(57)【要約】現地の材料を用いて合成ポゾランが製造され、材料が得られた場所に依存しない、化学的性質及び特性が均一なセメント質材料が提供される。二つの製造方法が説明される。一つは材料が半溶融又は溶融状態で加工される高温プロセスである。二つ目のプロセスは低温水性プロセスである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一つ以上の珪質、アルミノ珪質及びアルミニウム質の材料を含む少なくとも１０質量％の活性化可能なアモルファス相を含み、
前記活性化可能なアモルファス相が、化学反応を行うことで活性化されてセメント質化合物を形成するように構成された、合成ポゾラン。
【請求項２】
結晶相を更に含む、請求項１に記載の合成ポゾラン。
【請求項３】
前記結晶相が、その大部分に結晶性黄長石を含む、請求項２に記載の合成ポゾラン。
【請求項４】
前記結晶相が、その大部分に結晶性斜長石を含む、請求項２に記載の合成ポゾラン。
【請求項５】
前記結晶相が、その大部分に結晶性アルカリ長石を含む、請求項２に記載の合成ポゾラン。
【請求項６】
少なくとも１０質量％の活性化可能なアモルファス相を含む合成ポゾランの製造方法であり、
前記方法が、クリンカーを生成するために高温プロセスで固相反応を行う工程を含む、合成ポゾランの製造方法。
【請求項７】
前記高温プロセスで固相反応を行う工程が：
一つ以上の前駆体原料を選択する工程；
前記一つ以上の前駆体原料の化学組成を分析する工程；
前記一つ以上の前駆体原料を混合して、Al、Fe、Mg、Siの合計に対するCaのバルクモル比が０．５〜１．０であり、且つAl、Fe及びMgの金属酸化物の合計が少なくとも１４重量％である混合前駆体組成物を得る工程；及び、
前記混合前駆体組成物を、前記混合前駆体組成物が反応して黄長石系クリンカーを生成するのに十分な時間、８００°C〜１４００°Cの間の温度に加熱する工程；
を含む、請求項６に記載の合成ポゾランの製造方法。
【請求項８】
前記高温プロセスで固相反応を行う工程が：
一つ以上の前駆体原料を選択する工程；
前記一つ以上の前駆体原料の化学組成を分析する工程；
前記一つ以上の前駆体原料を混合して、一つ以上のCaAl（灰長石端成分）、NaSi（曹長石端成分）、又はKAl（正長石端成分）が、CaAl＋NaSi＋KAl成分対AlSi2O8のモル比にして０．８〜１．２対１で添加されたAlSi2O8のバルク化学を有する混合前駆体組成物を得る工程；及び、
前記混合前駆体組成物を、前記混合前駆体組成物が反応して斜長石長石系クリンカーを生成するのに十分な時間、８００°C〜１４００°Cの間の温度に加熱する工程；
を含む、請求項６に記載の合成ポゾランの製造方法。
【請求項９】
前記固相反応の反応速度又は反応の最大範囲を、前処理化学物質の不存在下で確認される前記反応速度又は前記反応の最大範囲よりも改善するために、前記前処理化学物質を使用する工程を更に含む、請求項６に記載の合成ポゾランの製造方法。
【請求項１０】
前記前処理化学物質が、酢酸、クエン酸、酒石酸、グルコン酸、及びシュウ酸の内少なくとも一つを含有する有機酸溶液である、請求項９に記載の合成ポゾランの製造方法。
【請求項１１】
前記クリンカーの粉砕中に前記前処理化学物質を導入する工程を含む、請求項６に記載の合成ポゾランの製造方法。
【請求項１２】
粉砕クリンカーに前記前処理化学物質を導入する工程を含む、請求項６に記載の合成ポゾランの製造方法。
【請求項１３】
少なくとも１０質量％の活性化可能なアモルファス相を含む合成ポゾランの製造方法であり、
前記方法が、低温プロセスで水性反応を行う工程を含む、合成ポゾランの製造方法。
【請求項１４】
前記低温プロセスで水性反応を行う工程が、
分解又は不調和溶解して活性化可能なアモルファス相を形成するように構成されたシリケート鉱物と、前駆体鉱物の前記分解又は溶解を補助するように構成された前駆体化学物質と、を含む前駆体を使用することを含む、請求項１３に記載の合成ポゾランの製造方法。
【請求項１５】
反応器を通じてCO2含有廃ガスを浸出させる工程を更に含む、請求項１３に記載の合成ポゾランの製造方法。
【請求項１６】
前記前駆体化学物質が酸である、請求項１３に記載の合成ポゾランの製造方法。
【請求項１７】
前記前駆体化学物質がCO2ガスに由来する、請求項１３に記載の合成ポゾランの製造方法。
【請求項１８】
前記前駆体化学物質がCO2ガスから合成される、請求項１３に記載の合成ポゾランの製造方法。
【請求項１９】
前記前駆体鉱物が、天然で得られた鉱物、珪質石灰岩、粘土、珪灰石、カンラン石、及び長石から選択されてなる、請求項１３に記載の合成ポゾランの製造方法。
【請求項２０】
前記前駆体鉱物が、普通ポルトランドセメント、カルシウムサルホアルミネートセメント、カルシウムアルミネートセメント、炭酸塩化可能なカルシウムシリケートセメント、及び合成鋳物砂から選択される人工材料である、請求項１３に記載の合成ポゾランの製造方法。
【請求項２１】
前記前駆体鉱物が合成的に生産されたポゾランである、請求項１３に記載の合成ポゾランの製造方法。
【請求項２２】
前記前駆体鉱物が、廃棄材料、スラグ及びフライアッシュから選択されてなる、請求項１３に記載の合成ポゾランの製造方法。
【請求項２３】
前記活性化可能なアモルファス相がSiO2及びAl2O3を含む、請求項１３に記載の合成ポゾランの製造方法。
【請求項２４】
請求項１に記載の合成ポゾランを活性剤及び水と混合してなる複合材料。
【請求項２５】
前記活性剤が、水硬性セメント（１〜７０重量％）、遊離石灰（１〜２０重量％）、水酸化カルシウム（１〜２０重量％）、及びアルカリ水酸化物（NaOH、KOHが１〜１０重量％）から、個々に又は組合せで選択されてなる、請求項２４に記載の複合材料。
【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、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、２０１６年５月５日に出願された同時係属中の米国仮特許出願第62/332,318号に基づく優先権及び利益を主張する。
【０００２】
本発明は、コンクリート全般に関し、特にコンクリート組成物に使用されるポゾラン材料に関する。
【背景技術】
【０００３】
種々のタイプのセメントが、あらゆる手法の建設において数千年にわたって用いられてきた。普通ポルトランドセメント（ＯＰＣ）として最も一般的に知られている、典型的な現代の水硬性セメントは、地球上で最も消費されている物質の一つである。
【０００４】
普通ポルトランドセメント系コンクリートは大抵の他の構造材料よりも低いCO2フットプリントを有するものの、毎年生産されるポルトランドセメントコンクリートのとてつもない量により、自身が世界的な人為的二酸化炭素排出量に対するかなりの寄与者となっている。世界的なCO2排出量を削減するために、新世代の水硬性セメントを創造する新しいアプローチを採用することが不可欠である。今日、最も効率的なセメントキルンは、１トンのＯＰＣクリンカー当たり８１６kgのCO2関連排出量でもってセメントクリンカーを生産することができる。粉砕セメントクリンカーを、生産関連CO2排出量が低い又は零である補助的セメント質材料（ＳＣＭ）と混合することは、最終製品の合計体化CO2（embodied CO2）を削減する。特定の適用例に対して可能な限り最も低いクリンカーファクターを有するセメントを使用することが、コンクリート設備におけるCO2フットプリントの削減に対する最も一般的な産業アプローチである。
【０００５】
