使用碳酸鈣的方法和組合物的製作方法

2024-04-08 06:25:05

使用碳酸鈣的方法和組合物的製作方法
【專利摘要】在此提供了組合物以及方法，包括水硬水泥、輔助膠凝材料、和/或自膠結組合物。提供了製造這些組合物以及使用這些組合物的方法。
【專利說明】使用碳酸鈣的方法和組合物
[0001]本申請是申請日為2010年8月16日，發明名稱為「使用碳酸鈣的方法和組合物」，中國申請號為201080059980.2的發明專利申請的分案申請。
[0002]相關申請的交叉引用
本申請要求2009年12月31日提交的美國臨時申請號61/291，811、2010年7月I日提交的美國臨時申請號61/360，829、以及2010年8月6日提交的美國臨時申請號61/371，606的優先權，將所有這些申請通過引用以其全部內容結合在此。
[0003]政府支持
在此描述的工作全部或部分地是以能源部授予的獎金號DE-FE0002472在政府支持下進行的。該政府在本發明中擁有某些權利。
[0004]背景
碳酸鈣被用於從造紙、到粘合劑生產、到建築的各行各業中。由二氧化碳隔離法形成的碳酸鈣可以用於上述許多應用中並且實際上用於兩個目的:隔離二氧化碳並且用作碳酸鈣原料。這個雙重目的對於環境倍加有益的一個領域是建築材料，尤其是水泥和混凝土。由於常規水泥的生產是加劇二氧化碳到大氣中的排放的因素之一(這是通過常規水泥的煅燒以及加熱這些窯爐所需能量)，因此減少常規水泥的用量可以幫助減少地球大氣中二氧化碳的量。 [0005]概述
在一個方面，提供了一種組合物，該組合物包含一種水硬水泥，該水硬水泥包含至少47% w/w的球霰石，其中該組合物在與水組合、凝固並硬化之後具有至少14 MPa的抗壓強度。在一個方面，提供了一種組合物，該組合物包含一種水硬水泥，該水硬水泥包含至少47%w/w的球霰石，其中該組合物具有小於_12%。的碳同位素分化值(δ 13C)。在一個方面，提供了一種組合物，該組合物包含一種水硬水泥，該水硬水泥包含至少10% w/w的球霰石以及至少1% w/w的非晶碳酸鈣(ACC)，其中該組合物在與水組合、凝固並硬化之後具有至少14MPa的抗壓強度。在一個方面，提供了一種組合物，該組合物包含一種水硬水泥，該水硬水泥包含至少10% w/w的球霰石以及至少1% w/w的非晶碳酸鈣(ACC),其中該組合物具有小於-12%。的碳同位素分化值(δ130。
[0006]下面提供了上述這些方面的一些實施方案。
[0007]在一些實施方案中，該組合物在與水組合、凝固並硬化之後具有至少14 MPa的抗壓強度。在一些實施方案中，該組合物在與水組合、凝固並硬化之後具有在14-80 MPa範圍內的抗壓強度。在一些實施方案中，該組合物在與水組合、凝固並硬化之後具有在20-40MPa範圍內的抗壓強度。在一些實施方案中，該組合物在與水組合、凝固並硬化之後具有在14-35 MPa範圍內的抗壓強度。
[0008]在一些實施方案中，該組合物具有在_12%。至_25%。之間的δ 13C0在一些實施方案中，該組合物具有小於_20%。的δ 13C。在一些實施方案中，該組合物具有小於-25%。的δ 13C0
[0009]在一些實施方案中，該球霰石是在47% w/w至99% w/w的範圍內。在一些實施方案中，該球霰石是在10% w/w至99% w/w的範圍內並且該ACC是在1% w/w至90% w/w的範圍內。在一些實施方案中，該球霰石為至少75% Wi在一些實施方案中，該球霰石為至少90% w/W。在一些實施方案中，該球霰石為至少95% w/w。在一些實施方案中，該球霰石為至少99%w/w。在一些實施方案中，該ACC為至少5% w/w。在一些實施方案中，該ACC為5%_30% w/w。
[0010]在一些實施方案中，該組合物進一步包括一 種選自下組的多晶型物，該組由以下各項組成:非晶碳酸鈣、霰石、方解石、六水碳鈣石、球霰石的前體相、霰石的前體相、一種不及方解石穩定的中間相、在這些多晶型物之間的多晶形式、以及它們的組合。在一些實施方案中，該組合物進一步包括一種選自下組的多晶型物，該組由以下各項組成:霰石、方解石、六水碳鈣石、球霰石的前體相、霰石的前體相、一種不及方解石穩定的中間相、在這些多晶型物之間的多晶形式、以及它們的組合。在一些實施方案中，該球霰石和多晶型物是處於大於1:1的球霰石:多晶型物之比。在一些實施方案中，該球霰石和多晶型物是處於1:1至20:1的球霰石:多晶型物之比。在一些實施方案中，該球霰石和多晶型物是處於大於1: 1、2: 1、3: 1、4: 1、或5:1的球霰石:多晶型物之比。在一些實施方案中，該球霰石和多晶型物是處於9: 1-20:1的球霰石:多晶型物之比。
[0011]在一些實施方案中，該組合物進一步包括至少1% w/w的霰石或在1% w/w至80% w/w之間的霰石。在一些實施方案中，該組合物進一步包括至少1% w/w的方解石或在1% w/w至80% w/w之間的方解石。在一些實施方案中，該組合物進一步包括1% w/w至25% w/w的方解石。在一些實施方案中，該組合物進一步包括至少1% w/w的六水碳鈣石或在l%w/w至80% w/w之間的六水碳鈣石。在一些實施方案中，該組合物進一步包括至少1% w/w的ACC或在1% w/w至90% w/w之間的ACC以及選自下組的一種或多種多晶型物,該組由以下各項組成:霰石、方解石、以及六水碳鈣石，其中該霰石、該方解石和/或該六水碳鈣石是以至少1%w/w或在1% w/w至80% w/w之間存在。在一些實施方案中，該組合物進一步包括選自下組的一種或多種多晶型物，該組由以下各項組成:霰石、方解石、六水碳鈣石以及它們的組合，其中該霰石、方解石、六水碳鈣石、或它們的組合是以至少1% w/w存在或者獨立地處於l%w/w至80% w/w之間的範圍內。在一些實施方案中，該組合物進一步包括1%_80% w/w的霰石以及1%-80%w/w的方解石。
[0012]在一些實施方案中，該組合物進一步包含鍶(Sr)。在一些實施方案中，Sr是以1-50，000百萬分率(ppm)的量值存在。在一些實施方案中，Sr是存在於該球霰石的晶格中。
[0013]在一些實施方案中，該組合物進一步包含鎂(Mg)。在一些實施方案中，Mg是作為一種碳酸鹽存在。在一些實施方案中，該球霰石和該碳酸鎂是處於大於1:1或在1: 1-500:I之間的球霰石:碳酸鎂之比。在一些實施方案中，Mg少於2% w/w。
[0014]在一些實施方案中，該組合物進一步包含一種硫酸鹽。在一些實施方案中，該組合物進一步包含量值小於100，000 ppm的鈉(Na)。在一些實施方案中，該組合物不含磷酸鈣。在一些實施方案中，該組合物具有量值小於20，000 ppm的磷酸鈣。
[0015]在一些實施方案中，該組合物是一種具有0.1-100微米的平均粒度的微粒組合物。在一些實施方案中，該組合物是一種具有1-50微米的平均粒度的微粒組合物。在一些實施方案中，該組合物是一種具有ι-?ο微米的平均粒度的微粒組合物。
[0016]在一些實施方案中，該組合物具有的堆密度在75 lb/ft3-170 lb/ft3之間。在一些實施方案中，該組合物具有的堆密度在75 lb/ft3-125 kg/ft3之間。
[0017]在一些實施方案中，該組合物具有的平均表面積是從0.5 m2/gm-50 m2/gm。在一些實施方案中，該組合物具有的平均表面積是從2 m2/gm-10 m2/gm。
[0018]在一些實施方案中，該組合物進一步包含氮氧化物，硫氧化物，汞，金屬，氮氧化物、硫氧化物、汞、和/或金屬中任何一種的衍生物，或它們的組合。
[0019]在一些實施方案中，該組合物進一步包含波特蘭水泥熔塊、骨料、輔助膠凝材料(SCM)、或它們的組合。在一些實施方案中，該SCM包括爐渣、飛灰、矽灰、煅燒粘土、或它們的組合。在一些實施方案中，該骨料包括砂、礫石、碎石、爐渣、再生混凝土、或它們的組合。
[0020]在一些實施方案中，該組合物具有大於-25 mV的ζ電位。在一些實施方案中，該組合物具有在-25至45 mV之間或在-25至10 mV之間的ζ電位。在一些實施方案中，該組合物具有在-25 mV至I mV範圍內的ζ電位。
