JP2004196627A - セメントクリンカー組成物 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】セメントクリンカー組成物は、カルシウムアルミネートを主成分とし、Siをその構成成分とする融液相、好適には、Ca2Al2SiO7、Ca2MgSi2O7及びCa2Fe2SiO7の各相を頂点とする三元組成図(図1)に含まれる組成範囲の融液相を含有するものである。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、セメントクリンカー組成物に関し、特にSiが融液相の成分となってクリンカーが生成し、融液相量の調節が可能である、カルシウムアルミネートを主成分とするセメントクリンカー組成物に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、急硬性セメント、急結材、速硬性セメント、地盤改良材、マスキング材などに使用される急硬性クリンカー組成物としては、ジェットセメントクリンカー〔カルシウムシリケートを主成分とし、急硬性として11CaO・7Al2O3、CaF2を20〜30重量%含有するもの〕、アーウィン系クリンカー〔3CaO・3Al2O3、CaSO4を主成分とする〕、アルミナセメントクリンカー〔CaO・Al2O3を主成分とする〕などがある。
【0003】
しかし、従来の急硬性クリンカーでは、急硬性成分量が不足していたり、急硬性成分の特性により常温や低温での急硬性が劣っていたりという問題があった。
このような問題を解決するために、急硬性成分である12CaO・7Al2O3系カルシウムアルミネートを主成分としたクリンカーを溶解し、その後、これを急冷することによって非晶質C12A7を合成する方法も実用化されている。
このようにして作られたクリンカーは、急硬性の面からは優れた特徴を有しているものの、その製造に際しては高温においてクリンカーを溶解することから、電力費や設備費が高くなり、製造コストが高騰するという課題を有している。
【0004】
このような課題を解決する方法として、特許第2872867号ではFe2O3とCaF2によって、特許第3179702号ではFe2O3とCaF2およびTiO2によって低温融液相と高温融液相とを分離し、11CaO・7Al2O3、CaF2を高温融液相として固相生成させる方法が示されている。
【0005】
これらの方法は、速硬性成分である11CaO・7Al2O3、CaF2を高濃度で焼結合成する方法としては優れた方法であるが、クリンカー原料にSiが含まれる場合には、焼成時にカルシウムシリケート相やカルシウムアルミノシリケート相が固相として生成するため、焼成に必要な融液量を確保するのに制限を受ける。
また、カルシウムアルミノシリケート相は水硬性を有しないため、急硬性や強度の向上を考えた場合に排除されることが望ましい。
【0006】
また、従来クリンカー原料としては、Ca原料として石灰石、Al原料としてボーキサイトなどの天然鉱石が多く使われている。しかしながら、これらの天然鉱石の中には純度が低く、MgやSiを必要以上に多く含むものが存在している。
Mgを多く含む原料を使用した場合、目標とする強度が得られないという問題があった。
また、Al原料によっては、Si含有量が大きく変動することがあり、特にSi含有量が多いと、カルシウムシリケート相やカルシウムアルミノシリケート相が固相として生成する分、カルシウムアルミネート含有量が低下するという問題があった。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記事情に鑑みてなされたもので、カルシウムシリケート相及び/又はカルシウムアルミノシリケート相の生成を抑制し、Siが融液相の成分となってクリンカーが生成することを可能とし、その融液生成量を増加調節可能とすることにより、Si含有量が多くてもカルシウムアルミネート濃度が高いクリンカー組成物を提供することにある。
【0008】
また、本発明の他の目的は、Mg及びFeを積極的に利用することにより、融液生成開始温度を低下させ、融液生成量を増加させることにより、低温での焼成を可能とするクリンカー組成物を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、Ca,Al,Si,O,Fe,Mgを一定の組成範囲とすることにより、カルシウムシリケート相の生成を抑制して、Si成分を固溶体へと変化させて融液相とすることにより、融液生成温度を低下させてその生成量を増大させることができ、クリンカー組成物の低温での焼成を可能にすることができることを見出し、本発明に到った。
【0010】
即ち、本発明のセメントクリンカー組成物は、カルシウムアルミネートを主成分とし、Siをその構成成分とする融液相を含有するものである。