低クリンカーファクターを得るためにＯＰＣクリンカーと混合されるＳＣＭは、主にフライアッシュ及びスラグである。セメントクリンカーファクターの低減を通じてCO2フットプリントを削減する動因を考慮して、以前は廃棄材料（フライアッシュ及びスラグ）として考えられてきたものに対する需要が、これらの材料のコストがＯＰＣに匹敵し得るところにまで高まってきた。以前は産業廃棄物や最低限の加工がなされた廃油として考えられてきた物質に対するこの需要により、シェール又は粘土鉱物が経済的に生産されてＳＣＭとして利用可能である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
生産可能であり、コンクリート中でＯＰＣと大幅に置き換えることのできる、持続可能なＳＣＭに対する必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のサマリー
一態様によれば、本発明は、活性化可能なアモルファス相をかなりの割合で有する材料の製造方法について説明する。
【０００８】
一実施形態では、該材料は、材料を高温で粉砕及び燃焼することを通じて、並びに、幾分かの結晶性成分と、燃焼中に生成される液相に由来した幾分かの活性化可能なアモルファス相とを含むクリンカーを生産するための固相プロセスを通じて生産される。
【０００９】
他の実施形態では、該材料は、CO2を含む鉱物質を含有した、天然、廃物、又は人工のシリケートの水性分解又は溶解によって生産され、活性化可能なアモルファス相及び追加的な結晶性沈殿物を形成する。
【００１０】
更に他の実施形態では、生成された活性化可能なアモルファス相を含有する材料が、水及び活性剤と配合されてセメント質複合材料を形成する。
【００１１】
なお他の実施形態では、該活性剤は、ＯＰＣ（１〜７０重量％）、遊離石灰（１〜２０重量％）、水酸化カルシウム（１〜２０重量％）、及びアルカリ水酸化物（NaOH、KOHが１〜１０重量％）から、個々に又は組合せで選択される。
【００１２】
一態様によれば、本発明は、一つ以上の珪質、アルミノ珪質及びアルミニウム質の材料を含む、少なくとも１０質量％の活性化可能なアモルファス相を含有する合成ポゾランを特徴とし、該活性化可能なアモルファス相は、化学反応を行うことで活性化されてセメント質化合物を形成するように構成される。
【００１３】
一実施形態では、合成ポゾランは結晶相を更に含む。
【００１４】
他の実施形態では、該結晶相はその大部分に結晶性黄長石を含む。
【００１５】
更に他の実施形態では、該結晶相はその大部分に結晶性斜長石を含む。
【００１６】
なお他の実施形態では、該結晶相はその大部分に結晶性アルカリ長石を含む。
【００１７】
他の態様によれば、本発明は合成ポゾランの製造方法に関し、該合成ポゾランは少なくとも１０質量％の活性化可能なアモルファス相を含み、該方法は、高温プロセスで固相反応を行ってクリンカーを生成する工程を含む。
【００１８】
一実施形態では、高温プロセスで固相反応を行う工程が：一つ以上の前駆体原料を選択する工程と；該一つ以上の前駆体原料の化学組成を分析する工程と；該一つ以上の前駆体原料を混合して、Al、Fe、Mg、Siの合計に対するCaのバルクモル比が０．５〜１．０であり、且つAl、Fe及びMgの金属酸化物の合計が少なくとも１４重量％である混合前駆体組成物を得る工程と；該混合前駆体組成物を、該混合前駆体組成物が反応して黄長石系クリンカーを生成するのに十分な時間、８００°C〜１４００°Cの間の温度に加熱する工程と；を含む。
【００１９】
他の実施形態では、高温プロセスで固相反応を行う工程が：一つ以上の前駆体原料を選択する工程と；該一つ以上の前駆体原料の化学組成を分析する工程と；該一つ以上の前駆体原料を混合して、一つ以上のCaAl（灰長石端成分）、NaSi（曹長石端成分）、又はKAl（正長石端成分）が、CaAl＋NaSi＋KAl成分対AlSi2O8のモル比にして０．８〜１．２対１で添加されたAlSi2O8のバルク化学を有する混合前駆体組成物を得る工程と；該混合前駆体組成物を、該混合前駆体組成物が反応して斜長石長石系クリンカーを生成するのに十分な時間、８００°C〜１４００°Cの間の温度に加熱する工程と；を含む。
【００２０】
更に他の実施形態では、合成ポゾランの製造方法が、固相反応の反応速度又は反応の最大範囲を、前処理化学物質の不存在下で確認される反応速度又は反応の最大範囲よりも改善するために、前処理化学物質を使用する工程を更に含む。
【００２１】
なお他の実施形態では、前処理化学物質が、酢酸、クエン酸、酒石酸、グルコン酸、及びシュウ酸の内少なくとも一つを含有する有機酸溶液である。
【００２２】
更なる実施形態では、合成ポゾランの製造方法が、クリンカーの粉砕中に前処理化学物質を導入する工程を含む。
【００２３】
更に更なる実施形態では、合成ポゾランの製造方法が、粉砕クリンカーに前処理化学物質を導入する工程を含む。
【００２４】
他の態様によれば、本発明は合成ポゾランの製造方法に関し、該合成ポゾランが少なくとも１０質量％の活性化可能なアモルファス相を含み、該方法が、低温プロセスで水性反応を行う工程を含む。
【００２５】
一実施形態では、低温プロセスで水性反応を行う工程が、分解又は不調和溶解して（incongruently dissolve）活性化可能なアモルファス相を形成するように構成されたシリケート鉱物と、該前駆体鉱物の分解又は溶解を補助するように構成された前駆体化学物質とを含む、前駆体を使用することを含む。
【００２６】
他の実施形態では、合成ポゾランの製造方法が、反応器を通じてCO2含有廃ガスを浸出させる（percolating）工程を更に含む。
【００２７】
更に他の実施形態では、前駆体化学物質が酸である。
【００２８】
なお他の実施形態では、前駆体化学物質がCO2ガスに由来する。
【００２９】
更なる実施形態では、前駆体化学物質がCO2ガスから合成される。
【００３０】
更に更なる実施形態では、前駆体鉱物が、天然で得られた鉱物、珪質石灰岩、粘土、珪灰石、カンラン石、及び長石から選択されてなる。
【００３１】
追加的実施形態では、前駆体鉱物が、普通ポルトランドセメント、カルシウムサルホアルミネートセメント、カルシウムアルミネートセメント、炭酸塩化可能なカルシウムシリケートセメント、及び合成鋳物砂から選択される人工材料である。
【００３２】
もう一つの実施形態では、前駆体鉱物が合成的に生産されたポゾランである。
【００３３】
なお更なる実施形態では、前駆体鉱物が、廃棄材料、スラグ及びフライアッシュから選択されてなる。
【００３４】
更なる実施形態では、活性化可能なアモルファス相がSiO2、Al2O3、及びAl2O3−SiO2を含む。
【００３５】
他の態様によれば、本発明は、請求項１に記載の合成ポゾランを活性剤及び水と混合して製造される複合材料に関する。
【００３６】
一実施形態では、活性剤が、水硬性セメント（１〜７０重量％）、遊離石灰（１〜２０重量％）、水酸化カルシウム（１〜２０重量％）、及びアルカリ水酸化物（NaOH、KOHが１〜１０重量％）から、個々に又は組合せで選択されてなる。
【発明の効果】
【００３７】
本発明の、前述及び他の目的、態様、特徴、及び利点は、以下の説明及び請求項からより明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
以下に記載した図及び請求項を参照することにより、本発明の目的及び特徴をより良く理解することができる。図面は、必ずしも原寸通りの縮尺を必要とせず、その代わりに、全般的に本発明の原理を例示することに重点が置かれている。図では、様々な見方を通じて同様の部分を示すために同様の番号が使用されている。
【００３９】
【図１】図１は、通常のポゾラン化学、普通ポルトランドセメントクリンカーの一般化学と、本発明の原理に従った高温黄長石−灰長石型クリンカーの関心領域との両方を表す三元系CaO−SiO2−Al2O3相図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
