JP2012505147A - 耐熱性リン酸セメント - Google Patents

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Abstract

リン酸セメント組成物が提供される。セメント組成物は、約１０〜４０重量パーセントの酸化カルシウムもしくは酸化マグネシウム、約１０〜４０重量パーセントの酸性リン酸塩、および約１０〜５０重量パーセントのバーミキュライトもしくはパーライトまたはその混合物を含む。

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、２００８年１０月７日に出願された米国特許仮出願第６１／１０３，２６３号の優先権を主張し、その開示は参照によりその全体が組み込まれる。
［発明の分野］
本発明は概してリン酸セメント組成物、さらに詳細には急速に養生して、耐炎性および耐熱性であるリン酸セメント組成物に関する。
セメント材料は、建設業界で道路、橋、プール、壁、トンネル、および風雨にさらされ、その強度を維持する必要がある他の構造物などの用途に幅広く使用されている。ポルトランドセメントは従来より、好まれるセメントであった。ポルトランドセメントは通常、水、焼石灰およびシリカの混合物である。ポルトランドセメントは安価に製造され、取扱いが容易である。しかしポルトランドセメントにはいくつかの欠点がある。原材料の品質が一定しないことが多い。ポルトランドセメントは粘性が高いことが多く、このことは注入および塗布には許容されるが、ポンプ圧送および吹付けが所望である場合には、大きな欠点である。ポルトランドセメントは養生速度も低い。
多くの用途が強度または他の物理的特性に悪影響を及ぼすことなく、急速養生を必要とするため、急速養生セメント組成物に対する要求がある。このような急速養生セメントを提供する以前の試みの例は、米国特許第３，８７９，２０９号、同第３，９６０，５８０号、同第５，００２，６１０号、および同第６，１３６，０８８号に記載されている。しかし急速に養生可能であり、化学薬品安定性、強度、腐食などの物理的特性に悪影響を及ぼさないセメント組成物に対する要求がなお存在する。
ポルトランドセメントの代替物はリン酸セメントである。リン酸セメントは通常、酸成分、例えばリン酸またはアルカリ土類リン酸塩（例えばリン酸マグネシウム）、および塩基成分、例えば酸化マグネシウムを含む。リン酸セメントは急速に養生する傾向があり、優れた化学安定性および圧縮強度を有する。
優れた耐炎性および耐熱性を有するリン酸セメント組成物が提供される。リン酸セメント組成物は、約１０〜４０重量パーセントの酸化カルシウムもしくは酸化マグネシウム、約１０〜４０重量パーセントの酸性リン酸塩、および約１０〜５０重量パーセントの、加熱時に膨張する粒状物質、例えばバーミキュライトまたはパーライトを含む。別の実施形態において、１５〜４５重量パーセントの珪灰石を含むことが可能である。
本発明の上述および他の態様は、ここで本明細書に記載する他の実施形態に関連してさらに詳細に説明される。本発明が各種の形態で具体化することが可能であり、本明細書で述べる実施形態に限定されると解釈されるべきでないことを認識すべきである。むしろこれらの実施形態は、本開示が詳細かつ完全であり、当業者に本発明の範囲を完全に伝えるように提供される。
本明細書で本発明の説明に使用する用語は、特定の実施形態を説明することのみを目的とし、本発明を制限しようとするものではない。本発明の実施形態および添付の特許請求の範囲の説明で使用する場合、単数形「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈が別途明確に指摘しない限り、複数形も含むものとする。また本明細書で使用する場合、「および／または」は、関連する記載された項目の１つ以上のありとあらゆる考えられる組合せを指し、その組合せを含む。さらに「約」という用語は、本明細書で使用する場合、化合物の量、用量、時間、温度などの測定可能な値を指すときに、規定された量の２０％の、１０％の、５％の、１％の、０．５％の変動を、または０．１％の変動さえも含むものとする。別途定義しない限り、本説明で使用する技術用語および科学用語を含むすべての用語は、本発明が属する分野の当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。
