軽量コンクリート組成物
使用する成分の合計が１００容量％を超えず、８から２０容量％のセメント、１１から５０容量％の砂、１０から３１容量％の予備発泡粒子、９から４０容量％の粗骨材及び１０から２２容量％の水を含有する軽量レディーミクスコンクリート組成物。前記予備発泡粒子は、０．２から８ｍｍの平均粒径、０．０２から０．６４ｇ／ｃｃのかさ密度及び１から３のアスペクト比を有している。組成物のＡＳＴＭ Ｃ１４３に従って測定したスランプ値は２から８インチである。軽量レディーミクスコンクリート組成物は２８日間凝結させた後、ＡＳＴＭ Ｃ３９に従って試験して少なくとも１４００ｐｓｉの圧縮強度を有している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通常建設業及び建築業における物質として有用な新規な組成物、材料、その使用方法及びその製造方法に関する。より具体的には、本発明の組成物は、高い強度及びしばしば改善された絶縁性を有する比較的に軽量で増量可能、成形可能、注入可能な材料の恩恵を受ける建設及び建築用途で使用され得る。
【背景技術】
【０００２】
所謂軽量コンクリートのような軽量セメント質材料の製造及び使用の分野において、今まで販売されている材料は通常、各種成分の高い均質性を有し、コンクリート塊全体にわたって均一に結合している強いが軽量のコンクリート塊を得るために通常各種成分の添加を必要としている。
【０００３】
米国特許３，２１４，３９３、３，２５７，３３８及び３，２７２，７６５は、セメント、主骨材、粒状発泡スチレンポリマー及び均質化及び／または界面活性添加剤を含有するコンクリート混合物を開示している。
【０００４】
米国特許３，０２１，２９１は、コンクリート混合物を流し込む前に、コンクリート混合物に養生中熱の影響下で膨張するポリマー材料を配合することによる気泡コンクリートの製造方法を開示している。ポリマー粒子の形及び大きさは重要でない。
【０００５】
米国特許５，５８０，３７８は、フライアッシュ、ポルトランドセメント、砂、石灰、及び軽量化成分として５０から２０００μｍの範囲の粒子サイズ及び約１ｌｂ／ｆｔ３の密度を有する超微粉ポリスチレン粒子を含み得る水性セメント質混合物から構成される軽量セメント質製品を開示している。前記混合物は成形品、例えば基礎壁、瓦、煉瓦等に注入され得る。前記製品は組積モルタル、プラスター、スタッコまたはテクスチャーとしても使用され得る。
【０００６】
ＪＰ ９ ０７１ ４４９は、ポルトランドセメント及び軽量骨材、例えば骨材の一部または全部として発泡ポリスチレン、パーライトまたはヒル石を含む軽量コンクリートを開示している。前記発泡ポリスチレンは０．１から１０ｍｍの粒径及び０．０１から０．０８の比重を有している。
【０００７】
米国特許５，５８０，３７８、５，６２２，５５６及び５，７２５，６５２は、セメント；膨張頁岩、粘土、スレート、フライアッシュ及び／または石灰；及び５０から２０００μｍの範囲の粒子サイズを有する超微粉ポリスチレン粒子である軽量化成分を含む水性セメント質混合物から構成され、０．５から５０％ ｖ／ｖの範囲の含水量を有することを特徴とする軽量セメント質製品を開示している。
【０００８】
米国特許４，２６５，９６４は、低密度発泡性熱可塑性顆粒、セメント質母材（例えば、セッコウ）、界面活性剤、混合物に適当量の空気を導入するための起泡剤として作用する混和剤、フイルム形成成分及びデンプンを含む構造単位（例えば、ウォールボードパネル等）用軽量組成物を開示している。前記発泡性熱可塑性顆粒はできる限り完全に発泡させる。
【０００９】
ＷＯ ９８ ０２ ３９７は、骨材として合成樹脂フォームを含有し、約１．６から２の比重を有する水硬結合剤組成物を成形することにより作られる軽量コンクリートルーフィングタイルを開示している。
【００１０】
ＷＯ ００／６１５１９は、約４０から９９％の有機ポリマー材料及び１から約６０％のＡＥ剤のブレンドを含む軽量コンクリートを開示している。前記ブレンドは、ポリスチレン骨材を用いる軽量コンクリートを作成するために使用される。前記ブレンドは、ポリスチレン骨材を分散させ且つポリスチレン骨材と周囲のセメント質結合剤間の結合を向上させるために必要である。
【００１１】
ＷＯ ０１／６６４８５は、５から８０容量％のセメント、１０から６５容量％の発泡ポリスチレン粒子、１０から９０容量％の膨張無機粒子、及び適切に混合後発泡ポリスチレンが実質的に均一に分布しているペーストを作成するのに十分な水を含有する軽量セメント質混合物を開示している。
【００１２】
米国特許６，８５１，２３５は、水、セメント、及び３．１８ｍｍ（１／８インチ）から９．５３ｍｍ（３／８インチ）の直径を有する発泡ポリスチレン（ＥＰＳ）フォームビーズの混合物を６８から９５リッター（１８から２５ガロン）の水、１５０から１９０ｋｇ（３２５から４２５ｌｂ）のセメント及び８５０から１４００リッター（３０から５０ｆｔ３）の予備発泡ビーズの比率で含む建築ブロックを開示している。
【００１３】
米国特許５，９１３，７９１は、ブロックの外表面の一方または両方上に貫入ファスナー（釘、ねじ、ステップル等）を受容し、保持するセメントベースの取り付け層を有する建築ブロックを開示している。１つのセメントベース層は第１比率で水、セメント及び発泡ポリスチレンフォームビーズを含有し、第２の外表面は第１比率とは異なる第２比率で水、セメント及び発泡ポリスチレンフォームビーズを含有している。
【００１４】
一般的に、従来技術は、組成物の全重量を減らすためにコンクリート組成物中に幾つかの形態の発泡ポリマーを使用する有用性を認識している。発泡ポリマーは主にコンクリート中のスペースを占めて、ボイドを形成すべく添加されており、発泡ポリマー中の“エアスペース”の量は典型的には上記目的を達成するために最大とされている。一般的に、従来技術は、発泡ポリマー粒子は軽量コンクリート組成物の強度及び／または構造保全性を低下させると推定している。更に、従来技術の軽量コンクリート組成物から作成したコンクリート物品は最良でも一致しない物性（例えば、ヤング率、熱伝導性及び圧縮強度）を有しており、典型的には所望の物性よりも劣る物性を示している。
【００１５】
従って、当業界では、上記した問題を解消して予想できる所望の物性を有する軽量コンクリート物品を提供する軽量コンクリート組成物が要望されている。
【発明の開示】
【００１６】
（発明の概要）
本発明は、使用する成分の合計が１００容量％を超えず、８から２０容量％のセメント、１１から５０容量％の砂、１０から３１容量％の０．２から８ｍｍの平均粒径、０．０２から０．６４ｇ／ｃｃのかさ密度及び１から３のアスペクト比を有する予備発泡粒子、９から４０容量％の粗骨材及び１０から２２容量％の水を含有する軽量レディーミクスコンクリート組成物を提供する。前記組成物のＡＳＴＭ Ｃ１４３に従って測定したスランプ値は２から８インチである。軽量レディーミクスコンクリート組成物を２８日間凝結させた後、ＡＳＴＭ Ｃ３９に従って試験した圧縮強度は少なくとも１４００ｐｓｉである。
【００１７】
（発明の詳細な記述）
明細書及び請求の範囲中で使用されている成分の量、反応条件等を指すすべての数字または語句は、実施例中のものまたは他の方法で指定されている場合を除いていずれの場合も用語「約」により修飾されると理解される。従って、反対の指示がない限り、明細書及び請求の範囲中に記載されている数的パラメーターは、本発明が求めている所望特性に応じて異なり得る概算である。請求の範囲に対する均等論の適用を制限する試みとしてではなく、せめて数的パラメーターの各々は少なくとも報告されている有効数字の数にてらし、通常の丸め技術を適用して解釈されるべきである。
【００１８】
本発明の広い範囲を規定する数的範囲及びパラメーターは概算であるが、具体的実施例に記載されている数値はできるだけ正確に報告されている。しかしながら、数値はすべて本質的にそれぞれの試験方法で見られる標準偏差から必ず生ずるある誤差を含んでいる。
【００１９】
また、本明細書中に挙げられている数的範囲はここに包含されているすべてのサブ範囲を含むと意図されると理解されるべきである。例えば、「１から１０」の範囲は１という最小値と１０という最大値を含めたこれらの範囲のすべてのサブ範囲を含むと意図される。すなわち、最小値は１またはそれを超え、最大値は１０またはそれ未満である。開示されている数的範囲は連続しているので、最小値と最大値の範囲のすべての値を含んでいる。他の方法で明白に示されていない限り、本明細書中に特定されているいろいろな数的範囲は概算である。
【００２０】
本明細書中で使用されている用語「ボイドスペースを含む粒子」は、本明細書中に記載されている予備発泡粒子の非限定例として空気、特殊ガス、またはガスの組合せを含んでいる発泡ポリマー粒子、予備発泡粒子、及びその少なくとも一部が完全に包囲されている気泡及び／またはハチの巣状チャンバを含んでいる他の粒子を指す。
【００２１】
本明細書中で使用されている用語「セメント」及び「セメント質」は、最終製品そのものではなく、コンクリートまたは他のモノリシック製品を結合させる材料を指す。特に、水硬性セメントは、最終硬化製品を得るために十分量の水の存在下で水和反応を受けることにより凝結し、硬化する材料を指す。
【００２２】
本明細書中で使用されている用語「セメント質混合物」は、セメント材料及び１つ以上の充填剤、補助剤、または養生時に硬化するスラリーを形成する当業界で公知の他の骨材及び／または材料を含む組成物を指す。セメント材料には水硬性セメント、セッコウ、セッコウ組成物、石灰等が含まれるが、これらに限定されず、水を含んでいてもいなくてもよい。補助剤及び充填剤には砂、粘土、フライアッシュ、骨材、ＡＥ剤、着色剤、混和剤／流動化剤等が含まれるが、これらに限定されない。
【００２３】
本明細書中で使用されている用語「コンクリート」は、セメント質混合物を十分な水と混合してセメント質混合物を凝結させ、塊全体を結合させることにより作成した硬くて強い建築材料を指す。
【００２４】
本明細書中で使用されている用語「レディーミクス」は、作業現場で混合する代わりに中央プラントからデリバリーするためにまとめて処理されるコンクリートを指す。典型的には、レディーミクスのバッチは特殊建設プロジェクトの特質に従ってテーラーメードされ、可塑状態で、通常しばしば“セメントミキサー”と呼ばれている円筒形トラックを用いてデリバリーされる。
【００２５】
本明細書中で使用されている容量％及び重量％はすべて、水の特定の容量または重量の使用を意図している。ドライミクスまたはレディーミクス組成物を指すときの特定量は、使用のために最終的に配合、混合及び他の方法で用意されるときにドライミクスまたはレディーミクスに相応量の水を添加すると予想される同一比率にある。
【００２６】
本明細書中に記載されている組成範囲はすべて実際合計で１００％（容量％または重量％）に限定され、１００％（容量％または重量％）を超えない。組成物中に複数の成分が存在し得る場合、各成分の最大量の合計は１００％を超え得、当業者が容易に理解するように実際使用される成分の量は１００％の最大に一致すると理解される。
【００２７】
本明細書中で使用されている用語「（メタ）アクリル酸」及び「（メタ）アクリレート」は、アクリル酸及びメタクリル酸誘導体の両方、例えばアクリレート及び（メタ）アクリレートとしばしば称されている対応のアルキルエステルを含むことを意味し、用語「（メタ）アクリレート」は包含すると意味する。
【００２８】
本明細書中で使用されている用語「ポリマー」は、非限定的にホモポリマー、コポリマー、グラフトコポリマー、並びにそのブレンド及び組合せを包含すると意味する。
【００２９】
広義に、本発明は、成形品における空気同伴のコントロール方法を提供する。成形品は成形可能な材料から作成され、空気を構造的に支持する方法で同伴するためにボイドスペースを含有する粒子が使用されている。ボイドスペースを含有する粒子が成形過程中に壊されない限り適当な成形可能な材料が使用され得る。
【００３０】
本明細書中で使用されている用語「複合材料」は、異なる物理的特徴を有する２つ以上の物質を含み、各物質はその一体性を保持しつつ全体に所望の特性を付与している固体材料を指す。非限定例として、複合材料には予備発泡ビーズが均一に分散され、埋め込まれているコンクリートが含まれ得る。
【００３１】
よって、本発明は、成形可能な材料及びボイドスペースを含有する粒子を合わせて混合物を生成し、この混合物を型枠に入れて形成される物品の空気同伴のコントロール方法に関する。
【００３２】
本明細書はポリマー粒子を含むセメント質混合物を詳細に記載しているが、本明細書中に記載されている概念及び実施形態は当業者により上記した他の用途に対して適用され得る。
【００３３】
本発明の実施形態は、セメント質混合物及びポリマー粒子を含む軽量コンクリート（ＬＷＣ）組成物に関する。驚くことに、発泡ポリマー粒子のサイズ、組成、構造及び物性、幾つかの場合にはその樹脂ビーズ前駆体が本発明のＬＷＣ組成物から作成したＬＷＣ物品の物性にかなりの影響を及ぼし得ることが知見された。得られるＬＷＣ物品の物性に対するビーズサイズと発泡ポリマー粒子密度間の関係を特に注目されたい。
【００３４】
本発明の一実施形態では、セメント質混合物は水性セメント質混合物であり得る。
【００３５】
場合により発泡ポリマー粒子であり得るポリマー粒子は、ＬＷＣ組成物中にＬＷＣ組成物の全容量に基づいて少なくとも１０容量％、幾つかの例では少なくとも１５容量％、他の例では少なくとも２０容量％、９０容量％以下、幾つかの場合に７５容量％以下、他の場合には６０容量％以下、幾つかの例では５０容量％以下、他の例では４０容量％以下、特定の例では３５容量％以下、幾つかの場合には３１容量％以下のレベルで存在している。ポリマーの量は最終ＬＷＣ物品において所望される特定の物性に応じて異なる。ＬＷＣ組成物中のポリマー粒子の量は上記した値であっても、上記した値の範囲であってもよい。
【００３６】
ポリマー粒子には、適当な発泡性熱可塑性材料から誘導される粒子が含まれ得る。実際のポリマー粒子は最終ＬＷＣ物品において所望される特定の物性に基づいて選択される。非限定例として、場合により発泡性ポリマー粒子であり得るポリマー粒子には、ビニル芳香族モノマーのホモポリマー、少なくとも１つのビニル芳香族モノマーと１つ以上のジビニルベンゼン、共役ジエン、アルキルメタクリレート、アルキルアクリレート、アクリロニトリル及び／または無水マレイン酸とのコポリマー、ポリオレフィン、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリアミド、天然ゴム、合成ゴム及びその組合せから選択される１つ以上のポリマーが含まれ得る。
【００３７】
本発明の一実施形態では、ポリマー粒子にはビニル芳香族モノマー（例えば、スチレン、イソプロピルスチレン、α−メチルスチレン、核メチルスチレン、クロロスチレン、ｔｅｒｔ−ブチルスチレン等）から誘導されるホモポリマー、並びに少なくとも１つの上記したビニル芳香族モノマーがコポリマーの少なくとも５０重量％の量で存在している該ビニル芳香族モノマーと１つ以上の他のモノマーを共重合することにより製造されるコポリマーから選択される熱可塑性ホモポリマーまたはコポリマーが含まれる。前記した他のモノマーの非限定例はジビニルベンゼン、共役ジエン（非限定的にブタジエン、イソプレン、１，３−及び２，４−ヘキサジエンが例示される）、アルキルメタクリレート、アルキルアクリレート、アクリロニトリル及び無水マレイン酸である。本発明の実施形態では、合成ポリマー、特にポリスチレンが使用される。しかしながら、他の適当なポリマー、例えばポリオレフィン（例：ポリエチレン、ポリプロピレン）、ポリカーボネート、ポリフェニレンオキシド及びその混合物が使用され得る。
【００３８】
本発明の特定の実施形態では、ポリマー粒子は発泡性ポリスチレン（ＥＰＳ）粒子である。これらの粒子はビーズ、顆粒、または発泡及び成形操作のために好都合な他の粒子の形態をとり得る。
【００３９】
本発明では、懸濁方法で重合させた、本質的に球形樹脂ビースーである粒子がポリマー粒子としてまたは発泡ポリマー粒子を作成するために使用される。しかしながら、押し出し、粒子サイズの樹脂ビーズに切断する溶液及びバルク重合技術から誘導したポリマーも使用可能である。
【００４０】
本発明の一実施形態では、本明細書中に記載されているポリマーまたはポリマー組成物を含有している樹脂ビーズ（非発泡）は少なくとも０．２ｍｍ、幾つかの状況では少なくとも０．３３ｍｍ、幾つかの場合には少なくとも０．３５ｍｍ、他の場合には少なくとも０．４ｍｍ、幾つかの例では少なくとも０．４５ｍｍ、他の例では少なくとも０．５ｍｍの粒子サイズを有している。また、樹脂ビーズは３ｍｍ以下、幾つかの例では２ｍｍ以下、他の例では２．５ｍｍ以下、幾つかの場合には２．２５ｍｍ以下、他の場合には２ｍｍ以下、幾つかの状況では１．５ｍｍ以下、他の状況では１ｍｍ以下の粒子サイズを有し得る。この実施形態では、本発明に従って作成したＬＷＣ物品の物性は、上記した範囲を外れた粒子サイズを有する樹脂ビーズを発泡ポリマー粒子を作成するために使用したときには矛盾するまたは望ましくない物性を有する。この実施形態で使用される樹脂ビーズは上記した値であっても、上記した値の範囲であってもよい。
【００４１】
発泡性熱可塑性粒子または樹脂ビーズに場合により慣用方法を用いて適当な発泡剤を含浸させてもよい。非限定例として、含浸は、ポリマーの重合中に発泡剤を水性懸濁液に添加するか、または米国特許２，９８３，６９２に教示されているようにポリマー粒子を水性媒体中に再懸濁させた後発泡剤を配合することにより行われ得る。ガス状材料または加熱時にガスを発生する材料が発泡剤として使用され得る。慣用の発泡剤には、選択されるポリマーの軟化点以下の温度で沸騰する分子中に４から６個の炭素原子を含有する脂肪族炭化水素（例：ブタン、ペンタン、ヘキサン）及びハロゲン化炭化水素（例：ＣＦＣ類及びＨＣＦＣ類）が含まれる。これらの脂肪族炭化水素発泡剤の混合物も使用可能である。
【００４２】
或いは、脂肪族炭化水素発泡剤と水を混合してもよく、または米国特許６，１２７，４３９、６，１６０，０２７及び６，２４２，５４０に教示されているように水を単一の発泡剤として使用してもよい。これらの特許では保水剤が使用されている。発泡剤として使用するための水の重量％は１から２０％の範囲であり得る。米国特許６，１２７，４３９、６，１６０，０２７及び６，２４２，５４０は援用により本明細書中に含まれるとする。
【００４３】
含浸させたポリマー粒子または樹脂ビーズを場合により少なくとも１．２５ｌｂ／ｆｔ３（０．０２ｇ／ｃｃ）、幾つかの場合には１．７５ｌｂ／ｆｔ３（０．０２８ｇ／ｃｃ）、幾つかの状況では少なくとも２ｌｂ／ｆｔ３（０．０３２ｇ／ｃｃ）、他の状況では少なくとも３ｌｂ／ｆｔ３（０．０４８ｇ／ｃｃ）、特定の状況では少なくとも３．２５ｌｂ／ｆｔ３（０．０５２ｇ／ｃｃ）または３．５ｌｂ／ｆｔ３（０．０５６ｇ／ｃｃ）のかさ密度まで発泡させてもよい。非発泡樹脂ビーズを使用する場合にはかさ密度がより高いビーズが使用され得る。このようなとき、かさ密度は４０ｌｂ／ｆｔ３（０．６４ｇ／ｃｃ）くらい高くてもよい。他の状況では、ポリマー粒子は少なくとも部分的に発泡され、かさ密度は３５ｌｂ／ｆｔ３（０．５６ｇ／ｃｃ）以下、幾つかの場合には３０ｌｂ／ｆｔ３（０．４８ｇ／ｃｃ）以下、他の場合には２５ｌｂ／ｆｔ３（０．４ｇ／ｃｃ）以下、幾つかの例では２０ｌｂ／ｆｔ３（０．３２ｇ／ｃｃ）以下、他の例では１５ｌｂ／ｆｔ３（０．２４ｇ／ｃｃ）以下、ある状況では１０ｌｂ／ｆｔ３（０．１６ｇ／ｃｃ）以下であり得る。ポリマー粒子のかさ密度は上記した値であっても、上記した値の範囲であってもよい。ポリマー粒子、樹脂ビーズ及び／または予備発泡粒子のかさ密度は（周囲条件下で２４時間エージングした）既知容量のポリマー粒子、ビーズ及び／または予備発泡粒子を秤量することにより測定される。
【００４４】
発泡ステップを含浸させたビーズを慣用の加熱媒体（例えば、蒸気、熱風、熱水または放射熱）を用いて加熱することにより実施することが好都合である。含浸させた熱可塑性粒子をプレ発泡させるための一般的に容認されている１つの方法は米国特許３，０２３，１７５に教示されている。
【００４５】
含浸ポリマー粒子は、その教示が援用により本明細書中に含まれるとする米国特許出願公開２００２−０１１７７６９Ａ１に教示されている発泡気泡ポリマー粒子であり得る。発泡気泡粒子は、発泡されており、揮発性発泡剤をポリマーの重量に基づいて１４重量％未満、幾つかの状況では６重量％未満、幾つかの場合には約２から約５重量％、他の場合には約２．５から約３．５重量％のレベルで含有しているポリスチレンであり得る。
【００４６】
本発明の発泡熱可塑性樹脂またはポリマー粒子に配合され得るポリオレフィンと現場重合されるビニル芳香族モノマーのインターポリマーは米国特許４，３０３，７５６、４，３０３，７５７及び６，９０８，９４９に開示されており、これらの特許の関連部分は援用により本明細書に含まれるとする。
【００４７】
ポリマー粒子は慣用の成分及び添加剤、例えば難燃剤、顔料、染料、着色剤、可塑剤、離型剤、安定化剤、紫外光吸収剤、防カビ剤、抗酸化剤、殺鼠剤、昆虫忌避剤等を含み得る。典型的な顔料には非限定的に無機顔料、例えばカーボンブラック、グラファイト、発泡性グラファイト、酸化亜鉛、二酸化チタン及び酸化鉄；及び有機顔料、例えばキナクリドンレッド及びバイオレット、銅フタロシアニンブルー及びグリーンが含まれる。
【００４８】
本発明の特定実施形態では、顔料はカーボンブラックであり、その材料の非限定例はＮＯＶＡ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ Ｉｎｃ．から入手可能なＥＰＳ ＳＩＬＶＥＲ（登録商標）である。
【００４９】
本発明の別の特定実施形態では、顔料はグラファイトであり、その材料の非限定例はドイツのルードヴィヒスハーフェン・アム・ラインに所在のＢＡＳＦ Ａｋｔｉｅｎｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ Ｃｏｒｐ．から入手可能なＮＥＯＰＯＲ（登録商標）である。
【００５０】
カーボンブラック及び／またはグラファイトのような材料をポリマー粒子中に配合する場合、カーボンブラックまたはグラファイトを含有する材料は（ＡＳＴＭ−Ｃ５１８を用いて測定される）Ｒ値が高いことから例示されるように改善された絶縁性が与えられる。すなわち、カーボンブラック及び／またはグラファイトを含有する発泡ポリマー粒子または前記ポリマー粒子から作成した材料のＲ値は、カーボンブラック及び／またはグラファイトを含有していない粒子または得られる物品について観察されるＲ値よりも少なくと５％高い。
【００５１】
発泡ポリマー粒子または予備発泡粒子は少なくとも０．２ｍｍ、幾つかの状況では少なくとも０．３ｍｍ、他の状況では少なくとも０．５ｍｍ、幾つかの場合には少なくとも０．７５ｍｍ、他の場合には少なくとも０．９ｍｍ、幾つかの例では少なくとも１ｍｍの平均粒子サイズを有し得、８ｍｍ以下、幾つかの状況では６ｍｍ以下、他の状況では５ｍｍ以下、幾つかの場合には４ｍｍ以下、他の場合には３ｍｍ以下、幾つかの例では２．５ｍｍ以下であり得る。発泡ポリマー粒子または予備発泡粒子のサイズが余りに小さいかまたは余りに大きい場合には、本発明のＬＷＣ組成物を用いて作成されるＬＷＣ物品の物性は望ましくないことがある。発泡ポリマー粒子または予備発泡粒子の平均粒子サイズは上記した値であっても、上記した値の範囲であってもよい。発泡ポリマー粒子または予備発泡粒子の平均粒子サイズは、レーザー回折技術を用いて、または当業界で公知の機械的分離方法を用いてメッシュサイズに従って篩分けることにより調べられ得る。
【００５２】
本発明の一実施形態では、ポリマー粒子または発泡ポリマー粒子は最低の平均気泡壁厚さを有しており、これにより本発明のＬＷＣ組成物を用いて作成したＬＷＣ物品に対して所望の物性が与えられる。平均気泡壁厚さ及び内部気泡寸法は当業界で公知の走査型電子顕微鏡技術を用いて測定され得る。発泡ポリマー粒子は少なくとも０．１５μｍ、幾つかの場合には少なくとも０．２μｍ、他の場合には少なくとも０．２５μｍの平均気泡壁厚さを有し得る。特定の理論に拘束されるつもりはないが、上記した寸法を有する樹脂ビーズを上記密度まで発泡すると所望の平均気泡壁厚さが生ずると考えられている。
【００５３】
本発明の一実施形態では、上記した所望の気泡壁厚さが得られるようにポリマービーズを場合により発泡させて発泡ポリマー粒子を形成する。多くの変数が壁厚さに影響を及ぼし得るが、この実施形態では所望の壁厚さ及び発泡ポリマー粒子強度が得られるようにポリマービーズの発泡を制限することが望ましい。加工ステップ及び発泡剤を最適化すると、ポリマービーズを１．２５ｌｂ／ｆｔ３（０．０２ｇ／ｃｃ）の最低値まで発泡させ得る。こうした発泡ポリマーかさ密度の性質はｐｃｆ（ｌｂ／ｆｔ３）または発泡係数（ｃｃ／ｇ）により記載され得る。
