铺路石和砌块复合材料以及其制备方法
铺路石和砌块复合材料以及其制备方法
【专利说明】铺路石和棚块复合材料从及其制备方法
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2013年3月13日提出申请的共同代决美国临时专利申请号61/780,592 的优先权W及权益，该申请W引用的方式全部并入本文中。
技术领域
[0003] 本发明大体而言设及新颖的复合材料，所述复合材料可W用作铺路石或用作建筑 搁块。更具体地，本发明设及合成的铺路石和建筑搁块材料W及其由包括水和二氧化碳的 各种低成本原材料的制备。所述复合材料适合于建筑、基础设施、艺术品W及装演中的各种 用途。
【背景技术】
[0004] 自古W来，人们已知并且使用石材作为建筑材料。石材的独特美学和物理特性使 得石材成为房屋与建筑W及装饰艺术与雕塑中的理想材料。
[0005] 铺路石为通过使用诱铸工艺、压制工艺、压实工艺、或振动与压制的组合制成的混 凝±搁块。铺路石大体而言W互锁图案铺搁。所述铺路石有时还被称为铺路石材。所述铺路 石在使用寿命期间可W被损坏时用新的铺路石移除，从而减少任何的服务中断。互锁铺路 石可W设计成在图案之间具有间隙，提供该间隙用于将水排出到下层。
[0006] ASTM C 936提供混凝±铺路石需要满足的但不限于W下各项的标准:800化si的 平均抗压强度；不大于5%的平均吸水率；W及对至少50个冻融循环平均材料损坏不超过 1%的抵抗力。除所述ASTM要求之外，还可能希望铺路石满足额外要求，包括减少的风化(例 如，减少反应产物由于浓度梯度的析出）、良好的保色性W及取决于铺路石用于何处的耐磨 性。
[0007] 类似铺路石，搁块也是通过诱铸或压制工艺或类似的压实工艺生产的预诱铸混凝 ±。搁块也被称为混凝±搁筑单元(Concrete masonry unit;CMU)、空屯、搁块W及混凝±搁 块。当搁块由飞灰制成时，所述搁块被称为煤渣搁块。所述搁块通常具有空屯、结构。已努力 研究人工或人造铺路石材W及建筑搁块材料，W用低成本易生产的仿制品替代昂贵且稀缺 的天然材料。然而，所述努力尚未生产出具有期望的石材的外观、纹理、密度、硬度、孔隙度 W及其他美学特性并同时可W在环境影响最小的情况下W低成本大量制造的合成材料。 [000引预期搁块相比于黏±砖提供更好的结构性质（用于承重搁筑结构及在制造搁 筑墙时提供更平滑的表面。另外，互锁混凝±搁筑单元不需要砂浆来黏合所述单元。一些搁 块可W用W建造空屯、结构，该空屯、结构相比于实屯、结构产生良好的隔音性W及隔热性。
[0009] 搁块需要大体上符合承重混凝±搁筑单元标准规范ASTM C90的要求。符合该标准 的搁块在强度、几何结构、耐久性W及耐火性上确保是可W接受的，并且所述搁块用于标准 商业建设项目是大体上可W接受的。
[0010] 大多数人工石材仿制品通过将天然石材粉末W及矿物微粒与波特兰水泥 (Portland Cement)渗混而制备。将天然石材、矿物与水泥渗混物与水混合、形成为想获得 的形状并且固化。该方法受众多缺陷影响，包括不良的重现性、低产率、劣化、高加工成本、 不尽人意的机械性质等。
[0011] 其他人工石材仿制品通过将天然石材粉末W及矿物与合成树脂(例如，丙締酸、不 饱和聚醋、环氧树脂)渗混而制备。该方法也受众多缺陷影响，包括不良的重现性、低产率、 劣化、高加工成本、不尽人意的机械性质等。
[0012] 此外，现有方法通常设及大能量消耗W及具有不利的碳足迹的二氧化碳排放。
[0013] 存在对新颖的复合铺路石材W及建筑搁块材料的持续需要，所述铺路石材W及建 筑搁块材料展现良好的美学W及物理特性，并且能够W低成本在改良的能量消耗W及理想 的碳足迹的情况下大量生产。
【发明内容】
[0014] 本发明部分地基于对新颖的铺路石材W及建筑搁块复合材料的出乎意料的发现， 所述材料可W通过适合于大规模生产的工艺由广泛可用的呈颗粒形式的低成本原材料容 易地生产。原材料包括微粒状前体材料W及微粒状填充材料，所述微粒状前体材料包含成 为接合单元的微粒状娃酸巧(例如，研磨娃灰石），所述微粒状填充材料包括矿物质（例如， 石英W及其他含Si化材料、云母W及长石）。流体组分也作为反应介质提供，其包含液态水 和/或水蒸气W及试剂二氧化碳(0)2)。添加剂材料可W包括天然或回收材料W及富含碳酸 巧和富含碳酸儀的材料，W及流体组分的添加剂，诸如水溶性分散剂。各种添加剂可W用来 微调所得复合建筑材料的物理外观W及机械性质，所述添加剂诸如:有色材料的颗粒，有色 材料诸如有色玻璃、有色砂粒W及有色石英颗粒；W及颜料(例如，黑色氧化铁、氧化钻W及 氧化铭）。可W使用术语"着色剂"大体上指代有色材料W及颜料中的任一者或两者。为了模 仿铺路石材W及建筑搁块的外观，微粒状填充材料可W包括精细颗粒。为了提供硬度精细 颗粒可W是Si化系材料，或者精细颗粒可W包含各种材料，包括砂粒、选自矿物W及添加剂 材料的研磨、压碎或W其他方式粉碎的物质。
[0015] 在各种实施例中，本发明提供一种模仿类似石材物件的外观W及"感觉(feeir的 产品。举例而言，描述一种合成铺路石产品。该产品通过使用模具制造。铺路石的模具构造 为模仿通常在真实的石材铺路石中观察到的形状与表面凹凸的结构的物理"相反物 (negative)"，W使得诱铸合成铺路石生产为具有赋予真实石材铺路石的表面外观W及物 理"感觉"的表面特征。表面特征可W包括W下中的任一者:表面凹凸和/或粗糖、相邻铺路 石之间的空间、从一块石材过渡到相邻石材时发生的表面高度变化、W及模仿一块石材和/ 或彼此相邻的多块石材的类似特征。
[0016] 所述铺路石材W及建筑搁块复合材料展现石材典型的表面特征并且显示相比于 天然石材可W接受的抗压强度W及吸水率。另外，可W使用高效的气体辅助热液液相烧结 化LPS)工艺W低成本并在大大改善能量消耗W及碳足迹的情况下生产本发明的复合建筑 材料。事实上，在本发明的优选实施例中，将C〇2作为反应性物种消耗，从而导致C〇2的净固 存。
[0017] 根据一个方面，本发明的特征为一种复合建筑材料。该复合建筑材料包含:多个接 合单元，其中每个接合单元包含:主要包含娃酸巧的核屯、，富含二氧化娃的第一层或内层， W及富含碳酸巧的第二层或外层；W及包含精细填充颗粒的多个填充颗粒，其中多个接合 单元w及多个填充颗粒一起形成一个w上接合基质，并且接合单元w及填充颗粒构造成由 于反应而接合在一起，在所述反应中，存在包含多于50 %的二氧化碳的气氛。该复合建筑材 料W铺路石材或建筑搁块的形式提供。
[0018] 在一个实施例中，接合单元W及填充颗粒构造成由于反应而接合在一起，在该反 应中，存在包含多于80%的二氧化碳的气氛。
[0019] 在又一实施例中，该复合建筑材料进一步包含着色剂。
[0020] 在再一实施例中，多个接合单元具有在约如m至约lOOjim的范围内的中值粒径。
[0021] 在另一实施例中，填充颗粒由富含二氧化娃的材料制成。
[0022] 在又一实施例中，多个填充颗粒包含石英、云母W及长石中的一种W上。
[0023] 在额外实施例中，多个接合单元由研磨娃灰石化学转化而成。
[0024] 在一个其他实施例中，多个接合单元由除娃灰石之外的前体娃酸巧化学转化而 成。
[0025] 在再一实施例中，多个接合单元由包含侣、儀W及铁中的一种W上的前体娃酸巧 化学转化而成。
[0026] 在一个实施例中，着色剂包含氧化铁、氧化钻W及氧化铭中的一种W上。
[0027] 在另一实施例中，接合单元与填充颗粒的重量比为约8-50:50-92。
[002引在另一实施例中，接合单元与填充颗粒的重量比为约5-50:50-95。
[0029] 在又一实施例中，着色剂W0重量％至约10重量％的量存在。
[0030] 在又一实施例中，多个接合单元通过使研磨娃灰石通过受控热液液相烧结工艺与 C〇2反应而由研磨娃灰石化学转化而制备。
[0031 ]在另一实施例中，多个接合单元通过使除娃灰石之外的前体娃酸巧通过受控热液 液相烧结工艺与C〇2反应而由除娃灰石之外的前体娃酸巧化学转化而制备。
[0032] 在又一实施例中，复合建筑材料具有50MPa至300MPa范围内的抗压强度W及5MPa 至30MPa范围内的晓曲强度。
[0033] 在另一实施例中，复合建筑材料具有lOMPa至300MPa范围内的抗压强度W及IMPa 至30MPa范围内的晓曲强度。
[0034] 在额外实施例中，复合建筑材料具有小于约10%的吸水率。
[0035] 在一个其他实施例中，复合建筑材料展现类似于石材的视觉图案。
[0036] 根据另一方面，本发明设及一种由任意前述实施例中所描述的复合建筑材料制成 的制品。
[0037] 根据另一方面，本发明设及一种用于制备复合建筑材料的方法。该方法包含W下 步骤:混合微粒状组成物W及液体组成物W形成浆料混合物，其中该微粒状组成物包含:具 有在约Ιμπι至约100μπι的范围内的中值粒径的研磨娃酸巧，W及包含精细颗粒的多个填充颗 粒，且其中所述液体组成物包含:水，W及分散剂;将浆料混合物放料在模具中；压实模具内 的浆料混合物；W及在水和C〇2的气氛下于约20°C至约150°C的范围内的溫度下固化浆料混 合物约1小时至约80小时W产生复合建筑材料，该气氛具有范围为从环境大气压力至环境 压力W上约60psi的压力且具有范围为约10%至约90%的C〇2浓度。该复合建筑材料W压制 的铺路石材或压制的建筑搁块的形式提供。
[0038] 在一个实施例中，该方法进一步包含W下步骤:在浆料混合物放料至模具中W及 在模具内压实时，振动模具。
[0039] 在另一实施例中，微粒状组成物进一步包含着色剂。
[0040] 在又一实施例中，在蒸气下于约60°C至约110°C的范围内的溫度下执行约15小时 至约70小时的混合物固化，该蒸气包含水和C〇2且具有在约环境大气压力至环境大气压力 W上约30psi的范围内的压力。
[0041] 在再一实施例中，在蒸气下于约60°C至约100°C的范围内的溫度下执行约20小时 至约60小时的混合物固化，该蒸气包含水和C〇2且具有在约环境大气压力至环境大气压力 W上约30psi的范围内的压力。
[0042] 在另一实施例中，在蒸气下于等于或低于约60°C的溫度下执行约6小时至约50小 时的混合物固化，该蒸气包含水和C〇2且具有环境大气压力。
[0043] 在又一实施例中，研磨娃酸巧包含研磨娃灰石，并且包含精细颗粒的多个填充颗 粒包含富含二氧化娃的材料。
[0044] 在额外实施例中，研磨娃灰石具有约扣m至约50μηι的中值粒径、约0.6g/mL至约 0.8g/mL (疏松似及约1. Og/血至约1.2g/mL (密实）的容积密度、约1.5m Vg至约2. Om Vg的表 面积。
[0045] 在一个其他实施例中，包含精细颗粒的多个填充颗粒包含石英、云母W及长石中 的一种W上。
[0046] 在再一实施例中，微粒状组成物包含颜料，该颜料包含金属氧化物。
[0047] 在一个实施例中，微粒状组成物包含玻璃材料，该玻璃材料具有选自黑色、白色、 红色、黄色W及栋色的颜色。
[004引在另一实施例中，液体组成物包含水W及分散剂，该分散剂包含具有液体组成物 的约0.1 %至约2 % w/w的浓度的聚合物盐。
[0049] 在又一实施例中，聚合物盐为丙締酸均聚物盐。
[(K)加]在再一实施例中，微粒状组成物包含约25 % w/w的研磨娃酸巧W及约70 %至约 75 % w/w的二氧化娃系材料。
[0051 ]在另一实施例中，研磨娃酸巧主要为研磨娃灰石，且二氧化娃系材料主要为选自 由玻璃、石英W及砂粒所组成的组中的材料。
[0052] 在额外方面中，本发明的特征为一种复合建筑材料，该材料通过根据任意前述方 法中的方法制备。
[0053] 在一个其他实施例中，复合建筑材料具有约50M化至约300M化的抗压强度W及约 5M化至约30M化的晓曲强度。
[0054] 在再一实施例中，复合建筑材料具有小于约10%的吸水率。
[0055] 在另一实施例中，复合建筑材料包含着色剂，该 着色剂具有选自黑色、白色、红色、 黄色W及栋色的颜色。
[0056] 在又一实施例中，复合建筑材料展现石材特有的视觉图案。
[0057] 在再一实施例中，本发明设及一种制品，该制品由复合建筑材料制成。
[0058] 根据又再一方面，本发明设及一种复合建筑材料。该复合建筑材料包含:多个接合 单元，其中每个接合单元包含:主要包含娃酸儀的核屯、，富含二氧化娃的第一层或内层，W 及富含碳酸儀的第二层或外层；W及多个填充颗粒，其中多个接合单元W及多个填充颗粒 一起形成一个w上接合基质，且接合单元w及填充颗粒大致均匀地分散在所述基质中且接 合在一起，由此复合建筑材料展现类似于天然石材的一种W上纹理W及图案。
【附图说明】
[0059] 图1(a)至图1(c)是根据本发明示例性实施例的接合单元的横截面示意图，包括Ξ 种示例性核屯、形态：（a)纤维状、(b)楠圆形、W及(C)等轴晶状。
[0060] 图2(a)至图2(f)为根据本发明示例性实施例的复合材料的侧视图W及横截面视 图的示意图，示出：（a)稀释接合基质中的1D定向纤维形接合单元(不接触接合单元），（b)稀 释接合基质中的2D定向薄片形接合单元(不接触接合单元），（c)稀释接合基质中的3D定向 薄片形接合单元(不接触单元），W及(d)稀释接合基质中的随机定向薄片形接合单元(不接 触接合单元），其中复合材料包括接合基质W及诸如聚合物、金属、无机颗粒、集料等的填充 组分，（e)接合单元的浓缩接合基质(具有足W构建渗滤网络的体积分数），其中基质为3D定 向的，W及(f)随机定向接合单元的浓缩接合基质(具有足W构建渗滤网络的体积分数），其 中可W包括诸如聚合物、金属、无机颗粒、集料等的填充组分。
[0061] 图3为根据本发明的实施例制成的护X 9"铺路石的图像。
[0062] 图4为根据本发明的实施例制成的搁块的图像。
【具体实施方式】
[0063] 本发明说明利用通过与二氧化碳反应而固化的黏合剂形成并固化混凝±铺路石 的方法，并且该方法由此为固存二氧化碳的有效方法。本发明还获得了相比于用波特兰水 泥制成的传统铺路石具有降低的原发风化的混凝±铺路石。本发明获得了利用不与波特兰 水泥混凝±兼容的填料的方法。本文描述了通过压制前体材料的混合物、随后通过反应形 成的铺路石和搁块两者，在该反应中，二氧化碳用作反应物并且水用作反应介质。
[0064] 本文的铺路石材W及建筑搁块复合材料含有经精细粒化的填充材料。填料将主要 包含诸如石英的Si化系材料W赋予产品硬度。"Si化系材料"定义为包括任意的石英、普通砂 粒(建筑W及搁筑用砂粒）、玻璃W及回收玻璃W及含有大量Si化的其他天然与合成材料， 包括云母(娃酸侣）W及长石(娃酸侣系材料）。在替代性实施例中，在不要求硬度的情况下， 铺路石材W及建筑搁块产品可W含有碳酸巧(化C〇3)或其他碳酸盐系材料。
[0065] 本发明提供新颖的复合材料，所述材料展现铺路石材W及建筑搁块的性质且可W 容易地通过适合于大规模生产的工艺在环境影响最小的情况下由广泛可用的低成本原材 料生产。原材料包括例如研磨娃灰石的便宜的娃酸巧W及例如精细颗粒的填充材料。为了 提供硬度，精细颗粒主要为Si化系材料。精细颗粒可W包括矿物(例如，石英W及其他含Si化 的材料，即云母W及长石）。其他关键工艺组分包括水和C〇2。可W使用各种添加剂来修改和 微调所得复合材料的物理外观和/或机械性质，诸如使用颜料(例如，黑色氧化铁、氧化钻W 及氧化铭）。
[0066] 所述复合材料显示各种铺路石材W及建筑搁块的图案、纹理W及其他特性，诸如 石材特有的各种颜色的视觉图案。另外，本发明的复合材料展现优于石材的抗压强度和晓 曲强度W及低于石材的吸水率。本发明的复合材料优于天然石材之处在于所述复合材料不 受天然石材会发生的、由于天气等引起的劣化的影响。由合成树脂制成的本发明的复合材 料优于天然石材之处在于所述复合材料不会由于原本消耗石材的火而遭受损害。此外，如 本文中所公开，复合材料可W使用高能效化PS工艺生产并且能够W低成本在环境影响良好 的情况下制造。举例而言，在本发明的优选实施例中，将C〇2用作反应性物种，从而导致C〇2在 所生产复合材料中的固存W及任意现有生产技术无法匹敌的碳足迹。化PS工艺通过化学反 应的自由能W及晶体生长引起的表面能(面积）的减小热力学地驱动。由于使用溶液(水溶 液或非水溶液)代替使用高烙点流体或高溫固态介质来运输反应性物种，HWS工艺的动力 学在低溫下W合理速率进行。
[0067] 可W在W下各项中找到对化PS的各种方面的论述:美国专利号8，114，367、美国公 开号US 2009/0143211(申请序列号12/271,566)、美国公开号US 2011/0104469(申请序列 号 12/984,299)、美国公开号20090142578(申请序列号 12/271,513)、W0 2009/102360(PCT/ US2008/083606)、W0 2011/053598(PCT/US2010/054146)、W0 2011/090967(PCT/US2011/ 021623)、2012年3月2日提交的美国申请序列号13/411，218(Riman等）、2012年6月7日提交 的美国申请序列号13/491，098(Riman等）、2012年10月1日提交的美国临时专利申请号61/ 708,423^及2012年10月4日提交的美国临时专利申请号61/709,435、61/709,453、61/709， 461和61/709,476,运些申请中的每个都出于所有目的全部W引用的方式明确并入本文中。
[0068] 在一个方面中，本发明大体而言设及一种复合材料，该复合材料包括多个接合单 元W及多个填充颗粒。每个接合单元包括主要包含娃酸巧的核屯、、富含二氧化娃的第一层 或内层W及富含碳酸巧的第二层或外层。多个接合单元W及多个填充颗粒一起形成一个W 上接合基质，并且接合单元W及填充颗粒大致均匀地分散在所述基质中且接合在一起。复 合材料大致展现一种W上铺路石材W及建筑搁块的纹理、图案W及物理性质。
