JP2021525703A

JP2021525703A - 制御可能な凝結を有する高強度クラスｃフライアッシュセメント組成物

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Publication number: JP2021525703A
Application number: JP2021508289A
Authority: JP
Inventors: ゴン、ウェイラン; シュー、フイ; ルッツェ、ベルナー; エル．ペグ、イアン
Original assignee: ザカトリックユニバーシティオブアメリカ
Priority date: 2018-08-22
Filing date: 2019-08-21
Publication date: 2021-09-27
Anticipated expiration: 2039-08-21
Also published as: US10981828B2; EP3841075A1; GB202101889D0; AU2019324581A1; US20200062645A1; KR20210035314A; AU2019324581B2; GB2591029A; CA3109560A1; WO2020039370A1; EP3841075A4; GB2591029B; CA3109560C; KR102415486B1; CN112888664A; JP7307976B2

Abstract

一実施形態は、少なくとも１つのクラスＣフライアッシュ、少なくとも１つの水酸化アルカリ、少なくとも１つのホスフェートの供給源、及び水を含む制御可能な凝結時間を有するクラスＣフライアッシュ（ＣＦＡ）セメント組成物を含む。代替的実施形態は、少なくとも１つのクラスＣフライアッシュ、少なくとも１つのアルカリ炭酸塩、少なくとも１つのホスフェートの供給源、及び水を含む固体活性剤を有するクラスＣフライアッシュ（ＣＦＡ）セメント組成物を含む。

Description

本開示は、概して、凝結制御されたクラスＣフライアッシュセメントに関する。より具体的には、本開示は、建設、建築及び石油産業用の特殊なモルタル及びコンクリートに関する。

先行技術の実施形態は、アルカリシリケート活性化クラスＣフライアッシュ（ＣＦＡ）セメントに添加されたホウ酸塩が凝結挙動に影響を及ぼさなかったことを報告した。逆に、結合剤の強度は、大量のホウ酸塩によって悪影響を受けた。先行技術に開示されている遅延剤は、一般に、アルカリシリケートを含まないＣＦＡセメント系混合物における凝結時間又は可使時間を延長するのに効果的ではない。先行技術に開示されているＣＦＡセメント組成物のほとんどは、迅速な凝結及び急速な強度の獲得を示す。非常に短い凝結時間、又は非常に限られた可使時間のために、先行技術で開示されたＣＦＡセメント組成物は、生コンクリートなどのほとんどの建設及び建築用途で使用することができない。したがって、高い周囲温度（暑い天候）の加速効果を相殺し、輸送、打設及び仕上げの全期間を通じてコンクリートの流動性を維持するために、ＣＦＡベースのセメント組成物の効果的な遅延剤の開発が緊急に必要である。

第１の広い態様によれば、本開示は、少なくとも１つのクラスＣフライアッシュ、少なくとも１つの水酸化アルカリ、少なくとも１つのホスフェートの供給源、及び水を含む制御可能な凝結時間を有するクラスＣフライアッシュ（ＣＦＡ）セメント組成物を提供する。

第２の広い態様によれば、本開示は、制御可能な凝結時間を有するクラスＣフライアッシュ（ＣＦＡ）セメント組成物を混合することによって製造されたフライアッシュモルタル又はコンクリートを提供し、このＣＦＡセメント組成物は、少なくとも１つのクラスＣフライアッシュ、少なくとも１つの水酸化アルカリ、少なくとも１つのホスフェートの供給源、及び水を含み、ＣＦＡセメント組成物は、第２のポゾラン材料をさらに含み、ポゾラン材料は、クラスＦフライアッシュ、高炉スラグ微粉末、超微細高炉スラグ、ガラス質アルミノケイ酸カルシウム、セメントキルンダスト、及びそれらの組み合わせの群から選択され、第２のポゾラン材料は、クラスＣフライアッシュを最大４０重量％置換し、少なくとも１つの水酸化アルカリ、少なくとも１つのホスフェートの供給源及び少なくとも１つのアルカリ塩は、水に溶解されて、活性剤溶液を形成する。

第３の広い態様によれば、本開示は、少なくとも１つのクラスＣフライアッシュ、少なくとも１つのアルカリ炭酸塩、少なくとも１つのホスフェートの供給源、及び水を含む固体活性剤を有するクラスＣフライアッシュ（ＣＦＡ）セメント組成物を提供する。

定義
用語の定義が一般的に使用される用語の意味から逸脱している場合、出願人は、特に示されていない限り、以下に提供される定義を利用することを意図している。

前述の一般的な説明及び以下の詳細な説明は、例示的かつ説明的なものにすぎず、請求された主題を限定するものではないことを理解されたい。本出願において、特に別段の記載がない限り、単数形の使用には複数形が含まれる。本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用されるように、単数形「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は、文脈が明確に別段の指示をしない限り、複数の指示対象を含むことに留意されたい。本出願において、「又は」の使用は、別段の記載がない限り、「及び／又は」を意味する。さらに、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」という用語、並びに「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、及び「含まれる（ｉｎｃｌｕｄｅｄ）」などの他の形態の使用は、限定的なものではない。

本開示の目的のために、用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、用語「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、及びこれらの単語の変形は、限定されないことを意図し、記載された要素以外の追加の要素があり得ることを意味する。

本開示の目的のために、「上（ｔｏｐ）」、「下（ｂｏｔｔｏｍ）」、「上（ｕｐｐｅｒ）」、「下（ｌｏｗｅｒ）」、「上（ａｂｏｖｅ）」、「下（ｂｅｌｏｗ）」、「左（ｌｅｆｔ）」、「右（ｒｉｇｈｔ）」、「水平（ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）」、「垂直（ｖｅｒｔｉｃａｌ）」、「上（ｕｐ）」、「下（ｄｏｗｎ）」などの方向を示す用語は、本開示の様々な実施形態を説明する際の便宜のためにのみ使用される。本開示の実施形態は、様々な方法で方向付けられ得る。例えば、図面に示されている図、装置等は、裏返したり、任意の方向に９０°回転させたり、反転させたりすることができる。

本開示の目的のために、値又は特性は、その値が、その値、特性又は他の要因を使用して数学的計算又は論理的決定を実行することによって導出される場合、特定の値、特性、条件の充足、又は他の要因に「基づいて」いる。

本開示の目的のために、より簡潔な説明を提供するために、本明細書に記載される定量的表現のいくつかは、「約」という用語で修飾されていないことに留意されたい。「約」という用語が明示的に使用されているかどうかにかかわらず、本明細書に記載されるすべての量は、実際の所与の値を指すことを意味し、また、そのような所与の値に対する実験的及び／又は測定条件による近似を含む、当業者に基づいて合理的に推論されるそのような所与の値への近似を指すことも意味することが理解される。

本開示の目的のために、「実温度」という用語は、温度計によって測定された、任意の特定の場所における空気の実際の温度を指す。

本開示の目的のために、「ＢＷＯＢ」という用語は、「結合剤重量基準で（ｂｙｗｅｉｇｈｔｏｆｂｉｎｄｅｒ）」を指し、これは、特定の結合剤又は結合剤のブレンドの総量に基づいて材料が添加されるときにセメントに添加される材料の量（パーセント）として一般に認識される。ジオポリマー材料の場合、結合剤は通常、アルカリ性溶液によって活性化できるポゾラン前駆体と呼ばれるポゾラン材料である。

本開示の目的のために、「セメント」という用語は、凝結、硬化、及び他の材料に接着させてそれらを一緒に結合させる、建設に使用される物質である結合剤を指す。単独で使用されることはめったにないが、セメントを使用して砂と砂利（骨材）とを結合することができる。セメントを細骨材と練り混ぜると、組積造用のモルタルが生成され、砂や砂利と練り混ぜると、コンクリートが生成される。建設に使用されるセメントは通常無機物であり、多くの場合石灰又はケイ酸カルシウムベースであり、水の存在下でセメントが水和する能力に応じて、水硬性又は非水硬性のいずれかとして特徴付けることができる。

本開示の目的のために、「コンクリート」という用語は、砕石又は砂利、砂、セメント材料、及び水の混合物から作られ、型に広げたり注ぎ込むことができ、硬化時に石のような塊を形成する重く、粗い建築材料を指す。いくつかの実施形態は、経時的に硬化する流体セメント（セメントペースト）と互いに結合された細骨材及び粗骨材から構成される複合材料を含み得る。最も頻繁にポルトランドセメントが利用され得るが、時にはアルミン酸カルシウムセメントなどの他の水硬性セメントが使用され得る。ジオポリマーは、ポルトランドセメントを使用しない新しいタイプのセメント材料とみなされる。

本開示の目的のために、「ジオポリマー」という用語は、ポルトランドセメントを含まない持続可能なセメント結合剤システムを指す。狭義には、開示する本発明のジオポリマーは、有機熱硬化性ポリマーと同様の三次元網状構造を有する無機ポリマーに関連する。開示するジオポリマーの主鎖マトリックスは、ゼオライトの骨格のＸ線非晶質類似体であり、酸素ブリッジによって連結されたＳｉ及びＡｌ原子の四面体配位を特徴とし、ＡｌＯ_４ ⁻の電荷バランサーとして結合したアルカリ金属カチオン（典型的にはＮａ^＋及び／又はＫ^＋）を有する。開示する本発明のジオポリマーは、固体アルミノケイ酸塩粉末（用語ポゾラン前駆体）とアルカリ活性剤との反応の結果として、アルカリ−アルミノケイ酸塩及び／又はアルカリ−アルカリ土類−アルミノケイ酸塩相から構成されるアルカリ活性化材料（ＡＡＭ）の部類としてより広くみなされ得る。

本開示の目的のために、「ジオポリマー組成物」という用語は、固体又は液体形態のポゾラン前駆体及びアルカリ活性剤からなる混合調和物を指す。さらに、ジオポリマー組成物は、用途に応じて、細骨材及び粗骨材、繊維並びに他の混和剤をさらに含み得る。

本開示の目的のために、「モルタル」という用語は、石材、レンガ、及びコンクリート組積造ユニットなどの建築ブロックを一緒に結合し、それらの間の不規則なギャップを充填し、塞ぎ、時には組積造の壁に装飾的な色やパターンを加えるために使用される細骨材を含む流動性のあるペーストを指す。最も広い意味でのモルタルには、ピッチ、アスファルト、及び泥レンガの間に使用されるような柔らかい泥又は粘土が含まれる。セメントやジオポリマーモルタルは、養生すると硬化し、硬い構造になる。

本開示の目的のために、「室温」という用語は、約１５℃（５９°Ｆ）〜２５℃（７７°Ｆ）の温度を指す。

本開示の目的のために、「凝結」という用語は、可塑性ペーストを非可塑性及び剛性の塊に変換することを指す。

本開示の目的のために、「凝結時間（ｓｅｔｔｉｍｅ）」又は「凝結時間（ｓｅｔｔｉｎｇｔｉｍｅ）」という用語は、水（アルカリ活性剤溶液）がセメント（ポゾラン前駆体）に添加された瞬間からペーストがその可塑性を失い始める時間（初期凝結）までに経過した時間を指す。最終凝結時間は、水（アルカリ活性剤溶液）がセメント（ポゾラン前駆体）に添加された瞬間から、ペーストがその可塑性を完全に失い、特定の一定の圧力に耐えるのに十分な硬さに達する時間までに経過した時間である。

本開示の目的のために、「水にやや溶けにくい」という用語は、水１００ｍｌ当たり０．１ｇから水１００ｍｌ当たり１ｇの溶解度を有する物質を指す。別段に明記しない限り、以下の本発明の説明において「やや溶けにくい」及び「水にやや溶けにくい」という用語は、水にやや溶けにくい物質を指すために同じ意味で用いられる。

