(57)【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、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備える、複数の結着成分と、
充填粗粒子および／または充填微粒子を含む充填粒子とを含み、
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が、その中で実質的に均一に分散され、互いに結着し、
前記細長い枕木本体が、１つまたは複数の長手方向に配置されたダクトを有し、かつ、該ダクトのそれぞれに鋼補強筋をさらに備える、複合材料から調製された細長い枕木本体を有し、
約１９００ｋｇ／ｍ３〜２８００ｋｇ／ｍ３の密度、約４０ＭＰａ〜約１００ＭＰａの圧縮強度および約４ＭＰａ〜約１０ＭＰａの曲げ強度の特徴を有する複合材料である、枕木。
【請求項２】
前記鋼補強筋が、約１２よりも高いｐＨを有する保護剤を介して前記枕木本体に接合する、請求項１に記載の枕木。
【請求項３】
前記保護剤が、前記ダクトにグラウト注入されるポルトランドセメントモルタルを含むか、またはエポキシ樹脂および亜鉛から選択された、前記鋼補強筋の保護塗料である、請求項２に記載の枕木。
【請求項４】
前記枕木がプレストレス型またはポストテンション式である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の枕木。
【請求項５】
従来のコンクリート製枕木に対して改善された摩耗抵抗を有し、３５０ｍｉｎ／ｉｎｃｈよりも高い摩耗指数の特徴を有するか、または従来のコンクリート製枕木に対して改善された耐食性を有し、１００日以下の乾湿暴露において半電池電位が−３５０未満である特徴を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の枕木。
【請求項６】
前記充填粒子が、必要に応じて砂、石英、花崗岩のうちの１つまたは複数から選択された、二酸化ケイ素を多く含む材料から作られる、請求項１に記載の枕木。
【請求項７】
前記複数の結着成分が、制御水熱液相焼結法によって、必要に応じてアルミニウム、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た、請求項６に記載の枕木。
【発明の詳細な説明】
【優先権の主張および関連特許出願】
【０００１】
本出願は、２０１３年３月１３日に提出された米国特許仮出願番号第６１／７８０，７３８号による優先権の利益を主張し、この出願の全体の内容は、参照によりすべて本明細書に組み込まれるものとする。
【技術分野】
【０００２】
本発明は概して枕木に関する。より詳しくは、本発明は、非従来型の製造方法により新規の複合材料から作製された枕木に関する。この特別な枕木は、優れた特性をもち、鉄道線路の建設および保守における多様な用途に適している。
【背景技術】
【０００３】
枕木（まくら木、まくらぎ、マクラギとしても知られる）は、一般的に均一な台形断面を有する細長い横材であり、鉄道線路を支持するために用いられる。枕木（ＲＲＴ：RailRoad Ties）は、通常レールに直角に敷設され、レールを垂直に保持し、バラスト軌道および路盤に荷重を伝達し、レールが適正な軌間で離間するよう維持する。ＲＲＴは通常、ＲＲＴに埋設されその機械的特性および耐久性を改善する鋼棒で強化される。ＲＲＴは、一般的に、鉄道線路と強固に連結するための締結装置を用いる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
今日作製されるほとんどのＲＲＴは、通常のコンクリートで作られる。ほとんどの場合、既存のコンクリートＲＲＴは、所期の目的に有効であり、信頼性がある。しかしながら、コンクリートＲＲＴは、経済性および環境負荷の両方において最適ではない。既存の製造技術は、エネルギー消費および二酸化炭素排出が大きく、炭素排出量の面で不利である。
【０００５】
したがって、従来のコンクリートＲＲＴの物理的特性および性能特性を満たすかまたは凌ぐとともに、改善されたエネルギー使用量、より小さな環境負荷、低コストで大量生産することができる、ＲＲＴの新規な材料および製造方法への需要が高まっている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、既存のコンクリートＲＲＴに匹敵するかまたはそれを凌駕する、優れた物理的特性および性能特性をもつ新規な複合材料から作製された新規な枕木の、予測できないような発見に、一部基づくものである。本発明のＲＲＴは、硬度、柔軟性、摩耗抵抗、および耐化学性をはじめとする優れた耐候性および性能特性を示す。本発明のＲＲＴは、必要とされる設備が少なく、エネルギー消費が改善されるため、望ましい炭素排出量を達成し、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。
【０００７】
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）などの粒子状前駆体材料が挙げられる。液体水および／または水蒸気を含む流体成分もまた反応媒体として用いられる。二酸化炭素（ＣＯ２）は、ＲＲＴの製造において反応種として消費され、最終的にＣＯ２が隔離される。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機械的特性を微調整することができる。
【０００８】
一態様において、本発明は概して枕木に関する。枕木は複合材料から調製された細長い枕木本体を有し、この複合材料は、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、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備える、複数の結着成分と、充填粒子および／または充填粗粒子を含む充填微粒子とを含み、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が、その中で実質的に均一に分散され、互いに結着する。
【０００９】
一態様において、本発明は概して枕木を製造する方法に関する。この方法は、（ａ）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、第１の粗骨材粒子および第２の細骨材粒子を含む充填粒子とを含み、液体組成物が水を含む、工程と、（ｂ）スラリー混合物を枕木用に構成された型枠に打設する工程と、（ｃ）打設された混合物を、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工程とを備える。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【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概略図である。
