(57)【要約】本発明は、広範囲に市販されており低コストの原材料から大量生産に適したプロセスによって形成される、新規な炭酸塩化可能なケイ酸カルシウム組成物及び炭酸塩化可能なケイ酸カルシウム相を提供する。本発明方法は、機器及び生産要件に融通性があり、また普通のセメント製造設備に容易に適合可能である。本発明は、ＣＯ２を恒久的及び安全に隔離する並外れた能力を提供する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケイ酸カルシウムと、
ＣＳ（珪灰石又は疑似珪灰石）相、Ｃ３Ｓ２（ランキナイト）相、Ｃ２Ｓ（ビーライト、ラルナイト、ブリジガイト）相、及び、すべての相のうちの約３０質量％以上である非晶質ケイ酸カルシウム相から選択される１つ又はそれ以上の、個別ケイ酸カルシウム相と、
を備える組成物であって、
元素Ｃａ及び元素Ｓｉが、前記組成物内に約０.８〜約１.２のモル比で存在し、且つ、Ａｌ、Ｆｅ及びＭｇの金属酸化物が、前記組成物内に約３０質量％以下存在し、
前記組成物は、約３０℃〜約９０℃の温度でＣＯ２により炭酸塩化し、約１０％の質量増加を伴ってＣａＣＯ３を形成するのに適する、組成物。
【請求項２】
残留ＳｉＯ２相及び残留ＣａＯ相を含む、請求項１記載の組成物。
【請求項３】
一般組成式(Ca, Na, K)２[(Mg, Fe2+, Fe3+, Al, Si)3O7]を有する１つ若しくはそれ以上のメリライト型の相、又は、一般組成式Ca２(Al, Fe3+)２O5を有するフェライト型の相を有する、請求項１又は２記載の組成物。
【請求項４】
非晶質状態で存在するケイ酸カルシウム相、及び、結晶状態で存在するケイ酸カルシウム相を有する、請求項１〜３のうちいずれか一項記載の組成物。
【請求項５】
非晶質状態でのみ存在するケイ酸カルシウム相を有する、請求項１〜３のうちいずれか一項記載の組成物。
【請求項６】
結晶状態及び非晶質状態の双方で存在するケイ酸カルシウム相を有する、請求項１〜３のうちいずれか一項記載の組成物。
【請求項７】
不純物元素のＡｌ、Ｆｅ及びＭｇ又は他の微量不純物が、いずれかの結晶ケイ酸カルシウム内に置換によって存在するか、又は、非晶質ケイ酸カルシウム相内に取り込まれる、請求項１〜６のうちいずれか一項記載の組成物。
【請求項８】
元素Ｓｉに対する元素Ｃａのモル比は、約０.９０〜約１.１０である、請求項１〜７のうちいずれか一項記載の組成物。
【請求項９】
元素Ｓｉに対する元素Ｃａのモル比は、約０.９５〜約１.０５である、請求項８記載の組成物。
【請求項１０】
元素Ｓｉに対する元素Ｃａのモル比は、約０.９８〜約１.０２である、請求項９記載の組成物。
【請求項１１】
全酸化物質量のうち、Ａｌ、Ｆｅ及びＭｇの金属酸化物を約２５質量％以下含む、請求項７〜１０のうちいずれか一項記載の組成物。
【請求項１２】
全酸化物質量のうち、Ａｌ、Ｆｅ及びＭｇの金属酸化物を約１５質量％以下含む、請求項１１記載の組成物。
【請求項１３】
全酸化物質量のうち、Ａｌ、Ｆｅ及びＭｇの金属酸化物を約１０質量％以下含む、請求項１２記載の組成物。
【請求項１４】
全酸化物質量のうち、Ａｌ、Ｆｅ及びＭｇの金属酸化物を約５質量％以下含む、請求項１３記載の組成物。
【請求項１５】
反応相が約３０質量％以上存在する、請求項１〜１４のうちいずれか一項記載の組成物。
【請求項１６】
において、反応相が約５０質量％以上存在する、請求項１５記載の組成物。
【請求項１７】
反応相が約７０質量％以上存在する、請求項１６記載の組成物。
【請求項１８】
反応相が約９０質量％以上存在する、請求項１７記載の組成物。
【請求項１９】
ＣＳが約１０重量％〜約６０重量％、Ｃ３Ｓ２が約５重量％〜約５０重量％、Ｃ２Ｓが約５重量％〜約６０重量％、及び、Ｃが約０重量％〜約３重量％存在する、請求項１〜１８のうちいずれか一項記載の組成物。
【請求項２０】
ＣＳが約２０重量％〜約６０重量％、Ｃ３Ｓ２が約１０重量％〜約５０重量％、Ｃ２Ｓが約１０重量％〜約５０重量％、及びＣが約０重量％〜約３重量％存在する、請求項１９記載の組成物。
【請求項２１】
前記組成物は、約３０℃〜約９０℃の温度でＣＯ２により炭酸塩化し、約２０％の質量増加を伴ってＣａＣＯ３を形成するのに適する、請求項１〜２０のうちいずれか一項記載の組成物。
【請求項２２】
前記組成物は、約３０℃〜約９０℃の温度でＣＯ２により炭酸塩化し、約２５％の質量増加を伴ってＣａＣＯ３を形成するのに適する、請求項２１記載の組成物。
【請求項２３】
約８μｍ〜約２５μｍの平均粒径（ｄ５０）を有する粉末形態の炭酸塩化可能なケイ酸カルシウムの組成物であって、粒子の１０％（ｄ１０）が約０.１μｍ〜約３μｍ未満の粒径、粒子の９０％（ｄ９０）が約３５μｍ〜約１００μｍより大きい粒径である、炭酸塩化可能なケイ酸カルシウム組成物。
【請求項２４】
ｄ９０：ｄ１０の比は、約５〜約１０００の間から選択される、請求項２３記載の組成物。
【請求項２５】
ｄ５０：ｄ１０の比は、約２〜約２５０の間から選択される、請求項２３記載の組成物。
【請求項２６】
ｄ９０：ｄ５０の比は、約２〜約１５の間から選択される、請求項２３記載の組成物。
【請求項２７】
請求項１〜２６のうちいずれか一項記載のケイ酸カルシウム組成物か得られる、炭酸塩化した材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権及び関連特許出願
本件出願は２０１４年８月４日出願の米国仮出願第６２／０３２，８６２号（その内容全体は参照により本明細書に組み入れられるものとする）の優先権の恩恵を主張する。
【０００２】
本発明は、概してケイ酸カルシウムの組成物に関する。より具体的には、新規な炭酸塩化可能なケイ酸カルシウムの組成物及び相、並びにそれらの製造及び使用のための方法に関する。ケイ酸カルシウムの組成物及び相は、炭酸塩化プロセスによって養生させる非水硬性セメントとしての使用に適する。それらは、インフラ、構造物、舗装道路及び造園産業における様々なコンクリート製コンポーネントに適用することができる。
【背景技術】
【０００３】
コンクリートは世界中で最も消費される人工材料である。一般的なコンクリートは、ポートランドセメント、水、並びに砂及び砕石のような骨材を混合することによって形成される。ポートランドセメントは、地上の石灰石及び粘土の混合物、又は類似組成の材料を回転キルン内で１４５０℃の焼結温度で燃焼させることによって形成した合成材料である。ポートランドセメント製造は、単にエネルギー集約型のプロセスであるだけでなく、温室効果ガス（ＣＯ２）を大量に放出する。セメント産業は、地球的規模の人為的ＣＯ２放出のほぼ５％を占める。このＣＯ２のうち６０％よりも大きい割合は、石灰石の化学分解又は焼成に由来する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
