(57)【要約】  クリンカーファクターを全体的に減少させ、結合特性を改善した新規なエンジニアードコンクリートバインダ組成物。前記コンクリートバインダ組成物は、一次バインダを１０〜６０重量％の比で、二次バインダを４０〜９０重量％の比で含む。上記一次バインダは、自発的水和特性を有する一次材料群から選択される。前記二次バインダは、誘導水和特性を有する二次材料群から選択される。
2020506145.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
クリンカーファクターが全体的に減少した新規なエンジニアードコンクリートバインダ組成物であって、
１０〜６０重量％の比での少なくとも１つの一次バインダであって、自発的水和特性を有する一次材料群から選択される、前記一次バインダと、
４０〜９０重量％の比での少なくとも１つの二次バインダであって、誘導水和特性を有する二次材料群から選択される、前記二次バインダと、
を含む、前記組成物。
【請求項２】
前記一次バインダが、最小細骨材モード平均粒子直径の１／４〜１／２５の範囲のモード平均粒子直径を有する粒子を含む、請求項１に記載の新規なエンジニアードコンクリートバインダ組成物。
【請求項３】
前記最小細骨材モード平均粒子直径が、生コンクリート材料の最小細骨材画分の粒度分布（ＰＳＤ）分析により決定される、請求項２に記載の新規なエンジニアードコンクリートバインダ組成物。
【請求項４】
前記一次材料群が、通常の普通ポルトランドセメント、機械的に変性された普通ポルトランドセメント、化学的に変性されたフライアッシュ、化学的に変性された高炉スラグのうちの少なくとも１つから選択される、請求項１に記載の新規なエンジニアードコンクリートバインダ組成物。
【請求項５】
前記二次バインダが、前記最小細骨材モード平均粒子直径の１／４〜１／６２５の範囲のモード平均粒子直径を有する粒子を含む、請求項１に記載の新規なエンジニアードコンクリートバインダ組成物。
【請求項６】
前記二次材料群が、ポゾラン活性を付与する材料から少なくとも選択される、請求項１に記載の新規なエンジニアードコンクリートバインダ組成物。
【請求項７】
前記ポゾラン活性を付与する材料が、天然ポゾラン材料、人工ポゾラン材料のうちの少なくとも１つから選択される、請求項６に記載の新規なエンジニアードコンクリートバインダ組成物。
【請求項８】
前記人工ポゾラン材料が、
フライアッシュ、高炉スラグ、火山灰材料、石英材料、ポゾラン材料から選択される化学的に活性化された材料と、
フライアッシュ、高炉スラグ、火山灰材料、石英材料、ポゾラン材料から選択される機械的に変性された材料と、
を含む、請求項７に記載の新規なエンジニアードコンクリートバインダ組成物。
【請求項９】
レオロジー調整剤、ｐＨ調整剤、反応活性剤をさらに含む、請求項１に記載の新規なエンジニアードコンクリートバインダ組成物。
【請求項１０】
前記レオロジー調整剤が、リグノスルホナート化合物、ポリカルボキシラート化合物、スルホン化ナフタレンホルムアルデヒド、スルホン化メラミンホルムアルデヒドのうちの１つから選択される、請求項９に記載の新規なエンジニアードコンクリートバインダ組成物。
【請求項１１】
前記ｐＨ調整剤が、アルカリ金属群の水酸化物、アルカリ土類金属群の水酸化物のうちの少なくとも１つから選択される、請求項９に記載の新規なエンジニアードコンクリートバインダ組成物。
【請求項１２】
前記反応活性剤が、アルカリ土類金属群の酸化物、アルカリ土類金属群の水酸化物、アルカリ土類金属群の炭酸塩のうちの１つから選択される、請求項９に記載の新規なエンジニアードコンクリートバインダ組成物。
【請求項１３】
前記一次材料群および前記二次材料群が、マクロ−ミクロ−ナノ粒子格子配列を形成して、前記最終コンクリート材料の強度特性および耐久性指数を増大させる、請求項１に記載の新規なエンジニアードコンクリートバインダ組成物。
【請求項１４】
