JP2022517629A - 自己固結ジオポリマー組成物およびそれを作製するための方法 - Google Patents

自己固結ジオポリマー組成物およびそれを作製するための方法 Download PDF

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Abstract

【解決手段】 ＡＳＴＭ Ｃ１６１１－１４に従って測定した場合、１８インチ超の初期スランプ直径および／または１時間のスランプ直径を有し、ＡＳＴＭ Ｃ１９１－１３を使用して測定した場合、少なくとも６０分の最終凝結時間を有し、ならびに０体積％～２０体積％の空気含有量を有する、スラリーの形態の水を含まないブレンドならびに自己固結ジオポリマー組成物。組成物は、比率ｗ／ｃｒｐ＝０．３～０．５５の水およびセメント質反応性粉末の混合物、セメント凝結遅延剤、アルカリ金属塩および／またはアルカリ金属塩基から選択されるアルカリ金属化学活性剤、ならびに凍結融解耐久性構成成分を含む。セメント質反応性粉末は、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物、任意選択で、アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物、アルミン酸塩セメント、および硫酸カルシウムを含む。熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物は、フライアッシュ、高炉スラグ、熱活性化粘土、頁岩、メタカオリン、ゼオライト、泥灰土赤泥（ｍａｒｌ ｒｅｄ ｍｕｄ）、粉砕岩石、および粉砕粘土レンガからなる群の少なくとも１つのメンバーから選択される。同様に、水と、セメント質反応性粉末と、セメント凝結遅延剤と、アルカリ金属化学活性剤と、凍結融解耐久性構成成分とを混合することによってスラリーを調製するステップを含む、この自己固結ジオポリマー組成物を作製するための方法。【選択図】図３

Description

本発明は、流動性が高く、自己固結性であり、かつ凝結時間の延長、調整可能なレオロジー、および改善された圧縮強度を含む強化された性能特性を有するジオポリマー組成物、ならびにこれらの組成物を作製するための方法を提供する。
ＤｕｂｅｙのＵＳ２０１３／０２８４０６９Ａ１には、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物／アルミン酸カルシウムセメント／無水硫酸カルシウムなどの硫酸カルシウム／アルカリ金属塩などの化学活性剤／水の反応生成物を含むジオポリマー組成物が開示されている。それには、組成物は、空気連行剤または発泡剤を含有し得ることが開示されている。それにはまた、パネル、道路補修材、交通支持面、および舗装のための組成物の使用が開示されている。
ＤｕｂｅｙのＵＳ２０１３／０２８４０７０Ａ１には、例えば、パネル用のジオポリマー組成物は、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物／スルホアルミン酸カルシウムセメント／無水硫酸カルシウムなどの硫酸カルシウム／アルカリ金属塩などの化学活性剤／水の反応生成物を含むことが開示されている。
ＤｕｂｅｙのＵＳ２０１７／０１６６４８１Ａ１には、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物、アルミン酸塩セメント、および硫酸カルシウムを含むセメント質反応性粉末、アルカリ金属化学活性剤、ならびに凍結融解耐久性構成成分を含む凍結融解耐性のある、寸法安定性ジオポリマー組成物が開示されている。
２０１０年５月２１日にインターネット上に投稿されたＦｒｅｅｚｅ Ｔｈａｗおよび ＡＳＴＭ Ｃ－６７２（米国仕様）によって説明されているように、耐久性とは、気候作用、化学的攻撃、および摩耗に耐えながら、その望ましい工学特性を維持するためのコンクリートの能力である。コンクリート製品の耐久性は、それらが曝露される環境の種類に依存する。寒い気候が近づくにつれ、凍結融解および除氷塩への耐性のような概念を理解することが重要になる。水が凍結するとき、９％膨張する。湿ったコンクリート中の水が凍結すると、水がコンクリートの細孔内に圧力を生成する。この圧力が引張強度を超える場合、空洞が拡張し、破裂するであろう。次いで、連続した凍結融解サイクルは、最終的にコンクリートの膨張および亀裂、スケーリング、ならびに／または崩壊を引き起こすであろう。雪および氷の除去に使用される除氷化学物質は、凍結融解劣化を悪化させる場合がある。したがって、補修材料などのセメント製品をコンクリート路面上に使用するとき、これらの材料がこれらの過酷な条件および化学物質の影響に強い耐性を有することが重要である。
本発明は、流動性が高く、自己固結性であり、かつ凝結時間の延長、スランプ保持、調整可能なレオロジー、および改善された圧縮強度を含む強化された性能特性を有するジオポリマー組成物、ならびにこれらの組成物を作製するための方法を提供する。
本発明の自己固結ジオポリマー組成物は、フライアッシュ、セメント凝結遅延剤、およびセメント質反応性構成成分としてアルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物などのアルミノケイ酸塩鉱物を利用する。アルカリ土類金属酸化物を含む上記無機鉱物は、好ましくは、酸化カルシウム（石灰または生石灰としても知られている）もしくは酸化マグネシウム、またはそれらの組み合わせを含有する。セメント質反応性粉末はまた、任意選択で、１つ以上のアルミナ質セメントおよび１つ以上の硫酸カルシウム源を含み得る。セメント質反応性粉末は、アルカリ金属塩およびアルカリ金属塩基からなる群の少なくとも１つのメンバーから選択されるアルカリ金属化学活性剤で活性化される。クエン酸アルカリ金属は、本発明の最も好ましい化学活性剤である。本発明のセメント質反応性粉末に、水とセメント質材料との高い比率、セメント凝結遅延剤、および／またはアルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物を組み込むことにより、高流量、自己固結、調整可能な凝結挙動、および改善された圧縮強度を含む様々な機能的利点が提供される。
ジオポリマー組成物の自己固結挙動は、以下のうちの１つ以上によって達成できる。
本発明の組成物および組成物を作製する方法は、水とセメント質材料との高い比率を採用し得る。本発明の好ましい組成物では、水とセメント質材料との比率は、０．３０～０．５５：１、好ましくは０．３５～０．４５：１の範囲であり得る。
本発明の組成物および組成物を作製する方法は、カルボン酸およびその塩（例えば、ナトリウムおよびカリウム塩）を含む無機または有機セメント凝結遅延剤を採用し得る。セメント凝結遅延剤は、セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０．１～４．０、好ましくは０．２５～３．０、より好ましくは０．５０～２．０重量％の量で添加され得る。
本発明の組成物および組成物を作製する方法は、アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物を採用し得、この無機鉱物は、上記熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり０．０～１０、好ましくは０．２～６、より好ましくは０．３～３重量部（ｐｂｗ）の量である、アルカリ土類金属酸化物を含む。
本発明は、自己固結ジオポリマー組成物を提供し、当該自己固結ジオポリマー組成物は、
水と、
セメント質反応性粉末であって、
－１００重量部の量の熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物であって、好ましくは、少なくとも７５％のＣ級フライアッシュを含む、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物、
－アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物であって、上記熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり０～１０、好ましくは０．２～６、より好ましくは０．３～３重量部（ｐｂｗ）の量である、アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物、
－任意選択で、少なくとも１つのアルミン酸塩セメント、および
－任意選択で、少なくとも１つの硫酸カルシウム、を含む、セメント質反応性粉末と、
セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０．１～４．０、好ましくは０．２５～３．０、より好ましくは０．５０～２．０重量％の量のセメント凝結遅延剤と、
セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、１～６、好ましくは１．２５～４、より好ましくは１．５～２．５重量％の量のアルカリ金属化学活性剤であって、アルカリ金属化学活性剤が、アルカリ金属塩およびアルカリ金属塩基からなる群の少なくとも１つのメンバーから選択され、クエン酸カリウムが、好ましいアルカリ金属塩化学活性剤である、アルカリ金属化学活性剤と、
セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０．０５～２１．５、好ましくは０．１～１０、より好ましくは０．１～５重量％の量の凍結融解耐久性構成成分であって、
－セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０～１、好ましくは０．０１～０．５、より好ましくは０．０１～０．２、最も好ましくは０．０５～０．２重量％の量の空気連行剤、
－セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０～０．５、好ましくは０～０．２５、より好ましくは０．０１～０．１重量％の量の消泡剤、および
－セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０～２０、好ましくは０～１０、より好ましくは０～５重量％の量の表面活性有機ポリマー、を含む、凍結融解耐久性構成成分と、のスラリー混合物を含み、
空気連行剤および表面活性有機ポリマーからなる群の少なくとも１つのメンバーが存在し、
組成物が、約０体積％～２０体積％、より好ましくは約２体積％～１２体積％、および最も好ましくは約３体積％～８体積％の空気含有量を有し、
上記熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物、上記任意選択のアルミン酸塩セメント、上記任意選択の硫酸カルシウム、および上記アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物が、セメント質反応性粉末の少なくとも７０重量％、好ましくは少なくとも８０重量％、より好ましくは少なくとも９５重量％、最も好ましくは１００重量％であり、
水／セメント質反応性粉末の重量比が、０．３０～０．５５：１、好ましくは０．３５～０．４５：１であり、
セメント凝結遅延剤の量が０．５重量％未満である場合、
水／セメント質反応性粉末の重量比が、０．３５～０．５５：１、好ましくは０．３５～０．４５：１であり、かつ／または
アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物が、上記熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり０．２～１０、好ましくは０．２～６、より好ましくは０．３～３重量部（ｐｂｗ）の量であり、
スラリー混合物が、ＡＳＴＭ Ｃ１６１１－１４に従って測定した場合、１８インチ超、より好ましくは２０インチ超、および最も好ましくは２２インチ超の初期スランプ直径および／または１時間のスランプ直径を有し、ＡＳＴＭ Ｃ１９１－１３に従って測定した場合、少なくとも６０分の最終凝結時間を有する。
本発明の組成物は、米国コンクリート学会規格ＡＣＩ ２３７Ｒ－０７自己固結コンクリートで定義されている自己固結の定義を満たしている。本発明の自己固結ジオポリマー組成物は、ＡＳＴＭ Ｃ１６１１－１４に従って測定した場合、１８インチ超、より好ましくは２０インチ超、および最も好ましくは２２インチ超の初期スランプ直径および／または１時間のスランプ直径を有する。したがって、本発明の自己固結ジオポリマー組成物は、ＡＳＴＭ Ｃ１６１１－１４に従って測定した場合、１８インチ超、より好ましくは２０インチ超、および最も好ましくは２２インチ超の初期スランプ直径を有し、かつ／または本発明の自己固結ジオポリマー組成物は、ＡＳＴＭ Ｃ１６１１－１４に従って測定した場合、１８インチ超、より好ましくは２０インチ超、および最も好ましくは２２インチ超の１時間のスランプ直径を有し得る。本発明の自己固結ジオポリマー組成物はまた、ＡＳＴＭ Ｃ１９１－１３－ビカー針による水硬性セメントの凝結時間の規格試験法に従って測定した場合、少なくとも６０分の最終凝結時間を有する。
粗い砂利がない場合の自己固結ジオポリマー組成物の流動挙動は、円筒スランプ試験を使用して交互に特徴付けられる。円筒スランプ試験では、滑らかなプラスチックの表面に一方の開放端を置いて垂直に保持された、直径約２インチ（５．０８ｃｍ）、長さ約４インチ（１０．１６ｃｍ）の中空円筒を利用する。円筒は、セメント質混合物を頂部まで充填し、続いて、上面を叩いて、余分なスラリー混合物を除去する。次いで、円筒を緩やかに垂直方向に引き上げて、スラリーが底部から出て、プラスチック表面に広がり、円形のパテを形成する。次いで、パテの直径を測定し、材料のスランプとして記録する。この仕様によれば、この試験方法によって特徴付けられる自己固結ジオポリマー組成物は、少なくとも７インチ、より好ましくは少なくとも８インチ、および最も好ましくは少なくとも９インチのスランプ直径を有する。この円筒スランプ試験による７インチのスランプ直径は、ＡＳＴＭ Ｃ１６１１－１４の１８インチのスランプ直径に対応する。円筒スランプ試験は、ＡＳＴＭ Ｃ１６１１－１４試験よりも使用する材料が少ないため、典型的には、粗骨材が組成物に存在しない場合に使用される。
上記のように、本発明は、自己固結ジオポリマー組成物を提供する。本仕様では、自己固結ジオポリマー組成物は、米国コンクリート学会規格ＡＣＩ ２３７Ｒ－０７自己固結コンクリート（２００７年４月１日公開）による自己固結コンクリートのパラメータを満たすものである。自己固結コンクリート（ＳＣＣ）は、流動性が高く、不分離性コンクリートであり、機械的に圧密することなく、所定の位置に広げ、型枠を埋め、補強材を封じ込めることができる。一般に、ＳＣＣは従来のコンクリート材料で、場合によっては、粘性改質混和剤（ＶＭＡ）で作られたコンクリートである。ＳＣＣはまた、自己充填コンクリート、自己配置コンクリート、およびセルフレベリングコンクリート（全てＳＣＣの一種である）として記載される。
したがって、セメント凝結遅延剤が少なくとも０．５重量％である場合、本発明は、以下を有するスラリー混合物を包含する。
・水とセメント質材料との比率：０．３０～０．５５、好ましくは０．３５～０．４５
・無機および／または有機セメント凝結遅延剤（典型的な有機セメント凝結遅延剤は、カルボン酸およびその塩を含む）、０．５～４．０重量％のセメント質反応性粉末、好ましくは０．５～３．０重量％のセメント質反応性粉末、最も好ましくは０．５０～２．０重量％のセメント質反応性粉末
・アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物は、酸化カルシウムまたは生石灰、酸化マグネシウム、およびそれらの組み合わせを含む：熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物の０～１０、好ましくは０．２～６、より好ましくは、０．３～３重量部。
したがって、本発明は、アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物が、組成物の一部として使用されない場合のスラリー混合物、水とセメント質材料との比率、および以下の範囲を有するセメント凝結遅延剤を包含する。
－水とセメント質材料との比率が、０．３５～０．５５の範囲であり、
－無機または有機セメント凝結遅延剤が、セメント質反応性粉末の０．５０～４．０％の範囲、好ましくはセメント質反応性粉末の０．５０～２．０％の範囲にある。
本発明はまた、自己固結ジオポリマー組成物を作製するためのブレンドを提供し、当該ジオポリマー組成物は、
セメント質反応性粉末であって、
－１００重量部の量の熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物であって、好ましくは、少なくとも７５％のＣ級フライアッシュを含む、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物、および
－アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物であって、上記熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり０．０～１０、好ましくは０．２～６、より好ましくは０．３～３重量部の量である、アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物、
－任意選択で、少なくとも１つのアルミン酸塩セメント、および
－任意選択で、少なくとも１つの硫酸カルシウム、を含む、セメント質反応性粉末と、
セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０．１～４．０、好ましくは０．２５～３．０、より好ましくは０．５０～２．０重量％の量のセメント凝結遅延剤と、
セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、１～６、好ましくは１．２５～４、より好ましくは１．５～２．５重量％の量のアルカリ金属化学活性剤であって、アルカリ金属化学活性剤が、アルカリ金属塩およびアルカリ金属塩基からなる群の少なくとも１つのメンバーから選択され、クエン酸カリウムが、好ましいアルカリ金属塩化学活性剤である、アルカリ金属化学活性剤と、
セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０．０５～２１．５、好ましくは０．１～１０、より好ましくは０．１～５重量％の量の凍結融解耐久性構成成分であって、
－セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０～１、好ましくは０．０１～０．５、より好ましくは０．０１～０．２、最も好ましくは０．０５～０．２重量％の量の空気連行剤、
－セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０～０．５、好ましくは０～０．２５、より好ましくは０．０１～０．１重量％の量の消泡剤、および
－セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０～２０、好ましくは０～１０、より好ましくは０～５重量％の量の表面活性有機ポリマー、を含む、凍結融解耐久性構成成分と、の混合物を含み、
空気連行剤および表面活性有機ポリマーからなる群の少なくとも１つのメンバーが存在し、
組成物が、約０体積％～２０体積％、より好ましくは約２体積％～１２体積％、および最も好ましくは約３体積％～８体積％の空気含有量を有し、
上記熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物、上記任意選択のアルミン酸塩セメント、上記任意選択の硫酸カルシウム、および上記アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物が、セメント質反応性粉末の少なくとも７０重量％、好ましくは少なくとも８０重量％、より好ましくは少なくとも９５重量％、最も好ましくは１００重量％であり、
ブレンドが、水と混合された場合、ＡＳＴＭ Ｃ１６１１－１４に従って測定した場合、１８インチ超、より好ましくは２０インチ超、および最も好ましくは２２インチ超の初期スランプ直径および／または１時間のスランプ直径を有し、ＡＳＴＭ Ｃ１９１－１３を使用して測定した場合、少なくとも６０分の最終凝結時間を有するスラリー混合物を形成し、もし水と混合され、水／セメント質反応性粉末の重量比０．３０～０．５５、好ましくは０．３５～０．４５でスラリー混合物を形成した場合、但し、セメント凝結遅延剤の量が０．５重量％未満である場合、
水／セメント質反応性粉末の重量比が、０．３５～０．５５：１、好ましくは０．３５～０．４５：１であり、かつ／または
アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物が、上記熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり０．２～１０、好ましくは０．２～６、より好ましくは０．３～３重量部（ｐｂｗ）の量である。
アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物を上述の範囲で添加すると、本発明のジオポリマー組成物の凝結時間を最大６時間まで延長することができる。その上、アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物のこれらの添加量において、本発明のジオポリマー組成物は、優れた流動特性および自己固結特性を有する。より長い凝結時間および自己固結特性は、材料がレディーミクストトラック（トランジットトラックとも呼ばれる）で使用され、コンクリートレディーミクストバッチ処理プラントから長距離を運搬される場合に特に有用である。
適切に配分および配置された自己固結ジオポリマーコンクリートは、いくつかの技術的利点だけでなく、多くの経済的利点も提供する。特に、本発明の自己固結ジオポリマーコンクリート組成物によって提供されるいくつかの重要な利点を以下に強調する。
・成形および仕上げ率の向上により、施工生産性が向上する。
・より均質で満足のいく施工品質を確保しながら、高度に補強された部分および複雑な型枠の充填を可能にする。
・大規模な建設作業で望ましい広がりを達成しながら、成形中のコンクリートの配置ポイントの数を低減する。これにより、コンクリートを配置するためにトランジットトラックおよびポンプラインを移動する必要性が低減する。
・比較的均質で、建設および振動の作業員の技能に依存することなく、望ましい機械的特性を備えたジオポリマーコンクリートの配置および成形を可能にする。
・鉄筋のディテールの柔軟性を高める。例えば、適切な材料の配置および固結を達成するために、補強材を束ねる必要性を低減する。他のシナリオでは、亀裂を制御するために、小径で間隔の狭い鉄筋の使用を許可する。
・豆板がなく、にじみおよび変色の兆候がなく、滑らかで審美的に魅力的な表面を達成する。
・カーペットおよびタイルなどの最終仕上げの床材を設置するための下地を平らにし、調製するために通常使用されるセルフレベリング下敷きなどの床材の必要性を排除する。
・現場の工事騒音を低減する。これは、大都市および人口密度の高い地域では特に重要である。この利点は、適切な固結を達成するために通常は激しい振動を必要とする、高強化断面でも重要である。
・ジオポリマーコンクリートの適切な固結を確保するための外部振動の必要がないため、材料の配置のための建設労力および設備を削減する。さらに、材料のセルフレベリング特性により、平坦な表面を確保するためのスクリード操作の必要性が大幅に低減する。
組成物は、水、セメント質反応性粉末、アルカリ金属化学活性剤、および凍結融解耐久性構成成分を含むスラリーを凝結することから作製され、スラリーの水／セメント質反応性粉末の重量比は、０．３０～０．５５、好ましくは０．３５～０．４５である。凝結時に、水は、セメント質反応性粉末と結合する。
本発明の組成物および方法では、アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物は、他の成分に加えて添加されるアルカリ土類金属酸化物である。したがって、例えば、それは、フライアッシュ中に天然にあり得る任意のアルカリ土類金属酸化物に添加される。この添加されたアルカリ土類金属酸化物は、好ましくは、酸化カルシウム（石灰または生石灰としても知られている）、もしくは酸化マグネシウム、またはそれらの組み合わせである。
本発明において好ましいアルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物は、好ましくは５０重量％超、より好ましくは６０重量％超、さらにより好ましくは７０重量％超、および最も好ましくは８０重量％超のアルカリ土類金属酸化物含有量を有する。
本発明はまた、上述の自己固結ジオポリマー組成物を作製するための方法を提供し、当該方法は、
水と、
セメント質反応性粉末であって、
－１００重量部の量の熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物であって、好ましくは、少なくとも７５％のＣ級フライアッシュを含む、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物、
－アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物であって、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり０．０～１０、好ましくは０．２～６、より好ましくは０．３～３の量である、アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物、
－任意選択で、少なくとも１つのアルミン酸塩セメント、および
－任意選択で、少なくとも１つの硫酸カルシウム、を含む、セメント質反応性粉末と、
セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０．１～４．０、好ましくは０．２５～３．０、より好ましくは０．５０～２重量％の量のセメント凝結遅延剤と、
セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、１～６、好ましくは１．２５～４、より好ましくは１．５～２．５重量％の量のアルカリ金属化学活性剤であって、アルカリ金属化学活性剤が、アルカリ金属塩およびアルカリ金属塩基からなる群の少なくとも１つのメンバーから選択され、クエン酸カリウムが、好ましいアルカリ金属塩化学活性剤である、アルカリ金属化学活性剤と、
セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０．０５～２１．５、好ましくは０．１～１０、より好ましくは０．１～５重量％の量の凍結融解耐久性構成成分であって、
－セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０～１、好ましくは０．０１～０．５、より好ましくは０．０１～０．２、最も好ましくは０．０５～０．２重量％の量の空気連行剤、
－セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０～０．５、好ましくは０～０．２５、より好ましくは０．０１～０．１重量％の量の消泡剤、および
－セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０～２０、好ましくは０～１０、より好ましくは０～５重量％の量の表面活性有機ポリマー、を含む、凍結融解耐久性構成成分と、を混合することによってスラリー混合物を調整するステップを含み、
空気連行剤および表面活性有機ポリマーからなる群の少なくとも１つのメンバーが存在し、
スラリーが、約０体積％～２０体積％、より好ましくは約２体積％～１２体積％、および最も好ましくは約３体積％～８体積％の空気含有量を有し、
上記熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物、上記任意選択のアルミン酸塩セメント、上記任意選択の硫酸カルシウム、および上記アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物が、セメント質反応性粉末の少なくとも７０重量％、好ましくは少なくとも８０重量％、より好ましくは少なくとも９５重量％、最も好ましくは１００重量％であり、
スラリーの水／セメント質反応性粉末の重量比が、０．３０～０．５５：１、好ましくは０．３５～０．４５：１であり、
但し、セメント凝結遅延剤の量が０．５重量％未満である場合、次いで
水／セメント質反応性粉末の重量比が、０．３５～０．５５：１、好ましくは０．３５～０．４５：１であり、かつ／または
アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物が、上記熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり０．２～１０、好ましくは０．２～６、より好ましくは０．３～３重量部（ｐｂｗ）の量であり、
スラリー混合物が、ＡＳＴＭ Ｃ１６１１－１４に従って測定した場合、１８インチ超、より好ましくは２０インチ超、および最も好ましくは２２インチ超の初期スランプ直径および／または１時間のスランプ直径を有し、ＡＳＴＭ Ｃ１９１－１３に従って測定した場合、少なくとも６０分の最終凝結時間を有し、
スラリーを凝結させて、凝結組成物を形成する。
好ましくは、混合物は、空気連行剤および表面活性有機ポリマーからなる群の少なくとも１つのメンバーを含有する。
本発明はまた、上述の自己固結ジオポリマー組成物およびそれを作製する方法を提供し、当該方法は、セメント質反応性粉末が以下、
－熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり１～１００、好ましくは２．５～８０、より好ましくは５～６０、最も好ましくは２５～４０重量部（ｐｂｗ）の量のアルミン酸塩セメントであって、好ましくはスルホアルミン酸カルシウムセメントおよびアルミン酸カルシウムセメントからなる群の少なくとも１つのメンバーから選択される、アルミン酸塩セメント、ならびに
－アルミン酸塩セメント１００重量部あたり２～１００、好ましくは５～７５、より好ましくは１０～５０重量部の量の硫酸カルシウムであって、硫酸カルシウム二水和物、硫酸カルシウム半水和物、および無水硫酸カルシウムのうちの少なくとも１つから選択される、硫酸カルシウム、のようなアルミン酸塩セメントおよび硫酸カルシウムをさらに含むように調節される。
この自己固結ジオポリマー組成物は、アルミン酸塩セメントおよび硫酸カルシウムをさらに含むセメント質反応性粉末から作製され、当該ジオポリマー組成物は、
水と、
セメント質反応性粉末であって、
－１００重量部の量の熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物であって、好ましくは、少なくとも７５％のＣ級フライアッシュを含む、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物、
－熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり１～１００、好ましくは２．５～８０、より好ましくは５～６０、最も好ましくは２５～４０重量部（ｐｂｗ）の量のアルミン酸塩セメントであって、好ましくは、スルホアルミン酸カルシウムセメントおよびアルミン酸カルシウムセメントからなる群の少なくとも１つのメンバーから選択される、アルミン酸塩セメント、
－アルミン酸塩セメント１００重量部あたり２～１００、好ましくは５～７５、より好ましくは１０～５０重量部の量の硫酸カルシウムであって、硫酸カルシウム二水和物、硫酸カルシウム半水和物、および無水硫酸カルシウムからなる群の少なくとも１つのメンバーから選択される、硫酸カルシウム、ならびに
－アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物であって、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物の０．０～１０、好ましくは０．２～６、より好ましくは０．３～３重量部の量である、アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物、を含む、セメント質反応性粉末と、
セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０．１～４．０、好ましくは０．２５～３．０、より好ましくは０．５０～２．０重量％の量のセメント凝結遅延剤と、
セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、１～６、好ましくは１．２５～４、より好ましくは１．５～２．５重量％の量のアルカリ金属化学活性剤であって、アルカリ金属化学活性剤が、アルカリ金属塩およびアルカリ金属塩基からなる群の少なくとも１つのメンバーから選択され、クエン酸カリウムが、好ましいアルカリ金属塩化学活性剤である、アルカリ金属化学活性剤と、
セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０．０５～２１．５、好ましくは０．１～１０、より好ましくは０．１～５重量％の量の凍結融解耐久性構成成分であって、
－セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０～１、好ましくは０．０１～０．５、より好ましくは０．０１～０．２、最も好ましくは０．０５～０．２重量％の量の空気連行剤、
－セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０～０．５、好ましくは０～０．２５、より好ましくは０．０１～０．１重量％の量の消泡剤、および
－セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０～２０、好ましくは０～１０、より好ましくは０～５重量％の量の表面活性有機ポリマー、を含む、凍結融解耐久性構成成分と、のスラリー混合物を含み、
空気連行剤および表面活性有機ポリマーからなる群の少なくとも１つのメンバーが存在し、
組成物が、約０体積％～２０体積％、より好ましくは約２体積％～１２体積％、および最も好ましくは約３体積％～８体積％の空気含有量を有し、
上記熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物、上記アルミン酸塩セメント、上記硫酸カルシウム、および上記アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物が、セメント質反応性粉末の少なくとも７０重量％、好ましくは少なくとも８０重量％、より好ましくは少なくとも９５重量％、最も好ましくは１００重量％であり、
水／セメント質反応性粉末の重量比が、０．３０～０．５５、好ましくは０．３５～０．４５であり、
セメント凝結遅延剤の量が０．５重量％未満である場合、
水／セメント質反応性粉末の重量比が、０．３５～０．５５：１、好ましくは０．３５～０．４５：１であり、かつ／またはアルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物が、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり０．２～１０、好ましくは０．２～６、より好ましくは０．３～３重量部（ｐｂｗ）の量であり、
スラリー混合物が、ＡＳＴＭ Ｃ１６１１－１４に従って測定した場合、１８インチ超、より好ましくは２０インチ超、および最も好ましくは２２インチ超の初期スランプ直径および／または１時間のスランプ直径を有し、ＡＳＴＭ Ｃ１９１－１３に従って測定した場合、少なくとも６０分の最終凝結時間を有する。
自己固結ジオポリマー組成物は、水、セメント質反応性粉末、アルカリ金属化学活性剤、および凍結融解耐久性構成成分を含むスラリー混合物を凝結させることから作製された。凝結時に、水は、セメント質反応性粉末と結合する。
アルミン酸塩セメントをさらに含むセメント質反応性粉末から作製される、上述の自己固結ジオポリマー組成物を作製するための本発明の方法は、
水と、
セメント質反応性粉末であって、
－１００重量部の量の熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物であって、好ましくは、少なくとも７５％のＣ級フライアッシュを含む、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物、
－熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり１～１００、好ましくは２．５～８０、より好ましくは５～６０、最も好ましくは２５～４０重量部（ｐｂｗ）の量のアルミン酸塩セメントであって、好ましくは、スルホアルミン酸カルシウムセメントおよびアルミン酸カルシウムセメントからなる群の少なくとも１つのメンバーから選択される、アルミン酸塩セメント、
－アルミン酸塩セメント１００重量部あたり２～１００、好ましくは５～７５、より好ましくは１０～５０重量部の量の硫酸カルシウムであって、硫酸カルシウム二水和物、硫酸カルシウム半水和物、および無水硫酸カルシウムからなる群の少なくとも１つのメンバーから選択される、硫酸カルシウム、ならびに
－アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物であって、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物の０．０～１０、好ましくは０．２～６、より好ましくは０．３～３重量部の量である、アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物、を含む、セメント質反応性粉末と、
セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０．１～４．０、好ましくは０．２５～３．０、より好ましくは０．５０～２．０重量％の量のセメント凝結遅延剤と、
セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、１～６、好ましくは１．２５～４、より好ましくは１．５～２．５重量％の量のアルカリ金属化学活性剤であって、アルカリ金属化学活性剤が、アルカリ金属塩およびアルカリ金属塩基からなる群の少なくとも１つのメンバーから選択され、クエン酸カリウムが、好ましいアルカリ金属塩化学活性剤である、アルカリ金属化学活性剤と、
セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０．０５～２１．５、好ましくは０．１～１０、より好ましくは０．１～５重量％の量の凍結融解耐久性構成成分であって、
－セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０～１、好ましくは０．０１～０．５、より好ましくは０．０１～０．２、最も好ましくは０．０５～０．２重量％の量の空気連行剤、
－セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０～０．５、好ましくは０～０．２５、より好ましくは０．０１～０．１重量％の量の消泡剤、および
－セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０～２０、好ましくは０～１０、より好ましくは０～５重量％の量の表面活性有機ポリマー、を含む、凍結融解耐久性構成成分と、を混合することによってスラリー混合物を調整するステップを含み、
空気連行剤および表面活性有機ポリマーからなる群の少なくとも１つのメンバーが存在し、
スラリーが、約０体積％～２０体積％、より好ましくは約２体積％～１２体積％、および最も好ましくは約３体積％～８体積％の空気含有量を有し、
上記熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物、上記アルミン酸塩セメント、上記硫酸カルシウム、および上記アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物が、セメント質反応性粉末の少なくとも７０重量％、好ましくは少なくとも８０重量％、より好ましくは少なくとも９５重量％、最も好ましくは１００重量％であり、
スラリーの水／セメント質反応性粉末の重量比が、０．３０～０．５５、好ましくは０．３５～０．４５であり、
セメント凝結遅延剤の量が０．５重量％未満である場合、
水／セメント質反応性粉末の重量比が、０．３５～０．５５：１、好ましくは０．３５～０．４５：１であり、かつ／またはアルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物が、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり０．２～１０、好ましくは０．２～６、より好ましくは０．３～３重量部（ｐｂｗ）の量であり、
スラリー混合物が、ＡＳＴＭ Ｃ１６１１－１４に従って測定した場合、１８インチ超、より好ましくは２０インチ超、および最も好ましくは２２インチ超の初期スランプ直径および／または１時間のスランプ直径を有し、ＡＳＴＭ Ｃ１９１－１３に従って測定した場合、少なくとも６０分の最終凝結時間を有し、
スラリーを凝結させて、凝結組成物を形成する。
アルミン酸塩セメントおよび硫酸カルシウムが存在する場合、セメント質反応性粉末は、典型的には、１００重量部の熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり１～１００重量部のアルミン酸塩セメント、アルミン酸塩セメント１００重量部あたり２～１００重量部の硫酸カルシウム、および熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり０．１０～１０重量部のアルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物を有する。
アルミン酸塩セメントおよび硫酸カルシウムが存在する場合、セメント質反応性粉末は、好ましくは、１００重量部の熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり２．５～８０重量部のアルミン酸塩セメント、アルミン酸塩セメント１００重量部あたり５～７５重量部の硫酸カルシウム、および熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり０．１～６重量部のアルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物を有する。
アルミン酸塩セメントおよび硫酸カルシウムが存在する場合、セメント質反応性粉末は、より好ましくは、１００重量部の熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり５～６０重量部のアルミン酸塩セメント、アルミン酸塩セメント１００重量部あたり１０～５０重量部の硫酸カルシウム、および熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり０．１～３重量部のアルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物を有する。
好ましくは、本発明の組成物、および本発明の方法によって作製された凝結組成物は、少なくとも１００回の凍結融解サイクル、典型的には少なくとも３００回の凍結融解サイクル、好ましくは少なくとも６００回の凍結融解サイクル、より好ましくは少なくとも９００回の凍結融解サイクル、最も好ましくは少なくとも１２００回の凍結融解サイクルに対して、８０パーセント超の相対動的弾性率のＡＳＴＭ Ｃ６６６／Ｃ６６６Ｍ－１５に従った凍結融解耐久性性能を有する。
好ましくは、本発明で採用される混合物は、空気連行剤および表面活性有機ポリマーからなる群の少なくとも１つのメンバーを含有する。
本発明の組成物は、様々な使用を有する。この組成物は、習慣的なポルトランドセメントコンクリートの代わりに、新しい建築物に、または古いコンクリートの修復および復旧に使用することができる。本発明の組成物は、パネル、道路補修材、交通支持面、および舗装に好適である。本発明の組成物は、内部および外部の両方の用途におけるコンクリート修復のための優れた材料を作製する。例えば、好ましい使用は、舗装または道路の欠陥を修復するための道路補修用である。典型的な欠陥は、窪み、陥没穴、または亀裂である。道路補修材として使用されるとき、スラリーは、舗装または道路の欠陥に配置され、硬化して、良好な凍結融解耐性を有する補修材を形成する。したがって、温度が３２°Ｆ未満（凍結）および３２°Ｆ超（融解）で循環する多数の凍結融解サイクルに曝露されたときの亀裂に耐性がある。
凍結融解耐久性構成成分は、水性混合物中の空気を望ましい機械的性能および耐久性性能を強化および提供する量で連行するために添加される、空気連行剤、消泡剤、および表面活性有機ポリマーからなる群から選択される１つ以上の表面活性剤である。本発明の組成物および方法のための混合物は、減水剤、凝結促進剤または遅延剤、湿潤剤、着色剤、繊維、レオロジーおよび粘度調節剤、有機ポリマー、耐食性混合剤、軽量骨材もしくは他の骨材などの他の添加剤、またはスラリーおよび最終製品の特性を提供もしくは調節するための他の添加剤を組み込むことができる。
本明細書で使用される場合、組成物の早期強度は、１～２４時間の硬化後の圧縮強度を測定することによって特徴付けられる。多くの用途では、比較的高い早期圧縮強度は、過度な変形なしにより高い応力に耐えることができるため、セメント質材料にとって有利であり得る。高い初強度を達成することにより、製造された製品の取り扱いおよび使用に関する安全率も上昇する。さらに、高い初強度の達成により、多くの材料および構造体が交通に開放され、早期の非構造的および構造的負荷を支えることができる。典型的には、強度の発現をそのような組成物中に提供する化学反応は、最終凝結時間に達した後も長期間継続するであろう。
本明細書で使用される場合、組成物の後期強度は、７日間の硬化後の圧縮強度を測定することによって特徴付けられる。極限圧縮強度は、２８日間の硬化後の圧縮強度を測定することによって特徴付けられる。
本発明の凝結した自己固結ジオポリマーはまた、通常のポルトランドセメントコンクリートと比較して優良な圧縮強度を示す。例えば、凝結した自己固結ジオポリマー２４時間の圧縮強度は、約１０００ｐｓｉを超え、より好ましくは約２０００ｐｓｉを超え、最も好ましくは約３０００ｐｓｉを超え得る。７日間の圧縮強度は、約２０００ｐｓｉを超え、より好ましくは約２５００ｐｓｉを超え、最も好ましくは約３０００ｐｓｉを超え得る。２８日間の圧縮強度は、約３０００ｐｓｉを超え、より好ましくは約４０００ｐｓｉを超え、最も好ましくは約５０００ｐｓｉを超え得る。本発明のいくつかの最も好ましい自己固結ジオポリマー組成物の２８日間の圧縮強度は、７０００ｐｓｉを超えることさえできる。
図１は、ＡＳＴＭ Ｃ１６１１－１４に準拠する実施例６のミックス１のスランプパテの測定されたスランプ直径を示す写真を示す（ＡＣＩ ２３７Ｒ－０７に準拠する実施例６のミックス１のスランプは、非自己固結ジオポリマー組成物とみなされる）。 図２は、ＡＳＴＭ Ｃ１６１１－１４に準拠する実施例６のミックス３のスランプパテの測定されたスランプ直径を示す写真を示す（ＡＣＩ ２３７Ｒ－０７に準拠する実施例６のミックス３のスランプは、非自己固結ジオポリマー組成物とみなされる）。 図３は、実施例８で調査した混合物の早期膨張（早期線形運動）のプロットを示す。 図４は、実施例１０で調査したミックス１のスランプパテ（ＡＣＩ ２３７Ｒ－０７に準拠して非自己固結ジオポリマー組成物とみなされる実施例１０のミックス１のスランプ）の写真を示す。 図５は、実施例１０で調査したミックス２のスランプパテ（ＡＣＩ ２３７Ｒ－０７に準拠して非自己固結ジオポリマー組成物とみなされる実施例１０のミックス２のスランプ）の写真を示す。
定義
本明細書では、「水硬性結合剤（水硬性セメント）」という表現は、水と混合されてペーストを形成し、一連の水和反応およびプロセスによって凝結および硬化し、硬化後、水中でもその強度およびその安定性を保持する粉状の粉末材料を意味すると理解される。
本明細書で使用される場合、「石膏」という用語は、当技術分野で通常理解されているような石膏を含むことを意図している。これは、硫酸カルシウム（ＣａＳＯ４）、ならびに硫酸カルシウム無水物、硫酸カルシウム半水和物、および硫酸カルシウム二水和物などのその様々な形態と、焼き石膏、圧力焼き石膏、およびパリの漆喰（ｐｌａｓｔｅｒ ｏｆ Ｐａｒｉｓ）と、を含む。
石膏は、９０％の最小純度を有し、好ましくは、石膏粒子の総重量に基づいて、石膏粒子の少なくとも９０重量％、および好ましくは少なくとも９９重量％が１００番の米国規格ふるい（１５０ミクロン）を通過するような粒子径まで細かく粉砕されるべきである。
本明細書で使用される場合、「アルミン酸塩セメント」という用語は、通常、主なセメント質構成物としてモノアルミン酸カルシウム（ＣａＯＡｌ２Ｏ３）を含有すると当技術分野において理解されているこれらのセメント質材料を含むことを意図している。アルミン酸塩セメントは、アルミン酸カルシウムセメント（ＣＡＣ）、スルホアルミン酸カルシウムセメント（ＣＳＡ）、スルホアルミノフェライトカルシウムセメント、カルシウムスルホフェライトセメント、フルロアルミン酸カルシウムセメント（ｃａｌｃｉｕｍ ｆｌｕｒｏａｌｕｍｉｎａｔｅ ｃｅｍｅｎｔ）、アルミン酸ストロンチウムセメント、アルミン酸バリウムセメント、Ｋタイプ膨張セメント、Ｓタイプ膨張セメント、およびスルホベライトセメントの群から選択される任意のメンバーである。これは、好ましくは、アルミン酸カルシウムセメント（ＣＡＣ）、スルホアルミン酸カルシウムセメント（ＣＳＡ）を含むであろう。アルミン酸カルシウムセメントに対する別名は、「アルミナ質セメント」および「高アルミナセメント」である。高アルミナセメントは、通常、１５％超のモノアルミン酸カルシウムを含有すると当技術分野において理解されている。ブレーン表面積法（ＡＳＴＭ Ｃ２０４）によって測定した場合、アルミン酸塩セメントの表面積は、好ましくは約３，０００ｃｍ２／グラム超、より好ましくは３０００～８０００ｃｍ２／グラム、およびさらに好ましくは約４，０００～６，０００ｃｍ２／グラムである。
本明細書で使用される場合、「ポルトランドセメント」という用語は、通常、英国規格協会（Ｂｒｉｔｉｓｈ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ：ＢＳＩ）ＥＮ－１９７および米国ＡＳＴＭ規格（Ａｍｅｒｉｃａｎ ＡＳＴＭ Ｓｔａｎｄａｒｄ）Ｃ－１５０、ならびに欧州規格（Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｓｔａｎｄａｒｄ）ＥＮ－１９７に記載されているものなどの「ポルトランドセメント」と当技術分野において理解されているこれらのセメントを含むことを意図している。欧州規格のタイプＣＥＭ ＩおよびＣＥＭ ＩＩ組成物は、本発明における使用に好ましいが、他の形態のポルトランドセメントもまた好適である。ポルトランドセメントは、主にケイ酸三カルシウムおよびケイ酸二カルシウムからなる。
モノマーは、重合することが可能である低分子量（典型的には、１０００ダルトン未満）の実質的に単分散の化合物である。
本明細書で使用される場合、「（メタ）アクリレート」などの括弧内の「メタ」を含む用語は、アクリレートもしくはメタクリレート、またはそれら両方の混合物のいずれかを指すことを意図している。同様に、（メタ）アクリルアミドという用語は、当業者が容易に理解するように、アクリルアミドもしくはメタクリルアミド、またはそれら両方の混合物のいずれかを指すであろう。
ポリマー粒子の水性分散液は、ラテックスポリマーおよび水分散性ポリマーの意味を包含することを意図している。
「ラテックス」ポリマーとは、水の存在下で形成されたポリマー粒子の分散液またはエマルジョン、および分散液もしくはエマルジョンを形成するためにその存在が必要とされる１つ以上の二次的な分散剤または乳化剤（例えば、界面活性剤、アルカリ可溶性ポリマー、またはそれらの混合物）を意味する。二次的な分散剤または乳化剤は、典型的には、ポリマー形成後にポリマーから分離される。所望する場合、反応性の分散剤または乳化剤は、それらが形成される場合にポリマー粒子の一部になり得る。
「水分散性」ポリマーとは、二次的な分散剤または乳化剤を使用する必要がない、それ自体を水と組み合わせて、通常の貯蔵温度で少なくとも１ヶ月の保存安定性を有するポリマー粒子の水性分散液またはエマルジョンを得ることが可能な粉末形態のポリマーを意味する。
本発明の目的のための「表面活性有機ポリマー」という用語は、スラリーが機械的撹拌を受けたとき、スラリー中に空気を連行することが可能である任意の有機ポリマー材料として本明細書で定義される。
「貯蔵安定性」という用語は、水硬性結合剤（水硬性セメント）を含有する配合物のその構成成分に適用される場合、その中の水硬性結合剤が、典型的には、最大１年以上の貯蔵期間後、それとともに混合されたときに水に対する反応性が残ったままであることを意味することを意図している。
「無水ベース」という用語は、水を含まないベースを意味する。「湿潤ベース」という用語は、水を含むベース、言い換えれば、総水性組成物に基づくことを意味する。
組成物
本発明は、自己固結ジオポリマー組成物を提供し、当該自己固結ジオポリマー組成物は、
水と、
セメント質反応性粉末であって、
－１００重量部の量の熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物であって、好ましくは、少なくとも７５％のＣ級フライアッシュを含む、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物、および
－アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物であって、上記熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり０．０～１０、好ましくは０．２～６、より好ましくは０．３～３重量部の量である、アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物、
－任意選択で、少なくとも１つのアルミン酸塩セメント、および
－任意選択で、少なくとも１つの硫酸カルシウム、を含む、セメント質反応性粉末と、
セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０．１～４．０、好ましくは０．２５～３．０、より好ましくは０．５０～２．０重量％の量のセメント凝結遅延剤と、
セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、１～６、好ましくは１．２５～４、より好ましくは１．５～２．５重量％の量のアルカリ金属化学活性剤であって、アルカリ金属化学活性剤が、アルカリ金属塩およびアルカリ金属塩基からなる群の少なくとも１つのメンバーから選択され、クエン酸カリウムが、好ましいアルカリ金属塩化学活性剤である、アルカリ金属化学活性剤と、
セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０．０５～２１．５、好ましくは０．１～１０、より好ましくは０．１～５重量％の量の凍結融解耐久性構成成分であって、
－セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０～１、好ましくは０．０１～０．５、より好ましくは０．０１～０．２、最も好ましくは０．０５～０．２重量％の量の空気連行剤、
－セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０～０．５、好ましくは０～０．２５、より好ましくは０．０１～０．１重量％の量の消泡剤、および
－セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０～２０、好ましくは０～１０、より好ましくは０～５重量％の量の表面活性有機ポリマー、を含む、凍結融解耐久性構成成分と、のスラリー混合物を含み、
空気連行剤および表面活性有機ポリマーからなる群の少なくとも１つのメンバーが存在し、
組成物が、約０体積％～２０体積％、より好ましくは約２体積％～１２体積％、および最も好ましくは約３体積％～８体積％の空気含有量を有し、
上記熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物、上記任意選択のアルミン酸塩セメント、上記任意選択の硫酸カルシウム、および上記アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物が、セメント質反応性粉末の少なくとも７０重量％、好ましくは少なくとも８０重量％、より好ましくは少なくとも９５重量％、最も好ましくは１００重量％であり、
水／セメント質反応性粉末の重量比が、０．３０～０．５５、好ましくは０．３５～０．４５であり、
セメント凝結遅延剤の量が０．５重量％未満である場合、
水／セメント質反応性粉末の重量比が、０．３５～０．５５：１、好ましくは０．３５～０．４５：１であり、かつ／またはアルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物が、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり０．２～１０、好ましくは０．２～６、より好ましくは０．３～３重量部（ｐｂｗ）の量であり、
スラリー混合物が、ＡＳＴＭ Ｃ１６１１－１４に従って測定した場合、１８インチ超、より好ましくは２０インチ超、および最も好ましくは２２インチ超の初期スランプ直径および／または１時間のスランプ直径を有し、ＡＳＴＭ Ｃ１９１－１３を使用して測定した場合、少なくとも６０分の最終凝結時間を有する。
好ましくは、凝結組成物は、少なくとも１００回の凍結融解サイクル、典型的には少なくとも３００回の凍結融解サイクル、好ましくは少なくとも６００回の凍結融解サイクル、より好ましくは少なくとも９００回の凍結融解サイクル、最も好ましくは少なくとも１２００回の凍結融解サイクルに対して、８０パーセント超の相対動的弾性率のＡＳＴＭ Ｃ６６６／Ｃ６６６Ｍ－１５に従った凍結融解耐久性性能を有する。
本発明はまた、ジオポリマー組成物を提供し、当該ジオポリマー組成物は、
セメント質反応性粉末であって、
－１００重量部の量の熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物であって、好ましくは、少なくとも７５％のＣ級フライアッシュを含む、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物、
－熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり１～１００、好ましくは２．５～８０、より好ましくは５～６０、最も好ましくは２５～４０重量部（ｐｂｗ）の量のアルミン酸塩セメントであって、好ましくは、スルホアルミン酸カルシウムセメントおよびアルミン酸カルシウムセメントからなる群の少なくとも１つのメンバーから選択される、アルミン酸塩セメント、
－アルミン酸塩セメント１００重量部あたり２～１００、好ましくは５～７５、より好ましくは１０～５０重量部の量の硫酸カルシウムであって、硫酸カルシウム二水和物、硫酸カルシウム半水和物、および無水硫酸カルシウムからなる群の少なくとも１つのメンバーから選択される、硫酸カルシウム、ならびに
－アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物であって、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物の０～１０、好ましくは０．２～６０、より好ましくは０．３～３重量部の量である、アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物、を含む、セメント質反応性粉末と、
セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、１～６、好ましくは１．２５～４、より好ましくは１．５～２．５重量％の量のアルカリ金属化学活性剤であって、アルカリ金属化学活性剤が、アルカリ金属塩およびアルカリ金属塩基からなる群の少なくとも１つのメンバーから選択され、クエン酸カリウムが、好ましいアルカリ金属塩化学活性剤である、アルカリ金属化学活性剤と、
セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０．１～４．０、好ましくは０．２５～３．０、より好ましくは０．５０～２．０重量％の量のセメント凝結遅延剤と、
セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０．０５～２１．５、好ましくは０．１～１０、より好ましくは０．１～５重量％の量の凍結融解耐久性構成成分であって、
セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０～１、好ましくは０．０１～０．５、より好ましくは０．０１～０．２、最も好ましくは０．０５～０．２重量％の量の空気連行剤、
セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０～０．５、好ましくは０～０．２５、より好ましくは０．０１～０．１重量％の量の消泡剤、および
セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０～２０、好ましくは０～１０、より好ましくは０～５重量％の量の表面活性有機ポリマー、を含む、凍結融解耐久性構成成分と、の混合物を含み、
空気連行剤および表面活性有機ポリマーからなる群の少なくとも１つのメンバーが存在し、
組成物が、約０体積％～２０体積％、より好ましくは約２体積％～１２体積％、および最も好ましくは約３体積％～８体積％の空気含有量を有し、
上記熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物、上記アルミン酸塩セメント、上記硫酸カルシウム、および上記アルカリ土類金属土類酸化物を含む無機鉱物が、セメント質反応性粉末の少なくとも７０重量％、好ましくは少なくとも８０重量％、より好ましくは少なくとも９５重量％、最も好ましくは１００重量％であり、
セメント凝結遅延剤の量が０．５重量％未満である場合、
水／セメント質反応性粉末の重量比が、０．３５～０．５５：１、好ましくは０．３５～０．４５：１であり、かつ／またはアルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物が、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり０．２～１０、好ましくは０．２～６、より好ましくは０．３～３重量部（ｐｂｗ）の量であり、
スラリー混合物が、ＡＳＴＭ Ｃ１６１１－１４に従って測定した場合、１８インチ超、より好ましくは２０インチ超、および最も好ましくは２２インチ超の初期スランプ直径および／または１時間のスランプ直径を有し、ＡＳＴＭ Ｃ１９１－１３を使用して測定した場合、少なくとも６０分の最終凝結時間を有する。
