JP2008502572A

JP2008502572A - 発泡スチロールと結合する新しいスプレー可能なホスフェイトセメントの組成物および用途

Info

Publication number: JP2008502572A
Application number: JP2007516478A
Authority: JP
Inventors: アルン・エス・ワグ; ジェイムズ・ダブリュー・ポール・ジュニア
Original assignee: University of Chicago
Current assignee: University of Chicago
Priority date: 2004-06-15
Filing date: 2005-04-18
Publication date: 2008-01-31
Also published as: US7160383B2; BRPI0512197A; MXPA06014916A; US20050274290A1; WO2006001891A1; CN101076502A

Abstract

Ｍｇおよび／またはＣａの焼成酸化物と、酸性リン酸塩と、フライアッシュまたはその同等物とを含む、ドライブレンド粒状組成物であって、焼成酸化物が約１７重量％〜約４０重量％の範囲内で存在し、酸性リン酸塩が約２９重量％〜約５２重量％の範囲内で存在し、砂がドライブレンドに加えられた場合、ドライブレンドと砂の合計の約３９重量％〜約６１重量％の範囲内の砂が存在する。構造部材を製造する方法が開示されており、約８〜１２ポンドの水の水性スラリーをドライブレンドと砂とに加える。

Description

米国エネルギー省とアルゴンヌ国立研究所を代表するシカゴ大学との間の契約第Ｗ−３１−１０９−ＥＮＧ−３８号に従って、米国政府は、本発明に関する権利を有する。

本発明は、ポンプで搬送可能な（ｐｕｍｐａｂｌｅ）セラミックス（ｃｅｒａｍｉｃｓ、または窯業製品）に関する。そしてとりわけ建設業界において、垂直壁ならびに屋根のような斜壁および水平壁にセラミックスを塗布するように広範な温度条件で使用可能な、セメントまたは発泡スチロールのベースに安価なコーティング材料を提供するセラミックス組成物に関する。

とりわけカリブ海沿岸諸国および南米諸国では、建設現場で混合でき、発泡スチロールを含む基礎構造物に塗布可能で、鏝（こて）による均し等により施工でき、さらに生成物を垂直な面上に保持するのにワイヤや他のメカニズムのような機械的なアンカーを要しない、十分に短い時間で硬化できる建設資材に、大きな需要がある。安価な住宅は、発展途上国においては不可欠であり、とりわけ熟練した労働者を要せず短時間で建築でき、亜熱帯および熱帯の気候に耐える安価な住宅は、不可欠である。

１９９７年７月８日発行のＷａｇｈらによる米国特許第５，６４５，５１８号公報「Method For Stabilizing Low-Level Mixed Wastes At Room Temperature」、１９９８年１１月３日発行のＷａｇｈらによる米国特許第５，８３０，８１５号公報「Method of Waste Stabilization Via Chemically Bonded Phosphate Ceramics」、１９９８年１２月８日発行のＳｉｎｇｈらによる米国特許第５，８４６，８９４号公報「Phosphate Bonded Structural Products From High Volume Wastes」、２０００年１１月２８日発行のＷａｇｈらに米国特許第６，１５３，８０９号公報「Stabilization on Metal and Salt Anions in Phosphate Ceramics」、２００１年３月２０日発行のＳｉｎｇｈらによる米国特許第６，２０４，２１４号公報「Pumpable/Injectable Phosphate-Bonded Ceramics」、２００２年１２月２４日発行のＷａｇｈらによる米国特許第６，４９８，１１９号公報「Chemically Bonded Phosphate Ceramics of Trivalent Oxides of Iron and Manganese」、２００３年２月１１日発行のＷａｇｈらによる米国特許６，５１８，２１２号公報「Chemically Bonded Phosphosilicate Ceramics」、上記に参照されたそれぞれの特許の全ての開示は、参照されることにより本明細書に組み込まれる。以上の特許に示されているように、アルゴンヌ国立研究所は、種々の用途において有用なホスフェイトのセメントおよびセラミックスの開発を主導してきた。

