JP7296135B2 - Controlling curing time of geopolymer compositions containing high CA reactive aluminosilicate materials - Google Patents

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Description

開示された発明は、概して、ジオポリマー組成物用の混和剤に関する。より具体的には、本発明は、特定の用途に使用され得るジオポリマー組成物及びジオポリマー系における硬化を効率的に制御するための遅延混和剤に関する。 The disclosed invention relates generally to admixtures for geopolymer compositions. More specifically, the present invention relates to retarding admixtures for effectively controlling curing in geopolymer compositions and geopolymer systems that can be used in certain applications.

一般に、ある特定の反応性高Caアルミノケイ酸塩で作製されたジオポリマーは、ケイ酸カルシウム水和物とアルミノケイ酸カルシウム水和物ゲルが瞬時に形成されるため、非常に速く硬化し、固まることになる。工学技術を実践する際、ジオポリマーの硬化時間についてはかなり長いものとするべきである。これは、ポゾラン結合剤を使用して作製されたコンクリート又はモルタルが、輸送と配置を可能にするのに十分長い硬化時間を必要とすることを意味する。 In general, geopolymers made with certain reactive high-Ca aluminosilicates set and harden very quickly due to the instantaneous formation of calcium silicate hydrates and calcium aluminosilicate hydrate gels. become. In engineering practice, geopolymer cure times should be fairly long. This means that concrete or mortar made using pozzolanic binders require sufficiently long curing times to allow transport and placement.

しかしながら、硬化時間が長すぎると不経済となる。すなわち、硬化遅延剤を使用することによる硬化時間の適切な制御の改善は、建設及び建築産業におけるジオポリマー材料の適用を成功させるために重要である。 However, if the curing time is too long, it becomes uneconomical. Thus, improved proper control of cure time through the use of cure retarders is critical to the successful application of geopolymer materials in the construction and construction industry.

(発明の概要)
第1の広範な実施態様によれば、本開示は、少なくとも1つの反応性アルミノケイ酸塩、少なくとも1つの遅延剤、及び少なくとも1つのアルカリケイ酸塩活性剤溶液を含む制御可能な硬化時間を有するジオポリマー組成物を提供する。
第2の広範な実施態様によれば、本開示は、少なくとも1つの反応性アルミノケイ酸塩、少なくとも1つの遅延剤及び少なくとも1つのアルカリケイ酸塩活性剤溶液を組み合わせることを含む、制御可能な硬化時間を有するジオポリマー組成物の製造方法を提供する。
(Outline of invention)
According to a first broad embodiment, the present disclosure has a controllable cure time comprising at least one reactive aluminosilicate, at least one retarder, and at least one alkali silicate activator solution. A geopolymer composition is provided.
According to a second broad embodiment, the present disclosure provides a controllable cure comprising combining at least one reactive aluminosilicate, at least one retarder and at least one alkali silicate activator solution. A method of making a geopolymer composition with time is provided.

本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する添付の図面は、本発明の具体例としての実施形態を示し、上記の全般的な説明及び以下の詳細な説明とともに、本発明の特徴を説明する役割を果たす。 BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The accompanying drawings, which are incorporated in and constitute a part of this specification, illustrate exemplary embodiments of the invention and, together with the general description given above and the detailed description given below, illustrate the invention. It serves to explain the characteristics.

本開示の一実施形態による、0%~5%の塩化バリウム一水和物BWOBを含有するケイ酸ナトリウム活性剤溶液のラマンスペクトルを示す。4 shows a Raman spectrum of a sodium silicate activator solution containing 0% to 5% barium chloride monohydrate BWOB, according to one embodiment of the present disclosure;

本開示の一実施形態による、0.5%、0.75、0.875及び1.0%の塩化バリウム一水和物BWOBを含む共沈したシリケート材料のラマンスペクトルを示す。FIG. 2 shows Raman spectra of a co-precipitated silicate material comprising 0.5%, 0.75, 0.875 and 1.0% barium chloride monohydrate BWOB, according to one embodiment of the present disclosure; FIG.

定義
用語の定義が一般的に使用される用語の意味から逸脱している場合、出願人は、特に示されていない限り、以下に提供される定義を利用することを意図している。
DEFINITIONS Where the definition of terms departs from the commonly used meaning of the term, applicant intends to utilize the definitions provided below unless otherwise indicated.

前述の全般的な説明及び以下の詳細な説明は、代表的及び説明的なものにすぎず、主張されるいかなる主題をも制限するものではないことを理解されたい。本出願では、特に明記しない限り、単数形の使用には複数形の場合が含まれる。本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用されるように、単数形「a」、「an」及び「the」は、文脈が明確に他のことを示さない限り、複数の指示対象を含むことに注意しなければならない。本出願では、特に明記しない限り、「又は」の使用は「及び/又は」を意味する。さらに、「含んでいる(including)」という用語ならびに「含む(include)」、「含む(includes)」及び「含まれる(included)」などの他の形態の使用は、限定的ではない。 It is to be understood that the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory only and are not restrictive of any subject matter claimed. In this application, the use of the singular includes the plural unless specifically stated otherwise. As used in this specification and the appended claims, the singular forms "a," "an," and "the" include plural referents unless the context clearly dictates otherwise. It should be noted that In this application, the use of "or" means "and/or" unless stated otherwise. Furthermore, use of the term "including" as well as other forms such as "includes", "includes" and "included" is not limiting.

本開示については、「含んでいる(comprising)」という用語、「有する(having)」という用語、「含んでいる(including)」という用語、及びこれらの単語の変形は、制約のないものであり、列挙された要素以外の追加の要素があり得ることを意味する。 For purposes of this disclosure, the terms "comprising," "having," "including," and variations of these words are open-ended. , means that there may be additional elements other than the listed elements.

本開示について、「上(top)」、「下(bottom)」、「上部(upper)」、「下部(lower)」、「上方(above)」、「下方(below)」、「左(left)」、「右(right)」、「水平(horizontal)」、「垂直(vertical)」、「上へ(up)」、「下へ(down)」などの方向を示す用語は、本開示の様々な実施形態を説明する際の便宜のためにのみ使用されている。本開示の実施形態は、様々な方法で方向付けられ得る。例えば、図面に示されている図、装置などは、裏返されたり、任意の方向に90度回転されたり、反転されたりすることもあり得る。 For purposes of this disclosure, "top", "bottom", "upper", "lower", "above", "below", "left ),” “right,” “horizontal,” “vertical,” “up,” “down,” etc. It is used only for convenience in describing various embodiments. Embodiments of the present disclosure can be oriented in various ways. For example, figures, devices, etc. shown in the drawings could be flipped over, rotated 90 degrees in any direction, or flipped.

本開示について、値又は特性は、ある値が、その値、特性又は他の因子を使用して数学的計算又は論理決定を実行することによって導出される場合、その特定の値、特性、条件の満足度、又は他の因子に「基づいて(based)」いる。 For the purposes of this disclosure, a value or property is defined as the value of a particular value, property, or condition when that value is derived by performing a mathematical calculation or logical decision using that value, property, or other factor. It is "based" on satisfaction, or other factors.

本開示については、より簡潔な説明を提供するために、本明細書に示される量的表現の中には、「約(about)」という用語で修飾されないものもあることに留意されたい。「約」という用語が明示的に使用されているか否かにかかわらず、本明細書で与えられたすべての量は、実際の所与の値を指すことを意味し、かかる所与の値についての実験及び/又は測定の条件による近似値を含め、当業界における通常の技能に基づいて合理的に推測されるような所与の値に対する近似値を指すことも意味する。 It is noted that in order to provide a more concise description of the present disclosure, some of the quantitative expressions given herein are not qualified with the term "about." All quantities given herein are meant to refer to the actual given value, regardless of whether the term "about" is explicitly used, and for such given value It is also meant to refer to approximations to a given value as reasonably inferred based on ordinary skill in the art, including approximations due to experimental and/or measurement conditions.

本開示について、用語「実際の温度(actual temperature)」は、温度計によって測定される、任意の特定の場所における空気の実際の温度を指す。 For purposes of this disclosure, the term "actual temperature" refers to the actual temperature of air at any particular location as measured by a thermometer.

本開示の場合、用語「BWOB」は、材料が特定の結合剤又は結合剤のブレンドの総量に基づいて添加されるときにセメントに添加される材料の量(パーセント)として一般に認識される「結合剤の重量(by weight of binder)」を指す。ジオポリマー材料の場合、結合剤は通常、アルカリ溶液で活性化され得るポゾラン前駆体と呼ばれるポゾラン材料である。 For the purposes of this disclosure, the term "BWOB" is commonly recognized as the amount (percentage) of material added to cement when the material is added based on the total amount of a particular binder or blend of binders. "by weight of binder". In the case of geopolymer materials, the binder is typically a pozzolanic material called a pozzolanic precursor that can be activated with an alkaline solution.

本開示の場合、「セメント」という用語は、他の材料を硬化させ、固め、及び接着させてそれらを結合させる、建設に使用される物質である結合剤を指す。セメントを単独で使用することはめったになく、砂と砂利(骨材)を結合するために使用し得る。細骨材と混合したセメントは、石積み用のモルタルを生成するか、砂と砂利と混合してコンクリートを生成する。建設に使用されるセメントは通常無機物であって、多くの場合石灰又はケイ酸カルシウムベースであり、水の存在下でセメントが水和する能力に応じて、水硬性又は非水硬性として特徴付けることができる。 For the purposes of this disclosure, the term "cement" refers to a binder, a substance used in construction that hardens, hardens, and adheres other materials together. Cement is rarely used alone and can be used to bind sand and gravel (aggregate). Cement mixed with fine aggregate produces mortar for masonry or mixed with sand and gravel to produce concrete. Cement used in construction is usually inorganic, often lime or calcium silicate based, and can be characterized as hydraulic or non-hydraulic depending on the ability of the cement to hydrate in the presence of water. can.

本開示の場合、「コンクリート」という用語は、壊れた石又は砂利、砂、セメント材料、及び水の混合物から作られた、型に広げたり流し込んだりすることができ、硬化時に石のような塊を形成する、重くて粗い建築材料を指す。いくつかの実施形態は、時間とともに固くなる流動性セメント(セメントペースト)で一緒に結合された細骨材及び粗骨材から構成される複合材料を含み得る。最も頻繁にポルトランドセメントが利用され得るが、時にはアルミン酸カルシウムセメントなどの他の水硬性セメントが使われることもあり得る。ジオポリマーは、ポルトランドセメントを含まない新しいタイプのセメント材料であると考えられている。 For the purposes of this disclosure, the term “concrete” refers to a stone-like mass that can be spread or poured into a mold and, when hardened, is made from a mixture of broken stone or gravel, sand, cementitious materials, and water. Refers to heavy, rough building materials that form Some embodiments may include composite materials composed of fine and coarse aggregates bonded together with a flowable cement (cement paste) that hardens over time. Most often Portland cement can be used, but sometimes other hydraulic cements such as calcium aluminate cement can be used. Geopolymers are considered to be a new type of cement material that does not contain Portland cement.

本開示の場合、用語「ジオポリマー(geopolymer)」は、ポルトランドセメントを含まない持続可能なセメント結合剤系を指す。狭義には、開示された発明のジオポリマーは、有機熱硬化性ポリマーと同様の三次元ネットワーク構造を有する無機ポリマーに関連している。開示されているジオポリマーのバックボーンマトリックスは、ゼオライトのフレームワークのX線非晶質類似体であり、酸素架橋によって結合されたSi原子及びAl原子の四面体配位を特徴とし、AlO についての電荷バランサーとして会合したアルカリ金属カチオン(通常はNa及び/又はK)を伴う。開示された発明のジオポリマーは、固体アルミノケイ酸塩粉末(用語、ポゾラン前駆体)とアルカリ活性剤の反応の結果として、アルカリアルミノケイ酸塩及び/又はアルカリアルカリ土類アルミノケイ酸塩相で構成されるアルカリ活性化材料(AAM)の1分類としてより広く見なされる可能性がある。 For the purposes of this disclosure, the term "geopolymer" refers to a sustainable cement binder system that is Portland cement free. In a narrow sense, the geopolymers of the disclosed invention relate to inorganic polymers that have a three-dimensional network structure similar to organic thermoset polymers. The backbone matrix of the disclosed geopolymer is an X-ray amorphous analogue of the zeolite framework, characterized by tetrahedral coordination of Si and Al atoms connected by oxygen bridges, with with an associated alkali metal cation (usually Na + and/or K + ) as a charge balancer. The geopolymers of the disclosed invention are composed of alkali aluminosilicate and/or alkali alkaline earth aluminosilicate phases as a result of the reaction of a solid aluminosilicate powder (term, pozzolanic precursor) and an alkali activator. It may be viewed more broadly as a class of Alkali Activated Materials (AAM).

本開示の場合、用語「ジオポリマー組成物(geopolymer composition)」は、固体又は液体形態のポゾラン前駆体及びアルカリ活性剤からなる混合比率のものを指す。さらに、ジオポリマー組成物は、用途に応じて、細骨材及び粗骨材、繊維及び他の混合物をさらに含み得る。 For the purposes of this disclosure, the term "geopolymer composition" refers to a mixed ratio of pozzolanic precursors and alkaline activators in solid or liquid form. Additionally, the geopolymer composition may further comprise fine and coarse aggregates, fibers and other mixtures depending on the application.

本開示の場合、用語「モルタル」は、石、レンガ、及びコンクリートブロックなどのビルディングブロックを結合し、それらの間の不規則なギャップを埋めて密閉し、時には石積みの壁における装飾的な色やパターンを追加するために使用される細骨材を含むワーカブルペースト(workable paste)を指す。最も広い意味で、モルタルには、ピッチ、アスファルト、及び泥レンガの間で使用されるような柔らかい泥又は粘土が含まれる。セメント又はジオポリマーモルタルは、硬化すると硬くなり、堅固な構造になる。 For the purposes of this disclosure, the term "mortar" is used to join building blocks such as stone, brick, and concrete blocks, to fill and seal irregular gaps between them, and sometimes to add decorative colors and textures in masonry walls. Refers to a workable paste containing fine aggregates used to add patterns. In its broadest sense, mortar includes pitch, asphalt, and soft muds or clays such as those used between mud bricks. As cement or geopolymer mortar hardens, it hardens into a rigid structure.

本開示の場合、用語「室温」は、約15℃(華氏59度)~25℃(華氏77度)の温度を指す。 For the purposes of this disclosure, the term “room temperature” refers to temperatures between about 15° C. (59° F.) and 25° C. (77° F.).

本開示の場合、「硬化する(setting)」という用語は、可塑性ペーストから非可塑性の剛体への変換を指す。 For the purposes of this disclosure, the term "setting" refers to the transformation from a plastic paste to a non-plastic rigid body.

本開示の場合、用語「硬化時間(set time)」又は「硬化(する)時間(setting time)」は、水(アルカリ活性剤溶液)がセメント(ポゾラン前駆体)に添加された瞬間から、ペーストがその可塑性を失い始める(初期硬化)時までの経過時間を指す。最終硬化時間は、水(アルカリ活性剤溶液)がセメント(ポゾラン前駆体)に添加された瞬間から、ペーストが完全にその可塑性を失い、ある一定の圧力に耐えるのに十分な硬度に達した時までの時間である。 For the purposes of this disclosure, the term "set time" or "setting time" refers to the time from the moment water (alkaline activator solution) is added to the cement (pozzolanic precursor) until the paste refers to the elapsed time until it begins to lose its plasticity (initial hardening). The final hardening time is from the moment water (alkaline activator solution) is added to the cement (pozzolanic precursor), when the paste has completely lost its plasticity and reached a hardness sufficient to withstand a certain pressure. It is time to

本開示の場合、「水に難溶性」という用語は、水100mlに対し0.1g~水100mlに対し1gの溶解度を有する物質を指す。特に明記しない限り、「難溶性」及び「水に難溶性」という用語は、水に難溶性である物質を指すために、以下の本発明の説明では互換的に使用される。 For the purposes of this disclosure, the term "sparingly water soluble" refers to substances with a solubility of 0.1 g/100 ml water to 1 g/100 ml water. Unless otherwise stated, the terms "sparingly soluble" and "sparingly water soluble" are used interchangeably in the following description of the invention to refer to substances that are sparingly soluble in water.

本開示の場合、「水不溶性」という用語は、100mlの水に対し0.1g未満の溶解度を有する物質を指す。 For the purposes of this disclosure, the term "water-insoluble" refers to substances that have a solubility of less than 0.1 g in 100 ml of water.

