特表 2024-538709 補助セメント系材料の製造方法、およびそれから製造された補助セメント系材料

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-10-23

(54)【発明の名称】補助セメント系材料の製造方法、およびそれから製造された補助セメント系材料

(51)【国際特許分類】

   C04B 14/04 20060101AFI20241016BHJP

   C04B 18/16 20230101ALI20241016BHJP

   C04B 18/12 20060101ALI20241016BHJP

   C04B 20/00 20060101ALI20241016BHJP

   C04B 28/02 20060101ALI20241016BHJP

【ＦＩ】

C04B14/04 Z ZAB

C04B18/16

C04B18/12

C04B20/00 B

C04B28/02

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024520950

(86)(22)【出願日】2022-10-06

(85)【翻訳文提出日】2024-05-16

(86)【国際出願番号】 US2022045862

(87)【国際公開番号】W WO2023059777

(87)【国際公開日】2023-04-13

(31)【優先権主張番号】63/253,343

(32)【優先日】2021-10-07

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【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】230118913

【弁護士】

【氏名又は名称】杉村 光嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100179866

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 正樹

(72)【発明者】

【氏名】ヴァヒット アタカン

(72)【発明者】

【氏名】マリオ ジョージ デイヴィッドソン

(72)【発明者】

【氏名】サダナンダ サフー

【テーマコード（参考）】

4G112

【Ｆターム（参考）】

4G112PA03

4G112PA25

4G112PA30

(57)【要約】

炭酸化補助セメント系材料を調製する方法は、炭酸化可能混合物を炭酸化して第１の炭酸化セメント系材料を得るステップと、第１の炭酸化セメント系材料を粉砕するステップと、粉砕された混合物を炭酸化して炭酸化補助セメント系材料を得るステップとを含む。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

炭酸化補助セメント系材料を調製する方法であって、前記方法は、
水を炭酸化可能材料に添加して炭酸化可能混合物を形成するステップであって、前記混合物の含水量が、約０．１重量％～約９９．９９重量％である、ステップと、
前記炭酸化可能混合物を約１分～約２４時間かき混ぜるまたは撹拌するステップと、
前記炭酸化可能混合物を炭酸化して、第１の炭酸化セメント系材料を得るステップと、
前記第１の炭酸化セメント系材料を約０．１分～約６０分間粉砕して、粉砕混合物を得るステップと、
前記粉砕混合物を約１分～約２４時間炭酸化して、炭酸化補助セメント系材料を得るステップと、
を含み、
前記炭酸化可能混合物および前記粉砕混合物を炭酸化することが、約５体積％～約１００体積％の二酸化炭素を含むガスを前記炭酸化可能混合物および前記粉砕混合物にそれぞれ流し、約１℃～約９９℃の温度を維持して前記炭酸化補助セメント系材料を得ることを含む、炭酸化補助セメント系材料を調製する方法。

【請求項2】

前記炭酸化可能混合物の前記含水量が、約０．１重量％～約９０重量％である、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記方法は、複数の粉砕および湿潤サイクルと交互に行われる複数の炭酸化サイクルを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記粉砕混合物を炭酸化する前に、前記粉砕混合物を蒸気処理するステップをさらに含み、前記蒸気処理は、前記粉砕混合物を約２０℃～約２００℃の温度で蒸気またはスチームに曝露することを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項5】

前記炭酸化補助セメント系材料を約２０℃～約５００℃の温度で約１分～約２４時間乾燥させるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。

【請求項6】

前記混合物を解凝集させるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。

【請求項7】

二酸化炭素を含むガスを排ガスから得るステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。

【請求項8】

前記粉砕は、ボールミル、垂直ローラーミル、ベルトローラーミル、造粒機、ハンマーミル、アトリションミル、粉砕ローラー、ピーリングローラーミル、エアスイープローラーミル、またはそれらの組み合わせから選択されるミルにおいて実行される、請求項１に記載の方法。

【請求項9】

炭酸化の前に前記ガスを湿らせるステップをさらに含み、前記ガスを湿らせるステップは、前記ガスを熱水中でバブリングすることを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項10】

二酸化炭素を含む前記ガスの流量が、炭酸化可能材料１キログラム当たり約１Ｌ／ｍｉｎ／Ｋｇ～約６Ｌ／ｍｉｎ／Ｋｇである、請求項１に記載の方法。

【請求項11】

二酸化炭素を含む前記ガスを流すことが、約１分～約２４時間行われる、請求項１に記載の方法。

【請求項12】

前記炭酸化補助セメント系材料の平均粒径（ｄ５０）が、約１μｍ～約２５μｍである、請求項１に記載の方法。

【請求項13】

前記炭酸化補助セメント系材料のＢＥＴ表面積が、約５ｍ^２／ｇ～約２５ｍ^２／ｇである、請求項１に記載の方法。

【請求項14】

前記炭酸化補助セメント系材料の二酸化炭素吸収率は、約５％～約４０％である、請求項１に記載の方法。

【請求項15】

前記炭酸化可能材料が、一般式Ｍ_ａＭｅ_ｂＯ_ｃ、Ｍ_ａＭｅ_ｂ（ＯＨ）_ｄ、Ｍ_ａＭｅ_ｂＯ_ｃ（ＯＨ）_ｄ、またはＭ_ａＭｅ_ｂＯ_ｃ（ＯＨ）_ｄ・（Ｈ_２Ｏ）_ｅを有する少なくとも１つの合成配合物を含み、式中、Ｍは、反応して炭酸塩を形成し得る少なくとも１つの金属であり、Ｍｅは、炭酸化反応中に酸化物を形成し得る少なくとも１つの元素である、請求項１に記載の方法。

【請求項16】

Ｍが、カルシウムおよび／またはマグネシウムである、請求項１５に記載の方法。

【請求項17】

Ｍｅが、シリコン、チタン、アルミニウム、リン、バナジウム、タングステン、モリブデン、ガリウム、マンガン、ジルコニウム、ゲルマニウム、銅、ニオブ、コバルト、鉛、鉄、インジウム、ヒ素、硫黄、および／またはタンタルである、請求項１５に記載の方法。

【請求項18】

ａ：ｂの比が、約２．５：１～約０．１６７：１であり、ｃが、３以上であり、ｄが、１以上であり、ｅが、０以上である、請求項１５に記載の方法。

【請求項19】

前記炭酸化可能材料が、元素Ｓｉに対する元素Ｃａのモル比約０．８～約３．０を有するケイ酸カルシウムを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項20】

前記炭酸化可能材料が、ＣＳ（珪灰石または擬珪灰石）、Ｃ_３Ｓ_２（ランキナイト）、およびＣ_２Ｓ（ビーライトまたはラーナイトまたはブレディジット）のうちの１つ以上から選択される離散的な結晶質ケイ酸カルシウム相のブレンドを全相の３０質量％以上含み、Ａｌ、Ｆｅ、およびＭｇの金属酸化物を全酸化物質量の３０％以下含む、請求項１９に記載の方法。

【請求項21】

前記炭酸化可能材料が、ケイ酸カルシウム水和物（Ｃ-Ｓ-Ｈ）、再生コンクリート、都市廃棄物、鉱山尾滓、またはそれらの混合物を含む、請求項１９に記載の方法。

【請求項22】

前記炭酸化可能材料が、非晶質ケイ酸カルシウム相をさらに含む、請求項１５に記載の方法。

【請求項23】

セメントまたはコンクリートを形成する方法であって、前記方法は、
請求項１に記載の方法に従って炭酸化補助セメント系材料を形成するステップと、
前記炭酸化補助セメント系材料を水硬性セメント組成物と組み合わせてセメント系材料混合物を形成するステップであって、前記セメント系材料混合物が、前記混合物における固体の総重量に基づいて、約１重量％～約９９重量％の前記炭酸化補助セメント系材料を含むステップと、
前記セメント系材料混合物を水と反応させて前記セメントまたはコンクリートを形成するステップと、
を含む、セメントまたはコンクリートを形成する方法。

【請求項24】

前記セメント系材料混合物が、前記混合物中の固体の総重量に基づいて、約２０重量％～約３５重量％の炭酸化補助セメント系材料を含む、請求項２３に記載の方法。

【請求項25】

前記水硬性セメント組成物が、普通ポルトランドセメント（ＯＰＣ）、スルホアルミン酸カルシウムセメント（ＣＳＡ）、ビーライトセメント、または他のカルシウムベースの水硬性材料のうちの１つ以上を含む、請求項２３に記載の方法。

【請求項26】

前記セメント系材料混合物に骨材を添加するステップをさらに含む、請求項２３に記載の方法。

【請求項27】

前記セメントまたはコンクリートの強度活性度指数が、約７５％～約１２０％であり、
前記強度活性度指数は、前記混合物中の固形分の総重量に基づいて、約０重量％の前記炭酸化補助セメント系材料を含む前記セメントまたはコンクリートの圧縮強度に対する、約２０重量％の前記炭酸化補助セメント系材料を含む前記セメントまたはコンクリートの圧縮強度の比である、請求項２３に記載の方法。

