JP2008534418A - 軽量コンクリート組成物 - Google Patents

Abstract

セメント組成物１０から９０容積パーセント、０．２ｍｍ〜８ｍｍの平均粒径、０．０３ｇ／ｃｃ〜０．６４ｇ／ｃｃのかさ密度、１〜３のアスペクト比を有する粒子１０〜９０容積パーセント、および骨材０〜５０容積パーセントを含み、ここで、使用する成分の合計が１００容積パーセントを超えず、この軽量コンクリート組成物を硬化した後、７日後にＡＳＴＭ Ｃ３９により試験して、少なくとも１７００ｐｓｉの圧縮強度を有する、軽量コンクリート組成物。このコンクリート組成物は、コンクリート石工ユニット、建設パネル、路盤および他の物品を作製するのに使用することができる。

Description

本発明は、建設および建築取引において一般的に有用な、新規な組成物、材料、それらの使用方法および製造方法を対象としている。より具体的には、本発明の化合物は、高強度およびしばしば改善された断熱性を有する、相対的に軽量で、延長可能で、注型可能で、鋳造可能な材料から利益を受ける建設および建築の用途において使用することができる。

軽量コンクリートなどと呼ばれる、軽量セメント質材料の調製および使用の分野において、これまで取引に使用できる材料は、構成成分の高い均一性を有し、全体として一様に結合している、強力であっても軽量なコンクリート塊を実現するために、一般的に様々な構成成分を加えることが必要であった。

米国特許第３，２１４，３９３号、第３，２５７，３３８号および第３，２７２，７６５号は、セメント、一次骨材、発泡スチレンポリマー粒子および均質化添加物および／または表面活性添加物を含むコンクリート混合物を開示している。

米国特許第３，０２１，２９１号は、混合物を注型する前に、養生中に熱の影響で発泡するポリマー材料をコンクリート混合物に組み込むことによる気泡コンクリートの作製方法を開示している。ポリマー粒子の形状および寸法は重要ではない。

米国特許第５，５８０，３７８号は、フライアッシュ、ポルトランドセメント、砂、石灰、および重量節減成分として、５０〜２０００μｍの範囲の粒径および約１ｌｂ／ｆｔ^３の密度を有する微粉化したポリスチレン粒子を含むことのでき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生成物を開示している。混合物は、基礎壁、屋根瓦、レンガなどの成形物に注型することができる。生成物は、石工用モルタル、石膏、化粧しっくい、またはテクスチャとしても使用できる。

ＪＰ９０７１４４９は、ポルトランドセメントおよび骨材の一部もしくは全体としての発泡ポリスチレン、パーライトまたはバーミキュライトなどの軽量骨材を含む軽量コンクリートを開示している。発泡ポリスチレンは、０．１〜１０ｍｍの顆粒直径および０．０１〜０．０８の比重を有している。

米国特許第５，５８０，３７８号、第５，６２２，５５６号および第５，７２５，６５２号は、セメント、および膨張頁岩、粘土、スレート、フライアッシュ、および／または石灰、ならびに５０〜２０００μｍの範囲の粒径を有し、約０．５％〜５０％（ｖ／ｖ）の範囲の水分含量を有することを特徴とする微粉化したポリスチレン粒子である、重量節減成分を含む水性セメント質混合物から構成される軽量セメント質生成物を開示している。

米国特許第４，２６５，９６４号は、低密度発泡性熱可塑性顆粒；石膏などのセメント質基材；界面活性剤；混合物に適切な量の空気を取り込むための起泡剤として働く添加物；フィルム形成成分；および澱粉を含む壁板パネルなどの構造ユニットのための軽量組成物を開示している。発泡性熱可塑性顆粒は、可能な限り十分に発泡する。

ＷＯ９８０２３９７は、骨材としての合成発泡樹脂を含み、約１．６〜２の比重を有する水結合性組成物の成形によって作製された軽量コンクリート屋根瓦を開示している。

ＷＯ００／６１５１９は、およそ４０％〜９９％の有機ポリマー材料と１％〜およそ６０％の空気同伴剤とのブレンドを含む軽量コンクリートを開示している。このブレンドは、ポリスチレン骨材を使用する軽量コンクリートを調製するために使用される。このブレンドは、ポリスチレン骨材を分散し、ポリスチレン骨材と周りのセメント質結合剤との間の結合を改善することが要求される。

ＷＯ０１／６６４８５は、容積比率で、５〜８０％のセメント、１０〜６５％の発泡ポリスチレン粒子、１０〜９０％の発泡鉱物粒子、および適切な混合の後に、実質的に均一に分散した発泡ポリスチレンのペーストを作製するのに十分な水を含む軽量セメント質混合物を開示している。

米国特許第６，８５１，２３５号は、水、セメント、および３．１８ｍｍ（１／８インチ）〜９．５３ｍｍ（３／８インチ）の直径を有する発泡ポリスチレン（ＥＰＳ）発泡ビーズの混合物を、６８〜９５リットル（１８〜２５ガロン）の水、１５０〜１９０ｋｇ（３２５〜４２５ポンド）のセメント、および８５０〜１４００リットル（３０〜５０立方フィート）のプレパフビーズの割合で含む建築ブロックを開示している。

米国特許第５，９１３，７９１号は、くぎ、スクリュー、止め金などの貫入留め具を受け入れて保持するブロックの１つまたは両方の外面にセメントベースの付着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、水、セメント、および発泡ポリスチレン発泡ビーズを第１の比率で含み、第２の外面は、水、セメント、および発泡ポリスチレン発泡ビーズを、第１の比率とは異なる第２の比率で含む。

一般的に、従来技術は、発泡ポリマーを何らかの形でコンクリート組成物中において使用し、組成物の全重量を低減することの有用性を認めている。発泡ポリマーは、主として空間を占め、コンクリート中に空隙を作り出すために加えられ、発泡ポリマー中の「空隙（ａｉｒ ｓｐａｃｅ）」の量は、この目的を達成するために通常最大化される。一般に従来技術では、発泡ポリマー粒子は、軽量コンクリート組成物の強度および／または構造的健全性を低下させると想定されている。更に、従来技術の軽量コンクリート組成物から作製されたコンクリート物品は、良くても、ヤング率、熱伝導率、および圧縮強度などの物理的性質の一貫性がなく、通常所望の物理的性質より劣ることが証明された。

したがって、軽量コンクリート組成物に関する当該技術分野において、上記の問題を克服して、予測可能で所望の物理的性質を有する軽量コンクリート物品を提供する必要性が存在する。

本発明は、セメント組成物１０〜９０容積パーセント、０．２ｍｍ〜８ｍｍの平均粒径、０．０２８ｇ／ｃｃ〜０．６４ｇ／ｃｃのかさ密度、１〜３のアスペクト比を有する粒子１０〜９０容積パーセントと、骨材０〜５０容積パーセントを含み、ここで、使用する成分の合計が１００容積パーセントを超えず、この軽量セメント質組成物を硬化した７日後にＡＳＴＭ Ｃ３９により試験して、少なくとも１７００ｐｓｉの圧縮強度を有する、軽量コンクリート組成物を提供する。

操作実施例以外または指定されない限り、本明細書および特許請求の範囲で使用されている構成要素、反応条件などの量を指す全ての数値または表現は、全ての事例において「約（ａｂｏｕｔ）」という用語によって修正されるべきものとして理解される。したがって、それに反することが示されない限り、以下の明細書および付属の特許請求の範囲に設定された数値パラメータは、概数であり、本発明が得ることを望んでいる、所望の性質に基づき変えることができる。少なくとも、特許請求の範囲と同等の原則の適用を制限することを試みることなく、各数値パラメータは、少なくとも報告された有効数値の数および通常の四捨五入の適用に照らして解釈されるべきである。

本発明の広い範囲を説明する数値範囲および数値パラメータが概数であっても、特定の実施例を説明する数値は、できる限り正確に報告する。しかしながら、どの数値もそれぞれの測定値に見られる標準偏差から必然的に起因するある誤差を本質的に含んでいる。

同様に、本明細書で説明するいかなる数値範囲も、この中に包含される全ての部分的範囲を含むことを意図していることも理解されるべきである。例えば、「１〜１０」の範囲は、説明された最小数値１と説明された最大数値１０を含んでこれらの間の全ての部分的範囲を含むこと、すなわち、１以上の最小値と、１０以下の最大値を有していることを意図している。開示された数値範囲は連続であるので、これらは最大値と最小値の間のあらゆる値を含む。特段の指定がない限り、本願に規定された様々な数値範囲は概数である。

本明細書で使用する場合、「空隙（ｖｏｉｄ ｓｐａｃｅ）を含む粒子」という用語は、発泡ポリマー粒子、プレパフ粒子、および少なくとも一部が完全に取り囲まれている細胞状および／またはハニカム型のチャンバーを含む他の粒子を指し、これらは、本明細書で説明する非限定実施例のプレパフ粒子のように、空気または特定のガス、あるいはガスの組合せを含む。

本明細書で使用する場合、「セメント」および「セメント質」という用語は、それ自体が最終生成物でない、コンクリートまたは他の一体式生成物を結合する材料を指す。特に、水硬性セメントは、設置して十分な量の水の存在の下での水和反応を受けることによって硬化して最終的な硬化生成物を製造する材料を指す。

本明細書で使用する場合、「セメント質混合物」は、セメント材料、および１つまたはそれ以上の充填剤、補助剤、または他の骨材および／または当該技術分野において周知の養生時に硬くなるスラリーを形成することが知られている材料を含む組成物を指す。セメント材料には、限定されないが、水硬性セメント、石膏、石膏組成物、石灰などが含まれ、水を含んでいても含んでいなくてもよい。充填剤および補助剤には、限定されないが、砂、粘土、フライアッシュ、骨材、空気同伴剤、着色剤、水還元剤／流動化剤などが含まれる。

本明細書で使用する場合、「コンクリート」という用語は、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とし、これを硬化して全体の塊を結合することで作製される、硬くて強固な建築材料を指す。

本明細書で使用する場合、全ての容積および重量パーセントは、ある容積または重量の水の使用を予測している。ドライミックス（ｄｒｙ−ｍｉｘ）またはレディーミックス（ｒｅａｄｙ−ｍｉｘ）組成物と呼ばれる場合の特定の量は、これが最終的に配合され、混合および使用のための用意がなされた時に釣合のとれた量の水がドライミックスまたはレディーミックスに加えられることを同程度に予想している。

本明細書で表示される全ての組成範囲は、合計が制限され、実際には１００パーセント（容積パーセントまたは重量パーセント）を超えない。組成物中に複数の成分が存在できる場合、各成分の最大量の合計は、当業者が容易に理解するように、実際に使用される成分の量は最大１００パーセントに一致するという理解の下で、１００パーセントを超えることができる。

本明細書で使用する場合、「（メタ）クリル」および「（メタ）クリレート」という用語は、相当するアルキルエステルがしばしばアクリレートおよび（メタ）クリレートと呼ばれるように、アクリル酸誘導体およびメタクリル酸誘導体の両方を含むことを意味し、用語「（メタ）クリレート」が包含することを意味する。

本明細書で使用する場合、「ポリマー」という用語は、制限なしで、ホモポリマー、コポリマー、グラフトコポリマー、およびこれらのブレンドおよび組合せを包含することを意味する。