セメント産業での全ＣＯ２放出量を減少する努力が増えてきている。国際エネルギー機関の提案によれば、２００７年の２.０Ｇｔから２０５０年までに２００７年の２.０Ｇｔから１.５５ＧｔにＣＯ２放出量を減少する必要があるとしている。このことは困難な課題を提示するものであり、なぜなら、これと同一期間で、セメント生産は２.６Ｇｔから４.４Ｇｔに増えることが予想されるからである。
【０００５】
この厄介な難題に対処するため、セメント工場におけるエネルギー消費量及びＣＯ２放出量を大幅に減少するセメント生産の革新的な手法が必要である。理想的には、この新しい手法は、ＣＯ２を恒久的かつ安全に隔離する能力を提供するとともに、機器及び生産要件に適合しかつ融通性があり、従来のセメント生産を新規なプラットフォームに容易に転換できるようにするのが好ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のケイ酸カルシウム組成物は、エネルギー消費量及びＣＯ２放出量を大幅に減少するセメント生産の革新的な手法の基礎を提供する。本発明ケイ酸カルシウム組成物は、広範囲に市販されており低コストの原材料から大量生産に適したプロセスによって形成される。本発明方法は、機器及び生産要件に融通性があり、また普通のセメント製造設備に容易に適合可能である。本発明の新規な手法は、ＣＯ２を恒久的及び安全に隔離する並外れた能力を提供する。
【０００７】
これらケイ酸カルシウム組成物は、構造物、舗装道路及び造園、並びにインフラのような様々な用途に、減少した機器要求量、改善したエネルギー消費量、より望ましい二酸化炭素排出量で使用することができる。
【０００８】
一態様において、本発明は、概してケイ酸カルシウム組成物及びそれらの化学的性質に関する。本発明組成物は様々なケイ酸カルシウムを含む。本発明組成物内における元素Ｃａ対元素Ｓｉのモル比は前記約０.８〜約１.２である。本発明組成物は、さらに、Ａｌ、Ｆｅ及びＭｇの金属酸化物を酸化物全体の質量に対して約３０質量％以下含むことができる。ケイ酸カルシウム組成物は、ＣＳ（珪灰石又は疑似珪灰石）相、Ｃ３Ｓ２（ランキナイト）相、Ｃ２Ｓ（ビーライト、又はラルナイト、又はブリジガイト）相、及びすべての相のうち約３０質量％以上あるケイ酸カルシウムをベースとした非晶質相から選択される１つ又はそれ以上の個別ケイ酸カルシウム相のブレンドを備える。非晶質相は、付加的にＡｌ、Ｆｅ及びＭｇのイオン及び原材料に存在する他の微量イオンを取り込むことができる。これらケイ酸カルシウム相それぞれは、ＣＯ２で炭酸塩化するのに適する。
【０００９】
ケイ酸カルシウム組成物は、さらに、僅かな量の残留ＣａＯ（石灰）及び残留ＳｉＯ２（シリカ）を含むことができる。
【００１０】
ケイ酸カルシウム組成物は、さらに、僅かな量のＣ３Ｓ（エーライト、Ｃａ３ＳｉＯ５）を含むことができる。
【００１１】
Ｃ２Ｓ相は、（Ｃａ７Ｍｇ(ＳｉＯ４)４）（ブリジガイト）又はα-Ｃａ２ＳｉＯ４、β-Ｃａ２ＳｉＯ４、若しくはγ-Ｃａ２ＳｉＯ４の任意な多形体又はそれらの組合せとして存在することができる。
【００１２】
ケイ酸カルシウム組成物は、さらに、或る量の不活性相（すなわち、一般的な炭酸塩化条件のもとでは炭酸塩化しない）、例えば、一般組成式(Ca, Na, K)２[(Mg, Fe2+, Fe3+, Al, Si)3O7]を有するメリライト型無機物（メリライト又はゲーレナイト又はオケルマナイト）、及び一般組成式Ca２(Al, Fe3+)２O5を有するフェライト型無機物（フェライト又はブラウンミラライト又はＣ４ＡＦ）を含むことができる。
【００１３】
本発明ケイ酸カルシウム組成物は、約３０℃〜約９０℃の温度でＣＯ２により炭酸塩化し、約１０％の質量増加を伴ってＣａＣＯ３を形成するのに適する。
【００１４】
他の態様において、本発明は、約８μｍ〜約２５μｍの平均粒径（ｄ５０）を有する粉末形態の炭酸塩化可能なケイ酸カルシウムの組成物であって、粒子の１０％（ｄ１０）が約０.１μｍ〜約３μｍ未満の粒径、粒子の９０％（ｄ９０）が約３５μｍ〜約１００μｍより大きい粒径である、炭酸塩化可能なケイ酸カルシウム組成物に関する。
【００１５】
さらに他の態様において、本発明は、概して、本明細書に記載のケイ酸カルシウム組成物から生産される炭酸を含む材料に関する。
【００１６】
本発明の目的及び特徴は、以下に図面につき説明する記載、及び特許請求の範囲からよりよく理解できるであろう。図面は、必ずしも縮尺どおりではなく、本発明の原理を示す際に誇張して示す。図面において、同一参照符号は全体を通して同一部分を示すのに使用する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】ＣａＣＯ３＋ＳｉＯ２⇔ＣａＳｉＯ３(ケイ酸カルシウム)＋ＣＯ２の可逆反応で存在する相を示す圧力−温度状態図である。
【図２】３ＣａＣＯ３＋２ＣａＳｉＯ３⇔２Ｃａ２ＳｉＯ４・ＣａＣＯ３＋ＣＯ２の可逆反応で存在する相を示す圧力−温度状態図である。
【図３】圧力１００ＭＰａ(１キロバール)におけるＣａＯ−ＳｉＯ２−ＣＯ２系の状態図である。
【図４】ＭｇＯ＋ＣＯ２⇔ＭｇＣＯ３の可逆反応で存在する状態を示す圧力−温度状態図である。
【図５】ＭｇＯ＋ＣＯ２⇔ＭｇＣＯ３の可逆反応に対する平衡曲線を、不活性ガス内におけるＣＯ２の割合の関数として示す圧力−温度状態図である。
【図６】ＣａＣＯ３−ＭｇＣＯ３系における種々の相に対する安定領域を示す圧力−温度状態図である。
【図７】化合物ＣａＯ，ＭｇＯ，ＳｉＯ２及びＣＯ２間の相関係を示す四面体状態図であり、Ｃｃ−Ｄｉ−Ｗｏ平面及びＣｃ−Ｗｏ−Ｍｏ平面(斜線付き)より下側のＣＯ２不足領域を示し、Ｃｃは方解石、Ｗｏは珪灰石、Ａｋはオケルマナイト、Ｄｉは透輝石、及びＭｏはモンティセライト(ＣａＭｇＳｉＯ４)を示す。
【図８】化合物ＣａＯ，ＭｇＯ，ＳｉＯ２及びＣＯ２間の相関係を、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)、オケルマナイト(Ａｋ)、及びＣＯ２の相を含む四つ一組の不動点から広がるユニバリアント（一変量）曲線とともに示す圧力−温度状態図である。差込図は、ＣａＣＯ３，ＭｇＯ及びＳｉＯ２の３化合物系の状態図である。
