JP2006298698A

JP2006298698A - 硬化体製造方法、硬化体、および硬化体を用いた構造物

Info

Publication number: JP2006298698A
Application number: JP2005122799A
Authority: JP
Inventors: Haruhiro Hata; 治広畑
Original assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Current assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Priority date: 2005-04-20
Filing date: 2005-04-20
Publication date: 2006-11-02

Abstract

【課題】結合剤としてセメントを使用することなく硬化体を製造可能とする。
【解決手段】硬化体の製造方法であって、接合剤として高炉スラグのみを用い、当該高炉スラグ、珪酸ソーダ、骨材、および水を混練して硬化体を形成することを特徴とする硬化体製造方法。
【選択図】なし

Description

本発明は、硬化体製造方法、硬化体、および硬化体を用いた構造物に関する。

一般に広く用いられるセメントに対して、他の材料も種々に混合して硬化体を形成する技術が提案されている。例えば、軟弱な土質の改良に対して良好な水浸透性が得られ、強度が大きく更に迅速に固化することができる固化性混合物を得るとの課題の下、無機系急結剤、吸水性高分子物質、生石灰及びセメント系固化材からなることを特徴とする固化性混合物（特許文献１参照）などが提案されている。
特開平８−２６７９５号公報

ところで、コンクリートやモルタルは、セメント、水、骨材、混和材等で構成されている。前記構成にてコンクリート等の硬化体を形成するに際し、硬化体の耐硫酸性を確保する為には、例えば耐硫酸塩セメントやポラゾン反応性を有する混和材の使用が一般的である。しかしながら、前記コンクリート等の原料となるセメントは、水和反応によって水酸化カルシウムを生成するため、硫酸の侵食により前記水酸化カルシウムに起因する２水石膏を生じて劣化する。さらに、２水石膏とセメント中のＣ3Ａとが反応し、膨張性のエトリンガイトを生じて、硬化体に膨張ひび割れを起こす場合がある。つまり、結合剤としてセメントを使用することで生じる問題が種々存在しているのである。そこで、結合剤としてセメントを使用せずに硬化体を製造する技術の提案が望まれていた。

そこで本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、結合剤としてセメントを使用することなく硬化体を製造可能とする、硬化体製造方法、硬化体、および硬化体を用いた構造物を提供することを主たる目的とする。

上記課題を解決する本発明の硬化体製造方法は、硬化体の製造方法であって、接合剤として高炉スラグのみを用い、当該高炉スラグ、珪酸ソーダ、骨材、および水を混練して硬化体を形成することを特徴とする。

また、本発明の硬化体は、接合剤として高炉スラグのみを用い、当該高炉スラグ、珪酸ソーダ、骨材、および水を混練してなることを特徴とする。

また、本発明の構造物は、接合剤として高炉スラグのみを用い、当該高炉スラグ、珪酸ソーダ、骨材、および水を混練してなる硬化体を用いたことを特徴とする。

その他、本願が開示する課題、及びその解決方法は、発明の実施の形態の欄、及び図面により明らかにされる。

本発明によれば、結合剤としてセメントを使用することなく硬化体が製造可能となる。

以下に本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。まずは比較のため、従来の硬化体として一般的な、セメントを接合剤として用いた硬化体製造方法における水和反応について説明する。セメントの水和反応（ｈｙｄｒａｔｉｏｎ）は、セメントと水の化学反応によって、コンクリートやモルタル中のセメントペーストが硬化していく現象であり、コンクリートの体積収縮や発熱が伴うものである。図１（ａ）に、普通ポルトランドセメントの成分例を示す。普通ポルとランドセメントは、一例として図に示すように、ＳｉＯ_２：２２％、Ａｌ_２Ｏ_３：５％、ＣａＯ：６４％、Ｆｅ_２Ｏ_３：３％といった成分構成になっている。

