CN101801887A - 高强度火山灰泡沫材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的各实施方式一般涉及高强度泡沫材料及其制备方法。更具体地，本发明的各实施方式涉及包含火山灰，如来源于飞灰的空心微珠的高强度泡沫材料。本发明的一个实施方式包含一种火山灰泡沫材料，所述材料包含火山灰、碱、硅酸盐和有机硅化合物。本发明的各实施方式涉及既环保、制造起来也经济的高强度轻质材料。

Description

高强度火山灰泡沫材料及其制备方法
相关申请
本申请依据35U.S.C.§119(e)要求2007年6月19日提交的美国临时申请系列第60/944809号的优先权，其全部内容和主旨通过参考并入本文，如同完整地叙述于下文中一样。
技术领域
本发明的各实施方式一般涉及高强度泡沫材料及其制备方法。更具体地，本发明的各实施方式涉及包含火山灰(pozzolan)和有机硅化合物的高强度泡沫材料。
背景技术
在用烟煤燃烧炉发电时，产生了大量的灰。飞灰一般从电厂烟囱捕集，而底灰则顾名思义从炉子底部除去。过去，飞灰一般排放到大气中，但利用污染控制设备可捕集飞灰，防止它进入大气，减小其污染性影响。
飞灰的一个组分是空心微珠(cenosphere)，它是球形无机空心微粒，包含飞灰的最轻组分。空心微珠通常约占飞灰的1％-2％，可自飞灰回收或“收集”。
由于产生的飞灰量很大，飞灰的持续贮留和保存就成了问题。为解决飞灰的蓄积问题，已经有几种处理方法，它们可令人满意地利用或处置飞灰。顺着这些思路的方法涉及形成聚集体和其他材料，其中聚合物粘接剂或黏结剂(cement)与飞灰混合在一起。然而，这些方法有几个缺点，包括但不限于只能使用较小比例的飞灰，需要强烈加热，或者粘接剂/黏结剂的成本使产品昂贵。
近年来，由于掩埋成本上升，并且可持续发展当前受到关注，飞灰的循环利用越来越受到重视。据报告，2005年美国燃煤电厂产生了7110万吨飞灰，其中2910万吨在各种应用中得到再利用。若其余近4200万吨未利用的飞灰得到循环利用，则将节省大约33900000m3的掩埋场地。此外，飞灰的循环利用还具有其他环保好处，如减少对通过采掘获得的原料的需求，代替需要通过高能耗产生的材料(例如波特兰水泥)。
现在需要大量易于廉价生产的高强度轻质材料。建筑和汽车工业一直在寻求这样的材料，用以提高结构的强度、耐用性和回弹力，同时减轻结构的重量。对于建筑工业，这种材料可使建筑物更能经受自然灾害(例如地震)，而高强度轻质材料可降低汽车的能耗。此外，还需要多孔材料，因为它们可用作隔声或隔热材料，以及用作减震材料。然而，满足这些标准的现有材料如金属泡沫材料非常昂贵。此外，还需要大量环保的“绿色”材料。
因此，需要既环保、制造起来也经济的高强度轻质材料。本发明的各实施方式的目标就是提供这样的材料。
发明内容
本发明的各实施方式涉及高强度火山灰泡沫材料及其制备方法。更具体地，本发明的各实施方式包含含有火山灰和有机硅化合物的火山灰泡沫材料。在本发明的一个实施方式中，火山灰泡沫材料可进一步包含碱和硅酸盐。火山灰可包含硅铝材料(aluminosilicous material)。在本发明的一个实施方式中，硅铝材料可包含大量空心微珠。火山灰泡沫材料中的火山灰可占该泡沫材料的约50％-约90％。在本发明的一个实施方式中，火山灰泡沫材料可包含约0％-约30％由泡沫导致的孔隙。
在本发明的一个实施方式中，碱可包含碱金属的碱式离子盐。在本发明的另一个实施方式中，碱可包含碱土金属元素的碱式离子盐。更具体地，碱可包含氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化钾和氢氧化镁中的一种或多种。在本发明的一个实施方式中，硅酸盐可包含碱金属硅酸盐。更具体地，碱金属硅酸盐可包含硅酸钠。在本发明的一个实施方式中，有机硅化合物可包含二甲基硅氧烷。
火山灰泡沫材料可进一步包含疏水性化合物。在本发明的一个实施方式中，疏水性化合物可包含烹饪油。在本发明的另一个实施方式中，疏水性化合物可包含烷烃。
火山灰泡沫材料可进一步包含含磷化合物。在本发明的另一个实施方式中，含磷化合物可包含磷酸铝。在本发明的另一个实施方式中，含磷化合物可包含磷酸。
火山灰泡沫材料可进一步包含砾石、沙、土壤、石头、颜料、煅烧土(calcinedsoil)、波特兰水泥、石灰石、石膏、混凝土、砂浆和薄浆中的一种或多种。
本发明一方面包括火山灰泡沫材料，所述泡沫材料包含大量空心微珠、氢氧化钠、硅酸钠和二甲基硅氧烷。在本发明的一个实施方式中，所述大量空心微珠的平均最长尺寸小于约5微米-约500微米。在本发明的一个实施方式中，所述大量空心微珠可占泡沫材料的约50％-约90％。氢氧化钠在火山灰泡沫材料中的浓度约为1M-2.5M。硅酸钠在火山灰泡沫材料中的浓度约为泡沫材料的1％-9％。二甲基硅氧烷在火山灰泡沫材料中的浓度小于约8mg/ml。火山灰泡沫材料可包含约0％-约30％由泡沫导致的孔隙。火山灰泡沫材料可具有大于约3MPa的压缩强度。
本发明一方面包括制备火山灰泡沫材料的方法，其包括：混合火山灰、碱、硅酸盐和有机硅化合物，形成混合物；固化该混合物，形成火山灰泡沫材料。在火山灰泡沫材料制备方法的一个实施方式中，火山灰可包含硅铝材料。所述硅铝材料可包含大量空心微珠。
在火山灰泡沫材料制备方法的一个实施方式中，碱可包括碱金属的碱式离子盐。在火山灰泡沫材料制备方法的另一个实施方式中，碱可包括碱土金属元素的碱式离子盐。更具体地，碱可包括氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化钾和氢氧化镁中的一种或多种。在本发明的一个实施方式中，硅酸盐可包含碱金属硅酸盐。更具体地，碱金属硅酸盐可包含硅酸钠。在本发明的一个实施方式中，有机硅化合物可包含二甲基硅氧烷。
在火山灰泡沫材料制备方法的一个实施方式中，固化混合物以形成火山灰泡沫材料的步骤可包括将该混合物加热至约90℃-约130℃的温度，持续约15小时-约28小时。更具体地，固化混合物以形成火山灰泡沫材料的步骤可包括将该混合物加热至约100℃，持续约20小时。
在本发明的一个实施方式中，制备火山灰泡沫材料的方法可进一步包括在固化混合物以形成火山灰泡沫材料的步骤之前，将该混合物成形制成制品，其中固化混合物形成火山灰泡沫材料的步骤包括固化所述制品，形成包含火山灰泡沫材料的制品。在本发明的一个实施方式中，该制品可包括建筑元件。
在火山灰泡沫材料制备方法的一个实施方式中，混合火山灰、碱、硅酸盐和有机硅化合物形成混合物的步骤可进一步包括混合疏水性化合物。在本发明的一个实施方式中，疏水性化合物可包含烹饪油。在本发明的另一个实施方式中，疏水性化合物可包含烷烃。
在火山灰泡沫材料制备方法的一个实施方式中，混合火山灰、碱、硅酸盐和有机硅化合物形成混合物的步骤可进一步包括混合含磷化合物。在本发明的一个实施方式中，含磷化合物可包括磷酸铝。在本发明的另一个实施方式中，含磷化合物可包括磷酸。
