JP2013534206A - 人造石製造用のペースト組成物及びこれを用いた人造石の製造方法 - Google Patents

Abstract

非晶質活性アルミノシリケート化合物などの無機バインダーを用いる一方で、軽量微粒型多孔性無機素材を用いて、既存のセメント系人造石の白化現象、耐久性などの問題点と、有機バインダー系人造石の耐熱性、耐酸性などの問題点を解消することができ、且つ、人造石に断熱機能を与えることのできる人造石製造用のペースト組成物を提供すること。白セメント１０〜２０重量部、非晶質活性アルミノシリケート３〜１０重量部、種石４０〜７０重量部、水５〜１０重量部、減水剤０．１〜１重量部及び軽量微粒型多孔性無機素材１０〜３０重量部よりなる人造石製造用のペースト組成物、及び人造石ペーストを製造するステップと、人造石ペーストをモールドに注いで振動成形するステップと、人造石ペーストを養生するステップと、養生された人造石ペーストを高温高圧下で水熱反応するステップと、養生された結果物を加工するステップと、を含む。

Description

本発明は建築用の外装材や内蔵材として用いられる人造石を製造するためのペースト組成物及びこの組成物を用いた人造石の製造方法に係り、さらに詳しくは、非晶質活性アルミノシリケート化合物などの無機バインダーを用いて、既存のセメント系人造石の白化現象、耐久性などの問題点と、有機バインダー系人造石の耐熱性、耐酸性などの問題点を解消することのできる人造石製造用のペースト組成物及びこれを用いた人造石の製造方法に関する。

人造石とは、天然石とは反対概念の石材であり、人為的に製作された石材のことをいう。かような人造石には、人造大理石、人造花崗岩などがあり、主として建築用の内蔵材若しくは外装材として用いられる。

現在最も汎用されている人造石の代表例としては、セメント系人造石がある。セメント系人造石は安価に生産可能であることから、建築用の内蔵材として汎用されている。しかしながら、セメント系人造石は、温度変化による耐久性が弱くなるという問題点がある。

また、セメント系人造石は、セメントの硬化時に水和反応によって形成される可溶性のアルカリ化合物や水酸化カルシウム成分が毛細管現象によって人造石内部の気孔を介して表面に析出されたり、空気中の二酸化炭素と反応したりして不溶性の炭酸カルシウムを形成することにより白化現象を生じさせる。このため、セメント系人造石を建築用の外装材として長期間使用する場合に外観の損傷が激しくなるため、建築用の外装材として使用されることが危惧されている。

さらに、セメント系人造石の問題点である白化現象を抑えるべく、セメントの一部を有機高分子に置き換えた有機バインダー系人造石が提案されている。しかしながら、有機バインダー系人造石の場合に、耐熱性、耐酸性、表面硬さの問題点があるため、依然として建築用の外装材として使用されることが危惧されている。

そこで、本発明者らは、前記問題点を解消するために研究及び実験を重ねた結果、本発明を完成するに至った。本発明の目的は、非晶質活性アルミノシリケート化合物などの無機バインダーを用いる一方で、軽量微粒型多孔性無機素材を用いて、既存のセメント系人造石の白化現象、耐久性などの問題点と、有機バインダー系人造石の耐熱性、耐酸性などの問題点を解消することができ、且つ、人造石に断熱機能を与えることのできる人造石製造用のペースト組成物及びこれを用いた人造石の製造方法を提供することである。

前記目的を達成するために、本発明に係る人造石製造用のペースト組成物は、白セメント１０〜２０重量部、非晶質活性アルミノシリケート３〜１０重量部、種石４０〜７０重量部、水５〜１０重量部、減水剤０．１〜１重量部及び軽量微粒型多孔性無機素材１０〜３０重量部よりなることを特徴とする。

また、前記目的を達成するために、本発明は、（ａ）白セメント１０〜２０重量部、非晶質活性アルミノシリケート３〜１０重量部、種石４０〜７０重量部、水５〜１０重量部、減水剤０．１〜１重量部及び軽量微粒型多孔性無機素材１０〜３０重量部を混合して人造石ペーストを製造するステップと、（ｂ）前記製造された人造石ペーストをモールドに注いで振動成形するステップと、（ｃ）前記人造石ペーストを養生するステップと、（ｄ）前記養生された人造石ペーストを高温高圧下で水熱反応するステップと、（ｅ）前記養生された結果物を加工するステップと、を含むことを特徴とする。

