JP2006124216A

JP2006124216A - 高耐炭酸化性軽量気泡コンクリート

Info

Publication number: JP2006124216A
Application number: JP2004313007A
Authority: JP
Inventors: Fumiaki Matsushita; 文明松下
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Siporex KK
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Siporex KK
Priority date: 2004-10-27
Filing date: 2004-10-27
Publication date: 2006-05-18

Abstract

【課題】簡単な操作で再現性よく短時間に耐炭酸化性に優れたＡＬＣを適確且つ効率的に選択取得可能な高耐炭酸化性軽量気泡コンクリートを提供する。
【解決手段】２９ＳｉＭＡＳＮＭＲによりＡＬＣのスペクトル分析を行い、得られる配位数２のシリコン原子Ｑ２及び配位数３のシリコン原子Ｑ３のスペクトルについて、それぞれのピーク面積Ｑ２ｓ、Ｑ３ｓが算出され、ピーク面積Ｑ２ｓ、Ｑ３ｓから、ピーク面積比Ｓ＝Ｑ２ｓ／Ｑ３ｓ）を演算し、トバモライトの結晶性が進んで、その分解反応である炭酸化に対する抵抗性が大きくなるピーク面積比Ｓ範囲、２．０≦Ｓ≦２．５を確認判定することにより、炭酸化度が１０％を越えない高耐炭酸化性のＡＬＣを、簡単適確に選択取得することが可能になり、該ＡＬＣを使用した建築物の耐用期間を延長し、補修・改修コストを削減し、さらには産業廃棄物の発生を抑制することが可能になる。
【選択図】図２

Description

本発明は耐炭酸化特性に優れた高耐炭酸化性軽量気泡コンクリートに関する。

ＡＬＣ（ＡｕｔｏｃｌａｖｅＬｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔＡｅｒａｔｅｄＣｏｃｒｅｔｅ：オートクレーブ発泡コンクリート）は、軽量で耐火性、耐熱性、施工性に優れているために、建築材として各方面で広く使用されている。
このＡＬＣは、珪石などの珪酸質原料と、セメントや生石灰などの石灰質原料とを主原料として製造され、これら原料の微粉末に水と発泡添加剤としてのアルミニウム粉末とを加えて、先ず、水固体比が０．５〜０．７程度のスリラーが作成される。そして、モールド内で、このスリラーに対して、発泡添加剤であるアルミニウム粉末の反応による発泡動作が行なわれ、石灰質原料の反応によって半硬化状態にされた後に、所定サイズに成形され高温高圧水蒸気養生が施されてＡＬＣが製造される。

このようにして製造されるＡＬＣは、内部に気泡と細孔とが形成され、嵩比重が０．５程度の軽量で耐火性、耐熱性、施工性に優れているが、気泡と細孔が全体積のほぼ８割を占め、空隙の多い微細構造であるために吸水特性を有し、水分やガスがＡＬＣ内部に侵入し易い。
このために、ＡＬＣの主要な構成素子であり、バインダーとなるトバモライト（Ｔｏｂｅｒｍｏｒｉｔｅ；５ＣａＯ・６ＳｉＯ_２・５Ｈ_２Ｏ）が水分の存在下で炭酸ガスと反応し、シリカゲルと炭酸カルシウムに分解する炭酸化が発生し、この炭酸化によってＡＬＣに対して強度低下やひび割れなどの問題が生じる。
この場合炭酸化の度合を示す炭酸化度Ｄｃ（ｄｅｇｒｅｅｏｆｃａｒｂｏｎａｔｉｏｎ）は、例えば特許文献２にも記載されているように、ＡＬＣの炭酸ガス含有量をＣｘ（ｗｔ％）、オートクレーブ養生終了直後のＡＬＣの炭酸ガス含有量をＣｏ（ｗｔ％）、最大限に炭酸化させた試料の炭酸ガス含有量をＣｍａｘ（ｗｔ％）として次式で示される。

