JP2010202462A

JP2010202462A - セメント組成物及びセメント質硬化体

Info

Publication number: JP2010202462A
Application number: JP2009050239A
Authority: JP
Inventors: Seisuke Nagashio; 靖祐長塩; Masami Uzawa; 正美鵜澤
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2009-03-04
Filing date: 2009-03-04
Publication date: 2010-09-16

Abstract

【課題】得られるセメント質硬化体の長期強度（特に、材齢９１日以降の圧縮強度）を改善することのできるセメント組成物及び当該セメント組成物から得られたセメント質硬化体を提供する。
【解決手段】セメント組成物は、都市ゴミ焼却灰及び／又は下水汚泥焼却灰を原料として用いて焼成されてなり、１０〜２５質量％のＣ_３Ａ、１０〜２０質量％のＣ_４ＡＦ、０．１質量％以下の塩素、Ｃ_３Ｓ及び／又はＣ_２Ｓを含有し、かつＣ_３ＡとＣ_４ＡＦとの合計量が３５質量％以下である焼成物、並びに石膏を含むエコセメントと、石膏を含む高炉スラグ粉末とからなり、前記高炉スラグ粉末の含有量を、前記エコセメントの含有量と同量又はそれよりも少ない量とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、セメント組成物及びセメント質硬化体に関し、特に、長期強度（特に、材齢９１日以降の圧縮強度）が改善されたセメント組成物及びセメント質硬化体に関する。

近年、わが国の経済成長、人口の都市部への集中化に伴い、産業廃棄物や生活廃棄物が急増している。従来、このような廃棄物の大半は、焼却されることによって１／１０程度に減容した後に埋め立て処分されている。しかし、最近では埋立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となっている。その方法のひとつとして、都市ゴミ焼却灰等を原料とする水硬性組成物が提案されている（特許文献１）。

この水硬性組成物は、一般にエコセメントと称され、このエコセメントとしては、速硬エコセメントと、それよりも塩化物濃度を低減させた普通エコセメントとの２種類が存在する。

特開２０００−２８１３９５号公報

これらのエコセメントのうち、普通エコセメントを用いて得られるセメント質硬化体（モルタル、コンクリート等）は、同一水セメント比（水結合材比）の条件下において、普通ポルトランドセメント等を用いて得られるセメント質硬化体に比してその圧縮強度が低く、特に長期強度の伸びが良好でないという問題点があり、これが普通エコセメントの普及に影響を与えている一因であると考えられる。

そのため、普通エコセメントを用いて得られるセメント質硬化体の圧縮強度、特に長期強度の伸びを改善することができれば、普通エコセメントの普及率をさらに向上させることができるものと考えられ、結果として、廃棄物の利用が促進され、環境保全の観点から有用であると考えられる。

このような実情に鑑みて、本発明は、得られるセメント質硬化体の長期強度（特に、材齢９１日以降の圧縮強度）を改善することのできるセメント組成物及び当該セメント組成物から得られたセメント質硬化体を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、都市ゴミ焼却灰及び／又は下水汚泥焼却灰を原料として用いて焼成されてなり、１０〜２５質量％のＣ_３Ａ、１０〜２０質量％のＣ_４ＡＦ、０．１質量％以下の塩素、Ｃ_３Ｓ及び／又はＣ_２Ｓを含有し、かつＣ_３ＡとＣ_４ＡＦとの合計量が３５質量％以下である焼成物、並びに石膏を含むエコセメントと、石膏を含む高炉スラグ粉末とからなり、前記高炉スラグ粉末の含有量が、前記エコセメントの含有量と前記高炉スラグ粉末の含有量が、前記エコセメントの含有量と同量又はそれよりも少ない量であることを特徴とするセメント組成物を提供する（請求項１）。

上記発明（請求項１）のように、セメント組成物中における上記エコセメント（普通エコセメント）に対して、石膏を含む高炉スラグ粉末の含有量が同量以下であることで、セメント組成物を硬化してなるセメント質硬化体の長期強度の伸びを改善することができる。これにより、普通ポルトランドセメントより得られるセメント質硬化体に比して遜色のない長期強度の伸びを示すことが可能となるため、結果として、普通エコセメントの普及率をさらに向上させることができる。

