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Description
本主題は、製鋼スラグを含む修景製品、組成物およびその製造方法に関する。
従来、セメントベースの修景製品の製造には、バインダとしてポルトランドセメントを使用する。セメントの生産は、エネルギー集約的かつ炭素排出的プロセスである。1トンのポルトランドセメントを生産すると、0.8トンの二酸化炭素が大気中に排出される。さらに、セメントの生産はかなりの量の天然資源を消費する。ポルトランドセメントを代替バインダで置き換えることができれば、二酸化炭素の大気中への排出量を大幅に減らすことができる。
製鋼スラグは、炭酸化活性化が行われる場合に、代替的なバインダとしてセメントに代わる可能性を示した。製鋼スラグは、二酸化炭素と反応することでよく知られている。修景製品の製造におけるセメントを活性化した製鋼スラグに置き換えることにより、エネルギー消費量、天然資源消費量、および総炭素排出力が削減されるであろう。二酸化炭素排出量の削減は、2つの要因;a)製品中に使用されるポルトランドセメントを排除すること、b)炭酸化活性化プロセスによって二酸化炭素を修景製品中に永久的に格納すること、による。
[修景製品の種類]
修景製品には、人造石、舗装材、スラブ、擁壁、キャップ、縁石、エッジ、ステップおよびファサードなどを含む、様々な種類の製品がある。
修景製品には、人造石、舗装材、スラブ、擁壁、キャップ、縁石、エッジ、ステップおよびファサードなどを含む、様々な種類の製品がある。
例えば、舗装材は、外装床材として一般的に使用されている舗装石、タイル、レンガ、またはレンガ様のコンクリート片である。コンクリート舗装材は、骨材、ポルトランドセメント、混和剤および顔料(必要な場合)の混合物を様々な形状の型に流し込んで硬化させることによって商業的に製造される。これらの成分の各々はそれ自身の独特の微細構造特性を示すが、それらのすべては同様に、骨材骨格、結合媒体、および空隙で構成されている。インターロッキングコンクリート舗装材および石舗装材は、異なるタイプの舗装である。インターロッキング舗装材を組み立てる際には、通常、セメントペースト、化学混和剤または保持手段は使用せず、代わりに、舗装材自体の重量を利用してそれらを組み立てる。舗装材は、道路、車道、パティオ、歩道、およびあらゆる屋外プラットフォームを覆うために使用することができる。
擁壁は、その質量に主に依存して安定性を得る、プレキャストコンクリート製品である。擁壁は、互いの上に容易に積み重ねることができる。擁壁は、住宅および商業用途に使用することができる。擁壁は、様々なサイズ、機能、質感、スタイルで製造されている。
人造石は、天然石を模したコンクリートブロック製品の1つとみなされており、主に建築用途に使用されている。人造石製品の用途は、建築物から構造物および庭の装飾まで様々である。
プレキャストコンクリートの縁石は、通りや道路に沿って設置されて歩道の縁を形成する。プレキャストコンクリートの縁石は、都合のよい長さで利用可能であり、一般的に迅速かつ容易に設置することができる。
プレキャストコンクリートのファサードパネルは、外壁および内壁をより良く仕上げるために使用される。これらのパネルは、修景壁、防音壁および防犯壁に使用される建物のファサードまたは自立型壁の全体または一部を覆うために使用される。
本開示の一態様は、以下のステップを含む修景製品の製造方法に関する:
i)乾燥部分と液体部分とを混合するステップであって;乾燥部分が、骨材およびバインダを含み、バインダが、製鋼スラグおよび任意にセメントから構成されており;液体部分が、水および化学混和剤を含むステップと;
ii)ステップi)の混合物を成型および圧縮して、初期の水対スラグ比を有する成形品にするステップと;
iii)ステップii)の成形品の初期の水対スラグ比を任意に減少させて、炭酸化前の水対スラグ比を有する成形品を提供するステップと;
iv)ステップii)またはiii)の成形品を二酸化炭素で硬化させて、修景製品を提供するステップ。
i)乾燥部分と液体部分とを混合するステップであって;乾燥部分が、骨材およびバインダを含み、バインダが、製鋼スラグおよび任意にセメントから構成されており;液体部分が、水および化学混和剤を含むステップと;
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iv)ステップii)またはiii)の成形品を二酸化炭素で硬化させて、修景製品を提供するステップ。
本開示のさらなる態様は、以下を含む修景製品に関する:
a)骨材;
b)化学混和剤、および
c)製鋼スラグおよび任意にセメントから構成されるバインダ。
本開示のさらなる態様は、本明細書に記載されるプロセスによって製造される修景製品に関する。
a)骨材;
b)化学混和剤、および
c)製鋼スラグおよび任意にセメントから構成されるバインダ。
本開示のさらなる態様は、本明細書に記載されるプロセスによって製造される修景製品に関する。
本開示の実施形態がどのように実施され得るのかを例示するために、ここで添付の図面を参照する。
修景製品には:人造石、舗装材、スラブ、ブロック擁壁、エッジ、縁石、キャップ、ステップおよびファサードが含まれる。製品の期待性能に関しては、様々な規格が適用され得る。以下の規格は、代表的な製品に要求される典型的な技術的性能をよりよく理解するために有用な基準である。
本明細書で論じるように、製鋼スラグ(および必要に応じてセメント)からなるバインダを含む修景製品への言及は、最終的な修景製品中のバインダが二酸化炭素硬化バインダであること、すなわち当該製品が二酸化炭素硬化修景製品であることを意味するものと理解される。したがって、明瞭さを向上させるために必要に応じて、修景製品/二酸化炭素硬化修景製品ならびにバインダ/二酸化炭素硬化バインダは、明細書中において互換的に使用することも、あるいは明細書中の任意の場所で置換することもできる。