【図２】図２（ａ）〜図２（ｆ）は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概略図であり、（ａ）低密度結着マトリックス（結着成分同士が接触しない）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（結着成分同士が接触しない）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（結着成分同士が接触しない）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（結着成分同士が接触しない）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。
【図３】本発明の実施形態による例示的な枕木を模式的に示す。
【図４】本発明の実施形態による例示的な枕木（補強筋なし）の断面を模式的に示す。
【図５】ポストテンションより線のためのダクトを備えたＲＲＴを成型するための配置の写真である。
【図６】ポストテンションより線のための直径１インチの６つのダクト穴を備えた、完全に養生された状態の実際のＲＲＴを示す。
【図７】ＡＳＴＭ  Ｇ１０９による腐食試験を模式的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明は、既存のコンクリートＲＲＴに匹敵するかまたはそれを凌駕する、優れた物理的特性および性能特性をもつ格別な枕木を提供する。本発明のＲＲＴは、エネルギー消費が改善され、より望ましい炭素排出量を達成する、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。
【００１２】
本発明のＲＲＴは、例えば重輸送鉄道、軽量軌道鉄道、高速鉄道、待避線、および産業鉄道の線路用の枕木など、多様な線路での用途に用いられるよう作製される。ＲＲＴは、ＲＲＴの許容荷重および耐久性を高める、プレテンション（またはポストテンション）およびプレストレスを導入した要素を用いて作製し得る。
【００１３】
本発明のＲＲＴは、従来のコンクリート製ＲＲＴの製造より少ない必要設備、改善したエネルギー効率で、大規模に製造することができる。さらに、本発明の製造方法は、大量のＣＯ２を消費してＣＯ２隔離生成物を生じるため、カーボンニュートラルであり、環境効率が高い。
【００１４】
本発明のＲＲＴおよびその製造に用いられる複合材料は、低い熱膨張性を示すため、レール間の適正な間隔を維持するのに非常に適している。本発明のＲＲＴおよびその製造に用いられる複合材料は、頑丈で固く、紫外線、厳しい気象条件、温度変化、微生物および昆虫による腐食ならびに長期間の使用により加わる機械応力に耐性を示す。また、複合材料自体が優れた絶縁性を有し、レール間に電気が流れるのを防ぐ。さらに、本発明のＲＲＴおよびその製造に用いられる複合材料は、耐久性があり、優れた摩耗抵抗特性を示すとともに、一般的な締め具、ボルト、ねじ、犬くぎなどとともに用いるのに適している。
【００１５】
一態様において、本発明は概して枕木に関する。枕木は複合材料から調製された細長い枕木本体を有し、この複合材料は、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、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備える、複数の結着成分と、充填粒子および／または充填粗粒子を含む充填微粒子とを含み、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が、その中で実質的に均一に分散され、互いに結着する。
【００１６】
特定の好適な実施形態では、細長い枕木本体は実質的に均一な断面（例えば台形）を有し、内部に１つまたは複数の補強筋を長手方向に配置するための１つまたは複数の長手方向に（縦に）配置されたダクト（導管）（例えば１本、２本、３本、４本、５本、６本、７本、８本、９本、１０本のダクト）を備える。特定の好適な実施形態では、ＲＲＴは、枕木本体内に１つまたは複数の補強筋（または異形鉄筋）（例えば１本、２本、３本、４本、５本、６本、７本、８本、９本、１０本の異形鉄筋）をさらに備える。異形鉄筋は、細長いＲＲＴ内で通常長手方向に配置される。
【００１７】
特定の好適な実施形態では、１つまたは複数の補強筋は鋼異形鉄筋である。特定の好適な実施形態では、１つまたは複数の補強筋は非鉄金属異形筋である。
【００１８】
鋼異形鉄筋では、その枕木本体との境界にｐＨが１２より高い保護剤（例えばポルトランドセメントモルタルを含む材料）を挟持してもよく、これにより枕木本体を鋼異形鉄筋と直接接しないように分離することができる。特定の好適な実施形態では、保護剤は、エポキシ樹脂および亜鉛（亜鉛めっき鋼）から選択される。
【００１９】
特定の実施形態では、枕木はプレストレス導入される。特定の実施形態では、枕木はポストテンション導入される。特定の実施形態では、枕木はプレテンションおよびプレストレスを導入される。
【００２０】
本明細書で使用するとき、用語「プレストレス導入（プレストレスト）」は、特定の程度の応力を与えられ、ＲＲＴ型枠内にコンクリートを入れて養生する前にＲＲＴ型枠に配置される異形鉄筋またはより線に関して用いられる。
【００２１】
本明細書で使用するとき、用語「ポストテンション」は、特定の程度の応力を与えられ、ＲＲＴ型枠から完全に養生されたコンクリートを取り出した後に、完全に養生されたコンクリートのダクト内に配置される異形鉄筋またはより線に関して用いられる。
【００２２】
プレテンションは複合材料を投入する前に緊張材に加えることができる。与圧は、伝達長にわたってＲＲＴの両端近くまで接着することにより鋼補強筋から複合材料に伝達させることができる。プレストレストＲＲＴへのポストテンション導入は、複合材料の硬化の後に緊張材に対して行うことができる。与圧は、（ブロックの端部の）定着具によって鋼補強筋から複合材料に伝達させることができる。
【００２３】
特定の好適な実施形態では、ＲＲＴの複合材料は、約１９００ｋｇ／ｍ３〜２８００ｋｇ／ｍ３（例えば約２０００ｋｇ／ｍ３、約２２００ｋｇ／ｍ３、約２３００ｋｇ／ｍ３、約２４００ｋｇ／ｍ３、約２５００ｋｇ／ｍ３、約２６００ｋｇ／ｍ３、約２２００ｋｇ／ｍ３〜２６００ｋｇ／ｍ３）の密度の特徴を有する。
【００２４】
ＲＲＴの複合材料は優れた圧縮強度を示す。特定の実施形態では、複合材料は、約４０ＭＰａ〜約１５０ＭＰａ（例えば約４０ＭＰａ〜約１２０ＭＰａ、約４０ＭＰａ〜約１００ＭＰａ、約５０ＭＰａ〜約１５０ＭＰａ、約６０ＭＰａ〜約１２０ＭＰａ、約８０ＭＰａ〜約１５０ＭＰａ、約１００ＭＰａ〜約１５０ＭＰａ）の圧縮強度を特徴とする。
【００２５】
