(57)【要約】本発明は、優れた粉砕性および反応性により特徴づけられる新規な微細構造のクリンカおよびセメント材料を提供する。開示されたクリンカおよびセメント材料は、カーボネーションが可能なケイ酸カルシウムをベースとし、大規模生産に適したプロセスを介して、広く入手可能で低コストの原料から製造することができる。本発明の方法は、設備および処理要件が柔軟であり、従来のポルトランドセメントの製造設備で容易に適用可能である。【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウォラストナイトおよび偽珪灰石のうち少なくとも１つを含む、少なくとも１つのカーボネーションが可能なケイ酸カルシウム相を含むマトリックスに分散された非カーボネーションシリカ（ＳｉＯ２）の粒子を含む、非水硬性のクリンカ材料。
【請求項２】
メリライト（（Ｃａ，Ｎａ，Ｋ）２（Ａｌ，Ｍｇ，Ｆｅ）［（Ａｌ，Ｓｉ）ＳｉＯ７］）および／またはアモルファス相を含みかつ前記非カーボネーションシリカの粒子を囲む中間層をさらに含む、請求項１のクリンカ材料。
【請求項３】
前記マトリックスは、ランキナイト（Ｃａ３Ｓｉ２Ｏ７）および／またはビーライト（Ｃａ２ＳｉＯ４）を含む、請求項１または２のクリンカ材料。
【請求項４】
前記中間層は、Ａｌ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、ＭｇＯ、Ｋ２Ｏ、およびＮａ２Ｏから選択される１つ以上の成分を含むアモルファス相を含む、請求項２または３のクリンカ材料。
【請求項５】
前記マトリックスは、Ａｌ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、ＭｇＯ、Ｋ２Ｏ、およびＮａ２Ｏから選択される１つ以上の成分をさらに含む、請求項１から４のいずれかのクリンカ材料。
【請求項６】
前記非カーボネーションシリカの粒子は、約０．１μｍから約１，０００μｍの直径を有し、
前記中間層は、約０．１μｍから約２５０μｍの厚みを有する、請求項２から５のいずれかのクリンカ材料。
【請求項７】
前記非カーボネーションシリカの粒子は、約２５μｍから約１，０００μｍの直径を有し、
前記中間層は、約１μｍから約２５μｍの厚みを有する、請求項６のクリンカ材料。
【請求項８】
前記アモルファス相は、体積％で、全固相の約１０％以上を占める、請求項２から７のいずれかのクリンカ材料。
【請求項９】
元素Ｃａおよび元素Ｓｉが約０．８から約１．２の原子比で存在する、請求項１から８のいずれかのクリンカ材料。
【請求項１０】
元素Ｃａおよび元素Ｓｉが約０．９から約１．１の原子比で存在する、請求項１から９のいずれかのクリンカ材料。
【請求項１１】
周囲大気圧から周囲より約１５０ｐｓｉ上回るまでの範囲の圧力を有し、約１０％から約９９％の範囲のＣＯ２濃度を有する水およびＣＯ２の雰囲気下で、約１時間から約１５０時間、約３０℃から約９０℃の温度でのＣＯ２による、質量を約１０％以上増加させたＣａＣＯ３を得るカーボネーションに適する、請求項１から１０のいずれかのクリンカ材料。
【請求項１２】
周囲大気圧から周囲より約４０ｐｓｉ上回るまでの範囲の圧力を有し、約５０％から約９５％の範囲のＣＯ２濃度を有する水およびＣＯ２の雰囲気下で、約１０時間から約５０時間、約４０℃から約８０℃の温度でのＣＯ２による、質量を約１０％以上増加させたＣａＣＯ３を得るカーボネーションに適する、請求項１から１１のいずれかのクリンカ材料。
【請求項１３】
全酸化物質量に対して約３０％以下のＡｌ、Ｆｅ、およびＭｇの金属酸化物を含む、請求項１から１２のいずれかのクリンカ材料。
【請求項１４】
全酸化物質量に対して約１０％以下のＡｌ、Ｆｅ、およびＭｇの金属酸化物を含む、請求項１から１３のいずれかのクリンカ材料。
【請求項１５】
請求項１から１４のいずれかのクリンカ材料のカーボネーションにより製造された複合材料。
【請求項１６】
ブレンドした前駆物質の組成物を得るために、１つ以上の前駆物質を混合するステップであって、前記組成物中、元素Ｃａおよび元素Ｓｉは、約０．８から約１．２の原子比で存在し、Ａｌ、Ｆｅ、およびＭｇの金属酸化物は、質量％で約３０％以下で存在するステップと、
クリンカ材料を製造するための十分な時間のあいだ、約８００℃〜約１４００℃の温度に前記ブレンドした前駆物質の組成物を加熱するステップとを含む、請求項１から１５のいずれかのクリンカ材料の製造方法。
【請求項１７】
Ａｌ、Ｆｅ、およびＭｇの金属酸化物が、質量％で約１０％以下で存在する、請求項１６の方法。
【請求項１８】
前記前駆物質が、石灰石、砂、シルト、砂岩、シリカリッチ粘土、および珪藻土から選択される、請求項１６または１７の方法。
【請求項１９】
元素Ｃａおよび元素Ｓｉが約０．９から約１．１までの原子比で存在する、請求項１６から１８のいずれかの方法。
【請求項２０】
前記ブレンドした前駆物質の組成物は、クリンカ材料を製造するための十分な時間の間、約９００℃〜約１３００℃の範囲の温度で加熱される、請求項１６から１９のいずれかの方法。
【請求項２１】
前記ブレンドした前駆物質の組成物は、約１０分間から約５時間の期間で加熱される、請求項１６から２０のいずれかの方法。
【請求項２２】
前記ブレンドした前駆物質の組成物は、約１５分間から約３時間の期間で加熱される、請求項１６から２１のいずれかの方法。
【請求項２３】
前記ブレンドした前駆物質の組成物は、約２０分間から約２時間の期間で加熱される、請求項１６から２２のいずれかの方法。
【請求項２４】
前記ブレンドした前駆物質の組成物の加熱は、大気圧下で行われる、請求項１６から２３のいずれかの方法。
【請求項２５】
請求項１から１５のいずれかのクリンカ材料を粉砕することにより製造される粉末状材料であって、約８μｍから約２５μｍの平均粒子径（ｄ５０）、１０％の約０．１μｍから約３μｍの大きさの粒子（ｄ１０）、および９０％の約３０μｍから約１００μｍの大きさの粒子（ｄ９０）により特徴づけられる、粉末状材料。
【請求項２６】
少なくとも１つのカーボネーションが可能な相により、表面の少なくとも１０％が覆われている、請求項２５の粉末状材料。
【請求項２７】
少なくとも１つのカーボネーションが可能な相により、表面の少なくとも５０％が覆われている、請求項２５または２６の粉末状材料。
【請求項２８】
少なくとも１つのカーボネーションが可能な相により、表面の少なくとも７０％が覆われている、請求項２５から２７のいずれかの粉末状材料。
【請求項２９】
単相粒子および多相粒子を含む、請求項２５から２８のいずれかの粉末状材料。
【請求項３０】