在火山灰泡沫材料制备方法的一个实施方式中，混合火山灰、碱、硅酸盐和有机硅化合物形成混合物的步骤可进一步包括混合砾石、沙、土壤、石头、颜料、煅烧土、波特兰水泥、石灰石、石膏、混凝土、砂浆和薄浆中的一种或多种。
本发明一方面包括用于容纳介质的装置，其包含：具有介质容纳容积的容器，其中介质容纳容积具有第一表面和第二表面；容纳在介质容纳容积内的介质；包括多个元件的强化结构，所述元件横穿容纳容积，与容纳容积的第一表面和第二表面相连；使所述多个元件在第一结点互连的多根撑杆；使所述多个元件在第二结点互连的多根撑杆；以及使所述多个元件在第三结点连接到第一表面或第二表面的多根撑杆。在本发明的一个实施方式中，所述强化结构可包含火山灰泡沫材料。所述介质可包含固体、流体、液体、溶液、悬浮体、气体、凝胶、分散体或其组合。更具体地，所述介质可包含氢气。
本发明一方面可包括用于容纳介质的装置，其包括：包含介质容纳容积的容器，所述介质容纳容积由容器的内表面限定；容纳在介质容纳容积内的介质；以及包含至少一层火山灰泡沫材料的强化结构，所述火山灰泡沫材料一般设置在介质容纳容积与容器内表面之间，其中所述至少一层火山灰泡沫材料与所述介质容纳容积流体连通。所述介质可包含固体、流体、液体、溶液、悬浮体、气体、凝胶、分散体或其组合。更具体地，所述介质可包括氢气。
在本发明的一个实施方式中，所述至少一层火山灰泡沫材料可包括多层火山灰泡沫材料。在本发明的一个实施方式中，所述多层火山灰泡沫材料可包含多个具有相同孔隙率的火山灰泡沫材料同心层。在本发明的一个实施方式中，所述多层火山灰泡沫材料可包含多个火山灰泡沫材料同心层，其中至少一层具有不同的孔隙率。在本发明的一个实施方式中，所述多层火山灰泡沫材料可包含多个火山灰泡沫材料同心层，其中从容纳容积向外到容器内表面，所述火山灰泡沫材料同心层的孔隙率减小。在本发明的一个实施方式中，所述多个火山灰泡沫材料同心层可用分隔件分开。在本发明的一个实施方式中，所述分隔件可包含耐火材料。
本领域的普通技术人员结合附图研读下文对本发明的具体示例性实施方式的描述之后，本发明实施方式的其他方面和特征将变得显而易见。
附图说明
图1A-D显示了根据本发明示例性实施方式的火山灰泡沫材料在不同放大倍数下的物理外观。
图2提供了具有强化结构的容器的局部透视图。
图3A-B是用来容纳介质的容器的示意图，所述容器包括罐子和多个火山灰泡沫材料同心层。
图4是示例性火山灰泡沫材料的应力-应变曲线。
图5A-B提供了对于含500级空心微珠(CG500)的火山灰材料的典型响应的硬度测量结果。
图6A-6B显示了对于含500级空心微珠(CG500)的火山灰材料的典型响应的能量吸收测量结果。
图7提供了对于含500级空心微珠(CG500)的火山灰材料的典型响应的单轴张力测量结果。
图8显示了固化温度对包含CG500级别空心微珠的火山灰泡沫材料的典型影响，其中使用CG500-06作为例子。
图9A显示了固化时间对含500级空心微珠(CG500)的火山灰泡沫材料在压缩性能方面的典型影响。
图9B显示了固化时间对含500级空心微珠(CG500)的火山灰泡沫材料在张力方面的典型影响，其中使用CG500-03和CG500-02作为例子。
具体实施方式
本发明一方面包括含有火山灰和有机硅化合物的火山灰泡沫材料。本文所用“火山灰”是指这样一种材料，当它与碱反应时，会因在整个火山灰材料中成键而具有提高的材料强度。例如，火山灰与碱反应会得到黏结性质(cementitiousproperties)。火山灰可包含由硅和氧组成的含硅材料，由铝、硅和氧组成的硅铝材料，以及它们的组合。火山灰可包含飞灰、空心微珠、硅微粉、变高岭石、白榴火山灰(pozzolana)、火山灰(volcano ash)、高炉矿渣、煅烧页岩、粗面凝灰岩、浮石、矿渣、硅藻土、硅黏土、都市废灰、沟道灰、其他烟道灰、尾煤灰、尾矿、熔渣、黑曜岩、其他火山灰质材料、中性至弱酸性矿渣、它们的组合等。本文所用术语“飞灰”意指粉煤燃烧产生的精细灰渣，其中灰是由自炉中排出的气体带出来的，并从这些气体中收集起来。除来自煤燃烧的精细粉灰外，来自大型焚烧炉中废物燃烧的精细粉灰也可用于本文所披露的组合物，只要它们的化学组成合理地类似于粉煤飞灰即可。
火山灰通常用作波特兰水泥混凝土混合物的添加剂，以提高波特兰水泥混凝土的长期强度和其他材料性质。火山灰是玻璃质材料，例如，它可与氢氧化钙反应形成硅酸钙；然而，根据火山灰和碱的化学组成情况，也可形成其他黏结性材料。材料能获得多大的强度取决于火山灰的化学组成。例如，若火山灰材料中氧化铝和氧化硅的比例大，则可发生强火山灰反应，强度增加。
在本发明的一个实施方式中，火山灰可包含大量空心微珠。本文所用术语“大量”是出于方便，指超过一个。从飞灰得到的空心微珠是较廉价的高品质材料，在电厂作为燃煤副产物得到。空心微珠的特征是球形形状，化学稳定性和热稳定性，以及高静水压缩强度，破坏50％约需20-30MPa，破坏20％需10MPa。空心微珠是反应活性非常低的轻质火山灰球。它们的壳层组成主要包含SiO2和Al2O3，还包含少量Fe2O3、MgO、CaO、Na3O、K2O和TiO2。它们的化学组成使它们非常耐酸和碱。它们具有中性pH，一般不影响使用它们的产品的化学性质或反应。
在本发明的一个实施方式中，空心微珠具有球形形状。尽管在整篇说明书中都使用术语“球”，但应理解，此术语意在包括基本呈球形的结构，包括但不限于并非真的呈几何球形的结构或者通过粉碎或研碎球粒得到的结构。由于空心微珠一般呈球形，在生产材料时若加入了空心微珠，则湿润空心微珠表面所需的粘接剂(例如树脂、粘接剂等)比其他形状的填料所需的粘接剂少。这样就使得树脂或粘接剂的需求少，反过来可以采用高固体配方，并且收缩程度小，往往还成本低。球形填料还具有优异的流动性，容易操作(例如喷洒、泵抽、涂抹等)。因此，可利用空心微珠提高施工性能，方便用于广泛的应用。
在本发明的一个实施方式中，空心微珠可包含约55％-约65％的SiO2，约27％-约33％的Al2O3，以及少于约6％的Fe2O3。在本发明的一个实施方式中，空心微珠的平均最长尺寸为约5μm-约500μm。在本发明的一个实施方式中，空心微珠的平均最长尺寸为约5μm-约355μm。在本发明的一个实施方式中，空心微珠的平均最长尺寸为约5μm-约300μm。在本发明的一个实施方式中，空心微珠的平均最长尺寸为约5μm-约180μm。在本发明的一个实施方式中，空心微珠的平均最长尺寸为约5μm-约106μm。本发明的空心微珠可从许多商业来源得到，包括但不限于特雷博格费莱特有限公司(Trelleborg Fillite，Ltd.)。不过，本领域的技术人员不难意识到，空心微珠的化学组成和尺寸可随目标应用而改变。
在本发明的一个实施方式中，火山灰泡沫材料可包含约50％-约90％的火山灰。在本发明的另一个实施方式中，火山灰泡沫材料可包含约60％-约70％的火山灰。在本发明的又一个实施方式中，火山灰泡沫材料可包含约64％-约68％的火山灰。可在混合物中最多加入约95％的火山灰材料，从而有可能使大量飞灰既得到处理又得到利用。