【図９】本発明原理に従って加湿を行うＣＯ２複合材料養生チャンバの概略図である。
【図１０】複数の湿度制御方法、並びに本発明原理に従って温度制御できる一定フロー又は圧力調節を用いてＣＯ２制御及び補充する能力を有し、また本発明の原理に従って温度を制御できる養生チャンバの概略図である。
【図１１】ＮＹＡＤ４００鉱物珪灰石の６０℃でＣＯ２との反応後における質量増加の代表的結果を示す。
【図１２】幾つかの回転キルンのサンプル材料の、ＣＯ２との６０℃反応後における質量増加の代表的結果を示す。０時間での質量増加は、粉末を湿らせた後の、遊離石灰の水和反応に起因する質量増加を示す。
【図１３ａ】セメントサンプル１２に関するリートベルト精密化に使用されるＸ線回折データ及び結晶学的ピークの代表的結果を示す。
【図１３ｂ】２０時間６０℃炭酸塩化後のセメントサンプル１２に関するリートベルト精密化に使用されるＸ線回折データ及び結晶学的ピークの代表的結果を示す。
【図１４】箱形炉内で高純度化学物質から生成したケイ酸カルシウム相におけるＸ線回折パターン及び関連した結晶学的ピークの代表的結果を示す。
【図１５ａ】１０００℃焼成のケイ酸石灰石におけるＸ線回折パターンの代表的結果を示す。
【図１５ｂ】１１００℃焼成のケイ酸石灰石におけるＸ線回折パターンの代表的結果を示す。
【図１５ｃ】１２００℃焼成のケイ酸石灰石におけるＸ線回折パターンの代表的結果を示す。
【図１６】合成高温珪灰石セメントの代表的結果を示す。そのＸ線回折パターンは材料が主にアモルファス（非晶質）構造であることを示す。
【図１７】合成珪灰石ガラス（下側）及び６０℃のＣＯ２養生後における同一サンプル（上側）のＸ線回折スペクトルの代表的結果を示す。
【図１８】ジェットミル粉砕した代表的セメント組成物（ＳＣ−Ｃ２）の粒径分布を示す。
【図１９】ジェットミル粉砕＋ボールミル粉砕した代表的セメント組成物（ＳＣ−Ｃ２ａ）の粒径分布を示す。
【図２０】水対結合材の比を０.３７５としたＳＣ−Ｃ２モルタル及びＣＳ−Ｃ２ａモルタルの流動の代表的データであり、（ａ）はＳＣ−Ｃ２及び（ｂ）はＳＣ−Ｃ２ａ
【図２１】ＳＣ−Ｃ２（上側）及びＳＣ−Ｃ２ａ（下側）で形成したコンクリート混合物の異なる条件下での４″×８″シリンダの圧縮強度を示す。（乾燥及び２４時間浸漬は、５つのサンプルそれぞれの平均であり、真空飽和試験は３個のシリンダで行った。）
【図２２】閉回路ボールミル内で生成したミル粉砕クリンカーセメントが比較的狭い粒径分布にあることを示す。
【図２３】市販のミル粉砕した粉末よりも減少した平均粒径となる広範囲の粒径を得るようミル粉砕したクリンカーを示す。
【図２４】市販のミル粉砕した粉末よりも増加した平均粒径となる広範囲の粒径を得るようミル粉砕したクリンカーを示す。
【図２５】より粗い粒径及びより細かい粒径となるようミル粉砕した同様の広範囲分布と比較した工業的ミル粉砕セメント（青色）を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明は、従来のセメントに革新的に取って代わる新規な炭酸塩化可能なケイ酸カルシウム組成物を提供する。これら材料は、エネルギー要求量及びＣＯ２放出を大幅に減少して生産及び利用できる。本発明による炭酸塩化可能なケイ酸カルシウム組成物は、広範囲に市販されており低コストの原材料から、設備及び生産要件に融通性があって大量生産に適したプロセスによって形成される。この独特な手法は、さらに、ＣＯ２を恒久的及び安全に隔離する著しい能力を伴う。広範囲の様々な用途が、構造物、舗装道路及び造園から、インフラ及び輸送機関にいたるまで、減少した機器要求量、改善したエネルギー消費量、より望ましい二酸化炭素排出量で、本発明から恩恵を受けることができる。
【００１９】
一態様において、本発明は、概して、ケイ酸カルシウム組成物及びその化学的要素に関する。組成物は種々のケイ酸カルシウムを含む。組成物における元素Ｃａ対元素Ｓｉのモル比は、約０.８〜約１.２である。組成物は、ＣＳ（珪灰石又は疑似珪灰石）、Ｃ３Ｓ２（ランキナイト）、及びＣ２Ｓ（ビーライト又はブリジガイト）のうち１つ又は複数から選択した個別の結晶ケイ酸カルシウム相の混合物から成り、相の総質量が約３０％以上となる。このケイ酸カルシウム組成物は、総酸化物質量がＡｌ、Ｆｅ及びＭｇの金属酸化物の約３０以下となり、また約３０℃〜約９０℃の温度でのＣＯ２による炭酸塩化に適し、約１０％以上の質量増加でＣａＣＯ３を形成することによって特徴付けられる。
【００２０】
ケイ酸カルシウム組成物は、アモルファス（非晶質）ケイ酸カルシウム相を上述の結晶相の他に含むことができる。非晶相は、原材料内に存在する付加的にＡｌ、Ｆｅ及びＭｇのイオン及び原材料内に存在する不純物イオンを取り込むことができる。
【００２１】
これらケイ酸カルシウムの結晶相及び非晶相それぞれは、ＣＯ２による炭酸塩化に適している。
【００２２】
ケイ酸カルシウム組成物は、さらに、僅かな量の残留ＣａＯ（石灰）及びＳｉＯ２（シリカ）を含むことができる。
【００２３】
ケイ酸カルシウム組成物は、さらに、僅かな量のＣ３Ｓ（エーライト、Ｃａ３ＳｉＯ５）を含むことができる。
【００２４】
ケイ酸カルシウム組成物内に存在するＣ２Ｓ相は、α-Ｃａ２ＳｉＯ４、β-Ｃａ２ＳｉＯ４、若しくはγ-Ｃａ２ＳｉＯ４の任意な多形体又はそれらの組合せとして存在することができる。
【００２５】
ケイ酸カルシウム組成物は、さらに、或る量の不活性相、例えば、一般組成式(Ca, Na, K)２[(Mg, Fe2+, Fe3+, Al, Si)3O7]を有するメリライト型無機物（メリライト又はゲーレナイト又はオケルマナイト）、及び一般組成式Ca２(Al, Fe3+)２O5を有するフェライト型無機物（フェライト又はブラウンミラライト又はＣ４ＡＦ）を含むことができる。若干の実施形態において、ケイ酸カルシウム組成物は非晶相のみを有する。若干の実施形態において、ケイ酸カルシウム組成物は結晶相のみを有する。若干の実施形態において、ケイ酸カルシウム組成物のうち幾つかは非晶相で存在し、幾つかは結晶相で存在する。
【００２６】
