(57)【要約】  セメント系物品を硬化させる方法は、セメント系物品を含む養生室に乾燥蒸気および二酸化炭素（ＣＯ２）を同時に流し込むことを含む。養生室内の相対湿度は、約５０％〜約７０％であってもよく、養生室内の温度は、約５０℃〜約７０℃であってもよい。ＣＯ２の濃度が２．５体積％〜４０体積％の乾燥蒸気とＣＯ２との混合物を養生室内に用意し、セメント系物品を約４時間〜１６時間の期間にわたり硬化させる。この方法で硬化させたセメント系製品は、１５重量％超のＣＯ２吸収と、乾燥蒸気またはＣＯ２のみで硬化させたセメント系製品よりも少なくとも１０％高い機械的強度を有し得る。
2021509100.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セメント系物品を硬化させる方法であって、
Ｃａ３ＳｉＯ５を含むセメントバインダーと、骨材と、水との混合物から形成されたセメント系物品を用意することと、
前記セメント系物品を養生室内に置くことと、
前記養生室内の硬化相対湿度を約４０％〜約８０％に維持することと、
前記養生室内の硬化温度を約５０℃〜約８０℃に維持することと、
前記硬化相対湿度および前記硬化温度を約４時間〜約２４時間の期間にわたり維持しながら、乾燥蒸気とＣＯ２との混合物を前記養生室に流し込むことにより前記セメント系物品を硬化させることと、
を含み、
前記乾燥蒸気とＣＯ２との混合物におけるＣＯ２の濃度が、約２．５体積％〜約２０．０体積％であり、
Ｃａ（ＯＨ）２が、以下の反応のうちの少なくとも１つにより形成され、
２Ｃａ３ＳｉＯ５（ｓ）＋７Ｈ２Ｏ（ｌ）→３ＣａＯ・２ＳｉＯ２・４Ｈ２Ｏ（ｓ）＋３Ｃａ（ＯＨ）２（ｓ）、および
２Ｃａ３ＳｉＯ５（ｓ）＋７Ｈ２Ｏ（ｇ）→３ＣａＯ・２ＳｉＯ２・４Ｈ２Ｏ（ｓ）＋３Ｃａ（ＯＨ）２（ｓ）
前記乾燥蒸気とＣＯ２との混合物からのＣＯ２が、前記セメント系物品と反応して、前記セメント系物品において、以下の反応のうちの少なくとも１つによりＣａＣＯ３を形成し、
２Ｃａ３ＳｉＯ５（ｓ）＋３ＣＯ２（ｇ）＋４Ｈ２Ｏ（ｌ）→３ＣａＯ・２ＳｉＯ２・４Ｈ２Ｏ（ｓ）＋３ＣａＣＯ３（ｓ）、およびＣａ（ＯＨ）２（ｓ）＋ＣＯ２（ｇ）→ＣａＣＯ３（ｓ）＋Ｈ２Ｏ（ｌ）
前記硬化したセメント系物品が、１５重量％以上のＣＯ２吸収を含む、方法。
【請求項２】
前記乾燥蒸気とＣＯ２との混合物を前記養生室に流し込むことが、乾燥蒸気を第１の入口を通して前記養生室に流し込み、純粋なＣＯ２流を前記第１の入口とは異なる第２の入口を通して前記養生室に流し込むことを含み、前記乾燥蒸気を前記第１の入口を通して流し込むこと、および前記ＣＯ２を前記第２の入口を通して流し込むことにより、前記養生室内のＣＯ２の濃度を約２．５体積％〜約２０．０体積％に維持する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記養生室に流れ込む前記乾燥蒸気とＣＯ２との混合物におけるＣＯ２の濃度が、約５体積％〜約１０体積％である、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記硬化相対湿度が、約５０％〜約７０％である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記硬化温度が、約５０℃〜約７０℃である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記セメント系物品を、約４時間〜約１６時間の期間にわたり前記養生室内で硬化させる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記セメント系物品を、約６時間〜約１０時間の期間にわたり前記養生室内で硬化させる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記硬化したセメント系物品が、２０重量％以上のＣＯ２吸収を含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記硬化したセメント系物品が、２５重量％以上のＣＯ２吸収を含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
約１時間〜約４時間の期間にわたり前記養生室内で前記セメント系物品を硬化させる前に空気中で前記セメント系物品を硬化させることをさらに含む、請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記養生室内で前記セメント系物品を硬化させた後に、前記セメント系物品に空気硬化および水噴霧を行うことをさらに含む、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
前記セメント系物品に空気硬化および水噴霧を行った後に、前記セメント系物品を空気硬化させることをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
セメント系物品に二酸化炭素を貯蔵する方法であって、
乾燥蒸気とＣＯ２との混合物であって、約２．５体積％〜約２０．０体積％のＣＯ２の濃度を含む、前記乾燥蒸気とＣＯ２との混合物を用意することと、
Ｃａ３ＳｉＯ５を含むセメントバインダーと、骨材と、水との混合物から形成されたセメント系物品を用意することと、
前記セメント系物品を養生室内に置くことと、
前記養生室内の硬化相対湿度を約５０％〜約７０％に維持することと、
前記硬化温度内の硬化温度を約５０℃〜約７０℃に維持することと、
