JP2019525885A - 軽量発泡セメント、セメントボード、およびそれらの作製方法 - Google Patents

Abstract

骨材、特に多孔質軽量骨材を制限または排除し、通常よりも低い水分対セメント質組成物の重量比を用いた発泡セメント質組成物が開示される。セメントボードおよび他のセメント製品を作製するために、安定なセメント質の泡混合物が用いられ得る。発泡セメント質組成物は、泡沫水を作製するためにＰＶＯＨ発泡安定剤および界面活性剤起泡剤を添加して、またはセメント質スラリー混合物に空気を連行させることによって作製された。セメント質混合物は、限られた量を有するか、または好ましくはパーライトおよび軽量骨材を有しない。得られた発泡混合物は、５０〜２００μｍの範囲のサイズを有する起泡を有していた。発泡セメント質組成物を凝結させた後、得られる凝結ボードは、５０〜２００μｍの範囲のサイズの空気セルを有する。【選択図】図８Ａ

Description

本発明は、概して、セメントボードの適用および他のコンクリート製品の潜在的用途を有する安定なセメント質の泡混合物に関する。具体的には、本発明は、建築物の湿潤および乾燥した場所で使用するための優れた水分耐久性を有する軽量セメント質ボードを作製するために使用することができるセメント質発泡バインダー組成物を生成するための、セメント質混合物へのポリビニルアルコール（ＰＶＯＨ）の添加に関する。セメントボード等のプレキャストコンクリート製品は、セメント質混合物が固定式もしくは移動式の、または連続的に移動するベルトに注がれた直後にボードを取り扱うことができるように、セメント質混合物の急速な凝結を提供する条件下で作製される。本発明は、骨材、特に多孔質軽量骨材を制限または排除し、通常よりも低い水とセメント質組成物との重量比を用いた発泡セメント質組成物である。これにより、軽量セメントボード用の発泡セメント組成物を作製する。

参照により本明細書に組み込まれるＰｅｒｅｚ−Ｐｅｎａらに対する米国特許第６，８６９，４７４号は、ポルトランドセメント等の水硬性セメントにアルカノールアミンを添加し、少なくとも９０°Ｆ（３２℃）の初期スラリー温度を提供する条件下で水を用いてスラリーを形成することによって達成される、セメントボード等のセメントベースの製品を製造するためのセメント質組成物の極めて急速な凝結について論じている。高アルミナセメント、硫酸カルシウム、およびフライアッシュ等のポゾラン材料等の追加の反応性材料が含まれてもよい。極めて急速な凝結は、セメント質製品の迅速な生産を可能にする。膨張粘土軽量骨材の使用は、比較的軽量であり、かつ高い圧縮強度を有する配合物を生成する上で非常に有用であることが判明している。しかしながら、膨張粘土骨材の製造は、多くのエネルギーを消費し、天然資源を枯渇させ、それらの使用は、４０〜５０ｐｃｆの範囲の密度のコンクリート混合物を設計する能力を制限する。さらに、膨張粘土骨材は、セメントペーストスラリーを吸収する傾向がある高度に多孔性の材料であり、したがってそれらの現場密度は比較的高い。

参照により本明細書に組み込まれるＰｅｒｅｚ−Ｐｅｎａらに対する米国特許第７，６７０，４２７号は、ポルトランドセメント等の水硬性セメントにアルカノールアミンおよびリン酸を添加し、少なくとも９０°Ｆ（３２℃）の初期スラリー温度を提供する条件下で水を用いてスラリーを形成することによって達成される、セメントボード等のセメントベースの製品を製造するための初期圧縮強度を有するセメント質組成物の極めて急速な凝結について論じている。高アルミナセメント、硫酸カルシウム、およびフライアッシュ等のポゾラン材料等の追加の反応性材料が含まれてもよい。この場合も、全ての組成物が相当量の水硬性セメントおよび石膏を含有していた。

Ｐｅｒｅｚ−Ｐｅｎａの公開された米国特許出願第２０１０／００７１５９７Ａ１号は、急速な凝結時間および比較的高い初期圧縮強度を有するコンクリート混合物を形成するための、フライアッシュおよびクエン酸ナトリウム等のクエン酸のアルカリ金属塩を使用した配合物を開示している。本出願に記載される活性化フライアッシュバインダーで遭遇する課題の１つは、これらのバインダーと、空気を連行させ、それによって軽量ボードを作製するために使用される従来の発泡系との間の明らかな相互作用である。この開示された方法に従って従来の泡沫を用いて作製されたフライアッシュ系バインダーは、泡沫の崩壊および／または劇的な強度低下を経験した。加えて、フライアッシュは、プラント運転中の炭素注入の結果として、および環境への排出ガスを制限するための最近のＥＰＡ規制の結果としての有機炭素レベルの増加に起因して、建築材料の可燃性を高める可能性がある。

参照により本明細書に組み込まれるＧａｌｅｒらに対する米国特許第４，４８８，９０９号は、急速な凝結が可能なセメント質組成物について論じている。この組成物は、組成物が水と混合された後、約２０分以内に本質的に全ての潜在的なエトリンガイトを形成することにより、二酸化炭素耐性製品の高速生産を可能にする。セメント質組成物の必須構成成分は、ポルトランドセメント、高アルミナセメント、硫酸カルシウムおよび石灰である。フライアッシュ、モンモリロナイト粘土、珪藻土および軽石等のポゾランは、約２５％まで添加されてもよい。セメント組成物は、約１４〜２１重量％の高アルミナセメントを含み、これは他の構成成分と組み合わさって、セメント質混合物の早期凝結の原因となるエトリンガイトおよび他のアルミン酸カルシウム水和物の早期形成を可能にする。Ｇａｌｅｒらは、彼らの発明において、高アルミナセメント（ＨＡＣ）を用いてアルミン酸塩を提供し、石膏を用いて硫酸イオンを提供することでエトリンガイトを形成し、それらのセメント質混合物の急速な凝結を達成した。

エトリンガイトは、式Ｃａ_６Ａｌ_２（ＳＯ_４）_３・３２ Ｈ_２Ｏ、または代替として３ ＣａＯ_・Ａｌ_２Ｏ_３・３ ＣａＳＯ_４・３２ Ｈ_２Ｏを有する硫酸アルミニウムカルシウム化合物である。エトリンガイトは長い針状の結晶として形成され、セメントボードに迅速に早期強度を提供するため、型枠に注ぎ入れた直後に、または連続鋳造および成形ベルト上に注がれた直後に取り扱うことができる。

Ｂｒｏｏｋらに対する米国特許第５，５３６，３１０号は、１０〜３０重量部（ｐｂｗ）のポルトランドセメント等の水硬性セメント、５０〜８０ｐｂｗのフライアッシュ、およびクエン酸等のカルボン酸の遊離酸またはそのアルカリ金属塩、例えば、クエン酸三カリウムもしくはクエン酸三ナトリウムとして表される０．５〜８．０ｐｂｗを、組成物の反応および凝結時間を加速してセメント組成物中に高いフライアッシュ含有量を用いるという開示された短所を克服するために使用されるホウ酸またはホウ砂等の遅延添加剤を含む他の従来の添加剤とともに含有するセメント質組成物を開示している。

Ｂｒｏｏｋらに対する米国特許第５，５３６，４５８号は、ポルトランドセメント等の水硬性セメント、７０〜８０重量部のフライアッシュ、および０．５〜８．０ｐｂｗのクエン酸等の遊離カルボン酸またはそのアルカリ金属塩、例えばクエン酸カリウムまたはクエン酸ナトリウム、水酸化カリウム等の添加物を、組成物の反応および凝結時間を加速してセメント組成物中に高いフライアッシュ含有量を用いるという既知の短所を克服するために使用されるホウ酸またはホウ砂等の遅延添加剤を含む他の従来の添加剤とともに含有するセメント質組成物を開示している。

ポルトランドセメントベースのバインダー混合物の重量を減少させる方法を見出す必要があり、そうすることで、膨張粘土骨材を使用することなく、これらの配合物を使用してバッカーボードおよび他の壁または天井用途等の用途のための改善された強度を有する軽量セメント質コンクリート製品を製造することができる。本発明の方法は、少ない重量および削減されたコストで圧縮強度が強化された配合物を開発した。

本発明は、軽量セメント質製品を提供する方法であって、
６５〜７５重量％の水硬性セメント質反応性粉末と、
２０〜３５重量％の水と、
０．０５〜１重量％、好ましくは０．１〜０．７重量％の起泡剤としての界面活性剤と、
０．１〜１．０重量％、好ましくは０．２〜０．３重量％の泡安定剤としてのポリビニルアルコールと、
クエン酸、クエン酸のアルカリ金属塩からなる群から選択される０〜０．５重量％の遅延剤と、
０．１５〜１．０重量％、好ましくは０．２〜０．５重量％の高流動化剤と、
骨材および充填材からなる群から選択される少なくとも１つの部材であって、水硬性セメント質反応性粉末に対する全骨材および充填材の重量比は０〜０．５：１、好ましくは０〜０．２５：１であり、セメント質発泡混合物の全ての骨材および充填材は、軽量非多孔質骨材および軽量非多孔質充填材のみであり、好ましくは骨材および充填材の少なくとも８０重量％が、存在する場合は、被覆パーライトであり、
軽量非多孔質骨材および軽量非多孔質充填材は、４０ｌｂ／立方フィート以下の粒子密度を有し、
軽量非多孔質骨材および軽量非多孔質充填材は、最大で０．１０の開放気孔率を有する、少なくとも１つの部材と、
発泡混合物の水と水硬性セメント質反応性粉末との重量比は０．３〜０．５：１である、水と、
５０〜２００μｍの範囲の直径を有する気泡の形態の空気と、を含むセメント質発泡混合物を混合することであって、発泡混合物は、２０〜５５体積％、好ましくは３０〜５０体積％、より好ましくは３０〜４０体積％の空気体積含有率を有し、
水硬性セメント質反応性粉末は、水硬性セメント質反応性粉末の重量に対して、重量％で、
７５〜９５％、好ましくは８０〜９０％のポルトランドセメント、
０〜２１％、好ましくは５〜１０％の高アルミナセメント（アルミン酸カルシウムセメントとしても知られる）、
０〜１０％、好ましくは２〜５％の硫酸カルシウム、および
０〜２５重量％、好ましくは５〜２０重量％のポゾラン材料を含み、ポゾラン材料の好ましくは少なくとも５０重量％、より好ましくは少なくとも８０重量％がフライアッシュである、セメント質発泡混合物を混合することと、
セメント質発泡混合物を打設すること、および軽量セメント質製品を形成するように打設した混合物を放置して凝結させることであって、
凝結したセメント質発泡混合物は、打設後１４日目に測定されると、４５〜６０ポンド／立方フィート、好ましくは４５〜６０ポンド／立方フィートの公称密度、および９０ポンド力を超える釘引抜強度値を有し、
凝結したセメント質発泡混合物は、打設後７日目に測定されると、５００ｐｓｉ〜約５０００ｐｓｉ、好ましくは５００〜３０００ｐｓｉ、より好ましくは５００〜２０００ｐｓｉの圧縮強度を有する、打設することおよび放置して凝結させることと、を含む、方法を提供する。