若干の好適な実施形態において、ケイ酸カルシウム組成物における元素Ｃａ対元素Ｓｉのモル比は約０.８０〜約１.２０である。若干の好適な実施形態において、組成物におけるＣａ対Ｓｉのモル比は約０.８５〜約１.１５である。若干の好適な実施形態において、組成物におけるＣａ対Ｓｉのモル比は約０.９０〜約１.１０である。若干の好適な実施形態において、組成物におけるＣａ対Ｓｉのモル比は約０.９５〜約１.０５である。若干の好適な実施形態において、組成物におけるＣａ対Ｓｉのモル比は約０.９８〜約１.０２である。若干の好適な実施形態において、組成物におけるＣａ対Ｓｉのモル比は約０.９９〜約１.０１である。
【００２７】
ケイ酸カルシウム組成物に含まれるＡｌ，Ｆｅ及びＭｇの金属酸化物は、概して約３０％未満に制御する。若干の好適な実施形態において、組成物は総酸化物質量に対してＡｌ，Ｆｅ及びＭｇの金属酸化物を約２０質量％以下有する。若干の好適な実施形態において、組成物は総酸化物質量に対してＡｌ，Ｆｅ及びＭｇの金属酸化物を約１５質量％以下有する。若干の好適な実施形態において、組成物は総酸化物質量に対してＡｌ，Ｆｅ及びＭｇの金属酸化物を約１２質量％以下有する。若干の好適な実施形態において、組成物は総酸化物質量に対してＡｌ，Ｆｅ及びＭｇの金属酸化物を約１０質量％以下有する。若干の好適な実施形態において、組成物は総酸化物質量に対してＡｌ，Ｆｅ及びＭｇの金属酸化物を約５質量％以下有する。
【００２８】
これらケイ酸カルシウム相それぞれは、ＣＯ２による炭酸塩化に適する。以下に炭酸塩化に適する個別のケイ酸カルシウム相を反応相（reactive phase）と称する。
【００２９】
反応相は任意の適当な量で組成物内に存在することができる。若干の好適な実施形態において、反応相は約５０質量％以上で存在する。若干の好適な実施形態において、反応相は約６０質量％以上で存在する。若干の好適な実施形態において、反応相は約７０質量％以上で存在する。若干の好適な実施形態において、反応相は約８０質量％以上で存在する。若干の好適な実施形態において、反応相は約９０質量％以上で存在する。若干の好適な実施形態において、反応相は約９５質量％以上で存在する。
【００３０】
種々の反応相は反応相全体における任意の適切な割合を占める。若干の好適な実施形態において、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％、）存在し；Ｃ３Ｓ２の反応相は約５〜約５０重量％（例えば、約１０重量％〜約５０重量％、約１５重量％〜約５０重量％、約２０重量％〜約５０重量％、約３０重量％〜約５０重量％、約４０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１５重量％）存在し；及びＣ２Ｓの反応相は約５重量％〜約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％）存在し、またＣは約０重量％〜約３重量％（例えば、０重量％、１重量％以下、２重量％以下、約３重量％以下、約１重量％〜約２重量％、約１重量％〜約３重量％、約２重量％〜約３重量％）存在する。
【００３１】
若干の実施形態において、反応相は、ケイ酸カルシウムベースの非晶相を、例えば、相の全体質量に対して約４０質量％以上（例えば、約４５質量％以上、約５０質量％以上、約５５質量％以上、約６０質量％以上、約６５質量％以上、約７０質量％以上、約７５質量％以上、約８０質量％以上、約８５質量％以上、約９０質量％以上、約９５質量％以上）有する。非晶相は原材料に存在する不純物イオンを付加的に組み入れることができる点を付記する。
【００３２】
本発明のケイ酸カルシウム組成物は、ＣＯ２による炭酸塩化に適する。とくに、ケイ酸カルシウムの組成物は、約３０℃〜約９０℃の温度でＣＯ２により炭酸塩化し、約２０％以上の質量増加でＣａＣＯ３を形成するのに適する。この質量増加は、炭酸塩生成物内へのＣＯ２の正味隔離を反映する。若干の好適な実施形態において、組成物は、約３０℃〜約９０℃の温度（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ＣＯ２により炭酸塩化し、１０％以上（例えば、１５％以上、２０％以上、２５％以上、３０％以上）の質量増加でＣａＣＯ３を形成するのに適する。
【００３３】
他の態様において、本発明は、概して、本明細書に記載のケイ酸カルシウム組成物から生成される炭酸塩化材料に関する。
【００３４】
さらに他の態様において、本発明は、概して、約８μｍ〜約２５μｍの平均粒径（ｄ５０）で、粒子の１０％（ｄ１０）が約０.１μｍ〜３μｍ以下のサイズ及び粒子の９０％（ｄ９０）が約３５μｍ〜１００μｍ以上のサイズを有する粉末形態の炭酸塩化可能なケイ酸カルシウム組成物に関する。
【００３５】
若干の好適な実施形態において、ｄ９０：ｄ１０の比は、改善した粉末フロー又は注型成形のための減少した水要求量が得られるよう選択する。若干の好適な実施形態において、ｄ５０：ｄ１０の比は、改善した反応性、改善した梱包性、又は注型成形のための減少した水要求量が得られるよう選択する。若干の好適な実施形態において、ｄ９０：ｄ５０の比は、改善した反応性、改善した梱包性、又は注型成形のための減少した水要求量が得られるよう選択する。
【００３６】
任意の適当なケイ酸カルシウム組成物は、結合要素のため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用語「ケイ酸カルシウム組成物」は、概して、ＣＳ（珪灰石又は疑似珪灰石、及びときにはＣａＳｉ３Ｏ又はＣａＯ・ＳｉＯ２として配合されたもの）、Ｃ３Ｓ２（ランキナイト、及びときにはＣａ３Ｓｉ２Ｏ７又は３ＣａＯ・２ＳｉＯ２として配合されたもの）、Ｃ２Ｓ（ビーライト、β-Ｃａ２ＳｉＯ４又はラルナイト、β-Ｃａ２ＳｉＯ４又はブリジガイト、α-Ｃａ２ＳｉＯ４若しくはγ-Ｃａ２ＳｉＯ４、及びときにはＣａ２ＳｉＯ４又は２ＣａＯ・ＳｉＯ２として配合されたもの）、ケイ酸カルシウムベースの非晶相を含むケイ酸カルシウム相の１つ又は複数のグループから構成される天然に存在する鉱物又は合成物質に言及し、これら物質それぞれは、１つ若しくは複数の他の金属イオン及び酸化物（例えば、アルミニウム、マグネシウム、鉄若しくは酸化マンガン）若しくはそれらの混合物を含む、又は微量（１重量％）〜約５０重量％以上の範囲にわたる量の天然で存在する若しくは合成の形態におけるケイ酸マグネシウムを含むことができる。
【００３７】
