JP2014514191A - 添加剤をセメント様組成物に添加するための、方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、セメント様組成物、好ましくはコンクリート混合物に添加剤を添加する方法に関する。前記方法は、液体流（Ａ）、好ましくは水流を形成する工程と、系に添加剤（９）を供給する工程と、前記添加剤とナノセルロースとを含む混合物が形成されるように、前記液体流（Ａ）に対して横方向に、および／または反対方向に前記添加剤（９）を供給することによって前記添加剤（９）を前記液体流（Ａ）に添加する工程と、形成された混合物を添加物としてセメント様組成物に添加する工程とを含む。さらに、本発明は、セメント様組成物と、添加剤をセメント様組成物に添加するための装置とに関する。

Description

本発明は、添加剤をセメント様組成物に添加するための、方法および装置に関する。特に、本発明は、ナノセルロースをセメント様組成物に添加するための方法に関する。さらに、本発明は、前記方法によって製造された生成物に関する。

コンクリートは、セメント、砂、石、および水の混合物から作製される建設材料である。コンクリートは、水和と称される化学的処理によって、水に混合されて配置された後、凝固および硬化する。水は、他の成分とともに固まるセメントに反応し、最終的に石のような物質を形成する。コンクリートは、舗装道路、建築物、建物の土台、高速道路／道路、橋／陸橋、駐車場、レンガ／ブロック壁、ならびに門、フェンス、および柱のための足場を作製するために使用される。

コンクリート技術において、重要で興味深い分野は、自己充填コンクリート（ＳＣＣ）であり、自己充填コンクリートは、自動的に拡散し、重力によって固まる。したがって、外部からの振動、または他の圧縮は必要ない。硬化したコンクリートは、構造物において通常のコンクリートのように機能する。自己充填コンクリートは、非常に高性能のコンクリートを作製するために使用することができる。締固め作業が必要とされないので、施工時の騒音レベルが顕著に低減され、１つの作業段階が除外される。自己充填コンクリートにおいて、分離が行われてもよく、分離は、水または凝集体の分離であってもよい。原料の、組成または水分含有量のばらつきは、かなりの程度まで自己充填コンクリートの挙動を変更し得る。ロバスト性のこの欠如は、いくつかの用途における自己充填コンクリートの適用を制限する。注入モルタルは、注入技術に関する使用を対象としている。これらの材料に求められる特性は、必要な流動性、および水の低分離特性などを含む。添加剤は、コンクリート材料の特性を変化させるために使用することができる。

本発明の目的は、添加剤、特にナノセルロースをセメント様組成物に添加するための新規の方法および装置を提示することである。ナノセルロースを様々な混合物に均一に添加することは困難である。コンクリートなどのセメント混合物の特性、特に速乾性によって、製造段階では、通常たった数分の短い時間しかかからない。このことは、添加剤の均質混合の観点から新たな課題をもたらすであろう。

本発明の目的を達成するために、好ましい実施形態によれば、本発明の方法は、
液体流を形成する工程と、
添加剤を系に供給する工程と、
前記添加剤を前記液体流Ａに当該液体流の流れ方向に対して実質的に横方向に供給することによって、前記添加剤を前記液体流に添加し、前記添加剤と液体とを含む混合物を形成させる工程と、
形成された混合物を添加物としてセメント様組成物に添加する工程とを含む。
好ましくは、この供給方法によって、前記添加剤は、実質的に前記液体流の全断面積にわたって混合される。

別の実施形態によれば、本発明の方法は、
液体流を形成する工程と、
添加剤を系に供給する工程と、
前記添加剤を前記液体流Ａに当該液体流の流れ方向とは実質的に反対方向に供給することによって、前記添加剤を前記液体流に添加し、前記添加剤と液体とを含む混合物を形成させる工程と、
形成された混合物を添加物としてセメント様組成物に添加する工程とを含む。
好ましくは、前記供給方法によって、添加剤は、実質的に液体流の全断面積にわたって混合される。

好ましい実施例である、ナノセルロースを含む添加剤によれば、ナノセルロースは、液体流に供給されたとき、たとえば約２％の固形成分含有量を有するであろう。好ましい実施例によれば、ナノセルロースは、液体流に供給されたとき、０．５〜５％、より好ましくは、１〜３％の固形成分含有量を有する。

また、添加剤、特にナノセルロースの添加を補助するために、別の注入流を使用することができる。したがって、ある例によれば、液体流への添加剤の混合は、ナノセルロースの添加手段などの添加剤の添加手段が、供給路を含むだけでなく、添加剤を注入液体によって流路に供給するために、別の注入流供給路を含むように強化される。好ましい実施例によれば、注入流供給路は、流路に接続された側方流路からなり、流路から液体を取得し、ノズルを介して流路に戻すためにその液体を運搬するように配置される。

好ましい実施例によれば、ナノセルロースの注入などの、添加剤の横方向添加によって、前記添加剤（たとえば、ナノセルロース）の前記液体流への均一混合は、液体流の流れ方向における添加点、およびその直後における激しい混合領域で生じる。添加されるナノセルロース混合物の供給速度が、前記液体流の速度より早ければ、混合は、特に効率的になる。前記横方向添加に代えて、または加えて、たとえば、添加剤は、液体流とは反対方向に供給される。この場合も、液体流への添加剤の均質混合は、液体流の流れ方向における添加点で、およびそのすぐ下流の強化混合領域で行われるであろう。供給される添加剤の供給速度は、この場合も、液体流の速度よりも有利に高い。

