(57)【要約】セメントボードのようなセメントをベースとする製品の製造のためのセメント組成物の非常に速い凝結が、ポルトランドセメントのような水硬性セメントにアルカノールアミンを添加し、少なくとも９０°Ｆの最初のスラリー温度を与える条件で水とスラリーを作成することによって実現される。ここで開示される条件でのアルカノールアミンの使用は、セメント組成物の非常に速い凝結を可能にする。高アルミナセメント、硫酸カルシウム、フライアッシュなどのポゾラン性物質、等の付加的な反応性材料が含まれていてもよい。非常に速い凝結は、セメント製品の迅速な製造を可能にする。
2005537208.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも９０°Ｆ（３２．２℃）の最初のスラリー温度を与える条件下で、水硬性セメントと水に、凝結を速める量のアルカノールアミンを混合することを含む、高速凝結性スラリーの製造方法。
【請求項２】
前記スラリーが、少なくとも９５°Ｆ（３５℃）の初期温度を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記スラリーが、少なくとも１００°Ｆ（３７．８℃）の初期温度を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記スラリーが、少なくとも１０５°Ｆ（４０．６℃）の初期温度を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記スラリーが、少なくとも１１０°Ｆ（４３．３℃）の初期温度を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記スラリーが、約１１０°〜１２０°Ｆ（４３．３〜４８．９℃）の初期温度を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記スラリーが、少なくとも１２５°Ｆ（５１．６℃）の初期温度を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記スラリーが、約１３０°Ｆ（５４．４℃）の初期温度を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記スラリーが、９０〜１３０°Ｆ（３２．２〜５４．４℃）の初期温度を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記アルカノールアミンが、トリエタノールアミン、ジエタノールアミン、モノエタノールアミン、およびそれらの混合物からなる群から選択されるものであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記アルカノールアミンがトリエタノールアミンであり、前記凝結を速める量のトリエタノールアミンは、水硬性セメントの質量基準で約０．０３〜４．０質量％であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記水硬性セメントがポルトランドセメントであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記スラリーがさらに鉱物性添加物を含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記鉱物性添加物がフライアッシュであることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記フライアッシュがクラスCのフライアッシュであることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記鉱物性添加物が高炉スラグ微粉末であることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記スラリーがさらに高アルミナセメントと硫酸カルシウムを含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
前記スラリーがさらに骨材を含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１９】
前記スラリーがさらに骨材を含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記スラリーがさらに凝結遅延剤を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
前記凝結遅延剤がクエン酸ナトリウムであることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記ポルトランドセメント、前記高アルミナセメント、前記硫酸カルシウム、および前記フライアッシュの総量を基準として、前記ポルトランドセメントが約４０〜８０質量％、前記高アルミナセメントが０より多く２０質量％まで、前記硫酸カルシウムが０より多く７質量％まで、前記フライアッシュが０より多く５５質量％までであることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２３】
前記ポルトランドセメントと前記フライアッシュの総量を基準として、前記ポルトランドセメントが約４０〜８０質量％、前記フライアッシュが約２０〜６０質量％であることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項２４】
前記アルカノールアミンがトリエタノールアミンであり、前記ポルトランドセメント、前記高アルミナセメント、前記硫酸カルシウム、および前記フライアッシュの総量を基準として、約０．０５〜２．０質量％であることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記アルカノールアミンがトリエタノールアミンであり、前記ポルトランドセメントと前記フライアッシュの総量を基準として、約０．０５〜１．０質量％であることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
前記最初のスラリー温度が、前記スラリーの１またはそれ以上の成分を加熱することによって到達したものであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２７】
前記スラリーが、さらに無機凝結促進剤を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２８】
前記凝結促進剤が炭酸ナトリウムであることを特徴とする請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記スラリーが、さらに高性能ＡＥ減水剤を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３０】
以下を含むセメントボードを作成するための組成物：
（ａ）ポルトランドセメント；
（ｂ）鉱物性添加物；
（ｃ）骨材；
（ｄ）（ａ）および（ｂ）成分の促進剤としてのアルカノールアミン；
（ｅ）スラリーを作成するのに十分な量の水；前記組成物を作るために成分（ａ）〜（ｅ）を混合する時、前記スラリーは少なくとも９０°Ｆの温度である。
【請求項３１】
前記アルカノールアミンがトリエタノールアミン、ジエタノールアミン、モノエタノールアミン、およびそれらの混合物からなる群から選択されるものであることを特徴とする請求項３０に記載の組成物。
【請求項３２】
前記アルカノールアミンがトリエタノールアミンであり、前記凝結を速める量のトリエタノールアミンは、ポルトランドセメントの質量基準で約０．０３〜４．０質量％であることを特徴とする請求項３１に記載の組成物。
【請求項３３】
前記鉱物性添加物がフライアッシュであることを特徴とする請求項３０に記載の組成物。
【請求項３４】
前記鉱物性添加物が高炉スラグ微粉末であることを特徴とする請求項３０に記載の組成物。
【請求項３５】
前記組成物がさらに高アルミナセメントと硫酸カルシウムを含んでいることを特徴とする請求項３３に記載の組成物。
【請求項３６】
前記組成物がさらに凝結遅延剤を含んでいることを特徴とする請求項３０に記載の組成物。
【請求項３７】
前記凝結遅延剤がクエン酸ナトリウムであることを特徴とする請求項３６に記載の組成物。
【請求項３８】
前記ポルトランドセメント、前記高アルミナセメント、前記硫酸カルシウム、および前記フライアッシュの総量を基準として、前記ポルトランドセメントが約４０〜８０質量％、前記高アルミナセメントが０より多く２０質量％まで、前記硫酸カルシウムが０より多く７質量％まで、前記フライアッシュが０より多く５５質量％までであることを特徴とする請求項３５に記載の組成物。
