JP2014043379A - 軽量気泡コンクリートの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来と同等の高い結晶性のトバモライトを有しつつ、切断、切削、面取り加工時における欠損やひび割れを抑制する軽量気泡コンクリートを製造する。
【解決手段】珪石及び珪砂を主成分とする珪酸質原料と、石灰質原料と、水と、発泡剤と、を含むスラリーを発泡及び半硬化させ、得られる半硬化体を水蒸気養生する、軽量気泡コンクリートの製造方法であって、珪石及び珪砂の粉砕後の粒径が１０μｍ未満のものを微粒、１０μｍ以上１００μｍ未満のものを中粒、１００μｍ以上のものを粗粒とした場合に、粗粒の含有率は、１〜２５質量％であり、中粒に対する微粒の質量比は、０．１〜０．７である、軽量気泡コンクリートの製造方法。
【選択図】なし

Description

本発明は、軽量気泡コンクリートの製造方法に関する。

軽量気泡コンクリート（以下、「ＡＬＣ」と略す場合がある）は、一般に珪石や珪砂を主成分とする珪酸質原料及び石灰質原料に、水、発泡剤を添加したスラリーを発泡及び半硬化させ、得られる半硬化体を例えばオートクレーブにて高温高圧水蒸気養生を行うことによって製造される。

このようにして製造されるＡＬＣは、内部に気泡と細孔を含むため、絶乾かさ比重が０．５程度と非常に軽量でありながら、高い耐火性及び断熱性を備え、強度も比較的高いなど、優れた性能を有する。

上述のＡＬＣの優れた性能を発現させている成分として、トバモライトが挙げられる。トバモライトは、高温高圧などの水蒸気養生において、石灰やセメント等を含む石灰質原料が水和して生成した低結晶性の珪酸カルシウム水和物（ＣＳＨゲル）と、珪石や珪砂を含む珪酸質原料から供給される珪酸成分とが反応し、結晶化したものである。

一般に、トバモライトの生成過程では、珪石や珪砂を含む珪酸質原料の溶解が反応を律速することが知られており、珪石や珪砂を含む珪酸質原料の粒度、石英の単結晶粒径、ＳｉＯ_２純度、不純物の種類と含有量などが、トバモライトの生成に影響を及ぼすことが知られている。しかし、その作用メカニズム等は明らかではない。また、珪石・珪砂等の粒度とＡＬＣのマトリックスの組織構造、ＡＬＣの諸物性の関係は、更に複雑であり、不明な点が多い。

そのため、従来から、珪酸質原料としての珪石や珪砂等の粒度や石英の単結晶粒径などについて、多くの検討がなされている。例えば、特許文献１には、耐凍害性の向上には、珪石及び珪砂の質量平均径を１５μｍ以下とすべきことが記載されている。また、特許文献２には、水分や炭酸ガス等による収縮を低減する目的として、比表面積２０００〜２５００ｃｍ^２／ｇ及び６０００〜１２０００ｃｍ^２／ｇにそれぞれ粒度分布のピークを有する珪砂を使用することが記載されている。また、特許文献３には、乾燥収縮の低減、圧縮強度と弾性係数の向上を目的として、石英の単結晶粒径１０〜１００μｍの珪酸質原料を使用することが記載されている。さらに、特許文献４には、乾燥収縮を低減させ、ひび割れの発生を抑制する目的で、石英の単結晶粒径が１０μｍ未満の珪石と１０〜５００μｍの珪石を混合し、この混合珪石における石英の平均単結晶粒径を１５〜３００μｍとすると共に、１０μｍ未満の珪石の混合割合を６０質量％以下にした混合珪石を使用することが記載されている。

特開昭５９−１２８２５４号公報 特公平８−２５８２０号公報 特公昭５６−７９９４号公報 特開２００１−１９５７１号公報

ＡＬＣは、上述したように非常に軽量であり、高い耐火性及び断熱性を備え、かつ、強度も比較的高いことから、建築材料として広く使用されており、例えば、建築物の設計仕様に基づいて各種寸法に切断したり、長辺小口面に溝を切削加工したり、縁部の面取り加工等を施したりする場合がある。さらに、近年においては、ＡＬＣの表面に複雑なデザイン模様を切削加工等により施し、高付加価値化等を図る場合もある。

