JP2021098653A - カーボネーション可能な微細構造ケイ酸カルシウムクリンカおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2015年3月20日にともに出願された、米国仮出願第62/136,2
01号および第62/136,208号の優先権の利益を主張し、その全体の内容が、本
明細書にその全体を参照することにより組み込まれる。
規なカーボネーション(炭酸化)が可能な微細構造のケイ酸カルシウム組成物(例えば、
クリンカ、セメント)、並びに、これらの製造方法、および例えば、インフラ、建設、舗
装、および造園産業における種々のコンクリート成分での使用に関する。
トランドセメント、水並びに砂および砕石などの骨材を混合することによって作られる。
ポルトランドセメントは、1450℃の焼結温度で、ロータリーキルン中で、粉砕された
石灰石と粘土の混合物、または同様の組成の材料を焼成することによって製造された合成
材料である。ポルトランドセメントの製造は、エネルギー集約的プロセスを要するだけで
はなく、かなりの量の温室効果ガス(CO2)を放出する。セメント産業は、地球全体の
人為的CO2排出量の約5%を占める。このCO2の60%以上が、石灰岩の化学分解ま
たは焼成から生じる。
機関(International Energy Agency)の提案によると、セメント産業は、そのCO2排
出を2007年の2.0Gtから2050年までに1.55Gtに削減する必要がある。
この同じ時期に、セメント生産量が2.6Gtから4.4Gtに増加すると予想されるた
め、このことは難しいタスクであるといえる。
排出量を大幅に削減するセメント製造への革新的なアプローチが開発された。この類のな
いセメントは、カーボネーションが可能なケイ酸カルシウム組成物で構成されており、広
く入手可能な低コストの原材料から製造され、設備や生産要件に適応性かつ柔軟性を有し
つつ、永久かつ安全にCO2を隔絶する性能を提供するため、従来のセメントメーカーは
容易にこの新しいプラットフォームに切り替えることができる、。
メントでは、〜1,450℃)などの石灰石およびアルミノ−シリケート材料を含む原料
の混合物を加熱することによって製造された塊またはノジュール(団塊)を指す。セメン
トクリンカは、多くのセメント製品に使用するための微細粉末に粉砕される。
粉砕のためにセメントプラントでかなりのエネルギーが消費される。よって、クリンカの
粉砕性が改善されると、粉砕効率が向上し、エネルギー消費が低減される。カーボネーシ
ョンが可能なケイ酸カルシウムベースのセメント製造では、クリンカの粉砕性は重要な特
性である。ポルトランドセメントの場合とは異なり、ケイ酸カルシウムベースのクリンカ
の粉砕性は理解されておらず、粉砕性の最適化も達成されていない。
性をもたらす適切なクリンカ製造方法を開発することが重要である。
メント材料を提供する。開示されたクリンカおよびセメント材料は、カーボネーションが
可能なケイ酸カルシウムをベースとし、大規模生産に適したプロセスを介して、広く入手
可能で低コストの原料から製造することができる。本発明の方法は、設備および処理要件
に対して柔軟性があり、従来のポルトランドセメントの製造設備で容易に適用可能である
。
ト組成物は、必要とされる設備の低減、エネルギー消費の改善、およびより望ましいカー
ボンフットプリントを伴う建設、舗装および造園、並びにインフラなどの様々なコンクリ
ート用途に使用することができる。
特のクリンカ粉砕特性を生じさせる。低密度層は、破砕および粉砕操作中に破壊のための
抵抗が最も少ない経路として作用し、その結果、エネルギー消費が低減されるだけでなく
、粉砕時にさらされる反応相がより多くなる。層状微細構造はまた、カーボネーションお
よびより強い複合材料の形成を容易にする粒子形態を生じ得る。
つを含む、少なくとも1つのカーボネーションが可能なケイ酸カルシウム相を含むマトリ
ックスに分散された非カーボネーション(カーボネーションが不可能な)シリカ(SiO
2)の粒子を含む、非水硬性のクリンカ材料に関する。本明細書に記載されるように、本
発明のクリンカ材料は、CO2とのカーボネーションを介して複合材料をもたらすために
、カーボネーションが可能である。
の方法に関する。当該方法は、ブレンドした前駆物質の組成物を得るために、1つ以上の
前駆物質を混合するステップであって、当該組成物中、元素Caおよび元素Siは、約0
.8から約1.2の原子比で存在し、Al、Fe、およびMgの金属酸化物は、質量%で
約10%以下で存在するステップと、前記クリンカ材料を製造するための十分な時間のあ
いだ、約800℃〜約1400℃の温度に前記ブレンドした前駆物質の組成物を加熱する
