特許 6957346 炭酸塩化可能なケイ酸カルシウム組成物及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6957346

(24)【登録日】2021年10月8日

(45)【発行日】2021年11月2日

(54)【発明の名称】炭酸塩化可能なケイ酸カルシウム組成物及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   C04B 28/02 20060101AFI20211021BHJP

   C04B 40/02 20060101ALI20211021BHJP

   C01F 11/18 20060101ALI20211021BHJP

【ＦＩ】

   C04B28/02ZAB

   C04B40/02

   C01F11/18 B

【請求項の数】19

【全頁数】29

(21)【出願番号】特願2017-506781(P2017-506781)

(86)(22)【出願日】2015年8月3日

(65)【公表番号】特表2017-527516(P2017-527516A)

(43)【公表日】2017年9月21日

(86)【国際出願番号】US2015043452

(87)【国際公開番号】WO2016022485

(87)【国際公開日】20160211

【審査請求日】2018年8月2日

(31)【優先権主張番号】62/032,862

(32)【優先日】2014年8月4日

(33)【優先権主張国】US

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】515252684

【氏名又は名称】ソリディア テクノロジーズ インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】ＳＯＬＩＤＩＡ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ， ＩＮＣ．

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】100165951

【弁理士】

【氏名又は名称】吉田 憲悟

(72)【発明者】

【氏名】ヴァヒット アタカン

(72)【発明者】

【氏名】ショーン クイン

(72)【発明者】

【氏名】サダナンダ サフー

(72)【発明者】

【氏名】ディーパク ラヴィクマール

(72)【発明者】

【氏名】ニコラス デクリストファロ

【審査官】 西垣 歩美

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−２１３５５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００９／１３３１２０（ＷＯ，Ａ２）

【文献】 特開２００１−３０２２９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１６８４３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１４−５１６０２３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ０４Ｂ ２／００−３２／０２

Ｃ０４Ｂ ４０／００−４０／０６

Ｃ０１Ｆ １／００−１７／３８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＣＳ（珪灰石又は疑似珪灰石）相、Ｃ３Ｓ２（ランキナイト）相、Ｃ２Ｓ（ビーライト、ラルナイト、ブリジガイト）相から選択される１つ以上の個別の結晶性ケイ酸カルシウム相の状態であるケイ酸カルシウムと、
非晶質ケイ酸カルシウム相の状態であるケイ酸カルシウムと、を含む組成物であって、
前記１つ以上の個別の結晶性ケイ酸カルシウム相は、全ての相の３０質量％以上で存在し、
元素Ｃａ及び元素Ｓｉが、前記組成物内に０.８〜１.２のモル比で存在し、且つ、Ａｌ、Ｆｅ及びＭｇの金属酸化物が、前記組成物内に３０質量％以下存在し、
それぞれのケイ酸カルシウム相が、ＣＯ_２により炭酸塩化するのに適しており、前記組成物は、３０℃〜９０℃の温度でＣＯ_２により炭酸塩化し、１０％の質量増加を伴ってＣａＣＯ_３を形成するのに適する、組成物。

【請求項2】

残留ＳｉＯ_２相及び残留ＣａＯ相を含む、請求項１記載の組成物。

【請求項3】

一般組成式(Ca, Na, K)_２[(Mg, Fe²⁺, Fe³⁺, Al, Si)₃O₇]を有する１つ若しくはそれ以上のメリライト型の相、又は、一般組成式Ca_２(Al, Fe³⁺)_２O₅を有するフェライト型の相を有する、請求項１又は２記載の組成物。

【請求項4】

不純物元素のＡｌ、Ｆｅ及びＭｇ又は他の微量不純物が、いずれかの結晶ケイ酸カルシウム内に置換によって存在するか、又は、非晶質ケイ酸カルシウム相内に取り込まれる、請求項１〜３のうちいずれか一項記載の組成物。

【請求項5】

元素Ｓｉに対する元素Ｃａのモル比は、０.９０〜１.１０である、請求項１〜４のうちいずれか一項記載の組成物。

【請求項6】

元素Ｓｉに対する元素Ｃａのモル比は、０.９５〜１.０５である、請求項５記載の組成物。

【請求項7】

元素Ｓｉに対する元素Ｃａのモル比は、０.９８〜１.０２である、請求項６記載の組成物。

【請求項8】

全酸化物質量のうち、Ａｌ、Ｆｅ及びＭｇの金属酸化物を２５質量％以下含む、請求項４〜７のうちいずれか一項記載の組成物。

【請求項9】

全酸化物質量のうち、Ａｌ、Ｆｅ及びＭｇの金属酸化物を１５質量％以下含む、請求項８記載の組成物。

【請求項10】

全酸化物質量のうち、Ａｌ、Ｆｅ及びＭｇの金属酸化物を１０質量％以下含む、請求項９記載の組成物。

【請求項11】

全酸化物質量のうち、Ａｌ、Ｆｅ及びＭｇの金属酸化物を５質量％以下含む、請求項１０記載の組成物。

【請求項12】

反応相が３０質量％以上存在する、請求項１〜１１のうちいずれか一項記載の組成物。

【請求項13】

反応相が５０質量％以上存在する、請求項１２記載の組成物。

【請求項14】

反応相が７０質量％以上存在する、請求項１３記載の組成物。

【請求項15】

反応相が９０質量％以上存在する、請求項１４記載の組成物。

【請求項16】

ＣＳが１０重量％〜６０重量％、Ｃ３Ｓ２が５重量％〜５０重量％、Ｃ２Ｓが５重量％〜６０重量％、及び、Ｃが０重量％〜３重量％存在する、請求項１〜１５のうちいずれか一項記載の組成物。

【請求項17】

ＣＳが２０重量％〜６０重量％、Ｃ３Ｓ２が１０重量％〜５０重量％、Ｃ２Ｓが１０重量％〜５０重量％、及びＣが０重量％〜３重量％存在する、請求項１６記載の組成物。

【請求項18】

前記組成物は、３０℃〜９０℃の温度でＣＯ_２により炭酸塩化し、２０％の質量増加を伴ってＣａＣＯ_３を形成するのに適する、請求項１〜１７のうちいずれか一項記載の組成物。

【請求項19】

前記組成物は、３０℃〜９０℃の温度でＣＯ_２により炭酸塩化し、２５％の質量増加を伴ってＣａＣＯ_３を形成するのに適する、請求項１８記載の組成物。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

優先権及び関連特許出願
本件出願は２０１４年８月４日出願の米国仮出願第６２／０３２，８６２号（その内容全体は参照により本明細書に組み入れられるものとする）の優先権の恩恵を主張する。

【0002】

本発明は、概してケイ酸カルシウムの組成物に関する。より具体的には、新規な炭酸塩化可能なケイ酸カルシウムの組成物及び相、並びにそれらの製造及び使用のための方法に関する。ケイ酸カルシウムの組成物及び相は、炭酸塩化プロセスによって養生させる非水硬性セメントとしての使用に適する。それらは、インフラ、構造物、舗装道路及び造園産業における様々なコンクリート製コンポーネントに適用することができる。

