TW201904911A

TW201904911A - 非鍛燒水泥組合物、非鍛燒混凝土組合物、非鍛燒混凝土及其製法

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Publication number: TW201904911A
Application number: TW106121833A
Authority: TW
Inventors: 尹衍樑; 楊景鼎; 吳旻聰; 李振安; 丘惠生
Original assignee: 潤泰精密材料股份有限公司
Priority date: 2017-06-29
Filing date: 2017-06-29
Publication date: 2019-02-01
Also published as: TWI635066B

Abstract

本發明係提供包含微米無機粒子之非鍛燒水泥組合物，所提供之非鍛燒水泥組合物可做為膠結性材料，以及提供非鍛燒混凝土組合物；並提供非鍛燒混凝土，其物理與工程性質與傳統水泥所製得者類似或更佳。本發明亦提供非鍛燒水泥組合物、非鍛燒混凝土組合物與非鍛燒混凝土之製法。

Description

非鍛燒水泥組合物、非鍛燒混凝土組合物、非鍛燒混凝土及其製法

水泥係常見於建築材料中之膠結性材料的總稱，其係現今最重要的建築材料之一。根據波特蘭水泥學會(Portland Cement Association)之統計資料顯示，2015年全球水泥消耗量約為41億噸，其重要性可見一斑。水泥中最常見的應屬波特蘭(Portland)水泥，其主要成分來源為石灰石、黏土、矽礦與鐵渣等材料。然而，此等材料大部分均需開採自然礦產才能獲得，對於環境造成不小影響。此外，因使用石灰石等原料，於製備水泥之過程中需高溫鍛燒，因而耗費大量能源，並產生可觀的碳排放量；且中國與台灣之石灰石礦產，據評估開採期間僅剩約50年或更短。此等問題均為環境保護及建築材料短缺之隱憂。為此，業界試圖發展使用替代性原料，以期減少在製造水泥之過程中對自然資源之耗損以及降低碳排放量。一種不使用石灰石之膠凝性材料係鹼激發水泥，係藉由強鹼使矽鋁化合物(飛灰)與矽酸鈉(水玻璃)進行聚合反應。然而，其可能造成收縮量大、拌和過程放熱量高、成品易龜裂、表面易生成鹽類結晶等問題；亦因使用大量的強鹼，容易使鋼筋材腐蝕、生鏽，對結構體的晚期強度可能有不利的影響。使用大量的強鹼亦不利於應用規模化。此外，部分鹼激發水泥需於高溫中催化數小時，才得以使其硬固。據此，鹼激發水泥於應用上仍有諸多限制。 TW I491579 B揭示一種低鈣膠凝材料組成物，其係特別採用低鈣飛灰、鹼劑及調凝劑，混合後於室溫下靜置形成低鈣膠凝材料。此技術之重點在於透過添加調凝劑解決傳統上使用低鈣飛灰時需額外添加含鈣成分之問題。 WO 2011/008463 A1揭示使用包含(1)至少一種無機填料，(2)膠狀二氧化矽、膠狀氧化鋁或其混合物，其形成待經燒結之結合相，及(3)載體流體之水泥組合物。惟，此水泥組合物需在氟源存在下進行高溫鍛燒（至少1000°C）方能形成黏結相。因此，對於製造過程中對環境造成之影響最小化、同時易於大規模應用之類水泥膠結性材料仍有極大需求。

為達成前述目的，本發明係提供一種非鍛燒水泥組合物，其包含： (a) 以組合物總重量計為約31%至87%之具有介於1.0至100 μm之粒徑大小之微米無機粒子； (b) 鋁氧化合物； (c) 奈米膠態二氧化矽（colloidal silica）；及 (d) 凝結控制劑。此組合物在組份混合後無需鍛燒，便可扮演與水泥在建築材料中相同之膠結性材料角色。本發明亦提供一種非鍛燒混凝土組合物，其包含： (a) 以組合物總重量計為約66%至92%之無機粒子； (b) 鋁氧化合物； (c) 奈米膠態二氧化矽（colloidal silica）；及 (d) 凝結控制劑，其中該無機粒子包含具有介於1.0至100 μm之粒徑大小之微米無機粒子，該微米無機粒子佔該無機粒子之總重量為25%至45%。此組合物在組份混合後無需鍛燒，便可製得展現與一般水泥所製成混凝土類似之力學性質，且體積穩定性佳。本發明亦提供包含非鍛燒水泥組合物或非鍛燒混凝土組合物之非鍛燒混凝土。本發明亦提供製備非鍛燒水泥組合物之方法，係包括組合微米無機粒子、鋁氧化合物、奈米膠態二氧化矽及凝結控制劑之步驟。本發明亦提供製備非鍛燒混凝土組合物之方法，係包括組合無機粒子、鋁氧化合物、奈米膠態二氧化矽及凝結控制劑之步驟。