ここで、ＡＬＣの切断や切削、面取り加工時において、欠損やひび割れが生じる場合がある。しかしながら、ＡＬＣの欠損やひび割れを抑制する目的で、珪石や珪砂の粒度を検討したものはない。

本発明は、このような従来の事情に鑑み、珪酸質原料の主成分である珪石及び珪砂の粒度を調整することにより、従来と同等の高い結晶性のトバモライトを有しつつ、ＡＬＣの切断、切削、面取り加工時における欠損やひび割れを抑制する製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明者らは、上記目的を達成するため、珪石及び珪砂の粒度に着目し、ＡＬＣの諸物性と切断、切削、面取り加工時における欠損やひび割れの発生程度の関係性を詳細に検討した。

その結果、粉砕後の珪石・珪砂中の粒径が１０μｍ未満である微粒には、トバモライトの生成を促す性質と、加工時における欠損やひび割れの発生を増大させる性質があり、粒径が１０μｍ以上１００μｍ未満である中粒には、トバモライトの生成を促す性質と、欠損やひび割れの発生を抑制する性質があることがわかった。また、粒径が１００μｍ以上である粗粒には、微粒や中粒ほど、トバモライトの生成を促す性質はないが、欠損やひび割れの発生を大きく抑制する性質があることが分かった。そして、これら微粒、中粒、粗粒の配合割合を調整することで、トバモライトの生成と切断、切削、面取り加工時における欠損やひび割れの抑制を両立できる製造条件を見出すことができ、本発明をなすに至った。

すなわち、本発明は、以下の［１］〜［３］に関する。
［１］珪石及び珪砂を主成分とする珪酸質原料と、石灰質原料と、水と、発泡剤と、を含むスラリーを発泡及び半硬化させ、得られる半硬化体を水蒸気養生する、軽量気泡コンクリートの製造方法であって、
珪石及び珪砂の粉砕後の粒径が１０μｍ未満のものを微粒、１０μｍ以上１００μｍ未満のものを中粒、１００μｍ以上のものを粗粒とした場合に、
粗粒の含有率は、１〜２５質量％であり、
中粒に対する微粒の質量比は、０．１〜０．７である、軽量気泡コンクリートの製造方法。
［２］スラリーが石膏を更に含む、［１］記載の製造方法。
［３］珪石及び珪砂の粒度分布は、粒径０．１〜２００μｍの範囲に少なくとも３つのピークを有する、［１］又は［２］記載の製造方法。

本発明によれば、珪酸質原料として用いる珪石や珪砂の粒度を調整することにより、従来と同等の高い結晶性のトバモライトを有しつつ、ＡＬＣパネルの切断や切削、面取り加工時における欠損やひび割れを抑制できる。これにより、製品収率の向上が図れると共に、今まで加工できなかった複雑なデザインも、製品収率を損なうことなく施すことができ、差別化、個性化、高付加価値化等の近年の建築市場ニーズに対応することが可能となる。

実施例１の珪石及び珪砂の粒度分布とピーク分離結果を示すグラフである。 実施例２の珪石及び珪砂の粒度分布とピーク分離結果を示すグラフである。 実施例３の珪石及び珪砂の粒度分布とピーク分離結果を示すグラフである。 実施例４の珪石及び珪砂の粒度分布とピーク分離結果を示すグラフである。

以下、本発明を実施するための形態（以下、「本実施形態」という。）について詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施できる。

以下、本製造方法で用いられる原材料について説明する。

（珪酸質原料）
本実施形態に用いられる珪酸質原料は、珪石及び珪砂を主成分とするものであり、珪石及び珪砂の粒径及び配合割合が下記の特定の条件を満たすものであれば、産地等も含め、特に制限されず、例えば、結晶質の珪石、珪砂及び石英を含むものが好ましく、これらの含有率の高い岩石等も好ましく用いることができる。また、ＳｉＯ_２含有率が８５質量％以上のものも好ましい。なお、ここでいう結晶質とは、粉末Ｘ線回折での石英５重線（ＣｕＫα ２θ＝６７．７°、６７．９°、６８．１°、６８．３°、６８．５°）のピークが５本に分離できるものをいう。