前記単相粒子は、ウォラストナイト（ＣａＳｉＯ３）、ランキナイト（Ｃａ３Ｓｉ２Ｏ７）およびＣ２Ｓ（Ｃａ２ＳｉＯ４）から選択されるカーボネーションが可能な相の単相粒子、部分反応性アモルファス相の単相粒子、またはメリライト（（Ｃａ、Ｎａ、Ｋ）２［（Ｍｇ、Ｆｅ２＋、Ｆｅ３＋、Ａｌ、Ｓｉ）３Ｏ７］）および結晶性シリカ（ＳｉＯ２）、またはこれらのあらゆる２以上のタイプの組み合わせから選択される非カーボネーション相の単相粒子を含む、請求項２９の粉末状材料。
【請求項３１】
前記多相粒子は、２以上の反応相の組み合わせを有する多相粒子、少なくとも１つの非カーボネーション相と少なくとも１つの反応相との組み合わせを有する多相粒子、２以上の非カーボネーション相の組み合わせを有する多相粒子、部分反応性アモルファス相と少なくとも１つの反応相との組み合わせを有する多相粒子、部分反応性アモルファス相と少なくとも１つの非カーボネーション相との組み合わせを有する多相粒子、少なくとも１つの非カーボネーション相および部分反応性アモルファス相と少なくとも１つの反応相との組み合わせを有する多相粒子、または内部もしくは表面の連続している空隙を有する多相粒子、またはそれらのあらゆる２以上のタイプの組み合わせを含む、請求項２９の粉末状材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権主張および関連する特許出願
本出願は、２０１５年３月２０日にともに出願された、米国仮出願第６２／１３６，２０１号および第６２／１３６，２０８号の優先権の利益を主張し、その全体の内容が、本明細書にその全体を参照することにより組み込まれる。
【０００２】
本発明は、概して、ケイ酸カルシウム組成物に関する。より具体的には、本発明は、新規なカーボネーション（炭酸化）が可能な微細構造のケイ酸カルシウム組成物（例えば、クリンカ、セメント）、並びに、これらの製造方法、および例えば、インフラ、建設、舗装、および造園産業における種々のコンクリート成分での使用に関する。
【背景技術】
【０００３】
コンクリートは世界で最も消費される人工材料である。典型的なコンクリートは、ポルトランドセメント、水並びに砂および砕石などの骨材を混合することによって作られる。ポルトランドセメントは、１４５０℃の焼結温度で、ロータリーキルン中で、粉砕された石灰石と粘土の混合物、または同様の組成の材料を焼成することによって製造された合成材料である。ポルトランドセメントの製造は、エネルギー集約的プロセスを要するだけではなく、かなりの量の温室効果ガス（ＣＯ２）を放出する。セメント産業は、地球全体の人為的ＣＯ２排出量の約５％を占める。このＣＯ２の６０％以上が、石灰岩の化学分解または焼成から生じる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
セメント産業における総ＣＯ２排出量を削減する努力が高まっている。国際エネルギー機関（International Energy Agency）の提案によると、セメント産業は、そのＣＯ２排出を２００７年の２．０Ｇｔから２０５０年までに１．５５Ｇｔに削減する必要がある。この同じ時期に、セメント生産量が２．６Ｇｔから４．４Ｇｔに増加すると予想されるため、このことは難しいタスクであるといえる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この手強い課題に対処するために、セメントプラントのエネルギー要求量およびＣＯ２排出量を大幅に削減するセメント製造への革新的なアプローチが開発された。この類のないセメントは、カーボネーションが可能なケイ酸カルシウム組成物で構成されており、広く入手可能な低コストの原材料から製造され、設備や生産要件に適応性かつ柔軟性を有しつつ、永久かつ安全にＣＯ２を隔絶する性能を提供するため、従来のセメントメーカーは容易にこの新しいプラットフォームに切り替えることができる、。
【０００６】
「クリンカ（Clinker）」とは、高温でロータリーキルン中で、粘土（ポルトランドセメントでは、〜１，４５０℃）などの石灰石およびアルミノ−シリケート材料を含む原料の混合物を加熱することによって製造された塊またはノジュール（団塊）を指す。セメントクリンカは、多くのセメント製品に使用するための微細粉末に粉砕される。
【０００７】
反応性に加えて、クリンカの粉砕性は、クリンカの品質の重要な尺度である。クリンカ粉砕のためにセメントプラントでかなりのエネルギーが消費される。よって、クリンカの粉砕性が改善されると、粉砕効率が向上し、エネルギー消費が低減される。カーボネーションが可能なケイ酸カルシウムベースのセメント製造では、クリンカの粉砕性は重要な特性である。ポルトランドセメントの場合とは異なり、ケイ酸カルシウムベースのクリンカの粉砕性は理解されておらず、粉砕性の最適化も達成されていない。
【０００８】
したがって、好ましいクリンカの微細構造および所望の粉砕性プロファイルおよび反応性をもたらす適切なクリンカ製造方法を開発することが重要である。
【０００９】
本発明は、優れた粉砕性および反応性を特徴とする新規な微細構造のクリンカおよびセメント材料を提供する。開示されたクリンカおよびセメント材料は、カーボネーションが可能なケイ酸カルシウムをベースとし、大規模生産に適したプロセスを介して、広く入手可能で低コストの原料から製造することができる。本発明の方法は、設備および処理要件に対して柔軟性があり、従来のポルトランドセメントの製造設備で容易に適用可能である。
【００１０】
これらの開示されたカーボネーションが可能なケイ酸カルシウムクリンカおよびセメント組成物は、必要とされる設備の低減、エネルギー消費の改善、およびより望ましいカーボンフットプリントを伴う建設、舗装および造園、並びにインフラなどの様々なコンクリート用途に使用することができる。
【００１１】
クリンカの微細構造の異種性質は、種々の相領域の密度および硬度の差異に起因して独特のクリンカ粉砕特性を生じさせる。低密度層は、破砕および粉砕操作中に破壊のための抵抗が最も少ない経路として作用し、その結果、エネルギー消費が低減されるだけでなく、粉砕時にさらされる反応相がより多くなる。層状微細構造はまた、カーボネーションおよびより強い複合材料の形成を容易にする粒子形態を生じ得る。
【００１２】
一態様では、本発明は、概して、ウォラストナイトおよび偽珪灰石のうち少なくとも１つを含む、少なくとも１つのカーボネーションが可能なケイ酸カルシウム相を含むマトリックスに分散された非カーボネーション（カーボネーションが不可能な）シリカ（ＳｉＯ２）の粒子を含む、非水硬性のクリンカ材料に関する。本明細書に記載されるように、本発明のクリンカ材料は、ＣＯ２とのカーボネーションを介して複合材料をもたらすために、カーボネーションが可能である。
【００１３】