前記二次材料群が、前記一次材料群の格子配列によって形成された空隙をコンパクトに占めるように適合される、請求項１３に記載の新規なエンジニアードコンクリートバインダ組成物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体的に減少したクリンカーファクター（ｃｌｉｎｋｅｒ  ｆａｃｔｏｒ）を有する新規なエンジニアードコンクリートバインダ組成物（ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ  ｃｏｎｃｒｅｔｅ  ｂｉｎｄｅｒ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）に関する。より具体的には、本発明は、コンクリート産業における普通ポルトランドセメントの全体的な使用を最小限に抑えるコンクリートバインダ組成物を提供する。さらに、上記コンクリートバインダ組成物は、コンクリート製造におけるポゾラン材料の最大限の使用を促進する。したがって、本発明はコンクリート産業における普通ポルトランドセメントの使用に対する全体的な依存性を減少させる。上記コンクリートバインダ組成物は、最終コンクリート材料の強度特性および耐久性指数を増大させるためのマクロ−ミクロ−ナノ粒子格子配列を提供する。
【背景技術】
【０００２】
コンクリートは、地球上で非常に消費性である利用可能な人工製品である。建物、道路、空港、ダム、港などのインフラは、常に国家発展の重要な指標と考えられている。そのようなインフラの開発は常に、普通ポルトランドセメントと共にコンクリート原材料／骨材材料の使用を必要とする。しかし普通ポルトランドセメントと共にコンクリート原材料／骨材材料を常用することは環境に大きな脅威をもたらす。
【０００３】
普通ポルトランドセメントの製造は非常に大量のエネルギーを消費し、一方で大量のＣＯ２を生成する。したがって、コンクリート製造における普通ポルトランドセメントの使用を最小限に抑えることが常に望ましい。ただし、コンクリートインフラの強度および耐久性は、普通ポルトランドセメントとコンクリート原材料とを混合した比に常に依存する。一方、普通ポルトランドセメントの比を最小限に抑えると、コンクリートインフラの最終強度および耐久性に悪影響を及ぼす。
【０００４】
それ故、普通ポルトランドセメントの使用を最小限にしてコンクリート組成物を製造することが研究者による継続的な試みである。同時に、コンクリートインフラの最終的な強度および耐久性を維持することも望ましい。コンクリートインフラの強度および耐久性は、コンクリート原材料粒子と共に普通ポルトランドセメントの粒子結合に依存することにも留意する。
【０００５】
一般に、普通ポルトランドセメント粒子は、コンクリート原材料／骨材材料粒子と共に硬質の岩様コンクリート構造を形成するように最密充填される。コンクリートインフラの最終的な強度および耐久性は、骨材粒子および水の存在下でのセメント反応化学により水和プロセスを経た結果である。セメントおよび骨材粒子の充填効率と共にこの水和プロセスは、最終コンクリート構造に高い強度を提供する。
【０００６】
さらに、骨材粒子の充填効率を改善することにより、骨材粒子を共に結合させて硬質コンクリート構造を形成するのに必要とされるセメントの量を最小限に抑えることは公知の事実である。したがって、骨材粒子に対して最大の結合能力を提供することができるコンクリートバインダ組成物を製造することが常に望ましい。
【０００７】
セメントおよび骨材粒子が三次元構造中に最密充填されている場合に最大の結合能力を提供することができる。
一般に、普通ポルトランドセメント比は、骨材粒子のより高い結合能力を達成するために増大される。さらに、セメント反応速度論も骨材粒子の最大結合能力を達成するために非常に重要である。
【０００８】
それ故、骨材粒子への改善された最大結合能力を提供することができ、より良好なセメント反応速度論も有することができるコンクリートバインダ組成物を提供することが重要である。さらに、地球温暖化、石灰石の大規模採掘による環境変化などの現在の環境問題のために、セメントバインダ成分として普通ポルトランドセメントの使用を減らすことも望ましい。
【０００９】
最密充填されたセメントおよび骨材粒子を製造するという上記の結果を達成するための従来の方法がある。これらの方法は、普通ポルトランドセメント、細骨材材料、粗骨材材料を最適な割合で混合して粒子充填構造の適切な比を得ることを含む。しかしながら、それでもなおそのような方法は最適な粒子充填を提供せず、普通ポルトランドセメントの低い使用量を確実にしない。
【００１０】
それ故、最適な粒子充填を提供することができ、ポルトランドセメントの低い使用量を確実にすることができるコンクリートバインダ組成物を製造する必要がある。さらに、最終的なコンクリート材料の耐久性指数を増大させるためにマクロ−ミクロ−ナノ粒子充填を提供することができるコンクリートバインダ組成物を製造する必要もある。
