JP4911821B2 - セメントを基にした改良組成物 - Google Patents

Description

【０００１】
（発明の分野）
本発明はメタカオリン含有セメントを基にした新規な組成物に関する。
【０００２】
（発明の背景）
メタカオリンをセメントで用いることは公知である。例えば、米国特許第４，７９３，８６１号には、セメントを基にした製品をアルカリ環境に対して良好な耐性を示すガラス繊維で補強することが記述されている。その製品はメタカオリンをセメント１００重量部当たり約１０から４０重量部含有し、前記メタカオリンは修飾Ｃｈａｐｅｌｌｅ試験でＣａＯ量がメタカオリン１グラム当たり５００ｍｇを越えると言った反応性を示す。
【０００３】
米国特許第４，８４２，６４９号には、ポートランドセメントとスラグとポゾラン（ｐｏｚｚｏｌａｎｓ）（メタカオリンを包含）と混和材［炭酸カリウムおよび減水組成物（ｗａｔｅｒ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ）を包含］で構成されていてブレンドされた水硬セメント組成物が記述されている。
【０００４】
米国特許第４，９７５，３９６号には補強されたセメント様（ｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓ）組成物を製造する方法が記述されており、この方法では以下に示す成分を以下に示す順で水相中で混合している：約３−１２部（乾燥したポリマーの重量）のポリマーと混合しておいた水を約３５−５５重量部；補助用減水剤および／または液化剤（ｌｉｑｕｅｆｙｉｎｇ ａｇｅｎｔ）を約５重量部以下；メタカオリンを約１５−３０重量部；シリカ砂を約５０−１２０重量部；そしてセメントを約１００重量部。連続混合を均一なチキソトロピック（ｔｈｉｘｏｔｒｏｐｉｃ）ペーストが得られるまで維持する。次に、前記ペーストに耐アルカリ性ガラス繊維を前記ペーストの重量を基準にして２から１５重量％の範囲で導入する。
【０００５】
米国特許第４，９９４，１１４号には、セメントとガラスを含んで成る複合材料に混合するに適したポゾラン（例えばメタカオリン）を選択する方法が記述されている。
【０００６】
米国特許第５，１６７，７１０号には繊維含有セメント混合物を製造する方法が記述されており、この方法ではセメントと平均粒子直径が平均セメント粒子直径の１／５から１／１０の範囲の１番目の粉末材料をセメント１００重量部当たり約５から２０重量部と水を約２０から３５重量部混合することでペーストを生じさせる。次に、前記ペーストを補強用繊維と混合する。前記ペーストにまた平均粒子直径が前記１番目の粉末材料の平均直径の１／５から１／１０の範囲の２番目の粉末材料を含めることも可能である。
【０００７】
米国特許第５，３７２，６４０号にはセメントを基にしていて耐アルカリ性ガラス繊維で補強された製品が記述されており、メタカオリン組成物をセメントにセメント１００部当たり３０から４０重量部添加すると老化に対する感受性がほとんどなくなる。
【０００８】
米国特許第５，６２４，４８９号には高アルミナセメントを基にした組成物用の変換防止添加剤（ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ−ｐｒｅｖｅｎｔｉｎｇ ａｄｄｉｔｉｖｅ）が記述されており、前記添加剤は、ケイ質ポゾラン様（ｓｉｌｉｃｅｏｕｓ ｐｏｚｚｏｌａｎｉｃ）粉末、例えばゼオライト、粒状のブラストファーネススラグ（ｂｌａｓｔ−ｆｕｒｎａｃｅ ｓｌａｇ）、フライアッシュ（ｆｌｙ ａｓｈ）、シリカフューム（ｓｉｌｉｃａ ｆｕｍｅ）、籾殻（ｒｉｃｅ ｈｕｌｌｓ）、メタカオリンなど；ナトリウムもしくはカリウムカチオンと硫酸塩、炭酸塩、硝酸塩、ケイ酸塩、燐酸塩、塩化物もしくは臭化物アニオンを含有する無機塩；および場合により他の化学混和材、例えば超可塑剤（ｓｕｐｅｒｐｌａｓｔｉｃｉｚｅｒｓ）などを含んで成る。
【０００９】
米国特許第５，６２６，６６５号には、石膏と焼成粘土とクリンカー（ｃｌｉｎｋｅｒ）で構成されているセメント様系が記述されている。
【００１０】
ポゾランは、アルカリと反応してセメント様生成物を生じ得る微細材料である。しかしながら、ポゾランの粒子サイズを微細にすると結果として水要求度（ｗａｔｅｒ ｄｅｍａｎｄ）が高くなる可能性がある。セメントを基にした系に水を余分に添加すると、結果として生じるセメントを基にした構造物の強度が低下しかつ透過性が高くなることで、前記系の性能が低下する可能性がある。そのような強度低下はいくつかの理由で望ましくない。１番目として、初期の強さが発生する速度が遅くなる結果として起こる蒸発が原因で表面に亀裂が生じる。２番目として、コンクリートの枠を適切な場所に実質的により長い時間置いたままにする必要があることから作業時間が長くなることで完成が遅れる。
