(57)【要約】      （修正有）【課題】本発明は、新規な敷石および建築用ブロックの複合材料およびそれらの調製方法を提供する。【解決手段】敷石および建築用ブロックの複合材料は、大規模製造に適切な型枠への締固めを用いる製造方法によって、広く入手可能な低コストの前駆体材料から容易に製造することができる。前駆体材料は、ケイ酸カルシウム、例えば珪灰石と、二酸化ケイ素を多くむ材料を含み得る粒子状充填材料とを含む。添加材は、炭酸カルシウムを多く含む材料および炭酸マグネシウムを多く含む材料を含み得る。着色体の粒子および顔料(例えば、黒色酸化鉄、酸化コバルトおよび酸化クロム）などの着色材などの様々な添加剤を用いて、複合材料の物理的外観および機械特性を微調整することができる。これらの敷石および建築用ブロックの複合材料は、石と似た視覚パターンを示すとともに、石と同等またはそれより優れた圧縮強度および吸水性を示す。【選択図】図４
2019052086.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の結着成分であって、各結着成分が、
ケイ酸カルシウムを主に含むコアと、
シリカを多く含む第１の層すなわち内層と、
炭酸カルシウムを多く含む第２の層すなわち外層とを備える結着成分と、
充填微粒子を含む複数の充填粒子とを備える複合建材であって、
前記複数の結着成分および前記複数の充填粒子が合わさって１つまたは複数の結着マト
リックスを形成し、前記結着成分および前記充填粒子は、５０％超の二酸化炭素を含む雰
囲気の存在下の反応の結果、互いに結着されるよう構成され、
敷石または建築用ブロックの形で提供される複合建材。
【請求項２】
前記結着成分および前記充填粒子が、８０％超の二酸化炭素を含む雰囲気の存在下の反
応の結果、互いに結着されるよう構成される、請求項１に記載の複合建材。
【請求項３】
着色材をさらに備える、請求項１に記載の複合建材。
【請求項４】
前記複数の結着成分が約５μｍ〜約１００μｍの範囲の中央粒径を有する、請求項１に
記載の複合建材。
【請求項５】
前記充填粒子が二酸化ケイ素を多く含む材料から作られる、請求項１に記載の複合建材
。
【請求項６】
前記複数の充填粒子が、石英、雲母および長石のうちの１つまたは複数を含む、請求項
１に記載の複合建材。
【請求項７】
前記複数の結着成分が、珪灰石粉から化学的に変換したものである、請求項１に記載の
複合建材。
【請求項８】
前記複数の結着成分が、珪灰石粉の他に前駆ケイ酸カルシウムから化学的に変換したも
のである、請求項１に記載の複合建材。
【請求項９】
前記複数の結着成分が、アルミニウム、マグネシウムおよび鉄のうちの１つまたは複数
を含む前駆ケイ酸カルシウムから化学的に変換したものである、請求項１に記載の複合建
材。
【請求項１０】
前記着色材が、酸化鉄、酸化コバルトおよび酸化クロムのうちの１つまたは複数を含む
、請求項３に記載の複合建材。
【請求項１１】
結着成分：充填粒子の重量比が、およそ８〜５０：５０〜９２である、請求項１に記載
の複合建材。
【請求項１２】
着色材が、０重量％〜約１０重量％で存在する、請求項４に記載の複合建材。
【請求項１３】
前記複数の結着成分が、制御水熱液相焼結法によって珪灰石粉をＣＯ２と反応させるこ
とによる、珪灰石粉からの化学変換によって調製された、請求項１に記載の複合建材。
【請求項１４】
前記複数の結着成分が、制御水熱液相焼結法によって、珪灰石粉の他に前駆ケイ酸カル
シウムをＣＯ２と反応させることによる、前駆ケイ酸カルシウムからの化学変換によって
調製された、請求項１に記載の複合建材。
【請求項１５】
５０ＭＰａ〜３００ＭＰａの範囲の圧縮強度および５ＭＰａ〜３０ＭＰａの範囲の曲げ
強度を有する、請求項１に記載の複合建材。
【請求項１６】
約１０％未満の吸水率を有する、請求項１に記載の複合建材。
【請求項１７】
石と似た視覚パターンを示す、請求項１に記載の複合建材。
【請求項１８】
粒子状組成物と液体組成物を混合してスラリー混合物を形成する工程であって、前記粒
子状組成物が、
約１μｍ〜約１００μｍの範囲の中央粒径を有するケイ酸カルシウム粉末と、
微粒子を含む複数の充填粒子とを備え、
前記液体組成物が、
水と、
分散剤とを備える工程と、
前記スラリー混合物を型枠に注入する工程と、
前記スラリー混合物を前記型枠内に締固める工程と、
前記スラリー混合物を、約２０℃〜約１５０℃の範囲の温度で約１時間〜約８０時間、
周囲の大気圧〜周囲よりも約６０ｐｓｉ高い気圧の範囲で、ＣＯ２濃度が約１０％〜約９
０％の範囲の、水およびＣＯ２の雰囲気下で養生することにより、複合建材を敷石または
建築用ブロックの形で製造する工程とを備える、複合建材の調製方法。
【請求項１９】
前記スラリー混合物が前記型枠に注入され、前記型枠内で締固められる間、前記型枠を
振動させる工程をさらに備える、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記粒子状組成物が、着色材をさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記混合物の養生を、約６０℃〜約１１０℃の範囲の温度で約１５時間〜約７０時間、
周囲の大気圧〜周囲の大気圧よりも約３０ｐｓｉ高い気圧の範囲で、水およびＣＯ２を含
む蒸気下で行う、請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
前記混合物の養生を、約６０℃〜約１００℃の範囲の温度で約２０時間〜約６０時間、
周囲の大気圧〜周囲の大気圧よりも約３０ｐｓｉ高い気圧の範囲で、水およびＣＯ２を含
む蒸気下で行う、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記混合物の養生を、約６０℃以下の温度で約６時間〜約５０時間、周囲の大気圧の、
水およびＣＯ２を含む蒸気下で行う、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記ケイ酸カルシウム粉末が珪灰石粉を含み、
微粒子を含む前記複数の充填微粒子が、二酸化ケイ素を多くを含む材料を含む、請求項
１８に記載の方法。
【請求項２５】
前記珪灰石粉が、約５μｍ〜約５０μｍの中央粒径、約０．６ｇ／ｍＬ〜約０．８ｇ／
ｍＬ（嵩密度）および約１．０ｇ／ｍＬ〜約１．２ｇ／ｍＬ（タップ密度）のバルク密度
ならびに約１．５ｍ２／ｇ〜約２．０ｍ２／ｇの表面積を有する、請求項２４に記載の方
法。
【請求項２６】
微粒子を含む前記複数の充填粒子が、石英、雲母および長石のうちの１つまたは複数を
含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記粒子状組成物が、
金属酸化物を含む顔料を含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２８】
前記粒子状組成物が、黒、白、赤、黄および茶から選択された色を有するガラス材料を
含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２９】
前記液体組成物が、
水と、
前記液体組成物の約０．１％ｗ／ｗ〜約２％ｗ／ｗの濃度のポリマー塩を含む分散剤と
を含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項３０】
前記ポリマー塩がアクリルホモポリマー塩である、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記粒子状組成物が、約２５％ｗ／ｗのケイ酸カルシウム粉末および約７０％〜約７５
％ｗ／ｗの二酸化ケイ素を主成分とする材料を含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項３２】
前記ケイ酸カルシウム粉末が主に珪灰石粉であり、前記二酸化ケイ素を主成分とする材
料が主にガラス、石英および砂からなる群より選択された材料である、請求項３１に記載
の方法。
【請求項３３】
請求項１８〜３２のいずれか一項に記載の方法により調合される複合建材。
【請求項３４】
約５０ＭＰａ〜約３００ＭＰａの圧縮強度および約５ＭＰａ〜約３０ＭＰａの曲げ強度
を有する、請求項３３に記載の複合建材。
【請求項３５】
約１０％未満の吸水率を有する、請求項３３に記載の複合建材。
【請求項３６】
黒、白、赤、黄および茶から選択された色を有する着色材を含む、請求項３３に記載の
複合建材。
【請求項３７】
石特有の視覚パターンを示す、請求項３３に記載の複合建材。
【請求項３８】
請求項３３に記載の複合建材から作られる物品。
【請求項３９】
請求項１〜１７のいずれか一項に記載の複合建材から作られる製品。
【請求項４０】
複数の結着成分であって、各結着成分が、
ケイ酸マグネシウムを主に含むコアと、
シリカを多く含む第１の層すなわち内層と、
炭酸マグネシウムを多く含む第２の層すなわち外層とを備える結着成分と、
複数の充填粒子とを備える複合建材であって、
前記複数の結着成分および前記複数の充填粒子が合わさって１つまたは複数の結着マト
リックスを形成し、前記結着成分および前記充填粒子は、その中で実質的に均一に分散さ
れ、互いに結着し、
天然石に似た質感およびパターンの１つまたは複数を示す複合建材。
【請求項４１】
結着成分：充填粒子の重量比が、およそ５〜５０：５０〜９５である、請求項１に記載
の複合建材。
【請求項４２】
１０ＭＰａ〜３００ＭＰａの範囲の圧縮強度および１ＭＰａ〜３０ＭＰａの範囲の曲げ
強度を有する、請求項１に記載の複合建材。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、２０１３年３月１３日に出願された米国仮特許出願第６１／７８０，５９２
号の優先権の利益を主張するものであり、その全内容は参照することにより本明細書に援
用される。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、概して、敷石または建築用ブロックとして用いることができる新規な複合材
料に関する。より詳しくは、本発明は合成の敷石および建築用ブロック材料および、水お
よび二酸化炭素をはじめとする様々な低コスト原料によるそれらの調製に関する。これら
の複合材料は、建築物、下部構造および装飾における多様な用途に適している。
【背景技術】
【０００３】
人間は、古代から石を建築材料として認識し、使用してきた。石は、その独特な美的特
性および物理的特性により、装飾美術および彫刻のみならず建築および建設においても魅
力ある材料とされてきた。
【０００４】
舗装材は、注型工法、圧入工法、締固め工法、または振動と圧入の組み合わせを用いて
製造されるコンクリートブロックである。敷石は、一般的にインターロッキングパターン
で敷設される。これらの舗装材は敷石と称されることもある。これらの舗装材は、耐用年
数内に損傷した場合、新品と交換して、通行不通を縮減することができる。インターロッ
キング舗装材は、パターン間に、下層に排水する機能をもつ間隙を有するよう設計し得る
。
【０００５】
ＡＳＴＭ  Ｃ９３６は、コンクリート舗装材が満たす必要のある評価基準を記載するが
、平均圧縮強度８，０００ｐｓｉ、平均吸水率５％以下、および平均材料損失率１％以下
で５０凍結融解サイクルに耐える抵抗性に限定されない。ＡＳＴＭの要件に加えて、舗装