ステップとを含む。
できる。例えば、適切な原材料には、石灰岩、砂、シルト、砂岩、シリカリッチ粘土、珪
藻土、マール、フライアッシュ、シリカフュームなどが含まれる。
る粉末状材料である。ある好ましい実施形態では、粉末状材料は、約8μmから約25μ
mの平均粒子径(d50)、10%の約0.1μmから約3μmの大きさの粒子(d10
)、および90%の約30μmから約100μmの大きさの粒子(d90)により特徴づ
けられる。
により、よりよく理解することができる。図面は必ずしも縮尺通りではなく、その代わり
に、概して本発明の原理を説明することを重視している。図面では、様々なビューを通し
て同様の部品を示すために同じ番号が使用されている。
材料およびそれから製造される粉砕粉末組成物を提供し、従来のセメントの革新的な代替
品として役立つ。これらの材料は、大幅に削減されたエネルギー要求およびCO2排出量
で製造され、利用されることができる。開示されたカーボネーションが可能なケイ酸カル
シウムベースのクリンカ材料は、フレキシブルな設備および製造要件を伴う大規模生産に
適したプロセスによって、広く入手可能な低コストの原料から製造される。
舗装及び造園から、インフラおよび輸送まで、幅広い用途が本発明の恩恵を受けることが
できる。
つ、すなわち、1つ以上のCS(ウォラストナイトまたは偽珪灰石)を含む少なくとも1
つのカーボネーションが可能なケイ酸カルシウム相を含むマトリックスに分散された非カ
ーボネーションシリカ(SiO2)の粒子を含む、非水硬性のクリンカ材料に関する。
3Si2O7)および/またはビーライト(C2S、Ca2SiO4)を含む。ケイ酸カ
ルシウム組成物内に存在するC2S相は、α−Ca2SiO4、β−Ca2SiO4のい
ずれか、もしくはγ−Ca2SiO4多形体またはこれらの組み合わせで存在することと
してもよい。
Al,Mg,Fe)[(Al,Si)SiO7])および/またはアモルファス相(非晶
質相)を含み、非カーボネーションシリカの粒子を囲む中間層を含む。また、クリンカは
、一般式Ca2(Al,Fe3+)2O5を有するフェライトタイプの鉱物(フェライト
またはブラウンミレライトまたはC4AF)のように、著しくカーボネーションすること
ができない相の量を含むこととしてもよい。
各相の10質量%未満)を含むこととしてもよい。クリンカは、少量または微量(<10
質量%)のC3S(エーライト、Ca3SiO5)も含むこととしてもよい。
体の約10%(全酸化物質量に基づく)未満に制御される。特定の実施形態において、ク
リンカは、全クリンカ質量の約8%以下のAl、FeおよびMgの(全酸化物質量に基づ
く)金属酸化物を有する。特定の実施形態では、クリンカは、全クリンカ質量のAl、F
eおよびMgの(全酸化物質量に基づく)約5%以下の金属酸化物を有する。特定の実施
形態では、用途に応じて、クリンカは、全クリンカ質量のAl、FeおよびMgの金属酸
化物(全酸化物質量に基づく)を10%より多く(例えば、約10%から約30%)有す
ることとしてもよい。特定の実施形態では、クリンカは、全クリンカ質量のAl、Feお
よびMgの(全酸化物質量に基づく)約30%以下の金属酸化物を有する。
結晶相の1つまたは複数から構成されることとしてもよい。
オンを組み込むことができる。特定の実施形態では、クリンカの微細構造マトリックスは
、Al2O3、Fe2O3、MgO、K2O、およびNa2Oから選択される1つまたは
複数の成分を含む。例えば、中間層は、Al2O3、Fe2O3、MgO、K2O、およ
びNa2Oから選択される1つ以上の成分を含むアモルファス相を含むこととしてもよい
。
もよい。例えば、非カーボネーションシリカ粒子は、約0.1μm〜約1,000μm(
例えば、約0.5μm〜約1,000μm、約1.0μm〜約1,000μm、約10μ
m〜約1,000μm、約25μm〜約1,000μm、約50μm〜約1,000μm
、約100μm〜約1,000μm、約0.1μm〜約500μm、約0.1μm〜約1
00μm、約0.1μm〜約50μm、約1.0μm〜約500μm、約10μm〜約5
00μm、約25μm〜約500μm、約25μm〜約200μm)の直径を有すること
としてもよい。
は、約0.1μm〜約250μm(例えば、約0.5μm〜約250μm、約1.0μm
〜約250μm、約5.0μm〜約250μm、約10μm〜約250μm、約25μm
〜約250μm、約0.1μm〜約100μm、約0.1μm〜約50μm、約1.0μ
m〜約100μm、約1.0μm〜約50μm、約1.0μm〜約25μm)の厚さを有
することとしてもよい。
固相の約10体積%以上(例えば、体積%で、全固相の約15%以上、約20%以上、約