【００１１】
更に、ポゾランの粒子サイズを微細にすると結果としてセメントを基にした系を硬化させる前の流動性が劣る可能性もある。従って、ポゾランがセメントを基にした系の中で示す活性を維持しながらより高い圧縮強度がもたらされるように水要求度を低くする改良を受けさせたポゾランが求められているままである。ポゾランの活性は粒子サイズに関係していることから、生じるポゾランの反応はある材料の粒子サイズを微細にすればするほど迅速になる。その結果として、ポゾランをかさ密度が低くて微細な粉末の形態で生じさせるとそれの反応性が最も高くなる。しかしながら、また、輸送および貯蔵の費用が低くなるようにかさ密度がより高くて乾燥粉末として向上した流動性を示すポゾランも求められているままである。
【００１２】
（発明の要約）
本発明は、メタカオリンを基にした高反応性ポゾランを含有させたセメントを基にした組成物に関する。このセメントを基にした組成物は、通常のセメントを基にした組成物に比較して、水要求度が低くかつ乾燥形態で望ましい流動性を示す。本発明に従うセメントを基にした組成物から結果として作られる構造物または複合体は、通常のポゾランを用いて製造されたセメントを基にした組成物から作られた構造物に比較して、高い圧縮強度を示す。
【００１３】
本発明は、１つの態様において、少なくとも１種のセメント様材料と少なくとも１種の高反応性ポゾランを含有するセメントを基にした組成物に関し、この態様における高反応性ポゾランはスプレー乾燥メタカオリン（ｓｐｒａｙ−ｄｒｉｅｄ ｍｅｔａｋａｏｌｉｎ）を含んで成る。
【００１４】
別の態様でも、本発明は、少なくとも１種のセメント様材料と少なくとも１種の高反応性ポゾランを含有するセメントを基にした組成物に関するが、この態様では、前記高反応性ポゾランをこれが微細粒子の凝集球（ａｇｇｌｏｍｅｒａｔｅｄ ｂｅａｄｓ）で構成されているとして特徴づけ、ここでは、前記凝集球に少なくとも約１０ミクロンの直径中央値（ｍｅｄｉａｎ ｄｉａｍｅｔｅｒ）を持たせかつ前記微細粒子に約５ミクロン以下の直径中央値を持たせる。
【００１５】
更に別の態様でも、本発明は、少なくとも１種のセメント様材料と少なくとも１種の高反応性ポゾランを含有するセメントを基にした組成物に関するが、この態様における高反応性ポゾランは凝集したメタカオリンと分散剤を含んで成る。
【００１６】
（発明の詳細な記述）
本発明のセメントを基にした組成物は、セメントを基にした用途、例えばスイミングプール用プラスター（ｐｌａｓｔｅｒｓ）、グラウト（ｇｒｏｕｔｓ）、モルタルおよびコンクリートなどで用いることを意図した組成物である。本発明の組成物は少なくとも１種のセメント様材料と少なくとも１種の高反応性ポゾランと場合により少なくとも１種の分散剤（ｄｉｓｐｅｒｓａｎｔ）を含有する。このセメントを基にした組成物は、セメント様組成物と高反応性ポゾラン材料［これはコンクリートまたは他の材料中で水と反応して結合剤（ｂｉｎｄｅｒ）を生じる］の全体を一緒にした乾燥混合物である。コンクリートは、セメントを基にした組成物と水と任意の混和材と骨材で構成されている建設材料である。
【００１７】
セメント様材料にセメントを生じさせる時に典型的に要求される材料を含める。一般的に言って、セメント様材料は、固体と固体を連結する媒体を形成するように硬化する結合剤材料である。セメント様材料に、セメント（これは、微粉砕された石灰とアルミナとシリカから作られていて他の材料と一緒になって水和物を形成することで硬化して堅い生成物を生じるであろう任意の混合物である）、例えばポートランドセメント、水硬セメント、ブレンドされたセメントおよびメーソンリーセメントなど、モルタル（ｍｏｒｔａｒ）、および関連骨材、混和材および／または添加剤［水和石灰、石灰石、チョーク、石灰質シェル（ｃａｌｃａｒｅｏｕｓ ｓｈｅｌｌ）、タルク、スラグまたは粘土を包含］を含める。
【００１８】
通常のポートランドセメントは、ポートランドセメントクリンカーを粉末状にすることで作られた水硬セメントである。ポートランドセメントはＡＳＴＭ標準Ｃ １５０−９５の下で下記を含む８種類に分類分けされる：一般コンクリート構造物で用いられるタイプＩ（タイプＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶおよびＶの条件になっている特殊な特性が要求されない）；中程度の硫酸塩作用にさらされるか或は中程度の水和熱が要求される一般コンクリート構造物で用いられるタイプＩＩ；初期の高い強度が要求される用途のタイプＩＩＩ；水和熱が低いことが要求される用途のタイプＩＶ；高い耐硫酸塩性が要求される用途のタイプＶ；そして空気連行剤が添加されている以外はそれぞれタイプＩ、ＩＩおよびＩＩＩと同じタイプＩＡ、ＩＩＡおよびＩＩＩＡ。本発明の文脈で「通常のポートランドセメント」には、ＡＳＴＭ Ｃ １５０−９５に示されている如き全種類（Ｉ−ＶおよびＩＡ−ＩＩＩＡ）のポートランドセメントが含まれる。
