專利名稱:可機械加工的輕質劍麻基混凝土結構建筑材料的制作方法
技術領域:
本發(fā)明涉及可機械加工的輕質混凝土結構建筑材料。更具體而言,本發(fā)明涉及輕質劍麻基混凝土結構建筑材料,其具有類似木材的特性,并可切割、上螺絲(screwed)或釘釘子(nailed)。
背景技術:
物種Agave sisalana(或俗稱劍麻),是一種龍舌蘭科的植物。它的纖維已被認為是葉片纖維類中最重要的纖維。此類纖維包括硬纖維、粗纖維。這些纖維(通常指“硬纖維”)通常為長而剛性的,且通常在纜索工業(yè)中用于生產繩索和麻繩。除其農業(yè)用途,劍麻還在航海、航運和工業(yè)部門中用于生產墊子、席子、刷子和航用型繩索。劍麻漿也用于造紙工業(yè)。劍麻漿所具有的某些特性使其適于制造很多特種紙張,例如其高抗扯性、高α纖維素含量、高孔隙性、高松密度、高吸墨性。
長劍麻纖維及其產品是其工業(yè)中的主要支柱,且它也使得該工業(yè)得以維持。然而,其只占劍麻植物的2%。其余的部分為生物質(biomass)和短纖維,它們被丟棄或付出經濟和環(huán)境的代價來焚燒。在全世界300,000噸的纖維生產中,約15,000,000百萬噸是被稱為“廢料”的生物質和短纖維。在以基于莊園的生產方式為主的非洲這種情況更為普遍,因此葉片被運送到中心工廠以去皮,由此處理如此大量的生物質成為一個問題。傳統(tǒng)的解決方法是泵入大量的水以將這一材料從去皮機運走,在某些地方直接沖入河流,造成水中的氧耗盡。由于這種低利用度,使得從這種植物中得到的利潤很低。
已對建立如何最好地商業(yè)化利用這一大量的生物質進行了研究?,F(xiàn)在焦點集中在將其用作能源(生物氣體和電力)、動物飼料、有機土壤改進劑、藥物以及包袋和填充物的原材料上。
此外,劍麻工業(yè)集中在非洲的大部分赤道區(qū)、中美洲、南美洲和亞洲(尤其是中國)。其生產于世界的某些最貧窮地區(qū),且在很多情況下它是那些地區(qū)唯一的收入和經濟活力的來源。因此,其對減輕貧困和為近六百萬人提供農業(yè)就業(yè)的努力有著重要貢獻。
因此,短纖維如果能用在通常需要消耗大量原材料的建筑工業(yè)中將是很有利的。
美國專利第6,017,595號(授予Brenot等)揭示了一種用于制造結構建筑材料的混合組合物,其包括再生的廢料,例如從水處理植物中獲得的含雜質的石灰;加固料,例如纖維玻璃、金屬材料、劍麻纖維或塑料;以及聚合材料,其較佳為包含聚氨酯泡沫體。更具體而言,Brenot等講授了含有20-40%廢料、5-20%加固料和40-75%聚合材料的混合組合物。美國專利第6,438,915(授予Beauboeuf)揭示了一種作為新型墻體結構的預制墻板。該墻板由珍珠巖、水泥、水和1-12英寸長的劍麻纖維組成。
另一方面,已使用多種組合物來制備建筑工業(yè)用的輕質混凝土。珍珠巖是在輕質混凝土中常用的組分。珍珠巖是天然存在的硅質巖的總稱。珍珠巖具有許多用途,這些用途通常分為三類建筑應用、園藝應用和工業(yè)應用。由于珍珠巖具有極佳的絕緣特性和較輕的重量,它被廣泛用作磚石結構中的松散填料絕緣物。除了提供熱絕緣以外,珍珠巖還提高了防火評價(fire rating)、減低噪聲傳播,而且它還能抗腐蝕、抗蟲和抗白蟻。當珍珠巖用作混凝土中的骨料時,能產生輕質、防火、絕緣的混凝土,該混凝土是天花板和其它應用中的理想材料。珍珠巖也可用作外部應用中的波特蘭水泥和石膏灰泥中的骨料,以及用于橫梁和支柱的防火。其它建筑應用包括地板下絕緣、煙囪內襯、油漆立體花紋、生石膏板、吊頂板材和屋頂絕緣板。