前記乾燥蒸気とＣＯ２との混合物を４〜２４時間の期間にわたり前記養生室に流し込み、前記セメント系物品を硬化させることと、
を含み、
Ｃａ（ＯＨ）２は、前記セメント系物品中で、以下の反応のうちの少なくとも１つにより形成され、２Ｃａ３ＳｉＯ５（ｓ）＋７Ｈ２Ｏ（ｌ）→３ＣａＯ・２ＳｉＯ２・４Ｈ２Ｏ（ｓ）＋３Ｃａ（ＯＨ）２（ｓ）、および
２Ｃａ３ＳｉＯ５（ｓ）＋７Ｈ２Ｏ（ｇ）→３ＣａＯ・２ＳｉＯ２・４Ｈ２Ｏ（ｓ）＋３Ｃａ（ＯＨ）２（ｓ）
前記乾燥蒸気とＣＯ２との混合物からのＣＯ２が、前記セメント系物品と反応して、前記セメント系物品において、以下の反応のうちの少なくとも１つによりＣａＣＯ３を形成し、
２Ｃａ３ＳｉＯ５（ｓ）＋３ＣＯ２（ｇ）＋４Ｈ２Ｏ（ｌ）→３ＣａＯ・２ＳｉＯ２・４Ｈ２Ｏ（ｓ）＋３ＣａＣＯ３（ｓ）、および
Ｃａ（ＯＨ）２（ｓ）＋ＣＯ２（ｇ）→ＣａＣＯ３（ｓ）＋Ｈ２Ｏ（ｌ）
前記硬化したセメント系物品におけるＣＯ２吸収が、１５重量％以上である、方法。
【請求項１４】
前記乾燥蒸気とＣＯ２との混合物を前記養生室に流し込むことが、乾燥蒸気を第１の入口を通して前記養生室に流し込み、純粋なＣＯ２流を前記第１の入口とは異なる第２の入口を通して前記養生室に流し込むことを含み、前記乾燥蒸気を前記第１の入口を通して流し込むこと、および前記ＣＯ２を前記第２の入口を通して流し込むことにより、前記養生室内のＣＯ２の濃度を約２．５体積％〜約２０．０体積％に維持する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記硬化相対湿度が約５０％〜約７０％であり、前記ＣＯ２吸収が２０重量％以上であり、約１時間〜約４時間の期間にわたり前記乾燥蒸気とＣＯ２との混合物中で前記セメント系物品を硬化させる前に空気中で前記セメント系物品を硬化させる、請求項１３または１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、２０１７年１２月２７日に出願された米国特許出願第１５／８５５，３４８号の利益を主張し、その開示全体が、参照により本明細書に組み込まれる。
【技術分野】
【０００２】
本明細書は、一般的に、セメント系物品を硬化させる方法、より具体的には、蒸気＋二酸化炭素を使用してセメント系物品を硬化させる方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
コンクリートブロック、コンクリートの階段、コンクリートカウンタートップなどのセメント系製品は、成形機内でコンクリート混合物から所望の形状を形成し、続いて硬化させることによって商業的に生産することができる。コンクリート混合物は、セメントバインダー、砂、骨材および水を含み得る。コンクリート混合物は、一般的には、ホッパーから製品の鋳型に流れ込み、所望の形状のセメント系物品が、鋳型内で形成される。その後、セメント系物品を硬化させると、セメント系製品が形成される。セメント系物品は、空気に曝すことにより、例えば７〜３０日にわたり、ゆっくりと硬化させることができる。
【０００４】
硬化の促進は、セメント系製品の製造の生産性を高めるために用いられ得る。特に、硬化の促進を用いると、安定したセメント系製品を比較的迅速に用意し、それにより、セメント系製品が完成品として輸送可能になるまでの時間を短縮することができる。硬化の促進は、一般的には、養生室としばしば称される囲いまたはチャンバー内にコンクリート製品を置き、養生室内の温度および相対湿度を数時間にわたり制御することを含む。セメント系製品を包装および輸送のために十分に硬化させる前の約８〜４８時間、セメント系製品は養生室内に置かれてもよい。しかしながら、硬化を促進するためのエネルギー要件には、膨大なコストがかかる可能性がある。したがって、セメント系物品を硬化させる代替的な方法が必要とされている。
【発明の概要】
【０００５】
セメント系物品を硬化させるための一実施形態は、セメントバインダーと、砂と、骨材と、水との混合物から形成されたセメント系物品を用意することを含む。セメントバインダーは、Ｃａ３ＳｉＯ５を含有する。セメント系物品が、養生室内に置かれ、約４０％〜約８０％の硬化相対湿度および約５０℃〜約１５０℃の硬化温度が、養生室内で維持される。セメント系物品は、硬化相対湿度および硬化温度を約４〜約２４時間の期間にわたり維持しながら、乾燥蒸気とＣＯ２との混合物を養生室に流し込むことにより硬化させられる。乾燥蒸気とＣＯ２との混合物におけるＣＯ２の濃度は、約２．５体積％〜約２０．０体積％であり、および／または養生室内のＣＯ２の濃度は、約２．５体積％〜約５０体積％であり、硬化したセメント系物品は、少なくとも１５重量％のＣＯ２吸収を有する。
【０００６】
セメント系物品を硬化させるための別の実施形態は、セメントバインダーと、砂と、骨材と、水との混合物から形成されたセメント系物品を用意することを含む。セメントバインダーは、Ｃａ３ＳｉＯ５を含有し、セメント系物品は、養生室内に置かれる。約４０％〜約８０％の硬化相対湿度および約５０℃〜約１５０℃の硬化温度が、養生室内で維持される。セメント系物品は、硬化相対湿度および硬化温度を約４〜約２４時間の期間にわたり維持しながら、乾燥蒸気とＣＯ２との混合物を養生室に流し込むことにより硬化させられる。乾燥蒸気とＣＯ２との混合物におけるＣＯ２の濃度は、約２．５体積％〜約２０．０体積％であり、および／または養生室内のＣＯ２の濃度は、約２．５体積％〜約５０体積％であり、セメント系物品において、Ｃａ（ＯＨ）２は、以下の反応のうちの少なくとも１つにより形成される。