好ましくは、凝結組成物は、少なくとも１００回の凍結融解サイクル、典型的には少なくとも３００回の凍結融解サイクル、好ましくは少なくとも６００回の凍結融解サイクル、より好ましくは少なくとも９００回の凍結融解サイクル、最も好ましくは少なくとも１２００回の凍結融解サイクルに対して、８０パーセント超の相対動的弾性率のＡＳＴＭ Ｃ６６６／Ｃ６６６Ｍ－１５に従った凍結融解耐久性性能を有する。
本発明の組成物は、水、セメント質反応性粉末、アルカリ金属化学活性剤、および凍結融解耐久性構成成分を含むスラリーを凝結させることから作製され、スラリーの水／セメント質反応性粉末の重量比は、０．３０～０．５５：１、例えば０．３２～０．５３：１、好ましくは０．３３～０．５１：１、例えば０．３４～０．４９：１、およびより好ましくは０．３５～０．４５：１、例えば０．３７～０．４２：１である。凝結時に、水は、セメント質反応性粉末と結合する。
好ましくは、組成物は、セメント質反応性粉末、空気連行剤の総重量に基づく０．０１～１重量％の量、および表面活性有機ポリマーのセメント質反応性粉末の総重量に基づく１～２０重量％の量からなる群から選択される少なくとも１つの特徴を有し、セメント質反応性粉末の８０重量％は、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物、アルミン酸塩セメント、硫酸カルシウム、およびアルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物を含む。
本発明はまた、自己固結ジオポリマー組成物を作製するためのブレンドを提供し、当該ジオポリマー組成物は、
セメント質反応性粉末であって、
－１００重量部の量の熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物であって、好ましくは、少なくとも７５％のＣ級フライアッシュを含む、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物、および
－アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物であって、上記熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり０．０～１０、好ましくは０．２～６、より好ましくは０．３～３重量部の量である、アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物、
－任意選択で、少なくとも１つのアルミン酸塩セメント、および
－任意選択で、少なくとも１つの硫酸カルシウム、を含む、セメント質反応性粉末と、
セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０．１～４．０、好ましくは０．２５～３．０、より好ましくは０．５０～２．０重量％の量の遅延剤と、
セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、１～６、好ましくは１．２５～４、より好ましくは１．５～２．５重量％の量のアルカリ金属化学活性剤であって、アルカリ金属化学活性剤が、アルカリ金属塩およびアルカリ金属塩基からなる群の少なくとも１つのメンバーから選択され、クエン酸カリウムが、好ましいアルカリ金属塩化学活性剤である、アルカリ金属化学活性剤と、
セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０．０５～２１．５、好ましくは０．１～１０、より好ましくは０．１～５重量％の量の凍結融解耐久性構成成分であって、
－セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０～１、好ましくは０．０１～０．５、より好ましくは０．０１～０．２、最も好ましくは０．０５～０．２重量％の量の空気連行剤、
－セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０～０．５、好ましくは０～０．２５、より好ましくは０．０１～０．１重量％の量の消泡剤、および
－セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０～２０、好ましくは０～１０、より好ましくは０～５重量％の量の表面活性有機ポリマー、を含む、凍結融解耐久性構成成分と、の混合物を含み、
空気連行剤および表面活性有機ポリマーからなる群の少なくとも１つのメンバーが存在し、
組成物が、約０体積％～２０体積％、より好ましくは約２体積％～１２体積％、および最も好ましくは約３体積％～８体積％の空気含有量を有し、
上記熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物、上記任意選択のアルミン酸塩セメント、上記任意選択の硫酸カルシウム、および上記アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物が、セメント質反応性粉末の少なくとも７０重量％、好ましくは少なくとも８０重量％、より好ましくは少なくとも９５重量％、最も好ましくは１００重量％であり、
ブレンドが、水と混合された場合、ＡＳＴＭ Ｃ１６１１－１４に従って測定した場合、１８インチ超、より好ましくは２０インチ超、および最も好ましくは２２インチ超の初期スランプ直径および／または１時間のスランプ直径を有し、ＡＳＴＭ Ｃ１９１－１３を使用して測定した場合、少なくとも６０分の最終凝結時間を有するスラリー混合物を形成し、もし水と混合され、水／セメント質反応性粉末の重量比０．３０～０．５５、好ましくは０．３５～０．４５でスラリー混合物を形成した場合、但し、セメント凝結遅延剤の量が０．５重量％未満である場合、
水／セメント質反応性粉末の重量比が、０．３５～０．５５：１、好ましくは０．３５～０．４５：１であり、かつ／または
アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物が、上記熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり０．２～１０、好ましくは０．２～６、より好ましくは０．３～３重量部（ｐｂｗ）の量である。
方法
本発明はまた、上述の自己固結ジオポリマー組成物を作製するための方法を提供し、当該方法は、
水と、
セメント質反応性粉末であって、
－１００重量部の量の熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物であって、好ましくは、少なくとも７５％のＣ級フライアッシュを含む、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物、
－アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物であって、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり０．０～１０、好ましくは０．２～６、より好ましくは０．３～３重量部の量である、アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物、
－任意選択で、少なくとも１つのアルミン酸塩セメント、および
－任意選択で、少なくとも１つの硫酸カルシウム、を含む、セメント質反応性粉末と、
セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０．１～４．０、好ましくは０．２５～３．０、より好ましくは０．５０～２．０重量％の量のセメント凝結遅延剤と、
セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、１～６、好ましくは１．２５～４、より好ましくは１．５～２．５重量％の量のアルカリ金属化学活性剤であって、アルカリ金属化学活性剤が、アルカリ金属塩およびアルカリ金属塩基からなる群の少なくとも１つのメンバーから選択され、クエン酸カリウムが、好ましいアルカリ金属塩化学活性剤である、アルカリ金属化学活性剤と、
セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０．０５～２１．５、好ましくは０．１～１０、より好ましくは０．１～５重量％の量の凍結融解耐久性構成成分であって、
－セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０～１、好ましくは０．０１～０．５、より好ましくは０．０１～０．２、最も好ましくは０．０５～０．２重量％の量の空気連行剤、
－セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０～０．５、好ましくは０～０．２５、より好ましくは０．０１～０．１重量％の量の消泡剤、および
－セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０～２０、好ましくは０～１０、より好ましくは０～５重量％の量の表面活性有機ポリマー、を含む、凍結融解耐久性構成成分と、を混合することによってスラリー混合物を調整するステップを含み、
空気連行剤および表面活性有機ポリマーからなる群の少なくとも１つのメンバーが存在し、
スラリーが、約０体積％～２０体積％、より好ましくは約２体積％～１２体積％、および最も好ましくは約３体積％～８体積％の空気含有量を有し、
上記熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物、上記任意選択のアルミン酸塩セメント、上記任意選択の硫酸カルシウム、および上記アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物が、セメント質反応性粉末の少なくとも７０重量％、好ましくは少なくとも８０重量％、より好ましくは少なくとも９５重量％、最も好ましくは１００重量％であり、
スラリーの水／セメント質反応性粉末の重量比が、０．３０～０．５５、好ましくは０．３５～０．４５であり、
但し、セメント凝結遅延剤の量が０．５重量％未満である場合、
水／セメント質反応性粉末の重量比が、０．３５～０．５５：１、好ましくは０．３５～０．４５：１であり、かつ／または
アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物が、上記熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり０．２～１０、好ましくは０．２～６、より好ましくは０．３～３重量部（ｐｂｗ）の量であり、
スラリー混合物が、ＡＳＴＭ Ｃ１６１１－１４に従って測定した場合、１８インチ超、より好ましくは２０インチ超、および最も好ましくは２２インチ超の初期スランプ直径および／または１時間のスランプ直径を有し、ＡＳＴＭ Ｃ１９１－１３を使用して測定した場合、少なくとも６０分の最終凝結時間を有し、
スラリーを凝結させて、凝結組成物を形成する。
好ましくは、凝結組成物は、少なくとも１００回の凍結融解サイクル、典型的には少なくとも３００回の凍結融解サイクル、好ましくは少なくとも６００回の凍結融解サイクル、より好ましくは少なくとも９００回の凍結融解サイクル、最も好ましくは少なくとも１２００回の凍結融解サイクルに対して、８０パーセント超の相対動的弾性率のＡＳＴＭ Ｃ６６６／Ｃ６６６Ｍ－１５に従った凍結融解耐久性性能を有する。
本発明はまた、アルミン酸塩セメントを含むセメント質反応性粉末から作製された上述の自己固結ジオポリマー組成物を作製するための方法を提供し、当該方法は、
水と、
セメント質反応性粉末であって、
－１００重量部の量の熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物であって、好ましくは、少なくとも７５％のＣ級フライアッシュを含む、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物、
－熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり１～１００、好ましくは２．５～８０、より好ましくは５～６０、最も好ましくは２５～４０重量部（ｐｂｗ）の量のアルミン酸塩セメントであって、好ましくはスルホアルミン酸カルシウムセメントおよびアルミン酸カルシウムセメントからなる群の少なくとも１つのメンバーから選択される、アルミン酸塩セメント、ならびに
－アルミン酸塩セメント１００重量部あたり２～１００、好ましくは５～７５、より好ましくは１０～５０重量部の量の硫酸カルシウムであって、硫酸カルシウム二水和物、硫酸カルシウム半水和物、および無水硫酸カルシウムからなる群の少なくとも１つのメンバーから選択される、硫酸カルシウム、ならびに
－アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物であって、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物の０．０～１０、好ましくは０．２～６、より好ましくは０．３～３重量部の量である、アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物、を含む、セメント質反応性粉末と、
セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０．１～４．０、好ましくは０．２５～３．０、より好ましくは０．５０～２．０重量％の量のセメント凝結遅延剤と、
セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、１～６、好ましくは１．２５～４、より好ましくは１．５～２．５重量％の量のアルカリ金属化学活性剤であって、アルカリ金属化学活性剤が、アルカリ金属塩およびアルカリ金属塩基からなる群の少なくとも１つのメンバーから選択され、クエン酸カリウムが、好ましいアルカリ金属塩化学活性剤である、アルカリ金属化学活性剤と、
セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０．０５～２１．５、好ましくは０．１～１０、より好ましくは０．１～５重量％の量の凍結融解耐久性構成成分であって、
－セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０～１、好ましくは０．０１～０．５、より好ましくは０．０１～０．２、最も好ましくは０．０５～０．２重量％の量の空気連行剤、
－セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０～０．５、好ましくは０～０．２５、より好ましくは０．０１～０．１重量％の量の消泡剤、および
－セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０～２０、好ましくは０～１０、より好ましくは０～５重量％の量の表面活性有機ポリマー、を含む、凍結融解耐久性構成成分と、を混合することによってスラリー混合物を調整するステップを含み、
空気連行剤および表面活性有機ポリマーからなる群の少なくとも１つのメンバーが存在し、
スラリーが、約０体積％～２０体積％、より好ましくは約２体積％～１２体積％、および最も好ましくは約３体積％～８体積％の空気含有量を有し、
上記熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物、上記アルミン酸塩セメント、上記硫酸カルシウム、およびアルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物が、セメント質反応性粉末の少なくとも７０重量％、好ましくは少なくとも８０重量％、より好ましくは少なくとも９５重量％、最も好ましくは１００重量％であり、
スラリーの水／セメント質反応性粉末の重量比が、０．３０～０．５５、好ましくは０．３５～０．４５であり、
但し、セメント凝結遅延剤の量が０．５重量％未満である場合、
水／セメント質反応性粉末の重量比が、０．３５～０．５５：１、好ましくは０．３５～０．４５：１であり、かつ／または
アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物が、上記熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり０．２～１０、好ましくは０．２～６、より好ましくは０．３～３重量部（ｐｂｗ）の量であり、
スラリー混合物が、ＡＳＴＭ Ｃ１６１１－１４に従って測定した場合、１８インチ超、より好ましくは２０インチ超、および最も好ましくは２２インチ超の初期スランプ直径および／または１時間のスランプ直径を有し、ＡＳＴＭ Ｃ１９１－１３を使用して測定した場合、少なくとも６０分の最終凝結時間を有し、
スラリーを凝結させて、凝結組成物を形成する。
好ましくは、凝結組成物は、少なくとも１００回の凍結融解サイクル、典型的には少なくとも３００回の凍結融解サイクル、好ましくは少なくとも６００回の凍結融解サイクル、より好ましくは少なくとも９００回の凍結融解サイクル、最も好ましくは少なくとも１２００回の凍結融解サイクルに対して、８０パーセント超の相対動的弾性率のＡＳＴＭ Ｃ６６６／Ｃ６６６Ｍ－１５に従った凍結融解耐久性性能を有する。
好ましくは、スラリーの水／セメント質反応性粉末の重量比は、０．３０～０．５５：１、例えば０．３２～０．５３：１、好ましくは０．３３～０．５１：１、例えば０．３４～０．４９：１、およびより好ましくは０．３５～０．４５：１、例えば０．３７～０．４２：１であり、混合物は、空気連行剤および表面活性有機ポリマーからなる群の少なくとも１つのメンバーを含有する。凝結時に、水の少なくとも一部は、セメント質反応性粉末と結合する。
凍結融解耐久性構成成分は、水を他の原材料と一緒に添加する前に添加することができる。セメント質反応性粉末、凍結融解耐久性構成成分、およびアルカリ金属化学活性剤を組み合わせて、混合物を形成し、次いで水および空気を添加することが好ましい。混合物を水に添加することができるか、または水を混合物に添加することができる。
乾燥または液体形態のアルカリ金属化学活性剤は、セメント質反応性粉末の混合物に添加される。乾燥である場合、水を添加する前に混合物に添加することができる。次いで、液体である場合、水とともに添加される。
これらの組成物および方法では、硫酸カルシウムは、硫酸カルシウム二水和物、硫酸カルシウム半水和物、無水硫酸カルシウム、およびそれらの混合物からなる群から選択される（好ましくは、それは、約３００ミクロン未満の粒子径を有する細粒形態で添加される）。
組成物および方法では、化学活性剤は、好ましくは、有機酸のアルカリ金属塩、アルカリ金属水酸化物、およびアルカリ金属ケイ酸塩からなる群から選択されるアルカリ金属塩または塩基を含む乾燥または液体形態のいずれかでセメント質反応性粉末混合物に添加される。後続のステップでは、水が追加され、任意選択で、高流動化剤、特にカルボキシル化された流動化剤材料が添加されて、ジオポリマーセメント質製品に好適な用途で使用することができる安定したスラリー混合物を形成する。
本発明の組成物または本発明の方法で作製された組成物は、任意選択で、スルホアルミン酸カルシウムセメントおよび／またはアルミン酸カルシウムセメントを含み得る。例えば、本発明は、以下の３つの組成物：
●スルホアルミン酸カルシウムセメントおよびアルミン酸カルシウムセメントの両方を含む組成物、
●スルホアルミン酸カルシウムセメントを含むが、アルミン酸カルシウムセメントを含まない組成物、
●アルミン酸カルシウムセメントのみを含み、スルホアルミン酸カルシウムセメントを含まない組成物、を許容する。
本発明の組成物または本発明の方法で作製された組成物は、高流動化剤、減水剤、凝結促進剤、凝結遅延剤、湿潤剤、繊維、レオロジー調節剤、有機ポリマー、収縮制御剤、粘度調節剤（増粘剤）、フィルム形成再分散性ポリマー粉末、フィルム形成ポリマー分散液、着色剤、腐食制御剤、アルカリ－シリカ反応減少混合剤、分離型補強繊維、および内部硬化剤などのセメント質反応性粉末とはみなされない他の添加剤を組み込むことができる。
本発明の組成物または本発明の方法で作製された組成物は、スラリーおよび最終製品の特性を提供または調節するための、セメント質反応性粉末とはみなされない他の添加剤を組み込むことができる。これらの添加剤は、ポゾラン鉱物、ならびに砂、軽量骨材、軽量充填剤、鉱物充填剤、および砂以外の骨材のうちの１つ以上からなる群から選択される充填剤である。
本発明の組成物または本発明の方法で作製された組成物は、少なくとも１００回の凍結融解サイクル、典型的には少なくとも３００回の凍結融解サイクル、好ましくは少なくとも６００回の凍結融解サイクル、より好ましくは少なくとも９００回の凍結融解サイクル、および最も好ましくは少なくとも１２００回の凍結融解サイクルに対して、測定されたパラメータ相対動的弾性率によって示されるように、機械的性能および耐久性における損失を有しない。凍結融解耐久性試験は、ＡＳＴＭ Ｃ６６６（手順Ａ）に基づいて実施される。この規格のバージョンは、ＡＳＴＭ Ｃ６６６／Ｃ６６６Ｍ－１５（２０１５年公開）である。公称の凍結および融解サイクルは、２時間以上または５時間以内で、試料の温度を、４０～０°Ｆ［４～－１８℃］に下げて、０～４０°Ｆ［－１８～４℃］に上げることを交互に行うことからなるものとする。温度は、凍結融解キャビネット内の熱電対を使用して測定された。凍結融解耐久性試験に使用した角柱試料の寸法は、以下のような：３インチ（幅）×４インチ（厚さ）×１６インチ（長さ）であった。
ＡＳＴＭ Ｃ６６６に基づいて、試験試料の耐久性係数は、以下の：
Figure 2022517629000002
 式中、
ＤＦ＝試験試料の耐久性係数、
Ｐ＝Ｎサイクルでの相対動的弾性係数（％）
Ｎ＝Ｐが、試験を停止するための指定された最小値または曝露が終了されるべき指定されたサイクル数に達するサイクル数（どちらかが少なくても）、および
Ｍ＝曝露が終了されるべき指定されたサイクル数、のように計算することができる。ＡＳＴＭ Ｃ６６６に基づくＭの値は、３００である。
本発明の組成物または本発明の方法で作製された組成物は、ＡＳＴＭ Ｃ６７２／Ｃ６７２Ｍ－１２の除氷化学物質に曝露されたコンクリート表面の耐スケーリング性についての規格試験法（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｓｃａｌｉｎｇ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｓｕｒｆａｃｅｓ Ｅｘｐｏｓｅｄ ｔｏ Ｄｅｉｃｉｎｇ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ）（ＡＳＴＭ、２０１２年公開）に準拠する耐ソルトスケーリング性試験によって測定される場合に有益な特性を有する。ソルトスケーリング耐久性試験に使用された試料の寸法は、８．７５インチ（長さ）×８．３１２５インチ（幅）×３インチ（厚さ）であった。
初期スラリー温度およびスラリー温度上昇
本発明では、組成物を形成するために、セメント質反応性粉末構成成分（熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物、アルミン酸塩セメント、および硫酸カルシウム）、活性剤構成成分（アルカリ金属化学活性剤）、ならびに水を混合して、初期スラリー温度でセメント質スラリーを形成する。スラリーは、低下した初期混合スラリー温度および制御された温度を提供する条件下で形成される。これにより、アルミノケイ酸塩ジオポリマー反応種の形成、ならびに得られた材料の凝結および硬化が導かれる。同時に、ケイ酸カルシウムと、アルミン酸カルシウムおよび／またはスルホアルミン酸カルシウム相との水和反応も発生し、得られた材料の凝結および硬化が導かれる。
初期温度は、セメント質反応性粉末、活性剤、および水が最初に全て混合物中に存在した後の最初の１分間の混合物全体の温度として定義される。当然、混合物全体の温度は、この最初の１分間に変化する場合があるが、好ましい熱安定性を達成するために、約０～約１２２°Ｆ（－１８～５０℃）、好ましくは約４１～約１０４°Ｆ（５～４０℃）、より好ましくは約５０～約９５°Ｆ（１０～３５℃）、および最も好ましくは約７７°Ｆ（２５℃）の周囲温度（室温）の初期温度範囲内に留まることが好ましいであろう。
スラリーの初期温度が上がると、反応が進行するにつれて温度上昇の速度が上がり、凝結時間が短くなる。したがって、組成物の配合は混合された組成物の初期スラリー温度からの昇温挙動を低下させるように設計されているため、急速なゲル化および凝結時間のための従来のフライアッシュ系ジオポリマー組成物を調製する際に使用される９５°Ｆ（３５℃）～１０５°Ｆ（４１．１℃）の初期スラリー温度は、回避されることが好ましい。
改善された温度安定性、およびより重要なことに、より遅いゲル化、ならびに約６０～約１２０分、より好ましくは約６０～約１８０分、およびより好ましくは約６０～約３６０分の最終凝結時間のために、制御された温度上昇は、最終組成物の混合スラリー温度まで約５０°Ｆ（２８℃）未満、より好ましくは約４０°Ｆ（２２℃）未満の上昇、およびより好ましくは約３０°Ｆ（１７℃）未満の上昇である。これにより、本発明の組成物の商業的使用のためのより制御された作業時間が可能になる。スラリーの凝結時間は、最終使用要件に基づいて加減される。
材料の発熱および温度上昇挙動
本発明の組成物は、硬化段階中、材料内での適度な熱放出および低い温度上昇を有利に達成する。そのような組成物では、材料中で発生する最大温度上昇は、好ましくは約５０°Ｆ（２８℃）未満、より好ましくは約４０°Ｆ（２２℃）未満、および最も好ましくは約３０°Ｆ（１７℃）未満である。これにより、過度な熱膨張、ならびにその結果としての材料の亀裂および破壊が阻止される。
混合および曝気
本発明の水性混合物は、本発明に開示されるように、凍結融解耐久性構成成分を含むスラリーを機械的に混合することによって曝気することができる。意外なことに、高剪断ミキサー（ＲＰＭ＞１００）は、低剪断ミキサー（ＲＰＭ≦１００）と比較した場合、スラリー中に約２～３倍多い空気を連行する傾向があることが決定された。
優良な凍結融解耐久性性能を得る目的で、本発明の急速凝結ジオポリマー組成物を混合するための好ましい方法は、低剪断ミキサーを利用することによるものである。好ましくは、本発明において有用な低剪断ミキサーは、１００ＲＰＭ以下の速度で混合することが可能である。より好ましくは、本発明において有用な低剪断ミキサーは、５０ＲＰＭ以下の速度で混合することが可能である。最も好ましくは、本発明において有用な低剪断ミキサーは、２５ＲＰＭ以下の速度で混合することが可能である。
低剪断ミキサー（≦１００ＲＰＭ）を使用する好ましいスラリー混合時間は、２～１２分である。低剪断ミキサーを使用するより好ましい混合時間は、３～１０分である。低剪断ミキサーを使用する最も好ましい混合時間は、４～８分である。
高剪断ミキサー（＞１００ＲＰＭ）を使用する好ましい混合時間は、１．５～８分である。高剪断ミキサーを使用するより好ましい混合時間は、２～６分である。一方で、高剪断ミキサーを使用する最も好ましい混合時間は、３～４分である。
レディーミクストコンクリートトラック（トランジットトラック）を使用して材料を長距離輸送する場合、材料はレディーミクストトラックのゆっくりと回転するドラム内に長時間置かれ、本発明のジオポリマースラリー混合組成物の滞留時間は、現場での材料消費の１～６時間前までかかる場合がある。この期間中、材料は、材料を塑性状態に保つために、レディーミクストトラック（トランジットトラック）のゆっくりと回転するドラム内で継続的に混合される。
コンクリートレディーミクストバッチ処理プラントで通常使用されるコンクリートミキサーは、本発明の自己固結ジオポリマー組成物を混合および製造するために使用される好ましいミキサーのいくつかである。
本発明の組成物の成分、または本発明の組成物の作製方法で使用される成分
表ＡＡおよび表ＡＢは、本発明の組成物の構成成分および方法をまとめている。各「好ましい」範囲または「より好ましい」範囲は、個々に本発明のための好ましい範囲またはより好ましい範囲である。したがって、好ましくは、任意の「好ましい」範囲は、対応する「使用可能な範囲」に個別に置き換えることができる。より好ましくは、任意の「より好ましい」範囲は、対応する「使用可能な」範囲または対応する「好ましい範囲」に個別に置き換えることができる。
Figure 2022517629000003
Figure 2022517629000004
表ＡＡおよびＡＢの組成物（ブレンド）が、水と混合された場合、ＡＳＴＭ Ｃ１６１１－１４に従って測定した場合、１８インチ超、より好ましくは２０インチ超、および最も好ましくは２２インチ超の初期スランプ直径および／または１時間のスランプ直径を有し、ＡＳＴＭ Ｃ１９１－１３を使用して測定した場合、少なくとも６０分の最終凝結時間を有するスラリー混合物を形成し、もし水と混合され、水／セメント質反応性粉末の重量比０．３０～０．５５、好ましくは０．３５～０．４５でスラリー混合物を形成した場合、但し、セメント凝結遅延剤の量が０．５重量％未満である場合、
－水／セメント質反応性粉末の重量比が、０．３５～０．５５：１、好ましくは０．３５～０．４５：１であり、かつ／または
－アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物が、上記熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり０．２～１０、好ましくは０．２～６、より好ましくは０．３～３重量部（ｐｂｗ）の量である。
セメント反応性粉末構成成分Ａは、熱活性化アルミノケイ酸塩（好ましくはＣ級フライアッシュを含む）、アルミン酸塩セメント、および硫酸カルシウム、ならびに存在する場合、他のセメント（例えば、ポルトランドセメントまたはフルオロアルミン酸カルシウム）を合わせたものである。しかしながら、セメント質反応性粉末構成成分Ａは、少なくとも７０重量％、好ましくは少なくとも８０重量％、より好ましくは少なくとも９５重量％、最も好ましくは１００重量％の熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物、アルミン酸塩セメント、硫酸カルシウム、およびアルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物である。
本仕様では、組成物の百分率および比率は、特に指定がない限り、重量パーセントおよび重量比である。
本発明は、アルミン酸塩セメントが存在しない組成物および方法を包含する。本発明は、アルミン酸カルシウムセメントが存在しない組成物および方法を包含する。本発明は、スルホアルミン酸カルシウムセメントが存在しない組成物および方法を包含する。本発明は、硫酸カルシウムが存在しない組成物および方法を包含する。本発明は、アルミン酸カルシウムセメント、スルホアルミン酸カルシウムセメント、および硫酸カルシウムが存在しない組成物および方法を包含する。
本発明は、スルホアルミン酸カルシウムセメントがアルミン酸カルシウムセメントの非存在下で提供される組成物および方法を包含し、該組成物は、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり、２～１００、好ましくは２．５～５０、より好ましくは５～３０、最も好ましくは２５～４０重量部（ｐｂｗ）の量のスルホアルミン酸カルシウムセメントを有する。
本発明は、アルミン酸カルシウムセメントがスルホアルミン酸カルシウムセメントの非存在下で提供される組成物および方法を包含し、該組成物は、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり、２～１００、好ましくは２．５～８０、より好ましくは５～６０、最も好ましくは２５～４０重量部（ｐｂｗ）の量のアルミン酸カルシウムセメントを有する。
