回收玻璃聚合物水泥.docx

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1、 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 CN 106170462 A (43)申请公布日 2016. 11. 30 (21) 申请号 201480075919.5 (22) 申请日 2014.12.22 (30)优先权数据 BR1020130330140 2013.12.20 BR (85) PCT国际申请进入国家阶段日 2016.08.19 (86) PCT国际申请的申请数据 PCT/BR2014/000452 2014.12.22 (74)专利代理机构中国国际贸易促进委员会专 利商标事务所 11038 代理人谭冀 (51)lnt.CI. C04B

2、25/2,$(2006.01) C04B /5/?4(2006.01) C04B /5/5(2006.01) (87)PCT国际申请的公布数据 W02015/089611 PT 2015.06.25 (71)申请人篷塔格罗萨州立大学 地址巴西帕拉南 申请人阿奎尔存储系统股份有限公司 (72)发明人 S A 皮亚纳罗 G 卡波比安科 权利要求书 2页说明书 5页 (54)发明名称 由回收玻璃所制成的地质聚合物水泥以及 其制作方法 (57)摘要 本发明专利涉及由回收玻璃所制成的地质 聚合物水泥以及其制作方法，根据其特点，这可 制备以坚硬固体类型的特有且特定的粘接结构 形式的地质聚合物水泥 ,其由回

3、收玻璃 (残留废 弃的）、碱和水制成，并且通过其组分的研磨、均 匀化、碱化和室温下的固化（硬化 ） 或强制固化 (硬化 )而直接获得，并且其可以以非常方便、安 全和成本有效的方式作为新的地质聚合物基体 被用于在各种应用 (生产水泥板、混凝土、纤维复 合材料以及涂层材料 ） 中替代由偏高岭土、高炉 矿渣、粉煤灰或火山岩制成的传统地质聚合物基 体，这与完全再利用这种丢弃在环境中的废物的 环保概念一致。 CN 106170462 A 权利要求书 1/2页 1. 由回收玻璃所制成的地质聚合物水泥以及其制作方法，特征在于地质聚合物水泥， 该聚合物水泥具有坚硬固体形式的粘接结构，由具体工艺从基于限定比例的

4、回收玻璃（残 留废弃的）、碱和水的一般组合物获得，其中该配制剂和因此所使用的量直接基于所打算的 应用。 2. 根据权利要求 1的由回收玻璃所制成的地质聚合物水泥以及其制作方法，特征在于 一般组合物，其中该一般组合物的基本配制剂包括约百分之 45至百分之 80的回收玻璃、百 分之 0.5至百分之 5的碱以及百分之 20至百分之 55的水，其中保持该地质聚合物水泥的所有 其他特征。 3. 根据权利要 求 1和 2的由回收玻璃所制成的地质聚合物水泥以及其制作方法，特征在 于包含碱，所述碱为氢氧化钾或氢氧化钠，保持该地质聚合物水泥的所有其他特征。 4. 根据权利要求 1、 2和 3的由回收玻璃所制成的

5、地质聚合物水泥以及其制作方法，特征 在于在其一般组合物中，其中该一般组合物的基本配制剂包括百分之 25至百分之 35的天然 或合成型的矿物填料，其中保持该地质聚合物水泥的所有其他特征。 5. 根据权利要求 1、 2、 3和 4的由回收玻璃所制成的地质聚合物水泥以及其制作方法，特 征在于包含合成型的惰性矿物填料，所述合成型的惰性矿物填料为氧化铝、氧化锌或氧化 镁，其中保持该地质聚合物水泥的所有其他特征。 6. 根据权利要求 1、 2、 3、 4和 5的由回收玻璃所制成的地质聚合物水泥以及其制作方法， 特征在于包含天然型的惰性矿物填料，所述天然型的惰性矿物填料为粘土、硅酸盐或铝硅 酸盐，其中保持该

