JP7288856B2 - 無機添加物と炭酸化性ケイ酸カルシウムからの軽量複合材料の製造 - Google Patents
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Description
本願は、２０１７年３月２３日に出願された米国仮出願第６２／４７５，４０３号に対する優先権の利益を主張し、その全内容は参照により本明細書に組み込まれる。
本発明は、概して、気泡複合材料およびその製造プロセスに関する。より具体的には、本発明は、炭酸化性ケイ酸カルシウム組成物から作られた新規な気泡複合材料、ならびにその配合物、製造方法および使用に関し、特に、軽量コンクリート材料の耐久性と強度などの特性を改善するための新規な添加無機組成物の使用に関する。本発明の気泡複合材料は、炭酸化性ケイ酸カルシウム組成物の硬化生成物として、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）およびシリカ（ＳｉＯ２）からなる。
一般に、オートクレーブ気泡コンクリート（「通常のＡＡＣ」）は、セメントおよび石灰（ＣａＯ）の石灰質材料、シリカ（ＳｉＯ２）、ケイ砂（ＳｉＯ２）などのケイ質材料、石膏（ＣａＳＯ４・２Ｈ２Ｏ）などの他の材料、フライアッシュなどの製造時に生成されるリサイクル材料、金属アルミニウムおよび他の通気剤、気泡を安定化するための界面活性剤ならびにその他のフィラーなどの原料を用いて、高温高圧（例えば、１９０℃、１２気圧）下で６～８時間硬化させて形成される軽量プレキャストコンクリートの一例である。通気剤は、マトリックスにガスの空隙を形成させ、材料の多孔性を増大させる。これにより、体積が増加し、それにより材料の密度が低下する。
その包括的な利点にもかかわらず、通常のＡＡＣは、通常多くの欠陥のあるプロセスによって準備される。通常のＡＡＣの製造プロセスには、特別な機器、大量のエネルギー消費および過剰な二酸化炭素排出が伴い、好ましくない二酸化炭素排出量が残る。通常のＡＡＣは、典型的には、オートクレーブで１５０℃～１９０℃の範囲の温度、０．８ＭＰａ～１．２ＭＰａの範囲の圧力で硬化する。これらの条件は、通常のＡＡＣの主要な結合要素であるトバモライトの生成につながる。さらに、それらは、高い仕上げコストのために比較的高価であり、リサイクルも困難である。
通常のＡＡＣは、同時にいくらかの量の水を保持することができる多数の細孔および泡からなる。この水は、通常のＡＡＣが通常の使用環境にある場合でも存在することがわかっている。通常のＡＡＣはその内部に多数の気泡を持っているため、空気からの二酸化炭素が時間とともに通常のＡＡＣの内部に浸透して、トバモライト結合要素の分解を開始することがある。浸透した二酸化炭素は、このような水にも溶解する可能性があり、そこにはさまざまな成分に由来するカルシウムも存在する。
さらに、通常のＡＡＣに存在する水は、カルシウムと二酸化炭素との間の反応を助けて、沈殿物として炭酸カルシウムを形成する。これは一般に「炭酸化」と呼ばれる。この炭酸化現象は、通常、従来のコンクリート材料で発生する。炭酸化の結果、コンクリート構造は密になり、その強度は増大するが、その水吸着は低下する。他の現象、例えば、構造（マトリックス）の収縮、微小亀裂の形成および中和に伴う鉄補強材の錆による強度の低下などが同時に発生する。同様の現象は、通常のＡＡＣでも発生する可能性がある。通常のＡＡＣでは、このような炭酸化が長時間にわたって過度に進行すると、前述のマトリックスの収縮が、従来のコンクリート材料の場合と同様に炭酸化に伴う問題を引き起こす可能性がある。過剰な炭酸化は、深刻な問題になり得る。
最近、炭酸化性ケイ酸カルシウム材料に基づく革命的な形態のセメントが、従来のセメントの有望な代替物として出現した。炭酸化性ケイ酸カルシウム系セメントの製造には、ＣＯ２排出とエネルギー消費の大幅な削減が含まれる。さらに、この新しいセメントは、コンクリート製品を形成するための硬化プロセス中に炭酸化性ケイ酸カルシウム材料と反応するためにＣＯ２が必要であるため、コンクリート製品に硬化するときにＣＯ２を隔離する。
コンクリートおよび通常のＡＡＣの炭酸化などの問題を根本的に回避するために、国際公開第２０１２／１２２０３１Ａおよび米国特許第９，８６８，６６７Ｂ２号は、従来のセメント、コンクリートまたはＣａＯ・２ＳｉＯ２・４Ｈ２ＯおよびＣａＯ・Ｈ２Ｏまたは他の弱水和ポルトランドセメントなどの他のセラミック材料の代わりに改善された結合マトリックスを開示している。そのような結合マトリックスの結合要素は、例えば、ケイ酸カルシウム（ＣａＳｉＯ３）で構成される前駆体粒子で構成される。
より具体的には、結合要素は、製造時にすでに十分に炭酸化されているため、少なくとも従来技術のコンクリートおよび通常のＡＡＣで時間の経過とともに生じる炭酸化の問題は回避される。この結合要素は、ガスアシスト水熱液相焼成の方法によって形成することができる。
さらに、国際公開第２０１４／１６５２５２Ａ号は、炭酸化性ケイ酸カルシウム組成物を使用する気泡複合材料によって構成される炭酸化－硬化材料およびその製造プロセスを開示している。国際公開第２０１４／１６５２５２Ａ号は、ケイ酸カルシウム組成物から作られた気泡複合材料を記載し、そこでは、複数の空隙が、複合材料の５０体積％～８０体積％を占める気泡形状および／または相互接続チャネルを含み、複合材料は、約３００ｋｇ／ｍ３～１５００ｋｇ／ｍ３の密度、約２．０ＭＰａ～約８．５ＭＰａ（Ｎ／ｍｍ２）の圧縮強度、そして約０．４ＭＰａ～約１．７ＭＰａの曲げ強度を示す。
炭酸化性ケイ酸カルシウム組成物から作られた気泡複合材料では、通常のＡＡＣにおける高温高圧雰囲気は必要とされず、オートクレーブは不要になる。それにより、硬化時の温度を大幅に下げることが可能になる。すなわち、炭酸化性ケイ酸カルシウム組成物を使用した気泡複合材料では、硬化自体に炭酸化が利用されるため、製造後の炭酸化を大幅に削減でき、過剰な炭酸化に関連する通常のＡＡＣの場合の問題の発生を根本的に排除できる。
さらに、国際公開第２０１６／１８７１７８号は、通常のＡＡＣと実質的に同じ密度で同等の圧縮強度を有する炭酸化性ケイ酸カルシウム組成物から製造された気泡複合材料を開示している。国際公開第２０１６／１８７１７８号は、０．００４μｍ～１０．０μｍの半径を有する細孔のほとんどが、炭酸化前に水で飽和していることを開示している。炭酸化性ケイ酸カルシウム組成物が炭酸化を受けると、これらの細孔は、炭酸カルシウムの沈殿によって効果的に満たされる。半径１０．０μｍ以上の気泡体積の細孔は、炭酸化される前に水で飽和しないため、これらの気泡では、炭酸カルシウムが吸着水層内でのみ沈殿する。気泡体積は、発泡剤（通気剤）、例えば、金属アルミニウムの投与量によって制御することもできる。気泡の体積の制御に加えて、気泡を支える固体部分の緻密化を制御することは非常に重要である。細孔容積の効果的な制御は、圧縮強度に大きく影響する。
プレキャストコンクリートは、多くの異なる用途で広く使用されており、制御された条件下でしばしば硬化される再利用可能な形態へのコンクリートの鋳造を伴う。気泡複合材料を含む多くの用途では、美的品質は、製品の物理的または機械的特性と同じくらい重要である。その結果、多くのプレキャスト軽量コンクリート製品の価値の多くは、厳格でしばしば要求の厳しい審美的基準を満たすことに基づいている。