好ましい実施例によれば、ナノセルロースが添加剤として使用されるとき、本発明の方法によって、分離された液体流に均一に混合されたナノセルロースは、材料を作製するために使用される水の少なくとも１部が、前記ナノセルロース／液体混合物に置換されるように、さらに進められ、混合される。好ましい実施例において、ナノセルロース／水の溶液は、コンクリート混合物および／またはセメントなどのセメント様組成物を作製するために使用される水の総含有量の、少なくとも６０％まで、または少なくとも７０％まで、より好ましくは少なくとも８０％、または少なくとも９０％、最も好ましくは少なくとも９５％または少なくとも９８％を占める。好ましい実施例によれば、ナノセルロース／水の溶液は、コンクリート混合物および／またはセメントなどセメント様組成物を作製するために使用される、水のみ、または実質的に水のみである。ナノセルロース以外の他の添加剤を適用するときにも、同様に行うことができる。

好ましい実施形態において、添加剤をセメント様組成物に添加するための装置は、
液体流路と、
前記液体流路に添加剤を供給するための手段と、
１以上の供給手段であって、前記液体流路に通じており、前記液体流の流れ方向に対して実質的に横向きであり、前記添加剤が、前記添加点において好ましくは前記流れの全断面積にわたって混合され、添加剤と液体とを含む混合物を形成するように前記添加剤を供給するために配置される供給手段を含む、前記液体流路における添加点と、
前記混合物をセメント様組成物に混合するための混合手段とを含むことを主に特徴としている。

したがって、本発明に係る装置は、１以上のノズルなどの添加手段を備える流路における添加点を含む。前記添加手段は、流路に通じ、前記液体流の流れ方向に横向きであり、好ましくは添加点における流れの全断面積に実質的にわたって混合されるように、前記添加剤を添加、好ましくは注入するために配置される。

液体流路に沿って、前記装置は、上述の種類の連続的な添加点を含んでもよく、好ましくは添加容器に接続され、前記添加剤を流路における液体流に供給し、混合するために配置される添加手段を含む。

本発明の方法によって、微量の添加剤、好ましくはナノセルロースは、コンクリート混合物および／またはセメントなどのセメント様組成物に均一に添加することができる。１つの例において、ナノセルロースは、ナノセルロースの含有量が、最終的なコンクリート混合物および／またはセメントの、０．００２〜２重量％（ｗｔ−％）、より好ましくは０．２ｗｔ−％以下、最も好ましくは０．０５ｗｔ−％以下になるように添加剤として使用される。

添加剤、特にナノセルロースによって、作製されるコンクリートなどの特性を実質的に向上させることができる。本発明に係る方法および装置によって、均一な品質の製品を作製することができる。流路の異なる側において、お互いに対向する２つの供給手段などのいくつかの供給手段が添加点で使用される場合、添加点における添加剤の混合を強化することができる。

本発明に係る方法は、請求項１〜１５に示されるものに主に特徴付けられる。本発明の装置は、請求項１０の特徴部分に示されるものに主に特徴付けられる。
本発明は、添付図面を参照して以下に説明される。

本発明に係る方法を略図で示した図である。 ナノセルロースの、添加および混合点をより詳細に示した図である。 試験結果を示した図である。 試験結果を示した図である。 試験結果を示した図である。 試験結果を示した図である。 試験結果を示した図である。 試験結果を示した図である。 試験結果を示した図である。 試験結果を示した図である。 試験結果を示した図である。 試験結果を示した図である。

特に言及しない限り、明細書および特許請求の範囲で使用される用語は、建築業界、ならびにパルプおよび紙業界において一般的に使用される意味を有する。特に、以下の用語は、下記に示される意味を有する。

本発明においては、セメント様組成物は、新規な方法によって製造され、当該方法では、添加剤がセメント様組成物に添加される。用語「セメント様組成物」は、セメント様接着剤と少なくとも水とからなる物質を表す。このような物質は、コンクリート、建築用モルタル、および接合モルタルなどを含む。一般的に、たとえば、コンクリートは、セメント、水、骨材、および多くの場合添加剤からなる。

コンクリートの製造においては、典型的には、骨材が添加され、通常、粗骨材および細骨材、ならびに化学添加剤である。用語「骨材」は、コンクリートにおける使用のために適した粒状材料を表す。骨材は、天然由来、合成、または以前に建物に使用されたリサイクル材の材料であってもよい。コンクリート用骨材は、砂利、石灰岩、および花崗岩などの粗骨材と、砂を含む細骨材とを含む。砕石チップまたは再生コンクリートチップも、骨材として使用することができる。本発明においては、粗骨材および／または細骨材を使用することができる。用語「粗骨材」は、その最大寸法が４ｍｍ以上であり、その最小寸法が２ｍｍ以上である骨材を表す。用語「細骨材」は、その最大寸法が４ｍｍ以下である骨材を表す。

本願において、用語コンクリート混合物は、コンクリートを製造するために使用される原料混合物を表す。セメントは、単独ではないが、一般的なポルトランドセメント、迅速に硬化または非常に迅速に硬化する硫酸耐コンクリート、変性セメント、アルミニウムセメント、高アルミニウムセメント、アルミン酸カルシウムセメント、ならびに飛散灰、ポゾランなどを添加されたセメントを含む。本発明では、セメントに代えて、飛散灰およびスラグセメントなどの他のセメント状物質を使用することもできる。