好適には、本発明のケイ酸カルシウム組成物は水和させないことに留意されたい。しかし、僅かな量の水和可能なケイ酸カルシウム相（例えば、Ｃ２Ｓ，Ｃ３Ｓ及びＣａＯ）は存在することができる。Ｃ２Ｓは、水にさらされるとき、緩慢な動力学の水和反応を呈し、ＣＯ２養生プロセス中には急速にＣａＣＯ３に転換する。Ｃ３Ｓ及びＣａＯ水和物は、水にさらされる際に急速にＣａＣＯ３に転換し、したがって、５質量％未満（＜５質量％）に制限すべきである。
【００３８】
ケイ酸カルシウム組成物に含まれるケイ酸カルシウム相は水に晒されるとき水和しない。結合剤としてケイ酸カルシウム組成物を使用して生成されるこの複合物は、水と組み合わさるとき大きな強度を生じない。強度創出は、ケイ酸カルシウム組成物を含む複合物をＣＯ２が存在する特定養生状況に晒すことによって制御する。
【００３９】
本明細書に記載したケイ酸カルシウム組成物、相及び方法は、ケイ酸カルシウム相の代わりに、又はそれに付加してケイ酸マグネシウム相を使用するのに採用することができると理解されたい。本明細書に使用する用語「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）及びＭｇ３Ｓｉ４Ｏ１０(ＯＨ)２（「タルク」としても知られている）及びＣａＭｇＳｉＯ４（「モンティセライト」としても知られている）よりなるグループのうち１つ又は複数のものを含む天然に存在する鉱物又は合成物質であって、これら材料それぞれは、１つ又は複数の他の金属イオン及び酸化物（例えば、酸化カルシウム、酸化アルミニウム、酸化鉄又は酸化マグネシウム）、若しくはそれらの混合物を含むか、又は天然に存在する若しくは合成の形態としてのケイ酸カルシウムを微量（１重量％）〜約５０重量％又はそれ以上にわたる量で含むものとすることができる。
【００４０】
本発明による炭酸塩化可能な組成物の大きな実用性は、炭酸塩化して様々な用途に有用な複合材料を形成する点である。炭酸塩化は、例えば、制御した熱水液相焼結（ＨＬＰＳ：Hydrothermal Liquid Phase Sintering）プロセスによりＣＯ２と反応させて複合材料の種々の成分を一緒に保持する結合要素を生成することで実施することができる。例えば、本発明の好適な実施形態において、ＣＯ２は、生産される複合材料におけるＣＯ２隔離及び結合要素生成を生ずる反応種として使用され、二酸化炭素排出量の点で既存の生産技術とは格段の相違がある。ＨＬＰＳプロセスは、化学反応の自由エネルギー及び結晶成長で生ずる表面エネルギー（面積）減少によって熱力学的に推進される。ＨＬＰＳプロセスの反応速度論は低温度かつ適度な速度で進行し、これはすなわち、高融点流体又は高温固相媒体を使用する代わりに、溶液（水性又は非水性）を使用して反応種を輸送するからである。
【００４１】
ＨＬＰＳの様々な特徴の論考は、米国特許第８，１１４，３６７号、米国特許出願公開第２００９／０１４３２１１号（米国特許出願第１２／２７１，５６６号）、米国特許出願公開第２０１１／０１０４４６９号（米国特許出願第１２／９８４，２９９号）、米国特許出願公開第２００９／０１４２５７８号（米国特許出願第１２／２７１，５１３号）、米国特許出願公開第２０１３／０１２２２６７号（米国特許出願第１３／４１１，２１８号）、米国特許出願公開第２０１２／０３１２１９４号（米国特許出願第１３／４９１，０９８号）、国際公開第２００９／１０２３６０号（ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０８３６０６号）、国際公開第２０１１／０５３５９８号（ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０５４１４６号）、国際公開第２０１１／０９０９６７号（ＰＣＴ／ＵＳ２０１１／０２１６２３号）、２０１３年１０月３日出願の米国仮出願第１４／０４５，７５８号、同第１４／０４５，５１９号、同第１４／０４５，７６６号、同第１４／０４５，５４０号、２０１４年３月１２日出願の米国特許出願第１４／２０７，４１３号、同第１４／２０７，４２１号、２０１４年３月１３日出願の米国特許出願第１４／２０７，９２０号、同第１４／２０９，２３８号、２０１４年６月４日出願の米国特許出願第１４／２９５，６０１号、同第１４／２９５，４０２号に見ることができ、これら文献それぞれはあらゆる目的のために参照することにより、表現されたとおりに全体が本明細書に組み入れられるものとする。
【００４２】
図１〜図８は、上述の材料の幾つかにおける様々な相の相関関係を示す相状態図である。図９は、本発明の原理による加湿を行うＣＯ２複合材料養生チャンバの概略図である。図９において、水源を設け、また水蒸気を、養生チャンバ内を循環している空気に添加する。図１０は、複数の湿度制御方法並びに一定フロー又は圧力調節でＣＯ２を制御及び補充する能力を有し、本発明の原理によって温度制御することができる養生チャンバの概略図である。このシステムは、閉ループ制御又はフィードバック使用の制御を行うシステムの一例であり、特定時点で望ましいＣＯ２濃度、湿度、及び温度のような動作パラメータの設定値を設け、また制御しているパラメータの実際値が所望値であるか否かを見る測定値をとる。
【００４３】
本発明組成物の炭酸塩化における幾つかの実施形態において、すりつぶしたケイ酸カルシウム組成物を使用する。すりつぶしたケイ酸カルシウムは、約１μｍ〜約１００μｍにわたる範囲（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、約１０μｍ、約１５μｍ、約２０μｍ、約２５μｍ、約３０μｍ、約４０μｍ、約５０μｍ、約６０μｍ、約７０μｍ、約８０μｍ、約９０μｍ、約１００μｍ）の中央値粒径と、約０.５ｇ／ｍＬ〜約３.５ｇ／ｍＬ（ルーズな、約０.５ｇ／ｍＬ、約１.０ｇ／ｍＬ、約１.５ｇ／ｍＬ、約２.０ｇ／ｍＬ、約２.５ｇ／ｍＬ、約２.８ｇ／ｍＬ、約３.０ｇ／ｍＬ、約３.５ｇ／ｍＬ）及び約１.０ｇ／ｍＬ〜約１.２ｇ／ｍＬ（タップした）のかさ密度と、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）のブレーン比表面積と、を有することができる。
【００４４】
任意の適当な骨材、例えば、酸化カルシウム含有又はシリカ含有の複合材料を使用して、本発明の炭酸塩化可能な組成物から複合材料を形成することができる。代表的な骨材としては、トラップ岩、建設用の砂、玉砂利のような不活性材料がある。若干の好適な実施形態において、パーライト又はバーミキュライトのような軽量骨材も骨材として使用することができる。産業廃棄材（例えば、フライアッシュ、スラグ、シリカヒューム）のような材料も微細増量剤として使用することができる。