最も広範囲な意味において、本発明は、成形品中の空気同伴を制御する方法を提供する。成形品は、空間を含む粒子が、構造的に支持される方法で空気を連行するのに使用される、任意の成形可能な材料から作製することができる。空間を含む粒子が、成形工程中損傷を受けない限り、任意の適切な成形可能材料を使用することができる。

本明細書で使用する場合、「複合材料」という用語は、異なる物理的性質を有する２つ以上の物質を含む固体材料を指し、それぞれの物質が、全体としての所望の性質に寄与しながら、この個性を保持している。限定されない例として、複合材料には、中にプレパフビーズが均一に分散し、包含されているコンクリートを含むことができる。

したがって本発明は、物品が、成形可能材料と空間を含む粒子とが一緒になって混合物を提供し、混合物を型に入れることによって形成される、空気同伴を制御する方法を対象としている。

本出願は、ポリマー粒子を有するセメント質混合物を詳細に開示しているが、本明細書で説明する概念および実施形態は、当業者によって上記で説明した別の用途に適用することができる。

本発明の実施形態は、セメント質混合物およびポリマー粒子を含む軽量コンクリート（ＬＷＣ）組成物を対象とする。驚くべきことに、発泡ポリマー粒子および一部の事例においてはそれらの樹脂ビーズ前躯物質の、寸法、組成、構造および物理的性質が、本発明のＬＷＣ組成物から作製されたＬＷＣ物品の物理的性質に大きく影響することが可能であることが見出された。特に注目すべきは、得られるＬＷＣ物品の物理的性質に対するビーズ寸法と発泡ポリマー粒子密度との間の相関関係である。

本発明の一実施形態において、セメント質混合物は、水性セメント質混合物であることができる。

場合によっては発泡ポリマー粒子であることができるポリマー粒子は、ＬＷＣ組成物の全容積に対して、少なくとも１０、一部の事例においては少なくとも１５、他の事例においては少なくとも２０、特定の状況においては２５まで、一部の事例においては少なくとも３０、他の事例において少なくとも３５容積パーセント、および９０まで、一部の事例において８５まで、他の事例において７８まで、一部の事例において７５まで、他の事例において６５まで、特定の事例において６０まで、一部の事例において５０まで、および他の事例において４０までの容積パーセント水準でＬＷＣ組成物中に存在する。ポリマーの量は、完成したＬＷＣ物品中において所望される特定の物理的性質に応じて変化する。ＬＷＣ組成物中のポリマー粒子の量は、任意の値または上記で説明した任意の値の間の範囲とすることができる。

ポリマー粒子は、任意の適切な発泡性熱可塑性物質から生じた任意の粒子を含むことができる。実際のポリマー粒子は、完成したＬＷＣ物品中で所望される特定の物理的性質に基づき選択される。限定されない例として、場合によっては発泡ポリマー粒子であることのでき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、および／または無水マレイン酸の１つまたはそれ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；およびこれらの組合せから選択される１つまたはそれ以上のポリマーを含むことができる。

本発明の一実施形態において、ポリマー粒子は、スチレン、イソプロピルスチレン、アルファ−メチルスチレン、核メチルスチレン、クロロスチレン、ｔｅｒｔ−ブチルスチレンなどを含むビニル芳香族モノマーから生じたホモポリマーから選択された熱可塑性ホモポリマーまたはコポリマー、ならびに上記で説明した少なくとも１つのビニル芳香族モノマーを、限定されない例がジビニルベンゼン、共役ジエン（限定されない例が、ブタジエン、イソプレン、１，３−および２，４−ヘキサジエン）、アルキルメタクリレート、アルキルアクリレート、アクリロニトリルおよび無水マレイン酸である、１つまたはそれ以上の他のモノマーと共重合することによって調製したコポリマーを含み、ここでビニル芳香族モノマーはコポリマーの少なくとも５０重量パーセント存在する。本発明の一実施形態において、スチレンポリマー、特にポリスチレンが使用される。しかしながら、ポリオレフィン（例えば、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、およびこれらの混合物など、他の適切なポリマーも使用することができる。

本発明の特定の実施形態において、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、または発泡および成形操作に便利な他の粒子形態であることができる。

本発明において、懸濁方法によって重合された粒子は、本質的に球状の樹脂ビーズであり、ポリマー粒子としてまたは発泡ポリマー粒子の作製に関して有用である。しかしながら、溶液およびバルク重合方法技法によるポリマー（この方法は、押し出して粒子サイズの樹脂ビーズに切断する。）も使用することができる。

本発明の一実施形態において、本明細書で説明したポリマーまたはポリマー組成物のいずれかを含む樹脂ビーズ（未発泡）は、少なくとも０．２ｍｍ、ある状況では少なくとも０．３３ｍｍ、ある場合においては少なくとも０．３５ｍｍ、他の場合においては少なくとも０．４ｍｍ、ある事例においては少なくとも０．４５ｍｍおよび他の事例においては少なくとも０．５ｍｍの粒径を有する。同様に、樹脂ビーズは、３ｍｍまで、ある事例においては２ｍｍまで、他の事例においては２．５ｍｍまで、ある場合においては２．２５ｍｍまで、他の場合においては２ｍｍまで、ある状況では１．５ｍｍまで、および他の状況においては１ｍｍまでの粒径を有することができる。この実施形態において、本発明により作製されたＬＷＣ物品の物理的性質は、発泡ポリマー粒子を作製するのに、上記で説明した範囲外の粒径を有する樹脂ビーズを使用する場合は、一貫性のないまたは望ましくない物理的性質を有している。本実施形態において使用する樹脂ビーズは、任意の値、または上記で説明した任意の値の間の範囲とすることができる。

発泡性の熱可塑性粒子または樹脂ビーズは、場合により、任意の従来の方法を使用して適切な発泡剤を含浸することができる。限定されない例として、含浸は、ポリマーの重合中に発泡剤を、水性懸濁液に加えることにより、または別の方法として、米国特許第２，９８３，６９２号において教示されるように、ポリマー粒子を水性媒体中で再懸濁し、次いで発泡剤を組み込むことにより実現することができる。任意のガス材料または加熱によりガスを発生する材料も、発泡剤として使用することができる。従来の発泡剤には、例えばブタン、ペンタン、ヘキサンなど分子中に４〜６個の炭素原子を含む脂肪族炭化水素、および例えばＣＦＯ系およびＨＣＦＣ系などの、選択したポリマーの軟化点未満の温度で沸騰する、ハロゲン化炭化水素が含まれる。これらの脂肪族炭化水素発泡剤の混合物も同様に使用することができる。

別の方法として、水をこれらの脂肪族炭化水素発泡剤とブレンドすることができ、または米国特許第６，１２７，４３９号、第６，１６０，０２７号および第６，２４２，５４０号において教示されるように、水を唯一の発泡剤として使用することもできる。これら特許においては、水分保持剤が使用される。発泡剤として使用するための水の重量パーセントは、１〜２０％とすることができる。米国特許第６，１２７，４３９号、第６，１６０，０２７号および第６，２４２，５４０号の本文は、参照により本明細書に組込まれる。

含浸ポリマー粒子または樹脂ビーズは、場合によって、少なくとも１．７５ｌｂ／ｆｔ^３（０．０２８ｇ／ｃｃ）、ある状況においては少なくとも２ｌｂ／ｆｔ^３（０．０３２ｇ／ｃｃ）、別の状況においては少なくとも３ｌｂ／ｆｔ^３（０．０４８ｇ／ｃｃ）および特定の状況においては少なくとも３．２５ｌｂ／ｆｔ^３（０．０５２ｇ／ｃｃ）または３．５ｌｂ／ｆｔ^３（０．０５６ｇ／ｃｃ）のかさ密度まで発泡する。発泡していない樹脂ビーズを使用する場合は、より高いかさ密度のビーズを使用することができる。したがって、かさ密度は、４０ｌｂ／ｆｔ^３（０．６４ｇ／ｃｃ）の高さとすることができる。他の状況において、ポリマー粒子は少なくとも部分的に発泡して、かさ密度は３５ｌｂ／ｆｔ^３（０．５６ｇ／ｃｃ）まで、ある場合においては３０ｌｂ／ｆｔ^３（０．４８ｇ／ｃｃ）まで、他の場合においては２５ｌｂ／ｆｔ^３（０．４ｇ／ｃｃ）まで、ある事例においては２０ｌｂ／ｆｔ^３（０．３２ｇ／ｃｃ）まで、他の事例においては１５ｌｂ／ｆｔ^３（０．２４ｇ／ｃｃ）まで、およびある状況においては１０ｌｂ／ｆｔ^３（０．１６ｇ／ｃｃ）までとすることができる。ポリマー粒子のかさ密度は、任意の値または上記で説明した任意の値の間の範囲とすることができる。ポリマー粒子、ビーズおよび／またはプレパフ粒子のかさ密度は、ポリマー粒子、樹脂ビーズおよび／またはプレパフ粒子の既知の容積を測定することによって決定する（周囲条件で２４時間熟成）。

発泡ステップは、含浸ビーズを水蒸気、熱風、熱水、または放射熱など、任意の従来の加熱媒体によって加熱することにより、従来通り実施する。含浸熱可塑性粒子の予備発泡を達成するために、一般的に容認されている１つの方法が米国特許第３，０２３，１７５号において教示されている。

含浸ポリマー粒子は、これの教示が参照により本明細書に組込まれる、米国特許出願第１０／０２１，７１６号に教示されているように、発泡した気泡ポリマー粒子であることができる。発泡した気泡粒子は、ポリスチレンであることができ、これは発泡し、揮発性発泡剤を、ポリマーの重量に対して、１４重量％未満、ある状況においては６重量％未満、ある場合には約２重量％から約５重量％までの範囲、および他の場合においては約２．５重量％から約３．５重量％までの範囲の水準で含んでいる。

本発明による発泡熱可塑性樹脂またはポリマー粒子中に含むことのできる、ポリオレフィンの共重合体およびｉｎ ｓｉｔｕで重合されたビニル芳香族モノマーは、関連する部分が参照により本明細書に組込まれる、米国特許第４，３０３，７５６号および第４，３０３，７５７号ならびに米国特許出願第２００４／０１５２７９５号に開示されている。

ポリマー粒子は、難燃剤、顔料、染料、着色剤、可塑剤、離型剤、安定剤、紫外線吸収剤、型防止剤、酸化防止剤、殺鼠剤、防虫剤など、慣習的構成要素および添加物を含むことができる。典型的な顔料には、限定されないが、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、および酸化鉄などの無機材料、ならびにキナクリドンレッドおよびバイオレットならびに銅フタロシアニンブルーおよびグリーンなどの有機顔料が含まれる。

本発明の特定の実施形態において、顔料はカーボンブラックであり、かかる材料の限定されない例は、ＮＯＶＡ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ Ｉｎｃ．から入手できるＥＰＳ ＳＩＬＶＥＲ（登録商標）である。

本発明の別の特定の実施形態において、顔料はグラファイトであり、かかる材料の限定されない例は、ＢＡＳＦ Ａｋｔｉｅｎｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ Ｃｏｒｐ．，Ｌｕｄｗｉｇｓｈａｆｅｎ ａｍ Ｒｈｅｉｎ（ドイツ）から入手できるＮＥＯＰＯＲ（登録商標）である。

