(57)【要約】本発明は、中空の内部チャネルまたは通路を有するか、あるいは中空にされている複合材料の新規な物品、ならびにそれらの製造および使用のための配合物および方法を提供する。これらの中空コアオブ物体は、建設、舗装と造園、およびインフラの様々な用途に適している。【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の別個のコンクリート物体として分配された複合材料を含む物品であって、
１つ以上のダクトまたはチャネルが、前記複数の別個のコンクリート物体の間にまたはそれらを通して配置されて、前記１つ以上のダクトまたはチャネル内におよび／または前記複数の別個の物体の外部と流体輸送システムを形成しており、
前記複合材料は、
複数の結合要素と、
粗いフィラー粒子および／または微細なフィラー粒子を含むフィラー粒子とを含み、
前記各結合要素は、
主にケイ酸カルシウムを含むコアと、
シリカがリッチな第１のまたは内層と、
炭酸カルシウムリッチな第２のまたは外層とを含み、
前記複数の結合要素および前記複数のフィラー粒子は一緒に１つ以上の結合マトリックスを形成し、前記結合要素および前記フィラー粒子が、その中に実質的に均一に分散され、一緒に結合されている、物品。
【請求項２】
前記複数の別個のコンクリート物体が、エンベロープまたはチャンバー内に配置されている、請求項１に記載の物品。
【請求項３】
前記複数の別個のコンクリート物体の各々が、その中に埋め込まれた１つ以上の補強要素を含む、請求項１に記載の物品。
【請求項４】
前記１つ以上の補強要素が、棒、ワイヤーおよびケーブルから選択される、請求項３に記載の物品。
【請求項５】
前記１つ以上の補強棒が、鉄、鋼、高分子材料、ガラス、またはそれらの組み合わせでできている、請求項４に記載の物品。
【請求項６】
前記複数の別個のコンクリート物体が、その中に埋め込まれた補強要素を含まない、請求項１に記載の物品。
【請求項７】
前記複数の結合要素が、天然または合成珪灰石、擬珪灰石、ランキナイト、ゲーレナイト、ベーライト、アリートおよびアモルファス相の１つ以上を含む、粉砕ケイ酸カルシウム組成物から化学的に変換されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の物品。
【請求項８】
前記複数の結合要素が、制御水熱液相焼結プロセスで粉砕ケイ酸カルシウムをＣＯ２と反応させることによって、ケイ酸カルシウムから化学変換によって調製されている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の物品。
【請求項９】
前記複数の結合要素が、合成珪灰石または擬珪灰石以外の前駆体ケイ酸カルシウムから化学的に変換されている、請求項１〜８のいずれか一項に記載の物品。
【請求項１０】
結合要素：フィラー粒子の重量比が、約１：５である、請求項１〜９のいずれか一項に記載の物品。
【請求項１１】
約１０％未満の吸水率を有する、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の物品。
【請求項１２】
前記流体輸送システムが、前記１つ以上のダクトまたはチャネルおよび前記複数の別個の物体の外部を通してガスを流すように適合されている、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の物品。
【請求項１３】
前記ガスが、二酸化炭素を含む、請求項１２に記載の物品。
【請求項１４】
前記１つ以上のダクトまたはチャネルおよび前記複数の別個の物体の外部を通って流れる流体が、少なくとも１回方向を変える、請求項１２に記載の物品。
【請求項１５】
前記１つ以上のダクトまたはチャネルおよび前記複数の別個の物体の外部を通って流れる流体が、少なくとも１回速度を変える、請求項１２に記載の物品。
【請求項１６】
前記複数の別個の物体の外部内の前記流体輸送システムが、前記エンベロープまたはチャンバー間のフロー、または前記エンベロープまたはチャンバー内のチャンバー要素を含む、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の物品。
【請求項１７】
物品を製造するためのシステムであって、
エンベロープまたはチャンバーとその中に囲まれている、
複数の別個のコンクリート物体として分配されている複合材料；
１つ以上のダクトまたはチャネルが、前記別個のコンクリート物体の間に、またはそれらを通して配置され、前記１つ以上のダクトおよびチャネル内で、かつ前記複数の別個の物体の外部と、流体輸送システムを形成しており；
任意に、前記複数の別個のコンクリート物体が配置されている１つ以上のボード；
１つ以上のダクトまたはチャネルを形成し、前記流体輸送システムでの流体フロープロファイルを促進する、平面、平面、凸面または凹面を有する１つ以上のラック、タープ、壁またはパネル、を含む、システム。
【請求項１８】
前記エンベロープまたはチャンバーの少なくとも一部の前記流体フロープロファイルを制御する流体分配要素を含む、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記エンベロープまたはチャンバー全体の前記流体フロープロファイルを制御する流体分配要素を含む、請求項１７に記載のシステム。
【請求項２０】
前記エンベロープまたはチャンバー全体の前記流体フロープロファイルを制御する前記流体分配要素が、少なくとも１回、前記ガスフローの方向を変える、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記エンベロープまたはチャンバー全体の前記流体フロープロファイルを制御する前記流体分配要素が、少なくとも１回、前記ガスフローの速度を変える、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２２】
前記流体分配要素が、流体入口、出口、プレナム、または多孔板、またはそれらの組み合わせのうちの１つ以上を含む、請求項１７〜２１のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２３】
前記エンベロープまたはチャンバーが、金属、合金、プラスチック、ポリマー、ポリマー複合材、セラミック複合材、またはそれらの組み合わせから選択される材料でできている、請求項１７〜２２のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２４】
前記エンベロープまたはチャンバーが、コンクリート材料、または鋼、またはタープ、またはそれらの組み合わせでできている、請求項１７〜２２のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２５】
物品の製造プロセスであって、
粒子状組成物と液体組成物を混合して混合物を形成すること;
型枠内で前記混合物を打ち込みまたは押し出しまたは他の形成で、複数の別個のコンクリート物体を含む打ち込みまたは押し出しまたは他の方法で形成された素地を生成すること；
ここで、１つ以上のダクトまたはチャネルが、前記複数の別個のコンクリート物体と前記複数の別個の物体の外部との間またはそれらを通して配置されており、
前記１つ以上の内部ダクトまたはチャネルおよび前記複数の別個の物体の外部におけるＣＯ２および／または水蒸気の雰囲気を維持すること；および
前記複数の別個の物体を、周囲大気圧から周囲大気圧より約６０ｐｓｉ高い範囲の圧力と、約１０％〜約９０％の範囲のＣＯ２濃度とを有する水および／またはＣＯ２の雰囲気下で、約２０℃〜約１５０℃の範囲の温度で約１時間〜約８０時間、硬化することを含む、プロセス。
【請求項２６】
前記１つ以上の内部ダクトまたはチャネルおよび／または前記複数の別個の物体の外部におけるＣＯ２および／または水蒸気の雰囲気を維持することが、
前記１つ以上の内部ダクトまたはチャネルおよび／または前記複数の別個の物体の外部における前記雰囲気を含むこと；
ＣＯ２および／または水蒸気の前記含まれる雰囲気を循環すること；
前記含まれる雰囲気にまたは前記含まれる雰囲気から、水蒸気を除去または追加すること;および
前記含まれる雰囲気を加熱することを含む、請求項２５に記載のプロセス。
【請求項２７】
前記１つ以上の内部ダクトまたはチャネルにおけるＣＯ２および／または水蒸気の雰囲気を維持することが、ＣＯ２および／または水蒸気の前記流体フローの前記方向または速度を前記素地の硬化期間中に少なくとも１回変えることを含む、請求項２５または２６に記載のプロセス。
【請求項２８】
前記粒子状組成物が、１つ以上の天然または合成珪灰石、擬珪灰石、ランキナイト、ゲーレナイト、ベーライト、およびアリートを含み、約１μｍ〜約１００μｍの範囲の中央粒子サイズを有する粉砕ケイ酸カルシウムを含み、前記液体組成物が、水を含む、請求項２５〜２７のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項２９】
前記打ち込み混合物を硬化することが、水およびＣＯ２を含み、周囲の大気圧を有する蒸気下で、約６０℃以下の温度で約１０〜５０時間行われる、請求項２５〜２８のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項３０】
前記粉砕ケイ酸カルシウムが、実質的に、粉砕珪灰石のものである、請求項２５〜２９のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項３１】
前記混合物に１つ以上の補強要素を埋め込むことをさらに含む、請求項２５〜２９のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項３２】
前記１つ以上の補強要素が、棒、ワイヤーおよびケーブルから選択される、請求項３１に記載のプロセス。
【請求項３３】
前記１つ以上の補強棒が、鉄、鋼、高分子材料、ガラス、またはそれらの組み合わせでできている、請求項３２に記載のプロセス。
【請求項３４】
請求項２５〜３３のいずれか一項に記載のプロセスによって調製された、物品。
【請求項３５】
舗装材、ブロック、屋根瓦、中空コアスラブ、補強を伴うまたは伴わないプレキャストコンクリート物体から選択される、請求項３４に記載の物品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、複合材料の物品およびそれを製造するためのシステムおよびプロセスに関する。より詳細には、本発明は、複合材料の新規の物品（例えば、舗装材、ブロック、屋根瓦および中空コアスラブ）または物品の集合体、ならびにそれらの製造および使用のための配合物および方法に関する。これらのコンクリートタイプの物体は、建設、舗装と造園、およびインフラストラクチャのさまざまな用途に適している。
【背景技術】
【０００２】
コンクリートは、世界で最も消費されている人工材料である。典型的なコンクリートは、ポルトランドセメント、水、および砂や砕石などの骨材を混合して作られる。ポルトランドセメントは、粉砕した石灰岩とクレーの混合物、または同様の組成の材料を、約１，４５０℃の焼結温度でロータリーキルン内で燃焼することによって作成された合成材料である。
【０００３】
舗装材は、打ち込みプロセス、プレスプロセス、圧縮プロセス、または振動とプレスの組み合わせを使用して作成されるコンクリートブロックである。舗装材は、一般的に交互パターンで置かれる。これらの舗装材は、敷石とも呼ばれる。これらの舗装材は、耐用年数中に損傷を受けたときに取り外すことができ、新しいものはサービスの中断を減らす。交互舗装材は、パターンの間に隙間ができるように設計して、水を下層に排水することができる。
【０００４】
ＡＳＴＭ  Ｃ  ９３６は、コンクリート舗装材が満たす必要がある基準を提供するが、これに限定されない：８，０００ｐｓｉの平均圧縮強度；５％以下の平均吸水率；および、平均材料損失が１％以下の、少なくとも５０回の凍結融解サイクルに対する耐性。ＡＳＴＭ要件に加えて、それは風解の減少（例えば、濃度勾配による反応生成物の浸出の減少）；良好な色の保持；および舗装材が使用されている場所に応じた耐摩耗性、を含む追加の要件を舗装材が満たすことが望ましい場合もある。
【０００５】
舗装材と同様に、ブロックも、打ち込みプロセスまたはプレスプロセス、または同様の圧縮プロセスのいずれかによって製造されたプレキャストコンクリートである。ブロックは、コンクリート組積造ユニット（ＣＭＵ）、中空ブロック、コンクリートブロックとも呼ばれる。これらのブロックがフライアッシュで作られるとき、それらはシンダー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。高価な希少な天然素材を低コストですぐに製造できる模倣品に置き換えるために、人工または人造の舗装材と建設ブロック材が研究されてきた。しかしながら、そのような努力は、所望の外観、質感、密度、硬度、多孔度、および石に特徴的な他の美的特性を有し、同時に環境への影響を最小限に抑えて低コストで大量に製造できる合成材料でまだ達成されていない。
【０００６】
ブロックは、（耐力石積み構造の）クレーレンガと比較してより優れた構造特性、および石積み壁を製造する場合により滑らかな表面を提供することが期待される。さらに、交互コンクリート組積造ユニットは、そのユニットを結合するためにモルタルを必要としない。一部のブロックは、中空構造を構築するために使用でき、これにより、中実構造と比較して、遮音性と断熱性が向上する。
【０００７】
ブロックは、一般に、耐力コンクリート組積造ユニットの標準仕様であるＡＳＴＭ  Ｃ９０の要件に適合しなければならない。この規格に準拠するブロックは、強度、形状、耐久性、および耐火性に関して許容できることが保証されており、通常、標準的な商業建設プロジェクトでの使用が許容されている。
【０００８】
中空コアスラブは、ボイドスラブまたは中空コア板と呼ばれることもあり、コンクリートのプレキャストスラブである。それらは、多くの場合、高層ビルの床、壁、屋根などの建築構造物で使用される。プレキャストコンクリートスラブは、通常、スラブの全長にわたって管状のボイドがあり、厚さまたは強度が等しい大規模な床スラブよりもスラブが軽くなる。軽量化によって、材料費と輸送費が削減される。
【０００９】
典型的なスラブは、幅約１２０ｃｍであり、標準の厚さ１５ｃｍ〜５０ｃｍである。穴の間のプレキャストコンクリートＩ型梁には、荷重による曲げモーメントに対する曲げ抵抗を提供する鋼線ロープが含まれている。その製造プロセスは、可動型枠からプレストレスト鋼線ロープの周囲に湿潤コンクリートを押し出すことを含む。硬化後、必要な長さと幅に応じて連続スラブをカットする。中空コアの床スラブは、鉄筋コンクリート（プレストレストではない）でも作られている。中空コア壁パネルは補強なしで作られている。
【００１０】
しかしながら、コンクリート製品は、経済性および環境への影響の両方に関して最適ではない。既存の生産技術は大量のエネルギー消費と二酸化炭素排出を伴い、好ましくないカーボンフットプリントにつながる。ポルトランドセメントの製造は、エネルギー集約型のプロセスであるだけでなく、大量の温室効果ガス（ＣＯ２）を放出するプロセスでもある。セメント産業は、世界の人為的ＣＯ２排出量の約５％を占めている。このようなＣＯ２の６０％以上は、石灰岩の化学分解またはか焼から発生する。
【００１１】
最近、炭酸化性ケイ酸カルシウム材料に基づく革新的な形態のセメントが、伝統的なセメントの有望な代替品として登場した。炭酸化性ケイ酸カルシウム系セメントの製造には、ＣＯ２排出量とエネルギー消費の大幅な削減が含まれる。さらに、コンクリート製品を形成する硬化プロセスでＣＯ２が炭酸化性ケイ酸カルシウム材料と反応する必要があるため、この新しいセメントは、コンクリート製品に硬化するときにＣＯ２を隔離する。
【００１２】
したがって、新規で改良されたセメントとコンクリート製品、および改善されたエネルギー消費とより望ましいカーボンフットプリントで低コストで大量に適用できる生産技術に対する継続的なニーズがある。
【発明の概要】
【００１３】