【請求項28】

前記第１の炭酸化セメント系材料の粉砕が、約５分～約６０分間行われ、
それぞれのセメントまたはコンクリートの形成後７日目に測定したとき、前記第１の炭酸化セメント系材料を粉砕した後に得られる前記セメントまたはコンクリートの強度活性度指数が、粉砕せずに得られるセメントまたはコンクリートの強度活性度指数よりも約７％～約１５％高く、
前記強度活性度指数は、前記混合物中の固形分の総重量に基づいて、約０重量％の前記炭酸化補助セメント系材料を含む前記セメントまたはコンクリートの圧縮強度に対する、約２０重量％の前記炭酸化補助セメント系材料を含む前記セメントまたはコンクリートの圧縮強度の比である、請求項２３に記載の方法。

【請求項29】

それぞれのセメントまたはコンクリートの形成後７日目に測定したとき、前記第１の炭酸化セメント系材料を約５分間～約１０分間粉砕した後に得られる前記セメントまたはコンクリートの強度活性度指数が、粉砕せずに得られるセメントまたはコンクリートの強度活性度指数よりも約８．５％～約１３％高い、請求項２８に記載の方法。

【請求項30】

前記セメントまたはコンクリートの形成後２８日目に測定された前記セメントまたはコンクリートの強度活性度指数が、前記セメントまたはコンクリートの形成後７日目に測定された前記セメントまたはコンクリートの強度活性度指数よりも高く、
前記強度活性度指数は、前記混合物中の固形分の総重量に基づいて、約０重量％の前記炭酸化補助セメント系材料を含むセメントまたはコンクリートの圧縮強度に対する、約２０重量％の前記炭酸化補助セメント系材料を含むセメントまたはコンクリートの圧縮強度の比である、請求項２３に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

（関連出願の相互参照）
本出願は、米国特許法第１１９条に準拠して２０２１年１０月７日に提出された米国仮出願第６３／２５３，３４３号の優先権の利益を主張し、その全内容を、参照によって完全に本明細書に記載されているように援用する。

【0002】

（技術分野）
本出願は、向上した二酸化炭素吸収率を有する粉砕された炭酸化補助セメント系材料の調製を対象とする。

【背景技術】

【0003】

本明細書において、文書、行為、または知識項目が参照または議論されている場合、この参照または議論は、その文書、行為、知識項目、またはそれらの組み合わせが、優先日において、公的に入手可能、周知、一般知識の一部であったか、もしくはさもなければ該当する法規定に基づく先行技術を構成すること、または本明細書が関係する任意の問題を解決する試みに関連することが知られていることを、認めるものではない。

【0004】

普通ポルトランドセメント（ＯＰＣ）の製造は非常にエネルギーを大量に消費するプロセスであり、温室効果ガス排出の主な原因となっている。セメント部門は、産業用ＣＯ_２総排出量の中で第３に大きい産業用エネルギー消費者であり、第２に大きいＣＯ_２排出者でもある。世界のセメント生産量は２０１９年に４．１Ｇｔに達し、人為的ＣＯ_２総排出量の約８％に寄与すると推定されている。

【0005】

気候変動と闘う試みとして、国連気候変動枠組条約（ＵＮＦＣＣ）の加盟国は、２０１５年１２月に採択されたパリ協定を通じて、２０３０年までにＣＯ_２排出量を２０％から２５％削減することに合意した。これは毎年の１ギガトンのＣＯ_２を削減する目標に相当する。この協定に基づき、ＵＮＦＣＣは今世紀末までに地球の気温上昇を２℃以内に抑えることに同意した。この目標を達成するために、持続可能な開発のための世界経済人会議（ＷＢＣＳＤ）セメント持続可能性イニシアチブ（ＣＳＩ）は、「セメント産業における低炭素移行」（ＷＢＣＳＤ－ＣＳＩ）と呼ばれるロードマップを作成した。このロードマップでは、世界のセメント産業における４つの炭素排出削減手段を特定した。第１の手段は、エネルギー性能を向上させるために既存の施設を改修することによってエネルギー効率を向上させることである。第２は、二酸化炭素排出量の少ない代替燃料への切り替えである。例えば、バイオマスおよび廃棄物をセメント窯で使用して、炭素集約型の化石燃料の消費を相殺され得る。第３に、クリンカー係数またはクリンカー対セメント比の低減である。最後に、ＷＢＣＳＤ－ＣＳＩは、炭素回収をセメント製造プロセスに統合するなど、新興の革新的な技術を使用することを提案する。

【0006】

したがって、ＣＯ_２排出量を削減する改善されたセメント生産が必要である。気候変動の地球規模の影響を軽減する。本開示は、炭素回収をセメント製造プロセスに統合する方法を開発することによって、ＥＰＡおよびＵＮＦＣＣによって特定されたこれらの問題に対処しようと試みる。

【0007】

例えば、Ｓｏｌｉｄｉａ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｉｎｃ．は、ＣＯ_２排出量を３０％削減する低ＣＯ_２排出量クリンカーを開発した。しかし、このような材料を従来の水硬性コンクリート材料に統合して、普通ポルトランドセメント（ＯＰＣ）などの水硬性セメントのクリンカーファクターを低減し、コンクリート中の補助セメント系材料（ＳＣＭ）のようなそのような低ＣＯ_２排出材料を材料として使用することで環境のプラスの可能性をさらに高める必要性が存在する。本発明の開示を容易にするために従来の技術の特定の態様が議論されているが、出願人はこれらの技術的態様を決して放棄するものではなく、請求された発明は、本明細書で議論される従来の技術的態様の１つ以上を包含または含み得ると考えられる。

【発明の概要】

【0008】

本発明によって、上記の欠点が解決され、一定の利点が得られることが発見された。例えば、本発明の方法および組成物は、従来の水硬性セメントのクリンカー係数を低減することおよびセメントまたはコンクリート材料の製造に炭素回収を組み込むことの両方によって、補助セメント系材料（ＳＣＭ）として水硬性セメントに添加する前に、炭酸化可能クリンカー、好ましくはしかし排他的ではなく、低ＣＯ_２排出クリンカーを、事前炭酸化する新規アプローチを提供し、二重に環境面でのメリットがもたらされる。スラリープロセス、循環炭酸化プロセス、非スラリー炭酸化プロセス（半湿式炭酸化プロセス）および高温炭酸化プロセスを含む、ＳＣＭを調製するための様々な例示的な方法は、米国仮出願第６３／１５１，９７１号および第６３／２１７，５９０号、ならびに対応する米国特許出願第１７／６７５，７７７号および１７／８５５，５７６号に記載され、これらの内容は、あたかも完全に本明細書に記載されているかのように参照によって援用される。

【0009】

例示的な実施形態は、炭酸化補助セメント系材料を調製する方法を対象とし、本方法は、水を炭酸化可能材料に添加して炭酸化可能混合物を形成することを含み、炭酸化可能混合物の含水量は、約０．１％～約９９．９％である、炭酸化可能混合物を約１分～２４時間かき混ぜまたは撹拌するステップと、炭酸化可能混合物を炭酸化して第１の炭酸化セメント系材料を得るステップと、第１の炭酸化セメント系材料を約０．１分～約６０分間粉砕して粉砕混合物を得るステップと、粉砕混合物を約１分～約２４時間炭酸化するステップを含み、炭酸化可能混合物および粉砕混合物を炭酸化することは、それぞれ約５体積％～約１００体積％の二酸化炭素を含むガスを流し、約１℃～約９９℃の温度を維持して炭酸化補助セメント系材料を得ることを含む。ＣＯ_２の吸収率を最大化するために、炭酸化と粉砕とのステップを必要に応じて最大１０回繰り返し得る。

【0010】

別の例示的な実施形態は、セメントまたはコンクリートを形成する方法を対象とし、本方法は、本明細書に記載の方法のいずれかによる炭酸化補助セメント系材料を形成するステップと、炭酸化補助セメント系材料と水硬性セメント組成物を組み合わせてセメント系材料混合物を形成するステップであって、セメント系材料混合物は、混合物中の固体の総重量に基づいて、約１重量％～約９９重量％の炭酸化補助セメント系材料を含む、ステップと、セメント系材料混合物を水と反応させてセメントまたはコンクリートを形成するステップとを含む。

【0011】

本発明のこれらおよび他の特徴を、本発明を例示することを目的とするものであり、限定するものではない特定の実施形態の図面を参照して説明する。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】ＡＳＴＭ Ｃ７７８に準拠するＡＳＴＭ砂と例示的な実施形態による粉砕方法を使用して調製された補助セメント系材料との混合物のモルタル流動の測定を表し、０．４８５の水対セメント比（ｗ／ｃ）を有する普通ポルトランドセメント（ＯＰＣ）の２０％置換で測定した。

【図2】それぞれ７日後および２８日後に、０．４８５のｗ／ｃを有するＯＰＣの２０％置換で測定された、例示的な実施形態による粉砕された補助セメント系材料のＳＡＩを表す。

【図3】本出願の実施例および比較例のＣＯ_２吸収率を表す。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本発明のさらなる態様、特徴および利点は、下記の詳細な説明から明らかになるであろう。本明細書に記載される本発明の様々な個別の態様および特徴は、任意の１つ以上の個別の態様または特徴を任意の数で組み合わせて、本発明によって具体的に企図され包含される本発明の実施形態を形成することができることを理解されたい。さらに、特許請求の範囲に記載された特徴のいずれも、特許請求の範囲に記載された他の特徴のいずれかと、任意の数または任意の組み合わせで組み合わせることができる。このような組み合わせも、本発明に包含されるものとして明示的に企図される。

