JP2012240852A - 凝結開始時間の制御されたジオポリマー硬化体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】アルミノシリケートとアルカリ溶液を混合して得られるジオポリマー前駆体をあらかじめ所定の温度以上に加温し、かつ所定時間保持する処理を施すことにより、凝結開始時間を大幅に遅延し、十分な可使時間を確保することを可能とした。これによりアルカリ溶液として安価なナトリウム化合物を使用したジオポリマー硬化体の工業的レベルでの製造が可能となる。
【選択図】図1
Description
現在、大規模に工業生産されているセメントはポルトランドセメントであり、その主原料は石灰石である。石灰石は炭酸カルシウム(CaCO3)を主成分とし、焼成されると約900℃で酸化カルシウム(CaO)に分解され、同時にCO2を排出する。この高温での焼成工程にて多量のCO2が排出される。
ジオポリマー硬化体の構造は天然ゼオライトの構造と類似し、アルミノ珪酸塩の三次元構造をとる。
上記のようにアルミノシリケート源として、フライアッシュや赤泥を使用することにより、二酸化炭素消費量の削減に加え産業廃棄物を再利用することが出来るので、環境保全の観点からもジオポリマー硬化体の産業上の利用価値は高く、その実用化が望まれている。
同様に、ひとたび上記の処理ロを施せば、前記アルカリ珪酸塩含有のアルカリ源の温度が当該加温温度より低下して常温付近に至った場合においても、アルミノシリケート源と当該処理済のアルカリ珪酸塩含有のアルカリ源とを混合すると、なお凝結開始時間を遅延する効果を奏することである。
少なくとも一種のアルミノシリケート源(成分A)と、少なくとも一種のアルカリ源(成分B)とを含む成分を混合して、ジオポリマー前駆体を得る工程(I)と、
前記工程(I)にて得られたジオポリマー前駆体を型枠に充填する工程(II)と、
前記工程(II)を経た充填物を、1)養生・脱型し、または2)脱型・養生する工程(III)とを含むジオポリマー硬化体の製造方法であって、
前記工程(I)が成分Aと成分Bとを含む混合物を35℃以上に加温し、かつ当該加温状態を5分間以上保持するものであることを特徴とするジオポリマー硬化体の製造方法である。
少なくとも一種のアルミノシリケート源(成分A)と、アルカリ珪酸塩含有の少なくとも一種のアルカリ源(成分b)とを含む成分を混合して、ジオポリマー前駆体を得る工程(i)と、
前記工程(i)にて得られたジオポリマー前駆体を型枠に充填する工程(ii)と、
前記工程(ii)を経た充填物を、1)養生・脱型し、または2)脱型・養生する工程(iii)とを含むジオポリマー硬化体の製造方法であって、
前記工程(i)にて、成分bとしてあらかじめ35℃以上に加温し、かつ当該加温状態を5分間以上保持したものを使用することを特徴とするジオポリマー硬化体の製造方法である。
赤泥は、ボーキサイトの精錬工程で副生する残渣で、主成分の酸化鉄(Fe2O3)のほかにシリカ(SiO2)、アルミナ(Al2O3)を含有する。
天然アルミノシリケート鉱物としては、長石類、雲母類、沸石類、粘土鉱物、カオリンなどを挙げることが出来る。またそれらの仮焼物としてメタカオリンなどを挙げることができる。
なかでもフライアッシュは、球状の微粉であることから、ワーカビリティ(作業性)、ポンパビリティ(ポンプ移送性)に優れるため、後述するジオポリマー前駆体配合物中の単位水量を減らすことが出来、最終的に得られるジオポリマー硬化体の強度を増すことが出来るので好適である。
またc)のアルカリ珪酸塩を用いる場合には、それ自身がジオポリマー形成に預かる珪酸モノマー(Si(OH)4)の供給源となるため、一層好適である。
したがって、アルカリ供給源の好ましい例としては、珪酸ナトリウム、水酸化ナトリウム、珪酸ナトリウムと水酸化ナトリウムの併用を挙げることが出来る。工業実施上の経済性(コスト)を損なわない範囲で上記ナトリウム化合物の一部を対応するカリウム化合物にて置き換えることも可能である。