【００５４】
本明細書中で使用されている用語「発泡係数」は、典型的にはｃｃ／ｇで表わされる所与の重量の発泡ポリマービーズが占める容量を指し、本発明では典型的には５０ｃｃ／ｇ以下の値である。
【００５５】
所望の気泡壁厚さ及び強度を有する発泡ポリマー粒子を得るためには、発泡ポリマー粒子をその最大発泡係数まで発泡させない。極度に発泡させると、望ましくないほど薄い気泡壁及び不十分な強度を有する粒子が生ずる。更に、ポリマービーズはその最大発泡係数の少なくとも５％、幾つかの場合には少なくとも１０％、他の場合には少なくとも１５％発泡させ得る。しかしながら、気泡壁厚さが余りに薄くならないように、ポリマービーズをその最大発泡係数の８０％以下、幾つかの場合には７５％以下、他の場合には７０％以下、幾つかの例では６５％以下、他の例では６０％以下、幾つかの状況では５５％以下、他の状況では５０％以下発泡させ得る。ポリマービーズは上記した程度まで発泡させても、発泡が上記した値の範囲であってもよい。典型的には、ポリマービーズまたは予備発泡粒子は、本発明のセメント質組成物に配合するとき更に発泡させず、セメント質組成物を凝結、養生及び／または硬化させながら更に発泡しない。
【００５６】
本明細書中で使用されている用語「予備発泡」は、発泡されているが、その最大発泡係数まで発泡されていない発泡性粒子、樹脂及び／またはビーズを指す。
【００５７】
本発明の実施形態では、予備発泡粒子は少なくとも１０ｃｃ／ｇ、幾つかの場合には少なくとも１２ｃｃ／ｇの発泡係数を有し得、７０ｃｃ／ｇ以下、幾つかの場合には６０ｃｃ／ｇ以下、他の場合には５０ｃｃ／ｇ以下であり得る。予備発泡粒子の発泡係数は上記した値であっても、上記した値の範囲であってもよい。
【００５８】
予備発泡または発泡ポリマー粒子は、典型的には気泡構造またはハニカム内部部分及び外表面として通常平滑な連続ポリマー表面、すなわち実質的に連続的な外層を有している。平滑な連続表面は走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）技術を用いて倍率１０００倍で観察され得る。ＳＥＭ観察は、図１、３及び５に示すように予備発泡または発泡ポリマー粒子の外表面における孔の存在を示していない。予備発泡または発泡ポリマー粒子の断面を取り、ＳＥＭ観察すると、図２、４及び６に示すように予備発泡または発泡ポリマー粒子の内部が通常のハニカム構造であることが分かる。
【００５９】
ポリマー粒子または発泡ポリマー粒子は、ＬＷＣ物品において所望の物性を与えることができる断面形状を有し得る。本発明の実施形態では、発泡ポリマー粒子は円形、長円形または楕円形の断面形状を有している。本発明の実施形態では、予備発泡または発泡ポリマー粒子は１、幾つかの場合には少なくとも１のアスペクト比を有しており、アスペクト比は３以下、幾つかの場合には２以下、他の場合には１．５以下であり得る。予備発泡または発泡ポリマー粒子のアスペクト比は上記した値であっても、上記した値の範囲であってもよい。
【００６０】
セメント質混合物はＬＷＣ組成物中にＬＷＣ組成物の少なくとも１０容量％、幾つかの例では少なくとも１５容量％、他の例では少なくとも２２容量％、幾つかの場合には少なくとも４０容量％、他の場合には少なくとも５０容量％のレベルで存在しており、ＬＷＣ組成物の９０容量％以下、幾つかの状況では８５容量％以下、他の状況では８０容量％以下、特定の場合には７５容量％以下、幾つかの場合には７０容量％以下、他の場合には６５容量％以下、幾つかの例では６０容量％以下のレベルで存在し得る。セメント質混合物はＬＷＣ組成物中に上記したレベルで存在し得、上記したレベルの範囲であってもよい。
【００６１】
本発明の一実施形態では、セメント質混合物は水硬性セメント組成物を含む。水硬性セメント組成物はセメント質混合物の少なくとも３容量％、ある状況では少なくとも５容量％、幾つかの場合には少なくとも８容量％、他の場合には少なくとも９容量％のレベルで存在し得、４０容量％以下、幾つかの場合には３５容量％以下、他の場合には３０容量％以下、幾つかの例では２０容量％以下のレベルで存在し得る。セメント質混合物は上記したレベルまたは上記したレベルの範囲のレベルで水硬性セメント組成物を含み得る。
【００６２】
本発明の特定実施形態では、水硬性セメント組成物はポルトランドセメント、ポゾランセメント、セッコウセメント、アルミナセメント、マグネシアセメント、シリカセメント及びスラグセメントから選択される１つ以上の材料であり得る。更に、ＡＳＴＭ Ｃ１５０に定義されている各種型のセメントが本発明で使用され得、その非限定例にはＩ型（他のセメント型の特殊な性質を必要としない場合に使用するために）、ＩＡ型（Ｉ型品質のＡＥセメントのために）、ＩＩ型（適度の耐硫酸塩性または適度の水和熱が所望される場合に一般的に使用するために）、ＩＩＡ型（Ｉｌ型品質のＡＥセメントのために）、ＩＩＩ型（高い初期強度が所望される場合に使用するために）、ＩＩＩＡ型（ＩＩＩ型品質のＡＥセメントのために）、ＩＶ型（少ない水和熱が所望される場合に使用するために）、Ｖ型（高い耐硫酸塩性が所望される場合に使用するために）が含まれる。
【００６３】
本発明の特定実施形態では、セメント組成物はＩ型ポルトランドセメントである。
【００６４】
本発明の一実施形態では、セメント質混合物は場合により当業界で公知の他の骨材及び補助剤を含んでいてもよく、その例には砂、追加の骨材、可塑剤及び／または繊維が含まれるが、これらに限定されない。適当な繊維にはガラス繊維、炭化ケイ素、アラミド繊維、ポリエステル、炭素繊維、複合繊維、ファイバーグラス及びその組合せ；並びに上記した繊維を含むファブリック及び上記した繊維のファブリック含有配合物が含まれるが、これらに限定されない。
【００６５】
本発明で使用され得る繊維の非限定例には、サウカスロライナ州アンダーソンに所在のＴｅｃｈＦａｂ，ＬＬＣから入手可能なＭｅＣ−ＧＲＩＤ（登録商標）及びＣ−ＧＲＩＤ（登録商標）；デラウェア州ウィルミントンに所在のＥ．Ｉ．ｄｕ Ｐｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能なＫＥＶＬＡＲ（登録商標）；オランダ国アルンヘムに所在のＴｅｉｊｉｎ Ｔｗａｒｏｎ Ｂ．Ｖ．から入手可能なＴＷＡＲＯＮ（登録商標）；ニュージャージー州モリスタウンに所在のＨｏｎｅｙｗｅｌｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｃ．から入手可能なＳＰＥＣＴＲＡ（登録商標）；デラウェア州ウィルミントンに所在のＩｎｖｉｓｔａ Ｎｏｒｔｈ Ａｍｅｒｉｃａ Ｓ．Ａ．Ｒ．Ｌ．Ｃｏｒｐ．から入手可能なＤＡＣＲＯＮ（登録商標）；及びニューヨーク州ニューヨークに所在のＨｏｅｃｈｓｔ Ｃｅｌｌａｎｅｓｅ Ｃｏｒｐ．から入手可能なＶＥＣＴＲＡＮ（登録商標）が含まれる。繊維はメッシュ構造で使用したり、撚り合わせたり、織り交ぜても、所望方向に配向させてもよい。
【００６６】
本発明の特定実施形態では、繊維はＬＷＣ組成物の少なくとも０．１容量％、幾つかの場合には少なくとも０．５容量％、他の場合には少なくとも１容量％、幾つかの例では少なくとも２容量％を占め得る。更に、繊維はＬＷＣ組成物の１０容量％以下、幾つかの場合には８容量％以下、他の場合には７容量％以下、幾つかの例では５容量％以下を与え得る。繊維の量はＬＷＣ組成物に対して所望の特性を与えるように調節される。繊維の量は上記した値であっても、上記した値の範囲であってもよい。
【００６７】
この実施形態に加えて、追加の骨材には砂、石及び砂利のような常用骨材から選択される１つ以上の材料が含まれ得るが、これらに限定されない。常用軽量骨材には高炉水砕スラグ、フライアッシュ、ガラス、シリカ、膨張スレート及び粘土；断熱骨材、例えば軽石、パーライト、ヒル石、スコリア及びケイソウ土；ＬＷＣ骨材、例えば膨張頁岩、膨張スレート、膨張粘土、膨張スラグ、ヒュームドシリカ、ペレット化骨材、押出しフライアッシュ、凝灰岩及びマクロライト；及び組積骨材、例えば膨張頁岩、粘土、スレート、膨張高炉スラグ、焼結フライアッシュ、石炭殻、軽石、スコリア及びペレット化骨材が含まれる得る。
【００６８】
非限定例として、石には川岩、石灰岩、花崗岩、砂岩、褐色砂岩、れき岩、方解岩、ドロマイト、蛇紋岩、トラバーチン、スレート、青石、片麻岩、石英を含む砂岩、石英及びその組合せが含まれ得る。
【００６９】
配合される場合、他の骨材及び補助剤はセメント質混合物中にセメント質混合物の少なくとも０．５容量％、幾つかの場合には少なくとも１容量％、他の場合には少なくとも２．５容量％、幾つかの例では少なくとも５容量％、他の例では少なくとも１０容量％のレベルで存在している。また、他の骨材及び補助剤はセメント質混合物の９５容量％以下、幾つかの場合には９０容量％以下、他の場合には８５容量％以下、幾つかの例では６５容量％以下、他の例では６０容量％以下のレベルで存在し得る。他の骨材及び補助剤はセメント質混合物中に上記したレベルで存在していても、上記したレベルの範囲であってもよい。
【００７０】
本発明の特定実施形態では、砂及び／または他の細骨材はＬＷＣ組成物の少なくとも１１容量％、幾つかの場合には少なくとも１５容量％、他の場合には少なくとも２０容量％を占め得る。更に、砂及び／または他の細骨材はＬＷＣ組成物の５０容量％以下、幾つかの場合には４５容量％以下、他の場合には４０容量％以下、幾つかの例では３５容量％以下を与え得る。砂及び／または他の細骨材の量はＬＷＣ組成物に対して望ましい特性を与えるように調節される。砂及び／または他の細骨材の量は上記した値であっても、上記した値の範囲であってもよい。
【００７１】
本発明の特定実施形態では、粗骨材（４以上のＦＭ値を有する骨材）はＬＷＣ組成物の少なくとも１容量％、幾つかの場合には少なくとも９容量％、他の場合には少なくとも１２容量％を占め得る。更に、粗骨材はＬＷＣ組成物の４０容量％以下、幾つかの場合には３５容量％以下、他の場合には３０容量％以下、幾つかの例では２５容量％以下を与え得る。粗骨材の量はＬＷＣ組成物に対して望ましい特性を与えるように調節される。粗骨材の量は上記した値であっても、上記した値の範囲であってもよい。
【００７２】
本発明の実施形態では、軽量コンクリート組成物は１つ以上の混和剤を含み得る。その非限定例は消泡剤、防水剤、分散剤、凝結促進剤、凝結遅延剤、可塑剤、流動化剤、混和剤、結合剤、凝固点降下剤、接着性改良剤及び着色剤である。混和剤は典型的には組成物の全重量に対して１重量％未満でしか存在しないが、０．１から３重量％で存在させてもよい。
【００７３】
本発明で使用される適当な分散剤または可塑剤には、ヘキサメタホスフェート、トリポリホスフェート、ポリナフタレンスルホネート、スルホン化ポリアミン及びその組合せが含まれるが、これらに限定されない。
【００７４】
本発明で使用される適当な可塑剤には、ポリヒドロキシカルボン酸またはその塩、ポリカルボキシレートまたはその塩、リグノスルホネート、ポリエチレングリコール及びその組合せが含まれるが、これらに限定されない。
【００７５】
本発明で使用される適当な流動化剤には、リグニンスルホネートのアルカリ金属またはアルカリ土類金属塩；リグノスルホネート、高縮合したナフタレンスルホン酸／ホルムアルデヒド縮合物のアルカリ金属またはアルカリ土類金属塩；ポリナフタレンスルホネート、１つ以上のポリカルボキシレート（例えば、ポリ（メタ）アクリレート及び関連部分が援用により本明細書中に含まれるとする米国特許６，８００，１２９に記載されているポリカルボキシレート櫛形コポリマー）のアルカリ金属またはアルカリ土類金属塩；メラミン／ホルムアルデヒド／亜硫酸塩縮合物のアルカリ金属またはアルカリ土類金属塩；スルホン酸エステル；炭水化物エステル；及びその組合せが含まれるが、これらに限定されない。
【００７６】
適当な混和剤の非限定例には、リグノスルホネート、ナトリウムナフタレンスルホネートホルムアルデヒド縮合物、スルホン化メラミン−ホルムアルデヒド樹脂、スルホン化ビニルコポリマー、尿素樹脂、ヒドロキシ−またはポリヒドロキシ−カルボン酸の塩、米国特許３，６８６，１３３に記載されているホルムアルデヒド及びグルコン酸ナトリウムと部分的に縮合させたナフタレンスルホン酸のナトリウム塩のポリマーの９０／１０（ｗ／ｗ）混合物、及びその組合せが含まれる。
【００７７】
適当な結合剤の例は、無機でも有機でもよく、新鮮なときは軟らかく、加工可能であるが水硬作用または化学的架橋のいずれかにより凝結させると養生時に硬い不融性固体を形成する材料である。前記材料の非限定例には有機材料、例えばゴム、ポリ塩化ビニル、ポリ酢酸ビニル、アクリル樹脂、スチレンブタジエンコポリマー及び各種の粉末状ポリマーが含まれ得る。
【００７８】
本発明で使用され得る適当な凝結促進剤には、可溶性塩化物（例：塩化カルシウム）、トリエタノールアミン、パラホルムアルデヒド、可溶性ギ酸塩（例：ギ酸カルシウム）、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、硫酸ナトリウム、１２ＣａＯ・７Ａｌ２Ｏ３、硫酸ナトリウム、硫酸アルミニウム、硫酸鉄、米国特許４，０２６，７２３に開示されているアルカリ金属硝酸塩／スルホン化芳香族炭化水素脂肪族アルデヒド縮合物、米国特許４，２９８，３９４に開示されている水溶性界面活性剤促進剤、米国特許５，２１１，７５１に開示されているアミノ酸促進剤のメチロール誘導体、関連部分が援用により本明細書中に含まれるとする米国特許再３５，１９４に開示されているチオシアン酸塩、アルカノールアミン及び硝酸塩の混合物、及びその組合せが含まれるが、これらに限定されない。
【００７９】
本発明で使用され得る適当な凝結遅延剤には、リグノスルホネート、ヒドロキシカルボン酸（例：グルコン酸、クエン酸、酒石酸、マレイン酸、サリチル酸、グルコヘプトン酸、アラボン酸、及びナトリウム、カリウム、カルシウム、マグネシウム、アンモニウム及びトリエタノールアミン塩のようなその無機または有機塩）、炭酸、糖、加工糖、ホスフェート、ボレート、シリコ−フロイド、臭素酸カルシウム、硫酸カルシウム、硫酸ナトリウム、単糖（例：グルコース、フルクトース、ガラクトース、サッカロース、キシロース、アピオース、リボース及び転化糖）、二糖及び三糖のようなオリゴ糖（例：デキストリン）、多糖（例：デキストラン）及び他の糖（例：これらを含有する糖みつ）；糖アルコール（例：ソルビトール）；マグネシウムシリコフロリド；リン酸及びその塩、またはボレートエステル；アミノカルボン酸及びその塩；アルカリ可溶性タンパク質；フミン酸；タンニン酸；フェノール；多価アルコール（例：グリセロール）；ホスホン酸及びその誘導体（例：アミノトリ（メチレン−ホスホン酸）、１−ヒドロキシエチリデン−１，１−ジホスホン酸、エチレンジアミンテトラ（メチレンホスホン酸）、ジエチレントリアミン−ペンタ（メチレンホスホン酸））及びそのアルカリ金属またはアルカリ土類金属塩、並びに上記した凝結遅延剤の組合せが含まれるが、これらに限定されない。
【００８０】
本発明で使用され得る適当な脱泡剤には、シリコーン（例：ジメチルポリシロキサン、ジメチルシリコーン油、シリコーンペースト、シリコーンエマルション、有機基変性ポリシロキン（ジメチルポリシロキンのようなポリオルガノシロキサン）、フルオロシリコーン油等）を主成分とする脱泡剤、リン酸アルキル（例：リン酸トリブチル、オクチルリン酸ナトリウム等）を主成分とする脱泡剤、鉱油（例：灯油、流動パラフィン等）を主成分とする脱泡剤、油脂（例：動物または植物油、ゴマ油、ヒマシ油、これらから誘導されるアルキレンオキシド付加物等）を主成分とする脱泡剤、脂肪酸（例：オレイン酸、ステアリン酸、これらから誘導されるアルキレンオキシド付加物等）を主成分とする脱泡剤、脂肪酸エステル（例：モノリシノール酸グリセロール、アルケニルコハク酸誘導体、モノラウリン酸ソルビトール、トリオレイン酸ソルビトール、天然ワックス等）を主成分とする脱泡剤、オキシアルキレンタイプ脱泡剤、アルコール（例：オクチルアルコール、ヘキサデシルアルコール、アセチレンアルコール、グリコール等）を主成分とする脱泡剤、アミド（例：アクリレートポリアミン等）を主成分とする脱泡剤、金属塩（例：ステアリン酸アルミニウム、オレイン酸カルシウム等）を主成分とする脱泡剤、及び上記脱泡剤の組合せが含まれるが、これらに限定されない。
【００８１】
本発明で使用され得る適当な凝固点降下剤には、エチルアルコール、塩化カルシウム、塩化カリウム及びその組合せが含まれるが、これらに限定されない。
【００８２】
本発明で使用され得る適当な接着性改良剤には、ポリ酢酸ビニル、スチレン−ブタジエン、（メタ）アクリレートエステルのホモポリマー及びコポリマー、及びその組合せが含まれるが、これらに限定されない。
【００８３】
本発明で使用され得る適当な撥水剤または防水剤には、脂肪酸（例：ステアリン酸またはオレイン酸）、低級アルキル脂肪酸エステル（例：ステアリン酸ブチル）、脂肪酸塩（例：ステアリン酸カルシウムまたはアルミニウム）、シリコーン、ワックスエマルション、炭化水素樹脂、ビチューメン、油脂、シリコーン、パラフィン、アスファルト、ワックス及びその組合せが含まれるが、これらに限定されない。本発明の多くの実施形態では使用されていないが、使用するときの適当なＡＥ剤にはビンソル樹脂、アビエチン酸ナトリウム、脂肪酸及びその塩、テンシド、アルキル−アリール−スルホネート、フェノールエトキシレート、リグノスルホネート及びその混合物が含まれるが、これらに限定されない。
【００８４】
セメント質混合物、発泡ポリマー粒子並びに他の骨材、混和剤及び／または補助剤を当業界で公知の方法を用いて混合する。本発明の実施形態では、液体（幾つかの場合には、水）も他の成分に混合する。
【００８５】
本発明の一実施形態では、（鉱物を含有し、または水が添加されていない）ドライ混合物が将来の使用のために製造、包装及び貯蔵され得る。こうしたドライ混合物を後で水と混合すると、本明細書に記載されている軽量コンクリート組成物が得られる。
【００８６】
本発明の一実施形態では、コンクリート組成物は、セメント質混合物が少なくとも一部連続相を形成し、ポリマー粒子及び／または発泡ポリマー粒子が該連続相中にばらばらの粒子の分散相として存在している分散物である。
【００８７】
本発明の特定の非限定的実施形態として、コンクリート組成物は分散物を安定化するために使用されている湿潤剤または分散剤を実質的に含んでいない。
【００８８】
本発明の非限定的実施形態として、１つの理論に限定するつもりはないが、本発明のＬＷＣ組成物の性能に影響を及ぼす恐れがある幾つかの要因には発泡樹脂ビーズの容積分率、平均発泡ビーズサイズ、及びコンクリート内のビーズ間間隔により生ずるミクロ構造が含まれる。この実施形態では、ビーズ間間隔は二次元モデルを用いて推定され得る。説明を簡素化するために、ビーズ間間隔はビーズ半径に限定され得る。加えて、本発明を決して限定することを意味しないが、この実施形態では、ビーズは立方格子に配置されており、ＬＷＣ組成物中のビーズサイズ分布は考慮されておらず、発泡ビーズ面積の断面での分布は考慮されていないと推定されている。１サンプルあたりのビーズの数を計算するために、３次元試験シリンダーを仮定する。
【００８９】
発泡ビーズサイズが小さければ小さいほど、以下の式１：
Ｎｂ＝Ｋ／Ｂ３ （１）
（ここで、Ｎｂは発泡ビーズの数を表す）
で記載されているように同じ発泡ビーズ容積分率を維持するのに必要な発泡ビーズの数はより多くなる。発泡ビーズの数を指数的に増加させると、発泡ビーズ間の間隔は小さくなる。
【００９０】
直径Ｄ×高さＨ（通常、２”×４”または６”×１２”）を有するＬＷＣ試験片は平均発泡ビーズ直径Ｂを有する発泡ポリマービーズを分散して含有し、所与の容積分率Ｖｄは式１で表される量の発泡ポリマービーズＮｂを含有している。
【００９１】
Ｎｂは発泡ポリマービーズの立方に逆比例していることに注目されたい。比例定数Ｋ＝１．５ＶｄＨＤ２はサンプルサイズ及び発泡ポリマービーズの容積分率にのみ依存している数である。よって、所与のサンブルサイズ及び公知の発泡ポリマービーズ容積分率では、ビーズの数はビーズの直径が小さくなるにつれて３乗まで増加する。
【００９２】
非限定例として、２”×４”ＬＷＣ試験片の場合、９０ｐｃｆ（ｌｂ／ｆｔ３）（１．２５ｐｃｆの予備発泡かさ密度で発泡ポリマービーズの４３％容積分率に相当）では、ビーズの数は０．６５ｍｍビーズからそれぞれ０．４ｍｍ及び０．３３ｍｍビーズに変わると４倍及び７倍に増加する。２．０８ｐｃｆでは、ビーズの数の増加はそれぞれ０．４ｍｍ及び０．３３ｍｍビーズで６倍及び７倍である。５ｐｃｆでは、増加はそれぞれ２倍及び３倍である。よって、密度はビーズサイズに相関している。以下に示すように、密度は気泡壁厚さにも影響を及ぼす。発泡ビーズが存在しているコンクリートマトリックスの強度は典型的には気泡壁の剛性及び厚さにより影響される。
【００９３】
本発明の一実施形態では、単分散球形気泡を仮定すると、平均気泡直径ｄは、式２
【００９４】
【数１】
（ここで、ρはフォームの密度であり、ρｓは充実ポリマービーズの密度である）
により平均壁厚さδに関連している。
【００９５】
よって、所与のポリマーの場合、使用する具体的な発泡方法に応じて、（所与の気泡サイズで）同一の気泡壁厚さまたは異なるδ値で同一の気泡サイズを得ることができる。密度は気泡サイズだけでなく、気泡壁の厚さを変えることによりコントロールされる。
【００９６】
下表は、３クラスのビーズについて発泡ポリマービーズ密度のビーズサイズによる変化を例示している。
【００９７】
【表１】
【００９８】
望ましいミクロ構造及び／または形態は別個のクラスに分類され得る。第１は特殊な界面を有する二相または共連続複合物であり、第２は特殊な介在物を連結マトリックス中に含んでいる。二相及び単一連結ミクロ構造の有効な特性は公知の最適クロス−プロパティー境界により記載される。
【００９９】
多くの場合、ビーズが小さいと、式１に記載されているように同じ発泡ポリマービーズ容積分率を維持するために必要なビーズの数は多くなる。ビーズの数を指数的に増加させると、ビーズ間の間隔は小さくなる。
【０１００】
最適境界は、臨界的数または限界を表す多数の関係により記載され得る。非限定例として、所与の容積分率で、臨界ビーズサイズはしばしばすべてのビーズが孤立しており、コンクリートが単に連結されるような所望の形態を与えるように分散され得るビーズの臨界数に相当している。すべてのビーズが孤立していないが接触している形態を形成することも可能である。
【０１０１】
二次元断面の有限要素解析をＡＮＳＹＳ（登録商標）（ペンシルバニア州キャノンズバーグに所在のＡＮＳＹＳ Ｉｎｃ．から入手可能な有限要素解析プログラム）を用いて実施した。断面の有限要素メッシュでは、ビーズを単に結合させたコンクリートマトリックス中に非接触または孤立している円としてモデル化されている。
【０１０２】
結果は、荷重を加えると、応力が荷重軸に垂直な方向に蓄積することを示している。応力濃度は発泡ポリマービーズ間の水平境界で最大であり、ビーズは円形から楕円形に変形する傾向にある。
【０１０３】
本発明の特定の実施形態では、コンクリート組成物は発泡ポリマー粒子または予備発泡粒子の少なくとも一部を立方または六方格子で含有している。
【０１０４】
本発明の一実施形態では、本発明のＬＷＣ組成物は、典型的にはコンクリートのバッチ中に気泡またはボイドを生成するために添加されるＡＥ剤を実質的に含んでいない。
【０１０５】
本発明の別の実施形態では、ＬＷＣ組成物は強化繊維を含有し得る。この繊維は、荷重が可能性ある破壊点を超えるように大きなアスペクト比（すなわち、長さ／直径比が高い）を有する強化成分として作用する。適当な繊維の非限定例には長さが約１から１．７５インチのファイバーグラスストランドが含まれるが、セメント質混合物、ポリプロピレン繊維及び上記した他の繊維のマトリックスよりも高いヤング率を有する材料を使用してもよい。
【０１０６】
本発明のＬＷＣ組成物を当業界で公知の方法を用いて凝結及び／または硬化させると、最終コンクリート物品が形成され得る。
【０１０７】
本発明のＬＷＣ組成物を含む凝結及び／または硬化させたコンクリート物品の密度は少なくとも４０ｌｂ／ｆｔ３（０．６４ｇ／ｃｃ）、幾つかの場合には少なくとも４５ｌｂ／ｆｔ３（０．７２ｇ／ｃｃ）、他の場合には少なくとも５０ｌｂ／ｆｔ３（０．８ｇ／ｃｃ）ｌｂ／ｆｔ３であり得、密度は１３０ｌｂ／ｆｔ３（２．１ｇ／ｃｃ）以下、幾つかの場合には１２０ｌｂ／ｆｔ３（１．９ｇ／ｃｃ）以下、他の場合には１１５ｌｂ／ｆｔ３（１．８ｇ／ｃｃ）以下、幾つかの状況では１１０ｌｂ／ｆｔ３（１．７５ｇ／ｃｃ）以下、他の状況では１０５ｌｂ／ｆｔ３（１．７ｇ／ｃｃ）以下、幾つかの例では１００ｌｂ／ｆｔ３（１．６ｇ／ｃｃ）以下、他の例では９５ｌｂ／ｆｔ３（１．５ｇ／ｃｃ）以下であり得る。本発明のコンクリート物品の密度は上記した値であっても、上記した値の範囲であってもよい。ＬＷＣ組成物の密度はＡＳＴＭ Ｃ１３８に従って測定される。