25%以上、約30%以上、約40%以上、約45%以上、約50%以上、約55%以上
、約60%以上、約65%以上、約70%以上、約75%以上、約80%以上)を占める
こととしてもよい。
30体積%以上(例えば、全固相の体積%で、30%以上、約35%以上、約40%以上
、約45%以上、約50%以上、約55%以上、約60%以上、約65%以上、約70%
以上、約75%以上、約80%以上、約85%以上、約90%以上、約95%以上)を占
めることとしてもよい。
する元素Caの原子比は、約0.80〜約1.20である。特定の好ましい実施形態では
、組成物のCa対Siの原子比は、約0.85〜約1.15である。特定の好ましい実施
形態において、組成物のCa対Siの原子比は、約0.90〜約1.10である。特定の
好ましい実施形態では、組成物のCa対Siの原子比は、約0.95〜約1.05である
。特定の好ましい実施形態では、組成物のCa対Siの原子比は、約0.98〜約1.0
2である。特定の好ましい実施形態において、組成物のCa対Siの原子比は、約0.9
9〜約1.01である。
回るまでの範囲の圧力を有し、約10%から約99%の範囲のCO2濃度を有する水およ
びCO2の雰囲気下で、約1時間から約150時間、約30℃から約90℃の温度でのC
O2によるカーボネーションに適し、質量を約10%以上増加させるとともに、CaCO
3を形成する。特定の好ましい実施形態では、クリンカは、周囲大気圧から周囲より約4
0psi上回るまでの範囲の圧力を有し、約50%から約95%の範囲のCO2濃度を有
する水およびCO2の雰囲気下で、約10時間から約50時間、約40℃から約80℃の
温度でのCO2によるカーボネーションに適し、質量を約10%以上、好ましくは20%
以上増加させるとともに、CaCO3を形成する。質量増加は、カーボネーション化生成
物中のCO2の正味の隔絶を反映する。このように、カーボネーションは、水およびCO
2の雰囲気下で有利に行われる。カーボネーションは、有利には、約30℃〜約90℃の
温度で実施され、CaCO3を形成する。圧力は、周囲大気圧から周囲より約150ps
i上回るまでの範囲であることとしてもよい。CO2濃度は、約10%〜約99%の範囲
であることとしてもよい。カーボネーションは、約1時間〜約150時間続くこととして
もよい。質量増加は約10%以上、好ましくは20%以上、より好ましくは30%以上で
ある。
20%以上、25%以上、30%以上)増加させるとともに、CaCO3を形成するため
の、約30℃〜約90℃(例えば、約40℃〜約90℃、約50℃〜約90℃、約60℃
〜約90℃、約30℃〜約80℃、約30℃〜約70℃、約30℃〜約60℃、約40℃
〜約80℃、約40℃〜約70℃、約40℃〜約60℃)の温度での、CO2によるカー
ボネーションに適する。
成物は水和しないことに留意されたい。しかしながら、少量の水和可能なケイ酸カルシウ
ム相(例えば、C2S、C3SおよびCaO)が存在することとしてもよい。C2Sは、
水に曝されたときに遅い水和反応速度を示し、CO2硬化プロセスの間に迅速にCaCO
3に変換される。C3SおよびCaOは、水に曝されるとすぐに水和するので、それぞれ
約10質量%未満に制限されるべきである。
ンを介して複合材料を生じるようにカーボネーション可能である。結合強度の発生は、特
定の硬化レジームの下でCO2に暴露されたときのクリンカ材料中の種々の反応相のカー
ボネーションの結果であり、そしてそれによって制御される。
くつかのCaCO3多形体(例えば、方解石、アラゴナイトおよびバテライト)の1つ以
上として存在することとしてもよい。CaCO3は、好ましくは方解石の形態であるが、
アラゴナイトもしくはバテライトとして、または2つまたは3つの多形体(例えば、方解
石/アラゴナイト、方解石/バテライト、アラゴナイト/バテライトまたは方解石/アラ
ゴナイト/バテライト)の組み合わせとして存在することとしてもよい。
する。この方法は、ブレンドした前駆物質の組成物を得るために、1つ以上の前駆物質を
混合するステップであって、該組成物中、元素Caおよび元素Siは、約0.8から約1
.2の原子比で存在し、Al、Fe、およびMgの金属酸化物は、質量%で約30%以下
で存在するステップと、前記クリンカ材料を製造するための十分な時間のあいだ、約80
0℃〜約1400℃の温度に前記ブレンドした前駆物質の組成物を加熱するステップとを
含む。
きる。例えば、適切な原料には、石灰岩、砂、シルト、砂岩、シリカリッチ粘土、珪藻土
、マール、フライアッシュ、シリカフュームなどが含まれる。
ウム組成物の元素Caと元素Siの前駆体原子比は、選択された範囲、好ましくは約0.
80〜約1.20(例えば、約0.85〜約1.15、約0.90〜約1.10、約0.