6、地质聚合物水泥的所有其他特征。 7. 根据权利要求 1、 2、 3、 4、 5和 6的由回收玻璃所制成的地质聚合物水泥以及其制作方 法，特征在于包含天然或合成型纤维的惰性纤维材料，其中保持该地质聚合物水泥的所有 其他特征。 8. 根 据权利要求 1、 2、 3、 4、 5、 6和 7的由回收玻璃所制成的地质聚合物水泥以及其制作 方法，特征在于在其一般组合物中，其中该一般组合物的基本配制剂包括百分之 1至百分之 5的天然或合成型纤维的惰性纤维材料，其中保持该地质聚合物水泥的所有其他特征。 9. 根据权利要求 1、 2、 3、 4、 5、 6、 7和 8的由回收玻璃所制成的地质聚合物水泥以及其制

7、作方法，特征在于包含天然型纤维的惰性纤维材料，所述天然型纤维的惰性纤维材料为木 屑、纤维素纤维、稻壳或蔗渣，其中保持该地质聚合物水泥的所有其他特征。 10. 根据第 1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8和 9的由回收玻璃所制成的地质聚合物水泥以及其制作方 法，特征在于包含合成型纤维的惰性纤维材料，所述合成型纤维的惰性纤维材料为尼龙或 玻璃纤维，其中保持该地质聚合物水泥的所有其他特征。 11. 根据权利要求 1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9和 10的由回收玻璃所制成的地质聚合物水泥以 及其制作方法，特征在于包含建筑废料，其中保持该地质聚合物水泥的所有其他特征。 12.

8、根据权利要求 1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 10和 11的由回收玻璃所制成的地质聚合物水泥 以及其制作方法，特征在于在其一般组合物中，其中该一般组合物的基本配制剂包括百分 之 1至百分之 5的建筑废料，其中保持该地质聚合物水泥的所有其他特征。 13. 根据权利要求 1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 10、 11和 12的由回收玻璃所制成的地质聚合物 水泥以及其制作方法，特征在于由回收玻璃所制成的地质聚合物水泥的制作方法，其基于 研磨、均匀化、碱化和室温下的固化 (硬化 )或强制固化，即具有在室温下或在用于加快操作 2 CN 106170462 A 权

9、利要求书 2/2页 过程的温度下进行固化的砂浆的流变一致性的组分的混合物，其中首先对回收玻璃进行研 磨直到获得细碎的材料 ;之后对配制剂的基本组分即回收玻璃、碱和水，以及其他材料例如 天然或合成型的惰性矿物填料、天然或合成型纤维的惰性纤维材料、或建筑废料进行均匀 化 ;接着，使用碱例如氢氧化钾和氢氧化钠与水将均匀化的化合物碱化，从而获得了砂浆 ; 最后，将砂浆在室温下固化约 12小时或在温度为摄氏 65度至 175度的炉中在强制温度下固 化 2至 4小时，从而获得坚硬固体，即地质聚合物水泥。 3 CN 106170462 A 说明书 1/5页 由回收玻璃所制成的地质聚合物水泥以及其制作方法 1

10、 本发明整体上涉及用于建筑的复合物，更特别地涉及由回收玻璃所制成的地质聚 合物水泥以及其制作方法。根据其特点，该制作方法可制备坚硬固体类型的恰当且特定的 粘接结构形式的地质聚合物水泥，其由回收玻璃 (残留废弃的）、碱和水制成，并且通过其组 分的研磨、均匀化、碱化和室温下的固化或强制固化而直接获得，其中地质聚合物水泥的主 要组分是在碱和水存在下的磨碎的玻璃，并且其可以以非常方便、安全和成本有效的方式 作为新的地质聚合物基 体被用于在各种应用 (生产水泥板、混凝土、纤维复合材料以及涂层 材料）中替代由偏高岭土、高炉矿渣、粉煤灰或火山岩制成的传统地质聚合物基体，这与完 全再利用这种丢弃在环境中的废物

11、的环保概念致，并且以高强度、高耐久性和高精度的 地质聚合物水泥作为基础，其具有关于使用者的更好适应和安全的在处置和施加方面的实 践特征，是相当负担得起的，并且由于其一般特征和组成，通常可容易地适用不同种类的废 弃玻璃、地方或使用者，不论它们可能具有的特性。 2 除了在近年来使得经济极大发展成为可能以外，工业化还导致了不受控制的人口 增长，特 别是不太发达国家的城市区域。作为直接结果，通过人口增加了消费量并且因而产 生更多的废物。这些废物通常未得到恰当地管理和处理，因而对环境造成了直接且所不希 望的影响。 3 目前城市中产生的大部分废物直接丢弃至掩埋场，具有巨大的环境影响，成为环 境工程师的极大