本発明は、アルミン酸カルシウムセメントがスルホアルミン酸カルシウムセメントとともに提供される組成物および方法を包含し、該組成物は、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり、２～１００、好ましくは２．５～８０、より好ましくは５～６０、最も好ましくは２５～４０重量部（ｐｂｗ）の量の総アルミン酸塩セメントを有する。
本発明は、ポルトランドセメントが存在しない組成物および方法を包含する。
本発明は、ポルトランドセメント、アルミン酸カルシウムセメント、スルホアルミン酸カルシウムセメント、および硫酸カルシウムが存在しない組成物および方法を包含する。
本発明のジオポリマーセメント質組成物は、他のセメント質材料が使用される所、特に凍結融解耐性が重要である用途、凝結および作業時間の柔軟性、寸法安定性、圧縮強度、および／または他の強度特性が重要であるか、または必要である用途に使用することができる。
本発明の組成物を作製するために使用されるスラリーは、表Ａ－１に列挙された空気および水の量を有する。各「使用可能な」範囲、「好ましい」範囲、または「より好ましい」範囲は、個々に本発明のための使用可能な、好ましい範囲、またはより好ましい範囲である。したがって、表Ａ－１の構成成分の使用可能な範囲は、表ＡＡおよびＡＢの構成成分の使用可能な範囲とともに使用されるであろう。しかしながら、好ましくは、任意の「好ましい」範囲は、対応する「使用可能な範囲」に個別に置き換えることができる。より好ましくは、任意の「より好ましい」範囲は、対応する「使用可能な」範囲または対応する「好ましい範囲」に個別に置き換えることができる。
Figure 2022517629000005
結果として、本発明の製品は、これらの量の空気を間隙空間として有する。また、結果として、本発明の製品は、構成成分Ｂの存在下で構成成分Ａのセメント質材料を反応および水和することによってセメントに結合した最大のこれらの量の水を有する。本発明では、水は、化学水和およびアルミノケイ酸塩ジオポリマー化反応を本発明の組成物中で実現するために提供される。ケイ酸カルシウムと、アルミン酸カルシウムおよび／またはスルホアルミン酸カルシウム相との水和反応も発生し、得られた材料の凝結および硬化が導かれる。水和として知られているセメントと水との化学反応は、水和熱として知られている熱を生成する。また、通常の（周囲）温度で水と混合される場合、焼き石膏は、物理的に「凝結」しながら、二水和物形態に化学的に戻る：ＣａＳＯ４・１／２ Ｈ２Ｏ＋１ １／２ Ｈ２Ｏ→ＣａＳＯ４・２Ｈ２Ｏ。石膏は、可溶性が高く、カルシウムおよび硫酸塩をスラリーの中に急速に放出する。硫酸イオンの存在により、アルミン酸カルシウムおよびＣａＳＯ４・２Ｈ２Ｏのように、アルミン酸カルシウムが反応を引き起こし、鉱物エトリンガイトを形成する。
硫酸カルシウム（様々な形態）は、アルミン酸カルシウムと反応して、スルホアルミン酸カルシウム水和物を形成する。硫酸カルシウムの存在はまた、アルミノケイ酸ナトリウム水和物（ＮＡＳＨ）ゲルおよびアルミノケイ酸カルシウム水和物（ＣＡＳＨ）ゲルなどのジオポリマー化反応の生成物の形成に影響を及ぼすように見える。
フライアッシュなどのアルミノケイ酸塩鉱物と、クエン酸アルカリ金属などのアルカリ金属活性剤とのジオポリマー反応は、極めて急速な反応速度を伴い、かなりの量の熱が、伴われた発熱反応により放出されることが知られている。この急速な発熱反応の速度により、アルミノケイ酸塩化合物の形成が導かれ、材料がゲル化し、極めて迅速に（数分程度で）硬化する。
同様に、スルホアルミン酸カルシウムセメントと硫酸カルシウムとの相互作用も、かなりの量の熱が発熱反応によって放出される極めて急速な反応速度を伴うことが知られている。この急速な発熱反応の結果として、スルホアルミン酸カルシウム化合物の水和生成物が形成され、材料がゲル化し、極めて迅速に、再び数分程度で硬化する。極めて短い凝結時間は、実際の現地用途における急速凝結材料の処理および配置でかなりの困難を引き起こす短い作業寿命（可使寿命）を提供するため、いくつかの用途では問題がある。また、急速な発熱反応によって生み出される大量の熱は、望ましくない熱膨張、およびその結果として材料の亀裂および破壊を導く場合がある。
組成物の凝結は、ＡＳＴＭ Ｃ１９１－１３試験手順で指定されたビカー針を使用して測定される場合、初期および最終凝結時間によって特徴付けられる。最終凝結時間はまた、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た時間に対応しているため、取り扱うことができる。
本発明は、Ｃ級フライアッシュを含む熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物と、アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物と、アルカリ金属化学活性剤と、任意選択のアルミン酸塩セメント（アルミン酸カルシウムセメントおよび／またはスルホアルミン酸カルシウムセメント）と、任意選択の硫酸カルシウムとの反応を採用する。それらは、ジオポリマー化反応の一部として互いに相乗的に相互作用して、得られる材料のゲル化時間および最終凝結時間を増やす。アルカリ土類金属酸化物のタイプおよびその量、硫酸カルシウムのタイプおよびその量、アルミン酸塩セメントのタイプおよびその量、ならびにアルカリ金属化学活性剤およびその量の適切な選択は、ゲル化速度および期間、ならびに得られる材料の最終凝結時間を延長する際に効果的である。これにより、ジオポリマーセメント質組成物ための開放時間および作業時間をより長くすることができる。
セメント質反応性粉末とはみなされない他の添加剤は、本発明のスラリーおよびジオポリマーセメント質組成物全体に組み込まれ得る。そのような他の添加剤、例えば、高流動化剤などの減水剤、凝結促進剤、凝結遅延剤、湿潤剤、収縮制御剤、粘度調節剤（増粘剤）、フィルム形成再分散性ポリマー粉末、フィルム形成ポリマー分散液、着色剤、腐食制御剤、アルカリ－シリカ反応減少混合剤、分離型補強繊維、および内部硬化剤。他の添加剤は、砂、粗骨材、軽量充填剤、ポゾラン鉱物、および鉱物充填剤のうちの１つ以上などの充填剤を含み得る。
本仕様における全ての百分率は、特に指示がない限り、重量パーセントである（例えば、空気のパーセントは、体積パーセントである）。本仕様における全ての比率は、特に指示がない限り、重量比である。
表Ａ－２は、本発明の組成物に採用される添加剤の量を列挙する。表Ａ－２の各「使用可能な」範囲、「好ましい」範囲、または「より好ましい」範囲は、個々に本発明のための使用可能な、好ましい範囲、またはより好ましい範囲である。したがって、表Ａ－２の構成成分の使用可能な範囲は、表ＡＡ、表ＡＢ、および表Ａ－１の構成成分の使用可能な範囲とともに使用されるであろう。しかしながら、好ましくは、任意の「好ましい」範囲は、対応する「使用可能な範囲」に個別に置き換えることができる。より好ましくは、任意の「より好ましい」範囲は、対応する「使用可能な」範囲または対応する「好ましい範囲」に個別に置き換えることができる。
表Ａ－２のいくつかの添加剤は、表ＡＡおよび表ＡＢに列挙された成分の種である。例えば、表ＡＡおよび表ＡＢは、表面活性有機ポリマーを列挙している。表面活性有機ポリマーは、バイオポリマー、有機レオロジー制御剤、およびフィルム形成ポリマー添加剤を含む。フィルム形成ポリマー添加剤の２種は、フィルム形成再分散性ポリマー粉末およびフィルム形成ポリマー分散液である。表Ａ－２の添加剤のいくつかは、表ＡＡおよび表ＡＢの添加剤、例えば顔料に加える成分である。
Figure 2022517629000006
好ましくは、セメント質反応性粉末の総重量１部あたり、少なくとも１重量部の総細骨材および粗骨材がある。より好ましくは、セメント質反応性粉末の総重量１部あたり、１～８重量部の総細骨材および粗骨材がある。
表Ｂは、表ＡＡ、ＡＢ、Ａ－１、およびＡ－２の組成物、ならびに列挙された成分の特定の量を組み込んだ完全密度（好ましくは１００～１６０ポンド／立方フィートの範囲の密度）の配合物を表す。これらの完全密度組成物は、表ＡＡ、表ＡＢ、表Ａ－１、および表Ａ－２の成分量を採用するが、細骨材（砂）の量を表Ｂの量に置き換えており、軽量充填剤および粗骨材が存在しない。
Figure 2022517629000007
表Ｃは、表ＡＡまたは表ＡＢ、表Ａ－１、および表Ａ－２の組成物を組み込んだ軽量密度（好ましくは１０～１２５ポンド／立方フィートの範囲の密度）組成物に対する砂および軽量充填剤の量を表す。これらの軽量組成物は、表ＡＡ、表ＡＢ、表Ａ－１、および表Ａ－２の成分量を採用するが、砂および軽量充填剤の量を表Ｃの量に置き換えており、粗骨材が存在しない。
Figure 2022517629000008
表Ｄは、表ＡＡまたは表ＡＢの組成物、粗骨材、および他の成分を組み込んだ軽量密度または完全密度（好ましくは４０～１６０ポンド／立方フィートの範囲の密度）の配合物を表す。これらの組成物は、表ＡＡ、表ＡＢ、表Ａ－１、および表Ａ－２の成分量を採用するが、細骨材（砂）、軽量充填剤、および粗骨材の量を表Ｄの量に置き換えている。
Figure 2022517629000009
以下に、成分の個々のカテゴリーについて記載する。
セメント質反応性混合物
本発明のセメント質反応性混合物は、表ＡＡおよび表ＡＢに示すような範囲で、セメント質反応性粉末構成成分Ａ（本明細書ではセメント質反応性材料またはセメント質材料としても知られている）、活性剤構成成分Ｂ、および凍結融解耐久性構成成分Ｃを含む。
本発明の組成物および方法では、アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物は、他の成分に加えて添加されるアルカリ土類金属酸化物である。したがって、例えば、それは、フライアッシュ中に天然にあり得る任意のアルカリ土類金属酸化物に加えられる。この添加されたアルカリ土類金属酸化物は、好ましくは、酸化カルシウム（石灰または生石灰としても知られている）、もしくは酸化マグネシウム、またはそれらの組み合わせである。
熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物、アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物、任意選択の硫酸カルシウム、および任意選択のアルミン酸塩セメント、例えば任意選択のアルミン酸カルシウムセメント、および任意選択のスルホアルミン酸カルシウムセメントに加えて、セメント質反応性粉末は、ポルトランドセメントなどの約０～約１５重量％の任意選択のセメント質添加剤を含み得る。しかしながら、ポルトランドセメントを組み込むことにより、材料収縮が増加し、材料の寸法安定性が低下するため、ポルトランドセメントの存在がないことが好ましい。熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物以外のポゾランは、セメント質反応性粉末の一部とみなされる。セメント質反応性粉末は、硫酸カルシウムおよびアルミン酸塩セメント、例えばアルミン酸カルシウムセメントおよびスルホアルミン酸カルシウムセメントのうちの任意の１つ以上が存在しない場合がある。
セメント質反応性粉末構成成分Ａ（本明細書ではセメント質反応性材料またはセメント質材料としても知られている）
セメント質反応性粉末構成成分Ａは、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物およびアルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物、好ましくは酸化カルシウムおよび／または酸化マグネシウムを含む。任意選択で、セメント質反応性粉末構成成分Ａは、少なくとも１つのアルミン酸塩セメントおよび少なくとも１つの硫酸カルシウムをさらに含む。任意選択で、セメント質反応性粉末構成成分Ａは、他のセメントおよび／または非熱活性化ポゾランを含む。
アルミン酸塩セメントは、好ましくは、アルミン酸カルシウムセメントおよびスルホアルミン酸カルシウムセメントのうちの少なくとも１つから選択される。言い換えれば、少なくとも１つのアルミン酸カルシウムセメント、または少なくとも１つのスルホアルミン酸カルシウムセメント、またはそれらの混合物。
硫酸カルシウムは、硫酸カルシウム二水和物、硫酸カルシウム半水和物、または硫酸カルシウム無水物のいずれかであり得る。
熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物は、フライアッシュ、高炉スラグ、熱活性化粘土、頁岩、メタカオリン、ゼオライト、泥灰土赤泥（ｍａｒｌ ｒｅｄ ｍｕｄ）、粉砕岩石、および粉砕粘土レンガからなる群の少なくとも１つのメンバーから選択される。好ましくは、それらは、約５重量％超のＡｌ２Ｏ３含有量を有する。好ましくは、粘土および泥灰土は、約６００℃～約８５０℃の温度での熱処理による熱活性化の後に使用される。本発明の組成物の好ましい熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物は、組成物中に高い石灰（ＣａＯ）含有量、好ましくは約１０重量％超、より好ましくは約１５％超、およびさらにより好ましくは約２０％超を有する。最も好ましい熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物は、Ｃ級フライアッシュ、例えば、石炭火力発電所から調達されたフライアッシュである。熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物はまた、ポゾラン特性を備えている。
熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物は、高温熱処理にかけられたアルミノケイ酸塩鉱物である。好ましくは、熱活性化は、７５０～１５００℃の範囲の温度で発生する。
フライアッシュは、本発明のセメント質反応性粉末ブレンドにおいて好ましい熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物である。以下に説明するように、ＡＳＴＭ Ｃ６１８（２００８）規格のＣ級フライアッシュなどの高酸化カルシウム含有量および高アルミン酸カルシウム含有量を含有するフライアッシュが好ましい。
フライアッシュは、石炭の燃焼から形成される微粉末の副産物である。微粉化炭を燃焼する発電所事業用ボイラーは、ほとんどの市販のフライアッシュを生成する。これらのフライアッシュは、主にガラス質の球状粒子、ならびに赤鉄鉱および磁鉄鉱の残留物、チャー、および冷却中に形成されたいくつかの結晶相からなる。フライアッシュ粒子の構造、組成、および特性は、石炭の構造および組成、ならびにフライアッシュが形成される焼成過程に依存する。ＡＳＴＭ Ｃ６１８（２００８）規格は、コンクリートに使用するためのフライアッシュの２つの主要な級（Ｃ級およびＦ級）を識別する。これらの２つの級のフライアッシュは、一般に、異なる種類の石炭から誘導されるものであり、石炭形成における違いは、地質時代期間にわたって発生する石炭形成過程における違いの結果である。Ｆ級フライアッシュは、通常、無煙炭または瀝青炭を燃焼することから生成されるが、Ｃ級フライアッシュは、通常、亜炭または亜瀝青炭から生成される。
ＡＳＴＭ Ｃ６１８（２００８）規格は、Ｆ級およびＣ級フライアッシュを、一次的にそれらのポゾラン特性に従って区分する。したがって、ＡＳＴＭ Ｃ６１８（２００８）規格では、Ｆ級フライアッシュとＣ級フライアッシュとの主要な仕様の違いは、組成におけるＳｉＯ２＋Ａｌ２Ｏ３＋Ｆｅ２Ｏ３の最小限度である。Ｆ級フライアッシュについてのＳｉＯ２＋Ａｌ２Ｏ３＋Ｆｅ２Ｏ３の最小限度は７０％であり、Ｃ級フライアッシュについては５０％である。したがって、Ｆ級のフライアッシュは、Ｃ級のフライアッシュよりもポゾラン性が高い。ＡＳＴＭ Ｃ６１８（２００８）規格では明確に識別されていないが、Ｃ級フライアッシュは、酸化カルシウム（石灰）含有量が高いことが好ましい。
Ｃ級フライアッシュは普通、遊離石灰（酸化カルシウム）によって、ポゾラン特性に加えて、セメント質特性を有する。Ｆ級は、水単独と混合したとき、ほとんどセメント質ではない。高酸化カルシウム含有量の存在により、Ｃ級フライアッシュはセメント質特性を備え、水と混合するときにケイ酸カルシウムとアルミン酸カルシウムとの水和物の形成が導かれる。
熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物は、Ｃ級フライアッシュを、好ましくは、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００部あたり約５０～約１００部のＣ級フライアッシュを含み、より好ましくは、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物は、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００部あたり約７５部～約１００部のＣ級フライアッシュを含む。
Ｆ級フライアッシュなどの他のタイプのフライアッシュも採用することができる。好ましくは、セメント質反応性粉末中の熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物の少なくとも約５０重量％はＣ級フライアッシュであり、残りはＦ級フライアッシュまたは任意の他の熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物である。より好ましくは、セメント質反応性粉末中の熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物の約５５～約７５重量％はＣ級フライアッシュであり、残りはＦ級フライアッシュまたは任意の他の熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物である。好ましくは、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物は、約９０～約１００％のＣ級フライアッシュ、例えば、１００％Ｃ級フライアッシュである。
本発明の熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物の平均粒子径は、好ましくは約１００ミクロン未満、好ましくは約５０ミクロン未満、より好ましくは約２５ミクロン未満、およびさらにより好ましくはその約１５ミクロンよりも少ない。
典型的には、本発明の混合組成物は、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００部あたり最大で約５部のメタカオリンを有する。好ましくは、本発明の組成物には、メタカオリンが存在しない。メタカオリンの存在により、混合物が必要とする水が増加することが見出されているため、メタカオリンの使用は、本発明のジオポリマー組成物中では望ましくない。
フライアッシュ中によく見られる鉱物は、とりわけ、石英（ＳｉＯ２）、ムル石（Ａｌ２Ｓｉ２Ｏ１３）、ゲーレン石（Ｃａ２Ａｌ２ＳｉＯ７）、赤鉄鉱（Ｆｅ２Ｏ３）、磁鉄鉱（Ｆｅ３Ｏ４）である。さらに、珪線石、藍晶石、および紅柱石（３つ全てが分子式Ａｌ２ＳｉＯ５で表される）などの岩石中で一般的に見られる多形のケイ酸アルミニウム鉱物もフライアッシュ中によく見られる。
フライアッシュはまた、硫酸カルシウムまたは本発明の混合組成物にあり得る別の硫酸イオン源を含むことができる。
フライアッシュの細度は、ＡＳＴＭ試験手順Ｃ－３１１（２０１１）（「ポルトランドセメントコンクリート用の鉱物混合剤としてのフライアッシュについてのサンプリングおよび試験手順」（Ｓａｍｐｌｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ ｆｏｒ Ｆｌｙ Ａｓｈ ａｓ Ｍｉｎｅｒａｌ Ａｄｍｉｘｔｕｒｅ ｆｏｒ Ｐｏｒｔｌａｎｄ Ｃｅｍｅｎｔ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ））で試験する場合、３２５メッシュのふるい（米国シリーズ）に残るものが約３４％未満であることが好ましい。本発明のフライアッシュ材料の平均粒子径は、典型的には約５０ミクロン未満、好ましくは約３５ミクロン未満、より好ましくは約２５ミクロン未満、およびさらにより好ましくは約１５ミクロン未満である。このフライアッシュは、その自己凝結性質のために、乾燥状態で回収および使用されることが好ましい。
亜瀝青炭から作製されたＣ級フライアッシュは、表Ｅに列挙される以下の代表的な組成を有する。このフライアッシュは、自己凝結性質のために、好ましくは、乾燥状態で回収および使用される。表Ｆは、好ましい好適なＦ級フライアッシュの組成物を列挙する。
Figure 2022517629000010
Figure 2022517629000011
水硬性セメント
本発明の目的のための水硬性セメントは、水と接触すると（水和）化学凝結反応を起こし、水中で凝結（硬化）するだけでなく、耐水性製品を形成するセメントである。
水硬性セメントとしては、ポルトランドセメント、アルミン酸カルシウムセメント、スルホアルミン酸カルシウムセメント、スルホアルミノフェライトカルシウムセメント、カルシウムスルホフェライトセメント、フルロアルミン酸カルシウムセメント（ｃａｌｃｉｕｍ ｆｌｕｒｏａｌｕｍｉｎａｔｅ ｃｅｍｅｎｔ）、アルミン酸ストロンチウムセメント、アルミン酸バリウムセメント、Ｋタイプ膨張セメント、Ｓタイプ膨張セメント、およびスルホベライトセメントのようなケイ酸アルミニウムセメントが挙げられるが、これらに限定されない。本発明の組成物は、セメント質反応性粉末の一部として添加される１つ以上の水硬性セメントを含み得る。
アルミン酸カルシウムセメント
アルミン酸カルシウムセメント（ＣＡＣ）は、本発明のセメント質反応性粉末ブレンドの構成成分を形成し得る水硬性セメントである。
アルミン酸カルシウムセメント（ＣＡＣ）は、一般的にアルミナ質セメントまたは高アルミナセメントとも呼ばれる。アルミン酸カルシウムセメントは、高アルミナ含有量、好ましくは約３０～４５重量％を有する。より高純度のアルミン酸カルシウムセメントも市販されており、これらはアルミナ含有量が約８０重量％の範囲であり得る。これらのより高純度のアルミン酸カルシウムセメントは、比較的高価になる傾向がある。本発明に使用するためのアルミン酸カルシウムセメントは、細かく粉砕して、アルミン酸塩が水相に入りやすくなっており、そのため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急速な形成が生じ得る。ブレーン表面積法（ＡＳＴＭ Ｃ２０４）によって測定した場合、アルミン酸カルシウムセメントの表面積は、好ましくは約３，０００ｃｍ２／グラム超、より好ましくは３０００～８０００ｃｍ２／グラム、およびさらにより好ましくは約４，０００～６，０００ｃｍ２／グラムである。
世界中でアルミン酸カルシウムセメントを生成するために、いくつかの製造方法が現れてきた。典型的には、アルミン酸カルシウムセメントの製造に使用される主な原材料は、ボーキサイトおよび石灰石である。アルミン酸カルシウムセメントを生成するために使用される１つの製造方法を以下に記載する。ボーキサイト鉱石は、最初に破砕および乾燥され、次いで石灰石とともに粉砕される。次いで、ボーキサイトおよび石灰石を含む乾燥粉末が回転窯に供給される。微粉化低灰石炭は、窯内の燃料として使用される。窯内でボーキサイトと石灰石との反応が生じ、溶融生成物が窯の下端部内に集まり、底部に設置されたトラフに流れ込む。溶融クリンカーは、水で急冷されて、クリンカーの顆粒を形成し、これは備蓄場所に搬送される。次いで、この顆粒は、望ましい細度まで粉砕されて、最終的なセメントを生成する。
いくつかのアルミン酸カルシウム化合物は、アルミン酸カルシウムセメントの製造過程中に形成される。形成される主な化合物は、アルミン酸カルシウムセメントの１つのタイプにあるアルミン酸モノカルシウム（ＣａＯ・Ａｌ２Ｏ３、ＣＡとも呼ばれる）である。アルミン酸カルシウムセメントの別のタイプでは、Ｃ１２Ａ７またはヘプタアルミン酸ドデカカルシウムとも呼ばれる１２ＣａＯ・７Ａｌ２Ｏ３は、一次的なアルミン酸カルシウム反応相として形成される。アルミン酸カルシウムセメントの生成において形成される他のアルミン酸カルシウムおよびケイ酸カルシウム化合物としては、ＣＡ２またはジアルミン酸カルシウムとしても知られているＣａＯ・２Ａｌ２Ｏ３、ケイ酸二カルシウム（２ＣａＯ・ＳｉＯ２、Ｃ２Ｓとしても知られている）、アルミナケイ酸二カルシウム（２ＣａＯ・Ａｌ２Ｏ３・ＳｉＯ２、Ｃ２ＡＳとしても知られている）が挙げられる。酸化鉄を比較的高い割合で含有する他のいくつかの化合物も形成される。これらとしては、ＣａＯ・Ｆｅ２Ｏ３またはＣＦおよび２ＣａＯ・Ｆｅ２Ｏ３またはＣ２Ｆなどのカルシウムフェライト、ならびにテトラカルシウムアルミノフェライトなどのカルシウムアルミノフェライト（４ＣａＯ・Ａｌ２Ｏ３・Ｆｅ２Ｏ３またはＣ４ＡＦ）、６ＣａＯ・Ａｌ２Ｏ３・２Ｆｅ２Ｏ３またはＣ６ＡＦ２）および、６ＣａＯ・２Ａｌ２Ｏ３・Ｆｅ２Ｏ３またはＣ６Ａ２Ｆ）が挙げられる。アルミン酸カルシウムセメント中に存在する他の微量構成物としては、マグネシア（ＭｇＯ）、チタニア（ＴｉＯ２）、硫酸塩、およびアルカリが挙げられる。好ましいアルミン酸カルシウムセメントは、前述の相のうちの１つ以上を有することができる。主たる相として、アルミン酸モノカルシウム（ＣａＯ・Ａｌ２Ｏ３またはＣＡ）および／またはヘプタアルミン酸ドデカカルシウム（１２ＣａＯ・７Ａｌ２Ｏ３またはＣ１２Ａ７）を有するアルミン酸カルシウムセメントが特に好ましい。さらに、アルミン酸カルシウム相は、結晶形態および／または非晶質形態であり得る。ＣＩＭＥＮＴ ＦＯＮＤＵ（またはＨＡＣ ＦＯＮＦＵ）、ＳＥＣＡＲ５１、およびＳＥＣＡＲ７１は、一次的なセメント相としてアルミン酸モノカルシウム（ＣＡ）を有する市販のアルミン酸カルシウムセメントのいくつかの例である。ＴＥＲＮＡＬ ＥＶは、主たるセメント相としてヘプタアルミン酸ドデカカルシウム（１２ＣａＯ・７ＡＬ２Ｏ３またはＣ１２Ａ７）を有する市販のアルミン酸カルシウムセメントの例である。
本発明の組成物は、スルホアルミン酸カルシウムセメントおよびアルミン酸カルシウムセメントのうちの少なくとも１つの混合物１００重量部あたり約２～１００重量部のアルミン酸カルシウムセメントを含む。
アルミン酸カルシウムセメントが本発明で使用されるとき、それは、スルホアルミン酸カルシウムセメントとともに使用されるか、またはスルホアルミン酸カルシウムセメントの非存在下で使用され得る。
スルホアルミン酸カルシウム（ＣＳＡ）セメントの非存在下でアルミン酸カルシウムセメント（ＣＡＣ）を使用する本発明の組成物は、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり約２～約１００重量部、より好ましくは約２．５～約８０重量部、さらにより好ましくは約５～約６０重量部（ｐｂｗ）のＣＡＣを含む。
亀裂、剥離、および他の破壊モードを阻止するためのかなりの程度の寸法安定性および／または収縮制御を提供するために、アルミン酸カルシウムセメントの量は、スルホアルミン酸カルシウムセメントとアルミン酸カルシウムセメントとの混合物１００重量部あたり好ましくは約５～約７５、より好ましくは約１０～５０重量部（ｐｂｗ）である。
スルホアルミン酸カルシウム（ＣＳＡ）セメント
スルホアルミン酸カルシウム（ＣＳＡ）セメントは、アルミン酸カルシウムセメント（ＣＡＣ）またはケイ酸カルシウム系水硬性セメント、例えばポルトランドセメントとは異なる分類のセメントである。ＣＳＡセメントは、スルホアルミン酸カルシウムに基づく水硬性セメントである。対照的に、アルミン酸カルシウムはＣＡＣセメントのベースであり、ケイ酸カルシウムはポルトランドセメントのベースである。スルホアルミン酸カルシウムセメントは、一次的な相としてイーリマイト
Figure 2022517629000012
 を含むクリンカーから作製される。ＣＳＡ中に存在する他の主要な相としては、ケイ酸二カルシウム（Ｃ２Ｓ）、テトラカルシウムアルミノフェライト（Ｃ４ＡＦ）、および
硫酸カルシウム
Figure 2022517629000013
 のうちの１つ以上が挙げられ得る。ポルトランドセメントと比較して、スルホアルミン酸カルシウムセメントの石灰必要量が比較的少ないことにより、エネルギー消費およびセメント生産からの温室効果ガスの排出が削減される。実際に、スルホアルミン酸カルシウムセメントはポルトランドセメントよりもおよそ２００℃低い温度で製造することができ、したがって、エネルギーおよび温室効果ガス排出がさらに削減される。本発明の組成物中に使用され得るスルホアルミン酸カルシウムセメントの量は、ＣＳＡセメント中に存在する活性イーリマイト相
Figure 2022517629000014
 の量に基づいて加減することができる。本発明で有用なスルホアルミン酸カルシウムセメント中に存在するイーリマイト相
Figure 2022517629000015
 の量は、好ましくは約２０～約９０重量％、およびより好ましくは３０～７５重量％である。
スルホアルミン酸カルシウム（ＣＳＡ）セメントが本発明で使用されるとき、それはアルミン酸カルシウムセメントとともに使用されるか、またはアルミン酸カルシウムセメントの非存在下で使用され得る。
好ましくは、スルホアルミン酸カルシウムセメントおよびアルミン酸カルシウムセメントを含む本発明の組成物は、総スルホアルミン酸カルシウムセメントおよびアルミン酸カルシウムセメント１００重量部あたり約５～約７５、より好ましくは約１０～５０、最も好ましくは約３０～４５重量部（ｐｂｗ）のアルミン酸カルシウムセメントの量を有する。
ブレーン表面積法（ＡＳＴＭ Ｃ２０４）によって測定した場合、スルホアルミン酸カルシウムセメントの表面積は、好ましくは約３，０００ｃｍ２／グラム超、より好ましくは３０００～８０００ｃｍ２／グラム、およびさらにより好ましくは約４，０００～６，０００ｃｍ２／グラムである。
アルミン酸カルシウムセメント（ＣＡＣ）の非存在下でスルホアルミン酸カルシウム（ＣＳＡ）セメントを使用する本発明の組成物は、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり約２～約１００重量部、より好ましくは約２．５～約８０重量部、さらにより好ましくは約５～約６０重量部（ｐｂｗ）のＣＳＡを含む。
フルオロアルミン酸カルシウムセメント
本発明のセメント質反応性粉末は、１００重量部のフライアッシュに対して、約０～約２０重量部の総フルオロアルミン酸カルシウムを有し得る。
フルオロアルミン酸カルシウムは、化学式３ＣａＯ．３Ａｌ２Ｏ３ ．ＣａＦ２を有する。フルオロアルミン酸カルシウムは、多くの場合、石灰、ボーキサイト、および蛍石を、得られる生成物の鉱物が３ＣａＯ・３Ａｌ２Ｏ３ ・ＣａＦ２になるような量で混合し、得られた混合物を約１２００～１，４００℃の温度で燃焼させることによって生成される。フルオロアルミン酸カルシウムセメントを任意選択で本発明に使用することができる。
好ましくは、本発明の組成物には、フルオロアルミン酸カルシウムセメントが存在しない。
硫酸カルシウム
硫酸カルシウムは、本発明のジオポリマー組成物の成分であり得る。硫酸カルシウム、例えば硫酸カルシウム二水和物は水と反応するが、それは耐水性製品を形成せず、本発明の目的のための水硬性セメントとはみなされない。好適な硫酸カルシウムのタイプとしては、硫酸カルシウム二水和物、硫酸カルシウム半水和物、および無水硫酸カルシウム（無水石膏）が挙げられる。これらの硫酸カルシウムは、天然で入手可能であるか、または工業的に生産されている場合がある。硫酸カルシウムは、本発明のセメント質組成物の他の基本的な構成成分と相乗的に相互作用し、それにより、最終材料に他の有用な特性を付与しながら、材料収縮を最小限に抑えるのに役立つことができる。
硫酸カルシウムの異なる形態的な形態は、本発明で有用に採用することができる。本発明のジオポリマー組成物および複合体の特性は、その化学組成、粒子径、結晶形態、ならびに化学処理および熱処理に基づいて使用される硫酸カルシウムのタイプに依存し得る。他の特性の中でも、本発明のジオポリマー組成物の凝結挙動、強度発現速度、極限圧縮強度、収縮挙動、および耐亀裂性は、配合物において適した硫酸カルシウム源を選択することによって調整することができる。したがって、使用される硫酸カルシウムのタイプの選択は、最終用途に求められる特性のバランスに基づく。