好適には、上記クリンカー組成物において、融液相は、Ca2Al2SiO7、Ca2MgSi2O7及びCa2Fe2SiO7の各相を頂点とする三元組成図に含まれる組成範囲の融液相であることを特徴とする。
【0011】
また、好適には、上記セメントクリンカー組成物において、カルシウムアルミネートは、12CaO・7Al2O3系であることを特徴とする。
更にまた、好適には上記クリンカー組成物において、カルシウムアルミネートは、40重量%以上の量で含有されることを特徴とする。
【0012】
【発明の実施の形態】
本発明を好適例により説明するが、これらに限定されるものではない。
本発明のセメントクリンカー組成物は、カルシウムアルミネートを主成分とし、Siをその構成成分とする融液相を含有するものである。
かかる融液相を用いることにより、カルシウムアルミネートを主成分とするクリンカーを低温で生成することが可能とすることができる。
【0013】
また、当該融液相は、Ca2Al2SiO7、Ca2MgSi2O7及びCa2Fe2SiO7の各相を頂点とする三元組成図(図1)に含まれる組成範囲の融液相を含有するものであることが好ましく、当該組成範囲の融液相を用いることにより、カルシウムアルミネートを主成分とするクリンカーを低温で生成することを、より容易に可能とすることができる。
【0014】
即ち、本発明は、カルシウムアルミネートを主成分とするクリンカー組成物において、従来技術では焼成時に融液相と成り得なかったカルシウムシリケート相を、好適にはCa2Al2SiO7、Ca2MgSi2O7及びCa2Fe2SiO7の各相を頂点とする三元組成図(図1)に含まれる組成範囲の固溶体へと変化させて融液相とするものである。
当該融液相は、C4AF等の従来の融液相として公知である融液相を含んでいてもよい。
【0015】
また、本発明のクリンカー組成物は、原材料中に含有されるMgやFeを積極的に使用することにより、そのフラックス効果による融液生成温度の低減を可能とし、従来技術では使用できなかった低品位原料をも使用できるものである。
【0016】
これにより、カルシウムアルミネート固相と上記融液相とが共存する温度範囲が広くなるため、ロータリーキルンによる製造等のように融液を媒体として焼成させる方式でのクリンカーの製造が容易となる。
また、更に、低温で融液相が生成することから、電力費や設備費を安価にすることができ、製造コストを低減させることができる。
融液を媒体として焼成させる方式として、ロータリーキルンによる製造法の他に、赤外線加熱炉、反射炉、電気炉、トンネルキルン、ガス炉、流動床炉などによる製造法が挙げられる。
【0017】
本発明のクリンカー組成物に含まれるカルシウムアルミネートとしては、その種類は特に限定されないが、例えば、3CaO・Al2O3系、CaO・Al2O3系および12CaO・7Al2O系等、具体的には3CaO・Al2O3、12CaO・7Al2O3、CaO・Al2O3、CaO・2Al2O3、4CaO・3Al2O3・SO3等が、その使用目的により選択することが可能である。
【0018】
好適には、安定した製造並びに優れた水和特性から、12CaO・7Al2O3系カルシウムアルミネートが望ましい。
12CaO・7Al2O3系カルシウムアルミネートは、12CaO・7Al2O3及びハロゲンを添加した11CaO・7Al2O3・CaX2(但し、Xは、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素等のハロゲン元素を示す)単独、若しくは11CaO・7Al2O3・CaX2と12CaO・7Al2O3の混合物等が好ましい。
【0019】
かかるカルシウムアルミネートは、クリンカー中、固相として40重量%以上の量で含有されることが好ましく、より好ましくは50重量%以上の量で含有されることが望ましい。
40重量%以上の量とすることにより、カルシウムアルミネートを融液相成分として製造される従来のクリンカー単独では実現できなかった、急硬性の確保を実現でき、また急硬性添加材として使用する場合は、より少ない添加量で目標とする急硬性を得ることが可能となるからである。
【0020】
また、全カルシウムアルミネート中に含まれるC12A7系カルシウムアルミネート相の割合は、50重量%以上であることが、クリンカーの急硬性を発現させるために好適とされる。さらに、急硬性確保の点から、C12A7系のカルシウムアルミネートの割合は可能な限り高めることが好ましい。
【0021】
本発明のクリンカー組成物に含有される、Ca、Al、SiおよびOと、Feおよび/またはMgからなる融液相は、主成分となるカルシウムアミネートの量、並びに焼成温度によって種々変化するが、安定した製造並びに優れた水和性から、Ca2Al2SiO7、Ca2MgSi2O7並びにCa2Fe2SiO7の各相を頂点とする三元組成図(図1)に含まれる組成範囲のものを含むことが好ましい。