用語「自己充填コンクリート」および用語「自己統合コンクリート」、またはＳＣＣは、所定の位置に広がり、型枠を満たし、機械的振動がなくても強固に封入される高度に流動性を有する非分離コンクリートを表す。この定義によれば、それは、振動なく、その自重のみによって広がることができるコンクリート混合物である。好ましい実施例によれば、本発明において製造されるセメント様組成物は、自己充填コンクリートである。

用語「セメント様組成物における添加剤」または「セメント／コンクリートの中の添加剤」は、新鮮、または硬化コンクリートの特性を変えるために、コンクリート混合工程などの、セメントに対して少量でセメント様組成物に添加された物質を表す。本発明に係るコンクリート混合物は、いわゆるセメント様添加剤を含み得る。用語「セメント様添加剤」は、水の存在下において、固化または硬化するために十分な水性活性を有する、カルシウム、アルミニウム、ケイ素、酸素、および／または硫黄化合物を含む任意の無機材料を表す。

本願において、液体流は、液体が運搬媒体として機能する、任意の液体ベースの、最も一般的には水ベースの流れを表す。好ましくは、液体流は、水流である。

好ましい実施例によれば、セルロース系原料に由来するナノセルロースは、本発明において添加剤として使用される。用語「セルロース原料」は、セルロースパルプ、微細化パルプ、またはマイクロファイバーセルロースの製造に使用することができる任意のセルロース原料を表す。原料は、セルロースを含む任意の植物原料に基づいてもよい。また、原料は、細菌の特定の発酵処理から得ることができる。植物材料は、木材であってもよい。木材は、トウヒ、マツ、銀モミ、カラマツ、ベイマツ、もしくはカナダツガなどの軟材、カバノキ、アスペン、ポプラ、ハンノキ、ユーカリ、もしくはアカシアなどの硬材、または軟材と硬材との混合材であってもよい。木質系以外の原料は、綿、トウモロコシ、コムギ、オートムギ、ライムギ、オオムギ、米、亜麻、麻、マニラ麻、サイザル麻、ジュート、ラミー、ケナフ麻、バガス、竹、または葦から得られた、わら、葉、樹皮、種子、豆類、花、トップス、または果物などの、農業廃棄物、草、または他の植物材料を含んでもよい。セルロース系原料の起源も、セルロース産生微生物であってもよい。微生物は、アセトバクター（Acetobacter）属、アグロバクテリウム（Agrobacterium）属、リゾビウム（Rhizobium）属、シュードモナス（Pseudomonas）属、またはアルカリゲネス（Alcaligenes）属であり、好ましくはアセトバクター（Acetobacter）属であり、より好ましくはアセトバクターキシリナム（Acetobacter xylinum）種またはアセトバクターパスツリアヌス（Acetobacter pasteurianus）種に属していてもよい。

用語「ナノセルロース」は、セルロース系原料に由来する、分離されたセルロースミクロフィブリルまたはミクロフィブリルの束の一群を表す。ミクロフィブリルは、通常、高アスペクト比を有する。その長さは、１マイクロメートルより長くてもよいが、数平均直径は、通常、２００ｎｍよりも小さい。ミクロフィブリルの束の直径も大きくすることができるが、通常１μｍよりも小さい。最小のミクロフィブリルは、通常、２〜１２ｎｍの直径を有する、いわゆる基本繊維と同様である。線維または線維束の直径は、原料およびパルプ化方法によって異なる。また、ナノセルロースは、ヘミセルロースを含んでもよく、その含有量は、植物源によって異なる。セルロース系原料、セルロースパルプ、または微細化パルプに由来するナノセルロースの機械的パルプ化は、リファイナー、粉砕機、ホモジナイザー、コロイドミキサ、摩擦粉砕機、超音波処理装置、またはマイクロフルイダイザー、マクロフルイダイザーもしくは流動化型ホモジナイザーなどの流動化装置などの適切な手段によって実行される。また、「ナノセルロース」は、特定の発酵処理から直接分離されてもよい。本発明に係るセルロース産生微生物は、アセトバクター（Acetobacter）属、アグロバクテリウム（Agrobacterium）属、リゾビウム（Rhizobium）属、シュードモナス（Pseudomonas）属、またはアルカリゲネス（Alcaligenes）属、好ましくはアセトバクター（Acetobacter）属、より好ましくはアセトバクターキシリナム（Acetobacter xylinum）種またはアセトバクターパスツリアヌス（Acetobacter pasteurianus）種に属していてもよい。また、「ナノセルロース」は、セルロースミクロフィブリルまたはミクロフィブリルの束の、任意の化学的または物理的に修飾された誘導体であってもよい。化学的誘導体は、セルロース分子の、カルボキシメチル化、酸化、エステル化、またはエーテル化反応などに基づいてもよい。また、修飾は、アニオン性、カチオン性もしくは非イオン性物質、またはこれらの任意の組み合わせの、セルロース表面への物理的吸着によって実行されてもよい。記載された修飾は、ナノセルロースの製造前、製造後、または製造中に行うことができる。