Ｄｃ＝｛（Ｃｘ−Ｃｏ）／（Ｃｍａｘ−Ｃｏ）｝・１００・・・（１）

前述した炭酸化により生じる問題を解決するために、従来からＡＬＣに特定の添加物を含ませ、化学構成を変化させる方法と、ＡＬＣのトバモライトの結晶構造を特定させる方法とが行なわれている。
このことに関して、例えば特許文献１には、ＡＬＣの耐炭酸化性を向上させるために、シロキサン単位を１分子中に少なくとも一個有するオルガノポリシロキサンを、０．０００５〜０．０４（ｗｔ％）含むＡＬＣが開示されている。
また、例えば特許文献２には、ＡＬＣの耐炭酸化性を向上させるために、側鎖が全てメチル基であるジメチルポリシロキサンを０．００１〜０．１８（ｗｔ％）含むＡＬＣが開示されている。
一方で、例えば特許文献３には、トバモライト結晶の（００２）面の面間隔が１１．４〜１１．６で、耐炭酸化性と乾燥収縮率を高めたＡＬＣが開示されている。さらに、特許文献４には、トバモライトの（２２０）面のＸ線回折ピークの強度Ｉｂが、トバモライト（２２０）面と（２２２）面の２本のＸ線回折ピークに挟まれた領域でのＸ線回折ピークの最低値Ｉａに対して、（Ｉｂ／Ｉａ）＞２の関係を持たせ、強度と耐炭酸化性に優れた珪酸カルシウム硬化体が開示されている。

特許文献１や特許文献２に開示されたＡＬＣでは、含有させる添加物が特殊な物質で高価であり、全体の製造時間も長くなってＡＬＣの製造コストが上昇するという問題があり、添加物質によってはモルタル粘性が増加して発泡成形に悪影響を及ぼす場合もある。
また、特許文献３や特許文献４に開示されたＡＬＣや珪酸カルシウム硬化体では、Ｘ線回折法によって、短時間で効率的にトバモライトの結晶性を判定することにより、耐炭酸化性に優れたＡＬＣや珪酸カルシウム硬化体を選択取得できるが、試料の調整処理や測定条件によってデータにばらつきが生じたり、再現性が損なわれたりすることがあった。
特開２０００−２１９５７９号公報特開２０００−２１９５５８号公報特開平７−２６７７５３号公報特開２０００−１２２６７４号公報

本発明は、前述したような従来のＡＬＣに対する高耐炭酸化性の判定の現状に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単な操作で再現性よく短時間に耐炭酸化性に優れたＡＬＣを適確且つ効率的に選択取得可能な高耐炭酸化性軽量気泡コンクリートを提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明は、互いに平行な平面上にそれぞれ延長成層されるＣａＯ層に挟持され、前記平面に垂直方向に珪酸塩イオンのダブルチェーンが形成された結晶構造を有するトバモライトを主要構成素子とする高耐炭酸化性軽量気泡コンクリートにおいて、２９ＳｉＭＡＳＮＭＲによるスペクトル分析で得られる前記トバモライトのスペクトルに基づき、それぞれ算出される前記ＣａＯ層に隣接して配置される配位数２のシリコン原子Ｑ２のピーク面積をＱ２ｓ、前記ダブルチェーンの前記垂直方向での橋渡しをする配位数３のシリコン原子Ｑ３のピーク面積をＱ３ｓとして、ピーク面積比Ｓ＝Ｑ２ｓ／Ｑ３ｓが、２．０≦Ｓ≦２．５の条件満足することを特徴とするものである。