したがって、炭酸化性ケイ酸カルシウム系セメントからの気泡コンクリート製造の分野では、軽量コンクリート製品において高い審美性を伴う優れた機械的特性および耐久性を達成する低コストの材料および信頼性があり効率的な方法論の必要性が存在する。
本発明は、粉砕ケイ酸カルシウム粒子を含む炭酸化性ケイ酸カルシウム系セメント（「ソリディアセメント」とも呼ばれる）から作られた気泡コンクリート製品の物理的特性（例えば、機械的特性および耐久性）を改善する新規な方法および組成物を提供する。
本明細書に開示される気泡（「軽量」と呼ばれることもある）コンクリート製造のプロセスは、特別に選択された無機添加剤、典型的には粗粒、微細粒および超微細粒子状もしくは粉末状の酸化マグネシウムまたは塩化マグネシウム、硝酸マグネシウム、硫酸マグネシウムまたは酢酸マグネシウムなどの水溶性マグネシウム塩を使用して、気泡コンクリート製品の、特に様々なプレキャスト用途で、特性を改善する。
例えば、酢酸マグネシウム粉末は、方解石の代わりにアラゴナイトなどの誘導結晶形態によって、炭酸化性ケイ酸カルシウム系セメントから製造されたコンクリート製品の強度を改善するために使用される。微細酸化マグネシウムは、加速炭酸化硬化プロセスでも使用され、Ｍｇ－方解石（マグネシア）、アラゴナイト、ドロマイトなどの炭酸カルシウム多形を安定化し、ケイ酸カルシウム系結合材の物理的特性を改善する。
一態様では、本発明は、概して、気泡複合材料の製造プロセスに関する。このプロセスは、湿式混合物またはスラリーを形成すること、ここで、スラリーは、水、０．１μｍ～１０００μｍの粒径を有するＣａＯを含むフィラー粒子、粉砕ケイ酸カルシウム粒子、酢酸マグネシウムまたは酸化マグネシウムを含む１つ以上の無機物および１．０以下の水／固体比（Ｗ／Ｓ）を有する通気剤を含み；スラリーを型に流し込むこと；通気剤に水素ガスを発生させ、それによってスラリーの体積膨張（または発泡）を引き起こすこと；得られた膨張混合物を、金型から取り出して移動できる硬度まで予備硬化すること；得られた予備硬化膨張混合物を所望の製品形状にワイヤーカットすること；ワイヤーカットした膨張混合物を、常圧、２０℃以上の温度、１％～９０％、好ましくは５～５０％、より好ましくは５～３０％の相対湿度で５％～９５％のＣＯ２ガス濃度の雰囲気中で約６時間～約６０時間、硬化させることを含む。
特定の実施形態において、１つ以上の無機物中の酢酸マグネシウムは、粉砕ケイ酸カルシウム粒子の約０．０２重量％～約１０重量％を占める。
特定の実施形態において、１つ以上の無機物中の酸化マグネシウムは、粉砕ケイ酸カルシウム粒子の重量で、約０．０２％～約２０％（例えば、約０．１％～約２０％、約０．５％～約２０％、約１％～約２０％、約５％～約２０％、約０．０２％～約１０％、約０．０２％～約５％、約０．０２％～約１％、約０．０２％～約０．１％）を占める。
別の態様において、本発明は、概して、本明細書に開示されるプロセスによって製造される気泡コンクリート製品に関する。
本発明の目的および特徴は、以下に説明する図面および特許請求の範囲を参照することにより、よりよく理解することができる。図面は必ずしも縮尺通りではなく、代わりに一般に本発明の原理を示すことに重点が置かれている。図面では、様々な図を通して同様の部分を示すために同様の数字が使用されている。
本発明は、粉砕ケイ酸カルシウム粒子を含む炭酸化性ケイ酸カルシウム系セメントから作られた気泡コンクリート製品などの軽量または低密度コンクリート製品の物理的特性を改善するための新規なアプローチを提供する。
本明細書に開示される気泡コンクリート製造のプロセスは、気泡コンクリート製品の特性を改善するために、特別に選択された無機物添加剤、典型的には粉末形態の酢酸マグネシウム、硝酸マグネシウム、硫酸マグネシウム、塩化マグネシウムおよび／または酸化マグネシウムを使用することを含む。
ここで、本発明の例示的な実施形態を詳細に説明する。
炭酸化性ケイ酸カルシウム系セメントおよびコンクリートは、従来のセメントおよびコンクリート製品の革新的な代替品である。これらの材料は、エネルギー要件とＣＯ２排出を大幅に削減して生産および利用できる。炭酸化性ケイ酸カルシウム組成物は、柔軟な設備と生産要件を備えた大規模生産に適したプロセスによって、広く入手可能な低コストの原料から作られる。このユニークなアプローチには、ＣＯ２の永続的かつ安全な隔離のための驚くべき進歩が伴う。建設、舗装および造園からインフラストラクチャーおよび輸送まで、エネルギー消費の改善とより望ましいカーボンフットプリントを通じて、さまざまな用途が本発明から利益を得ることができる。
本発明の特定の用途は、水の存在下で二酸化炭素が隔離される炭酸化反応プロセスによって強度を達成するケイ酸カルシウム系セメントを含む。水は、分散および形成などの一定の条件に必要であるが、最終反応生成物の主成分ではない。
さらに、特定の無機物組成物（例えば、酢酸マグネシウム、硫酸マグネシウム、硝酸マグネシウム、塩化マグネシウムまたは酸化マグネシウム）をコンクリート混合物に添加すると、気泡製品の機械的特性および耐久性も著しく改善できることが発見された。
理論に拘束されることを望まないが、水硬性鉱物ハトル石（Ｃ３Ｓ）を有さず、通常のポルトランドセメントのそれよりもはるかに低いＣａ／Ｓｉモル比を有するケイ酸カルシウム粉末の炭酸化中の強度生成は、２つのステップによって進む：（ｉ）ケイ酸塩リッチ（またはＣａ欠乏）ゲルのＸ線アモルファス層の形成、これによって、粉砕ケイ酸カルシウム粒子上の、ＣＯ２（気）と接触している外部表面に、Ｃａ２＋が拡散しなければならない；および（ｉｉ）そのＸ線アモルファスゲル層上での個々のＣａＣＯ３結晶の形成と、そのような個々のＣａＣＯ３結晶の、ＣａＣＯ３の３Ｄ相互接続ネットワークへのさらなる進化。
本明細書に開示されるように、Ｃａ２＋（１１４ｐｍ）のそれよりも小さいイオン半径を有するＭｇ２＋（８６ｐｍ）などのアルカリ土類カチオンの意図的な添加が、炭酸化の終わりに残る未反応ケイ酸カルシウムの量を減らすのに有効であることが判明し、これは、顕著な強度の増大をもたらした。Ｍｇ２＋は、ケイ酸カルシウム系セメント粒子の表面に形成する最初のＣＯ２硬化（すなわち、風化）生成物（これはＣａ欠乏、Ｘ線アモルファスケイ酸塩系ゲル層である）の全体に、より長い距離を拡散することができる。Ｍｇ２＋イオンは、以下の１つ以上から発生し得る：マグネシウム、酢酸マグネシウム、酸化マグネシウム、硫酸マグネシウム、硝酸マグネシウムまたは塩化マグネシウム。
コンクリート混合物の液体またはスラリー部分に添加されたマグネシウム、酸化マグネシウムまたは水溶性マグネシウム塩は、次いで、ＣＯ２硬化中に、in situでそれ自体をアラゴナイト（ＣａＣＯ３）、Ｍｇ－方解石（マグネシア）、マグネサイト（ＭｇＣＯ３）、ドロマイト（ＣａＭｇ（ＣＯ３）２）、ハイドロマグネサイト（Ｍｇ５（ＣＯ３）４（ＯＨ）２・４Ｈ２Ｏ）、ネスケホナイト（Ｍｇ（ＨＣＯ３）（ＯＨ）・２Ｈ２ＯまたはＭｇＣＯ３・３Ｈ２Ｏ）、ダイピンガイト（Ｍｇ５（ＣＯ３）４（ＯＨ）２・５Ｈ２Ｏ）、アーティナイト（Ｍｇ２ＣＯ３（ＯＨ）２・３Ｈ２Ｏ）、バリントン石（ＭｇＣＯ３・２Ｈ２Ｏ）またはランズフォーダイト（ＭｇＣＯ３・５Ｈ２Ｏ）のうちの１つ以上に炭酸塩化することができる。そのような水和相の形成は、そのすぐ周囲からのin situでの水の除去をもたらす。これらの塩基性（つまり、中性を超える固有のｐＨ値を持つ）相は、通常、針状または針状に結晶化し、これらの針の相互の連鎖／混合が生成物の強度を高めるのにさらに役立つ。炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、炭酸カルシウムマグネシウム、ヒドロキシ炭酸マグネシウムおよび／または水和炭酸マグネシウムのこのような針状またはひげ状結晶の形成は、強度の生成と保存の性質と程度を積極的に変え得る。
