JP2022538181A - セメント系試薬、その製造方法および使用 - Google Patents

Abstract

世界的に豊富な無機供給原料から生成されるセメント系試薬材料が、本明細書に記載される。また、そのようなセメント系試薬材料の製造のための、および試薬材料を微小球体ガラス状粒子として形成する方法も記載される。また、球体形態を有するガラス状セメント系試薬の熱化学的生産のための装置、システムおよび方法も記載される。装置、システムおよび方法は、固体粒子が懸濁体として流動され、懸濁体として融解され、次いで懸濁体としてクエンチ処理されるように、気中融解／クエンチ処理技術を利用する。セメント系試薬は、セメント生産と関連するＣＯ２排出量を実質的に削減するために、コンクリートで使用され得る。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
[0001]本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）の下で、２０１９年６月２７日出願の米国仮特許出願第６２／８６７，４８０号、および２０２０年４月３日出願の米国仮特許出願第６３／００４，６７３号、ならびに２０２０年５月１４日出願の米国仮特許出願第６３／０２５，１４８号の利益を主張するものであり、上記仮特許出願の開示は、それらの全体が参照により本明細書に組み込まれる。

[0002]本開示の分野は、セメント系試薬に関連し、より具体的には、豊富な異種原料からの比較的均質なセメント系材料およびセメント系材料の創製に関連する。
[0003]コンクリートは、何千年もの間文明において重要な役割を果たしてきて、いまだなお最も一般的に使用されている建築材料である。セメントは、流動性コンクリートスラリーを周囲温度で有用な複合材料に硬化させるコンクリートの必須の結合成分である。多くの結合材の化学的性質がコンクリートを作製するために成功裏に使用されてきたが、ポルトランドセメントおよびその変形物はほぼ２００年にわたって主要なコンクリート結合材であった。生産効率および材料性能の進歩にもかかわらず、現行方法では合理的なコストで解決することができないポルトランドセメントの化学的性質に関する重要かつ本質的な問題がある。

[0004]ポルトランドセメント製造は、世界的な人為的なＣＯ_２排出量の約８％を引き起こす大量のＣＯ_２を排出するプロセスである。一部の推測は、セメント需要は２０５０年までに１２～２３％増加すると予想している。しかしながら、このセメントの絶対需要の高まりは、ＵＮ ＩＰＣＣ気候報告書２０１８に従って、地球温暖化の壊滅的な影響を回避するために２０５０年までにまた必要としている経済の完全な脱炭素化の必要性とは食い違っている。したがって、特に絶対生産量が増加しているために、セメントの特定のＣＯ_２排出を大幅に低下させるための緊急の必要性がある。

[0005]業界がセメントのＣＯ_２排出を削減しようとした１つの方法は、ジオポリマー化（ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ）プロセスを通して硬化する一般にアルミノケイ酸塩無機ポリマーであるジオポリマーセメントの開発である。現在使用されている商業的に妥当なジオポリマーセメントは、いくつかの特定の固形物試薬（一般的には、メタカオリン（ＭＫ－７５０）、高炉スラグ微粉末（ｇｒｏｕｎｄ ｇｒａｎｕｌａｔｅｄ ｂｌａｓｔ ｆｕｒｎａｃｅ ｓｌａｇ）（ＧＧＢＦＳ）、および石炭フライアッシュ）へのアクセスを必要とする。しかしながら、これらの試薬は、セメントに対する非常に大きな需要と比べて供給が地理的および量的に限られているため、低ＣＯ_２への世界的な移行を満たすことができない。また、これらの製品の製造場所からの運送費用も、それらの市場価値と比較してかなり高い。

[0006]セメント系試薬は、水硬性セメントおよびジオポリマーセメントの両方で有用である。ジオポリマー試薬、および補助セメント系材料（ＳＣＭ）は、典型的には、いくつかの一般的なセメント系材料、すなわち、燃焼からの副産物の灰（例えば、石炭フライアッシュ）、スラグ副産物（例えば、高炉スラグ微粉末）、焼成クレー（例えば、メタカオリン）、および天然ポゾラン（例えば、火山灰）から選択される。これらの材料は、一般に、実質的に非結晶性であり、ジオポリマー系などのセメント質系において反応性であることもある。

[0007]混合水硬性セメントで使用される大部分のＳＣＭは、産業副産物（例えば、石炭燃焼、または高品質鉄生産）であるため、それらの材料特性は産業副産物の結果であり、高品質セメント系試薬として特別に調整されていない。したがって、これらの材料は、理想的なまたは更には一貫した組成および品質のいかなる保証も欠いており、それらのセメント系試薬としての適合性は、プラント間で、および時間と共に変化する。また生産立地に関する管理もなく、コンクリート業界は、これらの非常に重要なセメント系材料の将来的な利用度の管理を欠如している。特に、セメント系材料の運送が非常に高価であるために、生産立地を市場ニーズに基づいて選択することができれば、はるかに有利であるだろう。

[0008]フライアッシュは、石炭燃焼のとりわけガラス状のアルミノケイ酸塩副産物である。それは、流動性を改善し、強度、アルカリシリカ反応などに対する抵抗性を含むコンクリートの特性を改善するためのポゾラン反応を作り出すために水硬性セメントミックス中に混和剤（ａｄｍｉｘｔｕｒｅ）として頻繁に使用される。残念ながら、ある特定の石炭および燃焼プロセスだけが、コンクリートで使用するために許容される品質のフライアッシュ（例えば、ＡＳＴＭ Ｃ型およびＦ型灰、またはＣＳＡ Ｃ型、ＣＩ、およびＦ灰）の一貫した供給を作り出す。灰は、最適なＳＣＭとして製造されるのではなく、むしろ、燃焼は発電および汚染防止のために最適化され、副産物の灰の一貫性は保証されていない。コンクリートにおけるフライアッシュの将来についての更なる問題には、多くの市場における石炭エネルギーから天然ガスへの移行による地域的可用率の大幅な低下が含まれ、燃焼後に導入された炭素が、コンクリート中の空気連行に悪影響を与える可能性があり、一時保管場所からの灰の回収がコストを増大させ、品質がその都度、検査を通して検証されねばならない。

[0009]高炉スラグ微粉末（ＧＧＢＦＳ）は、高炉での鉄生産のガラス状ＣａＯ－ＳｉＯ_２副産物である。ＧＧＢＦＳを組み込むコンクリートは、改善された化学的耐久性、白色度、水和熱の低減、ＣＯ２排出量の軽減、および他の有益な特性を含む多くの有利な特性を有する。残念なことに、大部分の市場で稼働している高炉が少数であるために、高炉スラグの供給は、かなり限られている。したがって、ＧＧＢＦＳは、高品質ＳＣＭとして人気が高く、この副産物の価格は、今やセメントそれ自体の価格と同様である。更に、限られた地理的供給は、多くの現地のコンクリート市場に不足や少なくとも高い運送コストをもたらす。最終的に、鉄生産およびそれから得られる高炉スラグ供給は、コンクリート需要に直接結びつかず、これらの重要な混和剤の供給量、現地調達の可能性、および市場価格を大部分は成り行きに任せている。

[0010]天然ポゾランは、Ｃａ（ＯＨ）_２とのポゾラン反応において沈殿することができるケイ酸質またはアルミノケイ酸質材料である。これらには、採掘されたままの、もしくは焼成された火山灰、珪藻土、カオリナイトならびに他の粘土、ＭＫ－７５０ならびに他の天然鉱物、および石灰と反応して水和ケイ酸カルシウム化合物を生成する岩石が挙げられる。天然ポゾランは、コンクリート中の非常に効果的なＳＣＭであり得るが、それらは再生不可能資源の採掘を必要とし、ポゾランは、多くの場合、鉱床があまり一般的ではないため、かなりの配送距離を必要とする。また、天然材料は、多くの場合、天然ポゾランの反応性を向上させるためにか焼などのかなりの処理を必要とする。

[0011]フライアッシュ（通常は、Ｆ型などの低ＣａＯ含有量を有するもの）、ＧＧＢＦＳ、およびある特定の天然および処理した「ポゾラン」（例えば、火山灰、ゼオライト、およびＭＫ－７５０）もまた、一般的なジオポリマー試薬であり、供給、地理的利用度、価格、品質、および一貫性に対する同じ不都合な制限が、ジオポリマー結合材およびセメントにおけるそれらの用途に適用される。

[0012]これらの既存のＳＣＭおよびジオポリマー試薬供給のある特定の制限を克服するために、いくつかの試みが行われ、伝統的な方法の側面を改善してきた。いくつかの改善にもかかわらず、これらの人造的生産物または組成物は、例えば、ジオポリマー化学で使用するための試薬の反応性および化学的性質に関して（例えば、高配位の、分岐状の、三次元アルカリ／アルカリ土類アルミノケイ酸塩ポリマーを後に生成するために試薬を最適化すること）なお多くの欠陥を有している。それらはまた、高額な実験室グレードの試薬を必要とし、世界的に豊富な原料を単純に使用することができない。

[0013]また、以前に製造されたガラス状セメント系試薬は、角ばった粒子または繊維状粒子の形態を有している。したがって、そのような試薬から作製されたセメントペーストは、大量の水を必要とし、実際のコンクリート用途で使用するために障害である比較的不良な加工可能性（例えば、過剰な降伏応力または最適な塑性粘度よりも高いもの）を有する。

[0014]燃焼灰およびシリカヒュームは、典型的には、角ばった粒子の形態を有さない。しかしながら、これらは、十分な量だけ利用できず、適切な化学的性質を有さず、および／または高ＳＣＭの混合水硬性セメントまたはジオポリマーセメントへの大規模な移行を支援するためにはあまりに高価である。

[0015]したがって、同等のポルトランドセメント配合設計における高流動化剤および減水剤と同程度の有効性を備えた、既存の加工可能性の問題を解決するセメント系試薬を必要としている。また、ポルトランドセメントの製造においてＣＯ_２排出量を削減する方法も必要とされており、特に、水硬性セメントにおいて補助セメント系材料として、および／または固形ジオポリマー試薬として使用することができる低プロセスＣＯ_２排出量またはゼロプロセスＣＯ_２排出量を有する設計作製（ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ）セメント系試薬を必要としている。

[0016]また、世界的に豊富な原料から広範に生産することができ、セメント質系で反応性であり、かつ加工可能な低降伏応力のセメントミックスを供給するセメント系試薬も必要としている。

[0017]更に、生産立地を市場ニーズに基づいて選択することができるセメント系試薬の生産を必要としている。特に、セメント系試薬、ジオポリマー試薬、補助セメント系材料（ＳＣＭ）、セメントミックスおよびコンクリートで有用な、角ばっていない粒子または微小球体（ｍｉｃｒｏｓｐｈｅｒｏｉｄａｌ）ガラス状粒子を必要としている。

[0018]また、例えば、世界的に豊富な原料を使用することによる、そのような微小球体ガラス状粒子の経済的な生産も必要としている。また、固体粒子が懸濁体として流動され、懸濁体として融解され、次いで懸濁体としてクエンチ処理されるような気中融解／クエンチ処理を使用する装置、システムおよび方法を必要としている。

[0019]本発明は、本開示の考察および以下の本発明の特徴の説明から明らかになるように、これらのニーズおよび他のニーズに対処する。
[0020]現在コンクリートで使用されている主なセメントは、ポルトランドセメントとして知られているケイ酸カルシウムの水和硬化性生物である。残念ながら、ポルトランドセメントクリンカの製造は、世界的に影響力がある（燃料起源のＧＨＧ排出量を抜きにして、約３～５％）（石灰石の加熱からの）ＣＯ_２プロセス排出を引き起こす。このプロセスは、キルンバーナーに対向して流れる原料粉末（ｒａｗ ｍｅａｌ）を備えたロータリーキルンで行われる。このプロセスは約３～５ＧＪ／トンを消費する非常にエネルギー消費型であり、そのうち約１．５ＧＪ／トンが、単純に石灰石をか焼するために使用される。セメントの環境的影響を減らすための数少ない加工可能な戦略のうちで、ジオポリマー化学は、改善された環境性能および材料性能を有する世界的に加工可能な代替セメントを提供している。フライアッシュおよびスラグなどの伝統的なジオポリマー試薬の一貫性のない供給および限定された地理的利用度は、ジオポリマーコンクリートの標準化および採用を制限してきた。他方では、水硬性セメントにおける補助セメント系材料（ＳＣＭ）（材料性能および環境性能を向上させるための）に対する需要の増加は、これらの材料の需要を更に圧迫している。

[0021]前述のように、セメント試薬を製造するために様々な試みが行われてきた。しかしながら、これらの方法は、ガラス状セメント系試薬の経済的な製造プロセスを妨げてきた重大な欠陥を抱えている。

[0022]例えば、セメント系試薬に関する既存の学術研究において、ガラス融解物を直接入れるために、高温耐火ライニングされた炉およびるつぼが使用されている（伝統的なガラス製造技術の自然な発展）。しかしながら、るつぼおよびそれを取り囲む従来の炉の固体耐火材は、熱衝撃による破損を回避するために低い加熱速度および冷却速度（１０～５０Ｃ／分のオーダー）を必要とする。従来の溶解炉は、高い熱質量を有し、これが長期の立ち上がりおよび停止サイクルの結果として、維持管理を困難かつコストのかかるものにしている。融解物と直接接触する耐火材の必要性を排除し、これにより、複雑さ、摩耗性、およびかなりの立ち上がりならびに停止時間を排除することが好ましい。

[0023]セメント系試薬（例えば、高炉スラグ）用の融解ガラスのクエンチ処理は、以前には水を必要としたが、これはコストがかかり、熱回収を阻害し、環境に悪影響を与える場合があり、固液分離の追加の複雑さを必要とし得る。したがって、メルトクエンチング（ｍｅｌｔ ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）法は、浪費的であるか、または遅いか、反応性を低下させるかのいずれかである。融解物を冷却する空気クエンチ処理法は、あまりにゆっくりであるか、または最も望ましい供給原料には実現が不可能である約１Ｐａ^＊ｓ以下の低融解粘度を確実にするために非常に特殊な化学的性質を必要とするかのいずれかである。

[0024]以前のガラス製造方法は、ガラス状製品のコストがかかる粒度の減少（ミリング）を（典型的には、熱加工の前後に）必要としていた。

[0025]したがって、世界的に豊富な供給原料からガラス状セメント系試薬を製造する便利で経済的な方法を依然として必要としている。
[0026]また、エネルギー消費を最小限に抑え、溶剤（ｆｌｕｘｅｓ）を必要とすることなく非常に高く可変の融解粘度に対処するも必要としている。

[0027]また、微小球体ガラス状粒子を生成するための方法およびそのような微小球体ガラス状粒子を生成するために有用な装置ならびにシステムも必要としている。
[0028]本発明は、本開示の考察および以下の本発明の特徴の説明から明らかになるように、これらのニーズおよび他のニーズに対処する。

[0029]実施形態は、とりわけ、代替セメント系材料（ＡＣＭ）に関し、これは、いくつかの実施形態では、平均真円度（Ｒ）＞０．８であること、および約４０％未満の角ばった形態を有する粒子であることのうちの１つ以上の特性を含む固体微小球体ガラス状粒子を含む。

[0030]いくつかの実施形態では、粒子は、少なくとも０．９の平均真円度（Ｒ）を含む。実施形態では、約３０％未満の粒子、または約２５％未満の粒子、または約２０％未満の粒子、または約１５％未満の粒子、または約１０％未満の粒子が、角ばった形態を有する（Ｒ＜０．７）。

[0031]いくつかの実施形態では、粒子は平均の酸化物式１（ＣａＯ，ＭｇＯ）ａ・（Ｎａ_２Ｏ，Ｋ_２Ｏ）ｂ・（Ａｌ_２Ｏ_３，Ｆｅ_２Ｏ_３）ｃ・（ＳｉＯ_２）_ｄ［式１］を含み、式中、ａは約０～約４であり、ｂは約０．１～約１であり、ｃは１であり、ｄは約１～約２０である。

[0032]いくつかの実施形態では、粒子は、（ｉ）Ｘ線非晶質固体の４５％～１００％、好ましくは９０～１００％の含有量、および（ｉｉ）（ＣａＯ，ＭｇＯ）０～１２・（Ｎａ，Ｋ）０．０５～１・（Ａｌ，Ｆｅ３＋）・Ｓｉ１～２０のモル組成比のうちの１つ以上の特性を更に含む。

[0033]別の態様によれば、いくつかの実施形態は、本明細書で定義される微小球体ガラス状粒子の混合物を含むセメント系試薬に関する。
[0034]別の特定の態様によれば、いくつかの実施形態の本発明は、微小球体ガラス状粒子の混合物を含むセメント系試薬に関し、これらの粒子は、（ｉ）平均真円度（Ｒ）＞０．８、（ｉｉ）約２０％未満の粒子が角ばった形態を有し（Ｒ＜０．７）、（ｉｉｉ）前に定義された酸化物式１、（ｉｖ）４５％～１００％、好ましくは９０～１００％のＸ線非晶質固体の含有量、および（ｖ）（ＣａＯ，ＭｇＯ）_０～１２・（Ｎａ，Ｋ）_{０．０５～１}・（Ａｌ，Ｆｅ^３＋）・Ｓｉ_１～２０のモル組成比、ならびに（ｖｉ）約＜１０重量％のＣａＯの低カルシウム含有量、または約１０～約２０重量％のＣａＯの中間カルシウム含有量、または＞３０重量％のＣａＯの高カルシウム含有量のうちの１つ以上を含む。

[0035]いくつかの実施形態では、セメント系試薬は、非結晶性固体の形態である。いくつかの実施形態では、セメント系試薬は、粉末の形態である。いくつかの
実施形態では、約２０μｍ以下、より好ましくは１０μｍ以下、または最も好ましくは５μｍ以下の、Ｄ［３，２］（すなわち、表面積平均値、またはザウター平均径（Ｓａｕｔｅｒ Ｍｅａｎ Ｄｉａｍｅｔｅｒ））を有する粒度分布である。一実施形態では、セメント系試薬の微小球体ガラス状粒子の混合物は、うえで定義された酸化物式１を含む。いくつかの実施形態では、セメント系試薬は、約１０重量％未満のＣａＯを含む。いくつかの実施形態では、セメント系試薬は、約３０重量％を超えるＣａＯを含む。いくつかの実施形態では、セメント系試薬は、約４０～１００％および好ましくは約８０％のＸ線非晶質、９０％のＸ線非晶質、および最大で約１００％のＸ線非晶質であり、いくつかの実施形態では、１００％が非結晶性である。

[0036]いくつかの実施形態によれば、ジオポリマー結合材は、本明細書で定義されるセメント系試薬を含む。別の特定の態様によれば、本発明のいくつかの実施形態は、本明細書で定義されるセメント系試薬を含む補助セメント系材料（ＳＣＭ）に関し、例えば、ＳＣＭは、少なくとも２０重量％のセメント系試薬を含む。

[0037]別の特定の態様によれば、いくつかの実施形態は、本明細書で定義されるセメント系試薬を含む固形コンクリートに関する。
[0038]別の特定の態様によれば、いくつかの実施形態は、ジオポリマー結合材またはセメント、水硬性セメント、補助セメント系材料（ＳＣＭ）および／もしくは固形コンクリートを製造するための本明細書に定義される微小球体ガラス状粒子の使用、ならびに定義されるセメント系試薬の使用に関する。

[0039]別の特定の態様によれば、いくつかの実施形態は、（ｉ）固体アルミノケイ酸塩材料を提供するステップと、（ｉｉ）該固体アルミノケイ酸塩材料を気中融解／クエンチ処理（in-flight melting/quenching）して、該材料を液体に融解し、その後液体をクエンチ処理して、該微小球体ガラス状粒子を含む融解／クエンチ処理粉末を得て、それによって、微小球体ガラス状粒子の該粉末を含むセメント系試薬を得るステップと、を含む、アルミノケイ酸塩材料からセメント系試薬を生成するための方法に関する。

[0040]いくつかの実施形態では、方法は、（ｉｉｉ）微小球体ガラス状粒子の該粉末を微細粉末に研削するステップを更に含む。一実施形態では、粉末は、約２０μｍ以下、より好ましくは１０μｍ以下、または最も好ましくは５μｍ以下のＤ［３，２］を有する粒度分布を含む。

