JP2007290925A

JP2007290925A - 土木・建設用資材又は構造物

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Publication number: JP2007290925A
Application number: JP2006122480A
Authority: JP
Inventors: Yoshitaka Ota; 義高太田; Junichi Tsushima; 潤一津島
Original assignee: Nippon Oil Corp
Current assignee: Eneos Corp
Priority date: 2006-04-26
Filing date: 2006-04-26
Publication date: 2007-11-08

Abstract

【課題】優れた耐酸性と、セメントコンクリートよりも優れた耐摩耗性とを兼ね備え、このような物性を必要とする環境下においても施工することが可能な土木・建設用資材又は構造物を提供すること。
【解決手段】本発明の土木・建設用資材又は構造物は、改質硫黄１００質量部及び、粒径１mm以下の無機系微粉末２０〜１００質量部からなる改質硫黄含有材料２０〜４０質量％と、粒径５ｍｍ以下のフェロニッケルスラグ細骨材６０〜８０質量％とを含み、前記無機系微粉末が、少なくともSiを含み、微粉末中のCa、Si、Alを酸化物換算したCaO／(SiO₂＋Al₂O₃)の割合が、質量比で０．２以下の無機系微粉末であり、耐酸性及び耐磨耗性を兼ね備えている。
【選択図】なし

Description

本発明は、改質硫黄を用いた、耐酸性及び耐磨耗性を兼ね備えた、特に、水路等の構造物に有用な土木・建設用資材又は構造物に関する。

土木・建設用資材や構造物は、その用途や適用環境等によって求められる性能が異なる。例えば、温泉地等の酸性土壌地帯や下水処理施設、たい肥場等においては、その構造物に、耐酸性及び耐摩耗性が要求されることが多い。
従来、このような環境下に用いる構造物の資材としては、セメントコンクリート資材が多く利用されてきた。
しかし、セメントコンクリート製の構造物では、耐酸性能が低いため侵食され易く、早期の補修や更新が必要となり、また、耐磨耗性も充分とは言えない。

近年、セメントコンクリートの欠点を解決し、強度発現が速い土木・建設用資材として、硫黄を利用した改質硫黄含有資材が多数提案されており、例えば、特許文献１には、硫黄を硫黄改質剤により重合した改質硫黄及び骨材を含み、該骨材が、少なくともＳｉを含み、骨材中のＣａ、Ｓｉ、Ａｌを酸化物換算したＣａＯ／(ＳｉＯ₂＋Ａｌ₂Ｏ₃)の割合が、重量比で０．２以下の無機骨材である耐酸性硫黄資材が提案されている。このような骨材としては、例えば、石炭灰、珪砂、シリカ、石英粉、砂利、砂、ガラス粉末等が挙げられており、具体的には、骨材として石炭灰及び珪砂を用いた実施例が示されている。
該文献に記載された資材は、耐酸性に優れるものの、具体的に記載された石炭灰及び珪砂を骨材として用いた例の場合には、セメントコンクリート資材と同程度の耐摩耗性しか得られず、優れた耐摩耗性が要求される用途に使用する場合には、改善が必要であることが本発明者らの研究により最近わかってきた。

ところで、特許文献２には、硫黄１０〜３０質量％と無機系資材７０〜９０質量％とを含む粒状硫黄固化物からなり、特定粒径を備え、無機系資材の二次粒子の各々が硫黄で被覆されており、該硫黄で被覆された二次粒子同士が更に硫黄で被覆された被覆物が凝集して一体的に構成されている状態の内部構造を有し、無機系資材が硫黄で実質的に被覆された土木・建築用資材が提案されており、更に、該無機系資材として、フェロニッケルスラグが利用できることも記載されている。
しかし、該文献には、耐酸性及び耐摩耗性を兼ね備えた資材がどのような組成等により得られるのか、更には、そのような物性を兼ね備えた用途の土木・建設用構造物として、どのような材料が利用できるかについては何ら提案がなされていない。
ＷＯ２００４−１１３８４号パンフレット特開２００１−１６３６４９号公報

本発明の課題は、優れた耐酸性と、セメントコンクリートよりも優れた耐摩耗性とを兼ね備え、このような物性を必要とする環境下においても施工することが可能な土木・建設用資材又は構造物を提供することにある。