コンクリートおよびモルタルバッチの形成水中の酢酸イオンおよび／または酢酸のわずかな存在は、炭酸化時にケイ酸カルシウム系サンプルの平均強度を増大させることも示された。
ＣａＯ－ＣＯ２－Ｈ２Ｏ系とは全く対照的に、ＭｇＯ－ＣＯ２－Ｈ２Ｏ三元図は、多くの水和および炭酸相（例えば、マグネサイト、ハイドロマグネサイト、ネスケホナイト、ダイピンガイト、バリントント、プロトハイドロマグネサイト、アルチナイトおよびランズフォーダイト）を示す。
ペースト、モルタルおよびコンクリートサンプルの湿潤バッチへの異なるグレードの粒度分布および反応性の水溶性マグネシウム塩または酸化マグネシウムもしくは酸化マグネシウム粉末の添加は、ＭｇＯ－ＣＯ２－Ｈ２Ｏ系の上記の相の１つ以上の結晶を形成することによって、湿潤雰囲気での炭酸化時の強度の発生を助けることが見出された。少量の酢酸マグネシウムの水溶性塩（Ｍｇ（ＣＨ３ＣＯＯ）２・４Ｈ２Ｏ）を、または所定量のＭｇＯ粉末を所定量の希酢酸に溶解して形成された制御されたｐＨ値の溶液を、ペースト、モルタル、またはコンクリートのサンプルの形成水に添加すると、炭酸化時に顕著な強度の増大が生じた。
マグネシウムは、低濃度（＜１％）であっても存在すると、処理温度に関係なく、ＣａＣＯ３を核形成する傾向がある水系に存在する場合、強力なアラゴナイト促進剤であることが実証された。
一態様では、本発明は、概して、気泡複合材料の製造プロセスに関する。このプロセスは、スラリーを形成すること、ここで、スラリーは、水、粉砕ケイ酸カルシウム粒子、０．１μｍ～１０００μｍの粒径を有するＣａＯを含むフィラー粒子、マグネシウム塩および／または酸化マグネシウムを含む１つ以上の無機物および１．０以下の水／固体比（Ｗ／Ｓ）を有する通気剤を含み；スラリーを型に流し込むこと；通気剤に水素ガスを発生させ、それによってスラリーの体積膨張（または発泡）を引き起こすこと；得られた膨張混合物を、金型から取り出して移動できる硬度まで予備硬化すること；得られた予備硬化膨張混合物を所望の製品形状にワイヤーカットすること；カットした膨張混合物を、常圧、３０℃以上の温度、１％～９０％以上（例えば、約５％～約９０％、約１０％～約９０％、約２０％～約９０％、約３０％～約９０％、約５０％～約９０％、約６０％～約９０％、約１％～約８０％、約１％～約７０％、約１％～約６０％、約１％～約５０％、約１％～約４０％、約１％～約３０％）の相対湿度で１０％～９５％（例えば、２０％～９５％、３０％～９５％、４０％～９５％、５０％～９５％、１０％～８５％、１０％～７５％、１０％～６０％、１０％～５０％、１０％～３０％）のＣＯ２ガス濃度の雰囲気中で約６時間～約６０時間（例えば、約１２時間～約６０時間、約２４時間～約６０時間、約３６時間～約６０時間、約６時間～約４８時間、約６時間～約３６時間、約６時間～約２４時間、約６時間～約１２時間）、硬化させることを含む。
特定の実施形態において、１つ以上の無機物中の酢酸マグネシウムは、粉砕ケイ酸カルシウム粒子の重量で、約０．０２％～約１０％（例えば、約０．０５％～約２．５％、約０．０５％～約２．０％、約０．０５％～約１．５％、約０．０５％～約１％、約０．０５％～約０．５％、約０．０５％～約０．１％、約０．１％～約３％、約０．５％～約１０％、約１％～約１０％、約１．５％～約１０％、約０．５％～約２％、約０．２％～約１％）を占める。
本発明の特定の実施形態において、溶液中のマグネシウムイオンがカルシウムを含むケイ酸塩ネットワークの改質によってカルシウム含有ケイ酸塩相の反応性を改善できるように、マグネシウム、マグネシウム塩または酸化マグネシウムが添加される。
本発明の特定の実施形態では、マグネシウム、マグネシウム塩または酸化マグネシウムを、炭酸化性ケイ酸カルシウム系セメント混合物に少量添加して、マグネシウムなどのＭｇ－方解石相の形成を促進する。
本発明の特定の実施形態では、マグネシウムまたは水溶性マグネシウム塩もしくは酸化マグネシウムを炭酸化性ケイ酸カルシウム系セメント混合物に添加して、アラゴナイトなどの針状炭酸カルシウム相の形成を促進する。
本発明のある実施形態では、マグネシウム、マグネシウム塩または酸化マグネシウムを炭酸化性ケイ酸カルシウム系セメント混合物に添加して、ドロマイトの形成を促進する。
本発明の特定の実施形態では、マグネシウム、マグネシウム塩または酸化マグネシウムを炭酸化性ケイ酸カルシウム系セメント混合物に添加して、Ｍｇ－方解石および／またはアラゴナイトを安定化し、バテライトの相割合を変更する。
本発明の特定の実施形態では、マグネシウム、マグネシウム塩または酸化マグネシウムを炭酸化性ケイ酸カルシウム系セメント混合物に添加して、炭酸化および二酸化炭素の隔離の程度を高める。
特定の実施形態では、粉砕ケイ酸カルシウム粒子は、ＣＳ（珪灰石または擬珪灰石）、Ｃ３Ｓ２（ランキナイト）、Ｃ２Ｓ（ベライト、ラーナイト、ブリジガイト）、アモルファスケイ酸カルシウム相から選択される１つ以上のケイ酸カルシウム相群を含み、その材料の各々は、任意に、１つ以上の金属イオンもしくは金属酸化物またはそれらの混合物を含む。
特定の実施形態では、炭化可能なケイ酸カルシウム系セメントにおいて、元素Ｃａおよび元素Ｓｉは、約０．５～約１．５のモル比で組成物中に存在し、Ａｌ、ＦｅおよびＭｇの金属酸化物は、組成物中に約３０質量％以下で存在する。
特定の実施形態では、炭酸化ステップでの温度は、約２５℃～約９０℃（例えば、約２５℃～約８０℃、約２５℃～約７０℃、約２５℃～約６０℃、約２５℃～約５０℃、約２５℃～約４０℃、約３０℃～約９０℃、約４０℃～約９０℃、約５０℃～約９０℃、約６０℃～約９０℃、約７０℃～約９０℃）の範囲内である。
特定の実施形態では、炭酸化ステップでの相対湿度は、約１０％以上（例えば、約１０％～約９０％、約１０％～約７０％、約１０％～約５０％、約１０％～約３０％）である。
特定の実施形態では、炭酸化ステップでの時間は、６時間以上（例えば、１０時間、２０時間、５０時間、６０時間、７０時間、８０時間以上）である。
特定の実施形態において、プロセスは、スラリーを型に流し込む前に、コンクリート混合物のｐＨを約９～約１２（例えば、約９～約１１．５、約９～約１１、約９～約１０．５、約９～約１０、約９．５～約１２、約１０～約１２、約１０．５～約１２、約１１～約１２、約９．５～約１１．５）に調節することをさらに含む。
特定の実施形態において、１つ以上の無機物は、マグネシウム、硝酸マグネシウム、硫酸マグネシウム、塩化マグネシウムおよび酢酸マグネシウムのうちの１つ以上をさらに含む。
特定の実施形態において、１つ以上の無機物は、酢酸マグネシウムをさらに含む。
特定の実施形態では、スラリーは、分散剤または流動化剤をさらに含む。