詳細な説明
本発明は、伝統的に生産された水硬性セメントのCO2フットプリントを削減するであろう。ＳＣＭは、典型的には、塩基の存在下で活性化され得る、アモルファスシリケート及び／又はアモルファスアルミノ−シリケートで構成される。活性化可能なアモルファス相は、活性化されてセメント質特性を有することができるような、アモルファスシリケート及び／又はアモルファスアルミノ−シリケートの相を含むアモルファス相である。
【００４１】
セメント及びコンクリート産業において大きな影響を成し遂げるには、これらのＳＣＭが世界的に生産可能でなければならず、好ましくは、信頼性があり持続可能なサプライチェーンでもって既存のセメントインフラストラクチャーの範囲内で生産可能でなければならない。
【００４２】
コンクリート製品の体化CO2フットプリントを減少させるために、セメント生産中におけるクリンカーの量を低減する努力が行われてきた。ポゾランの使用を通じて、このことが多くの適用例にわたり可能となってきた。ポゾランは、最終コンクリート部材の強度になお貢献しつつ、コンクリート中のポルトランドセメント部分に取って代わる能力を有する、天然材料及び産業副産物の範囲を含む。これらの材料が材料の強度に貢献するので、ある場合では８０％までと相当量のポルトランドセメントに取って代わることができる。
【００４３】
多くのポゾラン材料、特に産業副産物は、本質的に低い体化CO2フットプリントを有する。ある実施形態では、混合セメントにこれらを使用することでセメントの体化CO2フットプリントを著しく削減する。
【００４４】
「ポゾラン」という用語は、本質的なセメント質特性を何ら有しないが、水の存在下で水酸化カルシウムと化学反応して（又は活性化されて）セメント質化合物を形成し得る、珪質の、又はアルミノ−珪質の、及びアルミニウム質の材料を広く含む。我々はまた、ポゾラン材料を活性化可能なアモルファス相とも呼ぶ。歴史的に、火山ガラス成分を含有する天然発生材料は、古代の建設業務に不可欠なモルタルを作るために消石灰と組合わせて使用されていた。現代では、数多くのポゾラン材料が水硬性セメントと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、燃焼された有機残渣（例えば、籾殻灰）、反応性メタカオリン（焼成粘土）、焼成シェール、火山灰、軽石、及び珪藻土などの材料が含まれる。
【００４５】
図１は、通常のポゾラン化学、普通ポルトランドセメントクリンカーの一般化学と、本発明の原理に従った高温黄長石−灰長石型クリンカーの関心領域との両方を表す、三元系CaO−SiO2−Al2O3相図１００である。
【００４６】
図１では、シリカフューム１０２、天然ポゾラン１０４、Ｆ型ＦＡ（フライアッシュ）１０６、ＧＢＢＳ（高炉スラグ微粉末ＧＧＢＦＳとも言う）１０８、ＯＰＣ１１０、及びＣ型ＦＡ（フライアッシュ）１１２などを含む、従来技術のポゾランがいくつか例示されている。
【００４７】
図１では、本発明の新規なポゾランが、組成中どの従来技術のポゾランとも重ならない領域部分１２０黄長石−灰長石ポゾランによって表示されている。
【００４８】
典型的な水硬性セメントシステムにおけるポゾランの反応は、単に、水硬性セメント成分から供給されたポルトランダイト（Ca(OH)2）と珪酸（H4SiO4）との間の反応である。この反応は、一般にカルシウムシリケート水和物（C-S-H）と呼ばれ、一般にCaH2SiO4・2H2Oとして表記される化合物を形成する。C-S-Hの形成は式１に示される。これは化学量論的反応として表記可能ではあるものの、実際にはCSH相は、非常に変動するCa/Siモル比及び非常に変動する結晶水分量を有し得る。
【００４９】
本明細書で使用される通り、下付き文字（aq）、（s）、（l）は、水溶性、固体、及び液体をそれぞれ表記する意図である。
Ca(OH)2(aq) + H4SiO4(aq)→ CaH2SiO4・2H2O(s)      （１）
【００５０】
多くの場合、水酸化アルミニウムも水溶性媒体中に存在して（アルミネート、Al(OH)4-）類似の反応を受けることができ、C4AH13（Ca4Al2O7・13H2O）又はC3AH6（Ca3Al2O6・6H2O、ハイドロガーネット）などのカルシウムアルミネート水和物を形成する。珪酸の存在下では、C2ASH8（Ca2Al2SiO7・8H2O、ストレートリンジャイト（stratlingite））などのカルシウムアルミネートシリケート水和物（C-A-S-H）又はより複合的なC-A-S-H沈殿物が形成されるであろう。単純なC-A-H及びC-A-S-H種を生成する反応は式２〜４に示される。C-S-H種と同様に、C-A-S-H種のCa、Si、Al及びH2O含有量は非常に変動し得る。
4Ca(OH)2(aq) + 2Al(OH)3(aq)+ 6H2O(l) → Ca4Al2O7・13H2O(s)      （２）
3Ca(OH)2(aq) + 2Al(OH)3(aq)→ Ca3Al2O6・6H2O(s)      （３）
2Ca(OH)2(aq) + 2Al(OH)3(aq)+ H4SiO4(aq) + H2O(l) → Ca2Al2SiO7・8H2O(s)      （４）
【００５１】
カリウム又はナトリウムなどのアルカリ種もまた、場合によっては水溶性の水酸化アルミニウム及び珪酸と反応して同様のアルカリアルミニウムシリケート水和物沈殿物を形成する。
【００５２】
硫酸塩又は炭酸塩などの他のアニオン種の存在下では、エトリンガイト（Ca6Al2(SO4)3(OH)12・26H2O）又はモノカーボネート（Ca3Al2O6・CaCO3・11H2O）などの他の複合水和物が沈殿可能である。エトリンガイト及びモノカーボネートの形成は式５及び６に示される。
3Ca(OH)2(aq) + 2Al(OH)3(aq)+ 3CaSO4(aq) + 26H2O(l)
→ Ca6Al2(SO4)3(OH)12・26H2O(s)      （５）
4Ca(OH)2(aq) + 2Al(OH)3(aq)+ H2CO3(aq) + 10H2O(l)
→ Ca3Al2O6・CaCO3・11H2O(s)      （６）
【００５３】
説明された種々の複合水和物種は、セメント質化合物として広く表記されることができ、セメント質システムの機械的強度に貢献することが知られている。
【００５４】
ポゾラン反応において沈殿させるために、システム中で使用されるポゾランは、水溶性のH4SiO4及びAl(OH)3を生成する能力を有さなければならない。アモルファスSiO2及びAl2O3含有相は本質的に不安定なので、これらは結晶相よりも好ましい。多くの場合、SiO2及びAl2O3の溶解性は、ポゾラン含有コンクリートを高温で又はアルカリ水酸化物活性剤の導入を通じて硬化することにより高めることができる。このポゾラン相は、本発明の文脈上「活性化可能なアモルファス相」と呼ばれる。
【００５５】
特定のポゾランの組成はどの種がセメント質化合物の形成に貢献し得るかを明らかにする。珪質を多く含むポゾランはSiO2関連種のみを反応プロセスに寄与させるかも知れない。高炉スラグ微粉末のような多様に構成されたポゾランはSiO2、Al2O3及びCaO由来種をセメント質化合物に貢献させるかも知れない。
【００５６】
天然ポゾラン、即ち火山灰の堆積物に由来する火山軽石は、古代から使用されてきた。これらの岩は、粉砕されると、これらのアモルファス特性による高度の天然ポゾラン活性を有する。しかしながら、これらは地理的に制限されており、欧州及び中東の特定の地域においてＳＣＭとして使用するために豊富であるのみである。セメント産業は本質的に大量且つ低採算の産業であるので、天然ポゾランの加工及び輸送は特定の状況においてのみ経済的に持続可能である。
【００５７】