在本說明書及申請專利範圍中所使用的表達含量、比例、物理特徵等之所有數字應理解為在所有情況下經術語「約」修飾。因此，除非有相反指示，否則在以下說明書及申請專利範圍中所闡述之數值可視本發明設法獲得之及/或所需特性而變化。至少，且不試圖將等效原則之應用限制於申請專利範圍之範圍，各數值參數至少應根據所揭露之有效數位的數目且藉由應用一般捨入技術來解釋。本文中所揭示之所有範圍均應理解為涵蓋其中所包含之任何及所有次範圍。舉例而言，「1至10」之所述範圍應視為包含最小值1與最大值10之間的任何及所有次範圍且包含最大值1及最大值10；亦即，以1或大於1之最小值開始且以10或小於10之最大值結束的所有次範圍，例如：1至6.7、3.2至8.1或5.5至10，和數值，例如：1、3.1、5.2或8。本文中所揭示之「約」乙詞係本發明所屬技術領域中具有通常知識者可理解之近似範圍，其近似之範圍係與不同特徵或物理量有關。例如，「約」乙詞可包含所稱數值之±10%、±5%、±2%或±1%之範圍。本發明所提供之組合物包含(微米)無機粒子、鋁氧化合物、奈米膠態二氧化矽及凝結控制劑。下就各組份進行詳細說明。A. 無機粒子 本發明組合物中所包含之無機粒子，係包含含有矽及鋁之至少一者之無機物粒子，例如矽及鋁之至少一者與各種金屬元素或非金屬元素所形成之物質，金屬可例如為鹼金族、鹼土族、類金屬及過渡金屬，非金屬元素可例如為碳、氫、氧、氮、硼、磷、硫、鹵素等，實例包括（但不限於）矽之氧化物（例如矽酸鹽、二氧化矽）、碳化物（例如碳化矽）；矽、鋁、氧所形成之各類化合物；或該等化合物之組合等；亦可進一步包含選擇性的其他無機成分，例如前述金屬及/或非金屬元素所形成之各類物質，例如含鈣、鎂、硼、碳、氮、氧之各類化合物或該等化合物之任意組合。例如，無機粒子可源自各種天然礦石或岩石、石英砂、陸地砂石、矽砂、河砂、海砂、水庫淤泥或前述之任意組合，及其中所含不可避免之雜質等。於一具體實例中，無機粒子包含石英砂、碎石或兩者，包含兩者時可按任意比例混合。在本發明所提供之非鍛燒水泥組合物中，係包含具有1.0至100 μm之粒徑大小之無機粒子，本文中稱之為微米無機粒子；微米無機粒子為非鍛燒水泥組合物之主要組份，約佔非鍛燒水泥組合物總重量之31%至87%，較佳為42%至81%，更佳為52%至76%。在本發明所提供之非鍛燒混凝土組合物中，無機粒子為含量最大者，其含量約佔非鍛燒混凝土組合物總重量之66%至92%，較佳為72%至90%，更佳為74%至86%。在本發明所提供之非鍛燒混凝土組合物中，無機粒子之粒徑大小則無特別限制，可為奈米至毫米等級；惟無機粒子需至少一部分為微米無機粒子：微米無機粒子佔無機粒子之總重量為25%至45%，較佳為27%至43%，更佳為30%至40%。於本發明之一具體實例中，微米無機粒子之粒徑可介於1.0至1.3 μm之間、1.3至1.6 μm之間、1.6至2.6 μm之間、2.6至6.5 μm之間、6.5至8.0 μm之間、8.0 μm至10.0 μm之間、10.0至13.0 μm之間、13.0至28.0 μm、28.0至38.0 μm之間、38.0至45.0 μm之間、45.0至50.0 μm之間、50.0至53.0 μm之間、53.0至58.0 μm之間、58.0至75.0 μm之間、75.0至86.0 μm之間、86.0至100.0 μm之間等，或介於任意前述端點所組成之範圍；或者，微米無機粒子係具有前述任一端點之粒徑，例如約1 μm、約1.3 μm、約1.6 μm…約8.0 μm、約10.0 μm、約13.0 μm…約50.0 μm、約58.0 μm、約75.0 μm、約86.0 μm、約100 μm等。於本發明之一具體實例中，微米無機粒子之粒徑分布成單峰分布；於另一具體實例中，粒徑分布呈雙峰或多峰分布；分布之方式可為一或多組單一粒徑或者一或多組粒徑範圍之任意組合。例如，在具體實例中，微米無機粒子之粒徑分布可例如為1至2.6 μm之間之單峰分布；約1.3 μm之單峰分布；約1.6 μm之單峰分布；8.0 μm至13.0 μm之間之單峰分布；約8.0 μm之單峰分布；約10.0 μm之單峰分布；1至2.6 μm之間與6.5至13.0 μm之間之雙峰分布；約1.0 μm與約8.0 μm之雙峰分布；約1.6 μm與約13.0 μm之雙峰分布；6.5至13.0 μm之間與45.0至58.0 μm之間之雙峰分布；6.5至10.0 μm之間與50.0至58.0 μm之間之雙峰分布；8.0至10.0 μm之間與50.0至53.0 μm之間之雙峰分布；約10.0 μm與約45.0 μm之雙峰分布；約6.5 μm與約50.0 μm之雙峰分布；約10.0 μm與約50.0 μm之雙峰分布；約10.0 μm與45.0至50.0 μm之雙峰分布；約8.0 μm至10.0 μm與50.0 μm之雙峰分布；1.0至2.6 μm之間、6.5至13.0 