概して、上述の特許は、広範な最終製品に有用な材料を提供するように、種々のフィラー材料を伴う、化学的に結合した１価のアルカリ金属のリン酸塩またはリン酸水素アンモニウムとマグネシウムまたはカルシウムの酸化物のようなほとんど溶解しない酸化物とを開示している。

しかし、異なる材料の比率の用いることは、堅強な壁および屋根を形成するのに用いることができ、広範な温度条件および湿度条件で建物または他の構造物の迅速な建設を容易にするポンプで搬送可能なホスフェイトのセメント生成物を与えることを見出した。

従って、本発明は、広範な温度および湿度条件下で十分に迅速に硬化する、鏝による均し等により施工可能な、垂直壁、水平壁および斜壁に用いる建設資材として有用なホスフェイトベースのセメント生成物を提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、Ｍｇおよび／またはＣａの焼成酸化物と、酸性リン酸塩（またはアッシッド‐ホスフェート）と、フライアッシュ又はその同等物とを含む、ドライブレンド粒状組成物（ｄｒｙｍｉｘｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）であって、焼成酸化物が約１７重量％〜約４０重量％の範囲内で存在し、酸性リン酸塩が約２９重量％〜約５２重量％の範囲内で存在し、フライアッシュまたはその同等物が約２４重量％〜約３９重量％の範囲内で存在する組成物を提供することである。

本発明の更に他の目的は、Ｍｇおよび／またはＣａの焼成酸化物と酸性リン酸塩とフライアッシュまたはその同等物とのドライブレンド（ｄｒｙｍｉｘ）と、砂との水性スラリーを基材に塗布する工程であって、焼成酸化物が約１７重量％〜約４０重量％の範囲内で存在し、酸性リン酸塩が約２９重量％〜約５２重量％の範囲内で存在し、フライアッシュまたはその同等物が約２４重量％〜約３９重量％の範囲内で存在し、かつ、ドライブレンドと砂の合計基準で約３９重量％〜約６１重量％の範囲内で砂が存在する工程と、スラリーの硬化を可能にする工程とを含む、構造部材を製造する方法を提供することである。

本発明の更に最後の目的は、焼成ＭｇＯと、酸性リン酸カリウムと、フライアッシュまたはその同等物とを含む、ドライブレンド粒状組成物であって、焼成ＭｇＯが約１７重量％〜約４０重量％の範囲内で存在し、酸性リン酸カリウムが約２９重量％〜約５２重量％の範囲内で存在し、フライアッシュまたはその同等物が約２４重量％〜約３９重量％の範囲内で存在し、焼成ＭｇＯの酸性リン酸カリウムに対する重量比が約１である組成物を提供することである。

以下に示す本発明の詳細な説明では、焼成酸化マグネシウムと、フライアッシュと、海砂とを本発明の成分として用いているが、酸化カルシウムは部分的または全体的に酸化マグネシウムと置き換えられてもよいし、火山灰または他の当該技術分野で既知の代替物をフライアッシュの代わりにあるはフライアッシュと一緒に用いてもよい。また砂に加えて、当該技術分野で周知の全ての他のフィラーが用いられてもよい。

本発明は、スタイロフォーム（（登録商標）Ｓｔｙｒｏｆｏａｍ、または発泡スチロール）、既存のコンクリートおよび他の多くの材料に付着することから、とりわけスタイロフォームのベースを用いた建物の建設ならびに既存のコンクリートおよび他の構造物の修復に適したセメントタイプの生成物を提供する。垂直壁にスプレーされた場合、鏝で均すような表面処理に必要な時間がありながらも凝固することから、この材料の迅速な硬化が望ましい。本生成物は、スタイロフォームと反応し、またコンクリートおよび多くの他の表面と反応する。従って、結合は化学的で、強固である。この特性により、生成物を垂直面に保持するようなワイヤのような機械的なアンカーの必要性がなくなる。従来のブロックや現場打ちコンクリートの構造物より優れた、本発明の生成物およびプロセスの従来の利点は、以下の通りである。：
・向上した建設スピード、
・コンクリート比べ優れた製品品質：例えば収縮または割れが無い、
・水分に対する優れた障壁、
・発泡スチロールによる優れた断熱、
・耐火性のある表面、および
・２〜３倍の圧縮強度と６倍の曲げ強度。
・熱帯および亜熱帯気候では、本発明の材料では起こらないが、コンクリートは早期に浸食される傾向がある。