火山灰泡沫材料可包含有机硅化合物。有机硅化合物是含碳-硅键(C-Si)的有机化合物，包括但不限于有机硅烷、硅氧化物(siloxide)、卤代甲硅烷、甲硅烷基氢化物(silyl hydride)、硅烯和噻咯(silole)。
在本发明的一个示例性实施方式中，有机硅化合物可包括硅氧烷。硅氧烷可包括许多由R2SiO单元组成的化合物，其中R是氢原子或烃基。硅氧烷可具有由硅原子和氧原子交替组成的支化或未支化主链-Si-O-Si-O-，侧链R连接到硅原子上。硅氧烷可包含带有机侧链的聚合硅氧烷，一般称作硅酮或聚硅氧烷。硅氧烷可包含二甲基硅氧烷(SiO(CH3)2)、聚二甲基硅氧烷([SiO(CH3)2]n)、二苯基硅氧烷(SiO(C6H5)2)和聚二苯基硅氧烷([SiO(C6H5)2]n)等。在本发明的一个示例性实施方式中，硅氧烷是二甲基硅氧烷。
尽管无意受限于任何具体理论，但据信硅氧烷给火山灰泡沫材料带来了疏水性(例如斥水性)。此外，硅氧烷在火山灰泡沫材料中起发泡剂作用。本领域的普通技术人员不难意识到，火山灰泡沫材料中硅氧烷的量与泡沫材料的孔隙率成正比关系。因此，泡沫材料的孔隙率随火山灰泡沫材料中硅氧烷含量的增加而增大。在本发明的一个实施方式中，火山灰泡沫材料可包含少于约2mg/ml-少于约8mg/ml的二甲基硅氧烷。
火山灰泡沫材料由发泡导致的孔隙率为约0％-约30％。在本发明的一个示例性实施方式中，火山灰泡沫材料由发泡导致的孔隙率约为8％。本文所用术语“孔隙率”涉及火山灰泡沫材料时，是指该材料由发泡导致的孔隙率。术语“由发泡导致的孔隙率”是指由发泡剂(例如有机硅化合物)产生的空隙，它不包括空心微珠的固有孔隙率。
在本发明的一个实施方式中，火山灰泡沫材料可进一步包含碱。碱可包含碱金属或碱土金属元素的碱式离子盐等。碱是溶于水后pH大于7的化合物。碱金属是元素周期表第1族所包含的一系列元素：锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、铷(Rb)、铯(Cs)和钫(Fr)。碱土金属是元素周期表第2族所包含的一系列元素：铍(Be)、镁(Mg)、钙(Ca)、锶(Sr)、钡(Ba)和镭(Ra)。本发明各实施方式中的碱可包含氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化钾、氢氧化镁及其组合等。在本发明的一个示例性实施方式中，碱是氢氧化钠(NaOH)溶液。在本发明的一个实施方式中，火山灰泡沫材料可包含约1M-约2.5M NaOH，或约1.3M-约2.2M NaOH。本领域的普通技术人员不难意识到，特定应用所需碱量部分取决于所用火山灰的量和组成。尽管无意受限于任何具体理论，但据信碱起湿润剂作用。
在本发明的一个实施方式中，火山灰泡沫材料可进一步包含硅酸盐。在本发明的一个实施方式中，硅酸盐可包含碱金属硅酸盐。在本发明的一个实施方式中，碱金属硅酸盐可包括硅酸钠(Na2SiO3)、原硅酸钠(Na4SiO4)、偏硅酸钠(Na2SiO3)、聚硅酸钠([Na2SiO3]n)和焦硅酸钠(Na6Si2O7)等。在本发明的一个示例性实施方式中，硅酸盐是硅酸钠。在本发明的一个示例性实施方式中，火山灰泡沫材料可包含约1％-约9％的硅酸钠。
尽管无意受限于任何具体理论，但据信大量空心微珠和碱(例如NaOH)的混合物可在空心微珠之间形成玻璃或陶瓷类结合，所述结合可用硅酸盐如硅酸钠强化。
在本发明的一个实施方式中，火山灰泡沫材料可进一步包含疏水性化合物。疏水性化合物可包括许多有机化合物，包括但不限于类脂、蜡、油、脂族化合物、无环化合物、环状化合物、芳族化合物、烷烃、石蜡、烯烃、烯、炔烃、聚合物、酯、醚、酮、醛、醇、烷基卤化物、腈、硫醇、脂肪酸及其组合。在本发明的一个示例性实施方式中，疏水性化合物可包含烹饪油。烹饪油可包含经纯化的植物或动物脂肪，其在室温下为液体。烹饪油可包含植物油、橄榄油、棕榈油、大豆油、低芥酸菜籽油、南瓜籽油、玉米油、葵花油、红花油、花生油、油菜籽油、芝麻油、阿甘油(argan oil)、椰子油、胡桃油、食用油、米糠油、棉籽油及其组合等。
在本发明的一个实施方式中，疏水性化合物可包括烷烃。在本发明的一个示例性实施方式中，烷烃可包括庚烷。
在本发明的一个实施方式中，火山灰泡沫材料可进一步包含含磷化合物，包括但不限于磷酸铝、磷酸及其组合。尽管无意受限于任何具体理论，但据信加入含磷化合物会缩短固化火山灰泡沫材料所需的时间，提高火山灰泡沫材料的强度。
在本发明的一个实施方式中，火山灰泡沫材料可进一步包含多种添加剂，包括但不限于砾石、沙、土壤、石头、颜料、煅烧土、波特兰水泥、石灰石、石膏、混凝土、砂浆、薄浆及其组合。当用添加剂代替火山灰材料时，本领域的普通技术人员不难意识到，可能有必要根据所用火山灰和添加剂的特定混合物的组成，进一步对其他成分的相对比例作一些调整。还应理解，当组成参数严重偏离上面设定的要求时，所得产物的机械性质可能发生变化。
本发明一方面包括火山灰泡沫材料的制备方法，其包括：混合火山灰、碱、硅酸盐和有机硅化合物，形成混合物；固化该混合物，形成火山灰泡沫材料。在本发明的一个实施方式中，混合火山灰、碱、硅酸盐和有机硅化合物形成混合物的步骤可包括混合火山灰、碱和硅酸盐，形成基本上均匀的糊料，然后将有机硅化合物与该糊料混合，从而引发糊料发泡。在本发明的一个实施方式中，混合火山灰、碱、硅酸盐和有机硅化合物形成混合物的步骤可包括混合大量空心微珠、氢氧化钠溶液、硅酸钠溶液和二甲基硅氧烷溶液。
在本发明的实施方式中，固化混合物形成火山灰泡沫材料的操作可包括将混合物加热至约90℃-约130℃，持续约15小时-约28小时。在本发明的一个示例性实施方式中，固化混合物形成火山灰泡沫材料的操作可包括将混合物加热至约100℃，持续约20小时。在本发明的一个实施方式中，固化混合物形成火山灰泡沫材料的操作可包括在室温固化混合物数天。在本发明的一个实施方式中，固化混合物形成火山灰泡沫材料的操作可包括在室温固化混合物数小时。在形成火山灰泡沫材料的过程中，若需要加热，也仅需少量加热。因此，本发明方法和组合物对能量的需求相当低，因而有利于火山灰泡沫材料的较低成本。
在本发明的一个实施方式中，火山灰泡沫材料的制备方法可进一步包括制备火山灰、碱、硅酸盐、有机硅化合物和含磷化合物的混合物，所述含磷化合物包括但不限于磷酸铝、磷酸及其组合。尽管无意受限于任何具体理论，但据信加入含磷化合物会缩短固化火山灰泡沫材料所需的时间，提高火山灰泡沫材料的强度。例如，加入含磷化合物可将固化时间从约20小时缩短至约3小时。
在本发明的一个实施方式中，火山灰泡沫材料的制备方法可进一步包括在固化前使用时分配发泡糊料。使用时分配发泡糊料的方法可包括但不限于将流体倒入或泵入容器或模子(form)，将流体喷到支撑结构上，或者本领域的普通技术人员所熟悉的其他分配方法。