特定の実施形態において、分散剤または流動化剤は、ポリカルボキシレート系ポリマーを含む。
別の態様において、本発明は、概して、本明細書に開示されるプロセスによって製造される気泡コンクリート製品に関する。
例示的な気泡コンクリート製品には、ブロック、パネル、冠木およびコンクリート組積ユニットが含まれる。
特定の好ましい実施形態では、組成物のＣａ対Ｓｉのモル比は、約０．５～約１．５である。特定の好ましい実施形態では、組成物のＣａ対Ｓｉのモル比は、約０．５～約１．２である。特定の好ましい実施形態では、組成物のＣａ対Ｓｉのモル比は、約０．５～約１．１５である。特定の好ましい実施形態では、組成物のＣａ対Ｓｉのモル比は、約０．８～約１．５である。特定の好ましい実施形態では、組成物のＣａ対Ｓｉのモル比は、約０．８～約１．２である。特定の好ましい実施形態では、組成物のＣａ対Ｓｉのモル比は、約０．８～約１．１５である。特定の好ましい実施形態では、組成物のＣａ対Ｓｉのモル比は、約０．８５～約１．１５である。特定の好ましい実施形態では、組成物のＣａ対Ｓｉのモル比は、約０．９０～約１．１０である。特定の好ましい実施形態では、組成物のＣａ対Ｓｉのモル比は、約０．９５～約１．０５である。特定の好ましい実施形態では、組成物のＣａ対Ｓｉのモル比は、約０．９８～約１．０２である。特定の好ましい実施形態では、組成物のＣａ対Ｓｉのモル比は、約０．９９～約１．０１である。
ケイ酸カルシウム組成物内に含まれるＡｌ、ＦｅおよびＭｇの金属酸化物は、通常、約３０％未満に制御される。特定の好ましい実施形態では、組成物は、合計酸化物質量で約２０％以下のＡｌ、ＦｅおよびＭｇの金属酸化物を有する。特定の好ましい実施形態では、組成物は、合計酸化物質量で約１５％以下のＡｌ、ＦｅおよびＭｇの金属酸化物を有する。特定の好ましい実施形態では、組成物は、合計酸化物質量で約１２％以下のＡｌ、ＦｅおよびＭｇの金属酸化物を有する。特定の好ましい実施形態では、組成物は、合計酸化物質量で約１０％以下のＡｌ、ＦｅおよびＭｇの金属酸化物を有する。特定の好ましい実施形態では、組成物は、合計酸化物質量で約５％以下のＡｌ、ＦｅおよびＭｇの金属酸化物を有する。
ケイ酸カルシウム組成物は、上記の結晶相に加えてアモルファス（非結晶）ケイ酸カルシウム相を含んでもよい。アモルファス相は、Ａｌ、ＦｅおよびＭｇイオンならびに原材料に存在する他の不純物イオンをさらに組み込んでもよい。
ケイ酸カルシウム組成物は、少量の残留ＣａＯ（石灰）およびＳｉＯ２（シリカ）も含み得る。ケイ酸カルシウム組成物は、少量のＣ３Ｓ（アライト、Ｃａ３ＳｉＯ５）またはポルトランドセメント粉末も含み得る。
ケイ酸カルシウム組成物内に存在するＣ２Ｓ相は、任意のα－Ｃａ２ＳｉＯ４、β－Ｃａ２ＳｉＯ４またはγ－Ｃａ２ＳｉＯ４多形またはそれらの組み合わせで存在し得る。
ケイ酸カルシウム組成物は、一般式（Ｃａ，Ｎａ，Ｋ）２［（Ｍｇ，Ｆｅ２＋，Ｆｅ３＋，Ａｌ，Ｓｉ）３Ｏ７］を有するメリライト型鉱物（メリライトまたはゲーレナイトまたはアケルマナイト）および一般式Ｃａ２（Ａｌ，Ｆｅ３＋）２Ｏ５を有するフェライト型鉱物（フェライトまたはブラウンミレライトまたはＣ４ＡＦ）などの多量の不活性相も含むことができる。特定の実施形態において、ケイ酸カルシウム組成物は、アモルファス相のみから構成される。特定の実施形態では、ケイ酸カルシウムは、結晶相のみを含む。特定の実施形態において、ケイ酸カルシウム組成物の一部は、アモルファス相に存在し、一部は、結晶相に存在する。
特定の実施形態において、ケイ酸カルシウム組成物は、質量で、約５０％以上（例えば、約５５％以上、約６０％以上、約６５％以上、約７０％以上、約７５％以上、約８０％以上、約８５％以上、約９０％以上、約９５％以上）で存在する反応性相を含む。
特定の実施形態では、ケイ酸カルシウム組成物は、合計酸化物質量で約２０％以下のＡｌ、ＦｅおよびＭｇの金属酸化物を含む。
任意の適切なケイ酸カルシウム組成物を、結合要素の前駆体として使用することができる。本明細書で使用する場合、用語「ケイ酸カルシウム組成物」は、ＣＳ（珪灰石または擬珪灰石、および場合によっては配合されたＣａＳｉＯ３またはＣａＯ・ＳｉＯ２）、Ｃ３Ｓ２（ランキナイトおよび場合によってはＣａ３Ｓｉ２Ｏ７または３ＣａＯ・２ＳｉＯ２として配合）、Ｃ２Ｓ（ベライト、β－Ｃａ２ＳｉＯ４またはラーナイト、β－Ｃａ７Ｍｇ（ＳｉＯ４）４またはブリジガイト、α－Ｃａ２ＳｉＯ４またはγ－Ｃａ２ＳｉＯ４および場合によってはＣａ２ＳｉＯ４または２ＣａＯ・ＳｉＯ２として配合）、ケイ酸カルシウム系アモルファス相を含むケイ酸カルシウム相の群の１つ以上で構成される天然鉱物または合成材料を通常、指し、その材料のそれぞれが、１つ以上の他の金属イオンおよび酸化物（例えば、アルミニウム、マグネシウム、鉄またはマンガンの酸化物）もしくはそれらのブレンドを含み得る、またはその材料のそれぞれが、重量で、微量（１％）～約５０％以上の範囲の天然に存在するもしくは合成形態中の量のケイ酸マグネシウムを含み得る。
好ましくは、本発明の炭酸化性ケイ酸カルシウム組成物は、水和しないことに留意されたい。しかし、少量の水和性ケイ酸カルシウム相（例えばＣ２Ｓ、Ｃ３ＳおよびＣａＯ）が存在する場合がある。Ｃ２Ｓは、水にさらされると水和の反応速度が遅くなり、ＣＯ２硬化プロセス中にＣａＣＯ３にすばやく変換される。Ｃ３ＳおよびＣａＯは、水へさらされると素早く水和するため、質量で５％未満に限定したほうがよい。
本明細書に開示されるケイ酸カルシウム組成物、相および方法は、ケイ酸カルシウム相の代わりに、またはケイ酸カルシウム相に加えてケイ酸マグネシウム相を使用できることを理解されたい。本明細書で使用する場合、用語「ケイ酸マグネシウム」は、例えば、Ｍｇ２ＳｉＯ４（「フォルステライト」としても知られる）、Ｍｇ３Ｓｉ４Ｏ１０（ＯＨ）２（「タルク」としても知られる）、ＣａＭｇＳｉＯ４（「モンティセライト」としても知られる）を含むマグネシウムシリコン含有化合物の群の１つ以上で構成される天然鉱物または合成材料を指し、その材料の各々は、１つ以上の他の金属イオンと酸化物（例えば、カルシウム、アルミニウム、鉄またはマンガンの酸化物）もしくはそれらのブレンドを含み得る、またはその材料のそれぞれが、重量で、微量（１％）～約５０％以上の範囲の天然に存在するもしくは合成形態中の量のケイ酸カルシウムを含み得る。
炭酸化性組成物の主な有用性は、それを炭酸化して様々な用途に有用な軽量複合材料を形成できることである。例えば、炭酸化は、制御された水熱液相焼成（ＨＬＰＳ）プロセスによってＣＯ２とそれを反応させて実行し、複合材料のさまざまな成分を結合する結合要素を作成し得る。例えば、好ましい実施形態では、ＣＯ２は、反応性種として使用され、ＣＯ２の隔離および既存の生産技術とは比較にならないカーボンフットプリントで生産された複合材料における結合要素の生成をもたらす。ＨＬＰＳプロセスは、化学反応の自由エネルギーと結晶成長による表面エネルギー（面積）の減少によって熱力学的に駆動される。ＨＬＰＳプロセスの速度論は、高融点流体または高温固体媒体を使用する代わりに溶液（水性または非水性）を使用して反応性種を輸送するため、低温で合理的な速度で進行する。