[0041]いくつかの実施形態では、この方法によって得られたセメント系試薬は、セメント質系および／またはジオポリマー系において反応性であること、セメントペーストがＨ_２Ｏ／（Ｎａ_２Ｏ，Ｋ_２Ｏ）＜２０の酸化物モル比を有するとき、２５Ｐａ未満の加工可能な低降伏応力のジオポリマーセメントミックスを供給すること、酸化物モル比Ｈ_２Ｏ／（Ｎａ_２Ｏ，Ｋ_２Ｏ）＜２０であるようにセメントペーストにおける含水量を必要とすること、および同じ含水量という条件で、実質的に角ばった形態を有する等価なペーストよりも高い加工可能性を有するセメントペーストを供給すること、のうちの１つ以上の特性を含む。

[0042]いくつかの実施形態では、非理想的な固体アルミノケイ酸塩材料の組成を、元素Ｃａ、Ｎａ、Ｋ、Ａｌ、Ｆｅ、およびＳｉの所望の含有量に調節するステップを更に含む。一実施形態では、調節するステップは、元素Ｃａ、Ｎａ、Ｋ、Ａｌ、Ｆｅ、およびＳｉの１つまたはいくつかに関する望ましい比率に至らせるために、非理想的なアルミノケイ酸塩材料を組成調節材料とブレンドすることを含む。

[0043]いくつかの実施形態では、方法は、固体アルミノケイ酸塩材料を分別して、所望のサイズのアルミノケイ酸塩材料の粉末を得るステップを更に含む。いくつかの実施形態では、方法は、該アルミノケイ酸塩材料から不必要な廃棄材料を廃棄するステップを更に含む。

[0044]いくつかの実施形態では、方法は、気中融解（in-flight melting）は、液相温度よりも高い温度で加熱して液体を得ることを含む。いくつかの実施形態では、温度は、約１０００～１６００℃、または約１３００～１５５０℃である。

[0045]いくつかの実施形態では、方法は、溶剤（ｆｌｕｘｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ）を固体アルミノケイ酸塩材料に添加して、その融点を降下させる、および／または液体のより大きなエンタルピー、体積、もしくは解重合を誘発させるステップを更に含む。いくつかの実施形態では、溶剤は、融解の前に、または融解中に、固体アルミノケイ酸塩材料と混合される。

[0046]いくつかの実施形態では、気中融解／クエンチ処理は、液体の温度をガラス転移点よりも低く降下させて固体を得ることを含む。いくつかの実施形態では、気中融解／クエンチ処理は、液体の温度を約５００℃より低く、または好ましくは約２００℃以下よりも低く降下させることを含む。いくつかの実施形態では、液体の温度を降下させることは、約１０^２ｋｓ^－１～約１０^６Ｋｓ^－１の速度で、好ましくは＞１０^３．５Ｋｓ^－１の速度でクエンチ処理することを含む。いくつかの実施形態では、クエンチ処理は、冷気の流れ、蒸気、または水を含む。一実施形態では、方法は、サイクロン分離器において、クエンチ処理した固体粒子を熱ガスから分離することを更に含む。

[0047]いくつかの実施形態では、アルミノケイ酸塩材料からセメント系試薬を生成するための方法は、固体微小球体ガラス状粒子の粉末の粒度を縮小させることを更に含む。いくつかの実施形態では、粒度を縮小させることは、粉末をボールミル、ローラーミル、垂直ローラーミルなどで破砕および／または粉砕することを含む。

[0048]別の態様によれば、いくつかの実施形態は、微小球体ガラス状粒子を生成するための装置に関し、この装置は、バーナー、融解チャンバーおよびクエンチ処理チャンバーを備える。融解チャンバーおよびクエンチ処理チャンバーは、完全に分離されていてもよいか、またはそれぞれ同じチャンバーの第１のセクションおよび第２のセクションであってもよい。

[0049]装置は、装置内で固体粒子が懸濁体として流動され、懸濁体として融解され、次いで懸濁体としてクエンチ処理されるように構成され得る。
[0050]いくつかの実施形態では、バーナーは、固体粒子を懸濁体として、該固体粒子が液体に実質的に融解するのに十分な加熱温度まで加熱する火炎を提供する。いくつかの実施形態では、バーナーは、アルミノケイ酸塩供給原料粒子を融解／クエンチ処理チャンバーに向かって同伴するガスで燃料を供給される火炎を構成する。ガスは、酸化剤ガスおよび可燃性燃料を含んでもよい。いくつかの実施形態では、バーナーは、プラズマトーチ、酸素燃焼バーナー、空気燃焼バーナー、バイオマスバーナー、および太陽集光炉のうちの少なくとも１つを備えている。

[0051]いくつかの実施形態では、装置のクエンチ処理チャンバーは、クエンチ処理チャンバー内に冷気を提供するための冷却システムを備えており、冷気は融解粒子を固体微小球体ガラス状粒子にクエンチ処理する。いくつかの実施形態では、冷却システムは、冷却チャンバーの周囲に位置付けられた液体冷却ループを備えている。

[0052]いくつかの実施形態では、装置は、微小球体ガラス状粒子を捕集するためのサイクロン分離器を更に備えている。いくつかの実施形態によれば、アルミノケイ酸塩材料からセメント系試薬を生成するための方法は、（ｉ）固体アルミノケイ酸塩材料を提供するステップと、（ｉｉ）該固体アルミノケイ酸塩材料を気中融解／クエンチ処理して、該材料を液体に融解し、その後液体をクエンチ処理して、該微小球体ガラス状粒子を含む融解／クエンチ処理粉末を得て、それによって、微小球体ガラス状粒子の該粉末を含むセメント系試薬を得るステップと、を含む。

[0053]いくつかの実施形態によれば、微小球体ガラス状粒子を生成するための方法は、（ｉ）バーナー、融解チャンバーおよびクエンチ処理チャンバーを備える気中融解／クエンチ処理装置を提供するステップと、固体粒子を提供するステップと、該固体粒子を、該バーナーによって燃焼されるガス中にて懸濁体として流動させるステップと、該固体粒子を該融解チャンバー内で、液相より高い加熱温度に加熱して、懸濁体として液体粒子を得るステップと、該液体粒子を液相より低い冷却温度に懸濁体としてクエンチ処理して、該微小球体ガラス状粒子を含む粉末を得るステップと、を含む。

[0054]これらの方法のいくつかの実施形態では、固体粒子は、アルミノケイ酸塩材料を含む。これらの方法のいくつかの実施形態では、加熱温度は、約１０００～１６００℃の間、または約１３００～１５５０℃の間である。これらの方法のいくつかの実施形態では、冷却（クエンチ処理）温度は、約５００℃より低いか、または約２００℃より低い。

[0055]これらの方法のいくつかの実施形態では、クエンチ処理することは、冷気をクエンチ処理チャンバー内に提供することを含む。いくつかの実施形態では、これらの方法は、サイクロン分離器で粉末を捕集することを更に含む。

[0056]本発明のいくつかの実施形態の追加の態様は、本明細書で定義される装置、特に、プラズマトーチ、酸素燃焼バーナー、空気燃焼バーナー、バイオマスバーナー、および太陽集光炉のうちの少なくとも１つを備えている装置の、気中融解／クエンチ処理を使用して、微小球体ガラス状粒子を生成するための使用に関する。

[0057]本発明のいくつかの実施形態の追加の態様は、本明細書で定義される装置、特に、プラズマトーチ、酸素燃焼バーナー、空気燃焼バーナー、バイオマスバーナー、および太陽集光炉のうちの少なくとも１つを備えている装置の、気中融解／クエンチ処理を使用して、アルミノケイ酸塩材料からセメント系試薬を生成するための使用に関する。

[0058]例示的なものであって、本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない以下の好ましい実施形態の非限定的な説明を読み取る際に、本発明の追加の態様、利点および特徴は、より明らかになるであろう。

[0059]本開示の特徴、利点および原理のより良い理解は、例示的な実施形態を記載する発明を実施するための形態、および添付の図面を参照することによって得られるであろう。

[0060]いくつかの実施形態による、固体アルミノケイ酸塩材料から出発するセメント系試薬の生成を示すフロー図である。 [0061]いくつかの実施形態による、４つの３成分ＣａＯ，ＭｇＯ－ＳｉＯ_２－（Ｎａ_２Ｏ，Ｋ_２Ｏ）－（Ａｌ_２Ｏ_３，Ｆｅ_２Ｏ_３）組成図のセットである。 [0062]いくつかの実施形態による、図２でプロットされた同じ材料組成データを使用する（ＣａＯ，ＭｇＯ）－（Ａｌ_２Ｏ_３，Ｆｅ_２Ｏ_３）－（Ｎａ_２Ｏ，Ｋ_２Ｏ）－（ＳｉＯ_２）空間での三次元４成分図である。 [0063]市販の天然火山ガラス粉末（角ばった形態）および実施例１に従って生成された粒子（球体の形態）について角ばった粒子および球体粒子の粒度分布を比較する粒度分布グラフである。所与の直径（ｙ軸）を下回る粒子の体積パーセントは、マイクロメートルでの粒子直径（ｘ軸）の関数として提供される。電子顕微鏡写真は、試料の粒子形態を明示している。 [0064]いくつかの実施形態による、実施例１～８による加工前（５０１）および加工後（５０２）の、いくつかの実施形態による、様々な粉末（以下に定義された、２１１～２１８、５１９、５２０）の粒子真円度（Ｒ）分布の比較を提供するグラフである。画像解析を使用して、Ｔａｋａｓｈｉｍｉｚｕ ＆ Ｌｉｙｏｓｈｉの方法（Ｔａｋａｓｈｉｍｉｚｕ，Ｙ．，Ｉｉｙｏｓｈｉ，Ｍ（２０１６．Ｎｅｗ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｒｏｕｎｄｎｅｓｓ Ｒ：ｃｉｒｃｕｌａｒｉｔｙ ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ ｂｙ ａｓｐｅｃｔ ｒａｔｉｏ．Ｐｒｏｇｒｅｓ ｉｎ Ｅａｒｔｈ ａｎｄ Ｐｌａｎｅｔａｒｙ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ ３，２．ｈｔｔｐ：／／ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１１８６／ｓ４０６４５－０１５－００７８－ｘ）に従って図６および図７に示した同じ粉末の顕微鏡写真からＲ値を決定した。また、より正確なデータについては表１７を参照されたい。便宜上、２つのＦ型フライアッシュ試料も含まれており、これらは市販されている５１９（Ｂ－ＦＡ）選鉱加工フライアッシュ、および石炭火力発電所から直接の５２０（ＬＦＡ）未選鉱加工フライアッシュである。 [0065]実施例１～実施例８で記載された様々な材料（以下に定義された２１１～２１８）からの未加工粒子（５０１）および加工された粒子（５０２）を比較する電子顕微鏡写真ペアのコレクションを示すパネルである。個々のパネルについての視野幅は、１４０μｍである。 [0066]２つのＦ型フライアッシュ、すなわち、１つはＮｏｖａ Ｓｃｏｔｉａの石炭火力発電所から直接得たもの（Ｌ－ＦＡ；５２０）、およびもう１つは活性炭および他の汚染物質を除去するために選鉱加工された市販のフライアッシュ（Ｂ－ＦＡ；５１９）の写真を示すパネルである。個々のパネルについての視野幅は、１４０μｍである。 [0067]本発明の一実施形態による、ガラス状微小球体セメント系試薬を生成するためのシステムの概略的プロセスフロー図である。 [0068]本発明の一実施形態による、同伴されたアルミノケイ酸塩供給原料粒子を含む融解－クエンチ処理チャンバー（上部）に入るバーナー火炎（底部）のそれぞれの写真および対応する図である。 [0068]本発明の一実施形態による、同伴されたアルミノケイ酸塩供給原料粒子を含む融解－クエンチ処理チャンバー（上部）に入るバーナー火炎（底部）のそれぞれの写真および対応する図である。 [0069]本発明の一実施形態による、エネルギー投入量およびＣО_２排出量を最小化するための熱回収ループを含む改善された気中融解装置の概略図である。 [0070]いくつかの実施形態による、Ｓｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃａ＋ＭｇおよびＮａ＋Ｋに近い新規組成の３成分表現の完全なセットである。 [0071]いくつかの実施形態による、Ｓｉの視点からの新規組成についての３成分図を示す。 [0072]いくつかの実施形態による、Ａｌの視点からの新規組成についての３成分図を示す。 [0073]いくつかの実施形態による、Ｆｅの視点からの新規組成についての３成分図を示す。 [0074]いくつかの実施形態による、Ｃａ＋Ｍｇの視点からの新規組成についての３成分図を示す。 [0075]いくつかの実施形態による、比較的小型の分散型気中ミニキルンを使用して代替セメントコンクリートを製造するプロセスを説明する概略的フロー図である。 [0076]いくつかの実施形態による、最新の集中型ポルトランドセメントキルンサプライチェーンにおける従来のセメントおよび骨材分布を示す概略図である。 [0077]いくつかの実施形態による、新規分散型方法における骨材採石場（aggregate quarry）での代替セメント系材料（ＡＣＭ）のミニキルン（minikiln）を併設させる輸送上の利点を示す概略図である。 [0078]いくつかの実施形態による、新規分散型方法におけるコンクリートバッチプラントでの代替セメント系材料（ＡＣＭ）のミニキルンを併設させる輸送上の利点を示す概略図である。 [0079]いくつかの実施形態による、骨材採石場およびコンクリートバッチプラントの付近の独立した場所において新規の分散された方式で代替セメント系材料（ＡＣＭ）のミニキルンを配置する輸送上の利点を示す概略図である。

[0080]本発明の更なる詳細およびその利点は、いくつかの実施形態に従って以下の発明を実施するための形態から明らかになるであろう。
[0081]以下の詳細な説明は、本明細書に開示された実施形態に従って、本開示に記載される本発明の特徴および利点のより良い理解を提供する。詳細な説明は多くの特定実施形態を含むが、これらは例示としてのみ提供されたものであり、本明細書に開示される発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

[0082]以下の実施形態の説明では、添付の図面の参照は、本発明の実施形態が実行され得る一例を示すものである。他の実施形態が、開示された本発明の範囲を逸脱することなく行われ得ることが理解されよう。

[0083]微小球体ガラス状粒子
[0084]いくつかの実施形態は、固体微小球体ガラス状粒子の生成および使用に関する。以下により詳細に説明するように関連する態様は、そのような微小球体ガラス状粒子の混合物または複数のそのような微小球体ガラス状粒子を含むセメント系試薬に関するものである。

[0085]本発明によれば、固体微小球体ガラス状粒子は高い真球度の明らかに丸い粒子である。
[0086]本明細書で使用される場合、用語「真円度」および対応する単位「Ｒ」とはＴａｋａｓｈｉｍｉｚｕ＆ＩＬｙｏｓｈｉ（２０１６）によって定義された真円度を指す。Ｒを計算するために必要とされる値は粉末の適切な顕微鏡写真で画像解析を実施することによって決定することができる。Ｒ（真円度）はＫｒｕｍｂｅｉｎの「真円度」と高度に相関する真円度の便利な定量的尺度を提供する（Ｋｒｕｍｂｅｉｎ、Ｗ．Ｃ．（１９４１）Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｏｆ ｓｈａｐｅ ａｎｄ ｒｏｕｎｄｎｅｓｓ ｏｆ ｓｅｄｉｍｅｎｔａｒｙ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ．Ｊｏｕｎａｌ ｏｆ Ｓｅｄｉｍｅｎｔａｒｙ Ｐｅｔｒｏｌｏｇｙ１１：６４－７２．ｈｔｔｐ：／／ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１３０６／Ｄ４２６９０Ｆ３－２Ｂ２６－１１Ｄ７－８６４８０００１０２Ｃ１８６５Ｄ）。

[0087]いくつかの実施形態では、微小球体ガラス状粒子は、少なくとも０．９の平均真円度（Ｒ）を有する（標準偏差＜０．１５）。
[0088]いくつかの実施形態では、微小球体ガラス状粒子は、少なくとも０．８のバルク真円度（Ｒ）を有する（標準偏差＜０．１５）。

[0089]いくつかの実施形態では、微小球体ガラス状粒子は、少なくとも０．７、または０．６、または０．５のバルク真円度（Ｒ）を有する（標準偏差＜０．１５）。
[0090]いくつかの実施形態では、微小球体ガラス状粒子の混合物は、角ばった形態を有する（例えば、Ｒ＜０．７）の約５０％未満の粒子、または約４０％未満の粒子、または約３０％未満の粒子、または約２５％未満の粒子、または約２０％未満の粒子、または１５％未満の粒子、または１０％未満の粒子を含む。

[0091]いくつかの実施形態では、微小球体ガラス状粒子の混合物、または複数の微小球体ガラス状粒子は、約２０μｍ以下、より好ましくは約１０μｍ以下、または最も好ましくは５μｍ以下のＤ［３，２］を有する粒度分布を含む粉末形態で提供される。

[0092]いくつかの実施形態では、微小球体ガラス状粒子は、非結晶性固体である。
[0093]いくつかの実施形態では、微小球体ガラス状粒子は、酸化物式１（ＣａＯ，ＭｇＯ）ａ・（Ｎａ_２Ｏ，Ｋ_２Ｏ）ｂ・（Ａｌ_２Ｏ_３，Ｆｅ_２Ｏ_３）ｃ・（ＳｉＯ_２）_ｄ［式１］を含み、式中、ａは約０～約４であり、ｂは約０．１～約１であり、ｃは１であり、ｄは約１～約２０である。

[0094]いくつかの実施形態では、微小球体ガラス状粒子は、（ｉ）４５％～１００％、好ましくは９０～１００％のＸ線非晶質固体の含有量、および（ｉｉ）（ＣａＯ，ＭｇＯ）_０～１２・（Ｎａ，Ｋ）_{０．０５～１}・（Ａｌ，Ｆｅ^３＋）_１・Ｓｉ_１～２０のモル組成比のうちの１つ以上を含む。

[0095]いくつかの実施形態では、微小球体ガラス状粒子は、４０～１００％のＸ線非晶質であり、より好ましくは約８０～約１００％のＸ線非晶質であり、いくつかの実施形態では、１００％の非結晶性である。

[0096]いくつかの実施形態では、粒子は、約１０重量％未満のＣａＯを含む。
[0097]いくつかの実施形態では、粒子は、約３０重量％を超えるＣａＯを含む。
[0098]いくつかの実施形態では、粒子は、１～２０のＳｉ／（Ｆｅ^３＋，Ａｌ）のモル組成、および約１０～約５０重量％、好ましくは約２０～４５重量％のＣａＯ含有量を有する高カルシウム含有量を構成する。

[0099]いくつかの実施形態では、粒子は、１～２０のＳｉ／（Ｆｅ^３＋，Ａｌ）のモル組成、および約１０～約２０重量％のＣａＯ含有量を有する中間カルシウム含有量を構成する。

[0100]以下に記載するように、微小球体ガラス状粒子は、アルミノケイ酸塩材料などの世界的に豊富な無機供給原料から有利に生成され得る。本明細書で使用される場合、用語「アルミノケイ酸塩材料」とは、天然の岩石ならびに鉱物、浚渫物質、岩石ならびに鉱物を含む採鉱廃棄物、廃棄ガラス、アルミノケイ酸塩を保有する汚染材料およびアルミノケイ酸工業の副産物から選択される、アルミニウムまたはアルミニウムと鉄、および二酸化ケイ素を含む材料を指す。本発明によるアルミノケイ酸塩材料は、好ましくは結晶性固体の形態である（例えば、少なくとも５０重量％、または少なくとも６０重量％、または少なくとも７０重量％、または少なくとも８０重量％、または少なくとも９０重量％、または１００重量％の結晶性固体）。いくつかの実施形態では、アルミノケイ酸塩材料は、少なくとも２重量％の（Ｎａ_２О，Ｋ_２О）、または少なくとも３重量％の（Ｎａ_２О，Ｋ_２О）、または少なくとも４重量％（Ｎａ_２О，Ｋ_２О）、または少なくとも５重量％の（Ｎａ_２О，Ｋ_２О）、または少なくとも６重量％の（Ｎａ_２О，Ｋ_２О）、または少なくとも７重量％の（Ｎａ_２О，Ｋ_２О）、または少なくとも８重量％の（Ｎａ_２О，Ｋ_２О）、または少なくとも１０重量％の（Ｎａ_２О，Ｋ_２О）、または少なくとも１２重量％の（Ｎａ_２О，Ｋ_２О）、または少なくとも１５重量％の（Ｎａ_２О，Ｋ_２О）、または少なくとも２０重量％の（Ｎａ_２О，Ｋ_２О）を含む。いくつかの場合では、無機供給原料は不均質であり、生成されるガラス状粒子は、融解中の部分的均質化中に示されるように供給原料よりも均質である。すなわち生成される粒子の１０％超が新しい中間配合範囲内に入る。

