JP2010083693A

JP2010083693A - セメント組成物の製造方法及び水和熱低減方法

Info

Publication number: JP2010083693A
Application number: JP2008252503A
Authority: JP
Inventors: Jin Denkouchi; 仁殿河内; Toshifumi Onimatsu; 敏文鬼松; Sachio Yuge; 祐夫弓削
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp; Ube Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp; Ube Corp
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2008-09-30
Publication date: 2010-04-15

Abstract

【課題】普通ポルトランドセメントのような汎用セメントにおいて、コンクリートの強度発現性を損なうことなく水和熱を低減することのできる、高強度及び高耐久性を兼ね備えたセメント組成物の製造方法及び水和熱低減方法を提供する。
【解決手段】セメント組成物の水溶性アルカリ量を、クリンカーの原料調合割合を調節することにより調整し、クリンカーを焼成する工程と、クリンカー及び石膏を混合粉砕し水溶性アルカリ量０．１０〜０．３５質量％のセメント組成物を得る工程とを含み、セメント組成物の鉱物組成が、Ｃ_３Ｓ量３０〜７０質量％、Ｃ_２Ｓ量５〜５５質量％、Ｃ_３Ａ量１〜１５質量％及びＣ_４ＡＦ量７〜１５質量％である、セメント組成物の製造方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、モルタル及びセメント組成物をコンクリートに使用した場合に、強度を損なうことなく水和熱を低減することのできるセメント組成物の製造方法及び水和熱低減方法に関する。

ポルトランドセメントなどのセメントが硬化する際の水和熱は、一般に、コンクリート構造物の耐久性の面から、低減することが好ましい。

セメントの水和熱は、セメントが水と反応して水和物を生成する際の発熱であり、生成した水和物の量が多いほど，モルタル又はコンクリートの強度発現性が向上し、同時に水和熱も増大する。言い換えれば、モルタル又はコンクリートの強度を向上しようとすれば、セメントの水和熱も増大するのが一般的な傾向である。コンクリートの高耐久性を維持するために低発熱性セメントが望まれるが、同時にコンクリートの強度発現性の更なる向上も求められている。

セメントの水和熱を低減する方法として、非特許文献１には、中庸熱ポルトランドクリンカー又は低熱ポルトランドクリンカーのように主要鉱物組成を制御する方法（例えば、Ｃ_３Ｓ量、Ｃ_３Ａ量及びＣ_４ＡＦ量の低減並びにＣ_２Ｓ量の増加）が記載されている。

また、セメントの水和熱を低減する別の方法として、セメントに混合材（例えば、石灰石、高炉スラグ、フライアッシュ又はポゾラン）を添加する方法が知られている。例えば、特許文献１には、ポルトランドセメント１重量部と高炉水砕スラグ粉末０〜３重量部及びフライアッシュ０〜１重量部との混合物１００重量部に、石灰石微粉末１〜５重量部及び石膏粉末１〜５重量部を添加することを特徴とする低発熱型混合セメント組成物が開示されている。特許文献１には、さらに、未反応のＣ_３Ａ量に見合う石灰石微粉末を共存させておくと、未反応の水和速度が抑制され水和による発熱が抑制されることが記載されている。

また、強度発現性を向上するためには、クリンカーの粉末度を細かくする（ブレーン比表面積を大きくする）、あるいは、Ｃ_３Ｓ量を増加するといった手段が用いられる。

特開昭６１−０９７１５４号公報「セメントの常識」２００４年版、（社）セメント協会、ｐ.１１−１７

特許文献１及び非特許文献１に開示されているいずれの方法によっても、セメントの水和熱の低減とともに、セメントの初期の強度発現性が低下するという問題がある。また、クリンカーのＣ_３Ｓ量を増加する手段では、明らかに水和熱も増大するといった問題がある。

以上のように、普通ポルトランドセメントのような汎用セメントにおいて、基本的な性質（主要化学組成、鉱物組成、粉末度、石膏形態及び添加量等）を変えずに、水和熱を増大することなく、モルタル及びコンクリートの強度発現性を維持・向上する材料設計が望まれているものの、従来、そのような材料を得ることは困難であった。