大部分輕質混凝土用于房屋和屋頂建筑,其具有普通混凝土的許多基本特性,例如強度和硬度。這些材料不能像木材一樣被機械加工、釘釘子或上螺絲。因此,它們的用途僅限于某些應用中。
另一方面,加氣劑常用于制造波特蘭水泥和石膏灰泥以及其它建筑材料。加氣是將許多小氣泡加入混凝土,并使其成為在硬化的水泥漿中將骨料結合在一起的填質(matrix)中的一部分的過程。這些氣泡分散在整個硬化的水泥漿中;它們像柔性球體一樣發(fā)揮作用,關系到水泥漿塑性和可加工性的增強。加氣是通過以下步驟完成的產生微小的氣泡;通過攪拌將其引入;以及通過漿相的灰漿或混凝土中的加氣劑將其穩(wěn)定。已知加氣劑的使用可增強加氣混凝土的抗凍融和抗剝落性、提高可灌筑性(placeability)以及降低新鮮混凝土的泌漿和分凝。加氣混凝土比非加氣混凝土更具可加工性。
加氣劑是有機添加劑,而最常用的是化學表面活性劑,這些表面活性劑可分為四類木樹脂的鹽類;合成去污劑;石油酸的鹽類;以及脂肪酸和樹脂酸及其鹽類。以Airalon的商品名市售(由Grace Construction Products,Cambridge,MA 02140生產)的中性氫化芳族和脂肪族羧酸的水溶液是一種水泥工業(yè)中常用的加氣劑。已知Airalon產生穩(wěn)定的氣體、具有低的加入率且安全并易于操作。Airalon的配料量取決于各種水泥的細度和所需的氣體含量,其常用量為0.03-0.35%。
德國專利號xxx(授予xx)揭示了一種可機械加工、可釘釘子和可上螺絲的木基混凝土。該混凝土由波特蘭水泥、混凝土砂、木屑以1∶1∶4的比例組成。為了生產這種混凝土,要將粗木屑浸在水中48小時,然后將其與水泥和混凝土砂混合以形成該木混凝土。雖然該現(xiàn)有技術拓展了水泥的特性,但是從其組成可顯而易見的是為了制造這種混凝土需要耗用大量的木材。普通公眾都知道木材是最有價值的天然資源之一,而且保護樹木和森林對我們的環(huán)境具有極大的影響。
基于以上描述,顯見對于無需使用木材但具有木材特性,從而可以機械加工、釘釘子和上螺絲的改進型輕質混凝土是有需求的。同樣還迫切需要在建筑或其它工業(yè)中有效利用短劍麻纖維以將目前的廢料變成有價值的原材料來源。
發(fā)明概述在某一實施方式中,本發(fā)明涉及可機械加工的輕質劍麻基混凝土結構建筑材料,其包含約22-33%(v/v)的劍麻纖維;約12-22%(v/v)的水泥;和約51-59%(v/v)的輕質礦物質。該輕質礦物質較佳為珍珠巖。該劍麻纖維的長度為約0.75-2.0英寸。
在另一實施方式中,本發(fā)明的可機械加工的輕質劍麻基混凝土結構建筑材料還包含足量的加氣劑,以增強該材料的塑性和可加工性(workability)。