本開示の目的のために、「非水溶性」という用語は、水１００ｍｌ当たり０．１ｇ未満の溶解度を有する物質を指す。

説明
本発明は、様々な変形及び代替形態の影響を受けやすいが、その特定の実施形態は、例として図面に示され、以下で詳細に説明される。しかしながら、本発明を開示された特定の形態に限定することを意図するものではなく、逆に、本発明は、本発明の趣旨及び範囲内にあるすべての変形、均等物、及び代替物を網羅することを意図することを理解されたい。

年間約７０億立方ヤードのコンクリートが生産されており、地球上で２番目に消費される物質となっている（水に次ぐ）。世界中で約４２億メートルトンのポルトランドセメントが製造されており、毎年２．５％増加している。ポルトランドセメントの製造は、石灰石及び粘土を採掘し、粉砕し、１５００℃を超える高温に加熱するエネルギー集約型プロセスであり、このプロセスでは、燃料燃焼及び粘土の焼成、並びに石灰石の脱炭酸の両方からＣＯ_２が排出される。ポルトランドセメント（ＰＣ）が１０００ｋｇ生産される毎に、平均９２７ｋｇのＣＯ_２が排出される。世界の総ＣＯ_２排出量の約７％は、ポルトランドセメントの製造によるものである。ポルトランドセメントの代わりにコンクリートに「環境に優しい材料」を使用することは、コンクリートの環境への悪影響を軽減するのに役立つ。

フライアッシュは、石炭燃焼室（ボイラー）から「舞い上がる」様々な量のカルシウムを含む超微粒子状非晶質アルミノケイ酸塩物質であり、電気集塵器や繊維性フィルター「バグハウス」などの排出制御装置、及びスクラバーによって捕捉される。石炭火力発電所では、世界中で年間１０億トンを超えるフライアッシュが生産されている。このフライアッシュの一部をポルトランドセメントとブレンドしてコンクリート製品を製造し、発生したフライアッシュの約６５％を埋立地又は灰捨場に処分している。米国材料試験協会（ＡＳＴＭ）Ｃ６１８規格は、フライアッシュの２つの主要なクラスであるクラスＣ及びクラスＦを承認している。クラスＦフライアッシュ（ＦＦＡ）についての（ＳｉＯ_２＋Ａｌ_２Ｏ_３＋Ｆｅ_２Ｏ_３）の下限は７０重量％であり、クラスＣフライアッシュ（ＣＦＡ）についてのそれは５０重量％である。無煙炭及び瀝青炭を燃焼させると、典型的には、クラスＦフライアッシュが生成され、通常１５重量％未満のＣａＯが含まれる。クラスＣフライアッシュは、典型的には、酸化カルシウム含有量が高い（例えば、１５〜４０重量％）。近年、亜炭及び亜瀝青炭の使用が大幅に増加し、米国の石炭埋蔵量のかなりの割合が、相当量のＣａＯを含むクラスＣフライアッシュを生産している。

ＰＣ関連のＣＯ_２排出量の増加を低減するために、フライアッシュをポルトランドセメントコンクリートの製造における補助セメント系材料（ＳＣＭ）として使用することによりリサイクルすることができる。フライアッシュは、セメント系材料成分の１５質量％〜２５質量％の範囲のレベルでコンクリートに使用されてきた。養生中の温度上昇を制限するために、より高いレベル（３０％〜５０％）が大規模な構造物（例えば、基礎及びダム）で使用されている。クラスＦフライアッシュをポルトランドセメントと組み合わせて使用すると、アルカリシリカ反応による膨張の制限、耐硫酸塩性の向上、塩化物透過性の低下など、硬化コンクリートの特定の耐久性が向上する。しかしながら、クラスＣフライアッシュ材料中の過剰な量のマグネシア（ＭｇＯ）又は遊離石灰（ＣａＯ）は、これらの材料がコンクリートに使用される場合に不健全（望ましくない体積変化）を引き起こす可能性があるため、クラスＣフライアッシュとのブレンドは、通常、そのような耐久性の利点を継承しない。ポルトランドセメントコンクリート中のフライアッシュの量を増加させることには欠点がないわけではない。高い置換レベルでは、凝結時間が長くなり、強度発現が遅くなる問題が発生する可能性があり、その結果、初期強度が低くなる。また、コンクリートの耐久性は、凍結防止剤の塩、スケーリング、及び炭酸化に対する耐性に関して損なわれる可能性がある。

フライアッシュを使用するより環境に優しい方法は、ポルトランドセメントを完全に排除し、アルカリ活性化によってジオポリマーセメント又はコンクリートを製造することである。^１，２このように、二酸化炭素排出量は、ポルトランドセメントを製造する場合のほんの一部にすぎない。アルカリ活性化は、フライアッシュ、メタカオリン、高炉スラグ、又はそれらの混合物などのアルミノケイ酸塩材料をアルカリケイ酸塩活性剤と混合して、短時間で凝結及び硬化するペーストを生成する化学的方法である。^３フライアッシュベースのジオポリマーの凝結時間は、ＣａＯ含有量が増加すると指数関数的に減少し、対照的に、圧縮強度は増加と共に増大する。^４アルカリケイ酸塩活性化ＣＦＡは通常３６分以内に凝結し、急結は非常に一般的である（例えば、数分）。^５残念ながら、現時点では、有用な建設製品を製造するためのアルカリケイ酸塩活性化ＣＦＡ材料の凝結を適切に制御するための効果的な遅延剤は入手できない。

クラスＣフライアッシュは、水酸化カルシウムの供給源の不存在下で水と反応して水和物を生成することにより自己セメント化挙動を示し、ケイ酸カルシウム及びアルミン酸カルシウム水和物を生成する。米国モンタナ州立大学の研究者は、廃棄物の有効利用を最大化するために１００％クラスＣフライアッシュコンクリートを研究した。^６米国の１６の発電所からのクラスＣフライアッシュを含む１００％フライアッシュコンクリートが研究された。^７強度促進剤を使用しない場合、１００％フライアッシュコンクリートの２８日圧縮強度は一般に低く、フライアッシュ毎に、例えば、約７００ｐｓｉから４０００ｐｓｉ未満まで大きく異なる。^７１００％クラスＣフライアッシュ混合物の凝結は、通常、非常に急速であり、産業用途に適した作業時間を得るために、効果的な遅延剤を含ませなければならない。

わずかな程度の自己セメント化を示す特定のポゾラン材料は、ＣＦＡセメント組成物中に含まれてよい。このようなポゾラン材料の例には、高炉スラグ微粉末（ＧＧＢＦＳ）、高ＣａクラスＦフライアッシュ、ガラス質アルミノケイ酸カルシウム（ＶＣＡＳ）及びセメントキルンダスト（ＣＫＤ）が含まれる。これらのポゾラン材料の水和により、特定のケイ酸カルシウム水和物（ＣＳＨ）及びアルミノケイ酸カルシウム水和物（ＣＡＳＨ）ゲルが生成される場合がある。ＧＧＢＦＳは、主に、ＣａＯなどのアルカリ土類酸化物に富むガラス質のアルミノケイ酸塩粉末であり、典型的には、２７〜３８重量％のＳｉＯ_２、７〜１２重量％のＡｌ_２Ｏ_３、３４〜４３重量％のＣａＯ、７〜１５重量％のＭｇＯ、０．２〜１．６重量％のＦｅ_２Ｏ_３、０．１５〜０．７６重量％のＭｎＯ及び１．０〜１．９重量％を含む。さらに、超微細高炉スラグは、従来のＧＧＢＦＳよりも比表面積が大きいため、自己セメント化の程度が大きくなる。例えば、ＭＣ−５００（登録商標）Ｍｉｃｒｏｆｉｎｅ（登録商標）Ｃｅｍｅｎｔ（ｄｅｎｅｅｆＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＣｈｅｍｉｃａｌｓ）は、粒径約１０μｍ未満及び比表面積約８００ｍ^２／ｋｇを有する超微細炉スラグである。近年、亜炭及び亜瀝青炭の使用が大幅に増加し、米国の石炭埋蔵量のかなりの割合が、相当量のＣａＯを含むフライアッシュを生産している。高ＣａＯ含有量、例えば、８重量％を超え２０重量％未満を含むフライアッシュ（高ＣａＦＦＡ）は、ＡＳＴＭＣ−６１８に従ってタイプＦに依然として分類される場合がある。これらの高ＣａＦＦＡは、ある程度の自己セメント化特性も備えている可能性があり、ＣａＯ含有量の増加に伴って自己セメント化の程度が増加する可能性がある。ＶＣＡＳは、ガラス繊維製造の廃棄物である。ＶＣＡＳは１００％非晶質であり、その組成は非常に均一であり、主に約５０〜５５重量％のＳｉＯ_２、１５〜２０重量％のＡｌ_２Ｏ_３、及び２０〜２５重量％のＣａＯを含む。ＣＫＤは、ポルトランドセメント製造の副生成物であり、したがって産業廃棄物である。世界中で年間３０００万トンを超えるＣＫＤが生産されており、かなりの量が埋立地に処分される。典型的なＣＫＤは、約３８〜６４重量％のＣａＯ、９〜１６重量％のＳｉＯ_２、２．６〜６．０重量％のＡｌ_２Ｏ_３、１．０〜４．０重量％のＦｅ_２Ｏ_３、０．０〜３．２重量％のＭｇＯ、２．４〜１３重量％のＫ_２Ｏ、０．０〜２．０重量％のＮａ_２Ｏ、１．６〜１８重量％のＳＯ_３、０〜５．３重量％のＣｌ⁻を含み、５．０〜２５重量％はＬＯＩ（強熱減量）である。ＣＫＤは一般に非常に微細な粉末である（例えば、比表面積約４６００〜１４０００ｃｍ^２／ｇ）。ＣＫＤはポルトランドセメントのクリンカに類似しており、自己セメント化特性を備えている。したがって、これらのポゾラン材料は、低ＣＯ_２フットプリント及び持続可能性を優先して、活性化ＣＦＡセメント組成物にブレンドすることができる。

米国特許第４，９９７，４８４号明細書は、水硬性セメントがクラスＣフライアッシュ、アルカリ金属活性剤及びクエン酸から形成される、アルカリ活性化（ケイ酸塩を含まない）クラスＣフライアッシュ組成物を開示している。アルカリ金属活性剤には、水酸化アルカリ及びアルカリ炭酸塩が含まれる。ホウ砂（Ｎａ_２Ｏ２Ｂ_２Ｏ_３１０Ｈ_２Ｏ）は凝結遅延剤として使用され、クエン酸はＣＦＡのアルカリ活性化中に放出されるカルシウムカチオンの錯化剤である。可使時間（凝結時間）は通常３０分未満である。米国特許第５，４３５，８４３号明細書は、水酸化アルカリを添加して１４．６９を超えるｐＨを達成する、アルカリ活性化クラスＣフライアッシュ組成物を開示している。好適な遅延剤が開示されていないため、セメントの初期凝結時間は約５分未満であり、これらの開示された材料を建設及び建築材料として使用することが不可能になる。米国特許第５，９９７，６３２号明細書は、亜瀝青フライアッシュ（例えば、ＣＦＡ）で形成された混合水硬性セメント組成物を開示している。この混合セメント組成物は、石膏、アルカリ源、クエン酸、ＣＦＡ、及びポルトランドセメントなどの第２の材料、特定のポゾラン材料（例えば、亜炭又は瀝青炭フライアッシュ、スクラバー材料）を含む。アルカリ源には、炭酸カリウム、炭酸リチウム、及び水酸化カリウムが含まれる。石膏は遅延剤として作用する。硬化したセメント材料は、最終凝結の５日後に１０，０００ｐｓｉもの高さをもたらす。米国特許第６，４８２，２５８号明細書は、アルカリ活性剤としてアルカリ炭酸塩（炭酸リチウム及び炭酸カリウム）、遅延剤としてホウ砂、ホウ酸、クエン酸及びメタカオリン並びに有機キレート剤を含むＣＦＡ組成物を開示した。炭酸カリウムも炭酸リチウムも非常に高価である。前記遅延混和剤には、ホウ砂、ホウ酸、クエン酸又はメタカオリンが含まれる。