[擁壁:ASTM C1372:乾式セグメンテーション保持壁ユニットの標準仕様]
最小圧縮強度:20.7MPa
最大吸水量:208kg/m3(約8.5%)
最小圧縮強度:20.7MPa
最大吸水量:208kg/m3(約8.5%)
[建築用人造石:ASTM C1364:建築用鋳造石の標準仕様]
最小強度:45MPa
冷水での最大吸水率:6%
温水での最大吸水率:10%
最小強度:45MPa
冷水での最大吸水率:6%
温水での最大吸水率:10%
[舗装石:ASTM C936:コンクリートインターロッキング舗装ユニットの標準仕様]
最小圧縮強度:55MPa
最大吸水率:5%
最小圧縮強度:55MPa
最大吸水率:5%
米国の標準試験方法:コンクリートインターロッキング舗装ユニットの標準仕様(この仕様は、舗装面の建設に使用され、セメント質材料、骨材、化学混和剤、および不可欠な撥水剤などのその他の成分から製造されている、インターロッキングコンクリート舗装材を対象としている。この規格では、物理的要件、サンプリングおよび試験、外観検査、ならびに試験片の却下に関するガイドラインも提供している。)
カナダ規格協会-CSA A231.2:プレキャストコンクリート舗装スラブ/プレキャストコンクリート舗装材。この規格は、舗装および屋根葺の建設に使用される水硬セメントコンクリートから製造されたコンクリート舗装スラブの要件を規定している。この規格には、建築仕上げまたは触覚面のあるユニットが含まれる。
[縁石:BNQ 2624-210:プレハブコンクリート縁石-寸法,幾何学的および物理的特性]
最低28日間の圧縮強度:32KPa
最低28日間の圧縮強度:32KPa
後述するように、本明細書において、製鋼スラグは、バインダの唯一の成分またはバインダの主成分として、必要に応じてある割合のセメントとともに使用され、二酸化炭素を硬化剤として使用する修景製品の製造を可能にする。換言すれば、セメントのすべてまたは大部分が製鋼スラグで置換されている。二酸化炭素は、強度を高め、かつスラグを活性化するために適用される。
一実施形態において、バインダは製鋼スラグからなる。
一実施形態において、バインダは本質的に製鋼スラグからなる。
一実施形態において、バインダは、製鋼スラグおよびセメントからなり、スラグ対セメント比は最大20であり、あるいはその比は最大15、もしくは最大10である。好ましくは、スラグ対セメント比は、約7~約9である。
一実施形態において、本開示の修景製品は、吸水率が約5%未満であり、圧縮強度が約55MPa、または好ましくは60MPa以上である。
一実施形態において、修景製品は舗装材であり、吸水率が好ましくは約5%未満であり、圧縮強度が約55MPa、または好ましくは60MPa以上である。
一実施形態において、修景製品は、圧縮強度が好ましくは約55MPaであり、または好ましくは60MPa以上である。
一実施形態において、修景製品は、吸水率が約6%未満であり、圧縮強度が約45MPaである。
一実施形態において、修景製品は、建築用人造石または舗装材であり、吸水率が約6%未満であり、圧縮強度が約45MPaである。
一実施形態において、修景製品は、吸水率が約8.5%未満であり、圧縮強度が約20MPaである。
一実施形態において、修景製品は擁壁であり、吸水率が約8.5%未満であり、圧縮強度が約20MPaである。
[製鋼スラグ]
EAF、BOFおよびいくつかの取鍋製鋼スラグは、本明細書で定義されているように、舗装用敷石を製造するために使用することができる。
EAF、BOFおよびいくつかの取鍋製鋼スラグは、本明細書で定義されているように、舗装用敷石を製造するために使用することができる。
本明細書における「製鋼スラグ」は、製鋼製造者から製造されたスラグ副産物をいう。製鋼スラグは、塩基性精錬炉(BOF)から製造されたスラグを含み得る。製鋼スラグは、電気アーク炉(EAF)から製造されたスラグを含み得る。EBHスラグもまた本明細書で有用であると考えられ、EAF-BOFハイブリッドと呼ばれるが、これは、EAFとBOF製造スラグの混合物から形成された製鋼スラグの一種である。
本明細書で使用される製鋼スラグは、取鍋スラグをさらに含み得る。本明細書における「取鍋スラグ」とは、製鋼スラグの一種をいう。取鍋スラグは、取鍋精製操作からの副産物として製造される。様々な製鋼プロセスにおいて、EAFまたはBOFプロセスで製造された溶鋼は、所望の鋼の品質に基づいて追加の精錬プロセスを受ける。鋼内の不純物を除去して所望の特性を有する鋼を製造するために、追加の溶剤および合金が取鍋に追加される。この操作は、移動取鍋で実行されるために、取鍋精製として知られている。このプロセス中に、追加の製鋼スラグが生成されるが、これが取鍋スラグである。
本明細書で使用される「製鋼スラグ」は、製鉄中に一般に生成される鉄スラグおよび高炉スラグを除外していることが理解されよう。本明細書で使用される製鋼スラグの形態は、二酸化炭素との反応性において役割を果たす。製鋼スラグは、結晶質であるために、二酸化炭素と反応することができる。多量のケイ酸カルシウムおよび微量の鉄化合物を含有する製鋼スラグは、スラグベースの修景製品を製造するために炭酸化活性化を受けるのに理想的な候補である。製鋼スラグとは対照的に、鉄スラグは水スプレーによって急冷されて非晶質物を形成するため、本明細書において鉄スラグを(CO2硬化プロセスによる修景製品の製造において)バインダとして使用することはできない。この非晶質物(鉄スラグ)は、CO2と反応しない。
製鋼スラグ中の強度増加は、スラグ中のケイ酸カルシウムの含有量に依存する。任意の多形のケイ酸カルシウムの炭酸化活性化は、炭酸カルシウム結晶と混ざり合ったケイ酸カルシウム水和物を生成することができ、それによってスラグ結合強度に寄与する。
[製鋼スラグの化学組成]
