JP2007055843A - セメント添加材 - Google Patents

Abstract

【課題】セメントの水和熱を低下させ、かつ流動性や強度発現性が良好なセメント添加材を提供する。
【解決手段】2CaO・SiO₂、2CaO・Al₂O₃・SiO₂及びカルシウムアルミネートを必須成分とし、塩素を1質量％以下含有する焼成物であって、2CaO・SiO₂100質量部に対して、2CaO・Al₂O₃・SiO₂＋4CaO・Al₂O₃・Fe₂O₃を10〜150質量部含有し、かつ、カルシウムアルミネートの含有量が20質量部以下である焼成物、及びこれを粉砕してなるセメント添加材、並びにポルトランドセメントクリンカー粉砕物100質量部に対して、当該セメント添加材5〜100質量部を含有するセメント。

Description

本発明は、セメントの水和熱を低下させ、かつ流動性や強度発現性が良好なセメント添加材に関する。

現在、セメント産業では、産業廃棄物、一般廃棄物をセメント原料として再資源化している（例えば、特許文献１、特許文献２）。しかしながら、廃棄物をセメント原料として大量に使用すると、セメント中の3CaO・Al₂O₃量が増加し、その結果、セメントの水和熱が上昇するという問題があった。また、そのようなセメントと混和剤を用いてモルタルやコンクリートを製造する場合には、モルタルフローやスランプが小さくなり、フローロスやスランプロスが大きくなるという欠点もあった。
特開昭５６−１２０５５２号公報 特開２００４−３５２５１６号公報

従って、本発明の目的は、セメントの水和熱を低下させ、かつ流動性や強度発現性が良好なセメント添加材を提供することにある。

本発明者らは、斯かる実情に鑑み、鋭意研究した結果、2CaO・SiO₂、2CaO・Al₂O₃・SiO₂及びカルシウムアルミネートを必須成分とし、塩素を1％以下含有する焼成物の粉砕物が、ポルトランドセメントクリンカーと混合したときに、セメントの水和熱が低く、かつ流動性や強度発現性が良好であることを見出し、本発明を完成した。

即ち、本発明は、2CaO・SiO₂、2CaO・Al₂O₃・SiO₂及びカルシウムアルミネートを必須成分とし、塩素を1質量％以下含有する焼成物であって、2CaO・SiO₂100質量部に対して、2CaO・Al₂O₃・SiO₂＋4CaO・Al₂O₃・Fe₂O₃を10〜150質量部含有し、かつ、カルシウムアルミネートの含有量が20質量部以下であることを特徴とする焼成物、及びこれを粉砕してなるセメント添加材を提供するものである。
また、本発明は、ポルトランドセメントクリンカー粉砕物100質量部に対して、前記セメント添加材5〜100質量部を含有するセメントを提供するものである。

本発明の焼成物を粉砕したセメント添加材を用いれば、水和熱が低く、かつ流動性や強度発現性が良好なセメントを得ることができる。
また、本発明の焼成物は、産業廃棄物、一般廃棄物、建設発生土を原料とすることができ、しかも廃棄物のみから製造することもでき、多量の廃棄物の有効利用を図ることができる。さらに、廃棄物を低温で焼成して得られるので、燃料も節約される。

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明の焼成物は、2CaO・SiO₂(以降、C₂Sと略す)及び2CaO・Al₂O₃・SiO₂(以降、C₂ASと略す)を含有するもので、C₂S100質量部に対して、C₂ASを10〜150質量部、好ましくは10〜110質量部含有するものである。C₂AS含有量が10質量部未満では、焼成時に焼成温度を上げてもフリーライム量（未反応CaO量）が低下しにくく、焼成が困難になり、また、生成するC₂Sも水和活性のないγ型C₂Sである可能性が高くなり、セメントの強度を大きく低下させることがある。一方、C₂AS含有量が150質量部を超えると、高温における融液が増加するため、焼成可能温度が狭まり、またC₂Sが少ないため、セメントの初期及び長期強度がともに低下する。

本発明の焼成物は、C₂S100質量部に対するカルシウムアルミネートの含有量が20質量部以下、好ましくは0.5〜15質量部、より好ましくは1〜10質量部である。カルシウムアルミネートの含有量が20質量部を超えると、セメントの水和熱が上昇し、流動性も悪化する。
前記カルシウムアルミネートは、セメントの初期強度発現性等から11CaO・7Al₂O₃・CaCl₂(以降、C₁₁A₇・CaCl₂と略す)及び／又は3CaO・Al₂O₃(以降、C₃Aと略す)であることが好ましい。

本発明の焼成物は、塩素を1質量％以下、好ましくは0.01〜0.6質量％、より好ましくは0.01〜0.4質量％含有するものである。塩素を1質量％以下含有することにより、セメントの初期強度発現性等が向上する。塩素の含有量が1質量％を越えると、セメントの流動性が低下する。また、鉄筋コンクリートに使用した場合、鉄筋が発錆する可能性が高くなる。