米国特許第７，２８８，１４８号明細書は、ＣＦＡと、高ＣａＯ及びＳＯ_３含有量を含む第２のフライアッシュとのブレンドを含む水硬性セメント組成物を開示している。フライアッシュコンクリートには、促進剤としてクエン酸、炭酸カリウム及びクエン酸ナトリウムと、アルミナ含有作業助剤（例えば、アタパルジャイト、メタカオリン、ノバキュライト及びベントナイト）とが含まれる。前記セメントの凝結時間は、水を加えてから８分以内である。米国特許第７，８５４，８０３号明細書は、セメント系材料、例えば、ポルトランドセメント、クラスＣフライアッシュ及びブレンド水硬性セメントの凝結時間を調整するためのホウ素クエン酸混和剤（溶液）を開示している。クエン酸塩は促進剤であり、ホウ素化合物は遅延剤である。クエン酸塩促進剤とホウ素遅延剤との比率は、セメント系材料の凝結時間を決定する。クエン酸塩促進剤は、種々の水酸化アルカリ及び炭酸塩をさらに含む。米国特許第８，１８６，１０６号明細書は、ＣＦＡベースのセメント、モルタル及びコンクリート組成物を開示している。開示された組成物は、主に４つの成分、ＣＦＡ、第２のフライアッシュ、促進剤及び遅延剤を含む。クエン酸塩は、ほぼ中性のｐＨ活性剤溶液を形成する促進剤であり、ホウ素化合物は遅延剤である。ホウ素化合物の非効果的な遅延効果のために、開示された組成物は、急速な凝結及び迅速な強度獲得挙動を示す。作業時間は約２０〜４０分であり、水の添加から２時間で２５００ｐｓｉの強度が得られる。そのような短い可使時間は、開示された組成物がレディミックス用途で使用されることを確実に妨げる。米国特許第８，６１７，３０８号明細書及び第９，０２３１，４９号明細書は、組積造製品用のＣＦＡベースのセメント系混合物を開示している。ホウ素化合物（塩又は酸）及び酒石酸は、遅延剤として用いられる。遅延剤を使用しているが、１６分という短い凝結時間が開示されている。米国特許出願公開第２０１５／０００７７５１号明細書は、アルカリ活性化ＣＦＡ組成物である低アルカリフライアッシュセメントの製造方法を開示している。アルカリ活性剤は、種々の水酸化物、炭酸塩、ケイ酸塩、塩化物、及び硫酸塩からなる低アルカリ溶液（０．００２〜２Ｍ）である。開示された混合物は非常に乾燥しており、製品を製造するために約１７ＭＰａ〜１２０ＭＰａの高圧圧縮を必要とする。硬化物の性能を向上させるためには、高温養生が必要である。混合物の凝結時間は開示されておらず、開示された混合物は、効果的な遅延剤を使用せずに急速な凝結挙動を有することが期待される。本願発明者らによれば、０．６ＭＮａＯＨを含むＣＦＡは１０分未満で凝結する。

要約すると、先行技術は、水酸化アルカリ及びアルカリ炭酸塩であるアルカリ源、クエン酸促進剤、及び遅延剤から本質的になるＣＦＡセメント組成物を開示している。好ましいアルカリタイプは、リチウム及びカリウムである。クエン酸促進剤には、クエン酸、クエン酸カリウム、及びクエン酸ナトリウムが含まれる。先行技術には、遅延剤としてホウ素化合物、酒石酸又は石膏が開示されている。好ましいホウ素化合物は、ホウ砂及びホウ酸である。ポルトランドセメントの遅延剤としてのホウ酸塩の使用はよく知られている。しかしながら、アルカリシリケート活性化ＣＦＡアッシュに添加されたホウ酸塩は、凝結挙動に影響を及ぼさなかったことが報告されている^８。逆に、結合剤の強度は、大量のホウ酸塩によって悪影響を受けた。先行技術に開示されている遅延剤は、一般に、アルカリシリケートを含まないＣＦＡセメント系混合物における凝結時間又は可使時間を延長するのに効果的ではない。先行技術に開示されているＣＦＡセメント組成物のほとんどは、米国特許第４，９９７，４８４号明細書、第５，４３５，８４３号明細書、第７，２８８，１４８号明細書、第８，１８６，１０６号明細書及び第８，６１７，３０８号明細書の場合のように、急速な凝結及び迅速な強度の獲得を示す。非常に短い凝結時間、又は非常に限られた可使時間のために、先行技術で開示されたＣＦＡセメント組成物は、生コンクリートなどのほとんどの建設及び建築用途で使用することができない。したがって、高い周囲温度（暑い天候）の加速効果を相殺し、輸送、打設及び仕上げの全期間を通じてコンクリートの流動性を維持するために、ＣＦＡベースのセメント組成物の効果的な遅延剤の開発が緊急に必要である。

クエン酸及びクエン酸塩は、先行技術に開示されているＣＦＡセメント組成物の必須成分である。クエン酸及びクエン酸塩がポルトランドセメント又はその成分の水和を遅らせることはよく知られている。クエン酸及びクエン酸塩のそれぞれの効果がポルトランドセメントで調査され、熱発生率を測定することにより、ポルトランドセメントの水和が遅延することが示された。^９クエン酸カリウムがクリンカ粒子表面に吸着され、クリンカ粒子の周りに保護層を形成し、したがってクリンカ相の溶解を遅らせることが提案されている。^１０クエン酸塩イオンは、クリンカの初期水和から放出されるＣａ^２＋及びＡｌ^３＋の強力なキレート化剤であり、ケイ酸カルシウム水和物又はエトリンガイトの核形成及び成長の低減をもたらす。低用量、すなわち、結合剤重量基準で（ＢＷＯＢ）４％未満では、クエン酸塩は遅延剤として作用する。しかしながら、より高用量、すなわち、約５％超〜最大約８％ＢＷＯＢでは、クエン酸塩はそれらの役割を逆転させ、ポルトランドセメントの水和の促進剤として作用する（米国特許第５，６３４，９７２号明細書）。クエン酸及びクエン酸塩は、高アルカリ活性剤溶液の存在により、ＣＦＡに関連するいくつかの以前の特許開示で特許請求されているように、遅延剤の代わりに促進剤として作用すると予想される。クエン酸塩及びクエン酸を促進剤として使用すると、ＣＦＡベースのセメント系材料は、急速な凝結及び向上した最終強度を伴う迅速な強度獲得を示す。ここで、促進剤としてクエン酸又はクエン酸塩を含有させると、遅延剤としてのホウ素化合物の有効性が著しく低下することは容易に理解できる。

さらに、先行技術に開示されているＣＦＡセメント組成物は、クエン酸、クエン酸塩、水酸化カリウム、水酸化リチウム及び炭酸カリウムなどの高価な化学物質を多くの場合使用し、これらはセメント系材料を経済的に実行可能でなくする。

本開示は、先行技術に開示されている材料よりも適切に制御された凝結時間及び改善された性能を有するＣＦＡセメント組成物を提供する。本開示は、製品の強度発現を加速しながら、ＣＦＡベースのセメント系材料の凝結時間を調整するために使用される無機化合物を提供する。本開示は、建設及び建築産業におけるレディミックス、プレキャスト、及び組積造用の経済的に実行可能な高強度ＣＦＡセメント組成物を提供する。

したがって、本明細書に記載の一実施形態は、その凝結時間を３０分〜１２時間の範囲で調節することができる高強度クラスＣフライアッシュセメント組成物を提供する。クラスＣフライアッシュセメント組成物は、（ｉ）少なくとも１つのクラスＣフライアッシュと、（ｉｉ）少なくとも１つの水酸化アルカリ及び少なくとも１つのアルカリホスフェートを含む少なくとも１つの活性剤溶液とを含む。

活性剤溶液は、少なくとも１つの水酸化アルカリ及び少なくとも１つのアルカリホスフェートを水に溶解することによって作製され、少なくとも１つの水酸化アルカリは、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、及び水酸化リチウムから選択され、少なくとも１つのアルカリホスフェートは、リン酸三ナトリウム（無水及び水和物）、リン酸二ナトリウム（無水及び水和物）及びリン酸一ナトリウム、並びにそれらのカリウム同等物の群から選択される。

一実施形態では、少なくとも１つの活性剤溶液は、モルタル及びコンクリート製品を製造するために、ＣＦＡ、骨材及び他の成分又は混和剤（存在する場合）と混合される。

一実施形態では、活性剤溶液は、水酸化ナトリウム及び無水リン酸三ナトリウムを水に溶解することによって作製される。

一実施形態では、活性剤溶液は、約０．０５％〜約１０％ＢＷＯＢの水酸化アルカリ、約０．０５％〜１０％ＢＷＯＢのアルカリホスフェート、及び約１５〜５０％ＢＷＯＢの水を含む。

一実施形態では、活性剤溶液は、約０．５％〜約４％ＢＷＯＢの水酸化ナトリウム、約０．５％〜６％ＢＷＯＢの無水リン酸三ナトリウム及び約２０％〜約４０％ＢＷＯＢの水を含む。

一実施形態は、ＣＦＡセメント組成物であって、（ｉ）少なくとも１つのクラスＣフライアッシュと、（ｉｉ）少なくとも１つの水酸化アルカリと、（ｉｉｉ）少なくとも１つのアルカリ炭酸塩と、（ｉｖ）少なくとも１つのアルカリホスフェートとを含み、アルカリ炭酸塩は、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、及び炭酸水素ナトリウムの群から選択され、好ましいアルカリホスフェートは、無水リン酸三ナトリウム又は十二水和物であり、水酸化アルカリ、リン酸三ナトリウム、及びアルカリ炭酸塩を水に溶解して活性剤溶液を作製し、前記活性剤溶液は、モルタル及びコンクリート製品を製造するために、ＣＦＡ、骨材及び他の成分又は混和剤（存在する場合）と混合される、ＣＦＡセメント組成物を提供する。

一実施形態では、活性剤溶液は、約０．５％〜約２％ＢＷＯＢの水酸化ナトリウム、約０．２５％〜約５％ＢＷＯＢの無水炭酸ナトリウム、約２％〜約６％ＢＷＯＢの無水リン酸三ナトリウム、及び約２０％〜約４５％ＢＷＯＢの水を含む。

一実施形態は、固体活性剤／ＣＦＡセメント組成物であって、（ｉ）少なくとも１つのクラスＣフライアッシュと、（ｉｉ）少なくとも１つの水酸化アルカリの固体と、（ｉｉｉ）少なくとも１つのアルカリ炭酸塩の固体と、（ｉｖ）少なくとも１つのアルカリホスフェートと、（ｖ）水とを含み、アルカリ炭酸塩は、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、及び炭酸水素ナトリウムの群から選択され、粉末状の水酸化アルカリ、アルカリホスフェート及びアルカリ炭酸塩の固体をＣＦＡと一緒に粉砕して固体活性剤／ＣＦＡ混合物を作製し、前記固体活性剤／ＣＦＡ混合物は、モルタル又はコンクリート製品を製造するために、骨材及び他の成分（存在する場合）及び水とさらに混合される、固体活性剤／ＣＦＡセメント組成物を提供する。