そこで、本発明は、上述の問題を解決するために、普通ポルトランドセメントのような汎用セメントにおいて、コンクリートの強度発現性を損なうことなく水和熱を低減することのできる、高強度及び高耐久性を兼ね備えたセメント組成物の製造方法及び水和熱低減方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意検討した結果、普通ポルトランドセメントのような汎用セメントの強度発現性を損なうことなく水和熱を低減するためには、水溶性アルカリ量（Ｎａ_２Ｏ等量）を、特定の範囲とすることが効果的であることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、セメント組成物の水溶性アルカリ量を、クリンカーの原料調合割合を調節することにより調整し、クリンカーを焼成する工程と、クリンカー及び石膏を混合粉砕し水溶性アルカリ量０．１０〜０．３５質量％のセメント組成物を得る工程とを含み、セメント組成物の鉱物組成が、Ｃ_３Ｓ量３０〜７０質量％、Ｃ_２Ｓ量５〜５５質量％、Ｃ_３Ａ量１〜１５質量％及びＣ_４ＡＦ量７〜１５質量％である、セメント組成物の製造方法である。

また、本発明は、セメント組成物の水溶性アルカリ量を、クリンカーの原料調合割合を調節することにより調整する工程を含む、セメント組成物の水和熱低減方法である。

本発明のセメント組成物の水和熱低減方法の好ましい態様を以下に示す。本発明では、これらの態様を適宜組み合わせることができる。
（１）セメント組成物の水溶性アルカリ量が、０．１０〜０．３５質量％である。
（２）セメント組成物の鉱物組成が、Ｃ_３Ｓ量３０〜７０質量％、Ｃ_２Ｓ量５〜５５質量％、Ｃ_３Ａ量１〜１５質量％及びＣ_４ＡＦ量７〜１５質量％である。

本発明により、普通ポルトランドセメントのような汎用セメントにおいて、モルタルやコンクリートの強度発現性を損なうことなく水和熱を低減することのできる、高強度及び高耐久性を兼ね備えたセメント組成物の製造方法及び水和熱低減方法を得ることができる。

本発明のセメント組成物の製造方法及び水和熱低減方法は、セメント組成物の水溶性アルカリ量を調整する工程を含む、セメント組成物の水和熱低減方法である。本発明のセメント組成物の、第一の製造方法及び水和熱低減方法は、セメント組成物の水溶性アルカリ量を、クリンカーの原料調合割合を調節することにより調整する方法である。また、本発明のセメント組成物の、第二の製造方法及び水和熱低減方法は、セメント組成物の水溶性アルカリ量を、クリンカー及び石膏を混合粉砕した混合粉砕物にアルカリを加えることにより調整する方法である。

本発明のセメント組成物の、第一の製造方法及び水和熱低減方法は、まず、アルカリを含むクリンカーの原料を用いて焼成したクリンカー及び石膏を混合粉砕する。

アルカリを含むクリンカーの原料としては、原料中にアルカリを多量に含むもの、例えば、粘土、建設発生土、下水汚泥及び焼却灰等から選ばれる１種以上であることが好ましい。ただし、原料中のアルカリが少量であっても、その原料の使用量が多く、原料全体として総アルカリ量が多くなるもの、例えば、石灰石、石炭灰及び高炉スラグ等から選ばれる１種以上も好適に用いることができる。したがって、クリンカーの原料は、粘土、建設発生土、下水汚泥、焼却灰、石灰石、石炭灰及び高炉スラグから選ばれる１種以上を好ましく用いることができる。

クリンカーの中のアルカリは、Ｎａ_２Ｏ又はＫ_２Ｏのいずれでも良い。クリンカー中のアルカリ量は、Ｎａ_２Ｏ等量（以下、「Ｒ_２Ｏ量」ともいう）として、０．１０〜０．８０質量％、好ましくは０．２０〜０．７０質量％である。Ｒ_２Ｏ量が、０．１０〜０．８０質量％の範囲であれば、セメント組成物中の水溶性アルカリを適度に生成する。

