JP2010285302A - 水硬性セメント組成物 - Google Patents

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悦郎 坂井
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Tsuyoshi Anzai
剛史 安齋
Kiyoshi Koibuchi
清 鯉渕
Takayuki Ebina
貴之 蛯名
Nobukazu Futado
信和 二戸
Toshio Yonezawa
敏男 米澤
Tateo Mitsui
健郎 三井
Yosaku Ikeo
陽作 池尾
孝志 ▲蓮▼見
Takashi Hasumi
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Abstract

【課題】アルカリ性を必ずしも必要としない構造体を対象に、高炉スラグを主体とするCO排出量を抜本的に削減した水硬性セメント組成物を提供する。
【解決手段】粉末度が3000〜13000cm/gの高炉スラグ微粉末60〜90質量%とセッコウ5〜20質量%とポルトランドセメント5〜35質量%とを含有する混合物100質量部に対して、解体コンクリートから分離した、水酸化カルシウムを3〜15質量%含む再生コンクリート微粉末を10〜30質量部含有する水硬性セメント組成物。
【選択図】なし

Description

本発明は水硬性セメント組成物に係り、特に高炉スラグを主体とするセメント製造時のCO排出量が抜本的に削減された水硬性セメント組成物に関する。
ポルトランドセメントの製造によって発生するCOは、セメント1トン当り焼成エネルギーで約350kg/トン、原料の石灰石から約450kg/トン、合計約750kg/トンであり膨大な量となっている。セメント産業全体ではわが国全体の約4%に相当する。
現在の鉄筋コンクリート構造物はポルトランドセメントの水和によって生ずる高いアルカリ性がもたらす鋼材の防食作用を不可欠の要件としているが、これを必ずしも必要としない構造体であれば高炉スラグを主体とした焼成不要のセメントを利用することができる。
高炉スラグ微粉末を用いたセメントとしては、既に日本工業規格JISR5211に高炉セメントが規格化されている。これによれば、高炉セメントA種では高炉スラグ微粉末の含有量が5〜30質量%、B種では30〜60質量%、C種では60〜70質量%と定められており、実際に流通し、使用されているのは、高炉スラグ微粉末の含有量が50質量%前後のB種セメントが大半を占める。
セメント製造時のCOを削減する目的からは、前記高炉セメントA種は不十分である。B種も十分ではないが、これとは別に高炉セメントB種は普通ポルトランドセメントを用いたコンクリートに比べて中性化が速く乾燥収縮が大きいといった課題があり、その利用拡大は必ずしも進んでいない。高炉セメントC種ではCO削減効果はより大きくなるものの、上記のB種における中性化、乾燥収縮の問題がさらに強く発現し、ほとんど利用されていないのが現状である。
一方、高炉スラグ微粉末にセッコウとアルカリ刺激材を添加したセメントが高い強度を発現することは、古くから、高硫酸塩スラグセメントとして知られている。このセメントの水和反応に必要なアルカリ刺激材としては水酸化カルシウム、水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム等の工業原料がある。このセメントは、高炉スラグ微粉末の含有量が80〜90質量%と高くCOの削減効果はきわめて大きい。しかし、アルカリ反応刺激材の資源量、コスト、製造エネルギー・CO等の面で本発明の目的とするセメントとすることは難しい。
一方、解体コンクリートの中には、セメントの水和によって生成した水酸化カルシウムや未水和のセメントが残留しており、これらの副産物をアルカリ刺激材として利用することが考えられる。また、解体コンクリートのリサイクルにおいては、再生粗骨材を回収する技術は確立しているものの、再生コンクリート微粉末の用途が限られているため、再生細骨材と再生コンクリート微粉末のリサイクルが進んでいない。再生コンクリート微粉末をセメントの原料として利用できるようになれば、コンクリートのリサイクルが全体として進展することになる。