在另一實施方式中,本發(fā)明涉及生產可機械加工的輕質劍麻基混凝土結構建筑材料的方法。該方法包括以下步驟將預定量(pre-measured amount)的水泥和預定量的珍珠巖徹底混合以形成均一的固體混合物;加入預定量的水,并將所述水與所述固體混合物徹底混合以形成泥漿;加入預定量的劍麻纖維,并將所述劍麻纖維徹底混合入泥漿中以形成均一的最終組合物;以及,將所述最終組合物注入模子中,并在所述模子中將所述最終組合物凝固為固體形式的結構建筑材料。所得的結構建筑材料具有類似于木材的特性。它的重量很輕,且可機械加工、上螺絲、切割和釘釘子。
本發(fā)明的一個目的是提供一種可機械加工、上螺絲、切割和釘釘子的輕質可機械加工的混凝土結構建筑材料的組合物。
本發(fā)明的另一目的是提供一種生產輕質可機械加工的混凝土結構建筑材料的方法。
本發(fā)明的另一目的是為建筑工業(yè)提供一種短劍麻纖維的有效使用方法。
通過以下對本發(fā)明的詳細描述和本文附加的權利要求書,本發(fā)明的上述和其它目的和優(yōu)點將變得顯而易見。
發(fā)明詳述在某一實施方式中,本發(fā)明提供了一種可機械加工的輕質劍麻基混凝土結構建筑材料,其包含足量的劍麻纖維、水泥和輕質礦物質。
該劍麻纖維為短劍麻纖維。該短劍麻纖維可獲自任何產劍麻纖維的植物。該劍麻纖維在總固體成分中較佳為占約22-33%(體積比)。通常,當在組合物中使用的劍麻纖維越多,結構建筑材料就越柔軟并更易加工。本文的加工和可機械加工包括用鋸子切割、釘釘子、上螺絲和其它適合的建筑加工。對于室內建筑材料,這種可機械加工性更為所需。組合物中使用的劍麻纖維越少,該結構建筑材料就越硬和越堅固,則該材料更適用于外部建筑。
輕質礦物質可為珍珠巖、浮石、膨脹粘土、礦塵和石灰。在某一優(yōu)選實施方式中,由于珍珠巖所具的輕質、絕熱和吸音特性而使用了珍珠巖。較佳地,珍珠巖的量在總固體成分中占約50-60%(體積比)。水泥是該結構建筑材料中的粘合劑。較佳為使用波特蘭水泥。
珍珠巖和劍麻纖維的量可隨結構建筑材料的所需重量和預期用途而變化。通常,用于室內用途(例如用作絕緣板或內墻)時,使用較多的珍珠巖和劍麻纖維。而用于外部用途(例如用作外墻)時,使用較少的珍珠巖和劍麻纖維。
在某一實施方式中,可機械加工的輕質劍麻基混凝土結構建筑材料包含約29%(v/v)的劍麻纖維、約14%(v/v)的波特蘭水泥和約57%(v/v)的珍珠巖。該劍麻纖維切割自劍麻繩,其長度為約1.0-1.5英寸。所得的混凝土材料是輕質的,并具有許多木材的特性。它可用鋸子切割、可很容易地釘上釘子和上螺絲。用這種混凝土材料制成的板或磚可方便地用于多種室內建筑構件。
在另一實施方式中,該可機械加工的輕質劍麻基混凝土結構建筑材料包含約27%(v/v)的劍麻纖維、約20%(v/v)的波特蘭水泥和約53%(v/v)的珍珠巖。該劍麻纖維的長度為約1.0-1.5英寸。所得的混凝土材料可用鋸子切割、可釘釘子和上螺絲,然而它更硬且更堅固,因而更適于用作外部建筑構件。
已發(fā)現(xiàn)如果組合物中的短纖維為20%或更少,則所得的混凝土將過硬而不能加工且不具有足夠的可機械加工性。另一方面,如果劍麻纖維的含量過高(超過35%),則所得混凝土過軟而不具有用作建筑材料的足夠強度。