修景製品の製造に使用される製鋼スラグの遊離石灰含有量は、化学組成で約10%未満、好ましくは約7.2%未満、より好ましくは約4%未満である。
修景製品の製造に使用される製鋼スラグの遊離石灰含有量は、化学組成で約10%未満、好ましくは約7.2%未満、より好ましくは約4%未満である。
修景製品の製造に使用される製鋼スラグのケイ酸カルシウム累積含有量(例えば、C2S+C3S相濃度)は、少なくとも約15%、より好ましくは40%超である。
修景製品の製造に使用される製鋼スラグのSiO2含有量は、少なくとも約6%、より好ましくは少なくとも約15%である。
[製鋼スラグのサイズ]
より粗い製鋼スラグは、二酸化炭素によって完全に活性化させることはできない。製鋼スラグの粉末度の値は、ブレーン粉末度分析で約150m2/kg超であり、より好ましくは約300m2/kg超であるべきである。より微細なスラグは、適切な機械的性質を有する修景製品をもたらし、一方で粗い製鋼スラグは、必要とされる要件を満たさない修景製品をもたらし得る。
より粗い製鋼スラグは、二酸化炭素によって完全に活性化させることはできない。製鋼スラグの粉末度の値は、ブレーン粉末度分析で約150m2/kg超であり、より好ましくは約300m2/kg超であるべきである。より微細なスラグは、適切な機械的性質を有する修景製品をもたらし、一方で粗い製鋼スラグは、必要とされる要件を満たさない修景製品をもたらし得る。
スラグのサイズ分布は、200ミクロン以下、好ましくは100ミクロン以下、より好ましくは20ミクロン以下のD50として特徴付けることができる。
次の表は、より微細な製鋼スラグは、スラグのいくつかのサンプルについてより高い炭素吸収および圧縮強度をもたらしていることを示している。
[CO2吸収/圧縮強度の標準化試験-80×80×60mmスラグスラブ]
本開示での使用に適したスラグは、本明細書に記載されるスラブ試験片上で測定したときのスラグペーストについて、少なくとも約4%、好ましくは約10%のCO2吸収を示し、かつ/あるいは少なくとも約55MPa、好ましくは約60MPaの圧縮強度を示す。
本開示での使用に適したスラグは、本明細書に記載されるスラブ試験片上で測定したときのスラグペーストについて、少なくとも約4%、好ましくは約10%のCO2吸収を示し、かつ/あるいは少なくとも約55MPa、好ましくは約60MPaの圧縮強度を示す。
本明細書で使用されるスラグのCO2吸収量および圧縮強度を評価するために、80×80×60mmの試験片を、約0.08~約0.15の水対スラグ比で、12.5MPaの圧力で圧縮/形成する。次いで、形成された試験片をファン付き/ファン無しで、周囲条件で2~7時間乾燥させる。サンプルの含水量を約40%減少させる。次いで、半乾燥した試験片を炭酸化活性化させる。炭酸化プロセスは、純度99.5%のCO2ガスを用いて行う。ガスの遮断を防いでガスをチャンバに入り込ませないようにするために、まず、CO2シリンダに取り付けられたヒータでガスを暖める。ヒータを使用しないと、ガスが凍結して二酸化炭素の供給が中断される。次いで、CO2ガスを、0.01~0.50MPaの圧力で、0.2~24時間かけてチャンバ内に注入する。スラグ製品によって消費される二酸化炭素を補給することができるように、調整器によって圧力を一定に維持する。
次式で表される質量増加法により、炭酸化前後の質量差を推定することができる。質量差には、発熱性炭酸化反応から蒸発した水とともに、二酸化炭素の吸収による質量増加が表されている。炭酸化反応は、本質的に発熱性であるため、サンプル中の混合水の一部は蒸発してチャンバの内壁で凝縮する。この水は、吸収紙を使用して集めることができるが、チャンバ内に存在する水は元のスラグ塊中の水の一部であるので、炭酸化されたサンプル塊に加えられるべきである。
圧縮強度の値は、ASTM C936、ASTM C1372、ASTM C1364およびBNQ 2624-210で報告されている値を満たす必要がある。
[セメント]
本開示では、以下の非限定的なセメントリストを使用して、スラグベースの舗装材を製造することができる:ポルトランドセメント(タイプI~タイプV);ポルトランド-石灰岩セメント;急硬セメント;速硬化セメント;低熱セメント;高炉スラグセメント;ポルトランド-スラグセメント;高アルミナセメント;白色セメント;着色セメント;ポゾランセメント(ポルトランド-ポゾランセメント);空気連行セメント;ハイドログラフィックセメント;および三成分ブレンドセメント。本明細書で使用されるとき、有用なセメントは、ケイ酸カルシウム相、特にC3Sを含み、水と反応したときにそれらが強度を得ることを可能にするものである。ケイ酸カルシウム相の存在は、短期および長期の強度発現を確実にする。
本開示では、以下の非限定的なセメントリストを使用して、スラグベースの舗装材を製造することができる:ポルトランドセメント(タイプI~タイプV);ポルトランド-石灰岩セメント;急硬セメント;速硬化セメント;低熱セメント;高炉スラグセメント;ポルトランド-スラグセメント;高アルミナセメント;白色セメント;着色セメント;ポゾランセメント(ポルトランド-ポゾランセメント);空気連行セメント;ハイドログラフィックセメント;および三成分ブレンドセメント。本明細書で使用されるとき、有用なセメントは、ケイ酸カルシウム相、特にC3Sを含み、水と反応したときにそれらが強度を得ることを可能にするものである。ケイ酸カルシウム相の存在は、短期および長期の強度発現を確実にする。
[化学混和剤]
圧縮強度を高め、含水量を減少させ、多孔度を減少させ、そして透水性を減少させるために、減水剤をコンクリート混合物に添加する。減水剤は、可塑剤または超可塑剤(すなわち、ポリカルボキシレートベースの減水剤)に分類される。必要な含水量を最大約50%まで減少させること、あるいは圧縮強度を約60%まで増加させることができる任意の混和剤を、この技術革新における減水剤として使用することができる。この技術革新で使用される混和剤は、ASTM C494(コンクリート用化学混和剤の標準仕様)の要件を満たしている必要がある。