そのような観点から、高炉スラグ微粉末50〜80質量部、セッコウ2〜5質量部に解体コンクリート破砕物の5mm以下のものを20〜50質量部を添加した水硬性セメントが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。しかし、このセメントは28日強度が10〜14N/mm程度に過ぎず、実用性を有するものではなかった。
さらに、前記水硬性セメントの強度を改善するために上記組成物に、さらに、5〜30質量部のポルトランドセメントを添加する方法が記載され、28日強度が20〜25N/mmを得ることを示している(例えば、特許文献2参照。)。しかし、このセメントは、初期強度の発現が低い点、コンクリート破砕物の5mm以下のものが、本質的に組成の変動の大きいものである点、ポルトランドセメントの使用量が相当量必要でありCOの削減効果に限界がある点等の課題を有している。
特開昭62−158146号公報 特開昭63−2842号公報
本発明は、上記した課題に鑑み、アルカリ性を必ずしも必要としない構造体に使用される、高炉スラグを主体とする製造時のCO排出量が削減され、且つ、高圧縮強度の構造体を形成しうる水硬性セメント組成物を提供しようとするものである。
上記各特許文献に提案の発明は、高炉スラグ微粉末を主体にしたセメントのアルカリ刺激材として再生コンクリート微粉末を使用している点で従来のアルカリ刺激材の資源量や製造エネルギー・コストの問題を解決する第一歩を示したものである。
本発明は、再生コンクリート微粉末をアルカリ刺激材として使用するこの技術を発展させたものであり、高炉スラグ微粉末とセッコウとポルトランドセメントの量および再生コンクリート微粉末の量と強度発現との関係の最適な組み合せとすることで、従来にない優れた物性が達成されることを見いだして完成したものである。
さらに、従来の再生コンクリート微粉末が、単に解体コンクリートの破砕物を用いていたのに対し、本発明の好適な態様においては、再生コンクリート微粉末として、水酸化カルシウムの含有率が適正なものを使用することにより、セメントとしてより安定した品質の組成物を見出したものである。
また、本発明のセメント組成物中のこのましい態様においては、使用するポルトランドセメントとして、石灰石を原料としロータリーキルンで製造された従来のポルトランドセメントとともに、これに替えて、特定の手段で製造した再生セメントを用いることで、さらなるCO排出量の削減を達成したものである。
すなわち、本発明の水硬性セメント組成物は、以下に示す構成である。
<1> 粉末度が3000〜13000cm/gの高炉スラグ微粉末60〜90質量%とセッコウ5〜20質量%とポルトランドセメント5〜35質量%とを含有する混合物100質量部に対して、解体コンクリートから分離した、水酸化カルシウムを3〜15質量%含む再生コンクリート微粉末を10〜30質量部含有する水硬性セメント組成物である。
<2> 前記セッコウが無水セッコウであることを特徴とする前記<1>に記載の水硬性セメント組成物である。
<3> 前記ポルトランドセメントが、再生コンクリート微粉末の水和活性を回復して得られる再生セメントである前記<1>又は<2>のいずれか1項に記載の水硬性セメント組成物である。
<4> 前記再生セメントが、再生コンクリート微粉末をポルトランドセメントの原料として製造されたものである前記<3>に記載の水硬性セメント組成物である。
<5>前記再生セメントが、再生コンクリート微粉末を400〜800℃で加熱処理することにより得られたものである前記<3>に記載の水硬性セメント組成物である。
本発明の水硬性セメント組成物は、高炉スラグ微粉末が高い含有率を占め、ポルトランドセメントの含有率が低いので、セメント製造時におけるCO排出量を抜本的に削減することができ、また、解体コンクリートから分離した、水酸化カルシウムを特定の割合で含む再生コンクリート微粉末を用いており、この再生コンクリート微粉末は高炉スラグ微粉末のアルカリ刺激材として適しており、このセメント組成物を用いることで、高い強度の構造体を形成することができ、セメント組成物の品質のコントロールが容易であるという利点をも有する。
本発明によれば、高炉スラグを主体とする製造時のCO排出量が抜本的に削減され、且つ、高圧縮強度の構造体を形成しうる水硬性セメント組成物が提供される。
