JP2013540098A - アルカリ度の低い高強度リン酸系セメント - Google Patents
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Abstract
高強度リン酸セメントを製造するための混合物は、リン酸一カリウムと、前記リン酸一カリウム１００部当たり約２０〜約１００部の量のＩＩＡ族金属酸化物と、前記リン酸一カリウム１００部当たり約３〜約３０部の量のオルトリン酸一カルシウムとを含む。リン酸セメントから作製される生成物は、約９未満のｐＨを有し、前記生成物は、２４時間で２０００ｐｓｉを超える圧縮強度を有する。
【選択図】図１
【選択図】図１
Description
セメントは、多くの理由から建築資材として一般に使用されている。セメントは、実質的にどのような形態にでも成形又は成型することができる。液体セメントスラリーを成形型に流し込んで、コンクリートブロック等の製品を製造することができる。また、スラリーは、現場打ち（ｐｏｕｒｅｄ）セメントの床又は壁を形成するのに有用である。床用組成物は、セルフレベリング性であり、経時的に強度が増すことが知られている。
セメント質の膠着材用の典型的な組成物は、ポルトランドセメント等のケイ酸セメント、砂又は他の骨材、水、及び目的の用途に特異的な添加剤を含む。用途が現場打ち床である場合、例えば、添加剤は、床をセルフレベリング性にするための流動化剤を含んでよい。滑らかで強い表面に仕上げるためにオープンタイムを長くするために、凝固遅延剤を提供してもよい。凝固する混合物の生強度を改善するために、任意で石膏が添加される。
セメント質の材料に水を添加すると、化学的水和反応が始まる。発熱反応において、水がセメント質の材料に化学的に結合して結晶を形成する。前記結晶の形状は、出発材料に依存する。多くの場合、様々なセメント質の材料を用いて、特定の形状の結晶を有するか又は特定の強度特性を発揮する組成物が製造される。含水結晶が形成されるにつれて、それらは織り合わせ型（ｉｎｔｅｒｗｏｖｅｎ）水晶マトリックスになる。水晶マトリックスの強度は、結晶が互いにどの程度容易に分離するかに依存する。
遅乾性セメントは、建造に必要なコスト及び所要時間を増加させる。労働者及び彼らの装備の重量を支えるのに十分な強度を有しないので、例えば、床を打った後、一部の下請業者は働くことができない。速やかに硬化し且つ速やかに強度発現するセメント質組成物が当技術分野において必要とされている。
大部分のセメント質組成物の別の問題点は、腐食性が高いことである。皮膚と接触した場合、腐食性の高いセメントスラリーは刺激性である。また、タイル又はカーペット用の接着剤を分解する場合もある。接触する人々及び製品に対する適合性を高めるために、より低ｐＨのセメント質の組成物が更に必要とされている。
高強度リン酸セメントを製造するための混合物は、リン酸一カリウムと、前記リン酸一カリウム１００部当たり約２０〜約１００部の量のＩＩＡ族金属酸化物と、前記リン酸一カリウム１００部当たり約３〜約３０部の量のオルトリン酸一カルシウムとを含む。リン酸セメントから作製される生成物は、約９未満のｐＨを有し、前記生成物は、２４時間で１３．５メガパスカル（２０００ｐｓｉ）を超える圧縮強度を有する。
本発明のリン酸系混合物は、水と混合したとき、非常に速やかな凝固挙動を示す。セメントの凝固時間は、原材料の比率を変動させることによって、即時凝固〜混合時間から数時間後まで変動させることができる。この凝固時間の汎用性によって、前記セメントは、多くの用途において非常に有用な混合物となる。
また、セメントの硬度も、原材料の比率を選択することによって変動させることができる。原材料の混合後２時間以内に４１メガパスカル（６０００ｐｓｉ）を超える圧縮強度を発現するセメント混合物が調製されている。
本組成物の別の利点は、硬化した材料のｐＨを目的に合わせて調整できることである。硬化セメントは、任意で、約７．０〜９．０、好ましくは約７．０〜約８．０の範囲のｐＨを有するように調製される。ｐＨをよりうまく制御すると、腐食性が低くなり、他の建築資材との適合性が高くなり、且つセメントがよりユーザフレンドリーになる。