圧縮強度を高め、含水量を減少させ、多孔度を減少させ、そして透水性を減少させるために、減水剤をコンクリート混合物に添加する。減水剤は、可塑剤または超可塑剤(すなわち、ポリカルボキシレートベースの減水剤)に分類される。必要な含水量を最大約50%まで減少させること、あるいは圧縮強度を約60%まで増加させることができる任意の混和剤を、この技術革新における減水剤として使用することができる。この技術革新で使用される混和剤は、ASTM C494(コンクリート用化学混和剤の標準仕様)の要件を満たしている必要がある。
撥水剤は、コンクリートの内外への水の毛細管現象に影響を与えることによって、コンクリートに不可欠な撥水性を付与するように設計されている。撥水剤は、静的孔閉塞剤として機能して、水の移動がより困難になる経路を形成することができ、あるいは、反応性化学物質として機能して、孔を閉塞するだけでなくセメント表面から水を化学的に排除する疎水性材料を形成することができる。
コンクリートに使用される減水剤の一般的な範囲は、セメント質材料の重量の0.2%~3.5%まで変化する。この実施では、減水剤(Viscocrete(登録商標))を、製鋼スラグの重量の2.2%で使用した。撥水剤は、一般的にはセメント質材料の重量の0.1~3.0%として使用される。一例として、本発明における撥水剤(W-10,AE-3)を、本発明における製鋼スラグの重量の2.2%で材料に添加した。
[骨材]
本開示では、修景製品は、材料の硬質材料マトリックス中に埋め込まれた骨材で構成されている。骨材は、天然の、あるいは人工のものとすることができる。骨材の例には、普通骨材、天然軽量骨材、膨張粘土骨材、膨張頁岩骨材、膨張スラグ骨材、膨張製鋼スラグ骨材、膨張鉄スラグ骨材、砂利骨材、石灰岩骨材および二次骨材が含まれる。好ましくは、骨材は、花崗岩または石灰岩の骨材である。
本開示では、修景製品は、材料の硬質材料マトリックス中に埋め込まれた骨材で構成されている。骨材は、天然の、あるいは人工のものとすることができる。骨材の例には、普通骨材、天然軽量骨材、膨張粘土骨材、膨張頁岩骨材、膨張スラグ骨材、膨張製鋼スラグ骨材、膨張鉄スラグ骨材、砂利骨材、石灰岩骨材および二次骨材が含まれる。好ましくは、骨材は、花崗岩または石灰岩の骨材である。
一実施形態において、骨材+セメント+スラグ(A+C+S)の総質量に対する骨材の質量(A)の比は、0.2~0.8、好ましくは0.45~0.6、または0.47~0.58の範囲である。
[養生前の混合物の調製]
一実施形態において、骨材およびバインダ(製鋼スラグおよびセメントからなる)を含む乾燥部分は、水および化学混和剤を含む液体部分とは別に混合されることが好ましい。
一実施形態において、骨材およびバインダ(製鋼スラグおよびセメントからなる)を含む乾燥部分は、水および化学混和剤を含む液体部分とは別に混合されることが好ましい。
乾燥材料は、均一性が達成されるまで混合することができる。減水剤または撥水剤を含む化学混和剤を水に添加する。液体材料および乾燥材料を、適切な分散が達成されるまで混合する。
一実施形態において、混合物は、約0.20程度の高い初期スラグ対水比を有し得る。次いで、新鮮な混合物を、様々な形態および大きさに成形された型に注ぐ。プレキャスト製造機は、新鮮な材料を高圧で圧縮することによってそれらをプレスする。圧縮ステップは、圧縮/振動または静的圧縮などの任意の従来の手段によって行うことができ、それによって必要な密度を達成することができる。圧縮/振動は、12MPa程度に高くなり得る。成型および圧縮後の成形品は、好ましくは約2000~約2800kg/m3の密度を有する。
[炭酸化前の乾燥]
場合によっては、滑らかな表面を得るために、初めは高い含水量を有する配合比が望ましい。同時に、新鮮な製品中の余分な水分が二酸化炭素の浸透を防ぐ。そのような場合、より高い水対スラグ比を有する成型混合物から、炭酸化前のより低い水対スラグ比(例えば、約0.08~0.13)を得ることができる。さらに、初期の低い水対スラグ比で調製された混合物を直接硬化させると、粗い表面を有する製品が得られる。炭酸化前に適切な水対スラグ比を得るために、より高い水対スラグ比(例えば、最大で約0.20)を有する混合物が最初に形成される。初期および炭酸化前の水対スラグ比が同じ場合(例えば、「予備乾燥」のステップが報告されていない本明細書のいくつかの例を参照することができる)、2つの表現は交換可能に使用され得る。
場合によっては、滑らかな表面を得るために、初めは高い含水量を有する配合比が望ましい。同時に、新鮮な製品中の余分な水分が二酸化炭素の浸透を防ぐ。そのような場合、より高い水対スラグ比を有する成型混合物から、炭酸化前のより低い水対スラグ比(例えば、約0.08~0.13)を得ることができる。さらに、初期の低い水対スラグ比で調製された混合物を直接硬化させると、粗い表面を有する製品が得られる。炭酸化前に適切な水対スラグ比を得るために、より高い水対スラグ比(例えば、最大で約0.20)を有する混合物が最初に形成される。初期および炭酸化前の水対スラグ比が同じ場合(例えば、「予備乾燥」のステップが報告されていない本明細書のいくつかの例を参照することができる)、2つの表現は交換可能に使用され得る。
圧縮成型された成形品は、例えば、7時間まで空気にさらすことができる。工業用ファンは、空気乾燥プロセスを加速させることができる。CO2浸透用のいくつかの経路を創出するのは、予備的に炭酸化養生するためである。最初に他の成分と混合された適量の水は、空気乾燥プロセス中に除去されるべきである。例えば、初期の水対スラグ比0.16が製品の形成に使用される場合、水対スラグ比が0.08に低下するまで空気乾燥プロセスを続けてもよい。空の空隙は、二酸化炭素が製品を通過することを可能にする一方で、残りの水は炭酸化反応を確実にする。