ＲＲＴの複合材料はまた優れた曲げ強度を示す。特定の実施形態では、複合材料は、約１ＭＰａ〜約４０ＭＰａ（例えば約１ＭＰａ〜約３０ＭＰａ、約１ＭＰａ〜約２５ＭＰａ、約１ＭＰａ〜約２０ＭＰａ、約１ＭＰａ〜約１５ＭＰａ、約３ＭＰａ〜約１０ＭＰａ、約４ＭＰａ〜約１０ＭＰａ、約４ＭＰａ〜約８ＭＰａ、約６ＭＰａ〜約３０ＭＰａ、約１５ＭＰａ〜約４０ＭＰａ、約１５ＭＰａ〜約３５ＭＰａ、約１５ＭＰａ〜約３０ＭＰａ、約１５ＭＰａ〜約２５ＭＰａ、約１５〜約２０ＭＰａ、約２０〜約４０ＭＰａ、約２０〜約３５ＭＰａ、約２０〜約３０ＭＰａ）の圧縮強度を特徴とする。
【００２６】
特定の好適な実施形態では、ＲＲＴの複合材料は従来のコンクリート枕木と比較して改善された摩耗抵抗を特徴とする。特定の好適な実施形態では、ＲＲＴの複合材料は従来のコンクリート枕木と比較して改善された耐食性を特徴とする。特定の好適な実施形態では、ＲＲＴの複合材料は従来のコンクリート枕木と比較して改善された虫害抵抗性を特徴とする。特定の好適な実施形態では、ＲＲＴの複合材料は従来のコンクリート枕木と比較して改善された絶縁体を特徴とする。
【００２７】
任意の適切なケイ酸カルシウムを結着成分の前駆体として用い得る。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」としても知られ、ＣａＯ・ＳｉＯ２の式で表すこともある）ＣａＳｉＯ３、（「ビーライト」としても知られ、２ＣａＯ・ＳｉＯ２の式で表すこともある）Ｃａ２ＳｉＯ４、（「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。
【００２８】
本明細書で開示する組成物および方法を採用することにより、ケイ酸カルシウムに代えてまたはこれに加えてケイ酸マグネシウムを用い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）Ｍｇ３Ｓｉ４Ｏ１０（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。
【００２９】
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し得る。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１０μｍ〜約５０μｍ、約１０μｍ〜約４０μｍ、約１０μｍ〜約３０μｍ、約１０μｍ〜約２０μｍ）の範囲内の中央粒径を有する。
【００３０】
特定の好適な実施形態では、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。特定の好適な実施形態では、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。特定の好適な実施形態では、複数の結着成分が、制御水熱液相焼結（ＨＬＰＳ）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。
【００３１】
特定の好適な実施形態では、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。特定の好適な実施形態では、複数の結着成分が、制御ＨＬＰＳ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。
【００３２】
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１２／２７１，５６６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／ＵＳ２００８／０８３６０６）、国際公開第２０１１／０５３５９８（ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０５４１４６）、国際公開第２０１１／０９０９６７（ＰＣＴ／ＵＳ２０１１／０２１６２３）、２０１２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号および２０１２年１０月１日に出願された（Ｒｉｍａｎらによる）米国仮特許出願第６１／７０８，４２３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。
【００３３】
任意の適切な充填粒子、例えば二酸化ケイ素を多く含む材料で作られる充填粒子を用い得る。特定の好適な実施形態では、充填粒子は、石英、花崗岩、雲母および長石などの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、花崗岩粉末、長石粉末）の１つまたは複数から作られる。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、ＫＡｌ２（ＡｌＳｉ３Ｏ１０）の式で表すこともある雲母）も包含する。
【００３４】
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、複数の充填粒子が約１０μｍｔｏ約１ｍｍ（例えば約１０μｍ〜約５００μｍ、約１０μｍ〜約２５０μｍ、約１０μｍ〜約１００μｍ、約１０μｍ〜約５０μｍ、約２０μｍ〜約１ｍｍ、約２０μｍ〜約５００μｍ、約２０μｍ〜約３００μｍ、約５０μｍ〜約１ｍｍ、約１００μｍ〜約１ｍｍ、約２００μｍ〜約１ｍｍ）の範囲の中央粒径を有する。
【００３５】
特定の好適な実施形態では、複合材料は、結着成分：充填粒子の重量比が、およそ１：３〜およそ１：１０（例えばおよそ１：４、およそ１：５、およそ１：６、およそ１：７）である。特定の実施形態では、複合材料が、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。
【００３６】
特定の実施形態では、複合材料が約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。
【００３７】
複合材料はＲＲＴの物理的特性または機械的特性を変更するための添加剤をさらに含み得る。例示的な添加剤として、レオロジー修飾混和剤および空気連行剤が挙げられる。
【００３８】
特定の実施形態では、細長い枕木本体が、１つまたは複数の長手方向に配置されたダクトを有する。
【００３９】
特定の実施形態では、枕木が１つまたは複数の長手方向に配置されたダクトのそれぞれに補強筋をさらに備える。
【００４０】
特定の好適な実施形態では、１つまたは複数の補強筋は鋼棒である。特定の好適な実施形態では、１つまたは複数の補強筋は非鉄金属棒である。
【００４１】
特定の実施形態では、鋼補強筋が、ｐＨが約１２よりも高い保護剤を介して枕木本体に接合する。
【００４２】
特定の実施形態では、保護剤が、ダクトにグラウト注入されるポルトランドセメントモルタルである。
【００４３】
特定の実施形態では、保護剤は、エポキシ樹脂および亜鉛から選択される。
【００４４】
特定の実施形態では、枕木はプレストレス導入される。