第一の実施態様は、前記のごとく、工程(I)から(III)よりなる。
前記のごとく、工程(I)では、少なくとも一種の前記アルミノシリケート源(成分A)と、少なくとも一種の前記アルカリ源(成分B)とを含む成分が混合され、ジオポリマー前駆体が得られる。本発明にて「ジオポリマー前駆体」の用語は、後の工程にて珪酸モノマーの重合架橋物としてのジオポリマー硬化体を形成し得る混合物を示す意味で使用している。
工程(I)においては、成分Aと成分Bとを含む混合物を35℃以上に加温し、かつ当該加温状態を5分間以上保持することが必要である。前記混合物の加温温度が35℃に満たないか、または保持時間が5分に満たない場合には、ジオポリマー前駆体は短時間のうちに(極端な場合には、成分Aと成分Bの混合操作中に)凝結が開始してしまい、次の工程(II)に進めなくなってしまう。
上記加温温度の上限は、本発明の目的を阻害しない範囲で特に制約はないが、工業実施上100℃以下が好ましく、90℃以下が更に好ましい。
第二の実施態様は、前記のごとく、工程(i)から(iii)よりなる。
工程(i)では、少なくとも一種の前記アルミノシリケート源(成分A)と、前記アルカリ珪酸塩を含む少なくとも一種のアルカリ源(成分b)とを含む成分が混合され、ジオポリマー前駆体が得られる。本実施態様はアルカリ源がアルカリ珪酸塩を含有するものである点が前記第一の実施態様と異なる。この点に由来して、第二の実施態様では、b成分のみを35℃以上の温度に加温し、かつ当該加温状態を5分間以上保持することにより、成分Aと成分bを混合して得られるジオポリマー前駆体の凝結開始時間を所期のとおり遅延することができる。
凝結開始時間の遅延のためには、上記加温温度は好ましくは40℃以上、さらに好ましくは50℃以上、なお一層好ましくは60℃以上、最も好ましくは80℃以上である。同様の理由から、上記保持時間は、好ましくは60分以上、より好ましくは24時間である。特に、加温温度が40℃以上かつ保持時間が24時間以上、加温温度が60℃以上かつ保持時間が60分以上、または加温温度が80℃以上かつ保持時間が5分以上の場合には、可使時間として50時間以上確保できる。
上記加温温度の上限は、本発明の目的を阻害しない範囲で特に制約はないが、工業実施上100℃以下が好ましく、90℃以下が更に好ましい。
<実施例、比較例にて用いた材料>
以下の実施例、比較例においては、以下の材料を用いた。
1)フライアッシュ:四国電力株式会社製フライアッシュ「ファイナッシュ」(四電ビジネス株式会社登録商標)(JIS I種)
2)珪酸ナトリウム溶液:JIS珪酸ソーダ1号
以下の実施例、比較例におけるジオポリマー前駆体の凝結開始時間と凝結終了時間をJIS R5201「セメントの物理試験方法」8.凝結試験に準じて測定した。
具体的には、ビカー針装置(株社会社関西機器製作所製)を用いて、以下の手順にて行った。
(1)凝結開始時間(凝結の始発)の測定:ビカー針装置の標準棒を始発用標準針に換え、滑り棒の上端に円板を載せ、降下するものの全質量を300.0±1.0gとし、ジオポリマー前駆体中に徐々に降下させた。始発用標準針の先端が底板の上面からおよそ1mmのところに止まるときを始発とし、アルミノシリケート源とアルカリ源との混合を開始したときから始発までの時間をもって始発時間とした。
(2)凝結終了時間(凝結の終結)の測定:(1)の始発用標準針を終結用標準針に換え、ジオポリマー前駆体の表面に徐々に降下させ、ジオポリマー前駆体の表面に針の跡を止めるが、附属小片環による跡を残さないようになったときを終結とし、アルミノシリケート源とアルカリ源との混合を開始したときから終結までの時間をもって終結時間とした。
