JP2005336005A

JP2005336005A - セメント組成物の製造方法

Info

Publication number: JP2005336005A
Application number: JP2004156709A
Authority: JP
Inventors: Akio Nishida; 明生西田; Yasuhiko Toda; 靖彦戸田; Kazukimi Iwata; 和公岩田
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp; Ube Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp; Ube Corp
Priority date: 2004-05-26
Filing date: 2004-05-26
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2024-05-26
Also published as: JP4870338B2

Abstract

【課題】石膏ボード廃材を有効利用して、簡易にセメント組成物を製造することができると共に、製造されたセメント組成物のスランプフローの経時変化も低減させることができるセメント組成物の製造方法を提供する。
【解決手段】セメント組成物の製造方法は、まず、石膏ボード廃材から紙を除去して石膏分を回収する。そして、石膏分を１７０℃〜３５０℃で加熱処理して、再生石膏を得る。この再生石膏には、半水石膏やIII型無水石膏等が含まれている。さらに、この再生石膏に大気中の水分を吸収させてIII型無水石膏を半水石膏としたうえで、再生石膏をセメントクリンカーに混合して、セメント組成物を製造する。半水石膏のブレーン比表面積は、７５００ｃｍ^２／ｇ〜１００００ｃｍ^２／ｇであり、半水石膏の混合量は、セメントクリンカーに対し、ＳＯ_３換算で０．５〜３．５質量％である。
【選択図】なし

Description

本発明は、石膏ボード廃材から分離した石膏分を利用してセメント組成物を製造するセメント組成物の製造方法に関する。

石膏は極めて短時間で硬化する水硬性材料であり、成形性や加工性に優れ、寸法安定性が高く、防火性、耐火性に優れる等の特性を有する。また、石膏は、安価な材料であることから、石膏ボードの原料として広く使用されている。石膏ボードは、石膏を主体とした成分からなる芯材の両面に紙を貼り付けた板状の構造である。この石膏ボードの生産量が年々増大するにつれて、その廃材の処理が大きな問題となってきている。そのため、石膏ボード廃材を利用して、セメント組成物を製造する方法が提案されている。

例えば、下記特許文献１では、石膏ボード廃材から紙を除去した後、４００℃以下の温度で加熱して得られた半水石膏やIII型無水石膏を水和処理して二水石膏とし、セメントクリンカーに添加することにより、セメント組成物を製造する方法が提案されている。
特開２００３−２４９００号公報

しかしながら、特許文献１に示されるセメント組成物の製造方法では、半水石膏やIII型無水石膏に水を加えて水和処理する工程が煩雑である。また、この製造方法によって得られたセメント組成物には、二水石膏が含まれているために、スランプフローの経時変化を十分に低減できない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、石膏ボード廃材を有効利用して、簡易にセメント組成物を製造することができると共に、製造されたセメント組成物のスランプフローの経時変化も低減させることができるセメント組成物の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係るセメント組成物の製造方法は、石膏ボード廃材から紙が除去された石膏分を１７０℃〜３５０℃で加熱処理し、得られた半水石膏とセメントクリンカーとを混合することにより、セメント組成物を製造することを特徴とする。

