另 外的水來(lái)使?jié){變稀，因?yàn)槭褂玫闹圃煸O(shè)備通常要求較低粘度的漿?？蛇x擇地，作為另一制造 方法，可將漿倒入預(yù)成型的模型中，并使其凝固。然后可從模型中去除各板，模型可以再次 使用。同時(shí)，由于用反應(yīng)性廢材料組合物與基于廢物的填料的較高比例而可實(shí)現(xiàn)的固有 的強(qiáng)度，可以形成用于建筑或可能的其他領(lǐng)域的其他似水泥物件。這些物件可以不是板的 形式，而可以是任何使用硅酸鹽水泥通常制造的似水泥物件的形式。該物件可被倒入和快 速干燥，幾分鐘內(nèi)在模型中或原位凝固。盡管前面的每個(gè)實(shí)施例都包括作為組分的C型飄塵，但是本發(fā)明提供的另一優(yōu)勢(shì) 在于使用的所有或一些飄塵可被去除或被渣或其他廢材料替代，以提供其他可選擇的實(shí) 施方式。產(chǎn)生的產(chǎn)品的質(zhì)量和包含飄塵的產(chǎn)品的質(zhì)量基本相同。下面根據(jù)ASTM的測(cè)試方 法顯示這一點(diǎn)。當(dāng)石灰窯灰的含量(LKD/PA)增加時(shí)，邊緣硬度、芯硬度、彎曲強(qiáng)度和抗壓強(qiáng) 度可以是最佳的。取決于各廢材料的來(lái)源特異性化學(xué)組成，在本文提供的一些低自含能量 墻板中，可以優(yōu)選使用石灰窯灰替代C型飄塵。
LKD 填充%%%%%
LKD10.0020.0030.0040.0050. 00
BFS56.7950.4844.1737.8631. 55
PH調(diào)節(jié)劑16, 7314,.8713 0111 159. 29
FAC16.5014.6712.8411.009. 17 根據(jù)上面的內(nèi)容可以理解，盡管已經(jīng)說(shuō)明和描述了特定的實(shí)施方案，但是可以做 出和考慮其不同的變化方式。本發(fā)明也不希望局限于說(shuō)明書(shū)提供的具體實(shí)施例。盡管已經(jīng) 根據(jù)上面的說(shuō)明書(shū)描述了本發(fā)明，但是本文的優(yōu)選實(shí)施方式的描述和闡明并不意味著解釋 為具有限定性的意義。此外，應(yīng)該理解的是，本發(fā)明的所有方面不限于特定的描述、本文描 述的構(gòu)造或相對(duì)比例，其取決于多種條件和變量。本發(fā)明實(shí)施方式的形式和細(xì)節(jié)的各種變 化對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員是顯然的。因此可以想到，本發(fā)明還包括這些改變、變化和等同 物。
權(quán)利要求
一種墻板，包含選自鋼渣、高爐渣、金屬精煉渣、膨脹珍珠巖副產(chǎn)物、石灰窯灰、水泥窯灰的至少一種工業(yè)用后廢品；和至少一種pH調(diào)節(jié)劑。
2.如權(quán)利要求1所述的墻板，其中所述PH調(diào)節(jié)劑包含選自氧化鈣、氧化鎂、氫氧化鉀、 氫氧化鈉、氫氧化鈣、碳酸鈣、碳酸鉀、碳酸鈉、碳酸氫三鈉、硅酸鈉、硅酸鈣、硅酸鎂或鋁酸 鈣中的一種或多種物質(zhì)。
3.如權(quán)利要求1所述的墻板，還包含水。
4.如權(quán)利要求1所述的墻板，其中所述工業(yè)用后廢料占所述墻板總重量的約60%或更多。
5.如權(quán)利要求1所述的墻板，還包含選自生物纖維、尼龍、玻璃纖維、纖維素和循環(huán)石 油廢料的纖維。
6.如權(quán)利要求1所述的墻板，還包含泡沫填料。
7.如權(quán)利要求1所述的墻板，還包含小于50重量％的飄塵。
8.如權(quán)利要求1所述的墻板，還在一側(cè)或兩側(cè)上包括紙。
