JP2022551516A - 最適なｐＨを有する硬化複合材料の形成方法、及びそれに関連する組成とシステム - Google Patents

Abstract

本開示は、炭酸化複合材料を製造する方法であり、粒子状の炭酸化可能なセメント系材料を得ることと、該炭酸化可能なセメント系材料と水を混合して配合体を生成することと、該配合体を使って、第１のｐＨを有する初期孔隙溶液を含む初期細孔構造を所定の形状に成形することと、該所定形状から所定量の水を取り除く前処理を行い、前処理済み形状にすることと、前処理済み形状を、二酸化炭素を含む環境で炭酸化することで、第２のｐＨを有する適正化孔隙溶液を含む適正化細孔構造を生成することとを含み、第１のｐＨと第２のｐＨの差をΔｐＨとして示し、該ΔｐＨが１．０以下、０．７５以下、０．５以下、０．２５以下、又は約０．０であることを特徴とする炭酸化複合材料の製造方法を記載する。

Description

優先権主張

本出願は、合衆国法典第３５巻第１１９条（ｅ）に則り２０１９年１０月９日付けで出願された米国仮特許出願第６２／９１３，０５２号に基づき、その優先権と利益を主張する。

発明の分野

この発明は概して複合材料に関する。

発明の背景

本明細書において知識を含む文書又は知の行為や事項を参照又は記載する場合でも、かかる参照又は記載によって、当該知識を含む文書又は知の行為や事項又はその組合せが優先日の時点で公開済みの又は公知の又は周知の一般知識若しくは準拠法規条項に則る先行技術を構成すると認めるものではなく、また、現時点において本明細書が取り上げる如何なる問題解決の試みに関連するものとして知られていると認めるものでもない。

コンクリートはあらゆる所に存在する。我々が住む家屋も必ずと言ってよいほどコンクリートを基盤として建てられているし、周りの社会基盤構造物はもちろんのこと、勤務先の建物などもコンクリートを基本材料として構築されている。従来のコンクリートは、粉砕石灰岩と粘土の混合物やその他類似した組成の材料を焼結温度約１，４５０℃のロータリ窯で焼成した合成素材である普通ポルトランドセメント（Ｏｒｄｉｎａｒｙ Ｐｏｒｔｌａｎｄ Ｃｅｍｅｎｔ、以下「ＯＰＣ」）を、砂や砕石などの骨材及び水と混合して作るものである。ＯＰＣの製造はエネルギーを大量に消費する工程であるだけでなく、温室効果ガス（ＣＯ_２）を大量に放出する工程でもある。セメント業界によるＣＯ_２の排出量は、世界全体の人為的ＣＯ_２排出量の約５％を占めている。当該ＣＯ_２排出量の６０％以上が、石灰岩の化学分解又は焼結によるものである。経済と環境の両面に対する影響を考慮すると、従来のようにコンクリートを生産・使用し続けることが最善とは言えない。かかる従来のコンクリート生産技術では、エネルギー消費と二酸化炭素排出量がいずれも大量になり、望ましくないカーボンフットプリントにつながる。また、石灰石の供給不足が更に深刻化すると、その影響により、ポルトランドセメントなどの通常の水硬セメント調合物を使用し続けることが困難になる。

このような認識が、炭酸化可能なセメント調合物開発の一因であった。炭酸化可能セメントとは、主に二酸化炭素（ＣＯ_２）との反応により養生するセメントのことを指す。ここで、二酸化炭素とは、その形態を問わず、水存在下での気体状ＣＯ_２や、炭酸（Ｈ_２ＣＯ_３）の形でのＣＯ_２、又はその他非水硬性セメント材にＣＯ_２を反応せしめ得る形態を使用し得る。養生過程を通じて二酸化炭素ガスが、養生後の材料内に隠れるように隔離されるため、環境に明らかな利点がもたらされる。例として、ソリディアセメント（商標：Ｓｏｌｉｄｉａ Ｃｅｍｅｎｔ^TM）は画期的な技術として称賛されており、例えばＲ＆Ｄ１００アワードの優秀新技術トップ１００の一つとして認識されている。かかる素材に起因するＣＯ_２の排出量が、ソリディアセメントの製造及びそのコンクリートでの使用によって、ポートランドセメント及びその従来の水硬性コンクリートでの使用と比較して最大７０％削減できる。更に、ソリディアセメントを主に使ったコンクリートの形成に使用される水は、その８０％を簡単に回収、再利用できる。

プレストレスト・コンクリート製の橋桁やビーム、枕木など、ＯＰＣを使って形成したプレキャスト・コンクリート部材には、通常、普通炭素鋼が補強材として埋め込まれる。また、橋甲板用スラブや舗装道路などに使用される現場打ちコンクリートを、鋼鉄で補強することがよくある。例えば、鉄筋は一般的に棒状の鋼材や金網格子であり、常時、引張手段としてコンクリートを補強するとともに圧縮状態に維持する目的で、補強コンクリートや石積み・レンガ積み構造物に使用されている。エポキシ被覆鋼、亜鉛メッキ鋼、ステンレス鋼も補強材として使用できる。

水存在下におけるＯＰＣの水和によって、主にＣａ（ＯＨ）_２や、ＮａＯＨ、ＫＯＨなどのアルカリ性水酸化物からなる多孔質物質の中に溶液が生成される。該孔隙溶液のｐＨは、セメントと骨材の組成に応じて通常１２．５～１３．５である。但し、特定の条件下では、ＯＰＣがＣＯ_２にさらされたときにＯＰＣの炭酸化反応が生じることもある。例えば、Ｃａ（ＯＨ）_２がＣＯ_２と反応するとＣａＣＯ_３とＨ_２Ｏが生じる。従来のコンクリートが炭酸化反応を起こすと、セメントから溶出して該多孔質物質の孔内に存在する水とイオン（例：カルシウムイオン、ナトリウムイオン、且つ又はカリウムイオンなど）の溶液（以下、「孔隙溶液」）のｐＨが、ヒドロキシルイオン濃度の大幅な低下により、ｐＨ９近くまで低下する。また、環境から浸透する塩によっても、孔隙溶液の組成に著しい変化が生じ得る。

従来のコンクリートでは、孔隙溶液ｐＨの低下や、孔隙溶液ｐＨと塩化物の存在の組合せにより鉄又は鋼鉄（例：普通炭素鋼）表面の不動態皮膜が取り除かれると、コンクリート内の普通炭素鋼が腐食し始める。ＯＰＣは、その耐用寿命を通じて、融雪剤などの塩による塩化物の浸透の影響を冬季に受けたり、その他大気中の二酸化炭素（ＣＯ_２）による炭酸化反応の影響を受けたりするので、従来のコンクリートでは孔隙溶液のｐＨが低下する。腐食によって生じる腐食生成物は、その体積が自然界で膨張する。鉄筋の腐食によるこれらの腐食生成物は、周囲のＯＰＣに対して重度の内部応力が発生する原因となるので、亀裂や剥離、最終的には構造破損につながる可能性がある。

上記のように炭酸化可能な低低ケイ酸カルシウムを主成分とする未炭酸化コンクリート材（つまり、ソリディアセメント（商標）及びソリディアコンクリート（商標））は、ＯＰＣ系の従来型コンクリートと同様に混合直後の孔隙溶液のｐＨ値が高いが、炭酸化による養生処理により孔隙溶液のｐＨ値が低下する。ケイ酸カルシウムの炭酸化反応により炭酸カルシウムが生成される養生処理によって、該素材の硬化が促進される。低ケイ酸カルシウムを主成分とするコンクリートにおける炭酸化反応完了後（圧縮強度が１０，０００ ｐｓｉ以上）の孔隙溶液のｐＨ値は、混合直後のｐＨ値と比べて大幅に低くなる。孔隙溶液のｐＨ値が低いと、補強鋼や埋め込み鋼の表面の不動態皮膜が、補強材の表面に真水や塩化物イオンが到達するとすぐに腐食しやすくなる。

このため、低ケイ酸カルシウム系非水硬性セメント及びそのコンクリート製品の鉄・鋼鉄製（例：普通炭素鋼製）構成要素の腐食問題に対処できるように改良した新たな材料組成と製造工程の必要性が絶えない。

本願出願人は、本発明の開示を容易にするために従来技術の特定の態様を上述したが、それによってかかる技術的態様に関する請求権を放棄するものでは一切なく、また、請求項に係る発明には本出願に記載する従来技術の態様を一つ以上包含し得る又は含み得る、と企図する。

この発明は、炭酸化可能低ケイ酸カルシウム系セメント（以下「ＣＳＣセメント」）から作られた部材における、養生時の孔隙溶液のｐＨ低下を防止、軽減、又は遅延させる新しい養生方法と調合物を含む。

例えば、ＣＳＣコンクリートの圧縮強度は反応依存性であり、炭酸化コンクリート部材の圧縮強度は１０，０００ｐｓｉ以上に達する。本出願に開示する如く、配合設計や処理条件の改良により、孔隙溶液のｐＨ値が少なくとも約１１．０相当の炭酸化ＣＳＣで、約３，０００～約１０，０００ｐｓｉ又はそれ以上の圧縮強度を達成できる。このようにｐＨを良好な値にすることで、ＣＳＣセメント又はＣＳＣコンクリートと接触する鉄又は鋼を保護し、その腐食を遅らせることができる。

以下、本発明の実施態様をいくつか説明する。なお、本願発明者は、以下あるいは本出願のその他如何なる部分に記載されている本発明の特徴や態様を、任意の順序、任意の数で、本出願に記載のその他特徴や態様と組合せ得る、と企図することは言うまでもない。本出願に明示的に記載されていない場合でも、かかる組合せのありとあらゆるものを、本発明の範囲に含み得、また、本発明の実施形態として具体的に企図し得る。

特定の一態様では、炭酸化複合材料の製造方法において、粒子状の炭酸化可能なセメント系材料を得ることと、該炭酸化可能なセメント系材料と水を混合して配合体を生成することと、該配合体を使って、第１のｐＨを有する初期孔隙溶液を含む初期細孔構造を所定の形状に成形することと、該所定形状から所定量の水を取り除く前処理を行い、前処理済み形状にすることと、前処理済み形状を、二酸化炭素を含む環境で炭酸化することで、第２のｐＨを有する適正化孔隙溶液を含む適正化細孔構造を生成することとを含み、第１のｐＨと第２のｐＨの差をΔｐＨとして示し、該ΔｐＨが１．０以下、０．７５以下、０．５以下、０．２５以下、又は約０．０であることを特徴とする炭酸化複合材料の製造方法を提供する。

上記の方法において任意に、第１のｐＨが１１．５以上であることを特徴とし得る。

特定の一態様では、上記の方法において、第２のｐＨが少なくとも約９．５～約１１．５又はそれ以上であることを特徴とし得る。

上記の方法において任意に、前処理済み形状の炭酸化により一つ又は複数の結着成分が形成され、各結着成分は、一つ又は複数の化学成分を含む第１の化学組成を有するコアと、該コアの辺縁部を少なくとも部分的に覆った状態で設けられるシリカを多く含む第１の層と、該第１層の辺縁部を少なくとも部分的に覆った状態で設けられる炭酸カルシウム且つ又は炭酸マグネシウムを多く含む第２の層とからなることを特徴とし得る。

上記の方法において任意に、前処理中に所定の形状から除去される水の所定量が２０～６０％、２５～６０％、３０～６０％、３５～６０％、４０～６０％、２０～５５％、２５～５５％、３０～５５％、３５～５５％、４０～５５％、 ２０～５０％、２５～５０％、３０～５０％、３５～５０％、４０～５０％、２０～４５％、２５～４５％、３０～４５％、３５～４５％、２０％～４０％ 、２５％－４０％、３０％－４０％、又は３５％－４０％であることを特徴とし得る。