このセメント組成物の製造方法によれば、石膏ボード廃材を有効利用して、簡易にセメント組成物を製造することができる。この場合、石膏ボード廃材から紙は除去されているため、炭化物は発生しない。そのため、セメント組成物が炭化物により変色することはなく、コンクリートに使用される混和剤が炭化物に吸収されることもない。また、石膏ボード廃材の石膏分を１７０℃〜３５０℃で加熱処理することによって得られた半水石膏は、排煙脱硫石膏、リン酸石膏等の化学石膏、或いは天然石膏を脱水させて得られた半水化或いはIII型無水化したものに比べると、水への溶解が抑制される。したがって、本セメント組成物の製造方法により製造されたセメント組成物においては、水への溶解速度が適正な範囲となるために、このセメント組成物を用いたモルタル或いはコンクリートにおけるスランプの経時変化は低減されるとともに、注水直後のこわばり（偽凝結）の発生も抑制される。また、二水石膏を含むセメント組成物と比較しても、本セメント組成物の溶解速度は適度に早く、高流動コンクリートのスランプロス（時間の経過と共にコンクリートの流動性が低下する現象）を低減することができる。ここで、石膏分の加熱処理温度が１７０℃よりも低いと、石膏分に含まれる有機混和剤の分解が不十分となるため、セメントクリンカーに添加する石膏として使用した場合には、残存する有機混和剤の起泡作用により、モルタルやコンクリートに泡が混入して密度が低下し、強度が低下する。また、石膏分の加熱処理温度が３５０℃よりも高いと、不溶性のII型無水石膏の割合が増大し、再生石膏の水に対する溶解速度が極端に遅くなる。そのため、スランプフローの経時変化を低減する効果が無くなるだけでなく、凝結や硬化異常が発生しやすくなる。

また、上記のセメント組成物の製造方法において、半水石膏の混合量は、セメントクリンカーに対し、ＳＯ_３換算で０．５〜３．５質量％であることが好ましい。

半水石膏の混合量が、ＳＯ_３換算で０．５〜３．５質量％であれば、より効果的にモルタル或いはコンクリートのスランプの経時変化を低減することができる。半水石膏の混合量が０．５質量％よりも少ないと、セメント組成物を用いたコンクリートのスランプフローの経時変化の低減効果が十分ではなくなる。また、半水石膏の混合量が３．５質量％よりも多いと、生成する半水石膏の量が過剰となるため、高流動コンクリートを作製するにあたっては、目標のスランプフローを得るために必要な高性能ＡＥ減水剤の添加量が多くならざるを得なくなったり、または、加水時に再生石膏が水和して生成する二水石膏により、偽凝結や初期の流動性の低下が大きくなってしまう。

また、半水石膏の特性は、半水石膏４ｇを、２０℃の純水１０００ｍＬに分散させたとき、１分経過後のろ液のＳＯ_４イオン濃度が１７００ｍｇ／Ｌ〜２３００ｍｇ／Ｌとなることが好ましい。ろ液のＳＯ_４イオン濃度が１７００ｍｇ／Ｌ未満であるような半水石膏であると、エトリンガイドの生成量が少なく、間隙相表面をエトリンガイドで緻密に被覆することができないため、アルミネートの水和抑制効果が小さく、スランプロスが大きくなる。また、ろ液のＳＯ_４イオン濃度が２３００ｍｇ／Ｌを超えると、コンクリートの混練時に半水石膏やIII型無水石膏は水と反応して急激に二水石膏となり、偽凝結を生じてしまう。

また、半水石膏のブレーン比表面積は、７５００ｃｍ^２／ｇ〜１００００ｃｍ^２／ｇであることが好ましい。半水石膏のブレーン比表面積が、７５００ｃｍ^２／ｇ〜１００００ｃｍ^２／ｇ程度に十分大きければ、細孔径が小さく、そのために、水と接触し難いので、ＳＯ_４イオンが拡散し難い。したがって、半水石膏の溶解速度を適正な範囲にすることができる。

本発明によれば、石膏ボード廃材を有効利用して、簡易にセメント組成物を製造することができると共に、製造されたセメント組成物のスランプフローの経時変化も低減させることができる。

以下、本発明に係るセメント組成物の製造方法の好適な実施形態について説明する。

石膏ボードは、石膏を主体とした成分からなる芯材の両面に紙を貼り付けた板状の構造をしている。本実施形態において用いられる石膏ボード廃材としては、その発生場所を選ばず、例えば、石膏ボード製造工場で発生する廃材、新築工事現場で発生する石膏ボードの端材、余剰材、建築物解体現場で発生する廃材等を使用することができる。