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の水硬性セメント組成物は、粉末度が3000〜13000cm/gの高炉スラグ微粉末60〜90質量%とセッコウ5〜20質量%とポルトランドセメント5〜35質量%とを含有する混合物100質量部に対して、解体コンクリートから分離した、水酸化カルシウムを3〜15質量%含む再生コンクリート微粉末を10〜30質量部含有することを特徴とする。
即ち、本発明の水硬性セメント組成物に用いられる混合物は、高炉スラグ微粉末とセッコウとポルトランドセメントとを上記の含有量で含有する混合物である。
このような混合物100質量部に対して、本発明の水硬性セメント組成物においては、解体コンクリートから分離した、水酸化カルシウムを特定の割合で含む再生コンクリート微粉末を10〜30質量部含有するものである。
本発明において、上記公知のセメント組成物と最も異なる点は、解体コンクリートから分離して得られる水酸化カルシウムを3〜15質量%含む再生コンクリート微粉末を用いることである。
(再生コンクリート微粉末)
本発明者らは、再生コンクリート微粉末を高炉スラグ微粉末に対するアルカリ刺激材として使用したセメント組成物では、得られるセメントの品質をコントロールするうえで、再生コンクリート微粉末の品質をコントロールすることが有効であることを見出した。すなわち、アルカリ刺激材としての再生コンクリート微粉末について種々検討した結果、再生コンクリート微粉末に含まれる水酸化カルシウム、セメント水和物、未水和セメント、骨材粉の各成分のうち、水酸化カルシウムの作用がセメントの品質を決定する上で支配的であり、水酸化カルシウムを3〜15質量%含む再生コンクリート微粉末が極めて有効であることを見出した。
再生コンクリート微粉末中の水酸化カルシウムの含有率が3質量%未満では有効成分の量が少なくアルカリ刺激効果が効果的に発揮されず、得られるセメント組成物は硬化性に劣る。また、再生コンクリート微粉末として水酸化カルシウムの含有率が15質量%を上回るものを用いる場合には、アルカリ刺激作用は十分に得られるものの、このような水酸化カルシウム含有率の再生コンクリート微粉末が容易に得られず、セメント量の著しく多い解体コンクリート塊等から製造した再生コンクリート微粉末等、利用可能な再生コンクリート微粉末が限定され再生コンクリート微粉末の活用効率が悪くなるとともに、水酸化カルシウム含有率が多すぎると、セメント組成物に利用される再生コンクリート微粉末量が減少する。このため、コンクリート廃材を有効な資源として再生利用し、廃棄量を減少させるというリサイクル上の観点からも好ましくない事態となる。したがって、再生コンクリート微粉末に含まれる水酸化カルシウムの含有率としては3〜15質量%であることを要する。また、セメント組成物の品質をコントロールするうえでは6〜12質量%のものがより好ましい。
再生コンクリート微粉末の粉末度は、水酸化カルシウムの含有率が3〜15質量%であれば特に限定されるものではないが、アルカリ刺激効果の効率やモルタルやコンクリートにした時の流動性からは2000〜7000cm/gの範囲が好ましい。粉末度が上記範囲であると、十分なアルカリ刺激効果が得られ、モルタルやコンクリートに使用した時も好適な流動性が達成される。
解体コンクリートから分離された再生コンクリート微粉末は、例えば、解体コンクリートから粗骨材や細骨材を取り除くことにより得ることができる。このとき解体コンクリートから分離された粗骨材や細骨材も再生品として使用することができる。
解体コンクリートから分離した再生コンクリート微粉末であって、水酸化カルシウムを上記の含有率で含む再生コンクリート微粉末を得る手段としては、機械擦りもみ方式が好ましく、機械擦りもみ方式のなかでは偏心ロータ方式がより好ましい。以下、このような再生コンクリート微粉末の製造方法について説明する。