上記発明（請求項１）においては、前記高炉スラグ粉末を、内割で３０〜５０質量％含有するのが好ましい（請求項２）。かかる発明（請求項２）のように、高炉スラグ粉末の含有量が上記範囲内であれば、得られるセメント質硬化体の長期強度の伸びをより向上させることができる。

上記発明（請求項１，２）においては、前記高炉スラグ粉末が、内割で２〜４質量％の前記石膏を含有するのが好ましい（請求項３）。かかる発明（請求項３）のように、高炉スラグ粉末中の石膏の含有割合が上記範囲内であることで、得られるセメント質硬化体の長期強度の伸びをさらに向上させることができる。

また、本発明は、上記発明（請求項１〜３）に係るセメント組成物を硬化させてなることを特徴とするセメント質硬化体を提供する（請求項４）。かかる発明（請求項４）によれば、長期強度が改善され、普通ポルトランドセメントから得られるセメント質硬化体に比して遜色ない長期強度の伸びを示すことのできるセメント質硬化体を提供することができる。

本発明によれば、得られるセメント質硬化体の長期強度（例えば、材齢９１日以降の圧縮強度）を改善することのできるセメント組成物及び当該セメント組成物から得られたセメント質硬化体を提供することができる。

試験例におけるコンクリート供試体についての乾燥収縮ひずみ試験の結果を示すグラフである。

以下、本発明の一実施形態に係るセメント組成物について詳細に説明する。
本実施形態に係るセメント組成物は、都市ゴミ焼却灰及び／又は下水汚泥焼却灰を原料として用いて焼成されてなり、１０〜２５質量％のＣ_３Ａ、１０〜２０質量％のＣ_４ＡＦ、０．１質量％以下の塩素、Ｃ_３Ｓ及び／又はＣ_２Ｓを含有し、かつＣ_３ＡとＣ_４ＡＦとの合計量が３５質量％以下である焼成物、並びに石膏を含むエコセメントと、石膏を含む高炉スラグ粉末とからなるものである。

上記エコセメントとしては、一般に普通エコセメントと称されるものを使用することができ、具体的には、ＪＩＳ−Ｒ５２１４に規定されている普通エコセメントを使用することができる。

上記焼成物のアルミニウム源は、主として焼却灰に由来するものであるため、焼成物中のＣ_３Ａの含有量が１０質量％未満であると、焼却灰の使用量が少なくなり、廃棄物の有効利用及び再資源化の観点から好ましくなく、Ｃ_３Ａの含有量が２５質量％を超えると、注水直後の瞬結や凝結が促進されることで可使時間を確保するのが困難となるおそれがある。

また、Ｃ_４ＡＦの含有量が１０質量％未満であると、Ｃ_３Ａの含有量が多くなり、可使時間を確保するのが困難となるおそれがあり、Ｃ_４ＡＦの含有量が２０質量％を超えると、普通エコセメントの物性（例えば、凝結時間等）に悪影響を及ぼすおそれがある。さらに、Ｃ_３ＡとＣ_４ＡＦとの合計量が３５質量％を超えると、焼成物（普通エコセメントクリンカ）を製造する際にキルン内に溶融物が付着するおそれがある。

さらにまた、塩素の含有量が０．１質量％を超えると、例えば鉄筋コンクリート用のセメント組成物として用いたときに、鉄筋の腐食が生じてしまったり、コンクリートの劣化の原因となってしまったりするおそれがある。なお、塩素の含有量が０．１質量％を超えると、セメント質硬化体中の単位セメント量が多くなったときに、日本工業規格（ＪＩＳ−Ａ５３０８）又は日本建築学会（ＪＡＳＳ５）で規定されている「コンクリート１ｍ^３中の塩素の重量（Ｃｌの重量）が０．３ｋｇ以下」の範囲を超えてしまうおそれがある。