ＨＬＰＳ、炭酸化性ケイ酸カルシウム系セメント、炭酸化および結合要素の形成、その装置およびプロセスおよび関連するトピックの様々な特徴の議論は、米国特許第８，１１４，３６７号、米国公開番号第２００９／０１４３２１１（出願番号第１２／２７１，５６６）、米国公開番号第２０１１／０１０４４６９（出願番号第１２／９８４，２９９）、米国公開番号第２００９／０１４２５７８（出願番号第１２／２７１，５１３）、米国公開番号第２０１３／０１２２２６７（出願番号第１３／４１１，２１８）、米国公開番号第２０１２／０３１２１９４（出願番号第１３／４９１，０９８）、国際公開第２００９／１０２３６０（ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０８３６０６）、国際公開第２０１１／０５３５９８（ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０５４１４６）、国際公開第２０１１／０９０９６７（ＰＣＴ／ＵＳ２０１１／０２１６２３）、米国仮特許出願番号第６１／７０８，４２３号（２０１２年１０月１日提出）、米国公開番号第２０１４／０１２７４５０（出願番号第１４／０４５，７５８）、米国公開番号第２０１５／０２６６７７８（出願番号第１４／０４５，５１９）、米国公開番号第２０１４／０１２７４５８（出願番号第１４／０４５，７６６）、米国公開番号第２０１４／０３４２１２４（出願番号第１４／０４５，５４０）、米国公開番号第２０１４／０２７２２１６（出願番号第１４／２０７，４１３）、米国公開番号第２０１４／０２６３６８３（出願番号第１４／２０７，４２１）、米国公開番号第２０１４／０３１４９９０（出願番号第１４／２０７，９２０）、米国特許第９，２２１，０２７（出願番号第１４／２０９，２３８）、米国公開番号第２０１４／０３６３６６５（出願番号第１４／２９５，６０１）、米国公開番号第２０１４／０３６１４７１（出願番号第１４／２９５，４０２）、米国公開番号第２０１６／０３５５４３９（出願番号第１４／５０６，０７９）、米国公開番号第２０１５／０２２５２９５（出願番号第１４／６０２，３１３）、米国公開番号第２０１５／００５６４３７（出願番号第１４／４６３，９０１）、米国公開番号第２０１６／０１６８７２０（出願番号第１４／５８４，２４９）、米国公開番号第２０１５／０３３６８５２（出願番号第１４／８１８，６２９）、米国公開番号第２０１６／００３１７５７（出願番号第１４／８１７，１９３）、米国公開番号第２０１６／０２７２５４４（出願番号第１５／０７４，６５９）、米国公開番号第２０１６／００９６７７３（出願番号第１４／８７４，３５０）、米国公開番号第２０１６／０３４０２６１（出願番号第１４／７１５，４９７）、米国公開番号第２０１６／０２７２５４５（出願番号第１５／０７４，６９２）、米国公開番号第２０１７／０１０２３７３（出願番号第１５／２９０，３２８）、米国公開番号第２０１７／０１２１２２３（出願番号第１５／３３５，５２０）、米国公開番号第２０１７／０２０４０１０（出願番号第１５／４０９，３５２）、米国公開番号第２０１７／０２５３５３０（出願番号第１５／４４９，７３６）、米国公開番号第２０１７／０２６００９６（出願番号第１５／４５１，３４４）、米国公開番号第２０１７／０３２０７８１（出願番号第１５／５８７，７０５）、米国公開番号第２０１７／０３４１９８９（出願番号第１５／６０９，９０８）、米国特許出願番号第１５／７１６，３９２号（２０１７年９月２６日提出）、米国特許出願番号第１５／８３１，１３５号（２０１７年１２月４日提出）に見出すことができ、これらのそれぞれは、すべての目的のために参照によりその全体が本明細書に明示的に組み込まれる。
本発明のケイ酸カルシウム組成物の炭酸化の例示的な実施形態では、粉砕されたケイ酸カルシウム粒子が使用される。粉砕ケイ酸カルシウム粒子は、約１μｍ～約１００μｍ（例えば、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、約１μｍ、約１０μｍ、約１５μｍ、約２０μｍ、約２５μｍ、約３０μｍ、約４０μｍ、約５０μｍ、約６０μｍ、約７０μｍ、約８０μｍ、約９０μｍ、約１００μｍ）の平均粒径、約０．５ｇ／ｍＬ～約３．５ｇ／ｍＬ（ゆるい、例えば、０．５ｇ／ｍＬ、１．０ｇ／ｍＬ、１．５ｇ／ｍＬ、２．０ｇ／ｍＬ、２．５ｇ／ｍＬ、２．８ｇ／ｍＬ、３．０ｇ／ｍＬ、３．５ｇ／ｍＬ）および約１．０ｇ／ｍＬ～約１．２ｇ／ｍＬ（タップした）のかさ密度、約１５０ｍ２／ｋｇ～約７００ｍ２／ｋｇ（例えば、１５０ｍ２／ｋｇ、２００ｍ２／ｋｇ、２５０ｍ２／ｋｇ、３００ｍ２／ｋｇ、３５０ｍ２／ｋｇ、４００ｍ２／ｋｇ、４５０ｍ２／ｋｇ、５００ｍ２／ｋｇ、５５０ｍ２／ｋｇ、６００ｍ２／ｋｇ、６５０ｍ２／ｋｇ、７００ｍ２／ｋｇ）のブレーン表面積を有し得る。本発明のケイ酸カルシウム組成物の炭酸化の例示的な実施形態において、使用される粉砕ケイ酸カルシウム粒子は、粒度分布の体積分布において１μｍより大きい累積１０％直径を有する粒度を有する。
本明細書に開示されるプロセスを使用して、様々な気泡複合製品を製造することができる。生産方法は、経済性と環境への影響の両方の点で、従来の軽量コンクリートよりもはるかに改善されている。
水性酢酸イオンを含む水性溶液にＣＯ２（気）を導入し、同じ溶液がその中にいくらかのＣａ２＋イオンを含む場合、以下の炭酸化反応が、固体ＣａＣＯ３の形成をもたらす（式１）。
２ＣＨ３ＣＯＯ－（水）＋ＣＯ２（気）＋Ｈ２Ｏ（液）＋Ｃａ２＋→ＣａＣＯ３（固）＋２ＣＨ３ＣＯＯＨ（液） （１）
２ＣＨ３ＣＯＯ－（水）＋ＣＯ２（気）＋Ｈ２Ｏ（液）＋Ｃａ２＋→ＣａＣＯ３（固）＋２ＣＨ３ＣＯＯＨ（液） （１）
この反応の興味深い特徴は、in situで（炭酸化によって）酢酸（ＣＨ３ＣＯＯＨ）を生成する能力であり、これを利用して、以下の反応（式２）に従って、炭酸化チャンバー内の未反応Ｃａ－ケイ酸塩粒子からＣａ２＋をさらに浸出させることができた。
ＣａＳｉＯ３（固）＋２ＣＨ３ＣＯＯＨ（液）→Ｃａ２＋（液）＋２ＣＨ３ＣＯＯ－（水）＋Ｈ２Ｏ（液）＋アモルファスＳｉＯ２（固） （２）
ＣａＳｉＯ３（固）＋２ＣＨ３ＣＯＯＨ（液）→Ｃａ２＋（液）＋２ＣＨ３ＣＯＯ－（水）＋Ｈ２Ｏ（液）＋アモルファスＳｉＯ２（固） （２）
水溶性塩としてＣａ－酢酸を使用する代わりに、Ｍｇ－酢酸（すなわち、Ｍｇ（ＣＨ３ＣＯＯ）２・４Ｈ２Ｏ）を使用すると、以下の２つのことを同時にもたらす：
（ａ）ガス炭酸化中のアラゴナイトおよび／またはドロマイト形成の促進のためのＭｇ２＋の供給源として作用する、および
（ｂ）炭酸化（すなわち、ＣＯ２硬化）チャンバー内での酢酸（式１）のin situでの生成と、それを使用した未反応粉砕ケイ酸カルシウム粒子からのより多くのＣａ２＋イオンの抽出（式２）。
（ａ）ガス炭酸化中のアラゴナイトおよび／またはドロマイト形成の促進のためのＭｇ２＋の供給源として作用する、および
（ｂ）炭酸化（すなわち、ＣＯ２硬化）チャンバー内での酢酸（式１）のin situでの生成と、それを使用した未反応粉砕ケイ酸カルシウム粒子からのより多くのＣａ２＋イオンの抽出（式２）。
溶解したＭｇＯ粉末を含む希酢酸溶液は、以下のように調製される。１０ミクロンより小さい平均粒子サイズを有する１６０ｇの反応性ＭｇＯ粉末を、撹拌した１７５５ｇの５０％酢酸溶液にゆっくりと加えた。ＭｇＯ粉末を少しずつ加え、上記の溶液を室温で撹拌する。酢酸へのＭｇＯの溶解は、穏やかな発熱反応である。ＭｇＯの添加終了時に、得られた酢酸マグネシウム溶液は、透明で、濃いオレンジ色である。
