阅读说明：本技术 具有石油灰分的泡沫混凝土 (Foamed concrete with petroleum ash ) 是由 ***·鹤山·阿勒-梅赫特尔 萨拉赫·H·阿勒-伊迪 ***·马斯莱胡丁 ***·*** 于 2018-01-31 设计创作，主要内容包括：一种泡沫混凝土,其具有包含水泥、砂子、粗骨料、石油灰分、水和泡沫溶液的成分。该泡沫混凝土的抗压强度为至少20MPa,导热系数小于0.41W/mK,并且最大重量为1650kg/m<Sup>3</Sup>。(A foamed concrete having ingredients comprising cement, sand, coarse aggregate, petroleum ash, water, and a foaming solution. The compressive strength of the foam concrete is at least 20MPa, the heat conductivity coefficient is less than 0.41W/mK, and the maximum weight is 1650kg/m 3 。)

具有石油灰分的泡沫混凝土

技术领域

本公开涉及一种具有石油灰分(oil ash)的泡沫混凝土。更具体而言，本公开涉及一种具有石油灰分作为填料的轻质混凝土组合物及其制备方法。

背景技术

混凝土可以用于各种建筑目的。一些现有的轻质混凝土的抗压强度低，因此不能用于承重的混凝土应用，如结构部件。为了提供足够的抗压强度，可以将重量较大的混凝土(如常规混凝土)用于承重的混凝土部件。然而，常规混凝土的导热系数较高且重量较大，因而使用重量较大的混凝土或较大量的混凝土会导致结构沉重或笨重。

发明内容

本公开的实施方案提供了一种轻质泡沫混凝土，该轻质泡沫混凝土的导热系数低于一些常规的普通重量混凝土，并且具有高于现有的轻质混凝土的抗压强度。本文所述的组合物和方法提供了这样的泡沫混凝土，该泡沫混凝土可以用于制造细长的结构构件，并且与一些现有的混凝土相比，结构构件的尺寸减小降低了建筑物的总成本。所公开的泡沫混凝土的抗压强度足够高，以使得该泡沫混凝土能够用于结构目的以及用于砌筑单元、砖块和绝缘材料。此外，所开发的组合物的导热系数低于常规混凝土和一些现有的轻质混凝土的导热系数。本文所述的组合物和方法使用石油灰分作为填料。

在本公开的一个实施方案中，泡沫混凝土具有包括水泥、砂子、粗骨料、石油灰分、水和泡沫溶液的成分。泡沫混凝土的抗压强度为至少20MPa，导热系数小于0.41W/mK，并且最大重量为1650kg/m³。

在可供选择的实施方案中，基于泡沫混凝土的重量，水泥连同水一起可以占泡沫混凝土的成分的75重量％至80重量％。泡沫混凝土可以不含粉煤灰、增塑剂和纤维。泡沫混凝土的抗压强度可以在20MPa至60MPa的范围内。泡沫混凝土的导热系数可以为0.40W/mK。泡沫混凝土的重量可以在1525kg/m³至1650kg/m³的范围内。基于泡沫混凝土的重量，水泥可以占泡沫混凝土的成分的至少50重量％。