【背景技術】

【0003】

コンクリートは世界中で最も消費される人工材料である。一般的なコンクリートは、ポートランドセメント、水、並びに砂及び砕石のような骨材を混合することによって形成される。ポートランドセメントは、地上の石灰石及び粘土の混合物、又は類似組成の材料を回転キルン内で１４５０℃の焼結温度で燃焼させることによって形成した合成材料である。ポートランドセメント製造は、単にエネルギー集約型のプロセスであるだけでなく、温室効果ガス（ＣＯ_２）を大量に放出する。セメント産業は、地球的規模の人為的ＣＯ_２放出のほぼ５％を占める。このＣＯ_２のうち６０％よりも大きい割合は、石灰石の化学分解又は焼成に由来する。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

セメント産業での全ＣＯ_２放出量を減少する努力が増えてきている。国際エネルギー機関の提案によれば、２００７年の２.０Ｇｔから２０５０年までに２００７年の２.０Ｇｔから１.５５ＧｔにＣＯ_２放出量を減少する必要があるとしている。このことは困難な課題を提示するものであり、なぜなら、これと同一期間で、セメント生産は２.６Ｇｔから４.４Ｇｔに増えることが予想されるからである。

【0005】

この厄介な難題に対処するため、セメント工場におけるエネルギー消費量及びＣＯ_２放出量を大幅に減少するセメント生産の革新的な手法が必要である。理想的には、この新しい手法は、ＣＯ_２を恒久的かつ安全に隔離する能力を提供するとともに、機器及び生産要件に適合しかつ融通性があり、従来のセメント生産を新規なプラットフォームに容易に転換できるようにするのが好ましい。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明のケイ酸カルシウム組成物は、エネルギー消費量及びＣＯ_２放出量を大幅に減少するセメント生産の革新的な手法の基礎を提供する。本発明ケイ酸カルシウム組成物は、広範囲に市販されており低コストの原材料から大量生産に適したプロセスによって形成される。本発明方法は、機器及び生産要件に融通性があり、また普通のセメント製造設備に容易に適合可能である。本発明の新規な手法は、ＣＯ_２を恒久的及び安全に隔離する並外れた能力を提供する。

【0007】

これらケイ酸カルシウム組成物は、構造物、舗装道路及び造園、並びにインフラのような様々な用途に、減少した機器要求量、改善したエネルギー消費量、より望ましい二酸化炭素排出量で使用することができる。

【0008】

一態様において、本発明は、概してケイ酸カルシウム組成物及びそれらの化学的性質に関する。本発明組成物は様々なケイ酸カルシウムを含む。本発明組成物内における元素Ｃａ対元素Ｓｉのモル比は前記約０.８〜約１.２である。本発明組成物は、さらに、Ａｌ、Ｆｅ及びＭｇの金属酸化物を酸化物全体の質量に対して約３０質量％以下含むことができる。ケイ酸カルシウム組成物は、ＣＳ（珪灰石又は疑似珪灰石）相、Ｃ３Ｓ２（ランキナイト）相、Ｃ２Ｓ（ビーライト、又はラルナイト、又はブリジガイト）相、及びすべての相のうち約３０質量％以上あるケイ酸カルシウムをベースとした非晶質相から選択される１つ又はそれ以上の個別ケイ酸カルシウム相のブレンドを備える。非晶質相は、付加的にＡｌ、Ｆｅ及びＭｇのイオン及び原材料に存在する他の微量イオンを取り込むことができる。これらケイ酸カルシウム相それぞれは、ＣＯ_２で炭酸塩化するのに適する。

【0009】

ケイ酸カルシウム組成物は、さらに、僅かな量の残留ＣａＯ（石灰）及び残留ＳｉＯ_２（シリカ）を含むことができる。

【0010】

ケイ酸カルシウム組成物は、さらに、僅かな量のＣ３Ｓ（エーライト、Ｃａ_３ＳｉＯ_５）を含むことができる。

【0011】

Ｃ２Ｓ相は、（Ｃａ_７Ｍｇ(ＳｉＯ_４)_４）（ブリジガイト）又はα-Ｃａ_２ＳｉＯ_４、β-Ｃａ_２ＳｉＯ_４、若しくはγ-Ｃａ_２ＳｉＯ_４の任意な多形体又はそれらの組合せとして存在することができる。

【0012】

ケイ酸カルシウム組成物は、さらに、或る量の不活性相（すなわち、一般的な炭酸塩化条件のもとでは炭酸塩化しない）、例えば、一般組成式(Ca, Na, K)_２[(Mg, Fe²⁺, Fe³⁺, Al, Si)₃O₇]を有するメリライト型無機物（メリライト又はゲーレナイト又はオケルマナイト）、及び一般組成式Ca_２(Al, Fe³⁺)_２O₅を有するフェライト型無機物（フェライト又はブラウンミラライト又はＣ４ＡＦ）を含むことができる。

【0013】

本発明ケイ酸カルシウム組成物は、約３０℃〜約９０℃の温度でＣＯ_２により炭酸塩化し、約１０％の質量増加を伴ってＣａＣＯ_３を形成するのに適する。

【0014】

他の態様において、本発明は、約８μｍ〜約２５μｍの平均粒径（ｄ５０）を有する粉末形態の炭酸塩化可能なケイ酸カルシウムの組成物であって、粒子の１０％（ｄ１０）が約０.１μｍ〜約３μｍ未満の粒径、粒子の９０％（ｄ９０）が約３５μｍ〜約１００μｍより大きい粒径である、炭酸塩化可能なケイ酸カルシウム組成物に関する。

【0015】

さらに他の態様において、本発明は、概して、本明細書に記載のケイ酸カルシウム組成物から生産される炭酸を含む材料に関する。

【0016】

本発明の目的及び特徴は、以下に図面につき説明する記載、及び特許請求の範囲からよりよく理解できるであろう。図面は、必ずしも縮尺どおりではなく、本発明の原理を示す際に誇張して示す。図面において、同一参照符号は全体を通して同一部分を示すのに使用する。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】ＣａＣＯ_３＋ＳｉＯ_２⇔ＣａＳｉＯ_３(ケイ酸カルシウム)＋ＣＯ_２の可逆反応で存在する相を示す圧力−温度状態図である。

【図2】３ＣａＣＯ_３＋２ＣａＳｉＯ_３⇔２Ｃａ_２ＳｉＯ_４・ＣａＣＯ_３＋ＣＯ_２の可逆反応で存在する相を示す圧力−温度状態図である。

【図3】圧力１００ＭＰａ(１キロバール)におけるＣａＯ−ＳｉＯ_２−ＣＯ_２系の状態図である。

【図4】ＭｇＯ＋ＣＯ_２⇔ＭｇＣＯ_３の可逆反応で存在する状態を示す圧力−温度状態図である。

【図5】ＭｇＯ＋ＣＯ_２⇔ＭｇＣＯ_３の可逆反応に対する平衡曲線を、不活性ガス内におけるＣＯ_２の割合の関数として示す圧力−温度状態図である。

【図6】ＣａＣＯ_３−ＭｇＣＯ_３系における種々の相に対する安定領域を示す圧力−温度状態図である。

【図7】化合物ＣａＯ，ＭｇＯ，ＳｉＯ２及びＣＯ_２間の相関係を示す四面体状態図であり、Ｃｃ−Ｄｉ−Ｗｏ平面及びＣｃ−Ｗｏ−Ｍｏ平面(斜線付き)より下側のＣＯ_２不足領域を示し、Ｃｃは方解石、Ｗｏは珪灰石、Ａｋはオケルマナイト、Ｄｉは透輝石、及びＭｏはモンティセライト(ＣａＭｇＳｉＯ_４)を示す。