上記の方法において任意に、該前処理の少なくとも一部が大気を含む環境で実施されることを特徴とし得る。

上記の方法において任意に、該前処理の少なくとも一部が二酸化炭素を含む環境で行われることを特徴とし得る。

上記の方法において任意に、二酸化炭素の濃度が０％～５０％又はそれ以上であることを特徴とし得る。

上記の方法において任意に、前処理済み形状の炭酸化中の二酸化炭素濃度が１０％～１００％であることを特徴とし得る。

上記の方法において任意に、前処理済み形状の炭酸化中の二酸化炭素濃度が５０％～９９％であることを特徴とし得る。

上記の方法において任意に、該配合体を型に注ぐことにより所定の形状を形成することと、該配合体を型に入れたまま、少なくとも型を取り外すのに十分な硬度まで予め養生しておくこととを更に含むことを特徴とし得る。

上記の方法において任意に、該配合体に骨材が含まれることを特徴とし得る。

上記の方法において任意に、該骨材の粒径が０．２５ｍｍ～約２５ｍｍの範囲であることを特徴とし得る。

上記の方法において任意に、該骨材が砂を含むことを特徴とし得る。

上記の方法において任意に、該骨材が砂利やトラップ岩又は花崗岩を含むことを特徴とし得る。

上記の方法において任意に、該砂がドロマイト質であることを特徴とし得る。

上記の方法において任意に、該砂がシリカを主成分とすることを特徴とし得る。

また、本発明の別の一態様では、炭酸化反応後の孔隙溶液ｐＨ安定性に改善が見られるケイ酸カルシウムを主成分とする組成物を提供する。よって、特定の態様では、固形成分と液体成分を含むケイ酸カルシウム組成物において、該固形成分の総重量に対して８～２５重量％のセメント系材料が該固形成分に含まれており、該固形成分の残りの成分が骨材であり、該液体成分が、該セメント系材料１ｋｇ当たり２０～５０ｍｌのｐＨ増強剤と、該セメント系材料１ｋｇ当たり２００～７００ｍｌの水を含むことを特徴とするケイ酸カルシウム組成物を提供する。

該骨材は、比較的大きな第１の骨材と比較的小さい第２の骨材を含み得る。

当該のセメント系材料は、該セメント系材料の総重量に対して少なくとも５０重量％以上のケイ酸カルシウム化合物、及び普通ポルトランドセメントを含み得る。

更に、該セメント系材料は、ガラス質アルミノケイ酸カルシウムなどの補足的なセメント系材料（ＳＣＭ）を含み得る。

該液体成分は、減水剤と空気連行剤と凝結遅延剤のうちの一つ又は複数を更に含み得る。

以下、本発明の様々な態様と特徴を、次に説明する図面を参照しながら発明の詳細な説明において詳述する。

本発明の目的と特徴を分かり易くするため、以下に説明する図面並びに請求項を参照しながら説明する。図面は必ずしも原寸に比例しているとは限らず、むしろ、本発明の原理を図示することに重点を置いている。様々な視点から見た各図において、同一部分には同一の符号を付して説明する。
図１は、可逆反応ＣａＣＯ_３＋ＳｉＯ_２-ＣａＳｉ_３＋ＣＯ_２に存在する各位相を示す圧力温度相図である。 図２は、可逆反応３ＣａＣＯ_３＋２ＣａＳｉＯ_３-２Ｃａ_２ＳｉＯ_４・ＣａＣＯ_３＋ＣＯ_２に存在する各位相を示す圧力温度相図である。 図３は、１キロバールの圧力でのＣａＯ－ＳｉＯ_２＋ＣＯ_２系の位相図である。 図４は、可逆反応ＭｇＯ＋ＣＯ_２-ＭｇＣＯ_３に存在する各位相を示す圧力温度相図である。 図５は、可逆反応ＭｇＯ＋ＣＯ_２-ＭｇＣＯ_３の平衡曲線を、不活性ガス中のＣＯ_２の割合の関数として示した圧力温度位相図である。 図６は、ＣａＣＯ_３－ＭｇＣＯ_３系の様々な移送に関する安定領域を例示する温度組成相図である。 図７は、ＣａＯとＭｇＯとＳｉＯ_２とＣＯ_２の各化合物間の位相関係を例示する四面体図であり、Ｃｃ－Ｄｉ－Ｗｏ面とＣｃ－Ｗｏ－Ｍｏ面（斜線部分）の下にＣＯ_２欠損領域を示す。なお、図中、Ｃｃは方解石を、Ｗｏは珪灰石を、Ａｋはオケルマン石を、Ｄｉは透輝石を、そしてＭｏはモンティセライト（ＣａＭｇＳｉＯ_４）を示す。 図８は、ＣａＯとＭｇＯとＳｉＯ_２とＣＯ_２の各化合物間の位相関係を例示する圧力温度相図であり、図中、単変量曲線は、カルシウム（Ｃｃ）、透輝石（Ｄｉ）、フォルステライト（Ｆｏ）、モンティセライト（Ｍｏ）、オケルマン石（Ａｋ）、及びＣＯ_２が関与する四元不変点から始まる。各差し込み図は、それぞれＣａＣＯ_３とＭｇＯとＳｉＯ_２の３種類の化合物系の位相図を示す。 図９は、本発明の原理に従って加湿を行うＣＯ_２硬化複合材料養生チャンバの例を示す概略図である。 図１０は、複数の湿度制御方式の採用と流量や圧力を一定に調整することでＣＯ_２を制御・補充する能力とによって温度を制御する機能を備えた養生チャンバの例を示す概略図である。 図１１Ａと図１１Ｂは、金属製補強材を内蔵する多孔質低ケイ酸カルシウム系セメント体の例を示す図である。 図１２は、実施例に係るセメント配合体１を養生中、異なる時点において測定した水分除去率（％）とｐＨ低下の関係を示すグラフである。 図１３は、実施例に係るセメント配合体２を養生中、異なる時点において測定した水分除去率（％）とｐＨ低下の関係を示すグラフである。

発明の詳細な説明

本出願において、単数形の各語（英語版では「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」を付して表記される）は、別途文脈により明示されない限り、複数形を含む意味で用いられる。更に、「又は」という接続詞は、別途文脈により明示されない限り、「且つ又は」を含む意味で用いられる。また、「及び」という接続詞も、別途文脈により明示されない限り、「且つ又は」を包含する意味で用いられる。

本出願で用いられる「約」という用語は、概算を示す言葉であり、当事者によって理解されるように、逐語的に記載される値・量に若干の差異を認めることを示すためのものである。かかる差異の例としては、列挙される値・量の測定に一般的に用いられる手法に関連する標準偏差が挙げられる。

本開示に含まれる数値はいずれも、前述の「約」という修飾子を伴うものとして、また、本出願に開示される正確な数値も含むとして解釈すべきものである。本出願に開示される各範囲は、特に別途明記されていない限り、各範囲の上限値と下限値の間に含まれるすべての値を包含するものと解釈すべきである。なおまた、いずれの範囲についても、それぞれの上限値と下限値を含むものとする。

本出願で用いられる「低ケイ酸カルシウム系セメント」又は「ＣＳＣセメント」とは、ケイ酸カルシウムを主成分とし、Ｃａ対Ｓｉの原子比が０．８～２．０である材料を意味する。また、「ＣＳＣコンクリート」とは、炭酸化ＣＳＣセメントから形成される複合体を意味する。

本出願で用いられる「孔隙溶液」とは、セメントや骨材及びその他の添加物を含むが、必ずしもこれらに限定されない複合体の組成分から溶出し、生のセメント又は部分的に養生したセメント、若しくは完全に養生したセメント（つまり硬化したコンクリート体又はコンクリート塊）内に存在する一つ以上の孔の中に宿る水とイオン（例：カルシウム、ナトリウム、且つ又はカリウムイオンなど）の溶液を意味する。

本出願で用いられる「セメント系材料」とは、ガラス質アルミノケイ酸カルシウムや飛散灰、スラグ、普通ポルトランドセメント（ＯＰＣ）などの反応性充填材と、石灰粉やシリカヒューム、ガラス粉などの非反応性充填材を含む材質を意味する。本出願に記載のセメントとセメント系材料の合計量でセメント質を構成する。

本出願で用いられる「高アルカリ性コンクリート再生材」又は「ＣＲＭ」とは、スラブや舗装道路、ビーム、カラムなどに一度使用したＯＰＣ系コンクリート部材を粉砕後、回収して得た骨材であり、ｐＨが１１．５を超える孔隙溶液を有する骨材のことを指す。

本出願で用いられる「スラグ骨材」とは、溶鉱炉スラグを粗形に破砕後、回収して得た骨材であり、ｐＨが１１．０を超える孔隙溶液を有する骨材のことを指す。

本発明によると、低ケイ酸カルシウムセメント系複合部材の養生時ｐＨ低下に対処できる組成、製造方法及びシステムを提供することにより、コンクリート複合材料に少なくとも部分的に埋め込んで使用する鉄又は鋼鉄部品（例：普通炭素鋼、エポキシ被覆鋼、亜鉛メッキ鋼、ステンレス鋼などの棒状補強材や金網格子状補強材）や、炭酸化可能な低ケイ酸カルシウム系のセメントやコンクリート（「ＣＳＣセメント」や「ＣＳＣコンクリート」）製部材の腐食の防止、緩和、又は遅延を可能にする。このように、本発明は、低ケイ酸カルシウムセメント系複合材料の強化製品や、それを使って形成した部材の耐用寿命と有用性を大幅に改善する。

このため、本発明の特定の態様によれば、炭酸化又は養生した低ケイ酸カルシウムセメント系材は、それの複数の細孔内に、ｐＨが約９．５超、好ましくは約１０超です、好ましくは約１１超、好ましくは約１１．５超、好ましくは約１２．０超、好ましくは約１２．５超、好ましくは約１３．０超、且つ好ましくは約１３．５超の適正化孔隙溶液を含む。該適正化孔隙溶液のｐＨは約９．５～約１３．５であり、かかる上限と下限、及びその間に含まれるすべての整数値と分数を含むものとする。

該ＣＳＣセメント又はＣＳＣコンクリートは、養生完了後のＣＳＣセメント又はコンクリートのｐＨが、混合したてのＣＳＣセメント又はコンクリートの初期ｐＨと比較して低下する量を最小限に抑えられる条件下で調合且つ又は養生する。本出願で用いられる「養生完了」とは、圧縮強度の目的値（例：３，０００ｐｓｉ以上の圧縮強度）が達成された状態を指す。これを、本出願では「ΔｐＨ」と呼ぶことにする。本発明によるΔｐＨは、１．０以下、０．７５以下、０．５以下、０．２５以下、又は約０．０以下である。上記のΔｐＨ値には、かかる上限と下限、及びその間に含まれるすべての整数値と分数を含むものとする。

かかる炭酸化複合材料及び部材は、腐食を防止、緩和、又は遅延できる有益なｐＨ環境を提供するだけでなく、該当する使用条件に求められる適切な圧縮強度や高耐水性を備えるとともに、これらすべての効果を、材料の凍結融解耐久性や寒中用途への適合性に支障をきたすことなく奏する。