また、セメント組成物中の水溶性アルカリを適度に生成させるためには、クリンカーの原料中に適度にＳＯ_３が含まれているか、あるいは燃料中から硫黄がクリンカーに取り込まれることのいずれかが必要である。クリンカーの原料中のＳＯ_３量は、０．１０〜２．１質量％、好ましくは０．２０〜１．５０質量％である。

セメント組成物の鉱物組成は、Ｃ_３Ｓ量が３０〜７０質量％、好ましくは５０〜６５質量％、Ｃ_２Ｓ量が５〜５５質量％、好ましくは１０〜２５質量％、Ｃ_３Ａ量が１〜１５質量％、好ましくは８〜１３質量％、Ｃ_４ＡＦ量が７〜１５質量％、好ましくは８〜１２質量％である。これらの範囲であれば適度な強度発現性を維持しつつ、水和熱を低減することが可能である。

石膏は、天然石膏、排脱石膏、フッ酸石膏及び燐酸石膏等が挙げられる。石膏の形態は、二水石膏、半水石膏又は無水石膏のいずれの形態であっても良い。

次に、上記工程により得られたセメント組成物の水溶性アルカリ量を、セメント協会標準試験方法ＪＣＡＳＩ−０４−２００４「セメントの水溶性成分の分析方法」に準じて測定する。

その後、セメント組成物において、定量した水溶性アルカリ量が、０．１０〜０．３５質量％、好ましくは０．１４〜０．３３質量％、より好ましくは０．２５〜０．３３質量％、さらに好ましくは０．２５〜０．３０質量％となるように、クリンカーの原料調合割合を調節する。セメント組成物の水溶性アルカリ量が、０．１０〜０．３５質量％の範囲であれば、強度発現性や流動性を適度に維持でき、水和熱の低減が可能である。また、水溶性アルカリ量が、０．１０質量％未満では、強度発現性の向上が見込まれず水和熱のみ上昇する可能性があるが、０．１０質量％以上ではそのような問題が生じない。また、水溶性アルカリ量が、０．３５質量％以下の場合は、強度発現性が下がりすぎることなく、必要な強度を得ることができる。

次に、セメント組成物の水溶性アルカリ量が所定の値となるように原料調合割合を調節したクリンカーの原料を焼成して、クリンカーを得る。

最後に、焼成して得られたクリンカー及び石膏を混合粉砕し、セメント組成物を得る。セメント組成物のブレーン比表面積は、２８００〜４０００ｃｍ^２／ｇ、好ましくは３０００〜３８００ｃｍ^２／ｇ、より好ましくは３０００〜３５００ｃｍ^２／ｇである。

このようにして製造した本発明のセメント組成物を用いると、セメント組成物が水と反応して水和物を生成する際の水和熱を低減することができる。

本発明のセメント組成物の、第二の製造方法及び水和熱低減方法は、セメント組成物の水溶性アルカリ量を、クリンカー及び石膏を混合粉砕した混合粉砕物にアルカリを加えることにより水溶性アルカリ量を調整する方法である。この方法の場合には、アルカリを多く含まない、あるいは全く含まないクリンカーの原料を用いることができる。

本発明のセメント組成物の、第二の製造方法及び水和熱低減方法では、水溶性アルカリを生成するアルカリとして、例えば、硫酸カリウム及び／又は硫酸ナトリウムを用いることができる。この製造方法及び水和熱低減方法では、まず、クリンカーの原料を焼成して、クリンカーを得る。次に、クリンカー及び石膏を混合粉砕し、混合粉砕物を得る。その後に、この混合粉砕物に、水溶性アルカリを生成するアルカリを加える。アルカリは、セメント組成物中の水溶性アルカリ量０．１０〜０．３５質量％となるように添加する。このような方法によっても、本発明のセメント組成物を製造することができる。このようにして製造した本発明のセメント組成物を用いると、セメントが水と反応して水和物を生成する際の水和熱を低減することができる。

なお、本発明のセメント組成物の、第二の製造方法及び水和熱低減方法においても、第一の製造方法及び水和熱低減方法と同様の種類のクリンカーの原料を用いることが好ましく、セメント組成物の鉱物組成も同様の組成であることが好ましい。