珪石及び珪砂の粉砕後の粒径は、１０μｍ未満であるものを微粒、１０μｍ以上１００μｍ未満であるものを中粒、１００μｍ以上であるものを粗粒とした場合に、粗粒の含有率は、珪石及び珪砂の全質量の１〜２５質量％である。粗粒の含有率が１質量％未満であると、軽量気泡コンクリートにおける欠損やひび割れの発生を抑制できず、２５％より大きいとトバモライト結晶の生成状態が十分ではなくなる。粗粒の含有率は、より好ましくは３〜２５質量％であり、さらに好ましくは５〜２５質量％である。

また、中粒に対する微粒の質量比は、０．１〜０．７である。当該質量比が０．１未満又は０．７より大きいと軽量気泡コンクリートにおける欠損やひび割れの発生を抑制できず、トバモライト結晶の生成状態も十分ではなくなる。中粒に対する微粒の質量比は、より好ましくは０．１５〜０．７であり、さらに好ましくは０．２〜０．７の範囲である。

本実施形態における粉砕後の珪石及び珪砂の粒度及び粒度分布は、レーザー光回折・散乱式の粒度分布計を用いて測定することができる。測定は特に限定されないが、例えば湿式測定であってもよい。また、測定範囲も適宜設定することができ、例えば０．１２μｍ〜７０４μｍに設定することができる。

また、本実施形態の珪石及び珪砂の粉砕後の粒度分布においては、粒径０．１〜２００μｍの間に、粒度に関係なく３つ以上のピークを有することが好ましい。この珪石・珪砂の粒度分布において、粒径０．１〜２００μｍの間に粒度に関係なく少なくとも３つのピークを有する珪石及び珪砂を使用することにより、従来と同等の高い結晶性のトバモライトを有しながら、ＡＬＣの切断、切削、面取り加工時における欠損やひび割れを抑制しやすくなる。ピークの数は３つ以上であればよい。なお、粒度分布におけるピークとは、明瞭な凸状だけではなく、ショルダー状（変曲点）も含まれるため、ピーク数や位置を明確化するために、数学的にピーク分離することが好ましい。ピーク分離の方法としては、特に限定されないが、例えば、Ｇａｕｓｓ関数等がある。

微粒と中粒が、トバモライトの生成を促す理由は、粗粒に比べ比表面積が大きく、例えばオートクレーブによる高温高圧水蒸気養生中において、珪酸成分が多く溶解するためと推察している。また、微粒により、切断、切削、面取り加工時における欠損やひび割れの発生が増大する理由は、中粒や粗粒よりも、ＡＬＣのマトリックスの組織構造が緻密になり、加工時における刃物の抵抗が大きくなるためと推察している。また、粉砕後の珪石・珪砂試料の粒度分布において、粒径０．１〜２００μｍの間に粒度に関係なく少なくとも３つ以上のピークが存在する理由についての詳細は明らかではないが、粒径０．１〜２００μｍの間に粒度に関係なく少なくとも３つ以上の主たる粒子径を有することが、トバモライトの生成又はＡＬＣのマトリックスの組織構造に影響していると推察している。

（石灰質原料）
本実施形態において、石灰質原料は石灰質の原料であれば特に制限されず、石灰やセメントを含んでもよい。石灰とは、生石灰や消石灰等である。また、セメントは特に限定されるものではなく、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント等のカルシウム成分と珪酸質成分を主体とするものが好ましい。

（水）
水は、特に制限されず、蒸留水でもよく、精製水でもよく、水道水でもよい。

（発泡剤）
本実施形態において、発泡剤は、珪酸質原料、石灰質原料及び水を含むスラリーを発泡できるものであれば特に限定されることなく用いることができ、例えば、金属アルミニウム粉末などの発泡剤を用いることが好ましく、界面活性剤などの起泡剤を用いることもできる。

（石膏）
本実施形態のＡＬＣ原材料には、必要に応じて石膏を加えてもよい。石膏を加えることによって、より上記スラリーを硬化させやすくなる。石膏としては、二水石膏、半水石膏、無水石膏などを用いることができる。

本実施形態のＡＬＣ原材料には、必要に応じて撥水性物質を０．１〜３．０質量％含有させてもよい。撥水性物質とは、特に限定されるものではなく、シロキサン化合物、アルコキシシラン化合物、脂肪酸、脂肪酸塩、エポキシ系樹脂、ウレタン系樹脂、シリコーン系樹脂、酢酸ビニル系樹脂、アクリル系樹脂、スチレン−ブタジエン系樹脂等の樹脂エマルジョン等であり、このうち一種または二種以上の混合物を用いることもできる。