普通エコセメントに含まれる石膏は、普通エコセメントの凝結調整及び強度増進を担うものであり、無水石膏、二水石膏、半水石膏のいずれも使用することができる。石膏の配合量は、ＳＯ_３換算で１．５〜６．０質量％であることが好ましく、特に３．０〜４．５質量％であることが好ましい。石膏の配合量がＳＯ_３換算で１．５質量％未満であると、普通エコセメントが凝結異常を起こすおそれがあり、６．０質量％を超えると得られるセメント質硬化体の膨張量が大きくなり過ぎて、セメント質硬化体の耐久性及び寸法安定性が低下するおそれがある。

普通エコセメントのブレーン比表面積は、３５００〜５５００ｃｍ^２／ｇであることが好ましく、特に３８００〜４５００ｃｍ^２／ｇであることが好ましい。ブレーン比表面積が３５００ｃｍ^２／ｇ未満であると、強度発現性が著しく低下するおそれがあり、５５００ｃｍ^２／ｇを超えると、所定のスランプを得るための単位水量が増加し、乾燥収縮が増大するおそれがあり、それにより耐久性が低下するおそれがある。

このような普通エコセメントの原料としては、例えば、都市ごみ焼却灰、下水汚泥焼却灰、貝殻、下水汚泥に生石灰を混合した下水汚泥乾粉、その他の一般廃棄物等の混合物を用いることができ、さらに、この混合物に、石灰石、粘土、珪石、アルミ灰、ボーキサイト、鉄等を混合して成分を調整したものであってもよい。このような原料を１２００〜１４５０℃で焼成して得られた焼成物を粉砕し、その粉砕物に石膏を添加することで、又は得られた焼成物に石膏を添加して粉砕することで、上記普通エコセメントを製造することができる。

高炉スラグ粉末としては、例えば、高炉で銑鉄を製造する際に副生する高炉スラグを溶融状態で水冷・破砕して得られる水砕スラグを粉末状にしたものや、徐冷・破砕して得られる徐冷スラグを粉末状にしたもの等の産業副産物を使用することができる。

高炉スラグ粉末のブレーン比表面積は、３０００〜１００００ｃｍ^２／ｇであることが好ましい。ブレーン比表面積が３０００ｃｍ^２／ｇ未満であると、高炉スラグ粉末の反応性が小さく、得られるセメント質硬化体の強度発現性及び耐久性が低下するおそれがある。また、ブレーン比表面積が１００００ｃｍ^２／ｇを超えるものは、入手が困難であるうえ、得られるセメント質硬化体の流動性や作業性が低下するおそれがある。

本実施形態に係るセメント組成物中の高炉スラグ粉末は石膏を含むもの（石膏含有高炉スラグ粉末）である。したがって、セメント組成物に配合し得る高炉スラグ粉末としては、石膏が予め添加されてなる高炉スラグ粉末を用いるのが作業の煩雑さを回避する観点から好ましいが、石膏が添加されていない高炉スラグ粉末に石膏を添加して用いてもよい。

高炉スラグ粉末に含有される石膏としては、例えば、無水石膏、半水石膏、二水石膏等が挙げられ、これらのうち少なくともいずれかが含まれていればよい。

高炉スラグ粉末における石膏の含有量は、内割で２〜４質量％であるのが好ましく、２〜３質量％であるのがさらに好ましく、特に２質量％であるのが好ましい。石膏の含有量が上記範囲内であることで、得られるセメント質硬化体の長期強度の伸びを向上させることができる。

本実施形態に係るセメント組成物は、当該セメント組成物中における石膏含有高炉スラグ粉末の含有量が、上記普通エコセメントの含有量と同量又はそれよりも少ない量である。具体的には、本実施形態に係るセメント組成物は、普通エコセメントに対して内割で３０〜５０質量％の石膏含有高炉スラグ粉末を含むのが好ましく、４０〜５０質量％の石膏含有高炉スラグ粉末を含むのがより好ましく、５０質量％の石膏含有高炉スラグ粉末を含むのが特に好ましい。セメント組成物中の普通エコセメントと石膏含有高炉スラグ粉末との配合割合が上記範囲内であれば、得られるセメント質硬化体の長期強度の伸びをより向上させることができる。