【請求項３９】
前記ポルトランドセメントと前記フライアッシュの総量を基準として、前記ポルトランドセメントが約４０〜８０質量％、前記フライアッシュが約２０〜６０質量％であることを特徴とする請求項３３に記載の組成物。
【請求項４０】
前記組成物がさらに無機凝結促進剤を含んでいることを特徴とする請求項３０に記載の組成物。
【請求項４１】
前記無機凝結促進剤が炭酸ナトリウムであることを特徴とする請求項４０に記載の組成物。
【請求項４２】
前記組成物がさらに高性能ＡＥ減水剤を含んでいることを特徴とする請求項３０に記載の組成物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、速硬性と早強性が望まれる様々な用途に使用可能な、高速凝結性のセメント組成物に関する。特に、本発明は、ビルの湿度の高い場所、あるいは乾燥した場所での使用にふさわしい、優れた耐湿性を有するボードの作成に使用できるセメント組成物に関する。
【背景技術】
【０００２】
セメントボードのようなプレキャストコンクリート製品は、固定または可動性の型に流し込まれたすぐ後に、あるいは連続ムービングベルト上において、取り扱うことができるように、セメント組成物が速く凝結する条件下で製造される。理想的には、凝結が、１０分たつとすぐに起こるものであるが、より現実的には、適切な量の水との混合後、約２０分でセメント組成物の凝結が完了するものである。
【０００３】
米国特許第４，４８８，９０９号公報の中で、ゲイラーらはそのような高速凝結が可能なセメント組成物について論じている。それら組成物は、水と混合された後、約２０分以内に実質的にすべての形成されうるエトリンガイトの形成をすることによって、二酸化炭素耐性のセメントボードの高速生産を可能にする。それらのセメント組成物の主要な構成物は、ポルトランドセメント、高アルミナセメント、硫酸カルシウム、石灰である。フライアッシュ、モンモリロナイト粘土、珪藻土、軽石のようなポゾランが約２５％まで加えられることもある。セメント組成物は、約１４〜２１質量％の高アルミナセメントを含んでいる。これは、他の成分と一緒になって、セメント混合物の速い凝結をもたらすエトリンガイトや他のアルミン酸カルシウム水和物の速い形成を可能にするものである。
【０００４】
一般的に、ゲイラーの高速凝結の処方はいくつかの大きな制限を受ける。これらの制限は、下に明らかにするように、セメントボードのようなセメント製品の生産に関してはなおさらの懸案事項である。
【０００５】
・セメント混合物の凝結の終結時間は通常９分より長い。凝結の終結時間は下の実施例の中で定義にするが、より一般的には、セメント混合物が、化学反応は長時間続くけれども、それから作られたセメントをベースとした製品が扱え、積み重ねることができる程度に固まる時間である。
・反応性混合粉末中の高アルミナセメントの量が非常に多い。通常、高アルミナセメントは反応性混合粉末中の１４質量％より多い。
・ポゾラン物質の量は反応性混合粉末中の２５質量％に制限される。
【０００６】
・石灰は早い凝結のための付加的な成分として必要とされる。セメントボード中の過剰な石灰の存在は、長期耐久性に不利益である。セメントボードは、ポリマー被覆されたガラス繊維網でしばしば補強されるが、これは高アルカリ環境下では強度と靭性が低下して性能が落ちてしまうものである。過剰な石灰の存在は、セメントマトリクス中のアルカリ性を上げ、それによって、ポリマー被覆されたガラス繊維網と、作られたセメントボードの長期耐久性に悪影響を与える。さらに、過剰な石灰の存在によって、凝結物が硫酸塩の攻撃に対して影響されやすくもなるため、それによっても耐久性に影響を受ける。
【０００７】
エトリンガイトは、以下の式を有する硫酸アルミニウムカルシウム化合物である：
Ｃａ６Ａｌ２（ＳＯ４）３・３２Ｈ２Ｏ  または
３ＣａO・Ａｌ２Ｏ３・３ＣａＳＯ４・３２Ｈ２Ｏ
【０００８】
エトリンガイトは長い針状結晶として形成され、セメントボードに超早強性を与える。そのため、それらは型に注がれた後すぐに、あるいは連続キャスティング成形ベルト（continuous casting and forming belt）上で、取り扱われることができる。ゲイラーらの組成物においては、エトリンガイトの形成に必要とされるアルミナは、通常３６〜４２質量％のＡｌ２Ｏ３を含有している高アルミナセメント（ＨＡＣ）から供給される。エトリンガイトの形成に必要な硫酸イオンは、ポルトランドセメント中に存在する石膏と、それにプラスして追加添加される、通常は水溶性である石膏から供給される。エトリンガイトの形成に必要な石灰は、ポルトランドセメントと、追加添加される石灰から供給される。ＨＡＣは溶解性が低く、通常、エトリンガイトの形成に必要な量以上に存在する。したがって、石膏と、添加された石灰はエトリンガイトの形成で実質的に消費される。ＨＡＣの可用性と消費量は、通常細かく粉砕した材料を使用することによって増加する。セメントボード中に過剰のＨＡＣが存在するが、ＨＡＣは混合物中で比較的高価な成分の一つであるため、その濃度を減らすことが望まれる。
【０００９】
高アルミナセメントは、非常に早くその最大強度に達するので、ポルトランドセメントに対して有利である。しかし、二次的反応が起こるので、長期間にわたり強度を維持することができない。ＨＡＣは単独ではあまり早くは凝結しないが、他の反応性混合粉末成分の存在下におけるエトリンガイトと他のアルミン酸カルシウムの形成に対するその寄与のため、ＨＡＣはセメントボードの生産においてとても有用である。しかしながら、セメントボードに使用されるＨＡＣの量は、セメントボードを扱えるようにするのに十分な量のエトリンガイトを形成するのに必要な量に抑えられる。ＨＡＣはポルトランドセメントに比べて高価なので、もしＨＡＣを少量に抑えられたら、あるいはより好ましくは取り除けたら、セメントボードの作成のコストを大幅に低減することができる。
【００１０】
ゲイラーらの組成物においては、約７２〜８０％がポルトランドセメント、約１４〜２１％がＨＡＣ、約３．５〜１０質量％が硫酸カルシウム、そして約０．４〜０．７質量％が消石灰である。ポゾラン物質、例えばフライアッシュや高性能ＡＥ減水剤や他のセメント添加物、のような他の材料が含まれることもある。
【００１１】
例えば米国特許第２，４３７，８４２号公報、第３，５５３，０７７号公報、第４，２５７，８１４号公報、第４，７４１，７８２号公報に見られるように、セメントの凝結時間を短くする目的のアルカノールアミンが提案されている。セメントの水和に対するトリエタノールアミンの影響は、「セメントアンドコンクリートリサーチ」第６巻、ｐｐ．６２３〜６３２、１９７６年、ペルガモン出版株式会社、などの専門誌に報告されている。そのような刊行された情報は、とても速い凝結が必要とされるゲイラーらのもののような、セメントボードや他のプレキャストコンクリート製品の製造に関するものというより、むしろセメントの水和に関するより一般的なものである。それらの発明においては、ゲイラーらは、エトリンガイトの形成とセメント混合物の早い凝結に必要な、高アルミナセメント（ＨＡＳ）と、石膏を使用した硫酸塩とを用いてアルミン酸塩を供給している。
【００１２】
速い凝結およびゲイラーらの組成物で述べられている程度の凝結終結時間を達成するために、先行技術においては、セメント混合物が速い凝結特性を示すためには、ＨＡＣのようなアルミン酸カルシウムセメントが必須かつ基本的成分として本質的に必要とされることが当然とされている。それゆえ本発明者らにとって、以下の条件を同時に満たしつつ非常に速い凝結性を発現するセメント組成物を開発することが目標であった：
【００１３】
・セメント組成物の反応性混合粉末は、低濃度に高アルミナセメントを含有すべきである。高アルミナセメントは、反応性混合粉末の成分としては完全に取り除かれるのが好ましい。高アルミナセメントはセメント組成物の中で最も高価な成分なので、その含量を減らすことは製品のコスト低減に有益である。
【００１４】
・セメント組成物の反応性混合粉末は、ポゾラン物質のような鉱物性添加物を反応性混合粉末の約５５質量％程度までに、非常に高濃度に含有すべきである。鉱物性添加物、例えばフライアッシュのようなものの含量の増加は、大きく製品のコストを下げるのに有益である。さらに、組成物へのポゾラン物質の使用は、ポゾラン反応の結果として、製品の長期耐久性を向上させるのにも役立つ。
【００１５】