少量の酢酸マグネシウムの水溶性塩（Ｍｇ（ＣＨ３ＣＯＯ）２・４Ｈ２Ｏ）または溶液、すなわち、所定量の希酢酸中の所定量のＭｇＯ粉末をスラリー、ペースト、モルタルまたはコンクリートサンプルの形成水に溶解することによって形成された制御されたｐＨ値の溶液を添加すると、炭酸化時に顕著な強度の増加が生じる。
スラリーは、以下の成分を特定の割合で混合することを含む：湿潤混合物の約１５重量％～約９５重量％の粉砕ケイ酸カルシウム粒子；全固形分の約０重量％～約１０重量％の酸化マグネシウム；全固形分の約１重量％～約１０重量％の酸化カルシウム；全固形分の約０．０１重量％～約０．０８重量％の糖；全固形分の約０．０２重量％～約１．０重量％の分散剤／流動化剤；全固形分の約０．１重量％～約３５重量％の通常のポルトランドセメント；全固形分の約０．００１重量％～０．５重量％の硝酸カルシウムおよび／または硝酸マグネシウム、全固形分の約０．００１重量％～約１重量％の硫酸カルシウムおよび／または硫酸マグネシウム；全固形分の約０．０２重量％～５重量％の希酢酸；および全固形分の約０．０５重量％～約０．５重量％のＨ２ガス発生剤。
この実施例は、Ｓｏｌｉｄｉａ－ＰＥＣＳセメント（Ｐｅｃと略す）を使用して、２５×１５×１５ｃｍまたは４５×２５×１５ｃｍまたは４５×２５×３０ｃｍまたは７０×６０×６５ｃｍの最終的なＣＯ２硬化寸法を有する気泡サンプルを生成する。ＣａＯ（生石灰）は、添加剤として使用される。使用した流動化剤／分散剤は、ＢＡＳＦ Ｇｌｅｎｉｕｍ－７５００であり、Ｇと略す。使用した界面活性剤は、アルカリ石けん系界面活性剤であり、Ｓと略す。通常のまたは急速硬化のポルトランドセメントもいくつかの場合では添加剤として、（スラリー中の固形分の）０．５～２５％の重量パーセントの範囲で使用し、それは、通常はＯＰＣまたはＲＳＰＣと略す。使用したＭｇＯは、サブミクロンの高反応性粉末であった。１０および５０ミクロンの平均粒子サイズのＭｇＯも、Ｓｏｌｉｄｉａ気泡スラリー調製で使用した。酢酸マグネシウム四水和物は、水溶性マグネシウム塩であり、いくつかの場合に使用し、Ｍｇ－Ａｃと略す。添加剤として酢酸マグネシウム四水和物を使用する代わりに、酢酸イオンとマグネシウムイオンを、スラリー調製段階の前に調製した、ＭｇＯと希酢酸の透明なオレンジ色の溶液の形態でスラリーに入れた。泡立ちと泡の安定性を制御する目的で、ｐｐｍレベルの硝酸カルシウム四水和物、硫酸カルシウム、硝酸マグネシウムおよび／または硫酸マグネシウムを使用した。
・例１
水系スラリーを、９２．５重量％（固形分の）のＰｅｃおよび７．５％のＣａＯ（固形分の）を、０．１３％（固形分の）のＡｌ粉末、１５％（添加したＡｌの量の）の界面活性剤と共に使用することによって調製し、そのキャストスラリーは、それ自体で泡を形成することができる。これらのスラリーは、流動化剤／分散剤を使用してまたは使用せずに、Ｗ／Ｓ比を使用して、調製することができ、Ｗ／Ｓ比を０．３５～０．７０以上まで変化させる。この例のＣＯ２硬化気泡サンプルは、Ｘ線回折（ＸＲＤ）で分析すると、主な炭酸化相として方解石を示し、アラゴナイトはなかった。このようなサンプルは、４５０～５４０ｋｇ／ｍ３の密度範囲で約０．２～１．９ＭＰａの圧縮強度に達した。
水系スラリーを、９２．５重量％（固形分の）のＰｅｃおよび７．５％のＣａＯ（固形分の）を、０．１３％（固形分の）のＡｌ粉末、１５％（添加したＡｌの量の）の界面活性剤と共に使用することによって調製し、そのキャストスラリーは、それ自体で泡を形成することができる。これらのスラリーは、流動化剤／分散剤を使用してまたは使用せずに、Ｗ／Ｓ比を使用して、調製することができ、Ｗ／Ｓ比を０．３５～０．７０以上まで変化させる。この例のＣＯ２硬化気泡サンプルは、Ｘ線回折（ＸＲＤ）で分析すると、主な炭酸化相として方解石を示し、アラゴナイトはなかった。このようなサンプルは、４５０～５４０ｋｇ／ｍ３の密度範囲で約０．２～１．９ＭＰａの圧縮強度に達した。
・例２
水系スラリーを、１．６７重量％（固形分の）の酢酸マグネシウム四水和物、９０．８３重量％（固形分の）のＰｅｃおよび７．５％のＣａＯ（固形分の）を、０．１４３％（固形分の）のＡｌ粉末、２０％（添加したＡｌの量の）の界面活性剤と共に使用することによって調製し、そのキャストスラリーは、それ自体で泡を形成することができた。これらのスラリーは、流動化剤／分散剤を使用してまたは使用せずに、Ｗ／Ｓ比を使用して、調製することができ、Ｗ／Ｓ比を０．４～０．６０以上まで変化させる。この例のＣＯ２硬化気泡サンプルは、Ｘ線回折（ＸＲＤ）で分析すると、主な炭酸化相としてアラゴナイトひげまたは針を示す一方、方解石は、二次炭酸化相であった。このようなサンプルは、４８０～４９０ｋｇ／ｍ３の密度範囲で約１．６～３．１ＭＰａの圧縮強度に達した。
水系スラリーを、１．６７重量％（固形分の）の酢酸マグネシウム四水和物、９０．８３重量％（固形分の）のＰｅｃおよび７．５％のＣａＯ（固形分の）を、０．１４３％（固形分の）のＡｌ粉末、２０％（添加したＡｌの量の）の界面活性剤と共に使用することによって調製し、そのキャストスラリーは、それ自体で泡を形成することができた。これらのスラリーは、流動化剤／分散剤を使用してまたは使用せずに、Ｗ／Ｓ比を使用して、調製することができ、Ｗ／Ｓ比を０．４～０．６０以上まで変化させる。この例のＣＯ２硬化気泡サンプルは、Ｘ線回折（ＸＲＤ）で分析すると、主な炭酸化相としてアラゴナイトひげまたは針を示す一方、方解石は、二次炭酸化相であった。このようなサンプルは、４８０～４９０ｋｇ／ｍ３の密度範囲で約１．６～３．１ＭＰａの圧縮強度に達した。
・例３
水系スラリーを、１０重量％（固形分の）のサブミクロン、高反応性酸化マグネシウム、８６重量％（固形分の）のＰｅｃおよび４％のＣａＯ（固形分の）を、０．１４３％（固形分の）のＡｌ粉末、２０％（添加したＡｌの量の）の界面活性剤と共に使用することによって調製し、そのキャストスラリーは、それ自体で泡を形成することができた。これらのスラリーは、流動化剤／分散剤を使用してまたは使用せずに、Ｗ／Ｓ比を使用して、調製することができ、Ｗ／Ｓ比を０．４～０．６０以上まで変化させる。この例のＣＯ２硬化気泡サンプルは、Ｘ線回折（ＸＲＤ）で分析すると、主な炭酸化相としてアラゴナイトおよびドロマイトを示す一方、方解石は、二次炭酸化相であった。このようなサンプルは、４６０±４ｋｇ／ｍ３の密度で約２．５ＭＰａの圧縮強度に達した。
水系スラリーを、１０重量％（固形分の）のサブミクロン、高反応性酸化マグネシウム、８６重量％（固形分の）のＰｅｃおよび４％のＣａＯ（固形分の）を、０．１４３％（固形分の）のＡｌ粉末、２０％（添加したＡｌの量の）の界面活性剤と共に使用することによって調製し、そのキャストスラリーは、それ自体で泡を形成することができた。これらのスラリーは、流動化剤／分散剤を使用してまたは使用せずに、Ｗ／Ｓ比を使用して、調製することができ、Ｗ／Ｓ比を０．４～０．６０以上まで変化させる。この例のＣＯ２硬化気泡サンプルは、Ｘ線回折（ＸＲＤ）で分析すると、主な炭酸化相としてアラゴナイトおよびドロマイトを示す一方、方解石は、二次炭酸化相であった。このようなサンプルは、４６０±４ｋｇ／ｍ３の密度で約２．５ＭＰａの圧縮強度に達した。