本実施形態に係るセメント組成物には、さらに粗骨材が含まれていてもよいし、細骨材が含まれていてもよい。粗骨材としては、例えば、砂利、砕石、各種軽量粗骨材、各種スラグ骨材、再生粗骨材又はこれらの混合物等を使用することができ、細骨材としては、例えば、川砂、山砂、陸砂、海砂、砕砂、珪砂、各種軽量細骨材、各種スラグ骨材、再生細骨材又はこれらの混合物等を使用することができる。

なお、本実施形態に係るセメント組成物は、得られるセメント質硬化体の長期強度の伸びの改善効果を妨げない限り、所望により他の添加剤等を含むものであってもよい。このような添加剤としては、例えば、リグニン系、ナフタリンスルホン酸系、メラミン系、ポリカルボン酸系等の減水剤、ＡＥ減水剤、高性能減水剤又は高性能ＡＥ減水剤等があげられる。これらの添加剤の配合量は、得られるセメント質硬化体の長期強度の伸びの改善効果を妨げない限り、それらの添加剤の配合目的に応じて適宜設定すればよい。

本実施形態に係るセメント組成物に所定量の水を添加して混練し、型枠等に流し込み、養生して硬化させることにより、セメント質硬化体を製造することができる。養生方法としては、例えば、加温養生、水中養生等が挙げられる。普通エコセメントを用いて得られたセメント質硬化体は、同一水セメント比（水結合材比）の条件下においては、普通ポルトランドセメント等を用いて得られたセメント質硬化体に比較して、その圧縮強度が低く、特に長期強度の伸びが良好でないことが知られているが、本実施形態に係るセメント組成物に普通エコセメントともに石膏含有高炉スラグ粉末が所定量含まれることで、後述の実施例（試験例）の記載から明らかなように、普通ポルトランドセメントを用いた場合よりも優れた長期強度の伸び率を示すことができる。

コンクリートの可使時間（ミキサーからコンクリートを排出した後からコンクリートのスランプ値が３ｃｍ未満になるまでの時間）を確保するとともに、長期強度の伸びを改善させるために、水の配合量は、水セメント比（水結合材比）が１５〜６５質量％となる量であることが好ましく、特に４０〜６５質量％となる量であることが好ましい。

このようにして得られるセメント質硬化体は、その長期強度の伸びが改善されたものとなる。したがって、本実施形態に係るセメント組成物によれば、セメント組成物中に上記普通エコセメントとそれと同量以下の石膏含有高炉スラグ粉末とを含むことで、特に長期強度の伸びが改善されたセメント質硬化体を製造することができる。このようにして本実施形態に係るセメント組成物から得られるセメント質硬化体は、普通エコセメントを使用しているにもかかわらず長期強度の伸びが改善されるため、鉄筋コンクリート構造物の柱、梁等の構造部材；場所打ちコンクリート杭；コンクリート充填鋼管柱の充填用コンクリート等の用途に好適に用いることができる。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

以下、試験例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は、下記の試験例に何ら制限されるものではない。なお、本試験例において、セメントとしては、エコセメントＥＣ（ブレーン比表面積：４１００ｃｍ^２／ｇ，密度：３．１７ｇ／ｃｍ^３，市原エコセメント社製）及び普通ポルトランドセメントＯＰＣ（ブレーン比表面積：３１５０ｃｍ^２／ｇ，密度：３．１５ｇ／ｃｍ^３，太平洋セメント社製）を用いた。