説明
本発明は、様々な修正形態及び代替形態が可能であり、その具体的な実施形態を、例として図面に示し、以下で詳細に説明する。しかしながら、本発明を開示された特定の形態に限定することを意図するものではなく、逆に、本発明は、本発明の精神及び範囲内にあるすべての修正、等価物、及び代替物を網羅することを理解されたい。
DESCRIPTION While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof have been shown by way of example in the drawings and will be described in detail below. The invention is not intended, however, to be limited to the particular forms disclosed, but on the contrary the invention covers all modifications, equivalents and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. It should be understood that

ジオポリマーは、有機熱硬化性ポリマーの場合と同様の3次元ネットワーク構造を有するアルカリ活性化結合剤の一種である。ジオポリマーのバックボーンマトリックスは、ゼオライトのフレームワークのX線非晶質類似体であり、酸素架橋によって結合されたSi原子及びAl原子の四面体配位を特徴とし、AlO についての電荷バランサーとして会合したアルカリ金属カチオン(通常はNa及び/又はK)を伴う。名目上、ジオポリマーの実験式は、M[-(SiO-AlO・wHOとして表され得、式中、Mはアルカリカチオンを表し、zは、SiとAlのモル比(1、2又は3)を表し、nは、重縮合(polycondensation)の程度を表す。アルカリ加水分解による反応性低Caアルミノケイ酸塩源の溶解により、水が消費され、アルミン酸塩種とシリケート種(silicate species)が生成する。ジオポリマー化のこの最初の段階は、フライアッシュガラスネットワークを溶解し、シリケートとアルミン酸塩の小さな反応種を生成するアルカリ性化合物の能力によって制御される:

Figure 0007296135000001

溶解すると、これらの種は水相の一部、すなわちすでにシリケートを含む活性化溶液になる。これにより、シリケート、アルミン酸塩及びアルミノケイ酸塩種の複合混合物が形成される。水相の種が重縮合によって大きなネットワークを形成するため、溶液はますます濃縮され、その結果アルカリアルミノケイ酸塩ゲル(AAS)が形成される:
Figure 0007296135000002

ゲル化後、ゲルネットワークの接続性が増加するため、この系は再構成と再編成を続け、その後の硬化プロセス中に硬化して固まる3次元アルミノケイ酸塩ネットワークをもたらす。 Geopolymers are a class of alkali-activated binders that have a three-dimensional network structure similar to that of organic thermoset polymers. The geopolymer backbone matrix is the X-ray amorphous analogue of the zeolite framework, characterized by tetrahedral coordination of Si and Al atoms connected by oxygen bridges, acting as a charge balancer for AlO4- . With associated alkali metal cations (usually Na + and/or K + ). Nominally, the empirical formula of a geopolymer can be expressed as Mn [-( SiO2 ) z - AlO2 ] nWH2O , where M represents an alkali cation and z is the Denotes a molar ratio (1, 2 or 3), where n represents the degree of polycondensation. Dissolution of reactive low-Ca aluminosilicate sources by alkaline hydrolysis consumes water and produces aluminate and silicate species. This first step of geopolymerization is controlled by the ability of alkaline compounds to dissolve fly ash glass networks and generate small reactive species of silicates and aluminates:
Figure 0007296135000001

Upon dissolution, these species become part of the aqueous phase, ie the activated solution already containing silicates. This forms a complex mixture of silicate, aluminate and aluminosilicate species. As species in the aqueous phase form a large network through polycondensation, the solution becomes increasingly concentrated, resulting in the formation of an alkali aluminosilicate gel (AAS):
Figure 0007296135000002

After gelation, the system continues to rearrange and rearrange as the connectivity of the gel network increases, resulting in a three-dimensional aluminosilicate network that hardens and hardens during the subsequent curing process.

これらの低Ca反応性アルミノケイ酸塩の例には、メタカオリン(MK)、ある特定の焼成ゼオライト、及び低CaクラスFフライアッシュ(低Ca FFA)が含まれる。 Examples of these low Ca reactive aluminosilicates include metakaolin (MK), certain calcined zeolites, and low Ca class F fly ash (low Ca FFA).

メタカオリンは非晶質アルミノケイ酸塩ポゾラン材料であり、その使用はブラジルのジュピアダムのコンクリートに組み込まれた1962年にさかのぼる。は、フュームドシリカの活性に匹敵する、又はそれには及ばないが高いポゾラン活性を備えた熱活性化アルミノケイ酸塩材料である。メタカオリンは、前駆体粘土の純度と結晶化度に応じて、650℃~800℃でカオリナイト粘土を焼成することによって生成される。メタカオリンのアルカリ活性化により、周囲温度で硬化し、固まる典型的なAASゲル組成物が生成される。ジオポリマーの機械的特性と微細構造は、Si/Alの初期モル比に強く依存する。より優れた強度特性は、MO/Alのモル比が約1で、SiO/Al比が3.0~3.8の範囲である混合物に関して報告されている。 Metakaolin is an amorphous aluminosilicate pozzolanic material whose use dates back to 1962 when it was incorporated into the concrete of Jupiadam, Brazil. is a heat-activated aluminosilicate material with high pozzolanic activity comparable to, or less than, that of fumed silica. Metakaolin is produced by calcining kaolinite clay at 650° C. to 800° C., depending on the purity and crystallinity of the precursor clay. Alkaline activation of metakaolin produces a typical AAS gel composition that cures and hardens at ambient temperature. The mechanical properties and microstructure of geopolymers strongly depend on the initial Si/Al molar ratio. Better strength properties have been reported for mixtures with M 2 O/Al 2 O 3 molar ratios of about 1 and SiO 2 /Al 2 O 3 ratios ranging from 3.0 to 3.8.

フライアッシュは、石炭燃焼室(ボイラー)から「飛散」する微細な粉末状の物質であり、電気集塵機や繊維性フィルターの「バグハウス」などの排出制御システムやスクラバーによって捕捉される。年間約1億3100万トンのフライアッシュが生産され、そのうち約5600万トンのフライアッシュがリサイクルされる。世界中で、生成されたフライアッシュの約65%が埋め立て地又は灰池に廃棄されている。無煙炭と歴青炭を燃焼すると、通常、CaOが8%未満のクラスFフライアッシュが生成される。フライアッシュは、主にガラス状の球状粒子で構成されている。米国材料試験協会(ASTM)C618規格は、フライアッシュの2つの主要なクラス、クラスC及びクラスFを認めている。クラスFフライアッシュ(FFA:F fly ash)の(SiO+Al+Fe)の下限は70%であり、クラスCフライアッシュ(CFA)の下限は50%である。酸化カルシウムの含有量が多いと、アルカリ活性化を必要とせずに、水と混合するとケイ酸カルシウムとアルミン酸カルシウム水和物の形成をもたらすセメント質の特性を有するクラスCフライアッシュになる。米国特許第5,435,843号は、セメントの初期硬化時間が約5分未満であるアルカリ活性化クラスCフライアッシュ組成物を開示している。一般に、クラスFのフライアッシュの酸化カルシウムの最大含有量は約18重量%であるが、クラスCのフライアッシュは一般に、20~40重量%など、より高い酸化カルシウム含有量を有する。低Ca FFAは通常、CaOを8重量%未満の割合で含む。低Ca FFAベースのジオポリマーは、通常、硬化し固まるのが非常に緩慢であり、周囲温度(例、室温)で硬化すると最終強度が低くなるが、その反応性は硬化温度の上昇に伴い増加する。有用な建設資材を製造するために、低Ca FFAのアルカリ活性化には高温硬化が必要である。別法として、周囲温度で硬化して固まるジオポリマー製品を製造するには、高炉スラグ(BFS:blast furnace slag)微粉末やメタカオリンなどのより反応性の高いアルミノケイ酸塩材料をブレンドしなければならない。 Fly ash is a fine, powdery material that "sprays" out of coal combustion chambers (boilers) and is captured by emission control systems and scrubbers, such as electrostatic precipitators and fibrous filter "baghouses." About 131 million tons of fly ash are produced annually, of which about 56 million tons of fly ash are recycled. Worldwide, approximately 65% of fly ash produced is disposed of in landfills or ash ponds. Combustion of anthracite and bituminous coal typically produces class F fly ash with less than 8% CaO. Fly ash is mainly composed of glassy spherical particles. The American Society for Testing and Materials (ASTM) C618 standard recognizes two major classes of fly ash, Class C and Class F. The lower limit of (SiO 2 +Al 2 O 3 +Fe 2 O 3 ) for class F fly ash (FFA) is 70% and for class C fly ash (CFA) is 50%. A high content of calcium oxide results in a Class C fly ash with cementitious properties that, when mixed with water, lead to the formation of calcium silicate and calcium aluminate hydrates without the need for alkali activation. US Pat. No. 5,435,843 discloses an alkali-activated Class C fly ash composition in which the cement has an initial hardening time of less than about 5 minutes. Class F fly ash generally has a maximum calcium oxide content of about 18 wt%, while Class C fly ash generally has a higher calcium oxide content, such as 20-40 wt%. Low Ca FFAs typically contain less than 8 wt% CaO. Low-Ca FFA-based geopolymers are typically very slow to cure and harden, with low ultimate strength when cured at ambient (e.g., room temperature) temperatures, but their reactivity increases with increasing curing temperature. do. Alkali activation of low-Ca FFAs requires high temperature curing to produce useful construction materials. Alternatively, a more reactive aluminosilicate material such as fine blast furnace slag (BFS) powder or metakaolin must be blended to produce a geopolymer product that cures and hardens at ambient temperatures. .

高炉スラグ微粉末(ground granulated blast furnace slag)は、CaOやMgOなどのアルカリ土類酸化物が豊富な別のタイプの反応性アルミノケイ酸塩材料である。高炉スラグ微粉末は、直径が4.75 mmを超える、ポップコーン様の砕けやすい粗い構造から、密な砂サイズの粒子まで変化するガラス状の粒状材料である。粉砕すると、粒子サイズがセメントの細かさまで減少し、ポルトランドセメントベースのコンクリートの補足的なセメント質材料として使用できる。高炉スラグは本質的にアルミノケイ酸カルシウムガラスであり、典型的には27~38重量%のSiO、7~12重量%のAl、34~43重量%のCaO、7~15重量%のMgO、0.2~1.6重量%のFe、0.15~0.76重量%のMnO及び1.0~1.9重量%を含む。高炉スラグは通常、ASTM C989-92により80、100及び120の3つのグレードに分類される。さらに、超微細高炉スラグはBFS 120と比較してさらに反応性が高い。例えば、MC-500(登録商標)Microfine(登録商標)セメント(de Neef Construction Chemicals)は、粒子サイズが約10μm未満で、比表面積が約800m/kgの超微細粉炭である。BFSはほぼ100%ガラス質なので、一般にほとんどのフライアッシュより反応性が高い。BFSのアルカリ活性化により、本質的にはケイ酸カルシウム水和物(CSH)及びアルミノケイ酸カルシウム(CASH)ゲルが生成される。BFSのアルカリ活性化によって製造されたジオポリマーは、通常、周囲温度でも非常に急速に硬化し固まるため、その結果、低CaクラスFフライアッシュで製造されたジオポリマーよりもはるかに高い極限強度が得られる。組成物の中には、初期硬化の時間が60分未満であるため、混合、配置及び仕上げが困難なものもある。アルカリ活性化スラグは、低水和熱、高い初期強度及び攻撃的な環境での優れた耐久性など、ポルトランドセメントコンクリートと比較していくつかの優れた特性を有することが判明している。既刊文献の調査は、この結合剤系が、急速な硬化や高乾燥収縮などいくつかの深刻な問題点を有することを示した。2,3これらの問題点は、それが商業活動で使用され得る前に解決されなければならない。 Ground granulated blast furnace slag is another type of reactive aluminosilicate material rich in alkaline earth oxides such as CaO and MgO. Ground granulated blast furnace slag is a glassy granular material that varies from popcorn-like, crumbly, coarse structures to dense, sand-sized particles with diameters greater than 4.75 mm. Grinding reduces the particle size to cement fineness and can be used as a supplemental cementitious material in Portland cement-based concrete. Blast furnace slag is essentially calcium aluminosilicate glass, typically 27-38 wt% SiO2 , 7-12 wt% Al2O3 , 34-43 wt% CaO, 7-15 wt%. MgO, 0.2-1.6 wt% Fe 2 O 3 , 0.15-0.76 wt% MnO and 1.0-1.9 wt%. Blast furnace slag is commonly classified into three grades, 80, 100 and 120, according to ASTM C989-92. Moreover, ultra-fine blast furnace slag is more reactive compared to BFS 120. For example, MC-500® Microfine® cement (de Neef Construction Chemicals) is an ultra-fine pulverized coal with a particle size of less than about 10 μm and a specific surface area of about 800 m 2 /kg. Since BFS is nearly 100% vitreous, it is generally more reactive than most fly ash. Alkaline activation of BFS essentially produces calcium silicate hydrate (CSH) and calcium aluminosilicate (CASH) gels. Geopolymers produced by alkali activation of BFS typically cure and harden very rapidly even at ambient temperatures, resulting in much higher ultimate strength than geopolymers produced with low-Ca Class F fly ash. can get. Some compositions have an initial cure time of less than 60 minutes, making them difficult to mix, place and finish. Alkali-activated slag has been found to have several superior properties compared to Portland cement concrete, such as low heat of hydration, high early strength and excellent durability in aggressive environments. 1 A survey of the published literature showed that this binder system had some serious problems such as rapid curing and high drying shrinkage. A few of these issues must be resolved before it can be used in commercial activities.

最近、褐炭と亜瀝青炭の使用が大幅に増加し、米国の石炭埋蔵量のかなりのパーセンテージが、相当な量のCaOを含むフライアッシュを生成している。例えば8重量%を超え20重量%未満といった高CaO含有量を含むフライアッシュ(高Ca FFA)は、ASTM C-618により依然としてタイプFとして分類される場合がある。フライアッシュベースのジオポリマーの硬化時間は、CaO含有量が増加するにつれて指数関数的に減少するが、CaOの増加に伴って圧縮強度が増加する。開示された実施形態により、速硬化が、12.2重量%のCaOを含有する高Ca FFAで作られた新鮮なジオポリマーで起こり得ることが見出された。CaOが20%を超えるCFAで作られたジオポリマーは通常36分以内に硬化し、例えば数分といった速硬化はごく一般的である。明らかに、高Ca FFA(例、8%を超えるCaO)及びCFAで作られたジオポリマーは、有用な建設資材を製造するために適切な硬化制御を必要とする。高Ca FFAのアルカリ活性化により、アルカリアルミノケイ酸塩ゲルとともに、CSHやCASHなどの水和生成物が生成される。ジオポリマーの硬化時間は、アルカリモル濃度、SiO/MO(M=Na、K)モル比、結合剤と水の比率(w/b)などのアルカリ活性剤溶液の特性に左右される。例えば、硬化時間は、アルカリ水酸化物のモル濃度とSiO/MO(M=Na、K)モル比が増加すると減少するが、w/bが増加すると増加する。反対に、固まったジオポリマーの圧縮強度は、アルカリ水酸化物のモル濃度とSiO/MO(M=Na、K)モル比の増加とともに増加する。 Recently, the use of lignite and sub-bituminous coal has increased significantly, and a significant percentage of US coal reserves produce fly ash containing significant amounts of CaO. Fly ash containing high CaO content (high Ca FFA), eg, greater than 8 wt% and less than 20 wt%, may still be classified as Type F by ASTM C-618. Cure time of fly ash-based geopolymers decreases exponentially with increasing CaO content, but compressive strength increases with increasing CaO. 4 According to the disclosed embodiments, it was found that fast curing can occur with fresh geopolymers made with high Ca FFA containing 12.2 wt% CaO. Geopolymers made with CFA with more than 20% CaO typically cure within 36 minutes, and fast cures, eg, minutes, are very common. 5 Clearly, geopolymers made with high Ca FFAs (eg >8% CaO) and CFAs require adequate cure control to produce useful construction materials. Alkaline activation of 6- high Ca FFAs produces hydrated products such as CSH and CASH along with alkali aluminosilicate gels. The curing time of the geopolymer depends on the properties of the alkaline activator solution, such as alkali molarity, SiO2 / M2O (M=Na, K) molar ratio, binder to water ratio (w/b). . For example, curing time decreases with increasing alkali hydroxide molar concentration and SiO 2 /M 2 O (M=Na, K) molar ratio, but increases with increasing w/b. Conversely, the compressive strength of the consolidated geopolymer increases with increasing alkali hydroxide molar concentration and SiO 2 /M 2 O (M=Na, K) molar ratio.