材は、舗装材が使用される場所によって、白華の低減（例えば、濃度勾配による反応生成
物の浸出の低減）、良好な保色性、および摩耗抵抗などの追加要件を満たすことが要求さ
れる場合がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
舗装材のように、ブロックもまた、注型工法もしくは締固め工法または類似する突固め
法のいずれかにより製造されるプレキャストコンクリートである。ブロックは、コンクリ
ートメーソンリーユニット（ＣＭＵ）、空洞ブロックおよびコンクリートブロックとも称
される。これらのブロックをフライアッシュで製造した場合、軽量コンクリートブロック
と呼ばれる。これらのブロックは、一般的に中空構造を有する。人工または人造の敷石お
よび建築用ブロック材料は、高価で希少な天然材料を、低コストで容易に製造される模造
品に取り替えようと研究されてきた。しかしながら、このような研究は、所望の外観、質
感、密度、硬度、空隙率および石の他の美観的特徴を備えるとともに最小限の環境負荷で
低コストで大量に作製することができる合成材料の製造を達成していない。
【０００７】
ブロックは、石垣を作る際に、（耐力石積み構造のための）粘土れんがと比較して、よ
り良好な構造特性およびより平滑な表面をもたらすことが期待される。さらに、インター
ロッキングコンクリートメーソンリーユニットは、ユニット同士を結合させるためにモル
タルを必要としない。ブロックは、中実構造と比較して良好な防音および断熱効果をもた
らす中空構造をつくるために用いられるものもある。
【０００８】
ブロックは一般的に、耐力コンクリートメーソンリーユニットの標準仕様である、ＡＳ
ＴＭ  Ｃ９０の要件に従う。この標準規格に従うブロックは、強度、表面形状、耐久性、
耐火性に関して確実に許容でき、一般的に、標準的な商業用建設プロジェクトでの使用が
許容できる。
【０００９】
人工模造石のほとんどは、天然の石粉および粒状鉱物とポルトランドセメントを配合し
て調製される。天然石、鉱物およびセメントの配合物は、水と混合して所望の形に成型し
、養生する。この方法は、低再現性、低歩留り、劣化、高い仕上げコスト、不十分な機械
特性などをはじめとする多くの欠陥を抱えている。
【００１０】
他の人工模造石は、天然の石粉および粒状鉱物と合成樹脂（例えば、アクリル樹脂、不
飽和ポリエステル、エポキシ樹脂）を混合して調製される。これらの方法もまた、低再現
性、低歩留り、劣化、高い仕上げコスト、不十分な機械特性などをはじめとする多くの欠
陥を抱えている。
【００１１】
さらに、既存の方法は通常エネルギー消費が大きく、炭素排出量の面で不利な二酸化炭
素排出を生じる。
【００１２】
良好な美的特性および物理的特性を示し、エネルギー消費が改善され、適切な炭素排出
量で、低コストで大量生産可能な、新規な複合材料による敷石および建築用ブロック材料
への需要が高まっている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、大規模製造に適切な方法によって、広く入手可能な低コストの粒子状の原料
から容易に製造することができる新規な敷石および建築用ブロックの複合材料の予測でき
ないような発見に、一部基づくものである。原料としては、結着成分となる、粒子状ケイ
酸カルシウム（例えば、珪灰石粉）を含む粒子状前駆体材料、および鉱物（例えば石英や
他の含ＳｉＯ２材料、雲母、および長石）を含む粒子状充填材料が挙げられる。液体水お
よび／または水蒸気ならびに試薬、二酸化炭素（ＣＯ２）を含む流体成分もまた反応媒体
として用いられる。添加材は、水溶性分散剤などの流体成分に対する添加剤とともに天然
材料または再生材料ならびに炭酸カルシウムを多く含む材料および炭酸マグネシウムを多
く含む材料を含み得る。色ガラス、色砂および着色石英粒子、ならびに顔料(例えば、黒
色酸化鉄、酸化コバルトおよび酸化クロム）のような着色体の粒子などの様々な添加剤を
用いて、得られた複合建材の物理的外観および機械特性を微調整することができる。「着
色材」の用語を用いて、着色体と顔料の一方または両方に広く言及することができる。敷
石および建築用ブロックの外観を模すために、粒子状充填材料は微粒子を含み得る。微粒
子は、硬度をもたらすべくＳｉＯ２を主成分とする材料とすることができ、あるいは砂や
、粉砕、圧砕、または別の方法で粉末状にされた鉱物および添加材から選択された物質な
どの多種多様な材料を含み得る。
【００１４】
様々な実施形態において、本発明は、類似する石造物の外観および「風合い」を模す製
品を提供する。例として、合成舗装材製品を説明する。この製品は型枠を用いて作製され
る。舗装材の型枠は、本物の石畳に通常見られる形および表面の凹凸を模す構造の物理的
に「ネガ」として構成されるため、注型合成舗装材は、本物の石畳の表面の外観および物
理的な「風合い」を与える表面特徴を備えて製造される。表面特徴は、１つの石および／
または隣接する複数の石を模す、表面の凹凸および／または隆起、隣接する舗装材間の間
隔、石から隣接する石へと移る際に生じる表面高さの変化、ならびに類似する特徴のいず
れかを含み得る。
【００１５】
これらの敷石および建築用ブロックの複合材料は、石特有の表面特徴を示すとともに、
天然石と比較して許容できる圧縮強度および吸水性を示す。さらに、本発明の複合建材は
、エネルギー消費量および炭素排出量が大幅に改善され、低コストで効率的なガスアシス
ト水熱液相焼結（ＨＬＰＳ）法を用いて製造することができる。実際、本発明の好適な実
施形態では、ＣＯ２が、最終的にＣＯ２隔離をもたらす反応種として消費される。
【００１６】
一態様によれば、本発明は、複合建材に注目する。
複合建材は、複数の結着成分であって、各結着成分が、
ケイ酸カルシウムを主に含むコアと、
シリカを多く含む第１の層すなわち内層と、
炭酸カルシウムを多く含む第２の層すなわち外層とを備える結着成分と、
充填微粒子を含む複数の充填粒子とを備える複合建材であって、
複数の結着成分および複数の充填粒子が合わさって１つまたは複数の結着マトリックス
を形成し、結着成分および充填粒子は、５０％超の二酸化炭素を含む雰囲気の存在下の反
応の結果、互いに結着されるよう構成される。
複合建材は、敷石または建築用ブロックの形で提供される。
【００１７】
一形態において、結着成分および粒子が、８０％超の二酸化炭素を含む雰囲気の存在下
の反応の結果、互いに結着されるよう構成される。
【００１８】
別の形態では、複合建材が着色材をさらに備える。
【００１９】
さらに別の形態では、複数の結着成分が約５μｍ〜約１００μｍの範囲の中央粒径を有
する。
【００２０】
さらなる形態では、充填粒子が二酸化ケイ素を多く含む材料から作られる。
【００２１】
またさらなる形態では、複数の充填粒子が、石英、雲母および長石のうちの１つまたは
複数を含む、。
【００２２】
さらなる形態では、複数の結着成分が、珪灰石粉から化学的に変態したものである。
【００２３】
もう１つの形態では、複数の結着成分が、珪灰石粉の他に前駆ケイ酸カルシウムから化
学的に変態したものである。
【００２４】
またさらなる形態では、複数の結着成分が、アルミニウム、マグネシウムおよび鉄のう
ちの１つまたは複数を含む前駆ケイ酸カルシウムから化学的に変態したものである。
【００２５】
一形態では、着色材が、酸化鉄、酸化コバルトおよび酸化クロムのうちの１つまたは複
数を含む。
【００２６】
別の形態では、結着成分：充填粒子の重量比が、およそ８〜５０：５０〜９２である。
【００２７】
別の形態では、結着成分：充填粒子の重量比が、およそ５〜５０：５０〜９５である。
【００２８】
さらに別の形態では、着色材が、０重量％〜約１０重量％で存在する、請求項４に記載
の複合建材。
【００２９】
またさらに別の形態では、複数の結着成分が、制御水熱液相焼結法によって珪灰石粉を
ＣＯ２と反応させることによる、珪灰石粉からの化学的変態によって調製される。
【００３０】
さらなる形態では、複数の結着成分が、制御水熱液相焼結法によって、珪灰石粉の他に
前駆ケイ酸カルシウムをＣＯ２と反応させることによる、前駆ケイ酸カルシウムからの化
学的変態によって調製される。
【００３１】
またさらなる形態では、複合建材が、５０ＭＰａ〜３００ＭＰａの範囲の圧縮強度およ
び５ＭＰａ〜３０ＭＰａの範囲の曲げ強度を有する。
【００３２】
別の形態では、複合建材が、１０ＭＰａ〜３００ＭＰａの範囲の圧縮強度および１ＭＰ
ａ〜３０ＭＰａの範囲の曲げ強度を有する。
【００３３】
さらなる形態では、複合建材が、約１０％未満の吸水率を有する。
【００３４】
もう１つの形態では、複合建材が石と似た視覚パターンを示す。
【００３５】
別の態様によれば、本発明は、先の形態のいずれかにより説明される複合建材から作ら
れた製品に関する。
【００３６】
別の態様によれば、本発明は、複合建材の調製方法に関する。
この方法は、粒子状組成物と液体組成物を混合してスラリー混合物を形成する工程であ
って、粒子状組成物が、
約１μｍ〜約１００μｍの範囲の中央粒径を有するケイ酸カルシウム粉末と、
微粒子を含む複数の充填粒子とを備え、
液体組成物が、
水と、
分散剤とを備える工程と、
スラリー混合物を型枠に注入する工程と、
スラリー混合物を型枠内に締固める工程と、
締固めたスラリー混合物を、約２０℃〜約１５０℃の範囲の温度で約１時間〜約８０時
間、周囲の大気圧〜周囲よりも約６０ｐｓｉ高い気圧の範囲で、ＣＯ２濃度が約１０％〜
約９０％の範囲の、水およびＣＯ２の雰囲気下で養生することにより、複合建材を敷石ま
たは建築用ブロックの形で製造する工程とを備える。
複合建材はプレス敷石またはプレス建築用ブロックの形で提供される。
【００３７】
一形態では、この方法が、スラリー混合物が型枠に注入され、型枠内で締固められる間
、型枠を振動させる工程をさらに備える。
【００３８】
別の形態では、粒子状組成物が、着色材をさらに含む。
【００３９】
さらに別の形態では、混合物の養生を、約６０℃〜約１１０℃の範囲の温度で約１５時
間〜約７０時間、周囲の大気圧〜周囲の大気圧よりも約３０ｐｓｉ高い気圧の範囲で、水
およびＣＯ２を含む蒸気下で行う。
【００４０】
さらなる別の形態では、混合物の養生を、約６０℃〜約１００℃の範囲の温度で約２０
時間〜約６０時間、周囲の大気圧〜周囲の大気圧よりも約３０ｐｓｉ高い気圧の範囲で、
水およびＣＯ２を含む蒸気下で行う。
【００４１】
さらなる形態では、混合物の養生を、約６０℃以下の温度で約６時間〜約５０時間、周
囲の大気圧の、水およびＣＯ２を含む蒸気下で行う。
【００４２】
またさらなる形態では、ケイ酸カルシウム粉末が珪灰石粉を含み、
微粒子を含む複数の充填微粒子が、二酸化ケイ素を多くを含む材料を含む。
【００４３】
さらなる形態では、珪灰石粉が、約５μｍ〜約５０μｍの中央粒径、約０．６ｇ／ｍＬ
〜約０．８ｇ／ｍＬ（嵩密度）および約１．０ｇ／ｍＬ〜約１．２ｇ／ｍＬ（タップ密度
）のバルク密度ならびに約１．５ｍ２／ｇ〜約２．０ｍ２／ｇの表面積を有する。
【００４４】
もう１つの形態では、複数の充填粒子が、石英、雲母および長石のうちの１つまたは複
数を含む。
【００４５】
またさらなる形態では、粒子状組成物が、金属酸化物を含む顔料を含む。
【００４６】
一形態では、粒子状組成物が、黒、白、赤、黄および茶から選択された色を有するガラ
ス材料を含む。
【００４７】
別の形態では、液体組成物が、水と、液体組成物の約０．１％ｗ／ｗ〜約２％ｗ／ｗの