【0014】

本明細書で使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈上明らかに別段の指示がない限り、複数形も含むものとする。

【0015】

本明細書で使用される場合、「約」は近似の用語であり、当業者には理解されるように、文字通り記載された量のわずかな変動を含むことが意図されている。このような変動には、例えば、合金または複合材料の構成要素または成分の量、または他の特性および特性を測定するために一般的に使用される技術に関連する標準偏差が含まれる。上記の修飾語「約」によって特徴付けられるすべての値も、本明細書に開示される正確な数値を含むことを意図している。また、すべての範囲には上限と下限が含まれる。

【0016】

本明細書に記載される任意の組成物は、そうでないことが明示的に示されない限り、本明細書に特定される様々な成分からなる、実質的にからなる、さらにはそれらを含む組成物を包含することを意図する。

【0017】

本明細書で使用される場合、変数の数値範囲の言及は、変数がその範囲内の任意の値、およびより広い範囲に含まれるすべての部分範囲に等しくあり得ることを伝えることを意図している。したがって、変数は、範囲の終点を含む数値範囲内の任意の整数値と等しくあり得る。例として、０～１０の値を有すると記述されている変数は、０、４、２～６、２．７５、３．１９～４．４７などであり得る。

【0018】

本明細書および特許請求の範囲において、文脈上明らかに別段の指示がない限り、単数形には複数の指示対象が含まれる。本明細書で使用されるとき、特に別段の指示がない限り、「または」という語は、「および／または」の「包括的」意味で使用され、「いずれか／または」の「排他的」意味では使用されない。

【0019】

別段の指示がない限り、本明細書の個々の特徴または実施形態の各々は、本明細書に記載される他の任意の個々の特徴または実施形態と制限なく組み合わせられ得る。このような組み合わせは、本明細書に組み合わせとして明示的に記載されているかどうかに関係なく、本発明の範囲内であると特に企図される。

【0020】

本明細書で使用される技術用語および科学用語は、別段の定義がない限り、本説明が関係する当業者によって一般的に理解される意味を有する。本明細書では、当業者に知られているさまざまな方法論および材料について言及する。

【0021】

本発明の補助セメント系材料を形成するために使用されるベース材料は、炭化可能である限り特に限定されない。本明細書で使用する場合、「炭酸化可能」という用語は、本明細書に記載の条件または同等の条件下で二酸化炭素と反応し、二酸化炭素を隔離できる材料を意味する。炭酸化可能材料は、天然に存在する材料であり得、前駆体材料から合成され得る。

【0022】

例示的な実施形態では、炭酸化可能材料は都市固形廃棄物（ＭＳＷ）を含み得る。本明細書で使用する場合、ＭＳＷは、家庭や企業によって発生する廃棄物として定義されており、これには、食品、台所廃棄物、緑廃棄物、紙廃棄物、ガラス、ボトル、缶、金属、プラスチック、布地、衣類、電池、タイヤ、建物の瓦礫、建設および解体廃棄物、土、岩石、瓦礫、電子機器、コンピュータ機器、塗料、化学薬品、電球および蛍光灯、肥料、医療廃棄物などが含まれる。本発明で定義されるように、ＭＳＷには、未消化の食品残渣、粘液、細菌、尿素、塩化物、ナトリウムイオン、カリウムイオン、クレアチニン、他の溶解イオン、無機および有機化合物、ならびに水を含有する下水汚泥も含まれる。さまざまな形態におけるＭＳＷは、純水および二酸化炭素よりも濃縮された形でＣＯ_２および水を含有する。例えば、大型ゴミ箱１個に含まれる都市固形廃棄物の炭素含有量は、少なくとも１５，０００ポンドの二酸化炭素および７００ガロンの水に相当する。純水およびＣＯ_２とは異なり、都市固形廃棄物の長期保管には冷蔵や防腐剤は必要ない。さらに、都市固形廃棄物を分解現場に持ち込むために必要な輸送は最小限で済む。

【0023】

本出願の例示的な実施形態は、炭酸化補助セメント系材料を調製する方法を対象とし、この方法は、水を炭酸化可能材料に添加して炭酸化可能混合物を形成するステップであって、混合物の含水量は、約０．１重量％～約９９．９９重量％である、ステップと、炭酸化可能混合物を約１分～２４時間かき混ぜまたは撹拌するステップと、炭酸化可能混合物を炭酸化して第１の炭酸化セメント系材料を得るステップと、第１の炭酸化セメント系材料を約０．１分～約１０分間粉砕して粉砕混合物を得るステップと、約５体積％～約１００体積％の二酸化炭素を含むガスを粉砕混合物に約１分～２４時間流すことによって、混合物および粉砕混合物にそれぞれ流すことによって、炭酸化するステップと、約１℃～約９９℃に加熱して温度を維持することによって、炭酸化補助セメント系材料を得るステップと、を含む。

【0024】

炭酸化可能材料は、約０．１％～約９９．９９％、約０．１％～約９０％、約０．１％～約８０％、約０．１％～約７０％、約０．１％から、約０．１％～約５０％、約０．１％～約４０％、約０．１％～約３０％、約０．１％～約２０％、約０．１％～約１０％など、および０．１％、１．０％、０．５％～１０％、０．５％～９０％、１０．５％、６．７５％～９．２５％など、これらの列挙された範囲のいずれかに該当する任意の値を有する量の含水量を含み得る。含水量の値は、範囲の端点を含む、上記の数値範囲内の任意の整数値または複数の値に等しくあり得る。

【0025】

炭酸化可能混合物は、約１分間～約１５時間、約５分間～約１４時間、約１０分間～約１３時間、約１５分間～約１２時間、約２０分間～約１１時間、約３０分～約１０時間、約１時間～約９．５時間、約１．５時間～約８時間、約２時間～約７．５時間、約２．５時間～約７時間、約３時間～約６．５時間、約３．５時間～約６時間、約４時間～約５．５時間、約４．５時間～約５時間など、かき混ぜまたは攪拌され得る。かき混ぜまたは攪拌の時間は、これらの範囲の終点を含む、上記の数値範囲内の任意の整数値または複数の数値に等し得る。

【0026】

上記方法における各ステップの順序は特に限定されず、かき混ぜまたは撹拌および炭酸化を同時に行い得、かき混ぜまたは撹拌および炭酸化を連続して行い得る。

【0027】

例示的な実施形態では、本明細書に記載の方法は、複数の粉砕サイクルと交互に行われる複数の炭酸化サイクルをさらに含む。複数の炭酸化サイクルの各々および複数の粉砕サイクルの各々の時間は、本出願に記載されているとおりであり得る。

【0028】

別の例示的な実施形態では、プロセスは、粉砕混合物を炭酸化する前に、粉砕混合物を蒸気処理することをさらに含み得、蒸気処理は、粉砕混合物を約２０℃～約２００℃、約４０℃～約１８０℃、約６０℃～約１６０℃、約８０℃～約１４０℃、約１００℃～約１２０℃などの温度で蒸気またはスチームに曝露することを含む。温度は、これらの範囲の終点を含む、上記の数値範囲内の任意の整数値または複数の値に等しくてもよい。粉砕混合物の蒸気処理は、粉砕混合物の炭酸化と同時に行うことも、粉砕混合物の炭酸化の前に行うこともでき、複数の蒸気処理工程を複数の粉砕工程と併用してもよい。

【0029】

別の例示的な実施形態では、プロセスは、炭酸化補助セメント系材料を、約５時間～約２５時間、約５時間～約２４時間、約６時間～約２４時間など、約５０℃～約１５０℃、約５３℃～約１４０℃、約５６℃～約１３０℃、約６０℃～約１２０℃などの温度で乾燥させるステップ、および／または炭酸化可能混合物を炭酸化サイクルにさらす前に、炭酸化可能混合物を、約０．０５インチ～約１．５インチ、約０．１インチ～約１インチ、約０．１５インチ～約０．９５インチ、約０．２インチ～約０．９インチ、約０．２５インチ～約０．８５インチ、約０．３インチ～約０．８インチ、約０．３５インチ～約０．７５インチ、約０．４インチ～約０．７インチ、約０．４５インチ～約０．６５インチ、約０．５インチ～約０．６インチなどの厚さを有する層に広げるステップ、および／または混合物を解凝集させるステップ、および／または複数の炭酸化サイクルの各々の後に、炭酸化可能混合物を再湿潤させてかき混ぜまたは撹拌するステップ、および／または炭酸化補助セメント系材料の複数の粉砕サイクル、および／または複数の炭酸化サイクル中にガスを供給する前に二酸化炭素を含むガスを湿らせるステップをさらに含み得、ガスを湿らせるステップは、ガスを熱水中でバブリングするステップを含む。上記の数値範囲の値は、これらの範囲の終点を含む、上記の数値範囲のいずれかの整数値または複数の数値に等しくあり得る。