本発明に係る高耐炭酸化性軽量気泡コンクリートは、互いに平行な平面上にそれぞれ延長成層されるＣａＯ層に挟持され、前記平面に垂直方向に珪酸塩イオンのダブルチェーンが形成された結晶構造を有するトバモライトを主要構成素子としているが、２９ＳｉＭＡＳＮＭＲによるトバモライトのスペクトル分析の結果得られるトバモライトのスペクトルに対して、ＣａＯ層に隣接して配置される配位数２のシリコン原子Ｑ２のピーク面積Ｑ２ｓと、ダブルチェーンの垂直方向での橋渡しをする配位数３のシリコン原子Ｑ３のピーク面積Ｑ３ｓとがそれぞれ算出される。
そして、算出されたピーク面積Ｑ２ｓ、Ｑ３ｓに基づいて、ピーク面積比Ｓ、Ｓ＝Ｑ２ｓ／Ｑ３ｓが算出され、２．０≦Ｓ≦２．５の条件を満足すると、対象となる軽量気泡コンクリートは耐炭酸化性に優れた高耐炭酸化性軽量気泡コンクリートであると判定することにより、トバモライトの炭酸化度が、所定炭酸化度以下の高耐炭酸化性軽量気泡コンクリートが短時間で効率的に選択取得され、該コンクリートを使用した建築物の耐用期間が延長し、補修・改修コストが削減され、さらには産業廃棄物の発生が抑制される。

本発明によると、高耐炭酸化性軽量気泡コンクリートに対して、２９ＳｉＭＡＳＮＭＲによるスペクトル分析の測定が行なわれ、その測定で得られるトバモライトのスペクトルに基づき、ＣａＯ層に隣接して配置される配位数２のシリコン原子Ｑ２のピーク面積Ｑ２ｓ、珪酸塩イオンのダブルチェーンの垂直方向での橋渡しをする配位数３のシリコン原子Ｑ３のピーク面積Ｑ３ｓ、がそれぞれ算出され、算出されるピーク面積Ｑ２ｓ、Ｑ３ｓに基づいてピーク面積比Ｓ＝Ｑ２ｓ／Ｑ３ｓが演算され、演算されたピーク面積比Ｓが、２．０≦Ｓ≦２．５であると判定することにより、トバモライトの炭酸化度が、所定炭酸化度以下の高耐炭酸化性軽量気泡コンクリートを、短時間で効率的に選択取得することが可能になり、該コンクリートを使用した建築物の耐用期間を延長し、補修・改修コストを削減し、さらには産業廃棄物の発生を抑制することが可能になる。

以下に本発明の一実施の形態を、選択された各実施例について、各比較例との比較に基づき図１、図２、表１及び表２を参照して説明する。
図１は本実施の形態のトバモライトの結晶構造を示す説明図、図２は本実施の形態のトバモライトの２９ＳｉＭＡＳＮＭＲスペクトルを示す説明図である。また、表１は本実施の形態の各実施例における原料配合データを、比較例との比較で示す表、表２は本実施の形態の各実施例におけるＱ２ｓ／Ｑ３ｓデータ、炭酸化度データ及び総合判定結果を比較例との比較で示す表である。

本実施の形態の対象となるＡＬＣの製造に際しては、珪酸質材料として珪砂、石灰質原料として生石灰、セメント（規格ポルトランドセメント）、さらに２水石膏と繰り返し原料であるＡＬＣ粉末と水を、表１の配合で混合し、アルミニウム粉末及び界面活性剤を加えて混練されてスラリーが作成される。ここで、生石灰は金属アルミニウムの化学反応により気泡の導入が急激にならないように使用されるものである。
そして、作成されたスラリーが石灰質原料の水和によって半硬化状態となった後に、所定サイズに成形され、１８０℃、１０気圧のオートクレーブ（高温高圧蒸気釜）内において、６時間高温高圧水蒸気養生が施されてＡＬＣが製造された。
そして得られたＡＬＣブロックを１０ｍｍ×４０ｍｍ×１００ｍｍに成形し、促進炭酸化試験を２週間実行し、促進炭酸化試験後のサンプルの炭酸化度を（１）式で演算した。また、長年にわたるＡＬＣに対する強度判定に基づき、ＡＬＣについては、炭酸化度が１０％を越えないことが、コンクリートの特性適合基準であると判定し、そこに判定基準を置いて、炭酸化度が１０％以下を可とし、炭酸可度１０％以上を不可と判断した。