【００４５】
特定の実施形態では、枕木はポストテンション導入される。
【００４６】
特定の実施形態では、複合材料は約１９００ｋｇ／ｍ３〜２８００ｋｇ／ｍ３の密度、約４０ＭＰａ〜約１００ＭＰａの圧縮強度および約４ＭＰａ〜約１０ＭＰａの曲げ強度の特徴を有する。
【００４７】
特定の実施形態では、枕木が、従来のコンクリート製枕木に対して改善された摩耗抵抗を有し、３５０ｍｉｎ／ｉｎｃｈよりも高い摩耗指数を示す。
【００４８】
特定の実施形態では、枕木が従来のコンクリート製枕木に対して改善された耐食性を有し、１００日以下の乾湿暴露において−３５０未満の自然電位値がを示す。
【００４９】
特定の実施形態では、複数の結着成分が約５μｍ〜約１００μｍの範囲の中央粒径を有する。
【００５０】
特定の実施形態では、充填粒子が二酸化ケイ素を多く含む材料から作られる。
【００５１】
特定の実施形態では、複数の充填粒子が、砂、石英、花崗岩のうちの１つまたは複数を含む。
【００５２】
特定の実施形態では、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。
【００５３】
特定の実施形態では、複数の結着成分が、制御（ＨＬＰＳ）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。
【００５４】
特定の実施形態では、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。
【００５５】
特定の実施形態では、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。
【００５６】
特定の実施形態では、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。
【００５７】
特定の実施形態では、結着成分：充填粒子の重量比が、およそ１：５である。
【００５８】
特定の実施形態では、枕木が約１０％未満の吸水率を有する。
【００５９】
一態様において、本発明は概して枕木を製造する方法に関する。この方法は、（ａ）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、第１の粗骨材粒子および第２の細骨材粒子を含む充填粒子とを含み、液体組成物が水を含む、工程と、（ｂ）スラリー混合物を枕木用に構成された型枠に打設する工程と、（ｃ）打設された混合物を、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工程とを備える。
【００６０】
特定の実施形態では、液体組成物が高性能減水剤をさらに含む。特定の実施形態では、液体組成物が空気連行剤をさらに含む。
【００６１】
型枠は、補強筋の配置を可能とする１つまたは複数のダクト用に構成してもよい。この方法は、ダクトに通して補強筋を配置する工程（ｄ）と、ｐＨが約１２よりも高い保護剤でダクトを満たす工程（ｅ）とをさらに備えることができる。
【００６２】
特定の実施形態では、ケイ酸カルシウム粉末は粒子状組成物の約１６重量％を占め得る。特定の実施形態では、ケイ酸カルシウム粉末は、主にグランド珪灰石とすることができる。
【００６３】
任意の適切な高性能減水剤、例えばポリカルボン酸塩を主成分とする材料を用いてもよい。任意の適切な濃度または量、例えば液体組成物の約１．５重量％ｔｏ約３重量％（例えば約１．５重量％、約２．０重量％、約２．５重量％、約３．０重量％）の濃度を用い得る。
【００６４】
特定の実施形態では、打設された混合物の養生を、約４０℃〜約１２０℃の範囲の温度で約５時間〜約７２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。
【００６５】
特定の実施形態では、打設された混合物の養生を、約６０℃〜約１１０℃の範囲の温度で約１５時間〜約７２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。
【００６６】
特定の実施形態では、打設された混合物の養生を、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。
【００６７】
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。
【００６８】
養生プロセスの相対湿度環境を、所望の結果、例えば、およそ周囲の大気圧〜周囲の大気圧より約１００ｐｓｉ高い範囲の（例えばおよそ周囲の大気圧〜周囲より約９０ｐｓｉ高い、およそ周囲の大気圧〜周囲より約８０ｐｓｉ高い、およそ周囲の大気圧〜周囲よりも約７０ｐｓｉ高い、およそ周囲の大気圧〜周囲よりも約６０ｐｓｉ高い、周囲の大気圧よりも約２０高い〜約１００高い、周囲の大気圧よりも約３０〜約１００ｐｓｉ高い）ＣＯ２圧力で、約１０％〜約９０％の範囲（例えば約２０％〜約９０％、約３０％〜約９０％、約４０％〜約９０％、約１０％〜約７０％、約１０％〜約５０％）のＣＯ２濃度で、約５０％〜約９８％（例えば約６０％〜約９８％、約７０％〜約９８％、約８０％〜約９８％、約９０％〜約９８％、約５０％〜約９０％、約５０％〜約８０％、約５０％〜約７０％）の範囲を満たすよう調節して、均一性、均質性、および多孔構造を示す気泡複合材料を製造し得る。
【００６９】
ケイ酸カルシウム粉末は、約１μｍ〜約１００μｍの範囲の中央粒径を有し、第１の炭酸カルシウム粉末は約３μｍ〜約７μｍの範囲の中央粒径を有する。液体組成物は、水および水溶性分散剤を含む。
【００７０】
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、１０μｍ、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の石灰石粉末は、約４０μｍ〜約９０μｍ（例えば約４０μｍ、５０μｍ、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。第２の石灰石粉末は、約２０μｍ〜約６０μｍ（例えば約２０μｍ、３０μｍ、４０μｍ、５０μｍ、６０μｍ）の中央粒径ならびに約０．６ｇ／ｍＬ〜約０．８ｇ／ｍＬ（嵩密度）および約１．１ｇ／ｍＬ〜約１．４ｇ／ｍＬ（タップ密度）のバルク密度を有する。
【００７１】
特定の好適な実施形態では、ケイ酸カルシウム粉末が珪灰石粉を含み、粒子状カルシウム酸化物が石灰粉末を含み、発泡剤がアルミニウム粉を含む。
【００７２】
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、水から析出する。
【００７３】
より詳しくは、第１の層および第２の層は、以下の反応（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。
【００７４】
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。