【０１０８】
本発明の特定の実施形態では、ＬＷＣ組成物は、８から２０容量％のＩ型ポルトランドセメントを含むセメント組成物；１０から３１容量％の０．２から５ｍｍの平均粒径、０．０２から０．６４ｇ／ｃｃのかさ密度及び１から２のアスペクト比を有する発泡ポリマー粒子；９から９０容量％の１つ以上の骨材；及び場合により０．１から１容量％の消泡剤、防水剤、分散剤、凝結促進剤、凝結遅延剤、可塑剤、流動化剤、凝固点降下剤、接着性改良剤、着色剤及びその組合せから選択される１つ以上の混和剤を含み、使用する成分の合計は１００容量％を超えず、軽量セメント質組成物を凝結させた後、２８日後ＡＳＴＭＣ ３９に従って試験して少なくとも１４００ｐｓｉの圧縮強度を有している。
【０１０９】
本発明の一実施形態では、本発明の凝結及び／または硬化させたＬＷＣ組成物は構造用途で使用され、耐力組積構造用途のために少なくとも１４００ｐｓｉ（９８ｋｇｆ／ｃｍ２）、幾つかの場合には１７００ｐｓｉ（１１９．５ｋｇｆ／ｃｍ２）、他の場合には少なくとも１８００ｐｓｉ（１２６．５ｋｇｆ／ｃｍ２）、幾つかの例では少なくとも１９００ｐｓｉ、他の例では少なくとも２０００ｐｓｉ（１４０．６ｋｇｆ／ｃｍ２）の最低圧縮強度を有し得る。構造用軽量コンクリートの場合には、組成物は少なくとも２５００ｐｓｉ（１７５．８ｋｇｆ／ｃｍ２）の最低圧縮強度を有し得る。圧縮強度は２８日目にＡＳＴＭ Ｃ３９に従って測定する。
【０１１０】
ＡＳＴＭ Ｃ３９は正確な詳細を知るために参照され得、全文を本明細書中に援用に含まれるとするが、圧縮軸荷重を成形したシリンダーまたはコアに対して規定されている範囲内の速度で破損が生ずるまで適用することからなる試験方法を提供するとして要約され得る。試験機は２つの硬化面を有するスチール製ベアリングブロックを備えており、１つは試験片の上面上に載せる球面座ブロックであり、他方はその上に試験片が静止している固体ブロックである。荷重を試験片に対して３５＋７ｐｓｉ／ｓ（０．２５＋０．０５Ｍｐａ／ｓ）の応力速度に相当する移動（クロスヘッド測定のためのつかみ）の速度で適用する。荷重指示器が荷重が着実に低下していることを示し、試験片が明瞭な破損パターンを呈するまで圧縮荷重を適用する。圧縮強度は、試験中試験片が支えられる最大荷重を試験片の断面積で割ることにより計算する。
【０１１１】
本発明の実施形態では、本発明のＬＷＣ組成物はレディーミクス用途で使用される。非限定例として、レディーミクストＬＷＣ組成物は、少量のコンクリートまたはコンクリートの間欠打込みを必要とする場合、或いはスペースが限定されており、混合プラント及び骨材備蓄の余裕があまりない理由で使用され得る。
【０１１２】
非限定例として、レディーミクスにはセントラルミクストコンクリート、トランジットミクストコンクリート及びシュリンクミクストコンクリートが含まれ得る。
【０１１３】
セントラルミクストコンクリートはプラントで完全に混合され、その後トラック−ミキサーまたはアジテータートラックを用いて輸送される。作業現場がプラントの近くならば、混合したばかりのＬＷＣ組成物を開放型ダンプカーを用いて輸送してもよい。運搬中にコンクリートを軽く撹拌すると、材料のセグレゲーションが予防され、スランプ低下の量が減る。
【０１１４】
トランジットミクスト（トランクミクストとしても公知）コンクリートでは、材料を中央プラントでまとめて処理し、運搬時にトラック中で完全に混合する。多くの場合、ＬＷＣ組成物を運搬時に部分混合し、混合を作業現場で完了させる。トランジット混合により、水をセメント及び骨材から離して保持し、工事現場での打込み直前にコンクリートを混合し得る。この方法により、セントラルミクストコンクリートの輸送または打込み時の潜在的な遅れの結果生ずる時期尚早の硬化及びスランプ低下の問題が避けられる。更に、トランジット混合により、コンクリートをプラントからかなり離れている工事現場に運搬することができる。しかしながら、トランジットミクストコンクリートの欠点は、トラックの処理能力がセントラルミクストコンクリートを収容する同じトラックの処理能力よりも小さいことである。
【０１１５】
シュリンクミクストコンクリートは、トランクの積載重量を増やすために使用され、トランジットミクストコンクリートの利点は保持されている。シュリンクミクストコンクリートでは、ＬＷＣ組成物を混合物の容量を低下乃至減少させるためにプラントで部分的に混合し、混合は運搬時または作業現場で完了させる。
【０１１６】
レディーミクストコンクリートはしばしば、適切なスランプが確実に得られるように作業現場に到着したらもう一度再混合される。しかしながら、再混合したコンクリートは１回しか混合していないコンクリートに比べてより迅速に凝結する傾向を有している。水や混和物の幾つかの成分のような材料はしばしば、打込み前に特定の比率に確実に達するようにまとめて処理した後作業現場でＬＷＣ組成物に添加される。
【０１１７】
本発明のＬＷＣコンクリートレディーミクス組成物はしばしば特定の用途のために予定される。非限定例として、高濃度の補強鋼の周りにコンクリートを打込まなければならない場合には高スランプＬＷＣコンクリートレディーミクス組成物が望ましいことがあり得る。また、コンクリートを大型開放型枠に打込む場合または型枠をスロープ上に置く場合には低スランプＬＷＣコンクリートレディーミクス組成物が望ましいことがあり得る。
【０１１８】
よって、本発明の幾つかの実施形態では、ＬＷＣレディーミクス組成物はＡＳＴＭ Ｃ１７２（混合したばかりのコンクリートのサンプリングについての標準プラクティス）に従ってサンプリングし、ＡＳＴＭ Ｃ１４３（水硬性セメントコンクリートのスランプについての標準試験方法）に従って測定して適度なスランプ値を有している。正確なスランプ値が特定のミクスに予定され、ＬＷＣレディーミクス組成物の用途及び設計に依存している。典型的な使用では、スランプは少なくとも約２インチ（５ｃｍ）、幾つかの場合には少なくとも約３インチ（７．６ｃｍ）から約８インチ（２０ｃｍ）以下、幾つかの場合には約７インチ（１８ｃｍ）以下、他の場合には約６インチ（１５ｃｍ）以下の範囲である。プロジェクトにデリバリーされるコンクリートが余りに堅め（低スランプ）ならば、それをトラックから排出することが困難であり得る。スランプが余り高いならば、コンクリートを使用できないことがあり得る。この実施形態では、スランプは上記した値であっても、上記した値の範囲であってもよい。
【０１１９】
本発明の他の特定実施形態では、ＬＷＣレディーミクス組成物は従来のレディーミクス用途で使用される。前記用途にはティルトアップ工法、適所注入、軽量グラウト、ＩＣＦ充填、及びコンクリートを注入または圧送し、例えばレディーミクストラックを用いて作業現場に輸送する他の用途が含まれるが、これらに限定されない。
【０１２０】
本発明のＬＷＣコンクリートレディーミクス組成物は上記した調合物及び組成物を含み得る。
【０１２１】
本発明のＬＷＣコンクリートレディーミクス組成物の実施形態の多くでは、組成物は砂、粗骨材、セメント、予備発泡ビーズ、ポリマー粒子及び／または発泡ポリマー粒子、水及び混和剤の１つ以上を記載されている順序で添加することにより作成される。パンまたはドラム型ミキサーを使用することができ、水セメント比はしばしば少なくとも０．４０である。
【０１２２】
本発明のＬＷＣコンクリートレディーミクス組成物は適当なセメントを利用し得、その非限定例にはＩ型、ＩＩ型、ＩＩＩ型及びその組合せが含まれる。本発明の特定実施形態では、セメントはレディーミクス組成物中に少なくとも約８容量％、幾つかの場合には少なくとも約１０容量％で存在し、約２０容量％以下、幾つかの場合には約１７容量％以下、特定の例では約１４容量％以下であり得る。正確な量のセメントが特定のミクスに予定され、セメントの種類、意図する用途及びＬＷＣレディーミクス組成物の設計に依存する。ＬＷＣコンクリートレディーミクス組成物中のセメントの量は上記した値であっても、上記した値の範囲であってもよい。
【０１２３】
本発明のこの特定実施形態では、上記した砂はレディーミクス組成物中に少なくとも約１１容量％、幾つかの場合には少なくとも約１４容量％、他の場合には少なくとも約１７容量％で存在し、約５０容量％以下、幾つかの場合には約４０容量％以下、他の場合には約３０容量％以下であり得る。正確な量の砂が特定のミクスに予定され、砂の種類（粗いまたは細かい）、意図する用途及びＬＷＣレディーミクス組成物の設計に依存する。ＬＷＣコンクリートレディーミクス組成物中の砂の量は上記した値であっても、上記した値の範囲であってもよい。
【０１２４】
本発明のこの特定実施形態に加えて、本発明の予備発泡ビーズ、ポリマー粒子及び／または発泡ポリマー粒子は少なくとも約１０容量％、幾つかの場合には少なくとも約１４容量％、他の場合には少なくとも約１８容量％で存在し、約３１容量％以下、幾つかの場合には約２９容量％以下、他の場合には約２７容量％以下で存在し得る。正確な量の予備発泡ビーズ、ポリマー粒子及び／または発泡ポリマー粒子が特定のミクスに予定され、粒子及び／またはビーズの密度、意図する用途及びＬＷＣレディーミクス組成物の設計に依存する。ＬＷＣコンクリートレディーミクス組成物中の予備発泡ビーズ、ポリマー粒子及び／または発泡ポリマー粒子の量は上記した値であっても、上記した値の範囲であってもよい。
【０１２５】
更に、この特定実施形態では、ＬＷＣレディーミクス組成物中に使用される予備発泡ビーズ、ポリマー粒子及び／または発泡ポリマー粒子は上記した粒子サイズ及び寸法を有し得、少なくとも約１ｌｂ／ｆｔ３（０．０１６ｇ／ｃｃ）、幾つかの場合には少なくとも約１．２５ｌｂ／ｆｔ３（０．０２ｇ／ｃｃ）、他の場合には少なくとも約１．５ｌｂ／ｆｔ３（０．０２４ｇ／ｃｃ）、幾つかの例では少なくとも約２ｌｂ／ｆｔ３（０．０３２ｇ／ｃｃ）の密度を有し得、約４０ｌｂ／ｆｔ３（０．６４ｇ／ｃｃ以下）、多くの例では約５．５ｌｂ／ｆｔ３（０．０８８ｇ／ｃｃ）以下、幾つかの場合には約４ｌｂ／ｆｔ３（０．０６４ｇ／ｃｃ）以下、他の場合には約３．５ｌｂ／ｆｔ３（０．０５６ｇ／ｃｃ）以下であり得る。ＬＷＣコンクリートレディーミクス組成物中の予備発泡ビーズ、ポリマー粒子及び／または発泡ポリマー粒子の密度は上記した値であっても、上記した値の範囲であってもよい。
【０１２６】
更に、本発明のこれらの特定実施形態では、上記した粗骨材（例えば、石）はレディーミクス組成物中に少なくとも約９容量％、幾つかの場合には少なくとも約１４容量％、他の場合には少なくとも約１７容量％で存在し得、約４０容量％以下、幾つかの場合には約３０容量％以下、他の場合には約２５容量％以下であり得る。正確な量、種類及びサイズの粗骨材が特定のミクスに予定され、意図する用途及びＬＷＣレディーミクス組成物の設計に依存する。ＬＷＣコンクリートレディーミクス組成物中の粗骨材の量は上記した値であっても、上記した値の範囲であってもよい。粗骨材は少なくとも約０．３７５インチ（０．９５ｃｍ）、幾つかの場合には約０．５インチ（１．３ｃｍ）、他の場合には約０．７５インチ（１．９ｃｍ）から約２インチ（５ｃｍ）以下の直径を有し得る。
【０１２７】
また、本発明のこれらの特定実施形態では、水はレディーミクス組成物中に少なくとも約１０容量％、幾つかの場合には少なくとも約１４容量％から約２２容量％以下、幾つかの場合には約２０容量％以下、他の場合には約１８容量％以下で存在し得る。ＬＷＣコンクリートレディーミクス組成物中の水の量は上記した値であっても、上記した値の範囲であってもよい。
【０１２８】
これらの実施形態のＬＷＣコンクリートレディーミクス組成物は、凝結及び／または 硬化させたとき少なくとも約１４００ｐｓｉ（９８ｋｇｆ／ｃｍ２）、幾つかの場合には少なくとも約１５００ｐｓｉ（１０５．５ｋｇｆ／ｃｍ２）、他の場合には少なくとも約１６００ｐｓｉ（１１２．５ｋｇｆ／ｃｍ２）、幾つかの例では少なくとも約１８００ｐｓｉ（１２６．５ｋｇｆ／ｃｍ２）、他の例では少なくとも約２０００ｐｓｉ（１４０．６ｋｇｆ／ｃｍ２）の圧縮強度を有し得、場合により約３６００ｐｓｉ（２５３ｋｇｆ／ｃｍ２）以下、幾つかの場合には約３３００ｐｓｉ（２３２ｋｇｆ／ｃｍ２）以下、他の場合には約３０００ｐｓｉ（２１１ｋｇｆ／ｃｍ２）以下であり得る。本発明の他の実施形態では、ＬＷＣコンクリートレディーミクス組成物は、ポストテンション用に４８時間で約４０００ｐｓｉ（２８１ｋｇｆ／ｃｍ２）以上の構造圧縮強度及び約４５００ｐｓｉ（３１６ｋｇｆ／ｃｍ２）以上の２８日圧縮強度を有し得る。これらの実施形態では、圧縮強度は２８日目にＡＳＴＭ Ｃ３９に従って測定される。ＬＷＣコンクリートレディーミクス組成物の正確な圧縮強度はその配合、密度及び意図する用途に依存する。ＬＷＣコンクリートレディーミクス組成物の圧縮強度は上記した値であっても、上記した値の範囲であってもよい。
【０１２９】
ＬＷＣ組成物は、従来のコンクリート調合物が使用されているすべてではないが多くの用途で使用され得る。非限定例として、本発明のＬＷＣ組成物は構造及び建築用途（その非限定例は戸境壁、ＩＣＦまたはＳＩＰ構造物、水盤、ベンチ、屋根板、壁板、乾式壁、セメントボード、建物の装飾柱またはアーチ道等）、家具または家庭用途（例えば、調理台、床下輻射暖房システム、床（一次及び二次）、ティルトアップ壁、化粧コーティングとしてのサンドイッチ壁パネル）、道路及び空港安全用途（例えば、拘束壁、ジャージーバリア、障音バリア及び壁、擁壁、走路アレスティングシステム、ＡＥコンクリート、避難トラックランプ、流動性掘削埋め戻し）、及び道路構築用途（例えば、路床材料及び船橋楼甲板）で使用され得る。
【０１３０】
粗骨材が使用されていない本発明の実施形態では、本発明のＬＷＣ物品はねじ（非限定例として、乾式壁ねじ及び釘）の直接取り付けを容易に許容し得、ねじは慣用の空気または粉末駆動デバイスを用いて取り付けられ得る。これにより、従来のコンクリート調合物を用いては不可能であった材料、例えば合板、乾式壁、スタッド及び建築産業で通常使用されている他の材料を容易に取り付けることができる。
【０１３１】
本発明のＬＷＣ組成物を路床建設に使用する場合、ポリマー粒子はクラックの拡大を防止または最小限にするのを助けることができる。こうした現象は水の凍結−融解が関与しているときに特に起こる。
【０１３２】
本発明の組成物は、成形建設物品及び材料を作成するのにかなり適している。その非限定例にはティルトアップ壁パネルを含めた壁パネル、Ｔビーム、二重Ｔビーム、屋根タイル、ルーフパネル、天井パネル、床パネル、Ｉビーム、基礎壁等が含まれる。組成物は従来のＬＷＣ組成物よりも高い強度を呈している。
【０１３３】
本発明の一実施形態では、成形建設物品及び材料をプレキャスト及び／またはプレストレスしてもよい。
【０１３４】
本明細書中で使用されている「プレキャスト」コンクリートは、所要の形状の型またはキャストに注入し、養生及び／または硬化させた後、取り出し、所望の位置に置かれるコンクリートを指す。
【０１３５】
本発明の実施形態では、ＬＷＣ組成物はプレキャスト用途で使用され、その例にはビームのようなプレキャスト部品、二重−Ｔ、パイプ、隔離壁、プレストレス製品、及びＬＷＣ組成物を直接型枠に注入し、最終部品がトラックにより作業現場に輸送される他の製品が含まれるが、これらに限定されない。本発明のこれらの実施形態では、スランプ値は少なくとも約８インチ（２０ｃｍ）、幾つかの場合には少なくとも約１０インチ（２５．４ｃｍ）から約２０インチ（５０ｃｍ）以下、幾つかの場合には約１８インチ（４６ｃｍ）以下、他の場合には約１６インチ（４１ｃｍ）以下の範囲である。これらの実施形態では、スランプは上記した値であっても、上記した値の範囲であってもよい。
【０１３６】
本明細書中で使用されている「プレストレス」コンクリートは、さもなければ曲げ荷重のためにコンクリート部材が受けるであろう引張応力を相殺する圧縮強度を生じさせる型締荷重を与えるために使用されているプレストレス緊張材（多くの場合、高引張スチールケーブルまたはロッド）を使用することによりその張力が改善されているコンクリートを指す。当業界で公知の適当な方法がコンクリートをプレストレスするために使用され得る。適当な方法には、コンクリートが既に引っ張られている緊張材の周りに流し込まれているプレテンションコンクリート、及び注入及び養生プロセスの後に圧縮が加えられているポストテンションコンクリートが含まれるが、これらに限定されない。
【０１３７】
幾つかの実施形態での具体的利点は、本発明の粗骨材を含有していない凝結コンクリート組成物及び／または該組成物から成形される成形建設物品が特殊なコンクリートまたは先端にダイアモンドが付いている刀及び／または鋸を用いなければならないのとは対照的に、慣用の方法を用いて容易に切断及び／または区分され得ることである。こうすると、コンクリート物品をカスタマイズするときの時間及びコストを実質的に節約できる。
【０１３８】
組成物は、当業者に公知の方法に従って、非限定例としての屋根タイル、舗装材料または他の物品に対して実質的に所望の三次元構造で型に容易に流し込まれ得る。前記構造には木の屋根葺き板、スレート屋板板または面が滑らかなセメントタイルの外観を有しているようなある局所的テキスチャーを有する構造が含まれる。典型的な屋根板は幅１０インチ、長さ１７インチ、厚さ１．７５インチの概算寸法を有し得る。屋根材料を成形する場合、ＡＥ剤を添加すると最終製品が凍結／融解劣化に対する耐性の点でより耐候性となる。
【０１３９】
本発明のＬＷＣ組成物を用いて基礎壁を注入する場合、基礎壁はより軽量であるために規格を上回り得る。通常、基礎壁の下の部分はコンクリート混合物の絶対的な重量のために外側に流れる傾向を有しているが、本発明のより軽量な組成物ではこの事象がより起こりにくい傾向にある。本発明のＬＷＣ組成物を用いて作成される基礎壁は従来の基礎壁建設に使用されている慣用のファスナーを容易に採用し得る。
【０１４０】
本発明の実施形態では、本発明のコンクリート組成物はコンクリート組積ユニットの形態で形成、凝結及び／または硬化される。本明細書中で使用されている用語「コンクリート組積ユニット」は中空または充実のコンクリート物品を指し、その中には刻みをつけたスプリット面、リブ付、ひだ付の接地面、スランプ付舗装石種類が含まれるが、これらに限定されない。本発明の実施形態は、少なくとも部分的に本発明に従って作成したコンクリート組積ユニットを含んでいる壁を提供する。
【０１４１】
本発明の一実施形態では、粗骨材を使用しないときには、上記した成形建設物品及び材料、並びにコンクリート組積ユニットは貫入ファスナーを受容及び保持することができる。前記ファスナーの非限定例には釘、ねじ、ステップル等が含まれる。これは、表面養生が成形建設物品及び材料、並びにコンクリート組積ユニット成形建設物品及び材料、並びにコンクリート組積ユニットに直接取り付けられ得るという利点を有し得る。
【０１４２】
本発明の一実施形態では、標準の２．５インチ乾式壁ねじを本発明の軽量コンクリート組成物を含有している注入し、凝結させた表面に１．５インチの深さまでねじ締めし、少なくとも５００ポンド、幾つかの場合には少なくとも６００ポンド、他の場合には少なくとも７００ポンドから８００ポンド以下の力をねじ締めた表面に対して垂直に１分間、幾つかの場合には５分間、他の場合には１０分間適用する。
【０１４３】
本発明は、本発明のＬＷＣ組成物を含む建築物にも関する。
【０１４４】
本発明は、
凝結させた軽量コンクリート組成物の所望密度及び強度特性を同定し；
軽量コンクリート組成物中に使用するために発泡させようとするポリマービーズの種類、サイズ及び密度を決定し；
発泡させようとするポリマービーズのサイズ及び密度を測定し；
ポリマービーズを発泡させて、発泡ポリマービーズを形成し；
発泡ポリマービーズをセメント質混合物中に分散させて、軽量コンクリート組成物を形成し；
軽量コンクリート組成物を所望の形態に凝結させること
を含む最適化軽量コンクリート物品の作成方法をも提供する。
【０１４５】
凝結及び／または硬化させたＬＷＣ組成物の所望の密度及び強度特性は意図する用途に基づいて決定される。
【０１４６】
本発明の実施形態では、発泡させようとするポリマービーズの種類、サイズ及び密度、並びに発泡させようとするポリマービーズのサイズ及び密度は実験及び／または公表されているデータに基づいて決定され得る。
【０１４７】
本発明の別の実施形態では、有限要素解析を使用して、発泡させようとするポリマービーズの種類、サイズ及び密度、並びに発泡させようとするポリマービーズのサイズ及び密度を決定することができる。
【０１４８】
生じた軽量コンクリート組成物を凝結及び／または硬化すると、上記したＬＷＣ物品及びコンクリート組積ユニットが得られる。
【０１４９】
本発明を以下の実施例を参照することにより更に記載する。以下の実施例は単に本発明の例示であり、限定すると意図されない。別段の記載がない限り、％はすべて重量基準であり、別段の記載がない限りポルトランドセメントが使用されている。
【０１５０】
実施例
別段の記載がない限り、以下の材料を使用した：
●ＩＩＩ型ポルトランドセメント
●メーソン砂（かさ密度＝１６５ｐｃｆ，比重＝２．６４，粗粒率＝１．７４）
●飲用水−周囲温度（から７０°Ｆ／２１℃）
●発泡性ポリスチレン−Ｍ９７ＢＣ、Ｆ２７１Ｃ、Ｆ２７１Ｍ、Ｆ２７１Ｔ（ペンシルバニア州ピッツバーグに所在のＮＯＶＡ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ Ｉｎｃ．）
●ＥＰＳ樹脂−１０３７Ｃ（ＮＯＶＡ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ，Ｉｎｃ．）
●０．５インチ膨張スレート（ノースカロライナ州ソールズベリーに所在のＣａｒｏｌｉｎａ Ｓｔａｌｉｔｅ Ｃｏｍｐａｎｙ，かさ密度＝８９．５ｐｃｆ，比重＝１．４３）。
【０１５１】
別段の記載がない限り、組成物はすべて実験室条件下で１つの軸パドルを有する７ｆｔ３作業容積本体を備えたモデル４２Ｎ−５ブレンダー（ニューヨーク州ホーポージに所在のＣｈａｒｌｅｓ Ｒｏｓｓ ＆ Ｓｏｎ Ｃｏｍｐａｎｙ）を用いて製造した。このミキサーを３４ｒｐｍで操作した。ＬＨ−１０温度・湿度チャンバ（マサチューセッツ州エアに所在のＡｓｓｏｃｉａｔｅｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ製）においてコンディショニングを実施した。サンプルを平らなキャップを有する６”×１２”使い捨てプラスチックシリンダー型を用いて成形し、３回試験した。圧縮試験は、鉛直荷重を所望の速度で油圧式に適用するＦｏｒｎｅｙ ＦＸ２５０／３００圧縮試験機（ペンシルバニア州ハーミティジに所在のＦｏｒｎｅｙ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ）を用いて実施した。他の周辺材料（スランプコーン、タンピングロッド等）はすべて適用可能なＡＳＴＭ試験方法に取り付けた。
【０１５２】
以下のＡＳＴＭ試験方法及び手順は以下の通りであった：
●ＡＳＴＭ Ｃ４７０−コンクリート試験シリンダーを垂直方向に形成するための型についての標準規格；
●ＡＳＴＭ Ｃ１９２−実験室でコンクリート試験片を作成し、養生させるための標準プラクティス；
●ＡＳＴＭ Ｃ３３０−構造コンクリート用軽量骨材についての標準規格；
●ＡＳＴＭ Ｃ５１１−水硬化性セメント及びコンクリートを試験する際に使用される混合ルーム、湿りキャビネット、湿り室及び貯水タンクについての標準規格；
●ＡＳＴＭ Ｃ１４３−水硬化性セメントコンクリートのスランプについての標準試験方法；
●ＡＳＴＭ Ｃ １２３１−硬化コンクリートシリングーの圧縮強度を測定する際の非結合キャップの使用についての標準プラクティス；
●ＡＳＴＭ Ｃ３９−円筒状コンクリート試験片の圧縮強度の標準試験方法。
【０１５３】
シリンダーに蓋を被せ、周囲の実験室条件下で２４時間放置した。その後、すべてのシリンダーを２３±２℃、相対湿度９５％で更に６日間エージングした。次いで、試験片を調べた。
【実施例１】
【０１５４】
非発泡ビーズ形態のポリスチレン（Ｍ９７ＢＣ−０．６５ｍｍ、Ｆ２７１Ｔ−０．４ｍｍ、及びＦ２７１Ｍ−０．３３ｍｍ）を下表に示すように異なる密度を有するＥＰＳフォーム（予備発泡）粒子に予備発泡させた。
【０１５５】
【表２】
【０１５６】
上記データは、予備発泡粒子サイズが材料の発泡密度によって逆に変化することを示している。
【実施例２】
【０１５７】