本実施の形態のＡＬＣは、珪酸カルシウム水和物の一つであるトバモライト（５ＣａＯ・６ＳｉＯ_２・５Ｈ_２Ｏを主要な構成素子とするものであるが、このトバモライトは配位結合を含む化合物であり、図１に示すような結晶構造を有している。
このトバモライトの結晶構造では、同図に示すように、層状構造層に平行な平面上にそれぞれ延長成層されるＣａＯ層１ａ、１ｂ、１ｃが配設されており、これらのＣａＯ層に挟持されるようにして、ＣａＯ層の面に垂直方向に珪酸塩イオンのダブルチェーン構造２ａ、２ｂが形成されている。
外部からの電磁波の照射により原子核がそのエネルギーを吸収して磁気モーメントの向きを変える核磁気共鳴（ＮＭＲ；ＮｕｃｌｅａｒＭａｇｎｅｔｉｃＲｅｓｏｎａｎｃｅ）に基づき、２９ＳｉＭＡＳＮＭＲによって、珪酸塩イオンのダブルチェーン中の各シリコン原子に隣り合うシリコン原子の配位数を検出することができる。シリコンは４配位の原子で、配位数を０〜４にとることができ、配位数１〜４のシリコン原子は通常Ｑ１〜Ｑ４と表示される。
図１に示すように、珪酸塩イオンのダブルチェーン構造中には、ＣａＯ層１ａ、１ｂ、１ｃに隣接する配位数２のシリコン原子Ｑ２と、垂直方向にダブネチェーン構造の橋渡しをする配位数３のシリコン原子Ｑ３と、ダブルチェーン構造の延長方向の端部に位置する配位数１のシリコン原子Ｑ１とが存在する。

本実施の形態では、ＡＬＣのダブルチェーン構造内のシリコン原子Ｑ２、Ｑ３に対して、相互の存在状態を解明するために、２９ＳｉＭＡＳＮＭＲによるスペクトル分析が行なわれた。
このスペクトル分析によって、図２に示すように、珪酸塩イオンのダブルチェーン構造２ａ、２ｂ中の配位数１のシリコン原子Ｑ１、配位数２のシリコン原子Ｑ２、及び配位数３のシリコン原子Ｑ３のスペクトルが得られた。同図において−８０ｐｐｍを中心とするスペクトルが、配位数１のシリコン原子Ｑ１のスペクトル、−８４ｐｐｍを中心とするスペクトルが、配位数２のシリコン原子Ｑ２のスペクトル、−９０ｐｐｍ〜−９５ｐｐｍにわたるスペクトルが、配位数３のシリコン原子Ｑ３のスペクトルである。なお、図２に示される配位数４のシリコン原子Ｑ４のスペクトルは、ＡＬＣに残存している石英のスペクトルである。

発明者等は、トバモライトの炭酸化のメカニズムを長年にわたって研究し、各種の養生条件や原料種及び原料配合の試験体について、炭酸化速度と２９ＳｉＭＡＳＮＭＲて得られるスペクトルとの関係を研究した所、ピーク面積比Ｓ＝Ｑ２ｓ／Ｑ３ｓが、２．０以上２．５以下であると、炭酸化速度が小さく炭酸化抵抗に優れていることが導き出された。
これは、トバモライトの結晶性に関係するものと考えられ、トバモライトの前駆体であるＣＳＨ（珪酸カルシウム水和物）ゲルでは、図２に示す構造において、主に配位数２のシリコン原子Ｑ２と配位数１のシリコン原子Ｑ１から構成されるシリカの単鎖状構造を有している。これが、オートクレーブによる高温高圧水蒸気養生によって配位数３のシリコン原子Ｑ３が生成し、単鎖状構造が橋渡しされて、複鎖状構造となりトバモライトが結晶化される。

つまり、結晶化が進むほど配位数３のシリコン原子Ｑ３が多くなり、理想的なトバモライト結晶構造におけるＱ２ｓ／Ｑ３ｓは、図１から明らかなように２．０となる。このようにして、オートクレーブ養生によりトバモライトの結晶化が進むと、当初は大きな値であったＱ２ｓ／Ｑ３ｓが次第に低下して２に近付くことになる。そして、Ｑ２ｓ／Ｑ３ｓが低下して、２．０以上２．５以下の範囲である程度にトバモライトの結晶性が進むと、トバモライトの分解反応である炭酸化に対する抵抗性が大きくなると考えられる。