12、担忧。解决方案应为材料回收，从而给许多人提供工作机会和收入。因为掩 埋场中的废物有百分之七十为建筑废物，而这些建筑废物总共有至多百分之八十可以被回 收，例如玻璃。换句话说，建筑废物的再利用仍然微不足道，并且其只能随着安全利用回收 的废物的大市场的发展而成长。 4 鉴于上述内容，越来越重要的是，当今作为整体的社会特别是通常负责收集以及 处理固体废物的企业和政府机构具有灵活、方便、安全、有效以及成本经济的组织，以允许 所产生的并且大多数丢弃在掩埋场中的固体废物的广泛的（如果不完全的话 )再利用，在所 述掩埋场中存在大量以及各种各样的被丢弃的玻璃。 5 根据其名称，地质聚合物水泥可定义为一种粘接系统

13、，其在室温下硬化，具有与大 多数岩石骨料形成强烈的化学粘结的性质，并且可以由经过最少处理的天然材料或副产品 来制造，因而对于减少到大气中的碳排放量提供巨大贡献。 6 地质聚合物水泥本身作 为创新材料存在，并且主要是由于其与所有种类的岩石骨 料形成强烈的化学粘结的能力，其尤其是在建筑和交通基础设施方面例如在混凝土的制造 中成为传统Portland水泥的替代品。 7 目前，传统地质聚合物水泥的制造需要基于天然铝硅酸盐的原料，以及可相容的 碱性试剂 (例如可溶性硅酸钠或氢氧化钠与氢氧化钾 )与水。作为在制造传统地质聚合物水 泥中所使用的主要原料的例子有煅烧高岭土和红土粘土、火山岩、采矿废物以及源自工

14、业 副产品的原料，例如高炉矿渣和来自木炭生产的粉煤灰。 8 根据旨在确定关于作为本发明专利目标的地质聚合物水泥以及其制作方法的当 前现有技术的全面性文献资料分析，在文献资料中未发现与涉及本发明专利中所要求保护 4 CN 106170462 A 说明书 2/5页 的特定目标（即具有基于回收玻璃的完全再利用的配制剂的地质聚合物水泥）的现有技术 相关的文件。 9 由于形成地质聚合物水泥的主要试剂为无定形材料，其容易形成三维网状的铝硅 酸盐，因而本专利提出基于回收玻璃的新型的无机无定形基质以用于制造地质聚合物水泥 以及其衍生材料，这是用于生产水泥类材料的能量成本较低且环境友好的替代物，从而为 目前致力

15、于绿屋类型的住宅建设作出了努力 (其主要目的是通过使用具有低的制造能量成 本的材料来降低二氧化碳排放量 ） 。 10 更特别地，本专利提出作为形成地质聚合物水泥的主要试剂的偏高岭土 (煅烧高 岭土和红土粘土）、火山岩、高炉矿渣以及粉煤灰的替代材料，所讨论的材料即回收玻璃的 另一优势为无需热处理来活化，因为其具有基本上无定形的结构。除此之外，因为由家庭以 及工业产生的废物经常直接被丢弃在掩埋场中，造成严重的环境问题和人类健康风险，因 此从环境中消除这些废物以及生产新的材料会是对于这些极其重要的工业废物的利用来 说环境友好且有效的替代，特别是考虑到玻璃是不可生物降解的。 11 玻璃废物包括来自不同

16、生产方式的不同种类的玻璃，包括平面的、层叠的或钢化 的玻璃，硼硅酸盐玻璃，透明或着色的玻璃，白炽灯泡或荧光灯泡，包装材料或来自宝石雕 琢的玻璃等，即来自工业处理、建筑或家用的任何种类的玻璃废物。当经过恰当地处理时， 玻璃废物可转变成新的地质聚合物基体，其用于替代由偏高岭土、高炉矿渣或火山岩制成 的传统地质聚合物基体。 12 因此，这种由回收玻璃制成的地质聚合 物水泥以及其制作方法 (本专利的目的）的 总体设计完全基于对于组分的需求极少的其既简单又坚固的组成，以及极度简化、安全和 优化的适用性，其与方便的制作工序相结合，从而由一般丢弃在环境中的玻璃来生产方便 和有效的地质聚合物水泥，该地质聚合物