【発明の概要】
【００１１】
最新技術における前述の必要性および欠点を考慮して、一態様において、本発明は、新規なエンジニアードコンクリートバインダ組成物を提供する。
【００１２】
本新規なエンジニアードコンクリートバインダ組成物は、普通ポルトランドセメントの従前の組成物を克服するように適合され、骨材粒子への改善された結合能力を提供することが当業者に明らかになる。さらに、本発明の新規なエンジニアードコンクリートバインダ組成物は全体的にクリンカーファクターが減少する。したがって、本発明はまた、ポルトランドセメント製造の全体的なカーボンフットプリントを減少させる。
【００１３】
一態様では、本コンクリートバインダ組成物は、一次バインダおよび二次バインダから作られる。上記一次バインダは、上記コンクリートバインダ組成物の１０〜６０重量％の比で存在し、上記二次バインダは４０〜９０重量％の比で存在する。
【００１４】
上記一次バインダは、自発的水和特性を有する一次材料群から選択される。上記一次バインダは、最小細骨材モード平均粒子直径の１／４〜１／２５の範囲のモード平均粒子直径を有する粒子を含む。一次バインダの上記モード平均粒子直径は、特定のコンクリート骨材原材料の最小細骨材モード平均粒子直径の要求および必要性に従ってさらに変更できることは当業者にはよく理解される。
【００１５】
一態様では、上記一次材料群は、通常の普通ポルトランドセメント、機械的に変性された普通ポルトランドセメント、化学的に変性されたフライアッシュ、化学的に変性された高炉スラグのうちの少なくとも１つから選択されるが、これらに限定されない。
【００１６】
また、最小細骨材モード平均粒子直径は、細骨材画分が最も小さい生コンクリート材料の粒度分布（ＰＳＤ）分析により決定される。
【００１７】
一態様では、上記二次バインダは、誘導水和特性を有する二次材料群から選択される。さらに、上記二次材料群は、少なくともポゾラン活性を付与する材料から選択される。ポゾラン活性を付与する上記材料は、天然ポゾラン材料、人工ポゾラン材料のうちの少なくとも１つから選択される。
【００１８】
さらに、上記二次バインダは、最小細骨材モード平均粒子直径の１／４〜１／６２５の範囲のモード平均粒子直径を有する粒子を含む。二次バインダの上記モード平均粒子直径は、特定のコンクリート骨材原材料の最小細骨材モード平均粒子直径の要求および必要性に従ってさらに変更できることは当業者にはよく理解される。
【００１９】
別の態様では、本新規なエンジニアードコンクリートバインダ組成物はまた、化学的に活性化された材料および機械的に変性された材料も含有する。上記化学的に活性化された材料および上記機械的に変性された材料は、フライアッシュ、高炉スラグ、火山灰材料、石英材料、および／またはポゾラン材料から選択される。
【００２０】
別の態様では、本新規なエンジニアードコンクリートバインダ組成物はまた、リグノスルホナート化合物、ポリカルボキシラート化合物、スルホン化ナフタレンホルムアルデヒド、スルホン化メラミンホルムアルデヒドのうちの１つから選択されるレオロジー調整剤も含有する。
【００２１】
別の態様では、本新規なエンジニアードコンクリートバインダ組成物はまた、アルカリ金属群の水酸化物、アルカリ土類金属群の水酸化物のうちの１つから少なくとも選択されるｐＨ調整剤も含有する。
【００２２】
別の態様では、本新規なエンジニアードコンクリートバインダ組成物は反応活性剤も含有する。上記反応活性剤は、アルカリ土類金属群の酸化物、アルカリ土類金属群の水酸化物、アルカリ土類金属群の炭酸塩のうちの１つから選択される。
【００２３】
さらに別の態様では、本新規なエンジニアードコンクリートバインダ組成物の上記一次材料群および上記二次材料群は、マクロ−ミクロ−ナノ粒子格子配列を形成して、最終コンクリート材料の強度特性および耐久性指数を増大させる。言い換えれば、上記一次バインダおよび上記二次バインダは、上記一次材料群および上記二次材料群の格子配列によって形成された空隙をコンパクトに占めるように適合され、逆も同様である。したがって、上記一次バインダおよび上記二次バインダは互いに配列されており、逆も同様であることが理解される。
【００２４】
したがって、本発明の態様は、改善された結合特性を有する環境に優しいコンクリートバインダ組成物を対象とする。
【００２５】