[0101]いくつかの実施形態では、アルミノケイ酸塩材料は、浚渫沈降物、解体コンクリート、採鉱廃棄物、氷成粘土、氷成堆積物、河川堆積物、岩石と鉱物の混合物、例えば元素Ｃａ，Ｍｇ，Ｎａ，Ｋ，Ｆｅ，ＡｌおよびＳｉのいくつかまたは全てから構成される岩石と鉱物の混合物から選択される。これらのアルミノケイ酸塩材料は、多くの異なる地理的地域で広範囲に豊富である。

[0102]以下に記載されるように、供給原料の元素組成は分析され、所望の用途に最適化され得る。供給原料は、ＸＲＦ、ＸＲＤ、ＬＩＢＳ、ＥＤＳ、湿式化学分析、および供給原料元素組成を決定するための様々な他の既存の方法などの定量的もしくは反定量的方法によって分析することができる。

[0103]以下に記載されるように、微小球体ガラス状粒子は、出発無機材料を液体に融解するための気中融解／クエンチ処理および／または浮遊融解などの気中熱化学的加工、およびその後の液体を固体粒子にクエンチ処理するためのプロセスまたは方法を使用して生成することができる。本明細書で使用される場合、用語「気中融解／クエンチ処理」または「懸濁体融解」とは、粒子が懸濁体として流動され、懸濁体として融解され、次いで懸濁体としてクエンチ処理されて粉末を得るプロセスを指す。

[0104]いくつかの実施形態では、用語「微小球体ガラス状粒子」は、気中融解／クエンチ処理プロセスから直接得られる粉末中で見出される上記に定義された粒子を包含する。実施形態では、用語「微小球体ガラス状粒子」とは、気中融解／クエンチ処理プロセス後に得られた粉末の研削またはミリング（milling）（例えば、ジョークラッシャー、インパクトミルなど）後に得られる粒子を指す。

[0105]以下に記載するように、微小球体ガラス状粒子は、セメント系試薬の調製のようなまたは調製における、ジオポリマー結合材もしくはセメントの調製のようなまたは調製における、水硬性セメントの調製のようなまたは調製における、補助セメント系材料（ＳＣＭ）の調製のようなまたは調製における、および固形コンクリートの作製におけるものが含まれるが、これらに限定されない多くの用途を見出す。

[0106]１つの追加の用途は、肥料または土壌改良材として、例えば「岩粉」の代用品としての用途であり得る。

[0107]セメント系材料
[0108]本明細書で記載されるいくつかの実施形態は、本明細書で定義される微小球体ガラス状粒子を含むセメント系試薬粉末に関する。

[0109]いくつかの実施形態はまた、ジオポリマー結合材もしくはセメント、水硬性セメント、補助セメント系材料（ＳＣＭ）、水硬性コンクリート混合物、および本明細書に定義される微小球体ガラス状粒子を含む固形コンクリート粉末に関する。

[0110]粒子の形態は、セメントスラリーの物理的特性および取り扱いにかなりの影響を有する。したがって、本発明による粒子の高真円度形態は高い加工可能性、流動性、および／または少ない水需要をジオポリマーセメントミックスに有利に提供する。特に、高い真円度を有することは、粒子間摩擦を低減することによってセメントミックスの降伏応力および粘度を低減する。更に球状形態は、所定の粒度分布に対して充填を改善することによって水需要を減少させる。

[0111]図２および３に示すように、本発明の実施形態によるセメント系試薬の組成は、既存のセメント系材料とは異なる。実際には、元素群（Ｃａо，ＭｇО）、（Ａｌ_２О_３，Ｆｅ_２О_３）、（Ｎａ_２Ｏ，Ｋ_２Ｏ）、および（ＳｉＯ_２）の３性分組成の組み合わせを考慮すると、セメント系試薬２０１の実施形態は、これらの図において、フライアッシュ（ＣおよびＦ）２０２、高炉スラグ微粉末（ＧＧＢＳまたはＧＧＢＦＳ）２０３、メタカオリン２０４、およびポルトランドセメント２０５とは異なり別個であるポジションを占める。特定の供給原料組成の例が図２に示されている。火山軽石２１１（実施例１）、玄武岩２１２（実施例２）、第２の玄武岩２１３（実施例３）、石炭尾鉱試料２１４（実施例４）浚渫沈殿物２１５（実施例５）、はん岩銅浮遊選鉱尾鉱２１６（実施例６）解体コンクリート２１７（実施例７）、閃緑岩骨材クラッシャーダスト２１８（実施例８）。

[0112]有利なことに、セメント系試薬は、公的な組成の世界的に豊富な岩石、鉱物および化合物から配合される。このようにして、豊富な供給原料は、加工施設、またはセメント工場に非常に遠くから運送される必要がなくてもよい。場合によっては、セメント工場は原料供給場所に建設される。

[0113]いくつかの実施形態では、セメント系試薬は、本明細書に定義される微小球体ガラス状粒子の混合物を含み、（ｉ）非結晶性固体の形態であること、（ｉｉ）粉末の形態であること、（ｉｉｉ）約２０μｍ以下、より好ましくは１０μｍ以下、または最も好ましくは５μｍ以下のＤ［３，２］を有する粒度分布を含むこと、（ｉｖ）上記に定義される酸化物式１を含むこと、（ｖ）４５％～１００％、および好ましくは９０～１００％のＸ線非晶質な固体の含有量、（ｖｉ）（Ｃａ，Ｍｇ）_０～１２・（Ｎａ，Ｋ）_{０．０５～１}・（Ａｌ，Ｆｅ^３＋）_１・Ｓｉ_１～２０のモル組成比、（ｖｉｉ）約１０重量％未満のＣａＯを含むこと、（ｖｉｉｉ）約３０重量％を超えるＣａＯを含むこと、（ｉｘ）１～２０のＳｉ／（Ｆｅ^３＋，Ａｌ）のモル組成、および約１０～約５０重量％、好ましくは約２０～約４５重量％のＣａＯ含有量を含むこと、（ｘ）１～２０のＳｉ／（Ｆｅ^３＋，Ａｌ）のモル組成、および約１０～約２０重量％のＣａＯ含有量を含むこと、（ｘｉ）４０～１００重量％のＸ線非晶質でありより好ましくは８０％を上回る、９０％を上回る、およびいくつかの場合、最大１００％のＸ線非晶質であり、いくつかの場合、１００％の非結晶性であること、（ｘｉｉ）約２０μｍ以下、より好ましくは約１０μｍ以下、または最も好ましくは約５μｍ以下のＤ［３，２］を有する粒度分布を含むこと、のうちの１つ以上の特性を更に含む。

[0114]いくつかの場合では、炭酸塩ソースのカルシウムの分解の必要性を回避することによってセメントのＣＯ２の影響を低減するために、ＣａＯ含有量は約３０重量％より低い。

[0115]いくつかの実施形態では、セメント系試薬は約１０重量％未満のＣａＯを含む。いくつかの実施形態では、セメント系試薬は約３０重量％を超えるＣａＯを含む。いくつかの例では、セメント系試薬の（Ｎａ，Ｋ）、およびＣａのモル比に対する組成は結合材の要件に応じて、ある特定の利点を得るために変化してもよい。例えば約１０重量％未満のＣａＯを含むセメント系試薬は、熱硬化ジオポリマーにおいて、およびフライアッシュ代用品として使用するために好適である。代わりに、約３０重量％超のＣａОを含むセメント系試薬は、水硬性を有し、ジオポリマー樹脂に添加されてジオポリマーセメントの周囲温度硬化を可能にすることができ、混合されたポルトランドセメントにおける高炉スラグに直接置き換わる。

[0116]いくつかの実施形態では、セメント系試薬は、１～２０のＳｉ／（Ｆｅ^３＋，Ａｌ）のモル組成、および約１０重量％以下のＣａＯ含有量を有する低カルシウム含有セメント系試薬である。好ましくは、そのようなセメント系試薬は、４０～１００％のＸ線非晶質であり、より好ましくは約８０％～約１００％のＸ線非晶質であり、いくつかの実施形態では、１００％非結晶性である。そのような低カルシウム含有セメント系試薬は、例えば、水硬性セメントにおけるポゾラン混和剤として、および／またはジオポリマー結合材ならびにセメントにおける試薬として、多数の商業的用途を見出すことができる。

[0117]いくつかの実施形態では、セメント系試薬は、１～２０のＳｉ／（Ｆｅ^３＋，Ａｌ）のモル組成、および約１０～約５０重量％、好ましくは約２０～約４５重量％のＣａＯ含有量を有する高カルシウム含有セメント系試薬である。好ましくは、そのようなセメント系試薬は、４０～１００％のＸ線非晶質であり、より好ましくは約８０～約１００％のＸ線非晶質であり、更により好ましくは、１００％非結晶性である。そのような高カルシウム含有セメント系試薬は、例えば、混合水硬性セメントにおける水硬性混和剤として、および／またはジオポリマー結合材ならびにセメントにおける試薬として、多数の商業的用途を見出すことができる。

[0118]いくつかの実施形態では、セメント系試薬は、１～２０のＳｉ／（Ｆｅ^３＋，Ａｌ）のモル組成、および約１０～約２０重量％のＣａＯ含有量を有する中間カルシウム含有セメント系試薬である。好ましくは、そのようなセメント系試薬は、約４０～１００％および好ましくは約８０％～約１００％のＸ線非晶質であり、および更により好ましくは１００％非結晶性である。そのような中間カルシウム含有セメント系試薬は、例えば、所望の中間水硬性およびホゾラン特性を有するセメント系試薬として、特に周囲硬化ジオポリマー用途において、多数の商業的用途を見出すことができる。

[0119]いくつかの実施形態では、セメント系試薬におけるＮａ，Ｋ含有量は最適化される。これはＳＣＭ用途に有利である場合があり、ここでは水硬性セメント中の遊離石灰が可溶性アルカリで交換され、セメント系試薬に由来するシアル酸塩分子と配位しある程度まで比較的安定なアルカリアルミノケイ酸塩重合を作り出しこれが伝統的水硬性セメントの化学的特性を大きく改善する。実施形態では、相当量のＮａ，Ｋ含有量を有するジオポリマー試薬が、そうでなければ、必要とされるものよりも少ない可溶性ケイ酸塩硬化剤を必要とするという事実のために、Ｎａ，Ｋ含有量は最適化され、したがってジオポリマーミックス設計の可溶性ケイ酸塩の要件（およびコスト）を削減する。

[0120]調製の方法
[0121]本明細書に定義される微小球体ガラス状粒子、ならびにセメント系試薬、ジオポリマー結合材もしくはセメント、水硬性セメント、補助セメント系材料（ＳＣＭ）、およびコンクリートなどのそれを含む組成物を任意の好適な方法またはプロセスを使用して調製することができる。

[0122]図１は、いくつかの実施形態による、セメント系試薬をアルミノケイ酸塩材料から生成するために必要な例示的なステップを示す。簡単に言うと、微粉化アルミノケイ酸塩材料粉末が選択され１０１、その化学組成が分析され１０２、評価される。供給原料は、ＸＲＦ、ＸＲＤ、ＬＩＢＳ、ＥＤＳ、湿式化学分析、および供給原料元素組成を決定するための様々な他の既存の方法などの定量的もしくは反定量的方法によって分析することができる。

[0123]選択された組成が許容されない場合、材料は必要に応じて修正され、ブレンドされ（例えば、熱化学的処理の前に容器内で）、例えば組成調節材料の添加を通して１０４（以下を参照）、または選別されて１０３、いかなる望ましくない廃棄材料も捨てられてよい。

[0124]所望の組成の粉末を含む、得られた固体アルミノケイ酸塩材料は、次に加熱され１０６、個々の粒子または粒子凝集体は、懸濁体として液体に融解される。次に液体粒子は、懸濁体としてクエンチ処理され１０７、固体微小球体ガラス状粒子を含む粉末を得る。次に、粒度を縮小し、および／または反応性を最適化することが望ましい場合、粉末は、必要に応じて破砕および／または粉砕されて（部分的にもしくは全体的に）１０８、セメント系試薬を得る１０９。

[0125]組成調節材料の添加１０４に関しては、本明細書で使用される場合、用語「組成調節材料」とは、アルミノケイ酸塩材料のバルクまたは表面組成を元素Ｃａ、Ｎａ、Ｋ、Ａｌ、Ｆｅ、およびＳｉのうちの１つまたはいくつかに対して優先的に変更するために、好適な組成を有する任意の固体または液体材料を指す。

[0126]カルシウム（Ｃａ）を導入する組成調節材料は、ＣａＣО_３、Ｃａ（ＯＨ）_２、ＣａＯ、ＣａＣｌ、ＣａＦ_２を含むカルシウム塩、ケイ酸カルシウム鉱物ならびに化合物、ケイ酸アルミニウムカルシウム鉱物ならびに化合物、廃棄ポルトランドセメント製品、廃棄水硬性セメント製品、ウォラストナイト、ゲーレナイト、メリライト群鉱物組成から構成され得る。

[0127]アルミニウム（Ａｌ）を導入する組成調節材料は、アルミニウム岩石、鉱物、土壌、沈殿物、副産物、およびカオリナイト、ハロイサイト、ならびに他のアルミニウムが豊富な／アルカリ性の少ない粘土鉱物のうちの１つ以上を含む化合物、Ａｌ_２ＳｉＯ_５多形体、クロリトイド、スタウロライト、ガーネット、コランダム、ムライト、ゲーレナイト、ジアスポア、ベーマライト、ギブサイト、およびネフェリンならびに他の準長石から構成され得る。使用することができる他の鉱物としては、アルミニウム金属、ボーキサイト、アルミナ、赤泥（アルミナ精錬所残留物）が挙げられる。

[0128]鉄（Ｆｅ）を導入する組成調節材料は、鉄が豊富な岩石、土壌、沈殿物、副産物、ならびにかんらん石などの化合物、クロライト鉱石（シャモス石、クリノクロア）、輝石、角閃石、針鉄鉱、ヘマタイト、マグネタイト、フェリハイドライト、レピドクロサイト、および他のオキシ水酸化鉄組成物、鉄が豊富な粘土ならびにフィロケイ酸塩鉱物、鉄鉱石尾鉱、および元素鉄から構成され得る。

[0129]加熱１０６に対して、加熱が液相温度よりも高い加熱温度に達するまで、例えば約１０００～１６００℃、または約１３００～１５５０℃で行われて液体を得る。任意の好適な方法、または装置が加熱におよび液体を得るために使用されてもよく、限定されないが気中融解（すなわち、浮遊融解）が挙げられる。これは例えば、１つ以上のプラズマトーチ、酸素燃焼バーナー、空気燃焼バーナー、バイオマスバーナー、太陽光集光炉を装備した気中融解装置を使用することによって達成することができる。典型的には、１０００～１６００℃の炉温が必要であり、典型的には所望の液相粒子を懸濁体として迅速に得るために、１０００～１６００℃の炉温が必要とされ、および最も典型的には１３００～１５５０℃が必要とされる。実施形態では、デバイスは融解が可能な限り高速であるように選択される。好適な気中融解装置の装置および方法の例が以下に記載される。

[0130]クエンチ処理１０７に関して、いくつかの実施形態では、クエンチ処理ステップは、液体の温度をガラス転移より低い温度、例えば約５００℃以下、または好ましくは約２００℃以下に低下させることを含む。実施形態では、クエンチ処理は急速に行われ、すなわち温度は約１０^２Ｋｓ^－１～１０^６Ｋｓ^－１（好ましくは＞１０^３．５Ｋｓ^－１の速度で）低下される。任意の好適な方法がクエンチ処理に使用されてもよく、限定されないが、融解材料を、冷気の十分な流れ、蒸気、または水と適切に接触させて非結晶性固体を生成することが含まれる。

[0131]所望であれば、液体のその融点を降下させ、および／または液体の解重合を誘発させるために、溶剤が固体アルミノケイ酸塩材料に添加されてもよい。溶剤は加熱／融解の前にまたは加熱／融解中に固体アルミノケイ酸塩材料と混合されてもよい。融解物の解重合を誘発させ、および／または融解温度を低下させることができる一般的な溶剤としては、ＣａＦ_２、ＣａＣＯ_３、廃棄ガラス、くずガラス、ガラスフリット、アルカリ含有鉱物（例えば、長石、ゼオライト、粘土、および準長石鉱物）、ホウ酸塩、ハロゲン化合物（フッ化物ならびに塩化物含有塩）およびカルシウム塩が挙げられる。

[0132]任意に破砕および／または粉砕するステップ１０８に関して、これはボールミル、ローラーミル、および垂直ローラーミルが挙げられるが、これらに限定されない任意の好適な方法または装置を使用して行うことができる。好ましくは、粒度は、縮小され、セメント用途に有用な微粉末を得る。例えば実施例９に記載されるように、より微細な粉末を得ることは、表面積を増大させるために、およびより高速な反応速度を提供するために有用であり得る。当業者であれば、特定のニーズに望ましい粒子のサイズを決定し、球体形態の損失／加工可能性、研削のコスト、および最終的性能要件の間の経済的トレードオフを考慮することができるであろう。実施形態では、粉末はおよそ１０μｍ以下、または好ましくは５μｍ以下のＤ［３，２］を有する粒度分布を構成する。そのような粒度は一般的に、十分な反応性および一貫した材料特性を確実にするために望ましい。

[0133]アルミノケイ酸塩材料の使用
[0134]本明細書に記載するように、いくつかの実施形態は、本明細書に定義される固体微小球体ガラス状粒子および非結晶性セメント系試薬を生成するためのアルミノケイ酸塩材料を使用に関する。

[0135]別の態様は、固体微小球体ガラス状粒子および／または固体セメント系試薬を生成するためのアルミノケイ酸塩材料の気中熱化学的処理の使用である。本明細書に記載されるガラス状粒子およびセメント系試薬は、混合水硬性セメントにおける代替補助セメント系材料（ＳＣＭ）として、および／またはジオポリマー結合材におけるジオポリマー固体試薬として有利に使用され得る（したがって、ＭＫ－７５０、フライアッシュ、ＧＧＢＦＳ、および他の一般的な固体試薬のうちのいくつかまたはそれらの全ての必要性を排除する）。

[0136]別の関連する態様は、本明細書に定義される補助セメント系材料（ＳＣＭ）および固体微小球体ガラス状粒子を含むジオポリマー試薬ならびに／または非結晶性セメント系試薬のうちの少なくとも１つを生成するためのアルミノケイ酸塩材料の使用である。

[0137]微小球体粒子およびセメント系試薬の使用
[0138]記載される実施形態の一態様は、本明細書に記載される固体微小球体ガラス状粒子およびセメント系試薬の幅広い関連性に関する。設計作製されたセメント系試薬の適切な組成は、ジオポリマーセメントおよび水硬性セメント（すなわち、水と反応するセメント）の両方においてかなりの比率で互換的に使用され得る。

[0139]したがって、いくつかの実施形態では、少なくとも５重量％、または少なくとも１０重量％、または少なくとも１５重量％、または少なくとも２０重量％、または少なくとも２５重量％、または少なくとも３０重量％、または少なくとも４０重量％、または少なくとも５０重量％、または少なくとも６０重量％、または少なくとも７０重量％、または少なくとも８０重量％、または少なくとも９０重量％、またはそれ以上の本明細書に定義される固体微小球体ガラス状粒子および／またはセメント系試薬を含むジオポリマーセメントまたは水硬性セメントを包含する。

[0140]いくつかの態様によれば、本明細書に記載されるいくつかの実施形態では、本明細書に定義されるセメント系試薬を含む、補助セメント系材料（ＳＣＭ）に関する。いくつかの実施形態では、ＳＣＭは、約５重量％～約５０重量％（好ましくは２０重量％）の本明細書に定義される固体微小球体ガラス状粒子／またはセメント系試薬を含む。

[0141]別の態様によれば、本明細書に記載されるいくつかの実施形態は、それが許容可能な含有量のＮａ＋Ｋ（例えば、少なくとも２重量％、好ましくは少なくとも５重量％）およびＡｌ含有量（例えば、少なくとも５重量％）を伴い、約３５重量％未満のＣａОを含むこと、および非結晶性固体の形態であることのうちの１つ以上の特性を含む補助セメント系材料（ＳＣＭ）に関する。