表２からはＱ２ｓ／Ｑ３ｓが小さくなって２．０に近付くほど、炭酸化度が小さく炭酸化抵抗に優れたＡＬＣ製品が得られることか明らかで、炭酸化度の判定基準となる炭酸化度が１０％以下になるのは、実施例１ないし実施例５であり、この場合のＱ２ｓ／Ｑ３ｓは２．２〜２．５の範囲にある。
今回の試験条件では、理想的なトバモライト結晶構造を示すＱ２ｓ／Ｑ３ｓ＝２に、より近いサンプルは得られなかったが、Ｑ２ｓ／Ｑ３ｓが小さくなるにつれて、炭酸化抵抗が高くなっていることから、Ｑ２ｓ／Ｑ３ｓを２．０〜２．５の範囲に選定して良好な製品が得られることは明らかである。

以上に説明したように、本実施の形態に係るＡＬＣの主要構成素子であるトバモライトは、互いに平行なＣａＯ層１ａ、１ｂ、１ｃに挟持されて、ＣａＯ層１ａ、１ｂ、１ｃに垂直に珪酸塩のダブルチェーン構造が形成された結晶構造を有するが、トバモライトの前駆体であるＣＳＨ（珪酸カルシウム水和物）ゲルが、主に配位数２のシリコン原子Ｑ２と配位数１のシリコン原子Ｑ１から構成されるシリカの単鎖状構造を有していたのが、オートクレーブによる高温高圧水蒸気養生によって配位数３のシリコン原子Ｑ３が生成し、単鎖状構造の橋渡しが行なわれ、複鎖状構造となりトバモライトが結晶化される。
そして、オートクレーブ養生によりトバモライトの結晶化が進むと、当初は大きな値であったＱ２ｓ／Ｑ３ｓが次第に低下して２に近付き、２．０以上２．５以下の範囲の程度にトバモライトの結晶性が進むと、トバモライトの分解反応である炭酸化に対する抵抗性が大きくなる。

そこで、本実施の形態では、２９ＳｉＭＡＳＮＭＲによりＡＬＣのスペクトル分析が行なわれ、この分析で得られる配位数２のシリコン原子Ｑ２、及び配位数３のシリコン原子Ｑ３のスペクトルについて、それぞれのピーク面積Ｑ２ｓ、Ｑ３ｓが算出され、ピーク面積Ｑ２ｓ、Ｑ３ｓから、ピーク面積比Ｓ＝Ｑ２ｓ／Ｑ３ｓ）を演算し、ピーク面積比Ｓが、２．０≦Ｓ≦２．５であることを確認判定することにより、炭酸化度が１０％を越えない高耐炭酸化性のＡＬＣを、簡単適確に選択取得することが可能になり、該ＡＬＣを使用した建築物の耐用期間を延長し、補修・改修コストを削減し、さらには産業廃棄物の発生を抑制することが可能になる。

本発明の一実施の形態のトバモライトの結晶構造を示す説明図である。同実施の形態のトバモライトの２９ＳｉＭＡＳＮＭＲスペクトルを示す説明図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ、１ｃＣａＯ層
２ａ、２ｂダブルチェーン構造

Claims

互いに平行な平面上にそれぞれ延長成層されるＣａＯ層に挟持され、前記平面に垂直方向に珪酸塩イオンのダブルチェーンが形成された結晶構造を有するトバモライトを主要構成素子とする高耐炭酸化性軽量気泡コンクリートにおいて、
２９ＳｉＭＡＳＮＭＲによるスペクトル分析で得られる前記トバモライトのスペクトルに基づき、それぞれ算出される前記ＣａＯ層に隣接して配置される配位数２のシリコン原子Ｑ２のピーク面積をＱ２ｓ、前記ダブルチェーンの前記垂直方向での橋渡しをする配位数３のシリコン原子Ｑ３のピーク面積をＱ３ｓとして、
ピーク面積比Ｓ＝Ｑ２ｓ／Ｑ３ｓが、２．０≦Ｓ≦２．５の条件を満足することを特徴とする高耐炭酸化性軽量気泡コンクリート。