濃度のポリマー塩を含む分散剤とを含む。
【００４８】
また別の形態では、ポリマー塩がアクリルホモポリマー塩である。
【００４９】
さらに別の形態では、粒子状組成物が、約２５％ｗ／ｗのケイ酸カルシウム粉末および
約７０％〜約７５％ｗ／ｗの二酸化ケイ素を主成分とする材料を含む、請求項１８に記載
の方法。
【００５０】
さらなる形態では、ケイ酸カルシウム粉末が主に珪灰石粉であり、二酸化ケイ素を主成
分とする材料が主にガラス、石英および砂からなる群より選択された材料である、請求項
３１に記載の方法。
【００５１】
さらなる態様において、本発明は、上述の方法のいずれかにより調合される複合建材を
特徴とする。
【００５２】
もう１つの形態では、複合建材が、約５０ＭＰａ〜約３００ＭＰａの圧縮強度および約
５ＭＰａ〜約３０ＭＰａの曲げ強度を有する。
【００５３】
またさらなる形態では、複合建材が、約１０％未満の吸水率を有する。
【００５４】
別の形態では、複合建材が、黒、白、赤、黄および茶から選択された色を有する着色材
を含む。
【００５５】
また別の形態では、複合建材が石特有の視覚パターンを示す。
【００５６】
さらに別の形態では、本発明は複合建材から作られる製品を扱う。
【００５７】
またさらなる態様によれば、本発明は複合建材に関する。
複合建材は、複数の結着成分であって、各結着成分が、
ケイ酸マグネシウムを主に含むコアと、
シリカを多く含む第１の層すなわち内層と、
炭酸マグネシウムを多く含む第２の層すなわち外層とを備える結着成分と、
複数の充填粒子とを備える複合建材であって、
複数の結着成分および複数の充填粒子が合わさって１つまたは複数の結着マトリックス
を形成し、結着成分および充填粒子は、その中で実質的に均一に分散され、互いに結着し
、
天然石に似た質感およびパターンの１つまたは複数を示す。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】図１（ａ）〜図１（ｃ）は、（ａ）繊維状、（ｂ）楕円状および（ｃ）等軸状の３つの例示的なコア形態を含む本発明の例示的な実施形態による結着成分の断面の模式図である。
【図２】図２（ａ）〜図２（ｆ）は、（ａ）低密度結着マトリックス（結着成分が接触しない）における１次元配向繊維形結着成分、（ｂ）低密度結着マトリックス（結着成分が接触しない）における２次元配向小平板形結着成分、（ｃ）低密度結着マトリックス（結着成分が接触しない）における３次元配向小平板形結着成分、および（ｄ）複合材料が、結着マトリックスおよびポリマー、金属、無機粒子、凝集体、その他などの充填成分を含む、低密度結着マトリックス（結着成分が接触しない）におけるランダム配向小平板形結着成分、ならびに（ｅ）マトリックスが３次元配向される、結着成分の（パーコレーションネットワークの構築に十分な容積分率をもつ）高密度結着マトリックス、および（ｆ）ポリマー、金属、無機粒子、凝集体その他などの充填成分が含まれ得る、ランダム配向した結着成分の（パーコレーションネットワークの構築に十分な容積分率をもつ）高密度結着マトリックスを示す、本発明の例示的な実施形態による複合材料の側面図および断面図の模式図である。
【図３】本発明の実施形態により作られた６インチ×９インチの舗装材の画像である。
【図４】本発明の実施形態により作られたブロックの画像である。
【発明を実施するための形態】
【００５９】
本発明は、二酸化炭素との反応により硬化される結合材を用いることにより二酸化炭素
の隔離に効果的な方法となる、コンクリート舗装材の形成および養生の方法を説明する。
また、本発明は、ポルトランドセメントで作られた従来の舗装材と比較して一次白華が低
減されたコンクリート舗装材をもたらす。本発明は、ポルトランドセメントコンクリート
と適合しない充填材を用いる方法をもたらす。前駆体材料の混合物を締固めた後に、二酸
化炭素を試薬として用い、水を反応媒体として用いる反応を起こすことにより形成される
、舗装材およびブロックの両方について説明する。
【００６０】
本発明の敷石および建築用ブロックの複合材料は、微粒子状の充填材料を含有する。充
填材は、製品硬度を得るべく、主に石英などのＳｉＯ２を主成分とする材料を含む。「Ｓ
ｉＯ２を主成分とする材料」は、石英、一般的な（建設用および石造用）砂、ガラスおよ
び再生ガラスならびに雲母（ケイ酸アルミニウム）および長石（ケイ酸アルミニウムを主
成分とする材料）をはじめとする、相当量のＳｉＯ２を含む他の天然材料および合成材料
を包含するものとして定義する。別の実施形態では、硬度が必要とされない場合、敷石お
よび建築用ブロック製品は、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）または他の炭酸塩を主成分と
する材料を含んでもよい。
【００６１】
本発明は、敷石および建築用ブロックの特性を示し、環境負荷が最小限の、大規模製造
に適切な方法によって、広く入手可能な低コストの原料から容易に製造することができる
新規な複合材料を提供する。原料としては、安価なケイ酸カルシウム、例えば珪灰石粉、
および充填材料、例えば微粒子が挙げられる。微粒子は、硬度をもたらすために、主にＳ
ｉＯ２を主成分とする材料である。微粒子としては、鉱物（例えば石英ならびに他の含Ｓ
ｉＯ２材料、雲母および長石）が挙げられる。他の重要な処理成分として、水およびＣＯ
２が挙げられる。顔料（例えば、黒色酸化鉄、酸化コバルトおよび酸化クロム）を用いる
など、様々な添加剤を用いて、得られた複合材料の物理的外観および／または機械特性を
変更および微調整することができる。
【００６２】
これらの複合材料は、石特有の様々な色の視覚パターンなどの、敷石および建築用ブロ
ックの様々なパターン、質感および他の特徴を示す。さらに、本発明の複合材料は、石よ
りも優れた圧縮強度および曲げ強度および石よりも低い吸水率を示す。本発明の複合材料
は、天然石に生じる風化などにより劣化しにくい点で、天然石よりも優れている。本発明
の複合材料は、石を破壊し得る火により損傷されない点で、合成樹脂を用いて作られる天
然石よりも優れている。さらにまた、複合材料は、本明細書で開示するように、省エネル
ギーのＨＬＰＳ法を用いて製造することができ、低コストかつ有利な環境負荷で作製する
ことができる。例えば、本発明の好適な実施形態では、ＣＯ２を反応種として用いること
により、既存のいかなる製造技術でも達成されない炭素排出量以下で、製造された複合材
料内のＣＯ２を隔離する。ＨＬＰＳ法は、化学反応の自由エネルギーおよび結晶成長によ
り生じる、表面エネルギー（面積）の減少によって熱力学的に行われる。高融点流体媒体
または高温固体媒体を用いるのではなく、溶液（水溶液または非水溶液）を用いて反応種
を輸送するため、ＨＬＰＳ法の動態は、妥当な速度で低温で進行する。
【００６３】
ＨＬＰＳの様々な態様についての検討は、米国特許第  ８，１１４，３６７号明細書、
米国特許出願公開第２００９／０１４３２１１号明細書（出願番号第１２／２７１，５６
６号、米国特許出願公開第２０１１／０１０４４６９号明細書（出願番号第１２／９８４
，２９９号）、米国特許出願公開第２００９０１４２５７８号明細書（出願番号第１２／
２７１，５１３号）、国際公開第２００９／１０２３６０（ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０８
３６０６）、国際公開第２０１１／０５３５９８（ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０５４１４６
）、国際公開第２０１１／０９０９６７（ＰＣＴ／ＵＳ２０１１／０２１６２３）、２０
１２年３月２日に出願された（Ｒｉｍａｎらによる）米国特許出願番号第１３／４１１，
２１８号、２０１２年６月７日に出願された（Ｒｉｍａｎらによる）米国特許出願番号第
１３／４９１，０９８号、２０１２年１０月１日に出願された米国仮特許出願第６１／７
０８，４２３号ならびにいずれも２０１２年１０月４日に出願された米国仮特許出願第６
１／７０９，４３５号、同第６１／７０９，４５３号、同第６１／７０９，４６１号およ
び同第６１／７０９，４７６号に見ることができ、これらの文献の全体は、参照によりあ
らゆる目的で本明細書に組み込まれるものとする。
【００６４】
一態様では、本発明は概して、複数の結着成分および複数の充填粒子を含む複合材料に
関する。各結着成分は、ケイ酸カルシウム、シリカを多く含む第１の層すなわち内層およ
び炭酸カルシウムを多く含む第２の層すなわち外層を主に備えるコアを備える。複数の結
着成分および複数の充填粒子が合わさって１つまたは複数の結着マトリックスを形成し、
結着成分および充填粒子は、その中で実質的に均一に分散され、互いに結着する。複合材
料は、実質的に、敷石および建築用ブロックの質感、パターンおよび物理的特性の１つま
たは複数を示す。
【００６５】
特定の実施形態では、複合材料は顔料をさらに含む。顔料は、結着マトリックス中で、
所望の複合材料に応じて均一に分散され、または実質的に不均一に分散される。顔料は、
例えば、様々な金属の酸化物（例えば、酸化鉄、酸化コバルト、酸化クロム）をはじめと
する任意の適切な顔料であればよい。顔料の色は、例えば黒、白、青、灰色、ピンク、緑
、赤、黄および茶から選択された単色または多色であってもよい。顔料は、所望の複合材
料に応じて、任意の適切な量、例えば約０．０重量％〜約１０重量％の範囲の量（例えば
約０．０％〜約８％、約０．０％〜約６％、約０．０％〜約５％、約０．０％〜ａｂｏｕ
ｔ４％、約０．０％〜約３％、約０．０％〜約２％、約０．０％〜約１％、約０．０％〜
約０．５％、約０．０％〜約０．３％、約０．０％〜約２％、約０．０％〜約０．１％）
で存在してもよい。
【００６６】
複数の結着成分は、所望の複合材料に応じて任意の適切な中央粒径および粒径分布を有
することができる。特定の実施形態では、複数の結着成分は約５μｍ〜約１００μｍ（例
えば、約５μｍ〜約８０μｍ、約５μｍ〜約６０μｍ、約５μｍ〜約５０μｍ、約５μｍ
〜約４０μｍ、約５μｍ〜約３０μｍ、約５μｍ〜約２０μｍ、約５μｍ〜約１０μｍ、
約１０μｍ〜約８０μｍ、約１０μｍ〜約７０μｍ、約１０μｍ〜約６０μｍ、約１０μ
ｍ〜約５０μｍ、約１０μｍ〜約４０μｍ、約１０μｍ〜約３０μｍ、約１０μｍ〜約２
０μｍ）の範囲内の中央粒径を有する。
【００６７】
複数の充填粒子は、任意の適切な中央粒径および粒径分布を有することができる。特定
の実施形態では、複数の充填粒子は、約５μｍ〜約７ｍｍ（例えば、約５μｍ〜約５ｍｍ
、約５μｍ〜約４ｍｍ、約５μｍ〜約３ｍｍ、約５μｍ〜約２ｍｍ、約５μｍ〜約１ｍｍ
、約５μｍ〜約５００μｍ、約５μｍ〜約３００μｍ、約２０μｍ〜約５ｍｍ、約２０μ
ｍ〜約４ｍｍ、約２０μｍ〜約３ｍｍ、約２０μｍ〜約２ｍｍ、約２０μｍ〜約１ｍｍ、
約２０μｍ〜約５００μｍ、約２０μｍ〜約３００μｍ、約１００μｍ〜約５ｍｍ、約１
００μｍ〜約４ｍｍ、約１００μｍ〜約３ｍｍ、約１００μｍ〜約２ｍｍ、約１００μｍ
〜約１ｍｍ）の範囲内の中央粒径を有してもよい。
【００６８】
特定の好適な実施形態では、充填粒子は、石英（ＳｉＯ２）、雲母（ケイ酸アルミニウ
ム）および長石（ケイ酸アルミニウムを主成分とする材料）などのＳｉＯ２を主成分とす
るかまたはケイ酸塩を主成分とする材料（例えば石英粉末、雲母粉末、長石粉末）の１つ
または複数から作られる。