・例４
水系スラリーを、７．５重量％（固形分の）のサブミクロン、高反応性酸化マグネシウム、９１．３重量％（固形分の）のＰｅｃおよび１．２％（固形分の）の酢酸マグネシウム四水和物を、０．１３５％（固形分の）のＡｌ粉末、１８％（添加したＡｌの量の）の界面活性剤と共に使用することによって調製し、そのキャストスラリーは、それ自体で泡を形成することができた。これらのスラリーは、流動化剤／分散剤を使用してまたは使用せずに、Ｗ／Ｓ比を使用して、調製することができ、Ｗ／Ｓ比を０．４～０．６０以上まで変化させる。この例のＣＯ２硬化気泡サンプルは、Ｘ線回折（ＸＲＤ）で分析すると、主な炭酸化相としてアラゴナイトおよびドロマイトを示す一方、方解石は、二次炭酸化相であった。このようなサンプルは、５２０±１０ｋｇ／ｍ３の密度で約３．６５ＭＰａの圧縮強度に達した。
水系スラリーを、７．５重量％（固形分の）のサブミクロン、高反応性酸化マグネシウム、９１．３重量％（固形分の）のＰｅｃおよび１．２％（固形分の）の酢酸マグネシウム四水和物を、０．１３５％（固形分の）のＡｌ粉末、１８％（添加したＡｌの量の）の界面活性剤と共に使用することによって調製し、そのキャストスラリーは、それ自体で泡を形成することができた。これらのスラリーは、流動化剤／分散剤を使用してまたは使用せずに、Ｗ／Ｓ比を使用して、調製することができ、Ｗ／Ｓ比を０．４～０．６０以上まで変化させる。この例のＣＯ２硬化気泡サンプルは、Ｘ線回折（ＸＲＤ）で分析すると、主な炭酸化相としてアラゴナイトおよびドロマイトを示す一方、方解石は、二次炭酸化相であった。このようなサンプルは、５２０±１０ｋｇ／ｍ３の密度で約３．６５ＭＰａの圧縮強度に達した。
・例５
水系スラリーを、７．５重量％（固形分の）の酸化カルシウム、９０．８３重量％（固形分の）のＰｅｃおよび１．６７％（固形分の）の酢酸マグネシウム四水和物を、０．１３％（固形分の）のＡｌ粉末、２０％（添加したＡｌの量の）の界面活性剤と共に使用することによって調製し、そのキャストスラリーは、それ自体で泡を形成することができた。これらのスラリーは、流動化剤／分散剤を使用してまたは使用せずに、Ｗ／Ｓ比を使用して、調製することができ、Ｗ／Ｓ比を０．４～０．６０以上まで変化させる。この例のＣＯ２硬化気泡サンプルは、Ｘ線回折（ＸＲＤ）で分析すると、主な炭酸化相としてアラゴナイトひげを示す一方、方解石は、二次炭酸化相であった。このようなサンプルは、５４０±５ｋｇ／ｍ３の密度で約３．６ＭＰａの圧縮強度に達した。
水系スラリーを、７．５重量％（固形分の）の酸化カルシウム、９０．８３重量％（固形分の）のＰｅｃおよび１．６７％（固形分の）の酢酸マグネシウム四水和物を、０．１３％（固形分の）のＡｌ粉末、２０％（添加したＡｌの量の）の界面活性剤と共に使用することによって調製し、そのキャストスラリーは、それ自体で泡を形成することができた。これらのスラリーは、流動化剤／分散剤を使用してまたは使用せずに、Ｗ／Ｓ比を使用して、調製することができ、Ｗ／Ｓ比を０．４～０．６０以上まで変化させる。この例のＣＯ２硬化気泡サンプルは、Ｘ線回折（ＸＲＤ）で分析すると、主な炭酸化相としてアラゴナイトひげを示す一方、方解石は、二次炭酸化相であった。このようなサンプルは、５４０±５ｋｇ／ｍ３の密度で約３．６ＭＰａの圧縮強度に達した。
・例６
水系スラリーを、７．５重量％（固形分の）の酸化カルシウム、１重量％（固形分の）のサブミクロン、高反応性酸化マグネシウム、９０．３重量％（固形分の）のＰｅｃおよび１．２％（固形分の）の酢酸マグネシウム四水和物を、０．１４３％（固形分の）のＡｌ粉末、２０％（添加したＡｌの量の）の界面活性剤と共に使用することによって調製し、そのキャストスラリーは、それ自体で泡を形成することができた。これらのスラリーは、流動化剤／分散剤を使用してまたは使用せずに、Ｗ／Ｓ比を使用して、調製することができ、Ｗ／Ｓ比を０．３８～０．４０まで変化させる。この例のＣＯ２硬化気泡サンプルは、Ｘ線回折（ＸＲＤ）で分析すると、主な炭酸化相としてアラゴナイトひげを示す一方、方解石は、二次炭酸化相であった。このようなサンプルは、５３０±５ｋｇ／ｍ３の密度で約４．７ＭＰａの圧縮強度に達した。
水系スラリーを、７．５重量％（固形分の）の酸化カルシウム、１重量％（固形分の）のサブミクロン、高反応性酸化マグネシウム、９０．３重量％（固形分の）のＰｅｃおよび１．２％（固形分の）の酢酸マグネシウム四水和物を、０．１４３％（固形分の）のＡｌ粉末、２０％（添加したＡｌの量の）の界面活性剤と共に使用することによって調製し、そのキャストスラリーは、それ自体で泡を形成することができた。これらのスラリーは、流動化剤／分散剤を使用してまたは使用せずに、Ｗ／Ｓ比を使用して、調製することができ、Ｗ／Ｓ比を０．３８～０．４０まで変化させる。この例のＣＯ２硬化気泡サンプルは、Ｘ線回折（ＸＲＤ）で分析すると、主な炭酸化相としてアラゴナイトひげを示す一方、方解石は、二次炭酸化相であった。このようなサンプルは、５３０±５ｋｇ／ｍ３の密度で約４．７ＭＰａの圧縮強度に達した。
・例７
水系スラリーを、７．５重量％（固形分の）の酸化カルシウム、２重量（固形分の）のＯＰＣ（タイプＩ）、０．６重量％（固形分の）のサブミクロン、高反応性酸化マグネシウム、８８．３重量％（固形分の）のＰｅｃおよび１．６％（固形分の）の酸化マグネシウム－酢酸溶液（オレンジ色）を、０．１０％（固形分の）のＡｌ粉末、２０％（添加したＡｌの量の）の界面活性剤と共に使用することによって調製し、そのキャストスラリーは、それ自体で泡を形成することができた。これらのスラリーは、流動化剤／分散剤を使用して、Ｗ／Ｓ比を使用して、調製することができ、Ｗ／Ｓ比を０．３４～０．３５まで変化させる。この例のＣＯ２硬化気泡サンプルは、Ｘ線回折（ＸＲＤ）で分析すると、主な炭酸化相としてアラゴナイトひげを示す一方、方解石は、二次炭酸化相であった。このようなサンプルは、５５０±１０ｋｇ／ｍ３の密度で約４．５～５．３ＭＰａの圧縮強度に達した。
水系スラリーを、７．５重量％（固形分の）の酸化カルシウム、２重量（固形分の）のＯＰＣ（タイプＩ）、０．６重量％（固形分の）のサブミクロン、高反応性酸化マグネシウム、８８．３重量％（固形分の）のＰｅｃおよび１．６％（固形分の）の酸化マグネシウム－酢酸溶液（オレンジ色）を、０．１０％（固形分の）のＡｌ粉末、２０％（添加したＡｌの量の）の界面活性剤と共に使用することによって調製し、そのキャストスラリーは、それ自体で泡を形成することができた。これらのスラリーは、流動化剤／分散剤を使用して、Ｗ／Ｓ比を使用して、調製することができ、Ｗ／Ｓ比を０．３４～０．３５まで変化させる。この例のＣＯ２硬化気泡サンプルは、Ｘ線回折（ＸＲＤ）で分析すると、主な炭酸化相としてアラゴナイトひげを示す一方、方解石は、二次炭酸化相であった。このようなサンプルは、５５０±１０ｋｇ／ｍ３の密度で約４．５～５．３ＭＰａの圧縮強度に達した。
出願人の開示は、図面を参照して好ましい実施形態において本明細書に記載されており、図中、同様の番号は同一または同様の要素を表す。本明細書を通して「一実施形態」、「実施形態」、または同様の用語への言及は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体にわたる「一実施形態では」、「実施形態では」という文言および類似の文言の出現は、必ずしもそうではないが、すべて同じ実施形態を指す。