本発明における好ましい再生コンクリート微粉末は、加熱を行わない機械擦りもみ方式により製造されることが、製造時の二酸化炭素の削減及び得られる微粉末の品質にばらつきがないという観点から好適である。特に、偏心ロータ方式や遊星ミル等の機械擦りもみ装置で製造する際に、機械すりもみプロセスを密閉された空間内で行い、空間内の空気中のCOを除去する方法、或いは、チッソガスなどの不活性ガスを封入する方法をとることで、処理中の炭酸化による水酸化カルシウム含有率の減少を抑制した再生コンクリート微粉末は、本発明における如き、アルカリ刺激材として使用するのに最適な水酸化カルシウム含有率の微粉末を得ることができる。
他方、解体コンクリート塊をジョークラッシャーやインペラーブレーカー等の破砕機を用いて破砕する方法においては、骨材とモルタル・ぺーストが同時に破砕されるため、再生コンクリート微粉末中に骨材粉が多くなり易く、また、微粉中の骨材粉とモルタル・ぺースト粉の比率もコンクリートの配合(調合)によっては相当変化することとなり、高炉スラグ微粉末のアルカリ刺激材として用いるには、品質のコントロールが極めて困難であり、また、加熱と機械擦りもみによって骨材を取り出す加熱すりもみ方式で製造した微粉末は骨材粉が少なく、アルカリ刺激材として適しているものの、加熱によって解体コンクリート中の水和物が変化する懸念があり、また、製造エネルギーが大きくなり、セメント製造時のCOを削減するという観点からも好適とは言い難い。
再生コンクリート微粉末中の水酸化カルシウム含有率は、熱重量分析法により測定することができる。
再生コンクリート微粉末の含有量は、以下に説明する高炉スラグ微粉末とセッコウとポルトランドセメントとの混合物100質量部に対して、10〜30質量部であることを要し、より好ましくは15〜25質量部の範囲である。
水硬性セメント組成物における再生コンクリート微粉末の含有量が、前記混合物に対して10質量部未満ではこのセメント組成物を用いて得られた構造体の強度が十分でなく、30質量部を超えた場合には、このセメント組成物を用いて得られた構造体のさらなる強度の向上は見られず、却って、セメント組成物の粉体量が相対的に増加して、セメント組成物を用いたモルタルやコンクリートの流動性が低下するため好ましくない。
(高炉スラグ微粉末とセッコウとポルトランドセメントとの混合物)
本発明の水硬性セメント組成物は、粉末度が3000〜13000cm/gの高炉スラグ微粉末とセッコウとポルトランドセメントとを特定の比率で混合した混合物を含有する。
本発明に用いうるセッコウは、例えば、二水セッコウ、無水セッコウ、半水セッコウのいずれでもよく、これらの一種又は二種以上を用いることができるが、これらの中では無水セッコウが好ましい。
粉末度が3000〜13000cm/gの高炉スラグ微粉末とセッコウとの混合物中に含まれるセッコウの量は、高炉スラグ微粉末とセッコウとポルトランドセメントとの混合物全体に対し、5〜20質量%である。混合物中のセッコウの含有量が5〜20質量%の範囲を外れた場合、コンクリートの高い強度と強度発現速度を得るのが困難となる。混合物中のセッコウの含有量は5〜20質量%の範囲であり、好ましくは10〜15質量%の範囲である。
該混合物に含まれる高炉スラグ微粉末としては、粉末度が3000〜13000cm/gであれば、汎用の高炉スラグ微粉末を使用することができるが、粉末度が4000〜8000cm/gのものが好ましい。
高炉スラグ微粉末の粉末度はJIS R 5201(1997年)記載のセメントの粉末度の測定方法に準じて測定することができる。粉末度は、高炉水砕スラグを粉砕する時の粉砕方法、粉砕条件や粉砕後の分級により制御することができる。
高炉スラグ微粉末の粉末度が3000cm/g未満では、セメント組成物の硬化反応が進行し難く、13000cm/gを超える場合には、反応が急速に進行して発熱量が増加するとともに、乾燥収縮が大きくなり、得られる成形体におけるクラックの発生や寸法安定性の低下などの問題が生じやすくなる。
混合物に対する高炉スラグ微粉末の配合量は、セメント製造時のCO削減という点では多い方が好ましいが、90質量%を超えると、相対的にセッコウやポルトランドセメントの含有量が低下し、十分な強度を得るのが難しく、特に強度の発現速度が遅くなる傾向にあり好ましくない。
混合物に対する高炉スラグ微粉末の含有量は60〜90質量%の範囲であり、好ましくは70〜80質量%である。