硫酸カルシウムの粒子径および形態は、本発明のジオポリマーセメント質組成物の早期および極限強度の発現に影響を及ぼし得る。一般に、硫酸カルシウムの粒子径が小さいほど、早期強度がより急速に発現することが見出されている。極めて急速な強度発現速度を有することが望ましいとき、硫酸カルシウムの好ましい平均粒子径の範囲は、約１～約１００ミクロン、より好ましくは約１～約５０ミクロン、およびさらにより好ましくは約１～約２５ミクロンである。その上、より細かい粒子径を有する硫酸カルシウムは、より低い材料収縮をもたらす。
硫酸カルシウムの３つの形態全て（一次的に、半水和物、二水和物、および無水石膏）が有用である。硫酸カルシウムの最も可溶性が高い形態は半水和物であり、続いて比較的溶解度が低い形態は二水和物、およびさらに続いて比較的不溶性の形態は無水石膏である。３つの形態は全て、それら自体が適切な条件下で水性媒体中で凝結することが知られており（二水和物化学的形態の形態マトリックス）、凝結形態の凝結時間および圧縮強度は、それらの溶解度の順序に従うことが知られている。例えば、他の全ての条件が等しく、唯一の凝結材料として単独で採用されると、普通、半水和物は最も短い凝結時間を有し、無水石膏は最も長い凝結時間を有する（典型的には、非常に長い凝結時間）。
硫酸カルシウムの粒子径および形態は、組成物の早期強度（約２４時間未満）の発現にかなりのおよび驚くべき影響を及ぼす。比較的小さい粒子径の硫酸カルシウムを使用すると、早期圧縮強度がより急速に発現する。硫酸カルシウムの好ましい平均粒子径は、約１～１００ミクロン、より好ましくは約１～５０ミクロン、および最も好ましくは約１～２５ミクロンの範囲である。
組成物中のスルホアルミン酸カルシウムセメントとアルミン酸カルシウムセメントとの混合物に比例して存在する硫酸カルシウムの量は、本発明のジオポリマー組成物の収縮などの潜在的な悪影響を緩和することができる。本発明のジオポリマー組成物中の硫酸カルシウムの量は、スルホアルミン酸カルシウムセメントとアルミン酸カルシウムセメントとの混合物の１００重量部に対して、約２～約１００、好ましくは約５～約７５、および最も好ましくは約１０～約５０重量部である。
硫酸カルシウムは、別個の構成成分として添加され得るか、または硫酸カルシウムの全てもしくは一部は、アルミン酸カルシウムセメントまたはスルホアルミン酸カルシウムセメントの一部として提供され得る。
アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物
本発明の組成物および方法では、アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物は、他の成分に加えて添加されるアルカリ土類金属酸化物である。したがって、例えば、それは、フライアッシュ中に天然にあり得る任意のアルカリ土類金属酸化物に加えられる。この添加されたアルカリ土類金属酸化物は、好ましくは、酸化カルシウム（石灰または生石灰としても知られている）、もしくは酸化マグネシウム、またはそれらの組み合わせである。ＡＣＩ ２２３Ｒ－１０で指定されるタイプＧ構成成分添加剤は、本発明の自己固結ジオポリマー組成物の製造に使用されるアルカリ土類金属酸化物を含むいくつかの好ましい無機鉱物の例である。
本発明のセメント質反応性粉末は、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物の０～１０、好ましくは０．２～６、より好ましくは０．３～３重量部の量のアルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物を有し得る。本発明において好ましいアルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物は、好ましくは５０重量％超、より好ましくは６０重量％超、さらにより好ましくは７０重量％超、および最も好ましくは８０重量％超、例えば９０重量％超のアルカリ土類金属酸化物含有量を有する。
本発明の好ましいアルカリ土類金属酸化物としては、酸化カルシウムおよび酸化マグネシウムが挙げられる。それらは、典型的には、石灰石、ドロマイト、およびマグネサイトなどの岩石のか焼によって得られる。金属酸化物は、軽焼、硬焼、または死焼であり得る。例えば、酸化マグネシウムが本発明のセメント質反応性粉末の一部として使用されるとき、それは、軽焼、適度な燃焼、または死焼であり得る。原材料のか焼温度は、アルカリ土類金属酸化物粉末の反応性を制御するのに役立つ。本発明において有用なアルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物粉末は、主として酸化カルシウムまたは酸化マグネシウムのいずれかであり得る。本発明において有用なアルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物粉末はまた、酸化カルシウムおよび酸化マグネシウムの両方の混合物であり得る。
高温で燃焼され、遊離石灰を主要な構成成分として含み、ケイ酸カルシウム、フェロ－アルミン酸塩、および硫酸塩を微量な構成成分として含むポルトランドセメントクリンカーなどの水硬性セメントクリンカーはまた、本発明におけるアルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物として使用することができる。炭酸カルシウムまたは炭酸マグネシウムなどの不純物はまた、アルカリ土類金属酸化物とともに材料中に存在し得る。金属酸化物粒子の反応性は、他のタイプの有機化合物または無機鉱物の添加によって制御することができる。アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物の粒子は、任意選択で、有機または無機コーティング材料で表面をコーティングして、粒子の反応性を調整することができる。追加の機能性コーティングを粒子の表面上に塗布して、凝結遅延、減水、収縮減少、粉末流動補助などのような特別な特性を付与することができる。
さらに、アルカリ土類金属酸化物粒子を含む無機鉱物のサイズを調整して、粒子の反応性を制御することができる。アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物の中央粒子径は、好ましくは１００ミクロン未満、より好ましくは７５ミクロン未満、および最も好ましくは５０ミクロン未満である。
水を添加すると、アルカリ土類金属酸化物粒子を含む無機鉱物が化学反応を受けて、水酸化カルシウムまたは酸化マグネシウムのいずれかの結晶を形成する。その上、現時点では正確な化学反応メカニズムは完全には理解されていないが、アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物も熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物およびアルカリ金属化学活性剤を伴うジオポリマー反応に活発に関与していることは発明者の理解である。アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物粒子は、本発明の無機ジオポリマー組成物中で多機能の役割を果たす。例えば、それらは、本発明のジオポリマー組成物のレオロジー、凝結特質、圧縮強度、および寸法移動特質を調整する際の助けになる。
ポルトランドセメント
本発明のセメント質反応性粉末は、１００重量部の熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物に対して、約０～約１５重量部の総ポルトランドセメントを有し得る。
石灰石、頁岩、および他の天然発生材料が低コストで幅広く入手可能であることにより、ポルトランドセメントは、前世紀にわたり世界中で広く使用されている最も低コストの材料のうちの１つになっている。本明細書で使用される場合、「ポルトランドセメント」は、ケイ酸カルシウム系の水硬性セメントである。ＡＳＴＭ Ｃ１５０は、ポルトランドセメントを「本質的に水硬性ケイ酸カルシウムからなるクリンカーを微粉化することによって生成され、普通、地中の付加物として硫酸カルシウムの形態のうちの１つ以上を含有する水硬性セメント（水と反応することによって硬化するだけでなく、耐水性製品を形成するセメント）」として定義している。本明細書で使用される場合、「クリンカー」は、所定の組成の原料混合物が高温まで加熱された場合に生成される焼結材料の小塊（直径、約０．２～約１．０インチ［５～２５ｍｍ］）である。
好ましくは、本発明の組成物には、ポルトランドセメントが存在しない。本発明のジオポリマー組成物へのポルトランドセメントの添加は、得られる組成物の収縮を増加させることが見出された。観察された収縮の規模は、得られる組成物中のポルトランドセメントの量の増加とともに増加する。
「天然発生および非熱活性化」ポゾラン
本発明のセメント質反応性粉末は、１００重量部のフライアッシュに対して、約０～約２０重量部の天然発生および非熱活性化ポゾランを有し得る。
好ましくは、本発明の組成物には、天然発生および非熱活性化ポゾランが存在しない。
上記で論じられる熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物添加剤は、ポゾラン特性を有する。しかしながら、上記のフライアッシュに加えて、他のポゾランもまた、本発明の組成物中に任意選択のケイ酸塩およびアルミノケイ酸塩鉱物添加剤として含まれ得る。ＡＳＴＭ Ｃ６１８（２００８）は、ポゾラン材料を「それ自体はセメント質の価値をほとんどまたは全く備えていないが、細かく分割された形態で、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質特性を備える化合物を形成する、珪質または珪質およびアルミナ質材料」として定義している。
様々な天然および人工の材料は、ポゾラン特性を備えるポゾラン材料と呼ばれてきた。ポゾラン材料のいくつかの例としては、シリカフューム、軽石、パーライト、珪藻土、細粉砕粘土、細粉砕頁岩、細粉砕粘板岩、細粉砕ガラス、凝灰岩、火山土、籾殻などが挙げられる。これらのポゾラン材料は全て、本発明のセメント質反応性粉末の一部として、１つだけでまたは組み合わせた形態で使用することができる。
アルカリ金属化学活性剤構成成分Ｂ
活性剤構成成分Ｂは、アルカリ金属化学活性剤を含む。
本発明の組成物では、アルカリ金属塩および塩基は、フライアッシュ、アルミン酸塩セメント、および硫酸カルシウムなどの熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物を含む反応性粉末構成成分Ａを活性化するためのアルカリ金属化学活性剤として有用である。本発明のアルカリ金属活性剤は、液体または固体の形態で添加することができる。本発明の好ましいアルカリ金属化学活性剤は、有機酸の金属塩である。本発明のより好ましいアルカリ金属化学活性剤は、カルボン酸のアルカリ金属塩である。アルカリ金属水酸化物およびアルカリ金属ケイ酸塩は、本発明のアルカリ金属化学活性剤のいくつかの他の例である。あるいは、アルカリ金属水酸化物およびアルカリ金属ケイ酸塩をクエン酸などのカルボン酸と組み合わせて使用して、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物、アルミン酸塩セメント、および硫酸カルシウムを含むセメント質反応性粉末ブレンドの化学活性化を提供することもできる。好ましいクエン酸アルカリ金属は、クエン酸カリウムおよびクエン酸ナトリウム、ならびに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無水物（ｔｒｉ－ｓｏｄｉｕｍ ｃｉｔｒａｔｅ ａｎｈｙｄｒｏｕｓ）、クエン酸三ナトリウム一水和物、クエン酸ナトリウム二塩基性セスキ水和物、クエン酸三ナトリウム二水和物、クエン酸二ナトリウム、およびクエン酸一ナトリウムである。クエン酸カリウムは、本発明において最も好ましいアルカリ金属塩活性剤である。
Ｃ級フライアッシュ、アルミン酸塩セメント、および硫酸カルシウムを含む熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物を含むセメント質反応性粉末ブレンドと組み合わせてクエン酸ナトリウムまたはクエン酸カリウムなどのクエン酸のアルカリ金属塩を採用することにより、原材料を約６８～７７°Ｆ（２０～２５℃）で混合した後、比較的良好な流動性を有し、迅速に固まりすぎない混合組成物が提供される。
クエン酸のアルカリ金属塩、例えばクエン酸カリウムまたはクエン酸ナトリウムの量は、１００部のセメント質反応性構成成分（すなわち、セメント質反応性粉末構成成分Ａ）に基づいて、約０．５～約１０重量％、好ましくは約１．０～約６重量％、好ましくは約１．２５～約４重量％、より好ましくは約１．５～約２．５重量％、およびさらにより好ましくは約２重量％である。したがって、例えば、１００ポンドのセメント質反応性粉末については、約１．２５～約４ポンドの総クエン酸カリウムおよび／またはクエン酸ナトリウムがあり得る。
所望であれば、活性剤は、アルカノールアミンを含有しない。また、所望であれば、活性剤は、リン酸塩を含有しない。
空気および水
材料の凍結融解耐久性挙動に影響すると決定された重要な要因としては、材料の空気含有量および水／セメント質反応性粉末の比率が挙げられる。
重要な発明の目的は、採用される混合時間に依存しない安定した空気空隙システムを得ることであった。安定したシステムは、採用される混合時間における変化とともに材料の空気含有量が大幅に変わらないシステムとして定義される。安定した空隙システムは、満足のいく凍結融解耐久性能を提供する。
驚くべきことに、本発明のジオポリマー組成物中の所望のおよび安定した空気量は、空気連行剤、消泡剤、および有機ポリマーを含む様々な添加剤の組み合わせを利用することによって連行される。空気含有量に影響する他の重大な要因としては、水とセメント質材料との比率、砂利とセメント質材料との比率、混合時間、および混合方法が挙げられる。
本発明による凍結融解耐久性挙動を得るために、空気含有量は、約１体積％～２０体積％、より好ましくは約２体積％～１２体積％、および最も好ましくは約３体積％～８体積％である。
意外なことに、ある種の空気連行剤を０．１重量％添加することにより、空気がほぼ１％以上だけ増加し、ある種の消泡剤を０．０１重量％添加することにより、空気がほぼ１％以上だけ減少する。
本発明の好ましい組成物中の水／セメント質反応性粉末の比率は、０．３０～０．５５：１、例えば０．３２～０．５３：１、好ましくは０．３３～０．５１：１、例えば０．３４～０．４９：１、およびより好ましくは０．３５～０．４５：１、例えば０．３７～０．４２：１であり、
セメント凝結遅延剤の量が０．５重量％未満である場合、
水／セメント質反応性粉末の重量比が、０．３５～０．５５：１、好ましくは０．３５～０．４５：１であり、かつ／またはアルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物が、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり０．２～１０、好ましくは０．２～６、より好ましくは０．３～３重量部（ｐｂｗ）の量である。
凍結融解耐久性構成成分Ｃ
凍結融解耐久性構成成分Ｃは、空気連行剤および／または表面活性有機ポリマーを含む。凍結融解耐久性構成成分Ｃは、消泡剤をさらに含み得る。
空気連行剤
所望であれば、空気連行剤（発泡剤としても知られている）を本発明のセメント質スラリーに添加して、その場で気泡（発泡体）を形成する。空気連行剤は、好ましくは、コンクリート内の微細な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、空気連行剤を採用して、発泡体を外部から生成し、これを混合操作中に本発明の組成物の混合物に導入して、生成物の密度を低下させる。好ましくは、外部から発泡体を生成するために、空気連行剤（液体発泡剤としても知られている）、空気、および水が混合されて、好適な発泡体生成装置内で発泡体を形成する。発泡体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などの発泡体安定剤を発泡体に添加することができる。
空気連行剤／発泡剤の例としては、とりわけ、スルホン酸アルキル、アルキルベンゾールスルホン酸塩、およびアルキルエーテル硫酸塩オリゴマーが挙げられる。これらの発泡剤についての一般式の詳細は、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 Ｃ２６０「コンクリート用の空気連行混合剤についての規格仕様（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ａｉｒ－Ｅｎｔｒａｉｎｉｎｇ Ａｄｍｉｘｔｕｒｅｓ ｆｏｒ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ）」（２００６年８月１日）に記述されている規格に適合するような空気連行剤（発泡剤）を採用することができる。このような空気連行剤は、当業者に既知であり、Ｋｏｓｍａｔｋａらの「Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｍｉｘｔｕｒｅｓ」、第１４版、Ｐｏｒｔｌａｎｄ Ｃｅｍｅｎｔ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ、具体的には「Ａｉｒ Ｅｎｔｒａｉｎｅｄ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ」と題される第８章（米国特許出願公開第２００７／００７９７３３Ａ１号に引用されている）に記載されている。
好適な空気連行（発泡）剤としては、木質樹脂、ヴィンソル樹脂（ｖｉｎｓｏｌ ｒｅｓｉｎ）、ウッドロジン、トール油ロジン、またはガムロジンの水溶性塩（普通はナトリウム）；非イオン性界面活性剤（例えば、商品名ＴＲＩＴＯＮ Ｘ－１００の商品名でＢＡＳＦから市販されているものなど）；スルホン化炭化水素；タンパク性材料；または脂肪酸（例えば、トール油脂肪酸）およびそれらのエステルが挙げられる。
市販の空気連行材料としては、ヴィンソル木質樹脂、スルホン化炭化水素、脂肪酸および樹脂酸、スルホン化リグニン塩などの脂肪族置換アリールスルホネート、および通常アニオン性または非イオン性表面活性剤（界面活性剤）の形態をとる多数の他の界面的な活性材料、アビエチン酸ナトリウム、飽和もしくは不飽和の脂肪酸およびそれらの塩、テンシド、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、リグノスルホネート、樹脂石けん、ナトリウムヒドロキシステアレート、ラウリルサルフェート、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）エーテルサルフェートエステルまたはそれらの塩、ポリオキシエチレンアルキル（フェニル）エーテルホスフェートエステルまたはそれらの塩、タンパク質材料、アルケニルスルホサクシネート、α－オレフィンスルホネート、α－オレフィンスルホネートのナトリウム塩、またはナトリウムラウリルサルフェートもしくはスルホネート、ならびにそれらの混合物が挙げられる。
空気連行剤は、存在するとき、セメント質反応性粉末構成成分Ａの総重量（すなわち、Ｃ級フライアッシュ、アルミン酸塩セメント、および硫酸カルシウムを含む総熱活性化アルミノケイ酸塩の重量％）に基づいて、０．０１～１、好ましくは０．０１～０．５、より好ましくは０．０１～０．２、最も好ましくは０．０５～０．２重量％の量である。空気連行剤の投与量の最も好ましい投与量は、総セメント質反応性粉末構成成分Ａの約０．０１～約０．２０重量％に等しい。
消泡剤
消泡剤を本発明のジオポリマーセメント質組成物に添加して、閉じ込められる空気の量を低減し、材料強度を上げ、他の基材との材料結合強度を上げること、および表面の審美性が重要な基準である用途において欠陥のない表面を生成することができる。本発明のジオポリマー組成物に有用な適切な消泡剤の例としては、ポリエチレンオキシド、プロポキシル化アミン、ポリエーテルアミン、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、アルコキシレート、ポリアルコキシレート、脂肪アルコールアルコキシレート、疎水性エステル、トリブチルホスフェート、アルキルポリアクリレート、シラン、シリコーン、ポリシロキサン、ポリエーテルシロキサン、アセチレンジオール、テトラメチルデシンジオール、第二級アルコールエトキシレート、シリコーンオイル、疎水性シリカ、油類（鉱物油、植物油、白色油）、ワックス（パラフィンワックス、エステルワックス、脂肪アルコールワックス）、アミド、脂肪酸、脂肪酸のポリエーテル誘導体など、およびそれらの混合物が挙げられる。
好ましくは、消泡剤の投与量は、総セメント質反応性粉末構成成分Ａの０～約０．５重量％、より好ましくは０～約０．２５重量％、および最も好ましくは０．０１～約０．１重量％（すなわち、Ｃ級フライアッシュ、アルミン酸塩セメント、および硫酸カルシウムを含む総熱活性化アルミノケイ酸塩の重量％）に等しい。
表面活性有機ポリマー
表面活性有機ポリマーとしては、任意の１つ以上の有機レオロジー調節剤（有機レオロジー制御剤としても知られている）、フィルム形成ポリマー、またはバイオポリマーが挙げられる。有機レオロジー調節剤は、バイオポリマーであるか、合成源に由来し得る。フィルム形成ポリマーは、フィルム形成再分散性ポリマー粉末またはフィルム形成ポリマー分散液のフィルム形成ポリマーであり得る。表面活性有機ポリマーは、それらの二次的な機能として、混合物中に空気を連行するのにも役立つが、空気連行（発泡）剤として知られている化合物ほど効果的ではない場合がある。
バイオポリマー
これらのバイオポリマーのいくつかは、増粘剤または粘度調節剤としても知られている。いくつかは、フィルム形成ポリマーとしても機能する。メチルセルロースなどのいくつかは、乳化剤としても機能する。天然発生バイオポリマーは、多糖類またはアミノ酸のビルディングブロックを含み、一般に水溶性である。一般的な例は、デンプン、セルロース、アルギン酸塩、卵黄、寒天、クズウコン、カラギーナン、コラーゲン、ゼラチン、グアーガム、ペクチン、およびキサンタンガムである。好ましいバイオポリマーとしては、セルロースエーテルおよびガム系の有機ポリマーが挙げられる。
サクシノグリカン、デュータンガム、グアーガム、ウェランガム、キサンタンガム、およびセルロースエーテル系の有機化合物は、親水コロイドおよびレオロジー制御剤として作用するバイオポリマーである。ガム系ポリマーは、ガラクトマンナンガム、グルコマンナンガム、グアーガム、ローカストビーンガム、カラガム、ヒドロキシエチルグアー、ヒドロキシプロピルグアー、セルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される。
本発明のジオポリマー組成物中のレオロジー制御に有用な好ましいセルロース系有機ポリマーの例としては、ヒドロキシエチル－セルロース（ＨＥＣ）、ヒドロキシプロピル－セルロース（ＨＰＣ）、ヒドロキシプロピルメチル－セルロース（ＨＰＭＣ）、メチル－セルロース（ＭＣ）、エチル－セルロース（ＥＣ）、メチルエチル－セルロース（ＭＥＣ）、カルボキシメチル－セルロース（ＣＭＣ）、カルボキシメチルエチル－セルロース（ＣＭＥＣ）、およびカルボキシメチルヒドロキシエチル－セルロース（ＣＭＨＥＣ）が挙げられる。
上述のバイオポリマーは、典型的には、冷水および／または温水の両方に可溶性である。これらの添加剤は、保水剤としても作用し、それによって材料のレオロジーを制御することに加えて、材料の分離および浮き水を最小限に抑える。バイオポリマーは、本発明の不分離性の自己固結ジオポリマー組成物の製造において特に有用であり、重要な成分である。
有機レオロジー制御剤
レオロジーを制御または調節することが可能であり得るバイオポリマーとは対照的に、本仕様の目的のために、有機レオロジー調節剤（有機レオロジー制御剤）は、合成源に由来するものとして定義される。これらの有機レオロジー制御剤のいくつかは、増粘剤としても知られている。有機レオロジー制御剤用のアクリル系ポリマーは、３つの一般分類：アルカリ膨潤性（または可溶性）エマルジョン（ＡＳＥ）疎水性修飾アルカリ膨潤性エマルジョン（ＨＡＳＥ）、および疎水性修飾エトキシル化ウレタン樹脂（ＨＥＵＲ）にグループ分けされる。ＨＡＳＥは、疎水性官能基の追加に続くＡＳＥの修飾である。これらは、一般的に会合性増粘剤として知られている。疎水性その最も単純な形態では、会合性増粘剤は、いくつかの比較的疎水性基を含有する水溶性ポリマーである。ＨＥＵＲはまた、会合性増粘剤のカテゴリーに属する。しかし、ＨＡＳＥとは異なり、ＨＥＵＲは、非イオン性物質であり、増粘メカニズムの活性化についてアルカリに依存していない。
本発明のジオポリマー組成物における有機レオロジー制御剤および増粘剤として使用するための好ましいポリマーは、ポリアクリルアミド、アルカリ膨潤性アクリルポリマー、会合性アクリルポリマー、アクリル／アクリルアミドコポリマー、疎水性修飾アルカリ膨潤性ポリマー、および水膨潤性が高い有機ポリマーからなる群から選択される。
例えば、ＡＣＵＬＹＮ２２レオロジー調節剤は、Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌから入手可能なアニオン性疎水性修飾アルカリ可溶性アクリルポリマーエマルジョン（ＨＡＳＥ）である。ＨＡＳＥポリマーは、酸／アクリレートコポリマー骨格、および側鎖として疎水性基を接続するモノマーから合成される。ポリマーは、乳化重合によって作製される。ＡＣＵＬＹＮ２２は、アクリル酸、アクリル酸エステル、およびステアレス－２０メタクリル酸エステルから合成される。
会合性および非会合性の両方のタイプの有機レオロジー制御剤および増粘剤は、本発明のジオポリマー組成物に有用に採用することができる。
上述の有機レオロジー制御剤および増粘剤は、冷水および／または温水の両方に可溶性である。これらの添加剤は、保水剤としても作用し、それによって材料のレオロジーを制御することに加えて、材料の分離および浮き水を最小限に抑える。有機レオロジー制御剤は、本発明の不分離性の自己固結ジオポリマー組成物の製造において特に有用であり、重要な成分である。
フィルム形成ポリマー添加剤
フィルム形成ポリマーは、物理的に連続的で柔軟なフィルムを生成するポリマーである。それらは、ポリマー分散液として、または再分散性粉末として入手可能である。好ましいフィルム形成ポリマー分散液は、ラテックス分散液である。再分散性ポリマー粉末を形成する好ましいフィルムは、ラテックス粉末である。これらのポリマー粉末は、水－再分散性であり、水性ポリマー分散液（ラテックス）の噴霧乾燥によって生成される。ポリマー粉末は、典型的には、ラテックス分散液（エマルジョン）を噴霧乾燥することによって作製される。本分野では、フィルム形成再分散性ポリマー粉末が使いやすいために好ましい。
ラテックスは、エマルジョンポリマーである。ラテックスは、水系のポリマー分散液であり、産業用途で広く使用されている。ラテックスは、水性媒体中のポリマーミクロ粒子の安定した分散液（コロイド状エマルジョン）である。したがって、それは水中のゴムまたはプラスチックポリマーミクロ粒子の懸濁液／分散液である。ラテックスは、天然または合成であり得る。
ラテックスは、好ましくは、純粋なアクリル、スチレンゴム、スチレンブタジエンゴム、スチレンアクリル、ビニルアクリル、またはアクリレート化エチレンビニルアセテートコポリマーから作製され、より好ましくは純粋なアクリルである。好ましくは、ラテックスポリマーは、アクリル酸、アクリル酸エステル、メタクリル酸、およびメタクリル酸エステルからなる群から選択される少なくとも１つのアクリルモノマーから誘導される。例えば、乳化重合に採用されるのに好ましいモノマーとしては、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、メタクリル酸メチル、アクリル酸ブチル、アクリル酸２－エチルヘキシル、他のアクリル酸塩、メタクリル酸塩、およびそれらのブレンド、アクリル酸、メタクリル酸、スチレン、ビニルトルエン、酢酸ビニル、酢酸よりも高級のカルボン酸のビニルエステル、例えばバーサチック酸ビニル、アクリロニトリル、アクリルアミド、ブタジエン、エチレン、塩化ビニルなどのモノマー、ならびにそれらの混合物が挙げられる。例えば、ラテックスポリマーは、アクリル酸ブチル／メタクリル酸メチルコポリマーまたはアクリル酸２－エチルヘキシル／メタクリル酸メチルコポリマーであり得る。好ましくは、ラテックスポリマーは、スチレン、α－メチルスチレン、塩化ビニル、アクリロニトリル、メタクリロニトリル、メタクリル酸ウレイド、酢酸ビニル、分岐した第三級モノカルボン酸のビニルエステル、イタコン酸、クロトン酸、マレイン酸、フマル酸、エチレン、およびＣ４～Ｃ８共役ジエンからなる群より選択される１つ以上のモノマーからさらに誘導される。
酢酸ビニルエチレン（ＶＡＥ）エマルジョンは、酢酸ビニルとエチレンとの共重合に基づいており、酢酸ビニル含有量は６０～９５パーセントの範囲であり、エチレン含有量は総配合物の５～４０パーセントの範囲であり得る。この生成物は、エチレン酢酸ビニル（ＥＶＡ）コポリマーと混同されるべきではなく、酢酸ビニルは、一般に１０～４０パーセントの組成における範囲であり、エチレンは配合物の６０～９０パーセントで変動し得る。ＶＡＥは水系のエマルジョンであり、これらのエマルジョンは乾燥して再分散性粉末を形成することができるのに対して、ＥＶＡはホットメルトおよびプラスチック成形用途に使用される固体材料である。
フィルム形成ポリマーは、（メタ）アクリル、ビニル、油変性ポリマー、ポリエステル、ポリウレタン、ポリアミド、塩素化ポリオレフィン、およびそれらの混合物またはコポリマー、例えば酢酸ビニルエチレンを含み得るポリマー粒子の分散液から選ぶことができる。さらに、ポリマーは典型的には、－４０℃～７０℃のガラス転移温度（Ｔｇ）を有すべきである。ポリマーのＴｇは、最も一般的には示差走査熱量測定（ＤＳＣ）によって決定される。Ｔｇは、比熱（Ｃｐ）の「突発的」上昇がある温度である。これは、ＤＳＣ曲線のベースラインの推移によって明らかにされる。Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｄｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓは、Ｔｇを決定するために使用されるべき評価手順を提案している。この手順に従って、２つの回帰直線Ｒ１およびＲ２がＤＳＣ曲線：事象前の回帰直線（Ｒ１）および変曲点の回帰直線（Ｒ２）に適用される。これらの２つの直線は、ガラス転移温度（Ｔｇ）をＲ１とＲ２との交点として定義する。ＤＳＣによって得られたＴｇについての値は、実験中に選ばれた加熱速度に依存することに留意されたい。一般に、ＤＳＣ測定で使用される加熱速度は、５℃／分である。
好ましいポリマーとしては、ｉ）（メタ）アクリル酸、ヒドロキシル基を含有する（メタ）アクリルモノマー、（メタ）アクリル酸エステル、および（メタ）アクリロニトリルなどの複数のアクリルモノマーの重合生成物として得ることが可能な純粋なアクリレートコポリマーと、ｉｉ）総モノマーに基づいて最大１００重量％、好ましくは３０～９０重量％、およびより好ましくは４０～８０重量％の量のスチレンおよび／または置換スチレンを含むモノマー混合物の、ならびに（メタ）アクリル酸、ヒドロキシル基を含有する（メタ）アクリルモノマー、（メタ）アクリル酸エステル、および（メタ）アクリロニトリルなど１つ以上のアクリルモノマーの、重合生成物として得ることが可能なスチレン－アクリレートコポリマーと、ｉｉｉ）酢酸ビニル、エチレン、および任意選択で他のコモノマーの重合生成物として得ることが可能なエチレン酢酸ビニルコポリマーと、を言及することができる。