本発明は、乾燥リン酸系混合物に関する。本発明で論じる用語「混合物」は、乾燥混合物を指すことを意図する。混合物と水とを混合することによって得られる膠着剤組成物を「セメント」と称する。特に明記しない限り、「部」と称する全ての百分率、比率、又は量は、成分又は成分の組合せの重量に基づく。リン酸系混合物の基本成分は、リン酸一カリウム（「ＭＫＰ」）、ＩＩＡ族金属酸化物、及びオルトリン酸一カルシウム（「ＭＣＰ」）を含む。
リン酸系セメント混合物の１つの基本成分は、リン酸一カリウムである。適切なＭＫＰの例は、ＩＣＬ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ ＬＰ（Ｓｔ．Ｌｏｕｉｓ，ＭＯ）から入手可能である。
金属酸化物は、好ましくは、酸化マグネシウム（「ＭｇＯ」又はマグネシア）である。酸化マグネシウムは、一般的に、マグネシウム化合物を焼成することによって得られ、ＭｇＯは、軽焼、硬焼、及び死焼の３つの形態で製造される。軽焼ＭｇＯが、最も活性が高い。軽焼ＭｇＯは、７００℃〜約１０００℃の温度で焼成される。硬焼は、１０００℃〜約１５００℃の温度で調製される。死焼又は過焼ＭｇＯは、最も厳しい加工条件下で調製され、最も活性が低い。この耐火性等級のマグネシアは、約１５００℃超の温度でか焼される。硬焼及び死焼等級の酸化マグネシウムが、リン酸系セメント混合物において最も有用である。推奨されるＭｇＯの供給元は、Ｍａｒｔｉｎ Ｍａｒｉｅｔｔａ Ｍａｇｎｅｓｉａ Ｓｐｅｃｉａｌｔｉｅｓ（Ｂａｌｔｉｍｏｒｅ，ＭＤ）である。
混合物の幾つかの実施形態では、金属酸化物は、ＭＫＰ１００部当たり２０部〜約１００部の金属酸化物の量で、又はＭＫＰ１００部当たり８０部未満の金属酸化物の量で用いられる。幾つかの実施形態は、同じ基準で、約４０部〜約８０部の量の金属酸化物を利用する。任意で、金属酸化物は、ＭＫＰ１００部当たり約５０部〜約７０部であってよい。
混合物の別の成分は、オルトリン酸一カルシウム（「ＭＣＰ」）である。幾つかの実施形態では、ＭＣＰは、ＭＫＰ１００部当たり約３〜約３０部の量で使用される。幾つかの他の実施形態は、ＭＫＰ１００部に基いて約７．５〜約３０部の量のＭＣＰを使用する。幾つかの他の実施形態は、ＭＫＰ１００部に基いて約１２．５〜約２０部の量のＭＣＰを使用する。ＭＣＰの供給元の例は、ＩＣＬ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ ＬＰ（Ｓｔ．Ｌｏｕｉｓ，ＭＯ）である。
混合物は、任意で、フライアッシュ、シリカフューム、軽石、珪藻土、パーライト、メタカオリン、スラグ、破砕シリカ、石膏、金属炭酸塩、タルク、雲母、砂、中空ガラスミクロスフェア、中空セラミックミクロスフェア、中空プラスチックミクロスフェア又はこれらの組合せ等の１以上の無機鉱物又は充填剤添加剤を含む。鉱物又は充填剤添加剤は、任意の利用可能な形態で使用されることが意図される。一例として、フライアッシュは、クラスＣ又はクラスＦのフライアッシュとして使用してよい；石膏は、二水石膏、半水石膏又は硬石膏の形態で存在してよい；あるいは、パーライトは、その天然の形態であってもよく、膨張していてもよい。組成物中に存在するとき、鉱物又は充填剤添加剤は、ＭＫＰ及びＭｇＯ及びＭＣＰの合計１００部に基づいて、約４００重量部以下の量で存在する。フライアッシュが鉱物又は充填剤添加剤であるとき、十分な機械性能を維持しながら、ＭＫＰ及びＭｇＯ及びＭＣＰの合計１００部に基づいて、４部以下の量のフライアッシュで、ＭＫＰ、金属酸化物、又はＭＣＰを含むセメント混合物の主成分のいずれかを置換するために用いてもよい。
凝固及び乾燥したセメントの密度は、約１６０〜約２４００Ｋｇ／ｍ３（１０〜約１５０ポンド／立方フィート）で変動し得る。生成物の幾つかの実施形態は、約９６０〜約１６００Ｋｇ／ｍ３（６０〜約１００ポンド／立方フィート）又は約１１２０〜約１４４０Ｋｇ／ｍ３（７０〜約９０ポンド／立方フィート）の密度を有する。発泡体の添加又は軽量充填剤の使用を含む幾つかの方法のうちのいずれかを用いて、密度を変動させることができる。軽量充填剤は、任意で、膨張パーライト、中空ミクロスフィア、及びこれらの組合せを含む。発泡体を用いて密度を低下させるとき、混合前にセメント混合物に任意で発泡剤を添加するか、又はブレンドされたセメント混合物に予め発生させておいた発泡体を任意で合わせる。