以下、本発明について詳述する。

本発明の人造石製造用のペースト組成物は、白セメント、非晶質活性アルミノシリケート、種石、水、減水剤、軽量微粒型多孔性無機素材よりなる。

前記白セメントは、基本的なバインダーの役割を果たすものであり、ペースト組成物内に１０〜２０重量部にて含有されることが好ましいが、その含量が１０重量部未満であれば、セメントの水和反応後に強度が低下するという問題があり、２０重量部を超えると、コストが高騰し、且つ、セメントの超過量に見合う分だけ白化が発生するという問題がある。

前記非晶質活性アルミノシリケートは、無機バインダーの役割を果たすものであり、メタカオリン、フライアッシュ、硅藻土、シリカヒュームなどであってもよい。また、これらの化合物は単独で使用してもよく、あるいは、２種以上を混合して使用してもよい。前記非晶質活性アルミノシリケートは、ペースト組成物内に３〜１０重量部にて含有されることが好ましいが、その含量が３重量部未満であれば、白化現象を防ぐことができず、３次元網状構造を有するアルミノシリケートポリマーを有効に形成できない結果、強度の低下を来たす恐れがある。その一方、その含量が１０重量部を超えて無機バインダーの含量が多すぎると人造石の硬度が低下して建築用の外装材として使用し難いという問題点がある。前記メタカオリンは、カオリンを６００℃〜９００℃の温度において熱処理して活性化させることにより得られる。

前記種石（種石骨材）は、大理石、蛇紋岩、花崗岩などの天然石や人造石を粉砕して得られるものであり、硅石と天然石微粉などを含有する。種石骨材は人造石の基礎材であって、人造石に硬度を与える役割を果たす。

前記種石（種石骨材）は、ペースト組成物内に４０〜７０重量部にて含有されることが好ましいが、その含量が４０重量部未満であれば、人造石の硬度が低くて外装材として使用し難く、外観に骨材が出現されないため見栄えが悪い。その一方、その含量が７０重量部を超えると、無機バインダーの相対的な含量が低くなって人造石の強度が低下し、且つ、ペースト組成物を構成する他の物質との混合時に作業性が低下するという問題点がある。

前記軽量微粒（０．２〜１ｍｍの直径）型多孔性無機素材は、断熱効果を得るために使用するものであり、低比重発泡ガラスであってもよい。このとき、比重は、断熱性を与える側面から、約０．３〜約０．８であることが好ましく、約０．３〜約０．５であることがさらに好ましい。なお、含量は１０〜３０重量部であることが好ましいが、その含量が１０重量部未満であれば、断熱効果があまり得られず、３０重量部を超えると、混和性などに問題がある。

前記比重範囲を達成するためには、７００〜８００℃においてガラス発泡が行われることが好ましく、８００℃以上であれば比重が増加して好ましくない。

前記水は５〜１０重量部を使用する。また、前記減水剤は通常のものが使用でき、これに限定されるものではないが、代表的には、ナフタレン系、メラミン系、ポリカルボン系のものが挙げられ、主としてポリカルボン系のものを使用する。なお、その使用量は０．１〜１重量部であることが好ましい。

上記の物質が混合されてなるペーストに対しては、反応条件及び組成比に応じて、アルミノシリケート溶解反応、アルミノシリケートの再結合による重合反応及びカルシウムとシリケートの結合反応など種々の反応が同時にまたは順次に行われる。前記反応のうちアルミノシリケート溶解反応においては、メタカオリンまたはフライアッシュなどの非晶質活性アルミノシリケート化合物の表面のアルミニウムイオンとシリコンイオンがｐＨ１２以上の強アルカリ溶液において溶解されながら四面体のアルミネート（ＡｌＯ_４）、シリケート（ＳｉＯ_４）、アルミネートとシリケートが結合されたオリゴシアレートなどを形成する。

アルミノシリケート溶解反応によって形成されたイオンは、アルカリ触媒条件下で、オリゴシアレートの再結合反応である重合反応によってポリシアレートを形成する。オリゴシアレートの重合反応は、アルミニウムイオン及びシリコンイオンの組成比と反応条件に応じて、Ｓｉ−Ｏ−Ａｌ−Ｏ−、Ｓｉ−Ｏ−Ａｌ−Ｏ−Ｓｉ−Ｏ−、Ｓｉ−Ｏ−Ａｌ−Ｏ−Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ−Ｏ−などの単位体を形成し、３次元網状構造を有するポリマー状の高強度構造体を形成する。

