JP2001114551A - 建築材用の石膏・セメント組成 - Google Patents

建築材用の石膏・セメント組成

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JP2001114551A
JP2001114551A JP2000278901A JP2000278901A JP2001114551A JP 2001114551 A JP2001114551 A JP 2001114551A JP 2000278901 A JP2000278901 A JP 2000278901A JP 2000278901 A JP2000278901 A JP 2000278901A JP 2001114551 A JP2001114551 A JP 2001114551A
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
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    • E04C2/00—Building elements of relatively thin form for the construction of parts of buildings, e.g. sheet materials, slabs, or panels
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    • Y02W30/91—Use of waste materials as fillers for mortars or concrete

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高性能コンクリート、目地材、接合化
合物等と置換可能であるバッキングボードあるいはパネ
ルのような建築材に使用され、硬化可能な硫酸カルシウ
ム、好ましくは半水化物、ポルトランドセメント、細か
に分割されたポゾラン材料、石灰、凝固体、オプション
として他の添加剤を含む配合物を提供する。 【解決手段】 組み合わされた硫酸カルシウム、ポルト
ランドセメント、ポゾラン材料及び石灰（セメント質結
合剤）に対する凝固体の容積比が２／１に等しいかまた
はそれ以上になるように構成されてなる。この配合物か
ら作成されるパネルは、良好な寸法安定性を示し、特に
水に晒されるとき有用である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は建築材の分野、特に
石膏・セメントで作られるボード、パネル、パッチング
材、目地材等に関する。このような材料はセメントより
石膏を多く含み、耐水性及び強度が良好である。
【０００２】
【従来の技術】石膏及びポルトランドセメント（全体を
以下、セメントと呼ぶ）は建築材として周知である。石
膏（硫酸カルシウム二水化物）は表面にペーパが張られ
平滑な面及び強度を与える広く知られたウォールボード
の主成分である。セメントはコンクリート構造物の場合
のように硬度、耐水性及び耐久性が望まれる各種の用途
に使用され得る。セメントはまた硬度及び耐水性が重要
である建築パネルに使用される。
【０００３】石膏は一般に硫酸カルシウム半水化物を迅
速に水和処理することにより生成され、一方ポルトラン
ドセメントは主に珪酸カルシウム及びアルミン酸ミネラ
ルを比較的緩徐に水和処理することにより効果を表す。
従って硫酸カルシウム半水化物をセメントに加えると、
その混合物は直ちに硬化するので、セメントを含むパネ
ルを製造する設備の生産性が改良されるという利点があ
る。一方石膏は幾分水溶性であり、石膏及びセメントを
含む混合物はセメント単体ほどあるいは少量の石膏を含
むセメントほど耐水性は高くない。更に、石膏はセメン
トの成分の一、即ちトリカルシアム・アルミネート（３
ＣａＯ．Ａｌ２Ｏ３、またはＣ３Ａと略示する）と反応
して、エットリンガイト［３ＣａＯ．Ａｌ２Ｏ３．（Ｃ
ａＯ．ＳＯ３）３．３２Ｈ２Ｏ、またはＣ６ＡＳ３Ｈ
３２と略示］が生成され、これにより膨張を引き起こし
て亀裂を生じ不都合であることが周知である。エットリ
ンガイトがパネル製造工程中、初期の段階に生じ（一次
エットリンガイトと呼ばれる）硬化が早くなり、早期に
機械的強度が得られるので、エットリンガイトの生成は
有用である。一方一度石膏とセメントの混合物が凝固す
ると、エットリンガイトの生成（二次エットリンガイト
と呼ばれる）が一般に不都合である。従って石膏とセメ
ントの生成物内に二次エットリンガイトが生成されるこ
とを防止する努力がなされてきた。これは内部「硫酸
塩」作用が石膏ＣａＳＯ４．２Ｈ２Ｏのトリカルシアム
・アルミネート及び水との反応であり、エットリンガイ
トが生成されるので、硫酸塩作用を防止することを示し
ていた。トリカルシアム・アルミネートは良水溶性であ
り、セメントは溶解されたＣ３Ａと反応する少量の石膏
を含むことが多い。高いアルミナ成分は必ずしも、アル
ミナを含む化合物の反応性が全アルミナ成分よりより重
要であり、セメントが硫酸塩作用を受けることにはなら
ない。
【０００４】エットリンガイトの生成を制限する顕著な
方法は「ポゾラン」材料を加えることにあった。一般に
ポゾラン材料はＡＳＴＭ Ｃ６１８−９７により「それ
自体セメント値はゼロあるいは殆どゼロであるが、細か
く分割された状態で且つ水分の存在下で通常温度で水酸
化カルシウムと化学的に反応してセメント特性を有する
化合物を生成する珪質あるいは珪質及びアルミナ材料」
として定義される。あるポゾラン材料の場合、材料が細
かいほど、ポゾラン活性度が大きくなる。またアモルフ
ァス材料は大きなポゾラン活性度を有するものと考えら
れる。シリカヒュームのような細かに分割されたアモル
ファスシリカは大きなポゾラン活性度を有することが判
明している。関連する材料であるマイクロシリカはシリ
カヒュームよりより多くのポゾラン性を示す。砂のよう
な大きな粒径を有する結晶シリカは大きなポゾラン活性