[0142]別の態様によれば、いくつかの実施形態は、本明細書に定義される固体微小球体ガラス状粒子および／またはセメント系試薬を含む、すなわち約５重量％～約５０重量％（好ましくは少なくとも１０重量％、または少なくとも２０重量％、少なくとも３０重量％、または少なくとも４０重量％）の本明細書に定義される固体微小球体ガラス状粒子および／またはセメント系試薬を含む、ソリッドコンクリートに関する。

[0143]別の態様によれば、いくつかの実施形態は、約５重量％～約５０重量％（好ましくは少なくとも１０重量％、または少なくとも２０重量％、少なくとも３０重量％、または少なくとも４０重量％）の本明細書に定義される固体微小球体ガラス状粒子および／またはセメント系試薬を含む固体ジオポリマーコンクリートに関する。

[0144]当業者であれば、本発明の実施形態が豊富な安価な天然材料から用途の広い低ＣО_２排出量試薬を生成するための手段を有利に提供することを理解することができる。別の顕著な利点は、増え続けるジオポリマー市場のニーズも満たしながら代替ＳＣＭに対する現在の仕様基準を満たす単一の試薬を作り出すことである。更に、セメント系試薬が多様な異種供給原料から形成され、記載されたプロセスを通して、より均質かつセメント系試薬として好適な試薬材料をもたらす。

[0145]理解されるように、本明細書に記載されるシステムおよび方法の１つの利点は、セメント系試薬の最終組成に対する制御を提供し、これによって予測可能な組成を有する試薬を生成することであり、このことは業界にとって非常に重要である。そのような調整された組成は、他の既存のセメント系試薬では利用可能ではなく、なぜならそれらは典型的には、産業副産物から得られるためである。本明細書に記載される実施形態によれば、必要ならば地元の供給原料を所定の用途に対して性能を標準化するように変更することが可能である。例えば、ポルトランドセメント用のＳＣＭでは、アルカリ含有量を制限することが望ましい場合があるが、ジオポリマー系では、高アルカリ含有量を有しアルカリケイ酸塩硬化剤をあまり必要としないことが望ましい場合もある。両方のシナリオでは、組成の変更は供給原料の組成の変動性を制限するために望ましい場合がある。

[0146]ジオポリマー試薬の化学的性質についての別の注目すべき懸念は、不安定なカルシウム含有量である。カルシウム含有量およびカルシウムを含有する相の調整は、両方とも、異なる温度条件下での強度の向上速度およびジオポリマーセメントの最終材料特性を調節するための重要な変数である。本明細書に記載される方法は、副産物ベースのセメント系試薬では現在不可能である微小球体セメント系試薬の特定の有利な組成を設計作製することを可能にする。

[0147]気中融解装置、方法およびシステム
[0148]実施形態はまた、球状形態を有するガラス状セメント系試薬の熱化学的生成のための装置、システム、および関連する方法に関する。

[0149]いくつかの実施形態によれば装置は、気中融解／クエンチ処理のために構成される。図９Ａおよび９Ｂに示されるものなどのいくつかの実施形態によれば、装置９００は、バーナー８０９、およびクエンチ処理チャンバー９０２と組み合わされた融解チャンバーを備えている。いくつかの実施形態では、融解チャンバーおよびクエンチ処理チャンバーは、それぞれ同じチャンバー９０２の第１およびセクションであってもよい。いくつかの実施形態では、融解チャンバーとクエンチ処理チャンバーとは、別個の連続チャンバーである。

[0150]図示するように装置９００は、気中融解／クエンチ処理のために構成されている。アルミノケイ酸塩供給原料粒子９０３は、可燃性燃料８０８で酸化剤ガス８０７を燃焼する火炎９０１内に吊るされた融解／クエンチ処理チャンバー（上部、９０２）に入る。アルミノケイ酸塩供給原料粒子９０３は、それらが液相転移よりも高く加熱され、最終的に融解するようになると、ベンチュリエダクターによって酸化剤ガス中に同伴され、燃焼中に融解／クエンチ処理チャンバー９０２に向かって懸濁体として流動する。ガスは、限定されないが酸素が含まれる酸化剤ガス、限定されないがプロパン、メタン、液体炭化水素燃料、石炭、合成ガス、バイオマス、石炭－水スラリー、およびそれらの混合物が含まれる可燃性燃料と混合された空気を含んでもよい。好ましくは、火炎９０１は、融解／クエンチ処理チャンバー９０２を保護し、粒子が融解／クエンチ処理チャンバー９０２の内壁９０５に粘着することを防止するクエンチエア９０４の環状流によって安定化される。

[0151]装置９００では、融解粒子は融解／クエンチ処理チャンバー９０２の末端部において浮遊状態が乱流になると、空気中で冷却することによって次にクエンチ処理される。融解粒子の冷却／クエンチ処理は、融解／クエンチ処理チャンバー９０２に直接導入された冷クエンチエアによって、および／または任意の冷却システム、例えば融解／クエンチ処理チャンバー９０２のクエンチ処理セクションの周りの液体冷却ループ（図示せず）によって提供されてもよい。融解粒子は、非結晶性固体粉末にクエンチ処理または冷却されることができ、微小球体ガラス状粒子を含む粉末をもたらすことができる。装置は、微小球体ガラス状粒子を含む粉末を捕集するための遠心送風機（図示せず）からの、吸引下で動作する任意のサイクロン分離器を更に備えてもよい。

[0152]装置９００または同様なものは、ガラス状微小球体セメント系試薬を生成するために様々なシステムで使用することができる。図８は、ガラス状微小球体セメント系試薬を生成するための、いくつかの場合では、微小球体ガラス状試薬粉末１０９を生成するための例示的なシステム８００の概略的プロセスフロー図の一実施形態を示す。

[0153]図８の実施形態では、システム８００は、アルミノケイ酸塩供給原料粉末１０１を得るためにミリング回路８０１を備えている。粗いアルミノケイ酸塩供給原料８０２は、ジョークラッシャーまたはインパクトミル８０３に送り込まれ、ボールミル８０５で微細研削を可能にする好適にサイズ調整された供給物８０４を生成する。得られた生成物は、微粉化アルミノケイ酸塩供給原料粉末１０１である。

[0154]微粉化アルミノケイ酸塩供給原料粉末１０１が、次に酸化剤ガス（例えば、酸素）８０７中に同伴され、長いトーチ寿命のために液体冷却ループ８１０が固定されているバーナー８０９において、可燃性燃料（例えば、プロパン）８０８と混合される。周囲温度のクエンチエア８１１が、好ましくはバーナー８０９の近くに導入され、バーナー８０９の壁に融解粒子が粘着することを防止するために融解／クエンチ処理チャンバー８１２の壁の外側に流れ込む。壁の冷却はクエンチエアによって、および／または任意の液体冷却ループ８１３によってもたらされてもよい。融解粒子は、融解／クエンチ処理チャンバーの末端部で浮遊状態から乱流になると、冷却クエンチエアによってクエンチ処理される。遠心送風機８１５からの吸引下で動作するサイクロン分離器８１４は、微小球体ガラス状試薬粉末１０９を捕集するために使用することができる。

[0155]図９の装置および図８のシステムは、本明細書で定義され以下の実施例で記載されるように、固体微小球体ガラス状粒子、およびそれを含むセメント系試薬を生成するために成功裏に使用された。動作パラメータは、プロパンおよび酸素ガスのおおよその化学量論的燃焼に関与した（実際の質量比は測定されていない）。空気圧分散機からバーナーに入った粉末状供給原料１０１は、振動フィーダーによって送られた。供給原料と燃焼空気との浮遊物は、酸素および粉末状供給原料のほぼ等質量からなり、例えば１グラムのアルミノケイ酸塩供給原料が１グラムの酸素中に浮遊された。

[0156]当業者であれば図示された装置、システムおよびパラメータが本発明によって包含される多くの潜在的に有用な装置およびシステムのうちの１つであることを理解されよう。例えば、代替実施形態では、固体粒子はキャリアガス中において懸濁体として飛行し、１つ以上のエネルギー源によって加熱される。融解のためのエネルギーは、プラズマ（アーク放電または誘導結合）、電気誘導加熱、電気抵抗加熱、マイクロ波加熱、太陽光照射、または化学反応からの熱（例えば、燃焼）などの好適な高温熱源のうちの１つ、または組み合わせによって提供され得る。これらのエネルギー源のいくつかは、プロセスのＣО_２フットプリントを低下させることができるが、ＣО_２排出のコストは、各エネルギー源の独自のコストに重み付けされねばならない。現在、多くの管轄区域では、最安価なエネルギー源が可燃性炭化水素燃料に基づいている。したがって、エネルギー源の選択は、所定の管轄区域における価格およびＣО_２排出のコストによって、大部分は従っている。現在の経済的および政治的要因は、好ましくは、燃焼が液相転移を上回る温度まで固体粒子を加熱するように、固体粒子がガス中に懸濁体として飛行することを指示している。

[0157]酸素燃料バーナーは、提供された実施例で使用されたが、当業者であればバーナー燃料の選択が適切な加熱が生じる限り、二番目に重要なことに過ぎないことが理解されよう。燃焼、プラズマ、集光型太陽熱発電、原子力などからのいかなる熱源も可能である。

[0158]いくつかの実施形態では、酸素富化のコストを回避するために、空気燃焼バーナーが好ましい。約２３重量パーセントの酸素のみからなる空気が燃料（例えば、プロパンまたはメタン）で燃焼されると、空気－燃料比はおおよその化学量論的燃焼を維持するために最も高くなる（約４～５倍）。より高い空気－燃料比は、より低い火炎温度をもたらす。したがって、粒子がそれらの固相温度を超えて加熱され、および好ましくはそれらの液相温度近くに、またはそれを超えて加熱される（１０００～１６００℃、および一般的には１２００℃超）ことを確実にするために供給原料粉末質量流量をそれに応じて調節することが好ましい。

[0159]図１０は、本明細書に記載される実施形態による、気中融解／クエンチ処理のための装置およびシステムの別の実施形態を示す。供給原料１０１は、バルブ１００２を通過してサイクロン１００３に入り、ここでは供給原料が、熱を熱ガスで交換することによって余熱される。バルブ１００４は、供給原料粉末を計量してパイプ１０２５を通して流れる熱ガス（例えば、燃焼用空気）に入れる。燃焼用空気および供給原料浮遊物はバーナー１００５に運ばれ、ここでは可燃性ガスがパイプ１００６を通して導入される。円筒状融解チャンバー１００７は、融解１００８の様々な段階でアルミノケイ酸塩粒子を同伴した、ガス熱流（例えば、燃焼用ガス）を受け取るように構成されている。融解チャンバー１００７は、鋼などの好適な材料を円筒状シェル１００９と、好適な耐火性材料の内張り１０１０とを備える。融解チャンバー１００７はまた、上部分配リング１０１２から注入された冷気流（主としてクエンチエア）１０１１によって、内部的に保護されている。冷却空気は、融解された浮遊粒子１００８の中心流と著しく混合することなく、層流または旋回流１０１３でチャンバー内壁の周りで融解チャンバー１００７の内部を流れる。この空気流もまた、耐火性内張り１０１０を保護し、熱損失を制限する。

[0160]融解粒子１００８は、次に冷却チャンバーまたはクエンチゾーン１０１４に入り、ここでは粒子は一次クエンチエア１０１３と相互作用し、任意に分配器１０１６を通過して、冷却チャンバー１０１４に注入された１０１７二次冷却クエンチエア１０１５と相互作用する。

[0161]クエンチ処理された熱固体粒子１０１８は、懸濁体としてパイプ１０１９を通して流れ、サイクロン分離器１０２０において熱ガスから分離される。熱固体ガラス状粒子は、バルブ１０２１を通過し、熱を冷却燃焼用空気１０２４で交換し、燃焼用空気余熱サイクロン１０２２において分離される。バルブ１０２３は、圧力を調節し、微小球体ガラス状生成物１０９の捕集を可能にする。サイクロン分離器１００３、１０２０，１０２２は、プロセスのエネルギー効率を増大させる重要な熱回収ループのための固体／ガス熱交換器としても機能する。サイクロン１０２０では、融解チャンバー１００７からの熱ガスは固体から分離され、これらのガスは、サイクロン１００３での分離の前に、より低温の供給原料粉末１０１を余熱する。熱交換された排出ガス１０２７は、好適な排出システム（例えば、バグハウスおよび送風機）に向かうか、または熱交換サイクロンの更なる段階を通過する。サイクロン１０２２では、熱クエンチ処理粒子１０１８は熱を冷燃焼用空気１０２４で交換し、余熱された燃焼用空気が余熱された供給原料粉末を融解チャンバー１００７に運ぶために使用され、これにより浮遊した粒子の融解を達成するために添加されねばならないエネルギーの相当量を削減する。

[0162]実施例１：合成球体粒子による降伏応力の低減
[0163]ジオポリマーセメントミックスの粘度に対する改善を実証するために、以下の手順を採用した。１０マイクロメートルのＤ［３，２］平均粒子直径および微破砕粉末に典型的な角ばった形態を有する、酸化物組成のＳｉО２－７３．７７％；Ａｌ２О３－１１．８２％；Ｆｅ２О３－１．４２％；ＭｇО－０．１％；ＣａО－０．２８％；Ｎａ２О－４．２２％；Ｋ２О－４．０９％の市販の破砕化した火山ガラス粉末を購入した。火山ガラス粉末試料４０２（図４）を、気中融解の本発明で開示された方法によって処理し、１１マイクロメートルのＤ［３，２］平均粒度、および真円度Ｒ＞８によって特徴付けられた、実質的に球体の形態を有する最適に融解／クエンチ処理された粉末４０３を作り出した（図４を参照）。より具体的には、天然の火山ガラス粉末（角ばった形態）は、図８および図９に示した装置によって処理された。バーナーは、市販のＳｈａｎｇｈａｉ Ｗｅｌｄｉｎｇ ＆ Ｃｕｔｔｉｎｇ Ｔｏｏｌ Ｗｏｒｋｓ製の、修正された粉末投入部を備えた酸素－プロパンバーナーモデルＱＨＴ－７／ｈＡであり、バーナーは水冷壁を備えた鋼融解チャンバーに発火し、粒子温度は材料の平均液相温度、組成データから推測されるように約１３００℃を超えた。液相温度は、ｉ）液相での表面張力からの結果としての微小球体形態、ｉｉ）均質の組成（後方散乱電子イメージング下で）およびｉｉｉ）最終的試薬中の未融解または部分的に融解した粒子の不在に基づいて、超過したと解釈される。この実験では、バーナーは融解チャンバーにしっかりと密閉されておらず、それによって冷クエンチエアは、融解チャンバーの壁に沿って押し寄せ、融解を可能にする十分な滞留時間後に融解した同伴粉末のみをクエンチ処理した。クエンチ処理された熱粉末が、図８に示すようにサイクロンで熱燃焼用ガスから分離され、ガラス粉末を試験用に捕集した。この実施例で得られる生成物は、原材料と等しい組成およびほぼ等しい粒度分布（図４）の高度に球体の合成ガラス（Ｄ［３，２］＝１１マイクロメートル）である。

[0164]微小球体鉱物ガラス粉末は、１９．６８のモルＳｉ／（Ａｌ，Ｆｅ^３＋）、および（Ｃａ，Ｍｇ）_０．１２・（Ｎａ，Ｋ）_０．８９・（Ａｌ，Ｆｅ^３＋）_１・Ｓｉ_{１９．６８}のモルセメント系試薬式、ならびに０．２８重量％のＣａО（０．３８％のＣａО，ＭｇО）を有する。

[0165]この実験は、等しい組成およびほぼ等しい粒度分布（レーザー回折粒度分析によって確認、図４）を有する２つのジオポリマー試薬を比較する。大幅に変更された変数は、粒子形態のみである。

[0166]上記粉末は、以下の角ばった火山ガラスのための、最小量の水使用に最適化されたミックスデザイン（「ミックスＡ」）を使用してジオポリマー結合材ペーストとして別々に混合した。

[0167]１．７７モルの水、０．１２モルのＮａ_２О＋Ｋ_２О、０．８２モルのＳｉО_２および０．０８モルのＡｌ_２О_３＋Ｆｅ_２О_３を含有する９９．５ｇの混合物を作製する。Ａｌ_２О_３＋Ｆｅ_２О_３の供給源は、セメント系試薬ガラスまたは火山ガラスである。ＳｉО_２の供給源もまた、セメント系試薬または火山ガラスおよびケイ酸カリウムである。酸化カリウムの供給源は、ケイ酸カリウムおよび水酸化カリウムである。各ミックスの酸化物モル比を、以下に示した表１に提供する。

[0168]球体ミックスＡは、角ばったミックスＡと同じ質量比率で混合されるとき、あまりにも流動性であって、４０重量％のＨ_２Оの非常に高い含水量であっても非常に不良の加工可能性を有した。驚くべきことに、１５重量％のＨ_２Оのみを含有する球体ミックスＢは、約６Ｐａの低降伏応力によって示されるように、優れた加工可能性を有した。

[0169]ガラス状球体粉末を等量の固体試薬であるが、より低い比率のケイ酸塩硬化剤および水と再度混合した（「ミックスＢ」）。
[0170]０．７３モルの水、０．１１モルのＮａ_２О＋Ｋ_２О、０．８モルのＳｉО_２および０．０８モルのＡｌ_２О_３＋Ｆｅ_２О_３を含有する７９ｇの混合物を作製した。Ａｌ_２О_３＋Ｆｅ_２О_３の供給源は、球体セメント系試薬である。ＳｉО_２もまた球体セメント系試薬およびケイ酸カルシウムである。酸化カリウムの供給源はケイ酸カリウムおよび水酸化カリウムである。各ミックスの酸化物モル比を、以下に示した表１に提供する。

[0171]ミニコーンスランプ試験（Ｔａｎら２０１７によって記載された）を採用して角ばった粉末ミックスＡ（広がり半径２４ｍｍ）、および球体粉末ミックスＢ（広がり半径６０ｍｍ）のおよその降伏応力を決定した。角ばった粉末は、４２５Ｐａ以上のおよその降伏応力を有する非せん断流動質量を生成した（Ｐｉｅｒｒｅら２０１３（Ｐｉｅｒｒｅ，Ａ．，Ｌａｎｏｓ，Ｃ．，＆ Ｅｓｔｅｌｌｅ，Ｐ．（２０１３）．Ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ ｏｆ ｓｐｒｅａｄ－ｓｌｕｍｐ ｆｏｒｍｕｌａｅ ｆｏｒ ｙｉｅｌｄ ｓｔｒｅｓｓ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｒｈｅｏｌｏｇｙ，２３（６），３６－４４）に詳説されたスランプフロー方程式１０によって計算された）。驚くべきことに、球体ミックスは約６．５Ｐａのみの降伏応力を有する容易に注入可能な樹脂状流体を、更に生成する角ばったミックス（可溶性ケイ酸塩硬化剤中に水を含む）のわずか４１％の分子含水量を有した（Ｔａｎら２０１７（Ｔａｎ，Ｚ．，Ｂｅｒｎａｌ，Ｓ．Ａ．，＆ Ｐｒｏｖｉｓ，Ｊ．Ｌ．（２０１７）．Ｒｅｐｒｏｄｕｃｉｂｌｅ ｍｉｎｉ－ｓｌｕｍｐ ｔｅｓｔ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｆｏｒ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｙｉｅｌｄ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓ ｐａｓｔｅｓ．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，５０（６），２３５）の拡散流方程式によって計算される）。

[0172]

[0173]角ばったミックスＡおよび球体ミックスＢを、密封した容器内で、摂氏８０度で６時間、加熱して硬化させた。角ばったペーストは、おそらくは高い含水量が原因で、硬化が不十分であったが、一方球体ペーストは、微細なガラス状表面を有するセラミック様固体に硬化した。

[0174]実施例２：玄武岩「ＦＣ」
[0175]新生代玄武岩質岩石を、ブリティッシュコロンビア州のバンクーバーでサンプリングした。岩石の鉱物特性は、斜長石、透輝石および風化生成物の可能性が高い粘土様相により主に支配される（表２、リートベルト法（Ｒｉｅｔｖｅｌｄ ｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔ）を用いてＸＲＤにより決定）。主な要素の酸化物組成が、表３に提供される。

[0176]

[0177]