在其他可供选择的实施方案中，泡沫混凝土的成分可以包含各自基于泡沫混凝土的重量的：

含量为泡沫混凝土的成分的53重量％至56重量％的水泥；

含量为泡沫混凝土的成分的5重量％至8重量％的砂子；

含量为泡沫混凝土的成分的10重量％至12重量％的粗骨料；

含量为泡沫混凝土的成分的3重量％至6重量％的石油灰分；

含量为泡沫混凝土的成分的21重量％至25重量％的水；和

含量为泡沫混凝土的成分的0.5重量％至3.0重量％的泡沫溶液。

还在其他可供选择的实施方案中，泡沫混凝土的成分可以包含各自基于泡沫混凝土的重量的：

含量为泡沫混凝土的成分的53.4重量％的水泥；

含量为泡沫混凝土的成分的5.3重量％的砂子；

含量为泡沫混凝土的成分的10.6重量％的粗骨料；

含量为泡沫混凝土的成分的5.3重量％的石油灰分；

含量为泡沫混凝土的成分的24.6重量％的水；和

含量为泡沫混凝土的成分的0.8重量％的泡沫溶液。

在本公开的可供选择的实施方案中，泡沫混凝土的成分包含：

含量为泡沫混凝土的成分的15重量％至65重量％的水泥；

含量为泡沫混凝土的成分的1重量％至10重量％的砂子；

含量为泡沫混凝土的成分的10重量％至50重量％的粗骨料；

含量为泡沫混凝土的成分的3重量％至10重量％的石油灰分；

含量为泡沫混凝土的成分的10重量％至30重量％的水；和

含量为泡沫混凝土的成分的0.5重量％至5.0重量％的泡沫溶液。

在可供选择的实施方案中，泡沫混凝土的抗压强度可以为至少20MPa，导热系数可以小于0.41W/mK，并且最大重量可以为1650kg/m³。基于泡沫混凝土的重量，水泥可以占泡沫混凝土的成分的至少50重量％。基于泡沫混凝土的重量，水泥连同水一起可以占泡沫混凝土的成分的75重量％至80重量％。

在本公开的另一个可供选择的实施方案中，通过形成泡沫混凝土从而处理石油灰分的方法包括将以下成分混合在一起的步骤：水泥；砂子；粗骨料；石油灰分；和水。可以添加泡沫溶液以得到抗压强度为至少20MPa、导热系数小于0.41W/mK并且最大重量为1650kg/m³的泡沫混凝土。

在可供选择的实施方案中，可以在环境压力下施加水来固化泡沫混凝土。基于泡沫混凝土的重量，水泥连同水一起可以占泡沫混凝土的成分的75重量％至80重量％。泡沫混凝土可以不含粉煤灰、增塑剂和纤维。基于泡沫混凝土的重量，水泥可以占泡沫混凝土的成分的至少50重量％。

在其他可供选择的实施方案中，泡沫混凝土的成分可以包含各自基于泡沫混凝土的重量的：

含量为泡沫混凝土的成分的53重量％至56重量的水泥；

含量为泡沫混凝土的成分的5重量％至8重量％的砂子；

含量为泡沫混凝土的成分的10重量％至12重量％的粗骨料；

含量为泡沫混凝土的成分的3重量％至6重量％的石油灰分；

含量为泡沫混凝土的成分的21重量％至25重量％的水；和

含量为泡沫混凝土的成分的0.5重量％至3.0重量％的泡沫溶液。

还在其他可供选择的实施方案中，泡沫混凝土的成分可以包含各自基于泡沫混凝土的重量的：

含量为泡沫混凝土的成分的53.4重量％的水泥；

含量为泡沫混凝土的成分的5.3重量％的砂子；

含量为泡沫混凝土的成分的10.6重量％的粗骨料；

含量为泡沫混凝土的成分的5.3重量％的石油灰分；

含量为泡沫混凝土的成分的24.6重量％的水；和

含量为泡沫混凝土的成分的0.8重量％的泡沫溶液。

附图说明

为了获得并详细理解所公开的实施方案的上述特征、方面和优点以及将变得显而易见的其他特征、方面和优点，可以通过参考构成本说明书的一部分的附图中示出的实施方案来对以上简要概括的公开内容进行更具体的描述。然而，应当注意，附图示出了本公开的一些实施方案，因此，不应被认为是对本公开的范围的限制，因为本公开可以允许其他同等有效的实施方案。

图1为示出根据本公开的实施方案的泡沫混凝土板的底部温度和顶部温度随时间变化的曲线图。

具体实施方式

本公开中描述的组合物和方法提供了一种具有包括水泥、砂子、粗骨料、石油灰分、水和泡沫溶液的成分的泡沫混凝土。

石油灰分(“OA”)是由重质油或裂化油燃烧产生的残渣(residue)。通常将重质油定义为具有相对较长的烃链(例如碳长度为约12至70个碳原子或者约20至70个碳原子)的燃料油。重质燃料油可以被归类为由美国材料与试验协会(ASTM)分类的“5号燃料油”或“6号燃料油”。由于重质燃料油的高粘度，有时在(例如)发电厂中燃烧之前对重质燃料油进行预热。

在炼油工业中，裂化通常是指通过使长链烃断裂成较短的烃链，从而将复杂的有机分子分解成较简单的分子。可以使用各种方法来裂化油，包括(例如)催化方法。在裂化工艺之后，可以将所得的烃分离成各种类型的燃料，包括(例如)燃料气体、液化石油气、汽油、轻质循环油和重质燃料油。通过裂化工艺生成的重质燃料油可以被称为“裂化燃料油”。就本申请而言，除非另有说明，否则裂化燃料油和重质燃料油均被称为重质油。电力生产厂和海水淡化厂可以使用重质油，并且预计未来将使用越来越多的重质油。重质油的燃烧会产生残渣，包括灰分。如普通技术人员将理解的那样，由于环境限制，石油灰分可以(并且在某种程度上必须)被捕集而不是释放到空气中。