クラスCフライアッシュは、高炉スラグといくつかの類似点がある。両方ともアルミノケイ酸カルシウムガラスである。これらのポゾラン材料は、反応性アルカリ土類アルミノケイ酸塩、又は高Ca反応性アルミノケイ酸塩と呼ばれている。BFS及びCFAに加えて、高Ca FFA、ガラス質ケイ酸カルシウム(VCAS:vitreous calcium silicate)、及びクリンカーキルンダスト(CKD:clinker kiln dust)がこのカテゴリに分類される。VCASはガラス繊維製造に伴う廃棄物である。代表的なガラス繊維製造施設では、通常、加工処理されたガラス材料の約10~20重量%は最終製品に変換されず、副産物又は廃棄物VCASとして除外され、埋め立て処分に出される。VCASは100%非晶質であって、その組成は非常に一貫しており、主に約50~55重量%のSiO、15~20重量%のAl、及び20~25重量%のCaOを含有する。ASTM C618及びC1240に従って試験した場合、粉砕VCASは、シリカフューム及びメタカオリンに匹敵するポゾラン活性を呈する。CKDは、ポルトランドセメント製造に伴う副産物であり、産業廃棄物である。世界中で毎年3000万トンを超えるCKDが生産されており、そのかなりの量が埋立地に投入されている。典型的なCKDは約38~64重量%CaO、9~16重量%SiO、2.6~6.0重量%Al、1.0~4.0重量%Fe、0.0~3.2重量%MgO、2.4~13重量%KO、0.0~2.0重量%NaO、1.6~18重量%SO、0.0~5.3重量%Clを含有し、また5.0~25重量%LOIを有する。CKDは一般に非常に細かい粉末である(例、約4600~14000cm/gの比表面積)。アルカリ活性化中に、CSHゲル、エトリンガイト(3CaO・Al・3CaSO・32HO)、及び/又はシンゲナイト(アルカリ-硫酸カルシウム混合)がさらに形成されることになる。 Class C fly ash has some similarities to blast furnace slag. Both are calcium aluminosilicate glasses. These pozzolanic materials are called reactive alkaline earth aluminosilicates or high Ca reactive aluminosilicates. In addition to BFS and CFA, high Ca FFA, vitreous calcium silicate (VCAS), and clinker kiln dust (CKD) fall into this category. VCAS is a waste product associated with glass fiber manufacturing. In a typical fiberglass manufacturing facility, typically about 10-20% by weight of the processed glass material is not converted into final product and is excluded as a by-product or waste VCAS and sent to landfill. VCAS is 100% amorphous and its composition is very consistent, primarily about 50-55 wt% SiO 2 , 15-20 wt% Al 2 O 3 , and 20-25 wt%. of CaO. Ground VCAS exhibits pozzolanic activity comparable to silica fume and metakaolin when tested according to ASTM C618 and C1240. CKD is a by-product of Portland cement manufacturing and is an industrial waste. Over 30 million tons of CKD are produced annually worldwide, a significant amount of which ends up in landfills. A typical CKD is about 38-64 wt% CaO, 9-16 wt% SiO 2 , 2.6-6.0 wt% Al 2 O 3 , 1.0-4.0 wt% Fe 2 O 3 , 0 0-3.2 wt % MgO, 2.4-13 wt % K 2 O, 0.0-2.0 wt % Na 2 O, 1.6-18 wt % SO 3 , 0.0-5. It contains 3 wt% Cl 2 and has a 5.0-25 wt% LOI. CKD is generally a very fine powder (eg, specific surface area of about 4600-14000 cm 2 /g). During alkaline activation, CSH gel, ettringite (3CaO.Al 2 O 3.3CaSO 4.32H 2 O) and/or syngenite (alkali-calcium sulfate mixture ) will be further formed.

一般に、これらの反応性高Caアルミノケイ酸塩のアルカリ活性化で作られたジオポリマーは、ケイ酸カルシウム水和物とアルミノケイ酸カルシウム水和物ゲルが瞬時に形成されるため、非常に速く硬化し、固まる。工学技術を実践する際、ジオポリマーの硬化時間についてはかなり長いものとするべきである。これは、ポゾラン結合剤を使用して作製されたコンクリート又はモルタルが、輸送と配置を可能にするのに十分長い硬化時間を必要とすることを意味する。しかしながら、硬化時間が長すぎると不経済となる。開示された実施形態によると、固化遅延剤を使用することによる硬化時間の適切な制御は、建設及び建築産業においてジオポリマー材料を有効に適用するために非常に重要である。 In general, geopolymers made by alkali activation of these reactive high-Ca aluminosilicates set very quickly due to the instantaneous formation of calcium silicate hydrates and calcium aluminosilicate hydrate gels. , hardens. In engineering practice, geopolymer cure times should be fairly long. This means that concrete or mortar made using pozzolanic binders require sufficiently long curing times to allow transport and placement. However, if the curing time is too long, it becomes uneconomical. According to disclosed embodiments, proper control of set time by using set retarders is very important for effective application of geopolymer materials in the construction and construction industry.

硬化時間の制御は、高Caアルミノケイ酸塩ベースのジオポリマー用の活性剤溶液組成物を適切に調合することにより達成され得る。例えば、w/bが大きく、アルカリケイ酸塩の濃度が低いと、硬化時間の長さや作業性が十分であるジオポリマーペーストが得られる可能性がある。しかしながら、硬化製品の性能は通常大きく影響を受け、かなりの強度低下と大きな乾燥収縮が予想される。近年、アルカリ活性化セメント又はジオポリマーの硬化を遅らせるために、様々な種類の混合物が使用されてきたが、それらの遅延効率は大きく異なる。米国特許第5,366,547号は、リン酸添加剤を使用して、水酸化ナトリウム活性化高炉スラグの硬化時間を遅らせる方法を開示している。リン酸遅延剤の例としては、メタリン酸ナトリウム、ポリリン酸ナトリウム、メタリン酸カリウム、及びポリリン酸カリウムが挙げられる。これらのリン酸塩添加剤の遅延効果は、ケイ酸ナトリウム溶液がBFS又は他のタイプの高Caアルミノケイ酸塩を活性化するために使用されるときに変化する可能性がある。Kalinaらは、ケイ酸ナトリウム活性化高炉スラグの硬化を遅らせるためにNaPOを使用した。固体リン酸ナトリウムをBFSとブレンドし、次にケイ酸ナトリウム活性剤溶液と混合した。高用量の遅延剤を適用して長い硬化時間又は作業可能時間を達成すると、圧縮強度が大幅に影響を受けた(減少した)。ChangとChangらは、リン酸のみを使用すると、臨界濃度に達した後のアルカリ活性化スラグの硬化時間が延長されるが、初期材令では圧縮強度が低下すると結論付けた。高アルカリ溶液中における高炉スラグの溶解中に放出されたCa2+イオンは、遅延剤からのリン酸アニオンに結合していると評価された。二水素カルシウム、後でリン酸水素構造が形成されることにより、溶解状態のカルシウムイオンが不足し、そのためCSHとCASHの核生成と成長が妨げられる。したがって、初期硬化時間が長くなる。 Control of cure time can be achieved by properly formulating the activator solution composition for high Ca aluminosilicate-based geopolymers. For example, a high w/b and low concentration of alkali silicate may result in a geopolymer paste with sufficient long cure times and workability. However, the performance of the cured product is usually greatly affected, with significant loss of strength and large drying shrinkage to be expected. Various types of mixtures have been used in recent years to retard the setting of alkali-activated cements or geopolymers, but their retarding efficiencies vary widely. 3 U.S. Pat. No. 5,366,547 discloses a method of retarding the setting time of sodium hydroxide activated blast furnace slag using a phosphoric acid additive. Examples of phosphate retarders include sodium metaphosphate, sodium polyphosphate, potassium metaphosphate, and potassium polyphosphate. The retarding effect of these phosphate additives can change when sodium silicate solutions are used to activate BFS or other types of Ca-rich aluminosilicates. Kalina et al.7 used Na 3 PO 4 to retard the hardening of sodium silicate activated blast furnace slag. Solid sodium phosphate was blended with BFS and then mixed with the sodium silicate activator solution. Compressive strength was significantly affected (decreased) when a high dose of retarder was applied to achieve a long set or workable time. Chang 8 and Chang et al. 9 concluded that the use of phosphoric acid alone prolongs the hardening time of alkali-activated slags after reaching a critical concentration, but reduces the compressive strength at early age. Ca 2+ ions released during dissolution of blast furnace slag in highly alkaline solutions were estimated to be bound to phosphate anions from retarders. Calcium dihydrogen, with subsequent formation of the hydrogen phosphate structure, results in a shortage of calcium ions in solution, which hinders the nucleation and growth of CSH and CASH. Therefore, the initial hardening time is lengthened.

ポルトランドセメントに一般的に使用されるある特定の遅延剤の効率は、ジオポリマーによって異なる。ポルトランドセメントで効果的なほとんどの硬化遅延性混和剤は、高アルカリ性ジオポリマー系では機能しない可能性がある。Wuら10は、酒石酸カリウム又は酒石酸ナトリウムがアルカリ活性化スラグの初期硬化時間に影響を及ぼすことはないが、最終硬化時間をわずかに短縮することを観察した。Rathanasakら11は、ポルトランドセメントで有効に機能するスクロースと石膏が、ケイ酸ナトリウム活性化高Ca FFAについては硬化時間を延長しないことを見出した。Broughtら12は、ケイ酸ナトリウム活性化スラグ系の硬化時間に対するNaClの遅延効果を調査した。NaClを高用量で添加すると、硬化と強度の両方の展開を大幅に遅らせたが、低用量、すなわちスラグの4重量%以下の場合、NaClは促進剤として機能した。別のケイ酸ナトリウム活性化スラグ系では、13硬化時間に対するNaClの効果は、結合剤の重量で(BWOB)最大20%の添加ではほとんど観察されず、その値を超えると硬化が遅延した。しかしながら、補強されたジオポリマーコンクリートにこのような大量の塩化物を添加すると、鉄筋の腐食が大幅に加速されるため、使用時間が短縮されることになり得る。 The efficiency of certain retarders commonly used in Portland cement varies with geopolymer. Most retarding admixtures that are effective in Portland cement may not work in highly alkaline geopolymer systems. Wu et al.10 observed that potassium tartrate or sodium tartrate had no effect on the initial setting time of the alkali-activated slag, but slightly shortened the final setting time. Rathanasak et al . 11 found that sucrose and gypsum, which worked well in Portland cement, did not extend setting time for sodium silicate-activated high-Ca FFAs. Brought et al.12 investigated the retarding effect of NaCl on the setting time of sodium silicate activated slag systems. Addition of NaCl at high doses significantly retarded both hardening and strength development, whereas at low doses, ie, 4 wt% or less of the slag, NaCl acted as an accelerator. In another sodium silicate-activated slag system, 13 little effect of NaCl on curing time was observed with additions up to 20% by weight of binder (BWOB) above which retarded curing. However, the addition of such large amounts of chloride to reinforced geopolymer concrete can greatly accelerate corrosion of rebar, resulting in reduced service life.

ポルトランドセメント用の遅延剤としてのボラートの使用も非常によく知られている。しかしながら、Nicholsonら14は、アルカリ活性化フライアッシュ(クラスC)に添加されたボラートは硬化挙動に影響を与えず、逆に、結合剤の強度は、大量のホウ酸塩によって悪影響を受けることを報告した。米国特許第4,997,484号は、アルカリ水酸化物活性化クラスCフライアッシュジオポリマー組成物(可溶性シリケートを含まない)を開示している。ジオポリマー組成物は、ホウ砂を遅延剤として使用しているが、華氏73度で3~4時間硬化させた後、1800~4000psiなどの急速な強度向上を呈する。ホウ素遅延剤は、アルカリ活性化CFAジオポリマーの硬化遅延に効果的ではなかった。米国特許第7,794,537号及び米国特許第7,846,250号は両方とも、ポルトランドセメントとジオポリマー用の周知の遅延剤としてある特定の化学的化合物を開示している。ジオポリマー組成物は、油田用途又は二酸化炭素貯蔵に関してMK又はFFAベースである。これらの化合物は、85℃などの高温で坑井セメンチンググラウトの増粘を遅らせるものであり、ホウ砂(Na・10HO)、ホウ酸、リン酸ナトリウム、及びリグノスルホナートが含まれる。 The use of borate as a retarder for Portland cement is also very well known. However, Nicholson et al.14 found that borate added to alkali-activated fly ash (Class C) had no effect on hardening behavior and, on the contrary, binder strength was adversely affected by large amounts of borate. reported. US Pat. No. 4,997,484 discloses alkali hydroxide activated Class C fly ash geopolymer compositions (free of soluble silicates). The geopolymer composition, which uses borax as a retarder, exhibits rapid strength build-up, such as 1800-4000 psi, after curing at 73 degrees Fahrenheit for 3-4 hours. Boron retarders were not effective in retarding the cure of alkali-activated CFA geopolymers. Both US Pat. No. 7,794,537 and US Pat. No. 7,846,250 disclose certain chemical compounds as known retarders for Portland cement and geopolymers. Geopolymer compositions are MK or FFA based for oilfield applications or carbon dioxide storage. These compounds retard the thickening of well cementing grouts at high temperatures such as 85° C. and include borax (Na 2 B 4 O 7.10H 2 O), boric acid, sodium phosphate, and lignosulfonates. is included.

米国特許出願第2011/0284223号は、高温でジオポリマー系の増粘を遅らせるために有機化合物を使用する坑井セメンチング適用のための組成物及び方法を開示している。ジオポリマー組成物は新しいものではなく、先行技術で開示されており、文献で広く研究されている。遅延剤として好ましい化合物には、アミノ化ポリマー、ホスホン酸アミン、第四級アンモニウム化合物及び第三級アミンが含まれる。ジオポリマーの組成自体は特有のものではないが、圧縮強度などの硬化特性に対するこれらの遅延剤の影響については、以前に開発/伝達されることはなかった。 US Patent Application No. 2011/0284223 discloses compositions and methods for wellbore cementing applications that use organic compounds to retard thickening of geopolymer systems at elevated temperatures. Geopolymer compositions are not new and have been disclosed in the prior art and extensively studied in the literature. Preferred compounds as retarders include aminated polymers, amine phosphonates, quaternary ammonium compounds and tertiary amines. Although the geopolymer composition itself is not unique, the impact of these retarders on cure properties such as compressive strength has not been previously developed/communicated.

中国特許第102249594B号は、アルカリ活性化高炉スラグの硬化時間を遅らせるための複合遅延剤を開示している。複合遅延剤は、クロム酸ナトリウム、複素環状アミノ酸及びシリコーン界面活性剤で構成されている。中国特許第1118438C号は、ケイ酸ナトリウム活性化スラグのためのクロム酸カリウム、糖及びフェノールからなる複合遅延剤を開示している。初期硬化は1時間~70時間の間で調整され得る。しかしながら、クロマートは、流動性が高く、移動が容易で有毒なアニオン種であり、環境を汚染するリスクがあるため、遅延剤は望ましくないものであり得る。中国特許出願第101723607A号は、ケイ酸ナトリウム活性化高炉スラグの硬化時間を遅らせるための可溶性亜鉛塩を開示している。これらの亜鉛塩には、硝酸塩、硫酸塩及び塩化物が含まれる。中国の特許出願第1699251A号及び同第100340517C号は、アルカリ活性化カーボナイト/高炉スラグの遅延剤としてバリウム塩を開示している。亜鉛塩又はバリウム塩のいずれかを水に溶解し、高炉スラグに添加する。次に、アルカリ活性剤溶液を混合物に加える。別法として、塩粉末を高炉スラグと粉砕する。次に、活性剤溶液を固体ブレンドと混合する。 Chinese Patent No. 102249594B discloses a composite retarder for retarding the hardening time of alkali-activated blast furnace slag. Complex retarders are composed of sodium chromate, heterocyclic amino acids and silicone surfactants. Chinese Patent No. 1118438C discloses a composite retarder consisting of potassium chromate, sugar and phenol for sodium silicate activated slag. Initial cure can be adjusted between 1 hour and 70 hours. However, retarders can be undesirable because chromates are highly mobile, easily mobile, and toxic anionic species that pose a risk of contaminating the environment. Chinese Patent Application No. 101723607A discloses a soluble zinc salt for retarding the hardening time of sodium silicate activated blast furnace slag. These zinc salts include nitrates, sulfates and chlorides. Chinese patent applications Nos. 1699251A and 100340517C disclose barium salts as retarders for alkali-activated carbonite/blast furnace slag. Either a zinc salt or a barium salt is dissolved in water and added to the blast furnace slag. An alkaline activator solution is then added to the mixture. Alternatively, salt powder is ground with blast furnace slag. The active agent solution is then mixed with the solid blend.

残念ながら、先行技術のほとんどの遅延剤はアルカリ活性化スラグのためにのみ開発された。遅延剤の効率が結合剤組成に大きく依存することは周知である。ポルトランドセメントとアルカリ活性化スラグで効果的な遅延剤は、高Ca FFA、CFA、又は低Ca FFAとBFSのブレンドで作られたものなどのジオポリマー系では必ずしもうまく機能しない。 Unfortunately, most retarders of the prior art were developed only for alkali activated slag. It is well known that the efficiency of retarders is highly dependent on binder composition. Retarders that are effective in Portland cement and alkali-activated slag do not always work well in geopolymer systems such as those made from high Ca FFA, CFA, or low Ca FFA and BFS blends.