此外,劍麻纖維的長度較佳為約0.75-2.0英寸,更佳為約1.0-1.5英寸。已發(fā)現(xiàn)此范圍內的劍麻纖維能為所生產的結構材料提供增強的強度。當劍麻纖維過長時,在加工中難以將其與其它成分均一地混合;而當劍麻纖維過短時,它們不能為結構材料強度提供最佳的增強。
在另一實施方式中,可機械加工的輕質劍麻基混凝土結構建筑材料可包含加氣劑以進一步增強材料的塑性和可加工性。各種市售的加氣劑均可使用。一個適合的例子為Airalon,它是由Grace Construction Products,Cambridge,MA 02140生產的中性氫化芳族和脂肪族羧酸的水溶液。較佳地,可使用占總固體含量約0.005-0.03%(體積比)的Airalon。
在另一方面,本發(fā)明提供了一種生產可機械加工的輕質劍麻基混凝土結構建筑材料的方法。該生產方法包括將預定量的水泥和預定量的珍珠巖徹底混合以形成均一的固體混合物;加入預定量的水,并將水與固體混合物混合以形成泥漿;然后加入預定量的劍麻纖維,并將劍麻纖維徹底混合入泥漿中以形成均一的最終組合物;以及,將最終組合物注入模子中,并將所述最終組合物凝固為固體形式的結構建筑材料。
作為一個實施例,如下所述生產上文中某一實施方式中的可機械加工的輕質劍麻基混凝土結構建筑材料將1.5份(體積)波特蘭水泥與4份(體積)珍珠巖在制備槽(tank)中徹底混合;在槽中加入1.5份(體積)水,并將混合物混合成均勻的泥漿;然后在槽中加入2份(體積)短劍麻纖維,并將該短劍麻纖維徹底混合入泥漿中,形成最終組合物;將最終組合物注入具有預定形狀的模子中(例如柱形),并在室溫中將最終組合物凝固為具有預定形狀的固體結構建筑材料。
在使用加氣劑時,該方法還包括根據(jù)加氣劑制造商的說明加入加氣劑的步驟。
本發(fā)明的可機械加工的輕質劍麻基混凝土結構建筑材料可為了建筑目的制成不同形狀和結構,包括但不限于實心磚(solid block)、形狀預定的空心建筑磚、內墻和外墻系統(tǒng)、過梁、窗檻、柱、梁的預制形式、預制板、藝術和建筑形式、吊頂板、吸音板、屋面瓦、板、框、以及其它適合的室內和外部建筑構件。此外,本發(fā)明的材料還可用于制冷中的配管、航海用途、航空用途和汽車用途。
雖然結合某些優(yōu)選的實施方式揭示了本發(fā)明,但不應將其限制于所提供的這些細節(jié)??稍诓幻撾x本發(fā)明的實質和范圍的情況下,對所述實施方式進行調整和改變,而本領域的普通技術人員應當理解其它實施方式也包含于本發(fā)明的揭示中。
權利要求
1.一種可機械加工的輕質劍麻基混凝土結構建筑材料,其包括(a)約22-33%(v/v)的劍麻纖維;(b)約12-22%(v/v)的水泥;和(c)約51-59%(v/v)的輕質礦物質。
2.如權利要求1所述的可機械加工的輕質劍麻基混凝土結構建筑材料,其特征在于,所述輕質礦物質是珍珠巖。
3.如權利要求2所述的可機械加工的輕質劍麻基混凝土結構建筑材料,其特征在于,所述水泥是波特蘭水泥。
4.如權利要求3所述的可機械加工的輕質劍麻基混凝土結構建筑材料,其特征在于,所述劍麻纖維的長度為0.75-約2.0英寸。
5.如權利要求4所述的可機械加工的輕質劍麻基混凝土結構建筑材料,其特征在于,所述劍麻纖維為約25-30%(v/v)。