本発明のリン酸セメント組成物は、養生時間が短く、吹付けおよび注入が可能であり、水分に対するバリアであり、ポルトランドセメントと比較して高い圧縮強度および曲げ強度を有し、塩による腐食に耐性であり、圧縮強度などの物理的特性に悪影響を及ぼすことなく２０００°Ｆを超える熱に耐えることができる。
組成物は、酸化カルシウムもしくは酸化マグネシウム、酸性リン酸塩、および加熱時に膨張する粒状物質、例えばバーミキュライトまたはパーライトを含む。一実施形態において、組成物は、約１０〜４０重量パーセントの酸化カルシウムもしくは酸化マグネシウム、約１０〜４０重量パーセントの酸性リン酸塩、および約１０〜５０重量パーセントのバーミキュライトまたはパーライトを含む。上記の混合物は、所望の流動性に応じて、無水ミックス１００ポンド当たり組成物（水）２０〜５０ポンドを使用して、スラリとして作製することができる。または組成物に珪灰石を添加することができる。珪灰石を使用する場合、バーミキュライトおよび／またはパーライトは、２：１〜５：１の重量範囲で添加される。
各種の粒状組成物が場合により添加され得る。例示的な粒状組成物は、砂、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ｃｒ２Ｏ３、タルク、マイカ、カオリン、フライアッシュ、メタカオリン、ドロマイト、クロム鉱、クリンカ、セルロース、シリカ、およびスラグを含む。これらの混合物またはブレンドが使用され得る。粒径は通常、０．５〜３００μｍである。通常、組成物はこれらの組成物の１つ以上を０〜２５重量パーセント有する。強化製品を提供するために、繊維補強材、例えばポリプロピレン、ポリエステル、ポリアラミド、ポリアミド、ポリビニルアルコール、ガラス繊維、鉄鋼および炭素も含まれ得る。
好適な添加剤もリン酸セメント組成物と混合され得、通常、添加される量は約０．１〜約３０重量パーセントであり得る。例示的な添加剤は難燃剤、乳化剤、解膠剤、金属イオン封鎖剤、加速剤（例えばＴｈｅ Ｅｕｃｌｉｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙ、クリーブランド、オハイオ州から入手できるＡｃｃｅｌｇｕａｒｄ）、着色料および顔料、充填剤、骨材、ホウ砂、シリカ材料、酸化鉄、結合接着剤（例えばＴｈｅ Ｅｕｃｌｉｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙ、クリーブランド、オハイオ州から入手可能なＥｕｃｏｐｏｘｙ ＲｅｓｉｎおよびＥｕｃｏｗｅｌｄ、Ｆｌｅｘｃｏｎ、およびＣｏｒｒ−ｂｏｎｄ）、可塑剤、硬化剤（例えばＴｈｅ Ｅｕｃｌｉｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙ、クリーブランド、オハイオ州から入手可能なＥｕｃｏ Ｄｉａｍｏｎｄ Ｈａｒｄ）、パッチング（ｐａｔｃｈｉｎｇ）ポリマー（例えばＴｈｅ Ｅｕｃｌｉｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙ、クリーブランド、オハイオ州から入手可能なＥｕｃｏｒａｐｉｄ ｐａｔｃｈ）、マイクロ・シリカ・フューム（例えばＴｈｅ Ｅｕｃｌｉｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙ、クリーブランド、オハイオ州から入手可能なＥｕｃｏｓｈｏｔ）、凝結遅延剤、表面軟化剤、養生化合物（例えばＢｒｏｗｎｓｔｏｎｅ ＣＳ）、減水剤（例えばＡｃｃｅｌｇｕａｒｄ，Ｅｕｃｏｎ ＡＣ）、および空気連行剤（例えばＡＥＡおよびＡｉｒ Ｍｉｘ）を含む。