在本发明的一个实施方式中，火山灰泡沫材料的制备方法可包括使火山灰、碱、硅酸盐和有机硅化合物的混合物成形为一块物料(mass)。在本发明的一个实施方式中，火山灰泡沫材料的制备方法可包括使火山灰、碱、硅酸盐和有机硅化合物的混合物成形为制品。后续固化步骤可以一定方式进行，使成形制品获得所需强度。火山灰、碱、硅酸盐和有机硅化合物的混合物可通过本领域已知的许多方法形成成形制品，包括压制、模塑、浇铸、挤出或滑移成形等。成形方法在很大程度上取决于混合物的组成和最终成形制品的性质。在这方面应当指出，多种成形制品可形成为包括但不限于“建筑元件”，本文所用“建筑元件”包括瓦、路面砖墙(pavers walls)、砖、板、棒、管道(pipe)、管子(tube)、块体(block)、墙等。
在本发明的一个实施方式中，火山灰泡沫材料的制备方法可进一步包括在固化混合物之前，在混合物中混入多种添加剂，包括但不限于砾石、沙、土壤、石头、颜料、煅烧土、波特兰水泥、石灰石、石膏、混凝土、砂浆、薄浆及其组合。本领域的普通技术人员不难意识到，一般通过在混合物中加入这种添加剂来制备具有所需物理或机械性质的火山灰泡沫材料，所述性质包括如织构、颜色、外观或强度等。
根据本文所披露的方法制备的组合物的实施方式具有优异的压缩强度，能经受超过约3MPa的压力。更具体地，根据本文所披露的方法制备的组合物的实施方式能经受约3.7MPa-约11.64MPa或约530psi-约1700psi的压力。本发明组合物的实施方式的比重可在约0.3-约0.9的范围内。本发明组合物的实施方式的比重可在约0.5-约0.7的范围内。
根据本文所披露的方法制备的组合物的实施方式具有优异的耐火性能，已发现它们能经受氧炔火炬顶端的火焰(约5000°F)而不会点燃或熔化。
本发明组合物的各种实施方式包含众多有益的化学、物理和机械性质。在本发明的实施方式中，火山灰泡沫材料可以具有重量轻、强度高、均匀、各向同性、价廉、疏水(例如斥水)、环保、可机械加工、吸音、可渗透、隔热、耐火、减震和吸收能量的特点。由于它们除高强度和低密度外，还能阻止传热、耐火、耐候等，本发明的火山灰泡沫组合物和制备火山灰泡沫组合物的方法可用于许多工业，包括但不限于汽车、航海、建筑和航天工业。
例如，火山灰泡沫材料可用作基础设施材料，同样用作隔音、防撞和防火屏障；可渗透地砖(pavement)；减灾材料(hazard mitigation materials)；排水填料(drainage fillers)；超轻桁架加劲材料(truss stiffeners)；泡沫材料、木材和混凝土替代材料；隔音天花板瓦片(acoustic ceiling tile)；密封剂；油灰；等等。由于许多火山灰具有较高的硬度，火山灰泡沫材料可提供防腐蚀性和/或耐候性。在运输***中，火山灰泡沫材料可用作减震件和防撞件的芯子，拖车地板(trailerfloor)的硬填料，或者夹心建筑物的B柱。在空间运输工具方面，火山灰泡沫材料可用作轻质弹性隔热板，容易适应航空动力学形式。在保护性安装件中，火山灰泡沫材料可用来制备防爆墙、绝热难熔材料、油管绝热材料或耐火涂层和板。由于它们开始处于类似于流体的状态，火山灰泡沫材料可泵入够不着的空角落，用作填料，以增强形状复杂的设备部件，或者支撑受腐蚀的堤岸或腐蚀区，如桥下。火山灰泡沫材料可用于轻质绝缘产品，包括但不限于封装化合物、电包封(electrical encapsulation)和螺线管。可利用本发明的组合物和方法，通过改变泡沫材料组分的组成和用量，调整火山灰泡沫材料，以便用于许多具体的工程应用。本领域的普通技术人员不难意识到，火山灰泡沫材料可独立使用，也可将其加入多种部件或结构。
本发明一方面包括具有黏结性的火山灰泡沫材料。本发明涉及许多类型的水泥组合物，其中波特兰水泥或类似的水泥材料在含水环境中反应，将各种成分如沙、石头、碎岩等结合到一起。本文所用术语“水泥组合物”是指许多黏结性混合物，包括例如本领域一般称作水泥、砂浆、薄浆和混凝土的混合物。本发明适用于但不限于以下类型的水泥组合物：预先混合的混凝土组合物，通过高压釜处理或蒸气固化水泥组合物制备的预制混凝土结构元件，在大型结构如重力坝中使用的混凝土组合物，以及用作公路基础和表面的混凝土组合物。这些混凝土组合物可以使用本领域常用的另外的强化成分以补充其结构性质。
本发明的各实施方式包括含有火山灰和水泥的火山灰泡沫组合物，火山灰和水泥的相对比例使得水泥-火山灰比在约0％-100％的范围内。出于本发明的目的，“水泥-火山灰比”是指水泥组合物中干水泥与干火山灰材料的比例。根据这些范围，火山灰泡沫组合物可包含约0％的水泥和约100％的火山灰，约100％的水泥和约0％的火山灰，以及位于其间的所有组合。
本发明的实施方式涉及用于增强PCT专利申请PCT/US2008/005871所披露的容器的***、装置和方法，该专利文献全部内容通过参考并入本文。本发明的一个实施方式包括用于增强容器的结构。本发明的一个实施方式包括容器，所述容器包含介质容纳容积和位于该容纳容积内的增强结构，其中增强结构使介质能够在容纳容积不定向流动。
本文所用术语“介质”是出于方便，一般指许多固体、液体、气体、溶液、悬浮体、粉末、凝胶、分散体或其组合。
现在结合附图详细描述本发明的示例性实施方式，在这几幅附图中，相同的附图标记均代表相同的部件。在整篇说明书中，可能会用一些具体的数值或参数来标识各组分，但这些项目只是作为示例性实施方式提供。实际上，示例性实施方式不对本发明的各个方面和构思构成限制，因为许多类似的参数、尺寸、范围和/或数值都可以采用。
图1A显示了火山灰泡沫材料的物理外观。图1B给出了火山灰泡沫材料放大100倍后的图像。图1C给出了火山灰泡沫材料放大800倍后的图像。图1D给出了火山灰泡沫材料放大1700倍后的图像。
图2给出了具有增强结构100的容器的局部透视图。更具体地，图2显示了具有增强结构100的容器的纵截面和横截面透视图。具有增强结构的容器的一个示例性实施方式可包括介质容纳容积110和位于该容纳容积110内的增强结构120。介质容纳容积110可包含第一表面130和第二表面140。使用短语“第一表面”和“第二表面”是为了方便描述二维图。在三维图的情况下，这种容器可具有许多表面，也可将它们描述为第一表面和第二表面。在本发明的一个实施方式中，多个元件可包含多根桁架或多块板。图示实施方式的增强结构120包含多根桁架150。在一个示例性实施方式中，增强结构120可包含骨状结构。多根桁架150可包含多根弦160。在本发明的一个实施方式中，所述多根弦160可包括与容纳容积110的第一表面130和第二表面140相连的弦，它们横穿容纳容积110。在本发明的实施方式中，弦160可基本上相互平行。多根撑杆170可包含例如但不限于撑杆格架或网，等等。在本发明的一个实施方式中，撑杆170可与至少一根弦160相连。在本发明的一个实施方式中，撑杆170可与容纳容积110的第一表面130或第二表面140相连。在本发明的一个实施方式中，多根撑杆170可交会在容纳容积110的第一表面130或第二表面140上，形成结点180。在本发明的实施方式中，多根撑杆可交会在弦160上，形成结点180。在本发明的实施方式中，多根撑杆170可交叉于一点，形成结点180。