特定の実施形態では、炭酸化前の水対スラグに対する比は、約0.20未満であり;あるいは、適切な水対スラグ比は、約0.08~約0.13、0.14または0.15である。
[炭酸化養生]
適切な水対スラグ比(例えば、約0.08~約0.1(例えば、0.13、0.14または0.15))を有する製品は、CO2が存在する環境下で養生するべきである。二酸化炭素の純度は、99%にもなる。あるいは、二酸化炭素の純度は、80%、70%、またはそれ未満のように低くすることもできる。さらに、CO2濃度が12%である排煙を、スラグベースの製品の製造に使用することができる。
適切な水対スラグ比(例えば、約0.08~約0.1(例えば、0.13、0.14または0.15))を有する製品は、CO2が存在する環境下で養生するべきである。二酸化炭素の純度は、99%にもなる。あるいは、二酸化炭素の純度は、80%、70%、またはそれ未満のように低くすることもできる。さらに、CO2濃度が12%である排煙を、スラグベースの製品の製造に使用することができる。
養生期間は、0.2時間~24時間まで変化し得る。二酸化炭素の圧力は、0.01~0.50MPaの範囲で調整することができる。より高い圧力(例えば、1MPaまで)を、適切な工業的設定において使用することができる。より高い圧力は、炭酸化反応を促進するのに有利であり、かつ最終的に改良された技術的性質をもたらす。
[炭酸化設備]
図1を参照すると、例示的な炭酸化設備の概略図が示されている。炭酸化養生を受ける製品は、養生チャンバ内に配置される。CO2ガスの供給源は、ヒータによって周囲温度に温められてチャンバ内に導入される。チャンバ内に放出されるCO2の圧力は、調整器によって調整される。平衡装置およびデータロガーがさらに設けられていてもよい。
図1を参照すると、例示的な炭酸化設備の概略図が示されている。炭酸化養生を受ける製品は、養生チャンバ内に配置される。CO2ガスの供給源は、ヒータによって周囲温度に温められてチャンバ内に導入される。チャンバ内に放出されるCO2の圧力は、調整器によって調整される。平衡装置およびデータロガーがさらに設けられていてもよい。
最終的な製品(CO2硬化製品)の密度は、約2000~約2800kg/m3と測定される。
一実施形態では、修景製品の製造方法が提供され、当該製造方法は:
i)乾燥部分と液体部分とを混合するステップであって;乾燥部分が、骨材およびバインダを含み、バインダが、製鋼スラグおよび任意にセメントから構成されており;液体部分が、水および化学混和剤を含むステップと;
ii)ステップi)の混合物を成型および圧縮して、初期の水対スラグ比を有する成形品にするステップと;
iii)ステップii)の成形品の初期の水対スラグ比を任意に減少させて、炭酸化前の水対スラグ比を有する成形品を提供するステップと;
iv)ステップii)またはiii)の成形品を二酸化炭素で硬化させて、修景製品を提供するステップと、を含む。
i)乾燥部分と液体部分とを混合するステップであって;乾燥部分が、骨材およびバインダを含み、バインダが、製鋼スラグおよび任意にセメントから構成されており;液体部分が、水および化学混和剤を含むステップと;
ii)ステップi)の混合物を成型および圧縮して、初期の水対スラグ比を有する成形品にするステップと;
iii)ステップii)の成形品の初期の水対スラグ比を任意に減少させて、炭酸化前の水対スラグ比を有する成形品を提供するステップと;
iv)ステップii)またはiii)の成形品を二酸化炭素で硬化させて、修景製品を提供するステップと、を含む。
一実施形態では、修景製品の製造方法が提供され、当該製造方法は:
i)乾燥部分と液体部分とを混合するステップであって;乾燥部分が、骨材およびバインダを含み、バインダが、製鋼スラグおよびセメントから構成されており;液体部分が、水および化学混和剤を含むステップと;
ii)ステップi)の混合物を成型および圧縮して、初期の水対スラグ比を有する成形品にするステップと;
iii)ステップii)の成形品の初期の水対スラグ比を任意に減少させて、炭酸化前の水対スラグ比を有する成形品を提供するステップと;
iv)ステップii)またはiii)の成形品を二酸化炭素で硬化させて、修景製品を提供するステップと、を含む。
i)乾燥部分と液体部分とを混合するステップであって;乾燥部分が、骨材およびバインダを含み、バインダが、製鋼スラグおよびセメントから構成されており;液体部分が、水および化学混和剤を含むステップと;
ii)ステップi)の混合物を成型および圧縮して、初期の水対スラグ比を有する成形品にするステップと;
iii)ステップii)の成形品の初期の水対スラグ比を任意に減少させて、炭酸化前の水対スラグ比を有する成形品を提供するステップと;
iv)ステップii)またはiii)の成形品を二酸化炭素で硬化させて、修景製品を提供するステップと、を含む。
一実施形態では、修景製品(舗装材など)の製造方法が提供され、当該製造方法は:
i)乾燥部分と液体部分とを混合するステップであって;
乾燥部分が、骨材(好ましくは、花崗岩または石灰岩骨材)およびバインダを含み、バインダが、製鋼スラグおよび任意にセメントから構成されており、スラグ(BOF、EAF、取鍋スラグまたはEAF-BOFハイブリッドスラグなど)は、遊離石灰含有量が約10%未満であり、ケイ酸カルシウム累積含有量(例えば:C2S+C3S相濃度)が少なくとも約15%であり、粉末度がブレーン粉末度で約150m2/kg以上であり、セメントが、ケイ酸カルシウム相を有するポルトランドセメント、特にはC3Sであり、液体部分が、水およびASTM C494の要件を満たす化学混和剤を含み;スラグ対セメント(S/C)比が最大20であり、あるいは当該比が最大15、または最大10、または好ましくは約7~約9であり、骨材の質量の、骨材+セメント+スラグの総質量(A+C+S)に対する比が、0.2~0.8、好ましくは0.45~0.6であるステップと;