[0021]在一些實施方案中，該組合物中的鈣離子:碳酸根離子之比是大於1:1。在一些實施方案中，該組合物中的鈣離子:碳酸根離子之比是1.5:1或2:1。
[0022]在一些實施方案中，該組合物是合成的。在一些實施方案中，該組合物是非天然存在的。在一些實施方案中，該組合物是處於粉末形式。在一些實施方案中，該組合物是處於乾燥粉末形式。在一些實施方案中，該組合物是無序的或不是處於有序排列中的。
[0023]在一個方面，提供了一種建築材料，該建築材料包含本發明的上述組合物或其凝固且硬化後的形式。在一些實施方案中，該建築材料是選自下組，該組由以下各項組成:建築物、車道、地基、廚房厚板、家具、人行道、公路、橋梁、高速公路、立交橋、停車結構、磚、砌塊、牆壁，門、圍欄、或杆子的樁，以及它們的組合。在一個方面，提供了一種成形的建築材料，該成形的建築材料包含本發明的上述組合物或其凝固且硬化後的形式。在另一個方面，提供了一種骨料，該骨料 包含本發明的上述組合物或其凝固且硬化後的形式。在另一個方面，提供了一種包裝物，該包裝物包含本發明的上述組合物以及一種適合容納該組合物的包裝材料。在一些實施方案中，該包裝材料是一種儲倉。
[0024]在另一方面，提供了使用本發明的上述組合物來製造水泥的一種方法，該方法包括在一項或多項適合的條件下將水加入本發明的組合物中以製造水泥。
[0025]在另一方面，提供了製造本發明的上述組合物的一種方法，該方法包括(a)使含有鹼土金屬的水與來自工廠的一種含化石來源的碳的煙氣相接觸；並且(b)使步驟(a)的含有鹼土金屬的水經受一項或多項條件以製造本發明的組合物。在又一個方面，提供了製造上述組合物的一種方法，該方法包括(a)使含有鹼土金屬的水與一種CO2來源相接觸；並且(b)使步驟(a)的含有鹼土金屬的水經受一項或多項條件以製造一種組合物，其中該組合物包含至少47% w/w的球霰石並且其中該組合物在與水組合、凝固並硬化後具有至少14MPa的抗壓強度。
[0026]在一些實施方案中，該0)2來源是含有來自燃燒過程的煙氣的一種工業廢氣流；來自化學處理設備的一種煙氣；來自產生作為副產物的CO2的設備的一種煙氣；或它們的組合。在一些實施方案中，該含有鹼土金屬的水是海水、濃濃鹽水、或它們的組合。在一些實施方案中，該一項或多項條件包括溫度、pH、沉澱作用、沉澱物的停留時間、沉澱物的脫水、用水洗滌該沉澱物、乾燥、研磨、和/或儲存。在一些實施方案中，該一項或多項條件包括使該含有鹼土金屬的水與一種質子去除劑相接觸。在一些實施方案中，該質子去除劑是選自下組，該組由以下各項組成:氧化物、氫氧化物、碳酸鹽、粉煤灰、天然礦物、以及它們的組合。在一些實施方案中，該一項或多項條件包括使該含有鹼土金屬的水經受電化學條件。[0027]在另一方面，提供了一種通過上述這些方法製造的組合物。
[0028]在又一個方面，提供了製造本發明的上述組合物的一種系統，該系統包括:(a)用於含有鹼土金屬的水的一個輸入端；(b)用於來自工廠的一種含化石來源的碳的煙氣的一個輸入端；以及(c)連接到步驟(a)和步驟(b)的輸入端上的一個反應器，該反應器被配置成製造本發明的組合物。在一個方面，提供了製造上述組合物的一種系統，該系統包括
(a)用於含有鹼土金屬的水的一個輸入端；(b)用於CO2來源的一個輸入端；以及(C)連接到步驟(a)和步驟(b)的輸入端上的一個反應器，該反應器被配置成製造一種組合物，其中該組合物包含至少47% w/w的球霰石並且其中該組合物在與水組合、凝固並硬化後具有至少14 MPa的抗壓強度。
[0029]在又一方面，提供了由本發明的上述組合物來製造水泥產品的一種方法，該方法包括(a)使本發明的組合物與一種水性介質在一項或多項適當條件下進行組合；並且(b)允許該組合物凝固並硬化成為一種水泥產品。在一些實施方案中，該水性介質包括淡水。在一些實施方案中，該一項或多項適當條件是選自下組，該組由以下各項組成:溫度、pH、壓力、凝固時長、水性介質與組合物之比、以及它們的組合。在一些實施方案中，溫度是在
0-1001:、371:-601:或401:-601:的範圍內。在一些實施方案中，壓力為大氣壓。在一些實施方案中，凝固該水泥產品的時長是在30分鐘到48小時的範圍內。在一些實施方案中，水性介質:組合物之比為0.1-10。在一些實施方案中，水性介質:組合物之比為0.5-2。在一些實施方案中，該方法進一步包括在步驟(a)之前將該組合物與一種波特蘭水泥熔塊、骨料、SCM、或它們的組合進行組合，然後與該水性介質進行組合。
[0030]在一些實施方案中，該水泥產品是一種建築材料，該建築材料是選自下組，該組由以下各項組成:建築物、車道、地基、廚房厚板、家具、人行道、公路、橋梁、高速公路、立交橋、停車結構、磚、砌塊、牆壁，門、圍欄、或杆子的樁，以及它們的組合。在一些實施方案中，該水泥產品是一種成形的建築材料。在一些實施方案中，該方法進一步包括將該產品輸送到一個地下位置。
[0031]在又一方面，提供了由本發明的上述組合物來製造水泥產品的一種系統，該系統包括(a)用於本發明的組合物的一個輸入端；(b)用於水性介質的一個輸入端；以及(C)連接到步驟(a)和步驟(b)上的一個反應器，該反應器被配置成將本發明的組合物與該水性介質在一項或多項適當條件下進行混合以製造水泥產品。在一些實施方案中，該一項或多項適當條件是選自下組，該組由以下各項組成:溫度、壓力、凝固時長、水性介質與組合物之比、以及它們的組合。在一些實施方案中，該系統進一步包括在該混合步驟(C)之後用來過濾該組合物的一個過濾步驟。在一些實施方案中，該系統進一步包括用來乾燥該過濾後的組合物以製造該水泥產品的一個乾燥步驟。
[0032] 在又一個方面，提供了製造一種具有所希望的抗壓強度的水泥產品的一種方法，該方法包括:(a)將一種組合物與一種水性介質在一項或多項條件下進行組合，該條件是選自下組，該組由以下各項組成:溫度、壓力、凝固時長、水性介質與組合物之比、以及它們的組合，其中該組合物包含至少47% w/w的球霰石、或至少10% w/w的球霰石以及至少1% w/w的ACC，其中該組合物具有小於-12%。的碳同位素分化值(S13C);(b)優化或調整步驟(a)的條件中的一項或多項；並且(C)允許該組合物凝固並硬化成為一種具有所希望的抗壓強度的水泥產品。[0033]在又一個方面，提供了製造一種具有所希望的抗壓強度的水泥產品的一種方法，該方法包括:(a)將一種組合物與一種水性介質在一項或多項條件下進行組合，該條件是選自下組，該組由以下各項組成:溫度、壓力、凝固時長、水性介質與組合物之比、以及它們的組合，其中該組合物包含至少47% w/w的球霰石、或至少10% w/w的球霰石以及至少1% w/w的ACC，其中該組合物在與水組合、凝固並硬化之後具有至少14MPa的抗壓強度；(b)優化或調整步驟(a)的條件中的一項或多項；並且(C)允許該組合物凝固並硬化成為一種具有所希望的抗壓強度的水泥產品。
[0034]在一個方面，提供了一種組合物，該組合物包含一種輔助膠凝材料(SCM)，該SCM包含至少47% w/w的球霰石，其中該組合物在與水、或與水以及水泥組合、凝固並硬化之後具有至少14 MPa的抗壓強度。在一個方面，提供了一種組合物，該組合物包含一種SCM，該SCM包含至少47% w/w的球霰石，其中該組合物具有小於_12%。的碳同位素分化值(δ 13C)。在一個方面，提供了一種組合物，該組合物包含一種SCM，該SCM包含至少10% w/w的球霰石以及至少1% w/w的非晶碳酸鈣(ACC)，其中該組合物在與水或水以及水泥組合、凝固並硬化之後具有至少14 MPa的抗壓強度。在一個方面，提供了一種組合物，該組合物包含一種SCM，該SCM包含至少10% w/w的球霰石以及至少1% w/w的非晶碳酸鈣(ACC),其中該組合物具有小於_12%。的碳同位素分化值(δ 13C)0
[0035]下面提供了上述這些方面的一些實施方案。
[0036]在一些實施方案中，該組合物具有至少14 MPa的抗壓強度。在一些實施方案中，該組合物具有至少在20-40 MPa範圍內的抗壓強度。在一些實施方案中，該組合物具有至少在14-35 MPa範圍內的抗壓強度。