在本发明的一个实施方式中，增强结构可包含火山灰泡沫材料。在本发明的一个实施方式中，增强结构的部件可包含火山灰泡沫材料。尽管无意受限于任何具体理论，但是据信，相比于常规罐体，包括但不限于纤维增强聚合物罐、增强和未增强的钢罐和铝罐，具有含火山灰泡沫材料的增强结构的介质存储容器可承受更高的压力，同时具有更低的重量和更高的安全系数。
在本发明的一个实施方式中，具有增强结构的容器可容纳许多介质，包括但不限于流体、液体、溶液、悬浮体、气体、凝胶、分散体或其组合。在本发明的一个实施方式中，用于容纳介质的装置可容纳高压介质。在本发明的一个实施方式中，用于容纳介质的装置可容纳高压流体。在本发明的一个实施方式中，用于容纳介质的装置可容纳氢气、氧气、氮气、二氧化碳、可燃气体、将热效应和强度效应结合起来发挥综合功能的流体(例如隔液绝缘(liquid shieldinsulation)、隔热绝缘(heat shield insulation))等。在本发明的示例性实施方式中，具有增强结构的容器可容纳液氢、压缩氢气、低温压缩氢气、金属氢化物中的氢气及其组合等。
在本发明的实施方式中，用于容纳介质的容器200可包含罐210和多个火山灰泡沫材料同心层(见图3)。例如，用于容纳介质、包含多个火山灰泡沫材料同心层的容器的最里面的空隙可包含容纳容积220。容器可包含具有第一孔隙率的第一层火山灰泡沫材料230。向里看，容器可进一步包含具有第二孔隙率的第二层火山灰泡沫材料240。容器可进一步包含具有第三孔隙率的第三层火山灰泡沫材料250。容器可进一步包含具有第四孔隙率的第四层火山灰泡沫材料260。容器可进一步包含具有第五孔隙率的第五层火山灰泡沫材料270。本领域的普通技术人员不难意识到，许多具有不同或相同孔隙率的火山灰泡沫材料同心层可包含用于容纳介质的容器200。
在本发明的一个实施方式中，用于容纳介质的容器200可包含多个具有相同或不同孔隙率的火山灰泡沫材料同心层。在本发明的一个示例性实施方式中，用于容纳介质的容器200可包含多个火山灰泡沫材料同心层，其中沿着由容纳容积210向外的方向，火山灰泡沫材料同心层的孔隙率减小。尽管无意受限于任何具体理论，但据信火山灰泡沫材料可将介质存储于其孔中。据信，当沿着从容纳容积210向外的方向，火山灰泡沫材料同心层的孔隙率减小时，包含多个火山灰泡沫材料同心层的容器200可增强罐体，因为它能产生压力梯度，降低了最外层壳上的压力，从而可以利用安全提取技术。本领域的普通技术人员不难意识到，所述多个火山灰泡沫材料同心层的孔隙率可影响提取技术。因此，通过改变火山灰泡沫材料的孔隙率，可调整出口流速，以适应燃料电池或许多存储和/或运输***的要求。
在本发明的实施方式中，最外面的火山灰泡沫材料同心层可用实心壳(例如常规罐壁)包围。在本发明的实施方式中，最外面的火山灰泡沫材料同心层可用空心壳包围，所述空心壳中填充了火山灰泡沫材料。
在本发明的一个实施方式中，所述多个火山灰泡沫材料同心层可用多孔分隔件分离。所述分隔件可用许多材料制成，包括覆盖有可渗透耐火织物的丝网或者多孔或穿孔外壳，其他耐火材料，或者多孔材料，等等。在本发明的一个实施方式中，分隔件可为产生火山灰泡沫材料提供模子或模具。
在本发明的一个实施方式中，可将输入/输出阀设置在所述多个火山灰泡沫材料同心层中。尽管无意受限于任何具体理论，但据信将输入/输出阀设置在所述多个火山灰泡沫材料同心层中可在阀出现泄漏的情况下减小输出流速。在本发明的一个实施方式中，具有低孔隙率的火山灰泡沫材料可接受机械操作(例如压裂、钻孔等)，以增大出口流速。
本领域的技术人员不难意识到，用于容纳介质的容器200可具有许多形状，例如但不限于圆柱形(图3A)、矩形(图3B)、球形、半球形、立方形、类立方形、四面体形、圆锥形、棱柱形、矩形棱柱形、棱锥形、十二面体形、卵形、“U”形、叶形(lobed shape)、多叶形、任意三维形状及其组合。本领域的技术人员不难意识到，利用本发明的实施方式对高强度轻质容器作出的设计可根据所需放置的位置和容器的功能进行定制。
必须指出，本说明书和所附权利要求中所用的单数形式“一个”“一种”“该”包括其复数形式，除非上下文另有明确规定。
本文所提到的所有专利、专利申请和参考文献都分别以其完整内容通过参考并入本文。
当然，应当理解，前述内容仅涉及本发明的示例性实施方式，并且可对其作出许多改进或改变，而不背离本文内容所设定的本发明的精神和范围。
虽然本文给出了本发明的示例性实施方式，但本发明不限于这些实施方式。有许多改进或变化形式对本领域的技术人员来说是显而易见的。
本文所含的实施例进一步阐释了本发明，所述实施例用于更清楚地理解本发明。示例性实施方式不应以任何方式误解为对本发明范围的限制。相反，应当清楚理解，可能需要借助许多其他的实施方式、改进形式和等效形式，它们在本领域的技术人员阅读本文的描述后将变得显而易见，而且它们不背离本发明的精神和/或所附权利要求的范围。
因此，虽然已经特别结合示例性实施方式详细描述了本发明的实施方式，但本领域的技术人员不难理解，在所附权利要求限定的本发明范围内，许多变化形式和改进形式都是可以实现的。相应地，不应将本发明各实施方式的范围限制在上面讨论的实施方式上，所述范围仅由所附权利要求书和所有等价内容限定。
实施例
实施例1：对包含CG106的火山灰泡沫材料的分析
在本实施例中，利用购自特雷博格费莱特有限公司的大量106级空心微珠(CG106)制备火山灰泡沫材料。106级空心微珠(CG106)具有约5-约106微米的直径。表1给出了火山灰泡沫材料的组成。在每个样品中(编号01-10)，将150ml空心微珠与指定量的氢氧化钠(10M)和指定量的硅酸钠(20％-49％)[购自优尼发公司(Univar)]混合，直至形成均匀糊料。将指定量的二甲基硅氧烷(小于120g/L)[硅氧烷PD，舒尔克林公司(Sure Klean)]与所得糊料混合，使糊料发泡。
表1
  样品   空心微珠   NaOH   Na2SiO3   SiO(CH3)2
  CG106-01   150ml   30ml   30ml   10ml
  CG106-02   150ml   50ml   12.5ml   12.5ml
  CG106-03   150ml   35ml   25ml   15ml
  CG106-04   150ml   50ml   20ml   5ml
  CG106-05   150ml   35ml   35ml   7.5ml
  CG106-06   150ml   40ml   35ml   5ml
  CG106-07   150ml   35ml   35ml   5ml
  CG106-08   150ml   35ml   35ml   10ml
  CG106-09   150ml   40ml   30ml   5ml
  CG106-10   150ml   40ml   40ml   5ml
然后在100℃将发泡火山灰糊料固化约20小时。利用定制设计的伺服水力双轴测试设备(Instron 8802)测定火山灰泡沫材料的压缩强度。如表2所示，利用CG106制备的火山灰泡沫材料的比重为0.5-0.7。利用CG106制备的火山灰泡沫材料的压缩强度为3.7MPa-约11.7MPa或536psi-1687psi。图4给出了示例性火山灰泡沫材料的应力-应变曲线。