更に、Mg含有量がCa2MgSi2O7の組成の所要量以下であることが好ましく、加えて、Si含有量がCa2Al2SiO7の組成の所要量以下であることがより好ましい。更に加えて、Fe含有量がCa2Fe2SiO7の組成の所要量以下であることがより好ましい。
【0022】
Mg含有量がCa2MgSi2O7の組成の所要量を越えると、得られるクリンカー中にMgOが析出することとなり、水和反応時にMg(OH)2が生成し、クリンカーの強度低下を招き好ましくない。
また、Si含有量がCa2Al2SiO7の組成の所要量を越えると、カルシウムアルミノシリケート相が固相として生成することとなり、全体の融液生成量が低減し好ましくない。
更に、Fe含有量がCa2FeSi2O7の組成の所要量を越えると、低温融液相が過剰量生成し、カルシウムアルミネート相を固相で保持することが困難となり好ましくない。
【0023】
本発明のクリンカー組成物におていは、焼成によっても、MgOが生成することを抑制することができ、急硬性や強度の向上が図れる。
また、カルシウムシリケート相やカルシウムアルミノシリケート相が固相で生成されることを抑制することができ、全体の融液量を増大させることも可能となる。
さらにクリンカー組成物中にカルシウムアルミノシリケートが生成することを抑制することができるため、非水硬性物の生成が抑制され、急硬性及び強度に優れるクリンカー組成物とすることができる。
【0024】
原材料中のMgやFeの存在により、そのフラックス効果によって、カルシウムアルミネートと、Ca2Al2SiO7、Ca2MgSi2O7並びにCa2Fe2SiO7の各相を頂点とする三元組成図(図1)に含まれる組成範囲中の融液相との融液生成温度の差が広がることになる。
【0025】
したがって、カルシウムアルミネート、好適にはC12A7系カルシウムアルミネート相の少なくとも一部を固相とし、低温で融液となる相を融液相として、両者が共存する温度範囲で、即ちC12A7系カルシウムアルミネート相が溶解せず、Ca2Al2SiO7、Ca2MgSi2O7並びにCa2Fe2SiO7の各相を頂点とする三元組成図(図1)に含まれる組成範囲が溶融する、上記融液生成温度差に相当する範囲の温度範囲で焼成してクリンカーを得ることを可能とする。
また、MgやFeが、C12A7系カルシウムアルミネートと低温で融液となる相との両方に作用して、それぞれの融液生成開始温度差を拡大させることができる。
【0026】
従って、一般的なロータリーキルン等を用いた焼成方法によって、クリンカーを焼成することができるとともに、融液生成開始温度が低下することから、より低温でクリンカーを焼成することが可能となる。
【0027】
【実施例】
本発明を以下の実施例及び比較例により説明する。
【0028】
実施例1
焼成後のカルシウムフルオロアルミネートが40重量%、残りの全てが以下の表1に示す融液相となるように試薬を調製し、当該試薬を混合した後、成型し、次いで電気炉にて1250℃で焼成して、クリンカー組成物を得た。
【0029】
得られたクリンカー組成物の融液相部分をEPMA(日本電子社製JXA−8621MX)を用いて解析したところ、Siを含んでいることが明らかとなった。
また、X線回析装置(日本フィリップス社製X‘Pert)を用いて検量線法によりカルシウムアルミネートを定量分析したところ、固相カルシウムアルミネートが40重量%生成していることが確認された。
更にまた、前記X線回析装置を用いた定性分析において、カルシウムアルミネート以外の固相生成物であるカルシウムシリケート並びにMgOは確認されなかった。
これらの結果も、表1に示す。
【0030】
比較例1
SiO2が5.84重量%、Al2O3が37.15重量%、Fe2O3が3.32重量%、CaOが45.95重量%、TiO2が1.35重量%、CaF2が3.89重量%の化学組成を有するクリンカー組成物を、電気炉にて1300℃で焼成して得た。
【0031】
実施例1と同様にして、得られたクリンカー組成物について、その融液相部分をEPMA(日本電子社製JXA−8621MX)を用いて解析したところ、Siを含んでいないことが確認された。
また、X線回析装置(日本フィリップス社製X‘Pert)を用いて定性分析を行った結果、カルシウムアルミネート以外の固相生成物として、カルシウムシリケート相並びにカルシウムアルミノシリケート相が確認された。
これらの結果を、表2に示す。
【0032】
実施例2
焼成後のカルシウムフルオロアルミネートが50重量%、残りの全てが以下の表1に示す融液相の組成となるように試薬を調製し、当該試薬を混合した後、成型し、次いで電気炉にて1200℃で焼成し、クリンカー組成物を得た。