一実施形態では、ＣＦＡセメント組成物は、第２のポゾラン材料をさらに含み、ポゾラン材料は、高ＣａクラスＦフライアッシュ、高炉スラグ微粉末（ＢＦＳ）、超微細ＢＦＳ、ＶＣＡＳ、及びキルンダストの群から選択される。

本開示は、先行技術に開示されている材料よりも適切に制御された凝結時間及び改善された性能を有するクラスＣフライアッシュベースのセメント組成物を提供する。本開示は、凝結時間を調整するための遅延剤として、また強度発現のための促進剤としても作用するように無機混和剤を提供する。本開示は、建設及び建築産業におけるレディミックス、プレキャスト、及び組積造用途のための経済的に実行可能なＣＦＡセメント組成物を提供する。

ＡＳＴＭＣ６１８によれば、クラスＦフライアッシュは、通常、無煙炭又は瀝青炭を燃焼させることによって生成され、ポゾラン特性を有する。ポゾラン材料は、典型的には、ＳｉＯ_２及びＡｌ_２Ｏ_３が多く、ＣａＯが少ない。したがって、水と接触したときの反応性はほとんど又は全くない。しかしながら、水及びＣａ（ＯＨ）_２の存在下では、ポゾランは化学的に反応して、ＣＳＨやアルミン酸カルシウム水和物（ＣＡＨ）などのセメント特性を有する化合物を形成する。クラスＦフライアッシュは、アルカリシリケート溶液によって活性化することができ、ＡｌＯ_４ ⁻の電荷バランサーとして結合したアルカリ金属カチオン（典型的にはＮａ^＋及び／又はＫ^＋）を有する、酸素ブリッジによって連結されたＳｉ及びＡｌ原子の四面体配位を特徴とするジオポリマーを形成する。名目上、ジオポリマーの実験式は、Ｍ_ｎ［−（ＳｉＯ_２）_ｚ−ＡｌＯ_２］_ｎ・ｗＨ_２Ｏとして表すことができ、式中、Ｍはアルカリカチオンを表し、ｚはＳｉとＡｌのモル比（１、２又は３）、ｎは重縮合の程度である。ジオポリマーは、有機熱硬化性ポリマーと同様の三次元網状構造を有するアルカリシリケート活性化結合剤の部類である。ジオポリマーの主鎖マトリックスは、ゼオライトの骨格のＸ線非晶質類似体であり、酸素ブリッジによって連結されたＳｉ及びＡｌ原子の四面体配位を特徴とし、ＡｌＯ_４ ⁻の電荷バランサーとして結合したアルカリ金属カチオン（典型的にはＮａ^＋及び／又はＫ^＋）を有する。クラスＣフライアッシュは、通常、亜炭又は亜瀝青炭の燃焼から生成され、ポゾラン特性を有することに加えて、ＣａＯ含有量が高いために若干の自己セメント特性を有する。クラスＣフライアッシュの水和生成物は、主にＣＳＨ、ＣＡＳＨ、並びにストラトリンガイト、エトリンガイト、及びモノスルホアルミネートなどの特定の鉱物からなる。

前のセクションで述べたように、先行技術に開示されているＣＦＡセメント組成物は、水酸化アルカリ及びアルカリ炭酸塩であるアルカリ源、クエン酸促進剤、及び遅延剤の少なくとも３つの必須成分からなる。クエン酸促進剤には、クエン酸、クエン酸カリウム、及びクエン酸ナトリウムが含まれる。適度に高強度である硬化物を製造するためには、クエン酸促進剤がセメント組成物に含まれなければならない。しかしながら、クエン酸促進剤は、強度発現プロセスを促進するだけでなく、フレッシュセメントペーストの凝結を大幅に留める。ホウ砂及びホウ酸などの先行技術に開示されている遅延剤は、クエン酸促進剤の存在下で凝結時間を延長するのに明らかに効果的ではない。ＣＦＡセメント組成物は、米国特許第４，９９７，４８４号明細書、第５，４３５，８４３号明細書、第７，２８８，１４８号明細書、第８，１８６，１０６号明細書及び第８，６１７，３０８号明細書に開示されているように、通常、急速な凝結及び迅速な強度の獲得を示す。非常に短い凝結時間、又は非常に限られた可使時間のために、先行技術で開示されたＣＦＡセメント組成物は、ほとんどの建設及び建築用途で使用することができない。

開示する実施形態は、先行技術に開示されている材料よりも適切に制御された凝結時間及び改善された性能を有する、新規に開発されたクエン酸を含まない、シリケートを含まないＣＦＡセメント組成物を含む。本開示は、アルカリホスフェートなどのホスフェートが、効果的な凝結遅延剤及び強度促進剤であることによって二重の機能を有することを発見する。本開示は、安価な成分を使用し、したがって、建設及び建築産業のためのより経済的に実行可能なセメント組成物を提供する。

本開示は、２つの必須成分である、水酸化アルカリであるアルカリ源及びホスフェートの供給源からなるＣＦＡセメント組成物を含む。クラスＣフライアッシュは自己セメント化特性を示すが、一般に室温では水和が遅いため、硬化物の圧縮強度は低い。ＣＦＡガラス粒子の水和を促進するには、固体形態又は水溶液のいずれかの水酸化アルカリが必要である。ＣＦＡは、本質的にアルミノケイ酸カルシウムガラスである。フライアッシュガラス網状構造は、中性ｐＨの水よりも速くアルカリ性溶液に溶解し、カルシウム、ケイ酸塩、アルミン酸塩の小さな反応種を生成する。溶液がますます高濃度になると、ＣＳＨ、ＣＡＨ及びＣＡＳＨゲルが形成される。低濃度の水酸化アルカリを適用すべきである。水酸化アルカリの濃度が高いと、適切な制御を超えて凝結が促進される可能性がある。

本明細書に記載の一実施形態は、その凝結時間を３０分〜１２時間の範囲で調節することができるクラスＣフライアッシュセメント組成物を提供する。クラスＣフライアッシュセメント組成物は、（ｉ）少なくとも１つのクラスＣフライアッシュと、（ｉｉ）少なくとも１つの水酸化アルカリ、少なくとも１つのホスフェートの供給源、及び水を含む少なくとも１つの活性剤溶液とを含む。

一実施形態では、活性剤溶液は、少なくとも１つの水酸化アルカリ及び少なくとも１つのホスフェートの供給源を水に溶解することによって作製され、少なくとも１つの水酸化アルカリは、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、及び水酸化リチウムから選択され、少なくとも１つのホスフェートの供給源は、リン酸三ナトリウム（無水及び水和物）、リン酸二ナトリウム（無水及び水和物）及びリン酸一ナトリウム、及びそれらの同等物のカリウム、リチウム、セシウム、アンモニウム、アルミニウム、カルシウム、マグネシウム、又はそれらの組み合わせ、並びにリン酸を含む。

一実施形態では、ホスフェートの供給源は無水リン酸三ナトリウム又は十二水和物であり、水酸化アルカリは水酸化ナトリウムであり、水酸化ナトリウム及び無水リン酸三ナトリウムを水に溶解して活性剤溶液を形成する。

一実施形態では、ＣＦＡセメント組成物は、自己セメント化特性を示す第２のポゾラン材料をさらに含む。これらのポゾラン材料の例には、ＧＧＢＦＳ、超微細ＢＦＳ、ＶＣＡＳ及びＣＫＤが含まれる。少なくとも１つの第２のポゾランは、最大４０％のＣＦＡを置換することができる。

一実施形態では、少なくとも１つの活性剤溶液は、モルタル及びコンクリート製品を製造するために、ＣＦＡ、骨材及び他の成分（存在する場合）と混合される。他の成分は、流動化剤、収縮低減混和剤、及び繊維を含む。

一実施形態では、活性剤溶液は、約０．０５％〜約８％ＢＷＯＢの水酸化アルカリ、約０．２５％〜８％ＢＷＯＢの無水アルカリホスフェート、及び約２０％〜約５０％ＢＷＯＢの水を含む。また、別の実施形態では、活性剤溶液は、約０．５％〜約４％ＢＷＯＢの水酸化ナトリウム、約０．５％〜６％ＢＷＯＢの無水リン酸三ナトリウム、及び約１５％〜約４０％ＢＷＯＢの水を含む。

一実施形態は、ＣＦＡセメント組成物であって、（ｉ）少なくとも１つのクラスＣフライアッシュと、（ｉｉ）少なくとも１つの水酸化アルカリと、（ｉｉｉ）少なくとも１つのアルカリ炭酸塩と、（ｉｖ）少なくとも１つのホスフェートの供給源とを含み、アルカリ炭酸塩は、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、及び重炭酸ナトリウムの群から選択され、ホスフェートの供給源は、無水リン酸三ナトリウム又は十二水和物であり、水酸化アルカリ、リン酸三ナトリウム、及びアルカリ炭酸塩を水に溶解して活性剤溶液を形成し、前記活性剤溶液は、モルタル及びコンクリート製品を製造するために、ＣＦＡ、骨材及び他の成分又は混和剤（存在する場合）と混合される、ＣＦＡセメント組成物を提供する。

一実施形態では、活性剤溶液は、約０．１％〜約４％ＢＷＯＢの水酸化アルカリ、約０．１％〜約５％ＢＷＯＢのアルカリ炭酸塩、約０．２５％〜約４％ＢＷＯＢの無水アルカリホスフェート及び約１５％〜約５０％ＢＷＯＢの水を含む。

一実施形態では、活性剤溶液は、約０．２５％〜約２％ＢＷＯＢの水酸化ナトリウム、約０．２５％〜約４％ＢＷＯＢの炭酸ナトリウム、約０．５％〜約６％ＢＷＯＢの無水リン酸三ナトリウム、及び約２０％〜約４０％ＢＷＯＢの水を含む。

一実施形態では、フレッシュモルタル又はコンクリートは、約４５分〜約１２時間の室温凝結時間を有し、硬化したモルタル又はコンクリートは、少なくとも約４０００ｐｓｉの２８日圧縮強度を有する。

開示する実施形態は、モルタル及びコンクリート用途のための固体活性剤／結合剤組成物を開発した。固体活性剤／結合剤混合物は、少なくとも１つの水酸化アルカリ、少なくとも１つのアルカリ炭酸塩、及び少なくとも１つのホスフェートの供給源を含む。少なくとも１つの水酸化アルカリは、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム、及び水酸化カルシウムから選択され、少なくとも１つのホスフェートの供給源は、リン酸三ナトリウム（無水及び水和物）、リン酸二ナトリウム（無水及び水和物）及びリン酸一ナトリウム、及びそれらの同等物のカリウム、リチウム、セシウム、アンモニウム、アルミニウム、カルシウム、マグネシウム、又はそれらの組み合わせ、並びにリン酸の群から選択され、少なくとも１つのアルカリ炭酸塩は、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、重炭酸ナトリウム及び重炭酸カリウムの群から選択され、好ましいアルカリホスフェートは無水リン酸三ナトリウムであり、粉末形態の水酸化アルカリ、リン酸三ナトリウム、及びアルカリ炭酸塩を少なくとも１つのクラスＣフライアッシュと混合して、固体活性剤／結合剤混合物を形成する。包装用の均質な固体活性剤／結合剤混合物を製造するためには、粉末状の原材料を一緒に粉砕することによる混合が好ましい。水酸化アルカリは、ＣＦＡガラス粒子の溶解及び水和を促進する。ホスフェートは、硬化物の強度発現を高めながら、凝結時間を調節する。水酸化アルカリは吸湿性である。暴露すると空気から水分を吸収し、空気中の二酸化炭素と反応して炭酸ナトリウムを形成する。上記の化学物質の無水形態は、固体活性剤／結合剤混合物への水分の移入を回避するために好ましい。炭酸ナトリウムは、白色の無臭の粉末であり、吸湿性でもある。水分を吸収した炭酸ナトリウムは、その化学的機能を失わない。アルカリ炭酸塩を使用すると、水酸化アルカリが空気から水分を吸収するのを防ぎ、したがって、商業的実現可能性のための固体活性剤のより長い貯蔵寿命を維持する。アルカリ炭酸塩の溶解は、ＣＦＡガラス粒子の穏やかな溶解及び水和を促進するアルカリ性溶液を生成する。