【００４５】
複数種類の骨材は任意の適当な平均粒径及びサイズ分布を有することができる。若干の実施形態において、複数種類の骨材は、約０.２５ｍｍ〜約２５ｍｍにわたる範囲内（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″、約１／４″、約３／８″、約１／２″、約３／４″）における平均粒径を有する。
【００４６】
化学的混和剤、例えば、可塑剤、遅延剤、促進剤、分散剤、及び他のレオロジー変性剤を複合材料に含ませることができる。若干の市場で入手可能な化学的混和剤としては、例えば、ＢＡＳＦ（登録商標）ケミカル社によるＧｌｅｎｉｕｍ（商標名）７５００及びダウ・ケミカル社によるＡｃｕｍｅｒ（商標名）がある。若干の実施形態において、所望の複合材料に基づいて、１つ又は複数の顔料を結合母材に均一に分散又はほぼ不均一に分散させることができる。顔料は、任意の適当な顔料、例えば、種々の金属酸化物（例えば、黒色酸化鉄、酸化コバルト、及び酸化クロム）とすることができる。顔料は、黒、白、青、グレー、ピンク、緑、赤、黄、及び茶から選択した任意な色とすることができる。顔料は、所望の複合材料に基づいて、任意の適当な量、例えば、約０.０重量％〜約１０重量％の範囲にわたる量にして存在させることができる。
【００４７】
様々な複合材製品は、本発明の炭酸塩化可能なケイ酸カルシウム組成物からオートクレーブを必要とせず、また連続大量生産に適したプロセスによって生産することができる。この生産方法は、経済性及び環境インパクトの点で従来の透過性コンクリートよりも大きな改善がなされている。
【実施例】
【００４８】
炭酸塩化可能なケイ酸カルシウム組成物及び相
ＮＹＡＤ４００鉱物珪灰石製品（ＣａＳｉＯ３、ＮＹＣＯ鉱物）は、特注したリアクタ（化学反応炉）内でＣＯ２養生状況に晒し、この組成物の炭酸塩化する能力を実証した。このリアクタは、３９リットルの殺菌消毒容器であり、水中に浸漬させた抵抗加熱素子を有するステンレス鋼タンクから構成する。容器に対する蓋はＣＯ２ガスを注入及び放出できるよう機械加工する。容器の蓋はファンを有し、このファンは外部撹拌装置によって制御することができる。サンプルは、水面レベルより上方かつ水滴のランダム落下がプロセスを干渉しないようにする金属コーン下方において、ワイヤトレイ上で反応させた。サンプルは、６０℃で水が部分的に飽和した撹拌ＣＯ２雰囲気の下に炭酸塩化した。サンプルは、時間の長さが変動して反応させることができ、またＣＯ２被曝からの質量増加を決定するよう分析した。これらの実験結果を図１１に示す。
【００４９】
実験用回転キルン内における石灰石、粘度及び砂からのケイ酸カルシウム組成物合成
天然資源の石灰石、粘度及び砂を使用して直接燃焼式回転キルン内でケイ酸カルシウム組成物を合成した。３つの異なる原材料混合物は平均粒径（ｄ５０）が〜３０μｍになるようすりつぶした。これら混合物は以下の表２に記載する。表２における「ミル設定」は、原材料混合物を一斉にすりつぶしたか、又は個別成分材料のミル粉砕後にブレンドしたかを示す。
【００５０】
【表１】
2017527516.tif 000002
【００５１】
原材料のすりつぶしに続いて、粒状化プロセスを採用して実験用回転キルン内に適正な材料フローを生ずることができるようにする。
【００５２】
粒状化した原材料を、表３に記載の寸法及び動作パラメータを有する天然ガス直接燃焼回転キルン内に送給した。回転キルン内で生じたケイ酸カルシウム組成物は、「クリンカー」形態、すなわち、直径が約１〜４ｍｍの小さい顆粒となって出現した。このクリンカーは、分析前に約１２μｍの平均粒径（ｄ５０）の粉末になるようすりつぶした。
【００５３】
【表２】
2017527516.tif 000003
【００５４】
すりつぶしたクリンカーのサンプルを特注したリアクタ内でＣＯ２養生状況に晒した。サンプルは、６０℃で水が部分的に飽和した撹拌ＣＯ２雰囲気の下に炭酸塩化した。サンプルは、時間の長さが変動して反応させることができ、またＣＯ２被曝からの質量増加を決定するよう分析した。これらの実験結果を図１２に示す。
【００５５】
表４は、すりつぶしたクリンカー（サンプル１２；as-is）に存在する鉱物学的相の、及びＣＯ２養生状況に晒したすりつぶしクリンカーのＸ線回折（ＸＲＤ）定量化値を列挙する。（サンプル１２；炭酸塩化(２０時間)）。サンプル１２は、〜１２２０℃のピークキルン温度で燃焼させた、石灰石、粘度及び砂をブレンドした２Ｔに言及する。
【００５６】
【表３】
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【００５７】
箱形炉内における純化学試薬から生成したケイ酸カルシウム組成物合成
合成したケイ酸カルシウム組成物は、さらに、形成されるケイ酸カルシウム相及びそれらの炭酸塩化の際における挙動を究明するため、純化学試薬からも生成した。サンプルは、６０ｇのＳｉＯ２（エボニック・インダストリーズ社からのヒュームド・シリカ、Ａｅｒｏｓｉｌ９８）及び１００ｇのＣａＣＯ３（シグマ アルドリッチ社、Ｃ６７６３）により合成した。それら成分は、焼成後におけるＣａＳｉＯ３のバルク化学量論を得るため比例配分した。それら成分は、ＰＴＦＥ容器内で水と混合させまた転動させて顆粒化した。この湿った顆粒は、次に対流オーブン内で乾燥し、また箱形炉（セントロテック社、ST-1500C-121216）内で１０℃／分の加熱速度で１２００℃にし、また１時間にわたりピーク温度を保持して燃焼させた。ケイ酸カルシウム組成物は、次にミル粉砕し（レッチ社、ＰＭ１００）、また６０℃で水が部分的に飽和した撹拌ＣＯ２雰囲気の下に炭酸塩化した。ミル粉砕したケイ酸カルシウム組成物及び炭酸塩化したケイ酸カルシウム組成物をＸＲＤによって分析した。図１３ａに示すＸＲＤデータは、ＣａＳｉＯ３のバルク化学量論を有する混合物内においてさえも生ずる、３つすべての結晶炭酸塩化可能な種（珪灰石／疑似珪灰石、ランキナイト、ラルナイト）の展開を示す。図１３ｂは、ＣＯ２内での養生後の炭酸塩化した種である、方解石、アラゴナイト及びバテライトの存在を示す。
【００５８】
箱形炉内におけるケイ酸石灰石からのケイ酸カルシウム組成物合成
天然資源のケイ酸石灰石を用いて、不純物がある天然資源材料から高温で形成されるケイ酸カルシウム相を究明した。石灰石は、天然で元素Ｃａ対元素Ｓｉのモル比（Ｃａ：Ｓｉ）が１.１２であり、したがって、ケイ酸カルシウム組成物合成用の唯一の原材料として作用することができる。石灰石の化学的要素を表５に示す。