[0178]ジョークラッシャーで玄武岩を破砕し、次いでディスクミルで粉砕し、リングミル内でおよそ１０μｍの平均粒度を有する粉末に更に縮小させた。鉱物を液体転移によりおよそ１４５０℃に加熱するガラス化装置に粉末を送り込み、続いて迅速なクエンチ処理ステップを行った。得られたガラスは、９６．７％のＸ線非晶質であった（表４）。

[0179]

[0180]微小球体玄武岩ガラス粉末は、６．９３のモルＳｉ／（Ａｌ，Ｆｅ^３＋）、および（Ｃａ，Ｍｇ）_３．１５・（Ｎａ，Ｋ）_０．２１・（Ａｌ，Ｆｅ^３＋）_１・Ｓｉ_６．９３のモルセメント系試薬式ならびに９．５１重量％のＣａО（１７．３％のＣａО，ＭｇО）を有した。

[0181]個々の粒子が高度に球体であることを観察し、平均真円度Ｒは＞０．８（前に定義したように）であり、Ｄ［３，２］は１０．５μｍである。
[0182]１．３１モルの水、０．１モルのＮａ_２О＋Ｋ_２О、０．８８モルのＳｉО_２および０．２４モルのＡｌ_２О_３＋Ｆｅ_２О_３を含有する１３１ｇの混合物を作製した。Ａｌ_２О_３＋Ｆｅ_２О_３の供給源は、上記で調製した微小球体玄武岩粉末である。ＳｉО_２の供給源も玄武岩粉末およびケイ酸カリウムである。酸化カリウムの供給源は、ケイ酸カリウムおよび水酸化カリウムである。酸化物モル比を、以下に示した表５に提供する。

[0183]

[0184]ミニスランプコーン試験をジオポリマーセメントペーストで実行し、９８．４ｍｍの流動直径および２１．７Ｐａの計算された降伏応力をもたらした。１１０ｇの砂をペーストに添加し、続いて摂氏８０度で密封養生（ｓｅａｌｅｄ ｃｕｒｉｎｇ）を６時間行った。モルタル試料キューブの圧縮強度は、１９ＭＰａであると決定した。

[0185]実施例３：玄武岩「ＢＤ」
[0186]市販の粉末状の玄武岩「ＢＤ」は、以下に示す表６に提供される酸化物組成を有する。

[0187]

[0188]粉末を、液相変化を介して材料をおよそ１４５０℃に加熱するガラス化装置に送り込み、続いて迅速なクエンチ処理ステップを行った。高度に球体のバルク粒子形態によって、大部分の粒子についての液相を介しての成功した融解が示された。

[0189]微小球体玄武岩試薬粉末「ＢＤ」は、７．８４のモルＳｉ／（Ａｌ，Ｆｅ^３＋）、および（Ｃａ，Ｍｇ）_２．６６・（Ｎａ，Ｋ）_０．２３・（Ａｌ，Ｆｅ^３＋）_１・Ｓｉ_７．８４のモルセメント系試薬式ならびに９．６６重量％のＣａО（１４．０４％のＣａО，ＭｇО）を有した。個々の粒子が高度に球体であることを観察し、真円度Ｒは０．８超であり、Ｄ［３，２］は、レーザー回折によって測定されるように８．０μｍである。

[0190]１．５３モルの水、０．０９モルのＮａ_２О＋Ｋ_２О、０．７５モルのＳｉО_２および０．１７モルのＡｌ_２О_３＋Ｆｅ_２О_３を含有する１１６ｇの混合物を作製した。Ａｌ_２О_３＋Ｆｅ_２О_３の供給源は、上記で調製した微小球体玄武岩粉末である。ＳｉО_２の供給源も玄武岩粉末およびケイ酸カリウムである。酸化カリウムの供給源は、ケイ酸カリウムおよび水酸化カリウムである。酸化物モル比を、表７に提供する。

[0191]

[0192]１１０ｇの砂を混合物に添加し、続いて摂氏８０度で密封養生を６時間行った。３つの試料から、モルタルの平均圧縮強度は、２．２２ＭＰａの標準偏差で２７．４ＭＰａであると決定した。

[0193]実施例４：石炭尾鉱
[0194]ノバスコシア州ケープブリトンから取得した石炭尾鉱は、およそ６０％の残留石炭および４０％の鉱物材料からなる。無機部分は、以下に示した表８に提供される酸化物組成を有する。

[0195]

[0196]９．９μｍの測定されたＤ［３，２］を有する乾燥石炭尾鉱を、過剰の石炭を燃焼するガラス化装置に送り込み液相変化を通して無機材料をおよそ１４５０℃に加熱し、続いて迅速なクエンチ処理ステップを行った。供給原料中の石炭部分は、かなりのエネルギーをプロセスに付加し、火炎力は、同じ質量流量で処理された「不活性な」玄武岩と比較して、少なくとも４６％の石炭尾鉱の処理を増加させた。

[0197]平均真円度（Ｒ）＞０．８、およびＤ［３，２］は１１．２μｍである高度に球体のバルク粒子形態によって、無機粒子についての液相を介しての成功した融解が示された。

[0198]微小球体石炭備考試薬粉末は、５．６６のモルＳｉ／（Ａｌ，Ｆｅ^３＋）、および（Ｃａ，Ｍｇ）_０．３８・（Ｎａ，Ｋ）_０．１０・（Ａｌ，Ｆｅ^３＋）_１・Ｓｉ_５．６６のモルセメント系試薬式ならびに１．７重量％のＣａО（２．５６％のＣａО，ＭｇО）を有する。

[0199]０．５７モルの水、０．０４モルのＮａ_２О＋Ｋ_２О、０．４２モルのＳｉО_２および０．１２モルのＡｌ_２О_３＋Ｆｅ_２О_３を含有する４５ｇの混合物を作製した。Ａｌ_２О_３＋Ｆｅ_２О_３の供給源は、上記で調製した石炭尾鉱微小球体粉末である。ＳｉО_２の供給源も石炭尾鉱粉末およびケイ酸ナトリウムである。酸化ナトリウムの供給源は、ケイ酸ナトリウムおよび水酸化ナトリウムである。酸化物モル比を、以下に示した表９に提供する。

[0200]

[0201]混合物をキューブ型にキャストし、続いて摂氏８０度で密封養生を６時間行った。試料は離型され、２１ＭＰａの圧縮強度およびガラス状セラミック様表面を有することが分かった。

[0202]実施例５：浚渫沈殿物
[0203]沈殿物試料を、ブリティッシュコロンビア州のバンクーバーハーバーの中心部から取得し、浚渫沈殿物の例として示した。試料は以下に示す表１０に提供された酸化物組成を有する。

[0204]

[0205]試料を乾燥させ、４７μｍの質量メジアン直径Ｄ５０を有することが分かった。次に、試料をふるいにかけ、７５μｍを通過しない粒子を除去した。
[0206]この粉末を、液相変化を介して材料をおよそ１４５０℃に加熱するガラス化装置に送り込み、続いて迅速なクエンチ処理ステップを行った。

[0207]高度に球体のバルク粒子形態によって、大部分の粒子についての液相を介しての成功した融解が示された。微小球体沈殿物試薬粉末は、１１．４９のモルＳｉ／（Ａｌ，Ｆｅ^３＋）、および（Ｃａ，Ｍｇ）_１．５５・（Ｎａ，Ｋ）_０．５１・（Ａｌ，Ｆｅ^３＋）_１・Ｓｉ_{１１．４９}のモルセメント系試薬式ならびに４．４２重量％のＣａО（７．１４％のＣａО，ＭｇО）を有する。

[0208]個々の粒子は、平均真円度（Ｒ）＞０．８、および１１．８μｍのＤ［３，２］を有して、高度に球体かつ滑らかである。
[0209]０．８９モルの水、０．０９モルのＮａ_２О＋Ｋ_２О、０．８モルのＳｉО_２および０．１３モルのＡｌ_２О_３＋Ｆｅ_２О_３を含有する９８ｇの混合物を作製する。Ａｌ_２О_３＋Ｆｅ_２О_３の供給源は、上記で調製した微小球体沈殿物粉末である。ＳｉО_２の供給源も沈殿物鉱粉末およびケイ酸カルシウムである。酸化カリウムの供給源は、ケイ酸カリウムおよび水酸化カリウムである。酸化物モル比を、表１１に提供する。

[0210]

[0211]１１０ｇの砂を混合物に添加し、試料をキューブ型にキャストし、続いて摂氏８０度で密封養生を６時間行った。モルタルキューブの圧縮強度を２５ＭＰａであると決定した。

[0212]実施例６：銅尾鉱
[0213]はん岩銅浮選尾鉱の試料をアルゼンチンから取得し、世界的に豊富なアルミノケイ酸塩廃棄材料の一例として示した。試料は、以下に示す表１２に提供された酸化物組成を有する。

[0214]

[0215]試料をふるいにかけて、７５μｍを通過しない粒子を除去した。この粉末を、液相変化を介して材料をおよそ１４５０℃に加熱するガラス化装置に送り込み、続いて迅速なクエンチ処理ステップを行った。高度に球体のバルク粒子形態によって、大部分の粒子についての液相を介しての成功した融解が示された。

[0216]微小球体尾鉱試薬粉末は、１４．２のモルＳｉ／（Ａｌ，Ｆｅ^３＋）、および（Ｃａ，Ｍｇ）_０．６・（Ｎａ，Ｋ）_０．５・（Ａｌ，Ｆｅ^３＋）_１・Ｓｉ_１４．２のモルセメント系試薬式ならびに１．９４重量％のＣａО（４．８７％のＣａО，ＭｇО）を有する。

[0217]個々の粒子は、高度に球体かつ滑らかであり、平均真円度（Ｒ）は０．８超であり、Ｄ［３，２］は１１．４μｍである。
[0218]０．７６モルの水、０．１１モルのＮａ_２О＋Ｋ_２О、１．０４モルのＳｉО_２および０．１３モルのＡｌ_２О_３＋Ｆｅ_２О_３を含有する１０３．６ｇの混合物を作製する。Ａｌ_２О_３＋Ｆｅ_２О_３の供給源は、上記で調製した微小球体尾鉱粉末である。ＳｉО_２の供給源も尾鉱粉末およびケイ酸カリウムである。酸化カリウムの供給源は、ケイ酸カリウムおよび水酸化カリウムである。酸化物モル比を、以下に示す表１３に提供する。

[0219]

[0220]１１０ｇの砂を混合物に添加し、試料をキューブ型にキャストし、続いて摂氏８０度で密封養生を６時間行った。モルタルキューブの圧縮強度を１８ＭＰａであると決定した。

[0221]実施例７：廃棄コンクリート
[0222]構造コンクリートコアをブリティッシュコロンビア州のバンクーバーの中層マンション建設現場からサンプリングした。材料は以下に示す表１４に提供された酸化物組成を有する。

[0223]

[0224]試料をふるいにかけて、７５μｍを通過しない粒子を除去した。この粉末を、液相変化を介して材料をおよそ１４５０℃に加熱するガラス化装置に送り込み、続いて迅速なクエンチ処理ステップを行った。

[0225]高度に球体のバルク粒子形態によって、大部分の粒子についての液相を介しての成功した融解が示された。
[0226]微小球体コンクリート試薬粉末は、１２．３のモルＳｉ／（Ａｌ，Ｆｅ^３＋）、および（Ｃａ，Ｍｇ）_３．０６・（Ｎａ，Ｋ）_０．７・（Ａｌ，Ｆｅ^３＋）_１・Ｓｉ_１２．３のモルセメント系試薬式ならびに１２．５５重量％のＣａО（１３．９７％のＣａО，ＭｇО）を有する。

[0227]個々の粒子は、高度に球体かつ滑らかであり、平均真円度（Ｒ）は０．８超であり、Ｄ［３，２］は１０．０μｍである。
[0228]１．２７モルの水、０．０８モルのＮａ_２О＋Ｋ_２О、０．７３モルのＳｉО_２および０．１３モルのＡｌ_２О_３＋Ｆｅ_２О_３を含有する１００ｇの混合物を作製する。Ａｌ_２О_３＋Ｆｅ_２О_３の供給源は、上記で調製した微小球体コンクリート粉末である。ＳｉО_２の供給源もコンクリート粉末およびケイ酸カリウムである。酸化カリウムの供給源は、ケイ酸カリウムおよび水酸化カリウムである。酸化物モル比を、以下に示す表１５に提供する。

[0229]

[0230]１００ｇの砂を混合物に添加し、試料をキューブ型にキャストし、続いて摂氏８０度で密封養生を６時間行った。モルタルキューブの圧縮強度を２７ＭＰａであると決定した。

[0231]実施例８：採石骨材
[0232]カナダのバンクーバー近郊の骨材採石場からの花崗閃緑岩クラッシャーダストを以下の実験のためにサンプリングした。試料はおよそＳｉО_２－７３％；Ａｌ_２О_３－１５％，Ｆｅ_２О_３－３％；ＭｇО－０％；ＣａＯ－２％；Ｎａ_２О－３％；Ｋ_２О－４％の酸化物組成（ＳＥＭ－ＥＤＸ）を有する。岩石を、７５μｍを完全に通過する微細粉末に更に破砕およびミリングした。

[0233]得られた粉末を、液相変化を介して材料をおよそ１４５０℃に加熱する気中ガラス化装置によって処理し、続いて迅速なクエンチ処理ステップを行った。
[0234]高度に滑らかかつ球体のバルク粒子形態によって、大部分の粒子についての液相を介しての成功した融解が示された。

[0235]個々の粒子は、高度に球体かつ滑らかであり、平均真円度（Ｒ）は０．８超であり、Ｄ［３，２］は９．３μｍである。微小球体花崗閃緑岩ガラス試薬粉末は、１６．０のモルＳｉ／（Ａｌ，Ｆｅ^３＋）、および（Ｃａ，Ｍｇ）_２．５・（Ｎａ，Ｋ）_４．４・（Ａｌ，Ｆｅ^３＋）_１・Ｓｉ_１６．０のモルセメント系試薬式ならびに２重量％のＣａО（２％のＣａО，ＭｇО）を有する。

[0236]１．５３モルの水、０．１モルのＮａ_２О＋Ｋ_２О、０．９３モルのＳｉО_２および０．１２モルのＡｌ_２О_３＋Ｆｅ_２О_３を含有する１０５ｇの混合物を作製する。Ａｌ_２О_３＋Ｆｅ_２О_３の供給源は、上記で調製した微小球体骨材粉末である。ＳｉО_２の供給源も骨材粉末およびケイ酸カリウムである。酸化カリウムの供給源は、ケイ酸カリウムおよび水酸化カリウムである。酸化物モル比を、表１６に提供する。

[0237]

[0238]上記混合物をペーストとしてキューブ型にキャストし、続いて摂氏８０度で密封養生を２４時間行った。ペーストキューブの圧縮強度を１１ＭＰａであると決定し、予想通りに、材料が熱硬化で強度を増すことを示している。より低い相対強度は、砂の省略（モルタルのように）、および比較的不活性なフィラーとして作用する、他の実施例と比べてより高い未融解の石英鉱物含有量（石英は＞１６００℃で融解する）によって説明することができる。

[0239]実施例１～８の要約
[0240]以下の表１７は、実施例１～８の主な結果を要約し、また２つのフライアッシュ、すなわち、１つは加工された市販のＦ型フライアッシュ（Ｂ～ＦＡ）、およびカナダのノバスコシア州の石炭火力発電所から直接サンプリングした合成セメント型組成のフライアッシュの性能の比較も提供する。真円度Ｒの分布の視覚表現を、図５に提供する。

[0241]

[0242]実施例９：合成セメント系試薬の代替ＳＣＭとしての使用
[0243]上記実施例３の微小球体玄武岩試料「ＢＤ」を、リングミルで５分間、粉末を破砕化することによって更に処理し最も粗い粒子を破壊させて、これにより反応性表面積を増加させた。Ｄ［３，２］粒度をレーザー回折分析によって、３．６μｍであると決定した。興味深いことに、＜１０μｍの小球はミル内でボールベアリングとして作用する傾向があり、破損に抵抗する。試薬の強度活性指数を、ＳｉО_２－５２．０９％；Ａｌ_２О_３－１８．５８％、Ｆｅ_２О_３－４．２５％；ＭｇО－２．９８％；ＣａＯ－１０．２５％；Ｎａ_２О－６．０３％；Ｋ_２О－１．７２％の酸化物組成を有する市販の高品質Ｆ型フライアッシュと比較した。

[0244]ＡＳＴＭ Ｃ６１８に従って、ポルトランドセメント対照ミックス、フライアッシュを有するポルトランドセメント（２０％および４０％の代替品）、およびセメント系試薬ＢＤ粉末を有するポルトランドセメント（同じく２０％および４０％の代替品）の５０ｍｍキューブをキャストした。表１８は、７日目および２８日目の圧縮強度の結果を提供する。ＢＤミックスの２０％の代替品で性能を市販のＦ型フライアッシュと比較したところ、強度活性指数は許容可能であった。ＢＤミックスは容易に作業可能であり、問題なく混合された。とりわけ、ＢＤ試薬およびフライアッシュの両方とも、ポルトランドセメントの４０％の代替品で２８日後に４０ＭＰａを超える非常に有用なモルタル強度を生じた。したがって、ＢＤセメント系試薬は圧縮強度に関して好適なフライアッシュ代替品とみなすことができる。

[0245]

[0246]セメント系材料
[0247]いくつかの実施形態によれば、セメント系試薬、ジオポリマー試薬および補助セメント系材料（ＳＣＭ）の生成および使用の新規方法は、既知の方法および製法を超える大幅な利点を提供する。

[0248]いくつかの実施形態によれば、セメント系試薬は酸化物式１を含む：（ＣａＯ，ＭｇＯ）ａ・（Ｎａ_２Ｏ，Ｋ_２Ｏ）ｂ・（Ａｌ_２Ｏ_３，Ｆｅ_２Ｏ_３）ｃ・（ＳｉＯ_２）_ｄ［式１］
式中、ａは約０～約４であり、
ｂは約０．１～約１であり、
ｃは１であり、
ｄは約１～約１５である。

[0249]好都合なことに、本発明によるセメント系試薬は、豊富な岩石、鉱物および好適な組成の化合物から配合される。好ましくは、セメントのＣО２の影響を削減するためにＣａＯ含有量は、約３０重量％よりも低い。

[0250]いくつかの実施形態では、セメント系試薬は、非結晶性固体の形態である。実施形態では、セメント系試薬は、およそ２０μｍ以下、または好ましくは１０μｍ以下のＤ５０（メジアン直径）を有する粒度分布を構成する粉末形態である。

[0251]実施形態では、セメント系試薬は、４５％～１００％、および好ましくは９０～１００％の含有量のＸ線非晶質固体、ならびに（Ｃａ，Ｍｇ）_０～１２・（Ｎａ，Ｋ）_{０．０５～１}・（Ａｌ，Ｆｅ^３＋）_１・Ｓｉ_１～２０のモル組成比のうちの少なくとも１つの特性を含む。

[0252]いくつかの実施形態では、セメント系試薬は、約１０重量％未満のＣａＯを含む。別の実施形態では、セメント系試薬は約３０重量％を超えるＣａＯを含む。（Ｎａ，Ｋ）、およびＣａのモル比に関するセメント系試薬の組成は、結合材要件に応じてある特定の利点を得るために変化しても良い。例えば、１０重量％未満のＣａＯを有するセメント系試薬は、熱硬化ジオポリマーで使用するために、フライアッシュ代用品として好適である。代わりに、約３０重量％超のＣａОを含むセメント系試薬は、水硬性を有し、ジオポリマー樹脂に添加されてジオポリマーセメントの周囲温度硬化を可能にすることができ、混合されたポルトランドセメントにおける高炉スラグに直接置き換わる。

[0253]いくつかの実施形態では、セメント系試薬は、１～２０のＳｉ／（Ｆｅ^３＋，Ａｌ）のモル組成、および約１０重量％以下のＣａＯ含有量を有する低カルシウム含有セメント系試薬である。好ましくは、そのようなセメント系試薬は、４０～１００％のＸ線非晶質であり、より好ましくは約８０％～約１００％のＸ線非晶質であり、更により好ましくは、１００％非結晶性である。そのような低カルシウム含有セメント系試薬は、例えば、水硬性セメントにおけるポゾラン混和剤として、および／またはジオポリマー結合材ならびにセメントにおける試薬として、多数の商業的用途を見出すことができる。