（クリンカー及びセメント組成物の製造）
アルカリを含むクリンカーの原料として、粘土、石炭灰、建設発生土、石灰石、硅石、高炉スラグ及び都市ゴミ焼却灰、並びに鉄原料である鉄精鉱を使用した。これらの原料を、ＮＳＰキルンを用いてテスト焼成し、クリンカーを製造した。製造したクリンカーの化学組成及び鉱物組成を表１に示す。このクリンカーに石膏を添加し、ボールミルで粉砕し、ブレーン比表面積３２５０±５０ｃｍ^２／ｇのセメント組成物を製造した（実施例１〜７）。

（セメント組成物の化学組成等の測定）
セメント組成物の化学組成及び鉱物組成を表２に示す。主要化学組成は、ＪＩＳＲ５２０２:１９９８「ポルトランドセメントの化学分析方法」に準じて測定した。また、水溶性アルカリ量は、セメント協会標準試験方法ＪＣＡＳＩ−０４−２００４「セメントの水溶性成分の分析方法」に準じて測定した。また、材齢２８日の水和熱は、ＪＩＳＲ５２０３：１９９５「セメントの水和熱測定方法（溶解熱方法）」により、材齢２８日のモルタル圧縮強さは、ＪＩＳＲ５２０１：１９９８「セメントの物理試験方法」により測定した。表３に、これらの測定結果を示す。

図１に、表３の「セメント組成物の材齢２８日の水和熱」と、表２の「水溶性アルカリ」量との関係を示す。図１から、「セメント組成物の材齢２８日の水和熱」は、「水溶性アルカリ」量と非常に高い逆相関関係を示すことが明らかとなった。したがって、水和熱を低減させるには、水溶性アルカリ量を増加すれば良いことが明らかとなった。

図２に、表３の「材齢２８日のモルタル圧縮強さ」と、表２の「水溶性アルカリ」量との関係を示す。図２から、水溶性アルカリ量が０．１０〜０．３５質量％の範囲であれば、「材齢２８日のモルタル圧縮強さ」の低下は許容範囲内であることが明らかとなった。すなわち、水溶性アルカリ量が０．３５質量％の場合には、「材齢材齢２８日のモルタル圧縮強さ」が、許容範囲内であることが明らかとなった。

以上のことから、セメント組成物の水溶性アルカリ量が、０．１０〜０．３５質量％の範囲であれば、強度発現性や流動性を適度に維持でき、水和熱の低減が可能であることが明らかとなった。また、水溶性アルカリが、０．１０質量％未満では、強度発現性の向上が見込まれず水和熱のみ上昇する可能性があるが、０．１０質量％以上ではそのような問題が生じないことが明らかである。また、０．３５質量％以下では強度発現性への影響が小さく、必要な強度を得ることができることが明らかである。

セメント組成物の水溶性アルカリ量と、材齢２８日の水和熱との関係を示す図である。セメント組成物の水溶性アルカリ量と、材齢２８日のモルタル圧縮強さとの関係を示す図である。

Claims

セメント組成物の水溶性アルカリ量を、クリンカーの原料調合割合を調節することにより調整し、クリンカーを焼成する工程と、
クリンカー及び石膏を混合粉砕し水溶性アルカリ量０．１０〜０．３５質量％のセメント組成物を得る工程とを含み、
セメント組成物の鉱物組成が、Ｃ_３Ｓ量３０〜７０質量％、Ｃ_２Ｓ量５〜５５質量％、Ｃ_３Ａ量１〜１５質量％及びＣ_４ＡＦ量７〜１５質量％である、セメント組成物の製造方法。
セメント組成物の水溶性アルカリ量を、クリンカーの原料調合割合を調節することにより調整する工程を含む、セメント組成物の水和熱低減方法。
セメント組成物の水溶性アルカリ量が、０．１０〜０．３５質量％である、請求項２記載のセメント組成物の水和熱低減方法。
セメント組成物の鉱物組成が、Ｃ_３Ｓ量３０〜７０質量％、Ｃ_２Ｓ量５〜５５質量％、Ｃ_３Ａ量１〜１５質量％及びＣ_４ＡＦ量７〜１５質量％である、請求項２又は３記載のセメント組成物の水和熱低減方法。