【００５９】
【表４】
2017527516.tif 000005
【００６０】
石灰石はすりつぶして粉末にし、次いで顆粒化した。顆粒化した材料は、箱形炉内で１０℃／分の割合で１０００℃〜１２５０℃の間における温度にし、３時間その温度を保持して燃焼させた。炉実験の生成物をすりつぶして粉末にし、ＸＲＤで分析し、炭酸塩化したケイ酸カルシウム相の展開を定量化した。異なる温度で焼成したケイ酸石灰石におけるＸ線回折定量化結果を表６及び図１５ａ〜１５ｃに示す。
【００６１】
【表５】
2017527516.tif 000006
【００６２】
これら実験に続いて、この石灰石を多量に調合し、また粉砕の箱形炉内で上述したように処理した。次いでこの材料をミル粉砕して約１２μｍの平均粒径（ｄ５０）の粉末にし、コンクリート配合物（ミックス）内に組み入れた。この配合物は、４″×８″シリンダ内に振動投入によって形成した。このシリンダは、６０℃のＣＯ２環境で炭酸塩化した。養生後、サンプルの圧縮強度を試験した。コンクリートサンプルは、１０８１８±８７２psiの平均強度を示した。コンクリートの設計を表７に示す。
【００６３】
【表６】
2017527516.tif 000007
【００６４】
非晶質ケイ酸カルシウム相の調合及び炭酸塩化
結晶ケイ酸カルシウム相の炭酸塩化に加えて、非晶質（アモルファス）状態のケイ酸カルシウムを炭酸塩化することができる。合成ケイ酸カルシウム組成物は高純度石灰石及び高純度砂の１５００℃での燃焼により生成した。この結果生じた材料を約１２μｍの平均粒径（ｄ５０）の粉末にミル粉砕した。このケイ酸カルシウム組成物は、Ｘ線蛍光で測定するとＣａ：Ｓｉモル比が１.０８であることを示し（表８）、このことは、上述のサンプルで説明したケイ酸カルシウム組成物に類似する。それでも、図１６に示すこのケイ酸カルシウム組成物のＸＲＤパターンは、大部分が非晶質であることを表している（リートベルト精密化によれば＞９５％の非晶質）。
【００６５】
この組成物を水が部分的に飽和した撹拌ＣＯ２雰囲気の下に６０℃で反応させることによって炭酸塩化した。１８時間にわたる炭酸塩化後には、サンプルは有意な結晶ケイ酸カルシウム相がない状態にも係わらず２５％の質量増加を示した。
【００６６】
【表７】
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【００６７】
Ca:Siモル比1:1のAl2O3含有非晶質ケイ酸カルシウム組成物調製及び炭酸塩化
Ａｌ２Ｏ３を含有する非晶質ケイ酸カルシウム組成物を、その炭酸塩化の潜在能力を検証するため、化学等級試薬から調製した。サンプルは、６０ｇのＳｉＯ２（ＵＳシリカ社、Min-u-sil 5）、１００ｇのＣａＣＯ３（シグマアルドリッチ社、Ｃ６７６３）、及び可変量のＡｌ（ＯＨ）３（シグマアルドリッチ社、２３９１８６）から形成した。この原材料を手作業で混合し、また底部負荷炉（セントロテック社、ST-1600C101012-BL）で１０℃／分の速度で１６００℃にして燃焼させた。１時間にわたり最大温度に保持した後、材料を炉から取り出し、また即座にスチール製プレート上に流し載せることによって急冷した。結果として生じた非晶質ケイ酸カルシウム組成物を約１２μｍの平均粒径（ｄ５０）の粉末にミル粉砕し、また水が部分的に飽和した撹拌ＣＯ２雰囲気の下に６０℃で２０時間にわたり炭酸塩化した。ケイ酸カルシウム組成物サンプルは、炭酸塩化前及び後にＸＲＤによって分析し、それらの結晶化度を決定し、また炭酸塩化生成物を同定
した。これらの実験結果を表９にまとめた。サンプル１に関して炭酸塩化の前及び後に得られたＸＲＤパターンの比較を図１７に示す。
【００６８】
【表８】
2017527516.tif 000009
【００６９】
様々な不純物を含むケイ酸カルシウムの合成及び炭酸塩化
ケイ酸カルシウムは、一連のＡｌ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、及びＭｇＯの不純物を有して、Ｃａ：Ｓｉモル比が１.１となるサンプルが得られ、ケイ酸カルシウム組成物におけるこれら不純物の効果を決定するため、化学等級試薬を様々な割合で混合することによって調製した。ＣａＣＯ３（シグマアルドリッチ社、Ｃ６７６３）、ＳｉＯ２（ＵＳシリカ社、Min-u-sil 5）、Ａｌ（ＯＨ）３（シグマアルドリッチ社、２３９１８６）、Ｆｅ２Ｏ３（フィッシャー・サイエンティフィック社、Ｉ１１６）、及びＭｇＣＯ３（シグマアルドリッチ社、３４２７９３）をサンプル合成に使用した。これらサンプルにおける不純物レベルの明細を図１０に示す。サンプルは手作業で調合及び混合し、油圧プレスを用いて２５．４ｍｍ（１インチ）直径のペレットにプレス加工した。これらペレットを箱形炉内で１０℃／分の速度で１１５０℃及び１２５０℃の温度にし、その温度を１時間保持して燃焼させた。この燃焼に続いて、サンプルを粉末になるまでミル粉砕した。ミル粉砕したセメントをＸ線回折によって分析した。ＸＲＤ分析結果を、１１５０℃サンプルに関する表１１、及び１２５０゜に関する表１２に示す。
【００７０】
【表９】
2017527516.tif 000010
【００７１】
【表１０】
2017527516.tif 000011
【００７２】
【表１１】
2017527516.tif 000012
【００７３】
様々なＣａ：Ｓｉモル比のケイ酸カルシウムの合成及び炭酸塩化
ケイ酸カルシウムは、Ｃａ：Ｓｉモル比が０.８〜１.２にわたり変動するサンプルが得られ、ケイ酸カルシウム組成物におけるその効果を決定するため、化学等級試薬を様々な割合で混合することによって調製した。ＣａＣＯ３（シグマアルドリッチ社、Ｃ６７６３）及びＳｉＯ２（ＵＳシリカ社、Min-u-sil 5）をサンプル合成に使用した。サンプルは手作業で調合及び混合し、油圧プレスを用いて２５．４ｍｍ（１インチ）直径のペレットにプレス加工した。これらペレットを箱形炉内で１０℃／分の速度で１２５０℃の温度にし、その温度を１時間保持して燃焼させた。この燃焼に続いて、サンプルを粉末になるまでミル粉砕した。ミル粉砕したセメントをＸ線回折によって表１３に示すように分析した。
【００７４】
【表１２】
2017527516.tif 000013
【００７５】
粒径分布統計値