表2
  样品   比重   压缩强度(MPa)  压缩强度(psi)
  CG106-01   0.55   6.63  961.35
  CG106-02   0.50   3.7  536.50
  CG106-03   0.51   5.3  768.50
  CG106-04   0.54   4.95  717.75
  CG106-05   0.70   8.1  1174.50
  CG106-06   0.61   8.56  1241.20
  CG106-07   0.60   7.05  1022.25
  CG106-08   0.70   9.63  1396.35
  CG106-09   0.57   5.56  806.20
  CG106-10   0.65   11.64  1687.80
实施例2对包含CG500LF的火山灰泡沫材料的分析
利用购自特雷博格费莱特有限公司的大量500级空心微珠(CG500LF)制备火山灰泡沫材料。500LF级空心微珠(CG500LF)具有约5-约500微米的直径。表3给出了火山灰泡沫材料的组成。在每个样品中(编号01-10)，将150ml空心微珠与指定量的氢氧化钠(10M)和指定量的硅酸钠(20％-49％)(购自优尼发公司)混合，直至形成均匀糊料。将指定量的二甲基硅氧烷(小于120g/L)(硅氧烷PD，舒尔克林公司)与所得糊料混合，使糊料发泡。
表3
  样品   空心微珠   NaOH   Na2SiO3   SiO(CH3)2
  CG500LF-01   150ml   30ml   30ml   10ml
  CG500LF-02   150ml   50ml   12.5ml   12.5ml
  CG500LF-03   150ml   35ml   25ml   15ml
  CG500LF-04   150ml   50ml   20ml   5ml
  CG500LF-05   150ml   35ml   35ml   7.5ml
  样品   空心微珠   NaOH   Na2SiO3   SiO(CH3)2
  CG500LF-06   150ml   40ml   35ml   5ml
  CG500LF-07   150ml   35ml   35ml   5ml
  CG500LF-08   150ml   35ml   35ml   10ml
  CG500LF-09   150ml   40ml   30ml   5ml
  CG500LF-10   150ml   40ml   40ml   5ml
然后在100℃将发泡火山灰糊料固化约20小时。利用定制设计的伺服水力双轴测试设备(Instron 8802)测定火山灰泡沫材料的压缩强度。如表4所示，利用CG500LF制备的火山灰泡沫材料的比重为0.53-0.76。利用CG500LF制备的火山灰泡沫材料的压缩强度为3.95MPa-约7.32MPa或572psi-1061psi。一系列三星符号(***)表示相应数值未测定。
表4
  样品   比重   压缩强度(MPa)  压缩强度(psi)
  CG500LF-01   ***   ***  ***
  CG500LF-02   ***   ***  ***
  CG500LF-03   ***   ***  ***
  CG500LF-04   ***   ***  ***
  CG500LF-05   0.62   7.32  1061.40
  CG500LF-06   0.73   6.64  962.80
  CG500LF-07   0.61   5.26  762.70
  CG500LF-08   0.56   4.72  684.40
  CG500LF-09   0.62   5.94  861.30
  CG500LF-10   0.6   3.95  572.75
实施例3对包含CG500的火山灰泡沫材料的分析
利用购自特雷博格费莱特有限公司的多个500级空心微珠(CG500)制备火山灰泡沫材料。500级空心微珠(CG500)具有约5-约500微米的直径。表5给出了火山灰泡沫材料的组成。在每个样品中(编号01-10)，将150ml空心微珠与指定量的氢氧化钠(10M)和指定量的硅酸钠(20％-49％)(购自优尼发公司)混合，直至形成均匀糊料。将指定量的二甲基硅氧烷(小于120g/L)(硅氧烷PD，舒尔克林公司)与所得糊料混合，使糊料发泡。
表5
  样品   空心微珠   NaOH   Na2SiO3   SiO(CH3)2
  CG500-01   150ml   30ml   30ml   10ml
  CG500-02   150ml   50ml   12.5ml   12.5ml
  CG500-03   150ml   35ml   25ml   15ml
  CG500-04   150ml   50ml   20ml   5ml
  CG500-05   150ml   35ml   35ml   7.5ml
  CG500-06   150ml   40ml   35ml   5ml
  CG500-07   150ml   35ml   35ml   5ml
  CG500-08   150ml   35ml   35ml   10ml
  CG500-09   150ml   40ml   30ml   5ml
  CG500-10   150ml   40ml   40ml   5ml
然后在100℃将发泡的火山灰糊料固化约20小时。利用定制设计的伺服水力双轴测试设备(Instron 8802)测定火山灰泡沫材料的压缩强度。如表6所示，利用CG500制备的火山灰泡沫材料的比重为0.3-0.8。压缩模量为0.5Gpa-3Gpa。利用CG500制备的火山灰泡沫材料的压缩强度为2.3MPa-7MPa。一系列三星符号(***)表示相应数值未测定。
表6
  样品   比重  压缩模量(GPa)   压缩模量(ksi)   压缩强度(MPa)   压缩强度(psi)
  CG500-01   0.54  0.57   82.65   2.93   807.65
  CG500-02   0.57  0.6   87   2.35   360.33
  CG500-03   0.53  0.49   71.05   2.49   571.30
  样品   比重  压缩模量(GPa)   压缩模量(ksi)   压缩强度(MPa)   压缩强度(psi)
  CG500-04   0.57  0.73   105.85   3.94   424.13
  CG500-05   0.56  ***   ***   3.04   440.80
  CG500-06   0.56  ***   ***   2.57   372.65
  CG500-07   0.57  ***   ***   5.07   735.15