[0037]在一些實施 方案中，該組合物具有在_12%。至-25%。之間的δ 13C0在一些實施方案中，該組合物具有在_12%。至_20%。之間的δ 13C。在一些實施方案中，該組合物具有為-20%。的δ13(:。在一些實施方案中，該組合物具有小於_20%。的S13C。
[0038]在一些實施方案中，該組合物包含的球霰石是在47% w/w至99% w/w的範圍內。在一些實施方案中，該球霰石是在10% w/w至99% w/w的範圍內並且該ACC是在1% w/w至90%w/w的範圍內。在一些實施方案中，該球霰石是在10% w/w至80% w/w的範圍內並且該ACC是在20% w/w至90% w/w的範圍內。在一些實施方案中，該球霰石為至少75% w/w。在一些實施方案中，該球霰石為至少90% w/w。在一些實施方案中，該球霰石為至少95% w/w。在一些實施方案中，該球霰石為至少99% w/w。在一些實施方案中，該ACC為至少5% w/w。在一些實施方案中，該ACC為5%-30% w/w。
[0039]在一些實施方案中，該組合物進一步包括一種選自下組的多晶型物，該組由以下各項組成:非晶碳酸鈣、霰石、方解石、六水碳鈣石、球霰石的前體相、霰石的前體相、一種不及方解石穩定的中間相、在這些多晶型物之間的多晶形式、以及它們的組合。在一些實施方案中，該組合物進一步包括一種選自下組的多晶型物，該組由以下各項組成:霰石、方解石、六水碳鈣石、球霰石的前體相、霰石的前體相、一種不及方解石穩定的中間相、在這些多晶型物之間的多晶形式、以及它們的組合。在一些實施方案中，該球霰石和多晶型物是處於大於1:1的球霰石:多晶型物之比。在一些實施方案中，該球霰石和多晶型物是處於1:1至20:1的球霰石:多晶型物之比。在一些實施方案中，該球霰石和多晶型物是處於大於1: 1、2: 1、3: 1、4: 1、或5:1的球霰石:多晶型物之比。在一些實施方案中，該球霰石和多晶型物是處於9: 1-20:1的球霰石:多晶型物之比。
[0040]在一些實施方案中，該組合物進一步包括至少1% w/w的霰石或在1% w/w至80% w/w之間的霰石。在一些實施方案中，該組合物進一步包括至少1% w/w的方解石或在1% w/w至80% w/w之間的方解石。在一些實施方案中，該組合物進一步包括1% w/w至25% w/w的方解石。在一些實施方案中，該組合物進一步包括至少1% w/w的六水碳鈣石或在l%w/w至80% w/w之間的六水碳鈣石。在一些實施方案中，該組合物進一步包括至少1% w/w的ACC以及選自下組的一種或多種多晶型物，該組由以下各項組成:霰石、方解石、以及六水碳鈣石，其中該霰石、該方解石和/或該六水碳鈣石是以至少l%w/w或在1% w/w至80% w/w之間存在。在一些實施方案中，該組合物進一步包括選自下組的一種或多種多晶型物，該組由以下各項組成:霰石、方解石、六水碳鈣石以及它們的組合，其中該霰石、方解石、六水碳鈣石、或它們的組合是以至少1% w/w存在或者獨立地處於1% w/w至80% w/w之間的範圍內。在一些實施方案中，該組合物進一步包括1%_80%w/w的霰石以及1%_80%w/w的方解石。
[0041]在一些實施方案中，該組合物進一步包含鍶(Sr)。在一些實施方案中，Sr是以1-50，000百萬分率(ppm)的量值存在。在一些實施方案中，Sr是存在於該球霰石的晶格中。
[0042]在一些實施方案中，該組合物進一步包含鎂(Mg)。在一些實施方案中，Mg是作為一種碳酸鹽存在。在一些實施方案中，該球霰石和該碳酸鎂是處於大於1:1或在1: 1-500:I之間的球霰石:碳酸鎂之比。在一些實施方案中，Mg少於2% w/w。
[0043]在一些實施方案中，該組合物進一步包含一種硫酸鹽。在一些實施方案中，該組合物進一步包含量值小於100，000 ppm的鈉(Na)。在一些實施方案中，該組合物不含磷酸鈣。在一些實施方案中，該組合物具有量值小於20，000 ppm的磷酸鈣。
[0044]在一些實施方案 中，該組合物是一種具有0.1-100微米的平均粒度的微粒組合物。在一些實施方案中，該組合物是一種具有1-50微米的平均粒度的微粒組合物。在一些實施方案中，該組合物是一種具有ι-?ο微米的平均粒度的微粒組合物。
[0045]在一些實施方案中，該組合物具有的堆密度在75 lb/ft3-170 lb/ft3之間。在一些實施方案中，該組合物具有的堆密度在75 lb/ft3-125 kg/ft3之間。
[0046]在一些實施方案中，該組合物具有的平均表面積是從0.5 m2/gm_50 m2/gm。在一些實施方案中，該組合物具有的平均表面積是從2 m2/gm-10 m2/gm。
[0047]在一些實施方案中，該組合物進一步包含氮氧化物，硫氧化物，汞，金屬，氮氧化物、硫氧化物、汞、和/或金屬中任何一種的衍生物，或它們的組合。
[0048]在一些實施方案中，該組合物進一步包含波特蘭水泥熔塊、骨料、其他輔助膠凝材料(SCM)、或它們的組合。在一些實施方案中，該其他SCM包括爐渣、飛灰、矽灰、煅燒粘土、或它們的組合。在一些實施方案中，該骨料包括砂、礫石、碎石、爐渣、再生混凝土、或它們的組合。
[0049]在一些實施方案中，該組合物具有大於-25 mV的ζ電位。在一些實施方案中，該組合物具有在-25至45 mV之間或在-25至10 mV之間或在I至45 mV之間的ζ電位。在一些實施方案中，該組合物具有在15 mV至45 mV範圍內的ζ電位。
[0050]在一些實施方案中，該組合物中的鈣離子:碳酸根離子之比是大於1:1。在一些實施方案中，該組合物中的鈣離子:碳酸根離子之比是1.5:1或2:1。
[0051]在一些實施方案中，該組合物是合成的。在一些實施方案中，該組合物是非天然存在的。在一些實施方案中，該組合物是處於粉末形式。在一些實施方案中，該組合物是處於乾粉末形式。在一些實施方案中，該組合物是無序的或不是處於有序排列。
[0052]在另一方面，提供了一種組合物，該組合物包含一種SCM，其中與OPC混合的按Wt計至少16%的SCM導致在28天時OPC的抗壓強度與單獨的OPC相比降低了不超過10%。在另一方面，提供了一種組合物，該組合物包含一種SCM，其中與OPC混合的按wt計至少16%的SCM導致在28天時OPC的抗壓強度與單獨的OPC相比增大了超過5%。
[0053]在一些實施方案中，OPC的抗壓強度是在17-45 MPa的範圍內。在一些實施方案中，與OPC混合的SCM是按Wt計為20%或在按Wt計在15%-20%之間。在一些實施方案中，與OPC混合的按wt計至少16%的SCM導致在28天時OPC的抗壓強度與單獨的OPC相比降低了不超過5 MPa。在一些實施方案中，與OPC混合的按wt計至少16%的SCM導致在28天時OPC的抗壓強度與單獨的OPC相比增大了超過I MPa。在一些實施方案中，與OPC混合的按wt計至少16%的SCM導致在28天時OPC的抗壓強度與單獨的OPC相比增大了 1_15 MPa之間。
[0054]在另一個方面，提供了一種建築材料，該建築材料包含本發明的上述組合物或其凝固且硬化後的形式。在一些實施方案中，該建築材料是選自下組，該組由以下各項組成:建築物、車道、地基、廚房厚板、家具、人行道、公路、橋梁、高速公路、立交橋、停車結構、磚、砌塊、牆壁，門、圍欄、以及杆子的樁，以及它們的組合。在一個方面，提供了一種成形的建築材料，該成形的建築材料包含本發明的上述組合物或其凝固且硬化後的形式。在另一個方面，提供了一種骨料，該骨料包含本發明的上述組合物或其凝固且硬化後的形式。在又一個方面，提供了一種包裝物，該包裝物包含本發明的上述組合物以及一種適合容納該組合物的包裝材料。在一些實施方案中，該包裝材料是一種儲倉。
[0055]在另一方面，提供了使用本發明的上述組合物來製造水泥的一種方法，該方法包括在一項或多項適合的條件下將水加入一種組合物中以製造水泥。