別の態様では、本発明は、概して、本明細書に記載されるクリンカ材料を製造するための方法に関する。当該方法は、ブレンドした前駆物質の組成物を得るために、１つ以上の前駆物質を混合するステップであって、当該組成物中、元素Ｃａおよび元素Ｓｉは、約０．８から約１．２の原子比で存在し、Ａｌ、Ｆｅ、およびＭｇの金属酸化物は、質量％で約１０％以下で存在するステップと、前記クリンカ材料を製造するための十分な時間のあいだ、約８００℃〜約１４００℃の温度に前記ブレンドした前駆物質の組成物を加熱するステップとを含む。
【００１４】
本発明のクリンカ材料を製造するための前駆物質として、種々の原料を使用することができる。例えば、適切な原材料には、石灰岩、砂、シルト、砂岩、シリカリッチ粘土、珪藻土、マール、フライアッシュ、シリカフュームなどが含まれる。
【００１５】
さらに別の態様では、本発明は、本発明のクリンカ材料を粉砕することにより製造される粉末状材料である。ある好ましい実施形態では、粉末状材料は、約８μｍから約２５μｍの平均粒子径（ｄ５０）、１０％の約０．１μｍから約３μｍの大きさの粒子（ｄ１０）、および９０％の約３０μｍから約１００μｍの大きさの粒子（ｄ９０）により特徴づけられる。
【００１６】
本発明の目的および特徴は、以下に説明する図面および特許請求の範囲を参照することにより、よりよく理解することができる。図面は必ずしも縮尺通りではなく、その代わりに、概して本発明の原理を説明することを重視している。図面では、様々なビューを通して同様の部品を示すために同じ番号が使用されている。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実験的セメント１からのセメントクリンカの後方散乱電子（ＢＳＥ）画像。次第に明るくなる反応相のバンドがある低輝度の非反応性シリカの層が見える。
【図２】実験的セメント１からのセメントクリンカの後方散乱電子（ＢＳＥ）画像。次第に明るくなる反応相のバンドがある低輝度の非反応性シリカの層が見える。相は、ＥＤＳによってシリカ（１）、アモルファス相（２）ウォラストナイトまたは偽珪灰石（３）およびランキナイト（４）であることが確認された。
【図３】実験的セメント１からのセメントクリンカのカルシウムリッチ領域の高倍率画像。この領域は、アモルファスな組成を有するいくつかの粒間材料とともに、離散的なビーライト（１）およびランキナイト（２）領域を含んでいた。
【図４】未反応セメント粒子の後方散乱電子（ＢＳＥ）画像。画像は、高輝度反応相からなる大きな粒子（１）を表示する。同様の大きさの粒子は、高輝度の反応性材料の表面、中輝度のアモルファス相のバンド（２）および低輝度のＳｉＯ２相のコア（３）を有する多相の分布を示す。小さな単相粒子も見える。
【図５】未反応セメント粒子のＢＳＥ画像。多数の粒子タイプがはっきり表われている。二相の多相反応性−部分反応性および部分反応性−不活性粒子（１）、三相の反応性−部分反応性−不活性（２）および反応性−空隙（３）粒子が見られる。
【図６】実験セメント１の様々な粒子を示した偽色複合顕微鏡写真。多くの組成物の単相および多相粒子がみられる。
【図７】実験セメント１の様々な粒子を示した偽色複合顕微鏡写真。多くの組成物の単相および多相粒子がみられる。
【図８】実験セメント１の様々な粒子を示した偽色複合顕微鏡写真。多くの組成物の単相および多相粒子がみられる。
【図９】実験セメント２のセメントクリンカの後方散乱電子（ＢＳＥ）画像。次第に明るくなる反応相のバンドがある低輝度の非反応性シリカの層がみられる。
【図１０】実験的セメント２のセメントクリンカの後方散乱電子（ＢＳＥ）画像。次第に明るくなる反応相のバンドがある低輝度の非反応性シリカの層がみられる。
【図１１】実験的セメント２のセメントクリンカの後方散乱電子（ＢＳＥ）画像。
【図１２】Ｓｉの位置を示す図１１のＸ線マップ。マップは、図１１の暗い領域はＳｉが豊富であること、これらの領域から遠いポイントではＳｉは豊富ではないことを示す。
【図１３】Ｃａの位置を示す図１１のＸ線マップ。マップは、Ｃａの存在量がＳｉリッチ領域から明確に増加することを示す。
【図１４】カリウムがシリカ粒子の縁の周りに集中していることを示すカリウムのＸ線マップ。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明は、ケイ酸カルシウムをベースとする新規なカーボネーションが可能なクリンカ材料およびそれから製造される粉砕粉末組成物を提供し、従来のセメントの革新的な代替品として役立つ。これらの材料は、大幅に削減されたエネルギー要求およびＣＯ２排出量で製造され、利用されることができる。開示されたカーボネーションが可能なケイ酸カルシウムベースのクリンカ材料は、フレキシブルな設備および製造要件を伴う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製造される。
【００１９】
改良されたエネルギー消費およびより望ましいカーボンフットプリントを経て、建築、舗装及び造園から、インフラおよび輸送まで、幅広い用途が本発明の恩恵を受けることができる。
【００２０】
一態様では、本発明は、概して、ウォラストナイトおよび偽珪灰石のうち少なくとも１つ、すなわち、１つ以上のＣＳ（ウォラストナイトまたは偽珪灰石）を含む少なくとも１つのカーボネーションが可能なケイ酸カルシウム相を含むマトリックスに分散された非カーボネーションシリカ（ＳｉＯ２）の粒子を含む、非水硬性のクリンカ材料に関する。
【００２１】
クリンカ材料の特定の実施形態では、マトリックスは、ランキナイト（Ｃ３Ｓ２、Ｃａ３Ｓｉ２Ｏ７）および／またはビーライト（Ｃ２Ｓ、Ｃａ２ＳｉＯ４）を含む。ケイ酸カルシウム組成物内に存在するＣ２Ｓ相は、α−Ｃａ２ＳｉＯ４、β−Ｃａ２ＳｉＯ４のいずれか、もしくはγ−Ｃａ２ＳｉＯ４多形体またはこれらの組み合わせで存在することとしてもよい。
【００２２】
特定の実施形態では、クリンカ材料は、さらに、メリライト（（Ｃａ，Ｎａ，Ｋ）２（Ａｌ，Ｍｇ，Ｆｅ）［（Ａｌ，Ｓｉ）ＳｉＯ７］）および／またはアモルファス相（非晶質相）を含み、非カーボネーションシリカの粒子を囲む中間層を含む。また、クリンカは、一般式Ｃａ２（Ａｌ，Ｆｅ３＋）２Ｏ５を有するフェライトタイプの鉱物（フェライトまたはブラウンミレライトまたはＣ４ＡＦ）のように、著しくカーボネーションすることができない相の量を含むこととしてもよい。
【００２３】
また、クリンカは、残留ＣａＯ（石灰）およびＳｉＯ２（シリカ）の少量または微量（各相の１０質量％未満）を含むこととしてもよい。クリンカは、少量または微量（＜１０質量％）のＣ３Ｓ（エーライト、Ｃａ３ＳｉＯ５）も含むこととしてもよい。
【００２４】
