CN102712548B - 使用碳酸钙的方法和组合物 - Google Patents

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Abstract

在此提供了组合物以及方法，包括水硬水泥、辅助胶凝材料、和/或自胶结组合物。提供了制造这些组合物以及使用这些组合物的方法。

Description

使用碳酸钙的方法和组合物
相关申请的交叉引用
本申请要求2009年12月31日提交的美国临时申请号61/291,811、2010年7月1日提交的美国临时申请号61/360,829、以及2010年8月6日提交的美国临时申请号61/371,606的优先权，将所有这些申请通过引用以其全部内容结合在此。
政府支持
在此描述的工作全部或部分地是以能源部授予的奖金号DE-FE0002472在政府支持下进行的。该政府在本发明中拥有某些权利。
背景
碳酸钙被用于从造纸、到粘合剂生产、到建筑的各行各业中。由二氧化碳隔离法形成的碳酸钙可以用于上述许多应用中并且实际上用于两个目的：隔离二氧化碳并且用作碳酸钙原料。这个双重目的对于环境倍加有益的一个领域是建筑材料，尤其是水泥和混凝土。由于常规水泥的生产是加剧二氧化碳到大气中的排放的因素之一(这是通过常规水泥的煅烧以及加热这些窑炉所需能量)，因此减少常规水泥的用量可以帮助减少地球大气中二氧化碳的量。
概述
在一个方面，提供了一种组合物，该组合物包含一种水硬水泥，该水硬水泥包含至少47％w/w的球方解石，其中该组合物在与水组合、凝固并硬化之后具有至少14MPa的抗压强度。在一个方面，提供了一种组合物，该组合物包含一种水硬水泥，该水硬水泥包含至少47％w/w的球方解石，其中该组合物具有小于-12‰的碳同位素分化值(δ13C)。在一个方面，提供了一种组合物，该组合物包含一种水硬水泥，该水硬水泥包含至少10％w/w的球方解石以及至少1％w/w的非晶碳酸钙(ACC)，其中该组合物在与水组合、凝固并硬化之后具有至少14MPa的抗压强度。在一个方面，提供了一种组合物，该组合物包含一种水硬水泥，该水硬水泥包含至少10％w/w的球方解石以及至少1％w/w的非晶碳酸钙(ACC)，其中该组合物具有小于-12‰的碳同位素分化值(δ13C)。
下面提供了上述这些方面的一些实施方案。
在一些实施方案中，该组合物在与水组合、凝固并硬化之后具有至少14MPa的抗压强度。在一些实施方案中，该组合物在与水组合、凝固并硬化之后具有在14-80MPa范围内的抗压强度。在一些实施方案中，该组合物在与水组合、凝固并硬化之后具有在20-40MPa范围内的抗压强度。在一些实施方案中，该组合物在与水组合、凝固并硬化之后具有在14-35MPa范围内的抗压强度。
在一些实施方案中，该组合物具有在-12‰至-25‰之间的δ13C。在一些实施方案中，该组合物具有小于-20‰的δ13C。在一些实施方案中，该组合物具有小于-25‰的δ13C。
在一些实施方案中，该球方解石是在47％w/w至99％w/w的范围内。在一些实施方案中，该球方解石是在10％w/w至99％w/w的范围内并且该ACC是在1％w/w至90％w/w的范围内。在一些实施方案中，该球方解石为至少75％w/w。在一些实施方案中，该球方解石为至少90％w/w。在一些实施方案中，该球方解石为至少95％w/w。在一些实施方案中，该球方解石为至少99％w/w。在一些实施方案中，该ACC为至少5％w/w。在一些实施方案中，该ACC为5％-30％w/w。
在一些实施方案中，该组合物进一步包括一种选自下组的多晶型物，该组由以下各项组成：非晶碳酸钙、霰石、方解石、六水碳钙石、球方解石的前体相、霰石的前体相、一种不及方解石稳定的中间相、在这些多晶型物之间的多晶形式、以及它们的组合。在一些实施方案中，该组合物进一步包括一种选自下组的多晶型物，该组由以下各项组成：霰石、方解石、六水碳钙石、球方解石的前体相、霰石的前体相、一种不及方解石稳定的中间相、在这些多晶型物之间的多晶形式、以及它们的组合。在一些实施方案中，该球方解石和多晶型物是处于大于1∶1的球方解石∶多晶型物之比。在一些实施方案中，该球方解石和多晶型物是处于1∶1至20∶1的球方解石∶多晶型物之比。在一些实施方案中，该球方解石和多晶型物是处于大于1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、或5∶1的球方解石∶多晶型物之比。在一些实施方案中，该球方解石和多晶型物是处于9∶1-20∶1的球方解石∶多晶型物之比。
在一些实施方案中，该组合物进一步包括至少1％w/w的霰石或在1％w/w至80％w/w之间的霰石。在一些实施方案中，该组合物进一步包括至少1％w/w的方解石或在1％w/w至80％w/w之间的方解石。在一些实施方案中，该组合物进一步包括1％w/w至25％w/w的方解石。在一些实施方案中，该组合物进一步包括至少1％w/w的六水碳钙石或在1％w/w至80％w/w之间的六水碳钙石。在一些实施方案中，该组合物进一步包括至少1％w/w的ACC或在1％w/w至90％w/w之间的ACC以及选自下组的一种或多种多晶型物，该组由以下各项组成：霰石、方解石、以及六水碳钙石，其中该霰石、该方解石和/或该六水碳钙石是以至少1％w/w或在1％w/w至80％w/w之间存在。在一些实施方案中，该组合物进一步包括选自下组的一种或多种多晶型物，该组由以下各项组成：霰石、方解石、六水碳钙石以及它们的组合，其中该霰石、方解石、六水碳钙石、或它们的组合是以至少1％w/w存在或者独立地处于1％w/w至80％w/w之间的范围内。在一些实施方案中，该组合物进一步包括1％-80％w/w的霰石以及1％-80％w/w的方解石。
在一些实施方案中，该组合物进一步包含锶(Sr)。在一些实施方案中，Sr是以1-50,000百万分率(ppm)的量值存在。在一些实施方案中，Sr是存在于该球方解石的晶格中。
在一些实施方案中，该组合物进一步包含镁(Mg)。在一些实施方案中，Mg是作为一种碳酸盐存在。在一些实施方案中，该球方解石和该碳酸镁是处于大于1∶1或在1∶1-500∶1之间的球方解石∶碳酸镁之比。在一些实施方案中，Mg少于2％w/w。
在一些实施方案中，该组合物进一步包含一种硫酸盐。在一些实施方案中，该组合物进一步包含量值小于100,000ppm的钠(Na)。在一些实施方案中，该组合物不含磷酸钙。在一些实施方案中，该组合物具有量值小于20,000ppm的磷酸钙。
在一些实施方案中，该组合物是一种具有0.1-100微米的平均粒度的微粒组合物。在一些实施方案中，该组合物是一种具有1-50微米的平均粒度的微粒组合物。在一些实施方案中，该组合物是一种具有1-10微米的平均粒度的微粒组合物。
在一些实施方案中，该组合物具有的堆密度在75lb/ft3-170lb/ft3之间。在一些实施方案中，该组合物具有的堆密度在75lb/ft3-125kg/ft3之间。
在一些实施方案中，该组合物具有的平均表面积是从0.5m2/gm-50m2/gm。在一些实施方案中，该组合物具有的平均表面积是从2m2/gm-10m2/gm。
在一些实施方案中，该组合物进一步包含氮氧化物，硫氧化物，汞，金属，氮氧化物、硫氧化物、汞、和/或金属中任何一种的衍生物，或它们的组合。
在一些实施方案中，该组合物进一步包含波特兰水泥熔块、骨料、辅助胶凝材料(SCM)、或它们的组合。在一些实施方案中，该SCM包括炉渣、飞灰、硅灰、煅烧粘土、或它们的组合。在一些实施方案中，该骨料包括砂、砾石、碎石、炉渣、再生混凝土、或它们的组合。
在一些实施方案中，该组合物具有大于-25mV的ζ电位。在一些实施方案中，该组合物具有在-25至45mV之间或在-25至10mV之间的ζ电位。在一些实施方案中，该组合物具有在-25mV至1mV范围内的ζ电位。
在一些实施方案中，该组合物中的钙离子∶碳酸根离子之比是大于1∶1。在一些实施方案中，该组合物中的钙离子∶碳酸根离子之比是1.5∶1或2∶1。
在一些实施方案中，该组合物是合成的。在一些实施方案中，该组合物是非天然存在的。在一些实施方案中，该组合物是处于粉末形式。在一些实施方案中，该组合物是处于干燥粉末形式。在一些实施方案中，该组合物是无序的或不是处于有序排列中的。
在一个方面，提供了一种建筑材料，该建筑材料包含本发明的上述组合物或其凝固且硬化后的形式。在一些实施方案中，该建筑材料是选自下组，该组由以下各项组成：建筑物、车道、地基、厨房厚板、家具、人行道、公路、桥梁、高速公路、立交桥、停车结构、砖、砌块、墙壁，门、围栏、或杆子的桩，以及它们的组合。在一个方面，提供了一种成形的建筑材料，该成形的建筑材料包含本发明的上述组合物或其凝固且硬化后的形式。在另一个方面，提供了一种骨料，该骨料包含本发明的上述组合物或其凝固且硬化后的形式。在另一个方面，提供了一种包装物，该包装物包含本发明的上述组合物以及一种适合容纳该组合物的包装材料。在一些实施方案中，该包装材料是一种储仓。
在另一方面，提供了使用本发明的上述组合物来制造水泥的一种方法，该方法包括在一项或多项适合的条件下将水加入本发明的组合物中以制造水泥。
在另一方面，提供了制造本发明的上述组合物的一种方法，该方法包括(a)使含有碱土金属的水与来自工厂的一种含化石来源的碳的烟气相接触；并且(b)使步骤(a)的含有碱土金属的水经受一项或多项条件以制造本发明的组合物。在又一个方面，提供了制造上述组合物的一种方法，该方法包括(a)使含有碱土金属的水与一种CO2来源相接触；并且(b)使步骤(a)的含有碱土金属的水经受一项或多项条件以制造一种组合物，其中该组合物包含至少47％w/w的球方解石并且其中该组合物在与水组合、凝固并硬化后具有至少14MPa的抗压强度。
在一些实施方案中，该CO2来源是含有来自燃烧过程的烟气的一种工业废气流；来自化学处理设备的一种烟气；来自产生作为副产物的CO2的设备的一种烟气；或它们的组合。在一些实施方案中，该含有碱土金属的水是海水、浓浓盐水、或它们的组合。在一些实施方案中，该一项或多项条件包括温度、pH、沉淀作用、沉淀物的停留时间、沉淀物的脱水、用水洗涤该沉淀物、干燥、研磨、和/或储存。在一些实施方案中，该一项或多项条件包括使该含有碱土金属的水与一种质子去除剂相接触。在一些实施方案中，该质子去除剂是选自下组，该组由以下各项组成：氧化物、氢氧化物、碳酸盐、粉煤灰、天然矿物、以及它们的组合。在一些实施方案中，该一项或多项条件包括使该含有碱土金属的水经受电化学条件。
在另一方面，提供了一种通过上述这些方法制造的组合物。
在又一个方面，提供了制造本发明的上述组合物的一种系统，该系统包括：(a)用于含有碱土金属的水的一个输入端；(b)用于来自工厂的一种含化石来源的碳的烟气的一个输入端；以及(c)连接到步骤(a)和步骤(b)的输入端上的一个反应器，该反应器被配置成制造本发明的组合物。在一个方面，提供了制造上述组合物的一种系统，该系统包括(a)用于含有碱土金属的水的一个输入端；(b)用于CO2来源的一个输入端；以及(c)连接到步骤(a)和步骤(b)的输入端上的一个反应器，该反应器被配置成制造一种组合物，其中该组合物包含至少47％w/w的球方解石并且其中该组合物在与水组合、凝固并硬化后具有至少14MPa的抗压强度。
在又一方面，提供了由本发明的上述组合物来制造水泥产品的一种方法，该方法包括(a)使本发明的组合物与一种水性介质在一项或多项适当条件下进行组合；并且(b)允许该组合物凝固并硬化成为一种水泥产品。在一些实施方案中，该水性介质包括淡水。在一些实施方案中，该一项或多项适当条件是选自下组，该组由以下各项组成：温度、pH、压力、凝固时长、水性介质与组合物之比、以及它们的组合。在一些实施方案中，温度是在0-100℃、37℃-60℃或40℃-60℃的范围内。在一些实施方案中，压力为大气压。在一些实施方案中，凝固该水泥产品的时长是在30分钟到48小时的范围内。在一些实施方案中，水性介质∶组合物之比为0.1-10。在一些实施方案中，水性介质∶组合物之比为0.5-2。在一些实施方案中，该方法进一步包括在步骤(a)之前将该组合物与一种波特兰水泥熔块、骨料、SCM、或它们的组合进行组合，然后与该水性介质进行组合。
在一些实施方案中，该水泥产品是一种建筑材料，该建筑材料是选自下组，该组由以下各项组成：建筑物、车道、地基、厨房厚板、家具、人行道、公路、桥梁、高速公路、立交桥、停车结构、砖、砌块、墙壁，门、围栏、或杆子的桩，以及它们的组合。在一些实施方案中，该水泥产品是一种成形的建筑材料。在一些实施方案中，该方法进一步包括将该产品输送到一个地下位置。
在又一方面，提供了由本发明的上述组合物来制造水泥产品的一种系统，该系统包括(a)用于本发明的组合物的一个输入端；(b)用于水性介质的一个输入端；以及(c)连接到步骤(a)和步骤(b)上的一个反应器，该反应器被配置成将本发明的组合物与该水性介质在一项或多项适当条件下进行混合以制造水泥产品。在一些实施方案中，该一项或多项适当条件是选自下组，该组由以下各项组成：温度、压力、凝固时长、水性介质与组合物之比、以及它们的组合。在一些实施方案中，该系统进一步包括在该混合步骤(c)之后用来过滤该组合物的一个过滤步骤。在一些实施方案中，该系统进一步包括用来干燥该过滤后的组合物以制造该水泥产品的一个干燥步骤。
在又一个方面，提供了制造一种具有所希望的抗压强度的水泥产品的一种方法，该方法包括：(a)将一种组合物与一种水性介质在一项或多项条件下进行组合，该条件是选自下组，该组由以下各项组成：温度、压力、凝固时长、水性介质与组合物之比、以及它们的组合，其中该组合物包含至少47％w/w的球方解石、或至少10％w/w的球方解石以及至少1％w/w的ACC，其中该组合物具有小于-12‰的碳同位素分化值(δ13C)；(b)优化或调整步骤(a)的条件中的一项或多项；并且(c)允许该组合物凝固并硬化成为一种具有所希望的抗压强度的水泥产品。
在又一个方面，提供了制造一种具有所希望的抗压强度的水泥产品的一种方法，该方法包括：(a)将一种组合物与一种水性介质在一项或多项条件下进行组合，该条件是选自下组，该组由以下各项组成：温度、压力、凝固时长、水性介质与组合物之比、以及它们的组合，其中该组合物包含至少47％w/w的球方解石、或至少10％w/w的球方解石以及至少1％w/w的ACC，其中该组合物在与水组合、凝固并硬化之后具有至少14MPa的抗压强度；(b)优化或调整步骤(a)的条件中的一项或多项；并且(c)允许该组合物凝固并硬化成为一种具有所希望的抗压强度的水泥产品。
在一个方面，提供了一种组合物，该组合物包含一种辅助胶凝材料(SCM)，该SCM包含至少47％w/w的球方解石，其中该组合物在与水、或与水以及水泥组合、凝固并硬化之后具有至少14MPa的抗压强度。在一个方面，提供了一种组合物，该组合物包含一种SCM，该SCM包含至少47％w/w的球方解石，其中该组合物具有小于-12‰的碳同位素分化值(δ13C)。在一个方面，提供了一种组合物，该组合物包含一种SCM，该SCM包含至少10％w/w的球方解石以及至少1％w/w的非晶碳酸钙(ACC)，其中该组合物在与水或水以及水泥组合、凝固并硬化之后具有至少14MPa的抗压强度。在一个方面，提供了一种组合物，该组合物包含一种SCM，该SCM包含至少10％w/w的球方解石以及至少1％w/w的非晶碳酸钙(ACC)，其中该组合物具有小于-12‰的碳同位素分化值(δ13C)。
下面提供了上述这些方面的一些实施方案。
在一些实施方案中，该组合物具有至少14MPa的抗压强度。在一些实施方案中，该组合物具有至少在20-40MPa范围内的抗压强度。在一些实施方案中，该组合物具有至少在14-35MPa范围内的抗压强度。
在一些实施方案中，该组合物具有在-12‰至-25‰之间的δ13C。在一些实施方案中，该组合物具有在-12‰至-20‰之间的δ13C。在一些实施方案中，该组合物具有为-20‰的δ13C。在一些实施方案中，该组合物具有小于-20‰的δ13C。
在一些实施方案中，该组合物包含的球方解石是在47％w/w至99％w/w的范围内。在一些实施方案中，该球方解石是在10％w/w至99％w/w的范围内并且该ACC是在1％w/w至90％w/w的范围内。在一些实施方案中，该球方解石是在10％w/w至80％w/w的范围内并且该ACC是在20％w/w至90％w/w的范围内。在一些实施方案中，该球方解石为至少75％w/w。在一些实施方案中，该球方解石为至少90％w/w。在一些实施方案中，该球方解石为至少95％w/w。在一些实施方案中，该球方解石为至少99％w/w。在一些实施方案中，该ACC为至少5％w/w。在一些实施方案中，该ACC为5％-30％w/w。
在一些实施方案中，该组合物进一步包括一种选自下组的多晶型物，该组由以下各项组成：非晶碳酸钙、霰石、方解石、六水碳钙石、球方解石的前体相、霰石的前体相、一种不及方解石稳定的中间相、在这些多晶型物之间的多晶形式、以及它们的组合。在一些实施方案中，该组合物进一步包括一种选自下组的多晶型物，该组由以下各项组成：霰石、方解石、六水碳钙石、球方解石的前体相、霰石的前体相、一种不及方解石稳定的中间相、在这些多晶型物之间的多晶形式、以及它们的组合。在一些实施方案中，该球方解石和多晶型物是处于大于1∶1的球方解石∶多晶型物之比。在一些实施方案中，该球方解石和多晶型物是处于1∶1至20∶1的球方解石∶多晶型物之比。在一些实施方案中，该球方解石和多晶型物是处于大于1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、或5∶1的球方解石∶多晶型物之比。在一些实施方案中，该球方解石和多晶型物是处于9∶1-20∶1的球方解石∶多晶型物之比。
在一些实施方案中，该组合物进一步包括至少1％w/w的霰石或在1％w/w至80％w/w之间的霰石。在一些实施方案中，该组合物进一步包括至少1％w/w的方解石或在1％w/w至80％w/w之间的方解石。在一些实施方案中，该组合物进一步包括1％w/w至25％w/w的方解石。在一些实施方案中，该组合物进一步包括至少1％w/w的六水碳钙石或在1％w/w至80％w/w之间的六水碳钙石。在一些实施方案中，该组合物进一步包括至少1％w/w的ACC以及选自下组的一种或多种多晶型物，该组由以下各项组成：霰石、方解石、以及六水碳钙石，其中该霰石、该方解石和/或该六水碳钙石是以至少1％w/w或在1％w/w至80％w/w之间存在。在一些实施方案中，该组合物进一步包括选自下组的一种或多种多晶型物，该组由以下各项组成：霰石、方解石、六水碳钙石以及它们的组合，其中该霰石、方解石、六水碳钙石、或它们的组合是以至少1％w/w存在或者独立地处于1％w/w至80％w/w之间的范围内。在一些实施方案中，该组合物进一步包括1％-80％w/w的霰石以及1％-80％w/w的方解石。
在一些实施方案中，该组合物进一步包含锶(Sr)。在一些实施方案中，Sr是以1-50,000百万分率(ppm)的量值存在。在一些实施方案中，Sr是存在于该球方解石的晶格中。
在一些实施方案中，该组合物进一步包含镁(Mg)。在一些实施方案中，Mg是作为一种碳酸盐存在。在一些实施方案中，该球方解石和该碳酸镁是处于大于1∶1或在1∶1-500∶1之间的球方解石∶碳酸镁之比。在一些实施方案中，Mg少于2％w/w。
在一些实施方案中，该组合物进一步包含一种硫酸盐。在一些实施方案中，该组合物进一步包含量值小于100,000ppm的钠(Na)。在一些实施方案中，该组合物不含磷酸钙。在一些实施方案中，该组合物具有量值小于20,000ppm的磷酸钙。
在一些实施方案中，该组合物是一种具有0.1-100微米的平均粒度的微粒组合物。在一些实施方案中，该组合物是一种具有1-50微米的平均粒度的微粒组合物。在一些实施方案中，该组合物是一种具有1-10微米的平均粒度的微粒组合物。
在一些实施方案中，该组合物具有的堆密度在75lb/ft3-170lb/ft3之间。在一些实施方案中，该组合物具有的堆密度在75lb/ft3-125kg/ft3之间。
在一些实施方案中，该组合物具有的平均表面积是从0.5m2/gm-50m2/gm。在一些实施方案中，该组合物具有的平均表面积是从2m2/gm-10m2/gm。
在一些实施方案中，该组合物进一步包含氮氧化物，硫氧化物，汞，金属，氮氧化物、硫氧化物、汞、和/或金属中任何一种的衍生物，或它们的组合。
在一些实施方案中，该组合物进一步包含波特兰水泥熔块、骨料、其他辅助胶凝材料(SCM)、或它们的组合。在一些实施方案中，该其他SCM包括炉渣、飞灰、硅灰、煅烧粘土、或它们的组合。在一些实施方案中，该骨料包括砂、砾石、碎石、炉渣、再生混凝土、或它们的组合。
在一些实施方案中，该组合物具有大于-25mV的ζ电位。在一些实施方案中，该组合物具有在-25至45mV之间或在-25至10mV之间或在1至45mV之间的ζ电位。在一些实施方案中，该组合物具有在15mV至45mV范围内的ζ电位。
在一些实施方案中，该组合物中的钙离子∶碳酸根离子之比是大于1∶1。在一些实施方案中，该组合物中的钙离子∶碳酸根离子之比是1.5∶1或2∶1。
在一些实施方案中，该组合物是合成的。在一些实施方案中，该组合物是非天然存在的。在一些实施方案中，该组合物是处于粉末形式。在一些实施方案中，该组合物是处于干粉末形式。在一些实施方案中，该组合物是无序的或不是处于有序排列。
在另一方面，提供了一种组合物，该组合物包含一种SCM，其中与OPC混合的按wt计至少16％的SCM导致在28天时OPC的抗压强度与单独的OPC相比降低了不超过10％。在另一方面，提供了一种组合物，该组合物包含一种SCM，其中与OPC混合的按wt计至少16％的SCM导致在28天时OPC的抗压强度与单独的OPC相比增大了超过5％。
在一些实施方案中，OPC的抗压强度是在17-45MPa的范围内。在一些实施方案中，与OPC混合的SCM是按wt计为20％或在按wt计在15％-20％之间。在一些实施方案中，与OPC混合的按wt计至少16％的SCM导致在28天时OPC的抗压强度与单独的OPC相比降低了不超过5MPa。在一些实施方案中，与OPC混合的按wt计至少16％的SCM导致在28天时OPC的抗压强度与单独的OPC相比增大了超过1MPa。在一些实施方案中，与OPC混合的按wt计至少16％的SCM导致在28天时OPC的抗压强度与单独的OPC相比增大了1-15MPa之间。
在另一个方面，提供了一种建筑材料，该建筑材料包含本发明的上述组合物或其凝固且硬化后的形式。在一些实施方案中，该建筑材料是选自下组，该组由以下各项组成：建筑物、车道、地基、厨房厚板、家具、人行道、公路、桥梁、高速公路、立交桥、停车结构、砖、砌块、墙壁，门、围栏、以及杆子的桩，以及它们的组合。在一个方面，提供了一种成形的建筑材料，该成形的建筑材料包含本发明的上述组合物或其凝固且硬化后的形式。在另一个方面，提供了一种骨料，该骨料包含本发明的上述组合物或其凝固且硬化后的形式。在又一个方面，提供了一种包装物，该包装物包含本发明的上述组合物以及一种适合容纳该组合物的包装材料。在一些实施方案中，该包装材料是一种储仓。
在另一方面，提供了使用本发明的上述组合物来制造水泥的一种方法，该方法包括在一项或多项适合的条件下将水加入一种组合物中以制造水泥。
在另一方面，提供了制造本发明的上述组合物的一种方法，该方法包括(a)使含有碱土金属的水与来自工厂的一种含化石来源的碳的烟气相接触；并且(b)使步骤(a)的含有碱土金属的水经受一项或多项条件以制造本发明的上述组合物。在又一个方面，提供了制造本发明的上述组合物的一种方法，该方法包括(a)使含有碱土金属的水与一种CO2来源相接触；并且(b)使步骤(a)的含有碱土金属的水经受一项或多项条件以制造本发明的上述组合物，其中该组合物包含至少47％w/w的球方解石并且其中该组合物在与水组合、凝固并硬化后具有至少14MPa的抗压强度。
在一些实施方案中，该CO2来源是含有来自燃烧过程的烟气的一种工业废气流；来自化学处理设备的一种烟气；来自产生作为副产物的CO2的设备的一种烟气；或它们的组合。在一些实施方案中，该含有碱土金属的水是海水、浓浓盐水、或它们的组合。在一些实施方案中，该一项或多项条件包括温度、pH、沉淀作用、沉淀物的停留时间、沉淀物的脱水、用水洗涤该沉淀物、干燥、研磨、和/或储存中的一项或多项。在一些实施方案中，该一项或多项条件包括使该含有碱土金属的水与一种质子去除剂相接触。在一些实施方案中，该质子去除剂是选自下组，该组由以下各项组成：氧化物、氢氧化物、碳酸盐、粉煤灰、天然矿物、以及它们的组合。在一些实施方案中，该一项或多项条件包括使该含有碱土金属的水经受电化学条件。
在另一方面，提供了一种通过上述方法制造的组合物。
在又一个方面，提供了制造本发明的上述组合物的一种系统，该系统包括：(a)用于含有碱土金属的水的一个输入端；(b)用于来自工厂的一种含化石来源的碳的烟气的一个输入端；以及(c)连接到步骤(a)和步骤(b)的输入端上的一个反应器，该反应器被配置成制造本发明的组合物。在另一个方面，提供了制造本发明的上述组合物的一种系统，该系统包括(a)用于含有碱土金属的水的一个输入端；(b)用于CO2来源的一个输入端；以及(c)连接到步骤(a)和步骤(b)的输入端上的一个反应器，该反应器被配置成制造本发明的上述组合物，其中该组合物包含至少47％w/w的球方解石并且其中该组合物在与水组合、凝固并硬化后具有至少14MPa的抗压强度。
在另一方面，提供了由本发明的上述组合物来制造水泥产品的一种方法，该方法包括(a)使本发明的上述组合物与一种水性介质在一项或多项适当条件下进行组合；并且(b)允许该组合物凝固并硬化成为一种水泥产品。
在一些实施方案中，该水性介质包括淡水。在一些实施方案中，该一项或多项适当条件是选自下组，该组由以下各项组成：温度、压力、凝固时长、水性介质与组合物之比、以及它们的组合。在一些实施方案中，温度是在0-100℃、37℃-60℃或40℃-60℃的范围内。在一些实施方案中，压力为大气压。在一些实施方案中，凝固该水泥产品的时长是在30分钟到48小时的范围内。在一些实施方案中，水性介质∶组合物之比为0.1-10。在一些实施方案中，水性介质∶组合物之比为0.5-2。
在一些实施方案中，该方法进一步包括在步骤(a)之前将该组合物与一种波特兰水泥熔块、骨料、SCM、或它们的组合进行组合，然后与该水性介质进行组合。
在一些实施方案中，该水泥产品是一种建筑材料，该建筑材料是选自下组，该组由以下各项组成：建筑物、车道、地基、厨房厚板、家具、人行道、公路、桥梁、高速公路、立交桥、停车结构、砖、砌块、墙壁，门、围栏、或杆子的桩，以及它们的组合。
在一些实施方案中，该方法进一步包括将该产品输送到一个地下位置。
在另一方面，提供了由本发明的上述组合物来制造水泥产品的一种系统，该系统包括(a)用于本发明的组合物的一个输入端；(b)用于水性介质的一个输入端；以及(c)连接到步骤(a)和步骤(b)上的一个反应器，该反应器被配置成将本发明的组合物与该水性介质在一项或多项适当条件下进行混合以制造水泥产品。在一些实施方案中，该一项或多项适当条件是选自下组，该组由以下各项组成：温度、压力、凝固时长、水性介质与组合物之比、以及它们的组合。在一些实施方案中，该系统进一步包括在该混合步骤(c)之后用来过滤该组合物的一个过滤步骤。在一些实施方案中，该系统进一步包括用来干燥该过滤后的组合物以制造该水泥产品的一个干燥步骤。
在又一个方面，提供了一种自胶结组合物，该自胶结组合物包含至少1％w/w的在咸水中的球方解石，其中该组合物在与淡水组合、凝固并硬化之后具有至少14MPa的抗压强度。
在一些实施方案中，该组合物在凝固的同时在40℃被烘箱干燥。在一些实施方案中，该组合物在干燥后在潮湿气氛中于60℃被固化。在一些实施方案中，该组合物是被脱水然后用水漂洗。
在一些实施方案中，该组合物在与水组合、凝固并硬化之后具有在14-35MPa或20-40MPa范围内的抗压强度。
在一些实施方案中，该组合物具有在-12‰至-25‰之间的δ13C。在一些实施方案中，该组合物具有小于-20‰的δ13C。在一些实施方案中，该组合物具有小于-25‰的δ13C。
在一些实施方案中，该球方解石是在1％w/w至99％w/w的范围内。在一些实施方案中，该球方解石是在40％w/w至85％w/w的范围内。在一些实施方案中，该球方解石是在47％w/w至99％w/w的范围内。在一些实施方案中，该组合物进一步包含ACC。在一些实施方案中，该球方解石是在10％w/w至99％w/w的范围内并且该ACC是在1％w/w至90％w/w的范围内。在一些实施方案中，该球方解石为至少75％w/w。在一些实施方案中，该球方解石为至少90％w/w。在一些实施方案中，该球方解石为至少95％w/w。在一些实施方案中，该球方解石为至少99％w/w。在一些实施方案中，该ACC为至少5％w/w。在一些实施方案中，该ACC为5％-30％w/w。
在一些实施方案中，该组合物进一步包括一种选自下组的多晶型物，该组由以下各项组成：非晶碳酸钙、霰石、方解石、六水碳钙石、球方解石的前体相、霰石的前体相、一种不及方解石稳定的中间相、在这些多晶型物之间的多晶形式、以及它们的组合。在一些实施方案中，该球方解石和多晶型物是处于1∶1至20∶1的球方解石∶多晶型物之比。在一些实施方案中，该球方解石和多晶型物是处于大于1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、或5∶1的球方解石∶多晶型物之比。在一些实施方案中，该球方解石和多晶型物是处于9∶1-20∶1的球方解石∶多晶型物之比。
在一些实施方案中，该组合物进一步包括一种或多种选自下组的多晶型物，该组由以下各项组成：霰石、方解石、以及六水碳钙石，其中该霰石、该方解石和/或该六水碳钙石是以至少1％w/w存在。在一些实施方案中，该组合物进一步包括至少1％w/w的霰石或在1％w/w至80％w/w之间的霰石。在一些实施方案中，该组合物进一步包括至少1％w/w的方解石或在1％w/w至80％w/w之间的方解石。在一些实施方案中，该组合物进一步包括1％w/w至25％w/w的方解石。在一些实施方案中，该组合物进一步包括至少1％w/w的六水碳钙石或在1％w/w至80％w/w之间的六水碳钙石。在一些实施方案中，该组合物进一步包括至少1％w/w的ACC或在1％w/w至90％w/w之间的ACC以及选自下组的一种或多种多晶型物，该组由以下各项组成：霰石、方解石、以及六水碳钙石，其中该霰石、该方解石和/或该六水碳钙石是以至少1％w/w或在1％w/w至80％w/w之间存在。在一些实施方案中，该组合物进一步包括选自下组的一种或多种多晶型物，该组由以下各项组成：霰石、方解石、六水碳钙石以及它们的组合，其中该霰石、方解石、六水碳钙石、或它们的组合独立地是在1％w/w至80％w/w之间的范围内。在一些实施方案中，该组合物进一步包括1％-80％w/w的霰石以及1％-80％w/w的方解石。
在一些实施方案中，该组合物进一步包含锶(Sr)。在一些实施方案中，Sr是以1-50,000百万分率(ppm)的量值存在。
在一些实施方案中，该组合物进一步包含镁(Mg)。在一些实施方案中，Mg是作为一种碳酸盐存在。
在一些实施方案中，该球方解石和该碳酸镁是处于大于1∶1或在1∶1-500∶1之间的球方解石∶碳酸镁之比。
在一些实施方案中，该组合物是一种具有0.1-100微米的平均粒度的微粒组合物。在一些实施方案中，该组合物是一种具有1-50微米的平均粒度的微粒组合物。在一些实施方案中，该组合物是一种具有1-10微米的平均粒度的微粒组合物。
在一些实施方案中，该组合物具有的堆密度在75lb/ft3-170lb/ft3之间。在一些实施方案中，该组合物具有的堆密度在75lb/ft3-125kg/ft3之间。
在一些实施方案中，该组合物具有的平均表面积是从0.5m2/gm-50m2/gm。在一些实施方案中，该组合物具有的平均表面积是从2m2/gm-10m2/gm。
在一些实施方案中，该组合物进一步包含氮氧化物，硫氧化物，汞，金属，氮氧化物、硫氧化物、汞、和/或金属中任何一种的衍生物，或它们的组合。
在一些实施方案中，该组合物具有大于-25mV的ζ电位。在一些实施方案中，该组合物具有在-25至45mV之间或在-25至10mV之间的ζ电位。在一些实施方案中，该组合物具有在-25mV至1mV范围内的ζ电位。
在一些实施方案中，该组合物中的钙离子∶碳酸根离子之比是大于1∶1。在一些实施方案中，该组合物中的钙离子∶碳酸根离子之比是1.5∶1或2∶1。
在一些实施方案中，该组合物是合成的。在一些实施方案中，该组合物是非天然存在的。在一些实施方案中，该组合物是处于粉末形式。在一些实施方案中，该组合物是处于干粉末形式。在一些实施方案中，该组合物是无序的或不是处于有序排列。
在一个方面，提供了一种成形的建筑材料，该成形的建筑材料包含本发明的上述组合物或其凝固且硬化后的形式。在一些实施方案中，该建筑材料是选自下组，该组由以下各项组成：建筑物、车道、地基、厨房厚板、家具、人行道、公路、桥梁、高速公路、立交桥、停车结构、砖、砌块、墙壁，门、围栏、或杆子的桩，以及它们的组合。在一个方面，提供了一种成形的建筑材料，该成形的建筑材料包含本发明的上述组合物或其凝固且硬化后的形式。在一个方面，提供了一种骨料，该骨料包含本发明的上述组合物或其凝固且硬化后的形式。在一个方面，提供了一种包装物，该包装物包含本发明的上述组合物以及一种适合容纳该组合物的包装材料。
在一个方面，提供了制造本发明的上述组合物的一种方法，该方法包括(a)使含有碱土金属的水与一种CO2来源相接触；并且(b)使步骤(a)的含有碱土金属的水经受一项或多项条件以制造本发明的上述组合物。
在一些实施方案中，该CO2来源是含有来自燃烧过程的烟气的一种工业废气流；来自化学处理设备的一种烟气；来自产生作为副产物的CO2的设备的一种烟气；或它们的组合。在一些实施方案中，该含有碱土金属的水是海水、浓浓盐水、或它们的组合。在一些实施方案中，该一项或多项条件包括沉淀作用以及将该沉淀物脱水中的一项或多项以制造该组合物。在一些实施方案中，该一项或多项条件包括使该含有碱土金属的水与一种质子去除剂相接触。在一些实施方案中，该质子去除剂是选自下组，该组由以下各项组成：氧化物、氢氧化物、碳酸盐、粉煤灰、天然矿物、以及它们的组合。在一些实施方案中，该一项或多项条件包括使该含有碱土金属的水经受电化学条件。
在一个方面，提供了一种通过上述方法制造的组合物。
在一个方面，提供了制造本发明的上述组合物的一种系统，该系统包括：(a)用于含有碱土金属的水的一个输入端；(b)用于CO2来源的一个输入端；以及(c)连接到步骤(a)和步骤(b)的输入端上的一个反应器，该反应器被配置成制造本发明的组合物。
在一个方面，提供了由本发明的上述组合物来制造水泥产品的一种方法，该方法包括(a)使本发明的组合物与水在一项或多项适当条件下进行组合；并且(b)允许该组合物凝固并硬化成为一种水泥产品。
在一些实施方案中，该一项或多项适当条件是选自下组，该组由以下各项组成：脱水、用水漂洗、凝固、干燥、固化、以及它们的组合。
在一些实施方案中，该方法进一步包括将该产品输送到一个地下位置。
在一个方面，提供了由本发明的上述组合物来制造水泥产品的一种系统，该系统包括(a)用于本发明的组合物的一个输入端；(b)用于水的一个输入端；以及(c)连接到步骤(a)和步骤(b)上的一个反应器，该反应器被配置成将本发明的上述组合物与水在一项或多项适当条件下进行混合以制造水泥产品。
在一个方面，提供了由本发明的上述组合物来制造成形的建筑材料的一种方法，该方法包括(a)使本发明的上述组合物与一种水性介质在一项或多项适当条件下进行组合；并且(b)允许该组合物凝固并硬化成为该成形的建筑材料。
在一些实施方案中，该水性介质包括淡水。在一些实施方案中，在组合步骤(a)之前或之后将该组合物倒入模具中。在一些实施方案中，该模具是用于该成形的建筑材料的。
通过引用而结合
本说明书中提及的所有的公开文件、专利、和专利申请都通过引用结合在此，其程度就如同确切地并且独立地指明每个单独的公开文件、专利、或专利申请以便通过引用而结合。
附图简要说明
本发明的新颖特征具体地在所附权利要求书中列出。通过以下列举了展示性实施方案的详细说明将得到对本发明的特征和优点的更好的理解，在这些实施方案中利用了本发明的原理，并且在其附图中：
图1展示了根据本发明的一个实施方案的一个沉淀工艺的流程图。
图2展示了根据本发明的某些实施方案的一个系统的示意图。
图3展示了从球方解石到霰石以及从霰石到方解石的转换的吉布斯自由能图。
图4展示了根据本发明的某些实施方案的一个系统的示意图。
图5A-F展示了组合成球方解石球体的颗粒的纳米簇的SEM图像。
图6展示了球方解石至包括霰石束、霰石针状体、小片和立方体在内的不同形态的转化。
图7A-B展示了球方解石上的多晶型物的沉淀。图7A展示了方解石在球方解石球体表面上的沉淀。通过该更可溶的球方解石相的溶解，形成了空心的方解石微球。图7B展示了霰石束在连续空心的微球表面上的沉淀。
图8展示了空心方解石微球和霰石束的形成的示意图。
图9展示了4,000倍的放大率下球方解石在去离子水中的转化的SEM图像。
图10A-B展示了温度对晶体尺寸的影响。加热可以产生更小的方解石晶体。图10A展示了室温下球方解石在NaCl溶液中的转化。图10B展示了110℃下球方解石在NaCl溶液中的转化。
图11展示了通过球方解石微晶粒骨料形成的球丛状球方解石。
图12A-B展示了氯化钠对球方解石转化成方解石的影响。
图13-18展示了球方解石(图13-15)、混合的碳酸盐相(图16)、以及方解石(图17-18)的晶体衍射图纹。
图19展示了根据本发明的一些实施方案用于沉淀该组合物的一个流程图。
图20展示了OPC(普通波特兰水泥)(小点)、飞灰(长点)、以及RCM(反应性碳酸盐矿物)(实心)的粒度分布对比。
图21展示了RCM在与波特兰水泥混合时的剂量响应抗压强度。
图22展示了若干ACC样品的XRD结果，其中扫描结果与文献中看到的相似。ACC5的强度是对不同扫描条件的一种反映。
图23展示了使用方案ACC4所产生的样品的XRD。存在石盐、方解石和球方解石。
图24展示了ACC5，在初始分析时显示了非晶物质。随后的分析(4天以后)显示了具有少量霰石的晶态方解石。
图25展示了随时间分析的共混ACC材料。该样品显示了长期稳定性(约1年半)。
图26A-C展示了具有不同分散度和ζ电位的三种组合物的SEM图像。
图27展示了具有不同ζ电位的三种组合物的抗压强度。
图28展示了具有不同ζ电位的三种组合物的累积热。
图29展示了当由海水+CaCl2二水合物+NaCl+25％wt Na2CO3制造时在母体上清液中的球方解石组合物的稳定性。
图30A-D展示了在由自来水+CaCl2二水合物+0.25M Na2CO3(Ca∶碱的化学计量比为1∶1)制造时球方解石组合物的稳定性。
图31A-D展示了在由自来水+CaCl2二水合物+0.25M Na2CO3(Ca∶碱的化学计量比为1.5∶1)制造时球方解石组合物的稳定性。
图32A-D展示了在由自来水+CaCl2二水合物+0.25M Na2CO3(Ca∶碱的化学计量比为2∶1)制造时球方解石组合物的稳定性。
图33展示了实例20的沉淀的浆料的SEM图像。
图34展示了固化7天、14天和28天之后该组合物的抗压强度。
详细说明
本发明提供了多晶型物如非晶碳酸钙、球方解石、霰石、方解石、和/或六水碳钙石的组合物、方法和系统；用于制造和使用这些组合物的方法和系统；以及由此类组合物形成的材料，如骨料以及成形的或预成形的建筑材料。
这些组合物包括水硬水泥、辅助胶凝材料、或自胶结组合物，这些自胶结组合物包括碳酸钙的多晶型物形式，例如但不限于单独的球方解石(CaCO3)或与以下项相结合的球方解石：非晶碳酸钙(CaCO3.nH2O)、霰石(CaCO3)、方解石(CaCO3)、六水碳钙石(CaCO3.6H2O)、球方解石的前体相、霰石的前体相、一种不及方解石稳定的中间相、在这些多晶型物之间的多晶形式、或它们的组合。在此还提供了由这些组合物制造的成形的建筑材料以及骨料。在此进一步提供了用于制造和使用这些水硬水泥、辅助胶凝材料、或自胶结组合物的方法。在此进一步提供了用于由这些水硬水泥、辅助胶凝材料、或自胶结组合物来制造水泥产品如骨料以及预成形的建筑材料的方法。这些组合物被用于各种应用中，包括用于各种建筑材料以及建筑应用中。
典型地，普通波特兰水泥(OPC)主要由石灰石、某些粘土矿物以及石膏在高温工艺中制成，该高温工艺驱逐二氧化碳并将主要组分化学地组合成为新的化合物。烧制该混合物所需的能量消耗是所生产的每吨水泥约4GJ。由于该水泥生产过程本身以及产生动力以运行这个生产过程的能源设备均产生了二氧化碳，因此水泥生产可能是当前二氧化碳大气排放的一个主导来源。除去与波特兰水泥生产相关的污染问题之外，用波特兰水泥生产的结构可能由于自波特兰水泥生产的固化产品的不稳定性而具有修复和维护的支出。
在此提供的这些组合物可以通过使用从发电厂或其他工业源排放的二氧化碳并随后将其隔离而形成本发明的组合物来减少碳足迹。替代性地，在此提供的这些组合物可以通过使用地下的含二氧化碳的浓浓盐水来制备本发明的组合物而减少碳足迹。进一步替代性地，在此提供的这些组合物可以通过生产出部分或完全替代碳排放水泥如OPC的水泥组合物而减少碳足迹。本发明的这些组合物可以与OPC进行混合而给出具有相等或更高强度的水泥材料，由此减少制造水泥的OPC用量。
在此提供的这些组合物还显示了令人惊讶且出乎意料的特性，因为由这些组合物(单独地或与OPC组合)所获得的产品具有高的抗压强度，从而产生了具有高耐久性和更少维护成本的产品。本发明的组合物还可以进行优化以便产生具有所希望的抗压强度的材料，并且由此进一步增大该工艺的效率并减少生产成本。例如，屋顶瓦所要求的抗压强度可能不像支柱所要求的抗压程度那样高。本发明的组合物以及由本发明的组合物来制造水泥产品的工艺可以进行优化以便产生具有所希望的抗压强度的水泥产品。
另外，本发明的方法可以进行优化以便产生在其与水或与其他水泥的反应性上有所不同的组合物。例如，本发明的这些组合物可以根据其与水的反应性而形成为水硬水泥组合物或形成为辅助胶凝材料或者形成为自胶结材料。在一些实施方案中，本发明的SCM组合物可以与波特兰水泥混合而产生与波特兰水泥本身或与波特兰水泥及本领域已知的其他SCM的组合相比具有相等或更高的抗压强度的水泥。
在更详细地说明本发明之前，要理解的是本发明并不局限于所说明的具体实施方案，而当然地可以进行改变。还应理解的是，在此使用的术语是仅为了说明具体实施方案的目的、并且并非旨在进行限制，因为本发明的范围将仅受所附权利要求限制。
当提供一个数值范围时，应理解的是，在该范围的上限与下限之间的每个插入值(至下限的单位的十分之一，除非上下文清楚地另外指明)以及在所述范围内的任何其他所述的或插入的值，被涵盖在本发明之内。这些更小范围的上限和下限可以独立地包括在这些更小范围内并且也被涵盖在本发明之内，服从所述范围内任何明确排除的极限值。当所述范围包含这些极限值之一或二者时，排除了所包含的极限值之一或二者的范围也被包含在本发明之内。
某些范围在此是呈现为在数值前面有术语“约”。术语“约”在此是用来对它后面的精确数字、以及接近于或近似于该术语之后的数字的一个数字提供文字支持。在判断一个数字是否接近于或近似于一个明确列举的数时，这个未列举的接近的或近似的数可以是在它出现的上下文中提供了该明确列举的数的基本上等值的一个数。
除非另外定义，所有在此使用的技术和科学术语具有如本发明所属领域的普通技术人员所通常理解的一样的含义。尽管与在此说明的那些相似或相同的任何方法和材料也可以用于本发明的实践或试验中，但在此说明了代表性的示例性方法和材料。
本说明书中引用的所有公开文件和专利都通过引用结合在此，就如同确切地并且独立地指明每个单独的公开文件或专利以便通过引用而结合、并且通过引用结合在此以便结合所引用的公开文件来披露并说明这些方法和/或材料。任何公开文件的引用均是对于申请日之前的披露内容而言，并且不应解释为承认了本发明因为现有发明而没有资格先于此公开文件。进一步地，所提供的公开日期可能与实际公开日期不同，实际的公开日期可能需要独立地进行确认。
应注意的是，如在此以及在所附权利要求中使用的，单数形式“一个”、“一种”以及“该”包括了复数形式，除非上下文另外地清楚指明。还应注意的是，权利要求可能被起草为排除了任何任选型的要素。这样，这种语句旨在用作将诸如“唯一”、“仅仅”等等排他性术语与权利要求要素的叙述结合使用、或使用“否定”限制的引用基础。
正如本领域普通技术人员在阅读本披露之后将会清楚的，在此说明并展示的这些单独实施方案中的每一个都具有分立的组分和特征，这些组分和特征可以与其他的若干实施方案中任何一个的特征容易地进行分离或组合，而不背离本发明的范围或精神。任何叙述的方法都可以按所叙述的事件的顺序或者按逻辑上可能的任何其他顺序来进行。
I.组合物
本发明的多个方面包括多种组合物，这些组合物包含水硬水泥、辅助胶凝材料(SCM)以及自胶结组合物，其中该水硬水泥或该SCM或该自胶结组合物包括亚稳的和稳定的碳酸盐形式，例如球方解石、非晶碳酸钙(ACC)、霰石、方解石、六水碳钙石、球方解石的前体相、霰石的前体相、一种不及方解石稳定的中间相、在这些多晶型物之间的多晶形式、以及它们的组合。球方解石的前体、球方解石、霰石的前体以及霰石可以作为一种反应性的亚稳碳酸钙形式用于反应目的和稳定化反应，例如胶结。
这些亚稳形式如球方解石和球方解石的前体以及稳定的碳酸盐形式例如方解石，可以具有变化的溶解度，因而它们在水溶液中水合时可以发生溶解并且使稳定的碳酸盐矿物例如方解石和/或霰石再次沉淀。
本发明的这些包含亚稳形式例如球方解石的组合物令人惊讶且出乎意料地是处于干燥粉末形式或处于含咸水的浆料形式的稳定组合物。本发明的组合物中的亚稳形式可以不完全转化成稳定形式如方解石以便胶结，直至与淡水接触。