95〜約1.05、約0.98〜約1.02、約0.99〜約1.01)である。
を製造するのに十分な時間、ある温度に加熱される。例えば、ブレンドされた前駆物質の
組成物は、約800℃〜約1,400℃の間の温度(例えば、約800℃〜約1,300
℃の間、約800℃〜約1,200℃の間、約800℃〜約1,100℃の間、約800
℃〜約1,000℃の間、約900℃〜約1,400℃の間、約1,000℃〜約1,4
00℃の間、約1,100℃〜約1,400℃の間、約1,200℃〜約1,400℃の
間、約900℃〜約1,300℃の間、約900℃〜約1,300℃の間、約1,100
℃〜約1,200℃の間、約1,200℃〜約1,300℃の間)に加熱される。
を達成するのに十分な時間、例えば、約10分間〜約80時間の期間(例えば、約1時間
〜約80時間、約5時間〜約80時間、約10時間〜約80時間、約15時間〜約80時
間、約20時間〜約80時間、約1時間〜約60時間、約1時間〜約40時間、約1時間
〜約30時間、約1時間〜約20時間、約1時間〜約10時間、約1時間〜約5時間、約
5時間〜約60時間、約5時間〜約20時間、約5時間〜約10時間、約10分間〜約5
時間、約15分間〜約3時間、約20分間〜約2時間)加熱される。
。
れた粉末状材料に関する。
約25μmの平均粒子径(d50)、10%の約0.1μmから約3μmの大きさの粒子
(d10)、および90%の約30μmから約100μmの大きさの粒子(d90)によ
り特徴づけられる、セメント粒子で構成される。
要求の低減が可能となるように選択される(例えば、d90:d10比=30以上が選択
される)。特定の実施形態では、d50:d10の比は、反応性の向上、充填の改善、ま
たは流延のための水要求の低減が可能となるように選択される(例えば、d50:d10
比=12以下が選択される)。特定の実施形態では、d90:d50の比は、反応性、パ
ッキングの改善、または流延のための水要求の低減が可能となるように選択される(例え
ば、d90:d50比=3以上が選択される)。
分類することができる。単相粒子は、(i)反応性(カーボネーション可能な)ウォラス
トナイト(CaSiO3)、ランキナイト(Ca3Si2O7)およびC2S(Ca2S
iO4)、(ii)変異組成物の部分反応性アモルファス相、並びに(iii)メリライ
ト((Ca,Na,K)2[(Mg,Fe2+,Fe3+,Al,Si)3O7]))、
フェライト(Ca2(Al,Fe3+)2O7)および結晶質シリカ(SiO2)のよう
な不活性(カーボネーション不可またはわずかなカーボネーション)相を含む様々な形態
で存在することとしてもよい。
iO3、Ca3Si2O7、Ca2SiO3)の組み合わせ;(ii)「反応性−不活性
」、つまり、少なくとも1つの反応相(例えば、CaSiO3、Ca3Si2O7、Ca
2SiO3)と少なくとも1つの不活性相(例えば、(Ca,Na,K)2[(Mg,F
e2+,Fe3+,Al,Si)3O7],SiO2)の組み合わせ;(iii)「不活
性−不活性」、つまり、2以上の不活性相の組み合わせ(例えば、(Ca,Na,K)2
[(Mg,Fe2+,Fe3+,Al,Si)3O7]、SiO2);(iv)「反応性
−部分反応性」、つまり、少なくとも1つの反応相(例えば、CaSiO3、Ca3Si
2O7、Ca2SiO3)と部分反応性アモルファス相との組み合わせ;(v)「不活性
−部分反応性」、つまり、少なくとも1つの不活性相(例えば、(Ca,Na,K)2[
(Mg,Fe2+,Fe3+,Al,Si)3O7],SiO2)と部分反応性アモルフ
ァス相との組み合わせ;(vi)「反応性−わずかな反応性−不活性」、つまり、少なく
とも1つの反応相(例えば、CaSiO3、Ca3Si2O7、Ca2SiO3)と少な
くとも1つの不活性相(例えば、(Ca,Na,K)2[(Mg,Fe2+,Fe3+,
Al,Si)3O7]、SiO2)と部分反応性アモルファス相との組み合わせ;(vi
i)上記のカテゴリーの1つの粒子が完全に密でなく、内部または表面に連続している空
隙を有する空隙含有粒子を含む、種々の形態で存在することとしてもよい。
カーボネーション反応を介してCO2と反応する物質を指すために、本明細書では互換的
に使用される。本明細書に開示された条件下でカーボネーション反応によってCO2と反
応しない場合、物質は「不活性」または「非カーボネーション(カーボネーション不可能
)」である。「部分反応性」とは、その一部が反応性である相を指す。「わずかな反応性
」とは、完全には不活性ではないが、反応性が僅かであるか無視できる程度である相を指
す。「反応相」および「カーボネーションが可能な相」という用語は、本明細書で定義さ
れるようにカーボネーションが可能な物質相を指すために互換的に使用される。「不活性
相」および「非カーボネーション相」という用語は、本明細書で定義されるようにカーボ
ネーションが不可能な物質相を指すために互換的に使用される。例示的なカーボネーショ
ンが可能な、すなわち反応相は、CS(ウォラストナイトまたは偽珪灰石、場合によって
はCaSiO3またはCaO・SiO2として表される)、C3S2(ランキナイト、場
合によってはCa3Si2O7または3CaO・2SiO2として表される)、C2S(
ビーライト、β−Ca2SiO4またはラルナイト、Ca7Mg(SiO4)4またはブ
リジガイト(bredigite)、α−Ca2SiO4またはγ−Ca2SiO4であ
り、場合によってはCa2SiO4または2CaO・SiO2として表される)。アモル