μm之間與45.0至58.0 μm之間之三峰分布；1.6至2.6 μm之間、6.5至10.0 μm之間與45.0至50.0 μm之間之三峰分布；1.6至2.6 μm之間、6.5至10.0 μm之間與45.0至75.0 μm之間之三峰分布；約1.6 μm、約8.0 μm與約50.0 μm之三峰分布；約1.0 μm、約10.0 μm與約50.0 μm之三峰分布；約1.6 μm、約10.0 μm與約45.0 μm之三峰分布；約1.6 μm、約10.0 μm與約50.0 μm之三峰分布；約1.3 μm、約8.0 μm與約58.0 μm之三峰分布；約1.6 μm、約13.0 μm與約75.0 μm之三峰分布；以及其他任意組合之四峰分布、五峰分布、六峰分布等。粒徑分布呈雙峰或多峰分布之微米無機粒子亦可稱為級配粒子。粒徑之分布可經由篩分粒料後混合構成所述之分布模式。例如，可將大粒徑之無機粒子利用乾式或濕式研磨成小粒徑之無機粒子，經由氣流分級後獲得窄粒徑分布之微米無機粒子，並進一步混合以獲得所欲之粒徑分布模式。當粒子粒徑呈雙峰分布時，具有峰值粒徑之粒子可彼此獨立地至少分別佔微米無機粒子之總重量的約30%至約70%，例如約30%、約35%、約40%、約45%、約50%、約55%、約60%、約65%、約70%等；當粒子粒徑成三峰分布時，具有峰值粒徑之粒子重量可彼此獨立地至少分別佔微米無機粒子之總重量的約20%至約50%，例如可彼此獨立地分別為約20%、約25%、約27%、約29%、約30%、約31%、約33%、約35%、約37%、約40%、約45%、約50%等。不欲受理論所限制，於非鍛燒水泥組合物或非鍛燒混凝土組合物中使用級配粒子可增強所製成混凝土之物理與工程性質（例如抗壓強度等）。無機粒子之粒徑亦可為毫米等級，其粒徑範圍可為大於0.1 mm至50.0 mm。或者，不欲受理論所限制，無機粒子之粒徑亦可為奈米等級。本發明之組合物所包含無機粒子不需經過鍛燒，而係透過與其他組份混合展現膠結性材料之性質，組份混合後即可製得具有與傳統水泥類似性質之膠結性材料，將減少相當的碳排放量且節省能源。B. 鋁氧化合物 本發明組合物中所包含之鋁氧化合物係以鋁與氧為主組成之物質，以化合物而言可為鋁的含氧酸及其衍生物（例如鹽類，實例為鹼金族和鹼土族鹽類）、鋁的氧化物以及鋁的氫氧化物；亦包含主成分為該等化合物之混合物。實例包含（但不限於）鋁酸鈉、鋁酸鈣、氧化鋁、氫氧化鋁、高鋁水泥等，或其任意組合。不欲受理論所限制，鋁氧化合物之功用在於穩固組份間之凝結作用，以提供類似水泥的穩固物性。於本發明之非鍛燒水泥組合物中，鋁氧化合物之含量可為（但不限於）組合物總重量之至少1.9%，至少4.2%，至少5.0%，至少8.0%，至少9.5%；亦可為（但不限於）組合物總重量之至多21.0%，至多18.0%，至多14.5%，至多8.5%，至多7.5%；至多6.0%，至多5.0%；或其含量範圍係任意前述值可形成之範圍。於本發明之非鍛燒混凝土組合物中，鋁氧化合物之含量可為（但不限於）組合物總重量之至少1.1%，至少2.2%，至少2.8%，至少4.8%，至少5.5%；亦可為（但不限於）組合物總重量之至多12.0%，至多10.0%，至多8.0%，至多5.5%，至多5.0%，至多3.0%，至多2.0%；或其含量範圍係任意前述值可形成之範圍。於一較佳態樣中，鋁氧化合物包含氫氧化鋁或含有其之混合物，於高溫養護後可增強混凝土之強度。C. 奈米膠態二氧化矽（ colloidal silica ）本發明組合物中所包含之奈米膠態二氧化矽係所屬技術領域中所習知之物質，其係懸浮於液相中之顆粒狀二氧化矽，顆粒大小為奈米等級。奈米膠態二氧化矽亦可能聚集成較大之顆粒或形成網絡結構。奈米膠態二氧化矽可由市面上購得或者可由含矽原料製得。奈米膠態二氧化矽之固含量可為20重量%至50重量%，較佳為30至48重量%，更佳為35重量%至45重量%，例如可為約20、約25、約30、約約35、約36、約37、約38、約39、約40、約42、約44、約45、約46、約48、約50重量%，或介於任意前述端點所組成之範圍。奈米膠態二氧化矽所包含之顆粒狀二氧化矽之粒徑大小可為8至90 nm，較佳為10至85 nm，更佳為15至80 nm；或者粒徑大小可為約8、約10、約15、約18、約30、約50、約60、約80、約90 nm；或者粒徑大小可介於任意前述端點所組成之範圍。奈米膠態二氧化矽之粒子粒徑大小亦可呈雙峰分布，例如約10 nm與約90 nm、約18 nm與約90 nm、約18 nm與約80 nm、約10 nm與約80 nm、約10 nm與約30 nm、約30 nm與約80 nm、約10 nm與約50 nm等各種組合。