非発泡ビーズ形態のポリスチレン（０．６５ｍｍ、０．４ｍｍ及び０．３３ｍｍ）を下表に示すように２ｌｂ／ｆｔ３のかさ密度を有する予備発泡粒子にプレ発泡させた。この予備発泡粒子を３．５ｆｔ３ドラムミキサーにおいて４６．５重量％（２５．３容量％）のポルトランドセメント、１６．３重量％（２６．３容量％）の水及び１．２重量％（２６．４容量％）の予備発泡粒子を含有しているＬＷＣ組成物中に配合した。生じたＬＷＣ組成物は９０ｌｂ／ｆｔ２のコンクリート密度を有していた。平均圧縮強度（ＡＳＴＭ Ｃ３９に従って測定、７日間破壊試験）を下表に示す。
【０１５８】
【表３】
【０１５９】
上記データは、平均非発泡ビーズサイズが小さくなるにつれて、一定の予備発泡粒子密度では、驚くことに従来技術で示唆されているように非発泡ビーズサイズを小さくしても必ずしもより高い圧縮強度が得られないことを示している。より具体的には、上記データは、９０ｐｃｆコンクリート密度が得られるように配合したときに２．００ｐｃｆでの圧縮強度に関して最適の非発泡ビーズサイズが存在することを示している。この最適は、この具体的調合物に関して３３０から６５０ミクロンの範囲であるようである。
【実施例３】
【０１６０】
予備発泡粒子密度が全コンクリート密度にも影響を与えるので、一定のコンクリート密度を維持するためにＥＰＳ密度を変化させるにはＥＰＳ配合レベルを変化させなければならない。予備発泡粒子の全量が周りのコンクリートマトリックスの強度を低下させるほど大きくない限りのみ、この関係は保たれる。予備発泡粒子密度と配合レベルの関係により、全コンクリート密度をコントロールしながらコンクリート強度を最適にするための追加の機会が与えられる。
【０１６１】
非発泡ビーズ形態（０．６５ｍｍ）のポリスチレンを下表に示すように異なる密度を有する予備発泡粒子にプレ発泡させた。この予備発泡粒子を３．５ｆｔ３ドラムミキサーにおいて下表に示す成分を含有しているＬＷＣ組成物中に配合した。各々は９０ｌｂ／ｆｔ３のコンクリートの密度を有していた。
【０１６２】
【表４】
【０１６３】
下表は、９０ｌｂ／ｆｔ３という一定のコンクリート密度での予備発泡濃度とコンクリート強度の関係を数字で示している。
【０１６４】
【表５】
【０１６５】
上記データは、予備発泡粒子密度が増えると一定のコンクリート密度ではＬＷＣ組成物の圧縮強度も増加することを示している。
【実施例４】
【０１６６】
非発泡ビーズ形態（０．６５ｍｍ）のポリスチレンを下表に示すように１．１ｌｂ／ｆｔ３のかさ密度を有する予備発泡粒子にプレ発泡させた。この予備発泡粒子を３．５ｆｔ３ドラムミキサーにおいて下表に示す成分を含有しているＬＷＣ組成物中に配合した。
【０１６７】
【表６】
【０１６８】
以下のデータ表は、予備発泡配合量、コンクリート強度及びコンクリート密度の関係を数字で示している。
【０１６９】
【表７】
【０１７０】
上記データは、一定のフォーム粒子密度ではＬＷＣ組成物中の予備発泡粒子配合量が増えるにつれて軽量コンクリート密度及び圧縮強度が低下することを示している。
【実施例５】
【０１７１】
非発泡ビーズ形態（０．６５ｍｍ）のポリスチレンを下表に示すように異なる密度を有する予備発泡粒子にプレ発泡させた。この予備発泡粒子を３．５ｆｔ３ドラムミキサーにおいて下表に示す成分を含有しているＬＷＣ組成物中に配合した。
【０１７２】
【表８】
【０１７３】
下表は、調合物の重量に基づく一定のコンクリート予備発泡配合量での予備発泡密度とコンクリート強度の関係を数字で示している。
【０１７４】
【表９】
【０１７５】
上記データは、一定の予備発泡粒子配合量（重量基準）では軽量コンクリート組成物中の予備発泡粒子密度が増えるにつれて軽量コンクリート密度及び圧縮強度が増加することを示している。
【実施例６】
【０１７６】
非発泡ビーズ形態（０．６５ｍｍ）のポリスチレンを下表に示すように異なる密度を有する予備発泡粒子にプレ発泡させた。この予備発泡粒子を３．５ｆｔ３ドラムミキサーにおいて下表に示す成分を含有しているＬＷＣ組成物中に配合した。
【０１７７】
【表１０】
【０１７８】
下表は、一定のコンクリート密度での予備発泡密度とコンクリート強度の関係を数字で示す。
【０１７９】
【表１１】
【０１８０】
上記データは、一定のコンクリート密度ではＬＷＣ組成物中の予備発泡粒子密度が増えるにつれてＬＷＣの圧縮強度が増加することを示している。
【実施例７】
【０１８１】
非発泡ビーズ形態（０．６５ｍｍ）のポリスチレンを下表に示すように異なる密度を有する予備発泡粒子にプレ発泡させた。この予備発泡粒子を３．５ｆｔ３ドラムミキサーにおいて下表に示す成分を含有しているＬＷＣ組成物中に配合した。
【０１８２】
【表１２】
【０１８３】
以下のデータ表は、一定のコンクリート密度での予備発泡密度とコンクリート強度の関係を数字で示している。
【０１８４】
【表１３】
【０１８５】
上記データは、一定のコンクリート密度ではＬＷＣ組成物中の予備発泡粒子密度が増えるとＬＷＣの圧縮強度が増加することを示している。
【実施例８】
【０１８６】
以下の実施例は、骨材としての膨張スレートと本発明の予備発泡粒子の併用を立証している。非発泡ビーズ形態のポリスチレンを下表に示すように異なる密度を有する予備発泡粒子にプレ発泡させた。この予備発泡粒子を３．５ｆｔ３ドラムミキサーにおいて下表に示す成分を含有しているＬＷＣ組成物中に配合した。
【０１８７】
【表１４】
【０１８８】
上記データは、軽量コンクリート組成物中に本発明の予備発泡及び骨材として膨張スレートを用いると所望の軽量コンクリートが得られ得ることを示している。
【実施例９】
【０１８９】
以下の実施例は、骨材としての膨張スレートと本発明の予備発泡粒子の併用を立証している。非発泡ビーズ形態のポリスチレンを下表に示すように異なる密度を有する予備発泡粒子にプレ発泡させた。この予備発泡粒子を３．５ｆｔ３ドラムミキサーにおいて下表に示す成分を含有しているＬＷＣ組成物中に配合した。
【０１９０】
【表１５】
【実施例１０】
【０１９１】
１ｆｔ２×４インチ厚さのコンクリート成形品を、下表に示す実施例Ｘ及びＹに従って調製した調合物を型枠に注入し、この調合物を２４時間凝結させることにより作成した。
【０１９２】
【表１６】
【０１９３】
７日後、合板の１ｆｔ２×０．５インチのシートを成形したコンクリートに直接締結させた。十分に締結させるためには最低１インチの貫入が必要であった。結果を下表に示す。
【０１９４】
【表１７】
【０１９５】
上記データは、本発明のスレートなしの軽量コンクリート組成物が従来の膨張スレート調合物に比べて標準のファスナーを用いて合板と優れた優れた把持能力を与え、一方スレート含有コンクリートは簡単にファスナーを受容しなかったことを立証している。このことは、コンクリートに対してファスナーを把持させることができるようにアンカーをコンクリートに固定させるのに消費する時間をなくすことができるので従来技術に比べた改善に相当する。
【実施例１１】
【０１９６】
１ｆｔ２×４インチ厚さのコンクリート成形品を、実施例Ｘ及びＹの調合物を型枠に注入し、この調合物を２４時間凝結させることにより作成した。７日後、標準乾式壁の１ｆｔ２×０．５インチのシートを標準１．７５インチの乾式壁ねじを用いて成形したコンクリートに直接締結させた。十分に締結させるために最低１インチのねじ貫入が必要であった。結果を下表に示す。
【０１９７】
【表１８】
【０１９８】
上記データは、本発明のスレートなしの軽量コンクリート組成物が、簡単にファスナーを受容しなかった従来の膨張スレート調合物に比して優れた把持能力を与えることを立証している。このことは、コンクリートに対して乾式壁を取り付けることができるようにコンクリートに対して釘打ちスタッドを締結させるのに消費する時間をなくすことができるので従来技術に比べた改善に相当する。
【実施例１２】
【０１９９】
２ｆｔ２×４インチ厚さのコンクリート成形品を、実施例Ｘ及びＹの調合物を型枠に注入し、調合物を２４時間凝結させることにより作成した。７日後、長さ３ｆｔの２”×４”スタッドを標準１６ｄ釘を用いて成形したコンクリートに直接締結させた。十分に締結させるために最低２インチの釘貫入が必要であった。結果を下表に示す。
【０２００】
【表１９】
【０２０１】
上記データは、本発明のスレートなしの軽量コンクリート組成物が、簡単にファスナーを受容しなかった従来の膨張スレート調合物に比して優れた把持能力を与えることを立証している。このことは、ＴＡＰＣＯＮ（登録商標）（イリノイ州グレンビューに所在のＩｌｌｉｎｏｉｓ Ｔｏｏｌ Ｗｏｒｋｓ Ｉｎｃ．から入手可能）または類似のファスナー、リードアンカー、或いはコンクリートに対してスタッドを締結させるために当業界で公知の方法を用いたときにかかる費用及び時間をなくすことができるので従来技術に比べた改善に相当する。
【実施例１３】
【０２０２】
追加の骨材を含まないコンクリートを下表に示す成分を用いて作成した。
【０２０３】
【表２０】
【０２０４】
上記データは、最大の圧縮強度の組成物を与えるために必要な平均予備発泡サイズがある程度予備発泡の発泡係数に依存していることを示している。平均予備発泡サイズのみに注目しても、最大の可能性あるコンクリート強度の良好な指標を与えない。この点は、実施例ＢＢとＦＦを比較することにより説明される。実施例ＦＦ（１．５４ｍｍサイズ）は１８×発泡係数でも最大圧縮強度を与えず、４８×発泡させたビーズから得られる最大圧縮強度に近い。
【０２０５】
予備発泡サイズと発泡係数の組合せを用いると、最大コンクリート強度に対する指標が得られ得る。例として、実施例ＡＡ（予備発泡サイズ＝１．３５ｍｍ、発泡係数＝４８）は１７５０ｐｓｉの圧縮強度を有する９３ｐｃｆコンクリートを与えるのに対して、同様の大きさの予備発泡である実施例ＩＩ（予備発泡サイズ＝１．４１ｍｍ、発泡係数＝１２）は２１００ｐｓｉという有意により高い圧縮強度を有する９０ｐｃｆコンクリートを与える。よって、予備発泡サイズが小さく且つ発泡係数が低いと、最適の予備発泡粒子サイズ範囲で本発明の軽量コンクリート組成物の圧縮強度を向上させることができる。
【実施例１４】
【０２０６】
骨材として膨張スレートを含むコンクリートを下表に示す成分を用いて作成した。
【０２０７】
【表２１】
【０２０８】
上記データは、約９０ｐｃｆ密度コンクリートを維持するために必要なＥＰＳ容量はスレート濃度が増加するにつれてやや直線的に減少することを示している。本発明の軽量コンクリートの強度は調合物中のスレートの量が増加するにつれて指数的に増加する。この関係は、本発明の軽量コンクリート調合物中に骨材を配合する潜在的に有意な影響を強調しており、所望密度で強度を最大とするために調合物中のＥＰＳ及び骨材の量を最適にする可能性を立証している。加えて、各種成分のコストは軽量コンクリート調合物を最大強度及び最低コストの両方について最適化し得るような設計で配合することもできる。
【実施例１５】
【０２０９】
非発泡ＥＰＳ（１０３７Ｃ）を有し、追加の骨材を含まないコンクリートを下表に示す成分を用いて作成した。
【０２１０】
【表２２】
【０２１１】
上記データは、非発泡ポリスチレン樹脂ビーズ（かさ密度＝から４０ｐｃｆ）が低密度（７６から１００ｐｃｆ）で驚くほど高い圧縮強度（２５００から３２００ｐｓｉ）を有する軽量コンクリート組成物を提供し得ることを示している。
【実施例１６】
【０２１２】
１．２ｌｂ／ｆｔ３まで発泡させたＦ２７１Ｔビーズ、１．３ｌｂ／ｆｔ３まで発泡させたＦ２７１Ｃビーズ及び１．５ｌｂ／ｆｔ３まで発泡させたＭ９７ＢＣビーズからの予備発泡を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて評価した。
【０２１３】
予備発泡粒子の外部構造は通常連続する外表面またはスキンを有する球形であった。予備発泡サンプルの内部気泡構造はハニカム様構造に似ている。
【０２１４】
予備発泡粒子のサイズもＳＥＭを用いて測定し、結果を下表に示す。
【０２１５】
【表２３】
【０２１６】
上に挙げたデータをすべて勘案すると、上記データから内部気泡構造が軽量コンクリート調合物の強度に影響を与えることが示唆される。
【０２１７】
軽量コンクリート組成物中に使用する場合、予備発泡粒子は２つの方法でコンクリートの全強度に影響を与え得る。第１に、低い密度を有する大きな粒子は予備発泡粒子の周りのコンクリートマトリックスを変化させ、第２に、低密度の予備発泡粒子は発泡された粒子の気泡構造のために余り剛性でない。コンクリートの強度は少なくとも一部予備発泡粒子の強度に依存しているので、予備発泡粒子強度を高くして軽量コンクリートの強度を高くしなければならない。可能性ある強度の増加はコンクリートマトリックスに影響を及ぼす程度により制限され得る。本実施例中のデータは、最大の可能性ある軽量コンクリート強度を生じさせる最適サイズの予備発泡粒子（予備発泡密度によりコントロールされる）を得るために元のビーズ粒子サイズを最適化させ得ることを示唆している。
【０２１８】
換言すると、最適の予備発泡粒子サイズ及び最適の密度の範囲で、予備発泡の壁厚さにより本発明の軽量コンクリート組成物が従来技術の軽量コンクリート組成物よりも高い強度を有するのに十分な支持が得られる。
【０２１９】
本明細書中に挙げられているデータは、従来技術で採用されている仮定及びアプローチとは異なり、驚くことに発泡ＥＰＳ粒子が単にコンクリート中のボイドスペースとして作用する以上に働き得ることを立証している。より具体的には、本発明において使用される予備発泡粒子の構造及び特性は生じる軽量コンクリート組成物の強度を有意に高め得る。
【実施例１７】
【０２２０】
この実施例は、ファスナーと本発明の軽量コンクリート組成物の併用及び関連する引抜強度を立証する。この評価は、本発明の軽量コンクリート（約９０ｐｃｆ）に直接取り付けたねじの荷重容量を普通重量コンクリート及び従来の軽量コンクリートに取り付けた従来のコンクリートファスナーと比較するために使用した。
【０２２１】
ファスナー引抜試験は３種のコンクリートで実施した。すなわち、次表の配合に従って上記したように作成した普通重量コンクリート＝１４３ｐｃｆ（サンプルＭＭ，１４０ｐｃｆ普通コンクリート）、膨張スレートを用いる軽量コンクリート＝１２３ｐｃｆ（サンプルＮＮ，１２０ｐｃｆ ＬＷＣ）、及びＥＰＳを含む軽量コンクリート＝８７ｐｃｆ（サンプルＯＯ，９０ｐｃｆ ＬＷＣ）。
【０２２２】
【表２４】
【０２２３】
ファスナーの軸と一直線に荷重を加えるべく重りを重力を利用して各ファスナーから垂直につり下げることができる装置を構築した。９０ｐｃｆ ＬＷＣには２．５”標準乾式壁ねじが約１．５”の深さまで直接取り付けられた。１２０ｐｃｆ ＬＷＣには予め開けた孔に２つのタイプのファスナーを取り付けた。すなわち、２．７５” ＴＡＰＣＯＮ（登録商標）金属ねじタイプの組積締結アンカー（イリノイ州グレンビューに所在のＩｌｌｉｎｏｉｓ Ｔｏｏｌ Ｗｏｒｋｓ Ｉｎｃ．）を約２”の深さに取り付け、標準の２．２５”調整ウェッジ−クリップボルト／ナットアンカーを約１．２５”の深さに取り付けた。１４０ｐｃｆ 普通コンクリートにも予め開けた孔に２つのタイプのファスナーを取り付けられた。すなわち、２．７５” ＴＡＰＣＯＮアンカーを約２”の深さに取り付け、標準の２．２５”調整ウェッジ−クリップボルト／ナットアンカーを約１．２５”の深さに取り付けた。試験のために、軽量コンクリート中の乾式壁ねじの１つを抜き、同じファスナー孔に再び取り付けた。ＴＡＰＣＯＮねじの１つも抜き、再び取り付けて、容量の損失を評価した。次表は、試験したアンカー／ファスナーに関するデータ及び荷重を示す。
【０２２４】
【表２５】
【０２２５】
乾式壁ねじは容易に破損したりコンクリートから剥がれることがなかったので、９０ｐｃｆ ＬＷＣにおける乾式壁のねじの保持力は驚くほど高かった。乾式壁ねじは簡単に取り付けられ、標準サイズの電気ドリルしか必要でなかった。９０ｐｃｆ ＬＷＣにおける乾式壁ねじの把持強度では、ねじ頭がコンクリートの表面に達する前に適用したドリリングトルクが停止しなかったらねじ頭がねじり取られるであろう。９０ｐｃｆ ＬＷＣにおける抜き取り、再び取り付けた乾式壁ねじを除いて、ファスナーはすべて７４０ｌｂｓの荷重を少なくとも１０分間保持した。前者のねじはコンクリートから裂ける前３０秒間７００ｌｂｓを保持している。この乾式壁ねじは破壊点で破壊せず、コンリートから引き抜かれた。
【０２２６】
上記データを全体として考慮すると、本発明の軽量コンクリート調合物の圧縮強度を最大とするためには最適の予備発泡ビーズサイズ（非限定例として、９０ｐｃｆ 軽量コンクリートの場合約７５０から１４００μｍの予備発泡直径まで約１０から２０ｃｃ／ｇの発泡係数に発泡させた約４５０から５５０μｍ樹脂ビーズ）が存在することが立証された。本発明の軽量コンクリート調合物の圧縮強度は、本発明のＥＰＳ予備発泡ビーズ密度を増加させることにより向上させ得る。非発泡ポリスチレン樹脂（かさ密度＝から４０ｐｃｆ）は、低密度（７６から１００ｐｃｆ）を考慮して高い圧縮強度（２５００から３２００ｐｓｉ）を有するＬＷＣを生ずる。本発明の軽量コンクリート調合物中に骨材を使用することができる。粗骨材なしの本発明の軽量コンクリート調合物は標準のドリル及びねじを用いて直接締結され得るコンリート組成物を提供する。ＥＰＳ予備発泡ビーズを低いかさ密度（例えば、＜１ｐｃｆ）に発泡させると、ビースは弱い内部気泡構造を有し、これが弱いフォームが生じ、低い圧縮強度を有する軽量コンクリート組成物しか提供されない。
【実施例１８】
【０２２７】
以下の例は、本発明の予備発泡粒子のレディーミクス調合物における使用を立証している。非発泡ビーズ形態のポリスチレン（Ｎｏｖａ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ Ｉｎｃ．から入手可能なＦ２７１）を下表に示すように異なる密度を有する予備発泡粒子にプレ発泡させた。この予備発泡粒子を２．２ｆｔ３モルタルミキサー（カリフォルニア州サンフラシスコに所在のＩＭＥＲ ＵＳＡ Ｉｎｃ．製ＲＥＡＤＹＭＡＮ（登録商標）１２０）において下表に示す成分を含有しているレディミクス組成物中に配合した。成分を砂（粗い，比重２．５）、粗骨材、ポルトランドセメント（Ｉ型，ＣＥＭＥＸ）、予備発泡及び水の順序で合わせた。シリンダー（４”×８”）をＡＳＴＭ Ｃ１９２に従って作成し、ＡＳＴＭ Ｃ５１１に従って養生させた。
【０２２８】
【表２６】
【０２２９】
上記データから、本発明の予備発泡粒子を含有しているレディーミクス組成物を使用すると優れた圧縮強度が得られ得ることが分かる。
【０２３０】
本発明を特定実施形態の具体的詳細を参照して記載してきた。これらの詳細は請求の範囲に含まれる限り及びその程度まで本発明の範囲を限定するとはみなされるとは意図されない。
【図面の簡単な説明】
【０２３１】
【図１】本発明で使用される予備発泡ビーズの表面の走査型電子顕微鏡写真である。
【図２】本発明で使用される予備発泡ビーズの内部の走査型電子顕微鏡写真である。
【図３】本発明で使用される予備発泡ビーズの表面の走査型電子顕微鏡写真である。
【図４】本発明で使用される予備発泡ビーズの内部の走査型電子顕微鏡写真である。
【図５】本発明で使用される予備発泡ビーズの表面の走査型電子顕微鏡写真である。
【図６】本発明で使用される予備発泡ビーズの内部の走査型電子顕微鏡写真である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通常建設業及び建築業における物質として有用な新規な組成物、材料、その使用方法及びその製造方法に関する。より具体的には、本発明の組成物は、高い強度及びしばしば改善された絶縁性を有する比較的に軽量で増量可能、成形可能、注入可能な材料の恩恵を受ける建設及び建築用途で使用され得る。
【背景技術】
【０００２】
所謂軽量コンクリートのような軽量セメント質材料の製造及び使用の分野において、今まで販売されている材料は通常、各種成分の高い均質性を有し、コンクリート塊全体にわたって均一に結合している強いが軽量のコンクリート塊を得るために通常各種成分の添加を必要としている。
【０００３】
米国特許３，２１４，３９３、３，２５７，３３８及び３，２７２，７６５は、セメント、主骨材、粒状発泡スチレンポリマー及び均質化及び／または界面活性添加剤を含有するコンクリート混合物を開示している。
【０００４】
米国特許３，０２１，２９１は、コンクリート混合物を流し込む前に、コンクリート混合物に養生中熱の影響下で膨張するポリマー材料を配合することによる気泡コンクリートの製造方法を開示している。ポリマー粒子の形及び大きさは重要でない。
【０００５】
米国特許５，５８０，３７８は、フライアッシュ、ポルトランドセメント、砂、石灰、及び軽量化成分として５０から２０００μｍの範囲の粒子サイズ及び約１ｌｂ／ｆｔ３の密度を有する超微粉ポリスチレン粒子を含み得る水性セメント質混合物から構成される軽量セメント質製品を開示している。前記混合物は成形品、例えば基礎壁、瓦、煉瓦等に注入され得る。前記製品は組積モルタル、プラスター、スタッコまたはテクスチャーとしても使用され得る。
【０００６】
ＪＰ ９ ０７１ ４４９は、ポルトランドセメント及び軽量骨材、例えば骨材の一部または全部として発泡ポリスチレン、パーライトまたはヒル石を含む軽量コンクリートを開示している。前記発泡ポリスチレンは０．１から１０ｍｍの粒径及び０．０１から０．０８の比重を有している。
【０００７】
米国特許５，５８０，３７８、５，６２２，５５６及び５，７２５，６５２は、セメント；膨張頁岩、粘土、スレート、フライアッシュ及び／または石灰；及び５０から２０００μｍの範囲の粒子サイズを有する超微粉ポリスチレン粒子である軽量化成分を含む水性セメント質混合物から構成され、０．５から５０％ ｖ／ｖの範囲の含水量を有することを特徴とする軽量セメント質製品を開示している。
【０００８】
米国特許４，２６５，９６４は、低密度発泡性熱可塑性顆粒、セメント質母材（例えば、セッコウ）、界面活性剤、混合物に適当量の空気を導入するための起泡剤として作用する混和剤、フイルム形成成分及びデンプンを含む構造単位（例えば、ウォールボードパネル等）用軽量組成物を開示している。前記発泡性熱可塑性顆粒はできる限り完全に発泡させる。
【０００９】
ＷＯ ９８ ０２ ３９７は、骨材として合成樹脂フォームを含有し、約１．６から２の比重を有する水硬結合剤組成物を成形することにより作られる軽量コンクリートルーフィングタイルを開示している。
【００１０】
ＷＯ ００／６１５１９は、約４０から９９％の有機ポリマー材料及び１から約６０％のＡＥ剤のブレンドを含む軽量コンクリートを開示している。前記ブレンドは、ポリスチレン骨材を用いる軽量コンクリートを作成するために使用される。前記ブレンドは、ポリスチレン骨材を分散させ且つポリスチレン骨材と周囲のセメント質結合剤間の結合を向上させるために必要である。
【００１１】
ＷＯ ０１／６６４８５は、５から８０容量％のセメント、１０から６５容量％の発泡ポリスチレン粒子、１０から９０容量％の膨張無機粒子、及び適切に混合後発泡ポリスチレンが実質的に均一に分布しているペーストを作成するのに十分な水を含有する軽量セメント質混合物を開示している。
【００１２】
米国特許６，８５１，２３５は、水、セメント、及び３．１８ｍｍ（１／８インチ）から９．５３ｍｍ（３／８インチ）の直径を有する発泡ポリスチレン（ＥＰＳ）フォームビーズの混合物を６８から９５リッター（１８から２５ガロン）の水、１５０から１９０ｋｇ（３２５から４２５ｌｂ）のセメント及び８５０から１４００リッター（３０から５０ｆｔ３）の予備発泡ビーズの比率で含む建築ブロックを開示している。
【００１３】
米国特許５，９１３，７９１は、ブロックの外表面の一方または両方上に貫入ファスナー（釘、ねじ、ステップル等）を受容し、保持するセメントベースの取り付け層を有する建築ブロックを開示している。１つのセメントベース層は第１比率で水、セメント及び発泡ポリスチレンフォームビーズを含有し、第２の外表面は第１比率とは異なる第２比率で水、セメント及び発泡ポリスチレンフォームビーズを含有している。
【００１４】
一般的に、従来技術は、組成物の全重量を減らすためにコンクリート組成物中に幾つかの形態の発泡ポリマーを使用する有用性を認識している。発泡ポリマーは主にコンクリート中のスペースを占めて、ボイドを形成すべく添加されており、発泡ポリマー中の“エアスペース”の量は典型的には上記目的を達成するために最大とされている。一般的に、従来技術は、発泡ポリマー粒子は軽量コンクリート組成物の強度及び／または構造保全性を低下させると推定している。更に、従来技術の軽量コンクリート組成物から作成したコンクリート物品は最良でも一致しない物性（例えば、ヤング率、熱伝導性及び圧縮強度）を有しており、典型的には所望の物性よりも劣る物性を示している。
【００１５】
従って、当業界では、上記した問題を解消して予想できる所望の物性を有する軽量コンクリート物品を提供する軽量コンクリート組成物が要望されている。