少なくとも一つ又は複数の細孔を有し、その中に上記ｐＨ値の適正化孔隙溶液を含む炭酸化低ケイ酸カルシウムセメント系複合材料の場合、適切な圧縮強度とは、例えば、約３，０００ｐｓｉ超、又は約４，０００ｐｓｉ超、約５，０００ｐｓｉ超、約６，０００ｐｓｉ超、約７，０００ｐｓｉ超、約８，０００ｐｓｉ超、約９，０００ｐｓｉ超、若しくは約１０，０００ｐｓｉ以上である。圧縮強度は、約３，０００ｐｓｉ～約１０，０００ｐｓｉであるが、かかる上限と下限、及びその間に含まれるすべての整数値と分数を含むものとする。このような圧縮強度に達するまでにかかる総養生時間は、炭素化反応開始から約８時間以上～炭素化反応開始日から７日未満である。特定の実施形態では、このような圧縮強度に達するまでにかかる総養生時間が、炭素化反応開始から約８時間以上～炭素化反応開始日から１４日未満である。その他の実施形態では、このような圧縮強度に達するまでにかかる総養生時間が、炭素化反応開始から約８時間以上～炭素化反応開始日から２８日未満である。よって、総養生時間は、約８時間～約２８日であり得る。総養生時間には、上記の上限値と下限値、及び当該指定範囲内にあるすべての時間値が含まれる。更に詳しく後述するように、総養生時間には、任意選択で予め行う予備養生のための時間を含み得る。

該多孔質体は、一つ又は複数の減水剤、空気連行剤、凝結遅延剤、且つ又はこれらの組合せを、それぞれセメント系材料１ｋｇ当たり１～１５ ｍｌの容量で含み得る。これらの添加剤は、混合器内で低ケイ酸カルシウムセメントとともに乾燥配合体に添加する。

一態様において、該複数の細孔に適正化孔隙溶液を含む低ケイ酸カルシウムセメント系複合材料は、複数の結着成分からなる結着基質を含み、該複数の結着成分はそれぞれが、炭酸化可能な材質からなるコアと、該コアの辺縁部の少なくとも一部を覆う第１のシリカ含有層と、該第１のシリカ含有層の辺縁部の少なくとも一部を覆う第２のカルシウム含有且つ又は炭酸マグネシウム含有層とからなる。特定の実施形態では、コアが、カルシウム又はマグネシウム、シリコン、及び酸素を含む少なくとも一種類の合成調合物を含む。その他の実施形態では、複数の前駆体粒子を含む多孔質体を使って結着基質を準備するが、その際、該前駆体粒子は結着成分に変換される。

別の一態様において、本発明は概して、図１１Ａと図１１Ｂに示すような、適正化孔隙溶液を有する低ケイ酸カルシウムセメント系複合材料を含み、一つ又は複数の鉄又は鋼部品（１２０、１４０）が埋め込まれたコンクリート部材（１１０、１３０）に関する。特定の実施形態では、該一つ又は複数の鉄又は鋼部品が、普通炭素鋼、エポキシ被覆鋼、亜鉛メッキ鋼、且つ又はステンレス鋼で構成されている。特定の実施形態では、該一つ又は複数の鉄又は鋼部品が棒状補強材又は金網格子状補強材（１４０）である。

更に別の一態様において、本発明は概して、低ケイ酸カルシウムセメント複合材料とそれを使って作る部材の作製方法に関する。炭酸化低ケイ酸カルシウムセメント系材料を作る方法としては、低ケイ酸カルシウムを、水と、粒径が０．１μｍ～１０００μｍのＣａＯ又はＳｉＣを含むを粒状充填材と混合して湿潤性混合物を形成し、湿潤性混合物を型で成形することにより、
複数の細孔に少なくとも一部の水を含んだ状態の湿潤性混合物成形品を得て、その水により、低ケイ酸カルシウム且つ又は粒状充填材から少なくとも一部の成分を溶出して、ｐＨが１１．５以上孔隙溶液を該湿潤性混合物成形品内に生成し、また、任意選択で該湿潤性混合物成形品を予め予備養生して、型から取り外すために十分な硬度を該湿潤性混合物成形品に持たせたうえで、該湿潤性混合物成形品又は該予備養生済み湿潤性混合物成形品を型から外し、該湿潤性混合物成形品の前処理を行って、該湿潤性混合物成形品から少なくとも一部の水を除去して、孔隙溶液を含む細孔を有する多孔質体を、ＣＯ_２ガス濃度約１５％～約１００％の雰囲気において大気圧程度～約３０ｐｓｉの圧力、約３０℃～約９０℃の温度、約１０％～約９０％の相対湿度の条件下で約８時間から約２８日間養生することにより、適正化孔隙溶液を含む低ケイ酸カルシウムセメント系炭酸化材料を形成する方法がある。養生後の低ケイ酸カルシウムセメント系炭酸化複合材料中の適正化孔隙溶液のｐＨは、少なくとも約９．５～１１．５、又はそれ以上である。該適正化孔隙溶液のｐＨは、かかる上限と下限、及びその間に含まれるすべての整数値と分数を含むものとする。該適正化孔隙溶液のｐＨは、少なくとも１０．０、又は少なくとも１０．５、少なくとも１１．０、若しくは少なくとも約１１．５であり得る。該孔隙溶液のｐＨによっては、該適正化後の孔隙溶液のｐＨが約１１．５を超えることもある。低ケイ酸カルシウムセメント系炭酸化材料の圧縮強度は、例えば、３，０００ｐｓｉ以上、約４，０００ｐｓｉ超、約５，０００ｐｓｉ超、約６，０００ｐｓｉ超、約７，０００ｐｓｉ超、約８，０００ｐｓｉ超、約９，０００ｐｓｉ超、又は約１０，０００ｐｓｉ以上であり得る。圧縮強度は、約３，０００ｐｓｉ～約１０，０００ｐｓｉであるが、かかる上限と下限、及びその間に含まれるすべての整数値と分数を含むものとする。

該混合物成形品の任意選択事項としての予備養生を行う条件としては、大気を含む雰囲気、ＣＯ_２ガスを含む雰囲気、又はこれら２種類の雰囲気を逐次適用する組合せ、若しくは大気とＣＯ_２ガスを両方とも含む混合環境において、圧力が大気圧程度～約３０ｐｓｉ、温度が約３０℃～約９０℃（例：約３０℃～約８０℃、約３０℃～約７０℃、約３０℃～約６０℃、約３０℃～約５０℃、約４０℃～約９０℃、約５０℃～約９０℃、約６０℃～約９０℃）、相対湿度が約１０％～約９０％（例：約１０～約７０％、約１０～約５０％、約１０～約３０％、約２０～約９０％、約４０％～約９０％、約６０％～約９０％）の条件下で、所要時間としては約３時間～約１４日間（例：約３時間～７日、約３時間～４日、約３時間～３日、約３時間～２日、約３時間～３６時間、約３時間から２４時間、約３時間から１２時間、約６時間から１４日、約１２時間から１４日、約２０時間から１４日、１日から１４日、約３日から１４日、約７日から１４日など）、該混合物成形品の予備養生を行う。なお、上記雰囲気に含まれるＣＯ_２濃度を百分率（％）で表した場合、約１５％～約１００％（例：約１５％、約１５％～ 約９０％、約１５％～約８０％、約１５％～約７０％、約３０％～約９０％、約３０％～約８０％、約３０％～約７０％、約４０％～約１００％、約５０％～約１００％、約５０％～約１００％、約６０％～約１００％など）である。上記される値はすべて、それぞれ指定された上限と下限、及びその間に含まれるすべての整数値を含むものとする。

該湿潤性混合物成形品の前処理は、湿潤性混合物成形品を型に入れたまま、又は型から取り外した後に行い得る。該湿潤性混合物成形品の前処理を、大気を含む雰囲気、ＣＯ_２ガスを含む雰囲気、又はこれら２種類の雰囲気を逐次適用する組合せ、若しくは大気とＣＯ_２ガスを両方とも含む混合環境（ＣＯ_２濃度を百分率で表した場合、約１０～１００％）において、大気圧程度の圧力（大気圧～３０ｐｓｉ）、約２３℃～ ８５℃の温度、相対湿度１０％～７０％の条件下で約３～２４時間行う。該前処理は、上に定める条件を含む（但し、必ずしもこれらに限定されない）条件下で、目標又は所定量の水分を該湿潤性混合物成形品から除去するように行い得る。該湿潤性混合物から除去する水分の目標又は所定量は、前処理以前の湿潤性混合物に存在する全水分の２０％～６０％、２５％～６０％、３０％～６０％、３５％～６０％、４０％～６０％、２０％～５５％、２５％～５５％、３０％～５５％、３５％～５５％、４０％～５５％、２０％～５０％、２５％～５０％、３０％～５０％、３５％～５０％、４０％～５０％、２０％～４５％、２５％～４５％、３０％～４５％、３５％～４５％、４０％～４５％、２０％～４０％、２５％～４０％、３０％～４０％、又は３５％～４０％であり得、中でも、前処理以前の湿潤性混合物に含まれる水分の約３０％～約５０％が好ましい。該湿潤性混合物成形品を形成するのに用いられる水の量についてだが、前処理以前に該成形品中に含まれる水の初期量は特に限定しない。例えば、湿潤性混合物成形品は、前処理以前の湿潤性混合物成形品の総重量に対して５～７重量％の水を含み得る。上記される値はすべて、それぞれ指定された上限と下限、及びその間に含まれるすべての整数値と分数を含むものとする。

一部の実施形態では、養生段階の前に、予め養生しておいた混合物成形品を所望の製品形状に切断又は他の方法で処理する。

当該諸方法の特定の実施形態では、炭酸化低ケイ酸カルシウムセメント複合材料及びそれにより作製される部材を形成するために、濃度約１５％～約１００％のＣＯ_２ガスを含む雰囲気において、大気圧程度～約３０ｐｓｉの圧力、約３０℃～約９０℃の温度、相対湿度約１０％～約９０％の条件下で養生処理を行う。総養生時間は、炭酸化反応開始から約８時間以上～炭酸化反応開始日から７日未満である。特定の実施形態では、総養生時間が炭酸化反応開始から約８時間以上～炭酸化反応開始日から１４日未満である。その他の実施形態では、総養生時間が炭酸化反応開始から約８時間以上～炭酸化反応開始日から２８日未満である。よって、総養生時間は、約８時間～約２８日であり得る。総養生時間とその他各条件には、それぞれ上記の上限値と下限値、及び当該指定範囲内にあるすべての整数値と分数が含まれる。更に詳しく後述するように、総養生時間には、任意選択で予め行う予備養生のための時間を含み得る。混合物成形品の養生処理は、単一の養生段階として、あるいは２段階以上を含む工程として行い得る。例えば、混合物成形品を予め予備養生しておき、予備養生した本体を当該の型から取り出した後に追加の養生段階を施してもよい。上記の養生条件は、適切な炭酸化反応と最終強度を得るのに不可欠な養生段階にも適用される。予備養生且つ又は前処理に同じ条件を使用することができるが、予備養生且つ又は前処理の雰囲気は、大気を含む雰囲気、ＣＯ_２ガスを含む雰囲気、又はこれら２種類の雰囲気を逐次適用する組合せ、若しくは大気とＣＯ_２ガスを両方とも含む混合環境を含み得る。あるいは、養生処理の各段階を、上記の圧力と温度及び二酸化炭素濃度の範囲内で行うが、総養生時間を２８日以内、１４日以内、７日以内、２４時間以内、又は２０時間以内とする。

当該諸方法の特定の実施形態では、任意選択で、多孔質体を形成する工程中に一種又は複数種のｐＨ向上剤を添加することを含む。このようなｐＨ向上剤（複数可）の例としては、硝酸カルシウム四水和物、亜硝酸カルシウム、ＮａＯＨ、重炭酸ナトリウム、ＯＰＣ、ケイ酸ナトリウム、高温焼成ＣａＯ、高温焼成ＭｇＯ、高アルカリ性コンクリート再生材（ＣＲＭ）、スラグ骨材、及びそれらの組合せが挙げられる。このようなｐＨ向上剤（複数可）を、セメント系材料の総量に対して約１質量％～約２０質量％の用量で調合物に添加できる。これらの添加剤は、混合器内で低ケイ酸カルシウムセメントとともに乾燥配合体に添加する。本出願で用いられる「高温焼成」ＣａＯ及びＭｇＯとは、高温でか焼された結果として反応性をほとんど失った又は全く持たないカルシウム及びマグネシウムの酸化物を指す。