【００１９】
本発明のセメントを基にした組成物は、１つの態様において、セメント様材料を約５０重量％から約９９．５重量％含有する。別の態様における本発明のセメントを基にした組成物は、セメント様材料を約７５重量％から約９９重量％含有する。
【００２０】
このセメントを基にした組成物に少なくとも１種の高反応性ポゾランを含有させる。本発明に従うセメントを基にした組成物は、高反応性ポゾランを含有させていないセメントを基にした組成物に比較して、低い水要求度、高い圧縮強度および高い流動性の中の少なくとも１つを示す。１つの態様において、本発明のセメントを基にした組成物の高反応性ポゾラン含有量は約０．５重量％から約５０重量％である。別の態様における本発明のセメントを基にした組成物の高反応性ポゾラン含有量は約１重量％から約２５重量％である。更に別の態様における本発明のセメントを基にした組成物の高反応性ポゾラン含有量は約２重量％から約２０重量％である。
【００２１】
前記高反応性ポゾランは、本発明の結果として高い圧縮強度を示す複合体を得ることを可能にする点で高い反応性を示す。即ち、高反応性ポゾランを含有させた本発明のセメントを基にした組成物の成分は、本明細書に記述する如き高反応性のポゾランを含有しないセメントを基にした組成物を用いた時に比較して、高い圧縮強度を示す複合体が得られるような様式で反応を起こして硬化する。この高反応性ポゾランはセメント様価値（ｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓ ｖａｌｕｅ）をほとんどか或は全く持たないが、これは水分が存在していると通常の温度で水酸化カルシウムと化学的に反応してセメント様特性を示す化合物を生じる。
【００２２】
この高反応性ポゾランを微細粒子の凝集球で構成させる。１つの態様では前記凝集球が約１０ミクロンから約１００ミクロン（約１０ミクロンを越える）の粒子サイズ中央値を示すようにする。別の態様では前記凝集球が約１５ミクロンから約５０ミクロン（約１５ミクロンを越える）の粒子サイズ中央値を示すようにする。更に別の態様では前記凝集球が約２０ミクロンから約４０ミクロン（約２０ミクロンを越える）の平均粒子サイズを示すようにする。
【００２３】
１つの態様では前記微細粒子が約０．１ミクロンから約５ミクロン（約５ミクロン以下）の粒子サイズ中央値を示すようにする。別の態様では前記微細粒子が約０．２ミクロンから約２ミクロン（約２ミクロン以下）の粒子サイズ中央値を示すようにする。更に別の態様では前記微細粒子が約０．２５ミクロンから約０．７５ミクロン（約０．７５ミクロン以下）の粒子サイズ中央値を示すようにする。
【００２４】
好適な態様では、前記微細粒子が示す粒子サイズ分布を微細粒子の約９５％が約０．２ミクロンから約５ミクロンであるような粒子サイズ分布にする。別の好適な態様では、前記凝集球が示す粒子サイズ分布を凝集球の約９５％が約１５ミクロンから約３０ミクロンであるような粒子サイズ分布にする。別の態様では、前記メタカオリン粒子の凝集球が示す粒子直径中央値がその成分であるメタカオリン微細粒子のそれの少なくとも５倍であるようにする。約０．１ミクロンより小さい微細粒子が存在していても典型的には前記凝集球の性能が否定的な影響を受けることはないが、約１０ミクロンを越える微細粒子が存在していると本発明の凝集球の物理的一体性が低下する可能性があることから、それの量を最小限にすべきである。
【００２５】
前記範囲の粒子サイズを測定する方法および装置は数多く存在する。本発明の目的で、Ｍｉｃｒｏｍｅｒｅｔｉｃｓ，Ｉｎｃ．のＳＥＤＩＧＲＡＰＨ（商標）５１００粒子サイズ分析装置を用いた通常の沈降技術で粒子サイズを測定する。粒子を水に分散剤と一緒に入れてスラリー状にした後、緩い凝集物を分散させる目的で撹拌を伴わせて検出器にポンプ輸送する。
【００２６】
本発明で用いるに適した高反応性ポゾランの調製は、少なくとも１種のメタカオリンが入っている液状スラリーを凝集させることを含んで成る方法で実施可能である。好適な態様では、水と結合しているメタカオリンが約０．１ミクロンから約５ミクロンの粒子サイズを示すようにする。大きい方のメタカオリン粒子を粉砕または微粉砕しそして／またはふるい分け、遠心分離、空気による分級または他の分離手段で約１０ミクロンより大きい粒子を除去することを通して、メタカオリンの所望粒子サイズ分布を得ることができる。
【００２７】