[0069] 在某些实施例中，复合材料进一步包括颜料。取决于想获得的复合材料，颜料可W 均匀地分散或实质上不均匀地分散在接合基质中。颜料可W为任意适合颜料，包括例如各 种金属的氧化物(例如，氧化铁、氧化钻、氧化铭）。颜料可W是例如选自黑色、白色、蓝色、灰 色、粉色、绿色、红色、黄色W及栋色的任意一种W上颜色。取决于想获得的复合材料，颜料 可W W任意适合量存在，例如W按重量计约0.0%至约10%范围的量存在(例如，约0.0 %至 约8%、约0.0%至约6%、约0.0%至约5%、约0.0%至约4%、约0.0%至约3%、约0.0%至约 2%、约0.0%至约1 %、约0.0%至约0.5%、约0.0%至约0.3%、约0.0%至约2%、约0.0%至 约 0.1%)。
[0070] 取决于想获得的复合材料，多个接合单元可W具有任意适合的中值粒径W及粒径 分布。在某些实施例中，多个接合单元具有约扣m至约100μηι范围内的中值粒径(例如，约扣m 至约 80μηι、约 5μηι 至约 60μηι、约 5μηι 至约 50μηι、约 5μηι 至约 40μηι、约 5μηι 至约 30μηι、约 5μηι 至约 20μ m、约5皿至约10皿、约10皿至约8 0皿、约10皿至约7 0皿、约10皿至约6 0皿、约10皿至约5 0皿、 约 1 Ομηι至约40μηι、约 1 Ομηι至约 30μηι、约 1 Ομηι至约 20μηι)。
[0071] 多个填充颗粒可W具有任意适合的中值粒径W及粒径分布。在某些实施例中，多 个填充物颗粒具有约扣m至约7mm范围内的中值粒径(例如，约扣m至约5mm、约扣m至约4mm、 约扣m至约3mm、约扣m至约2mm、约扣m至约1mm、约扣m至约500μηι、约?5μηι至约300μηι、约20μηι至 约 5mm、约 20μηι 至约 4mm、约 20μηι 至约 3mm、约 20μηι 至约 2mm、约 20μηι 至约 1mm、约 20μηι 至约 500μ m、约20皿至约300μηι、约100皿至约5mm、约100皿至约4mm、约100皿至约3mm、约100皿至约 2mm、约100皿至约1mm)。
[0072] 在某些优选实施例中，填充颗粒由一种W上Si化系或娃酸盐系材料制成，诸如石 英(Si〇2)、云母(娃酸侣）W及长石(娃酸侣系材料）（例如，研磨石英、研磨云母、研磨长石）。
[0073] 在某些实施例中，填充颗粒可W包括天然材料、合成材料W及回收材料，诸如玻 璃、回收玻璃、煤渣、富含碳酸巧材料W及富含碳酸儀材料。
[0074] 多个接合单元可W由例如由除娃灰石之外的前体娃酸巧的任意适合的前体材料 化学转化而成。前体娃酸巧可W包括侣、儀W及铁中的一种W上化学元素。
[0075] 如本文中所使用的，术语"娃酸巧"指天然形成矿物或合成材料，其包含一组含巧 娃化合物中的一种W上，所述含巧娃化合物包括化Si化(还称为"娃灰石"或"假娃灰石"且 有时化学式为CaO · Si〇2)、Ca3Si2〇7(还称为"娃巧石"且有时化学式为3Ca0 · 2Si化）、 化2Si(k(还称为"斜娃巧石"且有时化学式为洗aO . Si化）Xa3Si〇5(还称为"娃酸Ξ巧石"且 有时化学式为3Ca0 · Si化），所述材料可W包括一种W上其他金属离子W及氧化物（例如， 侣、儀、铁或儘氧化物)或其渗混物，或者可W包括W重量计痕量（1%)至约50% W上范围内 的量的天然形成或合成形式的娃酸儀。
[0076] 应理解，可W采用本文所公开的组成物W及方法来使用娃酸儀替换娃酸巧或除娃 酸巧W外还使用娃酸儀。如本文中所使用的，术语"娃酸儀"指天然形成矿物或合成材料，其 包含一组含儀娃化合物中的一种W上，所述含儀娃化合物包括例如Mg2Si化(还称为"儀橄揽 石'似及Mg3Si4〇lG(OHM还称为"滑石"），所述材料可W包括一种W上其他金属离子W及氧 化物(例如，巧、侣、铁或儘氧化物)或其渗混物，或运可W包括W重量计痕量（1%)至约50% W上范围的量的天然形成或合成形式的娃酸巧。
[0077] 如本文中所使用的，术语"石英"指任意Si化系材料，包括普通砂粒(建筑W及搁筑 用砂粒），W及玻璃和回收玻璃。术语还包括任意其他回收天然材料和合成材料，所述材料 含有大量Si化(例如，有时化学式为KAl2(AlSi3化0)的云母）。
[0078] 取决于想获得的复合材料，（接合单元）：（填充颗粒）的重量比可W为任意适合比 例，例如，在约（15至50):约（50至85)的范围内。
[0079] 在某些优选实施例中，通过使研磨娃灰石(或非娃灰石前体娃酸巧或娃酸儀)经由 气体辅助HLI^工艺与C〇2反应而/来制备多个接合单元。
[0080] 在某些实施例中，复合材料的特征在于约50MPa至约300MPa的抗压强度(例如，约 50MPa至约 250MPa、约 50MPa至约 200MPa、约 50MPa至约 180MPa、约 50MPa至约 160MPa、约 50MPa 至约 150MPa、约 50MPa 至约 140MPa、约 1 OOMPa 至约 300MPa、约 130MPa 至约 300MPa、约 140MPa 至 约 300MPa、约 150MPa至约 300MPa、约 200至约 300MPa)。
[0081 ] 在某些实施例中，复合材料的特征在于约5 Μ化至约4 0 Μ化的晓曲强度（例如，约 5Μ化至约35MPa、约5Μ化至约30MPa、约5Μ化至约25MPa、约5Μ化至约20MPa、约10Μ化至约 40MPa、约 15MPa至约 35MPa、约 15MPa至约 30MPa)。
[0082] 在某些实施例中，复合材料的特征在于小于约10% (例如，小于约8%、5%、4%、 3%、2%、1%)的吸水率。
[0083] 在某些实施例中，复合材料具有小于约10重量％的选自碳酸巧W及碳酸儀的一种 W上矿物。
[0084] 复合材料可W显示任意想获得的纹理W及图案，特别是石材特有的纹理W及图 案。在某些优选实施例中，复合材料展现石材特有的视觉图案。其他铺路石材W及建筑搁块 的特性包括颜色(例如，黑色、白色、红色、黄色、栋色）。
[0085] 如本文使用的，术语"浆料"意指湿混合物。在下文中，参见实施例1，其中 ，W重量 计大约95%的固体与W重量计大约5%的液体混合而形成湿混合物，该湿混合物也称作浆 料。
[0086] 在另一方面中，本发明大体而言设及一种用于制备复合材料的方法。该方法包括： 混合微粒状组成物W及液体组成物W形成浆料混合物;将浆料混合物放料至模具中，该模 具具有铺路石或搁块的几何结构；压制模具内的浆料W形成铺路石或搁块形状的固体部 件；W及在蒸气下于约20°C至约150°C的范围内的溫度下固化压制固体部件约1小时至约80 小时W产生复合材料，所述蒸气包含水和C〇2且具有约环境大气压力至环境压力W上约 5化si的范围内的压力并且具有范围为约10%至约90%的C〇2浓度，该复合材料展现铺路石 材W及建筑搁块的纹理和图案。
[0087] 在另一方面中，本发明大体而言设及一种压制方法，其中在浆料放料至模具中W 及在模具内压实时，振动模具。
[0088] 微粒状组成物包括研磨娃酸巧W及研磨含Si化材料，上述研磨娃酸巧具有约Ιμπι 至约100μηι的范围内的中值粒径，所述研磨含Si化材料具有约0.2mm至约7mm的范围内的中 值粒径。液体组成物包括水W及水溶性分散剂。
[0089] 该方法可W进一步包括在固化混合物之前干燥压制混合物的步骤。微粒状组成物 进一步包含本文所讨论的颜料或着色剂。
[0090] 在某些实施例中，在蒸气下于约40°C至约120°C的范围内的溫度下执行约5小时至 约70小时的混合物固化，所述蒸气包含水和C〇2且具有在约环境大气压力至环境大气压力 W上约30psi的范围内的压力。
[0091] 在某些实施例中，在蒸气下于约60°C至约110°C的范围内的溫度下执行约15小时 至约70小时的混合物固化，所述蒸气包含水和C〇2且具有在约环境大气压力至环境大气压 力W上约30psi的范围内的压力。
[0092] 在某些实施例中，在蒸气下于约80°C至约100°C的范围内的溫度下执行约20小时 至约60小时的混合物固化，该蒸气包含水和C〇2且具有在约环境大气压力至环境大气压力 W上约30psi的范围内的压力。
[0093] 在某些实施例中，在蒸气下于等于或低于约60°C的溫度下执行约15小时至约50小 时的混合物固化，该蒸气包含水和C〇2且具有环境大气压力。
[0094] 举例而言，在一些实施例中，研磨娃灰石具有约5皿至约50皿(例如，约5皿、10皿、 154111、2〇4111、254111、3〇4111、4〇4111、9〇4111)的中值粒径、约0.6旨/1111^至约0.8旨/1111^(疏松）^及约 1. Og/血至约1.2g/mL(密实）的容积密度、约1.5mVg至约2. OmVg的表面积。第一研磨含Si〇2 材料具有约40皿至约9化m(例女日，约40皿、5化m、6化m、70皿、8化m、30皿、9化m)的中值粒径、 约0.7g/mL至约0.9g/mL(疏松似及约1.3g/mL至约1.6g/mL(密实）的容积密度。
[00%]在某些优选实施例中，液体组成物包括水W及水溶性分散剂，该分散剂包含具有 液体组成物的约0.1 %至约2%w/w的浓度的聚合物盐(例如，丙締酸均聚物盐）。
[0096]在又一方面中，本发明大体而言设及一种根据本文所公开的方法制备的复合材 料，例如W下复合材料:具有约50M化至约300M化的抗压强度W及约5M化至约30M化的晓曲 强度、具有小于约10%的吸水率、具有选自黑色、白色、红色、黄色和栋色的颜色W及无法在 天然类似物中发现的其他颜色的颜料和/或展现石材特有的视觉图案。
[0097] 在又一方面中，本发明大体而言设及一种由本文所公开的复合材料制成的制品。
[0098] 可W采用任意适合的前体材料。举例而言，主要由娃灰石CaSi化形成的娃酸巧颗 粒可W与溶解在水中的二氧化碳反应。相信的是，巧阳离子自娃灰石溶出并且将娃灰石核 屯、的周边部分转化成缺巧娃灰石。随着巧阳离子继续从核屯、的周边部分溶出，周边部分的 结构最终变得不稳定并且碎裂，由此将核屯、的缺巧娃灰石周边部分转化成主要富含二氧化 娃的第一层。同时，主要为碳化巧的第二层自水中沉淀。
[0099] 更具体地，第一层W及第二层可W根据W下反应(1)由前体颗粒形成：
[0100] CaSi〇3(s)+C〇2(g)=CaC〇3(s)+Si〇2(s) ΔΗ°=-8化J/mol C〇2 (1)
[0101] 举例而言，在娃酸盐矿物诸如娃灰石的碳酸化反应中，引入C〇2作为溶于诸如水的 浸渗流体中的气相。0)2的溶解形成导致溶液中抑下降的酸性碳物种。弱酸性溶液非全等地 溶解来自CaSi化的巧物种。释放的巧阳离子W及解离的碳酸盐物种导致不溶性碳酸盐的沉 淀。富含二氧化娃的层被认为作为耗乏层保留在矿物颗粒上。
[0102] 因此，根据本发明的优选实施例，0)2优先地与娃灰石前体核屯、的巧阳离子反应， 由此将前体核屯、的周边部分转化为富含二氧化娃的第一层W及富含碳酸巧的第二层。另 夕h第一层W及第二层存在于核屯、上充当娃灰石与二氧化碳之间的进一步反应的障壁，从 而获得具有核屯、、第一层W及第二层的接合单元。
[0103] 在一些实施例中，具有不同于化或除化之外的金属的娃酸盐材料，例如，儀橄揽石 (Mg2Si〇4)、透辉石(CaMgSi2〇6) W及滑石(Mg3Si4〇io(OH)2)，能够W类似于上文所述的娃灰石 的反应的方式与溶解在水中的二氧化碳反应。相信的是，根据本发明的原理，此类娃酸盐材 料可W单独、组合和/或与娃灰石组合用作接合单元的前体。
[0104] 优选地，气体辅助化PS工艺利用部分浸渗孔隙，W实现气体扩散，从而迅速浸渗多 孔预制件并且用溶解的C〇2使孔中的稀液界面溶剂薄膜饱和。0)2系物种在纯水中具有低溶 解度(在25°C、1大气压下为1.5g/L)。因而，必须不断供应大量C〇2并且遍及多孔预制件地分 布C〇2，W实现明显的碳酸盐转换。相对于可溶C〇2在液相中扩散相同时间的扩散长度，利用 气相扩散提供扩散长度的大幅(约100倍)增加。（"化η化ook of chemistry and曲ysics", D. R丄ide主编，第6章 W及第8章，2006-2007第87版，CRC)。所述部分浸渗状态使得反应在固 定时间段内能够进行至高碳化程度。
[0105] 孔中的液态水加速反应速率，运是因为液态水对于碳酸W及巧物种两者的离子化 是必要的。然而，水位需要足够低W使得C〇2气体可W在溶解于孔结合水相中之前扩散至多 孔基质中。此外，主动溶解的多孔预制件充当用于扩展性反应晶体生长的模板。因此，接合 单元W及基质能够形成为具有最小的崎变及残留应力。此情况使得能够产生大而复杂的形 状，诸如基础设施W及建筑材料W及许多其他应用所需的那些形状。
[0106] 因此，可W设计固化条件的各种组合W实现想获得的生产工艺，包括各种反应溫 度、压力W及反应长度。在第一示例性实施例中，溶解有C〇2的水W液体形式传送至前体材 料，且固化工艺在约90°CW及约20psig(即，环境压力W上20psi)下进行约48小时。在第二 示例性实施例中，水存在于前体材料中（例如，作为来自先前混合步骤的残留水），且水蒸气 与C〇2-起提供至前体材料(例如，W维持水位和/或防止水由于蒸发而损耗），且固化工艺 在约60°CW及化sig(在环境大气压力下）下进行约19小时。在第Ξ示例性实施例中，水与 0)2-起W蒸气形式传送至前体材料，且固化工艺在约90°CW及20psig(环境大气压力W上 20psi)下进行约19小时。
[0107] 在又一方面中，本发明大体而言设及一种复合材料，该复合材料包括:多个接合单 元W及多个填充颗粒。每个接合单元包括:主要包含娃酸儀的核屯、、富含二氧化娃的第一层 或内层W及富含碳酸儀的第二层或外层。多个接合单元W及多个填充颗粒一起形成一个W 上接合基质，并且接合单元W及填充颗粒大致均匀地分散在所述基质中且接合在一起，由 此，复合材料大致展现一种W上铺路石材W及建筑搁块的纹理、图案W及物理性质。
[0108] 可W采用本文所公开的与娃酸巧相关的组成物W及方法来使用娃酸儀替换娃酸 巧或除娃酸巧W外使用娃酸儀。
[0109] 接合单元、接合基质W及复合材料
[0110] A.接合单元
[0111] 如图1(a)至图1(c)中示意地示出，接合单元包括核屯、（由黑色内部部分表示）、第 一层（由白色中间部分表示）W及第二层或囊封层（由外部部分表示）。第一层可W包括仅一 层或多个子层，并且可W完全或部分地覆盖核屯、。第一层可晶相、非晶相或晶相与非晶 相的混合存在，并且可W处于连续相或作为离散颗粒存在。第二层可W包括仅一层或多个 子层，并且还可W完全或部分地覆盖第一层。第二层可W包括多个颗粒或可W是具有最少 离散颗粒的连续相。
[0112] 取决于预期应用，接合单元可W展现任意大小W及任意规则或不规则、实屯、或空 屯、形态。示例性形态包括:立方体、长方体、棱柱、圆盘、棱锥体、多面体或多面颗粒、圆柱体、 球体、圆锥体、圆环、管状体、新月体、针状物、纤维、长丝、片状体、球体、亚球体（sub? sphere )、 珠粒 、葡 萄状、 颗粒状 、楠 圆体、 棒状体 、波纹状等。
[0113] 大体而言，如本文中更详细讨论的，接合单元经由转化工艺由反应性前体材料(例 如，前体颗粒)产生。前体颗粒可W具有任意大小W及形状，只要所述前体颗粒满足预期应 用的需要即可。转化工艺大体而言导致相应接合单元具有与前体颗粒类似的大小W及形 状。
[0114] 前体颗粒可W选自任意适合材料，该材料可W经受适当转化W形成想获得的接合 单元。举例而言，前体颗粒可W包括W下各者的氧化物W及非氧化物:娃、铁、侣、憐、饥、鹤、 钢、嫁、儘、错、错、铜、妮、钻、铅、铁、铜、神、粗和/或碱上金属元素（被、儀、巧、锁、领W及 错)。
[0115] 示例性前体材料包括氧化物，诸如娃酸盐、铁酸盐、侣酸盐、憐酸盐、饥酸盐、鹤酸 盐、钢酸盐、嫁酸盐、儘酸盐、错酸盐、错酸盐、铜酸盐、锡酸盐、给酸盐、铭酸盐、妮酸盐、钻酸 盐、铅酸盐、铁酸盐、铜酸盐、神酸盐、粗酸盐及其组合。在一些实施例中，前体颗粒包括娃酸 盐，诸如原娃酸盐、双娃酸盐、环娃酸盐、链娃酸盐、页娃酸盐、网娃酸盐和/或水合娃酸巧。
[0116] 某些废弃材料可W用作用于一些应用的前体颗粒。废弃材料可W包括，例如，矿 物、工业废料或工业化学材料。一些示例性废弃材料包括矿物娃酸盐、铁矿、方儀石、石膏、 氨氧化铁(II)、飞灰、底灰、炉渣、玻璃、油皮(oil shell)、红泥、废电池、回收混凝±、尾矿、 纸灰或者源自浓缩逆渗透盐水的盐。
[0117] 其他前体颗粒可W包括不同类型的含岩石矿物，诸如娃酸巧岩石、费奇岩层 (fitch formation)、赫伯隆片麻岩化ebron gneiss)、层状片麻岩、中间层（middle member)、泥板岩、石英岩、中间层前寒武纪沉积物、具有较少石灰岩床层的深色长石质石英 岩、高级变质沉积黑云母片岩(metasedimenhy biotite schist)、黑云母片麻岩、云母片 岩、石英岩、湖砂克岩层化oosac formation)、帕特里奇岩层(partridge化rmation)、华盛 顿片麻岩、泥盆纪、志留纪格林韦尔湾岩层（greenvale cove formation)、奥科伊超群 (ocoee S叩ergroup)、变质砂岩、变质杂砂岩（metagraywacke)、郎吉利岩层（Rangeley formation)、闪岩、方解石W及白云石大理岩、曼哈顿岩层(manhattan formation)、诱色及 灰色黑云母-石英-长石片麻岩W及沃特福德群(Waterford group)。
[0118] 前体颗粒还可W包括火成岩，诸如安山岩、斜长岩、贝氏岩(basinite)、玻古安山 岩、碳酸盐岩W及紫苏花岗岩;沉积岩材料，诸如但不限于泥板岩、长石砂岩、角碱岩、碎裂 岩、白聖岩、黏上岩、角岩、燈石、粗砂岩(gritstone)、莱茵岩（lighine)、石灰岩、泥岩、砂 岩、页岩W及沙泥岩;变质材料，诸如但不限于角闪岩、变闪长岩、片麻岩、粒变岩、绿岩、角 页岩、大理石、泥质岩、千枚岩、石英岩、片岩、娃卡岩、板岩、滑石碳酸岩W及皂石；W及其他 种类的岩石，诸如但不限于石英二长石、富闪深成岩、隐晶岩、霞恼正长岩、绿帘岩、靠细岩、 燈石、致密娃岩、寛霞岩、硬玉岩、似碧玉岩、寛橄粗面岩、闪辉正 煌岩、歪碱正长岩、霞云钢 长石、电气花岗岩、纹长二长岩、云煌岩、均密石英岩、地慢岩、菱长斑岩、等色岩、铁燈岩、沸 绿岩、霞斜岩W及球颗玄武岩。