球方解石能以单分散或聚集的形式存在，并且可以是球状的、椭圆的、片状形状的或六方晶系的。球方解石典型地具有一种六方晶体结构并且在生长时形成了多晶的球状颗粒。球方解石的前体形式包括球方解石的纳米簇，并且霰石的前体形式包括霰石针状体的亚微米到纳米簇。霰石，如果在该组合物中存在的话，可以是针状的、柱状的、或正交晶系的晶体。方解石，如果存在的话，可以是立方体的、纺锤状的、或六方晶系的晶体。不及方解石稳定的中间相可以是在球方解石与方解石之间的一个相、在球方解石的前体与方解石之间的一个相、在霰石与方解石之间的一个相、和/或在霰石前体与方解石之间的一个相。
在一些实施方案中，本发明的这些组合物是合成组合物并且不是天然存在的。在一些实施方案中，本发明的组合物是处于粉末形式。在一些实施方案中，本发明的组合物是处于干燥粉末形式。在一些实施方案中，本发明的组合物是无序的或不是处于有序排列或者是处于粉状形式。在又一些实施方案中，本发明的组合物是处于部分或完全水合的形式。在又一些实施方案中，本发明的组合物是处于咸水或淡水中。在又一些实施方案中，本发明的组合物是处于含氯化钠的水中。在又一些实施方案中，本发明的组合物是处于含碱土金属离子的水中，这些离子是例如但不限于钙、镁等。
在此提供的这些组合物展现了出乎意料的特性，例如高的抗压强度、高的耐久性、以及较低的维护成本。此外，在一些实施方案中，当将CO2从烟气或从含二氧化碳的浓盐水中隔离而成为本发明的碳酸钙形式时，减少了碳足迹并提供了更清洁的环境。在一些实施方案中，该组合物在与水组合、凝固并硬化之后具有的抗压强度是至少14MPa(兆帕)或在一些实施方案中是在14-80MPa或14-35MPa之间。在一些实施方案中，在此提供的这些含球方解石的组合物是由具有化石来源的CO2来源形成的。因此在一些实施方案中，在此提供的这些组合物具有小于-12‰的碳同位素分化值(δ13C)。在一些实施方案中，本发明的这些组合物是非医用的并且不用于医疗程序。在一些实施方案中，本发明的这些组合物是合成组合物并且不是天然存在的。
在一个第一方面，提供了一种含水硬水泥的组合物，其中该水硬水泥包含至少47％w/w的球方解石，其中该组合物在与水组合、凝固并硬化之后具有至少14MPa的抗压强度。在一个第二方面，提供了一种组合物，该组合物包含一种水硬水泥，其中该水硬水泥包含至少47％w/w的球方解石，其中该组合具有小于-12‰的δ13C。如在此使用的，“水硬水泥”包括在与水或一种溶剂为水的溶液(例如，掺料溶液)组合之后凝固并硬化的一种组合物。在硬化之后，这些组合物即使在水中也保留了强度和稳定性。由于立即开始的反应，能够观察到随时间增大的加强作用。在达到某个水平之后，可以将这个时间点称为凝固起点。继续的进一步固结可以称为凝固，此后开始了硬化阶段。然后材料的抗压强度可以稳定增长，这个时期在“超快硬化”水泥的情况下可以是几天，在其他水泥的情况下可以是几个月或几年。通过将本发明的组合物与一种水性液体组合而生产的产品的凝固和硬化可以源自或者可以不源自水合物的产生，这些水合物可以是由该组合物在与水反应之后形成的，其中这些水合物在水中是实质性不可溶的。水泥可以单独地或与骨料相组合地以粗和细的形式使用，在此情况下可以将这些组合物称为混凝土或灰浆。也可以将水泥切割并剁碎而形成骨料。
在一个第三方面，提供了一种组合物，该组合物包含一种辅助胶凝材料(SCM)，其中该SCM包含至少47％w/w的球方解石，其中该组合物在与水、或水以及水泥组合、凝固并硬化之后具有至少14MPa的抗压强度。在一个第四方面，提供了一种组合物，该组合物包含一种SCM，其中该SCM包含至少47％w/w的球方解石，其中该组合物具有小于-12‰的碳同位素分化值(δ13C)。
如在此使用的，“辅助胶凝材料”(SCM)包括本领域已知的SCM。例如，当本发明的SCM与波特兰水泥混合时，在与SCM相互作用之后该波特兰水泥的一种或多种特性基本上保持不变、或者与没有SCM情况下的波特兰水泥本身或与混有常规SCM的波特兰水泥(如飞灰)相比得以增强。这些特性包括但不限于：细度、固定性、稠度、水泥凝固时间、水泥硬化时间、流变学行为、水合反应、比重、灼烧损失、和/或硬度，如水泥的抗压强度。例如，当将本发明的20％SCM加入80％的OPC(普遍波特兰水泥)中时，该一种或多种特性、例如OPC的抗压强度，保持不变、减小不超过10％、或者得以增强。波特兰水泥的特性可以根据波特兰水泥的类型而变化。用本发明的SCM代替波特兰水泥可以减少CO2排放，而与常规波特兰水泥相比并不损害该水泥或混凝土的性能。
在一些实施方案中，波特兰水泥与本发明的SCM的最大替换体积可以在将SCM与OPC(对于水泥而言)以及骨料和/或砂(对于混凝土而言)混合之后通过在水泥和/或混凝土上进行不同的性能试验来确定。这样的试验可以作为测试可用于替换OPC的、本发明的SCM量值的参数。例如水泥的细度等特性可以影响水合速率。更大的细度可以增大可用于水合的表面，从而导致更大的早期强度以及更快的热量产生。美国材料试验学会(ASTM)以及美国国有公路运输管理员协会(AASHTO)要求用于测量水泥细度的瓦格纳浊度仪(Wagner Turbidimete)以及勃氏透气性试验二者。固定性，即水泥糊剂在硬化之后保持其体积的能力，可以通过测量灰浆棒在高压釜中的膨胀来进行表征。对于类型I水泥，2英寸(50-mm)的灰浆立方体在7天之后的抗压强度可以是不小于2,800psi(19.3MPa)。
在一些实施方案中，波特兰熔块可以与本发明的SCM相互研磨而给出波特兰水泥共混物。加入波特兰熔块中的SCM的量可以基于该共混物中颗粒的尺寸和分布来进行优化。在一些实施方案中，本发明的细研磨的SCM是熔块的颗粒尺寸的一半，后者进而小于常规的波特兰水泥中的熔块颗粒尺寸。这可以对该共混物提供一种颗粒敛集效应，该效应可以增大混凝土的强度。
在一些实施方案中，本发明的SCM组合物中的球方解石可以与波特兰水泥或波特兰熔块进行反应。在一些实施方案中，来自该熔块组分的铝酸盐可以与该SCM的碳酸盐组合以形成碳铝酸盐，这些碳铝酸盐可以减小混凝土的孔隙率并且增大其强度。在一些实施方案中，本发明的SCM组合物可以用作一种填充剂。在一些实施方案中，这些颗粒的尺寸和/或颗粒的表面积可以影响本发明的SCM组合物与波特兰水泥或波特兰熔块的相互作用。在一些实施方案中，本发明的SCM组合物可以为波特兰水泥或波特兰熔块提供成核位点。在一些实施方案中，本发明的SCM组合物可以具有以上实施方案的组合。
此类混凝土试验的例子包括但不限于：混凝土抗压强度、混凝土挠曲强度、混凝土分裂拉伸强度、混凝土弹性模量、混凝土收缩性、混凝土对碱性硅石反应性的耐受性、混凝土对硫酸盐侵蚀的耐受性、混凝土对冰冻和解冻的耐受性、混凝土对结垢的耐受性、以及混凝土对氯离子通过的耐受性。
在一些实施方案中，本发明的SCM组合物可以在反应性上与本发明的水硬水泥组合物不相同。在一些实施方案中，本发明的SCM组合物可以不是一种有效的水硬水泥组合物并且反之亦然。例如在一些实施方案中，本发明的SCM组合物单独地在与水组合、凝固并硬化后可以不产生与本发明的SCM组合物在与水组合、凝固并硬化后相同的抗压强度。然而，这样的SCM组合物在与其他水泥如波特兰水泥混合后给出了令人惊讶且出乎意料的高的抗压强度，如下面所说明的。
在一些实施方案中，提供了一种组合物，该组合物包含一种辅助胶凝材料(SCM)，其中该SCM包含至少50％w/w的方解石，其中该组合物在与水、或与水以及水泥组合、凝固并硬化之后具有至少14MPa的抗压强度。在一个第四方面，提供了一种组合物，该组合物包含一种SCM，其中该SCM包含至少50％w/w的方解石，其中该组合物具有小于-12‰的碳同位素分化值(δ13C)。在一些实施方案中，以上实施方案中的方解石是在50-100％w/w之间；或在50-99％w/w之间；或在50-95％w/w之间；或在50-90％w/w之间；或在50-85％w/w之间；或在50-80％w/w之间；或在50-70％w/w之间；或在50-60％w/w之间；或在50-55％w/w之间。在一些实施方案中，以上含有至少50％w/w方解石的SCM组合物进一步包含至少1％w/w、或10％w/w、或50％w/w、或在1-50％w/w之间的球方解石、霰石或ACC。
在一个第五方面，提供了一种组合物，该组合物包含一种SCM，其中与OPC混合的按wt计至少16％的SCM导致在28天时OPC的抗压强度与单独的OPC相比降低了不超过10％。在一个第六方面，提供了一种组合物，该组合物包含一种SCM，其中与OPC混合的按wt计至少16％的SCM导致在28天时OPC的抗压强度与单独的OPC相比增大了超过5％。
在一些实施方案中，与OPC混合的、按wt计至少17％的SCM、或按wt计至少18％的SCM、或按wt计至少19％的SCM、或按wt计至少20％的SCM、或按wt计至少21％的SCM、或按wt计至少22％的SCM、或按wt计至少23％的SCM、或按wt计至少24％的SCM、或按wt计至少25％的SCM、或按wt计至少30％的SCM、或按wt计至少40％的SCM、或按wt计至少50％的SCM、或按wt计在16-50％之间的SCM、或按wt计在16-40％之间的SCM、或按wt计在16-30％之间的SCM、或按wt计在16-25％之间的SCM、或按wt计在16-22％之间的SCM、或按wt计在16-20％之间的SCM、或按wt计在16-18％之间的SCM、或按wt计在18-50％之间的SCM、或按wt计在18-40％之间的SCM、或按wt计在18-30％之间的SCM、或按wt计在18-20％之间的SCM、或按wt计在20-50％之间的SCM、或按wt计在20-40％之间的SCM、或按wt计在20-30％之间的SCM、或按wt计在30-50％之间的SCM、或按wt计在30-40％之间的SCM、或按wt计在40-50％之间的SCM、或按wt计16％的SCM、或按wt计17％的SCM、或按wt计18％的SCM、或按wt计19％的SCM、或按wt计20％的SCM、或按wt计22％的SCM、或按wt计25％的SCM，导致在28天时OPC的抗压强度与单独的OPC相比降低了不超过10％、或者导致在28天时OPC的抗压强度与单独的OPC相比增大了超过5％。例如，混有OPC的、按wt计至少17-20％的SCM或按wt计20％的SCM，导致在28天时OPC的抗压强度与单独的OPC相比降低了不超过10％、或者导致在28天时OPC的抗压强度与单独的OPC相比增大了超过5％。
在一些实施方案中，波特兰水泥的抗压强度是在17-45MPa的范围内。因此在一些实施方案中，提供了一种组合物，该组合物包含一种SCM，其中与OPC混合的按wt计至少16％的SCM导致在28天时OPC的抗压强度降低了不超过10％，其中OPC的抗压强度是在17-45MPa的范围内。在一些实施方案中，提供了一种组合物，该组合物包含一种SCM，其中与OPC混合的按wt计至少16％的SCM导致在28天时OPC的抗压强度增大了超过5％，其中OPC的抗压强度是在17-45MPa的范围内。在一些实施方案中，波特兰水泥的抗压强度是在17-40MPa的范围内、或在17-35MPa的范围内、或在17-30MPa的范围内、或在17-25MPa的范围内、或在17-23MPa的范围内、或在17-22MPa的范围内、或在17-21MPa的范围内、或在17-20MPa的范围内、或在17-19MPa的范围内、或在17-18MPa的范围内、或在18-35MPa的范围内、或在20-35MPa的范围内、或在18-25MPa的范围内。例如，在一些实施方案中，波特兰水泥的抗压强度是在17-35MPa的范围内。
OPC的抗压强度可以根据OPC的类型而变化。OPC的类型包括：类型I、类型II、类型III、类型IV、类型V、类型IA、类型IIA、以及类型IIIA。表I展示了不同类型的波特兰水泥在1天、3天、7天和28天的固化时间时的抗压强度(单位是MPa)。
表I
Figure BPA00001571256600271
在一些实施方案中，混有OPC的按wt计至少16％的SCM导致在28天时OPC的抗压强度与单独的OPC相比、或与在17-45MPa范围内的波特兰水泥抗压强度相比降低了不超过10％、不超过9％、不超过8％、不超过7％、不超过6％、不超过5％、不超过4％、不超过3％、不超过2％、不超过1％、不超过1-5％、不超过5-10％、不超过6-10％、或不超过8-10％。在一些实施方案中，混有OPC的按wt计至少16％的SCM导致在28天时OPC的抗压强度与单独的OPC相比、或与在17-45MPa范围内的波特兰水泥抗压强度相比降低了不超过5MPa、不超过4MPa、不超过3MPa、不超过2MPa、不超过1MPa、不超过0.5MPa、不超过O.5-1MPa、不超过0.5-2MPa、不超过0.5-3MPa、或不超过0.5-5MPa。
在一些实施方案中，提供了一种组合物，该组合物含有一种SCM，其中混有OPC的按wt计至少16％的SCM导致在28天时OPC的抗压强度与单独的OPC相比、或与在17-45MPa范围内的波特兰水泥抗压强度相比增大了超过5％、或超过8％、或超过10％、或超过15％、或超过20％、或超过25％、或超过30％、或超过5-10％、或超过5-15％、或超过5-8％、或超过5-20％、或超过5-30％。在一些实施方案中，提供了一种组合物，该组合物含有一种SCM，其中混有OPC的按wt计至少16％的SCM导致在28天时OPC的抗压强度与单独的OPC相比、或与在17-45MPa范围内的波特兰水泥抗压强度相比增大了1-20MPa之间、或1-15MPa之间、或1-12MPa之间、或1-10MPa之间、或1-8MPa之间、或1-5MPa之间、或1-4MPa之间、或1-3MPa之间、或1-2MPa之间、或1或2或3MPa、或超过1MPa。
在一个第七方面，提供了一种自胶结组合物，该自胶结组合物包含至少1％w/w的在咸水中的方解石，其中该组合物在与淡水组合、凝固并硬化之后具有至少14MPa的抗压强度。本发明的自胶结组合物是处于咸水中。如在此使用的，“咸水”在其常规意义上用来包括多种不同类型的、除淡水外的水性介质，包括但不限于：半咸水、海水、浓盐水(包括人造浓盐水，如地热发电厂废水、脱盐废水等)、以及其他具有的盐度大于淡水盐度的含盐水。浓盐水是盐饱和的或接近饱和的水并且具有50ppt(千份的份数)或更大的盐度。半咸水是比淡水咸的水，但是不如海水咸，具有范围从0.5至35ppt的盐度。海水是来自海洋的水并且具有范围从35至50ppt的盐度。作为本发明的组合物来源的咸水来源可以是天然来源，如大海、大洋、湖泊、沼泽、河口、泻湖等，或是人造来源。在一些实施方案中，该咸水包括含有大于1％的氯化物如NaCl含量、或大于10％的NaCl、或大于20％的NaCl、或大于30％的NaCl、或大于40％的NaCl、或大于50％的NaCl、或大于60％的NaCl、或大于70％的NaCl、或大于80％的NaCl、或大于90％的NaCl、或在1-95％之间的NaCl、或在10-95％之间的NaCl、或在20-95％之间的NaCl、或在30-95％之间的NaCl、或在40-95％之间的NaCl、或在50-95％之间的NaCl、或在60-95％之间的NaCl、或在70-95％之间的NaCl、或在80-95％之间的NaCl、或在90-95％之间的NaCl的水。
在一些实施方案中，该处于咸水中的自胶结组合物包含按wt计少于90％的固体物质、或按wt计少于80％的固体物质、或按wt计少于70％的固体物质、或按wt计少于60％的固体物质、或按wt计少于50％的固体物质、或按wt计少于40％的固体物质、或按wt计少于30％的固体物质、或按wt计少于20％的固体物质、或按wt计少于10％的固体物质、或按wt计在10-90％之间的固体物质、或按wt计在10-80％之间的固体物质、或按wt计在10-70％之间的固体物质、或按wt计在10-50％之间的固体物质、或按wt计在10-30％之间的固体物质、或按wt计在40-90％之间的固体物质、或按wt计在50-90％之间的固体物质。
该自胶结组合物不需要脱水和干燥即可制造水硬水泥。这样的组合物可以简单地脱水、用水洗涤以部分或完全去除氯化物如氯化钠、任选地再次脱水、并倒入模具中，在这里它凝固并硬化而形成岩石状的、预铸的或预成型的建筑材料。可以进一步对该岩石进行加工而制造骨料。像这样缺少一个干燥步骤节约了能量、减少了碳足迹并提供了更清洁的环境。这种组合物可以包括或可以不包括一种粘合剂。在一些实施方案中，该自胶结组合物不含粘合剂。在一些实施方案中，本发明提供了一种不含粘合剂并且产生自胶结合成岩石的自胶结组合物。本发明的方法允许通过涉及物理反应而无需外部或固有粘合剂的方法来生产坚硬耐久的岩石。因此在一些实施方案中，本发明提供了如下的自胶结组合物，该组合物包含少于10％w/w、5％w/w、2％w/w、1％w/w、0.5％w/w、0.2％w/w、0.1％w/w、0.05％w/w、0.02％w/w、0.01％w/w、0.005％w/w、0.001％w/w、0.0005％w/w、0.0001％w/w的粘合剂，其中粘合剂包括被加入自胶结组合物来引起或促进多种化学反应而使得该自胶结组合物的组分在合成过程中结合在一起的化合物或物质。粘合剂的例子包括但不限于：丙烯酸聚合物液体、石灰、火山灰等等。在一些实施方案中，本发明的自胶结组合物基本上不含粘合剂。
这样的自胶结组合物可以通过模拟地质过程的方法来人为地岩化，其中形成岩石的过程是物理过程而非化学过程，例如处于新形式的化合物的溶解和再沉淀，用于将组合物粘合在一起。在某些实施方案中，这样的自胶结组合物包含一种或多种碳酸盐化合物，例如自化石燃料来源获得的碳酸盐化合物。该自胶结组合物在一些实施方案中具有的碳同位素分化(δ13C)值是负于(小于)-12‰、-13‰、-14‰、-15‰或-18‰、或-22‰、或-26‰、或-30‰、或-32‰、或-36‰，如在此详细说明的。
该自胶结组合物在用水漂洗时可能在一个过程中产生一种合成岩石，在该过程中在此所述的多晶型物如球方解石被转化为更稳定的组分，例如霰石、方解石、或它们的组合。例如在一些实施方案中，该合成岩石是由该自胶结组合物在一个过程中产生的，在该过程中霰石被转化为方解石、和/或球方解石被转化为霰石和/或方解石。
在以上方面的一些实施方案中，该组合物包含至少47％w/w的球方解石、或至少50％w/w的球方解石、或至少60％w/w的球方解石、或至少70％w/w的球方解石、或至少75％w/w的球方解石、或至少80％w/w的球方解石、或至少85％w/w的球方解石、或至少90％w/w的球方解石、或至少95％w/w的球方解石、或从47％w/w至100％w/w的球方解石、或从47％w/w至99％w/w的球方解石、或从47％w/w至95％w/w的球方解石、或从47％w/w至90％w/w的球方解石、或从47％w/w至85％w/w的球方解石、或从47％w/w至80％w/w的球方解石、或从47％w/w至75％w/w的球方解石、或从47％w/w至70％w/w的球方解石、或从47％w/w至65％w/w的球方解石、或从47％w/w至60％w/w的球方解石、或从47％w/w至55％w/w的球方解石、或从47％w/w至50％w/w的球方解石、或从50％w/w至100％w/w的球方解石、或从50％w/w至90％w/w的球方解石、或从50％w/w至80％w/w的球方解石、或从50％w/w至75％w/w的球方解石、或从50％w/w至70％w/w的球方解石、或从50％w/w至60％w/w的球方解石、或从60％w/w至100％w/w的球方解石、或从60％w/w至90％w/w的球方解石、或从60％w/w至80％w/w的球方解石、或从60％w/w至70％w/w的球方解石、或从70％w/w至100％w/w的球方解石、或从70％w/w至95％w/w的球方解石、或从70％w/w至90％w/w的球方解石、或从70％w/w至85％w/w的球方解石、或从70％w/w至80％w/w的球方解石、或从70％w/w至75％w/w的球方解石、或从80％w/w至100％w/w的球方解石、或从80％w/w至95％w/w的球方解石、或从80％w/w至90％w/w的球方解石、或从80％w/w至85％w/w的球方解石、或从90％w/w至100％w/w的球方解石、或从90％w/w至99％w/w的球方解石、或从90％w/w至98％w/w的球方解石、或从90％w/w至95％w/w的球方解石、或从90％w/w至92％w/w的球方解石、或47％w/w的球方解石、或50％w/w的球方解石、或55％w/w的球方解石、或60％w/w的球方解石、或65％w/w的球方解石、或70％w/w的球方解石、或75％w/w的球方解石、或80％w/w的球方解石、或85％w/w的球方解石、或90％w/w的球方解石、或92％w/w的球方解石、或95％w/w的球方解石、或98％w/w的球方解石、或99％w/w的球方解石。
在以上方面的一些实施方案以及上一个实施方案中，该组合物进一步包含ACC。在这样的组合物中，ACC的量是至少1％w/w；或至少2％w/w的ACC；或至少5％w/w的ACC；或至少10％w/w的ACC；或至少20％w/w的ACC；或至少30％w/w的ACC；或至少40％w/w的ACC；或至少50％w/w的ACC；或至少53％w/w的ACC；或从1％w/w至53％w/w的ACC；或从1％w/w至50％w/w的ACC；或从1％w/w至40％w/w的ACC；或从1％w/w至30％w/w的ACC；或从1％w/w至20％w/w的ACC；或从1％w/w至10％w/w的ACC；或从5％w/w至53％w/w的ACC；或从5％w/w至50％w/w的ACC；或从5％w/w至40％w/w的ACC；或从5％w/w至30％w/w的ACC；或从5％w/w至20％w/w的ACC；或从5％w/w至10％w/w的ACC；或从10％w/w至53％w/w的ACC；或从10％w/w至50％w/w的ACC；或从10％w/w至40％w/w的ACC；或从10％w/w至30％w/w的ACC；或从10％w/w至20％w/w的ACC；或从20％w/w至53％w/w的ACC；或从20％w/w至50％w/w的ACC；或从20％w/w至40％w/w的ACC；或从20％w/w至30％w/w的ACC；或从30％w/w至53％w/w的ACC；或从30％w/w至50％w/w的ACC；或从30％w/w至40％w/w的ACC；或从40％w/w至53％w/w的ACC；或从40％w/w至50％w/w的ACC；或从50％w/w至53％w/wACC。
在一个第八方面，提供了一种组合物，该组合物包含一种水硬水泥，其中该水硬水泥包含至少10％w/w的球方解石以及至少1％w/w的非晶碳酸钙(ACC)，其中该组合物在与水组合、凝固并硬化之后具有至少14MPa的抗压强度。在一个第九方面，提供了一种组合物，该组合物包含一种水硬水泥，其中该水硬水泥包含至少10％w/w的球方解石以及至少1％w/w的ACC，其中该组合具有小于-12‰的δ13C。
在一个第十方面，提供了一种组合物，该组合物包含一种SCM，其中该SCM包含至少10％w/w的球方解石以及至少1％w/w的ACC，其中该组合物在与水或水以及水泥组合、凝固并硬化之后具有至少14MPa的抗压强度。在一个第十一方面，提供了一种组合物，该组合物包含一种SCM，其中该SCM包含至少10％w/w的球方解石以及至少1％w/w的非晶碳酸钙(ACC)，其中该组合物具有小于-12‰的δ13C。
在以上方面和实施方案的一些实施方案中，该组合物包含至少10％w/w的球方解石、或至少20％w/w的球方解石、或至少30％w/w的球方解石、或至少40％w/w的球方解石、或至少50％w/w的球方解石、或至少60％w/w的球方解石、或至少70％w/w的球方解石、或至少80％w/w的球方解石、或至少90％w/w的球方解石、或至少95％w/w的球方解石、或至少99％w/w的球方解石、或从10％w/w至99％w/w的球方解石、或从10％w/w至95％w/w的球方解石、或从10％w/w至90％w/w的球方解石、或从10％w/w至80％w/w的球方解石、或从10％w/w至70％w/w的球方解石、或从10％w/w至60％w/w的球方解石、或从10％w/w至50％w/w的球方解石、或从10％w/w至40％w/w的球方解石、或从10％w/w至30％w/w的球方解石、或从10％w/w至20％w/w的球方解石、或从20％w/w至99％w/w的球方解石、或从20％w/w至95％w/w的球方解石、或从20％w/w至90％w/w的球方解石、或从20％w/w至80％w/w的球方解石、或从20％w/w至70％w/w的球方解石、或从20％w/w至60％w/w的球方解石、或从20％w/w至50％w/w的球方解石、或从20％w/w至40％w/w的球方解石、或从20％w/w至30％w/w的球方解石、或从20％w/w至25％w/w的球方解石、或从30％w/w至99％w/w的球方解石、或从30％w/w至95％w/w的球方解石、或从30％w/w至90％w/w的球方解石、或从30％w/w至80％w/w的球方解石、或从30％w/w至70％w/w的球方解石、或从30％w/w至60％w/w的球方解石、或从30％w/w至50％w/w的球方解石、或从30％w/w至40％w/w的球方解石、或从40％w/w至99％w/w的球方解石、或从40％w/w至95％w/w的球方解石、或从40％w/w至90％w/w的球方解石、或从40％w/w至80％w/w的球方解石、或从40％w/w至70％w/w的球方解石、或从40％w/w至60％w/w的球方解石、或从40％w/w至50％w/w的球方解石、或从50％w/w至99％w/w的球方解石、或从50％w/w至95％w/w的球方解石、或从50％w/w至90％w/w的球方解石、或从50％w/w至80％w/w的球方解石、或从50％w/w至70％w/w的球方解石、或从50％w/w至60％w/w的球方解石、或从60％w/w至99％w/w的球方解石、或从60％w/w至95％w/w的球方解石、或从60％w/w至90％w/w的球方解石、或从60％w/w至80％w/w的球方解石、或从60％w/w至70％w/w的球方解石、或从70％w/w至99％w/w的球方解石、或从70％w/w至95％w/w的球方解石、或从70％w/w至90％w/w的球方解石、或从70％w/w至80％w/w的球方解石、或从80％w/w至99％w/w的球方解石、或从80％w/w至95％w/w的球方解石、或从80％w/w至90％w/w的球方解石、或从90％w/w至99％w/w的球方解石、或从90％w/w至95％w/w的球方解石、或10％w/w的球方解石、或20％w/w的球方解石、或30％w/w的球方解石、或40％w/w的球方解石、或50％w/w的球方解石、或60％w/w的球方解石、或70％w/w的球方解石、或75％w/w的球方解石、或80％w/w的球方解石、或85％w/w的球方解石、或90％w/w的球方解石、或95％w/w的球方解石、或99％w/w的球方解石。
在以上方面的一些实施方案以及以上实施方案中，该水硬水泥包含至少1％w/w的非晶碳酸钙(ACC)、或至少2％w/w的ACC、或至少5％w/w的ACC、或至少10％w/w的ACC、或至少20％w/w的ACC、或至少30％w/w的ACC、或至少40％w/w的ACC、或至少50％w/w的ACC、或至少60％w/w的ACC、或至少70％w/w的ACC、或至少80％w/w的ACC、或至少90％w/w的ACC、或从1％w/w至90％w/w的ACC、或从1％w/w至80％w/w的ACC、或从1％w/w至70％w/w的ACC、或从1％w/w至60％w/w的ACC、或从1％w/w至50％w/w的ACC、或从1％w/w至40％w/w的ACC、或从1％w/w至30％w/w的ACC、或从1％w/w至20％w/w的ACC、或从1％w/w至10％w/w的ACC、或从5％w/w至90％w/w的ACC、或从5％w/w至80％w/w的ACC、或从5％w/w至70％w/w的ACC、或从5％w/w至60％w/w的ACC、或从5％w/w至50％w/w的ACC、或从5％w/w至40％w/w的ACC、或从5％w/w至30％w/w的ACC、或从5％w/w至20％w/w的ACC、或从5％w/w至10％w/w的ACC、或从10％w/w至90％w/w的ACC、或从10％w/w至80％w/w的ACC、或从10％w/w至70％w/w的ACC、或从10％w/w至60％w/w的ACC、或从10％w/w至50％w/w的ACC、或从10％w/w至40％w/w的ACC、或从10％w/w至30％w/w的ACC、或从10％w/w至20％w/w的ACC、或从20％w/w至90％w/w的ACC、或从20％w/w至80％w/w的ACC、或从20％w/w至70％w/w的ACC、或从20％w/w至60％w/w的ACC、或从20％w/w至50％w/w的ACC、或从20％w/w至40％w/w的ACC、或从20％w/w至30％w/w的ACC、或从30％w/w至90％w/w的ACC、或从30％w/w至80％w/w的ACC、或从30％w/w至70％w/w的ACC、或从30％w/w至60％w/w的ACC、或从30％w/w至50％w/w的ACC、或从30％w/w至40％w/w的ACC、或从40％w/w至90％w/w的ACC、或从40％w/w至80％w/w的ACC、或从40％w/w至70％w/w的ACC、或从40％w/w至60％w/w的ACC、或从40％w/w至50％w/w的ACC、或从50％w/w至90％w/w的ACC、或从50％w/w至80％w/w的ACC、或从50％w/w至70％w/w的ACC、或从50％w/w至60％w/w的ACC、或从60％w/w至90％w/w的ACC、或从60％w/w至80％w/w的ACC、或从60％w/w至70％w/w的ACC、或从60％w/w至65％w/w的ACC、或从70％w/w至90％w/w的ACC、或从70％w/w至80％w/w的ACC、或从70％w/w至75％w/w的ACC、或从80％w/w至90％w/w的ACC、或从80％w/w至85％w/w的ACC、或从85％w/w至90％w/w的ACC、或1％w/w的ACC、或2％w/w的ACC、或5％w/w的ACC、或10％w/w的ACC、或20％w/w的ACC、或30％w/w的ACC、或40％w/w的ACC、或50％w/w的ACC、或60％w/w的ACC、或70％w/w的ACC、或80％w/w的ACC、或90％w/w ACC。
在以上方面的一些实施方案以及以上实施方案中，该组合物包含在10％w/w至99％w/w范围内的球方解石以及在1％w/w至90％w/w范围内的ACC；或球方解石是在10％w/w至90％w/w的范围内并且ACC是在10％w/w至90％w/w的范围内；或球方解石是在10％w/w至80％w/w的范围内并且ACC是在20％w/w至90％w/w的范围内；或球方解石是在10％w/w至70％w/w的范围内并且ACC是在30％w/w至90％w/w的范围内；或球方解石是在10％w/w至60％w/w的范围内并且ACC是在40％w/w至90％w/w的范围内；或球方解石是在10％w/w至50％w/w的范围内并且ACC是在50％w/w至90％w/w的范围内；或球方解石是在10％w/w至40％w/w的范围内并且ACC是在60％w/w至90％w/w的范围内；或球方解石是在10％w/w至30％w/w的范围内并且ACC是在70％w/w至90％w/w的范围内；或球方解石是在10％w/w至20％w/w的范围内并且ACC是在80％w/w至90％w/w的范围内。应理解的是，该组合物中每种组分的百分比是处于如下的方式：该组合物中这些组分的总百分比不得超过按wt计100％的总量。
在以上方面的一些实施方案以及以上实施方案中，该组合物在凝固并硬化之后具有的抗压强度是至少14MPa、或至少16MPa、或至少18MPa、或至少20MPa、或至少25MPa、或至少30MPa、或至少35MPa、或至少40MPa、或至少45MPa、或至少50MPa、或至少55MPa、或至少60MPa、或至少65MPa、或至少70MPa、或至少75MPa、或至少80MPa、或至少85MPa、或至少90MPa、或至少95MPa、或至少100MPa、或从14-100MPa、或从14-80MPa、或从14-75MPa、或从14-70MPa、或从14-65MPa、或从14-60MPa、或从14-55MPa、或从14-50MPa、或从14-45MPa、或从14-40MPa、或从14-35MPa、或从14-30MPa、或从14-25MPa、或从14-20MPa、或从14-18MPa、或从14-16MPa、或从17-35MPa、或从17-30MPa、或从17-25MPa、或从17-20MPa、或从17-18MPa、或从20-100MPa、或从20-90MPa、或从20-80MPa、或从20-75MPa、或从20-70MPa、或从20-65MPa、或从20-60MPa、或从20-55MPa、或从20-50MPa、或从20-45MPa、或从20-40MPa、或从20-35MPa、或从20-30MPa、或从20-25MPa、或从30-100MPa、或从30-90MPa、或从30-80MPa、或从30-75MPa、或从30-70MPa、或从30-65MPa、或从30-60MPa、或从30-55MPa、或从30-50MPa、或从30-45MPa、或从30-40MPa、或从30-35MPa、或从40-100MPa、或从40-90MPa、或从40-80MPa、或从40-75MPa、或从40-70MPa、或从40-65MPa、或从40-60MPa、或从40-55MPa、或从40-50MPa、或从40-45MPa、或从50-100MPa、或从50-90MPa、或从50-80MPa、或从50-75MPa、或从50-70MPa、或从50-65MPa、或从50-60MPa、或从50-55MPa、或从60-100MPa、或从60-90MPa、或从60-80MPa、或从60-75MPa、或从60-70MPa、或从60-65MPa、或从70-100MPa、或从70-90MPa、或从70-80MPa、或从70-75MPa、或从80-100MPa、或从80-90MPa、或从80-85MPa、或从90-100MPa、或从90-95MPa、或14MPa、或16MPa、或18MPa、或20MPa、或25MPa、或30MPa、或35MPa、或40MPa、或45MPa。例如，在以上方面的一些实施方案以及以上实施方案中，该组合物在凝固并硬化之后具有的抗压强度为14MPa至40MPa、或17MPa至40MPa、或20MPa至40MPa、或30MPa至40MPa、或35MPa至40MPa。在一些实施方案中，在此说明的这些抗压强度是1天、或3天、或7天、或28天、或56天、或更长时间后的抗压强度。
在本发明的组合物中的碳酸钙可以包括来自任何数目的来源中的二氧化碳，这些来源包括但不限于：含有来自燃烧过程的烟气的一种工业废气流；来自化学处理设备的一种烟气；来自产生作为副产物的CO2的设备的一种烟气；或它们的组合。在一些实施方案中，被隔离成为本发明的组合物中碳酸盐的二氧化碳是源自化石燃料的燃烧，并且因此这些碳酸盐中的一些(例如，至少10％、50％、60％、70％、80％、90％、95％)或基本上所有(例如，至少99％、99.5％、或99.9％)的碳是化石燃料来源的，即，是植物来源的。典型地，植物来源的碳具有与无机来源的碳不相同的稳定同位素(13C和12C)之比。衍生了化石燃料的植物优选利用超过13C的12C，因此分化了这些碳同位素，使得它们的比值与一般在大气中存在的不同。与一个标准值(PeeDee Belemnite或PDB，标准)相比，将这个值称为碳同位素分化(δ13C)值。典型地，煤的δ13C值是在-30‰至-20‰的范围内；甲烷的δ13C值可以低至-20‰至-40‰或甚至-40‰至-80‰；大气CO2的δ13C值是-10‰至-7‰；对于石灰石是+3‰至-3‰；并且对于海底重碳酸盐是0‰。
在一些实施方案中，在本发明的组合物中球方解石和/或其他多晶型物中的碳具有的δ13C是小于-12‰、-13‰、-14‰、-15‰、-20‰、或小于-25‰、或小于-30‰、或小于-35‰、或小于-45‰、或小于-50‰，如在此更详细说明的。在一些实施方案中，本发明的组合物包含一种隔离CO2的添加剂，该添加剂包括碳酸盐例如球方解石，重碳酸盐，或它们的组合，其中这些碳酸盐、重碳酸盐、或它们的组合具有小于-12‰的碳同位素分馏(δ13)值。
以‰(每千)为单位的相对碳同位素组成(δ13C)值是，相对于成化石化的箭石的一个标准(PDB标准)，对两种稳定的碳同位素即12C和13C的浓度之比的一种衡量。
δ13C‰＝[(13C/12C样品-13C/12CPDB标准)/(13C/12CPDB标准)]x 1000
12C由于其更低的质量而优先被植物在光合作用过程以及其他使用无机碳的生物过程中吸收。与13C相比，12C的更低的质量允许动力学限制的反应更有效地进行。因此，自植物材料获得的物质，例如化石燃料，具有与自无机来源获得的那些相比更小的相对碳同位素组成值。由燃烧化石燃料而产生的烟气中的二氧化碳反映了成为化石的有机材料的相对碳同位素组成值。
结合了来自化石燃料的碳的材料反映出的δ13C值类似于从植物获得的材料的值，即，小于结合了来自大气或非植物海底来源的碳的材料。通过来自燃烧化石燃料的二氧化碳所生产的材料的δ13C值，可以通过测量该材料的δ13C值并确认它与大气二氧化碳或海底来源的碳的值不相似而进行验证。下表II列出了不同碳源的相对碳同位素组成(δ13C)值的范围以供比较。
表II
1.Holdgate，G.R等人，地球与行星变化(Global and PlanetaryChang)，65(2009)第89-103页。
2.Elswick，E.R等人，应用地球化学(Applied Geochemistry)，22(2007)第2065-2077页。
在一些实施方案中，本发明提供了一种通过测量其δ13C值来表征本发明的组合物的方法。可以使用任何适当的方法来测量δ13C值，如质谱法或离轴积分腔输出光谱技术(离轴ICOS)。可以使用任何对测量碳量足够敏感的质量辨识技术来发现13C与12C同位素浓度之比。可以通过二氧化碳中12C和13C所形成的碳-氧双键中的能量差来测量δ13C值。一种碳酸盐的δ13C值可以用作一种CO2气体源的指纹，因为该值可以在不同来源之间发生变化。在一些实施方案中，在本发明的组合物中球方解石和/或多晶型物中的碳量可以根据本领域已知的任何适当的技术来确定。这样的技术包括但不局限于库仑法。
在以上方面的一些实施方案以及以上实施方案中，该组合物具有的δ13C是小于-12‰、小于-13‰、小于-14‰、小于-15‰、或小于-16‰、或小于-17‰、或小于-18‰、或小于-19‰、或小于-20‰、或小于-21‰、或小于-22‰、或小于-25‰、或小于-30‰、或小于-40‰、或小于-50‰、或小于-60‰、或小于-70‰、或小于-80‰、或小于-90‰、或小于-100‰、或从-12‰至-80‰、或从-12‰至-70‰、或从-12‰至-60‰、或从-12‰至-50‰、或从-12‰至-45‰、或从-12‰至-40‰、或从-12‰至-35‰、或从-12‰至-30‰、或从-12‰至-25‰、或从-12‰至-20‰、或从-12‰至-15‰、或从-13‰至-80‰、或从-13‰至-70‰、或从-13‰至-60‰、或从-13‰至-50‰、或从-13‰至-45‰、或从-13‰至-40‰、或从-13‰至-35‰、或从-13‰至-30‰、或从-13‰至-25‰、或从-13‰至-20‰、或从-13‰至-15‰、从-14‰至-80‰、或从-14‰至-70‰、或从-14‰至-60‰、或从-14‰至-50‰、或从-14‰至-45‰、或从-14‰至-40‰、或从-14‰至-35‰、或从-14‰至-30‰、或从-14‰至-25‰、或从-14‰至-20‰、或从-14‰至-15‰、或从-15‰至-80‰、或从-15‰至-70‰、或从-15‰至-60‰、或从-15‰至-50‰、或从-15‰至-45‰、或从-15‰至-40‰、或从-15‰至-35‰、或从-15‰至-30‰、或从-15‰至-25‰、或从-15‰至-20‰、或从-16‰至-80‰、或从-16‰至-70‰、或从-16‰至-60‰、或从-16‰至-50‰、或从-16‰至-45‰、或从-16‰至-40‰、或从-16‰至-35‰、或从-16‰至-30‰、或从-16‰至-25‰、或从-16‰至-20‰、或从-20‰至-80‰、或从-20‰至-70‰、或从-20‰至-60‰、或从-20‰至-50‰、或从-20‰至-40‰、或从-20‰至-35‰、或从-20‰至-30‰、或从-20‰至-25‰、或从-30‰至-80‰、或从-30‰至-70‰、或从-30‰至-60‰、或从-30‰至-50‰、或从-30‰至-40‰、或从-40‰至-80‰、或从-40‰至-70‰、或从-40‰至-60‰、或从-40‰至-50‰、或从-50‰至-80‰、或从-50‰至-70‰、或从-50‰至-60‰、或从-60‰至-80‰、或从-60‰至-70‰、或从-70‰至-80‰、或-12‰、或-13‰、或-14‰、或-15‰、或-16‰、或-17‰、或-18‰、或-19‰、或-20‰、或-21‰、或-22‰、或-25‰、或-30‰、或-40‰、或-50‰、或-60‰、或-70‰、或-80‰、或-90‰、或-100‰。
在此处提供的组合物的一些实施方案中，该组合物进一步包括一种多晶型物，包括但不限于：非晶碳酸钙、霰石、方解石、六水碳钙石、球方解石的前体相、霰石的前体相、一种不及方解石稳定的中间相、在这些多晶型物之间的多晶形式、以及它们的组合。应理解的是，该组合物还可以包含碳酸钙的多晶形式并且这样的多晶形式也处于本发明的范围之内。在此提供的这些组合物的一些实施方案包括球方解石或球方解石与其他多晶型物的组合，如下表III中所示。
表III
  组合物   球方解石  ACC   霰石   方解石   六水碳钙石
  1   x
  2   x  x
  3   x  x   x
  4   x  x   x   x
  5   x  x   x   x   x
  6   x   x
  7   x   x   x
  8   x   x   x   x
  9   x   x   x
  10   x   x
  11   x  x   x
  12   x   x   x
  13   x   x   x
  14   x  x   x   x
  15   x   x   x   x
  16   x   x
  17   x  x   x
  18   x   x   x
  19   x   x   x
  20   x   x   x   x
  21   x  x   x   x
  22   x  x   x   x
在一些实施方案中，在此提供的这些组合物中的球方解石以及该一种或多种多晶型物是处于大于1∶1的球方解石∶一种或多种多晶型物之比；或大于2∶1的比率；或大于3∶1的比率；或大于4∶1的比率；或大于5∶1的比率；或大于6∶1的比率；或大于7∶1的比率；或大于8∶1的比率；或大于9∶1的比率；或大于10∶1的比率；或大于11∶1的比率；或大于12∶1的比率；或大于13∶1的比率；或大于14∶1的比率；或大于15∶1的比率；或大于16∶1的比率；或大于17∶1的比率；或大于18∶1的比率；或大于19∶1的比率；或大于20∶1的比率；或1∶1至20∶1的比率；或1∶1至18∶1的比率；或1∶1至15∶1的比率；或1∶1至10∶1的比率；或1∶1至9∶1的比率；或1∶1至8∶1的比率；或1∶1至7∶1的比率；或1∶1至6∶1的比率；或1∶1至5∶1的比率；或1∶1至4∶1的比率；或1∶1至3∶1的比率；或1∶1至2∶1的比率；或2∶1至20∶1的比率；或2∶1至15∶1的比率；或2∶1至10∶1的比率；或2∶1至9∶1的比率；或2∶1至8∶1的比率；或2∶1至7∶1的比率；或2∶1至6∶1的比率；或2∶1至5∶1的比率；或2∶1至4∶1的比率；或2∶1至3∶1的比率；或5∶1至20∶1的比率；或5∶1至15∶1的比率；或5∶1至10∶1的比率；或5∶1至8∶1的比率；或7∶1至20∶1的比率；或7∶1至15∶1的比率；或7∶1至10∶1的比率；或7∶1至9∶1的比率；或10∶1至20∶1的比率；或10∶1至15∶1的比率；或10∶1至12∶1的比率；或15∶1至20∶1的比率；或15∶1至18∶1的比率；或1∶1的比率；或2∶1的比率；或3∶1的比率；或4∶1的比率；或5∶1的比率；或6∶1的比率；或7∶1的比率；或8∶1的比率；或9∶1的比率；或10∶1的比率；或11∶1的比率；或12∶1的比率；或13∶1的比率；或14∶1的比率；或15∶1的比率；或16∶1的比率；或17∶1的比率；或18∶1的比率；或19∶1的比率；或20∶1的比率。
在一些实施方案中，在此提供的这些组合物中的球方解石和多晶型物所处的球方解石∶一种或多种多晶型物之比是小于1∶1、或0.1∶1、或0.2∶1、或0.3∶1、或0.4∶1、或0.5∶1、或0.6∶1、或0.7∶1、或0.8∶1、或0.9∶1、或0.1∶1-10∶1、或0.2∶1-10∶1、或0.3∶1-10∶1、或0.4∶1-10∶1、或0.5∶1-10∶1、或0.6∶1-10∶1、或0.7∶1-10∶1、或0.8∶1-10∶1、或0.9∶1-10∶1。
在所有上述方面和实施方案的一些实施方案中，该组合物进一步包含1％w/w至85％w/w的霰石、1％w/w至85％w/w的方解石、1％w/w至85％w/w的六水碳钙石、或它们的组合。
在一些实施方案中，上述这些方面和实施方案中的组合物进一步包含至少1％w/w的ACC和至少1％w/w的霰石；至少1％w/w的ACC和至少1％w/w的方解石；至少1％w/w的ACC和至少1％w/w的六水碳钙石；至少1％w/w的霰石和至少1％w/w的方解石；至少1％w/w的霰石和至少1％w/w的六水碳钙石；至少1％w/w的方解石和至少1％w/w的六水碳钙石；至少1％w/w的ACC、至少1％w/w的霰石、以及至少1％w/w的方解石；至少1％w/w的ACC、至少1％w/w的霰石、以及至少1％w/w的六水碳钙石；至少1％w/w的ACC、至少1％w/w的六水碳钙石、以及和至少1％w/w的方解石；至少1％w/w的霰石、至少1％w/w的方解石、以及和至少1％w/w的六水碳钙石；至少1％w/w的ACC、至少1％w/w的霰石、至少1％w/w的方解石、以及至少1％w/w的六水碳钙石。