クリンカ内に含まれるＡｌ、ＦｅおよびＭｇの金属酸化物は、概して、クリンカ質量全体の約１０％（全酸化物質量に基づく）未満に制御される。特定の実施形態において、クリンカは、全クリンカ質量の約８％以下のＡｌ、ＦｅおよびＭｇの（全酸化物質量に基づく）金属酸化物を有する。特定の実施形態では、クリンカは、全クリンカ質量のＡｌ、ＦｅおよびＭｇの（全酸化物質量に基づく）約５％以下の金属酸化物を有する。特定の実施形態では、用途に応じて、クリンカは、全クリンカ質量のＡｌ、ＦｅおよびＭｇの金属酸化物（全酸化物質量に基づく）を１０％より多く（例えば、約１０％から約３０％）有することとしてもよい。特定の実施形態では、クリンカは、全クリンカ質量のＡｌ、ＦｅおよびＭｇの（全酸化物質量に基づく）約３０％以下の金属酸化物を有する。
【００２５】
クリンカ材料は、不連続なまたは結合した領域または層に存在し得る、非晶質相および結晶相の１つまたは複数から構成されることとしてもよい。
【００２６】
アモルファス相は、原料中に存在するＡｌ、ＦｅおよびＭｇイオンおよび他の不純物イオンを組み込むことができる。特定の実施形態では、クリンカの微細構造マトリックスは、Ａｌ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、ＭｇＯ、Ｋ２Ｏ、およびＮａ２Ｏから選択される１つまたは複数の成分を含む。例えば、中間層は、Ａｌ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、ＭｇＯ、Ｋ２Ｏ、およびＮａ２Ｏから選択される１つ以上の成分を含むアモルファス相を含むこととしてもよい。
【００２７】
非カーボネーションシリカ粒子は、任意の適切な形態およびサイズを有することとしてもよい。例えば、非カーボネーションシリカ粒子は、約０．１μｍ〜約１，０００μｍ（例えば、約０．５μｍ〜約１，０００μｍ、約１．０μｍ〜約１，０００μｍ、約１０μｍ〜約１，０００μｍ、約２５μｍ〜約１，０００μｍ、約５０μｍ〜約１，０００μｍ、約１００μｍ〜約１，０００μｍ、約０．１μｍ〜約５００μｍ、約０．１μｍ〜約１００μｍ、約０．１μｍ〜約５０μｍ、約１．０μｍ〜約５００μｍ、約１０μｍ〜約５００μｍ、約２５μｍ〜約５００μｍ、約２５μｍ〜約２００μｍ）の直径を有することとしてもよい。
【００２８】
中間層は、任意の適切な形態およびサイズを有することとしてもよい。例えば、中間層は、約０．１μｍ〜約２５０μｍ（例えば、約０．５μｍ〜約２５０μｍ、約１．０μｍ〜約２５０μｍ、約５．０μｍ〜約２５０μｍ、約１０μｍ〜約２５０μｍ、約２５μｍ〜約２５０μｍ、約０．１μｍ〜約１００μｍ、約０．１μｍ〜約５０μｍ、約１．０μｍ〜約１００μｍ、約１．０μｍ〜約５０μｍ、約１．０μｍ〜約２５μｍ）の厚さを有することとしてもよい。
【００２９】
クリンカ材料において、アモルファス相は、任意の適切なパーセンテージ、例えば、全固相の約１０体積％以上（例えば、体積％で、全固相の約１５％以上、約２０％以上、約２５％以上、約３０％以上、約４０％以上、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）を占めることとしてもよい。
【００３０】
クリンカ材料において、結晶相は、任意の適切なパーセンテージ、例えば、全固相の約３０体積％以上（例えば、全固相の体積％で、３０％以上、約３５％以上、約４０％以上、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）を占めることとしてもよい。
【００３１】
クリンカ材料の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Ｓｉに対する元素Ｃａの原子比は、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の原子比は、約０．８５〜約１．１５である。特定の好ましい実施形態において、組成物のＣａ対Ｓｉの原子比は、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の原子比は、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の原子比は、約０．９８〜約１．０２である。特定の好ましい実施形態において、組成物のＣａ対Ｓｉの原子比は、約０．９９〜約１．０１である。
【００３２】
特定の好ましい実施形態では、クリンカは、周囲大気圧から周囲より約１５０ｐｓｉ上回るまでの範囲の圧力を有し、約１０％から約９９％の範囲のＣＯ２濃度を有する水およびＣＯ２の雰囲気下で、約１時間から約１５０時間、約３０℃から約９０℃の温度でのＣＯ２によるカーボネーションに適し、質量を約１０％以上増加させるとともに、ＣａＣＯ３を形成する。特定の好ましい実施形態では、クリンカは、周囲大気圧から周囲より約４０ｐｓｉ上回るまでの範囲の圧力を有し、約５０％から約９５％の範囲のＣＯ２濃度を有する水およびＣＯ２の雰囲気下で、約１０時間から約５０時間、約４０℃から約８０℃の温度でのＣＯ２によるカーボネーションに適し、質量を約１０％以上、好ましくは２０％以上増加させるとともに、ＣａＣＯ３を形成する。質量増加は、カーボネーション化生成物中のＣＯ２の正味の隔絶を反映する。このように、カーボネーションは、水およびＣＯ２の雰囲気下で有利に行われる。カーボネーションは、有利には、約３０℃〜約９０℃の温度で実施され、ＣａＣＯ３を形成する。圧力は、周囲大気圧から周囲より約１５０ｐｓｉ上回るまでの範囲であることとしてもよい。ＣＯ２濃度は、約１０％〜約９９％の範囲であることとしてもよい。カーボネーションは、約１時間〜約１５０時間続くこととしてもよい。質量増加は約１０％以上、好ましくは２０％以上、より好ましくは３０％以上である。
【００３３】
特定の好ましい実施形態では、組成物は、質量を約１０％以上（例えば、１５％以上、２０％以上、２５％以上、３０％以上）増加させるとともに、ＣａＣＯ３を形成するための、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によるカーボネーションに適する。
【００３４】
好ましくは、本発明のカーボネーションが可能なケイ酸カルシウムベースのクリンカ組成物は水和しないことに留意されたい。しかしながら、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）が存在することとしてもよい。Ｃ２Ｓは、水に曝されたときに遅い水和反応速度を示し、ＣＯ２硬化プロセスの間に迅速にＣａＣＯ３に変換される。Ｃ３ＳおよびＣａＯは、水に曝されるとすぐに水和するので、それぞれ約１０質量％未満に制限されるべきである。
【００３５】
本明細書に開示されるように、本発明のクリンカ材料は、ＣＯ２によるカーボネーションを介して複合材料を生じるようにカーボネーション可能である。結合強度の発生は、特定の硬化レジームの下でＣＯ２に暴露されたときのクリンカ材料中の種々の反応相のカーボネーションの結果であり、そしてそれによって制御される。