【００６９】
特定の実施形態では、充填粒子は、ガラス、再生ガラス、石炭スラグ、炭酸カルシウム
を多く含む材料および炭酸マグネシウムを多く含む材料などの、天然、合成および再生の
材料を含み得る。
【００７０】
複数の結着成分は、任意の適切な前駆体材料から、例えば珪灰石粉の他に前駆ケイ酸カ
ルシウムから化学的に変態させてもよい。前駆ケイ酸カルシウムは、アルミニウム、マグ
ネシウムおよび鉄のうちの１つまたは複数を含んでもよい。
【００７１】
本明細書で使用するとき、用語「ケイ酸カルシウム」は、（「珪灰石」または「擬珪灰
石」としても知られ、ＣａＯ・ＳｉＯ２の式で表すこともある）ＣａＳｉＯ３、（「ラン
キナイト」としても知られ、３ＣａＯ・２ＳｉＯ２の式で表すこともある）Ｃａ３Ｓｉ２
Ｏ７、（「ビーライト」としても知られ、２ＣａＯ・ＳｉＯ２の式で表すこともある）Ｃ
ａ２ＳｉＯ４、（「エーライト」としても知られ、３ＣａＯ・ＳｉＯ２の式で表すことも
ある）Ｃａ３ＳｉＯ５を含むカルシウム−シリコン含有化合物群のうち１つまたは複数か
らなる天然に存在する鉱物または合成材料を指す。この材料は、１つまたは複数の他の金
属イオンおよび酸化物（例えば、アルミニウム、マグネシウム、鉄または酸化マンガン）
またはそれらの混合物を含んでもよく、あるいは微量（１重量％）〜約５０重量％以上の
範囲の量の天然に存在するかまたは合成の形のケイ酸マグネシウムを含んでもよい。
【００７２】
ケイ酸カルシウムに加えてまたはこれに加えてケイ酸マグネシウムを用いるべく、本明
細書で開示する組成物および方法を採用することができることを理解すべきである。本明
細書で使用するとき、用語「ケイ酸マグネシウム」は、例えば（「フォルステライト」と
しても知られる）Ｍｇ２ＳｉＯ４および（「タルク」としても知られる）Ｍｇ３Ｓｉ４Ｏ
１０（ＯＨ）２を含むマグネシウム−シリコン含有化合物群のうち１つまたは複数からな
る天然に存在する鉱物または合成材料を指す。この材料は、１つまたは複数他の金属イオ
ンおよび酸化物（例えば、カルシウム、アルミニウム、鉄または酸化マンガン）またはそ
れらの混合物を含んでもよく、あるいは微量（１重量％）〜約５０重量％以上の範囲の量
の天然に存在するかまたは合成の形のケイ酸カルシウムを含んでもよい。
【００７３】
用語「石英」は、本明細書で用いるとき、ガラスおよび再生ガラスともに一般的な（建
設用および石造用）砂を含む、任意のＳｉＯ２を主成分とする材料を指す。この用語は、
相当量のＳｉＯ２を含有する任意の他の再生された天然および合成の材料（例えば、ＫＡ
ｌ２（ＡｌＳｉ３Ｏ１０）の式で表すこともある雲母）も包含する。
【００７４】
（結着成分）：（充填粒子）の重量比は、所望の複合材料によって、例えば約（１５〜
５０）：約（５０〜８５）の範囲内の任意の適切な比であってもよい。
【００７５】
特定の好適な実施形態では、複数の結着成分は、ガスアシストＨＬＰＳ法によって珪灰
石粉（または非珪灰石前駆ケイ酸カルシウムまたはケイ酸マグネシウム）をＣＯ２と反応
させることによる、珪灰石粉からの化学的変態によって調製される。
【００７６】
特定の実施形態では、複合材料は、約５０ＭＰａ〜約３００ＭＰａ（例えば約５０ＭＰ
ａ〜約２５０ＭＰａ、約５０ＭＰａ〜約２００ＭＰａ、約５０ＭＰａ〜約１８０ＭＰａ、
約５０ＭＰａ〜約１６０ＭＰａ、約５０ＭＰａ〜約１５０ＭＰａ、約５０ＭＰａ〜約１４
０ＭＰａ、約１００ＭＰａ〜約３００ＭＰａ、約１３０ＭＰａ〜約３００ＭＰａ、約１４
０ＭＰａ〜約３００ＭＰａ、約１５０ＭＰａ〜約３００ＭＰａ、約２００〜約３００ＭＰ
ａ）の圧縮強度を特徴とする。
【００７７】
特定の実施形態では、複合材料は、約５ＭＰａ〜約４０ＭＰａ（例えば約５ＭＰａ〜約
３５ＭＰａ、約５ＭＰａ〜約３０ＭＰａ、約５ＭＰａ〜約２５ＭＰａ、約５ＭＰａ〜約２
０ＭＰａ、ａｂｏｕｔ１０ＭＰａ〜約４０ＭＰａ、約１５ＭＰａ〜約３５ＭＰａ、約１５
ＭＰａ〜約３０ＭＰａ）の曲げ強度を特徴とする。
【００７８】
特定の実施形態では、複合材料は約１０％未満（例えば約８％、５％、４％、３％、２
％、１％未満）の吸水率を特徴とする。
【００７９】
特定の実施形態では、複合材料は、約１０重量％未満の、炭酸カルシウムおよび炭酸マ
グネシウムから選択された１つまたは複数の鉱物を有する。
【００８０】
複合材料は、任意の所望の質感およびパターン、特に石に特徴的な質感やパターンを示
し得る。特定の好適な実施形態では、複合材料は、石特有の視覚パターンを示す。他の敷
石および建築用ブロックの特徴として、色（例えば黒、白、赤、黄、茶）が含まれる。
【００８１】
本明細書で用いるとき、用語「スラリー」は、湿潤混合物を含蓄することを意図する。
重量でおよそ９５％が固体の湿潤混合物を重量でおよそ５％の液体と混合してスラリーと
も称される湿潤混合物を形成する以下の実施例１を参照されたい。
【００８２】
別の態様では、本発明は、概して、複合材料を調製する方法に関する。この方法は、粒
子状組成物と液体組成物を混合してスラリー混合物を形成する工程と、スラリーを舗装材
またはブロックの表面形状を有する型枠に注入する工程と、スラリーを型枠内に締固めて
舗装材またはブロックの形状の中実部を形成する工程と、締固めた中実部を、約２０℃〜
約１５０℃の範囲の温度で約１時間〜約８０時間、周囲の大気圧〜周囲の大気圧よりも約
５０ｐｓｉ高い気圧の範囲で、ＣＯ２濃度が約１０％〜約９０％の範囲の、水およびＣＯ
２の蒸気下で養生することにより、敷石または建築用ブロックの質感およびパターンを示
す複合材料を製造する工程とを備える。
【００８３】
別の態様において、本発明は概して、スラリーが型枠に注入され、型枠内で締固められ
る間、型枠を振動させる方法に関する。
【００８４】
粒子状組成物は、約１μｍ〜約１００μｍの範囲の中央粒径を有するケイ酸カルシウム
粉末と、約０．２ｍｍ〜約７ｍｍの範囲内中央粒径を有する含ＳｉＯ２材料粉末を含む。
液体組成物は、水および水溶性分散剤を含む。
【００８５】
この方法は、混合物を養生する工程の前に、打設された混合物を乾燥させる工程をさら
に備える。粒子状組成物は、本明細書で説明するような顔料または着色材をさらに含む。
【００８６】
特定の実施形態では、混合物の養生を、約４０℃〜約１２０℃の範囲の温度で約５時間
〜約７０時間、周囲の大気圧〜周囲の大気圧よりも約３０ｐｓｉ高い気圧の範囲で、水お
よびＣＯ２を含む蒸気下で行う。
【００８７】
特定の実施形態では、混合物の養生を、約６０℃〜約１１０℃の範囲の温度で約１５時
間〜約７０時間、周囲の大気圧〜周囲の大気圧よりも約３０ｐｓｉ高い気圧の範囲で、水
およびＣＯ２を含む蒸気下で行う。
【００８８】
特定の実施形態では、混合物の養生を、約８０℃〜約１００℃の範囲の温度で約２０時
間〜約６０時間、周囲の大気圧〜周囲の大気圧よりも約３０ｐｓｉ高い気圧の範囲で、水
およびＣＯ２を含む蒸気下で行う。
【００８９】
特定の実施形態では、打設した混合物の養生を、約６０℃以下の温度で約１５時間〜約
５０時間、周囲の大気圧の、水およびＣＯ２を含む蒸気下で行う。
【００９０】
例えば、ある実施形態では、珪灰石粉は、約５μｍ〜約５０μｍ（例えば約５μｍ、１
０μｍ、１５μｍ、２０μｍ、２５μｍ、３０μｍ、４０μｍ、９０μｍ）の中央粒径、
約０．６ｇ／ｍＬ〜約０．８ｇ／ｍＬ（嵩密度）および約１．０ｇ／ｍＬ〜約１．２ｇ／
ｍＬ（タップ密度）のバルク密度ならびに約１．５ｍ２／ｇ〜約２．０ｍ２／ｇの表面積
を有する。第１の含ＳｉＯ２材料は、約４０μｍ〜約９０μｍ（例えば約４０μｍ、５０
μｍ、６０μｍ、７０μｍ、８０μｍ、３０μｍ、９０μｍ）の中央粒径ならびに約０．
７ｇ／ｍＬ〜約０．９ｇ／ｍＬ（嵩密度）および約１．３ｇ／ｍＬ〜約１．６ｇ／ｍＬ（
タップ密度）のバルク密度を有する。
【００９１】
特定の好適な実施形態では、液体組成物は、水および液体組成物の約０．１％ｗ／ｗ〜
約２％ｗ／ｗの濃度をもつポリマー塩（例えばアクリルホモポリマー塩）を含む水溶性分
散剤を含む。
【００９２】
さらに別の態様では、本発明は概して、本明細書で開示される方法によって調製された
複合材料、例えば、約５０ＭＰａ〜約３００ＭＰａの圧縮強度および約５ＭＰａ〜約３０
ＭＰａの曲げ強度を有し、約１０％未満の吸水率を有し、黒、白、赤、黄および茶ならび
に自然類似物には見られない他の色から選択された色を有する顔料を有し、かつ／または
石特有の視覚パターンを示す複合材料に関する。
【００９３】
さらに別の態様では、本発明は概して、本明細書で開示される複合材料から作られる製
品に関する。
【００９４】
任意の適切な前駆体材料を用いることができる。例えば、主に珪灰石、ＣａＳｉＯ３か
ら形成されるケイ酸カルシウム粒子は、水に溶解した二酸化炭素と反応し得る。珪灰石か
らカルシウム陽イオンが浸出し、珪灰石コアの周辺部分をカルシウム欠損珪灰石に変態さ
せると考えられている。カルシウム陽イオンがコアの周辺部分から浸出し続けると、周辺
部分の構造は、最終的に不安定になり分解するため、コアのカルシウム欠損珪灰石周辺部
分は大部分がシリカを多く含む第１の層に変態される。一方、大部分が炭酸カルシウムの
第２の層は、水から沈殿する。
【００９５】
より詳しくは、第１の層および第２の層は、以下の反応式（１）により前駆体粒子から
形成してもよい。
ＣａＳｉＯ３（ｓ）＋ＣＯ２（ｇ）＝ＣａＣＯ３（ｓ）＋ＳｉＯ２（ｓ）
ΔＨo＝−８７ｋＪ／ｍｏｌＣＯ２          （１）
例えば、珪灰石とのようなケイ化物鉱物の炭酸化反応では、水などの浸透流体に溶解する
気相としてＣＯ２を導入する。ＣＯ２の溶解により、溶液のｐＨを低減させる酸性の炭素
種が形成される。弱酸性溶液はＣａＳｉＯ３からのカルシウム種を分解して溶解する。放
出されたカルシウム陽イオンおよび解離した炭酸種は、不溶性の炭酸塩の沈殿をもたらす
。シリカを多く含む層は、欠乏層として鉱物粒子に残ると考えられる。
【００９６】
このように、本発明の好適な実施形態によれば、ＣＯ２は珪灰石前駆体コアのカルシウ
ム陽イオンと優先的に反応するため、前駆体コアの周辺部分が、シリカを多く含む第１の
層および炭酸カルシウムを多く含む第２の層に変態される。また、第１および第２の層が
コアに存在することにより、珪灰石と二酸化炭素の間のさらなる反応に対する障壁として
作用し、コア、第１の層および第２の層を有する結着成分がもたらされる。
【００９７】
ある実施形態では、Ｃａ以外の金属またはＣａに加えて、例えばフォルステライト（Ｍ
ｇ２ＳｉＯ４）、透輝石（ＣａＭｇＳｉ２Ｏ６）およびタルク（Ｍｇ３Ｓｉ４Ｏ１０（Ｏ
Ｈ）２）を有するケイ酸塩材料が、上述した珪灰石の反応と同様に、水に溶解する二酸化
炭素と反応し得る。本発明の原理による結着成分のための前駆体として、ケイ酸物材料は
単独、組合せ、および／または珪灰石との組合せで用いることができると考えられる。
【００９８】
好ましくは、ガスアシストＨＬＰＳ法は、部分的に溶侵される空孔空間を用いて、ガス
状拡散物が多孔性プリフォームに急速に浸透できるようにし、溶解したＣＯ２で空孔内の
薄い液界面溶媒膜を飽和させる。ＣＯ２を主成分とする種は、純水に対し低い溶解度（２
５℃、１気圧で１．５ｇ／Ｌ）を有する。したがって、相当量のＣＯ２が多孔性プリフォ
ームに供給され、プリフォーム中に分散され続け、相当の炭素塩転換を可能にするはずで
ある。気相拡散を用いることにより、液相で溶解性ＣＯ２を等価時間で拡散させる拡散距