[0119] 表1提供用于第一层W及第二层的不同类型的化学品的示例性实施例，所述层可 W使用不同前体材料获得。关于第一层，通过使用不同前体材料，可W获得二氧化娃、氧化 侣或二氧化铁。第二层也可W通过前体材料的选择而改性。举例而言，第二层可W包括各种 类型的碳酸盐，诸如纯碳酸盐、多阳离子碳酸盐、具有水或0H基团的碳酸盐、具有水或0H基 团的层状碳酸盐、含阴离子碳酸盐、含娃酸盐碳酸盐W及含碳酸盐矿物。
[0120] 表1:示例性前体W及囊封层
[0121]
[0122]第二层可W通过引入额外的阴离子和/或阳离子而改性。该额外的阴离子W及阳 离子可W用于改性第二层W增强该第二层的物理W及化学性质，诸如耐火性或耐酸性。举 例而言，如表2中所示，当第一层经保持作为富含二氧化娃层时，第二层可W通过添加另外 的阴离子或阳离子来反应而改性，诸如，P〇42节及S〇42^。因此，第二层可W包括，例如，不同 憐酸盐、硫酸盐、氣化物或其组合。
[012引表2:阳离子/阴离子源(除C0户的外)的实例
[0124]
[0125] B、接合基质W及复合材料
[0126] 接合基质包含多个接合单元，从而形成Ξ维网络。接合基质可W为多孔的或无孔 的。孔隙度取决于可W用W控制孔隙率的众多变量，所述变量诸如溫度、反应器设计、前体 材料W及在转化工艺期间引入的液体量。取决于预期应用，孔隙率可W设定为约1体积％至 约99体积％的几乎任意孔隙度。
[0127] 接合基质可W并入一种W上填充材料，所述材料在转化工艺之前或期间与前体材 料混合，W形成复合材料。接合单元在接合基质中的浓度可W变化。举例而言，接合单元基 于体积的浓度可W相对高，其中至少一些接合单元彼此接触。当填充材料并入至接合基质 中但填充材料的类型和/或填充材料的量使得接合单元的体积稀释度相对低时，可能出现 该情况。在另一实例中，接合单元基于体积的浓度可W相对低，其中接合单元更广泛地分散 在接合基质内，W使得即便有也只有很少的接合单元彼此接触。当填充材料并入至接合基 质中且填充材料的类型和/或填充材料的量使得稀释度相对高时，可能出现该情况。
[0128] 大体而言，填充材料可W包括能够并入接合基质的众多类型的材料中的任意一 个。填充材料可W为惰性的或活性的。尽管惰性材料可W物理地或机械地与接合基质相互 作用，但惰性材料不在转化期间经历任何化学反应且不充当成核位点。惰性材料可W包括 聚合物、金属、无机颗粒、集料等。特定实例可W包括但不限于玄武岩、石材、回收PVC、橡胶、 金属颗粒、氧化侣颗粒、氧化错颗粒、碳颗粒、毯式颗粒、Kevlar?颗粒及其组合。活性材料在 转化期间与接合基质化学反应、在转化期间经历任何化学反应和/或充当成核位点。举例而 言，氨氧化儀可W用作填充材料并且可W与来自接合基质的溶解巧组分相化学反应W形成 碳酸儀巧。
[0129] 接合基质可W占据复合材料的几乎任意百分数。因而，举例而言，接合基质可W占 据复合材料的约1体积％至约99体积％ (例如，接合基质的体积分数可W小于或等于约90体 积％、70体积％、50体积％、40体积％、30体积％、20体积％、10体积％ )。接合基质的体积分 数的优选范围为约8体积％至约90体积％ (例如，约8体积％至约80体积％、约8体积％至约 70体积％、约8体积％至约50体积％、约8体积％至约40体积％ )，并且更优选的范围为约8体 积％至30体积％。
[0130] 复合材料还可W为多孔的或无孔的。孔隙度取决于可W用于控制孔隙率的众多变 量，诸如溫度、反应器设计、前体材料、在转化工艺期间引入的液体量W及是否采用任何填 充物。取决于预期应用，孔隙率可W设定为从约1体积％至约99体积％的几乎任意孔隙度 (例如，小于或等于约90体积％、70体积％、50体积％、40体积％、30体积％、20体积％、10体 积％)。复合材料的孔隙率的优选范围为约1体积％至约70体积％，针对高密度W及耐久性 更优选为介于约1体积％至约10体积％之间，并且针对轻重量W及低导热性更优选为介于 约50体积％至约70体积％之间。
[0131] 在接合基质内，接合单元可W在众多定向中的任一者上相对于彼此定位。图2(a) 至图2(f)示意性图示出示例性接合基质，该基质包括在不同定向中的可能通过并入填充材 料稀释的纤维形或薄片形接合单元，如接合单元之间的间距所表示。例如，图2(a)图示出包 括在一个方向（"1-D")定向排列（例如，相对于X方向排列）的纤维形接合单元的接合基质。 图2(b)图示出包括在两个方向Γ2-护促向排列（例如，相对于X方向W及y方向排列）的薄 片形接合单元的接合基质。图2(c)图示出包括在Ξ个方向（"3-D")定向排列(例如，相对于X 方向、y方向W及Z方向排列）的薄片形接合单元的接合基质。图2(d)图示出包括随机定向的 薄片形接合单元的接合基质，其中接合单元不相对于任意特定方向排列。图2(e)图示出包 括在3-D定向排列的相对高浓度的薄片形接合单元的接合基质。图2(f)图示出包括处于随 机定向的相对低浓度的薄片形接合单元(渗滤网络)的接合基质。图2(f)的复合材料达到渗 滤阔值，运是因为大部分接合单元彼此接触W使得从材料的一个末端至另一末端形成连续 的接点网络。渗滤阔值为临界浓度，超过该临界浓度，接合单元显示长程连通性，其中接合 单元有序定向，例如图2 ( e )，或随机定向，例如图2 ( f )。能够在例如Newnham等的 "Connectivity and piezoelectric-pyroelectric composites"(Mat.Res.Bull.13卷， 525-536页，1978)中找到连通模式的实例。
[0132] 此外，能够W促进致密堆积的方式达成单一层级结构或多级重复层级结构，所述 层级结构在其他潜在有用的功能性目的中提供了用于制备高强度材料的目的。层级描述结 构如何W若干长度尺度形成模式。不同类型的接合基质可W通过改变基质孔隙率和通过并 入不同尺寸的核屯、纤维形成。不同种类的微粒状组分W及纤维状组分可W与层级结构一起 用于制造具有不同连通性的不同种类的结构。
[0133] 形成接合单元、接合基质W及复合材料的方法
[0134] 通过将前体材料暴露于反应性液体而进行转化(固化)工艺。与液体相关联的反应 物与组成前体颗粒的化学组分反应，并且更具体地与前体颗粒的周边部分中的化学反应物 反应。该反应最终导致第一层W及第二层的形成。
[0135] 在一些实施例中，前体颗粒包括两种W上化学元素。在转化工艺期间，液体中的反 应物优先至少与化学元素的第一种反应，其中液体中的反应物（例如，溶液中的C〇2 W及相 关物种)与至少一种第一化学元素(例如，Ca2+)之间的反应导致第一层W及第二层的形成， 该第一层包含前体颗粒的衍生物，一般不包括该至少一种第一化学元素，而该第二层包含 反应物与该至少一种第一化学元素的组合物（例如，CaO)3)。相比之下，核屯、包含与前体颗 粒相同或几乎相同的化学组成物(例如，CaSi〇3)。举例而言，核屯、的周边部分可W由于特定 化学元素从核屯、的选择性溶出而与前体颗粒的化学组成物不同。
[0136] 因此，核屯、W及第二层共享前体颗粒的该至少一种第一化学元素（例如，巧2+)，且 核屯、W及第一层共享前体颗粒的至少另一种化学元素(例如，Si4+)。例如，由核屯、与第二层 共享的至少一种第一化学元素可W为至少一种碱±金属元素(被、儀、巧、锁、领W及错）。例 如，由核屯、与第一层共享的该至少另一种化学元素可W为娃、铁、侣、憐、饥、鹤、钢、嫁、儘、 错、错、铜、妮、钻、铅、铁、铜、神和/或粗。
[0137] 在一些实施例中，液相中的反应物与前体颗粒的至少一种第一化学元素之间的反 应可W进行至完成，从而导致第一层成为接合单元的核屯、且具有不同于前体颗粒的化学组 成物的化学组成物，且导致至少一个另一层或第二外壳层包含组成物，该组成物可W包括 或可W不包括前体颗粒的两个W上化学元素中的至少一种第一化学元素。
[0138] A.气体辅助热液液相烧结
[0139] 接合单元可W通过例如基于气体辅助化PS的方法形成。在此方法中，包括多个前 体颗粒的多孔实屯、主体暴露于液体(溶剂），该液体使多孔实屯、主体的孔部分地饱和，即孔 的体积部分地用水填充。
[0140] 在诸如形成碳酸盐的系统的某些系统中，相信的是，用水完全填充孔是不合需要 的，因为反应性气体不能够通过气体扩散从多孔固态主体的外表面扩散至所有内孔。相反， 反应性气体中的反应物将溶解于液体中并且W液相形式从外表面扩散至内孔，此过程慢得 多。该液相扩散可能适合于转化薄的多孔固态主体，但不适合于较厚多孔固态主体。
[0141] 在一些实施例中，含反应物的气体引入至多孔固态主体的部分饱和的孔中，并且 反应物由溶剂溶解。溶解的反应物随后与前体颗粒中的至少第一化学元素反应，W将前体 颗粒的周边部分转化成第一层W及第二层。作为反应的结果，溶解的反应物从溶剂耗尽。同 时，继续将含气体的反应物引入至部分饱和的孔中，W将额外的反应物供应至溶剂。
[0142] 随着反应物与前体颗粒的至少第一化学元素之间的反应进行，前体颗粒的周边部 分转化成第一层W及第二层。第一层在核屯、的周边处的存在最终通过隔离反应物与前体颗 粒的至少第一化学元素而阻碍进一步反应，由此使反应有效停止，得到接合单元，该接合单 元具有作为前体颗粒的未反应中屯、的核屯、、在核屯、的周边处的第一层W及在第一层上的第 二层。
[0143] 所得接合单元包括核屯、、第一层W及第二层，并且一般尺寸大于前体颗粒，从而填 充多孔固态主体的周围多孔区域且可能与多孔固态主体中的相邻材料接合。因此，可W形 成网形构造的产物，所述产物具有与多孔固态主体大致相同的尺寸和形状但具有比多孔固 态主体更高的密度。在产生比初始粉巧密度更高的材料方面，此情况相对于由于质量传递 导致收缩的传统烧结工艺具有优势。
[0144] B.高压蓋中的HLPS
[0145] 在化PS的方法的示例性实施例中，将包含多个前体颗粒的多孔固态主体置放于高 压蓋腔室中并且加热。通过蒸发腔室中的水，将作为溶剂的水引入多孔固态主体的孔中。多 孔固态主体上方的冷却板使蒸发的水冷凝，水随后滴落至多孔主体上W及多孔固态主体的 孔中，从而使多孔固态主体的孔部分地饱和。然而，在此实例中引入水的方法是能够传递水 的若干方式中的一种。举例而言，水还可W加热和喷雾。
[0146] 同时，将作为反应物的二氧化碳累送至腔室中，且二氧化碳扩散至多孔主体的部 分饱和孔中。一旦处于孔中，二氧化碳即溶解于水中，从而允许前体颗粒与二氧化碳之间的 反应，W将前体颗粒的周边部分转化成第一层W及第二层。
[0147] 随着第二反应物与第一层之间的反应进行，第二反应物继续与第一层反应，从而 将第一层的周边部分转化成第二层。可W由第一层中的组分的表生溶液形成第二层，并且 此第二层可W为梯度层，其中组成第二层的化学元素（阳离子）中的一个的浓度随着从核屯、 颗粒表面移动至第一层的末端从高到低地变化。还可能的是，第二层还可W为梯度组成物， 诸如当所述层为非晶形或由具有恒定或变化组成的固溶体组成时。
[0148] 第二层在前体核屯、的周边处的存在通过隔离第二反应物与第一层而最终阻碍进 一步反应，使反应有效停止，从而得到接合单元，该接合单元具有核屯、、在核屯、的周边处的 第一层W及在第一层上的第二层。所得接合单元大体上尺寸大于原始前体颗粒，由此填充 多孔固态主体的周围多孔区域且与多孔固态主体的相邻材料接合。因此，该方法允许了产 物的网状构造，所述产物具有与原始多孔固态主体大致相同的形状但具有比原始多孔固态 主体更高的密度。在产生比初始粉巧密度更高的材料方面，此情况相对于由于质量传递导 致收缩的传统烧结工艺具有优势。
[0149] C.浸渗介质
[0150] 用于输送至多孔基质的至少一部分中的浸渗介质包括溶剂(例如，水）W及反应性 物种(例如，0)2)。溶剂可W为水性的或非水性的。溶剂可W包括一种W上组分。举例而言， 在一些实施例中，溶剂可W为水和乙醇、乙醇和甲苯、或者各种离子液体的混合物，诸如基 于烷基取代的咪挫及化晚阳离子与面化物或Ξ面代侣酸盐阴离子的离子液体。为了简化处 理设备，湿式系统优于非湿式系统。
[0151] 虽然溶剂可W与反应性物种化学反应，但溶剂应不与多孔基质化学反应。溶剂可 W经由各种分离方法移除，诸如整体流动、蒸发、升华或用清洗介质溶解，或者本领域技术 人员已知的任意其他适合分离方法。
[0152] 更具体地，溶剂在溶解的反应性物种与多孔基质反应的溫度下为液体。该溫度将 取决于所选的特定溶剂W及反应性物种而变化。为了节能和简化处理设备从而降低制造成 本，低溫优于较高溫度。
[0153] 溶剂的作用与诸如波特兰水泥的设及反应性系统的现有技术相反，其中诸如水的 溶剂与多孔基质反应W形成含有诸如金属水合物或金属氨氧化物的溶剂分子的产物W及 其他沉淀产物。
[0154] 不论纯反应性物种的相如何，反应性物种作为中性、阴离子或阳离子物种溶解于 溶剂中。举例而言，至少一个反应性物种可W为C〇2，C〇2在室溫下为可W溶解于水中作为中 性0)2但可W产生诸如曲0+、HC03\此0)3^及C0321 勺反应性物种的气体。不论反应性物种W 及溶剂在自然状态下的初始相如何，浸渗介质在多孔基质的孔(例如，间隙空间）中为液相。
[0155] 举例而言，毛细力可W用W自发地将浸渗介质吸入多孔基质中。在浸渗介质具有 极低接触角(例如，<90°C)时发生该类型的润湿。在此情况下，介质可W部分地填充(部分地 饱和)或完全填充(饱和巧L。浸渗还能够W-些孔被填充而其他孔为空的和/或部分填充的 方式发生。还可能的是，具有梯度填充或饱和孔的浸渗多孔基质可W在稍后经由毛细管流 动转化成均一的多孔基质。另外，在浸渗介质的接触角高（例如，>90°)时，润湿不会自发地 发生。在此类情况下，除非施加外部压力，流体将不会浸渗多孔基质。此方法在需要通过释 放压力抽出浸渗介质(例如，反应可w通过压力开始或停止)时具有实用性。
[0156] 当使用孔中的自发毛细管流动进行浸渗时，在孔被填充(饱和）时整体流动终止。 在化PS期间，反应性物种与基质反应W通过多种反应形成一种W上产物。至少一个反应物 种从孔空间内部耗尽并且因而在反应过程中需要补充。当孔完全由浸渗介质饱和时，反应 性物种必须经由基质孔从多孔基质外的浸渗介质传递。在静止流体中，扩散为进行传递的 方法。因而，对于孔内部的反应相对于所有其他质量传递方法迅速的一些化PS方法而言，反 应受限于多孔基质厚度的极大增加。在此类情况下，仅基质的外部部分与反应性物种彻底 反应，而多孔基质的内部区域较不完全反应或未反应。所述类型的反应适合于制备梯度微 结构，其中化PS工艺的产物的浓度在结构的外侧部分(靠近外部表面区域)上相对于结构内 部较高。
[0157] D.工艺选择W及控制
[0158] 当高度放热反应相对于浸渗介质的传递缓慢进行且基质隔热时，截留的热量可W 增加基质内部中的反应的速率，W使得基质内部能够含有比基质内部更多的产物相（即，至 少一个反应性物种与多孔基质的一部分之间的反应产物）。对于反应相对于浸渗介质的质 量传递W中等速率等溫进行的化PS工艺，可W持续扩散W向孔供应反应性物种，并且将不 会观察到反应程度(或产物浓度）的梯度。在此类情况下，单块结构或主体的材料的内部与 外部的化学和/或相组成物之间存在很小的差异。
[0159] 在许多情况下，在单块结构主体中需要关于相W及组成物的均一微结构。此外，例 如，在需要用于诸如道路或桥梁的应用的大而厚的单块主体的情况下，还需要在相对短的 时间范围内进行HLPS反应。需要平衡HLPS工艺的反应速率W及质量传递。对于前体选择W 及引入前体W包含浸渗介质的方法的策略是重要的。优选的前体的选择W及引入浸渗介质 的方法至少部分地与W下因素有关:最薄方向上的样品厚度、考虑对于工艺可W接受的时 间尺度W及商业上可行的工艺所需的热力学W及动力学限制条件，诸如，溫度、压力W及组 成物。
[0160] 表3概述前体选择W及引入方法的策略。多孔基质可W直接浸渗，或者多孔基质可 W在后执行表3中所描述的任意浸渗顺序前排空。描述了将气体用作前体、液体用作前体或 固体用作前体的方法。另外，诸如固体和液体、气体和液体W及气体和固体的相混合物皆可 W使用。举例而言，诸如C〇2的反应物为纯态的气体，但转换成溶解于水中的溶液物种。此类 事件可W通过气体扩散至多孔基质中并且随后在接触到孔时的冷凝而发生。此类前体系统 在需要具有碳酸盐相的微结构时是重要的。添加前体(溶剂W及反应性物种）的添加顺序可 W影响反应产率W及材料的微结构。
[0161] 表3.HLPS工艺的前体W及引入方法
[0162]
[0163]
[0164] 在一些实施例中，溶剂W及反应性物种可W预混合W形成浸渗介质并且随后W单 一步骤引入至基质中。在其他实施例中，可W优选使用多个浸渗程序。举例而言，溶剂前体 可W首先引入，随后浸渗反应性物种，或反之亦然。
[0165] 溶剂前体W及反应性物种前体最初均不需要为相同相，因为浸渗介质将为基质的 孔中的液体。举例而言，溶剂前体可W为诸如水的蒸气，该蒸气在l〇〇°CW上的溫度下于大 气压力下为气体，且该该蒸气可W通过将基质冷却至低于100°c的溫度或通过使用具有在 开尔文孔径范围（小于lOOnm)内的孔径的多孔基质而利用表面能来冷凝为液体。当孔大时， 溫度升高W使得气体物种不能热冷凝，需要少量浸渗溶液或因本文中未论述的其他原因， 并且可能需要使用潮解性化合物在孔中形成液体。此类化合物的实例包括棚酸、硝酸铁w 及氨氧化钟。在此情况下，诸如水的蒸气可W在孔中将潮解性固相转化成液体，且产物相的 晶体生长可W在孔中进行。运在液体浸渗W及扩散限制HLPS制成的产物的厚度时尤其有 用。替代地，气体扩散可W用W在大得多的距离传递物种，W在基质的孔内部形成HLI^所需 的浸渗介质。