こうした成分構成のセメントは、水と混練されることで、以下の水和反応式１〜３で示す反応を生じる。
・Ｃ_３Ｓ＋Ｈ_２Ｏ → Ｃ−Ｓ−Ｈ＋Ｃａ（ＯＨ）_２ ……（式１）
・Ｃ_２Ｓ＋Ｈ_２Ｏ → Ｃ−Ｓ−Ｈ＋Ｃａ（ＯＨ）_２ ……（式２）
・Ｃ_３Ａ＋Ｈ_２Ｏ → Ｃ−Ａ−Ｈ＋Ｃａ（ＯＨ）_２ ……（式３）
このように、セメントと水のいずれの水和反応によっても、水酸化カルシウムが生成されることとなる。

上記した水酸化カルシウムは、硫酸と反応し２水石膏（ＣａＳＯ_４・２Ｈ_２Ｏ）を生成する。例えば、図１（ｂ）に示すようなコンクリート製の下水道において、下水・汚泥が嫌気性状態になると、下水・汚泥中の硫酸塩が微生物（硫酸塩還元細菌：ｓｕｌｆａｔｅ−ｒｅｄｕｃｉｎｇｂａｃｔｅｒｉａ）により還元され硫化水素が生成することが知られている。この時の反応式は（式４）に示す通りである。
ＳＯ_４ ^２− ＋２Ｃ＋２Ｈ_２Ｏ → Ｈ_２Ｓ＋２ＨＣＯ_３……（式４）

また、上記のように発生した硫化水素は、ガス化し易く（ＰＨ７〜８）気相中に放散されることとなる。こうした硫化水素は、密閉された下水道施設における気相中で濃縮され、コンクリート壁面の結露中に再溶解する。その後、好気状態で硫黄酸化細菌（Ｔｈｉｏｂａｃｉｌｌｕｓ属等）により酸化され硫酸が生成されるのである。この時の反応式は、（式５）に示す通りである。
Ｈ_２Ｓ＋２Ｏ_２ → Ｈ_２ＳＯ_４……（式５）

こうして、硫酸塩還元細菌（ｓｕｌｆａｔｅ−ｒｅｄｕｃｉｎｇｂａｃｔｅｒｉａ）と硫黄酸化細菌（Ｔｈｉｏｂａｃｉｌｌｕｓ属等）の作用によって生成された硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）はコンクリート壁面で、ＰＨ１〜２まで濃縮され、コンクリート中に含まれるセメントの水和反応によって生じた水酸化カルシウムと反応し、２水石膏（ＣａＳＯ_４・２Ｈ_２Ｏ）を生成するのである。この時の反応式は、（式６）に示す通りである。
Ｈ_２ＳＯ_４＋Ｃａ（ＯＨ）_２ → ＣａＳＯ_４・２Ｈ_２Ｏ……（式６）

なお、前記２水石膏は、さらにコンクリート内のアルミン酸三カルシウムと反応しエトリンガイドを生成する。この時、結晶水を取り込んで大きく膨張するため、コンクリートが腐食崩壊しやすいことも知られている。この時の反応式は、（式７）に示す通りである。
３ＣａＳＯ_４・２Ｈ_２Ｏ＋３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３＋２６Ｈ_２Ｏ → ３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・３ＣａＳＯ_４・３２Ｈ_２Ｏ……（式７）
コンクリート壁面の２水石膏は流水等により容易に剥落していくこととなる。

上述の状況に対処すべく、つまりコンクリートに耐硫酸性を持たせるための方法として、防菌剤や耐硫酸セメントの使用、水酸化カルシウムを消費するポゾラン反応性混和材の使用等といった技術が提案されているが、本発明においては、水酸化カルシウムを生成するセメントに代えて、高炉スラグ微粉末を接合剤に使用し、２水石膏の生成を抑制するものとする。