當粒子粒徑呈雙峰分布時，具有峰值粒徑之粒子可彼此獨立地至少分別佔奈米膠態二氧化矽之總重量的30%至70%，例如約30%、約35%、約40%、約45%、約50%、約55%、約60%、約65%、約70%等。粒徑之分布可經由使用具有不同粒徑之奈米膠態二氧化矽混合構成所述之分布模式。於本發明之非鍛燒水泥組合物中，奈米膠態二氧化矽之含量可為（但不限於）組合物總重量之17.0%至36.0%，較佳為19.0%至33.0%，更佳為21.0至32.0%。於本發明之非鍛燒混凝土組合物中，奈米膠態二氧化矽之含量可為（但不限於）組合物總重量之8.5%至17.0%，較佳為9.5%至15.0%，更佳為10.5至13.0%。D. 凝結控制劑 本發明之組合物中所包含之凝結控制劑其作用在於控制組份混合物之凝結時間，使其可提供所欲之施作期間。實例可為羥基羧酸或其鹽類、澱粉醚或官能基化澱粉醚等，例如檸檬酸、酒石酸、葡萄糖酸、水楊酸及其等酸之鹼金族鹽類、羥甲基澱粉醚、羥乙基澱粉醚、羥丙基澱粉醚或其任意組合。於本發明之非鍛燒水泥組合物中，凝結控制劑之含量可為（但不限於）組合物總重量之0.2至6.5%，較佳為1.0至5.5%，更佳為2.2%至5.0%。於本發明之非鍛燒混凝土組合物中，凝結控制劑之含量可為（但不限於）組合物總重量之0.15至3.5%，較佳為0.6至3.0%，更佳為1.1至2.5%。E. 選擇性的添加劑 本發明之組合物中亦可包含一或多種選擇性的添加劑，例如（但不限於）促凝劑、活性二氧化矽、減水劑等以控制組合物可達成不同之需求。詳細說明如后。(i) 促凝劑 本發明之組合物中可另外包含促凝劑以進一步促成本發明組份間之凝結反應。促凝劑係包含鹼金族或鹼土族之氧化物、氫氧化物、硫酸鹽或碳酸鹽。實例包含（但不限於）氧化鋰、氧化鎂、氧化鈣、氧化鋇、氫氧化鈉、氫氧化鎂、氫氧化鈣、氫氧化鋇、硫酸鈉、硫酸鎂、硫酸鈣、碳酸鋰等。因此，本發明之一較佳態樣為含有促凝劑之非鍛燒水泥組合物，其包含： (a) 以組合物總重量計為約30%至86%之具有介於1.0至100 μm之粒徑大小之微米無機粒子；含量較佳為40%至80%，更佳為50%至74%； (b) 鋁氧化合物；含量可為（但不限於）組合物總重量之至少1.8%，至少4.0%，至少4.8%，至少8.0%，至少9.2%；亦可為（但不限於）組合物總重量之至多20.0%，至多17.5%，至多12.5%；或其含量範圍係任意前述值可形成之範圍； (c) 奈米膠態二氧化矽（colloidal silica）；含量可為（但不限於）組合物總重量之15.0%至35.0%，較佳為18.0%至32.0%，更佳為20.0至30.0%； (d) 凝結控制劑；含量可為（但不限於）組合物總重量之0.18至6.0%，較佳為0.9至5.0%，更佳為2.0%至4.5%；及 (i) 促凝劑；含量可為（但不限於）組合物總重量之至少2.2%、至少2.6%或至少3.0%；或至多6.5%、至多5.8%、至多5.0%或至多3.0%；或其含量範圍係任意前述值可形成之範圍。此組合物在組份混合後無需鍛燒，便可扮演與水泥在建築材料中相同之膠結性材料角色此外，本發明之一較佳態樣為含有促凝劑之非鍛燒混凝土組合物，其包含： (a) 以組合物總重量計為約65%至90%之無機粒子；含量較佳較佳為68%至88%，更佳為70%至85%； (b) 鋁氧化合物；含量可為（但不限於）組合物總重量之至少1.0%，至少2.0%，至少2.5%，至少4.6%，至少5.2%；亦可為（但不限於）組合物總重量之至多10.0%，至多8.5%，至多6.0%，至多5.2%，至多4.6%，至多2.5%，至多2.0%；或其含量範圍係任意前述值可形成之範圍； (c) 奈米膠態二氧化矽（colloidal silica）；含量可為（但不限於）組合物總重量之7.5%至15.0%，較佳為9.0%至13.0%，更佳為10.0至12.5%； (d) 凝結控制劑；含量可為（但不限於）組合物總重量之0.1至3.0%，較佳為0.5至2.5%，更佳為1.0至2.2%；及 (i) 促凝劑，其包含鹼金族或鹼土族之氧化物、氫氧化物、硫酸鹽或碳酸鹽；含量可為（但不限於）組合物總重量之至少1.0%、至少1.5%或至少2.0%；或至多3.0%、至多2.8%、至多2.4%或至多2.0%；或其含量範圍係任意前述值可形成之範圍，其中該無機粒子包含具有介於1.0至100 μm之粒徑大小之微米無機粒子，該微米無機粒子佔該無機粒子之總重量為25%至45%。(ii) 活性二氧化矽 本發明組合物適用之活性二氧化矽係所屬技術領域中所習知之物質，其係具有低總體密度及高的比表面積之二氧化矽。不欲受理論所限制，活性二氧化矽添加至組合物中可使利用本發明組合物所形成之膠凝材料更具防水性，使本發明組合物之用途更為廣泛。