【００７５】
好ましくは、ガスアシストＨＬＰＳ法は、部分的に浸潤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（２５℃、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、相当の炭素塩転換が可能になるはずである。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。）この部分的に浸潤される状態により、一定期間での高割合の炭酸化へと反応が進行する。
【００７６】
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。
【００７７】
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、ＣＯ２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９０℃、約２０ｐｓｉｇ（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６０℃、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９０℃、２０ｐｓｉｇ（周囲の大気圧よりも２０ｐｓｉ高い）で約１９時間行う。
【００７８】
例示的な実施形態では、以下にＲＲＴの作製方法の概要を示す。ケイ酸カルシウム（例えば合成珪灰石）、砂、粗骨材、水および化学的混和剤の必要量はバッチサイズに基づいて計算する。これらの原材料をコンクリートミキサーで（例えば約５分〜１０分）混合する。混合物を振動台上に保持された型枠に徐々に注入し、機械的振動によってよく締固め、上面が平滑な仕上がりになるようにする。型枠の側面は、１時間から２時間の注型の後に取り除く。試料を養生／反応チャンバに移動し、そこで温度を１時間で常温（およそ２０℃）から６０℃上昇させ、その温度で６０％の相対湿度で約６０時間維持させる。同時に、ＣＯ２を周囲大気圧で９０％の濃度で注入して均一性、均質性および高密度マトリックスを示す複合材料を生成する。
【００７９】
特定の実施形態では、型枠を、補強筋の配置を可能とする１つまたは複数のダクト用に構成する。
【００８０】
特定の実施形態では、この方法は、ダクトに通して補強筋を配置する工程と、ｐＨが約１２よりも高い保護剤でダクトを満たす工程とをさらに備えることができる。
【００８１】
特定の実施形態では、保護剤が、ポルトランドセメントモルタルである。
【００８２】
特定の実施形態では、打設された混合物の養生を、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。
【００８３】
特定の実施形態では、打設された混合物の養生を、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。
【００８４】
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。
【００８５】
特定の実施形態では、ケイ酸カルシウム粉末が珪灰石粉を含み、充填粒子が、二酸化ケイ素を多くを含む材料の粗粒子および微粒子を含む。
【００８６】
特定の実施形態では、粗粒子および微粒子を含む充填粒子が、砂、石英、花崗岩のうちの１つまたは複数を含む。
【００８７】
特定の実施形態では、高性能減水剤がポリカルボン酸塩を含み、液体組成物の約１．５重量％〜約３重量％の濃度を有する。
【００８８】
特定の実施形態では、粒子状組成物が、約１６重量％のケイ酸カルシウム粉末を含む。
【００８９】
特定の実施形態では、ケイ酸カルシウム粉末は、主にグランド珪灰石とする。
【００９０】
さらに別の態様において、本発明は概して、本明細書に記載される方法によって調製された枕木に関する。特定の実施形態では、枕木は、約１９００ｋｇ／ｍ３〜２８００ｋｇ／ｍ３の密度、約４０ＭＰａ〜約１００ＭＰａの圧縮強度および約４ＭＰａ〜約１０ＭＰａの曲げ強度を有する。特定の実施形態では、従来のコンクリート製枕木に対して改善された摩耗抵抗の特徴を有する。特定の実施形態では、従来のコンクリート製枕木に対して改善された耐食性の特徴を有する。
【００９１】
ＲＲＴは特定の工業規格の仕様に適合するかまたはそれを超えるよう調製し得る。本発明のプレストレストＲＲＴでは、例えば、圧縮強度を約１０，０００ｐｓｉよりも高くすることができ、摩耗指数値を５９０ｍｉｎ／ｉｎｃｈよりも高くすることができ（ＡＳＴＭ  Ｃ７７９方法Ｃに準拠）、３００凍結融解サイクル後の耐久性を９５％より高くすることができる（ＡＳＴＭ  Ｃ６６６方法Ａに準拠）。
【００９２】
ダクトのサイズ、形状、数および寸法、切断、表面処理はいずれも特定の必要によって異なり得る。例えば、米国では、標準的な枕木は主要路線で幅約９インチ×厚さ７インチ×長さおよそ８．５フィートのサイズを有する。短路線では枕木のサイズは約６インチ×８インチ×８．５フィートである。第三のレールを用いる貨物線および旅客線では、枕木は７インチ×９インチ×１０フィートまたは６インチ×８インチ×１０フィートである場合もある。
【００９３】
従来のプレストレストコンクリート枕木では、セメント水和反応が、プレストレス用緊張線の周囲の注入コンクリートの強度を得るための主要な反応である。カルシウム−ケイ酸塩−水和物（Ｃ−Ｓ−Ｈ）ゲルおよび水酸化カルシウムが主要な水和生成物である。Ｃ−Ｓ−Ｈゲルは、強度発現および微細構造のために最も重要な相である。約４０００ｐｓｉの初期圧縮強度が達成されると、緊張線を両端からゆるめ、または切断してコンクリートに応力を誘導する。
【００９４】
本発明によるＲＲＴ製造方法では、養生または反応プロセスでＣＯ２隔離精製物をもたらすＣＯ２消費を用いるため、非常にカーボンニュートラルで環境効率的な技術となる。
【００９５】
ＲＲＴに関する主な懸念事項は鋼またはプレストレス用より線の腐食である。ポストテンション式コンクリート枕木の場合、ダクトが通常、配置され、グラウト注入され、炭素鋼がポルトランドセメントモルタルで被覆され、腐食活性を示さない、およそ−２５０ｍＶと大幅に低いＨＣＰ値をもたらす。そのため、本発明によるポストテンション式ＲＲＴの使用は、従来のコンクリートＲＲＴと同様保護され、腐食されにくい。
【００９６】
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により、ケイ酸カルシウムに代えてまたはこれに加えてケイ酸マグネシウムを用いることができる。
【００９７】
＜結着成分、結着マトリックスおよび複合材料＞