ポゾラン材料を形成するために特定の天然原料を焼成することは、大量の反応性ＳＣＭを供給することに対するもう一つのアプローチである。ＳＣＭとして使用するためのメタカオリン（アモルファスAl2Si2O7）を形成するために粘土鉱物を焼成することが開発されてきた。ある場合では、粘土の供給原料が石灰岩と焼成され、水と配合された時にポゾラン反応用のポルトランダイト（Ca(OH)2）を提供する。石油又は天然ガスの抽出からの廃棄シェールを焼成することもまた、メタカオリン、アモルファスシリカ、及び遊離石灰の種々の部分を含むことができるより複合的な材料を形成するために使用される。
【００５８】
天然ポゾランの使用と同様に、単純処理されたポゾランの使用は適切な原料の現地での入手可能性に基づく。焼成粘土系ポゾランに対する多くのアプローチが、地理的に豊富ではない特定の粘土化学を必要とする。シェールの焼成、特に炭化水素抽出廃棄物からのシェールの焼成は、これらの作業が行われる地域に制限されており、抽出された岩がＳＣＭに加工されるための適切な化学的性質を有することを更に必要とする。破砕及び／又は粉砕の加工工程のみを必要とし得る天然ポゾランとは対照的に、焼成された天然ポゾランは、ポルトランダイトと反応するアモルファスアルミノシリケート相を形成するための更なるロータリーキルン加工を必要とする。この追加的処理には、適切な加工インフラストラクチャー、更なる輸送、及び更なるコストが必要であり、非常に好適な条件下での場合を除いて経済的持続性を限定する。
【００５９】
産業副産物は最も典型的な現代のＳＣＭである。利用される最も一般的な三つの副産物は、フライアッシュ、高炉スラグ微粉末（ＧＧＢＦＳ）及びシリカフュームである。このような副産物を使用する優位性は、体化された二酸化炭素フットプリントを零（０）として取ることができる点である。これらの材料のコストは低いはずである。しかしながら、セメント産業においてクリンカーファクターを減少させるという動因が、このような材料に対する需要を混合セメントの水硬性クリンカー成分と同等又はそれよりもコストがかかる程度にまで駆り立てたため、このことはもはや当てはまらない。天然ポゾランのように、副産物もまた地理的制限の対象である。例えば、製鉄がほとんどない国はＧＧＢＦＳにアクセスできないだろう。
【００６０】
ＧＧＢＦＳ及びフライアッシュの両方とも水硬性セメントシステムに高い割合で混合することができ、これらはクリンカーファクターを低減させる目的にとっては非常に魅力的なものとなる。しかしながら、これらの材料は、その製造手法が別の工業製品の副作用であるような副産物であるため、組成及び品質の変動を被る。これらの副産物の組成及び反応性は、プロセスの詳細及びこれらが由来する原料次第で変動する。このため、地理的及び経時的の両方において品質の変動性が高い。
【００６１】
ポゾランのような反応性ＳＣＭがコンクリート産業の中でより幅広く利用されるために、普遍的な入手可能性及び品質の均一性への挑戦に取り掛かる必要がある。豊富で安価な原料と、可能であれば既存の生産インフラストラクチャーとを用いて工業生産されたエンジニアードポゾラン（engineered pozzolan）が好ましい解決策である。ある実施形態では、解決策は、世界的に入手可能な原料を使用して合成可能であり、一貫性をもって制御可能であるべきである。エンジニアードポゾランはまた、好ましくは従来の水硬性セメントよりも低い体化CO2フットプリントを示す。
【００６２】
本明細書の記載通り、「合成ポゾラン」は、活性剤と配合して使用してセメント質バインダーを形成するための、人工の反応性ＳＣＭである。合成ポゾランは、活性剤と反応可能でセメント質沈殿物を形成する材料をある割合で含有する。
【００６３】
合成ポゾランは、一般に、Siイオン及びAlイオンをセメント質沈殿物に寄与させる。組成次第では、合成ポゾランは、Na、K、Fe、Mg又はCaなどの他の種を、セメント質沈殿物の形成に寄与させ得る。
【００６４】
ある実施形態では、合成ポゾランの組成は、合成ポゾラン−活性剤システムに寄与したセメント質化合物形成種の比率を適合させるために工業設計され（engineered）得る。
【００６５】
本開示は、時に「ポゾラン」又は「ポゾラン材料」として知られる材料を含有する活性化可能なアモルファス相の連続的且つ信頼性のある供給を作り出す経路について説明する。
【００６６】
ポゾラン−含有物質を製造する二つの異なる経路について説明する。
【００６７】
高温に基づくアプローチ
一つの経路は、既存の原料を用いて既存のセメントキルンで実行可能となり得る高温手法である。高温で、クリンカーを形成する、二つの化学について説明する。
【００６８】
一つ目の化学は黄長石鉱物に基づき、二つ目の化学は斜長石長石に基づく。
【００６９】
ある実施形態において、高温プロセスから生成されたセメント質材料は、黄長石及び斜長石系システムの組合せ又はある中間体である。
【００７０】
特定の実施形態において、高温プロセス用に使用される前駆体原料としては、石灰岩、沈泥、砂岩、粘土、珪藻土、泥灰土、ボーキサイト、鉄鉱石、又は他の適切な天然資源などの、天然原料を挙げることができる。
【００７１】
特定の実施形態において、高温プロセス用に使用される前駆体原料としては、フライアッシュ、スラグ、シリカフューム、鋳物砂、鉱石採取屑、採石場切削、ガラスカレット、破砕コンクリート廃棄物、或いは適切な廃棄物又はプロセス副産物などの、廃棄物又はプロセス副産物を挙げることができる。
【００７２】
特定の実施形態において、高温プロセス用に使用される前駆体原料は、天然資源並びに廃棄物及びプロセス副産物の資源のある組合せであり得る。
【００７３】
第二のアプローチとしては、いくつかの異なる地域から調達可能であるシリケート含有鉱物に低温水性プロセスを受けさせることについて説明し、ここでこれらは分解又は溶解して活性化可能なアモルファス相を生じる。
【００７４】
特定の実施形態において、水性プロセスは、化学種、好ましくはCO2ガス由来の炭酸又は重炭酸イオン或いはシュウ酸の使用を通じて行われる。
【００７５】
ある実施形態において、水性プロセス用のシリケート鉱物前駆体は、天然資源のシリケート鉱物、或いは珪灰石、カンラン石、粘土鉱物、石灰岩又は長石などの鉱物であり得る。
【００７６】
ある実施形態において、水性プロセス用のシリケート鉱物前駆体は、フライアッシュ、スラグ、鋳物砂、又は鉱石採取屑などの廃棄材料であり得る。
【００７７】
ある実施形態において、水性プロセス用のシリケート鉱物前駆体は、普通ポルトランドセメント、炭酸塩化可能なカルシウムシリケートセメント、カルシウムサルホアルミネートセメント、ビーライトセメント、カルシウムアルミネートセメント又は合成鋳造砂などの人工材料であり得る。
【００７８】
黄長石クリンカー
黄長石鉱物は、ゲーレン石（Ca2Al2SiO7）とオケルマン石（Ca2MgSi2O7）との間の結晶固溶体で構成されるソロシリケートである。黄長石はまた、相当な割合の鉄又はナトリウムも含有し得、特定条件下において、鉄−オケルマン石（Ca2Fe2+Si2O7）、鉄−ゲーレン石（Ca2Fe3+AlSiO7）、又はソーダ黄長石（NaCaAlSi2O7）組成に達する。特定条件下において、黄長石は代わりにカリウムイオンを更に取り入れ得る。黄長石は一般式(Ca，Na，K)2[(Mg，Fe2+，Fe3+，Al，Si)3O7]を用いて表記することができる。
【００７９】
黄長石鉱物の組成は、別々の結晶性黄長石相の混合物から構成されるか、又は前述した鉱物種のいずれかによって表記され得る黄長石固溶体として構成される。
【００８０】
黄長石鉱物の組成はまた、上述した結晶相に加えて、アモルファス（非結晶性）カルシウムアルミノシリケート相も含有する。このアモルファス相もまた、原料から又はプロセスから導入された多くの不純物種を含み得る。
【００８１】