メタカオリンは本分野の通常の技術者に公知であり、これの調製は含水カオリン（これは一般に式Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂・２Ｈ₂Ｏで表され、これの水は間隙水として存在する）に焼成を受けさせることで実施可能である。典型的には、焼成を約３５０℃から約１０００℃、より典型的には約５００℃から約９００℃の温度で行うことで、本発明のメタカオリンの調製を行う。本明細書では、カオリナイト（ｋａｏｌｉｎｉｔｅ）に活性化を受けさせた生成物（熱または他の任意手段で生じさせた）を意味させる目的で用語「メタカオリン」および「メタカオリナイト」を用いる。標準記号ＡおよびＳ（Ａ＝Ａｌ₂Ｏ₃およびＳ＝ＳｉＯ₂）を用いてメタカオリンの省略式をＡＳ₂として記述することができる。
【００２８】
１つの態様では、メタカオリンを液体と一緒にすることでスラリーを生じさせる。前記液体は典型的には水であるが、それにまた有機液および水−有機液混合物を含めることも可能である。場合により、前記メタカオリンが前記スラリー中で示す分散を助長する目的でそれに少なくとも１種の分散剤を有効量で含めてもよい。このような分散剤は前以て作られた分散剤であってもよく、それを前記スラリーに添加してもよいか、或はそれを前記スラリー中で生じさせてもよい。
【００２９】
前記スラリーは典型的に中性であり、これが示すｐＨは例えば約６から約８、好適には約６．５から約７．５である。必要ならば、前記スラリーの最終的ｐＨがほぼ中性になるように酸または塩基を添加して前記スラリーのｐＨを調整することも可能である。このスラリーの調製を典型的には周囲温度および大気圧下で実施する。より高いか或はより低い温度および圧力を用いることも可能であるが、必要ではない。
【００３０】
本発明で用いるに適した分散剤には有機分散剤および無機分散剤が含まれる。分散剤には一般にアンモニアを基にした分散剤およびホスフェートを基にした分散剤が含まれる。分散剤には更にスルホネート分散剤、カルボン酸分散剤および高分子量分散剤、例えばポリアクリレート分散剤なども含まれる。
【００３１】
１つの態様では、前記スラリーに１種以上の分散剤をメタカオリンの約０．１から約２０重量％の量で添加する。別の態様では、前記スラリーに１種以上の分散剤をメタカオリンの約０．５から約１０重量％の量で添加する。更に別の態様では、前記スラリーに１種以上の分散剤をメタカオリンの約１から約８重量％の量で添加する。
【００３２】
無機ホスフェートを基にした分散剤には、燐酸ジアンモニウム、燐酸ジカリウム、燐酸ジナトリウム、燐酸モノアンモニウム、燐酸モノカリウム、燐酸モノナトリウム、トリポリ燐酸カリウム、酸性ピロ燐酸ナトリウム、ヘキサメタ燐酸ナトリウム、トリポリ燐酸ナトリウム、ピロ燐酸テトラカリウム、ピロ燐酸テトラナトリウム、燐酸トリカリウム、燐酸トリナトリウム、燐酸尿素およびそれらの混合物が含まれる。
【００３３】
スルホネート分散剤には、ナフタレンスルホネート、アルキルナフタレンスルホネート、エトキシル化アルキルフェノールスルホネート、石油スルホネート、脂肪酸スルホネート、リグノスルホネート、オレフィンスルホネート、アミンスルホネートおよびアルキルアリールスルホネートが含まれる。具体例にはＷｉｔｃｏ Ｃｏｒｐ．から商標Ｍｏｒｗｅｔ^Rの下で入手可能な分散剤、Ｈｅｎｋｅｌ Ｃｏｒｐ．から商標Ｓｅｌｌｏｇｅｎの下で入手可能な分散剤、およびＥｍｋａｙ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏ．から商標Ｅｍｋａｐｏｎの下で入手可能な分散剤が含まれる。
【００３４】
カルボン酸には、典型的に、炭素原子を約６から約２５個含む有機酸およびそれらの相当する塩が含まれる。別の態様におけるカルボン酸には、典型的に、炭素原子を約８から約２０個含む有機酸およびそれらの相当する塩が含まれる。
【００３５】
ポリアクリレートには、ポリアクリル酸、アクリル酸コポリマー（ａｃｒｙｌｉｃ ｃｏｐｏｌｙｍｅｒｓ）の塩、アクリル酸コポリマー（例えばマレイン酸との）、およびアンモニウムもしくはアルカリ金属のポリアクリレートおよびポリカルボキシレート塩（ｐｏｌｙｃａｒｂｏｘｙｌａｔｅ ｓａｌｔｓ）が含まれる。具体例には、Ｒｏｈｍ ＆ Ｈａａｓ Ｃｏ．から商標Ａｃｕｍｅｒ^RおよびＡｃｕｓｏｌの下で入手可能なポリアクリレート、Ｒｈｏｎｅ−Ｐｏｕｌｅｎｃ Ｃｏｒｐ．から商標Ｃｏｌｌｏｉｄの下で入手可能なポリアクリレート、およびＭａｙｏ Ｃｈｅｍｉｃａｌから商標Ｍａｙｏｓｐｅｒｓｅの下で入手可能なポリアクリレートが含まれる。
【００３６】
１つの態様では、本セメントを基にした組成物および／またはポゾラン組成物にまた減水剤および超可塑剤の少なくとも１種も含有させる。また、前記粒子が液状媒体中で示す分散／懸濁を助長する目的で前記混合物に凝集剤（ｆｌｏｃｃｕｌａｔｉｎｇ ａｇｅｎｔ）を少量混合することも可能である。加うるに、メタカオリン以外の材料を前記混合物に混合することも可能である。硫黄、石鹸、燐または他の有害な化合物を選択的に吸着させる目的で、例えば特殊な水溶性もしくは水分散性吸着剤（例えばシリカ、アルミナまたは他の粘土）を前記混合物に少量混合して、それが最終的に凝集球の中に取り込まれるようにしてもよい。追加的添加剤材料には、石膏、アルカリ塩、水和釜粉じん（ｋｉｌｎ ｄｕｓｔ）、水和石灰、フライアッシュ、可塑剤などが含まれる。