【００３６】
本明細書中に開示されるＣＯ２カーボネーション反応から生成されるＣａＣＯ３は、いくつかのＣａＣＯ３多形体（例えば、方解石、アラゴナイトおよびバテライト）の１つ以上として存在することとしてもよい。ＣａＣＯ３は、好ましくは方解石の形態であるが、アラゴナイトもしくはバテライトとして、または２つまたは３つの多形体（例えば、方解石／アラゴナイト、方解石／バテライト、アラゴナイト／バテライトまたは方解石／アラゴナイト／バテライト）の組み合わせとして存在することとしてもよい。
【００３７】
別の態様では、本発明は、概して、本明細書に開示されるクリンカ材料の製造方法に関する。この方法は、ブレンドした前駆物質の組成物を得るために、１つ以上の前駆物質を混合するステップであって、該組成物中、元素Ｃａおよび元素Ｓｉは、約０．８から約１．２の原子比で存在し、Ａｌ、Ｆｅ、およびＭｇの金属酸化物は、質量％で約３０％以下で存在するステップと、前記クリンカ材料を製造するための十分な時間のあいだ、約８００℃〜約１４００℃の温度に前記ブレンドした前駆物質の組成物を加熱するステップとを含む。
【００３８】
種々の原料を本発明のクリンカ材料を製造するための前駆物質として使用することができる。例えば、適切な原料には、石灰岩、砂、シルト、砂岩、シリカリッチ粘土、珪藻土、マール、フライアッシュ、シリカフュームなどが含まれる。
【００３９】
本明細書に記載するように、本発明のクリンカ材料を製造するためには、ケイ酸カルシウム組成物の元素Ｃａと元素Ｓｉの前駆体原子比は、選択された範囲、好ましくは約０．８０〜約１．２０（例えば、約０．８５〜約１．１５、約０．９０〜約１．１０、約０．９５〜約１．０５、約０．９８〜約１．０２、約０．９９〜約１．０１）である。
【００４０】
ブレンドされた前駆体組成物は、本明細書に開示された微細構造を有するクリンカ材料を製造するのに十分な時間、ある温度に加熱される。例えば、ブレンドされた前駆物質の組成物は、約８００℃〜約１，４００℃の間の温度（例えば、約８００℃〜約１，３００℃の間、約８００℃〜約１，２００℃の間、約８００℃〜約１，１００℃の間、約８００℃〜約１，０００℃の間、約９００℃〜約１，４００℃の間、約１，０００℃〜約１，４００℃の間、約１，１００℃〜約１，４００℃の間、約１，２００℃〜約１，４００℃の間、約９００℃〜約１，３００℃の間、約９００℃〜約１，３００℃の間、約１，１００℃〜約１，２００℃の間、約１，２００℃〜約１，３００℃の間）に加熱される。
【００４１】
クリンカ材料を製造するために、ブレンドされた前駆物質の組成物は、所望の微細構造を達成するのに十分な時間、例えば、約１０分間〜約８０時間の期間（例えば、約１時間〜約８０時間、約５時間〜約８０時間、約１０時間〜約８０時間、約１５時間〜約８０時間、約２０時間〜約８０時間、約１時間〜約６０時間、約１時間〜約４０時間、約１時間〜約３０時間、約１時間〜約２０時間、約１時間〜約１０時間、約１時間〜約５時間、約５時間〜約６０時間、約５時間〜約２０時間、約５時間〜約１０時間、約１０分間〜約５時間、約１５分間〜約３時間、約２０分間〜約２時間）加熱される。
【００４２】
好ましい実施形態では、ブレンドした前駆物質の組成物の加熱は、大気圧下で行われる。
【００４３】
さらに別の態様では、本発明は、本発明のクリンカ材料を粉砕することによって製造された粉末状材料に関する。
【００４４】
特定の好ましい実施形態では、粉末状材料（「セメント」ともいう）は、約８μｍから約２５μｍの平均粒子径（ｄ５０）、１０％の約０．１μｍから約３μｍの大きさの粒子（ｄ１０）、および９０％の約３０μｍから約１００μｍの大きさの粒子（ｄ９０）により特徴づけられる、セメント粒子で構成される。
【００４５】
特定の実施形態において、ｄ９０：ｄ１０の比は、粉末流の改善または流延のための水要求の低減が可能となるように選択される（例えば、ｄ９０：ｄ１０比＝３０以上が選択される）。特定の実施形態では、ｄ５０：ｄ１０の比は、反応性の向上、充填の改善、または流延のための水要求の低減が可能となるように選択される（例えば、ｄ５０：ｄ１０比＝１２以下が選択される）。特定の実施形態では、ｄ９０：ｄ５０の比は、反応性、パッキングの改善、または流延のための水要求の低減が可能となるように選択される（例えば、ｄ９０：ｄ５０比＝３以上が選択される）。
【００４６】
セメント粒子は、種々の微細構造を示し、単相粒子および多相粒子の２つのグループに分類することができる。単相粒子は、（ｉ）反応性（カーボネーション可能な）ウォラストナイト（ＣａＳｉＯ３）、ランキナイト（Ｃａ３Ｓｉ２Ｏ７）およびＣ２Ｓ（Ｃａ２ＳｉＯ４）、（ｉｉ）変異組成物の部分反応性アモルファス相、並びに（ｉｉｉ）メリライト（（Ｃａ，Ｎａ，Ｋ）２［（Ｍｇ，Ｆｅ２＋，Ｆｅ３＋，Ａｌ，Ｓｉ）３Ｏ７］））、フェライト（Ｃａ２（Ａｌ，Ｆｅ３＋）２Ｏ７）および結晶質シリカ（ＳｉＯ２）のような不活性（カーボネーション不可またはわずかなカーボネーション）相を含む様々な形態で存在することとしてもよい。
【００４７】
【表１】
2018508459.tif 000002
【００４８】
多相粒子は、（ｉ）「反応性−反応性」、すなわち２つ以上の反応相（例えば、ＣａＳｉＯ３、Ｃａ３Ｓｉ２Ｏ７、Ｃａ２ＳｉＯ３）の組み合わせ；（ｉｉ）「反応性−不活性」、つまり、少なくとも１つの反応相（例えば、ＣａＳｉＯ３、Ｃａ３Ｓｉ２Ｏ７、Ｃａ２ＳｉＯ３）と少なくとも１つの不活性相（例えば、（Ｃａ，Ｎａ，Ｋ）２［（Ｍｇ，Ｆｅ２＋，Ｆｅ３＋，Ａｌ，Ｓｉ）３Ｏ７］，ＳｉＯ２）の組み合わせ；（ｉｉｉ）「不活性−不活性」、つまり、２以上の不活性相の組み合わせ（例えば、（Ｃａ，Ｎａ，Ｋ）２［（Ｍｇ，Ｆｅ２＋，Ｆｅ３＋，Ａｌ，Ｓｉ）３Ｏ７］、ＳｉＯ２）；（ｉｖ）「反応性−部分反応性」、つまり、少なくとも１つの反応相（例えば、ＣａＳｉＯ３、Ｃａ３Ｓｉ２Ｏ７、Ｃａ２ＳｉＯ３）と部分反応性アモルファス相との組み合わせ；（ｖ）「不活性−部分反応性」、つまり、少なくとも１つの不活性相（例えば、（Ｃａ，Ｎａ，Ｋ）２［（Ｍｇ，Ｆｅ２＋，Ｆｅ３＋，Ａｌ，Ｓｉ）３Ｏ７］，ＳｉＯ２）と部分反応性アモルファス相との組み合わせ；（ｖｉ）「反応性−わずかな反応性−不活性」、つまり、少なくとも１つの反応相（例えば、ＣａＳｉＯ３、Ｃａ３Ｓｉ２Ｏ７、Ｃａ２ＳｉＯ３）と少なくとも１つの不活性相（例えば、（Ｃａ，Ｎａ，Ｋ）２［（Ｍｇ，Ｆｅ２＋，Ｆｅ３＋，Ａｌ，Ｓｉ）３Ｏ７］、ＳｉＯ２）と部分反応性アモルファス相との組み合わせ；（ｖｉｉ）上記のカテゴリーの１つの粒子が完全に密でなく、内部または表面に連続している空隙を有する空隙含有粒子を含む、種々の形態で存在することとしてもよい。