【0030】

複数の粉砕サイクルの完了後の炭酸化補助セメント系セメントの平均粒径（ｄ５０）は、約１μｍ～約２５μｍ、約２μｍ～約２５μｍ、約４μｍ～約２４μｍ、約６μｍ～約２４μｍ、約７μｍ～約２３μｍ、約８μｍ～約２２μｍ、約９μｍ～約２１μｍ、約１０μｍ～約２０μｍなどであり得る。平均粒径（ｄ５０）は、これらの範囲の端点を含む、上記の数値範囲のいずれかの整数値または複数の数値に等しくあり得る。本出願に記載されている粒子サイズは、レーザー回折粒子サイズ分析装置を使用して測定される。

【0031】

本出願に記載の方法に従って調製された炭酸化補助セメント系材料のＢＥＴ表面積は、約５ｍ^２／ｇ～約２５ｍ^２／ｇ、約５ｍ^２／ｇ～約２０ｍ^２／ｇ、約５ｍ^２／ｇ～約１８ｍ^２／ｇ、約５ｍ^２／ｇ～約１５ｍ^２／ｇ、約６ｍ^２／ｇ～約１５ｍ^２／ｇ、約７ｍ^２／ｇ～約１５ｍ^２／ｇ、約８ｍ^２／ｇ～約１５ｍ^２／ｇ、約９ｍ^２／ｇ～約１５ｍ^２／ｇなどである。ＢＥＴ表面積は、これらの範囲の端点を含む、上記の数値範囲内の任意の整数値または複数の値に等し得る。本出願に記載されているＢＥＴ表面積の測定には窒素吸着法が使用される。

【0032】

炭酸化に使用されるガスは、約５体積％～約１００体積％、約１０体積％～約１００体積％、約２０体積％～約１００体積％、約３０体積％～約１００体積％、約４０体積％～約１００体積％、約５０体積％～約１００体積％、約６０体積％～約１００体積％、約７０体積％～約１００体積％、約８０体積％～約１００体積％、約９０体積％～約１００体積％、の二酸化炭素を含み得る。二酸化炭素含有量は、これらの範囲の端点を含む、これらの範囲内の任意の整数値または値に等しくあり得る。

【0033】

二酸化炭素を含むガスは、排ガスから得られ得る。しかしながら、二酸化炭素を含むガスはこれに限定されず、二酸化炭素を含む任意の適切なガス源を使用し得る。例えば、多くの産業用ガス供給業者は、タンク入り二酸化炭素ガス、圧縮二酸化炭素ガス、液体二酸化炭素をさまざまな純度で提供する。あるいは、二酸化炭素は、任意の適切な工業プロセスからの副生成物として回収することができる。本明細書で使用される場合、工業プロセスの副生成物からの二酸化炭素源は、概して「排ガス」と呼ばれる。排ガスは、炭酸化可能材料に導入される前に、必要に応じて精製などのさらなる処理を受け得る。非限定的な例として、二酸化炭素はセメント工場、発電所などから回収され得る。

【0034】

ガス流量計または校正バルブで測定した二酸化炭素を含むガスの流量は、炭酸化可能材料１キログラム当たり、約１Ｌ／ｍｉｎ～約１０Ｌ／ｍｉｎ、約１．５Ｌ／ｍｉｎ～約９Ｌ／ｍｉｎ、約２Ｌ／ｍｉｎ～約８Ｌ／ｍｉｎ、約２．５Ｌ／ｍｉｎ～約７Ｌ／ｍｉｎ、約３Ｌ／ｍｉｎ～約６Ｌ／ｍｉｎなどである。流量は、これらの範囲の端点を含む、これらの範囲内の任意の整数値または値に等しくあり得る。

【0035】

炭酸化プロセスは、約０．５時間～約２４時間、約１時間～約２４時間、約１．５時間～約２０時間、約２時間～約１５時間、約５時間～約１０時間、約４時間～約６時間など、二酸化炭素を流すことを含み得る。ガスを流す時間は、これらの範囲の端点を含む、これらの範囲内の任意の整数値または値に等しくあり得る。

【0036】

二酸化炭素を含むガスは、約１℃～約９９℃、約５℃～約９０℃、約１０℃～約８５℃、約２０℃～約８０℃、約３０℃～約７０℃などの温度で炭酸化可能材料上に流され得る。温度は、これらの範囲の端点を含む、これらの範囲内の任意の整数値または値に等しくあり得る。

【0037】

１つ以上の添加剤、例えば、ポリカルボン酸エーテル（ＰＣＥ）、糖などの分散剤、糖、クエン酸およびその塩などの凝結遅延剤、酢酸およびその塩、酢などの炭酸強化添加剤を、炭酸化可能材料に添加し得る。

【0038】

複数の粉砕サイクルは、ボールミル、垂直ローラーミル、ベルトローラーミル、造粒機、ハンマーミル、アトリションミル、粉砕ローラー、ピーリングローラーミル、エアスイープローラーミル、またはそれらの組み合わせで実行され得るが、これに限定されるものではなく、任意の適切な装置を使用し得る。

【0039】

炭酸材の所定の温度は、約５０℃～約１５０℃、約５５℃～約１４５℃、約６０℃～約１４０℃、約６５℃～約１３０℃、約７０℃～約１２０℃、約７５℃～約１２５℃、約８５℃～約１１５℃などであり得る。温度は、これらの範囲の端点を含む、これらの範囲内の任意の整数値または値に等しくあり得る。

【0040】

炭酸化可能材料および水を含む混合物の開始液体対固体比（Ｌ／Ｓ）は、約０．０１～約２．５、約０．０１～約２．０、約０．０２～約１．５、約０．０３～約１．０、約０．０４～０．０９、約０．０５～約０．８、約０．０５～約０．６、約０．０５～約０．４５、約０．１～約０．２５などであり得る。Ｌ／Ｓ比は、これらの範囲の端点を含む、これらの範囲内の任意の整数値または値に等しくあり得る。

【0041】

この方法を使用して調製された炭酸化補助セメント系材料のＣＯ_２吸収率は、約５％～約４０％、約８％～約３５％、約１０％～約３０％、約１２％～約２５％、約１４％～約２０％、約１６％～約１８％であり得、ここで、ＣＯ_２吸収率は、炭酸化後のセメントの質量の変化率として測定される。二酸化炭素の吸収率は、これらの範囲の端点を含む、これらの範囲内の任意の整数値または値に等しくあり得る。

【0042】

本発明の例示的な実施形態によれば、炭酸化可能材料は、第１の濃度のＭを有する第１の原材料を混合し、第２の濃度のＭｅを有する第２の原材料と反応させて、一般式Ｍ_ａＭｅ_ｂＯ_ｃ、Ｍ_ａＭｅ_ｂ（ＯＨ）_ｄ、Ｍ_ａＭｅ_ｂＯ_ｃ（ＯＨ）_ｄ、またはＭ_ａＭｅ_ｂＯ_ｃ（ＯＨ）_ｄ・（Ｈ_２Ｏ）_ｅを有する、少なくとも１つの合成製剤を含む反応生成物を形成することによって形成し得、Ｍは、反応して炭酸塩を形成し得る少なくとも１つの金属であり、Ｍｅは、炭酸化反応中に酸化物を形成し得る少なくとも１つの元素である。

【0043】

記載のように、第１の原材料中のＭは、一般式Ｍ_ａＭｅ_ｂＯ_ｃ、Ｍ_ａＭｅ_ｂ（ＯＨ）_ｄ、Ｍ_ａＭｅ_ｂＯ_ｃ（ＯＨ）_ｄ、またはＭ_ａＭｅ_ｂＯ_ｃ（ＯＨ）_ｄ・（Ｈ_２Ｏ）_ｅを有する合成製剤中に存在する場合に炭酸塩となり得る任意の金属を含み得る。例えば、Ｍは、任意のアルカリ土類元素、好ましくはカルシウムおよび／またはマグネシウムであり得る。第１の原材料は、第１の濃度のＭを有する任意の鉱物および／または副生成物であり得る。

【0044】

記載のように、第２の原材料中のＭｅは、一般式Ｍ_ａＭｅ_ｂＯ_ｃ、Ｍ_ａＭｅ_ｂ（ＯＨ）_ｄ、Ｍ_ａＭｅ_ｂＯ_ｃ（ＯＨ）_ｄ、またはＭ_ａＭｅ_ｂＯ_ｃ（ＯＨ）_ｄ・（Ｈ_２Ｏ）_ｅを有する合成配合物中に存在するとき、水熱不均化反応によって酸化物を形成し得る任意の元素を含み得る。例えば、Ｍｅは、シリコン、チタン、アルミニウム、リン、バナジウム、タングステン、モリブデン、ガリウム、マンガン、ジルコニウム、ゲルマニウム、銅、ニオブ、コバルト、鉛、鉄、インジウム、ヒ素、硫黄、および／またはタンタルであり得る。好ましい実施形態では、Ｍｅはシリコンを含む。第２の原材料は、第２の濃度のＭｅを有する任意の１つ以上の鉱物および／または副生成物であり得る。