また、本実施形態では、石膏ボード廃材を再利用するにあたって、まず石膏ボード廃材から紙を除去する。その方法としては、例えば、石膏ボード廃材をジョークラッシャで解砕した後、篩いを用いて紙と石膏を分離する方法や、石膏ボード廃材をロール間で圧縮し、石膏分を粉状にして紙と石膏とを分離する方法、市販の石膏ボード粉砕分別機を用いる方法等、公知の方法が挙げられる。

このようにして石膏ボード廃材から紙を除去した石膏分を、１７０℃〜３５０℃の温度で加熱処理すると、半水石膏を主成分とする再生石膏が得られる。加熱処理温度が高い場合には、加熱処理直後、III型無水石膏が主成分であるが、大気中の水分を吸収させることで、半水石膏となる。なお、副成分としてII型無水石膏を含む再生石膏が得られる場合もある。

ここで、石膏分の加熱処理温度が１７０℃よりも低いと、石膏分に含まれる有機混和剤の分解が不十分であり、セメントクリンカーに添加する石膏として使用した場合には、残存する有機混和剤の起泡作用により、モルタルやコンクリートに泡が混入して密度が低下し、強度が低下する。また、石膏分の加熱処理温度が３５０℃よりも高いと、不溶性のII型無水石膏の割合が増大し、再生石膏の水に対する溶解速度が極端に遅くなる。そのため、スランプフローの経時変化を低減する効果が無くなるだけでなく、凝結や硬化異常が発生しやすくなる。

このような条件で加熱処理して得られた再生石膏は、高性能ＡＥ減水剤等の有機混和剤を用いた高強度高流動コンクリートのスランプフローの経時変化を低減させるのに十分な水量に対する溶解速度と同等の溶解速度を持つ。しかし、通常セメントクリンカー添加用の石膏として使用されている排煙脱硫石膏、リン酸石膏等の化学石膏や天然石膏が脱水されて半水化或いはIII型無水化された石膏に比べると、本再生石膏は、溶解速度が遅いため、本再生石膏を用いて製造したセメント組成物における注水直後のこわばり（偽凝結）は発生しにくい。

石膏分を加熱処理して得られた再生石膏にIII型無水石膏が含まれる場合、上述のように再生石膏を放置して大気中の水分を吸収させ、III型無水石膏を半水石膏にし、安定させる。そのうえで、再生石膏をセメントクリンカーに添加して再生石膏とセメントクリンカーとを混合させる。セメントクリンカーに対する再生石膏の混合量は、半水石膏の混合割合が、ＳＯ_３換算での０．５質量％〜３．５質量％であることが好ましい。半水石膏の混合割合が０．５質量％よりも少ないと、スランプフローの経時変化の低減効果が少なくなる。また、半水石膏の混合割合が３．５質量％よりも多いと、半水石膏の量が過剰となる。そのため、例えば、高流動コンクリートを作製するにあたっては、目標のスランプフローを得るための高性能ＡＥ減水剤の添加量が多くならざるを得なかったり、加水時に再生石膏が水和して生成する二水石膏により、偽凝結や初期の流動性の低下が大きくなるため好ましくない。

また、半水石膏の特性は、半水石膏４ｇを、２０℃の純水１０００ｍＬに分散させたとき、１分経過後のろ液のＳＯ_４イオン濃度が１７００ｍｇ／Ｌ〜２３００ｍｇ／Ｌとなることが好ましい。ろ液のＳＯ_４イオン濃度が１７００ｍｇ／Ｌ未満であるような半水石膏であると、エトリンガイドの生成量が少なく、間隙相表面をエトリンガイドで緻密に被覆することができないため、アルミネートの水和抑制効果が小さく、スランプロスが大きくなる。また、ろ液のＳＯ_４イオン濃度が２３００ｍｇ／Ｌを超えると、コンクリートの混練時に半水石膏やIII型無水石膏は水と反応して急激に二水石膏となり、偽凝結を生じてしまう。なお、半水石膏の特性は、上記の条件下において、ろ液のＳＯ_４イオン濃度が１８００ｍｇ／Ｌ〜２０００ｍｇ／Ｌとなることが、より好ましい。