当該諸方法の特定の実施形態では、多孔質体の耐水性を向上するために一つ又は複数の添加剤（例：フライアッシュＣ種、フライアッシュＦ種、高炉スラグ微粉末（ＧＧＢＦＳ）、ガラス微粉末、ガラス質アルミノケイ酸カルシウム、シリカフューム、石灰粉、及びそれらの組合せ）を添加することを更に含む。耐水性向上のための添加剤は、セメント系材料の総量に対して約１～約２０質量％の用量で添加する。これらの添加剤は、混合器内で低ケイ酸カルシウムセメントと一緒に乾燥配合体に添加し得る。

当該諸方法の特定の実施形態では、任意選択で、一種又は複数種の減水剤、空気連行剤、凝結遅延剤、及びその組合せを、多孔質体を形成する工程中に添加し得る。

当該諸方法の特定の実施形態では、任意選択で、多孔質体の中に一つ又は複数の鉄筋や金網格子、その他鉄又は鋼鉄製の部品（例：普通炭素鋼、エポキシ被覆鋼、亜鉛メッキ鋼、又はステンレス鋼で作られている部品）を完全に又は部分的に埋め込む。

当該方法の更に別の実施形態において、生の（炭酸化前の）低ケイ酸カルシウムセメント製多孔質体は、複数の細孔を有し、初期ｐＨ（すなわち、養生又は予備養生前のｐＨ）が約１１．５又は約１２を超える（例：約１２．５を超える、又は約１３を超える）孔隙溶液を一つ又は複数の細孔の中に含むことを特徴とする。

当該諸方法の別の実施形態では、低ケイ酸カルシウムセメント多孔質体を、本出願に記載の条件下での任意の予備養生や、前処理及び養生段階を含めて炭酸化すると、低ケイ酸カルシウムセメント材料及びそれを使って作られる部材の一つ又は複数の細孔内に、ｐＨが約９．５を超える、好ましくは約１０を超える、好ましくは約１０．５を超える、好ましくは約１１を超える、好ましくは約１１．５を超える、好ましくは約１２を超える、好ましくは約１２．５を超える、好ましくは約１３を超える、且つ好ましくは約１３．５を超える適正化孔隙溶液が含まれる。該適正化孔隙溶液のｐＨは約９．５～約１３．５であり、かかる上限と下限、及びその間に含まれるすべての整数値と分数を含むものとする。

本発明による各方法は、ΔｐＨが１．０以下、０．７５以下、０．５以下、０．２５以下、又は約０．０であることを追加条件として、上記の条件下で実施される。上記のΔｐＨ値には、かかる上限と下限、及び当該上限と下限の範囲に含まれるすべての整数値、及び当該範囲に含まれるすべての整数値と分数が含まれるものとする。

当該諸方法の特定の実施形態では、本出願に記載の低ケイ酸カルシウムセメント材料及びそれを使って作る部材に、例えば、３，５００ｐｓｉ以上、約３，５００ｐｓｉ超、約４，０００ｐｓｉ超、約５，０００ ｐｓｉ超、約６，０００ ｐｓｉ超、約７，０００ ｐｓｉ超、約８，０００ ｐｓｉ超、約９，０００ ｐｓｉ超、又は約１０，０００ｐｓｉ以上であることを特徴とする圧縮強度を持たせる条件下で当該諸方法を実施する。圧縮強度は、約３，０００ｐｓｉ～約１０，０００ｐｓｉであるが、かかる上限と下限、及びその間に含まれるすべての整数値と分数を含むものとする。このような圧縮強度に達するまでにかかる総養生時間は、炭素化反応開始から約８時間以上～炭素化反応開始日から７日未満である。特定の実施形態では、このような圧縮強度に達するまでにかかる総養生時間が、炭素化反応開始から約８時間以上～炭素化反応開始日から１４日未満である。その他の実施形態では、このような圧縮強度に達するまでにかかる総養生時間が、炭素化反応開始から約８時間以上～炭素化反応開始日から２８日未満である。よって、総養生時間は、約８時間～約２８日であり得る。総養生時間には、上記の上限値と下限値、及び当該指定範囲内にあるすべての時間値が含まれる。更に詳しく後述するように、総養生時間には、任意選択で予め行う予備養生のための時間を含み得る。養生条件及び任意選択事項としての予備養生条件は、本出願で上述した通りである。
炭酸化可能低ケイ酸カルシウムセメントのプレキャスト部材

「低ケイ酸カルシウム」という用語は、本出願で既に定義した通りである。本出願で用いられる「炭酸化可能」という用語は、本出願に開示される条件下での炭酸化反応によりＣＯ_２と反応する材料を指す。本出願で用いられる「炭酸化不能」という用語は、本出願に開示される条件下での炭酸化反応を介してＣＯ_２と反応しない材料を指す。例示的な炭酸化可能ケイ酸カルシウム相には、ＣＳ（珪灰石又は疑似珪灰石、及び時にはＣａＳｉＯ_３又はＣａＯ・ＳｉＯ_２２として配合）、Ｃ３Ｓ２（ランキン石、及び時にはＣａ_３Ｓｉ_２Ｏ_７又は３ＣａＯ・２ＳｉＯ_２として配合）、Ｃ２Ｓ（ビーライト、β－Ｃａ_２ＳｉＯ_４又はラーナイト、Ｃａ_７Ｍｇ（ＳｉＯ_４）又は透角閃石、 α－Ｃａ_２ＳｉＯ_４又はγ－Ｃａ_２ＳｉＯ_４、及び時にはＣａ_２ ＳｉＯ_４又は２ＣａＯ・ＳｉＯ_２として配合）が含まれる。非晶相は、その組成により炭酸化を可能とし得る。これらの材料はそれぞれ、上記以外の金属イオン及び酸化物（例：アルミニウム、マグネシウム、鉄又はマンガン酸化物など）を一つ又は複数、又はそれらの混合を含み得るか、又は微量（１重量％）～約５０重量％以上に及ぶ量のケイ酸マグネシウムを天然に存在する形態又は合成形態にて含み得る。例示的な炭酸化不能又は不活性相には、黄長石（（Ｃａ，Ｎａ，Ｋ）_２ ［（Ｍｇ，Ｆｅ^２＋，Ｆｅ^３＋，Ａｌ，Ｓｉ）_３Ｏ_７］）及び結晶性シリカ（ＳｉＯ_２）が含まれる。

なお、本出願に開示される低ケイ酸カルシウムの組成物・位相及び方法は、ケイ酸カルシウム相の代わりに又はそれに加えてケイ酸マグネシウム相を採用するように適合し得ることは言うまでもない。本出願で用いられる「ケイ酸マグネシウム」という用語は、例えば、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４（別名「フォルステライト」）及びＭｇ_３Ｓｉ_４Ｏ_１０（ＯＨ）_２（別名「タルク」）及びＣａＭｇＳｉＯ_４（別名「モンティセライト」）のことを指し、これらの材料はいずれもが、その他の金属イオンや酸化物（例：カルシウム、アルミニウム、鉄又はマンガン酸化物など）を一つ又は複数又はそれらの混合物を含み得るか、又は微量（１重量％）～約５０重量％以上に及ぶ量のケイ酸カルシウムを天然に存在する形態又は合成形態にて含み得る。

例示的な実施形態では、粉砕されたケイ酸カルシウム組成物を使用する。該粉砕されたケイ酸カルシウム組成物は、マスターサイザー２０００（Ｍａｓｔｅｒｓｉｚｅｒ ２０００）など、市販の粒径分析器を使用して測定した場合の平均粒径として、約１μｍ～約１００μｍ（例：約１μｍ～約９０μｍ、１μｍ～約８０μｍ、約１μｍ～約６０μｍ、約１μｍ～約５０μｍ、約１μｍ～約４０μｍ、約１μｍ～約３０μｍ、約１μｍ～約２０μｍ、約１μｍ～約１０μｍ、約１μｍ～約５μｍ、約５μｍ～約９０μｍ、５μｍ～約８０μｍ、約５μｍ～約６０μｍ、約５μｍ～約５０μｍ、約５μｍ～約４０μｍ、約１０μｍ～約８０μｍ、約１０μｍ～約７０μｍ、約１０μｍ～約６０μｍ、約１０μｍ～約５０μｍ、約１０μｍ～約４０μｍ、約１０μｍ～約３０μｍ、約１０μｍ～約２０μｍ、約１μｍ、１０μｍ、１５μｍ、２０μｍ、２５μｍ、３０μｍ、４０μｍ、５０μｍ、６０μｍ、７０μｍ、８０μｍ、９０μｍ、１００μｍ）の平均粒径を有し得る。粉砕されたケイ酸カルシウム組成物のかさ密度は、約０．５ｇ／ｍＬ～約３．５ｇ／ｍＬ（例：０．５ｇ／ｍＬ、１．０ｇ／ｍＬ、１．５ｇ／ｍＬ、２．０ｇ／ｍＬ、２．５ｇ／ｍＬ、 ２．８ ｇ／ｍＬ、３．０ ｇ／ｍＬ、３．５ ｇ／ｍＬなど）であり、タップ密度は、約１．０ ｇ／ｍＬ～約１．２ｇ／ ｍＬであり、ブレーン比表面積は約１５０ ｍ２／ｋｇ～約７００ｍ２／ ｋｇ（例：１５０ ｍ^２／ｋｇ、２００ ｍ^２／ｋｇ、２５０ ｍ^２／ｋｇ、３００ ｍ^２／ｋｇ、３５０ ｍ^２／ｋｇ、４００ ｍ^２／ｋｇ、４５０ ｍ^２／ｋｇ、５００ ｍ^２／ｋｇ、５５０ ｍ^２／ｋｇ、６００ ｍ^２／ｋｇ、６５０ ｍ^２／ｋｇ、７００ ｍ^２／ｋｇなど）である。「ブレーン比表面積」とは、ＡＳＴＭＣ２０４法によって測定されるセメントの細かさを示す尺度である。

本発明による低ケイ酸カルシウム組成物の例示的な実施形態では、１μｍを超えるｄ_１０粒径を有するケイ酸カルシウム粉砕物を組成物に利用する。

適切な任意の骨材を使用して、本発明の炭酸化可能組成物から複合材料、例えば、酸化カルシウム含有且つ又はシリカ含有材料などを形成し得る。例示的な骨材としては、トラップ岩、建設用砂、豆砂利などの不活性材料が挙げられる。特定の好ましい実施形態の骨材としては、真珠岩又は蛭石などの軽量骨材を使用できる。産業廃棄物（例：フライアッシュ、スラグ、シリカフュームなど）なども、微細な充填材として使用できる。

複数の骨材は、適切な任意の平均粒径及び粒度分布を有し得る。特定の実施形態では、複数の骨材の平均粒径が、約０．２５ｍｍ～約２５ｍｍ（例：約５ｍｍ～約２０ｍｍ、約５ｍｍ～約１８ｍｍ、約５ｍｍ～約１５ｍｍ、約５ｍｍ～約１２ｍｍ、約７ｍｍ～約２０ｍｍ、約１０ｍｍ～約２０ｍｍ、約１／８インチ、約１／４インチ、約３／８インチ、約１／２インチ、約３／４インチなど）であり得る。