ファス相はまた、それらの組成に応じてカーボネーションが可能であり得る。例示的な非
カーボネーション、すなわち不活性相は、メリライト((Ca,Na,K)2[(Mg,
Fe2+,Fe3+,Al,Si)3O7])および結晶性シリカ(SiO2)を含む。
g/mL(ゆるみ、例えば、0.5g/mL、1.0g/mL、1.5g/mL、2.0
g/mL、2.5g/mL、2.8g/mL、3.0g/mL、3.5g/mL)および
約1.0g/mL〜約1.2g/mL(タップ)のかさ密度、約150m2/kg〜約7
00m2/kg(例えば、150m2/kg、200m2/kg、250m2/kg、3
00m2/kg、350m2/kg、400m2/kg、450m2/kg、500m2
/kg、550m2/kg、600m2/kg、650m2/kg、700m2/kg)
のブレーン(Blaine)表面積を有することとしてもよい。
では、例えば、粉末状材料は、カーボネーション可能な相で覆われた少なくとも10%の
表面を特徴とする。特定の実施形態において、粉末状材料は、カーボネーション可能な相
で覆われた少なくとも20%の表面を特徴とする。特定の実施形態において、粉末状材料
は、少なくとも30%の表面がカーボネーション可能な相で覆われていることを特徴とす
る。特定の実施形態では、粉末状材料は、少なくとも40%の表面がカーボネーション可
能な相で覆われていることを特徴とする。特定の実施形態では、粉末状材料は、少なくと
も50%の表面がカーボネーション可能な相で覆われていることを特徴とする。特定の実
施形態では、粉末状材料は、少なくとも60%の表面がカーボネーション可能な相で覆わ
れていることを特徴とする。特定の実施形態では、粉末状材料は、少なくとも70%がカ
ーボネーション可能な相で覆われた表面を特徴とする。特定の実施形態では、例えば、粉
末状材料は、少なくとも80%がカーボネーション可能な相で覆われた表面を特徴とする
。特定の実施形態では、粉末状材料は、少なくとも90%の表面がカーボネーション可能
な相で覆われていることを特徴とする。特定の実施形態では、粉末状材料は、少なくとも
95%がカーボネーション可能な相で覆われていることを特徴とする。特定の実施形態で
は、粉末状材料は、実質的に完全にカーボネーション可能な相で覆われた表面によって特
徴付けられる。
ることとしてもよい。特定の好ましい実施形態では、CSの反応相は、約5wt%〜約6
0wt%(例えば、約10wt%〜約60wt%、約20wt%〜約60wt%、約25
wt%〜約60wt%、約30wt%〜約60wt%、約35wt%〜約60wt%、約
40wt%〜約60wt%、約5wt%〜約50wt%、約5wt%〜約40wt%、約
5wt%〜約30wt%、約5wt%〜約25wt%、約5wt%〜約20wt%)で;
C3S2は約5wt%〜50wt%(例えば、約10wt%〜50wt%、約15wt%
〜50wt%、約20wt%〜50wt%、約30wt%〜50wt%約40wt%〜5
0wt%、約5wt%〜40wt%、約5wt%〜30wt%、約5wt%〜25wt%
、約5wt%〜20wt%、約5wt%〜15wt%)で;およびC2Sは約5wt%〜
60wt%(例えば、約10wt%〜約60wt%、約20wt%〜約60wt%、約2
5wt%〜約60wt%、約30wt%〜60wt%、約35wt%〜約60wt%、約
40wt%〜約60wt%、約5wt%〜約50wt%、約5wt%〜約40wt%、約
5wt%〜30wt%、約5wt%〜約25wt%、約5wt%〜約20wt%、約5w
t%〜約20wt%)で;およびCは約0wt%〜3wt%(例えば、0wt%、1wt
%以下、2wt%以下、3wt%以下、約1wt%〜2wt%、約1wt%〜3wt%、
約2wt%〜3wt%)で存在する。
ラストナイトまたは偽珪灰石、場合によってはCaSiO3またはCaO・SiO2とし
て表される)、C3S2(ランキナイト、場合によってはCa3Si2O7または3Ca
O・2SiO2として表される)、C2S(ビーライト、β−Ca2SiO4またはラル
ナイト、Ca7Mg(SiO4)4またはブリジガイト、α−Ca2SiO4またはγ−
Ca2SiO4、場合によってはCa2SiO4または2CaO・SiO2として表され
る)、カルシウム−シリケートベースのアモルファス相を含むケイ酸カルシウム相の1つ
以上の群で構成される天然に存在するミネラルまたは合成材料を指し、これらの材料のそ
れぞれが、1つ以上の他の金属イオンおよび酸化物(例えば、アルミニウム、マグネシウ
ム、鉄またはマンガンの酸化物)、またはこれらのブレンドを含むこととしてもよく、ま
たは、天然もしくは合成形態での、微量(1重量%以下)から約50重量%以上の範囲の
量のケイ酸マグネシウムを含むこととしてもよい。
の代わりにまたはケイ酸カルシウム相に加えて、適切なケイ酸マグネシウム相を使用する
ために採用され得ることを理解されたい。本明細書中で使用される場合、用語「ケイ酸マ
グネシウム」は、例えば、Mg2SiO4(「フォルステライト」としても知られている
)およびMg3Si4O10(OH)2(「タルク」としても知られている)を含むマグ
ネシウム−ケイ素含有化合物の1つ以上の群で構成される、天然に存在するミネラルまた
は合成材料を指し、当該材料は、1つ以上の他の金属イオンおよび酸化物(例えば、カル
シウム、アルミニウム、鉄またはマンガンの酸化物)、もしくはこれらのブレンドを含む
こととしてもよく、または、天然もしくは合成形態での、微量(1重量%以下)から約5
0重量%以上の範囲の量のケイ酸カルシウムを含むこととしてもよい。