２Ｃａ３ＳｉＯ５（ｓ）＋７Ｈ２Ｏ（ｌ）→３ＣａＯ・２ＳｉＯ２・４Ｈ２Ｏ（ｓ）＋３Ｃａ（ＯＨ）２（ｓ）、
および
２Ｃａ３ＳｉＯ５（ｓ）＋７Ｈ２Ｏ（ｇ）→３ＣａＯ・２ＳｉＯ２・４Ｈ２Ｏ（ｓ）＋３Ｃａ（ＯＨ）２（ｓ）。
また、乾燥蒸気とＣＯ２との混合物からのＣＯ２は、セメント系物品と反応して、セメント系物品において、以下の反応のうちの少なくとも１つによりＣａＣＯ３を形成する。
２Ｃａ３ＳｉＯ５（ｓ）＋３・ＣＯ２（ｇ）＋４Ｈ２Ｏ（ｌ）→３ＣａＯ・２ＳｉＯ２・４Ｈ２Ｏ（ｓ）＋３ＣａＣＯ３（ｓ）、
および
Ｃａ（ＯＨ）２（ｓ）＋ＣＯ２（ｇ）→ＣａＣＯ３（ｓ）＋Ｈ２Ｏ（ｌ）
実施形態において、硬化したセメント系物品は、少なくとも１５重量％、例えば少なくとも２０重量％のＣＯ２吸収を有する。
【０００７】
別の実施形態において、セメント系物品中に二酸化炭素を貯蔵する方法は、ＣＯ２の濃度が約２．５体積％〜２０．０体積％の、乾燥蒸気とＣＯ２との混合物を用意すること、および／または養生室内のＣＯ２の濃度が約２．５体積％〜約５０体積％であり、セメントバインダーと、砂と、骨材と、水との混合物から形成されたセメント系物品を用意することを含む。セメントバインダーは、Ｃａ３ＳｉＯ５を含む。セメント系物品が、養生室内に置かれ、約５０％〜約７０％の硬化相対湿度および約５０℃〜約７０℃の硬化温度が、硬化温度内で維持される。乾燥蒸気とＣＯ２との混合物は、導入されて、４〜２４時間の期間にわたり養生室に流れ込み、それにより、セメント系物品が硬化させられる。セメント系物品中で、化学化合物Ｃａ（ＯＨ）２は、以下の反応のうちの少なくとも１つにより形成される。
２Ｃａ３ＳｉＯ５（ｓ）＋７Ｈ２Ｏ（ｌ）→３ＣａＯ・２ＳｉＯ２・４Ｈ２Ｏ（ｓ）＋３Ｃａ（ＯＨ）２（ｓ）、
および
２Ｃａ３ＳｉＯ５（ｓ）＋７Ｈ２Ｏ（ｇ）→３ＣａＯ・２ＳｉＯ２・４Ｈ２Ｏ（ｓ）＋３Ｃａ（ＯＨ）２（ｓ）
また、乾燥蒸気とＣＯ２との混合物からのＣＯ２は、セメント系物品中のＣａ３ＳｉＯ５およびＣａ（ＯＨ）２のうちの少なくとも１種と反応し、セメント系物品中で、以下の反応のうちの少なくとも１つによりＣａＣＯ３を形成する。
２Ｃａ３ＳｉＯ５（ｓ）＋３・ＣＯ２（ｇ）＋４Ｈ２Ｏ（ｌ）→３ＣａＯ・２ＳｉＯ２・４Ｈ２Ｏ（ｓ）＋３ＣａＣＯ３（ｓ）、
および
Ｃａ（ＯＨ）２（ｓ）＋ＣＯ２（ｇ）→ＣａＣＯ３（ｓ）＋Ｈ２Ｏ（ｌ）
乾燥蒸気とＣＯ２とのガス混合物により硬化させたセメント系物品におけるＣＯ２吸収は、少なくとも１５重量％である。
【０００８】
別の実施形態において、セメント系製品は、コンクリート混合物を鋳型に流し込み、セメント系物品を形成することを含むプロセスにより製造される。コンクリート混合物は、Ｃａ３ＳｉＯ５を有するセメントバインダー、骨材、および水を含む。セメント系物品は、６時間〜１０時間の期間にわたり養生室内に置かれる。養生室は、約５０℃〜７０℃の温度、および約５０％〜約７０％の相対湿度の硬化環境を有していてもよい。乾燥蒸気およびＣＯ２が養生室に導入され、養生室内で流れ、硬化したセメント系物品が形成される。養生室に流れ込む乾燥蒸気およびＣＯ２におけるＣＯ２についての体積パーセント（体積％）での濃度は、約５体積％〜１０体積％であり、乾燥蒸気およびＣＯ２は、セメント系物品の気孔に流れ込み、これを通って流れる。セメント系物品中で、化学化合物Ｃａ（ＯＨ）２は、以下の反応のうちの少なくとも１つにより形成される。
２Ｃａ３ＳｉＯ５（ｓ）＋７Ｈ２Ｏ（ｌ）→３ＣａＯ・２ＳｉＯ２・４Ｈ２Ｏ（ｓ）＋３Ｃａ（ＯＨ）２（ｓ）、
および
２Ｃａ３ＳｉＯ５（ｓ）＋７Ｈ２Ｏ（ｇ）→３ＣａＯ・２ＳｉＯ２・４Ｈ２Ｏ（ｓ）＋３Ｃａ（ＯＨ）２（ｓ）
また、ＣＯ２は、セメント系物品と反応して、セメント系物品において、以下の反応のうちの少なくとも１つによりＣａＣＯ３を形成する。
２Ｃａ３ＳｉＯ５（ｓ）＋３ＣＯ２（ｇ）＋４Ｈ２Ｏ（ｌ）→３ＣａＯ・２ＳｉＯ２・４Ｈ２Ｏ（ｓ）＋３ＣａＣＯ３（ｓ）、
および
Ｃａ（ＯＨ）２（ｓ）＋ＣＯ２（ｇ）→ＣａＣＯ３（ｓ）＋Ｈ２Ｏ（ｌ）
硬化したセメント系物品は、養生室から取り出され、１５重量％以上の重量パーセント（重量％）のＣＯ２吸収を有する。いくつかの実施形態において、硬化したセメント系物品におけるＣＯ２吸収は、２０重量％以上である。他の実施形態において、硬化したセメント系物品におけるＣＯ２吸収は、２５重量％以上である。
【０００９】
さらなる特徴および利点は、以下の詳細な説明に記載され、一部は、明細書から当業者に容易に明らかとなるか、または記載の明細書およびその特許請求の範囲、ならびに添付の図面で説明される実施形態を実践することにより認識されるであろう。
【００１０】
前述の一般的な説明および以下の詳細な説明のどちらも、単に例に過ぎず、クレームの性質および特徴を理解するための概要または枠組みを提供することを意図していると理解されたい。添付の図面は、さらなる理解を提供するために同封されており、本明細書に組み込まれ、その一部を構成する。図面は、１つ以上の実施形態を図示しており、その説明とともに、様々な実施形態の原理および動作を説明する役割を果たす。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本明細書に記載の１つ以上の実施形態による、セメント系物品を硬化させる方法を概略的に示す。
【図２】本明細書に記載の１つ以上の実施形態による、セメント系物品を硬化させるための養生室を概略的に示す。