先行技術で開示されている方法は、アルカリ活性化スラグの硬化時間を遅らせるために、主に2つの重要なメカニズムを採用している。遅延剤は、放出されたCa2+をキレート化及び/又は沈殿させるために添加され、Ca2+がアルカリ活性剤溶液中にすでに存在するシリケート種と反応するのを防ぐ。別の方法では、遅延剤を添加して、無水高炉スラグ粒子の表面に直接結合した保護層を形成し、それによって高アルカリ溶液に溶解する能力を低下させる。これらの付着層は、吸着種又は沈殿して表面に付着する不溶性カルシウム塩のいずれかである可能性がある。本明細書では、この方法を「保護層」と呼ぶ。中国特許第102249594B号は、シリコーン界面活性剤が高炉スラグ粒子の表面に吸着され、チャージャが導入されると、その結果反発力が発生してCa2+の移動速度を低下させ、及び/又はケイ酸アニオンの静電引力を低下させ、それによりCSHゲル形成を防止することを開示している。高アルカリ性環境での高炉スラグの溶解中に放出されたCa2+カチオンは、リン酸遅延剤、例えばNaPOからのリン酸アニオンに結合する。不溶性のリン酸カルシウム化合物の形成により、利用可能なCa2+が減少するため、CSH相の核生成と成長が阻害され、硬化時間が延長される。アルカリ溶液に溶解されたホウ素化合物は、テトラヒドロキシルボラートを形成し、これがCa2+と反応する。沈殿したホウ酸カルシウム(Ca(B[OH]Oなど)は、高炉スラグ粒子の表面を部分的又は完全に覆う。したがって、このような不透過性のホウ酸カルシウム層の存在により、アルカリ溶液中の高炉スラグ粒子のさらなる溶解が妨げられる。15可溶性亜鉛塩は、亜鉛酸カルシウム相に変換され(例、CaZn(OH)6・HO)、高炉スラグ粒子を部分的又は完全に覆うため、さらなる水和又はアルカリ活性化に対してそれらを不動態化する。16,17米国特許出願第20160060170号は、硬化時間を制御するためのナノ粒子遅延剤を含むジオポリマー組成物を開示している。反応性アルミノケイ酸塩には、メタカオリン、フライアッシュ又はもみ殻灰が含まれる。反応性アルミノケイ酸塩粒子は、ケイ酸ナトリウム活性剤溶液と混合する前に、ハロイサイトナノチューブやカオリンナノクレイ粒子などのナノ粒子でコーティングされている。ナノ粒子コーティングは、ジオポリマー化反応を遅らせるためのものである。バリウム塩溶液は、高炉スラグ/カーボナタイト粉末とあらかじめ混合されている。高炉スラグ粒子の表面は水中で負に帯電しているため、Ba2+カチオンはスラグ粒子の表面に吸着する傾向がある。ケイ酸アルカリ溶液に曝されると、不溶性のバリウム沈殿物がスラグ粒子上に薄膜を形成し、スラグがアルカリ溶液と接触するのを防ぐ(中国特許出願第1699251A号)。 The methods disclosed in the prior art mainly employ two important mechanisms to retard the hardening time of alkali-activated slag. Retardants are added to chelate and/or precipitate released Ca 2+ and prevent Ca 2+ from reacting with silicate species already present in the alkaline activator solution. Alternatively, retarders are added to form a protective layer directly bonded to the surface of the anhydrous blast furnace slag particles, thereby reducing their ability to dissolve in highly alkaline solutions. These adherent layers can be either adsorbed species or insoluble calcium salts that precipitate and adhere to the surface. This method is referred to herein as a "protective layer". Chinese Patent No. 102249594B discloses that when a silicone surfactant is adsorbed on the surface of blast furnace slag particles and a charger is introduced, a resulting repulsive force is generated to reduce the migration rate of Ca 2+ and/or silicic acid It is disclosed to reduce the electrostatic attraction of anions, thereby preventing CSH gel formation. Ca 2+ cations released during melting of blast furnace slag in a highly alkaline environment bind to phosphate anions from phosphate retarders such as Na 3 PO 4 . Formation of insoluble calcium phosphate compounds reduces available Ca 2+ , inhibits nucleation and growth of the CSH phase, and prolongs hardening time. 7 A boron compound dissolved in an alkaline solution forms tetrahydroxyborate, which reacts with Ca 2+ . Precipitated calcium borate (such as Ca(B[OH] 4 ) 2 H 2 O) partially or completely covers the surface of blast furnace slag particles. The presence of such an impermeable calcium borate layer therefore prevents further dissolution of the blast furnace slag particles in the alkaline solution. 15 Soluble zinc salts are converted to a calcium zincate phase (e.g., CaZn2 (OH) 6.H2O ), which partially or completely covers the blast furnace slag particles, thus making them susceptible to further hydration or alkali activation. Passivate them. 16,17 US Patent Application No. 20160060170 discloses geopolymer compositions containing nanoparticle retarders to control curing time. Reactive aluminosilicates include metakaolin, fly ash or rice hull ash. Reactive aluminosilicate particles are coated with nanoparticles, such as halloysite nanotubes and kaolin nanoclay particles, prior to mixing with the sodium silicate activator solution. The nanoparticle coating is to retard the geopolymerization reaction. The barium salt solution is premixed with the blast furnace slag/carbonatite powder. Since the surface of blast furnace slag particles is negatively charged in water, Ba 2+ cations tend to adsorb to the surface of the slag particles. When exposed to an alkaline silicate solution, insoluble barium precipitates form a thin film on the slag particles, preventing the slag from coming into contact with the alkaline solution (Chinese Patent Application No. 1699251A).

ポゾラン粒子の表面における保護層の形成を利用してアルカリ活性化材料の硬化時間を遅らせる場合、保護コーティングの被覆率を改善するために、アルカリケイ酸塩溶液と混合する前に硝酸バリウムなどの金属塩の溶液をポゾラン粒子と混合しなければならない。 If the formation of a protective layer on the surface of the pozzolan particles is used to delay the curing time of the alkali-activated material, a metal such as barium nitrate is added prior to mixing with the alkali silicate solution to improve the coverage of the protective coating. A salt solution must be mixed with the pozzolanic particles.

開示された実施形態は、アルカリ活性化材料又はジオポリマーの硬化時間を遅らせるために金属塩を使用する新しい方法を提供する。アルカリ活性化高Ca反応性アルミノケイ酸塩の迅速な硬化は、早期硬化時でのCSH及び/又はCASHゲルの形成に関連している。高Ca反応性アルミノケイ酸塩粒子の溶解中にCa2+カチオンが放出され、カチオンはアルカリ溶液中に存在するケイ酸アニオンとほぼ瞬時に反応する。硬化の制御は、例えば、アルカリ溶液中のCa2+イオンの除去及び/又はポゾラン粒子の表面上の保護層の形成を通じて、先行技術の方法により達成することができる。硬化の制御はまた、CSH及び/又はCASHゲルの核形成及び成長のためのケイ酸種の利用能を制御することによっても達成できる。例えば、坑井セメンチングジオポリマーについて開示された方法では18、粉末アルカリケイ酸塩ガラスが使用される。ジオポリマーペーストには、早期硬化時のシリケート種はほとんど含まれていない。粉末アルカリケイ酸塩ガラスは、早期硬化時中に制御された速度でケイ酸種を溶解及び放出するため、増粘及び硬化の時間が延長される。しかしながら、この方法では、30MPaを超える強度が要求される建設資材の用途には適切ではない硬化ジオポリマーが生成される。別法として、金属塩(例、塩化バリウム)を水に溶解し、その後、生成した溶液をアルカリケイ酸塩溶液とブレンドした後、ミキサーで乾燥成分と混合する。塩化バリウムなどのこれらの金属塩は、アルカリ性溶液中で加水分解し、加水分解中にケイ酸アニオンが共沈して、ケイ酸種が枯渇した活性剤溶液が残存する。金属-シリケート相互作用の程度は、遅延の効率を決定する金属/Siのモル比に左右される。共沈したシリケートはゆっくりと再溶解し、その後の硬化プロセス中にCSH及び/又はCASHゲルのジオポリマー化及び/又は形成に利用可能となる。これにより、硬化時間が延長される。 The disclosed embodiments provide a new method of using metal salts to retard the curing time of alkali-activated materials or geopolymers. Rapid curing of alkali-activated high Ca-reactive aluminosilicates is associated with the formation of CSH and/or CASH gels upon premature curing. Ca 2+ cations are released during dissolution of high Ca-reactive aluminosilicate particles and the cations react almost instantaneously with silicate anions present in the alkaline solution. Curing control can be achieved by prior art methods, for example, through removal of Ca 2+ ions in alkaline solutions and/or formation of a protective layer on the surface of the pozzolan particles. Curing control can also be achieved by controlling the availability of silicic acid species for nucleation and growth of CSH and/or CASH gels. For example, methods disclosed for wellbore cementing geopolymers18 use powdered alkali silicate glass. The geopolymer paste contains almost no silicate species during pre-curing. Powdered alkali silicate glasses dissolve and release silicic acid species at a controlled rate during pre-curing, thus extending the thickening and curing time. However, this method produces a cured geopolymer that is not suitable for construction material applications requiring strength greater than 30 MPa. Alternatively, the metal salt (eg barium chloride) is dissolved in water and the resulting solution is then blended with the alkali silicate solution and then mixed with the dry ingredients in a mixer. These metal salts, such as barium chloride, hydrolyze in alkaline solutions, and the silicate anions co-precipitate during hydrolysis, leaving an activator solution depleted of silicate species. The degree of metal-silicate interaction depends on the metal/Si molar ratio, which determines the efficiency of the retardation. The co-precipitated silicate slowly redissolves and becomes available for geopolymerization and/or formation of CSH and/or CASH gels during subsequent curing processes. This prolongs the curing time.

開示されている方法の場合、金属塩溶液を固体、すなわちポゾラン粒子に保護コーティングを施す高炉スラグと事前混合しなければならない中国特許出願第101723607A号、同第1699251A号及び同第100340517C号に開示されている「保護層」方法の場合と同等の硬化時間に到達するのに使用するバリウム塩ははるかに少なくて済む。例えば、少なくとも2%のBWOB亜鉛塩であれば、ケイ酸ナトリウム活性化高炉スラグで遅延効果を発揮する。少なくとも4%のBWOBバリウム塩であれば、ケイ酸ナトリウム活性化高炉スラグ/カーボナタイトで遅延効果を発揮する。保護層の被覆率を良くするには、より多量の遅延剤が必要であるが、通常、硬化製品の圧縮強度が大幅に低下することになる。さらに、保護層の被覆範囲は、ポゾラン粒子の表面電荷に大きく左右される。高炉スラグの表面電荷は負になる可能性があるが、フライアッシュの表面電荷は溶液中で正になる可能性がある。したがって、「保護層」法では、遅延効果の効率は、様々な反応性アルミノケイ酸塩供給源によって大きく異なることがあり得る。 For the disclosed method, the metal salt solution has to be pre-mixed with blast furnace slag to apply a protective coating to the solid, i. Much less barium salt is used to reach cure times equivalent to those of the conventional "protective layer" method. For example, at least 2% BWOB zinc salt has a retarding effect on sodium silicate activated blast furnace slag. At least 4% BWOB barium salt provides a retarding effect in sodium silicate activated blast furnace slag/carbonatite. Higher amounts of retarder are required for good protective layer coverage, but usually result in a significant reduction in the compressive strength of the cured product. Furthermore, the coverage of the protective layer is highly dependent on the surface charge of the pozzolan particles. The surface charge of blast furnace slag can be negative, while the surface charge of fly ash can be positive in solution. Therefore, in the "protective layer" method, the efficiency of the retarding effect can vary greatly with different reactive aluminosilicate sources.

したがって、開示された実施形態は、坑井セメンチンググラウト、モルタル及びコンクリートとして適用できるジオポリマー組成物の増粘及び硬化時間を調節するための効率的な無機遅延混和剤を提供する。 Accordingly, the disclosed embodiments provide efficient inorganic retarding admixtures for controlling thickening and setting times of geopolymer compositions applicable as well cementing grouts, mortars and concretes.

本明細書に記載されている他の実施形態は、その硬化時間が無機遅延剤(inorganic retarder)によって変えられ得るジオポリマー組成物を提供する。ジオポリマー組成物は、(i)8重量%以下の酸化カルシウムを有する少なくとも1つの低CaクラスFフライアッシュ、(ii)高炉スラグ、クラスCフライアッシュ、ガラス質ケイ酸カルシウム、及びキルンダストの群から選択された少なくとも1つの高Caアルミノケイ酸塩、(iii)遅延溶液(retarding solution)、及び(iv)水性アルカリケイ酸塩活性剤を含む。 Other embodiments described herein provide geopolymer compositions whose cure time can be altered by inorganic retarders. The geopolymer composition is from the group of (i) at least one low Ca Class F fly ash having no more than 8 wt% calcium oxide, (ii) blast furnace slag, Class C fly ash, vitreous calcium silicate, and kiln dust. selected at least one Ca-rich aluminosilicate; (iii) a retarding solution; and (iv) an aqueous alkali silicate activator.

開示されている遅延剤溶液は、少なくとも1つの可溶性金属塩を水に溶解することにより作製され、その少なくとも1つの可溶性金属塩は、塩化バリウム、塩化バリウム二水和物、硝酸バリウム、亜硝酸バリウム、メタホウ酸バリウム一水和物、硝酸バリウム水和物、硝酸亜鉛、塩化亜鉛、硫酸亜鉛、塩化鉛、硝酸鉛、塩化ストロンチウム、硝酸ストロンチウム及び硫酸ストロンチウムから選択される。塩化バリウム及び硝酸バリウムが好ましい。 The disclosed retarder solution is made by dissolving in water at least one soluble metal salt, the at least one soluble metal salt being barium chloride, barium chloride dihydrate, barium nitrate, barium nitrite. , barium metaborate monohydrate, barium nitrate hydrate, zinc nitrate, zinc chloride, zinc sulfate, lead chloride, lead nitrate, strontium chloride, strontium nitrate and strontium sulfate. Barium chloride and barium nitrate are preferred.

一実施形態では、少なくとも1つの金属塩が遅延剤溶液に溶解され、遅延剤溶液は約0.1~約10%の金属塩BWOBを含む。一実施形態では、金属塩は塩化バリウム二水和物である。塩化バリウム二水和物の用量は、約0.10~約5%BWOB、より好ましくは約0.5%~約2.5%BWOBである。 In one embodiment, at least one metal salt is dissolved in the retarder solution, and the retarder solution comprises from about 0.1 to about 10% metal salt BWOB. In one embodiment, the metal salt is barium chloride dihydrate. The dose of barium chloride dihydrate is about 0.10 to about 5% BWOB, more preferably about 0.5% to about 2.5% BWOB.

一実施形態では、可溶性バリウム塩は水に溶解される。遅延剤溶液は、活性剤溶液を他のすべての成分と混合する前に、アルカリケイ酸塩活性剤溶液と混合される。別の実施形態では、遅延剤溶液及び活性剤溶液は、乾燥成分と混合するときに別々に添加される。アルカリケイ酸塩活性剤溶液は、金属水酸化物及び金属ケイ酸塩を含み得、この場合金属はカリウム、ナトリウム又は両方の組み合わせである。 In one embodiment, the soluble barium salt is dissolved in water. The retarder solution is mixed with the alkali silicate activator solution prior to mixing the activator solution with all other ingredients. In another embodiment, the retardant solution and the activator solution are added separately when mixed with the dry ingredients. Alkali silicate activator solutions may include metal hydroxides and metal silicates, where the metal is potassium, sodium, or a combination of both.

開示されている実施形態は、(i)BFS、CFA、ガラス質ケイ酸カルシウム、及びキルンダストの群から選択される少なくとも1つの高Caアルミノケイ酸塩、(ii)遅延剤溶液、及び(iii)アルカリケイ酸塩溶液を含むジオポリマー組成物を提供する。 Disclosed embodiments comprise (i) at least one Ca-rich aluminosilicate selected from the group of BFS, CFA, vitreous calcium silicate, and kiln dust, (ii) a retardant solution, and (iii) an alkali A geopolymer composition is provided that includes a silicate solution.

開示されている一実施形態では、ジオポリマー組成物は、(i)BFS、CFA、ガラス質ケイ酸カルシウム、及びキルンダストの群から選択される少なくとも1つの高Caアルミノケイ酸塩、(ii)メタカオリン、(iii)遅延剤溶液、及び(iv)アルカリケイ酸塩溶液を含む。 In one disclosed embodiment, the geopolymer composition comprises (i) at least one Ca-rich aluminosilicate selected from the group of BFS, CFA, vitreous calcium silicate, and kiln dust; (ii) metakaolin; (iii) a retardant solution; and (iv) an alkali silicate solution.

開示されている一実施形態において、ジオポリマー組成物は、建設用途向けのモルタル及びコンクリートを製造するために、細骨材及び/又は粗骨材、高性能減水剤又は繊維をさらに含む。 In one disclosed embodiment, the geopolymer composition further comprises fine and/or coarse aggregates, superplasticizers or fibers to produce mortars and concretes for construction applications.

開示されている一実施形態は、硬化時間を無機遅延剤によって調節することができる高性能及び超高性能のコンクリート組成物を提供する。高性能及び超高性能のコンクリート組成物は、(i)高炉スラグ、(ii)メタカオリン、(iii)遅延溶液、(iv)水性アルカリケイ酸塩活性剤、(v)少なくとも1つの骨材、及び(vi)少なくとも1つのミクロン/サブミクロンのフィラーを含む。 One disclosed embodiment provides high performance and ultra high performance concrete compositions whose setting time can be controlled by inorganic retarders. High performance and ultra high performance concrete compositions comprise (i) blast furnace slag, (ii) metakaolin, (iii) a retarding solution, (iv) an aqueous alkali silicate activator, (v) at least one aggregate, and (vi) at least one micron/submicron filler;

本開示の目的は、坑井セメンチング(well cementing)、モルタル及びコンクリートとして適用され得るジオポリマー組成物の硬化時間を調節するための有効な遅延混和剤を提供することである。特に、本開示は、高Ca FFA又は高Caアルミノケイ酸塩を含有するジオポリマー系の硬化を制御するための効率的な遅延方法を提供する。 It is an object of the present disclosure to provide effective retarding admixtures for controlling the setting time of geopolymer compositions that can be applied as well cementing, mortar and concrete. In particular, the present disclosure provides an efficient retarding method for controlling cure of geopolymer systems containing high Ca FFAs or high Ca aluminosilicates.