度を有するものと考えられない。細かに分割されたとき
ポゾランと呼ばれた他の天然材料は軽石、パーライト、
珪藻土、凝灰石、トラッス等を含む。人造ポゾラン材料
はメタカオリン、マイクロシリカ、シリカヒューム、顆
粒状に粉砕された噴射炉スラグ、及びフライアッシュを
含む。
【０００５】ポゾラン活性度の差は成分の化学的反応性
に関連する。即ちポゾラン材料内のシリカあるいはアル
ミナの量はそれらが含まれる形態ほど多くはない。この
文献は天然あるいは人造のポゾランの処理に使用される
温度によりその製品が活性ポゾランであるか否かが決ま
るものとしている。従ってシリカがその処理により活性
化されるならば、シリカ成分は高くする必要はない。同
様にポゾラン材料のアルミナ成分は重要であると考えら
れた。一方アルミニウム成分が反応性でなければ、高い
アルミナ成分は殆ど影響を与えない。例えばメタカオリ
ンが少量のシリカ及びシリカヒュームより多いアルミナ
を含むが、本願の発明者によりメタカオリンで作られた
製品の機械的性能が優れることが判明した。同様に噴射
炉スラグ少量のシリカを含むが、フライアッシュより活
性度が大きい。シリカおよびアルミナを含む材料のポゾ
ラン活性度はポゾラン特性が好適なテストにより有効に
されるまで単に可能性として考えるべきであるとされ
た。
【０００６】米国特許第４，４９４，９９０号におい
て、アルファ石膏（アルファ半水化物）及びポルトラン
ドセメントの混合物に対しポゾラン材料を加える効果を
開示している。この場合ポゾラン材料が有用であるとし
た「硫酸塩反応性要素」を用いた。この硫酸塩反応性要
素には存在するセメントの各種の成分量及びポゾラン材
料、石膏及びセメントの相対量を知る必要がある。更に
詳しくは、この米国特許の配合物は２５〜６０重量％の
セメント、４０〜７５重量％の硫酸カルシウム半水化物
（通常アルファ形態）、及び３〜５０重量％のポゾラン
を含み、シリカヒュームの硫酸塩反応性要素は１２重量
％含み、シリカヒュームの硫酸塩反応性要素は１２重量
％より小さい。
【０００７】１９９５年ジャーナル「セメント及びコン
クリート研究」第２５巻、第４号、ページ７５２〜７５
８の記事において、焼成ホスホジブサム、フライアッシ
ュ、水化石灰及びポルトランドセメントで作成された結
合剤に関する研究について説明されている。
【０００８】同じジャーナルの１９９８年、第２８巻、
第３号、ページ４２３〜４３７には、石膏、ポルトラン
ドセメント及びシリカヒュームの混合に関する研究が説
明される。このような混合は石膏（初期での硬化、初期
での高い強度、高い加工性）及びセメント（湿潤条件下
での高い耐久性）の利点を有することができ、石膏及び
ポルトランドセメントが反応するときに生成されるエッ
トリンガイト及びソーマサイトが有害ではないことが述
べられている。「石膏」は往々にしてこの場合のように
半水化物を指すことに留意する必要がある。
【０００９】ジャーナル「セメント研究の進歩」、１９
９４年、第６巻、第２３号、ページ１０９〜１１６に同
様の配合物について記述されている。石膏、ポルトラン
ドセメント、及び９２より高い重量％を有するシリカヒ
ュームの混合物をテストし、改善された湿潤強度は「エ
ットリンガイト生成物を減少し、石膏結晶がＣＳＨによ
り導入されたマイクロ構造を形成することにより得られ
る」ことに注目した。ＣＳＨはその分野で通常使用され
る略語であり、ポルトランドセメントの主成分をなす珪
酸カルシウム水化物を指している。
【００１０】高い初期強度のセメントがユナイテツド
ジプサム カンパニーの所有する米国特許第４，３５
０，５３３号に開示される。この高い強度は、高いアル
ミナセメントと硫酸カルシウムを含む混合物（有用とい
われる石膏を含むすべての形態）から実質的な量のエッ
トリンガイトを形成することにより得られた。フライア
ッシュ、モントモリロライトクレー、珪藻土及び軽石の
ようなポゾラン材料はオプションとしての成分であり最
大約２０％のセメントと置換できると考えられた。これ
に関連した同じ譲受人の所有する米国特許第４，４８
８，９０９号がある。
【００１１】欧州特許第２７１，３２９号では、７０％
のエットリンガイトと最大３０％のＣＳＨを含む配合物
がＣａＳＯ４を含む「非周知材料」を用いて作成されて
いる。
【００１２】米国特許第４，６６１，１５９号には、ア
ルファ硫酸カルシウム半水化物（アルファ石膏）、ベー
タ硫酸カルシウム半水化物（ベータ石膏）、フライアッ
シュ、及びポルトランドセメントを含む床下敷配合物を
開示される。
【００１３】米国特許第５，４３９，５１８号には、反
応してセメントを生成する最大３０％のＣａＯを含むフ
ライアッシュからなる配合物を開示されている。別の実
施形態として最大２０％のポルトランドセメントが追加
可能である。
【００１４】米国特許第５，６８５，９０３号及び第
５，７１８，７５９号には、２０〜７５重量％の硫酸カ
ルシウムベータ半水化物、ポルトランドセメント、ポル
トランドセメントとフライアッシュの混合物、ポルトラ
ンドセメントと粉砕噴射スラグの混合物及びその混合物
からなる群から選択される１０〜５０重量％のセメン
ト、４〜２０重量％のシリカヒューム、及び１〜５０重
量％のポゾラン凝固体を含む配合物が開示されている。
凝固体はポルトランドセメントより大きい、即ち４５ミ
クロンより大きな平均粒径を有するものとされている。
凝固体は活性ポゾラン材料であるシリカヒュームと対比
し、約０．１〜０．３ミクロンほどの極めて小さな粒径
を有する。配合物は、砂、クレー及び炭酸カルシウムの
ような非ポゾランと考えられる凝固体を使用した同様の
配合物と比べ、耐水性が向上され圧縮強度が高いとされ
ている。
【００１５】米国特許第５，８５８，０８３号では、シ
リコン製造から作成されるシリカヒュームの配合物は所
望の結果をえるために重要であると説明されている。最
大アルミナ成分は０．６重量％であり、最少アモルファ
スシリカは９２重量％であるると考えられている。
【００１６】配合物の強度に関し凝固体が持つポゾラン