常見之活性二氧化矽可為非晶質二氧化矽，例如氣相法二氧化矽(fumed silica)及沉澱法二氧化矽(precipitated silica，或稱白煙)，其初級粒子為奈米等級，亦可黏聚成微米等級之微聚體。氣相法二氧化矽之初級粒子粒徑例如可為（但不限於）5至50 nm，形成微聚體之粒徑可為（但不限於）1至20 μm，比表面積可為（但不限於）50至600 m² /g，例如140至220 m² /g。沉澱法二氧化矽之初級粒子粒徑例如可為（但不限於）5至100 nm，形成微聚體之粒徑可為（但不限於）1至40μm，比表面積可為（但不限於）5至100 m² /g。於本發明之非鍛燒水泥組合物中，活性二氧化矽之含量可為（但不限於）組合物總重量之至少0.3%、至少0.5%、至少0.8%，至多5.0%、至多4.5%、至多4.2%，及其任意組合可形成之範圍。於本發明之非鍛燒混凝土組合物中，活性二氧化矽之含量可為（但不限於）組合物總重量之至少0.2%、至少0.3%、至少0.5%；至多2.5%、至多2%、至多1.8%，及其任意組合可形成之範圍。(iii) 減水劑 本發明之減水劑係有利於在組合物組份混合後吸收水分，實例包含木質素類減水劑、萘磺酸類減水劑、水溶性樹脂減水劑、聚羧酸等，例如木質素磺酸鈣、木質素磺酸鈉、木質素磺酸鎂、磺化木質素、萘磺酸鹽、薰草酮樹脂等。本發明之非鍛燒水泥組合物在常溫下混合後即可展現與水泥類似之行為，並展現符合工程規範之性質要求。因所使用之原料並不以傳統水泥之主要成分石灰石做為必要組份；本發明之非鍛燒混凝土組合物無需進行鍛燒亦可製得展現與現有混凝土相當或更佳性質之非鍛燒混凝土（縱使可能包含石灰石），故可大幅節省因高溫鍛燒所需之能源，以及避免高溫鍛燒所產生之污染問題。不欲受理論所限制，使用本發明之非鍛燒水泥組合物，相較於傳統波特蘭水泥可減少至少約40%至約70%之碳排放量。此外，所使用之原料更為環保之原料且易於獲得，對於環境影響亦更小，可降低環境成本以及經濟成本。非鍛燒水泥組合物之製備方法 本發明之非鍛燒水泥組合物係藉由組份之選擇經組合而成。於本發明之一較佳具體態樣中，非鍛燒水泥組合物係包裝為兩部分，其中一部分包含微米無機粒子與鋁氧化合物，另一部分包含奈米膠態二氧化矽及凝結控制劑；較佳地，於組合物運送過程中或使用前，該兩部分不互相接觸。於本發明之另一較佳具體態樣中，本發明非鍛燒水泥組合物係包裝為兩部分，其中一部分包含微米無機粒子、鋁氧化合物及促凝劑，另一部分包含奈米膠態二氧化矽及凝結控制劑；較佳地，於組合物運送過程中或使用前促凝劑係不與奈米膠態二氧化矽接觸。於一具體態樣中，非鍛燒水泥組合物係包裝為兩部分，其中一部分包含所有呈固態形式之組份，另一部分包含呈液態（例如溶液、懸浮液、溶膠）形式之組份；較佳地，於組合物運送過程中或使用前，該兩部分不互相接觸。非鍛燒混凝土組合物之製備方法 本發明之非鍛燒混凝土組合物係藉由組份之選擇經組合而成。於本發明之一較佳具體態樣中，非鍛燒混凝土組合物係包裝為兩部分，其中一部分包含無機粒子(包含微米無機粒子)與鋁氧化合物，另一部分包含奈米膠態二氧化矽及凝結控制劑；較佳地，於組合物運送過程中或使用前，該兩部分不互相接觸。於本發明之另一較佳具體態樣中，本發明非鍛燒混凝土組合物係包裝為兩部分，其中一部分包含無機粒子(包含微米無機粒子)、鋁氧化合物及促凝劑，另一部分包含奈米膠態二氧化矽及凝結控制劑；較佳地，於組合物運送過程中或使用前促凝劑係不與奈米膠態二氧化矽接觸。於一具體態樣中，非鍛燒混凝土組合物係包裝為兩部分，其中一部分包含所有呈固態形式之組份，另一部分包含呈液態（例如溶液、懸浮液、溶膠）形式之組份；較佳地，於組合物運送過程中或使用前，該兩部分不互相接觸。非鍛燒混凝土之製備方法 本發明非鍛燒水泥組合物及非鍛燒混凝土組合物所包含之多數組份均無需鍛燒，僅少數組份之前處理需經低溫鍛燒(例如選擇性添加之促凝劑，實例為氧化鎂)。混凝土一般包含膠結性材料(水泥)、水、骨材等成分。骨材可為任何工程上可應用之材料，實例為源自各種天然礦石或岩石、石英砂、陸地砂石、矽砂、河砂、海砂、水庫淤泥之材料，或前述之任意組合，及其中所含不可避免之雜質等。於一具體實例中，無機粒子包含石英砂、碎石或兩者，包含兩者時可按任意比例混合。因此，可將本發明之非鍛燒水泥組合物做為膠結性材料製成非鍛燒混凝土。例如，可將本發明之非鍛燒水泥組合物與骨材等組份混合，便可製備混凝土；例如，將骨材與微米無機粒子混合後，再與鋁氧化合物混合均勻，接著加入奈米膠態二氧化矽及凝結控制劑進行拌和，即可獲得非鍛燒混凝土；或者，可先將奈米膠態二氧化矽及凝結控制劑以外之組份先行混合均勻後，再先後或同時加入奈米膠態二氧化矽及凝結控制劑拌和，以製備非鍛燒混凝土。