さらに、半水石膏のブレーン比表面積が、７５００ｃｍ^２／ｇ〜１００００ｃｍ^２／ｇ程度に十分大きければ、細孔径が小さく、そのために、水と接触し難いので、ＳＯ_４イオンが拡散し難い。したがって、半水石膏の溶解速度を適正な範囲にすることができる。

このようにして製造されたセメント組成物に含まれる再生石膏は、水への溶解速度が適正な範囲にあるために、このセメント組成物によってモルタル或いはコンクリートを作製した場合、そのスランプの経時変化を低減できるとともに、注水直後のこわばり（偽凝結）の発生を抑制することができる。また、二水石膏を含むセメント組成物と比較しても、本セメント組成物は、半水石膏を含んでいるため、溶解速度は適度に早く、高流動コンクリートのスランプロスを低減することができる。

なお、本再生石膏のセメントクリンカーへの添加時期は制限されず、セメントクリンカーの粉砕時に添加しても良いし、或いは、粉砕後に添加し、混合しても良い。また、再生石膏に含まれるIII型無水石膏が総て半水石膏となる前に、セメントクリンカーに添加してもよい。再生石膏に、半水石膏の他、III型無水石膏が含まれていても、ＳＯ_４イオンの溶解度や、石膏の溶解率はほとんど変わらず、また、セメントクリンカーに添加した後も、III型無水石膏は、大気中の水分を吸収して徐々に半水石膏となるためである。また、セメントクリンカーとしては、普通ポルトランドセメントクリンカー、早強ポルトランドセメントクリンカー等、種々のセメントクリンカーを用いることができる。

以下、実施例を用いて、本発明の内容をより具体的に説明するが、本発明は、下記実施例に限定されるものではない。

[ 再生石膏の調製 ]
新築工事現場から排出された石膏ボード端材をジョークラッシャで粗砕した後、振動篩により石膏分と紙とに分別した。分別した石膏分を、箱型電気炉により、１００℃、２００℃、３００℃、４００℃、５００℃、６００℃の各温度で２０分間熱処理し、一週間室内に放置して再生石膏を調製した（再生石膏Ｎｏ．１〜Ｎｏ．７）。さらに、比較のため排脱石膏を上記と同様な条件で熱処理し、一週間室内に放置して試製した石膏もあわせて調整した（試製石膏Ｎｏ．８〜Ｎｏ．１４）。なお、比較のため、再生石膏Ｎｏ．１及び試製石膏Ｎｏ．８の石膏は熱処理されていない。

表１に、再生石膏Ｎｏ．１〜Ｎｏ．７及び試製石膏Ｎｏ．８〜Ｎｏ．１４の熱処理温度、結晶形態、及び水に対する溶解率を測定した結果を示す。結晶形態は、Ｘ線解析装置により測定した。また、熱処理温度によっては、熱処理直後の石膏の結晶形態はIII型無水石膏となるが、一週間室内に放置することにより、III型無水石膏は空気中の水分を吸収し、全て半水石膏となった。

石膏Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１４のＳＯ_３量はＪＩＳＲ５２０２「ポルトランドセメントの化学分析方法／三酸化硫黄の定量方法」に準拠して測定した。水に対する溶解量は、石膏４ｇを２０℃の純水１０００ｍｌに分散させ、１分経過後に吸引ろ過して、ろ液のＳＯ_４イオン濃度をＪＩＳＫ０１０１「工業用水試験方法／硫酸イオン」により測定した。石膏の溶解率は、次式により求めた。

表１に示すように、いずれの熱処理条件についても、石膏ボード廃材から得られた再生石膏は、同一温度で熱処理した排脱石膏から得られた試製石膏に比べて硫酸イオンの溶解が抑制されていることが分かった。