好ましくは、本方法におけるセメント質発泡混合物には、塩化カルシウム、ギ酸カルシウム、および硝酸カルシウムが存在しない。

上に列挙した凝結したセメント質発泡混合物の密度は、製造されたボードを液体に浸した後の密度とは対照的に、乾燥密度である。

セメント質発泡スラリーおよび凝結したセメント質発泡混合物中の体積パーセントとしての空気含有量は、スラリーの泡量のパーセントとして推定される。したがって、発泡スラリーは、２０〜５５体積％、好ましくは３０〜５０体積％、より好ましくは３０〜４０体積％の泡量の含有率を有する。また、凝結したセメント質発泡混合物は、２０〜５５体積％、好ましくは３０〜５０体積％、より好ましくは３０〜４０体積％の空気体積含有率を有する。凝結したセメント質発泡混合物中の空気空隙のサイズは、スラリー中の気泡のサイズとして推定される。好ましくは、スラリー中の全ての気泡は泡沫から生じる。したがって、凝結したセメント質発泡混合物は、５０〜２００μｍの範囲の直径の空気空隙を有する。

空気は、セメント質スラリーに空気を連行させることによって、またはセメント質スラリーに泡沫を添加した後に、泡沫水とセメント質スラリーとの混合物に追加の空気を連行させることによって、好ましくは泡沫水として添加される。

本発明はまた、上記の方法に従って製造される凝結発泡混合物を含む発泡セメント製品も提供する。

本発明はまた、
６５〜７５重量％の水硬性セメント質反応性粉末と、
０．０５〜１重量％、好ましくは０．１〜０．７重量％の起泡剤としての界面活性剤と、
０．１〜１．０重量％、好ましくは０．２〜０．３重量％の泡安定剤としてのポリビニルアルコールと、
クエン酸、クエン酸のアルカリ金属塩からなる群から選択される０．１〜０．５重量％の遅延剤と、
０．１５〜１．０重量％、好ましくは０．２〜０．５重量％の高流動化剤と、
骨材および充填材からなる群から選択される少なくとも１つの部材であって、水硬性セメント質反応性粉末に対する全骨材および充填材の重量比は０〜０．５：１、好ましくは０〜０．２５：１であり、セメント質発泡混合物の全ての骨材および充填材は、軽量非多孔質骨材および軽量非多孔質充填材のみであり、好ましくは骨材および充填材の少なくとも８０重量％が被覆パーライトであり、軽量非多孔質骨材および軽量非多孔質充填材は、４０ｌｂ／立方フィート以下の粒子密度を有し、軽量非多孔質骨材および軽量非多孔質充填材は、最大で０．１０の開放気孔率を有する、少なくとも１つの部材と、を含む凝結したセメント質発泡混合物を含むセメント製品を提供し、
製品は、５０〜２００μｍの範囲の直径を有する空気セルを有し、製品は、２０〜５５体積％、好ましくは３０〜５０体積％、より好ましくは３０〜４０体積％の空気セル体積含有率を有し、
水硬性セメント質反応性粉末は、水硬性セメント質反応性粉末の重量に対して、重量％で、
７５〜９５％、好ましくは８０〜９０％のポルトランドセメント、
０〜２１％、好ましくは５〜１０％の高アルミナセメント、
０〜１０％、好ましくは２〜５％の硫酸カルシウム、および
０〜２５％、好ましくは５〜２０％のポゾラン材料を含み、ポゾラン材料の好ましくは少なくとも５０重量％、より好ましくは少なくとも８０重量％がフライアッシュであり、
製品は、０．３〜０．５：１の水対水硬性セメント質反応性粉末の重量比で作製され、
製品は、４５〜６０ポンド／立方フィート、好ましくは４５〜５５ポンド／立方フィートの公称密度、および９０ポンド力を超える釘引抜強度値を有し、
製品は、凝結後７日目に測定されると、５００ｐｓｉ〜約５０００ｐｓｉ、好ましくは５００〜３０００ｐｓｉ、より好ましくは５００〜２０００ｐｓｉの圧縮強度を有する。

好ましくは、製品には、塩化カルシウム、ギ酸カルシウム、および硝酸カルシウムが存在しない。

発泡混合物およびセメント製品には、４０ｌｂ／立方フィートを超える粒子密度を有する骨材および充填材粒子が存在しない。発泡混合物およびセメント製品には、骨材および充填材粒子の体積の１０％を超える体積の水を細孔内に吸収する骨材および充填材粒子が存在しない。

好ましくは、充填材または骨材は、存在する場合、０〜０．２：１のパーライト対水硬性セメント質反応性粉末の重量比で添加される被覆パーライトである。最も好ましくは、発泡混合物およびセメント製品には、パーライトまたは任意の他の充填材もしくは骨材が存在しない。

軽量セメント質組成物は、セメントボード、コンクリートパネル、床材、オーバーレイ、仕上げ材、キャッピング材、およびコンクリート道路の修繕用混合物を含む任意のコンクリート製品用途に使用することができる。

別途指定のない限り、本明細書における全ての百分率、比および割合は、重量によるものである。乾燥ボードは、液体（水）に浸されていない製造されたボードである。湿潤ボードは、液体（水）に浸した後の製造されたボードである。乾燥密度は、液体（水）に浸されていない製造されたボードの密度である。湿潤密度は、製造されたボードを液体（水）に浸した後の製造されたボードの密度である。乾燥反応性粉末、構成成分、および成分は、水を含まない。パネルの乾燥重量は、液体（水）に浸されて（浸漬されて）いない製造されたボードの重量である。パネルの湿潤重量は、液体（水）に浸した（浸漬した）後の製造されたボードの重量である。乾燥釘引抜強度は、液体（水）に浸されていない製造されたボードのパネルの釘引抜強度である。湿潤釘引抜強度は、液体（水）に浸した後の製造されたボードのパネルの釘引抜強度である。湿式スラリー密度は、含水ベースである。

本発明に従って作製されたボードを示す。 本発明のボードを作製するための装置を示す。 パーライト：セメント比を有する混合物の圧縮強度データの概要を示す。 種々の骨材対セメント（Ａ／Ｃ）比を有する混合物の密度の関数として圧縮強度を示す。 ＰＶＯＨ／ラウリルエトキシ硫酸ナトリウム石鹸（ＳＬＳ）のブレンドを起泡剤として使用した混合物と比較して、ＡＯＳ１と表示されたＰＶＯＨ／αオレフィンスルホン酸塩（ＡＯＳ）起泡剤のブレンドを使用した混合物について測定された圧縮強度の概要を示す。 ラウリルエーテル硫酸ナトリウムを起泡剤として使用した混合物と比較して、ＡＯＳ１石鹸を用いたＰＶＯＨを含まない混合物について測定された圧縮強度の概要を示す。 アンモニウムＣ１０−Ｃ１２アルコールエーテル硫酸塩石鹸（ＡＯＳ２）およびＣ１４−１６オレフィンスルホン酸ナトリウム石鹸（ＡＯＳ３）を実施例３の起泡剤として使用して発泡させた混合物と比較して、ラウリル硫酸ナトリウムエーテル石鹸を使用した混合物について測定された圧縮強度の概要を示す。 実施例４のパネル混合物について実施例４の釘引抜強度データを示す。 実施例５のパネル混合物について実施例５の釘引抜強度データを示す。 平滑面および粗面から試験した実施例６の混合物からのパネルサンプルについて、湿潤釘引抜強度データを示す。 表１３に記載の式を用いて作製された試供体の光学顕微鏡写真を示す。 表１３に記載の式を用いて作製された試供体の光学顕微鏡写真を示す。 膨張粘土骨材を含まない混合物０８１９１４番号１について、表１５に記載の式を用いて作製された試供体の光学顕微鏡写真を示す。 膨張粘土骨材を含まない混合物０８１９１４番号１について、表１５に記載の式を用いて作製された試供体の光学顕微鏡写真を示す。 パネルサンプルの破断面を示す。 パネルサンプルの破断面を示す。

本発明は、軽量セメント質製品を提供する方法であって、
６５〜７５重量％の水硬性セメント質反応性粉末と、
２０〜３５重量％の水と、
０．０５〜１重量％、好ましくは０．１〜０．７重量％の起泡剤としての界面活性剤と、
０．１〜１．０重量％、好ましくは０．２〜０．３重量％の泡安定剤としてのポリビニルアルコールと、
クエン酸、クエン酸のアルカリ金属塩からなる群から選択される０〜０．５重量％の遅延剤と、
０．１５〜１．０重量％、好ましくは０．２〜０．５重量％の高流動化剤と、
骨材および充填材からなる群から選択される少なくとも１つの部材であって、水硬性セメント質反応性粉末に対する全骨材および充填材の重量比は０〜０．５：１、好ましくは０〜０．２５：１であり、セメント質発泡混合物の全ての骨材および充填材は、軽量非多孔質骨材および軽量非多孔質充填材のみであり、好ましくは骨材および充填材の少なくとも８０重量％が、存在する場合は、被覆パーライトであり、
軽量非多孔質骨材および軽量非多孔質充填材は、４０ｌｂ／立方フィート以下の粒子密度を有し、
軽量非多孔質骨材および軽量非多孔質充填材は、最大で０．１０の開放気孔率を有する、少なくとも１つの部材と、
発泡混合物の水と水硬性セメント質反応性粉末との重量比は０．３〜０．５：１である、水と、
５０〜２００μｍの範囲の直径を有する気泡の形態の空気と、を含むセメント質発泡混合物を混合することであって、発泡混合物は、２０〜５５体積％、好ましくは３０〜５０体積％、より好ましくは３０〜４０体積％の空気体積含有率を有し、
水硬性セメント質反応性粉末は、水硬性セメント質反応性粉末の重量に対して、重量％で、
７５〜９５％、好ましくは８０〜９０％のポルトランドセメント、
０〜２１％、好ましくは５〜１０％の高アルミナセメント（アルミン酸カルシウムセメントとしても知られる）、
０〜１０％、好ましくは２〜５％の硫酸カルシウム、および
０〜２５重量％、好ましくは５〜２０重量％のポゾラン材料を含み、ポゾラン材料の好ましくは少なくとも５０重量％、より好ましくは少なくとも８０重量％がフライアッシュである、セメント質発泡混合物を混合することと、
セメント質発泡混合物を打設すること、および軽量セメント質製品を形成するように打設した混合物を放置して凝結させることであって、
凝結したセメント質発泡混合物は、打設後７日目に測定されると、４５〜６０ポンド／立方フィート、好ましくは４５〜６０ポンド／立方フィートの公称密度、および９０ポンド力を超える釘引抜強度値を有し、
凝結したセメント質発泡混合物は、打設後１４日目に測定されると、５００ｐｓｉ〜約５０００ｐｓｉ、好ましくは５００〜３０００ｐｓｉ、より好ましくは５００〜２０００ｐｓｉの圧縮強度を有する、打設することおよび放置して凝結させることと、を含む、方法を提供する。

好ましくは、セメント質発泡混合物には、塩化カルシウム、ギ酸カルシウム、および硝酸カルシウムが存在しない。

空気は、好ましくは、（ａ）水硬性セメント質組成物、界面活性剤、ポリビニルアルコール、遅延剤、高流動化剤、および水を含むスラリーに泡沫水を添加することによって、（ｂ）スラリーに空気を連行させることによって、または（ｃ）スラリーに泡沫水を添加した後に、泡沫水とスラリーとの混合物に追加の空気を連行させることによって添加される。