黄長石鉱物の組成は、一つ以上の前駆体原料を選択し、これらを混合して、Al、Fe、Mg、Siの合計に対するCaのバルクモル比が０．５〜１．０であり、且つAl、Fe及びMgの金属酸化物の合計を、これらの酸化物が最終的な黄長石鉱物の組成の質量の１４％を構成するように有する混合前駆体を得；そして、混合前駆体組成物を８００°C〜１４００°Cの間の温度に加熱することによって、設計される。
【００８２】
Na又はKなどのアルカリ種は、結晶性黄長石相中のCaに置き換わってもよい。
【００８３】
Na又はKなどのアルカリ種、或いはF又はClなどのハロゲン種が導入されて、燃焼中により多くの液体を作り出し、このようにして最終的な黄長石鉱物の組成中により多くのアモルファス相を作り出してもよい。
【００８４】
黄長石鉱物の組成を設計する際には、入手可能な前駆体原料の化学分析を通じてターゲット組成を確かめることができる。化学分析は、湿式化学、Ｘ線回折分析、及びＥＤＡＸなどの任意の簡便な手法で行うことができる。ある実施形態では、鉄、ナトリウム、カリウム、及び他の遍在元素といった、ターゲット組成中に現れない微量の不純物が存在するであろうことが予想される。
【００８５】
このクリンカー化学は、最小限のプロセスの修正をもって、既存のセメント製造インフラストラクチャー及び原料を用いて生産することができる。
【００８６】
このターゲット化学は、今日の最も効率的なキルンで製造された普通ポルトランドセメント（ＯＰＣ）と比較して、CO2排出量の〜４０％削減を生み出すと期待される。
【００８７】
ある実施形態においては、生成される主要相が結晶性黄長石及びアモルファスカルシウムアルミニウムシリケートとなるであろうことが予想される。ある実施形態では、アモルファスカルシウムアルミニウムシリケートは活性化可能なアモルファス相を含む。ある実施形態では、残渣シリカ、遊離石灰、C2S（ビーライトCa2SiO4）、CS（珪灰石CaSiO3）、及びC3S2（ランキン石Ca3Si2O7）、クロタイト（CaAl2O4）、グロッサイト（CaAl4O7）、ヒボナイト（CaAl12O19）、コランダム（Al2O3）、又は灰長石（CaAl2Si2O8）の内一つ以上を含む、副相（minor phases、恐らく７％未満）が存在するであろうことが予想される。
【００８８】
ある実施形態では、活性化可能なアモルファス相の酸化物組成は、混合前駆体の酸化物組成及び黄長石鉱物組成の熱履歴に依存する。例として、１００％アモルファス黄長石鉱物組成の場合では、活性化可能なアモルファス相の酸化物組成は混合前駆体の酸化物組成と同様になるであろう。結晶相が存在するときは、活性化可能なアモルファス相の酸化物組成は、混合前駆体の酸化物組成から結晶相の正味の酸化物組成を減法したものとなるであろう。
【００８９】
長石クリンカー
他の高温活性化可能な鉱物組成は斜長石及び正長石の長石に基づく。灰長石（CaAl2Si2O8）は、CaO - Al2O3- SiO2三元系平衡状態図におけるゲーレン石に近い鉱物システムである。ナトリウム及びカリウムと組合わせた灰長石は、斜長石及びアルカリの長石として知られる、より大規模な鉱物系列を引き起こす。簡潔のため、この鉱物科は一般に「長石」と呼ばれるであろう。長石系の活性化可能な鉱物は、合成するために必要なCaがより少なく、従って必要なCaCO3がより少ないため、黄長石系の活性化可能な鉱物よりも更に低い体化CO2フットプリントを有することができる。
【００９０】
長石鉱物は地質学的にありふれた鉱物であり、その大部分は曹長石（NaAlSi3O8、Ａｂ)−正長石（KAlSi3O8、Ｏｒ）−灰長石（CaAl2Si2O8、Ａｎ）三元系システムの仲間として化学的に分類することができる。曹長石と正長石との間の組成は一般にアルカリ長石として知られ、曹長石と灰長石との間の組成は一般に斜長石長石として知られる。灰長石と曹長石との間の固溶体の鉱物は、一般に、鉱物の灰長石（Ａｎ）含有量によって決められる。これらは、灰長石（＞９０％のＡｎ）、亜灰長石（７０％〜９０％のＡｎ）、曹灰長石（５０％〜７０％のＡｎ）、中性長石（３０％〜５０％のＡｎ）、灰曹長石（１０％〜３０％のＡｎ）、及び曹長石（０％〜１０％のＡｎ）を含む。曹長石と正長石との間の固溶体系列の鉱物は、この場合も、これらの（リライブ、relive）正長石（Ｏｒ）含有量によって同様に決められる。これらは、曹長石（０％〜１０％のＯｒ）、曹微斜長石（１０％〜３６％のＯｒ）を含む。正長石含有量がより高い場合は、微斜長石（KAlSi3O8）、玻璃長石（KAlSi3O8）の種々の組合せが、曹長石又は曹微斜長石の介在物との組合わせで観察され得る。
【００９１】
長石鉱物組成は、別々の結晶性斜長石又はアルカリ長石の相の混合で、或いは斜長石固溶体系列として、或いはアルカリ長石固溶体系列として、或いは任意の上述した鉱物種又は固溶体の組合せとして、構成される。
【００９２】
長石鉱物組成はまた、上述した結晶相に加えて、アモルファス（非結晶性）カルシウムアルミノシリケート相も含有する。このアモルファス相もまた、原料から又はプロセスから導入された多くの不純物種を含み得る。
【００９３】
長石鉱物組成は、一つ以上の前駆体原料を選択し、これらを混合して、AlSi2O8に対するCaAl＋NaSi＋KAl成分のモル比が０．８〜１．２となるようにCaAl（灰長石端部分）、NaSi（曹長石端成分）、又はKAl（正長石端成分）の組合せを添加した、AlSi2O8の基本組成により表記されるバルク化学を有する混合前駆体を得ることによって設計される。
【００９４】
ある実施形態では、燃焼中の液体レベルを高め、こうして最終的な長石鉱物組成中のアモルファス相のレベルを高めるために、KAl、CaAl、NaSiの比が変動可能である。
【００９５】
ある実施形態では、燃焼中の液体レベルを高め、こうして最終的な長石鉱物組成中のアモルファス相のレベルを高めるために、Cl又はFなどのハロゲン種を導入可能である。
【００９６】
長石鉱物の組成を設計する際には、入手可能な前駆体原料の化学分析を通じてターゲット組成を確かめることができる。化学分析は、湿式化学、Ｘ線回折分析、及びＥＤＡＸなどの任意の簡便な手法で行うことができる。ある実施形態では、鉄、マグネシウム、及び他の遍在元素といった、ターゲット組成中に現れない幾分かの不純物が存在するであろうことが予想される。
【００９７】
このクリンカー化学は、最小限のプロセスの修正をもって、既存のセメント製造インフラストラクチャー及び原料を用いて生産することができる。
【００９８】
このターゲット化学は、今日の最も効率的なキルンで製造された普通ポルトランドセメント（ＯＰＣ）と比較して、CO2排出量の〜６０％削減を生み出すと期待される。
【００９９】
ある実施形態においては、生成される主要相が結晶性灰長石又は長石、及びアモルファスカルシウムアルミニウムシリケートとなるであろうことが予想される。ある実施形態では、アモルファスカルシウムアルミニウムシリケートは活性化可能なアモルファス相を含む。ある実施形態では、残渣シリカ、遊離石灰、C2S（ビーライトCa2SiO4）、CS（珪灰石CaSiO3）、及びC3S2（ランキン石Ca3Si2O7）、クロタイト（CaAl2O4）、グロッサイト（CaAl4O7）、ヒボナイト（CaAl12O19）、コランダム（Al2O3）、黄長石（(Ca，Na，K)2(Al，Fe2+，Fe3+，Mg，Si)2SiO7）、霞石（Na3KAl4Si4O16）、白榴石（KAlSi2O6）、透輝石（MgCaSi2O6）、ヘデンベルグ輝石（FeCaSi2O6）、普通輝石（(Ca，Na)(Mg，Fe，Al，Ti)(Si，Al)2O6）、又はカンラン石属鉱物（(Mg，Fe)2SiO4）の内一つ以上を含む、副相（恐らく７％未満）が存在するであろうことが予想される。
【０１００】