9.一種墻板，包含至少一層覆蓋芯的紙外層，所述芯包含至少一種工業(yè)用后廢品，所述工業(yè)用后廢品選 自飄塵、鋼渣、高爐渣、金屬精煉渣、膨脹珍珠巖副產(chǎn)物、石灰窯灰和水泥窯灰，其中所述芯 的飄塵含量小于50重量％ ；水；和至少一種pH調(diào)節(jié)劑。
10.如權(quán)利要求9所述的墻板，其中所述pH調(diào)節(jié)劑包括選自氧化鈣、氧化鎂、氫氧化鉀、 氫氧化鈉、氫氧化鈣、碳酸鈣、碳酸鉀、碳酸鈉、碳酸氫三鈉、硅酸鈉、硅酸鈣、硅酸鎂或鋁酸 鈣中的一種或多種物質(zhì)。
11.一種低自含能量墻板，包括具有至少5重量％的石灰窯灰的墻板芯。
12.如權(quán)利要求11所述的墻板，還在所述一側(cè)或兩側(cè)上包括紙。
13.如權(quán)利要求11所述的墻板，還包含泡沫填料。
14.如權(quán)利要求11所述的墻板，還包含高爐渣。
15.如權(quán)利要求11所述的墻板，還包含水和至少一種選自氧化鈣、氧化鎂、氫氧化鉀、 氫氧化鈉、氫氧化鈣、碳酸鈣、碳酸鉀、碳酸鈉、碳酸氫三鈉、硅酸鈉、硅酸鈣、硅酸鎂或鋁酸 鈣的PH調(diào)節(jié)劑。
16.一種制造其中飄塵小于50重量％的建筑材料的方法，包括形成包含至少一種工業(yè)用后廢品的原始漿，所述工業(yè)用后廢品選自飄塵、鋼渣、高爐 渣、金屬精煉渣、膨脹珍珠巖副產(chǎn)物、石灰窯灰、水泥窯灰；向所述原始漿加入至少一種PH調(diào)節(jié)劑；其中所述pH調(diào)節(jié)劑包括選自氧化鈣、氧化鎂、 氫氧化鉀、氫氧化鈉、氫氧化鈣、碳酸鈣、碳酸鉀、碳酸鈉、碳酸氫三鈉、硅酸鈉、硅酸鈣、硅酸 鎂或鋁酸鈣中的一種或多種成分；向所述原始漿加入水；和使所述原始漿凝固。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，還包括步驟將所述凝固的漿切割成需要的形狀。
18.如權(quán)利要求16所述的方法，還包括步驟向所述漿加入緩凝劑物質(zhì)，以增加所述漿 凝固的時(shí)間。
19.如權(quán)利要求16所述的方法，還包括步驟向所述漿加入促凝劑物質(zhì)，以減少所述漿 凝固的時(shí)間。
20.如權(quán)利要求16所述的方法，還包括步驟將所述漿倒入具有需要的形狀的模型。
21.—種基本不含石膏的墻板，包含選自渣、窯灰和飄塵的至少一種工業(yè)廢棄副產(chǎn)物； 水和PH調(diào)節(jié)劑。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了由使用與用于制造石膏墻板的能量相比顯著降低的自含能量的方法產(chǎn)生的墻板以及其他建筑材料，產(chǎn)生少得多的溫室氣體。包含工業(yè)用后廢料(如渣)和pH調(diào)節(jié)劑的新型似水泥芯提供了控制的放熱反應(yīng)，以產(chǎn)生石膏-墻板樣芯，該芯可以在傳送帶系統(tǒng)上用選擇的材料(如再循環(huán)紙)包裹和制造，以具有與石膏墻板相似的重量和操作性能，但是無(wú)需制造石膏墻板所需的大量能量。制造方法比用于制造石膏墻板的方法產(chǎn)生較低的溫室氣體排放。
文檔編號(hào)C04B18/14GK101896438SQ200880120056
公開(kāi)日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2008年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月16日
發(fā)明者D·胡佛, K·蘇瑞斯, M·韋爾, 陳天蛋, 韓家平 申請(qǐng)人:思銳材料公司