泡沫水として空気を添加することは、
泡沫水を形成するために、空気の連行により、水の第１の部分、界面活性剤、およびポリビニルアルコールのブレンドを曝気することであって、界面活性剤は、泡沫水の１〜１５重量％、好ましくは２〜４重量％、より好ましくは２〜３重量％であり、ポリビニルアルコールは、泡沫水の０．５〜１０重量％、好ましくは１〜４重量％、より好ましくは２〜３重量％である、曝気することと、
セメント質発泡混合物を製造するために、泡沫水と、水硬性セメント質組成物、水の第２の部分、ポリビニルアルコールの任意選択の第２の部分、および界面活性剤の任意選択の第２の部分を含むスラリーとをブレンドすることと、を含み、
発泡混合物の泡沫水とセメント質組成物との重量比は、０．０１〜０．０５：１である。

典型的には、ポリビニルアルコールは、ポリビニルアルコールの０．２５重量％〜３重量％の濃度を有する水溶液として泡沫水に添加される。

好ましくは、泡沫水とブレンドしたときの発泡混合物は、約６８°Ｆ〜１１５°Ｆ（約２０℃〜４６℃）の初期温度を有する。しかしながら、より迅速な反応が所望される場合、温度はより高くてもよい。

連行によって空気を添加することは、水硬性セメント質組成物、界面活性剤、ポリビニルアルコール、遅延剤、高流動化剤、および水を含むスラリーに空気を混合することを含む。典型的には、この混合はスタティックミキサーで行われる。

最も好ましくは、本方法は、上記の２つの手順を組み合わせる。これによりスラリーに泡沫水を添加して、空気の第１の部分を含む発泡スラリーを形成し、次いで空気の存在下で発泡スラリーを混合して空気の第２の部分を発泡スラリーに連行させる。

好ましくは、この方法において、
打設した混合物はシートを形成し、
シートは初期凝結条件まで凝結し、
初期凝結条件シートを切断して予備硬化したボードを形成し、
予備硬化したボードを最終凝結条件まで硬化させてボード製品を形成し、
ボード製品は、４０〜９０ｐｃｆ、好ましくは４６〜５４ｐｃｆの密度、および９０ポンド力以上の釘引抜強度値を有し、ボードは５０〜２００μｍの範囲の直径を有する空気セルを有する。

Ｐｅｒｅｚ−Ｐｅｎａらに対するＵＳ２０１５／００３３９８９に説明されているように、組成物の凝結は、ＡＳＴＭ Ｃ２６６試験手順に規定されるギルモア針を使用して測定される初期および最終凝結時間によって特徴付けられる。最終凝結時間は、セメントベースの製品、例えばセメントボードが、十分に硬化して取り扱うことができる時間にも相当する。当業者は、最終凝結時間に達した後、硬化反応が長期間持続することを理解するであろう。

本発明はまた、上記の方法に従って製造される凝結発泡混合物を含む発泡セメント製品も提供する。

本発明はまた、
６５〜７５重量％の水硬性セメント質反応性粉末と、
０．０５〜１重量％、好ましくは０．１〜０．７重量％の起泡剤としての界面活性剤と、
０．１〜１．０重量％、好ましくは０．２〜０．３重量％の泡安定剤としてのポリビニルアルコールと、
クエン酸、クエン酸のアルカリ金属塩からなる群から選択される０．１〜０．５重量％の遅延剤と、
０．１５〜１．０重量％、好ましくは０．２〜０．５重量％の高流動化剤と、
骨材および充填材からなる群から選択される少なくとも１つの部材であって、水硬性セメント質反応性粉末に対する全骨材および充填材の重量比は０〜０．５：１、好ましくは０〜０．２５：１であり、セメント質発泡混合物の全ての骨材および充填材は、軽量非多孔質骨材および軽量非多孔質充填材のみであり、好ましくは骨材および充填材の少なくとも８０重量％が被覆パーライトであり、軽量非多孔質骨材および軽量非多孔質充填材は、４０ｌｂ／立方フィート以下の粒子密度を有し、軽量非多孔質骨材および軽量非多孔質充填材は、最大で０．１０の開放気孔率を有する、少なくとも１つの部材と、を含む凝結したセメント質発泡混合物を含むセメント製品を提供し、
製品は、５０〜２００μｍの範囲の直径を有する空気セルを有し、製品は、２０〜５５体積％、好ましくは３０〜５０体積％、より好ましくは３０〜４０体積％の空気セル体積含有率を有し、
水硬性セメント質反応性粉末は、水硬性セメント質反応性粉末の重量に対して、重量％で、
７５〜９５％、好ましくは８０〜９０％のポルトランドセメント、
０〜２１％、好ましくは５〜１０％の高アルミナセメント、
０〜１０％、好ましくは２〜５％の硫酸カルシウム、および
０〜２５％、好ましくは５〜２０％のポゾラン材料を含み、ポゾラン材料の好ましくは少なくとも５０重量％、より好ましくは少なくとも８０重量％がフライアッシュであり、
製品は、０．３〜０．５：１の水対水硬性セメント質反応性粉末の重量比で作製され、
製品は、４５〜６０ポンド／立方フィート、好ましくは４５〜５５ポンド／立方フィートの公称密度、および９０ポンド力を超える釘引抜強度値を有し、
製品は、凝結後７日目に測定されると、５００ｐｓｉ〜約５０００ｐｓｉ、好ましくは５００〜３０００ｐｓｉ、より好ましくは５００〜２０００ｐｓｉの圧縮強度を有する。

好ましくは、製品には、塩化カルシウム、ギ酸カルシウム、および硝酸カルシウムが存在しない。

発泡混合物およびセメント製品には、４０ｌｂ／立方フィートを超える粒子密度を有する骨材および充填材粒子が存在しない。また、発泡混合物およびセメント製品には、０．１０を超える開放気孔率を有する骨材および充填材粒子が存在しない。したがって、発泡混合物およびセメント製品は、水または他の水性媒体中で骨材および充填材粒子の体積の１０％を超える体積の水または水性媒体を細孔に吸収する骨材および充填材粒子が存在しない。

好ましくは、充填材または骨材は、存在する場合、０〜０．２：１のパーライト対水硬性セメント質反応性粉末の重量比で添加される被覆パーライトである。最も好ましくは、発泡混合物およびセメント製品には、パーライトまたは任意の他の充填材もしくは骨材が存在しない。

遅延剤、例えばクエン酸のアルカリ塩の添加は、セメント質スラリーの作業性を大幅に促進する。本発明の方法および組成物中にアルカリ金属クエン酸塩およびアルカリ金属ケイ酸塩を用いると、コンクリート混合物の早すぎる硬化をもたらす可能性がある硫酸アルミニウム等の他の促進剤とは逆に、混合流動性が改善される。

高流動化剤は、減水剤として作用する。

界面活性剤は、空気連行剤または起泡剤として作用する。

ポリビニルアルコールは、泡安定剤として作用する。

セメント質反応性粉末とはみなされないが、セメント質組成物全体の一部である他の添加剤も存在し得る。そのような他の添加剤は、凝結促進剤、凝結遅延剤、収縮抑制剤、スラリー粘度調整剤（増粘剤）、着色剤および内部硬化剤のうちの１つ以上を含み、本発明のセメント質組成物の加工性および用途に応じて所望のように含まれ得る。

本発明のセメント質組成物は、急速な最終凝結性能を高め、早期圧縮強度を向上させた。

成分
本方法の発泡スラリーおよび本発明の発泡セメント質混合物中の成分を、下の表Ａに列挙する。

泡沫水
好ましくは、空気泡は泡沫水として添加され、最も好ましくは、空気泡は泡沫水としてのみ添加される。好ましくは、発泡スラリー混合物は、０．０１〜０．０５：１．０の泡沫水とセメント質組成物との重量比を有する。表Ｂは、泡沫水中の成分および泡沫水に関するパラメータを開示する。

凝結および圧縮強度
組成物の凝結は、ＡＳＴＭ Ｃ２６６試験手順に規定されるギルモア針を使用して測定される初期および最終凝結時間によって特徴付けられる。コンクリートの床や道路の場合、最終凝結時間は、コンクリート製品、例えば、コンクリートパネルが十分に硬化して取り扱うまたは輸送することができる時間にも相当する。比較的より高い初期（３〜５時間）圧縮強度は、コンクリートが変形することなくより高い応力に耐えることができるため、コンクリート材料の利点となり得る。最終凝結時間に達した後、硬化反応が長期間続くことは、当業者に理解されるであろう。

組成物の初期強度は、ＡＳＴＭ Ｃ１０９に規定されるように、硬化の２４時間後または７日後の圧縮強度を測定することによって特徴付けられる。高い初期強度を達成することにより、積み重ねられたパネルの取り扱いが容易になる。

凝結したセメント質発泡混合物は、打設後７日目に測定されると、５００ｐｓｉ〜約５０００ｐｓｉ、好ましくは５００〜３０００ｐｓｉ、より好ましくは５００〜２０００ｐｓｉ、最も好ましくは６００〜１０００ｐｓｉの圧縮強度を有する。

好ましくは、凝結したセメント質発泡混合物は、打設後７日目に測定されると、６００〜１０００ｐｓｉの範囲の圧縮強度、および４５〜５５ｐｃｆの密度で９０〜１１５ｌｂｆの範囲の釘引抜強度を有する。最も好ましくは、凝結したセメント質発泡混合物は、打設後７日目に測定されると、６００〜９００ｐｓｉの範囲の圧縮強度、および４８〜５３ｐｃｆの密度で９０〜１１０ｌｂｆの範囲の釘引抜強度を有する。

水硬性セメント質組成物（反応性粉末）

表Ｃは、水硬性セメント質反応性粉末の成分を列挙する。表Ｃでは、いずれか１つ以上の好ましいまたはより好ましい特徴が、本発明の方法および組成物における広範な特徴と置き換えられてもよい。しかしながら、好ましくは、好ましい特徴が一緒に使用される。同様に、より好ましくは、より好ましい特徴が一緒に使用される。

本発明のセメント質組成物のセメント質反応性粉末の主成分は、ポルトランドセメントである。アルミン酸カルシウムセメント（ＣＡＣ）は、高アルミナセメントまたはアルミナセメントとしても知られている。

ポゾラン（ポゾラン材料）
ポゾランは、それ自体はセメントの価値を殆どまたは全く有しないが、微粉化形態においておよび水分の存在下で、常温で水酸化カルシウムと化学的に反応してセメント特性を有する化合物を生成するシリカ材料またはシリカ−アルミニウム材料である。水酸化カリウムおよび水と反応するポゾランの能力の定量化は、そのポゾラン活性を測定することによって得られる。ポゾラナは、火山起源の自然発生型ポゾランである。

好ましくは、ポゾラン材料の少なくとも５０重量％がフライアッシュであり、より好ましくはポゾラン材料の少なくとも８０重量％がフライアッシュである。Ｃ型フライアッシュは、概して石灰を含む。したがって、Ｃ型フライアッシュを用いる場合、水硬性セメント質組成物は、典型的には、外的に添加される石灰を含まない。好ましくは、フライアッシュの少なくとも半分がＣ型フライアッシュである。フライアッシュは、最も好ましくは少なくとも８０％のクラスＣフライアッシュである。

遅延剤
本発明において、遅延剤は、クエン酸ナトリウム、クエン酸カリウム、クエン酸、グルコン酸塩、およびそれらの混合物からなる群の少なくとも１つのメンバーである。好ましくは、遅延剤は、クエン酸ナトリウムまたはクエン酸カリウム等のクエン酸のアルカリ金属塩から選択される。遅延剤は、比較的良好な流動性を有する、あまり急速に硬化しない、すなわち、室温より高い温度で混合した後５〜１０分より速く硬化しない混合物を作製する一方で、良好な初期圧縮強度を達成する。