化学混和剤もまた該複合材料に添加し得、その例としては、可塑剤、遅延剤、促進剤、分散剤、その他のレオロジー変性剤などが挙げられる。ＢＡＳＦケミカルス社（登録商標：ＢＡＳＦ(R)Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ）製のグレニウム７５００（商標：Ｇｌｅｎｉｕｍ^TM７５００）やドウケミカルカンパニー社（Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙ）製のアキュマー（商標：Ａｃｕｍｅｒ^TM）など、特定の市販化学薬品も例として挙げられる。特定の実施形態では、所望の複合材料に応じて、一種又は複数種の顔料を結着基質中に均一に又はかなり不均一に分散し得る。かかる顔料は、例えば、様々な金属の酸化物（例：黒色酸化鉄、酸化コバルト及び酸化クロムなど）をはじめとする適切な任意の顔料であり得る。かかる顔料は、例えば、黒、白、青、灰色、ピンク、緑、赤、黄、及び茶色から選択される任意の色又は複数の色であり得る。かかる顔料は、所望の複合材料に応じて、例えば、約０．０重量％～約１０重量％の範囲の量など適切な任意の量で添加し得る。
ｐＨ安定性を向上できる炭酸化可能ケイ酸カルシウム系複合組成物

また、本発明の別の一態様では、炭酸化反応後の孔隙溶液ｐＨ安定性に改善が見られるケイ酸カルシウムを主成分とする組成物を提供する。よって、特定の態様では、固形成分及び液体成分を含むケイ酸カルシウム組成物において、該固形成分が、該固形成分の総重量に対して８～２５重量％のセメント系材料を含み、該固形成分の残りが骨材であり、また、該液体成分が、該セメント系材料１ｋｇ当たり２０～５０ｍｌのｐＨ増強剤と、該セメント系材料１ｋｇ当たり２００～７００ｍｌの水を含むことを特徴とするケイ酸カルシウム組成物を提供する。

該骨材は、比較的大きな第１の骨材と比較的小さい第２の骨材を含み得る。

該セメント系材料は、該セメント系材料の総重量に対して少なくとも５０重量％以上のケイ酸カルシウム化合物と、普通ポルトランドセメントを含み得る。

更に、該セメント系材料は、ガラス質アルミノケイ酸カルシウムなどの補足的なセメント系材料（ＳＣＭ）を含み得る。

該液体成分は、減水剤と空気連行剤と凝結遅延剤のうちの一つ又は複数を更に含み得る。

下表の教示に従って、更に別の組成物を調合することもできる。

表１

ＣＳＣセメントの炭酸化

炭酸化可能ＣＳＣ組成物の主な有用性は、それを炭酸化することで、様々な用途に有用な複合材料を形成できることである。

以下の反応は、本出願に開示されるようにケイ酸カルシウムの炭酸化中に起こると考えられている。
ＣａＳｉＯ_３（ｓ）＋ＣＯ_２（ｇ） → ＣａＣＯ_３（ｓ）＋ＳｉＯ_２（ｓ） （１）
Ｃａ_３Ｓｉ_２Ｏ_７（ｓ）＋３ＣＯ_２（ｇ） → ３ＣａＣＯ_３（ｓ）＋２ＳｉＯ_２（ｓ） （２）
Ｃａ_２ＳｉＯ_４ （ｓ）＋２ＣＯ_２（ｇ） → ２ＣａＣＯ_３（ｓ）＋ＳｉＯ_２（ｓ） （３）

一般に、ＣＯ_２は、水などの浸透流体に溶解した気相として導入される。ＣＯ_２の溶解により、酸性の炭素種（炭酸やＨ_２ＣＯ_３など）が形成され、結果として溶液中のｐＨが低下する。弱酸性溶液により、カルシウム種がケイ酸カルシウム相から分解溶出する。カルシウムは、同様の仕組みにより、カルシウム含有非晶相から浸出し得る。放出したカルシウムカチオンと解離した炭酸塩種は、不溶性炭酸塩の沈殿を引き起こす。シリカ高含有層は、カルシウム欠乏層としてミネラル粒子上に残ると考えられる。

本出願に開示されるこれらの又はその他如何なるＣＯ_２炭酸化反応により生成されるＣａＣＯ_３は、いくつかのＣａＣＯ_３多形体（例：方解石、アラゴナイト、及びバテライト）のうちの一種又は複数種として存在し得る。ＣａＣＯ_３粒子としては、方解石の形態が好ましいが、アラゴナイト又はバテライトとして、又は２つ又は３つの多形体の組合せ（例：方解石／アラゴナイト、方解石／バテライト、アラゴナイト／バテライト、又は方解石／アラゴナイト／バテライト）としても存在し得る。

炭酸化の所望の結果に応じて、適切な任意のグレードのＣＯ_２を使用し得る。例えば、Ｐｒａｘａｉｒ，Ｉｎｃ．、Ｌｉｎｄｅ ＡＧ、Ａｉｒ Ｌｉｑｕｉｄｅなどの様々な工業用ガス会社により市販されている純度が約９９％の工業用グレードのＣＯ_２を使用できる。供給するＣＯ_２は、所望の蒸気圧（例：約３００ＰＳＩＧなど）を維持できる温度に調整された液体二酸化炭素の形態で、大型の加圧貯蔵タンクに保持し得る。次に、このガスが配管を通じてＣＯ_２養生（炭酸化）用格納器又はチャンバ内に送られる。最も単純なシステムでは、ＣＯ２が格納器中の周囲空気を置換するのに十分に制御された流量で格納器に流入する。一般に、パージ時間は格納器のサイズ及びＣＯ_２ガスが供給される速度に依存する。多くのシステムでは、格納器の空気をパージするこの工程を、数分単位で何回かに分けて行い、後に養生を行えるようＣＯ_２濃度を適度なレベルにすることができる。単純なシステムでは、その後、養生反応を生じるのに十分なＣＯ_２濃度を維持するよう、所定の流量でＣＯ_２ガスをシステムに供給する。

例えば、制御された熱水液相焼結（ＨＬＰＳ）工程を介してＣＯ_２との反応により炭酸化を行うことで、複合材料の様々な構成成分をまとめて保持する結着成分を生成し得る。例えば、好ましい実施形態では、ＣＯ_２を反応種として使用することで、結果として生じる複合材料におけるＣＯ_２の隔離と結着成分の生成をもたらし、既存の生産技術では到底達成し得ないレベルのカーボンフットプリントを実現できる複合材料を提供できる。ＨＬＰＳ工程は、化学反応（複数可）による自由エネルギーと結晶成長によって引き起こされる表面エネルギー（面積）の減少によって熱力学的に駆動される。ＨＬＰＳ工程の動力学については、高融点流体や高温固体媒体を使用する代わりに、溶液（水性又は非水性）を使用して反応種を搬送するため、低温且つ妥当な速度で進行する。

ＨＬＰＳの様々な特徴や、炭酸化可能ケイ酸カルシウム系セメント、結着成分の炭酸化及び形成、そのための装置及び工程、並びにその他関連するトピックについての説明が、以下の文献に記載されている。
米国特許第８，１１４，３６７号
米国公開特許公報第２００９／０１４３２１１号（特願第１２／２７１，５６６号）
米国公開特許公報第２０１１／０１０４４６９号（特願第１２／９８４，２９９号）
米国公開特許公報第２００９／０１４２５７８号（特願第１２／２７１，５１３号）
米国公開特許公報第２０１３／０１２２２６７号（特願第１３／４１１，２１８号）
米国公開特許公報第２０１２／０３１２１９４号（特願第１３／４９１，０９８号）
国際公開第２００９／１０２３６０号 （ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０８３６０６）
国際公開第２０１１／０５３５９８号 （ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０５４１４６）
国際公開第２０１１／０９０９６７号 （ＰＣＴ／ＵＳ２０１１／０２１６２３）
米国仮特許出願第６１／７０８，４２３号（出願日：２０１２年１０月１日）
米国公開特許公報第２０１４／０１２７４５０号（特願第１４／０４５，７５８号）
米国公開特許公報第２０１５／０２６６７７８号（特願第１４／０４５，５１９号）
米国公開特許公報第２０１４／０１２７４５８号（特願第１４／０４５，７６６号）
米国公開特許公報第２０１４／０３４２１２４号（特願第１４／０４５，５４０号）
米国公開特許公報第２０１４／０２７２２１６号（特願第１４／２０７，４１３号）
米国公開特許公報第２０１４／０２６３６８３号（特願第１４／２０７，４２１号）
米国特許公報第２０１４／０３１４９９０号（特願第１４／２０７，９２０号）
米国特許第９，２２１，０２７号（特願第１４／２０９，２３８号）
米国公開特許公報第２０１４／０３６３６６５号（特願第１４／２９５，６０１号）
米国公開特許公報第２０１４／０３６１４７１号（特願第１４／２９５，４０２号）
米国公開特許公報第２０１６／０３５５４３９号（特願第１４／５０６，０７９号）
米国公開特許公報第２０１５／０２２５２９５号（特願第１４／６０２，３１３号）
米国公開特許公報第２０１５／００５６４３７号（特願第１４／４６３，９０１号）
米国公開特許公報第２０１６／０１６８７２０号（特願第１４／５８４，２４９号）
米国公開特許公報第２０１５／０３３６８５２号（特願第１４／８１８，６２９号）
米国公開特許公報第２０１６／００３１７５７号（特願第１４／８１７，１９３号）
米国公開特許公報第２０１６／０２７２５４４号（特願第１５／０７４，６５９号）
米国公開特許公報第２０１６／００９６７７３号（特願第１４／８７４，３５０号）
米国公開特許公報第２０１６／０３４０２６１号（特願第１４／７１５，４９７号）
米国公開特許公報第２０１６／０２７２５４５号（特願第１５／０７４，６９２号）
米国公開特許公報第２０１７／０１０２３７３号（特願第１５／２９０，３２８号）
米国公開特許公報第２０１７／０１２１２２３号（特願第１５／３３５，５２０号）
米国公開特許公報第２０１７／０２０４０１０号（特願第１５／４０９，３５２号）
米国公開特許公報第２０１７／０２５３５３０号（特願第１５／４４９，７３６号）
米国公開特許公報第２０１７／０２６００９６号（特願第１５／４５１，３４４号）
米国公開特許公報第２０１７／０３２０７８１号（特願第１５／５８７，７０５号）
米国公開特許公報第２０１７／０３４１９８９号（特願第１５／６０９，９０８号）
米国特許出願番号第１５／７１６，３９２号（出願日：２０１７年９月２６日）
米国特許出願番号第１５／８３１，１３５号（出願日：２０１７年１２月４日）
上記の各々は、あらゆる目的のためにその全体が参照により本出願に明示的に援用される。

図１～図８は、本出願に記載されるいくつかの材料間の様々な位相の相互関係を示す位相図である。
結着成分

炭酸化工程では、一つ又は複数のタイプの微細構造を有する複数の結着成分を微細な量含む炭酸化複合材料及び物体を生成する。複数の結着成分が一体となって、相互連結された結着基質を形成して、結着強度を生み出すとともに複合材料を保持する。該微細構造化された結着成分の例としては、ＣａＣＯ_３粒子によって完全又は部分的に包まれた様々な厚さのシリカ高含有層によって完全又は部分的に囲まれたケイ酸カルシウムの未反応の炭酸化可能相のコアを含む結着成分や；ＣａＣＯ_３粒子によって完全又は部分的に包まれた様々な厚さのシリカ高含有層によって完全又は部分的に囲まれたケイ酸カルシウムの炭酸化可能相の炭酸化によって形成されたシリカのコアを含む結着成分；ケイ酸カルシウムの炭酸化可能相の炭酸化によって形成され、ＣａＣＯ_３粒子によって完全に又は部分的に包まれたシリカのコアを含む結着成分；ＣａＣＯ_３粒子によって完全に又は部分的に包まれた炭酸化不能相のコアを含む結着成分；ケイ酸カルシウムの炭酸化可能相の炭酸化によって形成されたシリカと部分的に反応したケイ酸カルシウムからなる多相コアを含む結着成分であり、該多相コアが、ＣａＣＯ_３粒子によって完全又は部分的に包まれた様々な厚さのシリカ高含有層によって完全又は部分的に囲まれていることを特徴とする結着成分；炭酸化可能相と部分的に反応したケイ酸カルシウムからなる多相コアを含む結着成分であり、該多相コアが、ＣａＣＯ_３粒子によって完全又は部分的に包まれた様々な厚さのシリカ高含有層によって完全又は部分的に囲まれていることを特徴とする結着成分；又は、部分的に反応したケイ酸カルシウムの粒子を含む結着成分であり、明確なコアやＣａＣＯ_３粒子に包まれたシリカ層がない結着成分；また、ＣａＣＯ_３粒子によって包まれた明確なシリカ層のない多孔質粒子を含む結着成分が挙げられる。