アルミノシリケートポリマーは、３次元網状構造を有することから、高温における構造安定性が高く、初期強度の発現が早くて人造石の製造時間を短縮することができる。なお、アルミノシリケートポリマーは、低い温度下において硬化されてエネルギー消費が少なく、鉱物成分からなる環境にやさしい材料としてのメリットを有する。

一方、アルミノシリケートから溶け出たシリケートの一部のイオンは水酸化カルシウムと反応してカルシウムシリケート水和物を形成し、且つ、反応温度と組成比に応じてトバモライトなどの結晶質またはセミ結晶質の物質を形成する。

したがって、本発明に係るペースト組成物における無機バインダーとしての非晶質活性アルミノシリケートの含量比を高めると共に気孔率を低めることにより、高強度、水密性の特性が得られる。

上述した割合にて混合されたペーストは、モールドに注いで振動成形し、養生し、水熱反応し、且つ、加工して人造石として製造する。

すなわち、白セメント１０〜２０重量部、非晶質活性アルミノシリケート３〜１０重量部、種石４０〜７０重量部、水５〜１０重量部、減水剤０．１〜１重量部、軽量微粒型多孔性無機素材１０〜３０重量部を混合してペーストを製造した後、モールドに前記人造石ペーストを注ぐ。モールドは、製造しようとする人造石の形状を決定する役割を果たす。このとき、モールドの内面には、養生後に人造石を剥離し易くするために、離型物質を塗布してもよい。

前記振動成形に際しては、約３０秒〜３分間１、０００〜３、５００ｒｐｍにてモールドに振動を加え、比重差を用いて、高比重の種石はモールドの下部に沈降し、低比重の軽量微粒型多孔性無機素材の切りくずはモールドの上部に浮き上がって自然に２つの層を形成する。

前記養生は、蒸気養生及び２次の高温高圧下での蒸気養生を行うことが好ましい。蒸気養生は、人造石ペーストを養生することであり、この段階で、ペースト組成物が次第に固化して人造石が形成される。養生は、０℃〜１５０℃の温度及び６５％以上の相対湿度の条件下で１２〜３６時間行ってもよい。前記２次の高温高圧下での蒸気養生は、成形物をオートクレーブに入れ、約１０ｂａｒの圧力下で５〜１０時間水熱反応を誘導してポゾラン反応を引き起こすことにより行われる。

前記加工は、研磨及び表面処理などを行うことであり、形成された人造石に対してサイド裁断、裏面研磨、表面研磨、光沢付与を行い、場合によって表面処理を行うことにより初期汚染性を極大化させる。

図１は、前記本発明の人造石の製造方法を示す手順図であり、人造石ペーストを準備するステップと、これをモールドに注ぐステップと、振動成形を行うステップと、蒸気養生を行うステップと、２次の高温高圧での養生を行うステップと、研磨及び表面処理を行うステップと、を含む。

本発明によれば、非晶質活性アルミノシリケートなどの無機バインダーを含めることにより、白化現象を抑えることができ、また、低比重の軽量微粒型多孔性無機素材と一緒に成形して振動成形を行うことにより、低比重の軽量微粒型多孔性無機素材が上部に浮き上がって所定の層を形成し、その結果、断熱機能が与えられるという効果がある。

図１は、本発明に係る人造石の製造方法を示す手順図である。 図２は、比較例として示す、非晶質活性アルミニウムシリケートと軽量微粒型多孔性無機素材を両方とも使用しなかった場合の人造石を示す図である。 図３は、図１に示す真空成形後に、種石がモールドの下部に沈降し、低比重の軽量微粒型多孔性無機素材の切りくずがモールドの上部に浮き上がって形成された２つの層を示す図である。

以下、実施例を挙げて本発明について詳述する。

本発明に係る実施例は種々に変形可能であり、本発明の範囲が後述する実施例に限定されることはない。一方、ここに未記載の内容は、この技術分野における当業者であれば十分に技術的に類推可能なものであるため、その説明を省略する。

＜実施例＞

発明例

図１に示す手順に従い、白セメント１８．５重量部、メタカオリン（ポゾラン反応９５０分、３００網目未満のサイズ、白色）６重量部、種石５０重量部、軽量微粒型多孔性無機素材（直径０．７ｍｍ、約８００℃において焼成して約０．３の比重を有する発泡ガラス）１７重量部、水８重量部、減水剤（ポリカルボン酸系減水剤）０．５重量部を混合して無機質バインダーを製造し、これをモールドに注いで振動成形（３、５００ｒｐｍ、約３分）を行うことにより成形体を製造した。