好ましいアルカリ金属クエン酸塩は、クエン酸カリウムおよびクエン酸ナトリウム、特にクエン酸三カリウム一水和物およびクエン酸三ナトリウム一水和物である。

凝結遅延剤
本発明の組成物中の構成成分としての凝結遅延剤の使用は任意選択である。遅延剤の主な機能は、スラリー混合物をあまり急速に硬化させないようにし、それによって異なる反応成分間の相乗的な物理的相互作用および化学反応を促進することである。

クエン酸、酒石酸、リンゴ酸、酢酸、ホウ酸等の従来の遅延剤は、これらの従来の凝結遅延剤の非存在下で、クエン酸のアルカリ金属塩、例えばクエン酸ナトリウムまたはクエン酸カリウムを使用することにより回避することができる。これは、良好な流動性および良好な凝結特性を提供し、コンクリートスラリーがあまりに急速に硬化するのを防止する。

凝結促進剤
任意選択的に、無機凝結促進剤が添加されてもよい。そのような無機凝結促進剤の例として、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、硝酸カルシウム、亜硝酸カルシウム、ギ酸カルシウム、酢酸カルシウム、塩化カルシウム、炭酸リチウム、硝酸リチウム、亜硝酸リチウム、硫酸アルミニウム、アルカノールアミン、ポリリン酸塩等が挙げられる。好ましい促進剤は、トリエタノールアミン、ジエタノールアミン、モノエタノールアミンおよびそれらの混合物からなる群から選択されるアルカノールアミンを含む。トリエタノールアミンが最も好ましい。

セメントボードの固定具の腐食が懸念される場合、水酸化カリウム、水酸化ナトリウムおよび塩化カルシウムの使用は避けるべきである。セメント質反応性粉末ブレンド１００重量部に対する無機凝結促進剤の重量比は、典型的には約１．０重量％未満、好ましくは約０．２５重量％未満である。これらの二次的な無機凝結促進剤は、単独でまたは組み合わせて使用することができる。

好ましくは、本発明の組成物および方法には、促進剤である水溶性カルシウム塩は存在せず、特に、塩化カルシウム、ギ酸カルシウム、および硝酸カルシウムは存在しない。「水溶性カルシウム塩」という用語は、２０℃で２ｇ／１００ｍｌを超える水への溶解度を有する塩として理解されたい。硫酸カルシウムは「水溶性カルシウム塩」ではない。

高流動化剤
減水剤（高流動化剤）が、本発明の組成物および方法において用いられる。

高性能減水剤としても知られている高流動化剤は、十分に分散した粒子懸濁液が必要な場合に使用される化学混和剤である。これらのポリマーは、粒子分離（砂利、粗砂および微細な砂）を回避し、本発明のスラリーの流動特性（レオロジー）を改善するための分散剤として使用される。本発明のスラリーにそれらを添加することにより、混合物の作業性に影響を与えずに、水セメント比の低下が可能となる。

高流動化剤は、含水量を約３０％減少させることができる減水剤の一種である。高流動化剤は、広く４つのグループに分類されている：スルホン化ナフタレンホルムアルデヒド縮合物（ＳＮＦ）（一般にナトリウム塩）、またはスルホン化メラミンホルムアルデヒド縮合物（ＳＭＦ）、修飾されたリグノスルホネート（ＭＬＳ）、およびその他。より最近の高流動化剤は、ポリアクリレートポリマー等のポリカルボキシル化合物を含む。高流動化剤は、好ましくは、グラフト鎖としてのポリエチレングリコール、およびポリカルボン酸エーテル等のカルボン酸官能基を主鎖に有する共重合体である。ポリカルボキシレート−ポリスルホン酸ナトリウムおよびポリアクリル酸ナトリウムも使用することができる。

好ましくは、本発明による発泡コンクリートは、ＰＣＥ高流動化剤を含む。「ＰＣＥ」という用語は、ポリカルボキシレートエーテル系高流動化剤として本発明に従って理解されるべきである。そのような化学物質は、セメント粒子の陽イオン種を錯化し、静電反発力による分散を可能にする負電荷を提供するため、セメントペーストにおける著しい水分減少を可能にする。これらは、参照により組み込まれるＬｉｕらに対する米国特許第７，７６７，０１９号に開示されているようなポリカルボキシレート分散剤ポリマーを含み得る。

本発明の発泡コンクリートは、好ましくは消泡剤を含まない。市販の高流動化剤の中には、消泡剤を含有する可能性があり、本発明における使用には適さないものもあり得る。

空気連行剤
現場で空気泡（泡沫）を形成するために、１つ以上の空気連行剤（液体起泡剤としても知られている）が本発明のセメント質スラリーに添加される。空気連行剤は、典型的には、コンクリート中に微視的な空気泡を意図的に捕捉するために使用される界面活性剤である。あるいは、空気連行剤は、製品の密度を低下させるために、混合操作中に本発明の組成物の混合物に導入される泡沫（泡沫水）を外的に生成するために用いられる。典型的には、泡沫を外的に生成するためには、空気連行剤、空気および水を混合して、適切な泡沫発生装置において泡沫を形成する。

泡沫がセメント質スラリーに添加される前に、ポリビニルアルコール（ＰＶＯＨ）を泡安定剤として泡沫に添加することができる。好ましくは、ＰＶＯＨが添加される。

空気連行剤は、一般に石鹸としても知られている界面活性剤である。好ましい空気連行剤は、αオレフィン気相スルホン化および連続中和によって処理されたアニオン性界面活性剤の一種であるαオレフィンスルホン酸塩（ＡＯＳ）である。適切な空気連行剤／起泡剤の他の例として、特に、アルキルスルホネート、アルキルベンゾルフルフォネートおよびアルキルエーテルスルフェートオリゴマーが挙げられる。これらの起泡剤の一般式の詳細は、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第５，６４３，５１０号に見出すことができる。

ＡＳＴＭ Ｃ ２６０“Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ａｉｒ−Ｅｎｔｒａｉｎｉｎｇ Ａｄｍｉｘｔｕｒｅｓ ｆｏｒ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ”（２００６年８月１日）に記載されるような規格に準拠する空気連行剤（起泡剤）が用いられ得る。そのような空気連行剤は、当業者に周知であり、Ｋｏｓｍａｔｋａらの“Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｍｉｘｔｕｒｅｓ，“Ｆｏｕｒｔｅｅｎｔｈ Ｅｄｉｔｉｏｎ，Ｐｏｒｔｌａｎｄ Ｃｅｍｅｎｔ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ、特に第８章の標題”Ａｉｒ Ｅｎｔｒａｉｎｅｄ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ”（米国特許出願公開第２００７／００７９７３３Ａ１号に引用）に記載されている。商業的に入手可能な空気連行性材料として、ヴィンソル樹脂、スルホン化炭化水素、脂肪酸および樹脂酸、脂肪族置換アリールスルホン酸塩、例えば、スルホン化リグニン塩および通常アニオン性または非イオン性界面活性剤の形態を取る他の界面活性剤量、アビエチン酸ナトリウム、飽和または不飽和脂肪酸およびその塩、テンサイド、アルキル−アリール−スルホネート、フェノールエトキシレート、リグノスルホン酸塩、樹脂石鹸、ヒドロキシステアリン酸ナトリウム、ラウリル硫酸、ＡＢＳ（アルキルベンゼンスルホネート）、ＬＡＳ（直鎖アルキルベンゼンスルホネート）、アルカンスルホネート、ポリオキシエチレンアルキル（フェニル）エーテル、ポリオキシエチレンアルキル（フェニル）エーテル硫酸エステルまたはその塩、ポリオキシエチレンアルキル（フェニル）エーテルリン酸エステルまたはその塩、タンパク質様材料、アルケニルスルホコハク酸塩、αオレフィンスルホン酸塩、αオレフィンスルホン酸塩のナトリウム塩、またはラウリル硫酸ナトリウムもしくはラウリルスルホン酸ナトリウムおよびそれらの混合物が挙げられる。好ましい起泡剤は、αオレフィンスルホン酸塩およびラウリルエトキシ硫酸ナトリウム、すなわちポリプロポキシ−ポリエトキシ−デシル硫酸ナトリウム（分子式Ｃ_１０Ｈ_２２−Ｏ（Ｃ_３Ｈ_６−ＯＣ_２Ｈ_４−Ｏ）_ｘ−Ｈ_２ＳＯ_４−Ｎａ）である。

その他の化学添加剤
必要であれば、収縮抑制剤、着色剤、粘度調整剤（増粘剤）および内部硬化剤等の他の化学混和剤が、本発明の組成物に添加されてもよい。

骨材および充填材
任意選択的に、本発明の組成物は、軽量非多孔質骨材または充填材も含む。

本発明の発泡混合物およびセメント製品は、０〜０．５：１、好ましくは０〜０．２５：１、より好ましくは０：１の水硬性セメント質反応性粉末に対する全不活性軽量非多孔質骨材および非多孔質充填材（好ましくは被覆パーライト）の重量比を有する。しかしながら、本発明の望ましい組成物はまた、０．０５〜０．２５：１．０の水硬性セメント質反応性粉末に対する全不活性軽量非多孔質骨材および非多孔質充填材（好ましくは被覆パーライト）の重量比を有する。

骨材および充填材は、最大４０ポンド／立方フィート、好ましくは最大３０ポンド／立方フィートの粒子密度を有する軽量骨材および充填材である。骨材および充填材の粒子密度は、水硬性セメントの比重を求めるためのＬｅ Ｃｈａｔｌｉｅｒ Ｆｌａｓｋ法を用いて適切に測定される。対照的に、後述するように、充填材および骨材の現場密度は、泡沫を使用せずに、種々のセメント質粉末バインダーおよび全ての液体を混合することによって測定される。混合物の湿潤密度、およびポルトランドセメント、水等の他の成分の既知の密度は、全ての成分に関する情報を含むスプレッドシートを使用して物質収支を行うことにより、充填材および骨材の現場密度を決定するために用いられる。

しかしながら、コンクリート混合物中に入れたときの多孔質軽量骨材および充填材の現場密度は、初期かさ密度の３倍程度になり得る。そのような多孔質軽量骨材および充填材は、本発明には不適当である。これらの軽量骨材および充填材を用いて重量を減少させる能力は、骨材の高い開放気孔率のために制限される。さらに、骨材および充填材によって吸収されたセメント混合物および水は、コンクリートの表面に移動し、硬化速度の遅延、およびコンクリートの変色をもたらす可能性がある。さらに、混合成分および混合物の作業性は、セメント質ユニットの一貫した形状を維持するための重要なパラメータである。高度に多孔性の骨材および充填材は、水セメント比の低下において良好な作業性を維持する能力を制限し、それが高い圧縮強度を有する混合物を開発する能力を制限する。

したがって、本発明で用いられる骨材または充填材は閉鎖気孔率を有し、それは０．１０未満の開放気孔率、好ましくは０．０５未満の開放気孔率、より好ましくは０．０２未満の開放気孔率、最も好ましくは約０の開放気孔率を意味する。所望の開放気孔率の範囲は０．０５〜０．０２である。開放気孔率は、粒子表面から到達可能な空隙スペースの総量である「到達可能な空隙」を意味する。用語「開放気孔率」については、後により詳細に説明する。

本明細書の目的のために、充填材は、軽量充填材であるパーライト等の微細な粒状材料（直径＜５ｍｍのサイズの粒子）である。骨材という用語は、比較的大きな粒子（直径＞５ｍｍかつ最大数インチのサイズの粒子）を有する充填材を意味する。好ましくは、存在する場合、骨材および充填材の少なくとも８０重量％は被覆パーライトである。充填材および骨材はどちらも不活性である。