ポリマーは、バルク（粉末形態）を調製し、使用することができ、そのような粉末は、第２の構成成分の形成中、水中に再分散されるであろう。ＡＣＲＯＮＡＬ Ｓ４３０ＰおよびＡＣＲＯＮＡＬ Ｓ６９５Ｐ（ＢＡＳＦ Ａｋｔｉｅｎｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ）は、好適な市販の再分散性スチレン－アクリレートコポリマー粉末の例である。
代替形態では、ポリマーは、水系媒体中の分散液として直接提供され、この分散液は、次いで追加の水および他の添加剤と混合される。そのような分散液は、ＳＴＹＲＯＰＯＲ Ｐ５５５（ＢＡＳＦ Ａｋｔｉｅｎｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔから入手可能なスチレンホモポリマー）；スチレンブタジエンコポリマーについては、ＬＩＰＡＴＯＮ ＳＢ３０４０、ＬＩＰＡＴＯＮ ＳＢ２７４０（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｌａｔｅｘ ＧｍＢＨ）、ＳＴＹＲＯＬＵＸ ６８４Ｄ（ＢＡＳＦ Ａｋｔｉｅｎｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ）、およびＳＹＮＴＨＯＭＥＲ ２０Ｗ２０（Ｓｙｎｔｈｏｍｅｒ Ｃｈｅｍｉｅ）；ＳＹＮＴＨＯＭＥＲ ＶＬ１０２８６およびＳＹＮＴＨＯＭＥＲ ９０２４（スチレン／ブタジエン／アクリロニトリルターポリマー、Ｓｙｎｔｈｏｍｅｒ Ｃｈｅｍｉｅ）；スチレンアクリレートコポリマーについては、ＡＬＢＥＲＤＩＮＧＫ Ｈ５９５、ＡＬＢＥＲＤＩＮＧＫ ＡＳ６００２（両方ともＡｌｂｅｒｄｉｎｇｋ Ｂｏｌｅｙ）、ＲＨＯＤＯＰＡＳ ＤＳ９１３（Ｒｈｏｄｉａ、現在はＳｏｌｖａｙ）、ＡＣＲＯＮＡＬ ２９０Ｄ、ＡＣＲＯＮＡＬ Ｓ４００、ＡＣＲＯＮＡＬ ＤＳ５０１１（ＢＡＳＦ Ａｋｔｉｅｎｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ）、ＶＩＮＮＡＰＡＳ ＳＡＦ５４（Ｗａｃｋｅｒ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ）、ＭＯＷＩＬＩＴＨ ＬＤＭ６１５９（Ｃｅｌａｎｅｓｅ）、およびＬＩＰＡＴＯＮ ＡＥ４６２０（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｌａｔｅｘ ＧｍＢＨ）；ならびにＢ６０Ａ（Ｒｏｈｍ＆Ｈａａｓから入手可能な純粋なアクリレート分散液）などの既知の市販製品を使用して提供され得る。他の例示的な市販のラテックスポリマーとしては、ＡＩＲＦＬＥＸ ＥＦ８１１（Ａｉｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓから入手可能）；ＥＰＳ ２５０５（ＥＰＳ／ＣＣＡから入手可能）；ならびにＮＥＯＣＡＲ ２３００、ＮＥＯＣＡＲ ８２０およびＮＥＯＣＡＲ ２５３５（Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏ．から入手可能）が挙げられる。
あるいは、水性分散液は、本明細書で以下に記載されるように、適切なモノマー混合物を重合することによって提供され得る。Ｐ．Ａ．Ｌｏｖｅｌｌ，Ｍ．Ｓ．Ｅｌ－Ａａｓｓｅｒ （Ｅｄｉｔｏｒｓ）、「Ｅｍｕｌｓｉｏｎ Ｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｍｕｌｓｉｏｎ Ｐｏｌｙｍｅｒｓ」、Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ａｎｄ Ｓｏｎｓ、Ｃｈｉｃｈｅｓｔｅｒ、ＵＫ、１９９７は、参照により本明細書に組み込まれる。モノマー混合物は、一般に、（メタ）アクリロニトリル、アルキル（メタ）アクリル酸エステル、（メタ）アクリル酸、ビニルエステル、およびビニルモノマーからなる群から選択される少なくとも１つの不飽和モノマーを含むべきである。
アクリル酸およびメタクリル酸の好適なアルキルエステルは、Ｃ１～Ｃ１４アルコールから誘導されるものであり、それにより、非限定的な例としては、メチル（メタ）アクリレート；エチル（メタ）アクリレート；イソプロピル（メタ）アクリレート；ブチル（メタ）アクリレート；イソブチル（メタ）アクリレート；ｎ－ペンチル（メタ）アクリレート；ネオペンチル（メタ）アクリレート；シクロヘキシル（メタ）アクリレート；２－ヘキシル（メタ）アクリレート；２－エチルヘキシル（メタ）アクリレート；イソボルニル（メタ）アクリレート；２－ヒドロキシエチル（メタ）アクリレート、３－ヒドロキシプロピル（メタ）アクリレート、４－ヒドロキシブチル（メタ）アクリレート、およびそれらのイプシロン－カプロラクトン付加物；ならびに１，６－ヘキサンジオールジアクリレートなどのアルカンジオールのジ（メタ）アクリル酸エステルが挙げられる。
好適なビニルエステルとしては、酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、バーサチック酸ビニル、およびラウリン酸ビニルが挙げられる。好適なビニルコモノマーとしては、エチレン；プロペン；ブテン；イソブテン；１，３－ブタジエン；イソプレン；スチレン；α－メチルスチレン；ｔ－ブチルスチレン；ビニルトルエン；ジビニルベンゼン；複素環式ビニル化合物；およびクロロプレンなどのハロゲン化ビニルが挙げられる。好ましくは、ビニルコモノマーには、エチレン、スチレン、ブタジエン、およびイソプレンが含まれる。
モノマー混合物は、アルデヒド基またはケトン基を有するモノオレフィンの不飽和モノマーであるカルボニルモノマーを含み得る。本発明のカルボニルモノマーにおけるモノオレフィン不飽和は、典型的には、（メタ）アクリレート、（メタ）アクリルアミド、スチリル、またはビニル官能基によって提供される。好ましくは、カルボニルモノマーは、アクロレイン；メタクロレイン；ビニルメチルケトン；ビニルエチルケトン；ビニルイソブチルケトン；ビニルアミルケトン；ヒドロキシアルキル（メタ）アクリレートのアセトアセトキシエステル；ジアセトンアクリルアミド（ＤＡＡＭ）；ジアセトン（メタ）アクリルアミド；ホルミルスチロール；ジアセトン（メタ）アクリレート；アセトニルアクリレート；２－ヒドロキシプロピルアクリレート－アセチルアセテート；１，４－ブタンジオールアクリレートアセチルアセテート；およびそれらの混合物からなる群から選択される。
好適なフィルム形成ホモポリマーおよびコポリマーの例は、酢酸ビニルホモポリマー、酢酸ビニルとエチレンとのコポリマー、酢酸ビニルとエチレンおよび１つ以上のさらなるビニルエステルとのコポリマー、酢酸ビニルとエチレンおよびアクリル酸エステルとのコポリマー、酢酸ビニルとエチレンおよび塩化ビニルとのコポリマー、スチレン－アクリル酸エステルコポリマー、スチレン－１，３－ブタジエンコポリマーである。酢酸ビニルホモポリマー；酢酸ビニルと１～４０重量％のエチレンとのコポリマー；酢酸ビニルと１～４０重量％のエチレンおよびカルボン酸ラジカル中に１～１５個の炭素原子を有するビニルエステル、例えばプロピオン酸ビニル、ラウリン酸ビニル、９～１３個の炭素原子を有するα－分岐カルボン酸のビニルエステルからなる群からの１～５０重量％の１つ以上のさらなるコモノマーとのコポリマー；酢酸ビニル、１～４０重量％のエチレン、および好ましくは１～１５個の炭素原子を有する非分岐または分岐アルコールの１～６０重量％のアクリル酸エステル（特にアクリル酸ｎ－ブチルまたはアクリル酸２－エチルヘキシル）のコポリマー；ならびに３０～７５重量％の酢酸ビニル、１～３０重量％のラウリン酸ビニルまたは９～１３個の炭素原子を有するα－分岐カルボン酸のビニルエステル、および１～１５個の炭素原子を有する非分岐または分岐アルコールの１～３０重量％のアクリル酸エステル（特に、アクリル酸ｎ－ブチルまたはアクリル酸２－エチルヘキシル）を含み、１～４０重量％のエチレンをさらに含むコポリマー；酢酸ビニル、１～４０重量％のエチレン、および１～６０重量％の塩化ビニルを含むコポリマーが優先され、これらのポリマーは、指定された量で上述の補助モノマーをさらに含み得、それぞれの場合の重量パーセントは、合計で１００重量％になる。
他の添加剤
本発明では、セメント質反応性粉末とはみなされない他の添加剤は、スラリーおよびジオポリマーセメント質組成物全体に組み込まれ得る。そのような他の添加剤、例えば、高流動化剤（減水剤）、凝結促進剤、凝結遅延剤、空気連行剤、発泡剤、湿潤剤、収縮制御剤、粘度調節剤（増粘剤）、フィルム形成再分散性ポリマー粉末、フィルム形成ポリマー分散液、凝結制御剤、風解制御（抑制）剤、着色剤、腐食制御剤、アルカリ－シリカ反応減少混合剤、分離型補強繊維、および内部硬化剤。他の添加剤としては、砂および／または他の骨材などの充填剤、軽量充填剤、鉱物充填剤などのうちの１つ以上などの充填剤が挙げられ得る。
高流動化剤
高流動化剤（減水剤）は、好ましくは、本発明の組成物に使用される。それらは、乾燥形態または溶液の形態で添加され得る。高流動化剤は、混合物の水需要を低減するのに役立つ。高流動化剤の例としては、ポリナフタレンスルホン酸塩、ポリアクリレート、ポリカルボン酸塩、ポリエーテルポリカルボン酸塩、リグノスルホン酸塩、メラミンスルホン酸塩、カゼインなどが挙げられる。
好ましくは、高流動化剤は、カルボキシル化可塑剤材料である。ポリカルボン酸ポリエーテル化学に基づく高流動化剤は、本発明の自己固結ジオポリマー組成物の最も好ましい減水化学混合剤である。ポリカルボキシレートポリエーテル高流動化剤は、先に述べたように本発明の様々な目的の実現を容易にするため、最も好ましい。
使用する高流動化剤のタイプに依存して、高流動化剤（乾燥粉末ベースで）とセメント質反応性粉末との重量比は、好ましくは約５重量％以下、好ましくは約２重量％以下、好ましくは約０．１～約１重量％であろう。
充填剤－細骨材、粗骨材、無機鉱物充填剤、および軽量充填剤
細骨材、粗骨材、無機鉱物充填剤、および軽量充填剤などの１つ以上の充填剤は、本発明の組成物における構成成分として使用することができる。これらの充填剤は、ポゾランまたは熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物ではない。
細骨材は、特性に影響することなく、本発明におけるジオポリマー組成物に添加して、材料の収量を増加することができる。細骨材の例は、砂である。砂は、約４．７５ｍｍ（０．１９５インチ）未満の平均粒子径を有する無機岩石材料として定義される。本発明で使用される砂は、好ましくは、ＡＳＴＭ Ｃ３３規格の規格仕様を満たしている。好ましくは、砂は、０．１ｍｍ～約３ｍｍの平均粒子径を有する。より好ましくは、砂は、０．２ｍｍ～約２ｍｍの平均粒子径を有する。最も好ましくは、砂は、約０．３～約１ｍｍの平均粒子径を有する。本発明で使用するために好ましい細砂の例としては、米国ふるい番号７０番～３０番（０．２～０．６ｍｍ）の主たるサイズ範囲を有する。本発明で使用される細骨材は、ＡＳＴＭ Ｃ３３標準性能を満たしている。
無機鉱物充填剤は、ドロマイト、石灰石、炭酸カルシウム、粉砕粘土、頁岩、粘板岩、雲母、およびタルクである。一般に、それらは、本発明の組成物中に、約１００ミクロン未満、好ましくは約５０ミクロン未満、およびより好ましくは約２５ミクロン未満の好ましい平均粒子直径を有する細粒子径を有する。スメクタイト粘土およびパリゴルスカイト、ならびにそれらの混合物は、本発明において無機鉱物充填剤とはみなされない。
特性のいずれかに影響することなく、粗骨材をジオポリマー組成物に添加して、材料の収量を増加することができる。粗骨材は、少なくとも４．７５ｍｍ（０．１９５インチ）、例えば１／４インチ～１－１／２インチ（０．６４～３．８１ｃｍ）の平均粒子径を有する無機岩石材料として定義される。１－１／２インチ（３．８１ｃｍ）よりも大きいサイズの骨材は、いくつかの用途、例えばコンクリート舗装でも使用することができる。使用される粗骨材の粒子形状および材質は、角張っている、材質がざらざらした、細長い、丸みを帯びた、もしくは滑らかな、またはこれらの組み合わせであり得る。好ましくは、粗骨材は、花崗岩、玄武岩、石英、流紋岩、安山岩、凝灰岩、軽石、石灰石、ドロマイト、砂岩、大理石、チャート、フリント、硬砂岩、粘板岩、および／または片麻岩などの鉱物で作製される。表Ａ－２およびＤに列挙されるような本発明で有用な粗骨材は、ＡＳＴＭ Ｃ３３（２０１１）およびＡＡＳＨＴＯ Ｍ６／Ｍ８０（２００８）規格に定められた仕様を満たしている。砂利は、典型的な粗骨材である。
軽量充填剤は、約１．５未満、好ましくは約１未満、より好ましくは約０．７５未満、およびさらにより好ましくは約０．５未満の比重を有する。所望であれば、軽量充填剤の比重は、約０．３未満、より好ましくは約０．２未満、および最も好ましくは約０．１未満である。対照的に、無機鉱物充填剤は、好ましくは、約２．０超の比重を有する。有用な軽量充填剤の例としては、軽石、バーミキュライト、膨張した形態の粘土、頁岩、粘板岩、およびパーライト、スコリア、膨張スラグ、炭殻、ガラス微小球、合成セラミック微小球、中空セラミック微小球、軽量ポリスチレンビーズ、プラスチック中空微小球、膨張プラスチックビーズなどが挙げられる。本発明の組成物に使用されるときの膨張プラスチックビーズおよび中空プラスチック球は、比重が過度に低いおかげで、重量ベースで極めて少量で採用される。
軽量充填剤を利用して材料の重量を低減するとき、軽量充填剤は、約０～約２、好ましくは約０．０１～約１、好ましくは約０．０２～約０．７５の充填剤とセメント質材料（反応性粉末）の比率で採用することができる。１つ以上のタイプの軽量充填剤を、本発明のジオポリマー組成物に採用することができる。
収量は、細骨材（存在するとき）、粗骨材（存在するとき）、軽量充填剤（存在するとき）、無機鉱物充填剤（存在するとき）、および水を混合するとき、セメント質材料および添加剤からなる５０ポンドの乾燥材料（すなわち、セメント質材料と添加剤との５０ポンドの混合物）から得られたスラリーの総体積（立方フィート）として定義される。
本発明の完全密度組成物については、セメント質材料および添加剤からなる５０ポンドの乾燥材料の収量は、細骨材、粗骨材、および水と混合したとき、好ましくは０．７５立方フィート超、より好ましくは１．５立方フィート超、さらにより好ましくは２．０立方フィート超、および最も好ましくは２．５立方フィート超である。
軽量充填剤を組成物の一部として採用するとき、セメント質材料および添加剤からなる５０ポンドの乾燥材料の収量は、細骨材（存在するとき）、粗骨材（存在するとき）、軽量充填剤、および水と混合したとき、好ましくは３立方フィート超、より好ましくは４．５立方フィート超、さらにより好ましくは６立方フィート超、および最も好ましくは７．５立方フィート超である。
本発明の組成物は、添加された充填剤を含まない場合がある。
好ましくは、本発明の組成物は、生物源充填剤を含まない。生物源充填剤は、典型的には、動物または植物起源の充填剤である。それが植物起源のものであるとき、生物源充填剤は、本質的に、セルロース、ヘミセルロース、および／またはリグニンから構成される。生物源充填剤は、典型的には、少なくとも１つの構成成分（繊維、フィブリル、ダスト、粉末、チップ、少なくとも１つの植物原材料の少なくとも一部を起源とする構成成分）を、少なくとも微粒子形態で含む。この植物原材料は、典型的には、例えば、麻、亜麻、穀物わら、オート麦、米、トウモロコシ、キャノーラ種子、トウモロコシ、ソルガム、亜麻殻、ススキ（エレファントグラス）、米、サトウキビ、ヒマワリ、ケナフ、ココナッツ、オリーブストーン、竹、木材（例えば、木材ペレット、例えばトウヒの切り屑）、サイザル、コルク（ビーズ）、またはそれらの混合物のうちの任意の１つ以上である。
好ましくは、本発明の組成物には、ホウ砂が存在しない。
無機レオロジー制御剤
本発明のジオポリマーセメント質組成物はまた、フィロケイ酸塩ファミリーに属する無機レオロジー制御剤を含むことができる。本発明のジオポリマー組成物に特に有用な無機レオロジー制御剤の例としては、パリゴルスカイト、セピオライト、スメクタイト、カオリナイト、およびイライトが挙げられる。本発明で使用することができる特に有用なスメクタイト粘土としては、ヘクトライト、サポナイト、およびモンモリロナイトが挙げられる。天然および化学処理済みの両方の異なる別種のベントナイト粘土を使用して、本発明の組成物のレオロジーを制御することもできる。これらの添加剤はまた、保水剤として作用するため、材料の分離および浮き水を最小限に抑える。無機レオロジー制御剤は、有機レオロジー制御剤の非存在下で、またはそれらと組み合わせて添加することができる。
風解抑制剤
本発明のセメント質組成物にシラン、シリコーン、シロキサン、ステアリン酸塩などの撥水剤を添加して、材料の風解潜在性を低減することができる。有用な風解抑制剤の選択された例としては、オクチルトリエトキシシラン、カリウムメチルシリコネート、カルシウムステアレート、ブチルステアレート、ポリマーステアレートが挙げられる。これらの風解制御剤は、硬化した材料内の水の移送を低減し、それにより、潜在的に風解を引き起こし得る塩および他の可溶性化学物質の移動を最小限に抑える。過度な風解は、塩の蓄積および塩の水和によって発生する審美性の欠乏、材料の崩壊、および膨張反応からの損傷、ならびに他の基材および表面コーティングとの結合強度の低下を導く場合がある。
セメント凝結遅延剤
ヒドロキシル化カルボン酸、炭水化物、糖、およびデンプンなどの有機化合物は、本発明の好ましい遅延剤である。クエン酸、酒石酸、リンゴ酸、グルコン酸、コハク酸、グリコール酸、マロン酸、酪酸、リンゴ酸、フマル酸、ギ酸、グルタミン酸、ペンタン酸、グルタル酸、グルコン酸、タルトロン酸、ムチン酸、トリヒドロキシ安息香酸などのような有機酸は、本発明の寸法安定性ジオポリマーセメント質組成物において、セメント凝結遅延剤として有用である。グルコン酸ナトリウムはまた、本発明における有機セメント凝結遅延剤として有用である。本発明の組成物において、ホウ酸塩、リン酸塩ならびに亜鉛および鉛塩などの無機塩を遅延剤として使用することができる。酸化亜鉛は、好適な無機遅延剤の例である。本発明の組成物において、ホウ酸および四ホウ酸ナトリウム（ホウ砂）などのホウ酸塩も使用することができる。しかしながら、ホウ酸塩とホウ酸は、混合レオロジーを妨げ、過度の風解を引き起こし、他の基材への材料の結合強度を低下させることがわかっているため、好ましくはない。
他の任意選択の凝結制御剤
他の任意選択の凝結制御化学添加剤としては、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、アルミン酸ナトリウム、アルカノールアミン、ポリリン酸塩などが挙げられる。これらの添加剤は、配合物の一部として含まれるとき、凝結挙動に影響することに加えて、本発明のジオポリマー組成物のレオロジーにも影響を及ぼす場合がある。
任意選択の材料、繊維、およびスクリム
他の任意選択の材料および添加剤が、本発明のジオポリマー組成物に含まれ得る。これらとしては、腐食制御剤、湿潤剤、着色剤および／もしくは顔料、個別の繊維、長く連続的な繊維および補強材、織物補強材、ポリビニルアルコール繊維、ガラス繊維、ならびに／または他の個別の補強用繊維からなる群より選択される少なくとも１つのメンバーが挙げられる。
異なるタイプの個別の強化繊維もまた、本発明のジオポリマー組成物に含まれ得る。ポリマーコーティングしたガラス繊維などの材料ならびにポリプロピレン、ポリエチレン、およびナイロンなどのポリマー材料で作製されたスクリムを使用して、セメント系プレキャスト製品を、それらの機能および用途に依存して補強することができる。
好ましくは、本発明のジオポリマー組成物には、セメントキルンダストが存在しない。セメントキルンダスト（ＣＫＤ）は、セメントクリンカーの製造中に窯内で作り出される。このダストは、部分的にか焼された未反応の原料供給物、クリンカーダスト、および灰の微粒子混合物であり、アルカリ硫酸塩、ハロゲン化物、および他の揮発物が豊富である。これらの微粒子は排気ガスによって捕捉され、サイクロン、バグハウス、電気集塵機などの微粒子物制御デバイス内に収集される。ＣＫＤは、一次的に炭酸カルシウムおよび二酸化ケイ素からなり、これはセメントキルンの原料供給物に類似しているが、ダスト中のアルカリ、塩化物、および硫酸塩の量は、普通、大幅に増えている。３つの異なるタイプの操作：湿式ロング、乾式ロング、および予か焼によるアルカリバイパスからのＣＫＤは、様々な化学的および物理的特色を有する。湿式ロングキルンおよび乾式ロングキルンから生じるＣＫＤは、アルカリ硫酸塩および塩化物が豊富な部分的にか焼されたキルン供給物微細物で構成される。予か焼されたキルンのアルカリバイパスから収集されたダストは、より粗く、よりか焼されており、またアルカリ揮発物で濃縮される傾向がある。しかしながら、アルカリバイパスプロセスは、最大の酸化カルシウム量（重量で）および最少の強熱減量（ＬＯＩ）を含有する。２００８ ＩＥＥＥ／ＰＣＡ ５０ｔｈ Ｃｅｍｅｎｔ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｎｆ．，Ｍｉａｍｉ，ＦＬ，Ｍａｙ １９－２２，２００８で提示された、ＡｄａｓｋａらのＢｅｎｅｆｉｃｉａｌ Ｕｓｅｓ ｏｆ Ｃｅｍｅｎｔ Ｋｉｌｎ Ｄｕｓｔからの表ＡＡは、３つの異なる種類の操作についての組成概要を提供し、比較のためにＩ型ポルトランドセメントに好ましい化学組成を含む。
Figure 2022517629000016
本発明のジオポリマー反応を妨害する傾向があるＣＫＤ中の不純物がある。さらに、ＣＫＤの組成は非常に変動しやすい傾向がある。ＣＫＤ中の遊離石灰は添加された石灰とみなすことができるが、ＣＫＤ中の他の不純物の存在、およびＣＫＤ組成における変動性により、本発明ではＣＫＤの使用は推奨されない。したがって、ＣＫＤは存在しないことが好ましい。
好ましくは、本発明の組成物には、以下の有機粒子：コーヒー粉砕物粒子、葉粉末粒子、デンプン粒子、粉砕葉粒子、およびコルク粉末が存在しない。
本発明の組成物の特性
好ましくは、本発明の組成物は、１００回の凍結融解サイクル後、典型的には３０００ｐｓｉ超の３００回の凍結融解サイクル後の圧縮強度を有し、圧縮強度は、より好ましくは４０００ｐｓｉ超、および最も好ましくは５０００ｐｓｉ超である。
本発明の組成物は、最大１００回の凍結融解サイクル、典型的には最大３００回の凍結融解サイクル、好ましくは最大６００回の凍結融解サイクル、より好ましくは最大９００回の凍結融解サイクル、および最も好ましくは最大１２００回の凍結融解サイクルについて、測定されたパラメータ相対動的弾性率によるＡＳＴＭ Ｃ６６６／Ｃ６６Ｍ－１５に準拠して示されるように、機械的性能および耐久性における損失をほとんどまたは全く有しない。
本発明の組成物は、多くの凍結融解サイクル後の相対動的弾性率によって示されるように、ＡＳＴＭ Ｃ６６６／Ｃ６６Ｍ－１５に準拠する凍結融解耐久性性能を有する。特に、少なくとも１００回の凍結融解サイクル、典型的には少なくとも３００回の凍結融解サイクル、好ましくは少なくとも６００回の凍結融解サイクル、より好ましくは少なくとも９００回の凍結融解サイクル、最も好ましくは少なくとも１２００回の凍結融解サイクルについて、
－上記凍結融解サイクルについて８０％超の相対動的弾性率（例えば、少なくとも３００回のサイクルについて８０％超の相対動的弾性率）、好ましくは上記凍結融解サイクルについて８５％超、より好ましくは上記凍結融解サイクルについて９０％超、さらに好ましくは上記凍結融解サイクルについて９５％超、および最も好ましくは上記凍結融解サイクルについて９５％超。
初期の動的弾性率（凍結融解サイクルの開始前）、および１００回の凍結融解サイクル後、典型的には３００回の凍結融解サイクル後の動的弾性率は、好ましくは２０ＧＰａ超、より好ましくは２５ＧＰａ超、および最も好ましくは３０ＧＰａ超である。
１００回の凍結融解サイクル後、典型的には３００回の凍結融解サイクル後の相対動的弾性率は、好ましくは１００以上である。
また、本発明の組成物は、上記で説明したような望ましい耐久性係数を達成し、組成物は、１００回の凍結融解サイクル、典型的には３００回の凍結融解サイクルに対して、８５％超、好ましくは９０％超、より好ましくは９５％超、および最も好ましくは１００％以上のＡＳＴＭ Ｃ６６６／Ｃ６６６Ｍ－１５に従って測定された耐久性係数（ＤＦ）を有する。
本発明の組成物の長期自由乾燥収縮は、約０．３％未満、好ましくは約０．２％未満、およびより好ましくは約０．１％未満、および最も好ましくは約０．０５％未満（初期凝結後に測定された）であり得る。本発明の組成物は、正味の膨張、好ましくは約０～２．０％、より好ましくは約０～１．０％、および最も好ましくは約０～０．５％を示し得る。
本発明はまた、習慣的なポルトランドセメントコンクリートよりも優良な圧縮強度を示す。本発明の凝結した自己固結ジオポリマーはまた、通常のポルトランドセメントコンクリートと比較して優良な圧縮強度を示す。例えば、凝結した自己固結ジオポリマー２４時間の圧縮強度は、約１０００ｐｓｉを超え、より好ましくは約２０００ｐｓｉを超え、最も好ましくは約３０００ｐｓｉを超え得る。７日間の圧縮強度は、約２０００ｐｓｉを超え、より好ましくは約２５００ｐｓｉを超え、最も好ましくは約３０００ｐｓｉを超え得る。２８日間の圧縮強度は、約３０００ｐｓｉを超え、より好ましくは約４０００ｐｓｉを超え、最も好ましくは約５０００ｐｓｉを超え得る。本発明のいくつかの最も好ましい自己固結ジオポリマー組成物の２８日間の圧縮強度は、７０００ｐｓｉを超えることさえできる。
好ましくは、本発明のジオポリマー組成物は、習慣的なポルトランドセメントコンクリート混合物よりも速く凝結する。本発明の自己固結ジオポリマー組成物についてＡＳＴＭ Ｃ１９１－１３に従って測定される最終凝結時間は、好ましくは６０分超、より好ましくは１２０分超、最も好ましくは１８０分超である。本発明のいくつかの組成物は、最大３６０分の範囲の極めて長い最終凝結時間を有する。
本発明の組成物は、ＡＳＴＭ Ｃ６７２／Ｃ６７２Ｍ－１２の除氷化学物質に曝露されたコンクリート表面の耐スケーリング性についての規格試験方法（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｓｃａｌｉｎｇ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｓｕｒｆａｃｅｓ Ｅｘｐｏｓｅｄ ｔｏ Ｄｅｉｃｉｎｇ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ）（ＡＳＴＭ、２０１２年公開）に準拠する優良な耐ソルトスケーリング性を有する。このＡＳＴＭ Ｃ６７２／Ｃ６７２Ｍ－１２ソルトスケーリング試験に従って試験するとき、組成物は、塩化ナトリウムの溶液および塩化カルシウムの溶液にさらされたときの２５回の凍結融解サイクル後、より好ましくは５０回の凍結融解サイクル後、および最も好ましくは７５回の凍結融解サイクル後に１％未満の重量損失によって示される。
上記で別々に議論されているが、本発明の好ましいジオポリマー組成物および混合物の各々は、少なくとも１つを有し、従来技術のジオポリマーセメント質組成物に対して、上述の特有の利点（ならびに本明細書におけるさらなる議論、実施例、およびデータから明らかなもの）のうちの２つ以上の組み合わせを有することができる。
本発明の組成物は、フライアッシュ（一次的な原材料源としての産業廃棄物）を利用して、非常に環境的に持続可能である。これにより、製造された製品のライフサイクルのカーボンフットプリントおよびライフサイクルの具体化されたエネルギーを大幅に低減する。
本発明の組成物の使用
本発明の自己固結ジオポリマー組成物は、多くの使用を有する。これらとしては、高層建物を含むコンクリート建物の梁、柱、床、スラブなどの構造要素；甲板、梁、アーチ、橋脚、橋台を含む橋梁構造；建築コンクリート要素；橋、ダム、その他の構造物の欄干の壁；基礎構造とコンクリート基礎杭；梁、柱、スラブを含む重量鉄筋コンクリート構造要素；プレキャストコンクリート要素および構造；プレストレストコンクリート要素および構造；構造および非構造コンクリート修理用途；道路、橋のデッキ、および工業用床や駐車場などのその他の交通および重量支持面の舗装材料；歩道および車道；軽量の自己固結コンクリート；海洋コンクリート構造物；組積造ブロックフィル；液体保持構造；溶融硫黄保持ピット；ならびに極低温コンクリートが挙げられる。
本発明の自己固結ジオポリマー組成物は、自己固結コンクリート（ポルトランドセメント、砂および骨材で作られた）などの他のセメント質材料が典型的には使用される場合に特に有用である。その上、本発明の自己固結ジオポリマー組成物は、凍結融解安定性および圧縮強度が重要または必要である用途において特に有用である。本発明の自己固結ジオポリマー組成物は、新しい建築物ならびに古いコンクリートの修復および復旧の両方において、習慣的なポルトランドセメントコンクリートの代わりに使用することができる。
本発明のジオポリマー組成物を、特定の割合で空気を添加するための発泡剤および空気連行剤を含む種々の充填剤および添加剤とともに使用して、良好な膨張特性を有しつつも収縮しない、プレキャスト建築物要素、建築物修復製品、道路組成物などの交通支持構造を含む軽量セメント質製品を作製することができることを開示する。
以下の実施例では、セメント質組成物であるフライアッシュ、スルホアルミン酸カルシウムセメント、アルミン酸カルシウムセメント、および硫酸カルシウムを含むジオポリマー配合物の性能を調査した。混合物は、クエン酸カリウムで活性化し、様々な量の砂または様々な量の砂および骨材を含有していた。全ての混合物は、スルホアルミン酸カルシウムセメントおよび／またはアルミン酸カルシウムセメントを含有していた。全ての混合物は、３つの異なるタイプの硫酸カルシウム：硫酸カルシウム二水和物、硫酸カルシウム半水和物、および無水硫酸カルシウム（無水石膏）のうち少なくとも１つを含有していた。
これらの実施例における圧縮強度は、特に指定がない限り、ＡＳＴＭ Ｃ１０９の水硬性セメントモルタルの圧縮強度のための規格試験法（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｃｅｍｅｎｔ Ｍｏｒｔａｒｓ）（２インチまたは［５０ｍｍ］の立方体試料を使用）に従って測定した。
実施例における最終凝結時間は、ＡＳＴＭ Ｃ１９１－１３－ビカー針による水硬性セメントの凝結時間の規格試験法を使用して測定された。
実施例におけるスランプは、円筒スランプ試験に従って２インチ×４インチの円筒で決定されたか、またはＡＳＴＭ Ｃ１６１１－１４に従って決定された。
特に指示がない限り、以下の実施例の混合については高剪断ミキサーを採用し、混合時間は４分であった。
特に指示がない限り、実施例の混合物は、クエン酸カリウムで活性化した。
この仕様の実施例に使用された高流動化剤は、ポリエチレングリコールに基づくＢＡＳＦ ＣＡＳＴＡＭＥＮＴ ＦＳ２０重合生成物であった。ＥＰ２５９８４５７では、それをアニオン性分散剤として記載している。ＥＰ２６１６４０７では、それをポリエーテルポリカルボキシレートとして記載している。
この仕様の実施例に使用されたレオロジー調節剤は、サクシノグリカンであるＭＯＭＥＮＴＩＶＥ ＡＸＩＬＡＴ ＲＨ１００ＸＰであった。これは、エキソポリサッカライドバイオポリマーである。エキソポリサッカライドは、糖残留物で構成された高分子量ポリマーであり、微生物によって周囲の環境に分泌される。
特に指示がない限り、消泡剤は、Ａｉｒ ＰｒｏｄｕｃｔｓからのＳＵＲＦＹＮＯＬ ５００Ｓであった。特に指示がない限り、空気連行剤は、ＰｉｎｏｖａからのＶＩＮＳＯＬ ＮＶＸ樹脂であった。この仕様の実施例で使用された有機ポリマーは、再分散性ポリマー粉末ＢＡＳＦ ＡＣＲＯＮＡＬ Ｓ６９５Ｐであった。実施例の組成物の表では、それは「ポリマー」として列挙されている。ＡＣＲＯＮＡＬ Ｓ６９５Ｐは、ＢＡＳＦから入手可能なスチレン／アクリル酸ブチル（メタ）アクリルアミドエマルジョンコポリマーである。