一実施形態は、モルタル及びコンクリート用途のための固体活性剤／ＣＦＡ混合物を提供し、この固体活性剤／ＣＦＡ混合物は、（ｉ）少なくとも１つのクラスＣフライアッシュと、（ｉｉ）少なくとも１つの水酸化アルカリの固体と、（ｉｉｉ）少なくとも１つのアルカリ炭酸塩の固体と、（ｉｖ）少なくとも１つのホスフェートの供給源の固体とを含み、水酸化アルカリ、ホスフェートの供給源及びアルカリ炭酸塩の固体をＣＦＡと一緒に混合して均質な固体活性剤／ＣＦＡ混合物を作製し、次に、固体活性剤／ＣＦＡ混合物は、モルタル及びコンクリート製品を製造するために、少なくとも１つの骨材及び他の成分（存在する場合）及び水と混合される。一実施形態では、少なくとも１つの水酸化アルカリは、約０．０５％〜約５％ＢＷＯＢを構成し、少なくとも１つのホスフェートの供給源は、約０．２５％〜約８％ＢＷＯＢを構成し、少なくとも１つのアルカリ炭酸塩は、約０．２５％ＢＷＯＢを構成し、水は約１５％〜約５０％ＢＷＯＢ、より好ましくは約２０％〜約４０％ＢＷＯＢを構成する。

一実施形態では、前記固体活性剤／ＣＦＡ混合物は、水酸化ナトリウム、無水炭酸ナトリウム、無水リン酸三ナトリウム、及びＣＦＡを含む。

一実施形態では、前記固体活性剤／ＣＦＡ混合物は、０．２５％〜約２％ＢＷＯＢの水酸化ナトリウム、約０．５％〜約４％ＢＷＯＢの無水炭酸ナトリウム及び約０．５％〜約６％ＢＷＯＢの無水リン酸三ナトリウムを含む。

一実施形態では、固体活性剤／ＣＦＡ混合物から製造されたフレッシュモルタル又はコンクリートは、約４５分〜約１２時間の室温凝結時間を有し、硬化したモルタル又はコンクリートは、少なくとも約３０００ｐｓｉの２８日圧縮強度を有する。

一実施形態では、モルタル及びコンクリート用途のための第２のポゾラン材料をさらに含むＣＦＡセメント組成物において、固体活性剤／ＣＦＡ混合物は、（ｉ）少なくとも１つのクラスＣフライアッシュと、（ｉｉ）少なくとも第２のポゾラン材料と、（ｉｉｉ）少なくとも１つの水酸化アルカリと、（ｉｖ）少なくとも１つのアルカリ炭酸塩と、（ｖ）少なくとも１つのホスフェートの供給源とを含み、水酸化アルカリ、ホスフェートの供給源、及びアルカリ炭酸塩は粉末形態であり、ＣＦＡ及び第２のポゾラン材料と一緒に混合して均質な固体活性剤／結合剤混合物を作製し、次に、固体活性剤／結合剤混合物は、モルタル及びコンクリート製品を製造するために、少なくとも１つの骨材及び他の成分（存在する場合）及び水と混合される。

本開示の多くの実施形態を詳細に説明してきたが、添付の特許請求の範囲で定義された本発明の範囲から逸脱することなく、修正及び変形が可能であることは明らかであろう。さらに、本開示におけるすべての例は、本発明の多くの実施形態を例示する一方で、非限定的な例として提供され、したがって、そのように例示される様々な態様を限定するものとみなされるべきではないことを理解されたい。

例
以下の例は、その好ましい実施形態における本開示の実施を説明する。

以下の原材料を使用して、例のサンプルを調製した。フライアッシュは、米国ジョージア州ジュリエットのシェラー発電所から入手し、ＢｏｒａｌＭａｔｅｒｉａｌｓが販売している。このフライアッシュ（シェラーフライアッシュ）は、２６．５重量％のＣａＯを含み、０．２５％の強熱減量（ＬＯＩ）を示した。Ｓｉ＋Ａｌ＋Ｆｅ酸化物の合計は約５９．０８重量％であり、ＡＳＴＭＣ６１８によるクラスＣフライアッシュの５０〜７０重量％であった。１０．９２重量％のフライアッシュ粒子がＮｏ．３２５ふるい上に保持された。

粗骨材として砂利＃７又は＃８９（ＡＡＳＨＴＯＴ−２７）を使用した。表面乾燥飽水（ＳＳＤ）状態に到達するために、乾燥した砂利を２４時間水に浸漬した。上澄みは廃棄した。残りの自由水は、乾いた布を使用して砂利の表面から手動で除去した。ＳＳＤ状態のコンクリート砂を使用した。Ｔｒｉｄｅｎｔ水分プローブ（モデルＴ９０）を使用して、コンクリート砂サンプルの含水量を測定した。

水酸化ナトリウムビーズ（ＮａＯＨ、純度９９％）、無水炭酸ナトリウム、無水リン酸三ナトリウム（Ｎａ_３ＰＯ_４）、及びリン酸三ナトリウム十二水和物（Ｎａ_３ＰＯ_４・１２Ｈ_２Ｏ）を使用して、活性剤溶液を調製した。

サンプルの調製及び測定に関する一般的な説明
ＮａＯＨビーズ（純度９９％）があればそれを水に溶解し、次に、得られた溶液を炭酸ナトリウム、存在する場合無水リン酸ナトリウムと混合して、活性剤溶液を調製した。規定量のフライアッシュ及びＳＳＤコンクリート砂を７クオートのプラネタリーミキサーで事前に混合した。次に、活性剤溶液をフライアッシュ／砂ブレンドに注ぎ、３分間混合した。バッチサイズは約３０００〜５０００グラムであった。フレッシュペーストを直ちに容器（直径７．６ｃｍ、高さ４０ｍｍ）に移し、続いて振動台上で約１分間処理して、閉じ込められた気泡を除去した。上記の容器内のフレッシュモルタルを、ＡＳＴＭＣ１９１に従って、Ｖｉｃａｔｒｏｎｉｃ自動ビカー針装置、モデルＥ００４Ｎ（Ｍａｔｅｓｔ社（イタリア））（以降、ＡｕｔｏＶｉｃａｔと称する）を用いて、初期及び最終凝結時間に使用した。残りのペーストを２インチｘ４インチの円筒形プラスチック型に注ぎ、３分間振動させて、閉じ込められた気泡を除去した。フレッシュモルタルサンプルを入れた型に蓋をし、圧縮強度を測定するまで室温（２０〜２３℃）で養生した。圧縮強度試験は、ＡＳＴＭＣ３９に従ってＣＭ−４０００−ＳＤ圧縮機（ＴｅｓｔＭａｒｋＩｎｄｕｓｔｒｉｅｓ社（米国））を使用して実施した。

例１〜５
例＃１〜＃５のクラスＣフライアッシュセメント系サンプルを調製した。モルタル混合物の組成を表１に示し、成分をＢＷＯＢに示す。水と結合剤（フライアッシュ）の質量比であるｗ／ｂは、適切なコンシステンシーを有するモルタルペースト用の活性剤溶液を作製するために必要な水の量を定義する。例＃１及び＃２のモルタル混合物の組成において、ＳＳＤコンクリート砂は約５０％であった。例＃３〜＃５では、ＳＳＤ砂は、フライアッシュ、水、ＮａＯＨ、Ｎａ_３ＰＯ_４、及びＮａ_２ＣＯ_３（存在する場合）を含む純粋なペースト成分の合計の約５０％であった。すべてのパーセンテージは重量パーセントである。これらの例の主な目的は、ホスフェートの供給源が、実用化のために適度に長い凝結時間を有するフレッシュフライアッシュコンクリートを生成し、圧縮強度が大幅に改善された硬化物を製造するための必須成分であることを説明することである。

例＃１〜３では、それぞれ３％ＢＷＯＢの炭酸ナトリウム及び無水リン酸三ナトリウム並びに０．７５％ＢＷＯＢの水酸化ナトリウムを使用し、ｗ／ｂは０．３０〜０．３５で変動した。組成物１〜３は、４時間を超える凝結時間及び室温で２８日間養生後８０００ｐｓｉを超える圧縮強度を有する。ｗ／ｂ＝０．３２での例３の初期凝結時間は、３７２分又は６．２時間であった。

例３から無水リン酸三ナトリウムを除去して例４とした。３％ＢＷＯＢの無水リン酸三ナトリウムを使用した例３の３７２分と比較して、初期凝結時間は１１分へと急激に減少した。無水リン酸三ナトリウムを使用しない場合、例４の圧縮強度は、例３の８５３５ｐｓｉと比較して、わずか３６５ｐｓｉであった。＃４のサンプルには、急速な凝結のために目に見える空隙があった。明らかに、ホスフェートの存在は、凝結時間を大幅に延長し、高い機械的性能を得るために、フライアッシュコンクリート混合物に不可欠である。

例３から無水炭酸ナトリウムを除去して、例５とした。初期凝結時間は１４５分であった。室温で２８日間養生後、圧縮強度は７９５９ｐｓｉであった。炭酸ナトリウムの除去は、硬化物の圧縮強度に影響を与えなかった。
例６〜１１

例６〜１１のフライアッシュモルタルの組成を表２に示し、成分をＢＷＯＢに示す。ＮａＯＨを２％ＢＷＯＢに固定し、ｗ／ｂを０．３２に固定した。この場合も、ＳＳＤコンクリート砂は純粋なペースト成分の合計の約５０重量％であった。これらの例の主な目的は、ホスフェートの供給源が、実用化のために適度に長い凝結時間を有するフレッシュフライアッシュコンクリートを生成し、圧縮強度が大幅に改善された硬化物を製造するための唯一の必須成分であることを説明することである。

例６は、炭酸ナトリウム、無水リン酸三ナトリウムなどの添加物を含まない単純なフライアッシュペーストサンプルを表す。フレッシュサンプルは急結、すなわち、５分で凝結したことを示した。室温で２８日間養生後、圧縮強度は４０８２ｐｓｉであった。結果は、文献又は先行技術と一致する。^７

例７は、炭酸ナトリウム及び無水リン酸三ナトリウムを改変することなく、水酸化アルカリによって活性化されたフライアッシュ組成物を表す。フレッシュモルタルサンプルは２７分で凝結した。室温で２８日間養生後、圧縮強度はわずか２０３８ｐｓｉであった。水酸化ナトリウムを添加しても、例６と比較して製品の性能は向上しない。

例７の混合物に２％ＢＷＯＢの無水リン酸三ナトリウムを添加し、例８のフライアッシュ組成物を得た。得られたフレッシュモルタルの凝結時間は６０分に延長した。圧縮強度は、室温で２８日間養生後、７３６５ｐｓｉに増加し、リン酸三ナトリウムを添加しなかった例７の強度よりも有意に高かった。例９では、無水リン酸三ナトリウムをさらに４％ＢＷＯＢまで増加させた。室温で２８日間養生後、凝結時間は１２８分に倍増し、圧縮強度は８６９１ｐｓｉに増加したことから、ホスフェートの添加は、フレッシュコンクリートの凝結時間を延長するだけでなく、硬化物の性能も向上させることを示唆している。