OA是由重质油燃烧而产生的黑色粉末型废料。与其他类型的灰分相比，OA具有独特的性质。为了控制空气污染，将OA收集在静电除尘器中，静电除尘器安装在燃烧渣油的锅炉上。用于处理OA的现行方法是将其掩埋在特殊衬砌密封坑中，这非常昂贵并且需要预留大量区域作为倾倒场地。

通常，OA包含大于约90重量％的碳。其余的小于约10重量％的OA通常可能包含硫、镁和钒。OA可以包括各种粒径。在一个实施方案中，约16重量％的OA保留在#325筛上，而约84重量％的物质通过了#325筛。这表明约84重量％的灰分可能细于约45微米。在可供选择的实施方案中，大约所有的OA均通过了#200筛。这表明大约所有的灰分都可能细于约75微米。如本文所用，术语“约”应被理解为包括在所述值的5％以内的值。

扫描电子显微镜研究表明OA是不同直径的球形球体的聚集体。能量色散X射线分析表明主要存在碳，其次是硫和痕量的镁和硅。

OA可以包含各种元素。例如，表1示出了OA的化学分析实例。各元素的含量可以根据OA的来源而变化。

表1

表2示出了OA的化合物组合物实例。各化合物的含量可以根据OA的来源而变化。

表2

在本公开的实施方案中使用的OA的元素和化合物组成显著不同于先前在混凝土中使用的传统的粉煤灰的元素和化合物组成。

与OA不同，传统的粉煤灰通常是通过燃烧煤而产生的。传统的粉煤灰的主要化学成分为二氧化硅(SiO₂)、氧化钙(CaO)、氧化铝(Al₂O₃)和氧化铁(Fe₂O₃)，并且传统的粉煤灰与ASTM C618一致。通常根据所燃烧的煤的类型对粉煤灰进行分类。例如，F级粉煤灰是通过燃烧无烟煤和烟煤而产生的，而C级粉煤灰是通过燃烧褐煤或次烟煤而产生的。由于粉煤灰包含二氧化硅，因而会与水泥的水化期间产生的石灰发生反应，从而使水泥致密且不可渗透，而OA主要是碳，其不能促进补充水泥(supplementary cement)的形成。然而，由于低密度，可以使用OA替代混凝土中的重质成分(如水泥和骨料，特别是砂子)，以生产轻质混凝土。此外，与使用粉煤灰相比，使用OA表现出具有提高的抗压强度。在燃烧燃料油的地区更易于获得OA。本公开的实施方案不含粉煤灰。

混凝土是由水泥、水和骨料(aggregate或aggregates)制成的组合物。虽然“骨料(aggregate)”可以为复数，但术语“骨料(aggregates)”通常是指多于一种类型或多于一种尺寸的骨料。水泥是一种可以使骨料结合在一起的结合剂。普通波特兰水泥(“OPC”)是一种这样的结合剂，其可以结合至诸如细骨料和粗骨料之类的其他材料，从而使所述其他材料固定在一起。可以以水泥的方式硬化以使多种材料结合在一起的作为浆料的材料被称为水泥质材料或具有水泥质性能。本领域技术人员将理解，可以将水添加到干水泥中以制备水泥浆料。OPC的水灰比(“w/c比例”)通常为约0.20至0.5。作为说明，w/c比例为0.20表明一份水比五份波特兰水泥(1/5＝0.20)。w/c比例为0.5表明一份水比两份水泥。本公开的实施方案的水泥可以为(例如)I型波特兰水泥。然而，任何类型的水泥(包括火山灰水泥)都可以用于生产本公开中所开发的轻质混凝土。在某些实施方案中，可供选择地，可以将火山灰材料用作填料。