【図8】化合物ＣａＯ，ＭｇＯ，ＳｉＯ_２及びＣＯ_２間の相関係を、方解石(Ｃｃ)、透輝石(Ｄｉ)、フォルステライト(Ｆｏ)、モンティセライト(Ｍｏ)、オケルマナイト(Ａｋ)、及びＣＯ_２の相を含む四つ一組の不動点から広がるユニバリアント（一変量）曲線とともに示す圧力−温度状態図である。差込図は、ＣａＣＯ_３，ＭｇＯ及びＳｉＯ_２の３化合物系の状態図である。

【図9】本発明原理に従って加湿を行うＣＯ_２複合材料養生チャンバの概略図である。

【図10】複数の湿度制御方法、並びに本発明原理に従って温度制御できる一定フロー又は圧力調節を用いてＣＯ_２制御及び補充する能力を有し、また本発明の原理に従って温度を制御できる養生チャンバの概略図である。

【図11】ＮＹＡＤ４００鉱物珪灰石の６０℃でＣＯ_２との反応後における質量増加の代表的結果を示す。

【図12】幾つかの回転キルンのサンプル材料の、ＣＯ_２との６０℃反応後における質量増加の代表的結果を示す。０時間での質量増加は、粉末を湿らせた後の、遊離石灰の水和反応に起因する質量増加を示す。

【図13a】セメントサンプル１２に関するリートベルト精密化に使用されるＸ線回折データ及び結晶学的ピークの代表的結果を示す。

【図13b】２０時間６０℃炭酸塩化後のセメントサンプル１２に関するリートベルト精密化に使用されるＸ線回折データ及び結晶学的ピークの代表的結果を示す。

【図14】箱形炉内で高純度化学物質から生成したケイ酸カルシウム相におけるＸ線回折パターン及び関連した結晶学的ピークの代表的結果を示す。

【図15a】１０００℃焼成のケイ酸石灰石におけるＸ線回折パターンの代表的結果を示す。

【図15b】１１００℃焼成のケイ酸石灰石におけるＸ線回折パターンの代表的結果を示す。

【図15c】１２００℃焼成のケイ酸石灰石におけるＸ線回折パターンの代表的結果を示す。

【図16】合成高温珪灰石セメントの代表的結果を示す。そのＸ線回折パターンは材料が主にアモルファス（非晶質）構造であることを示す。

【図17】合成珪灰石ガラス（下側）及び６０℃のＣＯ_２養生後における同一サンプル（上側）のＸ線回折スペクトルの代表的結果を示す。

【図18】ジェットミル粉砕した代表的セメント組成物（ＳＣ−Ｃ２）の粒径分布を示す。

【図19】ジェットミル粉砕＋ボールミル粉砕した代表的セメント組成物（ＳＣ−Ｃ２ａ）の粒径分布を示す。

【図20】水対結合材の比を０.３７５としたＳＣ−Ｃ２モルタル及びＣＳ−Ｃ２ａモルタルの流動の代表的データであり、（ａ）はＳＣ−Ｃ２及び（ｂ）はＳＣ−Ｃ２ａ

【図21】ＳＣ−Ｃ２（上側）及びＳＣ−Ｃ２ａ（下側）で形成したコンクリート混合物の異なる条件下での４″×８″シリンダの圧縮強度を示す。（乾燥及び２４時間浸漬は、５つのサンプルそれぞれの平均であり、真空飽和試験は３個のシリンダで行った。）

【図22】閉回路ボールミル内で生成したミル粉砕クリンカーセメントが比較的狭い粒径分布にあることを示す。

【図23】市販のミル粉砕した粉末よりも減少した平均粒径となる広範囲の粒径を得るようミル粉砕したクリンカーを示す。

【図24】市販のミル粉砕した粉末よりも増加した平均粒径となる広範囲の粒径を得るようミル粉砕したクリンカーを示す。

【図25】より粗い粒径及びより細かい粒径となるようミル粉砕した同様の広範囲分布と比較した工業的ミル粉砕セメント（青色）を示す。

【発明を実施するための形態】

【0018】

本発明は、従来のセメントに革新的に取って代わる新規な炭酸塩化可能なケイ酸カルシウム組成物を提供する。これら材料は、エネルギー要求量及びＣＯ_２放出を大幅に減少して生産及び利用できる。本発明による炭酸塩化可能なケイ酸カルシウム組成物は、広範囲に市販されており低コストの原材料から、設備及び生産要件に融通性があって大量生産に適したプロセスによって形成される。この独特な手法は、さらに、ＣＯ_２を恒久的及び安全に隔離する著しい能力を伴う。広範囲の様々な用途が、構造物、舗装道路及び造園から、インフラ及び輸送機関にいたるまで、減少した機器要求量、改善したエネルギー消費量、より望ましい二酸化炭素排出量で、本発明から恩恵を受けることができる。

【0019】

一態様において、本発明は、概して、ケイ酸カルシウム組成物及びその化学的要素に関する。組成物は種々のケイ酸カルシウムを含む。組成物における元素Ｃａ対元素Ｓｉのモル比は、約０.８〜約１.２である。組成物は、ＣＳ（珪灰石又は疑似珪灰石）、Ｃ３Ｓ２（ランキナイト）、及びＣ２Ｓ（ビーライト又はブリジガイト）のうち１つ又は複数から選択した個別の結晶ケイ酸カルシウム相の混合物から成り、相の総質量が約３０％以上となる。このケイ酸カルシウム組成物は、総酸化物質量がＡｌ、Ｆｅ及びＭｇの金属酸化物の約３０以下となり、また約３０℃〜約９０℃の温度でのＣＯ_２による炭酸塩化に適し、約１０％以上の質量増加でＣａＣＯ_３を形成することによって特徴付けられる。

【0020】

ケイ酸カルシウム組成物は、アモルファス（非晶質）ケイ酸カルシウム相を上述の結晶相の他に含むことができる。非晶相は、原材料内に存在する付加的にＡｌ、Ｆｅ及びＭｇのイオン及び原材料内に存在する不純物イオンを取り込むことができる。

【0021】

これらケイ酸カルシウムの結晶相及び非晶相それぞれは、ＣＯ_２による炭酸塩化に適している。

【0022】

ケイ酸カルシウム組成物は、さらに、僅かな量の残留ＣａＯ（石灰）及びＳｉＯ_２（シリカ）を含むことができる。

【0023】

ケイ酸カルシウム組成物は、さらに、僅かな量のＣ３Ｓ（エーライト、Ｃａ_３ＳｉＯ_５）を含むことができる。

【0024】

ケイ酸カルシウム組成物内に存在するＣ２Ｓ相は、α-Ｃａ_２ＳｉＯ_４、β-Ｃａ_２ＳｉＯ_４、若しくはγ-Ｃａ_２ＳｉＯ_４の任意な多形体又はそれらの組合せとして存在することができる。