【0045】

本発明の例示的な実施形態によれば、第１および第２の原材料の第１および第２の濃度は、第１および第２の原材料を所定の比で混合して一般式Ｍ_ａＭｅ_ｂＯ_ｃ、Ｍ_ａＭｅ_ｂ（ＯＨ）_ｄ、Ｍ_ａＭｅ_ｂＯ_ｃ（ＯＨ）_ｄ、またはＭ_ａＭｅ_ｂＯ_ｃ（ＯＨ）_ｄ・（Ｈ_２Ｏ）_ｅを有する所望の合成配合物を形成できるほど十分に高く、得られる合成配合物は炭酸化反応を受け得る。１つ以上の例示的な実施形態では、約２．５：１～約０．１６７：１の間のａ：ｂ比を有する合成配合物は、炭酸化反応を受ける。合成配合物は、ｃのＯ濃度を有し得、ｃは３以上である。他の実施形態では、合成配合物は、ｄのＯＨ濃度を有得、ここで、ｄは１以上である。さらなる実施形態では、合成配合物はまた、ｅのＨ_２Ｏ濃度を有し得、ここで、ｅは０以上である。

【0046】

合成配合物は、炭酸化プロセスにおいて二酸化炭素と反応し、それによってＭが反応して炭酸塩相を形成し、Ｍｅが反応して水熱不均化によって酸化物相を形成する。

【0047】

一例では、第１の原材料中のＭは、相当な濃度のカルシウムを含み、第２の原材料中のＭｅは、相当な濃度のケイ素を含有する。例示的な実施形態では、第１の原材料は、約３０％～約６０％などの量のＭを含み得、第２の原材料は、約３０％～約６０％などの量のＭｅを含み得る。二酸化炭素の吸収率は、これらの範囲の端点を含む、これらの範囲内の任意の整数値または値に等しくあり得る。

【0048】

したがって、例えば、第１の原材料は、第１の濃度のカルシウムを有する石灰石であり得、または石灰石を含み得る。第２の原材料は、第２の濃度のケイ素を有する頁岩であり得、または頁岩を含み得る。次いで、第１および第２の原材料を混合し、所定の比で反応させて、一般式（Ｃａ_ｗＭ_ｘ）_ａ（Ｓｉ_ｙＭｅ_ｚ）_ｂＯ_ｃ、（Ｃａ_ｗＭ_ｘ）_ａ（Ｓｉ_ｙ，Ｍｅ_ｚ）_ｂ（ＯＨ）_ｄ、または（Ｃａ_ｗＭ_ｘ）_ａ（Ｓｉ_ｙ，Ｍｅ_ｚ）_ｂＯ_ｃ（ＯＨ）_ｄ・（Ｈ_２Ｏ）_ｅを有する少なくとも１つの合成配合物を含む反応生成物を形成し、Ｍは、反応して炭酸塩を形成し得るカルシウム以外の１つ以上の追加の金属を含み得、Ｍｅは、炭酸化反応中に酸化物を形成し得るシリコン以外の１つ以上の元素を含み得る。この例における石灰石と頁岩とは、得られる合成配合物が上記で説明したように炭酸化反応を受けることができるように、比ａ：ｂで混合され得る。得られる合成配合物は、例えば、ａ：ｂの比が１：１である珪灰石、ＣａＳｉＯ_３であり得る。しかしながら、Ｍが主にカルシウムであり、Ｍｅが主にケイ素である合成配合物の場合、約２．５：１～約０．１６７：１のａ：ｂの比は、この範囲外では温室効果ガスの排出が削減されず、エネルギー消費や十分な炭酸化が起こらない可能性があり得るため、炭酸化反応を受け得ると考えられる。例えば、ａ：ｂ比が２．５：１より大きい場合、混合物は、Ｍに富み、より多くのエネルギーおよびより多くのＣＯ_２の放出が必要となる。一方、ａ：ｂ比が０．１６７：１未満の場合、混合物はＭｅに富み、十分な炭酸化が起こらない場合があり得る。

【0049】

別の例では、第１の原材料中のＭは、相当な濃度のカルシウムおよびマグネシウムを含む。したがって、例えば、第１の原材料は、第１の濃度のカルシウムを有するドロマイトであり得、またはドロマイトを含み得、合成配合物は、一般式（Ｍｇ_ｕＣａ_ｖＭ_ｗ）_ａ（Ｓｉ_ｙ，Ｍｅ_ｚ）_ｂＯ_ｃまたは（Ｍｇ_ｕＣａ_ｖＭ_ｗ）_ａ（Ｓｉ_ｙＭｅ_ｚ）_ｂ（ＯＨ）_ｄを有し、Ｍは、反応して炭酸塩を形成し得るカルシウムおよびマグネシウム以外の１つ以上の追加の金属を含み得、Ｍｅは、炭酸化反応中に酸化物を形成し得るシリコン以外の１つ以上の元素を含み得る。別の例では、第１の原材料中のＭｅは、かなりの濃度のシリコンおよびアルミニウムを含み、合成配合物は、一般式（Ｃａ_ｖＭ_ｗ）_ａ（Ａｌ_ｘＳｉ_ｙ，Ｍｅ_ｚ）_ｂＯ_ｃまたは（Ｃａ_ｖＭ_ｗ）_ａ（Ａｌ_ｘＳｉ_ｙ，Ｍｅ_ｚ）_ｂ（ＯＨ）_ｄ、（Ｃａ_ｖＭ_ｗ）_ａ（Ａｌ_ｘＳｉ_ｙ，Ｍｅ_ｚ）_ｂＯ_ｃ（ＯＨ）_ｄまたは（Ｃａ_ｖＭ_ｗ）_ａ（Ａｌ_ｘＳｉ_ｙ，Ｍｅ_ｚ）_ｂＯ_ｃ（ＯＨ）_ｄ・（Ｈ_２Ｏ）_ｅを有する。

【0050】

約２．５：１のａ：ｂ比を有するポルトランドセメントと比較して、本発明の例示的な合成配合物は、ＣＯ_２発生量の減少をもたらし、合成配合物を形成するのに必要なエネルギーが少なくなるが、これについては下記でより詳細に説明する。ＣＯ_２発生量の削減およびより少ないエネルギー要件が達成される理由はいくつかある。まず、同量のポルトランドセメントと比較して、石灰石などの原材料が少なくなるため、変換されるＣａＣＯ_３の量が少なくなる。また、使用する原材料が少なくなるため、原材料を分解して炭酸化反応を起こすのに必要な熱（エネルギー）も減少する。

【0051】

上記と一致する炭酸化可能材料の他の具体例は、米国特許第９，２１６，９２６号明細書、米国仮出願第６３／１５１，９７１号、および対応する米国特許出願第１７／６７５，７７７号に記載されており、それらの全体を参照によって本明細書に援用する。

【0052】

さらなる実施形態によれば、炭酸化可能材料は、様々なケイ酸カルシウムを含む、実質的にそれからなる、または様々なケイ酸カルシウムからなる。組成物中の元素Ｃａの元素Ｓｉに対するモル比は、約０．８～約１．２である。この組成物は、全相の約３０質量％以上のＣＳ（珪灰石または擬珪灰石）、Ｃ３Ｓ２（ランキナイト）、およびＣ２Ｓ（ビーライトまたはラルナイトまたはブレディジット）の１つ以上から選択される、離散的な結晶質ケイ酸カルシウム相のブレンドから構成される。ケイ酸カルシウム組成物は、全酸化物質量に対して約３０％以下のＡｌ、ＦｅおよびＭｇの金属酸化物を有し、かつ約３０℃～約９５℃、または約３０℃～約７０℃の温度でのＣＯ_２による炭酸化で、約１０％以上の質量増加を伴うＣａＣＯ_３の形成に適することを特徴とする。ケイ酸カルシウム組成物には、少量のＣ３Ｓ（エーライト、Ｃａ_３ＳｉＯ_５）も含まれ得る。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もしくはγ-Ｃａ_２ＳｉＯ_４多形、またはそれらの組み合わせのいずれかで存在し得る。ケイ酸カルシウム組成物はまた、少量の残留ＣａＯ（石灰）およびＳｉＯ_２（シリカ）を含み得る。

【0053】

ケイ酸カルシウム組成物は、上記の結晶相に加えて、非晶質（非結晶）ケイ酸カルシウム相を含有する場合があり得る。アモルファス相には、原材料中に存在するＡｌ、Ｆｅ、Ｍｇイオンおよびその他の不純物イオンがさらに含まれ得る。これらの結晶質および非晶質ケイ酸カルシウム相はそれぞれ、ＣＯ_２による炭酸化に適している。ケイ酸カルシウム組成物はまた、少量の残留ＣａＯ（石灰）およびＳｉＯ_２（シリカ）を含み得る。

【0054】

これらの結晶質および非晶質ケイ酸カルシウム相は各々、ＣＯ_２による炭酸化に適する。

【0055】

ケイ酸カルシウム組成物はまた、一般式（Ｃａ，Ｎａ，Ｋ）_２［（Ｍｇ、Ｆｅ^２＋、Ｆｅ^３＋、Ａｌ、Ｓｉ）_３Ｏ_７］を有するメリライト型鉱物（メリライト、ゲーレナイト、またはケルマナイト）などの不活性相を多量に含み得、一般式Ｃａ_２（Ａｌ，Ｆｅ^３＋）_２Ｏ_５を有するフェライトタイプの鉱物（フェライト、ブラウンミラライト、またはＣ_４ＡＦ）を含み得る。特定の実施形態では、ケイ酸カルシウム組成物は、非晶質相のみから構成される。特定の実施形態では、ケイ酸カルシウムは、結晶相のみを備える。特定の実施形態では、ケイ酸カルシウム組成物の一部は、非晶質相で存在し、一部は結晶相で存在する。