低Caフライアッシュベースのジオポリマー
アルカリ溶液中でのフライアッシュの反応性が低いため、低Ca FFAベースのジオポリマーは、硬化して固まるのが非常に遅く、低温(例、室温)で硬化すると最終強度が低くなる。「反応性」は、本明細書では、アルカリ性溶液と反応した結合剤ポゾランの相対質量として定義される。粒径が小さいフライアッシュは、平均粒径が約1~10μmの超微細フライアッシュ(UFFA:ultrafine fly ash)などのように、通常は反応性が高くなる。UFFAは、親のフライアッシュから超微細フラクションを機械的に分離することにより注意深く加工処理される。UFFAはまた、スランプなどの望ましい作業性のためにw/b比を減らすこともでき、より優れた性能を持つ硬化したジオポリマーを生成する。石炭ガス化フライアッシュは、通常、最大粒子サイズが約5~10μmのSiOに富んだ実質的に球形の粒子として、石炭ガス化発電所から排出される。反応性の低いフライアッシュを使用するには、周囲温度で硬化可能なジオポリマー製品を製造するために、より反応性の高い第2の結合剤が要求される。
Low-Ca Fly Ash-Based Geopolymers Due to the low reactivity of fly ash in alkaline solutions, low-Ca FFA-based geopolymers are very slow to harden and can be cured at low temperatures (e.g., room temperature). lower final strength. "Reactivity" is defined herein as the relative mass of the binder pozzolan that has reacted with the alkaline solution. Smaller particle size fly ash is usually more reactive, such as ultrafine fly ash (UFFA), which has an average particle size of about 1-10 μm. UFFA is carefully processed by mechanically separating the ultrafine fraction from the parent fly ash. UFFA can also reduce the w/b ratio for desirable workability such as slump, producing cured geopolymers with better performance. Coal gasification fly ash is typically discharged from coal gasification power plants as SiO 2 -rich substantially spherical particles with a maximum particle size of about 5-10 μm. The use of less reactive fly ash requires a more reactive secondary binder to produce ambient temperature curable geopolymer articles.

メタカオリンのアルカリ活性化により、適度に長い硬化時間、例えば2~6時間を有する典型的なジオポリマーゲルが生成される。メタカオリンがブレンドされるとき、生成するジオポリマー組成物は遅延混合剤を必要としない場合がある。対照的に、BFS、CFA、CKD又はVCASのアルカリ活性化により、本質的にCSH及び/又はCASHゲルが生成される。CSH及び/又はCASHをすばやく沈殿させると、硬化時間が短縮され、製品」の強度の増加率と最終強度が向上する。第2の結合剤が高Caアルミノケイ酸塩ポゾランであるとき、生成するジオポリマー系の硬化挙動は大幅に変更されることになる。フライアッシュベースのジオポリマーの硬化時間は、特に、高モルのアルカリ水酸化物及び高いSiO/MO(M=Na、K)モル比を有するアルカリ活性剤溶液が、有用なジオポリマー製品の製造に使用される場合、ブレンドされるBFSなどの高Caアルミノケイ酸塩ポゾランの量を増やすと指数関数的に減少する。したがって、実際の適用では、適切な硬化の制御が必要になる。 Alkaline activation of metakaolin produces typical geopolymer gels with moderately long curing times, eg, 2-6 hours. When metakaolin is blended, the resulting geopolymer composition may not require a retardant admixture. In contrast, alkaline activation of BFS, CFA, CKD or VCAS essentially produces CSH and/or CASH gels. Faster precipitation of CSH and/or CASH reduces curing time and improves the rate of increase in strength and final strength of the product'. When the second binder is a high Ca aluminosilicate pozzolan, the curing behavior of the resulting geopolymer system will be significantly altered. Cure times of fly ash-based geopolymers, especially alkaline activator solutions with high molar alkali hydroxide and high SiO2 / M2O (M=Na, K) molar ratios, have been found to be useful geopolymer products. decreases exponentially with increasing amounts of high Ca aluminosilicate pozzolans, such as BFS, that are blended. Therefore, in practical applications, proper curing control is required.

一実施形態では、低Ca FFAは、約8重量%以下の酸化カルシウムを含むフライアッシュであり得る。フライアッシュの分類は、当技術分野で一般に理解されているASTM C618に基づく。一実施形態において、低Ca FFAは、約5重量%以下の酸化カルシウムを含む。一実施形態において、フライアッシュは、少なくとも65重量%の非晶質アルミノケイ酸塩相を含み、60μm以下、例えば50μm以下、例えば45μm以下、例えば30μm以下の平均粒径を有するべきである。一実施形態において、低Ca FFAは5%以下の強熱減量(LOI)を有する。一実施形態において、低Ca FFAは、1%以下のLOIを有する。 In one embodiment, the low-Ca FFA can be fly ash containing less than or equal to about 8% by weight calcium oxide. Classification of fly ash is based on ASTM C618, commonly understood in the art. In one embodiment, the low Ca FFA comprises about 5% or less by weight calcium oxide. In one embodiment, the fly ash should comprise at least 65 wt% amorphous aluminosilicate phase and have an average particle size of 60 μm or less, such as 50 μm or less, such as 45 μm or less, such as 30 μm or less. In one embodiment, the low Ca FFA has a loss on ignition (LOI) of 5% or less. In one embodiment, the low Ca FFA has an LOI of 1% or less.

本明細書に記載される一実施形態は、その硬化時間が無機遅延剤によって調節され得るジオポリマー組成物を提供する。低Ca FFAベースのジオポリマー組成物は、(i)8重量%以下の酸化カルシウムを有する少なくとも1つの低CaクラスFフライアッシュ、(ii)高炉スラグ、クラスCフライアッシュ、ガラス質ケイ酸カルシウム、及びキルンダストの群から選択された少なくとも1つの高Caアルミノケイ酸塩、(iii)遅延溶液、及び(iv)水性アルカリケイ酸塩活性剤を含む。遅延剤溶液は、可溶性金属塩を水に溶解することによって作られ、可溶性金属塩は、塩化バリウム、塩化バリウム脱水物、硝酸バリウム、亜硝酸バリウム、メタホウ酸バリウム一水和物、硝酸バリウム水和物、硝酸亜鉛、塩化亜鉛、硫酸亜鉛、塩化ストロンチウム、硝酸ストロンチウム及び硫酸ストロンチウムから選択される。可溶性バリウム塩が好ましい。 One embodiment described herein provides a geopolymer composition whose cure time can be controlled by an inorganic retarder. The low Ca FFA-based geopolymer composition comprises (i) at least one low Ca Class F fly ash having no more than 8 wt% calcium oxide, (ii) blast furnace slag, Class C fly ash, vitreous calcium silicate, and at least one Ca-rich aluminosilicate selected from the group of kiln dust, (iii) a retardation solution, and (iv) an aqueous alkali silicate activator. The retarder solution is made by dissolving soluble metal salts in water, the soluble metal salts being barium chloride, barium chloride dehydrate, barium nitrate, barium nitrite, barium metaborate monohydrate, barium nitrate hydrated. zinc nitrate, zinc chloride, zinc sulfate, strontium chloride, strontium nitrate and strontium sulfate. Soluble barium salts are preferred.

一実施形態において、低Ca FFAベースのジオポリマー組成物は、メタカオリンをさらに含み、一実施形態において、ジオポリマー組成物は、コンクリート製品を製造するための細骨材及び粗骨材をさらに含む。 In one embodiment, the low Ca FFA-based geopolymer composition further comprises metakaolin, and in one embodiment, the geopolymer composition further comprises fine and coarse aggregates for making concrete products.

高Caアルミノケイ酸塩ベースのジオポリマー
高Caアルミノケイ酸塩ポゾランのアルカリ活性化は、通常、高アルカリ性溶液に曝されるとすぐにCSH及び/又はCASHゲルを生成し、その結果、硬化時間が非常に短くなる。硬化時間を適切に制御しなければ、これらのジオポリマー材料を有用な製品の製造に使用することはできない。これらの高Caアルミノケイ酸塩の例には、高Ca FFA、CFA、BFS、VCAS、ボトムアッシュ、及びクリンカーキルンダスト(CKD)がある。
High-Ca Aluminosilicate-Based Geopolymers Alkali activation of high-Ca aluminosilicate pozzolans typically produces CSH and/or CASH gels immediately upon exposure to highly alkaline solutions, resulting in excessive curing times. shortens to Without proper control of curing time, these geopolymer materials cannot be used to make useful products. Examples of these Ca-rich aluminosilicates include Ca-rich FFA, CFA, BFS, VCAS, bottom ash, and clinker kiln dust (CKD).

一実施形態は、(i)高Ca FFA、BFS、CFA、ガラス質ケイ酸カルシウム、及びキルンダストの群から選択される少なくとも1つの高Caアルミノケイ酸塩、(ii)遅延剤溶液、及び(iii)少なくとも1つのアルカリケイ酸塩溶液を含む高Caアルミノケイ酸塩ベースのジオポリマー組成物を提供する。 One embodiment comprises (i) at least one Ca-rich aluminosilicate selected from the group of Ca-rich FFA, BFS, CFA, vitreous calcium silicate, and kiln dust, (ii) a retarder solution, and (iii) A high Ca aluminosilicate-based geopolymer composition comprising at least one alkali silicate solution is provided.

一実施形態において、高Caアルミノケイ酸塩は高Ca FFAであり、一実施形態において、高Caアルミノケイ酸塩はBFSであり、及び別の実施形態において、高Caアルミノケイ酸塩はCFAである。 In one embodiment the Ca-rich aluminosilicate is Ca-rich FFA, in one embodiment the Ca-rich aluminosilicate is BFS, and in another embodiment the Ca-rich aluminosilicate is CFA.

一実施形態において、高Caアルミノケイ酸塩ベースのジオポリマー組成物は、低Ca FFA及びメタカオリンの群から選択される少なくとも1つの低Caアルミノケイ酸塩ポゾランをさらに含む。一実施形態において、高Caアルミノケイ酸塩ベースのジオポリマー組成物は、コンクリート製品を製造するための細骨材及び粗骨材をさらに含む。一実施形態において、ジオポリマー組成物は、コンクリート製品を製造するための細骨材及び/又は粗骨材をさらに含む。 In one embodiment, the high Ca aluminosilicate-based geopolymer composition further comprises at least one low Ca aluminosilicate pozzolan selected from the group of low Ca FFA and metakaolin. In one embodiment, the high Ca aluminosilicate-based geopolymer composition further comprises fine and coarse aggregates for producing concrete products. In one embodiment, the geopolymer composition further comprises fine aggregate and/or coarse aggregate for producing concrete products.

高性能及び超高性能のコンクリート
米国特許第9,090,508号は、高性能及び超高性能のコンクリート用のジオポリマー組成物を開示している。ジオポリマー製品の高性能及び超高性能を達成するには、メタカオリンや高炉スラグなどの非常に反応性の高いアルミノケイ酸塩材料を結合剤として使用しなければならない。w/b比は非常に小さく、例えば最小限に近くなければならない。微粒子の充填密度は、製品の多孔性を最小限に抑えるために高くなければならなず、また均一性を高めるために10mmを超える粗骨材を使用するべきではない。したがって、特に配合物に高炉スラグが大量に使用されている場合、生コンクリートの硬化時間は比較的短くなる。米国特許第9,090,508号に開示されている組成物は、本質的に高炉スラグ/メタカオリンベースの二元ジオポリマーである。
High Performance and Ultra High Performance Concrete US Pat. No. 9,090,508 discloses geopolymer compositions for high performance and ultra high performance concrete. To achieve high and ultra high performance geopolymer products, highly reactive aluminosilicate materials such as metakaolin and blast furnace slag must be used as binders. The w/b ratio should be very small, eg close to the minimum. The packing density of the fine particles should be high to minimize product porosity, and coarse aggregates larger than 10 mm should not be used to improve uniformity. Thus, the hardening time of ready-mixed concrete is relatively short, especially when large amounts of blast furnace slag are used in the formulation. The composition disclosed in US Pat. No. 9,090,508 is essentially a blast furnace slag/metakaolin based binary geopolymer.

本明細書に記載されている一実施形態は、硬化時間を無機遅延剤によって調節することができる高性能及び超高性能のコンクリート組成物を提供する。高性能及び超高性能のコンクリート組成物は、(i)高炉スラグ、(ii)メタカオリン、(iii)遅延溶液、(iv)水性アルカリケイ酸塩活性剤、(v)少なくとも1つの骨材、及び(vi)少なくとも1つのミクロン/サブミクロンのフィラーを含む。 One embodiment described herein provides high performance and ultra high performance concrete compositions whose setting time can be controlled by inorganic retarders. High performance and ultra high performance concrete compositions comprise (i) blast furnace slag, (ii) metakaolin, (iii) a retarding solution, (iv) an aqueous alkali silicate activator, (v) at least one aggregate, and (vi) at least one micron/submicron filler;

遅延剤の配置方法
遅延剤溶液は、少なくとも1つの可溶性金属塩を水に溶解することによって調製され、少なくとも1つの可溶性金属塩は、塩化バリウム、塩化バリウム脱水物、硝酸バリウム、亜硝酸バリウム、メタホウ酸バリウム一水和物、硝酸バリウム水和物、硝酸亜鉛、塩化亜鉛、硫酸亜鉛、塩化鉛、硝酸鉛、塩化ストロンチウム、硝酸ストロンチウム及びストロンチウム及び硫酸ストロンチウムから選択される。アルカリ性溶液中で加水分解し、アルカリケイ酸塩活性剤溶液中に元々存在するシリケート種を共沈させることができる任意の可溶性金属塩を、無機遅延混合剤として使用することができる。遅延効果は、金属の種類と用量に左右される。金属とシリケートの相互作用は、用量又はシリケートに対する金属のモル比の増加に伴って増加すると予想される。金属とシリケートの相互作用は過度であるべきではない。相互作用が圧倒的である場合、シリケート種のジオポリマー系への放出は、後続の硬化プロセス中に大きく妨げられることになり、製品の早期の圧縮強度にかなり影響を与えることになる。これらすべての金属塩の中では、バリウム塩が好ましい。
Retardant Disposition Method The retardant solution is prepared by dissolving at least one soluble metal salt in water, the at least one soluble metal salt being barium chloride, barium chloride dehydrate, barium nitrate, barium nitrite, metaborate. It is selected from barium acid monohydrate, barium nitrate hydrate, zinc nitrate, zinc chloride, zinc sulfate, lead chloride, lead nitrate, strontium chloride, strontium nitrate and strontium and strontium sulfate. Any soluble metal salt that can hydrolyze in alkaline solution and co-precipitate the silicate species originally present in the alkali silicate activator solution can be used as the inorganic retardant admixture. The retarding effect depends on the type and dose of metal. The metal-silicate interaction is expected to increase with increasing dose or molar ratio of metal to silicate. The interaction between metal and silicate should not be excessive. If the interactions are dominant, the release of silicate species into the geopolymer system will be greatly hindered during the subsequent curing process, significantly affecting the early compressive strength of the product. Among all these metal salts, barium salts are preferred.

一実施形態では、少なくとも1つの金属塩を水に溶解させる。遅延剤溶液を、すべての成分を混合する前に、アルカリケイ酸塩活性剤溶液と混合する。遅延剤溶液と合わせたアルカリケイ酸塩活性剤溶液を、すべての乾燥成分を含むミキサーに注ぐ。別の実施形態において、遅延剤溶液及び活性剤溶液は、ジオポリマー製品を製造するために乾燥成分と混合するときに別々に添加される。 In one embodiment, at least one metal salt is dissolved in water. The retarder solution is mixed with the alkali silicate activator solution prior to mixing all ingredients. Pour the alkali silicate activator solution combined with the retarder solution into the mixer containing all the dry ingredients. In another embodiment, the retardant solution and the activator solution are added separately when mixed with the dry ingredients to make the geopolymer product.

一実施形態では、遅延剤溶液を、アルカリケイ酸塩活性剤溶液と約30分間混合してから、他のすべての成分と混合する。別の実施形態では、遅延剤溶液を、アルカリケイ酸塩活性剤溶液と約10分間混合してから、すべての成分を混合する。別の実施形態では、遅延剤溶液を、アルカリケイ酸塩活性剤溶液と約24時間混合してから、すべての成分を混合する。別の実施形態では、遅延剤溶液を、レディミックストラックでの混合中にコンクリートに添加する。この場合、遅延剤溶液は硬化ブレーキとしての役割を果たし、緊急事態などの現場への輸送中に混合コンクリートがレディミックストラックで硬化するのを防ぐ。 In one embodiment, the retarder solution is mixed with the alkali silicate activator solution for about 30 minutes before mixing with all other ingredients. In another embodiment, the retarder solution is mixed with the alkali silicate activator solution for about 10 minutes before all ingredients are mixed. In another embodiment, the retarder solution is mixed with the alkali silicate activator solution for about 24 hours before all ingredients are mixed. In another embodiment, the retarder solution is added to the concrete during mixing in the ready mix truck. In this case, the retarder solution acts as a setting brake, preventing the mixed concrete from setting in the ready-mix truck during transportation to the site, such as in an emergency.

一実施形態では、少なくとも1つの金属塩が遅延剤溶液に含まれ、遅延剤溶液は約0.1~約10%の金属塩BWOBを含む。一実施形態では、金属塩は塩化バリウム二水和物である。塩化バリウム二水和物の用量は、約0.10~約5%BWOB、より好ましくは約0.5%~約2.5%BWOBである。 In one embodiment, at least one metal salt is included in the retarder solution, and the retarder solution comprises from about 0.1 to about 10% metal salt BWOB. In one embodiment, the metal salt is barium chloride dihydrate. The dose of barium chloride dihydrate is about 0.10 to about 5% BWOB, more preferably about 0.5% to about 2.5% BWOB.