特に、本コンクリートバインダ組成物は、カーボンフットプリントの全体的な減少、クリンカーファクターの全体的な減少、結合特性の改善、総水需要の最適化、コンクリート製造におけるポゾラン材料のより良好な利用を提供し、これらは本発明によって達成された所望の利益の一部の例である。
【００２６】
これは、本開示を特徴付ける新規性の様々な特徴と共に本発明の他の態様と一緒に、添付の特許請求の範囲において詳細に指摘され、本発明の一部を形成する。
本開示、その操作上の利点、およびその使用によって達成される特定の目的をよりよく理解するために、本発明の例示的実施形態が示されている添付の説明事項を参照すべきである。
【００２７】
本発明の利点および特徴は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによってよりよく理解されるようになる：
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】マクロ−ミクロ−ナノレベルでの空の空隙を示し、分子の面心立方格子に基づく一次材料群の結合を示す。
【００２９】
【図２】マクロ−ミクロ−ナノレベルでの空の空隙を示し、分子の体心立方格子に基づく一次材料群の結合を示す。
【００３０】
【図３】本発明の強度特性および耐久性指数を増大させるための、二次材料群によるマクロ−ミクロ−ナノレベルでの図１の占有空隙を示す。
【００３１】
【図４】本発明の強度特性および耐久性指数を増大させるための、二次材料群によるマクロ−ミクロ−ナノレベルでの図２の占有空隙を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
例示の目的で本明細書に詳細に記載されている例示的な実施形態は、多くの変形を受ける。しかしながら、本発明はコンクリートバインダ組成物に限定されないことを強調しなければならない。状況が示唆し得るまたは好都合であり得る場合には、等価物の様々な省略および置換が考慮されることが理解されるが、これらは、本発明の趣旨または範囲から逸脱することなく、その適用または実施を網羅することを意図する。
【００３３】
特に明記しない限り、本明細書および特許請求の範囲で使用される用語は、インフラ建設およびセメント／コンクリート産業の分野で一般的に使用されている意味を有する。具体的には、以下の用語は以下に示す意味を有する。
【００３４】
本明細書における用語「ａ」および「ａｎ」は、量の制限を意味するのではなく、むしろ言及された項目のうちの少なくとも１つの存在を意味する。
【００３５】
用語「有する」、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、およびそれらの変形は、構成要素の存在を意味する。
【００３６】
用語「自発的水和特性」は、そのような材料が水と混合された場合の材料の早期および／または即時の水和を指す。ケイ酸三カルシウムは、そのような自発的水和特性の一例である。
【００３７】
「誘導水和特性」という用語は、そのような材料が水と混合された場合の材料の遅れた、低速のおよび／または時間依存性の水和を指す。
ケイ酸二カルシウムは、そのような誘導水和特性の一例である。
【００３８】
用語「化学的に活性化された材料」は、所望の化学反応および／または結果を達成するために化学的に活性化されている材料を指す。
【００３９】
「機械的に変性された材料」という用語は、所望の力およびエネルギーを適用することによってその粒径を必要な粒径に変性されることができる材料を意味すると理解される。
【００４０】
用語「ｐＨ調整剤」は、ここではｐＨバランス剤を意味すると理解される。具体的には、本発明において、そのような「ｐＨ調整剤」は、マトリックスの塩基性度を増大させる通常の塩基化合物と呼ばれる。
【００４１】
「反応活性剤」という用語は、ここではフライアッシュに対する天然のポゾラン反応を促進することができる化合物を意味すると理解される。
【００４２】
用語「レオロジー調整剤」は、本明細書では、コンクリート組成物の粘度および／または初期結合特性を変更することができる化合物を意味すると理解される。
【００４３】
以下で言及する「ポゾラン活性」という用語は、当技術分野で理解されているように、水の存在下で水酸化カルシウムを結合する能力を意味することに留意すべきである。
【００４４】