【0025】

ケイ酸カルシウム組成物は、さらに、或る量の不活性相、例えば、一般組成式(Ca, Na, K)_２[(Mg, Fe²⁺, Fe³⁺, Al, Si)₃O₇]を有するメリライト型無機物（メリライト又はゲーレナイト又はオケルマナイト）、及び一般組成式Ca_２(Al, Fe³⁺)_２O₅を有するフェライト型無機物（フェライト又はブラウンミラライト又はＣ４ＡＦ）を含むことができる。若干の実施形態において、ケイ酸カルシウム組成物は非晶相のみを有する。若干の実施形態において、ケイ酸カルシウム組成物は結晶相のみを有する。若干の実施形態において、ケイ酸カルシウム組成物のうち幾つかは非晶相で存在し、幾つかは結晶相で存在する。

【0026】

若干の好適な実施形態において、ケイ酸カルシウム組成物における元素Ｃａ対元素Ｓｉのモル比は約０.８０〜約１.２０である。若干の好適な実施形態において、組成物におけるＣａ対Ｓｉのモル比は約０.８５〜約１.１５である。若干の好適な実施形態において、組成物におけるＣａ対Ｓｉのモル比は約０.９０〜約１.１０である。若干の好適な実施形態において、組成物におけるＣａ対Ｓｉのモル比は約０.９５〜約１.０５である。若干の好適な実施形態において、組成物におけるＣａ対Ｓｉのモル比は約０.９８〜約１.０２である。若干の好適な実施形態において、組成物におけるＣａ対Ｓｉのモル比は約０.９９〜約１.０１である。

【0027】

ケイ酸カルシウム組成物に含まれるＡｌ，Ｆｅ及びＭｇの金属酸化物は、概して約３０％未満に制御する。若干の好適な実施形態において、組成物は総酸化物質量に対してＡｌ，Ｆｅ及びＭｇの金属酸化物を約２０質量％以下有する。若干の好適な実施形態において、組成物は総酸化物質量に対してＡｌ，Ｆｅ及びＭｇの金属酸化物を約１５質量％以下有する。若干の好適な実施形態において、組成物は総酸化物質量に対してＡｌ，Ｆｅ及びＭｇの金属酸化物を約１２質量％以下有する。若干の好適な実施形態において、組成物は総酸化物質量に対してＡｌ，Ｆｅ及びＭｇの金属酸化物を約１０質量％以下有する。若干の好適な実施形態において、組成物は総酸化物質量に対してＡｌ，Ｆｅ及びＭｇの金属酸化物を約５質量％以下有する。

【0028】

これらケイ酸カルシウム相それぞれは、ＣＯ_２による炭酸塩化に適する。以下に炭酸塩化に適する個別のケイ酸カルシウム相を反応相（reactive phase）と称する。

【0029】

反応相は任意の適当な量で組成物内に存在することができる。若干の好適な実施形態において、反応相は約５０質量％以上で存在する。若干の好適な実施形態において、反応相は約６０質量％以上で存在する。若干の好適な実施形態において、反応相は約７０質量％以上で存在する。若干の好適な実施形態において、反応相は約８０質量％以上で存在する。若干の好適な実施形態において、反応相は約９０質量％以上で存在する。若干の好適な実施形態において、反応相は約９５質量％以上で存在する。

【0030】

種々の反応相は反応相全体における任意の適切な割合を占める。若干の好適な実施形態において、ＣＳの反応相は約１０〜約６０重量％（例えば、約１５重量％〜約６０重量％、約２０重量％〜約６０重量％、約２５重量％〜約６０重量％、約３０重量％〜約６０重量％、約３５重量％〜約６０重量％、約４０重量％〜約６０重量％、約１０重量％〜約５０重量％、約１０重量％〜約４０重量％、約１０重量％〜約３０重量％、約１０重量％〜約２５重量％、約１０重量％〜約２０重量％、）存在し；Ｃ３Ｓ２の反応相は約５〜約５０重量％（例えば、約１０重量％〜約５０重量％、約１５重量％〜約５０重量％、約２０重量％〜約５０重量％、約３０重量％〜約５０重量％、約４０重量％〜約５０重量％、約５重量％〜約４０重量％、約５重量％〜約３０重量％、約５重量％〜約２５重量％、約５重量％〜約２０重量％、約５重量％〜約１５重量％）存在し；及びＣ２Ｓの反応相は約５重量％〜約６０重量％（例えば、約１０重量％〜約６０重量％、約２０重量％〜約６０重量％、約２５重量％〜約６０重量％、約３０重量％〜約６０重量％、約３５重量％〜約６０重量％、約４０重量％〜約６０重量％、約５重量％〜約５０重量％、約５重量％〜約４０重量％、約５重量％〜約３０重量％、約５重量％〜約２５重量％、約５重量％〜約２０重量％、約５重量％〜約２０重量％）存在し、またＣは約０重量％〜約３重量％（例えば、０重量％、１重量％以下、２重量％以下、約３重量％以下、約１重量％〜約２重量％、約１重量％〜約３重量％、約２重量％〜約３重量％）存在する。

【0031】

若干の実施形態において、反応相は、ケイ酸カルシウムベースの非晶相を、例えば、相の全体質量に対して約４０質量％以上（例えば、約４５質量％以上、約５０質量％以上、約５５質量％以上、約６０質量％以上、約６５質量％以上、約７０質量％以上、約７５質量％以上、約８０質量％以上、約８５質量％以上、約９０質量％以上、約９５質量％以上）有する。非晶相は原材料に存在する不純物イオンを付加的に組み入れることができる点を付記する。

【0032】

本発明のケイ酸カルシウム組成物は、ＣＯ_２による炭酸塩化に適する。とくに、ケイ酸カルシウムの組成物は、約３０℃〜約９０℃の温度でＣＯ_２により炭酸塩化し、約２０％以上の質量増加でＣａＣＯ_３を形成するのに適する。この質量増加は、炭酸塩生成物内へのＣＯ_２の正味隔離を反映する。若干の好適な実施形態において、組成物は、約３０℃〜約９０℃の温度（例えば、約４０℃〜約９０℃、約５０℃〜約９０℃、約６０℃〜約９０℃、約３０℃〜約８０℃、約３０℃〜約７０℃、約３０℃〜約６０℃、約４０℃〜約８０℃、約４０℃〜約７０℃、約４０℃〜約６０℃）の温度でＣＯ_２により炭酸塩化し、１０％以上（例えば、１５％以上、２０％以上、２５％以上、３０％以上）の質量増加でＣａＣＯ_３を形成するのに適する。

【0033】

他の態様において、本発明は、概して、本明細書に記載のケイ酸カルシウム組成物から生成される炭酸塩化材料に関する。

【0034】

さらに他の態様において、本発明は、概して、約８μｍ〜約２５μｍの平均粒径（ｄ５０）で、粒子の１０％（ｄ１０）が約０.１μｍ〜３μｍ以下のサイズ及び粒子の９０％（ｄ９０）が約３５μｍ〜１００μｍ以上のサイズを有する粉末形態の炭酸塩化可能なケイ酸カルシウム組成物に関する。

【0035】

若干の好適な実施形態において、ｄ９０：ｄ１０の比は、改善した粉末フロー又は注型成形のための減少した水要求量が得られるよう選択する。若干の好適な実施形態において、ｄ５０：ｄ１０の比は、改善した反応性、改善した梱包性、又は注型成形のための減少した水要求量が得られるよう選択する。若干の好適な実施形態において、ｄ９０：ｄ５０の比は、改善した反応性、改善した梱包性、又は注型成形のための減少した水要求量が得られるよう選択する。