【発明の開示】
【００１６】
（発明の概要）
本発明は、使用する成分の合計が１００容量％を超えず、８から２０容量％のセメント、１１から５０容量％の砂、１０から３１容量％の０．２から８ｍｍの平均粒径、０．０２から０．６４ｇ／ｃｃのかさ密度及び１から３のアスペクト比を有する予備発泡粒子、９から４０容量％の粗骨材及び１０から２２容量％の水を含有する軽量レディーミクスコンクリート組成物を提供する。前記組成物のＡＳＴＭ Ｃ１４３に従って測定したスランプ値は２から８インチである。軽量レディーミクスコンクリート組成物を２８日間凝結させた後、ＡＳＴＭ Ｃ３９に従って試験した圧縮強度は少なくとも１４００ｐｓｉである。
【００１７】
（発明の詳細な記述）
明細書及び請求の範囲中で使用されている成分の量、反応条件等を指すすべての数字または語句は、実施例中のものまたは他の方法で指定されている場合を除いていずれの場合も用語「約」により修飾されると理解される。従って、反対の指示がない限り、明細書及び請求の範囲中に記載されている数的パラメーターは、本発明が求めている所望特性に応じて異なり得る概算である。請求の範囲に対する均等論の適用を制限する試みとしてではなく、せめて数的パラメーターの各々は少なくとも報告されている有効数字の数にてらし、通常の丸め技術を適用して解釈されるべきである。
【００１８】
本発明の広い範囲を規定する数的範囲及びパラメーターは概算であるが、具体的実施例に記載されている数値はできるだけ正確に報告されている。しかしながら、数値はすべて本質的にそれぞれの試験方法で見られる標準偏差から必ず生ずるある誤差を含んでいる。
【００１９】
また、本明細書中に挙げられている数的範囲はここに包含されているすべてのサブ範囲を含むと意図されると理解されるべきである。例えば、「１から１０」の範囲は１という最小値と１０という最大値を含めたこれらの範囲のすべてのサブ範囲を含むと意図される。すなわち、最小値は１またはそれを超え、最大値は１０またはそれ未満である。開示されている数的範囲は連続しているので、最小値と最大値の範囲のすべての値を含んでいる。他の方法で明白に示されていない限り、本明細書中に特定されているいろいろな数的範囲は概算である。
【００２０】
本明細書中で使用されている用語「ボイドスペースを含む粒子」は、本明細書中に記載されている予備発泡粒子の非限定例として空気、特殊ガス、またはガスの組合せを含んでいる発泡ポリマー粒子、予備発泡粒子、及びその少なくとも一部が完全に包囲されている気泡及び／またはハチの巣状チャンバを含んでいる他の粒子を指す。
【００２１】
本明細書中で使用されている用語「セメント」及び「セメント質」は、最終製品そのものではなく、コンクリートまたは他のモノリシック製品を結合させる材料を指す。特に、水硬性セメントは、最終硬化製品を得るために十分量の水の存在下で水和反応を受けることにより凝結し、硬化する材料を指す。
【００２２】
本明細書中で使用されている用語「セメント質混合物」は、セメント材料及び１つ以上の充填剤、補助剤、または養生時に硬化するスラリーを形成する当業界で公知の他の骨材及び／または材料を含む組成物を指す。セメント材料には水硬性セメント、セッコウ、セッコウ組成物、石灰等が含まれるが、これらに限定されず、水を含んでいてもいなくてもよい。補助剤及び充填剤には砂、粘土、フライアッシュ、骨材、ＡＥ剤、着色剤、混和剤／流動化剤等が含まれるが、これらに限定されない。
【００２３】
本明細書中で使用されている用語「コンクリート」は、セメント質混合物を十分な水と混合してセメント質混合物を凝結させ、塊全体を結合させることにより作成した硬くて強い建築材料を指す。
【００２４】
本明細書中で使用されている用語「レディーミクス」は、作業現場で混合する代わりに中央プラントからデリバリーするためにまとめて処理されるコンクリートを指す。典型的には、レディーミクスのバッチは特殊建設プロジェクトの特質に従ってテーラーメードされ、可塑状態で、通常しばしば“セメントミキサー”と呼ばれている円筒形トラックを用いてデリバリーされる。
【００２５】
本明細書中で使用されている容量％及び重量％はすべて、水の特定の容量または重量の使用を意図している。ドライミクスまたはレディーミクス組成物を指すときの特定量は、使用のために最終的に配合、混合及び他の方法で用意されるときにドライミクスまたはレディーミクスに相応量の水を添加すると予想される同一比率にある。
【００２６】
本明細書中に記載されている組成範囲はすべて実際合計で１００％（容量％または重量％）に限定され、１００％（容量％または重量％）を超えない。組成物中に複数の成分が存在し得る場合、各成分の最大量の合計は１００％を超え得、当業者が容易に理解するように実際使用される成分の量は１００％の最大に一致すると理解される。
【００２７】
本明細書中で使用されている用語「（メタ）アクリル酸」及び「（メタ）アクリレート」は、アクリル酸及びメタクリル酸誘導体の両方、例えばアクリレート及び（メタ）アクリレートとしばしば称されている対応のアルキルエステルを含むことを意味し、用語「（メタ）アクリレート」は包含すると意味する。
【００２８】
本明細書中で使用されている用語「ポリマー」は、非限定的にホモポリマー、コポリマー、グラフトコポリマー、並びにそのブレンド及び組合せを包含すると意味する。
【００２９】
広義に、本発明は、成形品における空気同伴のコントロール方法を提供する。成形品は成形可能な材料から作成され、空気を構造的に支持する方法で同伴するためにボイドスペースを含有する粒子が使用されている。ボイドスペースを含有する粒子が成形過程中に壊されない限り適当な成形可能な材料が使用され得る。
【００３０】
本明細書中で使用されている用語「複合材料」は、異なる物理的特徴を有する２つ以上の物質を含み、各物質はその一体性を保持しつつ全体に所望の特性を付与している固体材料を指す。非限定例として、複合材料には予備発泡ビーズが均一に分散され、埋め込まれているコンクリートが含まれ得る。
【００３１】
よって、本発明は、成形可能な材料及びボイドスペースを含有する粒子を合わせて混合物を生成し、この混合物を型枠に入れて形成される物品の空気同伴のコントロール方法に関する。
【００３２】
本明細書はポリマー粒子を含むセメント質混合物を詳細に記載しているが、本明細書中に記載されている概念及び実施形態は当業者により上記した他の用途に対して適用され得る。
【００３３】
本発明の実施形態は、セメント質混合物及びポリマー粒子を含む軽量コンクリート（ＬＷＣ）組成物に関する。驚くことに、発泡ポリマー粒子のサイズ、組成、構造及び物性、幾つかの場合にはその樹脂ビーズ前駆体が本発明のＬＷＣ組成物から作成したＬＷＣ物品の物性にかなりの影響を及ぼし得ることが知見された。得られるＬＷＣ物品の物性に対するビーズサイズと発泡ポリマー粒子密度間の関係を特に注目されたい。
【００３４】
本発明の一実施形態では、セメント質混合物は水性セメント質混合物であり得る。
【００３５】
場合により発泡ポリマー粒子であり得るポリマー粒子は、ＬＷＣ組成物中にＬＷＣ組成物の全容量に基づいて少なくとも１０容量％、幾つかの例では少なくとも１５容量％、他の例では少なくとも２０容量％、９０容量％以下、幾つかの場合に７５容量％以下、他の場合には６０容量％以下、幾つかの例では５０容量％以下、他の例では４０容量％以下、特定の例では３５容量％以下、幾つかの場合には３１容量％以下のレベルで存在している。ポリマーの量は最終ＬＷＣ物品において所望される特定の物性に応じて異なる。ＬＷＣ組成物中のポリマー粒子の量は上記した値であっても、上記した値の範囲であってもよい。
【００３６】
ポリマー粒子には、適当な発泡性熱可塑性材料から誘導される粒子が含まれ得る。実際のポリマー粒子は最終ＬＷＣ物品において所望される特定の物性に基づいて選択される。非限定例として、場合により発泡性ポリマー粒子であり得るポリマー粒子には、ビニル芳香族モノマーのホモポリマー、少なくとも１つのビニル芳香族モノマーと１つ以上のジビニルベンゼン、共役ジエン、アルキルメタクリレート、アルキルアクリレート、アクリロニトリル及び／または無水マレイン酸とのコポリマー、ポリオレフィン、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリアミド、天然ゴム、合成ゴム及びその組合せから選択される１つ以上のポリマーが含まれ得る。
【００３７】
本発明の一実施形態では、ポリマー粒子にはビニル芳香族モノマー（例えば、スチレン、イソプロピルスチレン、α−メチルスチレン、核メチルスチレン、クロロスチレン、ｔｅｒｔ−ブチルスチレン等）から誘導されるホモポリマー、並びに少なくとも１つの上記したビニル芳香族モノマーがコポリマーの少なくとも５０重量％の量で存在している該ビニル芳香族モノマーと１つ以上の他のモノマーを共重合することにより製造されるコポリマーから選択される熱可塑性ホモポリマーまたはコポリマーが含まれる。前記した他のモノマーの非限定例はジビニルベンゼン、共役ジエン（非限定的にブタジエン、イソプレン、１，３−及び２，４−ヘキサジエンが例示される）、アルキルメタクリレート、アルキルアクリレート、アクリロニトリル及び無水マレイン酸である。本発明の実施形態では、合成ポリマー、特にポリスチレンが使用される。しかしながら、他の適当なポリマー、例えばポリオレフィン（例：ポリエチレン、ポリプロピレン）、ポリカーボネート、ポリフェニレンオキシド及びその混合物が使用され得る。
【００３８】
本発明の特定の実施形態では、ポリマー粒子は発泡性ポリスチレン（ＥＰＳ）粒子である。これらの粒子はビーズ、顆粒、または発泡及び成形操作のために好都合な他の粒子の形態をとり得る。
【００３９】
本発明では、懸濁方法で重合させた、本質的に球形樹脂ビースーである粒子がポリマー粒子としてまたは発泡ポリマー粒子を作成するために使用される。しかしながら、押し出し、粒子サイズの樹脂ビーズに切断する溶液及びバルク重合技術から誘導したポリマーも使用可能である。
【００４０】
本発明の一実施形態では、本明細書中に記載されているポリマーまたはポリマー組成物を含有している樹脂ビーズ（非発泡）は少なくとも０．２ｍｍ、幾つかの状況では少なくとも０．３３ｍｍ、幾つかの場合には少なくとも０．３５ｍｍ、他の場合には少なくとも０．４ｍｍ、幾つかの例では少なくとも０．４５ｍｍ、他の例では少なくとも０．５ｍｍの粒子サイズを有している。また、樹脂ビーズは３ｍｍ以下、幾つかの例では２ｍｍ以下、他の例では２．５ｍｍ以下、幾つかの場合には２．２５ｍｍ以下、他の場合には２ｍｍ以下、幾つかの状況では１．５ｍｍ以下、他の状況では１ｍｍ以下の粒子サイズを有し得る。この実施形態では、本発明に従って作成したＬＷＣ物品の物性は、上記した範囲を外れた粒子サイズを有する樹脂ビーズを発泡ポリマー粒子を作成するために使用したときには矛盾するまたは望ましくない物性を有する。この実施形態で使用される樹脂ビーズは上記した値であっても、上記した値の範囲であってもよい。
【００４１】
発泡性熱可塑性粒子または樹脂ビーズに場合により慣用方法を用いて適当な発泡剤を含浸させてもよい。非限定例として、含浸は、ポリマーの重合中に発泡剤を水性懸濁液に添加するか、または米国特許２，９８３，６９２に教示されているようにポリマー粒子を水性媒体中に再懸濁させた後発泡剤を配合することにより行われ得る。ガス状材料または加熱時にガスを発生する材料が発泡剤として使用され得る。慣用の発泡剤には、選択されるポリマーの軟化点以下の温度で沸騰する分子中に４から６個の炭素原子を含有する脂肪族炭化水素（例：ブタン、ペンタン、ヘキサン）及びハロゲン化炭化水素（例：ＣＦＣ類及びＨＣＦＣ類）が含まれる。これらの脂肪族炭化水素発泡剤の混合物も使用可能である。
【００４２】
或いは、脂肪族炭化水素発泡剤と水を混合してもよく、または米国特許６，１２７，４３９、６，１６０，０２７及び６，２４２，５４０に教示されているように水を単一の発泡剤として使用してもよい。これらの特許では保水剤が使用されている。発泡剤として使用するための水の重量％は１から２０％の範囲であり得る。米国特許６，１２７，４３９、６，１６０，０２７及び６，２４２，５４０は援用により本明細書中に含まれるとする。
【００４３】
含浸させたポリマー粒子または樹脂ビーズを場合により少なくとも１．２５ｌｂ／ｆｔ３（０．０２ｇ／ｃｃ）、幾つかの場合には１．７５ｌｂ／ｆｔ３（０．０２８ｇ／ｃｃ）、幾つかの状況では少なくとも２ｌｂ／ｆｔ３（０．０３２ｇ／ｃｃ）、他の状況では少なくとも３ｌｂ／ｆｔ３（０．０４８ｇ／ｃｃ）、特定の状況では少なくとも３．２５ｌｂ／ｆｔ３（０．０５２ｇ／ｃｃ）または３．５ｌｂ／ｆｔ３（０．０５６ｇ／ｃｃ）のかさ密度まで発泡させてもよい。非発泡樹脂ビーズを使用する場合にはかさ密度がより高いビーズが使用され得る。このようなとき、かさ密度は４０ｌｂ／ｆｔ３（０．６４ｇ／ｃｃ）くらい高くてもよい。他の状況では、ポリマー粒子は少なくとも部分的に発泡され、かさ密度は３５ｌｂ／ｆｔ３（０．５６ｇ／ｃｃ）以下、幾つかの場合には３０ｌｂ／ｆｔ３（０．４８ｇ／ｃｃ）以下、他の場合には２５ｌｂ／ｆｔ３（０．４ｇ／ｃｃ）以下、幾つかの例では２０ｌｂ／ｆｔ３（０．３２ｇ／ｃｃ）以下、他の例では１５ｌｂ／ｆｔ３（０．２４ｇ／ｃｃ）以下、ある状況では１０ｌｂ／ｆｔ３（０．１６ｇ／ｃｃ）以下であり得る。ポリマー粒子のかさ密度は上記した値であっても、上記した値の範囲であってもよい。ポリマー粒子、樹脂ビーズ及び／または予備発泡粒子のかさ密度は（周囲条件下で２４時間エージングした）既知容量のポリマー粒子、ビーズ及び／または予備発泡粒子を秤量することにより測定される。
【００４４】
発泡ステップを含浸させたビーズを慣用の加熱媒体（例えば、蒸気、熱風、熱水または放射熱）を用いて加熱することにより実施することが好都合である。含浸させた熱可塑性粒子をプレ発泡させるための一般的に容認されている１つの方法は米国特許３，０２３，１７５に教示されている。
【００４５】
含浸ポリマー粒子は、その教示が援用により本明細書中に含まれるとする米国特許出願公開２００２−０１１７７６９Ａ１に教示されている発泡気泡ポリマー粒子であり得る。発泡気泡粒子は、発泡されており、揮発性発泡剤をポリマーの重量に基づいて１４重量％未満、幾つかの状況では６重量％未満、幾つかの場合には約２から約５重量％、他の場合には約２．５から約３．５重量％のレベルで含有しているポリスチレンであり得る。
【００４６】
本発明の発泡熱可塑性樹脂またはポリマー粒子に配合され得るポリオレフィンと現場重合されるビニル芳香族モノマーのインターポリマーは米国特許４，３０３，７５６、４，３０３，７５７及び６，９０８，９４９に開示されており、これらの特許の関連部分は援用により本明細書に含まれるとする。
【００４７】
ポリマー粒子は慣用の成分及び添加剤、例えば難燃剤、顔料、染料、着色剤、可塑剤、離型剤、安定化剤、紫外光吸収剤、防カビ剤、抗酸化剤、殺鼠剤、昆虫忌避剤等を含み得る。典型的な顔料には非限定的に無機顔料、例えばカーボンブラック、グラファイト、発泡性グラファイト、酸化亜鉛、二酸化チタン及び酸化鉄；及び有機顔料、例えばキナクリドンレッド及びバイオレット、銅フタロシアニンブルー及びグリーンが含まれる。
【００４８】
本発明の特定実施形態では、顔料はカーボンブラックであり、その材料の非限定例はＮＯＶＡ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ Ｉｎｃ．から入手可能なＥＰＳ ＳＩＬＶＥＲ（登録商標）である。
【００４９】
本発明の別の特定実施形態では、顔料はグラファイトであり、その材料の非限定例はドイツのルードヴィヒスハーフェン・アム・ラインに所在のＢＡＳＦ Ａｋｔｉｅｎｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ Ｃｏｒｐ．から入手可能なＮＥＯＰＯＲ（登録商標）である。
【００５０】
カーボンブラック及び／またはグラファイトのような材料をポリマー粒子中に配合する場合、カーボンブラックまたはグラファイトを含有する材料は（ＡＳＴＭ−Ｃ５１８を用いて測定される）Ｒ値が高いことから例示されるように改善された絶縁性が与えられる。すなわち、カーボンブラック及び／またはグラファイトを含有する発泡ポリマー粒子または前記ポリマー粒子から作成した材料のＲ値は、カーボンブラック及び／またはグラファイトを含有していない粒子または得られる物品について観察されるＲ値よりも少なくと５％高い。
【００５１】
発泡ポリマー粒子または予備発泡粒子は少なくとも０．２ｍｍ、幾つかの状況では少なくとも０．３ｍｍ、他の状況では少なくとも０．５ｍｍ、幾つかの場合には少なくとも０．７５ｍｍ、他の場合には少なくとも０．９ｍｍ、幾つかの例では少なくとも１ｍｍの平均粒子サイズを有し得、８ｍｍ以下、幾つかの状況では６ｍｍ以下、他の状況では５ｍｍ以下、幾つかの場合には４ｍｍ以下、他の場合には３ｍｍ以下、幾つかの例では２．５ｍｍ以下であり得る。発泡ポリマー粒子または予備発泡粒子のサイズが余りに小さいかまたは余りに大きい場合には、本発明のＬＷＣ組成物を用いて作成されるＬＷＣ物品の物性は望ましくないことがある。発泡ポリマー粒子または予備発泡粒子の平均粒子サイズは上記した値であっても、上記した値の範囲であってもよい。発泡ポリマー粒子または予備発泡粒子の平均粒子サイズは、レーザー回折技術を用いて、または当業界で公知の機械的分離方法を用いてメッシュサイズに従って篩分けることにより調べられ得る。
【００５２】
本発明の一実施形態では、ポリマー粒子または発泡ポリマー粒子は最低の平均気泡壁厚さを有しており、これにより本発明のＬＷＣ組成物を用いて作成したＬＷＣ物品に対して所望の物性が与えられる。平均気泡壁厚さ及び内部気泡寸法は当業界で公知の走査型電子顕微鏡技術を用いて測定され得る。発泡ポリマー粒子は少なくとも０．１５μｍ、幾つかの場合には少なくとも０．２μｍ、他の場合には少なくとも０．２５μｍの平均気泡壁厚さを有し得る。特定の理論に拘束されるつもりはないが、上記した寸法を有する樹脂ビーズを上記密度まで発泡すると所望の平均気泡壁厚さが生ずると考えられている。
【００５３】
本発明の一実施形態では、上記した所望の気泡壁厚さが得られるようにポリマービーズを場合により発泡させて発泡ポリマー粒子を形成する。多くの変数が壁厚さに影響を及ぼし得るが、この実施形態では所望の壁厚さ及び発泡ポリマー粒子強度が得られるようにポリマービーズの発泡を制限することが望ましい。加工ステップ及び発泡剤を最適化すると、ポリマービーズを１．２５ｌｂ／ｆｔ３（０．０２ｇ／ｃｃ）の最低値まで発泡させ得る。こうした発泡ポリマーかさ密度の性質はｐｃｆ（ｌｂ／ｆｔ３）または発泡係数（ｃｃ／ｇ）により記載され得る。
【００５４】
本明細書中で使用されている用語「発泡係数」は、典型的にはｃｃ／ｇで表わされる所与の重量の発泡ポリマービーズが占める容量を指し、本発明では典型的には５０ｃｃ／ｇ以下の値である。
【００５５】
所望の気泡壁厚さ及び強度を有する発泡ポリマー粒子を得るためには、発泡ポリマー粒子をその最大発泡係数まで発泡させない。極度に発泡させると、望ましくないほど薄い気泡壁及び不十分な強度を有する粒子が生ずる。更に、ポリマービーズはその最大発泡係数の少なくとも５％、幾つかの場合には少なくとも１０％、他の場合には少なくとも１５％発泡させ得る。しかしながら、気泡壁厚さが余りに薄くならないように、ポリマービーズをその最大発泡係数の８０％以下、幾つかの場合には７５％以下、他の場合には７０％以下、幾つかの例では６５％以下、他の例では６０％以下、幾つかの状況では５５％以下、他の状況では５０％以下発泡させ得る。ポリマービーズは上記した程度まで発泡させても、発泡が上記した値の範囲であってもよい。典型的には、ポリマービーズまたは予備発泡粒子は、本発明のセメント質組成物に配合するとき更に発泡させず、セメント質組成物を凝結、養生及び／または硬化させながら更に発泡しない。
【００５６】
本明細書中で使用されている用語「予備発泡」は、発泡されているが、その最大発泡係数まで発泡されていない発泡性粒子、樹脂及び／またはビーズを指す。
【００５７】
本発明の実施形態では、予備発泡粒子は少なくとも１０ｃｃ／ｇ、幾つかの場合には少なくとも１２ｃｃ／ｇの発泡係数を有し得、７０ｃｃ／ｇ以下、幾つかの場合には６０ｃｃ／ｇ以下、他の場合には５０ｃｃ／ｇ以下であり得る。予備発泡粒子の発泡係数は上記した値であっても、上記した値の範囲であってもよい。
【００５８】
予備発泡または発泡ポリマー粒子は、典型的には気泡構造またはハニカム内部部分及び外表面として通常平滑な連続ポリマー表面、すなわち実質的に連続的な外層を有している。平滑な連続表面は走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）技術を用いて倍率１０００倍で観察され得る。ＳＥＭ観察は、図１、３及び５に示すように予備発泡または発泡ポリマー粒子の外表面における孔の存在を示していない。予備発泡または発泡ポリマー粒子の断面を取り、ＳＥＭ観察すると、図２、４及び６に示すように予備発泡または発泡ポリマー粒子の内部が通常のハニカム構造であることが分かる。
【００５９】
ポリマー粒子または発泡ポリマー粒子は、ＬＷＣ物品において所望の物性を与えることができる断面形状を有し得る。本発明の実施形態では、発泡ポリマー粒子は円形、長円形または楕円形の断面形状を有している。本発明の実施形態では、予備発泡または発泡ポリマー粒子は１、幾つかの場合には少なくとも１のアスペクト比を有しており、アスペクト比は３以下、幾つかの場合には２以下、他の場合には１．５以下であり得る。予備発泡または発泡ポリマー粒子のアスペクト比は上記した値であっても、上記した値の範囲であってもよい。
【００６０】
セメント質混合物はＬＷＣ組成物中にＬＷＣ組成物の少なくとも１０容量％、幾つかの例では少なくとも１５容量％、他の例では少なくとも２２容量％、幾つかの場合には少なくとも４０容量％、他の場合には少なくとも５０容量％のレベルで存在しており、ＬＷＣ組成物の９０容量％以下、幾つかの状況では８５容量％以下、他の状況では８０容量％以下、特定の場合には７５容量％以下、幾つかの場合には７０容量％以下、他の場合には６５容量％以下、幾つかの例では６０容量％以下のレベルで存在し得る。セメント質混合物はＬＷＣ組成物中に上記したレベルで存在し得、上記したレベルの範囲であってもよい。
【００６１】
本発明の一実施形態では、セメント質混合物は水硬性セメント組成物を含む。水硬性セメント組成物はセメント質混合物の少なくとも３容量％、ある状況では少なくとも５容量％、幾つかの場合には少なくとも８容量％、他の場合には少なくとも９容量％のレベルで存在し得、４０容量％以下、幾つかの場合には３５容量％以下、他の場合には３０容量％以下、幾つかの例では２０容量％以下のレベルで存在し得る。セメント質混合物は上記したレベルまたは上記したレベルの範囲のレベルで水硬性セメント組成物を含み得る。
【００６２】
本発明の特定実施形態では、水硬性セメント組成物はポルトランドセメント、ポゾランセメント、セッコウセメント、アルミナセメント、マグネシアセメント、シリカセメント及びスラグセメントから選択される１つ以上の材料であり得る。更に、ＡＳＴＭ Ｃ１５０に定義されている各種型のセメントが本発明で使用され得、その非限定例にはＩ型（他のセメント型の特殊な性質を必要としない場合に使用するために）、ＩＡ型（Ｉ型品質のＡＥセメントのために）、ＩＩ型（適度の耐硫酸塩性または適度の水和熱が所望される場合に一般的に使用するために）、ＩＩＡ型（Ｉｌ型品質のＡＥセメントのために）、ＩＩＩ型（高い初期強度が所望される場合に使用するために）、ＩＩＩＡ型（ＩＩＩ型品質のＡＥセメントのために）、ＩＶ型（少ない水和熱が所望される場合に使用するために）、Ｖ型（高い耐硫酸塩性が所望される場合に使用するために）が含まれる。
【００６３】
本発明の特定実施形態では、セメント組成物はＩ型ポルトランドセメントである。
【００６４】
本発明の一実施形態では、セメント質混合物は場合により当業界で公知の他の骨材及び補助剤を含んでいてもよく、その例には砂、追加の骨材、可塑剤及び／または繊維が含まれるが、これらに限定されない。適当な繊維にはガラス繊維、炭化ケイ素、アラミド繊維、ポリエステル、炭素繊維、複合繊維、ファイバーグラス及びその組合せ；並びに上記した繊維を含むファブリック及び上記した繊維のファブリック含有配合物が含まれるが、これらに限定されない。
【００６５】
