[發(fā)明專利]水硬水泥組合物和制備及使用其的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200680005575.6
• 申請(qǐng)日: 2006-03-27
• 公開（公告）號(hào): CN101124178A
• 公開（公告）日: 2008-02-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 呂東輝;周述新
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 創(chuàng)新生物陶瓷公司
• 主分類號(hào): C04B28/02
• 分類號(hào): C04B28/02;A61L24/02;C04B12/02;A61K6/06;C04B7/02
• 代理公司: 中國(guó)國(guó)際貿(mào)易促進(jìn)委員會(huì)專利商標(biāo)事務(wù)所
• 代理人: 李帆

相關(guān)申請(qǐng)

本申請(qǐng)要求于2005年3月25日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)No.60/664,977的權(quán)益。

背景

發(fā)明領(lǐng)域

本申請(qǐng)涉及高強(qiáng)度水硬水泥組合物，且更具體涉及包含磷酸鹽化合物和鈣硅酸鹽的高強(qiáng)度水硬水泥組合物，以及用于制備和使用其的方法。

相關(guān)技術(shù)

水硬水泥具有非常悠久的歷史，但它們化學(xué)性質(zhì)的許多方面仍然沒有被完全理解。

幾千年前，白榴火山灰(Pozzolana)，維蘇威火山的火山灰與石灰石混合來制備與水混合時(shí)硬化(“固化”)的粉末。后來通過在超過1500℃的溫度下熱處理石灰石、粘土和礬土來人工再生產(chǎn)這種火山灰質(zhì)(天然)水泥。將制得的水泥“熟料”粉碎并與石膏和其它添加劑混合以產(chǎn)生普通波特蘭水泥(OPC)。該工藝直到今天也基本上沒有變化，盡管引入組成的微小改變和各種添加劑以獲得特定的性能。目前，全球的OPC生產(chǎn)達(dá)到每人每年1T，消耗大量資源和能量；因此任何減少資源使用同時(shí)保持或提高水泥性能的改進(jìn)會(huì)對(duì)環(huán)境和我們的文明具有顯著的影響。

在波特蘭水泥中存在兩種主要的化合物：硅酸二鈣(C2S，也稱為鋁鐵巖)和硅酸三鈣(C3S，也稱為斜硅灰石(Belite))。在這兩種主要組分(C2S和C3S)的水化中形成高晶態(tài)的氫氧化鈣(Ca(OH)₂)(在這里表示為CH)和無定形水化硅酸鈣(這里表示為C-S-H)。水化的水泥糊料由約70％C-S-H、20％Ca(OH)₂、7％硫鋁酸鹽和3％二次相組成。由固化反應(yīng)形成的氫氧化鈣引起的主要問題是CH在水中是可溶的并具有低的強(qiáng)度，該性能對(duì)水泥的品質(zhì)具有負(fù)面影響；如將在下面討論的，本發(fā)明減少固化水泥中最終的CH含量，從而導(dǎo)致顯著提高的耐久性和強(qiáng)度。

一般用途的波特蘭類型水泥(ASTMI)典型包含約50％C3S、25％C2S、12％C3A(鋁酸三鈣3CaO·Al₂O₃)、8％C4?AF(鐵鋁酸四鈣4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃)和5％氧化鈣CaO。鈣的硅酸鹽(C3S和C2S)的總量是約75％，且主要的硅酸鹽是C3S。

許多研究者已經(jīng)報(bào)道通過添加硅灰(SiO₂，表示為S)以降低水化水泥中氫氧化鈣的含量實(shí)現(xiàn)了波特蘭水泥機(jī)械強(qiáng)度的改良(Mitchell，etal，“Interaction?of?silica?fume?with?calcium?hydroxide?solutions?andhydrated?cement?pastes”，Cement?and?Concrete?Research(1998)，28(11)，1571-1584和Persson“Seven-year?study?on?the?effect?of?silicafume?in?concrete”Advanced?Cement?Based?Materials(1998)，7(3/4)，139-155)。改良的機(jī)制依賴于硅灰與氫氧化鈣反應(yīng)產(chǎn)生具有高密度和低Ca/Si比的無定形C-S-H凝膠。因此，沒有向固化的水泥中引入新相。這證明了從固化水泥中除去CH提供了品質(zhì)的顯著改良。本發(fā)明公開了可替換的方法：通過反應(yīng)沉淀鈣的磷酸鹽、特別是羥基磷灰石從固化水泥中原位除去CH；這不僅提供了提高的強(qiáng)度和抗劣化性，而且提供了提高的生物性能。

磷酸鹽基水硬結(jié)構(gòu)水泥是公知的(例如，參見Friedman?et?al“BoneSource?hydroxyapatite?cement：a?novel?biomaterial?forcraniofacial?skeletal?tissue?engineering?and?reconstruction”Journal?ofBiomedical?Materials?Research(1998)，43(4)，428-432)。然而，這些水泥不含硅酸鹽材料。在固化過程中這些水泥的強(qiáng)度發(fā)展和硬化不依賴于鈣的硅酸鹽的水化，且不涉及C-S-H凝膠和CH的沉淀。