【0036】

任意の適当なケイ酸カルシウム組成物は、結合要素のための前駆体として使用することができる。本明細書で使用する用語「ケイ酸カルシウム組成物」は、概して、ＣＳ（珪灰石又は疑似珪灰石、及びときにはＣａＳｉ_３Ｏ又はＣａＯ・ＳｉＯ_２として配合されたもの）、Ｃ３Ｓ２（ランキナイト、及びときにはＣａ_３Ｓｉ_２Ｏ_７又は３ＣａＯ・２ＳｉＯ_２として配合されたもの）、Ｃ２Ｓ（ビーライト、β-Ｃａ_２ＳｉＯ_４又はラルナイト、β-Ｃａ_２ＳｉＯ_４又はブリジガイト、α-Ｃａ_２ＳｉＯ_４若しくはγ-Ｃａ_２ＳｉＯ_４、及びときにはＣａ_２ＳｉＯ_４又は２ＣａＯ・ＳｉＯ_２として配合されたもの）、ケイ酸カルシウムベースの非晶相を含むケイ酸カルシウム相の１つ又は複数のグループから構成される天然に存在する鉱物又は合成物質に言及し、これら物質それぞれは、１つ若しくは複数の他の金属イオン及び酸化物（例えば、アルミニウム、マグネシウム、鉄若しくは酸化マンガン）若しくはそれらの混合物を含む、又は微量（１重量％）〜約５０重量％以上の範囲にわたる量の天然で存在する若しくは合成の形態におけるケイ酸マグネシウムを含むことができる。

【0037】

好適には、本発明のケイ酸カルシウム組成物は水和させないことに留意されたい。しかし、僅かな量の水和可能なケイ酸カルシウム相（例えば、Ｃ２Ｓ，Ｃ３Ｓ及びＣａＯ）は存在することができる。Ｃ２Ｓは、水にさらされるとき、緩慢な動力学の水和反応を呈し、ＣＯ_２養生プロセス中には急速にＣａＣＯ_３に転換する。Ｃ３Ｓ及びＣａＯ水和物は、水にさらされる際に急速にＣａＣＯ_３に転換し、したがって、５質量％未満（＜５質量％）に制限すべきである。

【0038】

ケイ酸カルシウム組成物に含まれるケイ酸カルシウム相は水に晒されるとき水和しない。結合剤としてケイ酸カルシウム組成物を使用して生成されるこの複合物は、水と組み合わさるとき大きな強度を生じない。強度創出は、ケイ酸カルシウム組成物を含む複合物をＣＯ_２が存在する特定養生状況に晒すことによって制御する。

【0039】

本明細書に記載したケイ酸カルシウム組成物、相及び方法は、ケイ酸カルシウム相の代わりに、又はそれに付加してケイ酸マグネシウム相を使用するのに採用することができると理解されたい。本明細書に使用する用語「ケイ酸マグネシウム」は、例えば、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４（「フォルステライト」としても知られている）及びＭｇ_３Ｓｉ_４Ｏ_１０(ＯＨ)_２（「タルク」としても知られている）及びＣａＭｇＳｉＯ_４（「モンティセライト」としても知られている）よりなるグループのうち１つ又は複数のものを含む天然に存在する鉱物又は合成物質であって、これら材料それぞれは、１つ又は複数の他の金属イオン及び酸化物（例えば、酸化カルシウム、酸化アルミニウム、酸化鉄又は酸化マグネシウム）、若しくはそれらの混合物を含むか、又は天然に存在する若しくは合成の形態としてのケイ酸カルシウムを微量（１重量％）〜約５０重量％又はそれ以上にわたる量で含むものとすることができる。

【0040】

本発明による炭酸塩化可能な組成物の大きな実用性は、炭酸塩化して様々な用途に有用な複合材料を形成する点である。炭酸塩化は、例えば、制御した熱水液相焼結（ＨＬＰＳ：Hydrothermal Liquid Phase Sintering）プロセスによりＣＯ_２と反応させて複合材料の種々の成分を一緒に保持する結合要素を生成することで実施することができる。例えば、本発明の好適な実施形態において、ＣＯ_２は、生産される複合材料におけるＣＯ_２隔離及び結合要素生成を生ずる反応種として使用され、二酸化炭素排出量の点で既存の生産技術とは格段の相違がある。ＨＬＰＳプロセスは、化学反応の自由エネルギー及び結晶成長で生ずる表面エネルギー（面積）減少によって熱力学的に推進される。ＨＬＰＳプロセスの反応速度論は低温度かつ適度な速度で進行し、これはすなわち、高融点流体又は高温固相媒体を使用する代わりに、溶液（水性又は非水性）を使用して反応種を輸送するからである。

【0041】

ＨＬＰＳの様々な特徴の論考は、米国特許第８，１１４，３６７号、米国特許出願公開第２００９／０１４３２１１号（米国特許出願第１２／２７１，５６６号）、米国特許出願公開第２０１１／０１０４４６９号（米国特許出願第１２／９８４，２９９号）、米国特許出願公開第２００９／０１４２５７８号（米国特許出願第１２／２７１，５１３号）、米国特許出願公開第２０１３／０１２２２６７号（米国特許出願第１３／４１１，２１８号）、米国特許出願公開第２０１２／０３１２１９４号（米国特許出願第１３／４９１，０９８号）、国際公開第２００９／１０２３６０号（ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０８３６０６号）、国際公開第２０１１／０５３５９８号（ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０５４１４６号）、国際公開第２０１１／０９０９６７号（ＰＣＴ／ＵＳ２０１１／０２１６２３号）、２０１３年１０月３日出願の米国仮出願第１４／０４５，７５８号、同第１４／０４５，５１９号、同第１４／０４５，７６６号、同第１４／０４５，５４０号、２０１４年３月１２日出願の米国特許出願第１４／２０７，４１３号、同第１４／２０７，４２１号、２０１４年３月１３日出願の米国特許出願第１４／２０７，９２０号、同第１４／２０９，２３８号、２０１４年６月４日出願の米国特許出願第１４／２９５，６０１号、同第１４／２９５，４０２号に見ることができ、これら文献それぞれはあらゆる目的のために参照することにより、表現されたとおりに全体が本明細書に組み入れられるものとする。

【0042】

図１〜図８は、上述の材料の幾つかにおける様々な相の相関関係を示す相状態図である。図９は、本発明の原理による加湿を行うＣＯ_２複合材料養生チャンバの概略図である。図９において、水源を設け、また水蒸気を、養生チャンバ内を循環している空気に添加する。図１０は、複数の湿度制御方法並びに一定フロー又は圧力調節でＣＯ_２を制御及び補充する能力を有し、本発明の原理によって温度制御することができる養生チャンバの概略図である。このシステムは、閉ループ制御又はフィードバック使用の制御を行うシステムの一例であり、特定時点で望ましいＣＯ_２濃度、湿度、及び温度のような動作パラメータの設定値を設け、また制御しているパラメータの実際値が所望値であるか否かを見る測定値をとる。