活性度に寄与する効果は、粒子の形状、サイズ、等級、
機械的充填度、粗さ、吸水性ような他の要素に関連す
る。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】シリカヒューム及びポ
ゾランは各種特性を与えるためのセメントの一部に対す
る置換物が提供されているが、潜在的にポゾランとして
分類される材料を追加しても、必ずしも強度は大きくな
らない。セメント及びコンクリート研究、１９９０年、
第２０巻、ページ８８４〜８９０、「軽量凝固体の反応
性」と題した出版物で、約５０〜６０重量％のシリカ成
分および１７〜２７重量％のアルミナ成分を有する発泡
クレー及びフライアッシュ凝固体が提案された。この発
泡クレー及びフライアッシュ凝固体は約４，０００ｃｍ
２／ｇのブレイン（ｂｌａｉｎｅ）粉末度まで粉砕さ
れ、従って反応性は凝固体として使用される場合に比べ
大きく高められるものとされている。それにもかかわら
ず粉砕された凝固体は実際非反応性であり、「セメント
ペーストと軽量凝固体との間のポゾラン反応の大きな効
果は予想すべきでない」と結論された。上記の凝固体を
燃焼する温度のコンクリート圧縮強度に対する効果が研
究され、「低いレベルのポゾラン反応性は凝固体の製造
工程中ミネラル化合物の再結晶の結果である」とした。
これに対しシリカヒュームは大きな反応性を示した。シ
リカヒュームは粉末度が高く（１９．８ｍ２／ｇ）、９
１．７重量％のＳｉＯ２ａｎｄ０．２重量％のＡｌ２Ｏ
３を有している。
【００１８】エイ・ゴールドマン及びエイ・ベンターに
より提案された構成は化学反応性ではなくマイクロ充填
剤としての作用可能性に関するコンクリート強化の効果
を発見した。「シリカヒュームあるいは非反応性マイク
ロ充填剤を含むセメント組織」、Ａｄｖｎ Ｃｅｍ Ｂ
ａｓ Ｍａｔ，Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ社、
１９９４年、［１］ページ２０９〜２１５に記述され
る。
【００１９】上述したように、他の実験では本願の発明
者による問題の解決法が示されていない。即ち水が予想
される用途で使用されるパネル、例えばセラミックタイ
ル、下敷等を支えるパネルのようなパネルで、石膏をセ
メントと置換する方法である。現在ではセメント成分の
多いパネルが使用されるが、パネルは重くコスト高であ
り、このため必要な耐水性を有する軽量なパネルが望ま
れる。一方このようなパネルの他の重要な特性は、水の
存在下でパネルが膨張してタイル、ジョイント、取付
具、スタッド等の他の部材の歪容量を超えないことにあ
る。タイル、パネル、ジョイントは亀裂が生じると水が
侵入してその材料が劣化してしまう。一般に石膏あるい
はセメントで作られる材料内の水が膨張すると、セメン
トは大すぎて許容されない。本発明はこの問題の解決
法、即ち水と接触すると僅かに膨張するが他の部材の歪
容量を超えないような軽量で耐水性のパネルの製造法が
提供される。
【００２０】
【課題を解決するための手段】本発明は硬化可能な硫酸
カルシウム、特に硫酸カルシウム半水化物、ポルトラン
ドセメント、ポゾラン材料、石灰と、水に浸漬したとき
の性能が際立つと判明している凝固体とのセメント混合
物を採用する建築材に関する。硫酸カルシウム，ポルト
ランドセメント，ポゾラン材料及び石灰に対する凝固体
の容積比は２／１に等しいかそれ以上にされる。
【００２１】配合物は多くの実施形態で選択した成分の
特性により変化するが、硬化可能な硫酸カルシウム（例
えば半水化物）は約２５〜８０重量％程度、ポルトラン
ドセメントは約１０〜６０重量％程度、またポゾラン材
料は代々４８重量％程度存在し、石灰は反応して結合剤
を形成する混合物のセメント成分の約５重量％より少な
くされる。凝固体はセメント成分と考えていない。各種
の凝固体が使用可能であり、好ましい凝固体は軽量の焼
成シェールである。
【００２２】ポゾラン材料は好ましくはシリカヒューム
あるいは、メタカオリンあるいは粉砕したか粒状の噴射
炉スラグの細かな粒子である。メタカオリンはシリカヒ
ュームに対し圧縮強度を増加させることが判明してお
り、従ってある実施形態において本発明は凝固体を含む
必要のない、カルシウム半水化物、ポルトランドセメン
ト及びメタカオリンの配合物に関する。
【００２３】本発明の数実施形態では、１あるいはそれ
以上の以下の添加剤、即ち塩化カルシウムのようなポル
トランドセメント、ポリナフタレンスルホネートのナト
リウム塩のような超可塑剤、硫酸カルシウム半水化物の
ような石膏の促進剤、ジエチレントリアミンペンタアセ
ト酸、グリコール及び安定したフォームのような遅延剤
が含まれる。
【００２４】１実施形態において本発明は上述した配合
物を含む建築用パネルである。このパネルはその片面あ
るいは両面に硬化した配合物に対し機械的な支承及び曲
げ強度を与えるスクリム面補強部を有する。このパネル
は水に晒されても線形膨張が極めて小さく、セメントタ
イルあるいは他の用途のバック支承ボードとして前に採
用された重いセメントパネルと置換可能である。
【００２５】
【発明の実施の形態】セメント及び石膏化学で生じる反
応は上述したように多数提案され、当業者には周知であ
る。以下の説明には図示の実施形態の説明に加え一般的
な背景情報を含んでいる。
【００２６】石膏：石膏は天然材料、硫酸カルシウム二
水化物ＣａＳＯ４．２Ｈ２Ｏ（以下特に記さない場合
「石膏は硫酸カルシウムの二水化物形態を示す」であ
る。鉱山から発掘された後の生の石膏は熱処理されて硬
化可能な無水な硫酸カルシウムが生成されるが、より通
常には半水化物ＣａＳＯ４．１／２Ｈ２Ｏである。周知
の最終用途において、硬化可能な硫酸カルシウムは水と
反応し二水化物（石膏）を形成して凝固する。半水化物
は２個の認識された形態物である、アルファ及びベータ
半水化物を有する。これらの半水化物はそれらの物理的
性質により各種の用途に対し選択される。水和処理の際
アルファ半水化物は石膏の矩形側部を有する結晶を発生
