JP2009203121A - セメント組成物 - Google Patents

Abstract

【課題】産業廃棄物、一般廃棄物や建設発生土等を大量に有効利用することができ、強度発現性に優れたセメント組成物を提供すること。
【解決手段】セメント、細骨材、減水剤及び水を含むセメント組成物であって、細骨材の一部又は全部として、2CaO・SiO₂ 及び 2CaO・Al₂O₃・SiO₂を含有し、かつ、2CaO・SiO₂１００質量部に対して、2CaO・Al₂O₃・SiO₂＋4CaO・Al₂O₃・Fe₂O₃が１０〜１００質量部である焼成物を使用することを特徴とするセメント組成物。
【選択図】なし

Description

本発明は、廃棄物を原料として製造した細骨材を含有するセメント組成物に関する。

わが国では、経済成長、人口の都市部への集中に伴い、産業廃棄物や一般廃棄物等が急増している。従来、これらの廃棄物の大半は、焼却によって十分の一程度に減容化して埋め立て処分されているが、近年、埋め立て処分場の残余容量が逼迫していることから、新しい廃棄物処理方法の確立が緊急課題になっている。セメント産業では、産業廃棄物や一般廃棄物等を原料として多く使用しており、今後、さらなる使用量の増大が求められている。

しかしながら、産業廃棄物や一般廃棄物は、天然原料に比べAl₂O₃分に富むため、単純にこれらの使用量を増やすと、セメントクリンカー中の3CaO・Al₂O₃が増大し、モルタル・コンクリートとして使用した場合には、水和熱の増加、流動性の悪化等を引き起こすという問題が生じる。これに対処するため、産業廃棄物等をより多く原料として使用した焼成物を製造し、これを粉砕してセメント添加材として使用することが提案されている（特許文献１、特許文献２）。

これらのセメント添加材は、石炭灰等の廃棄物を原料としたSiO₂量が３０〜５０質量％、CaO量が２５〜４５質量％、Al₂O₃量が５〜２５質量％、f-CaO量が１．０質量％以下の焼結物の粉砕物である（特許文献１）か、SiO₂量が５０質量％を超え７０質量％以下、CaO量が５〜４５質量％、Al₂O₃量が５〜２５質量％、f-CaO量が１．０質量％以下の焼結物の粉砕物であり（特許文献２）、アノーサイト等のアルミノ珪酸塩鉱物を主体とするもので、2CaO・SiO₂ 等のカルシウムシリケートや、3CaO・Al₂O₃ 等のカルシウムアルミネートをほとんど含まないものである。このような添加材は、セメントへの添加量が１０質量％以上と大きくなると、モルタル・コンクリート等のセメント組成物の強度発現性が極端に低下してしまい、セメント組成物での使用量が制限されてしまうという問題がある。このため、特許文献１、２のセメント添加材は、モルタルやコンクリート中への配合量が５０kg／m³以下であり、廃棄物等を大量に有効利用するには至っていなかった。

一方、モルタル・コンクリート等のセメント組成物において、廃棄物等を大量に有効利用する方法として、石炭灰を主原料として製造した結晶化骨材（アノーサイトを主成分とする）を細骨材として使用する方法が提案されている（特許文献３）。
この結晶化骨材を細骨材として使用した場合には、廃棄物（石炭灰）を大量に有効利用することが可能である。しかしながら、このような結晶化骨材を細骨材として使用したセメント組成物では、一般的な細骨材（砕砂等）を使用したセメント組成物に比べ、強度発現性が低下するという問題があった。
特開２００６−２１９３４７号公報 特開２００６−２１９３４８号公報 特開２００５−６７９０６号公報

従って、本発明の目的は、産業廃棄物、一般廃棄物や建設発生土等を大量に有効利用することができ、強度発現性に優れたセメント組成物を提供することにある。

かかる実情において、本発明者らは、鋭意研究を行った結果、産業廃棄物、一般廃棄物や建設発生土等を原料として製造した特定の鉱物組成を有する組成物を細骨材として使用することにより、セメント組成物の強度発現性に優れるとともに、収縮が低減され、しかも、廃棄物等を大量に有効利用できることを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明は、セメント、細骨材、減水剤及び水を含むセメント組成物であって、細骨材の一部又は全部として、2CaO・SiO₂ 及び 2CaO・Al₂O₃・SiO₂ を含有し、かつ、2CaO・SiO₂１００質量部に対して、2CaO・Al₂O₃・SiO₂＋4CaO・Al₂O₃・Fe₂O₃が１０〜１００質量部である焼成物を使用することを特徴とするセメント組成物を提供するものである。

本発明のセメント組成物は、強度発現性に優れるとともに、乾燥時の収縮が低減される。
また、細骨材として用いる焼成物は、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、多量の廃棄物の有効利用が図れ、天然資源や環境保護の面からも好ましいものである。