【００３７】
１つの態様では、本セメントを基にした組成物および／または高反応性ポゾランに結合剤、例えばカルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコールおよび／またはポリビニルピロリドンなどを含有させる。別の態様では、本セメントを基にした組成物および／または高反応性ポゾランに結合剤、例えばカルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコールおよび／またはポリビニルピロリドンなどを含有させない。好適な態様では、前記高反応性ポゾラン組成物に結合剤、例えばカルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコールおよび／またはポリビニルピロリドンなどを含有させない。
【００３８】
別の態様では、本セメントを基にした組成物および／または高反応性ポゾランに少なくとも１種の結合剤材料、好適には水分散性結合剤を少量含有させる。「水分散性結合剤」を本明細書で用いる場合、これは、この結合剤が典型的な工程条件下で水または他の液状媒体に溶解し得るか或はそれに充分に分散または懸濁することを意味する。本発明の文脈内で使用に適した結合剤には、アルギン酸塩、デキストリン、グルコース、ゴム、澱粉、ワックス、糊；高分子量化合物、例えばポリ（酢酸ビニル）など；鉱酸、例えば硫酸および燐酸など；ホスフェート、例えば燐酸アンモニウムなど；ケイ素化合物、例えばアルカリ性シリケートおよびシリカヒドロゾルなど；そしてコロイド状粘土、例えばアタパルジャイトなどが含まれる。このような結合剤材料を、典型的には、水分を除く基準で、前記高反応性ポゾランの約１０重量％以下、好適には約１重量％から約５重量％の量で存在させる。高分子化合物をただ１つの結合剤として存在させる場合、これを、典型的には、水分を除く基準で、前記高反応性ポゾランの約３重量％以下の量で存在させ、そしてコロイド状粘土をただ１つの結合剤として存在させる場合、これを、水分を除く基準で、前記高反応性ポゾランの約５重量％以下の量で存在させる（この文脈で重量を本明細書で用いる場合、これは、加熱を約２５０度Ｆで一定重量になるまで行った後に達成された重量を意味する）。
【００３９】
前記メタカオリンの凝集、即ち前記凝集球の成形は、前記スラリーのスプレー乾燥を行うか、前記スラリーの瞬間乾燥（ｆｌａｓｈ ｄｒｙｉｎｇ）を行うか、前記スラリーの回転乾燥混合（ｒｏｔａｒｙ ｄｒｙｉｎｇ，ｍｉｘｉｎｇ）を行うか、或は他の凝集技術を用いて実施可能である。瞬間乾燥技術は粘土産業で公知である。スプレー乾燥技術も粘土産業で公知である。参照として、例えばＷ．Ｒ．Ｍａｒｓｈａｌｌ著「Ａｔｏｍｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｐｒａｙ Ｄｒｙｉｎｇ」［Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｍｏｎｏｇｒａｐｈ Ｓｅｒｉｅｓ、Ｎｏ．２、５０巻（１９５４）］（これはそれに関する教示に関して引用することによって本明細書に組み入れられる）を参考のこと。
【００４０】
スプレー乾燥では、必要ならば、メタカオリンと液体（好適には水）と任意の添加剤または材料の混合物に液体を添加することで、メタカオリンのスラリーをポンプ輸送および噴霧することができるように調整する。１つの態様では、このようなスラリーに入っているメタカオリンの濃度をこのスラリーの少なくとも４０重量％にする。別の態様では、前記スラリーに入っているメタカオリンの濃度をこのスラリーの少なくとも５０重量％にする。更に別の態様では、前記スラリーに入っているメタカオリンの濃度をこのスラリーの少なくとも６０重量％にする。流動学的考慮から、相互作用する粒子が小さいと粘性のある混合物が生じる傾向があり、このように輸送特性は粒子の大きさばかりでなくそれの濃度にも依存することを特記する。次に、前記混合物、即ちスラリーを不活性（本製品に対して）な熱ガスの雰囲気の中に噴霧する。
【００４１】
いろいろなデザインのスプレー乾燥器（ｓｐｒａｙ ｄｒｙｅｒｓ）を用いることができる。このような乾燥器は並流、向流または混合流型の乾燥器であってもよい。前記スラリーを分散させて液滴を生じさせる目的でノズル、ディスクなどを用いることができる。このようなスプレー乾燥器の流入空気および流出空気の温度は、勿論、当該乾燥器のデザインに依存するであろう。凝集球が乾燥室内で示す実際の内部温度が２２５度Ｆ未満、例えば約１８０度Ｆから２００度Ｆであるようにすべきである。このような温度にすると、当該粘土（遊離水は除去されているが、間隙水は除去されていない）の結晶構造はほとんどか或は全く変化しない。そのようにして生じさせた液滴はメタカオリンの凝集した多孔質球になり、これを前記乾燥室の下流において通常方法で集める。並流乾燥器を用いる場合には流出空気温度が約２５０度Ｆから約３００度Ｆの範囲内になるように流入空気温度および粘土スラリー供給速度を調整する。