ある実施形態では、活性化可能なアモルファス相の酸化物組成は、混合前駆体の酸化物組成及び長石鉱物組成の熱履歴に依存する。例として、１００％アモルファス長石鉱物組成の場合では、活性化可能なアモルファス相の酸化物組成は混合前駆体の酸化物組成と同様になるであろう。結晶相が存在するときは、活性化可能なアモルファス相の酸化物組成は、混合前駆体の酸化物組成から結晶相の正味の酸化物組成を減法したものとなるであろう。
【０１０１】
セメント組成物
生成される材料は、結晶相とアモルファス相との混合物であろうことが意図される。アモルファス相が多く存在するほど、より良好である。しかしながら、ロータリーキルンの稼働にとっては、アモルファス相が生成物の３０％、４０％又は５０％を構成し得ることが期待される。全投入物が溶けているような他の種類のキルンにとっては、アモルファス相が更に高い割合、例えば、生成物の６０％、７０％、又は８０％を構成していてもよい。
【０１０２】
黄長石又は長石のいずれの実施形態においても、結晶相とアモルファス相との混合物は、次に、後述する活性剤と共に混合されることが予想される。
【０１０３】
セメントを製造する方法は、黄長石鉱物組成又は長石鉱物組成、及びこれらに関連したアモルファス相を生成する反応として説明された反応の内一つを含む。
【０１０４】
開示されている長石−黄長石合成ポゾランは、一般に、図１に示されたCaO−Al2O3−SiO2相図の領域を占める。長石−黄長石合成ポゾランの設計次第では、組成が、そうでなければ他の天然又は副産物のポゾランと関連した領域内に入ることがある。しかしながら、このような状況下では、ポゾランＳＣＭとして使用するにあたり単に収集されて最低限度加工されるだけの副産物材料とは対照的に、所望のレベルのポゾラン反応性及び工業的再現性を得るために、合成ポゾランをわざと工業設計することが意図される。
【０１０５】
CaO−Al2O3−SiO2相図上に示された長石−黄長石合成ポゾラン領域は、設計によっても又は原料の選択の結果によっても、合成ポゾラン材料中に組込まれることが予想される他の種を説明していない。存在しているNa、K、Fe、Mg、Ti、Mn、及びその他などの種が、合成ポゾランを既存の天然又は副産物組成と更に区別し得る。
【０１０６】
加えて、使用されるいかなる天然又は副産物とも通常は関連しない異なるスペースがCaO−Al2O3−SiO2相図中に存在する。一つの異なる組成範囲は、珪質天然ポゾランと高炉スラグ微粉末との間にある。他のこのような異なる範囲は、相図の中心で、Ｃ型及びＦ型のフライアッシュの間にある。
【０１０７】
次いで、該材料を粉にして、ＯＰＣの粒子径と同様又はそれよりも微細な、新規合成ポゾランの粒子径を提供する。
【０１０８】
次いで、この新規合成ポゾランを記載された活性剤の一つと混合する。ある実施形態では、混合は同時粉砕により行うことができる。特定の他の実施形態では、活性剤は分離したままで、合成ポゾランから複合材料を製造する最中に投入することができる。
【０１０９】
水性合成
ＳＣＭとして使用するための活性化可能なアモルファス相の合成に対する代替的なアプローチは、多くの一般的なシリケート鉱物の溶解メカニズムを活用することで達成される。多くの鉱物、特にカルシウムシリケートは、金属カチオンが元の結晶性マトリックスから浸出される不調和溶解（incongruent dissolution）として知られるプロセスを受けることが可能である。金属カチオンの除去は結晶相中の不安定性を引き起こすが、SiO2は溶解しない代わりにアモルファス固体相として取り残される。このナノ多孔性アモルファスSiO2反応生成物は、ポゾランＳＣＭとして使用するための理想的な候補である。
【０１１０】
あるシステムでは、シリケート鉱物は完全に溶解して、アモルファスSiO2の沈殿及び幾つかの他の沈殿物をもたらし得る。
【０１１１】
溶解を促進することは、プロトン化、又はH+（aq）イオンとの反応により、金属カチオンをそれらのホスト鉱物から置換することである。従って、それは酸性ｐＨレベルにおいて大幅に増大される。
【０１１２】
このような溶解プロセスを通じてポゾランを生成する多くの経路が可能である。一つの簡便な経路はカルシウムシリケート鉱物の炭酸塩化を通じたものである。
【０１１３】
天然鉱物中で見つかるカルシウムシリケート又はカルシウムアルミネート相、普通ポルトランドセメント、ビーライトセメント、カルシウムサルホアルミネートセメント、カルシウムアルミネートセメント、及びソリディアセメントなどの炭酸塩化可能なカルシウムシリケートセメントは、CO2（g）と反応して結晶性カルシウムカーボネート並びにアモルファスシリケート及び／又はアルミネート反応生成物を形成することができる。CO2(g)からの直接的な炭酸塩化の場合においては、式７〜９で示されるように、CO2分子は溶解及び解離する。カルシウムシリケート相とのCO2の簡素化された反応が式１０〜１３に示される。SiO2(s)反応生成物はアモルファス相として存在すると理解される。同様に、カルシウムアルミネートの炭酸塩化はアモルファスAl2O3(s)を生成することができる。
CO2(aq)+ H2O(l) → H2CO3(aq)      （７）
H2CO3(aq)→ H+(aq) + HCO31-(aq)      （８）
HCO32-(aq)→ H+(aq) + CO32-(aq)      （９）
CaSiO3(s)+ CO2(aq) → CaCO3(s) + SiO2(s)      （１０）
Ca3Si2O7(s)+ 3CO2(aq) → 3CaCO3(s) + 2SiO2(s)      （１１）
Ca2SiO4(s)+ 2CO2(aq) → 2CaCO3(s) + SiO2(s)      （１２）
Ca3SiO5(s)+ 3CO2(aq) → 3CaCO3(s) + SiO2(s)      （１３）
【０１１４】
カルシウムシリケート鉱物源からのポゾランの合成は、生成物中でCO2ガスを固体として直接封鎖する。これにより、各鉱物の製造で生成されたCO2フットプリントの幾分かを即座に相殺する。粉体は、炭酸塩化プロセス中のカルシウムカーボネートの沈殿物から質量を増大させる。これにより、生じた生成物のその質量を効果的に増大させる（例えば：１トンの粉砕ポルトランドセメントは、炭酸塩化反応プロセス後に１．４トンの合成ポゾランになり得る）。金属シリケート化合物の炭酸塩化の程度は、形成されたコンクリートのカーボンフットプリントを減少させる方法で調整可能である。例えば、主にカルシウムシリケート化合物の混合物であるＯＰＣの部分的炭酸塩化は、コンクリートの所望の性能を含むことなくCO2削減をもたらすことができる。ＯＰＣは、０．２重量％、０．５重量％、１重量％、５重量％、１０重量％、又はそれ超といった様々な程度に炭酸塩化でき、種々のCO2削減と共に様々な性能に達することができる。この炭酸塩化プロセスは、クリンカーの粉砕中に湿ったCO2ガスをミル中に吹き込むことなどの種々の方法により行うことができる。
【０１１５】
活性化可能なアモルファス材料として作用可能なアモルファスSiO2相に加え、相当量のCaCO3（方解石、霰石又はファーテル石）が炭酸塩化から生成される。微細なCaCO3追加物、特に石灰からのものは、ポルトランドセメントコンクリートの特性に肯定的な影響を与えることが示されてきた。これにより、炭酸塩化されたカルシウムシリケート鉱物系ポゾランは、活性化可能なアモルファス相の存在から及び微細なCaCO3沈殿物の存在から二重に恩恵を受け得る生成物となる。
【０１１６】
カルシウムシリケート鉱物からの、特にロータリーキリンで生成されたポルトランドセメント又は炭酸塩化可能なカルシウムシリケートセメントからの、このようなポゾランの合成は、製造現場で直接的に達成可能となり得る。粉砕セメントが、その製造中に排出されたCO2で直接炭酸塩化されるシステムを想像することができる。