カーボンブラックおよび／またはグラファイトなどの材料がポリマー粒子に含まれている場合、カーボンブラックまたはグラファイトを含む材料に関する（ＡＳＴＭ−Ｃ５１８を使用して測定した）より高いＲ値によって実証されるように、絶縁性が改善される。したがって、カーボンブラックおよび／またはグラファイトを含む発泡ポリマー粒子またはかかるポリマー粒子から作製された材料のＲ値は、カーボンブラックおよび／またはグラファイトを含まない粒子およびそれから得られた物品から観察されるよりも、少なくとも５％高い。

発泡ポリマー粒子またはプレパフ粒子は、少なくとも０．２ｍｍ、ある状況においては少なくとも０．３ｍｍ、他の状況においては少なくとも０．５ｍｍ、ある場合においては少なくとも０．７５ｍｍ、他の場合には少なくとも０．９ｍｍおよびある事例においては少なくとも１ｍｍ、および８ｍｍまで、ある状況においては６ｍｍまで、他の状況においては５ｍｍまで、ある場合においては４ｍｍまで、他の場合には３ｍｍまで、およびある事例においては２．５ｍｍまでの平均粒径を有することができる。発泡ポリマー粒子またはプレパフ粒子の寸法が、小さ過ぎたりまたは大き過ぎたりする場合、本発明のＬＷＣ組成物を使用して作製したＬＷＣ物品の物理的性質は、望ましくないことがあり得る。発泡ポリマー粒子またはプレパフ粒子の平均粒径は、任意の値または上記で説明した任意の値の間の範囲とすることができる。発泡ポリマー粒子またはプレパフ粒子の平均粒径は、レーザ回折技法または当該技術分野において良く知られている機械的分離方法を使用するメッシュ寸法によるスクリーニングを使用して決定することができる。

本発明の一実施形態において、ポリマー粒子または発泡ポリマー粒子は、最小平均セル壁厚さを有しており、これが本発明のＬＷＣ組成物を使用して作製したＬＷＣ物品に、所望の物理的性質を提供することを支援する。平均セル壁厚さおよび内部セル寸法は、当該技術分野において知られている走査型電子顕微鏡技術を使用して決定することができる。発泡ポリマー粒子は、少なくとも０．１５μｍ、ある場合においては少なくとも０．２μｍおよび他の場合には少なくとも０．２５μｍの平均セル壁厚さを有することができる。特定の理論に拘泥することを望むものではないが、上記で説明した寸法を有する樹脂ビーズが上記で説明した密度に発泡した場合に、結果的に所望の平均セル壁厚さが生ずると考えられる。

本発明の一実施形態において、ポリマービーズは、場合によって、発泡して上記の所望するセル壁厚さが達成されるように発泡ポリマー粒子を形成する。多くの変数が、壁厚さに影響し得るが、この実施形態においては、ポリマービーズの発泡を、所望の壁厚さを達成するように制限し、結果として発泡ポリマー粒子の強度を得ることが望ましい。処理ステップおよび発泡剤を最適化することによって、ポリマービーズを最小１．７５ｌｂ／ｆｔ^３（０．０２８ｇ／ｃｃ）に発泡させることができる。この発泡ポリマーのかさ密度の性質は、ｐｃｆ（ｌｂ／ｆｔ^３）または発泡率（ｃｃ／ｇ）で表現することができる。

本明細書で使用する場合、「発泡率」という用語は、所定の重量の発泡ポリマービーズが占める容積を指し、通常はｃｃ／ｇで表現される。

所望のセル壁厚さと強度を有する発泡ポリマー粒子を提供するために、発泡ポリマー粒子は、最大発泡率までは発泡させない。これは、極端に発泡させると、望ましくない薄いセル壁および不十分な強度を有する粒子となるからである。更に、ポリマービーズは、これの最大発泡率の少なくとも５％、ある場合においては少なくとも１０％、他の場合には少なくとも１５％発泡させることができる。しかしながら、薄過ぎるセル壁厚さを生じないように、ポリマービーズは、これの最大発泡率の８０％まで、ある場合においては７５％まで、他の場合には７０％まで、ある事例においては６５％まで、他の事例においては６０％まで、ある状況においては５５％まで、および他の状況においては５０％まで発泡させる。ポリマービーズは、上記で表示したいかなる程度にも発泡させることができ、また発泡は上記で説明したいかなる値の間ともすることができる。通常、ポリマービーズまたはプレパフ粒子は、本発明のセメント質組成物に配合された場合、更に発泡させることはせず、またセメント質組成物を硬化し、養生および／または固めている間は、更に発泡させることはしない。

本明細書で使用する場合、「プレパフ（ｐｒｅｐｕｆｆ）」とは、発泡はしているが、これの最大発泡率までは発泡していない発泡性粒子、樹脂および／またはビーズを指す。

プレパフまたは発泡ポリマー粒子は、通常セル構造またはハニカム内部を有し、一般的に滑らかな連続ポリマー表面を外面、すなわち実質的に連続した外層、として有している。この滑らかな連続表面は、１０００倍の倍率の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて観察することができる。図１、３および５に示すように、ＳＥＭの観察によってプレパフまたは発泡ポリマー粒子の外面に穴の存在は認められていない。プレパフまたは発泡ポリマー粒子の断面を切断し、ＳＥＭ観察することによって、図２、４および６に示すように、一般的にプレパフまたは発泡ポリマー粒子の内部のハニカム構造が明らかにされる。

ポリマー粒子または発泡ポリマー粒子は、いかなる断面形状でも有することができ、これが所望の物理的性質をＬＷＣ物品に提供することを可能にする。本発明の一実施形態において、発泡ポリマー粒子は円形、長円形または楕円形断面形状を有する。本発明の実施形態において、プレパフまたは発泡ポリマー粒子は、１の、ある場合においては少なくとも１のアスペクト比を有し、アスペクト比は、３まで、ある場合においては２まで、他の場合には１．５までとすることができる。プレパフまたは発泡ポリマー粒子のアスペクト比は、任意の値または上記で説明した任意の値の間の範囲とすることができる。

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、ある事例においては少なくとも１５、他の事例においては少なくとも２２、ある場合においては少なくとも４０、他の場合には少なくとも５０容積パーセントの水準で存在し、また９０まで、ある状況においては８５まで、他の状況においては８０まで、特定の場合においては７５まで、ある場合においては７０まで、他の場合においては６５まで、およびある事例においては６０容積パーセントまでの水準で存在することができる。セメント質混合物は、ＬＷＣ組成物中に、任意の水準または上記で説明した任意の水準の間の範囲で存在することもできる。

本発明の一実施形態において、セメント質混合物は、水硬性セメント組成物を含んでいる。水硬性セメント組成物は、セメント組成物中の、少なくとも３、ある状況においては少なくとも５、ある場合においては少なくとも７．５、および他の場合においては少なくとも９容積パーセントの水準で存在することができ、また４０まで、ある場合においては３５まで、他の場合においては３２．５まで、ある事例においては３０までの容積パーセントで存在することができる。セメント質混合物は、水硬性セメント組成物を任意の水準または上記で説明した任意の水準の間の範囲で含むことができる。

本発明の特定の実施形態において、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、石膏セメント、アルミナセメント、マグネシアセメント、シリカセメント、およびスラグセメントから選択される１つまたはそれ以上の材料であることができる。本発明の特定の実施形態において、セメント組成物は、ＩＩＩ型ポルトランドセメントである。

本発明の一実施形態において、セメント質混合物は、場合によって、他の骨材および限定されないが、砂、付加的骨材、可塑剤、および／または繊維を含む、当該技術分野において知られている補助剤を含むことができる。適切な繊維には、限定されないが、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、繊維ガラス、およびこれらの混合物、ならびに上記繊維を含む織物、および上記繊維の組合せを含む織物が含まれる。

本発明に使用できる繊維の限定されない例には、ＴｅｃｈＦａｂ、ＬＬＣ、Ａｎｄｅｒｓｏｎ、サウスカロライナ州から入手可能なＭｅＣ−ＧＲＩＤ（登録商標）およびＣ−ＧＲＩＤ（登録商標）、Ｅ．ｌ．ｄｕ Ｐｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ、デラウェア州から入手可能なＫＥＶＬＡＲ（登録商標）、Ｔｅｉｊｉｎ Ｔｗａｒｏｎ Ｂ．Ｖ．、Ａｒｎｈｅｉｍ、オランダから入手可能なＴＷＡＲＯＮ（登録商標）、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｃ.，Ｍｏｒｒｉｓｔｏｗｎ，ニュージャージー州から入手可能なＳＰＥＣＴＲＡ（登録商標），Ｉｎｖｉｓｔａ Ｎｏｒｔｈ Ａｍｅｒｉｃａ Ｓ．Ａ．Ｒ．Ｌ．Ｃｏｒｐ．、Ｗｉｌｌｍｉｎｇｔｏｎ、デラウェア州から入手可能なＤＡＣＲＯＮ（登録商標）、およびＨｏｅｃｈｓｔ Ｃｅｌｌａｎｅｓｅ Ｃｏｒｐ．、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ、ニューヨーク州から入手可能なＶＥＣＴＲＡＮ（登録商標）が含まれる。繊維は、メッシュ構造、撚り合わせ、折り合わせにおいて使用することができ、所望するどの方向にも方向性を有する。

本発明の特定の実施形態において、繊維は、ＬＷＣ組成物の少なくとも０．１、ある場合においては少なくとも０．５、他の場合においては少なくとも１、およびある事例においては少なくとも２容積パーセントとすることができる。更に繊維は、ＬＷＣ組成物の１０まで、ある場合においては８まで、他の場合においては７まで、ある事例においては５容積パーセントまでとすることができる。繊維の量は、ＬＷＣ組成物に対して所望の性質を提供するように調製される。繊維の量は、上記のどの値にすることもができ、あるいは上記のどの値の間を変動することもできる。

更にこの実施形態では、追加の骨材は限定されないが、砂、石、および砂利などの一般的な骨材から選択される１つまたはそれ以上の材料を含むことができる。一般的な軽量骨材には、粉砕した粒状高炉スラグ、フライアッシュ、ガラス、シリカ、発泡スレート、および粘土；軽石、パーライト、バーミキュライト、鉱滓および珪藻土などの絶縁骨材；膨張頁岩、発泡スレート、膨張粘土、膨張スラグ、ヒュームドシリカ、ペレット化骨材、押出フライアッシュ、凝灰岩、およびマクロライトなどのＬＷＣ骨材；ならびに膨張頁岩、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、鉱滓、およびペレット化骨材などの石工用骨材を含むことができる。

他の骨材および補助剤は、含まれる場合、セメント質混合物の容積パーセントで、少なくとも０．５、ある場合においては少なくとも１、他の場合においては少なくとも２．５、ある事例においては少なくとも５、他の事例においては少なくとも１０容積パーセントの水準でセメント質混合物中に存在する。同様に他の骨材および補助剤は、セメント質混合物の、９５まで、ある場合においては９０まで、他の場合においては８５まで、ある事例においては６５まで、他の事例においては６０容積パーセントまでの水準で存在することができる。他の骨材および補助剤は、セメント質混合物中に、任意の水準または上記で説明した任意の水準の間の範囲で存在することもできる。