させことを特徴とし、一方ベータ半水化物は水和処理し
て石膏のニードル形状の結晶を形成し、通常大きなアス
ペクト比を有することを特徴とする。本発明において
は、所定の機械的性能によりアルファあるいはベータの
形態の一方あるいは両方が使用される。ベータ形態はよ
り租いマイクル構造を形成し、低い密度の製品に対し好
ましい。アルファ半水化物はベータ半水化物と置換され
ると強度及び密度が増加し、アルファ半水化物とベータ
半水化物とが組合されて特性を調整可能であることは以
下の実験例から明らかになろう。
【００２７】セメント：セメントは一般に、水和処理に
より硬化して硬質製品となる石灰、アルミナ及びシリカ
の混合物を指し、本発明に関する特定のセメントはポル
トランドセメントである。このセメントには上述した成
分及び鉄酸化物が含まれる。ポルトランドセメントは４
個の主な相、即ちトリカルシアムシリケート（３Ｃａ
Ｏ．ＳｉＯ２，あるいはＣ３Ｓとも呼ばれる）、ジカル
シアムシリケート（２ＣａＯ．ＳｉＯ２，あるいはＣ２
Ｓとも呼ばれる）、トリカルシアムアルミネート（３Ｃ
ａＯ．Ａｌ２Ｏ３，あるいはＣ３Ａとも呼ばれる）、及
びテトラカルシアムアルミノフェライト（４ＣａＯ．Ａ
ｌ２Ｏ３．Ｆｅ２Ｏ３，あるいはＣ４ＡＦとも呼ばれ
る）からなる。これらの主な相は石灰石及びクレーを点
火することにより作成される。少量の他の化合物、例え
ば硫酸カルシウム及びアルカリ硫酸塩、カルシウム酸化
物、およびマグネシウム酸化物の複塩が存在する。
【００２８】ポルトランドセメントには認識された複数
のクラスが存在し、特にＡＳＴＭタイプＩ〜Ｖが存在す
る。関連するクラスはＡＳＴＭタイプＩＰ，ＩＳ及びタ
イプＣ（低いＣ３Ａ成分を有するオイルウェルセメン
ト）のような他の種類の低いカルシアムアルミネートセ
メントである。本発明のためにはこれらクラスのいずれ
も有用であると考えられる。タイプＩＩＩポルトランド
セメントは迅速な初期強度が求まれる場合好ましい。タ
イプＶ、ＩＰ、ＩＳ及びＣは硫酸塩作用の危険を低減す
るに有用である。特にタイプＩ、ＩＩＩ、Ｖ、ＩＰ、Ｉ
Ｓ及びＣＫが好ましい。
【００２９】凝固体：この用語はポルトランドセメント
のような結合剤を含む配合物に使用される砂、粉砕石、
等の粒子に使用される。粒子のサイズ及び等級、粒子の
面形態、吸水性、化学相溶性、及び反応性は特定配合物
の性能に影響を与えるものと考えられる。本発明では凝
固体とセメント結合剤との容積比は少なくとも２／１で
ある。一般に本発明に使用された凝固体の粒径は２０μ
ｍより小さな約５重量％のみに制限する必要がある。最
大粒径は製品の厚さに左右される。例えばパネルの厚さ
が０．５インチ（１２．７ｍｍ）の場合、最大粒径は
４．７５ｍｍより小さい（即ち約４メッシュくしを通過
可能なもの）。上述のように一部の凝固体はＡＳＴＭ
Ｃ６１８−９７のようなテストにより定義されるような
ポゾラン活性を示す。′９０３特許では、配合物に使用
された凝固体はポゾラン活性を有することが要求され
る。テストはどの凝固体が活性であるかを定義するよう
提案されていない。スタブ等は軽石及び中空の珪質球が
ポゾランであるものと考え、炭酸カルシウム、砂及びあ
る種のクレーは非ポゾランであるといえる。本発明では
両方の種類の凝固体がセメント配合物に有用であること
が判明した。好ましくはＡＳＴＭＣ６１８−９７に従っ
て非ポゾランとして分類される発泡シェールあるいは他
の珪質粒子を使用する。
【００３０】上述したように、ポゾラン活性はシリカ及
びアルミナ化合物の粒径及び化学的反応性を含む各種要
素に関連付け可能である。一般に本願の発明者はセメン
トあるいはポゾランに比べ比較的大きな粒子を有する大
半の凝固体が実質的に非ポゾラン特性を有し、配合物の
圧縮強度への影響は粒径、等級、表面形態、及び吸水性
のような他の要素に関連付けされるものと考える。
【００３１】ポゾラン材料：上述したように、ポゾラン
材料はＡＳＴＭ Ｃ６１８−９７に「ゼロあるいはほと
んどゼロのセメント値を有するが、細かに分割された形
態で水の存在下では通常の温度で水酸化カルシウムと反
応してセメント特性を有する化合物を形成する珪質ある
いは珪質およびアルミナ質材料」と定義される。ＡＳＴ
Ｍ Ｃ３１１，セクション２６−３０，第０４．０２巻
には、テスト混合物の圧縮強度の規準混合物に対する比
として定義される強度活性指数を測定したテスト法が開
示されている。テスト混合物では、２０％のセメント質
量がポゾラン活性に関し測定されている材料と置換され
る。実際上のテストはテスト中の材料がセメントと置換
可能か否かを決定する。
【００３２】本発明のセメント配合物の成分の１はシリ
カヒューム、メタカオリン、顆粒状に粉砕された噴射炉
スラグ、あるいは微粉砕されたフライアッシュのような
細かに分割されたポゾラン材料である。一般に平均粒径
はブレイン表面積が約２０００ｃｍ２／ｇより大きな代
表的なポルトランドセメントの平均粒径より小さい。ポ
ゾランが等価な性能を与える量使用される場合、他の認
識されたポゾランが含まれる。シリカヒュームは高温誘
導炉内でシリコン金属及びフェッロシリコン合金の製造
の副産物として形成される。一方メタカオリン、顆粒状
に粉砕された噴射炉スラグあるいは微粉砕されたフライ
アッシュは極めて低いシリカ成分及び大量のアルミナを
有しているが、有効なポゾラン材料にすることができ
る。
【００３３】本発明における特定値を有するポゾラン材
料はメタカオリンである。凝固体の存在の有無に関係な
く硫酸カルシウム半水化物及びポルトランドセメントの
混合物の圧縮強度が増加されることが判明した。更にメ
タカオリンにより混合物の容積安定性が向上される。従
って凝固体とセメントとの比が同じ場合、水中での収縮
及び膨張の両方がシリカヒューム混合物より小さい。従
ってメタカオリンにより強度が増加され同じ線形移動が
減少され、また同じ線形移動の場合凝固体が少なくて済
むので、メタカオリンは特に有用であるものと考えられ
る。カオリンは約４０重量％のアルミナ成分と５０〜６