[0166] 可W并入各种添加剂W改良化PS工艺W及所得产物。添加剂可W为处于纯态但在 并入浸渗介质之前可W溶于溶剂相或与多孔基质共处理(例如，预混合）的固体、液体或气 体。实例包括:成核催化剂、成核抑制剂、溶剂调节剂（例如，硬水软化剂）、润湿剂、非润湿 剂、水泥或混凝±添加剂、用于建筑材料的添加剂、晶体形态控制添加剂、晶体生长催化剂、 减慢晶体生长的添加剂、pH缓冲剂、离子强度调节剂、分散剂、黏结剂、流变控制剂、反应速 率催化剂、静电性、空间性、电空间性、聚电解质与沃德层(Vo 1 d-1 ay er)分散剂、封端剂、偶 合剂与其他表面吸附物种、酸或碱抑改性剂、产生气体、液体或固体(例如，当加热、加压、减 压、与另一物种反应或暴露于本文未列举的任意处理变量时）的添加剂，W及生物或合成组 分(例如，提供任意上述功能和/或充当溶剂、反应性物种或多孔基质）。
[0167] 在一些实施例中，可W使用潮解性固体。潮解性固体可W与多孔基质预混合。随 后，溶剂与至少一个反应性物种的预混合物可W引入至潮解性固体多孔基质。预混合物中 的溶剂W及至少一个反应性物种可W都是气相的或都是液相的。在一些实施例中，在预混 合物中，溶剂可W为液体，且至少一个反应性物种可W为气相，或反之亦然。
[0168] 气体-水蒸气流可W经过多孔基质中的潮解性盐，W在多孔基质中的间隙空间中 产生液相的浸渗介质。举例而言，潮湿气体水蒸气流可W充当用于C〇2溶解W及离子化的溶 剂。已知大量盐为潮解性的且可W适合地用于由潮湿空气在盐表面上方的流动形成液体溶 液。适当盐的选择依赖空气中的湿度水平。一些盐可W在极低的相对湿度下作用。潮解性盐 的实例包括％ ( N03 ) 2、CaC 12 W 及NaC 1。
[0169] 对于浸渗介质的传送，浸渗介质可W作为自发地润湿多孔基质的整体溶液传送。 存在用于传送该溶液的多个选项。首先，多孔基质可W浸入液体中。其次，浸渗溶液可W喷 雾至多孔基质上。在静止系统中，当浸渗溶液的体积大于多孔基质的孔体积时，扩散通过将 反应性物种传送至孔位点而扩大反应。
[0170] 或者，流体可W通过各种方法流动（机械对流）穿过多孔基质。诸如加压流动、干 燥、电渗流动、磁渗流动W及溫度梯度驱动与化学梯度驱动流动的方法可W用W使液体浸 渗介质流动穿过多孔主体。与依赖于扩散过程相反，此动态流动允许新鲜反应物接近多孔 基质。只要基质的孔径分布容许相当高的流体流动速率，此方法则为有利的，该方法比扩散 过程更快地供应反应性物种且在供应速率等于或超过产物形成的反应速率时为最优。另 夕h浸渗介质的流通对高度放热反应特别有用。运对于单块结构尤其有利，所述单块结构为 厚的且可W在内部产生热量，该热量能够产生能够使单块结构破裂的内部压力。
[0171] 存在材料厚度超过此长度尺度的许多应用。在运些情况下，通过本领域技术人员 已知的任意适合方法的流体机械对流是优选的。替代方法为引入溶剂或反应性物种作为气 态物种。另外，可W采用超临界条件W达成介于液体与气体之间的传输速率。气体物种可W 通过横跨多孔基质施加压力梯度而机械对流。若气体为反应性物种，则孔中填充的溶剂流 体可W流出孔，从而在孔上留下能够吸收反应性物种气体的溶剂薄膜。或者，在溶剂吸收流 过的气体的一部分时，部分填充的孔将允许气体流动穿过孔。
[0172] 系统可W利用低溫W及低压W因此能够采用低成本工艺。因此，将一部分溶剂保 留在孔中W促进反应性物种的气体扩散的方法相对于利用需要大量产物的静止液体W供 反应的那些方法是优选的。存在许多装置设计，所述设计可W将反应物W及溶剂物种有效 地传递至孔。所述设计中的一些设计设及传统反应器设备，诸如压滤机、喷雾室、高压蓋W 及蒸汽机。
[0173] 实施例
[0174] 实施例1:使用建筑用砂的压制铺路石(护X 9")
[0175] 原材料
[0176] 中国Donghai Golden Resources Industries的合成娃灰石（SC-C2);来自 Stavola(新泽西）的1/4"暗色岩集料、来自Bound化ook(新泽西）的建筑用砂W及Glenium 7500(BASF)。表4给出用于制备铺路石的原材料的混合物比例。
[0177] 表4混合比例（100kg批量）
[017 引
[0179] 混合程序
[0180] 1.测量并装载25kgl/4"集料至行星式揽拌机(Sicoma?MP375/250)中。
[0181 ] 2.测量并装载55.2kg建筑用砂至揽拌机中。
[0182] 3.测量并装载17.1kg合成娃灰石(SC-C2)至揽拌机。
[0183] 4.混合装载至揽拌机的固体组分大约3分钟。由此产生干式混合物。
[0184] 5.测量并装载液体组分(如在本实例中为5.63化g水W及0.068kg Glenium 7500) 至包含干式混合物的揽拌机中，W及继续混合约2分钟，直至形成均匀浆料。此举产生湿式 混合物。
[0185] 压制程序
[01化]1.将湿式混合物放料至料斗且传送至铺路石形成机器(Columbia Model 1600)。
[0187] 2.随后将湿式混合物放料至铺路石形成机器的进料料斗。
[0188] 3.随后将湿式混合物从进料料斗放料至铺路石模腔中。随着湿式混合物放料至铺 路石模腔中，振动模具W有效填充空腔。
[0189] 4.铺路石压机的压缩头压实湿式混合物约1.5秒或直至湿式混合物达到25/8"英 寸的高度。由此产生陶瓷巧体。
[0190] 5.随后自模腔剥离陶瓷巧体。
[0191] 固化程序
[0192] 将陶瓷巧体置放在直径为7英尺、长12英尺的水平固化腔室内部。用C〇2气体吹扫 固化腔室12分钟。随后将固化腔室的溫度设定为60°C，且在固化腔室的底部循环70°C的热 水，W用水蒸气使腔室保持饱和。在C〇2吹扫期间，风扇揽动固化腔室内的气氛。一旦固化腔 室内的气氛达到60°C，气体浓度即为大致84 %的C〇2 W及16 %的此0蒸气。大体而言，包含大 致50% W上C〇2的气氛为有利的。在优选实施例中，使用包含大致80% W上C〇2的气氛。
[0193] 在所述条件下固化陶瓷巧体19小时。从固化腔室移除固化陶瓷体，且将固化陶瓷 体置放在90°C下的工业干燥烘箱中，W移除任意残留水。基于在反应期间的重量增加计算 反应的程度。固化陶瓷体展现至少50%的反应程度。
[0194] 图3为根据本发明的实施例制成的铺路石形式的护X 9"固化陶瓷体的影像。
[0195] 测试
[0196] 根 据ASTM C 936使用Gilson通用测试机器（Gilson universal testing machine) W50psi/s与10化si/s之间的平均速率测量铺路石形式的固化陶瓷体的抗压强 度。测试了六个铺路石的抗压强度。平均抗压强度为67.6MPa(9,804psi)，标准偏差为4MPa (600psi)。
[0197] 实施例2:有色铺路石
[0198] 此实例说明使用颜料将铺路石形成为有色铺路石。在此实例中，制成红色铺路石。 表5显示用于制备所述红色铺路石的原材料的混合比例。所述铺路石根据ASTM C 936具有 55.2MPa(8000psi)的最小抗压强度。
[0199] 表5混合比例（100kg批量）
[0200]
[0201 ]本发明的铺路石相对于用波特兰水泥制成的铺路石的优势
[0202] 相比于工业铺路石，本文所描述的铺路碾现了：在抗压强度性能方面的较低标 准偏差;相比于标准要求获得的更高抗压强度，运提供降低黏合剂含量的可能性;在不适当 压制之后重新利用混凝±混合物而不浪费的能力（因为Solidia混合物在无二氧化碳的情 况下不固化）；由于在反应/固化之后不含碱消除了原发风化或碱金属的析出（风化是波特 兰水泥铺路石制造商面临的最大问题之一）；归因于Solidia黏合剂和反应产物的较浅暗度 而降低的颜料要求;W及较低需水量（由于在混合物中W减少的水改良堆积）。
[0203] 实施例3使用建筑用砂的搁块 [0204] 原材料
[02化]中国Donghai Golden Resources Industries的合成娃灰石（SC-C2);来自 Stavola(新泽西）的1/4"暗色岩集料、来自Bound化ook(新泽西）的建筑用砂W及Glenium 7500(BASF)。表6示出用于此实例的原材料的混合比例。
[0206] 表6混合比例（100kg批量）
[0207]
[0208] ~混合程序
[0209] 该混合程序类似于压制铺路石用于制备湿式混合物所采用的程序。
[0210] 压制程序
[0211] 除了模具几何结构外，使用如铺路石的实例提到的类似程序压制搁块。为形成作 为用于搁块的前体的陶瓷巧体，模具具有75/8"x 75/8"x 155/8"的大小(49%的体积为固 态)。
[0212]固化程序
[0213] 类似于实例1中提及的程序固化陶瓷巧体W产生搁块形式的固化陶瓷体。
[0214] 测试
[0215] 根据ASTM C90测试搁块形式的固化陶瓷体的抗压强度。制备的搁块的抗压强度为 36.6MPa(5300psi)。
[0216] 图4为根据本发明的实施例制成的搁块形式的固化陶瓷体的影像。
[0217] 本发明的搁块相比于用波特兰水泥制成的搁块的优势
[0218] 除上文针对Solidia压制铺路石列举的优势W外，相比于波特兰水泥搁块， Sol idia搁块具有改良的耐热性并且具有改良的耐火性。
[0219] W引用的方式并入
[0220] 本发明中已提及和引述其他文献，诸如专利、专利申请、专利公开、期刊、书籍、论 文、网络内容。所有此类文献W全文引用的方式特此并入本文中用于所有目的。据称W引用 方式并入本文中、但与现有定义、陈述或本文明确所列的其他公开材料冲突的任何材料或 其一部分仅W所并入材料与本发明材料之间不发生冲突的程度并入。若有冲突，则所述冲 突的解决应W本发明优选公开的内容为准。
[0221] 等效物
[0222] 本文公开的代表性实施例旨在帮助说明本发明，并且不希望、也不应视为限制本 发明的范围。实际上，除本文所示及所述的内容之外，根据包括后述实例及本文述及的科学 及专利文献的本文的全部内容，本发明的各种修改及其许多其他实施例对本领域技术人员 是显而易见的。在各种实施例及其等效物中，所附实施例含有可W调整用于实施本发明的 重要的附加信息、范例及规则。
【主权项】
1. 一种复合建筑材料，该材料包含： 多个接合单元，其中每个接合单元包含： 核心，该核心主要包含硅酸钙， 富含二氧化硅的第一层或内层，以及 富含碳酸钙的第二层或外层；以及 多个填充颗粒，所述填充颗粒包含精细填充颗粒， 其中所述多个接合单元以及所述多个填充颗粒一起形成一个以上接合基质，且所述接 合单元以及所述填充颗粒构造成作为反应结果而接合在一起，在该反应中包含存在大于 50%的二氧化碳的气氛，其中所述复合建筑材料以铺路石材或建筑砌块的形式提供。2. 如权利要求1所述的复合建筑材料，其中，所述接合单元以及所述填充颗粒经构造成 作为反应结果而接合在一起，在该反应中包含存在大于80%的二氧化碳的气氛。3. 如权利要求1所述的复合建筑材料，进一步包含着色剂。4. 如权利要求1所述的复合建筑材料，其中所述多个接合单元具有在约5μηι至约100μπι 的范围内的中值粒径。5. 如权利要求1所述的复合建筑材料，其中所述填充颗粒由富含二氧化硅的材料制成。6. 如权利要求1所述的复合建筑材料，其中，所述多个填充颗粒包括石英、云母和长石 中的一种以上。7. 如权利要求1所述的复合建筑材料，其中所述多个接合单元由研磨硅灰石化学转化 而成。8. 如权利要求1所述的复合建筑材料，其中所述多个接合单元由硅灰石之外的前体硅 酸钙化学转化而成。9. 如权利要求1所述的复合建筑材料，其中所述多个接合单元由包含铝、镁、铁中的一 种以上的前体硅酸钙化学转化而成。10. 如权利要求3所述的复合建筑材料，其中所述着色剂包括氧化铁、氧化钴及氧化铬 中的一种以上。11. 如权利要求1所述的复合建筑材料，其中所述接合单元与所述填充颗粒的重量比为 约8-50:50-92。12. 如权利要求4所述的复合建筑材料，其中所述着色剂以从0重量％至约10重量％的 量存在。13. 如权利要求1所述的复合建筑材料，其中，通过使研磨硅灰石通过受控热液液相烧 结工艺与C02反应而由研磨硅灰石化学转化来制备所述多个接合单元。14. 如权利要求1所述的复合建筑材料，其中，通过使除硅灰石之外的前体硅酸钙通过 受控热液液相烧结工艺与C02反应而由除硅灰石之外的前体硅酸钙化学转化来制备所述多 个接合单元。15. 如权利要求1所述的复合建筑材料，具有50MPa至300MPa的抗压强度以及5MPa至 30MPa的挠曲强度。16. 如权利要求1所述的复合建筑材料，具有小于约10 %的吸水率。17. 如权利要求1所述的复合建筑材料，展现类似于石材的视觉图案。18. -种用于制备复合建筑材料的方法，该方法包含以下步骤： 混合微粒状组成物以及液体组成物以形成浆料混合物，其中所述微粒状组成物包含： 研磨娃酸钙，该研磨娃酸钙具有在约lwii至约100μπι的范围内的中值粒径，以及 多个填充颗粒，该多个填充颗粒包含精细颗粒， 并且其中所述液体组成物包含： 水，以及 分散剂； 将所述浆料混合物放料在模具中； 压实所述模具内的所述浆料混合物，以及 在水和C02的气氛下于约20°C至约150°C的范围内的温度下固化所述浆料混合物约1小 时至约80小时，以产生呈铺路石材或建筑砌块的形式的复合建筑材料，所述气氛具有环境 大气压力至环境大气压力以上约60psi的范围内的压力且具有范围为约10%至约90%的 C02浓度。19. 如权利要求18所述的方法，进一步包含以下步骤:在所述楽:料混合物放料至所述模 具中并且在所述模具内压实时，振动所述模具。20. 如权利要求18所述的方法，其中所述微粒状组成物进一步包含着色剂。21. 如权利要求18所述的方法，其中在蒸气下于约60°C至约110°C的范围内的温度下执 行所述混合物的固化约15小时至约70小时，所述蒸气包含水和C〇2且具有在约环境大气压 力至环境大气压力以上约30psi的范围内的压力。22. 如权利要求21所述的方法，其中在蒸气下于约60°C至约100°C的范围内的温度下执 行所述混合物的固化约20小时至约60小时，所述蒸气包含水和C0 2且具有在约环境大气压 力至环境大气压力以上约30psi的范围内的压力。23. 如权利要求22所述的方法，其中在蒸气下于等于或低于约60°C的温度下执行所述 混合物的固化约6小时至约50小时，所述蒸气包含水和C〇2且具有环境大气压力。24. 如权利要求18所述的方法，其中 所述研磨硅酸钙包含研磨硅灰石，并且 包含精细颗粒的所述多个填充颗粒包含富含二氧化硅的材料。25. 如权利要求24所述的方法，其中 所述研磨娃灰石具有约5μηι至约50μηι的中值粒径、约0.6g/mL至约0.8g/mL(疏松）以及 约1 .Og/mL至约1.2g/mL(密实）的容积密度、约1.5m2/g至约2.0m2/g的表面积。26. 如权利要求25所述的方法，其中，包含精细颗粒的所述多个填充颗粒包括石英、云 母和长石中的一种以上。27. 如权利要求18所述的方法，其中所述微粒状组成物包含： 包含金属氧化物的颜料。28. 如权利要求18所述的方法，其中所述微粒状组成物包含：玻璃材料，所述玻璃材料 具有选自黑色、白色、红色、黄色以及棕色的颜色。29. 如权利要求18所述的方法，其中所述液体组成物包含： 水，以及 分散剂，所述分散剂包含具有所述液体组成物的约〇. 1%至约2%w/w的浓度的聚合物 盐。30. 如权利要求29所述的方法，其中所述聚合物盐为丙烯酸均聚物盐。31. 如权利要求18所述的方法，其中所述微粒状组成物包含约25%w/w的研磨硅酸钙以 及约70 %至约75 % w/w的二氧化娃系材料。32. 如权利要求31所述的方法，其中所述研磨硅酸钙主要为研磨硅灰石，并且所述二氧 化硅系材料主要为选自由玻璃、石英以及砂粒所组成的组中的材料。33. -种复合建筑材料，其通过根据权利要求18至32中任一项所述的方法制备。34. 如权利要求33所述的复合建筑材料，具有约50MPa至约300MPa的抗压强度以及约 5MPa至约30MPa的挠曲强度。35. 如权利要求33所述的复合建筑材料，具有小于约10 %的吸水率。36. 如权利要求33所述的复合建筑材料，包含着色剂，该着色剂具有选自黑色、白色、红 色、黄色以及棕色的颜色。37. 如权利要求33所述的复合建筑材料，展现石材特有的视觉图案。38. -种制品，所述制品由如权利要求33所述的复合建筑材料制成。39. -种制品，所述制品由如权利要求1至17中任一项所述的复合建筑材料制成。40. -种复合建筑材料，其包含： 多个接合单元，其中每个接合单元包含： 主要包含硅酸镁的核心， 富含二氧化硅的第一层或内层，以及 富含碳酸镁的第二层或外层；以及 多个填充颗粒， 其中所述多个接合单元以及所述多个填充颗粒一起形成一个以上接合基质，并且所述 接合单元以及所述填充颗粒大致均匀地分散在所述基质中并接合在一起，由此所述复合建 筑材料展现类似于天然石材的一种以上纹理以及图案。41. 如权利要求1所述的复合建筑材料，其中，接合单元与填充颗粒的重量比为约5-50: 50-95〇42. 如权利要求1所述的复合建筑材料，具有lOMPa至300MPa的抗压强度以及IMPa至 30MPa的挠曲强度。
【专利摘要】本发明提供新颖的铺路石材以及建筑砌块复合材料与制备所述材料的方法。铺路石材以及建筑砌块复合材料可以通过一种生产方法由广泛可用的低成本前体材料容易地生产，该生产方法涉及在适合于大规模生产的模具中压实。前体材料包括例如硅灰石的硅酸钙以及可以包含富含二氧化硅的材料的微粒状填充材料。添加剂可以包括富含碳酸钙和富含碳酸镁的材料。可以使用各种添加剂来微调复合材料的物理外观以及机械性质，所述添加剂诸如：诸如有色材料颗粒的着色剂，以及颜料(例如，黑色氧化铁、氧化钴以及氧化铬)。所述铺路石材以及建筑砌块复合材料展现类似于石材的视觉图案以及显示等同于或优于石材的抗压强度以及吸水率。
【IPC分类】C04B40/02, C04B28/02
【公开号】CN105555734
【申请号】CN201480028064
【发明人】弗朗西斯·亨, 迪帕克·拉维库马, 约翰·P·库普勒, 肯尼思·史密斯, 乌古斯汗·奥夫拉兹, 戴维·赞布吉齐, 瓦西特·阿塔坎
【申请人】索里迪亚科技公司
【公开日】2016年5月4日
【申请日】2014年3月13日
【公告号】CA2905870A1, EP2970008A1, US20140314990, WO2014159832A1