ii)ステップi)の混合物を成型および圧縮して、初期の水対スラグ比(W/S)、例えば最大約0.20の(W/S)を有する成形品にするステップと;
iii)水対スラグ比が約0.08~0.15または0.08~0.14または0.08~0.13を超える場合、ステップii)の成形品の初期の水対スラグ比を任意に減少させて、約0.08~0.15または0.08~0.14または0.08~0.13の炭酸化前の水対スラグ比を有する成形品を提供するステップと;
iv)ステップii)またはiii)の成形品を二酸化炭素で硬化させて、修景製品を提供するステップと、を含む。
i)乾燥部分と液体部分とを混合するステップであって;
乾燥部分が、骨材(好ましくは、花崗岩または石灰岩骨材)およびバインダを含み、バインダが、製鋼スラグおよび任意にセメントから構成されており、スラグ(BOF、EAF、取鍋スラグまたはEAF-BOFハイブリッドスラグなど)は、遊離石灰含有量が約10%未満であり、ケイ酸カルシウム累積含有量(例えば:C2S+C3S相濃度)が少なくとも約15%であり、粉末度がブレーン粉末度で約150m2/kg以上であり、セメントが、ケイ酸カルシウム相を有するポルトランドセメント、特にはC3Sであり、液体部分が、水およびASTM C494の要件を満たす化学混和剤を含み;スラグ対セメント(S/C)比が最大20であり、あるいは当該比が最大15、または最大10、または好ましくは約7~約9であり、骨材の質量の、骨材+セメント+スラグの総質量(A+C+S)に対する比が、0.2~0.8、好ましくは0.45~0.6であるステップと;
ii)ステップi)の混合物を成型および圧縮して、初期の水対スラグ比(W/S)、例えば最大約0.20の(W/S)を有する成形品にするステップと;
iii)水対スラグ比が約0.08~0.15または0.08~0.14または0.08~0.13を超える場合、ステップii)の成形品の初期の水対スラグ比を任意に減少させて、約0.08~0.15または0.08~0.14または0.08~0.13の炭酸化前の水対スラグ比を有する成形品を提供するステップと;
iv)ステップii)またはiii)の成形品を二酸化炭素で硬化させて、修景製品を提供するステップと、を含む。
一実施形態では、修景製品(舗装材など)の製造方法が提供され、当該製造方法は:
i)乾燥部分と液体部分とを混合するステップであって;
乾燥部分が、骨材(好ましくは、花崗岩または石灰岩骨材)およびバインダを含み、バインダが、製鋼スラグおよびセメントから構成されており、スラグ(BOF、EAF、取鍋スラグまたはEAF-BOFハイブリッドスラグなど)は、遊離石灰含有量が約10%未満であり、ケイ酸カルシウム累積含有量(例えば:C2S+C3S相濃度)が少なくとも約15%であり、粉末度がブレーン粉末度で約150m2/kg以上であり、セメントが、ケイ酸カルシウム相を有するポルトランドセメント、特にはC3Sであり、液体部分が、水およびASTM C494の要件を満たす化学混和剤を含み;スラグ対セメント(S/C)比が最大20であり、あるいは当該比が最大15、または最大10、または好ましくは約7~約9であり、骨材の質量の、骨材+セメント+スラグの総質量(A+C+S)に対する比が、0.2~0.8、好ましくは0.45~0.6であるステップと;
ii)ステップi)の混合物を成型および圧縮して、初期の水対スラグ比(W/S)、例えば最大約0.20の(W/S)を有する成形品にするステップと;
iii)水対スラグ比が0.08~0.13を超える場合、ステップii)の成形品の初期の水対スラグ比を任意に減少させて、約0.08~0.15または0.08~0.14または0.08~0.13の炭酸化前の水対スラグ比を有する成形品を提供するステップと; iv)ステップii)またはiii)の成形品を二酸化炭素で硬化させて、修景製品を提供するステップと、を含む。
i)乾燥部分と液体部分とを混合するステップであって;
乾燥部分が、骨材(好ましくは、花崗岩または石灰岩骨材)およびバインダを含み、バインダが、製鋼スラグおよびセメントから構成されており、スラグ(BOF、EAF、取鍋スラグまたはEAF-BOFハイブリッドスラグなど)は、遊離石灰含有量が約10%未満であり、ケイ酸カルシウム累積含有量(例えば:C2S+C3S相濃度)が少なくとも約15%であり、粉末度がブレーン粉末度で約150m2/kg以上であり、セメントが、ケイ酸カルシウム相を有するポルトランドセメント、特にはC3Sであり、液体部分が、水およびASTM C494の要件を満たす化学混和剤を含み;スラグ対セメント(S/C)比が最大20であり、あるいは当該比が最大15、または最大10、または好ましくは約7~約9であり、骨材の質量の、骨材+セメント+スラグの総質量(A+C+S)に対する比が、0.2~0.8、好ましくは0.45~0.6であるステップと;
ii)ステップi)の混合物を成型および圧縮して、初期の水対スラグ比(W/S)、例えば最大約0.20の(W/S)を有する成形品にするステップと;
iii)水対スラグ比が0.08~0.13を超える場合、ステップii)の成形品の初期の水対スラグ比を任意に減少させて、約0.08~0.15または0.08~0.14または0.08~0.13の炭酸化前の水対スラグ比を有する成形品を提供するステップと; iv)ステップii)またはiii)の成形品を二酸化炭素で硬化させて、修景製品を提供するステップと、を含む。
一実施形態では、以下を含む修景製品が提供される:
a)骨材;
b)化学混和剤、および
c)製鋼スラグおよび任意にセメントから構成されるバインダ。
a)骨材;
b)化学混和剤、および
c)製鋼スラグおよび任意にセメントから構成されるバインダ。
一実施形態では、修景製品(舗装材など)が提供され、該修景製品は:
a)好ましくは花崗岩または石灰岩骨材である骨材;
b)ASTM C494の要件を満たす化学混和剤;および