ミクロフィブリルセルロース、ナノフィブリル化セルロース（ＮＦＣ）、ナノフィブリルセルロース、セルロースナノファイバー、ナノクラスフィブリル化セルロース、ミクロフィブリル化セルロース（ＭＦＣ）、またはセルロースミクロフィブリルなどの、ナノセルロースに広く使用される数種類の同義語が存在する。さらに、特定の微生物によって産生されたミクロフィブリルセルロースは、細菌セルロース、微生物セルロース（ＭＣ）、バイオセルロース、ナタデココ（ＮＤＣ）またはココ・デ・ナタなどの様々な類義語を有する。本発明に記載されたミクロフィブリルセルロースは、セルロースナノウィスカー、セルロースナノ結晶、セルロースナノロッド、棒状微結晶セルロース、またはセルロースナノフィラメントと称される、いわゆるセルロースウィスカーと同じ材料ではない。いくつかの事例では、文献Kuthcarlapati ym.（Metals Materials and Processes 20(3):307-314, 2008）などにおいて、同様の用語は、両方の材料のために使用され、試験材料は、「セルロースナノファイバー」と称されたが、明らかにセルロースナノウィスカーを意味した。通常、これらの材料は、より剛直な構造をもたらすミクロフィブリル化セルロースのような繊維構造中に非晶質セグメントを有していない。さらに、セルロースウィスカーは、通常ミクロフィブリル化セルロースよりも短い。

本出願では、用語「実質的に横方向」は、前記物体に対して、７０〜１１０°、より好ましくは８０〜１００°、さらに好ましくは８５〜９５°、最も好ましくは８７〜９３°の角度を表す。たとえば、液体流の流れ方向に対して実質的に横方向に添加剤を液体流に添加することは、前記液体流の流れ方向に対して、７０〜１１０°、より好ましくは８０〜１００°、さらに好ましくは８５〜９５°、最も好ましくは８７〜９３°を表す。

本出願では、図１〜図１２において以下の参照符号が使用される。
Ａ 液体流
Ｂ 流路、たとえばパイプ
Ｍ 測定
１ コンクリートなどのセメント様組成物を作製するための作製手段
３ 添加および混合点
３ａ 供給手段、たとえばノズル
３ｂ 注入液体供給路
７ａ コンクリート混合物などのセメント様組成物の原料
９ 添加剤、好ましくはナノセルロース
９ａ 添加剤の供給前の、容器または保存のための相当する構造
９ｂ 添加剤、好ましくはナノセルロースのための供給路
９ｃ 添加剤、好ましくはナノセルロースのための添加ユニット

図１は、好ましくはナノセルロースを含む添加剤９が液体流Ａに供給された後、形成された混合物Ａ，９が作製手段１に導かれ、コンクリート混合物などのセメント様混合物７の作製において使用される、本発明に係る方法を略図で示している。図１に係る溶液において、分離された添加剤添加ユニット９ｃを使用してもよく、使用しなくてもよい。次に、図２は、本実施形態に係る、添加および混合点３のより詳細な構造を示している。

本発明において、添加剤９は、添加および混合点３において、所定の濃度でそれを液体流Ａに供給することによって、液体流Ａ、好ましくは水流に添加される。前記所定の濃度は、好ましくは０．０５〜５％、より好ましくは０．５〜２％である。好ましくは、添加剤９は、液体流Ａの流れ方向に実質的に横方向に（垂直に）液体流Ａに供給され、添加点３において流れＡの全断面積にわたって、添加剤９、好ましくはナノセルロースが混合される。添加剤の横方向添加に加えて、または代えて、添加剤９を液体流Ａに当該液体Ａの流れ方向とは反対方向に供給することができる。

本発明に係る方法では、添加剤９は、添加剤９が流れＡに均一に混合されるように、十分な圧力で供給ノズルなどの供給手段から供給される。このように、前記混合は、一般的には非常に迅速に、実際には１秒未満で行われる。１以上の供給手段３ａ（たとえば供給ノズル）は、流れＡを運搬する流路Ｂ（たとえばパイプ）の壁に取り付けることができ、流路Ｂの長手軸方向に実質的に横方向に流路Ｂの内部に通じる。１以上供給手段が存在する場合、それらは、流路Ｂの外周に均一に分散させることができる。たとえば、２つの供給手段３ａの場合、添加剤９、好ましくはナノセルロースは、液体流Ａに反対の方向から供給される。このような方法で、添加点３における添加剤９の混合を強化することができる。

本発明に係る添加剤の添加によって、たとえば、ナノセルロース９は、液体流の流れ方向における、添加点３およびその直後である強化混合領域において液体流Ａに均一に混合される。注入される添加剤の供給速度が、線形速度で表わされる液体流の速度の少なくとも３倍である場合、添加剤と液体流との混合は、特に効率的になる。

供給路９ｂにおける添加剤９の供給速度を混合に必要な十分に高いレベルまで増加させるために、パイプ内に圧送され、同一の供給手段３ａ（たとえばノズル）からナノセルロース分散液などの添加剤として供給される注入液体を使用することができる。したがって、好ましい実施例によれば、注入流体供給路３ｂは、処理されるために、液体流Ａ（主流）から分離される側方流であり、添加点３で液体流（主流）Ａに再結合される。このことは、前記注入液体供給路３ｂとして作用する側方流を流路（パイプＢ）に接続することによって、液体流Ａから注入液体を有利に得る方法を示す図２に示されている。

ある例では、注入液体供給路３ｂにおける注入液体のための十分な供給圧力は、図２に示される小さな補助ポンプによって得ることができ、注入液体供給路３ｂ（または側方流路）にもたらされ、ノズル３ｂを通って十分な速度で注入液体流を作製し、流路（パイプ）Ｂに戻される。ノズル３ａを通る側方流として導かれる流れの容量は、主流Ａのほんの一部でしかない。したがって、本発明によれば、添加剤９を前記コンクリート混合物に添加する前の、ナノセルロースなどの前記添加剤９の液体流Ａへの混合は、たとえば処理される液体のすべての流れの１０体積％（ｖｏｌ％）よりも少ない、好ましくは５ｖｏｌ％よりも少ない小さな側方流のみを用いることによって比較的低い圧力で行われる。