[0254]別の実施形態では、セメント系試薬は、１～２０のＳｉ／（Ｆｅ^３＋，Ａｌ）のモル組成、および約１０～約５０重量％、好ましくは約２０～約４５重量％のＣａＯ含有量を有する高カルシウム含有セメント系試薬である。好ましくは、そのようなセメント系試薬は、４０～１００％のＸ線非晶質であり、より好ましくは約８０～約１００％のＸ線非晶質であり、更により好ましくは、１００％非結晶性である。そのような高カルシウム含有セメント系試薬は、例えば、混合水硬性セメントにおける水硬性混和剤として、および／またはジオポリマー結合材ならびにセメントにおける試薬として、多数の商業的用途を見出すことができる。

[0255]別の実施形態では、セメント系試薬は、１～２０のＳｉ／（Ｆｅ^３＋，Ａｌ）のモル組成、および約１０～約２０重量％のＣａＯ含有量を有する中間カルシウム含有セメント系試薬である。好ましくは、そのようなセメント系試薬は、約４０～１００％のＸ線非晶質、および好ましくは約８０％～約１００％のＸ線非晶質であり、および更により好ましくは１００％非結晶性である。そのような中間カルシウム含有セメント系試薬は、例えば、所望の中間水硬性およびホゾラン特性を有するセメント系試薬として、多数の商業的用途を見出すことができる。

[0256]本発明によるセメント系試薬においてＮａ／Ｋを最適化する１つの重要な利点は、１）水硬性セメント中の遊離石灰が可溶性アルカリで交換され、セメント系試薬に由来するシアル酸塩分子と配位しある程度まで比較的安定なアルカリアルミノケイ酸塩重合を作り出し、これが伝統的な水硬性セメントの化学的特性を大いに改善するＳＣＭ用途、および２）相当量のＮａ／Ｋ含有量を有するジオポリマー試薬が、そうでなければ、必要とされるものよりも少ない可溶性ケイ酸塩硬化剤を必要とするという事実にあり、したがってジオポリマーミックス設計の可溶性ケイ酸塩の要件（およびコスト）を削減する。

[0257]調製の方法
[0258]いくつかの実施形態では、アルミノケイ酸材料は、セメント系試薬を生成するための供給原料として選択される。図１は、本発明の実施形態による、アルミノケイ酸塩材料からセメント系試薬を生成するために必要な例示的なステップを示す。

[0259]簡単に言うと、アルミノケイ酸塩材料１０１が選択され、その化学組成が分析され１０２、および評価される。供給原料はＸＲＦ、リートベルト法を用いたＸＲＤ、ＬＩＢＳ、ＥＤＳ、湿式化学分析、および供給原料の元素組成を決定するための様々な他の既存の方法などの任意の好適な定量的、もしくは半定量的方法によって分析され得る。

[0260]選択された組成が許容されない場合、例えば組成調節材料１０４の添加を通して材料は修正され、ブレンドされ（例えば熱化学的処理の前に容器内で）、または選別される１０３。本明細書で使用される場合、用語「組成調節材料」とは、アルミノケイ酸塩材料のバルク組成を元素Ｃａ、Ｎａ、Ｋ、Ａｌ、Ｆｅ、およびＳｉのうちの１つまたはいくつかに対して優先的に変更するために、好適な組成を有する任意の固体または液体材料を指す。

[0261]上述したように、カルシウム（Ｃａ）を導入する組成調節材料は、ＣａＣО_３、Ｃａ（ＯＨ）_２、ＣａＯ、ＣａＣｌ、ケイ酸カルシウム鉱物ならびに化合物、ケイ酸アルミニウムカルシウム鉱物ならびに化合物、廃棄ポルトランドセメント製品、ウォラストナイト、ゲーレナイト、および他のメリライト群鉱物組成から構成され得る。

[0262]上述したように、アルミニウム（Ａｌ）を導入する組成調節材料は、カオリナイト、ハロイサイト、ならびに他のアルミニウムが豊富な／アルカリ性の少ない粘土鉱物、Ａｌ_２ＳｉＯ_５多形体、クロリトイド、スタウロライト、ガーネット、コランダム、ムライト、ゲーレナイト、ジアスポア、ベーマライト、ギブサイト、およびネフェリンならびに他の準長石のうちの１つ以上を含むアルミニウム岩石、鉱物、土壌、沈殿物、副産物、および化合物から構成され得る。使用することができる他の材料としては、アルミニウム金属、ボーキサイト、アルミナ、赤泥（アルミナ精錬所残留物）が挙げられる。

[0263]上述したように、鉄（Ｆｅ）を導入する組成調節材料は、鉄が豊富な岩石、土壌、沈殿物、副産物、ならびにかんらん石などの化合物、クロライト鉱石（シャモス石、クリノクロアなど）、輝石、角閃石、針鉄鉱、ヘマタイト、マグネタイト、フェリハイドライト、レピドクロサイト、および他のオキシ水酸化鉄組成物、鉄が豊富な粘土ならびにフィロケイ酸塩鉱物、および元素鉄から構成され得る。

[0264]選別１０５はまた、組成調節方法１０３として使用されてもよく、任意の望ましくない廃棄材料が処分されても良い。
[0265]所望の組成を含む得られた固体アルミノケイ酸塩材料は、次に加熱１０６される。加熱は、液体を得るために液相温度を上回る加熱温度に達するように、例えば約１０００～１６００℃でまたは約１３００～１５５０℃で行われる。加熱のためにおよび液体を得るために任意の好適な方法または装置を使用することができ、限定されないが、気中融解および／またはバッチ融解が挙げられる。これは例えば、プラズマ炉、酸素燃料炉、アーク炉、反射炉、ロータリーキルン、太陽炉を使用することによって達成することができる。典型的には、所望の液相を得るために、１０００～１６００℃、および最も典型的には、１３００～１５５０℃の炉温が必要である。

[0266]所望であれば、液体のその融点を降下させ、および／または液体の解重合を誘発させるために、溶剤が固体アルミノケイ酸塩材料に添加されてもよい。溶剤は加熱の前に（例えば、容器）または加熱中に固体アルミノケイ酸塩材料と混合されてもよい。融解物の解重合を誘発させ、および／または融解温度を低下させることができる一般的な溶剤としては、ＣａＦ２、ＣａＣＯ３、廃棄ガラス、くずガラス、ガラスフリット、アルカリ含有鉱物（例えば、長石、ゼオライト、粘土、および準長石鉱物）、ホウ酸塩、ハロゲン化合物（フッ化物ならびに塩化物含有塩）およびカルシウム塩が挙げられる。

[0267]次に、アルミノケイ酸塩液体は、クエンチ処理され１０７、固体を得る。実施形態では、クエンチ処理ステップは、液体の温度をガラス転移より低い温度、例えば約５００℃以下、または好ましくは約２００℃以下に低下させることを含む。実施形態では、クエンチ処理は急速に行われ、すなわち温度は約１０^２Ｋｓ^－１～１０^６Ｋｓ^－１（好ましくは＞１０^３．５Ｋｓ^－１の速度で）低下される。任意の好適な方法がクエンチ処理に使用されてもよく、限定されないが、融解材料を、冷気の十分な流れ、蒸気、または水と適切に接触させて非結晶性固体を生成することが含まれる。

[0268]次に、固体は、粒度を縮小させて１０８、セメント系試薬１０９を得るために、破砕および／または粉砕される。これはボールミル、ローラーミル、および垂直ローラーミルが挙げられるが、これらに限定されない任意の好適な方法または装置を使用して行うことができる。好ましくは、粒度は縮小され、セメント用途に有用な微粉末を得る。実施形態では、粉末はおよそ２０μｍ以下、または好ましくは１０μｍ以下のＤ５０（メジアン直径）を有する粒度分布を構成する。そのような粒度は一般的に、十分な反応性および一貫した材料特性を確実にするために望ましい。

[0269]セメント系試薬の使用
[0270]関連する一態様は、本明細書に記載されるセメント系試薬の幅広い関連性に関する。設計作製されたセメント系試薬の適切な組成は、ジオポリマーセメントおよび水硬性セメント（すなわち、水と反応するセメント）の両方においてかなりの比率で互換的に使用され得る。

[0271]したがって、本明細書に記載される実施形態は、少なくとも５重量％、または少なくとも１０重量％、または少なくとも１５重量％、または少なくとも２０重量％、または少なくとも２５重量％、または少なくとも３０重量％、または少なくとも４０重量％、または少なくとも５０重量％、または少なくとも６０重量％、または少なくとも７０重量％、または少なくとも８０重量％、または少なくとも９０重量％、またはそれ以上の本明細書に記載されるセメント系試薬を含むジオポリマーセメントまたは水硬性セメントを包含する。

[0272]別の態様によれば、いくつかの実施形態は、本明細書に定義されるセメント系試薬を含む、補助セメント系材料（ＳＣＭ）に関する。実施形態では、ＳＣＭは、約５重量％～約５０重量％（好ましくは少なくとも２０重量％）の本明細書に定義されるセメント系試薬を含む。

[0273]別の態様によれば、いくつかの実施形態は、それが許容可能な含有量のＮａ／Ｋ（例えば、少なくとも２重量％、好ましくは少なくとも５重量％）およびＡｌ含有量（例えば、少なくとも５重量％）を伴い、約３５重量％未満のＣａОを含むこと、および非結晶性固体の形態であることのうちの１つ以上の特性を含む補助セメント系材料（ＳＣＭ）に関する。

[0274]別の態様によれば、いくつかの実施形態は、本明細書に記載されるセメント系試薬を含む、すなわち約５重量％～約５０重量％（好ましくは少なくとも２０重量％）の本明細書に定義されるセメント系試薬を含む、固形コンクリートに関する。

[0275]別の態様によれば、いくつかの実施形態は、ポルトランドセメントとは区別される混合水硬性セメントに関する。例えば、固体状態２９Ｓｉ ＮＭＲ分光法は、硬化セメント中のシリカ四面体の結合性の量および種類によって、本発明による低鉄含有量（＜５重量％）の混合水硬性セメントをポルトランドセメント（主要なＣＳＨ結合材構成成分を有する）から区別する。実際には、硬化ポルトランドセメント結合材相は、低配位ならびに水和部位（Ｑ１、Ｑ１（ＯＨ）、Ｑ２、およびＱ２（ＯＨ））、わずかな四面体Ａｌ置換、および高配位がないこと（すなわち、Ｑ３およびＱ４部位がないこと）によって特徴付けられる。本発明によるセメント系試薬を含む混合水硬性セメントは、アルミニウム置換（例えば、Ｑ２（１ Ａｌ））などのユニークな特徴に加えて、上記の典型的なＣＳＨ関連部位、およびポルトランドセメントよりも「高い」レベルの配位（すなわち、分岐）を示すであろう。例えば、本発明による混合水硬性セメントは、少なくともＱ３レベルの配位（例えば、Ｑ３（２Ａｌ），Ｑ３（１Ａｌ），Ｑ３（０ Ａｌ））を含む。実施形態では、本発明による混合水硬性セメントは、従来の水硬性セメントでは知られていない、測定可能な比率（＞１重量％）の三次元架橋（Ｑ４部位）を含有する。別の態様では、本発明は、本明細書で定義されるセメント系試薬、すなわち、約５重量％～約９０重量％（好ましくは、少なくとも２０重量％、少なくとも３０重量％、少なくとも５０重量％、少なくとも７５重量％）の本明細書で定義されるセメント系試薬を含むジオポリマー結合材に関する。

[0276]別の態様によれば、いくつかの実施形態は、約５重量％～約５０重量％（好ましくは少なくとも２０重量％）の本明細書に定義されるセメント系試薬を含む固体ジオポリマーコンクリートに関する。

[0277]当業者であれば、本発明が豊富な安価な天然材料から用途の広い低ＣО_２排出量試薬を生成するための手段を有利に提供することを理解することができる。別の顕著な利点は、拡大し続けるジオポリマー市場のニーズも満たしながら代替ＳＣＭに対する現在の仕様基準を満たす単一の試薬を作り出すことである。

[0278]アルミノケイ酸塩材料
[0279]本明細書に記載するように、いくつかの実施形態は、混合水硬性セメントにおける代替補助セメント系材料（ＳＣＭ）として、および／またはジオポリマー結合材におけるジオポリマー固体試薬として有利に使用され得る（したがって、ＭＫ－７５０、フライアッシュ、ＧＧＢＦＳ、および他の一般的な固体試薬のうちのいくつかまたはそれらの全ての必要性を排除する）固体セメント系試薬を生成するために、アルミノケイ酸塩材料の熱化学的処理のための方法を提供する。

[0280]いくつかの場合には、アルミノケイ酸塩材料は、非結晶性セメント系試薬を生成するために使用される。いくつかの実施形態では、アルミノケイ酸塩材料は、補助セメント系材料（ＳＣＭ）およびジオポリマー試薬のうちの少なくとも１つを生成するために使用される。

[0281]本明細書で使用される場合、用語「アルミノケイ酸塩材料」とは、天然の岩石ならびに鉱物、浚渫物質、岩石ならびに鉱物を含む採鉱廃棄物、廃棄ガラス、アルミノケイ酸塩を保有する汚染材料およびアルミノケイ酸工業の副産物から選択される、アルミニウムおよび／またはＦｅ３＋、ならびに二酸化ケイ素を含む材料を指す。本発明によるアルミノケイ酸塩材料は、好ましくは結晶性固体の形態である（例えば、少なくとも５０重量％、または少なくとも６０重量％、または少なくとも７０重量％、または少なくとも８０重量％、または少なくとも９０重量％、または１００重量％の結晶性固体）。いくつかの実施形態では、アルミノケイ酸塩材料は、少なくとも２重量％の（Ｎａ_２О，Ｋ_２О）、または少なくとも３重量％の（Ｎａ_２О，Ｋ_２О）、または少なくとも４重量％（Ｎａ_２О，Ｋ_２О）の、または少なくとも５重量％の（Ｎａ_２О，Ｋ_２О）、または少なくとも６重量％の（Ｎａ_２О，Ｋ_２О）、または少なくとも７重量％の（Ｎａ_２О，Ｋ_２О）、または少なくとも８重量％の（Ｎａ_２О，Ｋ_２О）、または少なくとも１０重量％の（Ｎａ_２О，Ｋ_２О）、または少なくとも１２重量％の（Ｎａ_２О，Ｋ_２О）、または少なくとも１５重量％の（Ｎａ_２О，Ｋ_２О）、または少なくとも２０重量％の（Ｎａ_２О，Ｋ_２О）を含む。

[0282]いくつかの実施形態では、アルミノケイ酸塩材料は、浚渫沈降物、解体コンクリート、採鉱廃棄物、氷成粘土、氷成堆積物、河川堆積物、岩石と鉱物の混合物、例えば元素Ｃａ，Ｍｇ，Ｎａ，Ｋ，Ｆｅ，ＡｌおよびＳｉのいくつかまたは全てから構成される岩石と鉱物の混合物から選択される。

[0283]いくつかの実施形態では、アルミノケイ酸塩材料は、セメント系試薬を生成するための供給原料として選択される。供給原料は、ＸＲＦ、リートベルト法を用いたＸＲＤ、ＬＩＢＳ、ＥＤＳ、湿式化学分析、および供給原料元素組成を決定するための様々な他の既存の方法などの定量的もしくは半定量的方法によって分析することができる。

[0284]実施例１０：浚渫沈殿物の使用
[0285]沈殿物の試料を、ブリティッシュコロンビア州バンクーバーのフレーザー川の下流の感潮区域から採取した。試料は、細砂、シルトおよび粘土分から構成される。試料の鉱物特性を表１９に提供し（リーベルト法を用いたＸＲＤにより決定）、主な元素の酸化物組成を、鉱物特性から推定した（表２０）。

[0286]

[0287]

[0288]フレーザー川沈殿物（ＦＲＳ）を乾燥させ、分類し、１２０μｍを通過する部分を、材料を融点からおよそ１４５０℃に加熱するガラス化装置に送り込み、続いてクエンチ処理ステップによって粉末を冷却した。得られＦＲＳガラス粉末をボールミル内で＜２０μｍのＤ５０に研削した。得られた粉末のＸ線非晶質成分は、５２％であった。鉱物特性結果から、１１．４６の推定モルＳｉ／（Ａｌ，Ｆｅ^３＋）、および（Ｃａ，Ｍｇ）_１．２５・（Ｎａ，Ｋ）_０．３４・（Ａｌ，Ｆｅ^３＋）_１・Ｓｉ_{１１．４６}のモルセメント系試薬組成ならびに３．３重量％のＣａОをもたらす。これは、「低Ｃａセメント系試薬」の条件を満たす。

[0289]熱硬化ジオポリマー結合材：５部の低Ｃａセメント系試薬を、１部のケイ酸カリウム溶液と混合した（モル比ＳｉＯ_２：Ｋ_２Ｏ＝１．４５）。ペーストをしっかりと混合して、密封型に配置し、８０℃で４時間硬化させた。得られた硬化ペーストは、シリンダー圧縮試験において、少なくとも２０ＭＰａの圧縮強度を達成する。

[0290]周囲硬化ジオポリマー結合材：５部の低Ｃａセメント系試薬を、１部のケイ酸カリウム溶液（モル比ＳｉＯ_２：Ｋ_２Ｏ＝１．４５）、１部の水、および１．５部の細かく破砕されたＣａＳｉＯ_３と混合した。ケイ酸塩溶液をＣａＳｉＯ３粉末と混合して、１５分間反応させた。得られたペーストを、ＦＲＳガラス粉末および水としっかりと混合して、密封型に配置し、２０℃で７日間硬化させた。得られた硬化ペーストは、シリンダー圧縮試験において、少なくとも２０ＭＰａの圧縮強度を達成する。

[0291]ポルトランドセメントにおける周囲硬化ＳＣＭ用途：一連のポルトランドセメントモルタルキューブを、セメントと砂との５０：５０ミックスからキャストした。低Ｃａセメント系試薬を、モルタルミックス中のポルトランドセメントの代わりに、０％、２０％、４０％、６０％、および８０％で置き換えた。キューブを１００％の湿度で７日間硬化させて、キューブの圧縮強度を表２１に提示する。普通ポルトランドセメント（「ＯＰＣ」）の最大６０％の置き換えは、モルタルのＣＯ_２フットプリントを比例的に削減しながら、多くの用途に有用な圧縮強度をもたらす。

[0292]

[0293]実施例１１：解体コンクリートの使用
[0294]構造コンクリートのコアをブリティッシュコロンビア州バンクーバーの２０１９中層住宅団地からサンプリングした。コンクリートの鉱物組成（微細および粗な骨材を含む）を表２２に提供し（リートベルト法を用いるＸＲＤ）、およびバルク元素組成を表２３の鉱物特性から計算する。

[0295]

[0296]

[0297]コンクリートを約２０μｍのＤ５０を有する粉末に、破砕および粉砕した。材料を融点から１４５０℃に加熱するガラス化装置に粉末を送り込み、続いてクエンチ処理ステップを行った。得られたガラス状粒子を、およそ５～１５μｍのＤ５０を有する粉末に細かく研削した。

[0298]この粉末の鉱物特性結果は、９．８８の推定モルＳｉ／（Ａｌ，Ｆｅ^３＋）、および（Ｃａ，Ｍｇ）_２．７９・（Ｎａ，Ｋ）_０．５５・（Ａｌ，Ｆｅ^３＋）_１・Ｓｉ_{１９．８８}モルセメント系試薬組成ならびに１１重量％のＣａОをもたらす。これは、「中間Ｃａセメント系試薬」として認めることができる。

[0299]周囲硬化ジオポリマーセメント：セメントペーストを、粉末状コンクリートガラス（２．５重量部）、モル比ＳｉＯ_２：Ｋ_２Ｏ＝１．４５を有するケイ酸カリウム溶液（０．７４重量部）、および水（０．０８重量部）を使用して十分に混合した。次いで、ペーストを円筒型に配置し、２０℃で硬化させた。硬化時間をビカー針侵入試験によって推定した。初期硬化は５１分で生じ、最終硬化時間は１９５分であった。

[0300]５０：５０の周囲硬化ジオポリマーセメントと砂とを含むモルタルミックスの圧縮強度を、シリンダーを圧縮破壊することによって測定した。３日後、圧縮強度はおよそ２５ＭＰａを達成し、引っ張り強度はおよそ２ＭＰａであった（分割シリンダー法により）。

[0301]高熱性能を試験するために、原構造コンクリートの試料およびジオポリマーの１ｃｍ直径のキャストシリンダーを空気中７５０℃に２時間さらした。ポルトランドセメントコンクリートはヒビが入り、取り扱い時に粉末状になったが、ジオポリマーモルタルシリンダーは、目に見える割れ目または欠損がなく元のままであった。