【0056】

これらのケイ酸カルシウム相は各々、ＣＯ_２による炭酸化に適する。以降、炭酸化に適した離散的なケイ酸カルシウム相を反応相と呼ぶ。反応相は、組成物中に任意の適切な量で存在し得る。特定の好ましい実施形態では、反応相は約５０質量％以上存在する。

【0057】

様々な反応相は、反応相全体の任意の適切な部分を占め得る。特定の好ましい実施形態では、ＣＳの反応相は、約１０～約６０ｗｔ％で存在し、Ｃ_３Ｓ_２は約５～５０ｗｔ％、Ｃ_２Ｓは約５ｗｔ％～６０ｗｔ％、Ｃは約０ｗｔ％～３ｗｔ％である。ＣＳの反応相の量は、これらの範囲の端点を含む、これらの範囲内の任意の整数値または値に等しくあり得る。

【0058】

特定の実施形態では、反応相は、合計相の質量で、例えば、約４０％以上、約４５％以上、約５０％以上、約５５％以上、約６０％以上、約６５％以上、約７０％以上、約７５％以上、約８０％以上、約８５％以上、約９０％以上、約９５％以上などの、ケイ酸カルシウム系非晶質相を含む。非晶質相には、原材料中に存在する不純物イオンがさらに取り込まれ得ることに留意されたい。非晶質相のパーセンテージは、これらの範囲の端点を含む、これらの範囲内の任意の整数値または値に等しくあり得る。

【0059】

本明細書に開示されるケイ酸カルシウム組成物、相および方法は、ケイ酸カルシウム相の代わりに、またはケイ酸カルシウム相に加えてケイ酸マグネシウム相を使用するために採用できることを理解されたい。本明細書で使用される場合、「ケイ酸マグネシウム」という用語は、例えば、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４（「フォルステライト」としても知られる）およびＭｇ_３Ｓｉ_４Ｏ_１０（ＯＨ）_２（「タルク」としても知られる）およびＣａＭｇＳｉＯ_４（「モンティセライト」としても知られる）を含む、マグネシウム-ケイ素含有化合物の群のうちの１つ以上から構成される、天然に存在する鉱物または合成材料を指し、これらの材料の各々は、１つ以上の他の金属イオンおよび酸化物（例えば、カルシウム、アルミニウム、鉄またはマンガン酸化物）、またはそれらのブレンドを含み得、または微量（１％）から約５０重量％以上の範囲の量の天然または合成形態のケイ酸カルシウムを含み得る。

【0060】

上記と一致する炭酸化可能なケイ酸カルシウム材料の他の具体例は、米国特許第１０，１７３，９２７号に記載されており、その全体を参照によって本明細書に援用する。

【0061】

さらに、セメント系材料には、ケイ酸カルシウム、炭酸カルシウム、および非晶質シリカを含み得る。非晶質シリカ含有量は、約５％～約５０％、約８％～約４５％、約８％～約４０％、約９％～約４０％、約１０％～約４０％、約２０％～約４０％であり得、非晶質シリカは、水酸化カルシウムと反応してケイ酸カルシウム水和物ゲルを形成する。非晶質シリカ含有量は、これらの範囲の端点を含む、これらの範囲内の任意の整数値または値に等しくあり得る。

【0062】

本明細書に記載されるセメントまたはコンクリートは、複数の結合要素を含み得、各結合要素は、コア（非炭酸化セメント）と、コアの周縁部を少なくとも部分的に覆う、シリカに富む第１の層と、第１の層の周縁部を少なくとも部分的に覆う、炭酸カルシウムおよび／または炭酸マグネシウムに富む第２の層と、を含む。本明細書で使用される場合、「シリカに富む」および「炭酸カルシウムおよび／または炭酸マグネシウムに富む」という用語は、それぞれ、シリカおよび炭酸カルシウムおよび／または炭酸マグネシウムの含有量がそれぞれの層の構成要素の合計質量または体積の５０重量％または体積％を超えることを意味し得る。

【0063】

シリカに富む第１の層は、非晶質シリカを含み得る。シリカに富む層中の非晶質シリカの量は、Ｃａ（ＯＨ）_２溶液中で混合物を硬化させずに調製されたセメントまたはコンクリート中の非晶質シリカの量よりも多い場合があり得る。

【0064】

シリカに富む層は、通常のポルトランドセメント（ＯＰＣ）水和によって生成されるＣａ（ＯＨ）_２とさらに反応して追加のＣ－Ｓ－Ｈを形成し（ポゾラン反応）、補助セメント系材料からの炭酸カルシウムがＯＰＣと反応してモノカーボネートを形成する。

【0065】

炭酸化可能材料は、約０．５～約１．５、約０．６～約１．４、約０．７～約１．３、約０．８～約１．２、約０．９～約１．１などの元素Ｓｉに対する元素Ｃａのモル比を有するケイ酸カルシウムを含み得る。モル比は、これらの範囲の端点を含む、これらの範囲内の任意の整数値または値に等しくあり得る。

【0066】

炭酸化可能材料は、ＣＳ（珪灰石または擬珪灰石）、Ｃ_３Ｓ_２（ランキナイト）およびＣ_２Ｓ（ビーライトまたはラーナイトまたはブレジット）のうちの１つ以上から選択される、離散的な結晶質ケイ酸カルシウム相のブレンドを、全相の質量で好ましくは約２０％以上、約２５％以上、約３０％以上、約３５％以上、約４０％以上、約４５％以上、約５０％以上、約５５％以上、約６０％以上、約６５％以上、約７０％以上、約７５％以上、約８０％以上、約８５％以上、約９０％以上などで含み得、かつ、約９９％以下、約９８％以下、約９７％以下、約９６％以下、約９５％以下などであり得る。離散的な結晶質ケイ酸カルシウム相のブレンドは、全酸化物質量に基づいて約５０％以下、約４５％以下、約４０％以下、約３５％以下、約３０％以下、約２５％以下、約２０％以下、約１５％以下、約１０％以下、約５％以下など、のＡｌ、ＦｅおよびＭｇの金属酸化物を含み得る。離散的な結晶質ケイ酸カルシウム相のブレンドの量は、これらの範囲の端点を含む、これらの範囲内の任意の整数値または値に等しくあり得る。炭酸化可能材料は、非晶質ケイ酸カルシウム相をさらに含み得る。

【0067】

上記と一致する補助セメント系材料、その製造方法、およびそれらの普通ポルトランドセメントなどへの組み込みの他の非限定的な例は、米国仮出願第６３／２１７，５７４号および対応する米国特許出願第１７／８５４，７７８号に記載されており、その全体を参照によって本明細書に援用する。

【0068】

さらに、上記のポゾラン反応には、本質的なセメント特性を持たないが、水の存在下で水酸化カルシウムと化学的に反応して（または活性化される）セメント系化合物を形成し得るシリカ質またはアルミノシリカ質およびアルミナ質の材料を広く包含する「ポゾラン」が含まれる。ポゾラン材料を活性化可能な非晶質相とも呼ぶ。歴史的には、古代の建築慣行に不可欠なモルタルを作成するために、火山ガラス成分を含む天然素材が消石灰と組み合わせて使用されていた。現代では、多くのポゾラン材料が水硬性セメントと組み合わせて使用されている。これらには、フライアッシュ、高炉スラグ微粉末（ＧＧＢＦＳ）、シリカフューム、有機焼却残留物（籾殻灰など）、反応性メタカオリン（焼成粘土）、焼成頁岩、火山灰、軽石、珪藻土などの物質が含まれる。

【0069】

コンクリート製品の体積型ＣＯ_２排出量の削減は、コンクリート中のポルトランドセメントの一部を置換する能力を持つさまざまな天然素材や工業副産物を含むこのようなポゾランの使用によって、最終的なコンクリート部材の強度に貢献しながら、多くの用途で可能になった。これらの材料は材料の強度に寄与するため、かなりの量、場合によっては最大８０％のポルトランドセメントを置換し得る。

【0070】

典型的な水硬性セメント系におけるポゾランの反応は、単に水硬性セメント成分によって供給されるポルトランダイト（Ｃａ（ＯＨ）_２）とケイ酸（Ｈ_４ＳｉＯ_４）との反応である。この反応によって、概して、一般的にＣａＨ_２ＳｉＯ_４・２Ｈ_２Ｏと書かれるケイ酸カルシウム水和物（Ｃ－Ｓ－Ｈ）と呼ばれる化合物が生成される。実際には、ＣＳＨ相は非常に多様なＣａ／Ｓｉモル比と非常に多様な結晶含水量を有し得る。ポゾラン反応のさらなる詳細は、米国特許第１０，６６２，１１６号明細書に記載されており、その全体を参照によって本明細書に援用する。