17、水泥可与大多数岩石骨料形成强列的化学粘结， 并且地质聚合物水泥骨料糊料的品质比 Port land水泥同得多，因为后者发展出由畐含多孔 氢氧化钙的多孔过渡区域形成的界面，而氢氧化钙是易碎且强度低的材料。 13 值得注意的是在制造该地质聚合物水泥中高温是不必要的。与其他地质聚合物水 泥 不同，非常细的玻璃本身就是粘合原料，即可提供能源节省并且减少到大气中的二氧化 碳排放量 (温室效应的主因 ） 。与 Portland水泥熟料的生产方法 (包括碳酸钙煅烧，即将化学 污染物二氧化碳排放到大气中）相比，由回收玻璃制成的聚合物水泥极少污染。 14 类似地，温度加快该地质聚合物水泥的硬化过程，在摄氏 65

18、度下处理 4个小时（即 较快的固化力 ） 后，其达到对于约 41兆帕的压缩强度，其中在 24小时的时间段内获得其强度 的大部分。 15因此，本专利将组件和处理程序集合在一个有区别的设计概念中，其将满足各种 需求例如使用 性质要求即制造基于回收玻璃的地质聚合物水泥。考虑到其优异的技术品 质，本发明确保地质聚合物水泥具有高的效力、强度、功能性、通用性、耐久性、安全性、完整 性、可靠性和成本经济性，这在地质聚合物水泥的生产和应用程序中，以及在其一般特征与 目前现有技术一致的其它形体和模型不同的固体废物例如玻璃的回收中提供了优势和改 进。 16 本发明涉及使用由回收玻璃制成的现代、有效和精准的地质聚合

19、物水泥以及其制 造过程，该制造过程包括恰当地引入一系列理化和结构溶液，从而产生以固有且特定的粘 5 CN 106170462 A 说明书 3/5页 接结构形式的地质聚合物水泥，其具有坚硬固体形式的有区别的一般配制剂，基于其特征， 其通过研磨、均匀化、碱化和室温下的固化 (硬化 )或强制固化 (硬化 ） 的具体工艺获得，并且 一般组合物基于限定比例的回收玻璃 (残留废弃的）、碱和水，从而使得能够获得基于在碱 和水存在下经研磨的玻璃 (该地质聚合物水泥的主要成分）的优异组合物，该地质聚合物水 泥的特征是其高度凝集力性质，从而形成用于几个不同的应用（生产水泥板、一般的混凝 土、纤维复合材料以及涂层材

20、料 )的其他材料。 17 本地质聚合物水泥基于组件和方法在有区别的设计概念中的应用，以实现其在获 得和应用中的优点，然而无需通过高度复杂的过程，从而使得可以解决目前现有技术已知 和在制备地质聚合物水泥中采用的其它形体和模型的主要缺点中的一些，所述地质聚合物 水泥位于系列操作中，其中所述形体和模型具有在获得和应用方面的困难、低效率和性能、 非常频繁的事故、差的耐久性和强度、低通用性、应用中的劳动密集、高损耗、高空气污染以 及尚能耗。 18 当结合该组合物和制作方法阅读时，将可以更容易地理解本发明的 目的、优点以 及其他重要的特征。 19 “ 由回收玻璃所制成的地质聚合物水泥以及其制作方法 ” 这

21、一发明专利包含粘接 结构形式的地质聚合物水泥，其具有坚硬固体形式的有区别的一般配制剂，由于其自身特 征，其通过研磨、均匀化、碱化和室温下的固化 (硬化 )或强制固化 (硬化 ） 的具体工艺获得， 以及基于限定比例的回收玻璃 (残留废弃的）、碱和水的一般组合物以使得能够获得基于回 收玻璃的优异组合物，以在各种应用中用作传统 Portland水泥的替代物，其中该配制剂并 且因此所使用的量直接基于所打算的应用。 20 所述由回收玻璃所制成的地质聚合物水泥以及其制作方法包括一般组合物，其中 其基本配制剂包括约百分之 45至百分之 80的回收玻璃、百分之 0.5至百分之 5的碱以及百分 之 20至百分之