本明細書に提供されるモード平均粒子直径は、粒子度数分布曲線のピークであると理解される。簡単に言うと、モードは粒子度数分布曲線に見られる最も高いピークである。モードは、粒子度数分布曲線で最も一般的に見られる粒径（またはサイズ範囲）を表す。
【００４５】
最小細骨材モード平均粒子直径は、本明細書ではコンクリート骨材中に存在する最小微粒子のモード平均粒子直径と呼ばれる。したがって、最小細骨材モード平均粒子直径は、コンクリート骨材の最小粒子の格子配列の明確な考えを提供する。
【００４６】
さらに、粒度分布（ＰＳＤ）分析は、本明細書では、所与のコンクリート骨材サンプル中に存在する様々な粒度範囲の比／割合についての見解の数学的表現と呼ばれる。一般に、体積、面積、長さ、および量は、コンクリート骨材サンプルに存在する粒子量を決定するための標準寸法として使用される。しかしながら、コンクリート骨材サンプルの体積は、所与のコンクリート骨材サンプル中に存在する様々な粒径範囲の比を見出す最も簡単な寸法および／または方法として考えられる。
【００４７】
ＣＯ２排出量を削減するという現在の世界的な圧力のために、全ての国がより低いカーボンフットプリントを生み出すより良い技術および製品を探している。セメント製造は、非常に大量のＣＯ２を生産する主要産業の１つである。それ故、セメントおよびコンクリート製造中の全体的なＣＯ２放出を削減するより良い方法を見出すことが常に望ましい。しかし、セメントおよびコンクリート製造自体で標準量のＣＯ２が放出されるため、ＣＯ２放出を最小限に抑えるための最終的な全体の解決策とは依然として考えられない。
【００４８】
コンクリート製造におけるセメントの使用を削減する別の解決策があるが、依然として上記セメントの削減はコンクリートインフラの最終強度に悪影響を及ぼす。したがって、本発明のセメントバインダは、それがセメントの全体的な使用を自動的に減少させると同時に、改善された結合能力およびより高い強度を最終的なコンクリートインフラに与えるようにエンジニアードされている（設計されている）。
【００４９】
本発明に記載のコンクリートバインダ組成物は、コンクリート粒子の完全な格子充填を確実にする特別にエンジニアードされたコンクリートバインダ組成物である。上記格子充填は、最終的なコンクリート構造の耐久性指数の改善を確実にするために、マクロ−ミクロ−ナノレベルまでエンジニアードされている。
【００５０】
さらに、本コンクリートバインダ組成物は、それらの製造におけるポゾラン材料のより良好な利用の手段を提供し、同時にポゾラン材料の実質的な添加にもかかわらず早期強度特性の向上を示す。
【００５１】
したがって、本コンクリートバインダ組成物は、少なくとも１つの一次バインダおよび少なくとも１つの二次バインダから作られる。上記一次バインダは、上記コンクリートバインダ組成物の１０〜６０重量％の比で存在し、上記二次バインダは４０〜９０重量％の比で存在する。
【００５２】
上記一次バインダは、自発的水和特性を有する一次材料群から選択される。そのような自発的水和特性を示す材料は、ケイ酸三カルシウム、水酸化カルシウム、モノスルファート、モノカルボナート、およびそのような自発的水和特性を示す他の既知の材料のうちのいずれか１つから選択できることは当業者によってよく理解されるべきである。上記一次バインダは、最小細骨材モード平均粒子直径の１／４〜１／２５の範囲のモード平均粒子直径を有する粒子を含む。一次バインダの上記モード平均粒子直径は、特定のコンクリート骨材材料の最小細骨材粒子のモード平均粒子直径に従ってさらに変更できることは当業者にはよく理解される。
【００５３】
好ましい実施形態では、上記一次材料群は、通常の普通ポルトランドセメント、機械的に変性された普通ポルトランドセメント、化学的に変性されたフライアッシュ、化学的に変性された高炉スラグのうちの少なくとも１つから選択されるが、これらに限定されない。機械的に変性された普通ポルトランドセメントは、本明細書では、機械の適用を含むプロセスのいずれかを介して普通ポルトランドセメント粒径を所望のサイズレベルに変更するものと呼ばれることが理解されるべきである。粉砕、破砕、ミリング、過熱水蒸気を用いた蒸気ジェットミリング、電気力による粒子破壊、磁力による粒子破壊は、本発明の趣旨の下で、普通ポルトランドセメント粒径を所望のサイズレベルに変更するための機械の適用例として考えられるべきである。
【００５４】
また、最小細骨材モード平均粒子直径は、生コンクリート材料の粒度分布（ＰＳＤ）分析により決定される。
【００５５】