本発明は、部分的には、炭酸化性ケイ酸カルシウムから様々なコンクリート物体（例えば、舗装材、ブロック、屋根瓦および中空コアスラブ）を製造するための改善された製品および製造技術の予想外の発見に基づく。製造された製品は、靭性、柔軟性、耐摩耗性、耐久性を含む、既存のコンクリート製品と同等またはそれ以上の優れた物理的および性能特性を備える。
【００１４】
本発明のコンクリート物品は、より少ないエネルギー消費での大規模生産に適したプロセスによって、広く入手可能な低コストの原材料から容易に生産でき、したがって、環境への影響を最小限に抑えながら望ましいカーボンフットプリントを享受できる。原材料としては、粒子状ケイ酸カルシウムなどの前駆体材料が挙げられる。ケイ酸カルシウム前駆体材料は、通常、ＣＳ（珪灰石または擬珪灰石）、Ｃ３Ｓ２（ランキナイト）、Ｃ２Ｓ（ベライトまたはラーナイトまたはブリジガイト）、および全相の約３０％以上を含むケイ酸カルシウムベースのアモルファス相のうちの１つ以上から選択される別個のケイ酸カルシウム相のブレンドを含み、「Ｃ」は酸化カルシウムまたは石灰を指し、「Ｓ」は二酸化ケイ素またはシリカ、結合要素となる特定の微量の不純物、および粒子状フィラー材料（例えば、石灰石、ゾノトライト、マイクロシリカ、石英などの酸化カルシウム含有材料、パーライトまたはバーミキュライトなどの軽量骨材、またはフライアッシュ、ボトムアッシュ、スラグなどの産業廃棄物）を指す。流体成分もまた、反応媒体として提供され、液体の水および／または水蒸気と、試薬であり、製造時に反応種として消費され、最終的に最終製品に隔離される二酸化炭素（ＣＯ２）とを含む。結合要素は、制御された温度と圧力で、水と水蒸気の間で反応が起こる水和プロセスを使用して、または水蒸気とＣＯ２を使用して反応する。
【００１５】
エンドユーザーの要求に応じて、分散、レオロジー改変混和剤（混合物の質を改善するための）、着色顔料、遅延剤、および促進剤などの様々な他の添加剤。添加剤材料は、天然またはリサイクル材料、および炭酸カルシウムリッチな材料および炭酸マグネシウムリッチな材料、ならびに水溶性分散剤などの流体成分への添加剤を含むことができる。
【００１６】
一態様では、本発明は、概して、複数の別個のコンクリート物体として分配された複合材料を有する物品に関する。１つ以上のダクトまたはチャネルが、複数の別個のコンクリート物体の間にまたはそれらを通して配置され、１つ以上のダクトまたはチャネル内および／または複数の別個の物体の外部と流体輸送システムを形成する。複合材料は、複数の結合要素と、フィラー粒子とを含み、各結合要素は、主にケイ酸カルシウムを含むコア、シリカリッチな第１層または内層、および炭酸カルシウムリッチな第２層または外層を有し；フィラー粒子は、粗いフィラー粒子および／または微細なフィラー粒子を含む。複数の結合要素および複数のフィラー粒子は、一緒に１つ以上の結合マトリックスを形成し、結合要素およびフィラー粒子は、その中に実質的に均一に分散しており、一緒に結合している。特定の実施形態では、複数の別個のコンクリート物体は、エンベロープまたはチャンバー内に配置されている。
【００１７】
別の態様では、本発明は、概して、物品を製造するためのシステムに関する。このシステムは、エンベロープまたはチャンバーと、その中に囲まれている、複数の別個のコンクリート物体として分配された複合材料を含む。１つ以上のダクトまたはチャネルは、複数の別個のコンクリート物体の間に、またはそれらを通して配置され、１つ以上のダクトおよびチャネル内で、複数の別個の物体の外部と流体輸送システムを形成する。システムには、任意に、複数の別個のコンクリート物体が配置される１つ以上のボードと、１つ以上のダクトまたはチャネルを形成して流体輸送システムでの流体フロープロファイルを促進する、平面、平面、凸面または凹面を備えた１つ以上のラック、タープ、壁またはパネルも含まれる。
【００１８】
さらに別の態様では、本発明は、概して、物品を製造するためのプロセスに関する。このプロセスは、粒子状組成物と液体組成物を混合して混合物を形成すること；型枠でその混合物を打ち込みまたは押出またはその他の方法で形成して、打ち込みまたは押出またはその他の方法で形成された、複数の別個のコンクリート物体を含む素地を生成すること（１つ以上のダクトまたはチャネルが、複数の別個のコンクリート物体とその複数の別個の物体の外部との間、またはそれらを通して配置されている。）；１つ以上の内部ダクトまたはチャネルおよび複数の別個の物体の外部でＣＯ２および／または水蒸気の雰囲気を維持すること；および周囲より高く、約１０％〜約９０％の範囲のＣＯ２濃度で、周囲の大気圧から約６０ｐｓｉの範囲の圧力を有する水および／またはＣＯ２の雰囲気下で、約２０℃〜約１５０℃の範囲の温度で約１時間〜約８０時間、複数の別個の物体を硬化させることを含む。
【００１９】
特定の実施形態では、１つ以上の内部ダクトまたはチャネルおよび／または複数の別個の物体の外部で、ＣＯ２および／または水蒸気の雰囲気を維持することは、１つ以上の内部チャネルおよび／または複数の別個の物体の外部にその雰囲気を含むこと；その含まれるＣＯ２および／または水蒸気の雰囲気を循環させること；その含まれる雰囲気へまたはその含まれる雰囲気から、水蒸気を除去することまたは追加すること；およびその含まれる雰囲気を加熱すること、を含む。
【００２０】
さらに別の態様では、本発明は、概して、本明細書に開示されるプロセスによって調製される物品に関する。本発明の物品は、任意の適切なサイズまたは形状、または任意の適切な目的のためであってもよく、例えば、舗装材、ブロック、屋根瓦、中空コアスラブ、補強を伴うまたは伴わないプレキャストコンクリート物体から選択され得る。
【００２１】
本発明の目的および特徴は、以下に記載される図面および特許請求の範囲を参照してよりよく理解され得る。図面は必ずしも縮尺通りではなく、代わりに、本発明の原理を説明することに一般的に重点が置かれている。図面において、同様の数字は、様々な図を通して同様の部品を示すために使用される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、可逆反応ＣａＣＯ３＋ＳｉＯ２⇔ＣａＳｉＯ３（ケイ酸カルシウム）＋ＣＯ２に存在する相を示す圧力−温度相図である。
【図２】図２は、可逆反応３ＣａＣＯ３＋２ＣａＳｉＯ３⇔２Ｃａ２ＳｉＯ４・ＣａＣＯ３＋ＣＯ２に存在する相を示す圧力−温度相図である。
【図３】図３は、１キロバールの圧力でのＣａＯ−ＳｉＯ２−ＣＯ２システムの相図である。
【図４】図４は、可逆反応ＭｇＯ＋ＣＯ２⇔ＭｇＣＯ３に存在する相を示す圧力−温度相図である。
【図５】図５は、可逆反応ＭｇＯ＋ＣＯ２⇔ＭｇＣＯ３の平衡曲線を不活性ガス中のＣＯ２の比率の関数として示す圧力−温度相図である。
【図６】図６は、ＣａＣＯ３−ＭｇＣＯ３システムにおける様々な相の安定領域を示す温度−組成相図である。
【図７】図７は、化合物ＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｉＯ２およびＣＯ２の間の相関係を示す四面体図であり、Ｃｃ−Ｄｉ−ＷｏおよびＣｃ−Ｗｏ−Ｍｏ面（線入り）の下のＣＯ２欠乏領域を示し、ここでＣｃは方解石を示し、Ｗｏは珪灰石、Ａｋはアケルマナイト、Ｄｉは透輝石、Ｍｏはモンチセライト（ＣａＭｇＳｉＯ４）を表す。
【図８】図８は、方解石（Ｃｃ）、透輝石（Ｄｉ）、フォルステライト（Ｆｏ）、モンティセライト（Ｍｏ）、アケルマナイト（Ａｋ）、およびＣＯ２の相を含む四次不変点から発する一変量曲線を含む、化合物ＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｉＯ２およびＣＯ２間の相関係を示す圧力−温度相図である。挿入図は、ＣａＣＯ３、ＭｇＯ、およびＳｉＯ２の３つの化合物系の相図である。
【図９】図９は、本発明の原理による加湿を提供するＣＯ２複合材料硬化チャンバーの概略図である。
【図１０】図１０は、湿度制御の複数の方法、ならびに一定のフローまたは圧力調整を使用してＣＯ２を制御および補充する能力を有し、本発明の原理に従って温度を制御できる硬化チャンバーの概略図である。
【図１１】図１１（ａ）〜１１（ｃ）は、３つの例示的なコア形態：（ａ）繊維状、（ｂ）楕円形、および（ｃ）等軸を含む、本発明の例示的な実施形態による結合要素の断面の略図である。
【図１２】図１２（ａ）〜１２（ｆ）は、本発明の例示的な実施形態による複合材料の側面および断面の概略図であり、（ａ）希薄結合マトリックス内の１次元配向繊維状結合要素（結合要素は接触していない）、（ｂ）希薄結合マトリックス内の２次元配向の小板状の結合要素（結合要素は接触していない）、（ｃ）希薄結合マトリックス内の３次元配向の小板状の結合要素（結合要素は接触していない）、および（ｄ）希薄結合マトリックス内のランダムに配向した小板状の結合要素（結合要素は接触していない）。ここで、複合材料は、結合マトリックスと、ポリマー、金属、無機粒子、凝集体などのフィラー成分を含む、（ｅ）マトリックスが３次元配向である、結合要素の濃密結合マトリックス（浸透ネットワークを確立するのに十分な体積分率を有する）、および（ｆ）ポリマー、金属、無機粒子、凝集体などのフィラー成分が含まれていてもよい、ランダムに配向した結合要素の濃密結合マトリックス（浸透ネットワークを確立するのに十分な体積分率を有する）を示す。
【図１３】図１３は、本発明の例示的な実施形態による結合マトリックスのエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）化学マッピングを示す（ａ）〜（ｃ）を有する結合要素の例の例示的な画像であり、Ｓｉ（ａ）およびＣａ（ｂ）マップの重ね合わせを示す。（ｃ）では、ＣａＳｉＯ、ＳｉＯ２、ＣａＣＯ３の領域が矢印で示されている。繊維状の珪灰石（ＣａＳｉＯ３）コア粒子は、ＳｉＯ２リッチな領域によってカプセル化され、ＣａＣＯ３粒子に囲まれている。
【図１４】図１４は、複数の別個の物体（２０１）がボード（２０２）上に乾燥打ち込みされており、エンベロープまたはチャンバー（２０３）内に配置されている例示的な実施形態を示す。流体のフローは、１つ以上のダクトまたはチャネル（１０１）の間、および複数の別個の物体の外部とエンベロープまたはチャンバ（１０２）との間、および複数の別個のコンクリート物体の外部とチャンバー要素（１０３）との間を流れる。この例では、チャンバー要素はボードである。バッフルプレート、フロー調整および方向付けプレート、ラック要素、および同様の構造などのチャンバー要素の他の実施形態。
【図１５】図１５は、調整可能なラッキングを有する硬化システムの例示的な写真を示す。コンクリート物体の上部と次の製品ボードの下部との間のチャネル高さ（１０１）を調整して、プロセスガス（１０２）の速度を変更できる。
【図１６】図１６は、可逆的なフローを伴う例示的な硬化システムの例示的な図を示す。フローの方向は、矢印（１０１）および矢印（１０２）の方向に従うように変更できる。ガスのフローと方向は、マークが付けられたフランジ（１０３）でシステムに接続された外部条件システムによって制御される。
【図１７】図１７は、可逆的なフローを伴う硬化システムの例示的な拡大図を示す。ガス入口プレナムは、フローがコンクリート物体（１０１）とコンクリート物体の外面およびチャンバー壁（１０２）によって形成されたチャネルとの間のチャネルに分配されるように設計されている。
【図１８】図１８は、本発明に従って作製された例示的な中空コアスラブを示す。
【図１９】図１９は、本発明の例示的な実施形態を示し、ＣＯ２と水蒸気のガスフローは、内部ダクトまたはチャネルを通過するときの方向に振動するように制御され、左右の鏡面対称性を維持しながら、長さに沿って時間平均の鏡面対称性を確立する。これらの対称性は、硬化プロセス中に発生する温度とガス組成の勾配の影響を低減する。
【図２０】図２０は、硬化全体にわたるヴァイサラセンサーによる端壁での例示的なチャンバー湿度測定、ならびに実行全体で収集される凝縮水の累積量を示す。
【図２１】図２１は、乾燥中空コア打ち込み物を硬化させるための硬化装置の例示的な写真を示す。
【図２２】図２２は、図２１の装置で硬化された例示的な中空コア打ち込み物を示す。
【発明の詳細な説明】
【００２３】
本発明は、既存のコンクリート物体に匹敵するか、またはそれを超える優れた物理的および性能特性を有する優れたコンクリート物体を提供する。本発明のコンクリート物体は、エネルギー消費が改善され、生産サイクルが短縮され（例えば、硬化時間が短縮され）、より望ましいカーボンフットプリントで大規模生産に適したプロセスによって、広く入手可能な低コストの原料から容易に生産できる。本発明の製造方法は、大量のＣＯ２を消費し、ＣＯ２隔離製品をもたらし、それによって、それをカーボンニュートラルで環境に優しいものにする。ここでのコンクリート物体とは、これらに限定されないが、舗装材、レンガ、セグメント化された擁壁、湿式打ち込みスラブ、コンクリート組積造ユニット（ＣＭＵ）、またはコンクリート中空コア物体を含む消費者市場に典型的な形状の物体および物品を指す。本明細書における中空コア物体は、中空のコア、チャネルを有するか、あるいは（例えば、拡散距離を短くして硬化を容易にするために）くり抜かれた物体および物品を指す。
【００２４】
本発明のコンクリート物体は、例えば、舗装、床、屋根、壁、ドア、タブレット、橋、フレーム、通路、バリア、ライニング、基礎、フェンス、防音壁、パイプ、暗渠ユーティリティ蓋、浄化槽、乾井、雨水管を含む様々な建築および建設部品として使用することができる。それらは、埋め込まれた補強要素（例えば、プレテンションおよび／またはポストテンションおよび／またはプレストレス）、または物品の容量および耐久性を増大させる特徴を伴って、または伴わずに製造され得る。存在する場合の補強要素は、所望の特性の材料、例えば、鋼、高分子材料、ガラス、またはそれらの組み合わせで作られた中実の棒、ワイヤーまたはケーブルであってよい。
【００２５】
一態様では、本発明は、概して、複数の別個のコンクリート物体として分配された複合材料を有する製品に関する。１つ以上のダクトまたはチャネルは、複数の別個のコンクリート物体の間にまたはそれらを通して配置され、１つ以上のダクトまたはチャネル内および／または複数の別個の物体の外部と流体輸送システムを形成する。複合材料は、複数の結合要素と、フィラー粒子とを含み、各結合要素は、主にケイ酸カルシウムを含むコア、シリカリッチな第１層または内層、および炭酸カルシウムリッチな第２層または外層を有し；フィラー粒子は、粗いフィラー粒子および／または微細なフィラー粒子を含む。複数の結合要素および複数のフィラー粒子は一緒に１つ以上の結合マトリックスを形成し、結合要素およびフィラー粒子は、その中に実質的に均一に分散されており、一緒に結合されている。
【００２６】
本発明の物品の重要な特徴は、ダクトまたはチャネル（中空空間を含む）が、物品の全体積と比較して厚さが小さい内部体積を生成することである。硬化液が内部空間の側面にアクセスすると、硬化に影響を与えるために二酸化炭素と水が拡散しなければならない表面積が大幅に増大する。さらに、モノリシック体の場合、ダクトまたはチャネルは、全体的な材料の使用量と製品の重量を削減し、その結果、輸送と設置における材料とその他の関連コストを節約できる。
【００２７】
特定の実施形態では、複数の別個のコンクリート物体は、チャンバーまたはエンベロープ内に配置されている。この開示の目的のために、用語「チャンバー」および「エンベロープ」は互換的に使用される。
【００２８】
大量生産されたコンクリート物体は、形成プロセスによって、または硬化チャンバー装填プロセス中に配置および／または配向されることがあり、その結果、内面または外面が配列されて、硬化流体（例えば、ＣＯ２および水蒸気）への曝露を最大化し、別個の物体の総体積に対するＣＯ２と水の拡散距離を最小化する。流体フロープロファイルに対する別個の物体の内面または外面の配置は、均一な硬化プロセスおよび／または高速硬化プロセスを確保するための重要な考慮事項である。
【００２９】