０重量％のシリカ成分とを有する珪酸アルミニウムであ
る。メタカオリンは天然クレーを処理したものである。
【００３４】顆粒状に粉砕された噴射炉スラグは鉄鉱石
溶融の副産物であり、カルシウム＋アルミナとシリカと
の比があるレベルを越えるとき、ポゾラン活性を有する
ものと考えられる場合が多い。このようなスラグもまた
比較的高い量のアルミナを含んでいる。
【００３５】微粉砕されたフライアッシュは粉砕石炭の
燃焼から回収される細かに分割された材料である。フラ
イアッシュは石炭の無機蒸留から得られる、アルミニウ
ム、シリコン及び他の元素からなる比較的大量の無機化
合物を含んでいる。
【００３６】配合物：本発明の配合物には主に５成分
が、即ち半水化物のような硬化可能な硫酸カルシウムを
含む結合剤と、ポルトランドセメントと、シリカヒュー
ム、メタカオリン、顆粒状に粉砕された噴射炉スラグあ
るいは微粉砕されたフライアッシュのようなポゾラン材
料と、石灰と、凝固体とが含まれる。凝固体をのぞく反
応性材料はセメント質であると呼ばれる。本発明の１実
施形態では、凝固体が存在しない場合でもポゾラン材料
としてメタカオリンを含むセメント質配合物が提供され
る。特定用途では、セメント質成分は塩化カルシウムの
ようなポルトランドセメントに対する最大２重量％の促
進剤、ポリナフタレンスルホネートのナトリウム塩のよ
うな最大約１．８重量％の超可塑剤、硫酸カルシウム二
水化物のような石膏に対する約０．３〜２．０重量％の
促進剤、ジエチレントリアミンペンタアセト酸（ＤＴＰ
Ａ）、酒石酸あるいは酒石酸のアルカリ塩のような最大
約０．０８重量％の遅延剤、グリコール及びセメント質
材料の混合物からなる使用される水量に基づく約２〜７
重量％の収縮低減剤、及び凝固体及び結合剤の重量を軽
減する最大約７５容積％の安定発泡体の多くの他の可能
な添加剤と混合される。
【００３７】硬化可能な硫酸カルシウムは無水、あるい
はより代表的には一部水和処理されたアルファ若しくは
ベータ半水化物であり、ベータ半水化物はアルファ半水
化物に比しローコスト及び密度のため機械的特性が幾分
低くされる多くの用途で選択される材料である。一般に
主成分がそれほど高くないので、硬化可能な大量の硫酸
カルシウムを使用することが好ましい。一方固有な特性
を与えるために相当の量のポルトランドセメントが必要
である。多くの好ましい実施形態では、硬化可能な硫酸
カルシウム、例えば半水化物がセメント材料、即ち存在
する硫酸カルシウム半水化物、セメント、ポゾラン材料
及び石灰の全部に対し約５０〜８０重量％存在する。
【００３８】ポルトランドセメントは上述したタイプの
任意のものにすることができる。初期強度発生に対して
は特にポルトランドセメントＡＳＴＭタイプＩＩＩが選
択される。タイプＩＰあるいはＩＳの混合セメントは、
製造を簡素化しコストを低減するので、価値がある。低
いＣ３Ａ（トリカルシアムアルミネート）セメントが望
まれる場合、タイプＶ及びＣが使用できよう。多くの混
合物では、ポルトランドセメントは所望な湿潤強度によ
り例えば約１０〜６０重量％存在する。ポルトランドセ
メントは硫酸カルシウム半水化物より大幅に高価である
ので、一般にセメント材料の約４０重量％を超えないよ
う含まれるポルトランドセメント量を制限することが好
ましい。ポゾラン材料の量はトリカルシアムアルミネー
トの量に対し関連付けされる。ポルトランドセメント成
分が増加しこれに伴いトリカルシアムアルミネートが増
加すると（比較的高価な）ポゾラン材料の量が多く必要
となる。ポルトランドセメントは極めて少量のトリカル
シアムアルミネートを含んでいる場合良好に使用でき
る。
【００３９】ポゾラン材料（例えばシリカヒューム、メ
タカオリン、顆粒状に粉砕された噴射炉スラグあるいは
微粉砕されたフライアッシュ）はポルトランドセメント
成分、存在するトリカルシアムアルミネート量、及び製
品の所望強度により、最大４０重量％使用され、代用的
には硬化可能な硫酸カルシウム、セメント及び石灰の混
合物が例えば約６〜３５重量％、好ましくは１０〜２３
重量％含まれる。一方ポルトランドセメントが５〜６重
量％より少ないカルシアムアルミネートを含んでいる場
合、ポゾラン量は提案される範囲より低くなろう。低い
レベルのトリカルシアムアルミネートを含むポルトラン
ドセメントが使用される場合、ポゾランは省略できる。
一方反応性の低いポゾランが使用される場合、必要な量
は提案される範囲より大きくなる。メタカオリン及びシ
リカヒュームのような好ましいポゾランは硫酸カルシウ
ム半水化物やポルトランドセメントより高価であるの
で、通常必要なときにのみ使用されよう。
【００４０】石灰Ｃａ（ＯＨ）２はセメント材料の約５
重量％より低い少量追加される。
【００４１】使用される凝固体は周知な材料から選択さ
れる。凝固体は充填剤として考えられ、製品の強度への
影響はセメント材料との化学的反応から生じるのではな
く実質的に物理的であると考えられるので、ポゾランで
ある必要はない。特定の配合物に使用される量は必要な
製品性能を満足するように選択されるが、例えばタイル
用のバッキングボードにおいて水の存在下で線形膨張が
重要である場合、凝固体のセメント結合剤に対する容積
比は少なくとも２／１にする必要がある。特に生の材料
を熱により膨張させる周知の処理法により得られるもの
のような軽量焼成シェールが好ましい。粒径は一般に約
４ｍｍと２０μｍとの間にある。好ましくは僅か５重量
％は２０μｍより小さい。上述したように他の元素の歪
容量限界より水の膨張を小さくする必要がある場合、使
用する凝固体の量は重要であることが判明した。硫酸カ
ルシウム半水化物、セメント、石灰及びポゾラン材料の
セメント質混合物に対する凝固体の量は、当業者には周
知の現地容積測定法から決定されるように、各１．０容
積％のセメント質混合物に対し少なくとも約２．０容積
％にする必要があることは図１から明らかであろう。凝
固体のセメント質混合物に対する容積比が２／１より大
きい場合、水内での配合物の膨張は更に減少される。製