好ましい実施例によれば、図２に示されるように、注入液体供給流路３ｂが添加剤供給管９ｂとともに流路Ｂに通じ、それらは共に供給手段の構造（ノズル構造）を構成する。したがって、供給手段３ａは、好ましくは添加剤供給管９ｂの開放末端と、流路Ｂの内部壁の注入液体供給管３ｂとから同軸に構成され、注入液体供給路３ｂの末端は、供給管９ｂの末端を輪状の部材で包囲する。さらに、注入流供給路３ｂの末端は、好ましくは先細であり、ノズル３ａ内の線形流速を増加させる。

加圧されることによって流路Ｂにおける液体流Ａに放出される注入流体は、インジェクタ効果をもたらし、それによって添加剤９のために供給管９ｂから来る溶液が、注入液体に混入される。液体流の流れ方向に横方向に十分な速度で流れことによって、注入液体は、供給手段３ａで液体流Ａの断面における溶液の流れに効果的に混合される。強力な混合が行われる領域は、図２に破線で示されている。注入液体の供給圧力は、好ましくは、注入液体と添加剤９とが流れＡに注入される速度が、管Ｂにおける液体流Ａの流速の、少なくとも３倍、好ましくは５倍になるように調整される。図２に示されるものと同様の配置は、１以上の連続的な供給点で提供することができる。ナノセルロースなどの添加剤９のために２以上の連続する添加点３が存在する場合、液体流Ａの流れ方向において、前記添加剤９は、少量ずつ添加することができる。したがって、比較的簡単な構成によって、全体の効率を向上させることができる。

好ましい実施例では、１以上の添加剤は、１以上の添加剤を液体流Ａに注入することによって、本発明に係る方法で添加される。注入によって１以上の添加剤が本発明に係る方法で添加されるとき、たとえばナノセルロースと同じ注入点で、および／または別の注入点で前記１以上の添加剤を添加することができる。本発明に従った効果的な混合によって、前記１以上の添加材は、効果的にコンクリート混合物および／またはセメントなどのセメント様組成物に混合され、必要な添加剤の量を低減することができる。

好ましい実施例によれば、少なくとも１つの添加剤が注入された液体流Ａも、添加剤を含有してもよい。

好ましい実施例では、本発明に係る装置は、添加剤９のための添加ユニット９ｃを備える。したがって、好ましい実施例によれば、ナノセルロースバッチの寸法など、作製される添加剤バッチの寸法と、コンクリート混合物などのセメント様組成物７の、ナノセルロース含有量など、所望の添加剤の含有量と、ナノセルロース濃度など、添加点３に供給される添加剤の乾物含有量とのデータが添加ユニット９ｃに入力される。

これらの所定のパラメータによれば、添加ユニット９ｃは、添加剤９の量をセメント様組成物７の製造工程に添加する。好ましくは、添加剤供給路９ｂにおける流れを制御することによって添加が行われる。

好ましい実施例によれば、添加剤添加ユニット９ｃが使用されるとき、少なくとも、供給路内の流れは、好ましくは添加剤供給路９ｂから測定される。ナノセルロースが少なくとも１つの添加剤として使用されるとき、ナノセルロースは、好ましくは所定の固形分含有量を有する。必要であれば、ナノセルロースの固形分含有量は、ナノセルロースを含む容器などからの分離された試料を取得することによって監視することができる。

供給路９ｂ中の添加剤９の十分な供給速度は、たとえば前記添加剤９（図示せず）を押し出すポンプを用いて達成することができる。添加剤の用量は、好ましくは、供給路中の流れに基づいて制御される。

添加剤９を混合された液体流Ａは、添加および混合点３の下流に導かれ、セメント様組成物を作製するための手段１によってセメント様組成物に添加される。コンクリート混合物などのセメント様組成物に前記添加剤９を添加する前に、別の中間容器（図示せず）を利用することもできる。したがって、中間容器の内容物は、好ましくはミキサを用いて連続的に混合される。添加剤と液体との、好ましくはナノセルロースと液体との作製された混合物は、セメント様組成物の製造に使用される水の少なくとも一部を置き換えるために使用される。

発明者らは、実際に行った実験を提示して、特にナノセルロース添加剤の添加によって得られる利点を以下に示す。さらに、発明者らは、ナノセルロースの混合効率を従来技術の混合効果に比較した。実験室条件下で行われる試験は、以下の実施例１〜３においてより詳細に説明される。実施例では、水／セメント比について略語「ｗ／ｃ」を使用した。添加剤として、発明者らは、ナノセルロースを使用し、略語はＭＦＣである。

実施例１および２
使用した材料
ナノセルロース
１）技術的品質のミクロフィブリル化セルロース、いわゆる技術的ＭＦＣ。本願において、用語「技術的ＭＦＣ」は、布フィルタまたはフィルタ膜を使用することなどによる細分化によって微細化パルプから大きなセルロース繊維を取り除くことによって得られた、微細化され、細分化されたパルプを表す。技術的なＭＦＣは、１５μｍよりも大きな直径を有する繊維などの大きな繊維を含まない。

２）ミクロフィブリル化セルロースＬ１、またはいわゆるＭＦＣ−Ｌ１。本願において、用語ＭＦＣ−Ｌ１は、不安定化（labilization）が、パルプの酸化、セルロース原料、または微細化パルプに基づく材料を表す。不安定化によって、パルプは、ミクロフィブリル化セルロースに容易に分解することができる。不安定化反応の結果として、官能アルデヒドおよびカルボン酸基が、ＭＦＣ−Ｌ１繊維の表面上に見出される。