6.一種可機械加工的輕質劍麻基混凝土結構建筑材料,其包括(a)約22-33%(v/v)的劍麻纖維;(b)約12-22%(v/v)的水泥;(c)約51-59%(v/v)的輕質礦物質;和(d)足量的加氣劑。
7.如權利要求6所述的可機械加工的輕質劍麻基混凝土結構建筑材料,其特征在于,所述輕質礦物質是珍珠巖。
8.如權利要求7所述的可機械加工的輕質劍麻基混凝土結構建筑材料,其特征在于,所述水泥是波特蘭水泥。
9.如權利要求8所述的可機械加工的輕質劍麻基混凝土結構建筑材料,其特征在于,所述劍麻纖維的長度為0.75-約2.0英寸。
10.如權利要求9所述的可機械加工的輕質劍麻基混凝土結構建筑材料,其特征在于,所述劍麻纖維為約25-30%(v/v)。
11.如權利要求10所述的可機械加工的輕質劍麻基混凝土結構建筑材料,其特征在于,所述加氣劑是氫化芳族和脂肪族羧酸的水溶液。
12.一種生產可機械加工的輕質劍麻基混凝土結構建筑材料的方法,其包括以下步驟(a)將預定量的水泥和預定量的輕質礦物質徹底混合以形成均一的固體混合物;(b)加入預定量的水,并將所述水與所述固體混合物徹底混合以形成泥漿;(c)加入預定量的劍麻纖維,并將所述劍麻纖維徹底混合入所述泥漿中以形成均一的最終組合物;以及,(d)將所述最終組合物注入模子中,并在所述模子中將所述最終組合物凝固為固體形式的結構建筑材料;其中,所述結構建筑材料可機械加工、上螺絲、切割和釘釘子。
13.如權利要求12所述的生產可機械加工的輕質劍麻基混凝土結構建筑材料的方法,其還包括加入足量的加氣劑,并在將所述最終組合物注入模子之前,將所述加氣劑與所述最終組合物混合。
14.如權利要求12所述的生產可機械加工的輕質劍麻基混凝土結構建筑材料的方法,其特征在于,所述輕質礦物質是珍珠巖。
15.如權利要求14所述的生產可機械加工的輕質劍麻基混凝土結構建筑材料的方法,其特征在于,所述水泥的所述預定量為占總固體含量的約12-22%(v/v)。
16.如權利要求15所述的生產可機械加工的輕質劍麻基混凝土結構建筑材料的方法,其特征在于,所述珍珠巖的所述預定量為占總固體含量的約51-59%(v/v)。
17.如權利要求16所述的生產可機械加工的輕質劍麻基混凝土結構建筑材料的方法,其特征在于,所述劍麻纖維的所述預定量為占總固體含量的約22-33%(v/v)。
18.如權利要求17所述的生產可機械加工的輕質劍麻基混凝土結構建筑材料的方法,其特征在于,所述劍麻纖維的長度為約0.75-2.0英寸。
全文摘要
揭示了一種可機械加工的輕質劍麻基混凝土結構建筑材料及其制備方法。該材料包括約22-33%(v/v)的短劍麻纖維;約12-22%(v/v)的水泥;和約51-59%(v/v)的珍珠巖。該方法包括以下步驟將一定量的水泥和一定量的珍珠巖混合以形成固體混合物;加入水,并將水與該固體混合物混合以形成泥漿;加入一定量的劍麻纖維,并將該劍麻纖維混合入泥漿中以形成均一的最終組合物;以及,將該最終組合物注入模子中,并將該最終組合物凝固為固體形式的結構建筑材料。所制得的結構建筑材料可機械加工、上螺絲、切割和釘釘子。
文檔編號B28B1/14GK1849274SQ200480025992
公開日2006年10月18日 申請日期2004年7月2日 優(yōu)先權日2003年7月10日
發(fā)明者西摩·博伯夫 申請人:西摩·博伯夫