一実施形態では、金属塩はメタホウ酸バリウム一水和物であり、一実施形態では、遅延剤溶液は、塩化バリウム二水和物及び硝酸亜鉛を含み、一実施形態では、遅延剤溶液は、硝酸ストロンチウム及び塩化亜鉛を含む。 In one embodiment the metal salt is barium metaborate monohydrate, in one embodiment the retarder solution comprises barium chloride dihydrate and zinc nitrate, in one embodiment the retarder solution comprises: Contains strontium nitrate and zinc chloride.

遅延メカニズム
以下の例は、本開示のジオポリマーの硬化時間を遅らせるためのメカニズムを説明するものである。
Retardation Mechanisms The following examples illustrate mechanisms for retarding the cure time of geopolymers of the present disclosure.

開示された実施形態によると、金属塩を使用して、早期硬化時にCSH及び/又はCASHゲルの核形成及び成長に利用可能である活性剤溶液中のシリケート種の放出を制御することにより、アルカリ活性化材料又はジオポリマーの硬化時間を制御する新しい方法が提供される。選択された実施形態では、ラマン分光法によってケイ酸ナトリウム活性剤溶液中の加水分解された塩化バリウムとシリケートの共沈プロセスを研究するために実験を行った。一連の試験では、塩化バリウム脱水物溶液とケイ酸ナトリウム溶液を0.5時間混合した後、上清液と沈殿物のラマンスペクトルを、塩化バリウムの用量を増やしながら監視した。第2の一連の試験では、塩化バリウムとケイ酸ナトリウム溶液を合わせた溶液を混合し、0.5時間、2時間及び24時間それぞれ塩化バリウム二水和物の固定用量で熟成させた。次に、これらの塩化バリウム/ケイ酸ナトリウム溶液の上清液のスペクトルを記録した。 According to disclosed embodiments, metal salts are used to control the release of silicate species in the activator solution that are available for nucleation and growth of CSH and/or CASH gels during pre-curing, thereby reducing alkali A new method is provided to control the curing time of activated materials or geopolymers. In selected embodiments, experiments were conducted to study the co-precipitation process of hydrolyzed barium chloride and silicate in sodium silicate activator solutions by Raman spectroscopy. In a series of tests, after mixing the barium chloride dehydrate solution and the sodium silicate solution for 0.5 hours, the Raman spectra of the supernatant and precipitate were monitored with increasing doses of barium chloride. In a second series of tests, combined solutions of barium chloride and sodium silicate solutions were mixed and aged with a fixed dose of barium chloride dihydrate for 0.5, 2 and 24 hours respectively. The spectra of the supernatants of these barium chloride/sodium silicate solutions were then recorded.

水酸化ナトリウムビーズ(純度99%)をDI(脱イオン)水に溶解し、PQ CorpのタイプRuケイ酸ナトリウム溶液と合わせて、ケイ酸ナトリウム活性剤溶液を調製した。塩化バリウム二水和物(99%純度)を、DI水に個別に溶解した。活性剤溶液の組成を表1に示す。NaOHのモル濃度は5に固定され、SiO/NaOの質量比は、例1~4を通して1.25であった。試験に使用した活性剤溶液は、高Ca FFAジオポリマー組成物の一部であり、塩化バリウム脱水物の用量は、フライアッシュ結合剤の重量として表された。

Figure 0007296135000003
A sodium silicate activator solution was prepared by dissolving sodium hydroxide beads (99% purity) in DI (deionized) water and combining with PQ Corp type Ru sodium silicate solution. Barium chloride dihydrate (99% purity) was separately dissolved in DI water. Table 1 shows the composition of the activator solution. The NaOH molarity was fixed at 5 and the SiO 2 /Na 2 O mass ratio was 1.25 throughout Examples 1-4. The activator solution used for testing was part of a high Ca FFA geopolymer composition and the dose of barium chloride dehydrate was expressed as the weight of the fly ash binder.
Figure 0007296135000003

単一回折格子分光器-ノッチフィルターマイクロラマンシステムを使用して、ラマンスペクトルを集めた。Melles-Griotモデル45 Arレーザーにより、広帯域偏光回転子(NewportモデルPR-550)を介してレーザー顕微鏡に向けられた5145オングストローム波長の入射光が提供され、レーザー顕微鏡は、長い作動距離のMitutoyo 10顕微鏡対物レンズを介してレーザー光を25ml透明バイアル中の沈殿した固体又は溶液に導いた。レーザー光出力は、試料で約22mWであった。散乱光はアナライザーの偏光子を通して方向付けられ、散乱光は150μmの開口部を通って進み、次にホログラフィックノッチ及びスーパーノッチフィルター(Kaiser Optical Systems)に進んだ。分光器は1200gr/mmの回折格子(Richardson Grating Laboratory)を使用した。JY-Horiba HR460分光器の入射スリットを6cm-1の解像度に設定して、50~1600cm-1のスペクトルを収集した。分光器はCCl4を使用して周波数校正されたため、記録された周波数は±1cm-1以内の精度である。平行偏光(VV)スペクトルは、入射レーザー光が垂直に偏光されている場所で収集された。 Raman spectra were collected using a single grating spectrograph-notch filter micro-Raman system. A Melles-Griot model 45 Ar + laser provided 5145 Å wavelength incident light directed through a broadband polarization rotator (Newport model PR-550) into the laser microscope, which was connected to a long working distance Mitutoyo 10 laser microscope. Laser light was directed through a microscope objective onto the precipitated solid or solution in a 25 ml clear vial. The laser light power was about 22 mW at the sample. The scattered light was directed through the polarizer of the analyzer and passed through a 150 μm aperture and then to holographic notch and supernotch filters (Kaiser Optical Systems). The spectroscope used a 1200 gr/mm diffraction grating (Richardson Grating Laboratory). Spectra from 50 to 1600 cm −1 were collected with the entrance slit of a JY-Horiba HR460 spectrometer set at a resolution of 6 cm −1 . The spectrometer was frequency calibrated using CCl4, so the recorded frequencies are accurate to within ±1 cm −1 . Parallel polarization (VV) spectra were collected where the incident laser light was vertically polarized.

ラマン振動の帰属を表2に示す。帰属は、Halaszら19、20に従って為された。結果を、上清液については図1に、沈殿した固体については図2に示す。

Figure 0007296135000004
The assignment of Raman vibrations is shown in Table 2. Attribution was made according to Halasz et al.19,20 . The results are shown in Figure 1 for the supernatant and Figure 2 for the precipitated solids.
Figure 0007296135000004

図1は、4つの用量の塩化バリウム脱水物の場合に0.5時間塩化バリウム溶液と混合した後のケイ酸ナトリウム溶液の上清試料のラマンスペクトルを表す。遅延剤なしの活性剤溶液(RM-BC-0)のスペクトルは、Q、Q、及びQタイプのシリケート種が活性剤溶液を占めていることを明確に示す。Qタイプのシリケート種は完全に解離している(図1)。塩化バリウム二水和物を含む試料のすべての上清液(表1)は、Ba/Siモル比が0.04(RM-BC 0.875)の非常に低い用量であっても、実質的にはシリケート種を含んでいない。これは、塩化バリウム溶液がアルカリケイ酸ナトリウム活性剤溶液と混合されたときに、活性剤溶液中に元々存在していたほとんどすべてのシリケートが水酸化バリウムと共沈したことを示唆している。シリケート種はケイ酸バリウム複合体として沈殿するため、ジオポリマー化に利用できる可溶性シリケートの濃度は、早期硬化時中には非常に低い。シリケート種の利用可能性が限られているため、CSH及び/CASHゲルの核生成と成長が妨げられることにより、硬化時間の遅延がもたらされる。 FIG. 1 represents the Raman spectra of supernatant samples of sodium silicate solution after mixing with barium chloride solution for 0.5 hours for four doses of barium chloride dehydrate. The spectrum of the activator solution without retarder (RM-BC-0) clearly shows that Q 0 , Q 1 and Q 2 type silicate species dominate the activator solution. The Q0 type silicate species are completely dissociated (Fig. 1). All supernatants of samples containing barium chloride dihydrate (Table 1) showed substantially does not contain silicate species. This suggests that almost all the silicate originally present in the activator solution co-precipitated with barium hydroxide when the barium chloride solution was mixed with the alkali sodium silicate activator solution. Since silicate species precipitate as barium silicate complexes, the concentration of soluble silicate available for geopolymerization is very low during early curing. Limited availability of silicate species results in retarded cure times by impeding nucleation and growth of CSH and/CASH gels.

図2は、3つの用量の遅延剤の場合に塩化バリウム溶液と活性剤溶液とを0.5時間混合した後の共沈固体のラマンスペクトルを示す。遅延剤が最小用量(RM-BC 0.875)である共沈試料は、Q、Q及びQタイプのシリケート種に関連するバンドに加えて、1062cm-1で新しい振動バンドが発生する鋭利なラマンスペクトルパターンを示す。1062cm-1バンドは、Qシリケート種に帰属させることができる。このラマンスペクトルを遅延剤なしの活性剤溶液のスペクトル(図1、RM-BC00)と比較すると、開示された実施形態では、遅延剤を追加すると、完全に解離したシリケート種(Q)と他のタイプのシリケート種の相対比率が低下することが見出された。明らかに、バリウムカチオンはシリケート種とある程度相互作用し、その結果シリケート種の重合が増加することになる。 FIG. 2 shows the Raman spectra of the co-precipitated solid after mixing the barium chloride solution and the activator solution for 0.5 hours for three doses of retarder. The co-precipitated sample with the lowest dose of retarder (RM-BC 0.875) develops a new vibrational band at 1062 cm −1 in addition to the bands associated with Q 0 , Q 1 and Q 2 type silicate species. It shows a sharp Raman spectral pattern. The 1062 cm −1 band can be assigned to the Q 3 silicate species. Comparing this Raman spectrum with the spectrum of the activator solution without the retarder ( FIG. 1 , RM-BC00), the disclosed embodiment shows that the addition of the retarder results in fully dissociated silicate species (Q 0 ) and other It was found that the relative proportion of silicate species of the type Apparently, the barium cations interact to some extent with the silicate species, resulting in increased polymerization of the silicate species.

遅延剤の用量の増加に伴い、それぞれのラマンバンドの強度は減少した。遅延剤が5%BWOB又は0.23のB/Siモル比に増加すると(図2)、それぞれのラマンバンドはほぼ完全に消失したことから、バリウムとシリケート種との間の顕著な相互作用は沈殿複合体で誘導されることが示された。高用量の塩化バリウム二水和物で相互作用が増加すると、シリケート種の放出が大幅に遅延するため、硬化時間が大幅に延長され、その間初期強度が低下した硬化ジオポリマーが生成される。 The intensity of each Raman band decreased with increasing dose of retarder. When the retarder was increased to 5% BWOB or a B/Si molar ratio of 0.23 (Fig. 2), the respective Raman bands disappeared almost completely, indicating that the significant interaction between barium and silicate species was It was shown to be induced with a precipitated complex. The increased interaction at high doses of barium chloride dihydrate significantly retards the release of silicate species, thus greatly extending the curing time, during which a cured geopolymer with reduced initial strength is produced.


発明対象に関する例
以下の例は、その好ましい実施形態における本開示の実施を説明するものである。
Examples Examples Relating to the Present Invention The following examples illustrate the practice of the present disclosure in its preferred embodiments.

例1~21の試料の調製には、以下の原料を用いた。2つのフライアッシュを使用した。1つは、Headwater Resources(Jewett fly ash)が販売する米国テキサス州のJewett Power Stationの高CaO FFA(12.5%)であった。このフライアッシュは12.2重量%のCaOを含み、0.15%の強熱減量(LOI)を有する。Si+Al+Fe酸化物の合計は79.57重量%であり、ASTM C618によるクラスFフライアッシュの最小要件である75重量%を超えていた。2つ目のフライアッシュは、オーストラリアのNeilsens Groupからの低Ca FFAであった。このFFAは、より粗いフライアッシュの分類の生成物であった。そのLOIは0.15%未満であった。Si+Al+Fe酸化物の合計は約93重量%であった。高炉スラグ微粉末グレード120(NewCemスラグセメント)は、メリーランド州ボルチモアにあるLafarge-Holcim’s Sparrow Pointプラントから得られた。ASTM C989によると、活性度指数は約129であった。高炉スラグは、約38.5%のCaO、38.2%のSiO、10.3%のAl、及び9.2%のMgOを含み、平均粒子径は13.8μm、50体積%は7μm未満であった。メタカオリン(Kaorock)は、ジョージア州サンダーズビルのThiele Kaolin Companyから得られた。メタカオリンの粒子サイズは0.5~50μmで、50体積%は4μm未満であった。Fe-Si合金からの産業廃棄物であるシリカフュームはNorchem Inc.から得られた。シリカフュームは2.42重量%の炭素を含んでいた。シリカフュームは、アルカリ水酸化物溶液にシリカフュームを溶解することにより活性剤溶液を調製するために使用されるか、又は超高性能コンクリート試料の調製においてサブミクロンの反応性フィラーとして添加された。 The following raw materials were used to prepare the samples of Examples 1-21. Two fly ash were used. One was a high CaO FFA (12.5%) from Jewett Power Station, Texas, USA, sold by Headwater Resources (Jewett fly ash). This fly ash contains 12.2 wt% CaO and has a loss on ignition (LOI) of 0.15%. The sum of Si+Al+Fe oxides was 79.57 wt%, exceeding the minimum requirement of 75 wt% for Class F fly ash according to ASTM C618. The second fly ash was a low Ca FFA from Neilsens Group, Australia. This FFA was a product of the coarser fly ash class. Its LOI was less than 0.15%. The sum of Si+Al+Fe oxides was about 93% by weight. Ground blast furnace slag grade 120 (NewCem slag cement) was obtained from Lafarge-Holcim's Sparrow Point plant in Baltimore, Maryland. The activity index was about 129 according to ASTM C989. Blast furnace slag contains about 38.5% CaO, 38.2% SiO2 , 10.3 % Al2O3 , and 9.2% MgO, with an average particle size of 13.8 μm, 50 volume % was less than 7 μm. Metakaolin (Kaorock) was obtained from Thiele Kaolin Company, Sandersville, GA. Metakaolin had a particle size of 0.5-50 μm, with 50% by volume less than 4 μm. Silica fume, an industrial waste product from Fe—Si alloys, is supplied by Norchem Inc. obtained from The silica fume contained 2.42 wt% carbon. Silica fume has been used to prepare activator solutions by dissolving silica fume in alkaline hydroxide solutions or added as submicron reactive fillers in the preparation of ultra high performance concrete samples.

ブルーストーン#7(AASHTO T-27)を粗骨材として使用した。飽和表面乾燥(SSD)状態にするため、乾燥骨材を24時間水に浸し、次いで乾いた布を使用して、骨材表面から遊離水を手動で除去した。SSD又はオーブン乾燥状態の川砂が使用された。Trident固体用湿度計(モデルT90)を使用して、細骨材試料の水分量を測定した。U.S.SilicaのMin U-SIL(登録商標)粉砕石英粉末を使用して、超高性能コンクリートを調製した。石英粉末の粒径は1~25μmで、中央粒径は約5μmである。 Bluestone #7 (AASHTO T-27) was used as coarse aggregate. Dry aggregates were soaked in water for 24 hours to achieve saturated surface dryness (SSD) conditions, then a dry cloth was used to manually remove free water from the aggregate surface. SSD or oven-dried river sand was used. A Trident Solids Hygrometer (Model T90) was used to measure the moisture content of the fine aggregate samples. U.S.A. S. Silica's Min U-SIL® ground quartz powder was used to prepare ultra high performance concrete. The quartz powder has a particle size of 1-25 μm, with a median particle size of about 5 μm.

PQ、CorpのタイプRuケイ酸ナトリウム溶液を使用して、アルカリケイ酸塩活性剤溶液を調製した。SiO/NaOの質量比は約2.40であった。入手した溶液は、約13.9重量%のNaO、33.2重量%のSiO及び52.9重量%の水を含有する。水酸化ナトリウムビーズ(純度99%)と水酸化カリウムフレーク(純度91%)を使用して、アルカリ活性剤溶液を調製した。 An alkali silicate activator solution was prepared using a PQ, Corp type Ru sodium silicate solution. The SiO 2 /Na 2 O mass ratio was about 2.40. The obtained solution contains about 13.9 wt% Na2O , 33.2 wt% SiO2 and 52.9 wt% water. An alkaline activator solution was prepared using sodium hydroxide beads (99% purity) and potassium hydroxide flakes (91% purity).