如普通技术人员将理解的，可以将各种类型的常规骨料用作混凝土中的填料。如本领域技术人员将理解的，术语“骨料”可以指多种类型或尺寸的骨料。骨料可包括(例如)砂子、砂砾、碎石、炉渣或任意其他类型的骨料。当将骨料用于混凝土时，水泥通常会覆盖骨料，然后在基质中使骨料结合在一起。当使用各种尺寸的骨料时，较小的骨料材料可以填充较大的骨料材料之间的空隙，从而产生更致密的基质。混凝土中使用的骨料可以用粗骨料和细骨料来定义。细骨料(也称为“细粒”)可以包括天然砂、碎石或其他合适的细颗粒，其大部分颗粒小于5mm。粗骨料通常包括砂砾或碎石，其大部分颗粒大于5mm并且通常为9.5mm至37.5mm。

可以使用泡沫溶液，如市售可得的与水混合时形成溶液的发泡剂。一种这样的市售可得的发泡剂为可购自E-A-B Associates的EABASSOC发泡剂。可以替代性地使用其他市售可得的发泡剂，并且在各情况中，根据供应商的说明进行制备。例如，可以将压缩空气引入发泡剂和水中以形成泡沫。如本公开中所述，与发泡剂混合以形成泡沫溶液的水区别于用作泡沫混凝土的单独成分的水含量。在本说明书中，用于与发泡剂混合以形成泡沫溶液的水将被称为发泡水。

在制备泡沫混凝土时，可以在表3中找到各成分的重量％范围，所述成分包括水泥、砂子、粗骨料、石油灰分、水和泡沫溶液。如本公开所用，单位重量％是相对于泡沫混凝土的重量而测量的。

表3

在某些实施方案中，基于泡沫混凝土的重量，水泥占泡沫混凝土的成分的至少50重量％。例如，在某些实施方案中，水泥可以构成泡沫混凝土的成分的53重量％至56重量％。在确定成分的比率时，基于泡沫混凝土的重量，水和水泥的组合可以构成泡沫混凝土的成分的75重量％至80重量％。水和水泥都需要形成能够易于使骨料结合的浆料。

在可供选择的实施方案中，各成分的重量％可以在其他范围内。例如，砂子可以为泡沫混凝土的成分的5重量％至8重量％。在某些实施方案中，粗骨料的含量可以为泡沫混凝土的成分的10重量％至12重量％。在某些实施方案中，石油灰分的含量可以为泡沫混凝土的成分的3重量％至6重量％。在某些实施方案中，水的含量可以为泡沫混凝土的成分的21重量％至25重量％。在某些实施方案中，泡沫溶液的含量可以为泡沫混凝土的成分的0.5重量％至3.0重量％。泡沫混凝土不含粉煤灰、增塑剂和纤维。由于泡沫混凝土将是半液体形式并且可以易于放置，因而不需要添加增塑剂。存在纤维将阻碍泡沫混凝土的形成。因此，增塑剂和纤维材料不能为泡沫混凝土提供优势，并且会增加所得产品的成本。

所得的泡沫混凝土为轻质混凝土产品，其可用作绝缘构件和结构承重构件。例如，根据本公开所形成的混凝土产品的抗压强度可以为至少20MPa的抗压强度，并且可以在20MPa至60MPa的范围内，导热系数可以小于0.41W/mK(如0.40W/mK)，并且最大重量可以为1650kg/m³(其范围为1525kg/m³至1650kg/m³)。

为了形成泡沫混凝土，可以以常规方式将水泥、砂子、粗骨料、石油灰分和水混合。可以制备泡沫溶液并将其添加到其他预混的成分中，以得到泡沫混凝土。可以在环境压力下施加水来固化泡沫混凝土。例如，可以通过水浸、泡水、雾化或湿覆盖来固化泡沫混凝土。在某些实施方案中，可以通过在泡沫混凝土部件周围形成堤围(dyke)，以使得在固化时间段的持续时间内在泡沫混凝土部件上保持有水层，从而进行泡水。

实施例

制备了几种泡沫混凝土的试验混合物。试验混合物中的混合物成分的重量示于表4中。

表4

对于表4中所示的试样，泡沫溶液包含发泡剂，发泡剂含量为泡沫溶液的2重量％。根据该试验，选择了一种混合物进行详细评价。该测试用混合物中成分的重量示于表5中。

表5

在表5的实例中，发泡剂含量为泡沫溶液的1.45重量％。从表5中的数值可以计算出，以重量计，石油灰分含量为水泥含量的约10％，水灰比(w/c)为0.46，并且(水加泡沫)与水泥的比例((w+f)/c)为0.48。