本発明は、粘土、頁岩、またはスレートの膨張形態等の材料から製造され、粒子の外面を密封してセメント質スラリーが骨材粒子中に浸透するのを防止する閉鎖気孔率を有する粒子を生じさせる特別なプロセスによって製造される、軽量骨材を使用する。しかしながら、それらが閉鎖気孔率を有するように製造される場合、バーミキュライトおよび被覆パーライトが代替品として使用されてもよい。使用可能な軽量骨材および充填材の他の例として、中空セラミック球、中空プラスチック球、発泡プラスチックビーズ等が含まれる。セメントボードを製造するために、膨張粘土および頁岩骨材が特に有用である。発泡プラスチックビーズおよび中空プラスチック球は、組成物中に使用される場合、それらのかさ密度が極めて低いため、重量ベースではごく微量が必要とされる。

炭酸カルシウム、バーミキュライト、および粉砕雲母等の鉱物添加物もまた、任意選択の鉱物充填材として含まれてもよい。

好ましくは、充填材または骨材は、存在する場合、０〜０．２：１のパーライト対水硬性セメント質反応性粉末の重量比で添加される被覆パーライトである。最も好ましくは、本発明の発泡混合物およびセメント製品には、パーライトまたは任意の他の充填材もしくは骨材が存在しない。しかしながら、本発明の望ましい発泡混合物およびセメント製品は、０．０５〜０．２：１．０の被覆パーライト対水硬性セメント質反応性粉末の重量比を有する。パーライトは、好ましくは、直径２０〜６０ミクロンの中央粒径を有する粒子からなる。好ましくは、それは０．３０ｇ／ｃｃ未満の粒子密度を有する。被覆パーライトは、パーライトの粒子の内部細孔への水の吸収を防ぐために、シラン、シロキサン、シリコーンまたはそれらの混合物のコーティング等のコーティングを有する。したがって、それは０．１０未満の開放気孔率、好ましくは０．０５未満の開放気孔率、より好ましくは０．０２未満の開放気孔率、最も好ましくはゼロを達成する。望ましい気孔率は０．０５〜０．０２である。参照により組み込まれるＳｔｒｕｓｓに対する米国特許第４，６５７，５９４号は、アミノ官能性シロキサンおよびシリコーン湿潤剤で被覆されたパーライトの例を記載している。

したがって、発泡混合物およびセメント製品には、４０ｌｂ／立方フィートを超える粒子密度を有する骨材および充填材粒子が存在しない。また、発泡混合物およびセメント製品には、０．１０を超える粒子（開放）気孔率を有する骨材および充填材粒子が存在しない。したがって、水性媒体、例えば、水または水性スラリー中で試験した場合、発泡混合物およびセメント製品には、粒子の体積の１０％を超える体積の水性媒体を細孔内に吸収する骨材および充填材粒子が存在しない。好ましくは、発泡混合物およびセメント製品には、３０ｌｂ／立方フィートを超える粒子密度および０．０５を超える粒子（開放）気孔率を有する骨材および充填材粒子が存在しない。

開放気孔率
本発明に用いられる充填材または骨材は、開口を有する。本明細書の目的のために、材料（充填材または骨材等）の開放気孔率は、空隙が、例えば、空気または水を含有し得る、表面に開いた材料の空隙スペースの割合を表す。開放気孔率は、比によって定義される：

開放気孔率は、周囲のスラリーまたはスラリーの任意の部分を受け取るために利用可能な、表面に開いた細孔を表す。

本発明のスラリー中の骨材の粒子の現場密度は、周囲のスラリー内の骨材粒子の密度である。骨材粒子の現場密度は、最終混合物を形成するために泡沫を使用せずにセメント質粉末バインダー成分および全ての液体を混合することによって測定される。混合物の湿潤（水を含む）密度（最終混合物密度としても知られている）は既知である。また、骨材を除いて、ポルトランドセメント、水等の他の全ての成分の密度が既知である。これらの既知の密度は、使用される全ての成分に関する情報を含むスプレッドシートを使用して物質収支を行うことにより、骨材の現場密度を決定するために使用される。

最終混合物密度は、既知の量のセメント、液体、および骨材を用いて既知の体積を満たすことによって測定される。骨材の密度を除く全ての成分の密度は既知である。したがって、例えば、以下のように導かれた式ＩＶを使用して、この測定値から骨材の現場密度（Ｄ_ａ）が推定される。
Ｗ_ｔ＝Ｗ_ｃ＋Ｗ_ａ＋Ｗ_ｌ 式Ｉ
Ｄ_ｔ×Ｖ_ｔ＝Ｄ_ｃ×Ｖ_ｃ＋Ｄ_ａ×Ｖ_ａ＋Ｄ_ｌ×Ｖ_ｌ 式ＩＩ
Ｄ_ａ×Ｖ_ａ＝（Ｄ_ｔ×Ｖ_ｔ）−［（Ｄ_ｃ×Ｖ_ｃ）＋（Ｄ_ｌ×Ｖ_ｌ）］ 式ＩＩＩ
Ｄ_ａ＝｛（Ｄ_ｔ×Ｖ_ｔ）−［（Ｄ_ｃ×Ｖ_ｃ）＋（Ｄ_ｌｘＶ_ｌ）］｝／Ｖ_ａ 式ＩＶ

以下は、以下の既知の値を使用してＤ_ａ＝骨材の現場密度を計算するための例である：
Ｗ_ｔ＝総混合物重量＝４２４５ｇ
Ｗ_ｃ＝セメント重量＝２０９１ｇ
Ｗ_ａ＝骨材重量＝９４１ｇ
Ｗ_１＝液体重量＝１２１３ｇ
Ｄ_ｔ＝総混合物密度＝１０５ポンド／立方フィート（ｐｃｆ）（１．６８ｇｍ／ｃｍ^３）
Ｖ_ｔ＝総混合物体積＝４２４５ｌｂ／１０５ポンド／立方フィート＝４０．４２立方フィート＝１００％
Ｄ_ｃ＝水硬性セメントの比重を求めるためのＬｅ Ｃｈａｔｌｉｅｒ Ｆｌａｓｋ法を用いて測定されるセメント粒子密度＝１９６．６ｐｃｆ（３．１５ｇｍ／ｃｍ^３）
Ｖ_ｃ＝セメント粒子体積＝２６．３％
Ｖ_ａ＝骨材粒子体積＝２５．８％
Ｄ_ｌ＝液体密度＝６２．４ｐｃｆ（１ｇｍ／ｃｍ^３）
Ｖ_ｌ＝液体体積＝４７．９％
Ｄ_ａ＝骨材現場密度（未知）
Ｄ_ａ＝｛Ｄ_ｔ×Ｖ_ｔ−［（Ｄ_ｃ×Ｖ_ｃ）＋（Ｄ_ｌ×Ｖ_ｌ）］｝／Ｖ_ａ

これは、以下の式ＶＩに単純化される。
Ｄ_ａ＝Ｗ_ａ／［（Ｗ_ｔｘ６２．４／Ｄ_ｔ）−（Ｖ_ｃ＋Ｖ_ｌ）］ 式（ＶＩ）
Ｄ_ａ＝９４１／［（２６４８８８／１０５）−１８７７］＝１．５ｇ／ｃｃ

１．５ｇ／ｃｃのＤａを有するこの骨材は、本発明で使用するには重すぎる。下の表Ｄは、被覆パーライトの現場密度を計算するための試験のために、被覆パーライトを含む本発明のスラリー混合物のパラメータの値を示す。

現場密度計算のためのパラメータを測定するステップ：
１．ポルトランドセメントおよびパーライトをバッチ処理し、慎重にビニール袋に入れ、粉末が均質になるまで振盪する。
２．混合用ボウルに固体を添加する。
３．水を秤量する。
４．Ｈｏｂａｒｔミキサーで低速（１番）（約２０秒）で混合しながら固体に液体を添加する。
５．ミキサーを停止し、中速（２番）まで速度を上げ、約４０秒間混合する（液体を添加してから合計で１分の混合時間）。
６．スラリー密度の測定に使用したのと同様のカップに混合物を注ぎ入れる。
７．式ＶＩＩに従ってスラリー密度を用いてパーライトの現場密度（Ｄ_ａ）を決定する。
Ｄ_ａ＝１００／［（８９４１９／スラリー密度）−７６４］＝０．２５ｇ／ｃｃ＝１５．６ｐｃｆ 式ＶＩＩ

密度が所望の範囲内にある骨材の第２の例は、以下の通りである。使用した骨材の量は３１５グラムであり、測定された混合スラリー密度は９５．０ｐｃｆであった。したがって、骨材の現場密度（Ｄ_ａ）は、式ＶＩＩＩに従って以下のようになる。
Ｄ_ａ＝３１５／［（２２５，８２５／スラリー密度）−１８７７］＝０．６２ｇ／ｃｃ＝３９ｐｃｆ 式ＶＩＩＩ

初期スラリー温度
本開示の目的のために、初期の高いスラリー温度は、水およびセメント質反応性粉末を混合した後の最初の１分間の温度である。初期のスラリー温度は、約６８°Ｆ（２０℃）〜１１５°Ｆ（４１．１℃）であるべきである。３８℃〜４１℃の範囲のスラリー温度は凝結時間が短いため好ましい。一般に、この範囲内でスラリーの初期温度を上昇させると、反応が進行するにつれて温度上昇率が増加し、凝結時間が短縮される。

当業者には理解されるように、初期スラリー温度を達成することは、１つより多くの方法によって達成され得る。おそらく最も便利な方法は、スラリーの構成成分の１つ以上を加熱することであろう。実施例において、本発明者らは、乾燥反応性粉末および非反応性固体に添加したときに得られるスラリーが所望の温度になるような温度まで加熱した水を供給した。あるいは、必要であれば、周囲温度より高い温度で固体が供給されてもよい。蒸気を使用してスラリーに熱を供給することは、採用することができる別の可能な方法である。

潜在的に緩徐ではあるが、スラリーを６８°Ｆ（２０℃）〜７８°Ｆ（２５．６℃）で調製し、急速に（例えば、約１０、５、２または１分以内に）加熱して温度を約９０°Ｆ（３２．２℃）以上（または上記の他の範囲のいずれか）まで上昇させることもでき、なおも本発明の利点が達成される。

セメント質スラリーに空気を導入する方法
本発明のセメント質スラリーに空気を連行させるための好ましい方法は以下の通りである。

泡沫を泡沫水として現場外で調製し、泡沫水をポルトランドセメントバインダーとブレンドした。ポルトランドセメントスラリーにブレンドする間に気泡が崩壊するのを防ぐために、泡安定剤として起泡剤およびポリビニルアルコール（ＰＶＯＨ）のブレンドを使用することが有益であった。好ましい起泡剤は、長炭素鎖（Ｃ_１２−Ｃ_１６）でできた安定な石鹸、最も好ましくはαオレフィンスルホン酸塩（ＡＯＳ）石鹸であり、混合中に反応が起こっているときの望ましくないアンモニア臭を防止するためにアンモニアを含有しない。ＰＶＯＨの添加は、安定剤として作用し、発泡フライアッシュバインダーの泡安定性およびセルの完全性にとって重要であると考えられる。