・セメント組成物の反応性混合粉末は、外的に添加された石灰がないようにすべきである。石灰の含量を減らすことは、セメントマトリクス中のアルカリ度を下げ、その結果として製品の長期耐久性を向上させる。
【００１６】
・セメント組成物の、ギルモア針によって測定された凝結の終結時間（すなわち、セメントボードが扱えるようになった後の時間）は、好ましくは６０分未満、より好ましくは２０分未満、最も好ましくは１０分未満にすべきである。より短い凝結時間は、製品生産量を増加させ、製品製造コストを下げるのに有益である。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１７】
セメントボードのようなセメント製品を作るためのセメント組成物の非常に速い凝結が、アルカノールアミンを添加することによって可能にされる。アルカノールアミンは好ましくはトリエタノールアミンであり、その添加量は反応性成分基準で好ましくは約０．０３〜４．０質量％であり、より好ましくは約０．０５〜２．０質量％であり、そして最も好ましくは約０．０５〜１．０質量％である。反応性成分は少なくとも水とスラリーを形成するための水硬性セメント、好ましくはポルトランドセメントを含有し、高アルミナセメント、硫酸カルシウム、好ましくはフライアッシュである鉱物性添加物、を含んでいてもよい。水とスラリーを形成する最初のスラリー温度は室温以上であり、好ましくは少なくとも９０°Ｆ（３２．２℃）から１３０°Ｆ（５４．４℃）までであり、より好ましくは少なくとも１００°Ｆ（３７．８℃）であり、最も好ましくは約１１０〜１２０°Ｆ（４３．３〜４８．９℃）である。
【００１８】
一つの態様においては、高アルミナセメントと硫酸カルシウムは、発明の反応性混合粉末から除かれる。状況に応じて、モノエタノールアミンやジエタノールアミンのような他のアルカノールアミンがトリエタノールアミンの代わりに、あるいはトリエタノールアミンと一緒に、使用されていてもよい。
【００１９】
実質的にセメント特性を少ししか、あるいは全く有さない鉱物性添加物が本発明の高速凝結性の組成物に含まれていてもよい。フライアッシュのようなポゾラン性を有する鉱物性添加物が本発明の反応性混合粉末中に特に好ましく用いられる。本発明の高速凝結性セメント組成物の用途によっては骨材やフィラーが添加されていてもよい。
【００２０】
本発明のセメント組成物の加工性と用途によっては、砂、骨材、軽量フィラー、高性能ＡＥ減水剤のような減水剤、促進剤、遅延剤、ＡＥ剤、起泡剤、収縮調整剤、スラリー粘度調整剤（増粘剤）、着色剤、内部硬化剤を含む、所望の他の添加剤が含まれていてもよい。一つの好ましい組成物においては、高アルミナセメントと硫酸カルシウムが取り除かれ、ポルトランドセメントと、必要に応じて添加される好ましくはフライアッシュである鉱物性添加物、アルカノールアミン、そして添加物だけが反応性粉末成分として含まれる。
【００２１】
速い凝結は、スラリーを室温より高い温度で、好ましくは９０°Ｆ（３２．２℃）より高い温度で、より好ましくは少なくとも１００°Ｆ（３７．８℃）で、最も好ましくは約１１０〜１２０°Ｆ（４３．３〜４８．９℃）で、作成することによって実現される。このような高い温度でスラリーを作る時に、セメント組成物の凝結を速めるためにトリエタノールアミンのようなアルカノールアミンを使用することによって、セメントボードなどのセメント製品の生産速度を上げることができ、また、そのようなセメント組成物に多くの場合に使用されている高アルミナセメントを減らしたり、あるいは完全に取り除いたりすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
＜反応性混合粉末＞
本発明のセメント組成物における反応性混合粉末の基本的な成分は、水硬性セメント、好ましくはポルトランドセメントである。また、これには、高アルミナセメント、硫酸カルシウム、好ましくはフライアッシュのようなポゾランである鉱物性添加物、などを含めた、他の成分を含んでいてもよい。基本的成分として、高アルミナセメントと硫酸カルシウムは少量使用されることが好ましく、基本的成分として、水硬性セメント、鉱物性添加物、そして促進剤としてのアルカノールアミンだけを残して、高アルミナセメントと硫酸カルシウムは除かれることが最も好ましい。
【００２３】
組成物がポルトランドセメントとフライアッシュだけ含む場合、これら成分の総量を基準として反応性粉末は、４０〜８０質量％のポルトランドセメントと、２０〜６０質量％のフライアッシュを含有することが好ましい。他の成分が存在する場合、本発明の反応性粉末は、成分の総量を基準として、４０〜８０質量％のポルトランドセメントと、ゼロより多く２０質量％以下である高アルミナセメントと、ゼロより多く７質量％以下である硫酸カルシウムと、ゼロより多く５５質量％以下であるフライアッシュを含有することが好ましい。
【００２４】
少なくとも９０°Ｆ（３２．２℃）の最初のスラリー温度を与えるように水と混合された時、アルカノールアミンを併用した本発明の反応性混合粉末は、６０分未満、より好ましくは２０分未満、最も好ましくは１０分未満の速い凝結をもたらす。そのような速い凝結は、組成物中に好ましい量のポルトランドセメント、高アルミナセメント、硫酸カルシウム、鉱物性添加物（それぞれ４０〜８０質量％、＞０〜２０質量％、＞０〜７質量％、＞０〜５５質量％）を備え、この反応性混合粉末の水和の結果として起こるエトリンガイトや他のアルミン酸カルシウムの水和物の形成ができるようにするために水との最初のスラリーを９０°Ｆ（３２．２℃）より高い温度で作ることにより、実現されるものである。
【００２５】
エトリンガイトや他のアルミン酸カルシウム化合物の水和物は、水和プロセスで非常に速く形成され、それゆえ本発明のセメント組成物の反応性混合粉末を用いた混合物に、速い凝結性と剛性を与える。セメントボードのようなセメントをベースとした製品の製造においては、エトリンガイトや他のアルミン酸カルシウム水和物の形成が最初におこる。これによって、本発明のセメント組成物が適切な量の水と混合された後、数分以内でセメントボードの取り扱いが可能になる。
【００２６】
実施例で報告されるように、組成物の凝結は、ＡＳＴＭ  Ｃ２６６試験方法に規定されるギルモア針を使用して測定される、凝結の始発と終結の時間によって特徴づけられる。凝結の終結時間は、セメントをベースとする製品、例えばセメントボードが取り扱うことができる程度に十分硬くなった時間に相当するものである。凝結の終結時間に達した後においても、さらに長時間硬化反応が続くことは当業者に理解され得るものである。
【００２７】
＜水硬性セメント＞
ポルトランドセメントのような水硬性セメントは、本発明の組成物の相当な量を占める。通常いくつかの石膏はポルトランドセメントに含まれるものであるが、ここでいう「水硬性セメント」には、水中で強度を得られない石膏は含まれない。
【００２８】
ポルトランドセメントに関するＡＳＴＭ  Ｃ１５０標準仕様書ではポルトランドセメントを、実質的に水硬性ケイ酸カルシウムからなり、通常１あるいはそれ以上の形の硫酸カルシウムをインターグラウンド添加物（inter-ground addition）として含む、クリンカを粉砕することによって作られる水硬性セメントとして定義している。より一般的には、ポルトランドセメントの代わりに、例えばスルホアルミン酸カルシウムをベースとしたセメントのような、他の水硬性セメントを用いることもできる。
【００２９】
ポルトランドセメント製造のため、ポルトランドセメントクリンカを形成するために、石灰石と粘土の混合物がキルン中で焼成される。クリンカ中には、以下の４つの主要な相のポルトランドセメントが存在する−ケイ酸三カルシウム（３ＣａＯ・ＳｉＯ２、Ｃ３Ｓとも呼ばれる）、ケイ酸二カルシウム（２ＣａＯ・ＳｉＯ２、Ｃ２Ｓと呼ばれる）、アルミン酸三カルシウム（３ＣａＯ・Ａｌ２Ｏ３、あるいはＣ３Ａ）、鉄アルミン酸四カルシウム（４ＣａＯ・Ａｌ２Ｏ３・Ｆｅ２Ｏ３、あるいはＣ４ＡＦ）。
【００３０】
上記化合物を含有する形成されたクリンカは、硫酸カルシウムと共に、ポルトランドセメントを作るために要求される細かさに粉砕される。ポルトランドセメント中に少量存在する他の化合物には、アルカリ性硫酸塩の複塩、酸化カルシウム、酸化マグネシウムが含まれる。
【００３１】
セメントボードが作られるとき、ポルトランドセメントは、通常、ブレイン表面積法（ＡＳＴＭ  Ｃ  ２０４）によって測定された粒子表面積が４，０００ｃｍ２／グラムより大きく、通常は５，０００〜６，０００ｃｍ２／グラムの間になるような、非常に細かい粒子の形状である。
【００３２】