【００４２】
別の態様では、メタカオリンと液体（好適には水）と任意材料の混合物を機械的混合装置で凝集させてもよい。混合は典型的に高せん断混合装置の使用を伴う。好適な種類の混合装置は、ピンまたはブレードが用いられていて固体状粒子と結合剤と水が凝集物を形成するような様式でそれらが互いに衝突または接触するように前記ピンまたはブレードの先端が高速で移動するように回転軸に半径方向に取り付けられている混合装置である。正味球形の粒子は時間と共に大きく成長する傾向がある。このような現象は、前記ブレードまたはピンの先端が固定式壁にか或はいろいろな相対速度で動く固体物（例えば別のブレードまたはピン）に非常に近づくことによって増強される。このようなせん断運動（ｓｈｅａｒｉｎｇ ｍｏｔｉｏｎ）で渦巻きが作り出されることによってその成長する球の球形度（ｓｐｈｅｒｉｃｉｔｙ）が向上する傾向がある。
【００４３】
あまりエネルギー集約的でない他の機械的接触方法が本分野の技術者に知られており、それらには、ドラムまたは皿型顆粒装置、流動または噴流（ｓｐｕｔｅｄ）床顆粒装置、またはタンブリング（ｔｕｍｂｌｉｎｇ）、回転、振動または旋動顆粒装置の使用が含まれる。このような方法の説明に関しては、例えばＳｈｅｒｒｉｎｇｔｏｎ，Ｐ．Ｊ．、Ｇｒａｎｕｌａｔｏｎ、Ｈｅｙｄｅｎ ＆ Ｓｏｎ，Ｌｔｄ．（１９８１）（これはそれに関する教示に関して引用することによって本明細書に組み入れられる）を参照のこと。前記および同様な装置を用いて粒子を生じさせることができるが、必ずしも全部がこの直ぐに利用できる発明の実施で用いるに最適であるとは限らない。
【００４４】
本発明は、メタカオリンの凝集した強い多孔質球を約１０から約１００ミクロンの範囲の比較的小さい粒子サイズで提供するものである。「強度」は多数種の摩滅試験で定義可能である。例えば、製品を油に入れて撹拌した後に粒子サイズまたはフィルターレート（ｆｉｌｔｅｒ ｒａｔｅ）を測定することで相対的な強度測定値を得ることができるであろう。別法として、製品をループ（ｌｏｏｐ）の中にある時間に渡って空気輸送するならば、それによって、強い粒子を弱い方の配合物（ｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎｓ）から分離することができるであろう。
【００４５】
前記凝集球がメタカオリン微細粒子を約７０から約１００重量％と１種以上の分散剤および添加剤を約０から約３０重量％含有するようにする。別の態様では、前記凝集球がメタカオリン微細粒子を約８０から約９９重量％と１種以上の分散剤および添加剤を約１から約２０重量％含有するようにする。更に別の態様では、前記凝集球がメタカオリン微細粒子を約９０から約９８重量％と１種以上の分散剤および添加剤を約２から約１０重量％含有するようにする。
【００４６】
この凝集球を前記セメント様材料と一緒にすることでセメントを基にした組成物を生じさせる。このセメントを基にした組成物に水を添加するとセメントペーストが生じる。水と前記セメントを基にした組成物と所望の任意骨材、混和材または添加剤を一緒にすることでスイミングプール用プラスター、グラウト、コンクリートおよびモルタルを生じさせる。
【００４７】
従来技術のセメント系では、通常の焼成を受けていて充分に微細な粒子サイズを有する粘土を用いると、通常のポートランドセメントが示す水要求度に比べて水要求度が高くなってしまう。このように水要求度が高くなることは、従来技術のセメント様系に通常の焼成粘土を含有させると初期の圧縮強度が通常のポートランドセメントのそれに比較して顕著に低くなってしまうことと相互に直接関係している。このように水要求度が明らかに高くなっても減水剤または超可塑剤（高い範囲の減水剤）と呼ばれる化学混和材を用いることで相殺可能である。モルタルの場合、ＡＳＴＭ Ｃ２３０−９０に記述されている如きフローテーブル（ｆｌｏｗ ｔａｂｌｅ）装置を用いた時の加工性と水要求度は相互に関係し得る。ＡＳＴＭ Ｃ１０９／１０９Ｍ−９５のセクション１０に示されている手順に従ってフローを測定する。前記ＡＳＴＭ試験方法の番号の後に続く番号は、そのＡＳＴＭ試験方法が特定の年に有効になったことを示しており、例えばＡＳＴＭ試験方法の後に９５が続く場合には１９９５年に有効になったことを示している。
【００４８】