本発明のセメント組成物は、セメント、細骨材、減水剤及び水を含み、細骨材の一部又は全部として、2CaO・SiO₂（Ｃ₂Ｓ）及び 2CaO・Al₂O₃・SiO₂（Ｃ₂ＡＳ）を含有し、かつ、Ｃ₂Ｓ１００質量部に対して、Ｃ₂ＡＳ＋4CaO・Al₂O₃・Fe₂O₃（Ｃ₄ＡＦ）が１０〜１００質量部、好ましくは１５〜９０質量部である焼成物を使用する。
このような焼成物は、後記のように、産業廃棄物等の廃棄物を原料として製造することができ、このような焼成物を細骨材として使用することにより、セメント組成物中での廃棄物等の使用量を、３００kg／m³以上とすることができ、廃棄物等の有効利用を図ることができる。

ここで用いるＣ₂Ｓは水硬性を有し、コンクリート中でゆっくり反応してコンクリートを緻密化させ、強度を向上させる効果がある。従って、焼成物がＣ₂Ｓを含まない場合には、セメント組成物の強度発現性が低下する場合がある。また、Ｃ₂ＡＳは水硬性はないが、炭酸化すると緻密化するため、中性化を抑制する効果がある。
Ｃ₂ＡＳ＋Ｃ₄ＡＦ含有量が、Ｃ₂Ｓ１００質量部に対して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、セメント組成物の強度を大きく低下させることがある。一方、Ｃ₂ＡＳ＋Ｃ₄ＡＦ含有量が、Ｃ₂Ｓ１００質量部に対して１００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焼成が困難となる。また、Ｃ₂Ｓが少ないため、セメント組成物の強度発現性が低下することがある。
なお、焼成物中のＣ₂ＡＳ＋Ｃ₄ＡＦ含有量中、Ｃ₄ＡＦは７０質量％以下であるのが、焼成可能な温度範囲が広く、焼成物製造の管理の点で好ましい。
また、本発明において、Ｃ₄ＡＦの含有量は０質量％でも良いが、焼成物の焼成のし易さや、廃棄物等の有効利用の点から、Ｃ₄ＡＦはＣ₂ＡＳ＋Ｃ₄ＡＦ含有量中１〜５０質量％であるのが好ましい。

このような焼成物は、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、生コンスラッジ、各種汚泥（例えば、下水汚泥、浄水汚泥、建設汚泥、製鉄汚泥等）、建設廃材、コンクリート廃材、ボーリング廃土、各種焼却灰（例えば、石炭灰、焼却飛灰、溶融飛灰等）、鋳物砂、ロックウール、廃ガラス、高炉２次灰などが挙げられる。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。建設発生土としては、例えば、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。

また、一般のポルトランドセメントクリンカー原料、例えば、石灰石、生石灰、消石灰等のCaO原料、珪石、粘土等のSiO₂原料、粘土等のAl₂O₃原料、鉄滓、鉄ケーキ等のFe₂O₃原料を使用することもできる。

焼成物の鉱物組成は、使用原料や焼成物中のCaO、SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃の各含有量（質量％）から、次式により求めることができる。
Ｃ₄ＡＦ＝3.04×Fe₂O₃
Ｃ₃Ａ＝1.61×CaO−3.00×SiO₂−2.26×Fe₂O₃
Ｃ₂ＡＳ＝−1.63×CaO＋3.04×SiO₂＋2.69×Al₂O₃＋0.57×Fe₂O₃
Ｃ₂Ｓ＝1.02×CaO＋0.95×SiO₂−1.69×Al₂O₃−0.36×Fe₂O₃

従って、例えば、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前記範囲内になるよう、適宜決定すれば良い。
なお、上記焼成物は、Ｃ₂Ｓ１００質量部に対して3CaO・Al₂O₃（Ｃ₃Ａ）を２０質量部以下、好ましくは１０質量部以下含有することができる。上記の産業廃棄物、一般廃棄物、建設発生土には、Al₂O₃含有量が多いものもあるので、焼成物がＣ₃Ａを含むことにより、このような廃棄物等を原料として多量に使用することが可能になる。Ｃ₃Ａ含有量が多くなると、焼成物の吸水率が大きくなり、また、細骨材として使用する場合に、膨張破壊する可能性があり、セメント組成物の耐久性が低下することがある。

焼成物は、前記のような原料を適宜混合し、焼成することにより製造することができる。各原料を混合する方法は特に限定されず、慣用の装置等を用いて行なえばよい。また、焼成する際の焼成温度は、１０００〜１３５０℃が好ましく、特に１１５０〜１３５０℃が好ましい。