【专利说明】铺路石和棚块复合材料从及其制备方法
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2013年3月13日提出申请的共同代决美国临时专利申请号61/780,592 的优先权W及权益，该申请W引用的方式全部并入本文中。
技术领域
[0003] 本发明大体而言设及新颖的复合材料，所述复合材料可W用作铺路石或用作建筑 搁块。更具体地，本发明设及合成的铺路石和建筑搁块材料W及其由包括水和二氧化碳的 各种低成本原材料的制备。所述复合材料适合于建筑、基础设施、艺术品W及装演中的各种 用途。
【背景技术】
[0004] 自古W来，人们已知并且使用石材作为建筑材料。石材的独特美学和物理特性使 得石材成为房屋与建筑W及装饰艺术与雕塑中的理想材料。
[0005] 铺路石为通过使用诱铸工艺、压制工艺、压实工艺、或振动与压制的组合制成的混 凝±搁块。铺路石大体而言W互锁图案铺搁。所述铺路石有时还被称为铺路石材。所述铺路 石在使用寿命期间可W被损坏时用新的铺路石移除，从而减少任何的服务中断。互锁铺路 石可W设计成在图案之间具有间隙，提供该间隙用于将水排出到下层。
[0006] ASTM C 936提供混凝±铺路石需要满足的但不限于W下各项的标准:800化si的 平均抗压强度；不大于5%的平均吸水率；W及对至少50个冻融循环平均材料损坏不超过 1%的抵抗力。除所述ASTM要求之外，还可能希望铺路石满足额外要求，包括减少的风化(例 如，减少反应产物由于浓度梯度的析出）、良好的保色性W及取决于铺路石用于何处的耐磨 性。
[0007] 类似铺路石，搁块也是通过诱铸或压制工艺或类似的压实工艺生产的预诱铸混凝 ±。搁块也被称为混凝±搁筑单元(Concrete masonry unit;CMU)、空屯、搁块W及混凝±搁 块。当搁块由飞灰制成时，所述搁块被称为煤渣搁块。所述搁块通常具有空屯、结构。已努力 研究人工或人造铺路石材W及建筑搁块材料，W用低成本易生产的仿制品替代昂贵且稀缺 的天然材料。然而，所述努力尚未生产出具有期望的石材的外观、纹理、密度、硬度、孔隙度 W及其他美学特性并同时可W在环境影响最小的情况下W低成本大量制造的合成材料。 [000引预期搁块相比于黏±砖提供更好的结构性质（用于承重搁筑结构及在制造搁 筑墙时提供更平滑的表面。另外，互锁混凝±搁筑单元不需要砂浆来黏合所述单元。一些搁 块可W用W建造空屯、结构，该空屯、结构相比于实屯、结构产生良好的隔音性W及隔热性。
[0009] 搁块需要大体上符合承重混凝±搁筑单元标准规范ASTM C90的要求。符合该标准 的搁块在强度、几何结构、耐久性W及耐火性上确保是可W接受的，并且所述搁块用于标准 商业建设项目是大体上可W接受的。
[0010] 大多数人工石材仿制品通过将天然石材粉末W及矿物微粒与波特兰水泥 (Portland Cement)渗混而制备。将天然石材、矿物与水泥渗混物与水混合、形成为想获得 的形状并且固化。该方法受众多缺陷影响，包括不良的重现性、低产率、劣化、高加工成本、 不尽人意的机械性质等。
[0011] 其他人工石材仿制品通过将天然石材粉末W及矿物与合成树脂(例如，丙締酸、不 饱和聚醋、环氧树脂)渗混而制备。该方法也受众多缺陷影响，包括不良的重现性、低产率、 劣化、高加工成本、不尽人意的机械性质等。
[0012] 此外，现有方法通常设及大能量消耗W及具有不利的碳足迹的二氧化碳排放。
[0013] 存在对新颖的复合铺路石材W及建筑搁块材料的持续需要，所述铺路石材W及建 筑搁块材料展现良好的美学W及物理特性，并且能够W低成本在改良的能量消耗W及理想 的碳足迹的情况下大量生产。
【发明内容】
[0014] 本发明部分地基于对新颖的铺路石材W及建筑搁块复合材料的出乎意料的发现， 所述材料可W通过适合于大规模生产的工艺由广泛可用的呈颗粒形式的低成本原材料容 易地生产。原材料包括微粒状前体材料W及微粒状填充材料，所述微粒状前体材料包含成 为接合单元的微粒状娃酸巧(例如，研磨娃灰石），所述微粒状填充材料包括矿物质（例如， 石英W及其他含Si化材料、云母W及长石）。流体组分也作为反应介质提供，其包含液态水 和/或水蒸气W及试剂二氧化碳(0)2)。添加剂材料可W包括天然或回收材料W及富含碳酸 巧和富含碳酸儀的材料，W及流体组分的添加剂，诸如水溶性分散剂。各种添加剂可W用来 微调所得复合建筑材料的物理外观W及机械性质，所述添加剂诸如:有色材料的颗粒，有色 材料诸如有色玻璃、有色砂粒W及有色石英颗粒；W及颜料(例如，黑色氧化铁、氧化钻W及 氧化铭）。可W使用术语"着色剂"大体上指代有色材料W及颜料中的任一者或两者。为了模 仿铺路石材W及建筑搁块的外观，微粒状填充材料可W包括精细颗粒。为了提供硬度精细 颗粒可W是Si化系材料，或者精细颗粒可W包含各种材料，包括砂粒、选自矿物W及添加剂 材料的研磨、压碎或W其他方式粉碎的物质。
[0015] 在各种实施例中，本发明提供一种模仿类似石材物件的外观W及"感觉(feeir的 产品。举例而言，描述一种合成铺路石产品。该产品通过使用模具制造。铺路石的模具构造 为模仿通常在真实的石材铺路石中观察到的形状与表面凹凸的结构的物理"相反物 (negative)"，W使得诱铸合成铺路石生产为具有赋予真实石材铺路石的表面外观W及物 理"感觉"的表面特征。表面特征可W包括W下中的任一者:表面凹凸和/或粗糖、相邻铺路 石之间的空间、从一块石材过渡到相邻石材时发生的表面高度变化、W及模仿一块石材和/ 或彼此相邻的多块石材的类似特征。
[0016] 所述铺路石材W及建筑搁块复合材料展现石材典型的表面特征并且显示相比于 天然石材可W接受的抗压强度W及吸水率。另外，可W使用高效的气体辅助热液液相烧结 化LPS)工艺W低成本并在大大改善能量消耗W及碳足迹的情况下生产本发明的复合建筑 材料。事实上，在本发明的优选实施例中，将C〇2作为反应性物种消耗，从而导致C〇2的净固 存。
[0017] 根据一个方面，本发明的特征为一种复合建筑材料。该复合建筑材料包含:多个接 合单元，其中每个接合单元包含:主要包含娃酸巧的核屯、，富含二氧化娃的第一层或内层， W及富含碳酸巧的第二层或外层；W及包含精细填充颗粒的多个填充颗粒，其中多个接合 单元w及多个填充颗粒一起形成一个w上接合基质，并且接合单元w及填充颗粒构造成由 于反应而接合在一起，在所述反应中，存在包含多于50 %的二氧化碳的气氛。该复合建筑材 料W铺路石材或建筑搁块的形式提供。
[0018] 在一个实施例中，接合单元W及填充颗粒构造成由于反应而接合在一起，在该反 应中，存在包含多于80%的二氧化碳的气氛。
[0019] 在又一实施例中，该复合建筑材料进一步包含着色剂。
[0020] 在再一实施例中，多个接合单元具有在约如m至约lOOjim的范围内的中值粒径。
[0021] 在另一实施例中，填充颗粒由富含二氧化娃的材料制成。
[0022] 在又一实施例中，多个填充颗粒包含石英、云母W及长石中的一种W上。
[0023] 在额外实施例中，多个接合单元由研磨娃灰石化学转化而成。
[0024] 在一个其他实施例中，多个接合单元由除娃灰石之外的前体娃酸巧化学转化而 成。
[0025] 在再一实施例中，多个接合单元由包含侣、儀W及铁中的一种W上的前体娃酸巧 化学转化而成。
[0026] 在一个实施例中，着色剂包含氧化铁、氧化钻W及氧化铭中的一种W上。
[0027] 在另一实施例中，接合单元与填充颗粒的重量比为约8-50:50-92。
[002引在另一实施例中，接合单元与填充颗粒的重量比为约5-50:50-95。
[0029] 在又一实施例中，着色剂W0重量％至约10重量％的量存在。
[0030] 在又一实施例中，多个接合单元通过使研磨娃灰石通过受控热液液相烧结工艺与 C〇2反应而由研磨娃灰石化学转化而制备。
[0031 ]在另一实施例中，多个接合单元通过使除娃灰石之外的前体娃酸巧通过受控热液 液相烧结工艺与C〇2反应而由除娃灰石之外的前体娃酸巧化学转化而制备。
[0032] 在又一实施例中，复合建筑材料具有50MPa至300MPa范围内的抗压强度W及5MPa 至30MPa范围内的晓曲强度。
[0033] 在另一实施例中，复合建筑材料具有lOMPa至300MPa范围内的抗压强度W及IMPa 至30MPa范围内的晓曲强度。
[0034] 在额外实施例中，复合建筑材料具有小于约10%的吸水率。
[0035] 在一个其他实施例中，复合建筑材料展现类似于石材的视觉图案。
[0036] 根据另一方面，本发明设及一种由任意前述实施例中所描述的复合建筑材料制成 的制品。
[0037] 根据另一方面，本发明设及一种用于制备复合建筑材料的方法。该方法包含W下 步骤:混合微粒状组成物W及液体组成物W形成浆料混合物，其中该微粒状组成物包含:具 有在约Ιμπι至约100μπι的范围内的中值粒径的研磨娃酸巧，W及包含精细颗粒的多个填充颗 粒，且其中所述液体组成物包含:水，W及分散剂;将浆料混合物放料在模具中；压实模具内 的浆料混合物；W及在水和C〇2的气氛下于约20°C至约150°C的范围内的溫度下固化浆料混 合物约1小时至约80小时W产生复合建筑材料，该气氛具有范围为从环境大气压力至环境 压力W上约60psi的压力且具有范围为约10%至约90%的C〇2浓度。该复合建筑材料W压制 的铺路石材或压制的建筑搁块的形式提供。
[0038] 在一个实施例中，该方法进一步包含W下步骤:在浆料混合物放料至模具中W及 在模具内压实时，振动模具。
[0039] 在另一实施例中，微粒状组成物进一步包含着色剂。
[0040] 在又一实施例中，在蒸气下于约60°C至约110°C的范围内的溫度下执行约15小时 至约70小时的混合物固化，该蒸气包含水和C〇2且具有在约环境大气压力至环境大气压力 W上约30psi的范围内的压力。
[0041] 在再一实施例中，在蒸气下于约60°C至约100°C的范围内的溫度下执行约20小时 至约60小时的混合物固化，该蒸气包含水和C〇2且具有在约环境大气压力至环境大气压力 W上约30psi的范围内的压力。
[0042] 在另一实施例中，在蒸气下于等于或低于约60°C的溫度下执行约6小时至约50小 时的混合物固化，该蒸气包含水和C〇2且具有环境大气压力。
[0043] 在又一实施例中，研磨娃酸巧包含研磨娃灰石，并且包含精细颗粒的多个填充颗 粒包含富含二氧化娃的材料。
[0044] 在额外实施例中，研磨娃灰石具有约扣m至约50μηι的中值粒径、约0.6g/mL至约 0.8g/mL (疏松似及约1. Og/血至约1.2g/mL (密实）的容积密度、约1.5m Vg至约2. Om Vg的表 面积。
[0045] 在一个其他实施例中，包含精细颗粒的多个填充颗粒包含石英、云母W及长石中 的一种W上。
[0046] 在再一实施例中，微粒状组成物包含颜料，该颜料包含金属氧化物。
[0047] 在一个实施例中，微粒状组成物包含玻璃材料，该玻璃材料具有选自黑色、白色、 红色、黄色W及栋色的颜色。
[004引在另一实施例中，液体组成物包含水W及分散剂，该分散剂包含具有液体组成物 的约0.1 %至约2 % w/w的浓度的聚合物盐。
[0049] 在又一实施例中，聚合物盐为丙締酸均聚物盐。
[(K)加]在再一实施例中，微粒状组成物包含约25 % w/w的研磨娃酸巧W及约70 %至约 75 % w/w的二氧化娃系材料。
[0051 ]在另一实施例中，研磨娃酸巧主要为研磨娃灰石，且二氧化娃系材料主要为选自 由玻璃、石英W及砂粒所组成的组中的材料。
[0052] 在额外方面中，本发明的特征为一种复合建筑材料，该材料通过根据任意前述方 法中的方法制备。
[0053] 在一个其他实施例中，复合建筑材料具有约50M化至约300M化的抗压强度W及约 5M化至约30M化的晓曲强度。
[0054] 在再一实施例中，复合建筑材料具有小于约10%的吸水率。
[0055] 在另一实施例中，复合建筑材料包含着色剂，该 着色剂具有选自黑色、白色、红色、 黄色W及栋色的颜色。
[0056] 在又一实施例中，复合建筑材料展现石材特有的视觉图案。
[0057] 在再一实施例中，本发明设及一种制品，该制品由复合建筑材料制成。
[0058] 根据又再一方面，本发明设及一种复合建筑材料。该复合建筑材料包含:多个接合 单元，其中每个接合单元包含:主要包含娃酸儀的核屯、，富含二氧化娃的第一层或内层，W 及富含碳酸儀的第二层或外层；W及多个填充颗粒，其中多个接合单元W及多个填充颗粒 一起形成一个w上接合基质，且接合单元w及填充颗粒大致均匀地分散在所述基质中且接 合在一起，由此复合建筑材料展现类似于天然石材的一种W上纹理W及图案。
【附图说明】
[0059] 图1(a)至图1(c)是根据本发明示例性实施例的接合单元的横截面示意图，包括Ξ 种示例性核屯、形态：（a)纤维状、(b)楠圆形、W及(C)等轴晶状。
[0060] 图2(a)至图2(f)为根据本发明示例性实施例的复合材料的侧视图W及横截面视 图的示意图，示出：（a)稀释接合基质中的1D定向纤维形接合单元(不接触接合单元），（b)稀 释接合基质中的2D定向薄片形接合单元(不接触接合单元），（c)稀释接合基质中的3D定向 薄片形接合单元(不接触单元），W及(d)稀释接合基质中的随机定向薄片形接合单元(不接 触接合单元），其中复合材料包括接合基质W及诸如聚合物、金属、无机颗粒、集料等的填充 组分，（e)接合单元的浓缩接合基质(具有足W构建渗滤网络的体积分数），其中基质为3D定 向的，W及(f)随机定向接合单元的浓缩接合基质(具有足W构建渗滤网络的体积分数），其 中可W包括诸如聚合物、金属、无机颗粒、集料等的填充组分。
[0061] 图3为根据本发明的实施例制成的护X 9"铺路石的图像。
[0062] 图4为根据本发明的实施例制成的搁块的图像。
【具体实施方式】
[0063] 本发明说明利用通过与二氧化碳反应而固化的黏合剂形成并固化混凝±铺路石 的方法，并且该方法由此为固存二氧化碳的有效方法。本发明还获得了相比于用波特兰水 泥制成的传统铺路石具有降低的原发风化的混凝±铺路石。本发明获得了利用不与波特兰 水泥混凝±兼容的填料的方法。本文描述了通过压制前体材料的混合物、随后通过反应形 成的铺路石和搁块两者，在该反应中，二氧化碳用作反应物并且水用作反应介质。
[0064] 本文的铺路石材W及建筑搁块复合材料含有经精细粒化的填充材料。填料将主要 包含诸如石英的Si化系材料W赋予产品硬度。"Si化系材料"定义为包括任意的石英、普通砂 粒(建筑W及搁筑用砂粒）、玻璃W及回收玻璃W及含有大量Si化的其他天然与合成材料， 包括云母(娃酸侣）W及长石(娃酸侣系材料）。在替代性实施例中，在不要求硬度的情况下， 铺路石材W及建筑搁块产品可W含有碳酸巧(化C〇3)或其他碳酸盐系材料。
[0065] 本发明提供新颖的复合材料，所述材料展现铺路石材W及建筑搁块的性质且可W 容易地通过适合于大规模生产的工艺在环境影响最小的情况下由广泛可用的低成本原材 料生产。原材料包括例如研磨娃灰石的便宜的娃酸巧W及例如精细颗粒的填充材料。为了 提供硬度，精细颗粒主要为Si化系材料。精细颗粒可W包括矿物(例如，石英W及其他含Si化 的材料，即云母W及长石）。其他关键工艺组分包括水和C〇2。可W使用各种添加剂来修改和 微调所得复合材料的物理外观和/或机械性质，诸如使用颜料(例如，黑色氧化铁、氧化钻W 及氧化铭）。
[0066] 所述复合材料显示各种铺路石材W及建筑搁块的图案、纹理W及其他特性，诸如 石材特有的各种颜色的视觉图案。另外，本发明的复合材料展现优于石材的抗压强度和晓 曲强度W及低于石材的吸水率。本发明的复合材料优于天然石材之处在于所述复合材料不 受天然石材会发生的、由于天气等引起的劣化的影响。由合成树脂制成的本发明的复合材 料优于天然石材之处在于所述复合材料不会由于原本消耗石材的火而遭受损害。此外，如 本文中所公开，复合材料可W使用高能效化PS工艺生产并且能够W低成本在环境影响良好 的情况下制造。举例而言，在本发明的优选实施例中，将C〇2用作反应性物种，从而导致C〇2在 所生产复合材料中的固存W及任意现有生产技术无法匹敌的碳足迹。化PS工艺通过化学反 应的自由能W及晶体生长引起的表面能(面积）的减小热力学地驱动。由于使用溶液(水溶 液或非水溶液)代替使用高烙点流体或高溫固态介质来运输反应性物种，HWS工艺的动力 学在低溫下W合理速率进行。
[0067] 可W在W下各项中找到对化PS的各种方面的论述:美国专利号8，114，367、美国公 开号US 2009/0143211(申请序列号12/271,566)、美国公开号US 2011/0104469(申请序列 号 12/984,299)、美国公开号20090142578(申请序列号 12/271,513)、W0 2009/102360(PCT/ US2008/083606)、W0 2011/053598(PCT/US2010/054146)、W0 2011/090967(PCT/US2011/ 021623)、2012年3月2日提交的美国申请序列号13/411，218(Riman等）、2012年6月7日提交 的美国申请序列号13/491，098(Riman等）、2012年10月1日提交的美国临时专利申请号61/ 708,423^及2012年10月4日提交的美国临时专利申请号61/709,435、61/709,453、61/709， 461和61/709,476,运些申请中的每个都出于所有目的全部W引用的方式明确并入本文中。
[0068] 在一个方面中，本发明大体而言设及一种复合材料，该复合材料包括多个接合单 元W及多个填充颗粒。每个接合单元包括主要包含娃酸巧的核屯、、富含二氧化娃的第一层 或内层W及富含碳酸巧的第二层或外层。多个接合单元W及多个填充颗粒一起形成一个W 上接合基质，并且接合单元W及填充颗粒大致均匀地分散在所述基质中且接合在一起。复 合材料大致展现一种W上铺路石材W及建筑搁块的纹理、图案W及物理性质。