補強材は、強度を付加するためにパネルコア等の製品の表面上において任意で使用される。１つの選択肢は、パネルコアを作製するために用いられる流体セメントに不連続繊維を添加することである。適切な不連続繊維の例は、細切のＥガラス繊維、玄武岩繊維、耐アルカリ性ガラス繊維、セラミック繊維、ＰＶＡ等の高分子繊維；ポリプロピレン、ポリエチレン、ナイロン、セルロース繊維、金属繊維及びこれらの組合せを含む。別の選択肢は、流体セメントに連続繊維を添加することである。連続補強材の例は、繊維ガラスメッシュ、ガラスマット、セラミック繊維、ケブラー繊維、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエステル、ポリ塩化ビニル、ナイロン繊維、又はこれらの組合せを含む。また、連続又は不連続な補強材はいずれも、セメントで作製されたパネルの表面上において有用である。また、コアにおいて不連続繊維を使用し、羽目の表面上において連続補強材を使用する等の、補強材の任意の組合せの使用も考えられる。
セメントスラリーの別の態様は、ｐＨである。セメントの幾つかの実施形態は、約９未満のｐＨを有する。また、多くの好ましい態様は、約８未満のｐＨを有する。別の有用なｐＨ範囲は、約７．０〜約８．５である。ＭＫＰ、ＭｇＯ及びＭＣＰの比率を変動させて、満足なｐＨを得る。ｐＨを低下させるためには、ＭＫＰ及びＭＣＰの量に対してＭｇＯの比率を少なくする。
また、この生成物から得られる製品は、強度が高い。幾つかの実施形態では、セメントは、２４時間で１０メガパスカル（１５００ｐｓｉ）又は２４時間で１３．５メガパスカル（２０００ｐｓｉ）を超える圧縮強度を有するセルフレベリング床材製品を作製するために使用される。セルフレベリング床材製品の幾つかの実施形態では、２０メガパスカル（３０００ｐｓｉ）を超える圧縮強度が２４時間で得られる。多くの実施形態において、２０メガパスカル（３０００ｐｓｉ）を超える圧縮強度が２時間以内に得られる。速やかな凝固及び強度発現は、例えば、請負業者が、セメントを打った後直ちに作業を続けることができるので、床材において有利である。本発明で使用する「強度」は、全体としての材料強度の尺度である。これは、表面硬度と区別するためであり、必ずしも永続的に強い物質を示すものではない。
混合物は、流動可能なセメント質のスラリーを作製するために水と合わせられる乾燥粉末である。水は、目的とする用途に対して適切な稠度にするのに十分な量使用される。幾つかの実施形態では、水は、流動可能なスラリーを作製するために添加される。他の用途は、噴霧可能なスラリーを必要とする。床材製品を調製するとき、多くの場合、セルフレベリングスラリーを有することが重要である。一般的に、セルフレベリングスラリーは、仕上げ床よりも多くの水を必要とするが、この目的のために公知である分散剤又は他の化学物質を添加することによって流動性を高めることもできる。幾つかの実施形態では、水は、乾燥混合物１００部当たり約５〜約４５部の水の量で用いられる。他の実施形態は、乾燥混合物１００部当たり約７．５〜約４０部の範囲の水を利用する。更に他の実施形態では、水は、乾燥混合物１００部当たり約１０〜約３０部の量で添加される。
セメントを作製するための水は、スラリー及び凝固生成物の両方の特性を最もよく制御するために、できる限り純粋でなければならない。促進剤から凝固阻害剤まで多岐にわたる、セメントの凝固時間を変化させるための塩及び有機化合物が周知である。幾つかの不純物は、噛み合い（ｉｎｔｅｒｌｏｃｋｉｎｇ）結晶マトリクスを形成するので構造が不規則になり、凝固生成物の強度を低下させる。したがって、生成物の強度及び稠度は、できる限り夾雑物を含まない水を使用することにより強化される。