本発明によれば、改質硫黄１００質量部及び、粒径１mm以下の無機系微粉末２０〜１００質量部からなる改質硫黄含有材料２０〜４０質量％と、粒径５ｍｍ以下のフェロニッケルスラグ細骨材６０〜８０質量％とを含み、前記無機系微粉末が、少なくともSiを含み、微粉末中のCa、Si、Alを酸化物換算したCaO／(SiO₂＋Al₂O₃)の割合が、質量比で０．２以下の無機系微粉末である、耐酸性及び耐磨耗性を兼ね備えた土木・建設用資材又は構造物が提供される。

本発明の土木・建設用資材又は構造物は、特定の改質硫黄含有材料と、特定粒径のフェロニッケルスラグ細骨材とを特定割合で含有するので、優れた耐酸性と、セメントコンクリートよりも優れた耐摩耗性とを兼ね備え、更には、優れた曲げ強度や圧縮強度等の機械的強度を有する。従って、このような物性を必要とする、例えば、水路、ボックスカルバート、U字溝、たい肥場床、ヒューム管、マンホール、タイル、ブロック又はパネル等の土木・建設用構造物等として有用である。

以下、本発明を更に詳細に説明する。
本発明の土木・建設用資材又は構造物は、改質硫黄及び、粒径１mm以下の無機系微粉末からなる改質硫黄含有材料を含む。
前記改質硫黄は、例えば、天然産又は、石油や天然ガスの脱硫によって生成した硫黄等を硫黄改質剤により重合したものであって、硫黄と硫黄改質剤との反応物である。

硫黄改質剤としては、例えば、炭素数４〜２０のオレフィン系炭化水素又はジオレフィン系炭化水素、具体的には、リモネン、ピネン等の環状オレフィン系炭化水素、スチレン、ビニルトルエン、メチルスチレン等の芳香族炭化水素、ジシクロペンタジエン及びそのオリゴマー、シクロペンタジエン、テトラヒドロインデン、ビニルシクロヘキセン、ビニルノルボルネン、エチリデンノルボルネン、シクロオクタジエン等のジエン系炭化水素等の１種又は２種以上の混合物が挙げられる。
改質硫黄は、硫黄と硫黄改質剤とを溶融混合することにより得ることができる。この際、硫黄改質剤の使用割合は、硫黄と硫黄改質剤との合計量に対して、通常０．１〜２０質量％、特に、１．０〜１０質量％の割合が好ましい。
硫黄改質材の割合が、０．１質量％未満では、充分に硫黄を改質することができず、所望の機械的強度等が発揮されない恐れがある。

前記無機系微粉末は、粒径１ｍｍ以下、好ましくは１００μｍ以下の微粉末であって、本発明の土木・建設用資材又は構造物に、優れた耐酸性を付与するために、少なくともCa及びSiを含み、微粉末中のCa、Si、Alを酸化物換算したCaO／(SiO₂＋Al₂O₃)の割合が、質量比で０．２以下の無機系微粉末を使用する必要がある。前記微粉末中のCaO／(SiO₂＋Al₂O₃)の割合は、Ca量をCaOに換算し、Si量をSiO₂に換算して、Al量をAl₂O₃に換算してそれぞれ質量比により決定できる。この際、Alは必ずしも含まれなくて良い。
このような無機系微粉末としては、例えば、石炭灰、珪砂、シリカヒューム、石英粉、砂、ガラス粉末、電気集塵灰等のシリカ成分を主体とする微粉末の１種又は２種以上が挙げられる。また、石炭灰としては、発電用、加熱用等の各種石炭焚燃焼炉から排出される、例えば、フライアッシュ、クリンカアッシュ、ボトムアッシュ等が使用できる。

前記無機系微粉末の含有割合は、改質硫黄１００質量部に対して、通常、２０〜１００質量部、特に２５〜３５質量部が好ましい。無機系微粉末の含有割合が２０質量部未満では、所望の機械的強度等が発揮されない恐れがあり、また、１００質量部を超える場合には、後述するフェロニッケルスラグ細骨材の分散性が低下し、耐磨耗性が部分的に低下する恐れがある。