ＡＳＴＭ Ｃ １０９／１０９Ｍ−９５では、水硬セメントモルタルの流動性および圧縮強度を量化する。この圧縮強度は、試験片が軸方向の圧縮負荷に対して示す最大測定抵抗値であり、これを通常は断面積単位当たりの力として表す。このＡＳＴＭ試験方法を具体的に示すが、本分野の技術者は、示す品質または結果を得る試験で代替方法を用いることができることに気づくであろう。ただ１つの差は結果または品質をいろいろな様式で報告することができる点にあり、変換システム（ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ）を用いて匹敵する結果を得ることができるであろう。従って、本発明は、言及する試験方法およびその結果で限定されるべきでなく、限定されるのは、むしろ、相当する試験方法および結果を考慮に入れて挙げる如き本請求の範囲によってのみである。
【００４９】
本発明の実施例を本明細書の以下に含める。勿論、本実施例は本発明を限定することを意図したものでない、と言うのは、通常手段による本実施例の修飾形が本分野の通常の技術者に容易に明らかになるであろうからである。以下に示す実施例そして本明細書および請求の範囲の他の場所に特に明記しない限り、部およびパーセントは全部重量であり、温度は摂氏度であり、圧力は大気圧またはほぼ大気圧である。
【００５０】
２種類のモルタル組成物（一方の組成物は本発明に従いそしてもう一方の組成物は本発明に従わない）を調製して比較する。１番目の組成物（本発明に従う）では、モルタルセメントが９３重量％で凝集球形態のスプレー乾燥メタカオリンが７重量％のセメントを基にした組成物と水をセメントに対する水の比率が０．４８になるように一緒にする。２番目の組成物（本発明に従わない）では、モルタルセメントが９３重量％で通常のメタカオリンが７重量％のセメントを基にした組成物と水をセメントに対する水の比率が０．４８になるように一緒にする。
【００５１】
１番目として、流動性を試験する。その結果は、本発明に従って生じさせた複合体が示す水要求度の方が低いことを示している。前記１番目の組成物と前記２番目の組成物が同じ流動性または加工性を示すようにする目的で、前記１番目の組成物には超可塑剤である化学混和材を１．２重量％添加したが前記２番目の組成物には同じ超可塑剤である化学混和材を３．２重量％添加した（前記２番目の組成物が前記１番目の組成物と同じ流動性を示すようにする目的で前記２番目の組成物に超可塑剤である化学混和材をより多い量で添加する）。このことは、スプレー乾燥メタカオリンを含有させた１番目の組成物の方が水要求度が低いことを示している。
【００５２】
２番目として、経時的圧縮強度を試験する。各モルタル組成物を２インチ立方体に成形して圧縮強度を試験する。報告する圧縮強度は試験した２個の立方体［各試験時期（ｔｅｓｔｉｎｇ ａｇｅ）に各組成物］の平均を表している。これらのモルタル立方体を試験下に置かない時には、それらを石灰水に入れて貯蔵する。結果を表１に報告する。
【００５３】

１つの態様において、本発明に従うセメントを基にした組成物と一緒にする水の量は、通常のセメントを基にした組成物、例えば通常のポゾラン（通常のメタカオリンを包含）を用いて作られた組成物［水以外の他の成分、例えば任意の添加剤などの量は同じである］などがそれと同じ流動性を示すようになるに要した水の量に比べて約５％少ない。別の態様において、本発明に従うセメントを基にした組成物と一緒にする水の量は、通常のセメントを基にした組成物、例えば通常のポゾラン（通常のメタカオリンを包含）を用いて作られた組成物［水以外の他の成分、例えば任意の添加剤などの量は同じである］などがそれと同じ流動性を示すようになるに要した水の量に比べて約１０％少ない。更に別の態様において、本発明に従うセメントを基にした組成物と一緒にする水の量は、通常のセメントを基にした組成物、例えば通常のポゾラン（通常のメタカオリンを包含）を用いて作られた組成物［水以外の他の成分、例えば任意の添加剤などの量は同じである］などがそれと同じ流動性を示すようになるに要した水の量に比べて約２０％少ない。このことは注目すべき向上である、と言うのは、水要求度が低いことは密度が高くかつ強度が高いことに関係しているからである。
【００５４】
通常のセメントを基にした組成物［通常のポゾラン（通常のメタカオリンを包含）を用いて作られた組成物］が示した自由かさ密度（ｌｏｏｓｅ ｂｕｌｋ ｄｅｎｓｉｔｙ）は１５ポンド／立方フィートで突固め（ｔａｍｐｅｄ）かさ密度は２８ポンド／立方フィートである。１つの態様において、本発明に従うセメントを基にした組成物が示した自由かさ密度（ＡＳＴＭ Ｄ７１６−８６に従う）は少なくとも約２５ポンド／立方フィートである。別の態様において、本発明に従うセメントを基にした組成物が示した自由かさ密度（ＡＳＴＭ Ｄ７１６−８６に従う）は少なくとも約３０ポンド／立方フィートである。更に別の態様において、本発明に従うセメントを基にした組成物が示した自由かさ密度（ＡＳＴＭ Ｄ７１６−８６に従う）は少なくとも約３３ポンド／立方フィートである。