また、上記以外の原料であっても、本実施形態のＡＬＣ製造に影響を与えない範囲で各種材料を適宜用いてもよい。例えば、パルプ、発泡スチレンビーズ、有機マイクロバルーン等の有機軽量骨材、パーライト、シラスバルーン等の無機軽量骨材、メチルセルロース等の界面活性剤、ポリアクリル酸、ポリビニルアルコール等の増粘剤、減水剤、高性能減水剤等のセメント系材料において一般に用いられる分散剤、炭酸カルシウム、ドロマイト等の炭酸塩化合物、珪酸ナトリウム等の硬化促進剤、リグニンスルホン酸、グルコン酸塩等のセメント系材料において一般に用いられる硬化遅延剤、リン酸塩等の発泡遅延剤、耐アルカリガラス繊維、カーボン繊維、ステンレス繊維、セラミック繊維、アスベスト繊維等の無機繊維、アラミド繊維、ビニロン繊維、ポリプロピレン繊維等の有機繊維が挙げられる。

本実施形態の軽量気泡コンクリートの製造方法においては、珪石及び珪砂を主成分とする珪酸質原料として上述の特定の粒径分布を有する原料を用いることを特徴とし、この珪石及び珪砂を主成分とする珪酸質原料を、石灰質原料、水及び発泡剤を含むスラリーとして発泡及び半硬化させ、得られる半硬化体を水蒸気養生する方法については公知の製造方法を適用することができる。なお、本製造方法において、半硬化とは完全に硬化する前の段階（状態）をいい、半硬化体における硬化の程度は、例えば運搬できうる程度の硬度である。

本実施形態のＡＬＣの製造方法においては、従来のＡＬＣと同様に補強鉄筋または補強金網をＡＬＣ内に埋設させるように成型してもよい。ここで、補強鉄筋とは、鉄筋を所望の形状に配列し、交差接点を溶接加工したものである。また、補強金網とは、鉄を網状に加工したもので、例えばラス網等がその代表例である。補強鉄筋または補強金網の形状、寸法、鉄筋の太さ、金網の目の大きさ、さらにＡＬＣ内に埋設する際の位置等、配筋の仕方については、限定されるものではなく、ＡＬＣ板の大きさ、用途等によって適宜選択されることが好ましい。これら補強鉄筋または補強金網は、耐久性上有効な防錆材処理が施されていることが好ましい。防錆材としては、合成樹脂系等、公知のものを使用できる。

本実施形態のＡＬＣの比重は、特に限定されるものではないが、０．１以上１．０以下であることが好ましい。

以下、実施例に従って本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

実施例及び比較例で用いた原料は下記の通りである。

珪酸質原料として、国内外７箇所の鉱山から産出する珪石及び珪砂（Ａ〜Ｇ）を用いた。使用した珪石・珪砂それぞれの石英の単結晶粒径は、下記表１に示すように５〜３００μｍの範囲である。なお、石英の単結晶粒径の測定は、珪石及び珪砂の薄片を３枚作製し、偏光顕微鏡（製品名：ＥＣＬＩＰＳＥ ＬＶ１００ＰＯＬ、ニコン社製）により、５０〜４００倍の写真を撮影し、その最大径を直径とし、実質的な粒径範囲を求めた。

珪石及び珪砂（Ａ〜Ｇ）を、単独又は混合し、ボールミルにて同一条件で粉砕することで、粒度の異なる珪石・珪砂試料を準備した。単独又は混合粉砕時における珪石・珪砂試料の混合比率を表２に示す。表２に示す通り、試料は、１〜６の６種類であり、実施例１〜４はそれぞれ試料１〜４を、比較例１〜２は試料それぞれ試料５〜６を用いた。

粉砕後の珪石・珪砂試料の粒度分布を表３に示す。また、図１〜４に、実施例１〜４の粉砕後の珪石・珪砂試料の粒度曲線（実線）とそれから得られたピーク分離結果（破線）を示す。なお、この時のピーク分離方法は、横軸に対数粒径、縦軸に質量頻度をプロットした粒度曲線において、以下に示す条件でピーク分離（ピーク数：３〜４、ピーク位置：各ピーク近傍で指定）した。
モデル：Ｇａｕｓｓ
モデル式：ｙ＝ｙ０＋Ａ／（Ｗ＊ｓｑｒｔ（ＰＩ／２））＊ｅｘｐ（−２＊（（ｘ−ｘｃ）＾２／Ｗ＾２））
粒度分布図１〜４に示す通り、実施例１〜４の粉砕後の珪石・珪砂試料は、粒径０．１〜２００μｍの間に、粒度に関係なく少なくとも３つ以上のピークを有していた。