別個の物体は、二酸化炭素および水の拡散を最大化するために、流体フロープロファイルに関して硬化チャンバー内に配列され得る。チャンバー内に配列されたコンクリート物体間の間隔を操作して、コンクリートの同様のエンベロープ体積を維持しながら、流体フローに平行なチャネルを生成できる。別個の物体の面が露出しているチャネル内の流体フローの集中によって、硬化の均一性および／または速度が向上する。別個の物体の形状と硬化システムの流体フロープロファイルによって、最適な物体間の間隔、物体の向き、別個の物体と流体分配システム間の間隔が決定され、チャネル形成物体の面全体に高い二酸化炭素と水の拡散率が誘導される。
【００３０】
チャンバー内に配列されたコンクリート物体と、ラック、ボード、およびガス入口、出口、プレナム、または多孔板などの流体分配要素などのチャンバー要素との間の間隔を操作すると、コンクリート物体の面とチャンバー要素の間にチャネルを作成できる。
【００３１】
ラックなどのチャンバー特徴の近くにある別個の物体の面は、流体フローが集中する別個の物体とチャンバーに隣接するおよび／またはそれらの間にチャネルを生成する。別個の物体の面とチャンバー要素間のチャネル内の流体フローを集中させることで、硬化の均一性と速度が向上する。別個の物体の形状と硬化システムの流体フロープロファイルによって、最適な物体の方向、別個の物体とチャンバー要素間の間隔、および別個の物体と流体分配システム間の間隔が決まり、チャネルを形成する別個の物体の面とチャンバー要素全体にわたる高い二酸化炭素と水の拡散速度が引き起こされる。
【００３２】
特定の実施形態では、複数の別個のコンクリート物体の各々は、補強要素を含まない。
【００３３】
特定の実施形態において、複数の別個のコンクリート物体の各々は、その中に埋め込まれた１つ以上の補強要素を含む。
【００３４】
特定の実施形態では、１つ以上の補強要素は、棒、ワイヤーおよびケーブルから選択される。１つ以上の補強棒は、任意の適切な材料、例えば、鉄、鋼、高分子材料、ガラス、またはそれらの組み合わせで作製され得る。
【００３５】
特定の実施形態において、複数の結合要素は、天然または合成、珪灰石、擬珪灰石、ランキナイト、ゲーレナイト、ベーライト、アリートおよびアモルファス相のうちの１つ以上を含む粉砕ケイ酸カルシウム組成物から化学的に変換される。
【００３６】
特定の実施形態では、ガスは二酸化炭素を含む。特定の実施形態において、複数の結合要素は、制御された水熱液相焼結プロセスによって粉砕ケイ酸カルシウムをＣＯ２と反応させることによって、粉砕ケイ酸カルシウムからの化学変換によって調製される。
【００３７】
特定の実施形態では、ガスは二酸化炭素を含む。特定の実施形態では、複数の結合要素は、合成珪灰石または擬珪灰石以外の前駆ケイ酸カルシウムから化学的に変換される。
【００３８】
特定の実施形態では、結合要素：フィラー粒子の重量比は、約１：５である。
【００３９】
特定の実施形態では、複数の別個のコンクリート物体は、約１０％未満の吸水率を有する。
【００４０】
特定の実施形態では、流体輸送システムは、１つ以上のダクトまたはチャネルおよび複数の別個の物体の外部を通してガスを流すように適合されている。
【００４１】
特定の実施形態では、１つ以上のダクトまたはチャネルおよび複数の別個の物体の外部を通って流れる流体は、少なくとも１回、その方向を変える。
【００４２】
特定の実施形態では、１つ以上のダクトまたはチャネルおよび複数の別個の物体の外部を通って流れる流体は、少なくとも１回、その速度を変える。
【００４３】
特定の実施形態では、複数の別個の物体の外部内の流体輸送システムは、エンベロープまたはチャンバー間の、またはエンベロープまたはチャンバー内のチャンバー要素間のフローを含む。
【００４４】
任意の適切なケイ酸カルシウム組成物を、結合要素の前駆体として使用することができる。本明細書で使用する場合、「ケイ酸カルシウム組成物」という用語は、一般に、ＣＳ（珪灰石または擬珪灰石、場合によっては配合ＣａＳｉＯ３またはＣａＯ・ＳｉＯ２）、Ｃ３Ｓ２（ランキナイト、および場合によってはＣａ３Ｓｉ２Ｏ７または３ＣａＯ・２ＳｉＯ２として配合）、Ｃ２Ｓ（ベーライト、β−Ｃａ２ＳｉＯ４またはラーナイト、β−Ｃａ２ＳｉＯ４またはブリジガイト、α−Ｃａ２ＳｉＯ４またはγ−Ｃａ２ＳｉＯ４、および場合によってはＣａ２ＳｉＯ４または２ＣａＯ・ＳｉＯ２として配合）、ケイ酸カルシウムベースのアモルファス相を含むケイ酸カルシウム相の群の１つ以上で構成される天然鉱物または合成材料を指し、それぞれの材料には、１つ以上の他の金属イオンと酸化物（例えば、アルミニウム、マグネシウム、鉄、マンガンの酸化物）、またはそれらのブレンドが含まれてもよく、または微量（１％）から約５０重量％以上までの範囲の、天然または合成形態のケイ酸マグネシウムの量を含み得る。
【００４５】
ケイ酸カルシウム組成物は、上記の結晶相に加えて、アモルファス（非結晶）ケイ酸カルシウム相を含み得る。アモルファス相は、原材料中に存在するＡｌ、ＦｅおよびＭｇイオンならびに他の不純物イオンをさらに組み込むことができる。ケイ酸カルシウム組成物はまた、少量の残留ＣａＯ（石灰）およびＳｉＯ２（シリカ）を含み得る。ケイ酸カルシウム組成物はまた、少量のＣ３Ｓ（アライト、Ｃａ３ＳｉＯ５）を含み得る。
【００４６】
ケイ酸カルシウム組成物はまた、一般式（Ｃａ，Ｎａ，Ｋ）２［（Ｍｇ，Ｆｅ２＋，Ｆｅ３＋，Ａｌ，Ｓｉ）３Ｏ７］を有するメリライト型鉱物（メリライトまたはゲーレナイトまたはアケルマナイト）、および一般式Ｃａ２（Ａｌ，Ｆｅ３＋）２Ｏ５を有するフェライト型鉱物（フェライトまたはブラウンミレライトまたはＣ４ＡＦ）などの不活性相の量を含み得る。特定の実施形態では、ケイ酸カルシウム組成物は、アモルファス相のみで構成される。特定の実施形態では、ケイ酸カルシウムは、結晶相のみを含む。特定の実施形態では、ケイ酸カルシウム組成物の一部は、アモルファス相で存在し、一部は、結晶相で存在する。
【００４７】
好ましくは、本発明のケイ酸カルシウム組成物は、水和しないことに留意されたい。しかし、少量の水和可能なケイ酸カルシウム相（例えば、Ｃ２Ｓ、Ｃ３ＳおよびＣａＯ）が存在し得る。Ｃ２Ｓは、水にさらされると水和の速度が遅くなり、ＣＯ２硬化プロセス中にＣａＣＯ３に急速に変換される。Ｃ３ＳとＣａＯは、水に触れるとすぐに水和するため、５質量％未満に制限する必要がある。
【００４８】
特定の好ましい実施形態では、ケイ酸カルシウム組成物の元素Ｃａ対元素Ｓｉのモル比は、約０．８０〜約１．２０である。特定の好ましい実施形態では、組成物のＣａ対Ｓｉのモル比は、約０．８５〜約１．１５である。特定の好ましい実施形態では、組成物のＣａ対Ｓｉのモル比は、約０．９０〜約１．１０である。特定の好ましい実施形態では、組成物のＣａ対Ｓｉのモル比は、約０．９５〜約１．０５である。特定の好ましい実施形態では、組成物のＣａ対Ｓｉのモル比は、約０．９８〜約１．０２である。特定の好ましい実施形態では、組成物のＣａ対Ｓｉのモル比は、約０．９９〜約１．０１である。
【００４９】
ケイ酸カルシウム組成物中に含まれるＡｌ、ＦｅおよびＭｇの金属酸化物は、通常、約３０％未満に制御される。特定の好ましい実施形態では、組成物は、総酸化物質量に対して約２０％以下のＡｌ、ＦｅおよびＭｇの金属酸化物を有する。特定の好ましい実施形態では、組成物は、総酸化物質量に対して約１５％以下のＡｌ、ＦｅおよびＭｇの金属酸化物を有する。特定の好ましい実施形態では、組成物は、総酸化物質量に対して約１２％以下のＡｌ、ＦｅおよびＭｇの金属酸化物を有する。特定の好ましい実施形態では、組成物は、総酸化物質量に対して約１０％以下のＡｌ、ＦｅおよびＭｇの金属酸化物を有する。特定の好ましい実施形態では、組成物は、総酸化物質量に対して約５％以下のＡｌ、ＦｅおよびＭｇの金属酸化物を有する。
【００５０】
これらのケイ酸カルシウム相の各々は、ＣＯ２を用いた炭酸化に適している。以下、炭酸化に適した別個のケイ酸カルシウム相を反応相と呼ぶ。
【００５１】
様々な反応相は、全体的な反応相の任意の適切な部分を占め得る。特定の好ましい実施形態では、ＣＳの反応相は、約１０〜約６０重量％（例えば、約１５重量％〜約６０重量％、約２０重量％〜約６０重量％、約２５重量％〜約６０重量％、約３０重量％〜約６０重量％、約３５重量％〜約６０重量％、約４０重量％〜約６０重量％、約１０重量％〜約５０重量％、約１０重量％〜約４０重量％、約１０重量％〜約３０重量％、約１０重量％〜約２５重量％、約１０重量％〜約２０重量％）で存在し；Ｃ３Ｓ２は、約５〜５０重量％（例えば、約１０重量％〜５０重量％、約１５重量％〜５０重量％、約２０重量％〜５０重量％、約３０重量％〜５０重量％、約４０重量％〜５０重量％、約５重量％〜４０重量％、約５重量％〜３０重量％、約５重量％〜２５重量％、約５重量％〜２０重量％、約５重量％〜１５重量％）で存在し；Ｃ２Ｓは、約５重量％〜６０重量％（例えば、約１０重量％〜約６０重量％、約２０重量％〜約６０重量％、約２５重量％〜約６０重量％、約３０重量％〜約６０重量％、約３５重量％〜約６０重量％、約４０重量％〜約６０重量％、約５重量％〜約５０重量％、約５重量％〜約４０重量％、約５重量％〜約３０重量％、約５重量％〜約２５重量％、約５重量％〜約２０重量％、約５重量％〜約２０重量％）で存在し、Ｃは、約０重量％〜３重量％（例えば、０重量％、１重量％以下、２重量％以下、３重量％以下、約１重量％〜２重量％、約１重量％〜３重量％、約２重量％〜３重量％）で存在する。
【００５２】
特定の実施形態において、反応相は、例えば、全相の質量の約４０％以上（例えば、約４５％以上、約５０％以上、約５５％以上、約６０％以上、約６５％以上、約７０％以上、約７５％以上、約８０％以上、約８５％以上、約９０％以上、約９５％以上）のケイ酸カルシウム系アモルファス相を含む。なお、アモルファス相は、原料中に存在する不純物イオンをさらに含んでいてもよい。
【００５３】
本発明のケイ酸カルシウム組成物は、ＣＯ２を用いた炭酸化に適している。特に、ケイ酸カルシウムの組成物は、約３０℃〜約９０℃の温度でＣＯ２を用いて炭酸化して、約２０％以上の質量増加でＣａＣＯ３を形成するのに適している。質量増加は、炭酸化製品におけるＣＯ２の正味隔離を反映している。特定の好ましい実施形態では、組成物は、約３０℃〜約９０℃（例えば、約４０℃〜約９０℃、約５０℃〜約９０℃、約６０℃〜約９０℃、約３０℃〜約８０℃、約３０℃〜約７０℃、約３０℃〜約６０℃、約４０℃〜約８０℃、約４０℃〜約７０℃、約４０℃〜約６０℃）の温度でのＣＯ２による炭酸化をして、１０％以上の質量増加（例えば、１５％以上、２０％以上、２５％以上、３０％以上）でＣａＣＯ３を形成するのに適している。
【００５４】
前駆ケイ酸カルシウム組成物は、典型的には、約８μｍ〜約２５μｍの平均粒子サイズ（ｄ５０）、１０％の粒子（ｄ１０）が約０．１μｍ未満〜約３μｍのサイズであり、９０％の粒子（ｄ９０）が約３５μｍ超え〜約１００μｍのサイズを有する粉末形態で使用される。
【００５５】
特定の実施形態では、ｄ９０：ｄ１０の比は、粉末フローの改善または打ち込みのための水需要の低減を可能にするように選択される。特定の実施形態では、ｄ５０：ｄ１０の比は、改善された反応性、改善された充填、または打ち込みのための水需要の低減を可能にするように選択される。特定の実施形態では、ｄ９０：ｄ５０の比は、反応性の改善、充填の改善、または打ち込みのための水需要の低減を可能にするように選択される。
【００５６】
任意の適切なフィラー粒子、例えば、酸化カルシウム含有またはシリカ含有材料を使用することができる。例示的なフィラー粒子には、石灰、石英（砂を含む）、珪灰石、ゾノトライト、燃えたオイルシェール、フライアッシュまたは火山灰、窯からの煙突の粉塵、粉砕粘土、軽石の粉が含まれる。産業廃棄物（例えば、フライアッシュ、スラグ、シリカフューム）などの材料も、フィラーとして使用することができる。特定の好ましい実施形態では、パーライトまたはバーミキュライトなどの軽量骨材をフィラーとして使用することもできる。特定の好ましい実施形態では、フィラー粒子は、石灰などの酸化カルシウムリッチな材料から作られる。
【００５７】
フィラー粒子は、酸化カルシウムまたはシリカを含み、約０．２５μｍ〜約２００μｍ（例えば、約０．２５μｍ〜約１５０μｍ、約０．２５μｍ〜約１００μｍ、約０．２５μｍ〜約５０μｍ、約０．２５μｍ〜約２０μｍ、約０．２５μｍ〜約１０μｍ、約０．５μｍ〜約２００μｍ、約１μｍ〜約２００μｍ、約５μｍ〜約２００μｍ、約１０μｍ〜約２００μｍ、約２０μｍ〜約２００μｍ、約５０μｍ〜約２００μｍ）の範囲の粒子サイズ（ｄ５０）を有する。
【００５８】
特定の実施形態では、フィラー粒子は、約０．５μｍ〜約３００μｍ（例えば、約１μｍ〜約３００μｍ、約５μｍ〜約３００μｍ、約１０μｍ〜約３００μｍ、約５０μｍ〜約３００μｍ、約１００μｍ〜約３００μｍ、約０．５μｍ〜約２００μｍ、約０．５μｍ〜約１００μｍ、約０．５μｍ〜約５０μｍ、約０．５μｍ〜約２０μｍ、約０．５μｍ〜約１０μｍ、約０．５μｍ〜約５μｍ）の範囲の粒子サイズを有するフライアッシュ、ボトムアッシュ、スラグから選択される。
【００５９】
本発明のケイ酸カルシウム組成物の炭酸化の例示的な実施形態では、使用される粉砕ケイ酸カルシウム粒子は、粒子サイズ分布の体積分布において１μｍより大きい累積１０％直径を有する粒子サイズを有する。
【００６０】
特定の実施形態では、フィラー粒子は、約１μｍ〜約５００μｍ（例えば、約１μｍ〜約４００μｍ、約１μｍ〜約３００μｍ、約１μｍ〜約２００μｍ、約１μｍ〜約１００μｍ、約１μｍ〜約５０μｍ、約１μｍ〜約３０μｍ、約５μｍ〜約５００μｍ、約１０μｍ〜約５００μｍ、約２０μｍ〜約５００μｍ、約５０μｍ〜約５００μｍ、約１００μｍ〜約５００μｍ、約２００μｍ〜約５００μｍ）の範囲の粒子サイズを有する石灰石、マイクロシリカ、および石英から選択される。
【００６１】
特定の実施形態では、フィラー粒子は、約２０μｍ〜約５００μｍ（例えば、約２０μｍ〜約４００μｍ、約２０μｍ〜約３００μｍ、約２０μｍ〜約２００μｍ、約２０μｍ〜約１００μｍ、約５０μｍ〜約５００μｍ、約１００μｍ〜約５００μｍ、約２００μｍ〜約５００μｍ、約３００μｍ〜約５００μｍ）の範囲の粒子サイズを有する軽量骨材から選択される。
【００６２】
特定の実施形態では、凝結制御混和剤は、グルコン酸塩およびスクロースから選択される。特定の実施形態では、分散剤／粘度調整剤は、ポリカルボキシレート系材料である。
【００６３】
例示的な実施形態において、粉砕ケイ酸カルシウムは、粉砕珪灰石であり、フィラー粒子は、粉砕石灰石およびシリカを含み、活性化剤は、粉砕石灰であり、凝固制御混和剤は、グルコン酸塩であり、粘度調整剤は、ポリカルボキシレート系材料であり、通気剤は、アルミペーストである。
【００６４】
本明細書に開示されるケイ酸カルシウム組成物、相および方法は、ケイ酸カルシウム相の代わりにまたはそれに加えてケイ酸マグネシウム相を使用するために採用され得ることが理解されるべきである。本明細書で使用される場合、「ケイ酸マグネシウム」という用語は、例えば、Ｍｇ２ＳｉＯ４（「フォステライト」としても知られる）およびＭｇ３Ｓｉ４Ｏ１０（ＯＨ）２（「タルク」としても知られる）を含むマグネシウムシリコン含有化合物の群の１つ以上から構成される天然鉱物または合成材料を指し、これらの材料は、１つ以上の他の金属イオンおよび酸化物（例えば、カルシウム、アルミニウム、鉄またはマンガンの酸化物）、またはそれらのブレンドを含むことができ、または微量（１％）から約５０重量％以上の範囲の天然または合成の形のケイ酸カルシウムの量を含むことができる。
【００６５】
本明細書で使用される「石英」という用語は、一般的な砂（建設および石造）、ならびにガラスおよび再生ガラスを含む、任意のＳｉＯ２ベースの材料を指す。この用語には、かなりの量のＳｉＯ２を含む他のリサイクルされた天然および合成材料も含まれる（例えば、マイカはＫＡｌ２（ＡｌＳｉ３Ｏ１０）（ＯＨ）２として配合されることもある）。
【００６６】
別の態様では、本発明は、概して、物品を製造するためのシステムに関する。このシステムは、エンベロープまたはチャンバーと、その中に囲まれている、複数の別個のコンクリート物体として分散された複合材料とを含む。１つ以上のダクトまたはチャネルは、複数の別個のコンクリート物体の間に、またはそれらを通して配置され、１つ以上のダクトおよびチャネル内で、および複数の別個の物体の外部と流体輸送システムを形成する。システムには、任意に、複数の別個のコンクリート物体が配置される１つ以上のボードと、１つ以上のダクトまたはチャネルを形成して流体輸送システムでの流体フロープロファイルを容易にする、平面、平面、凸面または凹面を有する１つ以上のラック、タープ、壁またはパネルも含まれる。