〔圧縮強度試験１〕
エコセメントＥＣと、高炉スラグ粉末（内割で５０質量％）と、細骨材（ＪＩＳ標準砂）とを含む配合物に水を投入して混練し、モルタルを得た。なお、高炉スラグ粉末としては、石膏を含有しない高炉スラグ粉末（石膏未含有高炉スラグ粉末）、石膏を内割で２質量％含有する高炉スラグ粉末（２質量％石膏含有高炉スラグ粉末）及び石膏を内割で４質量％含有する高炉スラグ粉末（４質量％石膏含有高炉スラグ粉末）の３種類を用いた。また、水セメント比（Ｗ／Ｃ）を５０％とし、細骨材の配合量をエコセメントＥＣの配合量の３倍量とした。

このようにして得られたモルタルについて、２０℃で標準水中養生を行って硬化させ、モルタル供試体（供試体１〜３）を製造した。なお、供試体寸法は、φ５×１０ｃｍとした。

また、エコセメントＥＣの代わりに普通ポルトランドセメントＯＰＣを用いた以外は上記と同様にしてモルタル供試体を製造した（供試体４〜６）。さらに、供試体１〜６において、高炉スラグ粉末の含有量を内割で６５質量％とした以外は上記と同様にしてモルタル供試体を製造した（供試体７〜１２）。さらにまた、供試体２，５において、高炉スラグ粉末の含有量を内割で２５質量％とした以外は上記と同様にしてモルタル供試体を製造した（供試体１３，１４）。

上述したようにして得られたモルタル供試体（供試体１〜１４）についてＪＩＳ−Ａ１１０８に準拠して圧縮強度を測定した。
結果を表１に示す。

表１における供試体１〜３の圧縮強度試験の結果に示されるように、普通エコセメントに、２質量％石膏含有高炉スラグ粉末又は４質量％石膏含有高炉スラグ粉末を内割で５０質量％添加することで、モルタルの長期強度の伸び率（材齢２８日から９１日における圧縮強度の伸び率）を著しく改善することができた。

また、供試体２〜３及び５〜６の圧縮強度試験の結果に示されるように、普通ポルトランドセメントに２質量％石膏含有高炉スラグ粉末又は４質量％石膏含有高炉スラグ粉末を内割で５０質量％添加するよりも、普通エコセメントに当該高炉スラグ粉末を添加することで、モルタルの長期強度の伸び率を向上させることができた。

さらに、供試体２〜３及び７〜１４の圧縮強度試験の結果に示すように、普通エコセメントに石膏未含有高炉スラグ粉末、２質量％石膏含有高炉スラグ粉末又は４質量％石膏含有高炉スラグ粉末を内割で６５質量％添加してなるセメント組成物から得られたモルタル供試体（供試体７〜９）や、普通エコセメントに２質量％石膏含有高炉スラグ粉末を内割で２５質量％添加してなるセメント組成物から得られたモルタル供試体（供試体１３）は、供試体１０〜１２，１４に比して長期強度の伸び率の改善効果が認められなかった。このことから、普通エコセメントに、２〜４質量％の石膏を含有する高炉スラグ粉末を内割で２５質量％よりも多く５０質量％以下、好ましくは５０質量％添加することによって、得られるモルタルの長期強度の伸び率を向上させることができるものと考えられる。

この結果から、都市ゴミ焼却灰及び／又は下水汚泥焼却灰を原料として用いて焼成されてなり、１０〜２５質量％のＣ_３Ａ、１０〜２０質量％のＣ_４ＡＦ、０．１質量％以下の塩素、Ｃ_３Ｓ及び／又はＣ_２Ｓを含有し、かつＣ_３ＡとＣ_４ＡＦとの合計量が３５質量％以下である焼成物、並びに石膏を含むエコセメント（普通エコセメント）に、２〜４質量％の石膏を含む高炉スラグ粉末を、セメント組成物の内割で５０質量％以下添加することによって、普通エコセメントの弱点の一つである長期強度の伸びの改善が可能であることが確認された。