好ましい実施形態では、上記二次バインダは、誘導水和特性を有する二次材料群から選択される。そのような誘導水和特性を示す材料は、ケイ酸二カルシウム、水酸化カルシウム、フライアッシュ、ポゾラン活性を付与する材料およびそのような誘導水和特性を示す他の既知の材料などの化合物のうちのいずれか１つから選択できることは当業者にはよく理解されるべきである。ポゾラン活性を付与する上記材料は、天然ポゾラン材料、人工ポゾラン材料のうちの少なくとも１つから選択される。
【００５６】
好ましい実施形態では、上記人工ポゾラン材料は、少なくとも１つの化学的に活性化された材料および少なくとも１つの機械的に変性された材料から選択される。上記少なくとも１つの化学的に活性化された材料および上記少なくとも１つの機械的に変性された材料は、フライアッシュ、高炉スラグ、火山灰材料、石英材料、および／またはポゾラン材料から選択される。
【００５７】
例示的な実施形態では、上記人工ポゾラン材料は、これに限定されないが、高炉スラグ微粉末（ＧＧＢＳ）；軽量膨張性粘土骨材（ＬＥＣＡ）；微粉燃料アッシュ（ＰＦＡ）；焼成クレイ（Ｍｅｔａｓｔａｒ）；マイクロシリカ（ＭＳ）；籾殻灰（ＲＨＡ）；赤レンガ粉（ＲＢＤ）；タイルおよび黄レンガ粉（ＹＢＤ）のような材料から選択される。
【００５８】
さらに、上記二次バインダは、最小細骨材モード平均粒子直径の１／４〜１／６２５の範囲のモード平均粒子直径を有する粒子を含む。二次バインダの上記モード平均粒子直径は、特定のコンクリート骨材原材料の最小細骨材モード平均粒子直径の要求および必要性に従ってさらに変更できることは当業者にはよく理解される。
【００５９】
さらに別の実施形態では、本新規のエンジニアードコンクリートバインダ組成物はまた、リグノスルホナート化合物、ポリカルボキシラート化合物、スルホン化ナフタレンホルムアルデヒド、スルホン化メラミンホルムアルデヒドのうちの１つから選択されるレオロジー調整剤も含有する。
【００６０】
さらに別の実施形態では、本新規なエンジニアードコンクリートバインダ組成物はまた、アルカリ金属群の水酸化物、アルカリ土類金属群の水酸化物のうちの１つから少なくとも選択されるｐＨ調整剤も含有する。そのようなｐＨ調整剤は、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウムのうちの少なくとも１つから選択することができることを当業者は理解するべきである。具体的には、上記ｐＨ調整剤は水酸化カルシウムから選択される。
【００６１】
さらに別の実施形態では、本新規なエンジニアードコンクリートバインダ組成物はまた、反応活性剤も含有する。上記反応活性剤は、アルカリ土類金属群の酸化物、例えば酸化マグネシウムおよび酸化カルシウム、アルカリ土類金属群の水酸化物、例えば水酸化マグネシウムおよび水酸化カルシウム、アルカリ土類金属群の炭酸塩、例えば炭酸マグネシウムおよび炭酸カルシウムのうちの１つから選択される。
【００６２】
例示的な実施形態では、上記ｐＨ調整剤および反応活性剤は、上記二次材料群の上記ポゾラン材料を化学的に変性させる。
【００６３】
さらに別の実施形態では、本新規なエンジニアードコンクリートバインダ組成物の上記一次材料群および上記二次材料群は、マクロ−ミクロ−ナノ粒子格子配列を形成して、最終コンクリート材料の強度特性および耐久性指数を増大させる。さらに、上記二次バインダは、一次材料群の格子配列によって形成された空隙をコンパクトに占めるように適合される。
【００６４】
したがって、本発明の態様は、改善された結合特性を有する環境に優しいコンクリートバインダ組成物を対象とする。
さらに、上記エンジニアードコンクリートバインダ組成物は、最終コンクリート構造物の全体的な耐久性を改善する。
【００６５】
特に、本コンクリートバインダ組成物は、カーボンフットプリントの全体的な減少、クリンカーファクターの全体的な減少、結合特性の改善、コンクリート製造におけるポゾラン材料のより良好な利用を提供し、これらは本発明によって達成された所望の利益の一部の例である。
【００６６】
最良の実施形態
本発明の最良の実施形態は、マクロからミクロ、ナノへの範囲にわたるコンパクトに充填された粒子格子配列を有する特別にエンジニアードされたコンクリートバインダ組成物を提供する。上記コンクリートバインダ組成物は、コンクリート混和材料を調製しながら、はるかに少ない量のセメント材料を利用する。
【００６７】