【００５５】
１つの態様において、本発明に従うセメントを基にした組成物が示した突固めかさ密度は少なくとも約３５ポンド／立方フィートである。別の態様において、本発明に従うセメントを基にした組成物が示した突固めかさ密度は少なくとも約４０ポンド／立方フィートである。更に別の態様において、本発明に従うセメントを基にした組成物が示した突固めかさ密度は少なくとも約４５ポンド／立方フィートである。
【００５６】
本発明に従って生じさせたモルタル組成物は優れた加工性を示すばかりでなくまた優れた圧縮強度も示す。加工性と圧縮強度の両方を同時に向上させるのは困難であるが、本発明は、加工性と圧縮強度の両方の向上を示すセメントを基にした組成物を提供する。本発明はまた比較的高いかさ密度（自由および／または突固め）を有するセメントを基にした組成物も提供する。
【００５７】
本発明を好適な態様に関して説明してきたが、本明細書を読んだ後の本分野の技術者にそれのいろいろな修飾形が思い浮かぶであろうと理解されるべきである。従って、添付請求の範囲の範囲内に入る如きそのような修飾形を本明細書に開示する発明に包含させることを意図すると理解されるべきである。

Claims (20)

1. 少なくとも１種のセメント様材料と少なくとも１種の高反応性ポゾランを含んで成るセメントを基にした組成物であって、前記高反応性ポゾランがスプレー乾燥メタカオリンを含んで成るセメントを基にした組成物。
2. 前記スプレー乾燥メタカオリンが含水カオリンに熱処理を受けさせそして前記熱処理を受けさせた含水カオリンを水と一緒にしてメタカオリンのスラリーを生じさせそして前記メタカオリンにスプレー乾燥を受けさせてスプレー乾燥メタカオリンを生じさせることで作られたものである請求項１記載のセメントを基にした組成物。
3. 前記スラリーがメタカオリンを少なくとも４０重量％含んで成る請求項２記載のセメントを基にした組成物。
4. 前記高反応性ポゾランが更に分散剤も含んで成る請求項１記載のセメントを基にした組成物。
5. 前記分散剤がアンモニアを基にした分散剤、ホスフェートを基にした分散剤、スルホネート分散剤、カルボン酸分散剤および高分子量分散剤の少なくとも１種を含んで成る請求項４記載のセメントを基にした組成物。
6. 前記高反応性ポゾランがメタカオリンの微細粒子を含んで成る凝集球の形態である請求項１記載のセメントを基にした組成物。
7. 前記セメント様材料を５０％から９９．５％と前記高反応性ポゾランを０．５％から５０％含んで成る請求項１記載のセメントを基にした組成物。
8. 少なくとも１種のセメント様材料と少なくとも１種の高反応性ポゾランを含んで成るセメントを基にした組成物であって、前記高反応性ポゾランがスプレー乾燥メタカオリンを含んで成り且つ５ミクロン以下の直径中央値を有する微細粒子から作られた少なくとも１０ミクロンの直径中央値を有する凝集球で構成されているとして特徴づけられるセメントを基にした組成物。
9. 前記微細粒子が０．７５ミクロン以下の直径中央値を有する請求項８記載のセメントを基にした組成物。
10. 前記凝集球が少なくとも２０ミクロンの直径中央値を有する請求項８記載のセメントを基にした組成物。
11. 前記凝集球が少なくとも１５ミクロンの直径中央値を有する請求項８記載のセメントを基にした組成物。
12. 少なくとも１種のセメント様材料と少なくとも１種の高反応性ポゾランを含んで成るセメントを基にした組成物であって、前記高反応性ポゾランが凝集球形態のスプレー乾燥メタカオリンと分散剤を含んで成るセメントを基にした組成物。
13. 前記凝集したメタカオリンが高せん断混合されたメタカオリンを含んで成る請求項１２記載のセメントを基にした組成物。
14. 前記分散剤がアンモニアを基にした分散剤、ホスフェートを基にした分散剤、スルホネート分散剤、カルボン酸分散剤および高分子量分散剤の少なくとも１種を含んで成る請求項１２記載のセメントを基にした組成物。
15. 前記分散剤がポリアクリレート分散剤を含んで成る請求項１２記載のセメントを基にした組成物。
16. 前記高反応性ポゾランが前記分散剤を０．１重量％から２０重量％含有する請求項１２記載のセメントを基にした組成物。
17. 前記セメント様材料がポートランドセメントを含んで成る請求項１２記載のセメントを基にした組成物。
18. 前記凝集したメタカオリンを８０％から９９％と前記分散剤を１％から２０％含んで成る前記高反応性ポゾランを１重量％から５０重量％と前記セメント様材料を５０重量％から９９重量％含んで成る請求項１２記載のセメントを基にした組成物。
19. 少なくとも３０ポンド／立方フィートの自由かさ密度を有する請求項１２記載のセメントを基にした組成物。
20. 少なくとも４０ポンド／立方フィートの突固め密度を有する請求項１２記載のセメントを基にした組成物。