【0033】
実施例1と同様にして、得られたクリンカー組成物の融液相部分をEPMA(日本電子社製JXA−8621MX) を用いて解析したところ、Siを含んでいることが明らかとなった。
また、X線回析装置(日本フィリップス社製X‘Pert)を用いて検量線法によりカルシウムアルミネートを定量分析したところ、固相カルシウムアルミネートが50重量%生成していることが確認された。
更にまた、X線回析装置を用いた定性分析において、カルシウムアルミネート以外の固相生成物であるカルシウムシリケートは確認されなかった。
これらの結果も、表1に示す。
【0034】
比較例2
SiO2が6.20重量%、Al2O3が34.65重量%、Fe2O3が1.81重量%、CaOが40.59重量%、MgOが0.37重量%、TiO2が8.95重量%、CaF2が4.30重量%の化学組成を有するクリンカー組成物を、電気炉にて1200℃で焼成して得た。
【0035】
実施例1と同様にして、得られたクリンカー組成物について、その融液相部分をEPMA(日本電子社製JXA−8621MX)を用いて解析したところ、Siを含んでいないことが確認された。
また、X線回析装置(日本フィリップス社製X‘Pert)を用いて定性分析を行った結果、カルシウムアルミネート以外の固相生成物として、カルシウムシリケート相並びにカルシウムアルミノシリケート相が確認された。
これらの結果を、表2に示す。
【0036】
実施例3
焼成後のカルシウムフルオロアルミネートが75重量%、残りの全てが以下の表1に示す融液相の組成となるように試薬を調製し、当該試薬を混合した後、成型し、次いで電気炉にて1300℃で焼成し、クリンカー組成物を得た。
【0037】
実施例1と同様にして、得られたクリンカー組成物について、その融液相部分をEPMA(日本電子社製JXA−8621MX) を用いて解析したところ、Siを含んでいることが明らかとなった。
更にまた、X線回析装置(日本フィリップス社製X‘Pert)を用いて検量線法によりカルシウムアルミネートを定量分析したところ、固相カルシウムアルミネートが75重量%生成していることが確認され、定性分析においてカルシウムアルミネート以外の固相生成物であるカルシウムシリケートは確認されなかった。
これらの結果も、表1に示す。
【0038】
実施例4
焼成後のカルシウムフルオロアルミネートが90重量%、残りの全てが以下の表1に示す融液相の組成となるように試薬を調製し、当該試薬を混合した後、成型し、次いで電気炉にて1350℃で焼成し、クリンカー組成物を得た。
【0039】
実施例1と同様にして、得られたクリンカー組成物について、その融液相部分をEPMA(日本電子社製JXA−8621MX) を用いて解析したところ、Siを含んでいることが明らかとなった。
また、X線回析装置(日本フィリップス社製X‘Pert)を用いて検量線法によりカルシウムアルミネートを定量分析したところ、固相カルシウムアルミネートが90重量%生成していることが確認された。
更にまた、X線回析装置を用いた定性分析において、カルシウムアルミネート以外の固相生成物であるカルシウムシリケートは確認されなかった。
これらの結果も、表1に示す。
【0040】
【表1】
【0041】
【表2】
【0042】
【発明の効果】
本発明のクリンカー組成物は、融液生成温度を低下させ、融液量を増大でき、したがって低温での焼成を可能にすることができる。
また更に、カルシウムシリケートや、非水硬性組成物であるカルシウムアルミノシリケートの生成を抑制し、急硬性や強度に優れるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のクリンカー組成物中の、融液相範囲であるCa2Al2SiO7、Ca2MgSi2O7並びにCa2Fe2SiO7の各相を頂点とする三元組成図である。
Claims (4)
- カルシウムアルミネートを主成分とし、Siをその構成成分とする融液相を含有することを特徴とするセメントクリンカー組成物。
- 請求項1記載のセメントクリンカー組成物において、融液相は、Ca2Al2SiO7、Ca2MgSi2O7及びCa2Fe2SiO7の各相を頂点とする三元組成図に含まれる組成範囲の融液相であることを特徴とするセメントクリンカー組成物。
- 請求項1および2記載のセメントクリンカー組成物において、カルシウムアルミネートは、12CaO・7Al2O3系であることを特徴とするセメントクリンカー組成物。
- 請求項1、2又は3記載のクリンカー組成物において、カルシウムアルミネートは、40重量%以上の量で含有されることを特徴とするセメントクリンカー組成物。
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