【0071】

別の例示的な実施形態は、セメントまたはコンクリートを形成するための方法を対象とし、本方法は、本明細書に記載の例示的な方法のいずれかに従って炭酸化補助セメント系材料を形成するステップと、炭酸化補助セメント系材料を水硬性セメント組成物と組み合わせて混合物を形成するステップであって、混合物は、混合物中の固体の総重量に基づいて、約１重量％～約９９重量％の炭酸化補助セメント系材料を含む、ステップと、混合物を水と反応させてセメントまたはコンクリートを形成するステップと、を含む。混合物は、混合物中の固体の総重量に基づいて、重量で約２０％～約３５％の炭酸化補助セメント系材料を含み得る。混合物のさまざまな成分の量は、これらの範囲の端点を含む、これらの範囲内の任意の整数値または値に等しくあり得る。水硬性セメントは、通常ポルトランドセメント（ＯＰＣ）、スルホアルミン酸カルシウムセメント（ＣＳＡ）、ビーライトセメント、または他のカルシウムベースの水硬性材料のうちの１つ以上を含み得る。この方法は、混合物に骨材を添加することをさらに含み得、骨材は粗骨材および／または細骨材であり得る。得られたセメントまたはコンクリートは、基礎、路床、歩道、建築スラブ、舗装機、ＣＭＵ、湿式鋳造タイル、分割擁壁、中空コアスラブ、その他の鋳造およびプレキャスト用途を含むがこれらに限定されないさまざまな用途に適し得る。得られたセメントまたはコンクリートは、石材用途に適したモルタルの調製での使用にも適し得る。

【0072】

炭酸化可能なケイ酸カルシウム材料の他の非限定的な例、および補助セメント系材料の追加の詳細、および上記と一致する通常のポルトランドセメントなどへのそれらの組み込みは、米国仮出願第６３／１５１，９７１号および対応する特許出願第１７／６７５，７７７号に記載され、その全体を参照によって本明細書に援用する。

【0073】

本出願に記載される方法のいずれかを使用して調製されるセメントまたはコンクリートの強度活性度指数（ＳＡＩ）は、少なくとも約５０％、約５０％～約１５０％、約５５％～約１４５％、６０％～約１４０％、約６５％～約１３５％、約７０％～約１３０％、約７５％～約１２０％などであり得、ＳＡＩはＡＳＴＭ Ｃ６１８に従ってモルタル混合物におけるＯＰＣの２０％置換で測定される。強度活性度指数は、混合物中の固形分の総重量に基づいて、約０重量％の炭酸化補助セメント系材料を含むセメントまたはコンクリートの圧縮強度に対する、約２０重量％の炭酸化補助セメント系材料を含むセメントまたはコンクリートの圧縮強度の比である。強度活性度指数は、これらの範囲の端点を含む、これらの範囲内の任意の整数値または値に等しくあり得る。セメントまたはコンクリートの形成後２８日以上で測定されるセメントまたはコンクリートの強度活性度指数は、セメントまたはコンクリートの形成後７日以下で測定されるセメントまたはコンクリートの強度活性度指数よりも高くなり得る。粉砕後の炭酸化補助セメント系材料を用いて製造されたセメントまたはコンクリートの強度活性度指数は、粉砕せずに炭酸化補助セメント系材料を用いて製造されたセメントまたはコンクリートの強度活性度指数よりも高い。

【0074】

炭酸化セメント系材料の粉砕が約５分～約１０分間行われるとき、セメントまたはコンクリートの形成後約７日目に測定されるセメントまたはコンクリートの強度活性度指数は、約５％～約２０％、約６％～約１８％、約７％～約１６％、約７．５％～約１４％、約８％～約１３％、約８．５％～約１３％、約９％～約１２％、などであり、例えば、炭酸化セメント系材料を粉砕せずにセメントまたはコンクリートの形成後７日目に測定したセメントまたはコンクリートの強度活性度指数よりも高い。

【0075】

本出願の実施例の結果が示すように、それによって炭酸化セメント系材料をさらなる炭酸化の前に粉砕する中間粉砕は、ＣＯ２の吸収率を増加させるだけでなく、シリカに富む層中の非晶質シリカを活性化し、シリカに富む層と普通ポルトランドセメント（ＯＰＣ）の水和によって生成されるＣａ（ＯＨ）２との間でポゾラン反応を促進し、追加のＣ－Ｓ－Ｈを形成する。これによって、セメントまたはコンクリートは予想外に高い強度活性度指数を有し、その強度活性度指数は時間の経過とともに維持および／または増加する。

【0076】

本発明の原理、ならびにその特定の例示的な特徴および実施形態を、下記の非限定的な実施例を参照して説明する。

【実施例】

【0077】

材料の加工－蒸気処理

【0078】

材料加工の一例としては、蒸気処理が挙げられる。この方法では、スチーマーを３０℃～９０℃の範囲の所定の温度に予熱する。１０．０ｇの炭酸化可能な粉末材料と２．０ｇの水道水（Ｌ／Ｓ比＝０．２０）とを含むサンプルを、ジッパー付きプラスチックバッグの中で約１分間混練してよく混合し、次に、混合物の小片を既知の風袋を備えたアルミニウム鍋に素早く入れる。鍋を金属トレイに置き、その上にコーンを置いてスチーマーにセットする。蒸気処理を、温度６８℃、圧力３ｐｓｉのＣＯ_２で行う。炭酸化時間は、ファン速度４００ｒｐｍで６０分である。サンプルを８０℃で一晩乾燥させる。

【0079】

材料処理－撹拌

【0080】

材料処理の別の例には、撹拌が含まれる。この方法では、２５０ｇの炭酸粉末（固体）を遊星ボールミルで５分間粉砕し、５８２．５ｇの水道水と混合して、Ｌ／Ｓ比＝２．３３を有する混合物を調製する。混合物を、１５５２ｍＬ／ｍｉｎの流量の１００％のＣＯ_２下、６０℃の温度で１時間、Ｒｕｓｈｔｏｎインペラを用いて４００ｒｐｍで撹拌する。炭酸化プロセスの最後に、スラリーを膜でろ過し、ウェットケーキを８０℃で一晩乾燥させる。

【0081】

Ｓｏｌｉｄｉａ ＳＣＭの粉砕効果

【0082】

炭酸化Ｓｏｌｉｄｉａ ＳＣＭを、スラリー炭酸化プロセスを使用して製造し、乾燥して乾燥Ｓｏｌｉｄｉａ ＳＣＭを製造した。このようなＳＣＭの６つのバッチを製造し、特性評価した。性能評価に影響を与えるバッチ間の変動を避けるために、製造された６つのバッチすべてをサードパーティのブレンド施設（Ｅｍｐｉｒｅ Ｂｌｅｎｄｉｎｇ「ＥＢ」）でブレンドした。実施例１～３のブレンド材料をＲｅｔｃｈ遊星ボールミルでそれぞれ１、５、および１０分間粉砕し、続いてブレンド材料のモルタル性能を測定した。表１に、粉砕前のブレンド材料（ＥＢ１、比較例１）および実施例１～３の粉砕ブレンド材料についてＢＥＴ法を使用して測定した粒径分布および表面積を示す。

【0083】

【表1】

【0084】

表１に示すように、粉砕によって非常に細かい材料が生成され、それに応じてＢＥＴ表面積が増加する。

【0085】

表２は、普通ポルトランドセメント（ＯＰＣ）（２０％ＥＢ１ブレンド、比較例２）の２０％置換（０．４８５の水対セメント比）、および１、５および１０分（それぞれ実施例４～６）で粉砕した２０％ＥＢ１でのモルタル流動性および圧縮強度性能をまとめたものである。ＡＳＴＭ Ｃ２３０に従って測定された流量データを、図１に示し、ＡＳＴＭ Ｃ６１８に従って測定されたＳＡＩデータを、図２に示す。

【0086】

【表2】

【0087】

表２に示すように、補助セメント系材料を５分間粉砕しても水の需要はそれ以上増加せず、強度活性度指数は粉砕によって約１０％増加する。これらの材料のＣＯ_２吸収率をカルシウム計で測定し、表３および図３に示す。

【0088】

【表3】

【0089】

図３に示すように、複数の粉砕サイクルを実行するとき、ＣＯ_２の吸収率が大幅に増加する。例えば、表３に示すように、合計７５分の炭酸化時間で複数回の粉砕サイクルの後、ＣＯ_２の吸収率は約１２５％増加する。

【0090】

表３および図３に示される結果は、炭酸化ステップ間の粉砕によって、短時間でＣＯ_２の吸収率が増加することを示す。例えば、表３（実施例１２および１３）に示すように、５分間の粉砕によって、ＣＯ_２吸収率の約５％増加が達成される。

【0091】

上記で説明したように、これらの実施例で使用した炭酸化ＳＣＭは、スラリー炭酸化プロセスを使用して作成された。このプロセスでは、炭酸化可能材料と水のスラリーをトレイ内で乾燥させた。スラリープロセスのさらなる詳細は、米国仮出願第６３／１５１，９７１号および対応する米国出願第１７／６７５，７７７号に記載されており、その内容は参照によって本明細書に完全に記載されているかのように援用される。乾燥粉末をさらに１、５、および１０分間粉砕した。そのままの乾燥した材料と粉砕した材料を、モルタル混合物中の２０ｗｔ％のＯＰＣで置換して、流動と強度の発現における粉砕の影響を評価した。表２は、粉砕されたＥＢサンプルの流動性能を示す。表２（実施例５）にも示されているように、７日間の強度活性度指数（ＳＡＩ）は、１分間の粉砕後に約９０％（粉砕なしの２０％ＥＢ）から約９８％まで実質的に増加し、５分以上粉砕すると１００％を超える。