c)製鋼スラグおよび任意にセメントからなるバインダであって、前記スラグ(BOF、EAF、取鍋スラグまたはEAF-BOFハイブリッドスラグなど)は、遊離石灰含有量が約10%未満であり、ケイ酸カルシウム累積含有量(例えば:C2S+C3S相濃度)が少なくとも約15%であり、粉末度がブレーン粉末度で約150m2/kg以上であり、セメントがポルトランドセメントであるバインダ;を含み、
修景製品は、吸水率が約8.5%未満(または約6%未満または好ましくは約5%未満)であり、圧縮強度が約20MPa(または約55MPaまたは好ましくは60MPa以上)であり、
スラグ対セメント(S/C)比が20までであり、代替的に当該比が15まで、または10まで、または好ましくは約7~約9であり、
骨材の質量(A)の、骨材+セメント+スラグ(A+C+S)の総質量に対する比が、0.2~0.8、好ましくは0.45~0.6である。
a)好ましくは花崗岩または石灰岩骨材である骨材;
b)ASTM C494の要件を満たす化学混和剤;および
c)製鋼スラグおよび任意にセメントからなるバインダであって、前記スラグ(BOF、EAF、取鍋スラグまたはEAF-BOFハイブリッドスラグなど)は、遊離石灰含有量が約10%未満であり、ケイ酸カルシウム累積含有量(例えば:C2S+C3S相濃度)が少なくとも約15%であり、粉末度がブレーン粉末度で約150m2/kg以上であり、セメントがポルトランドセメントであるバインダ;を含み、
修景製品は、吸水率が約8.5%未満(または約6%未満または好ましくは約5%未満)であり、圧縮強度が約20MPa(または約55MPaまたは好ましくは60MPa以上)であり、
スラグ対セメント(S/C)比が20までであり、代替的に当該比が15まで、または10まで、または好ましくは約7~約9であり、
骨材の質量(A)の、骨材+セメント+スラグ(A+C+S)の総質量に対する比が、0.2~0.8、好ましくは0.45~0.6である。
一実施形態では、修景製品(舗装材など)が提供され、当該層園製品は:
a)好ましくは花崗岩または石灰岩骨材である骨材;
b)ASTM C494の要件を満たす化学混和剤;および
c)製鋼スラグおよびセメントからなるバインダであって、前記スラグ(BOF、EAF、取鍋スラグまたはEAF-BOFハイブリッドスラグなど)は、遊離石灰含有量が約10%未満であり、ケイ酸カルシウム累積含有量(例えば:C2S+C3S相濃度)が少なくとも約15%であり、粉末度がブレーン粉末度で約150m2/kg以上であり、セメントがポルトランドセメントであるバインダ;を含み、
修景製品は、吸水率が約8.5%未満(または約6%未満または好ましくは約5%未満)であり、圧縮強度が約20MPa(または約55MPaまたは好ましくは60MPa以上)であり、
スラグ対セメント(S/C)比が20までであり、代替的に当該比が15まで、または10まで、または好ましくは約7~約9であり、
骨材の質量(A)の、骨材+セメント+スラグ(A+C+S)の総質量に対する比が、0.2~0.8、好ましくは0.45~0.6である。
a)好ましくは花崗岩または石灰岩骨材である骨材;
b)ASTM C494の要件を満たす化学混和剤;および
c)製鋼スラグおよびセメントからなるバインダであって、前記スラグ(BOF、EAF、取鍋スラグまたはEAF-BOFハイブリッドスラグなど)は、遊離石灰含有量が約10%未満であり、ケイ酸カルシウム累積含有量(例えば:C2S+C3S相濃度)が少なくとも約15%であり、粉末度がブレーン粉末度で約150m2/kg以上であり、セメントがポルトランドセメントであるバインダ;を含み、
修景製品は、吸水率が約8.5%未満(または約6%未満または好ましくは約5%未満)であり、圧縮強度が約20MPa(または約55MPaまたは好ましくは60MPa以上)であり、
スラグ対セメント(S/C)比が20までであり、代替的に当該比が15まで、または10まで、または好ましくは約7~約9であり、
骨材の質量(A)の、骨材+セメント+スラグ(A+C+S)の総質量に対する比が、0.2~0.8、好ましくは0.45~0.6である。
スラグ(BOFスラグとEAFスラグとのハイブリッドコンビネーション)、ポルトランドセメントおよび花崗岩骨材を含む乾燥材料を、それらが均一に分散されるまで(本明細書で使用されるバッチサイズでは、通常、最大2分)混合した。
以下の実施例の舗装石を製造するために使用されるポルトランドセメントは、次の化学組成(%)を有する。
代表的な製鋼スラグバッチの化学組成は、次の表に示されている。この表には、参考として「非反応性」スラグの組成例も含まれている。
本明細書の実施例では、スラグサイズ分布は、D50=18.8ミクロンおよびD90=86.7ミクロンとして特徴づけることができる。D50=18.8ミクロンは、50%のスラグ粒子が18.8ミクロン未満であることを意味し、D90=86.7ミクロンは、90%のスラグ粒子が86.7ミクロン未満であることを意味している。製鋼スラグの粒度分布(PSD)および細かさは、これらの規格を考慮することによって評価することができる:ASTM C204(透気度装置による油圧セメントの細かさのための標準試験方法)、ASTM C110(生石灰、水和石灰岩および石灰岩の物理的試験のための標準試験方法)、ASTM C115(濁度計によるポルトランドセメントの細かさのための標準試験方法)、ASTM C311(ポルトランドセメントコンクリートで使用するためのフライアッシュまたは天然ポゾランのサンプリングおよび試験のための標準試験方法)、ASTM D197(微粉炭のサンプリングと細分試験のための標準試験方法)、およびASTM E2651(粉末粒形分析のための標準ガイド)。