包装された粉末は易流動性であり、予めブレンドされ、予め包装された材料は、塊を形成または硬化することなく、保存および長距離輸送を行うことができる。

成分の混合比率を調整できることにより、本生成物を様々な気温において使用できるようになり、また一定の混合時間、ポンピング時間およびスプレー時間を提供するよう性能の標準化が可能となる。組成を調整することにより、硬化および発泡スチロールまたはコンクリートへの付着の望ましい時間が得られる。

本発明にかかる組成は、本明細書に引用した従来の特許の特許請求の範囲の組成と異なる。例えば、先の特許でのリン酸カリウムと酸化マグネシウムとの比率は、両者の間の反応の化学量論組成により決定されており、すなわちその比率は概ね３：１である。しかしながら、これらの組成物を用いて家屋を建設するケーススタディーの間に、本発明者らはこの組成物を使用できないことを見出した。本発明にかかる特許請求の範囲に含まれるこの驚くべき発明は、その比率が１に近いユニークな組成であり、垂直壁に使用可能な、迅速に硬化する材料を提供する。

リン酸一カリウムと酸化マグネシウに加え、フライアッシュとホウ酸ナトリウム（必要に応じて用いる）、砂が組成物全体に用いられる。これらの成分を様々な比率で混合することにより形成される生成物は、新しい建物の建設のために、その混合物が発泡スチロールの壁にスプレーされることを可能にし、さらに、標準的なコンクリートに付着する能力のため、その混合物が修理剤として既存のコンクリート構造物に使用することを可能にする。建物の迅速な建設のこの方法も新規である。

この方法は、コンクリートスクリューミキサーで、後で説明するようにペーストを混合する工程と、そして混合されたペーストをホースを介して、スラリーを垂直壁にスプレーするのに用いるスプレーノズルまでポンプにより搬送する工程とよりなる。混合工程とスプレー工程の合計時間は概ね１０分である。一旦スプレーされると、スラリーは濃厚であり、壁からぽたぽた落ちることはなく、熱を放出し硬化を開始する。この熱は、スタイロフォームまたはセメントと硬化した生成物との間の化学反応が起こるのを助力し、ベース材表面との間に非常に大きな結合力をもたらす。

スタイロフォームの壁の場合、アクリル樹脂皮膜を壁に塗布することで結合力は向上する。塗布する代わりに、スラリーを作製する前にアクリレートをドライブレンドに混合してもよい。セメント壁の場合、セメント中のカルシウム化合物がスラリーと反応し、この２者の間に良好な結合力を生じることから、このようなアクリレートの塗装は必要ない。

スプレーされた表面はより平滑な平面を形成するように鏝で均すことができ、または適当な型を用いて表面にデザインを刻むことができる。

以下の実施例は、目的とする用途のための粉末材料の組成と方法を示す。

実施例１：低い周辺温度用の用途
テストは４０°Ｆで行われた。本実施例で用いた組成は、４０°Ｆ〜６０°Ｆの温度範囲について推奨される。この実施例で用いた組成は、１８部の酸化マグネシウム、１７部のリン酸一カリウムおよび１５部の灰分である。この混合物を５０重量部の砂および１１重量部の水と混ぜた。この混合物全体を、ホッパーに入れ、混ぜて、ポンプで搬送して、スタイロフォームのシートで作られコンクリートの基礎の上に建てたワンルームの家屋の試作品にスプレーした。その家屋の屋根までも、アルミニウムのブランケットで固定した発泡スチロールのシートで作った。数時間の連続したスプレーが可能であり、家屋全体を４時間〜５時間でスプレーした。スプレーした直後に、いくつかの領域を鏝により均して平滑にした。