なお、高炉スラグ（ｂｌａｓｔｆｕｒｎａｃｅｓｌａｇ）とは、銑鉄製造の際、高炉中で鉄を還元し、その残渣などと石灰とが結合して生ずるシリカ、アルミナ、石灰などの化合物からなる鉱物質物質である。この高炉スラグの生成過程は以下のようなものとなる。製鉄工業の高炉作業において、鉄鉱石、石灰石、コークスを原燃料とし、適当な割合で調合し、高温下で溶融・還元すると、原鉱中の鉄分は溶銑となって分離されて、炉底近くに沈む。一方、その上層部には鉄鉱石に不純物として含まれていたＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３などが石灰石のＣａＯと化合し、高温で溶けたままの状態で浮遊する。これにはＣａＯ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３のほかに、ＭｇＯ、ＭｎＯ、硫化物、その他の微量成分が種々含まれており、高炉スラグの基となる。これは炉内では溶けているか、高炉から取り出して急冷却を受けることによって小さな砂粒状に変わり、ガラス質となる。このように急冷されたスラグを高炉スラグと呼ぶ。高炉スラグの発生量は、例えば普通銑鉄１ｔに対し約３００ｋｇで、比重はほぼ２．９程度である。

この高炉スラグは、粉末とした上で石灰（Ｃａ（ＯＨ）_２）とよく混合し、水と混練すると、やがてこの珪酸ソーダなど石灰分の刺激作用を受けて固化を始め、徐々に強度を発現することが知られている。この、水の存在下における石灰分の刺激によって高炉スラグ自らが固化する性質を、潜在水硬性という。なお、前記珪酸ソーダ（Ｎａ_２ＳｉＯ_３）は、水硝子とも呼ばれるアルカリ性物質である。

本発明の硬化体製造方法においては、上記高炉スラグが備える潜在水硬性の性質を利用して、硬化体製造を行う。本実施形態における高炉スラグの成分例としては、例えば、ＳｉＯ_２：３３．１％、Ａｌ_２Ｏ_３：１４．０％、ＣａＯ：４２．３％、ＭｇＯ：６．９％、ＴｉＯ_２：１．３％、ＦｅＯ：０．７％、ＭｎＯ：０．４％、Ｔ．Ｓ：０．８％、Ｎａ_２Ｏ：０．２％、Ｋ_２Ｏ：０．３％といったものになる。また、珪酸ソーダの成分の例としては、例えば、ＳｉＯ_２：３５〜３８％、Ｎａ_２Ｏ：１７〜１９％、ＦｅＯ：０．０３％以下といったものになる。

本発明の硬化体製造方法では、接合剤として高炉スラグのみを用い、当該高炉スラグ、珪酸ソーダ、骨材、および水を混練して硬化体を形成する。このように、高炉スラグを、水および珪酸ソーダと混ぜることで、その水硬性を発現させる。アルカリの刺激を受け、ｐＨが１２を超えた高炉スラグは、その網目構造が破壊され、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＣａＯ、ＭｇＯが溶出する。また、Ｃａ_２＋は水中でＣａ（ＯＨ）_２となり、ＳｉＯ_２と結合して、カルシウムシリケート水和物（ＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ｈ_２Ｏ系）を形成する。また、Ａｌ_３＋はＣａ（ＯＨ）_２と結合してアルミン酸カルシウム水和物（ＣａＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｈ_２Ｏ系）を生成し固結する。この時の反応式は、（式８）に示す通りである。
Ｃ５ＡＳ_３＋２Ｃａ（ＯＨ）_２＋１６Ｈ_２Ｏ → Ｃ_４ＡＨ１_３＋３［Ｃ−Ｓ−Ｈ］……（式８）
このように固化していく高炉スラグは、混練されている骨材同士の接合剤となって互いに結びつき、一体の硬化体をなすのである。

以上、本発明の実施の形態について、その実施の形態に基づき具体的に説明したが、これに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

本実施形態における、（ａ）普通ポルトランドセメントの成分例、（ｂ）硫酸侵食による劣化の模式、を示す図である。本実施形態における、（ａ）高炉スラグの成分例、（ｂ）珪酸ソーダの成分例、を示す図である。

Claims

硬化体の製造方法であって、接合剤として高炉スラグのみを用い、当該高炉スラグ、珪酸ソーダ、骨材、および水を混練して硬化体を形成することを特徴とする硬化体製造方法。
接合剤として高炉スラグのみを用い、当該高炉スラグ、珪酸ソーダ、骨材、および水を混練してなることを特徴とする硬化体。
接合剤として高炉スラグのみを用い、当該高炉スラグ、珪酸ソーダ、骨材、および水を混練してなる硬化体を用いた構造物。