品の容積安定性のこの改良は少なくとも３個の要素に関
連付けされるものと考えられる。凝固体はセメント質材
料の収縮及び膨張を制限するよう機能し、亀裂の進行を
押さえ、セメント質材料の相対量を減少させ得る。
【００４２】建築材：本発明のセメント質配合物はバッ
キングボード、構造部材、摺動体等を含む（しかしこれ
らに限定されない）多くの用途を有している。
【００４３】重要な１実施形態においては、セメント質
材料はセメントバッキングボードのような各種の用途の
耐水性パネルとして製造可能である。このような用途で
の線形膨張は、タイル、パネル自体あるいは目地材の亀
裂を避けるため、制限される必要がある。このようなパ
ネルは曲げ荷重に対する抵抗性を向上させる表面材が必
要とされる。代表的にはこれは、各パネルの面上にグラ
スファイバ製のスクリムを設けることにより達成され
る。
【００４４】本発明の配合物を用いてのこのようなパネ
ルの製造法を以下に簡単に説明する。硬化可能な硫酸カ
ルシウム、好ましくは半水化物、例えばベータ半水化物
がポルトランドセメント、例えばタイプＩＩＩ及び活性
ポゾラン（例えばシリカヒューム、メタカオリン、顆粒
状に粉砕された噴射炉スラグあるいは微粉砕されたフラ
イアッシュ）、及び石灰と混合され、セメント質混合物
が作成される。セメント質混合物は次に凝固体、例えば
焼成シェール、熱水、超可塑剤及び他の添加剤と混合さ
れて、所望の流動性および硬化時間が得られる。混合物
は更に密度を減少させるよう発泡可能である。加工可能
なスラリがグラスファイバスクリムを有する剥離紙上に
上から注がれる。第２のスクリムが混合物の上に置かれ
所望の深さまで埋め込まれる。このような方法は移動す
るコンベアペルト上に所定のサイズの形態で代表的商業
プラチティスにより実施される。混合物の強度が十分な
レベルになった後、所望のパネルサイズに切断され移動
され、十分な時間の間保管されて、硬化工程が完了され
る。
【００４５】実験例１：硫酸カルシウム半水化物、ポル
トランドセメント、シリカヒューム（細かに分割された
活性ポゾラン材料）、及び少量の石灰の組み合わせた容
量に対し使用される凝固体の容積の影響を示すために一
連の配合物を作成した。テストされる配合物が表１に要
約して示される。
【００４６】
【表１】
【００４７】表１の主成分に加え、各配合物に通常含ま
れる少量の添加剤を表２に示した。
【００４８】
【表２】
【００４９】セメント質材料及び凝固体のスラリを作成
するために使用される水量は、５つのテストのそれぞれ
に対し一定の流動度を与えるため変えた。テストでの成
分の相対容積が表３に示される。凝固体量が増加しセメ
ント質材料が減少するにつれ、所定量の水が減少するこ
とに留意する要がある。
【００５０】
【表３】
【００５１】スラリは１／２インチｘ１２インチｘ３３
インチ（１２．７ｘ３０４．８ｘ８３８．２ｍｍ）の形
に注いでボードにし、表面をグラスファイバスクリムで
補強した。このボードはストレッチラッププラスチック
シートで被覆し水分損失を防止し、７日間室温で硬化す
ることにより、密封した。硬化後サンプル１／２インチ
ｘ４インチｘ１２インチ（１２．７ｘ１０１．６ｘ３０
４．８ｍｍ）が作成され、膨張及び収縮の規準点として
機能する約１０インチ（２５４ｍｍ）離れた対をなす金
属ボタンをサンプルの両側に接着した。
【００５２】サンプルを温度５５℃で４日間オーブン内
に置き、すべての蒸発可能な水分を除去し、次に最大６
０日の期間水中に浸漬した。この結果が図１に示され
る。オーブンによる乾燥により収縮し水中浸漬により膨
張した。
【００５３】凝固体を加えると水浸漬による線形膨張が
減少されることは理解されよう。凝固体のセメント質材
料の容積比が増加するに伴い、線形膨張は急激に減少し
た。好ましくは凝固体のセメント質材料に対する容積比
は２／１あるいはそれ以上であり、水に晒すと、線形膨
張が最小にされた。容積比をより高くすることは利点で
あるが、約５／１の容積比を超えるとボードの製造が困
難となりセメント質ペーストの接着特性が劣化される。
【００５４】実験例２：７８ポンド／フィート３（１２
４８ｋｇ／ｍ３）以下の湿潤密度を有する軽量パネルを
製造した。実験例１で説明された場合のようにこの配合
物を混合し、７日間かけて自然硬化し、次にパネルに切
断した。グラスファイバスクリムを両面に補強材として
使用した。この配合物は表４に示される。凝固体のセメ
ント質材料に対する重量比は１．１／１であり、容積比
は２．０５／１であった。
【００５５】
【表４】
【００５６】実験例１に説明最ように、パネルから採取
したサンプルを４日間５５℃のオーブン内に置いて蒸発
可能なすべての水分を除去し、次に最大６０日間水中に
浸漬し、線形移動の変化を周期的に測定した。この結果
を図２に示される。水中に置かれるとパネルは膨張され
たことは理解されよう。約１４日後膨張が停止し、更に
大きな寸法的変化がないことを示した。最大膨張は約
０．１０％であり、これは耐水性パネルにとって好適で
あった。亀裂、割れ、はがれのような有害現象は観察さ
れなかった。
【００５７】実験例３：実験例２のパネルから採った
（１／２インチｘ４インチｘ１２インチ）（１２．７ｘ
１０１．６ｘ３０４．８ｍｍ）のサンプルをＡＳＴＭ
Ｃ９４７に従って３点荷重の曲げ強さのテストをした。
荷重は３．３インチ（８４．６ｍｍ）離間された２ノー
ズ部材を経て加え、端部の近傍で１０インチ（２５４ｍ
ｍ）（スパン）離間させて位置決めした２支承部材間に
中心決めした。従って荷重は各支承部材から３．３イン
チ（８４．６ｍｍ）離して加えた。スパンのパネル厚さ
に対する比は約２０／１であった。破壊係数は４個のサ
ンプル配向のそれぞれに対し決定した。パネルは張力が
パネルの平滑側面あるいは粗い側面のいずれかの上に与
えらるように位置決めした。各側面ではパネルは縦方向
（ＭＤ：パネルが連続するパネル製造装置上で製造され
た）あるいはＭＤ方向と直交する方向（ＸＭＤ方向）で
支承部材上に配置した。テスト前に、サンプルは以下の
ように条件付けした。例えばサンプルを４日間オーブン