本発明は、スラリー混合物中で泡沫を形成する必要がなく、または、セメント質スラリー混合物中で現場発泡と以前に呼ばれていたものの必要がない。その代わりに、本発明はスラリーミキサーに供給される。好ましくは、泡沫は泡沫水として現場外で作製され、スラリーに添加される。

セメントボード等のプレキャストコンクリート製品の製造
セメントボード等のプレキャストコンクリート製品は、反応性粉末を骨材、充填材および他の必要な成分と混合した後、混合物を型枠に入れる直前、または連続的な打設および成形用のベルト上に配置する直前に、水および他の化学添加剤を添加する連続プロセスにおいて最も効率的に製造される。

セメント質混合物の急凝結特性に起因して、セメント質ブレンドの乾燥成分の水および空気との混合は、通常、打設操作の直前に行われることを理解されたい。アルカリアルミノケイ酸塩水和物および／またはアルミノケイ酸塩の他の水和物および／またはカルシウムアルミノケイ酸塩化合物の形成の結果として、コンクリート製品は硬くなり、さらなる硬化のために切断、取り扱いおよび積み重ねが可能となる。

本発明の魅力的な特徴は、例えば、図１Ｂに図式的に示すような既存のセメントボード製造ラインにおいて、本発明の発泡セメント質混合物を利用して図１Ａのセメント質ボード１０を製造することができることである。

セメント質コア１２が形成される乾燥成分（図示せず）は、予備混合され、次いで、一般的にミキサー３０と称される種類のミキサーに供給される。コアの作製に使用される水および他の液体構成成分（図示せず）が、ミキサー３０に計量供給され、乾燥成分と混合されて水性セメント質スラリー２８を形成する。泡沫は、通常、得られるセメント質コア１２の密度を制御するためにミキサー３０内のスラリーに添加される。

トップコートされたガラス繊維布３２のシートが上部ガラス繊維ロール２９からセメント質スラリー２８の上部に供給され、それによって２つの移動する布の間にスラリーを挟み込み、セメント質スラリー２８から形成されるセメント質コア１２の仕上げ面を形成する。セメント質スラリー２８が挟まれた下部および上部のガラス布２２および３２は、上側および下側の形成または成形ロール３４および３６の間のニップに進入し、その後コンベヤベルト３８上に受け取られる。従来の壁板エッジガイドデバイス４０は、スラリーがその形状を保持するのに十分に凝結するまで、複合材料のエッジを成形し、維持する。連続した長さの板をウォーターナイフ４４によって切断する。次に、セメント質ボード１０をフィーダーロール４６に沿って移動させて、それを凝結させる。追加の噴霧器４９を設けて、シリコーンオイル、追加のコーティング、または難燃剤等のさらなる処理を板の外側に添加することができる。

以下の実施例は、水硬性セメント質反応性粉末の構成成分として、ポルトランドセメント、クラスＣフライアッシュ、および硫酸カルシウム二水和物（粉末石膏）を用いる。

種々の起泡剤（界面活性剤）と組み合わせてポリビニルアルコール（ＰＶＯＨ）等の泡安定剤を使用することの効果を調べた。ＰＶＯＨ溶液（濃度０．２５％〜最大３％）の添加および（泡沫水の重量の）１％〜最大１０％の界面活性剤の添加を用いて予備形成された泡沫を作製し、それをセメント質混合物に添加した。セメント質の泡は、軽量骨材を使用せずに作製することができる。データは、水セメント比を低下させることによって、より少ない量のパーライト等の軽量充填材が使用され得ることを示し、その充填材は、より高い水セメント比を必要とするより多くのパーライトを含む混合物と比較して同様の圧縮強度を有することが判明した。これにより、所望の圧縮強度を達成するためにパーライトの使用が必要ではないことが示された。

本発明の研究では、軽量骨材を排除し、水セメント比を低下させ、水性の安定な発泡系を使用することによって、所望の圧縮強度および釘引抜性能が思いがけず達成された。泡安定性は、肉眼で打設物を調べることによって、気泡の相対的なサイズにより最初に評価された。

これらの実施例で使用した原材料および成分は以下の通りであった：
硫酸カルシウム二水和物の供給源としての粉末石膏
タイプＩＩＩポルトランドセメント
クラスＣフライアッシュ
実施例１および必要であれば他の実施例の膨張粘土骨材
０．０５未満の気孔率を有する被覆パーライト
クエン酸ナトリウム（クエン酸三ナトリウム一水和物）
トリメタリン酸ナトリウム（ＳＴＭＰ）
高流動化剤ポリカルボキシレート（４０％溶液）

実施例１のαオレフィンスルホン酸塩（ＡＯＳ）石鹸またはそれぞれの実施例に示される他の界面活性剤、例えば、ラウリルエトキシ硫酸ナトリウム（ＳＬＳ）界面活性剤。この実施例では、３つの異なるＡＯＳ石鹸を使用した。これらは界面活性剤であり、ＡＯＳ１（２０〜２５％のブチルジグリコール、７〜１５％のラウリルエーテル硫酸ナトリウム、３〜５％のアルコールＣ１０〜Ｃ１６）、アンモニウムＣ１０−Ｃ１２アルコールエーテル硫酸塩であるＡＯＳ２石鹸、Ｃ１４−１６オレフィンスルホン酸ナトリウムであるＡＯＳ３と表された。いくつかの実施例は、起泡剤としてラウリルエトキシ硫酸ナトリウム、すなわちポリプロポキシ−ポリエトキシ−デシル硫酸ナトリウム（分子式Ｃ_１０Ｈ_２２−Ｏ（Ｃ_３Ｈ_６−ＯＣ_２Ｈ_４−Ｏ）_ｘ−Ｈ_２ＳＯ_４−Ｎａ）を使用する。

ＰＶＯＨが完全に溶解するまで温水（５０〜８０℃）を用いてＰＶＯＨ溶液（濃度２〜５％）を最初に調製した。ＰＶＯＨ溶液を室温に到達させ、次いで、界面活性剤石鹸（８％の石鹸溶液）を添加し、標準的な混合手順を用いてポルトランドセメント／クエン酸ナトリウム／水スラリーとブレンドする前に発泡させた。実施例１で使用した界面活性剤はＡＯＳ３石鹸であった。

発泡液を曝気して所望の泡量の泡沫水を生成することにより泡沫を生成し、ＨＯＢＡＲＴミキサーを使用してセメント質混合物に添加した。混合物は、温度７５°Ｆおよび相対湿度５０％に管理された実験室で作製された。立方体試供体および実験パネルは、試験時まで温度９０°Ｆおよび相対湿度９０％に管理された室内に配置した。

混和剤中の泡沫水および液体を用いて水セメント比を計算した。セメント質バインダーは、ポルトランドセメントタイプＩＩＩ、フライアッシュおよび石膏のブレンドからなり、混合物の密度が変化するにつれてそれらの比を一定に維持した。同様に、現在セメントボードプロセスに添加されている他の混和剤、例えば、トリエタノールアミン、クエン酸ナトリウム（Ｋ_３Ｃ_３Ｈ_５Ｏ（ＣＯ_２）_３）およびトリメタリン酸ナトリウム（ＮａＰＯ_３）_３も、密度が変化するにつれて一定に維持された。加えて、混合物は、ポリカルボキシレートエーテル（ＰＣＥ）ベースの高流動化剤を含有していた。種々の量の膨張粘土骨材、パーライト、および水の影響を評価した。各実験セットについての詳細な配合は、以下の項に含まれる。表１は、試験中に使用されたセメントの化学分析を含む。表２は、略語を示す。

以下のパラメータを測定した：
１．スラリー密度の関数としての７日後の圧縮強度。試供体サイズは２インチ×２インチ×２インチであった。
２．硬化の１４日後のパネルの釘引抜強度。

立方体圧縮強度手順
温度７３°Ｆ（２３℃）および相対湿度５０％に管理された室内で、ＨＯＢＡＲＴ Ｎ５０ ５Ｑｔミキサーを使用して混合物を調製し、立方体試供体を打設した。予備形成した泡沫をセメントおよび混和剤に添加する前に、ＨＡＭＩＬＴＯＮ ＢＥＡＣＨミキサーを使用して必要量の泡沫水および界面活性剤（起泡剤）を曝気することにより各混合物のための泡沫を形成した。泡沫を調製しながら、セメントおよび混和剤を含む液体を同時に混合した後、ＨＯＢＡＲＴミキサーで泡立たせて両方ともさらに均質化した。この混合プロセスの後、立方体の型枠に注ぎ入れた混合物を、湿らせたタオルの入った密封ビニール袋の中に入れ、試験時間まで７日間、温度９０°Ｆ（３２℃）および相対湿度９０％に管理された部屋に移した。立方体を粉砕するのに必要な最大荷重は、ＡＳＴＭ Ｃ１０９手順により規定された負荷率を満たすようにプログラムされたＳＡＴＥＣ ＵＴＣ １２０ＨＶＬ圧縮機を用いて測定した。報告された各混合物について報告された圧縮強度は、６つの立方体の平均の結果であった。特定の密度範囲内の圧縮強度挙動を特徴付けることができるように、各配合物について、種々の密度を有する一連の混合物を試験する。この理由から、グラフィックスプログラムを使用したラインフィットを用いて、混合物密度の関数としての圧縮強度のラインフィットおよび方程式を決定した。このようにして、特定の密度を有する混合物の圧縮強度を推定することができる。

パネル釘引抜強度試験手順
最上級のＨＯＢＡＲＴ ＬＥＧＡＣＹ ＨＬ１２０ １２クォートミキサーを使用して実験パネルを調製した。湿潤スラリーの密度は、決定されたサイズ（約５５６ｃｃ）のプラスチックカップで測定された。実験パネルは、３フィート×１フィートの型枠で、１／２インチの標的厚さで作製した。パネルを包み、温度９０°Ｆ（３２℃）および相対湿度９０％に管理された室内で１４日間硬化させた。硬化後、パネルサンプルを４インチ×４インチに切断した。各個々のパネルサンプルの硬化密度は、各試供体の厚さ、幅、長さおよび乾燥／湿潤重量を測定することにより測定した。測定された釘引抜強度値と一緒に、各寸法パラメータが各試供体について報告された。

釘引抜強度試験手順は、ＡＳＴＭ Ｄ１０３７に従った。目標は、少なくとも９０ｌｂｆの釘引抜強度を有し、壁アセンブリに使用できる、または高湿度条件下で性能を発揮し得るタイル基材として使用できるパネルを生成する配合を有することであった。

実施例１
本発明の混合物を評価することの目的は、パーライト含有量を増加させることによって泡量を減少させることが圧縮強度を高めることにつながるかどうかを見出すことであった。表３および表４に含まれる混合比を、種々のパーライト／セメント比を有する混合物の密度の関数としての圧縮強度を調べる目的でこの実施例に使用した。図１Ｃは、密度範囲の下限で得られたデータ点のグラフを示す。各データ点は、６つの立方体試供体の平均である。グラフィックスプログラムを使用して各データセットのラインフィットを推定し、０．１５：１のパーライト対セメント重量比を有する混合物を表３に、０．１２：１および０．０８：１のパーライト対セメント重量比を有する混合物を表４に含めた。

図１Ｃは、種々のパーライト：セメント重量比の混合物について圧縮強度データをまとめたものである。これは、パーライトの増加が圧縮強度を高めることはできないことを示している。種々のパーライト比を有する混合物は、密度の関数としての立方体圧縮強度応答がパーライト含有量とは無関係であるように見えるという点において同様の挙動を示す。パーライトを増加させた混合物はより高い水セメント比を有するため、パーライトを添加することの利点が含水量増加の必要性によって低減されてこの挙動が得られると理論付けられる。