図１８及び１９は、狭域粒径分布及び広域粒径分布となるようミル粉砕した２種類のケイ酸カルシウム組成物の粒径分布曲線のプロファイルを示す。SC-C2はジェットミルで粗く粉砕した粉末によって生成し、またSC-C2aはボールミルで粗く粉砕した粉末によって生成した。
【００７６】
【表１３】
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【００７７】
SC-C2及びSC-C2aの粉末のパッキング特性を、モルタルで行った以下の試験によって測定した。モルタルは、実験用ケイ酸カルシウム組成物をASTM C109標準砂（フンボルト・マニファクチャリング社、H-3825）と混合して、ケイ酸カルシウム組成物対砂の質量比が１：３、水対ケイ酸カルシウム組成物の質量比が０.３７５となるように生成した。モータ作動フローテーブル上における２０回タップ後のモルタルの流動を測定した。図２０はSC-C2aで調製したモルタルの流動特性の大きな改善を示す。この結果は、広域SC-C2aで調製した混合物の方が狭域SC-C2で形成した比較コンクリートよりも望ましい流動挙動を得るのに水が少なくて済むことを示す。
【００７８】
炭酸塩化したコンクリートの乾燥状態及び水飽和状態における圧縮強度を測定するため、直径１０.１６ｃｍ×高さ２０.３２ｃｍ（４″Ｄ×８″Ｈ）の寸法のコンクリートシリンダを調製した。コンクリートサンプルの乾燥成分を表１５に列挙した比率で混合した。
【００７９】
【表１４】
2017527516.tif 000015
【００８０】
Ｇｌｅｎｉｕｍ７５００（ＢＡＳＦ社）を減水混和材として使用し、低い水対ケイ酸カルシウム組成物比でケイ酸カルシウム組成物を分散させ易くした。結合材を１０ｍＬ／Ｋｇの投与量ですべての混合物に使用した。０.２７１の水対ケイ酸カルシウム組成物比を用いた。
【００８１】
コンクリートシリンダを６０℃の高濃度ＣＯ２環境下で養生させた。結果として生じたコンクリートシリンダを、適用可能なASTM C-39につき乾燥状態及び湿潤状態の双方で試験した。水を飽和させた試験に関しては、シリンダを２４時間にわたり水に浸し、その微細構造に水を飽和させた。さらに、SC-C2aサンプルは２４時間真空飽和に晒し、微細構造まで完全真空飽和させた。この試験結果は、広域SC-C2aケイ酸カルシウム組成物で作製したサンプルの圧縮強度が向上したことを示す（図２１参照）。さらに、サンプルに水を飽和させる際の圧縮強度の相対変化は、広域分布ケイ酸カルシウム組成物を使用するとき減少することが分かる。
【００８２】
SC-L−超広域分布
図２２は、目標粒径分布を得るため工業用閉回路ボールミル内でミル粉砕したケイ酸カルシウム組成物クリンカーの粒径分布曲線プロファイルを示す。このケイ酸カルシウム組成物を生成するのに使用した同一クリンカーを、図２３の場合はより高い平均粒径（ｄ５０）となり、図２４の場合は広域粒径（ｄ５０）となるよう広域粒径を生成するのに異なる媒剤を充填したバッチ式ボールミルでミル粉砕した。これら分布は図２５で重ね合わせて示す。
【００８３】
【表１５】
2017527516.tif 000016
【００８４】
【表１６】
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【００８５】
本明細書及び特許請求の範囲において、単数形「a」、「an」及び「the」は文脈がそうでないと明示しない限り、複数言及を含む。
【００８６】
それ以外を定義しない限り、本明細書で使用する全ての技術的及び科学的用語は、当業者が共通して理解されるものと同一の意味を持つ。本明細書に記載したのと類似又は等価である任意の方法及び材料は本発明の実施又は試験に使用することもできるが、好適な方法及び材料を説明した。本明細書に記載の方法は、本明細書に記載の特定の順序の他に論理的に可能である任意な順序で実施することができる。
【００８７】
参照による組み入れ
特許、特許出願、特許刊行物、定期刊行物、書籍、新聞、ウェブコンテンツのような他の文献に対する参照及び引用を本明細書で行った。このような文献のすべては、参照によってすべての目的のために全体を本明細書に組み入れられるものとする。参照により本明細書に組み入れられる任意の資料又はその一部は、本明細書で明確に述べた現行の定義、ステートメント、又は他の開示資料と矛盾することがあっても、組み入れられた資料と本明細書の資料との間で矛盾が生じない程度にのみ組み入れられるものとする。矛盾を生じた場合、この矛盾は、好適な開示として本発明に有利となるよう解決される。
【００８８】
均等物
本明細書に記載の代表的実施例は、本発明を説明するのに役立てることを意図し、本発明の範囲を制限することは意図しない、又は制限すると解すべきではない。実際、本明細書に示しまた記載した他に、本発明の種々の変更例及びその他多くの実施形態も、当業者にとっては、後続の実施例並びに本明細書に引用した科学的文献及び特許文献に対する参照も含めて本明細書の全内容から明らかであろう。後続の実施例は、種々の実施形態及びその均等物として本発明を実施するのに適用できる重要な付加的情報、例証、及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１３ａ】
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【図１３ｂ】
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【図１４】
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【図１５ａ】
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【図１５ｂ】
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【図１５ｃ】
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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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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【国際調査報告】
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