出願人の開示の記載された特徴、構造または特性は、１つ以上の実施形態において任意の適切な方法で組み合わせることができる。本明細書の説明では、本発明の実施形態の完全な理解を提供するために、多数の具体的な詳細が列挙されている。しかし、当業者は、出願人の組成物および／または方法は、１つ以上の具体的な詳細なしで、または他の方法、構成要素、材料などで実施できることを認識するであろう。他の例では、本開示の態様を曖昧にすることを避けるために、周知の構造、材料、または動作は詳細に図示または説明されていない。
本明細書および添付の特許請求の範囲において、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈がそうでないことを明確に示さない限り、複数の参照を含む。
他に定義されない限り、本明細書で使用されるすべての技術用語および科学用語は、当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。本明細書に記載されているものと類似または同等の任意の方法および材料も本開示の実施または試験に使用することができるが、好ましい方法および材料をここで説明する。本明細書に列挙された方法は、開示された特定の順序に加えて、論理的に可能な任意の順序で実行され得る。
参照による組み込み
本開示では、特許、特許出願、特許公開、雑誌、書籍、論文、ウェブコンテンツなど、他の文書への参照および引用が行われた。そのような文書はすべて、あらゆる目的のためにその全体が参照により本明細書に組み込まれる。参照により本明細書に組み込まれると言われるが、本明細書に明示的に記載されている既存の定義、声明、またはその他の開示資料と矛盾するいかなる資料およびその一部も、その組み込まれた資料と本開示材料との間の矛盾を生じさせない程度においてのみ、組み込まれる。矛盾が生じた場合、矛盾は、好ましい開示として本開示を支持して解決されるべきである。
本開示では、特許、特許出願、特許公開、雑誌、書籍、論文、ウェブコンテンツなど、他の文書への参照および引用が行われた。そのような文書はすべて、あらゆる目的のためにその全体が参照により本明細書に組み込まれる。参照により本明細書に組み込まれると言われるが、本明細書に明示的に記載されている既存の定義、声明、またはその他の開示資料と矛盾するいかなる資料およびその一部も、その組み込まれた資料と本開示材料との間の矛盾を生じさせない程度においてのみ、組み込まれる。矛盾が生じた場合、矛盾は、好ましい開示として本開示を支持して解決されるべきである。
均等
本明細書に開示される代表的な例は、本発明の説明を助けることを意図しており、本発明の範囲を限定することを意図するものではなく、またそのように解釈されるべきではない。実際、本明細書に示され記載されたものに加えて、本発明の様々な修正およびその多くのさらなる実施形態は、以下の実施例および科学への参照およびここに引用された特許文献を含む本文書の全内容から当業者に明らかになるであろう。以下の例は、その様々な実施形態およびその均等物において本発明の実施に適合させることができる重要な追加情報、例示および指針を含む。
本明細書に開示される代表的な例は、本発明の説明を助けることを意図しており、本発明の範囲を限定することを意図するものではなく、またそのように解釈されるべきではない。実際、本明細書に示され記載されたものに加えて、本発明の様々な修正およびその多くのさらなる実施形態は、以下の実施例および科学への参照およびここに引用された特許文献を含む本文書の全内容から当業者に明らかになるであろう。以下の例は、その様々な実施形態およびその均等物において本発明の実施に適合させることができる重要な追加情報、例示および指針を含む。
Claims (14)
- 気泡複合材料の製造プロセスであって、
湿潤混合物またはスラリーを形成すること、ここで、前記湿潤混合物またはスラリーは、
水と、
０．１μｍ～１０００μｍの粒子サイズを有するＣａＯを含むフィラー粒子と、
粉砕ケイ酸カルシウム粒子と、
酢酸マグネシウム塩、酸化マグネシウムと酢酸の水溶液および／または酸化マグネシウムを含む、１つ以上の無機物と、ここで前記１つ以上の無機物は、合計で、前記粉砕ケイ酸カルシウム粒子の０．０２～２０重量％を占め、
通気剤とを含み、
前記湿潤混合物またはスラリーは、１．０以下の水／固形分比（Ｗ／Ｓ）を有し；
前記湿潤混合物またはスラリーを型に流し込むことと；
前記通気剤に水素ガスを発生させ、それによって前記スラリーの体積膨張を引き起こすことと；
得られた膨張混合物を、前記型から取り出して移動できる硬度まで予備硬化することと；
予備硬化した膨張混合物を、常圧、温度３０℃以上、相対湿度１％以上、ＣＯ２ガス濃度１０～９５％の雰囲気で６時間～６０時間硬化させることと、
を含む、気泡複合材料の製造プロセス。 - 前記湿潤混合物またはスラリーを流し込む前記型が、所望の製品形状の最終寸法である、請求項１に記載のプロセス。
- 得られた予備硬化膨張混合物を、硬化前に所望の製品形状に切断する、請求項１に記載のプロセス。
- 前記予備硬化膨張混合物の切断が、ピアノ線、ダイヤモンド線または切断鋸を使用して行う、請求項３に記載のプロセス。
- 前記１つ以上の無機物が、合計で、前記粉砕ケイ酸カルシウム粒子の１重量％～２０重量％を占める、請求項１～４のいずれか一項に記載のプロセス。
- 前記粉砕ケイ酸カルシウム粒子が、ＣＳ（珪灰石または擬珪灰石）、Ｃ３Ｓ２（ランキナイト）、Ｃ２Ｓ（ベライト、ラーナイト、ブリジガイト）、アモルファスケイ酸カルシウム相から選択されるケイ酸カルシウム相の群の１つ以上を含み、その材料の各々が、任意に、１つ以上の金属イオンもしくは金属酸化物またはそれらの組合せを含む、請求項１～５のいずれか一項に記載のプロセス。
- 前記粉砕ケイ酸カルシウム粒子中に、元素Ｃａおよび元素Ｓｉが、０．５～１．５のモル比で存在し、Ａｌ、ＦｅおよびＭｇの金属酸化物が、３０質量％以下で存在する、請求項１～６のいずれか一項に記載のプロセス。
- 前記予備硬化した膨張混合物を前記硬化させることの温度が、３０℃～９０℃の範囲内である、請求項１～７のいずれか一項に記載のプロセス。
- 前記予備硬化した膨張混合物を前記硬化させることの温度が、６０℃～８５℃の範囲内である、請求項８に記載のプロセス。
- 前記予備硬化した膨張混合物を前記硬化させることの前記相対湿度が、１０％以上である、請求項１～９のいずれか一項に記載のプロセス。
- 前記１つ以上の無機物が、マグネシウム、硝酸マグネシウム、硫酸マグネシウム、塩化マグネシウムおよび酢酸マグネシウムのうちの１つ以上をさらに含む、請求項１～１０のいずれか一項に記載のプロセス。
- 硬化した低密度気泡製品が、方解石とともにアラゴナイトおよび／またはドロマイトの相を含む、請求項１～１１のいずれか一項に記載のプロセス。
- 前記スラリーが、分散剤または流動化剤をさらに含む、請求項１～１２のいずれか一項に記載のプロセス。
- 前記分散剤または流動化剤が、ポリカルボキシレート系ポリマーを含む、請求項１３に記載のプロセス。
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