本発明のセメント組成物の反応性混合粉末には、認知されている様々な分類のポルトランドセメントのうち、ＡＳＴＭタイプIIIのポルトランドセメントが最も好ましい。これは、その比較的速い反応性と早強性によるものである。本発明においては、タイプIIIのポルトランドセメント使用の必要性が最小限にされ、タイプIIIのポルトランドセメントの代わりにタイプIのポルトランドセメントを使用しても比較的速く早強性が得られる。
【００３３】
本発明の組成物には、白色セメント、高炉スラグセメントのようなスラグセメント、ポゾラン混合セメント、膨張セメント、スルホアルミン酸セメント、油井セメントを含む、他の認知されているタイプの水硬性セメントを代わりに使用したり、あるいは追加したりすることもできる。
【００３４】
＜鉱物性添加物＞
本発明の高速凝結性の組成物には、セメント特性を実質的に少ししか持たない、あるいは全く有さない鉱物性の添加物が含まれていてもよい。フライアッシュのようなポゾラン性を有する鉱物性添加物が本発明の反応性粉末には特に好ましい。本発明の顕著な特徴は、水硬性セメントの一部が、セメント特性を実質的に少ししか持たない、あるいは全く有さない鉱物性の添加物、特に、例えばフライアッシュのようなポゾラン性物質、によってかなりの量が代用されることである。
【００３５】
ＡＳＴＭ  Ｃ６１８−９７は、ポゾラン性物質を「それ自身はセメント特性を実質的に少ししか持たない、あるいは全く有さないが、細かく粉砕された形状下で水分の存在下では、常温で水酸化カルシウムと化学的に反応してセメント特性を有する化合物を形成する、ケイ質、あるいはケイ質とアルミニウム質を含んだ物質」として定義する。様々な自然の、あるいは人工の物質が、ポゾラン性を有するポゾラン性物質として呼ばれてきた。
【００３６】
ポゾラン性物質のいくつかの例としては、軽石、パーライト、珪藻土、シリカフューム、凝灰岩、トラス、もみがら、メタカオリン、高炉スラグ微粉末、そしてフライアッシュが挙げられる。これらのポゾラン性物質すべてが、本発明の反応性混合粉末の一部として単独で、あるいは組み合わせた形態で、使用されることができる。
【００３７】
本発明の反応性混合粉末中のポゾランとしては、フライアッシュが好ましく、高い酸化カルシウムおよびアルミン酸カルシウム含量のフライアッシュ（ＡＳＴＭ  Ｃ６１８規格のクラスＣフライアッシュのような）が好ましい。炭酸カルシウム、バーミキュライト、粘土、マイカ粉のような他の鉱物性の添加物も、鉱物性添加物として含まれていてもよい。
【００３８】
フライアッシュは、石炭の燃焼で作られる細かい粉末状の副産物である。粉炭を燃焼する発電所設備のボイラーが、最も広く市販されているフライアッシュを製造している。これらのフライアッシュは、大部分はガラス質の球状粒子であり、その他、ヘマタイトとマグネタイトの残留物、炭化物（char）、冷却の間に形成されるいくつかの結晶相が含まれる。フライアッシュ粒子の構造、組成および特性は、石炭の構造および組成と、フライアッシュが形成される燃焼プロセスによる。
【００３９】
ＡＳＴＭ  Ｃ６１８規格は、コンクリートに使用されるフライアッシュを、クラスＣとクラスＦという２つの大きな分類に識別している。これら２つの分類のフライアッシュは、その地質の年代に起こった石炭の形成プロセスの違いの結果としてできた、異なる種類の石炭由来のものである。クラスＦのフライアッシュは通常、無煙炭あるいは瀝青炭の燃焼で作られ、クラスＣのフライアッシュは通常、亜炭あるいは亜瀝青炭から作られる。
【００４０】
ＡＳＴＭ  Ｃ６１８規格は、クラスＣとクラスＦのフライアッシュを主としてポゾラン性によって区別している。したがって、ＡＳＴＭ  Ｃ６１８規格においては、クラスＣのフライアッシュとクラスＦのフライアッシュの主な仕様の違いは、組成中のＳｉＯ２＋Ａｌ２Ｏ３＋Ｆｅ２Ｏ３の下限である。クラスＦのフライアッシュのＳｉＯ２＋Ａｌ２Ｏ３＋Ｆｅ２Ｏ３の下限は７０％であり、クラスＣのフライアッシュの下限は５０％である。したがって、クラスＦのフライアッシュは、クラスＣのフライアッシュよりもポゾラン性を有する。
【００４１】
ＡＳＴＭ  Ｃ６１８規格においては積極的に認識してはいないが、クラスＣのフライアッシュは通常、酸化カルシウムを多く含んでいる。高い酸化カルシウム含量のために、クラスＣのフライアッシュは、水と混ぜられた時にケイ酸カルシウムとアルミン酸カルシウムの形成をもたらすセメント特性を有する。以下の実施例に見られるように、クラスＣのフライアッシュは、特に高アルミナセメントと石膏を使用しない好ましい処方の場合に、より優れた結果を示す。
【００４２】
本発明のセメント組成物に使用される反応性混合粉末中のポルトランドセメントに対するポゾラン物質の質量比は、約０／１００から１５０／１００であり、好ましくは７５／１００から１２５／１００である。一部の反応性混合粉末においては、ポルトランドセメントは約４０〜８０質量％で、フライアッシュは２０〜６０質量％である。
【００４３】
＜高アルミナセメント＞
高アルミナセメント（ＨＡＣ）は、本発明のいくつかの実施態様の反応性混合粉末の成分を成している、別のタイプの水硬性セメントである。高アルミナセメントは一般に、アルミナセメントあるいはアルミン酸カルシウムセメントとも呼ばれる。名前が示すように、高アルミナセメントは高いアルミナ含量を有し、標準的なアルミナ顔料は、約３６〜４２質量％である。アルミナ含量が８０質量％にまで及ぶ、より高い純度の高アルミナセメントも市販されている。これら高い純度の高アルミナセメントは、他のセメントと比べて非常に高価な傾向がある。
【００４４】
エトリンガイトや他のアルミン酸カルシウム水和物の速い形成を起こすために、本発明の組成物に使用される高アルミナセメントは、水相へアルミン酸塩が円滑に入るように細かく粉砕される。本発明の組成物に使用される高アルミナセメントの表面積は、ブレイン表面積法（ＡＳＴＭ  Ｃ  ２０４）によって測定された値が３，０００ｃｍ２／グラムより大きく、通常は約４，０００〜６，０００ｃｍ２／グラムである。
【００４５】
世界的に、高アルミナセメントを生産するための様々な製法が開発されている。通常、高アルミナセメントを生産するために用いられる主原料は、ボーキサイトと石灰石である。高アルミナセメントを生産するためにアメリカで使用されてきた一つの製法は、以下に述べるとおりである。
【００４６】
ボーキサイト鉱石が最初に粉砕および乾燥され、それから石灰石と一緒に細かく挽かれる。その後、ボーキサイトと石灰石からなる乾燥粉末はロータリーキルンへ送り込まれる。キルンでは、粉末状の低灰分石灰が燃料として用いられている。ボーキサイトと石灰石との間の反応がキルン中で起こり、そして溶融生成物がキルンの下方に集まって、底の溝に流れ込む。溶融クリンカは粒状のクリンカを作るために水で急冷され、それから貯蔵のために運ばれる。この粒状物はその後、最終的なセメントを製造するために所望の細かさに粉砕される。
【００４７】
高アルミナセメントの製造プロセスの間に、いくつかのアルミン酸カルシウム化合物が形成される。形成される主な化合物は、アルミン酸一カルシウム（ＣＡ）である。形成される他のアルミン酸カルシウムおよびケイ酸カルシウム化合物には、Ｃ１２Ａ７、ＣＡ２、Ｃ２Ｓ、Ｃ２ＡＳが含まれる。比較的高い割合で酸化鉄を含有する他のいくつかの化合物も形成される。これらにはＣＦやＣ２Ｆのようなカルシウムフェライト、Ｃ４ＡＦ、Ｃ６ＡＦ２、Ｃ６Ａ２Ｆのようなカルシウムアルミノフェライトが含まれる。高アルミナセメント中に存在する他の少量成分としては、マグネシア（ＭｇＯ）、チタニア（ＴｉＯ２）、硫酸塩、アルカリが含まれる。高アルミナセメント中には、ポルトランドセメント中に通常見られるアルミン酸三カルシウム（Ｃ３Ａ）が見られないことに留意すべきである。
【００４８】
＜硫酸カルシウム＞
エトリンガイトや他のスルホアルミン酸カルシウム水和物を形成するのに必要な硫酸イオンを供給するために、下に示すような様々な形態の硫酸カルシウムが本発明に使用される：
・２水和物−ＣａＳＯ４．２Ｈ２Ｏ（石膏として一般的に知られている）
・半水和物−ＣａＳＯ４．１／２Ｈ２Ｏ（しっくいとして一般的に知られている）
・無水物−ＣａＳＯ４（無水硫酸カルシウムとも呼ばれる）
【００４９】
ランドプラスターは比較的純度の低い石膏であり、より純度の高いグレードの石膏を使用することもできるが、経済性を考慮するとランドプラスターを使用するのが好ましい。ランドプラスターは採石された石膏から作られ、ブレイン表面積法（ＡＳＴＭ  Ｃ  ２０４）によって測定される比表面積が２，０００ｃｍ２／グラムより大きく、通常は約４，０００〜６，０００ｃｍ２／グラムになるように比較的細かい粒子に粉砕される。この細かい粒子は容易に溶解し、エトリンガイトを形成するのに必要な石膏を供給する。様々な製造業において副生物として得られる合成石膏も、本発明の好ましい硫酸カルシウムとして使用できる。他の２つの形態の硫酸カルシウム、すなわち半水和物と無水物も、石膏すなわち硫酸カルシウムの２水和物の代わりに本発明に使用できる。