22、 55的水，其中保持该地质聚合物水泥的所有其他特征。 21 所述由回收玻璃所制成的地质聚合物水泥以及其制作方法包括碱，所述碱为氢氧 化钾或氢氧化钠，其中保持该地质聚合物水泥的所有其他特征。 22 所述由回收玻璃所制成的地质聚合物水泥以及其制作方法在其一般组合物中，其 中其基本配制剂可以包括百分之 25至百分之 35的天然或合成型的矿物填料，其中保持该地 质聚合物水泥的所有其他特征。 23 所述由回收玻璃所制成的地质聚合物水泥以及其制作方法包括合成型的惰性矿 物填料，所述合成型的惰性矿物填料为氧化铝、氧化锌或氧化镁，其中保持该地质聚合物水 泥的所有其他特征。 24 所述由回收玻璃所制成的地质聚合

23、物水泥以及其制作方法包括天然型的惰性矿 物填料，所述天然型的惰性矿物填料为粘土、硅酸盐或铝硅酸盐，其中保持该地质聚合物水 泥的所有其他特征。 25 所述由回收玻璃所制成的地质聚合物水泥以及其制作方法可以包含天然或合成 型纤维的惰性纤维材料，其中保持该地质聚合物水泥的所有其他特征。 26 所述 由回收玻璃所制成的地质聚合物水泥以及其制作方法包括在其一般组合物 中，其中其基本配制剂可以包括百分之 1至百分之 5的天然或合成型纤维的惰性纤维材料， 其中保持该地质聚合物水泥的所有其他特征。 6 CN 106170462 A 说明书 4/5页 27 所述由回收玻璃所制成的地质聚合物水泥以及其制作方法包括

24、天然型纤维的惰 性纤维材料，所述天然型纤维的惰性纤维材料为木肩、纤维素纤维、稻壳或蔗渣，其中保持 该地质聚合物水泥的所有其他特征。 28 所述由回收玻璃所制成的地质聚合物水泥以及其制作方法包括合成型纤维的惰 性纤维材料，所述合成型纤维的惰性纤维材料为尼龙、聚丙烯或玻璃纤维，其中保持该地质 聚合物水泥的所有其他特征。 29 所述由回收玻璃所制成的地质聚合物水泥以及其制作方法可以包含建筑废料，其 中保持该地质聚合物水泥的所有其他特征。 30 所述由回收玻璃所制成的地质聚合物水泥以及其制作方法包括在其一般组合物 中，其中其基本配制剂可以包括百分之 1至百分之 5的建筑废料，其中保持该地质聚合物水 泥

25、的所有其他特征。 31 所述用于制作由回收玻璃所制成的地质聚合物水泥的方 法基于彻底的研磨、均匀 化、碱化和室温下的固化 (硬化 )或强制固化 (硬化），即具有在室温下或在用于加快操作过 程的温度下进行固化的砂浆的流变一致性的组分的混合物。首先，对回收玻璃进行研磨直 到获得被精细地研磨的材料 ;之后对配制剂的基本组分即回收玻璃、碱和水，以及其他材料 例如天然或合成型的惰性矿物填料、天然或合成型纤维的惰性纤维材料、或建筑废料进行 均匀化。接着，使用碱例如氢氧化钾和氢氧化钠与水将均匀化的化合物碱化，从而获得了砂 浆。最后，将砂浆在室温下固化约 12小时或在温度为摄氏 65度至 175度的炉中在强制

26、 温度下 固化 2至 4小时，从而获得坚硬固体，即地质聚合物水泥。 32由以重量计的百分之 45的研磨玻璃、百分之 0.5至百分之 5的碱以及百分之 20至百 分之 55的水组成的这种地质聚合物水泥配料，在室温下固化 12小时后具有对于二十到三十 兆帕的压缩的强度。当在摄氏 65度到 75度的炉中固化时，组合物在 2小时的时间段后达到这 些值 ;即当需要加快固化过程时，温度是要考虑的重要变量。 0033更特别地，为了获得该地质聚合物水泥，应该将来自不同来源的平面玻璃废物研 磨至适当的粒子尺寸，因为在该研磨之后获得的玻璃的 细度与其反应功率相关，也就是说， 粒子越细，在地质聚合过程中与碱反应的速