【0043】

本発明組成物の炭酸塩化における幾つかの実施形態において、すりつぶしたケイ酸カルシウム組成物を使用する。すりつぶしたケイ酸カルシウムは、約１μｍ〜約１００μｍにわたる範囲（例えば、約１μｍ〜約８０μｍ、約１μｍ〜約６０μｍ、約１μｍ〜約５０μｍ、約１μｍ〜約４０μｍ、約１μｍ〜約３０μｍ、約１μｍ〜約２０μｍ、約１μｍ〜約１０μｍ、約５μｍ〜約９０μｍ、約５μｍ〜約８０μｍ、約５μｍ〜約７０μｍ、約５μｍ〜約６０μｍ、約５μｍ〜約５０μｍ、約５μｍ〜約４０μｍ、約１０μｍ〜約８０μｍ、約１０μｍ〜約７０μｍ、約１０μｍ〜約６０μｍ、約１０μｍ〜約５０μｍ、約１０μｍ〜約４０μｍ、約１０μｍ〜約３０μｍ、約１０μｍ〜約２０μｍ、約１μｍ、約１０μｍ、約１５μｍ、約２０μｍ、約２５μｍ、約３０μｍ、約４０μｍ、約５０μｍ、約６０μｍ、約７０μｍ、約８０μｍ、約９０μｍ、約１００μｍ）の中央値粒径と、約０.５ｇ／ｍＬ〜約３.５ｇ／ｍＬ（ルーズな、約０.５ｇ／ｍＬ、約１.０ｇ／ｍＬ、約１.５ｇ／ｍＬ、約２.０ｇ／ｍＬ、約２.５ｇ／ｍＬ、約２.８ｇ／ｍＬ、約３.０ｇ／ｍＬ、約３.５ｇ／ｍＬ）及び約１.０ｇ／ｍＬ〜約１.２ｇ／ｍＬ（タップした）のかさ密度と、約１５０ｍ^２／ｋｇ〜約７００ｍ^２／ｋｇ（例えば、１５０ｍ^２／ｋｇ、２００ｍ^２／ｋｇ、２５０ｍ^２／ｋｇ、３００ｍ^２／ｋｇ、３５０ｍ^２／ｋｇ、４００ｍ^２／ｋｇ、４５０ｍ^２／ｋｇ、５００ｍ^２／ｋｇ、５５０ｍ^２／ｋｇ、６００ｍ^２／ｋｇ、６５０ｍ^２／ｋｇ、７００ｍ^２／ｋｇ）のブレーン比表面積と、を有することができる。

【0044】

任意の適当な骨材、例えば、酸化カルシウム含有又はシリカ含有の複合材料を使用して、本発明の炭酸塩化可能な組成物から複合材料を形成することができる。代表的な骨材としては、トラップ岩、建設用の砂、玉砂利のような不活性材料がある。若干の好適な実施形態において、パーライト又はバーミキュライトのような軽量骨材も骨材として使用することができる。産業廃棄材（例えば、フライアッシュ、スラグ、シリカヒューム）のような材料も微細増量剤として使用することができる。

【0045】

複数種類の骨材は任意の適当な平均粒径及びサイズ分布を有することができる。若干の実施形態において、複数種類の骨材は、約０.２５ｍｍ〜約２５ｍｍにわたる範囲内（例えば、約５ｍｍ〜約２０ｍｍ、約５ｍｍ〜約１８ｍｍ、約５ｍｍ〜約１５ｍｍ、約５ｍｍ〜約１２ｍｍ、約７ｍｍ〜約２０ｍｍ、約１０ｍｍ〜約２０ｍｍ、約１／８″、約１／４″、約３／８″、約１／２″、約３／４″）における平均粒径を有する。

【0046】

化学的混和剤、例えば、可塑剤、遅延剤、促進剤、分散剤、及び他のレオロジー変性剤を複合材料に含ませることができる。若干の市場で入手可能な化学的混和剤としては、例えば、ＢＡＳＦ（登録商標）ケミカル社によるＧｌｅｎｉｕｍ（商標名）７５００及びダウ・ケミカル社によるＡｃｕｍｅｒ（商標名）がある。若干の実施形態において、所望の複合材料に基づいて、１つ又は複数の顔料を結合母材に均一に分散又はほぼ不均一に分散させることができる。顔料は、任意の適当な顔料、例えば、種々の金属酸化物（例えば、黒色酸化鉄、酸化コバルト、及び酸化クロム）とすることができる。顔料は、黒、白、青、グレー、ピンク、緑、赤、黄、及び茶から選択した任意な色とすることができる。顔料は、所望の複合材料に基づいて、任意の適当な量、例えば、約０.０重量％〜約１０重量％の範囲にわたる量にして存在させることができる。

【0047】

様々な複合材製品は、本発明の炭酸塩化可能なケイ酸カルシウム組成物からオートクレーブを必要とせず、また連続大量生産に適したプロセスによって生産することができる。この生産方法は、経済性及び環境インパクトの点で従来の透過性コンクリートよりも大きな改善がなされている。

【実施例】

【0048】

炭酸塩化可能なケイ酸カルシウム組成物及び相
ＮＹＡＤ４００鉱物珪灰石製品（ＣａＳｉＯ３、ＮＹＣＯ鉱物）は、特注したリアクタ（化学反応炉）内でＣＯ２養生状況に晒し、この組成物の炭酸塩化する能力を実証した。このリアクタは、３９リットルの殺菌消毒容器であり、水中に浸漬させた抵抗加熱素子を有するステンレス鋼タンクから構成する。容器に対する蓋はＣＯ_２ガスを注入及び放出できるよう機械加工する。容器の蓋はファンを有し、このファンは外部撹拌装置によって制御することができる。サンプルは、水面レベルより上方かつ水滴のランダム落下がプロセスを干渉しないようにする金属コーン下方において、ワイヤトレイ上で反応させた。サンプルは、６０℃で水が部分的に飽和した撹拌ＣＯ_２雰囲気の下に炭酸塩化した。サンプルは、時間の長さが変動して反応させることができ、またＣＯ_２被曝からの質量増加を決定するよう分析した。これらの実験結果を図１１に示す。

【0049】

実験用回転キルン内における石灰石、粘度及び砂からのケイ酸カルシウム組成物合成
天然資源の石灰石、粘度及び砂を使用して直接燃焼式回転キルン内でケイ酸カルシウム組成物を合成した。３つの異なる原材料混合物は平均粒径（ｄ５０）が〜３０μｍになるようすりつぶした。これら混合物は以下の表２に記載する。表２における「ミル設定」は、原材料混合物を一斉にすりつぶしたか、又は個別成分材料のミル粉砕後にブレンドしたかを示す。

【0050】

【表1】

【0051】

原材料のすりつぶしに続いて、粒状化プロセスを採用して実験用回転キルン内に適正な材料フローを生ずることができるようにする。

【0052】

粒状化した原材料を、表３に記載の寸法及び動作パラメータを有する天然ガス直接燃焼回転キルン内に送給した。回転キルン内で生じたケイ酸カルシウム組成物は、「クリンカー」形態、すなわち、直径が約１〜４ｍｍの小さい顆粒となって出現した。このクリンカーは、分析前に約１２μｍの平均粒径（ｄ５０）の粉末になるようすりつぶした。

【0053】

【表2】

【0054】

すりつぶしたクリンカーのサンプルを特注したリアクタ内でＣＯ２養生状況に晒した。サンプルは、６０℃で水が部分的に飽和した撹拌ＣＯ_２雰囲気の下に炭酸塩化した。サンプルは、時間の長さが変動して反応させることができ、またＣＯ_２被曝からの質量増加を決定するよう分析した。これらの実験結果を図１２に示す。