【００５０】
＜アルカノールアミン＞
本発明者らは、高い温度で凝結が開始されたときに、アルカノールアミンの添加が、本発明のセメント組成物の速い凝結特性に顕著な影響を与えることを発見した。９０°Ｆより高い最初のスラリー温度を与える条件下においては、アルカノールアミンの添加によって、本発明のセメント組成物の反応性混合粉末から大幅にＨＡＣを減らすことができることが見出された。適切な開始条件で、適切な量のアルカノールアミンを添加することで得られる高速凝結の程度が、セメント組成物中の必須成分としてのＨＡＣの使用が完全に避けられる程度であることは注目すべきである。先行技術においては、ゲイラーらによって述べられている程度の高速凝結性を達成するためには、ＨＡＣが高速凝結性セメント混合物の必須かつ基本的成分であるということがもともと当然とされていたため、これは高速凝結セメント化学の分野における大きな発展である。
【００５１】
本発明においては、発明のセメント組成物の凝結性を速めるために、様々な種類のアルカノールアミンを単独で、あるいは併用して使用することができる。有用なアルカノールアミンの例としては、モノエタノールアミン［ＮＨ２（ＣＨ２−ＣＨ２ＯＨ）］、ジエタノールアミン［ＮＨ（ＣＨ２−ＣＨ２ＯＨ）２］、トリエタノールアミン［Ｎ（ＣＨ２−ＣＨ２ＯＨ）３］が含まれる。本発明においては、トリエタノールアミンが最も好ましいアルカノールアミンである。アルカノールアミンは、強アルカリ性かつカチオン活性なアミノアルコールである。
【００５２】
本発明者らは、アルカノールアミンが、本発明のセメント組成物に存在するアルミン酸カルシウム相とケイ酸カルシウム相の反応を促進する触媒として機能しているものと考えている。組成物から高アルミナセメントを完全に除くことができることから、アルカノールアミンは、ポルトランドセメントと相互作用して、エトリンガイトや他のアルミン酸カルシウム化合物由来の水和物の形成に必要なアルミン酸塩と硫酸イオンを供給する、と考えられる。アルカノールアミンがトリエタノールアミンの場合、本発明の反応性セメント成分基準で約０．０３〜４．０質量％、好ましくは約０．０５〜２．０質量％、最も好ましくは約０．０５〜１．０質量％用いられる。
【００５３】
＜凝結遅延剤＞
セメントをベースとする製品を作るために使用される最初のスラリー温度が特に高い状況、通常１０５°Ｆより高い状況において、本発明の組成物の成分として凝結遅延剤の使用は特に重要である。比較的高い最初のスラリー温度、通常１０５°Ｆより高い温度で、クエン酸ナトリウムなどの遅延剤は、組成物中の異なる反応性成分間の物理的な相互作用と化学反応を促進させ、その結果、良好なスラリー温度の上昇レスポンスと高速凝結特性となる。遅延剤の添加なしでは、発明の反応性混合粉末に水が添加された後すぐに、混合物の硬化が非常に速く起こる。混合物の速い硬化は、ここでは偽凝結とも呼ばれるが、これは、適切かつ完全なエトリンガイトの形成を妨げ、後の段階でのケイ酸カルシウム水和物の通常の形成を妨害し、さらに、固まったセメントモルタルの質が非常に悪く、弱い微細構造を持つものになってしまうため、好ましくないものである。
【００５４】
組成物中における遅延剤の最初の役割は、スラリーが速すぎる硬化をしないようにし、それによって組成物中の異なる反応性成分間の物理的な相互作用と化学反応を促進させることである。組成物に遅延剤を添加することの他の派生的な利点には、使用できる濃度のスラリー混合物にするために必要な高性能ＡＥ減水剤および／または水の低減が含まれる。上に述べたすべての利点は、偽凝結の抑制によって達成されるものである。有用な凝結遅延剤の例としては、クエン酸ナトリウム、クエン酸、酒石酸カリウム、酒石酸ナトリウムなどが挙げられる。本発明の組成物においては、クエン酸ナトリウムが好ましい凝結遅延剤である。
【００５５】
以下にある実施例において、凝結遅延剤（クエン酸ナトリウム）、アルカノールアミン（トリエタノールアミン）、およびスラリー温度の相乗的な役割が明確に示される。さらに、凝結遅延剤はスラリー混合物の速すぎる硬化を防止するので、それらの添加はセメントボード製造プロセスにおける良好なエッジ形成において重要な役割を果たし、また助けとなる。凝結遅延剤の反応性混合粉末に対する質量比は、通常１．０質量％未満であり、好ましくは約０．０４〜１．０質量％である。
【００５６】
＜無機促進剤＞
先に述べたように、アルカノールアミンは、主としてセメント混合物に非常に速い凝結特性を与える役割を果たす。アルカノールアミンと併用して、無機促進剤も、補助的な促進剤として本発明のセメント組成物に添加してもよい。これらの補助的な促進剤の添加によって、アルカノールアミン単独を添加することによって短縮される凝結時間と比較して、少しだけ凝結時間が短縮されることが期待される。そのような凝結促進剤の例としては、炭酸ナトリウム、炭酸カルシウム、硝酸カルシウム、亜硝酸カルシウム、ギ酸カルシウム、酢酸カルシウム、塩化カルシウム、炭酸リチウム、硝酸リチウム、亜硝酸リチウム、硫酸アルミニウムなどが挙げられる。セメントボードの留め具の腐食が懸念される場合には、塩化カルシウムの使用は避けるべきである。無機促進剤の反応性混合粉末に対する質量比は、通常２．０質量％未満であり、好ましくは約０．１〜１．０質量％である。これらの促進剤は単独で、あるいは併用して使用される。
【００５７】
＜他の添加剤および成分＞
減水剤（高性能ＡＥ減水剤）のような添加剤が本発明の組成物に含まれていてもよい。それらは乾燥状態で、あるいは溶液の状態で添加される。高性能ＡＥ減水剤は、混合物に必要な水の量を減少させるのに役立つ。高性能ＡＥ減水剤の例としては、ポリナフタレンスルホネート、ポリアクリレート、ポリカルボキシレート、リグノスルホネート、メラミンスルホネートなどが挙げられる。使用される高性能ＡＥ減水剤の種類にもよるが、高性能ＡＥ減水剤の反応性混合粉末に対する質量比（乾燥粉末基準）は、通常約２．０質量％かそれ未満であり、好ましくは約０．１〜１．０質量％である。
【００５８】
軽量セメントボードのような軽量製品の製造が望まれている場合には、製品を軽量化するために組成物中にＡＥ剤を添加してもよい。あるいは、製品の密度を小さくする目的で、混合工程の際に、起泡剤を使用して形成される外的に作られた泡を本発明の組成物の混合物に入れてもよい。必要であれば、本発明の組成物に、収縮調整剤、着色剤、粘度調整剤（増粘剤）、内部硬化剤のような他の添加剤も添加してもよい。
【００５９】
本発明のセメント組成物には、様々なタイプの散在した状態の補強繊維が含まれていてもよい。ポリマー被覆されたガラスファイバーのような材料からできたスクリムや、ポリプロピレン、ポリエチレン、ナイロンのようなポリマー材料が、セメントをベースとした製品の機能と用途次第によっては製品を補強するために使用される。本発明によって作られるセメントボードは、通常、ポリマー被覆されたガラスファイバーから作られたスクリムで補強される。
【００６０】
本発明のセメント組成物は、反応性混合粉末の水和と、エトリンガイトや他のアルミン酸化合物の水和物の速い形成のために、適切な量の水と混合される。一般的に、添加される水の量は、反応性混合粉末の水和に理論的に必要とされる量よりも多い。この、水の必要量の増分によって、セメントスラリーの作業性が向上する。通常、水の反応性混合粉末に対する質量比は、約０．２０／１〜０．８０／１であり、好ましくは約０．３０／１〜０．６０／１である。必要とされる水の量は、セメント組成物中に存在する個々の材料における必要量による。
【００６１】
＜骨材およびフィラー＞
開示された反応性混合粉末は、本発明のセメント組成物における高速凝結性の成分であると定義されるが、意図される用途や応用によっては組成物中に他の物質が含まれていてもよいことは、当業者に理解されるであろう。例えば、セメントボード用途には、製品の肝心な機械的性能を損なうことなく軽量ボードを製造することが望ましい。この目的は軽量骨材やフィラーを添加することによって達成される。有用な軽量骨材やフィラーの例としては、高炉スラグ、凝灰岩、軽石、粘土や頁岩やパーライトの膨張物、中空セラミック粒子、中空プラスチック粒子、発泡プラスチックビーズなどが挙げられる。
【００６２】