在一些实施方案中，上述这些方面和实施方案中的组合物进一步包含至少1％w/w至90％w/w的ACC以及至少1％w/w至85％w/w的霰石；至少1％w/w至90％w/w的ACC以及至少1％w/w至85％w/w的方解石；至少1％w/w至90％w/w的ACC以及至少1％w/w至85％w/w的六水碳钙石；至少1％w/w至85％w/w的霰石以及至少1％w/w至85％w/w的方解石；至少1％w/w至85％w/w的霰石以及至少1％w/w至85％w/w的六水碳钙石；至少1％w/w至85％w/w的方解石以及至少1％w/w至85％w/w的六水碳钙石；至少1％w/w至90％w/w的ACC、至少1％w/w至85％w/w的霰石、以及至少1％w/w至85％w/w的方解石；至少1％w/w至90％w/w的ACC、至少1％w/w至85％w/w的霰石、以及至少1％w/w至85％w/w的六水碳钙石；至少1％w/w至90％w/w的ACC、至少1％w/w至85％w/w的六水碳钙石、以及至少1％w/w至85％w/w的方解石；至少1％w/w至85％w/w的霰石、至少1％w/w至85％w/w的方解石、以及至少1％w/w至85％w/w的六水碳钙石；至少1％w/w至90％w/w的ACC、至少1％w/w至85％w/w的霰石、至少1％w/w至85％w/w的方解石、以及至少1％w/w至85％w/w的六水碳钙石。
在所有上述方面和实施方案的一些实施方案中，该进一步组合物包含至少1％w/w的霰石；或至少2％w/w的霰石；或至少5％w/w的霰石；或至少10％w/w的霰石；或至少20％w/w的霰石；或至少30％w/w的霰石；或至少40％w/w的霰石；或至少50％w/w的霰石；或至少60％w/w的霰石；或至少70％w/w的霰石；或至少80％w/w的霰石；或至少85％w/w的霰石；或从1％w/w至85％w/w的霰石；或从1％w/w至80％w/w的霰石；或从1％w/w至70％w/w的霰石；或从1％w/w至60％w/w的霰石；或从1％w/w至50％w/w的霰石；或从1％w/w至40％w/w的霰石；或从1％w/w至30％w/w的霰石；或从1％w/w至20％w/w的霰石；或从1％w/w至10％w/w的霰石；或从5％w/w至85％w/w的霰石；或从5％w/w至80％w/w的霰石；或从5％w/w至70％w/w的霰石；或从5％w/w至60％w/w的霰石；或从5％w/w至50％w/w的霰石；或从5％w/w至40％w/w的霰石；或从5％w/w至30％w/w的霰石；或从5％w/w至20％w/w的霰石；或从5％w/w至10％w/w的霰石；或从10％w/w至85％w/w的霰石；或从10％w/w至80％w/w的霰石；或从10％w/w至70％w/w的霰石；或从10％w/w至60％w/w的霰石；或从10％w/w至50％w/w的霰石；或从10％w/w至40％w/w的霰石；或从10％w/w至30％w/w的霰石；或从10％w/w至20％w/w的霰石；或从20％w/w至85％w/w的霰石；或从20％w/w至80％w/w的霰石；或从20％w/w至70％w/w的霰石；或从20％w/w至60％w/w的霰石；或从20％w/w至50％w/w的霰石；或从20％w/w至40％w/w的霰石；或从20％w/w至30％w/w的霰石；或从30％w/w至85％w/w的霰石；或从30％w/w至80％w/w的霰石；或从30％w/w至70％w/w的霰石；或从30％w/w至60％w/w的霰石；或从30％w/w至50％w/w的霰石；或从30％w/w至40％w/w的霰石；或从40％w/w至85％w/w的霰石；或从40％w/w至80％w/w的霰石；或从40％w/w至70％w/w的霰石；或从40％w/w至60％w/w的霰石；或从40％w/w至50％w/w的霰石；或从50％w/w至85％w/w的霰石；或从50％w/w至80％w/w的霰石；或从50％w/w至70％w/w的霰石；或从50％w/w至60％w/w的霰石；或从60％w/w至85％w/w的霰石；或从60％w/w至80％w/w的霰石；或从60％w/w至70％w/w的霰石；或从60％w/w至65％w/w的霰石；或从70％w/w至85％w/w的霰石；或从70％w/w至80％w/w的霰石；或从70％w/w至75％w/w的霰石；或从80％w/w至85％w/w的霰石；或1％w/w的霰石；或2％w/w的霰石；或5％w/w的霰石；或10％w/w的霰石；或20％w/w的霰石；或30％w/w的霰石；或40％w/w的霰石；或50％w/w的霰石；或60％w/w的霰石；或70％w/w的霰石；或80％w/w的霰石；或85％w/w的霰石。
在所有上述方面和实施方案的一些实施方案中，该进一步组合物包含至少1％w/w的方解石；或至少2％w/w的方解石；或至少5％w/w的方解石；或至少10％w/w的方解石；或至少20％w/w的方解石；或至少30％w/w的方解石；或至少40％w/w的方解石；或至少50％w/w的方解石；或至少60％w/w的方解石；或至少70％w/w的方解石；或至少80％w/w的方解石；或至少85％w/w的方解石；或从1％w/w至85％w/w的方解石；或从1％w/w至80％w/w的方解石；或从1％w/w至75％w/w的方解石；或从1％w/w至70％w/w的方解石；或从1％w/w至65％w/w的方解石；或从1％w/w至60％w/w的方解石；或从1％w/w至55％w/w的方解石；或从1％w/w至50％w/w的方解石；或从1％w/w至45％w/w的方解石；或从1％w/w至40％w/w的方解石；或从1％w/w至35％w/w的方解石；或从1％w/w至30％w/w的方解石；或从1％w/w至25％w/w的方解石；或从1％w/w至20％w/w的方解石；或从1％w/w至15％w/w的方解石；或从1％w/w至10％w/w的方解石；或从5％w/w至85％w/w的方解石；或从5％w/w至80％w/w的方解石；或从5％w/w至70％w/w的方解石；或从5％w/w至60％w/w的方解石；或从5％w/w至50％w/w的方解石；或从5％w/w至40％w/w的方解石；或从5％w/w至30％w/w的方解石；或从5％w/w至20％w/w的方解石；或从5％w/w至10％w/w的方解石；或从10％w/w至85％w/w的方解石；或从10％w/w至80％w/w的方解石；或从10％w/w至70％w/w的方解石；或从10％w/w至60％w/w的方解石；或从10％w/w至50％w/w的方解石；或从10％w/w至40％w/w的方解石；或从10％w/w至30％w/w的方解石；或从10％w/w至20％w/w的方解石；或从20％w/w至85％w/w的方解石；或从20％w/w至80％w/w的方解石；或从20％w/w至70％w/w的方解石；或从20％w/w至60％w/w的方解石；或从20％w/w至50％w/w的方解石；或从20％w/w至40％w/w的方解石；或从20％w/w至30％w/w的方解石；或从30％w/w至85％w/w的方解石；或从30％w/w至80％w/w的方解石；或从30％w/w至70％w/w的方解石；或从30％w/w至60％w/w的方解石；或从30％w/w至50％w/w的方解石；或从30％w/w至40％w/w的方解石；或从40％w/w至85％w/w的方解石；或从40％w/w至80％w/w的方解石；或从40％w/w至70％w/w的方解石；或从40％w/w至60％w/w的方解石；或从40％w/w至50％w/w的方解石；或从50％w/w至85％w/w的方解石；或从50％w/w至80％w/w的方解石；或从50％w/w至70％w/w的方解石；或从50％w/w至60％w/w的方解石；或从60％w/w至85％w/w的方解石；或从60％w/w至80％w/w的方解石；或从60％w/w至70％w/w的方解石；或从60％w/w至65％w/w的方解石；或从70％w/w至85％w/w的方解石；或从70％w/w至80％w/w的方解石；或从70％w/w至75％w/w的方解石；或从80％w/w至85％w/w的方解石；或1％w/w的方解石；或2％w/w的方解石；或5％w/w的方解石；或10％w/w的方解石；或20％w/w的方解石；或30％w/w的方解石；或40％w/w的方解石；或50％w/w的方解石；或60％w/w的方解石；或70％w/w的方解石；或80％w/w的方解石；或85％w/w的方解石。
在所有上述方面和实施方案的一些实施方案中，该进一步组合物包含至少1％w/w的六水碳钙石；或至少2％w/w的六水碳钙石；或至少5％w/w的六水碳钙石；或至少10％w/w的六水碳钙石；或至少20％w/w的六水碳钙石；或至少30％w/w的六水碳钙石；或至少40％w/w的六水碳钙石；或至少50％w/w的六水碳钙石；或至少60％w/w的六水碳钙石；或至少70％w/w的六水碳钙石；或至少80％w/w的六水碳钙石；或至少85％w/w的六水碳钙石；或从1％w/w至85％w/w的六水碳钙石；或从1％w/w至80％w/w的六水碳钙石；或从1％w/w至70％w/w的六水碳钙石；或从1％w/w至60％w/w的六水碳钙石；或从1％w/w至50％w/w的六水碳钙石；或从1％w/w至40％w/w的六水碳钙石；或从1％w/w至30％w/w的六水碳钙石；或从1％w/w至20％w/w的六水碳钙石；或从1％w/w至10％w/w的六水碳钙石；或从5％w/w至85％w/w的六水碳钙石；或从5％w/w至80％w/w的六水碳钙石；或从5％w/w至70％w/w的六水碳钙石；或从5％w/w至60％w/w的六水碳钙石；或从5％w/w至50％w/w的六水碳钙石；或从5％w/w至40％w/w的六水碳钙石；或从5％w/w至30％w/w的六水碳钙石；或从5％w/w至20％w/w的六水碳钙石；或从5％w/w至10％w/w的六水碳钙石；或从10％w/w至85％w/w的六水碳钙石；或从10％w/w至80％w/w的六水碳钙石；或从10％w/w至70％w/w的六水碳钙石；或从10％w/w至60％w/w的六水碳钙.石；或从10％w/w至50％w/w的六水碳钙石；或从10％w/w至40％w/w的六水碳钙石；或从10％w/w至30％w/w的六水碳钙石；或从10％w/w至20％w/w的六水碳钙石；或从20％w/w至85％w/w的六水碳钙石；或从20％w/w至80％w/w的六水碳钙石；或从20％w/w至70％w/w的六水碳钙石；或从20％w/w至60％w/w的六水碳钙石；或从20％w/w至50％w/w的六水碳钙石；或从20％w/w至40％w/w的六水碳钙石；或从20％w/w至30％w/w的六水碳钙石；或从30％w/w至85％w/w的六水碳钙石；或从30％w/w至80％w/w的六水碳钙石；或从30％w/w至70％w/w的六水碳钙石；或从30％w/w至60％w/w的六水碳钙石；或从30％w/w至50％w/w的六水碳钙石；或从30％w/w至40％w/w的六水碳钙石；或从40％w/w至85％w/w的六水碳钙石；或从40％w/w至80％w/w的六水碳钙石；或从40％w/w至70％w/w的六水碳钙石；或从40％w/w至60％w/w的六水碳钙石；或从40％w/w至50％w/w的六水碳钙石；或从50％w/w至85％w/w的六水碳钙石；或从50％w/w至80％w/w的六水碳钙石；或从50％w/w至70％w/w的六水碳钙石；或从50％w/w至60％w/w的六水碳钙石；或从60％w/w至85％w/w的六水碳钙石；或从60％w/w至80％w/w的六水碳钙石；或从60％w/w至70％w/w的六水碳钙石；或从60％w/w至65％w/w的六水碳钙石；或从70％w/w至85％w/w的六水碳钙石；或从70％w/w至80％w/w的六水碳钙石；或从70％w/w至75％w/w的六水碳钙石；或从80％w/w至85％w/w的六水碳钙石；或1％w/w的六水碳钙石；或2％w/w的六水碳钙石；或5％w/w的六水碳钙石；或10％w/w的六水碳钙石；或20％w/w的六水碳钙石；或30％w/w的六水碳钙石；或40％w/w的六水碳钙石；或50％w/w的六水碳钙石；或60％w/w的六水碳钙石；或70％w/w的六水碳钙石；或80％w/w的六水碳钙石；或85％w/w的六水碳钙石。
本发明的组合物可以包含多种不同的阳离子，例如但不限于：钙、镁、钠、钾、硫、硼、硅、锶、以及它们的组合，其中碳酸盐矿物包括但不限于：碳酸钙矿物、碳酸镁矿物、以及碳酸钙镁矿物。本发明的组合物中的碳酸钙矿物包括但不限于单独的或与以下项组合的球方解石：方解石、霰石、六水碳钙石、非晶碳酸钙、球方解石的前体相、霰石的前体相、一种不及方解石稳定的中间相、在这些多晶型物之间的多晶形式、或它们的组合。这些碳酸盐矿物还可以与碳酸镁矿物组合地存在。碳酸镁矿物包括但不限于：菱镁矿(MgCO3)、水碳镁矿(MgCO3.2H2O)、碳氢镁石(MgCO3.3H2O)、五水碳酸镁(lanfordite)(MgCO3.5H2O)、以及非晶碳酸镁钙(MgCO3.nH2O)。在本发明的组合物中的碳酸盐矿物也能与碳酸钙镁矿物组合地存在，这些碳酸钙镁矿物包括但不限于：白云石(CaMgCO3)、碳钙镁石(CaMg(CO3)4)、以及水碳镁钙石(Ca2Mg11(CO3)13.H2O)。可以在本发明的组合物中存在的其他钙矿物是氢氧钙石(Ca(OH)2)及其非晶水合同型物。可以在本发明的组合物中存在的其他镁矿物是水镁石(Mg(OH)2)及其非晶水合同型物。
在所有上述方面和实施方案的一些实施方案中，该组合物进一步包含锶(Sr)。在一些实施方案中，Sr在该组合物中存在的量值是1-50,000百万分率(ppm)；或1-10,000ppm；或1-5,000ppm；或1-1,000ppm；或3-50,000ppm；或3-10,000ppm；或3-9,000ppm；或3-8,000ppm；或3-7,000ppm；或3-6,000ppm；或3-5,000ppm；或3-4,000ppm；或3-3,000ppm；或3-2,000ppm；或3-1,000ppm；或3-900ppm；或3-800ppm；或3-700ppm；或3-600ppm；或3-500ppm；或3-400ppm；或3-300ppm；或3-200ppm；或3-100ppm；或3-50ppm；或3-10ppm；或10-50,000ppm；或10-10,000ppm；或10-9,000ppm；或10-8,000ppm；或10-7,000ppm；或10-6,000ppm；或10-5,000ppm；或10-4,000ppm；或10-3,000ppm；或10-2,000ppm；或10-1,000ppm；或10-900ppm；或10-800ppm；或10-700ppm；或10-600ppm；或10-500ppm；或10-400ppm；或10-300ppm；或10-200ppm；或10-100ppm；或10-50ppm；或100-50,000ppm；或100-10,000ppm；或100-9,000ppm；或100-8,000ppm；或100-7,000ppm；或100-6,000ppm；或100-5,000ppm；或100-4,000ppm；或100-3,000ppm；或100-2,000ppm；或100-1,000ppm；或100-900ppm；或100-800ppm；或100-700ppm；或100-600ppm；或100-500ppm；或100-400ppm；或100-300ppm；或100-200ppm；或200-50,000ppm；或200-10,000ppm；或200-1,000ppm；或200-500ppm；或500-50,000ppm；或500-10,000ppm；或500-1,000ppm；或10ppm；或100ppm；或200ppm；或500ppm；或1000ppm；或5000ppm；或8000ppm；或10,000ppm。
在一些实施方案中，上述Sr是存在于该球方解石的晶格中。在一些实施方案中，上述Sr是存在于该霰石的晶格中。在一些实施方案中，上述Sr是存在于该方解石的晶格中。在一些实施方案中，上述Sr是存在于该六水碳钙石的晶格中。在一些实施方案中，上述Sr是存在于球方解石、霰石、方解石和六水碳钙石中一种或多种的晶格中。
本发明中采用的水可以是淡水、咸水、或含有碱土金属的水，这取决于采用该水的方法。在一些实施方案中，本发明中采用的水包含一种或多种碱土金属，例如镁、钙等等。在本发明中可以采用不同类型的水，如下面所说明的。在一些实施方案中，该水包含的钙的量值范围是从50至20,000ppm；或50至10,000ppm；或50至5,000ppm；或50至1,000ppm；或50至500ppm；或50至100ppm；或100至20,000ppm；或100至10,000ppm；或100至5,000ppm；或100至1,000ppm；或100至500ppm；或500至20,000ppm；或500至10,000ppm；或500至5,000ppm；或500至1,000ppm；或1,000至20,000ppm；或1,000至10,000ppm；或1,000至5,000ppm；或5,000至20,000ppm；或5,000至10,000ppm；或10,000至20,000ppm。
在一些实施方案中，该水包含的镁的量值范围是从50至20,000ppm；或50至10,000ppm；或50至5,000ppm；或50至1,000ppm；或50至500ppm；或50至100ppm；或100至20,000ppm；或100至10,000ppm；或100至5,000ppm；或100至1,000ppm；或100至500ppm；或500至20,000ppm；或500至10,000ppm；或500至5,000ppm；或500至1,000ppm；或1,000至20,000ppm；或1,000至10,000ppm；或1,000至5,000ppm；或5,000至20,000ppm；或5,000至10,000ppm；或10,000至20,000ppm。
在某些实施方案中，该组合物具有的钙/镁比率受到它从中沉淀出的水源的影响并且因此反映了该水源，例如含有的镁多于钙的海水，或者通常包含的钙含量为海水的一百倍的某些浓盐水；该钙/镁比率也反映了多个因素，如在生产过程中添加的含钙和/或镁的物质，例如使用飞灰、红泥、炉渣或其他含钙和/或镁的工业废料，或使用含钙和/或镁的矿物如镁铁质和超镁铁质的矿物，例如蛇纹石、橄榄石等等。由于原材料以及在生产过程中添加的材料大不相同，该钙/镁比率在本发明的组合物和方法的不同实施方案中可以广泛变化，并且实际上在某些实施方案中，该比率可以根据该组合物的预期用途进行调整。
在所有上述方面和实施方案的一些实施方案中，该组合物进一步包含镁(Mg)。在一些实施方案中，Mg是作为碳酸镁存在。在一些实施方案中，钙与镁的比率(Ca∶Mg)或球方解石与碳酸镁的比率是大于1∶1；或大于2∶1的比率；或大于3∶1的比率；或大于4∶1的比率；或大于5∶1的比率；或大于6∶1的比率；或大于7∶1的比率；或大于8∶1的比率；或大于9∶1的比率；或大于10∶1的比率；或大于15∶1的比率；或大于20∶1的比率；或大于30∶1的比率；或大于40∶1的比率；或大于50∶1的比率；或大于60∶1的比率；或大于70∶1的比率；或大于80∶1的比率；或大于90∶1的比率；或大于100∶1的比率；或大于150∶1的比率；或大于200∶1的比率；或大于250∶1的比率；或大于300∶1的比率；或大于350∶1的比率；或大于400∶1的比率；或大于450∶1的比率；或大于500∶1的比率；或1∶1至500∶1的比率；或1∶1至450∶1的比率；或1∶1至400∶1的比率；或1∶1至350∶1的比率；或1∶1至300∶1的比率；或1∶1至250∶1的比率；或1∶1至200∶1的比率；或1∶1至150∶1的比率；或1∶1至100∶1的比率；或1∶1至50∶1的比率；或1∶1至25∶1的比率；或1∶1至10∶1的比率；或5∶1至500∶1的比率；或5∶1至450∶1的比率；或5∶1至400∶1的比率；或5∶1至350∶1的比率；或5∶1至300∶1的比率；或5∶1至250∶1的比率；或5∶1至200∶1的比率；或5∶1至150∶1的比率；或5∶1至100∶1的比率；或5∶1至50∶1的比率；或5∶1至25∶1的比率；或5∶1至10∶1的比率；或10∶1至500∶1的比率；或10∶1至450∶1的比率；或10∶1至400∶1的比率；或10∶1至350∶1的比率；或10∶1至300∶1的比率；或10∶1至250∶1的比率；或10∶1至200∶1的比率；或10∶1至150∶1的比率；或10∶1至100∶1的比率；或10∶1至50∶1的比率；或10∶1至25∶1的比率；或20∶1至500∶1的比率；或20∶1至450∶1的比率；或20∶1至400∶1的比率；或20∶1至350∶1的比率；或20∶1至300∶1的比率；或20∶1至250∶1的比率；或20∶1至200∶1的比率；或20∶1至150∶1的比率；或20∶1至100∶1的比率；或20∶1至50∶1的比率；或20∶1至25∶1的比率；或50∶1至500∶1的比率；或50∶1至450∶1的比率；或50∶1至400∶1的比率；或50∶1至350∶1的比率；或50∶1至300∶1的比率；或50∶1至250∶1的比率；或50∶1至200∶1的比率；或50∶1至150∶1的比率；或50∶1至100∶1的比率；或100∶1至500∶1的比率；或100∶1至450∶1的比率；或100∶1至400∶1的比率；或100∶1至350∶1的比率；或100∶1至300∶1的比率；或100∶1至250∶1的比率；或100∶1至200∶1的比率；或100∶1至150∶1的比率；或200∶1至500∶1的比率；或200∶1至450∶1的比率；或200∶1至400∶1的比率；或200∶1至350∶1的比率；或200∶1至300∶1的比率；或200∶1至250∶1的比率；或300∶1至500∶1的比率；或300∶1至450∶1的比率；或300∶1至400∶1的比率；或300∶1至350∶1的比率；或400∶1至500∶1的比率；或400∶1至450∶1的比率；或1∶1的比率；或2∶1的比率；或3∶1的比率；或4∶1的比率；或5∶1的比率；或6∶1的比率；或7∶1的比率；或8∶1的比率；或9∶1的比率；或10∶1的比率；或11∶1的比率；或15∶1的比率；或20∶1的比率；或30∶1的比率；或40∶1的比率；或50∶1的比率；或60∶1的比率；或70∶1的比率；或80∶1的比率；或90∶1的比率；或100∶1的比率；或150∶1的比率；或200∶1的比率；或250∶1的比率；或300∶1的比率；或350∶1的比率；或400∶1的比率；或450∶1的比率；或500∶1。在一些实施方案中，钙与镁的比率(Ca∶Mg)是在2∶1至5∶1之间、或大于4∶1、或是4∶1。在一些实施方案中，在此这些比率是摩尔比率或重量(如，克、mg或ppm)比率。
在一些实施方案中，镁与钙的比率(Mg∶Ca)或碳酸镁与球方解石的比率是在1∶1至10∶1之间；或在2∶1至10∶1之间；或在3∶1至10∶1之间；或在4∶1至10∶1之间；或在5∶1至10∶1之间；或在6∶1至10∶1之间；或在7∶1至10∶1之间；或在8∶1至10∶1之间；或在9∶1至10∶1。
在一些实施方案中，在此提供的这些组合物中Mg存在的量是小于2％w/w；或小于1.5％w/w；或小于1％w/w；或小于0.5％w/w；或小于0.1％w/w；或在0.1％w/w Mg至5％w/w Mg之间；或在0.1％w/w Mg至2％w/w Mg之间；或在0.1％w/w Mg至1.5％w/w Mg之间；或在0.1％w/w Mg至1％w/w Mg之间；或在0.1％w/w Mg至0.5％w/w Mg之间。
替代地，在一些实施方案中，钙与镁的比率(Ca∶Mg)是0.1；或0.2；或0.3；或0.4；或0.5。
在一些实施方案中，在此提供的这些组合物进一步包含钠。在这样的组合物中，钠存在的量值是小于100,000ppm；或小于80,000ppm；或小于50,000ppm；或小于20,000ppm；或小于15,000ppm；或小于10,000ppm；或小于5,000ppm；或小于1,000ppm；或小于500ppm；或小于400ppm；或小于300ppm；或小于200ppm；或小于100ppm；或在100ppm至100,000ppm之间；或在100ppm至50,000ppm之间；或在100ppm至30,000ppm之间；或在100ppm至20,000ppm之间；或在100ppm至15,000ppm之间；或在100ppm至10,000ppm之间；或在100ppm至5,000ppm之间；或在100ppm至1,000ppm之间；或在100ppm至500ppm之间；或在100ppm至400ppm之间；或在100ppm至300ppm之间；或在100ppm至200ppm之间；或在500ppm至100,000ppm之间；或在500ppm至50,000ppm之间；或在500ppm至30,000ppm之间；或在500ppm至20,000ppm之间；或在500ppm至15,000ppm之间；或在500ppm至10,000ppm之间；或在500ppm至5,000ppm之间；或在500ppm至1,000ppm之间；或在1000ppm至100,000ppm之间；或在1000ppm至50,000ppm之间；或在1000ppm至30,000ppm之间；或在1000ppm至20,000ppm之间；或在1000ppm至15,000ppm之间；或在1000ppm至10,000ppm之间；或在1000ppm至5,000ppm之间；或在5000ppm至100,000ppm之间；或在5000ppm至50,000ppm之间；或在10,000ppm至100,000ppm之间；或在10,000ppm至50,000ppm之间；或在50,000ppm至100,000ppm之间；或20,000ppm；或15,000ppm；或10,000ppm；或5,000ppm；或1,000ppm；或500ppm；或400ppm；或300ppm；或200ppm；或100ppm。
在一些实施方案中，本发明的组合物不含磷酸钙。在一些实施方案中，本发明的组合物包含磷酸钙。在这样的组合物中，磷酸钙的量值是小于20,000ppm；或小于15,000ppm；或小于10,000ppm；或小于5,000ppm；或小于1,000ppm；或小于500ppm；或小于400ppm；或小于300ppm；或小于200ppm；或小于100ppm；或在100ppm至20,000ppm之间；或在100ppm至15,000ppm之间；或在100ppm至10,000ppm之间；或在100ppm至5,000ppm之间；或在100ppm至1,000ppm之间；或在100ppm至500ppm之间；或在100ppm至400ppm之间；或在100ppm至300ppm之间；或在100ppm至200ppm之间；或20,000ppm；或15,000ppm；或10,000ppm；或5,000ppm；或1,000ppm；或500ppm；或400ppm；或300ppm；或200ppm；或100ppm。
在一些实施方案中，在此提供的组合物是一种具有0.1-100微米的平均粒度的微粒组合物。该平均粒度是使用任何常规的粒度测定方法来确定的，例如但不限于多检测器激光散射或筛分(即，＜38微米)。在某些实施方案中，存在单峰或多峰(例如双峰或其他的)分布。双峰分布允许表面积最小化，因此允许水泥具有更低的液体/固体质量比，而仍提供更小的反应颗粒以便于早期反应。在这样的情况下，较大尺寸等级的平均粒度可以高达1000微米(1mm)。在一些实施方案中，在此提供的组合物是一种微粒组合物，其具有的平均粒度为0.1-1000微米；或0.1-900微米；或0.1-800微米；或0.1-700微米；或0.1-600微米；或0.1-500微米；或0.1-400微米；或0.1-300微米；或0.1-200微米；或0.1-100微米；或0.1-90微米；或0.1-80微米；或0.1-70微米；或0.1-60微米；或0.1-50微米；或0.1-40微米；或0.1-30微米；或0.1-20微米；或0.1-10微米；或0.1-5微米；或0.5-100微米；或0.5-90微米；或0.5-80微米；或0.5-70微米；或0.5-60微米；或0.5-50微米；或0.5-40微米；或0.5-30微米；或0.5-20微米；或0.5-10微米；或0.5-5微米；或1-100微米；或1-90微米；或1-80微米；或1-70微米；或1-60微米；或1-50微米；或1-40微米；或1-30微米；或1-20微米；或1-10微米；或1-5微米；或3-100微米；或3-90微米；或3-80微米；或3-70微米；或3-60微米；或3-50微米；或3-40微米；或3-30微米；或3-20微米；或3-10微米；或3-8微米；或5-100微米；或5-90微米；或5-80微米；或5-70微米；或5-60微米；或5-50微米；或5-40微米；或5-30微米；或5-20微米；或5-10微米；或5-8微米；或8-100微米；或8-90微米；或8-80微米；或8-70微米；或8-60微米；或8-50微米；或8-40微米；或8-30微米；或8-20微米；或8-10微米；或10-100微米；或10-90微米；或10-80微米；或10-70微米；或10-60微米；或10-50微米；或10-40微米；或10-30微米；或10-20微米；或10-15微米；或15-100微米；或15-90微米；或15-80微米；或15-70微米；或15-60微米；或15-50微米；或15-40微米；或15-30微米；或15-20微米；或20-100微米；或20-90微米；或20-80微米；或20-70微米；或20-60微米；或20-50微米；或20-40微米；或20-30微米；或30-100微米；或30-90微米；或30-80微米；或30-70微米；或30-60微米；或30-50微米；或30-40微米；或40-100微米；或40-90微米；或40-80微米；或40-70微米；或40-60微米；或40-50微米；或50-100微米；或50-90微米；或50-80微米；或50-70微米；或50-60微米；或60-100微米；或60-90微米；或60-80微米；或60-70微米；或70-100微米；或70-90微米；或70-80微米；或80-100微米；或80-90微米；或0.1微米；或0.5微米；或1微米；或2微米；或3微米；或4微米；或5微米；或8微米；或10微米；或15微米；或20微米；或30微米；或40微米；或50微米；或60微米；或70微米；或80微米；或100微米。例如在一些实施方案中，在此提供的组合物是如下一种微粒组合物，其具有的平均粒度是0.1-20微米；或0.1-15微米；或0.1-10微米；或0.1-8微米；或0.1-5微米；或1-5微米；或5-10微米。
在一些实施方案中，该组合物包含一种或多种在该组合物中的不同颗粒的尺寸。在一些实施方案中，该组合物包含两种或更多种、或三种或更多种、或四种或更多种、或五种或更多种、或十种或更多种、或20种或更多种、或3-20种、或4-10种在该组合物中的不同颗粒的尺寸。例如，该组合物可以包含两种或更多种、或三种或更多种、或3-20种之间的颗粒，其范围从0.1-10微米、10-50微米、50-100微米、100-200微米、200-500微米、500-1000微米、和/或亚微米的颗粒尺寸。
在一些实施方案中，本发明的组合物可以包含不同的颗粒形态，例如但不限于细的或分散的以及大的或聚集的。
处于粉末形式的组合物的堆密度在水泥的凝固和/或硬化之后可以改变。在一些实施方案中，在此提供的组合物具有的堆密度是在75lb/ft3-170lb/ft3之间；或在75lb/ft3-160lb/ft3之间；或在75lb/ft3-150lb/ft3之间；或在75lb/ft3-140lb/ft3之间；或在75lb/ft3-130lb/ft3之间；或在75lb/ft3-125lb/ft3之间；或在75lb/ft3-120lb/ft3之间；或在75lb/ft3-110lb/ft3之间；或在75lb/ft3-100lb/ft3之间；或在75lb/ft3-90lb/ft3之间；或在75lb/ft3-80lb/ft3之间；或在80lb/ft3-170lb/ft3之间；或在80lb/ft3-160lb/ft3之间；或在80lb/ft3-150lb/ft3之间；或在80lb/ft3-140lb/ft3之间；或在80lb/ft3-130lb/ft3之间；或在80lb/ft3-125lb/ft3之间；或在80lb/ft3-120lb/ft3之间；或在80lb/ft3-110lb/ft3之间；或在80lb/ft3-100lb/ft3之间；或在80lb/ft3-90lb/ft3之间；或在90lb/ft3-170lb/ft3之间；或在90lb/ft3-160lb/ft3之间；或在90lb/ft3-150lb/ft3之间；或在90lb/ft3-140lb/ft3之间；或在90lb/ft3-130lb/ft3之间；或在90lb/ft3-125lb/ft3之间；或在90lb/ft3-120lb/ft3之间；或在90lb/ft3-110lb/ft3之间；或在90lb/ft3-100lb/ft3之间；或在90lb/ft3-90lb/ft3之间；或在100lb/ft3-170lb/ft3之间；或在100lb/ft3-160lb/ft3之间；或在100lb/ft3-150lb/ft3之间；或在100lb/ft3-140lb/ft3之间；或在100lb/ft3-130lb/ft3之间；或在100lb/ft3-125lb/ft3之间；或在100lb/ft3-120lb/ft3之间；或在100lb/ft3-110lb/ft3之间；或在110lb/ft3-170lb/ft3之间；或在110lb/ft3-160lb/ft3之间；或在110lb/ft3-150lb/ft3之间；或在110lb/ft3-140lb/ft3之间；或在110lb/ft3-130lb/ft3之间；或在110lb/ft3-125lb/ft3之间；或在110lb/ft3-120lb/ft3之间；或在120lb/ft3-170lb/ft3之间；或在120lb/ft3-160lb/ft3之间；或在120lb/ft3-150lb/ft3之间；或在120lb/ft3-140lb/ft3之间；或在120lb/ft3-130lb/ft3之间；或在120lb/ft3-125lb/ft3之间；或在130lb/ft3-170lb/ft3之间；或在130lb/ft3-160lb/ft3之间；或在130lb/ft3-150lb/ft3之间；或在130lb/ft3-140lb/ft3之间；或在140lb/ft3-170lb/ft3之间；或在140lb/ft3-160lb/ft3之间；或在140lb/ft3-150lb/ft3之间；或在150lb/ft3-170lb/ft3之间；或在150lb/ft3-160lb/ft3之间；或在160lb/ft3-170lb/ft3之间；或75lb/ft3；或80lb/ft3；或85lb/ft3；或90lb/ft3；或95lb/ft3；或100lb/ft3；或110lb/ft3；或120lb/ft3；或130lb/ft3；或140lb/ft3；或150lb/ft3；或160lb/ft3；或170lb/ft3。
构成水泥的这些组分的表面积可以变化。在一些实施方案中，本发明的组合物具有的平均表面积足以在与液体组合之后提供一个液体与固体的比率(如在此说明的)以产生一种可凝固组合物。在一些实施方案中，平均表面积的范围是从0.5m2/gm-50m2/gm。该表面积可以使用布朗诺尔-埃米特-泰勒(BET)表面积分析法中描述的表面积测定方案来确定。在一些实施方案中，在此提供的组合物具有的平均表面积是从0.5m2/gm-50m2/gm；或从0.5m2/gm-45m2/gm；或从0.5m2/gm-40m2/gm；或从0.5m2/gm-35m2/gm；或从0.5m2/gm-30m2/gm；或从0.5m2/gm-25m2/gm；或从0.5m2/gm-20m2/gm；或从0.5m2/gm-15m2/gm；或从0.5m2/gm-10m2/gm；或从0.5m2/gm-5m2/gm；或从0.5m2/gm-4m2/gm；或从0.5m2/gm-2m2/gm；或从0.5m2/gm-1m2/gm；或从1m2/gm-50m2/gm；或从1m2/gm-45m2/gm；或从1m2/gm-40m2/gm；或从1m2/gm-35m2/gm；或从1m2/gm-30m2/gm；或从1m2/gm-25m2/gm；或从1m2/gm-20m2/gm；或从1m2/gm-15m2/gm；或从1m2/gm-10m2/gm；或从1m2/gm-5m2/gm；或从1m2/gm-4m2/gm；或从1m2/gm-2m2/gm；或从2m2/gm-50m2/gm；或从2m2/gm-45m2/gm；或从2m2/gm-40m2/gm；或从2m2/gm-35m2/gm；或从2m2/gm-30m2/gm；或从2m2/gm-25m2/gm；或从2m2/gm-20m2/gm；或从2m2/gm-15m2/gm；或从2m2/gm-10m2/gm；或从2m2/gm-5m2/gm；或从2m2/gm-4m2/gm；或从5m2/gm-50m2/gm；或从5m2/gm-45m2/gm；或从5m2/gm-40m2/gm；或从5m2/gm-35m2/gm；或从5m2/gm-30m2/gm；或从5m2/gm-25m2/gm；或从5m2/gm-20m2/gm；或从5m2/gm-15m2/gm；或从5m2/gm-10m2/gm；或从8m2/gm-50m2/gm；或从8m2/gm-45m2/gm；或从8m2/gm-40m2/gm；或从8m2/gm-35m2/gm；或从8m2/gm-30m2/gm；或从8m2/gm-25m2/gm；或从8m2/gm-20m2/gm；或从8m2/gm-15m2/gm；或从8m2/gm-10m2/gm；或从10m2/gm-50m2/gm；或从10m2/gm-45m2/gm；或从10m2/gm-40m2/gm；或从10m2/gm-35m2/gm；或从10m2/gm-30m2/gm；或从10m2/gm-25m2/gm；或从10m2/gm-20m2/gm；或从10m2/gm-15m2/gm；或从15m2/gm-50m2/gm；或从15m2/gm-45m2/gm；或从15m2/gm-40m2/gm；或从15m2/gm-35m2/gm；或从15m2/gm-30m2/gm；或从15m2/gm-25m2/gm；或从15m2/gm-20m2/gm；或从20m2/gm-50m2/gm；或从20m2/gm-45m2/gm；或从20m2/gm-40m2/gm；或从20m2/gm-35m2/gm；或从20m2/gm-30m2/gm；或从20m2/gm-25m2/gm；或从30m2/gm-50m2/gm；或从30m2/gm-45m2/gm；或从30m2/gm-40m2/gm；或从30m2/gm-35m2/gm；或从40m2/gm-50m2/gm；或从40m2/gm-45m2/gm；或0.5m2/gm；或1m2/gm；或2m2/gm；或5m2/gm；或10m2/gm；或15m2/gm；或20m2/gm；或30m2/gm；或40m2/gm；或50m2/gm。在一些实施方案中，本发明的组合物包括一种颗粒混合物，这些颗粒是例如但不限于：具有不同表面积的两种或更多种、三种或更多种、或四种或更多种、或5-10、或10-20、或1-20、或1-50种颗粒。
在一些实施方案中，在以上方面和以上实施方案中，该组合物具有大于-25毫伏(mV)的ζ电位。ζ电位是在分散介质与附着在被分散的颗粒上的静止流体层之间的电位差。ζ电位表明了分散体中相邻的相似颗粒之间的排斥程度。当ζ电位高时，这些颗粒可能排斥并抵抗聚集，从而导致颗粒在介质中的高度分散。当ζ电位低时，吸引力可能超过排斥力，从而使得分散体破坏而颗粒絮凝。不受任何理论束缚，提出了颗粒在本发明的组合物中的高分散可以有助于该组合物的SCM特性，其中该SCM组合物可能不容易絮凝并且可以作为SCM而加入波特兰水泥中。颗粒在该组合物中的低分散可能造成该组合物的凝固和硬化，从而使得该水泥适合作为水硬水泥。颗粒在该组合物中的低分散还可能造成该组合物的凝固和硬化，从而使得水泥适合作为自胶结材料。测定ζ电位的实验技术是本领域公知的并且包括但不限于：电泳如微量电泳以及电泳光散射。
在一些实施方案、以上方面以及以上实施方案中，该组合物包括的ζ电位是大于-20mV；或大于-15mV；或大于-10mV；或大于-5mV；或大于-1mV；或大于1mV；或大于2mV；或大于3mV；或大于5mV；或大于10mV；或大于15mV；或大于20mV；或大于25mV；或大于30mV；或大于35mV；或大于40mV；或大于45mV；或大于50mV；或小于45mV；或小于40mV；或小于35mV；或小于30mV；或小于25mV；或小于20mV；或小于15mV；或小于10mV；或小于5mV；或小于1mV；或小于-1mV；或小于-5mV；或小于-10mV；或小于-20mV；或小于-25mV；或在+50mV至-25mV之间；或在+45mV至-25mV之间；或在+40mV至-25mV之间；或在+35mV至-25mV之间；或在+30mV至-25mV之间；或在+25mV至-25mV之间；或在+20mV至-25mV之间；或在+15mV至-25mV之间；或在+10mV至-25mV之间；或在+5mV至-25mV之间；或在+1mV至-25mV之间；或在-1mV至-25mV之间；或在-5mV至-25mV之间；或在-10mV至-25mV之间；或在-15mV至-25mV之间；或在-20mV至-25mV之间；或在+20mV至-20mV之间；或在+15mV至-20mV之间；或在+10mV至-20mV之间；或在+5mV至-20mV之间；或在+1mV至-20mV之间；或在-1mV至-20mV之间；或在-5mV至-20mV之间；或在-10mV至-20mV之间；或在-15mV至-20mV之间；或在+25mV至-10mV之间；或在+20mV至-10mV之间；或在+15mV至-10mV之间；或在+10mV至-10mV之间；或在+5mV至-10mV之间；或在+1mV至-10mV之间；或在-1mV至-10mV之间；或在-5mV至-10mV之间；或在-15mV至-10mV之间；或在-25mV至-10mV之间；或在+25mV至-5mV之间；或在+20mV至-5mV之间；或在+15mV至-5mV之间；或在+10mV至-5mV之间；或在+5mV至-5mV之间；或在+1mV至-5mV之间；或在-1mV至-5mV之间；或在-10mV至-5mV之间；或在-15mV至-5mV之间；或在-20mV至-5mV之间；或在-25mV至-5mV之间；或在+25mV至-1mV之间；或在+20mV至-1mV之间；或在+15mV至-1mV之间；或在+10mV至-1mV之间；或在+5mV至-1mV之间；或在+1mV至-1mV之间；或在-5mV至-1mV之间；或在-10mV至-1mV之间；或在-15mV至-1mV之间；或在-20mV至-1mV之间；或在-25mV至-1mV之间；或在25mV至5mV之间；或在20mV至5mV之间；或在15mV至5mV之间；或在10mV至5mV之间；或在1mV至5mV之间；或在-1mV至+5mV之间；或在-5mV至+5mV之间；或在-10mV至+5mV之间；或在-15mV至+5mV之间；或在-20mV至+5mV之间；或在-25mV至+5mV之间；或在25mV至10mV之间；或在20mV至10mV之间；或在15mV至10mV之间；或在5mV至10mV之间；或在1mV至10mV之间；或在-1mV至+10mV之间；或在-5mV至+10mV之间；或在-10mV至+10mV之间；或在-15mV至+10mV之间；或在-20mV至+10mV之间；或在-25mV至+10mV之间；或在25mV至20mV之间；或在15mV至20mV之间；或在10mV至20mV之间；或在5mV至20mV之间；或在1mV至20mV之间；或在-1mV至+20mV之间；或在-5mV至+20mV之间；或在-10mV至+20mV之间；或在-15mV至+20mV之间；或在-20mV至+20mV之间；或在-25mV至+20mV之间；或在20mV至25mV之间；或在15mV至25mV之间；或在10mV至25mV之间；或在5mV至25mV之间；或在1mV至25mV之间；或在-1mV至+25mV之间；或在-5mV至+25mV之间；或在-10mV至+25mV之间；或在-15mV至+25mV之间；或在-20mV至+25mV之间。例如，在以上方面和以上实施方案中，该组合物包括的ζ电位是在10mV至45mV之间；或在15mV至45mV之间；或在20mV至45mV之间；或在25mV至45mV之间；或在30mV至45mV之间；或在35mV至45mV之间；或在40mV至45mV之间。在一些实施方案中，本发明的组合物包括具有不同ζ电位的颗粒的混合物。例如，在该组合物中两种或更多种、或三种或更多中颗粒、或3-20种颗粒可以具有不同的ζ电位。
在一些实施方案中，该组合物中的钙与碳酸盐之比可以影响该组合物的ζ电位。不受任何理论束缚，提出了越高的钙与碳酸盐之比可以产生越高的ζ电位或正的ζ电位，并且越低的钙与碳酸盐之比可以产生越低的ζ电位或负的ζ电位。在一些实施方案中，在该组合物中钙或钙离子与碳酸盐或碳酸根离子之比(钙∶碳酸盐)是大于1∶1；或大于1.5∶1；或大于2∶1；或大于2.5∶1；或大于3∶1；或大于3.5∶1；或大于4∶1；或大于4.5∶1；或大于5∶1；或是在1∶1至5∶1的范围内；或是在1.5∶1至5∶1的范围内；或是在2∶1至5∶1的范围内；或是在3∶1至5∶1的范围内；或是在4∶1至5∶1的范围内；或是在1∶1至4∶1的范围内；或是在1.5∶1至4∶1的范围内；或是在2∶1至4∶1的范围内；或是在3∶1至4∶1的范围内；或是在1∶1至3∶1的范围内；或是在1.5∶1至3∶1的范围内；或是在2∶1至3∶1的范围内；或是在1∶1至2∶1的范围内；或是在1.5∶1至2∶1的范围内；或是在1.5∶1至1∶1的范围内；或是在1.2∶1至1.8∶1的范围内；或是1∶1；或是1.5∶1；或是2∶1；或是2.5∶1；或是3∶1；或是3.5∶1；或是4∶1；或是4.5∶1；或是5∶1。在一些实施方案中，该组合物中的钙∶碳酸根之比是1.5∶1、或1∶1、或2∶1。