このような組成の焼成物は、例えば産業廃棄物、一般廃棄物及び建設発生土から選ばれる１種以上を原料とし、これを焼成することにより製造することができる。産業廃棄物としては、例えば石炭灰；生コンスラッジ、下水汚泥、浄水汚泥、建設汚泥、製鉄汚泥等の各種汚泥；ボーリング廃土、各種焼却灰、鋳物砂、ロックウール、廃ガラス、高炉２次灰、建設廃材、コンクリート廃材などが挙げられ；一般廃棄物としては、例えば下水汚泥乾粉、都市ごみ焼却灰、貝殻等が挙げられる。また、建設発生土としては、建設現場や工事現場等から発生する土壌や残土、さらには廃土壌等が挙げられる。

なお、焼成物の原料組成によっては、特に、前記産業廃棄物、一般廃棄物及び建設発生土から選ばれる１種以上（以下、廃棄物原料と称する）を原料として用いた場合、4CaO・Al₂O₃・Fe₂O₃(以降、C₄AFと略す)が生成することがあるが、本発明の焼成物においては、C₂ASの一部、好ましくはC₂AS重量の70質量％以下がC₄AFで置換されても良い。C₄AFがこの範囲を超えて置換されると、焼成の温度範囲が狭くなり、製造の管理が難しくなる。

本発明の焼成物の鉱物組成は、粉末Ｘ線回折を利用したリートベルト解析方法によって求めることができる。

本発明において、廃棄物原料中にカルシウムが不足する場合には、その不足分を調整するために、石灰石等を混合して用いることができる。混合割合は、廃棄物原料の組成に応じて、得られる焼成物の組成が、本発明の範囲内になるよう、適宜決定すれば良い。

これらを焼成する際の焼成温度は、1000〜1350℃、特に1200〜1330℃であるのが、焼成工程の熔融相の状態が良好であるので好ましい。
用いる装置は特に限定されず、例えばロータリーキルン等を用いることができる。また、ロータリーキルンで焼成する際には、燃料代替廃棄物、例えば廃油、廃タイヤ、廃プラスチック等を使用することができる。
このような焼成により、C₂ASが生成し、本発明のような組成の焼成物を得ることができる。

本発明のセメント添加材は、このようにして得られる焼成物を粉砕してなるものである。なお、モルタルやコンクリートの流動性、強度発現性の観点から、焼成物の粉砕物100質量部に対して、石膏をSO₃換算で6質量部以下含有させることもできる。この場合、焼成物と石膏を混合した後粉砕しても良いし、あるいは焼成物と石膏をそれぞれ粉砕した後に混合しても良い。
焼成物の粉砕方法は特に制限されず、例えばボールミル等を用い、通常の方法で粉砕すれば良い。本発明のセメント添加材は、ブレーン比表面積が2500〜5000cm²/gであることが、モルタルやコンクリートのブリーディングの低減や、流動性、強度発現性の観点から好ましい。

本発明のセメントは、前記セメント添加材を、ポルトランドセメントクリンカー粉砕物100質量部に対して5〜100質量部混合することにより得ることができる。混合量はセメントの種類によって異なるが、例えば普通ポルトランドセメントとして使用する場合は5〜50質量部、特に10〜40質量部混合するのが好ましく、低熱セメントとして使用する場合は50〜100質量部、特に60〜100質量部混合するのが好ましい。

また、本発明のセメントには石膏を配合することができ、セメント中に全SO₃換算で1.5〜5質量％、特に2〜3.5質量％、更に2.5〜3質量％配合するのが、一般的な凝結性状が得られるので好ましい。石膏としては、特に制限されず、例えば二水石膏、α型又はβ型半水石膏、無水石膏等が挙げられ、これらを単独又は２種以上組み合わせて用いることができる。

本発明のセメントは、前記成分等を混合して製造することができるが、その方法は特に制限されず、例えば、ポルトランドセメントクリンカー、焼成物、石膏等の配合成分を、混合した後粉砕するか、あるいは各成分を粉砕した後に混合しても良い。また、焼成物と石膏を粉砕して得られたセメント混和材を、セメントクリンカー粉砕物と混合して製造することもできる。得られるセメントは、ブレーン比表面積が2500〜4500cm²/gであることが、モルタルやコンクリートのブリーディングの低減や、流動性、強度発現性の観点から好ましい。

以下、実施例により本発明を説明する。
実施例１
１．焼成物の調製
表１に示す組成の焼成物を製造した。すなわち、石灰石、焼却飛灰、下水汚泥、廃ガラスの原料を表１に示す組成で調合し、小型ロータリーキルンを用いてフリーライム量が１％以下になるよう、表１に示す温度で焼成した。