離に対して、拡散距離が大幅に（約１００倍）増加される。（D. R. Lide編、“Handbook
of chemistry and physics”、第6章および第8章、87th Edition 2006-2007, CRC。） 
この部分的に浸透される状態により、一定期間での高割合の炭酸化へと反応が進行する。
【００９９】
空孔中の液体水は反応速度を速めるが、炭酸種およびカルシウム種の両方のイオン化に
不可欠であるためである。ただし、ＣＯ２ガスが、空孔に束縛される水相内での溶解に先
立って、多孔性マトリックス中に拡散できるように、水位は十分低い必要がある。またさ
らに、活発に溶解する、多孔性プリフォームは膨張反応結晶成長の鋳型として機能する。
したがって、結着成分およびマトリックスを最小の歪みおよび残留応力で形成することが
できる。これにより、下部構造および建築材料や他の多くの用途に必要とされるような、
大きく複雑な形状を得ることができる。
【０１００】
このように、養生条件の様々な組合せを考えて、様々な反応温度、圧力および反応の長
さを含む、所望の生産工程を達成してもよい。第１の例示的な実施形態では、水を、ＣＯ
２が溶解した状態で液体の形の前駆体材料に送り、養生プロセスを、約９０ｏＣ、約２０
ｐｓｉｇ（すなわち周囲の大気圧よりも２０ｐｓｉ高い）で約４８時間行う。第２の例示
的な実施形態では、水は、（例えば、先の混合工程からの残留水として）前駆体材料中に
存在し、（例えば水位を維持し、かつ／または蒸発による水の損失を防ぐために）水蒸気
がＣＯ２とともに前駆体材料に供給され、養生プロセスを、約６０ｏＣ、０ｐｓｉｇ（周
囲の大気圧）で約１９時間行う。第３の例示的な実施形態では、水を蒸気の形でＣＯ２と
ともに前駆体材料に送り、養生プロセスを約９０ｏＣ、２０ｐｓｉｇ（周囲の大気圧より
も２０ｐｓｉ高い）で約１９時間行う。
【０１０１】
さらに別の態様では、本発明は概して、複数の結着成分および複数の充填粒子を含む複
合材料に関する。各結着成分は、ケイ酸マグネシウム、シリカを多く含む第１の層すなわ
ち内層および炭酸マグネシウムを多く含む第２の層すなわち外層を主に備えるコアを含む
。複数の結着成分および複数の充填粒子が合わさって１つまたは複数の結着マトリックス
を形成し、結着成分および充填粒子は、その中で実質的に均一に分散され、互いに結着し
、複合建材は、実質的に敷石および建築用ブロックの質感およびパターンの１つまたは複
数を示す。
【０１０２】
ケイ酸カルシウムに加えてまたはこれに加えてケイ酸マグネシウムを用いるべく、ケイ
酸カルシウムに関して本明細書で開示する組成物および方法を採用することができる。
結着成分、結着マトリックスおよび複合材料
【０１０３】
（Ａ）結着成分
図１（ａ）〜図１（ｃ）に模式的に図示するように、結着成分は、（黒い内側部分によ
り示される）コア、（白い中間部分に示される）第１の層および（外側部分に示される）
第２層すなわち封入層を備える。第１の層は、１層のみまたは複数の副層を含んでもよく
、完全にまたは部分的にコアを被覆し得る。第１の層は、結晶相、非晶相またはそれらの
混合部内に存在してもよく、連続相内に存在するかまたは離散粒子として存在してもよい
。第２の層は、１層のみまたは複数の副層を含んでもよく、同様に、完全にまたは部分的
に第１の層を被覆してもよい。第２の層は、複数の粒子を含んでもよく、あるいは、極小
の離散粒子とともに連続相に含まれてもよい。
【０１０４】
結着成分は、所期用途にしたがって、任意のサイズおよび任意の規則的または非規則的
な、中実または中空の形態を示し得る。例示的な形態としては、立方体、直方体、角柱、
円盤、錐体、多面体または多面粒子、円柱、球、円錐、環、管、三日月形、針状、繊維状
、単繊維状、薄片、球状、副球状、ビーズ状、葡萄状、粒状、楕円状、棒状、波紋状など
が挙げられる。
【０１０５】
概して、本明細書においてより詳しく説明するように、結着成分は、変態法によって反
応性の前駆体材料（例えば前駆体粒子）から生成される。前駆体粒子は、所期の用途の要
件を満たしていれば、任意のサイズおよび形状を有し得る。変態プロセスは、通常、前駆
体粒子と類似するサイズおよび形状を有する同様の結着成分をもたらす。
【０１０６】
前駆体粒子は、適切に変態されて所望の結着成分を形成することができる任意の適切な
材料から選択することができる。例えば、前駆体粒子は、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、タンタル、および
／またはアルカリ土類元素（ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、
バリウムおよびラジウム）の酸化物および非酸化物を含んでもよい。
【０１０７】
例示的な前駆体材料としては、ケイ酸塩、チタン酸塩、アルミン酸塩、リン酸塩、バナ
ジウム酸塩、タングステン酸塩、モリブデン酸塩、ガリウム酸塩、マンガン酸塩、ジルコ
ン酸塩、ゲルマン酸塩、銅酸塩、スズ酸塩、ハフニウム酸塩、クロム酸塩、ニオブ酸塩、
コバルト酸塩、鉛酸塩、亜鉄酸塩、インジウム酸塩、ヒ酸塩、タンタル酸塩およびそれら
の組み合わせなどの酸化物が挙げられる。ある実施形態では、前駆体粒子はオルトケイ酸
塩、ソロケイ酸塩、シクロケイ酸塩、イノケイ酸塩、フィロケイ酸塩、テクトケイ酸塩お
よび／またはケイ酸カルシウム水和物などのケイ酸塩を含む。
【０１０８】
用途によっては、特定の廃棄材料を前駆体粒子として用いてもよい。廃棄材料としては
、例えば鉱物、産業廃棄物または工業用化学材料が挙げられる。例示的な廃棄材料の一部
として、ケイ酸塩鉱物、鉄鉱、ペリクレース、石膏、水酸化鉄（ＩＩ）、フライアッシュ
、ボトムアッシュ、スラグ、ガラス、油頁岩、赤泥、電池廃棄物、再生コンクリート、鉱
山尾鉱、紙灰、または逆浸透濃縮かん水からの塩が挙げられる。
【０１０９】
さらなる前駆体粒子として、石灰珪質岩、フィッチ層、ヘブロン片麻岩、層状片麻岩、
中部層の粘土質珪岩、中期先カンブリア紀堆積物、微量の石灰岩を含む暗色長石珪岩、高
純度変堆積岩黒雲母片岩、黒雲母片麻岩、雲母片岩、珪岩、フーサック層、パートリッジ
層、ワシントン片麻岩、デボン紀・シルル紀グリーンベール湾層、オコイー超層群、変砂
岩、変硬砂岩、レンジリー層、角閃岩、方解石質大理石および白雲大理石、マンハッタン
層、さび色および灰色の黒雲母−石英−長石片麻岩、ならびにウォーターフォード層群な
どの鉱物を含有する様々な種類の岩石を挙げることができる。
【０１１０】
前駆体粒子は、例えば、安山岩、斜長岩、バシナイト（ｂａｓｉｎｉｔｅ）、無人石、
カーボナタイトおよびチャーノッカイトなどの火成岩、粘土質岩、花崗質砂岩、角礫岩、
カタクラサイト、白亜、粘土岩、スイ岩、スイ石、グリットストーン、リグヒン（ｌｉｇ
ｈｉｎｅ）、石灰岩、泥岩、砂岩、頁岩およびシルト岩などであるが、これらに限定され
ない堆積物、角閃岩、変閃緑岩、片麻岩、白粒岩、緑色岩、ホルンフェルス、大理石、泥
質岩、千枚岩、珪岩、片岩、スカルン、粘板岩、タルク炭酸塩および石鹸石などであるが
、これらに限定されない変成物質並びにアダメライト、アッピン岩、非顕晶質岩、ボロラ
ン岩、緑レン岩、フェルサイト、スイ石、軟ケイ石、アイヨライト、硬玉岩、ジャスプロ
イド、ケナイト、ボゲサイト、ラルビカイト、リッチフィールダイト、ラクスリアナイト
、マンゲライト、ミネット、ノバキュライト、パイロライト、菱長石斑岩、ションキン岩
、タコナイト、テッシェン岩、セライトおよび球顆玄武岩などであるが、これらに限定さ
れない他の様々な岩石も含み得る。
【０１１１】
表１は、様々な前駆体材料を用いて達成することができる、第１および第２の層の様々
な種類の化学的性質の例示的な実施形態を示す。第１の層については、様々な前駆体材料
を用いることにより、シリカ、アルミナまたはチタニアを得ることができる。第２の層も
前駆体材料の選択により改質することができる。例えば、第２の層は、純炭酸塩、多陽イ
オン炭酸塩、水またはＯＨ基を含有する炭酸塩、水またはＯＨ基を含有する層状炭酸塩、
陰イオンを含む炭酸塩、ケイ酸塩含有炭酸塩および含炭酸塩鉱物などの多様な炭酸塩を含
み得る。
【表１】
2019052086.tif 000003
【０１１２】
第２の層は、追加の陰イオンおよび／または陽イオンを導入することにより改質しても
よい。このような追加の陰イオンおよび陽イオンを用いることにより第２の層を改質して
耐火性または酸抵抗などの物理的特性および化学的特性を改善してもよい。例えば、表２
に示すように、第１の層をシリカを多く含む層として保持する間、ＰＯ４２−およびＳＯ
４２−などの追加の陰イオンまたは陽イオンを反応に加えることによって第２の層を改質
してもよい。その結果、第２の層は例えば、異なるリン酸塩、硫酸塩、フッ化物またはそ
れらの組み合わせを含み得る。
【表２】
2019052086.tif 000004
【０１１３】
(Ｂ)結着マトリックスおよび複合材料
結着マトリックスは、３次元ネットワークを構成する複数の結着成分を含む。結着マト
リックスは多孔性または非多孔性であってもよい。空孔率は、空孔率の制御に用いること
ができる、温度、反応装置の設計、前駆体材料、および変態プロセス中に導入される液体
の量などの変数の数に左右される。所期の用途によって、空孔率は、約１ｖｏｌ％〜約９
９ｖｏｌ％のほぼあらゆる程度の空孔率とすることができる。
【０１１４】
結着マトリックスは、変態プロセスの前またはその間、前駆体材料と混合する１つまた
は複数の充填材料を組み込み、複合材料を生成してもよい。結着マトリックス中の結着成
分は異なってもよい。例えば、結着成分の容量基準の濃度が相対的に高く、少なくとも一
部の結着成分が互いに接触していてもよい。この状況は、結着マトリックスに組み込まれ
る場合に生じ得るが、充填材料の種類および／または充填材料の量は、結着成分の容量希
釈の程度が相対的に低くなるものとする。別の例では、結着成分の容量基準の濃度が相対
的に低く、結着成分が結着マトリックス内でより広範に分散され、わずかな結着成分が互
いに接触するか、または全く接触しない場合もある。この状況は、結着マトリックスに組
み込まれる場合に生じ得、充填材料の種類および／または充填材料の量は、希釈の程度が
相対的に高くなるものとする。
【０１１５】
概して、充填材料は、結着マトリックス内に組み込むことができる多種の材料のうちい
ずれかを含み得る。充填材料は不活性または活性であってもよい。不活性な材料は、物理
的にまたは機械的に結着マトリックスと相互作用し得るが、変態過程中に全く化学反応せ
ず、核形成部位として作用しない。不活性な材料は、ポリマー、金属、無機粒子、凝集体
などを含み得る。具体例としては、玄武岩、石、再生ＰＶＣ、ゴム、金属粒子、アルミナ
粒子、酸化ジルコニウム粒子、炭素粒子、カーペット粒子、Ｋｅｖｌａｒ（商標）粒子お
よびそれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。活性な材料は、変態過
程中に結着成分と化学的に反応し、かつまたはあるいは核形成部位として作用する。例え
ば、水酸化マグネシウムは充填材料として用いてもよく、結着マトリックスからの溶解カ
ルシウム成分相と化学的に反応して炭酸マグネシウムカルシウムを形成し得る。
【０１１６】
結着マトリックスは、複合材料のほぼあらゆるパーセンテージを占め得る。したがって
、例えば、結着マトリックスは、複合材料の約１ｖｏｌ％〜約９９ｖｏｌ％を占め得る（