１時間以内に壁が温かくなり、壁の内部で化学反応が起こっていることを示していた。表面は硬くなり、壁および屋根は大変硬くそして堅固であった。壁の部分を切り出し、そしてスタイロフォームと硬化した材料との界面を調べたところ、発明者らはこの２つは、スタイロフォームを破壊することなしに分離できないことを見出した。

この部屋は基本的に、２人で丸一日作業して建てた。注目すべきことに、発熱反応が外気温を補償し、それにより生成物は前述の比率で混合した。

実施例２：
この実施例は、外気温６０°Ｆ〜８０°Ｆにおいて実施した。家屋を建てる工程は、実施例１と同じであるが、異なる組成を用いた。１７部のＭｇＯと、１７部のリン酸一カリウムと、１６部の灰分と、５０部の砂とを用いた。砂を除く全ての成分を５０ポンドバッグに詰め、建設現場に運んだ。砂と、１１部の水とを建設現場で加えた。さらに、混合物全体１００ポンドにつき最大で４オンスのホウ酸または四ホウ酸ナトリウムを、反応を遅くするように必要に応じて加えた。

スタイロフォームの壁はアクリル塗料により塗装した。さらに、結果は上記に説明した実施例１と同様に良好であった。壁の断面を切り出した時に、結合力が大変強いために、スタイロフォームを壊すことなしに、スタイロフォームは、塗布した材料から分離できなかった。

実施例３：
温度８０°Ｆ〜１００°Ｆのために見出した組成は、１６．５部のＭｇＯと、１７部のリン酸一カリウムと、１６部の灰分と、５０部の砂と、１０．５部の水とよりなる。この場合も同様に、必要に応じて、８オンスのホウ酸または四ホウ酸ナトリウムを１００ポンドの混合物に必要に応じ加えた。

混合したドライブレンドの５０ポンドバッグそれぞれに、２〜４オンスの１インチの長さのポリマーファイバ（またはポリファイバ、ｐｏｌｙｆｉｂｅｒ）を添加することは、一緒に用いるスタイロフォームまたはコンクリートの表面に一旦塗布された生成物が割れるまたは収縮するのを防止するのに役立つことを見出した。

結局、これらの実施例は、本発明の組成および方法が、約４０°Ｆ〜１００°Ｆの全環境温度範囲について実施可能であること、およびそれを達成するためにどのように組成を調整することができるかを明示している。概して、表１は、本発明にかかる材料のそれぞれの成分の範囲を規定し、温度および湿度条件により、成分の割合を変え得ることを理解させる。用いる砂は好ましくは３０メッシュであった。

実施例でリン酸一カリウムを用いたけれども、一部分または全部をリン酸二水素マグネシウムまたはアルミニウム、リン酸モノアンモニウムまたはリン酸二水素アンモニウム、リン酸二水素カルシウム、重過リン酸石灰肥料またはこれらの混合物のような当該技術分野で知られている他のリン酸塩に置き換えてもよい。ガラスファイバが具体的に開示されていたけれども、一部分または全部を、トウモロコシ繊維、サイザル麻または麻のような当該技術分野でよく知られている他の繊維に置き換えてもよい。

概して、焼成酸化物、酸性リン酸塩、および、フライアッシュまたはその同等物のドライブレンドについて、好ましい比率は、全て重量％で、焼成酸化物が約１７％〜約４０％、酸性リン酸塩が約２９％〜約５２％、および、フライアッシュまたはその同等物が約２４％〜約３９％である。最も好ましくはそれぞれのパーセント値が、焼成酸化物３２％〜３６％、酸性リン酸塩３３％〜３７％、およびフライアッシュまたはその同等物２９％〜３７％である。

砂またはその同等物を上述のドライブレンドに加える場合、砂は、ドライブレンドと砂の合計基準で約３９重量％〜約６１重量％存在する。ドライブレンドと砂の合計１００ポンドにつき、好ましくは、８〜１２ポンドの水をドライブレンドと砂の混合物に加える。ホウ化物の反応速度を制御する場合、高アスペクト比のガラスファイバまたはその同等物を加えてもよい。

本発明の好ましい実施形態と考えられるものを開示しているが、本発明の精神から逸脱するまたは本発明のいかなる利点を犠牲にすることなく、細部における諸々の変更を行い得ることが理解されている。