例８の組成物に２％ＢＷＯＢの無水炭酸ナトリウムを添加し、例１０の組成物を得た。フレッシュモルタルの凝結時間は３１分に短縮した。室温で２８日間養生後、圧縮強度は７５０７ｐｓｉであった。同じ配合及び同じ原材料を使用して２回目の試験を行った。室温で２８日間養生後、圧縮強度は７６４２ｐｓｉであった。炭酸ナトリウムを添加すると凝結時間が短縮される。炭酸ナトリウムの溶解により、よりアルカリ性の溶液となり、凝結が促進される。圧縮強度は、無水炭酸ナトリウムを改変しなかった例８の圧縮強度と同等であり、アルカリ炭酸塩をさらに含めることは、硬化物の機械的特性をさらに改善しないことを示唆している。

例１０のフライアッシュ混合物から無水リン酸三ナトリウムを除去して例１１を得た。初期凝結時間は数分へと急激に減少し、つまり、急結が観察された。例１１の圧縮強度は４６４２ｐｓｉにすぎず、例１０の７５０７ｐｓｉから減少した。明らかに、ホスフェートの存在は、凝結時間が大幅に延長し、機械的性能が大幅に向上したフライアッシュコンクリート混合物を生成するために不可欠である。炭酸ナトリウムの含有は、フレッシュモルタルサンプルの凝結を大幅に促進し、ホスフェートを含むフライアッシュ組成物と比較して、圧縮強度が大幅に低下した硬化物をもたらす。

例１２
例１２のフライアッシュモルタルの組成は、例１２では第２のポゾラン材料が含まれていたことを除いて例５（表１）と同様であり、３％ＢＷＯＢの無水リン酸三ナトリウム、０．７５％ＢＷＯＢの水酸化ナトリウム及び０．３２のｗ／ｂが用いられた。第２のポゾラン材料は、米国テキサス州Ｊｅｗｅｔｔ発電所の１２．２重量％のＣａＯを含む高ＣａＦＦＡであった。この場合も、ＳＳＤコンクリート砂を、純粋なペースト成分の合計の約５０％使用した。この例の主な目的は、クラスＣフライアッシュ混合組成物に第２のポゾラン材料を添加すると、適度な凝結時間を有するフレッシュコンクリート及び圧縮強度が大幅に向上した硬化物が依然として得られることを説明することであった。２０重量％のＣＦＡを高ＣａＦＦＡによって置換した。凝結時間はＡＳＴＭＣ１９１当たり１５３分であり、２８日間の養生後の圧縮強度は５５２８ｐｓｉであった。明らかに、高ＣａＦＦＡアッシュは、クラスＣフライアッシュほど反応性が高くないため、製品の圧縮強度は例５と比較して低下した。粉砕した高炉スラグやセメントキルンダストなどのクラスＣフライアッシュと同様の反応性を有する第２のポゾラン材料を使用すると、１００％のクラスＣフライアッシュを用いて製造されたコンクリートと同等の性能を有する硬化物が得られることが予想される。

例１３〜１８
例１３〜１８のフライアッシュコンクリートの組成を表３に示し、成分をＢＷＯＢに示す。ＮａＯＨは２％ＢＷＯＢに固定した。ＳＳＤコンクリート砂及び砂利（等級＃７又は＃８９（ＡＡＳＨＴＯＴ−２７））を骨材として使用した。これらの例の主な目的は、フライアッシュコンクリート混合物にホスフェートの供給源を含有させるだけで、適度に長い凝結時間を有するフレッシュコンクリート及び高い圧縮強度を有する硬化物が得られることを説明することである。

フライアッシュコンクリートサンプルを１２ｋｇのバッチとして調製するために、水酸化ナトリウム、無水リン酸三ナトリウムの代わりにリン酸三ナトリウム十二水和物、及び炭酸ナトリウム（存在する場合）を水道水に溶解して活性剤溶液を調製した。次に、活性剤溶液を、フライアッシュ及びＳＳＤ砂の混合物と、２０ＬＫ−Ｌａｂインテンシブミキサー（ＫｅｒｃｈｅｒＩｎｄｕｓｔｒｉｅｓ社（米国ペンシルベニア州））中で３分間、即時の速度（ｉｍｍｅｄｉａｔｅｓｐｅｅｄ）で混合した。次に、ＳＳＤ砂利を混合物に注ぎ、低速でさらに３分間混合した。フレッシュコンクリートの凝結時間を推定した。フレッシュコンクリートを３インチｘ６インチのプラスチック型に入れ、液圧プレスで合計約１０００ポンドの力で圧縮する（例１４〜１６）か、又は振動で圧縮した（例１７及び１８）。圧縮強度をＣＭ−４０００−ＳＤ圧縮機（ＴｅｓｔＭａｒｋＩｎｄｕｓｔｒｉｅｓ社（米国））で測定するまで、サンプルを密封し、室温で養生した。

例１３のフレッシュコンクリートは、その非常に低いｗ／ｂのためにかなり乾燥していた。室温で２８日間養生後、圧縮強度は６８１９ｐｓｉであった。例１３〜１８のサンプルを調製する際には、リン酸三ナトリウム十二水和物を使用し、これは、無水リン酸三ナトリウムのわずか０．９％ＢＷＯＢに相当する。無水リン酸三ナトリウムを２％ＢＷＯＢに増加させると、モルタルサンプルで示されているように、２８日圧縮強度が増加すると予想される（表１及び２）。

例１４〜１６のフライアッシュコンクリートの組成を表３に示す。ＮａＯＨを２％ＢＷＯＢに固定し、ｗ／ｂを０．２８に固定し、総骨材を８１．５重量％に固定した。例１４の凝結時間は１時間より長いと推定され、室温で２８日間養生後、圧縮強度は４０３４ｐｓｉであった。例１５では、例１４の２％ＢＯＷＢの炭酸ナトリウムを使用しなかった。その代わりに、リン酸三ナトリウム十二水和物を３％ＢＷＯＢに増加させた。凝結時間は３時間より長く、２８日間の養生後の圧縮強度は６２８９ｐｓｉであった。例１６の混合物を調製する際に、リン酸三ナトリウム十二水和物を使用しなかった。ホスフェートがない場合、凝結時間は０．５時間未満に大幅に減少し、室温で２８日間養生後、圧縮強度はわずか２６５ｐｓｉであった。この一連の例は、適度に長い凝結時間及び改善された圧縮強度を有するフライアッシュコンクリートを製造するために、ホスフェートが重要であることを示している。

例１７及び１８のコンクリート混合組成物において、水酸化ナトリウムを２％ＢＷＯＢ、ｗ／ｂを０．３２及び総骨材を７７．８重量％に固定した。この場合も、例１７ではリン酸三ナトリウム十二水和物を添加せず、フレッシュコンクリートの凝結時間は０．５時間未満であった。急結が観察された。室温で２８日間養生後、圧縮強度はわずか４８０ｐｓｉであった。それに対し、例１８では３％ＢＷＯＢのリン酸三ナトリウム十二水和物を含有させると、凝結時間は２時間より長く増加し、室温で２８日間養生後、圧縮強度は６３６６ｐｓｉに増加した。例１５及び１７に示すように、ホスフェートの供給源を添加することにより、硬化物は通常、より高い初期強度も示す。

要約すると、フライアッシュコンクリート混合組成物にホスフェートの供給源を含まない場合、フレッシュコンクリートは通常、非常に短い可使時間及びより劣った機械的性能を有する硬化物を示す。ホスフェートは効果的な遅延剤であり、優れた強度増進剤でもある。先行技術に開示されている遅延剤のほとんどは、フレッシュコンクリートの凝結時間を延長することができるが、通常、硬化物の圧縮強度を低下させるため、先行技術ではクエン酸又は塩などの追加の促進剤が必要である。

例１２
例１９の目的は、固体活性剤を用いてフライアッシュＣコンクリートを製造する実現可能性を実証することであった。例３のモルタル組成物を使用した。モルタル組成物には、３％ＢＷＯＢの炭酸ナトリウム及び無水リン酸三ナトリウムの両方を用いた。水酸化ナトリウムは０．７５％ＢＷＯＢであり、ｗ／ｂは０．３２であり、純粋なペースト成分の合計で５０重量％のＳＳＤ砂を使用した。粉末状の水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム及び無水リン酸三ナトリウムの材料を混合し、次に、ＳＳＤ砂と混合した。最後に、水道水を乾燥混合物に注ぎ、７クオートのプラネタリーミキサーで６分間混合した。凝結時間は、ＡＳＴＭＣ１９１に従ってＡｕｔｏＶｉｃａｔ装置で決定した。凝結時間は１８３分を超え、室温で２８日間養生後、圧縮強度は８２３７ｐｓｉであった。この例は、固体活性剤／結合剤混合物を使用すると、液体の活性剤を使用する混合物と同等の性能を有するフレッシュ製品及び硬化物が得られることを示している。