さらに、上記コンクリートバインダ組成物は、カーボンフットプリントの可能性として最大の減少を達成するためのセメント代替物として大量のポゾラン材料を含有する。さらに、上記コンクリートバインダ組成物はまた、高い初期強度をもたらし、ならびに最終製品、特にコンクリートおよび補助コンクリート製品に対する高い耐久性指数を約束する。
【００６８】
具体的には、マクロからミクロ、ナノスケールへの範囲にわたる上記のコンパクトに充填された粒子格子配列は、本発明の特別にエンジニアードされたコンクリートバインダ組成物の骨格である。この特定の特性は、粒度分布（ＰＳＤ）分析によって所与のコンクリート原材料の最小細骨材モード平均粒子直径を決定することによって達成される。ここで、一次バインダおよび二次バインダは、最小細骨材モード平均粒子直径に基づいて調製される。
【００６９】
上記一次バインダは、最小細骨材モード平均粒子直径の１／４〜１／２５の範囲のモード平均粒子直径を有する粒子を含む。上記二次バインダは、最小細骨材モード平均粒子直径の１／４〜１／６２５の範囲のモード平均粒子直径を有する粒子を含む。モード平均粒子直径のこのような限度は、本発明を説明するために本明細書において提供されるが、これらの限度を下回るモード平均粒子直径は、本発明の範囲内であると考えられるべきであることに留意しなければならない。
【００７０】
所与のコンクリート原材料の最小細骨材モード平均粒子直径（「Ｓ０」として表される）に関して、上記一次バインダならびに上記二次バインダのモード平均粒子直径を固定することが重要である。上記一次バインダならびに上記二次バインダの上記モード平均粒子直径は、破砕、粉砕、磨砕、ミリング、圧縮空気を用いたジェットミリング、過熱水蒸気を用いるジェットミリング、レーザーに基づく粒子破壊などの、これらに限定されない様々な粒径変更プロセスおよび技術によって達成される。
【００７１】
例示的な実施形態では、上記一次バインダおよび上記二次バインダのモード平均粒子直径は、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４…………ＳＮモード平均粒子直径の例によって理解されなければならない。ここで、Ｓ１モード平均粒子直径とは、そのモード平均直径が最小細骨材モード平均粒子直径（Ｓ０）の１／４から１／５程度の粒子であると理解される。
【００７２】
さらに、Ｓ２モード平均粒子直径とは、そのモード平均直径がＳ１モード平均粒子直径を有する粒子の１／４〜１／５程度の粒子であると理解される。したがって、Ｓ３モード平均粒子直径は、そのモード平均直径が、Ｓ２モード平均粒子直径を有する粒子の１／４〜１／５程度の粒子であると理解される。同様に、Ｓ４モード平均粒子直径は、そのモード平均直径が、Ｓ３モード平均粒子直径を有する粒子の１／４〜１／５程度のモード平均直径の粒子であると理解される。
【００７３】
定義されたモード平均粒子直径を有するこの一連の異なる粒径は、機械的処理から化学的処理までの範囲にわたる様々な粒径変更技術によって達成される。連続した一連の異なるモード平均粒子直径を有する異なる粒径のこの最適化は、マクロ−ミクロ−ナノレベルに及ぶ粒子格子構造の完全な充填を提供する。この混合物は、粒子格子構造の最大空隙を埋めるための完全な粒子化学を提供し、またコンクリート材料の初期凝結および後期凝結に関連するコンクリート化学を改善する。
【００７４】
さらに、図１および図２は、それぞれ体心立方（ＢＣＣ）および面心立方（ＦＣＣ）格子配列の空隙を示す。上記一次バインダおよび上記二次バインダは、異なる粒子格子配列によって形成されるようにこの空隙空間を占めるようにエンジニアードされていることを理解すべきである。上記一次バインダおよび上記二次バインダは、互いの粒子の空隙を占めるようにコンパクトに配列され、逆もまた同様であり、すなわち一次バインダが二次バインダ内にコンパクトに充填され、二次バインダが一次バインダ内にコンパクトに充填され、および／または一次および二次バインダが一次バインダ内に、および／または一次および二次バインダが二次バインダ内に充填される。それ故、最終的なコンクリートバインダに対して完全な三次元粒子充填が得られる。
【００７５】