一般に、前記シリカ高含有層の厚さは、結着成分内で、また、結着成分同士の間で異なり、典型的には約０．０１μｍ～約５０μｍの様々な厚さである。特定の好ましい実施形態では、シリカ高含有層の厚さが約１μｍ～約２５μｍである。本出願で用いられる「シリカを多く含む」又は「シリカ高含有」という表現は、一般に、材料中の他の成分に比べてシリカの含有量が相当に多い（例えば約５０容量％を超える）ことを意味する。シリカ高含有層の残りは、主にＣａＣＯ_３、例えば、約１０容量％～約５０容量％のＣａＣＯ_３からなる。また、シリカ高含有層は、不活性又は未反応の粒子、例えば、約１０容量％～約５０容量％の黄長石を含み得る。一般に、シリカ高含有層の主成分はシリカからＣａＣＯ_３への遷移を示す。シリカとＣａＣＯ_３は、混合した又は個別の領域として存在し得る。

シリカ高含有層はまた、結着成分に応じて、シリカ含有量が典型的には約５０容量％～約９０容量％（例：約６０％～約８０％）の範囲で異なることも特徴とする。特定の実施形態において、シリカ高含有層は、一般に、シリカ含有量が約５０容量％～約９０容量％であること、且つＣａＣＯ_３含有量が約１０容量％～約５０容量％であることを特徴とする。特定の実施形態において、シリカ高含有層は、一般に、シリカ含有量が約７０容量％～約９０容量％であること、且つＣａＣＯ_３含有量が約１０容量％～約３０容量％であることを特徴とする。特定の実施形態において、シリカ高含有層は、一般に、シリカ含有量が約５０容量％～約７０容量％であること、且つＣａＣＯ_３含有量が約３０容量％～約５０容量％であることを特徴とする。

シリカ高含有層は、コアの外表面積の約１％～約９９％（例：約１０％～約９０％）の範囲における様々な被覆率でコアを取り囲み得る。特定の実施形態では、シリカ高含有層が、コアの外表面積の約１０％未満の被覆率でコアを取り囲む。特定の実施形態では、様々な厚さのシリカ高含有層が、コアの外表面積の約９０％を超える被覆率でコアを取り囲む。

結着成分は、任意のサイズ及び任意の規則的又は不規則な個体又は中空形状であり得るが、いずれが好ましいかどうかは、意図する用途を考慮して選択される原材料及び製造工程によって判断し得る。当該形状の例としては、立方体や直方体、角柱、円盤、ピラミッド状、多面体又は多面体粒子、円柱、球、円錐、環状、管状、三日月形、針状、繊維状、フィラメント状、フレーク状、球状、亜球状、ビーズ状、ブドウ状、顆粒、長方形、棒状、波紋状などが挙げられる。

該複数の結着成分は、複合製品に求められる特性や性能特性にそれぞれ適した任意の平均粒径及び粒度分布を有し得る。特定の実施形態では、例えば、複数の結着成分の平均粒径が、約１μｍ～約１００μｍ（例：約１μｍ～約８０μｍ、約１μｍ～約６０μｍ、約１μｍ～約５０μｍ、約１μｍ～約４０μｍ、約１μｍ～約３０μｍ、約１μｍ～約２０μｍ、約１μｍ～約１０μｍ、約５μｍ～約９０μｍ、約５μｍ～約８０μｍ、約５μｍ～約７０μｍ、約５μｍ～約６０μｍ、約５μｍ～約５０μｍ、約５μｍ～約４０μｍ、約１０μｍ～約８０μｍ、約１０μｍ～約７０μｍ、約１０μｍ～約６０μｍ、約１０μｍ～約５０μｍ、約１０μｍ～約４０μｍ、約１０μｍ～約３０μｍ、約１０μｍ～約２０μｍ）であり得る。

また、結着成分（結着基質）の相互連結網には、適切な任意の材料からなるとともに適切な任意の粒径及び粒度分布を有する複数の粗い且つ又は微細な充填材粒子を含み得る。特定の好ましい実施形態では、例えば、充填材粒子の原料として、石灰石（例：粉砕された石灰石）などの炭酸カルシウムを多く含む材料を使用し得る。特定の材料では、充填材粒子の原料として、石英、雲母、花崗岩、長石（例：石英粉末、雲母粉末、花崗岩粉末、長石粉末）などのＳｉＯ_２系又はケイ酸系の材料を一種又は複数種使用し得る。

特定の実施形態における充填材粒子は、ガラス、再生ガラス、石炭スラグ、フライアッシュ、炭酸カルシウム高含有材及び炭酸マグネシウム高含有材などの天然、合成、及び再生材を含み得る。

特定の実施形態では、複数の充填材粒子の平均粒径が、約５μｍ～約７ｍｍ（例：約５μｍ～約５ｍｍ、約５μｍ～約４ｍｍ、約５μｍ～約３ｍｍ、約５μｍ～約２ｍｍ、約５μｍ～約１ｍｍ、約５μｍ～約５００μｍ、約５μｍ～約３００μｍ、約２０μｍ～約５ｍｍ、約２０μｍ～約４ｍｍ、約２０μｍ～約３ｍｍ、約２０μｍ～約２ｍｍ、約２０μｍ～約１ｍｍ、約２０μｍ～約５００μｍ、約２０μｍ～約３００μｍ、約１００μｍ～約５ｍｍ、約１００午後～約４ｍｍ、約１００μｍ～約３ｍｍ、約１００μｍ～約２ｍｍ、約１００μｍ～約１ｍｍなど）であり得る。

充填材粒子に対する結着成分の重量比は、複合材料生成物の意図する用途に応じて、適切な任意の比率を選択し得る。例として、充填材粒子に対する結着成分の重量比は、約（５～９９）：約（１～９５）、例えば、約（１０～９９）：約（１～９０）、約（２０～９９）：約（１～８０）、約（３０～９９）：約（１～７０）、約（５０～９０）：約（１０～５０）、約（７０～９０）：約（１０～３０）、約（５～９０）：約（１０～９５）、約（５～８０）：約（２０～９５）、約（５～６０）：約（４０～９５）などであり得る。特定の実施形態では、用途に応じて、充填材粒子に対する結着成分の重量比を、約（１０～５０）：約（５０～９０）、例えば、約（３０～５０）：約（５０～７０）、約（４０～５０）：約（５０～６０）などとし得る。

結着成分は、結着成分は、意図する用途に応じて、任意のサイズ及び任意の規則的又は不規則な個体又は中空形状を示し得る。当該形状の例としては、立方体や直方体、角柱、円盤、ピラミッド状、多面体又は多面体粒子、円柱、球、円錐、環状、管状、三日月形、針状、繊維状、フィラメント状、フレーク状、球状、亜球状、ビーズ状、ブドウ状、顆粒、長方形、棒状、波紋状などが挙げられる。

結着成分は、本出願でより詳しく説明する如く、一般に変換処理を通じて反応性前駆体材料（例：前駆体粒子）から生成される。前駆体粒子は、意図する用途の必要性を満たすものであれば如何なるサイズ及び形状を有し得る。変換処理によりそれぞれ対応して得られる結着成分は、一般に、同様のサイズ及び形状の前駆体粒子を有する。

特定の好ましい実施形態では、充填材粒子の原料として、石灰石（例：粉砕された石灰石）などの炭酸カルシウム高含有材料を使用する。特定の材料では、充填材粒子の原料として、石英、雲母、花崗岩、長石（例：石英粉末、雲母粉末、花崗岩粉末、長石粉末）などのＳｉＯ_２系又はケイ酸系の材料を一種又は複数種使用し得る。

特定の実施形態における充填材粒子は、ガラス、再生ガラス、石炭スラグ、炭酸カルシウム高含有材及び炭酸マグネシウム高含有材などの天然、合成、及び再生材を含み得る。

特定の実施形態では、これらの複合材料が、様々な色の視覚的パターンなど、様々なパターンやテクスチャ及びその他の特性を持つようにしてもよい。更に、本発明の複合材料は、従来のコンクリート又は同等の天然材料と同様の圧縮強度、曲げ強度、及び吸水性を示す。

特定の実施形態では、複合材料に更に顔料を含む。所望の複合材料に応じて、顔料を結着基質中に均一に又はかなり不均一に分散し得る。かかる顔料は、例えば、様々な金属の酸化物（例：酸化鉄、酸化コバルト、酸化クロムなど）をはじめとする適切な任意の顔料であり得る。かかる顔料は、例えば、黒、白、青、灰色、ピンク、緑、赤、黄、及び茶色から選択される任意の色又は複数の色であり得る。顔料は、所望の複合材料に応じて、適切な任意の量、例えば、約０．０重量％～約１０重量％（例：約０．０重量％～約８重量％、約０．０重量％～約６重量％、約０．０％～約５％、約０．０％～約４％、約０．０％～約３％、約０．０％～約２％、約０．０％～約１％、約０．０％～約０．５％、約０．０ ％～約０．３％、約０．０％～約２％、約０．０％～約０．１％など）の量で添加し得る。

特定の実施形態では、複合材料を２４時間水に浸して測定した時の該材料の吸水率が約１０％未満であることを特徴とする。吸水率は、水に２４時間浸漬後の材料の質量とオーブン乾燥（１０５℃で２４時間乾燥した）後の質量の差を、オーブン乾燥後質量で割って求める値である。その他いくつかの実施形態では、複合材料の吸水率が約８％未満であることを特徴とする。その他いくつかの実施形態では、複合材料の吸水率が約５％未満であることを特徴とする。その他いくつかの実施形態では、複合材料の吸水率が約４％未満であることを特徴とする。その他いくつかの実施形態では、複合材料の吸水率が約３％未満であることを特徴とする。その他いくつかの実施形態では、複合材料の吸水率が約２％未満であることを特徴とする。その他いくつかの実施形態では、複合材料の吸水率が約１％未満であることを特徴とする。

該複合材料は、所望のテクスチャやパターン及び物理的特性を一種又は複数種、特に天然石が特徴とするものを示し得る。特定の好ましい実施形態では、複合材料が、天然石に近い視覚的パターンを示す。その他の特性としては、色（例：黒、白、青、ピンク、灰色（淡色～濃色）、緑、赤、黄色、茶色、シアン（青緑色）、又は紫）及びテクスチャが挙げられる。
ＣＯ _２ 制御