本発明で使用され得る繊維の非限定例には、サウカスロライナ州アンダーソンに所在のＴｅｃｈＦａｂ，ＬＬＣから入手可能なＭｅＣ−ＧＲＩＤ（登録商標）及びＣ−ＧＲＩＤ（登録商標）；デラウェア州ウィルミントンに所在のＥ．Ｉ．ｄｕ Ｐｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能なＫＥＶＬＡＲ（登録商標）；オランダ国アルンヘムに所在のＴｅｉｊｉｎ Ｔｗａｒｏｎ Ｂ．Ｖ．から入手可能なＴＷＡＲＯＮ（登録商標）；ニュージャージー州モリスタウンに所在のＨｏｎｅｙｗｅｌｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｃ．から入手可能なＳＰＥＣＴＲＡ（登録商標）；デラウェア州ウィルミントンに所在のＩｎｖｉｓｔａ Ｎｏｒｔｈ Ａｍｅｒｉｃａ Ｓ．Ａ．Ｒ．Ｌ．Ｃｏｒｐ．から入手可能なＤＡＣＲＯＮ（登録商標）；及びニューヨーク州ニューヨークに所在のＨｏｅｃｈｓｔ Ｃｅｌｌａｎｅｓｅ Ｃｏｒｐ．から入手可能なＶＥＣＴＲＡＮ（登録商標）が含まれる。繊維はメッシュ構造で使用したり、撚り合わせたり、織り交ぜても、所望方向に配向させてもよい。
【００６６】
本発明の特定実施形態では、繊維はＬＷＣ組成物の少なくとも０．１容量％、幾つかの場合には少なくとも０．５容量％、他の場合には少なくとも１容量％、幾つかの例では少なくとも２容量％を占め得る。更に、繊維はＬＷＣ組成物の１０容量％以下、幾つかの場合には８容量％以下、他の場合には７容量％以下、幾つかの例では５容量％以下を与え得る。繊維の量はＬＷＣ組成物に対して所望の特性を与えるように調節される。繊維の量は上記した値であっても、上記した値の範囲であってもよい。
【００６７】
この実施形態に加えて、追加の骨材には砂、石及び砂利のような常用骨材から選択される１つ以上の材料が含まれ得るが、これらに限定されない。常用軽量骨材には高炉水砕スラグ、フライアッシュ、ガラス、シリカ、膨張スレート及び粘土；断熱骨材、例えば軽石、パーライト、ヒル石、スコリア及びケイソウ土；ＬＷＣ骨材、例えば膨張頁岩、膨張スレート、膨張粘土、膨張スラグ、ヒュームドシリカ、ペレット化骨材、押出しフライアッシュ、凝灰岩及びマクロライト；及び組積骨材、例えば膨張頁岩、粘土、スレート、膨張高炉スラグ、焼結フライアッシュ、石炭殻、軽石、スコリア及びペレット化骨材が含まれる得る。
【００６８】
非限定例として、石には川岩、石灰岩、花崗岩、砂岩、褐色砂岩、れき岩、方解岩、ドロマイト、蛇紋岩、トラバーチン、スレート、青石、片麻岩、石英を含む砂岩、石英及びその組合せが含まれ得る。
【００６９】
配合される場合、他の骨材及び補助剤はセメント質混合物中にセメント質混合物の少なくとも０．５容量％、幾つかの場合には少なくとも１容量％、他の場合には少なくとも２．５容量％、幾つかの例では少なくとも５容量％、他の例では少なくとも１０容量％のレベルで存在している。また、他の骨材及び補助剤はセメント質混合物の９５容量％以下、幾つかの場合には９０容量％以下、他の場合には８５容量％以下、幾つかの例では６５容量％以下、他の例では６０容量％以下のレベルで存在し得る。他の骨材及び補助剤はセメント質混合物中に上記したレベルで存在していても、上記したレベルの範囲であってもよい。
【００７０】
本発明の特定実施形態では、砂及び／または他の細骨材はＬＷＣ組成物の少なくとも１１容量％、幾つかの場合には少なくとも１５容量％、他の場合には少なくとも２０容量％を占め得る。更に、砂及び／または他の細骨材はＬＷＣ組成物の５０容量％以下、幾つかの場合には４５容量％以下、他の場合には４０容量％以下、幾つかの例では３５容量％以下を与え得る。砂及び／または他の細骨材の量はＬＷＣ組成物に対して望ましい特性を与えるように調節される。砂及び／または他の細骨材の量は上記した値であっても、上記した値の範囲であってもよい。
【００７１】
本発明の特定実施形態では、粗骨材（４以上のＦＭ値を有する骨材）はＬＷＣ組成物の少なくとも１容量％、幾つかの場合には少なくとも９容量％、他の場合には少なくとも１２容量％を占め得る。更に、粗骨材はＬＷＣ組成物の４０容量％以下、幾つかの場合には３５容量％以下、他の場合には３０容量％以下、幾つかの例では２５容量％以下を与え得る。粗骨材の量はＬＷＣ組成物に対して望ましい特性を与えるように調節される。粗骨材の量は上記した値であっても、上記した値の範囲であってもよい。
【００７２】
本発明の実施形態では、軽量コンクリート組成物は１つ以上の混和剤を含み得る。その非限定例は消泡剤、防水剤、分散剤、凝結促進剤、凝結遅延剤、可塑剤、流動化剤、混和剤、結合剤、凝固点降下剤、接着性改良剤及び着色剤である。混和剤は典型的には組成物の全重量に対して１重量％未満でしか存在しないが、０．１から３重量％で存在させてもよい。
【００７３】
本発明で使用される適当な分散剤または可塑剤には、ヘキサメタホスフェート、トリポリホスフェート、ポリナフタレンスルホネート、スルホン化ポリアミン及びその組合せが含まれるが、これらに限定されない。
【００７４】
本発明で使用される適当な可塑剤には、ポリヒドロキシカルボン酸またはその塩、ポリカルボキシレートまたはその塩、リグノスルホネート、ポリエチレングリコール及びその組合せが含まれるが、これらに限定されない。
【００７５】
本発明で使用される適当な流動化剤には、リグニンスルホネートのアルカリ金属またはアルカリ土類金属塩；リグノスルホネート、高縮合したナフタレンスルホン酸／ホルムアルデヒド縮合物のアルカリ金属またはアルカリ土類金属塩；ポリナフタレンスルホネート、１つ以上のポリカルボキシレート（例えば、ポリ（メタ）アクリレート及び関連部分が援用により本明細書中に含まれるとする米国特許６，８００，１２９に記載されているポリカルボキシレート櫛形コポリマー）のアルカリ金属またはアルカリ土類金属塩；メラミン／ホルムアルデヒド／亜硫酸塩縮合物のアルカリ金属またはアルカリ土類金属塩；スルホン酸エステル；炭水化物エステル；及びその組合せが含まれるが、これらに限定されない。
【００７６】
適当な混和剤の非限定例には、リグノスルホネート、ナトリウムナフタレンスルホネートホルムアルデヒド縮合物、スルホン化メラミン−ホルムアルデヒド樹脂、スルホン化ビニルコポリマー、尿素樹脂、ヒドロキシ−またはポリヒドロキシ−カルボン酸の塩、米国特許３，６８６，１３３に記載されているホルムアルデヒド及びグルコン酸ナトリウムと部分的に縮合させたナフタレンスルホン酸のナトリウム塩のポリマーの９０／１０（ｗ／ｗ）混合物、及びその組合せが含まれる。
【００７７】
適当な結合剤の例は、無機でも有機でもよく、新鮮なときは軟らかく、加工可能であるが水硬作用または化学的架橋のいずれかにより凝結させると養生時に硬い不融性固体を形成する材料である。前記材料の非限定例には有機材料、例えばゴム、ポリ塩化ビニル、ポリ酢酸ビニル、アクリル樹脂、スチレンブタジエンコポリマー及び各種の粉末状ポリマーが含まれ得る。
【００７８】
本発明で使用され得る適当な凝結促進剤には、可溶性塩化物（例：塩化カルシウム）、トリエタノールアミン、パラホルムアルデヒド、可溶性ギ酸塩（例：ギ酸カルシウム）、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、硫酸ナトリウム、１２ＣａＯ・７Ａｌ２Ｏ３、硫酸ナトリウム、硫酸アルミニウム、硫酸鉄、米国特許４，０２６，７２３に開示されているアルカリ金属硝酸塩／スルホン化芳香族炭化水素脂肪族アルデヒド縮合物、米国特許４，２９８，３９４に開示されている水溶性界面活性剤促進剤、米国特許５，２１１，７５１に開示されているアミノ酸促進剤のメチロール誘導体、関連部分が援用により本明細書中に含まれるとする米国特許再３５，１９４に開示されているチオシアン酸塩、アルカノールアミン及び硝酸塩の混合物、及びその組合せが含まれるが、これらに限定されない。
【００７９】
本発明で使用され得る適当な凝結遅延剤には、リグノスルホネート、ヒドロキシカルボン酸（例：グルコン酸、クエン酸、酒石酸、マレイン酸、サリチル酸、グルコヘプトン酸、アラボン酸、及びナトリウム、カリウム、カルシウム、マグネシウム、アンモニウム及びトリエタノールアミン塩のようなその無機または有機塩）、炭酸、糖、加工糖、ホスフェート、ボレート、シリコ−フロイド、臭素酸カルシウム、硫酸カルシウム、硫酸ナトリウム、単糖（例：グルコース、フルクトース、ガラクトース、サッカロース、キシロース、アピオース、リボース及び転化糖）、二糖及び三糖のようなオリゴ糖（例：デキストリン）、多糖（例：デキストラン）及び他の糖（例：これらを含有する糖みつ）；糖アルコール（例：ソルビトール）；マグネシウムシリコフロリド；リン酸及びその塩、またはボレートエステル；アミノカルボン酸及びその塩；アルカリ可溶性タンパク質；フミン酸；タンニン酸；フェノール；多価アルコール（例：グリセロール）；ホスホン酸及びその誘導体（例：アミノトリ（メチレン−ホスホン酸）、１−ヒドロキシエチリデン−１，１−ジホスホン酸、エチレンジアミンテトラ（メチレンホスホン酸）、ジエチレントリアミン−ペンタ（メチレンホスホン酸））及びそのアルカリ金属またはアルカリ土類金属塩、並びに上記した凝結遅延剤の組合せが含まれるが、これらに限定されない。
【００８０】
本発明で使用され得る適当な脱泡剤には、シリコーン（例：ジメチルポリシロキサン、ジメチルシリコーン油、シリコーンペースト、シリコーンエマルション、有機基変性ポリシロキン（ジメチルポリシロキンのようなポリオルガノシロキサン）、フルオロシリコーン油等）を主成分とする脱泡剤、リン酸アルキル（例：リン酸トリブチル、オクチルリン酸ナトリウム等）を主成分とする脱泡剤、鉱油（例：灯油、流動パラフィン等）を主成分とする脱泡剤、油脂（例：動物または植物油、ゴマ油、ヒマシ油、これらから誘導されるアルキレンオキシド付加物等）を主成分とする脱泡剤、脂肪酸（例：オレイン酸、ステアリン酸、これらから誘導されるアルキレンオキシド付加物等）を主成分とする脱泡剤、脂肪酸エステル（例：モノリシノール酸グリセロール、アルケニルコハク酸誘導体、モノラウリン酸ソルビトール、トリオレイン酸ソルビトール、天然ワックス等）を主成分とする脱泡剤、オキシアルキレンタイプ脱泡剤、アルコール（例：オクチルアルコール、ヘキサデシルアルコール、アセチレンアルコール、グリコール等）を主成分とする脱泡剤、アミド（例：アクリレートポリアミン等）を主成分とする脱泡剤、金属塩（例：ステアリン酸アルミニウム、オレイン酸カルシウム等）を主成分とする脱泡剤、及び上記脱泡剤の組合せが含まれるが、これらに限定されない。
【００８１】
本発明で使用され得る適当な凝固点降下剤には、エチルアルコール、塩化カルシウム、塩化カリウム及びその組合せが含まれるが、これらに限定されない。
【００８２】
本発明で使用され得る適当な接着性改良剤には、ポリ酢酸ビニル、スチレン−ブタジエン、（メタ）アクリレートエステルのホモポリマー及びコポリマー、及びその組合せが含まれるが、これらに限定されない。
【００８３】
本発明で使用され得る適当な撥水剤または防水剤には、脂肪酸（例：ステアリン酸またはオレイン酸）、低級アルキル脂肪酸エステル（例：ステアリン酸ブチル）、脂肪酸塩（例：ステアリン酸カルシウムまたはアルミニウム）、シリコーン、ワックスエマルション、炭化水素樹脂、ビチューメン、油脂、シリコーン、パラフィン、アスファルト、ワックス及びその組合せが含まれるが、これらに限定されない。本発明の多くの実施形態では使用されていないが、使用するときの適当なＡＥ剤にはビンソル樹脂、アビエチン酸ナトリウム、脂肪酸及びその塩、テンシド、アルキル−アリール−スルホネート、フェノールエトキシレート、リグノスルホネート及びその混合物が含まれるが、これらに限定されない。
【００８４】
セメント質混合物、発泡ポリマー粒子並びに他の骨材、混和剤及び／または補助剤を当業界で公知の方法を用いて混合する。本発明の実施形態では、液体（幾つかの場合には、水）も他の成分に混合する。
【００８５】
本発明の一実施形態では、（鉱物を含有し、または水が添加されていない）ドライ混合物が将来の使用のために製造、包装及び貯蔵され得る。こうしたドライ混合物を後で水と混合すると、本明細書に記載されている軽量コンクリート組成物が得られる。
【００８６】
本発明の一実施形態では、コンクリート組成物は、セメント質混合物が少なくとも一部連続相を形成し、ポリマー粒子及び／または発泡ポリマー粒子が該連続相中にばらばらの粒子の分散相として存在している分散物である。
【００８７】
本発明の特定の非限定的実施形態として、コンクリート組成物は分散物を安定化するために使用されている湿潤剤または分散剤を実質的に含んでいない。
【００８８】
本発明の非限定的実施形態として、１つの理論に限定するつもりはないが、本発明のＬＷＣ組成物の性能に影響を及ぼす恐れがある幾つかの要因には発泡樹脂ビーズの容積分率、平均発泡ビーズサイズ、及びコンクリート内のビーズ間間隔により生ずるミクロ構造が含まれる。この実施形態では、ビーズ間間隔は二次元モデルを用いて推定され得る。説明を簡素化するために、ビーズ間間隔はビーズ半径に限定され得る。加えて、本発明を決して限定することを意味しないが、この実施形態では、ビーズは立方格子に配置されており、ＬＷＣ組成物中のビーズサイズ分布は考慮されておらず、発泡ビーズ面積の断面での分布は考慮されていないと推定されている。１サンプルあたりのビーズの数を計算するために、３次元試験シリンダーを仮定する。
【００８９】
発泡ビーズサイズが小さければ小さいほど、以下の式１：
Ｎｂ＝Ｋ／Ｂ３ （１）
（ここで、Ｎｂは発泡ビーズの数を表す）
で記載されているように同じ発泡ビーズ容積分率を維持するのに必要な発泡ビーズの数はより多くなる。発泡ビーズの数を指数的に増加させると、発泡ビーズ間の間隔は小さくなる。
【００９０】
直径Ｄ×高さＨ（通常、２”×４”または６”×１２”）を有するＬＷＣ試験片は平均発泡ビーズ直径Ｂを有する発泡ポリマービーズを分散して含有し、所与の容積分率Ｖｄは式１で表される量の発泡ポリマービーズＮｂを含有している。
【００９１】
Ｎｂは発泡ポリマービーズの立方に逆比例していることに注目されたい。比例定数Ｋ＝１．５ＶｄＨＤ２はサンプルサイズ及び発泡ポリマービーズの容積分率にのみ依存している数である。よって、所与のサンブルサイズ及び公知の発泡ポリマービーズ容積分率では、ビーズの数はビーズの直径が小さくなるにつれて３乗まで増加する。
【００９２】
非限定例として、２”×４”ＬＷＣ試験片の場合、９０ｐｃｆ（ｌｂ／ｆｔ３）（１．２５ｐｃｆの予備発泡かさ密度で発泡ポリマービーズの４３％容積分率に相当）では、ビーズの数は０．６５ｍｍビーズからそれぞれ０．４ｍｍ及び０．３３ｍｍビーズに変わると４倍及び７倍に増加する。２．０８ｐｃｆでは、ビーズの数の増加はそれぞれ０．４ｍｍ及び０．３３ｍｍビーズで６倍及び７倍である。５ｐｃｆでは、増加はそれぞれ２倍及び３倍である。よって、密度はビーズサイズに相関している。以下に示すように、密度は気泡壁厚さにも影響を及ぼす。発泡ビーズが存在しているコンクリートマトリックスの強度は典型的には気泡壁の剛性及び厚さにより影響される。
【００９３】
本発明の一実施形態では、単分散球形気泡を仮定すると、平均気泡直径ｄは、式２
【００９４】
【数１】
（ここで、ρはフォームの密度であり、ρｓは充実ポリマービーズの密度である）
により平均壁厚さδに関連している。
【００９５】
よって、所与のポリマーの場合、使用する具体的な発泡方法に応じて、（所与の気泡サイズで）同一の気泡壁厚さまたは異なるδ値で同一の気泡サイズを得ることができる。密度は気泡サイズだけでなく、気泡壁の厚さを変えることによりコントロールされる。
【００９６】
下表は、３クラスのビーズについて発泡ポリマービーズ密度のビーズサイズによる変化を例示している。
【００９７】
【表１】
【００９８】
望ましいミクロ構造及び／または形態は別個のクラスに分類され得る。第１は特殊な界面を有する二相または共連続複合物であり、第２は特殊な介在物を連結マトリックス中に含んでいる。二相及び単一連結ミクロ構造の有効な特性は公知の最適クロス−プロパティー境界により記載される。
【００９９】
多くの場合、ビーズが小さいと、式１に記載されているように同じ発泡ポリマービーズ容積分率を維持するために必要なビーズの数は多くなる。ビーズの数を指数的に増加させると、ビーズ間の間隔は小さくなる。
【０１００】
最適境界は、臨界的数または限界を表す多数の関係により記載され得る。非限定例として、所与の容積分率で、臨界ビーズサイズはしばしばすべてのビーズが孤立しており、コンクリートが単に連結されるような所望の形態を与えるように分散され得るビーズの臨界数に相当している。すべてのビーズが孤立していないが接触している形態を形成することも可能である。
【０１０１】
二次元断面の有限要素解析をＡＮＳＹＳ（登録商標）（ペンシルバニア州キャノンズバーグに所在のＡＮＳＹＳ Ｉｎｃ．から入手可能な有限要素解析プログラム）を用いて実施した。断面の有限要素メッシュでは、ビーズを単に結合させたコンクリートマトリックス中に非接触または孤立している円としてモデル化されている。
【０１０２】
結果は、荷重を加えると、応力が荷重軸に垂直な方向に蓄積することを示している。応力濃度は発泡ポリマービーズ間の水平境界で最大であり、ビーズは円形から楕円形に変形する傾向にある。
【０１０３】
本発明の特定の実施形態では、コンクリート組成物は発泡ポリマー粒子または予備発泡粒子の少なくとも一部を立方または六方格子で含有している。
【０１０４】
本発明の一実施形態では、本発明のＬＷＣ組成物は、典型的にはコンクリートのバッチ中に気泡またはボイドを生成するために添加されるＡＥ剤を実質的に含んでいない。
【０１０５】
本発明の別の実施形態では、ＬＷＣ組成物は強化繊維を含有し得る。この繊維は、荷重が可能性ある破壊点を超えるように大きなアスペクト比（すなわち、長さ／直径比が高い）を有する強化成分として作用する。適当な繊維の非限定例には長さが約１から１．７５インチのファイバーグラスストランドが含まれるが、セメント質混合物、ポリプロピレン繊維及び上記した他の繊維のマトリックスよりも高いヤング率を有する材料を使用してもよい。
【０１０６】
本発明のＬＷＣ組成物を当業界で公知の方法を用いて凝結及び／または硬化させると、最終コンクリート物品が形成され得る。
【０１０７】
本発明のＬＷＣ組成物を含む凝結及び／または硬化させたコンクリート物品の密度は少なくとも４０ｌｂ／ｆｔ３（０．６４ｇ／ｃｃ）、幾つかの場合には少なくとも４５ｌｂ／ｆｔ３（０．７２ｇ／ｃｃ）、他の場合には少なくとも５０ｌｂ／ｆｔ３（０．８ｇ／ｃｃ）ｌｂ／ｆｔ３であり得、密度は１３０ｌｂ／ｆｔ３（２．１ｇ／ｃｃ）以下、幾つかの場合には１２０ｌｂ／ｆｔ３（１．９ｇ／ｃｃ）以下、他の場合には１１５ｌｂ／ｆｔ３（１．８ｇ／ｃｃ）以下、幾つかの状況では１１０ｌｂ／ｆｔ３（１．７５ｇ／ｃｃ）以下、他の状況では１０５ｌｂ／ｆｔ３（１．７ｇ／ｃｃ）以下、幾つかの例では１００ｌｂ／ｆｔ３（１．６ｇ／ｃｃ）以下、他の例では９５ｌｂ／ｆｔ３（１．５ｇ／ｃｃ）以下であり得る。本発明のコンクリート物品の密度は上記した値であっても、上記した値の範囲であってもよい。ＬＷＣ組成物の密度はＡＳＴＭ Ｃ１３８に従って測定される。
【０１０８】
本発明の特定の実施形態では、ＬＷＣ組成物は、８から２０容量％のＩ型ポルトランドセメントを含むセメント組成物；１０から３１容量％の０．２から５ｍｍの平均粒径、０．０２から０．６４ｇ／ｃｃのかさ密度及び１から２のアスペクト比を有する発泡ポリマー粒子；９から９０容量％の１つ以上の骨材；及び場合により０．１から１容量％の消泡剤、防水剤、分散剤、凝結促進剤、凝結遅延剤、可塑剤、流動化剤、凝固点降下剤、接着性改良剤、着色剤及びその組合せから選択される１つ以上の混和剤を含み、使用する成分の合計は１００容量％を超えず、軽量セメント質組成物を凝結させた後、２８日後ＡＳＴＭＣ ３９に従って試験して少なくとも１４００ｐｓｉの圧縮強度を有している。
【０１０９】
本発明の一実施形態では、本発明の凝結及び／または硬化させたＬＷＣ組成物は構造用途で使用され、耐力組積構造用途のために少なくとも１４００ｐｓｉ（９８ｋｇｆ／ｃｍ２）、幾つかの場合には１７００ｐｓｉ（１１９．５ｋｇｆ／ｃｍ２）、他の場合には少なくとも１８００ｐｓｉ（１２６．５ｋｇｆ／ｃｍ２）、幾つかの例では少なくとも１９００ｐｓｉ、他の例では少なくとも２０００ｐｓｉ（１４０．６ｋｇｆ／ｃｍ２）の最低圧縮強度を有し得る。構造用軽量コンクリートの場合には、組成物は少なくとも２５００ｐｓｉ（１７５．８ｋｇｆ／ｃｍ２）の最低圧縮強度を有し得る。圧縮強度は２８日目にＡＳＴＭ Ｃ３９に従って測定する。
【０１１０】
ＡＳＴＭ Ｃ３９は正確な詳細を知るために参照され得、全文を本明細書中に援用に含まれるとするが、圧縮軸荷重を成形したシリンダーまたはコアに対して規定されている範囲内の速度で破損が生ずるまで適用することからなる試験方法を提供するとして要約され得る。試験機は２つの硬化面を有するスチール製ベアリングブロックを備えており、１つは試験片の上面上に載せる球面座ブロックであり、他方はその上に試験片が静止している固体ブロックである。荷重を試験片に対して３５＋７ｐｓｉ／ｓ（０．２５＋０．０５Ｍｐａ／ｓ）の応力速度に相当する移動（クロスヘッド測定のためのつかみ）の速度で適用する。荷重指示器が荷重が着実に低下していることを示し、試験片が明瞭な破損パターンを呈するまで圧縮荷重を適用する。圧縮強度は、試験中試験片が支えられる最大荷重を試験片の断面積で割ることにより計算する。
【０１１１】
本発明の実施形態では、本発明のＬＷＣ組成物はレディーミクス用途で使用される。非限定例として、レディーミクストＬＷＣ組成物は、少量のコンクリートまたはコンクリートの間欠打込みを必要とする場合、或いはスペースが限定されており、混合プラント及び骨材備蓄の余裕があまりない理由で使用され得る。
【０１１２】
非限定例として、レディーミクスにはセントラルミクストコンクリート、トランジットミクストコンクリート及びシュリンクミクストコンクリートが含まれ得る。
【０１１３】
セントラルミクストコンクリートはプラントで完全に混合され、その後トラック−ミキサーまたはアジテータートラックを用いて輸送される。作業現場がプラントの近くならば、混合したばかりのＬＷＣ組成物を開放型ダンプカーを用いて輸送してもよい。運搬中にコンクリートを軽く撹拌すると、材料のセグレゲーションが予防され、スランプ低下の量が減る。
【０１１４】
トランジットミクスト（トランクミクストとしても公知）コンクリートでは、材料を中央プラントでまとめて処理し、運搬時にトラック中で完全に混合する。多くの場合、ＬＷＣ組成物を運搬時に部分混合し、混合を作業現場で完了させる。トランジット混合により、水をセメント及び骨材から離して保持し、工事現場での打込み直前にコンクリートを混合し得る。この方法により、セントラルミクストコンクリートの輸送または打込み時の潜在的な遅れの結果生ずる時期尚早の硬化及びスランプ低下の問題が避けられる。更に、トランジット混合により、コンクリートをプラントからかなり離れている工事現場に運搬することができる。しかしながら、トランジットミクストコンクリートの欠点は、トラックの処理能力がセントラルミクストコンクリートを収容する同じトラックの処理能力よりも小さいことである。
【０１１５】
シュリンクミクストコンクリートは、トランクの積載重量を増やすために使用され、トランジットミクストコンクリートの利点は保持されている。シュリンクミクストコンクリートでは、ＬＷＣ組成物を混合物の容量を低下乃至減少させるためにプラントで部分的に混合し、混合は運搬時または作業現場で完了させる。
【０１１６】
レディーミクストコンクリートはしばしば、適切なスランプが確実に得られるように作業現場に到着したらもう一度再混合される。しかしながら、再混合したコンクリートは１回しか混合していないコンクリートに比べてより迅速に凝結する傾向を有している。水や混和物の幾つかの成分のような材料はしばしば、打込み前に特定の比率に確実に達するようにまとめて処理した後作業現場でＬＷＣ組成物に添加される。
【０１１７】
本発明のＬＷＣコンクリートレディーミクス組成物はしばしば特定の用途のために予定される。非限定例として、高濃度の補強鋼の周りにコンクリートを打込まなければならない場合には高スランプＬＷＣコンクリートレディーミクス組成物が望ましいことがあり得る。また、コンクリートを大型開放型枠に打込む場合または型枠をスロープ上に置く場合には低スランプＬＷＣコンクリートレディーミクス組成物が望ましいことがあり得る。
【０１１８】
よって、本発明の幾つかの実施形態では、ＬＷＣレディーミクス組成物はＡＳＴＭ Ｃ１７２（混合したばかりのコンクリートのサンプリングについての標準プラクティス）に従ってサンプリングし、ＡＳＴＭ Ｃ１４３（水硬性セメントコンクリートのスランプについての標準試験方法）に従って測定して適度なスランプ値を有している。正確なスランプ値が特定のミクスに予定され、ＬＷＣレディーミクス組成物の用途及び設計に依存している。典型的な使用では、スランプは少なくとも約２インチ（５ｃｍ）、幾つかの場合には少なくとも約３インチ（７．６ｃｍ）から約８インチ（２０ｃｍ）以下、幾つかの場合には約７インチ（１８ｃｍ）以下、他の場合には約６インチ（１５ｃｍ）以下の範囲である。プロジェクトにデリバリーされるコンクリートが余りに堅め（低スランプ）ならば、それをトラックから排出することが困難であり得る。スランプが余り高いならば、コンクリートを使用できないことがあり得る。この実施形態では、スランプは上記した値であっても、上記した値の範囲であってもよい。