後にカーボネーションされて、様々な用途に有用な複合材料を形成することができること
である。オートクレーブを必要とせず、連続的、大規模生産に適したプロセスにより、様
々な複合製品を製造することができる。生産方法は、経済的および環境的な影響の両方に
関して従来のコンクリートよりも大幅に改良されている。
)プロセスによってCO2と反応させて、複合材料の様々な成分を一緒に保持する結合強
度を作り出すことによって行うことができる。HLPSの様々な特徴についての議論は、
それぞれが全ての目的のためにその全体が参照により本明細書に明示的に援用される、米
国特許第8,114,367号、米国特許出願公開第2009/0143211号(出願
番号12/271,566)、米国特許出願公開第2011/0104469号(出願番
号12/984,299)、米国特許出願公開第2009/0142578号(出願番号
12/271,513)、米国特許出願公開第2013/0122267号(出願番号1
3/411,218)、米国特許出願公開第2012/0312194号(出願番号13
/491,098)、WO2009/102360(PCT/US2008/08360
6)、WO2011/053598(PCT/US2010/054146)、WO20
11/090967(PCT/US2011/021623)、2012年10月1日出
願の米国仮特許出願第61/708,423号、およびいずれも2013年10月3日に
出願の米国特許出願第14/045,758号、第14/045,519号、第14/0
45,766号、第14045540、2014年3月12日に出願の米国特許出願第1
4/207,413号、第14/207,421号、2014年3月13日に出願の米国
特許出願第14/207,920号、第14/209,238号、2014年6月4日に
出願の米国特許出願第14/295,601号、第14/295,402号に見出される
。
化カルシウム含有またはシリカ含有材料から複合材料を形成する。例示的な骨材としては
、トラップ岩、建設砂、玉砂利のような不活性材料が含まれる。特定の好ましい実施形態
では、パーライトまたはバーミキュライトのような軽量の骨材も骨材として使用すること
ができる。産業廃棄物(例えば、フライアッシュ、スラグ、シリカフューム)のような材
料も、微細な充填材として使用することができる。
の実施形態では、複数の骨材は、約0.25mm〜約25mm(例えば、約5mm〜約2
0mm、約5mm〜約18mm、約5mm〜約15mm、約5mm〜約12mm、約7m
m〜約20mm、約10mm〜約20mm、約1/8”(インチ)、約1/4”、約3/
8”、約1/2”、約3/4”)の範囲で平均粒子径を有する。
な化学混和剤も複合材料に含めることができる。BASF(登録商標)Chemical
sによるGlenium(商標)7500およびDow Chemical Compa
nyによるAcumer(商標)のような特定の市販の化学混和剤もまた含まれ得る。特
定の実施形態では、所望の複合材料に応じて、結合マトリックス中に、1つ以上の顔料を
均一に分散させるかまたは実質的に不均一に分散させることとしてもよい。顔料は、例え
ば、種々の金属の酸化物(例えば、黒色酸化鉄、酸化コバルトおよび酸化クロム)を含む
任意の好適な顔料であることとしてもよい。顔料は、例えば、黒色、白色、青色、灰色、
ピンク色、緑色、赤色、黄色および褐色から選択される任意の1色または複数の色である
こととしてもよい。顔料は、所望の複合材料に応じて、例えば、セメントの約0.0重量
%〜約10重量%の範囲の量で、任意の適切な量で存在することとしてもよい。
カーボネーションが可能なケイ酸カルシウムクリンカおよびセメントのサンプルを、ク
リンカ内または個々の粒子内の相の分布に関する情報を得るために、エポキシに埋め込み
、研磨し、炭素で被覆した。サンプルを後方散乱電子(BSE)イメージングモードの走
査電子顕微鏡(SEM)によって分析した。各相のコントラストは、その相の化学量論に
関連しており、高い平均原子番号の元素を含むより濃い相は、より低い平均原子番号を有
するより低密度の相よりも明るく現れる。種々の相のコントラストは、各相の平均原子番
号
を用いて計算したBSEコントラスト係数ηの比較によって関連付けることとしてもよい
。
より測定されない変動する化学的性質を有する。ほとんどのセメントに関し、アモルファ
ス相は、メリライト相に似た組成を有する。低Al2O3およびMgO含有量を有するセ
メントでは、アモルファス相は、より高い平均原子数を有し、したがって、BSEイメー
ジングにおいてより高い輝度を示す。相の同一性は、個々の相のX線マイクロプローブ測
定により確認される。
高いBSEコントラストを有し、BSEイメージにおいて最も明るい相である。イメージ
において最も暗いエリアは、カーボンベースの実装樹脂で満たされたポアまたは間隙に対
応する。
メント1は、石灰岩と砂で製造し、85%が200メッシュを通過する細かさに粉砕した
。石灰岩および砂をブレンドして、カルシウム対ケイ素原子比約1のバルクを得た。粉砕
してブレンドした原料を回転キルン中で約1200℃のピーク温度まで30〜60分の滞
留時間で処理して粉末を反応させ、大部分がカーボネーションが可能なケイ酸カルシウム
、メリライト、メリライト様組成を有するアモルファス相、および非反応シリカで構成さ
れる焼結カーボネーションケイ酸カルシウムセメントクリンカのノジュールを生成した。
X線蛍光(XRF)によって決定されたこのセメントの酸化物組成を表3に示す。X線回