図2には、炭酸化されたEBHスラグパネルのX線回析パターンを示す。回析図に現れる基本的なミネラル成分は、ケイ酸カルシウム、ケイ酸カルシウムマグネシウム(メルワナイト)、ゲレナイト、および鉄化合物である。炭酸カルシウムの存在およびケイ酸カルシウム相(C2SおよびC3S)の減少は、炭酸化反応の指標であった。24時間の長期炭酸化は、より多くの炭酸カルシウムを生成した。
図3には、受け取り時および炭酸化後のEAF-BOFハイブリッドスラグの熱重量分析(TG)および示差熱重量分析(DTG)曲線を示す。水和生成物中の水分損失およびスラグパネルのCaCO3含有量は、2時間~24時間までの炭酸化時間の増加とともに増加した。水分損失量の増加は、より多くの水和生成物が生成されたこと示している。
化学混合物を水に添加した。液体および乾燥材料を、それらが均一に分散するまで(本明細書で使用されるバッチサイズについては、一般的には約5分)混合した。次いで、混合物を型に注いだ。80×80×80mmの型および50×50×50の型を使用して舗装材を製造したが、任意のサイズおよび形状の型を使用することができる。MTS機をプレキャスト製造機として使用し、混合物を約12MPaの圧力で圧縮することによって舗装材を形成した。2600kg/m3の密度を有する生成物を製造するために、混合物を当該圧力で圧縮した。
次の表に指定された期間にわたり、工業用ファンを使用して予備的な乾燥ステップを任意に実施する。炭酸化養生ステップは、99%の純度のCO2ガスが存在する環境で、60psiの圧力下で、24時間にわたって実施される。
[参考例]
参考製品(セメントも化学混和剤も含まない製品)PV11の特性は、圧縮強度が49.3PMaであり、吸水率が8.6%であることを示している(テーブル1)。
参考製品(セメントも化学混和剤も含まない製品)PV11の特性は、圧縮強度が49.3PMaであり、吸水率が8.6%であることを示している(テーブル1)。
[擁壁を用いた実施形態の例]
参考製品PV11(セメントも混和剤もなし)に、製品の1重量%の化学混和剤を添加すると、圧縮強度に実質的に影響を及ぼすことなく、テーブル1におけるPV11の圧縮強度のレベルをそのままに、製品の吸水性が減少する。
参考製品PV11(セメントも混和剤もなし)に、製品の1重量%の化学混和剤を添加すると、圧縮強度に実質的に影響を及ぼすことなく、テーブル1におけるPV11の圧縮強度のレベルをそのままに、製品の吸水性が減少する。
[舗装材を用いた実施形態の例]
擁壁用の提案された配合比は、舗装設備の要件を満たすために修正する必要があった。舗装用敷石の特性を改善するために、ポルトランドセメント(PV25)を含有する混合物に2種類の撥水剤(W-10およびAE-3)を添加した。PV59およびPV77の圧縮強度および吸水性は、PV11およびPV25と比較して改善されたプロファイルを有している。
擁壁用の提案された配合比は、舗装設備の要件を満たすために修正する必要があった。舗装用敷石の特性を改善するために、ポルトランドセメント(PV25)を含有する混合物に2種類の撥水剤(W-10およびAE-3)を添加した。PV59およびPV77の圧縮強度および吸水性は、PV11およびPV25と比較して改善されたプロファイルを有している。
混合物(PV63)へのViscocrete(登録商標)(減水剤)の添加は、結果として得られる製品の技術的特性を改善した。次の表に示すように、圧縮強度および吸水性は、PV11(セメントも混和剤もなし)およびPV25(混和剤なし)と比較して改善されている(テーブル2)。
テーブル3および4にまとめた追加の実施例は、高い基準を満たす製品の製造における、本開示の混合物の有益な効果を示している。
Claims (9)
- 修景製品の製造方法であって:
i)乾燥部分と液体部分とを混合するステップであって;
前記乾燥部分が、骨材およびバインダを含み、前記バインダが、製鋼スラグを含み、前記製鋼スラグは、遊離石灰含有量が10%未満であり、ケイ酸カルシウム含有量が少なくとも15%であり、粉末度がブレーン粉末度で150m2/kg以上であり;
前記液体部分が、水およびASTM C494の要件を満たす化学混和剤を含み;
前記骨材の質量の、前記骨材+前記製鋼スラグの総質量(A+S)に対する比が、0.2~0.8であるステップと;
ii)ステップi)の混合物を成型および圧縮して、第1の水対スラグ比(W/S)を有する成形品にするステップと;
iii)前記第1の水対スラグ比が0.08を超える場合、任意に、ステップii)の前記成形品の前記第1の水対スラグ比を減少させて、0.15未満の第2の水対スラグ比を有する成形品を提供するステップと;
iv)ステップii)またはiii)の前記成形品を二酸化炭素で硬化させて、前記修景製品を提供するステップと、を含む、方法。 - 前記バインダが、前記製鋼スラグおよびセメントから構成されている、請求項1に記載の方法。
- 前記骨材の質量の、前記骨材+前記セメント+前記製鋼スラグの総質量(A+C+S)に対する比が、0.2~0.8である、請求項2に記載の方法。
- 前記セメントが、ケイ酸カルシウム相を有するポルトランドセメントである、請求項2または3に記載の方法。
- 前記スラグ対前記セメント(S/C)比が最大20である、請求項2~4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記骨材が、花崗岩または石灰岩骨材である、請求項1~5のいずれか一項に記載の方法。
- 前記製鋼スラグが、BOF、EAF、取鍋スラグまたはEAF-BOFハイブリッドスラグである、請求項1~6のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第1の水対スラグ比(W/S)が最大0.20である、請求項1~7のいずれか一項に記載の方法。
- 前記化学混和剤は、撥水剤、減水剤、空気連行剤、白華抑制剤および白華制御剤から選択される、請求項1~8のいずれか一項に記載の方法。
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