【００６７】
特定の実施形態では、システムは、エンベロープまたはチャンバーの少なくとも一部の流体フロープロファイルを制御する流体分配要素を含む。
【００６８】
特定の実施形態では、システムは、エンベロープまたはチャンバー全体の流体フロープロファイルを制御する流体分配要素を含む。
【００６９】
特定の実施形態では、エンベロープまたはチャンバー全体の流体フロープロファイルを制御する流体分配要素は、少なくとも１回、ガスフローの方向を変える。
【００７０】
特定の実施形態では、エンベロープまたはチャンバー全体の流体フロープロファイルを制御する流体分配要素は、少なくとも１回、ガスフローの速度を変える。
【００７１】
特定の実施形態では、流体分配要素は、流体入口、出口、プレナム、または多孔板、またはそれらの組み合わせのうちの１つ以上を含む。
【００７２】
特定の実施形態では、エンベロープまたはチャンバーは、金属、合金、プラスチック、ポリマー、ポリマー複合材、セラミック複合材、またはそれらの組み合わせから選択される材料でできている。いくつかの実施形態では、エンベロープまたはチャンバーは、コンクリート材料、または鋼、タープ、またはそれらの組み合わせでできている。
【００７３】
さらに別の態様では、本発明は、概して、製品を製造するためのプロセスに関する。
このプロセスは、粒子状組成物と液体組成物を混合して混合物を形成すること；型枠で混合物を打ち込みまたは押出またはその他の方法で形成して、複数の別個のコンクリート物体を含む打ち込みまたは押出またはその他の方法で形成された素地を生成すること（１つ以上のダクトまたはチャネルが、複数の別個のコンクリート物体と複数の別個の物体の外部との間またはそれらを通して配置されている）；１つ以上の内部ダクトまたはチャネル内および複数の別個の物体の外部でＣＯ２および／または水蒸気の雰囲気を維持すること；および周囲の大気圧から周囲より約６０ｐｓｉ高い範囲の圧力と約１０％〜約９０％の範囲のＣＯ２濃度を有する水および／またはＣＯ２の雰囲気下で、約２０℃〜約１５０℃の範囲の温度で約１時間〜約８０時間、複数の別個の物体を硬化することを含む。
【００７４】
特定の実施形態では、１つ以上の内部ダクトまたはチャネル内および／または複数の別個の物体の外部でＣＯ２および／または水蒸気の雰囲気を維持することは、１つ以上の内部チャネル内および／または複数の別個の物体の外部の雰囲気を含むこと；含まれたＣＯ２および／または水蒸気の雰囲気を循環させること；含まれた雰囲気への、または含まれた雰囲気から水蒸気を除去または追加すること；含まれる雰囲気を加熱することを含む。
【００７５】
特定の実施形態では、１つ以上の内部ダクトまたはチャネル内でＣＯ２および／または水蒸気の雰囲気を維持することは、ＣＯ２および／または水蒸気の流体フローの方向または速度を、少なくとも１回、その物体の硬化の期間中に変えることを含む。
【００７６】
特定の実施形態では、粒子状組成物は、天然または合成珪灰石、擬珪灰石、ランキナイト、ゲーレナイト、ベーライト、およびアライトの１つ以上を含み、約１μｍ〜約１００μｍの範囲の平均粒子サイズを有する粉砕ケイ酸カルシウムを含み、液体組成物は、水を含む。
【００７７】
特定の実施形態では、打ち込み混合物の硬化は、水およびＣＯ２を含み、周囲大気圧を有する蒸気下で、約６０℃以下の温度で約１０〜約５０時間行われる。
【００７８】
特定の実施形態では、粉砕ケイ酸カルシウムは、実質的に粉砕珪灰石のものである。
【００７９】
特定の実施形態では、プロセスは、混合物に１つ以上の補強要素を埋め込むことをさらに含む。
【００８０】
１つ以上の補強棒は、任意の適切な材料、例えば、鉄、鋼、ポリマー材料、ガラス、またはそれらの組み合わせで作製され得る。
【００８１】
１つ以上の補強要素は、例えば、棒、ワイヤーおよびケーブルの形態の、任意の適切なサイズおよび形状であり得る。
【００８２】
さらに別の態様では、本発明は、概して、本明細書に開示されるプロセスによって調製される物品に関する。
【００８３】
物品は、任意の適切なサイズまたは形状、または任意の適切な目的用であってもよく、例えば、舗装材、ブロック、屋根瓦、中空コアスラブ、補強を伴うまたは伴わないプレキャストコンクリート物体から選択される。
【００８４】
１つ以上のダクトまたはチャネル（中空スペースを含む）は重要な特徴であり、全体の重量、機械的特性、および機能性を含む、別個の物体の全体的な特性および性能に影響を与える。別個の物体は、チャンバー要素およびチャンバー自体とともに、事前に設計されたパターンと相互接続性で、適切な数のダクトまたはチャネルを形成できる。これらのダクトまたはチャネルは、任意の適切なサイズおよび形状（例えば、円形、楕円形、多角形、長方形または正方形）を取ることができる。それらは、任意の適切なパターンまたは相互接続性で配置され得る。
【００８５】
ダクトおよびチャネルの数、形状、サイズおよび構成は、中空コア物品の様々な機械的特性に影響を与えるであろう。本明細書でより詳細に論じられるように、ダクトおよびチャネルの数、形状、サイズ、および構成はまた、製造の利点に利用され得、例えば、硬化プロセスをスピードアップし、より均一な硬化を達成する。
【００８６】
ダクトまたはチャネルの体積は、製品の型枠形状および製品の間隔に対する形成後の変更によって、複数の別個の物体の体積の任意の適切な割合、例えば、約５体積％〜約９５体積％（例えば、約１０体積％〜約９５体積％、約２０体積％〜約９５体積％、約３０体積％〜約９５体積％、約５０体積％〜約９５体積％、約７０体積％〜約９５体積％、約５体積％〜約９０体積％、約５体積％〜約７０体積％、約５体積％〜約５０体積％、約５体積％〜約３０体積％、約５体積％〜約２０体積％）を占め得る。
【００８７】
本発明の別個の物体は、様々なサイズおよび寸法に製造することができる。典型的な乾燥打ち込み舗装材の高さは４０ｍｍ〜１２０ｍｍで、最大１．４５ｍ×１．４５ｍの領域でプレスでき、生産ボードあたり最大０．２６ｍ３の体積の複数のコンクリート物体の分布をもたらす。例えば、典型的な乾燥打ち込みコンクリート組積造ユニット（ＣＭＵ）は高さ２００ｍｍで、最大１．４５ｍ×１．４５ｍの領域でプレスすると、生産ボードあたり最大０．４３ｍ３の体積の複数のコンクリート物体が分布し得る。チャネルの数、形状、サイズ、および構成を利用して、硬化の速度と均一性を改善することによって、製造プロセスを強化できる。
【００８８】
別個の物体が舗装材である特定の実施形態では、寸法は、長さが１インチ〜２４インチ、幅が１インチ〜２４インチ、高さが０．５インチ〜６インチの範囲である。特定の実施形態では、寸法は、長さが４インチ〜１２インチ、幅が４インチ〜１２インチ、高さが１．５インチ〜５インチの範囲である。
【００８９】
別個の物体がブロックである特定の実施形態では、寸法は、長さが７と１／２インチ〜１６インチ、幅が３と１／２インチ〜１２インチ、高さが４インチ〜１６インチの範囲である。特定の実施形態では、寸法は、長さが７と１／２インチ〜１６インチ、幅が３と１／２インチ〜１２インチ、高さが６インチ〜１２インチの範囲である。
【００９０】
別個の物体が屋根瓦である特定の実施形態では、寸法は、長さが２インチ〜２４インチ、幅が２インチ〜２４インチ、および厚さが０．２５インチ〜２インチの範囲である。特定の実施形態では、寸法は、長さが４インチ〜１２インチ、幅が４インチ〜１２インチ、および厚さが０．２５インチ〜１インチの範囲である。
【００９１】
別個の物体がスラブである特定の実施形態では、寸法は、長さが４インチ〜４８インチ、幅が４インチ〜４８インチ、高さが１．５インチ〜５インチの範囲である。特定の実施形態では、寸法は、長さが４インチ〜４８インチ、幅が４インチ〜４８インチ、高さが１．５インチ〜５インチの範囲であり、通常、１４４平方インチよりも大きいフットプリントを有する。
【００９２】
別個の物体は、典型的には、ボードごとに製造されるコンクリート体積を最大化するような方法で、生産ボードにプレスされる。均一な横方向の形状の製品が製造されると、物体間の平行なギャップが残り、複数の別個の物体間にチャネルが生ずる。チャネルの数、形状、サイズ、および構成はまた、例えば、硬化プロセスを加速し、より均一な硬化を達成するために、製造の利点に利用することができる。
【００９３】
複数のコンクリート物体は、規則的な方法でチャンバーに装填される。いくつかの実施形態では、硬化チャンバーは、チャンバーまたはエンベロープを形成する。チャンバー内には、硬化のためにボードが積み重ねられ、配置される。チャンバーでは、ボードの向きと間隔を操作して、複数の別個の物体の外面、多数の別個の物体面、および流体フローを方向付けることができる、別の積み重ねられた生産ボードなどのチャンバー要素からなるチャネルを生成できる。別個の物体の形状と硬化チャンバーの流体フロープロファイルによって、最適な物体の向き、物体とチャンバー要素間の間隔、および物体と流体分配システム間の間隔が決定され、チャネルを形成する別個の物体の面にわたって高い二酸化炭素と水の拡散速度が誘導される。
【００９４】
特定の実施形態では、一連の別個の物体を製造するために使用されるコンクリート型枠は、チャンバーのフロー分布プロファイルに従って複数の別個の物体間の間隔を変更し、チャネルを形成する別個の物体の面にわたって二酸化炭素および水の拡散速度を改善するように変更される。
【００９５】
特定の実施形態では、別個の物体は、形成操作に続いて分離または移動されて、チャンバーフロー分布プロファイルに従ってコンクリート物体間の間隔を変更し、チャネルを形成する別個の物体の面にわたって二酸化炭素および水の拡散速度を改善する。
【００９６】
特定の実施形態では、製品ボードの間隔および／または製品ボードの向きを流体分配システムに対して調整して、複数の別個の物体の面の外部と、エンベロープと、複数の別個の物体とチャンバー要素によって生成されたチャネルを通る流体フローを増大させることができる。これは、複数の別個の物体およびチャンバーの関連する外面と、複数の別個の物体およびチャンバー要素の関連する外面との間の二酸化炭素および水の拡散率を増加させる。
【００９７】
特定の実施形態において、混合物を形成するステップは、ミキサー中で骨材、砂、ケイ酸カルシウムおよび水を混合することを含む／伴う。ミキサーは、従来のコンクリートを混合する際に典型的に使用されるタイプの任意のミキサーであり得る。骨材、砂、および固体をわずかに濡らすのに十分な水を完全に混合する。次に、ケイ酸カルシウムが、残りの水および任意の混和剤とともにバッチに追加される。混合物を完全に混合し、水を調整して目的の水分レベルを達成する。
【００９８】
特定の好ましい実施形態では、１つ以上の内部ダクトまたはチャネルを有する打ち込みまたは押出または他の方法で形成された素地を生成するように構成された型枠でスラリー混合物を打ち込みまたは押出するステップは、混合物を型枠または押出機に注ぐことを含む／伴う。例えば、打ち込み物を作る場合、閉じ込められた空気の除去を促進し、粒子の再配列を促進して混合物を緻密化するために、型枠を振動させることによって、または振動ワンドを型枠内の混合物に挿入することによって、混合物を振動させることができる。押し出しの場合、押出機は固定式でも移動式でもよい。固定押出機は、混合物を所望の形状に成形するチャネルを通して混合物を押し、粒子の再配列を促進して物品を高密度化する。物品は押出機内でダイから押し出され、そこで所望の長さに切断され、物品は硬化のために積み重ねられる。移動する押出機は、混合物を固定ストッパーに押し付け、混合物を望ましい形状に成形するチャネルを通過させる。混合物が固定ストッパーに押し付けられると、混合物内の圧力が増加し、粒子が再配列し、混合物が緻密化する。より多くの材料が押し出されると、圧縮された混合物が押出機を押し出しベッドに沿って押す。
【００９９】
特定の好ましい実施形態では、１つ以上の内部ダクトまたはチャネル内のＣＯ２および水蒸気の雰囲気を維持するステップは、ダクトまたはチャネル内および／または外部または物品の周囲の雰囲気を含むこと；含まれるＣＯ２および／または水蒸気の雰囲気を循環させること；含まれる雰囲気への、またはそこから水蒸気を除去または追加すること；および含まれる雰囲気を加熱することを、含む／伴う。迅速かつ／または均一な硬化を達成するために、ダクトとチャネルの数、形状、サイズ、および構成は、押し出された素地の壁とＣＯ２および水蒸気の接触面積を増やすように設計できる。一般に、硬化が進行するにつれて、温度と濃度の勾配が、含まれる雰囲気内および製品自体内で発生する。これらの勾配は認識され、制御されて、製品の均一な硬化を実現する。ＣＯ２と水蒸気のガスフローは、例えば、反対方向に振動して、内部のダクトまたはチャネルを通過し、物品の外部の外側を通過するときに勾配を反転するように制御されるため、温度と濃度勾配の影響は硬化期間全体で平均化される。
【０１００】
特定の好ましい実施形態では、複数のコンクリート物体内の、または複数のコンクリート物体とエンベロープの間、または複数のコンクリート物体とチャンバー要素の間の１つ以上のチャネル内にＣＯ２および水蒸気の雰囲気を維持するステップは、チャネル内および／またはコンクリート物体の外部の周囲の雰囲気を含むこと；含まれるＣＯ２および／または水蒸気の雰囲気を循環させること；含まれる雰囲気への、またはそこから水蒸気を除去または追加すること；および含まれる雰囲気を加熱することを含む／伴う。
【０１０１】
迅速かつ／または均一な硬化を達成するために、チャネルの数、形状、サイズおよび構成は、押し出された素地の壁とＣＯ２および水蒸気の接触面積を増加させるように設計されてもよい。一般に、硬化が進行するにつれて、温度と濃度の勾配が含まれる雰囲気内および物品自体内で発生する。これらの勾配は認識され、制御されて、物品の均一な硬化を実現する。ＣＯ２と水蒸気のガスフローは、例えば、ガスフローの方向が、勾配を逆にするために、１つの方向から他の方向に交互に逆になり、チャネルと物品の外面の外側を通過するため、温度と濃度勾配の影響は硬化期間全体で平均化される。
【０１０２】
特定の好ましい実施形態において、打ち込みまたは押出成形体を硬化させるステップは、物品をＣＯ２および／または水蒸気の雰囲気と一定期間接触させることを含む／伴う。
【０１０３】
硬化温度および時間は、所望の最終生成物に従って、例えば、水およびＣＯ２の雰囲気下で約２０℃〜約１５０℃の範囲の温度（例えば、約２０℃〜約１４０℃、約２０℃〜約１２０℃、約２０℃〜約１００℃、約２０℃〜約９０℃、約２０℃〜約８０℃、約２０℃〜約７０℃、約２０℃〜約６０℃、約３０℃〜約１００℃、約３０℃〜約９０℃、約３０℃〜約８０℃、約３０℃〜約７０℃、約３０℃〜約６０℃）で約１時間〜約８０時間（例えば、約１時間〜約７０時間、約１時間〜約６０時間、約６時間〜約８０時間、約６時間〜約７０時間、約６時間〜約６０時間、約１０時間〜約８０時間、約１０時間〜約７０時間、約１０時間〜約６０時間、約１５時間〜約６０時間、約１５時間〜約５０時間、約２０時間）で調整されてもよい。
【０１０４】
硬化プロセスの相対湿度環境は、例えば、約１０％〜約９８％（例えば、約２０％〜約９８％、約３０％〜約９８％、約５０％〜約９８％、約８０％〜約９８％、約９０％〜約９８％、約１０％〜約９０％、約１０％〜約７０％、約１０％〜約５０％、約１０％〜約４０％、約１０％〜約３０％、約１０％〜約２０％）の範囲の所望の結果に合うように、周囲の大気圧から大気圧より約１００ｐｓｉ高い範囲（例えば、周囲の大気圧から周囲よりも約９０ｐｓｉ高い、周囲の大気圧から周囲よりも約８０ｐｓｉ高い、周囲の大気圧から周囲よりも約７０ｐｓｉ高い、周囲の大気圧から周囲よりも約６０ｐｓｉ高い、周囲よりも約２０ｐｓｉ高いから周囲よりも約１００ｐｓｉ高い、周囲よりも約３０ｐｓｉ高いから周囲よりも約１００ｐｓｉ高い）のＣＯ２圧力で調整して、均一で均質な多孔質構造を示す複合材料を生成することができる。
【０１０５】