折(XRD)によって決定されたこのセメントの相組成を表4に示す。図1のクリンカの
研磨された断面の低倍率図は、輝度が増加する層領域によって囲まれた低輝度シリカの離
散領域を示し、シリカ領域周辺の高カルシウム反応相の同心円状の組織化を示す。図2は
そのような領域のより高い倍率を示す。図3は、低カルシウム相から遠く離れた中央領域
のビーライト領域の高倍率図を示す。
給速度、ボールミル回転速度および空気選鉱機の空気流を制御して、平均粒径12μmの
粉砕セメントを製造した。図4および図5に示すBSE画像は、種々の単相および多相粒
子を示す。
詳細な調査に供された。X線マイクロプローブによって測定された元素組成は、XRDに
よって同定された相と関連していた。X線マイクロプローブで測定した相の原子の組成を
表5に示す。この分析では、追加の相であるブラウンミラライトまたはCa2(Al,F
e)2O5ならびに2つの別個の部分反応性のアモルファス相、すなわち、低Al含量ア
モルファス相の相1および高Al含量アモルファス相の相2が同定された。図6、図7、
および図8では、BSE画像に見られるような相のコントラストと併せて収集された組成
データを使用して、未反応粒子の偽色マップを構築した。様々な分類の多相粒子の多くの
例が観察される。
を得るために、石灰岩と砂の85%を200メッシュを通過する細かさに粉砕した。石灰
岩と砂をブレンドして、カルシウム対ケイ素の原子比1のバルクを得た。粉砕およびブレ
ンドされた原料を回転キルン中で、約1260℃のピーク温度として30〜60分の滞留
時間で処理して粉末を反応させ、主としてカーボネーションが可能なケイ酸カルシウム、
メリライト、メリライト様組成物および未反応のシリカを有するアモルファス相で構成さ
れる、焼結したカーボネーションが可能なケイ酸セメントクリンカのノジュールを製造し
た。XRFで測定したこのセメントの酸化物組成を表6に示す。XRDで測定したこのセ
メントの相組成を表7に示す。図9、図10、および図11の研磨されたクリンカは、輝
度が高い反応性材料の層状微細構造によって囲まれたシリカ相の個々の領域を示す。図1
2および図13では、SiとCaの元素マップが図11に重ねられ、微細構造にわたるS
iとCa含有量の変化を示している。図14では、Kの元素マップが図11に重ねられ、
特徴的に高いK含有量を有するアモルファス材料がSiリッチコア粒子とCaリッチ反応
相の層との間に存在することを示している。
」、および「その(the)」は、文脈が別途明確に規定しない限り、複数形を含む。
業者により共通に理解される同じ意味を有する。本明細書で記載されるものと同様または
同等であるあらゆる方法および材料が、本開示の実施または試験で使用され得るが、好ま
しい方法および材料がここに記載される。本明細書に記載される方法は、開示されている
特定の順序に加えて、理論上可能なあらゆる順序で行われることとしてもよい。
特許、特許出願、特許公開公報、ジャーナル、本、論文、ウェブコンテンツのような他
の文献に対する参考および引用が、本開示でなされている。全てのこのような文献は、全
ての目的のために、その全体において、参照により本明細書に組み込まれる。本明細書で
参照により組み込まれることとなるが、本明細書で明示的に示される既存の定義、ステー
トメント、または他の開示材料と矛盾する、あらゆる材料、またはその一部は、援用され
た材料と本開示の材料との間で矛盾が生じない程度でのみ援用される。矛盾する場合には
、矛盾は、好ましい開示として本開示の利益となるように解決されることとする。
本明細書に開示される代表的な例示は、本発明を説明することを補助することが意図さ
れ、本発明の範囲を限定することは意図されず、またそれらはそのように解釈されるべき
ではない。実際に、本発明およびそのさらなる多くの実施形態の種々の変更は、本明細書
に示されて開示されるものに加えて、本明細書で挙げられる科学および特許文献への参照
および本明細書に含まれる例示を含む本書類の全内容から、当業者にとって明らかとなる
であろう。これらの例示は、その種々の実施形態およびその均等物における本発明の実施
に適合し得る重要な追加の情報、例証、およびガイダンスを含む。
Claims (31)
- ウォラストナイトおよび偽珪灰石のうち少なくとも1つを含む、少なくとも1つのカー
ボネーションが可能なケイ酸カルシウム相を含むマトリックスに分散された非カーボネー
ションシリカ(SiO2)の粒子を含む、非水硬性のクリンカ材料。 - メリライト((Ca,Na,K)2(Al,Mg,Fe)[(Al,Si)SiO7]
)および/またはアモルファス相を含みかつ前記非カーボネーションシリカの粒子を囲む
中間層をさらに含む、請求項1のクリンカ材料。 - 前記マトリックスは、ランキナイト(Ca3Si2O7)および/またはビーライト(
Ca2SiO4)を含む、請求項1または2のクリンカ材料。 - 前記中間層は、Al2O3、Fe2O3、MgO、K2O、およびNa2Oから選択さ
れる1つ以上の成分を含むアモルファス相を含む、請求項2または3のクリンカ材料。 - 前記マトリックスは、Al2O3、Fe2O3、MgO、K2O、およびNa2Oから
選択される1つ以上の成分をさらに含む、請求項1から4のいずれかのクリンカ材料。 - 前記非カーボネーションシリカの粒子は、約0.1μmから約1,000μmの直径を
有し、
前記中間層は、約0.1μmから約250μmの厚みを有する、請求項2から5のいず
れかのクリンカ材料。 - 前記非カーボネーションシリカの粒子は、約25μmから約1,000μmの直径を有