〔圧縮強度試験２〕
エコセメントＥＣと、高炉スラグ粉末（内割で５０質量％）と、細骨材（静岡県河東産陸砂）と、粗骨材（茨城県桜川産砕石）とを含む配合物に、水及びＡＥ減水剤（製品名：ポゾリスＮｏ．７０，ＢＡＳＦポゾリス社製）を投入して混練し、コンクリートを得た。なお、高炉スラグ粉末としては、２質量％石膏含有高炉スラグ粉末を用いた。また、水セメント比（Ｗ／Ｃ）が５０％、スランプが１８ｃｍ、空気量が４．５％となるようにコンクリート原料を配合した。なお、細骨材量をセメント量の２．２倍量とし、細骨材率（ｓ／ａ）を４５％とした。

このようにして得られたコンクリートについて、２０℃で標準水中養生を行って硬化させ、コンクリート供試体を得た（供試体１５）。なお、供試体寸法はφ１０×２０ｃｍとした。

また、エコセメントＥＣの代わりに普通ポルトランドセメントＯＰＣを用いた以外は上記と同様にしてコンクリート供試体を製造した（供試体１６）。さらに、高炉スラグ粉末を含有しない以外は上記と同様にして普通エコセメント又は普通ポルトランドセメントを用いてコンクリート供試体を製造した（供試体１７，１８）。さらにまた、高炉スラグ粉末の含有量を内割で２５質量％とした以外は上記と同様にしてコンクリート供試体を製造した（供試体１９，２０）。

上述したようにして得られたコンクリート供試体（供試体１５〜２０）についてＪＩＳ−Ａ１１０８に準拠して圧縮強度を測定した。
結果を表２に示す。

表２に示すように、エコセメントに、２質量％の石膏を含有する高炉スラグ粉末を内割で５０質量％添加してなるセメント組成物から得られたコンクリート供試体（供試体１５）は、他の供試体（１６〜２０）に比して長期強度の伸び率（材齢２８日から９１日における圧縮強度の伸び率，材齢２８日から１８２日における圧縮強度の伸び率）を向上させることができた。

この結果から、都市ゴミ焼却灰及び／又は下水汚泥焼却灰を原料として用いて焼成されてなり、１０〜２５質量％のＣ_３Ａ、１０〜２０質量％のＣ_４ＡＦ、０．１質量％以下の塩素、Ｃ_３Ｓ及び／又はＣ_２Ｓを含有し、かつＣ_３ＡとＣ_４ＡＦとの合計量が３５質量％以下である焼成物、並びに石膏を含むエコセメント（普通エコセメント）に、２質量％の石膏を含む高炉スラグ粉末を、セメント組成物の内割で５０質量％以下添加してなるセメント組成物から製造されたコンクリート硬化体によれば、普通エコセメントの弱点の一つである長期強度の伸びの改善が可能であることが確認された。

〔乾燥収縮ひずみ試験〕
上記コンクリート供試体１５〜２０について、ＪＩＳ−Ａ１１２９に準拠して乾燥収縮ひずみ試験を行った。
結果を図１に示す。

図１に示すように、普通エコセメントに、２質量％の石膏を含有する高炉スラグ粉末を添加してなるセメント組成物から得られたコンクリート（供試体１５）が、最もコンクリートの乾燥収縮ひずみを抑制し得ることが判明した。

Claims

都市ゴミ焼却灰及び／又は下水汚泥焼却灰を原料として用いて焼成されてなり、１０〜２５質量％のＣ_３Ａ、１０〜２０質量％のＣ_４ＡＦ、０．１質量％以下の塩素、Ｃ_３Ｓ及び／又はＣ_２Ｓを含有し、かつＣ_３ＡとＣ_４ＡＦとの合計量が３５質量％以下である焼成物、並びに石膏を含むエコセメントと、
石膏を含む高炉スラグ粉末とからなり、
前記高炉スラグ粉末の含有量が、前記エコセメントの含有量と同量又はそれよりも少ない量であることを特徴とするセメント組成物。
前記高炉スラグ粉末を、内割で３０〜５０質量％含有することを特徴とする請求項１に記載のセメント組成物。
前記高炉スラグ粉末が、内割で２〜４質量％の前記石膏を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載のセメント組成物。
請求項１〜３のいずれかに記載のセメント組成物を硬化させてなることを特徴とするセメント質硬化体。