【0055】

表４は、すりつぶしたクリンカー（サンプル１２；as-is）に存在する鉱物学的相の、及びＣＯ_２養生状況に晒したすりつぶしクリンカーのＸ線回折（ＸＲＤ）定量化値を列挙する。（サンプル１２；炭酸塩化(２０時間)）。サンプル１２は、〜１２２０℃のピークキルン温度で燃焼させた、石灰石、粘度及び砂をブレンドした２Ｔに言及する。

【0056】

【表3】

【0057】

箱形炉内における純化学試薬から生成したケイ酸カルシウム組成物合成
合成したケイ酸カルシウム組成物は、さらに、形成されるケイ酸カルシウム相及びそれらの炭酸塩化の際における挙動を究明するため、純化学試薬からも生成した。サンプルは、６０ｇのＳｉＯ_２（エボニック・インダストリーズ社からのヒュームド・シリカ、Ａｅｒｏｓｉｌ９８）及び１００ｇのＣａＣＯ_３（シグマ アルドリッチ社、Ｃ６７６３）により合成した。それら成分は、焼成後におけるＣａＳｉＯ_３のバルク化学量論を得るため比例配分した。それら成分は、ＰＴＦＥ容器内で水と混合させまた転動させて顆粒化した。この湿った顆粒は、次に対流オーブン内で乾燥し、また箱形炉（セントロテック社、ST-1500C-121216）内で１０℃／分の加熱速度で１２００℃にし、また１時間にわたりピーク温度を保持して燃焼させた。ケイ酸カルシウム組成物は、次にミル粉砕し（レッチ社、ＰＭ１００）、また６０℃で水が部分的に飽和した撹拌ＣＯ_２雰囲気の下に炭酸塩化した。ミル粉砕したケイ酸カルシウム組成物及び炭酸塩化したケイ酸カルシウム組成物をＸＲＤによって分析した。図１３ａに示すＸＲＤデータは、ＣａＳｉＯ_３のバルク化学量論を有する混合物内においてさえも生ずる、３つすべての結晶炭酸塩化可能な種（珪灰石／疑似珪灰石、ランキナイト、ラルナイト）の展開を示す。図１３ｂは、ＣＯ２内での養生後の炭酸塩化した種である、方解石、アラゴナイト及びバテライトの存在を示す。

【0058】

箱形炉内におけるケイ酸石灰石からのケイ酸カルシウム組成物合成
天然資源のケイ酸石灰石を用いて、不純物がある天然資源材料から高温で形成されるケイ酸カルシウム相を究明した。石灰石は、天然で元素Ｃａ対元素Ｓｉのモル比（Ｃａ：Ｓｉ）が１.１２であり、したがって、ケイ酸カルシウム組成物合成用の唯一の原材料として作用することができる。石灰石の化学的要素を表５に示す。

【0059】

【表4】

【0060】

石灰石はすりつぶして粉末にし、次いで顆粒化した。顆粒化した材料は、箱形炉内で１０℃／分の割合で１０００℃〜１２５０℃の間における温度にし、３時間その温度を保持して燃焼させた。炉実験の生成物をすりつぶして粉末にし、ＸＲＤで分析し、炭酸塩化したケイ酸カルシウム相の展開を定量化した。異なる温度で焼成したケイ酸石灰石におけるＸ線回折定量化結果を表６及び図１５ａ〜１５ｃに示す。

【0061】

【表5】

【0062】

これら実験に続いて、この石灰石を多量に調合し、また粉砕の箱形炉内で上述したように処理した。次いでこの材料をミル粉砕して約１２μｍの平均粒径（ｄ５０）の粉末にし、コンクリート配合物（ミックス）内に組み入れた。この配合物は、４″×８″シリンダ内に振動投入によって形成した。このシリンダは、６０℃のＣＯ_２環境で炭酸塩化した。養生後、サンプルの圧縮強度を試験した。コンクリートサンプルは、１０８１８±８７２psiの平均強度を示した。コンクリートの設計を表７に示す。

【0063】

【表6】

【0064】

非晶質ケイ酸カルシウム相の調合及び炭酸塩化
結晶ケイ酸カルシウム相の炭酸塩化に加えて、非晶質（アモルファス）状態のケイ酸カルシウムを炭酸塩化することができる。合成ケイ酸カルシウム組成物は高純度石灰石及び高純度砂の１５００℃での燃焼により生成した。この結果生じた材料を約１２μｍの平均粒径（ｄ５０）の粉末にミル粉砕した。このケイ酸カルシウム組成物は、Ｘ線蛍光で測定するとＣａ：Ｓｉモル比が１.０８であることを示し（表８）、このことは、上述のサンプルで説明したケイ酸カルシウム組成物に類似する。それでも、図１６に示すこのケイ酸カルシウム組成物のＸＲＤパターンは、大部分が非晶質であることを表している（リートベルト精密化によれば＞９５％の非晶質）。

【0065】

この組成物を水が部分的に飽和した撹拌ＣＯ２雰囲気の下に６０℃で反応させることによって炭酸塩化した。１８時間にわたる炭酸塩化後には、サンプルは有意な結晶ケイ酸カルシウム相がない状態にも係わらず２５％の質量増加を示した。

【0066】

【表7】

【0067】

Ca:Siモル比1:1のAl₂O₃含有非晶質ケイ酸カルシウム組成物調製及び炭酸塩化
Ａｌ_２Ｏ_３を含有する非晶質ケイ酸カルシウム組成物を、その炭酸塩化の潜在能力を検証するため、化学等級試薬から調製した。サンプルは、６０ｇのＳｉＯ_２（ＵＳシリカ社、Min-u-sil 5）、１００ｇのＣａＣＯ_３（シグマアルドリッチ社、Ｃ６７６３）、及び可変量のＡｌ（ＯＨ）_３（シグマアルドリッチ社、２３９１８６）から形成した。この原材料を手作業で混合し、また底部負荷炉（セントロテック社、ST-1600C101012-BL）で１０℃／分の速度で１６００℃にして燃焼させた。１時間にわたり最大温度に保持した後、材料を炉から取り出し、また即座にスチール製プレート上に流し載せることによって急冷した。結果として生じた非晶質ケイ酸カルシウム組成物を約１２μｍの平均粒径（ｄ５０）の粉末にミル粉砕し、また水が部分的に飽和した撹拌ＣＯ２雰囲気の下に６０℃で２０時間にわたり炭酸塩化した。ケイ酸カルシウム組成物サンプルは、炭酸塩化前及び後にＸＲＤによって分析し、それらの結晶化度を決定し、また炭酸塩化生成物を同定
した。これらの実験結果を表９にまとめた。サンプル１に関して炭酸塩化の前及び後に得られたＸＲＤパターンの比較を図１７に示す。