[0056]在另一方面，提供了製造本發明的上述組合物的一種方法，該方法包括(a)使含有鹼土金屬的水與來自工廠的一種含化石來源的碳的煙氣相接觸；並且(b)使步驟(a)的含有鹼土金屬的水經受一項或多項條件以製造本發明的上述組合物。在又一個方面，提供了製造本發明的上述組合物的一種方法，該方法包括(a)使含有鹼土金屬的水與一種CO2來源相接觸；並且(b)使步驟(a)的含有鹼土金屬的水經受一項或多項條件以製造本發明的上述組合物，其中該組合物包含至少47% w/w的球霰石並且其中該組合物在與水組合、凝固並硬化後具有至少14 MPa的抗壓強度。
[0057]在一些實施方案中，該0)2來源是含有來自燃燒過程的煙氣的一種工業廢氣流；來自化學處理設備的一種煙氣；來自產生作為副產物的CO2的設備的一種煙氣；或它們的組合。在一些實施方案中，該含有鹼土金屬的水是海水、濃濃鹽水、或它們的組合。在一些實施方案中，該一項或多項條件包括溫度、pH、沉澱作用、沉澱物的停留時間、沉澱物的脫水、用水洗滌該沉澱物、乾燥、研磨、和/或儲存中的一項或多項。在一些實施方案中，該一項或多項條件包括使該含有鹼土金屬的水與一種質子去除劑相接觸。在一些實施方案中，該質子去除劑是選自下組，該組由以下各項組成:氧化物、氫氧化物、碳酸鹽、粉煤灰、天然礦物、以及它們的組合。在一些實施方案中，該一項或多項條件包括使該含有鹼土金屬的水經受電化學條件。[0058]在另一方面，提供了一種通過上述方法製造的組合物。
[0059]在又一個方面，提供了製造本發明的上述組合物的一種系統，該系統包括:(a)用於含有鹼土金屬的水的一個輸入端；(b)用於來自工廠的一種含化石來源的碳的煙氣的一個輸入端；以及(c)連接到步驟(a)和步驟(b)的輸入端上的一個反應器，該反應器被配置成製造本發明的組合物。在另一個方面，提供了製造本發明的上述組合物的一種系統，該系統包括(a)用於含有鹼土金屬的水的一個輸入端；(b)用於CO2來源的一個輸入端；以及(C)連接到步驟(a)和步驟(b)的輸入端上的一個反應器，該反應器被配置成製造本發明的上述組合物，其中該組合物包含至少47% w/w的球霰石並且其中該組合物在與水組合、凝固並硬化後具有至少14 MPa的抗壓強度。
[0060]在另一方面，提供了由本發明的上述組合物來製造水泥產品的一種方法，該方法包括(a)使本發明的上述組合物與一種水性介質在一項或多項適當條件下進行組合；並且
(b)允許該組合物凝固並硬化成為一種水泥產品。
[0061]在一些實施方案中，該水性介質包括淡水。在一些實施方案中，該一項或多項適當條件是選自下組，該組由以下各 項組成:溫度、壓力、凝固時長、水性介質與組合物之比、以及它們的組合。在一些實施方案中，溫度是在0-100°C、37°C -60°C或40°C _60°C的範圍內。在一些實施方案中，壓力為大氣壓。在一些實施方案中，凝固該水泥產品的時長是在30分鐘到48小時的範圍內。在一些實施方案中，水性介質:組合物之比為0.1-10。在一些實施方案中，水性介質:組合物之比為0.5-2。
[0062]在一些實施方案中，該方法進一步包括在步驟(a)之前將該組合物與一種波特蘭水泥熔塊、骨料、SCM、或它們的組合進行組合，然後與該水性介質進行組合。
[0063]在一些實施方案中，該水泥產品是一種建築材料，該建築材料是選自下組，該組由以下各項組成:建築物、車道、地基、廚房厚板、家具、人行道、公路、橋梁、高速公路、立交橋、停車結構、磚、砌塊、牆壁，門、圍欄、或杆子的樁，以及它們的組合。
[0064]在一些實施方案中，該方法進一步包括將該產品輸送到一個地下位置。
[0065]在另一方面，提供了由本發明的上述組合物來製造水泥產品的一種系統，該系統包括(a)用於本發明的組合物的一個輸入端；(b)用於水性介質的一個輸入端；以及(C)連接到步驟(a)和步驟(b)上的一個反應器，該反應器被配置成將本發明的組合物與該水性介質在一項或多項適當條件下進行混合以製造水泥產品。在一些實施方案中，該一項或多項適當條件是選自下組，該組由以下各項組成:溫度、壓力、凝固時長、水性介質與組合物之比、以及它們的組合。在一些實施方案中，該系統進一步包括在該混合步驟(C)之後用來過濾該組合物的一個過濾步驟。在一些實施方案中，該系統進一步包括用來乾燥該過濾後的組合物以製造該水泥產品的一個乾燥步驟。
[0066]在又一個方面，提供了一種自膠結組合物，該自膠結組合物包含至少1% w/w的在鹹水中的球霰石，其中該組合物在與淡水組合、凝固並硬化之後具有至少14 MPa的抗壓強度。
[0067]在一些實施方案中，該組合物在凝固的同時在40°C被烘箱乾燥。在一些實施方案中，該組合物在乾燥後在潮溼氣氛中於60°C被固化。在一些實施方案中，該組合物是被脫水然後用水漂洗。
[0068]在一些實施方案中，該組合物在與水組合、凝固並硬化之後具有在14-35 MPa或20-40 MPa範圍內的抗壓強度。
[0069]在一些實施方案中，該組合物具有在_12%。至_25%。之間的δ 13C0在一些實施方案中，該組合物具有小於_20%。的δ 13C。在一些實施方案中，該組合物具有小於-25%。的δ 13C0
[0070]在一些實施方案中，該球霰石是在1% w/w至99% w/w的範圍內。在一些實施方案中，該球霰石是在40% w/w至85% w/w的範圍內。在一些實施方案中，該球霰石是在47% w/w至99% w/w的範圍內。在一些實施方案中，該組合物進一步包含ACC。在一些實施方案中，該球霰石是在10% w/w至99% w/w的範圍內並且該ACC是在1% w/w至90% w/w的範圍內。在一些實施方案中，該球霰石為至少75% w/w。在一些實施方案中，該球霰石為至少90% w/w。在一些實施方案中，該球霰石為至少95% w/w。在一些實施方案中，該球霰石為至少99% w/W。在一些實施方案中，該ACC為至少5% w/w。在一些實施方案中，該ACC為5%-30% w/w。
[0071]在一些實施方案中，該組合物進一步包括一種選自下組的多晶型物，該組由以下各項組成:非晶碳酸鈣、霰石、方解石、六水碳鈣石、球霰石的前體相、霰石的前體相、一種不及方解石穩定的中間相、在這些多晶型物之間的多晶形式、以及它們的組合。在一些實施方案中，該球霰石和多晶型物是處於1:1至20:1的球霰石:多晶型物之比。在一些實施方案中，該球霰石和多晶型物是處於大於1: 1、2: 1、3: 1、4: 1、或5:1的球霰石:多晶型物之比。在一些實施方案中，該球霰石和多晶型物是處於9: 1-20:1的球霰石:多晶型物之比。
[0072]在一些實施方案中，該組合物進一步包括一種或多種選自下組的多晶型物，該組由以下各項組成:霰石、方解石、以及六水碳鈣石，其中該霰石、該方解石和/或該六水碳鈣石是以至少1% w/w存在。在一些實施方案中，該組合物進一步包括至少l%w/w的霰石或在1% w/w至80% w/w之 間的霰石。在一些實施方案中，該組合物進一步包括至少1% w/w的方解石或在1% w/w至80% w/w之間的方解石。在一些實施方案中，該組合物進一步包括l%w/w至25% w/w的方解石。在一些實施方案中，該組合物進一步包括至少1% w/w的六水碳鈣石或在1% w/w至80% w/w之間的六水碳鈣石。在一些實施方案中，該組合物進一步包括至少l%w/w的ACC或在1% w/w至90% w/w之間的ACC以及選自下組的一種或多種多晶型物，該組由以下各項組成:霰石、方解石、以及六水碳鈣石，其中該霰石、該方解石和/或該六水碳鈣石是以至少l%w/w或在1%w/w至80%w/w之間存在。在一些實施方案中，該組合物進一步包括選自下組的一種或多種多晶型物，該組由以下各項組成:霰石、方解石、六水碳鈣石以及它們的組合，其中該霰石、方解石、六水碳鈣石、或它們的組合獨立地是在1% w/w至80% w/w之間的範圍內。在一些實施方案中，該組合物進一步包括1%_80% w/w的霰石以及1%-80% w/w的方解石。
[0073]在一些實施方案中，該組合物進一步包含鍶(Sr)。在一些實施方案中，Sr是以
1-50，000百萬分率(ppm)的量值存在。
[0074]在一些實施方案中，該組合物進一步包含鎂(Mg)。在一些實施方案中，Mg是作為一種碳酸鹽存在。