参考文献
以下の参考文献は上記で参照されており、参考として本明細書に組み込まれる。
１．Ｊ．Ｌ．Ｐｒｏｖｉｓ，Ｊ．Ｓ．Ｊ．ｖａｎＤｅｖｅｎｔｅｒ，ＡｌｋａｌｉＡｃｔｉｖａｔｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓ；Ｓｐｒｉｎｇｅｒ：Ｈｏｕｔｅｎ，ＴｈｅＮｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ，（２０１４）．
２．Ａ．Ｍ．Ｒａｓｈａｄ，Ａｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｏｖｅｒｖｉｅｗａｂｏｕｔｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｄｍｉｘｔｕｒｅｓａｎｄａｄｄｉｔｉｖｅｓｏｎｔｈｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆａｌｋａｌｉ−ａｃｔｉｖａｔｅｄｆｌｙａｓｈ，Ｍａｔｅｒ．Ｄｅｓｉｇｎ５３（２０１４），１００５−１０２５
３．Ｊ．Ｌ．ＰｒｏｖｉｓａｎｄＳ．Ａ．Ｂｅｒｎａｌ，Ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒｓａｎｄｒｅｌａｔｅｄａｌｋａｌｉ−ａｃｔｉｖａｔｅｄｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ａｎｎｕ．Ｒｅｖ．Ｍａｔｅｒ．Ｒｅｓ．４４（２０１４），２９９−３２７．
４．Ｅ．Ｉ．Ｄｉａｚ，Ｅ．Ｎ．Ａｌｌｏｕｃｈｅ，Ｓ．Ｅｋｌｕｎｄ，Ｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔｉｎｇｔｈｅｓｕｉｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｆｌｙａｓｈａｓｓｏｕｒｃｅｍａｔｅｒｉａｌｆｏｒｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒｓ，Ｆｕｅｌ８９（２０１０），９９２−９９９．
５．Ｅ．Ｉ．Ｄｉａｚ−Ｌｏｙａ，Ｅ．Ｎ．Ａｌｌｏｕｃｈｅ，ａｎｄＳ．Ｖａｉｄｙａ，Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｆｌｙ−ａｓｈ−ｂａｓｅｄｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒｃｏｎｃｒｅｔｅ，ＡＣＩＭａｔｅｒ．Ｊ．１０８（２０１１），３００−３０６．
６．Ｍ．Ｂｅｒｒｙ，Ｊ．Ｓｔｅｐｈｅｎｓ，Ｄ．Ｃｒｏｓｓ，Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆ１００％ｆｌｙａｓｈｃｏｎｃｒｅｔｅｗｉｔｈｒｅｃｙｃｌｅｄｇｌａｓｓａｇｇｒｅｇａｔｅ，ＡＣＩＭａｔｅｒ．Ｊ．１０８（２０１１），３７８−３８４．
７．Ｃ．Ｒｏｓｋｏｓ，Ｄ．Ｃｒｏｓｓ，Ｍ．Ｂｅｒｒｙ，Ｊ．Ｓｔｅｐｈｅｎｓ，Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｓｅｌｆ-ｃｅｍｅｎｔｉｎｇｆｌｙａｓｈｂｉｎｄｅｒｓｆｏｒ ’Ｇｒｅｅｎ’ ｃｏｎｃｒｅｔｅ（２０１１ＷｏｒｌｄｏｆＣｏａｌＡｓｈ（ＷＯＣＡ）Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｍａｙ９−１２，２０１１ｉｎＤｅｎｖｅｒ，ＣＯ，ＵＳＡ）．
８．Ｃ．Ｌ．Ｎｉｃｈｏｌｓｏｎ，Ｂ．Ｊ．Ｍｕｒｒａｙ，Ｒ．Ａ．Ｆｌｅｔｃｈｅｒ，Ｄ．Ｂｒｅｗ，Ｋ．Ｊ．Ｍａｃｋｅｎｚｉｅ，Ｍ．Ｓｃｈｍｕｃｋｅ，Ｎｏｖｅｌｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒｍａｔｅｒｉａｌｓｃｏｎｔａｉｎｉｎｇｂｏｒａｔｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｕｎｉｔｓ．ＩｎＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＷｏｒｌｄＣｏｎｇｒｅｓｓＧｅｏｐｏｌｙｍｅｒ，Ｐｅｒｔｈ，Ａｕｓｔｒａｌｉａ，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ（２００５），３１−３３．
９．Ｖ．Ｓ．Ｒａｍａｃｈａｎｄｒａｎ，Ｍ．Ｓ．Ｌｏｗｅｒｙ，ＣｏｎｄｕｃｔｉｏｎｃａｌｏｒｉｍｅｔｒｉｃｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｒｅｔａｒｄｅｒｓｏｎｔｈｅｈｙｄｒａｔｉｏｎｏｆＰｏｒｔｌａｎｄｃｅｍｅｎｔ，Ｔｈｅｒｍｏｃｈｉｍ．Ａｃｔａ１９５（１９９２）３７３−３８７．
１０．Ｇ．Ｍｏｓｃｈｎｅｒ，Ｂ．Ｌｏｔｈｅｎｂａｃｈ，Ｒ．Ｆｉｇｉ，Ｒ．Ｋｒｅｔｚｓｃｈｍａｒ，ＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｃｉｔｒｉｃａｃｉｄｏｎｔｈｅｈｙｄｒａｔｉｏｎｏｆＰｏｒｔｌａｎｄｃｅｍｅｎｔ，Ｃｅｍ．Ｃｏｎｃｒ．Ｒｅｓ．３９（２００９），２２７−２８２．

本出願に引用されたすべての文書、特許、学術論文及びその他の資料は、参考として本明細書に組み込まれる。

本開示は、特定の実施形態を参照して開示されているが、添付の特許請求の範囲に記載の通り、本開示の領域及び範囲から逸脱することなく、記載された実施形態に対する多数の改変、変形、及び変更が可能である。したがって、本開示は、記載された実施形態に限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲の文言及びそれらと均等であるものによって定義される全範囲を有することが意図されている。

この出願は、２０１８年８月２２日に出願され、「制御可能な凝結を有する高強度クラスＣフライアッシュセメント組成物」と題された米国特許出願第６２／７２１，０２１号の優先権の利益を主張する。この特許出願の全内容及び開示は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本開示は、概して、凝結制御されたクラスＣフライアッシュセメントに関する。より具体的には、本開示は、建設、建築及び石油産業用の特殊なモルタル及びコンクリートに関する。

本開示は、特定の実施形態を参照して開示されているが、添付の特許請求の範囲に記載の通り、本開示の領域及び範囲から逸脱することなく、記載された実施形態に対する多数の改変、変形、及び変更が可能である。したがって、本開示は、記載された実施形態に限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲の文言及びそれらと均等であるものによって定義される全範囲を有することが意図されている。
他の記載と重複するが、本発明を以下に示す。
［発明１］
制御可能な凝結時間を有するクラスＣフライアッシュ（ＣＦＡ）セメント組成物であって、
少なくとも１つのクラスＣフライアッシュと、
少なくとも１つの水酸化アルカリと、
少なくとも１つのホスフェートの供給源と、
水と
を含む、組成物。
［発明２］
前記少なくとも１つの水酸化アルカリが、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム、水酸化カルシウム又はそれらの組み合わせを含む、発明１に記載の組成物。
［発明３］
前記少なくとも１つのホスフェートの供給源が、リン酸三ナトリウム（無水及び水和物）、リン酸二ナトリウム（無水及び水和物）及びリン酸一ナトリウム、及びそれらの同等物のカリウム、リチウム、セシウム、アンモニウム、アルミニウム、カルシウム、マグネシウム、又はそれらの組み合わせ、並びにリン酸を含む、発明１に記載の組成物。
［発明４］
前記少なくとも１つの水酸化アルカリが水酸化ナトリウムであり、前記少なくとも１つのホスフェートの供給源が無水リン酸三ナトリウム又はリン酸三ナトリウム水和物である、発明１に記載の組成物。
［発明５］
前記セメント組成物が、少なくとも１つの可溶性アルカリ塩をさらに含み、前記アルカリ塩が、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、重炭酸ナトリウム、重炭酸カリウム、硫酸ナトリウム、硫酸カリウム、又はそれらの組み合わせの群から選択される、発明１に記載の組成物。
［発明６］
前記少なくとも１つのアルカリ塩が炭酸ナトリウムを含む、発明５に記載の組成物。
［発明７］
前記少なくとも１つのアルカリ塩が最大１０％ＢＷＯＢを構成する、発明５に記載の組成物。
［発明８］
前記少なくとも１つの水酸化アルカリ、前記少なくとも１つのホスフェートの供給源及び前記少なくとも１つのアルカリ塩が、水に溶解されて、活性剤溶液を形成する、発明５に記載の組成物。
［発明９］
発明８に記載の組成物、他の成分又は混和剤、及び少なくとも１つの骨材を含む、モルタル又はコンクリート。
［発明１０］
前記少なくとも１つの水酸化アルカリが結合剤重量基準で（ＢＷＯＢ）約０．０１％〜約１０％を構成し、前記少なくとも１つのホスフェートの供給源が約０．０５％〜約１０％ＢＷＯＢを構成し、水が約１５％〜約５０％ＢＷＯＢを構成する、発明１に記載の組成物。
［発明１１］
前記ＣＦＡセメント組成物が、第２のポゾラン材料をさらに含み、前記ポゾラン材料が、クラスＦフライアッシュ、高炉スラグ微粉末、超微細高炉スラグ、ガラス質アルミノケイ酸カルシウム、セメントキルンダスト、及びそれらの組み合わせの群から選択され、前記第２のポゾラン材料が、前記クラスＣフライアッシュを最大４０重量％置換する、発明１に記載の組成物。
［発明１２］
制御可能な凝結時間を有するクラスＣフライアッシュ（ＣＦＡ）セメント組成物を混合することによって製造されたフライアッシュモルタル又はコンクリートであって、
前記ＣＦＡセメント組成物が、
少なくとも１つのクラスＣフライアッシュと、
少なくとも１つの水酸化アルカリと、
少なくとも１つのホスフェートの供給源と、
水と
を含み、前記ＣＦＡセメント組成物が、第２のポゾラン材料をさらに含み、前記ポゾラン材料が、クラスＦフライアッシュ、高炉スラグ微粉末、超微細高炉スラグ、ガラス質アルミノケイ酸カルシウム、セメントキルンダスト、及びそれらの組み合わせの群から選択され、前記第２のポゾラン材料が、前記クラスＣフライアッシュを最大４０重量％置換し、前記少なくとも１つの水酸化アルカリ、前記少なくとも１つのホスフェートの供給源及び前記少なくとも１つのアルカリ塩が、水に溶解されて、活性剤溶液を形成する、
フライアッシュモルタル又はコンクリート。
［発明１３］
前記モルタル又はコンクリートが約４５分〜約１２時間の室温凝結時間を有する、発明１２に記載の製品。
［発明１４］
前記モルタル又はコンクリートが少なくとも約４０００ｐｓｉの２８日圧縮強度を有する、発明１２に記載の製品。
［発明１５］
固体活性剤を有するクラスＣフライアッシュ（ＣＦＡ）セメント組成物であって、
少なくとも１つのクラスＣフライアッシュと、
少なくとも１つのアルカリ炭酸塩と、
少なくとも１つのホスフェートの供給源と、
水と
を含む、組成物。
［発明１６］
前記少なくとも１つのホスフェートの供給源が、リン酸三ナトリウム（無水及び水和物）、リン酸二ナトリウム（無水及び水和物）及びリン酸一ナトリウム、及びそれらの同等物のカリウム、リチウム、セシウム、アンモニウム、アルミニウム、カルシウム、マグネシウム、又はそれらの組み合わせ、並びにリン酸を含む、発明１５に記載の組成物。
［発明１７］
前記少なくとも１つのアルカリ炭酸塩が、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、重炭酸ナトリウム、重炭酸カリウム、及びそれらの組み合わせの群から選択される、発明１５に記載の組成物。
［発明１８］
前記少なくとも１つのアルカリ炭酸塩が約０．０１％〜約１０％ＢＷＯＢを構成し、少なくとも１つのホスフェートの供給源が約０．０５％〜約１０％ＢＷＯＢを構成し、前記少なくとも１つのアルカリ炭酸塩が約０．５％〜約５％ＢＷＯＢを構成し、水が約１５％〜約５０％ＢＷＯＢを構成する、発明１５に記載の組成物。
［発明１９］
水酸化ナトリウム、無水リン酸三ナトリウム、及び炭酸ナトリウムが、ＣＦＡと混合されて、固体活性剤／ＣＦＡ混合物を形成する、発明１５に記載の組成物。
［発明２０］
発明１９に記載の組成物、他の成分又は混和剤、及び少なくとも１つの骨材を含む、モルタル又はコンクリート。
［発明２１］
前記モルタル又はコンクリートが約４５分〜約１２時間の室温凝結時間を有する、発明２０に記載の製品。
［発明２２］
前記モルタル又はコンクリートが、少なくとも約３０００ｐｓｉの２８日圧縮強度を有する、発明２０に記載の製品。
［態様１］
制御可能な凝結時間を有するクラスＣフライアッシュ（ＣＦＡ）セメント組成物であって、
少なくとも１つのクラスＣフライアッシュと、
少なくとも１つの水酸化アルカリと、
少なくとも１つのホスフェートの供給源と、
水と
を含む、組成物。
［態様２］
前記少なくとも１つの水酸化アルカリが、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム、水酸化カルシウム又はそれらの組み合わせを含む、態様１に記載の組成物。
［態様３］
前記少なくとも１つのホスフェートの供給源が、リン酸三ナトリウム（無水及び水和物）、リン酸二ナトリウム（無水及び水和物）及びリン酸一ナトリウム、及びそれらの同等物のカリウム、リチウム、セシウム、アンモニウム、アルミニウム、カルシウム、マグネシウム、又はそれらの組み合わせ、並びにリン酸を含む、態様１に記載の組成物。
［態様４］
前記少なくとも１つの水酸化アルカリが水酸化ナトリウムであり、前記少なくとも１つのホスフェートの供給源が無水リン酸三ナトリウム又はリン酸三ナトリウム水和物である、態様１に記載の組成物。
［態様５］
前記セメント組成物が、少なくとも１つの可溶性アルカリ塩をさらに含み、前記アルカリ塩が、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、重炭酸ナトリウム、重炭酸カリウム、硫酸ナトリウム、硫酸カリウム、又はそれらの組み合わせの群から選択される、態様１に記載の組成物。
［態様６］
前記少なくとも１つのアルカリ塩が炭酸ナトリウムを含む、態様５に記載の組成物。
［態様７］
前記少なくとも１つのアルカリ塩が最大１０％ＢＷＯＢを構成する、態様５に記載の組成物。
［態様８］
前記少なくとも１つの水酸化アルカリ、前記少なくとも１つのホスフェートの供給源及び前記少なくとも１つのアルカリ塩が、水に溶解されて、活性剤溶液を形成する、態様５に記載の組成物。
［態様９］
態様８に記載の組成物、他の成分又は混和剤、及び少なくとも１つの骨材を含む、モルタル又はコンクリート。
［態様１０］
前記少なくとも１つの水酸化アルカリが結合剤重量基準で（ＢＷＯＢ）約０．０１％〜約１０％を構成し、前記少なくとも１つのホスフェートの供給源が約０．０５％〜約１０％ＢＷＯＢを構成し、水が約１５％〜約５０％ＢＷＯＢを構成する、態様１に記載の組成物。
［態様１１］
前記ＣＦＡセメント組成物が、第２のポゾラン材料をさらに含み、前記ポゾラン材料が、クラスＦフライアッシュ、高炉スラグ微粉末、超微細高炉スラグ、ガラス質アルミノケイ酸カルシウム、セメントキルンダスト、及びそれらの組み合わせの群から選択され、前記第２のポゾラン材料が、前記クラスＣフライアッシュを最大４０重量％置換する、態様１に記載の組成物。
［態様１２］
制御可能な凝結時間を有するクラスＣフライアッシュ（ＣＦＡ）セメント組成物を混合することによって製造されたフライアッシュモルタル又はコンクリートであって、
前記ＣＦＡセメント組成物が、
少なくとも１つのクラスＣフライアッシュと、
少なくとも１つの水酸化アルカリと、
少なくとも１つのホスフェートの供給源と、
水と
を含み、前記ＣＦＡセメント組成物が、第２のポゾラン材料をさらに含み、前記ポゾラン材料が、クラスＦフライアッシュ、高炉スラグ微粉末、超微細高炉スラグ、ガラス質アルミノケイ酸カルシウム、セメントキルンダスト、及びそれらの組み合わせの群から選択され、前記第２のポゾラン材料が、前記クラスＣフライアッシュを最大４０重量％置換し、前記少なくとも１つの水酸化アルカリ、前記少なくとも１つのホスフェートの供給源及び前記少なくとも１つのアルカリ塩が、水に溶解されて、活性剤溶液を形成する、
フライアッシュモルタル又はコンクリート。
［態様１３］
前記モルタル又はコンクリートが約４５分〜約１２時間の室温凝結時間を有する、態様１２に記載のフライアッシュモルタル又はコンクリート。
［態様１４］
前記モルタル又はコンクリートが少なくとも約２７５７９ｐｓｉの２８日圧縮強度を有する、態様１２に記載のフライアッシュモルタル又はコンクリート。
［態様１５］
固体活性剤を有するクラスＣフライアッシュ（ＣＦＡ）セメント組成物であって、
少なくとも１つのクラスＣフライアッシュと、
少なくとも１つのアルカリ炭酸塩と、
少なくとも１つのホスフェートの供給源と、
水と
を含む、組成物。
［態様１６］
前記少なくとも１つのホスフェートの供給源が、リン酸三ナトリウム（無水及び水和物）、リン酸二ナトリウム（無水及び水和物）及びリン酸一ナトリウム、及びそれらの同等物のカリウム、リチウム、セシウム、アンモニウム、アルミニウム、カルシウム、マグネシウム、又はそれらの組み合わせ、並びにリン酸を含む、態様１５に記載の組成物。
［態様１７］
前記少なくとも１つのアルカリ炭酸塩が、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、重炭酸ナトリウム、重炭酸カリウム、及びそれらの組み合わせの群から選択される、態様１５に記載の組成物。
［態様１８］
前記少なくとも１つのアルカリ炭酸塩が約０．０１％〜約１０％ＢＷＯＢを構成し、少なくとも１つのホスフェートの供給源が約０．０５％〜約１０％ＢＷＯＢを構成し、前記少なくとも１つのアルカリ炭酸塩が約０．５％〜約５％ＢＷＯＢを構成し、水が約１５％〜約５０％ＢＷＯＢを構成する、態様１５に記載の組成物。
［態様１９］
水酸化ナトリウム、無水リン酸三ナトリウム、及び炭酸ナトリウムが、ＣＦＡと混合されて、固体活性剤／ＣＦＡ混合物を形成する、態様１５に記載の組成物。
［態様２０］
態様１９に記載の組成物、他の成分又は混和剤、及び少なくとも１つの骨材を含む、モルタル又はコンクリート。
［態様２１］
前記モルタル又はコンクリートが約４５分〜約１２時間の室温凝結時間を有する、態様２０に記載のモルタル又はコンクリート。
［態様２２］
前記モルタル又はコンクリートが、少なくとも約２０６８４ｋＰａの２８日圧縮強度を有する、態様２０に記載のモルタル又はコンクリート。