前記改質硫黄含有材料の調製は、例えば、改質硫黄溶融物と、前記特定の無機系微粉末とを１２０〜１６０℃で混合し、所望の形態の型枠に導入し、振動等を与えながら冷却固化する方法等により得ることができる。
前記改質硫黄溶融物は、硫黄と硫黄改質剤とを公知の各種加温可能なミキサー等を用いて、１２０〜１６０℃の範囲で溶融混合し、例えば、硫黄を充分に改質させるために、１４０℃における粘度が通常０．０５〜１．０Ｐａ・ｓ、好ましくは０．０５〜０．５Ｐａ・ｓ程度となるように混合することにより得ることができる。
改質硫黄溶融物及び無機系微粉末の混合は、無機系微粉末を予め１２０〜１５５℃程度に加熱し、溶融状態を維持する所望温度で混合することにより行うことができる。

本発明の土木・建設用資材又は構造物は、前記改質硫黄含有材料の他に、特定粒径のフェロニッケルスラグ細骨材を含む。
フェロニッケル細骨材は、ニッケル鉱石等からフェロニッケルを製錬採取する際に副産されるフェロニッケルスラグであって、JIS A 5011-2に記載される粒径５ｍｍ以下のフェロニッケルスラグ細骨材として使用可能な、例えば、５ｍｍフェロニッケルスラグ細骨材、２．５ｍｍフェロニッケルスラグ細骨材、１．２ｍｍフェロニッケルスラグ細骨材、５〜０．３ｍｍフェロニッケルスラグ細骨材等を用いることができる。中でも、本発明の所望の耐磨耗性をより向上させるために、５〜０．３ｍｍフェロニッケルスラグ細骨材の使用が好ましい。
フェロニッケルスラグ細骨材の粒径が、５ｍｍを超える場合には、該フェロニッケルスラグ細骨材の本発明の土木・建設用資材又は構造物における均一分散が困難となり、所望の耐磨耗性及び耐酸性が低下する恐れがある。

本発明の土木・建設用資材又は構造物において、前記改質硫黄含有材料と前記フェロニッケルスラグ細骨材との含有割合は、改質硫黄含有材料２０〜４０質量％、好ましくは２５〜３５質量％、フェロニッケルスラグ細骨材６０〜８０質量％、好ましくは７０〜７５質量％である。
改質硫黄含有材料の含有割合が２０質量％未満、即ち、フェロニッケルスラグ細骨材の含有割合が８０質量％を超える場合には、材料全体の流動性が低下し、構造物を調製する際の成形が困難になる恐れがある。一方、改質硫黄含有材料の含有割合が４０質量％を超える場合、即ち、フェロニッケルスラグ細骨材の含有割合が６０質量％未満の場合には、得られる資材又は構造物の耐摩耗性が低下する恐れがある。

本発明の土木・建設用資材又は構造物において、必須成分である前記改質硫黄含有材料と前記フェロニッケルスラグ細骨材との合計の含有割合は、通常８５〜１００質量％、好ましくは９０〜１００質量％である。
本発明の土木・建設用資材又は構造物には、前記改質硫黄含有材料と前記フェロニッケルスラグ細骨材の他に、本発明の所望の効果を損なわず、また、他の効果を得るために、他の細骨材や添加剤等を含有させることができる。
他の細骨材としては、例えば、繊維質充填材、繊維状粒子、薄片状粒子等が挙げられる。
繊維質充填材としては、例えば、ビニロン繊維、ポリプロピレン繊維、ポリエチレン繊維、アラミド繊維、カーボンファイバー又はこれらの混合物等が挙げられる。