乾燥した後、４日間の水浸漬後、及び４日間のオーブン
乾燥＋２日間の水浸漬後製造した。ＭＤ方向及びＸＭＤ
方向でテストしたサンプルは平滑側面及び粗い面の両方
に対する破壊係数（ＭＯＲ）が平均化され、図３に示し
た。また平滑側面及び粗い面の両方でテストしたパネル
をＭＤ及びＸＭＤ配向に対し平均化した結果も伴示され
る。サンプルの曲げ強さは水により僅かに影響される
が、テスト中の面に対しては影響されなかったことが図
３から明らかであろう。この結果本発明の軽量パネルの
優れた性能が示されている。パネルは水浸漬後極めて小
さな線形膨張の上に、一様な曲げ強さを有している。従
ってパネルはセメントパネルに対する置換物として使用
され得よう。
【００５８】実験例４：本実験例ではシリカヒューム及
びメタカオリンは圧縮強度への影響に関し比較した。配
合物及び２インチ（５０．８ｍｍ）立方の乾燥及び湿潤
圧縮強度が表５に示される。
【００５９】
【表５】
【００６０】メタカオリンを含むサンプルの圧縮強度が
シリカヒュームを含むものより優れていたことが判明し
た。メタカオリンサンプルの粒径分布はシンパテックに
より測定され表６に示される。メタカオリンは代表的な
シリカヒューム（約０．１〜０．３μｍ）の粒径より大
きい（約１〜２０μｍ）粒径を有することが判明した。
このように大きな粒径はテストしたサンプルの多孔質特
性に匹敵する。またメタカオリン水化物製品はシリカヒ
ューム配合物の製品に比べ水充填間隙の全容積が減少さ
れ、従って強度が増加した。メタカオリンは４０重量％
より多くのＡｌ２Ｏ３と５６重量％より少ないシリカを
含んでいたことは理解されよう。従って米国特許第５、
８５８、０８３号の構成に比べ、高い圧縮強度を得るた
めに極めて純度の高いシリカ（９２重量％より高い）も
極めて低いアルミナ（０．６重量％より低い）も必要と
しないものと考えられる。
【００６１】
【表６】
【００６２】実験例５：配合物の圧縮強度が制御可能で
あることを示すため、硫酸カルシウム半水化物の全量を
同じに維持し、且つアルファ半水化物及びベータ半水化
物の比率を変えた５個の配合物が準備した。この配合物
をまとめて表７に示す。
【００６３】
【表７】
【００６４】サンプルは２インチ（５０．８ｍｍ）の立
方体に形成され、乾燥及び湿潤圧縮強度がサテックテス
トにより決定された。その結果は表８に示される。
【００６５】
【表８】
【００６６】本発明の配合物の強度がアルファ半水化物
及びベータ半水化物の量を変えることにより調整される
ことは理解されよう。
【００６７】実験例６：メタカオリンは凝固体の存在下
でもシリカヒュームに比べ圧縮強度が向上されることが
判明した。以下の配合物を比較のために準備した。これ
ら配合物は使用するポゾランの種類についてのみ変更す
る。
【００６８】
【表９】
【００６９】
【表１０】
【００７０】凝固体が含まれない場合ポゾランとしてシ
リカヒュームを含む配合物はメタカオリンを含む配合物
より圧縮強度が低いことは理解されよう。
【００７１】実験例７：メタカオリンの量を増加する
と、表１２に示すように凝固体を含む配合物の圧縮強度
が増大することが判明した。セメント質固形で５〜２０
重量％のメタカオリンを含む配合物が表１１に従って準
備された。
【００７２】
【表１１】
【００７３】２インチ（５０．８ｍｍ）立方体を各配合
物から作成し、室温で密封プラスチックバッグ内で７日
間硬化し、その後４日間５５℃でオーブン乾燥し、湿潤
及び乾燥の両方で上述した実験例の場合と同様にテスト
した。圧縮強度が表１２に示される。
【００７４】
【表１２】
【００７５】実験例８：ベータ半水化物ではなく硫酸カ
ルシウムアルファ半水化物が使用されることを除き、実
験例７と同様に反復した。セメント質固形の５〜２０重
量％のメタカオリンを含む配合物が表１３に示される。
【００７６】
【表１３】
【００７７】２インチ（５０．８ｍｍ）角の立方体を準
備し実験例７と同様にして浸漬及び乾燥強度をテストし
た。この結果が表１４に示される。
【００７８】
【表１４】
【００７９】実験例９：メタカオリンあるいはシリカヒ
ュームで作成したパネルの線形膨張を比較するため実験
例２を反復された。表１５に示すように３個の配合物を
準備した。
【００８０】
【表１５】
【００８１】実験例２の場合と同様にパネルをテスト
し、水中に浸漬した後線形膨張を測定した。その結果が
表１６に示される。
【００８２】
【表１６】
【００８３】３個のすべてのサンプルの膨張はパネルの
性能規準を満足したが、結果はメタカオリンで作成した
パネルの膨張が幾分小さく、従ってシリカヒュームで作
られたパネルの膨張より優れていることを示している。
【００８４】以上の実施形態の説明は幾つかの形態を詳
示したものであるがそれらに制限するものではなく、本
発明の範囲は以下の請求項により定まるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明による配合物で作成されたパネル
が水に浸漬されるときの、凝固体と、硫酸カルシウム半
水化物、ポルトランドセメント、ポゾラン材料（シリカ
ヒューム）及び石灰のセメント混合物との容積比、及び
膨張の関係を示すグラフである。
【図２】図２は実験例２の結果を示すグラフである。
【図３】図３は本発明のパネルの水浸漬に対する抵抗を
示す棒グラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ０４Ｂ 18:08 Ｃ０４Ｂ 18:08 Ｚ 14:10 14:10 Ａ 22:06 22:06 Ａ 22:12 22:12 18:14 18:14 Ｚ 22:06 22:06 Ｚ 24:02 24:02 24:12） 24:12） Ａ

Claims (24)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 （ａ）セメント質材料と（ｂ）凝固体と
    を備え、セメント質材料は（１）約２５〜８０重量％の