在一些实施方案中，在该组合物中碳酸盐或碳酸根离子与钙或钙离子之比(碳酸盐∶钙)是大于1∶1；或大于1.5∶1；或大于2∶1；或大于2.5∶1；或大于3∶1；或大于3.5∶1；或大于4∶1；或大于4.5∶1；或大于5∶1；或是在1∶1至5∶1的范围内；或是在1.5∶1至5∶1的范围内；或是在2∶1至5∶1的范围内；或是在3∶1至5∶1的范围内；或是在4∶1至5∶1的范围内；或是在1∶1至4∶1的范围内；或是在1.5∶1至4∶1的范围内；或是在2∶1至4∶1的范围内；或是在3∶1至4∶1的范围内；或是在1∶1至3∶1的范围内；或是在1.5∶1至3∶1的范围内；或是在2∶1至3∶1的范围内；或是在1∶1至2∶1的范围内；或是在1.5∶1至2∶1的范围内；或是在1.5∶1至1∶1的范围内；或是1∶1；或是1.5∶1；或是2∶1；或是2.5∶1；或是3∶1；或是3.5∶1；或是4∶1；或是4.5∶1；或是5∶1。在一些实施方案中，该组合物中的碳酸盐与钙之比(碳酸盐∶钙)之比是1.5∶1、或1∶1、或2∶1。
在一些实施方案中，本发明的组合物中包括在100∶1、或10∶1或1∶1的范围内的碳酸根与氢氧根之比(碳酸根∶氢氧根)。
在一些实施方案中，这些组合物包含例如二价阳离子(例如钙或镁)的碳酸盐与碳酸氢盐组合的多晶型物；在一些情况下，该组合物包含基本上全部的碳酸盐多晶型物、或基本上全部的碳酸氢盐、或某个比率的碳酸盐与碳酸氢盐多晶型物。碳酸盐与碳酸氢盐的摩尔比可以是任何适当的比率，例如500/1至100/1、100/1至1/100、或50/1至1/50、或25/1至1/25、或10/1至1/10、或2/1至1/2、或约1/1的碳酸盐∶碳酸氢盐之比，或基本上全部是碳酸盐或基本上全部是碳酸氢盐。
在一些实施方案中，当本发明的实施方案的组合物是衍生自咸水来源时，它们可以包含一种或多种在该咸水来源中存在的组分，这些组分可以帮助标志来自该咸水来源的这些组合物。这些标志性组分及其量值在此统称为咸水来源标志物或“标记物”。例如，如果该咸水来源是海水，则可以存在于该组合物中的标志性组分包括但不限于：氯化物、钠、硫、钾、溴化物、硅、锶等等。任何这样的来源标志要素或标记物要素一般是少量存在的，例如量值为20,000ppm或更小，例如量值为2000ppm或更小。在某些实施方案中，这些标记物化合物是锶或镁。这些组合物的咸水来源标志物可以根据用来生产这种咸水衍生的组合物的具体咸水来源而变化。在一些实施方案中，该组合物的特征为具有一个标志水源的碳酸根与氢氧根配混比，其中在某些实施方案中，该碳酸根∶氢氧根之比的范围是从100比1，例如10比1，并且包括1比1。
在一些实施方案中，在此提供的这些组合物进一步包含氮氧化物，硫氧化物，汞，金属，氮氧化物、硫氧化物、汞、和/或金属中任何一种的衍生物，或它们的组合。氮氧化物和硫氧化物的衍生物包括但不限于硝酸盐、亚硝酸盐、硫酸盐、以及亚硫酸盐等等。汞和/或金属能以其衍生的形式存在，例如氧化物和/或氢氧化物，或者汞和/或金属能以非衍生的形式被包裹或存在于本发明的组合物中。在一些实施方案中，在此提供的这些组合物进一步包含一种或多种另外的组分，包括但不限于：高炉矿渣、飞灰、硅藻土、以及其他天然或人造火山灰、硅灰、石灰石、石膏、熟石灰、加气剂、阻滞剂、防水材料、以及着色剂。可以加入这些组分以改变水泥的特性，例如提供所希望的强度目标、提供所希望的凝固时间等等。这样的组分在本发明的给定组合物中存在的量值可以变化，并且在某些实施方案中这些组分的量值范围是从1％w/w至50％w/w、或10％w/w至50％w/w，例如2％w/w至10％w/w。
在一些实施方案中，硅石矿物可以与本发明的球方解石组合物共同出现。这些化合物可以是非晶性质的或晶态的。在一些实施方案中，该硅石可以处于蛋白石-A(非晶硅石)的形式，典型地在燧石岩中存在。在以上列出的多晶型物的结晶区域中可以形成钙镁碳酸盐硅酸盐非晶化合物。也可以形成非碳酸盐的硅酸盐矿物。海泡石是一种黏土矿物，一种复杂的硅酸镁，其典型的化学式是Mg4Si6O15(OH)2.6H2O。它能以纤维、细微粒和固体形式存在。也可以形成硅酸盐碳酸盐矿物。在这些条件下可以形成碳硅碱钙石KNa4Ca4(CO3)4Si8O18(F，OH).H2O，水合的钾钠钙碳酸盐硅酸盐。像层状硅酸盐子类中的任何成员一样，碳硅碱钙石的结构是分层的，具有交替的硅酸盐薄片以及钾、钠和钙的层。不同于其他层状硅酸盐，碳硅碱钙石的硅酸盐薄片是由互连的四元和八元环构成。这些薄片可以被认为就像具有交替的八边形和正方形孔洞的六角网眼。八边形和正方形均具有四重对称性并且就是这给予了碳硅碱钙石其四方对称性4/m 2/m 2/m。仅仅碳硅碱钙石以及鱼眼石族中的其他成员具有这种独特的互连的四元和八元环结构。
在一些实施方案中，在此提供的这些组合物进一步包含地质聚合物。如在此使用的，“地质聚合物”是本领域中常规已知的并且包括矿物分子的链或网络，包括氧化铝二氧化硅链，例如-Si-O-Si-O-硅氧基、聚(硅氧基)；-Si-O-Al-O-硅铝酸盐，聚(硅铝酸盐)；Si-O-Al-O-Si-O-硅铝酸盐-硅氧基，聚(硅铝酸盐-硅氧基)；Si-O-Al-O-Si-O-Si-O-硅铝酸盐-二硅氧基，聚(硅铝酸盐-二硅氧基)；-P-O-P-O-磷酸盐，聚(磷酸盐)；-P-O-Si-O-P-O-磷-硅氧基，聚(磷-硅氧基)；-P-O-Si-O-Al-O-P-O-磷-硅铝酸盐，聚(磷-硅铝酸盐)；以及-(R)-Si-O-Si-O-(R)有机-硅氧基，聚硅酮。地质聚合物包括但不限于：基于水玻璃的地质聚合物，基于高岭土/水方钠石的地质聚合物，基于偏高岭土MK-750的地质聚合物，基于钙的地质聚合物，基于岩石的地质聚合物，基于硅石的地质聚合物，基于飞灰的地质聚合物，基于磷酸盐的地质聚合物，以及有机矿物地质聚合物。在一些实施方案中，加入本发明的组合物中的地质聚合物的量是按wt计1％-50％或按wt计1％-25％或按wt计1％-10％。可以将该基质聚合物混入本发明的组合物中，然后将该组合物用作水硬水泥或SCM。当该组合物与水组合而凝固并硬化成为水泥时，将地质聚合物加入本发明的组合物中可以减少凝固时间和/或增大水泥的抗压强度。
在一些实施方案中，在此提供的这些组合物进一步包含波特兰水泥熔块、骨料、或它们的组合。在一些实施方案中，在此提供的这些SCM组合物进一步包含波特兰水泥熔块、骨料、辅助胶凝材料(SCM)(如常规的SCM)、或它们的组合。在一些实施方案中，该SCM是炉渣、飞灰、硅灰、或煅烧粘土。
如本领域已知的，波特兰水泥是通过将波特兰水泥熔块(多于90％)、控制凝固时间的有限量的硫酸钙、以及高达5％的次要成分(不同的标准所允许的)进行研磨而生产的粉末组合物。如欧洲标准EN197.1中限定的，“波特兰水泥熔块是应该由按质量计至少三分之二的硅酸钙(3CaO.SiO2和2CaO.SiO2)、以及由含铝和铁的熔块相和其他化合物组成的剩余物所组成的一种水硬材料。CaO∶SiO2之比不应小于2.0。镁含量(MgO)不应超过按重量计5.0％。”在某些实施方案中，本发明的波特兰水泥成分是满足了美国材料试验协会的C150(类型I-VIII)ASTM标准和规范(ASTM C50-波特兰水泥标准规范)的任何波特兰水泥。ASTM C150覆盖了8种类型的波特兰水泥，各种类型具有不同的特性并且明确地针对那些特性而进行使用。
在一些实施方案中，本发明的组合物可以进一步包括普遍波特兰水泥(OPC)或波特兰水泥熔块。波特兰水泥组分的量值可以变化并且范围是从10至95％w/w；或10至90％w/w；或10至80％w/w；或10至70％w/w；或10至60％w/w；或10至50％w/w；或10至40％w/w；或10至30％w/w；或10至20％w/w；或20至90％w/w；或20至80％w/w；或20至70％w/w；或20至60％w/w；或20至50％w/w；或20至40％w/w；或20至30％w/w；或30至90％w/w；或30至80％w/w；或30至70％w/w；或30至60％w/w；或30至50％w/w；或30至40％w/w；或40至90％w/w；或40至80％w/w；或40至70％w/w；或40至60％w/w；或40至50％w/w；或50至90％w/w；或50至80％w/w；或50至70％w/w；或50至60％w/w；或60至90％w/w；或60至80％w/w；或60至70％w/w；或70至90％w/w；或70至80％w/w。例如，该组合物可以包含75％OPC与25％的本发明组合物的一个共混物；或80％OPC与20％的本发明组合物；或85％OPC与15％的本发明组合物；或90％OPC与10％的本发明组合物；或95％OPC与5％的本发明组合物。在一些实施方案中，本发明的此种组合物是一种SCM。
在某些实施方案中，该组合物可以进一步包括一种骨料。骨料可以包含在该组合物中以提供包含细骨料和混凝土的灰浆，这些混凝土还包含粗骨料。这些细骨料是几乎完全穿过4号筛(ASTM C 125和ASTM C33)的材料，例如硅砂。这些粗骨料是大部分保留在4号筛(ASTM C 125和ASTM C 33)上的材料，例如硅石、石英、粉碎的圆形大理石、玻璃球、花岗岩、石灰石、方解石、长石、冲积砂、砂以及任何其他的耐用骨料、以及它们的混合物。这样，术语“骨料”广义地用来指代多种不同类型的粗以及细的微粒材料，包括但不限于砂、砾石、碎石、炉渣、以及再生混凝土。骨料的量和形状可以大范围地改变。在一些实施方案中，骨料的量的范围可以是从25％至80％，如40％至70％并且包括由该组合物和骨料构成的总体组合物的50％w/w至70％w/w。
在一些实施方案中，这些组合物进一步包括一种pH调节剂，在将该组合物与水组合时，该调节剂可以影响由该组合物或混有骨料的组合物(以形成混凝土)所产生的可凝固组合物的流体组分的pH。这样的pH调节剂可以在与水组合后提供一种碱性环境，例如其中该水合的水泥的pH是12或更高，例如13或更高，并且包括13.5或更高。在某些实施方案中，这些pH调节(即，调制)剂是一种氧化物或氢氧化物，例如氧化钙、氢氧化钙、氧化镁或氢氧化镁。当存在时，这样的试剂存在的量值的范围可以是从1％w/w至10％w/w，例如2％w/w至5％w/w。
在一些实施方案中，提供了由本发明的上述组合物制备的一种可凝固组合物。这样的可凝固组合物包括但不限于：水泥、混凝土、以及灰浆。可凝固组合物可以通过将本发明的组合物与水组合、或者通过将本发明的组合物与一种骨料以及水组合而生产。该骨料可以是一种细骨料以制备灰浆，例如砂，或是细骨料与粗骨料的组合或是单独的粗骨料以用于混凝土。该组合物、骨料以及水可以全部同时混合或者可以将该组合物预先与骨料组合并然后将预先组合的混合物与水混合。使用本发明的组合物，用于混凝土混合物的粗骨料材料可以具有约3/8英寸的最小尺寸并且其尺寸可以从该最小值变化至一英寸或更大，包括这些极限值之间的梯度。粉碎的石灰石以及其他岩石、砾石等等是粗骨料的一些例子。细分的骨料尺寸小于3/8英寸并且可以按细得多的尺寸来分级，低至200目尺寸左右。研磨的石灰石以及其他岩石、砂、等等是细骨料的一些例子。细骨料可以存在于本发明的灰浆和混凝土二者中。该组合物与骨料的重量比率可以变化，并且在某些实施方案中的范围是从1∶10至4∶10，例如2∶10至5∶10，并且包括从55∶1000至70∶100。
与这些干燥组分组合而生产可凝固组合物的该水性介质，例如水，可以按需要从纯水变化至含一种或多种溶质、添加剂、助溶剂等的水。本发明的水性介质∶干燥组分或水性介质∶组合物之比是0.1-10；或0.1-8；或0.1-6；或0.1-4；或0.1-2；或0.1-1；或0.2-10；或0.2-8；或0.2-6；或0.2-4；或0.2-2；或0.2-1；或0.3-10；或0.3-8；或0.3-6；或0.3-4；或0.3-2；或0.3-1；或0.4-10；或0.4-8；或0.4-6；或0.4-4；或0.4-2；或0.4-1；或0.5-10；或0.5-8；或0.5-6；或0.5-4；或0.5-2；或0.5-1；或0.6-10；或0.6-8；或0.6-6；或0.6-4；或0.6-2；或0.6-1；或0.8-10；或0.8-8；或0.8-6；或0.8-4；或0.8-2；或0.8-1；或1-10；或1-8；或1-6；或1-4；或1-2；或0.1；或0.5；或1；或2。在一些实施方案中，该比率是一个重量比。
组合物晶体的XRD图像
在一些实施方案中，本发明提供了一种含有碳酸钙组合物组分的组合物，其中该碳酸钙组分在40℃的空气中至少8小时之后展现出的X射线衍射图纹(XRD)具有位于32.55°至32.95°2θ的最大强度峰。在一些实施方案中，本发明提供了一种含有碳酸钙组合物组分的组合物，其中该碳酸钙组分在40℃的空气中至少8小时之后展现出的X射线衍射图纹(XRD)具有位于32.55°至32.95°2θ的最大强度峰，其中该碳酸钙组合物组分具有小于-5.00‰的相对碳同位素组成(δ13C)值。在一些实施方案中，本发明提供了一种含有碳酸钙组合物组分的组合物，其中该碳酸钙组分在40℃的空气中至少8小时之后展现出的X射线衍射图纹(XRD)具有位于32.55°至32.95°2θ的最大强度峰，其中该碳酸钙组合物组分具有的相对碳同位素组成(δ13C)值是小于-5.00‰、或小于-12‰、或小于-15‰、或在-12‰至-25‰之间。
在一些实施方案中，本发明提供了一种含有碳酸钙组合物组分的组合物，其中该碳酸钙组分在40℃的空气中至少8小时之后展现出的X射线衍射图纹(XRD)具有位于29.05°至29.45°2θ的最大强度峰。在一些实施方案中，本发明提供了一种含有碳酸钙组合物组分的组合物，其中该碳酸钙组分在40℃的空气中至少8小时之后展现出的X射线衍射图纹(XRD)具有位于29.05°至29.45°2θ的最大强度峰，其中该碳酸钙组合物组分具有的相对碳同位素组成(δ13C)值是小于-5.00‰、或小于-12‰、或小于-15‰、或在-12‰至-25‰之间。
在一些实施方案中，本发明提供了一种含有碳酸钙组合物组分的组合物，其中该碳酸钙组分在40℃的空气中至少8小时之后展现出的XRD图纹表明，该碳酸钙组分包含至少2种碳酸钙多晶型物，其中最大强度峰是位于29.05°至29.45°2θ，第二大强度峰是位于31.50至31.905°2θ，并且下一个最大强度峰是位于26.85°至27.50°2θ和32.55°至32.95°2θ。在一些实施方案中，本发明提供了一种含有碳酸钙组合物组分的组合物，其中该碳酸钙组分在40℃的空气中停留至少8小时之后展现出的XRD图像表明，该碳酸钙组分包含至少2种碳酸钙多晶型物，其中最大强度峰是位于29.05°至29.45°2θ，第二大强度峰是位于31.50至31.905°2θ，并且下一个最大强度峰是位于26.85°至27.50°2θ和32.55°至32.95°2θ，其中该碳酸钙组合物组分具有的相对碳同位素组成(δ13C)值是小于-5.00‰、或小于-12‰、或小于-15‰、或在-12‰至-25‰之间。
在一些实施方案中，本发明提供了一种含有碳酸钙组合物组分的组合物，其中该碳酸钙组分在40℃的空气中至少8小时之后展现出的XRD图像表明，该碳酸钙组分包含至少2种碳酸钙多晶型物，其中最大强度峰是位于29.05°至29.45°2θ，第二大强度峰是位于31.50至31.905°2θ，并且下一个最大强度峰是位于26.85°至27.50°2θ和32.55°至32.95°2θ。在一些实施方案中，本发明提供了一种含有碳酸钙组合物组分的组合物，其中该碳酸钙组分在40℃的空气中至少8小时之后展现出的XRD图纹表明，该碳酸钙组分包含至少2种碳酸钙多晶型物，其中最大强度峰是位于29.05°至29.45°2θ，第二大强度峰是位于31.50至31.905°2θ，并且下一个最大强度峰是位于26.85°至27.50°2θ和32.55°至32.95°2θ，其中该碳酸钙组合物组分具有的相对碳同位素组成(δ13C)值是小于-5.00‰、或小于-12‰、或小于-15‰、或在-12‰至-25‰之间。
在一些实施方案中，本发明提供了一种含有碳酸钙组合物组分的组合物，该碳酸钙组合物组分具有的相对碳同位素组成(δ13C)值是小于-5.00‰、或小于-12‰、或小于-15‰、或在-12‰至-25‰之间，其中该碳酸钙组合物包含至少2种碳酸钙多晶型物。
在一些实施方案中，本发明提供了一种含有碳酸钙组合物组分的组合物，其中该碳酸钙组分在40℃的空气中至少8小时之后展现出的X射线衍射图纹(XRD)具有的最大强度峰是位于29.05°至29.45°2θ，第二大强度峰是位于31.50至31.90°2θ，并且下一个最大强度峰是位于26.85°至27.50°2θ和32.55°至32.95°2θ，并且进一步地，其中该碳酸钙组合物组分具有的相对碳同位素组成(δ13C)值是小于-5.00‰、或小于-12‰、或小于-15‰、或在-12‰至-25‰之间。
在一些实施方案中，本发明提供了一种含有碳酸钙组合物组分的组合物，其中：该碳酸钙组分包含至少2种碳酸钙多晶型物；该碳酸钙组分包含直径小于5μm的碳酸钙球状微粒；并且该碳酸钙组分具有的相对碳同位素组成(δ13C)值是小于-5.00‰、或小于-12‰、或小于-15‰、或在-12‰至-25‰之间。在一些实施方案中，本发明提供了一种含有碳酸钙组合物组分的组合物，其中：该碳酸钙组分包含至少2种碳酸钙多晶型物；该碳酸钙组分包含直径小于5μm的碳酸钙球状微粒；并且该碳酸钙组分具有的相对碳同位素组成(δ13C)值是小于-5.00‰、或小于-12‰、或小于-15‰、或在-12‰至-25‰之间，其中这些球状微粒是球状微粒团聚体的一部分。
在一些实施方案中，本发明提供了一种含有碳酸钙组分的组合物，该碳酸钙组分包含至少两种碳酸钙多晶型物，其中该碳酸钙组合物组分具有的相对碳同位素组成(δ13C)值是小于-5.00‰、或小于-12‰、或小于-15‰、或在-12‰至-25‰之间，并且其中该碳酸钙组分在40℃的空气中至少8小时之后展现出的X射线衍射图纹(XRD)具有的最大强度峰是位于26.85°至27.50°2θ以及32.55°至32.95°2θ，而且其中，在与水混合而形成一种糊剂并允许该糊剂硬化超过7天之后，该组合物展现的X射线衍射图纹(XRD)具有的最大强度峰是位于29.05°至29.45°2θ。
在一些实施方案中，本发明提供了一种含有碳酸钙组分的组合物，该碳酸钙组分包含至少两种碳酸钙多晶型物，其中该碳酸钙组合物组分具有的相对碳同位素组成(δ13C)值是小于-5.00‰、或小于-12‰、或小于-15‰、或在-12‰至-25‰之间，并且其中该碳酸钙组分在40℃的空气中至少8小时之后展现出的X射线衍射图纹(XRD)具有的最大强度峰是位于26.85°至27.50°2θ以及32.55°至32.95°2θ，而且其中，在与水混合而形成一种糊剂并允许该糊剂硬化超过7天之后，该组合物展现的X射线衍射图纹(XRD)具有的最大强度峰是位于29.05°至29.45°2θ。
在一些实施方案中，本发明提供了一种含有碳酸钙的组合物，该碳酸钙具有的相对碳同位素组成(δ13C)值是小于-5.00‰、或小于-12‰、或小于-15‰、或在-12‰至-25‰之间，其中在40℃的空气中至少8小时之后，该组合物展现出的X射线衍射图纹(XRD)具有位于26.85°至27.50°2θ以及32.55°至32.95°2θ的最大强度峰，并且该组合物具有一种球状的形态。
在一些实施方案中，本发明提供了一种含有如以上说明的碳酸钙组分的可凝固组合物。
在一些实施方案中，本发明提供了一种方法，该方法包括：使一种含有二氧化碳的气体与一种水溶液相接触；使该水溶液经历碳酸盐沉淀条件；沉淀出一种碳酸盐组合物；将该碳酸盐组合物从该水溶液中分离；并且进一步处理该水溶液以及该碳酸盐组合物。
掺料
在某些实施方案中，本发明的组合物进一步包括一种或多种掺料。可以将掺料加入混凝土中，以便对其提供所希望的特征或以便改变混凝土的特性而使之更容易使用或者更适合用于特定的目的或用于降低成本。如本领域已知的，一种掺料是除了本发明的组合物、骨料以及水之外的任何材料或组合物；它被用作混凝土或灰浆的一种组分以便增强其某些特征或降低其成本。所采用的掺料的量可以根据该混合物的性质而变化。在某些实施方案中，这些组分的量值的范围是从1％w/w至50％w/w，例如2％w/w至10％w/w。
这些掺料可以提供一项或多项优点，例如：(1)在所生成的固化混凝土中实现某些结构上的改进；(2)改进混凝土在恶劣天气或运输条件下在一系列的混合、运输、放置和固化阶段中的品质；(3)克服混凝土浇筑操作中的某些紧急情况；以及(4)降低混凝土施工的成本。
有意义的掺料包括细分的矿物掺料，如SCM。细分的矿物掺料是粉末或粉状形式的材料，是在混合过程之前或过程中加入混凝土之中以便改进或改变混凝土的一些塑性或硬化特性。可以根据化学或物理特性将SCM分类为：水泥性材料；火山灰；火山灰的以及水泥性的材料；以及名义上惰性的材料。火山灰是硅质的或铝硅质的材料，该材料具有极小的或没有水泥性价值，但在水的存在下以及在细分的形式下与由水泥的水合作用所释放的氢氧化钙进行化学反应而形成了具有水泥特性的材料。火山灰还可以用于减小水在压力下穿过混凝土进行转移的速率。硅藻土、蛋白石质燧石、粘土、页岩、飞灰、硅灰、火山凝灰岩以及浮石是已知火山灰中的一些。某些研磨的粒状状的鼓风炉炉渣以及高钙飞灰具有火山灰的特性以及水泥性的特性二者。名义上惰性的材料还可以包括细分的生石英、白云石、石灰石、大理石、花岗岩以及其他。飞灰在ASTM C618中定义。
增塑剂是该掺料的另一个例子。可以将增塑剂加入混凝土中以提供改进的可加工性、便于布置、减少固结耗费、并在钢筋混凝土中提供均匀的流动，而不在补强棒中留下空隙空间。掺料的其他例子包括但不限于：促进剂、阻滞剂、加气剂、发泡剂、减水剂、腐蚀抑制剂以及颜料。促进剂可以用来增大混凝土配制品的固化速率(水合)并且可以用于希望混凝土快速硬化的应用中以及低温应用中。阻滞剂用来减慢水合速率并且增加可用于倾倒混凝土并使其形成所希望的形状的时间。阻滞剂在炎热气候下使用混凝土的应用中可能具有优势。加气剂被用于将细微空气泡分布在混凝土各处。加气剂对于在经历寒冷天气的区域中使用可能具有优势，因为夹带的细微空气泡可以有助于某种收缩和膨胀以便保护混凝土免于冷冻-融化的损害。也可以为了美学目的将颜料加入混凝土中以便对其提供所希望的颜色特征。
这样，有意义的掺料包括但不限于：促凝剂、缓凝剂、加气剂、消泡剂、碱反应性减弱剂、结合掺料、分散剂、着色掺料、腐蚀抑制剂、防湿掺料、发气剂、减渗剂、泵送助剂、收缩补偿掺料、杀真菌掺料、杀菌掺料、杀昆虫掺料、流变学改性剂、细分的矿物掺料、火山灰、骨料、润湿剂、强度增强剂、驱水剂、以及任何其他的混凝土或灰浆掺料或添加剂。当使用一种掺料时，向其中引入了该混合物原料的新鲜组合物、被混合足够的时间，以使得这些掺合物原料相对均匀地分布在该新鲜混凝土各处。
促凝剂可以用于促进混凝土的凝固以及早期强度的形成。可以用于该掺料体系的促凝剂可以是但不限于：碱金属、碱土金属或铝的硝酸盐；碱金属、碱土金属或铝的亚硝酸盐；碱金属、碱土金属或铝的硫氰酸盐；烷醇胺；碱金属、碱土金属或铝的硫代硫酸盐；碱金属、碱土金属或铝的氢氧化物；碱金属、碱土金属或铝的羧酸盐(优选甲酸钙)；聚羟基烷基胺；碱金属或碱土金属的卤盐(例如氯化物)。可以用于本调配方法中的促凝剂的实例包括但不限于：POZZOLITH
Figure BPA00001571256600661
NC534、非氯化物类型的促凝剂，和/或RHEOCRETECNI，基于亚硝酸钙的腐蚀抑制剂，二者均由俄亥俄州克利夫兰的巴斯夫掺料公司(ASF Admixtures Inc.)在以上商标下出售。
还有意义的是缓凝掺料。缓凝的(也称为延迟凝固或水合控制)掺料被用于延缓、延迟、或减慢混凝土的凝固速率。它们可以在初始批次时或在水合过程已经开始一段时间之后加入混凝土中。缓凝剂可以用来促进热气候对混凝土凝固的影响、或当出现困难的布置条件或递送到工作现场有问题时延迟混凝土或砂浆的初始凝固、或为专门的精整处理留时间。大多数缓凝剂还可以用作低水平的减水剂并且还可以用于将一些空气夹带到混凝土中。可以使用的阻滞剂包括但不限于：氧-硼化合物、玉米糖浆、木质素、聚磷酸、羧酸、羟基羧酸、聚羧酸、羟基化的羧酸，如富马酸、衣康酸、丙二酸、硼砂、葡糖酸以及酒石酸，木素磺酸盐、抗坏血酸、异抗坏血酸、磺酸-丙烯酸共聚物以及它们的对应盐类、多羟基硅烷、聚丙烯酰胺、糖类、以及它们的混合物。阻滞剂的展示性例子在美国专利号5,427,617和5,203,919中被列出，这些专利通过引用结合在此。适合用于该掺料体系中的阻滞剂的另一个例子是由俄亥俄州克利夫兰的巴斯夫掺料公司在商标DELVO
Figure BPA00001571256600671
下出售的水合控制掺料。
作为掺料还有意义的是加气剂。该加气剂包括将在水泥性组合物中夹带空气的任何物质。一些加气剂还可以降低组合物在低浓度下的表面张力。加气掺料被用于有意地将微小的空气泡分布夹带到混凝土中。空气夹带改进了在冰冻和融化循环过程中暴露于湿气中的混凝土的耐久性。此外，夹带的空气可以改进混凝土对化学除冰器造成的表面结垢作用的耐受性。空气夹带还可以增加新鲜混凝土的可加工性而同时消除或减少了离析和渗出。用来实现这些希望的效果的材料可以选自：木材树脂、天然树脂、合成树脂、磺化木质素、石油酸、蛋白质物质、脂肪酸、树脂质的酸、烷基苯磺酸盐、磺化的烃类、松香皂树脂、阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、非离子型表面活性剂、天然松脂、合成松脂、无机加气剂、合成洗涤剂及其对应的盐、以及它们的混合物。加气剂可以按一个在水泥性组合物中产生所希望的空气水平的量来添加。可以在该掺料体系中使用的加气剂的例子包括但不限于：MB AE 90、MB VR和MICRO AIR
Figure BPA00001571256600672
，全都从俄亥俄州克利夫兰的巴斯夫掺料公司可获得。
作为掺料还有意义的是消泡剂。消泡剂被用于减少水泥性组合物中的空气含量。可以用于该组合物中的消泡剂的例子包括但不限于：矿物油、植物油、脂肪酸、脂肪酸酯、羟基功能性化合物、酰胺类、磷酸酯、金属皂、硅酮、含环氧丙烷部分的聚合物、烃类、烷氧基化的烃类、烷氧基化的聚氧化烯烃、磷酸三丁酯、邻苯二甲酸二丁基酯、辛醇、碳酸和硼酸的不溶于水的酯类、炔属的二醇、氧化乙烷-氧化丙烷嵌段共聚物以及硅酮。
作为掺料还有意义的是分散剂。该分散剂包括但不限于：具有或不具有聚醚单元的聚羧酸酯分散剂。术语分散剂还意在包括以下化学物，这些化学物还用作增塑剂、减水剂如高范围减水剂、流化剂、防絮凝剂、或用于水泥性组合物的超增塑剂如木素磺酸盐、磺化的萘磺酸盐缩合物、磺化的三聚氰胺磺酸盐缩合物的盐、β萘磺酸盐、磺化的三聚氰胺甲醛缩合物、萘磺酸盐甲醛缩合物树脂例如LOMAR D
Figure BPA00001571256600681
分散剂(俄亥俄州辛辛那提，科宁公司(Cognis Inc.))、聚天冬氨酸酯、或低聚的分散剂。可以使用聚羧酸酯分散剂，它是指一种具有携带了侧链的碳骨架的分散剂，其中这些侧链的至少一部分是通过一个羧基或醚基团而附连到该骨架上。
聚羧酸酯分散剂的例子可以在以下公开文件中找到：美国公开号2002/0019459；美国专利号6,267,814；美国专利号6,290,770；美国专利号6,310,143；美国专利号6,187,841；美国专利号5,158,996；美国专利号6,008,275；美国专利号6,136,950；美国专利号6,284,867；美国专利号5,609,681；美国专利号5,494,516；美国专利号5,674,929；美国专利号5,660,626；美国专利号5,668,195；美国专利号5,661,206；美国专利号5,358,566；美国专利号5,162,402；美国专利号5,798,425；美国专利号5,612,396；美国专利号6,063,184；美国专利号5,912,284；美国专利号5,840,114；美国专利号5,753,744；美国专利号5,728,207；美国专利号5,725,657；美国专利号5,703,174；美国专利号5,665,158；美国专利号5,643,978；美国专利号5,633,298；美国专利号5,583,183，以及美国专利号5,393,343，将这些都通过引用结合在此，就像在下面完整写出的一样。有意义的聚羧酸酯分散剂包括但不限于：在商标GLENIUM3030NS、GLENIUM3200HES、GLENIUM 3000NS(俄亥俄州克利夫兰的巴斯夫掺料公司)、ADVA
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(马萨诸塞州剑桥的格雷斯公司(W.R.Grace Inc.))、VISCOCRETE
Figure BPA00001571256600686
(瑞士苏黎世市的西卡公司(Sika))、以及SUPERFLUX
Figure BPA00001571256600687
(俄亥俄州米德布里奇(Middlebranch，Ohio)的Axim混凝土技术公司(Axim Concrete Technologies Inc.))下出售的分散剂或减水剂。
作为掺料还有意义的碱是碱反应性减弱剂。碱反应性减弱剂可以减少碱-骨料反应并且限制这个反应可以在硬化的混凝土中产生的破裂性膨胀力。碱反应性减弱剂包括火山灰(飞灰、硅灰)、鼓风炉炉渣、锂和钡的盐、以及其他加气剂。出于美学和安全原因，使用天然的和合成的掺料来对混凝土着色。这些着色掺料通常是由颜料构成并且包括碳黑、氧化铁、酞菁、棕土、氧化铬、氧化钛、钴蓝、以及有机着色剂。
作为掺料还有意义的是腐蚀抑制剂。混凝土中的腐蚀抑制剂可以用于保护埋入的补强钢筋免于由其高碱性造成的腐蚀。混凝土的高碱性可以导致在钢筋上形成一个钝化的且非侵蚀性的氧化物保护膜。然而，碳化以及来自除冰剂或海水的氯离子的存在可以毁坏或渗透该膜并且可能造成腐蚀。腐蚀抑制掺料可以化学地阻止这个腐蚀反应。常用于抑制腐蚀的材料有：亚硝酸钙、亚硝酸钠、苯甲酸钠、某些磷酸或氟硅酸盐、氟铝酸盐、胺以及相关化学品。
还有意义的是防湿掺料。防湿掺料降低了具有低水泥含量、高水-水泥比、或在骨料中缺乏细粒的混凝土的渗透性。这些掺料延缓了湿气到干燥混凝土中的渗透并且包括某些皂、硬脂酸盐、以及石油制品。还有意义的是发气剂掺料。有时候将发气剂或气体发生剂以非常小的量值加入混凝土和砂浆中以便在硬化之前造成轻微膨胀。膨胀量依赖于气体发生材料的用量以及新鲜混合物的温度。可以使用铝粉、树脂皂和植物或动物胶、皂苷或水解蛋白作为发气剂。
还有意义的是减渗剂。减渗剂可以用于减小水在压力下穿过混凝土进行转移的速率。可以采用硅灰、飞灰、研磨的炉渣、天然火山灰、减水剂、以及乳胶液来降低混凝土的渗透性。
还有意义的是流变学改性剂掺料。流变学改性剂可以用于增大水泥性组合物的粘度。流变改性剂的适当例子包括烟雾硅胶、胶态硅石、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、飞灰(如ASTM C618中限定的)、矿物油(如轻环烷类)、锂蒙脱石粘土、聚氧化烯、多糖、天然胶质、或它们的混合物。
还有意义的是收缩补偿掺料。可以在该水泥性组合物中使用的收缩补偿剂可以包括但不限于：RO(AO)1-10H(其中R是C1-5烷基或C5-6环烷基并且A是C2-3亚烷基)、碱金属硫酸盐、碱土金属硫酸盐、碱土金属氧化物，优选硫酸钠和氧化钙。TETRAGUARD
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是收缩减少剂的一个例子并且是从俄亥俄州克利夫兰的巴斯夫掺料公司可获得的。
在硬化的混凝土之上或之内的细菌和真菌生长可以通过使用杀真菌和杀菌的掺料来部分地控制。用于这些目的的材料包括但不限于：多卤化的酚类、狄氏剂乳液、以及铜化合物。
在一些实施方案中还有意义的是改进可加工性的掺料。可以用像润滑剂一样起作用的夹带空气来作为可加工性改进剂。其他可加工性试剂是减水剂以及某些细分的掺料。
在一些实施方案中，本发明的组合物是与纤维一起使用的，例如在需要纤维增强的混凝土时。纤维可以由含氧化锆的材料、钢、碳、玻璃纤维、或合成材料如聚丙烯、尼龙、聚乙烯、聚酯、人造丝、高强度芳族聚酰胺(即，Kevlar)、或它们的混合物制造。
本发明的组合物的组分可以用任何适当的方案来进行组合。每种材料都可以在工作时混合，或者部分的或全部的材料都可以预先混合。替代地，将这些材料中的一些与具有或不具有掺料的水进行混合，例如高范围减水掺料，并然后可以将剩余的材料与之混合。作为混合设备，可以使用任何常规的设备。例如，可以使用霍巴特(Hobart)混合器、倾斜圆筒混合器、澳美耐(Omni)混合器、亨舍尔(Henschel)混合器，V型混合器、以及诺塔(Nauta)混合器。
在组合这些组分而产生一种可凝固组合物(例如，混凝土)之后，该可凝固组合物将在给定的时间段之后凝固。凝固时间可以变化，并且在某些实施方案中范围是从30分钟至48小时，例如30分钟至24小时并且包含从1小时至4小时。在一些实施方案中，由本发明的组合物所生产的水泥产品是极其耐久的，例如使用ASTM C1157中描述的试验方法确定的。
建筑材料
在一个方面，提供了一种结构或一种建筑材料，该结构或建筑材料包含本发明的组合物或其凝固且硬化后的形式。在一些实施方案中，该建筑材料是由本发明的组合物形成的。此类结构或建筑材料的实例包括但不限于：建筑物、车道、地基、厨房厚板、家具、人行道、公路、桥梁、高速公路、立交桥、停车结构、砖、砌块、墙壁，门、围栏、或杆子的桩，以及它们的组合。由于这些结构或建筑材料包括本发明的组合物和/或是由其生产的，因此它们可以包括标记物或以下组分：这些组分标志着它们是由化石燃料来源的二氧化碳获得的和/或是由具有在初始咸水来源中存在的痕量的各种元素的水而获得的，如以上所说明的。例如，当混凝土的水泥组分的矿物组分是由海水生产的一种组分时，凝固产物将包含以标志性的量值存在的不同元素的咸水标记物特征，例如镁、钾、硫、硼、钠、和氯化物等等。
在一个方面，提供了一种成形的建筑材料，该成形的建筑材料包含本发明的组合物或其凝固且硬化后的形式。在一些实施方案中，该成形的建筑材料是由本发明的组合物形成的。该成形的建筑材料可以是一种预铸的建筑材料，例如预铸的混凝土产品。这些成形的建筑材料以及制造和使用这些成形的建筑材料的方法在2009年9月30提交的美国申请序列号12/571,398中描述，该申请通过引用以其全部内容结合在此。本发明的成形的建筑材料可以大不相同并且包括被成型(例如，模制、铸造、切割或以其他方式生产)为具有限定的物理形状(即，构型)的人造结构的材料。成形的建筑材料与无定形建筑材料(例如，粉末、糊剂、浆料等等)不相同，后者没有限定且稳定的形状、而是符合保持它们的容器，例如袋子或其他容器。成形的建筑材料与不规则地或不精确地成形的建筑材料(例如，骨料、便于处置的块体形式等等)也不相同，不同之处在于成形的建筑材料是根据允许在例如建筑物中使用成形的建筑材料的规范来生产的。成形的建筑材料可以根据传统的用于此类结构的制造方案来制备，除了在制造此类材料时使用本发明的组合物。在一些实施方案中，由本发明的组合物制造的成形的建筑材料具有的抗压强度是至少14MPa、或在约14-100MPa之间、或在约14-45MPa之间、或者是本发明的组合物在凝固并硬化之后的抗压强度，如在此说明的。在一些实施方案中，由本发明的组合物制造的成形的建筑材料具有的δ13C是小于-12‰、-13‰、-14‰、-15‰、或从-15‰至-80‰、或者是本发明的组合物的δ13C，如在此说明的。
成形的建筑材料的一个实例是砌筑单元。砌筑单元是在一般用灰浆、砂浆等等来组装的承重和非承重结构的施工中使用的成形的建筑材料。由本发明的组合物形成的示例性的砌筑单元包括砖、砌块、以及贴砖。本发明的砖和砌块是具有直线式三维的多边形结构。砖是尺寸(mm)不超过337.5x225x112.5(长x宽x高)的砌筑单元。任何具有的尺寸(mm)在337.5x225x112.5至2000x1000x500(长x宽x高)之间的单元被称为“砌块”。具有的尺寸(mm)超过了2000x1000x500(长x宽x高)的结构单元被称为“厚板”。贴砖是指具有与砖或砌块相同的尺寸、但可以在形状上大大变化、即可以不是多边形的(例如庄园风格的屋顶贴砖)的砌筑单元。
本发明提供的一种类型的砌筑单元是一种砖，这种砖是指在砌筑构造中使用的材料的结构单元，一般用灰浆来铺砌。由本发明的组合物形成的砖是尺寸(mm)不超过337.5x225x112.5(长x宽x高)的砌筑单元。在一些实施方案中，这些砖具有的长度范围是从175至300mm，例如200至250mm、包括200至230mm；宽度范围是从75至150mm，例如100至120mm，包括100至110mm；并且高度范围是从50至90mm，例如50至80mm，包括55至75mm。砖可以在等级、类别、颜色、纹理、尺寸、重量方面变化并且可以是实心的、多孔的、穿孔的、凹槽式的(frogged)、或空心的。由本发明的组合物形成的砖可以包括但不限于：建筑砖、饰面砖、承重砖、工程砖、薄镶面砖、铺地砖、釉面砖、火箱砖、耐化学砖、下水道和检查井用砖、工业地板砖等等。这些砖也可以在耐霜性方面不相同(即，耐霜、中等耐霜或不耐霜)，这与在那些暴露于水中可能导致不同水平的冰冻和融化的条件下砖的耐久性相关。耐霜的砖在持续暴露于水以及冰冻和融化中的条件下是耐久的。中等耐霜的砖在偶尔暴露于水以及冰冻和融化中的条件下是耐久的。不耐霜的砖在暴露于水以及冰冻和融化中的条件下是不耐久的。这些砖仅适合于内部使用并且易于被冰冻和融化损害，除非在建造过程中被一个不可渗透的包层所保护时。由本发明的组合物形成的砖还可以在可溶盐含量方面变化(即，低或正常)。在具有低可溶盐含量的砖中可溶离子的质量百分比不超过0.03％的镁、0.03％的钾、0.03％的钠、以及0.5％的硫酸根。在具有正常可溶盐含量的砖中可溶离子的质量百分比不超过总计0.25％的镁、钾、和钠，并且硫酸根含量不超过1.6％。这些砖在物理和化学性质方面可以大大变化。由本发明的组合物形成的砖的抗压强度在某些情况下可以是在从5至100MPa；或20-100MPa；或50-100MPa；或80-100MPa；或20-80MPa；或20-40MPa；或60-80MPa的范围内。
由本发明的组合物形成的砖的挠曲强度可以变化，范围是从0.5至10MPa，包括2至7MPa，例如2至5MPa。砖的最大吸水率可以变化，范围是从5％至25％，包括10％至15％。由本发明的组合物形成的砖还可能由于吸收水或损失水至环境中而经历湿气移动(膨胀或收缩)。归因于湿气移动的尺寸稳定性(即，线性收缩或膨胀)可以变化，在某些情况下范围是从0.001％至0.2％，包括0.05％至0.1％。在一些实施方案中，这些砖可以用于铺砌道路。用来铺砌被暴露于繁忙交通(例如行人、车辆等等)的区域的砖可以具有的耐磨指数范围是从0.1至0.5，包括0.2至0.4，例如0.3。此外，由本发明的组合物形成的砖可以具有的体积磨耗损失范围是从1.0至4.0cm3/cm2，包括1.5至2.5cm3/cm2，或2.0cm3/cm2。本发明的组合物可以被模制、挤出、或雕刻成为所希望的形状和尺寸从而形成砖。然后将成型的组合物干燥并通过液压、高压釜来进一步硬化或在温度范围在900℃至1200℃之间、例如900℃至1100℃并且包括1000℃的窑中烧制。
本发明提供的另一种类型的砌筑单元是砌块(例如，混凝土、水泥、地基等等)。砌块不同于砖之处在于其结构尺寸。确切地说，砌块超过了337.5x225x112.5(长x宽x高)的尺寸。由本发明的组合物形成的砌块可以在颜色、纹理、尺寸和重量方面变化并且可以是实心的、多孔的或空心的或者在砌块空隙体积内采用绝缘物(例如，膨胀聚苯乙烯泡沫)。砌块可以是承重的、非承重的或镶面(即，装饰性)砌块。在一些实施方案中，这些砌块可以具有的长度范围是从300至500mm，例如350至450mm；宽度范围是从150至250mm，例如180至215mm；并且高度范围是从100至250mm，例如150至200mm.这些砌块还可以在外壁(faceshell)厚度方面变化。在一些情况下，这些砌块可以具有的外壁厚度范围是从15至40mm，包括20至30mm，例如25mm。这些砌块还可以在肋板厚度方面变化。在一些实施方案中，这些砌块可以具有的肋板厚度范围是从15至30mm，包括15至25mm，例如20mm。由本发明的组合物形成的砌块在物理和机械性质方面可以大大变化。砌块的抗压强度可以变化，在某些情况下范围是从5至100MPa，包括15至75MPa，例如20至40MPa。由本发明的组合物形成的砌块的挠曲强度也可以变化，范围是从0.5至15MPa，包括2至10MPa，例如4至6MPa。这些砌块的最大吸水率可以变化，范围是按重量计从7％至20％，包括8％至15％，例如9％至11％。由本发明的组合物形成的砌块还可能由于吸收水或损失水至环境中而经历湿气移动(膨胀或收缩)。砌块可以是类型I的受湿气控制的单元或类型II的不受湿气控制的单元。由本发明的组合物形成的砌块的尺寸稳定性(即，线性收缩)可以根据其预期用途和/或使用的地理位置而变化，在某些情况下范围是从0.02％至0.15％，例如0.03％至0.05％。本发明的组合物可以被模制、挤出、或雕刻成为所希望的形状和尺寸从而形成砌块。该成型的组合物可以通过辊压实、液体压力、震动压实、或共振冲击压实来进一步压实。在一些情况下，可以使用在成型之前或在该组合物凝固时机械或化学地引入的气体将生成的组合物发泡以便形成轻质混凝土砌块。使该组合物在具有受控的温度和湿度的环境中进一步固化。
本发明提供的另一种类型的建筑材料是贴砖。由本发明的组合物形成的贴砖是指通常用于屋顶上并且用来铺砌商用以及住宅结构的外部和内部地板的非承重建筑材料。可以采用贴砖的一些实例包括但不限于：商用以及住宅结构的屋顶、装饰性庭院、浴室、桑拿室、厨房、建筑物大厅、车道、泳池面、走廊、走道、人行道等等。贴砖可以根据其预期用途和/或使用的预期地理位置而呈现不同的形式，在形状、尺寸、重量上变化，并且可以是实心的、网状的、多孔的或空心的。由本发明的组合物形成的贴砖可以在尺寸上变化，例如长度范围是从100至1000mm，包括250至500mm，例如250至300mm；宽度范围是从50至1000mm，包括100至250mm，例如125至175mm；并且厚度范围是从10至30mm，包括15至25mm，例如15至20mm。由本发明的组合物形成的贴砖的抗压强度也可以变化，在某些情况下范围是从5至75MPa，包括15至40MPa，例如25MPa。由本发明的组合物形成的贴砖的挠曲强度可以变化，范围是从0.5至7.5MPa，包括2至5MPa，例如2.5MPa。贴砖的最大吸水率也可以变化，在某些情况下范围是从5％至15％，包括7％至12％。本发明的贴砖还可能由于吸收水或损失水至环境中而经历湿气移动(膨胀或收缩)。归因于湿气移动，尺寸稳定性(即，线性收缩或膨胀)可以变化，在某些情况下范围是从0.001％至0.25％，包括0.025％至0.075％，例如0.05％。用来铺砌被暴露于繁忙交通(例如行人、车辆的交通等等)的区域的贴砖可以具有的耐磨指数可以显著变化，范围是从0.1至0.5，包括0.25。此外，贴砖可以具有的体积磨耗损失范围是从1.0至4.0cm3/cm2，包括1.5至3.0cm3/cm2，例如2.7cm3/cm2。贴砖可以是多边形的、圆形的或呈现任何其他所希望的形状。
这样，本发明的组合物可以被模制、或铸造成为所希望的贴砖形状和尺寸。该成型的组合物可以通过辊压实、液体压力、震动压实、或共振冲击压实来进一步压实。还可以将生成的组合物倾倒成片材，或者可以使用辊来形成具有所希望的厚度的片材。然后将这些片材切割成所希望的尺寸的贴砖。在一些情况下，可以使用在成型之前或在该组合物凝固时机械或化学地引入的气体将生成的组合物发泡以便形成轻质贴砖。然后允许该成型的组合物凝固并在具有受控的温度和湿度的环境中进一步固化。可以将贴砖进一步地抛光、着色、纹理化、喷砂、用装饰性组分镶嵌，等等。
构造面板是成形的建筑材料，在广义上用来指代非承重的结构元件，这些结构元件的特征是使得它们的长度和宽度实质性地大于其厚度。由本发明的组合物形成的示例性的构造面板包括水泥板、纤维-水泥外墙板、以及干式墙。构造面板是具有的尺寸根据其预期用途大不相同的多边形结构。构造面板的尺寸可以为：长度范围是从50至500cm，包括100至300cm，例如250cm；宽度范围是从25至200cm，包括75至150cm，例如100cm；厚度范围是从5至25mm，包括7至20mm，例如10至15mm。水泥板包括常规地作为水泥与玻璃纤维的组合来制备的构造面板，并且在板的两面均具有额外的玻璃纤维加强物。纤维-水泥外墙板包括常规地作为水泥、骨料、互纺织的纤维素、和/或聚合物纤维的组合来制备的构造面板，并且具有类似于木材的纹理和柔性。干式墙包括常规地由石膏灰泥(即，硫酸钙的半水合形式)、纤维(玻璃或纸)制备的构造面板，并且被夹在两片外部材料之间(例如纸或玻璃纤维毡)。