【００４９】
「反応性」および「カーボネーションが可能」は、本明細書中に開示された条件下でのカーボネーション反応を介してＣＯ２と反応する物質を指すために、本明細書では互換的に使用される。本明細書に開示された条件下でカーボネーション反応によってＣＯ２と反応しない場合、物質は「不活性」または「非カーボネーション（カーボネーション不可能）」である。「部分反応性」とは、その一部が反応性である相を指す。「わずかな反応性」とは、完全には不活性ではないが、反応性が僅かであるか無視できる程度である相を指す。「反応相」および「カーボネーションが可能な相」という用語は、本明細書で定義されるようにカーボネーションが可能な物質相を指すために互換的に使用される。「不活性相」および「非カーボネーション相」という用語は、本明細書で定義されるようにカーボネーションが不可能な物質相を指すために互換的に使用される。例示的なカーボネーションが可能な、すなわち反応相は、ＣＳ（ウォラストナイトまたは偽珪灰石、場合によってはＣａＳｉＯ３またはＣａＯ・ＳｉＯ２として表される）、Ｃ３Ｓ２（ランキナイト、場合によってはＣａ３Ｓｉ２Ｏ７または３ＣａＯ・２ＳｉＯ２として表される）、Ｃ２Ｓ（ビーライト、β−Ｃａ２ＳｉＯ４またはラルナイト、Ｃａ７Ｍｇ（ＳｉＯ４）４またはブリジガイト（ｂｒｅｄｉｇｉｔｅ）、α−Ｃａ２ＳｉＯ４またはγ−Ｃａ２ＳｉＯ４であり、場合によってはＣａ２ＳｉＯ４または２ＣａＯ・ＳｉＯ２として表される）。アモルファス相はまた、それらの組成に応じてカーボネーションが可能であり得る。例示的な非カーボネーション、すなわち不活性相は、メリライト（（Ｃａ，Ｎａ，Ｋ）２［（Ｍｇ，Ｆｅ２＋，Ｆｅ３＋，Ａｌ，Ｓｉ）３Ｏ７］）および結晶性シリカ（ＳｉＯ２）を含む。
【００５０】
粉末材料は、例えば、あらゆる適切なかさ密度、例えば、約０．５ｇ／ｍＬ〜約３．５ｇ／ｍＬ（ゆるみ、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）および約１．０ｇ／ｍＬ〜約１．２ｇ／ｍＬ（タップ）のかさ密度、約１５０ｍ２／ｋｇ〜約７００ｍ２／ｋｇ（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）のブレーン（Blaine）表面積を有することとしてもよい。
【００５１】
粉末状材料は、好ましい反応性プロファイルで製造することができる。特定の実施形態では、例えば、粉末状材料は、カーボネーション可能な相で覆われた少なくとも１０％の表面を特徴とする。特定の実施形態において、粉末状材料は、カーボネーション可能な相で覆われた少なくとも２０％の表面を特徴とする。特定の実施形態において、粉末状材料は、少なくとも３０％の表面がカーボネーション可能な相で覆われていることを特徴とする。特定の実施形態では、粉末状材料は、少なくとも４０％の表面がカーボネーション可能な相で覆われていることを特徴とする。特定の実施形態では、粉末状材料は、少なくとも５０％の表面がカーボネーション可能な相で覆われていることを特徴とする。特定の実施形態では、粉末状材料は、少なくとも６０％の表面がカーボネーション可能な相で覆われていることを特徴とする。特定の実施形態では、粉末状材料は、少なくとも７０％がカーボネーション可能な相で覆われた表面を特徴とする。特定の実施形態では、例えば、粉末状材料は、少なくとも８０％がカーボネーション可能な相で覆われた表面を特徴とする。特定の実施形態では、粉末状材料は、少なくとも９０％の表面がカーボネーション可能な相で覆われていることを特徴とする。特定の実施形態では、粉末状材料は、少なくとも９５％がカーボネーション可能な相で覆われていることを特徴とする。特定の実施形態では、粉末状材料は、実質的に完全にカーボネーション可能な相で覆われた表面によって特徴付けられる。
【００５２】
種々の反応性（カーボネーション可能な）相は、反応相全体の任意の適切な部分を占めることとしてもよい。特定の好ましい実施形態では、ＣＳの反応相は、約５ｗｔ％〜約６０ｗｔ％（例えば、約１０ｗｔ％〜約６０ｗｔ％、約２０ｗｔ％〜約６０ｗｔ％、約２５ｗｔ％〜約６０ｗｔ％、約３０ｗｔ％〜約６０ｗｔ％、約３５ｗｔ％〜約６０ｗｔ％、約４０ｗｔ％〜約６０ｗｔ％、約５ｗｔ％〜約５０ｗｔ％、約５ｗｔ％〜約４０ｗｔ％、約５ｗｔ％〜約３０ｗｔ％、約５ｗｔ％〜約２５ｗｔ％、約５ｗｔ％〜約２０ｗｔ％）で；Ｃ３Ｓ２は約５ｗｔ％〜５０ｗｔ％（例えば、約１０ｗｔ％〜５０ｗｔ％、約１５ｗｔ％〜５０ｗｔ％、約２０ｗｔ％〜５０ｗｔ％、約３０ｗｔ％〜５０ｗｔ％約４０ｗｔ％〜５０ｗｔ％、約５ｗｔ％〜４０ｗｔ％、約５ｗｔ％〜３０ｗｔ％、約５ｗｔ％〜２５ｗｔ％、約５ｗｔ％〜２０ｗｔ％、約５ｗｔ％〜１５ｗｔ％）で；およびＣ２Ｓは約５ｗｔ％〜６０ｗｔ％（例えば、約１０ｗｔ％〜約６０ｗｔ％、約２０ｗｔ％〜約６０ｗｔ％、約２５ｗｔ％〜約６０ｗｔ％、約３０ｗｔ％〜６０ｗｔ％、約３５ｗｔ％〜約６０ｗｔ％、約４０ｗｔ％〜約６０ｗｔ％、約５ｗｔ％〜約５０ｗｔ％、約５ｗｔ％〜約４０ｗｔ％、約５ｗｔ％〜３０ｗｔ％、約５ｗｔ％〜約２５ｗｔ％、約５ｗｔ％〜約２０ｗｔ％、約５ｗｔ％〜約２０ｗｔ％）で；およびＣは約０ｗｔ％〜３ｗｔ％（例えば、０ｗｔ％、１ｗｔ％以下、２ｗｔ％以下、３ｗｔ％以下、約１ｗｔ％〜２ｗｔ％、約１ｗｔ％〜３ｗｔ％、約２ｗｔ％〜３ｗｔ％）で存在する。
【００５３】
本明細書で使用される「ケイ酸カルシウム組成物」という用語は、概して、ＣＳ（ウォラストナイトまたは偽珪灰石、場合によってはＣａＳｉＯ３またはＣａＯ・ＳｉＯ２として表される）、Ｃ３Ｓ２（ランキナイト、場合によってはＣａ３Ｓｉ２Ｏ７または３ＣａＯ・２ＳｉＯ２として表される）、Ｃ２Ｓ（ビーライト、β−Ｃａ２ＳｉＯ４またはラルナイト、Ｃａ７Ｍｇ（ＳｉＯ４）４またはブリジガイト、α−Ｃａ２ＳｉＯ４またはγ−Ｃａ２ＳｉＯ４、場合によってはＣａ２ＳｉＯ４または２ＣａＯ・ＳｉＯ２として表される）、カルシウム−シリケートベースのアモルファス相を含むケイ酸カルシウム相の１つ以上の群で構成される天然に存在するミネラルまたは合成材料を指し、これらの材料のそれぞれが、１つ以上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、鉄またはマンガンの酸化物）、またはこれらのブレンドを含むこととしてもよく、または、天然もしくは合成形態での、微量（１重量％以下）から約５０重量％以上の範囲の量のケイ酸マグネシウムを含むこととしてもよい。
【００５４】