由包含進一步添加之選擇性組份（例如促凝劑、活性二氧化矽、減水劑等之一或多者）之非鍛燒水泥組合物中製備非鍛燒混凝土之一具體態樣，係將骨材與微米無機粒子混合後，再與促凝劑及鋁氧化合物混合均勻，接著加入奈米膠態二氧化矽與凝結控制劑進行拌和，即可獲得非鍛燒混凝土。另一具體態樣為將骨材與微米無機粒子混合後，再與鋁氧化合物混合均勻，接著加入奈米膠態二氧化矽、凝結控制劑及活性二氧化矽進行拌和，即可獲得非鍛燒混凝土。另一具體態樣為將骨材與微米無機粒子混合後，再與鋁氧化合物及促凝劑混合均勻，接著加入奈米膠態二氧化矽、凝結控制劑及活性二氧化矽進行拌和，即可獲得非鍛燒混凝土。另一具體態樣，係將骨材與微米無機粒子混合後，再與減水劑及鋁氧化合物混合均勻，接著加入奈米膠態二氧化矽與凝結控制劑進行拌和，即可獲得非鍛燒混凝土。或者，於前述態樣中，可先將奈米膠態二氧化矽、凝結控制劑與活性二氧化矽(若包含)以外之組份先行混合均勻後，再加入奈米膠態二氧化矽、凝結控制劑與活性二氧化矽(若包含)拌和，以製備非鍛燒混凝土。或者，於前述態樣中，可先將成固態形式之組份混合，再加入呈液態（例如溶液、懸浮液、溶膠）形式之組份拌和，以製備非鍛燒混凝土。此外，亦可由本發明所提供之非鍛燒混凝土組合物製備混凝土；可將無機粒子混合均勻後，再行添加其他組份即可製得非鍛燒混凝土。例如，先將無機粒子與微米無機粒子依前述比例混合後，再與鋁氧化合物混合均勻，接著加入奈米膠態二氧化矽及凝結控制劑進行拌和，即可獲得非鍛燒混凝土。由包含進一步添加之選擇性組份（例如促凝劑、活性二氧化矽、減水劑等之一或多者）之非鍛燒混凝土組合物製備混凝土之一具體實例，係先將無機粒子與微米無機粒子依前述比例混合後，再與鋁氧化合物與促凝劑混合均勻，接著加入奈米膠態二氧化矽及凝結控制劑進行拌和，即可獲得非鍛燒混凝土。於另一具體實例中，先將無機粒子與微米無機粒子依前述比例混合後，再與鋁氧化合物混合均勻，接著加入奈米膠態二氧化矽、凝結控制劑及活性二氧化矽進行拌和，即可獲得非鍛燒混凝土。於另一具體實例中，先將無機粒子與微米無機粒子依前述比例混合後，再與鋁氧化合物與促凝劑混合均勻，接著加入奈米膠態二氧化矽、凝結控制劑及活性二氧化矽進行拌和，即可獲得非鍛燒混凝土。於另一具體態樣，係先將無機粒子與微米無機粒子依前述比例混合後，再與減水劑及鋁氧化合物混合均勻，接著加入奈米膠態二氧化矽與凝結控制劑進行拌和，即可獲得非鍛燒混凝土或者，於前述具體態樣中，可先將奈米膠態二氧化矽、凝結控制劑與活性二氧化矽(若包含)以外之組份先行混合均勻後，再加入奈米膠態二氧化矽、凝結控制劑與活性二氧化矽(若包含)拌和，以製備非鍛燒混凝土。或者，於前述態樣中，可先將成固態形式之組份混合，再加入呈液態（例如溶液、懸浮液、溶膠）形式之組份拌和，以製備非鍛燒混凝土。製備混凝土所用之骨材可包含陸地砂石、矽砂、河砂、海砂、水庫淤泥等。於一具體實例中，本發明之無機粒子亦可視為骨材。於一較佳具體實例中，骨材經去鹽（包含去除陽離子及/或陰離子）處理後使用。由本發明非鍛燒水泥組合物或非鍛燒混凝土組合物所製成之非鍛燒混凝土，其物理與工程性質與使用傳統波特蘭水泥製成之傳統混凝土之性質相當或更佳。例如，於一具體實例中，由本發明非鍛燒水泥組合物或非鍛燒混凝土組合物所製成之非鍛燒混凝土於CNS 1010(ASTM C109)標準或CNS 1232(ASTM C39)標準所測定之應力應變測試下係展現工程上可接受之抗壓強度，例如至少1,800 psi、至少2,000 psi、較佳展現至少3,000 psi、較佳展現至少4,500 psi、更佳展現至少6,000 psi之28日抗壓強度；於更佳之具體實例中，展現至少8,000 psi、至少10,000 psi、至少12,000 psi或至少14,000 psi之28日抗壓強度。於一具體實例中，由本發明非鍛燒水泥組合物或非鍛燒混凝土組合物所製成之非鍛燒混凝土於CNS 1238(ASTM C348)標準所測定之抗彎試驗測試中係展現工程上可接受之抗彎強度，例如至少200 psi、較佳至少300 psi、較佳至少450 psi、更佳至少600 psi之28日抗彎強度。於一具體實例中，由本發明非鍛燒水泥組合物或非鍛燒混凝土組合物所製成之非鍛燒混凝土於CNS 3801(ASTM C496)標準所測定之劈裂試驗中係展現工程上可接受之劈裂強度，例如至少200 psi、較佳至少300 psi、較佳至少450 psi、更佳至少600 psi之28日劈裂強度。於一具體實例中，由本發明非鍛燒水泥組合物或非鍛燒混凝土組合物所製成之非鍛燒混凝土於依據CNS 14603(ASTM C157)標準進行之線性收縮量試驗中係展現工程上可接受之線性收縮量，例如至多1,500 μ、較佳至多1,200 μ、更佳至多600 μ、更佳至多400 μ及更佳至多200 μ之28日線性收縮量。