  CG500-08   0.55  ***   ***   3.39   491.55
  CG500-09   0.59  ***   ***   3.68   533.60
  CG500-10   0.64  ***   ***   6.51   943.98
如表7所示，利用CG500制备的火山灰泡沫材料的平稳强度(plateaustrength)为0.81-2.08。张力模量为约1Gpa-约5Gpa或101.5ksi-652.5ksi，利用CG500制备的火山灰泡沫材料的拉伸强度为0.4MPa-0.7MPa或58psi-101.5psi。一系列三星符号(***)表示相应数值未测定。虽然表中未列出，利用CG500制备的火山灰泡沫材料的热导率为0.14W/mK-0.16W/mK。
表7
  样品   平稳强度   张力模量(GPa)   张力模量(ksi)   拉伸强度(MPa)   拉伸强度(psi)
  CG500-01   1.94   4.5   652.5   0.7   101.5
  CG500-02   0.81   ***   ***   0.4   58
  CG500-03   0.82   2.2   319   0.7   101.5
  CG500-04   2.08   0.7   101.5   0.7   101.5
  CG500-05   ***   ***   ***   ***   ***
  CG500-06   ***   ***   ***   ***   ***
  CG500-07   ***   ***   ***   ***   ***
  CG500-08   ***   ***   ***   ***   ***
  样品   平稳强度   张力模量(GPa)   张力模量(ksi)   拉伸强度(MPa)   拉伸强度(psi)
  CG500-09   ***   ***   ***   ***   ***
  CG500-10   ***   ***   ***   ***   ***
图5A绘出了在0.05Hz处的均匀硬度测试信号，图5B给出了对于含CG500的火山灰材料的典型响应的硬度测量结果。图6A显示了在0.05、0.012、0.006、0.003和0.002Hz各处的能量吸收信号增加情况。图6B显示了对于含CG500的火山灰材料的典型响应的能量吸收测量结果。图中标为“1”的区域对应于弹性区，“2”对应于破碎成核点(crush nucleation point)或压缩强度，“3”对应于平稳强度，“4”对应于致密化。图7给出了对于含CG500的火山灰材料的典型响应的单轴张力测量结果，其中“F”表示破裂点。
图8显示了以CG500-06为例，固化温度对含CG500的火山灰材料的典型响应的典型影响。在图8中，“C”表示归一化压缩强度，“P”表示归一化平稳强度，“E”表示归一化压缩模量。这些结果均用在115℃测定的量值进行归一化。
图9A显示了固化时间对含CG500的火山灰材料在压缩性质方面的典型影响。带点竖线显示了第24小时的响应。图9B以CG500-03和CG500-02为例，显示了固化时间对含CG500的火山灰材料在张力方面的典型影响。
实施例4：对包含CG500和油的火山灰泡沫材料的分析
利用购自特雷博格费莱特有限公司的多个106级空心微珠(CG106)或500LF级(CG500LF)制备火山灰泡沫材料。表8给出了火山灰泡沫材料的组成。在每个样品中，将160ml或170ml空心微珠与指定量的氢氧化钠(10M)、指定量的硅酸钠(20％-49％)(购自优尼发公司)和指定量的烹饪油混合，直至形成均匀糊料。将指定量的二甲基硅氧烷(小于120g/L)(硅氧烷PD，舒尔克林公司)与所得糊料混合，使糊料发泡。
表8
  样品   空心微珠   NaOH   Na2SiO3   SiO(CH3)2   油
  CG106-O-01   160ml   30ml   30ml   10ml   5ml
  CG106-O-05   160ml   50ml   12.5ml   12.5ml   5ml
  CG106-O-06   160ml   35ml   25ml   15ml   5ml
  CG106-O-07   160ml   50ml   20ml   5ml   5ml
  CG106-O-10   160ml   35ml   35ml   7.5ml   5ml
  样品   空心微珠   NaOH   Na2SiO3   SiO(CH3)2   油
  CG106-O-01*   170ml   40ml   35ml   5ml   10ml
  CG106-O-05*   170ml   35ml   35ml   5ml   10ml
  CG 106-O-06*   170ml   35ml   35ml   10ml   10ml
  CG 106-O-07*   170ml   40ml   30ml   5ml   10ml
  CG106-O-10*   170ml   40ml   40ml   5ml   10ml
  CG500LF-O-01   160ml   30ml   30ml   10ml   5ml
  CG500LF-O-05   160ml   50ml   12.5ml   12.5ml   5ml
  CG500LF-O-06   160ml   35ml   25ml   15ml   5ml
  CG500LF-O-07   160ml   50ml   20ml   5ml   5ml
  CG500LF-O-10   160ml   35ml   35ml   7.5ml   5ml
然后在100℃将发泡的火山灰糊料固化约4小时。利用定制设计的伺服水力双轴测试设备(Instron 8802)测定火山灰泡沫材料的压缩强度。应当指出，组合物中存在油有利于泡沫组合物的模塑，因为这样泡沫就容易从模具中除去，且具有光滑、平整的表面，据信这会影响毛细流动的干扰和发泡效应。如表9所示，利用CG106和油制备的火山灰泡沫材料的比重为0.52-0.6。利用CG106和油制备的火山灰泡沫材料的压缩强度为4.23MPa-7.5MPa或613psi-1087psi。一系列三星符号(***)表示相应数值未测定。利用CG500LF和油制备的火山灰泡沫材料的比重为0.53-0.58。利用CG500LF和油制备的火山灰泡沫材料的压缩强度为3.5MPa-4.26MPa或507psi-617psi。
表9
  样品   比重  压缩强度(MPa)  压缩强度(psi)
  CG106-O-01   0.54  4.32  626.4
  CG106-O-05   0.54  5.92  858.4
  CG106-O-06   0.60  7.5  1087.5
  样品   比重  压缩强度(MPa)  压缩强度(psi)
  CG106-O-07   0.55  4.64  672.8