セメントボードの製造には、膨張粘土と膨張頁岩骨材が特に好ましい。発泡プラスチックビーズと中空プラスチック粒子のバルク密度は非常に小さいため、それらが組成物中に使用されるのは、質量基準でごく少量必要とされる場合である。選択された軽量骨材あるいはフィラーによるが、軽量骨材あるいはフィラーの反応性混合粉末に対する質量比は、約１／１００〜２００／１００であり、好ましくは約２／１００〜１２５／１００である。例えば、軽量セメントボードを作る場合、軽量骨材あるいはフィラーの反応性混合粉末に対する質量比は、好ましくは約２／１００〜１２５／１００である。軽量性が重要な特徴でない用途においては、コンクリート構造中に通常使用されているような川砂や粗骨材を、本発明の組成物の一部として利用することもできる。
【００６３】
以下の実施例中では骨材の水分がセメント組成物の凝結時間に悪影響を及ぼすことが見られるため、本発明においては、低い水分含量の骨材やフィラーが好ましい。
【００６４】
＜スラリーの初期温度＞
セメントの文献（ラマチャンドラン、Ｃｅｍ．Ｃｏｎｃｒ．Ｒｅｓ．６（ｐｐ．６２３〜６３１））では、比較的高い初期温度でセメントモルタルを作ると偽凝結や弱い強度につながるため、高い初期温度を避けることが教示されている。実際、暑い気候におけるコンクリート仕様では、設置されたコンクリートが８５°Ｆあるいは９０°Ｆ未満の温度であることを必要としている。（コンクリート混合物の設計および制御、ＰＣＡ、第１３版、Ｐ．１３０）。
【００６５】
本発明においては、最初に高いスラリー温度を与える条件下においてスラリーを作成することが、セメントの高速凝結と硬化を達成するのに重要であることが見出された。スラリーの初期温度は少なくとも約９０°Ｆ（３２．２℃）である。９０°Ｆ〜１３５°Ｆ（３２．２℃〜５７．２℃）の範囲のスラリー温度では非常に凝結時間が短い。
【００６６】
通常、この範囲では、スラリーの初期温度が上がると、反応が進行するにつれて温度の上昇速度が速まり、そして凝結時間が短縮される。したがって、９５°Ｆ（３５℃）の初期温度が９０°Ｆ（３２．２℃）より好ましく、１００°Ｆ（３７．８℃）の初期温度が９５°Ｆより好ましく、１０５°Ｆ（４０．６℃）の初期温度が１００°Ｆより好ましく、１１０°Ｆ（４３．３℃）の初期温度が１０５°Ｆより好ましく、以下同様である。スラリーの初期温度を上げるメリットは、温度範囲幅の上端に近づくにつれて減少すると考えられる。
【００６７】
当業者に理解されるであろうが、スラリーの初期温度へは、一以上の方法によって達せられる。おそらく最も簡便な方法は、一以上のスラリー成分を加熱することである。実施例では、本発明者らは、結果としてできるスラリーが所望の温度になるように、乾燥反応性粉末と非反応性の固体に水を添加する際に、そのような温度に加熱した水を添加した。あるいは、もし必要であれば、室温以上で固体を添加してもよい。スラリーに熱を与えるために蒸気を使用することも、また可能な方法である。好ましくはないけれども、スラリーを室温で作ってから、素早く本発明の利益を得られる温度である約９０°Ｆあるいはそれ以上に上げることもできる。最適な最初のスラリー温度は、約１１０°Ｆ〜１２０°Ｆ（４３．３℃〜４８．９℃）の範囲と考えられている。
【００６８】
＜セメントボード等のプレキャストコンクリートの製造＞
セメントボードのようなプレキャストコンクリートは、反応性混合粉末が骨材、フィラー、および他の必要な成分とブレンドされた後、混合物をモールドに入れたり連続キャスティング成形ベルト（continuous casting and forming belt）に載せたりする直前に水や他の添加剤を添加する連続プロセスで、最も効率的に製造される。セメント混合物の速い凝結特性のため、セメント混合物の乾燥成分と水との混合は、たいていの場合はキャスティング操作のすぐ直前にされることが理解されるであろう。アルミン酸カルシウム化合物の水和物の形成と、それに付随した相当量の水の消費の結果、セメントをベースとした製品は硬くなって、カットしたり、取り扱ったり、あるいはさらに養生させるために積み重ねたりすることができるようになる。
【００６９】
以下の実施例では、スラリー温度の上昇挙動と、本発明のセメント混合組成物の凝結特性に対するアルカノールアミンの影響について調べるための実験が行われた。これらの実験に使用された原料と成分は以下のとおりである：
テキサス州、サンアントニオのキャピトルセメントから入手した、ポルトランドセメントタイプIII。
カリフォルニアポルトランドセメントカンパニーから入手した、塊状のポルトランドセメント。
【００７０】
カリフォルニア州のミツビシセメントカンパニーから入手した、ポルトランドセメントタイプIII。
イリノイ州のＵＳＧカンパニーから入手した、石膏（ランドプラスター）。
ラファルジュカルシウムアルミネートから入手した、高アルミナセメント（ＨＡＣ）。
オハイオ州、クリーブランドのベイショアステーションから入手した、フライアッシュクラスＣと、テキサスのボラルマテリアルテクノロジーズから入手した、フライアッシュクラスＦ。
バージニア州のラファルジュコーポレーションから入手した、高炉スラグ微粉末（ＮｅｗＣｅｍ）。
【００７１】
インディアナ州、ブルックリンのハイドローリックブリックプレスから入手した、ハイダイト膨張頁岩骨材。
テキサス州、ＴＸＩアグリゲートから入手した、リッジライト膨張粘土骨材。
コネチカット州、ダンブリーのユニオンカーバイドコーポレーションから入手した、トリエタノールアミン（ＴＥＡ）。
ペンシルバニア州、フィラデルフィアのＦＭＣワイオミングコーポレーションから入手した、炭酸ナトリウム（ＳＡ）。
ペンシルバニア州、フィラデルフィアのＦＭＣワイオミングコーポレーションから入手した、クエン酸ナトリウム。
ジョージア州、シダータウンのジオスペシャルティケミカルズ株式会社から入手した、スルホン化ナフタレン縮合物の高性能ＡＥ減水剤。
【００７２】
以下の実施例では、使用されている乾燥反応性粉末成分およびあらゆる骨材は、室温より高いスラリーの初期温度を与える条件下で水と混合された。ＴＥＡは、そのままの状態で、あるいは水溶液として添加された。通常、初期温度が９０〜１３５°Ｆ（３２．２〜５７．２℃）の範囲であるスラリーを作れる温度の熱水が使用された。実施例１４〜１７では、スラリーの初期温度を変える効果が報告されている。
【実施例】
【００７３】
（実施例１）
本実施例は、含水状態の膨張頁岩骨材を含んだ本発明のセメント組成物の、スラリー温度の上昇挙動と凝結特性に対するアルカノールアミンの影響を示している。表１は、本実施例で調べられたセメント混合組成物を示している。本実施例で調べられた様々な混合物のスラリー温度の上昇挙動は、図１に示されている。
【００７４】
【表１】
2005537208.tif 000003
【００７５】
図１から、乾燥骨材が入った混合物（混合物１）は、とても速いスラリー温度の上昇挙動を示すことが明確にわかる。５％の含水量の骨材が使用された場合（混合物２）は、スラリー温度上昇の速度は非常に遅く、最高温度は乾燥骨材を使用した混合物１と比べて約１０°Ｆ低かった。したがって、混合組成物中への含水骨材の使用は、スラリー温度上昇挙動全般と、それに付随するセメント組成物の凝結特性に悪影響を与えることがわかった。しかし、含水骨材を含む混合物（混合物３〜５）にトリエタノールアミン（ＴＥＡ）を添加すると、スラリー温度上昇の速度は顕著に上がり、最高到達温度も乾燥骨材の混合物（混合物１）で見られた温度とほぼ同じであった。より速いスラリー温度上昇速度と、より高い最高スラリー温度への到達は、セメントスラリーのより速い凝結特性を示唆するものであることに注目すべきである。
【００７６】
（実施例２）
実施例２では、実施例１で調べられた混合組成物と比較してフライアッシュが多く、骨材が少ない混合組成物のスラリー温度の上昇挙動について調べられた。表２は、本実施例で調べられたセメント混合組成物を示している。
【００７７】
【表２】
2005537208.tif 000004
【００７８】
図２から、含水骨材の使用は、スラリー温度の上昇挙動全体に悪影響を与えることがわかる（混合物２および３）。乾燥骨材を含む混合物と比較して、スラリー温度の上昇が非常に遅くなるだけではなく、到達最高スラリー温度もずっと低くなる。この図から、含水骨材を含む混合組成物（混合物４および５）へのトリエタノールアミン（ＴＥＡ）の添加が、スラリー温度の上昇速度と到達最高スラリー温度に大きな影響を与えていることがわかる。ＴＥＡ添加の結果として、スラリー温度の上昇速度が顕著に上がり、またＴＥＡを含んでいない混合物と比較して到達最高スラリー温度も非常に高くなった。より速いスラリー温度上昇速度と、より高い最高スラリー温度は、セメントスラリーのより速い凝結特性を示唆するものであることに注目すべきである。