本発明のいくつかの実施形態におけるような例示的な製造において、使用される材料は、粉砕ケイ酸カルシウムである。例示的な実施形態において、本発明のケイ酸カルシウム組成物、使用される粉砕ケイ酸カルシウム粒子は、粒子サイズ分布の体積分布において１μｍより大きい累積１０％直径を有する粒子サイズを有する。
【０１０６】
粉砕ケイ酸カルシウムは、約１μｍ〜約１００μｍ（例えば、約１μｍ〜約８０μｍ、約１μｍ〜約６０μｍ、約１μｍ〜約５０μｍ、約１μｍ〜約４０μｍ、約１μｍ〜約３０μｍ、約１μｍ〜約２０μｍ、約１μｍ〜約１０μｍ、約５μｍ〜約９０μｍ、約５μｍ〜約８０μｍ、約５μｍ〜約７０μｍ、約５μｍ〜約６０μｍ、約５μｍ〜約５０μｍ、約５μｍ〜約４０μｍ、約１０μｍ〜約８０μｍ、約１０μｍ〜約７０μｍ、約１０μｍ〜約６０μｍ、約１０μｍ〜約５０μｍ、約１０μｍ〜約４０μｍ、約１０μｍ〜約３０μｍ、約１０μｍ〜約２０μｍ、約１μｍ、１０μｍ、１５μｍ、２０μｍ、２５μｍ、３０μｍ、４０μｍ、５０μｍ、６０μｍ、７０μｍ、８０μｍ、９０μｍ、１００μｍ）の平均粒子サイズ、約０．５ｇ／ｍＬ〜約３．５ｇ／ｍＬ（ゆるい、例えば０．５ｇ／ｍＬ、１．０ｇ／ｍＬ、１．５ｇ／ｍＬ、２．０ｇ／ｍＬ、２．５ｇ／ｍＬ、２．８ｇ／ｍＬ、３．０ｇ／ｍＬ、３．５ｇ／ｍＬ）のかさ密度および約１．０ｇ／ｍＬ〜約１．２ｇ／ｍＬ（タップ）、約１．５ｍ２／ｇ〜約３．５ｍ２／ｇ（例えば、１．５ｍ２／ｇ、２．０ｍ２／ｇ、２．３ｍ２／ｇ、２．５ｍ２／ｇ、２．８ｍ２／ｇ、３．０ｍ２／ｇ、３．２ｍ２／ｇ、３．５ｍ２／ｇ）の表面積を有し得る。
【０１０７】
特定の好ましい実施形態において、粒子状組成物は、約１０重量％〜約９５重量％（例えば、約２０重量％〜約９５重量％、約３０重量％〜約９５重量％、約５０重量％〜約９５重量％、約６０重量％〜約９５重量％、約２０重量％〜約９０重量％、約２０重量％〜約８０重量％、約２０重量％〜約７０重量％、約３０重量％〜約８０重量％、約５０重量％〜約８０重量％）の粉砕ケイ酸カルシウム材料を含む。
【０１０８】
別個の物体を製造するために、化学的混和剤を含めることができ；例えば、可塑剤、遅延剤、促進剤、分散剤、その他のレオロジー調整剤。ＢＡＳＦ（登録商標）ＣｈｅｍｉｃａｌｓによるＧｌｅｎｉｕｍ（商標）７５００およびＤｏｗ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  ＣｏｍｐａｎｙによるＡｃｕｍｅｒ（商標）等の特定の市販の化学混和剤も含まれ得る。特定の実施形態では、所望の複合材料に応じて、１つ以上の顔料を結合マトリックス中に均一に分散させるか、または実質的に不均一に分散させることができる。顔料は、例えば、様々な金属の酸化物（例えば、黒色酸化鉄、酸化コバルトおよび酸化クロム）を含む任意の適切な顔料であってよい。顔料は、例えば、黒色、白色、青色、灰色、ピンク色、緑色、赤色、黄色および茶色から選択される任意の１つ以上の色であってよい。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％の範囲の量で存在することができる。
【０１０９】
特定の実施形態では、顔料は、所望の複合材料に応じて、結合マトリックス中に均一に分散されてもよく、または実質的に不均一に分散されてもよい。顔料は、例えば、様々な金属の酸化物（例えば、黒色酸化鉄、酸化コバルトおよび酸化クロム）を含む任意の適切な顔料であってよい。顔料は、例えば、黒色、白色、青色、灰色、ピンク色、緑色、赤色、黄色および茶色から選択される任意の１つ以上の色であってよい。顔料は、所望の複合材料に応じて任意の適切な量で、例えば、約０．０重量％〜約１０重量％（例えば、約０．０％〜約８％、約０．０％〜約６％、約０．０％〜約５％、約０．０％〜約４％、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％）の範囲の量で存在し得る。
【０１１０】
したがって、所望の製造プロセスを達成するために、様々な反応温度、圧力および反応の長さを含む、硬化条件の様々な組み合わせを考えだすことができる。第１の例示的な実施形態では、液体形態の水とＣＯ２ガスが、乾燥オーブンで予備乾燥された物品に供給され、硬化プロセスが約９０℃および約２０ｐｓｉｇ（すなわち、周囲圧力より２０ｐｓｉ高い）で約４８時間行われる。第２の例示的な実施形態では、水が前駆体材料中に存在し（例えば、前の混合ステップからの残留水として）、ＣＯ２ガスが物品に供給され、硬化プロセスが約６０℃および０ｐｓｉｇで（周囲大気圧で）約１９時間行われる。第３の例示的な実施形態では、水はＣＯ２と共に蒸気形態で物品に供給され、硬化プロセスは約９０℃および２０ｐｓｉｇ（周囲大気圧より２０ｐｓｉ高い）で約１９時間行われる。
【０１１１】
物品の特性、製造時間および規模は、例えば、硬化技術（例えば、ＣＯ２供給、システム圧力および温度）ならびに混合比率と構成要素を調整することによって、本明細書の開示に基づいて微調整できることに留意されたい。
【０１１２】
使用される材料および有利な環境的および経済的利益を提供する製造プロセスに加えて、本発明の中空コア物品は、従来のコンクリートから作製された中空コア製品よりも性能において多くの利点を提供し、例えば、通常のポルトランドセメントを使用して製造されたプレキャストコンクリート製品の場合よりもはるかに短い時間で安定した特性を達成できる。
【０１１３】
・結合要素、結合マトリックス、および複合材料
・化学的議論
本発明は、ＣＯ２消費反応によって主に硬化される新規の複合材料を製造するために使用される装置および方法を提供する。これらの材料は有用な特性を示し、広く利用可能な低コストの前駆体材料から、環境への影響を最小限に抑えた大規模生産に適したプロセスで容易に製造できる。前駆体材料は、安価で豊富なケイ酸カルシウムリッチな組成物、微粒子および粗い粒子を含む。ケイ酸カルシウム組成物は、様々なケイ酸カルシウム相（例えば、ＣＳ、Ｃ３Ｓ２、Ｃ２Ｓおよびケイ酸カルシウム系アモルファス相を含む）を含む粉砕生成物から構成されてもよい。微粒子と粗い粒子は、石灰岩または他の炭酸カルシウム系材料、粉砕石英または他のＳｉＯ２系材料、砂および砕石で構成されていてもよい。微粒子と粗い粒子は、花崗岩、雲母、長石などの砕かれた鉱物で構成されている場合もある。その他のプロセス要素には、水とＣＯ２が含まれる。１つ以上の顔料（例：黒色酸化鉄、酸化コバルト、酸化クロム）着色ガラスおよび／または着色石英から選択される添加剤など、さまざまな添加剤を使用して、得られる複合材料の物理的外観および／または機械的特性を変更および微調整できる。水の使用量の削減やレオロジーの変化に関する添加剤も使用できる。
【０１１４】
本明細書に開示されるように、複合材料は、エネルギー効率の良い水熱液相焼結（ＨＬＰＳ）プロセスを使用して製造され、複合材料の様々な要素を一緒に保持する結合要素を生成することができる。複合材料は、低コストで製造でき、環境に好ましい影響を与えることができる。例えば、本発明の好ましい実施形態では、ＣＯ２が反応種として使用され、ＣＯ２の隔離と、既存の製造技術では比類のないカーボンフットプリントを有する製造された複合材料における結合要素の生成をもたらす。ＨＬＰＳプロセスは、化学反応の自由エネルギーと結晶成長によって引き起こされる表面エネルギー（面積）の減少によって熱力学的に推進される。高融点流体または高温固体媒体を使用する代わりに溶液（水性または非水性）を使用して反応種を輸送するため、ＨＬＰＳプロセスの速度論は低温で妥当な速度で進行する。
【０１１５】
ＨＬＰＳ、炭酸化性ケイ酸カルシウム系セメント、結合要素の炭酸化および形成、その装置およびプロセスの様々な特徴の議論、ならびに関連するトピックは、米国特許第８，１１４，３６７号、米国特許公開第２００９／０１４３２１１号（出願番号１２／２７１，５６６）、米国特許公開第２０１１／０１０４４６９号（出願番号１２／９８４，２９９）、米国特許公開第２００９／０１４２５７８号（出願番号１２／２７１，５１３）、米国特許公開第２０１３／０１２２２６７号（出願番号１３／４１１，２１８）、米国特許公開第２０１２／０３１２１９４号（出願番号１３／４９１，０９８）、国際公開第２００９／１０２３６０号（ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０８３６０６）、国際公開第２０１１／０５３５９８号（ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０５４１４６）、国際公開第２０１１／０９０９６７号（ＰＣＴ／ＵＳ２０１１／０２１６２３）、２０１２年１０月１日出願の米国仮特許出願番号６１／７０８，４２３、米国特許公開第２０１４／０１２７４５０号（出願番号１４／０４５，７５８）、米国特許公開第２０１５／０２６６７７８号（出願番号１４／０４５，５１９）、米国特許公開第２０１４／０１２７４５８号（出願番号１４／０４５，７６６）、米国特許公開第２０１４／０３４２１２４号（出願番号１４／０４５，５４０）、米国特許公開第２０１４／０２７２２１６号（出願番号１４／２０７，４１３）、米国特許公開第２０１４／０２６３６８３号（出願番号１４／２０７，４２１）、米国特許公開第２０１４／０３１４９９０号（出願番号１４／２０７，９２０）、米国特許第９，２２１，０２７号（出願番号１４／２０９，２３８）、米国特許公開第２０１４／０３６３６６５号（出願番号１４／２９５，６０１）、米国特許公開第２０１４／０３６１４７１号（出願番号１４／２９５，４０２）、米国特許公開第２０１６／０３５５４３９号（出願番号１４／５０６，０７９）、米国特許公開第２０１５／０２２５２９５号（出願番号１４／６０２，３１３）、米国特許公開第２０１５／００５６４３７号（出願番号１４／４６３，９０１）、米国特許公開第２０１６／０１６８７２０号（出願番号１４／５８４，２４９）、米国特許公開第２０１５／０３３６８５２号（出願番号１４／８１８，６２９）、米国特許公開第２０１６／００３１７５７号（出願番号１４／８１７，１９３）、米国特許公開第２０１６／０２７２５４４号（出願番号１５／０７４，６５９）、米国特許公開第２０１６／００９６７７３号（出願番号１４／８７４，３５０）、米国特許公開第２０１６／０３４０２６１号（出願番号１４／７１５，４９７）、米国特許公開第２０１６／０２７２５４５号（出願番号１５／０７４，６９２）、米国特許公開第 ２０１７／０１０２３７３号（出願番号１５／２９０，３２８）、米国特許公開第２０１７／０１２１２２３号（出願番号１５／３３５，５２０）、米国特許公開第２０１７／０２０４０１０号（出願番号１５／４０９，３５２）、米国特許公開第２０１７／０２５３５３０号（出願番号１５／４４９，７３６）、米国特許公開第２０１７／０２６００９６号（出願番号１５／４５１，３４４）、米国特許公開第２０１７／０３２０７８１号（出願番号１５��５８７，７０５）、２０１７年５月３１日出願の米国特許出願番号１５／６０９，９０８、２０１７年９月２６日出願の米国特許出願番号１５／７１６，３９２に見出すことができ、これらの各々は、すべての目的のために参照によりその全体が本明細書に明示的に組み込まれる。
【０１１６】
図１〜図８は、記載されたいくつかの材料の間の様々な相の相互関係を示す相図である。
【０１１７】
特定の好ましい実施形態において、複数の結合要素は、ガス支援ＨＬＰＳプロセスによってそれらをＣＯ２と反応させることによって、粉砕ケイ酸カルシウム組成物からの化学変換によって調製される。
【０１１８】
特定の実施形態において、複合材料は、約９０ＭＰａ〜約１７５ＭＰａ（例えば、約９０ＭＰａ〜約１５０ＭＰａ、約９０ＭＰａ〜約１４０ＭＰａ、約９０ＭＰａ〜約１３０ＭＰａ、約９０ＭＰａ〜約１２０ＭＰａ、約９０ＭＰａ〜約１１０ＭＰａ、約１００ＭＰａ〜約１７５ＭＰａ、約１２０ＭＰａ〜約１７５ＭＰａ、約１３０ＭＰａ〜約１７５ＭＰａ、約１４０ＭＰａ〜約１７５ＭＰａ、約１５０ＭＰａ〜約１７５ＭＰａ、約１６０ＭＰａ〜約１７５ＭＰａ）の圧縮強度を特徴とする。
【０１１９】
特定の実施形態では、複合材料は、約５ＭＰａ〜約３０ＭＰａ（例えば、約５ＭＰａ〜約２５ＭＰａ、約５ＭＰａ〜約２０ＭＰａ、約５ＭＰａ〜約１５ＭＰａ、約５ＭＰａ〜約１０ＭＰａ、約１０ＭＰａ〜約３０ＭＰａ、約２０ＭＰａ〜約３０ＭＰａ、約２５ＭＰａ〜約３０ＭＰａ）の曲げ強度を特徴とする。
【０１２０】
特定の実施形態において、複合材料は、約１０％未満（例えば、約８％、５％、４％、３％、２％、または１％未満）の吸水を特徴とする。
【０１２１】
複合材料は、所望の質感、パターン、および物理的特性、特に天然石に特徴的なもののうちの１つ以上を表すことができる。特定の好ましい実施形態では、複合材料は、天然石と同様の視覚的パターンを示す。その他の特性には、色（例えば、黒、白、青、ピンク、グレー（淡〜暗）、緑、赤、黄色、茶色、シアン（青緑）または紫）および質感などがある。
【０１２２】
・機器と処理の議論
・ＣＯ２制御
記載された実施形態では、約９９％の純度の工業用ＣＯ２が使用され、これは、Ｐｒａｘａｉｒ、Ｉｎｃ．、Ｌｉｎｄｅ  ＡＧ、Ａｉｒ  Ｌｉｑｕｉｄｅなどの様々な異なる工業用ガス会社によって提供される。この供給は、約３００ＰＳＩＧの蒸気圧を維持するような温度に調整された液体二酸化炭素の形で、大きな加圧保持タンクに保持できる。次に、このガスはＣＯ２硬化エンクロージャーまたはチャンバーに配管される。最も単純なシステムでは、ＣＯ２は、エンクロージャー内の周囲の空気を追い出すのに十分な速度でエンクロージャーを通って流れる。一般に、パージ時間はエンクロージャーのサイズとＣＯ２ガスが供給される速度に依存する。多くのシステムでは、空気のエンクロージャーをパージするこのプロセスは、ＣＯ２濃度を妥当なレベルに上げるために分単位で測定される時間で実行でき、その後硬化を実行できる。単純なシステムでは、ＣＯ２ガスが所定の速度でシステムに供給され、硬化反応を促進するのに十分なＣＯ２の濃度を維持する。
【０１２３】
例として、ここでは、非常に一貫した濃度を維持するのによく適した、反応中に二酸化炭素濃度を維持する方法について説明するが、これは、最も高価な技術になる傾向がある「閉ループ」プロセスである。この方法は、システム内のＣＯ２濃度の測定を直接使用し、ＰＬＣなどのコントローラーを使用して、設定点での電子／自動制御バルブでＣＯ２濃度を制御する。ＮＤＩＲのようなＣＯ２を直接測定する測定技術を採用することが望ましい。ＮＤＩＲ測定方法では、ガスサンプルストリームは、低流量ポンプを介してシステムから引き出される。チラーは、ＮＤＩＲ装置によってサンプリングされる前に、ガスストリームから水分を取り除くために使用される。したがって、アナライザーによって提供される測定には、ガスストリームの水蒸気成分が欠落しており、テストサンプルから除去された湿度を考慮して調整する必要がある。システムガスフローの湿度の測定は、乾球湿球湿度測定技術を使用して、乾球湿球湿度測定デバイスを使用して、または異なるタイプの水分センサーを使用して実行できる。真のＣＯ２濃度は、コンピューター制御システムまたはＰＬＣを使用して計算できる。真のＣＯ２濃度がわかると、作動した比例制御バルブは、乾燥したＣＯ２が消費され、その時点で望ましい設定値を下回ったときに乾燥したＣＯ２をシステムに追加できる。様々な実施形態において、設定点は、必要に応じて、特定の組成物、複合材料試料の形状およびサイズを硬化する経験に基づいて、時間とともに変化し得る。
【０１２４】
・湿度制御
図９は、本発明の原理による加湿を提供するＣＯ２複合材料硬化チャンバーの概略図である。図９では、水供給が提供され、水蒸気が硬化チャンバー内を循環している雰囲気に加えられる。水は、飲料水の便利な供給源であり得る。いくつかの実施形態では、通常の水道水が使用される。いくつかの実施形態において、水は、霧化ノズルまたは噴霧スプレーノズル、電気蒸気発生器、ガス燃焼蒸気発生器を通って流れることによって、または例は、浸漬ヒーターを備えたドラム反応器である液体水供給からの蒸発を引き起こすようにチャンバー内のガス温度を超えて加熱されることによって、蒸気に変換され得る。さらに別の実施形態では、入ってくるガスストリームの相対湿度を上げるために、加熱された水供給を通じて泡立てられた後、ＣＯ２供給をシステムに流すことができ、一例は、「フロースルー」または「開ループ」用に構成されたドラム反応器である。