【図３】異なる量の蒸気およびＣＯ２を含有する硬化環境を使用して図２に示される養生室内で硬化させられた３組のコンクリート試料の圧縮強度をグラフで示す。
【図４】異なる量の蒸気およびＣＯ２を含有する硬化環境を使用して図２に示される養生室内で硬化させられた３組のコンクリート試料のＸ線回折スキャンをグラフで示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下の文章には、本開示の多数の実施形態について広範な説明が記載されている。この説明は、単なる例として解釈されるべきであり、あらゆる可能な実施形態について説明するあらゆる可能な実施形態の意味合いが、不可能ではないにしても非実用的であることを述べてはおらず、本明細書に記載の特徴、特性、要素、組成、製品、工程または方法論は、すべてまたは一部が削除されても、本明細書に記載の任意の他の特徴、特性、要素、組成、製品、工程または方法論と組み合わされても、あるいは置き換えられてもよいと理解されるであろう。依然として特許請求の範囲に含まれる現在の技術またはこの特許の出願日以降に開発された技術のいずれかを使用して、多数の代替的な実施形態を実現することができるだろう。
【００１３】
図１を参照すると、セメント系物品を硬化させる方法１０は、蒸気と二酸化炭素（ＣＯ２）との混合物（本明細書では「蒸気＋ＣＯ２」または「蒸気＋ＣＯ２ガス混合物」とも称される）を、セメント系物品（本明細書では「コンクリート物品」とも称される）がその内部に配置された養生室に同時に流し込むことを含む。本明細書で使用されるように、「セメント系物品（複数可）」または「コンクリート物品（複数可）」という用語は、硬化前にコンクリート混合物から形成されて最終製品として輸送する準備ができた物品を指し、「コンクリート製品（複数可）」の「セメント系製品（複数可）」という用語は、硬化させられて最終製品として輸送する準備ができたセメント系物品を指す。また、本明細書で使用されているように、特に明記しない限り、「蒸気」という用語は、「乾燥蒸気」、すなわち気相中の水（Ｈ２Ｏ（ｇ））を指し、「ＣＯ２」という用語は、気相中のＣＯ２を指す。
【００１４】
蒸気とＣＯ２との混合物における養生室に流入するＣＯ２の濃度は、体積パーセント（体積％）で、約２．５体積％〜約４０体積％であり得る。すなわち、養生室に流れ込む蒸気＋ＣＯ２の総体積に対するＣＯ２の体積は、約２．５体積％〜約４０体積％である。蒸気およびＣＯ２は、セメント系製品中の化合物、特にケイ酸三カルシウムと反応して、水酸化カルシウムおよび炭酸カルシウムを形成し、これらはどちらも、セメント系製品の強度を増加させる。また、ＣＯ２は、セメント系物品の硬化中に形成された水酸化カルシウムと反応して炭酸カルシウムを形成し、それにより、セメント系製品中にＣＯ２を封じ込めることができる。実施形態において、硬化の初期段階中に形成される水酸化カルシウムの量は、セメント系物品における水和熱が、ＣＯ２なしでの硬化と比較して低減されるように調節される。理論に縛られるものではないが、セメント系物品における水和熱の低減により、硬化の初期段階でのセメント系物品の熱膨張が少なくなり、セメント系物品において形成されるマイクロクラックが減少する。セメント系物品におけるマイクロクラックの減少により、硬化したセメント系製品の強度が増加する。
【００１５】
さらに図１を参照すると、方法１０は、工程１００でコンクリートを混合することを含む。本明細書で使用されるように、「コンクリート」という用語は、セメントバインダーと、骨材と、水との混合物を指す。セメントバインダーは、ケイ酸三カルシウム（Ｃａ３ＳｉＯ５または３ＣａＯ・ＳｉＯ２）、ケイ酸二カルシウム（Ｃａ２ＳｉＯ４または２ＣａＯ・ＳｉＯ２）、アルミン酸三カルシウム（Ｃａ３Ａｌ２Ｏ６または３ＣａＯ・Ａｌ２Ｏ３・Ｆｅ２Ｏ３）、鉄アルミン酸四石灰（Ｃａ４Ａｌ２Ｆｅ２Ｏ１０または４ＣａＯ・Ａｌ２Ｏ３・Ｆｅ２Ｏ３）および石膏（ＣａＳＯ４・２Ｈ２Ｏ）を含有するポルトランドセメントバインダーであってもよい。ポルトランドセメントバインダーの１つの非限定的な組成を、以下の表１に示す。
【表１】
2021509100.tif 000003
表１にポルトランドセメントバインダーの組成が示されているが、本方法、および本明細書に記載の方法により形成されるセメント系製品は、他のタイプのセメントバインダーを含んでいてもよいと理解されるべきである。本明細書に記載の方法で使用可能なセメントバインダーの非限定的な例としては、急速硬化セメントバインダー、低熱セメントバインダー、耐硫酸塩セメントバインダー、白色セメントバインダー、ポゾランセメントバインダー、疎水性セメントバインダー、着色セメントバインダー、防水セメントバインダー、高炉セメントバインダー、空気連行セメントバインダー、高アルミナセメントバインダー、および膨張性セメントバインダーが挙げられる。
【００１６】
セメントバインダー中の骨材は、化学的に不活性な固体状の物体を含んでいてもよい。骨材は、様々な形状およびサイズを有していてもよく、砂の微粒子から大きな粗い岩石までの様々な材料から作製されていてもよい。骨材としては、超軽量骨材、軽量骨材、普通骨材、および重量骨材が挙げられ得る。超軽量骨材の非限定的な例としては、バーミキュライト、セラミック球、およびパーライトが挙げられる。軽量骨材としては、膨張粘土、頁岩または粘板岩、または破砕レンガが挙げられる。普通骨材としては、破砕石灰岩、砂、川の砂利、または破砕再生コンクリートが、重量骨材としては、鋼鉄もしくは鉄のショット、または鋼鉄もしくは鉄のペレットが挙げられ得る。
【００１７】