[0075]在一些實施方案中，該球霰石和該碳酸鎂是處於大於1:1或在1: 1-500:1之間的球霰石:碳酸鎂之比。
[0076]在一些實施方案中，該組合物是一種具有0.1-100微米的平均粒度的微粒組合物。在一些實施方案中，該組合物是一種具有1-50微米的平均粒度的微粒組合物。在一些實施方案中，該組合物是一種具有1-10微米的平均粒度的微粒組合物。
[0077]在一些實施方案中，該組合物具有的堆密度在75 lb/ft3-170 lb/ft3之間。在一些實施方案中，該組合物具有的堆密度在75 lb/ft3-125 kg/ft3之間。
[0078]在一些實施方案中，該組合物具有的平均表面積是從0.5 m2/gm_50 m2/gm。在一些實施方案中，該組合物具有的平均表面積是從2 m2/gm-10 m2/gm。
[0079]在一些實施方案中，該組合物進一步包含氮氧化物，硫氧化物，汞，金屬，氮氧化物、硫氧化物、汞、和/或金屬中任何一種的衍生物，或它們的組合。
[0080]在一些實施方案中，該組合物具有大於-25 mV的ζ電位。在一些實施方案中，該組合物具有在-25至45 mV之間或在-25至10 mV之間的ζ電位。在一些實施方案中，該組合物具有在-25 mV至I mV範圍內的ζ電位。
[0081]在一些實施方案中，該組合物中的鈣離子:碳酸根離子之比是大於1:1。在一些實施方案中，該組合物中的鈣離子:碳酸根離子之比是1.5:1或2:1。
[0082]在一些實施方案中，該組合物是合成的。在一些實施方案中，該組合物是非天然存在的。在一些實施方案中，該組合物是處於粉末形式。在一些實施方案中，該組合物是處於乾粉末形式。在一些實施方案中，該組合物是無序的或不是處於有序排列。
[0083]在一個方面，提供了一種成形的建築材料，該成形的建築材料包含本發明的上述組合物或其凝固且硬化後的形式。在一些實施方案中，該建築材料是選自下組，該組由以下各項組成:建築物、車道、地基、廚房厚板、家具、人行道、公路、橋梁、高速公路、立交橋、停車結構、磚、砌塊、牆壁，門、圍欄、或杆子的樁，以及它們的組合。在一個方面，提供了一種成形的建築材料，該成形的建築材料包含本發明的上述組合物或其凝固且硬化後的形式。在一個方面，提供了一種骨料，該骨料包含本發明的上述組合物或其凝固且硬化後的形式。在一個方面，提供了一種包裝物，該包裝物包含本發明的上述組合物以及一種適合容納該組合物的包裝材料。
[0084]在一個方面，提供了製造本發明的上述組合物的一種方法，該方法包括(a)使含有鹼土金屬的水與一種CO2來源相接觸；並且(b)使步驟(a)的含有鹼土金屬的水經受一項或多項條件以製造本發明的上述組合物。
[0085]在一些實施方案中，該0)2來源是含有來自燃燒過程的煙氣的一種工業廢氣流；來自化學處理設備的一種煙氣；來自產生作為副產物的CO2的設備的一種煙氣；或它們的組合。在一些實施方案中，該含有鹼土金屬的水是海水、濃濃鹽水、或它們的組合。在一些實施方案中，該一項或多項條件包括沉澱作用以及將該沉澱物脫水中的一項或多項以製造該組合物。在一些實施方案中，該一項或多項條件包括使該含有鹼土金屬的水與一種質子去除劑相接觸。在一些實施方案中，該質子去除劑是選自下組，該組由以下各項組成:氧化物、氫氧化物、碳酸鹽、粉煤灰、天然礦物、以及它們的組合。在一些實施方案中，該一項或多項條件包括使該含有鹼土金屬的水經受電化學條件。
[0086]在一個方面，提供了一種通過上述方法製造的組合物。
[0087]在一個方面，提供了製造本發明的上述組合物的一種系統，該系統包括:(a)用於含有鹼土金屬的水的一個輸入端；(b)用於CO2來源的一個輸入端；以及(C)連接到步驟(a)和步驟(b)的輸入端上的一個反應器，該反應器被配置成製造本發明的組合物。
[0088] 在一個方面，提供了由本發明的上述組合物來製造水泥產品的一種方法，該方法包括(a)使本發明的組合物與水在一項或多項適當條件下進行組合；並且(b)允許該組合物凝固並硬化成為一種水泥產品。
[0089]在一些實施方案中，該一項或多項適當條件是選自下組，該組由以下各項組成:脫水、用水漂洗、凝固、乾燥、固化、以及它們的組合。
[0090]在一些實施方案中，該方法進一步包括將該產品輸送到一個地下位置。
[0091]在一個方面，提供了由本發明的上述組合物來製造水泥產品的一種系統，該系統包括(a)用於本發明的組合物的一個輸入端；(b)用於水的一個輸入端；以及(C)連接到步驟(a)和步驟(b)上的一個反應器，該反應器被配置成將本發明的上述組合物與水在一項或多項適當條件下進行混合以製造水泥產品。
[0092]在一個方面，提供了由本發明的上述組合物來製造成形的建築材料的一種方法，該方法包括(a)使本發明的上述組合物與一種水性介質在一項或多項適當條件下進行組合；並且(b)允許該組合物凝固並硬化成為該成形的建築材料。
[0093]在一些實施方案中，該水性介質包括淡水。在一些實施方案中，在組合步驟(a)之前或之後將該組合物倒入模具中。在一些實施方案中，該模具是用於該成形的建築材料的。
[0094]通過引用而結合
本說明書中提及的所有的公開文件、專利、和專利申請都通過引用結合在此，其程度就如同確切地並且獨立地指明每個單獨的公開文件、專利、或專利申請以便通過引用而結合。
[0095]附圖簡要說明
本發明的新穎特徵具體地在所附權利要求書中列出。通過以下列舉了展示性實施方案的詳細說明將得到對本發明的特徵和優點的更好的理解，在這些實施方案中利用了本發明的原理，並且在其附圖中:
圖1展示了根據本發明的一個實施方案的一個沉澱工藝的流程圖。
[0096]圖2展示了根據本發明的某些實施方案的一個系統的示意圖。
[0097]圖3展示了從球霰石到霰石以及從霰石到方解石的轉換的吉布斯自由能圖。
[0098]圖4展示了根據本發明的某些實施方案的一個系統的示意圖。
[0099]圖5A-F展示了組合成球霰石球體的顆粒的納米簇的SEM圖像。
[0100]圖6展示了球霰石至包括霰石束、霰石針狀體、小片和立方體在內的不同形態的轉化。
[0101]圖7A-B展示了球霰石上的多晶型物的沉澱。圖7A展示了方解石在球霰石球體表面上的沉澱。通過該更可溶的球霰石相的溶解，形成了空心的方解石微球。圖7B展示了霰石束在連續空心的微球表面上的沉澱。
[0102]圖8展示了空心方解石微球和霰石束的形成的示意圖。
[0103]圖9展示了 4，000倍的放大率下球霰石在去離子水中的轉化的SEM圖像。
[0104]圖10A-B展示了溫度對晶體尺寸的影響。加熱可以產生更小的方解石晶體。圖1OA展示了室溫下球霰石在NaCl溶液中的轉化。圖1OB展示了 110°C下球霰石在NaCl溶液中的轉化。
[0105]圖11展示了通過球霰石微晶粒骨料形成的球叢狀球霰石。
[0106]圖12A-B展示了氯化鈉對球霰石轉化成方解石的影響。
[0107]圖13-18展示了球霰石(圖13-15)、混合的碳酸鹽相(圖16)、以及方解石(圖17-18)的晶體衍射圖紋。
[0108]圖19展示了根據本發明的一些實施方案用於沉澱該組合物的一個流程圖。
[0109]圖20展示了 OPC (普通波特蘭水泥)(小點)、飛灰(長點)、以及RCM (反應性碳酸鹽礦物)(實心)的粒度分布對比。
[0110]圖21展示了 RCM在與波特蘭水泥混合時的劑量響應抗壓強度。
[0111]圖22展示了若干ACC樣品的XRD結果，其中掃描結果與文獻中看到的相似。ACC5的強度是對不同掃描條件的一種反映。
[0112]圖23展示了使用方案ACC4所產生的樣品的XRD。存在石鹽、方解石和球霰石。
[0113]圖24展示了 ACC5，在初始分析時顯示了非晶物質。隨後的分析(4天以後)顯示了具有少量霞石的晶態方解石。
[0114]圖25展示了隨時間分析的共混ACC材料。該樣品顯示了長期穩定性(約I年半)。
[0115]圖26A-C展示了具有不同分散度和ζ電位的三種組合物的SEM圖像。
[0116]圖27展示了具有不同ζ電位的三種組合物的抗壓強度。
[0117]圖28展示了具有不同ζ電位的三種組合物的累積熱。 [0118]圖29展示了當由海水+ CaCl2 二水合物+ NaCl + 25% wt Na2CO3製造時在母體上清液中的球霰石組合物的穩定性。