[0069] 在某些实施例中，复合材料进一步包括颜料。取决于想获得的复合材料，颜料可W 均匀地分散或实质上不均匀地分散在接合基质中。颜料可W为任意适合颜料，包括例如各 种金属的氧化物(例如，氧化铁、氧化钻、氧化铭）。颜料可W是例如选自黑色、白色、蓝色、灰 色、粉色、绿色、红色、黄色W及栋色的任意一种W上颜色。取决于想获得的复合材料，颜料 可W W任意适合量存在，例如W按重量计约0.0%至约10%范围的量存在(例如，约0.0 %至 约8%、约0.0%至约6%、约0.0%至约5%、约0.0%至约4%、约0.0%至约3%、约0.0%至约 2%、约0.0%至约1 %、约0.0%至约0.5%、约0.0%至约0.3%、约0.0%至约2%、约0.0%至 约 0.1%)。
[0070] 取决于想获得的复合材料，多个接合单元可W具有任意适合的中值粒径W及粒径 分布。在某些实施例中，多个接合单元具有约扣m至约100μηι范围内的中值粒径(例如，约扣m 至约 80μηι、约 5μηι 至约 60μηι、约 5μηι 至约 50μηι、约 5μηι 至约 40μηι、约 5μηι 至约 30μηι、约 5μηι 至约 20μ m、约5皿至约10皿、约10皿至约8 0皿、约10皿至约7 0皿、约10皿至约6 0皿、约10皿至约5 0皿、 约 1 Ομηι至约40μηι、约 1 Ομηι至约 30μηι、约 1 Ομηι至约 20μηι)。
[0071] 多个填充颗粒可W具有任意适合的中值粒径W及粒径分布。在某些实施例中，多 个填充物颗粒具有约扣m至约7mm范围内的中值粒径(例如，约扣m至约5mm、约扣m至约4mm、 约扣m至约3mm、约扣m至约2mm、约扣m至约1mm、约扣m至约500μηι、约?5μηι至约300μηι、约20μηι至 约 5mm、约 20μηι 至约 4mm、约 20μηι 至约 3mm、约 20μηι 至约 2mm、约 20μηι 至约 1mm、约 20μηι 至约 500μ m、约20皿至约300μηι、约100皿至约5mm、约100皿至约4mm、约100皿至约3mm、约100皿至约 2mm、约100皿至约1mm)。
[0072] 在某些优选实施例中，填充颗粒由一种W上Si化系或娃酸盐系材料制成，诸如石 英(Si〇2)、云母(娃酸侣）W及长石(娃酸侣系材料）（例如，研磨石英、研磨云母、研磨长石）。
[0073] 在某些实施例中，填充颗粒可W包括天然材料、合成材料W及回收材料，诸如玻 璃、回收玻璃、煤渣、富含碳酸巧材料W及富含碳酸儀材料。
[0074] 多个接合单元可W由例如由除娃灰石之外的前体娃酸巧的任意适合的前体材料 化学转化而成。前体娃酸巧可W包括侣、儀W及铁中的一种W上化学元素。
[0075] 如本文中所使用的，术语"娃酸巧"指天然形成矿物或合成材料，其包含一组含巧 娃化合物中的一种W上，所述含巧娃化合物包括化Si化(还称为"娃灰石"或"假娃灰石"且 有时化学式为CaO · Si〇2)、Ca3Si2〇7(还称为"娃巧石"且有时化学式为3Ca0 · 2Si化）、 化2Si(k(还称为"斜娃巧石"且有时化学式为洗aO . Si化）Xa3Si〇5(还称为"娃酸Ξ巧石"且 有时化学式为3Ca0 · Si化），所述材料可W包括一种W上其他金属离子W及氧化物（例如， 侣、儀、铁或儘氧化物)或其渗混物，或者可W包括W重量计痕量（1%)至约50% W上范围内 的量的天然形成或合成形式的娃酸儀。
[0076] 应理解，可W采用本文所公开的组成物W及方法来使用娃酸儀替换娃酸巧或除娃 酸巧W外还使用娃酸儀。如本文中所使用的，术语"娃酸儀"指天然形成矿物或合成材料，其 包含一组含儀娃化合物中的一种W上，所述含儀娃化合物包括例如Mg2Si化(还称为"儀橄揽 石'似及Mg3Si4〇lG(OHM还称为"滑石"），所述材料可W包括一种W上其他金属离子W及氧 化物(例如，巧、侣、铁或儘氧化物)或其渗混物，或运可W包括W重量计痕量（1%)至约50% W上范围的量的天然形成或合成形式的娃酸巧。
[0077] 如本文中所使用的，术语"石英"指任意Si化系材料，包括普通砂粒(建筑W及搁筑 用砂粒），W及玻璃和回收玻璃。术语还包括任意其他回收天然材料和合成材料，所述材料 含有大量Si化(例如，有时化学式为KAl2(AlSi3化0)的云母）。
[0078] 取决于想获得的复合材料，（接合单元）：（填充颗粒）的重量比可W为任意适合比 例，例如，在约（15至50):约（50至85)的范围内。
[0079] 在某些优选实施例中，通过使研磨娃灰石(或非娃灰石前体娃酸巧或娃酸儀)经由 气体辅助HLI^工艺与C〇2反应而/来制备多个接合单元。
[0080] 在某些实施例中，复合材料的特征在于约50MPa至约300MPa的抗压强度(例如，约 50MPa至约 250MPa、约 50MPa至约 200MPa、约 50MPa至约 180MPa、约 50MPa至约 160MPa、约 50MPa 至约 150MPa、约 50MPa 至约 140MPa、约 1 OOMPa 至约 300MPa、约 130MPa 至约 300MPa、约 140MPa 至 约 300MPa、约 150MPa至约 300MPa、约 200至约 300MPa)。
[0081 ] 在某些实施例中，复合材料的特征在于约5 Μ化至约4 0 Μ化的晓曲强度（例如，约 5Μ化至约35MPa、约5Μ化至约30MPa、约5Μ化至约25MPa、约5Μ化至约20MPa、约10Μ化至约 40MPa、约 15MPa至约 35MPa、约 15MPa至约 30MPa)。
[0082] 在某些实施例中，复合材料的特征在于小于约10% (例如，小于约8%、5%、4%、 3%、2%、1%)的吸水率。
[0083] 在某些实施例中，复合材料具有小于约10重量％的选自碳酸巧W及碳酸儀的一种 W上矿物。
[0084] 复合材料可W显示任意想获得的纹理W及图案，特别是石材特有的纹理W及图 案。在某些优选实施例中，复合材料展现石材特有的视觉图案。其他铺路石材W及建筑搁块 的特性包括颜色(例如，黑色、白色、红色、黄色、栋色）。
[0085] 如本文使用的，术语"浆料"意指湿混合物。在下文中，参见实施例1，其中 ，W重量 计大约95%的固体与W重量计大约5%的液体混合而形成湿混合物，该湿混合物也称作浆 料。
[0086] 在另一方面中，本发明大体而言设及一种用于制备复合材料的方法。该方法包括： 混合微粒状组成物W及液体组成物W形成浆料混合物;将浆料混合物放料至模具中，该模 具具有铺路石或搁块的几何结构；压制模具内的浆料W形成铺路石或搁块形状的固体部 件；W及在蒸气下于约20°C至约150°C的范围内的溫度下固化压制固体部件约1小时至约80 小时W产生复合材料，所述蒸气包含水和C〇2且具有约环境大气压力至环境压力W上约 5化si的范围内的压力并且具有范围为约10%至约90%的C〇2浓度，该复合材料展现铺路石 材W及建筑搁块的纹理和图案。
[0087] 在另一方面中，本发明大体而言设及一种压制方法，其中在浆料放料至模具中W 及在模具内压实时，振动模具。
[0088] 微粒状组成物包括研磨娃酸巧W及研磨含Si化材料，上述研磨娃酸巧具有约Ιμπι 至约100μηι的范围内的中值粒径，所述研磨含Si化材料具有约0.2mm至约7mm的范围内的中 值粒径。液体组成物包括水W及水溶性分散剂。
[0089] 该方法可W进一步包括在固化混合物之前干燥压制混合物的步骤。微粒状组成物 进一步包含本文所讨论的颜料或着色剂。
[0090] 在某些实施例中，在蒸气下于约40°C至约120°C的范围内的溫度下执行约5小时至 约70小时的混合物固化，所述蒸气包含水和C〇2且具有在约环境大气压力至环境大气压力 W上约30psi的范围内的压力。
[0091] 在某些实施例中，在蒸气下于约60°C至约110°C的范围内的溫度下执行约15小时 至约70小时的混合物固化，所述蒸气包含水和C〇2且具有在约环境大气压力至环境大气压 力W上约30psi的范围内的压力。
[0092] 在某些实施例中，在蒸气下于约80°C至约100°C的范围内的溫度下执行约20小时 至约60小时的混合物固化，该蒸气包含水和C〇2且具有在约环境大气压力至环境大气压力 W上约30psi的范围内的压力。
[0093] 在某些实施例中，在蒸气下于等于或低于约60°C的溫度下执行约15小时至约50小 时的混合物固化，该蒸气包含水和C〇2且具有环境大气压力。
[0094] 举例而言，在一些实施例中，研磨娃灰石具有约5皿至约50皿(例如，约5皿、10皿、 154111、2〇4111、254111、3〇4111、4〇4111、9〇4111)的中值粒径、约0.6旨/1111^至约0.8旨/1111^(疏松）^及约 1. Og/血至约1.2g/mL(密实）的容积密度、约1.5mVg至约2. OmVg的表面积。第一研磨含Si〇2 材料具有约40皿至约9化m(例女日，约40皿、5化m、6化m、70皿、8化m、30皿、9化m)的中值粒径、 约0.7g/mL至约0.9g/mL(疏松似及约1.3g/mL至约1.6g/mL(密实）的容积密度。
[00%]在某些优选实施例中，液体组成物包括水W及水溶性分散剂，该分散剂包含具有 液体组成物的约0.1 %至约2%w/w的浓度的聚合物盐(例如，丙締酸均聚物盐）。
[0096]在又一方面中，本发明大体而言设及一种根据本文所公开的方法制备的复合材 料，例如W下复合材料:具有约50M化至约300M化的抗压强度W及约5M化至约30M化的晓曲 强度、具有小于约10%的吸水率、具有选自黑色、白色、红色、黄色和栋色的颜色W及无法在 天然类似物中发现的其他颜色的颜料和/或展现石材特有的视觉图案。
[0097] 在又一方面中，本发明大体而言设及一种由本文所公开的复合材料制成的制品。
[0098] 可W采用任意适合的前体材料。举例而言，主要由娃灰石CaSi化形成的娃酸巧颗 粒可W与溶解在水中的二氧化碳反应。相信的是，巧阳离子自娃灰石溶出并且将娃灰石核 屯、的周边部分转化成缺巧娃灰石。随着巧阳离子继续从核屯、的周边部分溶出，周边部分的 结构最终变得不稳定并且碎裂，由此将核屯、的缺巧娃灰石周边部分转化成主要富含二氧化 娃的第一层。同时，主要为碳化巧的第二层自水中沉淀。
[0099] 更具体地，第一层W及第二层可W根据W下反应(1)由前体颗粒形成：
[0100] CaSi〇3(s)+C〇2(g)=CaC〇3(s)+Si〇2(s) ΔΗ°=-8化J/mol C〇2 (1)
[0101] 举例而言，在娃酸盐矿物诸如娃灰石的碳酸化反应中，引入C〇2作为溶于诸如水的 浸渗流体中的气相。0)2的溶解形成导致溶液中抑下降的酸性碳物种。弱酸性溶液非全等地 溶解来自CaSi化的巧物种。释放的巧阳离子W及解离的碳酸盐物种导致不溶性碳酸盐的沉 淀。富含二氧化娃的层被认为作为耗乏层保留在矿物颗粒上。
[0102] 因此，根据本发明的优选实施例，0)2优先地与娃灰石前体核屯、的巧阳离子反应， 由此将前体核屯、的周边部分转化为富含二氧化娃的第一层W及富含碳酸巧的第二层。另 夕h第一层W及第二层存在于核屯、上充当娃灰石与二氧化碳之间的进一步反应的障壁，从 而获得具有核屯、、第一层W及第二层的接合单元。
[0103] 在一些实施例中，具有不同于化或除化之外的金属的娃酸盐材料，例如，儀橄揽石 (Mg2Si〇4)、透辉石(CaMgSi2〇6) W及滑石(Mg3Si4〇io(OH)2)，能够W类似于上文所述的娃灰石 的反应的方式与溶解在水中的二氧化碳反应。相信的是，根据本发明的原理，此类娃酸盐材 料可W单独、组合和/或与娃灰石组合用作接合单元的前体。
[0104] 优选地，气体辅助化PS工艺利用部分浸渗孔隙，W实现气体扩散，从而迅速浸渗多 孔预制件并且用溶解的C〇2使孔中的稀液界面溶剂薄膜饱和。0)2系物种在纯水中具有低溶 解度(在25°C、1大气压下为1.5g/L)。因而，必须不断供应大量C〇2并且遍及多孔预制件地分 布C〇2，W实现明显的碳酸盐转换。相对于可溶C〇2在液相中扩散相同时间的扩散长度，利用 气相扩散提供扩散长度的大幅(约100倍)增加。（"化η化ook of chemistry and曲ysics", D. R丄ide主编，第6章 W及第8章，2006-2007第87版，CRC)。所述部分浸渗状态使得反应在固 定时间段内能够进行至高碳化程度。
[0105] 孔中的液态水加速反应速率，运是因为液态水对于碳酸W及巧物种两者的离子化 是必要的。然而，水位需要足够低W使得C〇2气体可W在溶解于孔结合水相中之前扩散至多 孔基质中。此外，主动溶解的多孔预制件充当用于扩展性反应晶体生长的模板。因此，接合 单元W及基质能够形成为具有最小的崎变及残留应力。此情况使得能够产生大而复杂的形 状，诸如基础设施W及建筑材料W及许多其他应用所需的那些形状。
[0106] 因此，可W设计固化条件的各种组合W实现想获得的生产工艺，包括各种反应溫 度、压力W及反应长度。在第一示例性实施例中，溶解有C〇2的水W液体形式传送至前体材 料，且固化工艺在约90°CW及约20psig(即，环境压力W上20psi)下进行约48小时。在第二 示例性实施例中，水存在于前体材料中（例如，作为来自先前混合步骤的残留水），且水蒸气 与C〇2-起提供至前体材料(例如，W维持水位和/或防止水由于蒸发而损耗），且固化工艺 在约60°CW及化sig(在环境大气压力下）下进行约19小时。在第Ξ示例性实施例中，水与 0)2-起W蒸气形式传送至前体材料，且固化工艺在约90°CW及20psig(环境大气压力W上 20psi)下进行约19小时。
[0107] 在又一方面中，本发明大体而言设及一种复合材料，该复合材料包括:多个接合单 元W及多个填充颗粒。每个接合单元包括:主要包含娃酸儀的核屯、、富含二氧化娃的第一层 或内层W及富含碳酸儀的第二层或外层。多个接合单元W及多个填充颗粒一起形成一个W 上接合基质，并且接合单元W及填充颗粒大致均匀地分散在所述基质中且接合在一起，由 此，复合材料大致展现一种W上铺路石材W及建筑搁块的纹理、图案W及物理性质。
[0108] 可W采用本文所公开的与娃酸巧相关的组成物W及方法来使用娃酸儀替换娃酸 巧或除娃酸巧W外使用娃酸儀。
[0109] 接合单元、接合基质W及复合材料
[0110] A.接合单元
[0111] 如图1(a)至图1(c)中示意地示出，接合单元包括核屯、（由黑色内部部分表示）、第 一层（由白色中间部分表示）W及第二层或囊封层（由外部部分表示）。第一层可W包括仅一 层或多个子层，并且可W完全或部分地覆盖核屯、。第一层可晶相、非晶相或晶相与非晶 相的混合存在，并且可W处于连续相或作为离散颗粒存在。第二层可W包括仅一层或多个 子层，并且还可W完全或部分地覆盖第一层。第二层可W包括多个颗粒或可W是具有最少 离散颗粒的连续相。
[0112] 取决于预期应用，接合单元可W展现任意大小W及任意规则或不规则、实屯、或空 屯、形态。示例性形态包括:立方体、长方体、棱柱、圆盘、棱锥体、多面体或多面颗粒、圆柱体、 球体、圆锥体、圆环、管状体、新月体、针状物、纤维、长丝、片状体、球体、亚球体（sub? sphere )、 珠粒 、葡 萄状、 颗粒状 、楠 圆体、 棒状体 、波纹状等。
[0113] 大体而言，如本文中更详细讨论的，接合单元经由转化工艺由反应性前体材料(例 如，前体颗粒)产生。前体颗粒可W具有任意大小W及形状，只要所述前体颗粒满足预期应 用的需要即可。转化工艺大体而言导致相应接合单元具有与前体颗粒类似的大小W及形 状。
[0114] 前体颗粒可W选自任意适合材料，该材料可W经受适当转化W形成想获得的接合 单元。举例而言，前体颗粒可W包括W下各者的氧化物W及非氧化物:娃、铁、侣、憐、饥、鹤、 钢、嫁、儘、错、错、铜、妮、钻、铅、铁、铜、神、粗和/或碱上金属元素（被、儀、巧、锁、领W及 错)。
[0115] 示例性前体材料包括氧化物，诸如娃酸盐、铁酸盐、侣酸盐、憐酸盐、饥酸盐、鹤酸 盐、钢酸盐、嫁酸盐、儘酸盐、错酸盐、错酸盐、铜酸盐、锡酸盐、给酸盐、铭酸盐、妮酸盐、钻酸 盐、铅酸盐、铁酸盐、铜酸盐、神酸盐、粗酸盐及其组合。在一些实施例中，前体颗粒包括娃酸 盐，诸如原娃酸盐、双娃酸盐、环娃酸盐、链娃酸盐、页娃酸盐、网娃酸盐和/或水合娃酸巧。
[0116] 某些废弃材料可W用作用于一些应用的前体颗粒。废弃材料可W包括，例如，矿 物、工业废料或工业化学材料。一些示例性废弃材料包括矿物娃酸盐、铁矿、方儀石、石膏、 氨氧化铁(II)、飞灰、底灰、炉渣、玻璃、油皮(oil shell)、红泥、废电池、回收混凝±、尾矿、 纸灰或者源自浓缩逆渗透盐水的盐。
[0117] 其他前体颗粒可W包括不同类型的含岩石矿物，诸如娃酸巧岩石、费奇岩层 (fitch formation)、赫伯隆片麻岩化ebron gneiss)、层状片麻岩、中间层（middle member)、泥板岩、石英岩、中间层前寒武纪沉积物、具有较少石灰岩床层的深色长石质石英 岩、高级变质沉积黑云母片岩(metasedimenhy biotite schist)、黑云母片麻岩、云母片 岩、石英岩、湖砂克岩层化oosac formation)、帕特里奇岩层(partridge化rmation)、华盛 顿片麻岩、泥盆纪、志留纪格林韦尔湾岩层（greenvale cove formation)、奥科伊超群 (ocoee S叩ergroup)、变质砂岩、变质杂砂岩（metagraywacke)、郎吉利岩层（Rangeley formation)、闪岩、方解石W及白云石大理岩、曼哈顿岩层(manhattan formation)、诱色及 灰色黑云母-石英-长石片麻岩W及沃特福德群(Waterford group)。
[0118] 前体颗粒还可W包括火成岩，诸如安山岩、斜长岩、贝氏岩(basinite)、玻古安山 岩、碳酸盐岩W及紫苏花岗岩;沉积岩材料，诸如但不限于泥板岩、长石砂岩、角碱岩、碎裂 岩、白聖岩、黏上岩、角岩、燈石、粗砂岩(gritstone)、莱茵岩（lighine)、石灰岩、泥岩、砂 岩、页岩W及沙泥岩;变质材料，诸如但不限于角闪岩、变闪长岩、片麻岩、粒变岩、绿岩、角 页岩、大理石、泥质岩、千枚岩、石英岩、片岩、娃卡岩、板岩、滑石碳酸岩W及皂石；W及其他 种类的岩石，诸如但不限于石英二长石、富闪深成岩、隐晶岩、霞恼正长岩、绿帘岩、靠细岩、 燈石、致密娃岩、寛霞岩、硬玉岩、似碧玉岩、寛橄粗面岩、闪辉正 煌岩、歪碱正长岩、霞云钢 长石、电气花岗岩、纹长二长岩、云煌岩、均密石英岩、地慢岩、菱长斑岩、等色岩、铁燈岩、沸 绿岩、霞斜岩W及球颗玄武岩。