水硬性セメント組成物中のポルトランドセメントとしては、JISに規定された各種のポルトランドセメントを使用することができるが、一般には普通ポルトランドセメントを使用すればよい。ただし、少量とはいえ、ポルトランドセメントを使用するため、セメント製造時のCO発生量を多くする方向に働くので、CO排出量を少なくするという観点からは、本発明においては、以下に示すような再生コンクリートから得られるポルトランドセメントを用いることが望ましい。
本発明者らが検討した結果、解体コンクリートから製造した再生コンクリート微粉末の多くはセメント水和物とはいえ、セメント原料を多く含む材料であり、この材料からポルトランドセメントと同様な水硬性を有する再生セメントを製造することにより、セメント製造時のCO発生量をさらに少なくすることができることを見いだした。
即ち、再生コンクリート微粉末をセメント原料の一部として使用することによりポルトランドセメントと同様のセメントが製造できることを見出した。この場合、焼成エネルギーからのCO排出量の削減は望めないものの、原料からのCO排出量が削減できることになる。
また、本発明に使用しうる再生セメントの他の製造方法としては、再生コンクリート微粉末を400〜800℃に加熱処理する方法が挙げられ、この加熱処理により得られた再生セメントを本発明におけるポルトランドセメントの代替品として使用しうる。再生セメントの製造方法については、例えば、特開2005−320202公報、特開平10−114556号公報などに記載され、これらに記載の技術を本発明における再生セメントの製造方法として適用できる。
上記の再生セメントの製造時の焼成温度はポルトランドセメントの焼成温度(1450℃)よりも相当に低いのであり、製造時のエネルギー消費量の観点からもさらなるCO排出量の削減を達成することができる。
該混合物中のポルトランドセメントの含有量は5〜35質量%であることを要し、好ましくは、10〜30質量%の範囲である。
混合物中のポルトランドセメントの含有量が5質量%未満では、セメント組成物から得られる成形体の強度が十分ではなく、また、35質量%を超えてもそれ以上の強度向上は認められず、却って、水に対する粉体量が増加し、モルタル・コンクリート等の水との混合物の流動性が低下するため好ましくない。また、ポルトランドセメントの含有量が増加するとCO削減量がそれに伴って大きくなるため、このような観点からも、35質量%以下であることが好ましい。
前記高炉スラグ微粉末とセッコウとポルトランドセメントとの混合物100質量部に対し、前記再生コンクリート微粉末を10〜30質量部含有する本発明の水硬性セメント組成物は、ポルトランドセメントの含有量が極めて少ないため、製造時の二酸化炭素の排出量が削減され、また、ポルトランドセメントの含有量が少ないにも拘わらず高強度の構造体を作製しうる。
本発明の水硬性セメント組成物は、アルカリ性を必ずしも必要としないコンクリート構造体、即ち、防錆処理した鉄やステンレス綱などの補強材を用いた構造物や防錆処理した鉄やステンレス綱などの枠材を用いたプレキャストコンクリート成形体などの製造に好適に用いられる。
本発明のセメント組成物には、上記必須成分に加え、通常、セメント組成物に用いられる各種添加剤を必要に応じて添加してもよい。
以下、実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらに制限されない。
表1に示す組成の5種類の高炉スラグ微粉末と無水セッコウ、および下に示す再生コンクリート微粉末を用いて、下記表2に示す組成の水硬性セメント組成物を用いて水/セメント比50%のセメントペーストを調整し、その水和発熱量(1週間の発熱量の総量)をコンダクションカロリーメーターで測定した。
また、得られた水硬性セメント組成物を用い、JIS R5201に定める方法でセメントと標準砂の質量比1:3、水セメント比50%のモルタルによる成形体を作製して、その圧縮強度を測定した。
下記セメント組成物を製造する際に排出される炭酸ガス量を、以下の方法により算出した。
ポルトランドセメント製造時のCO発生量を750kg/トンとする。このうち原料からの発生量は450kg、製造エネルギー他からの発生量300kgである。後者の発生量の約5%(15kg)が、粉砕その他から発生するCOである。これらの量は全てのセメントで共通とする。ここで、再生コンクリート微粉末の製造エネルギー=30kg・CO/トン・微粉末である。これらの値を用いてセメント組成物製造時の炭酸ガス(CO)発生量を算出した。