また、表２に、再生石膏Ｎｏ.１〜Ｎｏ.６及び試製石膏Ｎｏ.８〜Ｎｏ.１１についての比重、ゆるみ見掛比重、ブレーン比表面積のデータを示す。なお、比重は、ピクノメータ法により測定した。また、ゆるみ見掛比重は、ホソカワミクロン製パウダテスタを用いて測定した。なお、ゆるみ見掛比重とは、粉体状の石膏を１００ｃｃの容器に静かに充填し、表面をすり切った後に測定した容器内の粉体重量を１００で割った値である。

[ セメント組成物の調製 ]
直径７００ｍｍ×長さ７００ｍｍの試験用ボールミルを用いてセメント組成物を調製した。１バッチ当りのクリンカー粉砕量を１５ｋｇ、表１の各石膏を宇部興産株式会社製の普通ポルトランドセメントクリンカーに対し、ＳＯ_３換算で１．５質量％添加した。目標のブレーン比表面積は３３００±１００ｃｍ^２／ｇとした。各セメント組成物の化学組成を表３に示す。

各セメント組成物の示差熱試験、物理試験、軟練異常凝結試験、コンクリート試験を行った。以下にその詳細を述べる。

[ 示差熱試験 ]
各セメント組成物に含まれる石膏の結晶形態およびその量を、セイコー電子製示差熱熱重量同時測定装置ＳＩＩＥＸＳＴＡＲ６０００／ＴＧ／ＤＴＡ６２００Ｒを用いて、熱天秤ピンホール法により求めた。

[ 物理試験 ]
各セメント組成物について、モルタル圧縮強さ試験をＪＩＳＲ５２０１「セメントの物理試験方法」に準じて行なった。

[ 軟練異常凝結試験 ]
軟練異常凝結試験は、ＪＡＳＳ５Ｔ−１０１「セメントの異常凝結試験方法」（但し、１９８６年の改正時に削除）による判定では現れ難い偽凝結性状を知るために改良した方法であり、次の手順で行なった。
（１）試験用器具は、ＪＩＳＲ５２０１「セメントの物理試験方法」に規定するセメントの凝結試験装置を用いる。
（２）セメントペーストは、水１４０ｍｌを練り混ぜ用のはちに注ぎ、さらにセメント組成物４００ｇを練り混ぜ用のはちに入れ（Ｗ／Ｃ＝３５％）、３０秒間静置する。
（３）次に、３０秒間手練りする。
（４）このようにして調製したセメントペーストは、ペースト容器下面にグリスを塗り、底板ガラスに密着したものに詰める。
（５）セメントペーストを練り終わってから５分後、および１０分後に標準棒をセメントペースト中に徐々に落下させ、セメントペーストの表面に標準棒の先端が接した時から３０秒後の落下値を読む。
（６）偽凝結性の判定は、５分後、および１０分後の標準棒の落下値が、いずれか１点でも１０ｍｍ未満の場合を、偽凝結性のセメント組成物であると判定する。

[ コンクリートのスランプフロー試験 ]
上記のように試製した各セメント組成物に、細骨材、粗骨材、分散剤及び水を加え、表４に示す水セメント比（W/C）、目標スランプフロー、及び空気量で、５０Lのパン型強制練りミキサを使用してコンクリートを調製した。練混ぜ量は1バッチ３０Lとした。各材料は以下のものを使用した。なお、目標スランプフローは、練り混ぜ５分後の目標値である。
（１）骨材
(i) 細骨材（S）：海砂：密度2.59g/cm³、粗粒率2.71、北九州市若松産
(ii) 粗骨材（G）：砕石（2005）：密度2.58g/cm³、粗粒率6.58、山口市宮野産
（２）練混ぜ水（Ｗ）：水道水
（３）分散剤：ポリカルボン酸系分散剤((株)エヌエムビー社製、商品名：レオビルドSP8S×４)