[0119] 表1提供用于第一层W及第二层的不同类型的化学品的示例性实施例，所述层可 W使用不同前体材料获得。关于第一层，通过使用不同前体材料，可W获得二氧化娃、氧化 侣或二氧化铁。第二层也可W通过前体材料的选择而改性。举例而言，第二层可W包括各种 类型的碳酸盐，诸如纯碳酸盐、多阳离子碳酸盐、具有水或0H基团的碳酸盐、具有水或0H基 团的层状碳酸盐、含阴离子碳酸盐、含娃酸盐碳酸盐W及含碳酸盐矿物。
[0120] 表1:示例性前体W及囊封层
[0121]
[0122]第二层可W通过引入额外的阴离子和/或阳离子而改性。该额外的阴离子W及阳 离子可W用于改性第二层W增强该第二层的物理W及化学性质，诸如耐火性或耐酸性。举 例而言，如表2中所示，当第一层经保持作为富含二氧化娃层时，第二层可W通过添加另外 的阴离子或阳离子来反应而改性，诸如，P〇42节及S〇42^。因此，第二层可W包括，例如，不同 憐酸盐、硫酸盐、氣化物或其组合。
[012引表2:阳离子/阴离子源(除C0户的外)的实例
[0124]
[0125] B、接合基质W及复合材料
[0126] 接合基质包含多个接合单元，从而形成Ξ维网络。接合基质可W为多孔的或无孔 的。孔隙度取决于可W用W控制孔隙率的众多变量，所述变量诸如溫度、反应器设计、前体 材料W及在转化工艺期间引入的液体量。取决于预期应用，孔隙率可W设定为约1体积％至 约99体积％的几乎任意孔隙度。
[0127] 接合基质可W并入一种W上填充材料，所述材料在转化工艺之前或期间与前体材 料混合，W形成复合材料。接合单元在接合基质中的浓度可W变化。举例而言，接合单元基 于体积的浓度可W相对高，其中至少一些接合单元彼此接触。当填充材料并入至接合基质 中但填充材料的类型和/或填充材料的量使得接合单元的体积稀释度相对低时，可能出现 该情况。在另一实例中，接合单元基于体积的浓度可W相对低，其中接合单元更广泛地分散 在接合基质内，W使得即便有也只有很少的接合单元彼此接触。当填充材料并入至接合基 质中且填充材料的类型和/或填充材料的量使得稀释度相对高时，可能出现该情况。
[0128] 大体而言，填充材料可W包括能够并入接合基质的众多类型的材料中的任意一 个。填充材料可W为惰性的或活性的。尽管惰性材料可W物理地或机械地与接合基质相互 作用，但惰性材料不在转化期间经历任何化学反应且不充当成核位点。惰性材料可W包括 聚合物、金属、无机颗粒、集料等。特定实例可W包括但不限于玄武岩、石材、回收PVC、橡胶、 金属颗粒、氧化侣颗粒、氧化错颗粒、碳颗粒、毯式颗粒、Kevlar?颗粒及其组合。活性材料在 转化期间与接合基质化学反应、在转化期间经历任何化学反应和/或充当成核位点。举例而 言，氨氧化儀可W用作填充材料并且可W与来自接合基质的溶解巧组分相化学反应W形成 碳酸儀巧。
[0129] 接合基质可W占据复合材料的几乎任意百分数。因而，举例而言，接合基质可W占 据复合材料的约1体积％至约99体积％ (例如，接合基质的体积分数可W小于或等于约90体 积％、70体积％、50体积％、40体积％、30体积％、20体积％、10体积％ )。接合基质的体积分 数的优选范围为约8体积％至约90体积％ (例如，约8体积％至约80体积％、约8体积％至约 70体积％、约8体积％至约50体积％、约8体积％至约40体积％ )，并且更优选的范围为约8体 积％至30体积％。
[0130] 复合材料还可W为多孔的或无孔的。孔隙度取决于可W用于控制孔隙率的众多变 量，诸如溫度、反应器设计、前体材料、在转化工艺期间引入的液体量W及是否采用任何填 充物。取决于预期应用，孔隙率可W设定为从约1体积％至约99体积％的几乎任意孔隙度 (例如，小于或等于约90体积％、70体积％、50体积％、40体积％、30体积％、20体积％、10体 积％)。复合材料的孔隙率的优选范围为约1体积％至约70体积％，针对高密度W及耐久性 更优选为介于约1体积％至约10体积％之间，并且针对轻重量W及低导热性更优选为介于 约50体积％至约70体积％之间。
[0131] 在接合基质内，接合单元可W在众多定向中的任一者上相对于彼此定位。图2(a) 至图2(f)示意性图示出示例性接合基质，该基质包括在不同定向中的可能通过并入填充材 料稀释的纤维形或薄片形接合单元，如接合单元之间的间距所表示。例如，图2(a)图示出包 括在一个方向（"1-D")定向排列（例如，相对于X方向排列）的纤维形接合单元的接合基质。 图2(b)图示出包括在两个方向Γ2-护促向排列（例如，相对于X方向W及y方向排列）的薄 片形接合单元的接合基质。图2(c)图示出包括在Ξ个方向（"3-D")定向排列(例如，相对于X 方向、y方向W及Z方向排列）的薄片形接合单元的接合基质。图2(d)图示出包括随机定向的 薄片形接合单元的接合基质，其中接合单元不相对于任意特定方向排列。图2(e)图示出包 括在3-D定向排列的相对高浓度的薄片形接合单元的接合基质。图2(f)图示出包括处于随 机定向的相对低浓度的薄片形接合单元(渗滤网络)的接合基质。图2(f)的复合材料达到渗 滤阔值，运是因为大部分接合单元彼此接触W使得从材料的一个末端至另一末端形成连续 的接点网络。渗滤阔值为临界浓度，超过该临界浓度，接合单元显示长程连通性，其中接合 单元有序定向，例如图2 ( e )，或随机定向，例如图2 ( f )。能够在例如Newnham等的 "Connectivity and piezoelectric-pyroelectric composites"(Mat.Res.Bull.13卷， 525-536页，1978)中找到连通模式的实例。
[0132] 此外，能够W促进致密堆积的方式达成单一层级结构或多级重复层级结构，所述 层级结构在其他潜在有用的功能性目的中提供了用于制备高强度材料的目的。层级描述结 构如何W若干长度尺度形成模式。不同类型的接合基质可W通过改变基质孔隙率和通过并 入不同尺寸的核屯、纤维形成。不同种类的微粒状组分W及纤维状组分可W与层级结构一起 用于制造具有不同连通性的不同种类的结构。
[0133] 形成接合单元、接合基质W及复合材料的方法
[0134] 通过将前体材料暴露于反应性液体而进行转化(固化)工艺。与液体相关联的反应 物与组成前体颗粒的化学组分反应，并且更具体地与前体颗粒的周边部分中的化学反应物 反应。该反应最终导致第一层W及第二层的形成。
[0135] 在一些实施例中，前体颗粒包括两种W上化学元素。在转化工艺期间，液体中的反 应物优先至少与化学元素的第一种反应，其中液体中的反应物（例如，溶液中的C〇2 W及相 关物种)与至少一种第一化学元素(例如，Ca2+)之间的反应导致第一层W及第二层的形成， 该第一层包含前体颗粒的衍生物，一般不包括该至少一种第一化学元素，而该第二层包含 反应物与该至少一种第一化学元素的组合物（例如，CaO)3)。相比之下，核屯、包含与前体颗 粒相同或几乎相同的化学组成物(例如，CaSi〇3)。举例而言，核屯、的周边部分可W由于特定 化学元素从核屯、的选择性溶出而与前体颗粒的化学组成物不同。
[0136] 因此，核屯、W及第二层共享前体颗粒的该至少一种第一化学元素（例如，巧2+)，且 核屯、W及第一层共享前体颗粒的至少另一种化学元素(例如，Si4+)。例如，由核屯、与第二层 共享的至少一种第一化学元素可W为至少一种碱±金属元素(被、儀、巧、锁、领W及错）。例 如，由核屯、与第一层共享的该至少另一种化学元素可W为娃、铁、侣、憐、饥、鹤、钢、嫁、儘、 错、错、铜、妮、钻、铅、铁、铜、神和/或粗。
[0137] 在一些实施例中，液相中的反应物与前体颗粒的至少一种第一化学元素之间的反 应可W进行至完成，从而导致第一层成为接合单元的核屯、且具有不同于前体颗粒的化学组 成物的化学组成物，且导致至少一个另一层或第二外壳层包含组成物，该组成物可W包括 或可W不包括前体颗粒的两个W上化学元素中的至少一种第一化学元素。
[0138] A.气体辅助热液液相烧结
[0139] 接合单元可W通过例如基于气体辅助化PS的方法形成。在此方法中，包括多个前 体颗粒的多孔实屯、主体暴露于液体(溶剂），该液体使多孔实屯、主体的孔部分地饱和，即孔 的体积部分地用水填充。
[0140] 在诸如形成碳酸盐的系统的某些系统中，相信的是，用水完全填充孔是不合需要 的，因为反应性气体不能够通过气体扩散从多孔固态主体的外表面扩散至所有内孔。相反， 反应性气体中的反应物将溶解于液体中并且W液相形式从外表面扩散至内孔，此过程慢得 多。该液相扩散可能适合于转化薄的多孔固态主体，但不适合于较厚多孔固态主体。
[0141] 在一些实施例中，含反应物的气体引入至多孔固态主体的部分饱和的孔中，并且 反应物由溶剂溶解。溶解的反应物随后与前体颗粒中的至少第一化学元素反应，W将前体 颗粒的周边部分转化成第一层W及第二层。作为反应的结果，溶解的反应物从溶剂耗尽。同 时，继续将含气体的反应物引入至部分饱和的孔中，W将额外的反应物供应至溶剂。
[0142] 随着反应物与前体颗粒的至少第一化学元素之间的反应进行，前体颗粒的周边部 分转化成第一层W及第二层。第一层在核屯、的周边处的存在最终通过隔离反应物与前体颗 粒的至少第一化学元素而阻碍进一步反应，由此使反应有效停止，得到接合单元，该接合单 元具有作为前体颗粒的未反应中屯、的核屯、、在核屯、的周边处的第一层W及在第一层上的第 二层。
[0143] 所得接合单元包括核屯、、第一层W及第二层，并且一般尺寸大于前体颗粒，从而填 充多孔固态主体的周围多孔区域且可能与多孔固态主体中的相邻材料接合。因此，可W形 成网形构造的产物，所述产物具有与多孔固态主体大致相同的尺寸和形状但具有比多孔固 态主体更高的密度。在产生比初始粉巧密度更高的材料方面，此情况相对于由于质量传递 导致收缩的传统烧结工艺具有优势。
[0144] B.高压蓋中的HLPS
[0145] 在化PS的方法的示例性实施例中，将包含多个前体颗粒的多孔固态主体置放于高 压蓋腔室中并且加热。通过蒸发腔室中的水，将作为溶剂的水引入多孔固态主体的孔中。多 孔固态主体上方的冷却板使蒸发的水冷凝，水随后滴落至多孔主体上W及多孔固态主体的 孔中，从而使多孔固态主体的孔部分地饱和。然而，在此实例中引入水的方法是能够传递水 的若干方式中的一种。举例而言，水还可W加热和喷雾。
[0146] 同时，将作为反应物的二氧化碳累送至腔室中，且二氧化碳扩散至多孔主体的部 分饱和孔中。一旦处于孔中，二氧化碳即溶解于水中，从而允许前体颗粒与二氧化碳之间的 反应，W将前体颗粒的周边部分转化成第一层W及第二层。
[0147] 随着第二反应物与第一层之间的反应进行，第二反应物继续与第一层反应，从而 将第一层的周边部分转化成第二层。可W由第一层中的组分的表生溶液形成第二层，并且 此第二层可W为梯度层，其中组成第二层的化学元素（阳离子）中的一个的浓度随着从核屯、 颗粒表面移动至第一层的末端从高到低地变化。还可能的是，第二层还可W为梯度组成物， 诸如当所述层为非晶形或由具有恒定或变化组成的固溶体组成时。
[0148] 第二层在前体核屯、的周边处的存在通过隔离第二反应物与第一层而最终阻碍进 一步反应，使反应有效停止，从而得到接合单元，该接合单元具有核屯、、在核屯、的周边处的 第一层W及在第一层上的第二层。所得接合单元大体上尺寸大于原始前体颗粒，由此填充 多孔固态主体的周围多孔区域且与多孔固态主体的相邻材料接合。因此，该方法允许了产 物的网状构造，所述产物具有与原始多孔固态主体大致相同的形状但具有比原始多孔固态 主体更高的密度。在产生比初始粉巧密度更高的材料方面，此情况相对于由于质量传递导 致收缩的传统烧结工艺具有优势。
[0149] C.浸渗介质
[0150] 用于输送至多孔基质的至少一部分中的浸渗介质包括溶剂(例如，水）W及反应性 物种(例如，0)2)。溶剂可W为水性的或非水性的。溶剂可W包括一种W上组分。举例而言， 在一些实施例中，溶剂可W为水和乙醇、乙醇和甲苯、或者各种离子液体的混合物，诸如基 于烷基取代的咪挫及化晚阳离子与面化物或Ξ面代侣酸盐阴离子的离子液体。为了简化处 理设备，湿式系统优于非湿式系统。
[0151] 虽然溶剂可W与反应性物种化学反应，但溶剂应不与多孔基质化学反应。溶剂可 W经由各种分离方法移除，诸如整体流动、蒸发、升华或用清洗介质溶解，或者本领域技术 人员已知的任意其他适合分离方法。
[0152] 更具体地，溶剂在溶解的反应性物种与多孔基质反应的溫度下为液体。该溫度将 取决于所选的特定溶剂W及反应性物种而变化。为了节能和简化处理设备从而降低制造成 本，低溫优于较高溫度。
[0153] 溶剂的作用与诸如波特兰水泥的设及反应性系统的现有技术相反，其中诸如水的 溶剂与多孔基质反应W形成含有诸如金属水合物或金属氨氧化物的溶剂分子的产物W及 其他沉淀产物。
[0154] 不论纯反应性物种的相如何，反应性物种作为中性、阴离子或阳离子物种溶解于 溶剂中。举例而言，至少一个反应性物种可W为C〇2，C〇2在室溫下为可W溶解于水中作为中 性0)2但可W产生诸如曲0+、HC03\此0)3^及C0321 勺反应性物种的气体。不论反应性物种W 及溶剂在自然状态下的初始相如何，浸渗介质在多孔基质的孔(例如，间隙空间）中为液相。
[0155] 举例而言，毛细力可W用W自发地将浸渗介质吸入多孔基质中。在浸渗介质具有 极低接触角(例如，<90°C)时发生该类型的润湿。在此情况下，介质可W部分地填充(部分地 饱和)或完全填充(饱和巧L。浸渗还能够W-些孔被填充而其他孔为空的和/或部分填充的 方式发生。还可能的是，具有梯度填充或饱和孔的浸渗多孔基质可W在稍后经由毛细管流 动转化成均一的多孔基质。另外，在浸渗介质的接触角高（例如，>90°)时，润湿不会自发地 发生。在此类情况下，除非施加外部压力，流体将不会浸渗多孔基质。此方法在需要通过释 放压力抽出浸渗介质(例如，反应可w通过压力开始或停止)时具有实用性。
[0156] 当使用孔中的自发毛细管流动进行浸渗时，在孔被填充(饱和）时整体流动终止。 在化PS期间，反应性物种与基质反应W通过多种反应形成一种W上产物。至少一个反应物 种从孔空间内部耗尽并且因而在反应过程中需要补充。当孔完全由浸渗介质饱和时，反应 性物种必须经由基质孔从多孔基质外的浸渗介质传递。在静止流体中，扩散为进行传递的 方法。因而，对于孔内部的反应相对于所有其他质量传递方法迅速的一些化PS方法而言，反 应受限于多孔基质厚度的极大增加。在此类情况下，仅基质的外部部分与反应性物种彻底 反应，而多孔基质的内部区域较不完全反应或未反应。所述类型的反应适合于制备梯度微 结构，其中化PS工艺的产物的浓度在结构的外侧部分(靠近外部表面区域)上相对于结构内 部较高。
[0157] D.工艺选择W及控制
[0158] 当高度放热反应相对于浸渗介质的传递缓慢进行且基质隔热时，截留的热量可W 增加基质内部中的反应的速率，W使得基质内部能够含有比基质内部更多的产物相（即，至 少一个反应性物种与多孔基质的一部分之间的反应产物）。对于反应相对于浸渗介质的质 量传递W中等速率等溫进行的化PS工艺，可W持续扩散W向孔供应反应性物种，并且将不 会观察到反应程度(或产物浓度）的梯度。在此类情况下，单块结构或主体的材料的内部与 外部的化学和/或相组成物之间存在很小的差异。
[0159] 在许多情况下，在单块结构主体中需要关于相W及组成物的均一微结构。此外，例 如，在需要用于诸如道路或桥梁的应用的大而厚的单块主体的情况下，还需要在相对短的 时间范围内进行HLPS反应。需要平衡HLPS工艺的反应速率W及质量传递。对于前体选择W 及引入前体W包含浸渗介质的方法的策略是重要的。优选的前体的选择W及引入浸渗介质 的方法至少部分地与W下因素有关:最薄方向上的样品厚度、考虑对于工艺可W接受的时 间尺度W及商业上可行的工艺所需的热力学W及动力学限制条件，诸如，溫度、压力W及组 成物。
[0160] 表3概述前体选择W及引入方法的策略。多孔基质可W直接浸渗，或者多孔基质可 W在后执行表3中所描述的任意浸渗顺序前排空。描述了将气体用作前体、液体用作前体或 固体用作前体的方法。另外，诸如固体和液体、气体和液体W及气体和固体的相混合物皆可 W使用。举例而言，诸如C〇2的反应物为纯态的气体，但转换成溶解于水中的溶液物种。此类 事件可W通过气体扩散至多孔基质中并且随后在接触到孔时的冷凝而发生。此类前体系统 在需要具有碳酸盐相的微结构时是重要的。添加前体(溶剂W及反应性物种）的添加顺序可 W影响反应产率W及材料的微结构。
[0161] 表3.HLPS工艺的前体W及引入方法
[0162]
[0163]
[0164] 在一些实施例中，溶剂W及反应性物种可W预混合W形成浸渗介质并且随后W单 一步骤引入至基质中。在其他实施例中，可W优选使用多个浸渗程序。举例而言，溶剂前体 可W首先引入，随后浸渗反应性物种，或反之亦然。
[0165] 溶剂前体W及反应性物种前体最初均不需要为相同相，因为浸渗介质将为基质的 孔中的液体。举例而言，溶剂前体可W为诸如水的蒸气，该蒸气在l〇〇°CW上的溫度下于大 气压力下为气体，且该该蒸气可W通过将基质冷却至低于100°c的溫度或通过使用具有在 开尔文孔径范围（小于lOOnm)内的孔径的多孔基质而利用表面能来冷凝为液体。当孔大时， 溫度升高W使得气体物种不能热冷凝，需要少量浸渗溶液或因本文中未论述的其他原因， 并且可能需要使用潮解性化合物在孔中形成液体。此类化合物的实例包括棚酸、硝酸铁w 及氨氧化钟。在此情况下，诸如水的蒸气可W在孔中将潮解性固相转化成液体，且产物相的 晶体生长可W在孔中进行。运在液体浸渗W及扩散限制HLPS制成的产物的厚度时尤其有 用。替代地，气体扩散可W用W在大得多的距离传递物种，W在基质的孔内部形成HLI^所需 的浸渗介质。