焼成に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もできる。
このような焼成により、Ｃ₂ＡＳが生成し、その分Ｃ₃Ａ量がBogue式から導かれる量よりも少なくなり、本発明で用いる組成の焼成物を得ることができる。
なお、本発明において、焼成物中のフリーライム量は、セメント組成物の強度発現性や流動性等の点から、１．５質量％以下、特に１．０質量％以下であるのが好ましい。

本発明においては、細骨材として、このような焼成物を、好ましくは５０質量％以上、特に好ましくは７０質量％以上、更に好ましくは９０質量％以上使用する。なお、焼成物以外の細骨材としては、川砂、陸砂、海砂、砕砂、珪砂、これらの混合物等が挙げられる。細骨材中の焼成物の含有量が５０質量％未満では、廃棄物等を大量に有効利用することが困難となり、また、セメント組成物の強度発現性が低下する場合がある。

また、焼成物を細骨材として使用する場合には、ジョークラッシャーやボールミル等により粉砕し、粒径０．１５〜５mm程度に調整して用いるのが好ましい。

本発明のセメント組成物は、細骨材として、前記のような焼成物を用いる以外は、通常のセメント、減水剤等を用いることができる。
セメントの種類は特に限定されず、例えば、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメント、低熱ポルトランドセメント等の各種ポルトランドセメントやエコセメントの他、高炉セメント、フライアッシュセメント等の各種混合セメント、更には、石灰石粉末やシリカフュームを含むセメントなどを用いることができる。

減水剤としては、リグニン系、ナフタレンスルホン酸系、メラミン系、ポリカルボン酸系の減水剤、ＡＥ減水剤、高性能減水剤、高性能ＡＥ減水剤等を用いることができる。特に、ポリカルボン酸系の高性能減水剤又は高性能ＡＥ減水剤が好ましい。減水剤を用いることにより、セメント組成物の流動性や施工性、硬化後の緻密性や強度等が向上する。
水としては、水道水等を使用することができる。

本発明のセメント組成物において、セメント、細骨材、水の混合割合は、水／セメント比（質量）が０．２〜０．６５、細骨材／セメント比（質量）が０．５〜３．５であるのが好ましい。また、減水剤は、セメントに対して、固形分換算で０．１〜４質量％配合するのが好ましい。

本発明において、セメント組成物としてコンクリートを調製する場合には、前記成分以外に、更に粗骨材を配合する。粗骨材としては、砕石、川砂利等を用いることができる。粗骨材の配合量は、５００〜１３００kg／m³、特に６５０〜１１００kg／m³であるのが好ましい。

本発明のセメント組成物は、更に、前記のような焼成物をブレーン比表面積３０００〜５０００cm²／ｇ、好ましくは３２００〜４０００cm²／ｇに粉砕したものや、該粉砕物と石膏を組み合わせてものを含有することができる。焼成物の粉砕物（及び石膏）を含有することにより、セメント組成物の流動性の向上や、水和熱の低減を図ることができる。焼成物の粉砕物や、該粉砕物と石膏を組み合わせたものの含有量は、セメント１００質量部に対して１００質量部以下、特に１〜５０質量部、更に５〜３０質量部であるのが、強度発現性の点から好ましい。
なお、焼成物の粉砕物と石膏を組み合わせる場合は、セメント組成物の流動性や水和熱、強度発現性等から、粉砕物１００質量部に対して、石膏（SO₃換算）１〜６質量部とするのが好ましい。石膏としては、２水石膏、半水石膏、無水石膏等を使用することができる。

セメント組成物の混練方法、成型方法は特に制限されず、通常の方法により行うことができる。混練に用いる装置としては、オムニミキサ、パン型ミキサ、二軸練りミキサ、傾胴ミキサ等の慣用のミキサを使用することができる。

セメント組成物の養生方法も特に制限されないが、特に蒸気養生するのが、強度発現性に優れるとともに、乾燥時の収縮が低減されるので好ましい。

次に、実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらにより何ら制限されるものではない。

実施例１
（１）焼成物（細骨材）の製造：
表１に示す化学組成の石灰石、下水汚泥、石炭灰を原料とし、Ｃ₂Ｓ１００質量部に対して、Ｃ₂ＡＳ３２質量部、Ｃ₄ＡＦ１５質量部、Ｃ₃Ａ０質量部の焼成物（フリーライム量０．１質量％）を製造した。焼成は、ロータリーキルンを用い、１３５０℃で行った。
なお、焼成物１トンを製造するのに使用した下水汚泥及び石炭灰の総量（廃棄物等の総量）は、５２８kg／トンであった。
得られた焼成物を、破砕・分級し、最大粒径２．５mm以下の焼成物（細骨材Ａ、ＦＭ：２．９３、吸水率：４．０８％）を得た。