【００７９】
（実施例３）
実施例３では、実施例２で含水量が５％であった骨材の代わりに１８％の含水量である骨材を含んだ混合物の温度の上昇挙動について調べられた。表３は、本実施例で調べられたセメント混合組成物を示している。図３からわかるように、トリエタノールアミン（ＴＥＡ）の添加による有益な影響は、より高い含水量の骨材が最高温度の上昇を少しだけ減らしているように見えることを除いては、実施例２で見られたのと同様であった。
【００８０】
【表３】
2005537208.tif 000005
【００８１】
（実施例４）
実施例４では、ＨＡＣの量を変化させた場合の、スラリー温度の上昇挙動に対するトリエタノールアミン（ＴＥＡ）添加の影響について調べられた。表４は、本実施例で調べられたセメント混合組成物を示している。
【００８２】
【表４】
2005537208.tif 000006
【００８３】
図４からは、ＴＥＡ添加の有益性が明らかに見られる。同じ量のＨＡＣでは、ＴＥＡを含有する混合物は、ＴＥＡを含有しない混合物と比べて、明らかに急激なスラリー温度の上昇挙動をもたらす。さらに、ＴＥＡを含有する混合物の場合に到達する最高温度も、ＴＥＡを含有しない混合物よりも高い。ＨＡＣを１６質量部含有する組成に、わずか０．５質量％のＴＥＡを添加したものが、スラリー温度上昇速度の向上が著しかったことに注目すべきである。ＨＡＣの量を減らすとスラリーの最高上昇温度が下がると考えられたけれども、混合物にＴＥＡを添加すると、実質的にスラリー温度の上昇挙動は変化しなかった。
【００８４】
（実施例５）
実施例５では、ＴＥＡと炭酸ナトリウム（ＳＡ）の相対的影響について調べられた。表５は、本実施例で調べられたセメント混合組成物を示している。炭酸ナトリウムもセメント組成物の凝結のための促進剤として考えられていることに留意されたい。
【００８５】
【表５】
2005537208.tif 000007
【００８６】
図５からは、ポルトランドセメント１００部に対してＨＡＣを８部添加した混合組成物では、組成物がとても長い凝結時間を必要とすることを暗示するものである非常に緩いスラリー温度上昇カーブを描くことが明確に示されている。ＴＥＡが混合物に添加された場合、スラリー温度の上昇速度と最高到達スラリー温度の両方ともが顕著に上がる。炭酸ナトリウムの含量を増加させても、スラリー温度の上昇挙動はほとんど変化を示さなかった。ＨＡＣ含量を５部まで減らした場合でも、炭酸ナトリウム含量を増加させた結果と同様であり、明らかな変化は見られないことに注目されたい。
【００８７】
（実施例６）
実施例６においては、比較的低い濃度のＨＡＣ含量でのＴＥＡと炭酸ナトリウムの相対的影響を調べるために、実施例５の試験をさらに拡張して行われた。ＴＥＡ含量を反応性混合粉末の１．５質量％に固定し、炭酸ナトリウムの量を反応性混合粉末の０．２５〜１．０質量％まで変化させた合計４つの混合組成物について調べられた。調べられた混合組成物のスラリー温度上昇応答性は、図６に示されている。炭酸ナトリウムの量の増加は、スラリー温度の上昇速度に対してはわずかな影響しか見せないけれども、最高到達スラリー温度を低下させることがわかる。
【００８８】
（実施例７）
実施例７では、圧縮強度に対する炭酸ナトリウムの相対的影響について調べられた。表６は、この実施例で調べられたセメント混合組成物を示している。
【００８９】
【表６】
2005537208.tif 000008
【００９０】
本実施例で調べられた混合組成物の体積圧縮強度（cube compressive strength,ＣＣＳ）は、表７に示されている。１１５°Ｆ（４６．１℃）での混合とその後の型への注入の後、２"×２"×２"（５０．８ｍｍ×５０．８ｍｍ×５０．８ｍｍ）のサイズの３つの立方体試験片が成形された。型は約７５°Ｆ（２３．９℃）の室温に保たれ、１９時間後に型から抜かれた。型から抜かれた後、試験片はプラスチック製のバッグに入れられ、さらに４８時間、１５５°Ｆ（６８．３℃）で養生された。試験片はＡＥ剤の添加なしで作られ、平均モルタル密度は約１０６ｐｃｆ（１７０１ｋｇ／ｍ３）であることに留意されたい。表７にあるデータは、０．２〜０．８％の範囲での炭酸ナトリウムの添加が、炭酸ナトリウムなしの混合物と比べて、モルタルの圧縮強度を顕著に増加させることを示している。最適な炭酸ナトリウムの濃度は、調べられた濃度の範囲内にあると見られる。
【００９１】
【表７】
2005537208.tif 000009
【００９２】
（実施例８）
実施例８は、ＨＡＣの量を０部まで減らした混合組成物における、スラリー温度の上昇挙動に対するトリエタノールアミンの影響を示している。表８は、この実施例で調べられたセメント混合組成物を示している。
【００９３】
【表８】
2005537208.tif 000010
【００９４】
この実施例で調べられた混合組成物のスラリー温度の上昇挙動は図７に示され、それに関連する凝結の始発時間と終結時間は表７に示されている。１７．５部の高アルミナセメントと、５．９部の石膏を含む混合物（混合物１）は、速い温度上昇を示し、４〜５分以内に最高温度に到達する。高アルミナセメントと石膏の両方が取り除かれた場合（混合物２）には、混合物１と比べてスラリー温度上昇の速度が非常に遅く、また最高到達温度も非常に低いことは注目すべきことである。表７から、この混合物の凝結終結時間が混合物１よりも相当遅いこともわかる。ＴＥＡを含まない混合組成物にトリエタノールアミンを入れた場合（混合物３〜５）には、スラリー温度の挙動は大幅に改良され、高アルミナセメントと石膏を含んでいる従来の先行技術の混合物（すなわち混合物１）に大体近くなった。さらに、これらの混合組成物（すなわち混合物３〜５）の凝結の始発時間と終結時間も、高アルミナセメントと石膏を含んでいる従来の先行技術の混合物（すなわち混合物１）と非常に似たものとなった。
【００９５】
【表９】
2005537208.tif 000011
【００９６】
表９から、トリエタノールアミンの使用が、高アルミナセメントと石膏を含んでいる従来の先行技術の混合組成物に匹敵する高速凝結性を与えることが明らかである。この実施例から、トリエタノールアミンを含んでいない混合組成物から高アルミナセメントと石膏を取り除くと、許容できないほどの長い凝結時間になってしまうこともわかる（混合物２）。
【００９７】
（実施例９）
実施例８のように乾燥骨材を使用する代わりに、使用されている骨材の含水量が５％と湿っていること以外は同じである実施例８の組成物が再び試験された。表１０は、この実施例で調べられた混合組成物を示している。
【００９８】
【表１０】
2005537208.tif 000012
【００９９】
この実施例で調べられた混合組成物のスラリー温度の上昇挙動は図８に示され、それに関連する凝結の始発時間と終結時間は表１１に示されている。図８から、含水骨材を使用した場合（混合物１）は、混合組成物に非常に大量の高アルミナセメントと石膏を使用しても、スラリー温度の上昇挙動が非常に劣ったものになることが明確に観察される。また、この混合物の凝結終結時間も、乾燥骨材を含んでいる同様の混合物（すなわち実施例８の混合物１）と比較して、とても遅い。含水骨材を含む混合組成物から高アルミナセメントと石膏の両方が取り除かれた場合（混合物２）には、スラリー温度上昇のレスポンスがさらに悪くなり、凝結終結時間も非常に遅くなる。含水骨材を含み、高アルミナセメントと石膏を含まない混合組成物にトリエタノールアミンが使用された場合（混合物３〜６）には、スラリー温度の上昇挙動と、それに関連する凝結終結時間に著しい改善が見られることは注目すべきことである。
【０１００】
【表１１】
2005537208.tif 000013
【０１０１】
（実施例１０）
この実施例では、骨材含水量が１０％と高い場合における本発明の組成物の効果について実証される。表１２は、本実施例で調べられた混合組成物を示している。
【０１０２】
【表１２】
2005537208.tif 000014
【０１０３】
この実施例で調べられた混合物のスラリー温度の上昇挙動は図９に示され、それに関連する凝結の始発時間と終結時間は表１２に示されている。図９から、トリエタノールアミンを含有し、高アルミナセメントと石膏を含まない本発明の混合組成物（混合物２〜７）では、高アルミナセメントと石膏を含有する従来の混合組成物（混合物１）から作られたものと同様のスラリー温度の上昇挙動になることが観察される。上述した本発明の混合組成物（混合物３〜７）は、従来の混合物（すなわち混合物１）よりも非常に優れた凝結終結時間を有していることは特に注目すべきである。また、トリエタノールアミンの量を増やすと、凝結終結時間が顕著に短縮した。