そして、セメント組成物、骨材、細骨材を３０秒間空練りし、水および混和剤を加えて１５０秒間練り混ぜた。練り混ぜ後から５分、３０分、および６０分経過後のスランプフローをJIS A 1150「コンクリートのスランプフロー試験方法」により測定した。スランプフローの経時変化の判定は、練り混ぜ後５分と６０分のスランプフローの差が１００ｍｍ未満を合格とした。なお、「コンクリートのスランプフロー試験方法」は、JIS A1101 「コンクリートのスランプ試験方法」に規定された円錐台形状カップのスランプコーンに、表２に示す各セメント組成物で調整されたコンクリートを詰めて平板に載置し、スランプコーンを鉛直方向に引き上げて、コンクリートをスランプコーンから開放し、平板上に広がったコンクリートの径を測定する試験である。

示差熱試験結果及び物理試験結果を表５に、軟練異常凝結試験結果を表６に、コンクリート試験結果を表７に示す。

表５に示すように、セメント組成物ＡおよびＢから作製された供試体の脱型重量は、５７０ｇ未満と軽く、また、その供試体の圧縮強度は５８．０Ｎ／ｍｍ^２未満と低い。これは、石膏ボード廃材から分離した石膏分に含まれる有機混和剤が除去されていないため、その起泡作用によるものである。

表６に示すように、排脱石膏を熱処理して半水化した試製石膏を添加したセメント組成物Ｈは、偽凝結性試験の結果が１０ｍｍ以下であり、偽凝結性のセメント組成物と判定される。一方、石膏ボード廃材から分離した石膏分を２００℃、３００℃で熱処理して半水化させた再生石膏を添加した試製したセメント組成物Ｃ、Ｄは、セメント組成物中に含まれる石膏の半水石膏の割合が１００％であるにもかかわらず、偽凝結性は認められなかった。

表７に示すように、セメント組成物中の半水石膏の割合が少ないセメント組成物Ｅ、Ｆ、Ｇで作製したコンクリートは、５分後のスランプフローと６０分後のスランプフローとの差が１００ｍｍを超えており、スランプフローの経時変化が大きかった。一方、石膏ボード廃材から分離した石膏分を熱処理して半水化させた再生石膏を添加したセメント組成物Ｃ、Ｄで作製したコンクリートにおいては、５分後のスランプフローと６０分後のスランプフローとの差は５０ｍｍ未満であり、スランプフローの低減効果は大きかった。以上の各試験の結果のまとめを、表８に示す。

表８に示すように、石膏ボード廃材から紙を除去した石膏分を、１７０℃〜３５０℃で加熱処理して、半水石膏やIII型無水石膏を含む再生石膏を得、その再生石膏に大気中の水分を吸収させてIII型無水石膏を半水石膏としたうえで、その再生石膏をセメントクリンカーに添加して調製したセメント組成物Ｎｏ．Ｃ，Ｄは、強度、偽凝結性、および高強度高流動配合におけるスランプフローの経時変化の低減効果のいずれについても、良好な結果が得られた。また、これらセメント組成物Ｎｏ．Ｃ，Ｄに用いた再生石膏のブレーン比表面積は、表２から、７５００〜１００００ｃｍ^２／ｇであることがわかった。

Claims

石膏ボード廃材から紙が除去された石膏分を１７０℃〜３５０℃で加熱処理し、得られた半水石膏とセメントクリンカーとを混合することにより、セメント組成物を製造することを特徴とするセメント組成物の製造方法。
前記半水石膏の混合量は、前記セメントクリンカーに対し、ＳＯ_３換算で０．５〜３．５質量％であることを特徴とする請求項１に記載のセメント組成物の製造方法。
前記半水石膏の特性は、前記半水石膏４ｇを、２０℃の純水１０００ｍＬに分散させたとき、１分経過後のろ液のＳＯ_４イオン濃度が１７００〜２３００ｍｇ／Ｌとなることを特徴とする請求項１又は２に記載のセメント組成物の製造方法。
前記半水石膏のブレーン比表面積は、７５００ｃｍ^２／ｇ〜１００００ｃｍ^２／ｇであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のセメント組成物の製造方法。