本発明の土木・建設用資材又は構造物を製造するには、例えば、前記改質硫黄含有材料の溶融物と、前記フェロニッケルスラグ細骨材とを、更に必要に応じて含有させることが可能な他の細骨材等とを１２０〜１６０℃で混合し、該混合物を、資材の場合には、所望の粒度等に造粒成形する方法又は適当な型枠に導入して成形固化する方法、更に該固化物を破砕する方法等により得ることができる。また、構造物を得る場合には、前記混合物を、所望の構造物となる形態の型枠等に導入し、成形固化する方法、遠心成形法等により成形固化する方法等により得ることができる。
前記混合物の調製においては、得られる資材や構造物の耐酸性や耐磨耗性等を向上させるために、溶融している改質硫黄含有材料の１４０℃における粘度が通常０．０５〜１．０Ｐａ・ｓ、好ましくは０．０５〜０．５Ｐａ・ｓ程度となるように混合温度や時間を制御することが好ましい。また、混合する際に、フェロニッケルスラグ細骨材や他の細骨材等は、予め１２０〜１５５℃程度に加熱しておき、改質硫黄含有材料の溶融状態を維持する所望温度で混合することが好ましい。
更に、型枠等における成形固化は、前記混合物に振動を与えたり、超音波照射等を行って固化させることが得られる構造物の緻密性が向上する点で好ましい。

本発明の土木・建設用構造物は、特に、優れた耐酸性及び耐摩耗性を必要とする構造物に有効であり、例えば、水路、ボックスカルバート、U字溝、たい肥場床、ヒューム管、マンホール、タイル、ブロック又はパネル等に有効である。特に、pH３．５以下の条件となる環境であっても、更には、下水施設やpH１．５以下の環境にもなりうる酸性温泉施設等における環境に使用する構造物であっても有効に、優れた耐酸性及び耐磨耗性を発揮させることができる。
このような構造物は、上述の成形固化する方法等により得ることができ、本発明の土木・建設用構造物を製造する際の前記成形固化は、セメントコンクリートのように数日〜数十日の養生等を行う必要が無く、数時間から１日程度で所望の強度及び所望の物性を得ることができる。

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されない。
実施例１
密閉型撹拌混合層中に、固体硫黄９５０ｋｇを入れ、１２０℃で加温して溶解後、１３０℃に保持した。続いて、テトラハイドロインデン５０ｋｇをゆっくり添加し、約１０分間静かに撹拌して、初期反応による温度上昇が収束することを確認してから、１４０℃まで昇温した。反応が開始され、次第に粘度が上昇し、約１時間で、B型粘度計で測定した粘度が０．１Pa・sに達したところで直ちに加熱を停止し、適当な型に流し込んで室温で冷却し、改質硫黄を得た。
次いで、１４０℃に予熱した平均粒径５０μm、CaO／(SiO₂＋Al₂O₃)の質量比０．１のフライアッシュ３００ｋｇと、前記改質硫黄６００ｋｇを１３０℃に再加熱して溶解した溶解物とを、１４０℃に保持した混練機内にほぼ同時に投入した。続いて、１０分間混練りした後冷却し、１００ｍｍ以下に破砕して改質硫黄含有材料を調製した。

次に、バッチ式撹拌混合槽中に、上記改質硫黄含有材料７００ｋｇを導入し、１２０℃で加温して溶解後、１３０℃に保持した。続いて、粒径０．３〜５ｍｍのフェロニッケルスラグ細骨材１３００ｋｇを１３０℃に予熱した状態で導入し、１３０℃で１０分間混練した。
次いで、ジェットヒーターで予め８０℃に加温した高さ９０ｃｍ、幅１７０ｃｍ、長さ２００ｃｍ、厚さ約１０ｃｍの大型水路用型枠に、該型枠を振動させながら前記調製した混合物を導入し、徐々に冷却して固化させた。続いて、脱型し、水路用成形体を製造した。

得られた水路用成形体の圧縮強度及び曲げ強度をＪＩＳＡ１１０８により測定したところ、圧縮強度５５Ｎ／ｍｍ²であり、曲げ強度８．５Ｎ／ｍｍ²であった。また、すり減り係数を、ＡＳＴＭ C４１８−９８に準拠して測定したところ、０．１３５ｃｍ³／ｃｍ²であった。
また、耐酸性試験として、上記と同様な組成及び製造法により、２ｃｍ×２ｃｍ×４ｃｍの角柱検体を製造し、常温の１０質量％硫酸水溶液及び１０質量％塩酸水溶液中に６ヶ月間浸漬後に取り出して、劣化状態を観察した。劣化評価の指標としては、６ヶ月間浸漬後に取り出した際の、外観状態の変化、表面の水分を拭き取った後の質量を計測して求めた質量変化率、圧縮強度を測定して求めた強度低下率を比較した。尚、強度低下率は、検体作製後７日目に３０トン加圧テンシロン圧縮強度測定器を使用して測定した圧縮強度を基準として各試験後の検体を同様にして圧縮強度測定し、強度低下率を測定した。その結果、強度低下はほとんど観察されなかった。