本発明の一実施形態において、本発明のセメント質混合物および／または軽量コンクリート組成物中で使用される砂または他の微細な骨材の全部もしくは部分は、２未満の、ある場合においては１．９未満の、および他の場合においては１．８未満の粗粒率を有している。本明細書で使用する場合、「粗粒率（ｆｉｎｅｎｅｓｓ ｍｏｄｕｌｕｓ）」または「ＦＭ」は、骨材中の微細粒子および粗粒子の割合の相対的測定を与える実験的因子を指す。ＦＭは、微細骨材の相対的な微細さまたは粗さを表示するために使用される値であり、ＡＳＴＭ Ｃ１１７によって決定することができる。ＡＳＴＭ Ｃ１１７は、全体において参照により本明細書に援用されており、正確な詳細を調べることができるが、要約すれば以下の通りである。ＦＭは、５００ｇの砂の試料を、一連の標準篩（４、８、１６、３０、５０および１００番）を通過させることによって得られる。各篩に保持された重量を、Ｎｏ．４の篩から始まる累積百分率に転換する。６つの百分率の合計を１００で割る。得られた答えが粗粒率である。

本発明の特定の実施形態において、砂および／または他の微細な骨材は、ＬＷＣ組成物の少なくとも１０、ある場合においては少なくとも１５、他の場合においては少なくとも２０容積パーセントを作り上げることができる。更に砂および／または他の微細な骨材は、ＬＷＣ組成物の５０まで、ある場合においては４５まで、他の場合においては４０まで、およびある事例においては３５容積パーセントまで提供することができる。砂および／または他の微細な骨材の量は、所望の性質をＬＷＣ組成物に対して提供するように調節される。砂および／または他の微細な骨材の量は、任意の値または上記で説明した任意の値の間の範囲とすることができる。

本発明の特定の実施形態において、粗い骨材（４を超えるＦＭ値を有する骨材）は、ＬＷＣ組成物の少なくとも１、ある場合には少なくとも２、別の場合には少なくとも３容積パーセントを作り上げることができる。更に、粗い骨材は、ＬＷＣ容積パーセントの２０まで、ある場合においては１５まで、他の場合においては１０まで、ある事例の場合においては８容積パーセントまで供給することができる。粗い骨材の量は、所望の性質をＬＷＣ組成物に対して提供するように調節される。粗い骨材の量は、任意の値または上記で説明した任意の値の間の範囲とすることができる。

本発明の実施形態において、軽量コンクリート組成物は、１つまたはそれ以上の添加物を含むことができ、かかる添加物の限定されない例は、消泡剤、防水剤、分散剤、硬化促進剤、硬化抑制剤、可塑剤、流動化剤、凝固点降下剤、接着性改善剤、および着色剤である。添加物は、一般的に組成物の全重量に対して１重量パーセント未満で存在するが、０．１〜３重量パーセント存在することもできる。

本発明で使用することのできる適切な分散剤または可塑剤には、限定されないが、ヘキサメタリン酸塩、トリポリリン酸塩、ポリナフタレンスルホン酸塩、スルホン化ポリアミンおよびこれらの組合せが含まれる。

本発明で使用することのできる適切な可塑剤には、限定されないが、ポリヒドロキシカルボン酸またはこの塩、ポリカルボン酸またはこの塩、リグノスルホン酸塩、ポリエチレングリコール、およびこれらの組合せが含まれる。

本発明で使用することのできる適切な流動化剤には、限定されないが、リグニンスルホン酸塩のアルカリまたはアルカリ土類金属塩、リグノスルホン酸塩、高度に凝縮したナフタレンスルホン酸／ホルムアルデヒド骨材のアルカリまたはアルカリ土類金属塩、ポリナフタレンスルホン酸塩、１つまたはそれ以上のポリカルボン酸塩のアルカリまたはアルカリ土類金属塩（例えば、関連する部分が参照により本明細書に組込まれる、米国特許第６，８００，１２９号に記載されているポリ（メタ）アクリル酸塩およびポリカルボン酸塩コームコポリマー）、メラミン／ホルムアルデヒド／亜硫酸塩骨材のアルカリまたはアルカリ土類金属塩、スルホン酸エステル、炭水化物エステルおよびこれらの組合せが含まれる。

本発明で使用することのできる適切な硬化促進剤には、限定されないが、可溶性塩化物（塩化カルシウムなど）、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（ギ酸カルシウムなど）、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−７Ａｌ_２Ｏ_３、硫酸ナトリウム、硫酸アルミニウム、硫酸鉄、米国特許第４，０２６，７２３号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骨材、米国特許第４，２９８，３９４号に開示されている水溶性界面活性剤促進剤、米国特許第５，２１１，７５１号に開示されているアミノ酸促進剤のメチロール誘導体、およびチオシアン酸塩の混合物、アルカノールアミン、およびこれの関連部分が参照により本明細書に組込まれる米国特許再発行第３５，１９４号に開示されている硝酸塩、およびこれらの組合せが含まれる。

本発明で使用することのできる適切な硬化抑制剤には、限定されないが、リグノスルホン酸塩、ヒドロキシカルボン酸（グルコン酸、クエン酸、酒石酸、リンゴ酸、サリチル酸、グルトヘプト酸、アラボン酸、酸、およびナトリウム、カリウム、カルシウム、マグネシウム、アンモニウムおよびトリエタノールアミン塩などのこれらの無機または有機塩など）、カルボン酸（ｃａｒｄｏｎｉｃ ａｃｉｄ）、糖、改質糖、リン酸塩、ホウ酸塩、ケイフッ化物、臭化カルシウム、硫酸カルシウム、硫酸ナトリウム、（グルコース、フルクトース、ガラクトース、スクロース、キシロース、アピオース、リボースおよび転化糖などの）単糖類、二糖類および三糖類などのオリゴ糖類、デキストリンとしてのかかるオリゴ糖類、デキストランなどの多糖類、ならびにこれらを含有する糖蜜などの他の糖類、ソルビトールなどの糖アルコール、ケイフッ化マグネシウム、リン酸およびこの塩、またはホウ酸エステル、アミノカルボン酸およびこの塩、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、グリセロールなどの多価アルコール、リン酸およびアミノトリ（メチレンリン酸）、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（メチレンリン酸）などのこの誘導体、およびこれらのアルカリ金属またはアルカリ土類金属塩、および上記で示した硬化抑制剤の組合せが含まれる。

本発明で使用することのできる適切な消泡剤には、限定されないが、シリコーンベース消泡剤（例えば、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、シリコーンエマルジョン、有機基改良ポリシロキサン（ジメチルポリシロキサンなどのポリオルガノシロキサン）、フルオロシリコーン油など）、アルキルリン酸塩（トリブチルリン酸塩、オクチルリン酸塩ナトリウムなど）、鉱油ベース消泡剤（ケロシン、液体パラフィンなど）、脂肪またはオイルベース消泡剤（動物または植物油、ごま油、ひまし油、これらから誘導されたアルキレンオキシド付加物など）、脂肪酸ベース消泡剤（オレイン酸、ステアリン酸、およびこれらから誘導されたアルキレンオキシド付加物など）、脂肪酸エステルベース消泡剤（グリセロールモノリシール酸塩、アルケニルコハク酸誘導体、ソルビトールモノラウリン酸塩、ソルビトールトリオレイン酸塩、天然ワックスなど）、オキシアルキレン型消泡剤、アルコールベース消泡剤（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など）、アミドベース消泡剤（アクリル酸ポリアミンなど）、金属塩ベース消泡剤（ステアリン酸アルミニウム、オレイン酸カルシウムなど）および上記消泡剤の組合せが含まれる。

本発明で使用することのできる適切な凝固点降下剤には、限定されないが、エチルアルコール、塩化カルシウム、塩化カリウム、およびこれらの組合せが含まれる。

本発明で使用することのできる適切な接着性改善剤には、限定されないが、ポリ酢酸ビニル、スチレン−ブタジエン、（メタ）アクリル酸エステルのホモポリマーおよびコポリマー、およびこれらの組合せが含まれる。

本発明で使用することのできる適切な撥水剤および防水剤には、限定されないが、脂肪酸（ステアリン酸またはオレイン酸など）、低アルキル脂肪酸エステル（ステアリン酸ブチルなど）、脂肪酸塩（ステアリン酸カルシウムまたはアルミニウムなど）、シリコーン、ワックスエマルジョン、炭化水素樹脂、ビチューメン、脂肪およびオイル、シリコーン、パラフィン、アスファルト、ワックスおよびこれらの組合せが含まれる。空気同伴剤は、本発明の多くの実施形態では使用されていないが、使用される場合の適切な空気同伴剤には、限定されないが、ビンソール樹脂、アビエチン酸ナトリウム、脂肪酸およびこの塩、界面活性剤、アルキル−アリール−スルホン酸塩、フェノールエトキシレート、リグノスルホン酸塩、およびこれらの混合物が含まれる。

セメント質混合物、発泡ポリマー粒子、および任意の他の骨材、添加物および／または補助剤は、当該技術分野において良く知られている方法を用いて混合される。本発明の一実施形態において、液体、ある事例の場合には水、も同様に他の構成要素に混合される。

本発明の一実施形態において、乾燥混合物（すなわち、最小量の水しか含んでいないかまたは水を加えていない。）を作製して、梱包し、将来のために貯蔵することができる。かかる乾燥混合物または「レディーミックス（ｒｅａｄｙ ｍｉｘ）」は、後で水と混合して本明細書で説明した軽量コンクリート組成物を提供することができる。

本発明の一実施形態において、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が、連続相を提供し、ポリマー粒子および／または発泡ポリマー粒子が、連続相中に個別の粒子の分散相として存在する分散体である。

本発明の、特定のおよび限定されない実施形態として、コンクリート組成物は、分散を安定化するために使用される湿潤剤または分散剤を実質的に含んでいない。

本発明の限定されない実施形態として、また単一の理論に限定されることを望むものではないが、本発明のＬＷＣ組成物の性能に影響を及ぼすことのできる幾つかの要因には、発泡樹脂ビーズの容積分率、平均発泡ビーズ寸法、およびコンクリート内部のビーズ間空間によって作製される微細構造が含まれる。この実施形態において、ビーズ間空間は、２次元モデルを使用して推定することができる。説明を簡単にするために、ビーズ間空間はビーズ半径に限定できる。更に、本発明を限定する意図は全くなしに、この実施形態においては、ビーズは立方格子に配列されていると想定し、ＬＷＣ組成物中のビーズ寸法は考慮せず、また断面における発泡ビーズ面積の分布も考慮しない。試料当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想定する。

発泡ビーズ寸法が小さくなるほど、以下の式１に示されるように、同じ発泡ビーズ容積分率を維持するために必要な発泡ビーズの数は大きくなる。発泡ビーズの数が指数関数的に増加する場合、発泡ビーズ間の空間は、減少する。
Ｎ_ｂ＝Ｋ／Ｂ^３ （１）
Ｎ_ｂは、発泡ビーズの数を表す。