[0302]本明細書に提示される新規方法、システム、装置、および配合物は、全体を通して詳説されたように多くの利点を提供する。いくつかの例では、新規配合物およびプロセスは、水硬性セメントまたはジオポリマーセメント組成における従来のセメント系添加材の代替品として特に有用である粒子、粉末、または試薬をもたらす。新規配合物は、下記のモル組成を構成することができる。

[0303]

[0304]

[0305]

[0306]

[0307]

[0308]本明細書に提示される新規配合組成は、全体を通して記載された目的に特に適しているユニークな材料をもたらすが、３成分図が３つの組成部分を正確に可視化することに限界があり、総組成の全ての元素部分が、相互依存関係を有するという事実のために３成分図状の個々の元素範囲または領域のみによって材料を区別することは困難な場合がある。

[0309]地球科学的組成は「組成データ」として分類され、単一空間からユークリッド空間への変換（有心対数比変換－ＣＬＲ）を７成分組成に適用し、標準的統計方法が扱うことができる様式でモル組成中にコード化された情報を保存した。

[0310]化学的データのＣＬＲ表現では、ランダムフォレストクラス分類を完了し、この予測モデルから８ルールクラス分類セット（以下に提示）を抽出した。このルールセットを使用して、フライアッシュおよび記載された供給原料組成が、３成分図では、これらの材料間には組成重複があると思われ得る事実にもかかわらず、分離される。このようなクラス分類モデルは、３次元データを超える組成を正確に表現またはクラス分けするのに有用である。

[0311]新規配合物および材料のモデル化
[0312]記載されたガラス状試薬（「新規供給原料」、または代替セメント系材料「ＡＣＭ」）は、時間－温度履歴、ほぼいかなる場所においても製造できること、および問題の重金属汚染物質の比較的低い値などのいくつかの重要な特性においてフライアッシュから区別される。本明細書に記載される主な元素化学組成もまた、組成ルールを使用してフライアッシュから満足のいく程度に容易に区別される。例として、統計的モデルは、文献からのフライアッシュ組成データ、および本明細書に記載される予想された好適な供給原料組成を使用して構築された。クラス分けルールをサブサンプルからトレーニングデータとして生成し、残りの組成（フライアッシュ、および本明細書に記載される新規組成）でテストし、クラス分けルールの精度および予測力を評価した。以下のモデルでは、フライアッシュは９４％が文献からの３３１の広範な組成のフライアッシュであると予測され、他の６％は「ルールセット外」であるとクラス分けされた。フライアッシュ試料で、本明細書に記載される新規供給原料地質材料として誤ってクラス分けされたものはなかった。モデルを、開示されたモル組成範囲に適合する天然地質材料の７０，０００を超える組成に適用したところ、モデルは本明細書に記載される新規供給原料を９９％の成功率で予測する。組成の１％未満が「ルールセット外」のカテゴリーに入った。明確に、本明細書に記載される新規供給原料とフライアッシュなどの他の副産物試薬との間には、有意かつ予測可能な差が存在する。有心対数比座標（ＣＬＲ）で表される組成物だけでも記載されるガラス状粒子の化学的性質をフライアッシュから見分けることで非常に正確である。

[0313]モデルの適用
[0314]以下のモデルを提供するために、
１ 任意の好適な分析方法によって所定のガラス状試料のバルク化学組成を測定し、Ｓｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃａ、Ｍｇ、ＮａおよびＫのモル％を提供する。
２ ７つの元素についてモルデータをＣＬＲ座標に変換する。
３ 以下の条件を順次適用し、試料がそれぞれフライアッシュであるかまたはＴｅｒｒａ試薬であるかを予測する。

[0315]注記：条件が満たされない場合、次の条件を適用する。所定の組成に条件を適用しない場合、ＥＬＳＥは試料がモデルのルールセット外であり、確実に予測され得ないことを予測する。

[0316]ルール
１．＜３５％に等しい重量％のバルクＣａＯ酸化物を有するガラス状材料について、および
２．＞２のバルクモル％比Ｓｉ／Ａｌ。

[0317]とりわけ、上記ルール１はスラグを供給原料としてルール除外するために使用することができ、ルール２はメタカオリン、カオリナイト、ならびに他の１：１の粘土が豊富な供給原料を除外するために使用することができる。次の条件を、以下の表２４に示した論理ＩＦ（条件＝ＴＲＵＥ），ＴＨＥＮ（予測）、ＥＬＳＥ（次の条件に移動）を使用して、非公開のＣＬＲ変換モル試料組成に適用する。

[0318]

[0319]図１１は、３成分図の完全セットにおける新規７部モル組成の領域を示す。丸で囲んだ区域は、新規供給原料と文献からの広範囲のフライアッシュ試料との間の差を強調している。図示した実施例では、４つの３成分図の最上部の行はＳｉの視点を表し、より詳細に図１２に示される。図１１～１５を参照すると、試料の黒色輪郭線は本明細書に記載される、代替セメント系材料（「ＡＣＭ」）を示し、これは新規供給原料と称されてもよい。実施例１～８のＡＣＭ組成は、実施例の組成に相当する数字でラベル付けされた黒い点として示されている（数字および組成は表１７に要約されている）。図に示された灰色の輪郭線は、３３１個の独自の試料に基づいて、フライアッシュ試料の９０％信頼区間を表す（上記統計モデルを使用して分類されたものと同じように）。

[0320]図１１の第２の行は、Ａｌの視点からの３成分図を表し、図１３に更に詳細に示されている。
[0321]図１１の第３の行は、Ｆｅの視点からの３成分図を表し、図１４に更に詳細に示されている。

[0322]最終的に図１１の最後の行は、Ｃａ＋Ｍｇの視点からの３成分図を表し、図１５に非常に詳細に示されている。
[0323]図１１～１５は、それが広範囲のフライアッシュ組成に関するものであり、２つの材料集団が元素モル３成分図であっても互いに非常に区別することができることを明確に示すような新規供給原料を示す。新規供給原料とフライアッシュとの間の明らかに重複する領域は、本明細書に提供される、より高次のクラス分けモデルで区別されることが示されている。本明細書に記載される新規供給原料またはＡＣＭは、とり立てて耐アルカリ性ではなく、試薬としてのアルカリ水酸化物または石灰との反応で沈殿する。

[0324]図１６は、比較的小型の分散型気中ミニキルンを使用して代替セメントコンクリートを作製するプロセス１６００の概略フロー図を示す。ミニキルンは任意の好適な場所に位置することができ、ミニキルンのサイズおよび特性のために、骨材採石場において、コンクリートバッチプラントにおいて、採石場とコンクリートバッチプラントの中間において、または任意の好適な場所で併設することに特に適しており、ポルトランドセメントに依存するコンクリートバッチプラントに典型的に必要とされる輸送時間および距離を最小限に抑えるか、または少なくとも低減する。

[0325]１６０２において、本明細書に記載されるようにアルミノケイ酸塩骨材が提供される。骨材は、任意の好適なアルミノケイ酸塩材料であってもよく、意図した目的のために特別に採掘されてもよく、または尾鉱、研削コンクリート、もしくは何らかの他の種類の骨材などの廃棄材料であってもよい。ブロック１６０４では、アルミノケイ酸塩材料は、本明細書に記載されるように粉末にミリングされる。

[0326]ブロック１６０６では、ミリングされたアルミノケイ酸塩材料が保管され、運送され、または本明細書に記載されるミニキルンの投入物として提供されてもよい。ブロック１６０８では、空気／燃料混合物の燃焼、トーチ、工業用熱、または骨材の温度を上昇させるための何らかのエネルギーの他の形態などの、エネルギーがミリングされたアルミノケイ酸塩骨材に付加される。いくつかの実施形態では、アルミノケイ酸塩粒子は、例えば元素Ｃａ、Ｍｇ、Ｎａ、Ｋ、Ａｌ、Ｆｅ、およびＳｉのうちの１つまたはいくつかに対して所望の比（複数可）に達するために、組成調節材料の添加を通して必要に応じて修正され、ブレンドされる（例えば、熱化学的処理の前に容器内で）。

[0327]ブロック１６０８では、エネルギーがアルミノケイ酸塩骨材を融解させ、これがいくつかの場合、骨材が空気の柱内におよび／または融解チャンバー内の空気／燃料に同伴されるなどの気中状態を引き起こす。

[0328]ブロック１６１２では、骨材が融解およびクエンチ処理された後に、供給原料はガラス状アルミノケイ酸塩粒子になる。いくつかの場合には、粒子は、実質的に、真円度Ｒ＞０．８を有する球体である。

[0329]ブロック１６１４では、粒子は、場合によっては、ミニキルンと併設され得るコンクリートバッチ混合プラントで他の成分と組み合わされる。ブロック１６１６では、例えば、硬化剤、周囲硬化試薬、混和剤、可塑剤、補強材などの添加材がコンクリートに添加され得る。ブロック１６１８では、当該技術分野において既知であるように、砂および粗骨材がセメントに添加されてもよい。

[0330]ブロック１６２０では、最終コンクリート混合物が形成され、使用できる状態になる。
[0331]いくつかの実施形態によれば、セメント生産の方法は、従来の方法と比べてセメント輸送距離（およびしたがってコスト）を減少させる。いくつかの実施形態は、代替セメント系材料（ＡＣＭ）のアルミノケイ酸塩骨材採石場およびコンクリートバッチプラントに近接した分散型生産を可能にする。このＡＣＭは、費用効果が高くかつＣＯ２が削減されたコンクリートを作製するために使用することができる好適な代替セメント配合物における主要な試薬として有利に使用され得る。

[0332]あるいは、ＡＣＭは、従来のコンクリートにおけるポルトランドセメントの割合を置き換え、それによって、得られるコンクリートのコストおよび環境への影響を削減する代替補助セメント系材料（ＡＳＣＭ）として使用されてもよい。

[0333]図１７は、セメントが典型的には、コンクリートバッチプラント１７０４に到着するために長距離運送される、典型的なポルトランドセメントプラント１７０２を示す。同様に、採石場１７０６からの骨材も、コンクリートバッチプラント１７０４でそれらの目的地に到着するために長距離運送され得る。これらの高密度でボリュームがある産物を輸送するための時間およびエネルギーは、コンクリートの製造に関連するコストを劇的に増加させ、ならびにコンクリート生産に関連する全体のＣＯ_２排出量に寄与する。

[0334]図１８は、本明細書に記載されるＡＣＭを利用する代替配置１８００を示す。場合によっては、ＡＣＭミニキルン１８０２は、骨材採石場１７０６現場に併設することができる。このようにして、骨材採石場１７０６で採掘されたアルミノケイ酸塩材料は、骨材を遠隔地に輸送することなく、ＡＣＭミニキルン１８０２の現場で処理することができる。ＡＣＭおよび十分な骨材は、次いで、非常に近接し得るコンクリートバッチプラント１７０４に送ることができる。

[0335]図１９は、本明細書に記載されるＡＣＭを利用する代替配置１９００を示す。図示した実施形態では、ＡＣＭミニキルン１８０２は、コンクリートバッチプラント１７０４と併設され得る。したがって、骨材採石場１７０６からの骨材は、コンクリートバッチプラント１８０２に配送することが可能であり、骨材は、本明細書に記載されるＡＣＭミニキルン１８０２によって使用され得、またコンクリートミックス中の粗骨材としても使用され得る。

[0336]図２０は、本明細書に記載されるＡＣＭを利用する代替配置２０００を示す。図示した実施形態では、ＡＣＭミニキルン１８０２は、骨材採石場１７０６とコンクリートバッチプラント１７０４との間に位置している。この配置では、骨材はＡＣＭミニキルンに配送することができ、ＡＣＭミニキルンは、本明細書に記載されるように、ＡＸＭを配合するために骨材を利用し、ＡＣＭおよび追加の骨材は、コンクリートバッチプラントに運送され得る。

[0337]ミニキルン構造は、ＡＣＭミニキルンのより小型の、更には可搬式の特性をうまく活用する分散システムを可能にする。セメントを長距離運送する必要がある単一の集中型のポルトランドセメントプラントに依存するよりはむしろ、多数のＡＣＭミニキルンがポルトランドセメントプラントに取って代わり、運送時間およびコストを劇的に削減することができる。図１７～２０の図示した実施形態は、骨材採石場、コンクリートバッチプラント、またはそれらの両方に近接してＡＣＭミニキルンを位置付けることによって、機動的、効率的であり、廃棄物を削減する構造を提供する。

[0338]好適な供給原料および供給原料を微小球体ガラス状粒子に変換するプロセスは、２０１９年６月２７日に出願されたシリアル番号第６２／８６７，４８０号および２０２０年４月３日に出願されたシリアル番号第６３／００４，６７３号を有する本出願人の同時係属出願に開示されており、これらの開示全体が、それらの全体で参照により本明細書に組み込まれる。好適な供給原料は、一般に、ある割合のアルミニウムおよび酸化ケイ素の両方を保有する岩石および鉱物である。コンクリートで使用される通常の建設用骨材が、理想的なセメント供給原料として使用するために好適であり、経済的であり、かつ立地条件が良い。以前には、そのような通常結晶性のアルミノケイ酸塩材料からセメント系材料を作製することは不可能であった。

[0339]アルミノケイ酸塩骨材をＡＣＭとして使用する１つの特定の利点は、材料が安価で豊富に入手可能であることである。
[0340]別の特定の利点は、アルミノケイ酸塩骨材は、広範囲に存在しており、一般的に、大部分の市場において、本方法によってＡＣＭを作製するために新たな採石場を認める必要がないことである。

[0341]アルミノケイ酸塩骨材をＡＣＭとして使用する別の特定の利点は、ミニキルン（例えば、シリアル番号第６３／００４，６７３号を有する本出願人の同時係属出願に記載されるような）が、骨材採石場、またはコンクリートバッチプラント、あるいはそれらの両方にもしくはそれらの非常に近くに併設することができ、したがって、セメントの輸送コストを最小限に抑えることができることである。これは、大型の集中型キルンからのセメントが骨材（供給が分散化されている）よりも平均で５～１０倍遠くに移動するために、大きな利点を生じ、広範囲の骨材の可用性、骨材の低価格、および骨材運送からの当然の結果である。

[0342]アルミノケイ酸塩骨材をＡＣＭとして使用する別の特定の利点は、頻繁に、採石場が、「規格外（ｏｆｆ－ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ）」である豊富な副産物材料を有することであり、規格外とは、そのような材料が主な採石場産物と一般に同一の組成を共有するにもかかわらず、特定の等級に対して一般的な使用法がないものを意味する。そのような副産物材料は、砕石骨材採石場において、ならびに砂と砂利の採石場の両方において、非常に安く入手可能である。

[0343]分散型ＡＣＭミニキルンの別の特定の利点は、必要資本量の絶対規模が、ポルトランドセメント生産に必要とされるものの１／１０のオーダーであるにもかかわらず、スループットの単位当たりの資本コストが、従来のロータリーセメントキルンと同様であると予想されることである。

[0344]分散型ＡＣＭミニキルンの別の特定の利点は、スループットの単位当たりの事業経費（ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｅｘｐｅｎｄｉｔｕｒｅｓ）が、ポルトランドセメントの製造における対応する費用を超えると予想されないことである。これにより、ＡＣＭ生産は、より小規模生産でポルトランドセメントとコスト競争力があり、更にその上５～１０倍少ない運送費用を必要とするに過ぎない。

[0345]本開示は、下記の番号が付された項目を含む。
[0346]項目１ 平均真円度（Ｒ）＞０．８であること；および角ばった形態（Ｒ＜０．７）を有する約４０％未満の粒子であることの、１つまたは複数の性質を含む、固体微小球体ガラス状粒子。

[0347]項目２ 上記粒子が少なくとも０．９の平均真円度（Ｒ）を含む、項目１の粒子。
[0348]項目３ 約３０％未満の粒子、または約２５％未満の粒子、または約２０％未満の粒子、または約１５％未満の粒子、または約１０％未満の粒子が、角ばった形態（Ｒ＜０．７）を有する、項目１または２の粒子。

[0349]項目４ 上記粒子が、平均の酸化物式１：（ＣａＯ，ＭｇＯ）ａ・（Ｎａ_２Ｏ，Ｋ_２Ｏ）ｂ・（Ａｌ_２Ｏ_３，Ｆｅ_２Ｏ_３）ｃ・（ＳｉＯ_２）ｄ［式１］：を含み、式中、ａが約０～約４であり、ｂが約０．１～約１であり、ｃが１であり、かつｄが約１～約２０である、項目１から３のいずれか１つの粒子。

[0350]項目５ 上記粒子が、（ｉ）４５％～１００％、好ましくは９０～１００％の含有量が、Ｘ線非晶質固体であること；および（ｉｉ）（Ｃａ，Ｍｇ）_０～１２・（Ｎａ，Ｋ）_{０．０５～１}・（Ａｌ，Ｆｅ^３＋）_１・Ｓｉ_１～２０のモル組成比であることの、１つまたは複数の性質を含む、項目１から４のいずれか１つの粒子。

[0351]項目６ 上記粒子が、４０～１００％Ｘ線非晶質、より好ましくは約８０～約１００％Ｘ線非晶質、更により好ましくは１００％非結晶質である、項目１から５のいずれか１つの粒子。

[0352]項目７ 上記粒子が、約１０重量％未満のＣａＯを含む、項目１から６のいずれか１つの粒子。
[0353]項目８ 上記粒子が、約３０重量％超のＣａＯを含む、項目１から６のいずれか１つの粒子。

[0354]項目９ 上記粒子が、１～２０の間のＳｉ／（Ｆｅ３＋，Ａｌ）および約１０～約５０重量％、好ましくは約２０～４５重量％のＣａＯ含有量の高カルシウム含有量を含む、項目１から６のいずれか１つの粒子。

[0355]項目１０ 上記粒子が、１～２０の間のＳｉ／（Ｆｅ３＋，Ａｌ）のモル組成、および約１０～約２０重量％のＣａＯ含有量の中間カルシウム含有量を含む、項目１から６のいずれか１つの粒子。

[0356]項目１１ 項目１から１０のいずれか１つで定義された微小球体ガラス状粒子の混合物を含む、セメント系試薬。
[0357]項目１２ 微小球体ガラス状粒子の混合物を含み、上記粒子が、（ｉ）平均真円度（Ｒ）＞０．８；（ｉｉ）角ばった形態（Ｒ＜０．７）を有する約２０％未満の粒子；（ｉｉｉ）請求項４で定義された酸化物式１；（ｉｖ）４５％～１００％、好ましくは９０～１００％の含有量がＸ線非晶質固体であること；および（ｖ）（Ｃａ，Ｍｇ）_０～１２・（Ｎａ，Ｋ）_{０．０５～１}・（Ａｌ，Ｆｅ^３＋）_１・Ｓｉ_１～２０のモル組成比；および（ｖｉ）約＜１０重量％のＣａＯである低カルシウム含有量または約１０から約２０重量％のＣａＯである中間カルシウム含有量または＞３０重量％のＣａＯである高カルシウム含有量の、１つまたは複数の性質を含む、セメント系試薬。

[0358]項目１３ 上記セメント系試薬が非結晶質固体の形態である、項目１２のセメント系試薬。
[0359]項目１４ 上記セメント系試薬が粉末の形態である、項目１２または１３のセメント系試薬。

[0360]項目１５ 上記セメント系試薬が、Ｄ［３，２］で約２０μｍ以下、より好ましくは１０μｍ以下、または最も好ましくは５μｍ以下の粒度分布を含む、項目１２から１４のいずれか１つのセメント系試薬。

[0361]項目１６ 上記粒子の混合物が、酸化物式１（ＣａＯ，ＭｇＯ）ａ・（Ｎａ_２Ｏ，Ｋ_２Ｏ）ｂ・（Ａｌ_２Ｏ_３，Ｆｅ_２Ｏ_３）ｃ・（ＳｉＯ_２）ｄ［式１］を含み、式中、ａが約０～約４であり、ｂが約０．１～約１であり、ｃが１であり、かつｄが約１～約２０である、項目１２から１５のいずれか１つのセメント系試薬。

[0362]項目１７ 上記セメント系試薬が約１０重量％未満のＣａＯを含む、項目１２から１６のいずれか１つのセメント系試薬。
[0363]項目１８ 上記セメント系試薬が、約３０重量％超のＣａＯを含む、項目１２から１６のいずれか１つのセメント系試薬。