セメントバインダー、骨材および水に加えて、混和剤をコンクリート混合物に添加して、コンクリート混合物および／またはコンクリート混合物から形成されるセメント系製品の耐久性、加工性、強度などを増加させることができる。例えば、洗浄剤の形態の空気連行混和剤をコンクリート混合物に添加して、コンクリート混合物の耐久性および加工性を改善することができる。流動化剤混和剤（例えば、ポリマー添加剤）を添加して、加工可能なコンクリートに必要な水を減少させることにより、セメント系製品の強度を増加させることができる。砂糖などの遅延混和剤を使用して、コンクリート混合物の硬化時間を遅らせ、セメント系製品の長期強度を増加させることができる。あるいは、塩化カルシウムなどの促進混和剤を添加して、コンクリート混合物の硬化時間を加速させ、セメント系物品の初期強度を改善することができる。フライアッシュなどの鉱物混和剤を添加して、加工性、成形性および強度を改善することができ、金属酸化物などの顔料混和剤を添加して、セメント系製品に色を付けることができる。
【００１８】
コンクリート混合物が工程１０２で鋳型に注がれ、セメント系物品が鋳型の形状に成形される。鋳型および成形されたセメント系物品の非限定的な例としては、ブロック（一般的にコンクリートブロックと称される）、ステア、カウンタートップ、プレハブ式コンクリート壁などが挙げられる。セメント系物品は、工程１０４で養生室内に置かれる。囲い２００内の温度（本明細書では「硬化温度」とも称される）を制御することができる。例えば、囲い２００内の硬化温度は、約４０℃〜約８０℃であり得る。実施形態において、囲い２００内の硬化温度は、約５０℃〜約７０℃であり得る。他の実施形態において、囲い２００内の硬化温度は、約５５℃〜約６５℃であり得る。さらなる他の実施形態において、囲い２００内の硬化温度は、約５７℃〜約６３℃であり得る。囲い２００内の相対湿度（本明細書では「硬化相対湿度」とも称される）を制御することもできる。例えば、囲い２００内の硬化相対湿度は、約４０％〜約８０％であり得る。実施形態において、囲い２００内の硬化相対湿度は、約５０％〜約７０％であり得る。他の実施形態において、囲い２００内の硬化相対湿度は、約５５％〜約６５％であり得る。さらなる他の実施形態において、囲い２００内の硬化相対湿度は、約５７％〜約６３％であり得る。
【００１９】
実施形態において、セメント系物品は、養生室内に置く前に工程１０３で空気硬化させられてもよい。本明細書で使用されるように、「空気硬化」という用語は、周囲条件、すなわち周囲温度および周囲相対湿度でセメント系物品を硬化させることを指す。例えば、セメント系物品を、約１時間〜８時間、例えば２時間の期間にわたり周囲空気中で硬化させてもよい。他の実施形態において、セメント系物品は、停止部１０４で養生室内に置く前に空気硬化させられない。
【００２０】
工程１０４でセメント系粒子を養生室内に置いた後に、工程１０８で、蒸気＋ＣＯ２ガス混合物を養生室に導入する。実施形態において、蒸気は、第１の入口を通って養生室に流れ込み、ＣＯ２は、第１の入口とは異なる第２の入口を通って養生室に流れ込む。他の実施形態では、蒸気＋ＣＯ２ガス混合物を、単一の入口を通して養生室に導入する。工程１０６では、蒸気を発生させることができる。例えば、発電ボイラ、熱回収システムなどからの蒸気は、囲い２００に圧送されてもよい。蒸気＋ＣＯ２ガス混合物におけるＣＯ２の濃度は、約２．５体積％〜約４０．０体積％であり得る。例えば、蒸気＋ＣＯ２ガス混合物におけるＣＯ２の濃度は、２．５体積％、３．０体積％、３．５体積％、４．０体積％、４．５体積％、５．０体積％、５．５体積％、６．０体積％、６．５体積％、７．０体積％、７．５体積％、８．０体積％、８．５体積％、９．０体積％、９．５体積％、１０．０体積％、１０．５体積％、１１．０体積％、１１．５体積％、１２．０体積％、１２．５体積％、１３．０体積％、１３．５体積％、１４．０体積％、１４．５体積％、１５．０体積％、または１５．５体積％、１６．０体積％、１８．０体積％、２０．０体積％、２５．０体積％、３０．０体積％、または３５．０体積％以上、かつ４０．０体積％、３５．０体積％、３０．０体積％、２５．０体積％、２０．０体積％、１９．５体積％、１９．０体積％、１８．５体積％、１８．０体積％、１７．５体積％、１７．０体積％、１６．５体積％、１６．０体積％、１５．５体積％、１５．０体積％、１４．５体積％、１４．０体積％、１３．５体積％、１３．０体積％、１２．５体積％、１２．０体積％、１１．５体積％、１１．０体積％、１０．５体積％、１０．０体積％、９．５体積％、９．０体積％、８．５体積％、８．０体積％、７．５体積％、７．０体積％、６．５体積％、６．０体積％、または５．５体積％以下であり得る。実施形態において、蒸気＋ＣＯ２ガス混合物におけるＣＯ２の濃度は、約２．５体積％〜約１５．０体積％であり得る。他の実施形態において、蒸気＋ＣＯ２ガス混合物におけるＣＯ２の濃度は、約２．５体積％〜約１０．０体積％であり得る。
【００２１】