本明細書で記載されるような最小細骨材モード平均粒子直径とは、コンクリート骨材の最小微粒子のモード平均粒子直径を意味する。コンクリート骨材の最小微粒子のモード平均粒子直径を決定する主な目的は、コンクリート骨材の最適空隙構造を知ることである。さらに、コンクリート骨材の最適な空隙構造の知識は、特別にエンジニアードされた材料で空隙を埋めるのに役立つ。上記特別にエンジニアードされた材料は、普通ポルトランドセメント、機械的に変性された普通ポルトランドセメント；および／またはポゾラン活性を付与する材料、例えばこれらに限定されないが、普通フライアッシュ、機械的に変性されたフライアッシュ、化学的に変性された高炉スラグ、高炉スラグ微粉末（ＧＧＢＳ）、軽量膨張粘土骨材（ＬＥＣＡ）、微粉燃料灰（ＰＦＡ）、焼成粘土（Ｍｅｔａｓｔａｒ）、マイクロシリカ（ＭＳ）、籾殻灰（ＲＨＡ）、赤レンガ粉（ＲＢＤ）、タイルおよび黄レンガ粉（ＹＢＤ）の少なくとも１つから選択される。
【００７６】
上記材料の全てを乾燥し、それらのそれぞれの重量比で適切なブレンダ中に混合して最終コンサートバインダ組成物を製造する。分類、すなわち一次バインダおよび二次バインダならびにそのような特別にエンジニアードされた材料の比は、以下の様々な例によってよりよく理解されるべきである。
【００７７】
例示的な一実施形態では、表１は上記コンクリートバインダ組成物の一例を提供する。
【表１】
2020506145.tif 000003
【００７８】
別の実施形態では、これらの成分全てをブレンダで均一にブレンドし、コンクリートバインダとして使用される通常の普通ポルトランドセメント（ＯＰＣ）、または普通ポルトランドポゾランセメント（ＰＰＣ）、または普通ポルトランドスラグセメント（ＰＳＣ）を用いる場合と同様の様式で使用されることが推奨される。しかしながら、そのような著しい割合のミクロおよびナノ粒子を有する上記新規なエンジニアードコンクリートバインダ組成物を使用することによって、コンクリート混合物のレオロジーもまた変更され、それによって総水需要が減少し、したがってコンクリート構造の最終強度が増大することが実験的に検証される。
【００７９】
さらに別の例示的実施形態では、表２は上記コンクリートバインダ組成物の別の例を提供する。
【表２】
2020506145.tif 000004
【００８０】
さらに別の例示的実施形態では、表３は上記コンクリートバインダ組成物の別の例を提供する。
【表３】
2020506145.tif 000005
【００８１】
注意深く実験的に観察した後、本特別にエンジニアードされたコンクリートバインダ組成物は、種々のコンクリート工業規格において必要とされるような全ての機械的特性、凝結時間特性、化学的特性、粉末度特性ならびに製造コストを満足すると結論される。
【００８２】
本発明は、その使用および結合特性に関して他のいくつかの利点を提供する。上記コンクリートバインダ組成物は、普通ポルトランドセメントの代わりに最大量のポゾラン材料を利用し、同時にコンクリート産業で必要されるような改善された強度凝結特性を提供する。
【００８３】
本発明を実施する現在好ましい態様を含む特定の組成物に関して本発明を説明してきたが、当業者は、本発明の趣旨および範囲内に入る上記記載の実施形態の多数の変形および置換があることを理解する。本発明は、その適用において、本明細書に記載の構成要素の構築および配列の詳細に限定されないことが理解されるべきである。前述のものの変形および変更は本発明の範囲内である。
【００８４】
したがって、本発明の範囲内でこれらの実施形態の多くの変形形態が想定される。
【００８５】
本発明の特定の実施形態の前述の説明は、説明の目的で提示されている。それらは網羅的であることまたは開示された正確な形態に本発明を限定することを意図せず、明らかに多くの変更および変形が上記の教示に照らして可能である。実施形態は、本発明の原理およびその実際の適用を最もよく説明し、それによって当業者が本発明および考慮される特定の使用に適した様々な変更を加えた様々な実施形態を最もよく利用できるように選択し、記載した。状況が示唆し得るまたは好都合であり得る場合には、等価物の様々な省略および置換が考慮されることが理解されるが、こうした省略および置換は、本発明の趣旨または範囲から逸脱することなく、その適用または実施を網羅することを意図する。
【図１】
2020506145.tif 000006
【図２】
2020506145.tif 000007
【図３】
2020506145.tif 000008
【図４】
2020506145.tif 000009
【国際調査報告】
2020506145.tif 000010
2020506145.tif 000011