[0364]項目１９ 上記セメント系試薬が、１～２０の間のＳｉ／（Ｆｅ^３＋，Ａｌ）のモル組成、および約１０～約５０重量％、好ましくは約２０～４５重量％のＣａＯ含有量の高カルシウム含有セメント系試薬である、項目１２から１６のいずれか１つのセメント系試薬。

[0365]項目２０ 上記セメント系試薬が、１～２０の間のＳｉ／（Ｆｅ^３＋，Ａｌ）のモル組成、および約１０～約２０重量％のＣａＯ含有量を持つ、中間カルシウム含有セメント系試薬である、項目１２から１６のいずれか１つのセメント系試薬。

[0366]項目２１ 上記セメント系試薬が、約４０～１００％、好ましくは約８０～約１００％がＸ線非晶質であり、更により好ましくは１００％非結晶質である、項目１２から２０のいずれか１つのセメント系試薬。

[0367]項目２２ 項目１１から２１のいずれか１つに定義されるセメント系試薬を含む、ジオポリマー結合材。
[0368]項目２３ 項目１１から２１のいずれか１つに定義されたセメント系試薬を含む、補助セメント系材料（ＳＣＭ）。

[0369]項目２４ 上記セメント系試薬の少なくとも２０重量％を含む、項目２３のＳＣＭ。
[0370]項目２５ 項目１１から２０のいずれか１つに定義されたセメント系試薬を含む、ソリッドコンクリート。

[0371]項目２６ ジオポリマー結合材またはセメント、水中セメント、補助セメント系材料（ＳＣＭ）および／またはソリッドコンクリートを製造するための、項目１から１０のいずれか１つに定義された微小球体ガラス状粒子および／または項目１１から２０のいずれか１つのセメント系試薬の使用。

[0372]項目２７ （ｉ）固体アルミノケイ酸塩材料を提供するステップ；（ｉｉ）上記固体アルミノケイ酸塩材料を気中融解／クエンチ処理して、上記材料を液体に融解し、その後、上記液体をクエンチ処理して、固体微小球体ガラス状粒子を含む溶融／クエンチ処理された粉末を得るステップを含み；それによって、上記微小球体ガラス状粒子の粉末を含むセメント系試薬を得る、アルミノケイ酸塩材料からセメント系試薬を生成するための方法。

[0373]項目２８ 上記方法が、上記微小球体ガラス状粒子の粉末をより微細な粉末に粉砕するステップ（ｉｉｉ）を更に含む、項目２７の方法。
[0374]項目２９ 上記粉末が、Ｄ［３，２］で約２０μｍ以下、より好ましくは１０μｍ以下、または最も好ましくは５μｍ以下の粒度分布を含む、項目２７または２８方法。

[0375]項目３０ 上記粒子が、少なくとも０．７の平均真円度（Ｒ）；約２０％未満の粒子の角ばった形態；請求項４で定義された酸化物式１；４５％～１００％、好ましくは９０～１００％の含有量のＸ線非晶質固体；（Ｃａ，Ｍｇ）_０～１２・（Ｎａ，Ｋ）_{０．０５～１}・（Ａｌ，Ｆｅ^３＋）_１・Ｓｉ_１～２０のモル組成比；および約１０重量％未満のＣａＯであるカルシウム含有量の、１つまたは複数の性質を含む、項目２７から２９のいずれか１つの方法。

[0376]項目３１ 上記セメント系試薬が、セメント系および／またはジオポリマー系において反応性であり；セメントペーストがＨ_２Ｏ／（Ｎａ_２Ｏ，Ｋ_２Ｏ）＜２０の酸化物モル比を有するときに、２５Ｐａよりも下で、加工可能な低降伏応力ジオポリマーセメント混合物を送出し；酸化物モル比がＨ_２Ｏ／（Ｎａ_２Ｏ，Ｋ_２Ｏ）＜２０になるようなセメントペースト中の含水量を必要とし；かつ同じ含水量であることを前提として実質的に角ばった形態を持つ同等のペーストよりも、高い加工可能性を持つセメントペーストを送出することの、１つまたは複数の性質を含む、項目２７から３０のいずれか１つの方法。

[0377]項目３２ 非理想的な固体アルミノケイ酸塩材料の組成を、元素Ｃａ、Ｍｇ、Ｎａ、Ｋ、Ａｌ、Ｆｅ、およびＳｉの所望の含有量に調節するステップを更に含む、項目２７から３１のいずれか１つの方法。

[0378]項目３３ 上記調節するステップが、元素Ｃａ、Ｍｇ、Ｎａ、Ｋ、Ａｌ、Ｆｅ、およびＳｉの１種または数種に関して所望の比（複数可）に到達させるために、上記非理想的なアルミノケイ酸塩材料を組成調節材料とブレンドするステップを含む、項目３２の方法。

[0379]項目３４ 上記固体アルミノケイ酸塩材料を選別して、所望のサイズのアルミノケイ酸塩粒子の粉末を得るステップを更に含む、項目２７から３３のいずれか１つの方法。

[0380]項目３５ 上記固体アルミノケイ酸塩材料から、望ましくない廃棄物材料を廃棄するステップを更に含む、項目２７から３４のいずれか１つの方法。
[0381]項目３６ 上記気中融解するステップが、液体が得られるように液相温度よりも高い温度で加熱するステップを含む、項目２７から３５のいずれか１つの方法。

[0382]項目３７ 上記温度が約１０００～１６００℃または約１３００～１５５０℃である、項目３６の方法。
[0383]項目３８ フラックス材料を固体アルミノケイ酸塩材料に添加して、その融点を下げかつ／または上記液体のより大きいエンタルピー、体積、もしくは解重合を誘発させるステップを更に含む、項目２７から３７のいずれか１つの方法。

[0384]項目３９ フラックス材料を、上記融解の前または最中に上記固体アルミノケイ酸塩材料と混合する、項目３８の方法。
[0385]項目４０ 上記気中融解／クエンチ処理するステップが、固体を実現するために上記液体の温度をガラス転移温度よりも低く低下させるステップを含む、項目２７から３９のいずれか１つの方法。

[0386]項目４１ 上記気中融解／クエンチ処理するステップが、上記液体の温度を約５００℃よりも低く、または好ましくは約２００℃もしくはそれよりも低く低下させるステップを含む、項目４０の方法。

[0387]項目４２ 上記液体の温度を低下させるステップが、約１０^２Ｋ^ｓ－１から約１０^６Ｋ^ｓ－１の速度で、好ましくは＞１０^３．５Ｋｓ^－１の速度でクエンチ処理するステップを含む、項目４１の方法。

[0388]項目４３ クエンチ処理するステップが、冷気、水蒸気、または水の流れを含む、項目４１の方法。
[0389]項目４４ 上記固体微小球体ガラス状粒子の粉末の粒度を低減させるステップを更に含む、項目２７から４３のいずれか１つの方法。

[0390]項目４５ 粒度を低減させるステップが、ボールミル、ローラーミル、垂直ローラーミルのいずれか１つで上記粉末を破砕および／または粉砕するステップを含む、項目４４の方法。

[0391]項目４６ クエンチ処理された固体粒子をサイクロン分離器内の高温ガスから分離するステップを更に含む、項目２７から４５のいずれか１つの方法。
[0392]項目４７ バーナー；融解チャンバー；およびクエンチ処理チャンバーを含む、微小球体ガラス状粒子を生成するための装置。

[0393]項目４８ 融解チャンバーおよびクエンチ処理チャンバーが、それぞれ同じチャンバーの第１および第２のセクションである、項目４７の装置。
[0394]項目４９ 上記装置は、固体粒子が上記装置内で、懸濁体として流れ、懸濁体として融解し、次いで懸濁体としてクエンチ処理されるように構成される、項目４７または４８の装置。

[0395]項目５０ 上記バーナーにより、懸濁体としての炎加熱固体粒子に、上記固体粒子を液体に実質的に融解するのに十分な加熱温度を提供する、項目４７から４９のいずれか１つの装置。

[0396]項目５１ 上記バーナーは、融解／クエンチ処理チャンバーに向かってアルミノケイ酸塩供給材料粒子を同伴する気体で燃える炎を含む、項目４７から５０のいずれか１つの装置。

[0397]項目５２ 気体が、酸化剤ガスおよび可燃性燃料を含む、項目５１の装置。
[0398]項目５３ 上記クエンチ処理チャンバーが、クエンチ処理チャンバー内に冷気を提供するための冷却システムを含み、上記冷気は、融解粒子を固体微小球体ガラス状粒子にクエンチ処理する、項目４７から５２のいずれか１つの装置。

[0399]項目５４ 上記冷却システムは、クエンチ処理チャンバーの周りに位置決めされた液体冷却ループを含む、項目５３の装置。
[0400]項目５５ 装置は、微小球体ガラス状粒子を収集するサイクロン分離器を更に含む、項目４７から５４のいずれか１つの装置。

[0401]項目５６ バーナーは、プラズマトーチ、酸素燃焼バーナー、空気燃焼バーナー、バイオマスバーナー、および太陽光集光炉の少なくとも１つを含む、項目４７から５５のいずれか１つの装置。

[0402]項目５７ （ｉ）固体アルミノケイ酸塩材料を提供するステップ；（ｉｉ）上記固体アルミノケイ酸塩材料を気中融解／クエンチ処理して、上記材料を液体に融解し、その後、上記液体をクエンチ処理して、固体微小球体ガラス状粒子を含む融解／クエンチ処理された粉末を得るステップを含み；それによって、上記微小球体ガラス状粒子の粉末を含むセメント系試薬を得る、アルミノケイ酸塩材料からセメント系試薬を生成するための方法。

[0403]項目５８ バーナー、融解チャンバー、およびクエンチ処理チャンバーを含む、気中融解／クエンチ処理装置を提供するステップ；固体粒子を提供するステップ；懸濁体にある上記固体粒子を、上記バーナーによって燃焼されることになる気体中に流すステップ；上記固体粒子を上記融解チャンバー内で、液相よりも高い加熱温度に加熱して、懸濁体にある液体粒子を得るステップ；上記懸濁体にある液体粒子を、液相よりも低い冷却温度にクエンチ処理して、固体微小球体ガラス状粒子を含む粉末を得るステップを含む、微小球体ガラス状粒子を生成するための方法。

[0404]項目５９ 融解チャンバーおよびクエンチ処理チャンバーが、それぞれ同じチャンバーの第１および第２のセクションである、項目５８の方法。
[0405]項目６０ 上記加熱温度が約１０００～１６００℃または約１３００～１５５０℃である、項目５８または５９の方法。

[0406]項目６１ 冷却温度が５００℃よりも低くまたは２００℃よりも低い、項目５８から６０のいずれか１つの方法。
[0407]項目６２ 上記固体粒子がアルミノケイ酸塩材料を含む、項目５８から６１のいずれか１つの方法。

[0408]項目６３ 上記バーナーが、融解チャンバーに向かって固体粒子を同伴する気体で燃える炎を含む、項目５８から６２のいずれか１つの方法。
[0409]項目６４ 気体が、酸化剤ガスおよび可燃性燃料を含む、項目６３の方法。

[0410]項目６５ 上記クエンチ処理するステップが、冷気をクエンチ処理チャンバー内に提供するステップを含む、項目５８から６４のいずれか１つの方法。
[0411]項目６６ サイクロン分離器で上記粉末を収集するステップを更に含む、項目５８から６５のいずれか１つの方法。

[0412]項目６７ 微小球体ガラス状粒子を生成するための、プラズマトーチ、酸素燃焼バーナー、空気燃焼バーナー、バイオマスバーナー、および太陽光集光炉の少なくとも１つを含む装置の使用。

[0413]項目６８ アルミノケイ酸塩材料からセメント系試薬を生成するための、プラズマトーチ、酸素燃焼バーナー、空気燃焼バーナー、バイオマスバーナー、および太陽光集光炉の少なくとも１つを含む装置の使用。

[0414]項目６７ 実施例および図を特に参照しながら実質的にこれまで記述されたような、全ての新規な化合物、組成物、プロセス、装置、システム、方法、および使用。
[0415]表題は、参照のために本明細書に含まれ、特定のセクションの位置を見つけるために役立つ。これらの表題は、本明細書に記載される概念の範囲を限定するように意図しておらず、これらの概念は、明細書全体を通して他のセクションで適用性を有する。したがって、本発明は、本明細書に示される実施形態に限定されることを意図していないが、本明細書に開示される原理および新規特徴と一貫性のある最も広い範囲と一致するべきである。

[0416]単数形「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、別段のはっきりとした指示がない限り、対応する複数の指示対象を含む。したがって、「固体微小球体ガラス状粒子（ａ ｓｏｌｉｄ ｍｉｃｒｏｓｐｈｅｒｏｉｄａｌ ｇｌａｓｓｙ ｐａｒｔｉｃｌｅ）」への言及は、そのような粒子のうちの１つ以上を含み、「方法（ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ）」への言及は、本明細書に記載される方法に対して修正または置き換えることができる当業者に既知の等価な工程および方法への言及を含む。

[0417]別段の指示がない限り、本明細書および特許請求の範囲で使用される成分の量、反応条件、濃度、特性などを表すあらゆる数字は、全ての場合において「約」という用語により修飾されると理解されたい。最低限でも、各数値パラメータは、報告された有効数字の桁数に照らして、かつ通常の四捨五入の手法を適用することによって解釈されるべきである。したがって、そうではないと指示しない限り、本明細書および添付の特許請求の範囲に記載される数値パラメータは、得ようとしている特性に応じて変化し得る近似値である。実施形態の広い範囲を説明する数値範囲およびパラメータが近似値であることとは無関係に、特定の実施例において記載される数値は、可能な限り正確に報告される。しかしながら、いかなる数値であっても、実験、試験測定値、統計分析などにおける変動に起因するある特定の誤差が本質的に含まれる。

[0418]本明細書に記載される実施例および実施形態は、例示の目的のものに過ぎず、それに照らせば、様々な修正または変更が当業者に示唆され、本発明および添付の請求項の範囲内に含まれるべきであることが理解される。当業者であれば、本明細書に開示されるいかなるプロセスまたは方法も多くの方法で修正され得ることを認識するであろう。本明細書に記載および／または例示されるプロセスパラメータならびに一連の工程は、例としてのみ提示されており、必要に応じて変化させることができる。例えば、本明細書に例示および／または記載された工程は、特定の順序で示されまたは論議され得るが、これらの工程は、示されまたは論議される順序で必ずしも実行される必要はない。

[0419]本明細書に記載および／または示された様々な例示的な方法もまた、本明細書に記載され、または示された工程の内の１つ以上を省略するか、あるいは開示されたものに加えて追加の工程を含んでも良い。更に、本明細書に開示されるいずれかの方法の工程は、本明細書に開示されるいずれか他の方法のいずれか１つ以上の工程と組み合わせることができる。

[0420]特に断りがない限り、本明細書および特許請求の範囲で使用される用語「接続される（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｔｏ）」および「結合される（ｃｏｕｐｌｅｄ ｔｏ）」（ならびにそれらの派生語）は、直接および間接（すなわち、他の要素または構成要素を介した）接続の両方を許容するものとして解釈されるべきである。加えて、本明細書および特許請求の範囲で使用される用語「ａ」または「ａｎ」は、「の少なくとも１つ」を意味するものとして解釈されるべきである。最後に、使いやすくするために、本明細書および特許請求の範囲で使用される用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」（ならびにそれらの派生語）は、語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」と互換的であり、それと同じ意味を有するものとする。

[0421]本明細書に開示されるプロセッサは、本明細書に開示されるいずれかの方法のいずれか１つ以上のステップを実行するための命令で構成され得る。
[0422]本明細書で使用される場合、用語「または」は、項目を代替的におよび組み合わせて指すために包括的に使用される。

[0423]本明細書で使用される場合、数字などの文字は、同様の要素を指す。
[0424]本開示の実施形態は、本明細書に記載されている通りに記載されてきたが、これらは例示としてのみ提供されている。当業者であれば、本開示の範囲を逸脱することなく、多くの適応、変更、変形および置換を認識するであろう。本明細書に開示される実施形態のいくつかの代替および組み合わせは、本開示ならびに本明細書に開示される本発明の範囲から逸脱することなく利用されても良い。したがって、現在開示されている発明の範囲は、添付の特許請求の範囲およびその等価物によってのみ定義されるものとする。

Claims (20)

1. Ｓｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｎａ、およびＫの原子を含む粒子を含み、
   

   

   であり、
   前記粒子は、平均真円度（Ｒ）＞０．８を有する球体形態を有し、
   前記粒子は、少なくとも８０％がＸ線非晶質である、
   セメント系試薬。
2. 前記粒子が、非結晶質固体の形態である、請求項１に記載のセメント系試薬。
3. 前記粒子が、Ｄ［３，２］で２０μｍまたはそれ未満の粒度分布を含む粉末形態である、請求項１に記載のセメント系試薬。
4. 前記粒子が、固体微小球体ガラス状粒子である、請求項１に記載のセメント系試薬。
5. 前記粒子の４０％未満が、（Ｒ）＜０．７の角ばった形態を有する、請求項１に記載のセメント系試薬。
6. 前記粒子が少なくとも０．９の平均真円度（Ｒ）を含む、請求項１に記載のセメント系試薬。
7. 平均の酸化物式１、
   （ＣａＯ，ＭｇＯ）_ａ・（Ｎａ_２Ｏ，Ｋ_２Ｏ）_ｂ・（Ａｌ_２Ｏ_３，Ｆｅ_２Ｏ_３）_ｃ・（ＳｉＯ_２）_ｄ［式１］
   （式中、ａは約０～約４であり、
   ｂは約０．１～約１であり、
   ｃは１であり、
   ｄは約１～約２０である。）
   を含む、請求項１に記載のセメント系試薬。
8. 前記粒子が約１０重量％未満のＣａＯを含む、請求項７に記載のセメント系試薬。
9. 前記粒子が、Ｄ［３，２］で約２０μｍまたはそれ未満のサイズ分布を有する、請求項１に記載のセメント系試薬。
10. 前記粒子が、Ｄ［３，２］で約１０μｍまたはそれ未満のサイズ分布を有する、請求項１に記載のセメント系試薬。
11. 前記粒子が１００％非結晶質である、請求項１に記載のセメント系試薬。
12. Ｓｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｎａ、およびＫを含有する非フライアッシュ微小球体ガラス状粒子を含むセメント系試薬を含み、
    

    

    であり、
    前記粒子は、平均真円度（Ｒ）＞０．８を有する球体形態を有し、
    前記粒子は、少なくとも９０％がＸ線非晶質である、
    補助セメント系材料。
13. 前記セメント系試薬が、前記補助セメント系材料の少なくとも２０重量％を構成する、請求項１２に記載の補助セメント系材料。
14. 固体アルミノケイ酸塩材料を提供するステップ、
    前記固体アルミノケイ酸塩材料をミリングして、Ｄ［３，２］で２０μｍ未満の粒度分布を有するようにするステップ、
    キルン内で前記アルミノケイ酸塩材料を、気中融解によって融解するステップ、および
    前記アルミノケイ酸塩材料を、気中クエンチ処理によってクエンチ処理して、固体微小球体ガラス状粒子を生成するステップ
    を含む、アルミノケイ酸塩材料からセメント系試薬を生成するための方法。
15. 前記固体微小球体ガラス状粒子が少なくとも０．８の平均真円度（Ｒ）を有する、請求項１４に記載の方法。
16. 前記セメント系試薬が、（Ｃａ，Ｍｇ）_０～１２・（Ｎａ，Ｋ）_{０．０５～１}・（Ａｌ，Ｆｅ^３＋）_１・Ｓｉ_１～２０のモル組成比を有する、請求項１４に記載の方法。
17. ８０％超がＸ線非晶質である固体微小球体ガラス状粒子が生成されるように、気中クエンチ処理プロファイルを制御するステップを更に含む、請求項１４に記載の方法。
18. 非理想的な固体アルミノケイ酸塩材料の組成を、元素Ｃａ、Ｎａ、Ｋ、Ａｌ、Ｆｅ、およびＳｉの所望の含有量にするステップを更に含む、請求項１４に記載の方法。
19. 前記キルンを骨材採石場に位置付けるステップを更に含む、請求項１４に記載の方法。
20. 前記キルンをコンクリートバッチプラントに位置付けるステップを更に含む、請求項１４に記載の方法。
    

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