セメント系物品は、工程１０８で約２時間〜２４時間の期間にわたり養生室内で硬化させられる。例えば、セメント系物品は、工程１０８で約４時間〜約１６時間の期間にわたり養生室内で硬化させられてもよい。実施形態において、セメント系物品は、６時間〜約１２時間の期間にわたり養生室内で硬化させられてもよい。他の実施形態において、セメント系物品は、約７時間〜約９時間、例えば約８時間の期間にわたり養生室内で硬化させられてもよい。養生室内での硬化中に、蒸気＋ＣＯ２ガス混合物は、下記でより詳細に論じるように、セメント系物品の気孔に流れ込み、これを通って、セメントバインダーと反応して、水酸化カルシウムおよび炭酸カルシウムを形成する。セメント系物品における水酸化カルシウムおよび炭酸カルシウムの形成には、硬化プロセスにおける利点が２倍ある。特に、水酸化カルシウムおよび炭酸カルシウムの形成は、セメント系物品の強度の増加をもたらし、炭酸カルシウムの形成は、セメント系物品によるＣＯ２吸収（ＣＯ２封じ込め）をもたらす。本明細書で使用されるように、「ＣＯ２吸収」または「ＣＯ２封じ込め」という用語は、セメント系物品またはセメント系製品におけるＣＯ２の長期貯蔵を指す。実施形態において、硬化したセメント系物品は、１５重量％以上の重量パーセント（重量％）のＣＯ２吸収を有していてもよい。他の実施形態において、硬化したセメント系物品は、２０重量％以上のＣＯ２吸収を有していてもよい。さらなる他の実施形態において、硬化したセメント系物品は、２５重量％以上のＣＯ２吸収を有していてもよい。
【００２２】
硬化したセメント系物品（セメント系製品）は、工程１１０で養生室から取り出される。セメント系製品は、工程１１２で空気硬化＋水噴霧によりさらに硬化させられてもよい。セメント系製品の空気硬化＋水噴霧としては、合計７日にわたる１日２回の空気中での硬化および水噴霧が挙げられ得る。セメント系製品は、工程１１４で空気硬化を使用してさらに硬化させられてもよい。例えば、セメント系製品は、さらに２８日にわたり空気硬化させられてもよい。
【００２３】
工程１０８での養生室内における硬化の間に、水は、セメントバインダーの化合物と反応して、これを水和させる。ケイ酸カルシウムの水和だけがセメント系製品の強度に寄与することができると理解されるべきであり、ケイ酸三カルシウムが、硬化の最初の７日以内に発現する強度のほとんどに関与することができ、ケイ酸二カルシウムの水和が、より長い時間で得られる強度に関与することができる。ケイ酸三カルシウムの水和は、以下の化学反応を介して起こる。
２Ｃａ３ＳｉＯ５（ｓ）＋７Ｈ２Ｏ（ｌ）→３ＣａＯ・２ＳｉＯ２・４Ｈ２Ｏ（ｓ）＋３Ｃａ（ＯＨ）２（ｓ）
（１）
ケイ酸二カルシウムの水和は、以下の化学反応を介して起こる。
２Ｃａ２ＳｉＯ４（ｓ）＋５Ｈ２Ｏ（ｌ）→３ＣａＯ・２ＳｉＯ２・４Ｈ２Ｏ（ｓ）＋Ｃａ（ＯＨ）２（ｓ）
（２）
実施形態において、乾燥蒸気は、ケイ酸三カルシウムと反応して水酸化カルシウムを形成する液体状の水に凝縮する。すなわち、乾燥蒸気は、セメント系物品の気孔に流れ込み、その内部で凝縮して、ケイ酸三カルシウムと反応して水酸化カルシウムを形成する水分（水）を気孔内にもたらす。あるいは、またはそれに加えて、乾燥蒸気は、ケイ酸三カルシウムと直接反応して、以下の化学反応を介して水酸化カルシウムを形成する。
２Ｃａ３ＳｉＯ５（ｓ）＋７Ｈ２Ｏ（ｇ）→３ＣａＯ・２ＳｉＯ２・４Ｈ２Ｏ（ｓ）
（３）
また、乾燥蒸気は、凝縮熱または伝導熱のいずれかを介してケイ酸三カルシウムに熱をもたらし、それにより、水酸化カルシウム形成の速度を上げることができる。
【００２４】
工程１０８での養生室内における硬化の間に、蒸気とＣＯ２との混合物におけるＣＯ２は、セメントバインダーのケイ酸カルシウムと反応して、炭酸カルシウムを形成する。特に、ＣＯ２は、セメント系物品中の気孔内で拡散し、水と溶媒和を起こしてＣＯ２（水溶液）を形成し、それから水和して炭酸（Ｈ２ＣＯ３）を形成する。炭酸はイオン化して、Ｈ＋、ＨＣＯ３−およびＣＯ３２−のイオンを形成する。Ｈ＋イオンはセメント系のｐＨを低下させ、それにより、ケイ酸三カルシウムおよびケイ酸二カルシウムが溶解し、Ｃａ２＋およびＳｉＯ４４−のイオンを放出する。Ｃａ２＋イオンはＣＯ３２−イオンと反応して、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）を形成する。ＣＯ２とケイ酸三カルシウムとの全体反応は、以下の通りである。
２Ｃａ３ＳｉＯ５（ｓ）＋３ＣＯ２（ｇ）＋４Ｈ２Ｏ（ｌ）→３ＣａＯ・２ＳｉＯ２・４Ｈ２Ｏ（ｓ）＋３ＣａＣＯ３（ｓ）
（４）
ＣＯ２とケイ酸二カルシウムとの全体反応は、以下の通りである。
４Ｃａ２ＳｉＯ２（ｓ）＋２ＣＯ２（ｇ）＋８Ｈ２Ｏ（ｌ）→２（３ＣａＯ・２ＳｉＯ２・４Ｈ２Ｏ）（ｓ）＋２ＣａＣＯ３（ｓ）
（５）
ケイ酸カルシウムと反応するＣＯ２に加えて、ケイ酸カルシウムと水との反応（例えば、上記の反応（１）、（２）および／または（３）を介する）により形成された水酸化カルシウムは、以下の全体反応を介して炭酸カルシウムに変換されてもよい。
Ｃａ（ＯＨ）２（ｓ）＋ＣＯ２（ｇ）→ＣａＣＯ３（ｓ）＋Ｈ２Ｏ（ｌ）
（６）
したがって、ＣＯ２は、炭酸カルシウムの量を増加させながら、セメント系製品中の水酸化カルシウムの量を減少させることができる。
【００２５】
セメント系物品におけるＣＯ２とケイ酸三カルシウムとの反応による炭酸カルシウムの形成、およびＣＯ２と水酸化カルシウムとの反応による炭酸カルシウムの形成により、セメント系製品の強度が増加すると理解されるべきである。またＣＯ２は、ＣＯ２が存在しない場合に上記の反応（１）、（２）、および／または（３）ごとに形成される水酸化カルシウムの少なくとも一部の形成を防止し、および／または形成された水酸化カルシウムの一部を炭酸カルシウムに変換する。すなわち、ＣＯ２が存在することにより、炭酸カルシウムが形成されるのみならず、本明細書に記載の方法を使用して形成されるセメント系物品内の水酸化カルシウムの形成および量も調節される。水酸化カルシウムの形成をそのように調節（例えば低減）することにより、蒸気のみでの硬化と比較して、セメント系物品における水和熱を低減させることができる。理論に縛られるものではないが、セメント系物品における水和熱を低減させることより、硬化の初期段階でのセメント系物品の熱膨張を減少させることができ、また硬化の初期段階でのセメント系物品におけるマイクロクラックを減少させることができる。セメント系物品におけるマイクロクラックの減少は、セメント系製品による強度の増加をもたらすと理解されるべきである。すなわち、セメント系製品における欠陥（マイクロクラック）が少ないと、蒸気のみでの硬化と比較して強度の増加が見られる。