[0166] 可W并入各种添加剂W改良化PS工艺W及所得产物。添加剂可W为处于纯态但在 并入浸渗介质之前可W溶于溶剂相或与多孔基质共处理(例如，预混合）的固体、液体或气 体。实例包括:成核催化剂、成核抑制剂、溶剂调节剂（例如，硬水软化剂）、润湿剂、非润湿 剂、水泥或混凝±添加剂、用于建筑材料的添加剂、晶体形态控制添加剂、晶体生长催化剂、 减慢晶体生长的添加剂、pH缓冲剂、离子强度调节剂、分散剂、黏结剂、流变控制剂、反应速 率催化剂、静电性、空间性、电空间性、聚电解质与沃德层(Vo 1 d-1 ay er)分散剂、封端剂、偶 合剂与其他表面吸附物种、酸或碱抑改性剂、产生气体、液体或固体(例如，当加热、加压、减 压、与另一物种反应或暴露于本文未列举的任意处理变量时）的添加剂，W及生物或合成组 分(例如，提供任意上述功能和/或充当溶剂、反应性物种或多孔基质）。
[0167] 在一些实施例中，可W使用潮解性固体。潮解性固体可W与多孔基质预混合。随 后，溶剂与至少一个反应性物种的预混合物可W引入至潮解性固体多孔基质。预混合物中 的溶剂W及至少一个反应性物种可W都是气相的或都是液相的。在一些实施例中，在预混 合物中，溶剂可W为液体，且至少一个反应性物种可W为气相，或反之亦然。
[0168] 气体-水蒸气流可W经过多孔基质中的潮解性盐，W在多孔基质中的间隙空间中 产生液相的浸渗介质。举例而言，潮湿气体水蒸气流可W充当用于C〇2溶解W及离子化的溶 剂。已知大量盐为潮解性的且可W适合地用于由潮湿空气在盐表面上方的流动形成液体溶 液。适当盐的选择依赖空气中的湿度水平。一些盐可W在极低的相对湿度下作用。潮解性盐 的实例包括％ ( N03 ) 2、CaC 12 W 及NaC 1。
[0169] 对于浸渗介质的传送，浸渗介质可W作为自发地润湿多孔基质的整体溶液传送。 存在用于传送该溶液的多个选项。首先，多孔基质可W浸入液体中。其次，浸渗溶液可W喷 雾至多孔基质上。在静止系统中，当浸渗溶液的体积大于多孔基质的孔体积时，扩散通过将 反应性物种传送至孔位点而扩大反应。
[0170] 或者，流体可W通过各种方法流动（机械对流）穿过多孔基质。诸如加压流动、干 燥、电渗流动、磁渗流动W及溫度梯度驱动与化学梯度驱动流动的方法可W用W使液体浸 渗介质流动穿过多孔主体。与依赖于扩散过程相反，此动态流动允许新鲜反应物接近多孔 基质。只要基质的孔径分布容许相当高的流体流动速率，此方法则为有利的，该方法比扩散 过程更快地供应反应性物种且在供应速率等于或超过产物形成的反应速率时为最优。另 夕h浸渗介质的流通对高度放热反应特别有用。运对于单块结构尤其有利，所述单块结构为 厚的且可W在内部产生热量，该热量能够产生能够使单块结构破裂的内部压力。
[0171] 存在材料厚度超过此长度尺度的许多应用。在运些情况下，通过本领域技术人员 已知的任意适合方法的流体机械对流是优选的。替代方法为引入溶剂或反应性物种作为气 态物种。另外，可W采用超临界条件W达成介于液体与气体之间的传输速率。气体物种可W 通过横跨多孔基质施加压力梯度而机械对流。若气体为反应性物种，则孔中填充的溶剂流 体可W流出孔，从而在孔上留下能够吸收反应性物种气体的溶剂薄膜。或者，在溶剂吸收流 过的气体的一部分时，部分填充的孔将允许气体流动穿过孔。
[0172] 系统可W利用低溫W及低压W因此能够采用低成本工艺。因此，将一部分溶剂保 留在孔中W促进反应性物种的气体扩散的方法相对于利用需要大量产物的静止液体W供 反应的那些方法是优选的。存在许多装置设计，所述设计可W将反应物W及溶剂物种有效 地传递至孔。所述设计中的一些设计设及传统反应器设备，诸如压滤机、喷雾室、高压蓋W 及蒸汽机。
[0173] 实施例
[0174] 实施例1:使用建筑用砂的压制铺路石(护X 9")
[0175] 原材料
[0176] 中国Donghai Golden Resources Industries的合成娃灰石（SC-C2);来自 Stavola(新泽西）的1/4"暗色岩集料、来自Bound化ook(新泽西）的建筑用砂W及Glenium 7500(BASF)。表4给出用于制备铺路石的原材料的混合物比例。
[0177] 表4混合比例（100kg批量）
[017 引
[0179] 混合程序
[0180] 1.测量并装载25kgl/4"集料至行星式揽拌机(Sicoma?MP375/250)中。
[0181 ] 2.测量并装载55.2kg建筑用砂至揽拌机中。
[0182] 3.测量并装载17.1kg合成娃灰石(SC-C2)至揽拌机。
[0183] 4.混合装载至揽拌机的固体组分大约3分钟。由此产生干式混合物。
[0184] 5.测量并装载液体组分(如在本实例中为5.63化g水W及0.068kg Glenium 7500) 至包含干式混合物的揽拌机中，W及继续混合约2分钟，直至形成均匀浆料。此举产生湿式 混合物。
[0185] 压制程序
[01化]1.将湿式混合物放料至料斗且传送至铺路石形成机器(Columbia Model 1600)。
[0187] 2.随后将湿式混合物放料至铺路石形成机器的进料料斗。
[0188] 3.随后将湿式混合物从进料料斗放料至铺路石模腔中。随着湿式混合物放料至铺 路石模腔中，振动模具W有效填充空腔。
[0189] 4.铺路石压机的压缩头压实湿式混合物约1.5秒或直至湿式混合物达到25/8"英 寸的高度。由此产生陶瓷巧体。
[0190] 5.随后自模腔剥离陶瓷巧体。
[0191] 固化程序
[0192] 将陶瓷巧体置放在直径为7英尺、长12英尺的水平固化腔室内部。用C〇2气体吹扫 固化腔室12分钟。随后将固化腔室的溫度设定为60°C，且在固化腔室的底部循环70°C的热 水，W用水蒸气使腔室保持饱和。在C〇2吹扫期间，风扇揽动固化腔室内的气氛。一旦固化腔 室内的气氛达到60°C，气体浓度即为大致84 %的C〇2 W及16 %的此0蒸气。大体而言，包含大 致50% W上C〇2的气氛为有利的。在优选实施例中，使用包含大致80% W上C〇2的气氛。
[0193] 在所述条件下固化陶瓷巧体19小时。从固化腔室移除固化陶瓷体，且将固化陶瓷 体置放在90°C下的工业干燥烘箱中，W移除任意残留水。基于在反应期间的重量增加计算 反应的程度。固化陶瓷体展现至少50%的反应程度。
[0194] 图3为根据本发明的实施例制成的铺路石形式的护X 9"固化陶瓷体的影像。
[0195] 测试
[0196] 根 据ASTM C 936使用Gilson通用测试机器（Gilson universal testing machine) W50psi/s与10化si/s之间的平均速率测量铺路石形式的固化陶瓷体的抗压强 度。测试了六个铺路石的抗压强度。平均抗压强度为67.6MPa(9,804psi)，标准偏差为4MPa (600psi)。
[0197] 实施例2:有色铺路石
[0198] 此实例说明使用颜料将铺路石形成为有色铺路石。在此实例中，制成红色铺路石。 表5显示用于制备所述红色铺路石的原材料的混合比例。所述铺路石根据ASTM C 936具有 55.2MPa(8000psi)的最小抗压强度。
[0199] 表5混合比例（100kg批量）
[0200]
[0201 ]本发明的铺路石相对于用波特兰水泥制成的铺路石的优势
[0202] 相比于工业铺路石，本文所描述的铺路碾现了：在抗压强度性能方面的较低标 准偏差;相比于标准要求获得的更高抗压强度，运提供降低黏合剂含量的可能性;在不适当 压制之后重新利用混凝±混合物而不浪费的能力（因为Solidia混合物在无二氧化碳的情 况下不固化）；由于在反应/固化之后不含碱消除了原发风化或碱金属的析出（风化是波特 兰水泥铺路石制造商面临的最大问题之一）；归因于Solidia黏合剂和反应产物的较浅暗度 而降低的颜料要求;W及较低需水量（由于在混合物中W减少的水改良堆积）。
[0203] 实施例3使用建筑用砂的搁块 [0204] 原材料
[02化]中国Donghai Golden Resources Industries的合成娃灰石（SC-C2);来自 Stavola(新泽西）的1/4"暗色岩集料、来自Bound化ook(新泽西）的建筑用砂W及Glenium 7500(BASF)。表6示出用于此实例的原材料的混合比例。
[0206] 表6混合比例（100kg批量）
[0207]
[0208] ~混合程序
[0209] 该混合程序类似于压制铺路石用于制备湿式混合物所采用的程序。
[0210] 压制程序
[0211] 除了模具几何结构外，使用如铺路石的实例提到的类似程序压制搁块。为形成作 为用于搁块的前体的陶瓷巧体，模具具有75/8"x 75/8"x 155/8"的大小(49%的体积为固 态)。
[0212]固化程序
[0213] 类似于实例1中提及的程序固化陶瓷巧体W产生搁块形式的固化陶瓷体。
[0214] 测试
[0215] 根据ASTM C90测试搁块形式的固化陶瓷体的抗压强度。制备的搁块的抗压强度为 36.6MPa(5300psi)。
[0216] 图4为根据本发明的实施例制成的搁块形式的固化陶瓷体的影像。
[0217] 本发明的搁块相比于用波特兰水泥制成的搁块的优势
[0218] 除上文针对Solidia压制铺路石列举的优势W外，相比于波特兰水泥搁块， Sol idia搁块具有改良的耐热性并且具有改良的耐火性。
[0219] W引用的方式并入
[0220] 本发明中已提及和引述其他文献，诸如专利、专利申请、专利公开、期刊、书籍、论 文、网络内容。所有此类文献W全文引用的方式特此并入本文中用于所有目的。据称W引用 方式并入本文中、但与现有定义、陈述或本文明确所列的其他公开材料冲突的任何材料或 其一部分仅W所并入材料与本发明材料之间不发生冲突的程度并入。若有冲突，则所述冲 突的解决应W本发明优选公开的内容为准。
[0221] 等效物
[0222] 本文公开的代表性实施例旨在帮助说明本发明，并且不希望、也不应视为限制本 发明的范围。实际上，除本文所示及所述的内容之外，根据包括后述实例及本文述及的科学 及专利文献的本文的全部内容，本发明的各种修改及其许多其他实施例对本领域技术人员 是显而易见的。在各种实施例及其等效物中，所附实施例含有可W调整用于实施本发明的 重要的附加信息、范例及规则。
【主权项】
1. 一种复合建筑材料，该材料包含： 多个接合单元，其中每个接合单元包含： 核心，该核心主要包含硅酸钙， 富含二氧化硅的第一层或内层，以及 富含碳酸钙的第二层或外层；以及 多个填充颗粒，所述填充颗粒包含精细填充颗粒， 其中所述多个接合单元以及所述多个填充颗粒一起形成一个以上接合基质，且所述接 合单元以及所述填充颗粒构造成作为反应结果而接合在一起，在该反应中包含存在大于 50%的二氧化碳的气氛，其中所述复合建筑材料以铺路石材或建筑砌块的形式提供。2. 如权利要求1所述的复合建筑材料，其中，所述接合单元以及所述填充颗粒经构造成 作为反应结果而接合在一起，在该反应中包含存在大于80%的二氧化碳的气氛。3. 如权利要求1所述的复合建筑材料，进一步包含着色剂。4. 如权利要求1所述的复合建筑材料，其中所述多个接合单元具有在约5μηι至约100μπι 的范围内的中值粒径。5. 如权利要求1所述的复合建筑材料，其中所述填充颗粒由富含二氧化硅的材料制成。6. 如权利要求1所述的复合建筑材料，其中，所述多个填充颗粒包括石英、云母和长石 中的一种以上。7. 如权利要求1所述的复合建筑材料，其中所述多个接合单元由研磨硅灰石化学转化 而成。8. 如权利要求1所述的复合建筑材料，其中所述多个接合单元由硅灰石之外的前体硅 酸钙化学转化而成。9. 如权利要求1所述的复合建筑材料，其中所述多个接合单元由包含铝、镁、铁中的一 种以上的前体硅酸钙化学转化而成。10. 如权利要求3所述的复合建筑材料，其中所述着色剂包括氧化铁、氧化钴及氧化铬 中的一种以上。11. 如权利要求1所述的复合建筑材料，其中所述接合单元与所述填充颗粒的重量比为 约8-50:50-92。12. 如权利要求4所述的复合建筑材料，其中所述着色剂以从0重量％至约10重量％的 量存在。13. 如权利要求1所述的复合建筑材料，其中，通过使研磨硅灰石通过受控热液液相烧 结工艺与C02反应而由研磨硅灰石化学转化来制备所述多个接合单元。14. 如权利要求1所述的复合建筑材料，其中，通过使除硅灰石之外的前体硅酸钙通过 受控热液液相烧结工艺与C02反应而由除硅灰石之外的前体硅酸钙化学转化来制备所述多 个接合单元。15. 如权利要求1所述的复合建筑材料，具有50MPa至300MPa的抗压强度以及5MPa至 30MPa的挠曲强度。16. 如权利要求1所述的复合建筑材料，具有小于约10 %的吸水率。17. 如权利要求1所述的复合建筑材料，展现类似于石材的视觉图案。18. -种用于制备复合建筑材料的方法，该方法包含以下步骤： 混合微粒状组成物以及液体组成物以形成浆料混合物，其中所述微粒状组成物包含： 研磨娃酸钙，该研磨娃酸钙具有在约lwii至约100μπι的范围内的中值粒径，以及 多个填充颗粒，该多个填充颗粒包含精细颗粒， 并且其中所述液体组成物包含： 水，以及 分散剂； 将所述浆料混合物放料在模具中； 压实所述模具内的所述浆料混合物，以及 在水和C02的气氛下于约20°C至约150°C的范围内的温度下固化所述浆料混合物约1小 时至约80小时，以产生呈铺路石材或建筑砌块的形式的复合建筑材料，所述气氛具有环境 大气压力至环境大气压力以上约60psi的范围内的压力且具有范围为约10%至约90%的 C02浓度。19. 如权利要求18所述的方法，进一步包含以下步骤:在所述楽:料混合物放料至所述模 具中并且在所述模具内压实时，振动所述模具。20. 如权利要求18所述的方法，其中所述微粒状组成物进一步包含着色剂。21. 如权利要求18所述的方法，其中在蒸气下于约60°C至约110°C的范围内的温度下执 行所述混合物的固化约15小时至约70小时，所述蒸气包含水和C〇2且具有在约环境大气压 力至环境大气压力以上约30psi的范围内的压力。22. 如权利要求21所述的方法，其中在蒸气下于约60°C至约100°C的范围内的温度下执 行所述混合物的固化约20小时至约60小时，所述蒸气包含水和C0 2且具有在约环境大气压 力至环境大气压力以上约30psi的范围内的压力。23. 如权利要求22所述的方法，其中在蒸气下于等于或低于约60°C的温度下执行所述 混合物的固化约6小时至约50小时，所述蒸气包含水和C〇2且具有环境大气压力。24. 如权利要求18所述的方法，其中 所述研磨硅酸钙包含研磨硅灰石，并且 包含精细颗粒的所述多个填充颗粒包含富含二氧化硅的材料。25. 如权利要求24所述的方法，其中 所述研磨娃灰石具有约5μηι至约50μηι的中值粒径、约0.6g/mL至约0.8g/mL(疏松）以及 约1 .Og/mL至约1.2g/mL(密实）的容积密度、约1.5m2/g至约2.0m2/g的表面积。26. 如权利要求25所述的方法，其中，包含精细颗粒的所述多个填充颗粒包括石英、云 母和长石中的一种以上。27. 如权利要求18所述的方法，其中所述微粒状组成物包含： 包含金属氧化物的颜料。28. 如权利要求18所述的方法，其中所述微粒状组成物包含：玻璃材料，所述玻璃材料 具有选自黑色、白色、红色、黄色以及棕色的颜色。29. 如权利要求18所述的方法，其中所述液体组成物包含： 水，以及 分散剂，所述分散剂包含具有所述液体组成物的约〇. 1%至约2%w/w的浓度的聚合物 盐。30. 如权利要求29所述的方法，其中所述聚合物盐为丙烯酸均聚物盐。31. 如权利要求18所述的方法，其中所述微粒状组成物包含约25%w/w的研磨硅酸钙以 及约70 %至约75 % w/w的二氧化娃系材料。32. 如权利要求31所述的方法，其中所述研磨硅酸钙主要为研磨硅灰石，并且所述二氧 化硅系材料主要为选自由玻璃、石英以及砂粒所组成的组中的材料。33. -种复合建筑材料，其通过根据权利要求18至32中任一项所述的方法制备。34. 如权利要求33所述的复合建筑材料，具有约50MPa至约300MPa的抗压强度以及约 5MPa至约30MPa的挠曲强度。35. 如权利要求33所述的复合建筑材料，具有小于约10 %的吸水率。36. 如权利要求33所述的复合建筑材料，包含着色剂，该着色剂具有选自黑色、白色、红 色、黄色以及棕色的颜色。37. 如权利要求33所述的复合建筑材料，展现石材特有的视觉图案。38. -种制品，所述制品由如权利要求33所述的复合建筑材料制成。39. -种制品，所述制品由如权利要求1至17中任一项所述的复合建筑材料制成。40. -种复合建筑材料，其包含： 多个接合单元，其中每个接合单元包含： 主要包含硅酸镁的核心， 富含二氧化硅的第一层或内层，以及 富含碳酸镁的第二层或外层；以及 多个填充颗粒， 其中所述多个接合单元以及所述多个填充颗粒一起形成一个以上接合基质，并且所述 接合单元以及所述填充颗粒大致均匀地分散在所述基质中并接合在一起，由此所述复合建 筑材料展现类似于天然石材的一种以上纹理以及图案。41. 如权利要求1所述的复合建筑材料，其中，接合单元与填充颗粒的重量比为约5-50: 50-95〇42. 如权利要求1所述的复合建筑材料，具有lOMPa至300MPa的抗压强度以及IMPa至 30MPa的挠曲强度。
【专利摘要】本发明提供新颖的铺路石材以及建筑砌块复合材料与制备所述材料的方法。铺路石材以及建筑砌块复合材料可以通过一种生产方法由广泛可用的低成本前体材料容易地生产，该生产方法涉及在适合于大规模生产的模具中压实。前体材料包括例如硅灰石的硅酸钙以及可以包含富含二氧化硅的材料的微粒状填充材料。添加剂可以包括富含碳酸钙和富含碳酸镁的材料。可以使用各种添加剂来微调复合材料的物理外观以及机械性质，所述添加剂诸如：诸如有色材料颗粒的着色剂，以及颜料(例如，黑色氧化铁、氧化钴以及氧化铬)。所述铺路石材以及建筑砌块复合材料展现类似于石材的视觉图案以及显示等同于或优于石材的抗压强度以及吸水率。
【IPC分类】C04B40/02, C04B28/02
【公开号】CN105555734
【申请号】CN201480028064
【发明人】弗朗西斯·亨, 迪帕克·拉维库马, 约翰·P·库普勒, 肯尼思·史密斯, 乌古斯汗·奥夫拉兹, 戴维·赞布吉齐, 瓦西特·阿塔坎
【申请人】索里迪亚科技公司
【公开日】2016年5月4日
【申请日】2014年3月13日
【公告号】CA2905870A1, EP2970008A1, US20140314990, WO2014159832A1
最新回复(0)