【０１２５】
相対湿度は、従来のコンクリート硬化およびＣＯ２複合材料硬化の両方において重要なパラメーターである。従来の硬化チャンバーには、主に窒素、酸素、および水蒸気で構成される湿った空気雰囲気が存在する。これらのシステムでは、ほとんどの場合、相対湿度は標準の静電容量センサー技術によって測定される。ただし、ＣＯ２硬化チャンバーには、これらのセンサーの一部のタイプと互換性のない、主に二酸化炭素で構成されるガス雰囲気がある。ここで説明するＣＯ２複合材料硬化システムでは、二酸化炭素と水蒸気または双極子分極水蒸気測定機器、冷却ミラー湿度計、または静電容量湿度センサーの湿度比を利用する乾球湿球技術などのセンシング技術を使用できる。
【０１２６】
硬化される製品のタイプおよび形状、チャンバーの設計、およびチャンバー内での製品の充填効率に応じて、湿度を減少または増加させ、特定の設定点に調整する必要がある場合がある。設定値の範囲は、相対湿度１％〜９９％である。湿度制御のための３つの異なる方法が、単一のシステムに組み合わせることができるＣＯ２複合材料の硬化プロセスに存在する場合がある。ＣＯ２硬化システムの一実施形態における加湿のための１つの方法が、図９に表されている。別の方法では、システムから水分を除去して、複合材料製品をＣＯ２で硬化させることができる。相対湿度を下げる簡単な方法は、システム内の湿ったガスを二酸化炭素などの乾燥ガスで置き換えることである。さらに別の実施形態では、相対湿度を下げることができ、したがって、非パージ方法によってガスから水蒸気を除去することができ、これは、好ましい一実施形態では、水抽出を実行する冷却熱交換器である。
【０１２７】
図１０は、湿度制御の複数の方法、ならびに一定の流れまたは圧力調節を使用してＣＯ２を制御および補充する能力を有し、本発明の原理に従って温度を制御できる硬化チャンバーの概略図である。このシステムは、閉ループ制御またはフィードバックを使用した制御を提供できるシステムの例であり、プロセスサイクルの特定の時間に必要なＣＯ２濃度、湿度、温度などの動作パラメーターの設定値が提供され、制御されているパラメーターの実際の値が目的の値かどうかを確認するために測定される。目的の値からの偏差が測定された場合は、パラメーターの値が目的の値と一致するように修正アクションが実行される。このような制御システムは高価で複雑になる可能性があり、高価値の製品または非常に正確なプロセス条件を必要とする製品に関しては役立つ場合がある。
【０１２８】
・温度制御
いくつかの実施形態では、温度は、熱電対またはＲＴＤなどのセンサーを利用して測定される。測定信号は、熱交換器へのエネルギーを調整し、それによってシステム全体の温度を経時的に調整できるコントローラーまたはコンピューターに送り返される。ブロワーは、サンプルの制御された水分の重要な部分である製品とチャンバー自体に伝達するガスに熱エネルギーを伝達するのに役立つため、加熱システムの重要な要素である。加熱の方法は、電気またはガス燃焼がある。ジャケットヒーターは、加熱ジャケットと接触しているチャンバーを通って流れるＣＯ２の温度を制御するために使用でき、任意の便利な熱源を使用できる。外部加熱の手段には、電気加熱、温水加熱、または熱油加熱が含まれ得るが、これらに限定されない。ＣＯ２硬化チャンバーでは、これまで間接ガス燃焼システムが利用されており、直接燃焼ガスバーナーはそれらが空気と燃焼生成物をシステムに引き込み、それによってＣＯ２を希釈し、ＣＯ２濃度の制御を困難にするため、避けられていた。ドラムリアクターなどの一部の小規模システムは、チャンバー内の加熱要素ではなく、電気ジャケットヒーターを使用してチャンバーの表面全体を加熱する。
【０１２９】
・ガスフロー制御
別の制御パラメーターは、システムで硬化される材料にわたるガス速度である。ガスの速度は、これらに限定されないが、チャンバーの設計、バッフルの設計、ファンのサイズ、ファンの速度／電力、ファンの数、システム内の温度勾配、システム内のラック設計、システム内のサンプル形状など、プロセス機器の変数に大きく依存する。チャンバー内のガス速度を制御する最も簡単な方法は、ブロワー速度（ＲＰＭ）を調整することであり、通常、可変周波数ドライブを使用してブロワーモーター速度を制御できるようにする。ブロワーを使用して、硬化チャンバー内でガスを所望の速度で循環させることができる。システム内のガス速度は、ピトー管測定およびレーザードップラー検出システムを含むがこれらに限定されない様々な異なる技術を介してシステム内で測定される。ガス速度の測定信号は、コンピューターシステムまたはプログラマブルロジックコントローラーに送り返され、硬化プロファイルの制御パラメーターとして利用できる。
【０１３０】
・複合材料を準備するプロセス
複合材料を調製するための一般的なプロセスは、粒子組成物と液体組成物を混合して、スラリー混合物を作成すること；スラリーを型枠に流し込み打ち込むこと、スラリーを型枠でプレスすること、スラリーを振動する型枠でプレスすること、スラリーを押し出すこと、スラリーをスリップ成形すること、またはコンクリート製造で一般的であるその他の形状成形方法を使用することによって、スラリー混合物を所望の形状に成形すること、形成されたスラリー混合物を、水とＣＯ２を含み、ほぼ大気圧から周囲の大気圧より約５０ｐｓｉ高い範囲の圧力と、約１０％〜約９０％の範囲のＣＯ２濃度を有する蒸気下で、約１時間〜約８０時間、約２０℃〜約１５０℃の範囲の温度で硬化させて、質感および／またはパターン、および圧縮強度、曲げ強度、密度、耐劣化性などに関する望ましい物理的特性を示す複合材料を生成することを含む。
【０１３１】
粒子状組成物は、約１μｍ〜約１００μｍの範囲の平均粒子サイズを有する粉砕ケイ酸カルシウム組成物を含む。さらに、粒子状組成物は、約３μｍ〜約２５ｍｍの範囲の平均粒子サイズを有する粉砕炭酸カルシウムまたはＳｉＯ２含有材料を含み得る。液体組成物は水を含み、水溶性分散剤を含んでもよい。
【０１３２】
このプロセスは、打ち込み混合物を硬化させる前に、打ち込み混合物を乾燥させるステップをさらに含むことができる。粒子状組成物は、本明細書で論じられるように、顔料または着色剤をさらに含む。
【０１３３】
特定の実施形態では、形成されたスラリー混合物を硬化することは、水およびＣＯ２を含み、周囲気圧〜周囲気圧より約３０ｐｓｉ高い範囲の圧力を有する蒸気下で、約３０℃〜約１２０℃の範囲の温度で、約１時間〜約７０時間行われる。
【０１３４】
特定の実施形態では、形成されたスラリー混合物を硬化することは、水およびＣＯ２を含み、周囲気圧〜周囲気圧より約３０ｐｓｉ高い範囲の圧力を有する蒸気下で、約６０℃〜約１１０℃の範囲の温度で、約１時間〜約７０時間行われる。
【０１３５】
特定の実施形態では、形成されたスラリー混合物を硬化することは、水およびＣＯ２を含み、周囲気圧〜周囲気圧より約３０ｐｓｉ高い範囲の圧力を有する蒸気下で、約８０℃〜約１００℃の範囲の温度で、約１時間〜約６０時間行われる。
【０１３６】
特定の実施形態では、形成されたスラリー混合物を硬化することは、水およびＣＯ２を含み、周囲気圧を有する蒸気下で、約６０℃以下の温度で、約１時間〜約５０時間行われる。
【０１３７】
例えば、いくつかの実施形態では、粉砕ケイ酸カルシウム組成物は、約１μｍ〜約１００μｍ（例えば、約１μｍ、１０μｍ、１５μｍ、２０μｍ、２５μｍ、３０μｍ、４０μｍ、５０μｍ、６０μｍ、７０μｍ、８０μｍ、９０μｍ、１００μｍ）の平均粒子サイズ、約０．５ｇ／ｍＬ〜約３．５ｇ／ｍＬのかさ密度（ゆるい、例えば、０．５ｇ／ｍＬ、１．０ｇ／ｍＬ、１．５ｇ／ｍＬ、２．０ｇ／ｍＬ、２．５ｇ／ｍＬ、２．８ｇ／ｍＬ、３．０ｇ／ｍＬ、３．５ｇ／ｍＬ）、約１．０ｇ／ｍＬ〜約１．２ｇ／ｍＬ（タップ）、約１５０ｍ２／ｋｇ〜約７００ｍ２／ｋｇのブレーン表面積（例えば、１５０ｍ２／ｋｇ、２００ｍ２／ｋｇ、２５０ｍ２／ｋｇ、３００ｍ２／ｋｇ、３５０ｍ２／ｋｇ、４００ｍ２／ｋｇ、４５０ｍ２／ｋｇ、５００ｍ２／ｋｇ、５５０ｍ２／ｋｇ、６００ｍ２／ｋｇ、６５０ｍ２／ｋｇ、７００ｍ２／ｋｇ）を有する。
【０１３８】
特定の好ましい実施形態では、液体組成物は、水と、液体組成物の約０．１％〜約２％ｗ／ｗの濃度を有するポリマー塩（例えば、アクリルホモポリマー塩）を含む水溶性分散剤とを含む。
【０１３９】
本明細書に開示されるプロセスに従って調製される複合材料は、約３．０ＭＰａ〜約３０．０ＭＰａ（例えば、約３ＭＰａ、５ＭＰａ、１０ＭＰａ、１５ＭＰａ、２０ＭＰａ、２５ＭＰａ、３０ＭＰａ）の圧縮強度、約０．３ＭＰａ〜約４．０ＭＰａ（例えば、約０．３ＭＰａ、０．５ＭＰａ、１．０ＭＰａ、１．５ＭＰａ、２．０ＭＰａ、２．５ＭＰａ、３．０ＭＰａ、３．５ＭＰａ、４．０ＭＰａ）の曲げ強度を示すことができる。
【０１４０】
例えば、本明細書に開示されるケイ酸カルシウム組成物を含む、任意の適切な前駆体材料を使用することができる。カルシウムカチオンがケイ酸カルシウム組成物粒子から浸出し、ケイ酸カルシウム組成物粒子の周辺部分をカルシウム欠乏状態に変換すると考えられている。カルシウムカチオンが粒子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、破壊され、それによって粒子のカルシウム不足の周辺部分が主にシリカリッチな第１層に変換される。その間、主に炭酸カルシウムの第２層が水から沈殿する。この３層構造の例を、米国特許公開第２０１３／０１２２２６７号（図６（ａ）〜６（ｃ）から複製して図１３に示し、例示的な結合マトリックスのエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）化学マッピングの例を示し、Ｓｉ（図１３ａ）とＣａ（図１３ｂ）マップの重ね合わせを示している。図１３ｃでは、ＣａＳｉＯ、ＳｉＯ２、およびＣａＣＯ３の領域が矢印で示されている。珪灰石（ＣａＳｉＯ３）コア粒子は、ＳｉＯ２リッチな領域によってカプセル化され、ＣａＣＯ３粒子に囲まれている。結合マトリックスのさまざまな要素は、ＣａＣＯ３粒子によって結合されている。この組成物のＸＲＤから、ＣａＳｉＯ３とＣａＣＯ３（方解石）は結晶相であり、シリカリッチな領域はアモルファスであることがわかった。
【０１４１】
本明細書で使用する場合、「粗い」および「微細な」フィラー粒子という用語は、適切な粒子サイズおよびサイズ分布を有する任意の適切な材料を指す。特定の好ましい実施形態では、例えば、フィラー粒子は、石灰石（例えば、粉砕石灰石）などの炭酸カルシウムリッチな材料から作られる。特定の材料では、フィラー粒子は、石英、マイカ、花崗岩、長石など（例えば、粉砕石英、粉砕雲母、粉砕花崗岩、粉砕長石）の１つ以上のＳｉＯ２系またはケイ酸塩系の材料から作られている。
【０１４２】
特定の実施形態において、フィラー粒子は、ガラス、リサイクルガラス、石炭スラグ、フライアッシュ、炭酸カルシウムリッチな材料および炭酸マグネシウムリッチな材料などの天然、合成およびリサイクル材料を含み得る。
【０１４３】
特定の実施形態において、複数の「粗い」および「微細な」フィラー粒子は、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２０μｍ〜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１００μｍ〜約４ｍｍ、約１００μｍ〜約３ｍｍ、約１００μｍ〜約２ｍｍ、約１００μｍ〜約１ｍｍ）の範囲の平均粒子サイズを有する。
【０１４４】
いくつかの実施形態では、結合要素と「粗い」および「微細な」フィラー粒子の重量比は、複合材料製品の意図される用途に応じて、任意の適切な比であってよい。例えば、結合要素と「粗い」および「微細な」フィラー粒子の重量比は、約（５０〜９９）：約（１〜５０）、例えば、約（６０〜９９）：約（１〜４０）、約（８０〜９９）：約（１〜２０）、約（９０〜９９）：約（１〜１０）、約（５０〜９０）：約（１０〜５０）、約（５０〜７０）：約（３０〜５０）の範囲であり得る。特定の実施形態では、用途に応じて、結合要素とフィラー粒子の重量比は、約（１０〜５０）：約（５０〜９０）、例えば、約（３０〜５０）：約（５０〜７０）、約（４０〜５０）：約（５０〜６０）の範囲であり得る。
【０１４５】
より具体的には、第１層および第２層は、試薬としてではなく、反応媒体として水を使用でき（すなわち、水は消費されない）以下の反応（１〜３）に従って、前駆体粒子から形成され得る：
ＣａＳｉＯ３（固）＋ＣＯ２（気）→ＣａＣＯ３（固）＋ＳｉＯ２（固）  （１）
Ｃａ３Ｓｉ２Ｏ７（固）＋３ＣＯ２（気）→３ＣａＣＯ３（固）＋２ＳｉＯ２（固）  （２）
Ｃａ２ＳｉＯ４（固）＋２ＣＯ２（気）→２ＣａＣＯ３（固）＋ＳｉＯ２（固）  （３）
【０１４６】
例えば、ケイ酸カルシウム組成物を用いるなどのケイ酸塩鉱物炭酸化反応では、ＣＯ２は、水などの浸透流体に溶解する気相として導入される。ＣＯ２が溶解すると、酸性炭酸種（炭酸、Ｈ２ＣＯ３など）が形成され、溶液のｐＨが低下する。弱酸性溶液は、ケイ酸カルシウム相からのカルシウム種を一致せずに溶解する。カルシウムは、同様のメカニズムで、カルシウム含有アモルファス相から浸出する可能性がある。放出されたカルシウムカチオンおよび解離した炭酸塩種は、不溶性炭酸塩の沈殿をもたらす。シリカリッチな層は、カルシウムが枯渇した層として鉱物粒子上に残ると考えられている。
【０１４７】
したがって、本発明の好ましい実施形態によれば、ＣＯ２はケイ酸カルシウム組成物前駆体コアのカルシウムカチオンと優先的に反応し、それにより前駆体コアの周辺部分をシリカリッチな第１層および炭酸カルシウムリッチな第２層に変換する。また、コア上の第１および第２の層の存在は、ケイ酸カルシウムと二酸化炭素との間のさらなる反応に対する障壁として機能し、コア、第１の層および第２の層を有する結合要素をもたらす。
【０１４８】
いくつかの実施形態では、Ｃａ以外の金属またはＣａに加えて金属を有するケイ酸塩材料、例えばフォステライト（Ｍｇ２ＳｉＯ４）、透輝石（ＣａＭｇＳｉ２Ｏ６）、およびタルク（Ｍｇ３Ｓｉ４Ｏ１０（ＯＨ）２）は、上記のケイ酸カルシウムの反応と同様の方法で水中に溶解した二酸化炭素と反応することができる。そのようなケイ酸塩材料は、本発明の原理による結合要素の前駆体として、単独で、組み合わせて、および／またはケイ酸カルシウムと組み合わせて使用できると考えられている。
【０１４９】
ガス支援ＨＬＰＳプロセスは、ガス拡散が多孔質プリフォームに迅速に浸透し、溶解したＣＯ２で細孔内の薄い液体界面溶媒膜を飽和できるように、部分的に浸透した細孔空間を利用することが好ましい。ＣＯ２系化学種は、純水への溶解度が低い（２５℃、１ａｔｍで１．５ｇ／Ｌ）。したがって、かなりの量のＣＯ２は、有意な炭酸塩変換を可能にするために、多孔質プリフォーム全体に継続的に供給され、その全体に分配されなければならない。気相拡散を利用すると、液相での同等の時間に可溶性ＣＯ２を拡散する場合よりも、拡散距離が大幅に（約１００倍）増加する（「Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ａｎｄ  ｐｈｙｓｉｃｓ」、編集者：Ｄ．Ｒ．Ｌｉｄｅ、第６章および第８章、第８７版２００６−２００７、ＣＲＣ）。この部分的に浸透した状態では、一定期間で反応を高度の炭酸化に進めることができる。
【０１５０】
細孔中の液体水は、炭酸種とカルシウム種の両方のイオン化のための媒体を提供するため、反応速度を速める。ただし、ＣＯ２ガスが細孔結合水相に溶解する前に多孔質マトリックスに拡散できるように、水のレベルは十分に低くする必要がある。さらに、積極的に溶解する多孔質プリフォームは、拡張反応性結晶成長のテンプレートとして機能する。したがって、結合要素およびマトリックスは、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、他の多くの用途に加えて、インフラおよび建築材料に必要なものなど、大きくて複雑な形状を実現できる。
【０１５１】