制备尺寸为250mm×150mm×50mm的泡沫混凝土板试样，用于在约600℃的温度下暴露于火焰。暴露后，采集目视检查和照片证据。对于暴露于火焰之前和之后进行了比较。对试样进行火烧直至丧失结构稳定性，并记录劣化开始的时间。

图1示出了泡沫混凝土板试样的顶部表面和底部表面的温度变化。正如所料，底部表面处(暴露于火焰)的温度高于顶部表面处(未暴露于火焰)的温度。在暴露于火焰约两小时后，顶部表面处的温度几乎是底部表面处的温度的一半。暴露于火焰20分钟后，该底部表面和顶部表面之间的温度降低为约80％，并且暴露于火焰120分钟后，该底部表面和顶部表面之间的温度降低为约55％。

将符合ASTM标准C177的防护热板用于在稳态热流条件下测定导热系数。导热系数测定装置适合用于测试非均质材料，如混凝土、砖石、木制品、泡沫塑料等。测试装置的精度为导热系数实际值的约±4％。

制备尺寸为35cm×35cm×5cm的测试试样并在保护热板中进行测试。试样的表面必须是平的并且平行，以使得这两个表面与相应的热板表面及冷板表面之间的接触电阻最小化。由于样品的表面粗糙，因而不可能得到平坦且平行的表面。不平坦的表面将造成热板与相应的试样表面之间的显著温差。为了克服这个问题，将热电偶线固定在试样的两侧。多通道可编程数据记录仪以每小时的间隔监测表面温度。在计算中，使用由每一侧上的这些热电偶测定的温度的算术平均值替代来自保护热板的热表面和冷表面的温度。用覆盖层覆盖试样的两侧，以与板表面平滑接触。监测试样温度直至获得稳态条件。通过下式计算测试试样的导热系数k[W/m.K]：

其中：

Q[瓦特]为通过试样的热流；

d[m]为测试试样的厚度；

Th[℃]为测试试样的热侧的温度；

Tc[℃]为测试试样的冷侧的温度；并且

A[m²]为加热器的面积。

为了确定泡沫混凝土的抗压强度，在单独的测试中，根据ASTM C39对三个100mm×100mm×100mm的试样进行压缩测试。

测试试样的测试结果示于表6中。

表6

因此，测试试样具有足够的抗压强度以用作结构构件。一些现有的轻质泡沫混凝土的抗压强度低得多，使得它们不适合于承重应用。传统的结构混凝土以及包含粉煤灰的混凝土和具有与本公开的泡沫混凝土的抗压强度相当的混凝土的重量可能在2200kg/m³至2400kg/m³的范围内。本公开的泡沫混凝土显著较低，从而提供了总体上较轻重量的产品。

此外，传统的结构混凝土以及包含粉煤灰的混凝土的导热系数可能为1W/m.K至1.8W/m.K，其显著高于本发明的泡沫混凝土的导热系数。所公开的泡沫混凝土在单位重量和导热系数方面的降低可减少混凝土部件的重量，实现能量节约，并降低基础结构的总成本。因此，本公开的实施方案可以用于生产具有良好的抗压强度和较好的隔热性能或结构应用的较轻的混凝土部件，以及用于混凝土砌块单元、砖块和用于绝缘目的。本申请所制造的混合物的性能在强度方面优于常规泡沫混凝土，其比常规混凝土轻，并且热性能优于常规混凝土。

使用石油灰分的现有类型的常规混凝土的石油灰分与水泥的比率为约5重量％。本发明的石油灰分含量显著较高，从而表明本申请的实施方案提供了更加有用的处理石油灰分的方法，否则该石油灰分会造成环境问题。

虽然已经详细描述了本公开的实施方案，但是应当理解，在不脱离本公开的原理和范围的情况下，可以进行各种改变、替换和更改。因此，本公开的范围应当由以下权利要求及其适当的合法等同物所确定。

除非上下文另有明确规定，否则单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指示物。

任选的或任选地是指随后描述的事件或情况可能发生或可能不发生。该描述包括发生事件或情况的情形以及不发生事件或情况的情形。

在本文中，范围可表述为从大约一个特定值和/或到大约另一个特定值。当表述这样的范围时，应当理解，另一个实施方案是从一个特定值和/或到另一个特定值以及所述范围内的所有组合。

在本申请全文中，当引用专利或出版物时，旨在通过引用将这些参考文献的全部公开内容并入本申请中，以便更全面地描述本公开所属领域的现有技术，除非这些参考文献与本文所做的陈述相矛盾。