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ケイ酸カルシウム相に加えて、適切な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を理解されたい。本明細書中で使用される場合、用語「ケイ酸マグネシウム」は、例えば、Ｍｇ２ＳｉＯ４（「フォルステライト」としても知られている）およびＭｇ３Ｓｉ４Ｏ１０（ＯＨ）２（「タルク」としても知られている）を含むマグネシウム−ケイ素含有化合物の１つ以上の群で構成される、天然に存在するミネラルまたは合成材料を指し、当該材料は、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）、もしくはこれらのブレンドを含むこととしてもよく、または、天然もしくは合成形態での、微量（１重量％以下）から約５０重量％以上の範囲の量のケイ酸カルシウムを含むこととしてもよい。
【００５５】
本発明のクリンカ材料の主な有用性は、クリンカが、通常、粉状セメントに粉砕された後にカーボネーションされて、様々な用途に有用な複合材料を形成することができることである。オートクレーブを必要とせず、連続的、大規模生産に適したプロセスにより、様々な複合製品を製造することができる。生産方法は、経済的および環境的な影響の両方に関して従来のコンクリートよりも大幅に改良されている。
【００５６】
カーボネーションは、例えば、本発明のセメントを、制御された熱水相焼結（ＨＬＰＳ）プロセスによってＣＯ２と反応させて、複合材料の様々な成分を一緒に保持する結合強度を作り出すことによって行うことができる。ＨＬＰＳの様々な特徴についての議論は、それぞれが全ての目的のためにその全体が参照により本明細書に明示的に援用される、米国特許第８，１１４，３６７号、米国特許出願公開第２００９／０１４３２１１号（出願番号１２／２７１，５６６）、米国特許出願公開第２０１１／０１０４４６９号（出願番号１２／９８４，２９９）、米国特許出願公開第２００９／０１４２５７８号（出願番号１２／２７１，５１３）、米国特許出願公開第２０１３／０１２２２６７号（出願番号１３／４１１，２１８）、米国特許出願公開第２０１２／０３１２１９４号（出願番号１３／４９１，０９８）、ＷＯ２００９／１０２３６０（ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０８３６０６）、ＷＯ２０１１／０５３５９８（ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０５４１４６）、ＷＯ２０１１／０９０９６７（ＰＣＴ／ＵＳ２０１１／０２１６２３）、２０１２年１０月１日出願の米国仮特許出願第６１／７０８，４２３号、およびいずれも２０１３年１０月３日に出願の米国特許出願第１４／０４５，７５８号、第１４／０４５，５１９号、第１４／０４５，７６６号、第１４０４５５４０、２０１４年３月１２日に出願の米国特許出願第１４／２０７，４１３号、第１４／２０７，４２１号、２０１４年３月１３日に出願の米国特許出願第１４／２０７，９２０号、第１４／２０９，２３８号、２０１４年６月４日に出願の米国特許出願第１４／２９５，６０１号、第１４／２９５，４０２号に見出される。
【００５７】
任意の適切な骨材を使用して、本発明のカーボネーションが可能な組成物、例えば、酸化カルシウム含有またはシリカ含有材料から複合材料を形成する。例示的な骨材としては、トラップ岩、建設砂、玉砂利のような不活性材料が含まれる。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のような軽量の骨材も骨材として使用することができる。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）のような材料も、微細な充填材として使用することができる。
【００５８】
複数の骨材は、任意の適切な平均粒径および粒度分布を有することとしてもよい。特定の実施形態では、複数の骨材は、約０．２５ｍｍ〜約２５ｍｍ（例えば、約５ｍｍ〜約２０ｍｍ、約５ｍｍ〜約１８ｍｍ、約５ｍｍ〜約１５ｍｍ、約５ｍｍ〜約１２ｍｍ、約７ｍｍ〜約２０ｍｍ、約１０ｍｍ〜約２０ｍｍ、約１／８”（インチ）、約１／４”、約３／８”、約１／２”、約３／４”）の範囲で平均粒子径を有する。
【００５９】
例えば可塑剤、流動化剤、遅延剤、促進剤、分散剤および他のレオロジー改質剤のような化学混和剤も複合材料に含めることができる。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）のような特定の市販の化学混和剤もまた含まれ得る。特定の実施形態では、所望の複合材料に応じて、結合マトリックス中に、１つ以上の顔料を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としてもよい。顔料は、例えば、種々の金属の酸化物（例えば、黒色酸化鉄、酸化コバルトおよび酸化クロム）を含む任意の好適な顔料であることとしてもよい。顔料は、例えば、黒色、白色、青色、灰色、ピンク色、緑色、赤色、黄色および褐色から選択される任意の１色または複数の色であることとしてもよい。顔料は、所望の複合材料に応じて、例えば、セメントの約０．０重量％〜約１０重量％の範囲の量で、任意の適切な量で存在することとしてもよい。
【００６０】
実施例
カーボネーションが可能なケイ酸カルシウムクリンカおよびセメントのサンプルを、クリンカ内または個々の粒子内の相の分布に関する情報を得るために、エポキシに埋め込み、研磨し、炭素で被覆した。サンプルを後方散乱電子（ＢＳＥ）イメージングモードの走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって分析した。各相のコントラストは、その相の化学量論に関連しており、高い平均原子番号の元素を含むより濃い相は、より低い平均原子番号を有するより低密度の相よりも明るく現れる。種々の相のコントラストは、各相の平均原子番号
2018508459.tif 000003
を用いて計算したＢＳＥコントラスト係数ηの比較によって関連付けることとしてもよい。
【００６１】
【数１】
2018508459.tif 000004
（式１）
【００６２】
各相の平均原子番号
2018508459.tif 000005
は、相中に存在する各原子の原子質量の和を総原子数で割ったものであり、ここでＮは各元素の原子番号Ａおよび原子質量Ｚ（ΣＮＡは分子量である。）の数である。
【００６３】
【数２】
2018508459.tif 000006
（式２）
【００６４】
セメント粒子に存在する相についてのηが表２に示される。アモルファス相は、回折により測定されない変動する化学的性質を有する。ほとんどのセメントに関し、アモルファス相は、メリライト相に似た組成を有する。低Ａｌ２Ｏ３およびＭｇＯ含有量を有するセメントでは、アモルファス相は、より高い平均原子数を有し、したがって、ＢＳＥイメージングにおいてより高い輝度を示す。相の同一性は、個々の相のＸ線マイクロプローブ測定により確認される。