於一具體實例中，由本發明非鍛燒水泥組合物或非鍛燒混凝土組合物所製成之非鍛燒混凝土，依照CNS 1232(ASTM C39)標準所進行之混凝土圓柱抗壓試驗結果係展現工程上可接受之抗壓強度，例如至少4,500 psi、較佳至少5,000 psi、更佳至少6000 psi之抗壓強度。提供以下實例以使本發明所屬技術領域中具有通常知識者更能理解本案發明之內容，但該等實例並不意欲限縮本案發明所涵蓋之範圍。實施例 實例 1 根據下述表1所列組份，製備非鍛燒水泥組合物：表1：非鍛燒水泥組合物（重量份）除特別標示者，奈米膠態二氧化矽由18 nm與80 nm（固含量40重量%）以約8：2之比例製得。亦根據下述表1A所列組份，製備非鍛燒水泥組合物：表1A：非鍛燒水泥組合物（重量份）下文所述實例2至9中所示之抗壓強度係以CNS1010(ASTM C109)所規定之標準測得，惟測定強度之期間係以本文中所列者為準。實例 2 使用下表所列之組份進行非鍛燒混凝土組合物之製備。首先，將無機粒子(骨材)及微米無機粒子(SiO₂ )依表2所列之重量百分比混合後，再與鋁氧化合物混合均勻，接著加入奈米膠態二氧化矽及凝結控制劑進行拌和，養護28日後測量抗壓強度。表2 所使用之奈米膠態二氧化矽係以18 nm：80 nm為約8：2 (固含量為40%)之比例製得。實例 3 使用下表所列之組份進行非鍛燒混凝土組合物之製備。首先，將無機粒子(骨材)及微米無機粒子(SiO₂ )依表3所列之重量百分比混合後，再與促凝劑及鋁氧化合物混合均勻，接著加入奈米膠態二氧化矽及凝結控制劑進行拌和，養護14或28日後測量抗壓強度。表3 所使用之奈米膠態二氧化矽係以18 nm：80 nm為約8：2 (固含量為40%)之比例製得。 *編號9之強度為14天強度。實例 4 使用下表所列之組份進行非鍛燒水泥組合物之製備。首先，將微米無機粒子(SiO₂ )依表4所列之粒徑與重量百分比混合形成級配粉體後，將無機粒子(骨材)與級配粉體混合，再與促凝劑及鋁氧化合物混合均勻，接著加入奈米膠態二氧化矽及凝結控制劑進行拌和，養護28日後測量抗壓強度。表4 除編號28至30外，所使用之奈米膠態二氧化矽係以18 nm：80 nm為約8：2 (固含量為40%)之比例製得。實例 5 使用下表所列之組份進行非鍛燒水泥組合物之製備。首先，將微米無機粒子(SiO₂ )依表5所列之粒徑與重量百分比混合形成級配粉體後，將無機粒子(骨材)與級配粉體混合，再與促凝劑及鋁氧化合物混合均勻，接著加入奈米膠態二氧化矽及凝結控制劑進行拌和，養護7或28日後測量抗壓強度。表5 所使用之奈米膠態二氧化矽係以18 nm：80 nm為約8：2 (固含量為40%)之比例製得。 *編號20及23至25為180°C環境下2天之強度。 **編號26之強度為7日強度。實例 6 使用下表所列之組份進行非鍛燒水泥組合物之製備。首先，將微米無機粒子(SiO₂ )依表6所列之粒徑與重量百分比混合形成級配粉體後，將無機粒子(骨材)與級配粉體混合，再與促凝劑及鋁氧化合物混合均勻，接著加入奈米膠態二氧化矽及凝結控制劑(檸檬酸)進行拌和，養護10或28日後測量抗壓強度。表6 奈米膠態二氧化矽由18 nm與80 nm（固含量40重量%）以約8：2之比例製得。 *編號414與415為10日強度實例 7 使用下表所列之組份進行非鍛燒水泥組合物之製備。首先，將河沙研磨並分級做為微米無機粒子，依表7所列之粒徑與重量百分比混合形成級配粉體後，將無機粒子(骨材)與級配粉體混合，再與促凝劑及鋁氧化合物(高鋁水泥)混合均勻，接著加入奈米膠態二氧化矽及凝結控制劑(檸檬酸)進行拌和，養護28日後測量抗壓強度。表7 所使用之奈米膠態二氧化矽係以18 nm：80 nm為約8：2 (固含量為40%)之比例製得。由試驗結果可知使用容易取得之砂石亦可適用於本發明。實例 8 使用52.8重量%之石英砂、8.0重量%之1.6 μm SiO₂ 、11.8重量%之10 μm SiO₂ 、6.2重量%之45 μm SiO₂ 、5.9重量%之高鋁水泥、1.8重量%之氧化鎂、1.3重量%之檸檬酸，以及表8所列不同粒徑組合之奈米膠態二氧化矽製備非鈣水泥進行非鍛燒水泥組合物之製備。首先，將微米無機粒子(SiO₂ )混合形成級配粉體後，將無機粒子(骨材)與級配粉體混合，再與促凝劑(氧化鎂)及鋁氧化合物(高鋁水泥)混合均勻，接著加入奈米膠態二氧化矽(單一組份或組合)、凝結控制劑(檸檬酸)進行拌和，養護28日後測量抗壓強度：表8 實例 9 使用下表所列之組份進行混凝土組合物之製備。