比較例１
実施例１と同様に調製した改質硫黄含有材料７００ｋｇを、バッチ式撹拌混合槽中に導入し、１２０℃で加温して溶解後、１３０℃に保持した。続いて、平均粒径２５０μm、CaO／(SiO₂＋Al₂O₃)の質量比０．１未満の珪砂１３００ｋｇを１３０℃に予熱した状態で導入し、１３０℃で１０分間混練した。
次いで、ジェットヒーターで予め８０℃に加温した高さ９０ｃｍ、幅１７０ｃｍ、長さ２００ｃｍ、厚さ約１０ｃｍの大型水路用型枠に、該型枠を振動させながら前記調製した混合物を導入し、徐々に冷却して固化させた。続いて、脱型し、水路用成形体を製造した。

得られた水路用成形体の圧縮強度及び曲げ強度をＪＩＳＡ１１０８により測定したところ、圧縮強度５５Ｎ／ｍｍ²であり、曲げ強度８．５Ｎ／ｍｍ²であった。また、すり減り係数を、ＡＳＴＭ C４１８−９８に準拠して測定したところ、０．１８０ｃｍ³／ｃｍ²であった。また、実施例１と同様に耐酸性試験を行ったところ、強度低下はほとんど観察されなかった。

比較例２
実施例１において用いた金属製型枠に、水１８０ｋｇ、セメント３００ｋｇ、細骨材１８００ｋｇ、混和材１．５ｋｇの、水／セメント比が６０％程度のコンクリート組成物を導入し、２８日間養生して、セメントコンクリート製の水路用成形体を製造した。
得られた水路用成形体の圧縮強度及び曲げ強度をＪＩＳＡ１１０８により測定したところ、圧縮強度２４Ｎ／ｍｍ²であり、曲げ強度３．５Ｎ／ｍｍ²であった。また、すり減り係数を、ＡＳＴＭ C４１８−９８に準拠して測定したところ、０．１８５ｃｍ³／ｃｍ²であった。また、実施例１と同様に耐酸性試験を行ったところ、７０％の強度低下が観察された。

以上の実施例及び比較例の結果より、実施例の土木・建設用構造物は、比較例２のセメントコンクリートを用いた場合と同程度以上の圧縮強度及び曲げ強度を示し、更には、優れた耐酸性と耐摩擦性能とを兼ね備えていることがわかった。

Claims

改質硫黄１００質量部及び、粒径１mm以下の無機系微粉末２０〜１００質量部からなる改質硫黄含有材料２０〜４０質量％と、粒径５ｍｍ以下のフェロニッケルスラグ細骨材６０〜８０質量％とを含み、前記無機系微粉末が、少なくともSiを含み、微粉末中のCa、Si、Alを酸化物換算したCaO／(SiO₂＋Al₂O₃)の割合が、質量比で０．２以下の無機系微粉末である、耐酸性及び耐磨耗性を兼ね備えた土木・建設用資材又は構造物。
前記無機系微粉末が、石炭灰、珪砂、シリカ、石英粉、砂利、砂、及びガラス粉末からなる群より選択される１種又は２種以上である請求項１記載の土木・建設用資材又は構造物。
無機系微粉末が、平均粒径１００μm以下であり、フェロニッケルスラグ細骨材が、JIS A 5011-2に規定される５〜０．３ｍｍフェロニッケルスラグ細骨材である請求項１又は２記載の土木・建設用資材又は構造物。
繊維質充填材、繊維状粒子及び薄片状粒子からなる群より選択される１種又は２種以上を更に含む請求項１〜３のいずれか１項記載の土木・建設用資材又は構造物。
土木・建設用構造物が、水路、ボックスカルバート、U字溝、たい肥場床、ヒューム管、マンホール、タイル、ブロック又はパネルである請求項１〜３のいずれか１項記載の土木・建設用構造物。