[実施例1]アルカリ/水(モル比)0.153の珪酸ナトリウム溶液(アルカリ源)を撹拌条件下室温より35℃に加温し、引き続き5分間その温度を保持した。(以下の実施例では、保持時間とは、所定の加温温度に到達後、当該温度のまま保持する時間を言う。)次いで当該珪酸ナトリウム溶液399gとフライアッシュ(アルミノシリケート源)675gとをミキサーにて混合し、ジオポリマー前駆体を調整した。直ちに前記手順にて凝結開始時間および凝結終了時間を求めた。凝結終了時間と凝結開始時間の差を硬化時間として記録した。結果を表1に示す。他方、凝結時間の測定と併行して、上記ジオポリマー前駆体の一部を型枠に充填し、養生したのち、脱型して、ジオポリマー硬化体を得た。
[実施例3]保持時間を24時間とした他は、実施例1と同様の試験を行った。結果を表1に示す。
[実施例4〜15]加温温度、保持時間を変更して、実施例1と同様の試験を行った。結果を表1に示す。
[比較例2]実施例1において、保持時間を3分とした他は同様にして試験を行った。結果を表1に示す。
また本発明によれば、高価な珪酸カリウムに代えてより安価な珪酸ナトリウムを使用するか、または珪酸ナトリウムと珪酸カリウムを併用する場合において珪酸カリウムの使用比率を抑えることが出来るので、低コストでジオポリマー硬化体を得ることができ、実用化への道を拓くものである。
Claims (10)
- 少なくとも一種のアルミノシリケート源(成分A)と、少なくとも一種のアルカリ源(成分B)とを含む成分を混合して、ジオポリマー前駆体を得る工程(I)と、
前記工程(I)にて得られたジオポリマー前駆体を型枠に充填する工程(II)と、
前記工程(II)を経た充填物を、1)養生・脱型し、または2)脱型・養生する工程(III)とを含むジオポリマー硬化体の製造方法であって、
前記工程(I)が成分Aと成分Bとを含む混合物を35℃以上に加温し、かつ当該加温状態を5分間以上保持するものであることを特徴とするジオポリマー硬化体の製造方法 - 少なくとも一種のアルミノシリケート源(成分A)と、アルカリ珪酸塩含有の少なくとも一種のアルカリ源(成分b)とを含む成分を混合して、ジオポリマー前駆体を得る工程(i)と、
前記工程(i)にて得られたジオポリマー前駆体を型枠に充填する工程(ii)と、
前記工程(ii)を経た充填物を、1)養生・脱型し、または2)脱型・養生する工程(iii)とを含むジオポリマー硬化体の製造方法であって、
前記工程(i)にて、成分bとしてあらかじめ35℃以上に加温し、かつ当該加温状態を5分間以上保持したものを使用することを特徴とするジオポリマー硬化体の製造方法 - 前記成分Aと前記成分Bとを含む配合物を40℃以上に加温し、かつ当該加温状態を24時間以上保持する請求項1に記載のジオポリマー硬化体の製造方法
- 前記成分Aと前記成分Bとを含む配合物を60℃以上に加温し、かつ当該加温状態を60分以上保持する請求項1に記載のジオポリマー硬化体の製造方法
- 前記成分bとしてあらかじめ40℃以上に加温し、かつ当該加温状態を24時間以上保持したものを使用する請求項2に記載のジオポリマー硬化体の製造方法
- 前記成分bとしてあらかじめ60℃以上に加温し、かつ当該加温状態を60分以上保持したものを使用する請求項2に記載のジオポリマー硬化体の製造方法
- アルカリ源が、水酸化ナトリウム、珪酸ナトリウム、炭酸ナトリウムのいずれかを含むものである請求項1、3または4のいずれかに記載のジオポリマー硬化体の製造方法
- アルカリ珪酸塩が、珪酸ナトリウムを含むものである請求項2、5または6のいずれかに記載のジオポリマー硬化体の製造方法
- アルミノシリケート源がフライアッシュ、高炉スラグ、下水汚泥焼却灰、天然アルミノシリケート鉱物、火山灰のいずれかを含むものである請求項1から8のいずれかに記載のジオポリマー硬化体の製造方法
- 前記工程(I)において、配合物に更に骨材(成分C)が含まれる請求項1から9のいずれかに記載のジオポリマー硬化体の製造方法
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