【００２６】
ここで図２を参照すると、本明細書に記載の方法を使用した、セメント系物品を硬化させるための養生室２０が示される。養生室２０は、壁２１０、床２２０、および屋根２３０により画定された囲い２００を含む。複数のセメント系物品２０５が、囲い２００内に置かれてもよい。第１の入口２４０および第２の入口２５０が含まれており、蒸気とＣＯ２との混合物を囲い２００に流し込むために使用され得る。実施形態において、蒸気は、１個の入口（入口２４０）を通って囲い２００に流れ込むことができ、ＣＯ２、例えば純粋（１００体積％）なＣＯ２は、別個の入口（入口２５０）を通って囲い２００に流れ込むことができる。あるいは、単一の入口、例えば第１の入口２４０または第２の入口２５０を使用して、蒸気とＣＯ２との混合物を囲い２００に流し込んでもよい。加湿器２６０およびヒーター２７０が、養生室２０の囲い２００内の相対湿度および温度を制御するために含まれていてもよい。
【００２７】
蒸気とＣＯ２との混合物におけるＣＯ２の濃度により、セメント系製品における水酸化カルシウムと炭酸カルシウムとの望ましい組み合わせがもたらされると理解されるべきである。特に、養生室２０の囲い２００に導入される蒸気とＣＯ２との混合物におけるＣＯ２の濃度により、所望の量の水酸化カルシウムが形成され、そのため、所定の量の水酸化カルシウムが存在して強度がもたらされ、また炭酸カルシウムを形成するＣＯ２との反応（例えば上記の反応（６）による）について所定の量が存在して、強度およびＣＯ２封じ込めがもたらされる。
【００２８】
上記で具体化されたセメント系製品を形成する方法は、任意の適切なセメント系製品を形成するために使用することが可能である。本方法の実施形態により形成される物品の非限定的な例としては、コンクリートブロック、コンクリートの階段、コンクリートカウンタートップ、ならびにプレハブ式コンクリート壁および構造物が挙げられる。様々な実施形態について、以下の実施例によりさらに明確にする。
【実施例】
【００２９】
ここで図１〜２を参照して、蒸気とＣＯ２との混合物による硬化の効果を特定するために、３組のコンクリート圧縮試料を製造し、異なる環境下で硬化させた。同じ量のタイプのセメントバインダー、骨材、および同量の水を使用して、３組のコンクリート試料を製造した。１組目のコンクリート試料を、以下の硬化手順を使用して硬化させた：２時間にわたる空気硬化；８時間にわたる蒸気中での硬化（すなわち蒸気のみ）；合計７日にわたる１日２回の空気硬化＋水噴霧；２８日にわたる空気中での硬化。２組目のコンクリート試料を、以下の硬化手順を使用して硬化させた：２時間にわたる空気硬化；８時間にわたる蒸気＋１０体積％のＣＯ２中での硬化（すなわち蒸気＋５体積％のＣＯ２）；合計７日にわたる１日２回の空気硬化＋水噴霧；２８日にわたる空気中での硬化。３組目のコンクリート試料を、以下の硬化手順を使用して硬化させた：２時間にわたる空気硬化；８時間にわたるＣＯ２中での硬化（すなわちＣＯ２のみ）；合計７日にわたる１日２回の空気硬化＋水噴霧；２８日にわたる空気中での硬化。３組の試料それぞれの硬化手順の概要を、以下の表２に要約する。蒸気、蒸気＋５体積％のＣＯ２、およびＣＯ２における硬化を、図２に示されるように、養生室内で実施した。養生室内の温度は６０℃であり、相対湿度は６０％であった。したがって、３組の試料の硬化における唯一の変数は、蒸気およびＣＯ２の濃度であった。
【表２】
2021509100.tif 000004
【００３０】
３組の試料をそれぞれ、養生室内で８時間にわたり硬化させた後、および７日にわたり１日２回空気硬化を水噴霧とともに行った後に、圧縮強度試験にかけた。圧縮強度試験の結果を図３に示す。養生室内で８時間にわたり硬化させた後に、１組目の試料（蒸気のみ）は２２．５メガパスカル（ＭＰａ）の圧縮強度を有し、２組目の試料（蒸気＋１０体積％のＣＯ２）は２４．２ＭＰａの圧縮強度を有し、３組目の試料（ＣＯ２のみ）は４．７ＭＰａの圧縮強度を有していた。したがって、２組目の試料（蒸気＋１０体積％のＣＯ２）は、１組目の試料（蒸気のみ）と比較して７．６％の強度増加を有し、３組目の試料（ＣＯ２のみ）と比較して４１５％の強度増加を有していた。７日にわたる１日２回の空気硬化＋水噴霧の後に、１組目の試料（蒸気のみ）は２９．８ＭＰａの圧縮強度を有し、２組目の試料（蒸気＋１０体積％のＣＯ２）は３４．８ＭＰａの圧縮強度を有し、３組目の試料（ＣＯ２のみ）は２９．２ＭＰａの圧縮強度を有していた。したがって、２組目の試料（蒸気＋１０体積％のＣＯ２）は、１組目の試料（蒸気のみ）と比較して１６．８％の強度増加を有し、３組目の試料（ＣＯ２のみ）と比較して１９．２％の強度増加を有していた。
【００３１】