（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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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（ｌｉｇｈｉｎｅ）、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ならびにアダメライト、アッピン岩、非顕晶質岩、ボロラン岩、青花崗岩、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、ラパキビ花崗岩、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。
【０１０５】
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】
0006438001.tif 000002
【０１０６】
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ＳＯ４２−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】
0006438001.tif 000003
【０１０７】
（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９９ｖｏｌ％のほぼあらゆる程度の空孔率とすることができる。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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、花崗岩、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。
【０１１０】
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％、５０ｖｏｌ％、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９０ｖｏｌ％（例えば約８ｖｏｌ％〜約８０ｖｏｌ％、約８ｖｏｌ％〜約７０ｖｏｌ％、約８ｖｏｌ％〜約５０ｖｏｌ％、約８ｖｏｌ％〜約４０ｖｏｌ％）であり、より好ましい範囲は、約８ｖｏｌ％〜３０ｖｏｌ％である。
【０１１１】
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９０ｖｏｌ％、７０ｖｏｌ％、５０ｖｏｌ％、４０ｖｏｌ％、３０ｖｏｌ％、２０ｖｏｌ％、１０ｖｏｌ％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。
【０１１２】
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“Connectivity and piezoelectric-pyroelectric composites”, Mat. Res. Bull. vol. 13, pp. 525-536, 1978に見ることができる。
【０１１３】
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。
【０１１４】
＜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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
（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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
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および形状を有するが、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。
【０１２３】
（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。
【０１２４】
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および第２の層を変態させることが可能となる。
【０１２５】
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または一定も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。
【０１２６】
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。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。
【０１２７】
（Ｃ）浸透媒体
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浸透媒体は、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。
【０１２８】
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。
【０１２９】
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。
【０１３０】
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。
【０１３１】
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、浸透媒体は、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。
【０１３２】
例えば、毛管力を用いて、浸透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。この種の浸透（湿潤）は、浸透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。浸透はまた、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、湿潤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、浸透媒体の接触角が大きい（例えば９０°よりも大きい）場合、浸透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浸透しない。この手法は、圧力の解放により浸透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）。
【０１３３】