例えば、ボンディングマトリックスの体積分率は、約９０ｖｏｌ％、７０ｖｏｌ％、５０
ｖｏｌ％、４０ｖｏｌ％、３０ｖｏｌ％、２０ｖｏｌ％、または１０ｖｏｌ％以下であり
得る）。ボンディングマトリックスの体積分率の好ましい範囲は、約８ｖｏｌ％〜約９０
ｖｏｌ％（例えば約８ｖｏｌ％〜約８０ｖｏｌ％、約８ｖｏｌ％〜約７０ｖｏｌ％、約８
ｖｏｌ％〜約５０ｖｏｌ％、約８ｖｏｌ％〜約４０ｖｏｌ％）であり、より好ましい範囲
は、約８ｖｏｌ％〜３０ｖｏｌ％である。
【０１１７】
複合材料はまた、多孔性または非多孔性であってもよい。空孔率は、空孔率の制御に用
いることができる、温度、反応装置の設計、前駆体材料、変態プロセス中に導入される液
体の量、および充填材の採用の有無などの変数の数に左右される。所期の用途によって、
空孔率は、約１ｖｏｌ％〜約９９ｖｏｌ％のほぼあらゆる程度の空孔率（例えば約９０ｖ
ｏｌ％、７０ｖｏｌ％、５０ｖｏｌ％、４０ｖｏｌ％、３０ｖｏｌ％、２０ｖｏｌ％、１
０ｖｏｌ％以下）とすることができる。複合材料の空孔率の好ましい範囲は、約１ｖｏｌ
％〜約７０ｖｏｌ％であり、より好ましくは、高密度および耐久性のためには約１ｖｏｌ
％〜約１０ｖｏｌ％の間であり、小型軽量および低熱伝導率のためには約５０ｖｏｌ％〜
約７０ｖｏｌ％の間である。
【０１１８】
結着マトリックス内において、結着成分は互いに対し、多くの配向のいずれか１つの配
向で配置され得る。図２（ａ）〜図２（ｆ）は、異なる配向の繊維形状または小平板形状
の結着成分を含み、結着成分間の間隔で示された充填材料を組み込むことにより希釈する
ことが可能な例示的な結着マトリックスを模式的に図示する。図２（ａ）は、例えば、１
方向（「１次元」）配向で整列された（例えばｘ方向に整列された）繊維形状の結着成分
を含む結着マトリックスを示す。図２（ｂ）は、２方向（「２次元」）配向で整列された
（例えばｘおよびｙ方向に整列された）小平板形状の結着成分を含む結着マトリックスを
示す。図２（ｃ）は、３方向（「３次元」）配向で整列された（例えばｘ、ｙおよびｚ方
向に整列された）小平板形状の結着成分を含む結着マトリックスを示す。図２（ｄ）は、
結着成分がいずれの特定の方向にも整列されない、ランダム配向で整列された小平板形状
の結着成分を含む結着マトリックスを示す。図２（ｅ）は、相対的に高い濃度の、３次元
配向で整列された小平板形状結着成分を含む結着マトリックスを示す。図２（ｆ）は、相
対的に低い濃度の、ランダム配向で設けられた小平板形状結着成分を含む結着マトリック
ス（パーコレーションネットワーク）を示す。図２（ｆ）の複合材料はパーコレーション
しきい値を達成するが、これは、連続する接触ネットワークが材料の端から端まで形成さ
れるよう、結着成分の大部分が互いに接触するためである。パーコレーションしきい値は
臨界濃度であり、これより高い場合、結着成分が、結着成分の、例えばＦＩＧ．２（ｅ）
の整列配向、または例えばＦＩＧ．２（ｆ）のランダム配向のいずれかによる長距離連結
を示すものである。連結パターンの例は、例えば、Ｎｅｗｎｈａｍらによる“Connectivi
ty and piezoelectric-pyroelectric composites”, Mat. Res. Bull. vol. 13, pp. 525
-536, 1978に見ることができる。
【０１１９】
さらに、１階層または多階層の反復階層構造は、他の潜在的な有益な機能的目的のうち
、高強度材料の作成を可能とする、高密度充填を促進することができる方法で達成するこ
とができる。階層は、構造がいくつかの長さスケール上にどのようなパターンを形成する
かを表現する。マトリックスの空孔率を変化させ、様々なサイズのコア繊維を組み込むこ
とにより、様々な種類の結着マトリックスを生成することができる。様々な種類の粒子状
および繊維状の成分を階層構造とともに用いて、様々な連結の様々な種類の構造を作製す
ることができる。
【０１２０】
＜結着成分、結着マトリックスおよび複合材料の形成方法＞
変態（養生）プロセスは、前駆体材料を反応性の液体に晒すことにより進行する。液体
に含まれる反応物は、前駆体粒子を構成する化学原料、より詳しくは、前駆体粒子の周辺
部分の化学反応物と反応する。この反応により、最終的には第１および第２の層が形成さ
れる。
【０１２１】
ある実施形態では、前駆体粒子は２つ以上の化学元素を含む。変態過程中に、液体中の
反応物は、化学元素のうちの少なくとも第１の１つの化学元素と優先的に反応し、液体中
の反応物（例えば、溶液中のＣＯ２および関係種）と少なくとも１つの第１の化学元素（
例えばＣａ２＋）の反応は、第１および第２の層の形成をもたらす。第１の層は、前駆体
粒子の誘導体を含み、一般的に少なくとも１つの第１の化学元素を排除するが、第２の層
は、反応物と少なくとも１つの第１の化学元素との組合せ（例えばＣａＣＯ３）を含む。
比較すると、コアは、前駆体粒子（例えばＣａＳｉＯ３）と同じかまたはほぼ同じ化学組
成を含む。例えば、コアの周辺部分は、コアからの特定の化学元素の選択的浸出により、
前駆体粒子の化学組成と異なる可能性がある。
【０１２２】
したがって、コアと第２の層は、前駆体粒子の少なくとも１つの第１の化学元素（例え
ばＣａ２＋）を共有し、コアと第１の層は、前駆体粒子の化学元素のうちの少なくとも他
の１つ（例えばＳｉ４＋）を共有する。コアと第２の層により共有される少なくとも１つ
の第１の化学元素は、例えば、少なくとも１つのアルカリ土類元素（ベリリウム、マグネ
シウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムおよびラジウム）であってもよい。コア
と第１の層により共有される化学元素のうちの少なくとも他の１つは、例えば、ケイ素、
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
および／またはタンタルであってもよい。
【０１２３】
ある実施形態では、液相中の反応物と前駆体粒子の少なくとも１つの第１の化学元素と
の反応は、完了するまで行わせることができ、これにより、結着成分のコアになり、前駆
体粒子と異なる化学組成を有する第１の層、および前駆体粒子の２つ以上の化学元素のう
ちの少なくとも１つの第１の化学元素を含んでも含まなくてもよい組成を含む少なくとも
１つのさらなるすなわち第２のシェル層がもたらされる。
【０１２４】
（Ａ）ガスアシスト水熱液相焼結
結着成分は、ガスアシストＨＬＰＳに基づく方法によって形成し得る。このような方法
では、複数の前駆体粒子を含む多孔質固体を液体（溶媒）に晒すことにより、多孔質固体
の空孔を部分的に飽和させるが、これは空孔の容積が部分的に水で満たされることを意味
する。
【０１２５】
炭酸塩を形成するような特定の系では、空孔を完全に水で満たすことは望ましくないと
考えられている。その理由は、反応性ガスが多孔質固体の外表面からガス拡散によってす
べての内部空孔に拡散することができないためである。その代わりに、反応性ガスの反応
物は、液体に溶解し、外表面から内部空孔に液相中で拡散することとなり、これは、はる
かに遅い。この液相拡散は、薄い多孔質固体を変態するのに適しているかもしれないが、
より厚い多孔質固体には適さないと可能性がある。
【０１２６】
ある実施形態では、反応物を含むガスは、多孔質固体の部分的に飽和された空孔に導入
され、反応物は、溶媒により溶解される。溶解した反応物は、その後前駆体粒子における
少なくとも第１の化学元素と反応して、前駆体粒子の周辺部分を第１の層および第２の層
に変態させる。反応の結果、溶解反応物は、溶媒から消耗される。その間、反応物を含む
ガスは、部分的に飽和した空孔に導入され続け、さらなる反応物を溶媒に供給する。
【０１２７】
反応物と前駆体粒子の少なくとも第１の化学元素との反応が進行するにつれて、前駆体
粒子の周辺部分が第１の層および第２の層に変態される。コアの周辺部における第１の層
の存在により、反応物と前駆体粒子の少なくとも第１の化学元素とを分離することによっ
て最終的にさらなる反応が妨げられ、それにより反応を効果的に停止させ、前駆体粒子の
未反応中心部としてのコア、コアの周辺部における第１の層および第１の層上の第２の層
を有する結着成分が残される。
【０１２８】
得られた結着成分は、第１の層および第２の層を含み、前駆体粒子よりサイズが一般的
に大きく、多孔質固体の周囲の多孔性領域に充てんされ、多孔質固体中の隣接物質とおそ
らく結合している。結果として、多孔質固体と実質的に同じサイズ及び形状を有するが、
それより高い密度を有する生成物の網状構造を形成することができる。これは、当初の圧
粉体より高い密度の物質を製造するために、物質移動による収縮をもたらす従来の焼結法
に優る点である。
【０１２９】
（Ｂ）オートクレーブでのＨＬＰＳ
ＨＬＰＳの方法の例示的な実施形態では、複数の前駆体粒子を含む多孔質固体をオート
クレーブチャンバーに入れて加熱する。チャンバー内で水を蒸発させることによって、溶
媒としての水が多孔質固体の空孔に導入される。多孔質固体の上の冷却プレートにより蒸
発した水を凝縮させ、次にこれが多孔質体上に滴り、多孔質固体の空孔に入り、それによ
り多孔質固体の空孔を部分的に飽和させる。しかし、この例における水を導入する方法は
、水を供給することができるいくつかの方法の１つである。例えば、水を加熱し、噴霧す
ることもできる。
【０１３０】
その間、反応物としての二酸化炭素がポンプによりチャンバーに送入され、二酸化炭素
が多孔質体の部分的に飽和した空孔中に拡散する。空孔に入った時点で、二酸化炭素は、
水に溶解するため、前駆体粒子と二酸化炭素との反応によって前駆体粒子の周辺部分を第
１及び第２の層を変態させることが可能となる。
【０１３１】
第２の反応物と第１の層との反応が進行するにつれて、第２の反応物が第１の層と反応
し続けて、第１の層の周辺部分を第２の層に変態させる。第２の層の形成は、第１の層に
おける成分の外部溶液によるものであってもよく、そのような第２の層は、第２の層を構
成する化学元素（陽イオン）の１つの濃度がコア粒子表面から第１の層の末端に行くにつ
れて高値から低値に変化する、勾配層であり得る。層が非晶質であるか又は一定若しくは
可変の組成を有する固溶体で構成されている場合のような、第２の層が勾配組成でもある
可能性もある。
【０１３２】
前駆体コアの周辺における第２の層の存在により、第２の反応物と第１の層とを分離す
ることによって最終的にさらなる反応が妨げられて、反応が効果的に停止され、コア、コ
アの周辺における第１の層及び第１の層上の第２の層を有する結着成分が残される。得ら
れる結着成分は、通常、元の前駆体粒子よりサイズが大きく、それにより、多孔質固体の
周囲多孔性領域に充てんされ、多孔質固体の隣接物質と結合する。結果として、この方法
により、元の多孔質固体と実質的に同じ形状を有するが、それより高い密度を有する生成
物の網状構造を得ることが可能になる。これは、当初の圧粉体より高い密度の物質を製造
するために、物質移動による収縮をもたらす従来の焼結法に優る点である。
【０１３３】
（Ｃ）溶侵媒体
多孔性マトリックスの少なくとも一部への移動に用いられる溶侵媒体は、溶媒（例えば
水）および反応種（例えばＣＯ２）を含む。溶媒は、水性または非水性とすることができ
る。溶媒は１つまたは複数の成分を含むことができる。例えば、ある実施形態にでは、溶