直径Ｄおよび高さＨを有するＬＷＣ試験片（通常は、２インチ×４インチ、または６インチ×１２インチ）は、平均発泡ビーズ直径Ｂの分散発泡ポリマービーズを含んでおり、所定の容積分率Ｖ_ｄは、式１で与えられる発泡ポリマービーズＮ_ｂの量を含んでいる。

Ｎ_ｂは、発泡ポリマービーズ直径の３乗に反比例することに留意されたい。比例定数、Ｋ＝１．５Ｖ_ｄＨＤ^２、は試料寸法および発泡ポリマービーズの容積分率にのみに依存する数である。したがって、所定の試料寸法および既知の発泡ポリマービーズ容積分率に関して、ビーズの数は、ビーズ直径減少に対し３乗で増加する。

限定されない例として、９０ｐｃｆ（ｌｂ／ｆｔ^３）における、２インチ×４インチＬＷＣ試験片（これは、プレパフかさ密度１．２５ｐｃｆを有する４３％容積分率の発泡ポリマービーズに相当する。）において、０．６５ｍｍビーズから０．４ｍｍビーズおよび０．３３ｍｍビーズへとそれぞれ移動し、ビーズの数は４倍および７倍に増加する。２．０８ｐｃｆでは、ビーズの数の増大は０．４ｍｍおよび０．３３ｍｍについてそれぞれ６倍および７倍である。５ｐｃｆにおいて、増加はそれぞれ２倍および３倍である。したがって、密度はビーズ寸法に関連する。以下に示すように、密度は、セル壁厚さにも影響を及ぼす。発泡ビーズによって占められたコンクリートマトリックスの強度は、一般的にセル壁の剛度および厚さによって影響される。

本発明の実施形態において、単一分散球状セルを想定した場合、式２により平均セル直径ｄは、平均壁厚さδと関連していることが示され得る。

式中、ρは発泡体の密度であり、ρ_ｓは固体ポリマービーズの密度である。

したがって、所定のポリマーに関し、使用した特定の発泡方法に応じて、同じセル壁厚さ（所定のセル寸法における）または様々なδ値における同じセル寸法を得ることができる。密度は、セル寸法のみならず、セル壁の厚さを変えることによっても制御される。

以下の表は、３種類のビーズに関するビーズ寸法を有する、発泡ポリマービーズ密度の変動を例証している。

望ましい微細構造および／または形態は、明確な種類に分類することができる。第１は、特別な境界面を有する二連続性または共連続性複合体であり、第２は、結合マトリックス中に特別な介在物を含んでいる。二連続性および単一結合微細構造の両方の有効特性は、既知の最適横断特性結合によって説明される。

多くの場合、ビーズが小さくなると、同じ発泡ポリマービーズの式１によって示される容積分率を維持するために必要なビーズの数は大きくなる。ビーズの数が指数関数的に増加すると、ビーズ間の空間が小さくなる。

最適な結合は、限界数または制限数を表す相関の数で説明することができる。限定されない例として、所定の容積分率に関し、ビーズの限界数に対応する、全てのビーズが遊離し、コンクリートが個々に結合しているような所望の形態を提供するよう分散され得る、限界ビーズ寸法がしばしば存在する。ビーズ全てが分離せずに接触している形態を形成することも可能である。

２次元断面の有限要素解析を、ＡＮＳＹＳ（登録商標）を用いて実施した（有限要素解析プログラムは、ＡＮＳＹＳ Ｉｎｃ．、Ｃａｎｏｎｓｂｕｒｇ、ペンシルベニア州から入手できる。）。断面の有限要素メッシュにおいて、ビーズは、個別に結合したコンクリートマトリックス中の非接触または遊離した円としてモデル化される。

得られた結果は、荷重の下では、ストレスが荷重軸の垂直方向に蓄積することを実証している。最大のストレス集中は、発泡ポリマービーズの間の水平境界面であり、ここは円形状から楕円形状に変形する傾向がある。

本発明の特定の実施形態において、コンクリート組成物は、正方格子または六方格子に配列された少なくともいくらかの発泡ポリマー粒子またはプレパフ粒子を含んでいる。

本発明の実施形態において、本ＬＷＣ組成物は、一般的にコンクリートのバッチ中に空気セルまたは空隙を作り出すために加えられる空気同伴剤を実質的に含んでいない。

本発明の別の実施形態において、ＬＷＣ組成物は、強化繊維を含むことができる。かかる繊維は、成分を補強する働きをし、負荷が潜在的破断点を横断して移動するように、大きなアスペクト比、すなわち高い長さ／直径比を有している。適切な繊維の限定されない例には、約１〜１．７５インチの長さの繊維ガラス束を含むが、セメント質混合物のマトリックス、ポリプロピレン繊維、および上記で説明した他の繊維よりも高いヤング率を有するどの材料も使用することができる。

本発明によるＬＷＣ組成物は、当該技術分野において良く知られている方法を使用して、硬化しおよび／または固めて最終コンクリート物品を成形することができる。

本発明のＬＷＣ組成物を含んでいる、硬化しおよび／または固めた最終コンクリート物品の密度は、少なくとも４０ｌｂ／ｆｔ^３（０．６４ｇ／ｃｃ）、ある場合においては少なくとも４５ｌｂ／ｆｔ^３（０．７２ｇ／ｃｃ）、他の場合においては５０ｌｂ／ｆｔ^３（０．８ｇ／ｃｃ）とすることができ、および密度は１３０ｌｂ／ｆｔ^３（２．１ｇ／ｃｃ）まで、ある場合においては１２０ｌｂ／ｆｔ^３（１．９ｇ／ｃｃ）、他の場合においては１１５ｌｂ／ｆｔ^３（１．８ｇ／ｃｃ）まで、ある状況においては１１０ｌｂ／ｆｔ^３（１．７５ｇ／ｃｃ）まで、他の状況においては１０５ｌｂ／ｆｔ^３（１．７ｇ／ｃｃ）まで、ある状況においては１００ｌｂ／ｆｔ^３（１．５ｇ／ｃｃ）まで、および他の事例においては９５ｌｂ／ｆｔ^３（１．５ｇ／ｃｃ）までとすることができる。本発明のコンクリート物品の密度は、任意の値または上記で説明した任意の値の間の範囲とすることができる。ＬＷＣ組成物の密度は、ＡＳＴＭ Ｃ１３８により決定される。

本発明の特定の実施形態において、ＬＷＣ組成物は、ＩＩＩ型ポルトランドセメントを含んでいる、セメント組成物１０〜６０容積パーセント；０．２ｍｍ〜５ｍｍの平均粒子径、０．０３２ｇ／ｃｃ〜０．５６ｇ／ｃｃのかさ密度、および１〜２のアスペクト比を有する、発泡ポリマー粒子２０〜７８容積パーセント；１つまたはそれ以上の骨材５〜３５容積パーセント；ならびに消泡剤、防水剤、分散剤、硬化促進剤、硬化抑制剤、可塑剤、流動化剤、凝固点降下剤、接着性改善剤、着色剤およびこれらの組合せから選択される１つまたはそれ以上の添加物０．１〜１容積パーセントを含み、ここで、使用した成分の合計が１００容積パーセントを超えず、この軽量セメント質組成物が、硬化した後、７日後にＡＳＴＭ Ｃ３９により試験した場合、少なくとも２０００ｐｓｉの圧縮強度を有している。

ＬＷＣ組成物は、伝統的なコンクリート配合物が使用される用途には、全部ではなくても、ほとんど使用することができる。限定されない例として、本発明のＬＷＣは、構造物および建築物の用途に使用することができ、限定されない例としては、境界壁、ＩＣＦまたはＳＩＰ構造物、バードバス、ベンチ、屋根板、羽目板、乾式壁、セメント板、装飾柱板または建物のためのアーチ道など、家具またはカウンター甲板、床内放射加熱システムなどの家庭用途、床（１次および２次）、チルトアップ壁、サンドイッチ式壁パネル、シックイ壁用途、捕捉壁、牛避け障害物、防音壁などの道路空港の安全用途、外壁、よう壁、滑走路拘束システム、ＡＥコンクリート、滑走路トラックランプ、流動性のある掘削可能な埋め戻し材、および路盤材料、および橋梁デッキ材料などの道路建設用途が挙げられる。

更に、本発明によるＬＷＣ物品は、限定されない例として乾式壁のねじとくぎなど、ねじを直接取り付けることが容易にでき、これは伝統的な空気式または動力駆動装置によって取り付けることができる。このことは、合板、乾式壁、スタッドおよび建設産業で一般的に使用されている他の材料の容易な取り付けを可能にし、これは伝統的なコンクリート配合物を使用してはなし得ないことである。

本発明のＬＷＣ組成物を路盤建設に使用する場合、特に水の凍結融解を伴う場合、ポリマー粒子が、亀裂の伝播の防止および／または最小化に役立つことができる。

本発明の一実施形態において、硬化しおよび／または固めた本発明によるＬＷＣ組成物は、構造的用途に使用され、少なくとも１７００ｐｓｉ（１１９．５ｋｇｆ／ｃｍ^２）、他の場合においては少なくとも１８００ｐｓｉ（１２６．５ｋｇｆ／ｃｍ^２）、ある場合においては少なくとも１９００ｐｓｉ、他の事例においては少なくとも２０００ｐｓｉ（１４０．６ｋｇｆ／ｃｍ^２）の石工建築用途の耐荷重性に関する最小圧縮強度を有することができる。構造的軽量コンクリートに関して、この組成物は少なくとも２５００ｐｓｉ（１７５．８ｋｇｆ／ｃｍ^２）の最小圧縮強度を有することができる。圧縮強度は、７日後にＡＳＴＭ Ｃ３９によって決定される。

ＡＳＴＭ Ｃ３９は、これの全体が参照により本明細書に組込まれており、正確な詳細を調べることができるが、要約すると、圧縮軸方向荷重を、定められた範囲内の速度で成形したシリンダーまたはコアに破壊が生ずるまで適用することからなる検査方法を提供するものである。試験機器は、養生面を有する２つの鉄鋼製ベアリングブロックを備えており、その一方は試験片の上面に位置する球状に設置されたブロックであり、他方は上に試験片が置かれる固体ブロックである。荷重は、試験片上の応力速度３５±７ｐｓｉ／秒（０．２５±０．０５Ｍｐａ／秒）に相当する運動速度（クロスヘッド測定に対するプラテン）で適用する。圧縮荷重は、負荷指示計が、荷重が着実に減少し試験片が明確な破壊パターンを示すまで適用する。圧縮強度は、試験中の試験片によって示された最大荷重を、試験片の断面積で割ることで計算される。

本発明の組成物は、成形建設物品および成形建設用材料を生産するのに十分適しており、かかる物品および材料の限定されない例には、チルトアップ壁パネルを含む壁パネル、Ｔ型梁、ダブルＴ型梁、屋根タイル、屋根パネル、天井パネル、床パネル、Ｉ型梁、構造壁などが含まれる。本組成物は、従来技術のＬＷＣ組成物よりも高い強度を示す。

本発明の一実施形態において、成形建設物品および成形建設用材料は、プレキャストおよび／またはプレストレスとすることができる。

本明細書で使用する場合、「プレキャスト（ｐｒｅ−ｃａｓｔ）」コンクリートは、鋳型に注入するかまたは所望の形に鋳造し、取り出して所望の位置に置く前に、養生および／または硬化させるコンクリートを指す。