【０１１９】
本発明の他の特定実施形態では、ＬＷＣレディーミクス組成物は従来のレディーミクス用途で使用される。前記用途にはティルトアップ工法、適所注入、軽量グラウト、ＩＣＦ充填、及びコンクリートを注入または圧送し、例えばレディーミクストラックを用いて作業現場に輸送する他の用途が含まれるが、これらに限定されない。
【０１２０】
本発明のＬＷＣコンクリートレディーミクス組成物は上記した調合物及び組成物を含み得る。
【０１２１】
本発明のＬＷＣコンクリートレディーミクス組成物の実施形態の多くでは、組成物は砂、粗骨材、セメント、予備発泡ビーズ、ポリマー粒子及び／または発泡ポリマー粒子、水及び混和剤の１つ以上を記載されている順序で添加することにより作成される。パンまたはドラム型ミキサーを使用することができ、水セメント比はしばしば少なくとも０．４０である。
【０１２２】
本発明のＬＷＣコンクリートレディーミクス組成物は適当なセメントを利用し得、その非限定例にはＩ型、ＩＩ型、ＩＩＩ型及びその組合せが含まれる。本発明の特定実施形態では、セメントはレディーミクス組成物中に少なくとも約８容量％、幾つかの場合には少なくとも約１０容量％で存在し、約２０容量％以下、幾つかの場合には約１７容量％以下、特定の例では約１４容量％以下であり得る。正確な量のセメントが特定のミクスに予定され、セメントの種類、意図する用途及びＬＷＣレディーミクス組成物の設計に依存する。ＬＷＣコンクリートレディーミクス組成物中のセメントの量は上記した値であっても、上記した値の範囲であってもよい。
【０１２３】
本発明のこの特定実施形態では、上記した砂はレディーミクス組成物中に少なくとも約１１容量％、幾つかの場合には少なくとも約１４容量％、他の場合には少なくとも約１７容量％で存在し、約５０容量％以下、幾つかの場合には約４０容量％以下、他の場合には約３０容量％以下であり得る。正確な量の砂が特定のミクスに予定され、砂の種類（粗いまたは細かい）、意図する用途及びＬＷＣレディーミクス組成物の設計に依存する。ＬＷＣコンクリートレディーミクス組成物中の砂の量は上記した値であっても、上記した値の範囲であってもよい。
【０１２４】
本発明のこの特定実施形態に加えて、本発明の予備発泡ビーズ、ポリマー粒子及び／または発泡ポリマー粒子は少なくとも約１０容量％、幾つかの場合には少なくとも約１４容量％、他の場合には少なくとも約１８容量％で存在し、約３１容量％以下、幾つかの場合には約２９容量％以下、他の場合には約２７容量％以下で存在し得る。正確な量の予備発泡ビーズ、ポリマー粒子及び／または発泡ポリマー粒子が特定のミクスに予定され、粒子及び／またはビーズの密度、意図する用途及びＬＷＣレディーミクス組成物の設計に依存する。ＬＷＣコンクリートレディーミクス組成物中の予備発泡ビーズ、ポリマー粒子及び／または発泡ポリマー粒子の量は上記した値であっても、上記した値の範囲であってもよい。
【０１２５】
更に、この特定実施形態では、ＬＷＣレディーミクス組成物中に使用される予備発泡ビーズ、ポリマー粒子及び／または発泡ポリマー粒子は上記した粒子サイズ及び寸法を有し得、少なくとも約１ｌｂ／ｆｔ３（０．０１６ｇ／ｃｃ）、幾つかの場合には少なくとも約１．２５ｌｂ／ｆｔ３（０．０２ｇ／ｃｃ）、他の場合には少なくとも約１．５ｌｂ／ｆｔ３（０．０２４ｇ／ｃｃ）、幾つかの例では少なくとも約２ｌｂ／ｆｔ３（０．０３２ｇ／ｃｃ）の密度を有し得、約４０ｌｂ／ｆｔ３（０．６４ｇ／ｃｃ以下）、多くの例では約５．５ｌｂ／ｆｔ３（０．０８８ｇ／ｃｃ）以下、幾つかの場合には約４ｌｂ／ｆｔ３（０．０６４ｇ／ｃｃ）以下、他の場合には約３．５ｌｂ／ｆｔ３（０．０５６ｇ／ｃｃ）以下であり得る。ＬＷＣコンクリートレディーミクス組成物中の予備発泡ビーズ、ポリマー粒子及び／または発泡ポリマー粒子の密度は上記した値であっても、上記した値の範囲であってもよい。
【０１２６】
更に、本発明のこれらの特定実施形態では、上記した粗骨材（例えば、石）はレディーミクス組成物中に少なくとも約９容量％、幾つかの場合には少なくとも約１４容量％、他の場合には少なくとも約１７容量％で存在し得、約４０容量％以下、幾つかの場合には約３０容量％以下、他の場合には約２５容量％以下であり得る。正確な量、種類及びサイズの粗骨材が特定のミクスに予定され、意図する用途及びＬＷＣレディーミクス組成物の設計に依存する。ＬＷＣコンクリートレディーミクス組成物中の粗骨材の量は上記した値であっても、上記した値の範囲であってもよい。粗骨材は少なくとも約０．３７５インチ（０．９５ｃｍ）、幾つかの場合には約０．５インチ（１．３ｃｍ）、他の場合には約０．７５インチ（１．９ｃｍ）から約２インチ（５ｃｍ）以下の直径を有し得る。
【０１２７】
また、本発明のこれらの特定実施形態では、水はレディーミクス組成物中に少なくとも約１０容量％、幾つかの場合には少なくとも約１４容量％から約２２容量％以下、幾つかの場合には約２０容量％以下、他の場合には約１８容量％以下で存在し得る。ＬＷＣコンクリートレディーミクス組成物中の水の量は上記した値であっても、上記した値の範囲であってもよい。
【０１２８】
これらの実施形態のＬＷＣコンクリートレディーミクス組成物は、凝結及び／または 硬化させたとき少なくとも約１４００ｐｓｉ（９８ｋｇｆ／ｃｍ２）、幾つかの場合には少なくとも約１５００ｐｓｉ（１０５．５ｋｇｆ／ｃｍ２）、他の場合には少なくとも約１６００ｐｓｉ（１１２．５ｋｇｆ／ｃｍ２）、幾つかの例では少なくとも約１８００ｐｓｉ（１２６．５ｋｇｆ／ｃｍ２）、他の例では少なくとも約２０００ｐｓｉ（１４０．６ｋｇｆ／ｃｍ２）の圧縮強度を有し得、場合により約３６００ｐｓｉ（２５３ｋｇｆ／ｃｍ２）以下、幾つかの場合には約３３００ｐｓｉ（２３２ｋｇｆ／ｃｍ２）以下、他の場合には約３０００ｐｓｉ（２１１ｋｇｆ／ｃｍ２）以下であり得る。本発明の他の実施形態では、ＬＷＣコンクリートレディーミクス組成物は、ポストテンション用に４８時間で約４０００ｐｓｉ（２８１ｋｇｆ／ｃｍ２）以上の構造圧縮強度及び約４５００ｐｓｉ（３１６ｋｇｆ／ｃｍ２）以上の２８日圧縮強度を有し得る。これらの実施形態では、圧縮強度は２８日目にＡＳＴＭ Ｃ３９に従って測定される。ＬＷＣコンクリートレディーミクス組成物の正確な圧縮強度はその配合、密度及び意図する用途に依存する。ＬＷＣコンクリートレディーミクス組成物の圧縮強度は上記した値であっても、上記した値の範囲であってもよい。
【０１２９】
ＬＷＣ組成物は、従来のコンクリート調合物が使用されているすべてではないが多くの用途で使用され得る。非限定例として、本発明のＬＷＣ組成物は構造及び建築用途（その非限定例は戸境壁、ＩＣＦまたはＳＩＰ構造物、水盤、ベンチ、屋根板、壁板、乾式壁、セメントボード、建物の装飾柱またはアーチ道等）、家具または家庭用途（例えば、調理台、床下輻射暖房システム、床（一次及び二次）、ティルトアップ壁、化粧コーティングとしてのサンドイッチ壁パネル）、道路及び空港安全用途（例えば、拘束壁、ジャージーバリア、障音バリア及び壁、擁壁、走路アレスティングシステム、ＡＥコンクリート、避難トラックランプ、流動性掘削埋め戻し）、及び道路構築用途（例えば、路床材料及び船橋楼甲板）で使用され得る。
【０１３０】
粗骨材が使用されていない本発明の実施形態では、本発明のＬＷＣ物品はねじ（非限定例として、乾式壁ねじ及び釘）の直接取り付けを容易に許容し得、ねじは慣用の空気または粉末駆動デバイスを用いて取り付けられ得る。これにより、従来のコンクリート調合物を用いては不可能であった材料、例えば合板、乾式壁、スタッド及び建築産業で通常使用されている他の材料を容易に取り付けることができる。
【０１３１】
本発明のＬＷＣ組成物を路床建設に使用する場合、ポリマー粒子はクラックの拡大を防止または最小限にするのを助けることができる。こうした現象は水の凍結−融解が関与しているときに特に起こる。
【０１３２】
本発明の組成物は、成形建設物品及び材料を作成するのにかなり適している。その非限定例にはティルトアップ壁パネルを含めた壁パネル、Ｔビーム、二重Ｔビーム、屋根タイル、ルーフパネル、天井パネル、床パネル、Ｉビーム、基礎壁等が含まれる。組成物は従来のＬＷＣ組成物よりも高い強度を呈している。
【０１３３】
本発明の一実施形態では、成形建設物品及び材料をプレキャスト及び／またはプレストレスしてもよい。
【０１３４】
本明細書中で使用されている「プレキャスト」コンクリートは、所要の形状の型またはキャストに注入し、養生及び／または硬化させた後、取り出し、所望の位置に置かれるコンクリートを指す。
【０１３５】
本発明の実施形態では、ＬＷＣ組成物はプレキャスト用途で使用され、その例にはビームのようなプレキャスト部品、二重−Ｔ、パイプ、隔離壁、プレストレス製品、及びＬＷＣ組成物を直接型枠に注入し、最終部品がトラックにより作業現場に輸送される他の製品が含まれるが、これらに限定されない。本発明のこれらの実施形態では、スランプ値は少なくとも約８インチ（２０ｃｍ）、幾つかの場合には少なくとも約１０インチ（２５．４ｃｍ）から約２０インチ（５０ｃｍ）以下、幾つかの場合には約１８インチ（４６ｃｍ）以下、他の場合には約１６インチ（４１ｃｍ）以下の範囲である。これらの実施形態では、スランプは上記した値であっても、上記した値の範囲であってもよい。
【０１３６】
本明細書中で使用されている「プレストレス」コンクリートは、さもなければ曲げ荷重のためにコンクリート部材が受けるであろう引張応力を相殺する圧縮強度を生じさせる型締荷重を与えるために使用されているプレストレス緊張材（多くの場合、高引張スチールケーブルまたはロッド）を使用することによりその張力が改善されているコンクリートを指す。当業界で公知の適当な方法がコンクリートをプレストレスするために使用され得る。適当な方法には、コンクリートが既に引っ張られている緊張材の周りに流し込まれているプレテンションコンクリート、及び注入及び養生プロセスの後に圧縮が加えられているポストテンションコンクリートが含まれるが、これらに限定されない。
【０１３７】
幾つかの実施形態での具体的利点は、本発明の粗骨材を含有していない凝結コンクリート組成物及び／または該組成物から成形される成形建設物品が特殊なコンクリートまたは先端にダイアモンドが付いている刀及び／または鋸を用いなければならないのとは対照的に、慣用の方法を用いて容易に切断及び／または区分され得ることである。こうすると、コンクリート物品をカスタマイズするときの時間及びコストを実質的に節約できる。
【０１３８】
組成物は、当業者に公知の方法に従って、非限定例としての屋根タイル、舗装材料または他の物品に対して実質的に所望の三次元構造で型に容易に流し込まれ得る。前記構造には木の屋根葺き板、スレート屋板板または面が滑らかなセメントタイルの外観を有しているようなある局所的テキスチャーを有する構造が含まれる。典型的な屋根板は幅１０インチ、長さ１７インチ、厚さ１．７５インチの概算寸法を有し得る。屋根材料を成形する場合、ＡＥ剤を添加すると最終製品が凍結／融解劣化に対する耐性の点でより耐候性となる。
【０１３９】
本発明のＬＷＣ組成物を用いて基礎壁を注入する場合、基礎壁はより軽量であるために規格を上回り得る。通常、基礎壁の下の部分はコンクリート混合物の絶対的な重量のために外側に流れる傾向を有しているが、本発明のより軽量な組成物ではこの事象がより起こりにくい傾向にある。本発明のＬＷＣ組成物を用いて作成される基礎壁は従来の基礎壁建設に使用されている慣用のファスナーを容易に採用し得る。
【０１４０】
本発明の実施形態では、本発明のコンクリート組成物はコンクリート組積ユニットの形態で形成、凝結及び／または硬化される。本明細書中で使用されている用語「コンクリート組積ユニット」は中空または充実のコンクリート物品を指し、その中には刻みをつけたスプリット面、リブ付、ひだ付の接地面、スランプ付舗装石種類が含まれるが、これらに限定されない。本発明の実施形態は、少なくとも部分的に本発明に従って作成したコンクリート組積ユニットを含んでいる壁を提供する。
【０１４１】
本発明の一実施形態では、粗骨材を使用しないときには、上記した成形建設物品及び材料、並びにコンクリート組積ユニットは貫入ファスナーを受容及び保持することができる。前記ファスナーの非限定例には釘、ねじ、ステップル等が含まれる。これは、表面養生が成形建設物品及び材料、並びにコンクリート組積ユニット成形建設物品及び材料、並びにコンクリート組積ユニットに直接取り付けられ得るという利点を有し得る。
【０１４２】
本発明の一実施形態では、標準の２．５インチ乾式壁ねじを本発明の軽量コンクリート組成物を含有している注入し、凝結させた表面に１．５インチの深さまでねじ締めし、少なくとも５００ポンド、幾つかの場合には少なくとも６００ポンド、他の場合には少なくとも７００ポンドから８００ポンド以下の力をねじ締めた表面に対して垂直に１分間、幾つかの場合には５分間、他の場合には１０分間適用する。
【０１４３】
本発明は、本発明のＬＷＣ組成物を含む建築物にも関する。
【０１４４】
本発明は、
凝結させた軽量コンクリート組成物の所望密度及び強度特性を同定し；
軽量コンクリート組成物中に使用するために発泡させようとするポリマービーズの種類、サイズ及び密度を決定し；
発泡させようとするポリマービーズのサイズ及び密度を測定し；
ポリマービーズを発泡させて、発泡ポリマービーズを形成し；
発泡ポリマービーズをセメント質混合物中に分散させて、軽量コンクリート組成物を形成し；
軽量コンクリート組成物を所望の形態に凝結させること
を含む最適化軽量コンクリート物品の作成方法をも提供する。
【０１４５】
凝結及び／または硬化させたＬＷＣ組成物の所望の密度及び強度特性は意図する用途に基づいて決定される。
【０１４６】
本発明の実施形態では、発泡させようとするポリマービーズの種類、サイズ及び密度、並びに発泡させようとするポリマービーズのサイズ及び密度は実験及び／または公表されているデータに基づいて決定され得る。
【０１４７】
本発明の別の実施形態では、有限要素解析を使用して、発泡させようとするポリマービーズの種類、サイズ及び密度、並びに発泡させようとするポリマービーズのサイズ及び密度を決定することができる。
【０１４８】
生じた軽量コンクリート組成物を凝結及び／または硬化すると、上記したＬＷＣ物品及びコンクリート組積ユニットが得られる。
【０１４９】
本発明を以下の実施例を参照することにより更に記載する。以下の実施例は単に本発明の例示であり、限定すると意図されない。別段の記載がない限り、％はすべて重量基準であり、別段の記載がない限りポルトランドセメントが使用されている。
【０１５０】
実施例
別段の記載がない限り、以下の材料を使用した：
●ＩＩＩ型ポルトランドセメント
●メーソン砂（かさ密度＝１６５ｐｃｆ，比重＝２．６４，粗粒率＝１．７４）
●飲用水−周囲温度（から７０°Ｆ／２１℃）
●発泡性ポリスチレン−Ｍ９７ＢＣ、Ｆ２７１Ｃ、Ｆ２７１Ｍ、Ｆ２７１Ｔ（ペンシルバニア州ピッツバーグに所在のＮＯＶＡ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ Ｉｎｃ．）
●ＥＰＳ樹脂−１０３７Ｃ（ＮＯＶＡ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ，Ｉｎｃ．）
●０．５インチ膨張スレート（ノースカロライナ州ソールズベリーに所在のＣａｒｏｌｉｎａ Ｓｔａｌｉｔｅ Ｃｏｍｐａｎｙ，かさ密度＝８９．５ｐｃｆ，比重＝１．４３）。
【０１５１】
別段の記載がない限り、組成物はすべて実験室条件下で１つの軸パドルを有する７ｆｔ３作業容積本体を備えたモデル４２Ｎ−５ブレンダー（ニューヨーク州ホーポージに所在のＣｈａｒｌｅｓ Ｒｏｓｓ ＆ Ｓｏｎ Ｃｏｍｐａｎｙ）を用いて製造した。このミキサーを３４ｒｐｍで操作した。ＬＨ−１０温度・湿度チャンバ（マサチューセッツ州エアに所在のＡｓｓｏｃｉａｔｅｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ製）においてコンディショニングを実施した。サンプルを平らなキャップを有する６”×１２”使い捨てプラスチックシリンダー型を用いて成形し、３回試験した。圧縮試験は、鉛直荷重を所望の速度で油圧式に適用するＦｏｒｎｅｙ ＦＸ２５０／３００圧縮試験機（ペンシルバニア州ハーミティジに所在のＦｏｒｎｅｙ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ）を用いて実施した。他の周辺材料（スランプコーン、タンピングロッド等）はすべて適用可能なＡＳＴＭ試験方法に取り付けた。
【０１５２】
以下のＡＳＴＭ試験方法及び手順は以下の通りであった：
●ＡＳＴＭ Ｃ４７０−コンクリート試験シリンダーを垂直方向に形成するための型についての標準規格；
●ＡＳＴＭ Ｃ１９２−実験室でコンクリート試験片を作成し、養生させるための標準プラクティス；
●ＡＳＴＭ Ｃ３３０−構造コンクリート用軽量骨材についての標準規格；
●ＡＳＴＭ Ｃ５１１−水硬化性セメント及びコンクリートを試験する際に使用される混合ルーム、湿りキャビネット、湿り室及び貯水タンクについての標準規格；
●ＡＳＴＭ Ｃ１４３−水硬化性セメントコンクリートのスランプについての標準試験方法；
●ＡＳＴＭ Ｃ １２３１−硬化コンクリートシリングーの圧縮強度を測定する際の非結合キャップの使用についての標準プラクティス；
●ＡＳＴＭ Ｃ３９−円筒状コンクリート試験片の圧縮強度の標準試験方法。
【０１５３】
シリンダーに蓋を被せ、周囲の実験室条件下で２４時間放置した。その後、すべてのシリンダーを２３±２℃、相対湿度９５％で更に６日間エージングした。次いで、試験片を調べた。
【実施例１】
【０１５４】
非発泡ビーズ形態のポリスチレン（Ｍ９７ＢＣ−０．６５ｍｍ、Ｆ２７１Ｔ−０．４ｍｍ、及びＦ２７１Ｍ−０．３３ｍｍ）を下表に示すように異なる密度を有するＥＰＳフォーム（予備発泡）粒子に予備発泡させた。
【０１５５】
【表２】
【０１５６】
上記データは、予備発泡粒子サイズが材料の発泡密度によって逆に変化することを示している。
【実施例２】
【０１５７】
非発泡ビーズ形態のポリスチレン（０．６５ｍｍ、０．４ｍｍ及び０．３３ｍｍ）を下表に示すように２ｌｂ／ｆｔ３のかさ密度を有する予備発泡粒子にプレ発泡させた。この予備発泡粒子を３．５ｆｔ３ドラムミキサーにおいて４６．５重量％（２５．３容量％）のポルトランドセメント、１６．３重量％（２６．３容量％）の水及び１．２重量％（２６．４容量％）の予備発泡粒子を含有しているＬＷＣ組成物中に配合した。生じたＬＷＣ組成物は９０ｌｂ／ｆｔ２のコンクリート密度を有していた。平均圧縮強度（ＡＳＴＭ Ｃ３９に従って測定、７日間破壊試験）を下表に示す。
【０１５８】
【表３】
【０１５９】
上記データは、平均非発泡ビーズサイズが小さくなるにつれて、一定の予備発泡粒子密度では、驚くことに従来技術で示唆されているように非発泡ビーズサイズを小さくしても必ずしもより高い圧縮強度が得られないことを示している。より具体的には、上記データは、９０ｐｃｆコンクリート密度が得られるように配合したときに２．００ｐｃｆでの圧縮強度に関して最適の非発泡ビーズサイズが存在することを示している。この最適は、この具体的調合物に関して３３０から６５０ミクロンの範囲であるようである。
【実施例３】
【０１６０】
予備発泡粒子密度が全コンクリート密度にも影響を与えるので、一定のコンクリート密度を維持するためにＥＰＳ密度を変化させるにはＥＰＳ配合レベルを変化させなければならない。予備発泡粒子の全量が周りのコンクリートマトリックスの強度を低下させるほど大きくない限りのみ、この関係は保たれる。予備発泡粒子密度と配合レベルの関係により、全コンクリート密度をコントロールしながらコンクリート強度を最適にするための追加の機会が与えられる。
【０１６１】
非発泡ビーズ形態（０．６５ｍｍ）のポリスチレンを下表に示すように異なる密度を有する予備発泡粒子にプレ発泡させた。この予備発泡粒子を３．５ｆｔ３ドラムミキサーにおいて下表に示す成分を含有しているＬＷＣ組成物中に配合した。各々は９０ｌｂ／ｆｔ３のコンクリートの密度を有していた。
【０１６２】
【表４】
【０１６３】
下表は、９０ｌｂ／ｆｔ３という一定のコンクリート密度での予備発泡濃度とコンクリート強度の関係を数字で示している。
【０１６４】
【表５】
【０１６５】
上記データは、予備発泡粒子密度が増えると一定のコンクリート密度ではＬＷＣ組成物の圧縮強度も増加することを示している。
【実施例４】
【０１６６】
非発泡ビーズ形態（０．６５ｍｍ）のポリスチレンを下表に示すように１．１ｌｂ／ｆｔ３のかさ密度を有する予備発泡粒子にプレ発泡させた。この予備発泡粒子を３．５ｆｔ３ドラムミキサーにおいて下表に示す成分を含有しているＬＷＣ組成物中に配合した。
【０１６７】
【表６】
【０１６８】
以下のデータ表は、予備発泡配合量、コンクリート強度及びコンクリート密度の関係を数字で示している。
【０１６９】
【表７】
【０１７０】
上記データは、一定のフォーム粒子密度ではＬＷＣ組成物中の予備発泡粒子配合量が増えるにつれて軽量コンクリート密度及び圧縮強度が低下することを示している。
【実施例５】
【０１７１】
非発泡ビーズ形態（０．６５ｍｍ）のポリスチレンを下表に示すように異なる密度を有する予備発泡粒子にプレ発泡させた。この予備発泡粒子を３．５ｆｔ３ドラムミキサーにおいて下表に示す成分を含有しているＬＷＣ組成物中に配合した。
【０１７２】
【表８】
【０１７３】
下表は、調合物の重量に基づく一定のコンクリート予備発泡配合量での予備発泡密度とコンクリート強度の関係を数字で示している。
【０１７４】
【表９】
【０１７５】
上記データは、一定の予備発泡粒子配合量（重量基準）では軽量コンクリート組成物中の予備発泡粒子密度が増えるにつれて軽量コンクリート密度及び圧縮強度が増加することを示している。
【実施例６】
【０１７６】
非発泡ビーズ形態（０．６５ｍｍ）のポリスチレンを下表に示すように異なる密度を有する予備発泡粒子にプレ発泡させた。この予備発泡粒子を３．５ｆｔ３ドラムミキサーにおいて下表に示す成分を含有しているＬＷＣ組成物中に配合した。
【０１７７】
【表１０】
【０１７８】
下表は、一定のコンクリート密度での予備発泡密度とコンクリート強度の関係を数字で示す。
【０１７９】
【表１１】
【０１８０】
上記データは、一定のコンクリート密度ではＬＷＣ組成物中の予備発泡粒子密度が増えるにつれてＬＷＣの圧縮強度が増加することを示している。
【実施例７】
【０１８１】
非発泡ビーズ形態（０．６５ｍｍ）のポリスチレンを下表に示すように異なる密度を有する予備発泡粒子にプレ発泡させた。この予備発泡粒子を３．５ｆｔ３ドラムミキサーにおいて下表に示す成分を含有しているＬＷＣ組成物中に配合した。
【０１８２】
【表１２】
【０１８３】
以下のデータ表は、一定のコンクリート密度での予備発泡密度とコンクリート強度の関係を数字で示している。
【０１８４】
【表１３】
【０１８５】
上記データは、一定のコンクリート密度ではＬＷＣ組成物中の予備発泡粒子密度が増えるとＬＷＣの圧縮強度が増加することを示している。
【実施例８】
【０１８６】
以下の実施例は、骨材としての膨張スレートと本発明の予備発泡粒子の併用を立証している。非発泡ビーズ形態のポリスチレンを下表に示すように異なる密度を有する予備発泡粒子にプレ発泡させた。この予備発泡粒子を３．５ｆｔ３ドラムミキサーにおいて下表に示す成分を含有しているＬＷＣ組成物中に配合した。
【０１８７】
【表１４】
【０１８８】
上記データは、軽量コンクリート組成物中に本発明の予備発泡及び骨材として膨張スレートを用いると所望の軽量コンクリートが得られ得ることを示している。
【実施例９】
【０１８９】
以下の実施例は、骨材としての膨張スレートと本発明の予備発泡粒子の併用を立証している。非発泡ビーズ形態のポリスチレンを下表に示すように異なる密度を有する予備発泡粒子にプレ発泡させた。この予備発泡粒子を３．５ｆｔ３ドラムミキサーにおいて下表に示す成分を含有しているＬＷＣ組成物中に配合した。
【０１９０】
【表１５】
【実施例１０】
【０１９１】
１ｆｔ２×４インチ厚さのコンクリート成形品を、下表に示す実施例Ｘ及びＹに従って調製した調合物を型枠に注入し、この調合物を２４時間凝結させることにより作成した。
【０１９２】
【表１６】
【０１９３】
７日後、合板の１ｆｔ２×０．５インチのシートを成形したコンクリートに直接締結させた。十分に締結させるためには最低１インチの貫入が必要であった。結果を下表に示す。