空孔内の自発的な毛細管流を用いて湿潤を行う場合、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。空孔が浸透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浸透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、他のすべ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。
【０１３４】
（Ｄ）方法の選択および制御
発熱性の高い反応が浸透媒体の移動に対して緩やかに進行し、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り得、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。反応が浸透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。
【０１３５】
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浸透媒体を取り込む方法のための方策が重要である。前駆体および浸透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の厚さ、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。
【０１３６】
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湿潤させることができ、または多孔性マトリックスを表３に示す湿潤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】
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【表３−２】
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【表３−３】
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【０１３７】
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浸透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、多数の湿潤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湿潤を行うかまたはその逆とし得る。
【０１３８】
浸透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、温度が上昇してガス種が熱的に凝結できず、ここでは説明しない他の理由で少量の浸透溶液が必要とされ、潮解性化合物を用いて空孔内に液体を生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、液体の浸透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ＨＬＰＳに必要とされる浸透媒体をマトリックスの空孔内に形成することができる。
【０１３９】
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浸透媒体を加える前に多孔性マトリックスと同時処理（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。
【０１４０】
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。
【０１４１】
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浸透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ＮａＣｌが挙げられる。
【０１４２】
浸透媒体の輸送について、浸透媒体は、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、浸透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浸透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。
【０１４３】
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浸透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、浸透媒体の流入は、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。
【０１４４】
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。
【０１４５】
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】
【０１４６】
（実施例１）合成珪灰石を用いたポストテンション式枕木の製造方法
これらの試料の製造に用いるコンクリートの混合比率を表４に示す。
【０１４７】
原料：中国東海のDonghai Golden Resources Industriesによる合成珪灰石（ＳＣ−Ｃ２）、ニュージャージー州バウンド・ブルックStavola Construction Materialsの篩にかけた建築用砂、ニュージャージー州レイクウッドのClayton Block companyによる１／４インチおよび３／８インチの粉砕された玄武岩の集合体、ＢＡＳＦによる混和剤Ｇｌｅｎｉｕｍ７５００および標準的な水道水。
【表４】
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【０１４８】
図４および図５はそれぞれ、本発明の実施例によって調製されたＲＲＴ試料の長手方向の図および断面図である。ポストテンションより線用のためのダクトは、直径が１インチ（（「ｉｎ．」とも表記される）、２５．４ｍｍ）である。
＜ＲＲＴの混合手順＞
（１）１０６．８ｋｇの１／４インチ集合体を計量してＳｉｃｏｍａ（商標）のプラネタリーミキサー（ＭＰ３７５／２５０）のホイストに投入する。
（２）１２３．８ｋｇの３／８インチ集合体を計量してミキサーのホイストに投入する。
（３）６８．５ｋｇのＳＣ−Ｃ２を計量してミキサーのホイストに投入する。
（４）１２８．１ｋｇの篩にかけた建築用砂を計量してミキサーのホイストに投入する。
（５）これらのすべての原材料を４０ＲＰＭで回転するアームを備えたミキサーで３分間混合して乾燥混合物を生成する。
（６）２２７．９ｋｇのタップ水および０．５ｋｇのＧｌｅｎｉｕｍ７５００を直接乾燥混合物に投入し、さらに３分間混合して湿潤混合物を生成する。
＜ＲＲＴの成型手順＞