【０１１７】
ポゾランを製造するもう一つの経路は、カルボン酸、より具体的には、H2C2O4 (aq)、シュウ酸などの、炭酸と比較してより強い酸を使用することによる経路である。シュウ酸塩をカルシウムシリケートと共に使用することには、前駆体シリケート鉱物から浸出されたカチオン毎に２つのCO2分子と等価分を封鎖するという付加的優位性がある。
【０１１８】
H2C2O4(aq)の解離反応が式１４及び１５に示されている。
H2C2O4→ H+(aq) + HC2O4(aq)      （１４）
HC2O4(aq)→ H+(aq) + C2O42-(aq)      （１５）
【０１１９】
起こるであろうと考えられている、カルシウムシリケート型鉱物のシュウ酸との以下の反応が式１６〜１９に開示されている。SiO2(s)反応生成物はアモルファス相として存在すると理解されている。
CaSiO3(s)+ H2C2O4(aq) → CaC2O4・nH2O(s)+ SiO2(s) + H2O(l)      （１６）
Ca3Si2O7(s)+ 3H2C2O4(aq) → 3CaC2O4・nH2O(s)+ 2SiO2(s) + 3H2O(l)      （１７）
Ca2SiO4(s)+ 2H2C2O4(aq) → 2CaC2O4・nH2O(s)+ SiO2(s) + 2H2O(l)      （１８）
Ca3SiO5(s)+ 3H2C2O4(aq) → 3CaC2O4・nH2O(s)+ SiO2(s) + 3H2O(l)      （１９）
【０１２０】
シュウ酸などのいくつかのカルボン酸は、CO32-(aq)又はHCO3-(aq)種と不活性又は非常にゆっくりと反応するような鉱物種と反応することができる。これにより、シュウ酸塩は、炭酸だけで対処し得るよりも広範囲のシリケート及びアルミノシリケート鉱物の溶解を促進することが可能になる。容易にシュウ酸塩化できるものの炭酸とゆっくり反応するシリケート鉱物の一例は、カンラン石（(Mg，Fe)2SiO4）である。
【０１２１】
起こるであろうと考えられている、カンラン石型鉱物のシュウ酸との以下の反応が式２０に開示されている。SiO2(s)反応生成物はアモルファス相として存在すると理解されている。
(Mgx，Fey)2SiO4(s)+ 2H2C2O4(aq) → 
XMgC2O4・nH2O(s) + YFeC2O4・nH2O(s)+ SiO2(s) + 2H2O(l)      （２０）
【０１２２】
シュウ酸と反応可能なアルミノシリケート系鉱物の例としては、長石（灰長石、曹長石、正長石）及び黄長石（オケルマン石、ゲーレン石）が挙げられる。これらアルミノシリケート鉱物のシュウ酸塩化反応では、Al2O3(s)及びSiO2(s)反応生成物は、Si系成分及びAl系成分の双方を有するアモルファス相として存在すると考えられてる。
【０１２３】
起こるであろうと考えられている、長石及び黄長石型鉱物のシュウ酸との以下の反応が式２１〜２５に開示されている。
CaAl2Si2O8(s) + H2C2O4(aq)→ CaC2O4・nH2O(s) + Al2O3(s)+ 2SiO2(s)  (２１）
2NaAlSi3O8(s) + H2C2O4(aq)→ Na2C2O4・nH2O(s) + Al2O3(s)+ 6SiO2(s) + H2O(l)（２２）
2KAlSi3O8(s) + H2C2O4(aq)→ K2C2O4・nH2O(s) + Al2O3(s)+ 6SiO2(s) + H2O(l)（２３）
Ca2Al2SiO7(s) + 2H2C2O4(aq)→ 2CaC2O4・nH2O(s) + Al2O3(s)+ SiO2(s) + 2H2O(l)  （２４）
Ca2MgSi2O7(s)+ 2H2C2O4(aq) → 
2CaC2O4・nH2O(s) + MgC2O4・nH2O(s)+ 2SiO2(s) + 2H2O(l)      （２５）
【０１２４】
アモルファスシリケートを生成するための、黄長石又は長石鉱物の、シュウ酸塩化反応、又はカルボン酸などの炭酸よりも強い酸との反応における興味深い示唆は、このプロセスを既存のＳＣＭに使用することである。ポゾランとして通常使用されるフライアッシュ及びスラグは、かなりの割合の黄長石、長石、又は他のアルミノシリケート相を含有する。これらの材料をシュウ酸で処理することにより、そうでなければ不活性な相と反応するほどに反応性をより高くし得る。この反応は、ポゾラン反応に寄与し得るアモルファスSiO2又はAl2O3を生成し得る。この前処理の正味の効果は、処理された生成物のポゾラン活性が高まることであろう。これらの材料の質量もまた、反応したシュウ酸塩の量に比例して拡大し、使用可能な生成物の量を増大させるであろう。
【０１２５】
粉砕、混合中に、又は異なる粉体処理として前処理化学物質を導入することは、さもなければ化学作用を起こさない結晶性アルミノシリケート又はカルシウムシリケートを、ポゾラン反応に寄与し得るSiO2又はAl2O3相に転換させるために使用可能である。これらの前処理化学物質としては、特に限定されることなく、硫酸塩、シュウ酸塩及び有機物が挙げられる。
【０１２６】
鉱物源からのポゾランの合成は、生成物中で固体としてCO2ガスを間接的に封鎖する（シュウ酸塩、C2O4、は２つのCO2分子から合成されるから）。これにより、各鉱物の製造で生成されたCO2フットプリントの幾分かを即座に相殺する。粉体は、炭酸塩化プロセス中のシュウ酸塩の沈殿物から質量を増大させる。これにより、生じた生成物の質量を効果的に増大させる（例えば：１トンの粉砕ポルトランドセメントは、シュウ酸塩反応プロセス後に１．９トンの合成ポゾランになり得る）。
【０１２７】
反応プロセス中に沈殿した微細なシュウ酸塩粒子は、微細な充填材として役立つことにより、コンクリート本体の鋳造又は最終特性にとって有益であり得る。
【０１２８】
前駆体として使用されるカルシウムシリケート相は、普通ポルトランドセメント、炭酸塩化可能なカルシウムシリケートセメント、カルシウムサルホアルミネートセメント、カルシウムアルミネートセメント、又は天然鉱物などの通常入手可能なセメントから調達可能である。これらの材料、特に普通ポルトランドセメントは、合理的な均一性をもって世界的に生産可能であるため、炭酸塩化又はシュウ酸塩化に基づく手法による合成ポゾランの製造にとって理想的な材料源となる。
【０１２９】
前駆体として使用されるカンラン石相は、通常入手可能なカンラン石系金属鋳造砂から又は天然堆積物から調達可能である。
【０１３０】
前駆体として使用される長石相は、斜長石長石又は灰長石系クリンカー、スラグ、フライアッシュから、又は天然堆積物から調達可能である。
【０１３１】
前駆体として使用される黄長石相は、黄長石系クリンカー、スラグ、フライアッシュから、又は天然堆積物から調達可能である。
【０１３２】
活性剤
活性剤は、個々に又は組合わせで、以下の材料の内の一つとすることができる：ＯＰＣ（１〜９０重量％）、遊離石灰（１〜２０重量％）、水酸化カルシウム（１〜２０重量％）、及びアルカリ水酸化物（NaOH、KOHが１〜１０重量％）。一般に、活性剤は、無機及び有機の塩基を含む材料群から選択される活性剤であり得る。
【０１３３】
次いで、活性剤を合成ポゾラン中のアモルファス相と反応させる。
【０１３４】
活性剤は、アモルファス相と反応した結果、セメント質化合物を生成すると予想される。
【０１３５】
コンクリート
本開示に記載されたどの合成ポゾランも水硬性セメント系コンクリート混合物中に統合され得る。ポゾランは水硬性セメントの代替物として１％〜９９％の代替レベルで添加される。
【０１３６】
水硬性セメント及び合成ポゾランの組合せにより生成されたバインダーシステムは、コンクリート本体のバインダー成分となる。
【０１３７】