由本发明的组合物形成的一种类型的构造面板是水泥板。它们是成形的建筑材料，其中在一些实施方案中被用作陶瓷的背衬板，可以用于浴室贴砖、厨房桌台、后挡板等等的后面，并且可以具有的长度范围是从100至200cm，例如125至175cm，例如150至160cm；宽度范围是从75至100cm，例如80至100cm，例如90至95cm，并且厚度范围是从5cm至25cm，例如5至15cm，包括5至10cm。本发明的水泥板在物理和机械性质方面可以大大变化。在一些实施方案中，挠曲强度可以变化，范围是从1至7.5MPa，包括2至6MPa，例如5MPa。抗压强度也可以变化，范围是从5至50MPa，包括10至30MPa，例如15至20MPa。在本发明的一些实施方案中，水泥板可以用于在湿气中的过度暴露的环境(例如，商业桑拿室)中。本发明的水泥板的最大吸水率可以变化，范围是按重量计从5％至15％，包括8％至10％。例如9％。由本发明的组合物形成的水泥板还可能由于吸收水或损失水至环境中而经历湿气移动(膨胀或收缩)。归因于湿气移动，尺寸稳定性(即，线性收缩或膨胀)可以变化，在某些情况下范围是从0.035％至0.1％，包括0.04％至0.08％，例如0.05％至0.06％。本发明的组合物可以用来产生所希望的形状和尺寸从而形成水泥板。此外，可以将各种各样的另外组分加入水泥板中，包括但不限于：增塑剂、发泡剂、促进剂、阻滞剂、以及空气夹带添加剂。然后将该组合物倾倒入片式模具中，或者可以使用辊来形成具有所希望的厚度的片材。该成型的组合物可以通过辊压实、液体压力、震动压实、或共振冲击压实来进一步压实。然后将这些片材切割成所希望的尺寸的水泥板。在一些情况下，可以使用在成型之前或在该组合物凝固时机械或化学地引入的气体将生成的组合物发泡以便形成轻质水泥板。然后允许该成型的组合物凝固并在具有受控的温度和湿度的环境中进一步固化。由本发明的组合物形成的水泥板然后可以在板的两面上均用玻璃纤维毡覆盖。若希望的话，也可以使用化学掺料来制备由本发明的组合物形成的水泥板，使得它们具有增大的耐火、耐水和耐霜性以及对生物降解和腐蚀造成的损害的耐受性。也可以将该水泥板与多种组分例如分散的玻璃纤维进行组合，这些组分可以赋予改进的耐久性、增大的挠曲强度、以及更光滑的表面。
本发明提供的另一种类型的构造面板是纤维-水泥外墙板。由本发明的组合物形成的纤维-水泥外墙板是用来覆盖建筑物的外部或屋顶的成形的建筑材料，并且包括但不限于：建筑片材、屋顶面板、天花板、石棉水泥板等等。它们还可以用作高火灾区域中的木材封檐板(fascias)和山花板(barge boards)的替代物。纤维-水泥外墙板可以具有变化的尺寸，长度范围是从200至400cm，例如250cm，并且宽度是50至150cm，例如100cm，并且厚度范围是从4至20cm，例如5至15cm，包括10cm。由本发明的组合物形成的纤维-水泥外墙板可以具有变化的物理和机械性质。在一些实施方案中，挠曲强度的范围可以在0.5至5MPa之间，包括1至3MPa，例如2MPa。抗压强度也可以变化，在一些情况下范围是从2至25MPa，包括10至15MPa，例如10至12MPa。在本发明的一些实施方案中，纤维-水泥外墙板可以用在经受变化的气候条件的建筑物上，这些气候条件在一些实施方案中范围是从极干燥到潮湿(即，从低至高的湿度水平)。因此，本发明的纤维-水泥外墙板的最大吸水率可以变化，范围是按质量计从10％至25％，包括10％至20％，例如12％至15％。归因于湿气移动，尺寸稳定性(即，线性收缩或膨胀)可以变化，在某些情况下范围是从0.05％至0.1％，包括0.07％至0.09％。本发明的组合物可以用来产生所希望的形状和尺寸从而形成纤维-水泥外墙板。此外，可以将各种各样的另外组分加入纤维-水泥外墙板中，包括但不限于：纤维素纤维、增塑剂、发泡剂、促进剂、阻滞剂、以及空气夹带添加剂。然后将该组合物倾倒入片式模具中，或者可以使用辊来形成具有所希望的厚度的片材。该成型的组合物可以通过辊压实、液体压力、震动压实、或共振冲击压实来进一步压实。然后将这些片材切割成所希望的尺寸的纤维-水泥外墙板。在一些情况下，可以使用在成型之前或在该组合物凝固时机械或化学地引入的气体将生成的组合物发泡以便形成轻质纤维-水泥外墙板。然后允许该成型的组合物凝固并在具有受控的温度和湿度的环境中进一步固化。本发明的纤维-水泥外墙板然后可以用聚合物薄膜、釉质或涂料来覆盖。若希望的话，也可以使用化学掺料来制备由本发明的组合物形成的纤维-水泥外墙板，使得它们具有增大的耐火、耐水和耐霜性以及对生物降解和腐蚀造成的损害的耐受性。
由本发明的组合物形成的另一种类型的构造面板是干式墙。术语干式墙是指常规制造的、用来精整内墙和天花板构造的建筑材料。在某些情况下，干式墙建筑材料是由卷绕在内芯上的纸衬板制成的面板。本发明的干式墙的内芯将包括至少某个量值的本发明的组合物。本发明的干式墙建筑材料的尺寸可以变化，在某些情况下长度范围是从100至200cm，例如125至175cm，例如150至160cm；宽度范围是从75至100cm，例如80至100cm，例如90至95cm，并且厚度范围是从5cm至50cm，例如5至30cm，包括10至25cm。本发明提供的干式墙可以具有显著变化的物理和机械性质，并且可能依赖于干式墙配制品中用本发明的组合物替代的常规组分的量。本发明提供的干式墙的挠曲强度和抗压强度总体上大于用石膏灰泥制备的常规干式墙，后者被称为软建筑材料。在一些实施方案中，挠曲强度的范围可以在0.1与3MPa之间，包括0.5至2MPa，例如1.5MPa。抗压强度也可以变化，在一些情况下范围是从1至20MPa，包括5至15MPa，例如8至10MPa。本发明的干式墙的最大吸水率可以变化，范围是按质量计从2％至10％，包括4％至8％，例如5％。在某些实施方案中，该内芯与常规的干式墙内芯相似，是主要由石膏灰泥(硫酸根的半水合形式CaSO4·1/2H2O)制成，其中至少一部分的石膏组分被本发明的组合物代替。此外，该内芯可以包括各自各样的另外组分，例如但不限于：纤维(例如纸和/或玻璃纤维)、增塑剂、发泡剂、促进剂例如钾碱、阻滞剂例如EDTA或其他螯合剂、增大耐霉和耐火性的不同添加剂(例如玻璃纤维或蛭石)、以及水。用本发明的组合物替代的组分的分数可以变化，并且在某些情况下是按重量计5％或更多，包括按重量计10％或更多、按重量计25％或更多、按重量计50％或更多、按重量计75％或更多、按重量计90％或更多、或甚至按重量计100％。在生产干式墙时，可以将这些内芯组分进行组合并且将生成的组合物夹在两片外部材料之间，例如重的纸或玻璃纤维毡。当内芯凝固并在大的干燥室中干燥时，这种夹层变得足够刚性且强力而能用作建筑材料。
由本发明的组合物形成的另一种建筑材料是管道。管道是导管或被配置成将气体或液体从一个位置传输到另一个位置的类似结构。本发明的管道可以包括用于传输液体或气体的多种不同结构中的任何一种，包括但不限于：管路、暗渠、箱形涵洞、排水通道和隧道、入口结构、进水塔、闸门井、出口建筑等等。本发明的管道可以在形状上显著变化，这总体上是由水利设计和安装条件来决定的。本发明的管道的形状可以包括但不限于：圆形、矩形、长方形、马蹄形、正方形等等。管道的多室构型也是有可能的。管道设计可以根据其预期用途变化。这样，由本发明的组合物形成的管道可以具有显著变化的尺寸。管道可以具有的外径长度的范围是从5至500cm或更长，例如10至300cm，例如25至250cm。壁厚可以显著变化，在某些情况下范围是从0.5至25cm或更厚，例如1至15cm，例如1至10cm。在某些实施方案中，管道可以被设计用于支撑来自管道内的水流的较高的内压力。在又其他实施方案中，由本发明的组合物形成的管道可以被设计用于支撑高的外部荷载(例如，泥土荷载、表面超载荷载、车辆荷载、外部静水压力等等)。因此，本发明的管道的壁的抗压强度也可以根据该管道的尺寸和预期用途而变化，在某些情况下范围是从5至75MPa，例如10至50MPa，例如15至40MPa。若希望的话，这些管道可以与不同的涂层和内衬(例如聚合物的)一起使用并且可以被配置成容易彼此连接而产生由多个本发明的管道沟槽组成的长输送结构。在生产本发明的管道时，将该组合物与水组合后倒入模具中以便形成所希望的管道形状和尺寸。该成型的组合物可以通过辊压实、液体压力、震动压实、或共振冲击压实来进一步压实。在一些情况下，可以使用在成型之前或在该组合物凝固时机械或化学地引入的气体将生成的组合物发泡以便形成轻质管道结构。然后进一步允许该成型的组合物凝固并在具有受控的温度和湿度的环境中固化。此外，本发明的管道可以包括各种各样的另外组分，例如但不限于：增塑剂、发泡剂、促进剂、阻滞剂、以及空气夹带添加剂。若希望的话，这些另外组分可以包括化学掺料，使得本发明的管道具有增大的对于生物降解、霜、水、火灾以及腐蚀造成的伤害的耐受性。在一些实施方案中，由本发明的组合物形成的管道可以采用结构支撑组分，例如但不限于：由钢、聚合物材料、球墨铸铁、铝或塑料构成的缆线、丝线以及丝网。
由本发明的组合物形成的另一种建筑材料是盆。术语盆可以包括用来保持液体如水的任何构型的容器。这样，盆可以包括但不限于以下结构：例如井、收集箱、卫生检查孔、化粪池、滤污器、除油器/分离器、暴雨排水收集容器等等。盆可以在形状、尺寸以及体积容量上变化。盆根据其预期用途可以是矩形的、圆形的、球形的、或任何其他形状。在一些实施方案中，盆可以具有比深度更大的、朝底部逐渐变小的宽度。盆的尺寸可以根据该结构的预期用途而变化(例如，从保持几加仑的液体到几百或几千加仑或更多的液体)。壁厚可以显著变化，在某些情况下范围是从0.5至25cm或更厚，例如1至15cm，例如1至10cm。因此，抗压强度也可以根据盆的尺寸和预期用途而显著变化，在某些情况下范围是从5至60MPa，例如10至50MPa，例如15至40MPa。在一些实施方案中，盆可以被设计用于支撑高的外部荷载(例如，泥土荷载、表面超载荷载、车辆荷载、等等)。在某些其他实施方案中，这些盆可以与不同的涂层或内衬(例如聚合物的)一起使用并且可以被配置成使得它们可以与输送元件(例如排水管)相组合。在其他实施方案中，盆可以被配置成使得它们可以连接到其他盆上，这样它们可以形成连接起来的一系列盆。在生产盆时，可以将该组合物与水组合后倒入模具中以便形成所希望的盆形状和尺寸。该成型的组合物可以通过辊压实、液体压力、震动压实、或共振冲击压实来进一步压实。这些盆还可以通过将该组合物倒入片式模具中来制备，并且通过将这些片组合在一起而组装盆以便形成具有变化的尺寸的盆(例如，多边形的盆、菱形的盆等等)。在一些情况下，可以使用在成型之前或在该组合物凝固时机械或化学地引入的气体将生成的组合物发泡以便形成轻质盆结构。然后进一步允许该成型的组合物凝固并在具有受控的温度和湿度的环境中固化。此外，由本发明的组合物形成的盆可以包括各种各样的另外组分，例如但不限于：增塑剂、发泡剂、促进剂、阻滞剂、以及空气夹带添加剂。若希望的话，这些另外组分可以包括化学掺料，使得本发明的盆具有增大的对于生物降解、霜、水、火灾以及腐蚀造成的伤害的耐受性。在一些实施方案中，本发明的盆可以采用结构支撑组分，例如但不限于：由钢、聚合物材料、球墨铸铁、铝或塑料构成的缆线、丝线以及丝网。
由本发明的组合物形成的另一种建筑材料是梁，梁在广义上是指具有大的挠曲和抗压强度的水平承重结构。梁可以是矩形截面的、C形通道的、L形断面的边梁，工字梁、外墙托梁、宽翼工字梁，具有倒T形设计等等。本发明的梁也可以是水平承重单元，包括但不限于托梁、过梁、拱道、以及悬臂梁。梁一般具有的长度远远长于它们的最长截面尺寸，其中梁的长度可以比最长截面尺寸长5倍或更多、10倍或更多、25倍或更多。由本发明的组合物形成的梁在机械和物理性质方面可以变化。例如，无钢筋的混凝土梁可以具有变化的挠曲能力，范围是从2至25MPa，包括5至15MPa，例如7至12MPa，并且抗压强度范围是从10至75MPa，包括20至60MPa，例如40MPa。例如，结构上增强的混凝土梁可以具有显著更大的挠曲能力，范围是从15至75MPa，包括25至50MPa，例如30至40MPa，并且抗压强度范围是从35至150MPa，包括50至125MPa，例如75至100MPa。由本发明的组合物形成的梁可以是内部或外部的，并且可以是被对称加载的或不对称加载的。在一些实施方案中，梁可以是复合的，其中它通过引入适当的界面剪切机制而与其他结构单元复合地起作用。在其他实施方案中，梁可以是非复合的，其中它利用了单独的基础梁的特性。在生产本发明的梁时，可以将本发明的组合物在与水混合后倒入一个梁模具中或围绕一个相关的钢增强梁结构(例如，钢筋)进行浇注。在一些实施方案中，在围绕该钢框架浇注该组合物之前将该钢增强物预先张紧。在其他实施方案中，本发明的梁可以与一个钢增强骨架一起浇注，该骨架被机械地锚固到该混凝土梁上。本发明的梁还可以采用另外的结构支撑组分，例如但不限于：由钢、聚合物材料、球墨铸铁、聚合物纤铝或塑料构成的缆线、丝线以及丝网。这些结构支撑组分可以相对于携带的荷载平行地、垂直地、或以某个其他角度来使用。该模制或铸造的组合物可以通过辊压实、液体压力、震动压实、或共振冲击压实来进一步压实。然后进一步允许该组合物凝固并在具有受控的温度和湿度的环境中固化。此外，本发明的梁可以包括各种各样的另外组分，例如但不限于：增塑剂、发泡剂、促进剂、阻滞剂、以及空气夹带添加剂。若希望的话，这些另外组分可以包括化学掺料，使得本发明的梁具有增大的对于生物降解、霜、水、火灾以及腐蚀造成的伤害的耐受性。
由本发明的组合物形成的另一种建筑材料是柱，柱在广义上是指主要通过轴向压缩来携带荷载并且包括结构元件如压缩构件的一种竖直承重结构。本发明的其他竖直压缩构件可以包括但不限于：支柱、桥墩、基座或立柱。由本发明的组合物形成的柱可以是刚性的、直立的支撑件，由相对较少的零件构成。柱还可以是装饰性支柱，除其他构型之外，具有圆柱形或多边形的、光滑的或带槽的、楔形的或直线的、带有一个柱头的轴并且通常具有一个底座。柱的柱头和底座可以具有与该柱相似的形状或者可以不相同。一个柱上的柱头和底座的任何形状组合都是有可能的。由本发明的组合物形成的多边形柱具有的宽度不超过其厚度的四倍。由本发明的组合物形成的柱可以被构造为使得它们是实心的、空心的(例如，装饰性柱)、增强物填充的、或其任何组合。柱可以是短的柱(即，强度受结构组分及其截面的几何形状控制的柱)或细长的柱(即，截面尺寸小于其长度的5倍)。柱的尺寸可以根据该结构的预期用途而大大变化，例如，从小于单一楼层的高度、至若干楼层的高度或更高，并且具有相对应的宽度。柱可以在其机械和物理性质方面变化。
诸如抗压和挠曲强度的特性可以根据该柱的设计和预期用途而变化。例如，未增强的混凝土柱可以具有的挠曲强度范围是从2至20MPa，包括5至15MPa，例如7至12MPa，并且抗压强度范围是从10至100MPa，包括25至75MPa，例如50MPa。本发明的、结构上增强的混凝土柱可以具有显著更大的挠曲强度，范围是从15至50MPa，包括20至40MPa，例如25至35MPa，并且抗压强度范围是从25至200MPa，包括50至150MPa，例如75至125MPa。在一些实施方案中，柱可以是复合的，其中它通过引入界面剪切机制而与其他结构单元复合地起作用。在其他实施方案中，柱可以是非复合的，其中它单独地利用了基础柱的特性。在生产本发明的柱时，可以将该组合物在与水混合后倒入一个柱模具中或围绕一个相关的钢增强柱结构(例如，钢筋)进行浇注。在一些实施方案中，在围绕该钢框架浇注该组合物之前将该钢增强物预先张紧。在其他实施方案中，本发明的柱可以与一个钢增强骨架一起浇注，该骨架被机械地锚固到该混凝土柱上。本发明的柱还可以采用另外的结构支撑组分，例如但不限于：由钢、聚合物材料、球墨铸铁、聚合物纤铝或塑料构成的缆线、丝线以及丝网。这些结构支撑组分可以相对于携带的荷载平行地、垂直地、或以某个其他角度来使用。该模制或铸造的组合物可以通过辊压实、液体压力、震动压实、或共振冲击压实来进一步压实。然后进一步允许该组合物凝固并在具有受控的温度和湿度的环境中固化。此外，本发明的柱可以包括各种各样的另外组分，例如但不限于：增塑剂、发泡剂、促进剂、阻滞剂、以及空气夹带添加剂。若希望的话，这些另外组分可以包括化学掺料，使得本发明的柱具有增大的对于生物降解、霜、水、火灾以及腐蚀造成的伤害的耐受性。
由本发明的组合物形成的另一种建筑材料是混凝土厚板。混凝土厚板是用于构造预制地基、地板和壁板的那些建筑材料。在一些情况下，混凝土厚板可以用作地板单元(例如，空心厚木板单元或双重T形件设计)。在其他情况下，一个预铸混凝土厚板可以是用作原位混凝土框架的地基的、浅的预铸厚板。壁板在广义上是指建筑物的竖直承重构件，它们是多边形的并且具有的宽度大于其厚度的四倍。预铸的混凝土地基、地板以及壁板可以根据该预铸的混凝土厚板的预期用途而在尺寸上显著变化(例如，一个楼层或两个楼层的建筑物)。这样，预铸的混凝土厚板可以具有如下尺寸：长度范围是从1至10m或更长，包括3至8m，例如5至6m；宽度范围是从1至10m或更高，包括4至10m，例如4至5m；并且厚度范围可以是从0.005至0.25m或更厚，包括0.1至0.2m，例如0.1至0.15m。成形的建筑材料如厚板、以及由其形成的结构，可以比缺乏本发明的组合物组分的对应结构更厚。此外，由本发明的组合物形成的无定形建筑材料所制成的结构可以比不是由本发明的组合物形成的对应结构更厚。
在一些实施方案中，成形的建筑材料或相关结构的厚度增大了1.5倍或更多、2倍或更多、或5倍或更多。由本发明的组合物形成的混凝土厚板在其机械和物理性质方面可以根据其预期用途而变化。例如，用于地板单元中的预制厚板与用作承重墙的厚板相比可以具有更大的挠曲强度和更小的抗压强度。例如，未增强的混凝土厚板可以具有变化的挠曲强度，范围是从2至25MPa，包括5至15MPa，例如7至12MPa，并且抗压强度范围是从10至100MPa，包括25至75MPa，例如50MPa。本发明的、结构上增强的混凝土厚板可以具有显著更大的挠曲强度，范围是从15至50MPa，包括20至40MPa，例如25至35MPa，并且抗压强度范围是从25至200MPa，包括50至150MPa，例如75至125MPa。在生产本发明的厚板时，可以将该组合物在与水混合后倒入一个厚板模具中或围绕一个相关的钢增强结构(例如，钢筋)进行浇注。在一些实施方案中，在围绕该钢框架浇注该组合物之前将该钢增强物预先张紧。在其他实施方案中，本发明的厚板可以与一个钢增强骨架一起浇注，该骨架被机械地锚固到该混凝土厚板上。在一些实施方案中，通过浇注第二个支持性的混凝土层，本发明的混凝土厚板可以改进其结构能力，该第二个混凝土层被机械地锚固到之前预铸的混凝土厚板上。由本发明的组合物形成的厚板还可以采用另外的结构支撑组分，例如但不限于：由钢、聚合物材料、球墨铸铁、聚合物纤铝或塑料构成的缆线、丝线以及丝网。这些结构支撑组分可以相对于携带的荷载平行地、垂直地、或以某个其他角度来使用。该模制或铸造的组合物可以通过辊压实、液体压力、震动压实、或共振冲击压实来进一步压实。然后进一步允许该组合物凝固并在具有受控的温度和湿度的环境中固化。此外，本发明的厚板可以包括各种各样的另外组分，例如但不限于：增塑剂、发泡剂、促进剂、阻滞剂、以及空气夹带添加剂。若希望的话，这些另外组分可以包括化学掺料，使得由本发明的组合物形成的厚板具有增大的对于生物降解、霜、水、火灾以及腐蚀造成的伤害的耐受性。
由本发明的组合物形成的另一种建筑材料是隔音墙，隔音墙是指用作障碍物来衰减或吸收声音的结构。这样，隔音墙可以包括但不限于：诸如声学面板、反射性挡板、吸收性挡板、反应性挡板等等。由本发明的组合物形成的隔音墙可以在尺寸和形状上变化。隔音墙可以根据其预期用途而是矩形的、圆形的、或任何其他形状。隔音挡板可以用于将来自公路、马路、桥梁、工业设施、发电厂、装载码头、公共交通站、军用设施、枪程、住房复合体、娱乐场所(例如体育场、音乐厅)等等中的声音衰减。隔音挡板也可以用于房屋、音乐工作室、影院、教室等内部的隔音。由本发明的组合物形成的隔音挡板可以具有根据其预期用途而大大变化的尺寸，长度范围是从0.5至10m或更长，例如5m，并且高度/宽度是0.1至10m或更宽，例如5m，并且厚度范围是从10至100cm或更厚，例如25至50cm，包括40cm。若希望的话，该隔音挡板可以与不同的涂层和内衬(例如聚合物的)一起使用并且可以被配置成容易彼此连接或与分隔另外的隔音挡板的支柱相连而产生由多个本发明的隔音挡板构成的隔音挡板结构。在一些实施方案中，由本发明的组合物形成的隔音挡板除了增强结构的框架之外还可以采用吸音材料(例如，木材锯末、纺织品纤维、玻璃棉、岩棉、聚合物泡沫、蛭石等)。在一些实施方案中，隔音挡板可以用作户外环境(例如，沿着高速路、飞机场附近等等)中的减噪挡板并且可以与结构支撑组分(例如，柱、立柱、梁等等)一起使用。在生产本发明的隔音挡板时，将该组合物与水组合后倒入模具中以便形成所希望的隔音挡板形状和尺寸。还可以将该组合物倒入片式模具中，或者可以使用辊来形成具有所希望的厚度的片材。该成型的组合物可以通过辊压实、液体压力、震动压实、或共振冲击压实来进一步压实。然后将这些片材切割成所希望的尺寸的隔音挡板。在一些情况下，可以使用在成型之前或在该组合物凝固时机械或化学地引入的气体将生成的组合物发泡以便形成轻质隔音面板结构。然后进一步允许该成型的组合物凝固并在具有受控的温度和湿度的环境中固化。此外，本发明的隔音挡板可以包括各种各样的另外组分，例如但不限于：增塑剂、发泡剂、促进剂、阻滞剂、以及空气夹带添加剂。若希望的话，这些另外组分可以包括化学掺料，使得它们具有增大的对于生物降解、霜、水、火灾以及腐蚀造成的伤害的耐受性。在一些实施方案中，本发明的隔音挡板可以采用结构支撑组分，例如但不限于：由钢、球墨铸铁、聚合物纤维、铝或塑料构成的缆线、丝线以及丝网。
由本发明的组合物形成的另一种建筑材料是绝热材料，绝热材料是指用于衰减或抑制热传导的材料。绝热体还可以包括减少或抑制热量的辐射传递的那些材料。绝热材料可以由一种或多种以下成分组成：水泥性形成材料、分散剂、加气剂、惰性增稠微粒、离子型与非离子型表面活性剂的混合物、增塑剂、促进剂、轻质骨料、有机和无机粘合剂以及玻璃颗粒。在本发明的某些实施方案中，一个量值的水泥性形成材料可以用本发明的上述组合物来代替。用于本发明的绝热材料的结合组合物包括一种选自下组的组分，该组由以下各项组成：碳化物、石膏粉末、Blakite、氮化物、碳酸钙、氧化物、钛酸盐、硫化物、硒化锌、碲化锌、无机硅氧烷化合物以及它们的混合物。在本发明的某些实施方案中，一个量值的结合组合物可以用本发明的上述组合物来代替。若希望的话，本发明的绝热材料还可以使用一种化学掺料或任何其他常规的方案来制备，使得它们对于白蚁、昆虫、细菌、真菌等造成的损害是有耐受性的。本发明的绝热材料可以使用任何常规的方案来制备，使得它们是耐冰冻/融化、雨水和火灾的。本发明的绝热材料可以按照传统的用于此类材料的制造方案来制备，除了是使用本发明的组合物。在生产本发明的绝热材料时，可以将一个量值的本发明组合物与水以及该绝热材料的其他组分进行组合，这些其他组分包括但不限于：分散剂、加气剂、惰性增稠微粒、离子型与非离子型表面活性剂的混合物、增塑剂、促进剂、轻质骨料、有机和无机粘合剂以及玻璃颗粒。然后可以将生成的绝热材料模制成为所希望的形状(例如，壁板)或倒入混凝土砌筑单元、地板单元、屋顶盖板的空隙空间内、或者围绕管路、导管和盆进行浇注。
在一些实施方案中，诸如预铸混凝土产品的成形的建筑材料包括但不限于：料仓；牲畜饲料槽；牲畜栏杆；农用围栏；工字饲料槽末端(H-bunk)；J形饲料槽末端(J-bunk)；家畜用板条；家畜饮水槽；建筑板墙壁；包层(砖)；建筑装饰物；地基；地板、包括达到等级的厚板；墙壁；双壁预铸夹层板；水渠；机械稳定的土地板；箱形涵洞；3-面涵洞；桥梁系统；铁道路口；铁道枕木；声音隔墙/挡板；泽西护栏；隧道区段；钢筋混凝土箱；公共设施保护结构；手孔；空芯产品；灯柱底座；计量箱；面板拱顶；拉线盒；电信结构；变压器垫；变压器室；壕沟；公共设施拱顶；公共设施立柱；受控环境拱顶；地下拱顶；陵墓；墓碑；棺材；有害材料储存容器；蓄水窖；污水井；检查井；通气系统；配电箱；投配储箱；旱井；阻油器；渗滤坑；砂-油/油-水拦截器；化粪池；水/污水储存罐；湿井；消防储水池；浮船坞；水下基础设施；桥石板；栏杆；海堤；屋顶贴砖；铺路物；社区挡土墙；住宅挡土墙；模块式砌块系统；以及区段式挡土墙。
骨料
在一些实施方案中，本发明提供了一种合成岩石或一种骨料，其包含本发明的组合物或其凝固且硬化后的形式。在一些实施方案中，该骨料是由本发明的组合物形成的。这些骨料以及制造和使用这些骨料的方法在2009年5月29提交的美国申请序列号12/475,378中加以描述，该申请通过引用以其全部内容结合在此。该骨料是由本发明的水硬水泥或SCM或自胶结组合物形成的。在一些实施方案中，骨料是全部或部分地由本发明的组合物形成的并且暴露于淡水中且硬化成为稳定的化合物，然后在必要时将这些化合物进一步加工，以便形成适合用于所希望的骨料类型的颗粒。在一些实施方案中，骨料是本发明的组合物暴露于将其转化为稳定化合物的温度和/或压力条件下而形成的。本发明进一步提供了包含由本发明的组合物制成的合成岩石或骨料的多种结构，例如公路、建筑物、水坝、以及其他人造结构。
在一些实施方案中，本发明的组合物的一些或所有上述实施方案也适用于由本发明的组合物制成的骨料。
术语骨料在此是以其在本领域被接受的方式来使用，以包括一种用于混凝土、灰浆以及其他材料如路基、沥青和其他结构中并且适合用于此类结构中的微粒组合物。本发明的骨料是在一些实施方案中可以分类为细的或粗的微粒组合物。根据本发明的实施方案的细骨料是几乎完全穿过4号筛(ASTM C 125和ASTM C 33)的微粒组合物。根据本发明的实施方案的细骨料组合物具有的平均粒度范围是从0.001英寸(in)至0.25in，例如0.05in至0.125in并且包括0.01in至0.08in。根据本发明的实施方案的粗骨料是大部分留在4号筛(ASTM C 125和ASTM C33)上的组合物。根据本发明的实施方案的粗骨料组合物是如下组合物：其具有的平均粒度范围是从0.125in至6in，例如0.187in至3.0in并且包括0.25in至1.0in。如在此使用的，“骨料”在一些实施方案中还可以涵盖更大的尺寸，例如3in至12in或甚至3in至24in，或更大，例如12in至48in，或大于48in，例如在乱石筑基等等中使用的尺寸。在一些实施方案中，例如在生产用于海洋的抗波浪结构时，其尺寸可以甚至更大，例如超过48in，例如超过60in、或者超过72in。
这些组合物的显著特性可以包括以下一项或多项：硬度、耐磨性、密度、孔隙率、化学组成、矿物组成、同位素组成、尺寸、形状、耐酸性、耐碱性、可滤取的氯化物含量、CO2固定能力、反应性(或其缺乏)。
由本发明的组合物形成的骨料具有的密度可以变化，只要该骨料对于它将用于的用途提供了所希望的特性，例如对于它将用于的建筑材料。在某些情况下，骨料颗粒的密度范围是从1.1至5gm/cc，例如1.3gm/cc至3.15gm/cc，并且包括1.8gm/cc至2.7gm/cc。在本发明的实施方案中对于轻集料而言，其他颗粒密度范围可以是从1.1至2.2gm/cc，例如1.2至2.0gm/cc或1.4至1.8gm/cc。在一些实施方案中，本发明提供的骨料的堆密度(单位重量)范围是从50lb/ft3至200lb/ft3、或75lb/ft3至175lb/ft3、或50lb/ft3至100lb/ft3、或75lb/ft3至125lb/ft3、或90lb/ft3至115lb/ft3、或100lb/ft3至200lb/ft3、或125lb/ft3至175lb/ft3、或140lb/ft3至160lb/ft3、或50lb/ft3至200lb/ft3。本发明的一些实施方案提供了轻质骨料，例如具有的堆密度(单位重量)为75lb/ft3至125lb/ft3的骨料。本发明的一些实施方案提供了轻质骨料，例如具有的堆密度(单位重量)为90lb/ft3至115lb/ft3的骨料。
构成骨料的这些骨料颗粒的硬度也可以变化，并且在某些情况下在莫氏标度上表示的硬度范围是从1-9；或1-7；或1-6；或1-5；或1-4；或2-9；或2-8；或2-7；或2-6；或2-5；或2-4；或2-3；或3-9；或3-8；或3-7；或3-6；或3-5；或3-4；或4-9；或4-8；或4-7；或4-6；或4-5；或5-9；或5-8；或5-7；或5-6；或6-9；或6-8；或6-7；或7-9；或7-8；或8-9。也可以使用其他硬度标度来表征该骨料，例如洛氏、维氏、或布氏，并且可以使用与莫氏标度相等的值来表征本发明的骨料，例如维氏硬度等级250对应于莫氏等级3；这些标度之间的转换是本领域已知的。
骨料的耐磨性也可能很有意义，例如用于公路表面，其中高耐磨性的骨料对于保持表面不被抛光是有用的。耐磨性与硬度相关但不相同。骨料包括具有的耐磨性与天然石灰石相似的骨料、或者具有的耐磨性优于天然石灰石的骨料、以及具有的的耐磨性低于天然石灰石的骨料，是通过本领域接受的方法如ASTM C131-03测量的。在一些实施方案中，由本发明的组合物制成的骨料具有的耐磨性在通过ASTM C131-03测量时是小于50％、或小于40％、或小于35％、或小于30％、或小于25％、或小于20％、或小于15％、或小于10％。
骨料还可以具有在特定范围内的孔隙率。正如本领域的技术人员将了解的，在一些情况下一种高度多孔的骨料是所希望的，在其他情况下一种具有中等孔隙率的骨料是所希望的，而在其他情况下具有低孔隙率或没有孔隙率的骨料是所希望的。在本发明的一些实施方案中，通过烘箱干燥然后完全浸没60分钟之后的吸水率来度量的、表示为％干重的骨料孔隙率可以位于1％至40％的范围内，例如2％至20％、或2％-15％，包括2％-10％或甚至3％-9％。
此外，由本发明的组合物形成的骨料可以进一步包括或不包括诸如氯化物的物质。这些物质在一些应用中被认为是不希望的；例如在旨在用于混凝土中的骨料中，氯化物是不希望的，因为它倾向于腐蚀钢筋。然而，在一些用途中，例如在用于公路的基层中，含氯化物的骨料可能是可接受的。如果氯化物是起始材料的一种组分，则由本发明的组合物来制造骨料的方法可以包括一个或多个将骨料的氯化物和/或钠含量最小化的步骤；在一些实施方案中，这样的一个或多个步骤不是必须的，因为骨料的预期最终用途对于这些物质的含量较不敏感。因此在一些实施方案中，本发明的骨料的可滤取氯化物含量小于0.5％。在一些实施方案中，该骨料的可滤取氯化物含量范围是从0.0001％至0.05％。在一些实施方案中该可滤取氯化物含量是小于0.05％，在一些实施方案中该可滤取氯化物含量是小于0.1％，并且在一些实施方案中该可滤取氯化物含量是小于0.5％。
本发明的骨料可以具有适合于特定用途的任何尺寸和形状，如在此进一步说明的。当这些骨料是合成的时候，尺寸和形状均可以是几乎完全受控的，从而允许获得各种各样专门的骨料以及骨料混合物，如进一步说明的。在一些实施方案中，本发明提供了粗骨料，即，大部分留在4号筛(ASTM C 125和ASTM C 33)上的组合物。根据本发明的实施方案的粗骨料具有的平均粒度范围是从0.125in至6in，例如0.187in至3.0in并且包括0.25in至1.0in。根据本发明的实施方案的细骨料具有的平均粒度范围是从0.001英寸(in)至0.25in，例如0.05in至0.125in并且包括0.01in至0.08in。
本发明的骨料可以是反应性的或非反应性的。反应性骨料是在通过一种物质(例如水)引发时与其他骨料颗粒中的成分(例如，化合物)进行反应而形成一种反应产物的那些骨料颗粒。在一些情况下，该反应产物可以是骨料颗粒之间的一种基质，从而形成一种稳定化结构。在其他情况下，所形成的基质可以是一种膨胀凝胶，该膨胀凝胶根据具体环境可以起作用而使该团块不稳定化；在存在供膨胀凝胶发生膨胀的空间的一些情况下，例如在铺设为路基的一部分的骨料中具有空隙空间时，这种类型的反应性骨料是可接受的。本发明的骨料还可以是反非反应性的。
此外，在一些情况下本发明提供了耐酸的、耐碱的、或耐酸以及碱两者的骨料。例如，在一些情况下，本发明提供的骨料在暴露于2、3、4、或5的pH下时，取决于所希望的测试(例如，已经稀释到2、3、4、或5的pH的H2SO4溶液)而在48小时的时段内、或1周的时段内、或5周的时段内或25周的时段内释放出骨料中所含CO2的小于1％、0.1％、0.01％或0.001％，同时保持完好无损并且保留了其一部分的或基本上全部的硬度、耐磨性等等。对于本发明的耐碱的骨料可以获得类似的结果，例如在暴露于12、11、10或9的pH下时，在48小时、1周、5周或25周的时段内释放出其CO2的小于1％、0.1％、0.01％或0.001％，同时保持完好无损并且保留了其一部分的或基本上全部的硬度、耐磨性等等。这些骨料在进行此类测试之前可以研磨至标准表面积或筛目尺寸。该材料的CO2含量可以通过例如库仑法或任何其他适当方法来监测。
由CO2来源制成的本发明的组合物可以产生隔离CO2的骨料，这些骨料可以提供对CO2的长期储存，其方式是使得CO2被隔离(即，固定)在骨料中，此时隔离的CO2并不成为大气的一部分。“长期储存”包括，本发明的骨料将它所隔离的CO2在长时间段(当将骨料维持在其预期用途的常规条件下时)内保持固定而没有CO2从骨料中的显著(如果存在任何的)释放。在本发明的背景下长时间段可以是1年或更长、5年或更长、10年或更长、25年或更长、50年或更长、100年或更长、250年或更长、1000年或更长、10,000年或更长、1,000,000年或更长、或甚至100,000,000年或更长，这取决于骨料的具体性质和下游用途。相对于隔离CO2的骨料，当用于其预期用途并超过其寿命时，在从产品中释放的CO2气体的意义上测量的降解量(如果存在任何的话)将不超过10％每年，例如不超过5％/年，并且在某些实施方案中将不超过1％/年或甚至不超过0.5％每年或甚至0.1％每年。
可以将骨料的测试用作骨料的长期储存能力的代用标志。可以使用任何本领域接受的测试，或者可以使用被合理地认为预测了一种材料在其预期使用条件下的CO2长期储存性的任何测试，例如被合理地认为预测了该组合物在某个时间量内保持其显著分数、或基本上全部CO2的任何测试。例如，如果骨料在10％与50％之间的相对湿度下、在50℃、75℃、90℃、100℃、120℃、或150℃中暴露1、2、5、25、50、100、200、或500天时损失了其碳的少于1％、2％、3％、4％、5％、10％、20％、30％、或50％，则该骨料被认为是用于隔离的CO2的长期储存骨料。根据该材料的预期用途和环境来选择测试条件。该材料的CO2含量可以通过任何适当的方法例如库仑法来监测。
在一些实施方案中，本发明提供了轻质骨料，例如具有的堆密度为75-125lb/ft3或90-115lb/ft3的骨料。在一些实施方案中该轻质骨料包含碳酸盐以及硫酸盐或亚硫酸盐、或硫酸盐与亚硫酸盐的组合。在一些实施方案中，碳酸盐与硫酸盐和/或亚硫酸盐之比是1000∶1至10∶1、或500∶1至50∶1、300∶1至75∶1。在这些实施方案的一些之中，该骨料进一步包含汞或汞化合物，可以是化石燃料来源的。在一些实施方案中，该骨料包含杜平矿。
在一些实施方案中，本发明提供了一组专门的骨料，例如，具有多种特征的一组骨料，这些特征被选择为与一组预定的特征相匹配，例如尺寸、形状、表面纹理、硬度、耐磨性、密度、孔隙率、酸稳定性、碱稳定性、CO2释放稳定性以及颜色中的至少两项、三项、四项或五项。在一些实施方案中，本发明提供了具有被选择来与一组预定的特征相匹配的多个特征的一组骨料，其中这些特征包括尺寸、形状和硬度。在一些实施方案中，本发明提供了具有被选择来与一组预定的特征相匹配的多个特征的一组骨料，其中这些特征包括尺寸、形状、硬度和表面纹理。在一些实施方案中，本发明提供了具有被选择来与一组预定的特征相匹配的多个特征的一组骨料，其中这些特征包括尺寸、形状、硬度以及密度。在一些实施方案中，本发明提供了具有被选择来与一组预定的特征相匹配的多个特征的一组骨料，其中这些特征包括尺寸、形状、以及密度。
该骨料可以具有选自下组的颗粒形状，该组由以下各项组成：倒圆的、不规则的、片状的、有角度的、长形的、片状长形的、次角度的、次倒圆的、良好倒圆的以及其任何混合形式；在一些情况下该骨料进一步具有选自下组的表面纹理，该组由以下各项组成：玻璃状的、光滑的、粒状的、粗糙的、晶态的、蜂窝状的以及其混合形式。在一些实施方案中，该骨料具有选自下组的颗粒形状，该组由以下各项组成：多边形的、圆柱形的、球形的、三角形的、弯曲的形状、环形的、椭圆形的、卵形的、星形的、棱形的以及其任何混合形式；并且在一些情况下可以进一步具有选自下组的颗粒表面纹理，该组由以下各项组成：玻璃状的、光滑的、粒状的、粗糙的、晶态的、蜂窝状的以及其混合形式。该骨料可以具有的莫氏硬度范围是从约1至9，例如约2至6，或在洛氏、维氏或布氏标度上的相等硬度。以上任何骨料均可以进一步包括以下一种或多种：波特兰水泥、飞灰、石灰以及粘合剂，例如当合成碳酸盐∶波特兰水泥的重量比范围是从0.1/1至5/1时，该粘合剂是波特兰水泥。该骨料具有的单位密度是在100至150lb/ft3之间，例如在75-125lb/ft3之间。
在一些实施方案中，本发明提供了一种适合用于建筑材料中的骨料，其中该骨料具有的单位密度是小于115lb/cu并且是一种碳负型骨料。
在一些实施方案中，本发明提供了包含由本发明的组合物制成的骨料的路面主层。在一些实施方案中，本发明提供了包含由本发明的组合物制成的骨料的沥青。
在某些实施方案中，本发明提供了一种贝壳状碎裂的骨料。
II.方法与系统
本发明的多个方面包括用于制造本发明的组合物的方法和系统。该用于生产本发明的组合物的方法包括一个碳源、一个水源、一个碱度来源、以及一个碱土金属离子来源，这取决于用于该过程的材料。在本发明的一个方面，提供了制造在此提供的组合物的一种方法，是通过(a)使含有碱土金属的水与来自工厂的一种含化石来源的碳的烟气相接触；并且(b)使步骤(a)的含有碱土金属的水经受一项或多项条件以制造本发明的组合物。
在本发明的另一个方面，提供了制造组合物的一种方法，是通过(a)使含有碱土金属的水与一种CO2来源相接触；并且(b)使步骤(a)的含有碱土金属的水经受一项或多项条件以制造一种组合物，其中该组合物包含至少47％w/w的球方解石并且其中该组合物在与水组合、凝固并硬化后具有至少14MPa的抗压强度。
碳源
该CO2来源可以是一种液体、固体(例如干冰)或气态的CO2来源。在某些实施方案中，该CO2来源是一种气态的CO2来源。该气态CO2在某些情况下是废料流或来自工业设备的产物。工厂的性质在这些实施方案中可以变化，其中有意义的工厂包括但不限于：发电厂(例如，在2008年12月24日提交的标题为“隔离CO2的方法”的国际申请号PCT/US08/88318中更详细说明的，其披露内容通过引用结合在此)、化学加工厂、炼钢厂、造纸厂、水泥厂(例如，在美国临时申请序列号61/088,340中更详细说明的，其披露内容通过引用结合在此)、以及其他产生作为副产物的CO2的其他工厂。废料流是指作为工厂的活动进程的副产物产生的气体流(或类似流)。该气态流可以是基本上纯的CO2或包括CO2以及一种或多种其他气体的多组分气态流。可以在这些主题方法的实施方案中用作CO2来源的多组分气态流(含CO2)包括还原状态的流，例如合成气、改变的合成气、天然气、以及氢气等等，以及氧化状态的流，例如来自燃烧过程的烟气。含有NOx、SOx、VOC、微粒和Hg的排气将结合这些化合物以及沉淀的产物中的碳酸盐。可以根据主题发明进行处理的有意义的具体多组分气态流包括但不限于：有氧燃烧发电厂烟气、涡轮增压的锅炉产物气体、煤气化产物气体、改变的煤气化产物气体、厌氧消解产物气体、泉源天然气流、改造的天然气或甲烷水合物等等。
因此，该废料流可以是从各种不同类型的工厂中生产的。适合于本发明的废料流包括以下废料流，例如由燃烧化石燃料(例如煤、油、天然气)或天然存在的有机燃料沉积物(例如焦油砂、重油、油页岩等)的人造燃料产品的工厂产生的烟气。在一些实施方案中，适合于本发明的系统和方法的废料流是源自燃煤发电厂，例如粉煤发电厂、超临界煤发电厂、燃烧煤块的发电厂、流化床煤发电厂。在一些实施方案中，该废料流是源自燃气或燃油的锅炉以及蒸汽涡轮机发电厂、燃气或燃油锅炉简单循环式气体涡轮机发电厂、或燃气或燃油锅炉组合循环式气体涡轮机发电厂。在一些实施方案中，使用了由燃烧合成气(即，由有机物质如煤、生物质等的气化所生产的气体)的发电厂生产的废料流。在一些实施方案中，使用了来自整体煤气化联合循环(IGCC)发电厂的废料流。在一些实施方案中，使用热回收蒸汽发生器(HRSG)发电厂所产生的废料流来根据本发明的方法和系统生产组合物。
从水泥厂产生的废料流也适合于本发明的系统和方法。水泥厂废料流包括来自湿法和干法工厂的废料流，这些工厂可以采用竖窑或回转窑并且可以包括预煅烧炉。这些工厂可以各自燃烧单一燃料、或可以顺序地或同时地燃烧两种或更多种燃料。
在一些实施方案中，该碳源是合成的或天然存在的碳酸盐，例如碳酸钠或石灰石。
水源
如上所述，“咸水”在其常规意义上用来包括多种不同类型的、除淡水外的水性流体，术语“咸水”包括：半咸水、海水、和浓盐水(包括人造浓盐水，如地热发电厂废水、脱盐废水等)、以及其他具有的盐度大于淡水盐度的含盐水。浓盐水是盐饱和的或接近饱和的水并且具有50ppt(千份的份数)或更大的盐度。半咸水是比淡水咸的水，淡水不如海水咸，具有范围从0.5至35ppt的盐度。海水是来自海洋的水并且具有范围从35至50ppt的盐度。
作为本发明的组合物来源的浓盐水来源可以是天然来源，如大海、大洋、湖泊、沼泽、河口、泻湖等，或是人造来源。本发明的组合物可以通过从含有碱土金属的水、如咸水(可以成为从咸水获得的组合物)或添加有碱土金属离子的淡水中沉淀而生产。方法中采用的咸水可以变化。
在一些实施方案中，本发明中采用的水可以是富含矿物例如富含钙和/或镁的淡水源。在一些实施方案中，富含钙的水可以与硅酸镁矿物如橄榄石或蛇纹石进行组合。由于加入二氧化碳而形成碳酸，该溶液中的酸度可以溶解该硅酸镁，从而导致形成了钙镁的硅酸盐碳酸盐化合物。
在一些实施方案中，这些组合物是以某种方式由咸水获得的，例如通过以一种足以由初始体积的咸水来产生本发明的所希望的组合物的方式来处理一定体积的咸水。在某些实施方案中，本发明的组合物是通过将它们从咸水中沉淀出来而由咸水获得的。在某些实施方案中，本发明的组合物是以固体形式从咸水中分离出。本发明的组合物可以在咸水中比在淡水中更稳定，使得它们可以被视为咸水亚稳组合物。
在某些实施方案中，该水是从也提供了该气态废料流的发电厂获得的。例如，在水冷却的发电厂中，例如海水冷却的发电厂中，接着可以将该发电厂采用的水送至该沉淀系统并用作该沉淀反应中的水。在这些实施方案的某些之中，该水在进入该沉淀反应器中之前可以冷却。
碱度来源
为了产生含碳酸盐的沉淀物质，从含二价阳离子的溶液中的不同物种(例如，碳酸、碳酸氢盐、水合氢离子等等)中去除质子，以便使平衡朝碳酸盐偏移。术语“碱度来源”或“质子去除剂”或“pH提高剂”或“碱”在此可互换使用。”当质子被去除，更多的CO2进入溶液中。在一些实施方案中，在使一种含二价阳离子的水溶液与CO2接触时，使用质子去除剂和/或方法来增大在该沉淀反应的一个阶段中CO2的吸收，其中pH可以保持恒定、增大或甚至下降，之后快速去除质子(例如通过添加一种碱)以造成含碳酸盐的沉淀物质的快速沉淀。可以通过适当的途径来从不同物种(例如，碳酸、碳酸氢盐、水合氢离子等等)中去除质子，包括但不限于：使用天然存在的质子去除剂、使用微生物和真菌、使用合成的化学质子去除剂、回收人造废料流、以及使用电化学手段。
天然存在的质子去除剂涵盖了在可以创造或具有碱性的局部环境的更宽环境中可以找到的任何质子去除剂。一些实施方案提供了天然存在的质子去除剂，这些质子去除剂包含在添加到溶液中之后产生碱性环境的矿物。此类矿物包括但不限于：石灰(CaO)；方镁石(MgO)；氢氧化铁矿物(例如，针铁矿和褐铁矿)；以及火山灰。用于此类矿物以及含此类矿物的岩石的消解的方法是本领域公知的。
许多矿物提供了二价阳离子来源，并且此外一些矿物是碱源。镁铁质和超镁铁质的矿物例如橄榄石、蛇纹石以及任何其他适当的矿物可以使用任何常规的方案来溶解。可以通过增大表面积来加速溶解，例如通过用常规手段、或者通过例如喷射研磨机、以及通过使用例如超声技术来进行研磨。此外，可以通过暴露于酸或碱中来加速矿物溶解。可以将金属硅酸盐(例如，镁的硅酸盐)以及含有有意义阳离子的其他矿物溶解在例如酸(例如HCl，如来自电化学过程中的HCl)中以便生产例如用于沉淀物质中的镁和其他金属阳离子并且因此生产本发明的组合物。在一些实施方案中，可以使镁的硅酸盐和其他矿物在一种由于添加二氧化碳和其他废气组分(例如，燃烧气体)而变为酸性的水溶液中进行消解或溶解。替代地，通过用水性的碱性氢氧化物(例如NaOH)或任何其他适当的苛性物质来溶解一种或多种金属硅酸盐(例如橄榄石或蛇纹石)而使得其他金属物种例如金属氢氧化物(例如Mg(OH)2、Ca(OH)2)可以用于骨料中。可以使用任何适当浓度的水性的碱性氢氧化物或其他苛性物质来分解金属硅酸盐，包括高度浓缩的或非常稀的溶液。一种碱性氢氧化物(例如NaOH)在溶液中的浓度(按重量)可以是例如从30％至80％以及从70％至20％的水。有利地，用水性的碱性氢氧化物消解的金属硅酸盐以及类似物可以直接用于生产沉淀物质并且随后由废料流来生产骨料。此外，来自该沉淀反应混合物的碱值可以进行回收并再用于消解另外的金属硅酸盐以及类似物。
一些实施方案提供了使用天然碱性的水体作为天然存在的质子去除剂。天然碱性的水体的例子包括但不限于：地表水源(例如碱湖，例如加利福利亚的莫诺湖(Mono Lake))以及地下水源(例如碱性含水层，如位于加利福利亚西尔湖(Searles Lake)的深层地质碱性含水层)。其他实施方案提供了使用来自干燥碱性水体的沉积物，例如沿着非洲东非大裂谷(Great Rift Valley)纳特龙湖的地壳。