【0068】

【表8】

【0069】

様々な不純物を含むケイ酸カルシウムの合成及び炭酸塩化
ケイ酸カルシウムは、一連のＡｌ_２Ｏ_３、Ｆｅ_２Ｏ_３、及びＭｇＯの不純物を有して、Ｃａ：Ｓｉモル比が１.１となるサンプルが得られ、ケイ酸カルシウム組成物におけるこれら不純物の効果を決定するため、化学等級試薬を様々な割合で混合することによって調製した。ＣａＣＯ_３（シグマアルドリッチ社、Ｃ６７６３）、ＳｉＯ_２（ＵＳシリカ社、Min-u-sil 5）、Ａｌ（ＯＨ）_３（シグマアルドリッチ社、２３９１８６）、Ｆｅ_２Ｏ_３（フィッシャー・サイエンティフィック社、Ｉ１１６）、及びＭｇＣＯ_３（シグマアルドリッチ社、３４２７９３）をサンプル合成に使用した。これらサンプルにおける不純物レベルの明細を図１０に示す。サンプルは手作業で調合及び混合し、油圧プレスを用いて２５．４ｍｍ（１インチ）直径のペレットにプレス加工した。これらペレットを箱形炉内で１０℃／分の速度で１１５０℃及び１２５０℃の温度にし、その温度を１時間保持して燃焼させた。この燃焼に続いて、サンプルを粉末になるまでミル粉砕した。ミル粉砕したセメントをＸ線回折によって分析した。ＸＲＤ分析結果を、１１５０℃サンプルに関する表１１、及び１２５０゜に関する表１２に示す。

【0070】

【表9】

【0071】

【表10】

【0072】

【表11】

【0073】

様々なＣａ：Ｓｉモル比のケイ酸カルシウムの合成及び炭酸塩化
ケイ酸カルシウムは、Ｃａ：Ｓｉモル比が０.８〜１.２にわたり変動するサンプルが得られ、ケイ酸カルシウム組成物におけるその効果を決定するため、化学等級試薬を様々な割合で混合することによって調製した。ＣａＣＯ_３（シグマアルドリッチ社、Ｃ６７６３）及びＳｉＯ_２（ＵＳシリカ社、Min-u-sil 5）をサンプル合成に使用した。サンプルは手作業で調合及び混合し、油圧プレスを用いて２５．４ｍｍ（１インチ）直径のペレットにプレス加工した。これらペレットを箱形炉内で１０℃／分の速度で１２５０℃の温度にし、その温度を１時間保持して燃焼させた。この燃焼に続いて、サンプルを粉末になるまでミル粉砕した。ミル粉砕したセメントをＸ線回折によって表１３に示すように分析した。

【0074】

【表12】

【0075】

粒径分布統計値
図１８及び１９は、狭域粒径分布及び広域粒径分布となるようミル粉砕した２種類のケイ酸カルシウム組成物の粒径分布曲線のプロファイルを示す。SC-C2はジェットミルで粗く粉砕した粉末によって生成し、またSC-C2aはボールミルで粗く粉砕した粉末によって生成した。

【0076】

【表13】

【0077】

SC-C2及びSC-C2aの粉末のパッキング特性を、モルタルで行った以下の試験によって測定した。モルタルは、実験用ケイ酸カルシウム組成物をASTM C109標準砂（フンボルト・マニファクチャリング社、H-3825）と混合して、ケイ酸カルシウム組成物対砂の質量比が１：３、水対ケイ酸カルシウム組成物の質量比が０.３７５となるように生成した。モータ作動フローテーブル上における２０回タップ後のモルタルの流動を測定した。図２０はSC-C2aで調製したモルタルの流動特性の大きな改善を示す。この結果は、広域SC-C2aで調製した混合物の方が狭域SC-C2で形成した比較コンクリートよりも望ましい流動挙動を得るのに水が少なくて済むことを示す。

【0078】

炭酸塩化したコンクリートの乾燥状態及び水飽和状態における圧縮強度を測定するため、直径１０.１６ｃｍ×高さ２０.３２ｃｍ（４″Ｄ×８″Ｈ）の寸法のコンクリートシリンダを調製した。コンクリートサンプルの乾燥成分を表１５に列挙した比率で混合した。

【0079】

【表14】

【0080】

Ｇｌｅｎｉｕｍ７５００（ＢＡＳＦ社）を減水混和材として使用し、低い水対ケイ酸カルシウム組成物比でケイ酸カルシウム組成物を分散させ易くした。結合材を１０ｍＬ／Ｋｇの投与量ですべての混合物に使用した。０.２７１の水対ケイ酸カルシウム組成物比を用いた。

【0081】

コンクリートシリンダを６０℃の高濃度ＣＯ_２環境下で養生させた。結果として生じたコンクリートシリンダを、適用可能なASTM C-39につき乾燥状態及び湿潤状態の双方で試験した。水を飽和させた試験に関しては、シリンダを２４時間にわたり水に浸し、その微細構造に水を飽和させた。さらに、SC-C2aサンプルは２４時間真空飽和に晒し、微細構造まで完全真空飽和させた。この試験結果は、広域SC-C2aケイ酸カルシウム組成物で作製したサンプルの圧縮強度が向上したことを示す（図２１参照）。さらに、サンプルに水を飽和させる際の圧縮強度の相対変化は、広域分布ケイ酸カルシウム組成物を使用するとき減少することが分かる。

【0082】

SC-L−超広域分布
図２２は、目標粒径分布を得るため工業用閉回路ボールミル内でミル粉砕したケイ酸カルシウム組成物クリンカーの粒径分布曲線プロファイルを示す。このケイ酸カルシウム組成物を生成するのに使用した同一クリンカーを、図２３の場合はより高い平均粒径（ｄ５０）となり、図２４の場合は広域粒径（ｄ５０）となるよう広域粒径を生成するのに異なる媒剤を充填したバッチ式ボールミルでミル粉砕した。これら分布は図２５で重ね合わせて示す。

【0083】

【表15】

【0084】

【表16】

【0085】

本明細書及び特許請求の範囲において、単数形「a」、「an」及び「the」は文脈がそうでないと明示しない限り、複数言及を含む。

【0086】

それ以外を定義しない限り、本明細書で使用する全ての技術的及び科学的用語は、当業者が共通して理解されるものと同一の意味を持つ。本明細書に記載したのと類似又は等価である任意の方法及び材料は本発明の実施又は試験に使用することもできるが、好適な方法及び材料を説明した。本明細書に記載の方法は、本明細書に記載の特定の順序の他に論理的に可能である任意な順序で実施することができる。

【0087】

参照による組み入れ
特許、特許出願、特許刊行物、定期刊行物、書籍、新聞、ウェブコンテンツのような他の文献に対する参照及び引用を本明細書で行った。このような文献のすべては、参照によってすべての目的のために全体を本明細書に組み入れられるものとする。参照により本明細書に組み入れられる任意の資料又はその一部は、本明細書で明確に述べた現行の定義、ステートメント、又は他の開示資料と矛盾することがあっても、組み入れられた資料と本明細書の資料との間で矛盾が生じない程度にのみ組み入れられるものとする。矛盾を生じた場合、この矛盾は、好適な開示として本発明に有利となるよう解決される。

【0088】

均等物
本明細書に記載の代表的実施例は、本発明を説明するのに役立てることを意図し、本発明の範囲を制限することは意図しない、又は制限すると解すべきではない。実際、本明細書に示しまた記載した他に、本発明の種々の変更例及びその他多くの実施形態も、当業者にとっては、後続の実施例並びに本明細書に引用した科学的文献及び特許文献に対する参照も含めて本明細書の全内容から明らかであろう。後続の実施例は、種々の実施形態及びその均等物として本発明を実施するのに適用できる重要な付加的情報、例証、及びガイダンスを含む。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13a】

【図13b】

【図14】

【図15a】

【図15b】

【図15c】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】