得られたリン酸セメント組成物は、吹付けおよびポンプ圧送が可能である。リン酸セメント組成物は、周囲温度ならびに使用した水の量および水温に応じて、１０〜５０分、しばしば２０〜４０分の短い養生時間を有する。本発明のリン酸セメント組成物は他の大半の材料に接着する。したがって好適な基材は、他のセメント（ポルトランドおよびリン酸）、レンガ、岩、金属、木材、断熱フォーム材料、アスファルト、屋根材、クロス／織物材料（カーペット、バーラップ、キャンバスを含む）、わら材、乾式壁／石膏を含む。材料はそれ自体にも結合する。このことにより、厚みの増加、ならびに継目や接合部のない既存の材料の修復が可能となる。
リン酸セメント組成物は、水平または垂直の吹付けおよびポンプ圧送によって塗布することができる。組成物は、多種多様の基材に塗布することができ、例えば壁、床、道路、道路補修、柱、プール、屋根、堤防、橋、テラス、私設車道、家具、ドーム、擁壁などにコーティングするために使用することができる。組成物を構造化形態で利用して、ランドスケープ／ハードスケープ用品、歩道、家具、パイプ、カウンタトップ、像および他の有用な品目を作製することができる。
一実施形態において、本発明のリン酸セメント組成物を使用して、構造用鋼鉄補強コンクリート梁を吹付けコーティングすることができる。組成物は、未処置の構造用コンクリート梁と比較して、火災事象下での梁の荷重支持を改善することができる。別の実施形態において、本発明のリン酸セメント組成物を使用して、炭素繊維補強梁をコーティングすることができる。炭素繊維補強は、その開示が全体として参照により組み込まれる、Ｌａｗｒｅｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙに譲渡された米国特許第６，７９０，５１８号に記載されているような、エポキシ樹脂に組み込まれた炭素繊維の形態であり得る。本発明の組成物を使用して、炭素繊維を熱から保護することによって、炭素繊維の強度を維持することができる。別の言い方をすれば、リン酸セメント組成物は、炭素繊維を熱から断熱する手段として作用し得る。本発明者らはいずれの理論によっても拘束されることを望むものではないが、バーミキュライトまたはパーライトがそれにより吸収された水分を使用して、かなりの期間にわたって温度を約２１２°Ｆ未満に維持すると考えられる。
以下の実施例は、本発明の単なる例証であり、本発明を制限するものではない。
２４重量パーセントの酸化マグネシウム、２７重量パーセントのリン酸一カリウム（ｍｏｎｏｐｏｔａｓｓｉｕｍ ｐｈｏｓｐｈａｔｅ）、２９重量パーセントの珪灰石および２０重量パーセントのバーミキュライトを含むリン酸セメント組成物を作製した。試料を１４インチ×１４インチ×１／８インチの鋼鉄厚板に平均乾燥厚１０６８ミルで塗布した。耐熱性は修正ＡＳＴＭ Ｅ１１９プロトコルを使用して測定した。露出側の温度を約２，０００°Ｆまで徐々に上昇させた。２時間３８分後に、非露出側の熱電対は平均１，０００°Ｆを超えた。
２７重量パーセントの酸化マグネシウム、２７重量パーセントのリン酸一カリウム、１４重量パーセントのフライアッシュ、１２重量パーセントのカオリン、および２０重量パーセントのバーミキュライトを含むリン酸セメント組成物を作製した。試料を１４インチ×１４インチ×１／８インチの鋼鉄厚板に平均乾燥厚１．５インチで塗布した。耐熱性は修正ＡＳＴＭ Ｅ１１９プロトコルを使用して測定した。露出側の温度を約２，０００°Ｆまで徐々に上昇させた。１９０分後に、破壊基準のいずれも満足されなかったので、炉を停止した。
