[发明专利]具有各种木材性能的轻质结构混凝土

说明书

技术领域

本发明涉及具有按照ASTM标准所规定的结构强度和密度的轻质混凝土。

背景技术

美国材料与测试协会(ASTM)标准将结构轻质混凝土定义为在固化28天后当依照ATSM C 330测试时具有超过17.2MPa(2,500psi)的抗压强度，且当通过ASTM C 567测定时具有不超过1,842kg/m³(115lb/ft³)的气干密度。标准混凝土混合料是由粗集料(石头)、细集料(砂)和水泥粘合剂制成的。与标准混凝土混合料相类似，许多当前的结构轻质混凝土混合物除了混合料中的集料被较低密度的集料所替代之外，具有相同的混合料组成。较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结构强度的压力。例如，最常见的人造(合成)轻集料包括膨胀页岩或粘土、炉渣和膨胀矿渣。最常见的天然轻集料包括浮岩、熔渣、凝灰岩和硅藻土。

目前，结构轻质混凝土的用途已经局限于需要其较低密度的大型铸造结构，例如桥梁和高层建筑。像大多数常规的混凝土材料一样，由于结构轻质混凝土的不弯曲性、材料成本以及在处理材料过程中相关的劳动力成本，它在居住建筑物中的应用受到了限制。因此，具有结构强度和像木材一样的(wood-like)性能的经济型轻质混凝土将是非常有价值的，因为它能够克服目前用于建筑应用的传统的混凝土和轻质结构混凝土的局限性。然而，在可以获得更好的设计及改进之前，了解在确定其性能的情况下常规混凝土和轻质混凝土两者的混凝土基体的一般类型以及它们的机制是必要的。

大多数轻质混凝土(结构轻质混凝土或其它形式)分为三(3)类。第一类轻质混凝土涉及利用诸如膨胀页岩或膨胀粘土的较轻集料作为常规的石头替代物的标准结构混凝土。结构轻集料的尺寸在粗糙到精细之间变化。由于结构集料直接用于承担负载，标准结构混凝土基体的机制以与常规混凝土相同的方式运作。第二类轻质混凝土涉及不含有具有结构强度的粗集料的混凝土类型。通常，此混凝土被提供诸如圬工砂和气室的精细结构填料、膨胀珍珠岩、蛭石、或小木块作为较大的非结构(non-structural)填料以占据基体中的空间。第二类中的混凝土基体(无论它是多孔混凝土还是珍珠岩混凝土)只依赖包封气室或膨胀珍珠岩以承担负载的固体粘结性结构(水泥粘合剂和诸如砂的精细结构集料)。第三类轻质混凝土涉及含有比圬工砂大的结构集料和非结构集料两者的混凝土类型；混凝土基体将含有第一类和第二类两类的成分。

在第二类轻质混凝土中，大多数是多孔混凝土、珍珠岩混凝土、蛭石混凝土或其类似物。这些类型的轻质混凝土通常被提供非结构强度且在施工应用方面受限制。这样的多孔混凝土的实例在以下专利中公开：题目为“Cellular concrete(多孔混凝土)”的美国专利第4,900,359号；题目为“Cellular concrete(多孔混凝土)”的美国专利第5,183,505号；以及题目为“Composition of materials for use in cellular lightweight concrete andmethods thereof(用于多孔轻质混凝土的材料的组合物及其方法)”的美国专利第6,488,762号。这样的珍珠岩混凝土实例包括题目为“Compositematerial and method(复合材料及方法)”的美国专利第5,080,022号和题目为“Machinable light weight sisal-based concrete structural building material(可机械加工的轻质剑麻基混凝土结构建筑材料)”的美国专利第6,881,257号。一些非结构轻质混凝土能够显示某种非常低水平的拧能力(screw-ability)和钉能力(nail-ability)，但一点也不接近木材的性能。因此，与木材相比，螺钉的握持强度(holding strength)和钉子的握力是非常差的。通常，当使用者拧或钉时，这些类型的轻质混凝土易于开裂。一些结构轻质混凝土，例如在美国专利第5,080,022号和美国专利第6,488,762号中公开的那些，可能具有所期望的结构强度但是它们缺乏木材的拧能力和钉能力。此外，这些类型的轻质混凝土在大的生产规模上不是非常经济的，因为混合物需要大量昂贵的水泥粘合剂，或具有非常有限的组分供应如在磨光的回收玻璃(ground recycled glass)的情况下。