特に指示がない限り、本発明の実施例で使用されるカルシウムスルホアルミネートセメントは、ＣＴＳ Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能なＦＡＳＴＲＯＣＫ５００であった。このセメントは、約１１ミクロンの平均粒子径を有していた。ＦＡＳＴＲＯＣＫ５００の酸化物組成を表Ｉに示す。
実施例のいくつかで使用されるＵＳＧ ＨＹＤＲＯＣＡＬ Ｃ－Ｂａｓｅは、Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ Ｇｙｐｓｕｍ Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能である。ＨＹＤＲＯＣＡＬ Ｃ－Ｂａｓｅは、ブロック状の結晶微細構造および低い水需要を有する硫酸カルシウム半水和物のアルファ形態的な形態である。ＵＳＧ ＨＹＤＲＯＣＡＬ Ｃ－Ｂａｓｅは、約１７ミクロンの平均粒子径を有していた。
表Ｈは、本発明の実施例で使用される２つの細骨材（シリカ砂）の粒子径分析を示す。
Figure 2022517629000017
表Ｉは、実施例で使用したスルホアルミン酸カルシウムセメント（ＣＴＳ ＦＡＳＴＲＯＣＫ５００）およびアルミン酸カルシウムセメント（Ｋｅｒｎｅｏｓ ＴＥＲＮＡＬ ＥＶ）の化学分析を示す。
Figure 2022517629000018
表Ｊは、本発明の実施例で使用される４つのＣ級フライアッシュの化学組成を示す。
Figure 2022517629000019
表Ｋは、本発明の実施例で使用される２つの粗骨材（砂利）の粒子径分析を示す。
－砂利Ｉ－豆砂利
－砂利ＩＩ－黒色花崗岩
Figure 2022517629000020
実施例で使用されるアルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物は、酸化カルシウム系微粉末であった。それは、約５０～８０重量％の酸化カルシウム、２０～４０重量％の溶融シリカ、１～５重量％の酸化アルミニウム、１～５重量％の結晶性シリカ、５～１０重量％のポルトランドセメント、およびより少ない１．０重量％の酸化鉄を含有する。そのｐＨは１２．５～１３であり、ＡＣＩ ２２３Ｒ－１０に準拠するタイプＧ構成成分の分類を満たした。
比較例１
この実施例は、本発明の自己固結挙動を欠くいくつかのジオポリマー組成物の流動性（スランプ）および凝結時間を示している。表１．１は、調査した混合組成物の原材料組成を示す。混合物は、粗骨材を含有しなかった。本セクションの目的は、水とセメント質材料との低い比率を利用し、別個の成分として添加し自己固結特性を促進するセメント凝結遅延剤またはアルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物を採用しない、比較配合物の自己固結特性が乏しいことを実証することである。この実施例では、Ｃ級フライアッシュＩおよび砂Ｉを使用した。この実施例で使用される高剪断ミキサーは、４９０のＲＰＭで手動で操作されるＰＥＲＬＳハンドヘルドＭＥ１４０ミキサーであった。混合は４分間行った。ミックス１は、０重量％の消泡剤を有し、ミックス２は、０．００５重量％の消泡剤を有し、ミックス３は、０．０１重量％の消泡剤を有していた。
Figure 2022517629000021
表１．２は、示されている組成物の混合物のスラリー密度、空気含有量、および収量を示す。立方フィートで生成されたスラリーの総体積を表す収量は、細骨材および水を混合するとき、セメント質材料および添加剤からなる５０ポンドの乾燥材料（すなわち、セメント質材料と添加剤との５０ポンドの混合物）について計算された。表１．３は、この実施例で示した組成物の圧縮強度挙動を示す。
Figure 2022517629000022
Figure 2022517629000023
表１．４は、比較組成物の流動性および最終凝結時間を示す。ジオポリマーモルタルの流動性は、円筒スランプ試験に従って２インチ×４インチ円筒を伴うスランプを使用して決定される。表１．４は、配合物が極めて速い凝結時間（６０分未満）を有し、非常に低い流動性（６インチ未満のスランプ）を示していることを示す。流動性および凝結時間の結果に基づいて、これらの配合物は自己固結性ではなく、流動するために広範な振動を必要とし、現地用途で満足のいく配置および固結を達成すると結論づけることができる。
Figure 2022517629000024
比較例２
このセクションは、本発明の自己固結挙動を欠く別のジオポリマー組成物の流動性および凝結時間を示している。表２．１は、このセクションで調査した比較組成物の原材料組成を示す。混合物は、粗骨材を含有しなかった。この実施例の目的は、水とセメント質材料との高い比率を利用するが、別個に添加される成分としてセメント凝結遅延剤またはアルカリ土類金属酸化物鉱物のいずれも採用しない、比較配合物の自己固結特性が乏しいことを実証することである。この実施例では、Ｃ級フライアッシュＩおよび砂Ｉを使用した。混合は、Ｈｏｂａｒｔ Ｎ５０ミキサーで、最初の１分間は低速ミキサー速度（１３０ＲＰＭ）で、次いでさらに２分間は中間ミキサー速度（２８０ＲＰＭ）で実施した。
Figure 2022517629000025
表２．２は、この実施例で示したジオポリマーセメント質組成物の圧縮強度挙動を示す。
Figure 2022517629000026
表２．３は、この実施例で調査した組成物の流動性および最終凝結時間を示す。ジオポリマーモルタルの流動性は、円筒スランプ試験に従って２インチ×４インチ円筒を伴うスランプを使用して決定された。表２．３は、水とセメント質材料との非常に高い比率でさえ、配合物が極めて速い凝結時間（６０分未満）を示していることを示す。その上、これらの配合物はまた、不十分な流動特性（７インチ未満のスランプ）を示す。流動性および凝結時間の結果に基づいて、これらの混合組成物は自己固結性ではなく、流動するために広範な振動を必要とし、現地用途で満足のいく配置および固結を達成すると結論づけることができる。
Figure 2022517629000027
比較例３
このセクションは、本発明の自己固結挙動を欠くいくつかの他のジオポリマー組成配合物の流動性および凝結時間を示している。表３．１は、このセクションで調査した比較組成物の原材料組成を示す。この実施例の目的は、水とセメント質材料との低い比率およびセメント凝結遅延剤を利用するが、別個に添加される成分としてアルカリ土類金属酸化物鉱物を採用しない、比較配合物の自己固結特性が乏しいことを実証することである。この実施例では、Ｃ級フライアッシュＩおよび砂Ｉを使用した。クエン酸とグルコン酸ナトリウムをセメント凝結遅延剤として使用した。クエン酸およびグルコン酸ナトリウムを、調査した組成物のセメント凝結遅延剤として使用した。混合は、Ｈｏｂａｒｔ Ｎ５０ミキサーで、最初の１分間は低速ミキサー速度（１３０ＲＰＭ）で、次いでさらに２分間は中間ミキサー速度（２８０ＲＰＭ）で実施した。
Figure 2022517629000028
表３．２は、この実施例で示したジオポリマーセメント質組成物の圧縮強度挙動を示す。
Figure 2022517629000029
表３．３は、この実施例の比較組成物の流動性および凝結時間を示す。ジオポリマーモルタルの流動性は、２インチ×４インチ円筒を伴うスランプを使用して決定される。表１０は、配合物が６．５インチ未満のスランプおよび８０分未満の凝結時間を示すことを示す。これらの結果に基づいて、これらの混合組成物は自己固結性ではなく、流動するために広範な振動を必要とし、現地用途で満足のいく配置および固結を達成すると結論づけることができる。
Figure 2022517629000030
実施例４－セメント凝結遅延剤で修飾されたジオポリマー組成物の流動性および凝結挙動に及ぼす水－セメント比率の影響
この実施例は、フライアッシュ、スルホアルミン酸カルシウムセメントおよび硫酸カルシウムを含む本発明のジオポリマー組成物の流動性および凝結挙動を調査した。表４．１は、調査した混合組成物の原材料組成を示す。この実施例の目的は、セメント凝結遅延剤の存在下で、水とセメント質材料との比率を変化させたときの、本発明の新規ジオポリマー組成物の自己固結特性を実証することであった。この実施例では、別個に添加された成分としてアルカリ土類金属酸化物鉱物を使用しなかった。４つの異なる水とセメント質材料との比率を調査した。クエン酸とグルコン酸ナトリウムをセメント凝結遅延剤として使用した。この実施例では、Ｃ級フライアッシュＩＩおよび砂ＩＩを使用した。混合は、Ｈｏｂａｒｔ Ｎ５０ミキサーを使用して、最初の１分間は低速度（１３０ＲＰＭ）で、次いでさらに２分間は中間速度（２８０ＲＰＭ）で実施した。
Figure 2022517629000031
表４．２は、水とセメント質材料との様々な比率で作成された、この実施例で調査したジオポリマー組成物の最終凝結時間を示す。ジオポリマーモルタルの流動性は、２インチ×４インチ円筒を伴うスランプを使用して決定される。表４．２はまた、水とセメント質材料との比率が０．３０を超えるとき、配合物が優れた流動性（１０インチ超のスランプ）を示したことを示す。その上、最終凝結時間は、セメント凝結遅延剤の存在下で水とセメント質材料との比率が高くなると、４５分から２時間以上まで大幅に増加した。この仕様で概説されている自己固結ジオポリマーの定義に従って、ミックス１および２は、自己固結として分類される。
Figure 2022517629000032
表４．３は、この実施例で調査したジオポリマーセメント質組成物の圧縮強度挙動を示す。全ての混合物は、７日と２８日の両方で３０００ｐｓｉを超える満足のいく圧縮強度を達成した。その上、組成物の早期圧縮強度でさえ、２４時間で１５００ｐｓｉを超えるかなり実質的なものであった。
Figure 2022517629000033
実施例５－ジオポリマー組成物の流動性および凝結挙動に及ぼすアルカリ土類金属酸化物鉱物の影響
この実施例では、フライアッシュ、スルホアルミン酸カルシウムセメント、アルミン酸カルシウムセメント硫酸カルシウム、およびアルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物を含むジオポリマー配合物の自己固結および凝結挙動を調査する。表５．１は、調査した混合組成物の原材料組成を示す。この実施例の目的は、アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物を利用する本発明のジオポリマー組成物の自己固結および延長された凝結時間特性を実証することであった。この実施例では、Ｃ級フライアッシュＩＩおよび砂ＩＩを使用した。クエン酸とグルコン酸ナトリウムをセメント凝結遅延剤として使用した。混合は、Ｈｏｂａｒｔ Ｎ５０ミキサーで、最初の１分間は低速ミキサー速度（１３０ＲＰＭ）で、次いでさらに２分間は中間ミキサー速度（２８０ＲＰＭ）で実施した。
Figure 2022517629000034
表５．２は、この実施例で調査したセメント質組成物の最終凝結時間を示す。ジオポリマーモルタルの作業性は、２インチ×４インチ円筒を伴うスランプを使用して決定される。表５．２は、組成物にアルカリ土類金属酸化物鉱物を使用した結果、最終凝結時間が増加したことを示す。調査した組成物の最終凝結時間が、約２時間半～５時間の範囲であったことは注目に値する。混合物はまた、１０インチ超のスランプ値で優れた流動を示した。この仕様で概説されている自己固結ジオポリマーの定義に従って、ミックス２～４は、自己固結として分類される。
Figure 2022517629000035
表５．３は、この実施例で調査した本発明の開発されたジオポリマー組成物の圧縮強度挙動を示す。水とセメント質材料との比率が０．４０と比較的高い場合でさえ、全ての材令で圧縮強度が特に高かったことは注目に値する。調査した全ての混合物の２４時間圧縮強度は３０００ｐｓｉを超えたが、全ての混合物の７日および２８日の圧縮強度は５０００ｐｓｉを超えた。アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物の添加は、本発明の本発明のジオポリマー組成物の圧縮強度を増加させるのに役立つと結論づけられる。
Figure 2022517629000036
実施例６－ジオポリマーコンクリートの自己固結性能
この実施例では、フライアッシュ、スルホアルミン酸カルシウムセメント、アルミン酸カルシウムセメント、硫酸カルシウム、およびアルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物を含むジオポリマー配合物の自己固結および凝結挙動を調査する。表６．１は、この実施例で調査した混合組成物の原材料組成を示す。この実施例の目的は、アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物を利用する本発明のジオポリマー組成物の自己固結および延長された凝結時間特性を実証することであった。この実施例では、Ｃ級フライアッシュＩＩＩ、砂ＩＩおよび砂利ＩＩを使用した。クエン酸とグルコン酸ナトリウムをセメント凝結遅延剤として使用した。この実施例で使用される低剪断ミキサーは、３．５立方フィート容量の１８ドラムＲＰＭを備えたＫＵＳＨＬＡＮ３５０ＤＤドラムタイプコンクリートミキサーであった。混合は６分間行った。
Figure 2022517629000037
表６．２は、この実施例で調査したジオポリマー組成物の凝結時間およびスランプを示す。全ての混合物の最終凝結時間が６０分超であったことが観察できる。ジオポリマーコンクリートの材料の流れ、充填能力（変形能）、および安定性は、ＡＳＴＭ Ｃ １６１１－１４に準拠してスランプフロー試験を使用して決定された。この試験は、規格ＡＳＴＭ Ｃ１４３／Ｃ１４３Ｍスランプコーンを使用した従来のスランプ試験と同様に実施した。しかしながら、スランプ距離を垂直方向に測定する代わりに、得られるコンクリートパテの平均広がりを水平方向に測定する。この数はスランプフローとして記録される。表６．２はまた、アルカリ土類金属酸化物の使用により得られる最終凝結時間の増加を示す。ミックス２～４は、ＡＳＴＭ Ｃ１６１１－１４を使用して測定されたスランプが１８インチ超であり、最終凝結が６０分超であったため、ＡＣＩ ２３７Ｒ－０７に準拠して自己固結性とみなされた。
図１および２は、ＡＳＴＭ Ｃ１６１１－１４に準拠して測定されたスランプパテのスランプ直径を示す。これらの図では、ミックス１はかなり粘性があり、スランプはわずか約１２．５インチと測定されたことが観察できる。一方、ミックス３は非常に流動性が高く、スランプの直径は約２５インチであった。
図１は、ＡＳＴＭ Ｃ１６１１－１４に準拠する実施例６のミックス１のスランプパテの測定されたスランプ直径を示す写真を示す（ＡＣＩ ２３７Ｒ－０７に準拠する実施例６のミックス１のスランプは、非自己固結ジオポリマー組成物とみなされる）。
図２は、ＡＳＴＭ Ｃ１６１１－１４に準拠する実施例６のミックス３のスランプパテの測定されたスランプ直径を示す写真を示す（ＡＣＩ ２３７Ｒ－０７に基づく実施例６のミックス３のスランプは、非自己固結ジオポリマー組成物とみなされる）。
Figure 2022517629000038
上記の結果は、アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物を使用して、ジオポリマー組成物の自己固結特性を調整できることを示す。表６．３は、ＡＳＴＭ Ｃ３９に準拠して、この実施例で調査した開発されたジオポリマーセメント質組成物の圧縮強度挙動を示す。
Figure 2022517629000039
表６．３は、この実施例で調査した本発明の開発されたジオポリマー組成物の圧縮強度挙動を示す。全ての材令で圧縮強度が特に高かったことは注目に値する。調査した全ての混合物の２４時間圧縮強度は３０００ｐｓｉを超えたが、全ての混合物の２８日の圧縮強度は５０００ｐｓｉを超えた。アルカリ土類金属酸化物を組み込むと、ミックス２および３の２８日間の圧縮強度が７０００ｐｓｉ超に増加した。したがって、アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物の添加は、本発明のジオポリマー組成物の圧縮強度を増加させるのに役立つと結論づけることができる。
実施例７－自己固結性ジオポリマー組成物の凍結融解耐久性性能
この実施例の目的は、本発明の自己固結ジオポリマー配合物の凍結融解耐久性性能を実証することである。表７．１は、調査した混合組成物の原材料組成を示す。この実施例では、Ｃ級フライアッシュＩＩＩ、砂ＩＩおよび砂利ＩＩを使用した。この実施例で使用される低剪断ミキサーは、３．５立方フィート容量の１８ドラムＲＰＭを備えたＫＵＳＨＬＡＮ３５０ＤＤドラムタイプコンクリートミキサーであった。混合は６分間行った。
Figure 2022517629000040
表７．２は、この実施例で調査したジオポリマー組成物の凝結時間およびスランプを示す。全ての混合物の最終凝結時間が６０分超であったことが観察できる。ジオポリマーコンクリートの材料の流れ、充填能力（変形能）、および安定性は、ＡＳＴＭ Ｃ １６１１－１４に準拠してスランプフロー試験を使用して決定された。この試験は、規格ＡＳＴＭ Ｃ１４３／Ｃ１４３Ｍスランプコーンを使用した従来のスランプ試験と同様に実施した。しかしながら、スランプ距離を垂直方向に測定する代わりに、得られるコンクリートパテの平均広がりを水平方向に測定する。この数はスランプフローとして記録される。表７．３はまた、組成物にアルカリ土類金属酸化物を組み込んだことによる最終凝結時間の増加を示す。両方の混合物の最終凝結時間は、６０分超であった。その上、ＡＳＴＭ Ｃ １６１１－１４を使用して測定されたスランプは１８インチ超であったため、両方のミックスはＡＣＩ ２３７Ｒに準拠して自己固結性とみなされた。
Figure 2022517629000041
表７．３は、ＡＳＴＭ Ｃ３９に準拠して、この実施例で調査した本発明の開発されたジオポリマー組成物の圧縮強度挙動を示す。調査した両方の混合物に対して、全ての材令で圧縮強度が特に高かったことは注目に値する。調査した両方の混合物の２４時間圧縮強度は４５００ｐｓｉを超えたが、両方の混合物の２８日の圧縮強度は７０００ｐｓｉを超えた。
Figure 2022517629000042
表７．４は、この実施例で調査した混合物のスラリー密度および空気含有量を示す。表７．５は、この実施例で調査した配合物の凍結融解耐久性挙動を示す。非常に少量の空気量を含有するにもかかわらず、これらの組成物が印象的な凍結融解耐久性性能を示したことは注目に値する。
Figure 2022517629000043
Figure 2022517629000044
表７．６は、凝結するまで１時間ごとにスランプ試験を実施した場合の組成物の流動性を示す。「初期スランプ」は、混合の完了直後に測定された混合物の測定されたスランプ値を表す。「１時間スランプ」は、混合の１時間後に測定された混合物の測定されたスランプ値を表す。これらの結果は、これらの組成物のスランプが、材料が一緒に混合された後でも１時間も保持されたことを実証する。
Figure 2022517629000045
実施例８－自己固結ジオポリマー組成物
この実施例では、セメント質組成物であるフライアッシュ、スルホアルミン酸カルシウムセメント、アルミン酸カルシウムセメント、および硫酸カルシウムからなる自己固結ジオポリマー組成物のスランプ保持を調査する。表８．１は、調査した混合組成物の原材料組成を示す。調査した混合物には、異なるレベルのアルミン酸カルシウムセメントを使用した。この実施例で調査した組成物は、０．４０の高い水対セメント質比率を有し、セメント凝結遅延剤としてクエン酸およびグルコン酸ナトリウムを利用した。この実施例では、Ｃ級フライアッシュＩＩおよび砂ＩＩを使用した。混合は、Ｈｏｂａｒｔ Ｎ５０ミキサーで、最初の１分間は低速ミキサー速度（１３０ＲＰＭ）で、次いでさらに２分間は中間ミキサー速度（２８０ＲＰＭ）で実施した。
Figure 2022517629000046
表８．２は、この実施例で調査したセメント質組成物の流動性および凝結時間を示す。ジオポリマーモルタルの作業性は、２インチ×４インチ円筒を伴うスランプを使用して決定される。配合物はまた、非常に良好な流れ（１０インチ超のスランプ）を示す。自己固結ジオポリマーコンクリートの定義された基準に基づいて、調査された全ての混合物は自己固結として分類される。
Figure 2022517629000047
表８．３は、この実施例で調査した開発されたジオポリマーセメント質の圧縮強度挙動を示す。全ての混合物は、全ての材令で満足のいく圧縮強度を示した。
Figure 2022517629000048
本発明の自己固結ジオポリマー組成物の別の独特の特徴は、それらが混合および初期硬化レジメンの後の早い段階で正味の膨張を示すことである。この特徴は、材料が硬質な不変形基板に注がれるときの亀裂を減らすのに役立つ。この実施例で調査した混合物の早期膨張は、図３のプロットに示されている。この図から、これらの配合物が早期膨張を示したことは明らかである。最大膨張は、材料の初期凝結で測定された元の長さの約０．００５％～約０．０６％の範囲であった。
実施例９－スルホアルミン酸カルシウムおよびアルミン酸カルシウムセメントを含まない高レベルのアルカリ土類金属酸化物
この実施例では、フライアッシュおよび非常に大量のアルカリ土類金属酸化物を含むジオポリマー配合物の凝結挙動を調査する。この実施例では、スルホアルミン酸カルシウムセメント、アルミン酸カルシウムセメント、および硫酸カルシウムを使用しなかった。表９．１は、調査した混合組成物の原材料組成を示す。この実施例では、２つの異なるレベルのアルカリ土類金属酸化物を使用した。ミックス１では、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり１０重量部（ｐｂｗ）のアルカリ土類金属酸化物であり、ミックス２では、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり２０重量部（ｐｂｗ）のアルカリ土類金属酸化物を使用した。この実施例では、Ｃ級フライアッシュＩＩおよび砂ＩＩを使用した。クエン酸とグルコン酸ナトリウムをセメント凝結遅延剤として使用した。混合は、Ｈｏｂａｒｔ Ｎ５０ミキサーで、最初の１分間は低速ミキサー速度（１３０ＲＰＭ）で、次いでさらに２分間は中間ミキサー速度（２８０ＲＰＭ）で実施した。
Figure 2022517629000049
表９．２は、この実施例で調査したセメント質組成物の最終凝結時間を示す。調査した組成物の最終凝結時間は３時間超であった。
Figure 2022517629000050
表９．３は、この実施例で調査した本発明の開発されたジオポリマー組成物の圧縮強度挙動を示す。熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり１０重量部（ｐｂｗ）のアルカリ土類金属酸化物を有するミックス１は、２８日後に適切な圧縮強度（＞３５００ｐｓｉ）を示したが、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり２０重量部（ｐｂｗ）のアルカリ土類金属酸化物を有するミックス２は、圧縮強度の大幅な低下を示した（２８日後に＜１５００ｐｓｉ）。これにより、これらの新規ジオポリマー組成物における最適なアルカリ土類金属酸化物の要件が強化される。
Figure 2022517629000051
比較例１０
このセクションは、本発明の自己固結挙動を欠くいくつかの他のジオポリマー組成配合物の流動性および凝結時間を示している。表１０．１は、この実施例で調査した２つの比較組成物の原材料組成を示す。この実施例の目的は、水とセメント質材料との低い比率を利用するが、別個に添加される成分としてセメント凝結遅延剤およびアルカリ土類金属酸化物鉱物を採用しない、比較配合物の自己固結特性が乏しいことを実証することである。この実施例では、Ｃ級フライアッシュＩＶ、砂ＩＩ、砂利Ｉおよび砂利ＩＩを使用した。この実施例で使用される低剪断ミキサーは、３．５立方フィート容量の１８ドラムＲＰＭを備えたＫＵＳＨＬＡＮ３５０ＤＤドラムタイプコンクリートミキサーであった。混合は６分間行った。
Figure 2022517629000052
表１０．２は、この実施例で調査したジオポリマー組成物の凝結時間およびスランプを示す。ジオポリマーコンクリートの材料の流れ、充填能力（変形能）、および安定性は、ＡＳＴＭ Ｃ １６１１に準拠するスランプフロー試験を使用して決定された。この試験は、規格ＡＳＴＭ Ｃ１４３／Ｃ１４３Ｍスランプコーンを使用した従来のスランプ試験と同様に実施した。しかしながら、スランプ距離を垂直方向に測定する代わりに、得られるコンクリートパテの平均広がりを水平方向に測定する。この数はスランプフローとして記録される。表１０．２は、ミックス１のスランプが９インチ、ミックス２が１４インチで、両方のミックスの最終凝結時間が６０分未満であったことを示す。
図４および図５は、この実施例で調査した２つの混合物のスランプパテの写真を示す。
図４は、実施例１０で調査したミックス１のスランプパテ（ＡＣＩ ２３７Ｒ－０７に準拠して非自己固結ジオポリマー組成物とみなされる実施例１０のミックス１のスランプ）の写真を示す。
図５は、実施例１０で調査したミックス２のスランプパテ（ＡＣＩ ２３７Ｒ－０７に準拠して非自己固結ジオポリマー組成物とみなされる実施例１０のミックス２のスランプ）の写真を示す。
スランプパテの形状および直径は、両方の混合物の流動特性が悪く、自己固結していないことを明確に実証する。
Figure 2022517629000053
表１０．３は、ＡＳＴＭ Ｃ３９に準拠して、この実施例で調査したセメント質組成物の圧縮強度挙動を示す。
Figure 2022517629000054
発明の条項
下記の条項は、本発明の様々な態様を説明する。
条項１．
水と、
セメント質反応性粉末であって、
－１００重量部の量の熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物であって、好ましくは、少なくとも７５％のＣ級フライアッシュを含む、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物、および
－アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物であって、上記熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり０．０～１０、好ましくは０．２～６、より好ましくは０．３～３重量部の量である、アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物、
－任意選択で、少なくとも１つのアルミン酸塩セメント、および
－任意選択で、少なくとも１つの硫酸カルシウム、を含む、セメント質反応性粉末と、
セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０．１～４．０、好ましくは０．２５～３．０、より好ましくは０．５０～２．０重量％の量のセメント凝結遅延剤と、
セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、１～６、好ましくは１．２５～４、より好ましくは１．５～２．５重量％の量のアルカリ金属化学活性剤であって、アルカリ金属化学活性剤が、アルカリ金属塩およびアルカリ金属塩基からなる群の少なくとも１つのメンバーから選択され、クエン酸カリウムが、好ましいアルカリ金属塩化学活性剤である、アルカリ金属化学活性剤と、
セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０．０５～２１．５、好ましくは０．１～１０、より好ましくは０．１～５重量％の量の凍結融解耐久性構成成分であって、
－セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０～１、好ましくは０．０１～０．５、より好ましくは０．０１～０．２、最も好ましくは０．０５～０．２重量％の量の空気連行剤、
－セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０～０．５、好ましくは０～０．２５、より好ましくは０．０１～０．１重量％の量の消泡剤、および
－セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０～２０、好ましくは０～１０、より好ましくは０～５重量％の量の表面活性有機ポリマー、を含む、凍結融解耐久性構成成分と、の混合物を含む、自己固結ジオポリマー組成物であって、
空気連行剤および表面活性有機ポリマーからなる群の少なくとも１つのメンバーが存在し、
組成物が、約０体積％～２０体積％、より好ましくは約２体積％～１２体積％、および最も好ましくは約３体積％～８体積％の空気含有量を有し、
上記熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物、上記任意選択のアルミン酸塩セメント、上記任意選択の硫酸カルシウム、および上記アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物が、セメント質反応性粉末の少なくとも７０重量％、好ましくは少なくとも８０重量％、より好ましくは少なくとも９５重量％、最も好ましくは１００重量％であり、
水／セメント質反応性粉末の重量比が、０．３０～０．５５、好ましくは０．３５～０．４５であり、
セメント凝結遅延剤の量が０．５重量％未満である場合、
水／セメント質反応性粉末の重量比が、０．３５～０．５５：１、好ましくは０．３５～０．４５：１であり、かつ／またはアルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物が、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり０．２～１０、好ましくは０．２～６、より好ましくは０．３～３重量部（ｐｂｗ）の量であり、
スラリー混合物が、ＡＳＴＭ Ｃ１６１１－１４に従って測定した場合、１８インチ超、より好ましくは２０インチ超、および最も好ましくは２２インチ超の初期スランプ直径および／または１時間のスランプ直径を有し、ＡＳＴＭ Ｃ１９１－１３を使用して測定した場合、少なくとも６０分の最終凝結時間を有する、自己固結ジオポリマー組成物。
条項２．セメント質反応性粉末が、
－熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり１～１００、好ましくは２．５～８０、より好ましくは５～６０、最も好ましくは２５～４０重量部（ｐｂｗ）の量のアルミン酸塩セメントであって、好ましくは、スルホアルミン酸カルシウムセメントおよびアルミン酸カルシウムセメントからなる群の少なくとも１つのメンバーから選択される、アルミン酸塩セメントと、
アルミン酸塩セメント１００重量部あたり２～１００、好ましくは５～７５、より好ましくは１０～５０重量部の量の硫酸カルシウムであって、硫酸カルシウム二水和物、硫酸カルシウム半水和物、および無水硫酸カルシウムからなる群の少なくとも１つのメンバーから選択される、硫酸カルシウムと、をさらに含む、条項１に記載の組成物。
条項３．アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物が、酸化カルシウムもしくは酸化マグネシウム、または酸化カルシウムと酸化マグネシウムとの組み合わせを含み、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物が、少なくとも７５％のＣ級フライアッシュを含む、条項１または２に記載の組成物。
条項４．組成物が、
－セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０．０１～１重量％の量の空気連行剤、および
－セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、１～２０重量％の量の表面活性有機ポリマー、からなる群から選択される少なくとも１つの特徴を有し、
凝結後の組成物が、ＡＳＴＭ Ｃ６６６／Ｃ６６６Ｍ－１５に従った少なくとも１００回の凍結融解サイクルに対して、８０％超の相対動的弾性率を有し、
凝結後の組成物が、このＡＳＴＭ Ｃ６７２／Ｃ６７２Ｍ－１２のソルトスケーリング試験に従った２５回の凍結融解サイクル後、１％未満の重量損失を有し、
組成物が、１００回の凍結融解サイクルに対して、８５％超のＡＳＴＭ Ｃ６６６／Ｃ６６６Ｍ－１５に従って測定された耐久性係数（ＤＦ）を有する、条項１、２または３に記載の組成物。
条項５．スルホアルミン酸カルシウムセメントが、アルミン酸カルシウムセメントの非存在下およびポルトランドセメントの非存在下で提供される、条項２に記載の組成物。
条項６．アルミン酸カルシウムセメントが、スルホアルミン酸カルシウムセメントの非存在下およびポルトランドセメントの非存在下で提供される、条項２に記載の組成物。
条項７．熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり５～６０重量部のアルミン酸塩セメントであって、スルホアルミン酸カルシウムセメントおよびアルミン酸カルシウムセメントを含み、アルミン酸カルシウムセメントの量が、総スルホアルミン酸カルシウムセメントおよびアルミン酸カルシウムセメント１００重量部あたり約５～約７５重量部（ｐｂｗ）であり、組成物には、ポルトランドセメントが存在しない、アルミン酸塩セメント、を含む、条項２に記載の組成物。
条項８．
アルミン酸塩セメントおよび硫酸カルシウムが、存在せず、
セメント質反応性粉末が、
－１００重量部の熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物および０．０～１０重量部のアルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物、
－好ましくは、１００重量部の熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物および０．２～６重量部のアルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物、ならびに
－より好ましくは、１００重量部の熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物および０．３～３重量部のアルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物を有する、条項１または３に記載の組成物。
条項９．
セメント質反応性粉末の総重量１部あたり、０～５重量部の細骨材、
セメント質反応性粉末の総重量１部あたり、０～５．５重量部の粗骨材、
熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり２５～４０重量部の上記アルミン酸塩セメントであって、スルホアルミン酸カルシウムセメントおよびアルミン酸カルシウムセメントを含み、アルミン酸カルシウムセメントの量が、総スルホアルミン酸カルシウムセメントおよびアルミン酸カルシウムセメント１００重量部あたり約３０～約４５重量部（ｐｂｗ）であり、組成物には、ポルトランドセメントが存在しない、アルミン酸塩セメント、
空気連行剤、
消泡剤、
ポリカルボン酸ポリエーテルを含む高流動化剤、
再分散性フィルム形成ポリマーを含む表面活性ポリマー、
アルカリ金属塩化学活性剤は、クエン酸カリウムを含み、
約２％～１２体積％の空気含有量、を含み、
熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物が、少なくとも７５％のＣ級フライアッシュを含む、条項１、２または３に記載の組成物。
条項９．１．セメント質反応性粉末の総重量１部あたり、０超～最大５重量部の細骨材を含む、条項９に記載の組成物。
１０．
アルミン酸塩セメントおよび硫酸カルシウムが存在し、
セメント質反応性粉末が、
－１００重量部の熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり１～１００重量部のアルミン酸塩セメント、アルミン酸塩セメント１００重量部あたり２～１００重量部の硫酸カルシウム、および熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり０～１０重量部のアルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物を有し、
－好ましくは、１００重量部の熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり２．５～８０重量部のアルミン酸塩セメント、アルミン酸塩セメント１００重量部あたり５～７５重量部の硫酸カルシウム、および熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり０．２～６重量部のアルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物を有し、かつ
－より好ましくは、１００重量部の熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり５～６０重量部のアルミン酸塩セメント、アルミン酸塩セメント１００重量部あたり１０～５０重量部の硫酸カルシウム、および熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり０．３～３重量部のアルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物を有する、条項１、２または３に記載の組成物。
条項１１．アルカリ土類金属を含む無機鉱物が、５０重量％超、好ましくは６０重量％超、より好ましくは７０重量％超、および最も好ましくは８０重量％超、例えば９０重量％超のアルカリ土類金属酸化物含有量を有する、条項１～１０のいずれか一項に記載の組成物。
条項１２．条項１～１１のいずれか一項に記載の自己固結ジオポリマー組成物を作製するための方法であって、
水と、
セメント質反応性粉末であって、
－１００重量部の量の熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物であって、好ましくは、少なくとも７５％のＣ級フライアッシュを含む、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物、および
－アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物であって、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり０．０～１０、好ましくは０．２～６、より好ましくは０．３～３重量部の量である、アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物、
－任意選択で、少なくとも１つのアルミン酸塩セメント、および
－任意選択で、少なくとも１つの硫酸カルシウム、を含む、セメント質反応性粉末と、
セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０．１～４．０、好ましくは０．２５～３．０、より好ましくは０．５０～２．０重量％の量のセメント凝結遅延剤と、
セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、１～６、好ましくは１．２５～４、より好ましくは１．５～２．５重量％の量のアルカリ金属化学活性剤であって、アルカリ金属化学活性剤が、アルカリ金属塩およびアルカリ金属塩基からなる群の少なくとも１つのメンバーから選択され、クエン酸カリウムが、好ましいアルカリ金属塩化学活性剤である、アルカリ金属化学活性剤と、
セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０．０５～２１．５、好ましくは０．１～１０、より好ましくは０．１～５重量％の量の凍結融解耐久性構成成分であって、
－セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０～１、好ましくは０．０１～０．５、より好ましくは０．０１～０．２、最も好ましくは０．０５～０．２重量％の量の空気連行剤、
－セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０～０．５、好ましくは０～０．２５、より好ましくは０．０１～０．１重量％の量の消泡剤、および
－セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０～２０、好ましくは０～１０、より好ましくは０～５重量％の量の表面活性有機ポリマー、を含む、凍結融解耐久性構成成分と、を混合することによってスラリーを調整するステップを含み、
空気連行剤および表面活性有機ポリマーからなる群の少なくとも１つのメンバーが存在し、
スラリーが、約０体積％～２０体積％、より好ましくは約２体積％～１２体積％、および最も好ましくは約３体積％～８体積％の空気含有量を有し、
上記熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物、上記任意選択のアルミン酸塩セメント、上記任意選択の硫酸カルシウム、および上記アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物が、セメント質反応性粉末の少なくとも７０重量％、好ましくは少なくとも８０重量％、より好ましくは少なくとも９５重量％、最も好ましくは１００重量％であり、
スラリーの水／セメント質反応性粉末の重量比が、０．３０～０．５５、好ましくは０．３５～０．４５であり、
但し、セメント凝結遅延剤の量が０．５重量％未満である場合、
水／セメント質反応性粉末の重量比が、０．３５～０．５５：１、好ましくは０．３５～０．４５：１であり、かつ／または
アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物が、上記熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり０．２～１０、好ましくは０．２～６、より好ましくは０．３～３重量部（ｐｂｗ）の量であり、
スラリー混合物が、ＡＳＴＭ Ｃ１６１１－１４に従って測定した場合、１８インチ超、より好ましくは２０インチ超、および最も好ましくは２２インチ超の初期スランプ直径および／または１時間のスランプ直径を有し、ＡＳＴＭ Ｃ１９１－１３に従って測定した場合、少なくとも６０分の最終凝結時間を有し、
スラリーを凝結させて、凝結組成物を形成する、方法。
条項１３．セメント質反応性粉末が、
－熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり１～１００、好ましくは２．５～８０、より好ましくは５～６０、最も好ましくは２５～４０重量部（ｐｂｗ）の量のアルミン酸塩セメントであって、好ましくは、スルホアルミン酸カルシウムセメントおよびアルミン酸カルシウムセメントからなる群の少なくとも１つのメンバーから選択される、アルミン酸塩セメントと、
アルミン酸塩セメント１００重量部あたり２～１００、好ましくは５～７５、より好ましくは１０～５０重量部の量の硫酸カルシウムであって、硫酸カルシウム二水和物、硫酸カルシウム半水和物、および無水硫酸カルシウムからなる群の少なくとも１つのメンバーから選択される、硫酸カルシウムと、をさらに含む、条項１２に記載の方法。
条項１４．アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物が、酸化カルシウムもしくは酸化マグネシウム、または酸化カルシウムと酸化マグネシウムとの組み合わせを含み、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物が、少なくとも７５％のＣ級フライアッシュを含む、条項１２または１３に記載の方法。
条項１５．混合物が、約０～約１２２°Ｆ（－１８～５０℃）の初期温度で混合され、混合物が、空気連行剤および表面活性有機ポリマーからなる群の少なくとも１つのメンバーを含有する、条項１２、１３または１４に記載の方法。
条項１６．スラリーが、レディーミクストまたはトランジットトラックの回転ドラム内で最大３６０分間連続的に混合される、条項１２、１３、または１４に記載の方法。
条項１７．スラリーが、形成されたスラリーを混合することによって曝気されて、ＲＰＭ≦１００の速度で２～１２分間低剪断ミキサー内で空気をスラリーの中に直接連行する、条項１２、１３、または１４に記載の方法。
条項１８．凝結組成物が、少なくとも３００回の凍結融解サイクル、好ましくは少なくとも６００回の凍結融解サイクル、より好ましくは少なくとも９００回の凍結融解サイクル、最も好ましくは少なくとも１２００回の凍結融解サイクルに対して、８０パーセント超の相対動的弾性率のＡＳＴＭ Ｃ６６６／Ｃ６６６Ｍ－１５に従った凍結融解耐久性性能を有する、条項１２、１３、または１４に記載の方法。
条項１９．アルカリ土類金属を含む無機鉱物が、５０重量％超、好ましくは６０重量％超、より好ましくは７０重量％超、および最も好ましくは８０重量％超、例えば９０重量％超のアルカリ土類金属酸化物含有量を有する、条項１２～１８のいずれか一項に記載の方法。
条項２０．
セメント質反応性粉末であって、
－１００重量部の量の熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物であって、好ましくは、少なくとも７５％のＣ級フライアッシュを含む、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物、および
－アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物であって、上記熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり０．０～１０、好ましくは０．２～６、より好ましくは０．３～３重量部の量である、アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物、
－任意選択で、少なくとも１つのアルミン酸塩セメント、および
－任意選択で、少なくとも１つの硫酸カルシウム、を含む、セメント質反応性粉末と、
セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０．１～４．０、好ましくは０．２５～３．０、より好ましくは０．５０～２．０重量％の量のセメント凝結遅延剤と、
セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、１～６、好ましくは１．２５～４、より好ましくは１．５～２．５重量％の量のアルカリ金属化学活性剤であって、アルカリ金属化学活性剤が、アルカリ金属塩およびアルカリ金属塩基からなる群の少なくとも１つのメンバーから選択され、クエン酸カリウムが、好ましいアルカリ金属塩化学活性剤である、アルカリ金属化学活性剤と、
セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０．０５～２１．５、好ましくは０．１～１０、より好ましくは０．１～５重量％の量の凍結融解耐久性構成成分であって、
－セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０～１、好ましくは０．０１～０．５、より好ましくは０．０１～０．２、最も好ましくは０．０５～０．２重量％の量の空気連行剤、
－セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０～０．５、好ましくは０～０．２５、より好ましくは０．０１～０．１重量％の量の消泡剤、および
－セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０～２０、好ましくは０～１０、より好ましくは０～５重量％の量の表面活性有機ポリマー、を含む、凍結融解耐久性構成成分と、の混合物を含む、自己固結ジオポリマー組成物を作製するためのブレンドであって、
空気連行剤および表面活性有機ポリマーからなる群の少なくとも１つのメンバーが存在し、
組成物が、約０体積％～２０体積％、より好ましくは約２体積％～１２体積％、および最も好ましくは約３体積％～８体積％の空気含有量を有し、
上記熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物、上記任意選択のアルミン酸塩セメント、上記任意選択の硫酸カルシウム、および上記アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物が、セメント質反応性粉末の少なくとも７０重量％、好ましくは少なくとも８０重量％、より好ましくは少なくとも９５重量％、最も好ましくは１００重量％であり、
ブレンドが、０．３０～０．５５：１、好ましくは０．３５～０．４５：１の水／セメント質反応性粉末の重量比で水と混合された場合、ＡＳＴＭ Ｃ１６１１－１４に従って測定した場合、１８インチ超、より好ましくは２０インチ超、および最も好ましくは２２インチ超の初期スランプ直径および／または１時間のスランプ直径を有し、ＡＳＴＭ Ｃ１９１－１３を使用して測定した場合、少なくとも６０分の最終凝結時間を有するスラリー混合物を形成し、但し、セメント凝結遅延剤の量が０．５重量％未満である場合、
水／セメント質反応性粉末の重量比が、０．３５～０．５５：１、好ましくは０．３５～０．４５：１であり、かつ／または
アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物が、スラリー混合物を形成するために、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり０．２～１０、好ましくは０．２～６、より好ましくは０．３～３重量部（ｐｂｗ）の量である、ブレンド。
本開示を目的とする当業者には、その範囲から逸脱することなく、本発明に修正および追加を行うことができることを理解されたい。

Claims (10)

  1. 水と、
    セメント質反応性粉末であって、
    －１００重量部（ｐｂｗ）の量の熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物、および
    －アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物であって、前記熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり０．０～１０重量部の量である、アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物、
    －任意選択で、少なくとも１つのアルミン酸塩セメント、および
    －任意選択で、少なくとも１つの硫酸カルシウム、を含む、セメント質反応性粉末と、
    前記セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０．１～４．０重量％の量のセメント凝結遅延剤と、
    前記セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、１～６重量％の量のアルカリ金属化学活性剤であって、アルカリ金属塩およびアルカリ金属塩基からなる群の少なくとも１つのメンバーから選択される、アルカリ金属化学活性剤と、
    前記セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０．０５～２１．５重量％の量の凍結融解耐久性構成成分であって、
    －前記セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０～１重量％の量の空気連行剤、
    －前記セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０～０．５重量％の量の消泡剤、および
    －前記セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０～２０重量％の量の表面活性有機ポリマー、を含む、凍結融解耐久性構成成分と、の混合物を含む、自己固結ジオポリマー組成物であって、
    前記空気連行剤および前記表面活性有機ポリマーからなる群の少なくとも１つのメンバーが存在し、
    前記組成物が、約０体積％～２０体積％の空気含有量を有し、
    前記熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物、前記任意選択のアルミン酸塩セメント、前記任意選択の硫酸カルシウム、および前記アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物が、前記セメント質反応性粉末の少なくとも７０重量％であり、
    前記水／セメント質反応性粉末の重量比が、０．３０～０．５５であり、
    前記セメント凝結遅延剤の量が０．５重量％未満である場合、
    前記水／セメント質反応性粉末の重量比が、０．３５～０．５５：１であり、かつ／または前記アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物が、前記熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり０．２～１０重量部（ｐｂｗ）の量であり、
    スラリー混合物が、ＡＳＴＭ Ｃ１６１１－１４に従って測定した場合、１８インチ超の初期スランプ直径および／または１時間のスランプ直径を有し、ＡＳＴＭ Ｃ１９１－１３を使用して測定した場合、少なくとも６０分の最終凝結時間を有する、自己固結ジオポリマー組成物。
  2. 前記セメント質反応性粉末が、
    －熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり１～１００重量部（ｐｂｗ）の量の前記アルミン酸塩セメントと、
    －アルミン酸塩セメント１００重量部あたり２～１００重量部の量の前記硫酸カルシウムであって、硫酸カルシウム二水和物、硫酸カルシウム半水和物、および無水硫酸カルシウムからなる群の少なくとも１つのメンバーから選択される、前記硫酸カルシウムと、をさらに含む、請求項１に記載の組成物。
  3. 前記アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物が、酸化カルシウムもしくは酸化マグネシウム、または酸化カルシウムと酸化マグネシウムとの組み合わせを含み、前記熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物が、少なくとも７５％のＣ級フライアッシュを含む、請求項１に記載の組成物。
  4. 前記アルミン酸塩セメントが、アルミン酸カルシウムセメントの非存在下およびポルトランドセメントの非存在下で提供されるスルホアルミン酸カルシウムセメントを含む、請求項２に記載の組成物。
  5. 前記アルミン酸塩セメントが、スルホアルミン酸カルシウムセメントの非存在下およびポルトランドセメントの非存在下で提供されるアルミン酸カルシウムセメントを含む、請求項２に記載の組成物。
  6. 熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり５～６０重量部のアルミン酸塩セメントであって、スルホアルミン酸カルシウムセメントおよびアルミン酸カルシウムセメントを含み、前記アルミン酸カルシウムセメントの量が、総スルホアルミン酸カルシウムセメントおよびアルミン酸カルシウムセメント１００重量部あたり約５～約７５重量部（ｐｂｗ）であり、前記組成物には、ポルトランドセメントが存在しない、アルミン酸塩セメント、を含む、請求項２に記載の組成物。
  7. 前記アルカリ土類金属を含む無機鉱物が、５０重量％超のアルカリ土類金属酸化物含有量を有する、請求項１に記載の組成物。
  8. 請求項１～７のいずれか一項に記載の自己固結ジオポリマー組成物を作製するための方法であって、
    水と、
    セメント質反応性粉末であって、
    －１００重量部の量の熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物、および
    －アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物であって、熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり０．０～１０重量部の量である、アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物、
    －任意選択で、少なくとも１つのアルミン酸塩セメント、および
    －任意選択で、少なくとも１つの硫酸カルシウム、を含む、セメント質反応性粉末と、
    前記セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０．１～４．０重量％の量のセメント凝結遅延剤と、
    前記セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、１～６重量％の量のアルカリ金属化学活性剤であって、アルカリ金属塩およびアルカリ金属塩基からなる群の少なくとも１つのメンバーから選択される、アルカリ金属化学活性剤と、
    前記セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０．０５～２１．５重量％の量の凍結融解耐久性構成成分であって、
    －前記セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０～１重量％の量の空気連行剤、
    －前記セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０～０．５重量％の量の消泡剤、および
    －前記セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０～２０重量％の量の表面活性有機ポリマー、を含む、凍結融解耐久性構成成分と、を混合することによってスラリーを調製するステップを含み、
    前記空気連行剤および前記表面活性有機ポリマーからなる群の少なくとも１つのメンバーが存在し、
    前記スラリーが、約０体積％～２０体積％の空気含有量を有し、
    前記熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物、前記任意選択のアルミン酸塩セメント、前記任意選択の硫酸カルシウム、および前記アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物が、前記セメント質反応性粉末の少なくとも７０重量％であり、
    前記スラリーの前記水／セメント質反応性粉末の重量比が、０．３０～０．５５であり、
    但し、前記セメント凝結遅延剤の量が０．５重量％未満である場合、
    前記水／セメント質反応性粉末の重量比が、０．３５～０．５５：１であり、かつ／または
    前記アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物が、前記熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり０．２～１０重量部（ｐｂｗ）の量であり、
    前記スラリー混合物が、ＡＳＴＭ Ｃ１６１１－１４に従って測定した場合、１８インチ超の初期スランプ直径および／または１時間のスランプ直径を有し、ＡＳＴＭ Ｃ１９１－１３に従って測定した場合、少なくとも６０分の最終凝結時間を有し、
    前記スラリーを凝結させて、凝結組成物を形成する、方法。
  9. 前記混合物が、約０～約１２２°Ｆ（－１８～５０℃）の初期温度で混合され、前記混合物が、前記空気連行剤および前記表面活性有機ポリマーからなる群の少なくとも１つのメンバーを含有する、請求項８に記載の方法。
  10. セメント質反応性粉末であって、
    －１００重量部の量の熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物、および
    －アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物であって、前記熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり０．０～１０重量部の量である、アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物、
    －任意選択で、少なくとも１つのアルミン酸塩セメント、
    －任意選択で、少なくとも１つの硫酸カルシウム、を含む、セメント質反応性粉末と、
    前記セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０．１～４．０重量％の量のセメント凝結遅延剤と、
    前記セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、１～６重量％の量のアルカリ金属化学活性剤であって、アルカリ金属塩およびアルカリ金属塩基からなる群の少なくとも１つのメンバーから選択される、アルカリ金属化学活性剤と、
    前記セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０．０５～２１．５重量％の量の凍結融解耐久性構成成分であって、
    －前記セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０～１重量％の量の空気連行剤、
    －前記セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０～０．５重量％の量の消泡剤、および
    －前記セメント質反応性粉末の総重量に基づいて、０～２０重量％の量の表面活性有機ポリマー、を含む、凍結融解耐久性構成成分と、の混合物を含む、自己固結ジオポリマー組成物を作製するためのブレンドであって、
    前記空気連行剤および前記表面活性有機ポリマーからなる群の少なくとも１つのメンバーが存在し、
    前記組成物が、約０体積％～２０体積％の空気含有量を有し、
    前記熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物、前記任意選択のアルミン酸塩セメント、前記任意選択の硫酸カルシウム、および前記アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物が、前記セメント質反応性粉末の少なくとも７０重量％であり、
    前記ブレンドが、０．３０～０．５５：１の前記水／セメント質反応性粉末の重量比で水と混合された場合、ＡＳＴＭ Ｃ１６１１－１４に従って測定した場合、１８インチ超の初期スランプ直径および／または１時間のスランプ直径を有し、ＡＳＴＭ Ｃ１９１－１３を使用して測定した場合、少なくとも６０分の最終凝結時間を有するスラリー混合物を形成し、但し、前記セメント凝結遅延剤の量が０．５重量％未満である場合、
    前記水／セメント質反応性粉末の重量比が、０．３５～０．５５：１であり、かつ／または
    前記アルカリ土類金属酸化物を含む無機鉱物が、前記スラリー混合物を形成するために、前記熱活性化アルミノケイ酸塩鉱物１００重量部あたり０．２～１０重量部（ｐｂｗ）の量である、ブレンド。

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