【0092】

材料の特性評価

【0093】

材料の粒径分布と表面積は、初期材料と加工材料とについてそれぞれレーザー回折とＢＥＴ法とを使用して測定される。粒径および表面積の測定結果を表１に示す。スラリー法を使用して調製したＳＣＭの特性をも表１に示す（比較例１）。

【0094】

モルタルの性能－流動測定

【0095】

モルタル（ＡＳＴＭ砂とセメント系材料との混合物）の流れを、セメントと砂とのＡＳＴＭ Ｃ１０９比によるＯＰＣの２０％（ｗ／ｃ ０．４８５）置換レベルで測定した。図１に粉砕材料の流れを示す。１００％ＯＰＣモルタルの流量に匹敵する２０％、３５％、および５０％の置換レベルでは、水需要の増加は観察されなかった。

【0096】

モルタルの性能－圧縮強度

【0097】

流動用に作られたモルタルは、圧縮強度測定用にも鋳造された。図２は、モルタルの強度活性度指数（ＳＡＩ）を示す。ＳＡＩは、ＳＣＭモルタル２０％置換時の圧縮強度とＯＰＣ１００％モルタルの圧縮強度との比である。すべてのモルタルキューブは、温度と湿度が制御された環境で鋳造される。

【0098】

少なくとも１回の粉砕サイクルを含む、本出願に記載された炭酸化プロセスによって製造されたＳｏｌｉｄｉａ ＳＣＭは、スラリープロセスを使用して製造されたＳＣＭよりも表面積がはるかに小さかった。材料を粉砕すると、２８日目に強度活性度指数が向上した。表面積が小さいにもかかわらず、粉砕材料の強度活性度指数は、スラリープロセスを使用して製造されたＳＣＭと同等であった。

【0099】

本発明の範囲から逸脱することなく、上記の方法および組成物に様々な変更を加えることができるため、上記の説明に含まれるすべての事項は、限定的な意味ではなく例示として解釈されることが意図される。本明細書で使用される成分、成分、反応条件などの量を表す数値は、本明細書で特定される正確な数値を包含するものとして解釈されるとともに、すべての場合において用語「約」によって修飾されるものと解釈される。記載される数値範囲およびパラメータにもかかわらず、本明細書に記載される主題の広範な範囲は近似値であり、記載される数値は可能な限り正確に示される。ただし、それぞれの測定技術で見られる標準偏差から明らかなように、いかなる数値にも本質的に特定の誤差または不正確さが含まれ得る。本明細書に記載されている特徴はいずれも、「ｍｅａｎｓ」という用語が明示的に使用されない限り、米国特許法第１１２条第６項を援用するものとして解釈されるべきではない。

【図1】

【図2】

【図3】

【手続補正書】

【提出日】2024-06-06

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

炭酸化補助セメント系材料を調製する方法であって、前記方法は、
水を炭酸化可能材料に添加して炭酸化可能混合物を形成するステップであって、前記混合物の含水量が、約０．１重量％～約９９．９９重量％である、ステップと、
前記炭酸化可能混合物を炭酸化して、第１の炭酸化セメント系材料を得るステップと、
前記第１の炭酸化セメント系材料を約０．１分～約６０分間粉砕して、粉砕混合物を得るステップと、
前記粉砕混合物を炭酸化して、炭酸化補助セメント系材料を得るステップと、
を含み、
前記炭酸化可能混合物および前記粉砕混合物を炭酸化することが、約５体積％～約１００体積％の二酸化炭素を含むガスを前記炭酸化可能混合物および前記粉砕混合物に流し、約１℃～約９９℃の温度を維持して前記炭酸化補助セメント系材料を得ることを含む、炭酸化補助セメント系材料を調製する方法。

【請求項2】

前記方法は、複数の粉砕および湿潤サイクルと交互に行われる複数の炭酸化サイクルを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記粉砕混合物を炭酸化する前に、前記粉砕混合物を蒸気処理するステップをさらに含み、前記蒸気処理は、前記粉砕混合物を約２０℃～約２００℃の温度で蒸気またはスチームに曝露することを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記炭酸化補助セメント系材料を約２０℃～約５００℃の温度で約１分～約２４時間乾燥させるステップをさらに含み、前記炭酸化補助セメント系材料を乾燥させることが、任意に、前記炭酸化材料を粉砕することの前に行われる、請求項１に記載の方法。

【請求項5】

前記混合物を解凝集させるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。

【請求項6】

二酸化炭素を含むガスを排ガスから得るステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。

【請求項7】

前記粉砕は、ボールミル、垂直ローラーミル、ベルトローラーミル、造粒機、ハンマーミル、アトリションミル、粉砕ローラー、ピーリングローラーミル、エアスイープローラーミル、またはそれらの組み合わせから選択されるミルにおいて実行される、請求項１に記載の方法。

【請求項8】

前記炭酸化補助セメント系材料の平均粒径（ｄ５０）が、約１μｍ～約２５μｍである、請求項１に記載の方法。

【請求項9】

前記炭酸化補助セメント系材料のＢＥＴ表面積が、約５ｍ^２／ｇ～約２５ｍ^２／ｇである、請求項１に記載の方法。

【請求項10】

前記炭酸化補助セメント系材料の二酸化炭素吸収率は、約５％～約４０％である、請求項１に記載の方法。

【請求項11】

前記炭酸化可能材料が、一般式Ｍ_ａＭｅ_ｂＯ_ｃ、Ｍ_ａＭｅ_ｂ（ＯＨ）_ｄ、Ｍ_ａＭｅ_ｂＯ_ｃ（ＯＨ）_ｄ、またはＭ_ａＭｅ_ｂＯ_ｃ（ＯＨ）_ｄ・（Ｈ_２Ｏ）_ｅを有する少なくとも１つの合成配合物を含み、式中、Ｍは、カルシウムおよび／またはマグネシウムであり、Ｍｅは、シリコン、チタン、アルミニウム、リン、バナジウム、タングステン、モリブデン、ガリウム、マンガン、ジルコニウム、ゲルマニウム、銅、ニオブ、コバルト、鉛、鉄、インジウム、ヒ素、硫黄、および／またはタンタルである、請求項１に記載の方法。

【請求項12】

ａ：ｂの比が、約２．５：１～約０．１６７：１であり、ｃが、３以上であり、ｄが、１以上であり、ｅが、０以上である、請求項１１に記載の方法。

【請求項13】

前記炭酸化可能材料が、元素Ｓｉに対する元素Ｃａのモル比約０．８～約３．０を有するケイ酸カルシウムを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項14】

前記炭酸化可能材料が、ＣＳ（珪灰石または擬珪灰石）、Ｃ_３Ｓ_２（ランキナイト）、およびＣ_２Ｓ（ビーライトまたはラーナイトまたはブレディジット）のうちの１つ以上から選択される離散的な結晶質ケイ酸カルシウム相のブレンドを全相の３０質量％以上含み、Ａｌ、Ｆｅ、およびＭｇの金属酸化物を全酸化物質量の３０％以下含む、請求項１３に記載の方法。

【請求項15】

前記炭酸化可能材料が、ケイ酸カルシウム水和物（Ｃ-Ｓ－Ｈ）、再生コンクリート、都市廃棄物、鉱山尾滓、またはそれらの混合物を含む、請求項１３に記載の方法。

【請求項16】

前記炭酸化可能材料が、非晶質ケイ酸カルシウム相をさらに含む、請求項１１に記載の方法。

【請求項17】

セメント、モルタルまたはコンクリートを形成する方法であって、前記方法は、
請求項１に記載の方法に従って炭酸化補助セメント系材料を形成するステップと、
前記炭酸化補助セメント系材料を水硬性セメント組成物と組み合わせてセメント系材料混合物を形成するステップであって、前記セメント系材料混合物が、前記混合物における固体の総重量に基づいて、約１重量％～約９９重量％の前記炭酸化補助セメント系材料を含むステップと、
前記セメント系材料混合物を水と反応させて前記セメント、モルタルまたはコンクリートを形成するステップと、
を含む、セメント、モルタルまたはコンクリートを形成する方法。

【請求項18】

前記セメント系材料混合物が、前記混合物中の固体の総重量に基づいて、約２０重量％～約３５重量％の炭酸化補助セメント系材料を含む、請求項１７に記載の方法。

【請求項19】

前記セメントまたはコンクリートの強度活性度指数が、約７５％～約１２０％であり、
前記強度活性度指数は、前記混合物中の固形分の総重量に基づいて、約０重量％の前記炭酸化補助セメント系材料を含む前記セメントまたはコンクリートの圧縮強度に対する、約２０重量％の前記炭酸化補助セメント系材料を含む前記セメントまたはコンクリートの圧縮強度の比である、請求項１７に記載の方法。

【国際調査報告】