これらの結果を下記表2に示す。
再生コンクリート微粉末としては下記5種類を使用した。
(1) 再生コンクリート微粉末1:水酸化カルシウム含有率 8.2質量%
粉末度 5860cm/g
(2) 再生コンクリート微粉末2:水酸化カルシウム含有率 4.7質量%
粉末度 5710cm/g
(3) 再生コンクリート微粉末3:水酸化カルシウム含有率 13.6質量%
粉末度 5650cm/g
(4) 再生コンクリート微粉末4:水酸化カルシウム含有率 1.4質量%
粉末度 5690cm/g
(5) 再生コンクリート微粉末5:再生コンクリート微粉末1の原料とした解体コンクリート塊と同一の解体コンクリート塊をジョークラッシャーで破砕して製造した5mmアンダーの再生微粉であり、特開昭62−158146および特開昭63−2842の実施例で使用された再生コンクリート微粉末と同様の方法で製造したもの。(水酸化カルシウム含有率:2.6質量%)
Figure 2010285302
上記の材料を用いて、実施例として表2に材料構成を示す実施例1〜実施例12及び比較例1〜比較例12の24種類のセメント組成物で調整したセメントペーストとモルタルを用いて反応熱量と圧縮強度を測定した。また、セメント組成物を製造する際に消費される炭酸ガス量を算出した。なお、下記表2においては普通ポルトランドセメントを「OPC」と表記している。これらの結果を下記表2に示す。
Figure 2010285302
表2には、実施例1〜実施例12及び比較例1〜比較例12の材料構成と試験結果を示す。表2に示すように、本発明の水硬性セメント組成物を用いた成形体は、硬化時の発熱量から、十分に硬化反応が進行していることが推定され、実際に、得られた成形体は、炭酸ガス発生量が低い比較例1〜10のものに比べ、圧縮強度に優れることがわかる。
他方、実施例と同じ再生コンクリート微粉末を用いたものであっても、セメントの組成が本発明の範囲外である比較例1〜比較例4、再生コンクリート微粉末であって水酸化カルシウムの含有率が本発明の好ましい範囲外のものを用いた比較例5、6及び、特開昭62−158146に記載の再生コンクリート微粉末を含有するセメント組成物を用いた比較例7、高炉スラグ微粉末の含有量が少ない比較例8のいずれも、実施例に比べて得られた成形体の圧縮強度が劣るものであった。
比較例9、10は実施例3と同じ組成であるが、高炉スラグ微粉末の粉末度が本発明の範囲外であり、粉末度の小さい比較例9は強度発現が十分でなく、粉末度が大きい比較例10は、発熱量が著しく大きく、構造体のひび割れが問題となる。
また、ポルトランドセメントを含有する比較例11及び12は圧縮強度が向上するが、炭酸ガス発生量が著しく増加するのがわかる。一般的なポルトランドセメントを含有するセメント組成物(比較例12)の製造に消費される炭酸ガス量は750kg/トンであり、本発明によるセメント組成物は、これに比べ十分な圧縮強度を達成しうるセメント組成物であり、且つ、製造時の炭酸ガス排出量が削減されていることがわかる。

Claims (5)

  1. 粉末度が3000〜13000cm/gの高炉スラグ微粉末60〜90質量%とセッコウ5〜20質量%とポルトランドセメント5〜35質量%とを含有する混合物100質量部に対して、解体コンクリートから分離した、水酸化カルシウムを3〜15質量%含む再生コンクリート微粉末を10〜30質量部含有する水硬性セメント組成物。
  2. 前記セッコウが無水セッコウであることを特徴とする請求項1に記載の水硬性セメント組成物。
  3. 前記ポルトランドセメントが、再生コンクリート微粉末の水和活性を回復して得られる再生セメントである請求項1から請求項2のいずれか1項目に記載の水硬性セメント組成物。
  4. 前記再生セメントが、再生コンクリート微粉末を原料としたポルトランドセメントである請求項3に記載の水硬性セメント組成物。
  5. 前記再生セメントが、再生コンクリート微粉末を400〜800℃で加熱処理することにより得られたものである請求項3に記載の水硬性セメント組成物。
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