在一些实施方案中，使用在其正常的代谢作用中分泌碱性分子或溶液的有机体作为质子去除剂。此类有机体的实例是产生碱性蛋白酶的真菌(例如深海真菌焦曲菌，最佳pH为9)以及产生碱性分子的细菌(例如，蓝细菌如来自不列颠哥伦比亚省中Atlin湿地的Lyngbya sp.，它增大了来自光合作用的副产物的pH)。在一些实施方案中，使用有机体来产生质子去除剂，其中这些有机体(例如巴氏幼虫芽胞杆菌，将尿素水解为铵)代谢一种污染物(例如尿素)而产生质子去除剂或含质子去除剂的溶液(例如，氨、氢氧化铵)。在一些实施方案中，将有机体与这些沉淀反应混合物单独培养，其中将质子去除剂或含质子去除剂的溶液用于添加到该沉淀反应混合物中。在一些实施方案中，将天然存在的或制造的酶与质子去除剂组合使用以便启动沉淀物质的沉淀。碳酸酐酶是由植物和动物产生的一种酶，它加速了在水溶液中碳酸向碳酸氢盐的转换。
影响质子去除的化学试剂总体上是指大量生产的并且可商购的合成的化学试剂。例如，用于去除质子的化学试剂包括但不限于：氢氧化物、有机碱、超级碱、氧化物、氨、以及碳酸盐。氢氧化物包括在溶液中提供氢氧根阴离子的化学物种，包括例如氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钾(KOH)、氢氧化钙(Ca(OH)2)、或氢氧化镁(Mg(OH)2))。有机碱是含碳分子，一般是含氮的碱，包括伯胺例如甲胺，仲胺例如二异丙胺，叔胺例如二异丙基乙胺，芳族胺例如苯胺，杂芳族化合物例如吡啶、咪唑和苯并咪唑，以及它们的不同形式。在一些实施方案中，使用了选自吡啶、甲胺、咪唑、苯并咪唑、组氨酸、和磷腈中的一种有机碱来从不同物种(例如碳酸、碳酸氢盐、水合氢离子等等)中去除质子以便该沉淀材料沉淀。在一些实施方案中，使用氨来将pH提高到足以使沉淀材料从二价阳离子和工业废料流的一个溶液中沉淀出来的水平。适合用作质子去除剂的超级碱包括：乙醇钠、氨基钠(NaNH2)、氢化钠(NaH)、丁基锂、二异丙氨基锂、二乙氨基锂、以及二(三甲基硅烷基)氨基锂。氧化物，包括例如氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)、氧化锶(SrO)、氧化铍(BeO)以及氧化钡(BaO)也是可以使用的适当的质子去除剂。用于本发明中的碳酸盐包括但不限于碳酸钠。
除了包含有意义的阳离子以及其他适当的金属形式之外，来自不同工业过程的废料流也可以提供质子去除剂。这样的废料流包括但不限于：采矿废料；化石燃料燃烧灰(例如，诸如飞灰、炉底灰、锅炉炉渣的燃烧灰)；炉渣(例如，铁炉渣、含磷炉渣)；水泥窑废料；炼油厂/石油精炼厂废料(例如油田和甲烷层浓盐水)；煤层废料(例如，产气浓盐水以及煤层浓盐水)、纸处理废料；水软化废料浓盐水(例如，离子交换流出液)；硅处理废料；农业废料；金属精整废料；高pH纺织品废料；以及腐蚀性污泥。采矿废料包括来自从泥土中提取金属或另一种贵重或有用矿物过程中的废料。在一些实施方案中，来自采矿的废料被用于改变pH，其中该废料是选自拜耳铝提取工艺中的红泥；来自从海水中提取镁的过程中的废料(例如Mg(OH)2，如在加利福利亚的MossLanding找到的)；以及来自涉及滤取的采矿过程中的废料。例如，红泥可以用于改变pH，例如在2009年3月18日提交的标题为“用CO2和二价阳离子溶液中和工业废料”的美国临时专利申请号61/161,369中所说明的，通过引用以其全部内容结合在此。进一步在2009年6月17日提交的标题为“利用金属氧化物废料来源的方法和系统”的美国专利申请号12/486,692(其披露内容通过引用以其全部内容结合在此)中说明的化石燃料燃烧灰、水泥窑粉尘、以及炉渣(统称为金属氧化物废料来源)可以单独地或与其他质子去除剂组合使用，以便提供用于本发明的质子去除剂。来自动物废料或过度的肥料使用造成的农业废料可能包含氢氧化钾(KOH)或氨(NH3)或二者。这样，在本发明的一些实施方案中可以使用农业废料作为质子去除剂。这种农业废料通常被收集在池塘中，但是它也可能渗透到含水层中，在此可以获得并使用它。
若希望的话，使用任何常规的和/或适当的途径来提供该水的pH。在某些实施方案中，可以采用一种pH提高剂，其中此类试剂的例子包括氧化物、氢氧化物(例如氢氧化钠、氢氧化钾、水镁石)、碳酸盐(例如碳酸钠)、煤灰、天然存在的矿物等等。加入该咸水来源中的pH提高剂的量将取决于该试剂的具体性质以及所改性的咸水体积，并且将足以将咸水来源的pH提高至所希望的值。替代地，可以通过该水的电解来将该咸水来源的pH提供至所希望的水平。
一种这样的途径可以是使用来自燃煤发电厂的、含有许多氧化物的煤灰，来提高该海水的pH。其他生产合成气的煤工艺、像煤的气化，也产生了氢气和一氧化碳，并且也可以用作一种氢氧化物来源。一些天然存在的矿物，如蛇纹石，含有氢氧化物，并且可以被溶解，从而产生一种氢氧化物来源。加入该水中的pH提高剂的量将取决于该试剂的具体性质以及所改性的咸水体积，并且将足以将该水的pH提高至所希望的值。替代地，可以通过该水的电解来将该咸水来源的pH提供至所希望的水平。在采用电解时，可以采用各种不同的方案，例如使用汞电解槽工艺(也称为Castner-Kellner工艺)；隔膜电解槽工艺以及薄膜电解槽工艺。若希望的话，可以收获水解产物的副产物，例如H2、金属钠等，并根据需要用于其他目的。
电化学法是从溶液中的不同物种中去除质子的另一种手段，是从溶质中去除质子(例如，碳酸或碳酸氢盐的去质子化)或从溶剂中去除质子(例如，水合氢离子或水的去质子化)。例如，如果产生自CO2溶解的质子与从溶质分子中的电化学质子去除相匹配或超过后者，则可以产生溶剂的去质子化。在一些实施方案中，使用低电压电化学方法来去除质子，例如当CO2被溶解在沉淀反应混合物中或沉淀反应混合物的前体溶液(即，可以包含或可以不包含二价阳离子的溶液)中时。
在一些实施方案中，通过低电压电化学方法来处理被溶解在不包含二价阳离子的水溶液中的CO2，以便从产生自CO2的溶解的碳酸、碳酸氢盐、水合氢离子或其任何组合中去除质子。低电压电化学方法工作的平均电压是2、1.9、1.8、1.7、或1.6V或更小、例如1.5、1.4、1.3、1.2、1.1V或更小、例如1V或更小、例如0.9V或更小、0.8V或更小、0.7V或更小、0.6V或更小、0.5V或更小、0.4V或更小、0.3V或更小、0.2V或更小、或0.1V或更小。不产生氯气的低电压电化学方法适合用于本发明的系统和方法中。不产生氧气的、用于去除质子的低电压电化学方法也适合用于本发明的系统和方法中。在一些实施方案中，低电压电化学方法在阴极产生氢气并且将其输送到阳极，在阳极处氢气被转化为质子。不产生氢气的电化学方法也可能是适宜的。在一些实施方案中，去除质子的电化学过程在阳极不产生气体。在一些实施方案中，去除质子的电化学方法不产生任何气态副产物。
用于进行质子去除的电化学方法进一步地被描述在2008年12月24日提交的标题为“隔离CO2的方法”的美国专利申请号12/344,019；2008年12月23日提交的标题为“低能量电化学氢氧化物系统和方法”的美国专利申请号12/375,632；2008年12月23日提交的标题为“低能量电化学氢氧化物系统和方法”的国际专利申请号PCT/US08/088242；2009年1月28日提交的标题为“低能量电化学碳酸氢根离子溶液”的国际专利申请号PCT/US09/32301；以及2009年6月24日提交的标题为“采用二氧化碳气体的低能量4-槽电化学系统”的国际专利申请号PCT/US09/48511中，将其各自通过引用以其全部内容结合在此。
低电压电化学过程可以在阴极产生氢氧化物并在阳极产生质子；当这样的工艺使用一种含氯化物的盐，例如NaCl时，该工艺的一种产物将是HCl。
替代地，可以使用电化学方法通过例如氯-碱过程或其修改形式来产生苛性碱分子(例如氢氧化物)。电极(即，阴极和阳极)可以存在于含有该含二价阳离子的水溶液或填充有气态废料流(例如，填充有CO2)的溶液的装置中，并且一个选择性屏障例如隔膜可以将这些电极分开。用于去除质子的电化学系统和方法可以产生副产物(例如氢气)，该副产物可以被收获并用于其他目的。可以用于本发明的系统和方法中的另外的电化学途径包括但不限于在2009年7月15日提交的标题为“电化学系统中的CO2利用”的美国专利申请号12/503,557以及2008年9月11日提交的标题为“氢离子从电解质溶液到固体物质中的低能量吸收”的美国临时申请号61/091,729中说明的那些，其披露内容通过引用以其全文结合在此。
可以采用上述质子去除来源的组合。一种这样的组合是使用微生物与电化学系统。微生物与电化学系统的组合包括微生物电解池，包括微生物燃料电池、以及生物电化学辅助的微生物反应器。在这样的微生物电化学系统中，微生物(例如细菌)在一个电极上或近旁生长，并且在材料(例如有机材料)的代谢过程中产生了电子，这些电子被该电极吸收。
除pH提高剂外的添加剂也可以引入该水中以便影响所产生的沉淀物的性质。这样，这些方法的某些实施方案包括在该水经受沉淀条件之前或过程中在水中提供一种添加剂。痕量的某些添加剂偏向的是某些碳酸钙多晶型物，例如但不限于：镧(作为氯化镧)、过渡金属、离子、镍、以及类似物。例如，离子可能有助于形成无序的白云石(原白云石)。
在一些实施方案中，该碱度来源是一种碳酸氢盐、碳酸盐、或NaOH与二氧化碳的混合物，并且该碱性溶液是一种“高碳酸盐”的碱性溶液。“高碳酸盐”的碱性溶液是指具有足量的碳酸盐而能从溶液中的含质子物种中去除一个或多个质子从而使得碳酸被转化为碳酸氢盐的一种水性组合物。这样，本发明的碱性溶液中存在的碳酸盐的量可以是5,000ppm或更大、例如10,000ppm或更大、例如25,000ppm或更大、例如50,000ppm或更大、例如75,000ppm或更大、包括100,000ppm或更大。
阳离子来源，例如碱土金属
阳离子来源，例如钠、钾、或碱土金属离子等等，是含有碱土金属的任何水性介质，例如但不限于钙、镁、锶、钡等、或它们的组合。在一些实施方案中，该碱土金属是钙、镁、或它们的组合，并且该碱土金属来源是含有钙、镁、或它们的组合的任何水性介质。在一些实施方案中，碱土金属来源也是该水源和/或碱度来源，如在此说明的。例如，碱土金属离子的水溶液可以包含来自淡水、半咸水、咸水、或浓盐水(例如，天然存在的地下浓盐水或人造的地下浓盐水如地热工厂废水、脱盐工厂废水)以及其他具有的盐度大于淡水盐度的咸水中的阳离子，其中的任何一种都可以是天然存在的或人造的。
对于生产本发明的沉淀物质有用的二价阳离子(例如，碱土金属阳离子，如Ca2+和Mg2+)可以在工业废料、海水、浓盐水、硬水、矿物、以及其他许多其他适当的来源中找到。
在一些位置，来自不同工业过程的工业废料流提供了常规的阳离子来源(在一些情况下还有在该过程中有用的其他材料，例如金属氢氧化物)。这样的废料流包括但不限于：采矿废料；化石燃料燃烧灰(例如，飞灰、炉底灰、锅炉炉渣)；炉渣(例如，铁炉渣、含磷炉渣)；水泥窑废料(例如，水泥窑粉尘)；炼油厂/石油精炼厂废料(例如油田和甲烷层浓盐水)；煤层废料(例如，产气浓盐水以及煤层浓盐水)、纸处理废料；水软化废料浓盐水(例如，离子交换流出液)；硅处理废料；农业废料；金属精整废料；高pH纺织品废料；以及苛性污泥。
在一些地方，用于本发明的系统和方法中的一种常规阳离子来源是水(例如，包含阳离子的水溶液，如海水或地下浓盐水)，该水可以根据本发明实施的具体位置而变化。可以使用的适当的阳离子水溶液包括含有一种或多种二价阳离子(例如碱土金属阳离子如Ca2+和Mg2+)的溶液。在一些实施方案中，该阳离子水溶液包含碱土金属阳离子。在一些实施方案中，这些有碱土金属阳离子包括钙、镁、或它们的混合物。在一些实施方案中，该阳离子水溶液的钙的量值范围是从50至50,000ppm、50至40,000ppm、50至20,000ppm、100至10,000ppm、200至5000ppm、或400至1000ppm、或10,000至50,000ppm、或20,000至50,000ppm、或20,000至30,000ppm。
在一些实施方案中，富含矿物的淡水可能是一种适宜的阳离子来源(例如碱土金属的阳离子，如Ca2+和Mg2+)。可以使用多种适当的淡水来源中的任何一种，包括从较不含矿物的来源到比较富含矿物的来源的范围内的淡水来源。富含矿物的淡水来源可以是天然存在的，包括多种硬水来源、湖泊或内陆海中的任何一种。一些富含矿物的淡水来源，例如碱性湖或内陆海(例如土耳其的凡湖(Lake Van))，也提供了一种pH改性剂来源。富含矿物的淡水来源也可以是人造的。例如，可以使矿物少的(软)水与一种阳离子如碱土金属阳离子(例如Ca2+、Mg2+等等)来源相接触以便产生一种富含矿物的水，该水适合于在此说明的方法和系统。可以使用任何常规的方案(例如，添加固体、悬浮液或溶液)将阳离子或其前体(例如，盐、矿物)加入淡水(或其他任何类型的在此说明的水)。在一些实施方案中，将选自Ca2+和Mg2+的二价阳离子加入淡水中。在一些实施方案中，将选自Na+和K+的一价阳离子加入淡水中。在一些实施方案中，将含有Ca2+的淡水与镁的硅酸盐(例如，橄榄石或蛇纹石)、或其产物或处理后的形式进行组合，从而给出一种含有钙和镁阳离子的溶液。
许多矿物提供了阳离子来源，并且此外一些矿物是碱的来源。含二价阳离子的矿物包括镁铁质和超镁铁质的矿物如橄榄石、蛇纹石以及可以使用任何常规的方案来溶解的、适当的其他矿物。在一个实施方案中，可以从长石如钙长石来为本发明的方法和组合物提供阳离子，如钙。可以从钙或其他二价阳离子含量高的矿物来源或从地下浓盐水直接获得阳离子。也可以使用其他矿物，如硅灰石。可以通过增大表面积来加速溶解，例如通过用常规手段、或者通过例如喷射研磨机、以及通过使用例如超声技术来进行研磨。此外，可以通过暴露于酸或碱中来加速矿物溶解。
可以将金属硅酸盐(例如，镁的硅酸盐)以及含有有意义阳离子的其他矿物溶解在例如酸(例如HCl，任选地来自电化学过程中)以便生产例如用于本发明的组合物中的镁以及其他金属阳离子。在一些实施方案中，可以使镁的硅酸盐和其他矿物在一种由于添加二氧化碳和其他废气组分(例如，燃烧气体)而变为酸性的水溶液中进行消解或溶解。替代地，通过用水性的碱性氢氧化物(例如NaOH)或任何其他适当的苛性物质来溶解一种或多种金属硅酸盐(例如橄榄石或蛇纹石)而使得其他金属物种例如金属氢氧化物(例如Mg(OH)2、Ca(OH)2)可供使用。可以使用任何适当浓度的水性的碱性氢氧化物或其他苛性物质来分解金属硅酸盐，包括高度浓缩的或非常稀的溶液。一种碱性氢氧化物(例如NaOH)在溶液中的浓度可以是例如从30％至80％(w/w)。
浓盐水
如在此使用的，“浓盐水”包括合成的浓盐水或天然存在的浓盐水，例如但不限于地下浓盐水。这些浓盐水可以提供该水源、该碱土金属离子来源、该碳源或碳酸盐来源、该碱度来源、或它们的组合。
在一些实施方案中，本发明的地下浓盐水可以是二价阳离子、一价阳离子、质子去除剂、或它们的任何组合的一种适宜的来源。用于本发明的实施方案中的地下浓盐水可以是来自任何常规地下浓盐水来源。“地下浓盐水”在其常规意义上是用来包括天然存在的或人造的、从一个地质位置获得的浓缩的水性含盐组合物。地下浓盐水的地质位置可以低于地面以下(地下的地质位置)、在地表上、或在湖泊的表面下。浓缩的水性含盐组合物包括一种具有的盐度为10,000ppm溶解固体总量(TDS)或更大、例如20,000ppm TDS或更大并且包括50,000ppm TDS或更大的水溶液。地下的地质位置包括位于地面以下水平的地质位置，例如地球表面的固体-流体界面，如在干燥陆地接触地球的大气处在干燥陆地上发现的固体-气体界面，以及在固体地面接触水体处在地表水体(例如湖泊、海洋、溪流等)下面发现的液体-固体界面(其中这个界面的例子包括湖床、海洋底部等等)。例如，该地下位置可以是陆地下面的位置或水体下面的位置(例如海岭)。例如，除其他地下位置之外，地下位置可以是一个深层地质碱性含水层或位于油田的沉降盆地中的地下井、一个地下金属矿、地热田、或海岭。
浓盐水可以是来自废水处理厂的浓缩废料流。在一些实施方案中，本发明的浓盐水可以是由矿物来源的溶解(例如，油和天然气开采或提取)产生的、已经浓缩或以其他方式处理过的水。来自地下来源例如天然气和石油开采的水流可能包含烃类、碳酸盐类、阳离子或阴离子。处理这些废料流以减少烃类和水体积可以产生一种富含碳酸盐、盐度、碱度或它们的任何组合的水性混合物。这个水性混合物可以用于隔离二氧化碳或者可以用于沉淀水合的碳物种，例如碳酸、碳酸氢盐或碳酸盐。
该地下位置可以是在地面以下100m或更深处的一个位置，例如在地面以下200m或更深处、例如在地面以下300m或更深处、例如在地面以下400m或更深处、例如在地面以下500m或更深处、例如在地面以下600m或更深处、例如在地面以下700m或更深处、例如在地面以下800m或更深处、例如在地面以下900m或更深处、例如在地面以下1000m或更深处、包括在地面以下1500m或更深处、在地面以下2000m或更深处、在地面以下2500m或更深处、以及在地面以下3000m或更深处。在本发明的一些实施方案中，地下位置是在地面以下100m与3500m之间的一个位置，例如在地面以下200m与2500m之间、例如在地面以下200m与2000m之间、例如在地面以下200m与1500m之间、例如在地面以下200m与1000m之间、并且包括在地面以下200m与800m之间。本发明的地下浓盐水除其他之外可以包括但不限于：油田浓盐水、盆地浓盐水、盆地水、孔隙水、地层水、以及深海超盐水。
本发明的地下浓盐水可以是地下的水性含盐组合物并且在一些实施方案中可以穿过地壳岩石进行循环并且变得富含从周围矿物中滤取出的物质。这样，地下浓盐水的组成可以变化。在一些实施方案中，地下浓盐水提供了一种阳离子来源。这些阳离子可以是一价阳离子，例如Na+、K+等。这些阳离子也可以是二价阳离子，例如Ca2+、Mg2+、Sr2+、Ba2+、Mn2+、Zn2+、Fe2+等。在一些情况下中，该地下浓盐水的二价阳离子是碱土金属阳离子，例如Ca2+、Mg2+。有意义的地下浓盐水可以具有以变化的量值存在的Ca2+，范围是从50至100,000ppm、例如100至75,000ppm、包括500至50,000ppm、例如1000至25,000ppm。有意义的地下浓盐水可以具有以变化的量值存在的Mg2+，范围是从50至25,000ppm、例如100至15,000ppm、包括500至10,000ppm、例如1000至5,000ppm。在Ca2+和Mg2+均存在的浓盐水中，该地下浓盐水中的Ca2+与Mg2+的摩尔比(即Ca2+∶Mg2+)可以变化，并且在一个实施方案中范围可以是在1∶1与100∶1之间。在一些情况下，Ca2+∶Mg2+可以在1∶1与1∶2.5；1∶2.5与1∶5；1∶5与1∶10；1∶10与1∶25；1∶25与1∶50；1∶50与1∶100；1∶100与1∶150；1∶150与1∶200；1∶200与1∶250；1∶250与1∶500；1∶500与1∶1000之间、或其中的一个范围。例如，有意义的地下浓盐水中的Ca2+与Mg2+的摩尔比范围可以是在1∶1与1∶10；1∶5与1∶25；1∶10与1∶50；1∶25与1∶100；1∶50与1∶500；或1∶100与1∶1000之间。在一些实施方案中，该地下浓盐水中的Mg2+与Ca2+之比(即Mg2+∶Ca2+)范围可以是在1∶1与1∶2.5；1∶2.5与1∶5；1∶5与1∶10；1∶10与1∶25；1∶25与1∶50；1∶50与1∶100；1∶100与1∶150；1∶150与1∶200；1∶200与1∶250；1∶250与1∶500；1∶500与1∶1000之间、或其中的一个范围。例如，有意义的地下浓盐水中的Mg2+与Ca2+之比范围可以是在1∶1与1∶10；1∶5与1∶25；1∶10与1∶50；1∶25与1∶100；1∶50与1∶500；或1∶100与1∶1000之间。在具体实施方案，一种浓盐水的Mg2+∶Ca2+可以是小于1∶1，例如1∶2、1∶4、1∶10、1∶100或更低。
在一些实施方案中，本发明的地下浓盐水提供了一种碱度来源并且包含质子去除剂。质子去除剂包括具有足够的碱度或碱性而能从溶液中的含质子物种中去除一个或多个质子的一种物质或化合物。在一些实施方案中，质子去除剂的量是使得该地下浓盐水具有中性pH(即pH＝7)的一个量。在这些实施方案中，质子去除剂的化学计量总和是等于该地下浓盐水中的含质子试剂的化学计量总和。质子去除剂的化学计量总和是可以从溶液中的含质子物种中去除一个或多个质子的所有物质或化合物(例如，卤化物、氧阴离子、有机碱等等)的总和。在其他实施方案中，该地下浓盐水中的质子去除剂的量是使得该地下浓盐水为碱性的一个量。碱性是指，该地下浓盐水中的质子去除剂的化学计量总和超过了含质子试剂的化学计量总和。在一些情况下，该碱性的地下浓盐水具有高于中性pH的一个pH(即pH＞7)，例如该浓盐水具有的pH范围是从7.1至12、例如8至12、例如8至11、并且包括9至11。在一些实施方案中，如下面更详细地说明的，当为碱性时，该地下浓盐水的pH可能不足以造成该碳酸盐化合物沉淀物质的沉淀。例如，该地下浓盐水的pH可能是9.5或更低，例如9.3或更低，包括9或更低。
在本发明的地下浓盐水中存在的质子去除剂可以变化。在一些实施方案中，这些质子去除剂可以是阴离子。阴离子可以是卤根，尤其是例如Cl-、F-、I-和Br-以及氧阴离子，尤其是例如硫酸根、碳酸根、硼酸根、以及硝酸根。
在一些实施方案中，该质子去除剂是硼酸盐。在本发明的地下浓盐水中存在的硼酸盐可以是硼的任何氧阴离子，例如尤其是BO3 3-、B2O5 4-、B3O7 5-、以及B4O9 6-。在本发明的地下浓盐水中存在的硼酸盐的量可以变化。在一些情况下，存在的硼酸盐的量值范围是从50至100,000ppm、例如100至75,000ppm、包括500至50,000ppm、例如1000至25,000ppm。这样，在一些实施方案中，在该地下浓盐水中存在的质子去除剂可以包含5％或更多的硼酸盐、例如约10％或更多的硼酸盐、包括约25％或更多的硼酸盐、例如约50％或更多的硼酸盐、例如约75％或更多的硼酸盐、包括约90％或更多的硼酸盐。当碳酸盐和硼酸盐均存在时，该地下浓盐水中的碳酸盐与硼酸盐的摩尔比(即碳酸盐∶硼酸盐)可以在1∶1与1∶2.5；1∶2.5与1∶5；1∶5与1∶10；1∶10与1∶25；1∶25与1∶50；1∶50与1∶100；1∶100与1∶150；1∶150与1∶200；1∶200与1∶250；1∶250与1∶500；1∶500与1∶1000之间、或其中的一个范围。例如，本发明的地下浓盐水中的碳酸盐与硼酸盐的摩尔比可以在1∶1与1∶10；1∶5与1∶25；1∶10与1∶50；1∶25与1∶100；1∶50与1∶500；或1∶100与1∶1000之间。在其他实施方案中，该地下浓盐水中的碳酸盐与硼酸盐之比(即碳酸盐∶硼酸盐)可以在1∶1与2.5∶1；2.5∶1与5∶1；5∶1与10∶1；10∶1与25∶1；25∶1与50∶1；50∶1与100∶1；100∶1与150∶1；150∶1与200∶1；200∶1与250∶1；250∶1与500∶1；500∶1与1000∶1之间、或其中的一个范围。例如，本发明的地下浓盐水中的碳酸盐与硼酸盐之比可以在1∶1与10∶1；5∶1与25∶1；10∶1与50∶1；25∶1与100∶1；50∶1与500∶1；或100∶1与1000∶1之间。
在一些实施方案中，在该地下浓盐水中存在的质子去除剂可以是一种有机碱。在一些情况下，该有机碱可以是一种一元羧酸阴离子，尤其是例如甲酸根、乙酸根、丙酸根、丁酸根、以及戊酸根。在其他情况下，该有机碱可以是一种二元羧酸阴离子，尤其是例如草酸根、丙二酸根、丁二酸根、以及戊二酸根。在其他情况下，该有机碱可以是酚类化合物，尤其是例如苯酚、甲基苯酚、乙基苯酚、以及二甲苯酚。在一些实施方案中，该有机碱可以是一种含氮碱，例如是伯胺例如甲胺，仲胺例如二异丙胺，叔胺例如二异丙基乙胺，芳族胺例如苯胺，杂芳族化合物例如吡啶、咪唑和苯并咪唑，以及它们的不同形式。在本发明的地下浓盐水中存在的有机碱的量可以变化。在一些情况下，在该浓盐水中存在的有机碱的量范围是从1至200毫摩尔/升、例如1至175毫摩尔/升、例如1至100毫摩尔/升、例如10至100毫摩尔/升、包括10至75毫摩尔/升。因此在某些实施方案中，在该地下浓盐水中存在的质子去除剂可以构成5％或更多的有机碱、例如约10％或更多的有机碱、包括约25％或更多的有机碱、例如约50％或更多的有机碱、例如约75％或更多的有机碱、包括约90％或更多的有机碱。
在一些实施方案中，本发明的地下浓盐水可以具有一个细菌含量。可能存在于该地下浓盐水中的细菌类型的例子尤其包括硫氧化细菌(例如腐败希瓦氏菌、硫杆菌)、嗜盐细菌(例如，盐弧菌和盐脱氮盐单胞菌)、高盐度细菌(例如含内生孢子的杆菌和嗜盐海球菌)。细菌可以在本发明的地下浓盐水中以变化的量值存在，例如浓度为1×108集落形成单位/ml(cfu/ml)或更小，例如5×106cfu/ml或更小、例如1×105cfu/ml或更小、例如5×104cfu/ml或更小、例如1×103cfu/ml或更小、并且包括1×102cfu/ml或更小。在一些实施方案中，该地下浓盐水中的细菌浓度可以取决于该浓盐水的温度。例如，在大于约80℃的温度下，本发明的地下浓盐水可以具有非常小的细菌含量，例如细菌浓度为1×105cfu/ml或更小、例如1×104cfu/ml或更小、例如5×103cfu/ml或更小、例如1×103cfu/ml或更小、例如5×102cfu/ml或更小、包括1×102cfu/ml或更小。
在一些实施方案中，其中地下浓盐水具有非常低的细菌含量，该地下浓盐水的基本上(例如80％或更多的)的全部碱度(即，碱性)可以是来自有机碱。在这些实施方案中，该地下浓盐水的80％或更多、例如90％或更多、包括95％或更多、高达100％的碱度可以是来自在该地下浓盐水中存在的有机碱。在范围在20℃-80℃之间的温度下，本发明的地下浓盐水可以具有高的细菌含量。在这些实施方案中，该地下浓盐水的细菌含量可以是1×105cfu/ml或更大、例如5×105cfu/ml或更大、例如1×106cfu/ml或更大、例如5×106cfu/ml或更大、例如8×106cfu/ml或更大、包括1×107cfu/ml或更大。在地下浓盐水具有高的细菌含量的一些实施方案中，该地下浓盐水的碱度中非常少的(例如，20％或更少)可以是来自有机碱。在这些实施方案中，该地下浓盐水的20％或更少、例如15％或更少、例如10％或更少、包括5％或更少的碱度可以是来自在该地下浓盐水中存在的有机碱。
地下浓盐水可以存在于比其他天然存在的水体如海洋或湖泊更高的温度和压力下。本发明的地下地层中的浓盐水的内部压力可以根据该浓盐水的构成以及该地下地层的深度和地质位置而变化，例如范围是从4-200atm、例如5至150atm、例如5至100atm、例如5至50atm、例如5至25atm、例如5至15atm、包括5至10atm。在一些实施方案中，该地下浓盐水是热致活性的。本发明的地下浓盐水的内部温度可以根据该组合物的构成以及该地下地层的深度和地质位置而变化，例如范围是从-5℃-250℃、例如0至200℃、例如5℃至150℃、例如10℃至100℃、例如20℃至75℃、包括25℃至50℃。可以使用升高的温度和压力来产生能量以推动与二氧化碳的隔离有关的一个或多个过程。
在一些实施方案中，本发明的地下浓盐水可以具有不同范围的、或最小或最大水平的元素、离子或其他物质，例如但不限于：氯化物、锂、钠、硫、氟化物、钾、溴化物、硅、锶、钙、硼、镁、铁、钡以及类似物。在一些实施方案中，本发明的地下浓盐水可以包含锶，其可以在该地下浓盐水中存在的量值是高达10,000ppm或更小，在某些实施方案中范围是从3至10,000ppm、例如从5至5000ppm、例如从5至1000ppm，例如5至500ppm、包括5至100ppm。在其他实施方案中，本发明的地下浓盐水可以包含钡，其可以在该地下浓盐水中存在的量值是高达2500ppm或更小，在某些情况下范围是从1至2500ppm、例如从5至2500ppm、例如从10至1000ppm，例如10至500ppm、包括10至100ppm。
在其他实施方案中，本发明的地下浓盐水可以包含铁，其可以在该地下浓盐水中存在的量值是高达5000ppm或更小，在某些情况下范围是从1至5000ppm、例如从5至5000ppm、例如从10至1000ppm，例如10至500ppm、包括10至100ppm。在其他实施方案中，本发明的地下浓盐水可以包含钠，其可以在该地下浓盐水中存在的量值是高达100,000ppm或更小，在某些情况下范围是从1000至100,000ppm、例如从1000至10,000ppm、例如从1500至10,000ppm，例如2000至8000ppm、包括2000至7500ppm。在其他实施方案中，本发明的地下浓盐水可以包含锂，其可以在该地下浓盐水中存在的量值是高达500ppm或更小，在某些情况下范围是从0.1至500ppm、例如从1至500ppm、例如从5至250ppm，例如10至100ppm、包括10至50ppm。在其他实施方案中，本发明的地下浓盐水可以包含氯化物，其可以在该地下浓盐水中存在的量值是高达500,000ppm或更小，在某些情况下范围是从500至500,000ppm、例如从1000至250,000ppm、例如从1000至100,000ppm，例如2000至100,000ppm、包括2000至50,000ppm。在其他实施方案中，本发明的地下浓盐水可以包含氟化物，其可以在该地下浓盐水中存在的量值是高达100ppm或更小，在某些情况下范围是从0.1至100ppm、例如从1至50ppm、例如从1至25ppm，例如2至25ppm、包括2至10ppm。在其他实施方案中，本发明的地下浓盐水可以包含钾，其可以在该地下浓盐水中存在的量值是高达100,000ppm或更小，在某些情况下范围是从10至100,000ppm、例如从100至100,000ppm、例如从1000至50,000ppm，例如1000至25,000ppm、包括1000至10,000ppm。
在其他实施方案中，本发明的地下浓盐水可以包含溴化物，其可以在该地下浓盐水中存在的量值是高达5000ppm或更小，在某些情况下范围是从1至5000ppm、例如从5至5000ppm、例如从10至1000ppm，例如10至500ppm、包括10至100ppm。在其他实施方案中，本发明的地下浓盐水可以包含硅，其可以在该地下浓盐水中存在的量值是高达5000ppm或更小，在某些情况下范围是从1至5000ppm、例如从5至5000ppm、例如从10至1000ppm，例如10至500ppm、包括10至100ppm。在其他实施方案中，本发明的地下浓盐水可以包含钙，其可以在该地下浓盐水中存在的量值是高达100,000ppm或更小，在某些情况下范围是从100至100,000ppm、例如从100至50,000ppm、例如从200至10,000ppm，例如200至5000ppm、包括200至1000ppm。在其他实施方案中，本发明的地下浓盐水可以包含硼，其可以在该地下浓盐水中存在的量值是高达1000ppm或更小，在某些情况下范围是从1至1000ppm、例如从10至1000ppm、例如从20至500ppm，例如20至250ppm、包括20至100ppm。在其他实施方案中，本发明的地下浓盐水可以包含镁，其可以在该地下浓盐水中存在的量值是高达10,000ppm或更小，在某些情况下范围是从10至10,000ppm、例如从50至5000ppm、例如从50至1000ppm，例如100至1000ppm、包括100至500ppm。
在一些实施方案中，地下浓盐水是从金属矿山或油田的下方或附近的一个地下位置获得的，因而可以富含一种或多种可辨别的痕量元素(例如锌、铝、铅、锰、铜、镉、锶、钡、汞、硒、砷等等)，这取决于金属矿山或油田的类型以及它与获得该地下浓盐水的地下位置的接近程度。该浓盐水可能在其用于本发明的方法之前或之后被用于采矿活动中。该浓盐水可以在采矿活动之后、在用于本发明的方法中之前进行浓缩或其他方式的处理。
一种痕量元素的浓度和身份可以提供一种具体浓盐水的可辨别的物理特征。该痕量元素或上述离子可以在由此浓盐水制备的碳酸钙沉淀物中找到并且可以原样地用作碳酸钙沉淀物的标记物。在其他实施方案中，该地下浓盐水中的痕量金属元素是锌，其可以在该地下浓盐水中存在的量值是高达250ppm或更小，在某些情况下范围是从1至250ppm、例如5至250ppm、例如从10至100ppm，例如10至75ppm、包括10至50ppm。在其他实施方案中，该地下浓盐水中的标志性痕量金属元素是铅，其可以在该地下浓盐水中存在的量值是高达100ppm或更小，在某些情况下范围是从1至100ppm、例如5至100ppm、例如从10至100ppm，例如10至75ppm、包括10至50ppm。在另外的其他实施方案中，该地下浓盐水中的标志性痕量金属元素是锰，其可以在该地下浓盐水中存在的量值是高达200ppm或更小，在某些情况下范围是从1至200ppm、例如5至200ppm、例如从10至200ppm，例如10至150ppm、包括10至100ppm。在一些实施方案中，该地下浓盐水具有的不同碳酸盐的摩尔比可以变化，例如在本发明的地下浓盐水中存在的碳酸盐包括但不限于铍、镁、钙、锶、钡、镭或它们的任何组合的碳酸盐。
在一些实施方案中，该地下浓盐水可以具有一种同位素组成，该同位素组成取决于影响其形成的因素以及获得它的位置。许多元素具有稳定的同位素，并且这些同位素可以优先用于不同的过程中，例如生物过程中，并且因此在每种地下浓盐水中可能存在独特量值的不同的同位素。一个例子是碳，碳可以用来展示在此说明的一种地下浓盐水的一个实例。然而，将会了解的是，这些方法也适用于具有稳定同位素的其他元素，如果它们的比率可以按类似于碳的方式测量的话；这样的元素可以包括氮、硫以及硼。通过测量一种组合物的相对同位素组成(例如，δ13C)而表征该组合物的方法描述在了2008年6月27日提交的美国专利申请号12/163,205中，其披露内容通过引用结合在此。例如，水-岩石交换程度以及水与矿物之间沿流体流动路径的混合程度可以改变该地下浓盐水的同位素组成，在一些情况下改变了锶-87与锶-86之比(87Sr/86Sr)。在一个实施方案中，一种浓盐水可以具有高的初始铷浓度，例如在花岗岩地层中发现的浓盐水。本发明的一个方面是，可以通过高的锶-87与锶-86之比来表征浓盐水。在一些实施方案中，本发明的地下浓盐水的锶-87与锶-86之比可以变化，范围在0.71/1与0.85/1之间、例如在0.71/1与0.825/1之间、例如在0.71/1与0.80/1之间、例如在0.75/1与0.85/1之间、包括在0.75/1与0.80/1之间。可以使用任何适当的方法来测量锶-87与锶-86之比，方法包括但不限于90°-扇区的热电离质谱法。
在一些实施方案中，本发明的地下浓盐水可以具有一种含有一种或多种标志性组分的组成，这些标志性组分将每种地下浓盐水与其他地下浓盐水区分开。这样，每种地下浓盐水的组成可以彼此不同。在一些实施方案中，可以通过在地下浓盐水中存在的元素、离子或其他物质(例如，痕量金属离子Hg、Se、As等)的量值和类型将地下浓盐水彼此区分开。在其他实施方案中，可以通过在地下浓盐水中存在的多种碳酸盐的摩尔比来将地下浓盐水彼此区分开。在其他实施方案中，可以通过在地下浓盐水中存在的不同的同位素的量值和类型(例如δ13C、δ18O等等)来将地下浓盐水彼此区分开。在其他实施方案中，可以通过在地下浓盐水中存在的特定元素的同位素比(例如87Sr/86Sr)来将地下浓盐水彼此区分开。
方法
可以采用各种不同的方法来制备本发明的组合物的隔离CO2的碳酸钙。有意义的隔离CO2的方案包括但不限于：在2008年5月23日提交的标题为“含碳酸盐化合物组成的水硬水泥”的美国专利申请序列号12/126,776；2008年6月27日提交的标题为“包括碳酸盐化合物沉淀作用的脱盐方法和系统”的12/163,205；以及2009年6月17日提交的标题为“利用金属氧化物废料来源的方法和系统”的12/486,692；2009年7月10日提交的标题为“由含金属硅酸盐的材料来生产含碳酸盐的组合物”的美国专利申请序列号12/501,217；以及2009年9月10日提交的标题为“CO2商品贸易系统和方法”的美国专利申请序列号12/557,492；还有2008年12月24日提交的标题为“隔离CO2的方法”的国际申请号PCT/US08/88318；以及2009年5月29日提交的标题为“岩石和骨料及其制造和使用方法”的PCT/US09/45722；还有未决的美国临时专利申请序列号61/081,299；61/082,766；61/088,347；61/088,340；以及61/101,631中所披露的那些；将这些的披露内容通过引用以其全文结合在此。
图1提供了根据本发明的一些实施方案的一种碳酸盐沉淀方法的图解的示意性流程图。在图1中，使任何水源(仅举例而言是例如来自含有碱土金属离子的咸水来源的咸水或一种含有碱土金属离子的水10)在沉淀步骤20经受一项或多项条件。在图1所绘的一些实施方案中，来自咸水来源的水或含有碱土金属的水10首先与CO2来源30(可以是一种CO2气态流)相接触以产生充有CO2的水。充有CO2的水是指已经使CO2气体与之接触的水和/或其中的CO2分子已经与水分子结合而产生了例如碳酸、碳酸氢根和碳酸根离子。这个步骤中的充气水导致该水的CO2含量增大，例如以碳酸、碳酸氢根和碳酸根离子的形式，并且伴随有与该水接触的该废料流的pCO2的降低。该充有CO2的水可以是酸性的，具有的pH为6或更小，例如5或更小并且包括4或更小。在某些实施方案中，用来充入水中的该气体的CO2浓度是10％或更高、25％或更高、包括50％或更高、例如75％或甚至更高。
在一些实施方案中，来自咸水来源的水或该含有碱土金属的水10首先与一种充有部分或完全溶解的CO2的溶液相接触，然后使该CO2经受一项或多项碳酸盐化合物沉淀条件。如图1中所绘，该CO2来源30包括一种气态流或含有在步骤20中与水接触的CO2的溶液。
在一些实施方案中，该充有部分或完全溶解的CO2的溶液是通过使该CO2气态流喷布或扩散穿过一种溶液来制造以产生充有CO2的水。在一些实施方案中，该带有CO2的溶液包括一种质子去除剂。在一些实施方案中，在一个吸收器中将该CO2气体鼓泡或喷布穿过一种含质子去除剂(如氢氧化钠或氢氧化钾)的溶液。在一些实施方案中，该吸收器可以包括一个鼓泡室，在这里该CO2气体被鼓泡穿过该含质子去除剂的溶液。在一些实施方案中，该吸收器可以包括一个喷射塔，在这里该含质子去除剂的溶液被喷射或循环穿过该CO2气体。在一些实施方案中，该吸收器可以包括一个填充床，用于增大该CO2气体与该含质子去除剂的溶液之间的接触表面积。在一些实施方案中，一个典型的吸收器流体温度是32℃-37℃。用于在溶液中吸收CO2的吸收器被描述于2010年3月10日提交的美国申请序列号12/721,549中，将其通过引用以其全部内容结合在此。
在一些实施方案中，将该CO2来源以及该含有碱土金属的水加入该反应器以供沉淀的顺序可以改变。在一些实施方案中，将该CO2气体流或该含有部分或完全溶解的CO2的溶液或来自吸收器的该含有CO2碱性溶液的支流加入包含该含有碱土金属的水的一个反应器中，以便碳酸盐沉淀物在沉淀步骤20中进行沉淀。在一些实施方案中，将该含有碱土金属的水加入一个反应器中，该反应器包含该CO2气体流或该含有部分或完全溶解的CO2的溶液或来自吸收器的该含有CO2碱性溶液的支流，以便碳酸盐沉淀物在沉淀步骤20中进行沉淀。在一些实施方案中，将该含有碱土金属的水加入一个反应器中，该反应器包含少于20％、或少于15％、或少于10％、或少于5％的该CO2气体流或该含有部分或完全溶解的CO2的溶液或来自吸收器的该含有CO2碱性溶液的支流，以便碳酸盐沉淀物在沉淀步骤20中进行沉淀。
接触方案包括但不限于：直接接触方案，例如将该气体鼓泡穿过该水的体积；顺流接触手段，例如在单向流动的气态流与液相流之间的接触；以及逆流手段，例如在反向流动的气态流与液相流之间的接触；以及类似方案。因此，接触可以通过使用浸渍器、鼓泡器、流体文丘里反应器、喷布器、气体过滤器、喷雾器、塔板、或填充柱反应器等等来实现，如可能适合的。在一些实施方案中，这种接触是通过喷雾。在一些实施方案中，这种接触是通过填充柱。
在一些实施方案中，这些方法包括使经受矿物沉淀条件的水体积与一个CO2来源相接触。水与CO2来源的接触可以在该水在一项或多项条件或一项或多项沉淀条件下遭遇CO2之前和/或过程中发生。因此，本发明的多个实施方案包括如下方法：其中在使该咸水体积经受矿物沉淀条件之前使该水体积与一个CO2来源相接触。本发明的多个实施方案包括如下方法：其中在使该咸水体积经受矿物沉淀条件的过程中使该咸水体积与一个CO2来源相接触。本发明的多个实施方案包括如下方法：其中在使该水体积经受矿物沉淀条件之前以及在使咸水体积经受碳酸盐混合物沉淀条件的同时使该水体积与一个CO2来源相接触。在一些实施方案中，可以将相同的水循环超过一次，其中第一次循环的沉淀作用主要去除碳酸钙和碳酸镁矿物并留下剩余的碱性水，可以向该碱性水中加入其他碱土金属离子源，这可以使更多的二氧化碳通过它循环，从而沉淀出更多的碳酸盐化合物。
CO2的充入以及碳酸盐化合物的沉淀可以在连续的过程中或者以分开的步骤进行。这样，充气和沉淀可以在一个系统的同一个反应器中进行，例如根据本发明的一些实施方案在图1的步骤20展示的。在本发明的另外的其他实施方案中，这两个步骤可以是分开的反应器中进行，这样使得水首先在一个充气反应器中被充有CO2，并且然后使产生的充有CO2的水在一个分开的反应器中经受沉淀条件。
在制造本发明的组合物的方法中，使一个体积的水经受足以产生沉淀的碳酸盐化合物组合物以及母液(即，在一种或多种碳酸盐化合物从水中沉淀出后留下的这部分水)的一项或多项条件或沉淀条件。在沉淀步骤20，沉淀出了碳酸盐化合物，可能是非晶的或晶态的。这种沉淀物可能是自胶黏组合物产品80并且可以原样储存或者可以进一步加工而制造水泥产品。替代地，可以使该沉淀物经受进一步加工以给出本发明的水硬水泥或SCM组合物。
有意义的一项或多项条件或一项或多项沉淀条件包括改变水的物理环境而产生所希望的沉淀物产物的那些。该一项或多项条件或沉淀条件包括但不限于以下一项或多项：温度、pH、沉淀作用、沉淀物的停留时间、沉淀物的脱水或分离、干燥、研磨、以及储存。例如，水的温度可以位于对于发生所希望的组合物的沉淀作用而言适当的范围内。例如，可以使水的温度升高至对于发生所希望的碳酸盐化合物的沉淀作用而言适当的一个量值。在这样的实施方案中，水的温度可以是从5℃至70℃，例如从20℃至50℃，并且包括25℃至45℃。这样，尽管一组给定的沉淀条件可以具有范围从0到100℃的温度，但在某些实施方案中可以将该温度升高以便产生所希望的沉淀物。在某些实施方案中，使用由低或零二氧化碳排放的来源所产生的能量来升高温度，该来源是例如太阳能源、风能源、地热能源等等。
在从溶液中去除沉淀物之前沉淀物在反应器中的停留时间可以变化。在一些实施方案中，该沉淀物在溶液中的停留时间是大于5秒、或在5秒至1小时之间、或在5秒至1分钟之间、或在5秒至20秒之间、或在5秒至30秒之间、或在5秒至40秒之间。不受任何理论限制，考虑到了该沉淀物的停留时间可以影响颗粒的尺寸。例如，较短的停留时间可以给出较小尺寸的颗粒或更加分散的颗粒，而较长的停留时间可以给出聚集的或更大尺寸的颗粒。在一些实施方案中，本发明的方法中的停留时间可以用来在单一批次或多个批次中制造小尺寸以及大尺寸的颗粒，这些颗粒可以分离或可以保持混合以用于该方法的后续步骤中。在一些实施方案中，可以将细分散的颗粒进一步加工而给出本发明的SCM组合物。在一些实施方案中，可以将大的或聚集的颗粒进行加工而给出本发明的水硬水泥组合物和/或自胶结组合物。
虽然在给定的沉淀过程中该水的pH范围可以是从7至14，但在某些实施方案中将pH升高至碱性水平，以便推动所希望的碳酸盐化合物的沉淀作用。在一些实施方案中，将pH升高至这样一个水平，该水平将沉淀过程中CO2气体产生的产量最小化(若没有将其消除的话)。在这些实施方案中，可以将pH升高至10或更高，如11或更高。在一些实施方案中，该一项或多项条件或这些沉淀条件包括使该咸水或含有碱土金属的水与一种质子去除剂相接触。该质子去除剂可以是如在此说明的任何质子去除剂，例如但不限于：氧化物、氢氧化物如氢氧化钠、碳酸盐、粉煤灰、天然存在的矿物、以及它们的组合。在一些实施方案中，该一项或多项条件或这些沉淀条件包括使该咸水或含有碱土金属的水与电化学条件相接触。此类电化学条件已经在此进行了说明。沉淀物的性质可能受该沉淀过程的pH影响。在一些实施方案中，高pH可以导致颗粒的快速沉淀以及聚集，而更低的pH或pH的更慢升高可能导致更细的颗粒。
沉淀物的性质也可以受适当的主要离子比率的选择的影响。主要离子比率对多晶型物的形成可能有影响。例如，镁可以稳定化该沉淀物中的球方解石和/或非晶碳酸钙。
沉淀速率也可以影响化合物多晶相的形成并且可以按一种足以产生所希望的沉淀产物的方式来控制。通过用一个所希望的相给该溶液加种可以实现最快速的沉淀。不加种时，可以通过快速提高海水的pH来实现快速沉淀。pH越高，沉淀作用可以越快。
在一些实施方案中，从该水中产生所希望的沉淀物的一组条件包括但不限于：该水的温度和pH、并且在一些情况下包括水中的添加剂和离子物种的浓度。沉淀条件还可以包括多个因素，例如混合速率、搅拌形式如超声，以及晶种、晶体、隔膜或基底的存在。在一些实施方案中，沉淀条件包括：过饱和的状态、温度、pH、和/或浓度梯度、或循环或改变这些参数中的任何一个。用来制备根据本发明的碳酸盐化合物沉淀物的方案可以是分批的或连续的方案。将会了解的是，与分批系统中相比，在连续流系统中的沉淀条件可以不相同，以便产生一种给定的沉淀物。如在此说明的，这些沉淀条件中的一项或多项可以进行调制，以便获得具有所希望的粒度、反应性、以及ζ电位的沉淀物。这可以进一步影响在将该组合物与淡水组合、凝固并硬化时所形成的水泥的抗压强度。
从该水中产生碳酸盐化合物沉淀物之后，可以将所得的沉淀的碳酸盐化合物组合物与母液分离或者进行脱水，以产生该沉淀物产物，如在图1的步骤40所展示的。替代地，将该沉淀物原样地留在母液中或母体上清液中。
沉淀物的分离可以使用任何的常规途径来实现，包括机械途径，例如在从沉淀物中排出大量过剩的水时，例如只靠重力或同时添加真空、机械挤压、通过将沉淀物从母液中过滤而产生滤液、或使用离心技术等等。大量水的分离产生了一种潮湿的、脱水的沉淀物。