ＣＯ２吸収についても３組の試料を分析し、結果を以下の表３に要約する。以下の表３に示されるように、１組目の試料（水蒸気のみ）は、重量パーセント（重量％）で６．２５重量％の平均ＣＯ２吸収を有していた。２組目の試料（蒸気＋１０体積％のＣＯ２）は、２０．０５重量％の平均ＣＯ２吸収を有していた。３組目の試料（ＣＯ２のみ）は、９．２重量％の平均ＣＯ２吸収を有していた。したがって、２組目の試料（蒸気＋１０体積％のＣＯ２）は、１組目の試料（蒸気のみ）と比較して２２０％のＣＯ２吸収増加を有し、３組目の試料（ＣＯ２のみ）と比較して１１８％のＣＯ２吸収増加を有していた。したがって、蒸気＋１０体積％のＣＯ２による硬化は、純粋なＣＯ２における硬化と比較して、ＣＯ２封じ込めが増加した。上述のように、理論に縛られるものではないが、養生室２０の内部２５０に導入された蒸気＋ＣＯ２ガス混合物におけるＣＯ２の濃度は、セメント系製品に強度をもたらし得る所望の量の水酸化カルシウムをもたらし、炭酸カルシウム形成の起点として機能する。
【表３】
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【００３２】
また３組の試料を、Ｘ線回折（ＸＲＤ）を使用して、７日の空気硬化と水噴霧との後に、相または化合物の同定のために分析し、図４は、３つの試料のそれぞれのＸＲＤスキャンをグラフで示す。１組目の試料（「蒸気」というラベルが付いている）のＸＲＤスキャンに関して、水酸化カルシウム（Ｃａ（ＯＨ）２）については比較的高いピークが観察される一方で、炭酸カルシウムについては比較的低いピークが観察される。３組目の試料（「ＣＯ２」というラベルが付いている）のＸＲＤスキャンに関して、水酸化カルシウムについては比較的低いピークが観察され、炭酸カルシウムについては比較的高いピークが観察される。この結果は、表３に示されるＣＯ２吸収と合致する。ただし、２組目の試料（蒸気＋ＣＯ２）のＸＲＤスキャンを参照すると、水酸化カルシウムについて比較的低いピークが観察され、炭酸カルシウムについて最も高いピーク（１組目および３組目の試料と比較して）が観察される。したがって、表３に示されるＣＯ２吸収の結果と合致するＸＲＤスキャンは、本明細書に記載の蒸気＋ＣＯ２ガス混合物による硬化が、蒸気のみおよびＣＯ２のみの硬化と比較して、セメント系製品によるＣＯ２封じ込めを増加させることを示す。
【００３３】
本明細書に記載のセメント系製品を形成する方法には、蒸気とＣＯ２との混合物が使用されるため、セメント系物品によるＣＯ２吸収は、蒸気のみの硬化およびＣＯ２のみの硬化と比較して大幅に増加する。また、本明細書に記載の蒸気とＣＯ２との混合物は、セメント系製品の強度を増加させることができる。理論に縛られるものではないが、強度増加は、セメント系製品における炭酸カルシウムの形成および量の増加、ならびに／またはセメント系製品における欠陥の減少によるものである。本明細書に記載の方法を使用して製造されるセメント系製品のＣＯ２吸収および強度のそのような増加により、製造コストを削減し、ＣＯ２封じ込めのための起点をもたらすことができる。
【００３４】
特に明記しない限り、本明細書に記載の方法はいずれも、その工程を特定の順序で実行する必要があると解釈されることを意図したものではない。したがって、方法クレームによりその工程が従う順序が実際に記載されていない場合、または工程が特定の順序に限定されるべきであるとクレームまたは明細書に具体的に述べられていない場合、特定の順序が推測されることは意図されない。
【００３５】
本明細書で使用されるように、「約」という用語は、分量、サイズ、配合、パラメーター、ならびに他の量および特性が正確ではなく、また正確である必要がなく、必要に応じて、許容誤差、変換率、四捨五入、測定誤差など、および当業者に公知の他の要素を反映して、近似値であっても、および／またはそれより大きくても、またはそれより小さくてもよいことを意味する。一般的に、分量、サイズ、配合、パラメーター、または他の量もしくは特性は、そのようであると明示的に述べられているかどうかに関係なく、「約」または「近似値」である。
【００３６】
本明細書で使用される「または」という用語は、包括的であり、より具体的には、「ＡまたはＢ」という句は、「Ａ、Ｂ、またはＡおよびＢの双方」を意味する。本明細書において、排他的な「または」は、例えば「ＡまたはＢのいずれか」および「ＡまたはＢのうちの１つ」などの用語により指定される。
【００３７】
不定冠詞「１つの（ａおよびａｎ）」は、本発明の要素および構成要素を説明するために使用される。これらの冠詞の使用は、これらの要素または構成要素のうちの１つまたは少なくとも１つが存在することを意味する。これらの冠詞は通常、修飾名詞が単数名詞であることを示すために使用されるが、本明細書で使用されるように、冠詞「１つの（ａおよびａｎ）」には、特定の例で特に明記されていない限り、複数も含まれる。同様に、本明細書で使用される定冠詞「その（ｔｈｅ）」も、特定の例で特に明記されていない限り、修飾名詞が単数でも複数でもよいことを意味する。
【００３８】
当業者には、本開示の趣旨および範囲から逸脱することなく、様々な修正および変更がなされ得ることが明らかであろう。本開示の趣旨および本質を組み込んだ開示される実施形態の修正、組み合わせ、部分的組み合わせ、および変形は、当業者であれば気付くことができるため、本開示の範囲は、添付のクレームの範囲内のすべてそれらの等価物を含むと解釈されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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