上記の実施形態では、約９９％の純度の工業用グレードのＣＯ_２が使用され、かかるＣＯ_２は、Ｐｒａｘａｉｒ，Ｉｎｃ．や、Ｌｉｎｄｅ ＡＧ、Ａｉｒ Ｌｉｑｕｉｄｅなどの様々な工業用ガス会社により提供されている。供給するＣＯ_２は、約３００ＰＳＩＧの蒸気圧を維持できる温度に調整した液体二酸化炭素として、大型の加圧貯蔵タンクに保持し得る。次に、このガスが配管を通じてＣＯ_２養生用格納器又はチャンバ内に送られる。最も単純なシステムでは、ＣＯ_２が、格納器内の空気を排出するのに十分な速度で該格納器内を流れる。一般に、パージ時間は格納器のサイズ及びＣＯ２ガスが供給される速度に依存する。多くのシステムでは、格納器の空気をパージするこの工程を、数分単位で何回かに分けて行い、後に養生を行えるようＣＯ_２濃度を適度なレベルにすることができる。単純なシステムでは、その後、養生反応を生じるのに十分なＣＯ_２濃度を維持するよう、所定の流量でＣＯ_２ガスをシステムに供給する。

一部の実施形態では、養生チャンバ内のＣＯ_２濃度を約３０％、又は約４０％、又は約４５％、又は約５０％、又は約６０％、又は約６５％、又は約７０％、又は約７５％、又は約８０％、又は約８５％、又は約９０％、又は約９５％、又は約９９％に維持できる割合で、ＣＯ_２ガスを養生チャンバ内の空気と混合する。

例として、反応中に二酸化炭素濃度を維持する方法のうち、濃度を極めて一定に保つのによく適した方法を以下説明する。（但し、かかる方法は「閉ループ」工程であるため、最も高額な技術である傾向がある。）この方法では、システム内のＣＯ_２濃度測定値を直接利用し、ＰＬＣなどの制御装置を使って、電子／自動制御バルブにより設定点でのＣＯ_２濃度を制御する。非分散型赤外線センサ（「ＮＤＩＲ」）などのＣＯ_２を直接測定する測定技術を使用することが好ましい。ＮＤＩＲ測定法では、低流量ポンプによってガス試料流をシステムから抽出する。ＮＤＩＲによって採取する前に、ガス流から水分をチラーを用いて除去する。従って、分析器により得られる測定では、ガス流の水蒸気成分が欠落しており、試料から除去された湿度を考慮して調整する必要がある。システムガス流の湿度の測定は、乾球湿球湿度計測技術を用いた乾球湿球湿度測定装置を用いて、又は別の種類の湿度センサを用いて行うことができる。コンピュータ制御システム又はＰＬＣを用いると正確なＣＯ_２濃度を計算できる。一旦正確なＣＯ_２濃度を把握した後、ＣＯ_２が消費され、その時点で所望される設定値未満に下がったら、配分制御弁を作動させて乾燥したＣＯ_２をシステム内に加えることができる。様々な実施形態では、必要に応じて、ある特定の組成物の養生における経験や複合材料試料の形及びサイズに基づいて、設定点を時間とともに変化させることができる。
湿度制御

図９は、本発明の原理に従って加湿を施す例示的なＣＯ_２複合材料養生用チャンバの概略図である。図中、設備１０は、二酸化炭素養生チャンバ１２と、熱交換器１４、ブロワ１６、ガス再循環管路１８、送水管２０、水噴霧器又は蒸気発生器２２、二酸化炭素源２４、及び配分弁２６を含む。図９では給水源２０が備えられ、水蒸気が養生チャンバ１２内を循環している大気に加えられるようになっている。水は、都合のよい任意の飲料水源とすることができる。一部の実施形態では、普通の水道水が用いられる。一部の実施形態では、一般的に要素２２として示す機構によって水を蒸気に変換できる。かかる機構は、水をミストノズル若しくは噴霧スプレーノズル、電気蒸気発生器、ガス燃焼による蒸気発生器を通して流すか、又はチャンバ内のガス温度を超える温度に加熱して液体水源から蒸発させることによって、水を蒸気に変換でき、その例として投込電熱器を備えた円筒型反応器がある。更に別の実施形態では、ＣＯ_２供給２４を、加熱された水源を通してバブリングさせてからシステムに流入させることで、流入するガス流の相対湿度を高めることができ、その例として「フロースルー」又は「開ループ」処理用に構成された円筒型反応器がある。

相対湿度は、従来のコンクリートの養生及びＣＯ_２複合材料の養生の両方において重要なパラメータである。従来の養生チャンバには、主に窒素、酸素、及び水蒸気からなる湿り空気の雰囲気が存在する。これらのシステムでは、相対湿度を測定する技術として、標準的な容量センサ技術が最もよく使われる。しかしながら、ＣＯ_２養生チャンバ内のガス雰囲気は主として二酸化炭素からなるので、前記センサの一部のタイプに不適合である。本出願に記載のＣＯ_２複合材料養生システムでは、二酸化炭素及び水蒸気の乾湿比又は双極子分極水蒸気測定装置又は冷却鏡湿度計又は容量湿度センサを用いる乾球湿球技術などの検出技術を用いることができる。

養生する生成物の種類及び外形、チャンバの設計、生成物のチャンバへの充填効率に応じて、湿度を低下させるか又は上昇させ、所定の設定値に制御する必要がある場合もある。設定点は約１％～約９９％の相対湿度の範囲内であり得る。ＣＯ_２複合材料養生工程では、３つの異なる湿度調整方法が存在し得る。また、これらの方法を組み合わせて単一のシステムとすることもできる。ＣＯ_２養生システムの一実施形態において加湿を行う方法の一つを図９に示す。別の方法では、システムから水分を除去して、複合材料生成物をＣＯ_２で養生させることが可能である。相対湿度を低下させる簡単な方法としては、システム内の湿りガスを二酸化炭素などの乾燥ガスで置換する方法が挙げられる。また別の実施形態では、相対湿度を低下させ、それにより非パージ方式で水蒸気をガスから除去することができ、該非パージ方式の好ましい実施形態としては、水抽出を行う冷却式熱交換器が挙げられる。

図１０は、複数の湿度制御方式並びに流量や圧力を一定に調整することでＣＯ２を制御及び補充する機能を備えた、本発明の原理に従って温度を制御可能な、養生チャンバを含む例示的な設備の概略図である。図示されるように、設備４０は、二酸化炭素養生チャンバ４２、細管ヒーター４４、送風機又はブロワ４６、冷却コイル４８、水噴霧器５０、パージ／排気弁５２、ブリード弁５４、凝縮液ドレン５６、凝縮液排液管５８、空冷コンデンサー６０、冷却クーラント管路６２、外気ダンパーバルブ６４、外気取り入れ用ブロワ又は送風機６６、外気／大気通気管路６８、高流量二酸化炭素ソレノイド７０、二酸化炭素源７２、圧力調整器７４ 、低圧レギュレーター７６、流量計制御装置７８、低流量二酸化炭素ソレノイド８０、水噴霧ソレノイド８２、及び水入口８４を含む。このシステムは、閉ループ制御又はフィードバックを使用した制御を行うシステムの一例であり、工程サイクルの特定時点で望ましいＣＯ_２濃度、湿度、及び温度などの作動パラメータを設定できるとともに、制御するパラメータの実際値が所望値であるか否かを確認するために測定を行える。所望値からの偏差を測定する場合、パラメータの値を所望値に一致させるように補正処置を行う。このような制御システムは高額で複雑となり得るが、高額製品や極めて精密な工程条件を要する製品に関して有用であり得る。
温度制御

一部の実施形態では、熱電対又は抵抗温度検出器（ＲＴＤ）などのセンサを利用して温度を測定する。また、熱交換器へのエネルギーを制御できる制御装置又はコンピュータに測定信号を返送することによって、システム全体の温度を時間の経過とともに調整する。ブロワは、各試料の制御された水分の重要な一部分であるチャンバ自体及び生成物に送られるガスへの熱エネルギーの伝達を促進する機能を果たすため、加熱システムの重要な構成要素である。加熱方法は電気式又はガス燃焼式とすることができる。ジャケットヒーターを利用して、加熱ジャケットに接触するチャンバを通って流れるＣＯ_２の温度を制御することができ、都合のよい任意の熱源を用いることができる。外部加熱手段は、電気加熱、温水加熱、又は温油加熱を含み得るが、これらに限定されない。ＣＯ_２養生チャンバには、これまで間接ガス燃焼式システムが利用されており、直接燃焼式ガスバーナーは、空気と燃焼生成物をシステム内に引き込むことによりＣＯ_２を希釈し、ＣＯ_２濃度の制御を困難にしてしまうため、その使用が避けられてきた。円筒型反応器など、やや小型のシステムのいくつかでは、チャンバの全表面を加熱するために、チャンバ内に設置される加熱素子ではなく、電気ジャケットヒーターを利用する。
ガス流の制御

別の制御パラメータとしては、システム内で養生される材料全体にわたるガスの流速である。ガス流速は、チャンバ設計、阻流板設計、送風機のサイズや回転速度／動力及び数、システム内の温度勾配、システム内のラック設計、及びシステム内の試料の外形を含むがこれらに限定されない工程内機器の可変要素に依存し得る。チャンバ内のガス流速を制御する最も単純な方法としては、一般的には可変周波数駆動を利用してブロワモーター速度の制御を可能とすることでブロワの速度（ｒｐｍ）を調節する方法が挙げられる。ブロワを用いて、養生チャンバ内でガスを所望の速度で循環させることができる。システム中のガス流速は、システム内で、ピトー管測定及びレーザドップラー検出システムを含むが、これらに限定されない種々異なる技術によって測定し得る。ガス流速の測定信号は、コンピュータシステム又はプログラム可能な論理制御器に返送し、養生プロファイル中の制御パラメータとして利用できる。

なお、本開示は、まさに本出願に含まれる通りの内容に限定されず、当事者にとって自明な組合せ且つ又は変形を本開示の範囲内で行い得ると理解されたい。以下、本発明の特定の態様を実施例を参照して説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

本出願の定義による低ケイ酸カルシウムセメント系複合材料は、ソリディアテクノロジーズ社（Ｓｏｌｉｄｉａ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｉｎｃ．）によって市販品として製造されるソリディアセメント（商標）に基づくものである。ソリディアコンクリート（商標）は、目標の圧縮強度、耐久性、及びコンクリートが使用される目的に応じてソリディアセメントを多様な混合比率に調合することにより作製できる。フライアッシュやスラグ、ＶＣＡＳ、石灰石粉末などの他の充填材とセメントの混合物（「セメント系材料」とも言う）の、ソリディアセメント（商標）１立方メートル当たりの含有量は、２５０～５００ｋｇ、好ましくは３５０～４５０ｋｇである。ソリディアセメント（商標）１立方メートル当たりの砂の含有量は７００～１０００ ｋｇ、１／４インチの骨材含有量は５００～６００ ｋｇ、３／８インチの骨材含有量は４００～５５０ｋｇである。また、これらの固形材料に加えて、市販の減水剤及び凝結遅延剤をそれぞれ異なる用量で使用した。セメント系材料には、低カルシウムケイ酸セメントであるソリディアセメント（商標）と、フライアッシュやスラグ、ガラス質ケイ酸アルミノカルシウム（ＶＣＡＳ）、普通ポルトランドセメント（ＯＰＣ）などの反応性充填材と、石灰粉やシリカフューム、ガラス粉末などの非反応性充填材が含まれる。減水剤は液状であり得、セメント系材料に含有されるセメント質１ｋｇ当たり約３ｍｌ～約１２ｍｌの量で添加できる。空気連行剤も液状であり得、セメント質１ｋｇ当たり約１ｍｌ～約７ｍｌの量で添加できる。凝結遅延剤もまた液状であり得、約３～約１０ｍｌ／ｋｇの量で添加でき、腐食防止剤もまた液状であり得、約１０～約３０／ｋｇ程度の用量で添加できる。