本明細書で使用する場合、「プレストレス（ｐｒｅ−ｓｔｒｅｓｓｅｄ）」コンクリートは、この張力がプレストレス腱（多くの場合高張力のスチールケーブルまたはスチールロッド）を使用することによって改善されたコンクリートを指す。プレストレス腱は、締付荷重を提供し、コンクリートメンバーが曲げ荷重によって経験するかもしれない張力と相殺する圧縮強度を作り出すために使用される。当該技術分野において知られているどの適切な方法も、プレストレスコンクリートに対して使用することができる。適切な方法には、限定されないが、コンクリートが既に張力のかかった腱の周りに鋳造されるプレテンションコンクリート、注入および養生工程の後で圧縮力が適用されるポストテンションコンクリートが含まれる。

本発明が提供する特定の利点は、硬化コンクリート組成物および／またはかかる組成物から形成された成形建設物品は、特殊なコンクリートまたはダイヤモンドチップの切刃および／または鋸を使用しなければならないのに対して、従来の方法を使用して容易に切断および／または区分化できることである。これは、コンクリート物品を特注生産する場合に、実質的な時間と費用の節約を提供する。

組成物は、当業者において良く知られている方法により、容易に型に鋳込むことができ、限定されない例には、屋根瓦、舗装材料、または他の事実上いかなる３次元形状物品も、木調亀裂の外観を有するなど、ある局所的テクスチャを有する形状を含めて、スレート屋根板または滑らかな表面のセラミックタイルが挙げられる。典型的な屋根板は、幅１０インチ×長さ１７インチ×厚さ１．７５インチの概略寸法を有することができる。屋根板材料の成形において、空気同伴剤を加えることによって、耐凍結／融解劣化に関して最終製品をより耐候性のあるものとする。

本発明のＬＷＣを用いて構造壁を注型する場合、壁はこれの軽量故に地表上に設置することができる。普通、構造壁の下部は、コンクリート混合物の全重量の下で、外側に向かって膨れる傾向を有しているが、本発明のより軽量な組成物は、これが生ずる危険が少なくなる傾向を示す。本ＬＷＣ組成物を使用して調製した構造壁は、従来の構造壁に使用されている従来の留め具を容易に用いることができる。

本発明の一実施形態において、本発明によるコンクリート組成物は、成形し、コンクリート石工ユニットの形態に硬化しおよび／または固められる。本明細書において使用する場合、「コンクリート石工ユニット（ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｍａｓｏｎｒｙ ｕｎｉｔ）」という用語は、限定されないが、切れ目の入った、スプリットフェースの、うねりのある、縦溝彫りの、設置面の、スランプおよび敷石の品種を含む、中空または中実コンクリート物品を指す。本発明の実施形態は、本発明により作製したコンクリート石工ユニットを、少なくとも一部において含む壁を提供する。

本発明の一実施形態において、成形した建設用物品および材料、上記のコンクリート石工ユニットは、貫入留め具を取り付けて保持することができ、かかる留め具の制限されない例には、くぎ、ねじ、止め金などが含まれる。これは、成形した建設用物品および材料、コンクリート石工ユニットの成形した建設用物品および材料、およびコンクリート石工ユニットに対して、表面被覆を直接取り付けることが可能であり有益である。

本発明の一実施形態において、２．５インチの標準乾式壁ねじを、本発明の軽量コンクリート組成物を含んでいる注型し硬化した表面に、１．５インチの深さまでねじ込むことができる。これは、少なくとも５００ポンド、ある場合には少なくとも６００ポンド、別の場合には少なくとも７００ポンドそして８００ポンドまでの力を、ねじをねじ込んだ面に対して垂直に１分間、ある場合には５分間、別の場合に１０分間適用した場合、ねじは抜けない。

本発明は、また本発明によるＬＷＣ組成物を含む建物を対象とする。

本発明は、また最適化された軽量コンクリート物品の作製方法を提供し、これは
軽量コンクリート組成物の所望の密度および強度特性を確定し；
軽量コンクリート組成物中で使用する発泡させるポリマービーズの種類、寸法および密度を決定し；
ポリマービーズが発泡されることになっている寸法および密度を決定し；
ポリマービーズを発泡させ、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して軽量コンクリート組成物を形成し；および
軽量コンクリート組成物を所望の形状に硬化することを可能にすることを含む。

硬化しおよび／または固めたＬＷＣ組成物の所望する密度および強度特性は、目的とする用途に基づき決定する。

本発明の一実施形態において、発泡させるポリマービーズの種類、寸法および密度ならびに予定している発泡後のポリマービーズの寸法および密度は、実験的におよび／または公表されたデータに基づき決定することができる。

本発明の別の実施形態において、有限要素解析を、発泡させるポリマービーズの種類、寸法および密度、ならびに予定している発泡後のポリマービーズの寸法および密度を決定するのに使用することができる。

得られた軽量コンクリート組成物は、上記のＬＷＣ物品およびコンクリート石工ユニットを提供するために、硬化しおよび／または固めることができる。

本発明は、以下の実施例を参照することによって、更に説明される。以下の実施例は単なる例示的なものであり、限定することを意図するものではない。別段の指示がない限り、全ての百分率は重量基準であり、別段の指示がない限り、ポルトランドセメントが使用される。

（実施例）
特段の指定がない限り、以下の材料を使用した。
・ＩＩＩ型ポルトランドセメント
・Ｍａｓｏｎ Ｓａｎｄ（かさ密度１６５ｐｃｆ、比重２．６４、粗粒率＝１．７４）
・飲料水−周辺温度（約７０°Ｆ／２１℃）
・発泡性ポリスチレン−Ｍ９７ＢＣ、Ｆ２７１Ｃ、Ｆ２７１Ｍ、Ｆ２７１Ｔ（ＮＯＶＡ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ Ｉｎｃ．、Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ、ペンシルベニア州）
・ＥＰＳ樹脂−１０３７Ｃ（ＮＯＶＡ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ、Ｉｎｃ．）
・０．５インチ発泡スレート（Ｃａｒｏｌｉｎａ Ｓｔａｌｉｔｅ Ｃｏｍｐａｎｙ、Ｓａｌｉｓｂｕｒｙ、ノースカロライナ州−かさ密度８９．５ｐｃｆ、比重１１．４３）

特段の指定がない限り、全ての組成物は、単一シャフトパドルを備えた７ｆｔ^３の作業容積ボディを有するモデル４２Ｎ−５混合機（Ｃｈａｒｌｅｓ Ｒｏｓｓ ＆ Ｓｏｎ Ｃｏｍｐａｎｙ、Ｈａｕｐｐａｕｇｅ、ニューヨーク州）を用いて実験室条件の下で調製した。混合機は、３４ｒｐｍで操作した。コンディショニングは、ＬＨ−１０ Ｔｅｍｐｅｒｔｕｒｅ ａｎｄ Ｈｕｍｉｄｉｔｙ Ｃｈａｍｂｅｒ（Ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ製、Ａｙｅｒ、マサチューセッツ州）中において行った。試料を、フラットキャップの６インチ×１２インチ使い捨てプラスチックシリンダー型において成形し、３連の試験を行った。圧縮試験は、Ｆｏｒｎｅｙ ＦＸ２５０／３００圧縮試験機(Ｆｏｒｎｅｙ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ、Ｈｅｒｍｉｔａｇｅ、ペンシルベニア州)において実施した。この圧縮試験機は、垂直荷重を所望の速度で水圧により適用する。他の全ての周辺材料（スランプコーン、タンピングロッドなど）は、適用されるＡＳＴＭ試験方法を順守した。以下のＡＳＴＭ試験方法および試験手順に従った。
・ＡＳＴＭ Ｃ４７０−垂直コンクリート成形試験シリンダーに関する標準仕様
・ＡＳＴＭ Ｃ１９２−実験室におけるコンクリート試験片の作製および養生のための標準試験方法
・ＡＳＴＭ Ｃ３３０−構造用コンクリートのための軽量骨材に関する標準仕様
・ＡＳＴＭ Ｃ５１１−水硬性セメントおよびコンクリート試験のための調合室、高湿キャビネット、高湿室および水貯蔵タンクに関する標準仕様
・ＡＳＴＭ Ｃ１４３−水硬性セメントコンクリートのスランプに関する標準試験方法
・ＡＳＴＭ Ｃ１２３１−養生したコンクリートシリンダーの圧縮強度決定における非結合キャップの使用に関する標準的技法
・ＡＳＴＭ Ｃ３９−円筒形コンクリート試料の圧縮強度の標準試験方法
シリンダーはキャップし、実験室周囲条件で２４時間保持した。次いで全てのシリンダーを、９５％相対湿度、２３±２℃において更に６日間熟成させた。次いで試験片を試験した。

未発泡ビーズ形態のポリスチレン（Ｍ９７ＢＣ−０．６５ｍｍ、Ｆ２７１Ｔ−０．４ｍｍ、およびＦ２７１Ｍ−０．３３ｍｍ）を、以下の表に示すように様々な密度のＥＰＳ発泡体（プレパフ）粒子に予備発泡した。

データは、プレパフ粒径が、材料の発泡後の密度とは逆に変化することを示している。

未発泡ビーズ形態のポリスチレン（０．６５ｍｍ、０．４ｍｍ、および０．３３ｍｍ）を、以下の表に示すようなかさ密度２ｌｂ／ｆｔ^２を有するプレパフ粒子へと予備発泡した。このプレパフ粒子を、３．５立方フィートドラム混合機中で、４６．５重量％（２５．３容積％）のポルトランドセメント、１６．３重量．％（２６．３容積％）の水、および１．２重量％（２６．４容積％）のプレパフ粒子を含むＬＷＣ組成物へと配合した。得られたＬＷＣ組成物は、コンクリート密度９０ｌｂ／ｆｔ^２を有していた。（ＡＳＴＭ Ｃ３９により７日後、破壊試験した）平均圧縮強度を、以下の表に示す。

データは、一定のプレパフ粒子密度において、平均未発泡ビーズ寸法が減少した場合、従来技術において示唆された未発泡ビーズ寸法の低下ほど、驚くべき高い圧縮強度は必ずしも得られないことを示している。より具体的にはデータは、圧縮強度２．００ｐｃｆに関する最適未発泡ビーズ寸法は、９０ｐｃｆコンクリート密度を得るために負荷した場合に存在することを示している。この最適条件は、この特定の配合において、３３０ミクロンと６５０ミクロンの間にあるものと思われる。

同じくプレパフ粒子密度も総体的コンクリート密度に影響を及ぼすので、ＥＰＳ密度が変化すると、一定のコンクリート密度を維持するためにＥＰＳ負荷水準を変化させることが必要である。この関係は、プレパフ粒子の総量が周囲のコンクリートマトリックスの強度を、それほど大きく弱めない限りにおいてのみ維持される。プレパフ粒子密度と負荷水準の関係は、総体的コンクリート密度を制御しながら、コンクリート強度を最適化する更なる機会を提供する。