首先，將骨材及微米無機粒子(SiO₂ )依表9所列之重量百分比混合後，再與促凝劑混合均勻，接著加入奈米膠態二氧化矽及凝結控制劑(檸檬酸)進行拌和，養護28日後測量抗壓強度。表9 實例 10 使用下表10所列之組份進行混凝土組合物之製備。表10 組合物於極短時間內凝結成塊狀，不利於施作。實例 11 使用如下表11之非鍛燒水泥組合物與粗骨材製備混凝土：表11 將各組份混合後，灌注至模體內製得多個混凝土試體，靜置28日後以混凝土圓柱抗壓試驗CNS1232(ASTM C39)測量抗壓強度，所獲得之抗壓強度如下表12所示：表12 實例 12 使用如實例11所製得之混凝土試體以混凝土圓柱抗彎試驗CNS1238(ASTM C348)測量抗彎強度，所獲得之抗壓強度如下表13所示：表13 實例 13 使用如實例11所製得之混凝土試體以混凝土圓柱劈裂試驗CNS3801(ASTM C496)測量劈裂強度，所獲得之劈裂強度如下表14所示：表14 由實例11至13可知，由本發明之非鍛燒水泥組合物或非鍛燒混凝土組合物所製備成之混凝土可展現良好之物理與工程性質。實例 14 使用如實例11所製得之混凝土試體(S01)及以市售波特蘭水泥及骨材製得之混凝土試體(R01)以CNS 14603(ASTM C157)標準測量線性收縮量，所獲得之線性收縮量(μ)如下表15所示：表15 由試驗結果可知，由本發明之非鍛燒水泥組合物或非鍛燒混凝土組合物所製備成之混凝土於線性收縮量之表現上遠優於以傳統波特蘭水泥所製成混凝土所展現者。

無

Claims

一種組合物，其包含： (a) 以組合物總重量計為約31%至87%之具有介於1.0至100 μm之粒徑大小之微米無機粒子； (b) 鋁氧化合物； (c) 奈米膠態二氧化矽（colloidal silica），及 (d) 凝結控制劑。
如請求項1之組合物，其中該微米無機粒子之粒徑分布至少為雙峰分布。
如請求項1之組合物，其中該微米無機粒子之粒徑分布為三峰分布，其中具有峰值粒徑之粒子可彼此獨立地至少分別佔該微米無機粒子之總重量的20%至50%。
如請求項1之組合物，其中該奈米膠態二氧化矽之粒徑分布為雙峰分布，其中具有峰值粒徑之粒子可彼此獨立地至少分別佔該奈米膠態二氧化矽之總重量的30%至70%。
如請求項1之組合物，其進一步包含促凝劑、活性二氧化矽及減水劑之至少一者。
一種組合物，其包含： (a) 以組合物總重量計為約66%至92%之無機粒子； (b) 鋁氧化合物； (c) 奈米膠態二氧化矽（colloidal silica），及 (d) 凝結控制劑，其中該無機粒子包含具有介於1.0至100 μm之粒徑大小之微米無機粒子，該微米無機粒子佔該無機粒子之總重量為25%至45%。
如請求項6之組合物，其中該微米無機粒子之粒徑分布至少為雙峰分布。
如請求項6之組合物，其中該微米無機粒子之粒徑分布為三峰分布，其中具有峰值粒徑之粒子可彼此獨立地至少分別佔該微米無機粒子之總重量的20%至50%。
如請求項6之組合物，其中該奈米膠態二氧化矽之粒徑分布為雙峰分布，其中具有峰值粒徑之粒子可彼此獨立地至少分別佔該奈米膠態二氧化矽之總重量的30%至70%。
如請求項6之組合物，其進一步包含促凝劑、活性二氧化矽及減水劑之至少一者。
一種組合物，其包含： (a) 以組合物總重量計為約30%至86%之具有介於1.0至100 μm之粒徑大小之微米無機粒子； (b) 鋁氧化合物； (c) 奈米膠態二氧化矽（colloidal silica）； (d) 凝結控制劑；及 (i) 促凝劑，其包含鹼金族或鹼土族之氧化物、氫氧化物、硫酸鹽或碳酸鹽。
一種組合物，其包含： (a) 以組合物總重量計為約65%至90%之無機粒子； (b) 鋁氧化合物； (c) 奈米膠態二氧化矽（colloidal silica）； (d) 凝結控制劑；及 (i) 促凝劑，其包含鹼金族或鹼土族之氧化物、氫氧化物、硫酸鹽或碳酸鹽；其中該無機粒子包含具有介於1.0至100 μm之粒徑大小之微米無機粒子，該微米無機粒子佔該無機粒子之總重量為25%至45%。
一種混凝土，其係包含如請求項1至12中任一項之組合物。
如請求項13之混凝土，係包含下列性質之至少一者：在CNS 1010(ASTM C109)標準或CNS 1232(ASTM C39)標準測試下具有至少1,800 psi之28日抗壓強度、在CNS 1238(ASTM C348)標準測試下具有至少200 psi之28日抗彎強度、在CNS 3801(ASTM C496)標準測試下具有至少200 psi之28日劈裂強度、在CNS 14603(ASTM C157)標準測量下具有至多1500 μ之28日線性收縮量。