したがって、所望の製造プロセスを達成するために、様々な反応温度、圧力および反応の長さを含む、硬化条件の様々な組み合わせを考え出すことができる。第１の例示的な実施形態では、水は（例えば、前の混合ステップからの残留水として）前駆体材料中に存在し、液体水がＣＯ２と共に前駆体材料に提供され（例えば、水レベルを維持し、および／または蒸発による水の損失を制御するため）、硬化プロセスは、約９０℃で約２０ｐｓｉｇ（すなわち、周囲圧力より２０ｐｓｉ高い）で、約２〜９０時間の範囲の時間行われる。
【０１５２】
第２の例示的な実施形態では、水は（例えば、前の混合ステップからの残留水として）前駆体材料中に存在し、水蒸気がＣＯ２と共に前駆体材料に提供され（例えば、水レベルを維持し、および／または蒸発による水の損失を制御するため）、硬化プロセスは、約９０℃で約２０ｐｓｉｇ（すなわち、周囲圧力より２０ｐｓｉ高い）で、約２〜９０時間の範囲の時間行われる。
【０１５３】
第３の例示的な実施形態では、水は（例えば、前の混合ステップからの残留水として）前駆体材料中に存在し、水蒸気がＣＯ２と共に前駆体材料に提供され（例えば、水レベルを維持し、および／または蒸発による水の損失を制御するため）、硬化プロセスは、約２５〜９０℃で約０ｐｓｉｇ（すなわち、周囲大気圧）で、約２〜７２時間行われる。
【０１５４】
上記の実施形態では、複合材料物体の硬化に必要な時間は、物体全体に拡散する水蒸気およびＣＯ２ガスの能力によって決定される。一般に、厚い物体は薄い物体よりも硬化に時間がかかる。同様に、密度が高い（および開気孔のスペースが少ない）物体は、密度が低い（開気孔のスペースが多い）物体よりも硬化に時間がかかる。次の表は、３次元の最小の厚さ（または壁の厚さまたは断面の厚さ）と、製造される物体のかさ密度に関して、硬化時間がどのように変化するかを示す例である。
【０１５５】
【表１】
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【０１５６】
・製造された微細構造の議論
図１１（ａ）〜１１（ｃ）に概略的に示すように、結合要素は、コア（黒い内側部分で表される）、第１の層（白い中央部分で表される）、および第２または封入層（外側部分で表される）を含む。第１の層は、１つだけの層または複数の副層を含むことができ、コアを完全にまたは部分的に覆うことができる。第１の層は、結晶相、アモルファス相またはそれらの混合物中に存在し得、そして連続相中にあり得るか、または別個の粒子としてあり得る。第２の層は、１つの層のみまたは複数の副層を含むことができ、第１の層を完全にまたは部分的に覆うこともできる。第２の層は、複数の粒子を含み得るか、または最小の別個の粒子を有する連続相のものであり得る。
【０１５７】
接合要素は、意図される用途に応じて、任意のサイズおよび任意の規則的または不規則な、中実または中空の形態を示し得る。例示的な形態には、立方体、直方体、プリズム、ディスク、ピラミッド、多面体または多面体粒子、円柱、球、円錐、リング、管、三日月、針、繊維、フィラメント、フレーク、球、亜球、ビーズ、ブドウ、顆粒、長方形、棒、波紋などが含まれる。
【０１５８】
一般に、本明細書でより詳細に論じられるように、結合要素は、変換プロセスを通じて反応性前駆体材料（例えば、前駆体粒子）から生成される。前駆体粒子は、それらが意図された用途のニーズを満たす限り、任意のサイズおよび形状を有することができる。変換プロセスは一般に、前駆体粒子の同様のサイズおよび形状を有する対応する結合要素をもたらす。
【０１５９】
結合マトリクス内で、結合要素は、いくつかの向きのうちの任意の１つで、互いに対して配置されてもよい。図１２（ａ）〜１２（ｆ）は、結合要素間の間隔で表されるように、フィラー材料の組み込みによって希釈される可能性のある異なる方向の繊維状または小板形状の結合要素を含む例示的な結合マトリックスを概略的に示している。例えば、図１２（ａ）は、一方向（「１−Ｄ」）方向に整列した（例えば、ｘ方向に対して整列した）繊維形状の結合要素を含む結合マトリックスを示す。図１２（ｂ）は、二方向（「２−Ｄ」）方向に整列した（例えば、ｘおよびｙ方向に対して整列した）小板形状の結合要素を含む結合マトリックスを示す。図１２（ｃ）は、３方向（「３−Ｄ」）配向で整列した（例えば、ｘ、ｙおよびｚ方向に関して整列した）小板形状の結合要素を含む結合マトリックスを示す。図１２（ｄ）は、ランダムな配向の小板形状の結合要素を含む結合マトリックスを示し、結合要素は、特定の方向に関して整列していない。図１２（ｅ）は、３−Ｄ方向で整列した比較的高濃度の小板形状の結合要素を含む結合マトリックスを示す。図１２（ｆ）は、ランダムな配向（パーコレーションネットワーク）に配置された比較的低濃度の小板形状の結合要素を含む結合マトリックスを示す。図１２（ｆ）の複合材料は、接触の連続的なネットワークが材料の一端から他端へと形成されるように、結合要素の大部分が互いに接触しているため、パーコレーション閾値を達成する。パーコレーション閾値は、それを超えると結合要素が秩序ある、例えば、図１２（ｅ）または結合要素のランダムな向き、例えば図１２（ｆ）のいずれかとの長距離接続性を示す臨界濃度である。接続性パターンの例は、例えば、Ｎｅｗｎｈａｍら、「Ｃｏｎｎｅｃｔｉｖｉｔｙ  ａｎｄ  ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ−ｐｙｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ」，Ｍａｔ．Ｒｅｓ．Ｂｕｌｌ．１３巻、５２５〜５３６ページ、１９７８）に見出すことができる。
【０１６０】
複数の結合要素は、任意の適切な前駆体材料、例えば、任意の適切なケイ酸カルシウム組成物前駆体から化学的に変換されてもよい。前駆体ケイ酸カルシウム組成物はまた、アルミニウム、マグネシウムおよび鉄の１つ以上の化学元素を含み得る。
【０１６１】
複数の結合要素は、所望の複合材料に応じて、任意の適切な平均粒子サイズおよびサイズ分布を有することができる。特定の実施形態において、複数の結合要素は、約１μｍ〜約１００μｍ（例えば、約１μｍ〜約８０μｍ、約１μｍ〜約６０μｍ、約１μｍ〜約５０μｍ、約１μｍ〜約４０μｍ、約１μｍ〜約３０μｍ、約１μｍ〜約２０μｍ、約１μｍ〜約１０μｍ、約５μｍ〜約９０μｍ、約５μｍ〜約８０μｍ、約５μｍ〜約７０μｍ、約５μｍ〜約６０μｍ、約５μｍ〜約５０μｍ、約５μｍ〜約４０μｍ、約１０μｍ〜約８０μｍ、約１０μｍ〜約７０μｍ、約１０μｍ〜約６０μｍ、約１０μｍ〜約５０μｍ、約１０μｍ〜約４０μｍ、約１０μｍ〜約３０μｍ、約１０μｍ〜約２０μｍ）の範囲の平均粒子サイズを有する。
【０１６２】
いくつかの例では、複合材料は、複数の結合要素および複数のフィラー粒子を含む。各結合要素は、ケイ酸カルシウム組成物を主に含むコア、シリカリッチな第１層または内層、および炭酸カルシウムリッチな第２層または外層を含む。複数の結合要素と複数のフィラー粒子は一緒に１つ以上の結合マトリックスを形成し、結合要素とフィラー粒子はその中に実質的に均一に分散されて一緒に結合され、複合材料は１つ以上のテクスチャー、パターン、および物理的特性を示す。いくつかの例では、結合要素は、ケイ酸マグネシウムのコア、およびシリカリッチな第１層または内層、および炭酸マグネシウムリッチな第２層または外層を有し得る。ケイ酸マグネシウムは、アルミニウム、カルシウム、鉄またはマンガンの酸化物を含むことができる。
【０１６３】
特定の実施形態では、これらの複合材料は、様々なパターン、テクスチャー、および様々な色の視覚的パターンなど他の特性を表示することができる。さらに、本発明の複合材料は、従来のコンクリートまたは対応する天然材料と同様の圧縮強度、曲げ強度および吸水特性を示す。
【０１６４】
特定の実施形態では、複合物はさらに顔料を含む。顔料は、所望の複合材料に応じて、結合マトリックス中に均一に分散されてもよく、または実質的に不均一に分散されてもよい。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）を含む任意の適切な顔料であってよい。顔料は、例えば、黒色、白色、青色、灰色、ピンク色、緑色、赤色、黄色および茶色から選択される１つ以上の色であってよい。顔料は、所望の複合材料に応じて任意の適切な量で、例えば、約０．０重量％〜約１０重量％（例えば、約０．０％〜約８％、約０．０％〜約６％、約０．０％〜約５％、約０．０％〜約４％、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％）の範囲の量で存在し得る。
【実施例】
【０１６５】
・例１：チャンバー要素間の調整可能な間隔を有する硬化システム
製品ボード間の間隔を調整することができる硬化システムを製造した。別個のコンクリート物体が配置されたボード間の間隔を増減すると、別個のコンクリート物体の上部と別個のコンクリート物体の上のボードの下部との間に形成されるチャネル１０１のサイズが変化する。ボード間のギャップと別個のコンクリート物体の寸法によって支配されるこのチャネル１０１のサイズは、物体間を移動する流体の速度に影響を与える。ボード間の流体フローの量が一定である場合、より小さいチャネル１０１は速度を増加させ、チャネル１０１を広げることは速度を減少させる。
【０１６６】
結合要素とフィラーの比、含水量、圧縮の程度、および未硬化の別個のコンクリート物体の寸法に応じて、チャネル１０１の増加または減少したサイズを通る流体フローの速度の変化が望ましい。このシステムの画像を図１５に示す。
【０１６７】
結合要素とフィラーの比が高いいくつかの実施形態では、チャネル１０１のサイズを大きくして、完成した物体の特性を改善し、合計プロセス時間要件を最適化することが望ましい場合がある。
【０１６８】
結合要素とフィラーの比率が低いいくつかの実施形態では、チャネル１０１のサイズを小さくして、完成した物体の特性を改善し、合計プロセス時間要件を最適化することが望ましい場合がある。
【０１６９】
いくつかの実施形態では、異なる結合要素とフィラーの比、含水量、圧縮の程度または寸法を有する別個のコンクリート物体の複数のカテゴリーが、同じチャンバーまたはエンベロープで処理される。この実施形態では、チャネル１０１のサイズは、チャネルに隣接するコンクリート物体のタイプに従って、製品ボードごとに独立して調整することができる。この方法では、完成した物体の特性を統一し、合計プロセス時間要件を最適化するため、コンクリート物体の各カテゴリーの最適速度に応じてプロセスガスの速度を調整できる。
【０１７０】
・例２：可逆的フローを有する硬化システム
プロセスガスのフローが別個のコンクリート物体の間、ならびに別個のコンクリート物体とチャンバー要素の間のチャネルに向けられる硬化システムを設計した。両方のチャネルのフローの方向は逆にできる。アレイ状に配置した複数の別個のコンクリート物体を収容できるエンベロープまたはチャンバー内で流体がこれらのコンクリート物体の上を流れる。流体が複数の別個の物体の上を流れるにつれて、温度、相対湿度または水分含有量および速度などの流体の状態が変化する。流体の初期状態、および結合要素とフィラーの比、含水量、圧縮の程度と寸法などの複数の別個のコンクリート物体の特性によって決定される特定の長さを通過した後、チャンバーの要素間のチャネルおよび別個のコンクリート物体間のチャネルでは、流体の状態は、最適な硬化には不適切になる。言い換えると、流体の温度が低下し、流体の相対湿度または含水率が、別個のコンクリート物体の硬化に適した閾値を超えて増加する。
【０１７１】
いくつかの実施形態では、流体の温度が６０℃未満、または５５℃未満、または５０℃未満、または４５℃未満、または４０℃未満または３５℃未満、または３０℃未満または２５℃未満に低下すると、流体は使用に適さないと考えられる。
【０１７２】
いくつかの実施形態では、相対湿度として表される、流体の含水率が２０％を超える、または３０％を超える、または４０％を超える、または５０％を超える、または６０％を超える、または７０％を超える、または８０％を超える、または９０％超える場合、流体は硬化に使用するのに適さないと考えられる。
【０１７３】
しかしながら、硬化サイクル中に少なくとも１回流体の流れの方向を逆にすることにより、硬化することができる別個のコンクリート物体の配列の長さを増加させることができる。そうすることで、より低温でより高い含水率の流体にさらされる下流に位置する別個のコンクリート物体は、硬化サイクルの少なくとも一部で、今度はより乾燥したより低い含水率の流体にさらされる。いくつかの実施形態では、この長さは、ガスの状態が、硬化サイクル全体にわたって一方向の流れを伴うセットアップでの硬化に使用されるガスに適さなくなる長さの２倍に増加することができる。全体として、このコンセプトはエンベロープまたはチャンバーの容量を増やすのに役立つ。
【０１７４】
例示的なシステムの大規模な図面が図１６に示されている。内部にコンクリート物体を有する提案したシステムの図面の端部を図１７に示す。
【０１７５】
別の実施形態では、製品は、図１５に示すように、互いにボードの上に積み重ねることができ、図１６および１７に示す提案したシステムの変更バージョンの内部に含まれ、チャンバーの高さは、複数のラックを収容するために増加している。
【０１７６】
・例３：脱着等温線法を使用した中空コアスラブの硬化
・混合
コンクリート混合物設計の成分を混合するために、Ｓｉｃｏｍａ  ＴＯ８シリーズ遊星ミキサー（モデルＭＰ  ２５０／３７５  ＷＷＷＳＷ）を使用した。遊星の速度は１８．５ＲＰＭであった。２９３．８ｋｇの１／４インチ骨材と砂１６０．３ｋｇの砂の形態のフィラー材料を９０秒間乾式混合した。５ｋｇの水、１６８ｇのＧｌｅｎｉｕｍ  ７５００混和剤（ＢＡＳＦ）、１２０ｇの空気連行混和剤を乾燥混合物に加え、その組み合わせをさらに９０秒間混合した。８０．１ｋｇのＳｏｌｉｄｉａセメント（Ｓｏｌｉｄｉａ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）の形態のバインダー（４％擬珪灰石、１９％珪灰石、１３％ラーナイト、２％カルサイト、６２％アモルファス酸化物）をミキサー内の湿った材料に追加の１６ｋｇの水と一緒に添加した。その組み合わせをさらに９０秒間混合した。Sartorius  ＭＡ１００水分計で測定した混合物の最終含水率は３．６８％であった。合計３つのこのようなバッチは、中空コアスラブの押し出しのために押出機に移した。
【０１７７】
押し出し：
２つの４０’長×３／８インチ直径のスチールケーブル（低緩和７ワイヤーストランド、スミデンワイヤープロダクツ社）を、鋼の押出ベッドの長さに沿って３インチの伸びに引っ張った。ケーブルの１つをスラブの底とコア１および２の間に対称的に位置するように配置し；もう１つは、スラブの底とコア５および６の間で対称的に配置した。
【０１７８】
中空コアスラブは、５５ＲＰＭのオーガー速度を使用して、市販のＥｌｅｍａｔｉｃ  ＥＬ  ６００／８押出機によって鋼床上に押し出した。押し出したスラブは、長さ１８フィート、幅４フィート、高さ８インチで、６個の（６インチ直径）中空コアが含まれていた。隣接するコアは、１．２５インチの厚い壁で区切られていた。図１８は、中空コアスラブの写真を示す。
【０１７９】
・硬化
図１９は、硬化装置の概略図である。硬化中、鋼床内のパイプを通して熱水を循環させることでその床を加熱した。加熱水の温度は８１℃に保たれたガス燃焼ボイラーによって維持した。鋼床の上面の温度は約４９℃であった。チラー（１０℃に維持）からの冷水を凝縮器に循環させ、循環ガスストリームから水分を除去した。電気ヒーター（３．７５ｋＷ）を８７℃に維持して、乾燥した循環ガスストリームを硬化チャンバーに戻す前に加熱した。循環ブロワーの速度は、可変周波数ドライブによって制御した。ブロワーの初期速度は３０Ｈｚであった。乾燥ＣＯ２は、必要に応じてＡｌｉｃａｔマスフローコントローラーで硬化システムに供給した。硬化チャンバーは、スチール押出ベッドとポリエチレンシートで構成されており、キャノピーとして機能し、ＣＯ２／Ｈ２Ｏストリームを周囲の大気から分離する。キャノピーは中空コアのスラブを覆い、スラブの両端にある支持壁の間に張られた。キャノピーは、鋼の押し出しベッドに沿って、そして磁気ストリップで端壁まで密閉され、循環ガスストリームによって膨張させた。キャノピーの内側と外側の間の差圧は、大気圧よりわずかに高く維持されていた（差圧＝＋０．２インチの水柱）。硬化チャンバーの各端壁は、壁の高さが８インチではなく９．２５インチであったことを除いて、スラブと同じ断面形状であった。各端壁は、長方形のボックスの前面として機能し、ガスが硬化チャンバーに出入りする６つの穴の反対側に１つのガス入口ポートを備えたチャンバーを形成した。６つの穴は穴の開いた金属シートで覆われているため、エンドチャンバーはプレナムとして機能し、硬化チャンバーへのガスフローを分散および平滑化するように機能した。差圧トランスミッタに属する２つのポートの１つを、一方の端壁から硬化チャンバーに挿入した。他のポートは周囲の大気に開放したままにした。ＮＤＩＲ  ＣＯ２メーターのサンプリングプローブを硬化チャンバーのもう一方の端の端壁に挿入して、硬化実行中のチャンバー内のＣＯ２濃度を監視した。２つのVaisala湿度／温度プローブを硬化チャンバー内に配置し、両端に１つずつ、端壁のすぐ内側に配置した。