未発泡ビーズ形態（０．６５ｍｍ）におけるポリスチレンを、以下の表に示すような様々な密度を有するプレパフ粒子へと予備発泡した。プレパフ粒子を、３．５立方フィートドラム混合機中で、以下の表に示す成分を有し、それぞれが９０ｌｂ／ｆｔ^３のコンクリート密度を有するＬＷＣ組成物へと配合した。

以下のデータ表は、９０ｌｂ／ｆｔ^３の一定のコンクリート密度における、プレパフ密度とコンクリート強度の関係を数値的に表している。

データは、一定のコンクリート密度において、プレパフ粒子密度が増加すると、ＬＷＣ組成物の強度も同様に増加することを示している。

未発泡ビーズ形態（０．６５ｍｍ）におけるポリスチレンを、以下の表に示すようにかさ密度１．１ｌｂ／ｆｔ^３を有するプレパフ粒子へと予備発泡した。このプレパフ粒子を、３．５立方フィートドラム混合機中で、以下の表に示す成分を含むＬＷＣ組成物へと配合した。

以下のデータ表は、プレパフ負荷、コンクリート強度およびコンクリート密度の間の関係を数値的に表している。

データは、一定の発泡粒子密度において、ＬＷＣ組成物中に負荷したプレパフ粒子が増加すると、軽量コンクリートの密度および圧縮強度が減少することを示している。

未発泡ビーズ形態（０．６５ｍｍ）におけるポリスチレンを、以下の表に示すように様々な密度を有するプレパフ粒子へと予備発泡した。このプレパフ粒子を、３．５立方フィートドラム混合機中で、以下の表に示す成分を含むＬＷＣ組成物へと配合した。

以下の表は、配合物の重量に対して一定のコンクリートプレパフ負荷における、プレパフ密度とコンクリート強度の間の関係を数値的に表している。

データは、軽量コンクリート組成物中のプレパフ粒子密度が、（重量基準で）一定のプレパフ粒子負荷において増加すると、軽量コンクリート密度および圧縮強度が増加することを示している。

未発泡ビーズ形態（０．６５ｍｍ）におけるポリスチレンを、以下の表に示すように様々な密度を有するプレパフ粒子へと予備発泡した。このプレパフ粒子を、３．５立方フィートドラム混合機中で、以下の表に示す成分を含むＬＷＣ組成物へと配合した。

以下の表は、一定のコンクリート密度における、プレパフ密度とコンクリート強度の間の関係を数値的に表している。

データは、一定のコンクリート密度において、ＬＷＣ組成物中におけるプレパフ粒子密度が増加すると、ＬＷＣの圧縮強度が増加することを示している。

未発泡ビーズ形態中のポリスチレン（０．６５ｍｍ）を、以下の表に示すような様々な密度を有するプレパフ粒子へと予備発泡した。プレパフ粒子は、３．５立方フィートドラム混合機中で、以下の表に示す成分を含むＬＷＣ組成物へと配合した。

以下のデータ表は、一定のコンクリート密度における、プレパフ密度とコンクリート強度の間の関係を数値的に表している。

データは、一定のコンクリート密度において、ＬＷＣ組成物中におけるプレパフ粒子密度が増加すると、ＬＷＣの圧縮強度が増加することを示している。

以下の実施例は、本発明のプレパフ粒子と組み合わせて使用した骨材としての発泡スレートの使用を実証する。未発泡ビーズ形態におけるポリスチレンを、以下の表に示すような様々な密度を有するプレパフ粒子へと予備発泡した。プレパフ粒子は、３．５立方フィートドラム混合機中で、以下の表に示すような成分を含むＬＷＣ組成物へと配合した。

データは、軽量コンクリート組成物中で、本発明のプレパフおよび骨材としての発泡スレートを使用して所望の軽量コンクリートを得ることができることを示している。

以下の実施例は、本発明のプレパフ粒子と組み合わせて使用した骨材としての発泡スレートの使用を実証する。未発泡ビーズ形態におけるポリスチレンを、以下の表に示すような様々な密度を有するプレパフ粒子へと予備発泡した。プレパフ粒子は、３．５立方フィートドラム混合機中で、以下の表に示すような成分を含むＬＷＣ組成物へと配合した。

１フィート平方、４インチ厚さのコンクリート形態を、以下の表の実施例ＸおよびＹにより調製した配合物を型に流し込み、配合物を２４時間硬化することによって作製した。

７日後、１フィート平方、０．５インチの合板のシートを、形成したコンクリートに直接取付けた。適切に取付けするためには、最低１インチ貫入させることが必要であった。結果を以下の表に示す。

データは、本発明の軽量コンクリート組成物が、スレートなしで、標準的留め具を使用し、伝統的な発泡スレート配合物に比べて優れた把持能力を合板に提供すること、一方ではスレート含有コンクリートは、容易には留め具を受け入れなかったことを実証している。これは、留め具をコンクリートに取り付けることを可能にするために、アンカーをコンクリートに固定する時間のかかる作業をなくすことができるので、従来技術に対する改善を表す。

１フィート平方、４インチ厚さのコンクリート形態を、実施例ＸおよびＹの配合物を型に流し込み、配合物を２４時間硬化することによって作製した。７日後、１フィート平方、０．５インチの合板のシートを、標準１．７５インチ乾式壁ねじを用いて、形成したコンクリートに直接取付けた。適切に取付けするためには、ねじを最低１インチ貫入させることが必要であった。結果を以下の表に示す。

データは、本発明の軽量コンクリート組成物が、スレートなしで、伝統的な発泡スレート配合物に比べて優れた把持能力を合板に提供すること、スレート含有コンクリートは、容易には留め具を受け入れなかったことを実証している。これは、留め具をコンクリートに取り付けるために、乾式壁をコンクリートに付着させるのに、くぎ止めスタッドをコンクリートに取付けする時間のかかる作業をなくすことができるので、従来技術に対する改善を表す。

２フィート平方、４インチ厚さのコンクリート形態を、実施例ＸおよびＹの配合物を型に流し込み、配合物を２４時間硬化することによって作製した。７日後に、長さ３インチ、２インチ×４インチスタッドを、標準１６ｄくぎを用いて直接成形したコンクリートへと取付けた。適切な取付けのためには、最小２インチのくぎの貫入が必要であった。結果を以下の表に示す。

データは、本発明の軽量コンクリートは、スレートなしで、容易には留め具を受け入れなかった伝統的な発泡スレート配合物に比べて優れた把持能力を提供することを実証している。これは、ＴＡＰＣＯＮ（登録商標）（Ｉｌｌｉｎｏｉｓ Ｔｏｏｌ Ｗｏｒｋｓ Ｉｎｃ．、Ｇｌｅｎｖｉｅｗ、イリノイ州から入手可能）または類似の留め具鉛、リードアンカー、またはスタッドをコンクリートに硬化するという当技術分野において知られている他の方法の、費用がかかり、時間を消費する作業をなくすことができるので、従来技術の改善を表す。

以下の表に示す構成要素を使用して、付加的骨材なしのコンクリートを作製した。

データは、最大の圧縮強度組成物を提供するのに必要な平均プレパフ寸法は、ある程度までは、プレパフの発泡率に依存する。平均プレパフ寸法だけに焦点を合わせることは、最大の可能性のあるコンクリート強度の良好な指標とはならない。この点は、実施例ＢＢとＦＦを比較することによって説明される。実施例ＦＦ（１．５４ｍｍ寸法）は１８×発泡率において最大圧縮強度を示していないが、４８×に発泡したビーズから得られるのは最大強度近くである。

プレパフ寸法と発泡率の組合せを使用することで、最大コンクリート強度の指標を提供することができる。一例として、実施例ＡＡ（プレパフ寸法１．３５ｍｍおよび発泡率４８）は、１７５０ｐｓｉの圧縮強度を有する９３ｐｃｆコンクリートを提供するが、一方では類似の寸法のプレパフの実施例ＩＩ（プレパフ寸法１．４１ｍｍおよび発泡率１２）は、著しく高い２１００ｐｓｉの圧縮強度を有する９０ｐｃｆコンクリートを提供する。したがって、プレパフ粒径が、最適な範囲内の本発明の軽量コンクリート組成物においては、より小さなプレパフ寸法とより低い発泡率がより高い圧縮強度を提供する。

骨材として発泡スレートを有するコンクリートを、以下の表に示す構成要素を用いて作製した。

データは、スレート濃度が増加すると約９０ｐｃｆ密度のコンクリートを維持するのに求められるＥＰＳ容積がいくぶん直線的に減少するが、本発明の軽量コンクリートの強度は、配合物中のスレートの量が増加すると指数関数的に増加することを示している。この関係は、本発明の軽量コンクリート配合物中に骨材を含むことの潜在的に重要な影響を強調し、所望の密度において強度を最大化するために、配合物中のＥＰＳおよび骨材の量を最適化するための可能性を実証する。加えて、様々な成分の費用もそのような設計に含ませることができ、軽量コンクリートの配合は、最大の強度と最低の費用の両方に関して最適化できる。

未発泡ＥＰＳ（１０３７Ｃ）および追加の骨材を含まないコンクリートを、以下の表に示す構成要素を用いて作製した。

データは、未発泡ポリスチレン樹脂ビーズ（かさ密度〜４０ｐｃｆ）が、低密度（７６〜１００ｐｃｆ）において、驚くほど高い圧縮強度（２５００〜３２００ｐｓｉ）を有する軽量コンクリート組成物を提供できることを示している。

Ｆ２７１Ｔビーズから１．２ｌｂ／ｆｔ^３へと発泡したプレパフ、Ｆ２７１Ｃビーズから１．３ｌｂ／ｆｔ^３へと発泡したプレパフおよびＭ９７ＢＣから１．５ｌｂ／ｆｔ^３へと発泡したプレパフを、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて評価した。各表面および内部セルを、図２０および２１（Ｆ２７１Ｔ）、図２２および２３（Ｆ２７１Ｃ）、ならびに図２４および２５（Ｍ９７ＢＣ）にそれぞれ示す。

図２５、２７および２９に示すように、プレパフ粒子の外部構造は、一般的に連続的な外面または表皮を有する球形の形状であった。図２６、２８および３０に示すように、プレパフ試料の内部セル構造は、ハニカム型構造に類似している。

プレパフ粒子の寸法も、ＳＥＭを使用して測定した。結果を以下の表に示す。

上記に示された全てのデータを考慮すると、データは、内部セル構造が、軽量コンクリート配合物の強度に影響する場合があるという兆候を示している。

プレパフ粒子は、軽量コンクリート組成物中で使用した場合、コンクリートの総合強度に２通りの影響を及ぼすことができる。第１に、低い密度を有する大きな粒子は、プレパフ粒子の周囲のコンクリートマトリックスを変えることであり、第２に、低密度プレハブ粒子は発泡粒子のセル構造の故に強固さが小さいことである。コンクリートの強度は、少なくともある程度までは、プレパフ粒子の強度に依存するので、プレパフ粒子の強度が増加すれば、軽量コンクリートの強度が増加する結果となるはずである。潜在的な強度増加は、これがコンクリートマトリックスへ影響する程度によって制限され得る。本実施例のデータは、最初のビーズ粒径は、軽量コンクリートの可能な限り最も高い強度につながる最適な寸法のプレパフ粒子（この寸法はプレハブ密度によって制御される。）を提供するように最適化できることを示唆している。