【０１０４】
【表１３】
2005537208.tif 000015
【０１０５】
（実施例１１）
この実施例では、クラスＦのフライアッシュを含有する本発明の組成物の効果について実証される。表１４は、本実施例で調べられた混合組成物を示している。
【０１０６】
【表１４】
2005537208.tif 000016
【０１０７】
本実施例で調べられた混合物のスラリー温度の上昇挙動は図１０に示され、それに関連する凝結の始発時間と終結時間は表１４に示されている。これらの結果から、本発明の混合組成物にポゾランとしてクラスＦのフライアッシュが使用される場合においても、スラリー温度の上昇挙動と凝結時間の結果が大きく改善されることが明確に示される。これらの結果から、組成物中のフライアッシュの量を減らすと、スラリー温度の上昇挙動と凝結時間の大幅な改善が見られることも注目される。
【０１０８】
【表１５】
2005537208.tif 000017
【０１０９】
（実施例１２）
この実施例では、ポゾランとしてフライアッシュではなく高炉スラグ微粉末を含んだ本発明の混合組成物の効果について実証される。表１６は、本実施例で調べられた混合組成物を示している。
【０１１０】
【表１６】
2005537208.tif 000018
【０１１１】
本実施例で調べられた混合組成物のスラリー温度の上昇挙動は図１１に示され、それに関連する凝結の始発時間と終結時間は表１７に示されている。これらの結果から、本発明の混合組成物にポゾランとして高炉スラグ微粉末が使用される場合においても、スラリー温度の上昇挙動と凝結時間の結果が大きく改善されることが明確に示されている。これらの結果から、組成物中の高炉スラグ微粉末の量を減らすと、スラリー温度の上昇挙動と凝結時間の大幅な改善が見られることも注目される。
【０１１２】
【表１７】
2005537208.tif 000019
【０１１３】
（実施例１３）
実施例１３では本発明の組成物の、スラリー温度の上昇挙動と凝結特性に対する鉱物性添加物の種類の影響を示す。クラスＣフライアッシュ、クラスＦフライアッシュ、高炉スラグ微粉末（ＧＧＢＦＳ）の３種の異なった種類のポゾラン性を有する鉱物性添加物について調べられた。本発明の組成物の高速凝結特性に対するこれらのポゾラン性物質の相対的影響を明らかにするために、ポルトランドセメント、ポゾラン性物質、およびＴＥＡの混合物が用意された。本実施例で調べられた混合組成物は表１８に示されている。
【０１１４】
【表１８】
2005537208.tif 000020
【０１１５】
図１２では、クラスFフライアッシュや高炉スラグ微粉末と比べて、クラスＣフライアッシュがより優れた性能を与えることが示されている。温度上昇速度はクラスFのフライアッシュ混合物と比べてクラスCのフライアッシュ混合物の方が速く、また、最高到達温度も高炉スラグ微粉末やクラスFフライアッシュ混合物と比べて高かった。この速い温度上昇と最高温度のため、フライアッシュC混合物が最短の凝結終結時間となった。これは、クラスCフライアッシュの、石灰およびアルミン酸三カルシウムの高い含有量によるものと考えられる。
【０１１６】
（実施例１４）
この実施例では、反応性粉末の１００％であるタイプIIIのポルトランドセメントと、乾燥骨材を含む、本発明のセメント組成物の凝結特性に対する最初のスラリー温度の影響について示される。本実施例で調べられた混合組成物は表１９に示されている。
【０１１７】
【表１９】
2005537208.tif 000021
【０１１８】
表１８は本実施例で調べられた混合組成物の凝結終結時間を示している。最初のスラリー温度が７５°Fの場合、凝結終結時間は９７分と非常に長いオーダーであることがわかる。他方、最初のスラリー温度が１１５°Fの場合、５．５分ととても速い凝結終結時間になった。
【０１１９】
【表２０】
2005537208.tif 000022
【０１２０】
（実施例１５）
この実施例では本発明のセメント組成物の凝結特性に対する最初のスラリー温度とトリエタノールアミン含量の影響を示す。表２１は、本実施例で調べられた混合組成物を示している。
【０１２１】
【表２１】
2005537208.tif 000023
【０１２２】
表２２は、本実施例で調べられた混合組成物の凝結終結時間を示している。最初のスラリー温度が９６°Fの場合、凝結の終結を１２．５分で達成するためには、混合物に２．０％の量のＴＥＡが必要であることがわかる。他方、最初のスラリー温度が１１７°Fの場合、ＴＥＡの量がわずか０．４％で５．５分ととても速い凝結終結時間になった。１２７°Fのスラリー温度の混合物では、スラリー温度が１１７°Ｆで作られた混合物と比較して、わずかに長い凝結終結時間になることに注目すべきである。
【０１２３】
【表２２】
2005537208.tif 000024
【０１２４】
（実施例１６）
この実施例では、含水骨材が入った本発明のセメント組成物の凝結特性に対する最初のスラリー温度の影響を示す。表２３は、本実施例で調べられた混合組成物を示している。
【０１２５】
【表２３】
2005537208.tif 000025
【０１２６】
表２４は本実施例で調べられた混合物の凝結終結時間を示している。最初のスラリー温度が７５°Fの場合、凝結終結時間は１８０分超と非常に長いことがわかる。他方、最初のスラリー温度が１１５°Fの場合、８分未満ととても速い凝結終結時間になった。
【０１２７】
【表２４】
2005537208.tif 000026
【０１２８】
（実施例１７）
この実施例では、本発明のセメント組成物のスラリー温度上昇特性に対する最初のスラリー温度とクエン酸ナトリウムの影響を示す。表２５は、本実施例で調べられた混合組成物を示している。
【０１２９】
【表２５】
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【０１３０】
図１３は、本実施例で調べられた組成物の温度上昇の様子を示している。以下の所見が見られる：
・１０５°Ｆの最初のスラリー温度では、クエン酸ナトリウムの量が０％のものが最もよい結果であった。したがって、１０５°Ｆより低いスラリー温度においては、本発明の混合組成物中におけるクエン酸ナトリウムの存在は必須ではない。
・他方、１２７°Ｆと比較的高い最初のスラリー温度では、本発明の組成物中にクエン酸ナトリウムがあるものが最も良い結果であった。望ましいスラリー温度の上昇挙動を達成するのに、少なくとも０．０４％の量のクエン酸ナトリウムが必要であることに注目されたい。
・上記の結果から、本発明の混合組成物へのクエン酸ナトリウム使用は、比較的高い最初のスラリー温度（１０５°Ｆより高い温度）で好ましいことが明らかになる。
【０１３１】
（実施例１８）
この実施例では、本発明のセメント組成物を用いて作られたセメントをベースとした複合材料の機械的性能について示される。表２６は、本発明のセメント組成物とガラス繊維網で補強された表面からなるセメントボードの曲げ破壊強度（ＭＯＲ）を示している。それぞれのデータの組には、横方向（ＸＭＤ）と縦方向（ＭＤ）のボード試験片のＭＯＲが含まれている。表２６は、本発明の組成物で作られたパネルが、ニューヨーク州、ニューヨークのアメリカ国際規格協会の、セメント質バッカーユニットの試験方法および試験片、ＡＮＳＩ  Ａ−１１８．９、のアメリカ国際規格で必要とされるＭＯＲを満たしていることを示している。示された値は混合物１と混合物２でよく似ており、またこの値はこれらの試験の標準誤差範囲内である。
【０１３２】
【表２６】
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【図面の簡単な説明】
【０１３３】
【図１】実施例１の結果のグラフである。
【図２】実施例２の結果のグラフである。
【図３】実施例３の結果のグラフである。
【図４】実施例４の結果のグラフである。
【図５】実施例５の結果のグラフである。
【図６】実施例６の結果のグラフである。
【図７】実施例８の結果のグラフである。
【図８】実施例９の結果のグラフである。
【図９】実施例１０の結果のグラフである。
【図１０】実施例１１の結果のグラフである。
【図１１】実施例１２の結果のグラフである。
【図１２】実施例１３の結果のグラフである。
【図１３】実施例１７の結果のグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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