実施例１のリン酸セメント組成物を構造用鋼鉄補強コンクリート梁に約２インチの厚さで吹付けコーティングした。コーティングしたコンクリート梁を約６０日間養生した。ＡＳＴＭ−Ｅ１１９に従って火災試験を行った。形成されたコンクリート梁に３点荷重構成で荷重を加えた。梁間部分への集中荷重を６５００ポンド（梁の最高耐荷重能力の５０％）に設定した。熱電対の配列を梁の外側、断熱材の下、および鉄筋上の梁の内部に配置または埋込した。断熱層のない同様の梁を同じ荷重／火災条件下で試験した。断熱材のない梁は、鋼鉄棒の温度が１１００°Ｆに達して、底部鋼鉄補強棒が破断したために、２時間後に破壊した。実施例１によってコーティングされた梁では、火災試験は６時間続いた。この火災試験の期間の間に、梁は破壊の徴候を一切示さずに、６５００ポンドの荷重を支持することができた。６時間の終了時までに、鋼鉄の温度は平均９５０°Ｆに達した。したがってこの試験は、火災事象下での梁の荷重支持の著しい改善を示した。
実施例１のリン酸セメント組成物を炭素繊維筋補強コンクリート梁に断熱材として吹付けコーティングした。炭素繊維補強材は、米国特許第６，７９０，５１８号に記載された独自仕様の織物である。
ＡＳＴＭ−Ｅ１１９を使用して、組成物の断熱効率を試験した。織物を本発明の組成物を用いて保護することによって、強化織物の炭素繊維の強度を火災事象の場合に２時間４０分も維持できることが見出された。この火災用断熱コーティングは、火災事象において織物をかなりの期間にわたって保護した。本試験は、炭素繊維／エポキシマトリクス中のエポキシが２１２°Ｆの温度にて最高耐荷重能力の７５％以上を長期間にわたって維持できることも証明した。
本発明のある実施形態をこのように説明してきたが、以下で主張されるようなその精神または範囲から逸脱することなく、その多くの明らかな変更が可能であるため、添付の特許請求の範囲によって定義された本発明が上の説明で述べられた特定の詳細事項によって制限されないことが理解されるべきである。

Claims (9)

  1. 約１０〜４０重量パーセントの酸化カルシウムもしくは酸化マグネシウム、約１０〜４０重量パーセントの酸性リン酸塩、および約１０〜５０重量パーセントのバーミキュライトもしくはパーライトまたはその混合物を含む、リン酸セメント組成物。
  2. 砂、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ｃｒ２Ｏ３、タルク、マイカ、カオリン、フライアッシュ、メタカオリン、ドロマイト、クロム鉱、クリンカ、セルロース、シリカ、およびスラグからなる群から選択される粒状組成物をさらに含む、請求項１に記載のリン酸セメント組成物。
  3. 約１０〜４０重量パーセントの酸化カルシウムもしくは酸化マグネシウム、約１０〜４０重量パーセントの酸性リン酸塩、約１０〜５０重量パーセントのバーミキュライトもしくはパーライトまたはその混合物、および約１５〜４５重量パーセントの珪灰石を含む、リン酸セメント組成物。
  4. 砂、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ｃｒ２Ｏ３、タルク、マイカ、カオリン、フライアッシュ、メタカオリン、ドロマイト、クロム鉱、クリンカ、セルロース、シリカ、およびスラグからなる群から選択される粒状組成物をさらに含む、請求項２に記載のリン酸セメント組成物。
  5. 約１０〜４０重量パーセントの酸化カルシウムもしくは酸化マグネシウム、約１０〜４０重量パーセントの酸性リン酸塩、および約１０〜５０重量％の加熱時に膨張する材料を含むリン酸セメント組成物中に組み込まれた補強材料を含む製品。
  6. 前記補強材料が鋼鉄筋である、請求項５に記載の製品。
  7. 加熱時に膨張する前記材料が、バーミキュライトもしくはパーライトまたはその混合物である、請求項５に記載の製品。
  8. 約１０〜４０重量パーセントの酸化カルシウムもしくは酸化マグネシウム、約１０〜４０重量パーセントの酸性リン酸塩、バーミキュライトもしくはパーライトまたはその混合物からなる群から選択される加熱時に膨張する約１０〜５０重量％の材料、および約１５〜４５重量パーセントの珪灰石を含む組成物を含むリン酸セメント組成物中に組み込まれた補強材料を含む製品。
  9. 前記補強材料が鋼鉄筋である、請求項８に記載の製品。
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