Claims

制御可能な凝結時間を有するクラスＣフライアッシュ（ＣＦＡ）セメント組成物であって、
少なくとも１つのクラスＣフライアッシュと、
少なくとも１つの水酸化アルカリと、
少なくとも１つのホスフェートの供給源と、
水と
を含む、組成物。
前記少なくとも１つの水酸化アルカリが、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム、水酸化カルシウム又はそれらの組み合わせを含む、請求項１に記載の組成物。
前記少なくとも１つのホスフェートの供給源が、リン酸三ナトリウム（無水及び水和物）、リン酸二ナトリウム（無水及び水和物）及びリン酸一ナトリウム、及びそれらの同等物のカリウム、リチウム、セシウム、アンモニウム、アルミニウム、カルシウム、マグネシウム、又はそれらの組み合わせ、並びにリン酸を含む、請求項１に記載の組成物。
前記少なくとも１つの水酸化アルカリが水酸化ナトリウムであり、前記少なくとも１つのホスフェートの供給源が無水リン酸三ナトリウム又はリン酸三ナトリウム水和物である、請求項１に記載の組成物。
前記セメント組成物が、少なくとも１つの可溶性アルカリ塩をさらに含み、前記アルカリ塩が、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、重炭酸ナトリウム、重炭酸カリウム、硫酸ナトリウム、硫酸カリウム、又はそれらの組み合わせの群から選択される、請求項１に記載の組成物。
前記少なくとも１つのアルカリ塩が炭酸ナトリウムを含む、請求項５に記載の組成物。
前記少なくとも１つのアルカリ塩が最大１０％ＢＷＯＢを構成する、請求項５に記載の組成物。
前記少なくとも１つの水酸化アルカリ、前記少なくとも１つのホスフェートの供給源及び前記少なくとも１つのアルカリ塩が、水に溶解されて、活性剤溶液を形成する、請求項５に記載の組成物。
請求項８に記載の組成物、他の成分又は混和剤、及び少なくとも１つの骨材を含む、モルタル又はコンクリート。
前記少なくとも１つの水酸化アルカリが結合剤重量基準で（ＢＷＯＢ）約０．０１％〜約１０％を構成し、前記少なくとも１つのホスフェートの供給源が約０．０５％〜約１０％ＢＷＯＢを構成し、水が約１５％〜約５０％ＢＷＯＢを構成する、請求項１に記載の組成物。
前記ＣＦＡセメント組成物が、第２のポゾラン材料をさらに含み、前記ポゾラン材料が、クラスＦフライアッシュ、高炉スラグ微粉末、超微細高炉スラグ、ガラス質アルミノケイ酸カルシウム、セメントキルンダスト、及びそれらの組み合わせの群から選択され、前記第２のポゾラン材料が、前記クラスＣフライアッシュを最大４０重量％置換する、請求項１に記載の組成物。
制御可能な凝結時間を有するクラスＣフライアッシュ（ＣＦＡ）セメント組成物を混合することによって製造されたフライアッシュモルタル又はコンクリートであって、
前記ＣＦＡセメント組成物が、
少なくとも１つのクラスＣフライアッシュと、
少なくとも１つの水酸化アルカリと、
少なくとも１つのホスフェートの供給源と、
水と
を含み、前記ＣＦＡセメント組成物が、第２のポゾラン材料をさらに含み、前記ポゾラン材料が、クラスＦフライアッシュ、高炉スラグ微粉末、超微細高炉スラグ、ガラス質アルミノケイ酸カルシウム、セメントキルンダスト、及びそれらの組み合わせの群から選択され、前記第２のポゾラン材料が、前記クラスＣフライアッシュを最大４０重量％置換し、前記少なくとも１つの水酸化アルカリ、前記少なくとも１つのホスフェートの供給源及び前記少なくとも１つのアルカリ塩が、水に溶解されて、活性剤溶液を形成する、
フライアッシュモルタル又はコンクリート。
前記モルタル又はコンクリートが約４５分〜約１２時間の室温凝結時間を有する、請求項１２に記載の製品。
前記モルタル又はコンクリートが少なくとも約４０００ｐｓｉの２８日圧縮強度を有する、請求項１２に記載の製品。
固体活性剤を有するクラスＣフライアッシュ（ＣＦＡ）セメント組成物であって、
少なくとも１つのクラスＣフライアッシュと、
少なくとも１つのアルカリ炭酸塩と、
少なくとも１つのホスフェートの供給源と、
水と
を含む、組成物。
前記少なくとも１つのホスフェートの供給源が、リン酸三ナトリウム（無水及び水和物）、リン酸二ナトリウム（無水及び水和物）及びリン酸一ナトリウム、及びそれらの同等物のカリウム、リチウム、セシウム、アンモニウム、アルミニウム、カルシウム、マグネシウム、又はそれらの組み合わせ、並びにリン酸を含む、請求項１５に記載の組成物。
前記少なくとも１つのアルカリ炭酸塩が、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、重炭酸ナトリウム、重炭酸カリウム、及びそれらの組み合わせの群から選択される、請求項１５に記載の組成物。
前記少なくとも１つのアルカリ炭酸塩が約０．０１％〜約１０％ＢＷＯＢを構成し、少なくとも１つのホスフェートの供給源が約０．０５％〜約１０％ＢＷＯＢを構成し、前記少なくとも１つのアルカリ炭酸塩が約０．５％〜約５％ＢＷＯＢを構成し、水が約１５％〜約５０％ＢＷＯＢを構成する、請求項１５に記載の組成物。
水酸化ナトリウム、無水リン酸三ナトリウム、及び炭酸ナトリウムが、ＣＦＡと混合されて、固体活性剤／ＣＦＡ混合物を形成する、請求項１５に記載の組成物。
請求項１９に記載の組成物、他の成分又は混和剤、及び少なくとも１つの骨材を含む、モルタル又はコンクリート。
前記モルタル又はコンクリートが約４５分〜約１２時間の室温凝結時間を有する、請求項２０に記載の製品。
前記モルタル又はコンクリートが、少なくとも約３０００ｐｓｉの２８日圧縮強度を有する、請求項２０に記載の製品。