３）ミクロフィブリル化セルロースＬ２、またはいわゆるＭＦＣ−Ｌ２。本願において、用語ＭＦＣ−Ｌ２は、不安定化が、パルプ、セルロース原料、または微細化パルプのカルボキシメチル化に基づく材料を表す。不安定化によって、パルプは、ミクロフィブリル化セルロースに容易に分解することができる。官能カルボキシル酸基が、ＭＦＣ−Ｌ２繊維の表面上に見出される。

ナノセルロース添加剤試料に加えて、ナノセルロースが添加されない基準サンプルが作製された。これらは、以下の本願および図３〜図１２において「基準」および「コントロール」と称される。

セメント：
全ての試験点において使用されたセメントは、CEM II/A-M(S-LL)42,5 Nセメント（Finnsementti Oy社、フィンランド）であった。

実施例１
試験では、ペースト混合物のレオロジーが使用されるセルロース材料について検討された。すなわち、
１）技術的ＭＦＣ、
２）ＭＦＣ−Ｌ１、および
３）ＭＦＣ−Ｌ２である。

方法：
混合
ペーストの混合は、ホバートモルタルミキサを用いて行った。混合時間は３分（低速で２分間＋高速で１分間）であった。パルプおよびセルロース材料は、攪拌器を使用して、水（および可能な可塑剤）に手動で混合された。

レオロジー
ペースト混合物のレオロジーは、粘度計（Rheotest RN4）によって調べられた。混合後、ペーストは、測定用の同軸円筒に添加された。剪断速度を変化させて、試料の剪断応力を測定した。

試験計画：
ペースト混合物の組成は、表1に示される。作製されたペーストの水／セメント比は、すべてのペーストの処理可能性が等しくなるように調整された。このことは、ほぼ一定の降伏限界に対応する。

ペースト混合物のレオロジーは、混合直後に調べられた。試験は、約１５分間行われた。

試験結果：
試験結果は、上述の表１、ならびに図３および４に示される。試験は、ナノセルロース（ＭＦＣ）が添加剤として使用されるとき、それらの処理可能性および安定性が、基準試料と比較して同じままであるように、より高い水／セメント比を有するペーストを作製することが可能である。実施例において、基準ペーストについて、より高いセメント含有量が、適切な加工性をもたらすために使用された。また、試験において、降伏限界を増加する効果が観察された。

図３は、剪断速度（１／秒）に対する、可塑剤なしで形成されるペーストの剪断応力（Ｐａ）を示す。基準試料のための水／セメント比（ｗ／ｃ）について、試料ＭＦＣ−Ｌ２ ０．２５％、および試料ＭＦＣ−Ｌ２ ０．１２５％は、それぞれ０．４００、０．５９３、および０．５３９であった。

図４は、剪断速度（１／ｓ）に対する、可塑剤を形成するペーストの剪断応力（Ｐａ）を示す。基準試料のための水／セメント比（ｗ／ｃ）について、試料ＭＦＣ−Ｌ２ ０．２５％は、それぞれ０．３５５、および０．５３９であった。

実施例２
試験において、注入モルタルから水を分離する研究、および粘度の研究は、技術的ミクロフィブリル化セルロース、およびＭＦＣ−Ｌ１調製物を適用することによって行われた。

方法：
混合
注入モルタルは、高速ミキサ（Desoi AKM-70D）を用いて混合された。セメント、水、およびセルロースの混合は、常に５０００ｒｐｍの速度で行った。最初に水が添加され、続いて短い予備混合後（５秒より短い）にセルロースが添加され、最後にセメントが添加された。セメントの混合時間は、２分間であった。いくつかの場合において、セルロースは、５，０００ｒｐｍまたは１０，０００ｒｐｍで２分間予備混合（または分散）された。

新鮮な注入モルタルを試験するための方法
水分の分離は、１リットルのモルタルを測定ビーカー（容量１，０００ｍｌ、直径６０ｍｍ）に注ぎ、２時間後に分離された水の量を測定することによって測定された。
マーシュ粘度は、マーシュ漏斗を適用することによって規格（EN 14117）に従って測定された。

テスト計画および結果
組成、および注入モルタルのコントロール混合物と、技術的ミクロフィブリル化セルロース（技術的ＭＦＣ）を含む混合物との試験結果は、表２および図５〜図７に示されている。

図５は、ｗ／ｃ比が０．６５〜１．００の範囲のコントロール混合物と、ｗ／ｃ比が常に１．００であるセルロース繊維（技術的ＭＦＣ）を含む混合物とについての水分の分離（２時間後）を示している。

図６は、ｗ／ｃ比が０．６５〜１．００の範囲のコントロール混合物と、ｗ／ｃ比が常に１．００であるセルロース繊維（技術的ＭＦＣ）を含む混合物とについてのマーシュ粘度を示している。

図７は、ｗ／ｃ比が０．６５〜１．００の範囲のコントロール混合物と、ｗ／ｃ比が常に１．００であるセルロース繊維（技術的ＭＦＣ）を含む混合物とについてのマーシュ粘度を示している。

不安定化パルプ（ＭＦＣ−Ｌ１）から得られたミクロフィブリル化セルロース繊維を含有する注入モルタル混合物の組成は、表３および図８〜図１０に示されている。３つの混合物（混合物２、３、および４）について、５，０００または１０，０００ｒｐｍで２分間、セルロースの予備混合（または分散）が行われた。