【００６５】
【表２】
2018508459.tif 000007
ａ）最も高い値は、最も高い輝度を有する相に対応する。ケイ酸カルシウム相は、最も高いＢＳＥコントラストを有し、ＢＳＥイメージにおいて最も明るい相である。イメージにおいて最も暗いエリアは、カーボンベースの実装樹脂で満たされたポアまたは間隙に対応する。
【００６６】
実験セメントは、異なる化学的性質を有する２つの別個のプロセスで製造した。実験セメント１は、石灰岩と砂で製造し、８５％が２００メッシュを通過する細かさに粉砕した。石灰岩および砂をブレンドして、カルシウム対ケイ素原子比約１のバルクを得た。粉砕してブレンドした原料を回転キルン中で約１２００℃のピーク温度まで３０〜６０分の滞留時間で処理して粉末を反応させ、大部分がカーボネーションが可能なケイ酸カルシウム、メリライト、メリライト様組成を有するアモルファス相、および非反応シリカで構成される焼結カーボネーションケイ酸カルシウムセメントクリンカのノジュールを生成した。Ｘ線蛍光（ＸＲＦ）によって決定されたこのセメントの酸化物組成を表３に示す。Ｘ線回折（ＸＲＤ）によって決定されたこのセメントの相組成を表４に示す。図１のクリンカの研磨された断面の低倍率図は、輝度が増加する層領域によって囲まれた低輝度シリカの離散領域を示し、シリカ領域周辺の高カルシウム反応相の同心円状の組織化を示す。図２はそのような領域のより高い倍率を示す。図３は、低カルシウム相から遠く離れた中央領域のビーライト領域の高倍率図を示す。
【００６７】
【表３】
2018508459.tif 000008
【００６８】
【表４】
2018508459.tif 000009
【００６９】
セメントクリンカを２コンパートメントの閉回路ボールミルを用いて粉砕した。材料供給速度、ボールミル回転速度および空気選鉱機の空気流を制御して、平均粒径１２μｍの粉砕セメントを製造した。図４および図５に示すＢＳＥ画像は、種々の単相および多相粒子を示す。
【００７０】
実験セメント１は、Ｘ線マイクロプローブ分析と併せてＢＳＥモードでのＳＥＭによる詳細な調査に供された。Ｘ線マイクロプローブによって測定された元素組成は、ＸＲＤによって同定された相と関連していた。Ｘ線マイクロプローブで測定した相の原子の組成を表５に示す。この分析では、追加の相であるブラウンミラライトまたはＣａ２（Ａｌ，Ｆｅ）２Ｏ５ならびに２つの別個の部分反応性のアモルファス相、すなわち、低Ａｌ含量アモルファス相の相１および高Ａｌ含量アモルファス相の相２が同定された。図６、図７、および図８では、ＢＳＥ画像に見られるような相のコントラストと併せて収集された組成データを使用して、未反応粒子の偽色マップを構築した。様々な分類の多相粒子の多くの例が観察される。
【００７１】
【表５】
2018508459.tif 000010
【００７２】
カーボネーションが可能なケイ酸カルシウムを製造した（実験セメント２）。セメントを得るために、石灰岩と砂の８５％を２００メッシュを通過する細かさに粉砕した。石灰岩と砂をブレンドして、カルシウム対ケイ素の原子比１のバルクを得た。粉砕およびブレンドされた原料を回転キルン中で、約１２６０℃のピーク温度として３０〜６０分の滞留時間で処理して粉末を反応させ、主としてカーボネーションが可能なケイ酸カルシウム、メリライト、メリライト様組成物および未反応のシリカを有するアモルファス相で構成される、焼結したカーボネーションが可能なケイ酸セメントクリンカのノジュールを製造した。ＸＲＦで測定したこのセメントの酸化物組成を表６に示す。ＸＲＤで測定したこのセメントの相組成を表７に示す。図９、図１０、および図１１の研磨されたクリンカは、輝度が高い反応性材料の層状微細構造によって囲まれたシリカ相の個々の領域を示す。図１２および図１３では、ＳｉとＣａの元素マップが図１１に重ねられ、微細構造にわたるＳｉとＣａ含有量の変化を示している。図１４では、Ｋの元素マップが図１１に重ねられ、特徴的に高いＫ含有量を有するアモルファス材料がＳｉリッチコア粒子とＣａリッチ反応相の層との間に存在することを示している。
【００７３】
【表６】
2018508459.tif 000011
【００７４】
【表７】
2018508459.tif 000012
【００７５】
本明細書および添付の請求の範囲では、単数形の「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、および「その（ｔｈｅ）」は、文脈が別途明確に規定しない限り、複数形を含む。
【００７６】
別途の定義がない限り、本明細書で使用される全ての技術的および科学的な用語は、当業者により共通に理解される同じ意味を有する。本明細書で記載されるものと同様または同等であるあらゆる方法および材料が、本開示の実施または試験で使用され得るが、好ましい方法および材料がここに記載される。本明細書に記載される方法は、開示されている特定の順序に加えて、理論上可能なあらゆる順序で行われることとしてもよい。
【００７７】
文献の援用
特許、特許出願、特許公開公報、ジャーナル、本、論文、ウェブコンテンツのような他の文献に対する参考および引用が、本開示でなされている。全てのこのような文献は、全ての目的のために、その全体において、参照により本明細書に組み込まれる。本明細書で参照により組み込まれることとなるが、本明細書で明示的に示される既存の定義、ステートメント、または他の開示材料と矛盾する、あらゆる材料、またはその一部は、援用された材料と本開示の材料との間で矛盾が生じない程度でのみ援用される。矛盾する場合には、矛盾は、好ましい開示として本開示の利益となるように解決されることとする。
【００７８】
均等物
本明細書に開示される代表的な例示は、本発明を説明することを補助することが意図され、本発明の範囲を限定することは意図されず、またそれらはそのように解釈されるべきではない。実際に、本発明およびそのさらなる多くの実施形態の種々の変更は、本明細書に示されて開示されるものに加えて、本明細書で挙げられる科学および特許文献への参照および本明細書に含まれる例示を含む本書類の全内容から、当業者にとって明らかとなるであろう。これらの例示は、その種々の実施形態およびその均等物における本発明の実施に適合し得る重要な追加の情報、例証、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】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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