【０１９４】
【表１７】
【０１９５】
上記データは、本発明のスレートなしの軽量コンクリート組成物が従来の膨張スレート調合物に比べて標準のファスナーを用いて合板と優れた優れた把持能力を与え、一方スレート含有コンクリートは簡単にファスナーを受容しなかったことを立証している。このことは、コンクリートに対してファスナーを把持させることができるようにアンカーをコンクリートに固定させるのに消費する時間をなくすことができるので従来技術に比べた改善に相当する。
【実施例１１】
【０１９６】
１ｆｔ２×４インチ厚さのコンクリート成形品を、実施例Ｘ及びＹの調合物を型枠に注入し、この調合物を２４時間凝結させることにより作成した。７日後、標準乾式壁の１ｆｔ２×０．５インチのシートを標準１．７５インチの乾式壁ねじを用いて成形したコンクリートに直接締結させた。十分に締結させるために最低１インチのねじ貫入が必要であった。結果を下表に示す。
【０１９７】
【表１８】
【０１９８】
上記データは、本発明のスレートなしの軽量コンクリート組成物が、簡単にファスナーを受容しなかった従来の膨張スレート調合物に比して優れた把持能力を与えることを立証している。このことは、コンクリートに対して乾式壁を取り付けることができるようにコンクリートに対して釘打ちスタッドを締結させるのに消費する時間をなくすことができるので従来技術に比べた改善に相当する。
【実施例１２】
【０１９９】
２ｆｔ２×４インチ厚さのコンクリート成形品を、実施例Ｘ及びＹの調合物を型枠に注入し、調合物を２４時間凝結させることにより作成した。７日後、長さ３ｆｔの２”×４”スタッドを標準１６ｄ釘を用いて成形したコンクリートに直接締結させた。十分に締結させるために最低２インチの釘貫入が必要であった。結果を下表に示す。
【０２００】
【表１９】
【０２０１】
上記データは、本発明のスレートなしの軽量コンクリート組成物が、簡単にファスナーを受容しなかった従来の膨張スレート調合物に比して優れた把持能力を与えることを立証している。このことは、ＴＡＰＣＯＮ（登録商標）（イリノイ州グレンビューに所在のＩｌｌｉｎｏｉｓ Ｔｏｏｌ Ｗｏｒｋｓ Ｉｎｃ．から入手可能）または類似のファスナー、リードアンカー、或いはコンクリートに対してスタッドを締結させるために当業界で公知の方法を用いたときにかかる費用及び時間をなくすことができるので従来技術に比べた改善に相当する。
【実施例１３】
【０２０２】
追加の骨材を含まないコンクリートを下表に示す成分を用いて作成した。
【０２０３】
【表２０】
【０２０４】
上記データは、最大の圧縮強度の組成物を与えるために必要な平均予備発泡サイズがある程度予備発泡の発泡係数に依存していることを示している。平均予備発泡サイズのみに注目しても、最大の可能性あるコンクリート強度の良好な指標を与えない。この点は、実施例ＢＢとＦＦを比較することにより説明される。実施例ＦＦ（１．５４ｍｍサイズ）は１８×発泡係数でも最大圧縮強度を与えず、４８×発泡させたビーズから得られる最大圧縮強度に近い。
【０２０５】
予備発泡サイズと発泡係数の組合せを用いると、最大コンクリート強度に対する指標が得られ得る。例として、実施例ＡＡ（予備発泡サイズ＝１．３５ｍｍ、発泡係数＝４８）は１７５０ｐｓｉの圧縮強度を有する９３ｐｃｆコンクリートを与えるのに対して、同様の大きさの予備発泡である実施例ＩＩ（予備発泡サイズ＝１．４１ｍｍ、発泡係数＝１２）は２１００ｐｓｉという有意により高い圧縮強度を有する９０ｐｃｆコンクリートを与える。よって、予備発泡サイズが小さく且つ発泡係数が低いと、最適の予備発泡粒子サイズ範囲で本発明の軽量コンクリート組成物の圧縮強度を向上させることができる。
【実施例１４】
【０２０６】
骨材として膨張スレートを含むコンクリートを下表に示す成分を用いて作成した。
【０２０７】
【表２１】
【０２０８】
上記データは、約９０ｐｃｆ密度コンクリートを維持するために必要なＥＰＳ容量はスレート濃度が増加するにつれてやや直線的に減少することを示している。本発明の軽量コンクリートの強度は調合物中のスレートの量が増加するにつれて指数的に増加する。この関係は、本発明の軽量コンクリート調合物中に骨材を配合する潜在的に有意な影響を強調しており、所望密度で強度を最大とするために調合物中のＥＰＳ及び骨材の量を最適にする可能性を立証している。加えて、各種成分のコストは軽量コンクリート調合物を最大強度及び最低コストの両方について最適化し得るような設計で配合することもできる。
【実施例１５】
【０２０９】
非発泡ＥＰＳ（１０３７Ｃ）を有し、追加の骨材を含まないコンクリートを下表に示す成分を用いて作成した。
【０２１０】
【表２２】
【０２１１】
上記データは、非発泡ポリスチレン樹脂ビーズ（かさ密度＝から４０ｐｃｆ）が低密度（７６から１００ｐｃｆ）で驚くほど高い圧縮強度（２５００から３２００ｐｓｉ）を有する軽量コンクリート組成物を提供し得ることを示している。
【実施例１６】
【０２１２】
１．２ｌｂ／ｆｔ３まで発泡させたＦ２７１Ｔビーズ、１．３ｌｂ／ｆｔ３まで発泡させたＦ２７１Ｃビーズ及び１．５ｌｂ／ｆｔ３まで発泡させたＭ９７ＢＣビーズからの予備発泡を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて評価した。
【０２１３】
予備発泡粒子の外部構造は通常連続する外表面またはスキンを有する球形であった。予備発泡サンプルの内部気泡構造はハニカム様構造に似ている。
【０２１４】
予備発泡粒子のサイズもＳＥＭを用いて測定し、結果を下表に示す。
【０２１５】
【表２３】
【０２１６】
上に挙げたデータをすべて勘案すると、上記データから内部気泡構造が軽量コンクリート調合物の強度に影響を与えることが示唆される。
【０２１７】
軽量コンクリート組成物中に使用する場合、予備発泡粒子は２つの方法でコンクリートの全強度に影響を与え得る。第１に、低い密度を有する大きな粒子は予備発泡粒子の周りのコンクリートマトリックスを変化させ、第２に、低密度の予備発泡粒子は発泡された粒子の気泡構造のために余り剛性でない。コンクリートの強度は少なくとも一部予備発泡粒子の強度に依存しているので、予備発泡粒子強度を高くして軽量コンクリートの強度を高くしなければならない。可能性ある強度の増加はコンクリートマトリックスに影響を及ぼす程度により制限され得る。本実施例中のデータは、最大の可能性ある軽量コンクリート強度を生じさせる最適サイズの予備発泡粒子（予備発泡密度によりコントロールされる）を得るために元のビーズ粒子サイズを最適化させ得ることを示唆している。
【０２１８】
換言すると、最適の予備発泡粒子サイズ及び最適の密度の範囲で、予備発泡の壁厚さにより本発明の軽量コンクリート組成物が従来技術の軽量コンクリート組成物よりも高い強度を有するのに十分な支持が得られる。
【０２１９】
本明細書中に挙げられているデータは、従来技術で採用されている仮定及びアプローチとは異なり、驚くことに発泡ＥＰＳ粒子が単にコンクリート中のボイドスペースとして作用する以上に働き得ることを立証している。より具体的には、本発明において使用される予備発泡粒子の構造及び特性は生じる軽量コンクリート組成物の強度を有意に高め得る。
【実施例１７】
【０２２０】
この実施例は、ファスナーと本発明の軽量コンクリート組成物の併用及び関連する引抜強度を立証する。この評価は、本発明の軽量コンクリート（約９０ｐｃｆ）に直接取り付けたねじの荷重容量を普通重量コンクリート及び従来の軽量コンクリートに取り付けた従来のコンクリートファスナーと比較するために使用した。
【０２２１】
ファスナー引抜試験は３種のコンクリートで実施した。すなわち、次表の配合に従って上記したように作成した普通重量コンクリート＝１４３ｐｃｆ（サンプルＭＭ，１４０ｐｃｆ普通コンクリート）、膨張スレートを用いる軽量コンクリート＝１２３ｐｃｆ（サンプルＮＮ，１２０ｐｃｆ ＬＷＣ）、及びＥＰＳを含む軽量コンクリート＝８７ｐｃｆ（サンプルＯＯ，９０ｐｃｆ ＬＷＣ）。
【０２２２】
【表２４】
【０２２３】
ファスナーの軸と一直線に荷重を加えるべく重りを重力を利用して各ファスナーから垂直につり下げることができる装置を構築した。９０ｐｃｆ ＬＷＣには２．５”標準乾式壁ねじが約１．５”の深さまで直接取り付けられた。１２０ｐｃｆ ＬＷＣには予め開けた孔に２つのタイプのファスナーを取り付けた。すなわち、２．７５” ＴＡＰＣＯＮ（登録商標）金属ねじタイプの組積締結アンカー（イリノイ州グレンビューに所在のＩｌｌｉｎｏｉｓ Ｔｏｏｌ Ｗｏｒｋｓ Ｉｎｃ．）を約２”の深さに取り付け、標準の２．２５”調整ウェッジ−クリップボルト／ナットアンカーを約１．２５”の深さに取り付けた。１４０ｐｃｆ 普通コンクリートにも予め開けた孔に２つのタイプのファスナーを取り付けられた。すなわち、２．７５” ＴＡＰＣＯＮアンカーを約２”の深さに取り付け、標準の２．２５”調整ウェッジ−クリップボルト／ナットアンカーを約１．２５”の深さに取り付けた。試験のために、軽量コンクリート中の乾式壁ねじの１つを抜き、同じファスナー孔に再び取り付けた。ＴＡＰＣＯＮねじの１つも抜き、再び取り付けて、容量の損失を評価した。次表は、試験したアンカー／ファスナーに関するデータ及び荷重を示す。
【０２２４】
【表２５】
【０２２５】
乾式壁ねじは容易に破損したりコンクリートから剥がれることがなかったので、９０ｐｃｆ ＬＷＣにおける乾式壁のねじの保持力は驚くほど高かった。乾式壁ねじは簡単に取り付けられ、標準サイズの電気ドリルしか必要でなかった。９０ｐｃｆ ＬＷＣにおける乾式壁ねじの把持強度では、ねじ頭がコンクリートの表面に達する前に適用したドリリングトルクが停止しなかったらねじ頭がねじり取られるであろう。９０ｐｃｆ ＬＷＣにおける抜き取り、再び取り付けた乾式壁ねじを除いて、ファスナーはすべて７４０ｌｂｓの荷重を少なくとも１０分間保持した。前者のねじはコンクリートから裂ける前３０秒間７００ｌｂｓを保持している。この乾式壁ねじは破壊点で破壊せず、コンリートから引き抜かれた。
【０２２６】
上記データを全体として考慮すると、本発明の軽量コンクリート調合物の圧縮強度を最大とするためには最適の予備発泡ビーズサイズ（非限定例として、９０ｐｃｆ 軽量コンクリートの場合約７５０から１４００μｍの予備発泡直径まで約１０から２０ｃｃ／ｇの発泡係数に発泡させた約４５０から５５０μｍ樹脂ビーズ）が存在することが立証された。本発明の軽量コンクリート調合物の圧縮強度は、本発明のＥＰＳ予備発泡ビーズ密度を増加させることにより向上させ得る。非発泡ポリスチレン樹脂（かさ密度＝から４０ｐｃｆ）は、低密度（７６から１００ｐｃｆ）を考慮して高い圧縮強度（２５００から３２００ｐｓｉ）を有するＬＷＣを生ずる。本発明の軽量コンクリート調合物中に骨材を使用することができる。粗骨材なしの本発明の軽量コンクリート調合物は標準のドリル及びねじを用いて直接締結され得るコンリート組成物を提供する。ＥＰＳ予備発泡ビーズを低いかさ密度（例えば、＜１ｐｃｆ）に発泡させると、ビースは弱い内部気泡構造を有し、これが弱いフォームが生じ、低い圧縮強度を有する軽量コンクリート組成物しか提供されない。
【実施例１８】
【０２２７】
以下の例は、本発明の予備発泡粒子のレディーミクス調合物における使用を立証している。非発泡ビーズ形態のポリスチレン（Ｎｏｖａ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ Ｉｎｃ．から入手可能なＦ２７１）を下表に示すように異なる密度を有する予備発泡粒子にプレ発泡させた。この予備発泡粒子を２．２ｆｔ３モルタルミキサー（カリフォルニア州サンフラシスコに所在のＩＭＥＲ ＵＳＡ Ｉｎｃ．製ＲＥＡＤＹＭＡＮ（登録商標）１２０）において下表に示す成分を含有しているレディミクス組成物中に配合した。成分を砂（粗い，比重２．５）、粗骨材、ポルトランドセメント（Ｉ型，ＣＥＭＥＸ）、予備発泡及び水の順序で合わせた。シリンダー（４”×８”）をＡＳＴＭ Ｃ１９２に従って作成し、ＡＳＴＭ Ｃ５１１に従って養生させた。
【０２２８】
【表２６】
【０２２９】
上記データから、本発明の予備発泡粒子を含有しているレディーミクス組成物を使用すると優れた圧縮強度が得られ得ることが分かる。
【０２３０】
本発明を特定実施形態の具体的詳細を参照して記載してきた。これらの詳細は請求の範囲に含まれる限り及びその程度まで本発明の範囲を限定するとはみなされるとは意図されない。
【図面の簡単な説明】
【０２３１】
【図１】本発明で使用される予備発泡ビーズの表面の走査型電子顕微鏡写真である。
【図２】本発明で使用される予備発泡ビーズの内部の走査型電子顕微鏡写真である。
【図３】本発明で使用される予備発泡ビーズの表面の走査型電子顕微鏡写真である。
【図４】本発明で使用される予備発泡ビーズの内部の走査型電子顕微鏡写真である。
【図５】本発明で使用される予備発泡ビーズの表面の走査型電子顕微鏡写真である。
【図６】本発明で使用される予備発泡ビーズの内部の走査型電子顕微鏡写真である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
８−２０容量％のセメント、
１１−５０容量％の砂、
１０−３１容量％の予備発泡（ｐｒｅｐｕｆｆ）粒子、
９−４０容量％の粗骨材、
１０−２２容量％の水
を含む軽量レディーミクスコンクリート組成物であり、
予備発泡粒子は０．２ｍｍから８ｍｍの平均粒子径、０．０２ｇ／ｃｃから０．６４ｇ／ｃｃのかさ密度、１から３のアスペクト比を有し、成分の合計は１００容量％を越えず、ＡＳＴＭ Ｃ１４３に準拠して測定したスランプ値は２から８インチであり、ならびに軽量レディーミクスコンクリート組成物は２８日間凝結させた後、ＡＳＴＭ Ｃ３９に準拠して試験して少なくとも１４００ｐｓｉの圧縮強度を有している、軽量コンクリート組成物。
【請求項２】
予備発泡粒子が実質的に連続的な外層を有している請求項１に記載の軽量コンクリート組成物。
【請求項３】
予備発泡粒子が少なくとも０．１５μｍの内部気泡壁厚さを有する発泡ポリマー粒子を含む請求項１に記載の軽量コンクリート組成物。
【請求項４】
粒子が、ビニル芳香族モノマーのホモポリマー；少なくとも１つのビニル芳香族モノマーとジビニルベンゼン、共役ジエン、アルキルメタクリレート、アルキルアクリレート、アクリロニトリル及び／または無水マレイン酸の１つ以上とのコポリマー；ポリオレフィン；ポリカーボネート；ポリエステル；ポリアミド；天然ゴム；合成ゴム；及びその組合せからなる群から選択される１つ以上のポリマーからなる発泡ポリマー粒子を含む請求項１に記載の軽量コンクリート組成物。
【請求項５】
予備発泡粒子が、約０．２から約２ｍｍの非発泡平均樹脂粒子サイズを有するポリマービーズを発泡させることにより作成される発泡ポリマー粒子を含む請求項１に記載の軽量コンクリート組成物。
【請求項６】
セメントが、ポルトランドセメント、ポゾランセメント、セッコウセメント、セッコウ組成物、アルミナセメント、マグネシアセメント、シリカセメント、スラグセメント、Ｉ型セメント、ＩＡ型セメント、ＩＩ型セメント、ＩＩＡ型セメント、ＩＩＩ型セメント、ＩＩＩＡ型セメント、ＩＶ型セメント及びＶ型セメントからなる群から選択される１つ以上の材料を含む請求項１に記載の軽量コンクリート組成物。
【請求項７】
組成物が可塑剤及び／または繊維を含む請求項１に記載の軽量コンクリート組成物。
【請求項８】
繊維が、ガラス繊維、炭化ケイ素、アラミド繊維、ポリエステル、炭素繊維、複合繊維、ファイバーグラス、その組合せ、前記繊維を含有するファブリック及び前記繊維の組合せを含有するファブリックからなる群から選択される請求項７に記載の軽量コンクリート組成物。
【請求項９】
粗骨材が、石、砂利、高炉水砕スラグ、フライアッシュ、ガラス、シリカ、膨張スレート、粘土、軽石、パーライト、ヒル石、スコリア、ケイソウ土、膨張頁岩、膨張粘土、膨張スラグ、ヒュームドシリカ、ペレット化骨材、押出しフライアッシュ、凝灰岩、マクロライト、スレート、膨張高炉スラグ、焼結フライアッシュ、石炭殻及びその組合せからなる群から選択される請求項１に記載の軽量コンクリート組成物。
【請求項１０】
約４０から約１３０ｌｂ／ｆｔ３の密度を有している請求項１に記載の軽量コンクリート組成物。
【請求項１１】
請求項１に記載の軽量コンクリート組成物を含む路床。
【請求項１２】
建築パネルの形態で凝結させた請求項１に記載の軽量コンクリート組成物。
【請求項１３】
水セメント比が０．４０を超える請求項１に記載の軽量コンクリート組成物。
【請求項１４】
パンまたはドラム型ミキサーにおいて砂、粗骨材、セメント、０．２から８ｍｍの平均粒径、０．０２から０．６４ｇ／ｃｃのかさ密度及び１から３のアスペクト比を有する予備発泡粒子、水及び場合により混和剤を混合することを含む軽量レディーミクスコンクリート組成物の製造方法。
【請求項１５】
セメントが組成物の８から２０容量％を占め、砂が組成物の１１から５０容量％を占め、予備発泡粒子が組成物の１０から３１容量％を占め、粗骨材が組成物の９から４０容量％を占め、水が組成物の１０から２２容量％を占めている請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
請求項１４に記載の方法に従って製造される軽量レディーミクスコンクリート組成物。
【請求項１７】
ＡＳＴＭ Ｃ１４３に従って測定して２から８インチのスランプ値を有する請求項１６に記載の軽量コンクリート組成物。
【請求項１８】
軽量レディーミクスコンクリート組成物が２８日間凝結させた後、ＡＳＴＭ Ｃ３９に従って試験して少なくとも１４００ｐｓｉの圧縮強度を有している請求項１６に記載の軽量コンクリート組成物。
【請求項１９】
セメントがＩ型セメント、ＩＩ型セメントまたはＩＩＩ型セメントを含む請求項１６に記載の軽量コンクリート組成物。
【請求項２０】
混和剤は、リグノスルホネート、ナフタレンスルホン酸ナトリウム−ホルムアルデヒド縮合物、スルホン化メラミン−ホルムアルデヒド樹脂、スルホン化ビニルコポリマー、尿素樹脂、ヒドロキシ−またはポリヒドロキシ−カルボン酸の塩及びその組合せからなる群から選択される請求項１６に記載の軽量コンクリート組成物。
【請求項１】
８−２０容量％のセメント、
１１−５０容量％の砂、
１０−３１容量％の予備発泡（ｐｒｅｐｕｆｆ）粒子、
９−４０容量％の粗骨材、
１０−２２容量％の水
を含む軽量レディーミクスコンクリート組成物であり、
予備発泡粒子は０．２ｍｍから８ｍｍの平均粒子径、０．０２ｇ／ｃｃから０．６４ｇ／ｃｃのかさ密度、１から３のアスペクト比を有し、成分の合計は１００容量％を越えず、ＡＳＴＭ Ｃ１４３に準拠して測定したスランプ値は２から８インチであり、ならびに軽量レディーミクスコンクリート組成物は２８日間凝結させた後、ＡＳＴＭ Ｃ３９に準拠して試験して少なくとも１４００ｐｓｉの圧縮強度を有している、軽量コンクリート組成物。
【請求項２】
予備発泡粒子が実質的に連続的な外層を有している請求項１に記載の軽量コンクリート組成物。
【請求項３】
予備発泡粒子が少なくとも０．１５μｍの内部気泡壁厚さを有する発泡ポリマー粒子を含む請求項１に記載の軽量コンクリート組成物。
【請求項４】
粒子が、ビニル芳香族モノマーのホモポリマー；少なくとも１つのビニル芳香族モノマーとジビニルベンゼン、共役ジエン、アルキルメタクリレート、アルキルアクリレート、アクリロニトリル及び／または無水マレイン酸の１つ以上とのコポリマー；ポリオレフィン；ポリカーボネート；ポリエステル；ポリアミド；天然ゴム；合成ゴム；及びその組合せからなる群から選択される１つ以上のポリマーからなる発泡ポリマー粒子を含む請求項１に記載の軽量コンクリート組成物。
【請求項５】
予備発泡粒子が、約０．２から約２ｍｍの非発泡平均樹脂粒子サイズを有するポリマービーズを発泡させることにより作成される発泡ポリマー粒子を含む請求項１に記載の軽量コンクリート組成物。
【請求項６】
セメントが、ポルトランドセメント、ポゾランセメント、セッコウセメント、セッコウ組成物、アルミナセメント、マグネシアセメント、シリカセメント、スラグセメント、Ｉ型セメント、ＩＡ型セメント、ＩＩ型セメント、ＩＩＡ型セメント、ＩＩＩ型セメント、ＩＩＩＡ型セメント、ＩＶ型セメント及びＶ型セメントからなる群から選択される１つ以上の材料を含む請求項１に記載の軽量コンクリート組成物。
【請求項７】
組成物が可塑剤及び／または繊維を含む請求項１に記載の軽量コンクリート組成物。
【請求項８】
繊維が、ガラス繊維、炭化ケイ素、アラミド繊維、ポリエステル、炭素繊維、複合繊維、ファイバーグラス、その組合せ、前記繊維を含有するファブリック及び前記繊維の組合せを含有するファブリックからなる群から選択される請求項７に記載の軽量コンクリート組成物。
【請求項９】
粗骨材が、石、砂利、高炉水砕スラグ、フライアッシュ、ガラス、シリカ、膨張スレート、粘土、軽石、パーライト、ヒル石、スコリア、ケイソウ土、膨張頁岩、膨張粘土、膨張スラグ、ヒュームドシリカ、ペレット化骨材、押出しフライアッシュ、凝灰岩、マクロライト、スレート、膨張高炉スラグ、焼結フライアッシュ、石炭殻及びその組合せからなる群から選択される請求項１に記載の軽量コンクリート組成物。
【請求項１０】
約４０から約１３０ｌｂ／ｆｔ３の密度を有している請求項１に記載の軽量コンクリート組成物。
【請求項１１】
請求項１に記載の軽量コンクリート組成物を含む路床。
【請求項１２】
建築パネルの形態で凝結させた請求項１に記載の軽量コンクリート組成物。
【請求項１３】
水セメント比が０．４０を超える請求項１に記載の軽量コンクリート組成物。
【請求項１４】
パンまたはドラム型ミキサーにおいて砂、粗骨材、セメント、０．２から８ｍｍの平均粒径、０．０２から０．６４ｇ／ｃｃのかさ密度及び１から３のアスペクト比を有する予備発泡粒子、水及び場合により混和剤を混合することを含む軽量レディーミクスコンクリート組成物の製造方法。
【請求項１５】
セメントが組成物の８から２０容量％を占め、砂が組成物の１１から５０容量％を占め、予備発泡粒子が組成物の１０から３１容量％を占め、粗骨材が組成物の９から４０容量％を占め、水が組成物の１０から２２容量％を占めている請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
請求項１４に記載の方法に従って製造される軽量レディーミクスコンクリート組成物。
【請求項１７】
ＡＳＴＭ Ｃ１４３に従って測定して２から８インチのスランプ値を有する請求項１６に記載の軽量コンクリート組成物。
【請求項１８】
軽量レディーミクスコンクリート組成物が２８日間凝結させた後、ＡＳＴＭ Ｃ３９に従って試験して少なくとも１４００ｐｓｉの圧縮強度を有している請求項１６に記載の軽量コンクリート組成物。
【請求項１９】
セメントがＩ型セメント、ＩＩ型セメントまたはＩＩＩ型セメントを含む請求項１６に記載の軽量コンクリート組成物。
【請求項２０】
混和剤は、リグノスルホネート、ナフタレンスルホン酸ナトリウム−ホルムアルデヒド縮合物、スルホン化メラミン−ホルムアルデヒド樹脂、スルホン化ビニルコポリマー、尿素樹脂、ヒドロキシ−またはポリヒドロキシ−カルボン酸の塩及びその組合せからなる群から選択される請求項１６に記載の軽量コンクリート組成物。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公表番号】特表２００９−５３０２２５（Ｐ２００９−５３０２２５Ａ）
【公表日】平成２１年８月２７日（２００９．８．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５０１４７０（Ｐ２００９−５０１４７０）
【出願日】平成１９年３月１６日（２００７．３．１６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／００６６６８
【国際公開番号】ＷＯ２００７／１１１８５０
【国際公開日】平成１９年１０月４日（２００７．１０．４）
【出願人】（５０３２００７５２）ノバ・ケミカルズ・インコーポレイテツド (19)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２１年８月２７日（２００９．８．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月１６日（２００７．３．１６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／００６６６８
【国際公開番号】ＷＯ２００７／１１１８５０
【国際公開日】平成１９年１０月４日（２００７．１０．４）
【出願人】（５０３２００７５２）ノバ・ケミカルズ・インコーポレイテツド (19)
【Ｆターム（参考）】
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