表３に示される混合物は、以下の方法のみで水に予備混合された。
コントロール試料：第１の水＋セメント＋混合（５，０００ｒｐｍで２分間）
混合物１：コントロール（ｗ／ｃ比＝１．００）−水およびセメントは、５，０００ｒｐｍで１分間混合された。セルロースは、混合物に添加され、混合は、５，０００ｒｐｍで２分間続けられた。

混合物２：セメントの乾燥セルロース０．１００％−セルロースおよび水を２分間５，０００ｒｐｍで混合した。セメントが混合物に添加され、混合は、５，０００ｒｐｍで２分間続けられた。

混合物３：セメントの乾燥セルロース０．０５％−セルロースおよび水を２分間１０，０００ｒｐｍで混合した。セメントが混合物に添加され、混合は、５，０００ｒｐｍで２分間続けられた。

混合物４：セメントの乾燥セルロース０．０５％−セルロースおよび水を２分間５，０００ｒｐｍで混合した。セメントが混合物に添加され、混合は、５，０００ｒｐｍで２分間続けられた。

図８は、ｗ／ｃ比が１．００であるコントロール混合物と、ｗ／ｃ比が１．００であるセルロース繊維（ＭＦＣ−Ｌ１）を含む混合物とについての水分の分離（２時間後）を示している。

図９は、ｗ／ｃ比が１．００であるコントロール混合物と、ｗ／ｃ比が１．００であるセルロース繊維（ＭＦＣ−Ｌ１）を含む混合物とについてのマーシュ粘度値を示している。

図１０は、コントロール混合物と、セルロース（ＭＦＣ−Ｌ１）を含有する混合物とについて、マーシュ粘度値と水分の分離値とを示している。すべての混合物は、１．００のｗ／ｃ比を有する。

実施例１および２の結果の要約
実際に行った実験では、ミクロフィブリル化セルロース繊維は、注入モルタルからの水分の分離を低減し、その粘度を増加させることを示した。マーシュ粘度の相対的増加は、水分の分離の相対的減少よりも低かった。たとえば、１７％対５０％（ｗ／ｃ比が１．００であるとき、セメントの０．２６３％の技術的ＭＦＣ作製）、およびたとえば、２０％対６３％（ｗ／ｃ比が１．００のとき、セメントの０．０５％のＭＦＣ−Ｌ１作製）。

水の分離試験は、ミクロフィブリル化セルロース繊維が、低いｗ／ｃ比を有するコントロール混合物のレベルまで、１．００のｗ／ｃ比を有するモルタルからの水分の分離を減少させることを示した。
たとえば、混合物のｗ／ｃ比が１．００であり、含有量が乾燥セメントの０．３４重量％であるセルロース繊維（技術的ＭＦＣ）は、０．７５のｗ／ｃ比を有するコントロール混合物とほぼ同じ低い水分離をもたらした。

マーシュ粘度試験に基づいて、ミクロフィブリル化セルロース繊維は、１．００のｗ／ｃ比を有するモルタルの粘度を、低いｗ／ｃ比を有するコントロール混合物のレベルまで増加させると結論付けられる。マーシュ粘度の増加は、繊維が添加されたセルロースの量に依存する。増加したナノセルロース含有量が十分に多くない場合は、粘度の増加は低減される。

実施例３
モルタルの作製の間における、不安定化パルプからのミクロフィブリル化セルロースの製造。
ミクロフィブリル化セルロース添加剤は、産業界で通常使用される装置によるウェットセメント含有剤の作製の間に不安定化パルプから製造することができる。たとえば、Desoi AKM-70Dなどの高速ミキサは、一般的に注入モルタルを均質化するために使用される。この実施例では、不安定化パルプを非常に効果的な添加剤に繊維化するための本発明に従って、この種類のミキサを使用する方法を示している。

試験計画および結果
予備分散の有無における、化学修飾されたパルプ、すなわち、ＭＦＣ−Ｌ１作製に使用されたものと同一のパルプが使用された注入モルタル混合物についての、組成および試験結果は、表４、ならびに図１１および図１２に示される。セルロースなしの基準試料も結果に含まれる。

図１１は、１．００のｗ／ｃ比を有するコントロール混合物と、柔軟なパルプを含む混合物（混合物１、ＭＦＣ−Ｌ１前駆体）と、Desoi AKM-70Dミキサを用いて繊維化された１．００のｗ／ｃ比を有するＭＦＣ−Ｌ１調製混合物（混合物２）とについての、水分の分離（２時間後）を示している。

図１２は、１．００のｗ／ｃ比を有するコントロール混合物と、柔軟パルプを含む混合物（混合物１、ＭＦＣ−Ｌ１前駆体）と、Desoi AKM-70Dミキサを用いて繊維化された、１．００のｗ／ｃ比を有するＭＦＣ−Ｌ１調製混合物（混合物２）とについてのマーシュ粘度値を示している。

予備分散において、乾物含有量（乾燥柔軟パルプ）は、水中で１％であった。予備分散は、１０，０００ｒｐｍで高速ミキサ（Desoi AKM-70D）を用いて行われた。１％の乾物含有量を有する得られた予備分散パルプは、注入モルタルを作製するために使用された。

セメント、水、およびセルロースの混合（予備混合または非予備混合）を５０００ｒｐｍの速度で行った。水を最初に添加し、続いて短い予備混合（５秒より短い）後にセルロースを添加し、最後にセメントを添加した。セメントの混合時間は、２分間であった。