上記表２〜３に示す実施例１〜４及び比較例１〜２の珪石・珪砂試料を５３質量％、セメント３８質量％、生石灰６質量％、ニ水石膏３質量％を固形原料とした。これら固形原料の合計１００質量％に対し、水７２質量％を添加し、混合撹拌した。混合攪拌後、アルミニウム粉末を固形原料の合計１００質量％に対し０．０６質量％の割合で添加し、スラリーを得た。添加後、型枠内に当該スラリーを注入し、６０℃にて３時間発泡及び硬化させた。運搬できうる硬度に達した半硬化体であるモルタルブロックを、オートクレーブにて１８０℃で６時間養生し、比重０．５の軽量気泡コンクリートを得た。

得られた軽量気泡コンクリート中のトバモライト結晶の生成状態は、粉末Ｘ線回折法を用い、トバモライト５強線（ＣｕＫα ２θ＝７．８°、１６．２°、２９．０°、３０．０°、３１．８°）回折ピーク高さの合計により測定した。なお、この測定法における判定目安として、３０００ＣＰＳ以上であればトバモライト結晶の生成状態が良好とした。
装置：モノクロメーター付粉末Ｘ線回折装置（製品名：Ｘ‘ｐｅｒｔ ＰＲＯ、パナリティカル社製）
測定角度：２θ＝５〜４５°
ステップサンプリング：０．０２°
スキャンスピード：２．５°／ｍｉｎ
電圧：４５ｋＶ
電流：４０ｍＡ
測定ポイント：ＣＰＳ

切断、切削、面取り加工時における、軽量気泡コンクリートの欠損やひび割れの発生程度は、電気ルーター加工機を用い、長さ０．６ｍの切削溝を２０回加工し、この際の欠損やひび割れの発生率により評価した。なお、発生率は、切削溝加工回数（２０回）に対する欠損やひび割れ発生回数を百分率で示したものである。電気ルーターによる加工条件を下記に示す。
装置：電気ルーター加工機（２２０００ｒｐｍ、製品名：日立電気ルーターＴＲ−１２、日立工機社製）
切削溝：幅１０ｍｍ×深さ１０ｍｍ
切削速度：０．３ｍ／ｓｅｃ

上記測定により、トバモライト結晶の生成状態が良好であり、かつ、欠損やひび割れの発生程度が５％以下のものを優良（Ａ）とし、そうではないものを不良（Ｂ）と判定した。結果を表４に示す。

表４に示す通り、実施例１〜４は、トバモライトの５強線合計値は、全て判定目安の３０００ＣＰＳ以上を満たし、ＡＬＣの切断、切削、面取り加工時における欠損やひび割れの発生もしなかった。

一方、微粒／中粒の質量比が０．７を超えた比較例１は、トバモライトの５強線回折ピーク高さの合計が判定目安を満たしておらず、切断、切削、面取り加工時の欠損やひび割れも発生した。また、粗粒の含有率が２５質量％を超えた比較例２も、トバモライトの５強線回折ピーク高さの合計が、判定目安を満たしていなかった。

Claims (3)

1. 珪石及び珪砂を主成分とする珪酸質原料と、石灰質原料と、水と、発泡剤と、を含むスラリーを発泡及び半硬化させ、得られる半硬化体を水蒸気養生する、軽量気泡コンクリートの製造方法であって、
   前記珪石及び珪砂の粉砕後の粒径が１０μｍ未満のものを微粒、１０μｍ以上１００μｍ未満のものを中粒、１００μｍ以上のものを粗粒とした場合に、
   前記粗粒の含有率は、１〜２５質量％であり、
   前記中粒に対する前記微粒の質量比は、０．１〜０．７である、軽量気泡コンクリートの製造方法。
2. 前記スラリーが石膏を更に含む、請求項１記載の製造方法。
3. 前記珪石及び珪砂の粒度分布は、粒径０．１〜２００μｍの範囲に少なくとも３つのピークを有する、請求項１又は２記載の製造方法。