（１）ＷＤ−４０を用いて型枠（１０２インチ×１１インチ×９インチ）の内面に潤滑剤を塗布して、流し型の側面の取り外しを容易にするとともに試料の離型を容易にする。
（２）湿潤混合物を容器に注入して、上に型枠が保持される振動台上に搬送する。
（３）図３に示すように、型枠内で直径１インチの鋼管を均等に配置することにより、ポストテンション式の補強鋼のための６本のダクトを作製する。
（４）振動を加えながら、湿潤混合物を徐々に型枠に加える。型枠は４層で満たされ、各層は５分間振動される。
（５）最後の層が型枠に配置された後、非常に平滑な仕上げ表面が得られるまで振動させ続ける。
（６）型枠を３時間、常温（２３±２℃）で維持する。ダクトを形成するために配置された鋼管を取り除く。続いて型枠の４つのすべての垂直側面を取り外してセラミック成形体を露出させる。
養生手順−６０℃、０ｐｓｉｇ、大気圧での蒸気養生
【０１４９】
セラミック成形体を、６０℃に予熱した、直径７フィート、長さ１２フィートのオートクレーブ内に配置した。その後、オートクレーブを６０℃に加熱したＣＯ２ガスでパージした。オートクレーブ上下部のブリードバルブを開放し、ＣＯ２ガスがオートクレーブ内を容易に流れるようにした。ＣＯ２パージの間、ファンを用いてオートクレーブ内の環境を攪拌した。５分後、ＣＯ２ガスの流れを止め、２つのブリードバルブを閉じ、ファンを停止させた。その後、オートクレーブの上部のブリードバルブを開け、ＣＯ２ガスの供給を再開しさらに１０分間続けた。これにより、軽い空気が上部ブリードバルブから逃げ、オートクレーブ内を１００％に近いＣＯ２雰囲気とすることができた。その後、オートクレーブ上部のブリードバルブを閉じ、ファンを起動し、オートクレーブ内のＣＯ２圧力を０．５ｐｓｉｇに制御した。オートクレーブ内の蒸気圧を高めるように、前もって６０°Ｃに加熱した水を反応器の下部で循環させた。オートクレーブ内の雰囲気が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。セラミック成形体を、これらの条件で６５時間養生した。養生されたセラミック体をオートクレーブから取り出し、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。
【０１５０】
養生セラミック体から切り出された試料を圧縮および摩耗について試験した。
【０１５１】
図６は、先に説明した手順にしたがって成型および養生した実際のＲＲＴ試料を示す。
耐食性試験
【０１５２】
１１インチ×６インチ×４．５インチ（２８０ｍｍ×１５０ｍｍ×１１５ｍｍ）の寸法の角柱状の試料をＡＳＴＭ  Ｇ１０９にしたがって、表３に示す混合比率を用いて成型した。ＦＩＧ．７に示すように、各試料は２つの補強層を用いる。上記の養生手順にしたがって、腐食試験試料をオートクレーブ内で反応させた。試験一式につき最低限の２試料を用いた。角柱状試料の上層は、０．７５インチ（１９ｍｍ）のコンクリート被覆を備えた１本の補強筋からなり、下層は２本の補強筋からなる。２つの補強層は１００Ω抵抗で互いに電気的に接続される。角柱状の試料を（重量で）３％の塩化ナトリウム溶液に４日間浸し、３日間乾燥を続け、これらのサイクルを上下の補強筋間に所定の量の帯電が測定されるまで続けた。補強筋のマクロセル腐食電流値および（銅−硫酸銅電極（ＣＳＥ：copper-copper sulfate electrode）に対する）自然電位（ＨＣＰ：half-cell potential）値を観察した。
【０１５３】
図７に示すように、上下の異形鉄筋について、ＡおよびＢの２箇所でＨＣＰを測定し、２値の平均値がそれぞれの異形鉄筋のＨＣＰ値であると考えられた。
鋼の腐食
【０１５４】
腐食試料で測定されたＨＣＰ値は、上下両方の異形鉄筋で−６５０ｍＶを超え、これは、簡易的な炭素鋼補強では腐食活性のレベルが大幅に高いことを示す。−３５０ｍＶよりも負方向に大きいＨＣＰ値は、標準規格によれば、９０％を超える腐食可能性を示す。
【０１５５】
本発明のポストテンション式ＲＲＴの場合、ダクトは補強のためにｐＨの高い保護剤を注入されるため、本発明のＲＲＴに有利な条件となる。本研究の第２の段階の腐食試験に、簡易的なポルトランドセメントモルタル塗装の炭素鋼を用いた。これらの試料では、ＨＣＰ値は約−２５０ｍＶと大幅に低く、１００日間の試験期間では腐食活性がないことを示した。
摩耗抵抗
【０１５６】
養生されたセラミック体から切り出されたサンプルへの摩耗抵抗試験を、コロラド州のＣＥＳＡＲＥ  Ｉｎｃ．で、ＡＳＴＭ  Ｃ７７９の試験法Ｃにしたがって行った。これは、枕木材料と関連する摩耗抵抗の試験である。摩耗指数の結果は、異なるバッチに対し、６０６分／インチ、５８８分／インチおよび５２６分／インチであった。不良なコンクリートは０ｍｉｎ／ｉｎｃｈ〜２００ｍｉｎ／ｉｎｃｈの範囲の摩耗指数値を示し、優れたコンクリートサンプルは、３５０ｍｉｎ／ｉｎｃｈよりも良い結果をもたらした。したがって、本発明のＲＲＴは枕木用途に対し優れた摩耗抵抗を有する。
【０１５７】
本明細書および添付の特許請求の範囲において、単数形の「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈によりそうでないことが明確に定められない限り、複数物への言及を含むものとする。
【０１５８】
特に定義されない限り、本明細書で使用した技術的および化学的用語はすべて、当該分野において通常の知識を有する者によって通常に理解されるのと同様の意味を有する。本明細書に記載されたものと類似するかまたは同等の方法および材料を本発明の実施または試験において用いることもできるが、好適な方法および材料を上記にて説明する。本明細書で詳述された方法は、開示の具体的な順序に加えて、論理的に可能な任意の順序で実施してもよい。
【０１５９】
（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、記述または他の開示内容に抵触する資料またはその一部分は、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。
【０１６０】
（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】
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【図２−１】
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【図２−２】
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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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