２．セメント添加材の調製
上記各焼成物100質量部に対して、SO₃量が2質量部となるように、排脱ニ水石膏（住友金属社製）を添加し、バッチ式ボールミルでブレーン比表面積が3300cm²/gとなるように同時粉砕した。

３．モルタル用材料
上記以外の材料を以下に示す。
セメント；普通ポルトランドセメント（太平洋セメント社製）
細骨材；「JIS R 5201(セメントの物理試験方法)」に定める標準砂
水；水道水
減水剤；ポリカルボン酸系高性能ＡＥ減水剤(エヌエムビー社製「レオビルドSP8N」)

４．水和熱の測定
普通ポルトランドセメントに対して、上記セメント添加材を10質量％(内割)添加したセメントの水和熱を「JIS R 5201(セメントの物理試験方法)」に準じて測定した。

５．モルタルの流動性の測定
普通ポルトランドセメントに対して、上記セメント添加材を10質量％(内割)添加したセメントと、上記の細骨材、水および減水剤を使用して、モルタルを調製し、以下のようにフロー値を測定した。
1)フロー値の測定
混練直後のモルタルをフローコーン（上面直径5cm、下面直径10cm、高さ15cm）に投入し、フローコーンを上方へ取り去った際のモルタルの広がりを測定し、フロー値を求めた。なお、モルタルの配合は、水／セメント(質量)比＝0.35、細骨材／セメント(質量)比＝2.0、減水剤／セメント(質量)比＝0.0065とした。

６．圧縮強度の測定
普通ポルトランドセメントに対して、上記セメント添加材を10質量％(内割)添加したセメントと、上記の細骨材および水を使用して、モルタルを調製し、該モルタルの圧縮強度（３日、７日および28日）を「JIS R 5201(セメントの物理試験方法)」に準じて測定した。なお、モルタルの配合は、水／セメント(質量)比＝0.5、細骨材／セメント(質量)比＝3.0とした。
それらの結果を表２に示す。

表２より、本発明のセメント添加材を使用したモルタルでは、水和熱が低く、かつ流動性や強度発現性が良好であることが分かる。

実施例２
普通ポルトランドセメントに対して、実施例１のセメント添加材(No.1、No.2又はNo.4の焼成物を使用したもの)を10質量％(内割)添加したセメントを使用し、コンクリートのスランプ及び圧縮強度を測定した。コンクリートの配合は、表３に示すとおりである。
なお、コンクリートのスランプは、「JIS A 1101(コンクリートのスランプ試験方法)」に従い、混練直後、混練から30分経過後及び混練から60分経過後に測定した。
圧縮強度は、「JIS A 1108(コンクリートの圧縮強度試験方法)」に従って測定した。なお、供試体の寸法は、φ10×20cmとした。
結果を表４に示す。

表４より、本発明のセメント添加材を使用したコンクリートでは、流動性や強度発現性が良好であることが分かる。

実施例３
実施例２のコンクリート(No.1、No.2)を使用して、鉄筋コンクリート供試体(φ10×20cm、かぶり厚さ２cm、鋼材を円柱体の軸に２本平行に埋め込む)を作製した。該供試体を脱型後、材齢７日まで封かん養生を行い、高温湿潤３日間・低温乾燥４日間を20サイクル繰り返し後、該供試体中の鉄筋の発錆の有無を観察した。
その結果、鉄筋の発錆は認められなかった。

Claims (7)

1. 2CaO・SiO₂、2CaO・Al₂O₃・SiO₂及びカルシウムアルミネートを必須成分とし、塩素を1質量％以下含有する焼成物であって、2CaO・SiO₂100質量部に対して、2CaO・Al₂O₃・SiO₂＋4CaO・Al₂O₃・Fe₂O₃を10〜150質量部含有し、かつ、カルシウムアルミネートの含有量が20質量部以下であることを特徴とする焼成物。
2. カルシウムアルミネートが、11CaO・7Al₂O₃・CaCl₂及び／又は3CaO・Al₂O₃である請求項１記載の焼成物。
3. 産業廃棄物、一般廃棄物及び建設発生土から選ばれる１種以上を原料とする請求項１又は２記載の焼成物。
4. 請求項１〜３のいずれか１項記載の焼成物を粉砕してなるセメント添加材。
5. 請求項１〜３のいずれか１項記載の焼成物の粉砕物100質量部に対して、石膏をSO₃換算で6質量部以下含有するセメント添加材。
6. ポルトランドセメントクリンカー粉砕物100質量部に対して、請求項１〜３のいずれか１項記載の焼成物の粉砕物5〜100質量部を含有するセメント。
7. 石膏を、SO₃換算で1.5〜5質量％含有する請求項６記載のセメント