[0119]圖30A-D展示了在由自來水+ CaCl2 二水合物+ 0.25 M Na2CO3 (Ca:鹼的化學計量比為1:1)製造時球霰石組合物的穩定性。
[0120]圖3IA-D展示了在由自來水+ CaCl2 二水合物+ 0.25 M Na2CO3 (Ca:鹼的化學計量比為1.5:1)製造時球霰石組合物的穩定性。
[0121]圖32A-D展示了在由自來水+ CaCl2 二水合物+ 0.25 M Na2CO3 (Ca:鹼的化學計量比為2:1)製造時球霰石組合物的穩定性。
[0122]圖33展示了實例20的沉澱的漿料的SEM圖像。
[0123]圖34展示了固化7天、14天和28天之後該組合物的抗壓強度。
[0124]詳細說明
本發明提供了多晶型物如非晶碳酸鈣、球霰石、霰石、方解石、和/或六水碳鈣石的組合物、方法和系統；用於製造和使用這些組合物的方法和系統；以及由此類組合物形成的材料，如骨料以及成形的或預成形的建築材料。
[0125]這些組合物包括水硬水泥、輔助膠凝材料、或自膠結組合物，這些自膠結組合物包括碳酸鈣的多晶型物形式，例如但不限於單獨的球霰石(CaCO3)或與以下項相結合的球霰石:非晶碳酸(CaCO3.ηΗ20)、霰石(CaC03)、方解石(CaC03)、六水碳|丐石(CaCO3.6H20)、球霰石的前體相、霰石的前體相、一種不及方解石穩定的中間相、在這些多晶型物之間的多晶形式、或它們的組合。在此還提供了由這些組合物製造的成形的建築材料以及骨料。在此進一步提供了用於製造和使用這些水硬水泥、輔助膠凝材料、或自膠結組合物的方法。在此進一步提供了用於由這些水硬水泥、輔助膠凝材料、或自膠結組合物來製造水泥產品如骨料以及預成形的建築材料的方法。這些組合物被用於各種應用中，包括用於各種建築材料以及建築應用中。
[0126]典型地，普通波特蘭水泥(0PC)主要由石灰石、某些粘土礦物以及石膏在高溫工藝中製成，該高溫工藝驅逐二氧化碳並將主要組分化學地組合成為新的化合物。燒制該混合物所需的能量消耗是所生產的每噸水泥約4 GJ。由於該水泥生產過程本身以及產生動力以運行這個生產過程的能源設備均產生了二氧化碳，因此水泥生產可能是當前二氧化碳大氣排放的一個主導來源。除去與波特蘭水泥生產相關的汙染問題之外，用波特蘭水泥生產的結構可能由於自波特蘭水泥生產的固化產品的不穩定性而具有修復和維護的支出。
[0127]在此提供的這些組合物可以通過使用從發電廠或其他工業源排放的二氧化碳並隨後將其隔離而形成本發明的組合物來減少碳足跡。替代性地，在此提供的這些組合物可以通過使用地下的含二氧化碳的濃濃鹽水來製備本發明的組合物而減少碳足跡。進一步替代性地，在此提供的這些組合物可以通過生產出部分或完全替代碳排放水泥如OPC的水泥組合物而減少碳足跡。本發明的這些組合物可以與OPC進行混合而給出具有相等或更高強度的水泥材料，由此減少製造水泥的OPC用量。
[0128]在此提供的這些組合物還顯示了令人驚訝且出乎意料的特性，因為由這些組合物(單獨地或與OPC組合)所獲得的產品具有高的抗壓強度，從而產生了具有高耐久性和更少維護成本的產品。本發明的組合物還可以進行優化以便產生具有所希望的抗壓強度的材料，並且由此進一步增大該工藝的效率並減少生產成本。例如，屋頂瓦所要求的抗壓強度可能不像支柱所要求的抗壓程度那樣高。本發明的組合物以及由本發明的組合物來製造水泥產品的工藝可以進行優化以便產生具有所希望的抗壓強度的水泥產品。
[0129]另外，本發明的方法可以進行優化以便產生在其與水或與其他水泥的反應性上有所不同的組合物。例如，本發明的這些組合物可以根據其與水的反應性而形成為水硬水泥組合物或形成為輔助膠凝材料或者形成為自膠結材料。在一些實施方案中，本發明的SCM組合物可以與波特蘭水泥混合而產生與波特蘭水泥本身或與波特蘭水泥及本領域已知的其他SCM的組合相比具有相等或更高的抗壓強度的水泥。
[0130]在更詳細地說明本發明之前，要理解的是本發明並不局限於所說明的具體實施方案，而當然地可以進行改變。還應理解的是，在此使用的術語是僅為了說明具體實施方案的目的、並且並非旨在進行限制，因為本發明的範圍將僅受所附權利要求限制。
[0131]當提供一個數值範圍時，應理解的是，在該範圍的上限與下限之間的每個插入值(至下限的單位的十分之一，除非上下文清楚地另外指明)以及在所述範圍內的任何其他所述的或插入的值，被涵蓋在本發明之內。這些更小範圍的上限和下限可以獨立地包括在這些更小範圍內並且也被涵蓋在本發明之內，服從所述範圍內任何明確排除的極限值。當所述範圍包含這些極限值之一或二者時，排除了所包含的極限值之一或二者的範圍也被包含在本發明之內。
[0132]某些範圍在此是呈現為在數值前面有術語「約」。術語「約」在此是用來對它後面的精確數字、以及接近於或近似於該術語之後的數字的一個數字提供文字支持。在判斷一個數字是否接近於或近似於一個明確列舉的數時，這個未列舉的接近的或近似的數可以是在它出現的上下文中提供了該明確列舉的數的基本上等值的一個數。
[0133]除非另外定義，所有在此使用的技術和科學術語具有如本發明所屬領域的普通技術人員所通常理解的一樣的含義。儘管與在此說明的那些相似或相同的任何方法和材料也可以用於本發明的實踐或試驗中，但在此說明了代表性的示例性方法和材料。
[0134]本說明書中引用的所有公開文件和專利都通過引用結合在此，就如同確切地並且獨立地指明每個單獨的公開文件或專利以便通過引用而結合、並且通過引用結合在此以便結合所引用的公開文件來披露並說明這些方法和/或材料。任何公開文件的引用均是對於申請日之前的披露內容而言，並且不應解釋為承認了本發明因為現有發明而沒有資格先於此公開文件。進一步地，所提供的
【公開日】期可能與實際
【公開日】期不同，實際的
【公開日】期可能需要獨立地進行確認。
[0135]應注意的是，如在此以及在所附權利要求中使用的，單數形式「一個」、「一種」以及「該」包括了複數形式，除非上下文另外地清楚指明。還應注意的是，權利要求可能被起草為排除了任何任選型的要素。這樣，這種語句旨在用作將諸如「唯一」、「僅僅」等等排他性術語與權利要求要素的敘述結合使用、或使用「否定」限制的引用基礎。
[0136]正如本領域普通技術人員在閱讀本披露之後將會清楚的，在此說明並展示的這些單獨實施方案中的每一個都具有分立的組分和特徵，這些組分和特徵可以與其他的若干實施方案中任何一個的特徵容易地進行分離或組合，而不背離本發明的範圍或精神。任何敘述的方法都可以按所敘述的事件的順序或者按邏輯上可能的任何其他順序來進行。
[0137]1.組合物
本發明的多個方面包括多種組合物，這些組合物包含水硬水泥、輔助膠凝材料(SCM)以及自膠結組合物，其中該水硬水泥或該SCM或該自膠結組合物包括亞穩的和穩定的碳酸鹽形式，例如球霰石、非晶碳酸鈣(ACC)、霰石、方解石、六水碳鈣石、球霰石的前體相、霰石的前體相、一種不及方解石穩定的中間相、在這些多晶型物之間的多晶形式、以及它們的組合。球霰石的前體、球霰石、霰石的前體以及霰石可以作為一種反應性的亞穩碳酸鈣形式用於反應目的和穩定化反應，例如膠結。
[0138]這些亞穩形式如球霰石和球霰石的前體以及穩定的碳酸鹽形式例如方解石，可以具有變化的溶解度，因而 它們在水溶液中水合時可以發生溶解並且使穩定的碳酸鹽礦物例如方解石和/或霰石再次沉澱。
[0139]本發明的這些包含亞穩形式例如球霰石的組合物令人驚訝且出乎意料地是處於乾燥粉末形式或處於含鹹水的漿料形式的穩定組合物。本發明的組合物中的亞穩形式可以不完全轉化成穩定形式如方解石以便膠結，直至與淡水接觸。
[0140]球霰石能以單分散或聚集的形式存在，並且可以是球狀的、橢圓的、片狀形狀的或六方晶系的。球霰石典型地具有一種六方晶體結構並且在生長時形成了多晶的球狀顆粒。球霰石的前體形式包括球霰石的納米簇，並且霰石的前體形式包括霰石針狀體的亞微米到納米簇。霰石，如果在該組合物中存在的話，可以是針狀的、柱狀的、或正交晶系的晶體。方解石，如果存在的話，可以是立方體的、紡錘狀的、或六方晶系的晶體。不及方解石穩定的中間相可以是在球霰石與方解石之間的一個相、在球霰石的前體與方解石之間的一個相、在霰石與方解石之間的一個相、和/或在霰石前體與方解石之間的一個相。