セメント質のスラリーの成分は、当技術分野において公知である通り、任意の方法で合わせることができる。幾つかの実施形態では、全ての乾燥成分を合わせ、乾燥混合物として販売するために袋詰めする。作業現場において、乾燥混合物を水と混合して、スラリーを形成する。スラリーを作製する別の方法は、合わせた乾燥成分をミキサに添加することである。また、幾つかの乾燥成分を、順次又は同時に、他の成分とは別々に水に添加してもよい。本発明の幾つかの実施形態により、非常に速やかな硬化を実現することができる。製品に成形される前にスラリーが凝固しないように、成分の組合せ及び混合が十分に速やかに行われるよう注意しなければならない。
本発明のリン酸系セメントを用いて、構造用パネル、屋根材下敷、流し込み可能な下敷、屋根瓦、外壁羽目板部品、固体又は中空部分を有する構造用形材、パッチング材、シンセットモルタル又はグラウト、傾斜安定化のためのコーティング又は吹付コンクリートを含むがこれらに限定されない様々な製品を作製することができる。
構造用パネルを製造するために用いるとき、セメントスラリーを任意で成形型に流し込むか、又は当技術分野において公知の任意の方法によって連続鋳造法を用いてパネルを製造する。セメント質のパネルは、床、屋根、及び外装用途に用いられる。パネルは、任意で、細切のＥガラス繊維、玄武岩繊維、セラミック繊維、高分子繊維、金属繊維等の不連続繊維で補強される。別の選択肢は、セラミック繊維、ケブラー繊維、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエステル、ポリ塩化ビニル、ナイロン等の有機材料又は無機材料から作製される繊維ガラスメッシュ、ガラスマット、玄武岩マット、メッシュ、スクリム及び不織布マット等の連続補強材の使用である。セメントスラリーは、可動表面上に堆積するように、前記可動表面上に直接又は化粧材上にミキサから流し込む。任意の化粧材は、紙、繊維ガラス、スクリム、プラスチックシート又は他の公知の化粧材である。補強材はいずれも、パネルの表面、パネルのコア、又は両方に存在してよい。これら補強材はいずれも、不連続繊維及び連続マットを共に用いるか、又は不連続繊維がパネルのコアに存在し、連続繊維マットがパネルの表面に存在する等、任意の他の補強材と合わせてもよいと考えられる。
本発明の別の実施形態は、応力外皮パネルである。これらパネルは、内部又は外部の下地板用途として、壁パネルとして、外装パネルとして、屋根材下敷として有用である。本発明に係る応力外皮パネルは、セメント上に外皮補強材を用いて製造することができる。外皮補強材の例は、セラミック繊維、ケブラー繊維、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、セラミック繊維、ポリビニルアルコール等の高分子繊維、ポリプロピレン、ポリエチレン、ナイロン、セルロース繊維、金属繊維等の他の無機材料及び有機材料から製造される繊維ガラスメッシュ、ガラスマット、玄武岩マット及びメッシュ、不織布のマットを含むが、これらに限定されない。また、これらパネルは、屋根材下敷、外装パネル、断熱パネル、内張りタイル及びパネルとして有用である。
床張材下敷は、床の占めるスペース上にセメントを直接注ぐことにより調製される。下敷は、セルフレベリング型であってもよく、又は注いで、従来の仕上用具を使用して仕上げてもよい。セルフレベリングセメントは、流動性を改善する分散剤又は他の添加剤の添加により、他の下敷よりも粘度が低いことが多い。また、下敷を流動可能にするために更に水を使用してもよいが、水が多すぎると、製品の強度が低下する場合がある。また、流し込み可能な組成物は、コンクリート及び他の物質のスラブ上の保護下敷として有用である。
本発明の幾つかの実施形態は、成形可能であるが、セルフレベリング性ではない。これら実施形態は、道路、シンセットモルタル、注入材及び壁板の目地材、セメントボード及び他の用途のための修復及びパッチング材を含むが、これらに限定されない。また、セメント質のコーティング、噴霧可能なコーティング、及び傾斜安定化及びトンネル覆工のためのショットクリーティグを含むコーティングとして使用するためのリン酸系セメントも考えられる。この組成物は、強く早い凝固、及び速やかな早強度が有利である任意の用途において用いることができる。