媒は、水およびエタノール、エタノールおよびトルエン、またはアルキル置換イミダゾリ
ウムおよびピリジニウム陽イオンを主成分とし、ハロゲン化物もしくはトリハロゲノアル
ミン酸陰イオンを含むイオン液体など様々なイオン液体の混合物とすることができる。処
理設備を簡略化するために、非湿潤装置よりも湿潤装置が好ましい。
【０１３４】
溶媒は反応種と化学的に反応し得るが、溶媒は、多孔性マトリックスと化学的に反応し
やすくないほうがよい。溶媒は、バルク流、蒸発、昇華もしくは洗浄媒体を用いた溶解な
どの多様な離隔方法または当業者に知られた他の任意の適切な離隔方法によって除去する
ことができる。
【０１３５】
より詳しくは、溶媒は、溶解している反応種が多孔性マトリックスと反応する温度の液
体である。この温度は、選択された特定の溶媒および反応種によって異なる。エネルギー
を節約し、処理設備を簡略化することにより作製コストを低減するためには、高温よりも
低温が好ましい。
【０１３６】
溶媒の役割は、水などの溶媒が多孔性マトリックスと反応して、金属水和物または金属
水酸化物、その他の沈殿生成物などの溶媒分子を含有する生成物を生成する、例えばポル
トランドセメントなどの反応系を用いる先行技術における役割とは対照的である。
【０１３７】
純粋な反応種の相にかかわらず、反応種は中性種、陰イオン種または陽イオン種として
溶媒に溶解する。例えば、少なくとも１つの反応種を、中性なＣＯ２として水に溶解する
ことができる一方でＨ３Ｏ＋、ＨＣＯ３−、Ｈ２ＣＯ３およびＣＯ３２−などの反応種を
生成することができ、常温で気体であるＣＯ２とすることができる。反応種および自然な
状態の溶媒の初期相にかかわらず、溶侵媒体は、多孔性マトリックスの空孔（例えば間隙
空間）内で液相状態である。
【０１３８】
例えば、毛管力を用いて、溶侵媒体を自発的に多孔性マトリックス内に吸い込むことが
できる。この種の湿潤は、溶侵媒体の接触角が非常に小さい（例えば９０℃未満）場合に
起こる。この場合、媒体は空孔を部分的に満たす（部分的に飽和させる）かまたは完全に
満たす（飽和させる）ことができる。溶侵はまた、一部の空孔が満たされ、他の空孔が空
であり、さらに／または部分的に満たされるような態様で生じ得る。空孔の充てんまたは
飽和に勾配のある、溶侵される多孔性マトリックスは、後に毛細管流により均一な多孔性
マトリックスに変態させることができる可能性もある。また、溶侵媒体の接触角が大きい
（例えば９０°よりも大きい）場合、湿潤は自発的に起こらない。このような場合、外圧
が加えられない限り、流体は多孔性マトリックスに溶侵しない。この手法は、圧力の解放
により溶侵媒体を吸い出すことが望ましい場合に有益である（例えば、圧力によって反応
を開始または停止させることができる）。
【０１３９】
空孔内の自発的な毛細管流を用いて溶浸を行う場合、空孔が満たされる（飽和される）
とバルク流が止まる。ＨＬＰＳ中、反応種はマトリックスと反応して様々な反応により１
つまたは複数の生成物を形成する。この少なくとも１つの反応種は空孔空間内から消耗さ
れるため、反応の過程で補充される必要がある。空孔が溶浸媒体で完全に飽和されると、
多孔性マトリックスの外部の溶浸媒体からマトリックス空孔を介して反応種を移動させな
ければいけない。静止流体では、拡散は移動を引き起こすプロセスである。したがって、
他の全ての物質移動法よりも空孔内の反応が速いＨＬＰＳ法では、多孔性マトリックスの
厚みの大幅な増加により反応が制限されるようになる。このような場合、マトリックスの
外側部分のみが広く反応種と反応する一方、多孔性マトリックスの内側領域は完全な反応
には至らないかまた未見反応である。これらの種類の反応は、ＨＬＰＳ法における生成物
の濃度が構造の内部に対して外側部分（外表面領域の近傍）で高くなる勾配微細構造の調
製に適している。
【０１４０】
（Ｄ）方法の選択および制御
発熱性の高い反応が溶浸媒体の移動に対してゆっくりと進行し、マトリックスが熱を遮
断する場合、取り込まれた熱によりマトリックス内部の反応速度が高くなる得、その内部
に外部よりも多くの生成物相（すなわち、少なくとも１つの反応種と多孔性マトリックス
の一部との反応の生成物）を含むことが可能となる。反応が溶浸媒体の物質移動に対し中
速で等温的に進行するＨＬＰＳ法では、拡散により空孔に反応種を供給し続けることがで
き、反応度（または生成物濃度）に勾配が見られない。このような場合、モノリシック構
造またはモノリシック体の材料の外部に対する内部の化学的組成および／または相組成に
ほとんど差がない。
【０１４１】
多くの場合、モノリシック構造体では、相および組成に関して均一な微細構造が望まし
い。さらに、例えば、道路または橋などの用途に大型の厚いモノリシック体が必要とされ
る場合、相対的に短い時間スケールでＨＬＰＳ反応を実施することも望ましい。ＨＬＰＳ
法では反応速度と物質移動の平衡を保つことが望ましい。前駆体の選択および前駆体を導
入して溶浸媒体を取り込む方法のための方策が重要である。前駆体および溶浸媒体を導入
する方法の好適な選択は、最も薄くなる方向のサンプル厚さ、この方法で許容可能と考え
られる時間スケールならびに温度、圧力および組成など、この方法を商業的に実行可能に
するために必要とされる熱力学的および動力学的な制約に、少なくとも部分的に相関する
。
【０１４２】
表３では、前駆体の選択および導入方法の方策がまとめられている。多孔性マトリック
スは直接溶浸させることができ、または多孔性マトリックスを表３に示す溶浸順序のいず
れかに先立って空にしてもよい。気体を前駆体として、液体を前駆体としてまたは固体を
前駆体として用いる方法を説明する。また、固体と液体、気体と液体およびガスと固体な
どの混合相のいずれを用いることもできる。例えば、ＣＯ２などの反応物は純粋状態では
気体であるが、水に溶解する溶液種に変換される。このような事象は、多孔性マトリック
スへのガス拡散およびこれに続く空孔が生じた際の液化により起こる。この種の前駆体系
は炭酸相を有する微細構造が望ましい場合に適切である。前駆体（溶媒および反応種）の
添加の順序は、材料の反応収率および微細構造に影響を及ぼし得る。
【表３−１】
2019052086.tif 000005
【表３−２】
2019052086.tif 000006
【表３−３】
2019052086.tif 000007
【０１４３】
ある実施形態では、溶媒および反応種を前もって混合して溶浸媒体を形成しておき、そ
の後１工程でマトリックス内に導入してもよい。他の実施形態では、多数の溶浸順序を採
用することが好ましい場合がある。例えば、溶媒前駆体をまず導入してその後反応種の溶
浸を行うかまたはその逆とし得る。
【０１４４】
溶浸媒体がマトリックスの空孔内に見られる液体であるため、溶媒も反応種前駆体も当
初は同じ相である必要がない。例えば、溶媒前駆体は、大気圧で１００℃以上の温度で気
体状になり、マトリックスを１００℃未満の温度に冷却するかまたはケルビン空孔径範囲
（１００ｎｍ未満）の空孔径を有する多孔性マトリックスを用いることによって表面エネ
ルギーを利用することにより液体に凝結する、水などの蒸気とすることができる。空孔が
大きい場合、ガス種が熱的に凝結できないように温度を上昇させて、ここでは説明しない
他の理由で少量の溶浸溶液が必要とされ、潮解性化合物を用いて空孔内に液体を形成する
ことが望ましい。このような化合物の例として、ホウ酸、硝酸鉄および水酸化カリウムが
挙げられる。この場合、水などの蒸気により空孔内の潮解性固体相を液体に変換すること
ができ、生成物層の結晶成長が空孔内で進行することができる。これは、液体の溶浸およ
び拡散によってＨＬＰＳにより作られた生成物の厚さが制限される場合に特に有益である
。あるいは、ガス拡散を用いて種をより長い距離移動させてマトリックスの空孔内におけ
るＨＬＰＳに必要とされる溶浸媒体を形成することができる。
【０１４５】
ＨＬＰＳ法および得られる生成物を改善するために、様々な添加剤を利用することがで
きる。添加剤は純粋状態で固体、液体または気体とすることができるが、溶媒相に溶解で
きるかまたは溶浸媒体を加える前に多孔性マトリックスと共処理（例えば前もって混合さ
れる）ものとする。例として、核形成触媒、核形成抑制剤、溶媒調整剤（例えば水軟化剤
）、湿潤剤、非湿潤剤、セメントまたはコンクリート用添加剤、建築材料用添加物、結晶
形態制御用添加物、結晶成長促進剤、結晶成長を減速させる添加剤、ｐＨ緩衡剤、イオン
強度調節剤、分散剤、結合剤、レオロジー制御剤、反応速度触媒、静電・立体・電気立体
・高分子電解質・Ｖｏｌｄ層分散剤、キャップ剤、カップリング剤および他の表面吸着種
酸または塩基ｐＨ調整剤、（例えば加熱、加圧、減圧、他の種と反応またはここに列挙し
ない異なるプロセスを経た際に）気体、液体または固体を発生させる添加剤、ならびに（
例えば、上記機能のいずれかをもたらし、かつ／または溶媒、反応種または多孔性マトリ
ックスとして機能する）生物学的または合成の成分が挙げられる。
【０１４６】
ある実施形態では、潮解性固体を用いてもよい。潮解性固体は、多孔性マトリックスと
前もって混合しておいてもよい。溶媒と少なくとも１つの反応種の予備混合物を、潮解性
固体−多孔性マトリックスに導入することができる。予備混合物中の溶媒および少なくと
も１つの反応種は、いずれも気相状態であるかまたはいずれも液相状態とすることができ
る。ある実施形態にでは、予備混合物内で、溶媒は液体であってもよく、少なくとも１つ
の反応種は気相状態であってもよく、その逆でもよい。
【０１４７】
ガス・水蒸気流を多孔性マトリックス中の潮解性塩で運び、多孔性マトリックスの間隙
空間内に液相状態の溶浸媒体を生成させることができる。例えば、高湿ガス−水蒸気流は
、ＣＯ２の溶解およびイオン化のための溶媒の役割を果たすことがきる。大量の塩は潮解
性であることが知られ、塩表面の高湿空気流から溶液を生成するのに適切に用いることが
できる。適切な塩の選択は空気中の湿度によって行う。非常に低い相対湿度で作用するこ
とができる塩もある。潮解性塩の例として、Ｍｇ（ＮＯ３）２、ＣａＣｌ２およびＮａＣ
ｌが挙げられる。
【０１４８】
溶浸媒体の輸送について、溶浸媒体は、自発的に多孔性マトリックスを湿潤させるバル
ク溶液として輸送することができる。この溶液の輸送には様々な方法を選択することがで
きる。第１に、多孔性マトリックスを液体に浸漬することができる。第２に、溶浸溶液を
多孔性マトリックスに噴霧することができる。静止系では、多孔性マトリックスの空孔体
積よりも体積が大きい溶浸溶液が存在する場合、拡散により反応種を空孔位置に輸送する
ことにより反応が伝播する。
【０１４９】
あるいは、流体は、様々な方法によって多孔性マトリックスに（機械的に対流され）流
入させることができる。圧流、乾燥、電気浸透流、磁気浸透流ならびに温度勾配駆動流お
よび化学勾配駆動流などの方法を用いて多孔体に液体溶浸媒体を流入させることができる
。この動的流により、拡散プロセスに頼る場合と対称的に生成したがかりの反応物が多孔
性マトリックスの近傍に存在することが可能になる。この手法は、マトリックスの空孔径
分布が、拡散プロセスよりも反応種を速く供給する流体のある程度高い流量を許容する限
り有益であり、供給速度が生成物形成の反応速度と同じかまたはそれ以上に速い場合に最
適である。さらに、溶浸媒体の流入は、発熱性の高い反応に特に有益である。これは厚い