以上方案产生了一种隔离CO2的沉淀物以及母液的浆料。在母液中和/或在浆料中的这种沉淀物可以给出本发明的自胶结组合物。在一些实施方案中，对一部分的或全部的该脱水沉淀物或浆料进行进一步处理以制造本发明的水硬水泥或SCM组合物。
若希望的话，由该沉淀物及母液构成的组合物可以在沉淀之后、在进一步的处理之前储存一段时间。例如，可以将该组合物在范围从1℃至40℃、例如20℃至25℃的温度下储存一段范围从1至1000天或更长的时间，例如1至10天或更长。
然后将这些浆料组分进行分离。实施方案可以包括对该母液的处理，其中该母液可以是或可以不是以与产物相同的组成而存在。例如，当要将母液返回到海洋中时，可以使该母液与一种CO2气态来源相接触，其方式是足以增大该母液中存在的碳酸根离子的浓度。接触可以使用任何常规的方案、例如以上说明的那些来进行。在某些实施方案中，该母液具有碱性pH，并且与CO2来源的接触的方式是足以将pH降低到在5与9之间、例如6与8.5之间、包括7.5至8.2的范围内。在某些实施方案中，处理过的浓盐水可以与一个CO2来源相接触，如以上说明的，以便隔离更多的CO2。
该反应生成的母液可以使用任何适宜的方案来处置。在某些实施方案中，可以将其送入一个尾矿池中以便处置。在某些实施方案中，可以将其在天然存在的水体例如大洋、大海、湖泊或河流中进行处置。在某些实施方案中，将该母液返回至本发明的方法的进水来源中，例如大洋或大海。替代地，可以将该母液进行进一步处理，例如使之经受脱盐方案，例如在2008年6月27日提交的美国申请序列号12/163,205中进一步描述的，其披露内容通过引用结合在此。
然后将生成的脱水沉淀物干燥以产生本发明的组合物，如在图1的步骤60展示的。干燥可以通过空气干燥、喷雾干燥、真空干燥、和/或烘箱干燥该沉淀物来完成。当将该沉淀物空气干燥时，空气干燥可以按照需要是在范围从-70℃至120℃的温度下。在某些实施方案中，干燥是通过冷冻干燥(即，冻干)而完成的，其中沉淀物被冰冻，将周围的压力降低并且添加足够的热量以允许材料中的冷冻水从冷冻的沉淀物相直接升华为气体。在又一个实施方案中，将该沉淀物喷雾干燥以干燥该沉淀物，其中通过将含有该沉淀物的液体进料穿过一种热气体(例如来自发电厂的气态废料流)而进行干燥，例如其中将该液体进料泵送穿过一个雾化器而进入一个主干燥室中并与雾化器方向顺流地或逆流地通入一种热气体。取决于该系统的具体干燥方案，该干燥站可以包括一个过滤元件、冷冻干燥结构、喷雾干燥结构等等。该沉淀物的干燥可以包括在150℃-180℃之间、或在150℃-250℃之间、或在150℃-200℃之间的温度。
在一些实施方案中，该喷雾干燥步骤可以包括该沉淀物的不同尺寸的颗粒的分离。例如，可以从该喷雾干燥器中收集第一批较大尺寸的颗粒并接着收集较小尺寸的颗粒。在一些实施方案中，单一批次可以给出一种或多种、仅举例而言是例如两种、三种、四种、或五种不同尺寸的颗粒(例如，在此所限定的微米和亚微米颗粒)，这些颗粒可以进行分离以供后续使用或者这些不同尺寸的颗粒可以混合在一起而制造本发明的组合物。
在一些实施方案中，可以将具有不同形态的颗粒(例如细的或聚集的)、和/或具有不同尺寸的颗粒进行混合以制造本发明的组合物。例如，本发明的一种组合物可以包括细分散的颗粒与更大的聚集颗粒的混合物，或者本发明的组合物可以包括具有不同尺寸的颗粒、例如具有范围在0.1微米至100微米之间尺寸的颗粒的一个混合物。在一些实施方案中，可以通过将这些具有不同粒度、表面积、ζ电位、和/或形态的颗粒进行混合而调节本发明的组合物。
若希望的话，可以将来自该分离反应器40的脱水的沉淀产物在干燥之前进行洗涤，如在图1的步骤50展示的。可以用例如淡水来洗涤沉淀物以便从该脱水的沉淀物中去除盐(例如NaCl)。用于洗涤的水可以包含金属，例如铁、镍等等。在一些实施方案中，可以用淡水漂洗该沉淀物以便从该沉淀物中去除岩盐或氯化物含量。氯化物在一些应用中可能是不希望的，例如在预期用于混凝土的骨料中，因为氯化物具有腐蚀钢筋的趋势。进一步地，用水漂洗该浆料或沉淀物可以使得该组合物中的球方解石转变成更稳定的形式(例如霰石和方解石)并且产生该水泥性材料。在一些实施方案中，这样的漂洗可能并不是希望的，因为它可能减小该组合物的产率。在这样的实施方案中，可以用具有低的氯化物浓度但具有高的二价阳离子浓度(例如钙、镁等等)的一种溶液来洗涤该沉淀物。这样的高浓度二价离子可以防止该沉淀物的溶解，由此减少了产率损失以及向水泥性材料的转化率。在一些实施方案中，可以用含有稳定化添加剂如硬脂酸钠的水来洗涤或漂洗该沉淀物。这些稳定化添加剂可以作为配体起作用，它们可以改变沉淀物的表面电荷，由此将其稳定化。该沉淀物的稳定化可以防止该沉淀物的溶解，由此减少了产率损失以及向水泥性材料的转化率。用过的洗涤水可以适当地进行处置，例如通过在尾矿池中处置等等。
在步骤70，将干燥后的沉淀物进行例如精炼、研磨、老化、和/或固化，以便提供所希望的物理特征，例如粒度、表面积、ζ电位等等，或以便将一种或多种组分加入该沉淀物中，例如掺料、骨料、补充的水泥性材料等等，从而产生本发明的最终组合物80。精炼可以包括多种不同的方案。在某些实施方案中，使产品经受机械精炼，例如研磨，以便获得一种具有所希望的物理特性(如粒度等)的产品。可以将干燥后的沉淀物进行碾磨或研磨以获得所希望的粒度。
本发明的多个方面进一步包括多种系统，例如处理设备或工厂，用于生产这些碳酸盐化合物组合物，例如从咸水获得的碳酸盐和氢氧化物矿物组合物、以及本发明的水泥、还有包含本发明的水泥的混凝土以及灰浆。本发明的系统可以具有能够实施有意义的具体生产方法的任何构型。
在一个方面，提供了制造本发明的组合物的一种系统，该系统包括：(a)用于含有碱土金属的水的一个输入端；(b)用于来自工厂的一种含化石来源的碳的烟气的一个输入端；以及(c)连接到步骤(a)和步骤(b)的输入端上的一个反应器，该反应器被配置成制造本发明的组合物。在一个方面，提供了一种用于制造组合物的系统，该系统包括(a)用于含有碱土金属的水的一个输入端；(b)用于CO2来源的一个输入端；以及(c)连接到步骤(a)和步骤(b)的输入端上的一个反应器，该反应器被配置成制造一种组合物，其中该组合物包含至少47％w/w的球方解石并且其中该组合物在与水组合、凝固并硬化后具有至少14MPa的抗压强度。
图2提供了用于执行本发明的一些实施方案的方法的一个系统的示意图。在图2中，系统100包括水源110，例如含有碱土金属的水。在一些实施方案中，水源110包括一种结构，该结构具有一个用于咸水的输入端，例如来自海洋中的管路或管道等等。在该咸水来源是海水时，该输入端与一个海水来源是流体连通的。例如，该输入端是从海洋水到基于陆地的系统的一条管线或进料线、或者是船体中的一个进口，例如在该系统是船的一部分时，例如在基于海洋的系统中。可以通过任何常规的方案将水取出并送入本发明的系统，除其他方案之外，是例如但不限于：涡轮机动泵、旋转凸轮泵、液压泵、流体输送泵、地热井泵、潜水真空泵。
本发明的系统和方法还可以包括被配置用于监控该水源或二氧化碳来源的一个或多个检测器(在图1或图2中未展示)。监控可以包括但不限于收集关于水或二氧化碳气体的压力、温度和组成的数据。这些检测器可以是被配置用于监控的任何适宜的装置，例如：压力传感器(例如，电磁压力传感器、电位压力传感器等)、温度传感器(耐温传感器、热电偶、气体温度计、热敏电阻、高温计、红外辐射传感器等)、体积传感器(例如，地球物理衍射层析成像、X射线层析成像、水声学检查器等)、以及用于测定水或二氧化碳气体的化学构成的装置(例如IR光谱仪、NMR光谱仪、UV-vis分光光度计、高效液相色谱、电感耦合等离子体发射光谱仪、电感耦合等离子体质谱仪、离子色谱仪、X射线衍射仪、气相色谱仪、气相色谱-质谱仪、流动注射分析、闪烁计数器、酸量法滴定、以及火焰发射光谱仪等)。
在一些实施方案中，用于监控该地下碳酸盐浓盐水的装置还可以包括一个计算机接口，该接口被配置成对用户提供所收集的关于该水或二氧化碳气体的数据。例如，一个检测器可以测定该水或二氧化碳气体的内部压力并且该计算机接口可以提供该水或二氧化碳气体中的内部压力随时间的变化概况。在一些实施方案中，这个概况可以被储存为计算机可读数据文件或可以作为用户可读文件而打印出来。
在一些实施方案中，该检测器可以是一个监控装置，使得它可以收集关于该水或二氧化碳气体的实时数据(例如，内部压力、温度等)。在其他实施方案中，该检测器可以是被配置成定期测定该水或二氧化碳气体的参数的一个或多个检测器，例如每隔1分钟、每隔5分钟、每隔10分钟、每隔30分钟、每隔60分钟、每隔100分钟、每隔200分钟、每隔500分钟、或以一些其他的间隔来测定组成。
图2还示出了一个CO2来源130。这个来源可以变化，如以上说明的。在一些实施方案中，CO2来源130包括一种结构，该结构具有一个用于CO2的输入端，例如管路或管道。当该CO2来源是来自发电厂的烟气时，该输入端与该工厂中的CO2来源是气体连通的。例如，该输入端是从发电厂到该系统的一条管线或进料线。替代地，该CO2来源可以是连接到该用于CO2来源的输入端上的一个圆筒或一系列圆筒。在一些实施方案中，该CO2来源是一种含CO2的溶液，如以上说明的。
这些用于该水源和CO2来源的输入端被连接到该CO2充气器以及沉淀器反应器120上。沉淀器反应器120被连接到这两个输入端上并且被配置成制造该碳酸盐沉淀物。该充气器和沉淀反应器120可以被配置成包括任何数目的不同元件，例如温度调节器(例如，被配置成将水加热至所希望的温度)；化学添加剂元件，例如用于将化学pH提高剂(例如NaOH)引入水中；电解元件，例如阴极/阳极，等等。这个反应器120可以按分批过程或连续过程来运行。应理解的是，图2中的系统是仅用于展示的目的，并且该系统可以进行改变以便实现相同的结果。例如，该系统可以具有多于一个反应器、和/或多于一个碱土金属离子来源、和/或多于一个在该系统中互连的CO2来源。该充气器和/或反应器可以是一种连续搅拌釜式反应器(CSTR)、推流式反应器(PFR)、罐、批式反应器、或它们的组合。这样的反应器，例如CSTR、PFR等是本领域熟知的。在一些实施方案中，该反应器是PFR。PFR可以具有任选地带有用于混合溶液的线内混合元件的管路。在一些实施方案中，该管路中的紊流使这些溶液混合而不需要混合元件。在一些实施方案中，静态线内混合元件可以存在于管路的内部以混合这些溶液。管路的长度和直径可以进行调节，这可以影响溶液的混合、沉淀物的停留时间、沉淀物的形态、沉淀物的粒度等等。在一些实施方案中，PFR中的管路内部可以用一种抵抗沉淀物在管路内积聚的材料进行涂覆。这样的涂层可以是特氟纶或任何其他材料。该含有部分或完全溶解的CO2的溶液或来自吸收器的该含有碱性来源的支流到达该反应器的平均流速可以是4-6GPM(加仑每分钟)、或5-6GPM、或4-5GPM、或3-8GPM。该含有碱土金属离子的水到达该反应器的平均流速可以是8-10GPM(加仑每分钟)、或8-9GPM、或9-10GPM、或5-15GPM。
该沉淀反应的产物，例如该浆料，可以从该反应器中去除并用来制造本发明的自胶结组合物。替代地，如图2中展示的，然后在一个大量脱水站140对该沉淀反应的产物、例如该浆料进行处理。脱水站140可以使用多种不同的除水工艺，包括以下工艺：例如连续离心、离心、过滤离心、重力沉降等等。在大量脱水之后获得的、但仍然浸湿在一种母体上清液中的浆料可以用于制造本发明的自胶结组合物。脱水站140可以是彼此连接起来用于对该浆料脱水的任何数目的脱水站(例如，串联、并联或它们的组合)。
在一些实施方案中，这些系统还可以包括一个脱盐站(在图2中未展示)。该脱盐站可以与该液-固分离器140是流体连通的，这样使得液体产物可以从该液-固分离器直接被传输到该脱盐站。这些系统可以包括一个传输工具(例如管路)，此时输出的废弃浓盐水可以被直接泵送到脱盐站中或者可以靠重力流向脱盐站。本发明的脱盐站可以采用任何适宜的脱盐方案并且可以包括但不限于：蒸馏器、蒸汽压缩机、过滤装置、电渗析器、离子交换膜、纳米滤膜、反渗透脱盐膜、多效蒸发器、或它们的组合。
图2中所示的系统还可以包括一个干燥站160或一系列干燥站，用于干燥在站140产生的脱水后的沉淀物。取决于该系统的具体干燥方案，干燥站160可以包括一个过滤元件、冷冻干燥结构、烘箱干燥、喷雾干燥结构等等，如以上说明的。
图2中还示出了一个任选的洗涤站150，在此在干燥站160进行干燥之前对来自分离站140的大量脱水后的沉淀物进行洗涤，例如以便从该沉淀物中去除盐和其他溶质。来自站160的干燥后的沉淀物然后被送至精炼站170，在此该沉淀物可以被机械处理和/或可以向该沉淀物中添加一种或多种组分(例如，如以上说明的)以便产生本发明的水硬水泥和SCM组合物。精炼站170可以具有研磨机、碾磨机、粉碎机、压缩机、掺混机等等，以便在本发明的组合物中获得所希望的物理特性。
该系统可以进一步包括出口传输机，例如传送带、浆料泵，以允许将沉淀物从以下一种或多种中去除：该接触反应器、沉淀反应器、干燥站、或从该精炼站。在某些实施方案中，该系统可以进一步包括用于由该沉淀物来制备建筑材料例如水泥的一个站。这个站可以被配置成由该沉淀物来生产多种水泥、骨料、或水泥性材料，如在此说明的。
在一些实施方案中，本发明的系统包括一个处理站，该处理站可以包括一个压缩机，该压缩机被配置成如所希望的对该烟气或二氧化碳来源、碱土金属离子来源、反应器中的反应混合物、沉淀物、脱水后的沉淀物和/或干燥后的沉淀物进行加压。本发明的压缩机可以采用任何适宜的压缩方案并且除了用于流体压缩的其他装置之外可以包括但不限于：容积式泵(例如，活塞或齿轮泵)、静态或动态流体压缩泵、径向流离心型压缩机、螺旋叶片型压缩机、旋转压缩机、往复式压缩机、液体环压缩机。在一些实施方案中，该压缩机可以被配置成加压至5atm或更大、例如10atm或更大、例如25atm或更大、包括50atm或更大的压力。
在一些实施方案中，本发明的系统可以包括一个控制站，该控制站被配置成控制被传送到该沉淀器或充气器的二氧化碳的量和/或碱土金属离子的量；被传送到该分离器的沉淀物的量；被传送至该干燥站的沉淀物的量；和/或被传送至该精炼站的沉淀物的量。一个控制站可以包括一组阀门或多阀门系统，它们是手动地、机械地或数字地控制的，或者可以采用任何其他适宜的流量调节器方案。在一些情况下，该控制站可以包括一个计算机接口(其中调节是计算机辅助的或者是完全由计算机控制的)，被配置成对用户提供输入或输出参数以便控制量值，如以上说明的。
如以上指明的，该系统可以存在于陆地或大海上。例如，该系统可以是一种位于海岸区域内的基于陆地的系统，例如靠近该海水来源、或甚至在一个内陆位置，此时水从一个咸水来源例如海洋而通过管路输送至该系统中。替代地，该系统可以是一个基于水的系统，例如存在于水上或水中的系统。这样一种系统可以按照需要而存在于船上、基于海洋的平台上等等。
应理解的是，在这些图中描绘的方法和系统不以任何方式限制本发明的范围。这些方法中的一个或多个步骤可以被跳过或者这些步骤的顺序可以改变而用于制造本发明的产品和组合物。类似地，可以免除这些系统中的一个或多个组件而来制造本发明的产品和组合物。例如，当将CO2来源加入该反应器中时该阳离子来源可能已经存在于该反应器中，反之亦然。
III.使用的方法与系统
本发明的多个方面还提供了用于由本发明的组合物来制造一种水泥产品的方法和系统。本发明的组合物可以用于制造水泥产品，如建筑材料或预铸的或成形的建筑材料、和/或骨料。
在一个方面，提供了由本发明的上述组合物来制造水泥产品的一种方法，该方法包括(a)使本发明的组合物与一种水性介质在一项或多项适当条件下进行组合；并且(b)允许该组合物凝固并硬化成为一种水泥产品。在一些实施方案中，这些方法包括在将该组合物与该水性介质组合之前将波特兰水泥熔块、骨料、SCM、或它们的组合加入该组合物中。
在一个方面，提供了由本发明的组合物、例如水硬水泥组合物、SCM组合物或自胶结组合物来制造成形的建筑材料的一种方法，该方法包括使该组合物与一种水性介质在一项或多项适当条件下进行组合；并且允许该组合物凝固并硬化成为该成形的建筑材料。在一些实施方案中，在组合步骤(a)之前或之后将该组合物倒入模具中。在一些实施方案中，该模具是用于该成形的建筑材料的。在一些实施方案中，该水性介质包括淡水。
在一些实施方案中，本发明提供了生产一种包含本发明的组合物的水泥产品的方法，该方法是通过获得本发明的组合物并生产一种水泥产品。在一些实施方案中，这个获得步骤包括将该组合物从一种含二价阳离子的水中，例如从一种含碱土金属离子的水如咸水(例如海水)中沉淀出来。这个获得步骤可以进一步包括在该沉淀步骤之前、和/或过程中使该含二价阳离子的水、例如含碱土金属离子的水与一种含CO2的工业气态废料流相接触。该工业气态废料流可以是如在此说明的任何流，例如来自发电厂、铸造厂、水泥厂、炼油厂、或冶炼炉，例如是一种烟气。在一些实施方案中，这个获得步骤进一步包括在该沉淀步骤之前、和/或过程中将该含碱土金属离子的水的pH升高至10或更高。该生产步骤可以包括允许该组合物形成一种固体产品，例如通过将该组合物与一种水性介质组合，该水性介质包括但不限于以下一项或多项：淡水、波特兰水泥、飞灰、石灰和粘合剂；并且任选地机械精炼该固体产品，例如通过模制、挤出、造粒或粉碎。该生产步骤可以包括使该组合物与淡水相接触以便将该组合物中的这些多晶型物转化为一种淡水稳定的产物。在一些实施方案中，这可以通过将该组合物在一个开放区域上铺开、并且使铺开的组合物与淡水相接触而进行。
在一些实施方案中，该骨料生产器包括一个精炼站用于对由本发明的组合物制成的骨料进行机械精炼。
在一些实施方案中，将本发明的组合物在与水混合后倒入这些被设计用于制造一种或多种预成形的建筑材料的模具中。然后允许该组合物凝固并硬化成为预成形的或预铸的材料。
在如在此说明的沉淀碳酸钙时，非晶碳酸钙(ACC)可以初始地沉淀并转化为其三种更稳定的相中的一种或多种(球方解石、霰石、或方解石)。可以存在一个热力学驱动力以从不稳定的相转化为更稳定的相，例如由Ostwald在其分步规则(Step Rule)(Ostwald，W.Zeitschrift furPhysikalische Chemie 289(1897))中说明的。为此原因，碳酸钙相以如下顺序进行转化：ACC至球方解石、霰石、以及方解石，其中中间相可以存在或可以不存在。例如，ACC可以转化成球方解石并且可以不转化为霰石或方解石；或者ACC可以转化成球方解石并且然后直接转化成方解石，跳过了霰石形式；或者替代地，ACC可以转化成球方解石并然后转化成霰石而不转化成方解石。在这个转化过程中，释放了过度的能量，如图3中展现的。这个内源能可以被利用而产生强的聚集趋势以及表面相互作用，这可能导致聚集和胶结。应理解的是，图3中报告的值是本领域熟知的并且可以变化。
碳酸钙多晶型物之间的转化可以通过固态过渡而发生或者可以是溶液介导的。在一些实施方案中，这种转化是溶液介导的，因为这可能要求比热活化的固态过渡更少的能量。溶液介导的转化是环境上有意义的并且更适用于胶结应用。球方解石是亚稳的并且碳酸钙多晶型物之间的热力学稳定性差异可以显现为溶解性差异，其中最不稳定的相是最可溶的(Ostwald，supra.)。因此，球方解石可以容易地溶解在溶液中并且有利地朝更稳定的多晶型物霰石或方解石转化。一种具体的碳酸钙多晶型物或多晶型物组合的转化的驱动力是从一种过饱和的溶液到平衡状态的吉布斯自由能的变化(Spanos&Koutsoukos晶体生长杂志(Journal of Crystal Growth)(1998)191，783-790)。
在一种多晶体系(像碳酸钙)中，在溶液中可以同时存在两个动力学过程：亚稳相的溶解以及稳定相的生长(Kralj等人晶体生长杂志(1997)177，248-257)。在一些实施方案中，在球方解石经历在水性介质中的溶解的同时，霰石或方解石晶体可以进行生长。
这些多晶型物的结晶是一个表面受控过程，其中异相成核可能对多个固相的形成负责。当存在一个单相时，颗粒的数目可能随时间减少，而其尺寸则增大(Spanos&Koutsoukos，supra.)。球方解石可以是草莓状的(离散微晶/纳米晶粒的球形集料)或非草莓状的。
在一些实施方案中，将本发明的组合物(如通过以上说明的方法制备的)用该水性介质在一项或多项适当条件下进行处理。该水性介质包括但不限于：任选地含有氯化钠、氯化钙、氯化镁、或它们的组合的淡水，或者水性介质可以是浓盐水。在一些实施方案中，水性介质是淡水。
在一些实施方案中，该一项或多项适当条件包括但不限于：温度、压力、凝固时长、水性介质与组合物之比、以及它们的组合。该温度可以与该水性介质的温度相关。在一些实施方案中，该温度是在0-110℃；或0-80℃；或0-60℃；或0-40℃；或25℃-100℃；或25℃-75℃；或25℃-50℃；或37℃-100℃；或37℃-60℃；或40℃-100℃；或40℃-60℃；或50℃-100℃；或50℃-80℃；或60℃-100℃；或60℃-80℃；或80℃-100℃的范围内。在一些实施方案中，压力为大气压或高于大气压。在一些实施方案中，凝固该水泥产品的时间段是30分钟至48小时；或30分钟至24小时；或30分钟至12小时；或30分钟至8小时；或30分钟至4小时；或30分钟至2小时；2至48小时；或2至24小时；或2至12小时；或2至8小时；或2至4hrs；5至48小时；或5至24小时；或5至12小时；或5至8小时；或5至4小时；或5至2小时；10至48小时；或10至24小时；或24至48小时。
在一些实施方案中，该水性介质与该干燥组分或与本发明的组合物之比(水性介质∶干燥组分或本发明的组合物)是0.1-10；或0.1-8；或0.1-6；或0.1-4；或0.1-2；或0.1-1；或0.2-10；或0.2-8；或0.2-6；或0.2-4；或0.2-2；或0.2-1；或0.3-10；或0.3-8；或0.3-6；或0.3-4；或0.3-2；或0.3-1；或0.4-10；或0.4-8；或0.4-6；或0.4-4；或0.4-2；或0.4-1；或0.5-10；或0.5-8；或0.5-6；或0.5-4；或0.5-2；或0.5-1；或0.6-10；或0.6-8；或0.6-6；或0.6-4；或0.6-2；或0.6-1；或0.8-10；或0.8-8；或0.8-6；或0.8-4；或0.8-2；或0.8-1；或1-10；或1-8；或1-6；或1-4；或1-2；或1∶1；或2∶1；或3∶1。
在一些实施方案中，可以用淡水漂洗该沉淀物以便从该沉淀物中去除岩盐或氯化物含量。氯化物在一些应用中可能是不希望的；例如在旨在用于混凝土中的骨料中，因为氯化物具有腐蚀钢筋的倾向。进一步地，用水漂洗该浆料或沉淀物可以致使该组合物中的球方解石向更稳定的形式转化，例如霰石和方解石，并且产生该胶结的材料。例如，该自胶结组合物可以保持在咸水中直至使用前、并且用可以从沉淀物中去除岩盐并且有助于形成该胶结材料的淡水进行漂洗。
在一些实施方案中，这样的漂洗可能不是希望的，因为它可能降低该组合物的产率。在这样的实施方案中，可以用一种具有低氯化物浓度但具有高浓度二价阳离子(例如钙、镁等)的溶液来洗涤该沉淀物。这样的高浓度二价阳离子可以防止该沉淀物溶解，由此降低了产率损失以及向胶结的材料的转化率。
在将该组合物与该水性介质混合的过程中，可以使该沉淀物经受高剪切混合器。混合之后，可以将沉淀物再次脱水并放在预成形的模具中以便制造成形的建筑材料。替代的，可以将该沉淀物与水混合并允许其凝固。该沉淀物在几天时间内凝固并然后将其置于烘箱中进行干燥，例如在40℃、或从40℃-60℃、或从40℃-50℃、或从40℃-100℃、或从50℃-60℃、或从50℃-80℃、或从50℃-100℃、或从60℃-80℃、或从60℃-100℃。然后使该沉淀物在高温下(例如50℃-60℃、或从50℃-80℃、或从50℃-100℃、或从60℃-80℃、或从60℃-100℃、或60℃、或80℃-100℃)、在高湿度下(例如在30％、或40％、或50％、或60％的湿度下)经受固化。
由上述方法生产的水泥产品可以是骨料或建筑材料或预铸的材料或成形的建筑材料。这些材料已经在此进行了说明。
在又一个方面，提供了由本发明的组合物来制造水泥产品的一种系统，该系统包括(a)用于本发明的组合物的一个输入端；(b)用于水性介质的一个输入端；以及(c)连接到步骤(a)和步骤(b)上的一个反应器，该反应器被配置成将本发明的组合物与该水性介质在一项或多项适当条件下进行混合以制造水泥产品。在一些实施方案中，该系统进一步包括在该混合步骤(c)之后用来过滤该组合物的一个过滤元件。在又一些实施方案中，该系统进一步包括用来干燥该过滤后的组合物以制造该水泥产品的一个干燥步骤。
图4示出了用于由本发明的组合物来制造水泥产品的一个展示性系统实施方案200。在一些实施方案中，系统200包括本发明的组合物210的一个来源。在一些实施方案中，该组合物的来源包括一个结构，该结构具有用于该组合物的一个输入端。这样的具有输入端的结构包括但不限于：漏斗、导管、管路或管道等等。可以协助将该组合物投加到反应器230中的任何输入端都处于本发明的范围之内。普遍了解的是，在一些实施方案中，当该组合物已经存在于反应器230中时，不需要这样的用于本发明的组合物的来源或者具有输入端的结构。在一些实施方案中，提供了一种用于水性介质220的来源，例如任选地含有氯化钠、氯化钙、氯化镁或其组合的水或浓盐水。在一些实施方案中，用于水性介质220的来源包含一个用于该水性介质的输入端，例如但不限于：漏斗、导管、管路或管道等等。可以协助将该水性介质投加到反应器230中的任何输入端都位于本发明的范围之内。普遍了解的是，在一些实施方案中，当该水性介质已经存在于反应器230中时，不需要这样的用于水性介质的来源或者具有输入端的结构。
反应器230连接至这两个输入端上并且被配置成将本发明的组合物与该水性介质在一项或多项适当条件下进行混合以便制造一种水泥产品。该一项或多项适当条件已经在上面进行了限定。反应器230可以被配置成包括任何数目的不同元件，例如温度调节器(例如，被配置成将水加热至所希望的温度)；化学添加剂元件，例如用于将化学pH提高剂(例如NaOH)引入水中。这个反应器230可以按分批过程或连续过程来运行。该系统可以任选地包含一个过滤元件，用于在润湿之后过滤该组合物(在图4中未展示)。
在将水加入反应器中的组合物中之后，该组合物凝固并硬化成为该水泥产品。可以任选地将该水泥制品干燥并固化。
在一个方面，提供了制造一种具有所希望的抗压强度的水泥产品的一种方法，该方法包括使本发明的组合物与一种水性介质在一项或多项条件下进行组合，这些条件包括但不限于：温度、压力、凝固时间、水性介质与组合物之比、以及它们的组合。在一些实施方案中，该组合物包含至少47％w/w的球方解石、或至少10％w/w的球方解石以及至少1％w/w的ACC。在一些实施方案中，该组合物包括小于-12‰的碳同位素分化值(δ13C)。在一些实施方案中，该组合物在与水组合、凝固并硬化之后具有至少14MPa的抗压强度。在一些实施方案中，该方法包括：优化这些条件中的一项或多项；并且允许该组合物凝固并硬化成为一种具有所希望的抗压强度的水泥产品。
该一项或多项适当条件(包括但不限于：温度、压力、凝固时长、水性介质与组合物之比、以及它们的组合)已经在此进行了说明。这一项或多项条件的优化包括改变该一项或多项条件以便实现一种具有所希望的抗压强度的水泥产品。例如，水性介质与组合物之比可以影响该水泥产品的凝固时间、硬化时间、水合反应、收缩率、以及抗压强度。因此，水性介质与组合物之比的优化可以产生具有所希望的抗压强度的水泥产品。
IV.包装物
在一方面，提供了一种包含本发明的组合物的包装物。在一些实施方案中，提供了一种包含由本发明的组合物形成的预铸的或成形的建筑材料的包装物。这些预铸的或成形的建筑材料是如在此说明的那样。该包装物进一步包括被适配成容纳该组合物的一种包装材料。该包装物可以包含一种或多种这样的包装材料。该包装材料包括但不限于：金属容器；麻袋；袋子，例如但不限于纸袋或塑料袋；箱子；储仓，例如但不限于塔式储仓、青贮仓、袋式储仓、低水平移动式储仓、或静态直立式水泥储仓；以及箱柜。应理解的是，可以用于携带或储存本发明的组合物的任何容器也都处于本发明的范围之内。
在一些实施方案中，这些包装物是便携式的。在一些实施方案中，这些包装物和/或包装材料是一次性的或可循环的。
该包装材料被进一步适配成将本发明的组合物储存和/或保藏长于几个月至几年。在一些实施方案中，这些包装材料被进一步适配成将本发明的组合物储存和/或保藏长于1周、或长于1个月、或长于2个月、或长于5个月、或长于1年、或长于2年、或长于5年、或长于10年、或在1周至1年之间、或在1个月至1年之间、或在1个月至5年之间、或在1周至10年之间。
列出以下实例是为了向领域普通技术人员提供对于如何进行并使用本发明的完整披露和说明、并且既非旨在限制诸位发明人所认为其发明所具有的范围，而且也不是旨在表示以下实验就是所进行的全部或仅有的实验。已经进行了努力来确保关于所用数字(例如，量值、温度等)的精确性，但应该考虑到一些实验误差和偏差。除非另外指明，否则份数是重量份数，分子量是重均分子量，温度是以摄氏度为单位，并且压力是处于或接近于大气压。
除非另外指明，否则本申请中使用的缩写具有普通的含义。一些缩写的定义如下：
 ACC   ＝   非晶碳酸钙
 CaCl2   ＝   氯化钙
 CaO   ＝   氧化钙
 CaSO4   ＝   硫酸钙
 DI   ＝   去离子水
 FT-IR   ＝   傅里叶变换红外光谱法
 g   ＝   克
 μm   ＝   微米
 mL   ＝   毫升
 M   ＝   摩尔
 MgCl2   ＝   氯化镁
 NaCl   ＝   氯化钠
 Na2CO3   ＝   碳酸钠
 NaF   ＝   氟化钠
 NaOH   ＝   氢氧化钠
 NaP   ＝   磷酸钠
 Na2SiO4   ＝   硅酸钠
 OPC   ＝   普遍波特兰水泥
 ppm   ＝   百万分率
 RCM   ＝   反应性碳酸盐矿物
 SCM   ＝   辅助胶凝材料
 SEM   ＝   扫描电子显微镜术
 TGA   ＝   热重量分析
 XRD   ＝   X线衍射
实例
实例1
沉淀
向1L自来水中加入5.08g MgCl2.6H2O和14.71g CaCl2.2H2O。使用2M NaOH溶液将pH维持在约9。使二氧化碳穿过该溶液。出现了快速沉降的浑浊白色沉淀物。将沉淀物用丙酮洗涤。滤纸上的产物重1.58g。
对于另一个样品，向1L自来水中加入30g的NaCl、2.03gMgCl2.6H2O以及7.35g CaCl2.2H2O。使用2M NaOH溶液和二氧化碳将该溶液的pH维持在8-9之间。出现了快速沉降的浑浊白色沉淀物。将沉淀物用丙酮洗涤。滤纸上的产物重1.60g。
将这些产物与水混合，在凝固、硬化并固化之后给出了胶结的材料。
实例2
球方解石前体和球方解石的制备
在本研究中，通过冷冻和立即脱水将球方解石前体与球方解石一起合成。使二氧化碳与NaOH反应而产生碳酸钠和碳酸氢钠。向该碳酸钠与碳酸氢钠的混合物中加入海水以便引入钙和镁离子并沉淀出碳酸钙和碳酸镁。碳酸钙在8.5-8.8的pH下沉淀。沉淀的碳酸钙是球方解石与方解石的混合物。除了沉淀出球方解石和方解石之外，将该沉淀物足够快地脱水以便稳定化球方解石前的形式或球方解石前体。这些球方解石前体不同于ACC。
图5A-E展示了组合成球方解石球体的纳米簇颗粒的SEM图像。这些纳米簇是球方解石的前体。在一个典型的球方解石沉淀过程中，球方解石的稳定化可能是挑战性的(归因于球方解石的高反应性)，更何况是球方解石前体的稳定化。图5F展示了球方解石的形成，其中整个前体相在沉淀物被脱水并干燥之时都已经组装成为轮廓分明的草莓状球体。球方解石的前体以及球方解石作为一种反应性的亚稳碳酸钙而用于反应目的和稳定化反应，例如胶结。
类似于该前体以及球方解石的形成，也制备了霰石前体及霰石本身。这些晶体是霰石针状体的亚微米或纳米级团簇。在活化时，这些针状体继续生长至全尺寸霰石针状体并且接着继续转化为方解石。该霰石前体及霰石本身是使用与实例1中相同的方案制备的，除了在混合物中的Ca∶Mg之比是1∶4左右。
实例3
合成球方解石的沉淀及转化
通过实验室沉淀而以合成法制备了球方解石。通过对每升Milli-Q去离子(DI)水溶解110克NaCl、24克CaCl2、以及5克MgCl2来产生合成浓盐水。使用75mL的每升2M NaOH的溶液、喷布CO2、用磁力搅拌棒搅拌、并监控pH使之在沉淀过程中维持在7.5与8.5之间并在结束时为9.5，使球方解石沉淀。然后将样品过滤并用去离子水在布氏漏斗上漂洗并在40℃烘箱中干燥24小时。
盐溶液对转化的影响：
为了在水泥形成过程中引发球方解石向霰石和/或方解石的多晶型转变，将合成法沉淀的球方解石加入有盖的50毫升烧杯中Milli-Q去离子水以及分别的氯化钠NaCl、氯化钙CaCl2、氯化镁MgCl2、以及合成浓盐水(包含如上所述的NaCl、CaCl2、MgCl2)的样品溶液中。也制备了一个仅用去离子水的样品。获取每个样品的扫描电子显微镜(SEM)图像以便观察转化的程度。
氢氧化钠对转化的影响：
为了查看pH是否对碳酸钙胶结具有影响，将氢氧化钠NaOH加入该转化溶液中。将两种分开制备的合成球方解石置于具有1∶1的固体与水之比的10％NaOH溶液中。获取这些样品的SEM图像以便观察NaOH对碳酸钙胶结的影响。
温度对转化的影响：
为了确定温度对碳酸钙多晶型物的溶液介导式转化的影响，在110℃的烘箱中重复了去离子水和盐溶液的实验。对于每个样品初始地存在40毫升溶液。将这些样品用铝箔盖住以便将该水位维持尽可能长的时间。结束时获取SEM图像。
水固比对转化的影响：
为了确定水与固体的比率对水泥凝固的影响，进行一个实验来确定允许该合成的球方解石进行转化所必需的最小水量。以0.7∶1、1∶1、1∶2、1∶4、以及1∶10的固水比(按重量计)制备了合成的球方解石和去离子水的溶液。
锶对转化的影响：
为了确定Sr对转化的影响，在具有10ppm和25ppm的Sr的两个分开的溶液中进行了实验。
通过混合多种溶液而使合成的球方解石沉淀
通过混合多种溶液制备了合成的球方解石。将一升增强的海水(具有29.2g CaCl2*2H2O的合成海水)与21g碳酸钠Na2CO3混合、并立即用布氏漏斗过滤。然后将其在40℃烘箱中干燥24小时。在这个时段结束时获取球方解石的SEM图像。
结果与讨论
合成球方解石的沉淀：
球方解石的形态受温度、pH、压力、溶液组成、沉淀方法、以及诸如喷布速率和添加NaOH等条件的影响。由于在球方解石的沉淀中涉及许多因素，相同方法产生的球方解石可能展现出在外观和反应性方面的细微差异。这种在尺寸和光滑度上的微小差异可能是由于沉淀速率或pH的差异。沉淀速率还可以影响球方解石转化的焓。更久的沉淀作用可能导致更低的过渡焓(Turnbull，A.Geochimica et Cosmochimica Acta(1973)37，1593-1601)。
虽然在本实例的合成沉淀中产生的球方解石的尺寸可能在尺寸上略微变化，但平均尺寸是在12与18微米之间的范围内。
用盐溶液时的转化：
球状球方解石与去离子水或盐溶液的相互作用导致了不同的碳酸钙形态，如图6中展示的。球方解石与去离子水产生了小片，由方解石构成的矩形盒状的形状；球体以及小片；以及球体和霰石束。霰石束是具有一致的晶粒方向的杆状物群。
在与合成海水(含NaCl、CaCl2、以及MgCl2)相互作用之后，球方解石形成了霰石针状体、缺乏成群作用或一致的晶粒方向的霰石杆。仅形成霰石针状体可以归因于MgCl2，它充当了从球方解石向方解石的过渡的一种抑制剂(Ogino等人Geochimica et Cosmochimica Acta(1987)51，2757-2767)。为此原因，这种过渡可能转而几乎完全朝霰石进行。然而，给予足够的时间，霰石可以向小片或立方体形式的方解石发展。
当球方解石被置于NaCl溶液中时，产生独立方解石小片和立方体。在热力学方面，所有的反应都可能最终导致方解石。用单独的去离子水已经观察到了小片。给予更多时间，则对于球方解石和去离子水预期会是立方体。出于热力学原因，氯化钠可以加速球方解石向具有高稳定性的多晶型物转化。
在球方解石与去离子水的情况下，观察到了球体以及霰石束。一般，这些球体是空心的并且这些霰石束从这些球体的表面伸出，如图7中描绘的。在图8中展示了本发明的多晶型物的沉淀过程。为了使一个球体的中心在外壳之前溶解，则可能希望该中心材料不及该外壳稳定。可能导致这些形态的一种机制是方解石纳米晶体逐步沉淀到球方解石球体的表面上。由于方解石比球方解石更稳定，因此在方解石外壳保持不变时内部的球方解石材料开始溶解(Tang等人晶体研究与技术(CrystalResearch and Technology)(2008)43，473-478 2008)。以归因于Ostwald熟化过程的球方解石内芯溶解为代价，霰石在这些空心球体的表面上成核并且以束的形式生长。在图8的步骤d-f中描绘了这个过程。步骤a-d描绘了球方解石前体的纳米团簇的形成以及它们向球方解石球体的转化。
在该去离子水实验中，观察到了步骤d-f。另外，这些SEM图像揭示，霰石束从方解石微球上碎裂下来并且彼此分离而形成霰石针状体。图9概述了在这个转化中涉及的步骤。方解石在球方解石微球的表面上沉淀、球方解石从这些球体内溶解、霰石束在这些球体表面上沉淀、霰石束成熟并且碎裂、霰石束最终破碎而成为霰石针状体，从而留下霰石针状体以及空心的方解石微球。
用氢氧化钠时的转化：
将氢氧化钠加入具有球方解石的溶液中抑制了球方解石过渡成为方解石，这样使得优先形成了霰石针状体。除了霰石针状体之外，存在允许在样品中获得额外粘附性的很多基质材料。用氢氧化钠产生的样品比用去离子水或盐溶液得到的转化样品显著地更加致密。材料也更硬。加入氢氧化钠产生了相比之下更充分地胶结的材料。
温度对转化的影响：
根据热力学，温度的升高允许用于进行生长的最小临界晶粒尺寸降低。因此，在更高温度下，允许生长更小的晶粒，这些晶粒在通常情况下已经被溶解到溶液中以便于获得甚至更大的晶体。如图10中展示的，在球方解石向方解石的过渡过程中更高地加热含有球方解石的溶液导致了更小晶体的生长。在过渡过程中被加热至110℃的样品展现出与在过渡过程中被保持在室温的样品相比显著更小的晶体大小。除了单独的温度之外，在110℃下水从样品中蒸发出来的速率可能对于晶体发展具有影响。
水固比以及转化：
在低于1∶1的固体∶水之比下没有观察到球方解石向方解石的过渡。随着水量下降至低于2∶1的比率，转化速率降低。球方解石的溶解控制了球方解石向方解石的转化(Yamaguchi&Murakawa，Zairyo(1981)30，856)。转化速率可以等于溶解速率。球方解石的转化速率可以随着过饱和的降低而增大(Spanos&Koutsoukos，晶体生长杂志(1998)191，783-790)。
锶对转化的影响：
使用百万分之10的锶沉淀的球方解石展现出更多的微坑和不规则性，而使用百万分之25的锶沉淀的球方解石展现出更光滑的且更均一的表面。
通过混合多种溶液而使合成的球方解石沉淀：
通过混合多种溶液而沉淀的合成球方解石展现出了许多具有附聚倾向的球方解石微晶粒。如图11中所示，这些微晶粒附聚成为被称为草莓状球方解石的球方解石球体。
氯化钠对转化的影响：
与不含氯化钠的溶液相比，氯化钠造成了球方解石向方解石的转化(图12)。图12A展示了在110℃的DI水中在65小时处的球方解石的转化，并且图12B展示了在110℃的具有NaCl的DI水中持续65小时的球方解石的转化。
结果
球方解石具有用作水泥性材料或骨料的潜力。由于球方解石的沉淀速率随后影响了球方解石向更稳定相的转化速率，因此从一个速率范围沉淀的球方解石可以进行组合而产生一种共混物。这个混合物中的这些球方解石将在不同的时间点开始转变，从而产生多种碳酸钙多晶型物的一个致密基质。
ACC可以在沉淀过程中得到稳定。如果ACC在某个程度上被充分稳定，其中它也可以被包装并且稍后被引发，以向具有更大稳定性的多晶型物转化，则它作为水泥将是有效的。在ACC中存在的附加能量将允许在多晶型物的过渡中更好的胶结作用。
在降低为了引发相转化所必须的水量的方面可以做出更多的进展。在单独的碳酸钙可以用作水泥性材料之前，可以将水固比降低至约0.5。
实例4
共混组合物的制备
这个实例展示了用于制备本发明的共混组合物的球方解石和/或ACC与其他组分的各种组合。表1示出了不同类型的球方解石以及任选的其他多晶型物，该多晶型物包含可以与其他组分进行组合而制备本发明的共混组合物的多种组合物。sCaCO3是稳定化的碳酸钙，如方解石，并且mCaCO3是亚稳的碳酸钙，如球方解石或ACC。例如，可以将mCaCO3-1与其他亚稳碳酸钙(2、3、和/或4)进行混合并且可以与任何一种或多种其他组分如NaCl、CaO、CaSO4、Na2SiO4、NaP、和/或NaF进行组合。
表1
  组分   量(％)   提出的特性
  mCaCO3-1   0-80   亚稳CaCO3
  mCaCO3-2   0-80   亚稳CaCO3
  mCaCO3-3   0-80   亚稳CaCO3
  mCaCO3-4   0-80   亚稳CaCO3
  NaCl   0.01-5   增大溶液的离子活度
  CaO   0.01-5   pH和Ca2+离子改性剂
  CaSO4.0.5H2O   0.01-5   初凝剂
  CaSO4.2H2O   0.001-0.5   CaSO4.0.5H2O的晶种
  Na2SiO4   0.01-5   初凝剂
  NaP   0.01-2   初凝剂
  NaF   0.01-2   初凝剂
将通过将表1的这些组分共混而制备的组合物与水混合，在凝固、硬化并且固化之后给出了胶结的材料(在7天后从80.9％的球方解石和13.2％的方解石转化为12.4％的球方解石和83％的方解石)。所制备的并且经受胶结的组合物的一些例子如下：
[1g亚微米球方解石，其中0.25g被预反应而用作晶种；1g球方解石，其中0.25g被预反应而用作晶种；0.5g球方解石；以及具有一种分散剂的2.3g 40％Na2SiO3，用于减小需水量。
1g亚微米球方解石；1g球方解石；0.9g的另一个球方解石共混物；0.1g CaO；0.1g NaF；0.1g NaP；0.35g熟石膏；0.05g石膏；0.1g CaCO3；以及0.5g NaOH、Adva(增塑剂)、以及NaCl。
这两种组合物在与水混合时凝固并硬化成为水泥。
实例5
球方解石组合物向水泥材料的转化
本研究显示了本发明的不同组合物的制备以及它们向水泥的转化。
组合物1：1.3g球方解石；1.3g的另一个球方解石共混物；0.5g球磨后形式的球方解石；0.5g Na2CO3；0.15g Ca(OH)2；0.35g CaCl2；以及1.15g CaCO3。
组合物2：1g球方解石；1g的另一个球方解石共混物；0.5g的又一个球方解石共混物(用于加种的方解石)；Na2SiO3；以及5滴Adva直到发生糊剂的形成。
组合物3：1g球方解石；1g的另一个球方解石共混物；0.2g Na2CO3；0.6g Ca(OH)2；以及在水中的10％NaCl直到形成糊剂。
将这些组合物共混而制造一种糊剂，该糊剂转化成为立方体。该干燥糊剂的SEM显示了球方解石到方解石的转化并且结果是一种硬质的胶结的材料。
实例6
由球方解石组合物形成的水泥材料的抗压强度
制备了球方解石与其他组分的各种组合物并进行测试：
组合物1：10g球方解石；6g硅酸钠；以及6g水。
组合物2：10g球方解石；1g硅酸钠；以及6g水。
组合物3：10g球方解石；2g硅酸钠；以及5g水。
组合物4：10g球方解石；4g碳酸钠溶液；以及2g水。
组合物5：10g球方解石；3g碳酸钠；2g硅酸钠；以及2g水。
组合物6：10g球方解石；5g水；以及1g的2M氢氧化钠。
组合物7：10g球方解石；4g水；2g硅酸钠；以及2g的2M氢氧化钠。
组合物8：10g球方解石；2g碳酸钠；以及6g水。
组合物9：30g球方解石以及12g自来水。
所有这些组合物都在立方体模具中于40℃储存过夜，然后在固化之后得到了立方体。
使由这些组合物制备的立方体经受抗压强度测试。表2示出了10个由组合物9制备的立方体的抗压强度。
表2
Figure BPA00001571256601361
实例7
组合物的XRD图纹
这个实例使用XRD图纹展示了在这些组合物的晶体中的球方解石或其他多晶型物的分析。图13-18展示了主要为球方解石(图13-15)、主要为混合的碳酸盐相(图16)、以及主要为方解石(图17-18)的晶体的衍射图。
实例8
与波特兰水泥组合的这些组合物的抗压强度
在本研究中，将由本发明的多个碳酸钙相构成的SCM作为对灰浆中波特兰水泥的20％替换物来进行测试。结果表明，与波特兰水泥组合了的SCM的抗压强度和流动与波特兰水泥灰浆是差不多的。在本研究中，除了灰浆测试之外，还探究了这些材料处于糊剂中的组成和物理特征。最后，使用碳同位素测量来确认该CO2隔离方法以及CO2的来源。
在本研究中说明的过程从大的电源如燃煤或燃气的发电厂中捕获并转化二氧化碳(没有昂贵的气体分离)以产生碳酸盐矿物。附加的益处是，这些矿物在建筑环境中用作水泥、SCM、或骨料，由此获得了CO2的安全的、永久的、且经济性的储存以及混凝土的全球CO2足迹的减少。
这个研究集中于反应性碳酸盐矿物(在本研究的剩余部分被称为RCM)作为SCM的用途。如以上限定的，技术人员应理解的是，SCM对于波特兰水泥而言可以是反应性的或非反应性的。以下说明了RCM的特征以及这种材料作为灰浆中波特兰水泥的替换物的性能。提供了相对于该材料在水泥糊剂中的反应性的更多信息。
方法
该方法使用了烟气、一种二价阳离子来源(例如Ca2+或Mg2+)、以及一种碱度来源(图19)。该烟气是源自燃气或燃煤发电厂并且可以原样使用(即，在去除其他污染物如SOx和NOx之前)。将这个烟气引导至一个气-液接触系统(“吸收器”)中，在这里CO2被溶解到水中并且形成了碳酸、碳酸氢根以及碳酸根阴离子的组合。这些CO2物种在溶液中的相对比率可以通过加入碱性来源而进行控制以促成高的碳酸盐离子水平。这些碳酸盐离子与二价阳离子组合而使浆料形式的碳酸盐矿物沉淀。