27、度越快。采用具有小于 250wii到 lwii的平均尺寸 的玻璃粒子获得了良好的反应性。粒子的细度是一个变量，其取决于待生产的即待用作粘 结化合物、表面涂层、整块材料或复合材料的地质聚合物材料的类型。因此，经过研磨步骤 而最终细分并且用氢氧化钾或氢氧化钠碱化的玻璃在水的存在下取得通过粘度的迅速增 加的一致性，并且在固化之后变成坚硬固体，其强度随 Si: A1化学计量、添加的水的量以及 惰性矿物填料的存在或不存在而变化。与氢氧化钠和硅酸钠一起添 加碱例如氢氧化钙加快 固化过程，并且增加所述材料的强度。 34 一个粒子 (既不是对于所要求保护的主题的限制 )基于地质聚合物组合物，其用惰 性材料(矿

28、物填料 )部分替代磨碎的玻璃，其中这可以通过用最少百分之 45至百分之 80的磨 碎的玻璃作为粘结剂、百分之 1至百分之 5的碱、百分之 25至百分之 35的矿物填料、以及根据 以重量计百分之 30至百分之 50的化学计量比例的水来进行制造。所使用的矿物填料可以源 自于天然原料，其大部分由粘土构成，例如滑石、高岭土、粉砂岩、石英岩、片岩 /页岩、红土 土壤，即不同的硅酸盐和 /或铝硅酸盐和其它天然原料，例如方解石或白云质灰岩、生石灰 (其为天然惰性原料）。矾土 (氧化铝）、氧化锌和氧化镁为合成惰性原料，也可以用于基于玻 7 CN 106170462 A 说明书 5/5页 璃的地质聚合物组合物中

29、。还可以使用充分研磨的建筑废物，以生产砂浆、混凝土和其它整 块材料。由于这些材料在其组成中也具有粘结材料，因而它们具有关于固化时间和最终的 力学强度的非常有利的特性。 35因此，当用于混凝土中时，除了在相对短的时间段内取得高强度并且抵抗化学腐 蚀、磨损、热冲击和高温以外，其性能还优于使用 Portland水泥作为粘接剂的传统混凝土。 0036所述由回收玻璃制成的地质聚合物水泥以及其制作方法具有以下在其制作和应 用两方面的具体优点 :传统 Port land的有效替代物 ;在制作方法中高度节省能源 ;在制作过 程中减少二氧化碳向大气中的排放 ;减少环境污染 ;不需要热处理 ;作为不可生物降解材料

30、 的玻璃的高度回收能力；非常耐高温例如火；良好的热和声隔绝体 ;高度耐火；良好的粘结 剂一强烈的化 学粘结；以及无定形的无机基质。 37 根据上述描述，本发明涉及用于建筑的化合物，其一般将被 Portland水泥以及地 质聚合物水泥的使用者良好地接受，因为这种由回收玻璃制成的地质聚合物水泥以及其制 作方法具有许多优点，例如：巨大的安全性、可靠性以及在制造和使用方面的速度 ;高总体 强度和耐久性，这与低程度的劣化相结合；由其总体设计所致的高产率和性能 ;对于使用者 而言的高舒适性、便利性和安全性 ;完全可达到的成本，其使得能够得到优异的 “ 成本 /效 益 ” 比；可由任何使用者容易且安全地使用

31、；高适用性 ;完美且直接 适合于许多不同类型的 回收玻璃 ;其基于环保概念 ;优异的配制剂精确度 ;和确保该地质聚合物水泥整体上完全符 合现行法律和法规以及对于其应用所需的基本条件。 0038以上所有性质允许将这种由回收玻璃制成的地质聚合物水泥以及其制作方法分 类为完全多功能、有效、方便并安全的解决方案，其由各种使用者并且在各种地方直接以水 泥的形式使用，作为粘接剂，作为涂层材料 (表面涂层），粘结不同的金属、矿物或植物基础 材料，或者以传统的整块材料或复合材料，而不论它们可能具有的一般特征，另外还容易使 用和处置，以及具有高性能和优异 的一般特性 ;然而，所使用的量可根据每个应用的需求而 改变。 8