し、
前記中間層は、約1μmから約25μmの厚みを有する、請求項6のクリンカ材料。 - 前記アモルファス相は、体積%で、全固相の約10%以上を占める、請求項2から7の
いずれかのクリンカ材料。 - 元素Caおよび元素Siが約0.8から約1.2の原子比で存在する、請求項1から8
のいずれかのクリンカ材料。 - 元素Caおよび元素Siが約0.9から約1.1の原子比で存在する、請求項1から9
のいずれかのクリンカ材料。 - 周囲大気圧から周囲より約150psi上回るまでの範囲の圧力を有し、約10%から
約99%の範囲のCO2濃度を有する水およびCO2の雰囲気下で、約1時間から約15
0時間、約30℃から約90℃の温度でのCO2による、質量を約10%以上増加させた
CaCO3を得るカーボネーションに適する、請求項1から10のいずれかのクリンカ材
料。 - 周囲大気圧から周囲より約40psi上回るまでの範囲の圧力を有し、約50%から約
95%の範囲のCO2濃度を有する水およびCO2の雰囲気下で、約10時間から約50
時間、約40℃から約80℃の温度でのCO2による、質量を約10%以上増加させたC
aCO3を得るカーボネーションに適する、請求項1から11のいずれかのクリンカ材料
。 - 全酸化物質量に対して約30%以下のAl、Fe、およびMgの金属酸化物を含む、請
求項1から12のいずれかのクリンカ材料。 - 全酸化物質量に対して約10%以下のAl、Fe、およびMgの金属酸化物を含む、請
求項1から13のいずれかのクリンカ材料。 - 請求項1から14のいずれかのクリンカ材料のカーボネーションにより製造された複合
材料。 - ブレンドした前駆物質の組成物を得るために、1つ以上の前駆物質を混合するステップ
であって、前記組成物中、元素Caおよび元素Siは、約0.8から約1.2の原子比で
存在し、Al、Fe、およびMgの金属酸化物は、質量%で約30%以下で存在するステ
ップと、
クリンカ材料を製造するための十分な時間のあいだ、約800℃〜約1400℃の温度
に前記ブレンドした前駆物質の組成物を加熱するステップとを含む、請求項1から15の
いずれかのクリンカ材料の製造方法。 - Al、Fe、およびMgの金属酸化物が、質量%で約10%以下で存在する、請求項1
6の方法。 - 前記前駆物質が、石灰石、砂、シルト、砂岩、シリカリッチ粘土、および珪藻土から選
択される、請求項16または17の方法。 - 元素Caおよび元素Siが約0.9から約1.1までの原子比で存在する、請求項16
から18のいずれかの方法。 - 前記ブレンドした前駆物質の組成物は、クリンカ材料を製造するための十分な時間の間
、約900℃〜約1300℃の範囲の温度で加熱される、請求項16から19のいずれか
の方法。 - 前記ブレンドした前駆物質の組成物は、約10分間から約5時間の期間で加熱される、
請求項16から20のいずれかの方法。 - 前記ブレンドした前駆物質の組成物は、約15分間から約3時間の期間で加熱される、
請求項16から21のいずれかの方法。 - 前記ブレンドした前駆物質の組成物は、約20分間から約2時間の期間で加熱される、
請求項16から22のいずれかの方法。 - 前記ブレンドした前駆物質の組成物の加熱は、大気圧下で行われる、請求項16から2
3のいずれかの方法。 - 請求項1から15のいずれかのクリンカ材料を粉砕することにより製造される粉末状材
料であって、約8μmから約25μmの平均粒子径(d50)、10%の約0.1μmか
ら約3μmの大きさの粒子(d10)、および90%の約30μmから約100μmの大
きさの粒子(d90)により特徴づけられる、粉末状材料。 - 少なくとも1つのカーボネーションが可能な相により、表面の少なくとも10%が覆わ
れている、請求項25の粉末状材料。 - 少なくとも1つのカーボネーションが可能な相により、表面の少なくとも50%が覆わ
れている、請求項25または26の粉末状材料。 - 少なくとも1つのカーボネーションが可能な相により、表面の少なくとも70%が覆わ
れている、請求項25から27のいずれかの粉末状材料。 - 単相粒子および多相粒子を含む、請求項25から28のいずれかの粉末状材料。
- 前記単相粒子は、ウォラストナイト(CaSiO3)、ランキナイト(Ca3Si2O
7)およびC2S(Ca2SiO4)から選択されるカーボネーションが可能な相の単相
粒子、部分反応性アモルファス相の単相粒子、またはメリライト((Ca、Na、K)2
[(Mg、Fe2+、Fe3+、Al、Si)3O7])および結晶性シリカ(SiO2
)、またはこれらのあらゆる2以上のタイプの組み合わせから選択される非カーボネーシ
ョン相の単相粒子を含む、請求項29の粉末状材料。 - 前記多相粒子は、2以上の反応相の組み合わせを有する多相粒子、少なくとも1つの非
カーボネーション相と少なくとも1つの反応相との組み合わせを有する多相粒子、2以上
の非カーボネーション相の組み合わせを有する多相粒子、部分反応性アモルファス相と少
なくとも1つの反応相との組み合わせを有する多相粒子、部分反応性アモルファス相と少
なくとも1つの非カーボネーション相との組み合わせを有する多相粒子、少なくとも1つ
の非カーボネーション相および部分反応性アモルファス相と少なくとも1つの反応相との
組み合わせを有する多相粒子、または内部もしくは表面の連続している空隙を有する多相
粒子、またはそれらのあらゆる2以上のタイプの組み合わせを含む、請求項29の粉末状
材料。
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