[0141]在一些實施方案中，本發明的這些組合物是合成組合物並且不是天然存在的。在一些實施方案中，本發明的組合物是處於粉末形式。在一些實施方案中，本發明的組合物是處於乾燥粉末形式。在一些實施方案中，本發明的組合物是無序的或不是處於有序排列或者是處於粉狀形式。在又一些實施方案中，本發明的組合物是處於部分或完全水合的形式。在又一些實施方案中，本發明的組合物是處於鹹水或淡水中。在又一些實施方案中，本發明的組合物是處於含氯化鈉的水中。在又一些實施方案中，本發明的組合物是處於含鹼土金屬離子的水中，這些離子是例如但不限於鈣、鎂等。[0142]在此提供的這些組合物展現了出乎意料的特性，例如高的抗壓強度、高的耐久性、以及較低的維護成本。此外，在一些實施方案中，當將CO2從煙氣或從含二氧化碳的濃鹽水中隔離而成為本發明的碳酸鈣形式時，減少了碳足跡並提供了更清潔的環境。在一些實施方案中，該組合物在與水組合、凝固並硬化之後具有的抗壓強度是至少14 MPa (兆帕)或在一些實施方案中是在14-80 MPa或14-35 MPa之間。在一些實施方案中，在此提供的這些含球霰石的組合物是由具有化石來源的CO2來源形成的。因此在一些實施方案中，在此提供的這些組合物具有小於-12%。的碳同位素分化值(δ130。在一些實施方案中，本發明的這些組合物是非醫用的並且不用於醫療程序。在一些實施方案中，本發明的這些組合物是合成組合物並且不是天然存在的。
[0143]在一個第一方面，提供了一種含水硬水泥的組合物，其中該水硬水泥包含至少47%w/w的球霰石，其中該組合物在與水組合、凝固並硬化之後具有至少14 MPa的抗壓強度。在一個第二方面，提供了一種組合物，該組合物包含一種水硬水泥，其中該水硬水泥包含至少47% w/w的球霰石，其中該組合具有小於-12%。的S13C。如在此使用的，「水硬水泥」包括在與水或一種溶劑為水的溶液(例如，摻料溶液)組合之後凝固並硬化的一種組合物。在硬化之後，這些組合物即使在水中也保留了強度和穩定性。由於立即開始的反應，能夠觀察到隨時間增大的加強作用。在達到某個水平之後，可以將這個時間點稱為凝固起點。繼續的進一步固結可以稱為凝固，此後開始了硬化階段。然後材料的抗壓強度可以穩定增長，這個時期在「超快硬化」水泥的情況下可以是幾天，在其他水泥的情況下可以是幾個月或幾年。通過將本發明的組合物與一種水性液體組合而生產的產品的凝固和硬化可以源自或者可以不源自水合物的產生，這些水合物可以是由該組合物在與水反應之後形成的，其中這些水合物在水中是實質性不可溶的。水泥可以單獨地或與骨料相組合地以粗和細的形式使用，在此情況下可以將這些組合物稱為混凝土或灰漿。也可以將水泥切割並剁碎而形成骨料。
[0144]在一個第三方面，提供了一種組合物，該組合物包含一種輔助膠凝材料(SCM)，其中該SCM包含至少47% w/w的球霰石，其中該組合物在與水、或水以及水泥組合、凝固並硬化之後具有至少14 MPa的抗壓強度。在一個第四方面，提供了一種組合物，該組合物包含一種SCM，其中該SCM包含至少47% w/w的球霰石，其中該組合物具有小於_12%。的碳同位素分化值(δ 13C)0
[0145]如在此使用的，「輔助膠凝材料」(SCM)包括本領域已知的SCM。例如，當本發明的SCM與波特蘭水泥混合時，在與SCM相互作用之後該波特蘭水泥的一種或多種特性基本上保持不變、或者與沒有SCM情況下的波特蘭水泥本身或與混有常規SCM的波特蘭水泥(如飛灰)相比得以增強。這些特性包括但不限於:細度、固定性、稠度、水泥凝固時間、水泥硬化時間、流變學行為、水合反應、比重、灼燒損失、和/或硬度，如水泥的抗壓強度。例如，當將本發明的20% SCM加入80%的OPC (普遍波特蘭水泥)中時，該一種或多種特性、例如OPC的抗壓強度，保持不變、減小不超過10%、或者得以增強。波特蘭水泥的特性可以根據波特蘭水泥的類型而變化。用本發明的SCM代替波特蘭水泥可以減少CO2排放，而與常規波特蘭水泥相比並不損害該水泥或混凝土的性能。
[0146] 在一些實施方案中，波特蘭水泥與本發明的SCM的最大替換體積可以在將SCM與OPC (對於水泥而言)以及骨料和/或砂(對於混凝土而言)混合之後通過在水泥和/或混凝土上進行不同的性能試驗來確定。這樣的試驗可以作為測試可用於替換OPC的、本發明的SCM量值的參數。例如水泥的細度等特性可以影響水合速率。更大的細度可以增大可用於水合的表面，從而導致更大的早期強度以及更快的熱量產生。美國材料試驗學會(ASTM)以及美國國有公路運輸管理員協會(AASHTO)要求用於測量水泥細度的華格納濁度儀(WagnerTurbidimete)以及勃氏透氣性試驗二者。固定性，即水泥糊劑在硬化之後保持其體積的能力，可以通過測量灰漿棒在高壓釜中的膨脹來進行表徵。對於類型I水泥，2英寸(50-_)的灰漿立方體在7天之後的抗壓強度可以是不小於2，800 psi (19.3 MPa)。
[0147]在一些實施方案中，波特蘭熔塊可以與本發明的SCM相互研磨而給出波特蘭水泥共混物。加入波特蘭熔塊中的SCM的量可以基於該共混物中顆粒的尺寸和分布來進行優化。在一些實施方案中，本發明的細研磨的SCM是熔塊的顆粒尺寸的一半，後者進而小於常規的波特蘭水泥中的熔塊顆粒尺寸。這可以對該共混物提供一種顆粒斂集效應，該效應可以增大混凝土的強度。
[0148]在一些實施方案 中，本發明的SCM組合物中的球霰石可以與波特蘭水泥或波特蘭熔塊進行反應。在一些實施方案中，來自該熔塊組分的鋁酸鹽可以與該SCM的碳酸鹽組合以形成碳鋁酸鹽，這些碳鋁酸鹽可以減小混凝土的孔隙率並且增大其強度。在一些實施方案中，本發明的SCM組合物可以用作一種填充劑。在一些實施方案中，這些顆粒的尺寸和/或顆粒的表面積可以影響本發明的SCM組合物與波特蘭水泥或波特蘭熔塊的相互作用。在一些實施方案中，本發明的SCM組合物可以為波特蘭水泥或波特蘭熔塊提供成核位點。在一些實施方案中，本發明的SCM組合物可以具有以上實施方案的組合。
[0149]此類混凝土試驗的例子包括但不限於:混凝土抗壓強度、混凝土撓曲強度、混凝土分裂拉伸強度、混凝土彈性模量、混凝土收縮性、混凝土對鹼性矽石反應性的耐受性、混凝土對硫酸鹽侵蝕的耐受性、混凝土對冰凍和解凍的耐受性、混凝土對結垢的耐受性、以及混凝土對氯離子通過的耐受性。
[0150]在一些實施方案中，本發明的SCM組合物可以在反應性上與本發明的水硬水泥組合物不相同。在一些實施方案中，本發明的SCM組合物可以不是一種有效的水硬水泥組合物並且反之亦然。例如在一些實施方案中，本發明的SCM組合物單獨地在與水組合、凝固並硬化後可以不產生與本發明的SCM組合物在與水組合、凝固並硬化後相同的抗壓強度。然而，這樣的SCM組合物在與其他水泥如波特蘭水泥混合後給出了令人驚訝且出乎意料的高的抗壓強度，如下面所說明的。
[0151]在一些實施方案中，提供了一種組合物，該組合物包含一種輔助膠凝材料(SCM)，其中該SCM包含至少50% w/w的方解石，其中該組合物在與水、或與水以及水泥組合、凝固並硬化之後具有至少14 MPa的抗壓強度。在一個第四方面，提供了一種組合物，該組合物包含一種SCM，其中該SCM包含至少50% w/w的方解石，其中該組合物具有小於_12%。的碳同位素分化值(δ 13C)0在一些實施方案中，以上實施方案中的方解石是在50-100% w/w之間；或在50-99% w/w之間；或在50-95% w/w之間；或在50-90% w/w之間；或在50-85% w/w之間；或在50-80% w/w之間；或在50-70% w/w之間；或在50-60% w/w之間；或在50-55% w/w之間。在一些實施方案中，以上含有至少50% w/w方解石的SCM組合物進一步包含至少l%w/w、或10% w/w、或50% w/w、或在1-50% w/w之間的球霰石、霰石或ACC。