【０１８０】
硬化チャンバーをＣＯ２ガスで１０分間パージした。硬化実行中、ガス循環は６０分ごとに逆転した。ブロワー速度は、硬化９０分で１５Ｈｚに下げ、その後、硬化２０９分で４５Ｈｚに増加し、硬化の実行が４９０分で終了するまでそのままであった。
【０１８１】
図２０は、硬化中にVaisalaセンサーによって端壁で測定したチャンバーの湿度と、実行中に収集した凝縮水の累積量を示している。
【０１８２】
中空コアスラブの強度は、スラブの上面の４４点でリバウンドハンマーを使用して推定した。リバウンド測定により、平均圧縮強度は３０ＭＰａであった。
【０１８３】
・例４：吸着等温線法を使用した中空コア打ち込み物の硬化
・混合
混合設計は、６つの固体成分からなる：（１）３／８インチ骨材、２９％（２）１／４インチ骨材、１５％（３）２ｍｍの粉砕石英、１２％（４）建設砂、２０％（５）マーブルホワイト２００、１１％および（６）ＮＹＣＯ  ４００珪灰石１３％。成分を、Ｋｅｒｃｈｅｒ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ  １２インチのラボスケールミキサーで２分間「乾燥」混合した。ガム添加剤を含む水（５７０ｇ）を乾燥成分に加え、得られた混合物をさらに４分間混合した。さらに水（２６５ｇ）を追加し、混合物をさらに４分間混合した。最後に、さらに水（２６０ｇ）を追加し、混合物をさらに２分間混合した。
【０１８４】
・打ち込み
湿潤混合物を長寸法が水平に配置した４インチ×４インチ×２０インチの長方形の型枠に打ち込んだ。ワックス紙で包んだ直径２インチ×長さ２０インチのＰＶＣ管を型枠の中央に固定し、打ち込み物の長さに沿って直径２インチのコアを形成した。コンクリートミックスを６層で、最後の層を除いて各層で３０秒の振動で打ち込んだ。最後の層は６０秒間振動した。
【０１８５】
・乾燥
中空コア打ち込み物は、亀裂を防ぐためにゆっくりと乾燥した。それを一晩風乾させ、次いで９０℃の乾燥オーブンに５１時間入れ、その後１００℃でさらに２０時間置いた。乾燥後、中空コア打ち込み物を型枠から取り外し、ｐｖｃパイプを打ち込み物のコアから取り外した。中空コア打ち込み物の正味重量は８７６９グラムであった。
【０１８６】
・硬化
図２１は、硬化セットアップの写真である。硬化ガスが打ち込み物を通過できるように、管継手がパイプ継手にねじ込まれた状態で、ＰＶＣパイプ継手をコアの両端に挿入した。中空コアの打ち込み物は、厚さ１インチのアルミホイルで裏打ちしたグラスファイバー断熱材に包んだ。コアのチューブ継手の１つ（入口チューブアセンブリ）は、１／４’ステンレス鋼チューブでガス飽和器（水を入れた加熱容器）に取り付けた。コアからのもう１つのチューブ継手（出口チューブアセンブリ）は、通気口につながる１／４インチのプラスチックチューブに取り付けた。各チューブアセンブリに熱電対を取り付け、コアを通過する前後に硬化ガスの温度を測定できるようにした。各チューブアセンブリは、グラスファイバー断熱材で断熱されている。
【０１８７】
硬化実行中、飽和器内の水を６５℃に維持した。二酸化炭素ガスを６．５リットル／分で水にバブリングして、ガスストリームを水蒸気で飽和させた。硬化反応のためのすべての熱と水を、飽和二酸化炭素ストリームによって中空コアに運んだ。コアの入口の温度は、１時間の間に２６℃から６０℃に上昇し、残りの硬化実行中そのままであった。コアの出口の温度が５３℃に上昇するまでにさらに９０分かかり、残りの硬化期間にとどまった。硬化作業は２０時間後に終了した。
【０１８８】
硬化実行中に中空コア打ち込み物を取り囲んでいた断熱材を取り除いた。打ち込み物の最初の３分の１（入口端）は、明るくて乾いた残りの打ち込み物よりも外側が湿って暗く見えた（図２２）。打ち込み物を、乾燥炉内で完全に８９３９グラムの一定重量まで乾燥し、炭酸化により１７０グラム増加した。炭酸化の平均程度は、重量増加から４０％と計算した。
【０１８９】
打ち込み物の両端が視覚的に異なるため、乾燥した中空コアの打ち込み物を半分に切断して、硬化の均一性を評価した。一部の材料は、打ち込み物を切断する際に切り口から失われ、一部の材料は、鋸刃による切断の外側エッジの破砕から失われた。破砕パターンは対称的で、打ち込み物の両半分でほぼ同じであったため、切断損失は両方の破片でほぼ同じであった。切断損失の総重量は１３７グラムに達した。
【０１９０】
内側エッジ（例えば、コア表面）はきれいに切断され、これは、打ち込み物の内側が外側よりも良好に反応し、反応の程度がコアの周りの放射状パターンで変化したことを示唆している。乾燥打ち込み物の入口半分の重量は４４２９グラムであり、乾燥打ち込み物の出口半分の重量は４３７３グラムであった。したがって、スラブの切断後に残った質量は、２つの半分に均等に分配した（５０．３％の入口端、４９．７％の出口端）。したがって、炭酸化の程度は、中空コア打ち込み物の長さに沿って均一に分布した。
【０１９１】
出願人の開示は、図を参照して好ましい実施形態において本明細書に記載されており、図中、同様の番号は同じまたは同様の要素を表す。本明細書全体を通して「一実施形態」、「実施形態」、または同様の言語への言及は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、「一実施形態では」、「実施形態では」という語句、および本明細書全体にわたる同様の言語の出現は、必ずしもそうとは限らないが、すべて同じ実施形態を指す場合がある。
【０１９２】
出願人の開示の記載した特徴、構造、または特性は、１つ以上の実施形態において任意の適切な方法で組み合わせることができる。本明細書の説明では、本発明の実施形態の完全な理解を提供するために、多数の特定の詳細が列挙されている。しかしながら、当業者は、出願人の組成物および／または方法が、１つ以上の特定の詳細なしで、または他の方法、要素、材料などを用いて実施され得ることを認識するであろう。他の例では、本開示の態様を不明瞭にしないようにするために、よく知られている構造、材料、または動作は、詳細に示されていないか、または説明されていない。
【０１９３】
本明細書および添付の特許請求の範囲において、文脈が明らかに他のことを指示しない限り、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は複数の言及を含む。
【０１９４】
別段の定義がない限り、本明細書で使用されるすべての技術用語および科学用語は、当業者によって一般に理解されているのと同じ意味を有する。本明細書に記載されるものと類似または同等の任意の方法および材料もまた、本開示の実施または試験において使用され得るが、好ましい方法および材料がここで記載される。本明細書に列挙した方法は、開示した特定の順序に加えて、論理的に可能な任意の順序で実行されてもよい。
【０１９５】
参照による組込
特許、特許出願、特許公開、雑誌、本、論文、ウェブコンテンツなどの他の文書への参照および引用は、この開示においてなされている。そのようなすべての文書は、あらゆる目的のためにそれらの全体が参照により本明細書に組み込まれる。参照により本明細書に組み込まれると言われるが、既存の定義、記載、または本明細書に明示的に示される他の開示材料と矛盾する任意の材料またはその一部は、組み込まれた材料と本開示の材料の間で矛盾が生じない程度で組み込まれる。矛盾が発生した場合、優先する開示として本開示を優先して、矛盾を解決する。
【０１９６】
均等
本明細書に開示されている代表的な例は、本発明を例示するのを助けることを意図しており、本発明の範囲を限定することを意図しておらず、そのように解釈されるべきではない。実際、本明細書に示され記載されているものに加えて、本発明の様々な改変およびその多くのさらなる実施形態は、以下の例および科学文献への参照を含むこの文書の全内容から当業者に明らかになるであろう。以下の実施例は、様々な実施形態およびその等価物における本発明の実施に適合させることができる重要な追加情報、例示およびガイダンスを含む。
【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１２−１】
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【図１２−２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年12月4日(2020.12.4)
【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】
複数の別個のコンクリート物体として分配された複合材料を含む物品であって、
１つ以上のダクトまたはチャネルが、前記複数の別個のコンクリート物体の間にまたはそれらを通して配置されて、前記１つ以上のダクトまたはチャネル内におよび／または前記複数の別個の物体の外部と流体輸送システムを形成しており、
前記複合材料は、
複数の結合要素と、
粗いフィラー粒子および／または微細なフィラー粒子を含むフィラー粒子とを含み、
前記各結合要素は、
主にケイ酸カルシウムを含むコアと、
シリカがリッチな第１のまたは内層と、
炭酸カルシウムリッチな第２のまたは外層とを含み、
前記複数の結合要素および前記複数のフィラー粒子は一緒に１つ以上の結合マトリックスを形成し、前記結合要素および前記フィラー粒子が、その中に実質的に均一に分散され、一緒に結合されている、物品。
【請求項２】
前記複数の別個のコンクリート物体が、エンベロープまたはチャンバー内に配置されており、
前記複数の別個のコンクリート物体の各々が、その中に埋め込まれた１つ以上の補強要素を任意に含む、請求項１に記載の物品。
【請求項３】
結合要素：フィラー粒子の重量比が、約１：５である、請求項１または２に記載の物品。
【請求項４】
約１０％未満の吸水率を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の物品。
【請求項５】
前記複数の別個の物体の外部内の前記流体輸送システムが、前記エンベロープまたはチャンバー間のフロー、または前記エンベロープまたはチャンバー内のチャンバー要素を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の物品。
【請求項６】
物品を製造するためのシステムであって、
エンベロープまたはチャンバーとその中に囲まれている、
複数の別個のコンクリート物体として分配されている複合材料；
１つ以上のダクトまたはチャネルが、前記別個のコンクリート物体の間に、またはそれらを通して配置され、前記１つ以上のダクトおよびチャネル内で、かつ前記複数の別個の物体の外部と、流体輸送システムを形成しており；
任意に、前記複数の別個のコンクリート物体が配置されている１つ以上のボード；
１つ以上のダクトまたはチャネルを形成し、前記流体輸送システムでの流体フロープロファイルを促進する、平面、平面、凸面または凹面を有する１つ以上のラック、タープ、壁またはパネル、を含む、システム。
【請求項７】
前記エンベロープもしくはチャンバーの少なくとも一部または前記エンベロープもしくはチャンバー全体の前記流体フロープロファイルを制御する流体分配要素を含む、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記流体分配要素が、少なくとも１回、前記ガスフローの方向を変える、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記流体分配要素が、少なくとも１回、前記ガスフローの速度を変える、請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
前記流体分配要素が、流体入口、出口、プレナム、または多孔板、またはそれらの組み合わせのうちの１つ以上を含む、請求項６〜９のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１１】
前記エンベロープまたはチャンバーが、金属、合金、プラスチック、ポリマー、ポリマー複合材、セラミック複合材、またはそれらの組み合わせから選択される材料でできている、請求項６〜１０のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１２】
前記エンベロープまたはチャンバーが、コンクリート材料、または鋼、またはタープ、またはそれらの組み合わせでできている、請求項６〜１０のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１３】
物品の製造プロセスであって、
粒子状組成物と液体組成物を混合して混合物を形成すること;
型枠内で前記混合物を打ち込みまたは押し出しまたは他の形成で、複数の別個のコンクリート物体を含む打ち込みまたは押し出しまたは他の方法で形成された素地を生成すること；
ここで、１つ以上のダクトまたはチャネルが、前記複数の別個のコンクリート物体と前記複数の別個の物体の外部との間またはそれらを通して配置されており、
前記１つ以上の内部ダクトまたはチャネルおよび前記複数の別個の物体の外部における
ＣＯ２および／または水蒸気の雰囲気を維持すること；および
前記複数の別個の物体を、周囲大気圧から周囲大気圧より約６０ｐｓｉ高い範囲の圧力と、約１０％〜約９０％の範囲のＣＯ２濃度とを有する水および／またはＣＯ２の雰囲気下で、約２０℃〜約１５０℃の範囲の温度で約１時間〜約８０時間、硬化することを含む、プロセス。
【請求項１４】
前記１つ以上の内部ダクトまたはチャネルおよび／または前記複数の別個の物体の外部におけるＣＯ２および／または水蒸気の雰囲気を維持することが、
前記１つ以上の内部ダクトまたはチャネルおよび／または前記複数の別個の物体の外部における前記雰囲気を含むこと；
ＣＯ２および／または水蒸気の前記含まれる雰囲気を循環すること；
前記含まれる雰囲気にまたは前記含まれる雰囲気から、水蒸気を除去または追加すること;および
前記含まれる雰囲気を加熱することを含む、請求項１３に記載のプロセス。
【請求項１５】
前記１つ以上の内部ダクトまたはチャネルにおけるＣＯ２および／または水蒸気の雰囲気を維持することが、ＣＯ２および／または水蒸気の前記流体フローの前記方向または速度を前記素地の硬化期間中に少なくとも１回変えることを含む、請求項１３または１４に記載のプロセス。
【請求項１６】
前記粒子状組成物が、１つ以上の天然または合成珪灰石、擬珪灰石、ランキナイト、ゲーレナイト、ベーライト、およびアリートを含み、約１μｍ〜約１００μｍの範囲の中央粒子サイズを有する粉砕ケイ酸カルシウムを含み、前記液体組成物が、水を含む、請求項１３〜１５のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項１７】
前記打ち込み混合物を硬化することが、水およびＣＯ２を含み、周囲の大気圧を有する蒸気下で、約６０℃以下の温度で約１０〜５０時間行われる、請求項１３〜１６のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項１８】
前記混合物に１つ以上の補強要素を埋め込むことをさらに含む、請求項１３〜１７のいずれか一項に記載のプロセス。
【国際調査報告】
2021505523.tif 000026
2021505523.tif 000027