２つの異なるタイプの混合物に実際に添加される各成分の添加量を表２及び表３に示す。

以下の標準的な混合手順に従って各混合物を形成した。
ａ．混合器に砂の全量を入れ、３０秒間混ぜる。
ｂ．混合器を作動させたまま、混合する水の１０％を混合器に注ぐ。
ｃ．粗骨材の５０％を混合器に投入する。
ｅ．セメント質材料の全量を混合器に投入する。
ｆ．粗骨材の残り５０％を混合器に投入する。
ｇ．混合する水の５０％を混合器に投入し、続いて減水剤を加え、３０秒間混合して、部分的に湿った状態のコンクリート配合体を生成する。
ｈ．該部分的に湿った状態のコンクリート配合体に凝結遅延剤を加えて、混合器を３０秒間作動させる。
ｉ．コンクリート配合体の目視観察しながら、残りの水を、湿った状態の配合体に加える。
既に水分が多すぎると思われる場合は、残りの水を加えない。
ｊ．該湿潤性コンクリート配合体を混合器で３分間混ぜる。
ｋ．該湿潤性コンクリート配合体を混合器内で１分間放置する。
ｌ．該湿潤性コンクリート配合体を更に１分間混ぜる。
表２：配合体１

上記において、ＰＥＣＳは、欧州で市販品として製造されているソリディアセメントを指す頭字語である。調整済み含水量は、設計による水とセメントの比率（０．３３６）を達成するために追加しなければならない水の量を指す。

表３：配合体２

上記において、ＷＨＬ１６は、米国で市販品として製造されているソリディアセメントを指す頭字語である。調整済み含水量は、設計による水とセメントの比率（０．３３６）を達成するために追加しなければならない水の量を指す。

配合体１（表２）及び配合体２（表３）の各バッチを、含水率６％～８％、空気含有量５％～１０％、スランプ０インチ～１．５インチ、ｐＨ１１以上といった所望の特性を持たせるように作製した。これらのバッチの初期測定を、混合したての状態で行ったとき、以下の特性を示した。
表４

配合体１と配合体２をそれぞれ型に注ぐことによって各試料を調製した。成形された試料を、環境チャンバに入れて、６０℃、６０％ＲＨで３時間前養生して、該試料をそれぞれの型から取り出せる程度まで硬化した。型から取り出した試料に前処理を施した。６０℃、６５％ＲＨで失われた水の重量を較正及び測定するために、試料をロードセル内に設置した。各試料の水分損失量を、所望の水分含有量の２％以下になるまで記録した。次に、試料をオートクレーブに入れ、６０℃、相対湿度（ＲＨ）６０％、ＣＯ_２濃度５５％の条件下で最長８５時間養生した。混合後（混合したて）のｐＨと、前処理後（環境チャンバで３時間後）のｐＨと、オートクレーブで２０時間、４０時間、及び６０時間以上養生した後のｐＨを測定した。これらの測定結果を下表５に示す。
表５

生の未養生コンクリートのｐＨ測定の手順は以下の通りである。

１．まず、代表的な生コンクリート試料を、最小粒径の粗骨材の公称サイズよりも一つ小さい目開きのふるいにかけて振動させることにより、コンクリートのモルタル部分の試料を得る。当該バッチの場合、第４番のふるいで十分である。

２．少量のモルタルを、試験管に、プローブが管に到達できるレベルまで充填する。

３．モルタルの約１センチメートル上に脱イオン水を加えて完全に混合する。

４．試料を１分間沈降させてｐＨを測定する。あるいは、プローブをすぐに試験管に入れることもできるが、読み取り値が安定するまでしばらく待つ必要がある。

ＣＯ_２養生チャンバ内での炭酸化後の試料のｐＨ測定の手順は以下の通りである。

１．コンクリートシリンダーの圧縮試験で破砕された残りを取り出し、細かい破片を回収する。回収した破片がシリンダーの特定の部分のみから回収したものである場合は、試験のために十分な破片を収集できるまで、シリンダーを大型ハンマーで叩き割る。

２．破片を第３０番のふるいにかけて、ｐＨ測定用の試料を得る。

３．少量の破片を、試験管に、プローブが管に到達できるレベルまで充填する。

４．試料の約１センチメートル上に脱イオン水を加えて完全に混合する。

５．試料を１分間沈降させてからｐＨを測定する。あるいは、プローブをすぐに試験管に入れることもできるが、読み取り値が安定するまでしばらく待つ必要がある。

上記の表は、各バッチ（配合体１（奇数のバッチ番号）又は配合体２（偶数のバッチ番号）のいずれか）の結果、及び水分除去率（％）とそれぞれの結果を示す。黄色に色分けされているセルは所望の最終養生ｐＨを示し、赤いセルは初期値と最終値の間の所望のｐＨ低下率を示す。緑のセルは３０００ｐｓｉを超える目標圧縮強度が達成されたことを示している。

図１２は、セメント配合体１を養生中、異なる時点において測定した水分除去率（％）とｐＨ低下の関係を示す図である。

図１３は、セメント配合体２を養生中、異なる時点において測定した水分除去率（％）とｐＨ低下の関係を示す図である。

本出願では、本願出願人の開示を、好ましい実施形態において図面を参照にしながら説明した。なお、各図において、同一部分には同一の番号を付して説明した。本明細書全体を通じて、「一実施形態」や「実施形態」又は類似した文言への言及は、実施形態に関連して説明される特定の特性、構造又は特徴が本発明の少なくとも一つの実施形態に含まれることを意味する。従って、本明細書全体にわたって「一実施形態において」、「実施形態において」という表現及び類似した文言が用いられる場合は、必ずしもそうではないが、すべてが同じ実施形態を指す場合がある。

本願出願人の開示に記載の特性、構造又は特徴は、一つ又は複数の実施形態において適切な任意の方法で組合せることができる。本出願の記載では、本発明の実施形態を徹底的に理解してもらうために、特定多数の詳細を列挙したが、当該技術の当業者であれば、本願出願人の組成物且つ又は方法を、一つ又は複数の特定の詳細が欠けていても、又は他の方法や構成要素や材料などを用いても実施し得ることが分かるはずである。その他、本開示の態様が曖昧になることを避けるために、周知の構造や材料又は操作の図示・詳述を省略して説明したところもある。

また、当該技術の当事者にとって、その他本出願の特許請求の範囲内に記載される実施形態は、本明細書又は本出願に開示される開示内容の実施に基づいて考慮すれば自明であろう。なお、本明細書を単なる例示として見なすべきものであり、本発明の範囲と主旨は特許請求の範囲に記載するものとする。

上記を鑑みると、いくつかの利点が達成できるとともに、他の利点も得られることが分かるであろう。

本開示の範囲から逸脱することなく、上記の方法及び組成物に様々な変更を加えることができるので、上記の記載に含まれる事項はすべて、限定的な意味ではなく例示として解釈すべきものである。

本明細書で引用されるすべての参考文献は、参照により本明細書に援用される。本明細書における参考文献の言及は、単に各執筆者による主張の要約を提供するためのものであり、決していかなる参考文献が先行技術を構成すると認めるものではない。本願出願人は、引用文献の正確性と妥当性に異議を申し立てる権利を留保する。

本出願で用いられる成分、構成要素、反応条件などの量・数値を表す数はいずれも、如何なる場合において「約」という用語を伴って準用されると理解されたい。本出願の数値範囲及びパラメータに関する規定にかかわらず、記載されている各数値は、本出願に提示されている案件の大幅な近似値であり、また、可能な限り正確に示したものである。但し、例えば、各測定手法で見られる標準偏差から明らかなように、いずれの数値も本質的に特定のエラー又は誤差を含み得る。本出願に挙げる機能特性はいずれも、「手段」という用語が明示的に用いられない限り、合衆国法典第３５巻第１１２条第６項を行使するものとして解釈するべきではない。

Claims (25)

1. 炭酸化複合材料の製造方法において、粒子状の炭酸化可能なセメント系材料を得ることと、該炭酸化可能なセメント系材料と水を混合して配合体を生成することと、該配合体を使って、第１のｐＨを有する初期孔隙溶液を含む初期細孔構造を所定の形状に成形することと、該所定形状から所定量の水を取り除く前処理を行い、前処理済み形状にすることと、前処理済み形状を、二酸化炭素を含む環境で炭酸化することで、第２のｐＨを有する適正化孔隙溶液を含む適正化細孔構造を生成することとを含み、第１のｐＨと第２のｐＨの差をΔｐＨとして示し、該ΔｐＨが１．０以下であることを特徴とする炭酸化複合材料の製造方法。
2. 第１のｐＨが１１．５以上であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 第２のｐＨが少なくとも約９．５～約１１．５、又はそれ以上であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前処理済み形状の炭酸化により一つ又は複数の結着成分が形成され、各結着成分は、一つ又は複数の化学成分を含む第１の化学組成を有するコアと、該コアの辺縁部を少なくとも部分的に覆った状態で設けられるシリカを多く含む第１の層と、該第１層の辺縁部を少なくとも部分的に覆った状態で設けられる炭酸カルシウム且つ又は炭酸マグネシウムを多く含む第２の層とからなることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前処理中に所定の形状から除去される水の所定量が２０～７０％であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前処理中に所定の形状から除去される水の所定量が４０～５０％であることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 該前処理の少なくとも一部が大気を含む環境で実施されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 該前処理の少なくとも一部が二酸化炭素を含む環境で行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. 二酸化炭素の濃度が０％～５０％又はそれ以上であることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前処理済み形状の炭酸化中の二酸化炭素濃度が１０％～１００％であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
11. 前処理済み形状の炭酸化中の二酸化炭素濃度が５０％～９９％であることを特徴とする請求項７に記載の方法。
12. 該配合体を型に注ぐことにより所定の形状を形成することと、該配合体を型に入れたまま、少なくとも型を取り外すのに十分な硬度まで予め養生しておくこととを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
13. 該配合体に骨材が含まれることを特徴とする請求項１に記載の方法。
14. 該骨材の粒径が０．２５ｍｍ～約２５ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 該骨材が砂を含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
16. 該骨材が砂利やトラップ岩又は花崗岩を含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
17. 該砂がドロマイト質であることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
18. 該砂がシリカを主成分とすることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
19. 該配合体が、添加剤として更に少なくとも一種のｐＨ向上剤を、セメント系材料の総量に対して約１質量％～約３０質量％の用量で含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
20. 該添加剤としての少なくとも一種のｐＨ向上剤が、硝酸カルシウム四水和物、亜硝酸カルシウム、ＮａＯＨ、重炭酸ナトリウム、普通ポルトランドセメント、ケイ酸ナトリウム、デッドバミングされたＣａＯ、高温焼成ＭｇＯ、コンクリート再生材（ＣＲＭ）、スラグ骨材、及びそれらの組合せから選択されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
21. 固形成分と液体成分を含むケイ酸カルシウム組成物において、該固形成分が、該固形成分の総重量に対して８～２５重量％のセメント系材料を含み、該固形成分の残りの成分が骨材であり、該液体成分が、該セメント系材料１ｋｇ当たり２０～５０ｍｌのｐＨ増強剤と、該セメント系材料１ｋｇ当たり２００～７００ｍｌの水を含むことを特徴とするケイ酸カルシウム組成物。
22. 該骨材が比較的大きな第１の骨材と比較的小さい第２の骨材を含むことを特徴とする請求項２１に記載のケイ酸カルシウム組成物。
23. 該セメント系材料が、該セメント系材料の総重量に対して少なくとも５０重量％以上のケイ酸カルシウム化合物、及び普通ポルトランドセメントを含むことを特徴とする請求項２１に記載のケイ酸カルシウム組成物。
24. 該セメント系材料がガラス質アルミノケイ酸カルシウムを更に含むことを特徴とする請求項２３に記載のケイ酸カルシウム組成物。
25. 該液体成分が減水剤と空気連行剤と凝結遅延剤のうちの一つ又は複数を更に含むことを特徴とする請求項２３に記載のケイ酸カルシウム組成物。

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