表３は、０．１２：１のパーライト対セメント比を有し、起泡剤としてＡＯＳ（αオレフィンスルホン酸塩）石鹸を使用した図１Ｃに含まれる混合物に関する実施例１のデータを示す（この実施例および本明細書の他の実施例の組成物の表における全ての量は、別途指定のない限りグラムで示される）。この実施例のＡＯＳ石鹸はＡＯＳ３と表される。

表４は、０．１５：１のパーライト対セメント重量比を有する図１Ｃに含まれる混合物（混合物１〜３）、および０．０８：１のパーライト対セメント重量比を有する混合物（混合物４〜６）に関する実施例１のデータを示す。この表および他の表において、Ｗ／Ｃは水セメント重量比である。

実施例２
この実施例に使用した種々の骨材対セメント（Ａ／Ｃ）重量比を有する混合比を、膨張粘土骨材含有量が混合物密度の関数としての圧縮強度に及ぼす影響を評価するために使用した。表４（混合物４〜６）は、Ａ／Ｃ＝０．４：１の実施例１の試供体に関する混合比およびデータの概要を含む。表５および表６は、それぞれ、Ａ／Ｃ＝０．７０：１およびＡ／Ｃ＝０：１の実施例２の混合物に関する同じデータを含む。図２は、種々の骨材対セメント（Ａ／Ｃ）重量比を有する混合物について密度の関数としての圧縮強度を示す。これは、これらの混合物の強度対密度応答、および各データセットのラインフィットを含む。

データは、Ａ／Ｃ＝０．４：１からＡ／Ｃ＝０．７：１に膨張粘土骨材を増加させると、圧縮強度が低下した混合物がもたらされることを示している。膨張粘土骨材の開放気孔性がセメント／水バインダーの吸収を可能にし、それによって膨張粘土骨材の現場密度の増加がもたらされると理論付けられる。周囲のセメント質バインダーを吸収するこの傾向は、密度を低下させる上で非効率性を引き起こし、次いで、気泡を覆うのに足りないセメントレベルでより多くの泡沫の使用を必要とする。最終結果は、膨張粘土骨材の含有量を増加させた混合物は、比較的低い密度で所望の圧縮強度を満たすことができないということである。

密度が低下するにつれて強度を改善し、少なくとも６００ｐｓｉの圧縮強度を達成しようとする中で、本発明者は、骨材対セメント重量比Ａ／Ｃ＝０：１の混合物のためには、表６に要約されたデータによって示されるように粘土骨材を含まない混合物を使用することが望ましいことを発見した。ポリビニルアルコール（ＰＶＯＨ）を含む溶液を、軽量骨材を含まないこれらの混合物に添加して泡沫を作製した。これは、泡安定性を高め、泡沫がセメント質バインダーに添加されたときに壊れない小さな微小気泡を有する泡沫を作製するために行われた。

泡沫水は２重量％のＰＶＯＨを有していた。

実施例３
次の一連の混合物は、膨張性の軽量骨材を使用せずに、種々の起泡剤と予備混合したＰＶＯＨ（２％）溶液のブレンドを使用して作製し、次いで、曝気して必要量の泡沫を形成し、様々な密度の立方体試供体を得た。次いで、温度９０°Ｆおよび相対湿度９０％に管理された室内で、立方体試供体を７日間硬化させた。表６は、起泡剤としてラウリルエトキシ硫酸ナトリウム（ＳＬＳ）界面活性剤を使用したＡ／Ｃ＝０：１の混合物の割合を含む。

最初に、この実施例では、ＡＯＳ１石鹸を用いた混合物とＳＬＳ石鹸を用いた混合物を比較した。表７は、ＡＯＳ１起泡剤を用いたシリーズについて得られた混合比およびデータを含む。表８は、ＳＬＳ石鹸起泡剤を用いたシリーズについての混合比およびデータの概要を含む。図３Ａは、膨張粘土軽量骨材を含まない起泡剤としてＰＶＯＨ／ＳＬＳのブレンドを使用した混合物と比較して、ＰＶＯＨ／ＡＯＳ起泡剤のブレンドを使用してこれらの発泡セメント混合物について測定された圧縮強度の概要を示す。図３は、両方の起泡剤を用いた一連の混合物について、５０ｐｃｆの密度を有する混合物で７００〜８００ｐｓｉの範囲の同様の圧縮強度を示した。

しかしながら、図３Ａに含まれるデータは、立方体試供体の密度が増加するにつれて、ラウリルエトキシ硫酸ナトリウム石鹸起泡剤との混合物が、ＡＯＳ１石鹸との混合物と比較して比較的高い圧縮強度を測定したことを示した。

ＰＶＯＨを純水で置き換え、ＡＯＳ１石鹸またはＳＬＳ石鹸を単独の起泡剤として使用した混合物についても同様の比較を行った。混合比および立方体圧縮強度のデータは、表９および表１０に含まれ、図３Ｂに要約されている。したがって、図３Ｂは、起泡剤としてＳＬＳを使用した混合物と比較して、ＡＯＳ１を用いたＰＶＯＨを含まない混合物の圧縮強度の概要を示す。この場合も同様に、５０ｐｃｆでの平均圧縮強度が約９８０ｐｓｉであるＳＬＳ石鹸との混合物が、同じ５０ｐｃｆの密度で約７６０ｐｓｉの平均圧縮強度が測定されたＡＯＳ石鹸との混合物と比較して著しく良好な性能を発揮したことが示された。

この実施例でも、ＰＶＯＨ泡安定剤を含有し、ＡＯＳ２またはＡＯＳ３と同定された他の２つのαオレインスルホン酸塩（ＡＯＳ）石鹸で発泡させた、軽量骨材を含まない提案される配合物について調べた。ＡＯＳ２石鹸（界面活性剤）は、アンモニウムＣ１０−Ｃ１２アルコールエーテル硫酸塩であり、ＡＯＳ３は、Ｃ１４−１６オレフィンスルホン酸ナトリウムである。

表１１は、ＰＶＯＨ泡安定剤およびＳＬＳ石鹸起泡剤の一連の混合物を含む。試験したＳＬＳ石鹸は、ラウリルエトキシ硫酸ナトリウム、すなわちポリプロポキシ−ポリエトキシ−デシル硫酸ナトリウム（分子式Ｃ_１０Ｈ_２２−Ｏ（Ｃ_３Ｈ_６−ＯＣ_２Ｈ_４−Ｏ）_ｘ−Ｈ_２ＳＯ_４−Ｎａ）である。

表１２は、ＰＶＯＨ泡安定剤およびＡＯＳ２アンモニウムＣ１０−Ｃ１２アルコールエーテル硫酸塩石鹸の一連の混合物を含む。これらの混合物を、ＰＶＯＨ泡安定剤および異なるＡＯＳ石鹸（ＡＯＳ１）の混合物を含有する実施例２の表６に示される混合物と比較した。

図３Ｃは、ＰＶＯＨおよびＳＬＳ石鹸を使用して発泡させた０．３８：１の水セメント比を有する発泡セメント混合物について測定された圧縮強度対密度を、ＰＶＯＨおよびアンモニウムＣ１０−Ｃ１２アルコールエーテル硫酸塩石鹸（ＡＯＳ２）またはＣ１４−１６オレフィンスルホン酸ナトリウム石鹸（ＡＯＳ３）を使用して発泡させた混合物と比較した。ＳＬＳ石鹸との混合物は、ＡＯＳ２およびＡＯＳ３石鹸との混合物の６００〜７００ｐｓｉと比較して、５０ｐｃｆの密度を有する混合物で平均８００ｐｓｉとわずかに高い圧縮強度を測定した。

このデータは、ＰＶＯＨ／ＡＯＳ２のブレンドおよび／またはＰＶＯＨ／ＡＯＳ３発泡セメント混合物（ゼロ骨材）のブレンドを使用した、軽量骨材を含まない発泡セメント混合物が、必要な圧縮強度（最低６００ｐｓｉおよび５０ｐｃｆ）で製造され得ることを示した。

しかしながら、実施例２のＡＯＳ１石鹸およびＳＬＳ石鹸で作製した試供体は、５０ｐｃｆの密度を有する混合物で約７５０〜９８０ｐｓｉの圧縮強度を測定した。これは、ＰＶＯＨおよびＡＯＳ２石鹸またはＰＶＯＨおよびＡＯＳ３石鹸のブレンドを用いて作製した試供体で得られた約６００ｐｓｉの圧縮強度と比較して相対的に高い。

実施例４
次の一連の混合物ＡおよびＢは、膨張軽量骨材を使用し、種々の起泡剤と予備混合したＰＶＯＨ（２％）溶液のブレンドを使用して作製され、次いで、曝気して必要量の泡沫を形成し、様々な密度の立方体試供体を得た。次いで、実験パネル（１／２インチ×３フィート×１フィート）を、温度９０°Ｆおよび相対湿度９０％に管理された室内で１４日間硬化させた。図４は、乾燥中および水浸漬後にこれらの発泡セメントパネル混合物サンプルについて測定された釘引抜強度値の概要を示し、表１３は、ＡＯＳ１を起泡剤として使用したＡ／Ｃ＝０．４０の混合物の割合を含む。各データ点につき、２つのそれぞれの混合物の平均を示す。全体的に、この実施例では、この場合ＰＶＯＨを用いたまたは用いないサンプル間で有意差は測定されなかった。このことは、この場合の泡安定性が重要な要因ではないことを示していた。しかしながら、４７．６〜４９．８ｐｃｆの範囲の密度を有するサンプルでは、５４〜６９ｌｂｆの範囲の湿潤釘引抜強度値が測定された。４８．５〜４９．９の範囲の密度を有する乾燥サンプルでは、測定された乾燥釘釘引抜強度値は６１〜８０ｌｂｆの範囲であった。

実施例５
次の一連の混合物（実施例５、６、および７）は、膨張軽量骨材を用いないが、種々の起泡剤と予備混合したＰＶＯＨ（２％）溶液のブレンドを使用して作製され、次いで、曝気して必要量の泡沫を形成し、様々な密度の立方体試供体を得た。次いで、実験パネル（１／２インチ×３フィート×１フィート）を、温度９０°Ｆおよび相対湿度９０％に管理された室内で１４日間硬化させた。これらの混合物から作製した凝結サンプルから収集されたデータは、軽量骨材を除去することが、圧縮強度および釘引抜性能の改善に有益であることを示した。

図５は、乾燥中および水浸漬後にこれらの発泡セメントサンプルについて測定された釘引抜強度値の、４つ全ての混合物の平均として概要を示す。表１４は、起泡剤としてＡＯＳ１石鹸を使用した、膨張粘土骨材を含まない（Ａ／Ｃ＝０）混合物の割合を含む。４６．３〜５３．３ｐｃｆの範囲の平均密度を有するサンプルでは、８５．８〜９８ｌｂｆの範囲の湿潤釘引抜強度値が測定された。４８．６〜５２．６の範囲の密度を有する乾燥サンプルでは、測定された乾燥釘引抜強度値は９５〜１１９ｌｂｆの範囲であった。これらの値は、同様の配合物を含有するが、Ａ／Ｃ＝０．４０およびＷ／Ｃ＝０．５７の重量比で膨張粘土骨材を含む実施例４のサンプルについて測定された釘引抜強度値と比較して約５０％高い。