利用される水硬性セメントは、普通ポルトランドセメント、カルシウムサルホアルミネートセメント、ビーライト（belitic）セメント、又は他のカルシウム系水硬性材料などの、任意の一つの水硬性セメントであり得る。
【０１３８】
バインダーシステムにおける水硬性セメント成分の代替レベルは、例えば、バインダーシステムの全固形分質量の１０質量％以上（例えば、全固形分の約１０質量％以上、約２０質量％以上、約３０質量％以上、約４０質量％以上、約５０質量％以上、約６０質量％以上、約７０質量％以上、約８０質量％以上、約９０質量％以上）の適切なレベルであり得る。
【０１３９】
活性剤はコンクリート混合物中に存在する。好ましくは、活性剤は、水硬性セメント成分の天然水和プロセス中に生成されたCa(OH)2である。合成ポゾランの性能を高めるために追加の活性剤が添加されてもよい。コンクリート中で使用されるバインダーシステムは、水硬性セメントクリンカーと粉末又は塊状の合成ポゾランとを、セメント製造現場で決定した比率で同時粉砕することによって形成可能である。
【０１４０】
コンクリート中で使用されるバインダーシステムは、代わりに、粉末の水硬性セメントと粉末の合成ポゾランとを、コンクリート製造現場で混合することによって形成可能である。
【０１４１】
バインダーを粗骨材及び細骨材並びに水と組合わせて、土台、路床、歩道、建築用スラブ、及び他の現場打ちの適用例などの、現場打ちの適用例に適したコンクリートを生産することが可能である。
【０１４２】
バインダーを粗骨材及び細骨材並びに水と組合わせて、舗装材、ＣＭＵ、湿式キャストタイル、セグメント化された擁壁、中空コアスラブ、及び他のプレキャストの適用例などの、プレキャストの適用例に適したコンクリートを生産することが可能である。
【０１４３】
バインダーを細骨材及び水と組合わせて、石造建築の適用例に適したモルタルを生産することが可能である。
【０１４４】
合成ポゾラン含有バインダーを用いて生産したコンクリートは、説明された活性剤の任意の組合せを用いて生産することが可能である。
【０１４５】
合成ポゾラン含有バインダーを用いて生産したコンクリートは、可塑化剤、減水剤、凝結遅延剤、急結剤、空気連行剤、防錆剤、防水剤、及び白華減少剤の混和剤などの、コンクリート業界で一般的な化学物質混和剤を用いて生産することが可能である。
【０１４６】
説明されたバインダーシステムの有効性は、合成ポゾラン及び活性剤の組合せの「活性度指数」の算出によって決めることができる。これは、合成ポゾラン、水硬性セメント活性剤、及び任意の更なる活性剤の種々の組合せによって作られた一連の標準試料（典型的にはモルタル）の機械的特性（典型的には圧縮強度）を測定することにより成される。次いで、機械的特性の測定値を混合物の合成ポゾラン含有量と相関させて活性度係数を決定する。
【０１４７】
活性度係数が１であるとは、合成ポゾランと置き換えられた水硬性セメントとが等価であることを意味する。活性度係数が１超であるとは、置き換えられた水硬性セメントに対して合成ポゾランの性能が改善されたことを意味する。活性度係数が１未満であるとは、合成ポゾランがバインダーシステムの性能に寄与するものの、低レベルで水硬性セメントが置き換えられていることを意味する。活性度係数が０であるとは、合成ポゾランがバインダーシステムの性能に寄与せず、本質的に不活性充填材であることを意味する。
【０１４８】
コンクリート本体の形成に使用する水は二つの役割を果たす。第一に、水は、セメント質化合物の形成をもたらして強度を生じさせる種々の水硬反応を促進し、関わる。第二に、水は、混合物中の粒子を湿らせてシステムを潤滑させ、混合物が塑性的に挙動して所望の形状に形成されることを可能にする。水硬反応を促進するために必要とされるものを超えて、水は、時には自由水と呼ばれ、形成される本体の多孔性を決定づける。含水量が高いほど多孔性がより高くなり、含水量が低いほど多孔性がより低くなる。
【０１４９】
脆性材料の多孔性は機械的性能にとって有害である。高い機械的性能を有するコンクリート本体を形成するためには、その最終状態中に存在する孔隙量を最小限に抑える必要がある。この目的のため、コンクリート本体の形成に必要な水を最小限に抑えることは、高性能材料の形成において重要な側面である。
【０１５０】
コンクリート用のバインダーシステムを形成するために合成ポゾランが使用される際には、システムの粒子集団の分布の変化によって引き起され得る作業性の変化を計算に入れておくことが重要である。
【０１５１】
良好な傾斜の又は良好に工業設計された粒度分布を有する合成ポゾランは、コンクリートシステムにおける粒子充填の流動性の増大に繋げることができる。これにより、間接的に、混合物の含水量を低減することができ、本体の最終的な機械的特性の改善に繋げることができる。
【０１５２】
粒度分布の傾斜が悪い合成ポゾラン、又は比表面積（specific area）の高い粒子を含む合成ポゾランは、コンクリートシステムにおける流動性の減少に繋がり得る。このような非最適化システムでは、混合物の流動性及び作業性を維持するために、より高い含水量が必要である。このことは本体の最終的な機械的特性にとって有害であり得る。
【０１５３】
よく設計された粒度分布はまた、最終的な締固めの最中のバインダーシステムの充填を最適化することにより、より高性能をもたらすこともできる。これにより、粒子システムが数学的に最適なパッキング方式により近づいたアプローチをすることになり、システムの密度及び最終的な機械的性能を高めることになる。
【０１５４】
バインダーシステムの作業性は、通常、モルタル混合物の流動性を測定することにより評価される。このような測定においては、バインダーシステム、水、及び標準グレードの砂が配合される。次いで、湿ったモルタル混合物が再現性のある障害（reproducible disturbance）を受け（フローテーブル又はタップテーブルなどの装置上で）、そして混合物の広がりが定量化される。
【０１５５】
合成ポゾランの製造における詳細は、最終材料の水の需要を最小限に抑えるように制御可能であり、純粋に最適化された粒度分布及び比表面積の効果から、コンクリート本体の作業性又は強度の改善をもたらす。
【実施例】
【０１５６】
理論的考察
本明細書中でなされる理論的説明は正しいものであると考えられるが、本明細書及び特許請求の範囲に記載された装置の動作は、本理論的説明の正確性又は有効性に依存しない。つまり、本明細書中に提示された理論とは異なる基礎に基づく観察結果を説明し得る、後の理論的展開は、本明細書に記載された本発明を損なうものではない。
【０１５７】
本明細書中で特定された、いかなる特許、特許出願、特許出願公報、雑誌記事、書籍、公開論文、又は他の公衆に利用可能となった資料は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。本明細書に参照により組み込まれると言われているものの、本明細書に明示的に記載されている既存の定義、声明又は他の開示資料と矛盾する、いかなる資料、又はその一部も、その組み込まれた資料と本開示資料との間に何ら矛盾が生じない程度においてのみ組み込まれる。矛盾の際には、好適な開示として本開示の方を選んでその矛盾を解決すべきである。
【０１５８】
本発明は、とりわけ、図に例示された通り好適な形態を参照して示され説明されてきたが、当業者には、特許請求の範囲によって規定される本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、そこにおいて詳細な種々の変更が影響を受け得ると理解されるであろう。
【図１】
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【国際調査報告】
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