Claims

Ｍｇおよび／またはＣａの焼成酸化物と、酸性リン酸塩と、フライアッシュまたはその同等物とを含む、ドライブレンド粒状組成物微粒子であって、該焼成酸化物が約１７重量％〜約４０重量％の範囲内で存在し、該酸性リン酸塩が約２９重量％〜約５２重量％の範囲内で存在し、該フライアッシュまたはその同等物が約２４重量％〜約３９重量％の範囲内で存在することを特徴とする組成物。
前記焼成酸化物が約３２重量％〜約３６重量％の範囲内で存在し、該酸性リン酸塩が約３３重量％〜約３７重量％の範囲内で存在し、該フライアッシュまたはその同等物が約２９重量％〜約３３重量％の範囲内で存在することを特徴とする請求項１に記載の組成物。
砂とドライブレンドとの合計基準で約３９重量％〜約６１重量％の範囲内で存在する砂を、更に、含むことを特徴とする請求項１の組成物。
前記酸化物がＭｇＯであり、かつ、前記酸性リン酸塩がＫＨ_２ＰＯ_４であることを特徴とする請求項２に記載の組成物。
フライアッシュの同等物が火山灰であることを特徴とする請求１に記載の組成物。
焼成酸化物の酸性リン酸塩に対する重量比が約１であり、かつ、ドライブレンドと砂との合計１００ポンドにつき、水が約８〜約１２ポンドの範囲内で存在することを特徴とする請求項３に記載の組成物。
ドライブレンドおよび砂中に、ホウ酸またはホウ酸ナトリウムが存在することを特徴とする請求項６に記載の組成物。
ドライブレンドおよび砂中に、高アスペクト比のファイバが存在することを特徴とする請求項６に記載の組成物。
前記砂が３０メッシュの篩サイズに選別されていることを特徴とする請求項６に記載の組成物。
ドライブレンドおよび砂中に、アクリレートが存在することを特徴する請求項６に記載の組成物。
構造部材を製造する方法であって、
Ｍｇおよび／またはＣａの焼成酸化物と酸性リン酸塩とフライアッシュまたはその同等物とのドライブレンドと砂との水性スラリーを基材に塗布する工程であって、焼成酸化物が約１７重量％〜約４０重量％の範囲内で存在し、酸性リン酸塩が約２９重量％〜約５２重量％の範囲内で存在し、フライアッシュまたはその同等物が約２４重量％〜約３９重量％の範囲内で存在し、かつ、ドライブレンドと砂との合計基準で約３９重量％〜約６１重量％の範囲内で砂が存在する工程と、
スラリーを硬化する工程と、を含むことを特徴とする方法。
ドライブレンドと砂との合計１００ポンドにつき、水が約８〜約１２ポンドの範囲内で存在することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
基材がアクリルを被覆された発泡スチロールであることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
基材がセメントであることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
水性スラリーを垂直面にスプレーすることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
スラリーの硬化速度を制御するように、ホウ酸またはホウ酸ナトリウムが存在することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
焼成酸化物が約３２重量％〜約３６重量％の範囲内で存在し、酸性リン酸塩が約３３重量％〜約３７重量％の範囲内で存在し、フライアッシュまたはその同等物がドライブレンドの約２９重量％〜約３３重量％の範囲内で存在することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
酸化物がＭｇＯであり、酸性リン酸塩がＫＨ_２ＰＯ_４であることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
ドライブレンドにアクリレートが存在することを特徴とする請求項１７に記載の方法。
焼成ＭｇＯと酸性リン酸カリウムとフライアッシュまたはその同等物とを含む、ドライブレンド粒状組成物であって、該焼成ＭｇＯが約１７重量％〜約４０重量％の範囲内で存在し、該酸性リン酸カリウムが約２９重量％〜約５２重量％の範囲内で存在し、該フライアッシュまたはその同等物が約２４重量％〜約３９重量％存在し、焼成ＭｇＯの酸性リン酸カリウムに対する重量比が約１であることを特徴とする組成物。