換言すれば、最適なプレパフ粒径および最適密度範囲内において、プレパフの壁厚さが十分な支援を与えて、本発明の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よりも良好な強度を有することを可能にする。

本明細書において提供されたデータは、従来技術の予測やアプローチと異なり、発泡ＥＰＳ粒子は、単にコンクリート中の空間としての働きを超えて驚くべき作用ができることを実証している。より具体的には、本発明で使用したプレパフ粒子の構造および特性は、得られた軽量コンクリート組成物の強度を著しく向上させることができる。

この実施例は、留め具の本発明の軽量コンクリート組成物における使用および関連する引抜強度について実証する。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負荷容量と、通常重量および従来型軽量コンクリートに取り付けた従来形留め具を比較するために使用した。

留め具引抜試験は、以下の表の配合に従って上記で説明した様に作製した、３種類のコンクリート、すなわち、通常重量の、１４３ｐｃｆ（試料ＭＭ、１４０ｐｃｆ通常コンクリート）、発泡スレート（１２３ｐｃｆ）を使用した軽量コンクリート（試料ＮＮ、１２０ｐｃｆ ＬＷＣ）、およびＥＰＳ（８７ｐｃｆ）を有する軽量コンクリート（試料ＯＯ、９０ｐｃｆ ＬＷＲ）について実施した。

重力を用いて、各留め具から垂直にウェイトをかけ、留め具の軸に一致して荷重が適用されることを可能にする装置を作製した。９０ｐｃｆ ＬＷＣは、約１．５インチの深さに直接取り付けられた２．５インチ標準乾式壁ねじを有していた。１２０ｐｃｆ ＬＷＣは、予備掘削した穴に取り付けた２種類の留め具、すなわち、約２インチの深さに取り付けた２．７５インチＴＡＰＣＯＮ（登録商標）金属製ねじ型石工硬化アンカー（Ｉｌｌｉｎｏｉｓ Ｔｏｏｌ Ｗｏｒｋｓ Ｉｎｃ．、Ｇｌｅｎｖｉｅｗ、イリノイ州）および約１．２５インチの深さに取り付けられた標準２．２５インチ拡張ウェッジ−クリップボルト／ナットアンカーを有していた。１４０ｐｃｆ通常コンクリートも、予備掘削した穴に取り付けられた２種類の留め具、すなわち、約２インチの深さに取り付けられた２．７５インチＴＡＰＣＯＮアンカーおよび約１．２５インチの深さに取り付けられた標準２．２５インチ拡張ウェッジ−クリップボルト／ナットアンカーを有していた。軽量コンクリート中の乾式壁ねじの１つを取り除いて、試験のために同じ止め穴へと再設置した。同じくＴＡＰＣＯＮねじの１つを、容量の損失を評価するために、除去し再設置した。以下の表は、データおよび試験した各アンカー／留め具の装填を示す。

９０ｐｃｆ ＬＷＣにおける乾式壁ねじの保持力は、ねじを容易に抜いたり引き剥がしたりすることができず、驚くほど高かった。乾式壁ねじは、標準寸法の電気ドリルを必要とするだけで、取り付けることが容易であった。９０ｐｃｆ ＬＷＣにおける乾式壁ねじの握力は、もしもドリルのトルクの適用を、ねじ頭部がコンクリートの表面に達する前に止めなかったら、ねじの頭部はねじ切れたに違いないほどのものであった。全ての留め具は、取り出して再挿入した９０ｐｃｆ ＬＷＣにおける乾式壁ねじ（これはコンクリートから引き抜かれるまで、７００ポンドの荷重を３０秒間保持した。）を除き、７４０ポンドの荷重を少なくとも１０分間保持した。この乾式壁ねじは、破壊点で破壊されず、コンクリートから抜き取られた。

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配合物の圧縮強度を最大化する最適なプレパフビーズ寸法（限定されない例として、９０ｐｃｆ軽量コンクリートに関しては、約１０〜２０ｃｃ／ｇの発泡率で約７５０〜１４００μｍ直径のプレパフに発泡した樹脂ビーズ約４５０〜５５０μｍ）が存在することが実証された。本発明の軽量コンクリート配合物の圧縮強度は、本発明のＥＰＳプレパフビーズの密度を増加させることによって増加させることができる。未発泡ポリスチレン樹脂（約４０ｐｃｆかさ密度）が、低密度（７６〜１００ｐｃｆ）であることを考えれば、高い圧縮強度（２５００〜３２００ｐｓｉ）のＬＷＣを生み出す。骨材を、本発明の軽量コンクリート配合物中に使用することができる。本発明の軽量コンクリート配合物は、粗い骨材なしで、標準のドリルおよびねじを用いて直接硬化することができるコンクリート組成物を提供する。ＥＰＳプレパフビーズが低いかさ密度（例えば＜１ｐｃｆ）に発泡した場合、ビーズは弱い内部セル構造を有し、これは弱い発泡体を作り出す、言い換えれば低い圧縮強度を有する軽量コンクリート組成物を提供する。

本発明は、本発明の特定の実施形態に関して特に詳細に説明してきた。かかる詳細な説明は、添付の特許請求の範囲に含まれない限りまたそれに含まれる場合を除き、本発明の範囲を制限すると見なされることを意図するものではない。

本発明で使用したプレパフビーズ表面の走査電子顕微鏡写真である。 本発明で使用したプレパフビーズ内部の走査電子顕微鏡写真である。 本発明で使用したプレパフビーズ表面の走査電子顕微鏡写真である。 本発明で使用したプレパフビーズ内部の走査電子顕微鏡写真である。 本発明で使用したプレパフビーズ表面の走査電子顕微鏡写真である。 本発明で使用したプレパフビーズ内部の走査電子顕微鏡写真である。

Claims (25)

1. セメント組成物１０から９０容積パーセントまでと、０．２ｍｍから８ｍｍまでの平均粒径、０．０２８ｇ／ｃｃから０．６４ｇ／ｃｃまでのかさ密度、１から３までのアスペクト比を有する粒子１０から９０容積パーセントまでと、骨材０から５０容積パーセントまでとを含む軽量コンクリート組成物でありここで、使用する成分の合計は１００容積パーセントを超えず、軽量コンクリート組成物は硬化してから７日後に、ＡＳＴＭ Ｃ３９で試験して少なくとも１７００ｐｓｉの圧縮強度を有する軽量コンクリート組成物。
2. 粒子が、実質的に連続した外層を有する、請求項１に記載の軽量コンクリート組成物。
3. 粒子が、少なくとも０．１５μｍの内部セル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。
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、および／または無水マレイン酸の１つまたはそれ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；およびこれらの組合せからなる群から選択される１つまたはそれ以上のポリマーを含む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。
5. 粒子が、約０．２ｍｍから約２ｍｍまでの未発泡の平均樹脂粒径を有するポリマービーズを発泡することによって調製された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。
6. 粒子が、約０．３ｍｍから約５ｍｍまでの平均粒径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。
7. セメント組成物が連続相を含み、粒子が、前記連続相中に個別の粒子の分散相を含む、分散体としての、請求項１に記載の軽量コンクリート組成物。
8. 分散体を安定化するための湿潤剤または分散剤を含まない、請求項７に記載の軽量コンクリート組成物。
9. 粒子の少なくとも一部が、立方格子または六方格子に配列されている、請求項１に記載の軽量コンクリート組成物。
10. セメント組成物が、水硬性セメント組成物を含む、請求項１に記載の軽量コンクリート組成物。
11. 水硬性セメントが、ポルトランドセメント、ポゾランセメント、石膏セメント、石膏組成物、アルミナセメント、マグネシアセメント、シリカセメント、およびスラグセメントからなる群から選択される１つまたはそれ以上の材料を含む、請求項１０に記載の軽量コンクリート組成物。
12. セメント質混合物が、砂、微細骨材、粗骨材、可塑剤、および／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。
13. 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、繊維ガラス、これらの混合物、前記繊維を含む織物、および前記繊維の組合せを含む織物からなる群から選択される、請求項１２に記載の軽量コンクリート組成物。
14. 粗骨材が、石、砂利、粉砕した粒状高炉スラグ、フライアッシュ、ガラス、シリカ、発泡スレート、粘土、軽石、パーライト、バーミキュライト、鉱滓、珪藻土、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、およびこれらの組合せからなる群から選択される、請求項１２に記載の軽量コンクリート組成物。
15. 約４０ｌｂ／ｆｔ^３から約１３０ｌｂ／ｆｔ^３までの密度を有する、請求項１に記載の軽量コンクリート組成物。
16. 形成し硬化した軽量コンクリート組成物に、１．５インチの深さまでねじ込んだ２．５インチの標準乾式壁ねじが、５００ポンドの力を、ねじ込んだ面に対して垂直に１分間加えても除去されない、請求項１に記載の軽量コンクリート組成物。
17. 請求項１に記載の軽量コンクリート組成物を含む路盤。
18. 建設物品の形態に成型硬化した、請求項１に記載の軽量コンクリート組成物。
19. コンクリート石工ユニットの形態に成型硬化した、請求項１に記載の軽量コンクリート組成物。
20. 請求項１に記載の組成物を含む、プレキャストおよび／またはプレストレス建設物品。
21. 建設パネルの形態に成型硬化した、請求項１に記載の軽量コンクリート組成物。
22. 硬化軽量コンクリート組成物の所望の密度および強度特性を確定するステップと、
    軽量コンクリート組成物中で使用するために発泡させるポリマービーズの種類、寸法および密度を決定するステップと、
    前記ポリマービーズが発泡されていることになっている寸法および密度を決定するステップと、
    前記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するステップと、
    軽量コンクリート組成物を形成するために前記発泡ポリマービーズを、水硬性セメント組成物を含むセメント質混合物中に分散するステップと、
    軽量コンクリート組成物を所望の形状に硬化させるステップとを含む、最適化された軽量コンクリート組成物物品を製造する方法。
23. 有限要素解析を、発泡させるポリマービーズの種類、寸法および密度の決定、ならびにポリマービーズが発泡されることになっている寸法および密度の決定に使用する、請求項２２に記載の方法。
24. 請求項２２に記載の方法により製造した軽量コンクリート物品。
25. ＩＩＩ型ポルトランドセメントを含む、セメント組成物１０から６０容積パーセントまで、
    ０．２ｍｍから５ｍｍまでの平均粒子径、０．０３２ｇ／ｃｃから０．５６ｇ／ｃｃまでのかさ密度、および１から２までのアスペクト比を有する、発泡ポリマー粒子２０から７８容積パーセントまで、
    １つまたはそれ以上の骨材５から３５容積パーセントまで、
    消泡剤、防水剤、分散剤、硬化促進剤、硬化抑制剤、可塑剤、流動化剤、凝固点降下剤、接着性改善剤、着色剤およびこれらの組合せから選択される、１つまたはそれ以上の添加物０．１から１容積パーセントまで
    を含み、
    ここで、使用した成分の合計は１００容積パーセントを超えず、および
    軽量セメント質組成物は硬化した後、７日後にＡＳＴＭ Ｃ３９により試験した場合、少なくとも２０００ｐｓｉの圧縮強度を有している軽量コンクリート組成物。

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