    硬化可能な硫酸カルシウムと、（２）約１０〜６０重量
    ％のポルトランドセメントと、（３）最大約０〜４０重
    量％の細かに分割されたポゾラン材料と、（４）５重量
    ％より小さいＣａ（ＯＨ）２とを含み、凝固体の（ａ）
    のセメント質材料に対する容積比が少なくとも約２／１
    である建築材に使用する配合物。
  2. 【請求項２】 （ｃ）ポルトランドセメント、ポゾラン
    材料及びＣａ（ＯＨ）２の重量に基づくポルトランドセ
    メント用の最大約２重量％の促進剤、（ｄ）セメント質
    材料に基づく最大約１．８重量％の超可塑剤、（ｅ）硫
    酸カルシウムの量に基づく石膏用の約０．３〜２．０重
    量％の促進剤、（ｆ）セメント質材料に基づく最大約
    ０．０８重量％の遅延剤、（ｇ）セメント質材料と共に
    使用される水量に対し約２〜７重量％のグリコール、
    （ｈ）最大約７５容積％の安定した発泡体からなる群の
    少なくとも１を備える請求項１記載の配合物。
  3. 【請求項３】 ポルトランドセメント用の促進剤が塩化
    カルシウムである請求項２記載の配合物。
  4. 【請求項４】 超可塑剤がポリナフタレンスルホネート
    のナトリウム塩である請求項２記載の配合物。
  5. 【請求項５】 石こう用の促進剤が硫酸カルシウム二水
    化物である請求項２記載の配合物。
  6. 【請求項６】 遅延剤がジエチレントリアミンペンタア
    セト酸（ＤＴＰＡ）、タルタリック酸、タルタリック酸
    のアルカリ塩からなる群から選択された一である請求項
    ２記載の配合物。
  7. 【請求項７】 ポゾラン材料がセメント質材料の約６〜
    ３５重量％存在する請求項１記載の配合物。
  8. 【請求項８】 ポルトランドセメントがＡＳＴＭタイプ
    Ｉ、タイプＩＩＩ、タイプＩＰ、タイプＩＳ、タイプＶ
    及びタイプＣからなる群から選択された一である請求項
    １記載の配合物。
  9. 【請求項９】 硬化可能な硫酸カルシウムがベータ半水
    化物である請求項１記載の配合物。
  10. 【請求項１０】 硬化可能な硫酸カルシウムがアルファ
    半水化物である請求項１記載の配合物。
  11. 【請求項１１】 硬化可能な硫酸カルシウムがアルファ
    半水化物とベータ半水化物との混合物である請求項１記
    載の配合物。
  12. 【請求項１２】 ポゾラン材料がシリカヒューム、メタ
    カオリン、顆粒状に粉砕された噴射炉スラグあるいは微
    粉砕されたフライアッシュである請求項１記載の配合
    物。
  13. 【請求項１３】 ポゾラン材料がシリカヒュームである
    請求項１２記載の配合物。
  14. 【請求項１４】 ポゾラン材料がメタカオリンである請
    求項１記載の配合物。
  15. 【請求項１５】 ポゾラン材料が顆粒状に粉砕された噴
    射炉スラグである請求項１２記載の配合物。
  16. 【請求項１６】 ポゾラン材料が微粉砕されたフライア
    ッシュである請求項１２記載の配合物。
  17. 【請求項１７】 凝固体が焼成シェールである請求項１
    記載の配合物。
  18. 【請求項１８】 凝固体には２０μｍより小さな粒子が
    約５重量％含まれる請求項１記載の配合物。
  19. 【請求項１９】 （ａ）パネルを構成する請求項１の配
    合物と（ｂ）パネルの各面に設けられるスクリムとを備
    えるパネル。
  20. 【請求項２０】 （ａ）パネルを構成する請求項２の配
    合物と（ｂ）パネルの各面に設けられるスクリムとを備
    えるパネル。
  21. 【請求項２１】 （ａ）（１）約５０〜８０重量％のベ
    ータ硫酸カルシウム半水化物、（２）約１０〜４０重量
    ％のタイプＩＩＩポルトランドセメント、（３）シリカ
    ヒューム、メタカオリン、顆粒状に粉砕された噴射炉ス
    ラグ及び微粉砕されたフライアッシュからなる群から選
    択された約６〜３５重量％の細かに分割されたポゾラン
    材料、（４）零より大きく５重量％より小さいＣａ（Ｏ
    Ｈ）２からなるセメント質結合剤と、（ｂ）凝固体と、
    （ｃ）（１）ポルトランドセメント、ポゾラン材料及び
    Ｃａ（ＯＨ）２の量に基づくポルトランドセメントに対
    する約２重量％の促進剤、（２）セメント質結合剤に基
    づく最大約１．８重量％の超可塑剤（３）ベータ硫酸カ
    ルシウム半水化物の量に基づく石膏に対する最大約０．
    ３〜２．０重量％の促進剤（４）セメント質結合剤に基
    づく最大約０．０８重量％の遅延剤（５）セメント質結
    合剤と共に使用される水量に対し約２〜７重量％のグリ
    コール（６）最大約７５容積％の安定した発泡体からな
    る群から選択される少なくとも１の添加剤とを備え、凝
    固体のセメント質結合剤に対する容積比が少なくとも２
    ／１であるパッキング用のパネル。
  22. 【請求項２２】 （ａ）約２５〜８０重量％の硬化可能
    な硫酸カルシウムと（ｂ）約１０〜６０重量％のポルト
    ランドセメントと（ｃ）最大約４０重量％のメタカオリ
    ンと（ｄ）５重量％より小さいＣａ（ＯＨ）２とを備え
    るパネル。
  23. 【請求項２３】 硬化可能な硫酸カルシウムがアルファ
    半水化物、ベータ半水化物及びその混合物からなる群か
    ら選択された一である請求項２２記載のパネル。
  24. 【請求項２４】 ＡＳＴＭＩタイプＩ、タイプＩＩＩ、
    タイプＩＰ、タイプＩＳ、タイプＶ、及びタイプＣから
    なる群から選択された一である請求項２２記載のパネ
    ル。
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Cited By (4)

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