在对这个浆料脱水并进一步处理之后，可以将这些碳酸盐矿物用于建筑环境中的不同应用中，例如作为混凝土中的SCM或混凝土的多用途骨料、沥青、路面主层、以及结构填充应用。这个有益的再使用方面是一种品质，该品质使得该方法在碳捕获和隔离方法中是经济上可行的。进一步的评估表明，这个方法与其他形式的碳处理相比是能量较不密集的。
材料特征
该RCM是由多种碳酸钙多晶型物如球方解石、方解石和非晶碳酸钙的干粉构成。
通过无机碳库仑法来确定CO2矿化程度并且通过δ13C同位素分析来进行CO2来源的确定。通过X射线衍射(XRD)、以及傅里叶变换红外光谱法(FT-IR)来鉴定这些碳酸盐矿物相。在压制的球粒上使用X射线荧光(XRF)来确定该材料的化学组成，并且通过热重量分析(TGA)来获得总的灼烧损失。
该RCM包含高达40％的CO2(91％CaCO3)以及在该材料的晶态部分中球方解石至方解石的一个混合物。通过在12C(“轻碳”)与13C(“重碳”)之间的碳同位素分化可以将这个CO2的起源追溯回到其来源中(Mook，W.G.荷兰海洋研究杂志(Netherlands Journal of SeaResearch)，第20卷(2/3)，1986，第211-223页)。
δ13C＝(R样品/R标准-1)*1000‰，其中R＝13C/12C并且R标准设为Vienna-PeeDee Belemnite标准(V-PDB)。
海底碳酸盐包含更多的重碳，而煤和天然气主要由轻碳构成。因此，发电厂的CO2排放具有较低的δ13C值。这个同位素轻碳印记被转移至所产生的具有＜-25‰的δ13C值的碳酸盐矿物(Constantz，B.，“在建筑环境中隔离CO2(Sequestering CO2 in the Built Environment)，”2009，美国地球物理学年会会报(Trans.American Geophysical Union FallMeeting)，壁报展示(Poster session)90(52)，Fall Meet.Suppl.，AbstractU11A-0013旧金山)。典型的石灰石根据其来源而具有范围从-4.0至+3.0的δ13C值。这些分化比差异虽然有助于追溯二氧化碳的来源，但它很小并且不影响混凝土的特性。
除了XRF所提供的总氯化物含量之外，进行了分析来提供可溶性氯化物含量。水溶性氯化物离子含量显示，总氯化物含量是低于按重量计0.1％，这满足了ACI 318对腐蚀稳固性的预应力混凝土要求(ACI318-08：对结构混凝土的建筑法规要求及备注)。XRF还显示，等效的碱含量(Na2Oeq)是低于0.6％，因此将碱-硅石反应的风险最小化。
最后，分别使用激光衍射分析仪和BET气体吸附分析仪来确定诸如粒度分布和表面积等物理特征。比表面积是在几个m2/g的等级上，并且粒度分别是单峰的，颗粒的直径范围是从1至30μm(图20)。
实验
进一步评估了RCM对波特兰水泥的部分替换、以及RCM与水泥糊剂的反应性对于灰浆性能(抗压强度)的影响。测试了两种具有相等组成的RCM材料：RCM1和RCM2。RCM1组合物具有49.7％的球方解石、48.5％的方解石、以及1.8％的岩盐，并且RCM2组合物具有72.6％的球方解石、24.7％的方解石、以及2.8％的岩盐。也研究了在灰浆样品中的CO2隔离的稳定性。
使用以下各项制备了参照样品：100％的波特兰水泥、80％的波特兰水泥与20％的飞灰的共混物、或者80％的波特兰水泥与20％的商品级研磨碳酸钙(GCC)的共混物。使用的水泥是II/V型水泥。所用的飞灰类型是作为C级(FAC)或F级(FAF)可商购的。该研磨碳酸钙是由一个商业来源获得的并且基于其来源(石灰石)是由大部分方解石以及痕量的白云石构成。这些材料的以及RCM的元素组成在表3中给出。
表3XRF测定的混合组分的元素组成(单位：氧化物当量的重量％)
Figure BPA00001571256601391
用于凝固时间测定的糊剂样品
根据ASTM C305(ASTM标准C305-06，2006，“用于水硬水泥糊剂与具有塑性稠度的灰浆的机械混合的标准实践(Standard Practice forMechanical Mixing of Hydraulic Cement Pastes and Mortars of PlasticConsistency)”，ASTM International，West Conshohocken，PA，2003，DOI：10.1520/C0305-06，www.astm.org.)制备了具有正常稠度的糊剂，并且使用维卡针(ASTM C191(ASTM标准C191-08，2008，“(用维卡针对水硬水泥凝固时间的标准试验方法)”，ASTM International，WestConshohocken，PA，2008，DOI：10.1520/C0191-08，www.astm.org.))以及等温量热法来确定凝固起点。
用于流动和抗压强度测量的灰浆样品
将用80％的波特兰水与20％的RCM(混合物B)或15％RCM/5％飞灰(混合物F和G)以w/c＝0.49制备的灰浆试样与参照混合物A、C、D和E进行比较，如表4中所示。按照ASTM C305混合程序使用ASTMC778分级的砂来制备这些灰浆。通过流动试验台方法来确定新鲜灰浆的流动(w/c＝0.49)，如ASTM试验C1437(ASTM C1437-07，2007，“水硬水泥灰浆的标准测试方法(Standard Test Method for Flow of HydraulicCement Mortar)”，ASTM International，West Conshohocken，PA，2003，DOI：10.1520/C1437-07，www.astm.org)中所描述的。
表4所研究的混合物配方
  OPC II/V   RCM1   FAC   FAF   GCC
 混合物A   100％
 混合物B   80％   20％
 混合物C   80％   20％
 混合物D   80％   20％
 混合物E   80％   20％
 混合物F   80％   15％   5％
 混合物G   80％   15％   5％
使所有试样在23℃下的98％相对湿度室中固化。24小时后，将它们从其模具中取出并然后在23℃的处于水室中的石灰浴中固化直到它们的测试日期(1、7和28天)。
用于反应性研究的糊剂样品
在本研究过程中也研究了用RCM部分替换波特兰水泥对水合产品化学性的影响。用RCM替换20％的波特兰水泥、以w/c＝0.80制备了多个糊剂样品。使用100％的波特兰水泥、或80％的波特兰水泥与20％的研磨碳酸钙替代物的一个共混物制备了参照样品。在前4小时内，使用丙酮漂洗和真空过滤来中断水合作用以便研究水合产物的性质和形态。将另外的样品覆盖以便避免过度碳化并在室温下固化高达28天。在1天、7天和28天之后，将一个样品精细粉碎并用丙酮在真空下漂洗以便去除游离水。
结果与讨论
产物性能
凝固时间
在正常稠度下的凝固时间测量以及以w∶cm＝0.50进行的等温量热测试表明，用RCM部分替换波特兰水泥对于凝固起点没有影响。
需水量和抗压强度
对于所研究的不同混合物配方获得的典型的流动测量结果报告在表5中。这些结果表明，用RCM部分替换波特兰水泥导致在灰浆中的流变学行为与参照的波特兰水泥或飞灰/波特兰水泥灰浆是差不多的。
表5示出了1至28天所形成的抗压强度。RCM的存在对于早期(1天和7天)的抗压强度是有益的，因为显示了与不含RCM的混合物相比更高的强度。到28天，对于除混合物E(由GCC获得)外的所有混合物获得的抗压强度是差不多的。与混合了波特兰水泥的20％的研磨碳酸钙相比，本发明的20％的RCM在与波特兰水泥混合时在28天给出了优越的抗压强度。
表5不同SCM替换物的需水量及抗压强度形成
Figure BPA00001571256601411
表6和图21显示另一种具有类似组成的RCM对于到28天时的需水量和抗压强度形成的剂量影响。在高达20％的替换水平上维持了RCM替换的有益效果。
表6RCM对波特兰水泥的不同替换率下的需水量及抗压强度形成
Figure BPA00001571256601421
产品与波特兰水泥的相互作用
本发明的RCM是由多种碳酸钙多晶型物构成。研磨石灰石中的方解石典型地被认为是波特兰水泥水合作用中的填充剂，通过形成铝硫酸钙水合物而在有限的程度上(1％-5％)参与了水合反应，其中这些硫酸盐被碳酸盐置换(Voglis等人，水泥与混凝土复合物(Cement&ConcreteComposites)，第27卷，2005，第191-196页；Matschei等人，水泥与混凝土研究(Cement and Concrete Research)，第37卷，2007，第551-558页；Lothenbach等人，水泥与混凝土研究(Cement and Concrete Research)，第38卷，2008，第848-860页；Hawkins等人.EB227，波特兰水泥协会(Portland Cement Association)，Skokie，Illinois，USA，2003，第44页；以及Feldman等人，美国陶瓷协会杂志(Journal of the American CeramicSociety)，第48卷第1期，1965，第25-30页)。显示碳酸盐进入了硅酸钙水合的组合物中并且降低了氢氧钙石含量。
本研究从糊剂试样(其中水合作用在从几分钟至28天的不同老化范围处停止)获得的XRD、FT-IR和TGA结果表明，RCM的存在可能不改变或者减慢波特兰水泥的水合反应。无论RCM存在与否，水合物(氢氧钙石、钙铝矾等)的形成顺序是相似的。SEM观察结果显示，RCM在糊剂中的存在并没有改变波特兰水泥水合物的形态。
CO2隔离的稳定性
在灰浆样品上进行了碳同位素测量，其中这些水泥性材料包括80％的OPC和20％的RCM并且在正常的实验室空气气氛中固化了90天。目的是确定通过矿化过程而隔离在RCM中的CO2是否仍存在于灰浆中以及它是否已被从样品碳化作用中释放的CO2所代替。如表7中所示，这个低的δ13C值证明，存在于灰浆样品中的CO2是源自该烟气而不是来自空气的碳化。
表7RCM结构中13C/12C同位素比的追踪以及作为辅助胶凝材料的用途
此外，这些包含了在用本发明的RCM制成的灰浆中形成的CO2的水合相，与在用研磨石灰石制成的灰浆中所形成的相似。因此应该预期会有相似的耐久性特性。这些结果证明，由烟气产生RCM将是把CO2在建筑环境中长时间隔离的一种手段并且将产生耐久的水泥。
预期的是，RCM将被引入地区市场、以和飞灰平等的价格点来局部地生产。运输的经济性以及供应和需求控制了高质大量飞灰和炉渣的价格。然而，预期真正的RCM定价可能是远远更复杂的。可以预见碳总量控制与交易制度法规或更严格的汞排放标准可能降低RCM产品的价格。
实例9
ACC的合成及稳定性
在本研究中，研究了用具有不同Ca∶Mg比的不同溶液合成的非晶碳酸钙(ACC)的合成及稳定性。理解ACC的合成条件可以帮助限定非晶/碳酸钙多晶型物的沉淀区域并且生产用于分析方法开发的标准材料。调查这种材料的稳定性可以指明可能为本发明组合物的一个组分的ACC的条件，例如货架期、反应性等等。
发现了0.1的Ca∶Mg比产出了具有长期稳定性的ACC(由于漂洗步骤而带有岩盐)。在溶液中没有Mg2+导致了向以下各项的转化：方解石、六方碳钙石与霰石的混合物或者方解石以及六方碳钙石的混合物。在Ca∶Mg比为0.3时，ACC主要转变至具有痕量霰石的方解石。在Ca∶Mg比为0.2时，形成了稳定的ACC材料。发现这种材料在低湿度条件下、在超过一年内是稳定的。
不受任何理论限制，提出了在溶液中其他离子的浓度可以促成在晶态多晶型物中所观察到的一些差异以及所合成的ACC的稳定性。
材料和设备
真空过滤装置(华特门(Whatman)1号过滤器)；冷水浴；以及Na2CO3、MgCl2、CaCl2。
实验
将一个使用5mM CaCl2和5mM Na2CO3的初始配方用于一种形成ACC的双分解方法。将一个使用了这个程序的样品离心成为稠浆料并通过拉曼光谱法在拉曼上的玻璃瓶样品端口中进行测量以便将标准ACC光谱与所报告的文献值(Ajikumar等人，晶体生长与设计(CrystalGrowth and Design)，(2005)第5卷第3期，第1129-1134页；Kontoyannis等人，分析学家(The Analyst)，2000；Raz等人，Biol.Bull.(2002)203，第269-274页；以及Weiner等人，结缔组织研究(Connective TissueResearch)，(2003)44(Supl 1)，第214-218页)进行比较。
选择第二基质来研究溶液中的Ca∶Mg之比对ACC形成和稳定性的影响(表8)。ACC 7-9条件是与AC2相同的比率，然而略微改变了漂洗和混合步骤以便优化漂洗程序。
表8用来研究ACC合成中的Ca∶Mg之比的反应物量值
将每种化学物充分溶解在DI水中并在派莱克斯(Pyrex)容量瓶中稀释至250mL体积，并在冰浴(约5℃)中放置20-30分钟。然后将这些溶液混合并在磁力搅拌板上剧烈搅拌60秒并立即使用过滤装置穿过华特门1号滤纸进行过滤。在某些情况下将沉淀物仅用醇(研究的是异丙醇(IPA)和乙醇)进行漂洗并在一些情况下首先用冷DI水然后用醇来漂洗。将沉淀物立即转移到15mL管中并首先在液氮中放置几小时以快速冷冻该样品并然后转移至冷冻干燥器中以便干燥过夜。然后将这些样品准备好用于通过XRD进行表征。在多个分析之间将所有样品保持在干燥器中(约0-25％RH(相对湿度))。
结果与讨论
在这些沉淀物上进行XRD分析，并且来自实验2、5、8和9的产物显示了ACC的预期特征(Dandeu等人，化学工程与技术(Chem.Eng.Technol.)，(2006)29，第2期，第221-225页；Lam等人，晶体工程通讯(Cryst.Eng.Comm.)，2007；Ajikumar等人，晶体生长与设计，(2005)第5卷第3期，第1129-1134页；以及Kontoyannis等人，分析学家，2000)。
将来自这些实验的沉淀物首先用冷DI水并然后用冷乙醇进行充分漂洗。实验8和9之间的主要差别是，在实验8中，将CaCl2/MgCl2的良好混合的溶液加入CaCO3溶液中，而在实验9中相反地进行。实验8可能是优选的，因为沉淀物产率更好并且为40g，而实例9中的是30g。还发现，用冷DI水然后用冷乙醇进行漂洗是所研究的方法的所希望的漂洗步骤。进行了对混合和漂洗步骤的进一步研究，以便确定冷状态是否是必须的并且以便优化这种混合。对2、5、8和9的初始XRD标准在图22中示出。
在方案1、6和7的情况下，岩盐是所检测到的仅有的晶相。在7中，在用冷DI水漂洗了干燥沉淀物时，可检出的岩盐含量被去除。这可以表明，如果条件适当(时间和温度)，则观察到干燥后的样品在与淡水接触时的某种稳定性。
来自方案3和4的样品显示了在分析时晶体碳酸钙的形成。3的结果在下面的稳定性部分中进行讨论。在来自4的样品中，在样品中存在方解石、球方解石和岩盐(图23)。双分解样品(3、5)的拉曼光谱法给出了与ACC的文献预期光谱相匹配的光谱。
稳定性
研究了方案3、5以及由方案2、7(漂洗后)、8和9产生的样品的一个混合物的稳定性。如以上指出的，在方案3中，在初始分析时主要的方解石峰是可见的。4天后，存在霰石、方解石和球方解石。
在方案5中，初始分析未显示出晶态材料的迹象，并且4天后观察到良好形成的方解石，以及有可能的少量霰石(图24)。
样品2、7(漂洗后)、8和9均与相同的Ca∶Mg(具有一些处理差异)进行分析并进行共混而产生一个更大的样品。随时间来分析这个样品。在低相对湿度的条件下该ACC在超过一年内保持稳定(图25)。
这个样品的拉曼光谱法是作为与由原始双分解方法获得的拉曼光谱的对比而运行的。
0.27M MgCl2.6H2O/0.06M CaCl2.2H2O/0.54M CaCO3的等体积溶液似乎是一种对于在本研究中合成ACC而言适当的混合物(就产率和稳定性而言)。可能还希望首先用DI水并然后用醇来充分漂洗这些沉淀物以便从沉淀物中洗掉任何氯化钠。这种方法所产生的ACC的稳定性大于所测试的其他溶液比率，在低湿度条件下在超过一年内是稳定的。不同的合成条件也表明了不同的结晶路径。
实例10
球方解石沉淀基质
在本研究中，研究了在来自合成的硬浓盐水的水泥材料的沉淀过程中Ca∶Mg之比的影响。向一个4L反应器中填充含有与镁相比更高浓度的钙(约海水相比)的浓盐水。使一个二氧化碳和压缩空气流穿过该溶液并添加碱，此时它造成了粉状材料的沉淀。发现该粉状材料包含球方解石，并且发现所获得的球方解石的量依赖于钙与镁之比。表9证明，沉淀的材料中球方解石的量随着钙浓度的增大而增大。因此，该组合物中球方解石的量可以通过溶液中Ca∶Mg的之比来进行调节。
表9
Figure BPA00001571256601471
实例11
在一系列沉淀条件下球方解石对比方解石的沉淀作用
在本研究中，研究了在来自合成的硬浓盐水的水泥材料的沉淀过程中沉淀条件的影响。通过将无水Na2CO3或50％NaOH以及CO2加入0.2mol/L Ca2+溶液中而制备了含不同Ca2+离子浓度(0.01mol/L、0.05mol/L、以及0.10mol/L)的溶液。表10示出了这些浓度的概览。
表10
Figure BPA00001571256601472
所有实验的初始Ca2+浓度＝0.2mol/L
所有实验的初始和最终Mg2+浓度＝0.04-0.05mol/L
所有实验的最终碱度＝3-9mmol/kg
在碱添加过程中pH＝8.0-8.5
向钙溶液中加入无水Na2CO3对比50％NaOH和CO2导致形成了具有不同球方解石含量的沉淀物。表11示出了对于三组实验，在这些沉淀条件下形成的球方解石的量。当向钙溶液中加入50％NaOH的溶液和CO2时，在沉淀物中观察到更高的球方解石含量。
表11
Figure BPA00001571256601481
实例12
在陈旧浓盐水和新鲜浓盐水中的球方解石对比方解石的沉淀作用
将一批陈旧浓盐水和新鲜浓盐水与具有不同Na2CO3浓度的溶液以不同的持续时间加入含钙离子的溶液中。陈旧浓盐水是在实验前6天制备的并且在实验前两天进行了过滤以便从溶液中去除任何沉淀的石膏。新鲜浓盐水是在实验前一天制备的并且在实验同一天进行了过滤。表12示出了这些浓度的概览。
表12
Figure BPA00001571256601482
所有实验的初始Ca2+浓度＝0.2mol/L
所有实验的初始和最终Mg2+浓度＝0.04-0.05mol/L
所有实验的最终碱度＝2-5mmol/kg
在碱添加过程中pH＝8.0-8.5
*Na2CO3在溶液中处于50％时是不可溶的
表13示出了对于三组实验，在这些沉淀条件下形成的球方解石的量。在陈旧浓盐水中具有25％Na2CO3、在10分钟的碱添加的情况下，在沉淀物中观察到了最高的球方解石含量。球方解石含量与在实验4中的差不多。
表13
Figure BPA00001571256601491
实例13
ζ电位测量
将1.5g的该含球方解石的组合物溶解于150g的DI中(1％固体浆料)。搅拌该混合物并将用于ζ电位、pH和温度的探针插入该混合物中。表14示出了所测试的这三个样品的粒度(PS)、球方解石和方解石含量、以及ζ电位。
表14
  样品   球方解石   方解石   平均PS   pH   ζ电位
  MC048-09-006   83％   17％   5.9μm   10.3   42.7mV
  MLPP0023-06-110   76％   24％   14.2μm   10.5   12.9mV
  MLPP0023-24-032   84％   16％   7.7μm   10.2   25.6mV
图26证明，具有最高ζ电位的组合物具有细分散的颗粒(图26A)；具有最低ζ电位的组合物具有最大的颗粒附聚作用(图26B)；并且具有中间ζ电位的组合物具有附聚作用，但是是在较小的程度上(图26C)。当20％的该组合物与80％的OPC混合时，该硬化的材料的抗压强度还显示了抗压强度的差异。图27显示，与具有最低ζ电位的组合物相比，具有最高ζ电位的组合物显示了最高的抗压强度。
还发现具有最高ζ电位和小粒度的组合物具有高的累积热量，表明了更高的反应性(参见图28中的B)。
实例14
具有碳酸盐的浓盐水
在本研究中，使不同的浓盐水经受不同的沉淀条件并对沉淀的材料进行分析。这些浓盐水包括奥内达加(Onondaga)浓盐水、基于海水并具有NaCl的合成浓盐水(海水+27.9g/L CaCl2+99.13g/L NaCl)、基于海水而没有NaCl的合成浓盐水(海水+27.9g/L CaCl2)、以及基于去离子水的合成浓盐水(去离子水+29.4g/L CaCl2)。奥内达加浓盐水是具有范围从45％至80％的饱和度的岩盐浓盐水，位于奥内达加裂谷(Onondaga Trough)的冰川沉积物内，奥内达加裂谷是在美国纽约州西拉克斯附近通过更新世冰川作用而加深的一个基岩深谷。将这些浓盐水用15％CO2+50％wt NaOH、无水Na2CO3、50％wt Na2CO3溶液、以及25％wt Na2CO3溶液进行处理。
奥内达加浓盐水在用15％CO2和2M NaOH处理时产生了在沉淀的材料中91％的球方解石。初始的Ca∶Mg比([Ca2+]i∶[Mg2+]i)是约4∶1。表15示出了溶液中初始和最终离子的浓度。
表15奥内达加浓盐水(高Na+)
  [Ca2+]i   48.63mM
  [Mg2+]i   10.63mM
  [Ca2+]f   3.54mM
  [Mg2+]f   9.37mM
  Alkf   102.1mM当量
  球方解石   91％
  方解石   8％
  岩盐   1％
基于海水并具有NaCl的合成浓盐水(海水+27.9g/L CaCl2+99.13g/L NaCl)在用15％CO2和50％wt NaOH处理时产生了在沉淀的材料中96％的球方解石含量。初始的Ca∶Mg比([Ca2+]i∶[Mg2+]i)是约4∶1。表16示出了溶液中初始和最终离子的浓度。
表16合成浓盐水(海水)
  [Ca2+]i   0.20M
  [Mg2+]i   0.05M
  [NaCl]i   2.1M
  [Ca2+]f   0.10M
  [Mg2+]f   0.05M
  球方解石   96％
  方解石   3％
  岩盐   1％
基于海水并具有NaCl的合成浓盐水(海水+27.9g/L CaCl2+99.13g/L NaCl)在用无水Na2CO3处理时产生了在沉淀的材料中仅43％的球方解石含量。初始的Ca∶Mg比([Ca2+]i∶[Mg2+]i)是约4∶1。表17示出了溶液中初始和最终离子的浓度。
表17合成浓盐水(海水)
  [Ca2+]i   0.20M
  [Mg2+]i   0.05M
  [NaCl]i   2.1M
  [Ca2+]f   0.10M
  [Mg2+]f   0.05M
  Alkf   3.4mM当量
  球方解石   43％
  方解石   46％
  岩盐   11％
当基于海水的合成浓盐水(海水+27.9g/L CaCl2+99.13g/L NaCl)在用50％wt Na2CO3处理时产生了在沉淀的材料中90％的球方解石含量。当该碳酸钠并非无水时该球方解石含量似乎增大。初始的Ca∶Mg比([Ca2+]i∶[Mg2+]i)是约4∶1。表18示出了溶液中初始和最终离子的浓度。
表18合成浓盐水(海水)
  [Ca2+]i   0.20M
  [Mg2+]i   0.05M
  [NaCl]i   2.1M
  [Ca2+]f   0.10M
  [Mg2+]f   0.05M
  Alkf   3.3mM当量
  球方解石   90％
  方解石   6％
  岩盐   4％
当基于海水的合成浓盐水(海水+27.9g/L CaCl2+99.13g/L NaCl)在用25％wt Na2CO3处理时产生了在沉淀的材料中94％的球方解石含量。与50％wt Na2CO3相比，在使用25％wt Na2CO3时，该球方解石含量增大。这可能是由于当它是25％wt Na2CO3时Na2CO3在溶液中的溶解度更高。50％wt Na2CO3在水中是略微可溶的。初始的Ca∶Mg比([Ca2+]i∶[Mg2+]i)是约4∶1。表19示出了溶液中初始和最终离子的浓度。
表19合成浓盐水(海水)
  [Ca2+]i   0.20M
  [Mg2+]i   0.05M
  [NaCl]i   2.1M
  [Ca2+]f   0.10M
  [Mg2+]f   0.05M
  Alkf   2.3mM当量
  球方解石   94％
  方解石   4％
  岩盐   2％
将基于海水而没有NaCl的合成浓盐水(海水+27.9g/L CaCl2)用25％wt Na2CO3处理，产生了在沉淀的材料中92％的球方解石含量。初始的Ca∶Mg比([Ca2+]i∶[Mg2+]i)是约4∶1。表20示出了溶液中初始和最终离子的浓度。
表20合成浓盐水(海水)
  [Ca2+]i   0.20M
  [Mg2+]i   0.05M
  [NaCl]i   0.47M
  [Ca2+]f   0.10M
  [Mg2+]f   0.05M
  Alkf   -
  球方解石   92％
  方解石   5％
  岩盐   3％
将基于去离子水的合成浓盐水(去离子水+29.4g/L CaCl2)用25％wt Na2CO3处理，产生了在沉淀的材料中90％的球方解石含量。不存在镁似乎对球方解石的沉淀没有影响。表21示出了溶液中初始和最终离子的浓度。
表21合成浓盐水(去离子水)
  [Ca2+]i   0.20M
  [Mg2+]i   -
  [NaCl]i   -
  [Ca2+]f   0.10M
  [Mg2+]f   -
  球方解石   90％
  方解石   5％
  非晶的   5％
实例15
具有碳酸盐的浓盐水
在本研究中，研究了在碳酸盐沉淀物的形成中钙与碱之比的影响。将不同浓度的含0.2M Ca2+的浓盐水用不同浓度的碳酸钠进行处理。
表22展示了由合成浓盐水(自来水+29.4g/L CaCl2)(0M NaCl+0.2M Ca2+)以1∶1的钙∶碱化学计量比来形成球方解石组合物。
表22
Figure BPA00001571256601551
表23展示了由合成浓盐水(自来水+29.4g/L CaCl2)(0M NaCl+0.2M Ca2+)以1.5∶1的钙∶碱化学计量比来形成球方解石组合物。
表23
Figure BPA00001571256601561
表24展示了由合成浓盐水(自来水+29.4g/L CaCl2)(0M NaCl+0.2M Ca2+)以2∶1的钙∶碱化学计量比来形成球方解石组合物。
表24
表25展示了由合成浓盐水(自来水+29.4g/L CaCl2)(0.6M NaCl+0.2M Ca2+)以1∶1的钙∶碱化学计量比来形成球方解石组合物。
表25
Figure BPA00001571256601581
表26展示了由合成浓盐水(自来水+29.4g/L CaCl2+35.06g/LNaCl)(0.6M NaCl+0.2M Ca2+)以1.5∶1的钙∶碱化学计量比来形成球方解石组合物。
表26
Figure BPA00001571256601582
表27展示了由合成浓盐水(自来水+29.4g/L CaCl2+35.06g/LNaCl)(0.6M NaCl+0.2M Ca2+)以2∶1的钙∶碱化学计量比来形成球方解石组合物。
表27
Figure BPA00001571256601591
表28展示了由合成浓盐水(2.1M NaCl+0.2M Ca2+)以1∶1的钙∶碱化学计量比来形成球方解石组合物。
表28
Figure BPA00001571256601592
表29展示了由合成浓盐水(2.1M NaCl+0.2M Ca2+)以1.5∶1的钙∶碱化学计量比来形成球方解石组合物。
表29
Figure BPA00001571256601601
表30展示了由合成浓盐水(自来水+29.4g/L CaCl2+122.72g/LNaCl)(2.1M NaCl+0.2M Ca2+)以2∶1的钙∶碱化学计量比来形成球方解石组合物。
表30
Figure BPA00001571256601602
实例16
球方解石组合物的稳定性
发现由海水+CaCl2二水合物+NaCl+25％wt Na2CO3制造的球方解石组合物在母体上清液中在4天时间内是稳定的(如表31和图29所示)。
表31
  1天   3天   4天
  球方解石69％   球方解石65％   球方解石65％
  方解石29％   方解石30％   方解石31％
  岩盐2％   岩盐4％   岩盐4％
实例17
球方解石组合物的稳定性
在本研究中，研究了钙与碱之比对球方解石组合物的稳定性的影响。发现由自来水+CaCl2二水合物+0.25M Na2CO3(Ca∶碱的化学计量比为1∶1)制造的球方解石组合物在母体上清液中在2天时间内是稳定的(如图30所示(图30A是关于在脱水之后但在烘箱干燥之前获得的固体；图30B是关于在脱水之后且在烘箱干燥之后获得的固体；图30C是关于1天后的来自组合物的沉淀作用的浆料；并且图30D是关于2天后的来自组合物的沉淀作用的浆料))。
发现由自来水+CaCl2二水合物+0.25M Na2CO3(Ca∶碱的化学计量比为1.5∶1)制造的球方解石组合物在母体上清液中在2天时间内显示出了向方解石的部分转化(如图31所示(图31A是关于在脱水之后但在烘箱干燥之前获得的固体；图31B是关于在脱水之后且在烘箱干燥之后获得的固体；图30C是关于1天后的来自组合物的沉淀作用的浆料；并且图30D是关于2天后的来自组合物的沉淀作用的浆料))。
发现由自来水+CaCl2二水合物+0.25M Na2CO3(Ca∶碱的化学计量比为2∶1)制造的球方解石组合物在母体上清液中在2天时间内显示出了向方解石的几乎完全的转化(如图32所示(图32A是关于在脱水之后但在烘箱干燥之前获得的固体；图32B是关于在脱水之后且在烘箱干燥之后获得的固体；图32C是关于1天后的来自组合物的沉淀作用的浆料；并且图32D是关于2天后的来自组合物的沉淀作用的浆料))。
实例18
球方解石组合物的稳定性
发现由去离子水+CaCl2二水合物+25％wt Na2CO3制造的球方解石组合物过夜后显示了向方解石的部分转化。第1天过滤并烘箱干燥后的沉淀物包含87％的球方解石、6％的方解石、以及8％的ACC。第1天时球方解石没有显示出附聚作用。将沉降过夜的沉淀物过滤并在第二天干燥。该组合物包含52％的球方解石和48％的方解石。
实例19
球方解石组合物的稳定性
将由基于海水的浓盐水制成的球方解石组合物留在母体上清液中持续7天。7天后该沉淀物显示为87.4％的球方解石、7％的方解石以及5.6％的霰石。将由基于海水的浓盐水制成的球方解石组合物脱水并留在工艺水中持续7天。该沉淀物在7天后转化成方解石。
实例20
自胶结沉淀物的合成
本实验涉及对自胶结碳酸钙沉淀物的合成和分析。该自胶结碳酸钙沉淀物是通过以下条件制备的：
碱度：0.5M NaOH(520mmol/Kg滴定过的)
烟气：为9.0-9.3％CO2的平均145acfm(来自丙烷)
浓盐水：0.18M Ca；0.048M Mg；pH 7.6(基于海水的浓盐水)
流速：4.6GPM碱；9.0GPM浓盐水
沉淀槽停留时间：约5分钟
这一批次的测量值如下：
碱利用率：1.2(CEMS/文丘里管计算的)
吸收器出口BiC/碳：1.03(滴定为＞100％Na2CO3)
吸收的CO2平均％：36％(5.8摩尔/分钟)
吸收器pH：11.1-11.5
沉淀槽pH：7.6-8.5
上清液Ca，Mg＝0.034，0.027M
这些反应物在以上指定的条件下混合之后导致形成了一种沉淀物。分析所沉淀的浆料的粒度以及多晶型物含量。使用激光衍射粒度分布分析仪来分析该沉淀物的粒度并且发现其值为24微米。图33展示了该沉淀物的SEM图像，显示了球方解石的团簇。该沉淀物的XRD图像显示了82％的球方解石和18％的方解石。库仑法显示碳为11.1％并且CO3为40.8％。发现氯化物为0％。以下是对沉淀的浆料的元素分析。
Figure BPA00001571256601631
该沉淀的浆料在脱水并用淡水洗涤后产生了一种材料，该材料在几天后凝固。将这种材料在40℃进行烘箱干燥，在干燥后显示了63％的球方解石、11％的方解石、以及26％的霰石。
然后将该材料置于具有50％湿度的潮湿的60℃固化室中，这产生了具有73％的霰石、15％的方解石、10％的球方解石以及2％的岩盐的胶结的材料。考虑到了热量和湿气使得球方解石转化为霰石从而导致胶结。
实例21
水泥材料的合成
将这些球方解石组合物基于以上说明的方案进行沉淀、脱水并干燥。将所得的组合物干燥以便形成可流动的并且干燥的粉末(＜5％RH(相对湿度))。将该组合物与水以0.3的液体与粉末之比进行混合。考虑到了更低的水含量提供了所形成的材料的更高强度。可以将该组合物重构而形成糊剂，然后将糊剂模制并倾倒以便固化并且形成一种硬化的水泥性块体。
将这些组合物与去离子水(样品1)、自来水(样品2)以及由5ppm铁构成的离子水与0.1M NaHCO3的混合物(样品3)进行共混。样品1在与DI水共混之前显示了89.8％的球方解石、3.4％的霰石以及6.8％的方解石。样品1在与DI水共混并固化28天之后显示了4％的球方解石、72.8％的霰石以及3.5％的方解石。样品2在与自来水混合物共混之前显示了89.8％的球方解石、3.4％的霰石以及6.8％的方解石。样品2在与自来水混合物共混并固化28天之后显示了2.7％的球方解石、91.3％的霰石、5.3％的方解石以及0.7％的岩盐。样品3在与离子混合物共混之前显示了89.8％的球方解石、3.4％的霰石以及6.8％的方解石。样品3在与离子混合物共混并固化28天之后显示了3.4％的球方解石、76.6％的霰石以及3.8％的方解石。在第7天、14天、28天和56天的强度结果对应于下表32。
表32
  7天(psi)  14天(psi)  28天(psi)  56天(psi)
 样品1   DI混合物、DI浴   3200  3590  3870  4200
 样品2   自来水混合物、自来水浴   2860  4090  4420  3860
 样品3   离子混合物、自来水浴   3330  4160  4530  4340
实例22
性能测试
使含有20％的本发明SCM组合物(按照以上说明的实例8制备并且包含83％的球方解石以及17％的方解石)以及80％的OPC的组合物经受基于ASTM C1157的不同性能测试。表33概述了这些测试和结果。发现与80％的OPC混合的20％的本发明SCM的性能测试结果同100％OPC差不多。
表33
Figure BPA00001571256601651
还发现20％的本发明SCM和20％的OPC的性能测试结果与GU规格相比是差不多的，如表34中展示的。
表34
Figure BPA00001571256601652
(a)20％的本发明SCM与参照物OPC材料以0.49的恒定的水/水泥比进行混合，以便直接比较
实例23
共混的组合物
将不同的本发明组合物与波特兰水泥和其他材料进行共混以形成骨料以及具有碳酸钙和碳酸镁骨料的灰浆立方体。表35示出了这些共混的组合物中的一些。
表35
Figure BPA00001571256601661
表35中展示的这些组合物是含有不同球方解石量的单独组合物的一个共混的混合物。这些单独组分中的一些展示在了表36中。
表36
Figure BPA00001571256601671
Figure BPA00001571256601681
Figure BPA00001571256601691
Figure BPA00001571256601701
  组合物   制备组合物的方法   球方解石   方解石   岩盐   球方解石∶方解石   霰石
  33   82.4   14.4   3.1   5.7
  34   6.6   91.6   1.8   0.1
  35   50.2   47.7   2.2   1.1
  36   26.1   70.9   3   0.4
  37   16.7   81   2.3   0.2
表36的组合物1-12还被用于制备100％自胶结骨料立方体样品。这些组合物在沉淀之后进行脱水并且将脱水后的材料置于方冰块模具中。
实例24
球方解石组合物的合成
材料及仪器：
X射线衍射：Rigaku miniflex，30KV，15mA，2-90°2θ，2°2θ每分钟，0.01°2θ每步，用Jade 9进行里特沃尔德(Rietveld)精修。SEM：日立TM-1000，用于对在小于50℃下干燥的矿物、Au涂层进行成像。在ELE荷载框架(ELE国际公司)上用MTS(MTS系统公司)压缩单元来测试压缩。激光粒度分布：Horiba粒度装置。氮气表面分析：微粒学模型。
在与水混合之前，该球方解石组合物的XRD图像显示了83.3％的球方解石、9.2％的方解石、4.7％的石膏、以及2.8％的岩盐。该组合物在与水混合之前的粒度是大约6微米。
将本发明的球方解石组合物与DI水以0.3的液体∶粉末之比进行混合。将该浆料倒入模具中并在85％的RH(相对湿度)下固化3天。在从模具中取出之后，允许产物在DI水中再固化4天、11天、和25天。测试了所得样品的抗压强度、x射线衍射、以及FTIR。
28天后该组合物的XRD图纹显示了91.4％的球方解石、2.8％的方解石、2.5％的石膏、以及3.3％的岩盐。图34展示了在固化7天、14天和28天之后该组合物的抗压强度。

Claims (52)

1. 一种组合物，该组合物包含一种非天然存在的辅助胶凝材料（SCM）或一种非天然存在的水硬水泥，其中该SCM或水硬水泥包含至少47% w/w的球霰石和一种多晶型物，该多晶型物选自：霰石、方解石、六水碳钙石、球霰石的前体相、霰石的前体相、一种不及方解石稳定的中间相、在这些多晶型物之间的多晶形式、以及它们的组合，该组合物具有小于-12‰的碳同位素分化值（δ13C），并且该组合物在与水组合、凝固并硬化之后具有至少14 MPa的抗压强度。
2. 一种自胶结组合物，该自胶结组合物包含至少47% w/w的在咸水中的球霰石和一种多晶型物，该多晶型物选自：霰石、方解石、六水碳钙石、球霰石的前体相、霰石的前体相、一种不及方解石稳定的中间相、在这些多晶型物之间的多晶形式、以及它们的组合，其中该组合物具有小于-12‰的碳同位素分化值（δ13C），并且该组合物在用淡水漂洗、凝固并硬化之后具有至少14 MPa的抗压强度。
3. 权利要求1和2中任一项所述的组合物，其中该组合物具有在14-80 MPa范围内的抗压强度。
4. 权利要求1和2中任一项所述的组合物，其中该组合物具有在20-40 MPa范围内的抗压强度。
5. 权利要求1和2中任一项所述的组合物，其中该组合物具有在-12‰至-25‰之间的δ13C。
6. 权利要求1和2中任一项所述的组合物，其中该球霰石是在47% w/w至99% w/w的范围内。
7. 权利要求1和2中任一项所述的组合物，其中该球霰石是在10% w/w至99% w/w的范围内并且该组合物还含有在1% w/w至90% w/w的范围内的ACC。
8. 权利要求1和2中任一项所述的组合物，其中球霰石是至少75% w/w。
9. 权利要求7所述的组合物，其中ACC是5%-30% w/w。
10. 权利要求1所述的组合物，其中球霰石和多晶型物之比处于1 : 1至20 : 1之间。
11. 权利要求10所述的组合物，其中球霰石和多晶型物之比处于9 : 1至20 : 1之间。
12. 权利要求1和2中任一项所述的组合物，其中该组合物还包含在1% w/w至80% w/w之间的霰石。
13. 权利要求1和2中任一项所述的组合物，其中该组合物还包含在1% w/w至80% w/w之间的方解石。
14. 权利要求1和2中任一项所述的组合物，其中该组合物还包含在1% w/w至80% w/w之间的六水碳钙石。
15. 权利要求1和2中任一项所述的组合物，其中还包含锶（Sr）。
16. 权利要求15所述的组合物，其中Sr是以1-50,000百万分率（ppm）的量值存在。
17. 权利要求1和2中任一项所述的组合物，其中还包含镁（Mg）。
18. 权利要求17所述的组合物，其中Mg是以碳酸盐形式存在。
19. 权利要求18所述的组合物，其中球霰石和碳酸镁之比处于1 : 1至500 : 1之间。
20. 权利要求1和2中任一项所述的组合物，其中还包含量值小于100,000 ppm的钠（Na）。
21. 权利要求1和2中任一项所述的组合物，其中该组合物是一种具有0.1-100微米的平均粒度的微粒组合物。
22. 权利要求1和2中任一项所述的组合物，其中该组合物是一种具有1-10微米的平均粒度的微粒组合物。
23. 权利要求1和2中任一项所述的组合物，其中该组合物具有在75 lb/ft3-170 lb/ft3之间的堆密度。
24. 权利要求1和2中任一项所述的组合物，其中该组合物具有的平均表面积是0.5 m2/gm-50 m2/gm。
25. 权利要求1和2中任一项所述的组合物，其中还包含：氮氧化物，硫氧化物，汞，金属，氮氧化物、硫氧化物、汞、和/或金属中任何一种的衍生物，或它们的组合。
26. 权利要求1和2中任一项所述的组合物，其中还包含波特兰水泥熔块、骨料、其它SCM、或它们的组合。
27. 权利要求26所述的组合物，其中所述的其它SCM包括炉渣、飞灰、硅灰、煅烧粘土、或它们的组合。
28. 权利要求26所述的组合物，其中该骨料包括砂、砾石、碎石、炉渣、再生混凝土、或它们的组合。
29. 权利要求1和2中任一项所述的组合物，其中该组合物具有在-25至45 mV之间的ζ电位。
30. 权利要求1和2中任一项所述的组合物，其中在该组合物中的钙离子 : 碳酸根离子之比大于1 : 1。
31. 权利要求1和2中任一项所述的组合物，其中该组合物是粉状形式。
32. 一种建筑材料，其中包含权利要求1-31中任一项所述的组合物或其凝固且硬化的形式。
33. 权利要求32所述的建筑材料，其中该建筑材料是选自：建筑物，车道，地基，厨房厚板，家具，人行道，公路，桥梁，高速公路，立交桥，停车结构，砖，砌块，墙壁，门、围栏、或杆子的桩，以及它们的组合。
34. 一种成形的建筑材料，其中包含权利要求1-31中任一项所述的组合物或其凝固且硬化的形式。
35. 权利要求34所述的成形的建筑材料，其中该成形的建筑材料选自：砖，砌块，贴砖，水泥板，预制墙板，管道，梁，盆，柱，纤维-水泥外墙板，混凝土厚板，隔音屏和绝热材料。
36. 一种骨料，其中包含权利要求1-31中任一项所述的组合物或其凝固且硬化的形式。
37. 一种包装物，其中包含权利要求1-31中任一项所述的组合物以及被适配成容纳该组合物的一种包装材料。
38. 权利要求37所述的包装物，其中该包装材料是储仓。
39. 一种用于制造组合物的方法，该方法包括：
(a) 使含有碱土金属的水与CO2源相接触；并且
(b) 使步骤 (a) 的含有碱土金属的水经受一项或多项条件以制造一种组合物，其中该组合物包含至少47% w/w的球霰石和一种多晶型物，该多晶型物选自：霰石、方解石、六水碳钙石、球霰石的前体相、霰石的前体相、一种不及方解石稳定的中间相、在这些多晶型物之间的多晶形式、以及它们的组合，该组合物具有小于-12‰的碳同位素分化值（δ13C），并且该组合物在与水组合、凝固并硬化之后具有至少14 MPa的抗压强度。
40. 权利要求39所述的方法，其中该CO2源是：含有来自燃烧过程的烟气的工业废气流；来自化学处理设备的烟气；来自产生CO2作为副产物的设备的烟气；或它们的组合。
41. 权利要求39-40中任一项所述的方法，其中含有碱土金属的水是海水、浓盐水、或它们的组合。
42. 权利要求39所述的方法，其中该一项或多项条件包括：温度，pH，沉淀作用，离子比，添加物和离子物种的浓度，混合速率，搅拌形式，种晶、催化剂、膜片或基底的存在，稳定化添加剂，沉淀物的停留时间，沉淀物的脱水，用水洗涤该沉淀物，干燥，研磨或储存，以制造该组合物。
43. 权利要求39所述的方法，其中该一项或多项条件包括使该含有碱土金属的水与一种质子去除剂相接触。
44. 权利要求43所述的方法，其中该质子去除剂是选自：氧化物、氢氧化物、碳酸盐、粉煤灰、天然存在的矿物、以及它们的组合。
45. 权利要求39所述的方法，其中该一项或多项条件包括使含有碱土金属的水经受一种电化学条件。
46. 通过权利要求39-45中任一项所述的方法制成的组合物。
47. 一种用于制造权利要求1-31中任一项所述的组合物的系统，该系统包括：
(a) 用于含有碱土金属的水的一个输入端；
(b) 用于来自工厂的含有化石燃料来源的碳的烟气的一个输入端；以及
(c) 连接到步骤 (a) 和步骤 (b) 的输入端上的一个反应器，该反应器被配置成制造权利要求1-31中任一项所述的组合物。
48. 一种制造成形的建筑材料的方法，该方法包括：
将权利要求1-31中任一项所述的组合物与水性介质在一项或多项适当条件下进行组合；并且
使该组合物凝固并硬化成为成形的建筑材料。
49. 权利要求48所述的方法，其中该水性介质包括淡水。
50. 权利要求48所述的方法，其中在组合步骤 (a) 之前或之后将该组合物倒入模具中。
51. 权利要求50所述的方法，其中该模具是用于成形的建筑材料。
52. 权利要求48所述的方法，其中该成形的建筑材料是选自：砖，砌块，贴砖，水泥板，预制墙板，管道，梁，盆，柱，纤维-水泥外墙板，混凝土厚板，隔音屏和绝热材料。
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