本発明の他の実施形態は、屋根瓦、外壁羽目板部品、壁パネル、床パネル、屋根パネル、固体又は中空部分を有する構造用形材、合成セラミックタイル及び合成石である。
混合物中の酸リン酸塩、金属酸化物、及びオルトリン酸一カルシウム膠着剤の相対量を試験するために一連の組成物を調製した。死焼酸化マグネシウムを金属酸化物として選択し、オルトリン酸一カルシウムが、酸リン酸塩の一例である。表Ｉに示すＭＫＰ、ＭｇＯ、及びＭＣＰの量に加えて、各セメントサンプルは、ＦＩＬＬＩＴＥ ５００（登録商標）として知られている充填剤３６０グラム、水４５０グラム及びホウ酸１２グラムも含んでいた。表Ｉでは、「２４時間」と記載された列は、２４時間圧縮強度（ｐｓｉ）（ニュートン／平方センチメートル）であり、「７日間湿態」は、７日間湿態圧縮強度（ｐｓｉ）（ニュートン／平方センチメートル）であり、「７日間乾態」は、７日間圧縮強度（ｐｓｉ）（ニュートン／平方センチメートル）である。報告するｐＨは、硬化した生成物材料のｐＨである。
図１〜４は、リン酸系セメントにおけるＭＣＰ、ＭＫＰ、及びＭｇＯの比率を変化させることによる効果を示す。図１では、硬化した材料のｐＨを報告する。ＭｇＯの比率が低いと、ｐＨは、一般的に、ＭＣＰの量と共に上昇する。しかし、ＭｇＯが７０〜８０部の場合、最高ｐＨは、最低量のＭＣＰで生じる。
２４時間圧縮強度を図２に要約する。０ＭＣＰ及び最高量のＭＣＰでは、圧縮強度は、明らかに非常に低かった。ＭＫＳ１００部当たりＭＣＰ３．７５〜３０部等の中間量のＭＣＰでは、ＭＫＰ１００部当たりＭｇＯ６０部未満のＭｇＯ濃度でより高い強度が生じた。
同様に、７日間湿態及び乾態圧縮強度は、全範囲のＭｇＯ濃度にわたって観察したとき、中間値のＭＣＰで最も高い。したがって、これら実験の結果は、一定濃度のＭＫＰにおいて、請求の範囲のＭＣＰ及びＭｇＯを支持する。
リン酸系セメントの具体的な実施形態を図示及び記載してきたが、具体的な実施形態の要素が他の実施形態の要素と交換可能であることを当業者は理解するであろう。より広い態様における本発明から逸脱することなく、且つ以下の特許請求の範囲に記載の通り、これら及び他の変更及び改変を行うことができる。
Claims (10)
- 高強度セメントを製造するためのリン酸混合物であって、
リン酸一カリウムと；
前記リン酸一カリウム１００部当たり約２０〜約１００部の量のＩＩＡ族金属酸化物と；
前記リン酸一カリウム１００部当たり約３〜約３０部の量のオルトリン酸一カルシウムとを含み；
凝固生成物が約９未満のｐＨを有し、且つ前記凝固生成物が２４時間で１３．５メガパスカル（２０００ｐｓｉ）を超える圧縮強度を有するように、前記リン酸一カリウム、前記ＩＩＡ族金属酸化物、及び前記オルトリン酸一カルシウムの比率が選択される、リン酸混合物。 - 前記ＩＩＡ族金属酸化物が、マグネシウムである、請求項１に記載のリン酸混合物。
- 前記酸化マグネシウムが、硬焼酸化マグネシウム又は死焼酸化マグネシウムである、請求項２に記載のリン酸混合物。
- 砂、中空ガラスミクロスフェア、中空セラミックミクロスフェア、中空プラスチックミクロスフェア、軽石、膨張パーライト、珪藻土及びこれらの組合せからなる群より選択される充填剤を更に含む、請求項１に記載のリン酸セメント混合物。
- 不連続補強繊維を更に含む、請求項１に記載のリン酸混合物組成物。
- 連続補強材を更に含む、請求項１に記載のリン酸混合物。
- 流動可能なスラリーを作製するために合わせられている、請求項に１記載の組成物と水とを含むリン酸系セメントスラリー。
- セメント質の製品を製造する方法であって、
請求項７に記載のスラリーを得る工程と、
前記スラリーを成形して、セメント質の製品を形成する工程と、
前記スラリーを硬化させる工程と、を含む方法。 - 前記成形工程が、床材製品を形成することを更に含む、請求項８に記載の方法。
- 前記成形工程が、パネル製品を形成することを更に含む、請求項８に記載の方法。
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