  CG106-O-10   0.55  4.46  646.7
  CG106-O-01*   0.52  4.23  613.35
  CG106-O-05*   0.58  7.12  1032.4
  CG 106-O-06*   0.6  5.9  855.5
  CG 106-O-07*   ***  ***  ***
  CG106-O-10*   0.58  6.8  986
  CG500LF-O-01   0.53  4.26  617.7
  CG500LF-O-05   0.57  3.92  568.4
  CG500LF-O-06   0.57  3.83  555.35
  CG500LF-O-07   0.53  3.50  507.5
  CG500LF-O-10   0.58  4.05  587.25

Claims (47)

1.一种火山灰泡沫材料，其包含火山灰和有机硅化合物。
2.如权利要求1所述的火山灰泡沫材料，其特征在于，其还包含碱和硅酸盐。
3.如权利要求2所述的火山灰泡沫材料，其特征在于，所述火山灰包括硅铝材料。
4.如权利要求3所述的火山灰泡沫材料，其特征在于，所述硅铝材料包括大量多心微珠。
5.如权利要求2所述的火山灰泡沫材料，其特征在于，所述火山灰占所述泡沫材料的约50％-约90％。
6.如权利要求2所述的火山灰泡沫材料，其特征在于，所述有机硅化合物包括二甲基硅氧烷。
7.如权利要求2所述的火山灰泡沫材料，其特征在于，所述火山灰泡沫材料包含约0％-约30％由泡沫导致的孔隙。
8.如权利要求2所述的火山灰泡沫材料，其特征在于，所述碱包括碱金属的碱式离子盐。
9.如权利要求2所述的火山灰泡沫材料，其特征在于，所述碱包括碱土金属元素的碱式离子盐。
10.如权利要求2所述的火山灰泡沫材料，其特征在于，所述碱包括氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化钾和氢氧化镁中的一种或多种。
11.如权利要求1所述的火山灰泡沫材料，其特征在于，所述硅酸盐包括碱金属硅酸盐。
12.如权利要求11所述的火山灰泡沫材料，其特征在于，所述碱金属硅酸盐包括硅酸钠。
13.如权利要求2所述的火山灰泡沫材料，其特征在于，其还包含疏水性化合物。
14.如权利要求13所述的火山灰泡沫材料，其特征在于，所述疏水性化合物包括烹饪油。
15.如权利要求13所述的火山灰泡沫材料，其特征在于，所述疏水性化合物包括烷烃。
16.如权利要求2所述的火山灰泡沫材料，其特征在于，其还包含含磷化合物。
17.如权利要求16所述的火山灰泡沫材料，其特征在于，所述含磷化合物包括磷酸铝。
18.如权利要求16所述的火山灰泡沫材料，其特征在于，所述含磷化合物包括磷酸。
19.如权利要求2所述的火山灰泡沫材料，其特征在于，其还包含砾石、沙、土壤、石头、颜料、煅烧土、波特兰水泥、石灰石、石膏、混凝土、砂浆和薄浆中的一种或多种。
20.一种火山灰泡沫材料，其包含大量空心微珠、氢氧化钠、硅酸钠和二甲基硅氧烷。
21.如权利要求20所述的火山灰泡沫材料，其特征在于，所述大量空心微珠的平均最长尺寸为小于约5微米-约500微米。
22.如权利要求20所述的火山灰泡沫材料，其特征在于，所述大量空心微珠占所述泡沫材料的约50％-约90％。
23.如权利要求20所述的火山灰泡沫材料，其特征在于，氢氧化钠的浓度为约1M-约2.5M。
24.如权利要求20所述的火山灰泡沫材料，其特征在于，硅酸钠的浓度为约1％-约9％。
25.如权利要求20所述的火山灰泡沫材料，其特征在于，二甲基硅氧烷的浓度小于约8mg/ml。
26.如权利要求20所述的火山灰泡沫材料，其特征在于，所述火山灰泡沫材料具有约0％-约30％的由泡沫导致的孔隙。
27.如权利要求20所述的火山灰泡沫材料，其特征在于，所述火山灰泡沫材料具有大于约3MPa的压缩强度。
28.一种制备火山灰泡沫材料的方法，其包含：
混合火山灰、碱、硅酸盐和有机硅化合物，形成混合物；以及
固化所述混合物，形成火山灰泡沫材料。
29.如权利要求28所述的制备火山灰泡沫材料的方法，其特征在于，所述火山灰包括硅铝材料。
30.如权利要求29所述的制备火山灰泡沫材料的方法，其特征在于，所述硅铝材料包含大量空心微珠。
31.如权利要求28所述的制备火山灰泡沫材料的方法，其特征在于，所述碱包括碱金属的碱式离子盐。
32.如权利要求28所述的制备火山灰泡沫材料的方法，其特征在于，所述碱包括碱土金属元素的碱式离子盐。
33.如权利要求28所述的制备火山灰泡沫材料的方法，其特征在于，所述碱包括氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化钾和氢氧化镁中的一种或多种。
34.如权利要求28所述的制备火山灰泡沫材料的方法，其特征在于，所述硅酸盐包括碱金属硅酸盐。
35.如权利要求34所述的制备火山灰泡沫材料的方法，其特征在于，所述碱金属硅酸盐包括硅酸钠。
36.如权利要求28所述的制备火山灰泡沫材料的方法，其特征在于，所述硅氧烷包括二甲基硅氧烷。
37.如权利要求28所述的制备火山灰泡沫材料的方法，其特征在于，固化所述混合物以形成火山灰泡沫材料的步骤包括将所述混合物加热至约90℃-约130℃，持续约15小时-约28小时。
38.如权利要求37所述的制备火山灰泡沫材料的方法，其特征在于，固化所述混合物以形成火山灰泡沫材料的步骤包括将所述混合物加热至约100℃，持续约20小时。
39.如权利要求28所述的制备火山灰泡沫材料的方法，其特征在于，该方法还包括在固化所述混合物以形成火山灰泡沫材料的步骤之前，将所述混合物成形为制品，其中固化所述混合物以形成火山灰泡沫材料的步骤包括固化该制品，形成包含火山灰泡沫材料的制品。
40.如权利要求39所述的制备火山灰泡沫材料的方法，其特征在于，所述制品包括建筑构件。
41.如权利要求28所述的制备火山灰泡沫材料的方法，其特征在于，混合火山灰、碱、硅酸盐和有机硅化合物形成混合物的步骤还包括混入疏水性化合物。
42.如权利要求41所述的制备火山灰泡沫材料的方法，其特征在于，所述疏水性化合物包括烹饪油。
43.如权利要求41所述的制备火山灰泡沫材料的方法，其特征在于，所述疏水性化合物包括烷烃。
44.如权利要求28所述的制备火山灰泡沫材料的方法，其特征在于，混合火山灰、碱、硅酸盐和有机硅化合物以形成混合物的步骤还包括混入含磷化合物。
45.如权利要求44所述的制备火山灰泡沫材料的方法，其特征在于，所述含磷化合物包括磷酸铝。
46.如权利要求44所述的制备火山灰泡沫材料的方法，其特征在于，所述含磷化合物包括磷酸。
47.如权利要求28所述的制备火山灰泡沫材料的方法，其特征在于，混合火山灰、碱、硅酸盐和有机硅化合物以形成混合物的步骤还包括混入砾石、沙、土壤、石头、颜料、煅烧土、波特兰水泥、石灰石、石膏、混凝土、砂浆和薄浆中的一种或多种。
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