試験は、予備分散され、化学修飾された柔軟パルプが、水分の分離を減少させ、注入モルタルのマーシュ粘度を増加させることを示した。予備分散がなければ、水分の分離が減少せず、マーシュ粘度も増加しなかった。

水分離試験は、予備分散され、化学修飾された柔軟パルプが、水分の分離を１．００のｗ／ｃ比を有するモルタルから６５％減少させたことを示した。

マーシュ粘度試験に基づいて、予備分散され、化学修飾された柔軟パルプは、１．００のｗ／ｃ比を有するモルタルの粘度を約１９パーセント増加させると結論付けることができる。

上述の実施例からわかるように、結果は、本発明に係る混合効率がもたらされたときにかなり良好であり、ナノセルロースとセメントとの混合が改良されると、セメント特性は、実質的に向上した。本発明は、コンクリート混合物および／またはセメントのようなセメント様組成物に添加剤を均一に混合するための、新規な、工業的に適用可能な方法および装置を開示している。

コンクリート混合物、および／またはセメントなどのセメント様組成物への添加剤の均一な添加は、特に重要である。なぜなら、不均一な混合は、コンクリート混合物および／またはセメントの最も弱い箇所がコンクリートの強度を決定する状況をもたらすからである。

本発明の工業的に適用可能な方法および装置によって、製造されるコンクリート混合物の特性を実質的に向上することができるようにナノセルロースをセメント様組成物に混合することができる。

本発明は、図１〜図１２、および上述の記載に示される実施例のみに限定されるものではないが、添付の特許請求の範囲に示されるものを特徴としている。

Claims (16)

1. 添加剤をセメント様組成物に添加する方法であって、
   液体流（Ａ）を形成する工程と、
   添加剤（９）を系に供給する工程と、
   前記添加剤（９）を前記液体流Ａに当該液体流の流れ方向とは実質的に反対方向に供給することによって、前記添加剤（９）を前記液体流（Ａ）に添加し、前記添加剤と液体とを含む混合物を形成させる工程と、
   形成された混合物を添加物としてセメント様組成物に添加する工程とを含むことを特徴とする方法。
2. 前記添加剤（９）は、ナノセルロースを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記液体流（Ａ）への供給路（９ｂ）によって前記ナノセルロースを導く工程を含む方法であって、
   前記供給路（９ｂ）におけるナノセルロースの乾物含有量は、１０％未満であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 最終セメントにおけるナノセルロースの含有量は、２重量％以下、より好ましくは０．２重量％以下、最も好ましくは０．０５重量％以下であることを特徴とする請求項２または３に記載の方法。
5. 前記添加剤（９）が前記液体流（Ａ）に供給される速度は、前記液体流（Ａ）の流速の、少なくとも３倍、より好ましくは少なくとも５倍であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 注入液体によって前記添加剤（９）を前記液体流（Ａ）に供給する工程を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記液体流（Ａ）の液体と同じ物質を含む注入液体であって、好ましくは、前記液体流（Ａ）から取得され、前記液体流（Ａ）に戻される側方流である注入液体を使用する工程を含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記方法において使用されるセメント様組成物は、コンクリート混合物であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記方法において使用される液体流は、水流であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 添加剤をセメント様組成物に添加するための装置であって、
    液体流路（Ｂ）と、
    添加剤を前記液体流路（Ｂ）に供給するための手段（３ａ）と、
    １以上の供給手段（３ａ）であって、前記液体流路（Ｂ）に通じており、前記液体流（Ａ）の流れ方向に対して実質的に横向きであり、前記添加剤が、前記添加点において前記流れに混合され、添加剤と液体とを含む混合物を形成するように前記添加剤を供給するために配置される供給手段を含む、前記液体流路（Ｂ）における添加点（３）と、
    前記混合物をセメント様組成物に混合するための混合手段とを含むことを特徴とする装置。
11. 注入液体を供給するための注入液体供給路（３ｂ）を備えることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 添加剤添加容器（９ａ）を含む装置であって、
    前記１以上の供給手段（３ｂ）は、前記添加剤添加容器（９ａ）に接続されていることを特徴とする請求項１０または１１に記載の装置。
13. 前記添加剤は、ナノセルロースを含むことを特徴とする請求項１０、１１、または１２に記載の装置。
14. 添加点（３）に供給される添加剤の目標固形成分含有量と、
    添加点（３）に供給されるナノセルロースの目標量と、
    作製されるセメント様組成物の目標添加剤含有量との少なくとも１つを含む所定のパラメータに基づいて、添加される添加剤（９）の量を決定するために配置される添加剤添加ユニット（９ｃ）を備えることを特徴とする請求項１０、１１、１２、または１３に記載の装置。
15. 添加剤をセメント様組成物に添加するための方法であって、
    液体流（Ａ）を形成する工程と、
    添加剤（９）を系に供給する工程と、
    前記添加剤（９）を液体流（Ａ）に当該液体流（Ａ）の流れ方向とは反対方向に供給することによって、前記添加剤（９）を前記液体流（Ａ）に添加し、前記添加剤と液体とを含む混合物を形成する工程と、
    形成された混合物を添加物としてセメント様組成物に添加する工程とを含むことを特徴とする方法。
16. 請求項１〜９、もしくは１５に記載の方法によって、または請求項１０〜１４のいずれか１項に記載の装置によって添加される添加剤（９）を含むことを特徴とするセメント様組成物、好ましくはコンクリート混合物。

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