製造された成形体は、種石がモールドの下部に沈降し、低比重の軽量微粒型多孔性無機素材の切りくずがモールドの上部に浮き上がって２つの層が形成されることが目視できた（図３参照）。

前記成形体を６０℃の温度、９８％の相対湿度の条件下で２４時間養生して人造石を製造した。これをさらに１０ｂａｒの圧力下、約１８０℃の温度において１０時間オートクレーブを用いて水熱反応を行うことにより２次の養生を行った。これに対してサイド裁断、裏面研磨、表面研磨、表面光沢付与を行い、断熱機能付き人造石を製造した。なお、得られた人造石を図３に示す。

比較例

白セメント２４．５重量部、種石６７重量部、水８重量部、減水剤０．５重量部を混合して無機バインダーを製造し、これをモールドに注ぎ、３、５００ｒｐｍにて約３分間振動成形を行うことにより成形体を製造した。

成形体を６０℃の温度及び９８％の相対湿度の条件下において２４時間養生して人造石を製造した。これに対してサイド裁断、裏面研磨、表面研磨、表面光沢付与を行い、断熱機能付き人造石を製造した。なお、得られた人造石を図２に示す。

物性の測定及び評価

発明例及び比較例に従い製造された人造石の物性として、３点うねり強度と熱伝導率、吸水率を測定し、その結果を下記表１に示す。

＊うねり強度の測定は、ＫＳＦ４０３５に準拠して行う。

＊熱伝導率の測定は、ＫＳＬ９０１６に準拠して行う。

＊吸水率の測定は、ＫＳＦ２５３０に準拠して行う。

上記表１から明らかなように、非晶質活性アルミノシリケート及び軽量微粒型多孔性無機素材が含まれているもの（発明例）が、比較例のものよりも製品の高密度化が確保されてうねり強度にさらに優れており、吸水率はさらに低かった。なお、発明例を示す図３から明らかなように、軽量微粒型多孔性無機素材が含まれている製品の方が、製品の裏面に軽量微粒型多孔性無機素材層が確保されて熱伝導率が格段に下がり、断熱機能が確保できた。

Claims (8)

1. 白セメント１０〜２０重量部、非晶質活性アルミノシリケート３〜１０重量部、種石４０〜７０重量部、水５〜１０重量部、減水剤０．１〜１重量部及び軽量微粒型多孔性無機素材１０〜３０重量部よりなる人造石製造用のペースト組成物。
2. 前記ペースト組成物に対しては、アルミノシリケート溶解反応、アルミノシリケートの再結合による重合反応及びカルシウムとシリケートの結合反応が行われることを特徴とする請求項１に記載の人造石製造用のペースト組成物。
3. 前記非晶質活性アルミノシリケートは、メタカオリン、フライアッシュ、硅藻土及びシリカヒュームよりなる群から選ばれたいずれか一種または２種以上であることを特徴とする請求項１に記載の人造石製造用のペースト組成物。
4. 前記軽量微粒型多孔性無機素材は、低比重の発泡ガラスであることを特徴とする請求項１に記載の人造石製造用のペースト組成物。
5. （ａ）白セメント１０〜２０重量部、非晶質活性アルミノシリケート３〜１０重量部、種石４０〜７０重量部、水５〜１０重量部、減水剤０．１〜１重量部及び軽量微粒型多孔性無機素材１０〜３０重量部を混合して人造石ペーストを製造するステップと、
   （ｂ）前記製造された人造石ペーストをモールドに注いで振動成形するステップと、
   （ｃ）前記人造石ペーストを養生するステップと、
   （ｄ）前記養生された人造石ペーストを高温高圧下で水熱反応するステップと、
   （ｅ）前記養生された結果物を加工するステップと、
   を含むことを特徴とする人造石の製造方法。
6. 前記振動成形するステップにおいては、３０秒〜３分間１、０００〜３、５００ｒｐｍにてモールドに振動を加えることで、種石がモールドの下部に沈降し、低比重の軽量微粒型多孔性無機素材の切りくずがモールドの上部に浮き上がって２つの層を形成することを特徴とする請求項５に記載の人造石の製造方法。
7. 前記非晶質活性アルミノシリケートは、メタカオリン、フライアッシュ、硅藻土及びシリカヒュームよりなる群から選ばれたいずれか一種または２種以上であることを特徴とする請求項５に記載の人造石の製造方法。
8. 前記軽量微粒型多孔性無機素材は、低比重の発泡ガラスであることを特徴とする請求項５に記載の人造石の製造方法。

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