例1~例7
米国テキサス州のJewett Power Stationからの高CaクラスFフライアッシュを含むジオポリマー試料を調製した。混合組成を表3に示し、成分はグラムで示した。バッチサイズは約5000グラムであった。Jewettフライアッシュは約12.2重量%のCaOを含んでいた。例1及び例2からのジオポリマー試料は、比較のために遅延剤ヘキサメタリン酸ナトリウム(SHMP)を用いて調製された。リン酸ナトリウムは、先行技術又は文献において遅延剤として開示された。SHMPの用量はそれぞれ1.50%と2.25%のBWOBであった。例#4~例#7のジオポリマー試料については、0.50%~1.00重量%BWOBの用量で遅延剤塩化バリウム二水和物を用いて調製し、遅延効率を実証した。
Examples 1 to 7
Geopolymer samples were prepared comprising high Ca Class F fly ash from Jewett Power Station, Texas, USA. The mix composition is shown in Table 3 and the ingredients are given in grams. The batch size was approximately 5000 grams. The Jewett fly ash contained approximately 12.2 wt% CaO. Geopolymer samples from Examples 1 and 2 were prepared with the retardant sodium hexametaphosphate (SHMP) for comparison. Sodium phosphate has been disclosed as a retardant in the prior art or literature. SHMP doses were 1.50% and 2.25% BWOB, respectively. Geopolymer samples of Examples #4 through Example #7 were prepared using the retardant barium chloride dihydrate at doses of 0.50% to 1.00% by weight BWOB to demonstrate retardation efficiency.

NaOHビーズ(純度99%)を水に溶解し、次いで、生成した溶液をタイプRuケイ酸ナトリウム溶液と合わせて、活性剤溶液を調製した。塩化バリウム二水和物又はメタリン酸ナトリウム(SHMP)を別々に水に溶解して、遅延剤溶液を調製した。遅延剤溶液を2時間混合した後、高強度のK-Labミキサー(Kercher Industries)中のJewettフライアッシュに6分間注いだ。得られた新鮮なペーストをすぐに型(高さ3インチ及び高さ40mm)に移し、振動テーブルで約1分間処理して、閉じ込められた気泡を除去した。新鮮なペーストについて、Vicatronic Automatic Vicat装置(モデルE004N)を使用して初期及び最終の硬化時間を判定した。以降、前記装置をASTM C191に従ってAutoVicatと呼ぶ。

Figure 0007296135000005
An activator solution was prepared by dissolving NaOH beads (99% purity) in water and then combining the resulting solution with type Ru sodium silicate solution. Retardant solutions were prepared by separately dissolving barium chloride dihydrate or sodium metaphosphate (SHMP) in water. After mixing the retarder solution for 2 hours, it was poured over the Jewett fly ash in a high intensity K-Lab mixer (Kercher Industries) for 6 minutes. The resulting fresh paste was immediately transferred to a mold (3 inches high and 40 mm high) and treated on a vibrating table for about 1 minute to remove trapped air bubbles. For fresh pastes, initial and final set times were determined using a Vicatronic Automatic Vicat apparatus (model E004N). Hereinafter, said device will be referred to as AutoVicat according to ASTM C191.
Figure 0007296135000005

対照試料(例3、BC00)の初期硬化時間は29分であると判定され、最終硬化時間は45分であった。0.50%BWOBの塩化バリウム二水和物を添加すると、初期硬化時間は47分に、最終硬化時間は78分に増加した(例4)。塩化バリウム二水和物を0.75%BWOBに増やすと、初期硬化時間は68分に、最終硬化時間は99分に増加した(例5)。塩化バリウム二水和物を0.875%BWOBに増やすと、初期硬化時間は114分に、最終硬化時間は144分に増加した(例6)。塩化バリウム二水和物を1%BWOBにさらに増やすと、初期硬化時間は391分に、最終硬化時間は450分に増加した(例7)。等温熱量測定データは、遅延剤の添加がジオポリマーの水和熱を大幅に低減することを明らかにした。 The initial cure time for the control sample (Example 3, BC00) was determined to be 29 minutes and the final cure time was 45 minutes. The addition of 0.50% BWOB barium chloride dihydrate increased the initial set time to 47 minutes and the final set time to 78 minutes (Example 4). Increasing the barium chloride dihydrate to 0.75% BWOB increased the initial set time to 68 minutes and the final set time to 99 minutes (Example 5). Increasing the barium chloride dihydrate to 0.875% BWOB increased the initial set time to 114 minutes and the final set time to 144 minutes (Example 6). Further increasing the barium chloride dihydrate to 1% BWOB increased the initial set time to 391 minutes and the final set time to 450 minutes (Example 7). Isothermal calorimetry data revealed that the addition of retarder significantly reduced the heat of hydration of the geopolymer.

比較として、1.5%BWOBのメタリン酸ナトリウムによるドーピングでは、初期硬化時間は35分、最終硬化時間は57分であった。メタリン酸ナトリウムを2.25%BWOBに増加すると、初期硬化時間は38分、最終硬化時間は63分とわずかな増加を示した。明らかに、本遅延剤は、先行技術又は文献に開示されている遅延剤よりもはるかに効率的である。 In comparison, doping with 1.5% BWOB sodium metaphosphate gave an initial set time of 35 minutes and a final set time of 57 minutes. Increasing the sodium metaphosphate to 2.25% BWOB showed a slight increase in initial set time to 38 minutes and final set time to 63 minutes. Clearly, the present retardant is much more efficient than those disclosed in the prior art or literature.

例8~10
表4に示す混合組成の二元FFA/BFSジオポリマーモルタル試料を調製する。成分はグラムで示した。オーストラリアのNeilsens Concreteからの低CaクラスFフライアッシュ、Lafarge-Holcimからの高炉スラグ微粉末、及び川砂(飽和表面乾燥)を、Waring7クォートプラネタリーミキサーで3分間混合した。NaOHビーズを水に溶解し、次いで、生成した溶液をタイプRuのケイ酸ナトリウム溶液と合わせて、活性剤溶液を調製した。活性剤溶液を使用前に一晩放置した。塩化バリウム二水和物がある場合は、個別に水に溶解した。遅延剤の用量を0.875%BWOBに固定した。
Examples 8-10
A binary FFA/BFS geopolymer mortar sample of the mixed composition shown in Table 4 is prepared. Ingredients are given in grams. Low Ca Class F fly ash from Neilsens Concrete, Australia, ground blast furnace slag from Lafarge-Holcim, and river sand (saturated surface dry) were mixed for 3 minutes in a Waring 7 quart planetary mixer. An activator solution was prepared by dissolving NaOH beads in water and then combining the resulting solution with type Ru sodium silicate solution. The activator solution was allowed to stand overnight before use. If barium chloride dihydrate was present, it was dissolved separately in water. The retardant dose was fixed at 0.875% BWOB.

塩化バリウム二水和物を含まない活性剤溶液(例#8)をFFA/BFS/砂混合物に注ぎ、中速で5分間混合した。フレッシュモルタルを、ASTM C191に準拠したAutoVicatを使用して硬化時間について測定した。初期硬化時間は114分、最終硬化時間は186分であった。 An activator solution without barium chloride dihydrate (Example #8) was poured into the FFA/BFS/sand mixture and mixed at medium speed for 5 minutes. Fresh mortar was measured for set time using an AutoVicat according to ASTM C191. The initial cure time was 114 minutes and the final cure time was 186 minutes.

遅延剤溶液を活性剤溶液と30分間混合した後、ジオポリマーモルタル試料を調製した(例9)。フレッシュモルタルについて、ASTM C191に準拠したAutoVicatで硬化時間を測定した。初期硬化時間は249分で、最終硬化時間は348分であった。 Geopolymer mortar samples were prepared after mixing the retarder solution with the activator solution for 30 minutes (Example 9). For fresh mortar, curing time was measured with AutoVicat according to ASTM C191. The initial cure time was 249 minutes and the final cure time was 348 minutes.

活性剤溶液を乾燥成分混合物に注いだときに、遅延剤溶液を添加した(例10)。混合物を5分間混合した。フレッシュモルタルを、ASTM C191に準拠したAutoVicatを使用して硬化時間について測定した。初期硬化時間は236分、最終硬化時間は342分であった。

Figure 0007296135000006
The retarder solution was added when the activator solution was poured into the dry ingredient mixture (Example 10). The mixture was mixed for 5 minutes. Fresh mortar was measured for set time using an AutoVicat according to ASTM C191. The initial cure time was 236 minutes and the final cure time was 342 minutes.
Figure 0007296135000006

例11~13
例8~10で使用されたものと同じ混合組成の二元FFA/BFSジオポリマーモルタル試料を調製する(表4)。オーストラリアのNeilsens Groupからの低CaクラスFフライアッシュ、オーストラリア、Wagnersからの高炉スラグ微粉末、及び川砂(飽和表面乾燥)を、Waring 7クォートプラネタリーミキサーで3分間混合した。NaOHビーズを水に溶解し、次いで、生成した溶液をタイプRuのケイ酸ナトリウム溶液と合わせて、活性剤溶液を調製した。活性剤溶液を使用前に一晩放置した。塩化バリウム二水和物がある場合は、個別に水に溶解した。遅延剤の用量を1.25%BWOBに固定した。
Examples 11-13
Binary FFA/BFS geopolymer mortar samples of the same mixed composition used in Examples 8-10 are prepared (Table 4). Low Ca Class F fly ash from Neilsens Group, Australia, ground blast furnace slag from Wagners, Australia, and river sand (saturated surface dry) were mixed in a Waring 7 quart planetary mixer for 3 minutes. An activator solution was prepared by dissolving NaOH beads in water and then combining the resulting solution with type Ru sodium silicate solution. The activator solution was allowed to stand overnight before use. If barium chloride dihydrate was present, it was dissolved separately in water. The retardant dose was fixed at 1.25% BWOB.

塩化バリウム二水和物を含まない活性剤溶液(例#11)をFFA/BFS/砂混合物に注ぎ、中速で5分間混合した。フレッシュモルタルを、ASTM C191に準拠したAutoVicatを使用して硬化時間について測定した。初期硬化時間は59分で、最終硬化時間は144分であった。圧縮強度は、7日間の硬化後は4081psiで、28日間の硬化後は8032psiに増加した。 An activator solution without barium chloride dihydrate (Example #11) was poured into the FFA/BFS/sand mixture and mixed at medium speed for 5 minutes. Fresh mortar was measured for set time using an AutoVicat according to ASTM C191. The initial cure time was 59 minutes and the final cure time was 144 minutes. The compressive strength was 4081 psi after 7 days of curing and increased to 8032 psi after 28 days of curing.

遅延剤溶液を活性剤溶液と30分間混合した後、ジオポリマーモルタル試料を調製した(例12)。フレッシュモルタルについて、ASTM C191に準拠したAutoVicatで硬化時間を測定した。初期硬化時間は136分で、最終硬化時間は198分であった。圧縮強度は、7日間の硬化後は3673psiで、28日間の硬化後は7734psiに増加した。 Geopolymer mortar samples were prepared after mixing the retarder solution with the activator solution for 30 minutes (Example 12). For fresh mortar, curing time was measured with AutoVicat according to ASTM C191. The initial cure time was 136 minutes and the final cure time was 198 minutes. The compressive strength was 3673 psi after 7 days of curing and increased to 7734 psi after 28 days of curing.

活性剤溶液を乾燥成分混合物に注いだときに、遅延剤溶液を添加した(例13)。混合物を5分間混合した。フレッシュモルタルを、ASTM C191に準拠したAutoVicatを使用して硬化時間について測定した。初期硬化時間は114分、最終硬化時間は180分であった。圧縮強度は、7日間の硬化後は4064psiで、28日間の硬化後は7970psiに増加した。 The retarder solution was added when the activator solution was poured into the dry ingredient mixture (Example 13). The mixture was mixed for 5 minutes. Fresh mortar was measured for set time using an AutoVicat according to ASTM C191. The initial cure time was 114 minutes and the final cure time was 180 minutes. The compressive strength was 4064 psi after 7 days of curing and increased to 7970 psi after 28 days of curing.

例14~16
ジオポリマー性の超高性能コンクリート(GUHPC)を調製するために、メタカオリン(5.71重量%)と高炉スラグ微粉末(14.72重量%)を高強力ミキサー(K-Lab、Kercher Industries)で混合した。活性剤は、NaOHとしてNaO(2.12重量%)、KOHとしてKO(1.35クォート%重量%)、タイプRuケイ酸ナトリウム溶液としてSiO(3.95重量%)、及び水(10.15重量%)を混合して調製した。塩化バリウム二水和物がある場合は個別に水に溶解し、試料を調製する5分前に活性剤溶液と合わせた。次いで、活性剤溶液をMK/BFSブレンドに注ぎ、約350rpmで3分間混合した。次いで、乾燥川砂(50重量%)と石英粉(10.00重量%)を混合物に加え、3分間混合し続けた。混合の終了に向けて、シリカフューム(2.00%)を加え、3分間混合し続けた。生成するペーストについては、AutoVicat又は手動のVicat装置を使用して、初期硬化時間を判定した。ペーストを2インチx4インチの円筒型に注ぎ、室温で硬化させた。圧縮強度を、Test Mark CM-4000-SD圧縮で28日間硬化させた後に測定した。圧縮機は、NISTトレーサブル規格に基づいて校正されている。
Examples 14-16
To prepare geopolymeric ultra high performance concrete (GUHPC), metakaolin (5.71 wt%) and ground blast furnace slag (14.72 wt%) were mixed in a high intensity mixer (K-Lab, Kercher Industries). Mixed. The activators are Na 2 O (2.12 wt %) as NaOH, K 2 O (1.35 quart % wt %) as KOH, SiO 2 (3.95 wt %) as type Ru sodium silicate solution, and Prepared by mixing water (10.15% by weight). Any barium chloride dihydrate was dissolved separately in water and combined with the activator solution 5 minutes prior to sample preparation. The activator solution was then poured into the MK/BFS blend and mixed for 3 minutes at approximately 350 rpm. Dry river sand (50% by weight) and quartz flour (10.00% by weight) were then added to the mixture and mixing was continued for 3 minutes. Towards the end of mixing silica fume (2.00%) was added and mixing continued for 3 minutes. For the resulting pastes, the initial set time was determined using an AutoVicat or a manual Vicat device. The paste was poured into a 2″×4″ cylinder and allowed to cure at room temperature. Compressive strength was measured after curing for 28 days with a Test Mark CM-4000-SD compression. The compressor is calibrated to NIST traceable standards.

塩化バリウム二水和物が存在しない場合(例14)、初期硬化時間は約30分と推定され、圧縮強度は28日間の硬化後、約19972psiであった。1重量%BWOBの塩化バリウム二水和物を添加した場合(例15)、初期硬化時間は54分であり、28日間の硬化後の圧縮強度は約20146psiであった。2重量%BWOBの塩化バリウム二水和物を添加した場合(例16)、初期硬化時間は89分に増加し、28日間の硬化後の圧縮強度は約19424psiであった。 In the absence of barium chloride dihydrate (Example 14), the initial cure time was estimated to be about 30 minutes and the compressive strength was about 19972 psi after 28 days of cure. With the addition of 1 wt% BWOB barium chloride dihydrate (Example 15), the initial cure time was 54 minutes and the compressive strength after 28 days of cure was about 20146 psi. When 2 wt% BWOB of barium chloride dihydrate was added (Example 16), the initial set time increased to 89 minutes and the compressive strength after 28 days of set was about 19424 psi.

例17~18
GUHPC試料を調製するために、メタカオリン(5.92重量%)と高炉スラグ微粉末(15.28重量%)を高強力ミキサー(K-Lab、Kercher Industries)で混合した。活性剤は、NaOHとしてNaO(1.08重量%)、KOHとしてKO(2.47クォート%重量%)、シリカフュームとしてSiO(3.80重量%)、及び水(9.45重量%)を混合することにより調製した。シリカフュームをアルカリ水酸化物溶液に溶解し、生成した活性剤溶液を使用前に1週間熟成させた。塩化バリウム二水和物がある場合は個別に水に溶解し、次いで試料を調製する10分前に活性剤溶液と合わせた。次いで、活性剤溶液をMK/BFSブレンドに注ぎ、約350rpmで3分間混合した。次に、乾燥川砂(50重量%)と石英粉(10.00重量%)を混合物に加え、3分間混合し続けた。混合の終了に向けて、シリカフューム(2.00%)を加え、3分間混合し続けた。生成したペーストについては、手動のVicat装置を使用して、初期及び最終の硬化時間を判定した。ペーストを2インチx4インチの円筒型に注ぎ、室温で硬化させた。圧縮強度を、28日間の硬化後に測定した。
Examples 17-18
To prepare the GUHPC samples, metakaolin (5.92 wt%) and ground blast furnace slag (15.28 wt%) were mixed in a high intensity mixer (K-Lab, Kercher Industries). The activators were Na 2 O (1.08 wt %) as NaOH, K 2 O (2.47 quart % wt %) as KOH, SiO 2 (3.80 wt %) as silica fume, and water (9.45 wt %). % by weight). Silica fume was dissolved in an alkali hydroxide solution and the resulting activator solution was aged for one week prior to use. Any barium chloride dihydrate was dissolved separately in water and then combined with the activator solution 10 minutes prior to sample preparation. The activator solution was then poured into the MK/BFS blend and mixed for 3 minutes at approximately 350 rpm. Dry river sand (50% by weight) and quartz flour (10.00% by weight) were then added to the mixture and mixing was continued for 3 minutes. Towards the end of mixing silica fume (2.00%) was added and mixing continued for 3 minutes. For the resulting pastes, a manual Vicat device was used to determine initial and final set times. The paste was poured into a 2″×4″ cylinder and allowed to cure at room temperature. Compressive strength was measured after 28 days of curing.