[0152]在一個第五方面，提供了一種組合物，該組合物包含一種SCM，其中與OPC混合的按wt計至少16%的SCM導致在28天時OPC的抗壓強度與單獨的OPC相比降低了不超過10%。在一個第六方面，提供了一種組合物，該組合物包含一種SCM，其中與OPC混合的按Wt計至少16%的SCM導致在28天時OPC的抗壓強度與單獨的OPC相比增大了超過5%。
[0153]在一些實施方案中，與OPC混合的、按wt計至少17%的SCM、或按wt計至少18%的SCM、或按wt計至少19%的SCM、或按wt計至少20%的SCM、或按wt計至少21%的SCM、或按wt計至少22%的SCM、或按wt計至少23%的SCM、或按wt計至少24%的SCM、或按wt計至少25%的SCM、或按wt計至少30%的SCM、或按wt計至少40%的SCM、或按wt計至少50%的SCM、或按wt計在16-50%之間的SCM、或按wt計在16-40%之間的SCM、或按wt計在16-30%之間的SCM、或按wt計在16-25%之間的SCM、或按wt計在16-22%之間的SCM、或按wt計在
16-20%之間的SCM、或按wt計在16-18%之間的SCM、或按wt計在18-50%之間的SCM、或按wt計在18-40%之間的SCM、或按wt計在18-30%之間的SCM、或按wt計在18-20%之間的SCM、或按wt計在20-50%之間的SCM、或按wt計在20-40%之間的SCM、或按wt計在20-30%之間的SCM、或按wt計在30-50%之間的SCM、或按wt計在30-40%之間的SCM、或按wt計在40-50%之間的SCM、或按wt計16%的SCM、或按wt計17%的SCM、或按wt計18%的SCM、或按wt計19%的SCM、或按wt計20%的SCM、或按wt計22%的SCM、或按wt計25%的SCM，導致在28天時OPC的抗壓強度與單獨的OPC相比降低了不超過10%、或者導致在28天時OPC的抗壓強度與單獨的OPC相比增大了超過5%。例如，混有OPC的、按wt計至少17-20%的SCM或按wt計20%的SCM，導致在28天時OPC的抗壓強度與單獨的OPC相比降低了不超過10%、或者導致在28天時OPC的抗壓強度與單獨的OPC相比增大了超過5%。
[0154]在一些實施方案中，波特蘭水泥的抗壓強度是在17-45 MPa的範圍內。因此在一些實施方案中，提供了一種組合物，該組合物包含一種SCM，其中與OPC混合的按wt計至少16%的SCM導致在28天時OPC的抗壓強度降低了不超過10%，其中OPC的抗壓強度是在
17-45MPa的範圍內。 在一些實施方案中，提供了一種組合物，該組合物包含一種SCM，其中與OPC混合的按wt計至少16%的SCM導致在28天時OPC的抗壓強度增大了超過5%，其中OPC的抗壓強度是在17-45 MPa的範圍內。在一些實施方案中，波特蘭水泥的抗壓強度是在17-40 MPa的範圍內、或在17-35 MPa的範圍內、或在17-30 MPa的範圍內、或在17-25 MPa的範圍內、或在17-23 MPa的範圍內、或在17-22 MPa的範圍內、或在17-21 MPa的範圍內、或在17-20 MPa的範圍內、或在17-19 MPa的範圍內、或在17-18 MPa的範圍內、或在18-35MPa的範圍內、或在20-35 MPa的範圍內、或在18-25 MPa的範圍內。例如，在一些實施方案中，波特蘭水泥的抗壓強度是在17-35 MPa的範圍內。
[0155]OPC的抗壓強度可以根據OPC的類型而變化。OPC的類型包括:類型1、類型I1、類型II1、類型IV、類型V、類型IA、類型IIA、以及類型IIIA。表1展示了不同類型的波特蘭水泥在I天、3天、7天和28天的固化時間時的抗壓強度(單位是MPa)。
【權利要求】
1.一種構造面板，其包含一種組合物或其凝固且硬化後的形式，該組合物包含非天然存在的輔助膠凝材料(SCM)或非天然存在的水硬水泥，其中該SCM或水硬水泥包含至少10%w/w的球霰石和至少1% w/w的霰石，該組合物具有小於_12%。的碳同位素分化值(δ 13C)。
2.權利要求1的構造面板，其中該構造面板為水泥板、纖維-水泥外牆板、乾式牆或其組合。
3.權利要求2的構造面板，其中該水泥板具有1-7.5 MPa的撓曲強度、5_50 MPa的抗壓強度、或兩者。
4.權利要求2或3的構造面板，其中該水泥板進一步包含玻璃纖維、分散的玻璃纖維、或其組合。
5.權利要求2-4中任一項的構造面板，其中該水泥板進一步包含增塑劑、發泡劑、促進劑、阻滯劑、空氣夾帶添加劑、或其組合。
6.權利要求2的構造面板，其中該纖維-水泥外牆板具有0.5-5 MPa的撓曲強度、2_25MPa的抗壓強度、或兩者。
7.權利要求2或6的構造面板，其中該纖維-水泥外牆板進一步包含玻璃纖維、增塑劑、發泡劑、促進劑、阻滯劑、空氣夾帶添加劑、或其組合。
8.權利要求2的構造面板，其中該乾式牆具有0.1-3 MPa的撓曲強度、1_20 MPa的抗壓強度、或兩者。
9.權利要求2或8的構造面板，其中該乾式牆進一步包含石膏。
10.權利要求2、8或9中任一項的構造面板，其中該乾式牆進一步包含纖維、增塑劑、發泡劑、促進劑、阻滯劑、增大耐黴和耐火性的添加劑、或其組合。
11.權利要求2或8-10中任一項的構造面板，其中該乾式牆進一步包含紙、玻璃纖維、或其組合。
12.一種用於製造構造面板的方法，該方法包括: 使含有鹼土金屬的水與CO2源相接觸；並且 使該含有鹼土金屬的水經受一項或多項條件以製造一種組合物，其中該組合物包含至少10% w/w的球霰石和至少1% w/w的霰石,該組合物具有小於-12%。的碳同位素分化值(δ 13C), 使該組合物與水性介質在一項或多項適當條件下進行組合；和 允許該組合物凝固並硬化成為構造面板。
13.權利要求12的方法，其中該水性介質包括任選地含有氯化鈉、氯化鈣、氯化鎂、或它們的組合的淡水。
14.權利要求12或13的方法，其中該組合物與該水性介質的組合使得球霰石轉變成霰
O
15.權利要求12、13或14的方法，其中該CO2源是:含有來自燃燒過程的煙氣的工業廢氣流；來自化學處理設備的煙氣；來自產生CO2作為副產物的設備的煙氣；或它們的組合。
16.權利要求12-15中任一項的方法，其中含有鹼土金屬的水是半鹹水、海水、地下濃鹽水、或其組合。
17.權利要求12-16中任一項的方法，其中該一項或多項條件包括:溫度，pH，沉澱作用，離子比，添加物和離子物種的濃度，混合速率，攪拌形式，種晶、催化劑、膜片或基底的存在，穩定化添加劑，沉澱物的停留時間，沉澱物的脫水，用水洗滌該沉澱物，乾燥，研磨、儲存、或其組合。
18.權利要求12-17中任一項的方法，進一步包括在製造該組合物後將其乾燥以產生乾燥的組合物。
19.權利要求12或13的方法，其中將該組合物與該水性介質組合以產生漿料混合物，將該漿料混合物倒入模具中以形成該構造面板。
20.權利要求12-19中任一項的方法，其中該構造面板為水泥板、纖維-水泥外牆板、乾式牆或其組合。
21.權利要求20的方法，包括製造具有1-7.5 MPa的撓曲強度、5_50 MPa的抗壓強度、或兩者的水泥板。
22.權利要求20的方法，包括製造具有0.1-3 MPa撓曲強度、1-20 MPa的抗壓強度、或兩者的乾式牆。
23.權利要求20的方法，包括製造具有0.5-5 MPa撓曲強度、2-25 MPa的抗壓強度、或兩者的纖維-水泥外牆板。
24.權利要求12的方法，進一步包括向該組合物中添加玻璃纖維、分散的玻璃纖維、增塑劑、發泡劑、促進劑、阻滯劑、空氣夾帶添加劑、或其組合以製造該構造面板。
25.根據權利要 求12-24中任一項的方法所製造的構造面板。
【文檔編號】C04B28/02GK104003669SQ201410049870
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2010年8月16日 優先權日:2009年12月31日
【發明者】B.R.康斯坦茨, K.法爾薩德, C.卡米雷, J.帕特森, M.弗南德茨, M.金德-沃格爾, K.雅卡託, R.塔切爾, J.斯塔格納羅, I.陳, S.奧梅龍, K.霍德森, L.克洛迪克, M.德維尼, K.格拉米塔, T.C.霍蘭德 申請人:卡勒拉公司