モノリシック構造に特に有益であり、モノリシック構造を破壊し得る内圧を発生させ得る
熱を発生させ得る。
【０１５０】
材料の厚さがこの長さスケールを超える多くの用途が存在する。これらの場合、当業者
に既知の任意の適切な手段による流体の機械的対流が好ましい。代替案としては、溶媒ま
たは反応種をガス種として導入する。また、超臨界状態を利用して、液体と気体の間の移
動速度を達成することができる。ガス種は、多孔性マトリックスに亘って傾斜する圧力を
加えることにより機械的に対流させてもよい。ガスが反応種である場合、溶媒流体で満た
された空孔は空孔から流出し、反応種ガスを吸収することができる空孔に溶媒の膜が残る
。あるいは、部分的に満たされた空孔により、溶媒が流入するガスの一部を吸収すると、
空孔にガスが流入することが可能になる。
【０１５１】
低コストの方法を可能とするために、装置は低温度および低圧力を利用してもよい。し
たがって、生成物の大部分が要求される反応に静止流体を用いる方法に対して、空孔内の
溶媒をごく一部のみ保持して反応種のガス拡散を助長する方法が好ましい。効果的に反応
物種および溶媒種を空孔に移動することができる多くの装置設計がある。これらの設計に
は、加圧濾過器、噴霧室、オートクレーブおよびスチーマーなどの従来の反応器設備を含
むものもある。
【実施例】
【０１５２】
（実施例１）建築用砂を用いた舗装材（６インチ×９インチ）
＜原料＞
中国、東海のDonghai Golden Resources Industriesによる合成珪灰石（ＳＣ−Ｃ２）
、Stavola（ニュージャージー州）による１／４インチの玄武岩集合体、バウンド・ブル
ック（ニュージャージー州）の建築用砂およびＧｌｅｎｉｕｍ７５００（ＢＡＳＦ）。表
４は、舗装材の調製に用いられる原料の混合比率を示す。
【表４】
2019052086.tif 000008
＜混合手順＞
（１）２５ｋｇの１／４インチ集合体を計量してプラネタリーミキサー（Ｓｉｃｏｍａ（
商標）ＭＰ３７５／２５０）に投入する。（２）５５．２ｋｇの建築用砂を計量してミキ
サーに投入する。（３）１７．１ｋｇの合成珪灰石（ＳＣ−Ｃ２）を計量してミキサーに
投入する。
（４）ミキサーに投入された固体成分をおよそ３分間混ぜ合わせる。これにより乾燥混合
物が生成される。
（５）液体成分（本実施例では５．６３２ｋｇの水および０．０６８ｋｇのＧｌｅｎｉｕ
ｍ７５００）を計量して乾燥混合物を入れたミキサーに投入し、均一なスラリーが形成さ
れるまでおよそ２分間混ぜ続ける。これにより湿潤混合物が生成される。
＜打設手順＞
（１）湿潤混合物をホッパーに注入し、舗装材成形機（Columbia Model 1600）へ搬送す
る（Columbia Model 1600）。
（２）次に、湿潤混合物を舗装材成形機の供給ホッパーに注入する。
（３）次に、湿潤混合物を供給ホッパーから舗装材型枠穴に注入する。湿潤混合物を舗装
材型枠穴に注入する際、型枠を振動させて効果的に穴を満たすようにする。
（４）舗装材プレス機の圧縮ヘッドにより湿潤混合物をおよそ１．５秒または湿潤混合物
が２  ５／８インチの高さに達するまで圧縮する。これによりセラミック成形体が生成さ
れる。
（５）次に、セラミック成形体を型枠穴から外す。
【０１５３】
＜養生手順＞
セラミック成形体を直径７フィート、長さ１２フィートの垂直養生チャンバー内に配置
した。養生チャンバーをＣＯ２ガスで１２分間パージした。養生チャンバーの温度は６０
ｏＣに設定し、７０ｏＣの温水を養生チャンバーの底部で循環させてチャンバーが水蒸気
で飽和された状態を維持した。ＣＯ２パージの間、ファンによって養生チャンバー内の雰
囲気を攪拌した。養生チャンバー内の雰囲気が６０℃に達すると、ガス濃度はＣＯ２およ
そ８４％、Ｈ２Ｏ蒸気およそ１６％となる。一般的に、およそ５０％以上のＣＯ２を含む
雰囲気が有利である。好適な実施形態では、およそ８０％以上のＣＯ２を含む雰囲気を用
いる。
【０１５４】
セラミック成形体を、これらの条件で１９時間養生した。養生されたセラミック体を養
生チャンバーから取り出し、９０℃の工業用乾燥オーブンに配置して残留水を除去した。
反応度を、反応中の重量増加に基づいて計算した。養生されたセラミック体は少なくとも
５０％の反応度を示した。
【０１５５】
図３は、本発明の実施形態により作られた６インチ×９インチの舗装材の形の養生され
たセラミック体の画像である。
【０１５６】
＜試験＞
舗装材の形の養生されたセラミック体の圧縮強度を、ＡＳＴＭ  Ｃ９３６に従って、Ｇ
ｉｌｓｏｎの汎用試験機を用いて５０ｐｓｉ／秒〜１００ｐｓｉ／秒の間の平均速度で測
定した。圧縮強度について６つの舗装材を試験した。平均圧縮強度は、標準偏差４ＭＰａ
（６００ｐｓｉ）で６７．６ＭＰａ（９，８０４ｐｓｉ）であった。
【０１５７】
（実施例２）着色舗装材
本実施例は、着色舗装材について、顔料を用いて作られる舗装材の配合を指定する。本
実施例では、赤で着色した舗装材を作った。表５は、これらの赤色舗装材の調製に用いた
原料の混合比率を示す。これらの舗装材は、ＡＳＴＭＣ９３６による５５．２ＭＰａ（８
０００ｐｓｉ）の最低圧縮強度を有した。
【表５】
2019052086.tif 000009
【０１５８】
＜ポルトランドセメントで作られた舗装材に対する本発明の舗装材の利点＞
本明細書で説明した舗装材は、工業用舗装材と比較して、圧縮強度性能における小さな
標準偏差、結合材含有率を低減する可能性をもたらす、標準規格要件よりも高い圧縮強度
、（Ｓｏｌｉｄｉａによる混合物は二酸化炭素の不在下では硬化しないため）不適切なプ
レス後にコンクリート混合物を廃棄せずに再活用できる性能、一次白華またはアルカリの
浸出を排除する反応／養生後のアルカリの不在（白華はポルトランドセメント舗装材の製
造業者が直面する最も大きな問題の１つである）、Ｓｏｌｉｄｉａの結合材および反応生
成物の色合いが薄いことによる、少ない顔料の必要量、および（混合物内の水が低減され
た改善された充填による）低い水の需要量を示した。
【０１５９】
（実施例３）建築用砂を用いたブロック
＜原料＞
中国、東海のDonghai Golden Resources Industriesによる合成珪灰石（ＳＣ−Ｃ２）
、Stavola（ニュージャージー州）による１／４インチの玄武岩集合体、バウンド・ブル
ック（ニュージャージー州）の建築用砂およびＧｌｅｎｉｕｍ７５００（ＢＡＳＦ）。表
６は、本実施例に用いる原料の混合比率を示す。
【表６】
2019052086.tif 000010
【０１６０】
＜混合手順＞
湿潤混合物を調製するための混合手順は、舗装材に適用される手順と同様の手順である
。
【０１６１】
＜打設手順＞
型枠の構造を除いて、舗装材の実施例で言及したのと同様の手順を用いてブロックをプ
レスした。セラミック成形体をブロックの前駆体として形成するため、型枠は、７  ５／
８インチ×７  ５／８インチ×１５  ５／８インチ（体積の４９％は固形）の寸法を有し
た。
【０１６２】
＜養生手順＞
実施例１で言及した手続きと同様にセラミック成形体を養生して、ブロックの形の養生
されたセラミック体を生成した。
【０１６３】
＜試験＞
ＡＳＴＭ  Ｃ９０に従ってブロックの形の養生されたセラミック体を圧縮強度につい
て試験した。調製されたブロックの圧縮強度は３６．６ＭＰａ（５３００ｐｓｉ）であっ
た。
【０１６４】
図４は、本発明の実施形態により作られたブロックの形の養生されたセラミック体の画
像である。
【０１６５】
＜ポルトランドセメントで作られたブロックと比較した本発明のブロックの利点＞
Ｓｏｌｉｄｉａのプレス舗装材について上記で列挙した利点に加えて、Ｓｏｌｉｄｉａ
のブロックでは、ポルトランドセメントブロックと比較して熱抵抗が改善され、耐火性が
改善されている。
【０１６６】
（文献の引用）
本開示では、特許、出願特許、公開特許、定期刊行物、書籍、論文、ウェブコンテンツ
などの他の文献を参照および引用してきた。このようなすべての文献は、その全体が、参
照によりあらゆる目的で本明細書に組み込まれるものとする。本明細書に組み込まれると
されるが、本明細書に明確に記述された既存の定義、記述又は他の開示内容に抵触する資
料又はその一部分は、組み込まれた内容と本開示内容との間で抵触が生じない程度にのみ
組み込まれるものとする。抵触する場合には、その抵触は好ましい開示となるよう本開示
に有利となるよう解消すべきである。
【０１６７】
（均等物）
本明細書で開示される代表例は、本発明の説明を助けることを意図し、本発明の範囲を
限定することを意図したものではなく、そのようなものとして解釈すべきではない。実際
、本明細書に示され記載される変形例および実施例に加え、本発明の様々な変形例および
本発明の多くのさらなる実施形態は、実施例を含む本文献のすべての内容ならびに本明細
書で引用する科学文献および特許文献への参照から当業者に明白となるだろう。実施例は
、本発明の実施に適用可能な重要な付加情報、適例および指針を、その様々な実施形態お
よびその均等物に含む。
【図１】
2019052086.tif 000011
【図２−１】
2019052086.tif 000012
【図２−２】
2019052086.tif 000013
【図３】
2019052086.tif 000014
【図４】
2019052086.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成30年12月17日(2018.12.17)
【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】
粒子状組成物と液体組成物を混合してスラリー混合物を形成する工程であって、前記粒子状組成物が、
１μｍ〜１００μｍの範囲の中央粒径を有するケイ酸カルシウム粉末と、
５μｍ〜７ｍｍの範囲の中央粒径を有するＳｉＯ２材料とを備え、
前記液体組成物が、
水と、
分散剤とを含み、
前記スラリー混合物を型枠に注入する工程と、
前記スラリー混合物を前記型枠内に締固める工程と、
前記スラリー混合物を、２０℃〜１５０℃の範囲の温度で１時間〜８０時間、周囲の大気圧〜周囲よりも０.４１４ＭＰａ高い気圧の範囲で、ＣＯ２濃度が５０％超の、水およびＣＯ２の雰囲気下で養生することにより、複合建材を敷石または建築用ブロックの形で製造する工程とを備える、複合建材の調製方法。
【請求項２】
前記養生が８０％以上のＣＯ２の雰囲気下で行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記混合物の養生を、約６０℃〜約１１０℃の範囲の温度で約１５時間〜約７０時間、周囲の大気圧〜周囲の大気圧よりも約３０ｐｓｉ高い気圧の範囲で、水およびＣＯ２を含む蒸気下で行う、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記混合物の養生を、約６０℃〜約１００℃の範囲の温度で約２０時間〜約６０時間、周囲の大気圧〜周囲の大気圧よりも約３０ｐｓｉ高い気圧の範囲で、水およびＣＯ２を含む蒸気下で行う、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記混合物の養生を、約６０℃以下の温度で約６時間〜約５０時間、周囲の大気圧の、水およびＣＯ２を含む蒸気下で行う、請求項４に記載の方法。
【外国語明細書】
2019052086000001.pdf