塩化バリウム二水和物を使用しない場合(例17)、初期硬化時間は15分であり、最終硬化時間は19分であり、28日間の硬化後の圧縮強度は約26418psiであった。1.5重量%BWOBの塩化バリウム二水和物を添加した場合(例18)、初期硬化時間は73分であり、最終硬化時間は81分であり、28日間の硬化後の圧縮強度は約23817psiであった。 Without barium chloride dihydrate (Example 17), the initial set time was 15 minutes, the final set time was 19 minutes, and the compressive strength after 28 days of curing was about 26418 psi. With the addition of 1.5 wt% BWOB barium chloride dihydrate (Example 18), the initial set time was 73 minutes, the final set time was 81 minutes, and the compressive strength after 28 days of curing was about It was 23817 psi.

例19~20
例19及び20は、ジオポリマーコンクリートに可溶性バリウム塩を使用した硬化の制御における効率を実証している。
Examples 19-20
Examples 19 and 20 demonstrate the efficiency in controlling hardening using soluble barium salts in geopolymer concrete.

両方のコンクリート試料の混合組成物には、78.75重量%の骨材が含まれ、粗骨材と細骨材の質量比は1.74であった。結合剤には、80%の低CaO FFAと20%の高炉スラグが含まれていた。w/b比は0.47であり、NaOHモル濃度は5.7であり、SiO/NaOの質量比は活性剤溶液について1.15であった。ジオポリマーコンクリート試料を調製するために、オーストラリアのNeilsens Groupの低CaO FFA、Lafarge-Holcimの高炉スラグ、及び川砂(SSD条件)を高強力ミキサー(K-Lab、Kercher Industries)で3分間混合した。NaOHビーズを水に溶解し、次いで、生成した溶液をタイプRuのケイ酸ナトリウム溶液と合わせて、活性剤溶液を調製した。活性剤溶液を使用前に一晩放置した。 The mix composition for both concrete samples contained 78.75 wt% aggregate with a coarse to fine aggregate mass ratio of 1.74. The binder contained 80% low CaO FFA and 20% blast furnace slag. The w/b ratio was 0.47, the NaOH molarity was 5.7 and the SiO2 / Na2O mass ratio was 1.15 for the activator solution. To prepare geopolymer concrete samples, low CaO FFA from Neilsens Group, Australia, blast furnace slag from Lafarge-Holcim, and river sand (SSD conditions) were mixed in a high intensity mixer (K-Lab, Kercher Industries) for 3 minutes. An activator solution was prepared by dissolving NaOH beads in water and then combining the resulting solution with type Ru sodium silicate solution. The activator solution was allowed to stand overnight before use.

遅延剤なしの活性剤溶液(例#19)をFFA/BFS/砂混合物に注ぎ、300rpmで3分間混合した。次に、SSD粗骨材(グレード#7)を添加し、低速の混合速度(例、20rpm)で5分間混合した。生コンクリートをふるいにかけて、硬化時間についてASTM C403に準拠したAcme Penetrometerで測定されるモルタル試料を得た。生コンクリートも3インチx6インチの円筒型に注ぎ、振動テーブルで1分間振動させた。試料に蓋をし、圧縮強度を測定するまで室温で硬化させた。初期硬化時間は75分であり、最終硬化時間は168分であった。7日間の硬化後の圧縮強度は4509psiであり、28日間の硬化後は7992psiに増加していた。 The activator solution without retarder (Example #19) was poured into the FFA/BFS/sand mixture and mixed for 3 minutes at 300 rpm. SSD coarse aggregate (Grade #7) was then added and mixed at a low mixing speed (eg, 20 rpm) for 5 minutes. Ready-mixed concrete was sieved to obtain mortar samples measured with an Acme Penetrometer according to ASTM C403 for set time. Ready-mixed concrete was also poured into a 3″×6″ cylinder and shaken on a vibrating table for 1 minute. The samples were capped and cured at room temperature until the compressive strength was measured. The initial cure time was 75 minutes and the final cure time was 168 minutes. Compressive strength after 7 days of curing was 4509 psi and increased to 7992 psi after 28 days of curing.

例19に記載したのと同じ手順を使用して、遅延剤を伴う追加のコンクリート試料を調製した(例20)。塩化バリウム二水和物を別々に水に溶解した。遅延剤の用量は1.00%BWOBであった。生コンクリート試料を調製する前に、遅延剤溶液を活性剤溶液と30分間混合した。生コンクリートをふるいにかけ、ASTM C403に準拠したAcme Penetrometerの使用による硬化時間についてのモルタル試料を得た。初期硬化時間は313分であり、最終硬化時間は572分であった。圧縮強度は、7日間の硬化後は3707psi、28日間の硬化後は7259psiであった。 Additional concrete samples with retarders were prepared using the same procedure described in Example 19 (Example 20). Barium chloride dihydrate was separately dissolved in water. The retardant dose was 1.00% BWOB. The retarder solution was mixed with the activator solution for 30 minutes prior to preparing ready-mixed concrete samples. The ready-mixed concrete was sieved to obtain mortar samples for set time using an Acme Penetrometer according to ASTM C403. The initial cure time was 313 minutes and the final cure time was 572 minutes. Compressive strength was 3707 psi after 7 days of curing and 7259 psi after 28 days of curing.

例21
遅延剤溶液を含まない例#8と同じ混合組成物を30分間混合し、次いで遅延剤溶液(3%塩化バリウムBWOB)を混合しながらペーストに注ぎ、さらに10分間混合した。混合を停止した後、モルタル試料を硬化時間判定のためにASTM C191に供した。活性剤溶液を乾燥混合物に注いだ後約7.4時間で、モルタル試料は硬化の兆候を一切示さないことから、遅延剤が硬化を効率的に遅らせることが示された。遅延剤は、レディミックストラックで輸送中の生ジオポリマーコンクリートの緊急硬化ブレーキに使用され得る。
example 21
The same mix composition as Example #8 without the retarder solution was mixed for 30 minutes, then the retarder solution (3% barium chloride BWOB) was poured into the paste with mixing and mixed for an additional 10 minutes. After mixing was stopped, the mortar sample was subjected to ASTM C191 for set time determination. About 7.4 hours after pouring the activator solution into the dry mixture, the mortar sample showed no signs of hardening, indicating that the retarder effectively retards hardening. Retarders can be used for emergency setting braking of raw geopolymer concrete in transit on ready-mix trucks.

本開示の多くの実施形態を詳細に説明したが、添付の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲から逸脱することなく、修正及び変更が可能であることは明らかであろう。さらに、本開示のすべての例は、本発明の多くの実施形態を示す一方で、非限定的な例として提供され、したがって、そのように示される様々な実施態様を限定するものとして解釈されるべきではないことを理解されたい。 Having described in detail a number of embodiments of the present disclosure, it will be apparent that modifications and variations are possible without departing from the scope of the invention as defined in the appended claims. Furthermore, all examples in this disclosure, while indicating numerous embodiments of the present invention, are provided as non-limiting examples and are therefore to be construed as limiting the various implementations so indicated. It should be understood that it should not.

参考文献
以下の参考文献は上記で言及されており、参照により本明細書に組み込まれる。
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本出願で引用されたすべての文書、特許、雑誌記事及び他の資料は、参照により本明細書に組み込まれる。 All documents, patents, journal articles and other materials cited in this application are hereby incorporated by reference.

本開示はある特定の実施形態を参照して開示されてきたが、添付の特許請求の範囲で定義されるように、本開示の範囲及び範囲から逸脱することなく、記載された実施形態に対する多くの修正、改変、及び変更が可能である。したがって、本開示は、記載された実施形態に限定されず、以下の特許請求の範囲の文言及びその均等内容物によって定義される全範囲を有することが意図されている。

Although the present disclosure has been disclosed with reference to certain specific embodiments, many modifications to the described embodiments can be made without departing from the scope and scope of the present disclosure as defined in the appended claims. Modifications, alterations, and alterations are possible. Therefore, it is intended that the present disclosure not be limited to the described embodiments, but rather have the full scope defined by the language of the following claims and equivalents thereof.

Claims (15)

なくとも1つの遅延剤を水に溶解し、ジオポリマー製品を製造するために他の成分と混合する前に少なくとも1つのアルカリケイ酸塩活性剤溶液と組み合わせる、ジオポリマー組成物を製造する方法であって、
前記ジオポリマー組成物が、
少なくとも1つの反応性アルミノケイ酸塩、
少なくとも1つの遅延剤溶液、及び
少なくとも1つのアルカリケイ酸塩活性剤溶液
を含む制御可能な硬化時間を有するジオポリマー組成物であって、
前記少なくとも1つの遅延剤が、アルカリ溶液中で加水分解し、前記アルカリケイ酸塩活性剤溶液中に存在するシリケート種を共沈させる可溶性金属塩であって、
前記少なくとも1つの遅延剤が、塩化バリウム二水和物であって、0.5~5%BWOBの量で使用される、ジオポリマー組成物である、
方法。
A method of making a geopolymer composition comprising dissolving at least one retarder in water and combining with at least one alkali silicate activator solution prior to mixing with other ingredients to make a geopolymer product. and
The geopolymer composition is
at least one reactive aluminosilicate;
A geopolymer composition having a controllable cure time comprising at least one retarder solution and at least one alkali silicate activator solution, the composition comprising:
wherein said at least one retarder is a soluble metal salt that hydrolyzes in alkaline solution and co-precipitates silicate species present in said alkali silicate activator solution,
a geopolymer composition, wherein the at least one retarder is barium chloride dihydrate, used in an amount of 0.5-5% BWOB;
Method.
なくとも1つの遅延剤を水に溶解して遅延剤溶液を形成させ、そして前記遅延剤溶液を、ジオポリマー製品を製造するために他の成分と混合するときになくとも1つのアルカリケイ酸塩活性剤溶液と共に添加する、ジオポリマー組成物を製造する方法であって、
前記ジオポリマー組成物が、
少なくとも1つの反応性アルミノケイ酸塩、
少なくとも1つの遅延剤溶液、及び
少なくとも1つのアルカリケイ酸塩活性剤溶液
を含む制御可能な硬化時間を有するジオポリマー組成物であって、
前記少なくとも1つの遅延剤が、アルカリ溶液中で加水分解し、前記アルカリケイ酸塩活性剤溶液中に存在するシリケート種を共沈させる可溶性金属塩であって、
前記少なくとも1つの遅延剤が、塩化バリウム二水和物であって、0.5~5%BWOBの量で使用される、ジオポリマー組成物である、
方法。
Dissolving at least one retarder in water to form a retarder solution, and adding at least one alkali silica to the retarder solution when combined with other ingredients to produce the geopolymer product. A method of making a geopolymer composition for addition with an acid salt activator solution, comprising:
The geopolymer composition is
at least one reactive aluminosilicate;
A geopolymer composition having a controllable cure time comprising at least one retarder solution and at least one alkali silicate activator solution, the composition comprising:
wherein said at least one retarder is a soluble metal salt that hydrolyzes in alkaline solution and co-precipitates silicate species present in said alkali silicate activator solution,
a geopolymer composition, wherein the at least one retarder is barium chloride dihydrate, used in an amount of 0.5-5% BWOB;
Method.
なくとも1つの遅延剤を水に溶解して遅延剤溶液を形成させ、そして少なくとも1つのアルカリケイ酸塩活性剤溶液を乾燥成分と混合した後に前記遅延剤溶液を加える、ジオポリマー組成物を製造する方法であって、
前記ジオポリマー組成物が、
少なくとも1つの反応性アルミノケイ酸塩、
少なくとも1つの遅延剤溶液、及び
少なくとも1つのアルカリケイ酸塩活性剤溶液
を含む制御可能な硬化時間を有するジオポリマー組成物であって、
前記少なくとも1つの遅延剤が、アルカリ溶液中で加水分解し、前記アルカリケイ酸塩活性剤溶液中に存在するシリケート種を共沈させる可溶性金属塩であって、
前記少なくとも1つの遅延剤が、塩化バリウム二水和物であって、0.5~5%BWOBの量で使用される、ジオポリマー組成物である、
方法。
dissolving at least one retarder in water to form a retarder solution, and adding the retarder solution after mixing at least one alkali silicate activator solution with dry ingredients; A method of manufacturing,
The geopolymer composition is
at least one reactive aluminosilicate;
A geopolymer composition having a controllable cure time comprising at least one retarder solution and at least one alkali silicate activator solution, the composition comprising:
wherein said at least one retarder is a soluble metal salt that hydrolyzes in alkaline solution and co-precipitates silicate species present in said alkali silicate activator solution,
a geopolymer composition, wherein the at least one retarder is barium chloride dihydrate, used in an amount of 0.5-5% BWOB;
Method.
少なくとも1つの反応性アルミノケイ酸塩、少なくとも1つの遅延剤及び少なくとも1つのアルカリケイ酸塩活性剤溶液を組み合わせることを含む、制御可能な硬化時間を有するジオポリマー組成物の製造方法であって、
前記遅延剤が、可溶性金属塩を水に溶解することにより作られた遅延剤溶液を含み、
前記可溶性金属塩が、アルカリ溶液中で加水分解し、前記アルカリケイ酸塩活性剤溶液中に存在するシリケート種を共沈させ、
前記遅延剤は、当該遅延剤に前記アルカリケイ酸塩活性剤を添加する時又は添加してから、前記反応性アルミノケイ酸塩に添加され、
前記少なくとも1つの遅延剤が、塩化バリウム二水和物であって、0.5~5%BWOBの量で使用される、
前記製造方法。
1. A method of making a geopolymer composition having a controllable cure time comprising combining at least one reactive aluminosilicate, at least one retarder and at least one alkali silicate activator solution, the method comprising:
the retarder comprises a retarder solution made by dissolving a soluble metal salt in water;
the soluble metal salt hydrolyzes in an alkaline solution to co-precipitate silicate species present in the alkali silicate activator solution;
the retarder is added to the reactive aluminosilicate at or after the addition of the alkali silicate activator to the retarder;
the at least one retarder is barium chloride dihydrate, used in an amount of 0.5-5% BWOB;
The manufacturing method.
前記少なくとも1つの反応性アルミノケイ酸塩が、低CaクラスFフライアッシュ(FFA)及び高炉スラグ(BFS)を含む、請求項4に記載の方法。 5. The method of claim 4, wherein the at least one reactive aluminosilicate comprises low Ca Class F fly ash (FFA) and blast furnace slag (BFS). 前記低CaクラスFフライアッシュ(FFA)が、8重量%以下の酸化カルシウムを含むフライアッシュである、請求項5に記載の方法。 6. The method of claim 5, wherein the low Ca Class F fly ash (FFA) is fly ash containing 8 wt% or less calcium oxide. 前記少なくとも1つの反応性アルミノケイ酸塩がメタカオリン(MK)をさらに含む、請求項5に記載の方法。 6. The method of claim 5, wherein said at least one reactive aluminosilicate further comprises metakaolin (MK). 前記少なくとも1つの反応性アルミノケイ酸塩が、高CaクラスFフライアッシュ(FFA)、クラスCフライアッシュ(CFA)、高炉スラグ(BFS)、ガラス質ケイ酸カルシウム(VCAS)、ボトムアッシュ、及びクリンカーキルンダスト(CKD)の群から選択される少なくとも1つの高Caアルミノケイ酸塩を含む、請求項4に記載の方法。 The at least one reactive aluminosilicate is high Ca class F fly ash (FFA), class C fly ash (CFA), blast furnace slag (BFS), vitreous calcium silicate (VCAS), bottom ash, and clinker kiln 5. The method of claim 4, comprising at least one Ca-rich aluminosilicate selected from the group of dusts (CKD). 前記少なくとも1つの反応性アルミノケイ酸塩がメタカオリン(MK)をさらに含む、請求項8に記載の方法。 9. The method of claim 8, wherein the at least one reactive aluminosilicate further comprises metakaolin (MK). 前記少なくとも1つの反応性アルミノケイ酸塩が、高炉スラグ(BFS)及びメタカオリン(MK)を含む、請求項4に記載の方法。 5. The method of claim 4, wherein the at least one reactive aluminosilicate comprises blast furnace slag (BFS) and metakaolin (MK). 前記少なくとも1つの反応性アルミノケイ酸塩が、クラスCフライアッシュ(CFA)及びメタカオリン(MK)を含む、請求項4に記載の方法。 5. The method of claim 4, wherein the at least one reactive aluminosilicate comprises class C fly ash (CFA) and metakaolin (MK). 前記可溶性金属塩が、塩化バリウム二水和物である、請求項4に記載の方法。 5. The method of claim 4, wherein the soluble metal salt is barium chloride dihydrate. 前記遅延剤溶液を、他のすべての成分と混合する前に、アルカリケイ酸塩活性剤溶液と混合する、請求項4に記載の方法。 5. The method of claim 4, wherein the retarder solution is mixed with the alkali silicate activator solution prior to mixing with all other ingredients. 前記遅延剤溶液及び前記アルカリケイ酸塩活性剤溶液を、他のすべての成分と混合するときに別々に添加する、請求項4に記載の方法。 5. The method of claim 4, wherein said retarder solution and said alkali silicate activator solution are added separately when mixed with all other ingredients. 前記遅延剤溶液を、他のすべての成分と混合する前に、10分、30分、及び24時間のうちの1期間アルカリケイ酸塩活性剤溶液と混合する、請求項4に記載の方法。 5. The method of claim 4, wherein the retarder solution is mixed with the alkali silicate activator solution for one period of 10 minutes, 30 minutes, and 24 hours before mixing with all other ingredients.
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