（２）その他の材料：
(a)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）。
(b)細骨材Ｂ：山砂（最大粒径５．０mm以下、ＦＭ：２．７９、吸水率：１．７９％）。
(c)高性能減水剤：ポリカルボン酸系高性能減水剤（レオビルド８０００Ｓ、ＢＡＳＦポゾリス社製）。
(d)水：水道水。
(e)焼成物の粉砕物：（１）で得た焼成物をブレーン比表面積３２００cm²／ｇに粉砕したもの。
(f)石膏：２水石膏（ブレーン比表面積４０００cm²／ｇ）。

（３）セメント組成物の製造：
セメント、細骨材、高性能減水剤、水、焼成物の粉砕物及び石膏を、表２に示す割合でミキサに投入し、混練して、セメント組成物を製造した。なお、細骨材は、表乾状態で使用した。

（４）蒸気養生：
各セメント組成物のフロー値を、「ＪＩＳ Ｒ ５２０１（セメントの物理試験方法）１１．フロー試験」に記載されている方法において、１５回の落下運動を行わないで測定した。
また、各セメント組成物を、４×４×１６cmの型枠を用いて成型し、２０℃で３時間前置後、脱型して、昇温速度２０℃／ｈで６５℃まで昇温し、６５℃で３時間蒸気養生した。その後、降温速度１０℃／ｈで２０℃まで降温し、脱型し、材齢１、７、１４日まで２０℃で水中養生した後、圧縮強度を測定した。圧縮強度は、「ＪＩＳ Ｒ ５２０１（セメントの物理試験方法）」に準じて測定した。結果を表３に示す。

表３の結果より、細骨材Ａを含有する本発明のセメント組成物は、山砂のみを含有する同じ水／セメント比の比較例のセメント組成物に比べ、圧縮強度が大きいことが確認された。
また、表２より、本発明のセメント組成物は、廃棄物等の使用量を３００kg／m³以上にすることができる。

（５）標準養生（その１）：
実施例３、７及び比較例３のセメント組成物を、４×４×１６cmの型枠を用いて成型し、２０℃で２４時間湿空養生後、脱型し、材齢７、２８日まで２０℃で水中養生した後、（４）と同様にして、圧縮強度を測定した。結果を表４に示す。

表４の結果より、細骨材Ａを含有する本発明のセメント組成物は、山砂のみを含有する同じ水／セメント比の比較例のセメント組成物に比べ、標準養生においても圧縮強度が大きいことが確認された。

（６）標準養生（その２）：
セメント、細骨材Ａ及び水を、水／セメント比（質量）が０．６８、細骨材Ａ／セメント比（質量）が３．０の割合でミキサに投入して混練し、セメント組成物（実施例８）を製造した。細骨材Ａは絶乾状態で使用した。該セメント組成物のフロー値及び圧縮強度（材齢９１日、１年、３年）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、比較として、水／セメント比（質量）が０．５、標準砂／セメント比（質量）が３．０であるモルタルについても同様の測定を行った（比較例４）。ここで用いた標準砂は、「ＪＩＳ Ｒ ５２０１（セメントの物理試験方法）」に記載されている標準砂である。結果を表５に示す。

表５の結果より、細骨材Ａを含有する本発明のセメント組成物は、同じフロー値である標準砂を使用したセメント組成物に比べ、長期材齢において圧縮強度が大きいことが確認された。

（７）乾燥収縮試験：
実施例３、７及び比較例３のセメント組成物を、４×４×１６cmの型枠を用いて成型し、２０℃で２４時間湿空養生後、脱型し、７日間２０℃で水中養生した。以後、２０℃、Ｒ．Ｈ．６０％で気乾養生し、収縮ひずみを測定した。収縮ひずみは、水中養生終了時を基長とし、４×４×１６cmの供試体の両側面に貼付したゲージプラグ間の変化をコンタクトゲージにて測定した。結果を表６に示す。

表６の結果より、細骨材Ａを含有する本発明のセメント組成物は、山砂のみを含有する同じ水／セメント比の比較例のセメント組成物に比べ、乾燥収縮が小さいことが確認された。

Claims (2)

1. セメント、細骨材、減水剤及び水を含むセメント組成物であって、細骨材の一部又は全部として、2CaO・SiO₂ 及び 2CaO・Al₂O₃・SiO₂を含有し、かつ、2CaO・SiO₂１００質量部に対して、2CaO・Al₂O₃・SiO₂＋4CaO・Al₂O₃・Fe₂O₃が１０〜１００質量部である焼成物を使用することを特徴とするセメント組成物。
2. 更に、焼成物を、ブレーン比表面積３０００〜５０００cm²／ｇに粉砕した粉砕物を、セメント１００質量部に対して１００質量部以下含有する請求項１記載のセメント組成物。