実施例６
次の一連の混合物は、膨張軽量骨材を用いず、またＰＶＯＨ（２％）溶液を使用せずに作製された。次いで、実験パネル（１／２インチ×３フィート×１フィート）を、温度９０°Ｆおよび相対湿度９０％に管理された室内で１４日間硬化させた。図６は、密度の関数として測定され、サンプルを水に浸漬した後に平滑面および粗面から調べた釘引抜強度値の、３つ全ての混合物の平均として概要を示す。表１５は、ＡＯＳ１石鹸の代わりに起泡剤としてＳＬＳ石鹸を使用した、Ａ／Ｃ重量比＝０：１の混合物の割合を含む。この場合、全ての釘引抜強度サンプルを水浸漬後に測定し、平滑面および粗面からのサンプルについて試験を行った。試験した上面と下面との間に有意差はなかった。４０．８〜５３．３ｐｃｆの範囲の平均密度を有するサンプルでは、６９〜１１１ｌｂｆの範囲の湿潤釘引抜強度値が測定された。これは前の実施例よりも低い値であるように思われるかもしれないが、ＳＬＳ石鹸はＡＯＳ１石鹸起泡剤よりも容易に泡立つため、これらのサンプルの密度範囲は４０ｐｃｆまで拡大した。

光学顕微鏡分析
図７Ａ〜１０に含まれる全ての画像に対して同じ倍率（２５Ｘ）を用いて、新しく開発した配合の種々の試供体のサンプルの破断面をＯｌｙｍｐｕｓステレオ双眼顕微鏡モデルＳＺＸ１６を使用して検査した。正確な画像のために低ノイズのデジタルカメラＯＬＹＭＰＵＳ ＤＰ７１を使用して光学顕微鏡を介して電子画像を収集し、特別なソフトウェアを使用して記録した。

図７Ａ〜７Ｂは、それぞれ、膨張粘土骨材を含有する混合物番号３の表１３に記載の配合で作製した試供体の一部分の光学顕微鏡写真を示す。この混合物の場合、平均密度は５０ｐｃｆ、測定された平均乾燥釘引抜強度は８０ｌｂｆであり、湿潤釘引抜強度は６９ｌｂｆであった。図７Ａ〜図７Ｂに含まれる顕微鏡写真は、気泡サイズが５０〜１００μｍの範囲内で比較的小さく、いくつかの大きいものは２５０μｍであり、最大４００μｍのものが少数あったことを示している。さらに、破断面は、発泡セメントペーストを通っており、骨材を通っていない。

図８Ａ〜８Ｂは、それぞれ、膨張粘土骨材を含まない表１３の混合物番号１の表１５に記載の配合で作製した試供体の一部分の光学顕微鏡写真を示す。この混合物の場合、５０．５ｐｃｆの平均密度、ならびにそれぞれ１１１ｌｂｆおよび９１ｌｂｆの平均乾燥および湿潤釘引抜強度値が測定された。図８Ａ〜図８Ｂの顕微鏡写真は、気泡サイズが５０〜１００μｍの範囲内で比較的小さいが、図７Ａ〜図７Ｂに含まれる軽量骨材を含む試供体に観察されたものとは対照的に、２５０〜５００μｍの範囲のより大きな気泡は見られないことを示した。

したがって、本発明者は、軽量骨材を含まない図８に示される試供体において釘引抜強度および強度が改善された主な理由は、セメント質材料の量の増加、および泡量の増加を可能にする比較的小さい気泡であると理論付ける。

図９Ａ〜９Ｂは、開発された配合物を用いて商業規模のプラントで実施された最初の試験からパネルサンプルの破断面の光学顕微鏡写真を示す。全体として、気泡サイズは、図７Ａ〜図８Ｂに示される実験サンプルと同様であるように見えるが、図９Ｂに示される下の顕微鏡写真に観察された２５０〜５００μｍの範囲のより大きな気泡のいくつかを最小化するために、さらにある程度の改善が必要である。

本発明を実施するための好ましい実施形態を記載してきたが、本開示が関与する技術分野の当業者は、本発明に対する修正および追加が、その主旨および範囲から逸脱することなく行われ得ることを理解するであろう。

Claims (10)

1. 軽量セメント質製品を提供する方法であって、
   ６５〜７５重量％の水硬性セメント質反応性粉末と、
   ２０〜３５重量％の水と、
   ０．０５〜１重量％の起泡剤としての界面活性剤と、
   ０．１〜１．０重量％の泡安定剤としてのポリビニルアルコールと、
   クエン酸、クエン酸のアルカリ金属塩からなる群から選択される０〜０．５重量％の遅延剤と、
   ０．１５〜１．０重量％の高流動化剤と、
   骨材および充填材からなる群から選択される少なくとも１つの部材であって、水硬性セメント質反応性粉末に対する全骨材および充填材の重量比は０〜０．５：１であり、セメント質発泡混合物の全ての骨材および充填材は、軽量非多孔質骨材および軽量非多孔質充填材のみであり、
   前記軽量非多孔質骨材および軽量非多孔質充填材は、４０ｌｂ／立方フィート以下の粒子密度を有し、
   前記軽量非多孔質骨材および前記軽量非多孔質充填材は、最大で０．１０の開放気孔率を有する、少なくとも１つの部材と、
   前記発泡混合物の水と水硬性セメント質反応性粉末との重量比は０．３〜０．５：１である、水と、
   ５０〜２００μｍの範囲の直径を有する気泡の形態の空気と、を含むセメント質発泡混合物を混合することであって、前記発泡混合物は、２０〜５５体積％の空気体積含有率を有し、
   前記水硬性セメント質反応性粉末は、前記水硬性セメント質反応性粉末の重量に対して、重量％で、
   ７５〜９５％のポルトランドセメント、
   ０〜２１％の高アルミナセメント（アルミン酸カルシウムセメントとしても知られる）、
   ０〜１０％の硫酸カルシウム、および
   ０〜２５％のポゾラン材料を含む、セメント質発泡混合物を混合することと、
   前記セメント質発泡混合物を打設すること、および前記軽量セメント質製品を形成するように前記打設した混合物を放置して凝結させることであって、
   前記凝結したセメント質発泡混合物は、打設後１４日目に測定されると、４５〜６０ポンド／立方フィートの公称密度、および９０ポンド力を超える釘引抜強度値を有し、
   前記凝結したセメント質発泡混合物は、打設後７日目に測定されると、５００ｐｓｉ〜約５０００ｐｓｉの圧縮強度を有する、打設することおよび放置して凝結させることと、を含む、方法。
2. 前記空気は、
   泡沫水を形成するために、空気の連行により、前記水の第１の部分、前記界面活性剤、および前記ポリビニルアルコールのブレンドを曝気することであって、前記界面活性剤は、前記泡沫水の１〜１５重量％であり、前記ポリビニルアルコールは、前記泡沫水の前記泡沫水の１〜５重量％である、曝気することと、
   前記セメント質発泡混合物を製造するために、前記泡沫水と、前記水硬性セメント質組成物、前記水の第２の部分、前記ポリビニルアルコールの任意選択の第２の部分、および前記界面活性剤の任意選択の第２の部分を含むスラリーとをブレンドすることと、を含み、
   前記発泡混合物の前記泡沫水と前記セメント質組成物との重量比は０．０１〜０．０５：１であり、前記凝結したセメント質発泡混合物は２０〜５５体積％の空気セル体積含有率を有し、前記凝結したセメント質発泡混合物は５０〜２００μｍの範囲の直径の空気セルを有する、請求項１に記載の方法。
3. 前記水と水硬性セメント質反応性粉末との重量比は０．３２〜０．３８：１であり、
   前記ポルトランドセメントは、前記水硬性セメント質反応性粉末の約７５％〜約９０％の範囲であり、
   前記高アルミナセメントは、約０％〜約１０％の範囲であり、
   前記硫酸カルシウムは、前記水硬性セメント質反応性粉末の約２％〜約５％の範囲である、請求項１に記載の方法。
4. 前記打設した混合物はシートを形成し、
   凝結することは、前記シートを初期凝結条件まで凝結させることを含み、
   前記初期凝結条件シートを切断して予備硬化したボードを形成することをさらに含み、
   前記予備硬化したボードを最終凝結条件まで硬化させてボード製品を形成し、
   前記ボード製品は、４０〜９０ｐｃｆの密度、および９０ポンド力以上の釘引抜強度値を有し、前記ボードは５０〜２００μｍの範囲の直径を有する空気セルを有する、ことをさらに含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記セメント質発泡混合物には、塩化カルシウム、ギ酸カルシウム、および硝酸カルシウムが存在しない、請求項１に記載の方法。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法に従って製造される凝結した発泡混合物を含む発泡セメント製品。
7. 凝結したセメント質発泡混合物を含むセメント製品であって、前記凝結したセメント質発泡混合物は、
   ６５〜７５重量％の水硬性セメント質反応性粉末と、
   ０．０５〜１重量％の起泡剤としての界面活性剤と、
   ０．１〜１．０重量％の泡安定剤としてのポリビニルアルコールと、
   クエン酸、クエン酸のアルカリ金属塩からなる群から選択される０．１〜０．５重量％の遅延剤と、
   ０．１５〜１．０重量％の高流動化剤と、
   骨材および充填材からなる群から選択される少なくとも１つの部材であって、水硬性セメント質反応性粉末に対する全骨材および充填材の重量比は０〜０．５：１であり、前記セメント質発泡混合物の全ての骨材および充填材は、軽量非多孔質骨材および軽量非多孔質充填材のみであり、前記軽量非多孔質骨材および軽量非多孔質充填材は、４０ｌｂ／立方フィート以下の粒子密度を有し、前記軽量非多孔質骨材および前記軽量非多孔質充填材は、最大で０．１０の開放気孔率を有する、少なくとも１つの部材と、を含み、
   前記製品は、５０〜２００μｍの範囲の直径を有する空気セルを有し、前記製品は２０〜５５体積％の空気セル体積含有率を有し、
   前記水硬性セメント質反応性粉末は、前記水硬性セメント質反応性粉末の重量に対して、重量％で、
   ７５〜９５％のポルトランドセメント、
   ０〜２１％の高アルミナセメント、
   ０〜１０％の硫酸カルシウム、および
   ０〜２５％のポゾラン材料を含み、
   前記製品は、０．３〜０．５：１の水と水硬性セメント質反応性粉末との重量比で作製され、
   前記製品は、４５〜６０ポンド／立方フィートの公称密度、および９０ポンド力を超える釘引抜強度値を有し、
   前記製品は、打設後７日目に測定されると、５００ｐｓｉ〜約５０００ｐｓｉの圧縮強度を有する、セメント製品。
8. 前記混合物は、アルカリ金属ケイ酸塩、トリエタノールアミン、およびトリメタリン酸ナトリウム、トリポリリン酸カリウム、トリポリリン酸ナトリウム、ピロリン酸四ナトリウム、ピロリン酸四カリウム、リン酸一カリウム、リン酸二カルシウムおよびそれらの混合物からなる群から選択されるリン酸塩をさらに含む、請求項７に記載の製品。
9. 前記水と水硬性セメント質反応性粉末との重量比は０．３２〜０．３８：１であり、
   前記ポルトランドセメントは、約７３％〜約７６％の範囲であり、
   前記高アルミナセメントは、約５％〜約１０％の範囲であり、
   前記硫酸カルシウムは、約２％〜約５％の範囲である、請求項７に記載の製品。
10. 前記製品は、前記凝結した発泡混合物を含むシートであり、前記シートは、０．２５〜２インチの厚さを有する、請求項７に記載の製品。